JP6076772B2 - Si-based alloy negative electrode material for power storage device and electrode using the same - Google Patents

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Description

本発明は、リチウムイオン二次電池やハイブリットキャパシタ、全固体リチウムイオン二次電池など、充放電時にリチウムイオンの移動を伴う蓄電デバイスの導電性に優れるSi系合金負極材料およびそれを用いた電極に関するものである。   The present invention relates to a Si-based alloy negative electrode material that is excellent in conductivity of an electricity storage device that involves movement of lithium ions during charge and discharge, such as a lithium ion secondary battery, a hybrid capacitor, and an all solid lithium ion secondary battery, and an electrode using the same Is.

近年、携帯機器の普及に伴い、リチウムイオン電池を中心とした高性能二次電池の開発が盛んに行われている。さらに、自動車用や家庭用定置用蓄電デバイスとしてリチウムイオン二次電池やその反応機構を負極に適用したハイブリットキャパシタの開発も盛んになっている。それらの蓄電デバイスの負極材料としては、リチウムイオンを吸蔵及び放出することができる、天然黒鉛や人造黒鉛、コークスなどの炭素質材料が用いられている。しかし、これらの炭素質材料はリチウムイオンを炭素面間に挿入するため、負極に用いた際の理論容量は372mAh/gが限界であり、高容量化を目的とした炭素質材料に代わる新規材料の探索が盛んに行われている。   In recent years, with the spread of portable devices, development of high-performance secondary batteries centering on lithium-ion batteries has been actively conducted. Furthermore, lithium-ion secondary batteries and hybrid capacitors using the reaction mechanism of the lithium ion secondary battery as a negative electrode as active storage devices for automobiles and households have been actively developed. As a negative electrode material for these electricity storage devices, carbonaceous materials such as natural graphite, artificial graphite, and coke that can occlude and release lithium ions are used. However, since these carbonaceous materials insert lithium ions between the carbon surfaces, the theoretical capacity when used for the negative electrode is limited to 372 mAh / g, which is a new material that replaces carbonaceous materials for the purpose of increasing capacity. The search for is being actively conducted.

一方、炭素質材料に代わる材料として、Siが注目されている。その理由は、SiはLi22Si5 で表される化合物を形成して、大量のリチウムを吸蔵することができるため、炭素質材料を使用した場合に比較して負極の容量を大幅に増大でき、結果としてリチウムイオン二次電池やハイブリットキャパシタ、全固体電池の蓄電容量を増大することができる可能性を持っているためである。 On the other hand, Si has attracted attention as a material that can replace carbonaceous materials. The reason is that Si can form a compound represented by Li 22 Si 5 and occlude a large amount of lithium, so that the capacity of the negative electrode can be greatly increased compared to the case of using a carbonaceous material. As a result, there is a possibility that the storage capacity of the lithium ion secondary battery, the hybrid capacitor, or the all solid state battery can be increased.

しかし、Siを単独で負極材として使用した場合には、充電時にリチウムと合金化する際の膨張と、放電時にリチウムと脱合金化する際の収縮との繰返しによって、Si相が微粉化されて、使用中に電極基板からSi相が脱落したり、Si相間の電気伝導性が取れなくなるなどの不具合が生じるために、蓄電デバイスとしての寿命が極めて短いといった課題があった。   However, when Si is used alone as a negative electrode material, the Si phase is pulverized by repetition of expansion when alloying with lithium during charging and contraction when dealloying with lithium during discharging. There is a problem that the life as an electricity storage device is extremely short because problems such as the Si phase dropping off from the electrode substrate during use or the electrical conductivity between the Si phases being lost can occur.

また、Siは炭素質材料や金属系材料に比べて電気伝導性が悪く、充放電に伴う電子の効率的な移動が制限されているため、負極材としては炭素質材料など導電性を補う材料と組合せて使用されるが、その場合でも特に初期の充放電や高効率での充放電特性も課題となっている。   In addition, Si has poor electrical conductivity compared to carbonaceous materials and metal-based materials, and the efficient movement of electrons associated with charge / discharge is limited. Therefore, as a negative electrode material, a material that supplements conductivity, such as a carbonaceous material. However, even in that case, initial charge / discharge characteristics and charge / discharge characteristics with high efficiency are also problems.

このようなSi相を負極として利用する際の欠点を解決する方法として、Siなどの親リチウム相の少なくとも一部を、Siと遷移金属に代表される金属との金属間化合物で包囲した材料やその製造方法が、例えば、特開2001−297757号公報(特許文献1)や特開平10−312804号公報(特許文献2)に提案されている。   As a method for solving the drawbacks of using such a Si phase as a negative electrode, a material in which at least part of a parent lithium phase such as Si is surrounded by an intermetallic compound of Si and a metal typified by a transition metal, The manufacturing method is proposed by Unexamined-Japanese-Patent No. 2001-297757 (patent document 1) and Unexamined-Japanese-Patent No. 10-31804 (patent document 2), for example.

また、別の解決方法として、Si相を含む活物質の相をリチウムと合金化しないCuなどの導電性材料で被覆した電極やその製造方法が、例えば、特開2004−228059号公報(特許文献3)や特開2005−44672号公報(特許文献4)に提案されている。   As another solution, an electrode in which a phase of an active material containing a Si phase is coated with a conductive material such as Cu that is not alloyed with lithium and a method for manufacturing the same are disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228059 (Patent Document). 3) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-44672 (Patent Document 4).

特開2001−297757号公報JP 2001-297757 A 特開平10−312804号公報JP 10-31804 A 特開2004−228059号公報JP 2004-228059 A 特開2005−44672号公報JP 2005-44672 A

しかしながら、上述した活物質の相をCuなどの導電性材料で被覆する方法では、Si相を含む活物質を電極に形成する工程の前または後に、Cuめっきなどの方法で被覆する必要があり、また、被覆膜厚の制御など工業的に手間がかかるという問題がある。
また、Siなどの親リチウム相の少なくとも一部を金属間化合物で包囲した材料は、溶融後の凝固プロセス中に親リチウム相と金属間化合物が形成されるため、工業的に好ましいプロセスといえるが、それだけでは十分な充放電サイクル特性が得られないといった問題がある。
However, in the above-described method of coating the active material phase with a conductive material such as Cu, it is necessary to coat the active material containing the Si phase with a method such as Cu plating before or after the step of forming the active material on the electrode. Further, there is a problem that it takes time and labor from the industrial point of view, such as control of the coating film thickness.
A material in which at least a part of a parent lithium phase such as Si is surrounded by an intermetallic compound is an industrially preferable process because a parent lithium phase and an intermetallic compound are formed during the solidification process after melting. , There is a problem that sufficient charge / discharge cycle characteristics cannot be obtained.

そこで、本発明が解決しようとする課題は、Si系合金中のSi相や金属間化合物相の化学組成、構造、組織の大きさ等を高位に制御することで、リチウムイオン二次電池やハイブリットキャパシタ、全固体電池など、充放電時にリチウムイオンの移動を伴う蓄電デバイスに関し、充放電特性に優れるSi系合金負極材料を提案することである。   Therefore, the problem to be solved by the present invention is to control the chemical composition, structure, structure size, etc. of the Si phase or intermetallic compound phase in the Si-based alloy at a high level, thereby enabling the lithium ion secondary battery or hybrid to be controlled. It is to propose a Si-based alloy negative electrode material that is excellent in charge / discharge characteristics with respect to an electricity storage device that moves lithium ions during charge / discharge, such as a capacitor and an all solid state battery.

上述のような問題を解消するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、組織の微細化、優れたイオン伝導性と電子伝導性、応力緩和効果を高める成分系の制御とSi相や金属間化合物相の結晶子サイズを制御することで、優れた電池特性が得られるSi系合金負極材料を見出した。   In order to solve the problems as described above, the inventors have intensively developed, and as a result, refinement of the structure, excellent ion conductivity and electron conductivity, control of the component system that enhances the stress relaxation effect, Si phase and The present inventors have found a Si-based alloy negative electrode material capable of obtaining excellent battery characteristics by controlling the crystallite size of the intermetallic compound phase.

そこで、本発明の課題を解決するための手段として、
請求項1の手段では、充放電時にリチウムイオンの移動が伴う蓄電デバイス用Si系合金からなる負極材料であって、前記Si系合金からなる負極材料が、SiからなるSi主要相とSiとSi以外の一種以上の元素からなる化合物相を有し、前記化合物相が、SiとCuからなるSi X Cu Y (X<Y)化合物相を含んでなる相を有し、前記Si主要相のSi結晶子サイズが30nm以下であり、かつ、SiとCuからなる化合物相の結晶子サイズが40nm以下であることを特徴とする蓄電デバイス用Si系合金からなる負極材料である。
Therefore, as means for solving the problems of the present invention,
According to the first aspect of the present invention, a negative electrode material made of a Si-based alloy for an electricity storage device accompanied by movement of lithium ions during charge / discharge, wherein the negative electrode material made of the Si-based alloy is composed of Si main phase made of Si, Si and Si has a compound phase composed of one or more elements other than the compound phase, Si of Si and Cu X Cu Y have the (X <Y) comprising a compound phase phase, the Si major phase Si A negative electrode material comprising a Si-based alloy for an electricity storage device, wherein the crystallite size is 30 nm or less and the crystallite size of a compound phase comprising Si and Cu is 40 nm or less.

請求項2の手段では、請求項1に記載した蓄電デバイス用Si系合金からなる負極材料において、前記合金中のCu含有量が30〜80at.%であることを特徴とする蓄電デバイス用Si系合金からなる負極材料である。   According to a second aspect of the present invention, in the negative electrode material comprising the Si-based alloy for an electricity storage device according to the first aspect, the Cu content in the alloy is 30 to 80 at. %, A negative electrode material made of a Si-based alloy for power storage devices.

請求項3の手段では、請求項1〜2に記載した蓄電デバイス用Si系合金からなる負極材料の前記化合物相に、Cr、Ti、V、Mn、Fe、Ni、Nb、Zn、Al、Co、Zr、Pd、Bi、In、Sb、Snからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素を含み、合計含有量が0.05at.%〜5at.%であることを特徴とする蓄電デバイス用Si系合金からなる負極材料である。   According to the third aspect of the present invention, the compound phase of the negative electrode material made of the Si-based alloy for an electricity storage device according to any one of the first to second aspects is added to Cr, Ti, V, Mn, Fe, Ni, Nb, Zn, Al, Co. , Zr, Pd, Bi, In, Sb, Sn, at least one element selected from the group consisting of 0.05 at. % To 5 at. %, A negative electrode material made of a Si-based alloy for power storage devices.

本発明合金においてCuはSi相と微細共晶組織の形成に有効であるとともに、前記蓄
電デバイス用Si系合金負極材料の化学成分の制御に加えて、Si相が結晶子サイズ30nm以下に、またSiとCuの化合物相の結晶子サイズが、40nm以下とすることで、Siへのリチウムの吸蔵・放出時の体積膨張により生じる応力の緩和、Siの微粉化による電気的孤立を防ぐ役割を果たし、優れた充放電サイクル特性が得られる。
In the alloy of the present invention, Cu is effective for forming a fine eutectic structure with the Si phase, and in addition to controlling the chemical component of the Si-based alloy negative electrode material for the electricity storage device, the Si phase has a crystallite size of 30 nm or less, When the crystallite size of the compound phase of Si and Cu is 40 nm or less, it plays the role of mitigating stress caused by volume expansion at the time of occlusion / release of lithium to Si, and preventing electrical isolation due to Si pulverization. Excellent charge / discharge cycle characteristics can be obtained.

さらに、前記蓄電デバイス用Si系合金負極材料の化学成分の制御することで、優れた充放電サイクル特性が得られる。Cu含有量が30〜80at.%で特にその効果が大きい。   Furthermore, by controlling the chemical component of the Si-based alloy negative electrode material for an electricity storage device, excellent charge / discharge cycle characteristics can be obtained. Cu content is 30 to 80 at. % Is particularly effective.

また、蓄電デバイス用Si系合金負極材料のSiとCu試料にCr、Ti、V、Mn、
Fe、Ni、Nb、Pd、Zn、Al、Co、Zr、Pd、Bi、In、Sb、Snといった添加元素を一種以上、合計量が0.05at.%〜5at.%含有し、結晶子サイズを制御することで、化合物相が微細Si相の周囲を取り囲み、Siの微粉化、Siへのリチウムの吸蔵・放出時の体積膨張により生じる応力を緩和し、電極の崩壊、Siの電気的孤立を防ぐ役割を果たす
Also, Cr, Ti, V, Mn, Si and Cu samples of Si-based alloy negative electrode material for electricity storage devices,
One or more additive elements such as Fe, Ni, Nb, Pd, Zn, Al, Co, Zr, Pd, Bi, In, Sb, and Sn, and the total amount is 0.05 at. % To 5 at. By controlling the crystallite size, the compound phase surrounds the periphery of the fine Si phase, and mitigates the stress caused by the pulverization of Si and the volume expansion at the time of insertion and extraction of lithium into and from the Si. It plays a role in preventing collapse and electrical isolation of Si .

以上述べたように、本発明は高容量かつ繰り返し充放電時のサイクル特性に優れた蓄電
デバイス用Si系合金負極材料を提供できる極めて優れた効果を奏するものである。
As described above, the present invention has an extremely excellent effect of providing a Si-based alloy negative electrode material for an electricity storage device having a high capacity and excellent cycle characteristics during repeated charge / discharge.

Si−Cuの二元系の状態図を示す図である。It is a figure which shows the phase diagram of the binary system of Si-Cu.

以下に、本発明について詳細に説明する。
リチウムイオン二次電池の充放電容量はリチウムの移動量で決まってくる。リチウムを多量に吸蔵・放出できる物質が求められている。そこで、負極材料にはリチウム金属を使用すれば一番効率が良いのだが、充放電に伴うデンドライドの形成により引き起こされる電池の発火など安全性に問題がある。そこで、現在はリチウムをより多く吸蔵・放出できる合金の研究が進んでおり、それら合金の中でもSiは多量にリチウムを吸蔵・放出できる物質として有望視されている。そのため、合金相の主要相としてSiを採用する。
The present invention is described in detail below.
The charge / discharge capacity of a lithium ion secondary battery is determined by the amount of lithium transferred. There is a need for a material that can occlude and release large amounts of lithium. Therefore, although lithium metal is most effective when used as the negative electrode material, there are safety problems such as battery ignition caused by the formation of dendrites during charging and discharging. Therefore, studies on alloys that can occlude and release more lithium are currently underway, and among these alloys, Si is promising as a substance that can occlude and release lithium in large quantities. Therefore, Si is adopted as the main phase of the alloy phase.

しかし、Siはリチウムの吸蔵・放出時に約400%もの体積膨張を引き起こすため、電極からSiが剥離・脱落したり、Siが集電体との接触を保てなくなることで、サイクルに伴う充放電容量の急激な低下が起こる。また、SiはSi相サイズが大きすぎると、内部のSi相までリチウムと反応せずに、Siのリチウムと反応しやすい表層から膨張し、亀裂が生じ、次に内部の未反応Si相が膨張し、また亀裂が生じるといったことを繰り返すSiの微粉化が引き起こされる。これにより、電極からSiが剥離・脱落したり、Siが集電体との接触を保てなくなることで、サイクルに伴う充放電容量の急激な低下が起こる。   However, since Si causes volume expansion of about 400% when lithium is occluded / released, Si is peeled off or dropped from the electrode, or Si cannot maintain contact with the current collector. A sudden drop in capacity occurs. Also, if the Si phase size is too large, Si does not react with lithium up to the internal Si phase, but expands from the surface layer that easily reacts with lithium of Si, cracks occur, and then the internal unreacted Si phase expands. In addition, the Si is pulverized repeatedly such that cracks occur. As a result, Si peels off from the electrode, or Si cannot maintain contact with the current collector, resulting in a rapid decrease in charge / discharge capacity associated with the cycle.

図1は、Si−Cu二元系の状態図を示す。この図に示すように、Si−Cu合金溶融物を冷却すると液相線温度(例えば、Si:64原子%−Cu:36原子%の場合は1200℃)に達した時に初晶としてSiが析出し始める。この初晶は液体急冷法やアトマイズ法のように冷却速度が大きければ粒状晶として析出し、温度が固相線温度(802℃)に達するとSiとSiCu3 の共晶反応が起こり凝固が完了する。このように、Siリッチ側の状態図ではSi相とSiCu3 相との共晶反応であり、Si相をSiCu3 相が取り囲む組織になる。 FIG. 1 shows a phase diagram of the Si—Cu binary system. As shown in this figure, when the Si—Cu alloy melt is cooled, Si is precipitated as the primary crystal when the liquidus temperature is reached (eg, 1200 ° C. in the case of Si: 64 atomic% —Cu: 36 atomic%). Begin to. This primary crystal precipitates as a granular crystal if the cooling rate is high as in the liquid quenching method or the atomizing method, and when the temperature reaches the solidus temperature (802 ° C.), a eutectic reaction between Si and SiCu 3 occurs and solidification is completed. To do. Thus, in the phase diagram on the Si rich side, it is a eutectic reaction between the Si phase and the SiCu 3 phase, and the Si phase surrounds the SiCu 3 phase.

一方、Cu以外とSiとを合金化させる元素の組合せとして、例えばFe−Si、Ni−Si、Mn−Si、Co−Si、Cr−Si、Si−W、Mo−Si、Nb−Si、Si−Ti、Si−V等が考えられる。しかし、これらは、いずれもFeSi2 、NiSi2 、CoSi2 、CrSi2 、WSi2 、MoSi2 、MnSi2 、NbSi2 、TiSi2 、VSi2 と金属元素よりもSiリッチな組成が残ることになる。 On the other hand, as a combination of elements that alloy Si other than Cu, for example, Fe-Si, Ni-Si, Mn-Si, Co-Si, Cr-Si, Si-W, Mo-Si, Nb-Si, Si -Ti, Si-V, etc. are conceivable. However, it will both FeSi 2, NiSi 2, CoSi 2 , CrSi 2, WSi 2, MoSi 2, MnSi 2, NbSi 2, TiSi 2, VSi 2 and the Si-rich composition remains than metal elements .

上記のSiと遷移元素との組合せで唯一Cuが金属リッチな化合物(SiCu3 )としてSi相と平衡する。このCuリッチな化合物(SiCu3 の抵抗値を調べると、SiCu3 :16.3×10-4Ω・m、同様に、FeSi2 :1000×10-4Ω・m、NiSi2 :50×10-4Ω・m、CoSi2 :18×10-4Ω・mとSiCu3 が他のシリサイド化合物に比べて抵抗値の低いことが分かる。 The combination of Si and the transition element described above equilibrates with the Si phase as the only Cu-rich compound (SiCu 3 ). When the resistance value of this Cu-rich compound (SiCu 3 is examined, SiCu 3 : 16.3 × 10 −4 Ω · m, similarly, FeSi 2 : 1000 × 10 −4 Ω · m, NiSi 2 : 50 × 10 It can be seen that −4 Ω · m, CoSi 2 : 18 × 10 −4 Ω · m and SiCu 3 have a lower resistance value than other silicide compounds.

SiCu3 の抵抗値が最も低かった要因は二つあり、一つ目はSiCu3 が他のシリサイド化合物に比べて金属リッチな組成であることである。二つ目として、原料の遷移金属元素に注目すると、Cu:1.73×10-4Ω・m、Fe:10×10-4Ω・m、Ni:11.8×10-4Ω・m、Co:9.71×10-4Ω・m、と単体Cuは他の遷移金属元素と比較しても極めて抵抗値が低く、Siと最も抵抗値が低くなる遷移金属の組合せであったことである。 There are two factors that have the lowest resistance value of SiCu 3 , and the first is that SiCu 3 has a metal-rich composition compared to other silicide compounds. Secondly, when focusing on the transition metal element of the raw material, Cu: 1.73 × 10 −4 Ω · m, Fe: 10 × 10 −4 Ω · m, Ni: 11.8 × 10 −4 Ω · m , Co: 9.71 × 10 −4 Ω · m, and simple substance Cu had a very low resistance value compared to other transition metal elements, and was a combination of Si and the transition metal having the lowest resistance value It is.

上述のことからも分かるように、遷移金属シリサイド化合物の中で最も低い抵抗値をとるSiと遷移金属元素の組合せはSiとCuである。これは遷移金属シリサイド化合物の原料である単体Cuが他の単体遷移金属元素と比較しても極めて抵抗値が低く、かつSi相とSiとの遷移金属元素の組合せでは決して得られないSiとCu元素との金属リッチな化合物相(SixCuy(x<y))、例えば、SiCu3 相の形成が可能であることからである。このように最も抵抗値が低いことから、SiCu3 は上記したSiリッチな金属間化合物(FeSi2 、NiSi2 、CoSi2 、CrSi2 、WSi2 、MoSi2 、MnSi2 、NbSi2 、TiSi2 、VSi2 )よりも高い電気伝導性を示すことが分かる。 As can be seen from the above, the combination of Si and transition metal element having the lowest resistance value among the transition metal silicide compounds is Si and Cu. This is because Si and Cu, which are raw materials of transition metal silicide compounds, have extremely low resistance values compared to other single transition metal elements, and can never be obtained by a combination of transition metal elements of Si phase and Si. This is because a metal-rich compound phase with the element (SixCuy (x <y)), for example, a SiCu 3 phase can be formed. Thus, since the resistance value is the lowest, SiCu 3 is an Si-rich intermetallic compound (FeSi 2 , NiSi 2 , CoSi 2 , CrSi 2 , WSi 2 , MoSi 2 , MnSi 2 , NbSi 2 , TiSi 2 , It can be seen that the electric conductivity is higher than that of VSi 2 ).

上記のことより、Siとの遷移金属元素との組合せで唯一CuだけがSi相と金属リッチな化合物(SiCu3 )相を共晶反応により析出することが分かり、かつこのSiCu3 はSi−Cu二元系状態図からSiリッチな組成(例えば、Si:64原子%−Cu:36原子%)においてはSi相をSiCu3 相が取り囲む組織になっていることも分かっている。このことによりSiと他の遷移金属元素との組合せをはるかに上回る電気伝導性を持つSiCu3 相をSi相の回りに析出させることで、SiCu3 相がSiの乏しい電気伝導性を補う役割を果してくれる。さらに、SiCu3 相はSiに比べて硬度が低いためSiとリチウムとの反応により生じるSiの大きな体積膨張、収縮の変化による応力を緩和する相とも成り得る。また、化合物相に取られるSiが少なく、Cuを添加した場合、より多くのSi相が残るため、体積あたりの容量が大きいという特徴も有する。 From the above, it can be seen that only Cu in the combination of Si and the transition metal element precipitates the Si phase and the metal-rich compound (SiCu 3 ) phase by eutectic reaction, and this SiCu 3 is Si—Cu. It is also known from the binary phase diagram that in a Si-rich composition (for example, Si: 64 atom% -Cu: 36 atom%), the Si phase surrounds the SiCu 3 phase. This allows the SiCu 3 phase to precipitate around the Si phase, which has a much higher electrical conductivity than the combination of Si and other transition metal elements, so that the SiCu 3 phase plays a role in supplementing the poor electrical conductivity of Si. He will do it. Furthermore, since the SiCu 3 phase has a lower hardness than Si, it can also be a phase that relieves stress due to the large volume expansion and contraction of Si caused by the reaction between Si and lithium. Moreover, since there is little Si taken in a compound phase and when Cu is added, since more Si phases remain, it also has the characteristic that the capacity | capacitance per volume is large.

上記SiとCuの共晶組織に加えて、結晶子サイズを制御することで、さらにリチウム
イオン二次電池特性の改善が見込まれる。SiはSi相サイズが大きすぎると、内部のSi相までリチウムと反応せずに、Siのリチウムと反応しやすい表層から膨張し、亀裂が生じ、次に内部の未反応Si相が膨張し、また亀裂が生じるといったことを繰り返すSiの微粉化が引き起こされる。これにより、電極からSiが剥離・脱落したり、Siが集電体との接触を保てなくなることで、サイクルに伴う充放電容量の急激な低下が起こる。このことから、微分化が起こらないサイズまで微細組織にする必要があり、前記リチウムイオン二次電池用負極材料のSi相の結晶子サイズを30nm以下に制御するのが好ましい。より好ましくは、25nm以下であることが望ましい。特に、好ましくは10nm以下であることが望ましい。
In addition to the eutectic structure of Si and Cu, by controlling the crystallite size, further improvements in lithium ion secondary battery characteristics are expected. If the Si phase size is too large, Si does not react with lithium up to the internal Si phase, but expands from the surface layer that reacts easily with lithium of Si, cracks occur, and then the internal unreacted Si phase expands, Moreover, the pulverization of Si which repeats that a crack arises is caused. As a result, Si peels off from the electrode, or Si cannot maintain contact with the current collector, resulting in a rapid decrease in charge / discharge capacity associated with the cycle. For this reason, it is necessary to make the microstructure to a size that does not cause differentiation, and it is preferable to control the crystallite size of the Si phase of the negative electrode material for a lithium ion secondary battery to 30 nm or less. More preferably, it is 25 nm or less. In particular, it is preferably 10 nm or less.

Si相の結晶子サイズの制御については、上記に定めた成分の制御に加えて、原料粉末を溶解した後の凝固時の冷却速度の制御によって可能である。製造方法としては、水アトマイズ、単ロール急冷法、双ロール急冷法、ガスアトマイズ法、ディスクアトマイズ法、遠心アトマイズ等があるが、この限りではない。また、上記プロセスで冷却効果が不十分な場合、メカニカルミリング等を行うことも可能である。ミリング方法としては、ボールミル、ビーズミル、遊星ボールミル、アトライタ、振動ミル等があるが、この限りではない。   Control of the crystallite size of the Si phase is possible by controlling the cooling rate at the time of solidification after dissolving the raw material powder in addition to the control of the components defined above. Examples of the production method include water atomization, single-roll quenching method, twin-roll quenching method, gas atomization method, disk atomization method, and centrifugal atomization, but are not limited thereto. Further, when the cooling effect is insufficient in the above process, mechanical milling or the like can be performed. Examples of the milling method include a ball mill, a bead mill, a planetary ball mill, an attritor, and a vibration mill, but are not limited thereto.

また、Si主要相のSi結晶子サイズは、透過型電子顕微鏡(TEM)により直接観察
できる。または、粉末X線回折を用いることによって確認することができる。X線源として波長1.54059ÅのCuKα線を用い、2θ=20度〜80度の範囲で測定を行う。得られる回折スペクトルにおいては、結晶子サイズが小さくなるにつれて、比較的ブロードな回折ピークが観測される。粉末X線回折分析で得られるピークの半値幅から、Scherrerの式を用いて求めることができる(D(Å)=(K×λ)/(β×cosθ)D:結晶子の大きさ、K:Scherrerの定数、λ:使用X線管球の波長、β:結晶子の大きさによる回折線の拡がり、θ:回折角)。
Further, the Si crystallite size of the Si main phase can be directly observed by a transmission electron microscope (TEM). Alternatively, it can be confirmed by using powder X-ray diffraction. A CuKα ray having a wavelength of 1.54059 mm is used as an X-ray source, and measurement is performed in a range of 2θ = 20 degrees to 80 degrees. In the obtained diffraction spectrum, a relatively broad diffraction peak is observed as the crystallite size decreases. From the full width at half maximum of the peak obtained by powder X-ray diffraction analysis, it can be determined using the Scherrer equation (D (Å) = (K × λ) / (β × cos θ) D: crystallite size, K : Scherrer's constant, λ: wavelength of X-ray tube used, β: broadening of diffraction line depending on crystallite size, θ: diffraction angle).

結晶子サイズにおいて、Si主要相のみならず、金属間化合物相の結晶子サイズも重要
になる。SiとCuの金属間化合物の結晶子サイズを小さくすることで、金属間化合物の降伏応力を高めることや延性、靭性の向上が期待ができるため、膨張等の影響を受けた際に、亀裂の発生等を抑制し、良好なイオン伝導性、電子伝導性を確保できる。また、金属間化合物の結晶子サイズが小さくなることで大きな粒子よりもSi相とより大きな比表面積で接触し、Si相の体積膨張収縮による応力を効率良く吸収・緩和することが可能になる。さらに、Si相とより大きな比表面積で接触することで、リチウムイオン伝導性や電子伝導性パスが増え、よりスムーズな充放電反応を行うことが期待される。そのため、結晶子サイズを40nm以下に制御するのが好ましい。より好ましくは、20nm以下であることが望ましい。特に、好ましくは10nm以下であることが望ましい。
In the crystallite size, not only the Si main phase but also the crystallite size of the intermetallic compound phase becomes important. By reducing the crystallite size of the intermetallic compound of Si and Cu, it can be expected to increase the yield stress of the intermetallic compound and improve ductility and toughness. Generation | occurrence | production etc. can be suppressed and favorable ion conductivity and electronic conductivity can be ensured. Further, since the crystallite size of the intermetallic compound is reduced, it is possible to contact the Si phase with a larger specific surface area than to the larger particles, and to efficiently absorb and relax the stress due to the volume expansion and contraction of the Si phase. Furthermore, contact with the Si phase with a larger specific surface area is expected to increase the lithium ion conductivity and the electron conductivity path, and to perform a smoother charge / discharge reaction. Therefore, it is preferable to control the crystallite size to 40 nm or less. More preferably, it is 20 nm or less. In particular, it is preferably 10 nm or less.

金属間化合物の結晶子サイズにおいても、透過型電子顕微鏡(TEM)により直接観察
できる。または、粉末X線回折を用いることによって確認することができる。X線源として波長1.54059ÅのCuKα線を用い、2θ=20度〜80度の範囲で測定を行う。得られる回折スペクトルにおいては、結晶子サイズが小さくなるにつれて、比較的ブロードな回折ピークが観測される。粉末X線回折分析で得られるピークの半値幅から、Scherrerの式を用いて求めることができる(D(Å)=(K×λ)/(β×cosθ)D:結晶子の大きさ、K:Scherrerの定数、λ:使用X線管球の波長、β:結晶子の大きさによる回折線の拡がり、θ:回折角)。金属間化合物の結晶子サイズの制御については、原料粉末を溶解した後の凝固時の冷却速度の制御によって可能である。製造方法としては、水アトマイズ、単ロール急冷法、双ロール急冷法、ガスアトマイズ法、ディスクアトマイズ法、遠心アトマイズ等があるが、この限りではない。また、上記プロセスで冷却効果が不十分な場合、メカニカルミリング等を行うことも可能である。ミリング方法としては、ボールミル、ビーズミル、遊星ボールミル、アトライタ、振動ミル等があるが、この限りではない。
The crystallite size of the intermetallic compound can also be directly observed with a transmission electron microscope (TEM). Alternatively, it can be confirmed by using powder X-ray diffraction. A CuKα ray having a wavelength of 1.54059 mm is used as an X-ray source, and measurement is performed in a range of 2θ = 20 degrees to 80 degrees. In the obtained diffraction spectrum, a relatively broad diffraction peak is observed as the crystallite size decreases. From the full width at half maximum of the peak obtained by powder X-ray diffraction analysis, it can be determined using the Scherrer equation (D (Å) = (K × λ) / (β × cos θ) D: crystallite size, K : Scherrer constant, λ: wavelength of X-ray tube used, β: broadening of diffraction line depending on crystallite size, θ: diffraction angle). The crystallite size of the intermetallic compound can be controlled by controlling the cooling rate during solidification after dissolving the raw material powder. Examples of the production method include water atomization, single-roll quenching method, twin-roll quenching method, gas atomization method, disk atomization method, and centrifugal atomization, but are not limited thereto. Further, when the cooling effect is insufficient in the above process, mechanical milling or the like can be performed. Examples of the milling method include a ball mill, a bead mill, a planetary ball mill, an attritor, and a vibration mill, but are not limited thereto.

Cu含有量の規定はしないが、Cuを30〜80at.%含むことが好ましい。Cuを
30〜80at.%含む場合、微細なSi相とSiCu3 相がより細かく共存した形でバランス良く晶出し、蓄電デバイス用Si系負荷材料として適した容量設計が可能になる。また、Cu量において、より好ましい範囲は31〜60at.%、さらに好ましくは32〜40at.%である。
Although Cu content is not specified, Cu is 30 to 80 at. % Is preferable. Cu is 30 to 80 at. %, The fine Si phase and the SiCu 3 phase coexist finely and crystallize in a well-balanced manner, and a capacity design suitable as a Si-based load material for an electricity storage device becomes possible. Moreover, in the amount of Cu, a more preferable range is 31 to 60 at. %, More preferably 32 to 40 at. %.

さらに、Siと金属間化合物を形成するCuとの合金であるSixCuy合金において、SixCuy相の組成がx<yであることが必要である。例えば、FeSi2 では、Feリッチとはならない。Fe元素とSiとの合金では、Siリッチな化合物相を形成してしまうことから、電気伝導性が劣り、かつ、充放電の繰り返しで生じるSiの微細化によるSi相間の電気伝導性の低下防止を十分に発揮させることができないため、SixCuy相の組成がx<yであることにした。好ましくはx=1、y=3とする。 Further, in the SixCuy alloy, which is an alloy of Si and Cu that forms an intermetallic compound, the composition of the SixCuy phase needs to be x <y. For example, FeSi 2 does not become Fe rich. Since an alloy of Fe element and Si forms a Si-rich compound phase, the electrical conductivity is inferior, and the electrical conductivity between Si phases is prevented from being lowered due to the refinement of Si caused by repeated charge and discharge. Therefore, the composition of the SixCuy phase is set to x <y. Preferably, x = 1 and y = 3.

また、請求項1に記載したリチウムイオン二次電池用負極材料に関して、Cu以外にも
Siと共晶合金を形成し微細Si相が得られること、Siよりも導電性がよく柔軟な金属間化合物を形成するCr、Ti、V、Mn、Fe、Ni、Nb、Zn、Al、Co、Zr、Pd、Bi、In、Sb、Snといった添加元素を一種以上を更に含有させることができる。これらの添加により金属間化合物の結晶子サイズを制御することで、化合物相が微細Si相の周囲を取り囲み、Siの微粉化、Siへのリチウムの吸蔵・放出時の体積膨張により生じる応力を緩和し、電極の崩壊、Siの電気的孤立を防ぐ役割を果たす。
Moreover, regarding the negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to claim 1, a fine Si phase can be obtained by forming a eutectic alloy with Si in addition to Cu, and a flexible intermetallic compound having better conductivity than Si. One or more additive elements such as Cr, Ti, V, Mn, Fe, Ni, Nb, Zn, Al, Co, Zr, Pd, Bi, In, Sb, and Sn can be further included. By controlling the crystallite size of the intermetallic compound by adding these, the compound phase surrounds the periphery of the fine Si phase, relieving the stress caused by volumetric expansion when Si is pulverized and lithium is absorbed into and released from Si. And it plays the role which prevents the collapse of an electrode and the electrical isolation of Si.

Siの体積膨張収縮により生じる応力緩和等の効果が小さくする効果を付与するには、Cr、Ti、V、Mn、Fe、Ni、Nb、Pd、Zn、Al、Co、Zr、Pd、Bi、In、Sb、Snの合計含有量が0.05at.%以上必要であるが、一方、5at.%超えであるとリチウム不活性元素量が増えるため、充放電容量の低下を引き起こす。このため、Cr、Ti、V、Mn、Fe、Ni、Nb、Pd、Zn、Al、Co、Zr、Pd、Bi、In、Sb、Snから少なくとも一種以上含まれる添加元素の合計含有量が0.05at.%〜5at.%が望ましい。より好ましくは0.1at.%〜3at.%である。   In order to give the effect of reducing the effect of stress relaxation caused by the volume expansion / contraction of Si, Cr, Ti, V, Mn, Fe, Ni, Nb, Pd, Zn, Al, Co, Zr, Pd, Bi, The total content of In, Sb, and Sn is 0.05 at. % Or more is necessary, but 5 at. If it exceeds 50%, the amount of lithium inactive elements increases, which causes a decrease in charge / discharge capacity. For this reason, the total content of additive elements contained at least one of Cr, Ti, V, Mn, Fe, Ni, Nb, Pd, Zn, Al, Co, Zr, Pd, Bi, In, Sb, and Sn is 0. .05 at. % To 5 at. % Is desirable. More preferably, 0.1 at. % To 3 at. %.

上記リチウムイオン二次電池負極材料を用いることにより、高容量かつ繰り返し充放電時のサイクル特性に優れ、またサイクル初期の充放電効率に優れた電池特性を示す。
また、上記リチウムイオン二次電池負極材料を用いた電極において、結合性に優れるポリイミド系バインダーを含むことで、Cu等の集電体との密着性を高め、高容量を保持したまま、充放電サイクル特性を改善する効果が期待される。
By using the above-mentioned lithium ion secondary battery negative electrode material, the battery characteristics are excellent in high capacity, excellent cycle characteristics during repeated charge / discharge, and excellent charge / discharge efficiency in the initial cycle.
In addition, in the electrode using the lithium ion secondary battery negative electrode material, by including a polyimide-based binder having excellent binding properties, the adhesion with a current collector such as Cu is improved, and charging and discharging are performed while maintaining a high capacity. The effect of improving cycle characteristics is expected.

以下、本発明について、実施例により具体的に説明する。
表1〜2に示す組成のリチウムイオン二次電池用負極材料粉末を、以下に述べる水アト
マイズ、単ロール急冷法、双ロール急冷法、ガスアトマイズ法、ディスクアトマイズ法、遠心アトマイズ等により作製した。単ロール急冷法である液体急冷法については、所定組成の原料を底部に細孔を設けた石英管内に入れ、Ar雰囲気中で高周波溶解して溶湯を形成し、この溶湯を回転する銅ロールの表面に出湯した後、銅ロールによる急冷効果によりSi相の結晶子サイズの微細化を図った急冷リボンを作製した。その後、作製した急冷リボンをジルコニア製あるいはSUS304製、SUJ2製のポット容器内にジルコニアボールあるいはSUS304ボール、SUJ2ボールとともにAr雰囲気中にて密閉し、粒子状に加工することを目的としたミリングを行った。ミリングに関しては、ボールミル、ビーズミル、遊星ボールミル、アトライタ、振動ミル等が挙げられる。
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples.
Negative electrode material powders for lithium ion secondary batteries having the compositions shown in Tables 1 and 2 were prepared by water atomization, single-roll quenching method, twin-roll quenching method, gas atomization method, disk atomization method, centrifugal atomization, and the like described below. For the liquid quenching method, which is a single roll quenching method, a raw material having a predetermined composition is placed in a quartz tube having pores at the bottom, melted at a high frequency in an Ar atmosphere to form a molten metal, and a copper roll that rotates this molten metal. After the hot water was discharged on the surface, a quenching ribbon was prepared in which the crystallite size of the Si phase was refined by the quenching effect of the copper roll. The milled ribbon is then sealed in an Ar atmosphere together with zirconia balls, SUS304 balls, or SUJ2 balls in a zirconia, SUS304, or SUJ2 pot container and milled for the purpose of processing into particles. It was. As for milling, a ball mill, a bead mill, a planetary ball mill, an attritor, a vibration mill, and the like can be given.

ガスアトマイズ法については、所定組成の原料を、底部に細孔を設けた石英坩堝内に入れ、Arガス雰囲気中で高周波誘導溶解炉により加熱溶融した後、Arガス雰囲気中で、ガス噴射させるとともに出湯させて、急冷凝固することでガスアトマイズ微粉末を得た。ディスクアトマイズ法については、所定組成の原料を、底部に細孔を設けた石英坩堝内に入れ、Arガス雰囲気中で高周波誘導溶解炉により加熱溶融した後、Arガス雰囲気中で、40000〜60000r.p.m.の回転ディスク上に出湯させて、急冷凝固することでディスクアトマイズ微粉末を得た。その後、作製したアトマイズ微粉末をジルコニア製あるいはSUS304製、SUJ2製のポット容器内にジルコニアボールあるいはSUS304ボール、SUJ2ボールとともにAr雰囲気中にて密閉し、メカニカルミリングにより粉末化し、結晶子サイズの制御を行った。メカニカルミリングに関しては、ボールミル、ビーズミル、遊星ボールミル、アトライタ、振動ミル等が挙げられる。メカニカルミリングによる処理では、ミリング時間や回転数等を設定することで、急冷凝固を利用したアトマイズ粉末のSi結晶子サイズや金属間化合物の結晶子サイズを制御することができる。   Regarding the gas atomization method, a raw material having a predetermined composition is placed in a quartz crucible having pores at the bottom, heated and melted in a high-frequency induction melting furnace in an Ar gas atmosphere, and then subjected to gas injection in an Ar gas atmosphere and a tapping hot water. Then, gas atomized fine powder was obtained by rapid solidification. In the disk atomization method, a raw material having a predetermined composition is placed in a quartz crucible having pores at the bottom, heated and melted in a high-frequency induction melting furnace in an Ar gas atmosphere, and then in an Ar gas atmosphere, 40000 to 60000 r. p. m. The hot water was discharged onto a rotating disk of No. 1 and rapidly solidified to obtain a disk atomized fine powder. Thereafter, the produced atomized fine powder is sealed in a zirconia or SUS304 / SUJ2 pot container together with zirconia balls, SUS304 balls, or SUJ2 balls in an Ar atmosphere, and powdered by mechanical milling to control the crystallite size. went. As for mechanical milling, a ball mill, a bead mill, a planetary ball mill, an attritor, a vibration mill, and the like can be given. In the processing by mechanical milling, the crystallite size of the atomized powder and the intermetallic compound using rapid solidification can be controlled by setting the milling time and the number of rotations.

以下、具体的な負極作製方法について述べる。
上記負極の単極での電極性能を評価するために、対極にリチウム金属を用いた、いわゆ
る二極式コイン型セルを用いた。まず、負極活物質(Si−Cuなど)、導電材料(アセチレンブラック)を電子天秤で秤量し、分散液(N−メチルピロリドン)と共に混合スラリー状態とした後、集電体(Cu等)上に均一に塗布した。塗布後、真空乾燥機で減圧乾燥し溶媒を蒸発させた後、必要に応じてロールプレスした後、コインセルにあった形状に打ち抜いた。対極のリチウムも同様に金属リチウム箔をコインセルにあった形状に打ち抜いた
Hereinafter, a specific method for preparing a negative electrode will be described.
In order to evaluate the electrode performance of the negative electrode as a single electrode, a so-called bipolar coin-type cell using lithium metal as a counter electrode was used. First, a negative electrode active material (Si-Cu, etc.) and a conductive material (acetylene black ) are weighed with an electronic balance, mixed with a dispersion (N-methylpyrrolidone), and then placed on a current collector (Cu, etc.). It was applied evenly. After coating, the solvent was evaporated by vacuum drying with a vacuum dryer, and then roll-pressed as necessary, and then punched into a shape suitable for the coin cell. Similarly, lithium for the counter electrode was punched into a shape suitable for the coin cell .

リチウムイオン電池に使用する電解液はエチレンカーボネートとジメチルカーボネートの3:7混合溶媒を用い、支持電解質にはLiPF6 (六フッ化リン酸リチウム)を用い、電解液に対して1モル溶解した。その電解液は露点管理された不活性雰囲気中で取り扱う必要があるため、セルの組立ては、全て不活性雰囲気のグローブボックス内で行った。セパレータはコインセルにあった形状に切り抜いた後セパレータ内に電解液を十分浸透させるために、減圧下で数時間電解液中に保持した。その後、前工程で打ち抜いた負極、セパレータ、対極リチウムの順に組合せ、電池内部を電解液で十分満たした形で構築した。 The electrolyte used for the lithium ion battery was a 3: 7 mixed solvent of ethylene carbonate and dimethyl carbonate, LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate) was used as the supporting electrolyte, and 1 mol was dissolved in the electrolyte. Since the electrolyte solution must be handled in an inert atmosphere with dew point control, the cells were all assembled in a glove box with an inert atmosphere. The separator was cut out in a shape suitable for a coin cell and then held in the electrolyte for several hours under reduced pressure in order to sufficiently permeate the electrolyte into the separator. Thereafter, the negative electrode punched out in the previous step, the separator, and the counter electrode lithium were combined in this order, and the inside of the battery was sufficiently filled with the electrolytic solution.

充電容量、放電容量の測定として、上記二極式セルを用い、温度25℃、充電は0.50mA/cm2 の電流密度で、金属リチウム極と同等の電位(0V)になるまで行い、同じ電流値(0.50mA/cm2 )で、放電を1.5Vまで行い、この充電−放電を1サイクルとした。また、サイクル寿命としては、上記測定を繰返し行うことを実施した。 The measurement of charge capacity and discharge capacity was performed using the above-mentioned bipolar cell, at a temperature of 25 ° C., and charged at a current density of 0.50 mA / cm 2 until the same potential (0 V) as that of the metal lithium electrode. At a current value (0.50 mA / cm 2 ), discharging was performed up to 1.5 V, and this charging-discharging was defined as one cycle. In addition, as the cycle life, the above measurement was repeated.

表1および2に示すように、No.1〜30は本発明例であり、表2および3に示すようにNo.31〜51は比較例を示す。これらの特性として、初期放電容量と50サイクル後の放電容量維持率にて判断する。1000mAh/g以上であり、かつサイクル寿命が60%以上〔50サイクル後の放電容量維持率(%)〕であることを基準とする。   As shown in Tables 1 and 2, no. Nos. 1 to 30 are examples of the present invention. 31-51 shows a comparative example. These characteristics are determined by the initial discharge capacity and the discharge capacity maintenance rate after 50 cycles. The standard is that it is 1000 mAh / g or more and the cycle life is 60% or more [discharge capacity maintenance ratio (%) after 50 cycles].

本発明例のNo.1〜11はSi主要相とSiとCuからなる相を含み、Siの結晶子
サイズも30nm以下の条件を満足し、かつ、SiとCuからなる化合物相の結晶子サイズが40nm以下の条件を満足するため、本発明条件を満たしている。例えば、No.4では、Si主要相とSiとCuを含み、Siの結晶子サイズは5nmであり、Siの結晶子サイズ30nm以下の条件を満たしている。かつ、SiとCuからなる化合物相の結晶子サイズが33nmであり、40nm以下の条件を満足する。上記のように本発明条件を満たし、放電容量が1174mAh/g、50サイクル後の放電容量維持率が80%と充放電容量とサイクル寿命のいずれも良好な特性を示した。
No. of the example of the present invention. 1 to 11 include a Si main phase and a phase composed of Si and Cu, a crystallite size of Si satisfies a condition of 30 nm or less, and a crystallite size of a compound phase composed of Si and Cu satisfies a condition of 40 nm or less. In order to satisfy, the conditions of the present invention are satisfied. For example, no. 4 includes a Si main phase, Si, and Cu, the Si crystallite size is 5 nm, and satisfies the condition that the Si crystallite size is 30 nm or less. And the crystallite size of the compound phase which consists of Si and Cu is 33 nm, and satisfies the conditions of 40 nm or less. As described above, the conditions of the present invention were satisfied, the discharge capacity was 1174 mAh / g, the discharge capacity retention rate after 50 cycles was 80%, and both the charge / discharge capacity and the cycle life showed good characteristics.

本発明例のNo.12〜30はSi主要相とSiとCuからなる相を含み、Si主要相のSi結晶子サイズが30nm以下の条件し、かつ、SiとCuからなる化合物相の結晶子サイズが40nm以下の条件を満足するため、本発明条件を満たしている。また、Cr、Ti、V、Mn、Fe、Ni、Nb、Zn、Al、Co、Zr、Pd、Bi、In、Sb、Snから少なくとも一種以上含まれる添加元素の合計含有量は、0.05at.%〜5at.%である。   No. of the example of the present invention. 12 to 30 include a Si main phase and a phase composed of Si and Cu, a condition that the Si crystallite size of the Si main phase is 30 nm or less, and a condition that the crystallite size of the compound phase composed of Si and Cu is 40 nm or less. Therefore, the conditions of the present invention are satisfied. Further, the total content of additive elements contained in at least one of Cr, Ti, V, Mn, Fe, Ni, Nb, Zn, Al, Co, Zr, Pd, Bi, In, Sb, and Sn is 0.05 at. . % To 5 at. %.

例えば、No.25では、Si主要相とSiとCuからなる相を含み、Si主要相のS
iの結晶子サイズは11nmであり、Siの結晶子サイズ30nm以下の条件を満し、かつ、SiとCuからなる化合物相の結晶子サイズが34nmであり、化合物相の結晶子サイズ40nm以下の条件を満足するため、本発明条件を満たしている。加えて、0.01at.%Cr、0.01at.%Ti、0.12at.%V、0.03at.%Mn、0.02at.%Fe、0.01at.%Ni、0.01at.%Nb、0.14at.%Zn、0.16at.%Al、0.11at.%Co、0.08at.%Bi、0.02at.%In、0.01at.%Sb、0.03at.%Snを含んでいる。上記のように本発明条件を満たし、放電容量が1137mAh/g、50サイクル後の放電容量維持率が74%と充放電容量とサイクル寿命のいずれも良好な特性を示した。
For example, no. 25 includes a Si main phase and a phase composed of Si and Cu, and S of the Si main phase.
The crystallite size of i is 11 nm, the crystallite size of Si is 30 nm or less, the crystallite size of the compound phase composed of Si and Cu is 34 nm, and the crystallite size of the compound phase is 40 nm or less. In order to satisfy the conditions, the conditions of the present invention are satisfied. In addition, 0.01 at. % Cr, 0.01 at. % Ti, 0.12 at. % V, 0.03 at. % Mn, 0.02 at. % Fe, 0.01 at. % Ni, 0.01 at. % Nb, 0.14 at. % Zn, 0.16 at. % Al, 0.11 at. % Co, 0.08 at. % Bi, 0.02 at. % In, 0.01 at. % Sb, 0.03 at. % Sn is included. As described above, the conditions of the present invention were satisfied, the discharge capacity was 1137 mAh / g, the discharge capacity retention rate after 50 cycles was 74%, and both the charge / discharge capacity and the cycle life showed good characteristics.

比較例No.31〜33、40〜42はSi主要相とSiとCuからなる相を含み、SiとCuからなる化合物相の結晶子サイズ40nm以下の条件を満足するが、Siの結晶子サイズ30nm以下の条件を満しないため、本発明条件を満たさない。比較例No.34〜36、43〜45はSi主要相とSiとCuからなる相を含み、Siの結晶子サイズ30nm以下の条件を満足するが、SiとCuからなる化合物相の結晶子サイズ40nm以下の条件を満しないため、本発明条件を満たさない。比較例No.37〜39、46〜48はSi主要相とSiとCuからなる相を含み、Siの結晶子サイズ30nm以下の条件を満たさず、SiとCuからなる化合物相の結晶子サイズ40nm以下の条件を満しないため、本発明条件を満たさない。   Comparative Example No. 31 to 33 and 40 to 42 include a Si main phase and a phase composed of Si and Cu, and satisfy the condition that the crystallite size of the compound phase composed of Si and Cu is 40 nm or less, but the condition that the crystallite size of Si is 30 nm or less Does not satisfy the conditions of the present invention. Comparative Example No. 34 to 36 and 43 to 45 include a Si main phase and a phase composed of Si and Cu and satisfy the condition that the crystallite size of Si is 30 nm or less, but the condition that the crystallite size of the compound phase composed of Si and Cu is 40 nm or less Does not satisfy the conditions of the present invention. Comparative Example No. 37 to 39 and 46 to 48 include a Si main phase and a phase composed of Si and Cu, do not satisfy the condition of the Si crystallite size of 30 nm or less, and satisfy the condition of the crystallite size of the compound phase composed of Si and Cu of 40 nm or less. This does not satisfy the conditions of the present invention.

比較例No.49はSiとCuからなる化合物相の結晶子サイズ40nm以下の条件を満たすが、Si主要相とSiとCuからなる相を含まず、Siの結晶子サイズ30nm以下の条件を満しないため、本発明条件を満たさない。比較例No.50はSi主要相とSiとCuからなる相を含まず、Siの結晶子サイズ30nm以下の条件を満たすが、SiとCuからなる化合物相の結晶子サイズ40nm以下の条件を満しないため、本発明条件を満たさない。比較例No.51はSi主要相とSiとCuからなる相を含まず、Siの結晶子サイズ30nm以下の条件も満たさず、SiとCuからなる化合物相の結晶子サイズ40nm以下の条件も満しないため、本発明条件を満たさない。   Comparative Example No. 49 satisfies the condition that the crystallite size of the compound phase composed of Si and Cu is 40 nm or less, but does not include the Si main phase and the phase composed of Si and Cu and does not satisfy the condition of the crystallite size of Si of 30 nm or less. Does not meet the invention conditions. Comparative Example No. 50 does not include the Si main phase and the phase composed of Si and Cu and satisfies the condition that the crystallite size of Si is 30 nm or less, but does not satisfy the condition of the crystallite size of 40 nm or less of the compound phase composed of Si and Cu. Does not meet the invention conditions. Comparative Example No. 51 does not include the Si main phase and the phase composed of Si and Cu, does not satisfy the condition of the Si crystallite size of 30 nm or less, and does not satisfy the condition of the crystallite size of the compound phase composed of Si and Cu of 40 nm or less. Does not meet the invention conditions.

以上のように、組織の微細化、優れたイオン伝導性と電子伝導性、応力緩和効果を高める成分の制御と、Si相結晶子サイズの制御、あるいはさらに金属間化合物相の結晶子サイズも制御することによって、よりスムーズな充放電反応を行うことができ、充放電サイクル特性の向上を可能とする As described above, refinement of the structure, control of components that enhance the excellent ion conductivity and electron conductivity, stress relaxation effect, control of the Si phase crystallite size, and further control of the crystallite size of the intermetallic compound phase By doing so, a smoother charge / discharge reaction can be performed, and charge / discharge cycle characteristics can be improved .

Claims (3)

充放電時にリチウムイオンの移動が伴う蓄電デバイス用Si系合金からなる負極材料で
あって、前記Si系合金からなる負極材料が、SiからなるSi主要相とSiとSi以外の一種以上の元素からなる化合物相を有し、前記化合物相が、SiとCuからなるSi X Cu Y (X<Y)化合物相を含んでなる相を有し、前記Si主要相のSi結晶子サイズが30nm以下であり、かつ、SiとCuからなる化合物相の結晶子サイズが40nm以下であることを特徴とする蓄電デバイス用Si系合金からなる負極材料。
A negative electrode material made of a Si-based alloy for an electricity storage device accompanied by movement of lithium ions during charge / discharge, wherein the negative electrode material made of the Si-based alloy is composed of a Si main phase made of Si and one or more elements other than Si and Si. comprising compound has a phase, wherein the compound phase has a Si X Cu Y (X <Y ) comprising a compound phase phase of Si and Cu, the Si is at 30nm or less Si crystallite size of the main phase A negative electrode material comprising a Si-based alloy for an electricity storage device, wherein the crystallite size of the compound phase comprising Si and Cu is 40 nm or less.
請求項1に記載した蓄電デバイス用Si系合金からなる負極材料において、前記合金中
のCu含有量が30〜80at.%であることを特徴とする蓄電デバイス用Si系合金からなる負極材料。
The negative electrode material which consists of Si type alloy for electrical storage devices described in Claim 1 WHEREIN: Cu content in the said alloy is 30-80 at. % Negative electrode material comprising a Si-based alloy for power storage devices.
請求項1〜2に記載した蓄電デバイス用Si系合金からなる負極材料の前記化合物相に
、Cr、Ti、V、Mn、Fe、Ni、Nb、Zn、Al、Co、Zr、Pd、Bi、In、Sb、Snからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素を含み、合計含有量が0.05at.%〜5at.%であることを特徴とする蓄電デバイス用Si系合金からなる負極材料。
The compound phase of the negative electrode material comprising the Si-based alloy for an electricity storage device according to claim 1, Cr, Ti, V, Mn, Fe, Ni, Nb, Zn, Al, Co, Zr, Pd, Bi, Including at least one element selected from the group consisting of In, Sb, and Sn, the total content is 0.05 at. % To 5 at. % Negative electrode material comprising a Si-based alloy for power storage devices.
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