JP6736999B2 - Negative electrode active material for electric device and electric device using the same - Google Patents

Negative electrode active material for electric device and electric device using the same Download PDF

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Description

本発明は、電気デバイス用負極活物質、およびこれを用いた電気デバイスに関する。本発明の電気デバイス用負極活物質およびこれを用いた電気デバイスは、例えば、二次電池やキャパシタ等として電気自動車、燃料電池車およびハイブリッド電気自動車等の車両のモータ等の駆動用電源や補助電源に用いられる。 The present invention relates to a negative electrode active material for electric devices and an electric device using the same. The negative electrode active material for an electric device of the present invention and the electric device using the same are, for example, a driving power source and an auxiliary power source for a motor of a vehicle such as an electric vehicle, a fuel cell vehicle and a hybrid electric vehicle as a secondary battery or a capacitor. Used for.

近年、大気汚染や地球温暖化に対処するため、二酸化炭素量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池などの電気デバイスの開発が盛んに行われている。 In recent years, in order to cope with air pollution and global warming, reduction of carbon dioxide has been eagerly desired. In the automobile industry, expectations are growing for the reduction of carbon dioxide emissions by the introduction of electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs), and electric devices such as secondary batteries for driving motors that hold the key to their practical application. Is being actively developed.

モータ駆動用二次電池としては、携帯電話やノートパソコン等に使用される民生用リチウムイオン二次電池と比較して極めて高い出力特性、および高いエネルギーを有することが求められている。したがって、全ての電池の中で最も高い理論エネルギーを有するリチウムイオン二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。 As a secondary battery for driving a motor, it is required to have extremely high output characteristics and high energy as compared with consumer-use lithium-ion secondary batteries used in mobile phones, notebook computers and the like. Therefore, a lithium ion secondary battery, which has the highest theoretical energy among all batteries, has been attracting attention and is currently under rapid development.

リチウムイオン二次電池は、一般に、バインダを用いて正極活物質等を正極集電体の両面に塗布した正極と、バインダを用いて負極活物質等を負極集電体の両面に塗布した負極とが、電解質層を介して接続され、電池ケースに収納される構成を有している。 Lithium ion secondary batteries are generally composed of a positive electrode in which a positive electrode active material or the like is applied to both sides of a positive electrode current collector using a binder, and a negative electrode in which a negative electrode active material or the like is applied to both sides of a negative electrode current collector using a binder. However, it is connected via the electrolyte layer and housed in the battery case.

従来、リチウムイオン二次電池の負極には充放電サイクルの寿命やコスト面で有利な炭素・黒鉛系材料が用いられてきた。しかし、炭素・黒鉛系の負極材料ではリチウムイオンの黒鉛結晶中への吸蔵・放出により充放電がなされるため、最大リチウム導入化合物であるLiCから得られる理論容量372mAh/g以上の充放電容量が得られないという欠点がある。このため、炭素・黒鉛系負極材料で車両用途の実用化レベルを満足する容量、エネルギー密度を得るのは困難である。 Conventionally, carbon/graphite-based materials, which are advantageous in terms of charge/discharge cycle life and cost, have been used for the negative electrode of lithium-ion secondary batteries. However, in a carbon/graphite-based negative electrode material, charge/discharge is performed by occluding/releasing lithium ions in the graphite crystal. Therefore, a theoretical capacity of 372 mAh/g or more obtained from LiC 6 which is the maximum lithium-introducing compound is used. There is a drawback in that For this reason, it is difficult to obtain a capacity and energy density that satisfy the practical application level for vehicle applications with the carbon/graphite negative electrode material.

これに対し、負極にLiと合金化する材料を用いた電池は、従来の炭素・黒鉛系負極材料と比較しエネルギー密度が向上するため、車両用途における負極材料として期待されている。例えば、Si材料は、充放電において下記の反応式(A)のように1molあたり3.75molのリチウムイオンを吸蔵放出し、Li15Si(=Li3.75Si)においては理論容量3600mAh/gである。 On the other hand, a battery using a material that forms an alloy with Li for the negative electrode is expected to be used as a negative electrode material for vehicle applications because it has an improved energy density as compared with conventional carbon/graphite based negative electrode materials. For example, the Si material absorbs and releases 3.75 mol of lithium ions per mol as shown in the following reaction formula (A) during charge and discharge, and theoretical capacity of 3600 mAh/in Li 15 Si 4 (=Li 3.75 Si). It is g.

しかしながら、負極にLiと合金化する材料を用いたリチウムイオン二次電池は、充放電時の負極での膨張収縮が大きい。例えば、Liイオンを吸蔵した場合の体積膨張は、黒鉛材料では約1.2倍であるのに対し、Si材料ではSiとLiが合金化する際、アモルファス状態から結晶状態へ転移し大きな体積変化(約4倍)を起こすため、電極のサイクル寿命を低下させる問題があった。また、Si系負極活物質の場合、容量とサイクル耐久性とはトレードオフの関係であり、高容量を示しつつサイクル耐久性を向上させることが困難であるといった問題があった。 However, a lithium-ion secondary battery using a material that forms an alloy with Li in the negative electrode has a large expansion and contraction in the negative electrode during charging and discharging. For example, the volume expansion in the case of occluding Li ions is about 1.2 times in the graphite material, whereas in the Si material, when Si and Li are alloyed, a transition from an amorphous state to a crystalline state occurs and a large volume change occurs. Therefore, there is a problem that the cycle life of the electrode is shortened. Further, in the case of the Si-based negative electrode active material, there is a trade-off between capacity and cycle durability, and there is a problem that it is difficult to improve cycle durability while exhibiting high capacity.

ここで、特許文献1では、高容量で、かつサイクル寿命に優れた負極ペレットを有する非水電解質二次電池を提供することを課題とした発明が開示されている。具体的には、ケイ素粉末とチタン粉末とをメカニカルアロイング法により混合し、湿式粉砕して得られるケイ素含有合金であって、ケイ素を主体とする第1相とチタンのケイ化物(TiSiなど)を含む第2相とを含むものを負極活物質として用いることが開示されている。この際、これらの2つの相の少なくとも一方を非晶質または低結晶性とすることも開示されている。 Here, Patent Document 1 discloses an invention whose object is to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery having a negative electrode pellet having a high capacity and an excellent cycle life. Specifically, it is a silicon-containing alloy obtained by mixing silicon powder and titanium powder by a mechanical alloying method and wet pulverizing the mixture, and the first phase mainly composed of silicon and a silicide of titanium (such as TiSi 2 ). Is used as a negative electrode active material. At this time, it is also disclosed that at least one of these two phases is amorphous or low crystalline.

国際公開第2006/129415号パンフレットInternational Publication 2006/129415 Pamphlet

本発明者らの検討によれば、上記特許文献1に記載の負極ペレットを用いたリチウムイオン二次電池等の電気デバイスでは、良好なサイクル耐久性を示すことができるとされているにもかかわらず、サイクル耐久性が十分ではない場合があることが判明した。 According to the study by the present inventors, it is said that an electric device such as a lithium ion secondary battery using the negative electrode pellet described in Patent Document 1 can exhibit good cycle durability. Therefore, it was found that the cycle durability may not be sufficient.

そこで本発明は、リチウムイオン二次電池等の電気デバイスのサイクル耐久性を向上させうる手段を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a means capable of improving the cycle durability of an electric device such as a lithium ion secondary battery.

本発明者らは、上記課題を解決するため、鋭意研究を行った。その結果、Si−Sn−Tiからなる三元系の合金組成を有し、X線回折測定で観測される特定の3つの回折ピークの強度が所定の関係を有するケイ素含有合金を電気デバイス用の負極活物質として用いることで上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The present inventors have conducted earnest research to solve the above problems. As a result, a silicon-containing alloy having a ternary alloy composition of Si—Sn—Ti and having three predetermined diffraction peak intensities observed by X-ray diffraction measurement has a predetermined relationship. It has been found that the above problems can be solved by using it as a negative electrode active material, and the present invention has been completed.

すなわち、本発明は、ケイ素含有合金からなる電気デバイス用負極活物質に関する。当該ケイ素含有合金は、下記化学式(I): That is, the present invention relates to a negative electrode active material for electric devices, which is made of a silicon-containing alloy. The silicon-containing alloy has the following chemical formula (I):

(上記化学式(I)において、
Aは、不可避不純物であり、
x、y、z、およびaは、質量%の値を表し、この際、0<x<100、0<y<100、0<z<100、および0≦a<0.5であり、x+y+z+a=100である。)
で表される組成を有する。そして、ケイ素含有合金のCuKα1線を用いたX線回折(XRD)測定において、2θ=38〜40°の範囲におけるC54構造を有するTiSiの(311)面の回折ピーク強度Xに対する、2θ=40〜41°の範囲におけるC49構造を有するTiSiの(131)面の回折ピーク強度Yの比の値(Y/X)が、0.5以上である点に特徴を有する。さらに、2θ=28〜30°の範囲におけるSiの(111)面の回折ピーク強度Zに対する、回折ピーク強度Yの比の値(Y/Z)が、0.6以上である点にも特徴を有する。
(In the above chemical formula (I),
A is an unavoidable impurity,
x, y, z, and a represent mass% values, where 0<x<100, 0<y<100, 0<z<100, and 0≦a<0.5, and x+y+z+a =100. )
It has a composition represented by. Then, in the X-ray diffraction (XRD) measurement using CuKα1 ray of the silicon-containing alloy, 2θ=40 with respect to the diffraction peak intensity X of the (311) plane of TiSi 2 having the C54 structure in the range of 2θ=38 to 40°. It is characterized in that the ratio value (Y/X) of the diffraction peak intensities Y of the (131) plane of TiSi 2 having a C49 structure in the range of up to 41° is 0.5 or more. Further, the characteristic (Y/Z) of the ratio of the diffraction peak intensity Y to the diffraction peak intensity Z of the (111) plane of Si in the range of 2θ=28 to 30° is 0.6 or more. Have.

本発明の電気デバイス用負極活物質によれば、リチウムイオン二次電池等の電気デバイスのサイクル耐久性を向上させることができる。 According to the negative electrode active material for an electric device of the present invention, the cycle durability of an electric device such as a lithium ion secondary battery can be improved.

図1は、本発明に係る電気デバイスの代表的な一実施形態である積層型の扁平な非双極型リチウムイオン二次電池の概要を模式的に表した断面概略図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing an outline of a laminated flat non-bipolar lithium ion secondary battery which is a typical embodiment of an electric device according to the present invention. 図2は、本発明に係る電気デバイスの代表的な実施形態である積層型の扁平なリチウムイオン二次電池の外観を模式的に表した斜視図である。FIG. 2 is a perspective view schematically showing the appearance of a laminated flat lithium-ion secondary battery that is a typical embodiment of the electric device according to the present invention. 図3は、X線回折スペクトルにおいて、回折ピーク強度の求め方を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining how to obtain the diffraction peak intensity in the X-ray diffraction spectrum. 図4は、実施例1で得られたケイ素含有合金(負極活物質)のX線回折スペクトルである。FIG. 4 is an X-ray diffraction spectrum of the silicon-containing alloy (negative electrode active material) obtained in Example 1. 図5は、実施例2で得られたケイ素含有合金(負極活物質)のX線回折スペクトルである。FIG. 5 is an X-ray diffraction spectrum of the silicon-containing alloy (negative electrode active material) obtained in Example 2. 図6は、実施例3で得られたケイ素含有合金(負極活物質)のX線回折スペクトルである。FIG. 6 is an X-ray diffraction spectrum of the silicon-containing alloy (negative electrode active material) obtained in Example 3. 図7は、実施例4で得られたケイ素含有合金(負極活物質)のX線回折スペクトルである。FIG. 7 is an X-ray diffraction spectrum of the silicon-containing alloy (negative electrode active material) obtained in Example 4. 図8は、実施例5で得られたケイ素含有合金(負極活物質)のX線回折スペクトルである。FIG. 8 is an X-ray diffraction spectrum of the silicon-containing alloy (negative electrode active material) obtained in Example 5. 図9は、比較例1で得られたケイ素含有合金(負極活物質)のX線回折スペクトルである。FIG. 9 is an X-ray diffraction spectrum of the silicon-containing alloy (negative electrode active material) obtained in Comparative Example 1. 図10は、比較例2で得られたケイ素含有合金(負極活物質)のX線回折スペクトルである。FIG. 10 is an X-ray diffraction spectrum of the silicon-containing alloy (negative electrode active material) obtained in Comparative Example 2.

以下、図面を参照しながら、本発明の電気デバイス用負極活物質およびこれを用いてなる電気デバイスの実施形態を説明する。但し、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみには制限されない。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of the negative electrode active material for an electric device and the electric device using the same according to the present invention will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention should be determined based on the description of the claims, and is not limited to the following modes. In the description of the drawings, the same elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description. Further, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may differ from the actual ratios.

以下、本発明の電気デバイス用負極活物質が適用されうる電気デバイスの基本的な構成を、図面を用いて説明する。本実施形態では、電気デバイスとしてリチウムイオン二次電池を例示して説明する。 Hereinafter, a basic configuration of an electric device to which the negative electrode active material for an electric device of the present invention can be applied will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, a lithium ion secondary battery will be described as an example of the electric device.

まず、本発明に係る電気デバイス用負極活物質を含む負極の代表的な一実施形態であるリチウムイオン二次電池用の負極およびこれを用いてなるリチウムイオン二次電池では、セル(単電池層)の電圧が大きく、高エネルギー密度、高出力密度が達成できる。そのため本実施形態のリチウムイオン二次電池用の負極活物質を用いてなるリチウムイオン二次電池では、車両の駆動電源用や補助電源用として優れている。その結果、車両の駆動電源用等のリチウムイオン二次電池として好適に利用できる。このほかにも、携帯電話などの携帯機器向けのリチウムイオン二次電池にも十分に適用可能である。 First, in a negative electrode for a lithium ion secondary battery, which is a typical embodiment of a negative electrode containing a negative electrode active material for an electric device according to the present invention, and a lithium ion secondary battery using the same, a cell (single battery layer ) Is large, and high energy density and high power density can be achieved. Therefore, the lithium ion secondary battery using the negative electrode active material for the lithium ion secondary battery of the present embodiment is excellent as a drive power source or an auxiliary power source for a vehicle. As a result, it can be suitably used as a lithium-ion secondary battery for a drive power source of a vehicle. In addition, it can be sufficiently applied to a lithium ion secondary battery for mobile devices such as mobile phones.

すなわち、本実施形態の対象となるリチウムイオン二次電池は、以下に説明する本実施形態のリチウムイオン二次電池用の負極活物質を用いてなるものであればよく、他の構成要件に関しては、特に制限されるべきものではない。 That is, the lithium-ion secondary battery that is the target of the present embodiment may be any one that uses the negative electrode active material for the lithium-ion secondary battery of the present embodiment described below, with respect to other constituent requirements. , Is not particularly limited.

例えば、上記リチウムイオン二次電池を形態・構造で区別した場合には、積層型(扁平型)電池、巻回型(円筒型)電池など、従来公知のいずれの形態・構造にも適用し得るものである。積層型(扁平型)電池構造を採用することで簡単な熱圧着などのシール技術により長期信頼性を確保でき、コスト面や作業性の点では有利である。 For example, when the above lithium ion secondary batteries are distinguished by form/structure, they can be applied to any conventionally known form/structure such as a stacked type (flat type) battery and a wound type (cylindrical type) battery. It is a thing. By adopting a laminated (flat) battery structure, long-term reliability can be ensured by a sealing technique such as simple thermocompression bonding, which is advantageous in terms of cost and workability.

また、リチウムイオン二次電池内の電気的な接続形態(電極構造)で見た場合、非双極型(内部並列接続タイプ)電池および双極型(内部直列接続タイプ)電池のいずれにも適用し得るものである。 Further, when viewed in terms of the electrical connection form (electrode structure) in the lithium ion secondary battery, it can be applied to both non-bipolar (internal parallel connection type) batteries and bipolar (internal series connection type) batteries. It is a thing.

リチウムイオン二次電池内の電解質層の種類で区別した場合には、電解質層に非水系の電解液等の溶液電解質を用いた溶液電解質型電池、電解質層に高分子電解質を用いたポリマー電池など従来公知のいずれの電解質層のタイプにも適用し得るものである。該ポリマー電池は、さらに高分子ゲル電解質(単にゲル電解質ともいう)を用いたゲル電解質型電池、高分子固体電解質(単にポリマー電解質ともいう)を用いた固体高分子(全固体)型電池に分けられる。 When distinguished by the type of electrolyte layer in a lithium-ion secondary battery, a solution electrolyte type battery using a solution electrolyte such as a non-aqueous electrolyte solution in the electrolyte layer, a polymer battery using a polymer electrolyte in the electrolyte layer, etc. It can be applied to any type of conventionally known electrolyte layer. The polymer battery is further classified into a gel electrolyte type battery using a polymer gel electrolyte (also simply referred to as gel electrolyte) and a solid polymer (all solid) type battery using a polymer solid electrolyte (also simply referred to as polymer electrolyte). To be

したがって、以下の説明では、本実施形態のリチウムイオン二次電池用の負極活物質を用いてなる非双極型(内部並列接続タイプ)リチウムイオン二次電池につき図面を用いてごく簡単に説明する。但し、本実施形態のリチウムイオン二次電池の技術的範囲が、これらに制限されるべきものではない。 Therefore, in the following description, a non-bipolar (internal parallel connection type) lithium ion secondary battery using the negative electrode active material for the lithium ion secondary battery of the present embodiment will be briefly described with reference to the drawings. However, the technical scope of the lithium ion secondary battery of the present embodiment should not be limited to these.

<電池の全体構造>
図1は、本発明の電気デバイスの代表的な一実施形態である、扁平型(積層型)のリチウムイオン二次電池(以下、単に「積層型電池」ともいう)の全体構造を模式的に表した断面概略図である。
<Overall structure of battery>
FIG. 1 schematically shows the overall structure of a flat type (laminated type) lithium ion secondary battery (hereinafter, also simply referred to as “laminated type battery”), which is a typical embodiment of the electric device of the present invention. It is the cross-sectional schematic diagram represented.

図1に示すように、本実施形態の積層型電池10は、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、外装体であるラミネートシート29の内部に封止された構造を有する。ここで、発電要素21は、正極集電体12の両面に正極活物質層15が配置された正極と、電解質層17と、負極集電体11の両面に負極活物質層13が配置された負極とを積層した構成を有している。具体的には、1つの正極活物質層15とこれに隣接する負極活物質層13とが、電解質層17を介して対向するようにして、負極、電解質層および正極がこの順に積層されている。 As shown in FIG. 1, the stack type battery 10 of the present embodiment has a structure in which a substantially rectangular power generation element 21 in which a charging/discharging reaction actually progresses is sealed inside a laminate sheet 29 which is an exterior body. .. Here, in the power generation element 21, the positive electrode in which the positive electrode active material layers 15 are arranged on both surfaces of the positive electrode current collector 12, the electrolyte layer 17, and the negative electrode active material layers 13 are arranged on both surfaces of the negative electrode current collector 11. It has a structure in which a negative electrode is laminated. Specifically, one negative electrode active material layer 15 and the adjacent negative electrode active material layer 13 are opposed to each other with the electrolyte layer 17 in between, and the negative electrode, the electrolyte layer, and the positive electrode are laminated in this order. ..

これにより、隣接する正極、電解質層、および負極は、1つの単電池層19を構成する。したがって、図1に示す積層型電池10は、単電池層19が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。なお、発電要素21の両最外層に位置する最外層の正極集電体には、いずれも片面のみに正極活物質層15が配置されているが、両面に活物質層が設けられてもよい。すなわち、片面にのみ活物質層を設けた最外層専用の集電体とするのではなく、両面に活物質層がある集電体をそのまま最外層の集電体として用いてもよい。また、図1とは正極および負極の配置を逆にすることで、発電要素21の両最外層に最外層の負極集電体が位置するようにし、該最外層の負極集電体の片面または両面に負極活物質層が配置されているようにしてもよい。 Thus, the adjacent positive electrode, electrolyte layer, and negative electrode form one unit cell layer 19. Therefore, it can be said that the stacked battery 10 shown in FIG. 1 has a configuration in which a plurality of unit cell layers 19 are stacked and electrically connected in parallel. In addition, in each of the outermost positive electrode collectors located on both outermost layers of the power generation element 21, the positive electrode active material layer 15 is arranged on only one surface, but the active material layers may be provided on both surfaces. .. That is, the current collector having the active material layers on both sides may be used as it is as the current collector for the outermost layer, instead of the current collector dedicated to the outermost layer in which the active material layer is provided on only one surface. Further, by reversing the arrangement of the positive electrode and the negative electrode from that of FIG. 1, the outermost negative electrode current collectors are located on both outermost layers of the power generation element 21, and one surface of the outermost layer negative electrode current collector or You may make it arrange|position the negative electrode active material layer on both surfaces.

正極集電体12および負極集電体11は、各電極(正極および負極)と導通される正極集電板27および負極集電板25がそれぞれ取り付けられ、ラミネートシート29の端部に挟まれるようにしてラミネートシート29の外部に導出される構造を有している。正極集電板27および負極集電板25は、それぞれ必要に応じて正極リードおよび負極リード(図示せず)を介して、各電極の正極集電体12および負極集電体11に超音波溶接や抵抗溶接等により取り付けられていてもよい。 The positive electrode current collector 12 and the negative electrode current collector 11 are attached with a positive electrode current collector plate 27 and a negative electrode current collector plate 25 that are electrically connected to the respective electrodes (positive electrode and negative electrode), and are sandwiched between the end portions of the laminate sheet 29. And has a structure led out to the outside of the laminate sheet 29. The positive electrode current collector plate 27 and the negative electrode current collector plate 25 are ultrasonically welded to the positive electrode current collector 12 and the negative electrode current collector 11 of each electrode via a positive electrode lead and a negative electrode lead (not shown), respectively, if necessary. It may be attached by resistance welding or the like.

上記で説明したリチウムイオン二次電池は、負極に特徴を有する。以下、当該負極を含めた電池の主要な構成部材について説明する。 The lithium-ion secondary battery described above is characterized by the negative electrode. Hereinafter, the main constituent members of the battery including the negative electrode will be described.

<活物質層>
活物質層13または15は活物質を含み、必要に応じてその他の添加剤をさらに含む。
<Active material layer>
The active material layer 13 or 15 contains an active material and, if necessary, further contains other additives.

[正極活物質層]
正極活物質層15は、正極活物質を含む。
[Cathode active material layer]
The positive electrode active material layer 15 contains a positive electrode active material.

(正極活物質)
正極活物質としては、例えば、LiMn、LiCoO、LiNiO、Li(Ni−Mn−Co)Oおよびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの等のリチウム−遷移金属複合酸化物、リチウム−遷移金属リン酸化合物、リチウム−遷移金属硫酸化合物などが挙げられる。場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、リチウム−遷移金属複合酸化物が、正極活物質として用いられる。より好ましくはリチウムとニッケルとを含有する複合酸化物が用いられ、さらに好ましくはLi(Ni−Mn−Co)Oおよびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの(以下、単に「NMC複合酸化物」とも称する)が用いられる。NMC複合酸化物は、リチウム原子層と遷移金属(Mn、NiおよびCoが秩序正しく配置)原子層とが酸素原子層を介して交互に積み重なった層状結晶構造を持ち、遷移金属Mの1原子あたり1個のLi原子が含まれ、取り出せるLi量が、スピネル系リチウムマンガン酸化物の2倍、つまり供給能力が2倍になり、高い容量を持つことができる。
(Cathode active material)
As the positive electrode active material, for example, lithium such as those LiMn 2 O 4, LiCoO 2, LiNiO 2, Li (Ni-Mn-Co) O 2 , and some of these transition metals are replaced by other elements - Examples thereof include transition metal composite oxides, lithium-transition metal phosphate compounds, lithium-transition metal sulfate compounds, and the like. Depending on the case, two or more positive electrode active materials may be used in combination. From the viewpoint of capacity and output characteristics, a lithium-transition metal composite oxide is preferably used as the positive electrode active material. More preferably, a composite oxide containing lithium and nickel is used, and further preferably, Li(Ni—Mn—Co)O 2 and those in which some of these transition metals are replaced with other elements (hereinafter, (Also simply referred to as “NMC complex oxide”) is used. The NMC composite oxide has a layered crystal structure in which lithium atomic layers and transition metal (Mn, Ni, and Co are arranged in an ordered manner) atomic layers are alternately stacked via oxygen atomic layers. One Li atom is contained, and the amount of Li that can be taken out is twice as large as that of the spinel-type lithium manganese oxide, that is, the supply capacity is twice as large, and a high capacity can be obtained.

NMC複合酸化物は、上述したように、遷移金属元素の一部が他の金属元素により置換されている複合酸化物も含む。その場合の他の元素としては、Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Cr、Fe、B、Ga、In、Si、Mo、Y、Sn、V、Cu、Ag、Znなどが挙げられ、好ましくは、Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Crであり、より好ましくは、Ti、Zr、P、Al、Mg、Crであり、サイクル特性向上の観点から、さらに好ましくは、Ti、Zr、Al、Mg、Crである。 As described above, the NMC composite oxide also includes a composite oxide in which a part of the transition metal element is replaced with another metal element. In this case, other elements include Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, Cr, Fe, B, Ga, In, Si, Mo, Y, Sn, V, Cu. , Ag, Zn, etc., preferably Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, Cr, more preferably Ti, Zr, P, Al, Mg, Cr, and more preferably Ti, Zr, Al, Mg, and Cr from the viewpoint of improving cycle characteristics.

NMC複合酸化物は、理論放電容量が高いことから、好ましくは、一般式(1):LiNiMnCo(但し、式中、a、b、c、d、xは、0.9≦a≦1.2、0<b<1、0<c≦0.5、0<d≦0.5、0≦x≦0.3、b+c+d=1を満たす。MはTi、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Crから選ばれる元素で少なくとも1種類である)で表される組成を有する。ここで、aは、Liの原子比を表し、bは、Niの原子比を表し、cは、Mnの原子比を表し、dは、Coの原子比を表し、xは、Mの原子比を表す。サイクル特性の観点からは、一般式(1)において、0.4≦b≦0.6であることが好ましい。なお、各元素の組成は、例えば、誘導結合プラズマ(ICP)発光分析法により測定できる。 Since the NMC complex oxide has a high theoretical discharge capacity, it is preferable that the NMC composite oxide has the general formula (1): Li a Ni b Mn c Co d M x O 2 (where a, b, c, d, and x are in the formula). Satisfies 0.9≦a≦1.2, 0<b<1, 0<c≦0.5, 0<d≦0.5, 0≦x≦0.3, b+c+d=1, and M is Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, and Cr, which is at least one element). Here, a represents the atomic ratio of Li, b represents the atomic ratio of Ni, c represents the atomic ratio of Mn, d represents the atomic ratio of Co, and x represents the atomic ratio of M. Represents. From the viewpoint of cycle characteristics, it is preferable that 0.4≦b≦0.6 in the general formula (1). The composition of each element can be measured by, for example, an inductively coupled plasma (ICP) emission analysis method.

一般に、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)およびマンガン(Mn)は、材料の純度向上および電子伝導性向上という観点から、容量および出力特性に寄与することが知られている。Ti等は、結晶格子中の遷移金属を一部置換するものである。サイクル特性の観点からは、遷移元素の一部が他の金属元素により置換されていることが好ましく、特に一般式(1)において0<x≦0.3であることが好ましい。Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、SrおよびCrからなる群から選ばれる少なくとも1種が固溶することにより結晶構造が安定化されるため、その結果、充放電を繰り返しても電池の容量低下が防止でき、優れたサイクル特性が実現し得ると考えられる。 In general, nickel (Ni), cobalt (Co) and manganese (Mn) are known to contribute to the capacity and output characteristics from the viewpoint of improving the material purity and improving the electron conductivity. Ti or the like partially replaces the transition metal in the crystal lattice. From the viewpoint of cycle characteristics, it is preferable that a part of the transition element is replaced with another metal element, and 0<x≦0.3 is particularly preferable in the general formula (1). Since at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr and Cr is solid-solved, the crystal structure is stabilized, resulting in charge/discharge. It is considered that the battery capacity can be prevented from being lowered even by repeating the above, and excellent cycle characteristics can be realized.

より好ましい実施形態としては、一般式(1)において、b、cおよびdが、0.44≦b≦0.51、0.27≦c≦0.31、0.19≦d≦0.26であることが、容量と寿命特性とのバランスを向上させるという観点からは好ましい。例えば、LiNi0.5Mn0.3Co0.2は、一般的な民生電池で実績のあるLiCoO、LiMn、LiNi1/3Mn1/3Co1/3などと比較して、単位重量あたりの容量が大きく、エネルギー密度の向上が可能となることでコンパクトかつ高容量の電池を作製できるという利点を有しており、航続距離の観点からも好ましい。なお、より容量が大きいという点ではLiNi0.8Co0.1Al0.1がより有利であるが、寿命特性に難がある。これに対し、LiNi0.5Mn0.3Co0.2はLiNi1/3Mn1/3Co1/3並みに優れた寿命特性を有しているのである。 As a more preferred embodiment, in the general formula (1), b, c and d are 0.44≦b≦0.51, 0.27≦c≦0.31, 0.19≦d≦0.26. Is preferable from the viewpoint of improving the balance between capacity and life characteristics. For example, LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 is LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2, etc., which have a proven record in general consumer batteries. Compared with the above, since it has a large capacity per unit weight and can improve the energy density, it has an advantage that a compact and high capacity battery can be manufactured, which is also preferable from the viewpoint of cruising range. Although LiNi 0.8 Co 0.1 Al 0.1 O 2 is more advantageous in that it has a larger capacity, it has a problem in life characteristics. On the other hand, LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 has a life characteristic as excellent as LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 .

場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、リチウム−遷移金属複合酸化物が、正極活物質として用いられる。なお、上記以外の正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。 Depending on the case, two or more positive electrode active materials may be used in combination. From the viewpoint of capacity and output characteristics, a lithium-transition metal composite oxide is preferably used as the positive electrode active material. Needless to say, a positive electrode active material other than the above may be used.

正極活物質層15に含まれる正極活物質の平均粒子径は特に制限されないが、高出力化の観点からは、好ましくは1〜30μmであり、より好ましくは5〜20μmである。なお、本明細書において、「粒子径」とは、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用いて観察される活物質粒子(観察面)の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離を意味する。また、本明細書において、「平均粒子径」の値は、特記しない限り、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。他の構成成分の粒子径や平均粒子径も同様に定義することができる。 The average particle diameter of the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer 15 is not particularly limited, but from the viewpoint of high output, it is preferably 1 to 30 μm, more preferably 5 to 20 μm. In addition, in the present specification, the “particle diameter” is on the contour line of the active material particles (observation surface) observed using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). Of the distances between any two points, it means the maximum distance. In addition, in the present specification, the value of “average particle diameter” is observed in several to several tens of visual fields by using an observing means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM) unless otherwise specified. The value calculated as the average value of the particle diameter of the particles to be used shall be adopted. The particle diameters and average particle diameters of the other constituent components can be similarly defined.

正極活物質層15は、バインダを含みうる。 The positive electrode active material layer 15 may include a binder.

(バインダ)
バインダは、活物質同士または活物質と集電体とを結着させて電極構造を維持する目的で添加される。正極活物質層に用いられるバインダとしては、特に限定されないが、例えば、以下の材料が挙げられる。ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、セルロース、カルボキシメチルセルロース(CMC)、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物などの熱可塑性高分子、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−HFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFMVE−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂等が挙げられる。中でも、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミド、スチレン・ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、ポリアミドイミドであることがより好ましい。これらの好適なバインダは、耐熱性に優れ、さらに電位窓が非常に広く正極電位、負極電位双方に安定であり活物質層に使用が可能となる。これらのバインダは、1種単独で用いてもよいし、2種併用してもよい。
(Binder)
The binder is added for the purpose of binding the active materials together or the active material and the current collector to maintain the electrode structure. The binder used for the positive electrode active material layer is not particularly limited, but examples thereof include the following materials. Polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate (PET), polyether nitrile (PEN), polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, polyamide imide, cellulose, carboxymethyl cellulose (CMC), ethylene-vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, styrene-butadiene Rubber (SBR), isoprene rubber, butadiene rubber, ethylene/propylene rubber, ethylene/propylene/diene copolymer, styrene/butadiene/styrene block copolymer and hydrogenated product thereof, styrene/isoprene/styrene block copolymer, and Thermoplastic polymers such as hydrogenated products thereof, polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene/hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene/perfluoroalkyl vinyl ether copolymer Fluorine resin such as polymer (PFA), ethylene/tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene/chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyvinyl fluoride (PVF), Vinylidene fluoride-hexafluoropropylene fluororubber (VDF-HFP fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluororubber (VDF-HFP-TFE fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoro Propylene-based fluororubber (VDF-PFP-based fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-PFP-TFE-based fluororubber), vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene Examples thereof include vinylidene fluoride-based fluororubbers such as vinylidene fluoride-based fluororubbers (VDF-PFMVE-TFE-based fluororubbers) and vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene-based fluororubbers (VDF-CTFE-based fluororubbers). Among them, polyvinylidene fluoride, polyimide, styrene-butadiene rubber, carboxymethyl cellulose, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, polyamide, and polyamide-imide are more preferable. These suitable binders have excellent heat resistance, have a very wide potential window, are stable at both the positive electrode potential and the negative electrode potential, and can be used in the active material layer. These binders may be used alone or in combination of two.

正極活物質層中に含まれるバインダ量は、活物質を結着することができる量であれば特に限定されるものではないが、好ましくは活物質層に対して、0.5〜15質量%であり、より好ましくは1〜10質量%である。 The amount of the binder contained in the positive electrode active material layer is not particularly limited as long as it can bind the active material, but is preferably 0.5 to 15 mass% with respect to the active material layer. And more preferably 1 to 10 mass %.

正極(正極活物質層)は、通常のスラリーを塗布(コーティング)する方法のほか、混練法、スパッタ法、蒸着法、CVD法、PVD法、イオンプレーティング法および溶射法のいずれかの方法によって形成することができる。 The positive electrode (positive electrode active material layer) is formed by any one of a kneading method, a sputtering method, a vapor deposition method, a CVD method, a PVD method, an ion plating method, and a thermal spraying method, in addition to a method of applying a usual slurry (coating). Can be formed.

[負極活物質層]
負極活物質層13は、負極活物質を含む。
[Negative electrode active material layer]
The negative electrode active material layer 13 contains a negative electrode active material.

(負極活物質)
本実施形態において、負極活物質は、Si−Sn−Tiからなる三元系の合金組成を有し、X線回折測定で観測される特定の3つの回折ピークの強度が所定の関係を有するケイ素含有合金からなるものである。
(Negative electrode active material)
In the present embodiment, the negative electrode active material has a ternary alloy composition of Si—Sn—Ti, and silicon in which the intensities of three specific diffraction peaks observed by X-ray diffraction measurement have a predetermined relationship. It is made of a contained alloy.

〈ケイ素含有合金の組成〉
上述したように、本実施形態における負極活物質を構成するケイ素含有合金は、まず、Si−Sn−Tiからなる三元系の合金組成を有している。より具体的に、本実施形態における負極活物質を構成するケイ素含有合金は、下記化学式(I)で表される組成を有するものである。
<Composition of silicon-containing alloy>
As described above, the silicon-containing alloy forming the negative electrode active material in the present embodiment first has a ternary alloy composition of Si—Sn—Ti. More specifically, the silicon-containing alloy forming the negative electrode active material in the present embodiment has a composition represented by the following chemical formula (I).

上記化学式(I)において、Aは、不可避不純物であり、x、y、z、およびaは、質量%の値を表し、この際、0<x<100、0<y<100、0<z<100、および0≦a<0.5であり、x+y+z+a=100である。 In the above chemical formula (I), A is an unavoidable impurity, and x, y, z, and a represent mass% values, where 0<x<100, 0<y<100, 0<z. <100, 0≦a<0.5, and x+y+z+a=100.

上記化学式(I)から明らかなように、本実施形態に係るケイ素含有合金(SiSnTiの組成を有するもの)は、Si、SnおよびTiの三元系である。ケイ素含有合金への添加元素としてTiを含むことにより、Li合金化の際に、アモルファス−結晶の相転移を抑制し、高いサイクル耐久性の実現が可能となる。また、これによって、従来の負極活物質(例えば、炭素系負極活物質)よりも高容量のものとなる。 As is clear from the above chemical formula (I), the silicon-containing alloy (having the composition of Si x Sn y Ti z A a ) according to this embodiment is a ternary system of Si, Sn and Ti. By including Ti as an additive element to the silicon-containing alloy, it is possible to suppress the amorphous-crystal phase transition during Li alloying and achieve high cycle durability. In addition, this makes the capacity higher than that of the conventional negative electrode active material (for example, carbon-based negative electrode active material).

ここで、Si系負極活物質では、充電時にSiとLiとが合金化する際、Si相がアモルファス状態から結晶状態へと転移して大きな体積変化(約4倍)を起こす。その結果、活物質粒子自体が壊れてしまい、活物質としての機能が失われてしまうという問題がある。このため、充電時におけるSi相のアモルファス−結晶の相転移を抑制することで粒子自体の崩壊を抑制することができ、活物質としての機能(高容量)が保持され、サイクル寿命も向上させることができる。 Here, in the Si-based negative electrode active material, when Si and Li are alloyed during charging, the Si phase transitions from an amorphous state to a crystalline state, causing a large volume change (about 4 times). As a result, there is a problem that the active material particles themselves are broken and the function as an active material is lost. Therefore, it is possible to suppress the collapse of the particles themselves by suppressing the phase transition of the amorphous-crystal of the Si phase during charging, the function (high capacity) as the active material is maintained, and the cycle life is also improved. You can

なお、本明細書において「不可避不純物」とは、ケイ素含有合金において、原料中に存在したり、製造工程において不可避的に混入したりするものを意味する。当該不可避不純物は、本来は不要なものであるが、微量であり、ケイ素含有合金の特性に影響を及ぼさないため、許容されている不純物である。 In addition, in this specification, "unavoidable impurities" mean those present in a raw material of a silicon-containing alloy or those unavoidably mixed in the manufacturing process. Although the unavoidable impurities are essentially unnecessary, they are permissible impurities because they are trace amounts and do not affect the characteristics of the silicon-containing alloy.

上述したように、本実施形態に係るケイ素含有合金(SiSnTiの組成を有するもの)は、Si、SnおよびTiの三元系である。ここで、各構成元素の構成比(質量比x、y、z)の合計は100質量%であるが、x、y、zのそれぞれの値について特に制限はない。ただし、xについては、充放電(Liイオンの挿入脱離)に対する耐久性の保持および初期容量のバランスという観点から、好ましくは60≦x≦73であり、より好ましくは60≦x≦70であり、さらに好ましくは60≦x≦66であり、特に好ましくは63≦x≦66である。また、yについては、Si相中に固溶し、Si相中のSi正四面体間距離を増大させることにより、充放電時のLiイオンの可逆的な挿入脱離を可能にするという観点から、好ましくは2≦y≦15であり、より好ましくは2≦y≦10であり、さらに好ましくは4≦y≦10であり、特に好ましくは4≦y≦7である。そして、zについては、xと同様に充放電(Liイオンの挿入脱離)に対する耐久性の保持および初期容量のバランスという観点から、好ましくは25≦z≦35であり、より好ましくは27≦z≦33であり、さらに好ましくは28≦z≦30である。このように、Siを主成分としつつ、Tiを比較的多めに含ませ、かつ、Snについてもある程度含ませることで、本実施形態に係るケイ素含有合金のX線回折測定で観測される特定の3つの回折ピークの強度が所定の関係を有しやすくなる。ただし、上述した各構成元素の構成比の数値範囲はあくまでも好ましい実施形態を説明するものに過ぎず、特許請求の範囲に含まれている限り、本発明の技術的範囲内のものである。 As described above, the silicon-containing alloy according to the present embodiment (having the composition of Si x Sn y Ti z A a ) is a ternary system of Si, Sn and Ti. Here, the sum of the constituent ratios (mass ratios x, y, z) of the constituent elements is 100% by mass, but there is no particular limitation on the respective values of x, y, z. However, x is preferably 60≦x≦73, more preferably 60≦x≦70, from the viewpoint of maintaining durability against charge/discharge (insertion/desorption of Li ions) and balancing the initial capacity. , More preferably 60≦x≦66, and particularly preferably 63≦x≦66. In addition, as for y, from the viewpoint of forming a solid solution in the Si phase and increasing the distance between the Si tetrahedra in the Si phase, reversible insertion and desorption of Li ions during charge and discharge can be performed. , Preferably 2≦y≦15, more preferably 2≦y≦10, further preferably 4≦y≦10, particularly preferably 4≦y≦7. Regarding z, from the viewpoint of maintaining durability against charge/discharge (insertion/desorption of Li ions) and balance of initial capacity, it is preferably 25≦z≦35, more preferably 27≦z, as in the case of x. ≦33, and more preferably 28≦z≦30. As described above, by including Ti in a relatively large amount while including Si as a main component, and also including Sn to some extent, a specific amount observed in the X-ray diffraction measurement of the silicon-containing alloy according to the present embodiment is obtained. The intensities of the three diffraction peaks tend to have a predetermined relationship. However, the above numerical range of the constituent ratio of each constituent element is merely for explaining the preferred embodiment, and is within the technical scope of the present invention as long as it is included in the scope of the claims.

なお、Aは上述のように、原料や製法に由来する上記3成分以外の不純物(不可避不純物)である。前記aは、0≦a<0.5であり、0≦a<0.1であることが好ましい。負極活物質(ケイ素含有合金)が上記化学式(I)の組成を有するか否かは、蛍光X線分析(XRF)による定性分析、および誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析法による定量分析により確認することが可能である。 As described above, A is an impurity (unavoidable impurity) other than the above-mentioned three components, which is derived from the raw materials and the manufacturing method. The above a is 0≦a<0.5, and preferably 0≦a<0.1. Whether or not the negative electrode active material (silicon-containing alloy) has the composition of the above chemical formula (I) is confirmed by qualitative analysis by fluorescent X-ray analysis (XRF) and quantitative analysis by inductively coupled plasma (ICP) emission spectroscopy. It is possible to

〈ケイ素含有合金の微細組織構造〉
本実施形態における負極活物質を構成するケイ素含有合金は、TiSiを含むシリサイド相の母相中に、ケイ素の結晶構造の内部にスズが固溶してなる非晶質または低結晶性ケイ素を主成分とする相(以下、「非晶質または低結晶性ケイ素を主成分とする相」をa−Si相とも称する)が分散されてなる構造を有することが好ましい。すなわち、連続相としてのシリサイド相からなる海の中に、分散相としてのa−Si相からなる島が分散しているいわゆる海島構造を有することが、本実施形態に係るケイ素含有合金の好ましい特徴の1つである。このような構造を有することで、負極活物質(ケイ素含有合金)の電子伝導性をよりいっそう向上させることができ、しかもa−Si相の膨張時の応力を緩和して活物質の割れを防止することができる。なお、ケイ素含有合金がこのような微細組織構造を有しているか否かは、例えば、後述する実施例の欄において説明するように、ケイ素含有合金を高角度環状暗視野走査透過型電子顕微鏡(HAADF−STEM)を用いて観察した後、観察画像と同じ視野についてEDX(エネルギー分散型X線分光法)により元素強度マッピングを行うことにより確認することができる。
<Microstructure of silicon-containing alloy>
The silicon-containing alloy constituting the negative electrode active material in the present embodiment contains amorphous or low crystalline silicon formed by solid solution of tin in the crystal structure of silicon in the matrix phase of the silicide phase containing TiSi 2. It is preferable to have a structure in which a phase containing a main component (hereinafter, “a phase containing amorphous or low crystalline silicon as a main component” is also referred to as an a-Si phase) is dispersed. That is, it is preferable that the silicon-containing alloy according to the present embodiment has a so-called sea-island structure in which islands of a-Si phase as a dispersed phase are dispersed in the sea of a silicide phase as a continuous phase. Is one of. By having such a structure, the electron conductivity of the negative electrode active material (silicon-containing alloy) can be further improved, and moreover, the stress at the time of expansion of the a-Si phase is relaxed to prevent cracking of the active material. can do. Whether or not the silicon-containing alloy has such a microstructure structure is determined, for example, by using a silicon-containing alloy in a high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscope (as described in the section of Examples below). After observing using HAADF-STEM), it can be confirmed by performing element intensity mapping by EDX (energy dispersive X-ray spectroscopy) for the same visual field as the observed image.

〈a−Si相〉
ここで、本実施形態に係るケイ素含有合金において、a−Si相は、非晶質または低結晶性のケイ素を含む相である。このa−Si相は、本実施形態の電気デバイス(リチウムイオン二次電池)の作動時にリチウムイオンの吸蔵・放出に関与する相であり、電気化学的にリチウムと反応可能(すなわち、重量あたりおよび体積あたりに多量のリチウムを吸蔵・放出することが可能)な相である。また、a−Si相を構成するケイ素の結晶構造の内部にはスズが固溶していることが好ましい。さらに、ケイ素は電子伝導性に乏しいことから、a−Si相にはリンやホウ素などの微量の添加元素や遷移金属などが含まれていてもよい。
<a-Si phase>
Here, in the silicon-containing alloy according to the present embodiment, the a-Si phase is a phase containing amorphous or low crystalline silicon. The a-Si phase is a phase that is involved in occlusion/release of lithium ions during the operation of the electric device (lithium ion secondary battery) of the present embodiment, and is capable of reacting electrochemically with lithium (that is, per unit weight and It is a phase capable of absorbing and releasing a large amount of lithium per volume). Further, it is preferable that tin is in solid solution inside the crystal structure of silicon forming the a-Si phase. Furthermore, since silicon has poor electron conductivity, the a-Si phase may contain a trace amount of additional elements such as phosphorus and boron, or a transition metal.

このa−Si相は、後述するシリサイド相よりもアモルファス化していることが好ましい。かような構成とすることにより、負極活物質(ケイ素含有合金)をより高容量なものとすることができる。なお、a−Si相がシリサイド相よりもアモルファス化しているか否かは、高角度環状暗視野走査透過型電子顕微鏡(HAADF−STEM)を用いたa−Si相およびシリサイド相のそれぞれの観察画像を高速フーリエ変換(FFT)して得られる回折図形から判定することができる。すなわち、この回折図形に示される回折パターンは、単結晶相については二次元点配列のネットパターン(格子状のスポット)を示し、多結晶相についてはデバイシェラーリング(回折環)を示し、非晶質相についてはハローパターンを示す。これを利用することで、上記の確認が可能となる。本実施形態において、a−Si相は、非晶質または低結晶性であればよいが、より高いサイクル耐久性を実現するという観点から、a−Si相は、非晶質のものであることが好ましい。 This a-Si phase is preferably more amorphous than the silicide phase described later. With such a structure, the negative electrode active material (silicon-containing alloy) can have a higher capacity. Whether or not the a-Si phase is more amorphous than the silicide phase can be determined by observing images of the a-Si phase and the silicide phase using a high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscope (HAADF-STEM). It can be determined from the diffraction pattern obtained by fast Fourier transform (FFT). That is, the diffraction pattern shown in this diffraction pattern shows a two-dimensional dot array net pattern (lattice-like spots) for the single crystal phase, Debye-Scherrer ring (diffraction ring) for the polycrystalline phase, and the amorphous phase. A halo pattern is shown for the phase. By utilizing this, the above confirmation can be performed. In the present embodiment, the a-Si phase may be amorphous or low crystalline, but from the viewpoint of achieving higher cycle durability, the a-Si phase should be amorphous. Is preferred.

なお、本実施形態に係るケイ素含有合金はスズを必須に含むが、スズはケイ素との間でシリサイドを形成しない元素であることから、シリサイド相ではなくa−Si相に存在することになる。そしてスズの含有量が少ない場合には全てのスズ元素はa−Si相においてケイ素の結晶構造の内部に固溶して存在する。一方、スズの含有量が多くなると、a−Si相のケイ素中に固溶しきれなくなったスズ元素は凝集してスズ単体の結晶相として存在する。本実施形態において、このようなスズ単体の結晶相は存在しないことが好ましい。 The silicon-containing alloy according to the present embodiment essentially contains tin, but since tin is an element that does not form silicide with silicon, it exists in the a-Si phase instead of the silicide phase. When the tin content is low, all tin elements are present in the a-Si phase as a solid solution in the crystal structure of silicon. On the other hand, when the content of tin increases, the tin element that cannot be completely dissolved in silicon of the a-Si phase aggregates and exists as a crystalline phase of tin alone. In the present embodiment, it is preferable that such a crystal phase of elemental tin does not exist.

〈シリサイド相〉
一方、上述した海島構造の海(連続相)を構成するシリサイド相は、TiSiを主成分とする結晶相である。このシリサイド相は、TiSiを含むことでa−Si相との親和性に優れ、特に充電時の体積膨張における結晶界面での割れを抑制することができる。さらに、シリサイド相はa−Si相と比較して電子伝導性および硬度の観点で優れている。このように、シリサイド相はa−Si相の低い電子伝導性を改善し、かつ膨張時の応力に対して活物質の形状を維持する役割をも担っている。本実施形態においては、このような特性を有するシリサイド相が海島構造の海(連続相)を構成することで、負極活物質(ケイ素含有合金)の電子伝導性をよりいっそう向上させることができ、しかもa−Si相の膨張時の応力を緩和して活物質の割れを防止することができ、サイクル耐久性の向上に寄与しているものと考えられる。
<Silicide phase>
On the other hand, the silicide phase forming the sea (continuous phase) of the sea-island structure described above is a crystal phase containing TiSi 2 as a main component. Since this silicide phase contains TiSi 2 , it has excellent affinity with the a-Si phase, and in particular, cracking at the crystal interface due to volume expansion during charging can be suppressed. Furthermore, the silicide phase is superior to the a-Si phase in terms of electronic conductivity and hardness. As described above, the silicide phase plays a role of improving the low electron conductivity of the a-Si phase and maintaining the shape of the active material against the stress during expansion. In the present embodiment, since the silicide phase having such characteristics constitutes the sea (continuous phase) having a sea-island structure, it is possible to further improve the electron conductivity of the negative electrode active material (silicon-containing alloy), Moreover, it is considered that the stress at the time of expansion of the a-Si phase can be relaxed to prevent cracking of the active material, which contributes to the improvement of cycle durability.

〈ケイ素含有合金のX線回折測定で観測される回折ピーク〉
上述したように、本実施形態における負極活物質を構成するケイ素含有合金は、X線回折測定で観測される特定の3つの回折ピークの強度が所定の関係を有する点にも特徴がある。すなわち、ケイ素含有合金のCuKα1線を用いたX線回折(XRD)測定において、2θ=38〜40°の範囲におけるC54構造を有するTiSiの(311)面の回折ピーク強度Xに対する、2θ=40〜41°の範囲におけるC49構造を有するTiSiの(131)面の回折ピーク強度Yの比の値(Y/X)が、0.5以上であり、2θ=28〜30°の範囲におけるSiの(111)面の回折ピーク強度Zに対する、前記回折ピーク強度Yの比の値(Y/Z)が、0.6以上である点に特徴を有する。
<Diffraction peak observed by X-ray diffraction measurement of silicon-containing alloy>
As described above, the silicon-containing alloy that constitutes the negative electrode active material in the present embodiment is also characterized in that the intensities of the three specific diffraction peaks observed by X-ray diffraction measurement have a predetermined relationship. That is, in X-ray diffraction (XRD) measurement using CuKα1 ray of a silicon-containing alloy, 2θ=40 with respect to the diffraction peak intensity X of the (311) plane of TiSi 2 having a C54 structure in the range of 2θ=38 to 40°. The value (Y/X) of the diffraction peak intensity Y of the (131) plane of TiSi 2 having a C49 structure in the range of up to 41° is 0.5 or more, and Si in the range of 2θ=28 to 30° The characteristic value (Y/Z) of the ratio of the diffraction peak intensity Y to the diffraction peak intensity Z of the (111) plane is 0.6 or more.

ここで、チタンのダイシリサイド(TiSi)について説明する。TiSiには、C49構造およびC54構造という2種類の結晶構造が存在する。C49構造は抵抗率が60μΩ・cm程度と高抵抗率を示す準安定相であり、底心−斜方晶系の構造である。一方、C54構造は抵抗率が15〜20μΩ・cm程度と低抵抗率の安定相であり、面心−斜方晶系の構造である。また、C49構造を有するTiSiは400℃程度の低温で形成され、C54構造を有するTiSiは800℃程度の高温で形成される。後述するように、本実施形態に係るケイ素含有合金は、ケイ素含有合金と同一の組成を有する母合金を用いた液体急冷凝固法により製造することができる。実施例で示されるように、当該製造方法において、合金の冷却速度を大きくすると、C54構造を有するTiSiに対して、C49構造を有するTiSiの割合が大きくなる。これは、C49構造とC54構造との形成温度の差によるものと考えられる。 Here, titanium disilicide (TiSi 2 ) will be described. TiSi 2 has two types of crystal structures, a C49 structure and a C54 structure. The C49 structure is a metastable phase exhibiting a high resistivity of about 60 μΩ·cm, and has a base-centered orthorhombic structure. On the other hand, the C54 structure is a stable phase having a low resistivity of about 15 to 20 μΩ·cm and a face center-orthorhombic structure. Further, TiSi 2 having a C49 structure is formed at a low temperature of about 400° C., and TiSi 2 having a C54 structure is formed at a high temperature of about 800° C. As will be described later, the silicon-containing alloy according to the present embodiment can be manufactured by a liquid rapid solidification method using a mother alloy having the same composition as the silicon-containing alloy. As shown in the examples, in the manufacturing method, when the cooling rate of the alloy is increased, the ratio of TiSi 2 having a C49 structure to TiSi 2 having a C54 structure is increased. It is considered that this is due to the difference in formation temperature between the C49 structure and the C54 structure.

なお、本明細書において、上記回折ピークの強度比を算出するためのX線回折測定は、後述する実施例の欄に記載の手法を用いて行うものとする。 In this specification, the X-ray diffraction measurement for calculating the intensity ratio of the diffraction peaks is performed by using the method described in the section of Examples described later.

次に、本明細書における回折ピーク強度の求め方について説明する。例えば、2θ=38〜40°の範囲におけるC54構造を有するTiSiの(311)面の回折ピーク強度Xは、以下のようにして求めることができる(図3を参照)。 Next, how to obtain the diffraction peak intensity in the present specification will be described. For example, the diffraction peak intensity X of the (311) plane of TiSi 2 having a C54 structure in the range of 2θ=38 to 40° can be obtained as follows (see FIG. 3).

まず、X線回折測定により得られた回折スペクトルにおいて、2θ=38°(図3において2θ=P)における垂線と回折スペクトルとが交わる点をAとする。同様に、2θ=40°(図3において2θ=Q)における垂線とX線路回折スペクトルとが交わる点をBとする。ここで、線分ABをベースラインとし、C54構造を有するTiSiの(311)面の回折ピークにおける垂線と当該ベースラインとが交わる点をCとする。そして、C54構造を有するTiSiの(311)面の回折ピークの頂点Dと点Cとを結ぶ線分CDの長さとして、C54構造を有するTiSiの(311)面の回折ピーク強度Xを求めることができる。 First, in the diffraction spectrum obtained by the X-ray diffraction measurement, the point where the perpendicular line at 2θ=38° (2θ=P in FIG. 3) and the diffraction spectrum intersect is A. Similarly, the point where the perpendicular and the X-ray diffraction spectrum intersect at 2θ=40° (2θ=Q in FIG. 3) is designated as B. Here, the line segment AB is used as a baseline, and the point where the perpendicular line in the diffraction peak of the (311) plane of TiSi 2 having a C54 structure and the baseline intersect is C. Then, as the length of the line segment CD connecting the vertex D and the point of the diffraction peak of (311) plane of the TiSi 2 C having a C54 structure, the diffraction peak intensity X of (311) plane of the TiSi 2 having a C54 structure You can ask.

2θ=40〜41°の範囲におけるC49構造を有するTiSiの(131)面の回折ピーク強度Yおよび2θ=28〜30°の範囲におけるSiの(111)面の回折ピーク強度Zについても上記のピーク強度Xと同様の方法で求めることができる。 The diffraction peak intensity Y of the (131) plane of TiSi 2 having a C49 structure in the range of 2θ=40 to 41° and the diffraction peak intensity Z of the (111) plane of Si in the range of 2θ=28 to 30° are also as described above. The peak intensity X can be obtained by the same method.

本実施形態に係る負極活物質を構成するケイ素含有合金のX線回折測定において、2θ=38〜40°の範囲におけるC54構造を有するTiSiの(311)面の回折ピーク強度Xに対する、2θ=40〜41°の範囲におけるC49構造を有するTiSiの(131)面の回折ピーク強度Yの比の値(Y/X)は、0.5以上であることを必須とする。当該比の値(Y/X)は、好ましくは1.2以上であり、より好ましくは1.4以上であり、さらに好ましくは1.7以上であり、特に好ましくは2.8以上であり、最も好ましくは2.9以上である。当該比の値(Y/X)が0.5以上であると、リチウムイオン二次電池等の電気デバイスのサイクル耐久性を向上させることができる。なお、上記比の値(Y/X)の上限は、特に制限されないが、電子伝導性の観点から、好ましくは15以下である。 In X-ray diffraction measurement of the silicon-containing alloy constituting the negative electrode active material according to the present embodiment, 2θ=2θ= with respect to the diffraction peak intensity X of the (311) plane of TiSi 2 having a C54 structure in the range of 2θ=38 to 40°. It is essential that the ratio value (Y/X) of the diffraction peak intensities Y of the (131) plane of TiSi 2 having a C49 structure in the range of 40 to 41° is 0.5 or more. The value of the ratio (Y/X) is preferably 1.2 or more, more preferably 1.4 or more, still more preferably 1.7 or more, and particularly preferably 2.8 or more, Most preferably, it is 2.9 or more. When the value (Y/X) of the ratio is 0.5 or more, the cycle durability of an electric device such as a lithium ion secondary battery can be improved. The upper limit of the ratio value (Y/X) is not particularly limited, but is preferably 15 or less from the viewpoint of electronic conductivity.

上記比の値(Y/X)を0.5以上に制御する方法は、特に制限されないが、ケイ素含有合金の合金組成や、後述の液体急冷凝固法を用いたケイ素含有合金の製造方法において合金の冷却速度(冷却条件)を適宜設定することにより調整することができる。例えば、合金組成については、Siに対するTiの配合量を多くすると、初晶として晶出するTiSiの量に比べ、Siとの共晶として晶出するTiSiの量が多くなるため、上記比の値(Y/X)が大きくなる傾向がある。また、液体急冷凝固法において、合金の冷却速度を大きくすると、高温(約800℃)で形成されるC54構造を有するTiSiに対し、低温(約400℃)で形成されるC49構造を有するTiSiの割合が増加するため、上記比の値(Y/X)が大きくなる傾向がある。 The method for controlling the value (Y/X) of the above ratio to 0.5 or more is not particularly limited, but the alloy composition of the silicon-containing alloy and the alloy in the method for producing a silicon-containing alloy using the liquid rapid solidification method described below are used. It can be adjusted by appropriately setting the cooling rate (cooling condition). For example, for the alloy composition, when increasing the amount of Ti relative to Si, compared to the amount of TiSi 2 which crystallized as the primary crystal, the amount of TiSi 2 which crystallized as the eutectic of Si is increased, the ratio Value (Y/X) tends to increase. In the liquid rapid solidification method, when the alloy cooling rate is increased, TiSi 2 having a C54 structure formed at a high temperature (about 800° C.) and TiSi having a C49 structure formed at a low temperature (about 400° C.). Since the ratio of 2 increases, the value of the above ratio (Y/X) tends to increase.

また、本実施形態に係るケイ素含有合金のX線回折測定において、2θ=28〜30°の範囲におけるSiの(111)面の回折ピーク強度Zに対する、上記回折ピーク強度Yの比の値(Y/Z)は、0.6以上であることを必須とする。当該比の値(Y/Z)は、好ましくは0.9以上であり、より好ましくは1.3以上であり、さらに好ましくは1.4以上であり、特に好ましくは1.6以上である。当該比の値(Y/Z)が0.6以上であると、リチウムイオン二次電池等の電気デバイスのサイクル耐久性を向上させることができる。なお、上記比の値(Y/Z)の上限は、特に制限されないが、充放電容量の観点から、好ましくは10以下である。 In addition, in the X-ray diffraction measurement of the silicon-containing alloy according to the present embodiment, the value of the ratio of the diffraction peak intensity Y to the diffraction peak intensity Z of the Si (111) plane in the range of 2θ=28 to 30° (Y /Z) must be 0.6 or more. The value (Y/Z) of the ratio is preferably 0.9 or more, more preferably 1.3 or more, still more preferably 1.4 or more, and particularly preferably 1.6 or more. When the value of the ratio (Y/Z) is 0.6 or more, the cycle durability of an electric device such as a lithium ion secondary battery can be improved. The upper limit of the ratio value (Y/Z) is not particularly limited, but is preferably 10 or less from the viewpoint of charge/discharge capacity.

上記比の値(Y/Z)を0.6以上に制御する方法は、特に制限されないが、ケイ素含有合金の合金組成や、後述の液体急冷凝固法を用いたケイ素含有合金の製造方法において合金の冷却速度(冷却条件)を適宜設定することにより調整することができる。例えば、合金組成については、Siに対するTiの配合量を多くすると、シリサイドの生成量が多くなるため、上記比の値(Y/Z)が大きくなる傾向がある。また、液体急冷凝固法において、合金の冷却速度を大きくすると、高温(約800℃)で形成されるC54構造を有するTiSiに対し、より低温(約400℃)で形成されるC49構造を有するTiSiの割合が増加する。また、Siの結晶が十分に成長しなくなるため、結晶性Siの割合が減少しうる。その結果、上記比の値(Y/Z)が大きくなる傾向がある。 The method of controlling the value of the above ratio (Y/Z) to 0.6 or more is not particularly limited, but in the alloy composition of the silicon-containing alloy and the method for producing the silicon-containing alloy using the liquid rapid solidification method described below, the alloy is used. It can be adjusted by appropriately setting the cooling rate (cooling condition). For example, regarding the alloy composition, when the blending amount of Ti with respect to Si is increased, the amount of silicide generated is increased, and thus the value of the above ratio (Y/Z) tends to increase. Further, in the liquid rapid solidification method, when the cooling rate of the alloy is increased, the TiSi 2 having a C54 structure formed at a high temperature (about 800° C.) has a C49 structure formed at a lower temperature (about 400° C.). The proportion of TiSi 2 increases. Moreover, since the crystal of Si does not grow sufficiently, the ratio of crystalline Si can be reduced. As a result, the ratio value (Y/Z) tends to increase.

上述したように、本実施形態に置いて、X線回折測定で観測される特定の3つの回折ピークの強度が所定の関係を有するケイ素含有合金からなる負極活物質を用いることにより、電気デバイスのサイクル耐久性が向上するメカニズムは不明であるが、本発明者らは以下のように推測している。すなわち、本実施形態に係るケイ素含有合金は、後述する液体急冷凝固法を用いた製造方法により製造されうるが、合金の冷却速度を大きくするにつれ、C54構造を有するTiSiに対して、C49構造を有するTiSiの割合が大きくなる。C49構造を有するTiSiが十分に晶出する程の冷却速度で合金を冷却すると、TiSiおよび/またはSiを含む結晶が十分に成長することができず、得られるケイ素含有合金の構造中の結晶のサイズが小さくなると考えられる。このように、結晶サイズが小さくなることによって、充放電時におけるリチウムイオンの可逆的な挿入・脱離反応に伴うa−Si相の膨張・収縮の絶対的な変化量が小さくなる。その結果、本実施形態に係る負極活物質(ケイ素含有合金)によれば、リチウムイオン二次電池等の電気デバイスのサイクル耐久性の向上がもたらされると考えられる。ただし、上記のメカニズムはあくまでも推測であり、本発明が上記メカニズムによって限定的に解釈されるべきではない。 As described above, in the present embodiment, by using the negative electrode active material made of the silicon-containing alloy having the specific three diffraction peak intensities observed in the X-ray diffraction measurement have the predetermined relationship, Although the mechanism by which the cycle durability is improved is unknown, the present inventors presume as follows. That is, a silicon-containing alloy according to the present embodiment is can be manufactured by the manufacturing method using the liquid quenching solidification method described below, as to increase the cooling rate of the alloy, with respect to TiSi 2 having a C54 structure, C49 structure The proportion of TiSi 2 having is increased. When the alloy is cooled at a cooling rate such that TiSi 2 having a C49 structure is sufficiently crystallized, crystals containing TiSi 2 and/or Si cannot be sufficiently grown, and It is considered that the size of the crystal becomes smaller. As described above, as the crystal size becomes smaller, the absolute amount of change in expansion/contraction of the a-Si phase accompanying the reversible insertion/desorption reaction of lithium ions during charge/discharge becomes smaller. As a result, it is considered that the negative electrode active material (silicon-containing alloy) according to the present embodiment brings about improvement in cycle durability of electric devices such as a lithium ion secondary battery. However, the above mechanism is only speculation, and the present invention should not be limitedly interpreted by the above mechanism.

本実施形態における負極活物質を構成するケイ素含有合金の粒子径は特に制限されないが、平均粒子径D50として、好ましくは0.1〜20μmであり、より好ましくは0.2〜10μmである。 The particle diameter of the silicon-containing alloy constituting the negative electrode active material in the present embodiment is not particularly limited, but the average particle diameter D50 is preferably 0.1 to 20 μm, more preferably 0.2 to 10 μm.

(負極活物質の製造方法)
本実施形態に係る電気デバイス用負極活物質の製造方法については、特に制限はなく、従来公知の知見が適宜参照されうるが、本発明では、X線回折測定で観測される特定の3つの回折ピークの強度が所定の関係を有するケイ素含有合金からなる負極活物質の製造方法の一例として、以下のように液体急冷凝固法を用いて薄帯状合金(急冷薄帯合金)を作製することを有する製造方法が提供される。すなわち、本発明の他の形態によれば、上記化学式(I)で表される組成を有するケイ素含有合金からなる電気デバイス用負極活物質の製造方法であって、前記ケイ素含有合金と同一の組成を有する母合金を用いた液体急冷凝固法により薄帯状合金を作製し、当該薄帯状合金に対して粉砕処理を施して前記ケイ素含有合金からなる電気デバイス用負極活物質を得る、電気デバイス用負極活物質の製造方法もまた、提供される。このように、液体急冷凝固法を実施して負極活物質(ケイ素含有合金)を製造することで、上述したX線回折測定で観測される特定の3つの回折ピークの強度が所定の関係を有する合金を製造することが可能となる。これによりサイクル耐久性の向上に有効に寄与し得る負極活物質の製造方法が提供されるのである。以下、本形態に係る製造方法について、工程ごとに説明する。
(Method for producing negative electrode active material)
The method for producing the negative electrode active material for an electric device according to the present embodiment is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to. However, in the present invention, three specific diffractions observed by X-ray diffraction measurement are performed. As an example of a method for producing a negative electrode active material composed of a silicon-containing alloy having a peak strength having a predetermined relationship, a ribbon-shaped alloy (quenched ribbon alloy) may be produced using a liquid rapid solidification method as follows. A manufacturing method is provided. That is, according to another aspect of the present invention, there is provided a method for producing a negative electrode active material for an electric device, which is made of a silicon-containing alloy having a composition represented by the chemical formula (I), and has the same composition as the silicon-containing alloy. A negative electrode for an electric device, wherein a ribbon-shaped alloy is produced by a liquid rapid solidification method using a mother alloy having an alloy, and the ribbon-shaped alloy is pulverized to obtain a negative electrode active material for an electric device made of the silicon-containing alloy. A method of making the active material is also provided. As described above, by performing the liquid rapid solidification method to produce the negative electrode active material (silicon-containing alloy), the intensities of the three specific diffraction peaks observed in the above X-ray diffraction measurement have a predetermined relationship. It becomes possible to manufacture alloys. This provides a method for producing a negative electrode active material that can effectively contribute to improving cycle durability. Hereinafter, the manufacturing method according to the present embodiment will be described step by step.

〈液体急冷凝固法(薄帯状合金の作製工程)〉
まず、所望のケイ素含有合金と同一の組成を有する母合金を用いて液体急冷凝固法を実施する。これにより、薄帯状合金(急冷薄帯合金)を作製する。
<Liquid rapid solidification method (process for producing ribbon alloy)>
First, a liquid rapid solidification method is carried out using a mother alloy having the same composition as the desired silicon-containing alloy. Thereby, a ribbon-shaped alloy (quenched ribbon alloy) is produced.

ここで、母合金を得るために、原料として、ケイ素(Si)、スズ(Sn)、チタン(Ti)のそれぞれについて、高純度の原料(単体のインゴット、ワイヤ、板など)を準備する。続いて、最終的に製造したいケイ素含有合金(負極活物質)の組成を考慮して、アーク溶解法などの公知の手法により、インゴット等の形態の母合金を作製する。 Here, in order to obtain a mother alloy, high-purity raw materials (single ingot, wire, plate, etc.) are prepared as raw materials for silicon (Si), tin (Sn), and titanium (Ti). Then, in consideration of the composition of the silicon-containing alloy (negative electrode active material) to be finally manufactured, a master alloy in the form of an ingot or the like is manufactured by a known method such as an arc melting method.

その後、上記で得られた母合金を用いて液体急冷凝固法を実施する。この工程は、上記で得られた母合金を溶融させた溶融物を急冷して凝固させる工程であり、例えば、高周波誘導溶解−液体急冷凝固法(双ロールまたは単ロール急冷法)によって実施することができる。これにより、薄帯状合金(急冷薄帯合金)が得られる。なお、液体急冷凝固法は非晶質合金の作製法としてよく使われており、その手法自体に関する知見は多く存在する。なお、液体急冷凝固法は、市販の液体急冷凝固装置(例えば、日新技研株式会社製の液体急冷凝固装置NEV−A05型)を用いて実施することができる。 Then, a liquid rapid solidification method is implemented using the master alloy obtained above. This step is a step of rapidly cooling and solidifying a melt obtained by melting the mother alloy obtained above, and for example, it is performed by a high frequency induction melting-liquid rapid solidification method (twin roll or single roll rapid cooling method). You can Thereby, a ribbon-shaped alloy (quenched ribbon alloy) is obtained. The liquid rapid solidification method is often used as a method for producing an amorphous alloy, and there is much knowledge about the method itself. The liquid rapid solidification method can be carried out using a commercially available liquid rapid solidification apparatus (for example, liquid rapid solidification apparatus NEV-A05 manufactured by Nisshin Giken Co., Ltd.).

詳しくは、日新技研株式会社製の液体急冷凝固装置NEV−A05型を用いて、Ar置換の上、ゲージ圧を減圧したチャンバー内に設置した噴射ノズル付きの溶融装置(例えば、石英ノズル)中に、上記母合金を入れ、適用な溶融手段(例えば、高周波誘導加熱)により所定温度域で溶解した後、所定の噴射圧にて、所定の回転数の金属製ないしセラミックス製(特に熱伝導性に優れたCu製)ロール上に噴射することで、ロール上から水平に連続的して形成される薄帯状合金(急冷薄帯合金)を作製することができる。 For details, in a liquid quenching coagulation device NEV-A05 type manufactured by Nisshin Giken Co., Ltd., in a melting device with a spray nozzle (for example, a quartz nozzle) installed in a chamber whose gauge pressure is reduced after Ar replacement. Then, the above master alloy is put into a container and melted in a predetermined temperature range by an appropriate melting means (for example, high-frequency induction heating), and then, at a predetermined injection pressure, made of metal or ceramics (especially thermal conductivity) at a predetermined rotation speed. It is possible to produce a ribbon-shaped alloy (quenched ribbon alloy) that is continuously formed horizontally from the roll by spraying onto a roll.

この際、また、チャンバー内の雰囲気は、不活性ガス(Heガス、Neガス、Arガス、Nガス等)に置換するのが望ましい。不活性ガスで置換後、チャンバー内のゲージ圧は、−0.03〜−0.07MPa(絶対圧で0.03〜0.07MPa)の範囲に調整するのが望ましい。 At this time, it is desirable to replace the atmosphere in the chamber with an inert gas (He gas, Ne gas, Ar gas, N 2 gas, etc.). After the replacement with the inert gas, the gauge pressure in the chamber is preferably adjusted within the range of -0.03 to -0.07 MPa (absolute pressure 0.03 to 0.07 MPa).

また、噴射ノズル付きの溶融装置内における母合金の溶融温度は、合金の融点以上であればよい。また、溶融手段としては、高周波誘導加熱など従来公知の溶融手段を用いることができる。 Further, the melting temperature of the mother alloy in the melting device with the injection nozzle may be equal to or higher than the melting point of the alloy. Further, as the melting means, conventionally known melting means such as high frequency induction heating can be used.

また、噴射ノズル付きの溶融装置のノズルからの母合金の噴射圧は、ゲージ圧で0.03〜0.09MPaの範囲に調整するのが望ましい。上記噴射圧は、従来公知の手法により調節することができる。また、チャンバー内圧と噴射圧との差圧は0.06〜0.16MPaの範囲に調整するのが望ましい。 Further, the injection pressure of the mother alloy from the nozzle of the melting device with the injection nozzle is preferably adjusted to a range of 0.03 to 0.09 MPa in gauge pressure. The injection pressure can be adjusted by a conventionally known method. Further, it is desirable to adjust the differential pressure between the chamber internal pressure and the injection pressure within the range of 0.06 to 0.16 MPa.

また、母合金を噴射する際のロールの回転数および周速度は、4000〜6000rpm(周速として40〜65m/秒)の範囲に調整するのが望ましい。 In addition, it is desirable that the rotation speed and the peripheral speed of the roll when the mother alloy is injected are adjusted within the range of 4000 to 6000 rpm (the peripheral speed is 40 to 65 m/sec).

更に、溶融装置のノズルからロール上に溶融した母合金を噴射して合金を冷却する際の合金の冷却速度は、好ましくは100万℃/秒以上であり、より好ましくは160万℃/秒以上であり、さらに好ましくは200万℃/秒以上であり、特に好ましくは300万℃/秒以上、最も好ましくは500万℃/秒以上である。なお、合金の冷却速度は、高速度赤外線カメラを用いて測定することができる。このように、冷却速度を大きくするには、(1)ロールの回転数を大きくする;(2)母合金の溶湯温度を高くしたり、噴射圧を調節したりすることにより、ロールと溶湯と濡れ性を向上させる;といった方法により薄帯状合金(急冷薄帯合金)の厚さがより薄くなるように調整すればよい。 Further, the cooling rate of the alloy when the molten mother alloy is jetted onto the roll from the nozzle of the melting device to cool the alloy is preferably 1,000,000°C/sec or more, more preferably 1.6 million°C/sec or more. And more preferably 2,000,000° C./sec or more, particularly preferably 3 million° C./sec or more, and most preferably 5 million° C./sec or more. The cooling rate of the alloy can be measured using a high speed infrared camera. As described above, in order to increase the cooling rate, (1) the rotation speed of the roll is increased; (2) the melt temperature of the master alloy is increased, and the injection pressure is adjusted, whereby the roll and the melt are melted. The thickness of the ribbon alloy (quenched ribbon alloy) may be adjusted by a method such as improving wettability.

〈粉砕工程〉
この後、上記で得られた薄帯状合金(急冷薄帯合金)に対して粉砕処理を行う。例えば、後述する実施例で用いたようなボールミル装置(例えば、遊星ボールミル装置)を用いて、粉砕ポットに粉砕ボールおよび薄帯状合金(急冷薄帯合金)を投入し、粉砕処理を行う。なお、薄帯状合金(急冷薄帯合金)は、装置に投入しやすい大きさに、予め適当な粉砕機で粗粉砕しておいてもよい。
<Crushing process>
After that, the strip-shaped alloy (quenched strip alloy) obtained above is pulverized. For example, using a ball mill device (for example, a planetary ball mill device) as used in Examples described later, the crushing balls and the ribbon-shaped alloy (quenched ribbon alloy) are put into a crushing pot, and the crushing treatment is performed. The ribbon-shaped alloy (quenched ribbon alloy) may be coarsely pulverized in advance with an appropriate pulverizer to a size that can be easily loaded into the apparatus.

ボールミル装置を用いた場合、粉砕処理の際の、装置の回転数は、好ましくは500rpm未満であり、より好ましくは100〜480rpmであり、さらに好ましくは300〜450rpmである。また、粉砕時間は、好ましくは12時間未満であり、より好ましくは、0.5〜10時間であり、さらに好ましくは、0.5〜3時間である。 When a ball mill device is used, the rotation speed of the device during the pulverization treatment is preferably less than 500 rpm, more preferably 100 to 480 rpm, and further preferably 300 to 450 rpm. The crushing time is preferably less than 12 hours, more preferably 0.5 to 10 hours, and further preferably 0.5 to 3 hours.

上述した手法による粉砕処理は、通常乾式雰囲気下で行われるが、粉砕処理後の粒度分布は大小の幅が非常に大きい場合がある。このため、粒度を整えるための粉砕処理および/または分級処理を行うことが好ましい。 The pulverization treatment by the above-mentioned method is usually performed in a dry atmosphere, but the particle size distribution after the pulverization treatment may have a very large width. For this reason, it is preferable to perform a crushing treatment and/or a classification treatment for adjusting the particle size.

以上、負極活物質層に必須に含まれる所定の合金について説明したが、負極活物質層はその他の負極活物質を含んでいてもよい。上記所定の合金以外の負極活物質としては、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、もしくはハードカーボンなどのカーボン、SiやSnなどの純金属や上記所定の組成比を外れる合金系活物質、あるいはTiO、Ti、TiO、もしくはSiO、SiO、SnOなどの金属酸化物、Li4/3Ti5/3もしくはLiMnNなどのリチウムと遷移金属との複合酸化物(複合窒化物)、Li−Pb系合金、Li−Al系合金、Liなどが挙げられる。ただし、上記所定の合金を負極活物質として用いることにより奏される作用効果を十分に発揮させるという観点からは、負極活物質の全量100質量%に占める上記所定の合金の含有量は、好ましくは50〜100質量%であり、より好ましくは80〜100質量%であり、さらに好ましくは90〜100質量%であり、特に好ましくは95〜100質量%であり、最も好ましくは100質量%である。 Although the predetermined alloy that is essentially contained in the negative electrode active material layer has been described above, the negative electrode active material layer may include other negative electrode active materials. As the negative electrode active material other than the above-mentioned predetermined alloy, natural graphite, artificial graphite, carbon black, activated carbon, carbon fiber, carbon such as coke, soft carbon or hard carbon, pure metal such as Si or Sn, or the above predetermined composition is used. Alloy active materials out of the ratio, metal oxides such as TiO, Ti 2 O 3 , TiO 2 or SiO 2 , SiO, SnO 2 , lithium such as Li 4/3 Ti 5/3 O 4 or Li 7 MnN And a transition metal, a complex oxide (composite nitride), a Li-Pb-based alloy, a Li-Al-based alloy, Li, and the like. However, from the viewpoint of sufficiently exhibiting the action and effect exhibited by using the predetermined alloy as the negative electrode active material, the content of the predetermined alloy in the total amount of the negative electrode active material of 100% by mass is preferably It is 50 to 100% by mass, more preferably 80 to 100% by mass, still more preferably 90 to 100% by mass, particularly preferably 95 to 100% by mass, and most preferably 100% by mass.

続いて、負極活物質層13は、バインダを含みうる。 Subsequently, the negative electrode active material layer 13 may include a binder.

(バインダ)
バインダは、活物質同士または活物質と集電体とを結着させて電極構造を維持する目的で添加される。負極活物質層に用いられるバインダの種類についても特に制限はなく、正極活物質層に用いられるバインダとして上述したものが同様に用いられうる。よって、ここでは詳細な説明は省略する。
(Binder)
The binder is added for the purpose of binding the active materials together or the active material and the current collector to maintain the electrode structure. The type of binder used in the negative electrode active material layer is also not particularly limited, and the binder described above as the binder used in the positive electrode active material layer can be similarly used. Therefore, detailed description is omitted here.

なお、負極活物質層中に含まれるバインダ量は、活物質を結着することができる量であれば特に限定されるものではないが、好ましくは負極活物質層に対して、0.5〜20質量%であり、より好ましくは1〜15質量%である。 The amount of the binder contained in the negative electrode active material layer is not particularly limited as long as it can bind the active material, but is preferably 0.5 to 0.5 with respect to the negative electrode active material layer. It is 20 mass %, and more preferably 1 to 15 mass %.

(正極および負極活物質層15、13に共通する要件)
以下に、正極および負極活物質層15、13に共通する要件につき、説明する。
(Requirements common to the positive electrode and negative electrode active material layers 15 and 13)
The requirements common to the positive electrode and negative electrode active material layers 15 and 13 will be described below.

正極活物質層15および負極活物質層13は、必要に応じて、導電助剤、電解質塩(リチウム塩)、イオン伝導性ポリマー等を含む。特に、負極活物質層13は、導電助剤をも必須に含む。 The positive electrode active material layer 15 and the negative electrode active material layer 13 include a conductive auxiliary agent, an electrolyte salt (lithium salt), an ion conductive polymer, and the like, if necessary. In particular, the negative electrode active material layer 13 also essentially contains a conductive auxiliary agent.

導電助剤
導電助剤とは、正極活物質層または負極活物質層の導電性を向上させるために配合される添加物をいう。導電助剤としては、アセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト、気相成長炭素繊維などの炭素材料が挙げられる。活物質層が導電助剤を含むと、活物質層の内部における電子ネットワークが効果的に形成され、電池の出力特性の向上に寄与しうる。
Conductive Aid The conductive aid refers to an additive that is added to improve the conductivity of the positive electrode active material layer or the negative electrode active material layer. Examples of the conduction aid include carbon black such as acetylene black, carbon materials such as graphite and vapor grown carbon fiber. When the active material layer contains a conductive additive, an electronic network inside the active material layer is effectively formed, which can contribute to improvement of the output characteristics of the battery.

活物質層へ混入されてなる導電助剤の含有量は、活物質層の総量に対して、1質量%以上、より好ましくは3質量%以上、さらに好ましくは5質量%以上の範囲である。また、活物質層へ混入されてなる導電助剤の含有量は、活物質層の総量に対して、15質量%以下、より好ましくは10質量%以下、さらに好ましくは7質量%以下の範囲である。活物質自体の電子導電性は低く導電助剤の量によって電極抵抗を低減できる活物質層での導電助剤の配合比(含有量)を上記範囲内に規定することで以下の効果が発現される。即ち、電極反応を阻害することなく、電子導電性を十分に担保することができ、電極密度の低下によるエネルギー密度の低下を抑制でき、ひいては電極密度の向上によるエネルギー密度の向上を図ることができる。 The content of the conductive additive mixed in the active material layer is 1% by mass or more, more preferably 3% by mass or more, and further preferably 5% by mass or more with respect to the total amount of the active material layer. The content of the conductive additive mixed in the active material layer is 15% by mass or less, more preferably 10% by mass or less, and further preferably 7% by mass or less, based on the total amount of the active material layer. is there. The electronic conductivity of the active material itself is low, and the electrode resistance can be reduced by the amount of the conductive additive. By defining the compounding ratio (content) of the conductive additive in the active material layer within the above range, the following effects are exhibited. It That is, the electron conductivity can be sufficiently ensured without inhibiting the electrode reaction, the decrease in energy density due to the decrease in electrode density can be suppressed, and the energy density due to the increase in electrode density can be improved. ..

また、上記導電助剤とバインダの機能を併せ持つ導電性結着剤をこれら導電助剤とバインダに代えて用いてもよいし、あるいはこれら導電助剤とバインダの一方ないし双方と併用してもよい。導電性結着剤としては、既に市販のTAB−2(宝泉株式会社製)を用いることができる。 Further, a conductive binder having the functions of the above-mentioned conductive additive and a binder may be used instead of the conductive additive and the binder, or may be used in combination with one or both of the conductive additive and the binder. .. Commercially available TAB-2 (manufactured by Hosen Co., Ltd.) can be used as the conductive binder.

電解質塩(リチウム塩)
電解質塩(リチウム塩)としては、Li(CSON、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiCFSO等が挙げられる。
Electrolyte salt (lithium salt)
As the electrolyte salt (lithium salt), Li (C 2 F 5 SO 2) 2 N, LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiAsF 6, LiCF 3 SO 3 , and the like.

イオン伝導性ポリマー
イオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)系およびポリプロピレンオキシド(PPO)系のポリマーが挙げられる。
Ion Conductive Polymer Examples of the ion conductive polymer include polyethylene oxide (PEO)-based and polypropylene oxide (PPO)-based polymers.

正極活物質層および負極活物質層中に含まれる成分の配合比は、特に限定されない。配合比は、非水溶媒二次電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。 The compounding ratio of the components contained in the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer is not particularly limited. The compounding ratio can be adjusted by appropriately referring to known knowledge about the non-aqueous solvent secondary battery.

各活物質層(集電体片面の活物質層)の厚さについても特に制限はなく、電池についての従来公知の知見が適宜参照されうる。一例を挙げると、各活物質層の厚さは、電池の使用目的(出力重視、エネルギー重視など)、イオン伝導性を考慮し、通常1〜500μm程度、好ましくは2〜100μmである。 The thickness of each active material layer (active material layer on one surface of the current collector) is not particularly limited, and conventionally known knowledge about batteries can be appropriately referred to. As an example, the thickness of each active material layer is usually about 1 to 500 μm, preferably 2 to 100 μm in consideration of the purpose of use of the battery (emphasis on output, emphasis on energy, etc.) and ionic conductivity.

<集電体>
集電体11、12は導電性材料から構成される。集電体の大きさは、電池の使用用途に応じて決定される。例えば、高エネルギー密度が要求される大型の電池に用いられるのであれば、面積の大きな集電体が用いられる。
<Current collector>
The current collectors 11 and 12 are made of a conductive material. The size of the current collector is determined according to the intended use of the battery. For example, in the case of being used for a large battery requiring high energy density, a current collector having a large area is used.

集電体の厚さについても特に制限はない。集電体の厚さは、通常は1〜100μm程度である。 The thickness of the current collector is also not particularly limited. The thickness of the current collector is usually about 1 to 100 μm.

集電体の形状についても特に制限されない。図1に示す積層型電池10では、集電箔のほか、網目形状(エキスパンドグリッド等)等を用いることができる。 The shape of the current collector is also not particularly limited. In the laminated battery 10 shown in FIG. 1, in addition to the collector foil, a mesh shape (expanded grid or the like) can be used.

なお、負極活物質をスパッタ法等により薄膜合金を負極集電体12上に直接形成する場合には、集電箔を用いるのが望ましい。 When a thin film alloy of the negative electrode active material is directly formed on the negative electrode current collector 12 by a sputtering method or the like, it is desirable to use a current collector foil.

集電体を構成する材料に特に制限はない。例えば、金属や、導電性高分子材料または非導電性高分子材料に導電性フィラーが添加された樹脂が採用されうる。 There is no particular limitation on the material forming the current collector. For example, a metal or a resin in which a conductive filler is added to a conductive polymer material or a non-conductive polymer material can be adopted.

具体的には、金属としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、銅などが挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材、またはこれらの金属の組み合わせのめっき材などが好ましく用いられうる。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも、電子伝導性や電池作動電位、集電体へのスパッタリングによる負極活物質の密着性等の観点からは、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケルが好ましい。 Specifically, examples of the metal include aluminum, nickel, iron, stainless steel, titanium, copper and the like. In addition to these, a clad material of nickel and aluminum, a clad material of copper and aluminum, or a plated material of a combination of these metals can be preferably used. Further, a foil having a metal surface coated with aluminum may be used. Of these, aluminum, stainless steel, copper, and nickel are preferable from the viewpoints of electron conductivity, battery operating potential, and adhesion of the negative electrode active material to the current collector by sputtering.

また、導電性高分子材料としては、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアクリロニトリル、およびポリオキサジアゾールなどが挙げられる。かような導電性高分子材料は、導電性フィラーを添加しなくても十分な導電性を有するため、製造工程の容易化または集電体の軽量化の点において有利である。 In addition, examples of the conductive polymer material include polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, polyparaphenylene, polyphenylenevinylene, polyacrylonitrile, and polyoxadiazole. Since such a conductive polymer material has sufficient conductivity without adding a conductive filler, it is advantageous in terms of facilitating the manufacturing process and reducing the weight of the current collector.

非導電性高分子材料としては、例えば、ポリエチレン(PE;高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)など)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリアミド(PA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、またはポリスチレン(PS)などが挙げられる。かような非導電性高分子材料は、優れた耐電位性または耐溶媒性を有しうる。 Examples of the non-conductive polymer material include polyethylene (PE; high density polyethylene (HDPE), low density polyethylene (LDPE), etc.), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyether nitrile (PEN), polyimide. (PI), polyamideimide (PAI), polyamide (PA), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl acrylate (PMA), polymethyl methacrylate (PMMA). , Polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVdF), polystyrene (PS), and the like. Such a non-conductive polymer material may have excellent potential resistance or solvent resistance.

上記の導電性高分子材料または非導電性高分子材料には、必要に応じて導電性フィラーが添加されうる。特に、集電体の基材となる樹脂が非導電性高分子のみからなる場合は、樹脂に導電性を付与するために必然的に導電性フィラーが必須となる。 A conductive filler may be added to the above-mentioned conductive polymer material or non-conductive polymer material, if necessary. In particular, when the resin serving as the base material of the current collector is composed only of the non-conductive polymer, the conductive filler is indispensable in order to impart conductivity to the resin.

導電性フィラーは、導電性を有する物質であれば特に制限なく用いることができる。例えば、導電性、耐電位性、またはリチウムイオン遮断性に優れた材料として、金属および導電性カーボンなどが挙げられる。金属としては、特に制限はないが、Ni、Ti、Al、Cu、Pt、Fe、Cr、Sn、Zn、In、Sb、およびKからなる群から選択される少なくとも1種の金属もしくはこれらの金属を含む合金または金属酸化物を含むことが好ましい。また、導電性カーボンとしては、特に制限はない。好ましくは、アセチレンブラック、バルカン、ブラックパール、カーボンナノファイバー、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノバルーン、およびフラーレンからなる群より選択される少なくとも1種を含むものである。 The conductive filler can be used without particular limitation as long as it is a substance having conductivity. For example, as a material having excellent conductivity, potential resistance, or lithium ion barrier property, metal and conductive carbon can be cited. The metal is not particularly limited, but at least one metal selected from the group consisting of Ni, Ti, Al, Cu, Pt, Fe, Cr, Sn, Zn, In, Sb, and K or a metal thereof. It is preferable to include an alloy or a metal oxide containing. The conductive carbon is not particularly limited. Preferably, at least one selected from the group consisting of acetylene black, vulcan, black pearl, carbon nanofiber, Ketjen black, carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanoballoon, and fullerene is included.

導電性フィラーの添加量は、集電体に十分な導電性を付与できる量であれば特に制限はなく、一般的には、5〜35質量%程度である。 The amount of the conductive filler added is not particularly limited as long as it can impart sufficient conductivity to the current collector, and is generally about 5 to 35% by mass.

<電解質層>
電解質層17を構成する電解質としては、液体電解質またはポリマー電解質が用いられうる。
<Electrolyte layer>
A liquid electrolyte or a polymer electrolyte may be used as the electrolyte that constitutes the electrolyte layer 17.

液体電解質は、有機溶媒にリチウム塩(電解質塩)が溶解した形態を有する。有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、メチルプロピルカーボネート(MPC)等のカーボネート類が例示される。 The liquid electrolyte has a form in which a lithium salt (electrolyte salt) is dissolved in an organic solvent. Examples of the organic solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), vinylene carbonate (VC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), Illustrative are carbonates such as methylpropyl carbonate (MPC).

また、リチウム塩としては、Li(CFSON、Li(CSON、LiPF、LiBF、LiAsF、LiTaF、LiClO、LiCFSO等の電極の活物質層に添加され得る化合物を採用することができる。 As the lithium salt, Li (CF 3 SO 2) 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2) 2 N, LiPF 6, LiBF 4, LiAsF 6, LiTaF 6, LiClO 4, LiCF 3 SO 3 , etc. A compound that can be added to the active material layer of the electrode can be adopted.

一方、ポリマー電解質は、電解液を含むゲル電解質と、電解液を含まない真性ポリマー電解質とに分類される。 On the other hand, the polymer electrolyte is classified into a gel electrolyte containing an electrolytic solution and an intrinsic polymer electrolyte containing no electrolytic solution.

ゲル電解質は、イオン伝導性ポリマーからなるマトリックスポリマーに、上記の液体電解質(電解液)が注入されてなる構成を有する。電解質としてゲルポリマー電解質を用いることで電解質の流動性がなくなり、各層間のイオン伝導を遮断することが容易になる点で優れている。 The gel electrolyte has a structure in which the above liquid electrolyte (electrolytic solution) is injected into a matrix polymer composed of an ion conductive polymer. The use of a gel polymer electrolyte as the electrolyte is advantageous in that the fluidity of the electrolyte is lost and it becomes easy to block the ionic conduction between layers.

マトリックスポリマーとして用いられるイオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、およびこれらの共重合体等が挙げられる。かようなポリアルキレンオキシド系ポリマーには、リチウム塩などの電解質塩がよく溶解しうる。 Examples of the ion conductive polymer used as the matrix polymer include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof. An electrolyte salt such as a lithium salt can be well dissolved in such a polyalkylene oxide polymer.

ゲル電解質中の上記液体電解質(電解液)の割合としては、特に制限されるべきものではないが、イオン伝導度などの観点から、数質量%〜98質量%程度とするのが望ましい。本実施形態では、電解液の割合が70質量%以上の、電解液が多いゲル電解質について、特に効果がある。 The ratio of the liquid electrolyte (electrolyte solution) in the gel electrolyte is not particularly limited, but is preferably about several mass% to 98 mass% from the viewpoint of ionic conductivity and the like. The present embodiment is particularly effective for a gel electrolyte containing a large amount of electrolytic solution in which the proportion of the electrolytic solution is 70% by mass or more.

なお、電解質層が液体電解質やゲル電解質や真性ポリマー電解質から構成される場合には、電解質層にセパレータを用いてもよい。セパレータ(不織布を含む)の具体的な形態としては、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィンからなる微多孔膜や多孔質の平板、更には不織布が挙げられる。 When the electrolyte layer is composed of a liquid electrolyte, a gel electrolyte or an intrinsic polymer electrolyte, a separator may be used for the electrolyte layer. Specific forms of the separator (including non-woven fabric) include, for example, a microporous film made of polyolefin such as polyethylene and polypropylene, a porous flat plate, and further non-woven fabric.

真性ポリマー電解質は、上記のマトリックスポリマーに支持塩(リチウム塩)が溶解してなる構成を有し、可塑剤である有機溶媒を含まない。したがって、電解質層が真性ポリマー電解質から構成される場合には電池からの液漏れの心配がなく、電池の信頼性が向上しうる。 The intrinsic polymer electrolyte has a structure in which a supporting salt (lithium salt) is dissolved in the above matrix polymer and does not contain an organic solvent which is a plasticizer. Therefore, when the electrolyte layer is composed of an intrinsic polymer electrolyte, there is no fear of liquid leakage from the battery, and the reliability of the battery can be improved.

ゲル電解質や真性ポリマー電解質のマトリックスポリマーは、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度を発現しうる。架橋構造を形成させるには、適当な重合開始剤を用いて、高分子電解質形成用の重合性ポリマー(例えば、PEOやPPO)に対して熱重合、紫外線重合、放射線重合、電子線重合等の重合処理を施せばよい。 The matrix polymer of the gel electrolyte or the intrinsic polymer electrolyte can exhibit excellent mechanical strength by forming a crosslinked structure. In order to form a crosslinked structure, a suitable polymerization initiator may be used to perform thermal polymerization, ultraviolet polymerization, radiation polymerization, electron beam polymerization or the like on a polymerizable polymer for forming a polyelectrolyte (for example, PEO or PPO). Polymerization may be performed.

<集電板およびリード>
電池外部に電流を取り出す目的で、集電板を用いてもよい。集電板は集電体やリードに電気的に接続され、電池外装材であるラミネートシートの外部に取り出される。
<Current collector and lead>
A current collector plate may be used for the purpose of extracting an electric current to the outside of the battery. The current collector plate is electrically connected to the current collector and the leads and taken out to the outside of the laminate sheet that is the battery exterior material.

集電板を構成する材料は、特に制限されず、リチウムイオン二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましく、より好ましくは軽量、耐食性、高導電性の観点からアルミニウム、銅などが好ましい。なお、正極集電板と負極集電板とでは、同一の材質が用いられてもよいし、異なる材質が用いられてもよい。 The material forming the current collector plate is not particularly limited, and a well-known highly conductive material that has been conventionally used as a current collector plate for a lithium ion secondary battery can be used. As the constituent material of the current collector, for example, metal materials such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof are preferable, and more preferably aluminum from the viewpoint of lightweight, corrosion resistance, and high conductivity, Copper or the like is preferable. The positive electrode current collector plate and the negative electrode current collector plate may be made of the same material or different materials.

正極端子リードおよび負極端子リードに関しても、必要に応じて使用する。正極端子リードおよび負極端子リードの材料は、公知のリチウムイオン二次電池で用いられる端子リードを用いることができる。なお、電池外装材29から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆するのが好ましい。 The positive electrode terminal lead and the negative electrode terminal lead are also used as needed. As a material for the positive electrode terminal lead and the negative electrode terminal lead, a terminal lead used in a known lithium ion secondary battery can be used. In addition, the portion taken out from the battery exterior material 29 has a heat-resistant insulating property so as not to affect a product (for example, an automobile part, especially an electronic device, etc.) by coming into contact with a peripheral device, a wiring or the like and leaking electricity. It is preferable to cover with a heat-shrinkable tube.

<電池外装材>
電池外装材29としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルムを用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。
<Battery exterior material>
As the battery exterior material 29, a well-known metal can case can be used, and a bag-shaped case that can cover the power generation element and that uses a laminate film containing aluminum can be used. As the laminate film, for example, a laminate film having a three-layer structure formed by laminating PP, aluminum and nylon in this order can be used, but the laminate film is not limited thereto. A laminated film is desirable from the viewpoint of high output and excellent cooling performance, and the fact that it can be suitably used for batteries for large-sized equipment for EVs and HEVs.

なお、上記のリチウムイオン二次電池は、従来公知の製造方法により製造することができる。 The above lithium-ion secondary battery can be manufactured by a conventionally known manufacturing method.

<リチウムイオン二次電池の外観構成>
図2は、積層型の扁平なリチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。
<External structure of lithium-ion secondary battery>
FIG. 2 is a perspective view showing the appearance of a laminated flat lithium ion secondary battery.

図2に示すように、積層型の扁平なリチウムイオン二次電池50では、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極集電板59、負極集電板58が引き出されている。発電要素57は、リチウムイオン二次電池50の電池外装材52によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素57は、正極集電板59および負極集電板58を外部に引き出した状態で密封されている。ここで、発電要素57は、図1に示すリチウムイオン二次電池(積層型電池)10の発電要素21に相当するものである。発電要素57は、正極(正極活物質層)13、電解質層17および負極(負極活物質層)15で構成される単電池層(単セル)19が複数積層されたものである。 As shown in FIG. 2, the laminated flat lithium ion secondary battery 50 has a rectangular flat shape, and a positive electrode collector plate 59 and a negative electrode collector plate 59 for extracting electric power from both sides thereof. The electric plate 58 is pulled out. The power generation element 57 is wrapped by the battery outer casing material 52 of the lithium-ion secondary battery 50 and its periphery is heat-sealed, and the power generation element 57 draws out the positive electrode current collector plate 59 and the negative electrode current collector plate 58 to the outside. It is sealed in a closed state. Here, the power generation element 57 corresponds to the power generation element 21 of the lithium ion secondary battery (laminated battery) 10 shown in FIG. 1. The power generation element 57 is formed by stacking a plurality of single cell layers (single cells) 19 including a positive electrode (positive electrode active material layer) 13, an electrolyte layer 17, and a negative electrode (negative electrode active material layer) 15.

なお、上記リチウムイオン二次電池は、積層型の扁平な形状のもの(ラミネートセル)に制限されるものではない。巻回型のリチウムイオン電池では、円筒型形状のもの(コインセル)や角柱型形状(角型セル)のもの、こうした円筒型形状のものを変形させて長方形状の扁平な形状にしたようなもの、更にシリンダー状セルであってもよいなど、特に制限されるものではない。上記円筒型や角柱型の形状のものでは、その外装材に、ラミネートフィルムを用いてもよいし、従来の円筒缶(金属缶)を用いてもよいなど、特に制限されるものではない。好ましくは、発電要素がアルミニウムラミネートフィルムで外装される。当該形態により、軽量化が達成されうる。 The lithium-ion secondary battery is not limited to the laminated flat type (laminate cell). The winding type lithium-ion battery has a cylindrical shape (coin cell), a prismatic shape (square cell), or a shape obtained by deforming such a cylindrical shape into a rectangular flat shape. Further, it may be a cylindrical cell and is not particularly limited. The cylindrical or prismatic shape is not particularly limited, and a laminate film or a conventional cylindrical can (metal can) may be used as the exterior material thereof. Preferably, the power generating element is covered with an aluminum laminate film. With this configuration, weight reduction can be achieved.

また、図2に示す正極集電板59、負極集電板58の取り出しに関しても、特に制限されるものではない。正極集電板59と負極集電板58とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、正極集電板59と負極集電板58をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出すようにしてもよいなど、図2に示すものに制限されるものではない。また、巻回型のリチウムイオン電池では、集電板に変えて、例えば、円筒缶(金属缶)を利用して端子を形成すればよい。 Further, the extraction of the positive electrode current collector plate 59 and the negative electrode current collector plate 58 shown in FIG. 2 is not particularly limited. The positive electrode current collector plate 59 and the negative electrode current collector plate 58 may be drawn out from the same side, or the positive electrode current collector plate 59 and the negative electrode current collector plate 58 may be divided into a plurality of parts and taken out from each side. However, the present invention is not limited to that shown in FIG. Further, in the wound type lithium ion battery, the terminal may be formed by using, for example, a cylindrical can (metal can) instead of the collector plate.

上記したように、本実施形態のリチウムイオン二次電池用の負極活物質を用いてなる負極ならびにリチウムイオン二次電池は、電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの大容量電源として、好適に利用することができる。即ち、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。 As described above, the negative electrode and the lithium-ion secondary battery using the negative electrode active material for the lithium-ion secondary battery of the present embodiment can be used for electric vehicles, hybrid electric vehicles, fuel cell vehicles, hybrid fuel cell vehicles, and the like. It can be suitably used as a capacity power source. That is, it can be suitably used as a vehicle drive power source or an auxiliary power source that requires high volume energy density and high volume output density.

なお、上記実施形態では、電気デバイスとして、リチウムイオン電池を例示したが、これに制限されるわけではなく、他のタイプの二次電池、さらには一次電池にも適用できる。また、電池だけではなくキャパシタにも適用できる。 In addition, in the said embodiment, although the lithium ion battery was illustrated as an electric device, it is not limited to this, It can apply to another type of secondary battery, and also to a primary battery. Further, it can be applied not only to batteries but also to capacitors.

本発明を、以下の実施例を用いてさらに詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。 The invention will be described in more detail with the following examples. However, the technical scope of the present invention is not limited to the following examples.

(実施例1)
[ケイ素含有合金の製造]
Si(純度11N)、Sn(純度4N)、Ti(純度3N)を用い、アーク溶解法を用いて、Si合金(Si61質量%、Sn9質量%、Ti30質量%)のインゴットを作製した。
(Example 1)
[Manufacture of silicon-containing alloy]
Using Si (purity 11N), Sn (purity 4N), and Ti (purity 3N), an ingot of a Si alloy (Si 61 mass %, Sn 9 mass %, Ti 30 mass %) was produced by an arc melting method.

続いて、上記で得られたインゴットを母合金として用いて、液体急冷凝固法によりケイ素含有合金を作製した。具体的には、日新技研株式会社製の液体急冷凝固装置NEV−A05型を用いて、Ar置換のうえゲージ圧−0.03MPaに減圧したチャンバー内に設置した石英ノズル中に、Si61SnTi30のインゴット(母合金)を入れた。そして、電流値を7.5Aとした高周波誘導加熱により融解した後(溶湯温度:約1420℃)、0.05MPaの噴射圧にて、回転数4000rpm(周速:42m/秒)のCuロール上に噴射して、薄帯状合金(急冷薄帯合金)を作製した。この際、Cuロールとノズルとのギャップは0.5mmとした。なお、得られた薄帯状合金(急冷薄帯合金)の厚さは24.4μmであった。 Subsequently, using the ingot obtained above as a mother alloy, a silicon-containing alloy was produced by a liquid rapid solidification method. Specifically, using a liquid rapid solidification system NEV-A05 type manufactured by Nisshin Giken Co., Ltd., Si 61 Sn was placed in a quartz nozzle installed in a chamber whose Ar pressure was replaced and the gauge pressure was reduced to −0.03 MPa. A 9 Ti 30 ingot (mother alloy) was placed. Then, after melting by high frequency induction heating with a current value of 7.5 A (melt temperature: about 1420° C.), a Cu roll with a rotation speed of 4000 rpm (peripheral speed: 42 m/sec) was applied at an injection pressure of 0.05 MPa. Then, a ribbon-shaped alloy (quenched ribbon alloy) was produced. At this time, the gap between the Cu roll and the nozzle was 0.5 mm. The thickness of the obtained ribbon alloy (quenched ribbon alloy) was 24.4 μm.

その後、上記で得られた薄帯状合金(急冷薄帯合金)を粉砕処理した。具体的には、まず、薄帯状合金(急冷薄帯)を直径2mmのサイズに粗粉砕した。次に、ドイツ フリッチュ社製遊星ボールミル装置P−6を用いて、ジルコニア製粉砕ポットにジルコニア製粉砕ボールと上記粗粉砕物を投入し、400rpmで1時間、粉砕処理を実施して、ケイ素含有合金(負極活物質)を得た。なお、得られたケイ素含有合金(負極活物質)粉末の平均粒子径D50は7.4であった。 Then, the ribbon-shaped alloy (quenched ribbon alloy) obtained above was pulverized. Specifically, first, a ribbon-shaped alloy (quenched ribbon) was roughly crushed to a size of 2 mm in diameter. Next, using a planetary ball mill device P-6 manufactured by Fritsch Germany, the zirconia crushed balls and the coarsely crushed product were placed in a zirconia crushing pot, and crushed at 400 rpm for 1 hour to obtain a silicon-containing alloy. (Negative electrode active material) was obtained. The average particle diameter D50 of the obtained silicon-containing alloy (negative electrode active material) powder was 7.4.

[負極の作製]
負極活物質である上記で製造したケイ素含有合金(Si61SnTi30)80質量部と、導電助剤であるアセチレンブラック5質量部と、バインダであるポリアミドイミド15質量部と、を混合し、N−メチルピロリドンに分散させて負極スラリーを得た。次いで、得られた負極スラリーを、銅箔よりなる負極集電体の両面にそれぞれ負極活物質層の厚さが30μmとなるように均一に塗布し、真空中で24時間乾燥させて、負極を得た。
[Preparation of negative electrode]
80 parts by mass of the above-produced silicon-containing alloy (Si 61 Sn 9 Ti 30 ) which is a negative electrode active material, 5 parts by mass of acetylene black which is a conductive additive, and 15 parts by mass of polyamide imide which is a binder are mixed. , N-methylpyrrolidone to obtain a negative electrode slurry. Next, the obtained negative electrode slurry was uniformly applied to both sides of a negative electrode current collector made of copper foil so that the thickness of the negative electrode active material layer was 30 μm, and dried in vacuum for 24 hours to give a negative electrode. Obtained.

[リチウムイオン二次電池(コインセル)の作製]
上記で作製した負極と対極Liとを対向させ、この間にセパレータ(ポリオレフィン、膜厚20μm)を配置した。次いで、負極、セパレータ、および対極Liの積層体をコインセル(CR2032、材質:ステンレス鋼(SUS316))の底部側に配置した。さらに、正極と負極との間の絶縁性を保つためガスケットを装着し、下記電解液をシリンジにより注入し、スプリングおよびスペーサを積層し、コインセルの上部側を重ねあわせ、かしめることにより密閉して、リチウムイオン二次電池(コインセル)を得た。
[Preparation of lithium-ion secondary battery (coin cell)]
The negative electrode prepared above and the counter electrode Li were opposed to each other, and a separator (polyolefin, film thickness 20 μm) was arranged therebetween. Next, the laminated body of the negative electrode, the separator, and the counter electrode Li was placed on the bottom side of the coin cell (CR2032, material: stainless steel (SUS316)). Furthermore, a gasket is attached to maintain the insulation between the positive electrode and the negative electrode, the following electrolytic solution is injected with a syringe, a spring and a spacer are stacked, the upper side of the coin cell is overlapped, and the coin cell is sealed by caulking. A lithium ion secondary battery (coin cell) was obtained.

なお、上記電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とをEC:DEC=1:2(体積比)の割合で混合した有機溶媒に、リチウム塩である六フッ化リン酸リチウム(LiPF)を1mol/Lの濃度で溶解させたものを用いた。 In addition, as the above-mentioned electrolytic solution, hexafluorophosphoric acid, which is a lithium salt, is added to an organic solvent in which ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) are mixed at a ratio of EC:DEC=1:2 (volume ratio). Lithium (LiPF 6 ) dissolved at a concentration of 1 mol/L was used.

(実施例2)
液体急冷凝固法における高周波誘導加熱の電流値を9A(溶湯温度:約1500℃)としたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、ケイ素含有合金(負極活物質)、負極およびリチウムイオン二次電池(コインセル)を作製した。なお、得られた薄帯状合金(急冷薄帯合金)の厚さは23.0μmであった。また、得られたケイ素含有合金(負極活物質)粉末の平均粒子径D50は8.8μmであった。
(Example 2)
A silicon-containing alloy (negative electrode active material), a negative electrode, and lithium were prepared in the same manner as in Example 1 except that the high-frequency induction heating current value in the liquid rapid solidification method was 9 A (melt temperature: about 1500° C.). An ion secondary battery (coin cell) was produced. The thickness of the obtained ribbon alloy (quenched ribbon alloy) was 23.0 μm. The average particle diameter D50 of the obtained silicon-containing alloy (negative electrode active material) powder was 8.8 μm.

(実施例3)
液体急冷凝固法における高周波誘導加熱の電流値を9A(溶湯温度:約1500℃)、噴射圧を0.03MPaとしたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、ケイ素含有合金(負極活物質)、負極およびリチウムイオン二次電池(コインセル)を作製した。なお、得られた薄帯状合金(急冷薄帯合金)の厚さは21.5μmであった。また、得られたケイ素含有合金(負極活物質)粉末の平均粒子径D50は7.9μmであった。
(Example 3)
A silicon-containing alloy (negative electrode) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the high-frequency induction heating current value in the liquid rapid solidification method was 9 A (melt temperature: about 1500° C.) and the injection pressure was 0.03 MPa. An active material), a negative electrode, and a lithium ion secondary battery (coin cell) were produced. The thickness of the obtained ribbon alloy (quenched ribbon alloy) was 21.5 μm. The average particle size D50 of the obtained silicon-containing alloy (negative electrode active material) powder was 7.9 μm.

(実施例4)
母合金の組成をSi66SnTi30としたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、ケイ素含有合金(負極活物質)、負極およびリチウムイオン二次電池(コインセル)を作製した。なお、得られた薄帯状合金(急冷薄帯合金)の厚さは21.8μmであった。また、得られたケイ素含有合金(負極活物質)粉末の平均粒子径D50は9.2μmであった。
(Example 4)
A silicon-containing alloy (negative electrode active material), a negative electrode, and a lithium ion secondary battery (coin cell) were produced in the same manner as in Example 1 except that the composition of the mother alloy was Si 66 Sn 4 Ti 30 . .. The thickness of the obtained ribbon alloy (quenched ribbon alloy) was 21.8 μm. The average particle diameter D50 of the obtained silicon-containing alloy (negative electrode active material) powder was 9.2 μm.

(実施例5)
液体急冷凝固法における高周波誘導加熱の電流値を9A(溶湯温度:約1500℃)、噴射圧を0.03MPaとしたこと以外は、上述した実施例4と同様の手法により、ケイ素含有合金(負極活物質)、負極およびリチウムイオン二次電池(コインセル)を作製した。なお、得られた薄帯状合金(急冷薄帯合金)の厚さは19.4μmであった。また、得られたケイ素含有合金(負極活物質)粉末の平均粒子径D50は8.3μmであった。
(Example 5)
A silicon-containing alloy (negative electrode) was prepared in the same manner as in Example 4 except that the current value of high-frequency induction heating in the liquid rapid solidification method was 9 A (melt temperature: about 1500° C.) and the injection pressure was 0.03 MPa. An active material), a negative electrode, and a lithium ion secondary battery (coin cell) were produced. The thickness of the obtained ribbon alloy (quenched ribbon alloy) was 19.4 μm. The average particle diameter D50 of the obtained silicon-containing alloy (negative electrode active material) powder was 8.3 μm.

(比較例1)
液体急冷凝固法におけるチャンバー内のゲージ圧を−0.01MPa、高周波誘導加熱の電流値を6.5A(溶湯温度:約1400℃)、噴射圧を0.01MPaとしたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、ケイ素含有合金(負極活物質)、負極およびリチウムイオン二次電池(コインセル)を作製した。なお、得られた薄帯状合金(急冷薄帯合金)の厚さは28.0μmであった。また、得られたケイ素含有合金(負極活物質)粉末の平均粒子径D50は10.3μmであった。
(Comparative Example 1)
In the liquid rapid solidification method, the gauge pressure inside the chamber was -0.01 MPa, the current value of the high frequency induction heating was 6.5 A (melt temperature: about 1400°C), and the injection pressure was 0.01 MPa. By the same method as in Example 1, a silicon-containing alloy (negative electrode active material), a negative electrode, and a lithium ion secondary battery (coin cell) were produced. The thickness of the obtained ribbon alloy (quenched ribbon alloy) was 28.0 μm. The average particle diameter D50 of the obtained silicon-containing alloy (negative electrode active material) powder was 10.3 μm.

(比較例2)
母合金の組成をSi60Sn20Ti20としたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、ケイ素含有合金(負極活物質)、負極およびリチウムイオン二次電池(コインセル)を作製した。なお、得られた薄帯状合金(急冷薄帯合金)の厚さは23.2μmであった。また、得られたケイ素含有合金(負極活物質)粉末の平均粒子径D50は6.4μmであった。
(Comparative example 2)
A silicon-containing alloy (negative electrode active material), a negative electrode, and a lithium ion secondary battery (coin cell) were produced by the same method as in Example 1 except that the composition of the mother alloy was Si 60 Sn 20 Ti 20 . .. The thickness of the obtained ribbon-shaped alloy (quenched ribbon alloy) was 23.2 μm. The average particle diameter D50 of the obtained silicon-containing alloy (negative electrode active material) powder was 6.4 μm.

[負極活物質の組織構造の分析]
実施例1〜5および比較例1〜2のそれぞれにおいて作製した負極活物質(ケイ素含有合金)の組織構造を、高角度環状暗視野走査透過型電子顕微鏡(HAADF−STEM)を用いて観察した後、観察画像と同じ視野についてEDX(エネルギー分散型X線分光法)により元素強度マッピングを行うことにより確認した。その結果、実施例1〜5および比較例1については、TiSiを含むシリサイド相の母相中に、ケイ素の結晶構造の内部にスズが固溶してなる非晶質または低結晶性ケイ素を主成分とする相が分散されてなる構造を有するものであることが確認された。一方、比較例2については、ケイ素の結晶構造の内部にスズが固溶してなる非晶質または低結晶性ケイ素を主成分とする母相中に、TiSiを含むシリサイド相が分散されてなる構造を有するものであることが確認された。
[Analysis of organization structure of negative electrode active material]
After observing the structure of the negative electrode active material (silicon-containing alloy) produced in each of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 2 using a high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscope (HAADF-STEM). It was confirmed by performing element intensity mapping by EDX (energy dispersive X-ray spectroscopy) for the same field of view as the observed image. As a result, for Examples 1 to 5 and Comparative Example 1, amorphous or low crystalline silicon formed by solid solution of tin in the crystal structure of silicon was formed in the matrix phase of the silicide phase containing TiSi 2. It was confirmed to have a structure in which the phase as the main component was dispersed. On the other hand, in Comparative Example 2, a silicide phase containing TiSi 2 was dispersed in a mother phase mainly composed of amorphous or low crystalline silicon in which tin was solid-solved in the crystal structure of silicon. It was confirmed to have the following structure.

また、実施例1〜5および比較例1〜2のそれぞれにおいて作製した負極活物質(ケイ素含有合金)の結晶構造をX線回折測定法により分析した。X線回折測定法に用いた装置および条件は以下の通りである。 Moreover, the crystal structure of the negative electrode active material (silicon-containing alloy) produced in each of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 was analyzed by an X-ray diffraction measurement method. The apparatus and conditions used for the X-ray diffraction measurement method are as follows.

装置名:リガク社製、X線回折装置(SmartLab9kW)
電圧・電流:45kV・200mA
X線波長:CuKα1。
Device name: X-ray diffractometer (SmartLab9kW) manufactured by Rigaku Corporation
Voltage/current: 45kV/200mA
X-ray wavelength: CuKα1.

実施例1〜5および比較例1〜2のそれぞれの負極活物質(ケイ素含有合金)について取得されたX線回折スペクトルを図4〜10に示す。図4〜10に示されるX線回折スペクトルによると、実施例1〜5および比較例1〜2のいずれにおいても、C54構造を有するTiSiの(311)面の回折ピーク(図4〜10において「a」で示されるピーク)、C49構造を有するTiSiの(131)面の回折ピーク(図4〜10において「b」で示されるピーク)、およびSiの(111)面の回折ピーク(図4〜10において「c」で示されるピーク)が観測された。 The X-ray diffraction spectra obtained for the negative electrode active materials (silicon-containing alloys) of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 are shown in FIGS. According to the X-ray diffraction spectra shown in FIGS. 4 to 10, the diffraction peaks of the (311) plane of TiSi 2 having the C54 structure (in FIGS. 4 to 10) were obtained in each of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 . (Peak indicated by “a”), diffraction peak of (131) plane of TiSi 2 having a C49 structure (peak indicated by “b” in FIGS. 4 to 10), and diffraction peak of (111) plane of Si (FIG. 4). 4-10, the peak shown by "c" was observed.

実施例1〜5および比較例1〜2のそれぞれの負極活物質(ケイ素含有合金)について取得されたX線回折スペクトルより、2θ=38〜40°の範囲におけるC54構造を有するTiSiの(311)面の回折ピーク強度X、2θ=40〜41°の範囲におけるC49構造を有するTiSiの(131)面の回折ピーク強度Y、および2θ=28〜30°の範囲におけるSiの(111)面の回折ピーク強度Zの値をそれぞれ求め、これらの比の値(Y/X、Y/Z)を算出した。結果を下記の表1に示す。なお、このX線回折測定により、ケイ素含有合金に含まれる遷移金属元素(Ti)はすべてシリサイド(TiSi)相として存在していることも確認された。 From the X-ray diffraction spectra obtained for the negative electrode active materials (silicon-containing alloys) of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 , TiSi 2 (311) having a C54 structure in the range of 2θ=38 to 40° was obtained. ) Plane diffraction peak intensity X, diffraction peak intensity Y of the (131) plane of TiSi 2 having a C49 structure in the range of 2θ=40 to 41°, and Si (111) plane in the range of 2θ=28 to 30°. The respective values of the diffraction peak intensities Z of were calculated, and the values of these ratios (Y/X, Y/Z) were calculated. The results are shown in Table 1 below. It was also confirmed by this X-ray diffraction measurement that all the transition metal elements (Ti) contained in the silicon-containing alloy were present as a silicide (TiSi 2 ) phase.

[サイクル耐久性の評価]
実施例1〜5および比較例1〜2のそれぞれにおいて作製した各リチウムイオン二次電池(コインセル)について以下の充放電試験条件に従ってサイクル耐久性評価を行った。
[Evaluation of cycle durability]
The cycle durability of each lithium ion secondary battery (coin cell) produced in each of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 2 was evaluated according to the following charge and discharge test conditions.

(充放電試験条件)
1)充放電試験機:HJ0501SM8A(北斗電工株式会社製)
2)充放電条件[充電過程]0.1mA、10mV→2V(定電流・定電圧モード)
[放電過程]0.3C、2V→10mV(定電流モード)
3)恒温槽:PFU−3K(エスペック株式会社製)
4)評価温度:300K(27℃)。
(Charge/discharge test conditions)
1) Charge/discharge tester: HJ0501SM8A (manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.)
2) Charge/discharge conditions [charging process] 0.1 mA, 10 mV → 2 V (constant current/constant voltage mode)
[Discharging process] 0.3 C, 2 V→10 mV (constant current mode)
3) Constant temperature bath: PFU-3K (manufactured by ESPEC CORPORATION)
4) Evaluation temperature: 300K (27°C).

評価用セルは、充放電試験機を使用して、上記評価温度に設定された恒温槽中にて、充電過程(評価用電極へのLi挿入過程をいう)では、定電流・定電圧モードとし、0.1mAにて10mVから2Vまで充電した。その後、放電過程(評価用電極からのLi脱離過程をいう)では、定電流モードとし、0.3Cにて、2Vから10mVまで放電した。以上の充放電サイクルを1サイクルとして、同じ充放電条件にて、初期サイクル(1サイクル)〜50サイクルまで充放電試験を行った。そして、1サイクル目の放電容量に対する50サイクル目の放電容量の割合(放電容量維持率[%])を求めた。結果を下記の表1に示す。 The evaluation cell was set to a constant current/constant voltage mode in the charging process (referring to the process of inserting Li into the evaluation electrode) in a constant temperature bath set to the above evaluation temperature using a charge/discharge tester. , 0.1 mV, and charged from 10 mV to 2V. After that, in the discharging process (the process of desorbing Li from the evaluation electrode), a constant current mode was set and discharging was performed from 2 V to 10 mV at 0.3C. With the above charge/discharge cycle as one cycle, a charge/discharge test was performed from the initial cycle (1 cycle) to 50 cycles under the same charge/discharge conditions. Then, the ratio of the discharge capacity at the 50th cycle to the discharge capacity at the first cycle (discharge capacity maintenance rate [%]) was obtained. The results are shown in Table 1 below.

上記表1に示す結果から、本発明に係る負極活物質を用いたリチウムイオン二次電池は、50サイクル後の放電容量維持率が高い値に維持されており、サイクル耐久性に優れるものであることがわかる。 From the results shown in Table 1 above, the lithium ion secondary battery using the negative electrode active material according to the present invention has a high discharge capacity retention rate after 50 cycles and is excellent in cycle durability. I understand.

ケイ素含有合金の合金組成がSi61SnTi30である実施例1〜3を比較すると、薄帯上合金の厚さが薄くなるにつれ(すなわち、合金の冷却速度が大きくなるにつれ)、Y/XおよびY/Zの値が大きくなり、放電要領維持率がより向上することが示された。また、合金組成がSi66SnTi30である実施例4と実施例5との比較でも、これと同様の傾向が示された。 Comparing Examples 1 to 3 in which the alloy composition of the silicon-containing alloy is Si 61 Sn 9 Ti 30 , as the thickness of the alloy on the ribbon decreases (that is, as the cooling rate of the alloy increases), Y/ It was shown that the values of X and Y/Z were increased, and the discharge point maintenance rate was further improved. Further, a comparison between Example 4 and Example 5 in which the alloy composition is Si 66 Sn 4 Ti 30 showed the same tendency as this.

また、急冷凝固法における合金の冷却条件が同じである実施例1と実施例4との比較、実施例3と実施例5との比較より、ケイ素含有合金の合金組成は、化学式(I):SiSnTiにおいて、63≦x≦66、4≦y≦7、28≦z≦30の範囲が特に好ましいことが示された。 From the comparison between Example 1 and Example 4 in which the cooling conditions of the alloy in the rapid solidification method are the same, and the comparison between Example 3 and Example 5, the alloy composition of the silicon-containing alloy has the chemical formula (I): It was shown that in Si x Sn y Ti z A a , the ranges of 63≦x≦66, 4≦y≦7, and 28≦z≦30 are particularly preferable.

10、50 リチウムイオン二次電池(積層型電池)、
11 負極集電体、
12 正極集電体、
13 負極活物質層、
15 正極活物質層、
17 電解質層、
19 単電池層、
21、57 発電要素、
25、58 負極集電板、
27、59 正極集電板、
29、52 電池外装材(ラミネートフィルム)。
10, 50 Lithium-ion secondary battery (stacked battery),
11 negative electrode current collector,
12 positive electrode current collector,
13 negative electrode active material layer,
15 positive electrode active material layer,
17 electrolyte layer,
19 cell layers,
21, 57 power generation elements,
25, 58 negative electrode current collector,
27, 59 Positive electrode current collector,
29, 52 Battery exterior material (laminate film).

Claims (5)

下記化学式(I):

(上記化学式(I)において、
Aは、不可避不純物であり、
x、y、z、およびaは、質量%の値を表し、この際、60≦x≦732≦y≦1525≦z≦35、および0≦a<0.5であり、x+y+z+a=100である。)で表される組成を有するケイ素含有合金からなり、
前記ケイ素含有合金のCuKα1線を用いたX線回折測定において、2θ=38〜40°の範囲におけるC54構造を有するTiSiの(311)面の回折ピーク強度Xに対する、2θ=40〜41°の範囲におけるC49構造を有するTiSiの(131)面の回折ピーク強度Yの比の値(Y/X)が、0.5以上であり、
2θ=28〜30°の範囲におけるSiの(111)面の回折ピーク強度Zに対する、前記回折ピーク強度Yの比の値(Y/Z)が、0.6以上である、電気デバイス用負極活物質。
The following chemical formula (I):

(In the above chemical formula (I),
A is an unavoidable impurity,
x, y, z, and a represent mass% values, where 60≦x≦73 , 2≦y≦15 , 25≦z≦35 , and 0≦a<0.5, and x+y+z+a =100. ) Consisting of a silicon-containing alloy having a composition represented by
In the X-ray diffraction measurement using CuKα1 ray of the silicon-containing alloy, 2θ=40 to 41° with respect to the diffraction peak intensity X of the (311) plane of TiSi 2 having a C54 structure in the range of 2θ=38 to 40°. The ratio value (Y/X) of the diffraction peak intensities Y of the (131) plane of TiSi 2 having the C49 structure in the range is 0.5 or more,
A negative electrode activity for an electric device in which a value (Y/Z) of a ratio of the diffraction peak intensity Y to a diffraction peak intensity Z of Si (111) plane in a range of 2θ=28 to 30° is 0.6 or more. material.
前記Y/Xが、1.7以上である、請求項1に記載の電気デバイス用負極活物質。 The negative electrode active material for an electric device according to claim 1, wherein the Y/X is 1.7 or more. 前記ケイ素含有合金は、TiSiを含むシリサイド相の母相中に、ケイ素の結晶構造の内部にスズが固溶してなる非晶質または低結晶性ケイ素を主成分とする相が分散されてなる構造を有する、請求項1または2に記載の電気デバイス用負極活物質。 In the silicon-containing alloy, a phase having amorphous or low crystalline silicon as a main component in which tin is solid-dissolved in a crystal structure of silicon is dispersed in a matrix of a silicide phase containing TiSi 2. The negative electrode active material for an electric device according to claim 1 or 2, which has the following structure. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の電気デバイス用負極活物質を用いてなる、電気デバイス用負極。 A negative electrode for an electric device, comprising the negative electrode active material for an electric device according to claim 1. 請求項4に記載の電気デバイス用負極を用いてなる、電気デバイス。 An electric device comprising the negative electrode for an electric device according to claim 4.
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