JP6213980B2 - Electrochemical cell - Google Patents

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Description

本発明は、電気化学セルに関するものであり、特に、非水電解質二次電池や電気二重層キャパシタ、イオンキャパシタ等の電気化学セルに関する。   The present invention relates to an electrochemical cell, and more particularly to an electrochemical cell such as a non-aqueous electrolyte secondary battery, an electric double layer capacitor, or an ion capacitor.

蓄電デバイスである非水電解質二次電池等の電気化学セルは、密封された収納容器内に、正極及び負極からなる一対の分極性電極と、この正極と負極の間に介在されたセパレータと、正極、負極及びセパレータに含浸され、支持塩及び非水溶媒を含む電解液とを備えるものである。このような電気化学セルは、携帯電話、PDA、携帯用ゲーム機等の各種小型電子機器に利用されており、特に、ラミネート型、円筒、有底の矩形形状、コイン(ボタン)型のもの等が多用されている。   An electrochemical cell such as a non-aqueous electrolyte secondary battery that is an electricity storage device includes a pair of polarizable electrodes composed of a positive electrode and a negative electrode in a sealed storage container, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, A positive electrode, a negative electrode, and a separator are impregnated and provided with an electrolytic solution containing a supporting salt and a nonaqueous solvent. Such electrochemical cells are used in various small electronic devices such as mobile phones, PDAs, and portable game machines, and in particular, those of laminate type, cylinder, bottomed rectangular shape, coin (button) type, etc. Is frequently used.

また、SiO、Si、Cは、電気化学セルであるリチウムイオン電池に備えられる負極において、負極活物質として広く利用されている。このような電気化学セルに用いられる負極は、リチウムイオンの挿入・脱離が可能な負極活物質、負極活物質と電子の授受を行う導電剤、及び、負極活物質と導電剤の接触状態を維持するためのバインダからなり、これらを混合することで負極電極材が形成される。あるいは、負極を構成する負極活物資が薄膜として形成される場合には、負極電極材を、銅箔やステンレス等の金属箔からなる集電体に、物理的に直接接触させる構造が採用されることもある。 Further, SiO x , Si, and C are widely used as negative electrode active materials in negative electrodes provided in lithium ion batteries that are electrochemical cells. The negative electrode used in such an electrochemical cell has a negative electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions, a conductive agent that exchanges electrons with the negative electrode active material, and a contact state between the negative electrode active material and the conductive agent. It consists of a binder for maintaining, and a negative electrode material is formed by mixing these. Alternatively, when the negative electrode active material constituting the negative electrode is formed as a thin film, a structure in which the negative electrode material is physically brought into direct contact with a current collector made of a metal foil such as copper foil or stainless steel is employed. Sometimes.

上述のような負極活物質はアモルファル状であることから、アモルファル状の負極活物質に、リチウムイオンに代表されるアルカリ金属イオンや、マグネシウム等のアルカリ土類金属のイオン等が挿入された際に体積膨張が起こり、リチウムイオンの脱挿入時に急激な収縮が発生することから、アモルファルの粒子に亀裂が生じることがある。このような亀裂に電解液が接することにより、新たにSEI(Solid Electrolight Interface:電解液・電極間物質)が形成され、充電サイクルを繰り返すことで負極活物質の亀裂が広がり、さらに亀裂が進むと負極活物質の剥離が生じる。このため、電子伝導性のパスが寸断されると同時に、イオン導電性の著しい低減が生じることから、電気化学セルの充放電容量の低下等、サイクル寿命特性の劣化現象が発生するという問題がある。   Since the negative electrode active material as described above is in an amorphal form, when an alkali metal ion typified by lithium ion or an alkaline earth metal ion such as magnesium is inserted into the amorphal negative electrode active material. Volume expansion occurs, and abrupt contraction occurs when lithium ions are deinserted, which may cause cracks in the particles of amorphal. When the electrolytic solution comes into contact with such a crack, a new SEI (Solid Electrolite Interface) is formed. By repeating the charging cycle, the crack of the negative electrode active material spreads and the crack progresses further. Peeling of the negative electrode active material occurs. For this reason, the electron conductivity path is severed, and at the same time, the ionic conductivity is significantly reduced, which causes a problem of deterioration in cycle life characteristics such as a decrease in charge / discharge capacity of the electrochemical cell. .

そこで、珪素(Si)を主とした負極活物質に関して、ナトリウム、カリウム、ルビジウム等のアルカリ金属、マグネシウム、カルシウム等のアルカリ土類金属、及び/または、鉄、ニッケル、コバルト、マンガン、バナジウム、チタン、ニオブ、タングステン、モリブデン、銅、亜鉛、錫、鉛、アルミニウム、インジウム、ビスマス、ガリウム、ゲルマニウム、炭素、ホウ素、窒素、リン等の金属、または、半金属あるいは非金属等を添加したLiSiO(但し、0≦x、0≦y<2、0<z≦4、Mはリチウムと珪素を除く金属及び非金属元素から選ばれる一種以上の元素)からなるものが提案されている(例えば、特許文献1を参照)。 Therefore, for negative electrode active materials mainly composed of silicon (Si), alkali metals such as sodium, potassium and rubidium, alkaline earth metals such as magnesium and calcium, and / or iron, nickel, cobalt, manganese, vanadium, titanium Li x M with addition of metals such as niobium, tungsten, molybdenum, copper, zinc, tin, lead, aluminum, indium, bismuth, gallium, germanium, carbon, boron, nitrogen, phosphorus, semi-metals or non-metals A material composed of y SiO z (where 0 ≦ x, 0 ≦ y <2, 0 <z ≦ 4, M is one or more elements selected from metals and nonmetallic elements other than lithium and silicon) has been proposed. (For example, see Patent Document 1).

また、サイクル寿命特性の劣化に対して、電子伝導性の付与を目的として、負極活物質に対して、天然鱗片状黒鉛または膨張化黒鉛を付与する方法が提案されている(例えば、特許文献2を参照)。
また、負極活物質に対して、Al、Ti、Fe、Ni、Cu、Zn、Pd、Ag、In、Snの何れからなる金属材料粒子を、溶融状態でメッキすることで、電子伝導性を付与することも提案されている(例えば、特許文献3を参照)。
In addition, for the purpose of imparting electronic conductivity to deterioration of cycle life characteristics, a method of imparting natural scaly graphite or expanded graphite to a negative electrode active material has been proposed (for example, Patent Document 2). See).
Also, electron conductivity is imparted to the negative electrode active material by plating in a molten state metal material particles made of any of Al, Ti, Fe, Ni, Cu, Zn, Pd, Ag, In, and Sn. It has also been proposed (see, for example, Patent Document 3).

特許第3405380号公報Japanese Patent No. 3405380 特許第3188853号公報Japanese Patent No. 3188533 特開平11−250869号公報JP-A-11-250869

しかしながら、Si元素を含む負極活物質は、充放電時のLi吸蔵量が多いことから、充放電に伴う体積変化率も大きくなる。このため、充放電時の体積変化によって生じる応力により、集電性の劣化が生じて内部抵抗が上昇し、また、微粉化による容量劣化が大きくなることから、サイクル寿命特性が低下する等の問題が生じていたが、上記特許文献1〜3等に代表される従来の技術では、上記問題を解決するには十分ではなかった。   However, since the negative electrode active material containing Si element has a large amount of Li occlusion during charge / discharge, the volume change rate associated with charge / discharge also increases. For this reason, due to the stress caused by the volume change during charging / discharging, the deterioration of current collection occurs, the internal resistance increases, and the capacity deterioration due to pulverization increases, so the cycle life characteristics deteriorate. However, the conventional techniques represented by Patent Documents 1 to 3 and the like are not sufficient to solve the above problem.

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、充放電時の体積膨張・縮小によって負極に亀裂が発生するのを抑制し、信頼性が高く、高容量で、且つ、サイクル寿命特性に優れた電気化学セルを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and suppresses generation of cracks in the negative electrode due to volume expansion / reduction during charge / discharge, and is highly reliable, high capacity, and excellent in cycle life characteristics. It is an object to provide an electrochemical cell.

本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意検討したところ、負極に用いる負極活物質に関し、少なくともSi元素を含み、さらに、特定の添加元素を含む構成を採用することにより、充放電時の体積膨張・縮小により、負極に亀裂が発生するのを抑制できることを知見した。これにより、内部抵抗の上昇や容量劣化を抑制することができ、サイクル寿命特性が向上することを見出し、本発明を完成させた。   The present inventors diligently studied to solve the above-mentioned problems, and regarding the negative electrode active material used for the negative electrode, by adopting a configuration including at least a Si element and further including a specific additive element, charging and discharging are performed. It has been found that cracking of the negative electrode can be suppressed by the volume expansion / reduction of. As a result, it was found that an increase in internal resistance and capacity deterioration can be suppressed, and the cycle life characteristics are improved, and the present invention has been completed.

即ち、請求項1に記載の発明は、正極と、負極と、支持塩及び非水溶媒を含む電解液と、セパレータとを備えてなる電気化学セルであって、前記負極に用いる負極活物質は、少なくともSi元素を含み、次式{ASiO+R}で表されるとともに、アルカリ金属またはアルカリ土類金属のイオンを可逆的に挿入、脱離可能な物質からなり、且つ、以下に示す第一の添加元素M、または、第二の添加元素Rのうちの一方あるいは両方が、負極活物質中に含まれるSi元素の全量に対して、それぞれ、質量比で1ppm以上、%以下で添加されてなる、D50の平均粒子径が1nm以上50μm以下の微粒子であり、さらに、前記負極は、電子導電性を付与するための炭素材料として黒鉛、及び、必要に応じてカーボンファイバーを含有し、且つ、前記負極活物質の前駆体となるSiO+Rと、前記黒鉛と、前記カーボンファイバーとの配合比が次式{SiO+R:黒鉛:カーボンファイバー=45:45:0〜45:35:10}の範囲であることを特徴とする電気化学セルである。
(1)第一の添加元素M : BまたはPの少なくとも何れかの元素。
(2)第二の添加元素R : Ti、Cの群から選ばれる少なくとも1以上の元素。
但し、上記式{ASiO+R}中において、Aはカチオン種で、アルカリ金属イオンまたはアルカリ土類金属イオン種の元素であり、xはAのイオン種の含有量で次式{0≦x≦4.4}の値をとり、yは酸素量で次式{0≦y≦2}であり、Mは第一の添加元素、Rは第二の添加元素である。
また、請求項2に記載の発明は、正極と、負極と、支持塩及び非水溶媒を含む電解液と、セパレータとを備えてなる電気化学セルであって、前記負極に用いる負極活物質は、少なくともSi元素を含み、次式{A SiO +R}で表されるとともに、アルカリ金属またはアルカリ土類金属のイオンを可逆的に挿入、脱離可能な物質からなり、且つ、前記負極活物質中に含まれるSi元素の全量に対して、以下に示す第一の添加元素Mが10ppm以上1%以下、以下に示す第二の添加元素Rが0.5%以上2%以下で、それぞれ添加されてなる、D50の平均粒子径が1nm以上50μm以下の微粒子であり、さらに、前記負極は、電子導電性を付与するための炭素材料として黒鉛、及び、必要に応じてカーボンファイバーのを含有し、且つ、前記負極活物質の前駆体となるSiO +Rと、前記黒鉛と、前記カーボンファイバーとの配合比が次式{SiO +R:黒鉛:カーボンファイバー=45:45:0〜45:35:10}の範囲であることを特徴とする電気化学セル。
(1)第一の添加元素M : BまたはPの少なくとも何れかの元素。
(2)第二の添加元素R : Ti、Cの群から選ばれる少なくとも1以上の元素。
但し、上記式{A SiO +R}中において、Aはカチオン種で、アルカリ金属イオンまたはアルカリ土類金属イオン種の元素であり、xはAのイオン種の含有量で次式{0≦x≦4.4}の値をとり、yは酸素量で次式{0≦y≦2}であり、Mは第一の添加元素、Rは第二の添加元素である。
That is, the invention described in claim 1 is an electrochemical cell comprising a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte containing a supporting salt and a nonaqueous solvent, and a separator, wherein the negative electrode active material used for the negative electrode is And a substance containing at least Si element, represented by the following formula {A x SiO y M z + R}, capable of reversibly inserting and desorbing ions of alkali metal or alkaline earth metal, and One or both of the first additive element M and the second additive element R shown in FIG. 1 is 1 ppm or more by mass ratio with respect to the total amount of Si element contained in the negative electrode active material. D50 is a fine particle having an average particle diameter of D50 of 1 nm or more and 50 μm or less, and the negative electrode is graphite as a carbon material for imparting electronic conductivity , and optionally carbon fiber. And the compounding ratio of SiO y M z + R, which is the precursor of the negative electrode active material, the graphite, and the carbon fiber is represented by the following formula {SiO y M z + R: graphite: carbon fiber = 45: An electrochemical cell having a range of 45: 0 to 45:35:10}.
(1) First additive element M: at least one element of B or P.
(2) Second additive element R: At least one element selected from the group consisting of Ti and C.
However, in the above formula {A x SiO y M z + R} , A represents a cationic species, an alkali metal ion or alkaline earth metal ions of elements, x is the formula in ionic species content A { It takes a value of 0 ≦ x ≦ 4.4}, y is the amount of oxygen and is the following formula {0 ≦ y ≦ 2}, M is the first additive element, and R is the second additive element.
The invention according to claim 2 is an electrochemical cell comprising a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte containing a supporting salt and a non-aqueous solvent, and a separator, wherein the negative electrode active material used for the negative electrode is And containing at least Si element , represented by the following formula {A x SiO y M z + R}, comprising a substance capable of reversibly inserting and desorbing alkali metal or alkaline earth metal ions, and The first additive element M shown below is 10 ppm or more and 1% or less and the second additive element R shown below is 0.5% or more and 2% or less with respect to the total amount of Si element contained in the negative electrode active material. D50 is a fine particle having an average particle diameter of D50 of 1 nm or more and 50 μm or less, and the negative electrode is made of graphite as a carbon material for imparting electronic conductivity, and optionally carbon fiber. Including And, and, the negative active and SiO y M z + R which is a precursor material, said graphite, the mixing ratio of the carbon fibers have the following formula {SiO y M z + R: Graphite: Carbon Fiber = 45: 45: An electrochemical cell having a range of 0 to 45:35:10}.
(1) First additive element M: at least one element of B or P.
(2) Second additive element R: At least one element selected from the group consisting of Ti and C.
However, in the above formula {A x SiO y M z + R} , A represents a cationic species, an alkali metal ion or alkaline earth metal ions of elements, x is the formula in ionic species content A { It takes a value of 0 ≦ x ≦ 4.4}, y is the amount of oxygen and is the following formula {0 ≦ y ≦ 2}, M is the first additive element, and R is the second additive element.

上記構成によれば、まず、第一の添加元素Mを含むことにより、負極活物質がアモルファスな状態で安定的に存在するので、電気化学セルの充放電によってリチウム等のアルカリ金属イオンの挿入と脱離を繰り返す際、負極に生じる体積膨張・収縮時によって亀裂が発生するのを抑制できる。
また、第二の添加元素Rを含むことにより、負極活物質がアモルファスな状態で安定的に存在するので、電気化学セルの充放電によってリチウム等のアルカリ金属イオンの挿入と脱離を繰り返す際、負極活物質内の電子伝導性が高められ、負極活物質内の電荷の均質性を高めることが可能となる。これにより、アルカリ金属イオンの挿入時の偏りを防止し、体積膨張と収縮の局在化を防ぐことで、亀裂が発生するのを抑制できる。
また、負極活物質がSi元素を含む酸化物からなることで、負極活物質の合成時における元素の不均一性を低減することが可能となる。これにより、電気化学セルの充放電によってリチウム等のアルカリ金属イオンの挿入と脱離を繰り返す際に、負極活物質内の電子伝導性が高められ、負極活物質内の電荷の均質性を高めることが可能となる。従って、アルカリ金属イオンの挿入時の偏りを防止し、体積膨張と収縮の局在化を防ぐことで、亀裂が発生するのを抑制できる。
また、負極活物質のD50の平均粒子径が1nm以上50μm以下であることで、電池の充放電の際に負極に生じる体積膨張・収縮時によって亀裂が発生するのを抑制できる効果が、より顕著に得られる。
また、負極が、電子導電性を付与するための炭素材料を、上記の組成で含有することで、電気化学セルの充放電によってリチウム等のアルカリ金属イオンの挿入と脱離を繰り返す際に、負極活物質粒子の周囲全面に電子伝導性を付与し、負極活物質粒子の電子伝導性が高められる。これにより、負極の電極層内の厚み方向と水平方向におけるアルカリ金属イオンの挿入時の偏りを防止し、体積膨張と収縮の局在化を防ぐことができるので、亀裂の発生を抑制することが可能になる。
According to the above configuration, since the negative electrode active material is stably present in an amorphous state by including the first additive element M, the insertion of alkali metal ions such as lithium by the charging / discharging of the electrochemical cell is performed. When the desorption is repeated, it is possible to suppress the generation of cracks due to the volume expansion / contraction that occurs in the negative electrode.
Moreover, since the negative electrode active material stably exists in an amorphous state by including the second additive element R, when repeatedly inserting and desorbing alkali metal ions such as lithium by charging and discharging the electrochemical cell, The electron conductivity in the negative electrode active material is increased, and the charge uniformity in the negative electrode active material can be increased. Thereby, it is possible to prevent the occurrence of cracks by preventing the bias at the time of insertion of alkali metal ions and by preventing the localization of volume expansion and contraction.
In addition, since the negative electrode active material is made of an oxide containing Si element, it is possible to reduce the non-uniformity of elements during the synthesis of the negative electrode active material. As a result, when the insertion and desorption of alkali metal ions such as lithium are repeated by charging and discharging the electrochemical cell, the electron conductivity in the negative electrode active material is increased, and the homogeneity of the charge in the negative electrode active material is increased. Is possible. Therefore, it is possible to prevent the occurrence of cracks by preventing the bias at the time of insertion of alkali metal ions and by preventing the localization of volume expansion and contraction.
In addition, when the average particle diameter of D50 of the negative electrode active material is 1 nm or more and 50 μm or less, the effect of suppressing the occurrence of cracks due to volume expansion / contraction generated in the negative electrode during charge / discharge of the battery is more remarkable. Is obtained.
Further, when the negative electrode contains a carbon material for imparting electronic conductivity with the above composition, the negative electrode is repeatedly inserted and desorbed by alkali metal ions such as lithium by charging and discharging the electrochemical cell. Electron conductivity is imparted to the entire surface around the active material particles, and the electron conductivity of the negative electrode active material particles is enhanced. As a result, it is possible to prevent unevenness at the time of insertion of alkali metal ions in the thickness direction and the horizontal direction in the electrode layer of the negative electrode, and to prevent localization of volume expansion and contraction. It becomes possible.

ここで、本発明において説明する「平均粒子径」とは、球状の他、各種の形状を有する異物の粒子の積算粒子径のD50に相当する値のことを言う。   Here, the “average particle diameter” described in the present invention refers to a value corresponding to D50 of the accumulated particle diameter of foreign particles having various shapes in addition to a spherical shape.

本発明の電気化学セルによれば、上述のように、負極に用いる負極活物質が、少なくともSi元素を含むとともに、アルカリ金属またはアルカリ土類金属のイオンを可逆的に挿入、脱離可能な物質からなり、さらに、第一の添加元素M{BまたはPの少なくとも何れかの元素}、または、第二の添加元素R{In、Sn、Ti、Al、Ge、C、Zrの群から選ばれる少なくとも1以上の元素}のうちの一方あるいは両方が、負極活物質中に含まれるSi元素の全量に対して、それぞれ、質量比で1ppm以上、20%以下で添加されてなる微粒子である構成を採用している。
これにより、充放電時の体積膨張・縮小によって負極に亀裂が発生するのを抑制でき、内部抵抗の上昇や容量劣化を抑制することが可能となる。
従って、信頼性が高く、高容量で、且つ、サイクル寿命特性に優れた電気化学セルを提供することが可能となる。
According to the electrochemical cell of the present invention, as described above, the negative electrode active material used for the negative electrode contains at least Si element and can reversibly insert and desorb ions of alkali metal or alkaline earth metal. Furthermore, the first additive element M {at least one of B or P} or the second additive element R {In, Sn, Ti, Al, Ge, C, Zr is selected from the group One or both of the at least one element} is a fine particle added by 1 ppm or more and 20% or less by mass ratio with respect to the total amount of Si element contained in the negative electrode active material. Adopted.
Thereby, it can suppress that a negative electrode cracks by the volume expansion / contraction at the time of charging / discharging, and it becomes possible to suppress a raise of internal resistance and capacity | capacitance degradation.
Therefore, it is possible to provide an electrochemical cell having high reliability, high capacity, and excellent cycle life characteristics.

図1は、本発明の電気化学セルの実施形態である非水電解質二次電池および電気二重層キャパシタ、または、正極に電気二重層キャパシタ向けの電極を用い、負極に本発明の非水電解質二次電池向け電極を用いたハイブリッドキャパシタを模式的に説明する図であり、(a)は外装体の収容部に電極体が収容された状態を示す分解斜視図、(b)は断面図、(c)は電極体のラミネート構造を示す斜視図である。FIG. 1 shows a nonaqueous electrolyte secondary battery and an electric double layer capacitor which are embodiments of the electrochemical cell of the present invention, or an electrode for an electric double layer capacitor is used for the positive electrode and the nonaqueous electrolyte of the present invention is used for the negative electrode. It is a figure which illustrates typically the hybrid capacitor using the electrode for secondary batteries, (a) is a disassembled perspective view which shows the state in which the electrode body was accommodated in the accommodating part of an exterior body, (b) is sectional drawing, ( c) is a perspective view showing a laminate structure of an electrode body. 図2は、本発明の電気化学セルの実施形態である非水電解質二次電池および電気二重層キャパシタ、または、正極に電気二重層キャパシタ向けの電極を用い、負極に本発明の非水電解質二次電池向け電極を用いたハイブリッドキャパシタの製造方法を示す工程図である。FIG. 2 shows a nonaqueous electrolyte secondary battery and an electric double layer capacitor which are embodiments of the electrochemical cell of the present invention, or an electrode for an electric double layer capacitor is used for the positive electrode and the nonaqueous electrolyte of the present invention is used for the negative electrode. It is process drawing which shows the manufacturing method of the hybrid capacitor using the electrode for secondary batteries.

以下、本発明の電気化学セルの実施形態として、非水電解質二次電池(電気二重層キャパシタ)の実施形態を挙げ、それらの各構成について図面を参照しながら詳述する。なお、本発明で説明する電気化学セルとは、具体的には、正極または負極として用いる活物質と電解液とが容器内に収容されてなる、非水電解質二次電池や電気二重層キャパシタ、または、正極に電気二重層キャパシタ向けの電極を用い、負極に本発明の非水電解質二次電池向け電極を用いたハイブリッドキャパシタ等を指し、本実施形態においても、これらを例に挙げて説明する。   Hereinafter, as an embodiment of the electrochemical cell of the present invention, an embodiment of a non-aqueous electrolyte secondary battery (electric double layer capacitor) will be given, and each of those configurations will be described in detail with reference to the drawings. The electrochemical cell described in the present invention is specifically a non-aqueous electrolyte secondary battery or an electric double layer capacitor in which an active material used as a positive electrode or a negative electrode and an electrolytic solution are contained in a container, Alternatively, a hybrid capacitor using an electrode for an electric double layer capacitor as a positive electrode and an electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention as a negative electrode, and the like will be described in the present embodiment as an example. .

「非水電解質二次電池(電気二重層キャパシタ)」
図1(a)〜(c)に示す本実施形態の非水電解質二次電池1は、いわゆるラミネート型のものである。図1(a)は、外装体2の内部に電極体10が収容された状態を示す分解斜視図、(b)は、非水電解質二次電池1の断面図、(c)は、電極体10のラミネート構造を示す斜視図である。なお、図1(a)の分解斜視図は、説明の都合上、一体形成された外装体2を、第1容器部21と第2容器部とに分解して示したものである。
この非水電解質二次電池1は、ラミネートフィルムからなる外装体2の内面に凹状に設けられた収容部21a、22aに電極体10が収容されてなる、略扁平形のものである。また、電極体10が収容される外装体2の収容部21a、22a内には、図示略の電解液が充填されている。
"Nonaqueous electrolyte secondary battery (electric double layer capacitor)"
The nonaqueous electrolyte secondary battery 1 of the present embodiment shown in FIGS. 1A to 1C is a so-called laminate type. 1A is an exploded perspective view showing a state in which the electrode body 10 is accommodated in the exterior body 2, FIG. 1B is a cross-sectional view of the nonaqueous electrolyte secondary battery 1, and FIG. 1C is an electrode body. It is a perspective view which shows the laminate structure of 10. FIG. In addition, the exploded perspective view of FIG. 1A is an exploded view of the integrally formed exterior body 2 divided into a first container portion 21 and a second container portion for convenience of explanation.
This non-aqueous electrolyte secondary battery 1 has a substantially flat shape in which the electrode body 10 is housed in housing portions 21a and 22a provided in a concave shape on the inner surface of an exterior body 2 made of a laminate film. In addition, in the housing portions 21a and 22a of the exterior body 2 in which the electrode body 10 is housed, an electrolyte solution (not shown) is filled.

また、本実施形態の非水電解質二次電池1は、負極40に用いる負極活物質が、少なくともSi元素を含むとともに、アルカリ金属またはアルカリ土類金属のイオンを可逆的に挿入、脱離可能な物質からなり、さらに、以下に示す第一の添加元素M、または、第二の添加元素Rのうちの一方あるいは両方が、負極活物質中に含まれるSi元素の全量に対して、それぞれ、質量比で1ppm以上、20%以下で添加されてなる微粒子である構成とされている。
(1)第一の添加元素M : BまたはPの少なくとも何れかの元素。
(2)第二の添加元素R : In、Sn、Ti、Al、Ge、C、Zrの群から選ばれる少なくとも1以上の元素。
Further, in the non-aqueous electrolyte secondary battery 1 of the present embodiment, the negative electrode active material used for the negative electrode 40 contains at least Si element and can reversibly insert and desorb ions of alkali metal or alkaline earth metal. Further, one or both of the first additive element M and the second additive element R shown below are each in mass with respect to the total amount of Si element contained in the negative electrode active material. It is set as the structure which is the microparticles | fine-particles added by 1 ppm or more and 20% or less by ratio.
(1) First additive element M: at least one element of B or P.
(2) Second additive element R: At least one element selected from the group consisting of In, Sn, Ti, Al, Ge, C, and Zr.

本実施形態の非水電解質二次電池1に用いられる外装体2は、例えば、ナイロンフィルムやアルミニウム箔、ポリプロピレンフィルム等を順次積層して貼り合わせたアルミラミネートフィルムから構成される。その際、上述した各層の間に、図視略の接着剤が介在していても構わない。外装体2は、図1(a)、(b)に示す例では、平面視略中央部に凹状の収容部21aが形成された第1容器部21と、この第1容器部21に重ね合わせられて内部を密封する、凹状の収容部22aが形成された第2容器部22とから構成されている。また、図示例においては、第1容器部21と第2容器部22とが一体に形成されている。   The exterior body 2 used for the nonaqueous electrolyte secondary battery 1 of this embodiment is composed of, for example, an aluminum laminate film in which a nylon film, an aluminum foil, a polypropylene film, and the like are sequentially laminated and bonded together. At that time, an adhesive (not shown) may be interposed between the above-described layers. In the example shown in FIGS. 1A and 1B, the exterior body 2 is superposed on the first container part 21 in which a concave accommodating part 21 a is formed in a substantially central part in plan view, and the first container part 21. The second container portion 22 is formed with a concave accommodating portion 22a which is sealed inside. Moreover, in the example of illustration, the 1st container part 21 and the 2nd container part 22 are integrally formed.

上述のように、アルミラミネートフィルムからなる外装体2の内部空間に、電極体10を収容して電池構造を得る方法としては、例えば、アルミラミネートフィルムからなる袋状の内部空間に、電極体10を装填するとともに電解液を注入し、内部の脱泡後にアルミラミネートフィルムを熱融着して封止する方法を採用することができる。   As described above, as a method of obtaining the battery structure by accommodating the electrode body 10 in the internal space of the exterior body 2 made of an aluminum laminate film, for example, the electrode body 10 is placed in a bag-like internal space made of an aluminum laminate film. And an electrolytic solution are injected, and after defoaming the inside, the aluminum laminate film is heat-sealed and sealed.

あるいは、予め、第1及び第2容器部21、22を別々に製造する方法を採用し、上記のアルミラミネートフィルムを金型にセットした後、圧力を加えて絞り加工成型を行うことで収容部21a、22aを形成し、その後、収容部21a、22aに電極体10を装填するとともに電解液を注入してから、第1及び第2容器部21、22の周縁部同士を接着することも可能である。この場合には、これら周縁部同士を溶着あるいは接着することが、収容部21a、22a内に収容される電解液が漏洩するのを防止できる点から好ましい。   Alternatively, a method in which the first and second container parts 21 and 22 are separately manufactured in advance is adopted, and the above-mentioned aluminum laminate film is set in a mold and then subjected to drawing and molding by applying pressure. 21a, 22a is formed, and then the electrode body 10 is loaded into the accommodating portions 21a, 22a and the electrolyte is injected, and then the peripheral portions of the first and second container portions 21, 22 can be bonded together. It is. In this case, it is preferable that these peripheral portions are welded or bonded together from the viewpoint of preventing leakage of the electrolytic solution accommodated in the accommodating portions 21a and 22a.

電極体10は、図1(c)に示すように、正極30及び正極集電体31からなるフィルム状の正極体3と、負極40及び負極集電体41からなるフィルム状の負極体4と、これら正極体3と負極体4との間に設けられるフィルム状のセパレータ5とが積層されたラミネート構造を有している。即ち、電極体10は、正極30と負極40とが、セパレータ5を介して対向して重ね合わせられた構成とされている。また、図1(a)〜(c)に示す例では、電極体10は、これらフィルム状の各層からなる積層体が、同方向に捲回されたスパイラル形状とされている。   As shown in FIG. 1C, the electrode body 10 includes a film-like positive electrode body 3 composed of a positive electrode 30 and a positive electrode current collector 31, and a film-shaped negative electrode body 4 composed of a negative electrode 40 and a negative electrode current collector 41. The laminate structure is formed by laminating a film-like separator 5 provided between the positive electrode body 3 and the negative electrode body 4. That is, the electrode body 10 has a configuration in which the positive electrode 30 and the negative electrode 40 are overlapped with each other with the separator 5 therebetween. Moreover, in the example shown to Fig.1 (a)-(c), the electrode body 10 is made into the spiral shape by which the laminated body which consists of each of these film-like layers was wound by the same direction.

そして、正極体3、負極体4及びセパレータ5には、第1及び第2容器部21、22の収容部21a、22a内に充填された図示略の電解液が含浸されている。   The positive electrode body 3, the negative electrode body 4, and the separator 5 are impregnated with an electrolyte solution (not shown) filled in the accommodating portions 21 a and 22 a of the first and second container portions 21 and 22.

また、正極集電体31及び負極集電体41の各々には、それぞれ、外部端子として正極端子31a及び負極端子41aが各集電体から導出するように接続されており、これら各端子から電流を取り出すことが可能な構成とされている。非水電解質二次電池1は、正極端子31a及び負極端子41aが外部に突出した状態であっても、第1容器部21と第2容器部22とが重ね合わせられて封止されることにより、密閉性が確保されている。   Further, each of the positive electrode current collector 31 and the negative electrode current collector 41 is connected to the positive electrode terminal 31a and the negative electrode terminal 41a as external terminals so as to be led out from the respective current collectors. It is set as the structure which can take out. In the nonaqueous electrolyte secondary battery 1, even when the positive electrode terminal 31 a and the negative electrode terminal 41 a protrude to the outside, the first container portion 21 and the second container portion 22 are overlapped and sealed. , Sealing is ensured.

以下に、非水電解質二次電池1を構成する各要素について、さらに詳しく説明する。   Below, each element which comprises the nonaqueous electrolyte secondary battery 1 is demonstrated in more detail.

「電極体」
上述したように、本実施形態の電極体10は、図1(a)〜(c)に示すように、それぞれフィルム状とされた正極体3、負極体4及びセパレータ5が順次積層された積層体が、所定回数で捲回されてなる構造を有している。電極体10の積層回数、即ち、ラミネート構造の捲回数は、電池特性等を考慮しながら、適宜設定することができる。
"Electrode body"
As described above, as shown in FIGS. 1A to 1C, the electrode body 10 of the present embodiment is a laminated body in which the positive electrode body 3, the negative electrode body 4, and the separator 5 that are each formed into a film are sequentially laminated. The body has a structure in which the body is wound a predetermined number of times. The number of times the electrode body 10 is stacked, that is, the number of times the laminate structure is folded, can be appropriately set in consideration of battery characteristics and the like.

電極体10は、上記ラミネート構造の積層体を捲回させてスパイラル形状とした後、さらに、図示例のような扁平形状となるように加圧することで得られる。そして、電極体10から取り出される正極端子31a及び負極端子41aが外部に導出されるように、電極体10をアルミラミネートフィルムからなる袋の内部空間に装填し、さらに、所定量の電解液を注入して脱泡した後、アルミラミネートフィルムを熱融着して封止する。   The electrode body 10 is obtained by winding a laminate having the above-described laminate structure into a spiral shape, and then pressing the laminate so as to have a flat shape as shown in the illustrated example. Then, the electrode body 10 is loaded into the inner space of the bag made of an aluminum laminate film so that the positive electrode terminal 31a and the negative electrode terminal 41a taken out from the electrode body 10 are led out, and a predetermined amount of electrolyte is injected. After defoaming, the aluminum laminate film is heat-sealed and sealed.

(正極)
正極30としては、従来公知の正極活物質、導電助剤、バインダ等を用いることができる。
まず、正極活物質としては、例えば、モリブデン酸化物、マンガン酸リチウム化合物、リン酸鉄リチウム化合物、コバルト酸リチウム化合物、ニッケル酸リチウム化合物、Co−Ni−Mnで構成される層状化合物等が挙げられ、マンガン酸リチウム化合物、リン酸鉄リチウム化合物、が好ましい。正極30が、上記例示の正極活物質を含有することで、非水電解質二次電池1の耐熱性が高まり、例えば、リフロー処理、又は、非水電解質二次電池1の使用中の加熱による放電容量の低下が抑制される。
(Positive electrode)
As the positive electrode 30, a conventionally known positive electrode active material, conductive additive, binder, or the like can be used.
First, examples of the positive electrode active material include a molybdenum oxide, a lithium manganate compound, a lithium iron phosphate compound, a lithium cobaltate compound, a lithium nickelate compound, and a layered compound composed of Co—Ni—Mn. , Lithium manganate compounds and lithium iron phosphate compounds are preferred. The positive electrode 30 contains the above-exemplified positive electrode active material, so that the heat resistance of the nonaqueous electrolyte secondary battery 1 is increased, for example, reflow treatment or discharge due to heating during use of the nonaqueous electrolyte secondary battery 1. A decrease in capacity is suppressed.

マンガン酸リチウム化合物としては、スピネル型リチウムマンガン酸化物等が挙げられ、LiMn5−w 12(0≦w<1、M1はNi、Co、Ti、Fe、Cr、Al、Mo、V、Cu、Nb、Zn、Ca、Mgのうちの少なくとも1種類)、(LiO)z・LiMn2−y (0≦y<1、0≦z<1、M2はM1と同じである)等が挙げられ、中でも、w=0であるLiMn12が好ましい。
リン酸鉄リチウム化合物としては、LiFe1−p PO(0≦p≦1、M4はMn、Ni、Co、Ti、Al、Cr、V、Nbのうちの少なくとも1種類)、LiFe2―q (PO(0≦q≦1、M5はM4と同じである)等が挙げられ、中でも、LiFePOが好ましい。
コバルト酸リチウム化合物としては、LiCo1−r (0≦r<1、M6はMn、Ti、Fe、Cr、Al、Mo、V、Cu、Nb、Zn、Ca、Mgのうちの少なくとも1種類)等が挙げられ、中でも、LiCoOが好ましい。
ニッケル酸リチウム化合物としては、LiNi1−s (0≦s<1、M7はMn、Co、Ti、Fe、Cr、Al、Mo、V、Cu、Nb、Zn、Ca、Mgのうちの少なくとも1種類)等が挙げられ、中でも、LiNiOが好ましい。
また、正極活物質は、例えば、上記のうちの1種を単独で用いてもよく、あるいは、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
Examples of the lithium manganate compound include spinel type lithium manganese oxide, and Li 4 Mn 5-w M 1 w O 12 (0 ≦ w <1, M1 is Ni, Co, Ti, Fe, Cr, Al, At least one of Mo, V, Cu, Nb, Zn, Ca, Mg), (Li 2 O) z · LiMn 2 -y M 2 y O 4 (0 ≦ y <1, 0 ≦ z <1, M2 is the same as M1, etc.), and Li 4 Mn 5 O 12 in which w = 0 is particularly preferable.
Examples of the lithium iron phosphate compound include LiFe 1-p M 4 p PO 4 (0 ≦ p ≦ 1, M4 is at least one of Mn, Ni, Co, Ti, Al, Cr, V, and Nb), Li 3 Fe 2 -q M 5 q (PO 4 ) 3 (0 ≦ q ≦ 1, M5 is the same as M4) and the like, among which LiFePO 4 is preferable.
Lico 1-r M 6 r O 2 (0 ≦ r <1, M6 is Mn, Ti, Fe, Cr, Al, Mo, V, Cu, Nb, Zn, Ca, Mg as lithium cobaltate compounds At least one kind), and LiCoO 2 is particularly preferable.
LiNi 1-s M 7 s O 2 (0 ≦ s <1, M7 is Mn, Co, Ti, Fe, Cr, Al, Mo, V, Cu, Nb, Zn, Ca, Mg Among them, LiNiO 2 is preferable.
As the positive electrode active material, for example, one of the above may be used alone, or two or more may be used in combination.

ここで、粒状の正極活物質を用いる場合、その平均粒子径(D50)は、例えば、モリブデン酸化物の場合には、0.1〜100μmが好ましく、1〜10μmがより好ましい。
また、リチウムマンガン酸化物の場合には、0.1〜100μmが好ましく、10〜50μmがより好ましい。
また、リチウム鉄リン酸化合物の場合には、0.001〜1μmが好ましく、0.01〜0.1μmがより好ましい。
正極活物質の粒子径(D50)が、上記好ましい範囲の下限値未満であると、リフロー処理の際に反応性が高まるため扱いにくくなり、上限値を超えると、放電レートが低下するおそれがある。
なお、本発明における「正極活物質の粒子径(D50)」とは、レーザー回折法を用いて測定される粒子径であってメジアン径を意味する。
Here, when using a granular positive electrode active material, the average particle diameter (D50) is preferably 0.1 to 100 μm, and more preferably 1 to 10 μm, for example, in the case of molybdenum oxide.
Moreover, in the case of lithium manganese oxide, 0.1-100 micrometers is preferable and 10-50 micrometers is more preferable.
Moreover, in the case of a lithium iron phosphate compound, 0.001-1 micrometer is preferable and 0.01-0.1 micrometer is more preferable.
When the particle diameter (D50) of the positive electrode active material is less than the lower limit value of the above preferable range, the reactivity increases during reflow treatment, which makes it difficult to handle, and when the upper limit value is exceeded, the discharge rate may decrease. .
In the present invention, the “particle diameter of positive electrode active material (D50)” is a particle diameter measured using a laser diffraction method and means a median diameter.

正極30中の正極活物質の含有量は、非水電解質二次電池1に要求される放電容量等を勘案して決定され、50〜95質量%が好ましく、70〜88質量%がより好ましい。正極活物質の含有量が、上記好ましい範囲の下限値以上であれば、充分な放電容量が得られやすく、好ましい上限値以下であれば、正極30を成形しやすい。   The content of the positive electrode active material in the positive electrode 30 is determined in consideration of the discharge capacity required for the nonaqueous electrolyte secondary battery 1, and is preferably 50 to 95 mass%, more preferably 70 to 88 mass%. If the content of the positive electrode active material is not less than the lower limit value of the above preferable range, a sufficient discharge capacity can be easily obtained, and if it is not more than the preferable upper limit value, the positive electrode 30 can be easily formed.

正極30は、導電助剤(以下、正極30に用いられる導電助剤を「正極導電助剤」ということがある)を含有してもよい。
正極導電助剤としては、例えば、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、グラファイト等の炭素質材料が挙げられる。
正極導電助剤は、上記のうちの1種を単独で用いてもよく、あるいは、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
また、正極30中の正極導電助剤の含有量は、4〜40質量%が好ましく、10〜25質量%がより好ましい。正極活物質の含有量が、上記好ましい範囲の下限値以上であれば、充分な導電性が得られやすい。加えて、電極をペレット状に成型する場合に成型しやすくなる。一方、正極30中の正極導電助剤の含有量が、上記好ましい範囲の上限値以下であれば、正極30に充分な放電容量が得られやすい。
The positive electrode 30 may contain a conductive auxiliary (hereinafter, the conductive auxiliary used for the positive electrode 30 may be referred to as a “positive electrode conductive auxiliary”).
Examples of the positive electrode conductive assistant include carbonaceous materials such as furnace black, ketjen black, acetylene black, and graphite.
As the positive electrode conductive assistant, one of the above may be used alone, or two or more may be used in combination.
Moreover, 4-40 mass% is preferable and, as for content of the positive electrode conductive support agent in the positive electrode 30, 10-25 mass% is more preferable. If the content of the positive electrode active material is not less than the lower limit of the above preferred range, sufficient conductivity can be easily obtained. In addition, it becomes easier to form the electrode when it is formed into a pellet. On the other hand, if the content of the positive electrode conductive additive in the positive electrode 30 is not more than the upper limit of the above preferred range, a sufficient discharge capacity can be easily obtained for the positive electrode 30.

正極30は、バインダ(以下、正極30に用いられるバインダを「正極バインダ」ということがある)を含有してもよい。
正極バインダとしては、従来公知の物質を用いることができ、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリル酸(PA)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリビニルアルコール(PVA)等が挙げられ、中でも、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)やその化合物(共重合体)(PVDF−HFP)がより好ましい。特に、乳化重合によって合成されたポリフッ化ビニリデン(PVDF)や化合物(PVDF−HFP)は、バインダの溶媒として、NMPを用いることなく水を用いることが出来るので、環境負荷の低減やランニングコスト低減の観点から、より好ましい。
また、正極バインダは、上記のうちの1種を単独で用いてもよく、あるいは、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
正極30中の正極バインダの含有量は、例えば、1〜20質量%とすることができる。
The positive electrode 30 may contain a binder (hereinafter, the binder used for the positive electrode 30 may be referred to as a “positive electrode binder”).
As the positive electrode binder, conventionally known materials can be used. For example, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene butadiene rubber (SBR), polyacrylic acid (PA), carboxymethyl cellulose (CMC) ), Polyvinyl alcohol (PVA) and the like, among which polyvinylidene fluoride (PVDF) and its compound (copolymer) (PVDF-HFP) are more preferable. In particular, polyvinylidene fluoride (PVDF) and compound (PVDF-HFP) synthesized by emulsion polymerization can use water without using NMP as a solvent for the binder, thereby reducing environmental burdens and running costs. From the viewpoint, it is more preferable.
As the positive electrode binder, one of the above may be used alone, or two or more may be used in combination.
Content of the positive electrode binder in the positive electrode 30 can be 1-20 mass%, for example.

正極30の大きさ、即ち、正極体3、負極体4及びセパレータ5が積層されたラミネート構造のフィルムを捲回して、スパイラル形状の電極体10を形成した後の大きさは、非水電解質二次電池1の大きさに応じて決定される。
また、正極30の厚さについても、上記同様、非水電解質二次電池1の大きさに応じて決定され、非水電解質二次電池1が小型電子機器用のラミネート型のものであれば、例えば、10〜500μm程度のフィルム状、コイン型のものであれば、例えば、300〜1000μm程度とされる。
The size of the positive electrode 30, that is, the size after the spirally-structured electrode body 10 is formed by winding a film having a laminate structure in which the positive electrode body 3, the negative electrode body 4, and the separator 5 are laminated is as follows. It is determined according to the size of the secondary battery 1.
Also, the thickness of the positive electrode 30 is determined according to the size of the non-aqueous electrolyte secondary battery 1 as described above, and if the non-aqueous electrolyte secondary battery 1 is of a laminate type for small electronic devices, For example, in the case of a film type or coin type of about 10 to 500 μm, for example, it is about 300 to 1000 μm.

正極30は、従来公知の製造方法により製造できる。
例えば、正極30の製造方法としては、正極活物質と、必要に応じて正極導電助剤、及び/又は、正極バインダとを混合して正極合剤とし、この正極合剤を、フィルム状等の任意の形状に成形する方法が挙げられる。例えば、任意の溶媒と正極合剤とを混合してスラリーを作製し、正極集電体31に塗布して乾燥した後、圧縮成形することにより形成できる。
The positive electrode 30 can be manufactured by a conventionally known manufacturing method.
For example, as a method for producing the positive electrode 30, a positive electrode active material and, if necessary, a positive electrode conductive additive and / or a positive electrode binder are mixed to form a positive electrode mixture. The method of shape | molding in arbitrary shapes is mentioned. For example, it can be formed by mixing an arbitrary solvent and a positive electrode mixture to prepare a slurry, applying the slurry to the positive electrode current collector 31 and drying it, followed by compression molding.

また、正極集電体31としては、特に限定されず、従来公知のものを用いることができる。例えば、アルミニウム合金もしくは純アルミからなるアルミニウム箔が挙げられる。
さらに、アルミ箔は比表面積を上げる処理を施していることが望ましく、サンドブラスト等に例示される機械的な加工を施すことや、酸やアルカリなどの薬品を用いた化学的な手法を用いた処理を予め行うことが望ましい。
Moreover, it does not specifically limit as the positive electrode electrical power collector 31, A conventionally well-known thing can be used. For example, an aluminum foil made of an aluminum alloy or pure aluminum can be used.
Furthermore, it is desirable that the aluminum foil has been processed to increase its specific surface area, such as mechanical processing such as sandblasting, or processing using chemical methods using chemicals such as acids and alkalis. It is desirable to carry out in advance.

(負極)
負極40としては、本発明の負極活物質に加えて、従来公知の導電助剤、バインダ等を用いることができる。
まず、本発明の負極活物質は、少なくともSi元素を含むとともに、アルカリ金属またはアルカリ土類金属のイオンを可逆的に挿入、脱離可能な物質からなり、さらに、以下に示す第一の添加元素M、または、第二の添加元素Rのうちの一方あるいは両方が、負極活物質中に含まれるSi元素の全量に対して、それぞれ、質量比で1ppm以上、20%以下で添加されてなる微粒子である。第一の添加元素Mは、BまたはPの少なくとも何れかの元素からなる。また、第二の添加元素Rは、In、Sn、Ti、Al、Ge、C、Zrの群から選ばれる少なくとも1以上の元素からなる。
(Negative electrode)
As the negative electrode 40, in addition to the negative electrode active material of the present invention, conventionally known conductive assistants, binders and the like can be used.
First, the negative electrode active material of the present invention comprises at least a Si element and is made of a material that can reversibly insert and desorb alkali metal or alkaline earth metal ions, and further includes a first additive element shown below. Fine particles formed by adding one or both of M and the second additive element R at a mass ratio of 1 ppm or more and 20% or less with respect to the total amount of Si element contained in the negative electrode active material, respectively. It is. The first additive element M is composed of at least one element of B or P. The second additive element R is made of at least one element selected from the group consisting of In, Sn, Ti, Al, Ge, C, and Zr.

ここで、本発明において説明するアルカリ金属またはアルカリ土類金属のイオンとは、支持塩及び非水溶媒を含む電解液、即ち支持塩を溶解した非水系有機溶媒中で、支持塩と溶媒和する能力が高いものであり、イオン半径が比較的小さく、特に、室温におけるイオンの移動度が高いものであることが望まれる。さらに、工業生産的に、人体に対する安全性の高い元素が望ましいことから、これらに鑑みて、アルカリ金属のイオンでは、Liイオン、または、Naイオンが好ましく、アルカリ土類金属のイオンでは、Mgイオンが好ましい。   Here, the alkali metal or alkaline earth metal ions described in the present invention are solvated with the supporting salt in the electrolyte containing the supporting salt and the non-aqueous solvent, that is, the non-aqueous organic solvent in which the supporting salt is dissolved. It is desirable that the ability is high, the ion radius is relatively small, and in particular, the ion mobility is high at room temperature. Furthermore, in view of these, elements that are highly safe for the human body are desirable for industrial production. Therefore, Li ions or Na ions are preferable for alkali metal ions, and Mg ions are preferable for alkaline earth metal ions. Is preferred.

また、負極40に用いる負極活物質は、上記のイオンを含む元素として、イオンが可逆的に挿入および脱離可能な物質であり、且つ、少なくともSi元素を含む化合物からなる。
ここで、Si(珪素)を含む負極活物質の一般式は、組成式{ASiO}で表され、この式中、元素Aはカチオン種で、アルカリ金属イオンまたはアルカリ土類金属イオン種であり、xは元素Aのイオン種の含有量xで、次式{0≦x≦4.4}の値をとり、酸素量yは次式{0≦y≦2}である。
また、上記式中の元素Mは、第一の添加元素Mとして、BまたはPの少なくとも何れかの元素であり、この第一の添加元素Mを含む場合には、負極活物質中に含まれるSi元素の全量に対して、質量比で1ppm以上、20%以下で含まれるものである。
Moreover, the negative electrode active material used for the negative electrode 40 is a substance in which ions can be reversibly inserted and desorbed as an element containing the above ions, and is made of a compound containing at least a Si element.
Here, the general formula of the negative electrode active material containing Si (silicon) is represented by a composition formula {A x SiO y M z }, in which the element A is a cation species, an alkali metal ion or an alkaline earth metal. X is the content x of the ionic species of the element A and takes the value of the following formula {0 ≦ x ≦ 4.4}, and the oxygen amount y is the following formula {0 ≦ y ≦ 2}.
The element M in the above formula is at least one of B and P as the first additive element M, and when the first additive element M is included, it is contained in the negative electrode active material. It is contained in a mass ratio of 1 ppm or more and 20% or less with respect to the total amount of Si element.

また、本発明では、第二の添加元素Rとして、In、Sn、Ti、Al、Ge、C、Zrの群から選ばれる少なくとも何れか1以上の元素を添加することができる。この第二の添加元素Rを含む場合にも、上記の第一の添加元素Mの場合と同様、負極活物質中に含まれるSi元素の全量に対して、質量比で1ppm以上、20%以下で含むものである。このような第二の添加元素Rは、負極活物質中に金属元素として添加することのみならず、例えば、これらの酸化物や窒素化物の状態で添加することも可能である。
また、負極活物質をなすSi元素、並びに、第二の添加元素RであるIn、Sn、Ti、Al、Ge、Cは、少なくともその表面の一部が炭化された状態の微粒子であっても良い。
In the present invention, as the second additive element R, at least one element selected from the group of In, Sn, Ti, Al, Ge, C, and Zr can be added. Even when the second additive element R is contained, as in the case of the first additive element M, the mass ratio is 1 ppm or more and 20% or less with respect to the total amount of the Si element contained in the negative electrode active material. It is included. Such a second additive element R can be added not only as a metal element in the negative electrode active material but also in the form of an oxide or a nitride thereof, for example.
Further, the Si element forming the negative electrode active material and the second additive element R, In, Sn, Ti, Al, Ge, and C, are fine particles in a state where at least a part of the surface thereof is carbonized. good.

さらに、組成式{ASiO}で表される負極活物質は、完全な化合物ではなく、例えば、微粒子の集合体とされた複合物(マトリックス)であっても良い。またさらに、組成式{ASiO}で表される負極活物質は、前駆体であるとするSiOに、カチオン種であるA元素を、電気化学的、または、化学的に挿入することで得ることができ、特に、電気化学的手法を用いてカチオン種:A元素を挿入することが好ましい。 Furthermore, the negative electrode active material represented by the composition formula {A x SiO y M z } is not a complete compound, but may be, for example, a composite (matrix) formed as an aggregate of fine particles. Furthermore, the negative electrode active material represented by the compositional formula {A x SiO y M z } is obtained by adding an A element as a cation species to the SiO y M z that is a precursor, electrochemically or chemically. In particular, it is preferable to insert the cation species: element A using an electrochemical method.

本実施形態の非水電解質二次電池1では、負極40をなす負極活物質に、まず、第一の添加元素Mが添加されることにより、負極活物質がアモルファスな状態で安定的に存在するようになる。これにより、電気化学セルの充放電によってリチウム等のアルカリ金属イオンの挿入と脱離を繰り返す際、負極に生じる体積膨張・収縮時によって亀裂が発生するのを抑制することが可能となる。
また、負極活物質に第二の添加元素Rが添加されることにより、負極活物質がアモルファスな状態で安定的に存在するようになので、電気化学セルの充放電によってリチウム等のアルカリ金属イオンの挿入と脱離を繰り返す際、負極活物質内の電子伝導性が高められ、負極活物質内の電荷の均質性が向上する。これにより、アルカリ金属イオンの挿入時の偏りを防止し、体積膨張と収縮の局在化を防ぐことで、亀裂が発生するのを抑制できる。
In the nonaqueous electrolyte secondary battery 1 of the present embodiment, first, the first additive element M is added to the negative electrode active material forming the negative electrode 40, so that the negative electrode active material is stably present in an amorphous state. It becomes like this. This makes it possible to suppress the occurrence of cracks due to volume expansion / contraction that occurs in the negative electrode when the insertion and desorption of alkali metal ions such as lithium are repeated by charging and discharging the electrochemical cell.
In addition, since the second additive element R is added to the negative electrode active material so that the negative electrode active material is stably present in an amorphous state, alkali metal ions such as lithium can be charged and discharged by the electrochemical cell. When the insertion and the detachment are repeated, the electron conductivity in the negative electrode active material is increased, and the charge uniformity in the negative electrode active material is improved. Thereby, it is possible to prevent the occurrence of cracks by preventing the bias at the time of insertion of alkali metal ions and by preventing the localization of volume expansion and contraction.

ここで、上記組成式{ASiO}で表される負極活物質の前駆体となるSiOは、一次粒子による集合体とされた二次粒子を形成していても良く、さらに、第一の添加元素M、または、第二の添加元素Rの一方あるいは両方が添加された状態で二次粒子を形成していても良い。 Here, SiO y M z which is a precursor of the negative electrode active material represented by the composition formula {A x SiO y M z} may form a secondary particle which is an aggregate by the primary particles Furthermore, the secondary particles may be formed in a state in which one or both of the first additive element M and the second additive element R are added.

負極活物質の粒子サイズは、平均粒子径で1nm以上50μm以下であることが好ましい。また、負極活物質の平均粒子径は、20μm以下であることがより好ましく、特に、1nm〜2μmの範囲であることがより好ましい。負極活物質の平均粒子径が上記範囲であれば、電池の充放電の際に負極に生じる体積膨張・収縮時に、負極40に亀裂が発生するのを抑制できる効果が顕著に得られる。   The particle size of the negative electrode active material is preferably 1 nm or more and 50 μm or less in terms of average particle diameter. The average particle size of the negative electrode active material is more preferably 20 μm or less, and particularly preferably in the range of 1 nm to 2 μm. When the average particle diameter of the negative electrode active material is in the above range, the effect of suppressing cracks in the negative electrode 40 at the time of volume expansion / contraction that occurs in the negative electrode during charge / discharge of the battery is remarkably obtained.

また、負極活物質の形態としては、平均粒子径1nm以上50μm以下の一次粒子が集合してなる、平均粒子径0.1μm以上100μm以下の二次粒子からなることが好ましい。
さらに、負極活物質の形態としては、平均粒子径1nm以上2μm以下の一次粒子が集合してなる、平均粒子径0.5μm以上4μm以下の二次粒子からなることがより好ましい。
またさらに、上記の負極活物質の二次粒子において、全体積の85%以上が平均粒子径1nm以上8μm以下の一次粒子であることが好ましく、全体積の90%以上が平均粒子径1nm以上2μm以下の一次粒子であることがより好ましい。
Moreover, as a form of a negative electrode active material, it is preferable that it consists of secondary particles with an average particle diameter of 0.1 micrometer or more and 100 micrometers or less formed by aggregating primary particles with an average particle diameter of 1 nm or more and 50 micrometers or less.
Furthermore, the form of the negative electrode active material is more preferably composed of secondary particles having an average particle diameter of 0.5 μm or more and 4 μm or less, which is a collection of primary particles having an average particle diameter of 1 nm or more and 2 μm or less.
Furthermore, in the secondary particles of the negative electrode active material, 85% or more of the total volume is preferably primary particles having an average particle diameter of 1 nm or more and 8 μm or less, and 90% or more of the total volume is 1 nm or more and 2 μm of average particle diameter. The following primary particles are more preferable.

なお、負極活物質の平均粒子径が1nm未満であると、例えば、リフロー処理または非水電解質二次電池1の使用中の加熱による反応性が高まり、電池特性が損なわれるおそれがある。また、負極活物質の平均粒子径が50μmを超えると、放電レートが低下するおそれがある。   In addition, when the average particle diameter of the negative electrode active material is less than 1 nm, for example, reactivity due to reflow treatment or heating during use of the nonaqueous electrolyte secondary battery 1 may increase, and battery characteristics may be impaired. Moreover, when the average particle diameter of the negative electrode active material exceeds 50 μm, the discharge rate may be reduced.

負極40中の負極活物質、即ち、Si元素、あるいは、SiO等のSi元素を含む化合物の含有量は、非水電解質二次電池1に要求される放電容量等を勘案して決定され、50質量%以上が好ましく、60〜70質量%がより好ましい。
負極40において、上記元素からなる負極活物質の含有量が、上記好ましい範囲の下限値以上であれば、充分な放電容量が得られやすく、また、上限値以下であれば、負極40を成形しやすいというメリットがある。
The content of the negative electrode active material in the negative electrode 40, that is, the Si element or the compound containing Si element such as SiO x is determined in consideration of the discharge capacity required for the non-aqueous electrolyte secondary battery 1, 50 mass% or more is preferable and 60-70 mass% is more preferable.
In the negative electrode 40, if the content of the negative electrode active material composed of the above elements is not less than the lower limit value of the above preferable range, sufficient discharge capacity is easily obtained, and if the content is not more than the upper limit value, the negative electrode 40 is formed. There is a merit that it is easy.

また、負極活物質に添加される、第一の添加元素M、または、第二の添加元素Rの量は、負極活物質中に含まれるSi元素の全量に対して、それぞれ、質量比で1ppm以上、1%以下であることがより好ましい。負極活物質に添加される各添加元素の量を上記範囲にさらに制限することで、電気化学セルの充放電の際に負極に生じる体積膨張・収縮によって亀裂が発生するのを抑制できる効果がより顕著に得られる。   The amount of the first additive element M or the second additive element R added to the negative electrode active material is 1 ppm in terms of mass ratio with respect to the total amount of Si element contained in the negative electrode active material. More preferably, it is 1% or less. By further limiting the amount of each additive element added to the negative electrode active material to the above range, the effect of suppressing the occurrence of cracks due to volume expansion / contraction that occurs in the negative electrode during charge / discharge of the electrochemical cell is more effective. Remarkably obtained.

また、本発明においては、負極40をなす負極活物質が、Si元素の酸化物:SiO(0<x<2)からなり、且つ、第二の添加元素Rが、Inおよび/またはSnの酸化物である構成を採用しても良い。
このように、負極活物質がSi元素を含む酸化物からなることで、負極活物質の合成時における元素の不均一性を低減できる。これにより、電気化学セルの充放電によってリチウム等のアルカリ金属イオンの挿入と脱離を繰り返す際、負極活物質内の電子伝導性が高められ、負極活物質内の電荷の均質性を向上させることができる。従って、アルカリ金属イオンの挿入時の偏りを防止し、体積膨張と収縮の局在化を防ぐことで、負極40に亀裂が発生するのを抑制できる。
In the present invention, the negative electrode active material forming the negative electrode 40 is made of an Si element oxide: SiO x (0 <x <2), and the second additive element R is In and / or Sn. You may employ | adopt the structure which is an oxide.
Thus, when the negative electrode active material is made of an oxide containing an Si element, the non-uniformity of elements during the synthesis of the negative electrode active material can be reduced. As a result, when the insertion and desorption of alkali metal ions such as lithium are repeated by charging and discharging the electrochemical cell, the electron conductivity in the negative electrode active material is enhanced, and the homogeneity of the charge in the negative electrode active material is improved. Can do. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the negative electrode 40 by preventing the bias at the time of insertion of the alkali metal ions and preventing the localization of volume expansion and contraction.

また、本発明においては、負極活物質に添加する第二の添加元素Rが、InとSnとの配合比が質量比で1:9とされている構成を採用することができる。
第二の添加元素Rを上記配合比とすることにより、負極活物質がアモルファスな状態でさらに安定的に存在するようになる。これにより、電気化学セルの充放電によってリチウム等のアルカリ金属イオンの挿入と脱離を繰り返す際、負極活物質内の電子伝導性が高められ、負極活物質内の電荷の均質性が向上する。従って、アルカリ金属イオンの挿入時の偏りを防止し、体積膨張と収縮の局在化を防ぐことで、負極40に亀裂が発生するのを抑制できる。
In the present invention, the second additive element R added to the negative electrode active material can adopt a configuration in which the mixing ratio of In and Sn is 1: 9 by mass ratio.
By setting the second additive element R to the above blending ratio, the negative electrode active material is more stably present in an amorphous state. As a result, when the insertion and desorption of alkali metal ions such as lithium are repeated by charging and discharging the electrochemical cell, the electron conductivity in the negative electrode active material is increased, and the charge homogeneity in the negative electrode active material is improved. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the negative electrode 40 by preventing the bias at the time of insertion of the alkali metal ions and preventing the localization of volume expansion and contraction.

また、本発明においては、負極40が、上記の負極活物質に加え、さらに、電子導電性を付与するための炭素材料を含有し、且つ、該炭素材料が、カーボン製チューブ、または、カーボン製シート(グラフェン)の少なくとも何れかを含む構成を採用することができる。
このように、負極40が上記の炭素材料を含むことにより、電気化学セルの充放電によってリチウム等のアルカリ金属イオンの挿入と脱離を繰り返す際に、負極活物質粒子の周囲全面に電子伝導性を付与し、負極活物質粒子の電子伝導性が向上する。これにより、負極40の電極層内の厚み方向と水平方向におけるアルカリ金属イオンの挿入時の偏りを防止し、体積膨張と収縮の局在化を防ぐことで、負極40に亀裂が発生するのを抑制できる。
Further, in the present invention, the negative electrode 40 contains a carbon material for imparting electronic conductivity in addition to the negative electrode active material, and the carbon material is a carbon tube or a carbon product. A configuration including at least one of sheets (graphene) can be employed.
As described above, when the negative electrode 40 includes the above carbon material, when the insertion and desorption of alkali metal ions such as lithium are repeatedly performed by charging and discharging the electrochemical cell, the entire surface around the negative electrode active material particles has electron conductivity. The electron conductivity of the negative electrode active material particles is improved. As a result, it is possible to prevent the negative electrode 40 from being cracked by preventing the bias at the time of insertion of alkali metal ions in the thickness direction and the horizontal direction in the electrode layer of the negative electrode 40 and by preventing the localization of volume expansion and contraction. Can be suppressed.

負極40は、導電助剤(以下、負極40に用いられる導電助剤を「負極導電助剤」ということがある)を含有してもよい。負極導電助剤は、正極導電助剤と同様のものである。
負極40は、バインダ(以下、負極40に用いられるバインダを「負極バインダ」ということがある)を含有してもよい。
負極バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリル酸(PA)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリイミド(PI)、ポリイミドアミド(PAI)等が挙げられ、中でも、ポリアクリル酸(PA)やポリイミド(PI)が好ましく、架橋型のポリアクリル酸がより好ましい。また、ポリアクリル酸を中和した材料が好ましい。
また、負極バインダは、上記のうちの1種を単独で用いてもよく、あるいは、2種以上を組み合わせて用いてもよい。なお、負極バインダにポリアクリル酸を用いる場合には、ポリアクリル酸を、予め、pH3〜10に調整しておくことが好ましい。この場合のpHの調整には、例えば、水酸化リチウム等のアルカリ金属水酸化物や水酸化マグネシウム等のアルカリ土類金属水酸化物を用いることができる。
負極バインダにポリイミド(PI)、ポリイミドアミド(PAI)を用いる場合には、原材料を予め60℃以上の温度で乾燥し、原材料を乾式で混合することが望ましい。
負極40中の負極バインダの含有量は、例えば1〜20質量%とされる。
The negative electrode 40 may contain a conductive auxiliary (hereinafter, the conductive auxiliary used for the negative electrode 40 may be referred to as “negative electrode conductive auxiliary”). The negative electrode conductive auxiliary is the same as the positive electrode conductive auxiliary.
The negative electrode 40 may contain a binder (hereinafter, the binder used for the negative electrode 40 may be referred to as a “negative electrode binder”).
Examples of the negative electrode binder include polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene butadiene rubber (SBR), polyacrylic acid (PA), carboxymethyl cellulose (CMC), polyimide (PI), and polyimide amide (PAI). Acrylic acid (PA) and polyimide (PI) are preferable, and cross-linked polyacrylic acid is more preferable. Moreover, the material which neutralized polyacrylic acid is preferable.
As the negative electrode binder, one of the above may be used alone, or two or more may be used in combination. In addition, when using polyacrylic acid for a negative electrode binder, it is preferable to adjust polyacrylic acid to pH 3-10 previously. For adjusting the pH in this case, for example, an alkali metal hydroxide such as lithium hydroxide or an alkaline earth metal hydroxide such as magnesium hydroxide can be used.
When polyimide (PI) or polyimide amide (PAI) is used for the negative electrode binder, it is desirable to dry the raw materials in advance at a temperature of 60 ° C. or higher and to mix the raw materials in a dry manner.
The content of the negative electrode binder in the negative electrode 40 is, for example, 1 to 20% by mass.

負極40は、従来公知の製造方法により製造できる。
例えば、負極40の製造方法としては、負極活物質と、必要に応じて負極導電助剤、及び/又は、負極バインダとを混合して負極合剤とし、この負極合剤を、フィルム状等の任意の形状に成形する方法が挙げられる。例えば、任意の溶媒と負極合剤とを混合してスラリーを作製し、負極集電体41に塗布して乾燥した後、圧縮成形することにより形成できる。但し、バインダにPIやPAIを用いる場合には、あらかじめ乾燥した原材料の混合工程において、湿度が5%RH以下、より好ましくは、湿度が1%RH以下に管理された乾燥室を用いることが望ましい。また、分散媒として、100ppm以下に脱水処理を施したNMPを用いることが良い。
The negative electrode 40 can be manufactured by a conventionally known manufacturing method.
For example, as a manufacturing method of the negative electrode 40, a negative electrode active material and, if necessary, a negative electrode conductive additive and / or a negative electrode binder are mixed to form a negative electrode mixture. The method of shape | molding in arbitrary shapes is mentioned. For example, it can be formed by mixing an arbitrary solvent and a negative electrode mixture to prepare a slurry, applying the slurry to the negative electrode current collector 41 and drying, followed by compression molding. However, when PI or PAI is used for the binder, it is desirable to use a drying chamber in which the humidity is controlled to 5% RH or less, more preferably 1% RH or less, in the mixing process of the raw materials dried in advance. . Moreover, it is good to use NMP which performed the dehydration process to 100 ppm or less as a dispersion medium.

また、負極集電体41上に電極合剤を塗布する方法としては、以下に示す方法から適宜選択することができる。例えば、スピンコート法、ドクターブレード法、リバースロール法、ダイレクトロール法、ディップ法、スクイーズ法、エクストルージョン法、カーテン法、バー法、ナイフ法等々の方法を例として挙げられるが、これらの方法に限定されるものではない。
また、コート厚み、長さや巾は、電気化学セルの大きさによって決定されるが、コート厚みは、乾燥後の圧縮された状態で1〜200μmであることが特に好ましい。
Moreover, as a method of apply | coating an electrode mixture on the negative electrode collector 41, it can select suitably from the method shown below. Examples include spin coating method, doctor blade method, reverse roll method, direct roll method, dipping method, squeeze method, extrusion method, curtain method, bar method, knife method, etc. It is not limited.
The coat thickness, length and width are determined by the size of the electrochemical cell, and the coat thickness is particularly preferably 1 to 200 μm in a compressed state after drying.

また、シートのプレス法としては、従来から一般に採用されている方法を用いることができるが、特に、金型プレス法やカレンダープレス法が好ましい。この際のプレス圧としては、特に限定されないが、0.2〜3t/cmが好ましい。また、カレンダープレス法のプレス速度は0.1〜50m/分が好ましい。さらに、この際のプレス温度は、室温〜200℃が好ましい。
上述のような工程により、負極集電体41上に負極40を配置することができる。
In addition, as a sheet pressing method, a conventionally employed method can be used, and a mold pressing method and a calendar pressing method are particularly preferable. Although it does not specifically limit as a press pressure in this case, 0.2-3 t / cm < 2 > is preferable. Moreover, the press speed of the calendar press method is preferably 0.1 to 50 m / min. Furthermore, the press temperature at this time is preferably room temperature to 200 ° C.
The negative electrode 40 can be disposed on the negative electrode current collector 41 by the process as described above.

上記構成の負極40を採用することで、充放電時の体積膨張・縮小によって負極に亀裂が発生するのを抑制でき、内部抵抗の上昇や容量劣化を抑制できるので、 信頼性が高く、高容量で、且つ、サイクル寿命特性に優れた非水電解質二次電池1が実現できる。   By adopting the negative electrode 40 having the above-described configuration, it is possible to suppress cracks from being generated in the negative electrode due to volume expansion / contraction during charge / discharge, and it is possible to suppress an increase in internal resistance and capacity deterioration, thereby providing high reliability and high capacity. In addition, the nonaqueous electrolyte secondary battery 1 having excellent cycle life characteristics can be realized.

なお、負極40の大きさや厚さは、正極30と同様に、非水電解質二次電池1の大きさに応じて決定され、非水電解質二次電池1が小型電子機器用のラミネート型のものであれば、例えば、10〜500μm程度のフィルム状、コイン型のものであれば、例えば、300〜1000μm程度とされる。   The size and thickness of the negative electrode 40 are determined according to the size of the non-aqueous electrolyte secondary battery 1 as in the case of the positive electrode 30, and the non-aqueous electrolyte secondary battery 1 is a laminate type for small electronic devices. If it is, for example, if it is a film type of about 10-500 micrometers, and a coin type thing, it will be about 300-1000 micrometers, for example.

また、負極集電体41としては、例えば、銅合金もしくは純銅からなる銅箔を用いることができる。特に、SUS箔を用いることが好ましく、厚みが10μm以下のSUS304、SUS316等が好ましい。負極集電体41にSUS箔を用いる場合には、表面をサンドブラストやロール等で、表面積を上げる前処理を施しておくことが望ましい。この際、表面積を上げる効果とともに、バインダのアンカー効果によって、充放電に伴う電極活物質の膨張収縮による体積変化による活物質の脱離を防ぐことが可能となる。
また、この前処理は、化学的な手法を用いても機械的な手法を用いても構わない。化学的な手法を用いる場合、例えば、SUS箔の表面に化学エッチングを施すことにより、アンカー効果を発揮し、電極活物質をSUS箔の表面に強く固定させることができる。これにより、内部抵抗の上昇や容量劣化を抑制できるので、信頼性が高く、高容量で、且つ、サイクル寿命特性に優れた非水電解質二次電池1が実現できる。
As the negative electrode current collector 41, for example, a copper foil made of a copper alloy or pure copper can be used. In particular, SUS foil is preferably used, and SUS304, SUS316, etc. having a thickness of 10 μm or less are preferable. When SUS foil is used for the negative electrode current collector 41, it is desirable to perform a pretreatment for increasing the surface area with a sandblast or a roll. At this time, the effect of increasing the surface area and the anchor effect of the binder can prevent the active material from being detached due to the volume change due to the expansion and contraction of the electrode active material due to charge and discharge.
Further, this pretreatment may use a chemical method or a mechanical method. In the case of using a chemical technique, for example, by performing chemical etching on the surface of the SUS foil, the anchor effect can be exhibited and the electrode active material can be strongly fixed to the surface of the SUS foil. Thereby, since an increase in internal resistance and capacity deterioration can be suppressed, the nonaqueous electrolyte secondary battery 1 having high reliability, high capacity, and excellent cycle life characteristics can be realized.

(電解液)
電解液(図指略)は、支持塩を非水溶媒に溶解させたものである。
支持塩としては、非水電解質二次電池の電解液に支持塩として用いられる公知の物質を用いることができ、例えば、LiCHSO、LiCFSO、LiN(CFSO、LiN(CSO、LiC(CFSO、LiN(CFSO、LiN(FSO等の有機酸リチウム塩;LiPF、LiBF、LiB(C、LiCl、LiBr等の無機酸リチウム塩等のリチウム塩等が挙げられる。なかでも、リチウムイオン導電性を有する化合物であるリチウム塩が好ましく、LiPF、LiN(CFSO、LiN(FSO、LiBFを単独、または混同状態で用いることがより好ましい。
支持塩は、上記のうちの1種を単独で用いてもよく、あるいは、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
(Electrolyte)
The electrolytic solution (not shown) is obtained by dissolving a supporting salt in a non-aqueous solvent.
As the supporting salt, a known substance used as a supporting salt in the electrolyte solution of the nonaqueous electrolyte secondary battery can be used. For example, LiCH 3 SO 3 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , Organic acid lithium salts such as LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiN (CF 3 SO 3 ) 2 , LiN (FSO 2 ) 2 ; LiPF 6 , LiBF 4 , LiB ( Examples thereof include lithium salts such as inorganic acid lithium salts such as C 6 H 5 ) 4 , LiCl and LiBr. Among them, a lithium salt that is a compound having lithium ion conductivity is preferable, and it is more preferable to use LiPF 6 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (FSO 2 ) 2 , LiBF 4 alone or in a mixed state. .
As the supporting salt, one of the above may be used alone, or two or more may be used in combination.

非水溶媒としては、電解液に求められる耐熱性や粘度等を勘案して決定され、例えば、ギ酸エチル、ギ酸プロピル、ギ酸nプロピル等のギ酸エステル;プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル等のプロピオン酸エステル;酪酸メチル、酪酸エチル等の酪酸エステル等の脂肪族モノカルボン酸エステル;ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等の鎖状カーボネート;エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、1,2−ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)等の環状カーボネート;ジメチルスルホン、エチルメチルスルホン等の鎖状スルホン;テトラエチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル等のグリコールエーテル;スルホラン(SL)、γ−ブチロラクトン(GBL)、1,2−ジメトキシエタン(DME)、1,2−ジエトキシエタン(DEE)、1,2−エトキシメトキシエタン(EME)、テトラヒドロフラン(THF)、1,3−ジオキソラン(DOL)等が挙げられる。   The non-aqueous solvent is determined in consideration of the heat resistance and viscosity required for the electrolytic solution. For example, formic acid esters such as ethyl formate, propyl formate and n-propyl formate; propionic acid such as methyl propionate and ethyl propionate Esters; Aliphatic monocarboxylic acid esters such as butyric acid esters such as methyl butyrate and ethyl butyrate; Chain carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate and ethyl methyl carbonate; Ethylene carbonate (EC), Propylene carbonate (PC), 1, 2 -Cyclic carbonates such as butylene carbonate (BC) and vinylene carbonate (VC); chain sulfones such as dimethyl sulfone and ethyl methyl sulfone; glycol ethers such as tetraethylene glycol dimethyl ether and ethylene glycol diethyl ether Sulfolane (SL), γ-butyrolactone (GBL), 1,2-dimethoxyethane (DME), 1,2-diethoxyethane (DEE), 1,2-ethoxymethoxyethane (EME), tetrahydrofuran (THF), 1 , 3-dioxolane (DOL) and the like.

電解液中の支持塩の含有量は、支持塩の種類等を勘案して決定でき、例えば、0.1〜3.5mol/Lが好ましく、0.5〜3mol/Lがより好ましく、1〜2.5mol/Lが特に好ましい。電解液中の支持塩濃度が高過ぎても、あるいは低過ぎても、電導度の低下が起き、電池特性に悪影響を及ぼすおそれがある。   The content of the supporting salt in the electrolytic solution can be determined in consideration of the type of the supporting salt, etc., for example, preferably 0.1 to 3.5 mol / L, more preferably 0.5 to 3 mol / L, 2.5 mol / L is particularly preferable. Even if the supporting salt concentration in the electrolytic solution is too high or too low, the conductivity is lowered, which may adversely affect the battery characteristics.

(セパレータ)
セパレータ5は、正極30と負極40との間に介在され、大きなイオン透過度を有し、かつ、機械的強度を有する絶縁膜が用いられる。
セパレータ5としては、従来から非水電解質二次電池のセパレータに用いられるフィルム状のものを何ら制限無く適用でき、ラミネート型の電気化学セルとしては、電気化学セルの異常による加熱により空孔の閉塞によるシャットダウン機能をもったポリエチレン、ポリプロピレンなどのオレフィン、ポリアミド、あるいはポリエチレン/ポリプロピレン複合膜などが挙げられる。またボタン型においては、例えば、アルカリガラス、ホウ珪酸ガラス、石英ガラス、鉛ガラス等のガラス、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリアミド、ポリイミド(PI)等の樹脂からなる不織布等が挙げられる。さらに、PVdF−HFPのような擬似ポリマー、EO(エチレンオキサイド)、PO(ポリエチレンオキサイド)や、それらの共重合体、また、更に、ポリアクリロニトリル等のゲルを用いることが出来る。
セパレータ5の厚さは、正極30や負極40等と同様、非水電解質二次電池1の大きさや、セパレータ5の材質等を勘案して決定され、例えば5〜300μmとすることができる。
(Separator)
The separator 5 is interposed between the positive electrode 30 and the negative electrode 40, and an insulating film having high ion permeability and mechanical strength is used.
As the separator 5, a film-like material conventionally used for a separator of a non-aqueous electrolyte secondary battery can be applied without any limitation, and as a laminate-type electrochemical cell, pores are blocked by heating due to abnormality of the electrochemical cell. Olefin such as polyethylene and polypropylene having a shutdown function due to the above, polyamide, or polyethylene / polypropylene composite membrane. In the button type, for example, glass such as alkali glass, borosilicate glass, quartz glass, lead glass, polyphenylene sulfide (PPS), polyetheretherketone (PEEK), polyethylene terephthalate (PET), polyamideimide (PAI), Nonwoven fabric made of a resin such as polyamide or polyimide (PI) can be used. Furthermore, pseudo polymers such as PVdF-HFP, EO (ethylene oxide), PO (polyethylene oxide), copolymers thereof, and gels such as polyacrylonitrile can be used.
The thickness of the separator 5 is determined in consideration of the size of the nonaqueous electrolyte secondary battery 1, the material of the separator 5, and the like, like the positive electrode 30 and the negative electrode 40, and can be set to 5 to 300 μm, for example.

なお、本実施形態においては、図1(a)〜(c)に示すようなラミネート型の構造を有する非水電解質二次電池を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ボタン型の構造や、セラミックス製の容器本体の開口部が、金属製の封口部材を用いたシーム溶接等の加熱処理によってセラミックス製の蓋体で封止された構造の非水電解質二次電池であってもよい。   In the present embodiment, the nonaqueous electrolyte secondary battery having a laminate type structure as shown in FIGS. 1A to 1C has been described as an example, but the present invention is limited to this. It is not a thing. For example, a non-aqueous electrolyte secondary having a button-type structure or a structure in which the opening of a ceramic container body is sealed with a ceramic lid by heat treatment such as seam welding using a metal sealing member It may be a battery.

以上説明したように、本実施形態の非水電解質二次電池(電気二重層キャパシタ)1によれば、負極40に用いる負極活物質が、少なくともSi元素を含むとともに、アルカリ金属またはアルカリ土類金属のイオンを可逆的に挿入、脱離可能な物質からなり、さらに、第一の添加元素M{BまたはPの少なくとも何れかの元素}、または、第二の添加元素R{In、Sn、Ti、Al、Ge、C、Zrの群から選ばれる少なくとも1以上の元素}のうちの一方あるいは両方が、負極活物質中に含まれるSi元素の全量に対して、それぞれ、質量比で1ppm以上、20%以下で添加されてなる微粒子である構成を採用している。
これにより、充放電時の体積膨張・縮小によって負極に亀裂が発生するのを抑制でき、内部抵抗の上昇や容量劣化を抑制することが可能となる。
従って、信頼性が高く、高容量で、且つ、サイクル寿命特性に優れた非水電解質二次電池1を提供することが可能となる。
As described above, according to the non-aqueous electrolyte secondary battery (electric double layer capacitor) 1 of the present embodiment, the negative electrode active material used for the negative electrode 40 contains at least Si element, and an alkali metal or alkaline earth metal. Of the first additive element M {at least one of B or P} or the second additive element R {In, Sn, Ti. , One or both of at least one element selected from the group consisting of Al, Ge, C, and Zr} is 1 ppm or more by mass ratio with respect to the total amount of Si element contained in the negative electrode active material, respectively. The structure which is a fine particle added at 20% or less is adopted.
Thereby, it can suppress that a negative electrode cracks by the volume expansion / contraction at the time of charging / discharging, and it becomes possible to suppress a raise of internal resistance and capacity | capacitance degradation.
Therefore, it is possible to provide the nonaqueous electrolyte secondary battery 1 having high reliability, high capacity, and excellent cycle life characteristics.

「製造方法」
次に、本発明の電気化学セルである非水電解質二次電池(電気二重層キャパシタ)の製造方法について、図1、2を適宜参照しながら説明する。
本実施形態の好ましい態様である非水電解質二次電池の製造方法は、図1(a)〜(c)に示すようなラミネート型の非水電解質二次電池1を製造する方法である。
まず、図1(c)に示すように、正極集電体31表面に正極30を形成した正極体3と、負極集電体41表面に負極40を形成した負極体4との間にセパレータ5を介して捲回し電極体10を作製する。そして、図1(a)に示すように、予め凹状の収容部21a及び22aが形成された外装体2に、電極体10を装填する。その後、電解液を注入し、内部の脱泡後に外装体2を封止する。
"Production method"
Next, the manufacturing method of the nonaqueous electrolyte secondary battery (electric double layer capacitor) which is the electrochemical cell of this invention is demonstrated, referring FIGS.
A method for manufacturing a non-aqueous electrolyte secondary battery, which is a preferred aspect of the present embodiment, is a method for manufacturing a laminate-type non-aqueous electrolyte secondary battery 1 as shown in FIGS.
First, as shown in FIG. 1C, a separator 5 is provided between a positive electrode body 3 in which the positive electrode 30 is formed on the surface of the positive electrode current collector 31 and a negative electrode body 4 in which the negative electrode 40 is formed on the surface of the negative electrode current collector 41. And the electrode body 10 is produced. And as shown to Fig.1 (a), the electrode body 10 is loaded into the exterior body 2 in which the concave accommodating parts 21a and 22a were formed previously. Then, electrolyte solution is inject | poured and the exterior body 2 is sealed after internal defoaming.

次に、図2に基づいて、本発明の電気化学セルの実施形態である負極活物質及び負極40について説明する。
まず、負極40に用いる負極活物質ASiO+Rを製造する方法を簡単に説明する。また、使用する材料として、含Si化物、珪素酸化物(SiO)、第一の添加元素M、第二の添加元素R、アルカリ金属イオンまたはアルカリ土類金属イオンの元素Aを用いるが、それぞれの詳細については後述する。
Next, based on FIG. 2, the negative electrode active material and the negative electrode 40 which are embodiment of the electrochemical cell of this invention are demonstrated.
First, a method for producing the negative electrode active material A x SiO y M z + R used for the negative electrode 40 will be briefly described. Further, as materials to be used, Si-containing material, silicon oxide (SiO), first additive element M, second additive element R, element A of alkali metal ions or alkaline earth metal ions are used. Details will be described later.

はじめに、原材料である含Si化物を粉砕・微細化する(Si微細化工程)。
次に、第一の添加元素Mおよび高純度の酸化珪素を微細化した含Si化物に添加・混合し、SiOを合成する(SiO合成工程)。
次に、合成したSiOに対し第二添加元素を用いて安定化工程を行う。なお、安定化工程については後程詳述するため、ここでは説明を省略する。この工程により、SiOyMz+Rの微粒子を精製する。
次に、Li、Na、Kなどのアルカリ金属イオンまたはアルカリ土類金属イオンの元素Aを用いて、SiO+Rの微粒子にアルカリ金属イオンを挿入し、ASiO+Rを製造する(アルカリ金属イオン挿入工程)。
また、アルカリ金属イオンの挿入前に、SiO+Rの微粒子を用いて任意の形状に負極40を形成しておくことが好ましい。
続いて、各工程について詳述する。
First, the Si-containing material as a raw material is pulverized and refined (Si refinement process).
Next, a first additional element M and high-purity silicon oxide was added to and mixed with the Si-containing compound which is miniaturized, to synthesize the SiO y M z (SiO y M z synthesis step).
Next, a stabilization process is performed on the synthesized SiO y M z using the second additive element R. Since the stabilization process will be described in detail later, the description is omitted here. By this step, SiOyMz + R fine particles are purified.
Next, an alkali metal ion such as Li, Na, K or the like, or an alkaline earth metal ion element A is used to insert the alkali metal ion into the SiO y M z + R fine particles, thereby producing A x SiO y M z + R. (Alkali metal ion insertion step).
Moreover, it is preferable to form the negative electrode 40 in an arbitrary shape using SiO y M z + R fine particles before insertion of alkali metal ions.
Then, each process is explained in full detail.

負極活物質ASiO+Rの材料の一つである含Si化物は、そのSi純度等に応じて、Si純度の高い半導体グレードと、それに準じる太陽電池グレード等に分類することができ、詳細には、以下に示す(K−1)〜(K−5)に分類することができる。 Si-containing compounds, which are one of the materials of the negative electrode active material A x SiO y M z + R, can be classified into semiconductor grades with high Si purity and solar cell grades equivalent to them according to their Si purity. In detail, it can be classified into (K-1) to (K-5) shown below.

(K−1)シーメンス法で合成した、純度が99.99999999%以上の金属珪素(Si)を用い、その金属珪素が柱状や塊状である場合には板状(ウェハー状)に加工した後、B(ホウ素)またはP(リン)をドーパントとして添加する。この際、金属珪素は、結晶シリコン(微結晶シリコン、多結晶シリコン)または、アモルファスシリコン、または、その両者の混合物である。
(K−2)流動床法、冶金法、亜鉛還元法、水ガラス化法、チューブ炉法、溶融析出法の何れかの方法で合成した純度が99.99%以上の金属珪素を用い、その金属珪素が柱状や塊状である場合には板状に加工した後、B(ホウ素)またはP(リン)をドーパントとして添加する。この際、金属珪素は、結晶シリコン(微結晶シリコン、多結晶シリコン)、または、アモルファスシリコン、または、両者の混合物である。
(K−3)カーボン電極を使用したアーク炉を用いて、二酸化珪素を還元して得た純度が96%以上の珪素で、不純物として、B(ホウ素)またはP(リン)の合計が1%以下である、結晶シリコン(微結晶シリコン、多結晶シリコン)または、アモルファスシリコン。
(K−4)光電池ウェハーまたは半導体製造工程で生じるインゴットやウェハー等の切削屑や切断残り、切屑や切削装置等より排出される排水からのスラッジ等を回収したシリコンの粉末。
(K−5)使用済みの太陽電池から反射防止フィルムを取り除き、表面電極や裏面電極を保持した光電池を1mm以下に粉砕し、金属成分を酸処理によって除去した粗粉状の混合物を、更に、微粉末化した状態のシリコンの粉末。
(K-1) Using metal silicon (Si) with a purity of 99.9999999999% or more synthesized by the Siemens method, and when the metal silicon is columnar or massive, after processing into a plate (wafer), B (boron) or P (phosphorus) is added as a dopant. In this case, the metal silicon is crystalline silicon (microcrystalline silicon, polycrystalline silicon), amorphous silicon, or a mixture of both.
(K-2) Using metal silicon having a purity of 99.99% or more synthesized by any of the fluidized bed method, metallurgical method, zinc reduction method, water vitrification method, tube furnace method, and melt precipitation method, When metallic silicon is columnar or massive, it is processed into a plate shape and then B (boron) or P (phosphorus) is added as a dopant. At this time, the metallic silicon is crystalline silicon (microcrystalline silicon, polycrystalline silicon), amorphous silicon, or a mixture of both.
(K-3) Silicon having a purity of 96% or more obtained by reducing silicon dioxide using an arc furnace using a carbon electrode, and the total of B (boron) or P (phosphorus) as impurities is 1%. The following is crystalline silicon (microcrystalline silicon, polycrystalline silicon) or amorphous silicon.
(K-4) Silicon powder obtained by collecting cutting wastes such as ingots and wafers produced in the manufacturing process of photovoltaic cell wafers or semiconductors, cutting residue, sludge from wastewater discharged from chips, cutting devices, and the like.
(K-5) Remove the antireflection film from the used solar cell, grind the photovoltaic cell holding the front and back electrodes to 1 mm or less, and further remove the coarse powder mixture by removing the metal component by acid treatment, Silicon powder in micronized state.

また、上記(K−1)〜(K−5)で得られる含Si化物は、以下に示す(B−1)〜(B−12)の方法の何れかを組み合わせて、粗砕化の工程を経て微粒子化する製造工程を用いることで製造することが出来る(Si微細化工程)。
また、予め、プラズマ・アトマイズ法で作製したチタンの微粒子や銅の微粒子、または、金属のファイバー(直径がナノサイズのファイバーを含む)を核として、流動床法を用いて、金属微粉末や金属のファイバーの表面に珪素微粉末が被覆されてなる含Si化物を得ることも可能である。
In addition, the Si-containing product obtained in the above (K-1) to (K-5) is combined with any of the methods (B-1) to (B-12) shown below, and is a coarse crushing step. It can manufacture by using the manufacturing process which micronizes through (Si refinement | miniaturization process).
In addition, using fine particles of titanium or copper prepared in advance by the plasma atomization method, or metal fibers (including nano-sized fibers) as the core, a fluidized bed method is used to produce fine metal powders and metals. It is also possible to obtain a Si-containing material in which the surface of the fiber is coated with silicon fine powder.

例えば、(B−1)ガスアトマイズ法、(B−2)水アトマイズ法、(B−3)遠心力アトマイズ法、(B−4)プラズマ・アトマイズ法、等のアトマイズ(Atomization)法の他、さらに、(B−5)高温プラズマを用いた回転電極法(Rotating Electrode Process:REP法)、(B−6)スタンプミル、(B−7)ボールミル、(B−8)ジェットミル、(B−9)アトライター、(B−10)ビーズミル、(B−11)ロールクラッシャー、(B−12)遊星式攪拌機の何れかの方法を組み合わせて用いることができる。   For example, in addition to atomization methods such as (B-1) gas atomization method, (B-2) water atomization method, (B-3) centrifugal force atomization method, (B-4) plasma atomization method, etc. (B-5) Rotating Electrode Process (REP method) using high temperature plasma, (B-6) Stamp mill, (B-7) Ball mill, (B-8) Jet mill, (B-9) ) Attritor, (B-10) Bead mill, (B-11) Roll crusher, (B-12) Planetary stirrer can be used in combination.

また、粉砕の際、上記の(B−6)スタンプミル、(B−7)ボールミル、(B−8)ジェットミル、(B−9)アトライター、(B−10)ビーズミル、(B−11)ロールクラッシャーでは、粉砕工程を不活性ガス雰囲気で行うことで、含Si化物の酸化を抑制できる。特に、(B−8)ジェットミル、(B−9)アトライターにおいては、キャリアガスに不活性ガスを用いることが好ましい。このような不活性ガス種としては、例えば、窒素ガスやアルゴンガスを用いることができるが、製造品質を考慮すると、アルゴンガスが最も好ましい。また、(B−7)ボールミルや(B−10)ビーズミルにおいては、不活性ガス雰囲気中で行う乾式の破砕や粉砕以外にも、溶媒を併用した湿式で破砕や粉砕を行うことが望ましい。この際、溶媒として水や有機溶媒を用いることができるが、有機溶媒を用いることが、粉砕効率が高められる点から好ましい。このような有機溶媒としては、アルコール等のプロトン性の極性溶媒や、エーテル等の非プロトン性の極性溶媒以外にも、例えば、沸点の低い低分子量の有機溶媒を用いることが可能である。また、有機溶媒としては、沸点の低いフロンや脱フロン等のハロゲン化有機溶媒がより好ましい。   In the pulverization, the above-mentioned (B-6) stamp mill, (B-7) ball mill, (B-8) jet mill, (B-9) attritor, (B-10) bead mill, (B-11) ) In the roll crusher, oxidation of the Si-containing compound can be suppressed by performing the pulverization step in an inert gas atmosphere. In particular, in (B-8) jet mill and (B-9) attritor, it is preferable to use an inert gas as a carrier gas. As such an inert gas species, for example, nitrogen gas or argon gas can be used. In consideration of production quality, argon gas is most preferable. Further, in the (B-7) ball mill and (B-10) bead mill, it is desirable to perform crushing and crushing in a wet process using a solvent in addition to dry crushing and crushing performed in an inert gas atmosphere. At this time, water or an organic solvent can be used as the solvent, but it is preferable to use an organic solvent from the viewpoint of improving the grinding efficiency. As such an organic solvent, for example, a low molecular weight organic solvent having a low boiling point can be used in addition to a protic polar solvent such as alcohol and an aprotic polar solvent such as ether. Further, as the organic solvent, halogenated organic solvents such as chlorofluorocarbon and defluorocarbon having a low boiling point are more preferable.

特に、含Si化物は硬度が高く、粉砕工程で用いる装置等からコンタミが混入する可能性が高い。このため、粉砕装置である(B−6)スタンプミル、(B−7)ボールミル、(B−8)ジェットミル、(B−9)アトライター、(B−10)ビーズミルにおいては、硬質で電気化学的に不活性な材料な材料を用いることが望ましい。具体的には、粉砕装置の内面(ライニングとも称する)や粉砕に用いるメディアの材質として、アルミナ(Al)や酸化ジルコニウム(ZnO)等を用いることが望ましい。このような粉砕工程においても、粉砕雰囲気として、不活性ガス雰囲気または環式溶媒等を用いることが好ましい。 In particular, the Si-containing material has a high hardness, and there is a high possibility of contamination from an apparatus used in the pulverization process. For this reason, the (B-6) stamp mill, (B-7) ball mill, (B-8) jet mill, (B-9) attritor, and (B-10) bead mill, which are pulverizers, are hard and electric. It is desirable to use a chemically inert material. Specifically, it is desirable to use alumina (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZnO 2 ), or the like as an inner surface (also referred to as a lining) of a pulverizer or a medium used for pulverization. In such a pulverization step, it is preferable to use an inert gas atmosphere or a cyclic solvent as the pulverization atmosphere.

また、負極活物質ASiO+Rの材料の一部として、高純度の珪素酸化物を用いることができ、その製造方法として、以下に示す(S−1)〜(S−3)の何れかの方法を用いることができる。
(S−1)高純度の水ガラス(NaSiO)に酸を加え、沈殿したゲルを分離、洗浄した後に焼成し、脱水後、粉砕することで得られる二酸化珪素(SiO)。
(S−2)テトラアルコキシシランの加水分解によって得られたシリカゲル粉末を精製した後、焼成し、脱水後、粉砕することで得られる二酸化珪素。
(S−3)四塩化珪素(SiCl)の気体から化学気相蒸着(CVD)した後、粉砕することで得られる二酸化珪素。
Also as part of the material of the anode active material A x SiO y M z + R , it is possible to use a high-purity silicon oxide, as its production method, the following (S-1) ~ (S -3) Either method can be used.
(S-1) Silicon dioxide (SiO 2 ) obtained by adding an acid to high-purity water glass (NaSiO 3 ), separating and washing the precipitated gel, firing, dehydrating, and pulverizing.
(S-2) Silicon dioxide obtained by purifying silica gel powder obtained by hydrolysis of tetraalkoxysilane, baking, dehydrating, and pulverizing.
(S-3) Silicon dioxide obtained by chemical vapor deposition (CVD) from a gas of silicon tetrachloride (SiCl 4 ) and then pulverization.

次に、詳細なSiOの合成方法を、以下の(方法−1)〜(方法−3)に示す(SiO合成工程)。 Next, a detailed method for synthesizing SiO y M z is shown in the following (Method-1) to (Method-3) (SiO y Mz synthesizing step).

(方法−1)含Si化物と高純度の酸化珪素とを、それぞれ、不活性ガスもしくは減圧下で、400〜1600℃の温度範囲で加熱することで蒸気の状態で混合し、生成した混合蒸気を反応容器内で析出・固化させることで、前駆体となる微粒子SiOを合成することが出来る。
(方法−2)含Si化物と高純度の酸化珪素とを十分に混合し、混合原料粉末を不活性ガスもしくは減圧下で、400〜1600℃の温度範囲で加熱し、不定比の酸化珪素蒸気を生成させ、前駆体となる微粒子SiOを析出・固化させることで合成することが出来る。
(方法−3)縦型の筒の下方から不活性ガスを流動させ、そのガス気流中に含Si化物と高純度の酸化珪素の蒸気をそれぞれ噴霧し、その流動した気流中で両者を接触反応させ、析出・固化させることで合成することが出来る。この場合には、得られた粉体が所望の粒径を有する微粒粉であれば、粉砕の工程を省くことができる点から好ましい。
(Method-1) Si-containing compound and high-purity silicon oxide are mixed in a vapor state by heating in a temperature range of 400 to 1600 ° C. under an inert gas or under reduced pressure, respectively, and generated mixed steam By precipitating and solidifying in a reaction vessel, it is possible to synthesize fine particle SiO y Mz as a precursor.
(Method-2) Si-containing compound and high-purity silicon oxide are sufficiently mixed, and the mixed raw material powder is heated in a temperature range of 400 to 1600 ° C. under an inert gas or under reduced pressure, so that silicon oxide vapor having a non-stoichiometric ratio is obtained. Can be synthesized by precipitating and solidifying fine particle SiO y Mz as a precursor.
(Method-3) An inert gas is made to flow from below the vertical cylinder, and a silicon-containing compound and a high-purity silicon oxide vapor are sprayed into the gas stream, and the two are contact-reacted in the stream. And can be synthesized by precipitation and solidification. In this case, it is preferable that the obtained powder is a fine powder having a desired particle diameter because the pulverization step can be omitted.

また、(方法−1)および(方法−2)において、含Si化物と高純度の酸化珪素とを混合する方法としては、各原料の粉末を直接乾式混合する方法の他、これらの原料を水、アルコールやその他の溶媒分散し、混合する方法を用いることができる。
具体的には、上記の(B−6)スタンプミル、(B−7)ボールミル、(B−8)ジェットミル、(B−10)ビーズミル等の手法を適宜組み合わせて調整することができる。
また、合成されたSiOを微粒子化する方法として、上記の(B−6)スタンプミル、(B−7)ボールミル、(B−8)ジェットミル、(B−10)ビーズミル等の手法を適宜組み合わせて用いることができる。
In (Method-1) and (Method-2), the Si-containing compound and the high-purity silicon oxide are mixed by a method of directly dry-mixing the powders of the respective raw materials, as well as by adding these raw materials to water. A method of dispersing and mixing alcohol or other solvent can be used.
Specifically, the above (B-6) stamp mill, (B-7) ball mill, (B-8) jet mill, (B-10) bead mill and the like can be appropriately combined and adjusted.
Moreover, as a method for making the synthesized SiO y Mz into fine particles, the above-mentioned methods such as (B-6) stamp mill, (B-7) ball mill, (B-8) jet mill, (B-10) bead mill, etc. Can be used in appropriate combination.

上述した(方法−1)〜(方法−3)は、SiOのyの値が0よりも大きい場合である。y=0の場合は、高純度の酸化珪素を混合しないことも選択できる。
また、第一の添加元素Mの添加量が、Si元素の全量に対して、質量比で1ppm以上、20%以下であった場合は、第二の添加元素Rを添加しなくてもよい。同様に、第二の添加元素Rの添加量が、Si元素の全量に対して、質量比で1ppm以上、20%以下であった場合は、第一の添加元素Rを添加しなくてもよい。
(Method-1) to (Method-3) described above are cases where the value of y of SiO y M z is greater than 0. When y = 0, it can be selected not to mix high-purity silicon oxide.
Moreover, when the addition amount of the 1st addition element M is 1 ppm or more and 20% or less by mass ratio with respect to the whole quantity of Si element, it is not necessary to add the 2nd addition element R. Similarly, when the addition amount of the second additive element R is 1 ppm or more and 20% or less by mass ratio with respect to the total amount of Si element, the first additive element R may not be added. .

なお、合成されたSiOの微粒子の比表面積は、0.05〜1500m/gが好ましく、0.1〜150m/gがより好ましく、0.1〜100m/gが特に好ましい。 The specific surface area of the fine particles of the synthesized SiO y M z is preferably 0.05~1500m 2 / g, more preferably 0.1~150m 2 / g, particularly preferably 0.1 to 100 m 2 / g .

次に、安定化工程について説明する。この安定化工程とは、SiOの表面に導電性の被膜を形成する工程である。このような導電性の被膜形成することにより、SiOは充放電を繰り返す場合においても、電極中に分散した導電助剤と電気的な接続を安定的に保つことが出来る。この導電性の被膜は、無酸素の雰囲気下で、ボールミルを用いてメカニカルミリングすることができる。また、この導電性の被膜としては、特にIn、Sn、Ti、Al、Ge、C、Zrが好ましい。
また、乾式めっき法や塗布法等を用いることができる。乾式のメッキ法としては、溶射法や、それ以外の抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着、分子線エピタキシー法、イオンめっき(ion plating:イオンプレーティング)、イオンビームデポジション、スパッタリング等のPVD法を用いることができる。
Next, the stabilization process will be described. This stabilization process is a process of forming a conductive film on the surface of SiO y Mz . By forming such a conductive film, SiO y M z can stably maintain electrical connection with the conductive additive dispersed in the electrode even when charging and discharging are repeated. This conductive film can be mechanically milled using a ball mill in an oxygen-free atmosphere. Moreover, as this conductive film, In, Sn, Ti, Al, Ge, C, and Zr are particularly preferable.
Further, a dry plating method, a coating method, or the like can be used. As a dry plating method, PVD methods such as thermal spraying, other resistance heating vapor deposition, electron beam vapor deposition, molecular beam epitaxy, ion plating (ion plating), ion beam deposition, and sputtering are used. be able to.

ここで、上述した、安定化工程として、以下に示す方法を採用することができる。   Here, the following method can be adopted as the stabilization step described above.

(D−1)SiOと、カーボン粉末と、バインダと、溶媒とを混合する方法。
(D−2)金属チタンや銅の微粒子と、SiOとを、混合と粉砕を繰返し、メカノケミカル的にマトリックスを得る方法。
(D−3)SiOと、高結晶性のカーボン粉末を加熱によって炭化させた炭素の前駆体とを混合し、還元性雰囲気下で、SiOの表面に炭素の前駆体を加熱分解によって被覆する方法。
(D-1) A method of mixing SiO y Mz , carbon powder, a binder, and a solvent.
(D-2) A method of obtaining a matrix mechanochemically by repeating mixing and pulverization of fine particles of metal titanium or copper and SiO y Mz .
(D-3) SiO y M z and a carbon precursor obtained by carbonizing highly crystalline carbon powder by heating are mixed, and the carbon precursor is added to the surface of SiO y M z in a reducing atmosphere. A method of coating by thermal decomposition.

上記のD−1に示す方法について詳述すると、カーボンとしては、その出発原料として石油コークス、ピッチコークス、メタン、プロパン、ベンゼン、アセチレンなどの炭化水素、セルロース、ポリアクリロトリル(PAN)、ピッチ系繊維等を用いた人造のカーボンを用いることができる。また、それらの出発原料を1200℃〜3000℃で熱分解することで得られたものが好ましく、さらに、2500℃〜3000℃の黒鉛化温度で処理することで得られたものがより好ましい。また、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、ランプブラック等のカ−ボンブラック類を出発原料に用いることもできる。   The method shown in the above D-1 will be described in detail. As the carbon, as a starting material, petroleum coke, pitch coke, hydrocarbons such as methane, propane, benzene, acetylene, cellulose, polyacrylotolyl (PAN), pitch system Artificial carbon using fibers or the like can be used. Moreover, what was obtained by thermally decomposing those starting materials at 1200 to 3000 degreeC is preferable, and what was obtained by processing at the graphitization temperature of 2500 to 3000 degreeC is more preferable. Carbon blacks such as furnace black, channel black, thermal black, and lamp black can also be used as starting materials.

また、カーボンとしては、特に、熱膨張化黒鉛を粉砕したものが好ましく、さらに、炭素元素の六角網面の広がり方向が筒状または平面状の炭素材料を用いることが好ましい。具体的には、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、グラフェンを単体、または、複数種を混合して用いることができる。   The carbon is particularly preferably a material obtained by pulverizing thermally expanded graphite, and it is preferable to use a carbon material in which the spreading direction of the hexagonal network surface of the carbon element is cylindrical or planar. Specifically, carbon nanofibers, carbon nanotubes, and graphene can be used alone or as a mixture of a plurality of types.

また、SiOに、従来から知られるカーボン材料を添加することで導電性を高める場合、粒子形状が球形に近いことから電極内に添加する割合を高める必要があるが、この場合にはエネルギー密度が低下することがあるため、アスペクト比(長さ/直径、または、平面/厚み)が大きい炭素材料を用いることが好ましい。このため、SiOに導電性を付与する目的で用いるがカーボン材料は、アスペクト比が大きいものであるほど好ましい。このようなカーボン材料としては、単層のSWCNT(単層カーボンナノチューブ)や複数層で形成されたMWCNT(多層カーボンナノチューブ)でも良く、例えば、直径が5nm〜20nmで、長さが5〜10μmのものから、同等の直径で、長さがサブmmのカーボンチューブやカーボンファイバーを用いることができる。しかしながら、アスペクト比が高いカーボン材料を用いても、これらのカーボンファイバーの混合比が大きくなると、圧縮成型や圧延して電極を形成する際の成型密度を高められない傾向がある。そのため、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、グラフェン等の含有量は、合剤質量に対して7wt%未満に抑えることが望ましい。 In addition, when increasing the conductivity by adding a conventionally known carbon material to SiO y M z , it is necessary to increase the rate of addition in the electrode because the particle shape is close to a sphere, but in this case Since the energy density may decrease, it is preferable to use a carbon material having a large aspect ratio (length / diameter or plane / thickness). Therefore, although use for the purpose of imparting conductivity to the SiO y M z carbon material is more preferable are those having a large aspect ratio. Such a carbon material may be a single-wall SWCNT (single-walled carbon nanotube) or a multi-walled MWCNT (multi-walled carbon nanotube), for example, having a diameter of 5 nm to 20 nm and a length of 5 to 10 μm. A carbon tube or carbon fiber having an equivalent diameter and a sub-mm length can be used. However, even if a carbon material having a high aspect ratio is used, if the mixing ratio of these carbon fibers is increased, the molding density at the time of forming an electrode by compression molding or rolling tends not to be increased. Therefore, it is desirable that the content of carbon nanofibers, carbon nanotubes, graphene, and the like be suppressed to less than 7 wt% with respect to the mixture mass.

ここで、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブは、アーク放電、レーザアブレーション、CVD法(化学気相成長法)等の各方法を用いて合成することができ、例えば、昭和電工株式会社製の気相成長炭素繊維(VGCF)等を用いることができる。上述のようなCVD法としては、アルコールCVD法やSG−CVD法等の基板法以外にも、DIPS法、CoMoCAT法、HiPCO法、スーパーグロースCVD法等の気層流動法を用いることができる。   Here, carbon nanofibers and carbon nanotubes can be synthesized using each method such as arc discharge, laser ablation, CVD method (chemical vapor deposition method), for example, vapor phase growth manufactured by Showa Denko KK Carbon fiber (VGCF) or the like can be used. As the above-described CVD method, in addition to a substrate method such as an alcohol CVD method or an SG-CVD method, a gas layer flow method such as a DIPS method, a CoMoCAT method, a HiPCO method, or a super growth CVD method can be used.

また、グラフェンとしては、CVD法、SiCの単結晶の昇華による製造方法、剥離法(物理的剥離や化学的剥離またはその併用を含む)等の方法を用いて得ることができる。特に、CVD法を用いる場合には、予め、SiOの表面に触媒となる金属元素を含む有機金属化合物(例えば、フェロセン等)を被覆し、熱や光によって分解生成させたナノサイズの触媒粒子を形成し、その触媒粒子を表面に固着させた粒子を種として、高濃度の炭化水素気流を鉛直下方から上方に流動させながら、350℃以上1500℃未満の加熱を行った流動層中で炭化させることができる。この際、特に、炭化水素をプラズマ化させることで、800℃以下の低温で生成することが可能となり、この温度であれば、前駆体となるSiOの内部で、珪素と二酸化珪素の不均化を抑制でき、大電流特性に好適な負極活物質の合成が可能となる。また、カーボンをコートした後に、触媒として残存する遷移金属種については、酸洗処理によって除去することが可能である。 Graphene can be obtained by a method such as a CVD method, a production method by sublimation of a single crystal of SiC, or a peeling method (including physical peeling, chemical peeling, or a combination thereof). In particular, when the CVD method is used, a nano-sized nano-size obtained by covering the surface of SiO y M z with an organometallic compound (for example, ferrocene) containing a metal element as a catalyst in advance and decomposing and generating by heat or light. In a fluidized bed heated to 350 ° C. or more and less than 1500 ° C. while flowing a high-concentration hydrocarbon stream upward from the bottom vertically, using the particles formed with the catalyst particles fixed to the surface as seeds Can be carbonized. At this time, in particular, by converting the hydrocarbon into plasma, it is possible to generate the hydrocarbon at a low temperature of 800 ° C. or less. At this temperature, silicon and silicon dioxide can be formed inside the SiO y M z as a precursor. Disproportionation can be suppressed, and a negative electrode active material suitable for large current characteristics can be synthesized. Moreover, the transition metal species remaining as a catalyst after coating with carbon can be removed by pickling treatment.

また、上記のカーボン材料の表面を化学修飾することにより、電解液やバインダとの親和性を高めることが望ましい。この場合、例えば、強酸によって表面を処理し、カルボニル基を付与することで、電解液の溶媒との濡れ性が向上する。これにより、電気化学セルを組み立てる際の負極への電解液の含浸速度が高められ、製造時間の短縮効果やバインダとの密着性が向上する効果が得られるので、充放電の繰り返しによる負極活物質の膨張と収縮が生じた際の電子的接続を保持する効果も期待できる。   Moreover, it is desirable to improve the affinity with the electrolytic solution and the binder by chemically modifying the surface of the carbon material. In this case, for example, the wettability of the electrolytic solution with the solvent is improved by treating the surface with a strong acid and adding a carbonyl group. As a result, the rate of impregnation of the electrolyte into the negative electrode when assembling the electrochemical cell is increased, and the effect of shortening the manufacturing time and improving the adhesion with the binder can be obtained. The effect of maintaining the electronic connection when the expansion and contraction of the film occurs can be expected.

次に、安定化工程を経たSiO+Rに、アルカリ金属イオンを挿入する方法を以下に示す。(アルカリ金属イオン挿入工程)以下、アルカリ金属の元素Aとしてリチウムを用いた場合を例に説明する。 Next, a method of inserting an alkali metal ion into SiO y M z + R that has undergone the stabilization process will be described below. (Alkali Metal Ion Insertion Step) Hereinafter, the case where lithium is used as the alkali metal element A will be described as an example.

具体的には、高濃度アルキルリチウムを溶解した高純度で無極性の有機溶媒中に、SiO+Rを浸漬する方法を採用することができる。この際、アルキルリチウムの濃度を1モル/L以上にすることができ、このアルキルリチウムとしては、例えば、n−ブチルリチウムや2−ブチルリチウム、t−ブチルリチウム等を用いることができる。また、高純度の無極性の有機溶媒としては、例えば、n−ペンタン溶液、n−ヘキサン溶液、n−ヘプタン溶液、n−オクタン溶液、n−ノナタン溶液、n−ノナタン溶液等の、少なくとも何れか1種から選ぶことができる。さらに、この際の浸漬時間は、SiOyMz+Rの粒子径にもよるが、少なくとも2時間以上浸漬させることが好ましく、12時間以上浸漬させることがより好ましい。但し、この際の浸漬時間を144時間以上とした場合には平衡状態となるため、これ以上の時間で浸漬しても、浸漬効果に変化はない。 Specifically, a method of immersing SiO y M z + R in a high-purity nonpolar organic solvent in which high-concentration alkyl lithium is dissolved can be employed. At this time, the concentration of the alkyl lithium can be 1 mol / L or more. As the alkyl lithium, for example, n-butyl lithium, 2-butyl lithium, t-butyl lithium or the like can be used. Moreover, as a high purity nonpolar organic solvent, for example, at least one of an n-pentane solution, an n-hexane solution, an n-heptane solution, an n-octane solution, an n-nonatan solution, an n-nonatan solution, etc. You can choose from one type. Further, the immersion time at this time depends on the particle diameter of SiOyMz + R, but is preferably immersed for at least 2 hours, more preferably 12 hours or more. However, when the immersion time at this time is 144 hours or longer, an equilibrium state is obtained. Therefore, the immersion effect does not change even if the immersion is performed for a longer time.

また、SiO+Rにアルカリ金属イオンを挿入する方法としては、上記の粉砕工程を兼ねて、ボールミル中で粉砕工程と兼ねて行うことが望ましい。この際、有機溶媒は表面張力が低く、水に比べて粉砕体の分散性が高いので、アルカリ金属イオンを挿入することで粉体の表面が硬く且つ脆くなることから、粉砕効率が向上すると同時に、微細な粉体を得ることが可能となる。 Further, as a method of inserting alkali metal ions into SiO y M z + R, it is desirable to perform the above pulverization step and also the pulverization step in a ball mill. At this time, since the organic solvent has a low surface tension and the dispersibility of the pulverized body is higher than that of water, the surface of the powder becomes hard and brittle by inserting alkali metal ions, and at the same time the pulverization efficiency is improved. It becomes possible to obtain a fine powder.

また、負極活物質ASiO+Rを得る方法としては、先のSiO+Rに、接触反応による手法を用いてアルカリ金属イオンを挿入する方法が採用できる。
具体的には、金属リチウムの微粒子や金属リチウム箔と、SiO+Rとを物理的に接触させた状態を保つことで、SiO+Rにイオン状態のリチウムを拡散させることが可能である。この際、局所電池と同様なメカニズムであっても良く、その場合、反応を促進するためにSiO+Rと金属リチウムの間に電解質が存在することが望ましい。この場合、電解質の性状は液体であっても良いが、固体電解質やポリマー電解質であっても良い。SiO+Rの電子伝導性が乏しい場合、電解質の一部が還元分解された分解生成物により、SiO+Rの表面にリチウムイオンの拡散を阻害する被膜を形成することもあるため、SiO+Rには、予め電子伝導性を付与しておくことが望ましい。このような電子伝導性を付与する方法の詳細については後述する。
また、本発明で説明する、接触反応によるアルカリ金属イオンの挿入は、後述する負極電極シートを形成した後に実施しても良い。また、このような接触反応によるアルカリ金属イオンの挿入方法は、電気化学セルを組み立てる前に実施するので、プレドープと呼ぶことができる。
As a method of obtaining a negative electrode active material A x SiO y M z + R , the previous SiO y M z + R, a method of inserting a alkali metal ions may be employed using techniques by catalytic reaction.
Specifically, the fine particles or the metal lithium foil of the metal lithium, to keep the state of being physically contacting the SiO y M z + R, can be diffused lithium ion state SiO y M z + R It is. In this case, the mechanism may be the same as that of the local battery. In that case, it is desirable that an electrolyte be present between SiO y M z + R and lithium metal in order to promote the reaction. In this case, the electrolyte may be liquid, but may be a solid electrolyte or a polymer electrolyte. When the electronic conductivity of SiO y M z + R is poor, a decomposition product obtained by reducing and decomposing a part of the electrolyte may form a film that inhibits lithium ion diffusion on the surface of SiO y M z + R. It is desirable to give electron conductivity to SiO y M z + R in advance. Details of the method for imparting such electron conductivity will be described later.
Moreover, you may implement the insertion of the alkali metal ion by a contact reaction demonstrated by this invention, after forming the negative electrode sheet mentioned later. Moreover, since the insertion method of the alkali metal ion by such a contact reaction is implemented before an electrochemical cell is assembled, it can be called pre-doping.

さらに、負極活物質ASiO+Rを得る方法としては、先のSiO+Rに、電気化学的手法を用いてアルカリ金属イオンを挿入する方法も採用することもできる。
このような電気化学的手法は、電気化学セル組立後に電気化学セル内で、又は、電気化学セル製造工程の途上において電気化学セル内もしくは電気化学セル外で行うことができ、以下に示す(1)〜(3)の方法を例示できる。
Further, as a method of obtaining a negative electrode active material A x SiO y M z + R , the previous SiO y M z + R, it is also possible to adopt a method of inserting the alkali metal ions using electrochemical techniques.
Such an electrochemical method can be performed in the electrochemical cell after the electrochemical cell is assembled or in the electrochemical cell or outside the electrochemical cell in the course of the electrochemical cell manufacturing process. ) To (3) can be exemplified.

(1)SiO+Rと導電剤及びバインダ等との混合合剤を所定形状に成形したものを一方の電極(作用極)とし、金属リチウム又はリチウムを含有する物質を他方の電極(対極)として、リチウムイオン導電性の非水電解質に接して両電極を対向させて電気化学セルを構成し、作用極がカソード反応をする方向で適当な電流で通電し、作用極の先のSiO+Rにリチウムイオンを挿入することで、負極活物質ASiO+Rを得る方法。
(2)SiO+Rと導電剤及びバインダ等との混合合剤を所定形状に成形し、これにリチウムもしくはリチウムの合金等を圧着もしくは接触させて積層電極としたものを負極として、非水電解質二次電池に組み込む。そして、この積層電極が、電気化学セル内で電解質に触れることにより、一種の局部電池を形成し、自己放電することによって電気化学的にリチウムがSiO+Rに吸蔵されることで負極活物質ASiO+Rを得る方法。
(3)SiO+Rを負極活物質とし、リチウムを含有してリチウムイオンを吸蔵放出可能な物質を正極活物質として用いた非水電解質二次電池を構成する。そして、電気化学セルとして使用前に充電を行うことにより、正極から放出されたリチウムイオンが負極の前駆体となるSiO+Rに吸蔵されることで負極活物質ASiO+Rを得る方法。
(1) One electrode (working electrode) is formed by mixing a mixture of SiO y M z + R, a conductive agent, a binder, and the like into a predetermined shape, and metallic lithium or a substance containing lithium is used as the other electrode (counter electrode) as), it is opposed to the electrodes in contact with the non-aqueous electrolyte of a lithium ion conductivity to constitute an electrochemical cell, energized with a suitable electric current in the direction the working electrode is the cathode reaction, the previous working electrode SiO y by inserting the lithium ions M z + R, a method of obtaining a negative electrode active material a x SiO y M z + R .
(2) A mixture of SiO y M z + R, a conductive agent, a binder, and the like is formed into a predetermined shape, and lithium or a lithium alloy or the like is pressed or brought into contact with the laminated electrode as a negative electrode. Built into water electrolyte secondary battery. Then, this laminated electrode forms a kind of local battery by touching the electrolyte in the electrochemical cell, and the lithium is electrochemically occluded in SiO y M z + R by self-discharge, so that the negative electrode active method for obtaining a substance a x SiO y M z + R .
(3) A non-aqueous electrolyte secondary battery using SiO y M z + R as a negative electrode active material and a material containing lithium and capable of occluding and releasing lithium ions as a positive electrode active material is configured. Then, by performing charging before use as an electrochemical cell, lithium ions released from the positive electrode are occluded in SiO y M z + R serving as a precursor of the negative electrode, so that the negative electrode active material A x SiO y M z + R How to get.

上記(1)〜(3)に示す各方法により、負極活物質ASiO+Rを得ることが可能である。また、電気化学的手法を用いた場合には、正極に存在する可逆的に挿入・脱離が可能なリチウムイオンを正極から負極に移動する際、組みあがった電気化学セル内で、電気化学的に負極活物質ASiO+Rを得る方法とすることもできる。 The negative electrode active material A x SiO y M z + R can be obtained by the methods shown in the above (1) to (3). In addition, when the electrochemical method is used, when reversibly inserting / desorbing lithium ions present in the positive electrode are transferred from the positive electrode to the negative electrode, the electrochemical cell is assembled in an assembled electrochemical cell. It may be a method of obtaining a negative electrode active material a x SiO y M z + R to.

このように、Si微細化工程、SiO合成工程、安定化工程、アルカリ金属イオン挿入工程を経ることにより、本発明の非水電解質二次電池1を製造することができる。
本実施形態の製造方法によれば、負極活物質に第一の添加元素Mを添加することで、負極活物質をアモルファスな状態で安定的に存在させることができるので、電気化学セルの充放電時に負極40に生じる体積膨張・収縮時によって亀裂が発生するのを抑制することが可能な非水電解質二次電池1を製造できる。
また、負極活物質に第二の添加元素Rを添加することで、負極活物質をアモルファスな状態で安定的に存在させることができるので、電気化学セルの充放電の際、負極活物質内の電子伝導性が高められ、負極活物質内の電荷の均質性を向上させることが可能となり、アルカリ金属イオンの挿入時の偏りによる負極40の体積膨張と収縮の局在化を防止でき、亀裂が発生するのを抑制することが可能な非水電解質二次電池1を製造できる。
Thus, the nonaqueous electrolyte secondary battery 1 of the present invention can be manufactured through the Si refinement process, the SiO y Mz synthesis process, the stabilization process, and the alkali metal ion insertion process.
According to the manufacturing method of this embodiment, since the negative electrode active material can be stably present in an amorphous state by adding the first additive element M to the negative electrode active material, charging and discharging of the electrochemical cell The nonaqueous electrolyte secondary battery 1 capable of suppressing the occurrence of cracks due to the volume expansion / contraction that sometimes occurs in the negative electrode 40 can be manufactured.
Further, by adding the second additive element R to the negative electrode active material, the negative electrode active material can be stably present in an amorphous state. Therefore, during charging / discharging of the electrochemical cell, Electron conductivity is enhanced, it is possible to improve the homogeneity of the charge in the negative electrode active material, it is possible to prevent localization of volume expansion and contraction of the negative electrode 40 due to the bias when inserting alkali metal ions, and cracks The nonaqueous electrolyte secondary battery 1 capable of suppressing the generation can be manufactured.

以上のような手順により、本実施形態の非水電解質二次電池(電気二重層キャパシタ)1が得られる。   The nonaqueous electrolyte secondary battery (electric double layer capacitor) 1 of the present embodiment is obtained by the procedure as described above.

本実施形態の製造方法によれば、負極活物質に第一の添加元素Mを添加することで、負極活物質をアモルファスな状態で安定的に存在させることができるので、電気化学セルの充放電時に負極40に生じる体積膨張・収縮時によって亀裂が発生するのを抑制することが可能な非水電解質二次電池1を製造できる。
また、負極活物質に第二の添加元素Rを添加することで、負極活物質をアモルファスな状態で安定的に存在させることができるので、電気化学セルの充放電の際、負極活物質内の電子伝導性が高められ、負極活物質内の電荷の均質性を向上させることが可能となり、アルカリ金属イオンの挿入時の偏りによる負極40の体積膨張と収縮の局在化を防止でき、亀裂が発生するのを抑制することが可能な非水電解質二次電池1を製造できる。
According to the manufacturing method of this embodiment, since the negative electrode active material can be stably present in an amorphous state by adding the first additive element M to the negative electrode active material, charging and discharging of the electrochemical cell The nonaqueous electrolyte secondary battery 1 capable of suppressing the occurrence of cracks due to the volume expansion / contraction that sometimes occurs in the negative electrode 40 can be manufactured.
Further, by adding the second additive element R to the negative electrode active material, the negative electrode active material can be stably present in an amorphous state. Therefore, during charging / discharging of the electrochemical cell, Electron conductivity is enhanced, it is possible to improve the homogeneity of the charge in the negative electrode active material, it is possible to prevent localization of volume expansion and contraction of the negative electrode 40 due to the bias when inserting alkali metal ions, and cracks The nonaqueous electrolyte secondary battery 1 capable of suppressing the generation can be manufactured.

次に、実施例および比較例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。なお本発明は、本実施例によってその範囲が制限されるものではなく、本発明に係る電気化学セルは、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。   Next, an Example and a comparative example are shown and this invention is demonstrated further more concretely. It should be noted that the scope of the present invention is not limited by this example, and the electrochemical cell according to the present invention can be appropriately modified and implemented without departing from the scope of the present invention.

[実施例1]
実施例1においては、まず、電気化学セルとして、図1(a)〜(c)に示すようなラミネート型の非水電解質二次電池を作製した。
本実施例において、図1(a)中に示すように、外装体2は、ナイロン層(25μm)、アルミニウム箔(40μm)、ポリプロピレン層(30μm)が順次積層されたアルミラミネートフィルムである。
また、負極体4は負極40と負極集電体41とを有する。負極40は、後述の本発明による負極活物質と、導電助剤とバインダを用いて構成され、純銅の箔からなる負極集電体41の両面に形成される。
また、正極体3は正極30と正極集電体31とを有する。正極30は、正極活物質と、導電助剤とバインダを用いて構成され、純アルミニウムの箔からなる正極集電体31の両面に形成される。
セパレータ4は、負極体4と正極体3との間に配される。
電極体10は、これらフィルム状の各層からなる積層体が、同方向に捲回される。
電解液を構成する非水電解質には、PC:EC:EMCを1:1:2の体積比で混合させた溶媒に、支持塩としてLiFPを1M/L溶解した電解液を用いた。
作製した非水電解質二次電池の大きさは、幅21mm、長さ30mm、高さ3mmであった。
[Example 1]
In Example 1, first, a laminate-type nonaqueous electrolyte secondary battery as shown in FIGS. 1A to 1C was produced as an electrochemical cell.
In this embodiment, as shown in FIG. 1A, the outer package 2 is an aluminum laminated film in which a nylon layer (25 μm), an aluminum foil (40 μm), and a polypropylene layer (30 μm) are sequentially laminated.
The negative electrode body 4 includes a negative electrode 40 and a negative electrode current collector 41. The negative electrode 40 is configured by using a negative electrode active material according to the present invention described later, a conductive additive and a binder, and is formed on both surfaces of a negative electrode current collector 41 made of pure copper foil.
The positive electrode body 3 includes a positive electrode 30 and a positive electrode current collector 31. The positive electrode 30 is composed of a positive electrode active material, a conductive additive and a binder, and is formed on both surfaces of a positive electrode current collector 31 made of pure aluminum foil.
The separator 4 is disposed between the negative electrode body 4 and the positive electrode body 3.
As for the electrode body 10, the laminated body which consists of each of these film-like layers is wound by the same direction.
As the non-aqueous electrolyte constituting the electrolytic solution, an electrolytic solution in which 1 M / L of LiFP 6 was dissolved as a supporting salt in a solvent in which PC: EC: EMC was mixed at a volume ratio of 1: 1: 2 was used.
The size of the produced nonaqueous electrolyte secondary battery was 21 mm in width, 30 mm in length, and 3 mm in height.

ここで、負極40に用いる負極活物質の前駆体となるSiO(0≦y<2)としては、酸化ケイ素(SiO)粉末と珪素(Si)粉末のそれぞれを圧粉成型して作製した材料を、真空中でヒーター温度を1400℃以上に加熱して気化させ、その蒸気をSUS製の基盤上に蒸着することによって得た。この物質の組成はSiOであった。
次いで、このSiOの薄板を、直接、メノウ製のボールミルのポットに入れ、さらに、エタノールとともにメノウ製のボールを投入することで粉砕を行った。この際、粉砕初期においては、直径8mmのボールを用いた72hrの稼動で粗粉砕を行い、分級した後、さらに、直径2mmのボールを用いた72hrの稼動で微粉砕を行った。
次いで、粉砕後のSiO粒子を十分に乾燥させた後、10μm以下に分級し、導電助剤として用いる膨張化黒鉛と混合した後、ボールミルを用いて、膨張化黒鉛の破砕と同時にSiOの表面へ固着させることで、被覆を行った。この際、膨張化黒鉛は、ボールミルによって、d002面に対して劈開(cleavage)し、カーボン製シート(グラフェン)を生じやすく、活性の高い状態でSiOと接触させ、強固な固着状態とすることで炭素コートを施した。
Here, the SiO y (0 ≦ y <2 ) which is a precursor of the negative electrode active material used for the negative electrode 40, respectively, to prepare the respective silicon oxide (SiO 2) powder and silicon (Si) powder and green compact The material was obtained by vaporizing by heating the heater temperature to 1400 ° C. or higher in a vacuum and depositing the vapor on a SUS substrate. The composition of this material was SiO.
Next, this SiO thin plate was directly put into an agate ball mill pot, and further agate balls were added together with ethanol to perform pulverization. At this time, in the initial stage of pulverization, coarse pulverization was performed by 72 hours of operation using a ball having a diameter of 8 mm, and after classification, fine pulverization was further performed by operation of 72 hours using a ball having a diameter of 2 mm.
Next, the pulverized SiO particles are sufficiently dried, classified to 10 μm or less, mixed with expanded graphite used as a conductive auxiliary agent, and then, using a ball mill, the expanded graphite is simultaneously crushed to the surface of SiO. Coating was performed by fixing. At this time, the expanded graphite is cleaved with respect to the d002 surface by a ball mill, easily forms a carbon sheet (graphene), and is brought into contact with SiO in a highly active state to form a firmly fixed state. A carbon coat was applied.

ここで、負極合剤の調整条件及び手順は以下の通りとした。
まず、バインダとして、カルボキシル基含量が50〜70%である架橋型のポリアクリル酸樹脂(和光純薬製ポリアクリル酸)の粉末を精製水に加えて溶解した水溶液に、水酸化リチウム(LiOH・(HO)n)の水溶液を用いて、PHが概ね7になるように中和処理を施した。
次に、導電助剤を先のバインダに加え、分散させた。この際、導電助剤としては、黒鉛(日本黒鉛製薄片化黒鉛:CMX)を用い、さらに、上記方法で得られた炭素コートSiOを加え、分散させた。この黒鉛の粒子径は、概ね5μmであった。また、この際、SiOと黒鉛とカーボンファイバーの配合比は、下記表中に示す配合比番号−1とした。また、分散には、クラボウ製遊星式攪拌混合機(K102型)を用い、負極合剤スラリーを調整した。
次に、この負極合剤スラリーを、厚み20μmの銅箔の両面に均一に塗布して乾燥させた後、ロールプレス機で圧縮成形して負極電極シート(負極集電体上に負極が積層された負極体)を作製した。この負極電極シートの厚みは70μmであった。
Here, the adjustment conditions and procedure of the negative electrode mixture were as follows.
First, as a binder, lithium hydroxide (LiOH · LiOH ·) is added to an aqueous solution in which a powder of a crosslinked polyacrylic acid resin having a carboxyl group content of 50 to 70% (polyacrylic acid manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) is added to purified water and dissolved. Using an aqueous solution of (H 2 O) n), neutralization treatment was performed so that the pH was approximately 7.
Next, the conductive assistant was added to the previous binder and dispersed. At this time, graphite (Japan graphite exfoliated graphite: CMX) was used as the conductive assistant, and the carbon-coated SiO obtained by the above method was further added and dispersed. The particle diameter of this graphite was approximately 5 μm. At this time, the blending ratio of SiO, graphite, and carbon fiber was blending ratio number H- 1 shown in Table 2 below. For dispersion, a Kurabo Industries planetary stirring mixer (K102 type) was used to prepare a negative electrode mixture slurry.
Next, this negative electrode mixture slurry was uniformly applied to both sides of a copper foil having a thickness of 20 μm and dried, followed by compression molding with a roll press machine, and a negative electrode sheet (the negative electrode was laminated on the negative electrode current collector). Negative electrode body). The thickness of this negative electrode sheet was 70 μm.

また、正極30は、以下のような手順で作製した。
まず、正極活物質としてリチウムマンガン複合酸化物、導電材として黒鉛、バインダとしてポリフッ化ビニリデンを混合(質量比で85:5:10)し、溶媒であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させて正極合剤スラリーを調製した。
次に、この正極合剤スラリーを、厚み20μmのアルミニウム箔に塗布して乾燥した後、ロールプレス機で圧縮成形して正極電極シート(正極集電体上に正極が積層された正極負極体)を作製した。
Moreover, the positive electrode 30 was produced in the following procedures.
First, lithium manganese composite oxide as a positive electrode active material, graphite as a conductive material, and polyvinylidene fluoride as a binder are mixed (mass ratio 85: 5: 10) and dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent. A positive electrode mixture slurry was prepared.
Next, this positive electrode mixture slurry was applied to an aluminum foil having a thickness of 20 μm and dried, and then compression-molded by a roll press machine to form a positive electrode sheet (a positive electrode negative electrode having a positive electrode laminated on a positive electrode current collector) Was made.

次に、正極電極シート及び負極電極シートを切り出し、それぞれに正極端子、負極端子を取り付けた後、負極電極シートには厚み8μmのリチウム金属を貼り付け、厚み20μmの微孔性ポリエチレンフィルムであるセパレータを正極電極シートと負極電極シート上のリチウム金属の間に挟み、長手方向に所定回数で捲回することで電池素子(電極体)を作製した。   Next, a positive electrode sheet and a negative electrode sheet are cut out, and after attaching a positive electrode terminal and a negative electrode terminal to each, a 8 μm thick lithium metal is pasted on the negative electrode sheet, and a separator is a microporous polyethylene film having a thickness of 20 μm. Was sandwiched between the positive electrode sheet and the lithium metal on the negative electrode sheet, and wound in the longitudinal direction a predetermined number of times to produce a battery element (electrode body).

また、外装としては、ナイロン層(25μm)、アルミニウム箔(40μm)、ポリプロピレン層(30μm)が順次積層されたアルミラミネートフィルムを用いた。この際、上記手順で作製した電池素子を略袋状に成形したアルミラミネートフィルムに装填し、LiBF(1mol/l濃度)とプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート混合溶媒(体積比1:1:2)からなる電解液を注入し、脱泡後にアルミラミネートフィルムを熱融着することで封止を行った。 As the exterior, an aluminum laminate film in which a nylon layer (25 μm), an aluminum foil (40 μm), and a polypropylene layer (30 μm) were sequentially laminated was used. At this time, the battery element produced by the above procedure was loaded into an aluminum laminate film formed in a substantially bag shape, and a mixed solvent of LiBF 4 (1 mol / l concentration), propylene carbonate, ethylene carbonate, and ethyl methyl carbonate (volume ratio 1: 1). : The electrolyte solution which consists of 2) was inject | poured, and it sealed by heat-sealing an aluminum laminate film after defoaming.

その後、作製した電気化学セルを1週間、室温で放置して、負極電極シート中の負極活物質であるSiOにリチウムドーピングを行った。
さらに、その後、アルミラミネートフィルムの一部を裁断し、SiOのリチウムドーピング時に発生したガスをアルミラミネートフィルム内から放出させ、再びアルミラミネートフィルムを熱融着することで封止を行った。
Thereafter, the produced electrochemical cell was left at room temperature for 1 week to perform lithium doping on SiO, which is the negative electrode active material in the negative electrode sheet.
Further, after that, a part of the aluminum laminate film was cut, gas generated at the time of lithium doping of SiO was released from the aluminum laminate film, and the aluminum laminate film was heat sealed again for sealing.

そして、上記手順で作製した電気化学セルに関し、以下の条件でサイクル寿命特性を評価した。
サイクル寿命特性試験は、常温下(24℃)において、充電終止電圧3.3Vまで100μA定電流で充電し、3.3Vに達した後、定電圧に96時間保持することで充電を行った。その後、放電終止電圧2.0Vまで15μA定電流放電を1サイクルとし、5サイクルまで行った。この際、容量維持率は、{(5サイクル目の放電容量/4サイクル目の放電容量)×100}とした。
And the cycle life characteristic was evaluated on the following conditions regarding the electrochemical cell produced in the said procedure.
The cycle life characteristic test was performed by charging at a constant current of 100 μA up to a charge end voltage of 3.3 V at normal temperature (24 ° C.), reaching 3.3 V, and holding at the constant voltage for 96 hours. Thereafter, 15 μA constant current discharge was performed as one cycle up to a discharge end voltage of 2.0 V, and was performed up to 5 cycles. At this time, the capacity retention rate was {(discharge capacity at the fifth cycle / discharge capacity at the fourth cycle) × 100}.

実施例1、及び、後述する各実施例2〜21及び比較例1における負極活物質の作製条件を下記表1に示すとともに、前駆体であるSiOと、黒鉛と、カーボンファイバーとの配合比を下記表2中に示し、また、サイクル寿命特性の評価結果を下記表3〜7に示す。   The production conditions of the negative electrode active material in Example 1 and Examples 2 to 21 and Comparative Example 1 described later are shown in Table 1 below, and the blending ratio of SiO, graphite, and carbon fiber as a precursor is shown. The results are shown in Table 2 below, and the evaluation results of the cycle life characteristics are shown in Tables 3 to 7 below.

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[実施例2,3,6〜16,19〜21]
[比較例1]
表4に示す実施例2,3(実施例1も含む)においては、実施例1における電気化学セルの作製条件に対し、負極合剤の調整時に用いる導電助剤として、黒鉛(日本黒鉛製薄片化黒鉛、CMX)以外に、カーボンファイバー(昭和電工製気相成長炭素繊維:VGCF)を加えた。このカーボンファイバーの直径は、0.15μmで、長さは概ね10μmであった。さらに、SiOと、黒鉛と、カーボンファイバーとの配合比を表2中に示す比率で変化させた点を除き、上記実施例1と同様に非水電解質二次電池を作製し、同様の方法でサイクル寿命特性を評価して、結果を表4に示した。
[Examples 2 , 3, 6-16, 19-21 ]
[Comparative Example 1]
In Examples 2 and 3 shown in Table 4 (including Example 1), graphite (Japanese graphite flakes) was used as a conductive aid used in preparing the negative electrode mixture with respect to the production conditions of the electrochemical cell in Example 1. In addition to graphite (CMX), carbon fiber (Showa Denko vapor-grown carbon fiber: VGCF) was added. The carbon fiber had a diameter of 0.15 μm and a length of approximately 10 μm. Further, a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the mixing ratio of SiO, graphite, and carbon fiber was changed at the ratio shown in Table 2, and the same method was used. The cycle life characteristics were evaluated and the results are shown in Table 4.

また、表5に示す実施例6(実施例1も含む)においては、前駆体であるSiOに、Cを添加し、造粒・整粒を行う安定化工程による処理を施した点を除き、上記実施例1と同様に非水電解質二次電池を作製し、同様の方法でサイクル寿命特性を評価した。
また、表6、7に示す実施例7〜16,19〜21においては、負極活物質の作製条件を、表1に示す各活物質番号の条件で変化させ、さらに、前駆体であるSiOに、C、Tiを添加し、造粒・整粒を行う安定化工程による処理を施した点を除き、上記実施例1と同様に非水電解質二次電池を作製し、同様の方法でサイクル寿命特性を評価した。
Further, in Example 6 (including Example 1) shown in Table 5, except that the precursor SiO is added with C and subjected to a stabilization process for granulation and sizing, A nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, and the cycle life characteristics were evaluated in the same manner.
Further, in Examples 7 to 16 , 19 to 21 shown in Tables 6 and 7, the production conditions of the negative electrode active material were changed under the conditions of the respective active material numbers shown in Table 1, and further, the precursor SiO was changed to SiO. A non-aqueous electrolyte secondary battery is produced in the same manner as in Example 1 except that the treatment is performed in the stabilization process in which C, Ti is added and granulation and sizing is performed. Characteristics were evaluated.

[評価結果]
表1に示す活物質番号1−1〜5−5は、各実施例及び比較例における負極活物質の前駆体の製造条件であり、表2に示す配合比番号は、負極中の前駆体、黒鉛及びカーボンファイバーの配合条件である。また、表3〜7には、各実施例及び比較例における活物質番号及び配合比番号に加え、放電容量及びサイクル維持率(サイクル寿命特性)の一覧を示している。
[Evaluation results]
The active material numbers 1-1 to 5-5 shown in Table 1 are the production conditions of the precursors of the negative electrode active material in each Example and Comparative Example, and the compounding ratio numbers shown in Table 2 are the precursors in the negative electrode, It is the mixing condition of graphite and carbon fiber. Tables 3 to 7 show a list of discharge capacity and cycle retention ratio (cycle life characteristics) in addition to the active material numbers and blending ratio numbers in the examples and comparative examples.

表1〜表7に示すように、負極活物質として、本発明で規定する負極活物質を用いた負極を備えてなる実施例1〜16,19〜21の非水電解質二次電池は、何れも5サイクル後のサイクル維持率が87.7%以上であり、サイクル寿命特性に優れていることが明らかである。特に、実施例7〜9、実施例11〜13、実施例15および16については、サイクル維持率がほぼ100%であることから、よりサイクル寿命特性に優れていることがわかる。また、表中には記載していないが、第二の添加元素Rの質量比を0.5%もしくは2%とした場合にも、実施例7〜16とほぼ同等のサイクル維持率となった。 As shown in Tables 1 to 7, the nonaqueous electrolyte secondary batteries of Examples 1 to 16 and 19 to 21 each including a negative electrode using a negative electrode active material defined in the present invention as the negative electrode active material The cycle retention after 5 cycles is 87.7% or more, and it is clear that the cycle life characteristics are excellent. In particular, in Examples 7 to 9, Examples 11 to 13, and Examples 15 and 16, since the cycle maintenance ratio is almost 100%, it can be seen that the cycle life characteristics are more excellent. In addition, although not shown in the table, the cycle retention rate was almost the same as in Examples 7 to 16 even when the mass ratio of the second additive element R was 0.5% or 2%. .

一方、負極に用いる負極活物質が、本発明で規定する範囲外の条件で製造された比較例1においては、サイクル維持率が78.8%と、実施例1〜16,19〜21に較べて著しく劣っている。これは、比較例1で作製した負極活物質が、本発明で規定する第一の添加元素M、あるいは、第二の添加元素Rの何れも添加されていないことから、各サイクルにおける充放電時の負極の体積膨張・縮小によって負極に亀裂が発生し、内部抵抗の上昇や容量劣化が生じたことが原因として考えられる。
On the other hand, in Comparative Example 1 in which the negative electrode active material used for the negative electrode was manufactured under conditions outside the range defined in the present invention, the cycle retention rate was 78.8%, which was compared with Examples 1 to 16, 19 to 21. It is extremely inferior. This is because the negative electrode active material produced in Comparative Example 1 was not added with either the first additive element M or the second additive element R defined in the present invention, and thus during charge / discharge in each cycle. This is probably because the negative electrode was cracked by the volume expansion / contraction of the negative electrode, resulting in an increase in internal resistance and capacity degradation.

なお、実施例としては記載していないが、第二の添加元素RとしてAl、Ge、Zrを用いた場合においても、サイクル維持率が87.7%以上となった。このことから、第二の添加元素RとしてAl、Ge、Zrを添加した場合においても、In、Sn、Ti、Cを用いた場合と同様に、サイクル寿命特性に優れた電気化学セルが得られることが明らかである。   Although not described as an example, even when Al, Ge, or Zr was used as the second additive element R, the cycle retention rate was 87.7% or more. From this, even when Al, Ge, Zr is added as the second additive element R, an electrochemical cell having excellent cycle life characteristics can be obtained as in the case of using In, Sn, Ti, C. It is clear.

また、本実施形態の負極を備えた非水電解質二次電池などの電気化学セルは、例えば、電圧値2〜3Vの電源の小型携帯機器に好適に用いられる。   Moreover, electrochemical cells, such as a nonaqueous electrolyte secondary battery provided with the negative electrode of this embodiment, are used suitably for the small portable apparatus of the power supply of voltage value 2-3V, for example.

以上のように、本発明で規定する負極活物質を用いた負極を備えることで、優れたサイクル寿命特性を有する非水電解質二次電池などの電気化学セルが得られることが明らかである。   As described above, it is apparent that an electrochemical cell such as a nonaqueous electrolyte secondary battery having excellent cycle life characteristics can be obtained by providing a negative electrode using the negative electrode active material defined in the present invention.

本発明の電気化学セルによれば、上記負極を備えることにより、充放電時の体積膨張・縮小によって負極に亀裂が発生するのを抑制でき、内部抵抗の上昇や容量劣化を抑制することが可能となる。これにより、信頼性が高く、高容量で、且つ、サイクル寿命特性に優れた電気化学セルを提供することができる。従って、本発明を、例えば、各種の電子機器等の分野において用いられる非水電解質二次電池(電気二重層キャパシタ)等の電気化学セルに適用することで、各種機器類の性能向上にも貢献できるものである。   According to the electrochemical cell of the present invention, by providing the negative electrode, it is possible to suppress cracking of the negative electrode due to volume expansion / reduction during charging / discharging, and to suppress an increase in internal resistance and capacity deterioration. It becomes. Thereby, an electrochemical cell having high reliability, high capacity, and excellent cycle life characteristics can be provided. Therefore, by applying the present invention to an electrochemical cell such as a non-aqueous electrolyte secondary battery (electric double layer capacitor) used in the field of various electronic devices, for example, it contributes to improving the performance of various devices. It can be done.

1…非水電解質二次電池(電気二重層キャパシタ:電気化学セル)、
2…外装体、
21…容器部、
21a…収容部、
22…蓋部、
22a…収容部、
10…電極体、
3…正極体、
30…正極、
31…正極集電体、
4…負極体、
40…負極、
41…負極集電体、
5…セパレータ、
1 ... non-aqueous electrolyte secondary battery (electric double layer capacitor: electrochemical cell),
2 ... exterior body,
21 ... container part,
21a ... accommodating part,
22 ... the lid,
22a ... accommodating part,
10 ... electrode body,
3 ... positive electrode body,
30 ... positive electrode,
31 ... Positive electrode current collector,
4 ... negative electrode body,
40 ... negative electrode,
41 ... negative electrode current collector,
5 ... separator,

Claims (2)

正極と、負極と、支持塩及び非水溶媒を含む電解液と、セパレータとを備えてなる電気化学セルであって、
前記負極に用いる負極活物質は、少なくともSi元素を含み、次式{ASiO+R}で表されるとともに、アルカリ金属またはアルカリ土類金属のイオンを可逆的に挿入、脱離可能な物質からなり、且つ、以下に示す第一の添加元素M、または、第二の添加元素Rのうちの一方あるいは両方が、負極活物質中に含まれるSi元素の全量に対して、それぞれ、質量比で1ppm以上、%以下で添加されてなる、D50の平均粒子径が1nm以上50μm以下の微粒子であり、
さらに、前記負極は、電子導電性を付与するための炭素材料として黒鉛、及び、必要に応じてカーボンファイバーを含有し、且つ、前記負極活物質の前駆体となるSiO+Rと、前記黒鉛と、前記カーボンファイバーとの配合比が次式{SiO+R:黒鉛:カーボンファイバー=45:45:0〜45:35:10}の範囲であることを特徴とする電気化学セル。
(1)第一の添加元素M : BまたはPの少なくとも何れかの元素。
(2)第二の添加元素R : Ti、Cの群から選ばれる少なくとも1以上の元素。
但し、上記式{ASiO+R}中において、Aはカチオン種で、アルカリ金属イオンまたはアルカリ土類金属イオン種の元素であり、xはAのイオン種の含有量で次式{0≦x≦4.4}の値をとり、yは酸素量で次式{0≦y≦2}であり、Mは第一の添加元素、Rは第二の添加元素である。
An electrochemical cell comprising a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte containing a supporting salt and a nonaqueous solvent, and a separator,
The negative electrode active material used for the negative electrode contains at least Si element and is represented by the following formula {A x SiO y M z + R}, and can reversibly insert and desorb ions of alkali metal or alkaline earth metal. And one or both of the following first additive element M and second additive element R with respect to the total amount of Si element contained in the negative electrode active material, respectively, Fine particles having an average particle diameter of D50 of 1 nm or more and 50 μm or less, added at a mass ratio of 1 ppm or more and 1 % or less,
Furthermore, the negative electrode contains graphite as a carbon material for imparting electronic conductivity , and, if necessary, carbon fiber, and is a precursor of the negative electrode active material, SiO y M z + R, An electrochemical cell characterized in that the compounding ratio of graphite and the carbon fiber is in the range of the following formula {SiO y M z + R: graphite: carbon fiber = 45: 45: 0 to 45:35:10}.
(1) First additive element M: at least one element of B or P.
(2) Second additive element R: At least one element selected from the group consisting of Ti and C.
However, in the above formula {A x SiO y M z + R} , A represents a cationic species, an alkali metal ion or alkaline earth metal ions of elements, x is the formula in ionic species content A { It takes a value of 0 ≦ x ≦ 4.4}, y is the amount of oxygen and is the following formula {0 ≦ y ≦ 2}, M is the first additive element, and R is the second additive element.
正極と、負極と、支持塩及び非水溶媒を含む電解液と、セパレータとを備えてなる電気化学セルであって、
前記負極に用いる負極活物質は、少なくともSi元素を含み、次式{A SiO +R}で表されるとともに、アルカリ金属またはアルカリ土類金属のイオンを可逆的に挿入、脱離可能な物質からなり、且つ、前記負極活物質中に含まれるSi元素の全量に対して、以下に示す第一の添加元素M10ppm以上1%以下、以下に示す第二の添加元素R0.5%以上2%以下で、それぞれ添加されてなる、D50の平均粒子径が1nm以上50μm以下の微粒子であり、
さらに、前記負極は、電子導電性を付与するための炭素材料として黒鉛、及び、必要に応じてカーボンファイバーを含有し、且つ、前記負極活物質の前駆体となるSiO +Rと、前記黒鉛と、前記カーボンファイバーとの配合比が次式{SiO +R:黒鉛:カーボンファイバー=45:45:0〜45:35:10}の範囲であることを特徴とする電気化学セル。
(1)第一の添加元素M : BまたはPの少なくとも何れかの元素。
(2)第二の添加元素R : Ti、Cの群から選ばれる少なくとも1以上の元素。
但し、上記式{A SiO +R}中において、Aはカチオン種で、アルカリ金属イオンまたはアルカリ土類金属イオン種の元素であり、xはAのイオン種の含有量で次式{0≦x≦4.4}の値をとり、yは酸素量で次式{0≦y≦2}であり、Mは第一の添加元素、Rは第二の添加元素である。
An electrochemical cell comprising a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte containing a supporting salt and a nonaqueous solvent, and a separator,
The negative electrode active material used for the negative electrode contains at least Si element and is represented by the following formula {A x SiO y M z + R}, and can reversibly insert and desorb ions of alkali metal or alkaline earth metal. consists substances, and the relative to the total amount of Si elements contained in the negative electrode active material, 1% or less first additive element M shown below than 10 ppm, the second additional element R shown below 0 .5% or more and 2% or less, respectively added , and D50 has an average particle diameter of 1 nm or more and 50 μm or less,
Furthermore, the negative electrode contains graphite as a carbon material for imparting electronic conductivity, and, if necessary, carbon fiber, and is a precursor of the negative electrode active material, SiO y M z + R, An electrochemical cell characterized in that the compounding ratio of graphite and the carbon fiber is in the range of the following formula {SiO y M z + R: graphite: carbon fiber = 45: 45: 0 to 45:35:10}.
(1) First additive element M: at least one element of B or P.
(2) Second additive element R: At least one element selected from the group consisting of Ti and C.
However, in the above formula {A x SiO y M z + R} , A represents a cationic species, an alkali metal ion or alkaline earth metal ions of elements, x is the formula in ionic species content A { It takes a value of 0 ≦ x ≦ 4.4}, y is the amount of oxygen and is the following formula {0 ≦ y ≦ 2}, M is the first additive element, and R is the second additive element.
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6302322B2 (en) * 2013-09-26 2018-03-28 積水化学工業株式会社 Lithium ion secondary battery
CN107346831A (en) * 2016-05-04 2017-11-14 上海奇谋能源技术开发有限公司 A kind of method for improving lithium ion battery service life
JP6333452B2 (en) * 2016-07-27 2018-05-30 日本碍子株式会社 Electrochemical cell
JP7092109B2 (en) * 2017-02-23 2022-06-28 日本電気株式会社 Lithium-ion secondary battery with negative electrode for high energy density cell
JP7426628B2 (en) * 2018-08-28 2024-02-02 パナソニックIpマネジメント株式会社 Capacitor and its manufacturing method
CN109360942B (en) * 2018-11-22 2021-04-13 中南大学 Method for preparing lithium ion battery cathode based on recycled solar battery
KR102325877B1 (en) * 2019-07-26 2021-11-12 도요타 지도샤(주) Anode active material, method for producing anode active material, and battery
CN113823768B (en) * 2021-08-27 2024-03-22 天津空间电源科技有限公司 Preparation method of solid-state battery

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3010226B2 (en) * 1993-03-10 2000-02-21 セイコーインスツルメンツ株式会社 Non-aqueous electrolyte secondary battery and method of manufacturing the same
JP4081211B2 (en) * 1998-09-11 2008-04-23 新日本製鐵株式会社 Lithium secondary battery and negative electrode active material for lithium secondary battery
JP4938919B2 (en) * 2000-01-14 2012-05-23 ソニー株式会社 Secondary battery
JP2003109590A (en) * 2001-09-28 2003-04-11 Mitsubishi Materials Corp Negative electrode material and negative electrode using the same, nonaqueous electrolyte lithium secondary battery and lithium ion polymer secondary battery using the negative electrode
JP2004288525A (en) * 2003-03-24 2004-10-14 Shin Etsu Chem Co Ltd Negative electrode material for nonaqueous electrolyte secondary battery
JP4464173B2 (en) * 2003-03-26 2010-05-19 キヤノン株式会社 Electrode material for lithium secondary battery, electrode structure having the electrode material, and secondary battery having the electrode structure
CN100547830C (en) * 2004-03-08 2009-10-07 三星Sdi株式会社 The negative electrode active material of chargeable lithium cell and method for making thereof and the chargeable lithium cell that comprises it
JP4626679B2 (en) * 2008-06-23 2011-02-09 ソニー株式会社 Negative electrode active material and secondary battery
JP5245592B2 (en) * 2008-07-14 2013-07-24 信越化学工業株式会社 Negative electrode material for non-aqueous electrolyte secondary battery, lithium ion secondary battery and electrochemical capacitor
KR101084077B1 (en) * 2009-10-14 2011-11-16 삼성에스디아이 주식회사 Negative active material for lithium secondary battery, preparing method of the same, and lithium secondary battery including the same
JP2011187287A (en) * 2010-03-08 2011-09-22 Hitachi Maxell Energy Ltd Nonaqueous electrolyte secondary battery
EP2546908B1 (en) * 2010-03-11 2016-06-15 LG Chem, Ltd. Organic polymer-silicon composite particle, preparation method for same, and cathode and lithium secondary battery including same
JP5184567B2 (en) * 2010-03-12 2013-04-17 信越化学工業株式会社 Anode material for non-aqueous electrolyte secondary battery, lithium ion secondary battery and electrochemical capacitor
WO2011135649A1 (en) * 2010-04-26 2011-11-03 トヨタ自動車株式会社 Method of producing electrode active substance
JP2013008696A (en) * 2012-09-18 2013-01-10 Shin Etsu Chem Co Ltd Method of manufacturing negative electrode material for nonaqueous electrolyte secondary battery
JP6040459B2 (en) * 2012-09-21 2016-12-07 株式会社Gsユアサ Non-aqueous electrolyte secondary battery

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