JP6547309B2 - Negative electrode material for lithium ion secondary battery, paste for lithium ion secondary battery negative electrode, negative electrode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、リチウムイオン二次電池用負極材料ならびに当該負極材料を用いたリチウムイオン二次電池負極用ペースト、リチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池に関するものである。   The present invention relates to a negative electrode material for a lithium ion secondary battery, a paste for a lithium ion secondary battery negative electrode using the negative electrode material, a negative electrode for a lithium ion secondary battery, and a lithium ion secondary battery.

近年、スマートフォンや携帯音楽プレーヤーなどの携帯電子機器の普及に伴い、小型、軽量、高エネルギー密度の二次電池の需要が高まっている。その中でもリチウムイオン二次電池は、上記携帯電子機器に加えて、ハイブリッド電気自動車(HEV)や電気自動車(EV)への展開が急速に進められており、産業上の利用範囲が拡大を続けている。   2. Description of the Related Art In recent years, with the spread of portable electronic devices such as smartphones and portable music players, the demand for small-sized, lightweight, high energy density secondary batteries is increasing. Among them, lithium ion secondary batteries are rapidly being promoted to hybrid electric vehicles (HEVs) and electric vehicles (EVs) in addition to the above-mentioned portable electronic devices, and the industrial application range continues to expand. There is.

リチウムイオン二次電池電極において、電極は、合材と集電体から構成されている。合材は、活物質、必要に応じて導電助剤そして結着剤等から構成される。   In a lithium ion secondary battery electrode, the electrode is composed of a mixture and a current collector. The composite material is composed of an active material, and optionally a conductive aid and a binder.

リチウムイオン電池の高容量、高エネルギー密度化に対し、負極活物質については、従来から広く利用されてきた黒鉛材料に加え、リチウムイオンと合金を形成するケイ素、ゲルマニウム、スズ等の金属、ならびにそれらの酸化物を用いることが検討されている。特に、ケイ素を含む負極活物質については、単位質量あたりの理論容量が大きく、大幅なエネルギー密度向上が期待されることから、ケイ素、ケイ素酸化物とも盛んに検討されている。   With regard to the high capacity and high energy density of lithium ion batteries, as for the negative electrode active material, in addition to the conventionally widely used graphite materials, metals such as silicon, germanium, tin and the like which form an alloy with lithium ions, and those It is considered to use the oxide of In particular, with respect to a negative electrode active material containing silicon, silicon and silicon oxide are actively studied because the theoretical capacity per unit mass is large and significant improvement in energy density is expected.

しかしながらケイ素を含む負極活物質は、リチウムイオンの吸蔵・放出に伴う体積の膨張・収縮が大きく、充放電を繰り返した際に負極合材における電子伝導性が悪化するので、徐々に負極の容量が低下する。その結果、こうした電極を用いた二次電池は、サイクル特性が悪くなるという課題がある。一方、現行の正極の容量とのバランスを考慮すると、負極材料の充放電容量は現状では実際の市場の要求レベルに対して過大であることから、電池の用途によっては、容量は多少減じたとしても、よりサイクル特性の高い材料が求められていた。   However, since the negative electrode active material containing silicon has a large volume expansion and contraction associated with lithium ion absorption and release, and the charge and discharge are repeated, the electron conductivity of the negative electrode mixture deteriorates, so the capacity of the negative electrode gradually increases. descend. As a result, a secondary battery using such an electrode has a problem that cycle characteristics deteriorate. On the other hand, considering the balance with the current capacity of the positive electrode, the charge and discharge capacity of the negative electrode material is currently excessive for the actual market demand level, so the capacity may be slightly reduced depending on the application of the battery Also, materials having higher cycle characteristics have been required.

このような課題に対し、例えば、特許文献1では、表面を化学蒸着法により炭素層で覆った珪素粉末を活物質とすることが提案されている。また、特許文献2では、珪素粉末を黒鉛粉末とメカニカルアロイング後、化学蒸着法により炭素被覆する方法が提案されている。さらに、特許文献3および特許文献4では、珪素粒子表面をSi−C−O系コンポジットで被覆して造粒する方法が開示されている。   For such a subject, for example, Patent Document 1 proposes using a silicon powder whose surface is covered with a carbon layer by a chemical vapor deposition method as an active material. Further, Patent Document 2 proposes a method in which silicon powder is mechanically alloyed with graphite powder and then carbon is coated by a chemical vapor deposition method. Further, Patent Document 3 and Patent Document 4 disclose a method of coating and granulating a silicon particle surface with a Si-C-O-based composite.

特開2000−215887号公報JP 2000-215887 A 特開2002−216751号公報JP 2002-216751 A 特開2004−335335号公報JP 2004-335335 A 特開2005−310759号公報JP 2005-310759 A

特許文献1記載の負極材料では、電子伝導性は改善されるものの、膨張収縮による活物質内部の崩壊が防げず、サイクル特性が悪い。また、特許文献2記載の負極材料は、珪素と黒鉛という固体と固体の融着であるため、均一な炭素皮膜が形成されず導電性・皮膜強度ともに不足し、サイクル特性が不十分であった。さらに、特許文献3および特許文献4記載の負極材料の被覆層も十分な強度を有さず、造粒体が含有する珪素の膨張収縮に耐えられずに崩壊することがあり、まだサイクル特性が不十分であった。   In the negative electrode material described in Patent Document 1, although the electron conductivity is improved, the collapse of the active material inside due to expansion and contraction can not be prevented, and the cycle characteristics are poor. Further, since the negative electrode material described in Patent Document 2 is a fusion of solid and solid of silicon and graphite, a uniform carbon film is not formed, and both the conductivity and film strength are insufficient, and the cycle characteristics are insufficient. . Furthermore, the coating layer of the negative electrode material described in Patent Document 3 and Patent Document 4 also does not have sufficient strength and may collapse without being able to withstand the expansion and contraction of silicon contained in the granulated body, and the cycle characteristics still It was inadequate.

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、従来の黒鉛負極材料に比して高容量で、かつ、従来の珪素系負極材料よりサイクル特性の高いリチウムイオン二次電池電極用負極材料を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and has a high capacity compared to a conventional graphite negative electrode material, and a lithium ion secondary battery having higher cycle characteristics than a conventional silicon-based negative electrode material An object of the present invention is to provide a negative electrode material for an electrode.

本発明者らは、上記課題について検討した結果、本発明に到達した。すなわち、本発明の要旨は、シリコンオキシカーバイド(SiOC)セラミックスを含むマトリックス中に珪素粒子または炭素で被覆した珪素粒子からなる活物質粒子を5体積%〜30体積%含有する複合粒子からなるリチウムイオン二次電池用負極材料である。   The present inventors arrived at the present invention as a result of examining the above problems. That is, the gist of the present invention is lithium ion comprising composite particles containing 5% by volume to 30% by volume of active material particles comprising silicon particles or silicon particles coated with carbon in a matrix containing silicon oxycarbide (SiOC) ceramics It is an anode material for secondary batteries.

本発明のリチウムイオン二次電池電極用負極材料は、リチウムイオンの脱離挿入能を持ちリチウムイオン伝導性・電子伝導性を有する高強度のシリコンオキシカーバイド(SiOC)セラミックスを含むマトリックスの中に珪素粒子が担持されているため、珪素粒子の膨張収縮に対する複合粒子の耐久性が高い。また、珪素粒子の含有率を複合粒子中5〜30体積%と低率にすることで、珪素粒子の露出が少ない状態でマトリックス中に包含されるため、マトリックスから露出した珪素粒子の膨張収縮による電極の崩壊を防止出来る。   The negative electrode material for a lithium ion secondary battery electrode according to the present invention comprises silicon in a matrix containing high strength silicon oxycarbide (SiOC) ceramics having lithium ion detachment / insertion ability and lithium ion conductivity / electron conductivity. Since the particles are supported, the durability of the composite particles to the expansion and contraction of silicon particles is high. In addition, by making the content of the silicon particles as low as 5 to 30% by volume in the composite particles, the silicon particles are included in the matrix with little exposure, so expansion and contraction of the silicon particles exposed from the matrix It is possible to prevent the collapse of the electrode.

実施例1で作製した本発明の負極材料の透過型電子顕微鏡写真Transmission electron micrograph of negative electrode material of the present invention produced in Example 1

以下、本発明について詳細に説明する。なお、本明細書において「〜」はその両端の値を含む範囲を意味するものとする。   Hereinafter, the present invention will be described in detail. In addition, in this specification, "-" shall mean the range which includes the value of the both ends.

本発明のリチウムイオン二次電池電極用負極材料(以下、単に「本発明の負極材料」と言うことがある。)は、珪素粒子または炭素で被覆した珪素粒子からなる活物質粒子を含有する。   The negative electrode material for a lithium ion secondary battery electrode of the present invention (hereinafter, sometimes simply referred to as “the negative electrode material of the present invention”) contains active material particles composed of silicon particles or silicon particles coated with carbon.

珪素粒子を得る方法については、特に限定されず、化学還元法、プラズマジェット法、レーザーアブレーション法、火炎法、直流アークプラズマ法、高周波熱プラズマ法、レーザー熱分解法などを用いることができる。これら手法で作製した珪素粒子は、大気中で急激に酸化されるため取扱いに危険を伴う。このため、安全性を高めるために徐酸化処理を行う。ここで、徐酸化処理とは、蒸発室内で生成した超微粒子をそのまま大気中に出すと燃焼してしまうため、酸素を徐々にチャンバー内に供給して粒子表面に薄い酸化膜を形成して安定化する処理をいう。また、平均粒径100nmの珪素粒子についてはシグマ アルドリッチ ジャパン株式会社などから購入することもできる。   The method for obtaining silicon particles is not particularly limited, and chemical reduction method, plasma jet method, laser ablation method, flame method, direct current arc plasma method, high frequency thermal plasma method, laser pyrolysis method and the like can be used. The silicon particles produced by these techniques are dangerously handled because they are rapidly oxidized in the atmosphere. Therefore, gradual oxidation treatment is performed to enhance safety. Here, since the gradual oxidation treatment burns when the ultrafine particles generated in the evaporation chamber are taken out to the atmosphere as it is, oxygen is gradually supplied into the chamber to form a thin oxide film on the particle surface for stabilization. Processing to In addition, silicon particles having an average particle diameter of 100 nm can also be purchased from Sigma-Aldrich Japan Co., Ltd. or the like.

珪素粒子は非常に酸化されやすいため、通常のハンドリング下では表面が酸化されて酸化珪素層が形成されていることが多いが、本発明ではそのような酸化珪素を含む珪素粒子も珪素粒子に含めるものとする。ただし、負極材料の容量向上の観点からは、出来る限り酸化されていない珪素粒子を用いることが好ましい。このような珪素粒子は、上記の方法で作製した珪素粒子をさらに還元雰囲気下で還元処理することで得ることができる。   Since silicon particles are very easily oxidized, the surface is often oxidized to form a silicon oxide layer under normal handling, but in the present invention, silicon particles containing such silicon oxide are also included in the silicon particles. It shall be. However, from the viewpoint of improving the capacity of the negative electrode material, it is preferable to use silicon particles which are not oxidized as much as possible. Such silicon particles can be obtained by further reducing the silicon particles produced by the above method in a reducing atmosphere.

本発明の負極材料に用いられる活物質粒子としては、炭素で被覆した珪素粒子を用いることも出来る。炭素被覆により、珪素粒子表面が自然酸化されることによる可逆容量の低下を防止することができる。特に容量維持率を向上させるために珪素粒子を微粒子化した場合には、表面積が大きくなることから、珪素粒子の酸化の影響がより顕著になる。   As active material particles used for the negative electrode material of the present invention, silicon particles coated with carbon can also be used. The carbon coating can prevent the loss of the reversible capacity due to the natural oxidation of the silicon particle surface. In particular, when the silicon particles are micronized in order to improve the capacity retention rate, the surface area is increased, so the influence of the oxidation of the silicon particles becomes more remarkable.

このような炭素で被覆した珪素粒子からなる活物質粒子は、被覆層内部に実質的に珪素酸化物が含まれていないことが望ましい。被覆層内部の珪素酸化物の量が多いと、リチウムイオンを吸蔵した際に、表面珪素酸化物の影響と同様に、初期効率の低下を引き起こす恐れがある。   It is desirable that the active material particles composed of such carbon-coated silicon particles contain substantially no silicon oxide inside the coating layer. When the amount of silicon oxide inside the covering layer is large, when lithium ions are absorbed, the initial efficiency may be reduced as in the case of the influence of the surface silicon oxide.

ここでいう、被覆層内部に実質的に珪素酸化物が含まれていない、とは、電池特性における可逆容量への影響が実質的に小さければよいが、特に、負極材料のX線光電子分析(ESCA)において、100eV近傍の珪素および珪素−炭素のピーク面積の和に対し、104eV近傍の珪素酸化物のピーク面積が25%よりも小さいことをいう。X線光電子分析(ESCA)において、100eV近傍の珪素および珪素−炭素のピーク面積の和に対する104eV近傍の珪素酸化物のピーク面積は、20%以下がより好ましく、10%以下がさらに好ましく、珪素酸化物のピークが検出されないことが最も好ましい。   Here, the fact that substantially no silicon oxide is contained in the inside of the covering layer may be sufficient if the influence on the reversible capacity in the battery characteristics is substantially small, but in particular, X-ray photoelectron analysis of the negative electrode material ( In ESCA), the peak area of silicon oxide near 104 eV is smaller than 25% with respect to the sum of peak areas of silicon and silicon-carbon near 100 eV. In X-ray photoelectron analysis (ESCA), the peak area of silicon oxide near 104 eV to the sum of peak areas of silicon and silicon-carbon near 100 eV is more preferably 20% or less, still more preferably 10% or less, and silicon oxide Most preferably, no product peaks are detected.

炭素からなる被覆層の厚みは、1nm以上、20nm以下であることが好ましく、2nm以上、10nm以下であることがさらに好ましい。被覆層の厚みが1nmよりも小さい場合、珪素粒子の表面を効果的に被覆することが難しくなる。被覆層の厚みが20nmよりも厚くなると、充放電時のリチウムイオンの拡散を阻害する恐れがある。また、珪素粒子の割合が減少することにより、複合負極材料の容量が低下する傾向がある。珪素粒子表面を被覆する被覆層の厚みは、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて測定することが出来る。   The thickness of the covering layer made of carbon is preferably 1 nm or more and 20 nm or less, and more preferably 2 nm or more and 10 nm or less. When the thickness of the covering layer is less than 1 nm, it becomes difficult to effectively cover the surface of the silicon particles. If the thickness of the covering layer is larger than 20 nm, the diffusion of lithium ions at the time of charge and discharge may be inhibited. In addition, as the proportion of silicon particles decreases, the capacity of the composite negative electrode material tends to decrease. The thickness of the coating layer covering the silicon particle surface can be measured using a transmission electron microscope (TEM).

ここで、炭素からなる被覆層としては、全てが炭素であることが好ましいが、活物質粒子としての機能を損なわない限りにおいて他の元素が含まれていても良い。   Here, although it is preferable that all is a carbon as a coating layer which consists of carbon, as long as the function as an active material particle is not impaired, another element may be contained.

珪素粒子の表面を炭素被覆する方法は特に限定されず、真空蒸着、イオンプレーティング、スパッタリング、熱CVD、プラズマCVD、光CVDなどを用いることが出来る。被覆層内部に珪素酸化物を含まない珪素粒子を得る方法としては、表面が自然酸化された珪素粒子を水素還元により還元した後にCVD等により被覆層を形成してもよく、また、真空中もしくは不活性雰囲気中で作製した珪素粒子を、酸化雰囲気に晒すことなく被覆層を形成しても良い。   The method of carbon-coating the surface of silicon particles is not particularly limited, and vacuum deposition, ion plating, sputtering, thermal CVD, plasma CVD, photo CVD, etc. can be used. As a method of obtaining silicon particles which do not contain silicon oxide in the inside of the covering layer, the silicon particles whose surface has been naturally oxidized may be reduced by hydrogen reduction and then the covering layer may be formed by CVD or the like. The coating layer may be formed without exposing silicon particles produced in an inert atmosphere to an oxidizing atmosphere.

また、炭素で被覆した珪素粒子は、炭化珪素の含有量が少ないことが好ましい。炭化珪素は、充放電不活性であり、可逆容量への悪影響がある。炭化珪素の含有量が少ない、というのは、電池特性における可逆容量への影響が実質的に小さければよいが、特に、X線光電子分析(ESCA)において、99.6eV近傍の珪素のピーク面積に対し、100.9eV近傍の炭化珪素のピーク面積が100%よりも小さいことが好ましく、70%以下であることがより好ましく、30%以下であることがさらに好ましい。   In addition, it is preferable that the silicon particles coated with carbon have a low content of silicon carbide. Silicon carbide is charge / discharge inactive and has an adverse effect on reversible capacity. The low content of silicon carbide is sufficient if the battery characteristics have substantially small influence on the reversible capacity, but in particular, in the peak area of silicon around 99.6 eV in X-ray photoelectron analysis (ESCA) In contrast, the peak area of silicon carbide near 100.9 eV is preferably smaller than 100%, more preferably 70% or less, and still more preferably 30% or less.

本発明の負極材料が含有する活物質粒子の平均粒径は、10nm以上160nm以下であることが好ましい。平均粒径が10nm未満になると、複合負極材料内での珪素粒子の分散性悪化、つまり局所凝集が進むことにより、局所的な体積変化の絶対量が大きくなり、サイクル特性が悪化する傾向がある。そのため、活物質粒子の平均粒径は、20nm以上であることがより好ましく、30nm以上であることがさらに好ましい。一方、活物質粒子の平均粒径が160nmよりも大きくなると、充放電サイクルに伴う珪素粒子の微粉化や、局所的な体積変化の絶対量が大きくなることによる割れが発生しやすくなり、やはりサイクル特性が悪化する傾向がある。そのため、活物質粒子の平均粒径は、120nm以下であることがより好ましく、100nm以下であることがさらに好ましく、80nm以下の範囲であることが一層好ましく、75nm以下の範囲であることが最も好ましい。なお、本発明において、「平均粒径」は数平均粒子径を意味する。   It is preferable that the average particle diameter of the active material particle which the negative electrode material of this invention contains is 10 nm or more and 160 nm or less. When the average particle size is less than 10 nm, the dispersibility of silicon particles in the composite negative electrode material is deteriorated, that is, local aggregation progresses, so the absolute amount of local volume change increases and cycle characteristics tend to be deteriorated. . Therefore, the average particle size of the active material particles is more preferably 20 nm or more, and still more preferably 30 nm or more. On the other hand, when the average particle size of the active material particles is larger than 160 nm, pulverization of silicon particles during charge and discharge cycles and cracking due to an increase in the absolute amount of local volume change are likely to occur. Properties tend to deteriorate. Therefore, the average particle size of the active material particles is more preferably 120 nm or less, still more preferably 100 nm or less, still more preferably 80 nm or less, and most preferably 75 nm or less . In the present invention, the "average particle diameter" means a number average particle diameter.

珪素粒子および炭素で被覆した珪素粒子からなる活物質粒子の粒径は、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの電子顕微鏡写真のデータを、画像解析式粒度分布測定ソフトを用いて識別し、一次粒子(活物質粒子)の投影面積円相当径として評価することが出来る。具体的には、画像解析式粒度分布測定ソフトを用いて、SEMで撮影した複数の粒子写真に含まれる一次粒子を認識し、一次粒子の投影面積円相当径として、個々の粒子径を評価し、一次粒子投影面積合計10μmから得られた粒子径のデータより数平均粒子径、粒度分布などを算出することができる。画像解析式粒度分布測定ソフトの例としては、株式会社マウンテック製、「Mac−VIEW」、旭化成エンジニアリング株式会社製、「A像くん」などが挙げられる。 The particle size of the active material particles comprising silicon particles and silicon particles coated with carbon can be determined by image analysis type particle size distribution measurement data of data of electron micrographs such as a scanning electron microscope (SEM) and a transmission electron microscope (TEM). And the projected area equivalent circle diameter of the primary particles (active material particles). Specifically, primary particles included in a plurality of particle photographs taken by SEM are recognized using image analysis type particle size distribution measurement software, and individual particle diameters are evaluated as the projected area circle equivalent diameter of the primary particles. The number average particle diameter, particle size distribution, etc. can be calculated from the particle diameter data obtained from the primary particle projected area total of 10 μm 2 . Examples of the image analysis type particle size distribution measurement software include "Mac-VIEW" manufactured by Mountech Co., Ltd., "A Image Kun" manufactured by Asahi Kasei Engineering Corporation, and the like.

本発明の負極材料は、シリコンオキシカーバイド(SiOC)セラミックスを含む緻密マトリックス中に前述の珪素粒子または炭素で被覆した珪素粒子からなる活物質粒子を含有した複合粒子からなる。活物質粒子が緻密なSiOCのマトリックスに包含されていることで、複合粒子の体積の膨張収縮が緩和されるため、電極の変形や崩壊が抑えられ、容量維持率を向上させることが出来る。また、裸の珪素粒子や炭素被覆珪素粒子と比べ負極材料の粒径を大きくすることが出来、結着樹脂の混合割合を減らすことが出来るとともに、結着樹脂や溶剤と混合してペースト化する際の分散性や、集電体に塗工する際の塗布性を向上させることができる。   The negative electrode material of the present invention comprises composite particles containing active material particles comprising silicon particles or silicon particles coated with carbon described above in a dense matrix containing silicon oxycarbide (SiOC) ceramics. Since the active material particles are included in the dense SiOC matrix, expansion and contraction of the volume of the composite particles are alleviated, so deformation and collapse of the electrode can be suppressed, and the capacity retention rate can be improved. In addition, the particle size of the negative electrode material can be made larger than that of bare silicon particles or carbon coated silicon particles, and the mixing ratio of the binder resin can be reduced, and it is mixed with the binder resin or solvent to make a paste It is possible to improve the dispersibility at the time of coating and the coating property at the time of coating on the current collector.

ここで、SiOCセラミックスを含む、とは、マトリックスの構成材料として、20体積%〜100体積%のSiOCを含むことを指す。マトリックス中のSiOCセラミックスの含有量は、好ましくは30体積%〜100体積%、より好ましくは50体積%〜100体積%、さらに好ましくは75体積%〜100体積%である。マトリックス中のSiOC以外の構成成分としては、シリコンカーバイド(SiC)、シリコンカルボナイトライド(SiCN)、シリコンカルボボロナイトライド(SiNBC)、Tiオキシカーバイド(TiOC)、Alオキシカーバイド(AlOC)、ハードカーボンやソフトカーボン、黒鉛、グラフェンなどの炭素材料、などを好ましく用いることが出来る。複合粒子中のSiOCセラミックスは、基準物質をテトラメチルシラン(TMS)とした29Si固体NMRで、Si原子周囲の結合状態がSi−O(−34ppm)および/またはSi−OC(−72ppm)を含むものとして検出することができる。 Here, including SiOC ceramics indicates that 20% by volume to 100% by volume of SiOC is included as a constituent material of the matrix. The content of SiOC ceramics in the matrix is preferably 30% by volume to 100% by volume, more preferably 50% by volume to 100% by volume, and still more preferably 75% by volume to 100% by volume. As components other than SiOC in the matrix, silicon carbide (SiC), silicon carbonitride (SiCN), silicon carboboronitride (SiNBC), Ti oxycarbide (TiOC), Al oxycarbide (AlOC), hard carbon And soft carbon, graphite, carbon materials such as graphene, etc. can be preferably used. The SiOC ceramic in the composite particle is a 29 Si solid state NMR using tetramethylsilane (TMS) as a reference substance, and the bonding state around the Si atom is Si-O 2 C 2 (-34 ppm) and / or Si-O 3 C It can be detected as containing (-72 ppm).

マトリックスの緻密さは空隙率によって評価される。空隙率とは、複合粒子に占める空隙の割合を百分率で示した数値である。空隙率は、複合粒子の断面を電子顕微鏡観察し、全面積に占める空隙面積の割合から算出することができる。本発明の複合粒子では、内部の空隙率が10%以下であることが好ましい。より好ましくは、5%以下、さらに好ましくは2%以下である。空隙率が10%以下であれば、空隙が珪素粒子の膨張収縮の際にマトリックスの破壊源となりにくく、複合粒子の崩壊を一層抑制することができる。   The compactness of the matrix is assessed by the porosity. The porosity is a numerical value that indicates the percentage of voids in the composite particles. The porosity can be calculated from the ratio of the void area to the total area by observing the cross section of the composite particle with an electron microscope. In the composite particle of the present invention, the internal porosity is preferably 10% or less. More preferably, it is 5% or less, more preferably 2% or less. If the porosity is 10% or less, the voids are unlikely to be the source of matrix breakage during expansion and contraction of the silicon particles, and the collapse of the composite particles can be further suppressed.

本発明の負極材料は、活物質粒子をマトリックス前駆体と混合し、焼成することで得られる。活物質粒子とマトリックス前駆体とを混合する方法は特に限定されないが、マトリックス前駆体を溶剤と混合し、溶液または懸濁液としたものにさらに上記活物質粒子を添加し、マグネティックスターラーによる撹拌、超音波分散、自公転ミキサー、ビーズミル、ボールミル、プラネタリーミキサー、クレアミックス、ハーモテック等によって均一に混合させるのが望ましい。   The negative electrode material of the present invention is obtained by mixing active material particles with a matrix precursor and calcining. The method of mixing the active material particles and the matrix precursor is not particularly limited, but the active material particles are further added to a solution or a suspension obtained by mixing the matrix precursor with a solvent, and stirring with a magnetic stirrer, It is desirable to mix uniformly by ultrasonic dispersion, a revolution / revolution mixer, a bead mill, a ball mill, a planetary mixer, Creamix, Harmotech, etc.

マトリックス中のSiOCの前駆体としては、ポリシロキサンやポリカルボシランが好ましく、これらを任意の比率で混合して使用しても良い。また、マトリックス前駆体としてのポリシロキサンは、ポリマーとして添加しても良いし、アルコキシシラン化合部に代表されるシラン化合物を系中で反応させて合成しても良い。また、マトリックス中のSiOC以外の構成成分の前駆体としては、シリコンカーバイド(SiC)についてはポリカルボシラン、シリコンカルボナイトライド(SiCN)についてはポリカルボシラザン、シリコンカルボボロナイトライド(SiNBC)についてはポリオルガノボロシラザン、Tiオキシカーバイド(TiOC)についてはポリチタノキサン、Alオキシカーバイド(AlOC)についてはポリアルミノキサン、ハードカーボンについてはフェノール樹脂、ソフトカーボンについてはピッチやグルコースを好ましく用いることが出来る。   As a precursor of SiOC in the matrix, polysiloxane and polycarbosilane are preferable, and these may be mixed and used in any ratio. In addition, polysiloxane as a matrix precursor may be added as a polymer, or may be synthesized by reacting in a system a silane compound represented by an alkoxysilane compound part. Also, as precursors of components other than SiOC in the matrix, polycarbosilane for silicon carbide (SiC), polycarbosilazane for silicon carbonitride (SiCN), and silicon carboboronitride (SiNBC) For polyorganoborosilazane and Ti oxycarbide (TiOC), polytitanoxane, for Al oxycarbide (AlOC), polyaluminoxane, for hard carbon, a phenol resin, and for soft carbon, pitch and glucose can be preferably used.

溶剤としては、特に限定されないが、マトリックス前駆体を溶解できるもの、または凝集させずに分散できるものが望ましく、水、N−メチルピロリドン、ジアセトンアルコール、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート等のグリコール誘導体、トルエン、ベンゼンに代表される芳香族炭化水素類、各種アルコール類、各種ケトン類、各種エーテル類、エステル類、などを用いることができる。前記溶剤は、溶質の溶解性を向上させる、または分散媒の分散性を向上させる目的で、2種以上を混ぜて使用してもよい。   The solvent is not particularly limited, but is preferably one capable of dissolving the matrix precursor or one capable of dispersing without aggregation, and water, glycol derivatives such as N-methyl pyrrolidone, diacetone alcohol, propylene glycol monomethyl ether acetate, toluene And aromatic hydrocarbons represented by benzene, various alcohols, various ketones, various ethers, esters, and the like. The solvent may be used as a mixture of two or more in order to improve the solubility of the solute or the dispersibility of the dispersion medium.

また、焼成の前に脱溶媒を行っても良い。脱溶媒の方法・設備は特に限定されないが、減圧下または不活性雰囲気下で行うことが望ましい。ここで不活性雰囲気とは、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気などを指す。脱溶媒に使用可能な設備としては、熱風乾燥機、真空乾燥機などの各種乾燥機やオイルバスなどが挙げられる。   In addition, solvent removal may be performed before firing. Although the method and equipment for removing the solvent are not particularly limited, it is desirable to carry out under reduced pressure or under an inert atmosphere. Here, the inert atmosphere refers to a nitrogen atmosphere, an argon atmosphere, and the like. Examples of equipment usable for desolvation include various dryers such as a hot air dryer and a vacuum dryer, and an oil bath.

焼成は、大気雰囲気下でも可であるが、不活性雰囲気下、または還元雰囲気下で行うことがより好ましい。不活性雰囲気としては窒素雰囲気、アルゴン雰囲気などを用いることができる。また、還元雰囲気としては、不活性雰囲気で用いるガスに水素等を混合したものを用いることが出来る。焼成温度は、500℃〜1400℃が好ましい。また、焼成は1回でも良いし、2回以上に分けることも出来る。焼成を複数回実施する場合は、2回目以降のいずれかの焼成において、1回目の焼成よりも高い温度で実施することがより好ましい。焼成に用いる設備は特に限定されないが、電気炉、マッフル炉、ボックス炉、ローラーハースキルン、ロータリーキルンなどの焼成設備を用いることが出来る。   The firing may be performed in the air, but is more preferably performed in an inert atmosphere or a reducing atmosphere. As an inert atmosphere, a nitrogen atmosphere, an argon atmosphere or the like can be used. Further, as a reducing atmosphere, a mixture of hydrogen and the like to a gas used in an inert atmosphere can be used. The calcination temperature is preferably 500 ° C to 1400 ° C. In addition, the firing may be performed once or twice or more. In the case where the firing is performed a plurality of times, it is more preferable to perform at a temperature higher than the first firing in any of the second and subsequent firings. The equipment used for firing is not particularly limited, but firing equipment such as an electric furnace, a muffle furnace, a box furnace, a roller hearth kiln, and a rotary kiln can be used.

また、脱溶媒後、焼成中、焼成後の所望の段階で粉砕を行っても良い。粉砕後に焼成を行うと、マトリックスの焼結が進み、粉砕によってマトリックスに入った微小傷を小化、または修復することができる。粉砕方法は特に問わない。さらに、焼成した複合粒子を分級して所望の粒度に調整することも出来る。   In addition, after the removal of the solvent, during the calcination, pulverization may be performed at a desired stage after the calcination. If firing is performed after grinding, sintering of the matrix proceeds, and micro-scratches that have entered the matrix by grinding can be reduced or repaired. The grinding method is not particularly limited. Furthermore, the fired composite particles can be classified to adjust the desired particle size.

本発明の負極材料を構成する複合粒子は、珪素粒子または炭素で被覆した珪素粒子からなる活物質粒子を、粒子中に5〜30体積%含有する。活物質粒子の含有率(複合粒子の体積に対する活物質粒子の体積の百分率)は5〜20体積%であることが好ましく、5〜15体積%であることがより好ましく、5〜10体積%であることがさらに好ましい。珪素活物質の含有率が5体積%よりも小さくなると、負極容量の向上効果が小さくなる恐れがある。また、珪素活物質の含有率が30体積%よりも大きくなると、複合粒子の一部にマトリックスに被覆されず活物質粒子が露出した部分が増加して複合粒子の強度が低下し、珪素粒子の膨張収縮によって複合粒子の崩壊、さらには電極の崩壊が起こり、容量維持率が悪化する恐れがある。   The composite particles constituting the negative electrode material of the present invention contain 5 to 30% by volume of active material particles composed of silicon particles or silicon particles coated with carbon in the particles. The content of the active material particles (percentage of the volume of the active material particles to the volume of the composite particles) is preferably 5 to 20% by volume, more preferably 5 to 15% by volume, and 5 to 10% by volume It is further preferred that When the content of the silicon active material is less than 5% by volume, the improvement effect of the negative electrode capacity may be reduced. In addition, when the content of the silicon active material is greater than 30% by volume, the portion of the composite particle not covered with the matrix but not the active material particle is increased, and the strength of the composite particle is decreased. Expansion and contraction may cause collapse of the composite particles, and furthermore, collapse of the electrode, which may deteriorate the capacity retention rate.

なお、複合粒子中の活物質粒子の含有率(体積%)は、観察面積が十分に大きい場合、複合粒子断面の全断面積に対する活物質粒子断面の断面積百分率で近似することができる。本発明においては、複合粒子の断面を4000μm以上観察したときの、観察した複合粒子の断面積の合計(Sc)に対する当該複合粒子断面中に存在する活物質粒子断面の断面積の合計(Sa)の百分率、すなわち(Sa/Sc)×100(%)の値を、複合粒子中の活物質粒子の含有率(体積%)とみなすものとする。具体的には、複合粒子をイオンミリング装置で断面出しした試料の断面の電子顕微鏡によって観察し、観察画像から画像処理ソフト等によって活物質粒子の断面部分の面積を抽出した後、試料全体の断面積に対する抽出部分の面積の百分率を計算することで、活物質粒子の含有率を求めることができる。なお、珪素粒子および炭素被覆された珪素粒子は、マトリックスがSiOCからなる場合、SEMの反射電子像モードの画面上で白色のコントラストとして観察される。 The content (volume%) of the active material particles in the composite particles can be approximated by the cross-sectional area percentage of the active material particle cross section with respect to the total cross-sectional area of the composite particle cross section when the observation area is sufficiently large. In the present invention, when the cross section of the composite particle is observed for 4000 μm 2 or more, the total of the cross sections of the active material particle cross section present in the composite particle cross section to the total (S c ) of the cross sections of the observed composite particle The percentage of S a ), that is, the value of (S a / S c ) × 100 (%) is regarded as the content (volume%) of the active material particles in the composite particles. Specifically, the composite particle is observed by an electron microscope of the cross section of the cross section of the sample taken out with an ion milling device, and the area of the cross section of the active material particle is extracted from the observation image by image processing software etc. The content of the active material particles can be determined by calculating the percentage of the area of the extraction portion to the area. When the matrix is made of SiOC, silicon particles and silicon particles coated with carbon are observed as white contrast on the screen of the reflection electron image mode of the SEM.

なお、各複合粒子中に含まれる活物質粒子の数は特に限定されないが、複数の活物質粒子を含むことが好ましい。   The number of active material particles contained in each composite particle is not particularly limited, but it is preferable to include a plurality of active material particles.

本発明の負極材料を構成する複合粒子の平均粒径(数平均粒子径)は、0.5〜50μmであることが好ましい。当該複合粒子の平均粒径は、より好ましくは、0.5〜30μm、さらに好ましくは、0.5〜20μmである。複合粒子の平均粒径を0.5μmよりも小さくすると、活物質粒子が露出した粉砕面の面積が増えるため、複合粒子の強度が低下し、容量維持率が悪化する傾向がある。また、複合粒子の平均粒径が50μmよりも大きいと、複合粒子を含む負極用ペーストの集電体への塗工時にスジ、掠れなどにより塗布均一性が低下する傾向がある。なお、複合粒子の平均粒径は、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの電子顕微鏡写真のデータを、画像解析式粒度分布測定ソフトを用いて識別し、一次粒子(複合粒子)の投影面積円相当径として評価することが出来る。具体的には、画像解析式粒度分布測定ソフトを用いて、SEMで撮影した複数の粒子写真に含まれる一次粒子を認識し、一次粒子の投影面積円相当径として、個々の粒子径を評価し、一次粒子投影面積合計0.25mmから得られた粒子径のデータより数平均粒子径、粒度分布などを算出することができる。画像解析式粒度分布測定ソフトの例としては、株式会社マウンテック製、「Mac−VIEW」、旭化成エンジニアリング株式会社製、「A像くん」などが挙げられる。 It is preferable that the average particle diameter (number average particle diameter) of the composite particle which comprises the negative electrode material of this invention is 0.5-50 micrometers. The average particle diameter of the composite particles is more preferably 0.5 to 30 μm, and still more preferably 0.5 to 20 μm. When the average particle diameter of the composite particles is smaller than 0.5 μm, the area of the grinding surface on which the active material particles are exposed increases, so the strength of the composite particles tends to decrease and the capacity retention ratio tends to deteriorate. In addition, when the average particle diameter of the composite particles is larger than 50 μm, the coating uniformity tends to be lowered due to streaks, curling and the like when applying the negative electrode paste containing the composite particles to the current collector. In addition, the average particle diameter of the composite particles is identified by using data of an electron micrograph such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM) using image analysis type particle size distribution measurement software, and primary particles ( The projected area of the composite particle can be evaluated as the equivalent circle diameter. Specifically, primary particles included in a plurality of particle photographs taken by SEM are recognized using image analysis type particle size distribution measurement software, and individual particle diameters are evaluated as the projected area circle equivalent diameter of the primary particles. The number average particle diameter, particle size distribution, etc. can be calculated from the particle diameter data obtained from the primary particle projected area total of 0.25 mm 2 . Examples of the image analysis type particle size distribution measurement software include "Mac-VIEW" manufactured by Mountech Co., Ltd., "A Image Kun" manufactured by Asahi Kasei Engineering Corporation, and the like.

本発明のリチウムイオン二次電池負極用ペースト(以下、単に「負極用ペースト」ということがある。)は、前述の負極材料と、結着樹脂と、溶剤を含む。本発明の負極用ペーストは、結着樹脂を溶剤と混合し、適当な粘度に調整した後に、本発明の負極材料、必要により導電助剤等を加え、良く混練することで得ることが出来る。   The paste for a lithium ion secondary battery negative electrode (hereinafter sometimes simply referred to as “paste for negative electrode”) of the present invention contains the above-mentioned negative electrode material, a binder resin, and a solvent. The paste for the negative electrode of the present invention can be obtained by mixing the binder resin with a solvent and adjusting to an appropriate viscosity, and then adding the negative electrode material of the present invention, a conductive auxiliary agent etc. if necessary, and thoroughly kneading.

結着樹脂としては、特に限定されず、ポリテトラフルオロエチレン, ポリフッ化ビニリデン(PVdF), ポリエチレン, ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ニトリルブタジエンゴム、フッ素ゴム等のゴム弾性を有するポリマー、カルボキシメチルセルロース等の多糖類、ポリイミド前駆体および/またはポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸ナトリウム、アクリル樹脂、ポリアクリロニトリル等を1種または2種以上の混合物として用いることができる。   The binder resin is not particularly limited, and thermoplastic resins such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyethylene, polypropylene and the like, rubbers such as styrene butadiene rubber (SBR), nitrile butadiene rubber, fluororubber and the like are used. Or mixtures of one or more of polymers having polysaccharides, polysaccharides such as carboxymethylcellulose, polyimide precursor and / or polyimide resin, polyamideimide resin, polyamide resin, polyacrylic acid, sodium polyacrylate, acrylic resin, polyacrylonitrile, etc. It can be used as

溶剤としては、特に限定されず、水、N−メチルピロリドン、ジアセトンアルコール、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートに代表されるグリコール誘導体、各種アルコール類、各種ケトン類、各種エーテル類、エステル類、などを用いることができる。溶剤は、結着剤の溶剤への溶解度や負極用ペーストの塗布性を向上させる目的で2種以上を混ぜて使用してもよい。   The solvent is not particularly limited, and water, N-methylpyrrolidone, diacetone alcohol, glycol derivatives represented by propylene glycol monomethyl ether acetate, various alcohols, various ketones, various ethers, esters, etc. are used. be able to. The solvent may be used as a mixture of two or more for the purpose of improving the solubility of the binder in the solvent and the coating property of the negative electrode paste.

導電助剤としては、電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば特に限定されず、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等のカーボンブラック類、天然黒鉛、人造黒鉛、グラフェン等のグラファイト類、炭素繊維及び金属繊維等の導電性繊維類、銅、ニッケル、アルミニウム及び銀等の金属粉末類等の導電性材料を用いることができる。   The conductive aid is not particularly limited as long as it is an electron conductive material that does not adversely affect the battery performance, and carbon blacks such as furnace black, ketjen black, acetylene black, etc., graphite such as natural graphite, artificial graphite, and graphene And conductive materials such as carbon fibers and metal fibers, and conductive powders such as metal powders such as copper, nickel, aluminum and silver.

本発明の負極用ペーストを製造する条件や方法は特に限定されないが、混練においては、自公転ミキサーを用いたり、ビーズミル、ボールミルなどのメディア分散を行ったり、三本ロールなどを用いて、均一に分散させることが好ましい。また、前述の負極材料、結着樹脂、溶剤等を混合する順序は特に限定されない。   The conditions and method for producing the paste for the negative electrode of the present invention are not particularly limited, but in kneading, a revolution mixer is used, or media dispersion such as a bead mill or ball mill is performed, or three rolls are used uniformly. It is preferable to disperse. Moreover, the order which mixes the above-mentioned negative electrode material, binder resin, a solvent, etc. is not specifically limited.

本発明のリチウムイオン二次電池用負極は、前述の負極材料を含むものであり、典型的には本発明の負極用ペーストを集電体に塗布して乾燥することにより得ることができる。   The negative electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention contains the above-described negative electrode material, and can be typically obtained by applying the negative electrode paste of the present invention to a current collector and drying it.

集電体としては、アルミ箔、ニッケル箔、チタン箔、銅箔、ステンレス鋼箔等の金属箔を用いることができ、銅箔およびアルミ箔が最も汎用される。   As the current collector, metal foils such as aluminum foil, nickel foil, titanium foil, copper foil, stainless steel foil and the like can be used, and copper foil and aluminum foil are most widely used.

本発明のリチウムイオン二次電池負極用ペーストを金属箔に塗布するには、ブレードコート、スピンコート、ロールコート、スリットダイコート、スプレーコート、ディップコート、スクリーン印刷などの手法を用いることができる。塗布は片面または両面に行われる。両面に塗布する場合、まず片面を塗布して、溶媒を50〜400℃の温度で1分〜20時間、空気中、真空中、または窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気中で乾燥処理した後に、逆の面に塗布して乾燥させるのが一般的であるが、両面に同時にロールコートやスリットダイコートなどの手法で塗布することもできる。負極用ペーストの塗布厚は1〜500μmとすることが好ましい。   In order to apply the paste for lithium ion secondary battery negative electrode of the present invention to a metal foil, methods such as blade coating, spin coating, roll coating, slit die coating, spray coating, dip coating, screen printing and the like can be used. The application is carried out on one side or both sides. When applying on both sides, first apply one side and dry the solvent at a temperature of 50 to 400 ° C for 1 minute to 20 hours in air, in vacuum, or in an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon Although it is common to apply and dry on the reverse side, it is also possible to apply on both sides simultaneously by a method such as roll coating or slit die coating. The coating thickness of the negative electrode paste is preferably 1 to 500 μm.

例えば、結着樹脂としてポリイミド前駆体を用いる場合、塗布後、100〜500℃で1分間〜24時間熱処理し、ポリイミド前駆体をポリイミドに変換することで、信頼性のある負極を得ることができる。熱処理条件は、好ましくは200〜450℃で30分間〜20時間である。また、熱処理は、水分の混入を抑えるために、窒素ガスなどの不活性ガス中または真空中で行うことが好ましい。   For example, in the case of using a polyimide precursor as a binder resin, after coating, heat treatment may be performed at 100 to 500 ° C. for 1 minute to 24 hours to convert the polyimide precursor to polyimide, whereby a reliable negative electrode can be obtained. . The heat treatment conditions are preferably at 200 to 450 ° C. for 30 minutes to 20 hours. The heat treatment is preferably performed in an inert gas such as nitrogen gas or in vacuum in order to suppress the mixing of water.

また、得られた電極は、厚みや体積密度を制御するために、例えばロールプレス機によってプレスすることもできる。   The obtained electrode can also be pressed by, for example, a roll press to control thickness and volume density.

以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって制限されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples, but the present invention is not limited by these examples.

[実施例1]
〔ポリシロキサン溶液(PS−1)の作製〕
73.31gのジフェニルジメトキシシラン(0.3モル)、22.23gのビニルトリメトキシシラン(0.15モル)、12.32gの3−(3,4−エポキシシクロヘキシル)プロピルトリメトキシシラン(0.05モル)、69.41gのフェニルトリメトキシシラン(0.35モル)、35.15g3−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン(Acryl−TMS、0.15モル)及び44.96gのアセト酢酸エチルを、500mLの三ツ口フラスコに仕込んだ。溶液を室温で撹拌しながら、54.0gの水に1.0gのリン酸を溶かしたリン酸水溶液を30分かけて添加した。その後、フラスコを40℃のオイルバスに浸けて30分撹拌した後、オイルバスを80℃に設定して30分間加熱し、さらにオイルバスを120℃にまで昇温した。昇温開始3時間後に、反応を終了した。反応中に生成するメタノールや消費されなかった水は、蒸留により取り除いた。得られたポリシロキサンのアセト酢酸エチル溶液が、ポリマー濃度が45.4質量%となるようにアセト酢酸エチルを加えて、ポリシロキサン溶液(PS−1)を得た。
Example 1
[Preparation of Polysiloxane Solution (PS-1)]
73.31 g of diphenyldimethoxysilane (0.3 mol), 22.23 g of vinyltrimethoxysilane (0.15 mol), 12.32 g of 3- (3,4-epoxycyclohexyl) propyltrimethoxysilane (0. 2). 05 mol), 69.41 g of phenyltrimethoxysilane (0.35 mol), 35.15 g of 3-acryloxypropyltrimethoxysilane (Acryl-TMS, 0.15 mol) and 44.96 g of ethyl acetoacetate, Into a three-necked flask. While stirring the solution at room temperature, an aqueous phosphoric acid solution in which 1.0 g of phosphoric acid was dissolved in 54.0 g of water was added over 30 minutes. Then, the flask was immersed in an oil bath at 40 ° C. and stirred for 30 minutes, then the oil bath was set to 80 ° C. and heated for 30 minutes, and the oil bath was further heated to 120 ° C. The reaction was terminated 3 hours after the start of heating. Methanol generated during the reaction and unconsumed water were removed by distillation. Ethyl acetoacetate was added such that a solution of the obtained polysiloxane in ethyl acetoacetate had a polymer concentration of 45.4% by mass, to obtain a polysiloxane solution (PS-1).

〔活物質粒子の作製〕
高周波熱プラズマ法により合成され、徐酸化処理した珪素粒子の、表面の珪素酸化物を、水素40体積%の窒素雰囲気、還元温度700℃の条件で還元し、酸化被膜のない珪素粒子を得た。引き続き、メタン:窒素=1:1を原料ガスとして、処理温度1000℃の条件で、珪素粒子の表面を熱分解炭素で被覆した。このようにして得られた活物質粒子をSEMで観察し、得られた画像から、画像解析式粒度分布測定ソフトウェア(株式会社マウンテック製、Mac−VIEW)を用いて、SEM画像に含まれる活物質粒子の投影面積円相当径として個々の粒子径を測定し、活物質粒子投影面積として計10μmから得られた粒子径のデータより数平均粒子径を算出した。また、透過型電子顕微鏡により、珪素粒子の表面に形成された被覆層の厚みを測定した。結果として、平均粒径が64nmの珪素粒子の表面が3nmの炭素からなる被覆層で被覆された、平均粒径70nmの活物質粒子が得られた。 〔複合粒子の作製〕
上記のように作製した活物質粒子0.9重量部と、ポリシロキサン溶液(PS−1)23.7重量部、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート75.3重量部を混合撹拌し、懸濁液を得た。その後、200℃、2時間の真空乾燥を行うことで脱溶媒した。
[Preparation of Active Material Particles]
The silicon oxide on the surface of the silicon particles synthesized by the high frequency thermal plasma method and subjected to gradual oxidation treatment was reduced under the conditions of a hydrogen atmosphere of 40 volume% hydrogen and a reduction temperature of 700 ° C. to obtain silicon particles without an oxide film. . Subsequently, the surface of silicon particles was coated with pyrolytic carbon at a processing temperature of 1000 ° C. using methane: nitrogen = 1: 1 as a source gas. The active material particles obtained in this manner are observed by SEM, and from the obtained image, the active material contained in the SEM image is obtained using the image analysis type particle size distribution measurement software (Mac-VIEW, manufactured by Mountech Co., Ltd.) Each particle diameter was measured as a projected area circle equivalent diameter of particles, and a number average particle diameter was calculated from data of particle diameter obtained from a total of 10 μm 2 as an active material particle projected area. In addition, the thickness of the coating layer formed on the surface of the silicon particles was measured by a transmission electron microscope. As a result, active material particles having an average particle diameter of 70 nm were obtained, in which the surface of silicon particles having an average particle diameter of 64 nm was coated with a coating layer consisting of carbon of 3 nm. [Preparation of Composite Particles]
0.9 parts by weight of the active material particles prepared as described above, 23.7 parts by weight of the polysiloxane solution (PS-1), and 75.3 parts by weight of propylene glycol monomethyl ether acetate are mixed and stirred to obtain a suspension The Thereafter, the solvent was removed by vacuum drying at 200 ° C. for 2 hours.

乾燥物を塊状のまま、蓋付のアルミナ製容器に入れて、雰囲気コントロール可能な温度プログラム付ボックス炉で窒素雰囲気下にて、600℃、2時間の条件で焼成を行った。その後、十分冷却し、自動乳鉢にかけた後、アルゴン雰囲気下にて、1000℃、1時間という条件で再度焼成を行い、篩にかけた。このようにして得られた複合粒子(負極材料)をSEMで観察し、得られた画像から、画像解析式粒度分布測定ソフトウェア(株式会社マウンテック製、Mac−VIEW)を用いて、SEM画像に含まれる複合粒子の投影面積円相当径として個々の粒子径を測定し、複合粒子投影面積として計0.25mmから得られた粒子径のデータより数平均粒子径を算出した所、平均粒径は10umであった。 The dried product was placed in a lump in an alumina container with a lid, and firing was performed in a nitrogen atmosphere at 600 ° C. for 2 hours in a temperature controlled box furnace capable of controlling the atmosphere. Then, after sufficiently cooling and putting in an automatic mortar, it was fired again under the condition of 1000 ° C. for 1 hour under argon atmosphere and sieved. The composite particles (negative electrode material) obtained in this manner are observed by SEM, and the obtained image is included in the SEM image using image analysis type particle size distribution measurement software (Mac-VIEW, manufactured by Mountech Co., Ltd.) The individual particle diameters were measured as the projected area circle equivalent diameter of the composite particles to be used, and the number average particle diameter was calculated from the data of particle diameters obtained from a total of 0.25 mm 2 as the composite particle projected area. It was 10 um.

〔負極の作製〕
得られた負極材料90重量部と、固形分濃度1質量%のカルボキシメチルセルロースナトリウム(ダイセル社、CMC2200)水溶液121重量部と、固形分濃度48質量%のSBR水分散液(JSR社、TRD−2001)8重量部と、導電助剤としてアセチレンブラック5重量部と、適量の水を加えて撹拌し、スラリー状のペーストを得た。得られたペーストを、電解銅箔上にドクターブレードを用いて塗布し、80℃で30分間乾燥させ電極とした。さらに、この電極の塗布部を直径16mmの円形に打ち抜き、80℃、12時間の真空乾燥を行って負極を作製した。
[Fabrication of negative electrode]
90 parts by weight of the obtained negative electrode material, 121 parts by weight of an aqueous solution of sodium carboxymethylcellulose (Dacel, CMC 2200) having a solid concentration of 1% by mass, and an SBR aqueous dispersion having a solid concentration of 48% by mass (JSR, TRD-2001 A slurry paste was obtained by adding and stirring 8 parts by weight, 5 parts by weight of acetylene black as a conductive additive, and an appropriate amount of water. The obtained paste was applied onto an electrolytic copper foil using a doctor blade, and dried at 80 ° C. for 30 minutes to form an electrode. Furthermore, the coated part of this electrode was punched into a circle having a diameter of 16 mm, and vacuum drying was performed at 80 ° C. for 12 hours to produce a negative electrode.

〔複合粒子中の活物質粒子の含有率の測定〕
作製した負極をイオンミリング装置(株式会社日立ハイテクノロジーズ製、IM4000)で処理し、断面出しした。この試料を電子顕微鏡(株式会社日立ハイテクノロジーズ製、S−5500)を用いて断面観察し、観察画像に対し、画像処理ソフトImageJ(アメリカ国立衛生研究所製)を用いて複合粒子中の活物質粒子部分とそれ以外の部分で白黒2値化処理を実施した。複合粒子断面積として計4000μmを観察・画像処理し、複合粒子の断面積の合計(黒色部分と白色部分の和)に対する活物質粒子の断面積の合計(白色部分)の割合から複合粒子中の活物質粒子の含有率(体積%)を算出した。
[Measurement of content of active material particles in composite particles]
The produced negative electrode was treated with an ion milling apparatus (IM 4000, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation) to cut out a cross section. This sample is cross-sectionally observed using an electron microscope (S-5500, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation), and the observed image is an active material in composite particles using image processing software ImageJ (manufactured by the National Institutes of Health). A black and white binarization process was performed on the particle part and the other part. A total of 4000 μm 2 is observed and image-processed as the composite particle cross sectional area, and the ratio of the total (white portion) of the cross section of the active material particle to the total of the cross section of the composite particle (sum of black and white portions) The content (volume%) of the active material particles was calculated.

〔複合粒子の空隙率の測定〕
作製した負極をイオンミリング装置(株式会社日立ハイテクノロジーズ製、IM4000)で処理し、断面出しした。この試料を電子顕微鏡(株式会社日立ハイテクノロジーズ製、S−5500)を用いて断面観察し、倍率5000倍の画像を、画像処理ソフトImageJ(アメリカ国立衛生研究所製)を用いて複合粒子中の空隙部分とそれ以外の部分で白黒2値化処理を実施した。断面観察画像10枚を処理し、複合粒子の断面積の平均値に対する空隙部分の断面積の平均値から空隙率を算出した所、0.8%であった。
[Measurement of porosity of composite particles]
The produced negative electrode was treated with an ion milling apparatus (IM 4000, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation), and a cross section was taken out. This sample is cross-sectionally observed using an electron microscope (S-5500, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation), and an image with a magnification of 5000 is obtained from the composite particles using the image processing software ImageJ (manufactured by the National Institutes of Health). A black and white binarization process was performed on the void portion and the other portion. Ten cross-sectional observation images were processed, and when the porosity was calculated from the average value of the cross-sectional area of the void portion to the average value of the cross-sectional area of the composite particles, it was 0.8%.

〔コイン型リチウム二次電池の作製と電極特性の評価〕
上記のように作製した負極とともに、対極として金属リチウムを用いた。電解液としては、エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート=7:3(体積比率)の混合溶媒に1MのLiPF、溶媒に対して10質量%のフルオロエチレンカーボネートを加えた電解液を用いた。また、セパレーターは、直径17mmに切り出したセルガード#2400(セルガード社製)を用い、コイン型リチウム二次電池(ハーフセル)を作製した。
[Preparation of coin-type lithium secondary battery and evaluation of electrode characteristics]
Metal lithium was used as a counter electrode with the negative electrode produced as mentioned above. As an electrolytic solution, an electrolytic solution in which 1 M LiPF 6 was added to a mixed solvent of ethylene carbonate: dimethyl carbonate = 7: 3 (volume ratio) and 10% by mass of fluoroethylene carbonate with respect to the solvent was used. Moreover, the separator manufactured the coin-type lithium secondary battery (half cell) using Celgard # 2400 (made by Celguard) cut out to diameter 17 mm.

充電は、ハーフセルの電圧が20mVに達するまで負極に対し0.1Cに相当する定電流で行い、20mVに達した後は、定電圧で電流を減少させて充電を行った。そして、電流が0.05Cを下回った時点で充電を終了した。放電は、ハーフセルの電圧が1.5Vに達するまで負極に対し0.1Cに相当する定電流で行い、1.5Vに達した時点で放電を終了した。上記条件の充放電を2サイクル繰り返した。   Charging was performed at a constant current corresponding to 0.1 C to the negative electrode until the voltage of the half cell reached 20 mV, and after reaching 20 mV, charging was performed by reducing the current at a constant voltage. And charge was ended when current fell below 0.05C. The discharge was performed at a constant current corresponding to 0.1 C to the negative electrode until the voltage of the half cell reached 1.5 V, and the discharge was ended when the voltage reached 1.5 V. The charge and discharge under the above conditions were repeated two cycles.

上記ハーフセルを、コインセル解体機を用いて解体し、負極を回収、コイン型リチウム二次電池(フルセル)への組み直しを行った。回収した負極とともに、対極としてコバルト酸リチウム100重量部、アセチレンブラック5重量部、ポリフッ化ビニリデン3重量部からなる正極を用いた。電解液としては、エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート=7:3(体積比率)の混合溶媒に1MのLiPF、溶媒に対して10質量%のフルオロエチレンカーボネートを加えた電解液を用いた。また、セパレーターは、直径17mmに切り出したセルガード#2400(セルガード社製)を用い、コイン型リチウム二次電池(フルセル)を作製した。 The half cell was disassembled using a coin cell disassembling machine, the negative electrode was recovered, and reassembly into a coin-type lithium secondary battery (full cell) was performed. A positive electrode composed of 100 parts by weight of lithium cobaltate, 5 parts by weight of acetylene black, and 3 parts by weight of polyvinylidene fluoride was used as a counter electrode together with the recovered negative electrode. As an electrolytic solution, an electrolytic solution in which 1 M LiPF 6 was added to a mixed solvent of ethylene carbonate: dimethyl carbonate = 7: 3 (volume ratio) and 10% by mass of fluoroethylene carbonate with respect to the solvent was used. Moreover, the separator manufactured the coin-type lithium secondary battery (full cell) using Celgard # 2400 (made by Celguard) cut out to diameter 17 mm.

充電は、フルセルの電圧が4.18Vに達するまで負極に対し0.1Cに相当する定電流で行い、4.18Vに達した後は、定電圧で電流を減少させて充電を行った。そして、電流が0.05Cを下回った時点で充電を終了し、ここまでの容量を充電容量とした。放電は、フルセルの電圧が2.5Vに達するまで負極に対し0.1Cに相当する定電流で行い、2.5Vに達した時点で放電を終了し、ここまでの容量を放電容量とした。   Charging was performed at a constant current equivalent to 0.1 C with respect to the negative electrode until the voltage of the full cell reached 4.18 V, and after reaching 4.18 V, charging was performed by reducing the current at a constant voltage. Then, charging was terminated when the current dropped below 0.05 C, and the capacity up to here was used as the charging capacity. Discharge was performed at a constant current equivalent to 0.1 C with respect to the negative electrode until the voltage of the full cell reached 2.5 V, and when the voltage reached 2.5 V, the discharge was terminated, and the capacity up to here was used as the discharge capacity.

この充放電測定を100サイクル行い、フルセルでの1サイクル目(初回)の放電容量に対する100サイクル目の放電容量の比率を容量維持率(%)として算出した。   The charge / discharge measurement was performed for 100 cycles, and the ratio of the discharge capacity at the 100th cycle to the discharge capacity at the first cycle (first time) in the full cell was calculated as a capacity retention ratio (%).

[実施例2]
複合粒子の作製において、活物質粒子の添加量を1.4重量部、ポリシロキサン溶液(PS−1)の添加量を22.6重量部、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートの添加量を76.0重量部に変えた以外は実施例1と同様にして、それぞれの電極特性を評価した。
Example 2
In preparation of composite particles, 1.4 parts by weight of active material particles, 22.6 parts by weight of polysiloxane solution (PS-1) and 76.0 parts by weight of propylene glycol monomethyl ether acetate Each electrode characteristic was evaluated in the same manner as in Example 1 except that it was changed to a part.

[実施例3]
複合粒子の作製において、炭素被覆珪素粉末の添加量を1.9重量部、ポリシロキサン溶液(PS−1)の添加量を21.5重量部、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートの添加量を76.6重量部に変えた以外は実施例1と同様にして、それぞれの電極特性を評価した。
[Example 3]
In preparation of composite particles, 1.9 parts by weight of carbon-coated silicon powder, 21.5 parts by weight of polysiloxane solution (PS-1), and 76.6 parts of propylene glycol monomethyl ether acetate Each electrode characteristic was evaluated in the same manner as in Example 1 except that it was changed to parts by weight.

[実施例4]
平均粒径が144nmの珪素粒子の表面を実施例1と同様に3nmの炭素被覆層で被覆した活物質粒子を用いて負極材料を作製したこと以外は実施例1と同様にして、それぞれの電極特性を評価した。
Example 4
Each electrode was prepared in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode material was prepared using active material particles in which the surface of silicon particles having an average particle diameter of 144 nm was coated with a 3 nm carbon coating layer as in Example 1. The characteristics were evaluated.

[実施例5]
平均粒径が94nmの珪素粒子の表面を実施例1と同様に3nmの炭素被覆層で被覆した活物質粒子を用いて負極材料を作製したこと以外は実施例1と同様にして、それぞれの電極特性を評価した。
[Example 5]
Each electrode was prepared in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode material was prepared using active material particles in which the surface of silicon particles having an average particle diameter of 94 nm was coated with a 3 nm carbon coating layer as in Example 1. The characteristics were evaluated.

[実施例6]
平均粒径が34nmの珪素粒子の表面を実施例1と同様に3nmの炭素被覆層で被覆した活物質粒子を用いて負極材料を作製したこと以外は実施例1と同様にして、それぞれの電極特性を評価した。
[Example 6]
Each electrode was prepared in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode material was prepared using active material particles in which the surface of silicon particles having an average particle diameter of 34 nm was coated with a 3 nm carbon coating layer as in Example 1. The characteristics were evaluated.

[実施例7]
平均粒径が27nmの珪素粒子の表面を実施例1と同様に3nmの炭素被覆層で被覆した活物質粒子を用いて負極材料を作製したこと以外は実施例1と同様にして、それぞれの電極特性を評価した。
[Example 7]
Each electrode was prepared in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode material was prepared using active material particles in which the surface of silicon particles having an average particle diameter of 27 nm was coated with a 3 nm carbon coating layer as in Example 1. The characteristics were evaluated.

[実施例8]
平均粒径が9nmの珪素粒子の表面を実施例1と同様に3nmの炭素被覆層で被覆した活物質粒子を用いて負極材料を作製したこと以外は実施例1と同様にして、それぞれの電極特性を評価した。
[Example 8]
Each electrode was prepared in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode material was prepared using active material particles in which the surface of silicon particles having an average particle diameter of 9 nm was coated with a 3 nm carbon coating layer as in Example 1. The characteristics were evaluated.

[実施例9]
平均粒径が64nmの珪素粒子からなる活物質粒子を用いて負極材料を作製したこと以外は実施例1と同様にして、それぞれの電極特性を評価した。
[Example 9]
Each electrode characteristic was evaluated like Example 1 except having produced an anode material using active material particles which consist of silicon particles whose average particle diameter is 64 nm.

[比較例1]
負極材料の作製において、活物質粒子の添加量を4.0重量部、ポリシロキサン溶液(PS−1)の添加量を16.7重量部、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートの添加量を79.4重量部に変えた以外は実施例1と同様にして、それぞれの電極特性を評価した。得られた負極材料はマトリックス材料による被覆が不完全であり、露出した炭素被覆珪素粉末が多く、空隙率は測定不能であった。
Comparative Example 1
In preparation of the negative electrode material, 4.0 parts by weight of active material particles, 16.7 parts by weight of polysiloxane solution (PS-1), and 79.4 parts by weight of propylene glycol monomethyl ether acetate Each electrode characteristic was evaluated in the same manner as in Example 1 except that it was changed to a part. The negative electrode material thus obtained had incomplete coverage with the matrix material, a large amount of exposed carbon-coated silicon powder, and the porosity could not be measured.

[比較例2]
負極材料の原料として、実施例1と同様の活物質粒子0.9重量部と、固形分濃度42.9%のグルコース水溶液99.1重量部を混合撹拌したものを用いた。グルコース水溶液は、D(+)-グルコース(和光純薬工業社)16.7重量部を純水22.2重量部に溶解したものを用いた。その後、200℃、2時間の真空乾燥を行うことで脱溶媒した。
Comparative Example 2
As a raw material of the negative electrode material, 0.9 parts by weight of active material particles as in Example 1 and 99.1 parts by weight of a glucose solution having a solid content concentration of 42.9% were mixed and stirred. The glucose aqueous solution was prepared by dissolving 16.7 parts by weight of D (+)-glucose (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) in 22.2 parts by weight of pure water. Thereafter, the solvent was removed by vacuum drying at 200 ° C. for 2 hours.

乾燥物を塊状のまま、蓋付のアルミナ製容器に入れて、雰囲気コントロール可能な温度プログラム付ボックス炉でアルゴン雰囲気下にて、800℃、2時間という条件で焼成を行った。十分冷却し、自動乳鉢にかけた後、篩にかけ、平均粒径10umの複合粒子を得た。負極材料中の珪素の含有率は10%であった。負極材料の作製以外は実施例1と同様にして電極特性を評価した。   The dried product was put into a lump and put into an alumina container with a lid, and firing was carried out in an argon atmosphere in a box furnace with temperature control capable of atmosphere control at 800 ° C. for 2 hours. The mixture was sufficiently cooled, placed in an automatic mortar and sieved to obtain composite particles having an average particle diameter of 10 um. The content of silicon in the negative electrode material was 10%. The electrode characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1 except for the preparation of the negative electrode material.

実施例、比較例で作製した負極材料の構成および各負極材料を用いたリチウムイオン二次電池の電池特性の評価結果を表1に示す。   The structures of the negative electrode materials prepared in Examples and Comparative Examples and the evaluation results of the battery characteristics of lithium ion secondary batteries using the respective negative electrode materials are shown in Table 1.

Claims (7)

シリコンオキシカーバイド(SiOC)セラミックスを含むマトリックス中に炭素で被覆した珪素粒子からなる活物質粒子を5体積%〜30体積%含有し、空隙率が10%以下である複合粒子からなるリチウムイオン二次電池用負極材料。 Silicon oxycarbide (SiOC) active material particles composed of silicon particles coated with carbon-containing in a matrix comprising a ceramic containing 5 vol% to 30 vol%, the lithium ion secondary porosity is composed of a composite particle is less than 10% Negative electrode material for next battery. 前記複合粒子が複数の前記活物質粒子を含有する、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。   The negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the composite particles contain a plurality of the active material particles. 前記活物質粒子の平均粒径が10nm〜120nmである、請求項1または2に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。   The negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein an average particle diameter of the active material particles is 10 nm to 120 nm. 前記複合粒子の平均粒径が0.5μm〜50μmである、請求項1〜のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。 The negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 3 , wherein the composite particles have an average particle size of 0.5 μm to 50 μm. 請求項1〜のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用負極材料、結着樹脂および溶剤を含むリチウムイオン二次電池負極用ペースト。 The paste for lithium ion secondary battery negative electrodes containing the negative electrode material for lithium ion secondary batteries in any one of Claims 1-4 , binder resin, and a solvent. 請求項1〜のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用負極材料を含むリチウムイオン二次電池用負極。 The negative electrode for lithium ion secondary batteries containing the negative electrode material for lithium ion secondary batteries in any one of Claims 1-4 . 請求項に記載のリチウムイオン二次電池用負極を用いてなるリチウムイオン二次電池。
A lithium ion secondary battery using the negative electrode for a lithium ion secondary battery according to claim 6 .
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