JP5888762B2 - COMPOSITE MATERIAL AND ITS MANUFACTURING METHOD, POSITIVE ACTIVE MATERIAL, POSITIVE ELECTRODE AND NON-AQUEOUS ELECTROLYTE SECONDARY BATTERY - Google Patents

COMPOSITE MATERIAL AND ITS MANUFACTURING METHOD, POSITIVE ACTIVE MATERIAL, POSITIVE ELECTRODE AND NON-AQUEOUS ELECTROLYTE SECONDARY BATTERY Download PDF

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Description

本発明は、正極活物質として用い得る複合材料及びその製造方法、正極活物質、正極、並びに非水電解質二次電池に関する。   The present invention relates to a composite material that can be used as a positive electrode active material, a method for producing the same, a positive electrode active material, a positive electrode, and a nonaqueous electrolyte secondary battery.

非水電解質二次電池は、ポータブル電子機器の電源として広く用いられている。その正極活物質としては、主としてLiCoO2、LiMnなどの複合酸化物が使われている。しかしながら、これらの複合酸化物は満充電状態において、150℃前後で酸素が脱離しやすく、脱離した酸素が非水電解液の酸化発熱反応を引き起こしやすいという問題点がある。また、これらの複合酸化物については、電子伝導性(導電性)が比較的高いため、スラリーを作製する際に導電性カーボンを添加すれば、充放電特性に優れる非水電解質二次電池用電極を得ることができる。 Nonaqueous electrolyte secondary batteries are widely used as power sources for portable electronic devices. As the positive electrode active material, composite oxides such as LiCoO 2 and LiMn 2 O 4 are mainly used. However, these complex oxides have a problem that oxygen is easily desorbed at about 150 ° C. in a fully charged state, and the desorbed oxygen tends to cause an oxidative exothermic reaction of the non-aqueous electrolyte. In addition, since these composite oxides have relatively high electronic conductivity (conductivity), if conductive carbon is added when preparing a slurry, the electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery having excellent charge / discharge characteristics Can be obtained.

近年、高安全性、資源量の観点から正極活物質として、リン酸塩材料LiMPO(M=Fe、Mn、Coの中から選ばれる少なくとも1種)、ケイ酸塩材料LiMSiO(M=Fe、Mn、Coの中から選ばれる少なくとも1種)が注目されている。しかし、これらの複合酸化物は導電性が低く、ほとんど絶縁体レベルにある。このため、これらの複合酸化物に炭素材料を多量に添加して導電性を付与する必要がある。 In recent years, as a positive electrode active material from the viewpoint of high safety and resource amount, phosphate material LiMPO 4 (at least one selected from M = Fe, Mn, Co), silicate material Li 2 MSiO 4 (M = At least one selected from Fe, Mn, and Co) is attracting attention. However, these composite oxides have low conductivity and are almost at the insulator level. For this reason, it is necessary to add conductivity to these composite oxides by adding a large amount of a carbon material.

しかし、多量の炭素材料を複合酸化物に添加すると、正極活物質のエネルギー密度が低下するという問題がある。   However, when a large amount of carbon material is added to the composite oxide, there is a problem that the energy density of the positive electrode active material is lowered.

また、スラリーを作製する際に導電性カーボンを正極活物質材料に単に添加するだけでは、充放電特性に優れる非水電解質二次電池用電極を得ることができない。   Moreover, the electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries which is excellent in charging / discharging characteristics cannot be obtained only by adding conductive carbon to a positive electrode active material material when producing a slurry.

複合酸化物に炭素材料を混合するために、従来、スプレードライ処理という噴霧乾燥処理を行うことが提案されている。例えば、特許文献1に開示されているように、LiCoO、LiMnからなる複合酸化物に、炭素粉(導電助剤)、結着剤、溶媒をボールミルで混合した後に、これらにスプレードライ処理を行い、溶媒を乾燥させるとともに、炭素粉の周囲に複合酸化物が保持された複合材料を形成することが開示されている。特許文献2、3には、スプレードライ法により珪素とケッチェンブラックとからなる二次粒子を形成し、その後、トルエンをカーボン源として用いて、化学蒸着法(CVD法)を行うことにより850℃で複合体粒子を炭素で被覆することが開示されている。 In order to mix a carbon material with a composite oxide, it has been conventionally proposed to perform a spray drying process called a spray drying process. For example, as disclosed in Patent Document 1, carbon powder (conducting aid), a binder, and a solvent are mixed with a composite oxide composed of LiCoO 2 and LiMn 2 O 4 by a ball mill, and then sprayed on them. It is disclosed that a dry treatment is performed to dry the solvent, and a composite material in which a composite oxide is held around the carbon powder is formed. In Patent Documents 2 and 3, secondary particles composed of silicon and ketjen black are formed by spray drying, and then chemical vapor deposition (CVD) is performed using toluene as a carbon source. In which the composite particles are coated with carbon.

特許文献4、5には、Si、Snなどの活物質粒子と炭素材料と結着材とにスプレードライ処理を行うことで粒子を形成し、その後この粒子を回転羽根の回転により攪拌混合してペーストを作製し、ペーストを集電体に塗布することが開示されている。   In Patent Documents 4 and 5, particles are formed by spray-drying active material particles such as Si and Sn, a carbon material, and a binder, and then the particles are stirred and mixed by rotation of a rotary blade. It is disclosed to prepare a paste and apply the paste to a current collector.

特許文献6,7には、リチウムマンガン複合酸化物をスプレードライ処理により得ることが開示されている。特許文献8には、アセチレンブラックからなる導電材を乾燥させる際にスプレードライ処理を行うことが開示されている。また、特許文献9には、電極活物質と混合される炭素材料はデキストリンがよいことが開示されている。   Patent Documents 6 and 7 disclose that a lithium manganese composite oxide is obtained by spray drying. Patent Document 8 discloses performing a spray drying process when a conductive material made of acetylene black is dried. Patent Document 9 discloses that dextrin is a good carbon material to be mixed with an electrode active material.

特開2003−173777号公報JP 2003-173777 A 特開2003−303588号公報JP 2003-303588 A 特開2005−135925号公報JP 2005-135925 A 特開2009−289601号公報JP 2009-289601 A 特開2010−114030号公報JP 2010-1114030 A 特開2005−93192号公報JP 2005-93192 A 特開2005−116316号公報JP 2005-116316 A 特開2012−9227号公報JP 2012-9227 A 特開2009−129587号公報JP 2009-129587 A

本発明は、特許文献1〜9に開示された方法とは異なる手法で、放電容量の高い正極活物質として用いうる複合材料を作製すべく、鋭意探求した。   The present invention has been eagerly sought to produce a composite material that can be used as a positive electrode active material having a high discharge capacity by a method different from the methods disclosed in Patent Documents 1 to 9.

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、正極活物質として用いた時に電池の放電容量を高め得る複合材料及びその製造方法、正極活物質、正極、及び非水電解質二次電池を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a composite material capable of increasing the discharge capacity of a battery when used as a positive electrode active material, a method for producing the same, a positive electrode active material, a positive electrode, and a nonaqueous electrolyte secondary battery. The task is to do.

(1)本発明の複合材料は、複数の一次粒子が凝集してなる二次粒子を有する複合材料であって、
前記一次粒子は、リチウム(Li)、珪素(Si)及び酸素(O)を含むリチウムシリケート系化合物からなるシリケートコア部と、炭素材料からなり前記シリケートコア部の表面を被覆する炭素被覆部とからなることを特徴とする。
(2)本発明の複合材料の製造方法は、複数の一次粒子が凝集してなる二次粒子を有し、 前記一次粒子は、リチウム(Li)、珪素(Si)及び酸素(O)を含むリチウムシリケート系化合物からなるシリケートコア部と、炭素材料からなり前記シリケートコア部の表面を被覆する炭素被覆部とからなる複合材料の製造方法であって、
前記リチウムシリケート系化合物の原料である化合物原料と、前記炭素材料の原料である炭素原料とに溶媒存在下で機械的エネルギーを付与して前記化合物原料及び前記炭素原料とからなる混合原料を得るエネルギー付与工程と、
前記溶媒存在下で前記機械的エネルギーが付与された前記混合原料を噴霧乾燥させることで、前記溶媒を乾燥させるとともに前記混合原料を造粒させる造粒工程と、
前記造粒された前記混合原料に熱処理を行う熱処理工程と、を行うことを特徴とする。
(3)本発明の正極活物質は、前記の複合材料、又は前記の複合材料の製造方法により製造された複合材料からなることを特徴とする。
(4)本発明の正極は、前記の正極活物質を有することを特徴とする。
(5)本発明の非水電解質二次電池は、前記の正極と、負極と、電解質とを備えることを特徴とする。
(1) The composite material of the present invention is a composite material having secondary particles formed by aggregation of a plurality of primary particles,
The primary particles include a silicate core portion made of a lithium silicate compound containing lithium (Li), silicon (Si) and oxygen (O), and a carbon coating portion made of a carbon material and covering the surface of the silicate core portion. It is characterized by becoming.
(2) The method for producing a composite material of the present invention has secondary particles formed by aggregating a plurality of primary particles, and the primary particles include lithium (Li), silicon (Si), and oxygen (O). A method for producing a composite material comprising a silicate core part comprising a lithium silicate compound and a carbon coating part comprising a carbon material and covering the surface of the silicate core part,
Energy for obtaining a mixed raw material comprising the compound raw material and the carbon raw material by imparting mechanical energy to the compound raw material that is the raw material of the lithium silicate compound and the carbon raw material that is the raw material of the carbon material in the presence of a solvent. Granting process;
A granulation step of drying the solvent and granulating the mixed raw material by spray drying the mixed raw material to which the mechanical energy is applied in the presence of the solvent;
And a heat treatment step of performing a heat treatment on the granulated mixed raw material.
(3) The positive electrode active material of the present invention is characterized by comprising the above-mentioned composite material or a composite material produced by the above-described method for producing a composite material.
(4) The positive electrode of the present invention has the positive electrode active material described above.
(5) The nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is characterized by comprising the positive electrode, the negative electrode, and an electrolyte.

本発明の複合材料によれば、リチウムシリケート系化合物からなるシリケートコア部と、炭素材料からなりシリケートコア部の表面を被覆する炭素被覆部とからなる複数の一次粒子が凝集して複合化されてなる。このため、複合材料は、電池の放電容量を高めることができる。本発明の正極活物質、正極及び非水電解質二次電池は、上記複合材料を用いているため、放電容量が高い。   According to the composite material of the present invention, a plurality of primary particles composed of a silicate core portion made of a lithium silicate compound and a carbon coating portion covering the surface of the silicate core portion made of a carbon material are aggregated and composited. Become. For this reason, the composite material can increase the discharge capacity of the battery. Since the positive electrode active material, the positive electrode, and the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention use the composite material, the discharge capacity is high.

熱噴霧装置の説明図である。It is explanatory drawing of a thermal spraying apparatus. 試料1のスプレードライ処理後であって熱処理前の混合原料のSEM(走査型電子顕微鏡)写真であって、上段、中段、下段の各写真の拡大倍率が3,000倍、5,000倍、10,000倍である。It is a SEM (scanning electron microscope) photograph of the mixed raw material after the spray-drying treatment of Sample 1 and before the heat treatment, and the magnifications of the upper, middle, and lower photographs are 3,000 times, 5,000 times, 10,000 times. 試料1の熱処理後の複合材料のSEM写真である。2 is a SEM photograph of a composite material after heat treatment of Sample 1. 試料1の二次粒子のSEM断面写真であって、上段、下段の各写真の拡大倍率が20,000倍、50,000倍である。It is a SEM cross-sectional photograph of the secondary particle of the sample 1, Comprising: The magnification of each upper and lower photograph is 20,000 times and 50,000 times. 比較試料1の複合材料のSEM断面写真である。3 is a SEM cross-sectional photograph of a composite material of Comparative Sample 1. 試料1の複合材料を用いた電池の充放電曲線を示す。The charging / discharging curve of the battery using the composite material of the sample 1 is shown. 比較試料1の複合材料を用いた電池の充放電曲線を示す。The charging / discharging curve of the battery using the composite material of the comparative sample 1 is shown. 試料2,3のXRD分析結果を示す線図である。It is a diagram which shows the XRD analysis result of the samples 2 and 3. FIG. 試料1、4のXRD分析結果を示す線図である。It is a diagram which shows the XRD analysis result of the samples 1 and 4. FIG. 試料1,4〜9のXRD分析結果を示す線図である。It is a diagram which shows the XRD analysis result of the samples 1 and 4-9. 試料6,7の複合材料のSEM写真であり、上段が試料6、下段が試料7を示す。It is a SEM photograph of the composite material of samples 6 and 7, the upper stage shows sample 6 and the lower stage shows sample 7. 試料5,9の複合材料のSEM写真であり、上段が試料5、下段が試料9を示す。It is a SEM photograph of the composite material of samples 5 and 9, the upper stage shows sample 5 and the lower stage shows sample 9. 試料6の二次粒子のSEM断面写真であって、上段、下段の拡大倍率は20,000倍、50,000倍である。It is a SEM cross-sectional photograph of the secondary particle of the sample 6, Comprising: The magnification of an upper stage and a lower stage is 20,000 times and 50,000 times. 試料6,7の複合材料を用いた電池の充放電曲線であり、上段が試料6、下段が試料7を示す。It is a charging / discharging curve of the battery using the composite material of the samples 6 and 7, and the upper stage shows the sample 6 and the lower stage shows the sample 7. 試料5,9の複合材料を用いた電池の充放電曲線であり、上段が試料5、下段が試料9を示す。It is the charging / discharging curve of the battery using the composite material of the samples 5 and 9, and the upper stage shows the sample 5 and the lower stage shows the sample 9. 本発明の複合材料の概念説明図である。It is a conceptual explanatory view of the composite material of the present invention.

本発明の実施形態に係る複合材料及びその製造方法、正極活物質、正極、並びに非水電解質二次電池について詳細に説明する。   The composite material and its manufacturing method, positive electrode active material, positive electrode, and non-aqueous electrolyte secondary battery according to embodiments of the present invention will be described in detail.

(複合材料)
本発明の複合材料は、複数の一次粒子が凝集してなる二次粒子を有する。一次粒子は、リチウムシリケート系化合物からなるシリケートコア部と、炭素材料からなりシリケート粒子の表面を被覆する炭素被覆部とからなる。
(Composite material)
The composite material of the present invention has secondary particles formed by aggregation of a plurality of primary particles. The primary particles are composed of a silicate core portion made of a lithium silicate compound and a carbon coating portion made of a carbon material and covering the surface of the silicate particles.

一次粒子の中のシリケートコア部は、平均直径が比較的小さく、二次粒子の中で微分散した状態にある。シリケートコア部は、リチウムシリケート系化合物からなり、特に不純物の少ない単相であることがよい。複合材料を電池の正極活物質として用いたときに、シリケートコア部は、リチウムイオンを吸蔵・放出する電池反応を行う。そして、シリケートコア部の表面は、炭素材料からなる炭素被覆層により被覆されている。炭素被覆層は導電性(電子伝導性)があり、シリケートコア部間の導電性を高める。このため、複合材料を正極活物質として用いた電池は、充放電特性に優れる。   The silicate core part in the primary particles has a relatively small average diameter and is finely dispersed in the secondary particles. The silicate core portion is made of a lithium silicate compound, and preferably has a single phase with few impurities. When the composite material is used as a positive electrode active material of a battery, the silicate core portion performs a battery reaction that occludes / releases lithium ions. And the surface of a silicate core part is coat | covered with the carbon coating layer which consists of carbon materials. The carbon coating layer has conductivity (electron conductivity) and enhances conductivity between the silicate core portions. For this reason, the battery using the composite material as the positive electrode active material is excellent in charge / discharge characteristics.

シリケートコア部を構成しているリチウムシリケート系化合物は、リチウム(Li)、珪素(Si)及び酸素(O)を含む。リチウムシリケート系化合物は、LiMSiO(MはFe、Mn、及びCoの中から選ばれる1種以上)を基本組成とするが、Li、M、及びSiの一部が他の元素で置換されていてもよい。他の元素で置換される場合には、容量に悪影響がない範囲で行われることが好ましい。不可避的に生じるLi、M、Si又はOの欠損や化合物の酸化により、上記組成式からわずかにずれた組成をもつリチウムシリケート系化合物も含む。好ましいリチウムシリケート系化合物は、一般式Li1+2y1+zSiO4+w(MはFe、Mn、及びCoの中から選ばれる1種以上、0.25<y<0.6、0<z<0.2かつ0<w<1.2)を基本組成とする。 The lithium silicate compound constituting the silicate core portion contains lithium (Li), silicon (Si), and oxygen (O). Lithium silicate compounds have a basic composition of Li 2 MSiO 4 (M is one or more selected from Fe, Mn, and Co), but some of Li, M, and Si are substituted with other elements. May be. In the case of substitution with other elements, it is preferably performed within a range that does not adversely affect the capacity. Lithium silicate compounds having a composition slightly deviating from the above composition formula due to unavoidable loss of Li, M, Si or O and oxidation of the compounds are also included. Preferred lithium silicate compounds are those represented by the general formula Li 1 + 2y M 1 + z SiO 4 + w (M is one or more selected from Fe, Mn, and Co, 0.25 <y <0.6, 0 <z <0.2. And 0 <w <1.2) is the basic composition.

リチウムシリケート系化合物は、単斜晶であり、空間群P2/nに帰属するのが好ましい。 The lithium silicate compound is monoclinic and preferably belongs to the space group P2 1 / n.

リチウムシリケート系化合物は電池反応に関与するが、不純物は電池反応に関与しないものが多い。このため、シリケートコア部は、リチウムシリケート系化合物からなる単相で構成されていることが好ましい。即ち、シリケートコア部は、リチウムシリケート系化合物からなる単相で構成されており、不純物を含まないことがよい。   Lithium silicate compounds are involved in battery reactions, but many impurities are not involved in battery reactions. For this reason, it is preferable that the silicate core part is comprised by the single phase which consists of a lithium silicate type compound. That is, the silicate core part is composed of a single phase composed of a lithium silicate compound, and preferably does not contain impurities.

複合材料の全体を100質量%としたときに、シリケートコア部を構成するリチウムシリケート系化合物の質量比は、80質量%以上95質量%以下であることが好ましく、更には、85質量%以上94質量%以下であることが望ましい。リチウムシリケート系化合物の質量比が過小の場合には、複合材料の中で電池反応に寄与する部分が少なくなり、電池容量が低下するおそれがある。リチウムシリケート系化合物の質量比が過大である場合には、相対的に炭素被覆部が少なくなり、複合材料の導電性が低下するおそれがある。   When the total amount of the composite material is 100% by mass, the mass ratio of the lithium silicate compound constituting the silicate core portion is preferably 80% by mass or more and 95% by mass or less, and more preferably 85% by mass or more and 94% by mass. It is desirable that it is less than mass%. When the mass ratio of the lithium silicate compound is too small, the portion of the composite material that contributes to the battery reaction is reduced, and the battery capacity may be reduced. When the mass ratio of the lithium silicate compound is excessive, the carbon coating portion is relatively reduced, and the conductivity of the composite material may be reduced.

シリケートコア部は、例えば、扁平な形状、球状を呈している。シリケートコア部は、二次粒子の中で互いに平行に複数が連なっているとよい。これにより、一次粒子間に空孔が生じ、電解液の保液性が向上するという効果がある。   The silicate core portion has, for example, a flat shape and a spherical shape. It is preferable that a plurality of silicate core portions are continuous in parallel in the secondary particles. Thereby, a void | hole is produced between primary particles and there exists an effect that the liquid retention property of electrolyte solution improves.

シリケートコア部の平均直径は、48nm以上198nm以下であることが好ましい。例えば、複合材料のSEM像から観察される複数のシリケートコア部の直径を平均化することで算出される。シリケートコア部の平均直径が過小の場合には、炭素被覆層で被覆された一次粒子が飛散しやすくなり、取り扱いにくくなるおそれがある。シリケートコア部の平均直径が過大である場合には、シリケートコア部の内部へのイオン拡散性が遅延し、レート特性や放電容量が低下するおそれがある。   The average diameter of the silicate core part is preferably 48 nm or more and 198 nm or less. For example, it is calculated by averaging the diameters of a plurality of silicate core parts observed from the SEM image of the composite material. When the average diameter of the silicate core portion is too small, the primary particles coated with the carbon coating layer are likely to be scattered and difficult to handle. When the average diameter of the silicate core part is excessive, the ion diffusibility to the inside of the silicate core part is delayed, and there is a possibility that the rate characteristic and the discharge capacity are lowered.

炭素被覆部は、炭素材料(炭素粒子)からなる。炭素粒子は複合材料の導電性を高める。炭素粒子は、シリケートコア部の表面の一部又は表面全体を被覆している。炭素被覆層を構成している炭素材料は、主として炭素を有する材料である。炭素材料は、例えば、デキストリンなどの炭素原料が熱分解することで形成されたアモルファス状炭素などからなる。   The carbon covering portion is made of a carbon material (carbon particles). The carbon particles increase the conductivity of the composite material. The carbon particles cover a part or the entire surface of the silicate core part. The carbon material constituting the carbon coating layer is a material mainly containing carbon. The carbon material includes, for example, amorphous carbon formed by thermal decomposition of a carbon raw material such as dextrin.

複合材料の全体を100質量%としたときに、炭素材料の質量比は、5質量%以上20質量%以下であることが好ましく、更には、6質量%以上15質量%以下であることが望ましい。炭素材料の質量比が過小の場合には、複合材料の導電性が低下するおそれがある。炭素材料の質量比が過大である場合には、相対的にシリケートコア部の質量比が低下して、複合材料のうち電池反応に寄与する部分が少なくなり、複合材料の電池容量が低下するおそれがある。   When the total amount of the composite material is 100% by mass, the mass ratio of the carbon material is preferably 5% by mass to 20% by mass, and more preferably 6% by mass to 15% by mass. . If the mass ratio of the carbon material is too small, the conductivity of the composite material may be reduced. When the mass ratio of the carbon material is excessive, the mass ratio of the silicate core portion is relatively reduced, and the portion of the composite material that contributes to the battery reaction is reduced, and the battery capacity of the composite material may be reduced. There is.

炭素被覆部の平均厚みは、2nm以上20nm以下であることがよく、更には3nm以上10nm以下であることが好ましい。炭素被覆部の平均厚みは、一次粒子を被覆した炭素被覆層の厚みの平均値をいい、例えば、一次粒子の透過電子顕微鏡(TEM)観察により算出される。炭素被覆部の平均厚みが過小の場合には、シリケートコア部の表面全体に被覆されず導電性が低下するおそれがある。炭素被覆部の平均直径が過大である場合には、電池反応に寄与するシリケートコア部が相対的に少なくなり、電池容量が低下するおそれがある。   The average thickness of the carbon coating portion is preferably 2 nm or more and 20 nm or less, and more preferably 3 nm or more and 10 nm or less. The average thickness of the carbon coating portion refers to the average value of the thickness of the carbon coating layer coated with the primary particles, and is calculated, for example, by observation of the primary particles with a transmission electron microscope (TEM). When the average thickness of the carbon coating portion is too small, the entire surface of the silicate core portion may not be covered and the conductivity may be lowered. When the average diameter of the carbon coating portion is excessive, the silicate core portion contributing to the battery reaction is relatively reduced, and the battery capacity may be reduced.

シリケートコア部の表面を炭素被覆部が被覆することで一次粒子が形成されている。一次粒子の一次粒子径は、50nm以上200nm以下であることが好ましい。一次粒子の一次粒子径は、一次粒子の平均直径をいい、例えば、複合材料のSEM像から観察される複数の一次粒子の直径を平均化することで算出される。一次粒子の一次粒子径が過小の場合には、飛散しやすく、取り扱いにくくなるおそれがある。一次粒子の一次粒子径が過大である場合には、一次粒子同士の接触面積が減り、電池容量が低下するおそれがある。   Primary particles are formed by covering the surface of the silicate core portion with the carbon coating portion. The primary particle diameter of the primary particles is preferably 50 nm or more and 200 nm or less. The primary particle diameter of the primary particles refers to the average diameter of the primary particles, and is calculated, for example, by averaging the diameters of a plurality of primary particles observed from the SEM image of the composite material. When the primary particle diameter of the primary particles is too small, the primary particles are likely to be scattered and difficult to handle. When the primary particle diameter of the primary particles is excessive, the contact area between the primary particles is reduced, and the battery capacity may be reduced.

二次粒子の二次粒子径は100nm以上10μm以下であるとよく、更には、500nm以上5μm以下であることが好ましい。二次粒子の二次粒子径は、二次粒子の平均直径をいい、例えば、複合材料のSEM像から観察される複数の二次粒子の直径を平均化することで算出される。二次粒子の二次粒子径が過小の場合には、二次粒子が飛散しやすく、取り扱いにくくなるおそれがある。二次粒子径が過大である場合には、二次粒子を正極活物質として用いた場合に、二次粒子内部への電解質の浸透性が低下し、二次粒子内部での電池反応の反応性が低下するおそれがある。   The secondary particle diameter of the secondary particles is preferably from 100 nm to 10 μm, and more preferably from 500 nm to 5 μm. The secondary particle diameter of the secondary particles refers to the average diameter of the secondary particles, and is calculated, for example, by averaging the diameters of a plurality of secondary particles observed from the SEM image of the composite material. If the secondary particle diameter of the secondary particles is too small, the secondary particles are likely to be scattered and difficult to handle. When the secondary particle size is excessive, when secondary particles are used as the positive electrode active material, the permeability of the electrolyte to the inside of the secondary particles decreases, and the reactivity of the battery reaction inside the secondary particles May decrease.

二次粒子の内部には細孔が形成されていることがよい。細孔は、二次粒子の内部に存在する一次粒子間の隙間である。細孔は、一次粒子を構成する炭素被覆部及び/又はシリケートコア部により囲まれている。この細孔は、リチウムイオンが流通するイオン伝導路となり、複合材料のイオン伝導性が良好になる。また、細孔には、電解質が保持されて、二次粒子内部での電池反応が進行しやすくなる。   It is preferable that pores are formed inside the secondary particles. The pores are gaps between primary particles existing inside the secondary particles. The pores are surrounded by a carbon coating portion and / or a silicate core portion constituting the primary particles. The pores serve as an ion conduction path through which lithium ions circulate, and the ionic conductivity of the composite material is improved. Moreover, electrolyte is hold | maintained at a pore and it becomes easy to advance the battery reaction inside a secondary particle.

二次粒子の内部に形成される細孔の平均直径は、20nm以下であることが好ましく、更には、15nm以下であることが望ましい。細孔の平均直径は、各細孔の平均値をいい、ガス吸着法で算出される。細孔が過大である場合には、電池反応に寄与しない部分が大きくなり、放電容量が低下するおそれがある。   The average diameter of the pores formed in the secondary particles is preferably 20 nm or less, and more preferably 15 nm or less. The average diameter of the pores means an average value of each pore and is calculated by a gas adsorption method. If the pores are excessive, the portion that does not contribute to the battery reaction is increased, and the discharge capacity may be reduced.

複合材料のBET比表面積は、20m/g以上100m/g以下がよく、更に40m/g以上80m/g以下が好ましい。複合材料のBET比表面積は、複合材料1g当たりの二次粒子の表面積をいい、ガス吸着法により測定される。複合材料のBET比表面積が過小の場合には、シリケート粒子が大きく成長して微分散しておらず、複合材料の導電性が低下して放電容量が低下するおそれがある。複合材料のBET比表面積が過大の場合には、取り扱いにくくなり、電極密度が低下するおそれがある。 The BET specific surface area of the composite material is preferably 20 m 2 / g or more and 100 m 2 / g or less, more preferably 40 m 2 / g or more and 80 m 2 / g or less. The BET specific surface area of the composite material refers to the surface area of secondary particles per gram of the composite material, and is measured by a gas adsorption method. When the BET specific surface area of the composite material is too small, the silicate particles grow large and are not finely dispersed, and the electrical conductivity of the composite material may be reduced and the discharge capacity may be reduced. If the BET specific surface area of the composite material is excessive, it becomes difficult to handle and the electrode density may be reduced.

複合材料1g当たりの細孔体積は、0.01cc/g以上0.10cc/g以下であるとよく、更に、0.01cc/g以上0.06cc/g以下であることが好ましく、更には0.03cc/g以上0.05cc/g以下であることが望ましい。この細孔体積は、ガス吸着法により測定される。細孔体積が過小の場合には、電解質の浸透性が低下し、また、イオン伝導性が低下し、レート特性及び電池容量が低下するおそれがある。   The pore volume per 1 g of the composite material is preferably 0.01 cc / g or more and 0.10 cc / g or less, more preferably 0.01 cc / g or more and 0.06 cc / g or less. It is desirable that it is 0.03 cc / g or more and 0.05 cc / g or less. This pore volume is measured by a gas adsorption method. When the pore volume is too small, the permeability of the electrolyte is lowered, the ion conductivity is lowered, and the rate characteristics and the battery capacity may be lowered.

(複合材料の製造方法)
本発明の複合材料の製造方法では、エネルギー付与工程と、造粒工程と、熱処理工程とを行う。本製造方法では、まず、エネルギー付与工程で、リチウムシリケート系化合物の原料である化合物原料を、炭素材料の原料である炭素原料と混合する。次に、例えばスプレードライ処理などの噴霧乾燥による造粒工程で、化合物原料の周囲を炭素原料で被覆してなる一次粒子を形成しつつ、一次粒子を複数凝集させて二次粒子を造粒する。そして、熱処理工程で、化合物原料からリチウムシリケート系化合物を生成させる。このとき、リチウムシリケート系化合物の単相が生成されるとよい。
(Production method of composite material)
In the manufacturing method of the composite material of this invention, an energy provision process, a granulation process, and a heat treatment process are performed. In this production method, first, in the energy application step, a compound raw material that is a raw material of a lithium silicate compound is mixed with a carbon raw material that is a raw material of a carbon material. Next, in the granulation process by spray drying such as spray drying, primary particles formed by coating the periphery of the compound raw material with a carbon raw material are formed, and a plurality of primary particles are aggregated to form secondary particles. . Then, in the heat treatment step, a lithium silicate compound is generated from the compound raw material. At this time, a single phase of the lithium silicate compound is preferably generated.

熱処理工程では、炭素原料は、熱分解、化学反応などにより主として炭素元素を含む炭素材料となり、炭素材料は、リチウムシリケート系化合物の表面を被覆した状態を維持する。このため、リチウムシリケート系化合物からなるシリケートコア部の表面が、炭素材料からなる炭素被覆層により被覆された粒子が形成される。この粒子が一次粒子として多数凝集して二次粒子が形成される。   In the heat treatment step, the carbon raw material becomes a carbon material mainly containing a carbon element by thermal decomposition, chemical reaction, or the like, and the carbon material maintains a state where the surface of the lithium silicate compound is coated. For this reason, the particle | grains by which the surface of the silicate core part which consists of a lithium silicate type compound was coat | covered with the carbon coating layer which consists of carbon materials are formed. A large number of these particles aggregate as primary particles to form secondary particles.

本製造方法によれば、リチウムシリケート系化合物からなる微細なシリケートコア部の表面を導電性の高い炭素被覆層により被覆させ粒子を形成し、これらを凝集させて導電性の高い二次粒子を形成することができる。ゆえに、本製造方法により製造された複合材料は、電池の正極活物質として用いた場合に、優れた充放電特性を発揮することができる。しかも、リチウムシリケート系化合物の原料及び炭素材料の原料を出発原料として簡素な工程で複合材料を製造することができる。   According to this production method, the surface of a fine silicate core portion made of a lithium silicate compound is coated with a highly conductive carbon coating layer to form particles, and these are aggregated to form highly conductive secondary particles. can do. Therefore, the composite material produced by this production method can exhibit excellent charge / discharge characteristics when used as a positive electrode active material of a battery. In addition, a composite material can be produced by a simple process using a raw material of a lithium silicate compound and a raw material of a carbon material as starting materials.

エネルギー付与工程は、リチウム(Li)、珪素(Si)及び酸素(O)を含むリチウムシリケート系化合物の原料である化合物原料と、炭素原料とに溶媒存在下で機械的エネルギーを付与する。機械的エネルギーの付与により、化合物原料と炭素原料とは混合されて混合原料が得られる。化合物原料と炭素原料とは、機械的エネルギーが付与されることにより、単に混合されるだけでもよいが、粉砕され混合されてもよい。   In the energy applying step, mechanical energy is applied to a compound raw material that is a raw material of a lithium silicate compound containing lithium (Li), silicon (Si), and oxygen (O), and a carbon raw material in the presence of a solvent. By applying mechanical energy, the compound raw material and the carbon raw material are mixed to obtain a mixed raw material. The compound raw material and the carbon raw material may be simply mixed by applying mechanical energy, or may be pulverized and mixed.

エネルギー付与工程では、溶媒に接触させた状態で化合物原料及び炭素原料に機械的エネルギーを付与する。このとき、炭素原料が溶媒に溶解して、化合物原料の周囲を覆うとよい。更に、機械的エネルギーが付与されることにより、化合物原料が粉砕され、更に粉砕された化合物原料の表面を炭素原料が覆うとよい。これにより、化合物原料と炭素原料とが十分に混合される。   In the energy imparting step, mechanical energy is imparted to the compound raw material and the carbon raw material while being in contact with the solvent. At this time, the carbon raw material is preferably dissolved in a solvent to cover the periphery of the compound raw material. Furthermore, the compound raw material is pulverized by applying mechanical energy, and the carbon raw material may cover the surface of the pulverized compound raw material. Thereby, a compound raw material and a carbon raw material are fully mixed.

エネルギー付与工程は、ミリングにより機械的エネルギーを付与する工程であるとよい。これにより、化合物原料及び炭素原料に均一に機械的エネルギーを付与することができる。ミリング方法に特に限定はないが、ボールミリング、ビーズミリングなどの種々のミリングを採用できる。化合物原料と炭素原料とに機械的エネルギーを付与するに当たり、化合物原料又は/及び炭素原料が比較的大きな場合には、まず、大きな直径のボールあるいはビーズを用いて化合物原料と炭素原料とを大まかに粉砕することがよい。大きな直径のボールあるいはビーズは比較的粉砕力が大きいため、粉砕効果が高く、粉砕工程を効率よく行うことができるからである。そして、大きな直径のボールあるいはビーズを用いて大まかに粉砕した後に、小さい直径のボールあるいはビーズを用いて微細に粉砕することがよい。小さい直径のボールあるいはビーズによれば、大まかに粉砕された化合物原料及び炭素原料を微細に均一な粒径に粉砕することができるからである。   The energy application step may be a step of applying mechanical energy by milling. Thereby, mechanical energy can be uniformly given to the compound raw material and the carbon raw material. The milling method is not particularly limited, but various milling methods such as ball milling and bead milling can be employed. In providing mechanical energy to the compound raw material and the carbon raw material, if the compound raw material and / or the carbon raw material is relatively large, first, roughly divide the compound raw material and the carbon raw material using balls or beads having a large diameter. It is good to grind. This is because a large diameter ball or bead has a relatively large pulverization force, and therefore has a high pulverization effect and can efficiently perform the pulverization process. Then, after roughly pulverizing using a large diameter ball or bead, it is preferable to finely pulverize using a small diameter ball or bead. This is because, according to the balls or beads having a small diameter, the roughly pulverized compound raw material and carbon raw material can be finely pulverized into a uniform particle size.

ミリングにより与えられる機械的エネルギーの大きさやミリング時間は、化合物原料及び炭素原料の大きさ及びボールあるいはビーズ材質・サイズなどによるが、例えば、直径100μmのジルコニア製のビーズを用いた場合、ビーズ1個がミリングにより与えられる機械的エネルギーの大きさは、4×10-8J以上16×10-8J以下であることが好ましい。機械的エネルギーを付与する時間は、1時間以上5時間以下であることが好ましい。機械的エネルギーの大きさ及び/又はミリング時間が過小である場合には、化合物原料の混合が不十分となるおそれがある。機械的エネルギーの大きさ及び/又はミリング時間が過大である場合には、ボールあるいはビーズ由来の不純物が混入されるおそれがある。 The magnitude of mechanical energy and the milling time given by milling depend on the size of the compound raw material and carbon raw material and the ball or bead material / size. For example, when using beads made of zirconia having a diameter of 100 μm, one bead Is preferably 4 × 10 −8 J or more and 16 × 10 −8 J or less. The time for applying the mechanical energy is preferably 1 hour or more and 5 hours or less. When the magnitude of the mechanical energy and / or the milling time is too short, mixing of the compound raw materials may be insufficient. When the magnitude of mechanical energy and / or the milling time is excessive, impurities derived from balls or beads may be mixed.

エネルギー付与工程では、例えば、不活性ガス雰囲気(アルゴンガス、窒素ガス)あるいは大気雰囲気下で化合物原料と炭素原料とを混合することができる。   In the energy application step, for example, the compound raw material and the carbon raw material can be mixed in an inert gas atmosphere (argon gas, nitrogen gas) or in an air atmosphere.

機械的エネルギーの付与は、溶媒の中で行う。化合物原料及び炭素原料の混合、粉砕を円滑に行うためである。用いる溶媒は、特に限定しないが、水、エタノール、アセトンなどの水溶性の液体であることが好ましい。溶媒の添加量は、化合物原料及び炭素原料からなる混合原料の質量を100質量部としたときに、150質量部以上900質量部以下とするとよい。   The mechanical energy is applied in a solvent. This is because the compound raw material and the carbon raw material are mixed and pulverized smoothly. The solvent to be used is not particularly limited, but is preferably a water-soluble liquid such as water, ethanol or acetone. The addition amount of the solvent is preferably 150 parts by mass or more and 900 parts by mass or less when the mass of the mixed raw material composed of the compound raw material and the carbon raw material is 100 parts by mass.

機械的エネルギーが付与される化合物原料及び炭素原料は、いずれも複合材料の原料である。化合物原料は、リチウム(Li)、珪素(Si)及び酸素(O)を含むリチウムシリケート系化合物を形成し得る原料である。化合物原料は、一般式Li1+2y1+zSiO4+w(MはFe、Mn、及びCoの中から選ばれる1種以上、0.25<y<0.6、0<z<0.2かつ0<w<1.2)で表されるリチウムシリケート系化合物を形成し得る原料であるとよい。 The compound raw material to which mechanical energy is imparted and the carbon raw material are both raw materials for the composite material. The compound raw material is a raw material capable of forming a lithium silicate-based compound containing lithium (Li), silicon (Si), and oxygen (O). The compound raw material has the general formula Li 1 + 2y M 1 + z SiO 4 + w (M is one or more selected from Fe, Mn, and Co, 0.25 <y <0.6, 0 <z <0.2 and 0 < It may be a raw material capable of forming a lithium silicate compound represented by w <1.2).

化合物原料は、例えば、リチウム源を有するリチウム原料と、Fe、Mn、及びCoの中から選ばれる1種以上からなる金属源を含む金属原料と、珪素源を有する珪素原料とを有するとよい。リチウム原料は、例えば、LiCO、LiOH、及びLiNOの群から選ばれる1種以上からなるとよい。 The compound raw material may include, for example, a lithium raw material having a lithium source, a metal raw material including one or more metal sources selected from Fe, Mn, and Co, and a silicon raw material having a silicon source. The lithium raw material may be composed of, for example, one or more selected from the group of Li 2 CO 3 , LiOH, and LiNO 3 .

一般式Li1+2y1+zSiO4+wの中のMがFeである場合、金属原料は、Fe、Fe、FeOOH、Fe(NO、Fe(NO、FeSO4、FeCl、FeCl、及びFeCの群から選ばれる1種以上からなるとよい。一般式Li1+2y1+zSiO4+wの中のMがMnである場合、金属原料は、MnO、MnO、Mn4、MnOOH、Mn(NO、Mn(NO、MnSO、MnCl、MnCl、及びMnCの群から選ばれる1種以上からなるとよい。一般式LiMSiOの中のMがCoである場合、金属原料は、CoO、Co、Co4、CoOOH、Co(NO、Co(NO、CoSO、CoCl、及びCoClの群から選ばれる1種以上からなるとよい。 When M in the general formula Li 1 + 2y M 1 + z SiO 4 + w is Fe, the metal raw materials are Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , FeOOH, Fe (NO 3 ) 2 , Fe (NO 3 ) 3 , FeSO 4. , FeCl 2 , FeCl 3 , and FeC 2 O 4 . When M in the general formula Li 1 + 2y M 1 + z SiO 4 + w is Mn, the metal raw materials are MnO 2 , MnO, Mn 3 O 4, MnOOH, Mn (NO 3 ) 2 , Mn (NO 3 ) 3 , MnSO 4. , MnCl 2 , MnCl 3 , and MnC 2 O 4 . When M in the general formula Li 2 MSiO 4 is Co, the metal raw materials are CoO, Co 2 O 3 , Co 3 O 4, CoOOH, Co (NO 3 ) 2 , Co (NO 3 ) 3 , and CoSO 4. , CoCl 2 , and CoCl 3 may be used.

金属原料の中でも、溶媒に溶解し得る溶解性の金属原料を用いることができるし、また、溶媒に溶解し難い難溶解性の金属原料を用いることもできる。溶解性の金属原料は、例えば、Fe(NO、Fe(NO、FeSO4、FeCl、FeCl、Mn(NO、Mn(NO、MnSO、MnCl、MnCl、Co(NO、Co(NO、CoSO、CoCl、及びCoClなどがあげられる。難溶解性の金属原料は、例えば、Fe、Fe、FeOOH、FeC、MnO、MnO、Mn4、MnOOH、MnC、CoO、Co、Co4、CoOOHなどが挙げられる。 Among metal raw materials, a soluble metal raw material that can be dissolved in a solvent can be used, and a hardly soluble metal raw material that is difficult to dissolve in a solvent can also be used. Soluble metal raw materials are, for example, Fe (NO 3 ) 2 , Fe (NO 3 ) 3 , FeSO 4, FeCl 2 , FeCl 3 , Mn (NO 3 ) 2 , Mn (NO 3 ) 3 , MnSO 4 , MnCl 2 , MnCl 3 , Co (NO 3 ) 2 , Co (NO 3 ) 3 , CoSO 4 , CoCl 2 , and CoCl 3 . Examples of the hardly soluble metal raw materials include Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , FeOOH, FeC 2 O 4 , MnO 2 , MnO, Mn 3 O 4, MnOOH, MnC 2 O 4 , CoO, and Co 2 O 3. , Co 3 O 4, CoOOH, and the like.

珪素原料は、例えば、SiO、SiO、及びSiの群から選ばれる1種以上からなるとよい。珪素原料の中でも、溶媒に溶解し得る溶解性の珪素原料を用いても良いし、溶媒に溶解し難い難溶解性の珪素原料を用いても良い。難溶解性の珪素原料としては、例えば、SiO、SiO、及びSiが挙げられる。 The silicon raw material may be made of, for example, one or more selected from the group of SiO 2 , SiO, and Si. Among silicon raw materials, a soluble silicon raw material that can be dissolved in a solvent may be used, or a hardly soluble silicon raw material that is difficult to dissolve in a solvent may be used. Examples of the hardly soluble silicon raw material include SiO 2 , SiO, and Si.

前記珪素原料の粒径は、50nm以上500nm以下であることが好ましい。珪素原料の粒径が50nm以下の場合には、取り扱いにくい場合があり、500nmを超える場合には、エネルギー付与工程の際に粉砕に手間がかかるおそれがある。   The silicon raw material preferably has a particle size of 50 nm to 500 nm. When the particle size of the silicon raw material is 50 nm or less, it may be difficult to handle, and when it exceeds 500 nm, it may take time to grind during the energy application step.

炭素材料の原料である炭素原料は、デキストリン、スクロース、グルコース、クエン酸などの有機物からなることが好ましい。更に、炭素原料は、溶媒に溶解し得るものであることがよい。これにより、炭素原料が化合物原料と十分に混合される。この中、デキストリンがよい。デキストリンは、熱分解することで導電性の高い炭素になるため、良好な導電性を有する複合材料が得られやすくなる。   The carbon raw material that is a raw material of the carbon material is preferably made of an organic substance such as dextrin, sucrose, glucose, citric acid and the like. Furthermore, it is preferable that the carbon raw material be soluble in a solvent. Thereby, a carbon raw material is fully mixed with a compound raw material. Of these, dextrin is preferred. Since dextrin is thermally conductive carbon by thermal decomposition, a composite material having good conductivity is easily obtained.

化合物原料は、溶媒に溶解し難い難溶解性成分を含んでいてもよい。例えば、化合物原料が、リチウム原料、金属原料、及び珪素原料からなる場合には、これらの原料の少なくとも1つが、溶媒に溶解しない難溶解性成分の粒子であってもよい。この場合には、難溶解性成分の粒子の大きさが、複合材料の性能に影響する。これらの原料のうち、金属原料と珪素原料について、難溶解性のものが多い。難溶解性の化合物原料を用いる場合には、化合物原料の粒径が重要となる。   The compound raw material may contain a hardly soluble component that is difficult to dissolve in a solvent. For example, when the compound raw material is composed of a lithium raw material, a metal raw material, and a silicon raw material, at least one of these raw materials may be particles of a hardly soluble component that does not dissolve in the solvent. In this case, the particle size of the hardly soluble component affects the performance of the composite material. Of these raw materials, many of the metal raw materials and silicon raw materials are hardly soluble. When using a hardly soluble compound raw material, the particle size of the compound raw material is important.

エネルギー付与工程の前では、難溶解性の化合物原料の平均直径は、50nm以上10μm以下であることが好ましい。平均直径は、化合物原料の粒径の平均値をいう。特に、化合物原料が、SiOなどのように硬質である場合には、化合物原料の平均直径は小さい方がよく、例えば、1μm以下であることがよい。化合物原料の平均直径が過小の場合には取り扱いにくく、作業性が悪くなるおそれがある。化合物原料の平均直径が過大である場合には、エネルギー付与工程の際に化合物原料を粉砕するのに手間がかかるおそれがある。 Before the energy application step, the average diameter of the hardly soluble compound raw material is preferably 50 nm or more and 10 μm or less. An average diameter means the average value of the particle size of a compound raw material. In particular, when the compound raw material is hard such as SiO 2 , the average diameter of the compound raw material is preferably small, for example, 1 μm or less. When the average diameter of the compound raw material is too small, it is difficult to handle and the workability may be deteriorated. If the average diameter of the compound raw material is excessive, it may take time to grind the compound raw material during the energy application step.

エネルギー付与工程では、化合物原料の平均直径が、シリケートコア部の平均直径と同程度になるまで、化合物原料及び炭素原料にエネルギーを付与することがよい。化合物原料の中に硬質で溶媒に溶解し難い原料が含まれる場合には、該原料がシリケートコア部の平均直径と同程度になるまで、化合物原料及び炭素原料にエネルギーを付与することがよい。   In the energy imparting step, it is preferable to impart energy to the compound raw material and the carbon raw material until the average diameter of the compound raw material is approximately the same as the average diameter of the silicate core portion. When the raw material of the compound contains a hard raw material that is difficult to dissolve in the solvent, it is preferable to impart energy to the raw material of the compound and the carbon raw material until the raw material has the same diameter as the average diameter of the silicate core portion.

エネルギー付与工程の後には、化合物原料及び炭素原料からなる混合原料の重量通過百分率D50は、1μm以上10μm以下であることがよく、更には、2μm以上8μm以下であることが好ましい。混合原料の重量通過百分率D50が過小場合には、取り扱いにくくなるおそれがある。混合原料の重量通過百分率D50が過大である場合には、熱処理工程での化合物原料の反応性が低下して、シリケートコア部のリチウムシリケート系化合物の純度が低下するおそれがある。   After the energy application step, the weight passing percentage D50 of the mixed raw material composed of the compound raw material and the carbon raw material is preferably 1 μm or more and 10 μm or less, and more preferably 2 μm or more and 8 μm or less. When the weight passing percentage D50 of the mixed raw material is too small, it may be difficult to handle. When the weight passage percentage D50 of the mixed raw material is excessive, the reactivity of the compound raw material in the heat treatment step is lowered, and the purity of the lithium silicate compound in the silicate core part may be lowered.

化合物原料に対する炭素原料の混合比は、質量比で、5%以上40%以下であることが好ましい。炭素原料の混合比が過大である場合には、電池反応に寄与するリチウムシリケート系化合物の生成量が低下して、放電容量を低下させるおそれがある。炭素原料の混合比が過少である場合には、複合材料中で炭素材料の量が低下して、複合材料の導電性が低下するおそれがある。   The mixing ratio of the carbon raw material to the compound raw material is preferably 5% to 40% in terms of mass ratio. If the mixing ratio of the carbon raw materials is excessive, the amount of lithium silicate compound that contributes to the battery reaction may be reduced, and the discharge capacity may be reduced. When the mixing ratio of the carbon raw materials is too small, the amount of the carbon material in the composite material may be reduced, and the conductivity of the composite material may be reduced.

リチウム原料に含まれるリチウムと、金属原料に含まれる金属(MはFe、Mn、及びCoの中から選ばれる1種以上)と、珪素原料に含まれる珪素とのモル比は、リチウムシリケート系化合物に含まれる各元素のモル比に近いことが好ましい。珪素原料に含まれる珪素のモル数を1モルとしたときに、リチウム原料に含まれるリチウムは1.8モル以上2.2モル以下であり、金属原料に含まれる金属Mは1.0モル以上1.2モル以下であることが好ましい。リチウム原料がLiCOであり、金属原料がFeであり、珪素原料がSiOである場合には、SiOのモル数を1モルとしたときに、LiCOは0.9モル以上1.1モル以下であり、Feは1.0モル以上1.2モル以下であることが好ましい。 The molar ratio of lithium contained in the lithium raw material, metal contained in the metal raw material (M is one or more selected from Fe, Mn, and Co) and silicon contained in the silicon raw material is a lithium silicate compound. It is preferable that the molar ratio of each element contained in is close. When the number of moles of silicon contained in the silicon raw material is 1 mole, the lithium contained in the lithium raw material is 1.8 mol or more and 2.2 mol or less, and the metal M contained in the metal raw material is 1.0 mol or more. It is preferable that it is 1.2 mol or less. When the lithium raw material is Li 2 CO 3 , the metal raw material is Fe 2 O 3 , and the silicon raw material is SiO 2 , Li 2 CO 3 is 0 when the number of moles of SiO 2 is 1 mol. and a .9 mol to 1.1 mol, Fe 2 O 3 is preferably 1.0 mol or more and 1.2 mol or less.

リチウムシリケート系化合物の構成元素の中の元素のうちリチウムは、各工程を行っている間に若干量揮発する場合があるため、理論値よりも若干多く混合することが好ましい。この観点から、珪素原料に含まれる珪素のモル数を1モルとしたときに、リチウム原料に含まれるリチウムは2.0モル以上2.2モル以下であることが好ましい。リチウム原料がLiCOであり、金属原料がFeであり、珪素原料がSiOである場合には、SiOのモル数を1モルとしたときに、LiCOは1.0モル以上1.1モル以下であり、Feは1.0モル以上1.2モル以下であることが好ましい。 Of the elements in the constituent elements of the lithium silicate compound, lithium may volatilize in a slight amount during each step, so it is preferable to mix a little more than the theoretical value. From this viewpoint, when the number of moles of silicon contained in the silicon raw material is 1 mole, the lithium contained in the lithium raw material is preferably 2.0 mol or more and 2.2 mol or less. When the lithium raw material is Li 2 CO 3 , the metal raw material is Fe 2 O 3 , and the silicon raw material is SiO 2 , Li 2 CO 3 is 1 when the number of moles of SiO 2 is 1 mol. 2.0 and the mole to 1.1 mole or less, Fe 2 O 3 is preferably 1.0 mol or more and 1.2 mol or less.

造粒工程では、溶媒存在下で機械的エネルギーが付与された化合物原料及び炭素原料に噴霧乾燥(スプレードライ)を行うことで、溶媒を蒸発させるとともに化合物原料及び炭素原料を造粒する。エネルギー付与工程で微細に分散された化合物原料及び炭素原料は、造粒工程で、それぞれ造粒される。造粒工程では、炭素原料は、微細に分散された一次粒子が凝集して二次粒子を形成する。   In the granulation step, the compound raw material and the carbon raw material to which mechanical energy is imparted in the presence of the solvent are spray-dried to evaporate the solvent and granulate the compound raw material and the carbon raw material. The compound raw material and the carbon raw material finely dispersed in the energy application step are each granulated in the granulation step. In the granulation step, in the carbon raw material, primary particles finely dispersed are aggregated to form secondary particles.

噴霧乾燥は、150℃以上220℃以下、更には180℃以上210℃以下の温度下、スラリーの送液速度範囲10ml/min.から100ml/min.で行うことが好ましい。噴霧乾燥時の温度が低すぎる場合には、乾燥不十分で、化合物原料及び炭素原料の造粒が不十分となり、シリケートコア部に未反応の不純物が残るおそれがある。噴霧乾燥時の温度が高すぎる場合には、一次粒子及び二次粒子が小さくなり、取り扱いに手間がかかるおそれがある。   The spray drying is preferably performed at a temperature of 150 ° C. or higher and 220 ° C. or lower, more preferably 180 ° C. or higher and 210 ° C. or lower, and a slurry feed rate range of 10 ml / min to 100 ml / min. When the temperature at the time of spray drying is too low, the drying is insufficient, the granulation of the compound raw material and the carbon raw material becomes insufficient, and unreacted impurities may remain in the silicate core part. When the temperature at the time of spray drying is too high, the primary particles and the secondary particles are small, and there is a possibility that it takes time and effort.

化合物原料及び炭素原料からなる混合原料を噴霧乾燥(スプレードライ法)は、混合原料を溶媒下で混合したスラリーを噴霧して、溶媒を乾燥させる方法をいう。噴霧乾燥では、エネルギー付与工程後の化合物原料と炭素原料とを溶媒とともに噴霧する。   Spray drying (spray drying method) of a mixed raw material composed of a compound raw material and a carbon raw material refers to a method of spraying a slurry obtained by mixing a mixed raw material in a solvent to dry the solvent. In spray drying, the compound raw material and carbon raw material after the energy application step are sprayed together with a solvent.

熱処理工程では、造粒された化合物原料及び炭素原料からなる混合原料に熱処理を行う。熱処理により、造粒後の化合物原料からリチウムシリケート系化合物が生成される。また、炭素原料が熱分解、炭化などにより、主として炭素からなる炭素材料が生成される。生成したリチウムシリケート系化合物の表面に炭素材料が被覆される。このようにしてリチウムシリケート系化合物からなるシリケートコア部と、炭素材料からなる炭素被覆部とからなる一次粒子が形成される。   In the heat treatment step, heat treatment is performed on the mixed raw material composed of the granulated compound raw material and carbon raw material. By the heat treatment, a lithium silicate compound is produced from the compound raw material after granulation. In addition, a carbon material mainly composed of carbon is produced by pyrolysis or carbonization of the carbon raw material. A carbon material is coated on the surface of the generated lithium silicate compound. Thus, primary particles composed of a silicate core portion made of a lithium silicate compound and a carbon coating portion made of a carbon material are formed.

熱処理温度は、600℃以上1000℃以下であることが好ましい。600℃未満では複合化反応が不十分で不純物が残るおそれがある。1000℃を超える場合には、残留炭素量が低下し、複合材料の導電性が低下するおそれがある。また化合物原料から生成するリチウムシリケート系化合物の結晶が成長し過ぎて、炭素原料との接触部分が少なくなり、放電容量が低下するおそれがある。   The heat treatment temperature is preferably 600 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. If it is less than 600 ° C., the complexing reaction is insufficient and impurities may remain. When it exceeds 1000 ° C., the amount of residual carbon decreases, and the conductivity of the composite material may decrease. Further, the lithium silicate compound crystal produced from the compound raw material grows too much, so that the contact portion with the carbon raw material decreases, and the discharge capacity may be reduced.

更に、熱処理温度は、650℃以上900℃以下であることが好ましく、更には650℃以上800℃以下であることが望ましい。この場合には、不純物を残すことなく、一次粒子のシリケートコア部をリチウムシリケート系化合物の単層で構成することができ、更に、炭素被覆部をシリケートコア部の表面に均一に被覆させることができる。このため、複合材料の導電性が高まり、放電容量が高くなる。   Furthermore, the heat treatment temperature is preferably 650 ° C. or higher and 900 ° C. or lower, and more preferably 650 ° C. or higher and 800 ° C. or lower. In this case, the silicate core portion of the primary particles can be composed of a single layer of a lithium silicate compound without leaving impurities, and the carbon coating portion can be uniformly coated on the surface of the silicate core portion. it can. For this reason, the electrical conductivity of the composite material is increased and the discharge capacity is increased.

熱処理時間は、0.3時間以上15時間以下であることが好ましい。更には0.5時間以上10時間未満、1時間以上3時間以下であることが好ましい。この場合には、熱処理後に炭素材料が適量残り、一次粒子のシリケートコア部の表面を炭素被覆部で被覆することができる。このため、複合材料の導電性が高くなり、放電容量が高くなる。   The heat treatment time is preferably 0.3 hours or more and 15 hours or less. Further, it is preferably 0.5 hours or more and less than 10 hours, or 1 hour or more and 3 hours or less. In this case, an appropriate amount of the carbon material remains after the heat treatment, and the surface of the silicate core portion of the primary particles can be covered with the carbon coating portion. For this reason, the electroconductivity of a composite material becomes high and discharge capacity becomes high.

熱処理は、還元雰囲気あるいは酸化還元の混合雰囲気下で行うことが好ましい。その理由は、金属原料を適宜還元させ、リチウムシリケート系化合物の純度を高めることができる(シリケートコア部の単相の割合を高める)からである。還元雰囲気は、例えば、二酸化炭素、一酸化炭素あるいは水素を含有するガス雰囲気であるとよい。   The heat treatment is preferably performed in a reducing atmosphere or an oxidation-reduction mixed atmosphere. The reason is that the metal raw material can be appropriately reduced to increase the purity of the lithium silicate compound (increase the ratio of the single phase of the silicate core portion). For example, the reducing atmosphere may be a gas atmosphere containing carbon dioxide, carbon monoxide, or hydrogen.

(正極活物質)
正極活物質は、上記の複合材料からなる。かかる正極活物質によれば、充放電特性に優れた電池を構成することができる。
(Positive electrode active material)
A positive electrode active material consists of said composite material. According to such a positive electrode active material, a battery having excellent charge / discharge characteristics can be configured.

(正極)
正極は、上記の複合材料からなる正極活物質と、集電体とからなる。正極を作製するために、例えば、上記複合材料に、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(VaporGrown Carbon Fiber:VGCF)等の導電助剤、ポリフッ化ビニリデン(PolyVinylidineDiFluoride:PVdF)、ポリ四フッ化エチレン(PTFE)、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)等のバインダー、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)等の溶媒を加えてペースト状として、これを集電体に塗布する。
(Positive electrode)
A positive electrode consists of a positive electrode active material which consists of said composite material, and a collector. In order to fabricate a positive electrode, for example, the composite material is added to a conductive auxiliary such as acetylene black (AB), ketjen black (KB), vapor grown carbon fiber (VGCF), polyvinylidene fluoride (PolyvinylideneDiFluoride). : PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), binders such as styrene-butadiene rubber (SBR), and solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) are added to form a paste, which is used as a current collector Apply.

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、複合材料100質量部に対して、5〜20質量部とすることができる。また、バインダーの使用量についても、特に限定的ではないが、例えば、複合材料100質量部に対して、5〜20質量部とすることができる。また、その他の方法として、複合材料と、上記の導電助剤およびバインダーを混合したものを、乳鉢やプレス機を用いて混練してフィルム状とし、これを集電体へプレス機で圧着する方法によっても正極を製造することが出来る。   The amount of the conductive aid used is not particularly limited, but for example, it can be 5 to 20 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the composite material. Further, the amount of the binder used is not particularly limited, but may be 5 to 20 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the composite material, for example. Further, as another method, a method of kneading a composite material, a mixture of the above-described conductive additive and a binder with a mortar or a press to form a film, and then crimping this to a current collector with a press Can also produce a positive electrode.

集電体としては、特に限定はなく、従来から非水電解質二次電池用正極として使用されている材料、例えば、アルミ箔、アルミメッシュ、ステンレスメッシュなどを用いることができる。更に、カーボン不織布、カーボン織布なども集電体として使用できる。   The current collector is not particularly limited, and materials conventionally used as positive electrodes for nonaqueous electrolyte secondary batteries, such as aluminum foil, aluminum mesh, and stainless steel mesh, can be used. Furthermore, a carbon nonwoven fabric, a carbon woven fabric, etc. can be used as a collector.

非水電解質二次電池用正極は、その形状、厚さなどについては特に限定的ではないが、例えば、正極活物質を充填した後、圧縮することによって、厚さを10〜200μm、より好ましくは20〜100μmとすることが好ましい。従って、使用する集電体の種類、構造等に応じて、圧縮後に上記した厚さとなるように、正極活物質の充填量を適宜決めればよい。   The shape and thickness of the positive electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery are not particularly limited. For example, the positive electrode active material is filled and then compressed to have a thickness of 10 to 200 μm, more preferably It is preferable to set it as 20-100 micrometers. Therefore, the filling amount of the positive electrode active material may be appropriately determined so as to have the above-described thickness after compression, depending on the type and structure of the current collector to be used.

(非水電解質二次電池)
非水電解質二次電池は、上記した正極を備えている。非水電解質二次電池は、公知の手法により製造することができる。正極材料として、上記した正極を使用する。
(Non-aqueous electrolyte secondary battery)
The nonaqueous electrolyte secondary battery includes the positive electrode described above. The nonaqueous electrolyte secondary battery can be manufactured by a known method. The positive electrode described above is used as the positive electrode material.

負極材料として、リチウムイオンを吸蔵・放出可能であってリチウムと合金化可能な元素又は/及びリチウムと合金化可能な元素を有する元素化合物からなる。前記リチウムと合金化反応可能な元素は、Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、Ti、Ag、Zn、Cd、Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Biの少なくとも1種を有するとよい。負極材料としては、例えば、公知の金属リチウム、黒鉛などの炭素系材料、SiOx(0.5≦x≦1.5)などのシリコン系材料、銅−錫やコバルト−錫などの合金系材料、チタン酸リチウムなどの酸化物材料を使用するとよい。   The negative electrode material is composed of an element compound that can occlude and release lithium ions and can be alloyed with lithium or / and an element compound that can be alloyed with lithium. Elements capable of alloying with lithium are Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Ti, Ag, Zn, Cd, Al, Ga, In, Si, Ge. , Sn, Pb, Sb, Bi may be included. Examples of the negative electrode material include known metal-based materials such as lithium metal and graphite, silicon-based materials such as SiOx (0.5 ≦ x ≦ 1.5), alloy-based materials such as copper-tin and cobalt-tin, An oxide material such as lithium titanate is preferably used.

電解液として、公知の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などの非水系溶媒に過塩素酸リチウム、LiPF、LiBF、LiCFSOなどのリチウム塩を0.5mol/Lから1.7mol/Lの濃度で溶解させた溶液を使用し、さらにその他の公知の電池構成要素を使用するとよい。 As an electrolytic solution, a lithium salt such as lithium perchlorate, LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 or the like in a known non-aqueous solvent such as ethylene carbonate, dimethyl carbonate, or propylene carbonate is used in an amount of 0.5 mol / L to 1.7 mol / L. A solution dissolved at a concentration of L may be used, and other known battery components may be used.

負極として金属リチウムを用いた場合にはリチウム二次電池、負極として金属リチウム以外の材料を用いた場合にはリチウムイオン二次電池となる。これらのリチウムイオンにより電池反応を行う二次電池は、一般に、非水電解質二次電池のものが多い。   When metal lithium is used as the negative electrode, a lithium secondary battery is obtained, and when a material other than metal lithium is used as the negative electrode, a lithium ion secondary battery is obtained. In general, many secondary batteries that perform a battery reaction with these lithium ions are non-aqueous electrolyte secondary batteries.

上記非水電解質二次電池は、車両に搭載することができる。車両は、電気車両又はハイブリッド車両などであるとよい。非水電解質二次電池は、例えば、車両に搭載された走行用モータに連結されていて、駆動源として用いられているとよい。この場合には、長時間高い駆動トルクを出力させることができる。また、上記非水電解質二次電池は、パーソナルコンピュータ、携帯通信機器などの、車両以外のものにも搭載することができる。   The non-aqueous electrolyte secondary battery can be mounted on a vehicle. The vehicle may be an electric vehicle or a hybrid vehicle. The nonaqueous electrolyte secondary battery is preferably connected to, for example, a traveling motor mounted on a vehicle and used as a drive source. In this case, a high driving torque can be output for a long time. Further, the non-aqueous electrolyte secondary battery can be mounted on devices other than vehicles such as personal computers and portable communication devices.

以上、本発明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 mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment. 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.

(試料1)
以下の方法により複合材料を製造した。
(Sample 1)
A composite material was produced by the following method.

<エネルギー付与工程>
まず、酸化第二鉄Fe2O3(高純度化学株式会社製、純度99.99%、平均直径5μm)0.5モルと、炭酸リチウムLiCO(キシダ化学株式会社製、純度99.5%)1.1モルと、シリカSiO2(日本アエロジル株式会社製、平均直径0.1μm)1.0モルと、デキストリン水和物(和光純薬工業株式会社製)0.6モルとを混合した。酸化第二鉄は金属原料であり、炭酸リチウムはリチウム原料であり、シリカは珪素原料であって、これらは本発明の化合物原料を構成する。水和物デキストリンは本発明の炭素原料を構成する。これらの混合比率は、酸化第二鉄と炭酸リチウムとシリカとからなる化合物原料が69質量%、デキストリン水和物からなる炭素原料が31質量%であった。この混合原料についてビーズミル(直径100μmのZrO2ビーズ)により湿式混合を3.5時間行なった。
<Energy application process>
First, ferric oxide Fe 2 O 3 (high purity chemical Co., Ltd., purity 99.99%, average diameter 5 μm) 0.5 mol and lithium carbonate Li 2 CO 3 (Kishida Chemical Co., Ltd., purity 99.5%) ) 1.1 mol, silica SiO 2 (manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd., average diameter 0.1 μm) 1.0 mol, and dextrin hydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 0.6 mol were mixed. Ferric oxide is a metal raw material, lithium carbonate is a lithium raw material, silica is a silicon raw material, and these constitute the compound raw material of the present invention. Hydrate dextrin constitutes the carbon raw material of the present invention. The mixing ratio was 69% by mass for the compound raw material composed of ferric oxide, lithium carbonate and silica, and 31% by mass for the carbon raw material composed of dextrin hydrate. This mixed raw material was wet-mixed for 3.5 hours by a bead mill (ZrO 2 beads having a diameter of 100 μm).

<造粒工程>
得られた混合溶液を熱噴霧装置によりスプレードライ処理を行なった。熱噴霧装置は、図1に示すように、ガス供給部3と、ガス供給部3から供給されたガスとともに混合溶液を噴霧するノズルをもつ噴霧器4と、噴霧器4から噴霧された混合溶液を乾燥させる乾燥室5と、乾燥室5に噴霧され乾燥された乾燥粉末からガスを分離するサイクロン装置6と、乾燥粉末から分離されたガスを排出するガス排出部7とを備えている。熱噴霧装置は、藤崎電気株式会社製の商品名MDL-050Mである。
<Granulation process>
The obtained mixed solution was spray-dried by a thermal spray apparatus. As shown in FIG. 1, the thermal spraying device dries the gas supply unit 3, the sprayer 4 having a nozzle that sprays the mixed solution together with the gas supplied from the gas supply unit 3, and the mixed solution sprayed from the sprayer 4. A drying chamber 5, a cyclone device 6 for separating the gas from the dried powder sprayed into the drying chamber 5, and a gas discharge unit 7 for discharging the gas separated from the dried powder. The thermal spraying device is trade name MDL-050M manufactured by Fujisaki Electric Co., Ltd.

熱噴霧装置によりスプレードライ処理を行うに当たっては、ガス供給部3に給気風量0.80m3/min.の空気を供給しながら、噴霧器4に上記で得た混合溶液を供給した。噴霧器4でのノズルエアの一次圧力は0.7MpaG、エア流量は40NL/min.とし、混合溶液の送液速度は流量20mL/min.とした。乾燥室5の入り口温度は200℃とした。乾燥室5の内部でのガスの圧力は4kPaとした。ガス排出部7での排ガス温度は91℃とした。 In performing the spray drying process with the thermal spraying device, the mixed solution obtained above was supplied to the sprayer 4 while supplying the gas supply unit 3 with air with an air supply rate of 0.80 m 3 / min. The primary pressure of the nozzle air in the nebulizer 4 was 0.7 MpaG, the air flow rate was 40 NL / min., And the liquid feed rate of the mixed solution was 20 mL / min. The inlet temperature of the drying chamber 5 was 200 ° C. The gas pressure inside the drying chamber 5 was 4 kPa. The exhaust gas temperature in the gas discharge part 7 was 91 degreeC.

<熱処理工程>
得られた粉末を、雰囲気CO2:H2(70:30mL/min.)、温度700℃、処理時間2時間の条件で熱処理した。
<Heat treatment process>
The obtained powder was heat-treated under the conditions of atmosphere CO 2 : H 2 (70:30 mL / min.), Temperature 700 ° C., and treatment time 2 hours.

室温まで冷却後、処理品のXRD(X線回折)測定を行なった。その結果、単斜晶、空間群P21/nに属するLi2FeSiO4とカーボンからなる複合材料が得られた。図2に、造粒工程後であって熱処理工程前の材料のSEM写真を示し、図3に、熱処理工程後に得られた複合材料のSEM写真を示した。図4の上段及び下段に、熱処理工程後に得られた複合材料のSEM断面写真を示した。 After cooling to room temperature, XRD (X-ray diffraction) measurement of the treated product was performed. As a result, a composite material composed of monoclinic crystal, Li 2 FeSiO 4 and carbon belonging to the space group P2 1 / n was obtained. FIG. 2 shows an SEM photograph of the material after the granulation step and before the heat treatment step, and FIG. 3 shows an SEM photograph of the composite material obtained after the heat treatment step. The SEM cross-sectional photograph of the composite material obtained after the heat treatment process is shown in the upper and lower stages of FIG.

図2に示すように、造粒工程後であって熱処理工程前は、複数の二次粒子が形成されていた。各二次粒子は、ほぼ球状を呈しており、表面にもやもやとした形状の炭素被覆層が見られた。二次粒子の二次粒子径は、0.5〜5μmであった。   As shown in FIG. 2, a plurality of secondary particles were formed after the granulation step and before the heat treatment step. Each secondary particle had a substantially spherical shape, and a carbon coating layer having a hazy shape was observed on the surface. The secondary particle diameter of the secondary particles was 0.5 to 5 μm.

図3に示すように、熱処理工程の後では、熱処理工程の前に形成された二次粒子は、ほぼその外形を維持した。二次粒子は、ほぼ球状を呈しており、表面にもやもやとした形状の炭素被覆層が認められた。   As shown in FIG. 3, after the heat treatment step, the secondary particles formed before the heat treatment step substantially maintained their outer shape. The secondary particles had a substantially spherical shape, and a carbon coating layer having a hazy shape was observed on the surface.

図4に示す二次粒子の断面図より明らかなように、二次粒子の内部には、白色部分で表されるシリケートコア部と、シリケートコア部の表面を覆う炭素被覆層とからなる一次粒子が多数凝集していた。シリケートコア部の平均直径は、0.1μmであった。炭素被覆部の平均厚みは、5nmであった。一次粒子の一次粒子径は、0.105μmであった。また、シリケートコア部は、図4の写真上で左右方向に細長く連なって扁平な形状を呈していた。また、各一次粒子の間には、多数の細孔が形成されていた。細孔の平均直径は、4nmであった。複合材料がこのような構造を形成するのは、以下の理由によると考えられる。エネルギー付与工程で、各原料を溶媒に接触させると、デキストリンと炭酸リチウムが溶媒に溶解する一方、シリカと酸化第二鉄が固体を維持する。この状態で、ミリングすると、固体のシリカと酸化第二鉄が混合及び粉砕されて微粉末になる。微粉末になったシリカと酸化第二鉄の中に炭酸リチウムが浸透し、その周囲をデキストリンが覆う。この状態の混合原料にスプレードライ処理を行うと溶媒が乾燥除去され、シリカと酸化第二鉄と炭酸リチウムの表面をデキストリンが覆って粒子を形成した状態で、多数の粒子が凝集する。この状態の混合原料に熱処理すると、シリカと酸化第二鉄と炭酸リチウムとからリチウムシリケート系化合物をコア部とし、その表面をデキストリンの熱分解成分である炭素材料が被覆層として被覆することで一次粒子を形成する。多数の凝集した一次粒子は、二次粒子を構成する。   As is clear from the cross-sectional view of the secondary particles shown in FIG. 4, the secondary particles include a silicate core portion represented by a white portion and a carbon coating layer covering the surface of the silicate core portion. Was agglomerated. The average diameter of the silicate core part was 0.1 μm. The average thickness of the carbon coating part was 5 nm. The primary particle diameter of the primary particles was 0.105 μm. Further, the silicate core portion was elongated in the left-right direction on the photograph in FIG. 4 and had a flat shape. In addition, a large number of pores were formed between the primary particles. The average diameter of the pores was 4 nm. It is considered that the composite material forms such a structure for the following reason. When each raw material is brought into contact with a solvent in the energy application step, dextrin and lithium carbonate dissolve in the solvent, while silica and ferric oxide maintain a solid. When milled in this state, solid silica and ferric oxide are mixed and pulverized into a fine powder. Lithium carbonate permeates into fine powdered silica and ferric oxide, and dextrin covers it. When spray-drying treatment is performed on the mixed raw material in this state, the solvent is dried and removed, and a large number of particles are aggregated in a state where particles are formed by covering the surfaces of silica, ferric oxide and lithium carbonate with dextrin. When heat treatment is performed on the mixed raw material in this state, a primary part is formed by using a lithium silicate compound as a core part from silica, ferric oxide and lithium carbonate, and covering the surface with a carbon material as a thermal decomposition component of dextrin as a coating layer. Form particles. A large number of aggregated primary particles constitute secondary particles.

得られた複合材料の炭素量を調べたところ、複合材料全体を100質量%としたときの炭素質量%は、約10%であった。エネルギー付与工程で、全原料を100質量%としたときに炭素材料を31質量%混合しているにもかかわらず、炭素材料の質量比がかなり減少していた。これは、造粒工程で、炭素材料がブドワール反応で一酸化炭素に還元されてガス化することで、複合材料中の炭素材料が減少したためであると考えられる。   When the carbon content of the obtained composite material was examined, the carbon mass% when the entire composite material was 100 mass% was about 10%. In the energy application step, the mass ratio of the carbon material was considerably reduced even though 31 mass% of the carbon material was mixed when the total raw material was 100 mass%. This is presumably because the carbon material in the composite material was reduced by gasification by reducing the carbon material to carbon monoxide by the Budoir reaction in the granulation process.

(比較試料1)
溶融塩法でリチウムシリケート系化合物を形成した後に、炭素原料とともにミリング処理及び熱処理を施すことで、複合材料を作製した。以下、これを詳細に説明する。
(Comparative sample 1)
After forming the lithium silicate compound by the molten salt method, a composite material was prepared by performing milling treatment and heat treatment together with the carbon raw material. This will be described in detail below.

<溶融塩の合成>
珪酸リチウム(LiSiO:キシダ化学株式会社製、純度99.5%)0.03モルと、鉄(高純度化学株式会社製、純度99.9%)0.03モルとの混合物に、アセトン20mLを加えてジルコニア製ボールミルにて500rpmで60分間混合し、乾燥した。これを炭酸塩混合物と混合した。炭酸塩混合物は、炭酸リチウム(キシダ化学株式会社製、純度99.9%)と、炭酸ナトリウム(キシダ化学株式会社製、純度99.5%)と、炭酸カリウム(キシダ化学株式会社製、純度99.5%)とを、0.435モル:0.315モル:0.25モルのモル比で混合して得た。混合割合は、珪酸リチウムと鉄との合計量100質量部に対して炭酸塩混合物が80質量部とした。上記混合物にアセトン20mLを加えてジルコニア製ボールミルにて500rpmで60分間混合し、乾燥した。
<Synthesis of molten salt>
To a mixture of 0.03 mol of lithium silicate (Li 2 SiO 3 : manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd., purity 99.5%) and 0.03 mol of iron (product of high purity chemical Co., Ltd., purity 99.9%) Acetone (20 mL) was added, and the mixture was mixed at 500 rpm for 60 minutes in a zirconia ball mill and dried. This was mixed with the carbonate mixture. The carbonate mixture consists of lithium carbonate (Kishida Chemical Co., Ltd., purity 99.9%), sodium carbonate (Kishida Chemical Co., Ltd., purity 99.5%), and potassium carbonate (Kishida Chemical Co., Ltd., purity 99). 0.5%) in a molar ratio of 0.435 mol: 0.315 mol: 0.25 mol. As for the mixing ratio, the carbonate mixture was 80 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the total amount of lithium silicate and iron. 20 mL of acetone was added to the above mixture, and the mixture was mixed for 60 minutes at 500 rpm in a zirconia ball mill and dried.

その後、得られた粉体を金坩堝に入れ、二酸化炭素(流量100mL/min.)と水素(流量3mL/min.)の混合ガス雰囲気下にて電気炉で500℃に加熱し、炭酸塩混合物が溶融した状態で13時間反応させた。   Thereafter, the obtained powder was put into a gold crucible and heated to 500 ° C. in an electric furnace in a mixed gas atmosphere of carbon dioxide (flow rate 100 mL / min.) And hydrogen (flow rate 3 mL / min.) To obtain a carbonate mixture. Was reacted for 13 hours in a molten state.

反応後、溶融塩の温度が400℃になった時点で、反応系である炉心全体を電気炉から取り出し、混合ガスを通じた状態で室温まで急冷した。   After the reaction, when the temperature of the molten salt reached 400 ° C., the entire reactor core as a reaction system was taken out of the electric furnace and rapidly cooled to room temperature through a mixed gas.

次いで、得られた反応物に水20mLを加えて乳鉢ですりつぶし、水を用いて洗浄と濾過を繰り返して、塩が除去された粉体を得た。この粉体を100℃の乾燥機に入れて1時間程度乾燥し、リチウム鉄シリケート化合物を得た。   Next, 20 mL of water was added to the obtained reaction product and ground in a mortar, and washing and filtration were repeated using water to obtain a powder from which salt had been removed. This powder was put into a dryer at 100 ° C. and dried for about 1 hour to obtain a lithium iron silicate compound.

その後、粉末XRD測定により結晶構造を確認した結果、単斜晶、空間群P21 /nに属するLi2FeSiO4が得られたことがわかった。 Then, as a result of confirming the crystal structure by powder XRD measurement, it was found that monoclinic crystal, Li 2 FeSiO 4 belonging to the space group P2 1 / n was obtained.

<ミリング処理>
このLi2FeSiO4及び炭素原料(AB:アセチレンブラック)にミリング処理を行って混合原料を得た。Li2FeSiO4及びABの質量比は、Li2FeSiO4:AB=5:4とした。ミリング処理では、フリッチュジャパン社製のボールミリング装置P-7を用いた。処理条件は、回転数450rpm、5時間とした。
<Milling process>
This Li 2 FeSiO 4 and carbon raw material (AB: acetylene black) were milled to obtain a mixed raw material. The mass ratio of Li 2 FeSiO 4 and AB was Li 2 FeSiO 4 : AB = 5: 4. In the milling treatment, a ball milling device P-7 manufactured by Fritsch Japan was used. The processing conditions were 450 rpm for 5 hours.

<熱処理>
得られた混合原料に熱処理を施して、複合材料を得た。熱処理の条件は、700℃で2時間、CO2/H2=100:3mL/min.雰囲気とした。この複合材料のXRDパターンは合成直後のLi2FeSiO4と一致したことを確認した。
<Heat treatment>
The obtained mixed raw material was heat-treated to obtain a composite material. The heat treatment conditions were 700 ° C. for 2 hours, CO 2 / H 2 = 100: 3 mL / min. The atmosphere. It was confirmed that the XRD pattern of this composite material was consistent with Li 2 FeSiO 4 immediately after synthesis.

得られた比較試料1の複合材料についてSEM断面写真を撮影し、図5の上段に示した。図5の上段に示すように、比較試料1の複合材料は、灰色部分で示される複数の粒子と、黒色部分で示される複数の粒子とが緩やかに凝集して凝集体を形成していた。灰色部分の粒子はリチウムシリケート系化合物からなり、黒色部分で示される粒子は炭素材料からなることがわかった。リチウムシリケート系化合物からなる粒子の平均粒径は、約200nmであった。凝集体の平均粒径は1000nm程度で、内部に細孔があった。この複合材料のBET比表面積は106m2/gを示した。 An SEM cross-sectional photograph of the composite material of the obtained comparative sample 1 was taken and shown in the upper part of FIG. As shown in the upper part of FIG. 5, in the composite material of Comparative Sample 1, a plurality of particles indicated by a gray portion and a plurality of particles indicated by a black portion were gradually aggregated to form an aggregate. It was found that the gray part particles were made of a lithium silicate compound, and the black part particles were made of a carbon material. The average particle diameter of the particles made of the lithium silicate compound was about 200 nm. The average particle diameter of the aggregate was about 1000 nm, and there were pores inside. The BET specific surface area of this composite material was 106 m 2 / g.

得られた複合材料の炭素量を調べたところ、複合材料全体を100質量%としたときの炭素質量比は、約40%であった。この約40%の炭素量は、<ミリング処理>において添加したアセチレンブラックの添加量(44%)からわずかに減少した。このことから炭素原料は添加した分量の大部分がそのまま炭素材料として複合材料に取り入れられたことがわかった。   When the carbon content of the obtained composite material was examined, the carbon mass ratio when the entire composite material was 100% by mass was about 40%. This carbon amount of about 40% was slightly reduced from the amount of acetylene black added in <milling> (44%). From this, it was found that most of the added amount of carbon raw material was directly incorporated into the composite material as a carbon material.

(リチウムイオン二次電池の作製及びその評価)
試料1及び比較試料1の複合材料を用いて半電池を作製した。まず、次の組成をもつ電極を作製した。電極組成は、質量比で、リチウム鉄シリケート材料とカーボンの複合体:アセチレンブラック:ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)=17:5:1 とした。前記の電極組成の電極をシート法により作製し、140℃で3時間真空乾燥した。また、電解液として、エチレンカーボネート(EC):ジメチレンカーボネート(DMC)=3:7にLiPFを溶解して1mol/Lとした溶液を調製した。セパレータとしてのポリプロピレン膜(セルガード製、Celgard2400)及びガラスフィルター、負極としてのリチウム金属箔を、上記の電極及び電解液とともに用いて、コイン電池を試作した。
(Production and evaluation of lithium ion secondary battery)
A half cell was fabricated using the composite material of Sample 1 and Comparative Sample 1. First, an electrode having the following composition was produced. The electrode composition was, by mass ratio, lithium iron silicate material and carbon composite: acetylene black: polytetrafluoroethylene (PTFE) = 17: 5: 1. An electrode having the above electrode composition was prepared by a sheet method, and vacuum-dried at 140 ° C. for 3 hours. Further, as an electrolytic solution, a solution of 1 mol / L was prepared by dissolving LiPF 6 in ethylene carbonate (EC): dimethylene carbonate (DMC) = 3: 7. A coin battery was manufactured using a polypropylene film (Celgard, Celgard 2400) as a separator and a glass filter, and a lithium metal foil as a negative electrode together with the above electrode and electrolyte.

これらのコイン電池について30℃にて充放電試験を行った。試験条件は、0.05mA/cm2にて電圧を1.5−4.5Vの間で充放電を繰り返した。初回充電のみ1.5Vから4.8Vにした。その結果を図6、図7に示した。図6は、試料1の複合材料を用いた電池の充放電曲線を示し、図7は比較試料1、2の複合材料を用いた電池の充放電曲線を示し、図7は比較試料1を示した。表1に、これらの電池の初期充電容量及び初期放電容量を示した。 These coin batteries were subjected to a charge / discharge test at 30 ° C. The test conditions were 0.05 mA / cm 2 and repeated charging and discharging at a voltage of 1.5 to 4.5 V. Only the first charge was changed from 1.5V to 4.8V. The results are shown in FIGS. 6 shows a charge / discharge curve of a battery using the composite material of Sample 1, FIG. 7 shows a charge / discharge curve of a battery using the composite material of Comparative Samples 1 and 2, and FIG. It was. Table 1 shows the initial charge capacity and initial discharge capacity of these batteries.

図6に示すように、試料1の複合材料を用いた電池の充放電特性は、比較試料1の複合材料を用いた電池の充放電特性よりも良好な結果であった。特に、試料1では、2回目から5回目の放電容量が高かった。   As shown in FIG. 6, the charge / discharge characteristics of the battery using the composite material of Sample 1 were better than the charge / discharge characteristics of the battery using the composite material of Comparative Sample 1. In particular, in Sample 1, the discharge capacity from the second time to the fifth time was high.

試料1が比較試料1よりもよい充電放電特性を示す理由としては、次のように考えられる。まず、試料1は、シリケートコア部の表面を導電性の炭素被覆部で被覆されることで、シリケートコア部間に導電性が付与された。また、シリケートコア表面を炭素被覆層で被覆して形成された一次粒子が複数薄く連なることで、導電性が高くなった。また、化合物原料が互いに微分散して、微分散状態で熱処理が施された。これにより、各粒子の反応性が高くなり、純度の高いリチウムシリケート系化合物が得られた。   The reason why the sample 1 exhibits better charge / discharge characteristics than the comparative sample 1 is considered as follows. First, in Sample 1, the surface of the silicate core portion was covered with a conductive carbon coating portion, whereby conductivity was imparted between the silicate core portions. In addition, the conductivity increased because a plurality of primary particles formed by coating the surface of the silicate core with a carbon coating layer were thinly formed. Further, the compound raw materials were finely dispersed with each other, and heat treatment was performed in a finely dispersed state. Thereby, the reactivity of each particle became high and the lithium silicate type compound with high purity was obtained.

(試料2)
以下の方法で複合材料を調製した。
(Sample 2)
A composite material was prepared by the following method.

<エネルギー付与工程>
まず、酸化第二鉄Fe(高純度化学株式会社製、純度99.99%、直径5μm)25質量%と、炭酸リチウムLiCO(キシダ化学株式会社製、純度99.5%)25質量%と、シリカSiO(日本アエロジル株式会社製、直径0.8μm)19質量%と、デキストリン水和物(和光純薬工業株式会社製)31質量%とを混合した。この混合比率は、酸化第二鉄と炭酸リチウムとシリカとからなる化合物原料が69質量%、デキストリン水和物からなる炭素材料が31質量%であった。この混合物をボールミル(直径2000μmのZrO2製ボール)により湿式混合を6時間行なった。湿式混合後の混合物の重量通過百分率D50は5.8μmであった。
<Energy application process>
First, ferric oxide Fe 2 O 3 (manufactured by Kojun Chemical Co., Ltd., purity 99.99%, diameter 5 μm) 25% by mass and lithium carbonate Li 2 CO 3 (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd., purity 99.5%) 25 Mass%, silica SiO 2 (manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd., diameter 0.8 μm) 19 mass%, and dextrin hydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 31 mass% were mixed. As for this mixing ratio, the compound raw material consisting of ferric oxide, lithium carbonate and silica was 69% by mass, and the carbon material consisting of dextrin hydrate was 31% by mass. This mixture was wet-mixed for 6 hours with a ball mill (ZrO 2 balls having a diameter of 2000 μm). The weight passing percentage D50 of the mixture after the wet mixing was 5.8 μm.

<造粒工程>
得られた混合溶液を、試料1で用いた熱噴霧装置によりスプレードライ処理を行なった。スプレードライ処理の条件は試料1と同様とした。
<Granulation process>
The obtained mixed solution was spray-dried by the thermal spraying apparatus used in Sample 1. The conditions of the spray drying process were the same as those of Sample 1.

<熱処理工程>
得られた粉末を、雰囲気CO2:H2(70cc:30cc)、温度800℃、処理時間2時間の条件で熱処理した。
<Heat treatment process>
The obtained powder was heat-treated under the conditions of atmosphere CO 2 : H 2 (70 cc: 30 cc), temperature 800 ° C., and treatment time 2 hours.

室温まで冷却後、処理品のXRD(X線回折)測定を行なった。その結果、単斜晶、空間群P21 /nに属するLiFeSiOとカーボンからなる二次粒子が得られた。二次粒子の二次粒子径は、約3μm程度であった。 After cooling to room temperature, XRD (X-ray diffraction) measurement of the treated product was performed. As a result, secondary particles composed of monoclinic crystal, Li 2 FeSiO 4 and carbon belonging to the space group P2 1 / n were obtained. The secondary particle diameter of the secondary particles was about 3 μm.

(試料3)
本試料3は、化合物原料の中のシリカの直径を0.1μmとした点、エネルギー付与工程のミリングをビーズミルを用いて行ったことを除いて、試料2と同様である。ビーズミルは、直径100μmのZrOビーズを備え、各種原料について湿式混合を3.5時間行った。湿式混合後でスプレードライ処理前の混合物の重量通過百分率D50は5.2μmであった。湿式混合後、スプレードライ処理による造粒工程、熱処理工程を行った。
(Sample 3)
This sample 3 is the same as the sample 2 except that the diameter of silica in the compound raw material is 0.1 μm and that the milling of the energy application process is performed using a bead mill. The bead mill was equipped with ZrO 2 beads having a diameter of 100 μm, and various materials were wet mixed for 3.5 hours. The weight passing percentage D50 of the mixture after the wet mixing and before the spray-drying treatment was 5.2 μm. After wet mixing, a granulation process and a heat treatment process were performed by spray drying.

上記試料2,3の複合を粉末XRDにより測定した。図8は、XRD測定結果である。図8の上段は、試料2の複合材料のパターンを示し、図8の下段は試料3の複合材料のパターンを示す。図8において、丸○で示したピークはリチウムシリケートLiFeSiOに由来し、縦長の楕円を付したピークは、LiSOに由来し、黒い四角形を付したピークはLiFeに由来する。LiSO及びLiFeは、不純物である。 The composite of Samples 2 and 3 was measured by powder XRD. FIG. 8 shows the XRD measurement results. The upper part of FIG. 8 shows the pattern of the composite material of Sample 2, and the lower part of FIG. 8, the peak indicated by circles ○ are derived from lithium silicate Li 2 FeSiO 4, the peak marked with an ellipse in longitudinal, derived from Li 2 SO 3, the peak marked with black squares Li 5 Fe 5 0 8 is derived from. Li 2 SO 3 and Li 5 Fe 5 0 8 are impurities.

図8に示すように、試料3の二次粒子は、試料2の二次粒子よりも、目的物のリチウムシリケート系化合物LiFeSiOのピークが大きく、その一方で不純物は著しく少なかった。このことから、粒径が小さいシリカを用いた試料3では、硬質のシリカが細かく分散され、酸化鉄や、溶媒に溶解した炭酸リチウムとよく混合されて、互いによく分散した状態で熱処理される。このため、各粒子同士の反応性が高く、純度の高いリチウムシリケート系化合物が生成したと考えられる。 As shown in FIG. 8, the secondary particles of the sample 3 had a larger peak of the target lithium silicate compound Li 2 FeSiO 4 than the secondary particles of the sample 2, while the impurities were significantly smaller. For this reason, in sample 3 using silica having a small particle size, hard silica is finely dispersed, mixed well with iron oxide or lithium carbonate dissolved in a solvent, and heat-treated in a well-dispersed state. For this reason, it is thought that the lithium silicate type compound with high reactivity between each particle | grains and high purity produced | generated.

(試料4)
本試料は、熱処理温度を600℃とした以外は試料1と同様に複合材料を作製した。
(Sample 4)
For this sample, a composite material was prepared in the same manner as Sample 1 except that the heat treatment temperature was 600 ° C.

上記の試料1、4の複合材料についてX線回折パターンを測定し、図9に示した。図9の最上段は、試料4の回折パターンであり、次の段は、試料1の回折パターンであり、下方の5段のパターンは上から順に、Fe、LiSiO、Fe、Si、FeOの標準ピーク位置を示すパターンである。目的物のリチウムシリケート系化合物LiFeSiOに由来するピーク位置は、回折パターンに丸印○で示した。なお、Fe、LiSiO、Fe、Si、FeOは、リチウムシリケート系化合物に含まれ得る不純物である。 The X-ray diffraction patterns of the composite materials of Samples 1 and 4 were measured and shown in FIG. The top stage of FIG. 9 is the diffraction pattern of the sample 4, the next stage is the diffraction pattern of the sample 1, and the lower five stage patterns are Fe 3 O 4 , Li 2 SiO 3 , Fe in order from the top. It is a pattern which shows the standard peak position of Si, FeO. The peak position derived from the target lithium silicate compound Li 2 FeSiO 4 is indicated by a circle ○ in the diffraction pattern. Note that Fe 3 O 4 , Li 2 SiO 3 , Fe, Si, and FeO are impurities that can be included in the lithium silicate compound.

図9に示すように、試料1の複合材料の回折パターンは、試料4よりもリチウムシリケートに由来するピーク強度が高かった。このため、試料1の複合材料では、試料4よりもリチウムシリケート系化合物の結晶が成長して単相となっていると考えられる。試料4では、不純物が多く存在しており、単相化が進んでいない。   As shown in FIG. 9, the diffraction pattern of the composite material of Sample 1 had a higher peak intensity derived from lithium silicate than Sample 4. For this reason, in the composite material of the sample 1, it is thought that the crystal | crystallization of a lithium silicate type compound grows rather than the sample 4, and becomes a single phase. In sample 4, many impurities are present, and the single phase has not progressed.

(試料5)
本試料は、熱処理温度を650℃とした以外は試料1と同様に複合材料を作製した。
(Sample 5)
For this sample, a composite material was prepared in the same manner as Sample 1 except that the heat treatment temperature was 650 ° C.

(試料6)
本試料は、熱処理温度を800℃とした以外は試料1と同様に複合材料を作製した。
(Sample 6)
For this sample, a composite material was prepared in the same manner as Sample 1 except that the heat treatment temperature was 800 ° C.

(試料7)
本試料は、熱処理温度を900℃とした以外は試料1と同様に複合材料を作製した。
(Sample 7)
For this sample, a composite material was prepared in the same manner as Sample 1 except that the heat treatment temperature was 900 ° C.

(試料8)
本試料は、熱処理温度を700℃とし、熱処理時間を0.5時間とした以外は、試料1と同様に複合材料を作製した。
(Sample 8)
For this sample, a composite material was prepared in the same manner as Sample 1, except that the heat treatment temperature was 700 ° C. and the heat treatment time was 0.5 hours.

(試料9)
本試料は、熱処理温度を700℃とし、熱処理時間を10時間とした以外は、試料1と同様に複合材料を作製した。
(Sample 9)
For this sample, a composite material was prepared in the same manner as Sample 1, except that the heat treatment temperature was 700 ° C. and the heat treatment time was 10 hours.

試料1、4〜8の複合材料のX線回折パターンを測定し、図10に示した。図10の試料1のスペクトルは、図9の試料1のスペクトルと同様であり、同じ位置にリチウムシリケートLiFeSiO由来のピークがある。図10に示すように、熱処理温度が高くなるほど、リチウムシリケート系化合物LiFeSiOに由来するピークが大きくなり、結晶が成長していることがわかった。また、熱処理温度が高くなるほど、不純物が少なくなった。熱処理温度が同じで処理時間を10時間と長くした試料9は、熱処理時間が2時間の試料1と同様の結晶構造であり、リチウムシリケート系化合物の顕著な成長は認められなかった。また、熱処理時間を30分と短くした試料9は、熱処理時間が2時間の試料1とパターンは変わらず、結晶の顕著な変化は認められなかった。このことから、熱処理温度が高いほど結晶が成長すること、熱処理時間が0.5時間であれば、結晶成長は十分であることがわかった。 The X-ray diffraction patterns of the composite materials of Samples 1 and 4 to 8 were measured and are shown in FIG. The spectrum of sample 1 in FIG. 10 is the same as the spectrum of sample 1 in FIG. 9, and there is a peak derived from lithium silicate Li 2 FeSiO 4 at the same position. As shown in FIG. 10, it was found that the higher the heat treatment temperature, the larger the peak derived from the lithium silicate compound Li 2 FeSiO 4 , and the crystal grew. In addition, the higher the heat treatment temperature, the less impurities. Sample 9 with the same heat treatment temperature and a treatment time of 10 hours had the same crystal structure as Sample 1 with a heat treatment time of 2 hours, and no significant growth of the lithium silicate compound was observed. Further, Sample 9 with a heat treatment time of 30 minutes was the same as Sample 1 with a heat treatment time of 2 hours, and no significant change in crystal was observed. From this, it was found that the higher the heat treatment temperature, the more the crystal grows, and the crystal growth is sufficient if the heat treatment time is 0.5 hours.

次に、試料1,5〜7,9のSEM写真を撮影した。図11には、試料6,7の複合材料のSEM写真を示し、図12は、試料5,9のSEM写真を示した。図13には、試料6のSEM断面写真を示した。前述したように、試料1のSEM写真は図3に、SEM断面写真は図4に示した。   Next, SEM photographs of Samples 1, 5 to 7 and 9 were taken. FIG. 11 shows SEM photographs of the composite materials of Samples 6 and 7, and FIG. 12 shows SEM photographs of Samples 5 and 9. In FIG. 13, the SEM cross-sectional photograph of the sample 6 was shown. As described above, the SEM photograph of Sample 1 is shown in FIG. 3, and the SEM cross-sectional photograph is shown in FIG.

前述したように、熱処理温度が700℃である場合(試料1)では、図3、図4に示すように、複数の一次粒子が凝集して二次粒子を形成していた。一次粒子の表面は、炭素材料(モヤモヤした部分)で被覆されていた。   As described above, when the heat treatment temperature is 700 ° C. (sample 1), as shown in FIGS. 3 and 4, a plurality of primary particles aggregate to form secondary particles. The surface of the primary particles was covered with a carbon material (moy portion).

図11に示すように、熱処理温度が800℃である場合(試料6)には、リチウムシリケートの結晶粒が大きく成長していた。リチウムシリケートの粒子が複数集合しており、炭素材料とともに二次粒子を形成していた。二次粒子の二次粒子径は、熱処理温度が700℃のときよりも大きかった。二次粒子の中では、炭素材料は、リチウムシリケートの粒子を被覆しておらず、リチウムシリケートの粒子間に存在していた。図13に示すように、リチウムシリケート系化合物は若干連なっているが、多くは独立した球形の粒子を形成していた。   As shown in FIG. 11, when the heat treatment temperature was 800 ° C. (sample 6), the crystal grains of lithium silicate grew greatly. A plurality of lithium silicate particles were aggregated and formed secondary particles together with the carbon material. The secondary particle diameter of the secondary particles was larger than when the heat treatment temperature was 700 ° C. Among the secondary particles, the carbon material did not cover the lithium silicate particles and existed between the lithium silicate particles. As shown in FIG. 13, the lithium silicate compounds are slightly continuous, but many of them formed independent spherical particles.

図11に示すように、熱処理温度が900℃である場合(試料7)には、リチウムシリケートの結晶粒が更に大きく成長していた。この粒子は複数が集合し、各粒子間に炭素材料を介在させた状態で、二次粒子を形成していた。二次粒子の二次粒子径は、熱処理温度が700℃、800℃のときよりも大きかった。   As shown in FIG. 11, when the heat treatment temperature was 900 ° C. (sample 7), the crystal grains of lithium silicate grew larger. A plurality of these particles gathered to form secondary particles with a carbon material interposed between the particles. The secondary particle diameter of the secondary particles was larger than when the heat treatment temperatures were 700 ° C and 800 ° C.

図12に示すように、熱処理温度を650℃と低くした場合(試料5)では、700℃で熱処理した場合と同様に、二次粒子が形成されていたが、二次粒子径は比較的小さかった。650℃の熱処理でも、700℃の熱処理と同様に、二次粒子は、リチウムシリケート粒子の表面が炭素材料で被覆されて一次粒子を形成し、一次粒子が多数凝集して各二次粒子を形成していた。   As shown in FIG. 12, when the heat treatment temperature was lowered to 650 ° C. (Sample 5), secondary particles were formed as in the case of heat treatment at 700 ° C., but the secondary particle diameter was relatively small. It was. Even in the heat treatment at 650 ° C., similarly to the heat treatment at 700 ° C., the secondary particles are coated with a carbon material on the surface of the lithium silicate particles to form primary particles, and a large number of primary particles are aggregated to form each secondary particle. Was.

熱処理温度を700℃とし、熱処理時間を10時間と長くした場合(試料9)には、熱処理時間が2時間であるとき(試料1)よりも、二次粒子の二次粒子径が大きかった。   When the heat treatment temperature was 700 ° C. and the heat treatment time was as long as 10 hours (Sample 9), the secondary particle diameter of the secondary particles was larger than when the heat treatment time was 2 hours (Sample 1).

以上の観察結果より、熱処理温度が650℃、700℃の場合には、図16に示すように、リチウムシリケート系化合物からなるシリケートコア部11の表面が、炭素材料からなる炭素被覆部12により被覆されることにより一次粒子1が形成されていた。複数の一次粒子1は互いに凝集して二次粒子2を形成していた。このような二次粒子2の集合により複合材料20が形成されていることがわかった。   From the above observation results, when the heat treatment temperatures are 650 ° C. and 700 ° C., as shown in FIG. 16, the surface of the silicate core portion 11 made of a lithium silicate compound is covered with the carbon covering portion 12 made of a carbon material. As a result, primary particles 1 were formed. The plurality of primary particles 1 aggregated with each other to form secondary particles 2. It was found that the composite material 20 was formed by the assembly of such secondary particles 2.

表2に、試料1,5〜9の二次粒子の二次粒子径と、複合材料全体を100質量%としたときの炭素材料の質量比(質量%)を示した。   Table 2 shows the secondary particle diameter of the secondary particles of Samples 1 to 5 and the mass ratio (mass%) of the carbon material when the entire composite material is 100 mass%.

表2に示すように、熱処理温度が高くなるに従って、二次粒子径が大きくなり、また、炭素材料の質量比が小さくなった。二次粒子径が大きくなるのは、熱処理温度が高くなるほど、リチウムシリケートの結晶粒が成長するからである。また、炭素材料の質量比が小さくなるのは、熱処理温度が高くなるほど、炭素(C)が二酸化炭素と反応しやすく、ガスを形成して蒸発したため,炭素材料の残存量が低下したと推測される。   As shown in Table 2, as the heat treatment temperature was increased, the secondary particle size was increased and the mass ratio of the carbon material was decreased. The reason why the secondary particle size increases is that the crystal grains of lithium silicate grow as the heat treatment temperature increases. In addition, the mass ratio of the carbon material is decreased. It is estimated that the higher the heat treatment temperature, the easier the carbon (C) reacts with carbon dioxide and the gas is evaporated to evaporate. The

次に、試料1、5〜9の複合材料について、BET比表面積、細孔直径、及び細孔体積を測定した。BET比表面積は、ガス吸着法により測定した。細孔直径は、二次粒子の内部に形成されている細孔の平均直径をいい、ガス吸着法により測定した。細孔体積は、複合材料1g当たりの細孔の容積をいい、ガス吸着法により測定した。   Next, the BET specific surface area, the pore diameter, and the pore volume were measured for the composite materials of Samples 1 and 5-9. The BET specific surface area was measured by a gas adsorption method. The pore diameter means an average diameter of pores formed in the secondary particles, and was measured by a gas adsorption method. The pore volume refers to the volume of pores per gram of the composite material, and was measured by a gas adsorption method.

表3に示すように、複合材料のBET比表面積は、熱処理温度が高くなるに従って低下する傾向があった。700℃での熱処理時間が0.5時間、2時間、10時間と変化させた場合には、2時間の場合にBET比表面積が最も高かった。   As shown in Table 3, the BET specific surface area of the composite material tended to decrease as the heat treatment temperature increased. When the heat treatment time at 700 ° C. was changed to 0.5 hours, 2 hours, and 10 hours, the BET specific surface area was the highest in the case of 2 hours.

二次粒子の細孔直径は、熱処理温度及び熱処理時間を変化させてもほぼ一定で直径11.46〜11.7nmの範囲であった。複合材料の細孔体積は、熱処理温度が高くなるに従って小さくなる傾向があった。また、700℃で熱処理をするときには、熱処理時間が2時間のときに細孔体積が最も高かった。   The pore diameter of the secondary particles was almost constant even when the heat treatment temperature and the heat treatment time were changed, and ranged from 11.46 to 11.7 nm. The pore volume of the composite material tended to decrease as the heat treatment temperature increased. When heat treatment was performed at 700 ° C., the pore volume was highest when the heat treatment time was 2 hours.

以上のことから、700℃で2時間熱処理した複合材料は、直径約11nm以下の細孔を多く含んでおり、微細な孔が多く存在することがわかった。   From the above, it was found that the composite material heat-treated at 700 ° C. for 2 hours contains many pores having a diameter of about 11 nm or less and many fine pores exist.

次に、試料1、5〜7,9の複合材料を用いて上記「リチウムイオン二次電池」と同様の手法によりリチウムイオン二次電池を作製した。各電池の充放電曲線を作成した。図14には、試料6、7の電池の充放電曲線を示し、図15には、試料5、9の電池の充放電曲線を示した。また、表4に試料3,5〜7,9の初期充電容量及び初期放電容量を示した。   Next, a lithium ion secondary battery was fabricated using the composite materials of Samples 1, 5 to 7, and 9 by the same method as the above “lithium ion secondary battery”. A charge / discharge curve of each battery was prepared. FIG. 14 shows charge / discharge curves of the batteries of Samples 6 and 7, and FIG. 15 shows charge / discharge curves of the batteries of Samples 5 and 9. Table 4 shows the initial charge capacity and initial discharge capacity of Samples 3, 5 to 7, and 9.

図14,図15に示すように、700℃、2時間の熱処理を行った試料1が、他の試料に比べて、高い充放電特性を示した。また、初期放電容量も試料1が最も高かった。その理由は、電池反応の場であるシリケートコア部が微細に分散し、しかも各シリケートコア部が炭素被覆部で被覆されているため、シリケートコア部間の導電性がよくなり、複合材料全体の導電性が大幅に向上したためであると考えられる。   As shown in FIGS. 14 and 15, Sample 1 that was heat-treated at 700 ° C. for 2 hours showed higher charge / discharge characteristics than other samples. Sample 1 also had the highest initial discharge capacity. The reason is that the silicate core part, which is the place of battery reaction, is finely dispersed, and each silicate core part is covered with a carbon coating part, so the conductivity between the silicate core parts is improved, and the entire composite material is This is probably because the conductivity was greatly improved.

熱処理を700℃、2時間行った場合が最も充放電特性がよかったが、700℃、10時間の熱処理を行った場合(試料9)、及び650℃、2時間の熱処理を行った場合(試料5)も、良好な結果を示した。   The charge and discharge characteristics were best when the heat treatment was performed at 700 ° C. for 2 hours, but when the heat treatment was performed at 700 ° C. for 10 hours (Sample 9) and when the heat treatment was performed at 650 ° C. for 2 hours (Sample 5) ) Also showed good results.

また、熱処理温度が高くなるほど充放電特性が低下した。これは、リチウムシリケート粒子の結晶粒が大きく成長し、しかも炭素材料により被覆されることなく炭素材料がリチウムシリケート粒子とは別個に二次粒子中で分散していたため、各シリケート粒子間の導電性が低下したためであると考えられる。   Moreover, the charge / discharge characteristics decreased as the heat treatment temperature increased. This is because the crystal grains of the lithium silicate particles grow large, and the carbon material is dispersed in the secondary particles separately from the lithium silicate particles without being covered with the carbon material, so that the conductivity between the silicate particles is This is thought to be due to the decrease in

1:一次粒子、11:シリケートコア部、12:炭素被覆部、2:二次粒子、20:複合材料、3:ガス供給部、4:噴霧器、5:乾燥室、6:サイクロン装置、7:ガス排出部。 1: primary particles, 11: silicate core part, 12: carbon coating part, 2: secondary particles, 20: composite material, 3: gas supply part, 4: sprayer, 5: drying chamber, 6: cyclone apparatus, 7: Gas exhaust section.

Claims (21)

複数の一次粒子が凝集してなる二次粒子を有する複合材料であって、
前記一次粒子は、リチウム(Li)、珪素(Si)及び酸素(O)を含むリチウムシリケート系化合物からなるシリケートコア部と、炭素材料からなり前記シリケートコア部の表面を被覆する炭素被覆部とからなり、
前記二次粒子の内部には平均直径20nm以下の細孔が形成されていることを特徴とする複合材料。
A composite material having secondary particles formed by aggregation of a plurality of primary particles,
The primary particles include a silicate core portion made of a lithium silicate compound containing lithium (Li), silicon (Si) and oxygen (O), and a carbon coating portion made of a carbon material and covering the surface of the silicate core portion. Become
Composite material characterized that you have formed the following average pore diameter 20nm inside of the secondary particles.
前記リチウムシリケート系化合物は、一般式Li1+2y1+zSiO4+w(MはFe、Mn、及びCoの中から選ばれる1種以上、0.25<y<0.6、0<z<0.2かつ0<w<1.2)で表される請求項1記載の複合材料。 The lithium silicate compound has a general formula of Li 1 + 2y M 1 + z SiO 4 + w (M is one or more selected from Fe, Mn, and Co, 0.25 <y <0.6, 0 <z <0.2. The composite material according to claim 1, wherein 0 <w <1.2). 前記シリケートコア部の平均直径は、48nm以上198nm以下である請求項1又は2に記載の複合材料。   The composite material according to claim 1 or 2, wherein an average diameter of the silicate core portion is 48 nm or more and 198 nm or less. 前記炭素被覆部の平均厚みは2nm以上20nm以下である請求項1〜3のいずれか1項に記載の複合材料。   The composite material according to claim 1, wherein an average thickness of the carbon coating portion is 2 nm or more and 20 nm or less. 前記一次粒子の一次粒子径は、50nm以上200nm以下である請求項1〜4のいずれか1項に記載の複合材料。   The composite material according to any one of claims 1 to 4, wherein a primary particle diameter of the primary particles is 50 nm or more and 200 nm or less. 前記二次粒子の二次粒子径は100nm以上10μm以下である請求項1〜5のいずれか1項に記載の複合材料。   The composite material according to any one of claims 1 to 5, wherein a secondary particle diameter of the secondary particles is 100 nm or more and 10 µm or less. 前記複合材料の全体を100質量%としたときに、前記炭素材料の質量比は、5質量%以上20質量%以下である請求項1〜のいずれか1項に記載の複合材料。 The composite material according to any one of claims 1 to 6 , wherein a mass ratio of the carbon material is 5% by mass or more and 20% by mass or less when the total amount of the composite material is 100% by mass. 複数の一次粒子が凝集してなる二次粒子を有し、前記一次粒子は、リチウム(Li)、珪素(Si)及び酸素(O)を含むリチウムシリケート系化合物からなるシリケートコア部と、炭素材料からなり前記シリケートコア部の表面を被覆する炭素被覆部とからなる複合材料の製造方法であって、
前記リチウムシリケート系化合物の原料である化合物原料と、前記炭素材料の原料である炭素原料とに溶媒存在下で機械的エネルギーを付与して前記化合物原料及び前記炭素原料とからなる混合原料を得るエネルギー付与工程と、
前記溶媒存在下で前記機械的エネルギーが付与された前記混合原料を噴霧乾燥させることで、前記溶媒を乾燥させるとともに前記混合原料を造粒させる造粒工程と、
前記造粒された前記混合原料に650℃以上800℃以下にて熱処理を行う熱処理工程と、を行うことを特徴とする複合材料の製造方法。
A silicate core portion made of a lithium silicate compound containing lithium (Li), silicon (Si) and oxygen (O), and a carbon material having secondary particles formed by aggregating a plurality of primary particles A method for producing a composite material comprising a carbon coating portion covering the surface of the silicate core portion, comprising:
Energy for obtaining a mixed raw material comprising the compound raw material and the carbon raw material by imparting mechanical energy to the compound raw material that is the raw material of the lithium silicate compound and the carbon raw material that is the raw material of the carbon material in the presence of a solvent. Granting process;
A granulation step of drying the solvent and granulating the mixed raw material by spray drying the mixed raw material to which the mechanical energy is applied in the presence of the solvent;
And a heat treatment step of heat-treating the granulated mixed raw material at 650 ° C. or higher and 800 ° C. or lower .
前記造粒工程において前記混合原料を噴霧乾燥させるには、前記混合原料にスプレードライを行う請求項に記載の複合材料の製造方法。 The method for producing a composite material according to claim 8 , wherein the mixed raw material is spray-dried in the granulation step by spray drying the mixed raw material. 前記熱処理工程で行う前記熱処理は、650℃以上700℃以下で行う請求項又はに記載の複合材料の製造方法。 The method for manufacturing a composite material according to claim 8 or 9 , wherein the heat treatment performed in the heat treatment step is performed at 650 ° C or more and 700 ° C or less. 前記熱処理工程で行う熱処理は、0.3時間以上15時間以下で行う請求項8〜10のいずれか1項に記載の複合材料の製造方法。 The method for producing a composite material according to any one of claims 8 to 10 , wherein the heat treatment performed in the heat treatment step is performed for 0.3 hours or more and 15 hours or less. 前記化合物原料は、リチウム源を有するリチウム原料と、Fe、Mn、及びCoの中から選ばれる1種以上からなる遷移金属源を含む金属原料と、珪素源を有する珪素原料とを有する請求項8〜11のいずれか1項に記載の複合材料の製造方法。 Said compound raw material, according to claim 8 comprising a lithium source with lithium source, Fe, Mn, and a metal material containing a transition metal source comprising one or more selected from among Co, and a silicon material having a silicon source The manufacturing method of the composite material of any one of -11 . 前記化合物原料は、前記溶媒に溶解し難い難溶解性成分を含む請求項8〜12のいずれか1項に記載の複合材料の製造方法。 The said compound raw material is a manufacturing method of the composite material of any one of Claims 8-12 containing the hardly soluble component which is hard to melt | dissolve in the said solvent. 前記珪素原料はSiOである請求項12又は13に記載の複合材料の製造方法。 The method of producing a composite material according the silicon raw material in claim 12 or 13, which is a SiO 2. 前記珪素原料の粒径は、50nm以上500nm以下である請求項12〜14のいずれか1項に記載の複合材料の製造方法。 The method for producing a composite material according to any one of claims 12 to 14 , wherein a particle diameter of the silicon raw material is 50 nm or more and 500 nm or less. 前記炭素原料は、デキストリンである請求項8〜15のいずれか1項に記載の複合材料の製造方法。 The method for producing a composite material according to claim 8 , wherein the carbon raw material is dextrin. 前記化合物原料と前記炭素原料とに前記機械的エネルギーを付与するにあたっては、ミリングを行う請求項8〜16のいずれか1項に記載の複合材料の製造方法。 The method for producing a composite material according to any one of claims 8 to 16 , wherein milling is performed in applying the mechanical energy to the compound raw material and the carbon raw material. 請求項1〜のいずれか1項に記載された複合材からなることを特徴とする正極活物質。 Positive electrode active material, comprising the composite materials according to any one of claims 1-7. 請求項18に記載された正極活物質を有することを特徴とする正極。 A positive electrode comprising the positive electrode active material according to claim 18 . 請求項19に記載された正極と、負極と、電解質とを備えることを特徴とする非水電解質二次電池。 A nonaqueous electrolyte secondary battery comprising the positive electrode according to claim 19 , a negative electrode, and an electrolyte. 請求項8〜17のいずれかに記載の製造方法により製造された前記複合材料を用いる、非水電解質二次電池の製造方法。  The manufacturing method of a nonaqueous electrolyte secondary battery using the said composite material manufactured by the manufacturing method in any one of Claims 8-17.
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