JP5835141B2 - Negative electrode active material for secondary battery, method for producing the same, negative electrode for secondary battery, secondary battery, and Si-oxide solid electrolyte composite - Google Patents

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Description

本発明は、二次電池用負極活物質、その製造方法、二次電池用負極、二次電池、及びSi−酸化物固体電解質複合体に関するものである。   The present invention relates to a negative electrode active material for a secondary battery, a method for producing the same, a negative electrode for a secondary battery, a secondary battery, and a Si-oxide solid electrolyte composite.

二次電池は繰り返し充放電が出来る電池のことで、鉛蓄電池、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池、ナトリウム硫黄電池、レドックスフロー電池などが知られている。   Secondary batteries are batteries that can be repeatedly charged and discharged, and lead storage batteries, lithium ion secondary batteries, nickel metal hydride storage batteries, nickel cadmium storage batteries, sodium sulfur batteries, redox flow batteries, and the like are known.

これらの二次電池は正極及び負極を有し、電極をつなぐ電解質を有する。電解質には水系電解質、非水系電解質、溶融塩電解質、固体電解質(たとえば高分子固体電解質、βアルミナ固体電解質)、イオン液体電解質などが用いられる。近年二次電池としてリチウムイオン二次電池がよく知られている。リチウムイオン二次電池は非水電解質を用いる非水電解質リチウムイオン二次電池、水系電解質を用いる水系リチウムイオン二次電池、固体電解質を用いる全固体系リチウムイオン二次電池等があり、これらのリチウムイオン二次電池は、充放電容量が高く、高出力化が可能な二次電池である。リチウムイオン二次電池は、主として携帯電子機器用の電源として用いられており、更に、今後普及が予想される電気自動車用の電源として期待されている。   These secondary batteries have a positive electrode and a negative electrode, and have an electrolyte that connects the electrodes. As the electrolyte, an aqueous electrolyte, a non-aqueous electrolyte, a molten salt electrolyte, a solid electrolyte (for example, a polymer solid electrolyte, β alumina solid electrolyte), an ionic liquid electrolyte, or the like is used. In recent years, lithium ion secondary batteries are well known as secondary batteries. Lithium ion secondary batteries include nonaqueous electrolyte lithium ion secondary batteries that use nonaqueous electrolytes, aqueous lithium ion secondary batteries that use aqueous electrolytes, and all solid lithium ion secondary batteries that use solid electrolytes. An ion secondary battery is a secondary battery that has a high charge / discharge capacity and can achieve high output. Lithium ion secondary batteries are mainly used as power sources for portable electronic devices, and are expected to be used as power sources for electric vehicles that are expected to become popular in the future.

上記リチウムイオン二次電池は、Liイオンを吸蔵および放出することが出来る活物質を正極及び負極にそれぞれ有する。そしてこれらリチウムイオン二次電池は、両極間に設けられた電解質内をリチウムイオンが移動することによって動作する。   The lithium ion secondary battery has an active material capable of inserting and extracting Li ions in the positive electrode and the negative electrode, respectively. And these lithium ion secondary batteries operate | move when a lithium ion moves within the electrolyte provided between both electrodes.

上記リチウムイオン二次電池では、正極の活物質として主にリチウムコバルト複合酸化物等のリチウム含有金属複合酸化物が用いられ、負極の活物質としては炭素材料が主に用いられている。正、負極の極板は、これらの活物質とバインダー樹脂と導電助剤とを溶媒に分散させてスラリーとしたものを集電体である金属箔上に塗布し、溶媒を乾燥除去して合剤層を形成後、これをロールプレス機で圧縮成形して作製されている。   In the lithium ion secondary battery, a lithium-containing metal composite oxide such as lithium cobalt composite oxide is mainly used as a positive electrode active material, and a carbon material is mainly used as a negative electrode active material. The positive and negative electrode plates are prepared by dispersing the active material, binder resin, and conductive additive in a solvent to form a slurry on a metal foil as a current collector. After forming the agent layer, it is produced by compression molding with a roll press.

近年リチウムイオン二次電池の負極活物質として、炭素材料の理論容量を大きく超える充放電容量を持つ材料の開発が進められている。例えば炭素材料よりも高容量な珪素、珪素合金、珪素酸化物などの珪素系材料が検討されている。   In recent years, a material having a charge / discharge capacity that greatly exceeds the theoretical capacity of a carbon material has been developed as a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery. For example, silicon-based materials such as silicon, silicon alloys, and silicon oxides having higher capacities than carbon materials are being studied.

珪素系材料は、リチウムと合金化することで、1000mAh/g以上の高容量をもつ。しかし、珪素系材料を負極活物質として用いると、充放電サイクルにおいてリチウム(Li)の吸蔵および放出に伴って、負極活物質が膨張および収縮することが知られている。負極活物質が膨張あるいは収縮することで、負極活物質を集電体に保持する役割を果たす結着剤に負荷がかかり、負極活物質と集電体との密着性が低下する、電極内の導電パスが破壊されて容量が著しく低下する、あるいは膨張と収縮の繰り返しにより負極活物質に歪が生じて微細化して電極から脱離する。従って、珪素系材料を負極活物質として用いることには、負極活物質の膨張、収縮により、電池の充放電効率が本来有するはずのものより下がり、電池の容量が本来有するはずのものより下がり、電池のサイクル特性が本来有するはずのものより劣化するという問題点がある。   A silicon-based material has a high capacity of 1000 mAh / g or more by being alloyed with lithium. However, it is known that when a silicon-based material is used as a negative electrode active material, the negative electrode active material expands and contracts with insertion and extraction of lithium (Li) in a charge / discharge cycle. When the negative electrode active material expands or contracts, a load is applied to the binder that plays a role of holding the negative electrode active material on the current collector, and the adhesion between the negative electrode active material and the current collector is reduced. The conductive path is destroyed and the capacity is remarkably reduced, or the negative electrode active material is distorted due to repeated expansion and contraction, and is refined and detached from the electrode. Therefore, to use a silicon-based material as the negative electrode active material, due to the expansion and contraction of the negative electrode active material, the charge / discharge efficiency of the battery is lower than originally intended, the capacity of the battery is lower than originally intended, There is a problem that the cycle characteristics of the battery are deteriorated from those which should originally be possessed.

この問題点を解決するために、Siをナノ粒子化する検討が行われている。例えば引用文献1には、SiO中にSiが分散した粒子を含む非水電解質二次電池用負極が開示されている。SiOと表記される負極材料は、X線回折による分析では数nm〜数十nm程度のナノシリコンが酸化珪素中に微分散している構造をとっていることが記載されている。 In order to solve this problem, studies have been made to make Si into nanoparticles. For example, Patent Document 1 discloses a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery including particles in which Si is dispersed in SiO 2 . It is described that the negative electrode material expressed as SiO x has a structure in which nano-silicon of about several nm to several tens of nm is finely dispersed in silicon oxide according to analysis by X-ray diffraction.

しかし、SiOにおいて、マトリックスの成分であるSiO及びSiOがLiを吸蔵した状態であるLiSiOと表記される物質は、Liイオン伝導度が低い。そのため、SiOの本来持っている容量が発揮されない。そこで、Siを用いた十分な電池容量と良好なサイクル特性を有する負極活物質が求められている。 However, in SiO x , a substance expressed as Li x SiO y in which SiO 2 and SiO 2 which are matrix components occlude Li has low Li ion conductivity. Therefore, the inherent capacity of SiO x is not exhibited. Therefore, a negative electrode active material having a sufficient battery capacity and good cycle characteristics using Si is demanded.

また一般的にナノ材料は、条件の管理をしっかりしないと粒子成長が進んでしまうなど合成するのが難しい。またナノ材料は、取り扱い時に発火や爆発のおそれがあり、人体の呼吸器系に有害であるおそれがある。またナノ材料は静電気によって、空中に舞ういわゆる粉立ちがおこる、容器などに付着する、など取り扱いが難しい。そのため、ナノ材料の合成工程には、集塵、防護、雰囲気制御などの安全上の設備が必要である。このようなことからナノ材料を合成するのは高価な費用がかかる。そこで、ナノ材料を含む複合体を簡便に製造でき、なおかつ安全に安価に製造する方法も合わせて求められている。   In general, nanomaterials are difficult to synthesize because particle growth proceeds unless the conditions are properly controlled. Nanomaterials may ignite or explode during handling, and may be harmful to the human respiratory system. In addition, nanomaterials are difficult to handle, such as so-called dusting in the air due to static electricity and adhering to containers. Therefore, the nanomaterial synthesis process requires safety equipment such as dust collection, protection, and atmosphere control. For this reason, it is expensive to synthesize nanomaterials. Accordingly, there is a need for a method that can easily produce a composite containing a nanomaterial and that can be produced safely and inexpensively.

特開2011−60676号公報JP 2011-60676 A

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、Siを負極活物質に用い、十分な容量と良好なサイクル特性を有することが出来る二次電池用負極活物質、その製造方法、二次電池用負極、二次電池、及びSi−酸化物固体電解質複合体を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances. A negative electrode active material for a secondary battery that can have sufficient capacity and good cycle characteristics using Si as a negative electrode active material, and a method for producing the same An object of the present invention is to provide a negative electrode for a secondary battery, a secondary battery, and a Si-oxide solid electrolyte composite.

本発明者等が鋭意検討した結果、酸化物固体電解質からなるマトリックスと、マトリックス中に分散された、CuKα線を用いたX線粉末回折(XRD)測定により測定された結晶子サイズが100nm以下であるSi粒子と、を含むSi−酸化物固体電解質複合体からなる負極活物質を用いることにより、二次電池の出力特性を向上させうることを見いだした。   As a result of intensive studies by the present inventors, a crystallite size measured by X-ray powder diffraction (XRD) measurement using a matrix made of an oxide solid electrolyte and CuKα rays dispersed in the matrix is 100 nm or less. It has been found that the output characteristics of the secondary battery can be improved by using a negative electrode active material comprising a Si-oxide solid electrolyte composite containing certain Si particles.

すなわち、本発明の二次電池用負極活物質は、酸化物固体電解質からなるマトリックスと、マトリックス中に分散された、CuKα線を用いたX線粉末回折(XRD)測定により測定された結晶子サイズが100nm以下であるSi粒子と、を含むSi−酸化物固体電解質複合体からなることを特徴とする。   That is, the negative electrode active material for a secondary battery of the present invention includes a matrix composed of an oxide solid electrolyte, and a crystallite size measured by X-ray powder diffraction (XRD) measurement using CuKα rays dispersed in the matrix. It consists of Si-oxide solid electrolyte composite containing Si particle | grains which are 100 nm or less.

結晶子サイズは65nm以下であることが好ましい。   The crystallite size is preferably 65 nm or less.

酸化物固体電解質は非晶質または低結晶性であることが好ましい。   The oxide solid electrolyte is preferably amorphous or low crystalline.

Si−酸化物固体電解質複合体を100質量%としたときに、Si粒子の含有率は5質量%以上95質量%以下であることが好ましい。   When the Si-oxide solid electrolyte composite is 100% by mass, the Si particle content is preferably 5% by mass or more and 95% by mass or less.

Si−酸化物固体電解質複合体は、Si粉末及び酸化物固体電解質に機械的エネルギーを加えて、粉砕し、複合化して作製されたものであることが好ましい。   The Si-oxide solid electrolyte composite is preferably prepared by applying mechanical energy to the Si powder and the oxide solid electrolyte, pulverizing, and compositing.

またSi粉末は平均粒径が1μm以上であることが好ましい。   The Si powder preferably has an average particle size of 1 μm or more.

本発明の二次電池用負極は、上記二次電池用負極活物質を含む。   The negative electrode for secondary batteries of this invention contains the said negative electrode active material for secondary batteries.

本発明の二次電池は上記二次電池用負極を含む。   The secondary battery of this invention contains the said negative electrode for secondary batteries.

本発明の二次電池用負極活物質の製造方法は、Si粉末と、酸化物固体電解質と、に機械的エネルギーを加え、Si粉末を、CuKα線を用いたX線粉末回折(XRD)測定により測定された結晶子サイズが100nm以下となるまで粉砕し、かつ粉砕されたSi粉末と酸化物固体電解質とを複合化する複合化工程を有する。   The manufacturing method of the negative electrode active material for secondary batteries of this invention adds mechanical energy to Si powder and oxide solid electrolyte, and X-ray powder diffraction (XRD) measurement using Si K powder for Si powder is performed. It has the compounding process which grind | pulverizes until the measured crystallite size is set to 100 nm or less, and combines the grinded Si powder and the oxide solid electrolyte.

複合化工程において、酸化物固体電解質は、非晶質または低結晶性となるまで粉砕されることが好ましい。   In the composite step, the oxide solid electrolyte is preferably pulverized until it becomes amorphous or low crystalline.

複合化工程は密閉空間内で行われることが好ましい。   The compounding step is preferably performed in a sealed space.

Si粉末は、平均粒径が1μm以上であることが好ましい。   The Si powder preferably has an average particle size of 1 μm or more.

本発明のSi−酸化物固体電解質複合体は、酸化物固体電解質からなるマトリックスと、マトリックス中に分散された、CuKα線を用いたX線粉末回折(XRD)測定により測定された結晶子サイズが100nm以下であるSi粒子と、を含む。   The Si-oxide solid electrolyte composite of the present invention has a crystallite size measured by X-ray powder diffraction (XRD) measurement using a matrix made of an oxide solid electrolyte and CuKα rays dispersed in the matrix. Si particles that are 100 nm or less.

本発明の二次電池用負極活物質は、酸化物固体電解質をマトリックスとし、マトリックス中にCuKα線を用いたX線粉末回折(XRD)測定により測定された結晶子サイズが100nm以下であるSi粒子を分散させたSi−酸化物固体電解質複合体からなることにより、二次電池の出力特性を向上出来る。   The negative electrode active material for a secondary battery according to the present invention is an Si particle having a crystallite size of 100 nm or less measured by X-ray powder diffraction (XRD) measurement using a solid oxide electrolyte as a matrix and CuKα rays in the matrix. The output characteristics of the secondary battery can be improved by comprising the Si-oxide solid electrolyte composite in which is dispersed.

本発明の二次電池は上記二次電池用負極活物質を有する二次電池用負極を有するので、十分な容量と良好なサイクル特性を有する電池とすることが出来る。   Since the secondary battery of the present invention has a secondary battery negative electrode having the secondary battery negative electrode active material, a battery having sufficient capacity and good cycle characteristics can be obtained.

本発明の二次電池用負極活物質の製造方法によれば、容易にSi−酸化物固体電解質複合体を作製することが出来る。またSi粉末の平均粒径が1μm以上のものを用いれば、Siのナノ化と複合化処理を同時に行うことが出来る。またナノ粒子を取り扱うための特別な設備が不要になり、設備コストも優れる。   According to the method for producing a negative electrode active material for a secondary battery of the present invention, a Si-oxide solid electrolyte composite can be easily produced. Further, if Si powder having an average particle diameter of 1 μm or more is used, Si nano-composition and composite treatment can be performed simultaneously. In addition, special equipment for handling nanoparticles is not required, and the equipment cost is excellent.

本発明のSi−酸化物固体電解質複合体は、二次電池用負極活物質として用いると、二次電池の出力特性を向上出来る。   When the Si-oxide solid electrolyte composite of the present invention is used as a negative electrode active material for a secondary battery, the output characteristics of the secondary battery can be improved.

粒径と結晶子を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining a particle size and a crystallite. 本実施形態の二次電池用負極活物質を説明する模式断面図である。It is a schematic cross section explaining the negative electrode active material for secondary battery of this embodiment. 実施例1及び実施例2のSi−酸化物固体電解質複合体の粉末X線回折結果である。It is a powder X-ray-diffraction result of the Si-oxide solid electrolyte complex of Example 1 and Example 2. 実施例1のSi−酸化物固体電解質複合体の断面のSEM写真である。2 is a SEM photograph of a cross section of the Si-oxide solid electrolyte composite of Example 1. FIG. 実施例1のSi−酸化物固体電解質複合体の表面のSEM写真と実施例3のSi−酸化物固体電解質複合体の表面のSEM写真を比較したものである。The SEM photograph of the surface of the Si-oxide solid electrolyte complex of Example 1 is compared with the SEM photograph of the surface of the Si-oxide solid electrolyte complex of Example 3. 実施例2のSi−酸化物固体電解質複合体の表面のSEM写真と実施例4のSi−酸化物固体電解質複合体の表面のSEM写真を比較したものである。The SEM photograph of the surface of the Si-oxide solid electrolyte composite of Example 2 and the SEM photograph of the surface of the Si-oxide solid electrolyte composite of Example 4 are compared. 実施例1〜4のモデル電池及び比較例1のモデル電池のサイクルごとの容量維持率を示すグラフである。It is a graph which shows the capacity | capacitance maintenance factor for every cycle of the model battery of Examples 1-4 and the model battery of the comparative example 1. FIG.

<二次電池用負極活物質>
本発明の二次電池用負極活物質は、酸化物固体電解質からなるマトリックスと、マトリックスに分散されるSi粒子と、を含むSi−酸化物固体電解質複合体からなる。
<Negative electrode active material for secondary battery>
The negative electrode active material for a secondary battery of the present invention comprises a Si-oxide solid electrolyte composite containing a matrix made of an oxide solid electrolyte and Si particles dispersed in the matrix.

一般に、電解質とは、イオンが移動する物質のことである。よく知られている電解質として、塩化ナトリウム(NaCl)があげられるが、塩化ナトリウムは溶液になって初めてイオンが移動するものである。固体状態のままでイオンが移動する物質が一般的に「固体電解質」と呼ばれている。つまり固体電解質とは、外部から加えられた電場によって固体状態のままイオン(帯電した物質)を移動させることができる電解質である。固体電解質は、一般的に室温付近で例えばLiイオン伝導度が1.0×10−6S/cm以上であるものを指す。固体電解質には一般的に酸化物からなるもの、有機物ポリマーからなるもの及び硫化物からなるものがあるが、有機物ポリマー固体電解質及び硫化物固体電解質のヤング率が1GPaより小さいのに対し、酸化物固体電解質のヤング率は50GPa〜400GPaである。 In general, an electrolyte is a substance through which ions move. As a well-known electrolyte, sodium chloride (NaCl) can be mentioned. Sodium chloride does not move ions until it becomes a solution. A substance in which ions move in a solid state is generally called a “solid electrolyte”. That is, the solid electrolyte is an electrolyte that can move ions (charged substances) in a solid state by an electric field applied from the outside. The solid electrolyte generally refers to one having a Li ion conductivity of 1.0 × 10 −6 S / cm or more near room temperature. Solid electrolytes are generally composed of oxides, organic polymers, and sulfides. The Young's modulus of organic polymer solid electrolytes and sulfide solid electrolytes is less than 1 GPa. The Young's modulus of the solid electrolyte is 50 GPa to 400 GPa.

本発明の二次電池用負極活物質は、Si−酸化物固体電解質複合体からなる。Si−酸化物固体電解質複合体は、マトリックス中にSi粒子が分散されている複合体となっている。Si−酸化物固体電解質複合体は、マトリックスとSi粒子の他に、たとえば導電助剤や他のSi合金粒子のような添加物を含んでもよい。   The negative electrode active material for a secondary battery of the present invention comprises a Si-oxide solid electrolyte composite. The Si-oxide solid electrolyte composite is a composite in which Si particles are dispersed in a matrix. In addition to the matrix and the Si particles, the Si-oxide solid electrolyte composite may include additives such as a conductive additive and other Si alloy particles.

マトリックスは酸化物固体電解質からなる。本発明におけるマトリックスはイオン伝導体であるため、イオンがマトリックス内を通る際に、マトリックスがイオンの伝導を妨げることはない。またマトリックスは充放電時にイオンを吸蔵することはないため、例えばLiをマトリックスが吸蔵することによるLiの不可逆容量は発生しない。また本発明におけるマトリックスはヤング率が大きいため、マトリックスに分散されるSi粒子のLiの吸蔵、放出に伴う膨張、収縮を効果的に抑制することが出来る。   The matrix consists of an oxide solid electrolyte. Since the matrix in the present invention is an ionic conductor, the matrix does not hinder the conduction of ions as they pass through the matrix. Further, since the matrix does not occlude ions during charge and discharge, for example, the irreversible capacity of Li due to the occlusion of Li by the matrix does not occur. Moreover, since the matrix in this invention has a large Young's modulus, the expansion | swelling and shrinkage | contraction accompanying Li occlusion and discharge | release of Si particle | grains disperse | distributed to a matrix can be suppressed effectively.

酸化物固体電解質は非晶質または低結晶性であることが好ましい。非晶質とは、構成原子の配列に結晶構造のような長距離規則性を持たない固体状態のことを指す。低結晶性とは非晶質と結晶の中間に位置するような存在で、異なる方位を有する単結晶の粒「結晶粒」からなり、結晶構造の規則性が比較的短距離(たとえば100nm未満)になっている状態を指す。低結晶性であることは、X線回折結果のピークが低くなる、あるいは幅広化することによってわかる。ここで、ピークが低くなる、あるいは幅広化するとは、たとえば、シェラーの式D=(Kλ)/(βcosθ)、(λ:測定X線波長(Å)、β:半価幅(rad)、θ:回折線のブラッグ角度、K:原子形状因子(ここでは0.9とする))において、Dが1000Å(100nm)以下であるような場合である。   The oxide solid electrolyte is preferably amorphous or low crystalline. Amorphous refers to a solid state having no long-range regularity such as a crystal structure in the arrangement of constituent atoms. Low crystallinity is located between the amorphous and the crystal, and consists of single crystal grains with different orientations, "crystal grains". The regularity of the crystal structure is relatively short (for example, less than 100 nm) The state that is. The low crystallinity can be recognized by the peak of the X-ray diffraction result being lowered or widened. Here, when the peak is lowered or widened, for example, Scherrer's equation D = (Kλ) / (βcosθ), (λ: measured X-ray wavelength (Å), β: half-value width (rad), θ : Bragg angle of diffraction line, K: Atomic form factor (here 0.9), D is 1000 Å (100 nm) or less.

酸化物固体電解質が非晶質または低結晶性であると、酸化物固体電解質の粒界の成長が抑制される。それによって固体電解質材料の主な抵抗の原因である粒界での界面抵抗が低減されるため、非晶質または低結晶性である酸化物固体電解質はイオン伝導性が高い。   When the oxide solid electrolyte is amorphous or has low crystallinity, growth of grain boundaries of the oxide solid electrolyte is suppressed. As a result, the interface resistance at the grain boundary, which is the main cause of the resistance of the solid electrolyte material, is reduced, so that the oxide solid electrolyte that is amorphous or has low crystallinity has high ionic conductivity.

酸化物固体電解質として、Liイオン伝導性の酸化物固体電解質が好ましい。Liイオン伝導性の酸化物固体電解質として、例えばLiO−SiO−P系多成分ガラス、Li4−xSi1−x(0≦x≦1)、LiLa2−x/3TiO(x=0.1〜0.5)、Li7+xLaZr12+(x/2)(−5≦x≦3,好ましくは−2≦x≦2)、Li1+x+y(Al,Ga)(Ti,Ge,Zr)2−xSi3−y12(0≦x≦1、0≦y≦1)、LiO−5Al、LiO−11Al、LiLa(Nb,Ta)12、Li14ZnGe16、LiSiAlOがLi1.5Al0.5Ge1.5(POが挙げられる。酸化物固体電解質の組成は上記に限定されるものでなく、例えばLiイオン伝導性を損なわない範囲で上記組成の一部または全てを他の成分で置換した酸化物固体電解質であってもよい。 As the oxide solid electrolyte, a Li ion conductive oxide solid electrolyte is preferable. Examples of the Li ion conductive oxide solid electrolyte include Li 2 O—SiO 2 —P 2 O 5 -based multicomponent glass, Li 4-x Si x P 1-x O 4 (0 ≦ x ≦ 1), and Li x. La 2−x / 3 TiO 3 (x = 0.1 to 0.5), Li 7 + x La 3 Zr 2 O 12+ (x / 2) (−5 ≦ x ≦ 3, preferably −2 ≦ x ≦ 2) Li 1 + x + y (Al, Ga) x (Ti, Ge, Zr) 2-x Si y P 3-y O 12 (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), Li 2 O-5Al 2 O 3 , Li 2 O-11Al 2 O 3 , Li 5 La 3 (Nb, Ta) 2 O 12 , Li 14 ZnGe 4 O 16 , Li 9 SiAlO 8 is Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ). 3 is mentioned. The composition of the oxide solid electrolyte is not limited to the above, and may be, for example, an oxide solid electrolyte in which part or all of the above composition is replaced with other components within a range not impairing Li ion conductivity.

特に、LiLa2−x/3TiO(x=0.1〜0.5)、Li7+xLaZr12+(x/2)(−5≦x≦3,好ましくは−2≦x≦2)、Li1+x+y(Al,Ga)(Ti,Ge,Zr)2−xSi3−y12(0≦x≦1、0≦y≦1)、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO(LAGP)はLiイオン伝導度が高いので好ましい。特にLi7+xLaZr12+(x/2)(−5≦x≦3,好ましくは−2≦x≦2)は電気化学的耐久性が高く、好ましい。 In particular, Li x La 2−x / 3 TiO 3 (x = 0.1 to 0.5), Li 7 + x La 3 Zr 2 O 12+ (x / 2) (−5 ≦ x ≦ 3, preferably −2 ≦ x ≦ 2), Li 1 + x + y (Al, Ga) x (Ti, Ge, Zr) 2−x Si y P 3−y O 12 (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 (LAGP) is preferable because of its high Li ion conductivity. In particular, Li 7 + x La 3 Zr 2 O 12+ (x / 2) (−5 ≦ x ≦ 3, preferably −2 ≦ x ≦ 2) is preferable because of high electrochemical durability.

リチウムイオン伝導性の酸化物固体電解質は、その室温でのLiイオン伝導度が1.0×10−4S/cm以上であるものを用いることが好ましい。イオン伝導性が高いほど、SiとLiの合金化反応を均等かつ効率的に進めることができるため、Si粒子の持つ容量を効率的に引き出すことが出来る。 It is preferable to use a lithium ion conductive oxide solid electrolyte having a Li ion conductivity at room temperature of 1.0 × 10 −4 S / cm or more. The higher the ion conductivity, the more uniform and efficient the alloying reaction between Si and Li can be, so that the capacity of Si particles can be efficiently extracted.

Si粒子は、CuKα線を用いたX線粉末回折(XRD)測定により測定された結晶子サイズが100nm以下である。CuKα線を用いたX線粉末回折(XRD)測定により測定された結晶子サイズとは、個々の結晶子の大きさの平均を示す。   The Si particles have a crystallite size of 100 nm or less as measured by X-ray powder diffraction (XRD) measurement using CuKα rays. The crystallite size measured by X-ray powder diffraction (XRD) measurement using CuKα rays indicates the average of individual crystallite sizes.

図1に粒径と結晶子を説明する説明図を示す。結晶子は結晶を作っている最少微結晶単位である。図1に見られるように、単結晶粒子の場合は、粒径と結晶子サイズは同じであるが、多結晶粒子の場合は、多結晶粒子が粒子より小さい結晶の集合体なので、結晶子サイズと粒径は異なる。複合体中では個々の結晶が多結晶になっているところも単結晶になっているところもあると考えられる。   FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining the grain size and crystallites. A crystallite is the smallest microcrystalline unit that forms a crystal. As seen in FIG. 1, in the case of single crystal particles, the particle size and crystallite size are the same, but in the case of polycrystalline particles, the crystallite size is small because the polycrystalline particles are aggregates of crystals smaller than the particles. And the particle size is different. In the composite, it is considered that there are places where individual crystals are polycrystalline or single crystals.

本発明において、結晶子サイズはCuKα線を用いたX線粉末回折(XRD)測定により測定されたものを用いる。CuKα線を用いたX線粉末回折(XRD)測定により測定された結晶子サイズとは、個々の結晶子の大きさの平均となる。   In the present invention, the crystallite size is measured by X-ray powder diffraction (XRD) measurement using CuKα rays. The crystallite size measured by X-ray powder diffraction (XRD) measurement using CuKα rays is the average of the individual crystallite sizes.

X線粉末回折(XRD)測定により得られたSiのXRDピークの半値幅から結晶子サイズを求める。半値幅はピーク強度の高さの半分の高さにあたる箇所の幅である。半値幅が広くなると結晶子サイズが小さくなる。   The crystallite size is determined from the half width of the XRD peak of Si obtained by X-ray powder diffraction (XRD) measurement. The full width at half maximum is the width at a location corresponding to half the height of the peak intensity. As the full width at half maximum increases, the crystallite size decreases.

図2に本実施形態の二次電池用負極活物質の模式断面図を示す。図2に示すように、Si粒子1は酸化物固体電解質からなるマトリックス2に分散している。また図2に示すように、Si粒子1の粒径の範囲は大きい。本実施形態では、Si粒子は、CuKα線を用いたX線粉末回折(XRD)測定により測定された結晶子サイズが100nm以下であることが規定されており、そのため個々のSi粒子の粒径はまちまちである。   FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of the negative electrode active material for a secondary battery of the present embodiment. As shown in FIG. 2, the Si particles 1 are dispersed in a matrix 2 made of an oxide solid electrolyte. Moreover, as shown in FIG. 2, the range of the particle size of the Si particles 1 is large. In the present embodiment, the Si particles are defined to have a crystallite size of 100 nm or less measured by X-ray powder diffraction (XRD) measurement using CuKα rays. Therefore, the particle size of each Si particle is It is a town.

Si粒子の結晶子サイズは、100nm以下である。結晶子サイズは65nm以下であることが好ましく、53nm以下であることがより好ましく、1nm以上40nm以下であることがさらに好ましい。SiはLiの吸蔵、放出により体積が膨張、収縮する。そのため結晶子サイズをナノサイズとすることにより、Siの膨張、収縮もナノサイズでおこるので、Si粒子の膨張、収縮をマトリックスで容易に抑制することが出来る。マトリックスによるSi粒子の膨張、収縮の抑制効果が高いので、Si粒子の結晶子サイズは小さい方がより好ましい。   The crystallite size of the Si particles is 100 nm or less. The crystallite size is preferably 65 nm or less, more preferably 53 nm or less, and further preferably 1 nm or more and 40 nm or less. The volume of Si expands and contracts due to insertion and extraction of Li. Therefore, by setting the crystallite size to nano-size, the expansion and contraction of Si is also performed in the nano-size, so that the expansion and contraction of Si particles can be easily suppressed by the matrix. Since the effect of suppressing the expansion and contraction of the Si particles by the matrix is high, it is more preferable that the crystallite size of the Si particles is small.

またSi粒子はマトリックスに分散している。ここで、マトリックスにSi粒子が分散しているとは、Si粒子の外表面の少なくとも一部がマトリックスに接触していることをいう。Si粒子の外表面の全部がマトリックスに接触していることが望ましい。Si粒子の外表面の一部が、隣接する他のSi粒子の外表面の一部と接触していてもよい。   Si particles are dispersed in the matrix. Here, that the Si particles are dispersed in the matrix means that at least a part of the outer surface of the Si particles is in contact with the matrix. Desirably, the entire outer surface of the Si particles is in contact with the matrix. A part of the outer surface of the Si particle may be in contact with a part of the outer surface of another adjacent Si particle.

Si粒子同士が非接触状態にあれば、Si粒子の周囲にあるマトリックスがSi粒子の個々の膨張、収縮を抑制するため、Si粒子同士が接触して塊状態になっている場合と比較して、負極活物質全体での膨張、収縮を抑制することが出来る。   If the Si particles are in a non-contact state, the matrix around the Si particles suppresses the individual expansion and contraction of the Si particles, so that the Si particles are in contact with each other in a lump state. The expansion and contraction of the whole negative electrode active material can be suppressed.

Si−酸化物固体電解質複合体を100質量%としたとき、Si粒子の含有率は、5質量%以上95質量%以下であることが好ましい。Si粒子の含有率が5質量%より少ないと所望の電池容量を得ることが出来ず、95質量%より多いと、Si粒子の膨張、収縮を酸化物固体電解質で効率的に抑制することが出来ない。Si−酸化物固体電解質複合体を100質量%としたときにSi粒子の含有率は、20質量%以上80質量%以下であることがより好ましい。   When the Si-oxide solid electrolyte composite is 100% by mass, the Si particle content is preferably 5% by mass or more and 95% by mass or less. If the content of Si particles is less than 5% by mass, the desired battery capacity cannot be obtained. If the content is more than 95% by mass, the expansion and contraction of Si particles can be efficiently suppressed by the oxide solid electrolyte. Absent. When the Si-oxide solid electrolyte composite is 100% by mass, the Si particle content is more preferably 20% by mass to 80% by mass.

Si−酸化物固体電解質複合体は、そのメディアン径が200nm以上20μm以下であることが好ましい。Si−酸化物固体電解質複合体は、そのメディアン径が2μm以上10μm以下であることがより好ましい。Si−酸化物固体電解質複合体のメディアン径が200nmより小さいとハンドリング性が悪く扱いにくい。Si−酸化物固体電解質複合体のメディアン径が20μmより大きいと、電極作成時に集電体に塗布しづらい。メディアン径とは粉末粒子の50%径のことであるが、例えばレーザー回折法(Microtruc3300MTII)で、ヘキサメタリン酸ナトリウム0.2質量%水溶液を分散媒として、メディアン径を測定することができる。   The Si-oxide solid electrolyte composite preferably has a median diameter of 200 nm to 20 μm. The median diameter of the Si-oxide solid electrolyte composite is more preferably 2 μm or more and 10 μm or less. If the median diameter of the Si-oxide solid electrolyte composite is smaller than 200 nm, the handleability is poor and difficult to handle. If the median diameter of the Si-oxide solid electrolyte composite is larger than 20 μm, it is difficult to apply to the current collector during electrode preparation. The median diameter is a 50% diameter of the powder particles. For example, the median diameter can be measured by a laser diffraction method (Microtruc 3300 MTII) using a 0.2 mass% sodium hexametaphosphate aqueous solution as a dispersion medium.

Si−酸化物固体電解質複合体の合成方法は特に限定されるものではないが、Si粉末及び酸化物固体電解質に機械的エネルギーを加えて、粉砕し、複合化して作製されたものであることが好ましい。   The method for synthesizing the Si-oxide solid electrolyte composite is not particularly limited, but it may be produced by adding mechanical energy to the Si powder and the oxide solid electrolyte, pulverizing, and compositing. preferable.

このように作製されたSi−酸化物固体電解質複合体は、比表面積を小さくして作製できる。比表面積が小さいと、活物質表面に形成されるSEI(Solid Electrolyte Interface)と呼ばれる表面皮膜の量を低減できる。SEIは抵抗となるため、SEIは少ないほうが望ましい。   The Si-oxide solid electrolyte composite produced in this way can be produced with a reduced specific surface area. When the specific surface area is small, the amount of a surface film called SEI (Solid Electrolyte Interface) formed on the active material surface can be reduced. Since SEI is a resistance, it is desirable that SEI is small.

またSi粉末は平均粒径が1μm以上であることが好ましい。このときに用いる平均粒径はメディアン径50%を指す。ミクロンサイズのSiを原料とし、ナノ化と複合化処理を同時に行うことで、容易にSiをナノ状態にしてSi−酸化物固体電解質複合体を作製することが出来る。   The Si powder preferably has an average particle size of 1 μm or more. The average particle diameter used at this time indicates a median diameter of 50%. By using micron-sized Si as a raw material and simultaneously performing nano-ization and composite treatment, Si can be easily made into a nano-state to produce a Si-oxide solid electrolyte composite.

<二次電池用負極活物質の製造方法>
上記した二次電池用負極活物質は以下の製造方法で好適に製造できる。
<Method for producing negative electrode active material for secondary battery>
The above-described negative electrode active material for a secondary battery can be suitably manufactured by the following manufacturing method.

本発明の二次電池用負極活物質の製造方法は、Si粉末と、酸化物固体電解質と、に機械的エネルギーを加え、Si粉末を、CuKα線を用いたX線粉末回折(XRD)測定により測定された結晶子サイズが100nm以下となるまで粉砕し、かつ粉砕されたSi粉末と酸化物固体電解質とを複合化する複合化工程を有する。   The manufacturing method of the negative electrode active material for secondary batteries of this invention adds mechanical energy to Si powder and oxide solid electrolyte, and X-ray powder diffraction (XRD) measurement using Si K powder for Si powder is performed. It has the compounding process which grind | pulverizes until the measured crystallite size is set to 100 nm or less, and combines the grinded Si powder and the oxide solid electrolyte.

複合化工程において、Si粉末と酸化物固体電解質とは同時に粉砕され、Si粉末はSi粒子となり、かつ粉砕過程で加えられる機械的エネルギーを利用してSi粒子と酸化物固体電解質が複合化され、Si−酸化物固体電解質複合体が合成される。このような複合化方法はメカノケミカル法またはメカニカルミリングと称される。   In the compounding step, the Si powder and the oxide solid electrolyte are pulverized simultaneously, the Si powder becomes Si particles, and the Si particles and the oxide solid electrolyte are compounded using mechanical energy applied in the pulverization process, A Si-oxide solid electrolyte composite is synthesized. Such a composite method is called a mechanochemical method or mechanical milling.

Si粉末は、平均粒径が1nm以上100μm以下である粉末を用いることが出来る。Si粉末は、市販品を用いることが出来る。Si粉末が1μm以上の粉末であれば秤量などの作業中に飛散しにくく、ハンドリングおよび安全衛生の点で好ましい。一方、1μm未満の粉末であれば、均一な複合体が得られやすく、サイクル特性向上の点から好ましい。
また、100μmを超える粉末は乳鉢及び乳棒や各種ミリング装置などで、100μm以下に予備粉砕して用いることができる。
As the Si powder, a powder having an average particle size of 1 nm to 100 μm can be used. A commercially available product can be used as the Si powder. If the Si powder is 1 μm or more, it is difficult to scatter during operations such as weighing, which is preferable in terms of handling and safety and hygiene. On the other hand, a powder of less than 1 μm is preferable from the viewpoint of improving cycle characteristics because a uniform composite is easily obtained.
Further, powders exceeding 100 μm can be preliminarily pulverized to 100 μm or less using a mortar, pestle, various milling devices, or the like.

酸化物固体電解質は、固相法、共沈法、水熱法、ゾルゲル法、ガラス結晶化法などの方法で準備する。酸化物固体電解質は、市販品を用いることも出来る。市販品としてLATP系酸化物固体電解質シート(オハラ社製、組成式Li1+x+y(Al,Ga)(Ti,Ge)2−xSi3−y12(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1))、Li1.3Al0.35Ti1.7(PO(LATP、豊島製作所製)、アルミニウム置換リン酸ゲルマニウムリチウム(Li1.5Al0.5Ge1.5(PO(LAGP、豊島製作所製))、Li0.33La0.55TiO(LLT、豊島製作所製)、LiLaZr12(LLZ、豊島製作所製)、LiLaTa12(豊島製作所製)、LiPO(和光純薬製、関東化学製、高純度化学製、アルドリッチ製などの試薬)が使用できる。 The oxide solid electrolyte is prepared by a method such as a solid phase method, a coprecipitation method, a hydrothermal method, a sol-gel method, or a glass crystallization method. A commercial item can also be used for an oxide solid electrolyte. As a commercially available product, a LATP-based oxide solid electrolyte sheet (manufactured by OHARA, composition formula Li 1 + x + y (Al, Ga) x (Ti, Ge) 2-x Si y P 3-y O 12 (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1)), Li 1.3 Al 0.35 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 (LATP, manufactured by Toshima Seisakusho), aluminum-substituted germanium lithium phosphate (Li 1.5 Al 0.5 Ge 1 .5 (PO 4 ) 3 (LAGP, made by Toshima Seisakusho)), Li 0.33 La 0.55 TiO 3 (LLT, made by Toshima Seisakusho), Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZ, made by Toshima Seisakusho), Li 5 La 3 Ta 2 O 12 (manufactured by Toshima Seisakusho), Li 3 PO 4 (manufactured by Wako Pure Chemical, Kanto Chemical, high-purity chemical, Aldrich, etc.) can be used.

準備した酸化物固体電解質を乳鉢やボールミル、ビーズミルなどで予備的に粉砕してもいい。   The prepared oxide solid electrolyte may be preliminarily pulverized with a mortar, ball mill, bead mill or the like.

また酸化物固体電解質原料をそのままメカノケミカル法に使用してもよい。酸化物固体電解質原料は特に限定されず、たとえば酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩、燐酸塩、複合酸化物、金属アルコキシドなどを使用することができる。   Moreover, you may use an oxide solid electrolyte raw material for a mechanochemical method as it is. The oxide solid electrolyte raw material is not particularly limited, and for example, oxides, hydroxides, carbonates, nitrates, sulfates, acetates, phosphates, complex oxides, metal alkoxides, and the like can be used.

複合化は、乳鉢及び乳棒を用いて行ってもよいし、ボールミリング装置などの粉砕混合装置を用いて行ってもよい。   Compounding may be performed using a mortar and pestle, or using a pulverizing and mixing device such as a ball milling device.

乳鉢及び乳棒を用いる場合はメカノケミカル反応が小さいため、10時間以上混合粉砕することでSi−酸化物固体電解質複合体が合成される。合成には手混合の他、自動乳鉢やスタンプミルなどを用いることができる。乳鉢及び乳棒はムライト製、アルミナ製、ジルコニア製、メノウ製、ガラス製、磁製、鉄製、ステンレス製などを用いることができる。また、乳鉢の内側にスリット(例えば幅0.1mm、深さ0.2mm)などの凹凸を設けることでメカノケミカル効果を高めることができる。   When a mortar and pestle are used, the mechanochemical reaction is small, and thus the Si-oxide solid electrolyte composite is synthesized by mixing and grinding for 10 hours or more. In addition to hand mixing, an automatic mortar or stamp mill can be used for the synthesis. As the mortar and pestle, mullite, alumina, zirconia, agate, glass, porcelain, iron, stainless steel and the like can be used. Further, the mechanochemical effect can be enhanced by providing irregularities such as slits (for example, width 0.1 mm, depth 0.2 mm) inside the mortar.

粉砕混合装置は例えば遊星ボールミル装置およびメカノフュージョンシステムなどが使用できる。   As the pulverizing and mixing apparatus, for example, a planetary ball mill apparatus and a mechano-fusion system can be used.

ボールミリング装置として例えば遊星ボールミル装置が使用できる。ボールミリング装置を用いれば、ナノ化及び複合化処理を密閉した容器内で行うことが出来る。そのため、ナノサイズのSi粒子を直接取り扱う必要がなく、危険性が少ない。またナノサイズのSi粒子を取り扱うための設備が不要であるため、設備コストが安くできる。   For example, a planetary ball mill device can be used as the ball milling device. If a ball milling apparatus is used, nano-processing and composite processing can be performed in a sealed container. Therefore, it is not necessary to handle nano-sized Si particles directly, and there is little danger. In addition, since equipment for handling nano-sized Si particles is not required, equipment costs can be reduced.

ボールミル装置の粉砕容器内の雰囲気は大気や乾燥空気の他、窒素、アルゴン、二酸化炭素などの不活性ガスを封入してもいい。   The atmosphere in the pulverization container of the ball mill device may be filled with an inert gas such as nitrogen, argon, carbon dioxide in addition to air or dry air.

遊星ボールミル装置の粉砕容器の1/10〜1/2体積量の酸化物固体電解質または酸化物固体電解質原料およびSi粉末を、粉砕容器の1/5〜2/3体積量の粉砕用ボールとともに粉砕容器内へ投入する。次いで、以下の粉砕条件で粉砕することで、Si−酸化物固体電解質複合体の合成を行うことが出来る。   Crushing 1/10 to 1/2 volume of oxide solid electrolyte or oxide solid electrolyte raw material and Si powder of grinding ball of planetary ball mill apparatus together with 1/5 to 2/3 volume of grinding balls of grinding container Put into the container. Next, the Si-oxide solid electrolyte composite can be synthesized by grinding under the following grinding conditions.

粉砕条件は300rpm〜2000rpmが好ましく、450rpm〜1100rpmがより好ましい。一般的な無機材料の合成で行われている粉砕条件(たとえば60rpm)よりも高速粉砕することで、材料に機械的エネルギーを加え、Si粒子と酸化物固体電解質を複合化させることができる。粉砕が低速だとメカノケミカル反応が生じにくく、2000rpmを超えると粉砕時の発熱が大きくなりすぎ、メカノケミカル反応の制御が困難となる。粉砕時間は10分〜72時間が好ましく、15分〜24時間が特に好ましい。粉砕時の発熱が大きすぎる場合は、粉砕時間を区切り、冷却時間を設けてもよい。   The grinding conditions are preferably 300 rpm to 2000 rpm, more preferably 450 rpm to 1100 rpm. By pulverizing at a higher speed than the pulverization conditions (for example, 60 rpm) used in the synthesis of a general inorganic material, mechanical energy can be applied to the material, and the Si particles and the oxide solid electrolyte can be combined. If the pulverization is slow, the mechanochemical reaction hardly occurs. If the pulverization exceeds 2000 rpm, the heat generated during the pulverization becomes too large, and it becomes difficult to control the mechanochemical reaction. The grinding time is preferably 10 minutes to 72 hours, particularly preferably 15 minutes to 24 hours. If the heat generated during pulverization is too large, the pulverization time may be divided and a cooling time may be provided.

粉砕容器の制限はなく、ジルコニア製、アルミナ製、ステンレス製、メノウ製、ガラス製、樹脂製などのポットを用いることができるが、メカノケミカル法では粉砕エネルギーが高いため、粉砕容器はジルコニア製、アルミナ製、ステンレス製のポットが特に好ましい。   There is no limitation on the pulverization container, and pots such as zirconia, alumina, stainless steel, agate, glass, and resin can be used, but because the pulverization energy is high in the mechanochemical method, the pulverization container is made of zirconia, A pot made of alumina or stainless steel is particularly preferable.

粉砕用ボールの制限はなく、ジルコニア製、アルミナ製、ステンレス製、メノウ製、ガラス製、樹脂製などのボールを用いることができるが、メカノケミカル法では粉砕エネルギーが高いため、粉砕用ボールはジルコニア製、アルミナ製、ステンレス製のボールが特に好ましい。粉砕用ボールの大きさは、たとえば直径0.1mm〜20mmであるが、粉砕用ボールの大きさは、所望の複合体サイズによって自由に選択することができる。   There is no restriction on the balls for grinding, and balls made of zirconia, alumina, stainless steel, agate, glass, resin, etc. can be used. However, the mechanochemical method has high grinding energy, so the grinding balls are zirconia. Particularly preferred are balls made of aluminum, alumina and stainless steel. The size of the grinding ball is, for example, 0.1 mm to 20 mm in diameter, but the size of the grinding ball can be freely selected depending on the desired composite size.

乳鉢及び乳棒を用いる場合、粉砕混合装置を用いる場合のいずれの場合でも、複合化は乾式でも湿式でも行うことができるが、メカノケミカル反応が強い乾式で行うことが望ましい。複合化合成時の発熱が大きい場合には湿式を用いてもよく、湿式の場合、酸化物固体電解質または酸化物固体電解質原料の溶解度が低い溶媒を用いることができる。溶媒として、例えば水やエタノール、イソプロパノールなどのアルコール類、アセトンなどのケトン類、ヘキサンなどを用いることができる。   In either case of using a mortar and pestle, or in the case of using a pulverizing and mixing device, the compounding can be carried out either dry or wet, but it is desirable to carry out by a dry method having a strong mechanochemical reaction. In the case where the heat generation during the composite synthesis is large, wet may be used. In the case of wet, a solvent having low solubility of the oxide solid electrolyte or the oxide solid electrolyte raw material can be used. As the solvent, for example, water, alcohols such as ethanol and isopropanol, ketones such as acetone, hexane and the like can be used.

複合化工程において、酸化物固体電解質は、非晶質または低結晶性となるまで粉砕されることが好ましい。酸化物固体電解質を非晶質または低結晶性とするためには、乳鉢の場合、10時間以上より好ましくは24時間以上粉砕混合すればよい。粉砕混合装置の場合、粉砕速度を大きくすることでメカノケミカル反応が進行しやすくなるため、遊星ボールミルの場合には回転数を大きくすればよい。   In the composite step, the oxide solid electrolyte is preferably pulverized until it becomes amorphous or low crystalline. In order to make the oxide solid electrolyte amorphous or low crystalline, in the case of a mortar, it may be pulverized and mixed for 10 hours or more, preferably 24 hours or more. In the case of a pulverizing and mixing device, the mechanochemical reaction is facilitated by increasing the pulverizing speed. Therefore, in the case of a planetary ball mill, the number of rotations may be increased.

複合化工程は密閉空間内で行われることが好ましい。密閉空間内で行われることによって原料粉末が大気中に飛び散ることを防止できる。例えば粉砕混合装置の密閉容器内で複合化工程を行えばよい。   The compounding step is preferably performed in a sealed space. By being performed in the sealed space, the raw material powder can be prevented from scattering into the atmosphere. For example, the compounding step may be performed in a closed container of a pulverizing and mixing apparatus.

複合化工程の後、熱処理を加えることができる。熱処理により、酸化物固体電解質からなるマトリックスの骨格構造が強固になるともに、Si粒子と酸化物固体電解質の結合が強固になる。そのため、Si−酸化物固体電解質複合体の強度が高まる。しかしながら、熱処理を行うとSi粒子の結晶子サイズが大きくなってしまう。Si粒子の結晶子サイズが大きくなるとSiの膨張及び収縮をマトリックスが抑制できなくなり、二次電池のサイクル特性が劣化する。   A heat treatment can be applied after the compounding step. The heat treatment strengthens the skeleton structure of the matrix made of the oxide solid electrolyte and strengthens the bond between the Si particles and the oxide solid electrolyte. Therefore, the strength of the Si-oxide solid electrolyte composite is increased. However, when heat treatment is performed, the crystallite size of the Si particles increases. When the crystallite size of the Si particles increases, the matrix cannot suppress the expansion and contraction of Si, and the cycle characteristics of the secondary battery deteriorate.

熱処理するならば、得られた複合体に100℃〜800℃で熱処理を行う。熱処理することによって、余分な有機物が分解蒸発する。熱処理によって酸化物固体電解質からなるマトリックスの骨格構造が強固になるともに、Si粒子と酸化物固体電解質の結合が強固になる。そのため、Si−酸化物固体電解質複合体の強度が高まり、Si−酸化物固体電解質複合体を用いた負極活物質は、二次電池の充放電のサイクル特性を向上させる。また、Si−酸化物固体電解質複合体の高密度化が進み、Si−酸化物固体電解質複合体を用いた負極活物質は、単位体積あたりの容量が増加する。   If heat treatment is performed, the obtained composite is heat treated at 100 ° C to 800 ° C. By the heat treatment, excess organic substances are decomposed and evaporated. The heat treatment strengthens the skeletal structure of the matrix made of the oxide solid electrolyte and strengthens the bond between the Si particles and the oxide solid electrolyte. Therefore, the strength of the Si-oxide solid electrolyte composite is increased, and the negative electrode active material using the Si-oxide solid electrolyte composite improves the charge / discharge cycle characteristics of the secondary battery. In addition, as the density of the Si-oxide solid electrolyte composite increases, the capacity per unit volume of the negative electrode active material using the Si-oxide solid electrolyte composite increases.

800℃より高い温度で熱処理を行うと、Si粒子と酸化物固体電解質マトリックスが反応してしまい二次電池の初回容量が低下する問題やSi粒子がナノサイズ以上に成長して二次電池のサイクル特性が低下する問題が生じてしまうので好ましくない。熱処理工程において100℃より低い温度で熱処理を行うと、余分な水分や有機物が除去される効果が少なく、Si粒子表面を酸化させ容量が低下する影響が大きくなるため好ましくない。   When heat treatment is performed at a temperature higher than 800 ° C., the Si particles and the oxide solid electrolyte matrix react with each other, and the initial capacity of the secondary battery is reduced. Since the problem that a characteristic deteriorates arises, it is not preferable. If the heat treatment is performed at a temperature lower than 100 ° C. in the heat treatment step, the effect of removing excess moisture and organic matter is small, and the influence of oxidizing the surface of the Si particles and lowering the capacity is not preferable.

熱処理時の雰囲気は大気または不活性ガスとすることができ、必要により加圧または減圧下とすることができる。不活性雰囲気はSi粒子の酸化を防ぐことができるので好ましい。   The atmosphere during the heat treatment can be air or an inert gas, and can be pressurized or reduced as necessary. An inert atmosphere is preferable because it can prevent oxidation of Si particles.

特に酸化物固体電解質原料のままメカノケミカル法を行った場合は熱処理を行ったほうがいい。   In particular, when the mechanochemical method is used with the oxide solid electrolyte raw material, heat treatment is better.

<二次電池用負極>
本発明の二次電池用負極は上記二次電池用負極活物質を含むことを特徴とする。上記二次電池用負極活物質を有する負極とすれば、二次電池は、十分な容量と良好なサイクル特性を有する。
<Anode for secondary battery>
The negative electrode for a secondary battery according to the present invention includes the above-described negative electrode active material for a secondary battery. If it is set as the negative electrode which has the said negative electrode active material for secondary batteries, a secondary battery will have sufficient capacity | capacitance and favorable cycling characteristics.

負極は、上記負極活物質が結着剤で結着されてなる負極活物質層が集電体に付着してなる。   The negative electrode is formed by attaching a negative electrode active material layer formed by binding the negative electrode active material with a binder to a current collector.

集電体は、二次電池の放電又は充電の間、電極に電流を流し続けるための化学的に不活性な電子高伝導体をいう。集電体に用いられる材料として、ステンレス鋼、チタン、ニッケル、アルミニウム、銅などの金属材料または導電性樹脂を挙げることが出来る。また集電体は、箔、シート、フィルムなどの形態をとることが出来る。そのため、集電体として、例えば銅箔、ニッケル箔、アルミニウム箔、ステンレス箔などの金属箔を好適に用いることが出来る。   A current collector refers to a chemically inert electronic high conductor that keeps a current flowing through an electrode during discharge or charging of a secondary battery. Examples of the material used for the current collector include metal materials such as stainless steel, titanium, nickel, aluminum, and copper, or conductive resins. The current collector can take the form of a foil, a sheet, a film, or the like. Therefore, metal foils, such as copper foil, nickel foil, aluminum foil, stainless steel foil, can be used suitably as a collector.

集電体は、その膜厚が5μm〜200μmであることが好ましい。   The current collector preferably has a thickness of 5 μm to 200 μm.

上記負極活物質層はさらに導電助剤を含んでもよい。負極は、負極活物質および結着剤、必要に応じて導電助剤を含む負極活物質層形成用組成物を調製し、さらに上記組成物に適当な溶媒を加えてペースト状にしてから、集電体の表面に塗布後、乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成することができる。   The negative electrode active material layer may further contain a conductive additive. The negative electrode is prepared by preparing a composition for forming a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, a binder, and, if necessary, a conductive additive, and adding a suitable solvent to the above composition to make a paste. After coating on the surface of the electric body, it can be dried and compressed to increase the electrode density as necessary.

負極活物質層形成用組成物の塗布方法としては、ロールコート法、ディップコート法、ドクターブレード法、スプレーコート法、カーテンコート法などの従来から公知の方法を用いればよい。   As a method for applying the composition for forming a negative electrode active material layer, a conventionally known method such as a roll coating method, a dip coating method, a doctor blade method, a spray coating method, or a curtain coating method may be used.

粘度調整のための溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、メタノール、メチルイソブチルケトン(MIBK)などが使用可能である。   As the solvent for adjusting the viscosity, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), methanol, methyl isobutyl ketone (MIBK) and the like can be used.

結着剤は、負極活物質及び導電助剤を集電体に繋ぎ止める役割を果たすもので、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド等のイミド系樹脂、アルコキシシリル基含有樹脂、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)などを用いることができる。   The binder plays a role of connecting the negative electrode active material and the conductive additive to the current collector, and includes a fluorine-containing resin such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, and fluororubber, and a thermoplastic resin such as polypropylene and polyethylene. Imide resins such as polyimide and polyamideimide, alkoxysilyl group-containing resins, styrene-butadiene rubber (SBR), and the like can be used.

導電助剤は、電極の導電性を高めるために添加される。導電助剤として、炭素質微粒子であるカーボンブラック、黒鉛、アセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック(KB)、気相法炭素繊維(Vapor Grown Carbon Fiber:VGCF)等を単独でまたは二種以上組み合わせて添加することが出来る。導電助剤の使用量については、特に限定的ではないが、例えば、負極に含有される活物質100質量部に対して、1質量部〜95質量部程度とすることができる。   The conductive assistant is added to increase the conductivity of the electrode. Carbon black, graphite, acetylene black (AB), ketjen black (KB), vapor grown carbon fiber (VGCF), etc., which are carbonaceous fine particles, are used alone or in combination as a conductive additive. Can be added. The amount of the conductive aid used is not particularly limited, but for example, it can be about 1 part by mass to 95 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the active material contained in the negative electrode.

<二次電池>
本発明の二次電池は、電池構成要素として、上記した二次電池用負極に加えて、正極、及び電解質を用いる。必要に応じてセパレータを用いてもよい。
<Secondary battery>
The secondary battery of the present invention uses a positive electrode and an electrolyte in addition to the above-described negative electrode for a secondary battery as battery components. A separator may be used as necessary.

正極は、集電体と、集電体の表面に結着させた正極活物質層を有する。正極活物質層は、正極活物質、結着剤を含み、必要に応じて導電助剤を含む。集電体、結着剤、導電助剤は負極で説明したものと同様である。   The positive electrode has a current collector and a positive electrode active material layer bound to the surface of the current collector. The positive electrode active material layer includes a positive electrode active material and a binder, and includes a conductive additive as necessary. The current collector, binder, and conductive additive are the same as those described for the negative electrode.

正極活物質としては、リチウム含有化合物が適当である。例えばリチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物、リチウム鉄リン酸複合酸化物などのリチウム含有金属複合酸化物などを用いることが出来る。また正極活物質として他の金属化合物あるいは高分子材料を用いることも出来る。他の金属化合物としては、例えば酸化チタン、酸化バナジウムあるいは二酸化マンガンなどの酸化物、または硫化チタンあるいは硫化モリブデンなどの硫化物が挙げられる。高分子材料としては例えばポリアニリンあるいはポリチオフェンなどの導電性高分子が挙げられる。リチウムを含有しない金属化合物または高分子材料を正極に用いる場合は、正極及び/または負極及び/または電池構成体にLiイオンをドープする。ドープ方法は特に規定されないが、電極へのLiスパッタ、対極Liでの予備充放電などがある。   A lithium-containing compound is suitable as the positive electrode active material. For example, lithium-containing metal composite oxides such as lithium cobalt composite oxide, lithium nickel composite oxide, lithium manganese composite oxide, and lithium iron phosphate composite oxide can be used. Other metal compounds or polymer materials can also be used as the positive electrode active material. Examples of other metal compounds include oxides such as titanium oxide, vanadium oxide and manganese dioxide, and sulfides such as titanium sulfide and molybdenum sulfide. Examples of the polymer material include conductive polymers such as polyaniline and polythiophene. When a metal compound or a polymer material not containing lithium is used for the positive electrode, the positive electrode and / or the negative electrode and / or the battery structure are doped with Li ions. Although the doping method is not particularly defined, there are Li sputtering on the electrode, preliminary charge / discharge with the counter electrode Li, and the like.

正極活物質として、一般式: LiCoNiMn (p+q+r=1、0<p<1、0≦q<1、0≦r<1)で表される複合金属酸化物が用いられることが多い。複合金属酸化物として、例えばLiCo1/3Ni1/3Mn1/3、LiNi0.6Co0.2Mn0.2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3、LiCoO、LiNiO、LiMnO、LiMnO、LiFePO、LiMnPO、LiFeP、LiFeSiO、LiMnSiO、LiNi0.8Co0.2、および前述の酸化物のいずれかを含む酸化物固溶体を用いることができる。正極活物質として、硫黄または硫黄含有有機物、酸素、有機ポリマーなどの非金属系正極活物質を用いることもできる。 As the positive electrode active material, a composite metal oxide represented by the general formula: LiCo p Ni q Mn r O 2 (p + q + r = 1, 0 <p <1, 0 ≦ q <1, 0 ≦ r <1) is used. There are many cases. As the composite metal oxide, for example, LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 , LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , Li 2 MnO 2 , LiFePO 4 , LiMnPO 4 , Li 2 FeP 2 O 7 , Li 2 FeSiO 4 , LiMnSiO 4 , LiNi 0.8 Co 0.2 O 2 , and the foregoing An oxide solid solution containing any of these oxides can be used. As the positive electrode active material, a non-metallic positive electrode active material such as sulfur or a sulfur-containing organic substance, oxygen, or an organic polymer can also be used.

セパレータは正極と負極とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。セパレータとしては、例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、あるいはポリエチレンなどの合成樹脂製またはセルロースなど天然高分子製の多孔質膜または不織布、またはセラミックス製の多孔質膜が使用できる。   The separator separates the positive electrode and the negative electrode and allows lithium ions to pass through while preventing a short circuit of current due to contact between the two electrodes. As the separator, for example, a porous film or a nonwoven fabric made of a synthetic resin such as polytetrafluoroethylene, polypropylene, or polyethylene, or a natural polymer such as cellulose, or a porous film made of ceramics can be used.

電解質は移動可能なLiイオンを含むものである。電解質として、非水電解液、水系電解液、あるいは固体電解質などを用いることができる。固体電解質の場合は必ずしもセパレータを必要としない。   The electrolyte contains movable Li ions. As the electrolyte, a non-aqueous electrolyte, an aqueous electrolyte, a solid electrolyte, or the like can be used. In the case of a solid electrolyte, a separator is not necessarily required.

非水電解液は、有機溶媒とこの有機溶媒に溶解された電解質塩とを含んでいる。   The non-aqueous electrolyte contains an organic solvent and an electrolyte salt dissolved in the organic solvent.

有機溶媒として例えば環状エステル類、鎖状エステル類、エーテル類が使用できる。環状エステル類として、例えば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、ガンマブチロラクトン、ビニレンカーボネート、2−メチル−ガンマブチロラクトン、アセチル−ガンマブチロラクトン、ガンマバレロラクトンが使用できる。鎖状エステル類として、例えばジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジブチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、メチルエチルカーボネート、プロピオン酸アルキルエステル、マロン酸ジアルキルエステル、酢酸アルキルエステルが使用できる。エーテル類として、例えばテトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−ジブトキシエタンが使用できる。   As the organic solvent, for example, cyclic esters, chain esters and ethers can be used. Examples of cyclic esters include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, gamma butyrolactone, vinylene carbonate, 2-methyl-gamma butyrolactone, acetyl-gamma butyrolactone, and gamma valerolactone. Examples of chain esters that can be used include dimethyl carbonate, diethyl carbonate, dibutyl carbonate, dipropyl carbonate, methyl ethyl carbonate, propionic acid alkyl ester, malonic acid dialkyl ester, and acetic acid alkyl ester. As ethers, for example, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, and 1,2-dibutoxyethane can be used.

また上記有機溶媒に溶解させる電解質塩として、例えば、LiClO、LiAsF、LiPF、LiBF、LiCFSO、LiN(CFSO等のリチウム塩を使用することが出来る。 As the electrolyte salt to be dissolved in the organic solvent, for example, LiClO 4, LiAsF 6, LiPF 6, LiBF 4, LiCF 3 SO 3, LiN (CF 3 SO 2) can be used a lithium salt of 2, and the like.

非水電解液として、例えば、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネートなどの有機溶媒にLiClO、LiPF、LiBF、LiCFSOなどのリチウム塩を0.5mol/lから2mol/l程度の濃度で溶解させた溶液を使用することが出来る。 As the non-aqueous electrolyte, for example, an organic solvent such as ethylene carbonate, dimethyl carbonate, propylene carbonate, and dimethyl carbonate is mixed with a lithium salt such as LiClO 4 , LiPF 6 , LiBF 4 , and LiCF 3 SO 3 in an amount of 0.5 mol / l to 2 mol / l. A solution dissolved at a concentration of about 1 can be used.

水系電解液として、各種の水溶性リチウム塩の水溶液を用いることが出来る。好ましい水溶性リチウム塩として、LiSO、LiNO、LiCl、CHCOOLi、もしくはLiOH、またはこれらのものの組み合わせが挙げられる。 As the aqueous electrolyte, various water-soluble lithium salt aqueous solutions can be used. Preferred water-soluble lithium salts include Li 2 SO 4 , LiNO 3 , LiCl, CH 3 COOLi, or LiOH, or combinations thereof.

固体電解質は、例えば、LiClO、LiAsF、LiPF、LiBF、LiCFSO、LiN(CFSO等のリチウム塩を含むゲル電解質を用いることが出来る。 As the solid electrolyte, for example, a gel electrolyte containing a lithium salt such as LiClO 4 , LiAsF 6 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 can be used.

固体電解質としては、例えば硫化リチウム、硫化珪素、硫化燐及びこれらの複合体、窒化リチウム、ヨウ化リチウム、LiPON(LiPO4−x)、Li4−xSi1−x(0≦x≦1)、LiLa2−x/3TiO(x=0.1〜0.5)、Li7+xLaZr12+(x/2)(−5≦x≦3,好ましくは−2≦x≦2)、Li1+x+y(Al,Ga)(Ti,Ge,Zr)2−xSi3−y12(0≦x≦1、0≦y≦1)、LiO−5Al、LiO−11Al、LiLa(Nb,Ta)12、Li14ZnGe16、LiSiAlOなどを用いることが出来る。 Examples of the solid electrolyte include lithium sulfide, silicon sulfide, phosphorus sulfide and a composite thereof, lithium nitride, lithium iodide, LiPON (Li 3 PO 4−x N x ), Li 4−x Si x P 1−x O. 4 (0 ≦ x ≦ 1), Li x La 2−x / 3 TiO 3 (x = 0.1 to 0.5), Li 7 + x La 3 Zr 2 O 12+ (x / 2) (−5 ≦ x ≦ 3, preferably −2 ≦ x ≦ 2), Li 1 + x + y (Al, Ga) x (Ti, Ge, Zr) 2−x Si y P 3−y O 12 (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) ), Li 2 O-5Al 2 O 3 , Li 2 O-11Al 2 O 3 , Li 5 La 3 (Nb, Ta) 2 O 12 , Li 14 ZnGe 4 O 16 , Li 9 SiAlO 8, or the like can be used. .

上記二次電池用負極を有するため、本発明の二次電池は、十分な容量と良好なサイクル特性を有する。   Since it has the said negative electrode for secondary batteries, the secondary battery of this invention has sufficient capacity | capacitance and favorable cycling characteristics.

本発明の二次電池は車両に搭載することが出来る。上記二次電池は、十分な容量と良好なサイクル特性を有するため、その二次電池を搭載した車両は、高性能の車両とすることが出来る。   The secondary battery of the present invention can be mounted on a vehicle. Since the secondary battery has a sufficient capacity and good cycle characteristics, a vehicle equipped with the secondary battery can be a high-performance vehicle.

車両としては、電池による電気エネルギーを動力源の全部または一部に使用する車両であればよく、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、ハイブリッド鉄道車両、電動フォークリフト、電気車椅子、電動アシスト自転車、電動二輪車が挙げられる。   The vehicle may be a vehicle that uses electric energy from a battery as a whole or a part of a power source. For example, an electric vehicle, a hybrid vehicle, a plug-in hybrid vehicle, a hybrid railway vehicle, an electric forklift, an electric wheelchair, and an electric assist. Bicycles and electric motorcycles are examples.

<Si−酸化物固体電解質複合体>
本発明のSi−酸化物固体電解質複合体は、酸化物固体電解質からなるマトリックスと、マトリックス中に分散された、CuKα線を用いたX線粉末回折(XRD)測定により測定された結晶子サイズが100nm以下であるSi粒子と、を含む。
Si−酸化物固体電解質複合体は二次電池用負極活物質として用いると、二次電池の出力特性を向上出来る。
<Si-oxide solid electrolyte composite>
The Si-oxide solid electrolyte composite of the present invention has a crystallite size measured by X-ray powder diffraction (XRD) measurement using a matrix made of an oxide solid electrolyte and CuKα rays dispersed in the matrix. Si particles that are 100 nm or less.
When the Si-oxide solid electrolyte composite is used as a negative electrode active material for a secondary battery, the output characteristics of the secondary battery can be improved.

以上、本発明の二次電池用負極活物質、その製造方法、二次電池用負極、二次電池、及びSi−酸化物固体電解質複合体の実施形態を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。   As described above, the embodiments of the negative electrode active material for secondary battery, the manufacturing method thereof, the negative electrode for secondary battery, the secondary battery, and the Si-oxide solid electrolyte composite according to the present invention have been described. The form is not limited. The present invention can be implemented in various forms without departing from the gist of the present invention, with modifications and improvements that can be made by those skilled in the art.

以下、実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

<材料の準備>
Siとして、メディアン径50%が5μmのSi粉末(高純度化学社製、3N)とD50が50nmのSiナノ粉末(Nanostructured&Amorphous Materials inc.製)を準備した。
<Preparation of materials>
As Si, a Si powder having a median diameter of 50% of 5 μm (manufactured by High-Purity Chemical Co., Ltd., 3N) and a Si nanopowder having a D 50 of 50 nm (manufactured by Nanostructured & Amorphous Materials Inc.) were prepared.

酸化物固体電解質として、LATP系酸化物固体電解質シート(オハラ社製、組成式Li1+x+y(Al,Ga)(Ti,Ge)2−xSi3−y12(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1))及びアルミニウム置換リン酸ゲルマニウムリチウム(Li1.5Al0.5Ge1.5(PO(以下LAGPと称す)結晶粉末(豊島製作所社製)を準備した。 As an oxide solid electrolyte, a LATP-based oxide solid electrolyte sheet (manufactured by OHARA, composition formula Li 1 + x + y (Al, Ga) x (Ti, Ge) 2−x Si y P 3−y O 12 (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1)) and aluminum-substituted lithium germanium phosphate (Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 (hereinafter referred to as LAGP) crystal powder (manufactured by Toshima Seisakusho) Got ready.

<Si−酸化物固体電解質複合体の作製>
(実施例1)
LATP系酸化物固体電解質シートを瑪瑙乳鉢及び瑪瑙乳棒で予備粉砕した粉末と平均粒径が5μmのSi粉末を1:1(質量比)で粉砕用ボールをジルコニア製5mmボールとした遊星ボールミルに入れ、600rpmで30分混合、粉砕し、実施例1のSi−酸化物固体電解質複合体を得た。実施例1のSi−酸化物固体電解質複合体における酸化物固体電解質のしめる割合は50質量%であった。
<Preparation of Si-oxide solid electrolyte composite>
Example 1
Put the LATP oxide solid electrolyte sheet into a planetary ball mill in which the powder obtained by pre-grinding the LATP oxide solid electrolyte sheet with a mortar and pestle and Si powder having an average particle diameter of 5 μm is 1: 1 (mass ratio) and the ball for grinding is a 5 mm ball made of zirconia. The Si-oxide solid electrolyte composite of Example 1 was obtained by mixing and pulverizing at 600 rpm for 30 minutes. The ratio of the oxide solid electrolyte in the Si-oxide solid electrolyte composite of Example 1 was 50% by mass.

(実施例2)
300rpmで30分混合、粉砕した以外は、実施例1と同様にして実施例2のSi−酸化物固体電解質複合体を得た。
(Example 2)
A Si-oxide solid electrolyte composite of Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the mixture was pulverized at 300 rpm for 30 minutes.

(実施例3)
実施例1のSi−酸化物固体電解質複合体をAr雰囲気中、500℃で5時間熱処理して、実施例3のSi−酸化物固体電解質複合体を得た。
(Example 3)
The Si-oxide solid electrolyte composite of Example 1 was heat-treated in an Ar atmosphere at 500 ° C. for 5 hours to obtain the Si-oxide solid electrolyte composite of Example 3.

(実施例4)
実施例2のSi−酸化物固体電解質複合体をAr雰囲気中、500℃で5時間熱処理して、実施例4のSi−酸化物固体電解質複合体を得た。
Example 4
The Si-oxide solid electrolyte composite of Example 2 was heat-treated at 500 ° C. for 5 hours in an Ar atmosphere to obtain the Si-oxide solid electrolyte composite of Example 4.

(実施例5)
実施例1のLATP系酸化物固体電解質シートを瑪瑙乳鉢及び瑪瑙乳棒で予備粉砕した粉末に代えてLAGPを使用した以外は実施例1と同様にして、実施例5のSi−酸化物固体電解質複合体を得た。
(Example 5)
The Si-oxide solid electrolyte composite of Example 5 was used in the same manner as in Example 1 except that LAGP was used instead of the powder obtained by pre-grinding the LATP-based oxide solid electrolyte sheet of Example 1 with an agate mortar and pestle. Got the body.

(実施例6)
実施例5のSi−酸化物固体電解質複合体をAr雰囲気中、500℃で5時間熱処理して、実施例6のSi−酸化物固体電解質複合体を得た。
(Example 6)
The Si-oxide solid electrolyte composite of Example 5 was heat-treated in an Ar atmosphere at 500 ° C. for 5 hours to obtain the Si-oxide solid electrolyte composite of Example 6.

(実施例7)
実施例1の平均粒径が5μmのSi粉末に代えてD50が50nmのSiナノ粉末を使用した以外は実施例1と同様にして実施例7のSi−酸化物固体電解質複合体を得た。
(Example 7)
A Si-oxide solid electrolyte composite of Example 7 was obtained in the same manner as in Example 1 except that Si nanopowder having a D 50 of 50 nm was used instead of the Si powder having an average particle diameter of 5 μm. .

(実施例8)
300rpmで30分混合、粉砕した以外は、実施例7と同様にして実施例8のSi−酸化物固体電解質複合体を得た。
(Example 8)
A Si-oxide solid electrolyte composite of Example 8 was obtained in the same manner as in Example 7 except that the mixture was pulverized at 300 rpm for 30 minutes.

(実施例9)
実施例7のSi−酸化物固体電解質複合体をAr雰囲気中、500℃で5時間熱処理して、実施例9のSi−酸化物固体電解質複合体を得た。
Example 9
The Si-oxide solid electrolyte composite of Example 7 was heat-treated in an Ar atmosphere at 500 ° C. for 5 hours to obtain the Si-oxide solid electrolyte composite of Example 9.

(実施例10)
実施例8のSi−酸化物固体電解質複合体をAr雰囲気中、500℃で5時間熱処理して、実施例10のSi−酸化物固体電解質複合体を得た。
(Example 10)
The Si-oxide solid electrolyte composite of Example 8 was heat-treated at 500 ° C. for 5 hours in an Ar atmosphere to obtain the Si-oxide solid electrolyte composite of Example 10.

(実施例11)
実施例7のLATP系酸化物固体電解質シートに代えてLAGPを使用した以外は実施例7と同様にして、実施例11のSi−酸化物固体電解質複合体を得た。
(Example 11)
A Si-oxide solid electrolyte composite of Example 11 was obtained in the same manner as in Example 7 except that LAGP was used instead of the LATP-based oxide solid electrolyte sheet of Example 7.

(実施例12)
実施例11のSi−酸化物固体電解質複合体をAr雰囲気中、500℃で5時間熱処理して、実施例12のSi−酸化物固体電解質複合体を得た。
(Example 12)
The Si-oxide solid electrolyte composite of Example 11 was heat-treated at 500 ° C. for 5 hours in an Ar atmosphere to obtain the Si-oxide solid electrolyte composite of Example 12.

<粉末X線回折(XRD)測定結果>
上記実施例1及び実施例2のSi−酸化物固体電解質複合体を粉末X線回折(XRD)(リガク製 SmartLab)で分析した。この分析結果をLATPの分析結果と合わせて図3に示す。実施例1のSi−酸化物固体電解質はLATPの結晶相が消失しており、酸化物固体電解質は非晶質であることが確認できた。実施例2の酸化物固体電解質は、LATPとSiのピークが確認でき、LATPの結晶は残っていることが確認できた。
<Powder X-ray diffraction (XRD) measurement result>
The Si-oxide solid electrolyte composites of Example 1 and Example 2 were analyzed by powder X-ray diffraction (XRD) (SmartLab, manufactured by Rigaku). The analysis results are shown in FIG. 3 together with the LATP analysis results. In the Si-oxide solid electrolyte of Example 1, the LATP crystal phase disappeared, and it was confirmed that the oxide solid electrolyte was amorphous. The oxide solid electrolyte of Example 2 was able to confirm the peaks of LATP and Si and confirmed that the crystals of LATP remained.

ここで600rpmの粉砕条件で粉砕した実施例1、実施例3、実施例5及び実施例6は酸化物固体電解質が非晶質又は低結晶性であったことがXRD測定でわかった。   In Example 1, Example 3, Example 5, and Example 6 that were pulverized under the pulverization condition of 600 rpm, it was found by XRD measurement that the oxide solid electrolyte was amorphous or low crystalline.

<結晶子サイズ測定>
またSiのXRDのピークの半値幅より結晶子サイズを求めた。原料となるSi粉末の結晶子サイズも同様にXRDのピークから求めた。原料である平均粒径が5μmであるSi粉末の結晶子サイズは107nmであり、原料であるD50が50nmのSiナノ粉末の結晶子サイズは38nmであった。
<Measurement of crystallite size>
The crystallite size was determined from the half width of the XRD peak of Si. The crystallite size of the Si powder used as a raw material was similarly determined from the XRD peak. The crystallite size of the Si powder having an average particle diameter of 5 μm as the raw material was 107 nm, and the crystallite size of the Si nanopowder having a D50 of 50 nm as the raw material was 38 nm.

実施例1〜12のSiの結晶子サイズを表1に記載した。Siの結晶子サイズの測定結果から、Si粉末と酸化物固体電解質とを遊星ボールミルを用い、600rpmで高速回転することによって、Siの結晶子サイズは8nm〜53nmとなり、原料であるSi粉末の大きさに関わらず、Siの結晶子サイズを非常に小さくすることが出来ることがわかった。   The crystallite sizes of Si in Examples 1 to 12 are shown in Table 1. From the measurement result of the Si crystallite size, the Si crystallite size is 8 nm to 53 nm by rotating the Si powder and the oxide solid electrolyte at a high speed of 600 rpm using a planetary ball mill. Nevertheless, it has been found that the crystallite size of Si can be made very small.

実施例3は実施例1を熱処理して得られたものであり、実施例4は実施例2を熱処理して得られたものであり、実施例9は実施例7を熱処理して得られたものであり、実施例10は実施例8を熱処理して得られたものであり、実施例12は実施例11を熱処理して得られたものである。これらの結果を比較すると、Siの結晶子サイズは熱処理をすることによって大きくなることがわかった。   Example 3 was obtained by heat treating Example 1, Example 4 was obtained by heat treating Example 2, and Example 9 was obtained by heat treating Example 7. Example 10 was obtained by heat-treating Example 8, and Example 12 was obtained by heat-treating Example 11. Comparing these results, it was found that the crystallite size of Si increases with heat treatment.

<走査型電子顕微鏡(SEM)観察>
実施例1及び実施例2のSi−酸化物固体電解質複合体をSEM(日立ハイテク社製S−4800)で観察した。
<Scanning electron microscope (SEM) observation>
The Si-oxide solid electrolyte composites of Example 1 and Example 2 were observed with SEM (S-4800 manufactured by Hitachi High-Tech).

図4に実施例1のSi−酸化物固体電解質複合体の断面SEM写真を示す。図4の断面SEM写真から実施例1のSi−酸化物固体電解質複合体の断面には数十nm〜1μm程度の大きさの濃い色むらが複数観察された。この濃い色むらがSi粒子である。図4からSi粒子はマトリックスに分散されており、Si粒子と酸化物固体電解質とは一体化していることが観察された。   FIG. 4 shows a cross-sectional SEM photograph of the Si-oxide solid electrolyte composite of Example 1. From the cross-sectional SEM photograph of FIG. 4, a plurality of dark color irregularities having a size of about several tens of nm to 1 μm were observed in the cross section of the Si-oxide solid electrolyte composite of Example 1. This dark color unevenness is Si particles. From FIG. 4, it was observed that the Si particles were dispersed in the matrix, and the Si particles and the oxide solid electrolyte were integrated.

図5に実施例1のSi−酸化物固体電解質複合体の表面のSEM写真と実施例3のSi−酸化物固体電解質複合体の表面のSEM写真を比較したものを示す。図5より、実施例1のSEM写真では表面の粒がはっきり観察できないが、実施例3のSEM写真においては、表面の粒が観察され、熱処理によって粒が成長したことがわかった。   FIG. 5 shows a comparison between the SEM photograph of the surface of the Si-oxide solid electrolyte composite of Example 1 and the SEM photograph of the surface of the Si-oxide solid electrolyte composite of Example 3. From FIG. 5, it was found that the surface grain could not be clearly observed in the SEM photograph of Example 1, but the surface grain was observed in the SEM photograph of Example 3, and the grain was grown by the heat treatment.

図6に実施例2のSi−酸化物固体電解質複合体の表面のSEM写真と実施例4のSi−酸化物固体電解質複合体の表面のSEM写真を比較したものを示す。図6より、実施例2のSEM写真では表面の粒がはっきり観察できないが、実施例4のSEM写真においては、表面の粒が観察され、熱処理によって粒が成長したことがわかった。また実施例4のSi−酸化物固体電解質複合体の表面には、直径が3μm程度の大きなSi粒子が観察された。   FIG. 6 shows a comparison between the SEM photograph of the surface of the Si-oxide solid electrolyte composite of Example 2 and the SEM photograph of the surface of the Si-oxide solid electrolyte composite of Example 4. From FIG. 6, it was found that the surface grain could not be clearly observed in the SEM photograph of Example 2, but the surface grain was observed in the SEM photograph of Example 4, and the grain was grown by the heat treatment. Further, large Si particles having a diameter of about 3 μm were observed on the surface of the Si-oxide solid electrolyte composite of Example 4.

図5及び図6から、実施例3と実施例4のSEM写真を比較すると、遊星ボールミルの粉砕条件が300rpm、30分の実施例4では一部にミクロンサイズのSiが残存しており、Si粒子のナノ化が充分でないとわかった。一方、遊星ボールミルの粉砕条件が600rpm、30分の実施例3では大きなSi粒子が確認されず、ナノ化が充分進行しているとわかった。   From FIG. 5 and FIG. 6, when comparing the SEM photographs of Example 3 and Example 4, in Example 4 where the grinding condition of the planetary ball mill is 300 rpm and 30 minutes, micron-sized Si remains in part, It was found that the particles were not sufficiently nanosized. On the other hand, in Example 3 where the pulverization conditions of the planetary ball mill were 600 rpm and 30 minutes, no large Si particles were confirmed, and it was found that nano-ization was sufficiently advanced.

<コイン型リチウムイオン二次電池作製>
(実施例1〜実施例12)
上記実施例1〜実施例12のSi−酸化物固体電解質複合体を負極活物質として以下のようにコイン型リチウムイオン二次電池を作製した。
<Production of coin-type lithium ion secondary battery>
(Example 1 to Example 12)
Coin-type lithium ion secondary batteries were produced as follows using the Si-oxide solid electrolyte composites of Examples 1 to 12 as the negative electrode active material.

各Si−酸化物固体電解質複合体を乳鉢にて粉砕後、Si−酸化物固体電解質複合体/天然黒鉛(SMG)/アセチレンブラック(導電助剤)/ポリアミドイミド樹脂(バインダ−)=45/40/5/10(質量比)で混合し、この混合物を適量のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に分散させて、スラリーを作製した。   Each Si-oxide solid electrolyte composite was pulverized in a mortar and then Si-oxide solid electrolyte composite / natural graphite (SMG) / acetylene black (conductive aid) / polyamideimide resin (binder) = 45/40. The mixture was mixed at / 5/10 (mass ratio), and the mixture was dispersed in an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to prepare a slurry.

厚さ20μmの銅箔に上記スラリーを乗せて、ドクターブレードを用いて銅箔上に成膜した。得られたシートを80℃で20分間乾燥してNMPを揮発させて除去した後、ロ−ルプレス機により、電解銅箔からなる集電体と上記混合物からなる負極層を強固に密着接合させた。これを0.95cmの円形ポンチで抜き取り、200℃で2時間、真空乾燥させて各電極を得た。目付け量が2mg程度(1.5mg〜2.5mg)となるように塗工量を調製した。 The slurry was placed on a copper foil having a thickness of 20 μm, and a film was formed on the copper foil using a doctor blade. The obtained sheet was dried at 80 ° C. for 20 minutes to volatilize and remove NMP, and then the current collector made of electrolytic copper foil and the negative electrode layer made of the above mixture were firmly adhered and bonded by a roll press machine. . This was extracted with a 0.95 cm 2 circular punch and vacuum dried at 200 ° C. for 2 hours to obtain each electrode. The coating amount was adjusted so that the basis weight was about 2 mg (1.5 mg to 2.5 mg).

上記した電極を評価極とし、金属リチウムを対極として、ハーフセルでの評価を行った。1モルのLiPF6/エチレンカーボネ−ト(EC)+ジエチルカーボネート(DEC)(EC:DEC=1:1(体積比))溶液を電解液として、ドライルーム内でコイン型モデル電池(CR2032タイプ)を作製した。コイン型モデル電池は、スペーサー、対極となる厚み500μmのLi箔、セパレータ(セルガード社製 商標名Celgard #2400)、および評価極を順に重ね、かしめ加工して、実施例1〜実施例12のモデル電池を作製した。 The above-mentioned electrode was used as an evaluation electrode, and metal lithium was used as a counter electrode. 1 mol LiPF 6 / ethylene carbonate (EC) + diethyl carbonate (DEC) (EC: DEC = 1: 1 (volume ratio)) as an electrolyte and a coin-type model battery (CR 2032 type) in a dry room ) Was produced. In the coin-type model battery, a spacer, a 500 μm-thick Li foil as a counter electrode, a separator (trade name Celgard # 2400, manufactured by Celgard), and an evaluation electrode are sequentially stacked and caulked to obtain a model of Example 1 to Example 12. A battery was produced.

(比較例1)
Si−酸化物固体電解質複合体に代えてSi粉末を用いた以外は実施例のモデル電池と同様にして比較例1のモデル電池を作製した。
(Comparative Example 1)
A model battery of Comparative Example 1 was produced in the same manner as the model battery of the example except that Si powder was used instead of the Si-oxide solid electrolyte composite.

<充放電特性測定>
実施例1〜12及び比較例1のコイン型モデル電池の充放電試験を行った。充放電試験は、電極材料1mgに対し、0.1mAの定電流で0.01Vに達するまで放電し、0.1mAの定電流で2.0Vに達するまで充電することによって行った。この充放電を1サイクルとして50サイクルまで繰り返した。初回の充電容量を測定し、電極合剤あたりの初回容量を計算した。50サイクル目の充電容量から同様に計算して、電極合剤あたりの50サイクル目の容量を計算した。容量維持率は以下の式で求めた。容量維持率(%)=(50回目の容量/初回容量)×100。
<Charge / discharge characteristics measurement>
The charge / discharge test of the coin type model batteries of Examples 1 to 12 and Comparative Example 1 was performed. The charge / discharge test was performed by discharging to 1 mg of electrode material at a constant current of 0.1 mA until reaching 0.01 V and charging at a constant current of 0.1 mA until reaching 2.0 V. This charging / discharging was repeated up to 50 cycles as one cycle. The initial charge capacity was measured, and the initial capacity per electrode mixture was calculated. The 50th cycle capacity per electrode mixture was calculated in the same manner from the 50th cycle charge capacity. The capacity maintenance rate was obtained by the following formula. Capacity retention rate (%) = (50th capacity / initial capacity) × 100.

Si利用効率は、以下の式から求めた。Si利用効率(%)=((初回充電容量)−(SMG由来の容量))/((Si理論容量)×(Si質量割合)×(負極活物質質量))×100。なお、Si質量割合は、1−(マトリックス割合)で計算した。   Si utilization efficiency was obtained from the following equation. Si utilization efficiency (%) = ((initial charge capacity) − (capacity derived from SMG)) / ((Si theoretical capacity) × (Si mass ratio) × (negative electrode active material mass)) × 100. In addition, Si mass ratio was calculated by 1- (matrix ratio).

<レート特性測定>
充電を0.5Cおよび10Cとした以外は充放電特性測定と同様に初回充電容量を測定した。このときの充電レートは充放電特性測定での初回充電容量からそれぞれの電流値を求めた。従って充放電特性測定の充電は1Cにあたる。
<Rate characteristics measurement>
The initial charge capacity was measured in the same manner as the charge / discharge characteristic measurement except that the charge was changed to 0.5C and 10C. The charge rate at this time calculated | required each electric current value from the initial charge capacity | capacitance in charge / discharge characteristic measurement. Therefore, the charge for the charge / discharge characteristic measurement corresponds to 1C.

レート特性は(10Cの充電容量)/(0.5Cの充電容量)×100として評価した。   The rate characteristic was evaluated as (10C charge capacity) / (0.5C charge capacity) × 100.

Siの結晶子サイズ、充放電特性測定結果、レート特性測定結果を表1に示した。   Table 1 shows Si crystallite size, charge / discharge characteristic measurement results, and rate characteristic measurement results.

表1の結果から、比較例1はマトリックスを用いていないため換算上、比較例1の初回容量を1/2(1704/2=852)にして実施例と比較した。実施例1〜実施例4のモデル電池は、いずれも、Si―酸化物固体電解質に代わってSi粉末を用いた比較例1のモデル電池と比べて、初回容量が比較例1より高いかそれほど変わらず、かつ50サイクル目の容量維持率が向上したことがわかった。サイクル特性については、特に比較例1のモデル電池の50サイクル目の容量維持率が10%であったのに対し、実施例1及び実施例3のモデル電池の50サイクル目の容量維持率は36%〜50%であり、大幅にサイクル特性が向上した。   From the results of Table 1, since Comparative Example 1 did not use a matrix, the initial capacity of Comparative Example 1 was reduced to 1/2 (1704/2 = 852) for comparison, and compared with Examples. Each of the model batteries of Examples 1 to 4 has an initial capacity higher than or slightly different from that of Comparative Example 1 as compared to the model battery of Comparative Example 1 using Si powder instead of the Si-oxide solid electrolyte. It was also found that the capacity retention rate at the 50th cycle was improved. Regarding the cycle characteristics, in particular, the capacity retention rate at the 50th cycle of the model battery of Comparative Example 1 was 10%, whereas the capacity retention rate at the 50th cycle of the model batteries of Example 1 and Example 3 was 36%. The cycle characteristics were greatly improved.

また、図7にも示すように実施例1〜4及び比較例1のモデル電池のSiの結晶子サイズと50サイクル目の容量維持率を比較すると、結晶子サイズが小さい方が50サイクル目の容量維持率が高かった。特にSi結晶子サイズが65nm以下とすると大幅に50サイクル目の容量維持率が向上した。   Further, as shown in FIG. 7, when comparing the Si crystallite size of the model batteries of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 with the capacity retention ratio at the 50th cycle, the smaller crystallite size is at the 50th cycle. The capacity maintenance rate was high. In particular, when the Si crystallite size was 65 nm or less, the capacity retention ratio at the 50th cycle was greatly improved.

また実施例1、実施例3及び実施例5はXRD結果より酸化物固体電解質が非晶質または低結晶性であることがわかっている。酸化物固体電解質が非晶質または低結晶性であるため、酸化物固体電解質の粒界抵抗が小さくなり、初回容量が向上したと推測する。   In Examples 1, 3 and 5, it is known from the XRD results that the oxide solid electrolyte is amorphous or low crystalline. Since the oxide solid electrolyte is amorphous or low crystalline, it is assumed that the grain boundary resistance of the oxide solid electrolyte is reduced and the initial capacity is improved.

実施例7〜実施例12はいずれも原料Si粉末をD50が50nmのSiナノ粉末を用いたものである。実施例7〜実施例12の初回容量は、いずれも比較例1に比べて低かった。Siナノ粉末は、もともと表面に表面酸化皮膜(酸化珪素層)が形成されている。酸化珪素層は電極内の抵抗成分となっていることが考えられる。そのため、原料としてSiナノ粉末を用いると、複合体となっても本来の容量が出なかったのではないかと推察される。 In all of Examples 7 to 12, the raw material Si powder is Si nanopowder having a D50 of 50 nm. The initial capacities of Examples 7 to 12 were all lower than those of Comparative Example 1. A surface oxide film (silicon oxide layer) is originally formed on the surface of Si nanopowder. It is considered that the silicon oxide layer is a resistance component in the electrode. Therefore, when Si nanopowder is used as a raw material, it is presumed that the original capacity did not come out even if it became a composite.

Si利用効率を比較すると、Siナノ粉末を利用した実施例はいずれもSi粉末を利用した実施例に比べてSi利用効率が低かった。   When the Si utilization efficiency was compared, all of the examples using the Si nanopowder had lower Si utilization efficiency than the examples using the Si powder.

しかしながら実施例7〜実施例12の50サイクル目の容量維持率は比較例1に比べて大幅に向上した。なおSiナノ粉末の表面の酸化珪素は充放電を繰り返すことで、リチウムシリケート非晶質相に変化し、電極内の導電性が向上する。そのため実施例11及び実施例12の50サイクル目の容量維持率が100より大きいのは見かけ上の容量が高くなったためと考えられる。   However, the capacity retention ratio at the 50th cycle in Examples 7 to 12 was significantly improved as compared with Comparative Example 1. Note that silicon oxide on the surface of the Si nanopowder is repeatedly charged and discharged to change to a lithium silicate amorphous phase, and the conductivity in the electrode is improved. Therefore, the reason why the capacity retention ratio at the 50th cycle in Example 11 and Example 12 is larger than 100 is considered to be because the apparent capacity has increased.

このことから、初回容量が高いものを望むならば、原料のSi粉末はナノサイズでなくミクロンサイズのものを用いてSi−酸化物固体電解質複合体を複合化した方がいいことがわかった。   From this, it was found that if a material having a high initial capacity is desired, the Si-oxide solid electrolyte composite should be compounded using a micron-sized Si powder as the raw material.

酸化物固体電解質がLAGPである実施例5、実施例6、実施例11及び実施例12も酸化物固体電解質がLATPである実施例1と同様に、比較例1に比べてサイクル特性が向上した。   In Example 5, Example 6, Example 11 and Example 12 in which the oxide solid electrolyte is LAGP, the cycle characteristics were improved as compared with Comparative Example 1 as in Example 1 in which the oxide solid electrolyte was LATP. .

実施例5の場合、実施例1と同様の方法で作成したが実施例1の結晶子サイズ8nmと違って実施例5のSiの結晶子サイズは32nmであった。実施例においてLATPとしてガラス結晶化法で合成され不純物相を含み結晶性が低い原料を用いたのに比べてLAGPとして結晶性が高い原料を用いた。そのため、実施例5の場合、酸化物固体電解質として結晶性が高いLAGPを用いたため、粉砕エネルギーの一部がLAGPの粉砕に消費され、同様に作成してもSiの結晶子サイズが小さくならなかったものと推測される。   In the case of Example 5, the same method as in Example 1 was used, but unlike the crystallite size of 8 nm in Example 1, the crystallite size of Si in Example 5 was 32 nm. In the examples, LAGP used a raw material with high crystallinity as compared with LATP which was synthesized by a glass crystallization method and used a raw material having an impurity phase and low crystallinity. Therefore, in the case of Example 5, since LAGP having high crystallinity was used as the oxide solid electrolyte, a part of the pulverization energy was consumed for pulverization of LAGP. Presumed to have been.

実施例6は実施例5を熱処理したものである。熱処理を行うとSiの結晶子サイズは39nmと大きくなったが、大幅な増加ではなかった。実施例6のモデル電池では実施例5のモデル電池に比べて初回容量は下がったが、50サイクル目の容量維持率が向上した。このことから熱処理によって酸化物固体電解質からなるマトリックスの骨格構造が強固になるともに、Si粒子と酸化物固体電解質の結合が強固になり、サイクル特性が向上したものと推察される。   Example 6 is obtained by heat-treating Example 5. When heat treatment was performed, the crystallite size of Si increased to 39 nm, but it did not increase significantly. Although the initial capacity of the model battery of Example 6 was lower than that of the model battery of Example 5, the capacity retention rate at the 50th cycle was improved. From this, it can be inferred that the heat treatment strengthens the skeleton structure of the matrix made of the oxide solid electrolyte and also strengthens the bond between the Si particles and the oxide solid electrolyte, thereby improving the cycle characteristics.

なお実施例6は実施例5より初回容量が下がった。実施例5及び実施例6の粉砕条件は、600rpm、30分のボールミル処理でSiのナノ化及び複合化が行われた。実施例5及び実施例6において、原料のSi粒子およびLAGP粒子の結晶性が大きいため、一部では反応が充分でなく、Si粒子の表面が複合体表面に露出した部位があったと考えられる。実施例6は実施例5をさらに熱処理を行っている。熱処理によって、Si粒子の表面の複合体表面に露出した部位においてSi粒子が酸化されたことが考えられ、そのため実施例6の初回容量は実施例5より下がったと推測される。   The initial capacity of Example 6 was lower than that of Example 5. The pulverization conditions of Example 5 and Example 6 were nano-composition and compounding of Si by ball milling at 600 rpm for 30 minutes. In Example 5 and Example 6, since the crystallinity of the raw material Si particles and LAGP particles is large, the reaction is not sufficient in part, and it is considered that there was a portion where the surface of the Si particles was exposed on the composite surface. In Example 6, the heat treatment of Example 5 is further performed. It is considered that the Si particles were oxidized at the site exposed on the surface of the complex on the surface of the Si particles by the heat treatment. Therefore, it is estimated that the initial capacity of Example 6 was lower than that of Example 5.

LAGPを用いる場合、LATPを用いる場合より混合・粉砕速度を大きくする及び/または混合・粉砕時間を長くすることで充分な複合化が行われると推測する。   When LAGP is used, it is presumed that sufficient complexation can be achieved by increasing the mixing / pulverization rate and / or lengthening the mixing / pulverization time than when LATP is used.

実施例1、3、7、9は固体電解質LATPを用いて混合・粉砕速度600rpmで複合化したものである。実施例2、4、8、10の混合・粉砕速度300rpmで複合化したものより50サイクル目の容量維持率が向上した。このことから複合化処理において混合・粉砕速度を大きくする方がよいとわかった。   Examples 1, 3, 7, and 9 are composites using solid electrolyte LATP at a mixing and grinding speed of 600 rpm. The capacity retention rate at the 50th cycle was improved from those obtained by combining Examples 2, 4, 8, and 10 at a mixing / pulverization rate of 300 rpm. From this, it was found that it is better to increase the mixing and grinding speed in the composite treatment.

表1に記載のレート特性測定結果から実施例1〜12は比較例1と比較して高いレート特性を示すことがわかった。酸化物固体電解質と複合化することで、複合化していないSiよりも高出力な電池を提供できることがわかった。   From the rate characteristic measurement results shown in Table 1, it was found that Examples 1 to 12 showed higher rate characteristics than Comparative Example 1. It was found that a battery having a higher output than that of uncomposited Si can be provided by compounding with an oxide solid electrolyte.

1:Si粒子、2:マトリックス。   1: Si particles, 2: Matrix.

Claims (4)

Si粉末と、酸化物固体電解質と、に機械的エネルギーを加え、
該Si粉末を、CuKα線を用いたX線粉末回折(XRD)測定により測定された結晶子サイズが100nm以下となるまで粉砕し、かつ粉砕されたSi粉末と該酸化物固体電解質とを複合化する複合化工程を有する二次電池用負極活物質の製造方法。
Add mechanical energy to Si powder and oxide solid electrolyte,
The Si powder is pulverized until the crystallite size measured by X-ray powder diffraction (XRD) measurement using CuKα rays becomes 100 nm or less, and the pulverized Si powder and the oxide solid electrolyte are combined. The manufacturing method of the negative electrode active material for secondary batteries which has the composite process to perform.
前記複合化工程において、該酸化物固体電解質は、非晶質または低結晶性となるまで粉砕される請求項に記載の二次電池用負極活物質の製造方法。 2. The method for producing a negative electrode active material for a secondary battery according to claim 1 , wherein in the complexing step, the oxide solid electrolyte is pulverized until it becomes amorphous or has low crystallinity. 前記複合化工程は密閉空間内で行われる請求項またはに記載の二次電池用負極活物質の製造方法。 Said composite step method of preparing a negative active material for a secondary battery according to claim 1 or 2 carried out in the closed space. 前記Si粉末は、平均粒径が1μm以上である請求項1〜3のいずれか一項に記載の二次電池用負極活物質の製造方法。 The said Si powder is an average particle diameter of 1 micrometer or more, The manufacturing method of the negative electrode active material for secondary batteries as described in any one of Claims 1-3 .
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