JP6711475B1 - Composite particle group, negative electrode active material particle group, negative electrode, battery, and exposed convex composite particle contained in composite particle group - Google Patents
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Abstract
優れた急速充電性能と初回充放電効率とを両立できる複合粒子群を提供する。複合粒子群を構成する複数の複合粒子は、複数の凸部を有し、メジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の複合粒子において、活物質粒子の表面における非晶質炭素被膜の平均被覆率が50〜90面積%であり、複合粒子において、活物質粒子の表面が1μm2以上露出している領域を露出領域と定義するとき、複数の複合粒子の総表面積に対する露出領域の個数密度は0.0010〜0.0500個/μm2である。A composite particle group capable of achieving both excellent rapid charge performance and initial charge/discharge efficiency. The plurality of composite particles constituting the composite particle group have a plurality of convex portions, and in the plurality of composite particles having a particle diameter of not less than the median diameter (d50), the average of the amorphous carbon film on the surface of the active material particles When the area where the coverage is 50 to 90 area% and the surface of the active material particle in the composite particle is 1 μm 2 or more is defined as the exposed area, the number density of the exposed area with respect to the total surface area of the plurality of composite particles is It is 0.0010 to 0.0500 pieces/μm 2.
Description
本発明は、リチウム二次電池に代表される、非水電解質二次電池用途の負極活物質粒子群として利用可能な複合粒子群に関し、さらに詳しくは、複合粒子群、負極活物質粒子群、負極、電池、及び、複合粒子群に含有される凸部露出複合粒子に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a composite particle group that can be used as a negative electrode active material particle group for non-aqueous electrolyte secondary battery applications, represented by a lithium secondary battery, and more specifically, a composite particle group, a negative electrode active material particle group, and a negative electrode. , A battery, and a convex-part exposed composite particle contained in the composite particle group.
近年、家庭用ビデオカメラ、ノートパソコン、及び、スマートフォン等の小型電子機器が普及している。これらの小型電子機器には、リチウムイオン電池に代表される非水電解質二次電池が用いられている。小型電子機器のさらなる小型化、高性能化に伴い、非水電解質二次電池には、充放電容量の向上、及び、急速充電性能の向上が求められている。 In recent years, small electronic devices such as home video cameras, notebook computers, and smartphones have become widespread. Non-aqueous electrolyte secondary batteries typified by lithium-ion batteries are used in these small electronic devices. Along with further miniaturization and higher performance of small electronic devices, nonaqueous electrolyte secondary batteries are required to have improved charge/discharge capacity and rapid charge performance.
国際公開第2015/041186号(特許文献1)、国際公開第2006/075552号(特許文献2)、特開2016−162548号公報(特許文献3)、特開2008−235252号公報(特許文献4)、特開2008−159446号公報(特許文献5)、特開2018−73611号公報(特許文献6)、特開2001−68096号公報(特許文献7)、特開2016−154061号公報(特許文献8)及び特開2013−69564号公報(特許文献9)は、電池の性能を高めるために、被覆材料で被覆した電極活物質粒子を提案する。 International Publication No. 2015/041186 (Patent Document 1), International Publication No. 2006/075552 (Patent Document 2), JP-A-2016-162548 (Patent Document 3), and JP-A-2008-235252 (Patent Document 4). ), JP-A-2008-159446 (Patent Document 5), JP-A-2018-73611 (Patent Document 6), JP-A-2001-68096 (Patent Document 7), and JP-A-2016-154061 (Patent). Document 8) and Japanese Patent Laid-Open No. 2013-69564 (Patent Document 9) propose electrode active material particles coated with a coating material in order to enhance the performance of the battery.
特許文献1に開示されたリチウムイオン電池用被覆活物質は、電池活物質の表面の少なくとも一部が被覆用樹脂及び導電助剤を含む被覆剤で被覆されている。この文献の電池活物質の製造方法は、電池活物質に対して被覆用樹脂及び導電助剤を機械的に被覆処理する工程を含む。このとき、被覆用樹脂の平均粒径D2(μm)の電池活物質の平均粒径D1(μm)に対する比率(D2/D1)は1/5以下である。さらに、導電助剤の平均粒径D3(μm)の電池活物質の平均粒径D1(μm)に対する比率(D3/D1)は1/10以下である。上記の構成のリチウムイオン電池用被覆活物質では、導電性が高まる、と特許文献1には記載されている。
In the coating active material for a lithium ion battery disclosed in
特許文献2に開示されたリチウム二次電池用負極材料は、珪素を主体とするA相、及び、遷移金属元素と珪素との金属間化合物からなるB相とA相との混合相、のいずれかを含む。A相、及び、混合相は、微結晶及び非晶質のいずれかである母材粒子と、母材粒子の表面の一部に付着した炭素材料と、母材粒子の表面のうち、炭素材料が付着した以外の表面に形成され、珪素酸化物を含む被膜と、を含む。上記の構成のリチウム二次電池用負極材料は、導電性を高くすることができ、かつ、不可逆容量を小さくすることができる、と特許文献2には記載されている。 The negative electrode material for lithium secondary batteries disclosed in Patent Document 2 is either an A phase mainly composed of silicon or a mixed phase of B phase and A phase composed of an intermetallic compound of a transition metal element and silicon. Including or. The phase A and the mixed phase are base material particles that are either microcrystalline or amorphous, a carbon material attached to a part of the surface of the base material particles, and a carbon material among the surfaces of the base material particles. And a film containing silicon oxide formed on the surface other than the surface on which the silicon oxide is attached. It is described in Patent Document 2 that the negative electrode material for a lithium secondary battery having the above-described structure can have high conductivity and low irreversible capacity.
特許文献3に提案された電極活物質は、炭素質材料で被覆された電極活物質である。炭素質材料はカーボンブラック及び炭化水素であり、カーボンブラックは、その凝集体を形成する一次粒子の数PPA(個)と、一次粒径d(nm)との比「PPA/d」が8以上である。上記の構成の電極活物質では、導電性が高まる、と特許文献3には記載されている。 The electrode active material proposed in Patent Document 3 is an electrode active material coated with a carbonaceous material. The carbonaceous materials are carbon black and hydrocarbons, and carbon black has a ratio “PPA/d” of 8 or more of the number PPA (the number) of primary particles forming the aggregate and the primary particle size d (nm). Is. It is described in Patent Document 3 that the electrode active material having the above-described structure has increased conductivity.
特許文献4に開示された電極用活物質粒子は、活物質本体と、活物質本体の表面を部分的に被覆する電子伝導性を有する導電助剤と、を含む。活物質本体の表面には、導電助剤からなる突起が形成されている。突起の活物質本体表面からの高さが、活物質本体の粒径の5〜30%である。上記の構成の電極用活物質粒子は、急速充電性能を高める、と特許文献4には記載されている。 The active material particles for an electrode disclosed in Patent Document 4 include an active material main body and a conductive auxiliary agent having electron conductivity that partially covers the surface of the active material main body. A protrusion made of a conductive additive is formed on the surface of the active material body. The height of the protrusions from the surface of the active material body is 5 to 30% of the particle diameter of the active material body. It is described in Patent Document 4 that the active material particles for an electrode having the above-mentioned configuration enhance the rapid charging performance.
特許文献5に開示された電極用活物質粒子は、活物質本体と、活物質本体の表面を部分的に被覆する電子伝導性を有する導電助剤と、を含む。電極用活物質粒子は、活物質本体の表面を10〜80%被覆する導電助剤からなる連続層を有する。上記の構成の電極用活物質粒子は、急速充電性能を高める、と特許文献5には記載されている。 The active material particles for electrodes disclosed in Patent Document 5 include an active material main body and a conductive auxiliary agent having electron conductivity that partially covers the surface of the active material main body. The active material particles for an electrode have a continuous layer of a conductive additive that covers the surface of the active material main body by 10 to 80%. It is described in Patent Document 5 that the electrode active material particles having the above configuration enhance the rapid charging performance.
特許文献6に開示されたケイ素含有合金は、炭素系材料により形成された炭素被覆層で被覆される。この文献で提案された電気デバイス用負極は、上記の炭素被覆層で被覆されたケイ素含有合金と、負極用導電助剤と、負極用バインダーとを備える。そして、負極用導電助剤の比表面積に対する炭素系材料の比表面積の比が7以上である。上記の構成の負極では、充放電効率及びサイクル耐久性が改善される、と特許文献6には記載されている。 The silicon-containing alloy disclosed in Patent Document 6 is coated with a carbon coating layer formed of a carbon-based material. The negative electrode for an electric device proposed in this document includes a silicon-containing alloy coated with the above carbon coating layer, a conductive additive for a negative electrode, and a binder for a negative electrode. The ratio of the specific surface area of the carbon-based material to the specific surface area of the conductive additive for the negative electrode is 7 or more. Patent Document 6 describes that the negative electrode having the above structure has improved charge/discharge efficiency and cycle durability.
特許文献7は、複合粒子からなる非水電解質二次電池用負極活物質材料を提案する。複合粒子は、構成元素として少なくともSnを含むリチウムを吸蔵する相、及び、リチウムを吸蔵しない相からなる活物質粒子と、活物質粒子の表面の一部又は全面を被覆している導電性材料とからなる。上記の構成の複合粒子では、電気化学的なリチウムの吸蔵・放出に伴う膨張・収縮を繰り返しても、微細化が起こりにくい。そのため、活物質粒子と導電剤との接触を維持し、充放電サイクル寿命特性を向上することができる、と特許文献7には記載されている。 Patent Document 7 proposes a negative electrode active material material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, which is composed of composite particles. The composite particles include active material particles consisting of a phase containing at least Sn as a constituent element that occludes lithium, and a phase that does not occlude lithium, and a conductive material that covers a part or all of the surface of the active material particles. Consists of. With the composite particles having the above structure, even if the expansion and contraction associated with the electrochemical storage and release of lithium are repeated, miniaturization hardly occurs. Therefore, it is described in Patent Document 7 that the contact between the active material particles and the conductive agent can be maintained and the charge/discharge cycle life characteristics can be improved.
特許文献8に開示された負極活物質は、非晶質炭素で被覆され、かつ、鱗片状ではない黒鉛を含む。上記の構成の負極活物質は、電池の充放電時に、黒鉛と電解液とが反応することを防止できる、と特許文献8には記載されている。 The negative electrode active material disclosed in Patent Document 8 contains graphite that is coated with amorphous carbon and is not scale-like. Patent Document 8 describes that the negative electrode active material having the above structure can prevent the graphite and the electrolytic solution from reacting with each other during charging and discharging of the battery.
特許文献9の電極材料は、表面に炭素質被膜が形成された電極活物質粒子を凝集してなる凝集体からなる。凝集体の平均粒子径は1.0μm以上かつ100μm以下である。凝集体の体積密度は、凝集体を中実とした場合の体積密度の50体積%以上かつ80体積%以下である。凝集体に内在する細孔の細孔分布は単峰性であり、かつ上記細孔分布における平均細孔径は0.3μm以下である。上記の構成により、炭素質被膜の担持量のムラが小さく、しかも電子導電性を改善することが可能であると、特許文献9には記載されている。 The electrode material of Patent Document 9 is an aggregate formed by aggregating electrode active material particles having a carbonaceous film formed on the surface thereof. The average particle size of the aggregate is 1.0 μm or more and 100 μm or less. The volume density of the aggregate is 50% by volume or more and 80% by volume or less of the volume density when the aggregate is solid. The pore distribution of the pores contained in the aggregate is unimodal, and the average pore diameter in the pore distribution is 0.3 μm or less. It is described in Patent Document 9 that the above-mentioned configuration makes it possible to reduce the unevenness in the amount of the carbonaceous film carried and to improve the electronic conductivity.
優れた充放電効率の指標として、初回充放電効率が高いことが求められている。初回充放電効率は、2回目以降の充放電効率と比較して低い。初回充放電効率が低い理由は、電極表面と電解液との反応に起因すると考えられる。初回充放電効率が低ければ、その後に充放電を繰り返したときに、充放電効率が高まりにくい。充放電効率が初回から高ければ、その後に充放電を繰り返しても、高い充放電効率を維持できる。以上の理由により、初回充放電効率が高いことが求められている。 High initial charge/discharge efficiency is required as an index of excellent charge/discharge efficiency. The initial charge/discharge efficiency is lower than the charge/discharge efficiency of the second and subsequent times. The reason why the initial charge/discharge efficiency is low is considered to be due to the reaction between the electrode surface and the electrolytic solution. If the initial charge/discharge efficiency is low, the charge/discharge efficiency is unlikely to increase when the charge/discharge is repeated thereafter. If the charge/discharge efficiency is high from the first time, the high charge/discharge efficiency can be maintained even if the charge/discharge is repeated thereafter. For the above reasons, high initial charge/discharge efficiency is required.
上述の特許文献1、特許文献3〜特許文献9では、電極活物質材料と電解液との反応による電解液の分解反応が考慮されていない。電極活物質材料と電解液との反応性が高い場合、電解液の分解反応が生じやすい。この分解反応により、電極表面に分解生成物が堆積したり、分解ガスが発生したりする。そのため、不可逆容量が増大し、初回充放電効率が低下する。
In the above-mentioned
特許文献2では電極活物質材料と電解液との分解反応を考慮している。しかしながら、電解液の分解反応を抑制するために、電極活物質材料の表面に、珪素酸化物を含む被膜を形成している。珪素酸化物の導電性は低い。したがって、電極活物質材料の表面に、珪素酸化物の被膜を形成した場合、電解液の分解反応は抑制されるものの、導電性が低い場合がある。導電性が低ければ、急速充電性能が低下する。 In Patent Document 2, the decomposition reaction between the electrode active material and the electrolytic solution is considered. However, in order to suppress the decomposition reaction of the electrolytic solution, a film containing silicon oxide is formed on the surface of the electrode active material. The conductivity of silicon oxide is low. Therefore, when a film of silicon oxide is formed on the surface of the electrode active material, the decomposition reaction of the electrolytic solution is suppressed, but the conductivity may be low. If the conductivity is low, the quick charging performance is deteriorated.
本開示の目的は、優れた初回充放電効率と優れた急速充電性能とを両立できる、複合粒子群、負極活物質粒子群、負極、電池、及び、複合粒子群に含まれる凸部露出複合粒子を提供することである。 An object of the present disclosure is to achieve both excellent initial charge/discharge efficiency and excellent rapid charge performance, a composite particle group, a negative electrode active material particle group, a negative electrode, a battery, and a convex-part exposed composite particle included in the composite particle group. Is to provide.
本開示による複合粒子群は、
複数の複合粒子を備え、
前記複合粒子は、
金属イオンを吸蔵及び/又は放出する金属活物質を含有する活物質粒子と、
前記活物質粒子の表面を被覆する、非晶質炭素からなる非晶質炭素被膜とを含み、
複数の前記複合粒子は、複数の凸部を有し、
メジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の前記複合粒子において、前記活物質粒子の前記表面における前記非晶質炭素被膜の平均被覆率が50〜90面積%であり、
前記複合粒子において、前記活物質粒子の前記表面が1μm2以上露出している領域を露出領域と定義するとき、前記メジアン径(d50)以上の前記粒径を有する複数の前記複合粒子において、複数の前記複合粒子の総表面積に対する前記露出領域の個数密度は、0.0010〜0.0500個/μm2である。The composite particle group according to the present disclosure,
With multiple composite particles,
The composite particles are
Active material particles containing a metal active material that occludes and/or releases metal ions;
An amorphous carbon coating made of amorphous carbon, which covers the surface of the active material particles,
The plurality of composite particles have a plurality of convex portions,
In a plurality of the composite particles having a median diameter (d50) or more, the average coverage of the amorphous carbon coating on the surface of the active material particles is 50 to 90 area %,
In the composite particles, when a region in which the surface of the active material particles is exposed by 1 μm 2 or more is defined as an exposed region, a plurality of the composite particles having the particle diameter of the median diameter (d50) or more are The number density of the exposed regions with respect to the total surface area of the composite particles is 0.0010 to 0.0500/μm 2 .
本開示による負極活物質粒子群は、
複数の負極活物質材を備え、
複数の前記負極活物質材は、
上述の前記複合粒子群を含み、
メジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の前記負極活物質材のうち、前記複合粒子群の割合は70%以上である。The negative electrode active material particle group according to the present disclosure,
Equipped with a plurality of negative electrode active material,
A plurality of the negative electrode active material,
Including the composite particle group described above,
The ratio of the composite particle group is 70% or more among the plurality of negative electrode active material materials having a particle diameter of not less than the median diameter (d50).
本開示による負極は、
薄膜状又はプレート状の活物質支持部材と、
前記活物質支持部材の表面に形成されている負極合剤層とを備え、
前記負極合剤層は、
前記負極活物質粒子群と、
前記負極活物質粒子群が内部に分散された結着剤とを含む。The negative electrode according to the present disclosure is
A thin film-shaped or plate-shaped active material supporting member,
A negative electrode material mixture layer formed on the surface of the active material supporting member,
The negative electrode mixture layer,
The negative electrode active material particle group,
And a binder having the negative electrode active material particles dispersed therein.
本開示による電池は、
前記負極と、
正極と、
セパレータと、
電解質とを備える。The battery according to the present disclosure is
The negative electrode,
The positive electrode,
A separator,
And an electrolyte.
本開示による凸部露出複合粒子は、
金属イオンを吸蔵及び/又は放出する金属活物質を含有する活物質粒子と、
前記活物質粒子の表面を被覆する、非晶質炭素からなる非晶質炭素被膜とを備え、
前記活物質粒子の前記表面における前記非晶質炭素被膜の被覆率は、50〜90面積%であり、
前記凸部露出複合粒子は複数の凸部を有し、
前記複数の凸部において、前記活物質粒子の前記表面が1μm2以上露出している露出領域が少なくとも1箇所以上存在する。The convex-exposed composite particles according to the present disclosure,
Active material particles containing a metal active material that occludes and/or releases metal ions;
A surface of the active material particles, comprising an amorphous carbon coating of amorphous carbon,
The coverage of the amorphous carbon coating on the surface of the active material particles is 50 to 90 area %,
The protrusion-exposed composite particles have a plurality of protrusions,
At least one exposed region in which the surface of the active material particle is exposed by 1 μm 2 or more exists in the plurality of convex portions.
本開示による複合粒子群、負極活物質粒子群、負極、電池及び凸部露出複合粒子は、優れた急速充電性能と優れた初回充放電効率とを両立できる。 The composite particle group, the negative electrode active material particle group, the negative electrode, the battery, and the convex portion exposed composite particle according to the present disclosure can achieve both excellent rapid charging performance and excellent initial charge/discharge efficiency.
本発明者らは、急速充電性能と初回充放電効率とを両立させる複合粒子群について、検討を行った。その結果、本発明者らは以下の知見を得た。 The present inventors have studied a composite particle group that achieves both rapid charge performance and initial charge/discharge efficiency. As a result, the present inventors have obtained the following findings.
本発明者らはまず、初回充放電効率を高めることを検討した。初回充放電効率を高めるためには、金属活物質を含有する活物質粒子と電解液との反応による電解液の分解反応を抑制すればよい。活物質粒子と電解液との反応による電解液の分解反応を抑制すれば、分解反応により生成した分解生成物が活物質粒子の表面に堆積するのを抑制でき、かつ、分解ガスが発生するのを抑制できる。その結果、初回充放電効率が高まる。 The inventors of the present invention first studied to improve the initial charge/discharge efficiency. In order to improve the initial charge/discharge efficiency, it is sufficient to suppress the decomposition reaction of the electrolytic solution due to the reaction between the active material particles containing the metal active material and the electrolytic solution. By suppressing the decomposition reaction of the electrolytic solution due to the reaction between the active material particles and the electrolytic solution, it is possible to suppress the decomposition product generated by the decomposition reaction from being deposited on the surface of the active material particles, and the decomposition gas is generated. Can be suppressed. As a result, the initial charge/discharge efficiency is increased.
そこで、本発明者らは、活物質粒子と電解液との反応を抑制するために、非晶質炭素からなる非晶質炭素被膜で、金属活物質を含有する活物質粒子を被覆することを考えた。 Therefore, the present inventors have proposed to coat the active material particles containing a metal active material with an amorphous carbon coating made of amorphous carbon in order to suppress the reaction between the active material particles and the electrolytic solution. Thought.
ここで、「非晶質炭素」とは、無定形炭素とも称され、微細な結晶が無作為に連結した構造を有し、規則的な結晶構造を有さない炭素を意味する。本実施形態において、「非晶質炭素」とは、非晶質炭素被膜に対して実施したX線回折で得られたX線回折プロファイルにおいて、2θ=20〜30°付近のブロードな強度ピークについて、後述するシェラーの式より算出される結晶子径Lcが50nm以下である炭素を意味する。 Here, "amorphous carbon" is also called amorphous carbon, and means carbon having a structure in which fine crystals are randomly connected and having no regular crystal structure. In the present embodiment, “amorphous carbon” refers to a broad intensity peak near 2θ=20 to 30° in the X-ray diffraction profile obtained by the X-ray diffraction performed on the amorphous carbon film. Means a carbon having a crystallite diameter Lc of 50 nm or less calculated by Scherrer's formula described later.
非晶質炭素では、炭素の六角網面と呼ばれる結晶子の発達が、黒鉛に比べて小さい。非晶質炭素では、六角網面端部(エッジ)の電解液反応性が黒鉛の電解液反応性よりも低く、電解液分解に伴う副反応(不可逆容量)が黒鉛より小さくなる。そのため、非晶質炭素被膜は、黒鉛被膜と比較して、リチウムイオンに代表される金属イオンの充電受入性が高まる。つまり、活物質粒子の表面に非晶質炭素からなる非晶質炭素被膜を形成すれば、金属イオンが非晶質炭素被膜を通過して活物質粒子に吸蔵され、かつ、金属イオンが活物質粒子から非晶質炭素被膜を通過して電解液中に放出される。その結果、初回充放電効率が高まると考えられる。 In amorphous carbon, the development of a crystallite called a hexagonal mesh plane of carbon is smaller than that of graphite. In the case of amorphous carbon, the reactivity of the hexagonal net surface edge is lower than that of graphite, and the side reaction (irreversible capacity) accompanying the decomposition of the electrolyte is smaller than that of graphite. Therefore, the amorphous carbon coating has a higher charge acceptability of metal ions represented by lithium ions than the graphite coating. That is, when an amorphous carbon coating film made of amorphous carbon is formed on the surface of the active material particles, metal ions pass through the amorphous carbon coating and are occluded in the active material particles, and the metal ions are not The particles pass through the amorphous carbon coating and are released into the electrolyte. As a result, it is considered that the initial charge/discharge efficiency is increased.
非晶質炭素被膜で被覆される活物質粒子は、金属活物質を含有する。ここで、「金属活物質」とは、金属イオンを吸蔵及び/又は放出する物質である。金属活物質は、金属元素及び半金属元素からなる群から選択される1種又は2種以上を合計で80at%以上含有する。金属元素は、銅(Cu)、スズ(Sn)、アルミニウム(Al)、及び亜鉛(Zn)からなる群から選択される1種又は2種以上である。半金属元素はたとえば、ケイ素(Si)である。金属活物質は、金属単体であってもよいし、合金であってもよいし、金属酸化物であってもよいし、金属間化合物であってもよい。金属間化合物はたとえば、Cu6Sn5、Cu3Sn等である。金属活物質は、金属、合金、金属間化合物、及び、金属酸化物からなる群から選択される1種又は2種以上からなり、残部は不純物からなる。The active material particles coated with the amorphous carbon coating contain a metal active material. Here, the “metal active material” is a material that occludes and/or releases metal ions. The metal active material contains one or two or more kinds selected from the group consisting of metal elements and metalloid elements in a total amount of 80 at% or more. The metal element is one or more selected from the group consisting of copper (Cu), tin (Sn), aluminum (Al), and zinc (Zn). The metalloid element is, for example, silicon (Si). The metal active material may be a simple metal, an alloy, a metal oxide, or an intermetallic compound. The intermetallic compound is, for example, Cu 6 Sn 5 , Cu 3 Sn, or the like. The metal active material consists of one or more selected from the group consisting of metals, alloys, intermetallic compounds, and metal oxides, and the balance consists of impurities.
「金属イオン」は、たとえば、リチウムイオン、マグネシウムイオン、ナトリウムイオン等である。好ましい金属イオンは、リチウムイオンである。 The “metal ion” is, for example, lithium ion, magnesium ion, sodium ion or the like. A preferred metal ion is lithium ion.
ここで、金属活物質を含有する活物質粒子と、活物質粒子の表面を被覆する非晶質炭素被膜とを備える粒子を、「複合粒子」と定義する。複数の複合粒子を含む複合粒子群では、上述のメカニズムに基づいて、初回充放電効率が高まると考えられる。 Here, a particle including an active material particle containing a metal active material and an amorphous carbon coating film coating the surface of the active material particle is defined as a “composite particle”. In a composite particle group including a plurality of composite particles, it is considered that the initial charge/discharge efficiency is increased based on the above mechanism.
しかしながら、上述の複合粒子群では、初回充放電効率が高まるものの、急速充電性能が顕著に低下してしまう場合があることが、本発明者らの検討で明らかとなった。そこで、本発明者らは、急速充電性能が低下する要因について、調査及び検討を行った。その結果、急速充電性能が低下する要因として、次の事項が考えられた。 However, in the above-mentioned composite particle group, although the initial charge/discharge efficiency is increased, the rapid charge performance may be significantly deteriorated, and it has been clarified by the study by the present inventors. Therefore, the present inventors have investigated and examined the factors that reduce the rapid charging performance. As a result, the following factors were considered as the factors that deteriorate the rapid charging performance.
活物質粒子の表面が非晶質炭素被膜により被覆されている場合、活物質粒子の表面と電解液との接触は抑制される。そのため、初回充放電効率は高まる。しかしながら、活物質粒子の表面での非晶質炭素被膜の被覆率が高すぎれば、金属イオンが非晶質炭素被膜を通って活物質粒子に出入りしなければならない。非晶質炭素被膜は金属イオンを通すことができるものの、金属イオンが通るときに非晶質炭素被膜は抵抗になり得る。つまり、非晶質炭素被膜は、金属イオンの活物質粒子への出入りに対して抵抗になる。 When the surface of the active material particles is covered with the amorphous carbon film, contact between the surface of the active material particles and the electrolytic solution is suppressed. Therefore, the initial charge/discharge efficiency is increased. However, if the coverage of the amorphous carbon coating on the surface of the active material particles is too high, metal ions must enter and exit the active material particles through the amorphous carbon coating. Although the amorphous carbon coating is permeable to metal ions, the amorphous carbon coating can be resistive as the metal ions pass. That is, the amorphous carbon coating becomes resistant to the entry and exit of metal ions into and from the active material particles.
そこで、本発明者らは、活物質粒子の表面を被覆する非晶質炭素被膜の一部をあえて剥離させ、活物質粒子の表面の一部を露出させることを考えた。活物質粒子の表面を非晶質炭素被膜で被覆しつつ、かつ、活物質粒子の表面の一部が露出していれば、非晶質炭素被膜により活物質粒子と電解液との接触を抑制しつつ、金属イオンは、活物質粒子の露出している領域から活物質粒子に出入りしやすくなる。金属イオンの出入りが可能になれば、活物質粒子内の金属活物質と金属イオンとの合金化が可能となる。そのため、急速充電性能が高まると考えられる。 Therefore, the present inventors considered that a part of the amorphous carbon film covering the surface of the active material particles is intentionally peeled off to expose a part of the surface of the active material particles. While covering the surface of the active material particles with the amorphous carbon film, and if part of the surface of the active material particles is exposed, the amorphous carbon film suppresses contact between the active material particles and the electrolytic solution. At the same time, metal ions easily enter and leave the active material particles through the exposed areas of the active material particles. When the metal ions can enter and leave, it becomes possible to alloy the metal active material in the active material particles with the metal ions. Therefore, it is considered that the quick charging performance is enhanced.
そこで、本発明者らは、活物質粒子の表面上の非晶質炭素被膜の被覆率の調整方法について検討を行った。その結果、活物質粒子の形状を、球状ではなく複数の凸部を有する形状とすれば、複数の凸部において一度被覆した非晶質炭素被膜を剥離させることができ、その結果、活物質粒子の露出している領域を形成できると考えた。ここで、活物質粒子の複数の凸部とはたとえば、粒子形状における角部であってもよいし、稜線部であってもよい。また、凸部は、粒子の角部及び稜線部以外の凸状の部分であってもよい。 Therefore, the present inventors have examined a method of adjusting the coverage of the amorphous carbon coating on the surface of the active material particles. As a result, if the shape of the active material particles is not spherical but has a shape having a plurality of convex portions, the amorphous carbon coating film once coated on the plurality of convex portions can be peeled off, and as a result, the active material particles It is thought that the exposed area of can be formed. Here, the plurality of convex portions of the active material particles may be, for example, corner portions or ridge portions in the particle shape. Further, the convex portion may be a convex portion other than the corners and ridges of the particles.
以上の知見に基づいて、本発明者らは、複数の凸部を有する活物質粒子を用いて、活物質粒子の表面に非晶質炭素被膜を被覆し、さらに、非晶質炭素被膜の被覆率を調整した複合粒子群を複数種類作製した。そして、複合粒子群のうち、メジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の複合粒子での非晶質炭素被膜の平均被覆率と、初回充放電効率及び急速充電性能との関係を調査した。 Based on the above findings, the present inventors have used an active material particle having a plurality of protrusions to coat the surface of the active material particle with an amorphous carbon coating, and further coat the amorphous carbon coating. A plurality of composite particle groups with adjusted rates were prepared. Then, the relationship between the average coverage rate of the amorphous carbon coating and the initial charge/discharge efficiency and the quick charge performance in a plurality of composite particles having a particle diameter of the median diameter (d50) or more in the composite particle group was investigated. ..
図1は、活物質粒子と、活物質粒子の表面に被覆した非晶質炭素被膜とを備える複数の複合粒子からなる複合粒子群のうち、メジアン径(d50)以上の粒径の複数の複合粒子での非晶質炭素被膜の平均被覆率と、初回充放電効率との関係を示す図である。図2は、上述の複合粒子群における、非晶質炭素被膜の平均被覆率と、急速充電性能との関係を示す図である。図2の縦軸に相当する反応抵抗(Ω)は急速充電性能の指標である。反応抵抗が低いほど、急速充電性能が高いことを意味する。 FIG. 1 shows a composite particle group composed of a plurality of composite particles including active material particles and an amorphous carbon film coated on the surface of the active material particles, and a plurality of composite particles having a median diameter (d50) or more. It is a figure which shows the average coverage of the amorphous carbon film in a particle|grain, and the relationship of initial charge/discharge efficiency. FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the average coverage of the amorphous carbon coating and the rapid charging performance in the composite particle group described above. The reaction resistance (Ω) corresponding to the vertical axis in FIG. 2 is an index of rapid charging performance. The lower the reaction resistance, the higher the rapid charging performance.
図1を参照して、非晶質炭素被膜の平均被覆率が高まると、初回充放電効率は急速に高くなる。そして、非晶質炭素被膜の平均被覆率が50面積%以上となると、平均被覆率が高くなっても、初回充放電効率はそれほど高くならず、一定となる。 Referring to FIG. 1, when the average coverage of the amorphous carbon coating is increased, the initial charge/discharge efficiency is rapidly increased. When the average coverage of the amorphous carbon coating is 50 area% or more, the initial charge/discharge efficiency is not so high and is constant even if the average coverage is high.
一方、図2を参照して、非晶質炭素被膜の平均被覆率が高まると、反応抵抗が低下して、急速充電性能は高くなる。しかしながら、非晶質炭素被膜の平均被覆率が90面積%を超えると、反応抵抗が急激に上昇して、急速充電性能が急速に低下する。したがって、本発明者らは、複数の凸部を有する活物質粒子に対して非晶質炭素被膜を被覆した複数の複合粒子からなる複合粒子群において、メジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の複合粒子の非晶質炭素被膜の平均被覆率を50〜90面積%とすれば、優れた初回充放電効率が得られるだけでなく、急速充電性能も高まることを見出した。 On the other hand, referring to FIG. 2, when the average coverage of the amorphous carbon coating increases, the reaction resistance decreases and the rapid charging performance increases. However, when the average coverage of the amorphous carbon coating exceeds 90% by area, the reaction resistance sharply rises and the rapid charging performance rapidly declines. Therefore, the present inventors have a composite particle group consisting of a plurality of composite particles in which an active carbon particle having a plurality of protrusions is coated with an amorphous carbon film, and have a particle size of not less than the median diameter (d50). It was found that when the average coverage of the amorphous carbon coating of the plurality of composite particles is 50 to 90 area %, not only excellent initial charge/discharge efficiency can be obtained, but also rapid charge performance is improved.
しかしながら、メジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の複合粒子の非晶質炭素被膜の平均被覆率が50〜90面積%であっても、急速充電性能が依然として低い場合があった。そこで、発明者らはさらに検討を行った。その結果、複合粒子において、メジアン径(d50)以上の粒径の複数の複合粒子での非晶質炭素被膜の平均被覆率を50〜90面積%とするだけでなく、複合粒子において、非晶質炭素被膜が被覆しておらず、活物質粒子の表面が1μm2以上露出している露出領域が1つ以上存在していることが重要であることを見出した。さらなる検討の結果、メジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の複合粒子において、非晶質炭素被膜の平均被覆率が50〜90面積%であり、かつ、複数の複合粒子の総表面積に対する露出領域の個数密度が0.0010〜0.0500個/μm2であれば、優れた初回充放電効率と優れた急速充電性能との両立が可能であることを見出した。However, even if the average coverage of the amorphous carbon coating of the plurality of composite particles having a particle diameter of the median diameter (d50) or more is 50 to 90 area %, the rapid charging performance may still be low. Therefore, the inventors have made further studies. As a result, in the composite particles, not only the average coverage of the amorphous carbon coating film in the plurality of composite particles having a median diameter (d50) or more is set to 50 to 90 area %, but also in the composite particles, the amorphous carbon coating is amorphous. It has been found that it is important that there is at least one exposed region where the surface of the active material particles is exposed by 1 μm 2 or more without being covered with the carbonaceous film. As a result of further investigation, in a plurality of composite particles having a median diameter (d50) or more, the average coverage of the amorphous carbon coating is 50 to 90 area %, and the total surface area of the plurality of composite particles is It has been found that if the number density of exposed regions is 0.0010 to 0.0500/μm 2 , both excellent initial charge/discharge efficiency and excellent rapid charge performance can be achieved.
以上の知見に基づいて完成した本実施形態の複合粒子群、負極活物質粒子群、負極、電池、及び、凸部露出複合粒子は、次の構成を有する。 The composite particle group, the negative electrode active material particle group, the negative electrode, the battery, and the convex-part exposed composite particles of the present embodiment completed based on the above findings have the following configurations.
[1]
複合粒子群であって、
複数の複合粒子を備え、
前記複合粒子は、
金属イオンを吸蔵及び/又は放出する金属活物質を含有する活物質粒子と、
前記活物質粒子の表面を被覆する、非晶質炭素からなる非晶質炭素被膜とを含み、
複数の前記複合粒子は、複数の凸部を有し、
メジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の前記複合粒子において、前記活物質粒子の前記表面における前記非晶質炭素被膜の平均被覆率が50〜90面積%であり、
前記複合粒子において、前記活物質粒子の前記表面が1μm2以上露出している領域を露出領域と定義するとき、前記メジアン径(d50)以上の前記粒径を有する複数の前記複合粒子において、複数の前記複合粒子の総表面積に対する前記露出領域の個数密度は、0.0010〜0.0500個/μm2である、
複合粒子群。[1]
A composite particle group,
With multiple composite particles,
The composite particles are
Active material particles containing a metal active material that occludes and/or releases metal ions;
An amorphous carbon coating made of amorphous carbon, which covers the surface of the active material particles,
The plurality of composite particles have a plurality of convex portions,
In a plurality of the composite particles having a median diameter (d50) or more, the average coverage of the amorphous carbon coating on the surface of the active material particles is 50 to 90 area %,
In the composite particles, when a region in which the surface of the active material particles is exposed by 1 μm 2 or more is defined as an exposed region, a plurality of the composite particles having the particle diameter of the median diameter (d50) or more are The number density of the exposed areas with respect to the total surface area of the composite particles is 0.0010 to 0.0500 pieces/μm 2 .
Composite particle group.
[2]
[1]に記載の複合粒子群であって、
前記活物質粒子のビッカース硬さがHV20〜500である、
複合粒子群。[2]
The composite particle group according to [1],
The Vickers hardness of the active material particles is HV20 to 500,
Composite particle group.
[3]
[1]又は[2]に記載の複合粒子群であって、
比表面積は1.0〜5.0m2/gである、
複合粒子群。[3]
The composite particle group according to [1] or [2],
The specific surface area is 1.0 to 5.0 m 2 /g,
Composite particle group.
[4]
[1]〜[3]のいずれか1項に記載の複合粒子群であって、
前記金属活物質は、
Cu、Sn、及び、Siからなる群から選択される1種以上を含有する、
複合粒子群。[4]
The composite particle group according to any one of [1] to [3],
The metal active material is
Contains one or more selected from the group consisting of Cu, Sn, and Si,
Composite particle group.
[5]
[4]に記載の複合粒子群であって、
前記金属活物質は、
Sn:10〜40at%と、
Cu:50〜90at%と、を含有する、
複合粒子群。[5]
The composite particle group according to [4],
The metal active material is
Sn: 10 to 40 at %,
Cu: containing 50 to 90 at %,
Composite particle group.
[6]
[5]に記載の複合粒子群であって、
前記金属活物質はさらに、
Sn:10〜35at%と、
Ti:9at%以下、V:49at%以下、Cr:49at%以下、Mn:9at%以下、Fe:49at%以下、Co:49at%以下、Ni:9at%以下、Zn:29at%以下、Al:49at%以下、Si:49at%以下、B:5at%以下、及び、C:5at%以下からなる群から選択される1種以上とを含有し、
残部はCu及び不純物からなる、
複合粒子群。[6]
The composite particle group according to [5],
The metal active material further comprises
Sn: 10 to 35 at %,
Ti: 9 at% or less, V: 49 at% or less, Cr: 49 at% or less, Mn: 9 at% or less, Fe: 49 at% or less, Co: 49 at% or less, Ni: 9 at% or less, Zn: 29 at% or less, Al: 49 at% or less, Si: 49 at% or less, B: 5 at% or less, and C: 5 at% or less, and one or more selected from the group consisting of,
The balance consists of Cu and impurities,
Composite particle group.
[7]
[1]〜[6]のいずれか1項に記載の複合粒子群であって、
複数の前記複合粒子は、複数の凸部露出複合粒子を含み、
前記凸部露出複合粒子は、複数の凸部を有し、
前記凸部露出複合粒子では、前記非晶質炭素被膜の被覆率が50〜90面積%であり、かつ、複数の前記凸部において、前記活物質粒子の前記表面が1μm2以上露出している露出領域が少なくとも1箇所以上存在し、
前記メジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の前記複合粒子のうち、前記凸部露出複合粒子の個数割合は80%以上である、
複合粒子群。[7]
The composite particle group according to any one of [1] to [6],
The plurality of composite particles includes a plurality of convex-part exposed composite particles,
The convex-part exposed composite particles have a plurality of convex parts,
In the protrusion-exposed composite particles, the coverage of the amorphous carbon film is 50 to 90 area %, and in the plurality of protrusions, the surface of the active material particles is exposed by 1 μm 2 or more. There is at least one exposed area,
Of the plurality of composite particles having a particle diameter of the median diameter (d50) or more, the number ratio of the convex-exposed composite particles is 80% or more.
Composite particle group.
[8]
負極活物質粒子群であって、
複数の負極活物質材を備え、
複数の前記負極活物質材は、
[1]〜[7]のいずれか1項に記載の前記複合粒子群を含み、
メジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の前記負極活物質材のうち、前記複合粒子群の割合は70%以上である、
負極活物質粒子群。[8]
A negative electrode active material particle group,
Equipped with a plurality of negative electrode active material,
A plurality of the negative electrode active material,
Including the composite particle group according to any one of [1] to [7],
The ratio of the composite particle group is 70% or more among the plurality of negative electrode active material materials having a particle diameter of not less than the median diameter (d50).
Negative electrode active material particle group.
[9]
負極であって、
薄膜状又はプレート状の活物質支持部材と、
前記活物質支持部材の表面に形成されている負極合剤層とを備え、
前記負極合剤層は、
[8]に記載の負極活物質粒子群と、
前記負極活物質粒子群が内部に分散された結着剤とを含む、
負極。[9]
The negative electrode,
A thin film-shaped or plate-shaped active material supporting member,
A negative electrode material mixture layer formed on the surface of the active material supporting member,
The negative electrode mixture layer,
A negative electrode active material particle group according to [8],
A binder having the negative electrode active material particles dispersed therein,
Negative electrode.
[10]
[9]に記載の負極であって、
前記負極活物質粒子群は、[1]〜[7]のいずれか1項に記載の前記複合粒子群からなる、
負極。[10]
The negative electrode according to [9],
The negative electrode active material particle group includes the composite particle group according to any one of [1] to [7].
Negative electrode.
[11]
[9]又は[10]に記載の負極と、
正極と、
セパレータと、
電解質とを備える、
電池。[11]
The negative electrode according to [9] or [10],
The positive electrode,
A separator,
With an electrolyte,
battery.
[12]
凸部露出複合粒子であって、
金属イオンを吸蔵及び/又は放出する金属活物質を含有する活物質粒子と、
前記活物質粒子の表面を被覆する、非晶質炭素からなる非晶質炭素被膜とを備え、
前記活物質粒子の前記表面における前記非晶質炭素被膜の被覆率は、50〜90面積%であり、
前記凸部露出複合粒子は複数の凸部を有し、
前記複数の凸部において、前記活物質粒子の前記表面が1μm2以上露出している露出領域が少なくとも1箇所以上存在する、
凸部露出複合粒子。[12]
The convex-exposed composite particles,
Active material particles containing a metal active material that occludes and/or releases metal ions;
A surface of the active material particles, comprising an amorphous carbon coating of amorphous carbon,
The coverage of the amorphous carbon coating on the surface of the active material particles is 50 to 90 area %,
The protrusion-exposed composite particles have a plurality of protrusions,
In the plurality of convex portions, there is at least one exposed region in which the surface of the active material particles is exposed by 1 μm 2 or more.
Convex exposed composite particles.
[13]
[12]に記載の凸部露出複合粒子であって、
前記活物質粒子のビッカース硬さがHV20〜500である、
凸部露出複合粒子。[13]
The convex-part exposed composite particle according to [12],
The Vickers hardness of the active material particles is HV20 to 500,
Convex exposed composite particles.
[14]
[12]又は[13]に記載の凸部露出複合粒子であって、
前記金属活物質は、
Cu、Sn、及び、Siからなる群から選択される1種以上を含有する、
凸部露出複合粒子。[14]
The convex-part exposed composite particle according to [12] or [13],
The metal active material is
Contains one or more selected from the group consisting of Cu, Sn, and Si,
Convex exposed composite particles.
[15]
[14]に記載の凸部露出複合粒子であって、
前記金属活物質は、
Sn:10〜40at%と、
Cu:50〜90at%と、を含有する、
凸部露出複合粒子。[15]
The convex-part exposed composite particle according to [14],
The metal active material is
Sn: 10 to 40 at %,
Cu: containing 50 to 90 at %,
Convex exposed composite particles.
[16]
[15]に記載の凸部露出複合粒子であって、
前記金属活物質はさらに、
Sn:10〜35at%と、
Ti:9at%以下、V:49at%以下、Cr:49at%以下、Mn:9at%以下、Fe:49at%以下、Co:49at%以下、Ni:9at%以下、Zn:29at%以下、Al:49at%以下、Si:49at%以下、B:5at%以下、及び、C:5at%以下からなる群から選択される1種以上とを含有し、
残部はCu及び不純物からなる、
凸部露出複合粒子。[16]
The convex-part exposed composite particle according to [15],
The metal active material further comprises
Sn: 10 to 35 at %,
Ti: 9 at% or less, V: 49 at% or less, Cr: 49 at% or less, Mn: 9 at% or less, Fe: 49 at% or less, Co: 49 at% or less, Ni: 9 at% or less, Zn: 29 at% or less, Al: 49 at% or less, Si: 49 at% or less, B: 5 at% or less, and C: 5 at% or less, and one or more selected from the group consisting of,
The balance consists of Cu and impurities,
Convex exposed composite particles.
以下、本実施形態の複合粒子群、負極活物質粒子群、負極、電池、及び、凸部露出複合粒子について詳述する。 Hereinafter, the composite particle group, the negative electrode active material particle group, the negative electrode, the battery, and the convex-part exposed composite particles of the present embodiment will be described in detail.
[複合粒子群]
本実施形態の複合粒子群は、複数の複合粒子からなる。[Composite particle group]
The composite particle group of the present embodiment is composed of a plurality of composite particles.
図3は、複合粒子の一例を示す斜視図である。複合粒子1は、活物質粒子10と、非晶質炭素被膜30とを備える。図3において、非晶質炭素被膜30は、ハッチングされた領域である。活物質粒子10は金属活物質を含有する。金属活物質は、金属イオンを吸蔵及び/又は放出する物質である。非晶質炭素被膜30は、非晶質炭素からなり、活物質粒子10の表面を被覆する。
FIG. 3 is a perspective view showing an example of the composite particles.
図4は、図3中の活物質粒子10の斜視図である。図4を参照して、活物質粒子10は、球状ではなく、複数の凸部11(11A〜11C)を有する形状である。凸部11は、角部11A、稜線部11B、及び、平坦面上に形成されている凸部11Cを含む。要するに、凸部11は、活物質粒子10の表面において、外部に突き出た部分を意味する。
FIG. 4 is a perspective view of the
図5は、本実施形態の活物質粒子10の走査型電子顕微鏡を用いた二次電子像の画像(以下、SEM画像ともいう)である。図6は、本実施形態の複合粒子1のSEM画像である。図5及び図6のSEM画像は、5000倍で観察して得られた画像である。
FIG. 5 is an image of a secondary electron image of the
図5を参照して、活物質粒子10は球状ではなく、複数の凸部11を有する形状を有する。図6を参照して、複合粒子1は、活物質粒子10と同様に、複数の凸部11を有する。そして、活物質粒子10の表面に、SEM画像上で黒色の非晶質炭素被膜30が被覆している。そして、複合粒子1の複数の凸部11のうち、活物質粒子10の表面の一部が露出している領域が存在する。露出している領域のうち、活物質粒子10の表面が1μm2以上露出している領域を「露出領域」20と定義する。Referring to FIG. 5,
以下、複合粒子1を構成する活物質粒子10、非晶質炭素被膜30について詳述する。
Hereinafter, the
[活物質粒子10]
活物質粒子10は、金属活物質を含有する。金属活物質は、金属イオンを吸蔵及び/又は放出する。好ましくは、活物質粒子10は、金属活物質及び不純物からなる。[Active material particles 10]
本実施形態において、金属活物質は、金属元素及び半金属元素からなる群から選択される1種又は2種以上を合計で80at%以上含有する。金属活物質において、金属元素及び半金属元素以外に含まれる元素は、たとえば、酸素又は炭素である。金属元素はたとえば、銅(Cu)、スズ(Sn)、アルミニウム(Al)、及び、亜鉛(Zn)からなる群から選択される1種又は2種以上である。半金属元素はたとえば、ケイ素(Si)である。 In the present embodiment, the metal active material contains at least 80 at% or more in total of one or more selected from the group consisting of metal elements and metalloid elements. In the metal active material, the element other than the metal element and the metalloid element is, for example, oxygen or carbon. The metal element is, for example, one or more selected from the group consisting of copper (Cu), tin (Sn), aluminum (Al), and zinc (Zn). The metalloid element is, for example, silicon (Si).
好ましくは、金属活物質は、金属、半金属、合金、金属間化合物、及び、金属酸化物からなる群から選択される1種又は2種以上を含有し、残部は不純物からなる。さらに好ましくは、金属活物質は、金属、半金属、合金、及び、金属間化合物からなる群から選択される1種又は2種以上からなり、残部は不純物からなる。 Preferably, the metal active material contains one or more selected from the group consisting of metals, semimetals, alloys, intermetallic compounds, and metal oxides, and the balance is impurities. More preferably, the metal active material is made of one or more selected from the group consisting of metals, semimetals, alloys, and intermetallic compounds, with the balance being impurities.
「金属イオン」は、たとえば、リチウムイオン、マグネシウムイオン、ナトリウムイオン等である。好ましい金属イオンは、リチウムイオンである。 The “metal ion” is, for example, lithium ion, magnesium ion, sodium ion or the like. A preferred metal ion is lithium ion.
活物質粒子10は、上記金属活物質以外の他の物質を含有してもよい。好ましくは、上記金属活物質は、活物質粒子10の主成分(主相)である。「主成分」とは、50体積%以上を占める成分を意味する。活物質粒子10中の金属活物質以外の他の成分はたとえば、炭素(黒鉛)である。好ましくは、金属活物質は、活物質粒子10の90体積%以上を占める。さらに好ましくは、活物質粒子10は、金属活物質からなる。金属活物質は、本発明の主旨を損なわない範囲で不純物を含有してもよい。
The
[金属活物質の好ましい成分(1)]
好ましくは、金属活物質は、Cu、Sn及びSiからなる群から選択される1種以上を含有する。[Preferable Component (1) of Metal Active Material]
Preferably, the metal active material contains at least one selected from the group consisting of Cu, Sn and Si.
[金属活物質の好ましい成分(2)]
さらに好ましくは、金属活物質は、Snを含有し、残部はCu及び不純物からなる。さらに好ましくは、金属活物質は、10〜40at%のSnと、50〜90at%のCuとを含有し、残部は不純物からなる。[Preferred Component (2) of Metal Active Material]
More preferably, the metal active material contains Sn, and the balance is Cu and impurities. More preferably, the metal active material contains 10 to 40 at% Sn and 50 to 90 at% Cu, and the balance is impurities.
Sn:10〜40at%
スズ(Sn)は体積当たりの放電容量を高める。Sn含有量が10at%以上であれば、この効果が有効に得られる。Sn含有量が40at%以下であれば、初回充放電効率がさらに高まる。したがって、好ましいSn含有量は10〜40at%である。Sn含有量のさらに好ましい下限は13at%であり、さらに好ましくは18.5at%であり、さらに好ましくは21at%である。Sn含有量のさらに好ましい上限は35at%であり、さらに好ましくは30at%である。Sn: 10 to 40 at%
Tin (Sn) increases the discharge capacity per volume. If the Sn content is 10 at% or more, this effect can be effectively obtained. When the Sn content is 40 at% or less, the initial charge/discharge efficiency is further enhanced. Therefore, the preferable Sn content is 10 to 40 at %. The more preferable lower limit of the Sn content is 13 at%, more preferably 18.5 at%, and further preferably 21 at%. A more preferable upper limit of the Sn content is 35 at%, and further preferably 30 at%.
Cu:50〜90at%
銅(Cu)は充放電効率を高める。Cu含有量が50at%以上であれば、初回充放電効率がさらに高まる。Cu含有量が90at%以下であれば、体積当たりの放電容量が高まる。したがって、Cu含有量は50〜90at%である。Cu含有量のさらに好ましい下限は55at%であり、さらに好ましくは60at%である。Cu含有量のさらに好ましい上限は80at%であり、さらに好ましくは70at%である。Cu: 50 to 90 at%
Copper (Cu) enhances charge/discharge efficiency. When the Cu content is 50 at% or more, the initial charge/discharge efficiency is further increased. When the Cu content is 90 at% or less, the discharge capacity per volume is increased. Therefore, the Cu content is 50 to 90 at %. The more preferable lower limit of the Cu content is 55 at%, more preferably 60 at%. The more preferable upper limit of the Cu content is 80 at%, and more preferably 70 at%.
[金属活物質の好ましい成分(3)]
金属活物質はまた、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Al、Si、B及びCからなる群から選択される1種以上と、Snとを含有し、残部はCu及び不純物であってもよい。[Preferred Component (3) of Metal Active Material]
The metal active material also contains at least one selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Al, Si, B, and C, and the balance Cu. And may be impurities.
金属活物質がTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Al、Si、B及びCからなる群から選択される1種以上と、Snとを含有し、残部がCu及び不純物からなる場合、好ましくは、金属活物質は、Sn:10〜35at%と、Ti:9at%以下、V:49at%以下、Cr:49at%以下、Mn:9at%以下、Fe:49at%以下、Co:49at%以下、Ni:9at%以下、Zn:29at%以下、Al:49at%以下、Si:49at%以下、B:5at%以下、及び、C:5at%以下からなる群から選択される1種以上とを含有し、残部はCu及び不純物からなる。 The metal active material contains Sn and at least one selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Al, Si, B and C, and the balance Cu and impurities. Preferably, the metal active material comprises Sn: 10 to 35 at%, Ti: 9 at% or less, V: 49 at% or less, Cr: 49 at% or less, Mn: 9 at% or less, Fe: 49 at% or less, Co: 49 at% or less, Ni: 9 at% or less, Zn: 29 at% or less, Al: 49 at% or less, Si: 49 at% or less, B: 5 at% or less, and C: 5 at% or less, selected from the group consisting of: One or more of them are contained, and the balance consists of Cu and impurities.
Ti含有量の好ましい上限は、上記のとおり9at%である。Ti含有量のさらに好ましい上限は6at%であり、さらに好ましくは、5at%である。Ti含有量の好ましい下限は、0.1at%であり、さらに好ましくは、0.5at%であり、さらに好ましくは1at%である。Tiは、Cu及びSnの過剰な酸化を抑制し、初回充放電効率をさらに高めることができる。 The preferable upper limit of the Ti content is 9 at% as described above. The more preferable upper limit of the Ti content is 6 at %, and more preferably 5 at %. The preferable lower limit of the Ti content is 0.1 at%, more preferably 0.5 at%, and further preferably 1 at%. Ti can suppress excessive oxidation of Cu and Sn, and can further improve the initial charge/discharge efficiency.
V含有量の好ましい上限は、上記のとおり、49at%である。V含有量のさらに好ましい上限は30at%であり、さらに好ましくは15at%であり、さらに好ましくは10at%である。V含有量の好ましい下限は、0.1at%であり、さらに好ましくは0.5at%であり、さらに好ましくは、1at%である。Vは、Cu及びSnの過剰な酸化を抑制し、初回充放電効率をさらに高めることができる。 The preferable upper limit of the V content is 49 at% as described above. The more preferable upper limit of the V content is 30 at %, more preferably 15 at %, and further preferably 10 at %. The preferable lower limit of the V content is 0.1 at%, more preferably 0.5 at%, and further preferably 1 at%. V can suppress excessive oxidation of Cu and Sn, and can further improve initial charge/discharge efficiency.
Cr含有量の好ましい上限は、上記のとおり49at%である。Cr含有量のさらに好ましい上限は30at%であり、さらに好ましくは15at%であり、さらに好ましくは10at%である。Cr含有量の好ましい下限は0.1at%であり、さらに好ましくは0.5at%であり、さらに好ましくは1at%である。Crは、Cu及びSnの過剰な酸化を抑制し、初回充放電効率をさらに高めることができる。 The preferable upper limit of the Cr content is 49 at% as described above. The more preferable upper limit of the Cr content is 30 at %, more preferably 15 at %, and further preferably 10 at %. The preferable lower limit of the Cr content is 0.1 at%, more preferably 0.5 at%, and further preferably 1 at%. Cr can suppress excessive oxidation of Cu and Sn, and can further improve the initial charge/discharge efficiency.
Mn含有量の好ましい上限は、上記のとおり9at%である。Mn含有量のさらに好ましい上限は6at%であり、さらに好ましくは5at%である。Mn含有量の好ましい下限は0.1at%であり、さらに好ましくは0.5at%であり、さらに好ましくは1at%である。Mnは、Cu及びSnの過剰な酸化を抑制し、初回充放電効率をさらに高めることができる。 The preferable upper limit of the Mn content is 9 at% as described above. The more preferable upper limit of the Mn content is 6 at %, and more preferably 5 at %. The preferable lower limit of the Mn content is 0.1 at %, more preferably 0.5 at %, and further preferably 1 at %. Mn can suppress excessive oxidation of Cu and Sn, and can further improve the initial charge/discharge efficiency.
Fe含有量の好ましい上限は、上記のとおり49at%である。Fe含有量のさらに好ましい上限は30at%であり、さらに好ましくは15at%であり、さらに好ましくは10at%である。Fe含有量の好ましい下限は0.1at%であり、さらに好ましくは0.5at%であり、さらに好ましくは1at%である。Feは、Cu及びSnの過剰な酸化を抑制し、初回充放電効率をさらに高めることができる。 The preferable upper limit of the Fe content is 49 at% as described above. The more preferable upper limit of the Fe content is 30 at %, more preferably 15 at %, and further preferably 10 at %. The preferable lower limit of the Fe content is 0.1 at %, more preferably 0.5 at %, and further preferably 1 at %. Fe can suppress excessive oxidation of Cu and Sn, and can further improve the initial charge/discharge efficiency.
Co含有量の好ましい上限は、上記のとおり49at%である。Co含有量のさらに好ましい上限は30at%であり、さらに好ましくは15at%であり、さらに好ましくは10at%である。Co含有量の好ましい下限は0.1at%であり、さらに好ましくは0.5at%であり、さらに好ましくは1at%である。Coは、Cu及びSnの過剰な酸化を抑制し、初回充放電効率をさらに高めることができる。 The preferable upper limit of the Co content is 49 at% as described above. The more preferable upper limit of the Co content is 30 at%, more preferably 15 at%, and further preferably 10 at%. The preferable lower limit of the Co content is 0.1 at%, more preferably 0.5 at%, and further preferably 1 at%. Co can suppress excessive oxidation of Cu and Sn, and can further improve the initial charge/discharge efficiency.
Ni含有量の好ましい上限は、上記のとおり9at%である。Ni含有量のさらに好ましい上限は5at%であり、さらに好ましくは2at%である。Ni含有量の好ましい下限は0.1at%であり、さらに好ましくは0.5at%であり、さらに好ましくは1at%である。Niは、Cu及びSnの過剰な酸化を抑制し、初回充放電効率をさらに高めることができる。 The preferable upper limit of the Ni content is 9 at% as described above. The more preferable upper limit of the Ni content is 5 at%, and more preferably 2 at%. The preferable lower limit of the Ni content is 0.1 at %, more preferably 0.5 at %, and further preferably 1 at %. Ni can suppress excessive oxidation of Cu and Sn, and can further improve the initial charge/discharge efficiency.
Zn含有量の好ましい上限は、上記のとおり29at%である。Zn含有量のさらに好ましい上限は27at%であり、さらに好ましくは25at%である。Zn含有量の好ましい下限は0.1at%であり、さらに好ましくは0.5at%であり、さらに好ましくは1at%である。Znは、Cu及びSnの過剰な酸化を抑制し、初回充放電効率をさらに高めることができる。 The preferable upper limit of the Zn content is 29 at% as described above. The more preferable upper limit of the Zn content is 27 at %, and more preferably 25 at %. The preferable lower limit of the Zn content is 0.1 at %, more preferably 0.5 at %, and further preferably 1 at %. Zn can suppress excessive oxidation of Cu and Sn, and can further improve the initial charge/discharge efficiency.
Al含有量の好ましい上限は、上記のとおり49at%である。Al含有量のさらに好ましい上限は30at%であり、さらに好ましくは15at%であり、さらに好ましくは10at%である。Al含有量の好ましい下限は0.1%であり、さらに好ましくは0.5at%であり、さらに好ましくは1at%である。Alは、Cu及びSnの過剰な酸化を抑制し、初回充放電効率をさらに高めることができる。 The preferable upper limit of the Al content is 49 at% as described above. The more preferable upper limit of the Al content is 30 at %, more preferably 15 at %, and further preferably 10 at %. The lower limit of the Al content is preferably 0.1%, more preferably 0.5 at%, and further preferably 1 at%. Al can suppress excessive oxidation of Cu and Sn, and can further improve the initial charge/discharge efficiency.
Si含有量の好ましい上限は、上記のとおり49at%である。Si含有量のさらに好ましい上限は30at%であり、さらに好ましくは15at%であり、さらに好ましくは10at%である。Si含有量の好ましい下限は0.1at%であり、さらに好ましくは0.5at%であり、さらに好ましくは1at%である。Siは、体積当たりの放電容量を高めることができる。 The preferable upper limit of the Si content is 49 at% as described above. The more preferable upper limit of the Si content is 30 at %, more preferably 15 at %, and further preferably 10 at %. The lower limit of the Si content is preferably 0.1 at%, more preferably 0.5 at%, and further preferably 1 at%. Si can increase the discharge capacity per volume.
B含有量の好ましい上限は5at%である。B含有量の好ましい下限は0.01at%であり、さらに好ましくは0.1at%であり、さらに好ましくは0.5at%であり、さらに好ましくは1at%である。Bは、Cu及びSnの過剰な酸化を抑制し、初回充放電効率をさらに高めることができる。 The preferable upper limit of the B content is 5 at %. The preferable lower limit of the B content is 0.01 at %, more preferably 0.1 at %, further preferably 0.5 at %, further preferably 1 at %. B can suppress excessive oxidation of Cu and Sn, and can further improve the initial charge/discharge efficiency.
C含有量の好ましい上限は5at%である。C含有量の好ましい下限は0.01at%であり、さらに好ましくは0.1at%であり、さらに好ましくは0.5at%であり、さらに好ましくは1at%である。Cは、金属活物質の体積膨張率(金属イオン吸蔵時)を低減できる。 The preferable upper limit of the C content is 5 at %. The lower limit of the C content is preferably 0.01 at%, more preferably 0.1 at%, further preferably 0.5 at%, further preferably 1 at%. C can reduce the volume expansion coefficient of the metal active material (when occluding metal ions).
[金属活物質の好ましい成分(4)]
金属活物質はさらに、放電容量を高めることを目的として、Snと、第2族元素及び/又は希土類元素(REM)とを含有し、残部はCu及び不純物からなっていてもよい。第2族元素はたとえば、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)等である。REMはたとえば、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)等である。[Preferred component of metal active material (4)]
The metal active material may further contain Sn and a Group 2 element and/or a rare earth element (REM) for the purpose of increasing the discharge capacity, and the balance may be Cu and impurities. The Group 2 element is, for example, magnesium (Mg), calcium (Ca), or the like. REM is, for example, lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), or the like.
[好ましい活物質粒子10のビッカース硬さ]
好ましくは、活物質粒子10のビッカース硬さは、HV20〜500である。活物質粒子10のビッカース硬さは、活物質粒子10の表面を被覆する非晶質炭素被膜30の被覆率に影響する。活物質粒子10のビッカース硬さがHV20以上であれば、後述の複合化処理により複合粒子群を製造する場合において、複数の凸部11を有する活物質粒子10を形成しやすくなる。一方、活物質粒子10のビッカース硬さがHV500以下であれば、後述の複合化処理により複合粒子群を製造する場合において、複数の凸部11を有する活物質粒子10の表面の全面を被覆した非晶質炭素被膜30のうち、凸部11を被覆する非晶質炭素被膜30を剥離しやすくなる。その結果、複数の凸部11のうち、活物質粒子10の表面が1μm2以上露出している露出領域20を少なくとも1箇所以上形成しやすく、メジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の複合粒子において、非晶質炭素被膜30の平均被覆率を50〜90面積%にしやすくなる。活物質粒子10のビッカース硬さの好ましい下限はHV30であり、さらに好ましくはHV50であり、さらに好ましくはHV80である。活物質粒子10のビッカース硬さの好ましい上限はHV480であり、さらに好ましくはHV460であり、さらに好ましくはHV450である。[Preferable Vickers hardness of active material particles 10]
Preferably, the Vickers hardness of the
ビッカース硬さは、金属活物質の化学組成に依存する。たとえば、金属活物質が、10〜40at%のSnと、50〜90at%のCuとを含有する場合、活物質粒子10のビッカース硬さがHV20〜500になる。
Vickers hardness depends on the chemical composition of the metal active material. For example, when the metal active material contains 10 to 40 at% Sn and 50 to 90 at% Cu, the Vickers hardness of the
[活物質粒子10のビッカース硬さの測定方法]
活物質粒子10のビッカース硬さは、次の方法で測定する。液体状のエポキシ樹脂前駆体と、硬化剤と、複数の複合粒子1とを混合して、混合物を得る。硬化剤は市販のエポキシ樹脂硬化剤でよい。この混合物を型に流し入れ硬化し、硬化物を得る。型から取り出した硬化物の表面(以下、測定面という)に対して、サンドペーパーを用いて湿式研磨を実施し、複合粒子1の断面を含む測定面を形成する。複合粒子1の断面を含む測定面に対してさらに、酸化アルミニウム粉末により鏡面研磨を実施する。鏡面研磨では、酸化アルミニウム粉末の粒径を段階的に小さくして(たとえば、0.3μm、0.06μmの順)、測定面内の複合粒子1の断面が平坦になるように研磨する。研磨後、測定面内の複合粒子1の断面のうち、活物質粒子10の断面でのビッカース硬さを、マイクロビッカース硬度計を用いて測定する。具体的には、光学顕微鏡を用いて、圧子を活物質粒子10の断面の略中央部に位置合わせして、ビッカース硬さを測定する。試験荷重は50gfとする。圧子として、ダイヤモンド製の圧子を使用する。マイクロビッカース硬度計は特に限定されない。マイクロビッカース硬度計はたとえば、明石製作所製のMVK−G2である。測定面内の10個の複合粒子1の活物質粒子10のビッカース硬さを測定する。10個のビッカース硬さの算術平均値を、活物質粒子10のビッカース硬さHVと定義する。[Method of measuring Vickers hardness of active material particles 10]
The Vickers hardness of the
[好ましい活物質粒子10のメジアン径(d50)]
複合粒子群を構成する複数の活物質粒子10のメジアン径(d50)は特に限定されない。活物質粒子10のメジアン径(d50)はたとえば、1〜50μmである。活物質粒子10のメジアン径(d50)が1μm以上であれば、非晶質炭素被膜30の被覆率を50〜90面積%に調整しやすい。また、活物質粒子10のメジアン径(d50)が50μm以下であれば、非晶質炭素被膜30の被覆率を50面積%以上に調整しやすい。活物質粒子10のメジアン径(d50)の好ましい下限は3μmであり、さらに好ましくは5μmである。活物質粒子10のメジアン径(d50)の好ましい上限は45μmであり、さらに好ましくは40μmであり、さらに好ましくは35μmである。[Preferred Median Diameter of Active Material Particles 10 (d50)]
The median diameter (d50) of the plurality of
[活物質粒子10のメジアン径(d50)の測定方法]
活物質粒子10のメジアン径(d50)は次の方法で求める。複数粒子群の原料となる複数の活物質粒子10の一部を薬匙ですくって採取する。採取された複数の活物質粒子10に対して、JIS Z 8825(2013)に準拠して、レーザー回折/散乱式粒度分布計を用いて、レーザー回折散乱法により、活物質粒子10のメジアン径(d50)を測定する。測定における分散媒は、アルキルグリコキシドを含んだ界面活性剤を0.1質量%添加した水とする。分散方法は超音波で5分とする。全粒子の体積に対する累積体積が50%になるときの粒径(レーザー回折散乱法による体積平均粒径)を、活物質粒子10の平均粒径(メジアン径(d50))とする。[Method of measuring median diameter (d50) of active material particles 10]
The median diameter (d50) of the
[非晶質炭素被膜30]
非晶質炭素被膜30は、非晶質炭素からなる。ここで、「非晶質炭素」とは、微細な結晶が無作為に連結した構造を有し、規則的な結晶構造を有さない炭素のことである。非晶質炭素は、短距離秩序(数原子〜十数個原子オーダー)を有し、長距離秩序(数百〜数千個の原子オーダー)を有さない。そのため、非晶質炭素では、炭素の六角網面と呼ばれる結晶子の発達が、黒鉛に比べて小さい。そのため、非晶質炭素では、六角網面端部(エッジ)の電解液反応性が黒鉛の電解液反応性よりも低く、電解液分解に伴う副反応(不可逆容量)が黒鉛より小さくなる。そのため、非晶質炭素被膜30は、黒鉛被膜と比較して、リチウムイオンに代表される金属イオンの充電受入性が高まる。活物質粒子10の表面に非晶質炭素被膜30を形成すれば、金属イオンが非晶質炭素被膜30を通過して活物質粒子10に吸蔵され、かつ、活物質粒子10から非晶質炭素被膜30を通過して電解液中に放出される。その結果、初回充放電効率が高まる。[Amorphous carbon coating 30]
The
[非晶質炭素被膜30の判定方法]
本実施形態では、非晶質炭素被膜30を次のとおり判定する。X線回折法を用いて得られる非晶質炭素被膜30のX線回折プロファイルでは、2θ=20〜30°付近にブロードな強度ピークが得られる。なお、結晶性の高い黒鉛のX線回折プロファイルでは、2θ=26〜27°付近にシャープな強度ピークが得られる。X線回折プロファイルでの2θ=20〜30°のブロードなピークについて、シェラー式より算出される結晶子径Lcが50nm以下である場合、非晶質炭素被膜30であると判定する。[Determination Method of Amorphous Carbon Film 30]
In this embodiment, the
具体的には、非晶質炭素被膜30の確認は、次のX線回折法により行う。複数の複合粒子1の任意の一部を薬匙ですくって採取する。採取した複数の複合粒子1を無反射試料板(シリコン単結晶の特定結晶面が測定面に平行になるように切り出した板)に載せる(堆積する)。その後、スライドガラスで複数の複合粒子1の堆積物の表面を平坦化して、試料とする。上記の試料をX線回折装置にセットして、X線回折測定を行い、X線回折プロファイルを得る。このとき、複合粒子1の表面を被覆する非晶質炭素被膜30にX線が入射され、非晶質炭素被膜30のX線回折プロファイルが得られる。
Specifically, the
また、電池を解体してX線回折測定して、非晶質炭素被膜30の有無を判定する場合、次の方法を実施する。充電前の電池、又は、使用された電池の場合は放電後の電池を、アルゴン雰囲気中のグローブボックス内で分解して、電池から、複数の複合粒子1が付着している負極を取り出す。取り出された負極をマイラ箔に包む。その後、マイラ箔の周囲を熱圧着機で密封する。マイラ箔で密封された負極をグローブボックス外に取り出す。グローブボックス内は、99.9999%以上の純度の超高純度アルゴンガスボンベから供給されたアルゴンガスを用いて、アルゴン雰囲気にする。さらに触媒等による純化装置にアルゴンガスを通して、窒素など系外の不純物の混入を防止する。これにより、露点を−60℃以下になるように管理して、窒素や水分による複合粒子1の変質を防止する。続いて、負極を無反射試料板にヘアスプレーで貼り付けて試料を作製する。試料をX線回折装置にセットして、試料のX線回折測定を行う。この場合、負極の複合粒子1の表面を被覆する非晶質炭素被膜30にX線が入射され、非晶質炭素被膜30のX線回折プロファイルが得られる。
Further, when the battery is disassembled and the presence or absence of the
非晶質炭素被膜30を判別するための、X線回折測定の測定条件は次のとおりである。
・装置:リガク製SmartLab
・X線管球:Cu−Kα線
・X線出力:45kV、200mA
・入射側モノクロメータ:ヨハンソン素子(Cu−Kα2線及びCu−Kβ線をカット)
・光学系:集中法
・入射平行スリット:5.0度
・入射スリット:1/2度
・長手制限スリット:10.0mm
・受光スリット1:8.0mm
・受光スリット2:13.0mm
・受光平行スリット:5.0度
・ゴニオメータ:SmartLabゴニオメータ
・X線源−ミラー間距離:90.0mm
・X線源−選択スリット間距離:114.0mm
・X線源−試料間距離:300.0mm
・試料−受光スリット1間距離:187.0mm
・試料−受光スリット2間距離:300.0mm
・受光スリット1−受光スリット2間距離:113.0mm
・試料−検出器間距離:331.0mm
・検出器:D/Tex Ultra
・測定範囲:10−120度
・データ採取角度間隔:0.02度
・スキャン方法:連続
・スキャン速度:2.0度/分The measurement conditions of the X-ray diffraction measurement for identifying the
・Device: Smart Lab manufactured by Rigaku
・X-ray tube: Cu-Kα line ・X-ray output: 45 kV, 200 mA
・Inlet side monochromator: Johansson element (Cu-Kα 2 line and Cu-Kβ line are cut)
・Optical system: Focusing method ・Injection parallel slit: 5.0° ・Injection slit: 1/2° ・Longitudinal restriction slit: 10.0 mm
・Light receiving slit 1: 8.0 mm
・Light receiving slit 2: 13.0 mm
・Parallel light receiving slit: 5.0 degrees ・Goniometer: SmartLab goniometer ・X-ray source-mirror distance: 90.0 mm
* Distance between X-ray source and selected slit: 114.0 mm
・X-ray source-sample distance: 300.0 mm
・Distance between sample and light-receiving slit 1: 187.0 mm
・Distance between sample and light receiving slit 2: 300.0 mm
・Distance between
・Sample-detector distance: 331.0 mm
・Detector: D/Tex Ultra
-Measurement range: 10-120 degrees-Data collection angle interval: 0.02 degrees-Scan method: Continuous-Scan speed: 2.0 degrees/minute
結晶子径Lcを算出するためのシェラー式は以下のとおりである。
Lc=(K・λ)/{B・cosθ}
Lc:結晶子径(nm)
K:シェラー定数(無次元)
λ:X線の波長(nm)
B:材料由来の半値幅(radian)
θ:θ−2θ法によるX線回折測定時の回折角(radian)
本明細書において、シェラーの式のシェラー定数KはK=0.94を使用する。X線の波長(λ)は、Cu−Kα1にモノクロ化して測定する。その波長に相当する値として、λ=0.15401nmとする。The Scherrer formula for calculating the crystallite diameter Lc is as follows.
Lc=(K·λ)/{B·cos θ}
Lc: Crystallite size (nm)
K: Scherrer constant (dimensionless)
λ: X-ray wavelength (nm)
B: Full width at half maximum (radian) derived from the material
θ: Diffraction angle (radian) during X-ray diffraction measurement by the θ-2θ method
In this specification, the Scherrer constant K of Scherrer's formula uses K=0.94. The wavelength (λ) of the X-ray is measured by converting it into monochrome of Cu-Kα 1 . As a value corresponding to the wavelength, λ=0.15401 nm.
得られたX線回折プロファイルを、市販のX線解析ソフトウェアを用いて解析し、2θ=20〜30°付近のブロードなピークの半値幅より結晶子径Lcを算出する。X線解析ソフトウェアはたとえば、リガク製SmartLab内蔵のPDXLソフトウェアであるが、同等の結果が得られるのであれば、これに限定されない。結晶子径Lcが50nm以下であれば、活物質粒子10を被覆する被膜が、非晶質炭素被膜30であると判断する。
The obtained X-ray diffraction profile is analyzed using a commercially available X-ray analysis software, and the crystallite diameter Lc is calculated from the full width at half maximum of the broad peak near 2θ=20 to 30°. The X-ray analysis software is, for example, PDXL software built in Rigaku's SmartLab, but is not limited to this as long as an equivalent result can be obtained. If the crystallite diameter Lc is 50 nm or less, it is determined that the coating film covering the
[非晶質炭素被膜30の原料(炭素源)について]
非晶質炭素被膜30は、原料となる炭素源と活物質粒子10とを、後述する乾式粒子複合化装置を用いて複合化処理を実施することにより形成する。本実施形態において、炭素源は有機物である。炭素源となる有機物は、たとえば、カーボンブラック、ハードカーボン、ソフトカーボン、メソポーラスカーボン及び活性炭からなる群から選択される1種以上である。これらの中でも、カーボンブラックが特に好ましい。[About Raw Material (Carbon Source) of Amorphous Carbon Film 30]
The
カーボンブラックは、一般的に一次粒径が小さく、後述の複合化処理により炭素ストラクチャーが解砕される。そのため、カーボンブラックは活物質粒子に対して被覆しやすい。したがって、非晶質炭素被膜30の原料である炭素源は、好ましくは、カーボンブラックである。カーボンブラックは、無定形炭素である。カーボンブラックは、数〜数百nmの1次粒子がストラクチャーを形成して、2次粒子を形成している。代表的なカーボンブラックは、導電性カーボンブラック、アセチレンブラック及びケッチェンブラックである。好ましくは、1次粒子の粒径が、5〜200nmであるカーボンブラックである。この場合、炭素源(カーボンブラック)が複合化処理工程時に活物質粒子10の表面へ付着しやすくなる。
Carbon black generally has a small primary particle size, and the carbon structure is crushed by the composite treatment described below. Therefore, the carbon black easily covers the active material particles. Therefore, the carbon source that is the raw material of the
非晶質炭素被膜30の原料となる炭素源の比表面積は特に限定されない。炭素源の比表面積はたとえば、5〜500m2/gである。炭素源の比表面積が5m2/g以上であれば、活物質粒子10を適度に被覆することができる。炭素源の比表面積が500m2/g以下であれば、非晶質炭素被膜30による被覆率を90面積%以下としやすい。炭素源の比表面積が500m2/gを超える場合、後述の複合化処理工程において、複合化処理条件によっては、複合粒子1の被覆率及び比表面積が高くなりすぎる。炭素源の比表面積のより好ましい下限は10m2/gであり、より好ましい上限は100m2/gである。The specific surface area of the carbon source that is the raw material of the
[複合粒子群中の複合粒子1の種類]
上述のとおり、本実施形態の複合粒子群は、複数の複合粒子1からなる。ここで、「複数の複合粒子1からなる」とは、不純物の混入を許容する。具体的には、本実施形態の複合粒子群の質量%における99%以上は、複数の複合粒子1である。[Type of
As described above, the composite particle group of the present embodiment is composed of a plurality of
複合粒子群は、次の3つのタイプの複合粒子1を含み得る。具体的には、複合粒子群は、タイプ1の複合粒子(凸部露出複合粒子)を含み、タイプ2及び/又はタイプ3の複合粒子を含有してもよい。
タイプ1:凸部露出複合粒子。つまり、活物質粒子10と、活物質粒子10の表面を被覆する非晶質炭素被膜30とを含み、非晶質炭素被膜30の被覆率が50〜90面積%であり、かつ、複数の凸部11において、活物質粒子10の表面が1μm2以上露出している露出領域20が少なくとも1箇所以上存在している複合粒子
タイプ2:活物質粒子10と、活物質粒子10の表面を被覆する非晶質炭素被膜30とを含み、非晶質炭素被膜30の被覆率が50面積%未満、又は、90面積%超である複合粒子
タイプ3:活物質粒子10と、活物質粒子10の表面を被覆する非晶質炭素被膜30とを含み、非晶質炭素被膜30の被覆率が50〜90面積%であるものの、活物質粒子の表面が1μm2以上露出している露出領域20が1つも存在しない複合粒子The composite particle group may include the following three types of
Type 1: Convex exposed particle. That is, the
[凸部露出複合粒子について]
凸部露出複合粒子は、複合粒子群の主体となる複合粒子1である。凸部露出複合粒子では、活物質粒子10の表面における非晶質炭素被膜30の被覆率は、50〜90面積%である。凸部露出複合粒子ではさらに、複数の凸部11のうち、活物質粒子10の表面が1μm2以上露出している露出領域20が少なくとも1箇所以上存在する。図3は、複合粒子1のうち、タイプ1の複合粒子、つまり、凸部露出複合粒子の模式図である。図3に示すとおり、凸部露出複合粒子では、複数の凸部11のうち、活物質粒子10の表面が1μm2以上露出している露出領域20が1箇所以上存在する。そして、露出領域20のほとんどは、凸部11に形成されている。図6は、複合粒子のうち、凸部露出複合粒子のSEM画像である。図6の凸部露出複合粒子(複合粒子1)において、白色の領域20が、露出領域20に相当し、黒色の領域30が、非晶質炭素被膜30に相当する。図6でも明らかなとおり、少なくとも1つの露出領域20は、凸部11に形成されている。[About exposed composite particles]
The convex-exposed composite particles are
以上のとおり、本実施形態の複合粒子群の主体は、複数の凸部露出複合粒子である。その結果、本実施形態の複合粒子群では、メジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の複合粒子1において、活物質粒子10の表面における非晶質炭素被膜30の平均被覆率が50〜90面積%である。さらに、メジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の複合粒子1において、活物質粒子10の表面が1μm2以上露出している露出領域20の個数密度は、0.0010〜0.0500個/μm2である。以下、この点について説明する。As described above, the main constituent of the composite particle group of the present embodiment is the plurality of convex-part exposed composite particles. As a result, in the composite particle group of the present embodiment, the average coverage of the
[非晶質炭素被膜30の平均被覆率:50〜90面積%]
本実施形態の複合粒子群では、メジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の複合粒子1において、活物質粒子10の表面における非晶質炭素被膜30の平均被覆率が50〜90面積%である。[Average Coverage of Amorphous Carbon Coating 30: 50 to 90 Area%]
In the composite particle group of the present embodiment, the average coverage of the
図1は非晶質炭素被膜30の平均被覆率と、初回充放電効率との関係を示す図である。図2は、非晶質炭素被膜30の平均被覆率と、急速充電性能との関係を示す図である。図2の縦軸の反応抵抗は、急速充電性能と負の相関を示す。つまり、反応抵抗が高いほど、急速充電性能は低い。
FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the average coverage of the
図1及び図2を参照して、非晶質炭素被膜30の平均被覆率が50面積%未満であれば、初回充放電効率及び急速充電性能が低い。非晶質炭素被膜30の被覆率が50面積%未満の場合、活物質粒子10の表面の露出面積が大きい。そのため、充電反応時に活物質粒子10の表面が電解液と接触し、分解反応が進む。その結果、分解反応由来の被膜(SEI:solid electrolyte interface)が活物質粒子10の表面に厚く堆積する。SEIが厚く形成されるため、初回充放電効率が低下し、急速充電性能も低下すると考えられる。
Referring to FIGS. 1 and 2, when the average coverage of
一方、非晶質炭素被膜30の平均被覆率が90面積%を超えた場合、図1及び図2に示すとおり、初回充放電効率は維持されるものの、急速充電性能が急激に低下する。非晶質炭素被膜30の平均被覆率が高くなれば、活物質粒子10と電解液との接触を抑制できる。そのため、活物質粒子10と電解液との分解反応を抑制できる。しかしながら、非晶質炭素被膜30の平均被覆率が高すぎれば、活物質粒子10への金属イオンの出入りが困難になる。そのため、活物質粒子10内の金属活物質と金属イオンとの合金化反応が進行しにくくなり、反応抵抗が大きくなる。その結果、急速充電性能が低下する。したがって、メジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の複合粒子1において、非晶質炭素被膜30の平均被覆率は50〜90面積%である。
On the other hand, when the average coverage of the
非晶質炭素被膜30の平均被覆率の好ましい下限は55面積%であり、さらに好ましくは60面積%であり、さらに好ましくは65面積%であり、さらに好ましくは70面積%である。非晶質炭素被膜30の平均被覆率の好ましい上限は90面積%未満であり、さらに好ましくは88面積%であり、さらに好ましくは85面積%であり、さらに好ましくは80面積%である。
The preferable lower limit of the average coverage of the
[非晶質炭素被膜30の平均被覆率の測定方法]
複合粒子群での非晶質炭素被膜30の平均被覆率は次のとおり測定する。初めに、複合粒子群のメジアン径(d50)を次の方法で測定する。複合粒子群の任意の一部を薬匙ですくって採取する。採取した複数の複合粒子1に対して、JIS Z 8825(2013)に準拠したレーザー回折散乱法により、複合粒子群のメジアン径(d50)を測定する。[Method of Measuring Average Coverage of Amorphous Carbon Film 30]
The average coverage of the
さらに、上述の採取した複数の複合粒子1を、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)を用いて、加速電圧1.5kV、倍率5000倍で観察して、二次電子像(以下、SEM画像という)を得る。SEM画像中の各複合粒子において、最長径Dmaxと最短径Dminとを測定する。そして、最長径Dmaxと最短径Dminとの相加平均値(=(Dmax+Dmin)/2)を、その複合粒子の粒径(μm)と定義する。
Further, the plurality of
観察した複数の複合粒子1のうち、メジアン径(d50)以上の粒径を有する複合粒子1を任意に30個選択する。各複合粒子1のうち、露出領域20は、非晶質炭素被膜30よりも導電性が低い。そのため、SEM画像において、露出領域20は非晶質炭素被膜30よりも明るく、非晶質炭素被膜30は露出領域20よりも暗い。そこで、SEM画像でのコントラストに基づいて、各複合粒子1での非晶質炭素被膜30の被覆率を算出する。
Of the plurality of observed
具体的には、各複合粒子のグレースケールのSEM画像を生成する。SEM画像は複数の画素で構成され、複数階調の輝度で構成されている。SEM画像の画素数は特に限定されないが、たとえば、120〜150万画素とし、輝度の階調数は256とする。グレースケールのSEM画像から、メジアン径(d50)以上の複合粒子1を30個選択する。選択された各複合粒子1の外縁を線で囲み、線で囲まれた領域(つまり複合粒子1)をトリミングする。トリミングされた各複合粒子1の面積を算出する。
Specifically, a grayscale SEM image of each composite particle is generated. The SEM image is composed of a plurality of pixels and has a plurality of gradations of brightness. The number of pixels of the SEM image is not particularly limited, but is, for example, 1.2 to 1.5 million pixels and the number of gradations of luminance is 256. From the gray scale SEM image, 30
次に、トリミングされた複合粒子1に対して2値化処理を実施して、複合粒子1の表面のうち、露出している領域の総面積を求める。具体的には、トリミングされた複合粒子1に対して、横軸にグレースケールの輝度を0〜255で取り、縦軸に画素数を取った輝度ヒストグラムを作成する。輝度ヒストグラムに対して周知の平坦化処理を実施して、トリミングされた複合粒子1(SEM画像)を階調変換する。輝度ヒストグラムに基づき、トリミングされた複合粒子1を黒領域(クラス1)と白領域(クラス2)とに分離する。より具体的には、任意の輝度値を閾値として仮決めしてクラス分けする。それぞれのクラスについて平均値と画素数と分散値とを求める。求めた平均値と画素数と分散値とから分離度を求める。分離度を求める作業を、閾値を変えて繰り返す。分離度が最大になる閾値を見つける。分離度が最大になるときの閾値(輝度値)を2値化の閾値と定義する。求めた閾値に基づいて、SEM画像に対して2値化処理を実施して、トリミングされた複合粒子1のSEM画像から2値化画像を生成する。
Next, the trimmed
複合粒子の2値化画像において、露出している領域の総面積(面積が1μm2未満の露出領域、及び、面積が1μm2以上の露出領域20の総面積)を求める。露出している領域の総面積は、2値化画像において白領域(クラス2)に分類された画素の総面積である。つまり、クラス1に分類された画素は、非晶質炭素被膜30に相当する。各複合粒子1において、複合粒子1の面積、及び、露出している領域の総面積を用いて、次の式により、各複合粒子1の非晶質炭素被膜の被覆率(面積%)を求める。
非晶質炭素被膜の被覆率=(複合粒子1の面積−露出している領域の総面積)/複合粒子1の面積×100In the binarized image of the composite particles, the total area of the region exposed (exposed area is less than 1 [mu] m 2 area, and an area of 1 [mu] m total area of 2 or more exposed regions 20) obtained. The total area of the exposed region is the total area of pixels classified into the white region (class 2) in the binarized image. That is, the pixels classified into
Coverage of amorphous carbon coating=(area of
得られた30個の非晶質炭素被膜30の被覆率の算術平均値を、複合粒子群の非晶質炭素被膜の平均被覆率(面積%)と定義する。
The arithmetic average value of the coverages of the obtained 30
[複合粒子群の露出領域20の個数密度]
複合粒子群ではさらに、メジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の複合粒子1において、活物質粒子10の表面が1μm2以上露出している露出領域20の個数密度が、0.0010〜0.0500個/μm2である。[Number Density of
In the composite particle group, the number density of the exposed
露出領域20の個数密度が0.0010〜0.0500個/μm2以上であれば、複合粒子1において、金属イオンが出入りしやすい凸部11に露出領域20が形成されている割合が多い。そのため、金属イオンが活物質粒子10に出入りしやすくする。その結果、初回充放電効率を高く維持しつつ、急速充電性能を高くすることができる。When the number density of the exposed
具体的には、メジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の複合粒子1における露出領域20の個数密度が0.0010個/μm2以上であれば、急速充電性能が十分に高まる。さらに、露出領域の個数密度が0.0500個/μm2以下であれば、活物質粒子10と電解液との接触による電解液の分解反応を抑制することができ、その結果、初回充放電効率が十分に高まる。Specifically, when the number density of the exposed
[複合粒子群の露出領域20の個数密度の測定方法]
メジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の複合粒子1における露出領域20の個数密度は次の方法で測定する。初めに、複合粒子群のメジアン径(d50)を次の方法で測定する。複合粒子群の任意の一部を薬匙ですくって採取する。採取した複数の複合粒子1に対して、JIS Z 8825(2013)に準拠したレーザー回折散乱法により、複合粒子群のメジアン径(d50)を測定する。さらに、採取した複数の複合粒子1を、SEMを用いて、加速電圧1.5kV、倍率5000倍で観察して、SEM画像を得る。SEM画像中の各複合粒子1において、最長径Dmaxと最短径Dminとを測定する。そして、最長径Dmaxと最短径Dminとの相加平均値(=(Dmax+Dmin)/2)を、その複合粒子の粒径(μm)と定義する。観察した複数の複合粒子1のうち、メジアン径(d50)以上の粒径を有する複合粒子1を任意に30個選択する。[Method of measuring number density of exposed
The number density of the exposed
SEM画像において、選択された各複合粒子1の外縁を線で囲み、線で囲まれた領域(つまり複合粒子1)をトリミングする。トリミングされた各複合粒子1の面積を求める。求めた面積を円に換算した場合の円の直径(円相当径)を求める。円相当径を、球の表面積の公式である4πr2に代入して得た値を、各複合粒子1の総表面積と定義する。つまり、露出領域20の個数密度の計算に用いる複合粒子1の総表面積は、複合粒子1のみなし総表面積である。複合粒子1の外縁を線で囲む作業、線で囲まれた複合粒子1のトリミング作業、トリミングされた複合粒子1の面積の算出作業、及び、円相当径の算出作業は、周知の画像処理ソフトウェアを用いて求めることができる。周知の画像処理ソフトウェアはたとえば、商品名:imageJである。In the SEM image, the outer edge of each selected
さらに、トリミングされた複合粒子1のグレースケールSEM画像を準備する。トリミングされた複合粒子1のグレースケールSEM画像の各画素の輝度値のうち、最高輝度値と最低輝度値との差分を4等分して4つの区域に分ける4値化処理を実施する。4値化処理では、トリミングされた複合粒子1のグレースケールSEM画像の複数の画素を、輝度値が高い順に最高区域、高区域、低区域、最低区域に分類(レベル分け)する。そして、最高区域に属し、連続して配置されている複数の画素の総面積が1μm2以上となっている領域を、「露出領域20」と認定する。認定された露出領域20が1つ以上存在した場合、複合粒子1において、露出領域20が少なくとも1箇所以上存在すると認定する。なお、本実施形態の複合粒子において、露出領域20のほとんどが、凸部11に形成されている。露出領域20の面積の上限は特に限定されないが、トリミングされた複合粒子1の面積の1/2未満である。Further, a grayscale SEM image of the trimmed
4値化処理による露出領域20の判定は、具体的には次のとおり実施する。トリミングされた複合粒子1のグレースケールSEM画像を準備する。SEM画像の画素数は120〜150万画素とし、輝度の階調数は256とする。トリミングされた複合粒子1のグレースケールSEM画像から、横軸にグレースケールの輝度の階調を0〜255で取り、縦軸に画素数を取った輝度ヒストグラムを作成する。輝度ヒストグラムに対して周知の平坦化処理を実施して、トリミングされた複合粒子1のグレースケールSEM画像を階調変換する。階調変換されたグレースケールSEM画像の輝度ヒストグラムにおいて、最高輝度値と最低輝度値との差分を4等分して4つの区域に分ける4値化処理を実施する。4値化処置により、トリミングされた複合粒子1のグレースケールSEM画像の複数の画素を、輝度値が高い順に最高区域、高区域、低区域、最低区域に分類(レベル分け)した4値化画像を生成する。
Specifically, the determination of the exposed
図7は、図6のSEM画像の4値化画像である。図7中の白領域20は、最高区域であって、面積が1μm2以上の露出領域20である。したがって、図7では、複数の凸部において、露出領域20が少なくとも1つ存在すると認定する。FIG. 7 is a quaternary image of the SEM image of FIG. The
図7に一例を示すように、複合粒子1の複数の凸部11において、活物質粒子10の表面が1μm2以上露出している露出領域20が、少なくとも1つ以上存在する。As shown in an example in FIG. 7, in the plurality of
30個の複合粒子1に対して、各複合粒子1での、総表面積と、露出領域20の個数とを求める。そして、30個の複合粒子1での露出領域20の合計個数を、30個の複合粒子1の総表面積の合計で除した値を、複合粒子群の露出領域20の個数密度(個/μm2)と定義する。With respect to 30
複合粒子群の露出領域20の個数密度の好ましい下限は0.0020個/μm2であり、さらに好ましくは0.0030個/μm2であり、さらに好ましくは0.0050個/μm2であり、さらに好ましくは0.0100個/μm2であり、さらに好ましくは0.0150個/μm2である。複合粒子群の露出領域20の個数密度の好ましい上限は0.0490個/μm2であり、さらに好ましくは0.0450個/μm2であり、さらに好ましくは0.0440個/μm2であり、さらに好ましくは0.0400個/μm2であり、さらに好ましくは0.0350個/μm2である。A preferable lower limit of the number density of the exposed
[複合粒子群の好ましい比表面積:1.0〜5.0m2/g]
本実施形態の複合粒子群の比表面積は、1.0〜5.0m2/gであることが好ましい。比表面積が1.0m2/g以上であれば、電解液との接触面積が十分大きく、反応抵抗が低下する。その結果、急速充電性能が高まる。一方、比表面積が5.0m2/g以内であれば、電解液との接触面積を適切な範囲内とすることができる。そのため、電解液分解反応を抑制できる。したがって、本実施形態において、複合粒子群の比表面積は、1.0〜5.0m2/gであることが好ましい。比表面積の好ましい下限は、1.2m2/gであり、さらに好ましくは1.5m2/gである。比表面積の好ましい上限は、4.5m2/gであり、さらに好ましくは4.0m2/gであり、さらに好ましくは3.5m2/gであり、さらに好ましくは3.0m2/gである。後述の複合化処理工程において、活物質粒子10と混合する炭素源の比率を調整したり、複合化処理工程での処理時間を調整すれば、複合粒子群の比表面積を1.0〜5.0m2/gとすることができる。[Preferable specific surface area of composite particle group: 1.0 to 5.0 m 2 /g]
The specific surface area of the composite particle group of the present embodiment is preferably 1.0 to 5.0 m 2 /g. When the specific surface area is 1.0 m 2 /g or more, the contact area with the electrolytic solution is sufficiently large and the reaction resistance decreases. As a result, the quick charging performance is improved. On the other hand, when the specific surface area is 5.0 m 2 /g or less, the contact area with the electrolytic solution can be set within an appropriate range. Therefore, the electrolytic solution decomposition reaction can be suppressed. Therefore, in this embodiment, the specific surface area of the composite particle group is preferably 1.0 to 5.0 m 2 /g. The preferable lower limit of the specific surface area is 1.2 m 2 /g, and more preferably 1.5 m 2 /g. The preferable upper limit of the specific surface area is 4.5 m 2 /g, more preferably 4.0 m 2 /g, further preferably 3.5 m 2 /g, further preferably 3.0 m 2 /g. is there. In the composite treatment step described below, the specific surface area of the composite particle group is 1.0 to 5. If the ratio of the carbon source mixed with the
[複合粒子群の比表面積の測定方法]
複合粒子群の比表面積はBET(Brunauer、Emmet and Teller)法で求める。具体的には、複合粒子群の任意の一部を薬匙ですくって採取する。採取した複数の複合粒子1に対して、窒素(N2)の気体分子を吸着させる。吸着した気体分子の量から複合粒子群の比表面積(m2/g)を測定する。[Method of measuring specific surface area of composite particle group]
The specific surface area of the composite particle group is determined by the BET (Brunauer, Emmet and Teller) method. Specifically, an arbitrary part of the composite particle group is scooped with a spoon and collected. Nitrogen (N 2 ) gas molecules are adsorbed to the collected plurality of
具体的には、初めに、圧力(P)と吸着量(V)との関係からBET式(Brunauer、Emmet and Teller’s equation)を用いて、単分子吸着量(Vm)を求める。Vmは、複数の複合粒子1の表面に吸着した気体分子の容積(mL)である。続いて、気体分子の吸着断面積(Am)を用いて、複数の複合粒子1の比表面積を求める。Amは、分子1つあたりの占有面積(nm2)を意味する。比表面積は、式(3)により算出する。
比表面積=(Vm×N/M)×Am/w (3)
ここで、Nはアボガドロ数(6.02×1023/mol)であり、Mは気体分子の分子量(気体分子ひとつの質量×N)、wはサンプル重量(g)である。なお、窒素(N2)の場合、Amは、0.162nm2である。Specifically, first, the single molecule adsorption amount (V m ) is obtained from the relationship between the pressure (P) and the adsorption amount (V) by using the BET formula (Brunauer, Emmet and Teller's equation). Vm is the volume (mL) of gas molecules adsorbed on the surfaces of the plurality of
Specific surface area=(V m ×N/M)×A m /w (3)
Here, N is Avogadro's number (6.02×10 23 /mol), M is the molecular weight of gas molecule (mass of one gas molecule×N), and w is sample weight (g). In the case of nitrogen (N 2 ), Am is 0.162 nm 2 .
得られた比表面積(m2/g)を複合粒子群の比表面積と定義する。The obtained specific surface area (m 2 /g) is defined as the specific surface area of the composite particle group.
[複合粒子群中の凸部露出複合粒子の個数密度]
上述のとおり、本実施形態の複合粒子群では、メジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の複合粒子1において、活物質粒子10の表面における非晶質炭素被膜30の平均被覆率が50〜90面積%であり、メジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の複合粒子1において、複数の複合粒子の総表面積に対する露出領域20の個数密度は、0.0010〜0.0500個/μm2である。[Number Density of Exposed Convex Composite Particles in Composite Particle Group]
As described above, in the composite particle group of the present embodiment, in the plurality of
複合粒子群において、非晶質炭素被膜30の平均被覆率が50〜90面積%であり、露出領域20の個数密度は、0.0010〜0.0500個/μm2である場合、さらに好ましくは、複合粒子群において、複合粒子群のメジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の複合粒子1のうち、凸部露出複合粒子の個数割合は80%以上である。In the composite particle group, when the average coverage of the
複合粒子群のメジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の複合粒子1のうちの凸部露出複合粒子の個数割合の好ましい下限は85%であり、さらに好ましくは88%であり、さらに好ましくは90%である。
The preferable lower limit of the number ratio of the convex-exposed exposed composite particles among the plurality of
[複合粒子群中の凸部露出複合粒子の個数割合の測定方法]
凸部露出複合粒子の個数割合は次の方法で測定できる。複合粒子群の任意の一部を薬匙ですくって採取する。採取した複数の複合粒子に対して、JIS Z 8825(2013)に準拠したレーザー回折散乱法により、複合粒子群のメジアン径(d50)を測定する。また、複合粒子群の一部(複数の複合粒子1)を、SEMを用いて加速電圧1.5kV、倍率1000倍で観察して、SEM画像を得る。SEM画像中の各複合粒子1において、最長径と最短径とを測定する。そして、最長径と最短径との相加平均値を、その複合粒子1の粒径(μm)と定義する。[Measurement method of number ratio of exposed convex composite particles in composite particle group]
The number ratio of the convex-part exposed composite particles can be measured by the following method. Collect any part of the complex particle group with a spoonful. The median diameter (d50) of the composite particle group is measured for the collected composite particles by a laser diffraction scattering method according to JIS Z 8825 (2013). Further, a part of the composite particle group (a plurality of composite particles 1) is observed with an SEM at an acceleration voltage of 1.5 kV and a magnification of 1000 times to obtain an SEM image. For each
SEM二次電子像中の複数の複合粒子1のうち、メジアン径(d50)以上の粒径を有する複合粒子1を30個選択する。選択された30個の各複合粒子1に対して、上述の方法により、非晶質炭素被膜30の被覆率を求める。さらに、上述の露出領域20の個数密度の測定方法により、各複合粒子1での露出領域20の個数を求める。そして、30個の各複合粒子において、非晶質炭素被膜30の被覆率が50〜90面積%であり、かつ、複数の凸部11のうち、露出領域20が1箇所以上存在する粒子を、「凸部露出複合粒子」に認定する。30個の複合粒子1中の凸部露出複合粒子の個数をカウントする。求めた凸部露出複合粒子の個数と、測定対象とした複合粒子1の個数(30個)とに基づいて、複合粒子群中の凸部露出複合粒子の個数割合(%)を求める。
From the plurality of
図8は、本発明の実施の形態による複合粒子群の、1000倍でのSEM画像である。図8中の符号1は、凸部露出複合粒子である。図8では、凸部露出複合粒子の個数割合は80%である。
FIG. 8 is an SEM image at 1000× of a composite particle group according to an embodiment of the present invention.
[複合粒子群の好ましいメジアン径(d50)]
複合粒子群のメジアン径は特に限定されない。複合粒子群の好ましいメジアン径(d50)は1〜50μmである。メジアン径(d50)が1μm以上の場合、比表面積が大きくなりすぎない。この場合、露出領域20を適切に形成しやすい。そのため、急速充電性能がさらに高まる。一方、複合粒子群のメジアン径(d50)が50μm以下である場合、平坦かつ薄い負極を作製することができる。[Preferred median diameter of composite particle group (d50)]
The median diameter of the composite particle group is not particularly limited. The preferable median diameter (d50) of the composite particle group is 1 to 50 μm. When the median diameter (d50) is 1 μm or more, the specific surface area does not become too large. In this case, the exposed
複合粒子群のメジアン径(d50)のさらに好ましい下限は3μmであり、さらに好ましくは5μmである。複合粒子群のメジアン径(d50)のさらに好ましい上限は45μmであり、さらに好ましくは40μmであり、さらに好ましくは35μmであり、さらに好ましくは30μmである。 The more preferable lower limit of the median diameter (d50) of the composite particle group is 3 μm, and more preferably 5 μm. The more preferable upper limit of the median diameter (d50) of the composite particle group is 45 μm, more preferably 40 μm, further preferably 35 μm, and further preferably 30 μm.
[複合粒子群のメジアン径(d50)の測定方法]
複合粒子群のメジアン径(d50)は次の方法で求める。複合粒子群の任意の一部を薬匙ですくって採取する。採取した複数の複合粒子に対して、JIS Z 8825(2013)に準拠して、レーザー回折散乱法により、複合粒子群のメジアン径(d50)を測定する。測定における分散媒は、アルキルグリコキシドを含んだ界面活性剤を0.1質量%添加した水とする。分散方法は超音波で5分とする。全粒子の体積に対する累積体積が50%になるときの粒径(レーザー回折散乱法による体積平均粒径)を、複合粒子群の平均粒径(メジアン径)とする。[Measurement method of median diameter (d50) of composite particle group]
The median diameter (d50) of the composite particle group is obtained by the following method. Collect any part of the complex particle group with a spoonful. The median diameter (d50) of the composite particle group is measured by a laser diffraction scattering method based on JIS Z 8825 (2013) for the collected composite particles. The dispersion medium in the measurement is water containing 0.1% by mass of a surfactant containing alkylglycoxide. The dispersion method is ultrasonic waves for 5 minutes. The average particle size (median size) of the composite particle group is defined as the particle size (volume average particle size by the laser diffraction scattering method) when the cumulative volume of all particles is 50%.
[複合粒子群の用途]
本実施形態の複合粒子群は、電極、特に非水電解質二次電池の負極を構成する負極活物質粒子群として使用できる。また、非水電解質二次電池において、負極を構成する負極活物質を金属リチウムとし、本実施形態の複合粒子群を正極活物質粒子群として使用することもできる。[Uses of composite particle group]
The composite particle group of the present embodiment can be used as an electrode, especially as a negative electrode active material particle group constituting a negative electrode of a non-aqueous electrolyte secondary battery. Further, in the non-aqueous electrolyte secondary battery, the negative electrode active material forming the negative electrode may be metallic lithium, and the composite particle group of the present embodiment may be used as the positive electrode active material particle group.
[負極活物質粒子群]
本実施形態の負極活物質粒子群は、複数の負極活物質材からなる。ここで、「複数の負極活物質材からなる」とは、不純物の混入を許容する。具体的には、本実施形態の負極活物質粒子群の質量%における99%以上は、複数の負極活物質材である。[Negative electrode active material particle group]
The negative electrode active material particle group of the present embodiment is composed of a plurality of negative electrode active material materials. Here, "comprising a plurality of negative electrode active material materials" allows the mixing of impurities. Specifically, 99% or more in the mass% of the negative electrode active material particle group of the present embodiment is a plurality of negative electrode active material materials.
本実施形態の負極活物質粒子群は、上述の複合粒子群を含有する。負極活物質粒子群は、複合粒子群以外の他の複数の負極活物質材を含有してもよい。複合粒子群以外の他の負極活物質材はたとえば、次の第1群〜第6群から選択される1種以上である。
第1群:黒鉛、アモルファス炭素、高分子化合物焼成体(たとえばフェノール樹脂及びフラン樹脂等を焼成し炭素化したもの等)からなる群から選択される1種以上
第2群:コークス類(たとえば、ピッチコークス、ニードルコークス及び石油コークスからなる群から選択される1種以上)
第3群:炭素繊維
第4群:導電性高分子(たとえばポリアセチレン及びポリピロールからなる群から選択される1種以上)
第5群:金属粒子(たとえば、スズ、シリコン、リチウム−スズ合金、リチウム−シリコン合金、リチウム−アルミニウム合金及びリチウム−アルミニウム−マンガン合金からなる群から選択される1種以上)
第6群:リチウムと遷移金属との複合酸化物(たとえばLi4Ti5O12)The negative electrode active material particle group of the present embodiment contains the composite particle group described above. The negative electrode active material particle group may contain a plurality of negative electrode active material materials other than the composite particle group. The negative electrode active material other than the composite particle group is, for example, one or more kinds selected from the following first to sixth groups.
First group: at least one selected from the group consisting of graphite, amorphous carbon, and a fired polymer compound (for example, one obtained by firing and carbonizing a phenol resin, a furan resin, etc.) Second group: Cokes (for example, One or more selected from the group consisting of pitch coke, needle coke and petroleum coke)
Group 3: Carbon fiber Group 4: Conductive polymer (for example, one or more selected from the group consisting of polyacetylene and polypyrrole)
Fifth group: metal particles (for example, one or more selected from the group consisting of tin, silicon, lithium-tin alloy, lithium-silicon alloy, lithium-aluminum alloy, and lithium-aluminum-manganese alloy).
Group 6: Complex oxide of lithium and transition metal (for example, Li 4 Ti 5 O 12 ).
つまり、本実施形態の負極活物質粒子群は、複合粒子群と、上記第1群〜第6群から選択された1種以上とからなり、残部が不純物であってもよい。 That is, the negative electrode active material particle group of the present embodiment may be composed of the composite particle group and one or more kinds selected from the first group to the sixth group, and the balance may be impurities.
本実施形態の負極活物質粒子群では、好ましくは、メジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の負極活物質材において、上述の複合粒子群の割合は70%以上である。この場合、負極活物質粒子群は、高い初回放電効率及び優れた急速充電性能を有する。負極活物質粒子群中の複合粒子群の割合の好ましい下限は80%であり、さらに好ましくは85%であり、さらに好ましくは90%であり、さらに好ましくは95%であり、最も好ましくは100%(つまり、負極活物質粒子群=上述の複合粒子群)である。 In the negative electrode active material particle group of the present embodiment, preferably, in a plurality of negative electrode active material materials having a particle size of median diameter (d50) or more, the ratio of the above-mentioned composite particle group is 70% or more. In this case, the negative electrode active material particle group has high initial discharge efficiency and excellent rapid charging performance. The preferable lower limit of the ratio of the composite particle group in the negative electrode active material particle group is 80%, more preferably 85%, further preferably 90%, further preferably 95%, most preferably 100%. (That is, the negative electrode active material particle group=the above-mentioned composite particle group).
[負極活物質粒子群中の複合粒子群の割合の測定方法]
負極活物質粒子群中の複合粒子群の割合は次の方法で測定できる。負極活物質粒子群の任意の一部を薬匙ですくって採取する。採取した複数の負極活物質材に対して、JIS Z 8825(2013)に準拠したレーザー回折散乱法により、複数の負極活物質材のメジアン径(d50)を測定する。また、負極活物質粒子群の一部(複数の負極活物質材)を、SEMを用いて加速電圧1.5kV、倍率1000倍で観察して、SEM画像を得る。SEM画像中の各負極活物質材において、最長径と最短径とを測定する。そして、最長径と最短径との相加平均値を、その負極活物質材の粒径(μm)と定義する。[Method of measuring ratio of composite particle group in negative electrode active material particle group]
The ratio of the composite particle group in the negative electrode active material particle group can be measured by the following method. Scoop and collect any part of the negative electrode active material particles. The median diameters (d50) of the plurality of negative electrode active material materials are measured by a laser diffraction/scattering method based on JIS Z 8825 (2013) for the plurality of collected negative electrode active material materials. Further, a part of the negative electrode active material particle group (a plurality of negative electrode active material materials) is observed with an SEM at an acceleration voltage of 1.5 kV and a magnification of 1000 times to obtain an SEM image. The longest diameter and the shortest diameter of each negative electrode active material in the SEM image are measured. Then, the arithmetic mean value of the longest diameter and the shortest diameter is defined as the particle diameter (μm) of the negative electrode active material.
SEM画像中の複数の負極活物質材のうち、メジアン径(d50)以上の粒径を有する負極活物質材を少なくとも30個選択する。選択された各負極活物質材の中から、複合粒子1を、次の方法で特定する。エネルギー分散型X線分析(EDS)により、負極活物質材の点分析を実施する。測定元素種に、複合粒子1に含まれる元素である炭素(C)、及び、活物質粒子に含まれる元素(Cu、Sn、Siなど)が検出された場合、その負極活物質材を、複合粒子1と特定する。
At least 30 negative electrode active material materials having a particle diameter of the median diameter (d50) or more are selected from the plurality of negative electrode active material materials in the SEM image. The
特定された複数の複合粒子1に対してさらに、上述の方法により、非晶質炭素被膜30の平均被覆率と、露出領域20の個数密度とを求める。そして、特定された複数の複合粒子1が、複合粒子群に相当するか否か、つまり、特定された複数の複合粒子1のうち、メジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の複合粒子1の非晶質炭素の被覆率が50〜90面積%であり、かつ、露出領域20の個数密度が0.0010〜0.0500個/μm2であるか否かを判断する。Further, the average coverage rate of the
特定された複数の複合粒子1のうち、メジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の複合粒子1の非晶質炭素被膜30の被覆率が50〜90面積%であり、かつ、露出領域20の個数密度が0.0010〜0.0500個/μm2である場合、複数の複合粒子1を複合粒子群と認定する。そして、複合粒子群を構成する複合粒子1の個数を、30個の負極活物質材で除した値を、複合粒子群の割合(%)と定義する。Of the plurality of specified
[負極]
本実施形態の負極は、活物質支持部材と、負極合剤層とを含有する。負極合剤層は、負極活物質粒子群と、負極活物質粒子群が分散された結着剤とを含有する。負極活物質粒子群は、複合粒子群を含有する。[Negative electrode]
The negative electrode of the present embodiment contains an active material supporting member and a negative electrode mixture layer. The negative electrode mixture layer contains a negative electrode active material particle group and a binder in which the negative electrode active material particle group is dispersed. The negative electrode active material particle group contains a composite particle group.
[負極合剤層]
負極合剤層は、上述の負極活物質粒子群と、結着剤とを含有する。[Negative electrode mixture layer]
The negative electrode mixture layer contains the above-mentioned negative electrode active material particle group and a binder.
結着剤には、負極活物質粒子群が分散している。つまり、結着剤の内部には、複数の負極活物質材が分散している。結着剤は周知の構成で足りる。結着剤はたとえば、非水溶性樹脂であって電池の非水電解質に使用される溶媒に不溶なもの、水溶性樹脂、及び、スチレンブタジエンラバー(SBR)からなる群から選択される1種以上からなる。非水溶性樹脂であって電池の非水電解質に使用される溶媒に不溶なものは、たとえば、ポリイミド(PI)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、及び、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)からなる群から選択される1種以上である。水溶性樹脂はたとえば、カルボキシメチルセルロース(CMC)及びポリビニルアルコール(PVA)からなる群から選択される1種以上からなる。 A negative electrode active material particle group is dispersed in the binder. That is, a plurality of negative electrode active material materials are dispersed inside the binder. The binder may have a known configuration. The binder is, for example, one or more selected from the group consisting of water-insoluble resins that are insoluble in the solvent used for the non-aqueous electrolyte of batteries, water-soluble resins, and styrene-butadiene rubber (SBR). Consists of. Non-water-soluble resins that are insoluble in the solvent used for the non-aqueous electrolyte of the battery include, for example, polyimide (PI), polyvinylidene fluoride (PVDF), polymethyl methacrylate (PMMA), and polytetrafluoroethylene. It is one or more selected from the group consisting of (PTFE). The water-soluble resin is, for example, one or more selected from the group consisting of carboxymethyl cellulose (CMC) and polyvinyl alcohol (PVA).
活物質支持部材は薄膜状又はプレート状の支持体である。活物質支持部材の表面に負極合剤層が形成される。活物質支持部材は金属からなる。活物質支持部材はたとえば、Cu、Ni、ステンレス等の周知の材料からなる。リチウムイオン二次電池用途の負極の場合、好ましくは、活物質支持部材はCuからなる。Cuはリチウムと合金を形成しにくく、かつ、薄膜に形成しやすいためである。 The active material support member is a thin film-shaped or plate-shaped support. A negative electrode mixture layer is formed on the surface of the active material supporting member. The active material support member is made of metal. The active material support member is made of a well-known material such as Cu, Ni, and stainless steel. In the case of the negative electrode for lithium ion secondary battery use, the active material supporting member is preferably made of Cu. This is because Cu does not easily form an alloy with lithium and is easily formed into a thin film.
負極合剤層は、負極合剤に水等の溶媒を加えた負極合剤スラリを活物質支持部材に塗布して乾燥することにより形成される。 The negative electrode mixture layer is formed by applying a negative electrode mixture slurry prepared by adding a solvent such as water to the negative electrode mixture to the active material supporting member and drying it.
負極に用いられている負極活物質材(複合粒子、凸部露出複合粒子)は、スパチュラを用いて活物質支持部材の表面に付着している負極合剤層を削ることにより、取り出すことができる。なお、複合粒子において、削ることによる、非晶質炭素被膜30の活物質粒子10からの剥離は無視できるほど少ない。
The negative electrode active material material (composite particles, convex portion exposed composite particles) used for the negative electrode can be taken out by shaving the negative electrode material mixture layer adhering to the surface of the active material supporting member using a spatula. .. In the composite particles, peeling of the
負極合剤層中の負極活物質粒子群は複合粒子群であってもよい。この場合、複合粒子群(複数の複合粒子1)において、メジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の複合粒子のうち、凸部露出複合粒子の好ましい個数割合は80%以上であり、さらに好ましくは90%以上である。 The negative electrode active material particle group in the negative electrode mixture layer may be a composite particle group. In this case, in the composite particle group (a plurality of composite particles 1), of the plurality of composite particles having a median diameter (d50) or more, the preferable number ratio of the convex-exposed composite particles is 80% or more, and It is preferably 90% or more.
負極合剤層中の負極活物質粒子群が、複合粒子群だけではなく、複合粒子群と、他の負極活物質材とを含有する場合、負極活物質粒子群のうち、複合粒子群の好ましい割合は70%以上であり、さらに好ましくは80%以上であり、さらに好ましくは90%以上である。 When the negative electrode active material particle group in the negative electrode mixture layer contains not only the composite particle group but also the composite particle group and another negative electrode active material material, the composite particle group of the negative electrode active material particle group is preferable. The ratio is 70% or more, more preferably 80% or more, and further preferably 90% or more.
[電池]
本実施形態の電池は、非水電解質二次電池である。本実施形態の電池は、上述の負極と、正極と、セパレータと、電解質とを備える。[battery]
The battery of this embodiment is a non-aqueous electrolyte secondary battery. The battery of this embodiment includes the above-mentioned negative electrode, positive electrode, separator, and electrolyte.
本実施形態の電池の形状は、円筒形、角形であってもよいし、コイン型、シート型等でもよい。 The shape of the battery of the present embodiment may be cylindrical, prismatic, coin-shaped, sheet-shaped or the like.
正極は、周知の構成を有すれば足りる。好ましくは、正極は、金属イオンを含有する遷移金属化合物を活物質として含有する。さらに好ましくは、正極は、リチウム(Li)含有遷移金属化合物を活物質として含有する。Li含有遷移金属化合物はたとえば、LiM1−xM’xO2、及び/又は、LiM2yM’O4である。ここで、式中、0≦x、y≦1であり、M及びM’はそれぞれ、バリウム(Ba)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、クロム(Cr)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、鉄(Fe)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、インジウム(In)、スズ(Sn)、スカンジウム(Sc)及びイットリウム(Y)からなる群から選択される一種以上である。The positive electrode need only have a known configuration. Preferably, the positive electrode contains a transition metal compound containing a metal ion as an active material. More preferably, the positive electrode contains a lithium (Li)-containing transition metal compound as an active material. The Li-containing transition metal compound is, for example, LiM 1 -xM′ x O 2 and/or LiM 2 yM′O 4 . Here, in the formula, 0≦x and y≦1, and M and M′ are barium (Ba), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), chromium (Cr), titanium ( Ti), vanadium (V), iron (Fe), zinc (Zn), aluminum (Al), indium (In), tin (Sn), scandium (Sc) and yttrium (Y). That is all.
本実施形態の電池は、上記構成を有する正極として、遷移金属カルコゲン化物、バナジウム酸化物及びそのリチウム(Li)化合物、ニオブ酸化物及びそのリチウム化合物、有機導電性物質を用いた共役系ポリマー、シェプレル相化合物、活性炭、及び、活性炭素繊維等、といった他の周知の正極を備えてもよい。 The battery according to the present embodiment has, as the positive electrode having the above-described configuration, a transition metal chalcogenide, a vanadium oxide and a lithium (Li) compound thereof, a niobium oxide and a lithium compound thereof, a conjugated polymer using an organic conductive material, and Cheprel. Other well known positive electrodes such as phase compounds, activated carbon, activated carbon fibers and the like may be included.
電解質が電解液である場合、電解液は、一般に、支持電解質としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解させた非水系電解液である。リチウム塩はたとえば、過塩素酸リチウム(LiClO4)、ホウフッ化リチウム(LiBF4)、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)、LiAsF6、LiB(C6H5)、LiCF3SO3、LiCH3SO3、Li(CF3SO2)2N、LiC4F9SO3、Li(CF2SO2)2、LiCl、LiBr、及び、LiI等である。これらは、単独で用いられてもよいし、組み合わせて用いられてもよい。有機溶媒は、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、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどの炭酸エステル類が好ましい。ただし、カルボン酸エステル、エーテルをはじめとする他の各種の有機溶媒も使用可能である。これらの有機溶媒は、単独で用いられてもよいし、組み合わせて用いられてもよい。電解質が固体電解質である場合、本実施形態の電池は、たとえば、ポリマー電池、全固体電池等である。When the electrolyte is an electrolytic solution, the electrolytic solution is generally a non-aqueous electrolytic solution in which a lithium salt as a supporting electrolyte is dissolved in an organic solvent. Examples of the lithium salt include lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium borofluoride (LiBF 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), LiAsF 6 , LiB(C 6 H 5 ), LiCF 3 SO 3 , and LiCH 3. SO 3, Li (CF 3 SO 2) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3, Li (CF 2 SO 2) 2, LiCl, LiBr, and a LiI or the like. These may be used alone or in combination. As the organic solvent, carbonic acid esters such as propylene carbonate, ethylene carbonate, ethylmethyl carbonate, dimethyl carbonate and diethyl carbonate are preferable. However, various other organic solvents such as carboxylic acid ester and ether can also be used. These organic solvents may be used alone or in combination. When the electrolyte is a solid electrolyte, the battery of this embodiment is, for example, a polymer battery or an all-solid battery.
セパレータは、正極及び負極の間に設置される。セパレータは絶縁体としての役割を果たす。セパレータはさらに、電解質の保持にも大きく寄与する。セパレータは周知の構成で足りる。セパレータはたとえば、ポリオレフィン系材質であるポリプロピレン、ポリエチレン、又はその両者の混合物、もしくは、ガラスフィルターなどの多孔体である。 The separator is installed between the positive electrode and the negative electrode. The separator acts as an insulator. The separator also contributes significantly to the retention of the electrolyte. The separator may have a known configuration. The separator is, for example, a polyolefin material such as polypropylene, polyethylene, a mixture of both, or a porous body such as a glass filter.
電池を分解して負極を取り出し、スパチュラを用いて負極を削ることにより、上述のとおり、複合粒子1を取り出すことができる。削ることによる、非晶質炭素被膜30の活物質粒子10からの剥離は無視できるほど少ない。
The
[複合粒子群の製造方法]
本実施形態の複合粒子群の製造方法の一例を説明する。なお、本実施形態の複合粒子群は、以下に説明する製造方法に限定されない。複数の凸部11を有する活物質粒子10と、非晶質炭素被膜30と、を備え、活物質粒子10の表面における非晶質炭素被膜30の平均被覆率が50〜90面積%であり、露出領域20の個数密度が0.0010〜0.0500個/μm2であれば、本実施形態の複合粒子群は、下記の製造方法以外の他の方法により製造されてもよい。[Method for producing composite particle group]
An example of the method for producing the composite particle group of the present embodiment will be described. The composite particle group of the present embodiment is not limited to the manufacturing method described below. An
本実施形態の複合粒子群の製造方法は、複数の凸部11を有する活物質粒子10と、非晶質炭素被膜30の原料となる炭素源とを準備する工程(準備工程)と、活物質粒子10及び炭素源とを、乾式粒子複合化装置を用いて混合及び複合化する工程(複合化処理工程)とを備える。以下、各工程について詳細に説明する。
The method for manufacturing a composite particle group according to the present embodiment includes a step of preparing
[準備工程]
準備工程では、複数の活物質粒子10と、非晶質炭素被膜30の原料となる炭素源とを準備する。[Preparation process]
In the preparation step, a plurality of
[活物質粒子10の準備]
複数の活物質粒子10は第三者から供給されたものを利用してもよいし、製造してもよい。製造する場合、活物質粒子10はたとえば、溶湯を急冷して製造する。溶湯を急冷する方法はたとえば、ロール冷却法、ガスアトマイズ法、回転液中紡糸法、メルトスピニング法等である。[Preparation of Active Material Particles 10]
The plurality of
好ましくは、活物質粒子10は次の方法で製造する。上述の金属活物質の成分を有する溶湯を製造する。溶湯は、アーク溶解、抵抗加熱溶解等の周知の溶解方法により、原料を溶解して製造する。
Preferably, the
上記溶湯を用いて、金属活物質を製造する。金属活物質の製造方法はたとえば、インゴット鋳造法、ストリップキャスティング法及びメルトスピン法である。金属活物質を急冷によって製造する場合は、生産効率を考慮してたとえば、図9に示す製造装置100を用いて金属薄帯600を製造する。図9は、活物質粒子10の金属活物質の製造装置100の模式図である。製造装置100は、冷却ロール200と、タンディッシュ300と、ブレード部材400とを備える。
A metal active material is manufactured using the molten metal. The method for producing the metal active material is, for example, an ingot casting method, a strip casting method and a melt spin method. When the metal active material is manufactured by quenching, the
冷却ロール200は、外周面を有し、回転しながら外周面上の溶湯500を冷却して凝固させる。冷却ロール200は、駆動源により冷却ロール200の中心軸周りに回転する。図9に示すRDは、冷却ロール200の回転方向である。金属薄帯600を製造する際、冷却ロール200は回転方向RDに回転する。これにより、図9では、冷却ロール200と接触した溶湯500が冷却ロール200の外周面上で一部凝固し、冷却ロール200の回転に伴い移動する。タンディッシュ300は、溶湯500を収納可能であり、冷却ロール200の外周面上に溶湯500を供給する。
The
ブレード部材400は、タンディッシュ300よりも冷却ロール200の回転方向下流に、冷却ロール200の外周面との間に隙間を設けて配置される。ブレード部材400は、タンディッシュ300とは別部材であり、タンディッシュ300から離れて、冷却ロール200の回転方向RDの下流に配置される。ブレード部材400は、冷却ロール200の外周面上の溶湯500の厚さを、冷却ロール200の外周面とブレード部材400との間の隙間の厚さに規制して、金属薄帯600を製造する。溶湯500の厚さをブレード部材400と冷却ロール200との隙間の厚さに制限し、かつ、溶湯500を冷却ロール200とブレード部材400とで冷却する。これにより、溶湯500が急冷され、金属薄帯600が製造される。
The
製造された金属薄帯600に対してメカニカルアロイング処理(MA処理)を実施して、複数の凸部11を有する活物質粒子10を製造する。メカニカルアロイング装置はたとえば、高速遊星ミルである。高速遊星ミルの一例は、株式会社栗本鐵工所製の商品名ハイジーBXである。MA処理時において、活物質粒子10を球状化せずに、活物質粒子10を、複数の凸部11を有する形状とする。
Mechanical alloying treatment (MA treatment) is performed on the manufactured
[炭素源の準備]
準備工程では、活物質粒子10だけでなく、炭素源を準備する。準備する炭素源の量(炭素源の添加量)は、炭素源に応じて選択する。好ましい炭素源の添加量は、活物質粒子10を100質量%として、0.01〜15.00質量%である。炭素源の添加量が0.01質量%以上であれば、非晶質炭素被膜30により、十分に活物質粒子10を被覆することができる。つまり、非晶質炭素被膜30の被覆率が50面積%以上となる。また、炭素源の添加量が15.00質量%以下であれば、被覆率を90面積%以下とするために十分な量の非晶質炭素被膜30を得ることができる。したがって、活物質粒子10に対する好ましい炭素源添加量は、活物質粒子を100質量%として、0.01〜15.00質量%である。活物質粒子10に対する炭素源添加量のさらに好ましい下限は、0.10質量%であり、さらに好ましくは1.00質量%である。活物質粒子10に対する炭素源添加量のさらに好ましい上限は、12.00質量%であり、さらに好ましくは10.00質量%である。[Preparation of carbon source]
In the preparation step, not only the
[複合化処理工程]
複合化処理工程では、準備した活物質粒子10及び炭素源を、乾式粒子複合化装置を用いて、混合及び複合化する。ここで、複合化とは、核となる物質の粒子(母粒子:本実施形態では活物質粒子10に相当)と、母粒子とは異なる物質であって、かつ母粒子より小さい粒子(子粒子:本実施形態では炭素源に相当)との混合物に、圧縮、剪断、摩擦及び衝撃等の機械的エネルギーを加えることにより、バインダーを用いることなく、母粒子を多数の子粒子で被覆して、複合粒子を生成することを意味する。[Complexing process step]
In the composite treatment step, the prepared
乾式粒子複合化装置は、複合化を実施する装置である。つまり、乾式粒子複合化装置は、核となる物質の粒子(以下、母粒子という)と、母粒子とは異なる物質であって、かつ母粒子より小さい粒子(以下、子粒子という)との混合物に、圧縮、剪断、摩擦及び衝撃等の機械的エネルギーを加えることにより、バインダーを用いることなく、母粒子を多数の子粒子で被覆し、複合粒子を製造する装置である。乾式粒子複合化装置はたとえば、ホソカワミクロン株式会社製のノビルタミニNOB−MINI(商標)、ノビルタNOB(登録商標)又はノビルタNOB(登録商標)等である。 The dry particle compounding device is a device for performing compounding. In other words, the dry particle compounding apparatus is a mixture of particles of a substance serving as a core (hereinafter referred to as mother particles) and particles different from the mother particles and smaller than the mother particles (hereinafter referred to as child particles). Is a device for producing composite particles by applying mechanical energy such as compression, shearing, friction and impact to the mother particles to coat them with a large number of child particles without using a binder. The dry particle composite device is, for example, Nobilta Mini NOB-MINI (trademark), Nobilta NOB (registered trademark) or Nobilta NOB (registered trademark) manufactured by Hosokawa Micron Corporation.
従来は、メカノフュージョン法や、メカニカルアロイング法、メカニカルグラインディング法、二段階焼成法により、活物質粒子に被膜を形成していた。メカノフュージョン法はたとえば、ホソカワミクロン株式会社のメカノフュージョン(商標)を用いて実施される。メカニカルアロイング法はたとえば、振動ミルを用いる。メカニカルグラインディング法はたとえば、遊星ボールミルを用いる。これらの従来の方法では、活物質粒子10の全体に非晶質炭素被膜30を形成するのではなく、活物質粒子10の表面に部分的に非晶質炭素被膜30を形成する。そのため、活物質粒子10の凸部11を選択的に露出させることが困難であった。
Conventionally, a film is formed on the active material particles by a mechanofusion method, a mechanical alloying method, a mechanical grinding method, or a two-step firing method. The mechanofusion method is performed using, for example, Mechanofusion (trademark) manufactured by Hosokawa Micron Corporation. The mechanical alloying method uses, for example, a vibration mill. The mechanical grinding method uses, for example, a planetary ball mill. In these conventional methods, the amorphous
これに対して、本実施形態の複合化処理工程では、活物質粒子10の全表面にいったん非晶質炭素被膜30を形成する。その後、活物質粒子10の凸部11にいったん形成された非晶質炭素被膜30を削って、露出領域20を形成する。より具体的には、乾式粒子複合化装置を用いて、複合化処理を実施した場合、活物質粒子10の表面全体に非晶質炭素被膜30がいったん形成される。本実施形態では、その後も複合化処理を継続する。この場合、複合粒子の凸部11は、凸部11以外の部分よりも衝突回数が多くなる。そのため、衝突により、凸部11の非晶質炭素被膜30が剥離する。その結果、露出領域20を形成することができる。
On the other hand, in the composite treatment step of the present embodiment, the
ノビルタミニNOB−MINI(登録商標)又はノビルタNOB(登録商標)等の乾式粒子複合化装置は、特殊なロータ形状を有することが知られている。この特殊なロータ形状により、複合粒子1同士の衝突回数が、従来方法よりも多くなる。そのため、乾式粒子複合化装置を用いれば、複合化処理における製造条件を以下の条件とすることにより、いったん非晶質炭素被膜30により被覆された複合粒子1の凸部11の非晶質炭素被膜30を、選択的に削ることができる。
It is known that dry particle compounding devices such as the Nobilta Mini NOB-MINI® or Nobilta NOB® have a special rotor shape. Due to this special rotor shape, the number of collisions of the
複合化処理工程では、複合化処理工程時の処理時間をX(分)と定義し、乾式粒子複合化装置のロータの周速をY(m/秒)と定義したとき、式(1)を満たす条件で、複数の凸部11を有する活物質粒子10及び炭素源に対して複合化処理を実施する。
−1.0X+20≦Y≦−1.0X+50 (1)In the compounding process step, when the processing time at the compounding process step is defined as X (minutes) and the peripheral speed of the rotor of the dry particle compounding device is defined as Y (m/sec), the formula (1) is defined as Under the conditions that satisfy the conditions, the composite treatment is performed on the
-1.0X+20≤Y≤-1.0X+50 (1)
F1=−1.0X+20と定義する。F1は、式(1)の左辺である。乾式粒子複合化装置のロータ周速YがF1未満であれば、乾式粒子複合化装置のロータ周速が遅すぎる、又は、複合化処理工程時の処理時間Xが短すぎる。この場合、非晶質炭素被膜30の平均被覆率が50面積%未満となったり、90面積%を超えたりする。また、複合粒子1の凸部11に被覆された非晶質炭素被膜30が十分に剥離せず、露出領域20が1つも生成しなかったりする。その結果、本実施形態の複合粒子群が製造されない。
It is defined as F1=-1.0X+20. F1 is the left side of Expression (1). If the rotor peripheral speed Y of the dry particle composite apparatus is less than F1, the rotor peripheral speed of the dry particle composite apparatus is too slow, or the processing time X in the composite processing step is too short. In this case, the average coverage of the
F2=−1.0X+50と定義する。F2は、式(1)の右辺である。乾式粒子複合化装置のロータ周速YがF2を超えれば、乾式粒子複合化装置のロータ周速が速すぎる、又は、複合化処理工程時の処理時間Xが長すぎる。この場合、粒子同士の衝突回数が過度に多くなる。その結果、非晶質炭素被膜30の平均被覆率が50面積%未満となる。
It is defined as F2=-1.0X+50. F2 is the right side of equation (1). If the rotor peripheral speed Y of the dry particle composite apparatus exceeds F2, the rotor peripheral speed of the dry particle composite apparatus is too fast, or the processing time X in the composite processing step is too long. In this case, the number of collisions between particles becomes excessively large. As a result, the average coverage of the
図10は、本実施形態による複合粒子群の製造条件において、乾式粒子複合化装置のロータの周速Y(m/秒)と、複合化処理工程時の処理時間X(分)と、メジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の複合粒子1の非晶質炭素被膜30の平均被覆率が50〜90面積%であり、かつ、露出領域20の個数密度が0.0010〜0.0500個/μm2である本実施形態の複合粒子群が製造できたか否かとの関係を示す図である。図10中の「●」印は、本実施形態の複合粒子群が製造できたことを意味する。図10中の「×」印は、本実施形態の複合粒子群が製造できなかったことを意味する。破線F1は、複合化処理工程時の処理時間をX(分)とし、乾式粒子複合化装置の周速をY(m/秒)としたときに、F1=−1.0X+20を示す直線である。破線F2は、F2=−1.0X+50を示す直線である。図10を参照して、ロータ周速Yが、F1以上、かつ、F2以下であれば、本実施形態の複合粒子群を製造できる。FIG. 10 shows the peripheral speed Y (m/sec) of the rotor of the dry particle composite apparatus, the processing time X (minutes) in the composite processing step, and the median diameter under the manufacturing conditions of the composite particle group according to the present embodiment. The average coverage of the
したがって、複合化処理工程では、複合化処理工程時の処理時間X(分)、及び、乾式粒子複合化装置のロータの周速Y(m/秒)が式(1)を満たす条件で、複合化処理を実施する。
−1.0X+20≦Y≦−1.0X+50 (1)Therefore, in the compounding process step, the compounding process is performed under the condition that the processing time X (minute) at the compounding process step and the peripheral speed Y (m/sec) of the rotor of the dry particle compounding device satisfy the formula (1). The conversion process is carried out.
-1.0X+20≤Y≤-1.0X+50 (1)
複合化処理工程時の処理時間Xの好ましい下限は5分であり、さらに好ましくは7分であり、さらに好ましくは10分である。処理時間Xの好ましい上限は30分であり、さらに好ましくは25分であり、さらに好ましくは20分である。 The preferable lower limit of the treatment time X in the complexing treatment step is 5 minutes, more preferably 7 minutes, and further preferably 10 minutes. The preferable upper limit of the treatment time X is 30 minutes, more preferably 25 minutes, further preferably 20 minutes.
乾式粒子複合化装置のロータ周速Yの好ましい下限は10m/秒であり、さらに好ましくは12m/秒であり、さらに好ましくは14m/秒である。ロータ周速Yの好ましい上限は35m/秒であり、さらに好ましくは30m/秒であり、さらに好ましくは25m/秒であり、さらに好ましくは20m/秒である。 A preferable lower limit of the rotor peripheral speed Y of the dry particle compounding device is 10 m/sec, more preferably 12 m/sec, and further preferably 14 m/sec. The preferable upper limit of the rotor peripheral speed Y is 35 m/sec, more preferably 30 m/sec, further preferably 25 m/sec, and further preferably 20 m/sec.
以上の製造工程により、複合粒子群が製造される。なお製造条件を調整することにより、複合粒子群中の非晶質炭素被膜30の平均被覆率、及び、露出領域20の個数密度を調整できる。
A composite particle group is manufactured by the above manufacturing process. By adjusting the manufacturing conditions, the average coverage of the
[負極活物質粒子群の製造方法]
複合粒子群を用いて、又は、複合粒子群以外の他の負極活物質材とを混合して、負極活物質粒子群を製造する。上述のとおり、負極活物質粒子群は、複合粒子群を含む、負極活物質粒子群は、複合粒子群のみで構成されていてもよいし、複合粒子群と、複合粒子群以外の他の複数の負極活物質材からなる群であってもよい。[Method for producing negative electrode active material particle group]
A negative electrode active material particle group is manufactured using the composite particle group or by mixing with a negative electrode active material material other than the composite particle group. As described above, the negative electrode active material particle group includes the composite particle group, the negative electrode active material particle group may be composed of only the composite particle group, or the composite particle group and a plurality of other than the composite particle group. It may be a group consisting of the negative electrode active material.
[負極の製造方法]
本実施形態の負極の製造方法の一例は次のとおりである。上述の負極活物質粒子群に結着剤を混合して、負極合剤を製造する。[Negative electrode manufacturing method]
An example of the method of manufacturing the negative electrode of this embodiment is as follows. The negative electrode active material particles are mixed with a binder to produce a negative electrode mixture.
負極合剤に水などの溶媒を加えて、負極合剤スラリを製造する。具体的には、負極合剤及び溶媒を混合した混合物を、必要に応じてホモジナイザ又はガラスビーズを用いて、十分に攪拌して、負極合剤スラリを製造する。この負極合剤スラリを活物質支持部材の表面上に塗布して乾燥して、活物質支持部材上に負極合剤層を形成する。さらに、必要に応じて、乾燥後の活物質支持部材及び負極合剤層に対してプレスを実施する。以上の工程により、負極を製造する。 A solvent such as water is added to the negative electrode mixture to produce a negative electrode mixture slurry. Specifically, the mixture obtained by mixing the negative electrode mixture and the solvent is sufficiently stirred using a homogenizer or glass beads as necessary to produce a negative electrode mixture slurry. This negative electrode material mixture slurry is applied onto the surface of the active material supporting member and dried to form a negative electrode material mixture layer on the active material supporting member. Further, if necessary, the active material supporting member and the negative electrode mixture layer after drying are pressed. The negative electrode is manufactured through the above steps.
[電池の製造方法]
周知の方法により、上述の負極と、セパレータと、正極とを積層した積層物を製造する。積層物をケースに収め、電池を製造する。[Battery manufacturing method]
A known method is used to produce a laminate in which the above-described negative electrode, separator, and positive electrode are laminated. The laminate is put in a case to manufacture a battery.
実施例により本実施形態の複合粒子群の効果をさらに具体的に説明する。以下の実施例での条件は、本実施形態の複合粒子群の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例である。したがって、本実施形態の複合粒子群はこの一条件例に限定されない。 The effects of the composite particle group of the present embodiment will be described more specifically by way of examples. The conditions in the following examples are one example of conditions adopted to confirm the feasibility and effects of the composite particle group of the present embodiment. Therefore, the composite particle group of the present embodiment is not limited to this one condition example.
[複合粒子群の準備]
[準備工程]
[活物質粒子の準備]
表1に示す組成の活物質粒子を準備した。具体的には、試験番号1〜試験番号28、試験番号31〜試験番号36、及び試験番号38については、活物質粒子が表1中の「組成」に示す化学組成となるように、溶湯を製造した。たとえば、表1の「活物質粒子」欄の「組成(at%)」欄の「Cu−20Sn−8Si」は、対応する試験番号の活物質粒子が金属活物質からなり、20at%のSnと、8at%のSiとを含有し、残部はCu及び不純物からなることを意味する。表1の「活物質粒子」欄の「組成(at%)」欄の「Cu−18Sn−17Si」は、対応する試験番号の活物質粒子が金属活物質からなり、18at%のSnと、17at%のSiとを含有し、残部はCu及び不純物からなることを意味する。試験番号29では、活物質粒子がSiからなることを意味する。試験番号30では、活物質粒子がInからなることを意味する。試験番号37では、活物質粒子がSnからなることを意味する。いずれの試験番号の活物質粒子も、金属活物質からなる粒子であった。[Preparation of composite particle group]
[Preparation process]
[Preparation of active material particles]
Active material particles having the composition shown in Table 1 were prepared. Specifically, regarding Test No. 1 to Test No. 28, Test No. 31 to Test No. 36, and Test No. 38, the molten metal was added so that the active material particles have the chemical composition shown in “Composition” in Table 1. Manufactured. For example, in “Cu-20Sn-8Si” in the “Composition (at %)” column of the “Active material particles” column in Table 1, the active material particles of the corresponding test number are made of a metal active material, and are 20 at% Sn. , 8 at% Si, and the balance is Cu and impurities. “Cu-18Sn-17Si” in the “Composition (at %)” column of the “Active material particles” column of Table 1 indicates that the active material particles of the corresponding test number are made of a metal active material, and 18 at% Sn and 17 at % Si and the balance consists of Cu and impurities. Test number 29 means that the active material particles are made of Si. Test No. 30 means that the active material particles consist of In. Test No. 37 means that the active material particles consist of Sn. The active material particles of all test numbers were particles made of a metal active material.
溶湯温度を1200℃に保持した。その後、1200度の溶湯を、ストリップキャスティング法により急冷して、厚みが75μmの金属薄帯を鋳造した。ストリップキャスティングでは、図9に示す製造装置100を用いた。具体的には、水冷式の銅製の冷却ロール200を用いた。冷却ロール200の回転速度をロール表面の周速度で300m/分とした。アルゴン雰囲気中で上述の溶湯500を、水平型タンディッシュ300(アルミナ製)を介して、回転する冷却ロール200に供給した。溶湯500を回転する冷却ロール200の表面に載せ、冷却ロール200とブレード部材400との間に挟むことにより、溶湯500を急冷凝固した。ブレード部材400と冷却ロール200との隙間の幅は80μmであった。ブレード部材400はアルミナ製であった。
The molten metal temperature was maintained at 1200°C. Then, the molten metal of 1200 degrees was rapidly cooled by a strip casting method to cast a metal ribbon having a thickness of 75 μm. In strip casting, the
得られた金属薄帯に対してさらに、粉砕処理を実施し、複数の凸部を有する活物質粒子を製造した。粉砕処理には、高速遊星ミル(株式会社栗本鐵工所製、商品名ハイジーBX)を用いた。粒径を制御するため、次のとおり、粉砕時間を調整した。回転数は500rpmとした。粉砕後さらに、ステンレス製の篩を使用して粒径が以下の粒径を超える粗大な粗粉を除去した。 The obtained metal ribbon was further crushed to produce active material particles having a plurality of protrusions. A high-speed planetary mill (Kurimoto Iron Works Co., Ltd., trade name Heidi BX) was used for the pulverization process. In order to control the particle size, the grinding time was adjusted as follows. The rotation speed was 500 rpm. After the pulverization, a coarse powder having a particle size exceeding the following particle size was further removed using a stainless steel sieve.
具体的には、試験番号1〜7、16〜24、26、31〜35、及び38では、粉砕時間を1時間とした。さらに、目開きが45μmの篩を用いた。その結果、これらの試験番号の活物質粒子の平均粒径(メジアン径d50)は20μmであった。
Specifically, in
試験番号11、12、15及び27では、粉砕時間を2時間とした。さらに、目開きが20μmの篩を用いた。その結果、これらの試験番号の活物質粒子の平均粒径(メジアン径d50)は12μmであった。 In Test Nos. 11, 12, 15 and 27, the grinding time was set to 2 hours. Further, a sieve having an opening of 20 μm was used. As a result, the average particle diameter (median diameter d50) of the active material particles of these test numbers was 12 μm.
試験番号8〜10、13、14、25及び28では、粉砕時間を5時間とした。さらに、目開きが20μmの篩を用いた。その結果、これらの試験番号の活物質粒子の平均粒径(メジアン径d50)は8μmであった。 In test numbers 8 to 10, 13, 14, 25 and 28, the crushing time was 5 hours. Further, a sieve having an opening of 20 μm was used. As a result, the average particle diameter (median diameter d50) of the active material particles of these test numbers was 8 μm.
試験番号29では、Siからなる活物質粒子を用いた。粉砕時間を5時間とし、さらに、目開きが45μmの篩を用いた。その結果、試験番号29の活物質粒子の平均粒径(メジアン径d50)は20μmであった。 In test number 29, active material particles made of Si were used. The crushing time was 5 hours, and a sieve having an opening of 45 μm was used. As a result, the average particle diameter (median diameter d50) of the active material particles of Test No. 29 was 20 μm.
試験番号30では、Inからなる活物質粒子の製造を試みた。しかしながら、Inのビッカース硬さ(HV)が低すぎたため、活物質粒子を生成することができなかった。 In Test No. 30, production of active material particles made of In was attempted. However, since the Vickers hardness (HV) of In was too low, active material particles could not be generated.
試験番号36では、粉砕時間を0.5時間とした。さらに、目開きが100μmの篩を用いた。その結果、試験番号36の活物質粒子の平均粒径(メジアン径d50)は35μmであった。 In Test No. 36, the grinding time was 0.5 hours. Furthermore, a sieve having an opening of 100 μm was used. As a result, the average particle diameter (median diameter d50) of the active material particles of Test No. 36 was 35 μm.
試験番号37では、Snからなる活物質粒子を用いた。粉砕時間を5時間とし、さらに、目開きが45μmの篩を用いた。その結果、試験番号37の活物質粒子の平均粒径(メジアン径d50)は20μmであった。 In test number 37, active material particles made of Sn were used. The crushing time was 5 hours, and a sieve having an opening of 45 μm was used. As a result, the average particle diameter (median diameter d50) of the active material particles of Test No. 37 was 20 μm.
なお、各試験番号の活物質粒子の平均粒径を次の方法で測定した。平均粒径の測定には、JIS Z 8825(2013)に準拠したレーザー回折散乱法を採用した。測定における分散媒は、アルキルグリコキシドを含んだ界面活性剤を0.1質量%添加した水とした。分散方法は超音波で5分とした。全活物質粒子の体積に対する累積体積が50%になる時の粒径(レーザー回折散乱法による体積平均粒径)を、活物質粒子の平均粒径(メジアン径)と定義した。 The average particle size of the active material particles of each test number was measured by the following method. The laser diffraction scattering method based on JIS Z 8825 (2013) was adopted for the measurement of the average particle diameter. The dispersion medium in the measurement was water containing 0.1% by mass of a surfactant containing alkylglycoxide. The dispersion method was ultrasonic waves for 5 minutes. The particle size (volume average particle size by laser diffraction scattering method) when the cumulative volume of all the active material particles was 50% was defined as the average particle size (median size) of the active material particles.
[ビッカース硬さ測定]
活物質粒子のビッカース硬さを、次の方法で測定した。液体状のエポキシ樹脂前駆体と硬化剤とに活物質材料を混合して、混合物を得た。硬化剤は市販のエポキシ樹脂硬化剤を用いた。この混合物を型に流し入れて硬化させて、硬化物を得た。型から取り出した硬化物の表面(以下、測定面という)に対して、サンドペーパーを用いて湿式研磨を実施し、活物質粒子の断面を含む測定面を形成した。活物質粒子の断面を含む測定面に対して、酸化アルミニウム粉末により研磨仕上げを行い、測定用試料とした。研磨仕上げでは、酸化アルミニウム粉末の粒径を段階的に小さくして(0.3μm、0.06μmの順に小さくして)、測定面内の活物質粒子の断面が平坦になるように研磨した。研磨後、測定面内の活物質粒子の断面のビッカース硬さを、マイクロビッカース硬度計を用いて測定した。具体的には、光学顕微鏡を用いて、圧子を活物質粒子の断面の略中央部に位置合わせし、ビッカース硬さを測定した。試験荷重は50gfとした。圧子として、ダイヤモンド製の圧子を使用した。マイクロビッカース硬度計として、商品名:明石製作所製のMVK−G2を用いた。得られたビッカース硬さを表1に示す。[Vickers hardness measurement]
The Vickers hardness of the active material particles was measured by the following method. The active material material was mixed with the liquid epoxy resin precursor and the curing agent to obtain a mixture. As the curing agent, a commercially available epoxy resin curing agent was used. This mixture was poured into a mold and cured to obtain a cured product. The surface of the cured product taken out from the mold (hereinafter referred to as the measurement surface) was wet-polished using sandpaper to form a measurement surface including the cross section of the active material particles. The measurement surface including the cross section of the active material particles was polished and finished with aluminum oxide powder to obtain a measurement sample. In the polishing finish, the particle size of the aluminum oxide powder was gradually reduced (0.3 μm and 0.06 μm in this order), and the active material particles in the measurement plane were polished to have a flat cross section. After polishing, the Vickers hardness of the cross section of the active material particles in the measurement plane was measured using a micro Vickers hardness meter. Specifically, the Vickers hardness was measured by aligning the indenter with the approximate center of the cross section of the active material particle using an optical microscope. The test load was 50 gf. A diamond indenter was used as the indenter. As the micro Vickers hardness meter, MVK-G2 manufactured by Akashi Seisakusho was used. The obtained Vickers hardness is shown in Table 1.
[炭素源の準備]
非晶質炭素被膜を形成するために、表1の「複合粒子製造時の炭素源」欄に示す炭素源を準備した。「複合粒子製造時の炭素源」欄の用語は、次の製品を使用したことを意味する。
(A)導電性カーボンブラック
商品名:SuperC65(イメリス・グラファイト&カーボン社製、比表面積:63m2/g)
(B)アセチレンブラック
商品名:HS−100(デンカ社製、比表面積:39m2/g)
(C)樹脂
商品名:ポリエチレングリコール20000(和光純薬工業社製)
(D)ケッチェンブラック
商品名:カーボンECP600JD(ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ社製、比表面積:1300m2/g)
(E)カーボンファイバー
商品名:VGCF−H(昭和電工社製、比表面積:13m2/g)[Preparation of carbon source]
In order to form an amorphous carbon film, the carbon sources shown in the column "carbon source at the time of producing composite particles" in Table 1 were prepared. The term "carbon source during the production of composite particles" means that the following products were used.
(A) Conductive carbon black Product name: SuperC65 (manufactured by Imerys Graphite & Carbon Co., specific surface area: 63 m 2 /g)
(B) Acetylene black Product name: HS-100 (manufactured by Denka Co., specific surface area: 39 m 2 /g)
(C) Resin Product name: Polyethylene glycol 20000 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
(D) Ketjen Black Product name: Carbon ECP600JD (manufactured by Lion Specialty Chemicals, specific surface area: 1300 m 2 /g)
(E) Carbon fiber Product name: VGCF-H (Showa Denko KK, specific surface area: 13 m 2 /g)
試験番号18では、炭素源として、導電性カーボンブラックと樹脂との混合物を使用したことを意味する。試験番号19では、アセチレンブラックと樹脂との混合物を使用したことを意味する。試験番号20では、ケッチェンブラックと樹脂との混合物を使用したことを意味する。試験番号26〜28では、炭素源を使用しなかったことを意味する(表1中で「−」で表記)。
Test No. 18 means that a mixture of conductive carbon black and resin was used as the carbon source. Test number 19 means that a mixture of acetylene black and resin was used.
[複合化処理工程]
準備された活物質粒子及び炭素源を用いて、複合化処理を実施して、複合粒子群を製造した。具体的には、試験番号1〜25、29〜31、35〜38では、活物質粒子100質量%に対する炭素源添加量(質量%)を表2に示す量に調整した。[Complexing process step]
A composite treatment was carried out using the prepared active material particles and carbon source to produce a composite particle group. Specifically, in Test Nos. 1 to 25, 29 to 31, and 35 to 38, the carbon source addition amount (% by mass) relative to 100% by mass of the active material particles was adjusted to the amount shown in Table 2.
試験番号1〜25、29〜31、36〜38では、乾式粒子複合化装置として、ホソカワミクロン株式会社製のノビルタミニNOB−MINI(登録商標)を使用した。乾式粒子複合化装置を用いて、20gの活物質粒子と、表2に示す添加量(活物質粒子の質量を100とした場合の質量%)の炭素源とを乾式粒子複合化装置に投入した。なお、炭素源として樹脂を使用した試験番号18〜20では、樹脂の添加量を、活物質粒子、炭素源及び樹脂の合計質量に対して、5質量%とした。表2に示すロータ周速Y(m/秒)、及び処理時間X(分)で、複合化処理を実施して、複合粒子群を製造した。製造後の複合粒子群を真空包装した保存した。なお、表2中の「ロータ回転数(rpm)」には、ロータの回転数を示す。「F1」欄には、F1値を示す。「F2」欄にはF2値を示す。 In Test Nos. 1 to 25, 29 to 31, and 36 to 38, Novirta Mini NOB-MINI (registered trademark) manufactured by Hosokawa Micron Co., Ltd. was used as a dry particle composite device. Using the dry particle compounding apparatus, 20 g of the active material particles and the carbon source having the addition amount shown in Table 2 (mass% when the mass of the active material particles was 100) were charged into the dry particle compounding apparatus. .. In addition, in the test numbers 18 to 20 in which the resin was used as the carbon source, the addition amount of the resin was 5% by mass with respect to the total mass of the active material particles, the carbon source and the resin. A composite particle group was manufactured by performing the composite processing at the rotor peripheral speed Y (m/sec) and the processing time X (minutes) shown in Table 2. The manufactured composite particle group was vacuum packed and stored. The "rotor speed (rpm)" in Table 2 indicates the rotor speed. The “F1” column shows the F1 value. The F2 value is shown in the "F2" column.
試験番号35では、複合化処理を実施せず、高速遊星ミル装置(株式会社栗本鐵工所製の商品名ハイジーBX)を用いて、活物質粒子と炭素源とを物理混合した。製造後の粒子群を真空包装して保存した。 In test number 35, active material particles and a carbon source were physically mixed using a high-speed planetary mill device (trade name: HYGY BX manufactured by Kurimoto Iron Works Co., Ltd.) without performing the composite treatment. The manufactured particle group was vacuum packed and stored.
試験番号32では、試験番号1の複合粒子群と、試験番号31の複合粒子群とを80:20の質量割合で混合した。試験番号33では、試験番号1の複合粒子群とSi粒子(メジアン径d50は20μm)とを75:25の質量割合で混合した。試験番号34では、試験番号1の複合粒子群とSi粒子(メジアン径d50は20μm)とを50:50の質量割合で混合した。製造後の粒子群を真空包装して保存した。
In test number 32, the composite particle group of
[複合粒子群のメジアン径(d50)測定]
得られた複合粒子群のメジアン径(d50)を次の方法で測定した。測定には、JIS Z 8825(2013)に準拠したレーザー回折散乱法を採用した。測定における分散媒は、アルキルグリコキシドを含んだ界面活性剤を0.1質量%添加した水とした。分散方法は超音波で5分とした。全複合粒子の体積に対する累積体積が50%になる時の粒径(レーザー回折散乱法による体積平均粒径)を、複合粒子群のメジアン径(d50)と定義した。測定には、マイクロトラック・ベル製の粒子径分布測定装置(商品名:マイクロトラック FRA)を用いた。測定の結果、いずれの試験番号の複合粒子群においても、メジアン径(d50)は1〜50μmであった。[Measurement of median diameter (d50) of composite particle group]
The median diameter (d50) of the obtained composite particle group was measured by the following method. The laser diffraction scattering method based on JIS Z 8825 (2013) was adopted for the measurement. The dispersion medium in the measurement was water containing 0.1% by mass of a surfactant containing alkylglycoxide. The dispersion method was ultrasonic waves for 5 minutes. The particle size (volume average particle size by laser diffraction scattering method) when the cumulative volume to the volume of all the composite particles was 50% was defined as the median diameter (d50) of the composite particle group. A particle size distribution measuring device (trade name: Microtrac FRA) manufactured by Microtrac Bell was used for the measurement. As a result of the measurement, the median diameter (d50) was 1 to 50 μm in any of the composite particle groups having any test number.
[複合粒子群の比表面積測定]
複合粒子群の比表面積を、BET法により測定した。具体的には、窒素(N2)の気体分子を複合粒子に吸着させた。吸着した気体分子の量から複合粒子群の比表面積を測定した。比表面積は、式(3)により算出した。
比表面積=(Vm×N/M)×Am/w (3)
ここで、Vmは複合粒子の表面に吸着した気体分子の容積(mL)、Nはアボガドロ数(6.02×1023/mol)であり、Mは気体分子の分子量(気体分子ひとつの質量×N)、wはサンプル重量(g)であった。Amは分子ひとつあたりの占有面積であり、0.162nm2であった。測定にはユアサアイオニクス株式会社製の製品名カンタソーブを用いた。測定条件は、窒素ガス吸着、脱気温度200℃で、1時間であった。[Measurement of specific surface area of composite particle group]
The specific surface area of the composite particle group was measured by the BET method. Specifically, gas molecules of nitrogen (N 2 ) were adsorbed on the composite particles. The specific surface area of the composite particle group was measured from the amount of adsorbed gas molecules. The specific surface area was calculated by the formula (3).
Specific surface area=(V m ×N/M)×A m /w (3)
Here, Vm is the volume (mL) of gas molecules adsorbed on the surface of the composite particles, N is Avogadro's number (6.02×10 23 /mol), and M is the molecular weight of gas molecules (mass of one gas molecule× N) and w were sample weights (g). A m is the area occupied per one molecule, was 0.162nm 2. For the measurement, a product name Kantosorb manufactured by Yuasa Ionics Co., Ltd. was used. The measurement conditions were nitrogen gas adsorption, degassing temperature of 200° C., and 1 hour.
[複合粒子群の非晶質炭素被膜の平均被覆率の測定]
複合粒子群での非晶質炭素被膜の平均被覆率は次のとおり測定した。複合粒子群の任意の一部を薬匙ですくって採取した。採取した複数の複合粒子に対して、上述の方法で、複合粒子群のメジアン径(d50)を測定した。さらに、上述の採取した複数の複合粒子を、SEM(株式会社キーエンス製、VE−9800型)を用いて、加速電圧1.5kV、倍率5000倍で観察して、SEM画像を得た。SEM画像の画素数は1228800(1280×960)であった。SEM画像中の各複合粒子において、最長径Dmaxと最短径Dminとを測定した。そして、最長径Dmaxと最短径Dminとの相加平均値(=(Dmax+Dmin)/2)を、その複合粒子の粒径(μm)と定義した。観察した複数の複合粒子のうち、メジアン径(d50)以上の粒径を有する複合粒子を任意に30個選択した。SEM画像中において、選択された各複合粒子1の外縁を線で囲み、線で囲まれた領域(つまり複合粒子)をトリミングする。トリミングされた各複合粒子の面積を算出した。[Measurement of Average Coverage of Amorphous Carbon Film of Composite Particle Group]
The average coverage of the amorphous carbon coating in the composite particle group was measured as follows. An arbitrary part of the composite particle group was scooped with a spoon and collected. The median diameter (d50) of the composite particle group was measured by the method described above for the plurality of collected composite particles. Further, the plurality of composite particles collected above were observed using an SEM (VE-9800 type manufactured by Keyence Corporation) at an acceleration voltage of 1.5 kV and a magnification of 5000 times to obtain an SEM image. The number of pixels of the SEM image was 1228800 (1280x960). The longest diameter Dmax and the shortest diameter Dmin of each composite particle in the SEM image were measured. Then, the arithmetic mean value (=(Dmax+Dmin)/2) of the longest diameter Dmax and the shortest diameter Dmin was defined as the particle diameter (μm) of the composite particles. Of the plurality of observed composite particles, 30 composite particles having a particle size not less than the median diameter (d50) were arbitrarily selected. In the SEM image, the outer edge of each selected
次に、トリミングされた複合粒子に対して2値化処理を実施して、複合粒子の表面のうち、露出している領域の総面積を求めた。具体的には、トリミングされた複合粒子に対して、横軸にグレースケールの輝度を0〜255で取り、縦軸に画素数を取った輝度ヒストグラムを作成した。輝度ヒストグラムに対して周知の平坦化処理を実施して、トリミングされた複合粒子(SEM画像)を階調変換した。輝度ヒストグラムに基づき、トリミングされた複合粒子を黒領域(クラス1)と白領域(クラス2)とに分離した。より具体的には、任意の輝度値を閾値として仮決めしてクラス分けした。それぞれのクラスについて平均値と画素数と分散値とを求めた。求めた平均値と画素数と分散値とから分離度を求めた。分離度を求める作業を、閾値を変えて繰り返した。分離度が最大になる閾値を見つけた。分離度が最大になるときの閾値(輝度値)を2値化の閾値と定義した。求めた閾値に基づいて、SEM画像に対して2値化処理を実施して、トリミングされた複合粒子のSEM画像から2値化画像を生成した。 Next, the trimmed composite particles were binarized to obtain the total area of the exposed regions on the surface of the composite particles. Specifically, with respect to the trimmed composite particles, a brightness histogram was created in which the horizontal axis represents gray scale brightness of 0 to 255 and the vertical axis represents the number of pixels. A well-known flattening process was performed on the brightness histogram, and the trimmed composite particles (SEM image) were subjected to gradation conversion. Based on the brightness histogram, the trimmed composite particles were separated into a black area (class 1) and a white area (class 2). More specifically, an arbitrary brightness value is tentatively set as a threshold value and classified into classes. The average value, the number of pixels, and the variance value were obtained for each class. The degree of separation was calculated from the calculated average value, the number of pixels, and the dispersion value. The operation of obtaining the degree of separation was repeated with different thresholds. We have found a threshold that maximizes the degree of separation. The threshold value (luminance value) when the degree of separation is maximum is defined as the threshold value for binarization. Binarization processing was performed on the SEM image based on the obtained threshold value, and a binarized image was generated from the SEM image of the trimmed composite particles.
複合粒子の2値化画像において、露出している領域の総面積(面積が1μm2未満の露出領域、及び、面積が1μm2以上の露出領域20の総面積)を求めた。露出している領域の総面積は、2値化画像において白領域(クラス2)に分類された画素の総面積である。つまり、クラス1に分類された画素は、非晶質炭素被膜30に相当する。各複合粒子において、複合粒子の面積、及び、露出している領域の総面積を用いて、次の式により、各複合粒子の非晶質炭素被膜の被覆率(面積%)を求めた。
非晶質炭素被膜の被覆率=(複合粒子の面積−露出している領域の総面積)/複合粒子の面積×100In the binarized image of the composite particles, the total area of the region exposed (exposed area is less than 1 [mu] m 2 area, and an area of 1 [mu] m total area of 2 or more exposed regions 20) was determined. The total area of the exposed region is the total area of pixels classified into the white region (class 2) in the binarized image. That is, the pixels classified into
Coverage of amorphous carbon film=(area of composite particles-total area of exposed regions)/area of composite particles×100
得られた30個の非晶質炭素被膜30の被覆率の算術平均値を、複合粒子群の非晶質炭素被膜の平均被覆率(面積%)と定義した。
The arithmetic average value of the coverage of the obtained 30
[非晶質炭素被膜の確認]
なお、複合粒子の被膜が非晶質炭素被膜であるかどうかについては、次の方法で確認した。複合粒子の被膜に対して、上述のX線回折測定を実施して、X線回折プロファイルを得た。X線回折プロファイルにおいて、非晶質炭素の場合に得られる2θ=20〜30°のブロードなピークについて、シェラー式より結晶子径Lcを算出した。結晶子径が50nm以下である場合、複合粒子の被膜は、非晶質炭素被膜であると判断した。[Confirmation of amorphous carbon film]
Whether or not the coating of the composite particles was an amorphous carbon coating was confirmed by the following method. The above X-ray diffraction measurement was performed on the coating film of the composite particles to obtain an X-ray diffraction profile. In the X-ray diffraction profile, the crystallite diameter Lc was calculated from the Scherrer formula for a broad peak at 2θ=20 to 30° obtained in the case of amorphous carbon. When the crystallite size was 50 nm or less, the coating of the composite particles was judged to be an amorphous carbon coating.
[複合粒子群の露出領域の個数密度の測定]
露出領域の有無の判定を次のとおり行った。複合粒子群の非晶質炭素被膜の平均被覆率の測定で利用したSEM画像を用いた。SEM画像中の複数の複合粒子のうち、メジアン径(d50)以上の粒径を有する複合粒子を任意に30個選択した。[Measurement of number density of exposed region of composite particle group]
The presence or absence of the exposed area was determined as follows. The SEM image used in the measurement of the average coverage of the amorphous carbon coating of the composite particle group was used. Among the plurality of composite particles in the SEM image, 30 composite particles having a particle diameter not less than the median diameter (d50) were arbitrarily selected.
SEM画像において、選択された各複合粒子の外縁を線で囲み、線で囲まれた領域(つまり複合粒子)をトリミングした。トリミングされた各複合粒子の面積を求めた。求めた面積を円に換算した場合の円の直径(円相当径)を求めた。円相当径を、球の表面積の公式である4πr2に代入して得た値を、各複合粒子1の総表面積と定義した。複合粒子の外縁を線で囲む作業、線で囲まれた複合粒子のトリミング作業、トリミングされた複合粒子の面積の算出、及び、円相当径の算出は、周知の画像処理ソフトウェア(商品名:imageJ)を用いて求めた。In the SEM image, the outer edge of each selected composite particle was surrounded by a line, and the area surrounded by the line (that is, the composite particle) was trimmed. The area of each trimmed composite particle was determined. The diameter of the circle (circle equivalent diameter) when the calculated area was converted to a circle was calculated. The value obtained by substituting the equivalent circle diameter into 4πr 2 which is the formula of the surface area of the sphere was defined as the total surface area of each
トリミングされた複合粒子のグレースケールSEM画像を準備した。なお、トリミングされる前のSEM画像の画素数は1228800(1280×960)であり、輝度の階調数は256であった。トリミングされた複合粒子のグレースケールSEM画像から、横軸にグレースケールの輝度の階調を0〜255で取り、縦軸に画素数を取った輝度ヒストグラムを作成した。輝度ヒストグラムに対して周知の平坦化処理を実施して、トリミングされた複合粒子のグレースケールSEM画像を階調変換した。階調変換されたグレースケールSEM画像の輝度ヒストグラムにおいて、最高輝度値と最低輝度値との差分を4等分して4つの区域に分ける4値化処理を実施した。4値化処置により、トリミングされた複合粒子のグレースケールSEM画像の複数の画素を、輝度値が高い順に最高区域、高区域、低区域、最低区域に分類(レベル分け)した4値化画像を生成した。そして、最高区域に属し、連続して配置されている複数の画素の総面積が1μm2以上となっている領域を、「露出領域」と認定した。A grayscale SEM image of the trimmed composite particles was prepared. The number of pixels of the SEM image before trimming was 1228800 (1280×960), and the number of luminance gradations was 256. From the grayscale SEM image of the trimmed composite particles, a luminance histogram in which the horizontal axis represents grayscale luminance gradation from 0 to 255 and the vertical axis represents the number of pixels was created. A well-known flattening process was performed on the luminance histogram, and the grayscale SEM image of the trimmed composite particles was subjected to gradation conversion. In the luminance histogram of the grayscale SEM image whose gradation has been converted, a four-valued process was performed in which the difference between the highest luminance value and the lowest luminance value was equally divided into four areas. By the quaternarization treatment, a plurality of pixels of the grayscale SEM image of the trimmed composite particles are classified (leveled) into a highest area, a high area, a low area, and a lowest area in the order of high luminance value to obtain a quaternary image. Generated. Then, a region that belongs to the highest area and has a total area of a plurality of pixels arranged continuously of 1 μm 2 or more was identified as an “exposed region”.
複合粒子のうち、非晶質炭素被膜の被覆率が50〜90面積%であり、かつ、複数の凸部のうち、露出領域が1つ以上存在した場合、その複合粒子を「凸部露出複合粒子」と認定した。30個の複合粒子に対して、凸部露出複合粒子か否かの判定を実施した。30個の複合粒子中、凸部露出複合粒子の個数をカウントした。そして、凸部露出複合粒子の個数を複合粒子個数(30個)で除した割合(%)を、凸部露出複合粒子の個数割合(%)と定義した。 When the coverage of the amorphous carbon film is 50 to 90 area% in the composite particles and one or more exposed regions are present in the plurality of convex portions, the composite particle is referred to as “projection exposed composite”. Certified as "particles". For 30 composite particles, it was determined whether or not the composite particles were exposed convex portions. Among the 30 composite particles, the number of convex-part exposed composite particles was counted. Then, the ratio (%) obtained by dividing the number of convex-exposed composite particles by the number of composite particles (30) was defined as the number-proportion (%) of exposed convex composite particles.
さらに、30個の複合粒子に対して、各複合粒子での、総表面積と、露出領域の個数とを求めた。そして、30個の複合粒子での露出領域の合計個数を、30個の複合粒子の総表面積の合計で除した値を、複合粒子群の露出領域の個数密度(個/μm2)と定義した。Furthermore, for 30 composite particles, the total surface area and the number of exposed regions in each composite particle were determined. Then, a value obtained by dividing the total number of exposed regions of the 30 composite particles by the total of the total surface areas of the 30 composite particles was defined as the number density (units/μm 2 ) of the exposed regions of the composite particle group. ..
[負極活物質粒子群の準備]
表3に示す負極活物質粒子群を準備した。試験番号32では、試験番号1の複合粒子群と、試験番号31の複合粒子群とを、質量割合で80:20となるように、物理的に混合して、負極活物質粒子群とした。試験番号33では、試験番号1の複合粒子群と、Siとを、質量割合で75:25となるように、物理的に混合して負極活物質粒子群とした。試験番号34では、試験番号1の複合粒子群と、Siとを、質量割合で50:50となるように、物理的に混合して、負極活物質粒子群とした。その他の試験番号については、複合粒子群を負極活物質粒子群とした。負極活物質粒子群中の複合粒子群の割合を、上記のとおり測定した。[Preparation of negative electrode active material particle group]
The negative electrode active material particle group shown in Table 3 was prepared. In Test No. 32, the composite particle group of Test No. 1 and the composite particle group of Test No. 31 were physically mixed at a mass ratio of 80:20 to obtain a negative electrode active material particle group. In Test No. 33, the composite particle group of Test No. 1 and Si were physically mixed in a mass ratio of 75:25 to obtain a negative electrode active material particle group. In Test No. 34, the composite particle group of Test No. 1 and Si were physically mixed at a mass ratio of 50:50 to obtain a negative electrode active material particle group. For other test numbers, the composite particle group was used as the negative electrode active material particle group. The ratio of the composite particle group in the negative electrode active material particle group was measured as described above.
[電池(コインセル)の製造(初回充放電効率測定用)]
上記で得られた負極活物質粒子群を用いてコインセルを製造し、初回充放電効率を評価した。より具体的には、次のとおり、上記で得られた負極活物質粒子群を用いた負極、対極、電解液及びセパレータを用いて、コインセルを製造した。[Manufacturing of battery (coin cell) (for initial charge/discharge efficiency measurement)]
A coin cell was manufactured using the negative electrode active material particles obtained above, and the initial charge/discharge efficiency was evaluated. More specifically, as described below, a coin cell was manufactured using the negative electrode using the negative electrode active material particle group obtained above, the counter electrode, the electrolytic solution, and the separator.
[コインセル用の負極の製造]
各試験番号の負極活物質粒子群を含有する負極合剤スラリを製造した。具体的には、負極活物質粒子群と、導電助剤としてのアセチレンブラック(AB)と、バインダーとしてのスチレンブタジエンラバー(SBR)(2倍希釈液)と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC:ダイセルファインケミカル社製の製品番号1160)とを、質量比97:1:1:1で混合した混合物を製造した。混練機を用いて、混合物に蒸留水を加えて、負極合剤スラリを製造した。[Manufacture of negative electrode for coin cell]
A negative electrode mixture slurry containing negative electrode active material particles of each test number was manufactured. Specifically, a negative electrode active material particle group, acetylene black (AB) as a conduction aid, styrene butadiene rubber (SBR) as a binder (2-fold dilution liquid), and carboxymethyl cellulose (CMC) as a thickener. : Daicel Fine Chemical Co., Ltd. product number 1160) were mixed in a mass ratio of 97:1:1:1 to prepare a mixture. Distilled water was added to the mixture using a kneader to produce a negative electrode mixture slurry.
負極合剤スラリを、アプリケータ(75μm)を用いて17μm厚の電解銅箔上に薄く片面に塗布し、100℃で20分間乾燥させて塗膜を形成した。乾燥後の銅箔は、表面に負極合剤層からなる塗膜を有した。負極合剤層が形成された銅箔に対して打ち抜き加工を実施して、直径13mmの円板状の銅箔を製造した。打ち抜き加工後の銅箔を、プレス圧500kgf/cm2で押圧して、板状の負極を製造した。The negative electrode mixture slurry was thinly applied on one side of a 17 μm thick electrolytic copper foil using an applicator (75 μm) and dried at 100° C. for 20 minutes to form a coating film. The dried copper foil had a coating film composed of a negative electrode mixture layer on the surface. The copper foil on which the negative electrode mixture layer was formed was punched to produce a disk-shaped copper foil having a diameter of 13 mm. The punched copper foil was pressed with a pressing pressure of 500 kgf/cm 2 to manufacture a plate-shaped negative electrode.
[コインセル用の対極(正極)]
正極には、Li金属箔を使用した。[Counter electrode (positive electrode) for coin cell]
Li metal foil was used for the positive electrode.
[コインセル用の電解液]
電解液は、非水溶液を用いた。非水溶液は、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6):炭酸ジメチル(DMC):エチレンカーボネート(EC):エチルメチルカーボネート(EMC):ビニレンカーボネート(VC):フルオロエチレンカーボネート(FEC)が16:48:23:4:1:8の質量比となる組成のものを使用した。[Electrolyte for coin cell]
A non-aqueous solution was used as the electrolytic solution. The non-aqueous solution contains lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ):dimethyl carbonate (DMC):ethylene carbonate (EC):ethyl methyl carbonate (EMC):vinylene carbonate (VC):fluoroethylene carbonate (FEC) 16:48: A composition having a mass ratio of 23:4:1:8 was used.
[コインセル用のセパレータ]
セパレータとしてポリオレフィン製セパレータ(φ19mm)を用いた。[Separator for coin cell]
A polyolefin separator (φ19 mm) was used as the separator.
[コインセルの製造]
準備された負極、正極、電解液及びセパレータを用いて、コイン型の非水試験セル(コインセル)を製造した。電解液が入ったステンレス製のコインセル用缶に、セパレータ、負極及び対極を配置し、コインセルとした。[Manufacture of coin cell]
A coin-type non-aqueous test cell (coin cell) was manufactured using the prepared negative electrode, positive electrode, electrolytic solution, and separator. A separator, a negative electrode, and a counter electrode were placed in a stainless steel coin cell can containing an electrolytic solution to obtain a coin cell.
なお、正極Liでの評価においては、本来、負極へのLiのドープは放電として扱われる。しかしながら、本実施例では負極材料を評価するため、以下ことわりのない「充電容量」はドープ側、「放電容量」とは脱ドープ側の容量を意味する。 In the evaluation of the positive electrode Li, the doping of Li into the negative electrode is treated as discharge. However, since the negative electrode material is evaluated in this example, the “charge capacity” and the “discharge capacity”, which are not described below, mean the capacity on the doped side and the capacity on the dedoped side, respectively.
[初回充放電効率の評価]
各試験番号の電池の初回充放電効率を、次の方法で評価した。初回充放電効率の測定には、Electrofield製の充放電装置を用いた。なお、測定時の温度は室温(23℃)で測定した。[Evaluation of initial charge/discharge efficiency]
The initial charging/discharging efficiency of the battery of each test number was evaluated by the following method. A charge/discharge device manufactured by Electrofield was used for the measurement of the initial charge/discharge efficiency. The temperature at the time of measurement was measured at room temperature (23°C).
対極に対して電位差0.005Vになるまで、0.15mAの電流値でコイン型非水試験セルに対して定電流充電を行った。その後、0.005Vを保持したまま、0.005mAになるまで、定電圧で対極に対して充電を続け、充電容量を測定した。 Constant current charging was performed on the coin type non-aqueous test cell with a current value of 0.15 mA until the potential difference became 0.005 V with respect to the counter electrode. After that, while maintaining 0.005 V, the counter electrode was continuously charged with a constant voltage until the current reached 0.005 mA, and the charge capacity was measured.
次に、0.15mAの電流値で、電位差1.5Vになるまで放電を行い、放電容量を測定した。初回充放電効率は、(初回放電容量)/(初回充電容量)×100として、算出した。初回充放電効率が80.0%以上のものを、初回充放電効率に優れると評価した。 Next, discharge was performed at a current value of 0.15 mA until the potential difference became 1.5 V, and the discharge capacity was measured. The initial charge/discharge efficiency was calculated as (initial discharge capacity)/(initial charge capacity)×100. Those having an initial charge/discharge efficiency of 80.0% or more were evaluated as being excellent in initial charge/discharge efficiency.
[電池(ラミネートセル)の製造(反応抵抗(急速充電性能)測定用)]
得られた負極活物質粒子群を用いてラミネートセルを製造し、急速充電性能を評価するため、反応抵抗を測定した。[Manufacture of battery (laminate cell) (for measuring reaction resistance (rapid charging performance)])
A laminate cell was manufactured using the obtained negative electrode active material particle group, and reaction resistance was measured in order to evaluate rapid charging performance.
[ラミネートセル用の負極の製造]
上記のコインセル用の負極と同様に、ラミネートセル用の負極を製造し、2.5cm×2.5cmの負極板を切り出した。[Manufacture of negative electrode for laminate cell]
A negative electrode for a laminated cell was manufactured in the same manner as the negative electrode for a coin cell described above, and a negative electrode plate of 2.5 cm×2.5 cm was cut out.
[ラミネートセル用の正極の製造]
ラミネートセル用の正極には、活物質としてコバルト酸リチウム(LiCoO2)を使用した。正極は以下のとおり製造した。[Manufacture of positive electrode for laminated cell]
Lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) was used as an active material for the positive electrode for the laminate cell. The positive electrode was manufactured as follows.
正極活物質材料(粉末)80質量部に対して、10質量部のアセチレンブラック(AB)粉末を混合して混合物を製造した。さらに混合物に10質量部のポリフッ化ビニリデン(PVdF)分散液を添加した後に攪拌し、正極合剤スラリを調製した。配合比は、質量比で、正極活物質材料:アセチレンブラック:PVDF=80:10:10(配合量は、0.8g:0.1g:0.1g)とした。 A mixture was prepared by mixing 10 parts by mass of acetylene black (AB) powder with 80 parts by mass of the positive electrode active material (powder). Further, 10 parts by mass of polyvinylidene fluoride (PVdF) dispersion was added to the mixture and then stirred to prepare a positive electrode mixture slurry. The compounding ratio was a mass ratio, and the positive electrode active material:acetylene black:PVDF=80:10:10 (the compounding amount was 0.8 g:0.1 g:0.1 g).
製造した正極合剤スラリを、アプリケータ(150μm)を用いて17μm厚のアルミ箔上に薄く片面に塗布し、100℃で20分間乾燥させて塗膜を形成した。塗膜を有するアルミ箔から、2.3cm×2.3cmを切り出した。切り出し後のアルミ箔を、プレス成形機で押圧して、正極板を製造した。プレス成形機の加圧力は、500kgf/cm2となるように調整した。The produced positive electrode mixture slurry was thinly applied on one surface of an aluminum foil having a thickness of 17 μm using an applicator (150 μm) and dried at 100° C. for 20 minutes to form a coating film. 2.3 cm×2.3 cm was cut out from the aluminum foil having the coating film. The cut aluminum foil was pressed by a press molding machine to manufacture a positive electrode plate. The pressure applied by the press molding machine was adjusted to be 500 kgf/cm 2 .
[ラミネートセルの製造]
製造した負極板及び正極板を用いて、ラミネートセル電池を製造した。電解液は、非水溶液を用いた。非水溶液は、LiPF6:DMC:EC:EMC:VC:FECが16:48:23:4:1:8の質量比となる組成のものを使用した。セパレータとして、セルガード2100を用いた。負極板、電解液、セパレータ、正極板、アルミラミネートシートを用いて、ラミネートセルを製造した。負極板と正極板の間には、2枚のセパレータを挟みこみ、その2枚のセパレータ間にアルミ線(0.25mmφ)を設置した。アルミ線(0.25mmφ)は参照極として使用した。[Manufacture of laminated cells]
A laminated cell battery was manufactured using the manufactured negative electrode plate and positive electrode plate. A non-aqueous solution was used as the electrolytic solution. The non-aqueous solution used had a composition such that LiPF 6 :DMC:EC:EMC:VC:FEC had a mass ratio of 16:48:23:4:1:8. Celgard 2100 was used as a separator. A laminated cell was manufactured using a negative electrode plate, an electrolytic solution, a separator, a positive electrode plate, and an aluminum laminate sheet. Two separators were sandwiched between the negative electrode plate and the positive electrode plate, and an aluminum wire (0.25 mmφ) was placed between the two separators. An aluminum wire (0.25 mmφ) was used as a reference electrode.
[ラミネートセル前処理(反応抵抗算出前の事前処理)]
反応抵抗を算出する事前処理として室温(23℃)でラミネートセルに充電率(State Оf Charge:SOC)が50%になるように充放電試験を実施した。充放電装置はElectrofield製を用いた。[Pre-treatment of laminate cell (pre-treatment before calculation of reaction resistance)]
As a pretreatment for calculating the reaction resistance, a charge/discharge test was carried out at room temperature (23° C.) so that the laminate cell had a state of charge (SOC) of 50%. The charging/discharging device used was manufactured by Electrofield.
具体的な処理方法を以下に記す。充電条件は定電流充電後、定電位充電した。0.1mA/cm2で4.2Vまで定電流充電後、4.2Vで電流値が0.01mA/cm2になるまで定電位充電した。放電条件は定電流放電した。具体的には0.1mA/cm2で3.0Vまで定電流放電した。上記充電/放電を2サイクル繰り返した。さらにその後、SOCが50%となるように定電流充電させた。The specific processing method is described below. The charging conditions were constant current charging and then constant potential charging. After constant current charging at 0.1 mA/cm 2 to 4.2 V, constant potential charging was performed at 4.2 V until the current value became 0.01 mA/cm 2 . The discharge conditions were constant current discharge. Specifically, constant current discharge was performed at 0.1 mA/cm 2 to 3.0 V. The above charging/discharging was repeated for 2 cycles. After that, constant current charging was performed so that the SOC became 50%.
[参照極の製造]
前処理したラミネートセルの正極と参照極(アルミ線(0.25mmφ))を充放電装置の端子で繋ぎ、充放電装置を利用して電位、電流制御する。これにより、2枚のセパレータ間に設置したアルミ線(0.25mmφ)に、リチウムを合金化させた。具体的には0.03mAの定電流充電で、充電電気量が0.3mAhとなるように充電した。[Production of reference electrode]
The positive electrode and the reference electrode (aluminum wire (0.25 mmφ)) of the pre-processed laminate cell are connected by the terminal of the charging/discharging device, and the potential and current are controlled using the charging/discharging device. As a result, lithium was alloyed with the aluminum wire (0.25 mmφ) installed between the two separators. Specifically, it was charged at a constant current of 0.03 mA so that the amount of electricity charged was 0.3 mAh.
[急速充電性能の評価]
前処理、参照極の製造が完了したラミネートセルを恒温槽内で−30℃の設定温度で3時間以上保持した。その後、ソーラトロン製の製品名modulabを使用して交流インピーダンス測定した。この際、負極を作用極として負極−参照極間のインピーダンスを測定した。測定条件は振幅5mV、周波数範囲:0.1Hz〜10kHzとした。解析ソフトウェアにはZPlot(登録商標)(Scribner Associates, Inc.製)を使用した。交流インピーダンス測定のナイキストプロットで得られた円弧成分より、ZPlot(登録商標)内蔵の等価回路(Instant fit Rs(CPE−Rp))でフィッティングし反応抵抗を求めた。反応抵抗が600Ω以下の場合、急速充電性能に優れると評価した。[Evaluation of rapid charging performance]
The laminated cell for which the pretreatment and the production of the reference electrode were completed was kept at a set temperature of -30°C for 3 hours or more in a constant temperature bath. After that, AC impedance measurement was performed using a product name modulab manufactured by Solartron. At this time, the impedance between the negative electrode and the reference electrode was measured with the negative electrode as the working electrode. The measurement conditions were an amplitude of 5 mV and a frequency range of 0.1 Hz to 10 kHz. ZPlot (registered trademark) (manufactured by Scribner Associates, Inc.) was used as the analysis software. From the arc component obtained by the Nyquist plot of the AC impedance measurement, the reaction resistance was determined by fitting with an equivalent circuit (Instant fit Rs (CPE-Rp)) with ZPlot (registered trademark) built-in. When the reaction resistance was 600Ω or less, it was evaluated as excellent in rapid charging performance.
[測定結果]
結果を表3に示す。[Measurement result]
The results are shown in Table 3.
表1〜表3を参照して、試験番号1〜15、33、及び、37の複合粒子及び複合粒子群の被膜は、非晶質炭素被膜であった。さらに、試験番号1〜15、33及び37の複合粒子群の非晶質炭素被膜の平均被覆率は50〜90面積%であった。さらに、露出領域の個数密度がいずれも、0.0010〜0.0500個/μm2であった。さらに、試験番号1〜15、33及び37では、複合粒子群中の凸部露出複合粒子の個数割合が80%以上であり、負極活物質粒子群中の複合粒子の個数割合が70%以上であった。その結果、反応抵抗が600Ω未満であり、かつ初回充放電効率が80.0%以上となり、優れた急速充電性能と初回充放電効率とを両立することができた。With reference to Tables 1 to 3, the coatings of the composite particles and the composite particle groups of
一方、試験番号16は、複合化処理工程時の処理時間が短く、式(1)を満たさなかった。そのため非晶質炭素被膜の平均被覆率が50面積%未満であった。さらに、露出領域の個数密度が0.0500個/μm2を超えた。その結果、急速充電性能が低く、初回充放電効率が低かった。On the other hand, the test number 16 did not satisfy the formula (1) because the processing time at the time of the composite processing step was short. Therefore, the average coverage of the amorphous carbon coating was less than 50 area %. Further, the number density of exposed regions exceeded 0.0500/μm 2 . As a result, the quick charge performance was low and the initial charge/discharge efficiency was low.
試験番号17は、乾式粒子複合化装置の周速が遅く、式(1)を満たさなかった。そのため非晶質炭素被膜の平均被覆率が90面積%を超えた。その結果、急速充電性能が低かった。周速が遅いため、機械的に凸部の被覆が剥がれる割合が低下し、非晶質炭素被膜の平均被覆率が90面積%を超えたと考えられる。 Test No. 17 did not satisfy the formula (1) because the peripheral speed of the dry particle composite device was low. Therefore, the average coverage of the amorphous carbon coating exceeded 90% by area. As a result, the quick charging performance was low. It is considered that since the peripheral speed was slow, the rate at which the coating of the convex portions was mechanically peeled off decreased, and the average coverage of the amorphous carbon coating exceeded 90 area %.
試験番号18は、炭素源として樹脂を含有した。そのため、樹脂の接着効果により、非晶質炭素被膜の平均被覆率が90面積%を超えた。そのため、急速充電性能が低かった。樹脂を含有すると、樹脂中に含有される官能基による両親媒性効果(接着剤のような効果)により接着しやすくなるため、非晶質炭素被膜の被覆率が高まったと考えられる。 Test number 18 contained resin as the carbon source. Therefore, the average coverage of the amorphous carbon coating exceeded 90% by area due to the adhesive effect of the resin. Therefore, the quick charging performance was low. It is considered that the inclusion of the resin facilitates adhesion due to the amphipathic effect (adhesive-like effect) due to the functional group contained in the resin, and thus the coverage of the amorphous carbon film is increased.
試験番号19は、炭素源として樹脂を含有した。そのため、樹脂の接着効果により、非晶質炭素被膜の平均被覆率が90面積%を超えた。そのため、急速充電性能が低かった。樹脂を含有すると、樹脂中に含有される官能基による両親媒性効果(接着剤のような効果)により接着しやすくなるため、非晶質炭素被膜の平均被覆率が高まったと考えられる。 Test number 19 contained resin as the carbon source. Therefore, the average coverage of the amorphous carbon coating exceeded 90% by area due to the adhesive effect of the resin. Therefore, the quick charging performance was low. It is considered that the inclusion of the resin facilitates adhesion due to the amphipathic effect (adhesive-like effect) due to the functional group contained in the resin, and therefore the average coverage of the amorphous carbon film is increased.
試験番号20は、炭素源として樹脂を含有し、さらにケッチェンブラックを含有した。ケッチェンブラックの比表面積が1300m2/gと高いため、複合粒子の比表面積が高くなり、非晶質炭素被膜の平均被覆率も90面積%を超えた。さらに、露出領域の個数密度が0.0010個/μm2未満となった。その結果、急速充電性能が低かった。Test No. 20 contained a resin as a carbon source, and further contained Ketjen Black. Since the specific surface area of Ketjen Black was as high as 1300 m 2 /g, the specific surface area of the composite particles became high, and the average coverage of the amorphous carbon coating exceeded 90 area %. Furthermore, the number density of the exposed regions was less than 0.0010/μm 2 . As a result, the quick charging performance was low.
試験番号21〜試験番号23は、炭素源としてカーボンファイバーを用いた。そのため、非晶質炭素被膜の平均被覆率が50面積%未満となった。さらに、露出領域の個数密度が0.0500個/μm2を超えた。その結果、初回充放電効率が低かった。カーボンファイバーは繊維状のため、網目状の被覆形態となり、その結果、非晶質炭素被膜の被覆率が低かったと考えられる。また、機械的被覆により繊維が切断(破断)されてしまうため被覆率が低くなると考えられる。In Test Nos. 21 to 23, carbon fiber was used as the carbon source. Therefore, the average coverage of the amorphous carbon coating was less than 50 area %. Further, the number density of exposed regions exceeded 0.0500/μm 2 . As a result, the initial charge/discharge efficiency was low. Since the carbon fibers are fibrous, they have a mesh-like coating form, and as a result, it is considered that the coverage of the amorphous carbon coating was low. Further, it is considered that the coverage is lowered because the fibers are cut (broken) by the mechanical coating.
試験番号24は、乾式粒子複合化装置の周速が遅く、式(1)を満たさなかった。さらにケッチェンブラックを含有した。そのため、露出領域がほぼ確認できず、露出領域の個数密度が0.0010個/μm2未満となった。その結果、急速充電性能が低かった。Test No. 24 did not satisfy the formula (1) because the peripheral speed of the dry particle composite device was slow. In addition, it contained Ketjen Black. Therefore, the exposed area was hardly confirmed, and the number density of the exposed area was less than 0.0010 pieces/μm 2 . As a result, the quick charging performance was low.
試験番号25では、ケッチェンブラックの比表面積が1300m2/gと高いため、複合粒子の比表面積が高くなり、非晶質炭素被膜の平均被覆率が90面積%を超えた。さらに、露出領域の個数密度が0.0010個/μm2未満となった。その結果、急速充電性能が低く、初回充放電効率が低かった。In Test No. 25, since the specific surface area of Ketjen Black was as high as 1300 m 2 /g, the specific surface area of the composite particles became high, and the average coverage of the amorphous carbon coating exceeded 90 area %. Furthermore, the number density of the exposed regions was less than 0.0010/μm 2 . As a result, the quick charge performance was low and the initial charge/discharge efficiency was low.
試験番号26〜試験番号28は、非晶質炭素被膜により活物質粒子を被覆しなかった。その結果、急速充電性能が低く、初回充放電効率が低かった。活物質粒子の露出面積が多いため、充電反応時に電解液分解由来の被膜(SEI:solid electrolyte interface)が厚くなったためと考えられる。 In Test Nos. 26 to 28, the active material particles were not covered with the amorphous carbon film. As a result, the quick charge performance was low and the initial charge/discharge efficiency was low. It is considered that since the active material particles have a large exposed area, a coating film (SEI: solid electrolyte interface) derived from decomposition of the electrolytic solution becomes thick during the charging reaction.
試験番号29は、非晶質炭素被膜の平均被覆率が90面積%を超えた。さらに、露出領域の個数密度が0.0010個/μm2未満となった。その結果、急速充電性能が低かった。活物質粒子の組成であるSiのビッカース硬さが高すぎたため、露出領域が十分に形成できなかったと考えられる。In test number 29, the average coverage of the amorphous carbon coating exceeded 90 area %. Furthermore, the number density of the exposed regions was less than 0.0010/μm 2 . As a result, the quick charging performance was low. It is considered that the exposed region could not be sufficiently formed because the Vickers hardness of Si, which is the composition of the active material particles, was too high.
試験番号30は、活物質粒子の組成がInであった。Inのビッカース硬さが低すぎたため、粉末を形成することができなかった。そのため、以降の評価は実施しなかった。 In Test No. 30, the composition of the active material particles was In. Since the Vickers hardness of In was too low, powder could not be formed. Therefore, the subsequent evaluation was not conducted.
試験番号31は、乾式粒子複合化装置の周速が速すぎた。そのため、非晶質炭素被膜の平均被覆率が50面積%未満であった。さらに、露出領域の個数密度が0.0500個/μm2を超えた。その結果、急速充電性能が低く、初回充放電効率が低かった。In test number 31, the peripheral speed of the dry particle compounding apparatus was too high. Therefore, the average coverage of the amorphous carbon coating was less than 50 area %. Further, the number density of exposed regions exceeded 0.0500/μm 2 . As a result, the quick charge performance was low and the initial charge/discharge efficiency was low.
試験番号32では、試験番号1の複合粒子群と、試験番号31の複合粒子群とを、質量割合で80:20となるように、物理的に混合した。複合粒子群中の凸部露出複合粒子の個数割合が80%未満であるため、初回充放電効率が若干低かった。
In test number 32, the composite particle group of
試験番号34では、試験番号1の複合粒子群と、Siとを、質量割合で50:50となるように、物理的に混合した。そのため、負極活物質粒子群中の複合粒子群の割合が70%未満となった。その結果、初回充放電効率が低かった。 In Test No. 34, the composite particle group of Test No. 1 and Si were physically mixed in a mass ratio of 50:50. Therefore, the ratio of the composite particle group in the negative electrode active material particle group was less than 70%. As a result, the initial charge/discharge efficiency was low.
試験番号35は、本発明の実施の形態で使用する乾式粒子複合化装置を使用しなかった。そのため、非晶質炭素被膜の平均被覆率が50面積%未満であった。さらに、露出領域の個数密度が0.0500個/μm2を超えた。その結果、初回充放電効率が低かった。Test No. 35 did not use the dry particle compounding apparatus used in the embodiment of the present invention. Therefore, the average coverage of the amorphous carbon coating was less than 50 area %. Further, the number density of exposed regions exceeded 0.0500/μm 2 . As a result, the initial charge/discharge efficiency was low.
試験番号36は、複合粒子群の比表面積が低すぎた。そのため、急速充電性能が低かった。電解液との接触面積が小さく、反応抵抗が高まったためと考えられる。 In test number 36, the specific surface area of the composite particle group was too low. Therefore, the quick charging performance was low. This is probably because the contact area with the electrolyte was small and the reaction resistance increased.
試験番号38は、乾式粒子複合化装置の周速が速すぎた。そのため、非晶質炭素被膜の平均被覆率が50面積%未満であった。さらに、露出領域の個数密度が0.0500個/μm2を超えた。その結果、急速充電性能が低く、初回充放電効率が低かった。In the test number 38, the peripheral speed of the dry particle composite device was too high. Therefore, the average coverage of the amorphous carbon coating was less than 50 area %. Further, the number density of exposed regions exceeded 0.0500/μm 2 . As a result, the quick charge performance was low and the initial charge/discharge efficiency was low.
以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上記した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上記した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上記した実施の形態を適宜変更して実施することができる。 The embodiments of the present invention have been described above. However, the above-described embodiment is merely an example for carrying out the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented by appropriately modifying the above-described embodiments without departing from the spirit of the invention.
Claims (16)
複数の複合粒子を備え、
前記複合粒子は、
金属イオンを吸蔵及び/又は放出する金属活物質を含有する活物質粒子と、
前記活物質粒子の表面を被覆する、非晶質炭素からなる非晶質炭素被膜とを含み、
複数の前記複合粒子は、複数の凸部を有し、
メジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の前記複合粒子において、前記活物質粒子の前記表面における前記非晶質炭素被膜の平均被覆率が50〜90面積%であり、
前記複合粒子において、前記活物質粒子の前記表面が1μm2以上露出している領域を露出領域と定義するとき、前記メジアン径(d50)以上の前記粒径を有する複数の前記複合粒子において、複数の前記複合粒子の総表面積に対する前記露出領域の個数密度は、0.0010〜0.0500個/μm2である、
複合粒子群。A composite particle group,
With multiple composite particles,
The composite particles are
Active material particles containing a metal active material that occludes and/or releases metal ions;
An amorphous carbon coating made of amorphous carbon, which covers the surface of the active material particles,
The plurality of composite particles have a plurality of convex portions,
In a plurality of the composite particles having a median diameter (d50) or more, the average coverage of the amorphous carbon coating on the surface of the active material particles is 50 to 90 area %,
In the composite particles, when a region in which the surface of the active material particles is exposed by 1 μm 2 or more is defined as an exposed region, a plurality of the composite particles having the particle diameter of the median diameter (d50) or more are The number density of the exposed areas with respect to the total surface area of the composite particles is 0.0010 to 0.0500 pieces/μm 2 .
Composite particle group.
前記活物質粒子のビッカース硬さがHV20〜500である、
複合粒子群。The composite particle group according to claim 1, wherein
The Vickers hardness of the active material particles is HV20 to 500,
Composite particle group.
比表面積は1.0〜5.0m2/gである、
複合粒子群。The composite particle group according to claim 1 or 2, wherein
The specific surface area is 1.0 to 5.0 m 2 /g,
Composite particle group.
前記金属活物質は、
Cu、Sn、及び、Siからなる群から選択される1種以上を含有する、
複合粒子群。The composite particle group according to any one of claims 1 to 3,
The metal active material is
Contains one or more selected from the group consisting of Cu, Sn, and Si,
Composite particle group.
前記金属活物質は、
Sn:10〜40at%と、
Cu:50〜90at%と、を含有する、
複合粒子群。The composite particle group according to claim 4, wherein
The metal active material is
Sn: 10 to 40 at %,
Cu: containing 50 to 90 at %,
Composite particle group.
前記金属活物質はさらに、
Sn:10〜35at%と、
Ti:9at%以下、V:49at%以下、Cr:49at%以下、Mn:9at%以下、Fe:49at%以下、Co:49at%以下、Ni:9at%以下、Zn:29at%以下、Al:49at%以下、Si:49at%以下、B:5at%以下、及び、C:5at%以下からなる群から選択される1種以上とを含有し、
残部はCu及び不純物からなる、
複合粒子群。The composite particle group according to claim 5, wherein
The metal active material further comprises
Sn: 10 to 35 at %,
Ti: 9 at% or less, V: 49 at% or less, Cr: 49 at% or less, Mn: 9 at% or less, Fe: 49 at% or less, Co: 49 at% or less, Ni: 9 at% or less, Zn: 29 at% or less, Al: 49 at% or less, Si: 49 at% or less, B: 5 at% or less, and C: 5 at% or less, and one or more selected from the group consisting of,
The balance consists of Cu and impurities,
Composite particle group.
複数の前記複合粒子は、複数の凸部露出複合粒子を含み、
前記凸部露出複合粒子は、複数の凸部を有し、
前記凸部露出複合粒子では、前記非晶質炭素被膜の被覆率が50〜90面積%であり、かつ、複数の前記凸部において、前記活物質粒子の前記表面が1μm2以上露出している露出領域が少なくとも1箇所以上存在し、
前記メジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の前記複合粒子のうち、前記凸部露出複合粒子の個数割合は80%以上である、
複合粒子群。The composite particle group according to any one of claims 1 to 6,
The plurality of composite particles includes a plurality of convex-part exposed composite particles,
The convex-part exposed composite particles have a plurality of convex parts,
In the protrusion-exposed composite particles, the coverage of the amorphous carbon film is 50 to 90 area %, and in the plurality of protrusions, the surface of the active material particles is exposed by 1 μm 2 or more. There is at least one exposed area,
Of the plurality of composite particles having a particle diameter of the median diameter (d50) or more, the number ratio of the convex-exposed composite particles is 80% or more.
Composite particle group.
複数の負極活物質材を備え、
複数の前記負極活物質材は、
請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の前記複合粒子群を含み、
メジアン径(d50)以上の粒径を有する複数の前記負極活物質材のうち、前記複合粒子群の割合は70%以上である、
負極活物質粒子群。A negative electrode active material particle group,
Equipped with a plurality of negative electrode active material,
A plurality of the negative electrode active material,
Comprising the composite particle group according to any one of claims 1 to 7,
The ratio of the composite particle group is 70% or more among the plurality of negative electrode active material materials having a particle diameter of not less than the median diameter (d50).
Negative electrode active material particle group.
薄膜状又はプレート状の活物質支持部材と、
前記活物質支持部材の表面に形成されている負極合剤層とを備え、
前記負極合剤層は、
請求項8に記載の負極活物質粒子群と、
前記負極活物質粒子群が内部に分散された結着剤とを含む、
負極。The negative electrode,
A thin film-shaped or plate-shaped active material supporting member,
A negative electrode material mixture layer formed on the surface of the active material supporting member,
The negative electrode mixture layer,
A negative electrode active material particle group according to claim 8,
A binder having the negative electrode active material particles dispersed therein,
Negative electrode.
前記負極活物質粒子群は、請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の前記複合粒子群からなる、
負極。The negative electrode according to claim 9,
The negative electrode active material particle group includes the composite particle group according to any one of claims 1 to 7.
Negative electrode.
正極と、
セパレータと、
電解質とを備える、
電池。A negative electrode according to claim 9 or 10,
The positive electrode,
A separator,
With an electrolyte,
battery.
金属イオンを吸蔵及び/又は放出する金属活物質を含有する活物質粒子と、
前記活物質粒子の表面を被覆する、非晶質炭素からなる非晶質炭素被膜とを備え、
前記活物質粒子の前記表面における前記非晶質炭素被膜の被覆率は、50〜90面積%であり、
前記凸部露出複合粒子は複数の凸部を有し、
前記複数の凸部において、前記活物質粒子の前記表面が1μm2以上露出している露出領域が少なくとも1箇所以上存在する、
凸部露出複合粒子。The convex-exposed composite particles,
Active material particles containing a metal active material that occludes and/or releases metal ions;
A surface of the active material particles, comprising an amorphous carbon coating of amorphous carbon,
The coverage of the amorphous carbon coating on the surface of the active material particles is 50 to 90 area %,
The protrusion-exposed composite particles have a plurality of protrusions,
In the plurality of convex portions, there is at least one exposed region in which the surface of the active material particles is exposed by 1 μm 2 or more.
Convex exposed composite particles.
前記活物質粒子のビッカース硬さがHV20〜500である、
凸部露出複合粒子。The convex-part exposed composite particle according to claim 12,
The Vickers hardness of the active material particles is HV20 to 500,
Convex exposed composite particles.
前記金属活物質は、
Cu、Sn、及び、Siからなる群から選択される1種以上を含有する、
凸部露出複合粒子。The convex-part exposed composite particle according to claim 12 or 13,
The metal active material is
Contains one or more selected from the group consisting of Cu, Sn, and Si,
Convex exposed composite particles.
前記金属活物質は、
Sn:10〜40at%と、
Cu:50〜90at%と、を含有する、
凸部露出複合粒子。The convex-part exposed composite particle according to claim 14, wherein
The metal active material is
Sn: 10 to 40 at %,
Cu: containing 50 to 90 at %,
Convex exposed composite particles.
前記金属活物質はさらに、
Sn:10〜35at%と、
Ti:9at%以下、V:49at%以下、Cr:49at%以下、Mn:9at%以下、Fe:49at%以下、Co:49at%以下、Ni:9at%以下、Zn:29at%以下、Al:49at%以下、Si:49at%以下、B:5at%以下、及び、C:5at%以下からなる群から選択される1種以上とを含有し、
残部はCu及び不純物からなる、
凸部露出複合粒子。The convex-part exposed composite particle according to claim 15,
The metal active material further comprises
Sn: 10 to 35 at %,
Ti: 9 at% or less, V: 49 at% or less, Cr: 49 at% or less, Mn: 9 at% or less, Fe: 49 at% or less, Co: 49 at% or less, Ni: 9 at% or less, Zn: 29 at% or less, Al: 49 at% or less, Si: 49 at% or less, B: 5 at% or less, and C: 5 at% or less, and one or more selected from the group consisting of,
The balance consists of Cu and impurities,
Convex exposed composite particles.
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