JP5520782B2 - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、非水電解質二次電池に関するものであり、特に、高容量かつサイクル特性に優れた非水電解質二次電池に関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery, and more particularly to a non-aqueous electrolyte secondary battery having a high capacity and excellent cycle characteristics.
リチウムイオン二次電池は、携帯機器を中心に使用されており、使用機器の小型化や多機能化に伴って高容量化が要求されている。しかし、現在使用されているリチウムイオン二次電池の負極活物質の人造黒鉛や天然黒鉛などの炭素系材料は、理論容量が372mAh/gであり、これ以上の容量増大は望めない。 Lithium ion secondary batteries are used mainly in portable devices, and higher capacities are required as the devices used become smaller and more multifunctional. However, carbon materials such as artificial graphite and natural graphite, which are currently used as negative electrode active materials for lithium ion secondary batteries, have a theoretical capacity of 372 mAh / g, and a further increase in capacity cannot be expected.
そのため、理論容量がより大きいケイ素(Si)や錫(Sn)等の金属材料やその酸化物材料を用いた負極が提案され(例えば、特許文献1参照)、注目されているが、これらの材料は初期の数サイクル程度は非常に高い容量を示すが、充放電を繰り返すことによって活物質の膨張収縮による微粉化が生じ、負極活物質が集電体から脱落するため、サイクル特性は非常に悪いという問題があった。 Therefore, a negative electrode using a metal material such as silicon (Si) or tin (Sn) having a larger theoretical capacity or an oxide material thereof has been proposed (for example, see Patent Document 1). Shows a very high capacity in the initial few cycles, but the pulverization due to expansion and contraction of the active material occurs due to repeated charge and discharge, and the negative electrode active material falls off the current collector, so the cycle characteristics are very poor. There was a problem.
そこで、SiやSn等のLiを吸蔵可能な成分と、Liを吸蔵しないCuやFeなどの成分とをメカノケミカル法により混合することによって、充放電サイクルによる劣化を抑制する方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。 Then, the method of suppressing deterioration by a charge / discharge cycle is mixed by mixing the component which can occlude Li, such as Si and Sn, and the components, such as Cu and Fe which do not occlude Li, by a mechanochemical method. (For example, refer to Patent Document 2).
一方で、電極の製法として、CVD法、スパッタリング法、蒸着法、またはめっき法によりこれらの材料の薄膜を集電体に形成する方法が提案されている(例えば、特許文献3)。さらに、この方法により形成した電極表面の被膜の安定化方法として、電解液に不飽和結合を有する環状炭酸エステルを添加する方法が提案されている(例えば、特許文献4)。 On the other hand, as a method for producing an electrode, a method of forming a thin film of these materials on a current collector by a CVD method, a sputtering method, a vapor deposition method, or a plating method has been proposed (for example, Patent Document 3). Furthermore, as a method for stabilizing the coating on the electrode surface formed by this method, a method of adding a cyclic carbonate having an unsaturated bond to the electrolytic solution has been proposed (for example, Patent Document 4).
しかしながら、特許文献2に記載の発明では、ナノサイズのレベルで各成分を均質に分散させることが困難であり、特に、負極材料としての実用化が期待されているシリコンは、充放電時の体積変化が大きいため、割れが発生しやすく、サイクル特性の劣化は十分には防げなかった。 However, in the invention described in Patent Document 2, it is difficult to uniformly disperse each component at the nano-size level. In particular, silicon that is expected to be put into practical use as a negative electrode material has a volume during charge / discharge. Since the change was large, cracking was likely to occur and deterioration of cycle characteristics could not be prevented sufficiently.
また、特許文献3及び特許文献4に記載の発明では、負極活物質層をCVD法、スパッタリング法、蒸着法、またはめっき法により形成することで、サイクル特性の劣化はある程度抑制することができるものの、負極活物質層の厚みが薄い薄膜電極しか形成することができず、リチウム二次電池を構成するには活物質量が不足するため実用化は困難である。さらに、特許文献4に記載の発明は、薄膜電極の活物質層の表面に強固な皮膜を形成させて電解液の分解を抑制することで、サイクル特性の劣化を抑制することができるが、塗布法により活物質層を形成する従来の塗布型電極では抑制効果を得ることができない。 In the inventions described in Patent Document 3 and Patent Document 4, although the negative electrode active material layer is formed by a CVD method, a sputtering method, a vapor deposition method, or a plating method, deterioration in cycle characteristics can be suppressed to some extent. Since only a thin film electrode having a thin negative electrode active material layer can be formed, and the amount of active material is insufficient to constitute a lithium secondary battery, practical application is difficult. Furthermore, the invention described in Patent Document 4 can suppress deterioration of cycle characteristics by forming a strong film on the surface of the active material layer of the thin film electrode and suppressing decomposition of the electrolytic solution. The conventional coating-type electrode in which the active material layer is formed by the method cannot obtain the suppressing effect.
本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたもので、その目的とすることは、高容量と良好なサイクル特性を実現する非水電解質二次電池を得ることである。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain a nonaqueous electrolyte secondary battery that realizes high capacity and good cycle characteristics.
本発明者は、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、主としてリチウム吸蔵性を有するナノサイズレベルの負極活物質を使用することで、負極活物質の微粉化を抑制できることを見出した。さらに、リチウムを吸蔵する第1の相と、リチウムを吸蔵しない第2の相が界面を介して接合されることにより、充放電による第1の相の体積膨張を抑えることができることを見出した。また、このようなナノサイズの負極活物質を用いて塗布法で電極に負極活物質層を形成した場合、不飽和結合を有する還元重合が可能な有機物を電解質に含むことにより、負極活物質層の表面に安定な皮膜が形成されて、電解液の分解が抑制されることを見出した。そして、このような皮膜の形成は、負極に含まれる物質の電子配置によるものであり、より効果的で、かつ多様な、負極活物質の形態を提示することが可能なことを見出すに至った。本発明は、これらの知見に基づきなされたものである。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventor has found that the pulverization of the negative electrode active material can be suppressed by using a nano-sized negative electrode active material mainly having lithium storage properties. Furthermore, it discovered that the 1st phase which occludes lithium, and the 2nd phase which does not occlude lithium are joined via an interface, and can suppress the volume expansion of the 1st phase by charging / discharging. In addition, when a negative electrode active material layer is formed on an electrode by a coating method using such a nano-sized negative electrode active material, the negative electrode active material layer is obtained by including an organic substance capable of reduction polymerization having an unsaturated bond in the electrolyte. It was found that a stable film was formed on the surface of the film and decomposition of the electrolyte was suppressed. And formation of such a film | membrane is based on the electronic arrangement | positioning of the substance contained in a negative electrode, It came to discover that it was possible to show the form of a more effective and various negative electrode active material. . The present invention has been made based on these findings.
すなわち本発明は、以下の発明を提供するものである。
(1)リチウムイオンを吸蔵および放出可能な正極と、リチウムイオンを吸蔵および放出可能な負極と、前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータとを有し、リチウムイオン伝導性を有する非水電解液中に、前記正極と前記負極と前記セパレータとを設けた非水電解質二次電池であって、前記負極の負極活物質は、元素Xを含む平均粒径が2nm〜500nmの第1の相からなる第1の粒子と、元素Mを含む平均粒径が2nm〜10μmの第2の相からなる第2の粒子とを含み、前記第1の粒子の前記第1の相と、前記第2の粒子の前記第2の相の間の距離が1μm以内であり、前記元素Xは、Si、Sn、Al、Pb、Sb、Bi、Ge、In、Znからなる群より選ばれた1種の元素であって、前記元素Mが、第4〜11族の遷移金属元素からなる群より選ばれた少なくとも1種の元素であって、前記第1の粒子は、前記元素Xの単体または元素Xを主成分とする固溶体からなり、前記第2の粒子は、前記元素Mの単体または化合物からなり、前記電解液は、分子内に不飽和結合を有し還元重合が可能な有機物を0.1重量%〜10重量%含有していることを特徴とする非水電解質二次電池。
(2)リチウムイオンを吸蔵および放出可能な正極と、リチウムイオンを吸蔵および放出可能な負極と、前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータとを有し、リチウムイオン伝導性を有する非水電解液中に、前記正極と前記負極と前記セパレータとを設けた非水電解質二次電池であって、前記負極の負極活物質は、元素Xと元素Mとを含むナノサイズ粒子からなり、前記元素Xは、Si、Sn、Al、Pb、Sb、Bi、Ge、In、Znからなる群より選ばれた1種の元素であって、前記元素Mが、第4〜11族の遷移金属元素からなる群より選ばれた少なくとも1種の元素であって、前記ナノサイズ粒子は、前記元素Xの単体または元素Xを主成分とする固溶体である第1の相と、前記元素Mの単体、元素Mを主成分とする固溶体または元素Mの化合物である第2の相と、を少なくとも有し、前記ナノサイズ粒子は、前記第1の相と前記第2の相との両方が外表面に露出するととともに、界面を介して接合しており、前記第1の相は、外表面が略球面状であり、前記ナノサイズ粒子は、平均粒径が2nm〜500nmであり、前記電解液は、分子内に不飽和結合を有し還元重合が可能な有機物を0.1重量%〜10重量%含有することを特徴とする非水電解質二次電池。
(3)前記ナノサイズ粒子は、Cu、Fe、Co、Ni、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Ba、ランタノイド元素(CeおよびPmを除く)、Hf、Ta、W、Re、Os、Irからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素である元素M’をさらに含み、前記元素M’が、前記第2の相を構成する前記元素Mとは種類の異なる元素であり、前記元素M’の単体または化合物である他の第2の相をさらに有していることを特徴とする(2)に記載の非水電解質二次電池。
(4)前記ナノサイズ粒子は、Si、Sn、Al、Pb、Sb、Bi、Ge、In、Znからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素である元素X’をさらに含み、前記元素X’の単体または固溶体である第3の相をさらに有していることを特徴とする(2)または(3)に記載の非水電解質二次電池。
(5)前記第3の相が、前記第1の相と前記第2の相の少なくとも一方と、界面を介して接合していることを特徴とする(4)記載の非水電解質二次電池。
(6)前記第1の粒子が、(2)〜(5)のいずれか1項に記載のナノサイズ粒子であることを特徴とする(1)に記載の非水電解質二次電池。
(7)前記分子内に不飽和結合を有し還元重合が可能な有機物が、フルオロエチレンカーボネート、ビニレンカーボネート及びその誘導体、ビニルエチレンカーボネートからなる群より選ばれた少なくとも1種であることを特徴とする(1)〜(6)のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
(8)前記負極は、少なくとも、負極活物質、導電材および結着材を含む塗布液が、集電体に塗布され、乾燥されて形成されることを特徴とする(1)〜(7)のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
That is, the present invention provides the following inventions.
(1) a positive electrode capable of inserting and extracting lithium ions, a negative electrode capable of inserting and extracting lithium ions, and a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode, and having lithium ion conductivity the aqueous electrolyte solution, wherein a non-aqueous electrolyte secondary battery provided with the positive electrode and the negative electrode and the separator, the negative electrode active material of the negative electrode, the first average particle size containing the element X is 2nm~500nm a first particle made of a phase, and a second particle having an average particle diameter containing the element M consists of a second phase of 2Nm~10myuemu, said first phase of said first particles, said The distance between the second phases of the second particles is within 1 μm , and the element X is selected from the group consisting of Si, Sn, Al, Pb, Sb, Bi, Ge, In, Zn A seed element, wherein the element M is a group 4-11 transition At least one element selected from the group consisting of metal elements, wherein the first particles are composed of the element X alone or a solid solution containing the element X as a main component, and the second particles are A non-aqueous solution characterized in that it comprises a simple substance or a compound of element M, and the electrolyte contains 0.1 wt% to 10 wt% of an organic substance having an unsaturated bond in the molecule and capable of reduction polymerization. Electrolyte secondary battery.
(2) a positive electrode capable of inserting and extracting lithium ions, a negative electrode capable of inserting and extracting lithium ions, and a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode, and non-conductive with lithium ions In the nonaqueous electrolyte secondary battery in which the positive electrode, the negative electrode, and the separator are provided in a water electrolyte, the negative electrode active material of the negative electrode is composed of nano-sized particles containing the element X and the element M, The element X is one element selected from the group consisting of Si, Sn, Al, Pb, Sb, Bi, Ge, In, and Zn, and the element M is a transition metal of group 4 to 11 At least one element selected from the group consisting of elements, wherein the nano-sized particles are a single phase of the element X or a solid solution containing the element X as a main component; and a simple element of the element M , Solid solution mainly composed of element M Or at least a second phase that is a compound of the element M, and the nano-sized particles have both the first phase and the second phase exposed to the outer surface, and through the interface. The first phase has a substantially spherical outer surface, the nano-sized particles have an average particle diameter of 2 nm to 500 nm, and the electrolyte has an unsaturated bond in the molecule. A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising 0.1% by weight to 10% by weight of an organic substance capable of reduction polymerization.
(3) The nano-sized particles are Cu, Fe, Co, Ni, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ba, lanthanoid elements ( Further including an element M ′, which is at least one element selected from the group consisting of Hf, Ta, W, Re, Os, and Ir, and the element M ′ includes the second phase. The non-water according to (2), wherein the element M is a different element from the element M and further has another second phase that is a single element or a compound of the element M ′. Electrolyte secondary battery.
(4) The nano-sized particles further include an element X ′ that is at least one element selected from the group consisting of Si, Sn, Al, Pb, Sb, Bi, Ge, In, and Zn. The nonaqueous electrolyte secondary battery according to (2) or (3), further comprising a third phase which is a simple substance or a solid solution.
(5) The nonaqueous electrolyte secondary battery according to (4), wherein the third phase is bonded to at least one of the first phase and the second phase via an interface. .
(6) The non-aqueous electrolyte secondary battery according to (1), wherein the first particles are the nano-sized particles according to any one of (2) to (5).
(7) The organic substance having an unsaturated bond in the molecule and capable of reductive polymerization is at least one selected from the group consisting of fluoroethylene carbonate, vinylene carbonate and derivatives thereof, and vinyl ethylene carbonate. The nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of (1) to (6).
(8) The negative electrode is formed by applying a coating liquid containing at least a negative electrode active material, a conductive material, and a binder to a current collector and drying it (1) to (7) The nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of the above.
本発明により、高容量と良好なサイクル特性を実現する非水電解質二次電池を得ることができる。 According to the present invention, a non-aqueous electrolyte secondary battery that achieves high capacity and good cycle characteristics can be obtained.
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(1.非水電解質二次電池の構成)
まず、本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池を、図1を参照して説明する。
(1. Configuration of non-aqueous electrolyte secondary battery)
First, a nonaqueous electrolyte secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
本発明の非水電解質二次電池1は、リチウムイオンを吸蔵および放出可能な正極3と、リチウムイオンを吸蔵および放出可能な負極5と、正極3と負極5との間に配置されたセパレータ7とを有し、リチウムイオン伝導性を有する非水系電解液8中に、正極3と負極5とセパレータ7とが設けられている。 The nonaqueous electrolyte secondary battery 1 of the present invention includes a positive electrode 3 capable of inserting and extracting lithium ions, a negative electrode 5 capable of inserting and extracting lithium ions, and a separator 7 disposed between the positive electrode 3 and the negative electrode 5. The positive electrode 3, the negative electrode 5, and the separator 7 are provided in a non-aqueous electrolyte solution 8 having lithium ion conductivity.
本発明において、負極5には、活物質として、特徴的な構成のリチウムイオンを吸蔵しやすい元素からなる粒子を用い、また、この負極に対応して用いる電解液8は、分子内に不飽和結合を有し還元重合が可能な有機物を含有していることを特徴とする。 In the present invention, the negative electrode 5 uses, as an active material, particles made of an element that easily occludes lithium ions having a characteristic configuration, and the electrolyte 8 used corresponding to this negative electrode is unsaturated in the molecule. It contains an organic substance having a bond and capable of reductive polymerization.
(2.負極)
(2−1.第1の実施形態に係る負極活物質Aの構成)
そこで、本発明に係る負極活物質の第1の実施形態について、図2を参照しながら説明する。図2は、負極活物質の構成の一例を示す概念図であり、負極活物質は、元素Xを含む第1の粒子9と、元素Mを含む第2の粒子10とを含んでいる。
(2. Negative electrode)
(2-1. Configuration of the negative electrode active material A according to the first embodiment)
Therefore, a first embodiment of the negative electrode active material according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a conceptual diagram showing an example of the configuration of the negative electrode active material. The negative electrode active material includes first particles 9 containing the element X and second particles 10 containing the element M.
第1の粒子9は、元素Xの単体からなってもよいし、元素Xを主成分とする固溶体からなってもよい。ここで、元素Xは、Si、Sn、Al、Pb、Sb、Bi、Ge、In、Znからなる群より選ばれた1種の元素である。なお、元素Xを「主成分とする」とは、元素Xの割合は、50原子%以上、より好ましくは70原子%以上含むことを意味する。第1の粒子9が元素Xの固溶体である場合には、元素Xと固溶体を形成する元素は、前記の元素Xの群にあげられた元素から選択することもできるが、それ以外から選択することができる。元素Xはリチウムを吸蔵しやすい元素であり、第1の粒子9もリチウムを吸蔵することができる。第1の粒子9は、一度リチウムを吸蔵して合金化した後、リチウムを脱離して脱合金化すると非晶質となる。なお、第1の粒子9は基本的に略球形状とすることができ、その他の様々な形態の態様については後述する。 The first particles 9 may be composed of the element X alone or a solid solution containing the element X as a main component. Here, the element X is one element selected from the group consisting of Si, Sn, Al, Pb, Sb, Bi, Ge, In, and Zn. The phrase “having element X as the main component” means that the proportion of element X is 50 atomic% or more, more preferably 70 atomic% or more. When the first particle 9 is a solid solution of the element X, the element that forms a solid solution with the element X can be selected from the elements listed in the group of the element X, but is selected from the other elements. be able to. The element X is an element that easily stores lithium, and the first particles 9 can also store lithium. The first particles 9 become amorphous when they are occluded and alloyed once and then desorbed and de-alloyed. In addition, the 1st particle | grains 9 can be made into a substantially spherical shape fundamentally, and the aspect of various other forms is mentioned later.
また、第1の粒子9において、リチウムイオンの吸蔵特性の面から、元素XはSiであることが好ましく、さらには、結晶質シリコンであることがより好ましい。この場合、シリコンにリンまたはホウ素を添加することで、シリコンの導電性を高めることができる。リンの代わりに、インジウムやガリウムを用いることもでき、ホウ素の代わりにヒ素を用いることも可能である。第1の粒子9のシリコンの導電性を高めることで、負極5の内部抵抗が小さくなり、大電流を流すことが可能となり、良好なハイレート特性を示すことができる。 In the first particles 9, the element X is preferably Si, more preferably crystalline silicon, from the viewpoint of lithium ion storage characteristics. In this case, the conductivity of silicon can be increased by adding phosphorus or boron to silicon. Indium and gallium can be used instead of phosphorus, and arsenic can be used instead of boron. By increasing the conductivity of silicon of the first particles 9, the internal resistance of the negative electrode 5 is reduced, a large current can be passed, and good high-rate characteristics can be exhibited.
第2の粒子10は、元素Mの単体からなってもよいし、元素Mの化合物からなってもよい。ここで、元素Mは、周期律表の第4〜11族の遷移金属元素からなる群より選ばれた少なくとも1種の元素であり、例えば、第4〜11族の遷移金属元素のうち、安定な元素、具体的には、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au等である。これらの元素Mは、リチウムを吸蔵しにくい元素である。元素Mと化合物を形成する元素については、特に制限されないが、前記の元素Xとすることもできる。第2の粒子10は、ほとんどリチウム吸蔵特性を示さないが、元素Mの割合や、化合物を形成する元素により、リチウム吸蔵特性を調整することもできる。また、化合物とは、各種の合金、金属間化合物、酸化物等を含むことができる。
The second particles 10 may be composed of the element M alone or a compound of the element M. Here, the element M is at least one element selected from the group consisting of group 4 to group 11 transition metal elements of the periodic table. For example, among the group 4 to group 11 transition metal elements, the element M is stable. Elements such as Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, etc. These elements M are elements that do not easily store lithium. The element that forms a compound with the element M is not particularly limited, but may be the element X described above. The second particles 10 hardly exhibit lithium storage characteristics, but the lithium storage characteristics can be adjusted by the ratio of the element M and the elements forming the compound. The compound can include various alloys, intermetallic compounds, oxides, and the like.
そして本発明において、第2の粒子10は、元素Mの単体または化合物からなることから、d電子軌道に2以上の多くの電子が存在している。例えば、Ti,Fe,Niの最外殻電子配置は、Ti:3d[2]4S[2]、Fe:3d[6]4S[2]、Ni:3d[8]4S[2]で、d電子軌道にそれぞれ2個、6個、8個の電子を有している。このように負極活物質に多数のd電子が存在することで、その電子的相互作用により、後述の非水系電解液8に含まれる、分子内に不飽和結合を有し還元重合が可能な有機物が重合を起こして負極5を保護する皮膜の形成が促進されると考えられる。また、例えば、元素Mとして、Tiを用いた場合よりも、FeやNiを用いた場合の方が、被膜の形成を促進することが確認されていることから、d電子軌道の電子数は多い方が好ましいことが予想される。 In the present invention, since the second particle 10 is composed of a single element or a compound of the element M, two or more electrons exist in the d electron orbit. For example, the outermost electron configuration of Ti, Fe, and Ni is Ti: 3d [2] 4S [2], Fe: 3d [6] 4S [2], Ni: 3d [8] 4S [2], d The electron orbit has 2, 6, and 8 electrons, respectively. In this way, due to the presence of a large number of d electrons in the negative electrode active material, an organic substance having an unsaturated bond in the molecule and capable of reductive polymerization is contained in the nonaqueous electrolyte solution 8 described later due to its electronic interaction. It is considered that formation of a film that causes polymerization to protect the negative electrode 5 is promoted. Further, for example, it has been confirmed that the use of Fe or Ni as the element M promotes the formation of the film, compared to the case of using Ti, so that the number of electrons in the d electron orbit is larger. It is expected that this is preferable.
このような本発明の負極活物質において、第1の粒子9と第2の粒子10は、図2中のAで示した、最近接の第1の粒子9と第2の粒子10との表面間距離が、1μm以内となるように配置されている。距離Aの1μm以内とは、第1の粒子9と第2の粒子10の界面の電子の相互作用が及ぶ範囲であって、電気二重層の厚み程度の距離である。第1の粒子9の元素Xのリチウムの吸蔵時に、第2の粒子10の元素Mにも同時に電子が供給されることで、非水系電解液8に含まれる分子内に不飽和結合を有し還元重合が可能な有機物の重合が生成される。さらに、第1の粒子と第2の粒子の距離が1μm以内だと、第1の粒子は、自身の表面で生成する還元生成物による被覆に加えて、更に、第2の粒子で生成するより安定な還元生成物が、第1の粒子表面を吸着・被覆することにより、電解質の分解が抑えられるようになる。 In such a negative electrode active material of the present invention, the first particles 9 and the second particles 10 are the surfaces of the closest first particles 9 and the second particles 10 indicated by A in FIG. The distance is set to be within 1 μm. The distance A within 1 μm is a range in which the interaction of electrons at the interface between the first particle 9 and the second particle 10 reaches, and is a distance of about the thickness of the electric double layer. At the same time as the occlusion of lithium of the element X of the first particle 9, electrons are supplied to the element M of the second particle 10, thereby having an unsaturated bond in the molecule contained in the non-aqueous electrolyte solution 8. An organic polymer is produced that is capable of reductive polymerization. Furthermore, when the distance between the first particle and the second particle is within 1 μm, the first particle is further coated with the reduction product generated on the surface of the first particle and further formed with the second particle. The stable reduction product adsorbs and coats the surface of the first particles, so that the decomposition of the electrolyte can be suppressed.
また、第1の粒子9の平均粒径は、好ましくは2nm〜500nmであり、より好ましくは2nm〜300nm、更には50nm〜200nmである。ホールペッチの法則により、粒子サイズが小さいと降伏応力が高まるため、ナノサイズ粒子の平均粒径が2nm〜500nm程度であれば、粒子サイズが小さく、降伏応力が大きく、充放電により微粉化しにくくなる。なお、平均粒径が2nmより小さいと、ナノサイズ粒子の合成後の取扱いが困難となり、平均粒径が500nmより大きいと、粒子サイズが大きすぎて十分な降伏応力が得られないため好ましくない。 The average particle diameter of the first particles 9 is preferably 2 nm to 500 nm, more preferably 2 nm to 300 nm, and further 50 nm to 200 nm. Since the yield stress increases when the particle size is small according to the Hall Petch's law, if the average particle size of the nano-sized particles is about 2 nm to 500 nm, the particle size is small, the yield stress is large, and it is difficult to pulverize by charge / discharge. When the average particle size is smaller than 2 nm, it is difficult to handle nano-sized particles after synthesis. When the average particle size is larger than 500 nm, the particle size is too large to obtain a sufficient yield stress, which is not preferable.
一方の第2の粒子10は、微粉化の影響を考慮しなくてよいため、その平均粒径は2nm〜10μmとすることができる。下限を2nmとするのは、上記の第1の粒子9の場合と同様に取扱いが困難でない目安の値であるからであり、上限を10μmとするのは、集電体に電極活物質を塗布する際に活物質の濃淡ムラができてしまいサイクル特性が低下してしまうといった理由からである。 One second particle 10 does not need to consider the influence of pulverization, so the average particle size can be 2 nm to 10 μm. The lower limit is 2 nm because it is a guide value that is not difficult to handle as in the case of the first particles 9 described above, and the upper limit is 10 μm because the electrode active material is applied to the current collector. This is because the density of the active material is uneven when the cycle characteristics are deteriorated.
このような本発明の負極5において、第1の粒子9に対する第2の粒子10の割合は、第1の粒子9により所望のリチウム吸蔵量が確保できる範囲で任意に設定することができるが、おおよその目安として、第1の粒子9を構成するXの原子数に対して、1%〜30%とすることが好ましく、さらに7%〜10%であることが好ましい。原子数比が1%より小さいと、負極表面での被膜の形成効果、且つ、充放電にともなう負極の体積変化の抑制効果が十分に得られない。原子数比が30%より多いと、十分なリチウム吸蔵量が確保できない可能性があるための好ましくない。 In the negative electrode 5 of the present invention, the ratio of the second particles 10 to the first particles 9 can be arbitrarily set within a range in which a desired lithium occlusion amount can be secured by the first particles 9, As a rough guide, it is preferably 1% to 30%, more preferably 7% to 10%, based on the number of X atoms constituting the first particles 9. If the atomic ratio is less than 1%, the effect of forming a film on the surface of the negative electrode and the effect of suppressing the volume change of the negative electrode due to charge / discharge cannot be sufficiently obtained. When the atomic ratio is more than 30%, a sufficient amount of lithium occlusion may not be ensured.
(2−2.負極活物質Aの効果)
第1の実施形態に係る負極によれば、リチウムを吸蔵する第1の粒子9に加え、リチウムを吸蔵しない第2の粒子10を含み、この第2の粒子10の触媒作用により、負極活物質層の表面に、後述の非水系電解液8に含まれる分子内に不飽和結合を有し還元重合が可能な有機物の安定な被膜を効果的に形成することができ、負極活物質を安定化し、電解質材料の分解を防ぐことが可能となり、サイクル特性に優れた負極を得ることができる。
(2-2. Effect of negative electrode active material A)
According to the negative electrode according to the first embodiment, in addition to the first particles 9 that occlude lithium, the second particles 10 that do not occlude lithium are included, and the negative electrode active material is obtained by the catalytic action of the second particles 10. On the surface of the layer, it is possible to effectively form a stable coating of an organic substance having an unsaturated bond in a molecule contained in a nonaqueous electrolyte solution 8 to be described later and capable of reduction polymerization, stabilizing the negative electrode active material Therefore, it is possible to prevent the electrolyte material from being decomposed and to obtain a negative electrode having excellent cycle characteristics.
また、負極活物質として、比較的導電性の低い第1の粒子9に加え、導電性が高い元素Mを含む第2の粒子10を有している場合、負極5全体としての導電率が飛躍的に上昇する。すなわち、導電助剤が少なくても導電性を有する負極活物質であり、高容量の電極を形成することが可能となり、また、ハイレート特性に優れる負極活物質となり得る。特に、第2の粒子10として導電性の高いFeやCuなどの金属元素を用いることで、シリコンナノ粒子のみの場合等に比べて、導電性の良い負極活物質が得られる。 Further, when the negative electrode active material has the second particles 10 containing the element M having a high conductivity in addition to the first particles 9 having a relatively low conductivity, the conductivity of the negative electrode 5 as a whole jumps. Rises. That is, even if there is little conductive auxiliary agent, it is a negative electrode active material which has electroconductivity, can form a high capacity | capacitance electrode, and can become a negative electrode active material excellent in a high rate characteristic. In particular, by using a highly conductive metal element such as Fe or Cu as the second particles 10, a negative electrode active material having better conductivity can be obtained compared to the case of using only silicon nanoparticles.
さらに、負極活物質として、第1の粒子9の他に、第2の粒子をも含み、第1の粒子9はリチウムを吸蔵すると体積膨張するのに対し、第2の粒子10はリチウムを吸蔵しないため、負極全体としての体積変化を抑えることができる。これにより、リチウムを吸蔵させても、負極の体積膨張に伴う歪みが緩和され、サイクル特性時の放電容量の低下が抑制される。 Further, as the negative electrode active material, in addition to the first particles 9, the first particles 9 also include second particles. The first particles 9 expand when they occlude lithium, whereas the second particles 10 occlude lithium. Therefore, the volume change as the whole negative electrode can be suppressed. Thereby, even if lithium is occluded, the distortion accompanying the volume expansion of the negative electrode is alleviated, and the reduction of the discharge capacity during the cycle characteristics is suppressed.
(2−3.第2の実施形態に係る負極活物質Bの構成)
次に、本発明に係る負極活物質の第2の実施形態について説明する。図3は、本発明の負極5の負極活物質を構成するナノサイズ粒子11を示す概略断面図である。ナノサイズ粒子11は、元素Xと元素Mとを含んでいる。
(2-3. Configuration of Negative Electrode Active Material B According to Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the negative electrode active material according to the present invention will be described. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the nano-sized particles 11 constituting the negative electrode active material of the negative electrode 5 of the present invention. The nano-sized particle 11 includes an element X and an element M.
上記の第1の実施形態と同様で、元素Xは、Si、Sn、Al、Pb、Sb、Bi、Ge、In、Znからなる群より選ばれた1種の元素である。元素Xは、リチウムを吸蔵しやすい元素である。 As in the first embodiment, the element X is one element selected from the group consisting of Si, Sn, Al, Pb, Sb, Bi, Ge, In, and Zn. The element X is an element that easily stores lithium.
また、元素Mは、第4〜11族の遷移金属元素からなる群より選ばれた少なくとも1種の元素であって、例えば、第4〜11族の遷移金属元素のうち、安定な元素、具体的には、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au等である。これらの元素Mは、リチウムを吸蔵しにくい元素である。 The element M is at least one element selected from the group consisting of Group 4 to 11 transition metal elements. For example, among the Group 4 to 11 transition metal elements, the element M is a stable element. Specifically, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, etc. It is. These elements M are elements that do not easily store lithium.
そして本発明におけるナノサイズ粒子11は、第1の相13と第2の相15を少なくとも有している。
第1の相13は、元素Xの単体であってもよいし、元素Xを主成分とする固溶体であってもよい。また、第1の相13は、結晶質であっても非晶質であってもよい。元素Xと固溶体を形成する元素は、元素Xの群にあげられた元素以外から選択することができる。この第1の相13は、リチウムを吸蔵可能である。第1の相13は一度リチウムを吸蔵して合金化した後、リチウムを脱離して脱合金化すると非晶質となる。
And the nanosized particle 11 in this invention has the 1st phase 13 and the 2nd phase 15 at least.
The first phase 13 may be a single element X or a solid solution containing the element X as a main component. Further, the first phase 13 may be crystalline or amorphous. The element that forms a solid solution with the element X can be selected from elements other than those listed in the group of the element X. The first phase 13 can occlude lithium. The first phase 13 becomes amorphous when occluded by lithium and alloyed and then desorbed and dealloyed.
また、第2の相15は、元素Mの単体であってもよいし、または元素Mを主成分とする固溶体であってもよく、元素Mの化合物であってもよい。この第2の相15は、リチウムをほとんど吸蔵しない。また、元素Mは、上記のとおり、d電子軌道に2以上の多くの電子が存在していることから、負極5を保護する皮膜の形成を促進して、サイクル特性を向上させることができる。
In addition, the second phase 15 may be a single element M, a solid solution containing the element M as a main component, or a compound of the element M. The second phase 15 hardly absorbs lithium. In addition, since the element M has two or more electrons in the d electron orbit as described above, the formation of a film that protects the negative electrode 5 can be promoted and cycle characteristics can be improved.
元素Xと元素Mが化合物を形成可能な組み合わせであれば、第2の相15は、元素Xと元素Mの化合物であるMXY等から形成されていてもよい。一方、元素Xと元素Mとが化合物を形成しない組み合わせであれば、第2の相15は元素Mの単体や固溶体等であってよい。 As long as the element X and the element M are combinations capable of forming a compound, the second phase 15 may be formed of MX Y , which is a compound of the element X and the element M, or the like. On the other hand, if the combination of the element X and the element M does not form a compound, the second phase 15 may be a single element or a solid solution of the element M.
例えば、元素XがSiであり、元素MがCuである場合、第2の相15は、元素Mと元素Xの化合物である銅シリサイドで形成することができる。
例えば、元素XがSiであり、元素MがAgまたはAuである場合、第2の相15は、元素Mの単体または元素Mを主成分とする固溶体等で形成することができる。
For example, when the element X is Si and the element M is Cu, the second phase 15 can be formed of copper silicide that is a compound of the element M and the element X.
For example, when the element X is Si and the element M is Ag or Au, the second phase 15 can be formed of a single element of the element M or a solid solution containing the element M as a main component.
また、元素XがSiである場合、Siと元素Mは、MXY(1<Y≦3)で表される化合物を形成可能である。このような化合物としては、例えば、具体的には、FeSi2やCoSi2(Y=2)、Rh3Si4(Y=1.33)、Ru2Si3(Y=1.5)、Sr3Si5(Y=1.67)、Mn4Si7やTc4Si7(Y=1.75)、IrSi3(Y=3)などを例示することができる。ここで、Siと元素Mの合計に占める元素Mの原子比率は、0.01〜25%であることが好ましい。この原子比率が0.01〜25%であると、ナノサイズ粒子11を負極活物質として用いた際に、サイクル特性と高容量を両立できる。一方、0.01%を下回ると、ナノサイズ粒子11のリチウム吸蔵時の体積変化を抑制できず、25%を超えると、高容量であるメリットが特になくなってしまう。 When element X is Si, Si and element M can form a compound represented by MX Y (1 <Y ≦ 3). Specific examples of such a compound include FeSi 2 , CoSi 2 (Y = 2), Rh 3 Si 4 (Y = 1.33), Ru 2 Si 3 (Y = 1.5), and Sr. Examples include 3 Si 5 (Y = 1.67), Mn 4 Si 7 , Tc 4 Si 7 (Y = 1.75), IrSi 3 (Y = 3), and the like. Here, the atomic ratio of the element M in the total of Si and the element M is preferably 0.01 to 25%. When the atomic ratio is 0.01 to 25%, both the cycle characteristics and the high capacity can be achieved when the nano-sized particles 11 are used as the negative electrode active material. On the other hand, if it is less than 0.01%, the volume change at the time of occlusion of lithium of the nanosize particles 11 cannot be suppressed, and if it exceeds 25%, the merit of high capacity is particularly lost.
そしてナノサイズ粒子11は、例えば図3に示したように、第1の相13と第2の相15との両方が、ナノサイズ粒子11の外表面に露出するととともに、界面を介して互いに接合している。第1の相13と第2の相15との界面は、平面あるいは曲面を示している。また、界面は階段状であってもよい。第1の相13は、外表面が略球面状である。第1の相13と第2の相15の接合部の界面形状は、円形ないしは楕円形となる。リチウム吸蔵により膨張する第1の相13上にリチウムを吸蔵しない第2の相15が存在することで、リチウム吸蔵による第1の相13の膨張を抑制することができる。 For example, as shown in FIG. 3, the nano-sized particles 11 are exposed to the outer surface of the nano-sized particles 11 and both the first phase 13 and the second phase 15 are bonded to each other through the interface. doing. The interface between the first phase 13 and the second phase 15 is a flat surface or a curved surface. Further, the interface may be stepped. The first phase 13 has a substantially spherical outer surface. The interface shape of the joint portion between the first phase 13 and the second phase 15 is circular or elliptical. By the presence of the second phase 15 that does not occlude lithium on the first phase 13 that expands due to lithium occlusion, expansion of the first phase 13 due to lithium occlusion can be suppressed.
なお、第1の相13の外表面が略球面状であるとは、第1の相13と第2の相15とが接する界面以外の第1の相13の表面が、おおむね滑らかな曲面で構成されていることを意味し、言い換えると、第1の相13と第2の相15とが接する箇所から先を除き、第1の相13が、球形ないしは楕円球形であることを意味する。球ないしは楕円球との表現は、幾何学的に厳密な球形や楕円球形を意味するものではない。破砕法により形成される粒子の形状に代表されるような、表面に角を有する形状とは異なる形状である。 Note that the outer surface of the first phase 13 has a substantially spherical shape means that the surface of the first phase 13 other than the interface where the first phase 13 and the second phase 15 are in contact is generally a smooth curved surface. In other words, it means that the first phase 13 has a spherical shape or an elliptical spherical shape except for the point where the first phase 13 and the second phase 15 are in contact with each other. The expression “sphere” or “elliptical sphere” does not mean a geometrically exact sphere or ellipsoid. The shape is different from the shape having a corner on the surface, as represented by the shape of particles formed by the crushing method.
また、図3(b)に示すナノサイズ粒子11のように、元素Mの単体または化合物である第2の相15が、第1の相13中に分散していてもよい。第2の相15は、第1の相13に覆われている。第2の相15は、外表面に露出している第2の相15と同様、リチウムをほとんど吸蔵しない。また、図3(c)のように、第1の相13に覆われている第2の相15の一部が表面に露出していてもよい。つまり、必ずしも第2の相15の周囲の全てを第1の相13で覆っている必要はなく、第2の相15の周囲の一部のみを第1の相13で覆っていてもよい。 In addition, as in the nano-sized particles 11 illustrated in FIG. 3B, the second phase 15 that is a single element or a compound of the element M may be dispersed in the first phase 13. The second phase 15 is covered with the first phase 13. Like the second phase 15 exposed on the outer surface, the second phase 15 hardly absorbs lithium. Further, as shown in FIG. 3C, a part of the second phase 15 covered with the first phase 13 may be exposed on the surface. That is, the entire periphery of the second phase 15 is not necessarily covered with the first phase 13, and only a part of the periphery of the second phase 15 may be covered with the first phase 13.
なお、図3(b)においては、第1の相13中に、複数の第2の相15が分散しているが、単一の第2の相15が内包されていてもよい。 In FIG. 3B, a plurality of second phases 15 are dispersed in the first phase 13, but a single second phase 15 may be included.
図4(a)に示す第2の相15’のように、元素Mの単体または化合物の結晶の安定性等の影響により、多面体形状となることもある。 As in the second phase 15 ′ shown in FIG. 4A, it may have a polyhedral shape due to the influence of the stability of the element M simple substance or compound crystal.
さらに、図4(b)に示すナノサイズ粒子11のように、第1の相13上に第2の相15を複数有してもよい。例えば、粒子の製造過程において、元素Mの割合が少なく、ガス状態や液体状態における元素M同士の衝突頻度が少なくなる場合や、第1の相13および第2の相15の融点の関係や濡れ性、さらに冷却速度の影響等により、第2の相15が、第1の相13の表面に分散して接合する場合が考えられる。 Further, a plurality of second phases 15 may be provided on the first phase 13 like the nano-sized particles 11 shown in FIG. For example, in the particle manufacturing process, the ratio of the element M is small, the collision frequency between the elements M in the gas state or the liquid state is low, the relationship between the melting points of the first phase 13 and the second phase 15 and wetting. It is conceivable that the second phase 15 is dispersed and joined to the surface of the first phase 13 due to the property, the influence of the cooling rate and the like.
第1の相13上に複数の第2の相15を有する場合、第1の相13と第2の相15との界面の面積が広くなり、第1の相13の膨張収縮をさらに抑えることができる。また、第2の相15は第1の相13よりも導電率が高いため、第2の相15により電子の移動が促進され、ナノサイズ粒子11は、それぞれのナノサイズ粒子11に複数の集電スポットを有することとなる。よって、第2の相15を複数有するナノサイズ粒子11は高い粉体導電率を有する負極材料となり、導電助剤を減らすことが可能となり、高容量の負極を形成することができる。さらに、ハイレート特性に優れる負極が得られる。 When the plurality of second phases 15 are provided on the first phase 13, the area of the interface between the first phase 13 and the second phase 15 is widened to further suppress the expansion and contraction of the first phase 13. Can do. In addition, since the second phase 15 has a higher conductivity than the first phase 13, the movement of electrons is promoted by the second phase 15, and the nanosize particles 11 are collected in each nanosize particle 11. It will have an electric spot. Therefore, the nano-sized particles 11 having a plurality of second phases 15 become a negative electrode material having high powder conductivity, can reduce the conductive auxiliary agent, and can form a high capacity negative electrode. Furthermore, a negative electrode having excellent high rate characteristics can be obtained.
元素Mとして、元素Mを選ぶことのできる群より選ばれた2種以上の元素が含まれる場合、ある一つの元素Mと元素Xの化合物である第2の相15に、別の他の元素Mが、固溶体または化合物として含有されることがある。つまり、ナノサイズ粒子中に、元素Mを選ぶことのできる群より選ばれた2種以上の元素が含まれる場合でも、後述の元素M´のように、他の第2の相19を形成しない場合がある。例えば、元素XがSi、一つの元素MがNi、他の元素MがFeの場合、FeはNiSi2に固溶体として存在することがある。また、EDSで観察した場合、Niの分布とFeの分布がほぼ同じ場合もあれば、異なる場合が有り、別の他の元素Mが、第2の相15に均一に含有されることもあれば、部分的に含有されることもある。 When the element M includes two or more elements selected from the group in which the element M can be selected, the second phase 15 that is a compound of one element M and the element X includes another element. M may be contained as a solid solution or a compound. That is, even when two or more elements selected from the group from which the element M can be selected are contained in the nano-sized particles, the other second phase 19 is not formed unlike the element M ′ described later. There is a case. For example, when the element X is Si, one element M is Ni, and the other element M is Fe, Fe may exist in NiSi 2 as a solid solution. In addition, when observed by EDS, the distribution of Ni and the distribution of Fe may be approximately the same or different, and another element M may be uniformly contained in the second phase 15. For example, it may be partially contained.
また、ナノサイズ粒子は、元素Mに加えて、元素M’を含んでも良い。元素M’は、Cu、Fe、Co、Ni、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Ba、ランタノイド元素(CeおよびPmを除く)、Hf、Ta、W、Re、Os、Irからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素であり、前記の第2の相を構成する元素Mとは種類の異なる元素である。 Further, in addition to the element M, the nano-sized particles may include an element M ′. Element M ′ includes Cu, Fe, Co, Ni, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ba, lanthanoid elements (Ce and Pm Except), at least one element selected from the group consisting of Hf, Ta, W, Re, Os, and Ir, and an element of a different type from the element M constituting the second phase.
図5(a)に示すナノサイズ粒子17は、元素Mと元素M’を含み、元素Mの単体または化合物である第2の相15に加えて、他の第2の相19を有する。例えば、第1の相13の一端に第2の相15があり、他端に他の第2の相19があり、ナノサイズ粒子17は、大きな球の表面に二つの小さな球が接合している形状を有することができる。他の第2の相19は、元素M’の単体または化合物であり、第2の相15と同様、リチウムをほとんど吸蔵しない。また、ナノサイズ粒子17は、元素Mと元素M’からなる固溶体(図示せず)を含んでもよい。例えば、第2の相15がSiとFeの化合物であり、他の第2の相19がSiとCoの化合物であり、元素Mと元素M’からなる固溶体がFeとCoの固溶体である場合などが挙げられる。 5A includes the element M and the element M ′, and has the other second phase 19 in addition to the second phase 15 that is a simple substance or a compound of the element M. For example, there is a second phase 15 at one end of the first phase 13 and another second phase 19 at the other end, and the nano-sized particle 17 has two small spheres joined to the surface of a large sphere. Can have a shape. The other second phase 19 is a simple substance or a compound of the element M ′ and, like the second phase 15, hardly absorbs lithium. The nano-sized particles 17 may include a solid solution (not shown) composed of the element M and the element M ′. For example, the second phase 15 is a compound of Si and Fe, the other second phase 19 is a compound of Si and Co, and the solid solution composed of the elements M and M ′ is a solid solution of Fe and Co. Etc.
また、図5(b)に示すように、元素Mの単体または化合物である第2の相15と、元素M’の単体または化合物である他の第2の相19が、第1の相13中に分散していてもよい。なお、図5(a)および(b)は元素M及び元素M’を選ぶことができる元素の群から2種類の元素を選んだ場合の例を示したが、3種類以上の元素を選んでもよい。 Further, as shown in FIG. 5B, the second phase 15 that is a simple substance or a compound of the element M and another second phase 19 that is a simple substance or a compound of the element M ′ are included in the first phase 13. It may be dispersed in the inside. FIGS. 5A and 5B show an example in which two types of elements are selected from the group of elements from which the element M and the element M ′ can be selected, but even when three or more types of elements are selected. Good.
なお、このように元素M及び元素M’の群から2種類以上の元素を選ぶ場合においても、元素Xと元素M及び元素M’の群の元素の合計に対する、元素M及び元素M’の群の元素の合計の原子比率が0.01〜30%であることが好ましい。 Even when two or more kinds of elements are selected from the group of the element M and the element M ′ as described above, the group of the element M and the element M ′ with respect to the total of the elements of the group of the element X, the element M, and the element M ′. The total atomic ratio of these elements is preferably 0.01 to 30%.
また、本発明において、第1の相13が主として結晶質シリコンであり、第2の相15が結晶質シリサイドであることが好ましい。また、第1の相13は、リンまたはホウ素を添加したSiであることがより好ましい。リンまたはホウ素を添加することでシリコンの導電性を高めることができる。リンの代わりに、インジウムやガリウムを用いることもでき、ホウ素の代わりにヒ素を用いることも可能である。第1の相13のシリコンの導電性を高めることで、このようなナノサイズ粒子を用いた負極は、内部抵抗が小さくなり、大電流を流すことが可能となり、良好なハイレート特性を有する。 In the present invention, it is preferable that the first phase 13 is mainly crystalline silicon and the second phase 15 is crystalline silicide. The first phase 13 is more preferably Si to which phosphorus or boron is added. The conductivity of silicon can be increased by adding phosphorus or boron. Indium and gallium can be used instead of phosphorus, and arsenic can be used instead of boron. By increasing the conductivity of silicon of the first phase 13, the negative electrode using such nano-sized particles has a low internal resistance, allows a large current to flow, and has a good high-rate characteristic.
さらに、本発明において、ナノサイズ粒子11や17、後述する21の平均粒径は、好ましくは2〜500nmであり、より好ましくは50〜200nmである。ホールペッチの法則により、粒子サイズが小さいと降伏応力が高まるため、ナノサイズ粒子の平均粒径が2〜500nmであれば、粒子サイズが十分小さく、降伏応力が十分大きく、充放電により微粉化しにくくなる。なお、平均粒径が2nmより小さいと、ナノサイズ粒子の合成後の取扱いが困難となり、平均粒径が500nmより大きいと、粒子サイズが大きくなってしまい、降伏応力が十分でない。 Furthermore, in this invention, the average particle diameter of the nanosize particle | grains 11 and 17 and 21 mentioned later becomes like this. Preferably it is 2-500 nm, More preferably, it is 50-200 nm. According to Hall Petch's law, the yield stress increases when the particle size is small. Therefore, if the average particle size of the nano-sized particles is 2 to 500 nm, the particle size is sufficiently small, the yield stress is sufficiently large, and it is difficult to pulverize by charge / discharge. . When the average particle size is smaller than 2 nm, it is difficult to handle nano-sized particles after synthesis. When the average particle size is larger than 500 nm, the particle size becomes large and the yield stress is not sufficient.
なお、微粒子は通常は凝集して存在しているので、ナノサイズ粒子の平均粒径は、ここでは一次粒子の平均粒径を指す。粒子の計測は、電子顕微鏡(SEM)の画像情報と動的光散乱光度計(DLS)の体積基準メディアン径を併用する。平均粒径は、SEM画像によりあらかじめ粒子形状を確認し、画像解析(例えば、旭化成エンジニアリング製「A像くん」(登録商標))で粒径を求めたり、粒子を溶媒に分散してDLS(例えば、大塚電子製DLS−8000)により測定したりすることが可能である。微粒子が十分に分散しており、凝集していなければ、SEMとDLSでほぼ同じ測定結果が得られる。また、ナノサイズ粒子の形状が、アセチレンブラックのような高度に発達したストラクチャー形状である場合にも、ここでは一次粒径で平均粒径を定義し、SEM写真の画像解析で平均粒径を求めることができる。 Since the fine particles are usually present in an aggregated state, the average particle size of the nano-sized particles here refers to the average particle size of the primary particles. For particle measurement, image information of an electron microscope (SEM) and a volume-based median diameter of a dynamic light scattering photometer (DLS) are used in combination. For the average particle size, confirm the particle shape in advance using an SEM image, obtain the particle size by image analysis (for example, “A Image-kun” (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Engineering), or disperse the particles in a solvent to obtain DLS (for example, , OLSKA Electronics DLS-8000). If the fine particles are sufficiently dispersed and not agglomerated, almost the same measurement results can be obtained with SEM and DLS. Even when the shape of the nano-sized particles is a highly developed structure such as acetylene black, the average particle size is defined by the primary particle size here, and the average particle size is obtained by image analysis of the SEM photograph. be able to.
なお、ナノサイズ粒子11または17の最表面に酸素が結合しても良い。空気中にナノサイズ粒子を取り出すと、空気中の酸素がナノサイズ粒子の表面の元素と反応するからである。つまり、ナノサイズ粒子11または17の最表面は、厚さ0.5〜15nm程度のアモルファスの層を有してもよく、特に第1の相が主として結晶質シリコンの場合などは、酸化膜層を有していてもよい。 Note that oxygen may be bonded to the outermost surface of the nano-sized particles 11 or 17. This is because when the nano-sized particles are taken out into the air, oxygen in the air reacts with elements on the surface of the nano-sized particles. That is, the outermost surface of the nano-sized particles 11 or 17 may have an amorphous layer having a thickness of about 0.5 to 15 nm. In particular, when the first phase is mainly crystalline silicon, the oxide film layer You may have.
(2−4.負極活物質Bの効果)
第2の実施形態によれば、リチウムを吸蔵する第1の相13に加え、元素Mを含む第2の相15を有するため、第1の実施形態と同様に、この第2の相15の触媒作用により、負極活物質層の表面に有機物の安定な被膜を効果的に形成することができ、電解質材料の分解を防ぐことができ、サイクル特性が向上される。
(2-4. Effect of negative electrode active material B)
According to the second embodiment, since the second phase 15 containing the element M is included in addition to the first phase 13 that occludes lithium, the second phase 15 of the second phase 15 is similar to the first embodiment. Due to the catalytic action, a stable organic film can be effectively formed on the surface of the negative electrode active material layer, decomposition of the electrolyte material can be prevented, and cycle characteristics can be improved.
また、第1の相13がリチウムを吸蔵すると、体積膨張するが、第2の相15はリチウムを吸蔵しないため、第2の相15に接する第1の相13の膨張は、抑えられる。つまり、第1の相13がリチウムを吸蔵して体積膨張をしようとしても、第2の相15が膨張しにくいため、第2の相15がくさびやピンのような効果を発揮し、ナノサイズ粒子11または17全体の膨張を抑制する。そのため、第2の相15を有しない粒子に比べて、第2の相15を有するナノサイズ粒子11または17は、リチウムを吸蔵する際に膨張しにくく、リチウムの放出時には復元力が働いて元の形状に戻りやすくなる。そのため、本発明によれば、ナノサイズ粒子11または17は、リチウムを吸蔵させても、体積膨張に伴う歪が緩和され、サイクル特性時の放電容量の低下が抑制される。 Further, when the first phase 13 occludes lithium, the volume expands, but the second phase 15 does not occlude lithium, so that the expansion of the first phase 13 in contact with the second phase 15 is suppressed. That is, even if the first phase 13 occludes lithium and tries to expand its volume, the second phase 15 hardly expands, so that the second phase 15 exhibits an effect like a wedge or a pin, and is nanosized. Swelling of the entire particle 11 or 17 is suppressed. Therefore, compared with particles not having the second phase 15, the nano-sized particles 11 or 17 having the second phase 15 are less likely to expand when occlusion of lithium, and the restoring force works when lithium is released. It becomes easy to return to the shape of. Therefore, according to the present invention, even when lithium is occluded in the nano-sized particles 11 or 17, distortion associated with volume expansion is relieved, and a decrease in discharge capacity during cycle characteristics is suppressed.
さらに、第2の実施形態によれば、ナノサイズ粒子11または17は膨張しにくいため、ナノサイズ粒子を大気中に出したとしても、大気中の酸素と反応しにくい。一方、どちらか一方の相のみを有するナノサイズ粒子は、表面保護せずに大気中に放置すると、表面から酸素と反応し、表面から粒子内部へと酸化が進行するため、ナノサイズ粒子全体が酸化する。しかしながら、本発明のナノサイズ粒子11または17を大気中に放置した場合、粒子の最表面は酸素と反応するが、全体としてナノサイズ粒子が膨張しにくいため、酸素が内部に侵入しにくく、ナノサイズ粒子の中心部まで酸化が及びにくい。従って、通常の金属ナノ粒子は比表面積が大きく、酸化して発熱や体積膨張が生じやすいが、本発明のナノサイズ粒子11または17は、有機物や金属酸化物で特別な表面コートを行う必要がなく、大気中で粉体のまま扱うことができる。このような特徴は、工業的利用価値が大きい。 Furthermore, according to the second embodiment, since the nano-sized particles 11 or 17 are difficult to expand, even if the nano-sized particles are put out into the atmosphere, they hardly react with oxygen in the atmosphere. On the other hand, when nanosized particles having only one phase are left in the atmosphere without surface protection, they react with oxygen from the surface, and oxidation proceeds from the surface to the inside of the particles. Oxidize. However, when the nano-sized particles 11 or 17 of the present invention are left in the atmosphere, the outermost surface of the particles reacts with oxygen, but since the nano-sized particles are difficult to expand as a whole, oxygen is less likely to enter the interior. Oxidation hardly reaches the center of the size particle. Therefore, normal metal nanoparticles have a large specific surface area and are likely to oxidize and generate heat and volume expansion. However, the nano-sized particles 11 or 17 of the present invention need to be specially coated with an organic substance or metal oxide. And can be handled as powder in the atmosphere. Such features have great industrial utility value.
また、第2の実施形態によれば、第2の相15は元素Mを含むため導電性が高く、導電性の低い元素Xを含む第1の相13を主相として有していても、ナノサイズ粒子11または17全体としての導電率が飛躍的に上昇する。見方を変えれば、ナノサイズ粒子11または17は、それぞれのナノサイズ粒子にナノレベルの集電スポットを有した構造と等価であり、導電助剤が少なくても導電性を有する負極材料となり、高容量の電極を形成することが可能となり、また、ハイレート特性に優れる負極活物質となり得る。特に、第2の相15に導電性の高いFeやCuなどの金属元素を用いることで、シリコンナノ粒子のみの場合等に比べて、導電性の良い負極活物質が得られる。 Further, according to the second embodiment, even if the second phase 15 includes the element M, the conductivity is high and the first phase 13 including the element X having low conductivity is included as the main phase. The conductivity of the nano-sized particles 11 or 17 as a whole increases dramatically. In other words, the nano-sized particles 11 or 17 are equivalent to a structure in which each nano-sized particle has a nano-level current collecting spot, and become a negative electrode material having conductivity even if there is a small amount of conductive auxiliary agent. A capacitor electrode can be formed, and can be a negative electrode active material having excellent high-rate characteristics. In particular, by using a highly conductive metal element such as Fe or Cu for the second phase 15, a negative electrode active material with better conductivity can be obtained as compared to the case of using only silicon nanoparticles.
また、第1の相13中に第2の相15を含むナノサイズ粒子11や、第1の相13中に第2の相15と他の第2の相19とを含むナノサイズ粒子17は、第1の相13のより多くの部分がリチウムを吸蔵しない相と接することになり、第1の相13の膨張がより効果的に抑えられる。その結果、ナノサイズ粒子17は、少ない量の元素Mで体積膨張を抑制する効果を発揮することが可能となり、リチウム吸蔵可能なSi等の元素Xの量を効果的に増やすことができ、高容量かつサイクル特性が向上する。 In addition, the nano-sized particles 11 including the second phase 15 in the first phase 13 and the nano-sized particles 17 including the second phase 15 and another second phase 19 in the first phase 13 are: More parts of the first phase 13 are in contact with a phase that does not occlude lithium, and the expansion of the first phase 13 is more effectively suppressed. As a result, the nano-sized particles 17 can exhibit the effect of suppressing volume expansion with a small amount of the element M, and can effectively increase the amount of element X such as Si that can occlude lithium, Capacity and cycle characteristics are improved.
外表面に露出する第2の相15と他の第2の相19の両方を備えるナノサイズ粒子17は、上記同様の効果を有するうえ、ナノレベルの集電スポットが増加し、集電性能が効果的に向上する。2種以上の元素Mおよび元素M’の群の元素を添加すると、2種以上の化合物が生成し、これらの化合物は相互に分離しやすいため異なる化合物が分離しやすいから、集電スポットが増加しやすく、より好ましい。 The nano-sized particles 17 having both the second phase 15 exposed to the outer surface and the other second phase 19 have the same effect as described above, and the number of nano-level current collection spots is increased. Effectively improve. Addition of two or more elements M and element M 'group generates two or more compounds, and these compounds are easy to separate from each other, so different compounds are easy to separate, increasing the current collection spot It is easy to do and is more preferable.
(2−5.第3の実施形態に係る負極活物質Cの構成)
さらに、本発明に係る負極5の第3の実施形態に係るナノサイズ粒子21について説明する。以下の実施形態で第2の実施形態と同一の様態を果たす要素には同一の番号を付し、重複した説明は避ける。
(2-5. Configuration of negative electrode active material C according to the third embodiment)
Furthermore, the nanosized particle 21 which concerns on 3rd Embodiment of the negative electrode 5 which concerns on this invention is demonstrated. In the following embodiment, the same number is attached | subjected to the element which fulfill | performs the same aspect as 2nd Embodiment, and the duplicate description is avoided.
図6は、本発明の負極5の負極活物質を構成するナノサイズ粒子21の概略断面図である。図6(a)に示すように、ナノサイズ粒子21は、前記と同じ第1の相13と、第2の相15に加えて、さらに、第3の相23を有している。第3の相23は、Si、Sn、Al、Pb、Sb、Bi、Ge、InおよびZnからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素である元素X’を含み、元素Xとは異なる種類の元素である。これら元素X’はリチウムを吸蔵しやすい元素である。第3の相23は、元素X’の単体であってもよいし、元素X’を主成分とする固溶体であってもよい。元素X’と固溶体を形成する元素は、元素X’を選ぶことができる群より選ばれた元素でもよいし、前記群に挙げられていない元素であってもよい。第3の相23はリチウムを吸蔵可能である。 FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the nanosized particles 21 constituting the negative electrode active material of the negative electrode 5 of the present invention. As shown in FIG. 6A, the nano-sized particles 21 have a third phase 23 in addition to the same first phase 13 and second phase 15 as described above. The third phase 23 includes an element X ′ that is at least one element selected from the group consisting of Si, Sn, Al, Pb, Sb, Bi, Ge, In, and Zn, and is different from the element X Elements. These elements X ′ are elements that easily store lithium. The third phase 23 may be a single element X ′ or a solid solution containing the element X ′ as a main component. The element that forms a solid solution with the element X ′ may be an element selected from the group capable of selecting the element X ′, or may be an element not listed in the group. The third phase 23 can occlude lithium.
第1の相13と第2の相15と第3の相23は、全てが外表面に露出し、第1の相13と第2の相15と第3の相23の外表面は略球形状であってよい。第2の相15は第1の相13と接合しており、第3の相23は、第1の相13と第2の相15の少なくとも一方と、界面を介して互いに接合している。例えば、第1の相13の一端に第2の相15があり、他端に第3の相23があり、ナノサイズ粒子21は、大きな球の表面に二つの小さな球が接合している形状を有することができる。第3の相23と第1の相13との界面は、平面あるいは曲面を示している。一方で、図7(a)に示すように、第2の相15と第3の相23とが界面を介して接合していても良い。
このようなナノサイズ粒子21については、負極活物質としてのリチウム吸蔵特性や導電性等を考慮すると、例えば、第1の相13がSiで、第2の相15がSiとFeの化合物で、第3の相23がSnとすること等が例示される。
The first phase 13, the second phase 15, and the third phase 23 are all exposed on the outer surface, and the outer surfaces of the first phase 13, the second phase 15, and the third phase 23 are substantially spherical. It may be a shape. The second phase 15 is bonded to the first phase 13, and the third phase 23 is bonded to at least one of the first phase 13 and the second phase 15 through an interface. For example, there is a second phase 15 at one end of the first phase 13, a third phase 23 at the other end, and the nano-sized particle 21 has a shape in which two small spheres are joined to the surface of a large sphere. Can have. The interface between the third phase 23 and the first phase 13 is a flat surface or a curved surface. On the other hand, as shown to Fig.7 (a), the 2nd phase 15 and the 3rd phase 23 may join via the interface.
For such nano-sized particles 21, considering the lithium occlusion characteristics and conductivity as the negative electrode active material, for example, the first phase 13 is Si and the second phase 15 is a compound of Si and Fe. For example, the third phase 23 is Sn.
また、図6(b)に示すナノサイズ粒子21のように、元素Mの単体または化合物である第2の相15や、元素X’の単体または固溶体である第3の相23が、第1の相13中に分散していてもよい。また、元素X’と元素Mの化合物である相(図示せず)が分散していてもよい。これらの相15,23は、第1の相13に覆われているが、図6(c)のように、一部の相15,23が表面に露出していてもよい。つまり、必ずしも第1の相13中に分散されている相15,23周囲の全てを第1の相13で覆っている必要はなく、周囲の一部のみを第1の相13で覆っていてもよい。なお、第1の相13中には、複数の相が分散していてもよいし、例えば、第2の相15、第3の相23、元素X’と元素Mの化合物である相のいずれかが分散されていてもよい。 6B, the second phase 15 that is a single element or a compound of the element M and the third phase 23 that is a single element or a solid solution of the element X ′ It may be dispersed in the phase 13. Further, a phase (not shown) which is a compound of the element X ′ and the element M may be dispersed. These phases 15 and 23 are covered by the first phase 13, but some of the phases 15 and 23 may be exposed on the surface as shown in FIG. That is, it is not always necessary to cover all of the periphery of the phases 15 and 23 dispersed in the first phase 13 with the first phase 13, and only a part of the periphery is covered with the first phase 13. Also good. Note that a plurality of phases may be dispersed in the first phase 13, for example, any of the second phase 15, the third phase 23, and a phase that is a compound of the element X ′ and the element M. May be dispersed.
また、第3の相23の界面以外の表面の形状は、図6(a)に示す第3の相23のように、表面がおおむね滑らかな球面であってもよいし、図7(b)に示す第3の相23’のように、多面体形状となってもよい。多面体形状は、第3の相23を介してナノサイズ粒子11、17または21が接合した後、剥離して生じたものである。 Further, the shape of the surface other than the interface of the third phase 23 may be a spherical surface whose surface is generally smooth like the third phase 23 shown in FIG. 6A, or FIG. As shown in the third phase 23 ′ shown in FIG. The polyhedron shape is formed by peeling after the nano-sized particles 11, 17 or 21 are bonded through the third phase 23.
また、第1の相13および第3の相23は、酸素を含むことでリチウムと反応するサイトを抑制することができる。酸素を含むと容量は減少するが、リチウム吸蔵に伴う体積膨張を抑制することができる。酸素の添加量zは、例えばXOz、X’Ozとしたとき、0<z<1の範囲が好ましい。zが1以上になると元素Xや元素X’のLi吸蔵サイトが抑制され、容量が大幅に低下する。 Moreover, the 1st phase 13 and the 3rd phase 23 can suppress the site | part which reacts with lithium by containing oxygen. When oxygen is included, the capacity decreases, but volume expansion accompanying lithium occlusion can be suppressed. Amount of oxygen z is, for example XO z, when a X'O z, 0 <z <1 is preferably in the range. When z is 1 or more, the Li storage sites of the element X and the element X ′ are suppressed, and the capacity is greatly reduced.
ナノサイズ粒子が元素X、元素X’、元素M、元素M’を含む場合、これらの合計に占める元素M及び元素M’の原子比率については、上記と同じ理由から、0.01〜25%程度とすることが好ましい。この原子比率が0.01〜25%であると、ナノサイズ粒子21を負極活物質として用いた際に、サイクル特性と高容量を両立できる。 When the nano-sized particles include the element X, the element X ′, the element M, and the element M ′, the atomic ratio of the element M and the element M ′ in the total is 0.01 to 25% for the same reason as described above. It is preferable to set the degree. When the atomic ratio is 0.01 to 25%, both the cycle characteristics and the high capacity can be achieved when the nano-sized particles 21 are used as the negative electrode active material.
また、本発明に係るナノサイズ粒子21の構成については、他にも様々な態様を考慮することができる。例えば、第1の相13の表面に、第3の相23を複数有することができる。また、例えば、ナノサイズ粒子21は、さらに、2種以上の元素X’を含むことができる。例えば、2種目の元素X’は、前記の元素X’の群より選ばれた1種の元素であって、1種目の元素X’とは異なる種類の元素である。例えば、元素Xとしてシリコン、元素X’としてスズ、アルミニウム、のように用いることができる。元素X’は、単体もしくは固溶体として他の第3相を形成してもよいし、元素Mおよび元素M’等との化合物を形成してもよい。他の第3相は、第3の相23と同様に、外表面が球面状であり、ナノサイズ粒子21の外表面に露出することができる。また、元素X’と元素Mとの化合物である相が、第1の相13や第3の相23中に分散するなどしていてもよい。さらに、ナノサイズ粒子21は、元素Mに加えて、元素M’を含んでも良い。 Moreover, various aspects can be considered about the structure of the nanosized particle 21 which concerns on this invention. For example, a plurality of third phases 23 can be provided on the surface of the first phase 13. For example, the nano-sized particle 21 can further contain two or more kinds of elements X ′. For example, the second element X ′ is one element selected from the group of the elements X ′ and is a different kind of element from the first element X ′. For example, silicon can be used as the element X, and tin and aluminum can be used as the element X ′. The element X ′ may form another third phase as a simple substance or a solid solution, or may form a compound with the element M and the element M ′. Similar to the third phase 23, the other third phase has a spherical outer surface and can be exposed on the outer surface of the nano-sized particles 21. Further, a phase that is a compound of the element X ′ and the element M may be dispersed in the first phase 13 or the third phase 23. Further, the nano-sized particles 21 may contain an element M ′ in addition to the element M.
このように、ナノサイズ粒子21は、元素X、X’の群の元素、元素Mの群の元素、及び元素M’ の群の元素の様々な組み合わせから、多様な組成の化合物、固溶体の相を含むことができる。このような相は、ナノサイズ粒子21の表面に露出していても良いし、第1の相13中や、あるいは他のいずれかの相中に、分散していてもよい。 As described above, the nano-sized particles 21 are composed of various combinations of compounds and solid solutions from various combinations of the elements X and X ′, the elements M, and the elements M ′. Can be included. Such a phase may be exposed on the surface of the nano-sized particle 21 or may be dispersed in the first phase 13 or any other phase.
なお、ナノサイズ粒子21の最表面に酸素が結合しても良い。空気中にナノサイズ粒子21を取り出すと、空気中の酸素がナノサイズ粒子21の表面の元素と反応するからである。つまり、ナノサイズ粒子21の最表面は、厚さ0.5〜15nm程度のアモルファスの層を有してもよく、特に第1の相が主として結晶質シリコンの場合などは、酸化膜層を有していてもよい。 Note that oxygen may be bonded to the outermost surface of the nano-sized particles 21. This is because when the nanosize particles 21 are taken out into the air, oxygen in the air reacts with elements on the surface of the nanosize particles 21. That is, the outermost surface of the nano-sized particles 21 may have an amorphous layer having a thickness of about 0.5 to 15 nm, and in particular, when the first phase is mainly crystalline silicon, it has an oxide film layer. You may do it.
(2−6.負極活物質Cの効果)
第3の実施形態によれば、第2の実施形態で得られる効果と同様の効果が得られる。ただし、第3の実施形態によれば、第1の相13がリチウムを吸蔵すると、体積膨張し、第3の相23もリチウムを吸蔵すると膨張する。しかし、第1の相13と第3の相23では、リチウムを吸蔵する電気化学的電位が異なるため、一方の相が優先的にリチウムを吸蔵し、一方の相が体積膨張する際に、他方の相の体積膨張が相対的に少なくなり、他方の相により一方の相が体積膨張しにくくなる。そのため、第3の相23がない場合の粒子に比べて、第1の相13と第3の相23を有するナノサイズ粒子21は、リチウムを吸蔵する際に膨張しにくい。そのため、第3の実施形態によれば、ナノサイズ粒子21は、リチウムを吸蔵させても、体積膨張が抑えられ、サイクル特性時の放電容量の低下が抑制される。
(2-6. Effect of negative electrode active material C)
According to the third embodiment, the same effect as that obtained in the second embodiment can be obtained. However, according to the third embodiment, volume expansion occurs when the first phase 13 occludes lithium, and expansion also occurs when the third phase 23 occludes lithium. However, since the electrochemical potential for storing lithium differs between the first phase 13 and the third phase 23, when one phase preferentially occludes lithium and one phase expands in volume, The volume expansion of one phase is relatively reduced, and the other phase makes it difficult for one phase to be volume expanded. Therefore, compared with the particle | grains without the 3rd phase 23, the nanosize particle | grains 21 which have the 1st phase 13 and the 3rd phase 23 are hard to expand | swell when occlusion of lithium. Therefore, according to the third embodiment, even if the nanosized particles 21 occlude lithium, volume expansion is suppressed, and a decrease in discharge capacity during cycle characteristics is suppressed.
(2−7.負極活物質のその他の態様)
また、本発明に係る負極活物質としては、上記の負極活物質Aにおける第1の粒子9として、上記の負極活物質BおよびCのナノサイズ粒子を用いるようにしてもよい。このようにすることで、負極活物質Aにおいても、さらに負極活物質BおよびCと同様の効果を得ることができる。
(2-7. Other aspects of negative electrode active material)
In addition, as the negative electrode active material according to the present invention, as the first particles 9 in the negative electrode active material A, nano-sized particles of the negative electrode active materials B and C may be used. By doing in this way, also in the negative electrode active material A, the effect similar to the negative electrode active materials B and C can be acquired.
またさらに、本発明に係る負極活物質としては、上記の負極活物質A〜Cにおける第1の粒子9、ナノ粒子11,17,21の表面の少なくとも一部を、例えば、銅、スズ、亜鉛、銀、ニッケルまたは炭素により被覆したものをも考慮することができる。被覆の厚みは、0.01〜0.5μmの範囲とすることが例示される。例えば、このような構成は、図5に示したナノ粒子17において、元素M’としてCuを選択し、元素M’の単体である他の第2の相19が、第1の相13の表面に接合しているのではなく、第1の相13および第2の相15を覆う形で(図示せず)存在していると理解することもできる。 Furthermore, as the negative electrode active material according to the present invention, at least part of the surfaces of the first particles 9 and the nanoparticles 11, 17, and 21 in the negative electrode active materials A to C described above, for example, copper, tin, zinc Those coated with silver, nickel or carbon can also be considered. The thickness of the coating is exemplified as being in the range of 0.01 to 0.5 μm. For example, in such a configuration, in the nanoparticle 17 shown in FIG. 5, Cu is selected as the element M ′, and the other second phase 19 that is a single element M ′ is the surface of the first phase 13. It can also be understood that the first phase 13 and the second phase 15 are present (not shown) instead of being bonded to each other.
このように負極活物質の表面が導電性の良い材料で被覆されることで、導電助材等を使用せずとも、負極全体の導電性が向上され、サイクル特性も改善される。また、負極活物質の表面が被覆されているため、シリコン等の酸化を抑制することができる。表面被覆をすることで、充放電による体積変化にも耐性が向上する。 Thus, by covering the surface of the negative electrode active material with a material having good conductivity, the conductivity of the entire negative electrode is improved and cycle characteristics are also improved without using a conductive aid or the like. Further, since the surface of the negative electrode active material is coated, oxidation of silicon or the like can be suppressed. By covering the surface, resistance to volume changes due to charge / discharge is improved.
(2−8.ナノサイズ粒子の製造方法)
ここで、ナノサイズ粒子の製造方法を説明する。
ナノサイズ粒子は、気相合成法により合成することができる。特に、原料粉末を、プラズマ化し、1万K相当にまで加熱し、その後冷却することで、ナノサイズ粒子を製造可能である。
(2-8. Method for producing nano-sized particles)
Here, a method for producing nano-sized particles will be described.
Nano-sized particles can be synthesized by a gas phase synthesis method. In particular, nano-sized particles can be produced by converting the raw material powder into plasma and heating it to the equivalent of 10,000 K, followed by cooling.
ナノサイズ粒子の製造に用いられる製造装置の一具体例を、図8に基づいて説明する。図8に示すナノサイズ粒子製造装置37において、反応チャンバー39の上部外壁には、プラズマ発生用の高周波コイル45が巻き付けてある。高周波コイル45には、高周波電源47より、数MHzの交流電圧が印加される。好ましい周波数は4MHzである。なお、高周波コイル45を巻きつける上部外壁は石英ガラスなどで構成された円筒形の2重管となっており、その隙間に冷却水を流してプラズマによる石英ガラスの溶融を防止している。 A specific example of a manufacturing apparatus used for manufacturing nano-sized particles will be described with reference to FIG. In the nanosize particle manufacturing apparatus 37 shown in FIG. 8, a high frequency coil 45 for generating plasma is wound around the upper outer wall of the reaction chamber 39. An AC voltage of several MHz is applied to the high frequency coil 45 from the high frequency power supply 47. A preferred frequency is 4 MHz. The upper outer wall around which the high-frequency coil 45 is wound is a cylindrical double tube made of quartz glass or the like, and cooling water is passed through the gap to prevent the quartz glass from melting by plasma.
また、反応チャンバー39の上部には、原料粉末供給口41と共に、シースガス供給口43が設けてある。原料粉末フィーダーから供給される原料粉末42は、キャリアガス(ヘリウム、アルゴンなどの希ガス)とともに原料粉末供給口41を通してプラズマ49中に供給される。また、シースガス44はシースガス供給口43を通して反応チャンバー39に供給される。なお、原料粉末供給口41は、必ずしも図8のようにプラズマ49の上部に設置する必要はなく、プラズマ49の横方向にノズルを設置することもできる。また、原料粉末供給口41を冷却水により水冷しても良い。なお、プラズマに供給するナノサイズ粒子の原料の性状は、粉末だけに限られず、原料粉末のスラリーやガス状の原料を供給しても良い。 In addition, a sheath gas supply port 43 is provided in the upper part of the reaction chamber 39 together with the raw material powder supply port 41. The raw material powder 42 supplied from the raw material powder feeder is supplied into the plasma 49 through the raw material powder supply port 41 together with a carrier gas (rare gas such as helium and argon). The sheath gas 44 is supplied to the reaction chamber 39 through the sheath gas supply port 43. Note that the raw material powder supply port 41 is not necessarily installed above the plasma 49 as shown in FIG. 8, and a nozzle can be installed in the lateral direction of the plasma 49. The raw material powder supply port 41 may be water-cooled with cooling water. In addition, the property of the raw material of the nanosize particles supplied to the plasma is not limited to the powder, and a slurry of the raw material powder or a gaseous raw material may be supplied.
反応チャンバー39は、プラズマ反応部の圧力の保持や、製造された微粉末の分散を抑制する役割を果たす。反応チャンバー39も、プラズマによる損傷を防ぐため、水冷されている。また、反応チャンバー39の側部には、吸引管が接続してあり、その吸引管の途中には合成された微粉末を捕集するためのフィルター51が設置してある。反応チャンバー39とフィルター51を連結する吸引管も、冷却水により水冷されている。反応チャンバー39内の圧力は、フィルター51の下流側に設置されている真空ポンプの吸引能力によって調整する。 The reaction chamber 39 plays a role of maintaining the pressure in the plasma reaction part and suppressing the dispersion of the produced fine powder. The reaction chamber 39 is also water-cooled to prevent damage due to plasma. A suction tube is connected to the side of the reaction chamber 39, and a filter 51 for collecting the synthesized fine powder is installed in the middle of the suction tube. The suction pipe connecting the reaction chamber 39 and the filter 51 is also water-cooled with cooling water. The pressure in the reaction chamber 39 is adjusted by the suction capacity of a vacuum pump installed on the downstream side of the filter 51.
ナノサイズ粒子の製造方法は、プラズマから気体、液体を経由して固体となり、ナノサイズ粒子を析出させるボトムアップの手法なので、液滴の段階で球形状となり、第1の相13と第2の相15とは球形状となる。一方、破砕法やメカノケミカル法のような、大きな粒子を小さくするトップダウンの手法では、粒子の形状はごつごつしたものとなり、ナノサイズ粒子11の球形状の形状とは大きく異なる。 The method for producing nano-sized particles is a bottom-up method in which a nano-sized particle is deposited from plasma into a solid via a gas and a liquid, so that it becomes spherical at the droplet stage, and the first phase 13 and the second phase are formed. The phase 15 has a spherical shape. On the other hand, in the top-down method of reducing large particles, such as the crushing method and the mechanochemical method, the shape of the particles is rugged and is significantly different from the spherical shape of the nano-sized particles 11.
なお、原料粉末に元素Xと元素Mのそれぞれの粉末の混合粉末を用いると、第2の実施形態に係るナノサイズ粒子11が得られる。一方、原料粉末に元素X、元素M、元素M’のそれぞれの粉末の混合粉末を用いると、第2の実施形態に係るナノサイズ粒子17が得られる。また、原料粉末に元素Xと元素M(および元素M’)と元素X’のそれぞれの粉末の混合粉末を用いると、第2の実施形態に係るナノサイズ粒子21が得られる。 In addition, when the mixed powder of each powder of the element X and the element M is used for raw material powder, the nanosized particle 11 which concerns on 2nd Embodiment is obtained. On the other hand, when the mixed powder of each powder of the element X, the element M, and the element M ′ is used as the raw material powder, the nano-sized particles 17 according to the second embodiment are obtained. Further, when a mixed powder of each powder of the element X, the element M (and the element M ′), and the element X ′ is used as the raw material powder, the nanosize particles 21 according to the second embodiment are obtained.
第1の実施形態に係る第1の粒子、第2の粒子については、上記のナノサイズ粒子製造装置及び方法を利用して製造することもできるし、公知の各種の方法を用いて製造することもできる。 About 1st particle | grains and 2nd particle | grains which concern on 1st Embodiment, it can also manufacture using said nanosize particle | grain manufacturing apparatus and method, and manufacture using well-known various methods. You can also.
また、粒子の表面被覆の手法についても特に制限されず、公知の各種の方法を採用することができる。金属の被覆には、無電解メッキまたは置換メッキが用いられ、シリコン等の粒子の表面酸化が小さく、導電性を有する場合には電気メッキも可能である。炭素の被覆には、カーボンブラックなどの無機系やポリビニルアルコールなどの有機系の炭素源を混合した後に不活性または還元性雰囲気中熱処理する方法などを用いることができる。また、炭化水素系ガスを600℃以上に加熱して熱分解させることで、粒子の表面にカーボンのコーティングを施す熱分解CVD法なども利用することができる。 Further, the method for particle surface coating is not particularly limited, and various known methods can be employed. Electroless plating or displacement plating is used for coating the metal, and the surface oxidation of particles such as silicon is small, and electroplating is possible if the particles are conductive. For coating the carbon, a method of heat treatment in an inert or reducing atmosphere after mixing an inorganic carbon source such as carbon black or an organic carbon source such as polyvinyl alcohol can be used. In addition, a thermal decomposition CVD method in which the surface of particles is coated with carbon by heating the hydrocarbon gas to 600 ° C. or higher to be thermally decomposed can also be used.
(2−9.負極の製造方法)
次に、非水電解質二次電池用負極の製造方法を説明する。本発明の負極は、少なくとも、負極活物質、導電材および結着材を含む塗布液が、集電体に塗布され、乾燥されて形成されることができる。塗布液は、例えば、図9に示すように、ミキサー53に、スラリー原料57を投入し、混練してスラリー(塗布液)55を形成することで調製することができる。スラリー原料57は、ナノサイズ粒子、導電助剤、結着剤、増粘剤、溶媒などである。
(2-9. Method for producing negative electrode)
Next, the manufacturing method of the negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries is demonstrated. The negative electrode of the present invention can be formed by applying a coating liquid containing at least a negative electrode active material, a conductive material and a binder to a current collector and drying it. For example, as shown in FIG. 9, the coating liquid can be prepared by charging a slurry raw material 57 into a mixer 53 and kneading to form a slurry (coating liquid) 55. The slurry raw material 57 is nano-sized particles, a conductive aid, a binder, a thickener, a solvent, and the like.
スラリー55中の固形分において、例えば、ナノサイズ粒子25〜90重量%、導電助剤5〜70重量%、結着剤1〜30重量%、増粘剤0〜25重量%の配合を目安とすることができる。 In the solid content in the slurry 55, for example, the blending of nano-sized particles 25 to 90% by weight, conductive auxiliary agent 5 to 70% by weight, binder 1 to 30% by weight, thickener 0 to 25% by weight can do.
ミキサー53は、スラリーの調製に用いられる一般的な混練機を用いることができ、ニーダー、撹拌機、分散機、混合機などと呼ばれるスラリーを調製可能な装置を用いてもよい。また、増粘剤としてはカルボキシメチルセルロース、メチルセルロース等の多糖類等を1種または2種以上の混合物として用いることが適している。また、溶媒としては水を用いることができる。また、有機系スラリーを調製するときは、溶媒としてN−メチル−2−ピロリドンを用いることができる。 As the mixer 53, a general kneader used for preparing a slurry can be used, and an apparatus capable of preparing a slurry called a kneader, a stirrer, a disperser, a mixer, or the like may be used. Moreover, as a thickener, it is suitable to use polysaccharides, such as carboxymethylcellulose and methylcellulose, as a 1 type, or 2 or more types of mixture. Moreover, water can be used as a solvent. Further, when preparing an organic slurry, N-methyl-2-pyrrolidone can be used as a solvent.
導電助剤は、炭素、銅、スズ、亜鉛、ニッケル、銀からなる群より選ばれた少なくとも1種の導電性物質からなる粉末である。炭素、銅、スズ、亜鉛、ニッケル、銀の単体の粉末でもよいし、それぞれの合金の粉末でもよい。例えば、ファーネスブラックやアセチレンブラックなどの一般的なカーボンブラックを使用できる。さらに、カーボンナノホーンを導電助剤として加えることができる。特に、ナノサイズ粒子の元素Xが導電性の低いシリコンである場合、ナノサイズ粒子の表面には、シリコンが露出することとなり、導電性が低くなるため、カーボンナノホーンを導電助剤として加えることが好ましい。ここで、カーボンナノホーン(CNH)とは、グラフェンシートを円錐形に丸めた構造をしており、実際の形態は多数のCNHが頂点を外側に向けて、放射状のウニのような形態の集合体として存在する。CNHのウニ様集合体の外径は50nm〜250nm程度である。特に、平均粒径80nm程度のCNHが好ましい。これらの材料は、いずれか1種を用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 The conductive assistant is a powder made of at least one conductive material selected from the group consisting of carbon, copper, tin, zinc, nickel, and silver. A single powder of carbon, copper, tin, zinc, nickel, or silver may be used, or a powder of each alloy may be used. For example, general carbon black such as furnace black and acetylene black can be used. In addition, carbon nanohorns can be added as conductive aids. In particular, when the element X of the nano-sized particles is silicon having low conductivity, silicon is exposed on the surface of the nano-sized particles, and the conductivity is lowered. Therefore, carbon nanohorn may be added as a conductive auxiliary agent. preferable. Here, the carbon nanohorn (CNH) has a structure in which a graphene sheet is rounded into a conical shape, and the actual form is an aggregate in the form of a radial sea urchin with many CNHs facing the apex to the outside. Exists as. The outer diameter of the CNH sea urchin-like aggregate is about 50 nm to 250 nm. In particular, CNH having an average particle size of about 80 nm is preferable. Any one of these materials may be used, or two or more of these materials may be used in combination.
導電助剤の平均粒径も一次粒子の平均粒径を指す。アセチレンブラックのような高度にストラクチャー形状が発達している場合にも、ここでは一次粒径で平均粒径を定義し、SEM写真の画像解析で平均粒径を求めることができる。 The average particle size of the conductive assistant also refers to the average particle size of the primary particles. Even when the structure shape is highly developed such as acetylene black, the average particle diameter can be defined by the primary particle diameter here, and the average particle diameter can be obtained by image analysis of the SEM photograph.
また、粒子状の導電助剤とワイヤー形状の導電助剤の両方を用いても良い。ワイヤー形状の導電助剤は導電性物質のワイヤーであり、粒子状の導電助剤に挙げられた導電性物質を用いることができる。ワイヤー形状の導電助剤は、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、銅ナノワイヤー、ニッケルナノワイヤーなどの外径が300nm以下の線状体を用いることができる。ワイヤー形状の導電助剤を用いることで、負極活物質や集電体などと電気的接続が保持しやすくなり集電性能が向上するとともに、ポーラス膜状の負極に繊維状物質が増え、負極にクラックが生じにくくなる。例えば粒子状の導電助剤として銅粉末を用い、ワイヤー形状の導電助剤として気相成長炭素繊維(VGCF:Vapor Grown Carbon Fiber)を用いることが考えられる。なお、粒子状の導電助剤を加えずに、ワイヤー形状の導電助剤のみを用いても良い。 Moreover, you may use both a particulate-form conductive support agent and a wire-shaped conductive support agent. The wire-shaped conductive aid is a wire made of a conductive material, and the conductive materials listed in the particulate conductive aid can be used. As the wire-shaped conductive assistant, a linear body having an outer diameter of 300 nm or less, such as carbon fiber, carbon nanotube, copper nanowire, or nickel nanowire, can be used. By using a wire-shaped conductive aid, electrical connection with the negative electrode active material or current collector is easily maintained, and the current collection performance is improved. Cracks are less likely to occur. For example, it is conceivable to use copper powder as the particulate conductive auxiliary agent and to use vapor grown carbon fiber (VGCF) as the wire-shaped conductive auxiliary agent. In addition, you may use only a wire-shaped conductive support agent, without adding a particulate-form conductive support agent.
ワイヤー形状の導電助剤の長さは、好ましくは0.1μm〜2mmである。導電助剤の外径は、好ましくは4nm〜1000nmであり、より好ましくは25nm〜200nmである。導電助剤の長さが0.1μm以上であれば、導電助剤の生産性を上げるのには十分な長さであり、長さが2mm以下であれば、スラリーの塗布が容易である。また、導電助剤の外径が4nmより太い場合、合成が容易であり、外径が1000nmより細い場合、スラリーの混練が容易である。導電物質の外径と長さの測定方法は、SEMによる画像解析により行った。 The length of the wire-shaped conductive assistant is preferably 0.1 μm to 2 mm. The outer diameter of the conductive aid is preferably 4 nm to 1000 nm, more preferably 25 nm to 200 nm. If the length of the conductive auxiliary agent is 0.1 μm or more, the length is sufficient to increase the productivity of the conductive auxiliary agent, and if the length is 2 mm or less, application of the slurry is easy. Further, when the outer diameter of the conductive auxiliary agent is larger than 4 nm, the synthesis is easy, and when the outer diameter is thinner than 1000 nm, the slurry is easily kneaded. The measuring method of the outer diameter and length of the conductive material was performed by image analysis using SEM.
結着剤は、樹脂の結着剤であり、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等のフッ素樹脂、スチレンブタジエン系ゴム(SBR)等の合成ゴム、アクリル系樹脂、カルボキシメチルセルロース等のセルロース類、ポリイミド、ポリアミドイミド等の有機材料を用いることができる。これらの材料は、いずれか1種を用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 The binder is a resin binder, fluorine resin such as polyvinylidene fluoride (PVdF), synthetic rubber such as styrene butadiene rubber (SBR), acrylic resin, celluloses such as carboxymethyl cellulose, polyimide, polyamide An organic material such as imide can be used. Any one of these materials may be used, or two or more of these materials may be used in combination.
溶媒としては、水や、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)等を使用することができる。 As the solvent, water, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), or the like can be used.
次に、図10に示すように、例えば、コーター59を用いて、集電体61の片面に、スラリー55を塗布する。コーター59は、スラリー55を集電体61に塗布可能な一般的な塗工装置を用いることができ、例えばロールコーターやドクターブレードによるコーター、コンマコーター、ダイコーターである。 Next, as illustrated in FIG. 10, the slurry 55 is applied to one surface of the current collector 61 using, for example, a coater 59. As the coater 59, a general coating apparatus capable of applying the slurry 55 to the current collector 61 can be used. For example, the coater 59 is a coater, a comma coater, or a die coater using a roll coater or a doctor blade.
集電体61は、銅、ニッケル、ステンレスからなる群より選ばれた少なくとも1種の金属からなる箔である。それぞれの金属は、単独で用いてもよいし、それぞれの合金として用いてもよい。厚さは4μm〜35μmが好ましく、さらに8μm〜18μmがより好ましい。 The current collector 61 is a foil made of at least one metal selected from the group consisting of copper, nickel, and stainless steel. Each metal may be used independently and may be used as each alloy. The thickness is preferably 4 μm to 35 μm, and more preferably 8 μm to 18 μm.
その後、50〜150℃程度で乾燥し、厚みを調整するため、ロールプレスを通して、非水電解質二次電池用負極を得ることができる。結着材として、ポリイミドやポリアミドイミドを使用したときは、さらに250℃〜450℃の範囲で加熱処理を行うことが好ましい。 Then, in order to dry at about 50-150 degreeC and adjust thickness, the negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries can be obtained through a roll press. When polyimide or polyamideimide is used as the binder, it is preferable to perform heat treatment in the range of 250 ° C to 450 ° C.
(3.正極)
正極3は、リチウムイオンを吸蔵および放出可能な各種の正極を用いることができる。このリチウムイオン電池用正極は、正極活物質、導電助剤、結着剤および溶媒等を混合して正極活物質の組成物を準備し、これをアルミ箔などの金属集電体上に直接塗布・乾燥することで製造することができる。
(3. Positive electrode)
As the positive electrode 3, various positive electrodes capable of inserting and extracting lithium ions can be used. This positive electrode for a lithium ion battery is prepared by mixing a positive electrode active material, a conductive additive, a binder and a solvent to prepare a positive electrode active material composition, which is directly applied onto a metal current collector such as an aluminum foil. -It can be manufactured by drying.
正極活物質としては、一般的に使われるものであればいずれも使用可能であり、例えばLiCoO2、LiMn2O4、LiMnO2、LiNiO2、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2、LiFePO4などの化合物が例示される。 Any positive electrode active material can be used as long as it is generally used. For example, LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 , compounds such as LiFePO 4 are exemplified.
導電助剤としては、例えばカーボンブラックを使用し、結着剤としては、例えばポリフッ化ビニリデン(PVdF)、水溶性アクリル系バインダーを使用し、溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、水などを使用することができる。このとき、正極活物質、導電助剤、結着剤および溶媒の含量は、非水電解質二次電池等で通常的に使用するレベルである。 For example, carbon black is used as the conductive assistant, polyvinylidene fluoride (PVdF), a water-soluble acrylic binder is used as the binder, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is used as the solvent. Water, etc. can be used. At this time, the contents of the positive electrode active material, the conductive additive, the binder, and the solvent are at levels normally used in non-aqueous electrolyte secondary batteries and the like.
(4.セパレータ)
セパレータとしては、正極と負極の電子伝導を絶縁する機能を有し、非水電解質二次電池で通常的に使われるものであればいずれも使用可能である。例えば、微多孔性のポリオレフィンフィルムを使用できる。
(4. Separator)
Any separator can be used as long as it has a function of insulating electronic conduction between the positive electrode and the negative electrode and is usually used in a non-aqueous electrolyte secondary battery. For example, a microporous polyolefin film can be used.
(5.電解液・電解質)
電解液および電解質としては、リチウムイオン二次電池、Liポリマー電池などに使用される、リチウムイオン伝導性を有する非水系の有機電解液を使用することができる。
(5. Electrolyte / Electrolyte)
As the electrolytic solution and the electrolyte, a non-aqueous organic electrolytic solution having lithium ion conductivity used for a lithium ion secondary battery, a Li polymer battery, or the like can be used.
有機電解液の溶媒の具体例として、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート等のカーボネート;ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル等のエーテル;ベンゾニトリル、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、γ―ブチロラクトン、ジオキソラン、4−メチルジオキソラン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルクロロベンゼン、ニトロベンゼン等の非プロトン性溶媒、あるいはこれらの溶媒のうちの2種以上を混合した混合溶媒が挙げられる。 Specific examples of the organic electrolyte solvent include carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, and methyl ethyl carbonate; diethyl ether, dibutyl ether, ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, ethylene glycol di Ethers such as butyl ether and diethylene glycol dimethyl ether; aprotic such as benzonitrile, acetonitrile, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, γ-butyrolactone, dioxolane, 4-methyldioxolane, N, N-dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethylchlorobenzene, nitrobenzene Solvent, or two or more of these solvents Mixed solvent of thereof.
有機電解液の電解質には、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiAlO4、LiAlCl4、LiSbF6、LiSCN、LiCl、LiCF3SO3、LiCF3CO3、LiC4F9SO3、LiN(CF3SO2)2等のリチウム塩からなる電解質の1種または2種以上を混合させたものを用いることができる。 The electrolyte of the organic electrolyte includes LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , LiSbF 6 , LiSCN, LiCl, LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) A mixture of one or more electrolytes made of a lithium salt such as 2 can be used.
そして本発明においては、電解質は、分子内に不飽和結合を有し還元重合が可能な有機物を含有していることを特徴とする。このような有機物を電解質に添加することで、負極活物質の表面に有効な固体電解質界面被膜を形成することができ、電解液質材料の分解を抑制することが可能となる。分子内に不飽和結合を有し、充電時に還元重合できる物質としては、例えば、フルオロエチレンカーボネート、ビニレンカーボネート(VC)、ビニルエチレンカーボネート等のカーボネート及びその誘導体の他、不飽和のカルボン酸エステル類、リン酸エステル類、ホウ酸エステル類、及びアルコール類等を用いることができる。中でも、ビニレンカーボネート(VC)を用いるのが好ましい例として示される。 In the present invention, the electrolyte is characterized by containing an organic substance having an unsaturated bond in the molecule and capable of reductive polymerization. By adding such an organic substance to the electrolyte, an effective solid electrolyte interface film can be formed on the surface of the negative electrode active material, and decomposition of the electrolyte material can be suppressed. Examples of the substance having an unsaturated bond in the molecule and capable of undergoing reductive polymerization at the time of charging include, for example, carbonates such as fluoroethylene carbonate, vinylene carbonate (VC), vinyl ethylene carbonate, and derivatives thereof, and unsaturated carboxylic acid esters. , Phosphoric acid esters, boric acid esters, alcohols and the like can be used. Among them, it is shown as a preferable example that vinylene carbonate (VC) is used.
このような有機物は、安定な固体電解質界面被膜を得るために、電解質重量の0.1重量%〜10重量%程度添加することが好ましい。さらには、1重量%〜5重量%程度添加するのがより好ましい。添加量が0.1重量%〜10重量%の範囲であると、充電時に還元されて、負極活物質層の表面に安定な被膜を形成することができ、電解質材料の分解を防ぐことができる。添加量が0.1重量%未満の場合は、負極活物質の表面に安定な被膜を十分に形成するのが困難となり、また、添加量が10重量%を超過する場合には、還元される量が増えるため、形成される固体電解質界面被膜が厚くなり、電池のインピーダンスが上昇してしまうために好ましくない。 In order to obtain a stable solid electrolyte interface film, such an organic substance is preferably added in an amount of about 0.1 wt% to 10 wt% of the electrolyte weight. Furthermore, it is more preferable to add about 1 to 5% by weight. When the addition amount is in the range of 0.1% by weight to 10% by weight, it can be reduced during charging to form a stable film on the surface of the negative electrode active material layer, and the decomposition of the electrolyte material can be prevented. . When the addition amount is less than 0.1% by weight, it is difficult to sufficiently form a stable film on the surface of the negative electrode active material, and when the addition amount exceeds 10% by weight, it is reduced. Since the amount increases, the formed solid electrolyte interface film becomes thick, and the impedance of the battery increases, which is not preferable.
(6.非水電解質二次電池の組立て)
本発明の非水電解質二次電池は、前述したような正極と負極との間にセパレータを配置して、電池構造体を形成している。このような電池構造体を巻くか、または折って円筒形や角形の電池ケースに入れた後、電解液を注入して、リチウムイオン二次電池が完成する。
(6. Assembly of non-aqueous electrolyte secondary battery)
In the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention, a separator is disposed between the positive electrode and the negative electrode as described above to form a battery structure. After winding or folding such a battery structure into a cylindrical or rectangular battery case, an electrolyte is injected to complete a lithium ion secondary battery.
具体的には、図1に示したように、本発明の非水電解質二次電池1は、正極3、負極5を、セパレータ7を介して、セパレータ−負極−セパレータ−正極の順に積層配置し、正極3が内側になるように巻回して極板群を構成し、これを電池缶25内に挿入する。そして正極3は正極リード27を介して正極端子29に、負極5は負極リード31を介して電池缶25にそれぞれ接続し、非水電解質二次電池1内部で生じた化学エネルギーを電気エネルギーとして外部に取り出し得るようにする。次いで、電池缶25内に非水系電解液8を極板群を覆うように充填した後、電池缶25の上端(開口部)に、円形蓋板とその上部の正極端子29からなり、その内部に安全弁機構を内蔵した封口体33を、環状の絶縁ガスケットを介して取り付けて、本発明の非水電解質二次電池1を製造することができる。 Specifically, as shown in FIG. 1, the non-aqueous electrolyte secondary battery 1 of the present invention has a positive electrode 3 and a negative electrode 5 stacked in the order of separator-negative electrode-separator-positive electrode via a separator 7. Then, the positive electrode 3 is wound so as to be on the inner side to form an electrode plate group, which is inserted into the battery can 25. The positive electrode 3 is connected to the positive electrode terminal 29 via the positive electrode lead 27, and the negative electrode 5 is connected to the battery can 25 via the negative electrode lead 31, and the chemical energy generated inside the nonaqueous electrolyte secondary battery 1 is externally used as electric energy. To be able to take out. Next, after filling the battery can 25 with the non-aqueous electrolyte solution 8 so as to cover the electrode plate group, the upper end (opening portion) of the battery can 25 is composed of a circular lid plate and a positive electrode terminal 29 on the upper portion thereof. The non-aqueous electrolyte secondary battery 1 of the present invention can be manufactured by attaching the sealing body 33 having a built-in safety valve mechanism thereto via an annular insulating gasket.
(7.本発明に係る非水電解質二次電池の効果)
本発明に係る非水電解質二次電池は、炭素よりも単位体積あたりの容量の高いSiを含むナノサイズ粒子を負極活物質として用いているため、従来のリチウムイオン二次電池よりも容量が大きく、かつ、ナノサイズ粒子が微粉化しにくいためにサイクル特性が良い。
(7. Effects of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention)
The non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention uses nano-sized particles containing Si, which has a higher capacity per unit volume than carbon, as a negative electrode active material, and therefore has a larger capacity than a conventional lithium ion secondary battery. In addition, the cycle characteristics are good because the nano-sized particles are not easily pulverized.
また、このようなナノサイズの負極活物質を用い、塗布法で負極を形成した場合でも、電解質に不飽和結合を有する還元重合が可能な有機物を含むことにより、負極活物質層の表面に安定な皮膜が、効果的に形成されて、負極活物質を安定化し、電解液の分解が抑制され、サイクル特性が向上される。 In addition, even when such a nano-sized negative electrode active material is used and a negative electrode is formed by a coating method, the surface of the negative electrode active material layer can be stabilized by including an organic substance capable of reduction polymerization having an unsaturated bond in the electrolyte. Effective film is formed, the negative electrode active material is stabilized, decomposition of the electrolytic solution is suppressed, and cycle characteristics are improved.
以下、本発明について実施例および比較例を用いて具体的に説明する。
[実施例1]
(ナノサイズ粒子)
図8の装置を用い、シリコン粉末と鉄粉末とをモル比でSi:Fe=23:2になるように混合し、乾燥させた混合粉末を原料粉末として、反応チャンバー内に発生させたArガスのプラズマ中にキャリアガスで連続的に供給することにより、シリコンと鉄のナノサイズ粒子を製造した。
Hereinafter, the present invention will be specifically described using examples and comparative examples.
[Example 1]
(Nano-sized particles)
Using the apparatus of FIG. 8, Ar gas generated in the reaction chamber using a mixed powder obtained by mixing silicon powder and iron powder in a molar ratio of Si: Fe = 23: 2 and using the dried mixed powder as a raw material powder. The silicon and iron nano-sized particles were manufactured by continuously supplying the plasma with a carrier gas.
詳細には、下記のとおりの方法で製造した。反応チャンバー内を真空ポンプで排気した後、Arガスを導入して大気圧とした。この排気とArガス導入を3回繰り返して、反応容器内の残留空気を排気した。その後、反応容器内にプラズマガスとしてArガスを13L/minの流量で導入し、高周波コイルに交流電圧をかけて、高周波電磁場(周波数4MHz)により高周波プラズマを発生させた。この時のプレート電力は、20kWとした。原料粉末を供給するキャリアガスは、1.0L/minの流速のArガスを用いた。得られた微粉末をフィルターで回収した。 In detail, it manufactured by the method as follows. After evacuating the reaction chamber with a vacuum pump, Ar gas was introduced to atmospheric pressure. This exhaustion and Ar gas introduction were repeated three times to exhaust the residual air in the reaction vessel. Thereafter, Ar gas was introduced into the reaction vessel as a plasma gas at a flow rate of 13 L / min, an AC voltage was applied to the high frequency coil, and high frequency plasma was generated by a high frequency electromagnetic field (frequency 4 MHz). The plate power at this time was 20 kW. Ar gas having a flow rate of 1.0 L / min was used as a carrier gas for supplying the raw material powder. The obtained fine powder was collected with a filter.
(ナノサイズ粒子の構成の評価)
ナノサイズ粒子の結晶性に関して、リガク社製RINT−UltimaIIIを用いてXRD解析を行った。図11に実施例1のナノサイズ粒子のXRD回折パターンを示す。実施例1で得られたナノサイズ粒子は、SiとFeSi2の2成分で構成されることが分かった。また、Feは全てシリサイドFeSi2として存在し、元素単体(価数0)としてのFeはほとんど存在しないことが分かった。
(Evaluation of the composition of nano-sized particles)
Regarding the crystallinity of the nano-sized particles, XRD analysis was performed using RINT-Ultima III manufactured by Rigaku Corporation. FIG. 11 shows an XRD diffraction pattern of the nano-sized particles of Example 1. The nano-sized particles obtained in Example 1 were found to be composed of two components, Si and FeSi 2 . It was also found that all Fe was present as silicide FeSi 2 and there was almost no Fe as a single element (valence 0).
ナノサイズ粒子の粒子形状の観察を、走査透過型電子顕微鏡(日本電子製、JEM 3100FEF)を用いて行った。図12(a)は、実施例1に係るナノサイズ粒子のBF−STEM(Bright−Field Scanning Transmission Electron Microscopy、明視野走査透過電子顕微鏡)像である。粒径約80〜100nm程度の略球形状の粒子に、半球状の粒子が界面を介して接合したナノサイズ粒子が観察され、同一粒子内で、色の比較的濃い箇所が、鉄を含む鉄シリサイドからなり、色の比較的薄い箇所がシリコンからなる。また、ナノサイズ粒子表面にアモルファスな厚さ2〜4nmのシリコンの酸化膜が形成されていることがわかる。図12(b)は、HAADF−STEM(High−Angle−Annular−Dark−Field−Scanning−Transmission−Electron−Microscopy:高角度散乱暗視野−走査透過型電子顕微鏡法)によるSTEM写真である。HAADF−STEMでは同一粒子内で色の比較的薄い箇所が鉄シリサイドからなり、色の比較的濃い箇所がシリコンからなる。 The particle shape of the nano-sized particles was observed using a scanning transmission electron microscope (manufactured by JEOL Ltd., JEM 3100FEF). 12A is a BF-STEM (Bright-Field Scanning Transmission Electron Microscopy) image of the nano-sized particles according to Example 1. FIG. Nano-sized particles in which hemispherical particles are bonded to the substantially spherical particles having a particle diameter of about 80 to 100 nm via the interface are observed, and within the same particles, a relatively dark colored portion is iron containing iron. It is made of silicide, and a relatively light-colored portion is made of silicon. It can also be seen that an amorphous silicon oxide film having a thickness of 2 to 4 nm is formed on the surface of the nano-sized particles. FIG. 12 (b) is a STEM photograph by HAADF-STEM (High-Angle-Annel-Dark-Field-Scanning-Transmission-Electron-Microscopy: high angle scattering dark field-scanning transmission electron microscopy). In HAADF-STEM, a relatively light portion of the same particle is made of iron silicide, and a relatively dark portion is made of silicon.
ナノサイズ粒子の粒子形状の観察と組成分析を、走査透過型電子顕微鏡(日本電子製、JEM 3100FEF)を用いて、HAADF−STEMによる粒子形状の観察と、EDS(Energy Dispersive Spectroscopy:エネルギー分散型X線分析)分析により行った。図13(a)は、ナノサイズ粒子のHAADF−STEM像であり、図13(b)は、同一の観察箇所におけるシリコン原子のEDSマップであり、図13(c)は、同一の観察箇所における鉄原子のEDSマップである。 Observation and composition analysis of nano-sized particles using a scanning transmission electron microscope (manufactured by JEOL, JEM 3100FEF), observation of particle shape by HAADF-STEM, and EDS (Energy Dispersive Spectroscopy: Energy Dispersive X) Line analysis). Fig. 13 (a) is a HAADF-STEM image of nano-sized particles, Fig. 13 (b) is an EDS map of silicon atoms at the same observation location, and Fig. 13 (c) is at the same observation location. It is an EDS map of an iron atom.
図13(a)によれば、粒径約50〜150nm程度のナノサイズ粒子が観察され、それぞれのナノサイズ粒子は、それぞれ略球形状である。図13(b)より、ナノサイズ粒子の全体にシリコン原子が存在し、図13(c)より、図13(a)で明るく観察される箇所に鉄原子が多く検出されることが分かる。以上のことより、ナノサイズ粒子は、シリコンで形成される第1の相に、シリコンと鉄の化合物で形成される第2の相が接合している構造を有することが分かる。 According to FIG. 13 (a), nano-sized particles having a particle size of about 50 to 150 nm are observed, and each nano-sized particle has a substantially spherical shape. From FIG. 13 (b), it can be seen that silicon atoms are present in the entire nano-sized particles, and from FIG. 13 (c), many iron atoms are detected at the brightly observed positions in FIG. 13 (a). From the above, it can be seen that nano-sized particles have a structure in which a second phase formed of a compound of silicon and iron is bonded to a first phase formed of silicon.
図14(a)〜(c)においても、同様に実施例1に係る別のナノサイズ粒子の粒子形状の観察と組成分析を行った。図14においても、図13と同様に、シリコンで形成される第1の相に、シリコンと鉄の化合物で形成される第2の相が接合している構造を有することが分かる。 14A to 14C, the observation of the shape and composition analysis of another nano-sized particle according to Example 1 were similarly performed. 14 also shows that, similarly to FIG. 13, the first phase formed of silicon and the second phase formed of a compound of silicon and iron are joined.
得られたナノサイズ粒子の形成過程を考察する。図15は、SiとFeの2元系状態図である。シリコン粉末と鉄粉末とをモル比でSi:Fe=23:2になるように混合したので、原料粉末でのmole Si/(Fe+Si)=0.92となる。図15中の太線は、mole Si/(Fe+Si)=0.92を示す線である。高周波コイルにより生成したプラズマは、1万K相当となるので、状態図の温度範囲をはるかに超え、鉄原子とシリコン原子が均一に混合したプラズマが得られる。プラズマが冷却すると、プラズマから気体へ、気体から液体へと変化する過程で球状の液滴が成長し、1470K程度にまで冷却すると、Fe3Si7とSiの両方が析出する。その後、1220K程度にまで冷却すると、Fe3Si7が、FeSi2とSiに相変化する。よって、シリコンと鉄のプラズマが冷却すると、FeSi2とSiとが界面を介して接合するナノサイズ粒子が形成される。SiとFeは親和性が低いため、SiとFeは互いに接触する面積を減らすように、二つの粒子が接合した形状をとる。
得られたナノサイズ粒子の平均粒径は、100nmであった。
The formation process of the obtained nano-sized particles is considered. FIG. 15 is a binary phase diagram of Si and Fe. Since the silicon powder and the iron powder were mixed at a molar ratio of Si: Fe = 23: 2, mole Si / (Fe + Si) = 0.92 in the raw material powder. The thick line in FIG. 15 is a line indicating mole Si / (Fe + Si) = 0.92. Since the plasma generated by the high frequency coil is equivalent to 10,000 K, the temperature is far beyond the temperature range of the phase diagram, and a plasma in which iron atoms and silicon atoms are uniformly mixed is obtained. When the plasma is cooled, spherical droplets grow in the process of changing from plasma to gas and from gas to liquid, and when cooled to about 1470K, both Fe 3 Si 7 and Si are deposited. Then, when cooled to about 1220K, Fe 3 Si 7 is a phase change to a FeSi 2 and Si. Therefore, when the plasma of silicon and iron is cooled, nano-sized particles are formed in which FeSi 2 and Si are bonded via the interface. Since Si and Fe have low affinity, Si and Fe take a shape in which two particles are joined so as to reduce the area in contact with each other.
The average particle size of the obtained nano-sized particles was 100 nm.
(粉体導電率の評価)
粉体状態における電子伝導性を評価するため、三菱化学製の粉体抵抗測定システムMCP−PD51型を用いて粉体導電率の評価を行った。導電率は、任意の圧力でサンプル粉体を圧縮したときの抵抗値から求めた。後述する表1のデータは、63.7MPaでサンプル粉体を圧縮して測定したときの値である。
(Evaluation of powder conductivity)
In order to evaluate the electronic conductivity in the powder state, the powder conductivity was evaluated using a powder resistance measurement system MCP-PD51 manufactured by Mitsubishi Chemical. The conductivity was determined from the resistance value when the sample powder was compressed at an arbitrary pressure. The data in Table 1 to be described later is a value when measured by compressing the sample powder at 63.7 MPa.
(非水電解質二次電池のサイクル特性の評価)
(i)負極スラリーの調製
負極活物質として上記で得られたSiとFeのナノサイズ粒子を用い、導電材としてのアセチレンブラック(電気化学工業株式会社製、粉状品)をミキサーに投入した後、さらに結着剤としてのスチレンブタジエンラバー(SBR)40wt%のエマルジョン(日本ゼオン(株)製、BM−400B)、スラリーの粘度を調整する増粘剤としてのカルボキシメチルセルロースナトリウム(ダイセル化学工業(株)製、#2200)1wt%溶液を混合してスラリーを作製した。スラリーの配合は、負極活物質64重量%、導電材16重量%、結着材(固形分換算)5重量%、増粘材(固形分換算)15重量%とした。
(Evaluation of cycle characteristics of non-aqueous electrolyte secondary batteries)
(I) Preparation of negative electrode slurry After using the Si and Fe nano-sized particles obtained above as the negative electrode active material, acetylene black (produced by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., powdered product) as a conductive material was charged into the mixer Furthermore, a styrene butadiene rubber (SBR) 40 wt% emulsion as a binder (manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd., BM-400B), sodium carboxymethyl cellulose as a thickener for adjusting the viscosity of the slurry (Daicel Chemical Industries, Ltd.) # 2200) 1 wt% solution was mixed to prepare a slurry. The composition of the slurry was 64% by weight of the negative electrode active material, 16% by weight of the conductive material, 5% by weight of the binder (in terms of solid content), and 15% by weight of the thickener (in terms of solid content).
(ii)負極の作製
調製したスラリーを自動塗工装置のドクターブレードを用いて、厚さ10μmの集電体用電解銅箔(古河電気工業(株)製、NC−WS)上に15μmの厚みで塗布し、70℃で10分間乾燥させて負極Aを製造した。
(Ii) Production of negative electrode Using the doctor blade of the automatic coating apparatus, the prepared slurry was 15 μm thick on a 10 μm thick electrolytic copper foil for current collector (Furukawa Electric Co., Ltd., NC-WS). The negative electrode A was manufactured by coating at 70 ° C. for 10 minutes.
(iii)評価
試験極に負極Aと、対極と参照極にリチウム、セパレータにはポリオレフィン製の微孔膜、電解液に1.3mol/LのLiPF6を含むエチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とジメチルカーボネート(DMC)の混合溶液にビニレンカーボネート(VC)を1重量%添加した電解液を用いて評価用セルを構成し、充放電特性を調べた。
(Iii) Evaluation Negative electrode A for test electrode, lithium for counter electrode and reference electrode, microporous membrane made of polyolefin for separator, ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate containing 1.3 mol / L LiPF 6 for electrolyte An evaluation cell was constructed using an electrolytic solution obtained by adding 1% by weight of vinylene carbonate (VC) to a mixed solution of (EMC) and dimethyl carbonate (DMC), and the charge / discharge characteristics were examined.
なお、充放電特性の評価は、初回の放電容量および50サイクルの充電・放電後の放電容量を測定し、初回放電容量に対する50サイクルの充電・放電後の放電容量の割合を百分率で求め、容量維持率とした。放電容量は、シリサイドを形成するなどリチウムの吸蔵・放出をしないようなシリコンやスズを除いた、リチウムの吸蔵・放出に有効な活物質Si(Snも含む場合は、SiとSn)の重量を基準として算出した。まず、25℃環境下において、0.1Cの電流で、0.02Vの電圧まで定電流充電を行い、電流値が0.05Cに低下するまで定電圧充電をした。次いで、0.1Cの電流で、1.5Vの電圧まで定電流放電を行い、0.1C初期放電容量を測定した。なお、1Cとは、1時間で満充電できる電流値である。次いで、上記充放電を50サイクル繰り返した。 The charge / discharge characteristics were evaluated by measuring the initial discharge capacity and the discharge capacity after 50 cycles of charge / discharge, and determining the ratio of the discharge capacity after 50 cycles of charge / discharge to the initial discharge capacity as a percentage. The maintenance rate. The discharge capacity is the weight of the active material Si (Si and Sn if Sn is included) that is effective for lithium insertion / extraction, excluding silicon and tin that do not occlude / release lithium, such as forming silicide. Calculated as a reference. First, in a 25 ° C. environment, constant current charging was performed at a current of 0.1 C to a voltage of 0.02 V, and constant voltage charging was performed until the current value decreased to 0.05 C. Next, constant current discharge was performed at a current of 0.1 C to a voltage of 1.5 V, and a 0.1 C initial discharge capacity was measured. 1C is a current value that can be fully charged in one hour. Next, the above charging / discharging was repeated 50 cycles.
[実施例2]
図8の装置を用い、シリコン粉末と鉄粉末とをモル比でSi:Fe=38:1になるように混合し、乾燥させた混合粉末を原料粉末として、実施例1と同様の方法で、平均粒径が100nmのナノサイズ粒子を作製した。そして、このナノサイズ粒子を負極活物質として用い、実施例1と同様の方法で、負極Bを製造し、評価用セルを構築して、充放電特性を調べた。
[Example 2]
Using the apparatus of FIG. 8, silicon powder and iron powder were mixed at a molar ratio of Si: Fe = 38: 1, and the dried mixed powder was used as a raw material powder in the same manner as in Example 1, Nano-sized particles having an average particle size of 100 nm were prepared. And using this nanosized particle as a negative electrode active material, the negative electrode B was manufactured by the method similar to Example 1, the cell for evaluation was constructed | assembled, and the charge / discharge characteristic was investigated.
図16に実施例2に係るナノサイズ粒子のXRD回折パターンを示す。実施例2はSiとFeSi2の2成分で構成されることが分かった。また、Feは全てシリサイドFeSi2として存在し、元素単体のFeはほとんど存在しないことが分かった。また、図9と比較すると、実施例1に係るナノサイズ粒子に比べて、Feの比率が少なく、FeSi2由来のピークは痕跡程度しか確認できない。 FIG. 16 shows an XRD diffraction pattern of the nano-sized particles according to Example 2. Example 2 was found to be composed of two components of Si and FeSi 2. It was also found that all Fe was present as silicide FeSi 2 and there was almost no elemental Fe. In comparison with FIG. 9, as compared to the nano-sized particles according to Example 1, small proportions of Fe, a peak derived from FeSi 2 can not be confirmed only a trace amount.
STEMによる観察結果を図17に示す。図17(a)によれば、直径50〜150nm程度の略球状の粒子が多数観察される。重なりのない粒子内で、色の濃い部分が、鉄シリサイドであり、色の薄い部分がシリコンであると考えられる。また、シリコン部分の原子が規則的に配列していることが観察され、第1の相に該当するシリコンが結晶質であることが分かる。また、図17(b)より、ナノサイズ粒子の表面にはシリコン部分には厚さ約1nmのアモルファス層が、鉄シリサイドの部分には厚さ約2nmのアモルファス層が覆っていることが分かる。また、図12と図17のSTEM写真の比較により、SiとFeSi2の相対的な大きさが確認でき、実施例2に係るナノサイズ粒子のFeSi2は、実施例1に係るナノサイズ粒子のFeSi2に比べて小さいことがわかる。 The observation result by STEM is shown in FIG. According to FIG. 17A, a large number of substantially spherical particles having a diameter of about 50 to 150 nm are observed. In the non-overlapping particles, it is considered that the dark part is iron silicide and the light part is silicon. Further, it is observed that the atoms of the silicon portion are regularly arranged, and it can be seen that the silicon corresponding to the first phase is crystalline. FIG. 17B shows that the surface of the nano-sized particles is covered with an amorphous layer having a thickness of about 1 nm on the silicon portion, and the amorphous layer having a thickness of about 2 nm is covered on the portion of iron silicide. Moreover, by comparing the STEM photographs in FIG. 12 and FIG. 17, the relative sizes of Si and FeSi 2 can be confirmed, and the FeSi 2 of the nano-sized particles according to Example 2 is the same as that of the nano-sized particles according to Example 1. It can be seen that it is smaller than FeSi 2 .
HAADF−STEMによる粒子形状の観察と、EDS分析の結果を、図18、図19に示す。図18(a)によれば、粒径約150〜250nm程度のナノサイズ粒子が観察され、それぞれのナノサイズ粒子は、それぞれ略球形状である。図18(b)より、ナノサイズ粒子の全体にシリコン原子が存在し、図18(c)より、図18(a)で明るく観察される箇所に鉄原子が多く検出されることがわかる。図18(d)より、酸化によると思われる酸素原子がナノサイズ粒子全体にわずかに分布していることが分かる。 The observation of the particle shape by HAADF-STEM and the results of EDS analysis are shown in FIGS. According to FIG. 18 (a), nano-sized particles having a particle size of about 150 to 250 nm are observed, and each nano-sized particle has a substantially spherical shape. From FIG. 18B, it can be seen that silicon atoms are present in the entire nano-sized particle, and from FIG. 18C, a large amount of iron atoms are detected at the bright spots observed in FIG. From FIG. 18 (d), it can be seen that oxygen atoms considered to be due to oxidation are slightly distributed throughout the nano-sized particles.
同様に、図19(a)によれば、粒径約250nmの略球形状のナノサイズ粒子が観察され、図19(b)より、ナノサイズ粒子の全体にシリコン原子が存在し、図19(c)より、図19(a)で明るく観察される箇所に鉄原子が多く検出されることがわかる。図19(d)より、酸化によると思われる酸素原子がナノサイズ粒子全体にわずかに分布していることが分かる。以上のことより、ナノサイズ粒子は、シリコンで形成される第1の相に、シリコンと鉄の化合物で形成される第2の相が接合している構造を有することが分かる。 Similarly, according to FIG. 19A, substantially spherical nano-sized particles having a particle diameter of about 250 nm are observed, and from FIG. 19B, silicon atoms are present in the entire nano-sized particles, and FIG. From c), it can be seen that many iron atoms are detected in the brightly observed part in FIG. From FIG. 19 (d), it can be seen that oxygen atoms considered to be due to oxidation are slightly distributed throughout the nano-sized particles. From the above, it can be seen that nano-sized particles have a structure in which a second phase formed of a compound of silicon and iron is bonded to a first phase formed of silicon.
[実施例3]
図8の装置を用い、シリコン粉末と鉄粉末とをモル比でSi:Ni=12:1になるように混合し、乾燥させた混合粉末を原料粉末として、実施例1と同様の方法で、平均粒径が100nmのナノサイズ粒子を作製した。そして、このナノサイズ粒子を負極活物質として用い、実施例1と同様の方法で、負極Cを製造し、評価用セルを構築して、充放電特性を調べた。
[Example 3]
Using the apparatus of FIG. 8, silicon powder and iron powder were mixed at a molar ratio of Si: Ni = 12: 1, and the dried mixed powder was used as a raw material powder in the same manner as in Example 1, Nano-sized particles having an average particle size of 100 nm were prepared. And using this nanosized particle as a negative electrode active material, the negative electrode C was manufactured by the method similar to Example 1, the cell for evaluation was constructed | assembled, and the charge / discharge characteristic was investigated.
図20に実施例3に係るナノサイズ粒子のXRD回折パターンを示す。実施例3はSiとNiSi2の2成分で構成されることが分かった。また、Niは全てシリサイドNiSi2として存在し、元素単体(価数0)としてのNiはほとんど存在しないことが分かった。SiとNiSi2は回折角2θが一致し、面間隔がほぼ一致していることが分かる。 FIG. 20 shows an XRD diffraction pattern of the nano-sized particles according to Example 3. Example 3 was found to be composed of two components of Si and NiSi 2. Further, it was found that Ni was present as silicide NiSi 2 and there was almost no Ni as a single element (valence 0). It can be seen that Si and NiSi 2 have the same diffraction angle 2θ and almost the same plane spacing.
図21(a)は、BF−STEM像であり、図21(b)は、同一視野のHAADF−STEM像である。図21によれば、粒径約75〜150nm程度のナノサイズ粒子が観察され、それぞれのナノサイズ粒子は、それぞれ略球形状の大きな粒子に、略半球状の他の粒子が界面を介して接合したような形状を有する。 FIG. 21A is a BF-STEM image, and FIG. 21B is a HAADF-STEM image with the same field of view. According to FIG. 21, nano-sized particles having a particle size of about 75 to 150 nm are observed. Each nano-sized particle is bonded to a large particle having a substantially spherical shape, and another particle having a substantially hemispherical shape is bonded via an interface. It has a shape like this.
図22は、実施例3に係るナノサイズ粒子の高分解TEM像である。図22(a)〜(c)には、格子像が見られ、シリコン相とシリサイド相の格子縞がほぼ一致しており、シリサイドが多面体形状になっていることが分かる。また、シリコン相とシリサイド相の境界は、直線や曲線、階段状となっている。また、ナノサイズ粒子の表面を厚さ約2nmのシリコンのアモルファス層が覆っていることが分かる。 FIG. 22 is a high-resolution TEM image of nanosized particles according to Example 3. In FIGS. 22A to 22C, lattice images are seen, and the lattice stripes of the silicon phase and the silicide phase substantially coincide, and it can be seen that the silicide has a polyhedral shape. The boundary between the silicon phase and the silicide phase is a straight line, a curve, or a staircase. It can also be seen that the surface of the nano-sized particles is covered with an amorphous layer of silicon having a thickness of about 2 nm.
図23に、実施例3に係るナノサイズ粒子のHAADF−STEM像と、EDS分析の結果を示す。図23(a)によれば、粒径約75〜150nm程度のナノサイズ粒子が観察される。図23(b)より、ナノサイズ粒子の全体にシリコン原子が存在し、図23(c)より、図23(a)で明るく観察される箇所にニッケル原子が多く検出されることがわかる。以上のことより、ナノサイズ粒子は、シリコンで形成される第1の相に、シリコンとニッケルの化合物で形成される第2の相が接合している構造を有することが分かる。また、図23(d)より、酸化によると思われる酸素原子がナノサイズ粒子全体にわずかに分布していることが分かる。 In FIG. 23, the HAADF-STEM image of the nanosized particle which concerns on Example 3, and the result of an EDS analysis are shown. According to FIG. 23A, nano-sized particles having a particle size of about 75 to 150 nm are observed. From FIG. 23B, it can be seen that silicon atoms are present in the entire nano-sized particles, and from FIG. 23C, a large amount of nickel atoms are detected at the brightly observed positions in FIG. From the above, it can be seen that the nano-sized particles have a structure in which a second phase formed of a compound of silicon and nickel is bonded to a first phase formed of silicon. Further, FIG. 23 (d) shows that oxygen atoms considered to be oxidized are slightly distributed throughout the nano-sized particles.
[実施例4]
図8の装置を用い、シリコン粉末と鉄粉末とをモル比でSi:Fe:Sn=21:1:1になるように混合し、乾燥させた混合粉末を原料粉末として、実施例1と同様の方法で、平均粒径が100nmのナノサイズ粒子を作製した。そして、このナノサイズ粒子を負極活物質として用い、実施例1と同様の方法で、負極Dを製造し、評価用セルを構築して、充放電特性を調べた。
[Example 4]
Using the apparatus of FIG. 8, silicon powder and iron powder were mixed at a molar ratio of Si: Fe: Sn = 21: 1: 1, and the dried mixed powder was used as a raw material powder, as in Example 1. By this method, nano-sized particles having an average particle size of 100 nm were prepared. And using this nanosized particle as a negative electrode active material, the negative electrode D was manufactured by the method similar to Example 1, the cell for evaluation was constructed | assembled, and the charge / discharge characteristic was investigated.
図24は、実施例4に係るナノサイズ粒子のX線回折(XRD)パターンである。実施例4に係るナノサイズ粒子はSiとSnとFeSi2とを有することが分かる。 FIG. 24 is an X-ray diffraction (XRD) pattern of nano-sized particles according to Example 4. Nano-sized particles according to Example 4 is seen to have a Si, Sn, and FeSi 2.
実施例4に係るナノサイズ粒子のSTEM写真を図25(a)〜(b)に示す。粒径約50〜150nm程度の外表面が略球面状のナノサイズ粒子が観察された。図25(a)において、色の濃い部分がSnであり、色の薄い箇所がSiであると考えられる。 The STEM photograph of the nanosized particle which concerns on Example 4 is shown to Fig.25 (a)-(b). Nano-sized particles having a substantially spherical outer surface with a particle size of about 50 to 150 nm were observed. In FIG. 25A, it is considered that the dark part is Sn and the light part is Si.
実施例4に係るナノサイズ粒子のSTEM写真を図26(a)〜(b)に示す。粒径約50〜150nm程度の外表面が略球面状のナノサイズ粒子が観察された。明るい領域は主にSnで構成され、暗い領域は主にSiで構成されると考えられる。 The STEM photograph of the nanosized particle which concerns on Example 4 is shown to Fig.26 (a)-(b). Nano-sized particles having a substantially spherical outer surface with a particle size of about 50 to 150 nm were observed. The bright area is mainly composed of Sn, and the dark area is mainly composed of Si.
図27(a)によれば、粒径約100〜150nmのナノサイズ粒子が観察され、図27(b)より、図27(a)で暗く観察される箇所にシリコン原子が多く検出されることがわかる。図27(c)より、図27(a)でやや明るく観察される箇所に鉄原子が多く検出されることがわかる。図27(d)より、図27(a)で明るく観察される箇所にスズ原子が多く検出されることがわかる。図27(e)より、酸化によると思われる酸素原子がナノサイズ粒子全体に分布していることがわかる。 According to FIG. 27 (a), nano-sized particles having a particle size of about 100 to 150 nm are observed, and from FIG. 27 (b), many silicon atoms are detected at locations that are darkly observed in FIG. 27 (a). I understand. From FIG. 27 (c), it can be seen that many iron atoms are detected at locations that are observed slightly brighter in FIG. 27 (a). From FIG. 27 (d), it can be seen that many tin atoms are detected at the bright spots observed in FIG. 27 (a). From FIG. 27 (e), it can be seen that oxygen atoms that are thought to be due to oxidation are distributed throughout the nano-sized particles.
図28は、EDS分析結果をさらに示す図である。図28(a)は、FeとSnのEDSマップと、これらを重ね合わせた図であり、図28(b)は、同一視野でのHAADF−STEM像である。図28(a)によれば、SnとFeの検出地点の重なりは少ない。XRD解析においても、Sn−Fe合金由来のピークは確認されていないため、本ナノサイズ粒子にはSn−Fe合金は形成されていない。また、SiとSnは合金を形成しないため、Snは単体で存在している。 FIG. 28 is a diagram further illustrating the EDS analysis result. FIG. 28 (a) is an EDS map of Fe and Sn and a diagram obtained by superimposing these, and FIG. 28 (b) is a HAADF-STEM image in the same field of view. According to Fig.28 (a), there is little overlap of the detection point of Sn and Fe. In the XRD analysis, no peak derived from the Sn—Fe alloy has been confirmed, and therefore no Sn—Fe alloy is formed on the nanosized particles. Moreover, since Si and Sn do not form an alloy, Sn exists alone.
図29は、ナノサイズ粒子中での第1〜第3の箇所でのEDS分析結果を示す図である。図29(b)の第1の箇所では、Siが主に観察され、わずかにSnが観察された。図29(c)の第2の箇所では、SiとSnが観察された。図29(d)の第3の箇所では、SiとFeが主に観察され、わずかにSnが観察された。なお、観察時にサンプルを保持するTEMメッシュ由来のCuのバックグラウンドが広く観察される。 FIG. 29 is a diagram showing the EDS analysis results at the first to third locations in the nano-sized particles. In the first part of FIG. 29B, Si was mainly observed and Sn was slightly observed. Si and Sn were observed at the second location in FIG. In the third part of FIG. 29 (d), Si and Fe were mainly observed, and a slight amount of Sn was observed. In addition, the background of Cu derived from the TEM mesh holding the sample during observation is widely observed.
[比較例1]
負極活物質として、ナノサイズ粒子に代えて、平均粒径が100nmのシリコンナノ粒子(Hefei Kai’er NanoTech製)を用い、あとは実施例1と同様の方法で、負極Eを製造し、評価用セルを構築して、充放電特性を調べた。
[Comparative Example 1]
As the negative electrode active material, instead of the nano-sized particles, silicon nanoparticles having an average particle size of 100 nm (made by Hefei Kai'er NanoTech) were used, and the negative electrode E was manufactured and evaluated in the same manner as in Example 1. A cell was constructed and the charge / discharge characteristics were examined.
[比較例2]
実施例1と同様に作成した負極Aを試験極に用い、対極と参照極にリチウム、セパレータにはポリオレフイン製の微孔膜、電解液に1.3mol/LのLiPF6を含むエチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とジメチルカーボネート(DMC)の混合溶液の電解液を用いて評価用セルを構成し、充放電特性を調べた。すなわち、電解液にビニレンカーボネート(VC)は添加しなかった。
[Comparative Example 2]
The negative electrode A prepared in the same manner as in Example 1 was used as a test electrode, lithium as a counter electrode and a reference electrode, a microporous membrane made of polyolefin as a separator, and ethylene carbonate (EC) containing 1.3 mol / L LiPF 6 as an electrolyte. ), Ethyl methyl carbonate (EMC), and a mixed solution of dimethyl carbonate (DMC) were used to form an evaluation cell, and the charge / discharge characteristics were examined. That is, vinylene carbonate (VC) was not added to the electrolytic solution.
[比較例3]
実施例2と同様に作成した負極Bを試験極に用い、あとは比較例2と同様にして評価用セルを構築し、充放電特性を調べた。
[Comparative Example 3]
A negative electrode B produced in the same manner as in Example 2 was used as a test electrode, and thereafter, an evaluation cell was constructed in the same manner as in Comparative Example 2, and the charge / discharge characteristics were examined.
[比較例4]
実施例3と同様に作成した負極Cを試験極に用い、あとは比較例2と同様にして評価用セルを構築し、充放電特性を調べた。
[Comparative Example 4]
A negative electrode C prepared in the same manner as in Example 3 was used as a test electrode, and thereafter, an evaluation cell was constructed in the same manner as in Comparative Example 2, and the charge / discharge characteristics were examined.
[比較例5]
実施例4と同様に作成した負極Dを試験極に用い、あとは比較例2と同様にして評価用セルを構築し、充放電特性を調べた。
[Comparative Example 5]
A negative electrode D prepared in the same manner as in Example 4 was used as a test electrode, and thereafter, an evaluation cell was constructed in the same manner as in Comparative Example 2, and the charge / discharge characteristics were examined.
(ナノサイズ粒子の評価)
実施例1〜4、比較例1に係るSi系ナノサイズ粒子において、実施例1に示す方法で、63.7MPaで粉体粒子を圧縮した条件で測定した粉体導電率を、表1に示す。
実施例1〜4は、粉体導電率が4×10−8[S/cm]以上であり、比較例1は粉体導電率が4×10−8[S/cm]未満を示した。なお、比較例1は、測定限界である1×10−8[S/cm]未満であった。粉体導電率が高いと導電助剤の配合を少なくすることができ、電極の単位体積当りの容量を高くすることができるとともに、ハイレート特性で有利となる。
(Evaluation of nano-sized particles)
Table 1 shows the powder conductivity measured for the Si-based nano-sized particles according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 under the condition that the powder particles were compressed at 63.7 MPa by the method shown in Example 1. .
In Examples 1 to 4, the powder conductivity was 4 × 10 −8 [S / cm] or more, and in Comparative Example 1, the powder conductivity was less than 4 × 10 −8 [S / cm]. In Comparative Example 1, the measurement limit was less than 1 × 10 −8 [S / cm]. When the powder conductivity is high, the blending of the conductive auxiliary agent can be reduced, the capacity per unit volume of the electrode can be increased, and it is advantageous in high rate characteristics.
(ナノサイズ粒子の評価)
実施例1〜4、比較例1に係るSi系ナノサイズ粒子において、実施例1に示す方法で、63.7MPaで粉体粒子を圧縮した条件で測定した粉体導電率を、表1に示す。
実施例1〜4は、粉体導電率が4×10−8[S/cm]以上であり、比較例1は粉体導電率が4×10−8[S/cm]以下を示した。なお、比較例1は、測定限界である1×10−8[S/cm]以下であった。粉体導電率が高いと導電助剤の配合を少なくすることができ、電極の単位体積当りの容量を高くすることができるとともに、ハイレート特性で有利となる。
(Evaluation of nano-sized particles)
Table 1 shows the powder conductivity measured for the Si-based nano-sized particles according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 under the condition that the powder particles were compressed at 63.7 MPa by the method shown in Example 1. .
In Examples 1 to 4, the powder conductivity was 4 × 10 −8 [S / cm] or more, and in Comparative Example 1, the powder conductivity was 4 × 10 −8 [S / cm] or less. In Comparative Example 1, the measurement limit was 1 × 10 −8 [S / cm] or less. When the powder conductivity is high, the blending of the conductive auxiliary agent can be reduced, the capacity per unit volume of the electrode can be increased, and it is advantageous in high rate characteristics.
実施例1〜4、比較例1〜6の放電容量と容量維持率を表2に示した。また、図30に、実施例1〜4、比較例1〜6のサイクル数と放電容量維持率の関係を示した。 Table 2 shows the discharge capacities and capacity retention rates of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 6. FIG. 30 shows the relationship between the number of cycles of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 6 and the discharge capacity retention rate.
表2及び図30から明らかなように、実施例1〜実施例4と、比較例2〜比較例5を比較すると、電解液にVCを添加することにより、50サイクル後の容量維持率が2倍以上も高くなり、実施例1〜実施例4に係る非水電解質二次電池は容量低下が抑えられ、サイクル特性が良好であることが分かる。 As is apparent from Table 2 and FIG. 30, when Examples 1 to 4 and Comparative Examples 2 to 5 are compared, the capacity retention rate after 50 cycles is 2 by adding VC to the electrolyte. It can be seen that the non-aqueous electrolyte secondary batteries according to Examples 1 to 4 have reduced capacity reduction and good cycle characteristics.
さらに、比較例1および比較例6の結果にも着目すると、電解液にVCを添加することによる容量低下の抑制効果は、本発に係る非水電解質二次電池について上記のとおり好適に得られるものの、負極活物質としてSiのナノサイズ粒子を用いた非水電解質二次電池には全く効果が得られないどころか、かえって充放電特性を低下させていることが分かる。 Furthermore, paying attention to the results of Comparative Example 1 and Comparative Example 6, the effect of suppressing the decrease in capacity by adding VC to the electrolytic solution can be suitably obtained as described above for the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention. However, it can be seen that the non-aqueous electrolyte secondary battery using Si nano-sized particles as the negative electrode active material has no effect at all, but rather has reduced charge / discharge characteristics.
本実施例では、負極活物質として、Siとの化合物で第2の相を形成する元素MとしてFeとNi、第3の相を形成する元素AとしてSnを使用したが、本発明に使用できる負極活物質はこれに限るものではない。Siからなる第1の相と、元素MとSiとの化合物MSiX(1<X≦3)の第2の相を少なくとも含むナノサイズ粒子であればよく、FeやNiの他に、例えばTiやCoを使用しても同様の結果が得られることが推測される。 In this example, Fe and Ni were used as the negative electrode active material as an element M that forms a second phase with a compound with Si, and Sn was used as an element A that forms a third phase. However, it can be used in the present invention. The negative electrode active material is not limited to this. Any nano-sized particles including at least a first phase made of Si and a second phase of a compound MSi X (1 <X ≦ 3) of the elements M and Si may be used. In addition to Fe and Ni, for example, Ti It is presumed that similar results can be obtained even when Co or Co is used.
本実施例では、分子内に不飽和結合を有しており還元重合可能な有機物として、ビニレンカーボネートを使用したが、本発明に使用できる分子内に不飽和結合を有しており還元重合可能な有機物としては、これに限るものではない。負極の充電電位で還元重合し、負極活物質表面に安定な被膜を形成できればよく、例えば、ビニルエチレンカーボネートを使用しても、本実施例と同じ傾向の結果が得られることが推測される。 In this example, vinylene carbonate was used as an organic substance having an unsaturated bond in the molecule and capable of reductive polymerization, but it has an unsaturated bond in the molecule that can be used in the present invention and can be reductively polymerized. The organic material is not limited to this. It is presumed that the result of the same tendency as in this example can be obtained even if vinyl ethylene carbonate is used, for example, by performing reductive polymerization at the negative electrode charging potential and forming a stable film on the negative electrode active material surface.
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇において、各種の変更例または修正例に想到しえることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the example which concerns. It is obvious that a person skilled in the art can come up with various changes or modifications within the scope of the technical idea disclosed in the present application, and it is understood that these also belong to the technical scope of the present invention. Is done.
1………非水電解質二次電池
3………正極
5………負極
7………セパレータ
8………非水系電解液
9………第1の粒子
10………第2の粒子
11………ナノサイズ粒子
13………第1の相
15………第2の相
17………ナノサイズ粒子
19………他の第2の相
21………ナノサイズ粒子
23………第3の相
25………電池缶
27………正極リード
29………正極端子
31………負極リード
33………封口体
37………ナノサイズ粒子製造装置
39………反応チャンバー
41………原料粉末供給口
42………原料粉末
43………シースガス供給口
44………シースガス
45………高周波コイル
47………高周波電源
49………プラズマ
51………フィルター
53………ミキサー
55………スラリー
57………スラリー原料
59………コーター
61………集電体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ......... Nonaqueous electrolyte secondary battery 3 ......... Positive electrode 5 ......... Negative electrode 7 ......... Separator 8 ...... Nonaqueous electrolyte 9 ......... First particle 10 ......... Second particle 11 ……… Nanosize particles 13 ……… First phase 15 ……… Second phase 17 ……… Nanosize particles 19 ……… Other second phases 21 ……… Nanosize particles 23 ……… 3rd phase 25 .... battery can 27 .... positive electrode lead 29 .... positive electrode terminal 31 .... negative electrode lead 33 .... sealing body 37 .... nano size particle manufacturing apparatus 39 .... reaction chamber 41. ……… Raw powder supply port 42 ……… Raw material powder 43 ……… Sheath gas supply port 44 ……… Sheath gas 45 ……… High frequency coil 47 ……… High frequency power supply 49 ……… Plasma 51 ……… Filter 53 …… … Mixer 55 ……… Slurry 57 ……… Slurry raw material 59 ……… Coater 61 ……… Current collector
Claims (8)
前記負極の負極活物質は、元素Xを含む平均粒径が2nm〜500nmの第1の相からなる第1の粒子と、元素Mを含む平均粒径が2nm〜10μmの第2の相からなる第2の粒子とを含み、
前記第1の粒子の前記第1の相と、前記第2の粒子の前記第2の相の間の距離が1μm以内であり、
前記元素Xは、Si、Sn、Al、Pb、Sb、Bi、Ge、In、Znからなる群より選ばれた1種の元素であって、
前記元素Mが、第4〜11族の遷移金属元素からなる群より選ばれた少なくとも1種の元素であって、
前記第1の粒子は、前記元素Xの単体または元素Xを主成分とする固溶体からなり、
前記第2の粒子は、前記元素Mの単体または化合物からなり、
前記電解液は、分子内に不飽和結合を有し還元重合が可能な有機物を0.1重量%〜10重量%含有している
ことを特徴とする非水電解質二次電池。 A non-aqueous electrolyte having a lithium ion conductivity, having a positive electrode capable of inserting and extracting lithium ions, a negative electrode capable of inserting and extracting lithium ions, and a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode A non-aqueous electrolyte secondary battery in which the positive electrode, the negative electrode, and the separator are provided,
The negative electrode active material of the negative electrode comprises first particles comprising a first phase having an average particle diameter of 2 nm to 500 nm containing the element X and second phases having an average particle diameter comprising the element M of 2 nm to 10 μm. A second particle,
It said first phase of said first particles, the distance between the second phase of the second particles is within 1 [mu] m,
The element X is one element selected from the group consisting of Si, Sn, Al, Pb, Sb, Bi, Ge, In, and Zn,
The element M is at least one element selected from the group consisting of Group 4 to 11 transition metal elements,
The first particle is composed of the element X alone or a solid solution containing the element X as a main component,
The second particles are composed of a single element or a compound of the element M,
The non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the electrolytic solution contains 0.1 wt% to 10 wt% of an organic substance having an unsaturated bond in a molecule and capable of reduction polymerization.
前記負極の負極活物質は、元素Xと元素Mとを含むナノサイズ粒子からなり、
前記元素Xは、Si、Sn、Al、Pb、Sb、Bi、Ge、In、Znからなる群より選ばれた1種の元素であって、
前記元素Mが、第4〜11族の遷移金属元素からなる群より選ばれた少なくとも1種の元素であって、
前記ナノサイズ粒子は、前記元素Xの単体または元素Xを主成分とする固溶体である第1の相と、前記元素Mの単体、元素Mを主成分とする固溶体または元素Mの化合物である第2の相と、を少なくとも有し、
前記ナノサイズ粒子は、前記第1の相と前記第2の相との両方が外表面に露出するととともに、界面を介して接合しており、前記第1の相は、外表面が略球面状であり、
前記ナノサイズ粒子は、平均粒径が2nm〜500nmであり、
前記電解液は、分子内に不飽和結合を有し還元重合が可能な有機物を0.1重量%〜10重量%含有する
ことを特徴とする非水電解質二次電池。 A non-aqueous electrolyte having a lithium ion conductivity, having a positive electrode capable of inserting and extracting lithium ions, a negative electrode capable of inserting and extracting lithium ions, and a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode A non-aqueous electrolyte secondary battery in which the positive electrode, the negative electrode, and the separator are provided,
The negative electrode active material of the negative electrode is composed of nano-sized particles containing the element X and the element M,
The element X is one element selected from the group consisting of Si, Sn, Al, Pb, Sb, Bi, Ge, In, and Zn,
The element M is at least one element selected from the group consisting of Group 4 to 11 transition metal elements,
The nano-sized particles are a first phase that is a single element of the element X or a solid solution that contains the element X as a main component, and a single solution of the element M, a solid solution that contains the element M as a main component, or a compound of the element M. Two phases, and
The nano-sized particles have both the first phase and the second phase exposed to the outer surface and bonded via an interface, and the outer surface of the first phase is substantially spherical. And
The nano-sized particles have an average particle diameter of 2 nm to 500 nm,
The electrolyte solution contains 0.1 wt% to 10 wt% of an organic substance having an unsaturated bond in the molecule and capable of reductive polymerization.
前記元素M’が、前記第2の相を構成する前記元素Mとは種類の異なる元素であり、
前記元素M’の単体または化合物である他の第2の相をさらに有している
ことを特徴とする請求項2に記載の非水電解質二次電池。 The nano-sized particles are Cu, Fe, Co, Ni, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ba, lanthanoid elements (Ce and Pm). And an element M ′ that is at least one element selected from the group consisting of Hf, Ta, W, Re, Os, and Ir,
The element M ′ is an element different in kind from the element M constituting the second phase,
The nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 2, further comprising another second phase that is a single element or a compound of the element M ′.
前記元素X’の単体または固溶体である第3の相をさらに有している
ことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の非水電解質二次電池。 The nano-sized particles further include an element X ′ that is at least one element selected from the group consisting of Si, Sn, Al, Pb, Sb, Bi, Ge, In, and Zn,
The nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 2, further comprising a third phase that is a single element or a solid solution of the element X ′.
The negative electrode is formed by applying a coating liquid containing at least a negative electrode active material, a conductive material, and a binder to a current collector and drying it. The non-aqueous electrolyte secondary battery described in 1.
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