KR20190049683A - A negative electrode active material, a mixed negative electrode active material, and a method for manufacturing a negative electrode active material - Google Patents
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Abstract
본 발명은 부극 활물질 입자를 포함하는 부극 활물질로서, 부극 활물질 입자는, 규소 화합물(SiOx: 0.5≤x≤1.6)을 포함하는 규소 화합물 입자를 함유하고, 규소 화합물 입자는 Li 화합물을 함유하고, 부극 활물질 입자의 구성 원소로서, Al 원소 및 Na 원소를 포함함과 함께, Al 원소와 Na 원소의 질량비 MNa/MAl이, 하기 식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 부극 활물질이다. 이에 의해, 이차 전지의 부극 제작 시에 제작하는 슬러리를 안정화할 수 있고, 이차 전지의 부극 활물질로서 사용한 때에, 초기 충방전 특성 및 사이클 특성을 향상시키는 것이 가능한 부극 활물질이 제공된다. <식 1> 0.022≤MNa/MAl≤61The present invention is a negative electrode active material comprising negative electrode active material particles, wherein the negative electrode active material particle contains silicon compound particles containing silicon compounds (SiO x : 0.5? X? 1.6), the silicon compound particles containing Li compounds, Wherein the negative electrode active material particle includes Al and Na elements as constituent elements of the negative electrode active material particle and a mass ratio M Na / M Al of the Al element and the Na element satisfies the following formula 1: Thereby, a negative electrode active material capable of stabilizing a slurry produced at the time of manufacturing the negative electrode of the secondary battery and improving initial charge / discharge characteristics and cycle characteristics at the time of use as the negative electrode active material of the secondary battery is provided. <Formula 1> 0.022? M Na / M Al? 61
Description
본 발명은 부극 활물질, 혼합 부극 활물질 재료, 및 부극 활물질의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a negative electrode active material, a mixed negative electrode active material, and a method for producing the negative electrode active material.
근년, 모바일 단말기 등으로 대표되는 소형의 전자 기기가 널리 보급되고 있으며, 한층 더 소형화, 경량화 및 장수명화가 강하게 요구되고 있다. 이러한 시장 요구에 대하여, 특히 소형이며 또한 경량이고 고에너지 밀도를 얻는 것이 가능한 이차 전지의 개발이 진행되고 있다. 이 이차 전지는, 소형의 전자 기기에 한하지 않고, 자동차 등으로 대표되는 대형 전자 기기, 가옥 등으로 대표되는 전력 저장 시스템으로의 적용도 검토되고 있다.2. Description of the Related Art In recent years, small-sized electronic devices represented by mobile terminals and the like have become widespread, and further downsizing, weight reduction, and long life are strongly demanded. In response to such market demand, development of a secondary battery capable of achieving a particularly compact, lightweight and high energy density is underway. The secondary battery is not limited to a small electronic apparatus, but is also being studied for application to a power storage system represented by a large electronic apparatus represented by an automobile or a house.
그 중에서도 리튬 이온 이차 전지는 소형이면서 또한 고용량화를 행하기 쉽고, 또한 납 전지, 니켈 카드뮴 전지보다도 높은 에너지 밀도가 얻어지기 때문에, 크게 기대되고 있다.Among them, lithium ion secondary batteries are expected to be small in size and high in capacity, and are expected to have higher energy densities than lead batteries and nickel-cadmium batteries.
상기 리튬 이온 이차 전지는, 정극 및 부극, 세퍼레이터와 함께 전해액을 구비하고 있고, 부극은 충방전 반응에 관계되는 부극 활물질을 포함하고 있다.The lithium ion secondary battery includes a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte together with a separator, and the negative electrode includes a negative electrode active material involved in a charge-discharge reaction.
이 부극 활물질로서는, 탄소계 활물질이 널리 사용되는 한편, 최근의 시장 요구로부터 전지 용량의 추가적인 향상이 요구되고 있다. 전지 용량 향상을 위해 부극 활물질재로서 규소를 사용하는 것이 검토되고 있다. 왜냐하면, 규소의 이론 용량(4199mAh/g)은 흑연의 이론 용량(372mAh/g)보다도 10배 이상 크기 때문에, 전지 용량의 대폭적인 향상을 기대할 수 있기 때문이다. 부극 활물질재로서의 규소재의 개발은 규소 단체(單體)뿐만 아니라, 합금, 산화물로 대표되는 화합물 등에 대하여서도 검토되고 있다. 또한, 활물질 형상은, 탄소계 활물질에서는 표준적인 도포형부터 집전체에 직접 퇴적하는 일체형까지 검토되고 있다.As the negative electrode active material, a carbon-based active material is widely used, and further improvement of battery capacity is demanded from recent market demands. It has been studied to use silicon as a negative electrode active material for improving battery capacity. This is because the theoretical capacity of silicon (4199 mAh / g) is 10 times larger than the theoretical capacity of graphite (372 mAh / g), so that a significant improvement in the capacity of the battery can be expected. The development of a cast steel as a negative electrode active material has been studied not only for a silicon single substance but also for a compound represented by an alloy or an oxide. In addition, the active material form has been examined in a carbon-based active material from a standard coating type to an integral type which is directly deposited on the current collector.
그러나, 부극 활물질로서 규소를 주 원료로서 사용하면, 충방전 시에 부극 활물질이 팽창 수축되기 때문에, 주로 부극 활물질의 표층 근방에서 깨지기 쉬워진다. 또한, 활물질 내부에 이온성 물질이 생성되어, 부극 활물질이 깨지기 쉬운 물질이 된다. 부극 활물질 표층이 깨지면, 그에 의해서 새 표면이 생기고, 활물질의 반응 면적이 증가한다. 이때, 새 표면에 있어서 전해액의 분해 반응이 생김과 함께, 새 표면에 전해액의 분해물인 피막이 형성되기 때문에 전해액이 소비된다. 이 때문에 사이클 특성이 저하되기 쉬워진다.However, when silicon is used as the main raw material as the negative electrode active material, the negative electrode active material expands and shrinks during charging and discharging, and therefore, the negative electrode active material tends to be easily broken near the surface layer of the negative electrode active material. Also, an ionic material is generated inside the active material, and the negative electrode active material becomes a fragile material. When the surface of the negative electrode active material is broken, a new surface is formed thereby increasing the reaction area of the active material. At this time, a decomposition reaction of the electrolytic solution occurs on the new surface, and a coating film which is a decomposition product of the electrolytic solution is formed on the new surface, so that the electrolytic solution is consumed. As a result, the cycle characteristics tend to decrease.
지금까지는, 전지 초기 효율이나 사이클 특성을 향상시키기 위하여, 규소재를 주재로 한 리튬 이온 이차 전지용 부극 재료, 전극 구성에 대하여 다양한 검토가 이루어져 있다.Up to now, in order to improve the initial efficiency and cycle characteristics of a battery, various studies have been made on a negative electrode material and an electrode configuration for a lithium ion secondary battery based on a cast material.
구체적으로는, 양호한 사이클 특성이나 높은 안전성을 얻을 목적으로, 기상법을 사용하여 규소 및 비정질 이산화규소를 동시에 퇴적시키고 있다(예를 들어 특허문헌 1 참조). 또한, 높은 전지 용량이나 안전성을 얻기 위하여, 규소 산화물 입자의 표층에 탄소재(전자 전도재)를 설치하고 있다(예를 들어 특허문헌 2 참조). 또한, 사이클 특성을 개선시킴과 함께 고입출력 특성을 얻기 위하여, 규소 및 산소를 함유하는 활물질을 제작하며, 또한 집전체 근방에서의 산소 비율이 높은 활물질층을 형성하고 있다(예를 들어 특허문헌 3 참조). 또한, 사이클 특성 향상시키기 위하여, 규소 활물질 중에 산소를 함유시켜, 평균 산소 함유량이 40at% 이하이며, 또한 집전체에 가까운 장소에서 산소 함유량이 많아지도록 형성하고 있다(예를 들어 특허문헌 4 참조).Concretely, silicon and amorphous silicon dioxide are simultaneously deposited using a vapor phase method for the purpose of obtaining good cycle characteristics and high safety (see, for example, Patent Document 1). In order to obtain a high battery capacity and safety, a carbon material (an electron conduction material) is provided on the surface layer of the silicon oxide particles (see, for example, Patent Document 2). In addition, in order to improve cycle characteristics and obtain high input / output characteristics, an active material containing silicon and oxygen is prepared, and an active material layer having a high oxygen ratio in the vicinity of the current collector is formed (see, for example,
또한, 첫회 충방전 효율을 개선하기 위해서 Si상, SiO2, MyO 금속 산화물을 함유하는 나노 복합체를 사용하고 있다(예를 들어 특허문헌 5 참조). 또한, 사이클 특성 개선을 위하여, SiOx(0.8≤x≤1.5, 입경 범위=1㎛ 내지 50㎛)와 탄소재를 혼합해서 고온 소성하고 있다(예를 들어 특허문헌 6 참조). 또한, 사이클 특성 개선을 위하여, 부극 활물질 중에 있어서의 규소에 대한 산소의 몰비를 0.1 내지 1.2로 하고, 활물질, 집전체 계면 근방에 있어서의 몰비의 최댓값, 최솟값과의 차가 0.4 이하가 되는 범위에서 활물질의 제어를 행하고 있다(예를 들어 특허문헌 7 참조). 또한, 전지 부하 특성을 향상시키기 위하여, 리튬을 함유한 금속 산화물을 사용하고 있다(예를 들어 특허문헌 8 참조). 또한, 사이클 특성을 개선시키기 위하여, 규소재 표층에 실란 화합물 등의 소수층을 형성하고 있다(예를 들어 특허문헌 9 참조). 또한, 사이클 특성 개선을 위하여, 산화규소를 사용하고, 그의 표층에 흑연 피막을 형성함으로써 도전성을 부여하고 있다(예를 들어 특허문헌 10 참조). 특허문헌 10에 있어서, 흑연 피막에 관한 RAMAN 스펙트럼으로부터 얻어지는 시프트 값에 관해서, 1330㎝-1 및 1580㎝-1에 브로드한 피크가 나타냄과 함께, 그들의 강도비 I1330/I1580이 1.5<I1330/I1580<3이 되어 있다. 또한, 높은 전지 용량, 사이클 특성의 개선을 위하여, 이산화규소 중에 분산된 규소 미결정상을 갖는 입자를 사용하고 있다(예를 들어, 특허문헌 11 참조). 또한, 과충전, 과방전 특성을 향상시키기 위하여, 규소와 산소의 원자수비를 1:y(0<y<2)로 제어한 규소 산화물을 사용하고 있다(예를 들어 특허문헌 12 참조).In order to improve the charge / discharge efficiency at first , a nanocomposite containing a Si phase, SiO 2 , or M y O metal oxide is used (see, for example, Patent Document 5). In order to improve cycle characteristics, SiOx (0.8? X ? 1.5, particle diameter = 1 to 50 占 퐉) and carbon materials are mixed and baked at a high temperature (see, for example, Patent Document 6). In order to improve the cycle characteristics, the ratio of oxygen to silicon in the negative electrode active material is 0.1 to 1.2, and the difference between the maximum value and the minimum value of the molar ratio in the vicinity of the interface between the active material and the collector is 0.4 or less. (See, for example, Patent Document 7). Further, in order to improve battery load characteristics, a metal oxide containing lithium is used (for example, see Patent Document 8). Further, in order to improve the cycle characteristics, a hydrophobic layer such as a silane compound is formed on the surface layer of the silk material (see, for example, Patent Document 9). In order to improve cycle characteristics, silicon oxide is used, and a graphite film is formed on the surface layer thereof to impart conductivity (see, for example, Patent Document 10). In
상술한 바와 같이, 근년, 모바일 단말기 등으로 대표되는 소형의 전자 기기는 고성능화, 다기능화가 진행되고 있고, 그의 주전원인 리튬 이온 이차 전지는 전지 용량의 증가가 요구되고 있다. 이 문제를 해결하는 하나의 방법으로서, 규소재를 주재로서 사용한 부극을 포함하는 리튬 이온 이차 전지의 개발이 요망되고 있다. 또한, 규소재를 사용하는 경우, Li를 도프한 규소재를 사용함으로써 높은 초기 효율 및 용량 유지율을 얻을 수 있지만, 한편, Li를 도프한 규소재는 수계 용매에 대한 안정성이 낮고, 부극 제작 시에 제작하는 규소재를 혼합한 수계 부극 슬러리의 안정성이 저하되어 버리기 때문에, 공업적으로 부적합했다.As described above, in recent years, small-sized electronic apparatuses such as mobile terminals are becoming more sophisticated and multifunctional, and lithium ion secondary batteries, which are the main power source thereof, are required to have increased battery capacity. As a method for solving this problem, development of a lithium ion secondary battery including a negative electrode using a cast material as a main material has been desired. On the other hand, when a cast steel material doped with Li is used, a high initial efficiency and a capacity retention rate can be obtained. On the other hand, a cast steel material doped with Li has low stability to an aqueous solvent, The stability of the water-based negative electrode slurry mixed with the gypsum material is lowered, and thus it is industrially unsuitable.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 이차 전지의 부극 제작 시에 제작하는 슬러리를 안정화할 수 있고, 이차 전지의 부극 활물질로서 사용한 때에, 초기 충방전 특성 및 사이클 특성을 향상시키는 것이 가능한 부극 활물질, 및 이 부극 활물질을 포함하는 혼합 부극 활물질 재료를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 부극 제작 시에 제작하는 슬러리를 안정화할 수 있고, 초기 충방전 특성 및 사이클 특성을 향상시킬 수 있는 부극 활물질의 제조 방법을 제공하는 것도 목적으로 한다.DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a secondary battery which can stabilize a slurry produced at the time of manufacturing negative electrode of a secondary battery and improve initial charge / discharge characteristics and cycle characteristics It is an object of the present invention to provide a mixed negative-electrode active material including a negative active material that can be used and a negative active material. It is also an object of the present invention to provide a method for producing a negative electrode active material which can stabilize a slurry to be produced at the time of producing the negative electrode and improve initial charge / discharge characteristics and cycle characteristics.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 부극 활물질 입자를 포함하는 부극 활물질로서, 상기 부극 활물질 입자는, 규소 화합물(SiOx: 0.5≤x≤1.6)을 포함하는 규소 화합물 입자를 함유하고, 상기 규소 화합물 입자는, Li 화합물을 함유하고, 상기 부극 활물질 입자의 구성 원소로서, Al 원소 및 Na 원소를 포함함과 함께, 상기 Al 원소와 상기 Na 원소의 질량비 MNa/MAl이, 하기 식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 부극 활물질을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a negative electrode active material comprising negative electrode active material particles, wherein the negative electrode active material particles contain silicon compound particles containing a silicon compound (SiO x : 0.5? X? 1.6) Wherein the compound particle contains a Li compound and contains Al element and Na element as constituent elements of the negative electrode active material particle and a mass ratio M Na / M Al of the Al element and Na element satisfies the
<식 1> 0.022≤MNa/MAl≤61<
본 발명의 부극 활물질은, 규소 화합물 입자를 포함하는 부극 활물질 입자(규소계 활물질 입자라고도 호칭한다)를 포함하기 때문에, 전지 용량을 향상시킬 수 있다. 또한, 규소 화합물 입자가 Li 화합물을 포함함으로써, 충전 시에 발생되는 불가역 용량을 저감시킬 수 있다. 이에 의해, 전지의 첫회 효율 및 사이클 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 식 1의 질량비 MNa/MAl과 같은 밸런스에서 Al 원소 및 Na 원소를 포함함으로써, 수계 용매 중에 부극 활물질 등을 분산시킨 슬러리(수계 부극 슬러리)의 제작 시에, 부극 활물질 입자 중의 Li 화합물로부터의 Li 이온의 용출이 억제되어, 수계 부극 슬러리의 안정성이 향상된다.Since the negative electrode active material of the present invention includes negative electrode active material particles (also referred to as silicon-based active material particles) containing silicon compound particles, the battery capacity can be improved. Further, the irreversible capacity generated at the time of filling can be reduced by containing the Li compound in the silicon compound particles. As a result, the efficiency and cycle characteristics of the battery can be improved at the first time. In the production of the slurry (aqueous negative electrode slurry) in which the negative electrode active material and the like are dispersed in the aqueous solvent by including the Al element and the Na element in the same balance as the mass ratio M Na / M Al in the
이때, 본 발명의 부극 활물질에서는, 상기 질량비 MNa/MAl이, 하기 식 2를 추가로 만족하는 것이 바람직하다.At this time, in the negative electrode active material of the present invention, it is preferable that the mass ratio M Na / M Al satisfies the following
<식 2> 0.36≤MNa/MAl≤3.3& Quot ; (2) & quot ; 0.36 & lt ; / = M Na / M Al &
이러한 질량비 MNa/MAl로 Al 원소 및 Na 원소를 포함함으로써 수계 부극 슬러리의 안정성이 더욱 향상된다.The stability of the aqueous negative electrode slurry is further improved by including the Al element and the Na element in the mass ratio M Na / M Al .
또한 이때, 본 발명의 부극 활물질은, 상기 Al 원소가 상기 규소 화합물 입자에 대하여, 0.02질량% 이상 1.1질량% 이하의 범위로 포함되는 것이 바람직하다.In this case, it is preferable that the negative electrode active material of the present invention contains the Al element in an amount of 0.02 mass% or more and 1.1 mass% or less with respect to the silicon compound particle.
Al 원소가 0.02질량% 이상 포함되어 있는 것이면, 수계 부극 슬러리의 안정성을 더 향상시킬 수 있다. Al 원소가 1.1질량% 이하인 범위에 포함되어 있는 것이면, 전지 용량의 저하를 방지할 수 있다.If the Al element is contained in an amount of 0.02 mass% or more, the stability of the aqueous negative electrode slurry can be further improved. If the Al element is included in the range of 1.1 mass% or less, the deterioration of the battery capacity can be prevented.
또한, 본 발명의 부극 활물질은, Na 원소가 규소 화합물 입자에 대하여, 0.024질량% 이상 1.22질량% 이하의 범위로 포함되는 것이 바람직하다.It is preferable that the negative electrode active material of the present invention contains the Na element in an amount of 0.024 mass% or more and 1.22 mass% or less with respect to the silicon compound particle.
Na 원소가 0.024질량% 이상 포함되어 있는 것이면, 수계 부극 슬러리의 안정성을 더 향상시킬 수 있다. Na 원소가 1.22질량% 이하의 범위로 포함되어 있는 것이면, 전지 용량의 저하를 방지할 수 있다.If the Na element is contained in an amount of 0.024 mass% or more, the stability of the aqueous negative electrode slurry can be further improved. If the Na element is contained in the range of 1.22 mass% or less, the battery capacity can be prevented from lowering.
또한, 상기 부극 활물질 입자가, 폴리아크릴산Na를 포함하는 것이 바람직하다.Further, it is preferable that the negative electrode active material particle contains polyacrylic acid Na.
이러한 것이면, 부극 활물질 입자 중의 Li 화합물로부터의 Li 이온의 용출이 보다 억제되기 때문에, 수계 부극 슬러리의 안정성이 더 향상된다.If this is the case, the elution of Li ions from the Li compound in the negative electrode active material particles is further suppressed, so that the stability of the aqueous negative electrode slurry is further improved.
또한, 상기 폴리아크릴산Na의 분자량이 25만 이상 100만 이하의 범위인 것이 바람직하다.It is also preferable that the molecular weight of the polyacrylic acid Na is in the range of 250,000 or more and 1,000,000 or less.
분자량이 상기 범위의 폴리아크릴산Na를 포함하는 것이면, 수계 부극 슬러리의 안정성이 더 향상된다.The stability of the aqueous negative electrode slurry is further improved if the molecular weight includes polyacrylic acid Na in the above range.
또한, 상기 폴리아크릴산Na를 1% 수용액으로 했을 때 pH가 6 이상 10 이하의 범위가 되는 것으로 하는 것이 바람직하다.When the polyacrylic acid Na is a 1% aqueous solution, it is preferable that the pH is in the range of 6 or more and 10 or less.
이러한 폴리아크릴산Na를 포함하는 것이면, 부극 활물질 입자 중의 Li 화합물로부터의 Li 이온의 용출이 보다 억제되기 때문에, 수계 부극 슬러리의 안정성이 더 향상된다.If such polyacrylic acid Na is contained, the elution of Li ions from the Li compound in the negative electrode active material particles is further suppressed, so that the stability of the aqueous negative electrode slurry is further improved.
또한, 상기 부극 활물질 입자가 Li 화합물로서, Li2Si2O5, Li2SiO3, Li4SiO4 중 적어도 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다.Further, it is preferable that the negative electrode active material particle contains at least one of Li 2 Si 2 O 5 , Li 2 SiO 3 , and Li 4 SiO 4 as a Li compound.
리튬 화합물로서 상기와 같은 리튬 실리케이트를 포함하는 것으로 함으로써, 충전 시에 발생되는 불가역 용량을 저감할 수 있고, 전지의 첫회 효율 및 사이클 특성을 향상시킬 수 있다.By including lithium silicate as the lithium compound, the irreversible capacity generated at the time of charging can be reduced, and the efficiency and cycle characteristics of the battery can be improved at the first time.
또한, 상기 규소 화합물 입자는, Cu-Kα선을 사용한 X선 회절 스펙트럼에 있어서의 Si(111) 결정면에 기인하는 피크의 반값폭(2θ)이 1.2° 이상인 것과 함께, 그 결정면에 대응하는 결정자 크기는 7.5㎚ 이하인 것이 바람직하다.In addition, the silicon compound particles preferably have a half-width (2?) Of a peak attributable to a Si (111) crystal plane in an X-ray diffraction spectrum using a Cu-K? Line of 1.2 占 or more and a crystallite size Is preferably 7.5 nm or less.
규소 화합물 입자가 상기의 규소 결정성을 갖는 부극 활물질을 리튬 이온 이차 전지의 부극 활물질로서 사용하면, 보다 양호한 사이클 특성 및 초기 충방전 특성이 얻어진다.When the negative electrode active material having the silicon crystallinity of the silicon compound particles is used as the negative electrode active material of the lithium ion secondary battery, better cycle characteristics and initial charge / discharge characteristics can be obtained.
또한, 본 발명의 부극 활물질은, 상기 규소 화합물 입자에 있어서, 29Si-MAS-NMR 스펙트럼으로부터 얻어지는, 케미컬 시프트값으로서 -60 내지 -95ppm에서 부여되는 Si 및 Li 실리케이트 영역의 최대 피크 강도값 A와, 케미컬 시프트값으로서 -96 내지 -150ppm에서 부여되는 SiO2 영역의 피크 강도값 B가, A>B라고 하는 관계를 만족시키는 것이 바람직하다.The negative electrode active material of the present invention has the maximum peak strength value A of the Si and Li silicate regions, which is obtained from the 29 Si-MAS-NMR spectrum and is given at -60 to -95 ppm as the chemical shift value, , And the peak intensity value B of the SiO 2 region given at -96 to -150 ppm as the chemical shift value satisfies the relation A> B.
규소 화합물 입자에 있어서, SiO2 성분을 기준으로 하여 Si 및 Li2SiO3의 양이 보다 많은 것이면, Li의 삽입에 의한 전지 특성의 향상 효과가 충분히 얻어지는 부극 활물질이 된다.When the amount of Si and Li 2 SiO 3 in the silicon compound particles is larger than that of the SiO 2 component, the negative electrode active material is obtained in which the effect of improving the battery characteristics by inserting Li is sufficiently obtained.
또한, 상기 부극 활물질 입자는 메디안 직경이 3㎛ 이상 15㎛ 이하인 것이 바람직하다.It is preferable that the negative electrode active material particles have a median diameter of 3 탆 or more and 15 탆 or less.
부극 활물질 입자의 메디안 직경이 3㎛ 이상이면, 질량당 표면적의 증가에 의해 전지 불가역 용량이 증가하는 것을 억제할 수 있다. 한편, 메디안 직경을 15㎛ 이하로 함으로써, 입자가 깨지기 어려워지기 때문에 새 표면이 생기기 어려워진다.When the median diameter of the negative electrode active material particles is 3 mu m or more, increase in cell irreversible capacity due to increase in surface area per mass can be suppressed. On the other hand, when the median diameter is 15 占 퐉 or less, the particles are less likely to be broken, and new surfaces are less likely to occur.
또한, 상기 부극 활물질 입자는 표층부에 탄소재를 포함하는 것이 바람직하다.It is preferable that the negative electrode active material particle contains a carbon material in the surface layer portion.
이와 같이, 부극 활물질 입자가 그 표층부에 탄소재를 포함함으로써, 도전성의 향상이 얻어진다.As described above, the negative electrode active material particles contain a carbon material in the surface layer portion, thereby improving the conductivity.
또한, 상기 탄소재의 평균 두께는 5㎚ 이상 5000㎚ 이하인 것이 바람직하다.The average thickness of the carbonaceous material is preferably 5 nm or more and 5000 nm or less.
탄소재의 평균 두께가 5㎚ 이상이면 도전성 향상이 얻어진다. 또한, 피복하는 탄소재의 평균 두께가 5000㎚ 이하이면, 이러한 부극 활물질 입자를 포함하는 부극 활물질을 리튬 이온 이차 전지에 사용함으로써, 규소 화합물 입자를 충분한 양 확보할 수 있으므로, 전지 용량의 저하를 억제할 수 있다.When the average thickness of the carbon material is 5 nm or more, the conductivity is improved. When the average thickness of the coated carbon material is 5000 nm or less, a sufficient amount of the silicon compound particles can be secured by using the negative electrode active material containing such negative electrode active material particles in the lithium ion secondary battery, can do.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 상기 부극 활물질과 탄소계 활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 부극 활물질 재료를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a mixed negative electrode active material characterized by comprising the negative electrode active material and the carbonaceous active material.
이와 같이, 부극 활물질층을 형성하는 재료로서, 본 발명의 부극 활물질(규소계 부극 활물질)과 함께 탄소계 활물질을 포함함으로써, 부극 활물질층의 도전성을 향상시킬 수 있음과 함께, 충전에 수반하는 팽창 응력을 완화하는 것이 가능해진다. 또한, 규소계 부극 활물질을 탄소계 활물질에 혼합함으로써 전지 용량을 증가시킬 수 있다.As described above, by including the carbon-based active material together with the negative electrode active material (silicon-based negative electrode active material) of the present invention as a material for forming the negative-electrode active material layer, it is possible to improve the conductivity of the negative electrode active material layer, It becomes possible to relax the stress. Further, the capacity of the battery can be increased by mixing the silicon-based negative electrode active material with the carbon-based active material.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 규소 화합물 입자를 함유하는 부극 활물질 입자를 포함하는 부극 활물질을 제조하는 방법으로서, 규소 화합물(SiOx: 0.5≤x≤1.6)을 포함하는 규소 화합물 입자를 제작하는 공정과, 상기 규소 화합물 입자에 Li를 삽입하여 Li 화합물을 함유시키는 공정에 의해 부극 활물질 입자를 제작하고, 상기 부극 활물질 입자에 Al 원소 및 Na 원소를 상기 Al 원소와 상기 Na 원소의 질량비 MNa/MAl이 하기 식 1을 만족하도록 포함시키는 공정을 포함하고, 상기 Al 원소 및 상기 Na 원소를 포함한 상기 부극 활물질 입자를 사용하여, 부극 활물질을 제조하는 것을 특징으로 하는 부극 활물질의 제조 방법을 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a method for producing a negative electrode active material comprising negative electrode active material particles containing silicon compound particles, comprising the steps of: preparing a silicon compound particle containing a silicon compound (SiO x : 0.5? X? 1.6) And a step of inserting Li into the silicon compound particles to prepare a negative electrode active material particle by a step of containing a Li compound, and mixing the Al element and the Na element in the negative electrode active material particle with the mass ratio of the Al element and the Na element M Na / M Al to satisfy the following formula (1), wherein the negative electrode active material is produced by using the negative electrode active material particles containing the Al element and the Na element .
<식 1> 0.022≤MNa/MAl≤61<
부극 활물질 입자에 상기 질량비로 Al 원소와 Na 원소를 포함시켜, 부극 활물질을 제조함으로써, 부극 제작 시에 제작하는 수계 부극 슬러리를 특히 안정화할 수 있으며, 또한 리튬 이온 이차 전지의 부극 활물질로서 사용했을 때 고용량인 것과 함께 양호한 사이클 특성 및 초기 충방전 특성을 갖는 부극 활물질을 제조할 수 있다.The aqueous negative electrode slurry to be produced at the time of producing the negative electrode can be particularly stabilized by incorporating the Al element and the Na element into the negative electrode active material particles in the mass ratio described above and by producing the negative electrode active material, and when the negative electrode active material is used as the negative electrode active material of the lithium ion secondary battery It is possible to produce a negative electrode active material having good cycle characteristics and initial charge / discharge characteristics as well as a high capacity.
본 발명의 부극 활물질은, 부극 제작 시에 제작하는 수계 부극 슬러리를 특히 안정화할 수 있으며, 또한 이차 전지의 부극 활물질로서 사용했을 때에, 고용량으로 양호한 사이클 특성 및 초기 충방전 특성을 얻을 수 있다. 또한, 이 부극 활물질을 포함하는 혼합 부극 활물질 재료에 있어서도 마찬가지 효과가 얻어진다. 또한, 본 발명의 부극 활물질의 제조 방법이면, 부극 제작 시에 제작하는 수계 슬러리를 안정화할 수 있으며, 또한 리튬 이온 이차 전지의 부극 활물질로서 사용했을 때에, 양호한 사이클 특성 및 초기 충방전 특성을 갖는 부극 활물질을 제조할 수 있다.The negative electrode active material of the present invention can stabilize the aqueous negative electrode slurry to be produced at the time of producing the negative electrode, and when used as a negative electrode active material of a secondary battery, good cycle characteristics and initial charge / discharge characteristics can be obtained at a high capacity. The same effect can be obtained also in the mixed negative-electrode active material including the negative-electrode active material. In addition, according to the method for producing the negative electrode active material of the present invention, it is possible to stabilize the aqueous slurry to be produced at the time of manufacturing the negative electrode, and when used as the negative electrode active material of the lithium ion secondary battery, An active material can be produced.
도 1은 본 발명의 부극 활물질을 포함하는 비수전해질 이차 전지용 부극의 구성의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 2는 산화 환원법에 의해 개질을 행한 경우에 규소 화합물 입자로부터 측정되는 29Si-MAS-NMR 스펙트럼의 일례이다.
도 3은 열 도프법에 의해 개질을 행한 경우에 규소 화합물 입자로부터 측정되는 29Si-MAS-NMR 스펙트럼의 일례이다.
도 4는 본 발명의 부극 활물질을 포함하는 리튬 이차 전지의 구성예(라미네이트 필름형)를 나타내는 도면이다.
도 5는 부극 활물질의 총량에 대한 규소계 활물질 입자의 비율과 이차 전지의 전지 용량의 증가율의 관계를 나타내는 그래프이다.1 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of a negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery including a negative electrode active material of the present invention.
2 is an example of a 29 Si-MAS-NMR spectrum measured from silicon compound particles when the modification is carried out by an oxidation-reduction method.
3 is an example of a 29 Si-MAS-NMR spectrum measured from silicon compound particles when the modification is performed by the thermal doping method.
4 is a view showing a configuration example (laminate film type) of a lithium secondary battery including the negative electrode active material of the present invention.
5 is a graph showing the relationship between the ratio of the silicon-based active material particles to the total amount of the negative electrode active material and the rate of increase of the battery capacity of the secondary battery.
이하, 본 발명에 대하여 실시 형태를 설명하지만, 본 발명은 이것으로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described, but the present invention is not limited thereto.
전술한 바와 같이, 리튬 이온 이차 전지의 전지 용량을 증가시키는 하나의 방법으로서, 규소재를 주재로서 사용한 부극을 리튬 이온 이차 전지의 부극으로서 사용하는 것이 검토되고 있다. 특히, Li를 도프한 규소재는 초기 충방전 특성 및 사이클 특성이 양호해지지만, 이러한 규소재를 포함하는 수계 부극 슬러리의 안정성이 저하된다고 하는 문제가 있고, 탄소계 활물질을 사용한 리튬 이온 이차 전지와 동등한 슬러리 안정성, 초기 충방전 특성 및 사이클 특성을 갖는 부극 활물질을 제안하기에 이르지는 못하였다.As described above, as one method for increasing the battery capacity of a lithium ion secondary battery, it has been studied to use a negative electrode using a roughened material as a main material as a negative electrode of a lithium ion secondary battery. In particular, although the Si-based material doped with Li has good initial charge / discharge characteristics and cycle characteristics, there is a problem that the stability of the aqueous negative electrode slurry containing such a Si-based material is deteriorated. It has not been possible to propose a negative electrode active material having equivalent slurry stability, initial charge / discharge characteristics and cycle characteristics.
그래서, 본 발명자들은 이차 전지에 사용한 경우, 고 전지 용량이 됨과 함께, 슬러리 안정성, 사이클 특성, 및 첫회 효율이 양호해지는 부극 활물질을 얻기 위하여 예의 검토를 거듭하여, 본 발명에 이르렀다.Thus, the inventors of the present invention have made intensive investigations to obtain a negative electrode active material having a high battery capacity and good slurry stability, cycle characteristics, and initial efficiency when used in a secondary battery, leading to the present invention.
본 발명의 부극 활물질은 부극 활물질 입자를 포함한다. 또한, 이 부극 활물질 입자는, 규소 화합물(SiOx: 0.5≤x≤1.6)을 포함하는 규소 화합물 입자를 함유하고 있고, 이 규소 화합물 입자는 Li 화합물을 함유하고 있다. 또한, 본 발명의 부극 활물질은, 부극 활물질 입자의 구성 원소로서, Al 원소 및 Na 원소를 포함함과 함께, Al 원소와 Na 원소의 질량비 MNa/MAl이, 하기 식 1을 만족한다.The negative electrode active material of the present invention includes negative electrode active material particles. Further, the negative electrode active material particles contain silicon compound particles containing a silicon compound (SiO x : 0.5? X? 1.6), and the silicon compound particles contain a Li compound. Further, the negative electrode active material of the present invention contains Al and Na as constituent elements of the negative electrode active material particle, and the mass ratio M Na / M Al of the Al element and Na element satisfies the following formula (1).
<식 1> 0.022≤MNa/MAl≤61<
이러한 부극 활물질은, 규소 화합물 입자를 포함하는 부극 활물질 입자를 포함하기 때문에, 전지 용량을 향상시킬 수 있다. 또한, 규소 화합물 입자가 상기와 같은 Li 화합물을 포함함으로써, 충전 시에 발생되는 불가역 용량을 저감시킬 수 있다. 또한, 상기 식 1의 질량비 MNa/MAl와 같은 밸런스에서 Al 원소 및 Na 원소를 포함함으로써, 수계 용매 중에 부극 활물질 등을 분산시킨 슬러리(수계 부극 슬러리)의 제작 시에, 부극 활물질 입자 중의 Li 화합물로부터의 Li 이온의 용출이 억제되고, 수계 부극 슬러리의 안정성이 향상된다. 또한, Al 원소와 Na 원소 중 어느 하나를 포함하는 것만으로는, Li 이온의 용출을 억제하고, 수계 용매에 대한 안정성을 향상시키는 효과가 낮다.Since the negative electrode active material includes the negative electrode active material particles including the silicon compound particles, the battery capacity can be improved. Further, when the silicon compound particles include the Li compound as described above, the irreversible capacity generated at the time of charging can be reduced. In the production of the slurry (aqueous negative electrode slurry) in which the negative electrode active material and the like are dispersed in the water-based solvent by including the Al element and the Na element in the same balance as the mass ratio M Na / M Al of the
또한, 부극 활물질 입자에 있어서의 상기 질량비 MNa/MAl이, 하기 식 2를 만족하는 것이 특히 바람직하다.It is particularly preferable that the mass ratio M Na / M Al in the negative electrode active material particle satisfies the following formula (2).
<식 2> 0.36≤MNa/MAl≤3.3& Quot ; (2) & quot ; 0.36 & lt ; / = M Na / M Al &
질량비 MNa/MAl이 식 2를 만족시키면, 규소 화합물 입자로부터의 Li 이온의 용출을 보다 억제할 수 있어, 수계 용매에 대한 안정성이 특히 향상된다.When the mass ratio M Na / M Al satisfies the
또한, 부극 활물질 입자 중의 Al 원소 및 Na 원소의 각각의 질량은 ICP(유도 결합 플라스마)에 의한 측정법으로 측정할 수 있다.The mass of each of the Al element and the Na element in the negative electrode active material particles can be measured by an ICP (Inductively Coupled Plasma) measurement method.
<비수전해질 이차 전지용 부극>≪ Negative electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery &
이어서, 본 발명의 부극 활물질을 포함하는 비수전해질 이차 전지용 부극에 대하여 설명한다. 도 1은 비수전해질 이차 전지용 부극(이하, 「부극」이라고도 호칭한다)의 구성의 일례를 나타내는 단면도이다.Next, a negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery including the negative electrode active material of the present invention will be described. 1 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of a negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery (hereinafter also referred to as " negative electrode ").
[부극의 구성][Configuration of negative electrode]
도 1에 나타낸 바와 같이, 부극(10)은 부극 집전체(11) 상에 부극 활물질층(12)을 갖는 구성으로 되어 있다. 이 부극 활물질층(12)은 부극 집전체(11)의 양면, 또는 편면에만 설치되어 있어도 된다. 또한, 본 발명의 부극 활물질이 사용된 것이라면, 부극 집전체(11)는 없어도 된다.As shown in Fig. 1, the
[부극 집전체][Negative collector]
부극 집전체(11)는, 우수한 도전성 재료이며, 또한 기계적인 강도가 우수한 물질로 구성된다. 부극 집전체(11)에 사용할 수 있는 도전성 재료로서, 예를 들어 구리(Cu)이나 니켈(Ni)을 들 수 있다. 이 도전성 재료는, 리튬(Li)과 금속간 화합물을 형성하지 않는 재료인 것이 바람직하다.The
부극 집전체(11)는, 주 원소 이외에 탄소(C)나 황(S)을 포함하고 있는 것이 바람직하다. 부극 집전체의 물리적 강도가 향상되기 때문이다. 특히, 충전 시에 팽창되는 활물질층을 갖는 경우, 집전체가 상기 원소를 포함하고 있으면, 집전체를 포함하는 전극 변형을 억제하는 효과가 있기 때문이다. 상기 함유 원소의 함유량은, 특별히 한정되지 않지만, 그 중에서도 각각 100 질량ppm 이하인 것이 바람직하다. 더 높은 변형 억제 효과가 얻어지기 때문이다. 이러한 변형 억제 효과에 의해 사이클 특성을 보다 향상시킬 수 있다.The
또한, 부극 집전체(11)의 표면은 조면화되어 있어도 되고, 조면화되어 있지 않아도 된다. 조면화되어 있는 부극 집전체는, 예를 들어 전해 처리, 엠보싱 처리, 또는 화학 에칭 처리된 금속박 등이다. 조면화되지 않은 부극 집전체는, 예를 들어 압연 금속박 등이다.The surface of the
[부극 활물질층][Negative electrode active material layer]
부극 활물질층(12)은, 리튬 이온을 흡장, 방출 가능한 본 발명의 부극 활물질을 포함하고 있고, 전지 설계상의 관점에서, 부극 결착제(결합제)나 도전 보조제 등 다른 재료를 더 포함하고 있어도 된다. 부극 활물질은 부극 활물질 입자를 포함하고, 부극 활물질 입자는 규소 화합물(SiOx: 0.5≤x≤1.6)을 함유하는 규소 화합물 입자를 포함한다.The negative electrode
또한, 부극 활물질층(12)은, 본 발명의 부극 활물질과 탄소계 활물질을 포함하는 혼합 부극 활물질 재료를 포함하고 있어도 된다. 이에 의해, 부극 활물질층의 전기 저항이 저하됨과 함께, 충전에 수반하는 팽창 응력을 완화하는 것이 가능해진다. 탄소계 활물질로서는, 예를 들어 열 분해 탄소류, 코크스류, 유리상 탄소 섬유, 유기 고분자 화합물 소성체, 카본 블랙류 등을 사용할 수 있다.The negative electrode
또한, 혼합 부극 활물질 재료는, 본 발명의 부극 활물질(규소계 부극 활물질)과 탄소계 활물질의 질량 합계에 대한, 규소계 부극 활물질의 질량 비율이 6질량% 이상인 것이 바람직하다. 규소계 부극 활물질과 탄소계 활물질의 질량 합계에 대한, 규소계 부극 활물질의 질량 비율이 6질량% 이상이면, 전지 용량을 확실하게 향상시키는 것이 가능해진다.The mixed negative electrode active material preferably has a mass ratio of the silicon-based negative electrode active material to the total mass of the negative electrode active material (silicon-based negative electrode active material) of the present invention and the carbon-based active material of 6 mass% or more. When the mass ratio of the silicon-based negative electrode active material to the total mass of the silicon-based negative-electrode active material and the carbon-based active material is 6 mass% or more, it is possible to reliably improve the battery capacity.
또한, 상기한 바와 같이 본 발명의 부극 활물질은, 규소 화합물 입자를 포함하고, 규소 화합물 입자는 규소 화합물(SiOx: 0.5≤x≤1.6)을 함유하는 산화규소재이지만, 그 조성은 x가 1에 가까운 편이 바람직하다. 왜냐하면, 높은 사이클 특성이 얻어지기 때문이다. 또한, 본 발명에 있어서의 규소 화합물의 조성은 반드시 순도 100%를 의미하고 있는 것은 아니고, 미량의 불순물 원소를 포함하고 있어도 된다.Further, as described above, the negative electrode active material of the present invention includes silicon compound particles, and the silicon compound particles are silicon oxide compounds containing silicon compounds (SiO x : 0.5? X? 1.6) Is preferable. This is because a high cycle characteristic is obtained. In addition, the composition of the silicon compound in the present invention does not necessarily mean a purity of 100%, but may contain a trace amount of an impurity element.
또한, 본 발명의 부극 활물질에 있어서, 규소 화합물 입자는, Li 화합물로서, Li2Si2O5, Li2SiO3, Li4SiO4 중 적어도 1종 이상을 함유하고 있는 것이 바람직하다. 이러한 것은, 규소 화합물 중의, 전지의 충방전 시의 리튬의 삽입, 탈리 시에 불안정화되는 SiO2 성분부를 미리 별도의 리튬 실리케이트로 개질시킨 것이므로, 충전 시에 발생되는 불가역 용량을 저감할 수 있었다.In the negative electrode active material of the present invention, it is preferable that the silicon compound particle contains at least one or more of Li 2 Si 2 O 5 , Li 2 SiO 3 , and Li 4 SiO 4 as the Li compound. This is because the irreversible capacity generated at the time of charging can be reduced because the SiO 2 component portion of the silicon compound which is destabilized at the time of inserting and removing lithium at the time of charge and discharge of the battery is previously modified with another lithium silicate.
또한, 규소 화합물 입자의 벌크 내부에 Li2Si2O5, Li2SiO3 및 Li4SiO4는 적어도 1종 이상 존재함으로써 전지 특성이 향상되지만, 2종류 이상의 Li 화합물을 공존시키면 전지 특성이 더 향상된다. 또한, 이들의 리튬 실리케이트는, NMR(Nuclear Magnetic Resonance: 핵자기 공명) 또는 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy: X선 광전자 분광)로 정량 가능하다. XPS와 NMR의 측정은, 예를 들어 이하의 조건에 의해 행할 수 있다.Further, the battery characteristics are improved by the presence of at least one or more of Li 2 Si 2 O 5 , Li 2 SiO 3, and Li 4 SiO 4 in the bulk of the silicon compound particles. However, when two or more Li compounds are coexisted, . In addition, these lithium silicates can be quantified by NMR (Nuclear Magnetic Resonance) or X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Measurement of XPS and NMR can be performed, for example, under the following conditions.
XPSXPS
·장치: X선 광전자 분광 장치,· Apparatus: X-ray photoelectron spectrometer,
·X선원: 단색화 Al Kα선,· X-ray source: monochromatic Al Kα line,
·X선 스폿 직경: 100㎛,X-ray spot diameter: 100 占 퐉,
·Ar이온 총 스퍼터 조건: 0.5kV/2㎜×2㎜.Ar ion total sputter condition: 0.5 kV / 2 mm x 2 mm.
29Si MAS NMR(매직 각회전 핵자기 공명) 29 Si MAS NMR (magic spinning nuclear magnetic resonance)
·장치: Bruker사제 700NMR 분광기,Device: 700NMR spectrometer manufactured by Bruker,
·프로브: 4㎜HR-MAS 로터 50μL,Probe: 50 [mu] L of 4 mm HR-MAS rotor,
·시료 회전 속도: 10㎑,Sample rotation speed: 10 kHz,
·측정 환경 온도: 25℃.· Measuring environment Temperature: 25 ℃.
또한, 상기한 바와 같이, 본 발명의 부극 활물질은, 부극 활물질 입자의 구성 원소로서, Al 원소 및 Na 원소를 식 1의 관계를 만족하도록 포함하고 있다. 이때, Al 원소가, 규소 화합물 입자에 대하여, 0.02질량% 이상 1.1질량% 이하의 범위로 포함되는 것이 바람직하다. Al 원소가, 규소 화합물 입자에 대하여, 0.02질량% 이상 포함되어 있으면, 보다 충분한 슬러리 안정성이 얻어지고, Al 원소가, 규소 화합물 입자에 대하여, 1.1질량% 이하의 범위에 포함되어 있으면, 전지 용량의 저하를 방지할 수 있다.Further, as described above, the negative electrode active material of the present invention contains Al and Na elements as constituent elements of the negative electrode active material particles so as to satisfy the relationship of the formula (1). At this time, it is preferable that the Al element is contained in the range of 0.02 mass% or more and 1.1 mass% or less with respect to the silicon compound particle. When the Al element is contained in an amount of not less than 1.1% by mass with respect to the silicon compound particle, a sufficient slurry stability is obtained when the Al element is contained in an amount of not less than 0.02% by mass based on the silicon compound particle, It is possible to prevent degradation.
또한, Na 원소가, 규소 화합물 입자에 대하여, 0.024질량% 이상 1.22질량% 이하의 범위로 포함되는 것이 바람직하다. 또한, Na 원소가, 규소 화합물 입자에 대하여, 0.024질량% 이상 포함되어 있으면, 보다 충분한 슬러리 안정성이 얻어지고, Na 원소가 규소 화합물 입자에 대하여, 1.22질량% 이하의 범위로 포함되어 있으면, 전지 용량의 저하를 방지할 수 있다.It is preferable that the Na element is contained in an amount of 0.024 mass% or more and 1.22 mass% or less with respect to the silicon compound particle. Further, when the Na element is contained in an amount of 0.024 mass% or more with respect to the silicon compound particle, more sufficient slurry stability is obtained, and when the Na element is contained in the amount of 1.22 mass% or less with respect to the silicon compound particle, Can be prevented.
또한, 부극 활물질 입자가 폴리아크릴산Na를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 것이라면, 부극 활물질 입자 중의 Li 화합물로부터의 Li 이온의 용출이 보다 억제되기 때문에, 수계 부극 슬러리의 안정성이 더 향상된다.It is also preferable that the negative electrode active material particles contain polyacrylic acid Na. If this is the case, the elution of Li ions from the Li compound in the negative electrode active material particles is further suppressed, so that the stability of the aqueous negative electrode slurry is further improved.
또한, 이 폴리아크릴산Na의 분자량이, 25만 이상 100만 이하의 범위인 것이 바람직하다. 분자량이 상기 범위의 폴리아크릴산Na를 포함하는 것이면, 수계 부극 슬러리의 안정성이 더 향상된다.It is also preferable that the molecular weight of the polyacrylic acid Na is in the range of 250,000 or more and 1,000,000 or less. The stability of the aqueous negative electrode slurry is further improved if the molecular weight includes polyacrylic acid Na in the above range.
또한, 이 폴리아크릴산Na를, 1% 수용액으로 했을 때 pH가 6 이상 10 이하의 범위가 되는 것으로 하는 것이 바람직하다. 이러한 폴리아크릴산Na를 포함하는 것이면, 부극 활물질 입자 중의 Li 화합물로부터의 Li 이온의 용출이 보다 억제되기 때문에, 수계 부극 슬러리의 안정성이 더 향상된다. 또한, 폴리아크릴산Na를 1% 수용액으로 했을 때 pH가 7 이상 9 이하인 범위로 하는 것이 특히 바람직하다. 이러한 약 알칼리성의 폴리아크릴산Na라면, Li 실리케이트로부터 Li가 특히 용출되기 어렵다.When the polyacrylic acid Na is a 1% aqueous solution, it is preferable that the pH is in the range of 6 or more and 10 or less. If such polyacrylic acid Na is contained, the elution of Li ions from the Li compound in the negative electrode active material particles is further suppressed, so that the stability of the aqueous negative electrode slurry is further improved. When the polyacrylic acid Na is a 1% aqueous solution, it is particularly preferable that the pH is in the range of 7 to 9 inclusive. When such weakly alkaline polyacrylic acid Na is used, Li is hardly eluted from Li silicate.
또한, 규소 화합물 입자는, Cu-Kα선을 사용한 X선 회절에 의해 얻어지는 Si(111) 결정면에 기인하는 회절 피크의 반값폭(2θ)이 1.2° 이상인 것과 함께, 그 결정면에 대응하는 결정자 크기는 7.5㎚ 이하인 것이 바람직하다. 이 피크는, 결정성이 높을 때(반값폭이 좁을 때) 2θ=28.4±0.5° 부근에 나타난다. 규소 화합물 입자에 있어서의 규소 화합물의 규소 결정성은 낮을수록 좋고, 특히 Si 결정의 존재량이 적으면, 전지 특성을 향상시킬 수 있으며, 나아가, 안정적인 Li 화합물을 생성할 수 있다.Further, the silicon compound particles have a half-width (2?) Of a diffraction peak attributable to a Si (111) crystal plane obtained by X-ray diffraction using a Cu-K? Ray of 1.2 or more and a crystallite size corresponding to the crystal plane is And is preferably 7.5 nm or less. This peak appears near 2θ = 28.4 ± 0.5 ° when the crystallinity is high (when the half band width is narrow). The lower the silicon crystallinity of the silicon compound in the silicon compound particles is, the better the lower the degree of silicon crystallinity. Particularly, when the amount of Si crystals present is small, the battery characteristics can be improved and a stable Li compound can be produced.
또한, 본 발명의 부극 활물질은, 규소 화합물 입자에 있어서, 29Si-MAS-NMR 스펙트럼으로부터 얻어지는, 케미컬 시프트값으로서 -60 내지 -95ppm에서 부여되는 Si 및 Li 실리케이트 영역의 최대 피크 강도값 A와, 케미컬 시프트값으로서 -96 내지 -150ppm에서 부여되는 SiO2 영역의 피크 강도값 B가, A>B라고 하는 관계를 만족시키는 것이 바람직하다. 규소 화합물 입자에 있어서, SiO2 성분을 기준으로 한 경우에 규소 성분 또는 Li2SiO3의 양이 비교적 많은 것이면, Li의 삽입에 의한 전지 특성의 향상 효과가 충분히 얻어진다. 또한, 29Si-MAS-NMR의 측정 조건은 상기와 동일하면 된다.The negative electrode active material of the present invention is characterized in that the maximum peak strength value A of the Si and Li silicate regions, which is obtained from the 29 Si-MAS-NMR spectrum and is given at -60 to -95 ppm as a chemical shift value, It is preferable that the peak intensity value B of the SiO 2 region given at -96 to -150 ppm as the chemical shift value satisfies the relation A> B. In the silicon compound particles, SiO 2 The amount of the silicon component or the amount of Li 2 SiO 3 is relatively large, the effect of improving the battery characteristics by inserting Li is sufficiently obtained. The measurement conditions of 29 Si-MAS-NMR may be the same as described above.
또한, 부극 활물질 입자의 메디안 직경(D50: 누적 부피가 50%가 될 때의 입자 직경)이 3㎛ 이상 15㎛ 이하인 것이 바람직하다. 메디안 직경이 상기 범위이면, 충방전 시에 있어서 리튬 이온의 흡장 방출이 되기 쉬워짐과 함께, 입자가 깨지기 어려워지기 때문이다. 메디안 직경이 3㎛ 이상이면, 질량당 표면적을 작게 할 수 있고, 전지 불가역 용량의 증가를 억제할 수 있다. 한편, 메디안 직경을 15㎛ 이하로 함으로써, 입자가 깨지기 어려워지기 때문에 새 표면이 나오기 어려워진다.It is also preferable that the median diameter (D 50 : particle diameter when the cumulative volume is 50%) of the negative electrode active material particles is 3 탆 or more and 15 탆 or less. When the median diameter is within the above range, lithium ions are likely to occlude and release lithium ions during charging and discharging, and particles are less likely to break. When the median diameter is 3 占 퐉 or more, the surface area per mass can be reduced and the increase in the battery irreversible capacity can be suppressed. On the other hand, when the median diameter is 15 占 퐉 or less, it is difficult for the particles to break, and therefore, a new surface is difficult to come out.
또한, 본 발명의 부극 활물질에 있어서, 부극 활물질 입자는, 표층부에 탄소재를 포함하는 것이 바람직하다. 부극 활물질 입자가 그 표층부에 탄소재를 포함함으로써, 도전성의 향상이 얻어지기 때문에, 이러한 부극 활물질 입자를 포함하는 부극 활물질을 이차 전지의 부극 활물질로서 사용했을 때에, 전지 특성을 향상시킬 수 있다.In the negative electrode active material of the present invention, it is preferable that the negative electrode active material particle contains a carbon material in the surface layer portion. Since the negative electrode active material particles contain a carbon material in the surface layer portion, the improvement in conductivity can be obtained. Therefore, when the negative electrode active material containing such negative electrode active material particles is used as the negative electrode active material of the secondary battery, battery characteristics can be improved.
또한, 부극 활물질 입자의 표층부의 탄소재의 평균 두께는, 5㎚ 이상 5000㎚ 이하인 것이 바람직하다. 탄소재의 평균 두께가 5㎚ 이상이면 도전성 향상이 얻어지고, 피복하는 탄소재의 평균 두께가 5000㎚ 이하이면, 이러한 부극 활물질 입자를 포함하는 부극 활물질을 리튬 이온 이차 전지의 부극 활물질로서 사용했을 때에, 전지 용량의 저하를 억제할 수 있다.The average thickness of the carbonaceous material in the surface layer portion of the negative electrode active material particles is preferably 5 nm or more and 5000 nm or less. When the average thickness of the carbonaceous material is 5 nm or more, the conductivity is improved and the average thickness of the coated carbonaceous material is 5000 nm or less. When the negative electrode active material containing such negative electrode active material particles is used as the negative electrode active material of the lithium ion secondary battery , And the deterioration of the battery capacity can be suppressed.
이 탄소재의 평균 두께는, 예를 들어 이하의 수순에 의해 산출할 수 있다. 우선, TEM(투과형 전자 현미경)에 의해 임의의 배율로 부극 활물질 입자를 관찰한다. 이 배율은, 두께를 측정할 수 있도록, 눈으로 탄소재의 두께를 확인할 수 있는 배율이 바람직하다. 계속해서, 임의의 15점에 있어서, 탄소재의 두께를 측정한다. 이 경우, 가능한 한 특정한 장소에 집중하지 않고, 넓게 랜덤으로 측정 위치를 설정하는 것이 바람직하다. 마지막으로, 상기 15점의 탄소재의 두께 평균값을 산출한다.The average thickness of the carbon material can be calculated, for example, by the following procedure. First, the negative electrode active material particles are observed at a certain magnification by a TEM (transmission electron microscope). The magnification is preferably a magnification capable of confirming the thickness of the material that is shot by the eyes so that the thickness can be measured. Subsequently, the thickness of the carbon material is measured at an arbitrary 15 point. In this case, it is preferable to set the measurement position at random at a wide range without focusing on a specific place as much as possible. Finally, the average thickness value of the carbon material of 15 points is calculated.
탄소재의 피복률은 특별히 한정되지 않지만, 가능한 한 높은 편이 바람직하다. 피복률이 30% 이상이면, 전기 전도성이 더 향상되기 때문에 바람직하다. 탄소재의 피복 방법은 특별히 한정되지 않지만, 당탄화법, 탄화수소 가스의 열 분해법이 바람직하다. 왜냐하면, 피복률을 향상시킬 수 있기 때문이다.The covering ratio of the carbonaceous material is not particularly limited, but is preferably as high as possible. When the covering ratio is 30% or more, it is preferable because the electric conductivity is further improved. The method of coating the carbonaceous material is not particularly limited, but the sugar carbonization method and the thermal decomposition method of the hydrocarbon gas are preferable. This is because the covering ratio can be improved.
또한, 부극 활물질층에 포함되는 부극 결착제로서는, 예를 들어 고분자 재료, 합성 고무 등 중 어느 1종류 이상을 사용할 수 있다. 고분자 재료는, 예를 들어 폴리불화비닐리덴, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 아라미드, 폴리아크릴산, 폴리아크릴산리튬, 카르복시메틸셀룰로오스 등이다. 합성 고무는, 예를 들어 스티렌부타디엔계 고무, 불소계 고무, 에틸렌프로필렌디엔 등이다.As the negative electrode binder contained in the negative electrode active material layer, any one or more of, for example, a polymer material and a synthetic rubber may be used. The polymer material is, for example, polyvinylidene fluoride, polyimide, polyamideimide, aramid, polyacrylic acid, lithium polyacrylate, carboxymethylcellulose and the like. The synthetic rubber is, for example, a styrene butadiene rubber, a fluorine rubber, or an ethylene propylene diene.
부극 도전 보조제로서는, 예를 들어 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 흑연, 케첸 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노파이버 등의 탄소 재료 중 어느 1종 이상을 사용할 수 있다.As the negative electrode conductive auxiliary, at least one of carbon materials such as carbon black, acetylene black, graphite, Ketjen black, carbon nanotubes, and carbon nanofibers can be used.
부극 활물질층은, 예를 들어 도포법으로 형성된다. 도포법이란, 부극 활물질 입자와 상기 결착제 등, 또한 필요에 따라 도전 보조제, 탄소 재료를 혼합한 후에, 유기 용제나 물 등에 분산시켜 도포하는 방법이다.The negative electrode active material layer is formed by, for example, a coating method. The coating method is a method in which the negative electrode active material particles and the binder, and if necessary, the conductive auxiliary agent and the carbon material are mixed and dispersed in an organic solvent or water.
[부극의 제조 방법][Manufacturing method of negative electrode]
부극은, 예를 들어 이하의 수순에 의해 제조할 수 있다. 먼저, 부극에 사용하는 부극 활물질의 제조 방법을 설명한다. 최초로, 규소 화합물(SiOx: 0.5≤x≤1.6)을 포함하는 규소 화합물 입자를 제조한다. 다음에, 규소 화합물 입자에 Li를 삽입하여 Li 화합물을 함유시킨다. 이와 같이 하여, 부극 활물질 입자를 제조한다. 다음으로, 제조된 부극 활물질 입자에, Al 원소 및 Na 원소를, Al 원소와 Na 원소의 질량비 MNa/MAl이 하기 식 1을 만족하도록 포함시킨다. 그리고, Al 원소 및 Na 원소를 포함한 부극 활물질 입자를 사용하여, 부극 활물질을 제조한다.The negative electrode can be produced, for example, by the following procedure. First, a method of manufacturing the negative electrode active material used for the negative electrode will be described. First, silicon compound particles containing a silicon compound (SiO x : 0.5? X? 1.6) are prepared. Next, Li is inserted into the silicon compound particles to contain a Li compound. Thus, negative electrode active material particles are produced. Next, Al element and Na element are included in the negative electrode active material particle so that the mass ratio M Na / M Al of Al element and Na element satisfies the following formula (1). Then, the negative electrode active material is produced using the negative electrode active material particles containing the Al element and the Na element.
<식 1> 0.022≤MNa/MAl≤61<
보다 구체적으로는 이하와 같이 부극 활물질을 제조할 수 있다. 우선, 산화규소 가스를 발생하는 원료를 불활성 가스의 존재 하, 감압 하에서 900℃ 내지 1600℃의 온도 범위에서 가열하고, 산화규소 가스를 발생시킨다. 금속 규소 분말의 표면 산소 및 반응로 중의 미량 산소의 존재를 고려하면, 혼합 몰비가, 0.8<금속 규소 분말/이산화규소 분말<1.3의 범위인 것이 바람직하다.More specifically, the negative electrode active material can be produced as follows. First, a raw material for generating a silicon oxide gas is heated in a temperature range of 900 to 1600 占 폚 under reduced pressure in the presence of an inert gas to generate silicon oxide gas. Considering the surface oxygen of the metal silicon powder and the presence of trace oxygen in the reaction furnace, it is preferable that the mixing molar ratio is in the range of 0.8 <metal silicon powder / silicon dioxide powder <1.3.
발생된 산화규소 가스는 흡착판 상에서 고체화되어 퇴적된다. 다음에, 반응로 내 온도를 100℃ 이하로 내린 상태에서 산화규소의 퇴적물을 취출하고, 볼 밀, 제트 밀 등을 사용하여 분쇄하고, 분말화를 행한다. 이와 같이 하여 얻어진 분말을 분급해도 된다. 본 발명에서는, 분쇄 공정 및 분급 공정 시에 규소 화합물 입자의 입도 분포를 조정할 수 있다. 이상과 같이 하여, 규소 화합물 입자를 제작할 수 있다. 또한, 규소 화합물 입자 중의 Si 결정자는, 기화 온도의 변경, 또는 생성 후의 열처리로 제어할 수 있다.The generated silicon oxide gas is solidified and deposited on the adsorption plate. Next, the silicon oxide deposit is taken out from the reactor while the internal temperature of the reactor is lowered to 100 DEG C or lower, and pulverized using a ball mill, a jet mill or the like, and pulverized. The powder thus obtained may be classified. In the present invention, the particle size distribution of the silicon compound particles can be adjusted during the pulverizing step and the classifying step. Thus, silicon compound particles can be prepared. Further, the Si crystallite in the silicon compound particles can be controlled by changing the vaporization temperature or by heat treatment after the generation.
여기서, 규소 화합물 입자의 표층에 탄소재의 층을 생성해도 된다. 탄소재의 층을 생성하는 방법으로는, 열 분해 CVD법이 바람직하다. 열 분해 CVD법으로 탄소재의 층을 생성하는 방법에 대하여 설명한다.Here, a carbon material layer may be formed on the surface layer of the silicon compound particles. As a method of producing a layer of carbon material, thermal decomposition CVD is preferable. A method of producing a layer of carbon material by thermal decomposition CVD will be described.
우선, 규소 화합물 입자를 로 내에 세트한다. 다음으로, 로 내에 탄화수소 가스를 도입하고, 로 내 온도를 승온시킨다. 분해 온도는 특별히 한정하지 않지만, 1200℃ 이하가 바람직하고, 더 바람직한 것은 950℃ 이하이다. 분해 온도를 1200℃ 이하로 함으로써, 활물질 입자의 의도하지 않는 불균화를 억제할 수 있다. 소정의 온도까지 로 내 온도를 승온시킨 후에, 규소 화합물 입자의 표면에 탄소층을 생성한다. 또한, 탄소재의 원료가 되는 탄화수소 가스는, 특별히 한정하지 않지만, CnHm 조성에 있어서 n≤3인 것이 바람직하다. n≤3이면, 제조 비용을 낮출 수 있고, 또한 분해 생성물의 물성을 양호하게 할 수 있다.First, the silicon compound particles are set in a furnace. Next, a hydrocarbon gas is introduced into the furnace, and the furnace temperature is raised. The decomposition temperature is not particularly limited, but is preferably 1,200 占 폚 or lower, more preferably 950 占 폚 or lower. By setting the decomposition temperature to 1200 占 폚 or less, unintended disproportionation of the active material particles can be suppressed. After raising the internal temperature to a predetermined temperature, a carbon layer is formed on the surface of the silicon compound particles. The hydrocarbon gas used as the raw material of the carbonaceous material is not particularly limited, but it is preferable that n? 3 in the C n H m composition. If n < = 3, the production cost can be lowered, and the physical properties of the decomposition product can be improved.
다음에, 상기한 바와 같이 제작한 규소 활물질 입자에, Li를 삽입하여 Li 화합물을 함유시킨다. 이때에, Li 화합물로서, Li2Si2O5, Li2SiO3, Li4SiO4 중 적어도 1종 이상을 함유시키는 것이 바람직하다. 이들과 같은 Li 실리케이트를 얻기 위하여, Li의 삽입은 산화 환원법에 의해 행하는 것이 바람직하다.Next, Li is inserted into the silicon active material particles prepared as described above to contain a Li compound. At this time, it is preferable to contain at least one or more of Li 2 Si 2 O 5 , Li 2 SiO 3 and Li 4 SiO 4 as the Li compound. In order to obtain Li silicates such as these, the Li insertion is preferably carried out by the redox method.
산화 환원법에 의한 개질에서는, 예를 들어 먼저, 에테르 용매에 리튬을 용해한 용액 A에 규소 활물질 입자를 침지함으로써, 리튬을 삽입할 수 있다. 이 용액 A에 추가로 다환 방향족 화합물 또는 직쇄 폴리페닐렌 화합물을 포함시켜도 된다. 리튬의 삽입 후, 다환 방향족 화합물이나 그의 유도체를 포함하는 용액 B에 규소 활물질 입자를 침지함으로써, 규소 활물질 입자로부터 활성의 리튬을 탈리할 수 있다. 이 용액 B의 용매는 예를 들어, 에테르계 용매, 케톤계 용매, 에스테르계 용매, 알코올계 용매, 아민계 용매, 또는 이들의 혼합 용매를 사용할 수 있다. 또는 용액 A에 침지시킨 후, 얻어진 규소 활물질 입자를 400 내지 800℃ 불활성 가스 하에서 열처리해도 된다. 열처리하는 것에 Li 화합물을 안정화할 수 있다. 그 후, 알코올, 탄산리튬을 용해한 알카리수, 약산, 또는 순수 등으로 세정하는 방법 등으로 세정해도 된다.In the modification by the oxidation-reduction method, lithium can be inserted, for example, by first immersing the silicon active material particle in a solution A in which lithium is dissolved in an ether solvent. A polycyclic aromatic compound or a straight-chain polyphenylene compound may be further contained in this solution A. After inserting lithium, active lithium may be desorbed from the silicon active material particle by immersing the silicon active material particle in the solution B containing the polycyclic aromatic compound or its derivative. The solvent of the solution B may be, for example, an ether solvent, a ketone solvent, an ester solvent, an alcohol solvent, an amine solvent, or a mixed solvent thereof. Or after immersing in the solution A, the obtained silicon active material particles may be subjected to heat treatment under an inert gas at 400 to 800 ° C. The Li compound can be stabilized by heat treatment. Thereafter, it may be cleaned by a method of washing with alcohol, weak alkali, or pure water in which lithium carbonate is dissolved.
용액 A에 사용하는 에테르계 용매로서는, 디에틸에테르, tert-부틸메틸에테르, 테트라히드로푸란, 디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, 트리에틸렌글리콜디메틸에테르, 테트라에틸렌글리콜디메틸에테르, 또는 이들의 혼합 용매 등을 사용할 수 있다. 이 중에서도 특히 테트라히드로푸란, 디옥산, 1,2-디메톡시에탄을 사용하는 것이 바람직하다. 이들 용매는, 탈수되어 있는 것이 바람직하고, 탈산소되어 있는 것이 바람직하다.Examples of the ether solvent used in the solution A include diethyl ether, tert-butyl methyl ether, tetrahydrofuran, dioxane, 1,2-dimethoxyethane, diethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol Dimethyl ether, a mixed solvent thereof, and the like can be used. Among these, tetrahydrofuran, dioxane and 1,2-dimethoxyethane are particularly preferably used. These solvents are preferably dehydrated and deoxygenated.
또한, 용액 A에 포함되는 다환 방향족 화합물로서는, 나프탈렌, 안트라센, 페난트렌, 나프타센, 펜타센, 피렌, 피센, 트리페닐렌, 코로넨, 크리센 및 이들의 유도체 중 1종류 이상을 사용할 수 있고, 직쇄 폴리페닐렌 화합물로서는, 비페닐, 터페닐 및 이들 유도체 중 1종류 이상을 사용할 수 있다.As the polycyclic aromatic compound contained in the solution A, at least one of naphthalene, anthracene, phenanthrene, naphthacene, pentacene, pyrene, picene, triphenylene, coronene, chrysene and derivatives thereof can be used As the linear polyphenylene compound, at least one of biphenyl, terphenyl and derivatives thereof can be used.
용액 B에 포함되는 다환 방향족 화합물로서는, 나프탈렌, 안트라센, 페난트렌, 나프타센, 펜타센, 피렌, 피센, 트리페닐렌, 코로넨, 크리센 및 이들의 유도체 중 1종류 이상을 사용할 수 있다.As the polycyclic aromatic compound contained in the solution B, at least one of naphthalene, anthracene, phenanthrene, naphthacene, pentacene, pyrene, picene, triphenylene, coronene, chrysene and derivatives thereof may be used.
또한, 용액 B의 에테르계 용매로서는, 디에틸에테르, tert-부틸메틸에테르, 테트라히드로푸란, 디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, 트리에틸렌글리콜디메틸에테르 및 테트라에틸렌글리콜디메틸에테르 등을 사용할 수 있다.Examples of the ether solvent of the solution B include diethyl ether, tert-butyl methyl ether, tetrahydrofuran, dioxane, 1,2-dimethoxyethane, diethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether and tetraethylene glycol Dimethyl ether and the like can be used.
케톤계 용매로서는, 아세톤, 아세토페논 등을 사용할 수 있다.As the ketone solvent, acetone, acetophenone and the like can be used.
에스테르계 용매로서는, 포름산메틸, 아세트산메틸, 아세트산에틸, 아세트산 프로필 및 아세트산이소프로필 등을 사용할 수 있다.As the ester-based solvent, methyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate and isopropyl acetate may be used.
알코올계 용매로서는, 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 이소프로필알코올 등을 사용할 수 있다.As the alcoholic solvent, methanol, ethanol, propanol, isopropyl alcohol and the like can be used.
아민계 용매로서는, 메틸아민, 에틸아민 및 에틸렌디아민 등을 사용할 수 있다.As the amine-based solvent, methylamine, ethylamine, ethylenediamine and the like can be used.
그 밖에도, 열 도프법에 의해, 규소 활물질 입자에 Li를 삽입해도 된다. 열 도프법에 의한 개질에서는, 예를 들어 규소 활물질 입자를 LiH 분말이나 Li 분말과 혼합하여, 비산화 분위기 하에서 가열을 함으로써 개질 가능하다. 비산화 분위기로서는, 예를 들어 Ar 분위기 등을 사용할 수 있다. 보다 구체적으로는, 먼저, Ar 분위기 하에서 LiH 분말 또는 Li 분말과 산화규소 분말을 충분히 섞고, 밀봉을 행하여, 밀봉한 용기마다 교반함으로써 균일화한다. 그 후, 700℃ 내지 750℃의 범위로 가열해 개질을 행한다. 또한 이 경우, Li를 규소 화합물로부터 탈리하기 위해서는, 가열 후의 분말을 충분히 냉각시키고, 그 후 알코올이나 알카리수, 약산이나 순수로 세정해도 된다.In addition, Li may be inserted into the silicon active material particle by the thermal doping method. In the modification by the heat-doping method, for example, the silicon active material particles can be modified by mixing them with LiH powder or Li powder and heating in a non-oxidizing atmosphere. As the non-oxidizing atmosphere, for example, an Ar atmosphere or the like can be used. More specifically, LiH powder or Li powder and silicon oxide powder are thoroughly mixed in an Ar atmosphere and sealed, followed by stirring for each sealed container to make it uniform. Thereafter, the reforming is performed by heating in the range of 700 to 750 ° C. In this case, in order to desorb Li from the silicon compound, the powder after heating may be sufficiently cooled and then washed with alcohol, alkaline water, weak acid or pure water.
또한, 열 도프법에 의해 개질을 행한 경우, 규소 화합물 입자로부터 얻어지는 29Si-MAS-NMR 스펙트럼은 산화 환원법을 사용한 경우와는 상이하다. 도 2에 산화 환원법에 의해 개질을 행한 경우에 규소 화합물 입자로부터 측정되는 29Si-MAS-NMR 스펙트럼의 일례를 나타낸다. 도 2에 있어서, -75ppm 부근에 부여되는 피크가 Li2SiO3에서 유래하는 피크이며, -80 내지 -100ppm에 부여되는 피크가 Si에서 유래하는 피크이다. 또한, -80 내지 -100ppm에 걸쳐서, Li2SiO3, Li4SiO4 이외의 Li 실리케이트의 피크를 갖는 경우도 있다.Further, when the modification is carried out by the thermal doping method, the 29 Si-MAS-NMR spectrum obtained from the silicon compound particles is different from the case where the redox method is used. Fig. 2 shows an example of a 29 Si-MAS-NMR spectrum measured from the silicon compound particles when the modification is carried out by the oxidation-reduction method. In Fig. 2, the peak imparted at around -75 ppm is a peak derived from Li 2 SiO 3 , and the peak imparted at -80 to -100 ppm is a peak derived from Si. In addition, there are cases where Li silicate peaks other than Li 2 SiO 3 and Li 4 SiO 4 are present over -80 to -100 ppm.
또한, 도 3에 열 도프법에 의해 개질을 행한 경우에 규소 화합물 입자로부터 측정되는 29Si-MAS-NMR 스펙트럼의 일례를 나타낸다. 도 3에 있어서, -75ppm 부근에 부여되는 피크가 Li2SiO3에서 유래하는 피크이며, -80 내지 -100ppm에 부여되는 피크가 Si에서 유래하는 피크이다. 또한, -80 내지 -100ppm에 걸쳐서, Li2SiO3, Li4SiO4 이외의 Li 실리케이트의 피크를 갖는 경우도 있다. 또한, XPS 스펙트럼으로부터, Li4SiO4의 피크를 확인할 수 있다.3 shows an example of a 29 Si-MAS-NMR spectrum measured from the silicon compound particles when the modification is carried out by the thermal doping method. In Fig. 3, the peak imparted to the vicinity of -75 ppm is a peak derived from Li 2 SiO 3 , and the peak imparted to -80 to -100 ppm is a peak derived from Si. In addition, there are cases where Li silicate peaks other than Li 2 SiO 3 and Li 4 SiO 4 are present over -80 to -100 ppm. From the XPS spectrum, a peak of Li 4 SiO 4 can be confirmed.
다음에, 부극 활물질 입자에, Al 원소 및 Na 원소를, Al 원소와 Na 원소의 질량비 MNa/MAl이 상기 식 1을 만족하도록 포함시킨다.Next, Al element and Na element are included in the negative electrode active material particle so that the mass ratio M Na / M Al of the Al element and Na element satisfies the above-mentioned formula (1).
보다 구체적으로는, 폴리아크릴산Na의 수용액에 인산알루미늄을 분산시키고, 이 분산액을 부극 활물질 입자의 표면에 분사해 코팅함으로써, 부극 활물질 입자에 Al 원소 및 Na 원소를 함유시킬 수 있다. 또한, 단위 질량당의 폴리아크릴산Na 분말에 존재하는 Na 원소의 질량이 결정되어 있기 때문에, 수용액에 용해시키는 폴리아크릴산Na 분말량을 조정함으로써, Na 원소의 함유량을 조정할 수 있다. 단위 질량당의 인산 알루미늄에 존재하는 Al 원소의 질량도 결정되어 있기 때문에, 상기한 바와 마찬가지로, 인산 알루미늄의 양에 의해 Al 원소의 함유량을 조정할 수 있다. 즉, 질량비 MNa/MAl은, 폴리아크릴산Na와 인산 알루미늄의 첨가량을 조정함으로써, 식 1의 범위로 할 수 있다.More specifically, the aluminum element and the Na element can be contained in the negative electrode active material particles by dispersing aluminum phosphate in an aqueous solution of polyacrylic acid Na and spraying the dispersion onto the surface of the negative electrode active material particles. Further, since the mass of the Na element present in the polyacrylic acid Na powder per unit mass is determined, the content of the Na element can be adjusted by adjusting the amount of the polyacrylic acid Na powder dissolved in the aqueous solution. Since the mass of Al element present in aluminum phosphate per unit mass is also determined, the content of Al element can be adjusted by the amount of aluminum phosphate in the same manner as described above. That is, the mass ratio M Na / M Al can be set within the range of
예를 들어, 규소 화합물 입자에 대하여 Na 원소를 0.12질량% 넣고 싶은 경우, 먼저, 규소 화합물 입자를 준비한다. 이때에 준비한 규소 화합물 입자의 질량을 측정해 둔다. 다음으로, 폴리아크릴산Na 수용액을 제작할 때에, 폴리아크릴산Na의 농도가, Na 환산으로 규소 화합물 입자의 질량에 대하여 0.12질량%(폴리아크릴산Na 환산으로 규소 화합물 입자에 대하여 0.5질량%)가 되도록 폴리아크릴산Na를 용해시킨다. 다음에, 이 폴리아크릴산Na 수용액에 질량비 MNa/MAl이 식 1을 만족하도록, 인산 알루미늄을 소정량 넣어서 분산액을 제작한다. 이와 같이 하여 제작한 분산액의 전부를 준비한 규소 화합물 입자를 분무하면 된다.For example, when it is desired to add 0.12 mass% of Na element to silicon compound particles, first, silicon compound particles are prepared. The mass of the silicon compound particles prepared at this time is measured. Next, when the aqueous solution of polyacrylic acid Na is prepared, the concentration of polyacrylic acid Na is adjusted to 0.12 mass% (0.5 mass% relative to the silicon compound particles in terms of sodium polyacrylate) based on the mass of the silicon compound particles in terms of Na Na is dissolved. Next, a predetermined amount of aluminum phosphate is added to the aqueous solution of polyacrylic acid Na so that the mass ratio M Na / M Al satisfies the formula (1). All of the dispersion thus prepared may be sprayed with the silicon compound particles.
이상과 같이 하여 제작한 부극 활물질을, 부극 결착제, 도전 보조제 등의 다른 재료와 혼합하여, 부극 합제로 한 후에, 유기 용제 또는 물 등을 첨가하여 슬러리로 한다. 다음으로 부극 집전체의 표면에, 상기 슬러리를 도포하고, 건조시켜, 부극 활물질층을 형성한다. 이때, 필요에 따라 가열 프레스 등을 행해도 된다. 이상과 같이 하여, 부극을 제작할 수 있다.The negative electrode active material thus prepared is mixed with other materials such as a negative electrode binder and a conductive auxiliary agent to prepare a negative electrode mixture and then an organic solvent or water is added to form a slurry. Next, the slurry is coated on the surface of the negative electrode current collector and dried to form the negative electrode active material layer. At this time, a heating press or the like may be performed if necessary. Thus, the negative electrode can be manufactured.
<리튬 이온 이차 전지>≪ Lithium ion secondary battery >
다음에, 본 발명의 부극 활물질을 포함하는 리튬 이온 이차 전지에 대하여 설명한다. 여기에서는 구체예로서, 라미네이트 필름형의 리튬 이온 이차 전지를 예로 든다.Next, a lithium ion secondary battery including the negative electrode active material of the present invention will be described. Here, as a specific example, a laminate film type lithium ion secondary battery is taken as an example.
[라미네이트 필름형의 리튬 이온 이차 전지의 구성][Configuration of Laminate Film Type Lithium Ion Secondary Battery]
도 4에 나타내는 라미네이트 필름형의 리튬 이온 이차 전지(20)는, 주로 시트상의 외장 부재(25)의 내부에 권회 전극체(21)가 수납된 것이다. 이 권회체는 정극, 부극간에 세퍼레이터를 갖고 권회된 것이다. 또한 정극, 부극간에 세퍼레이터를 갖고 적층체를 수납한 경우도 존재한다. 어느 전극체에 있어서도, 정극에 정극 리드(22)가 장착되고, 부극에 부극 리드(23)가 장착되어 있다. 전극체의 최외주부는 보호 테이프에 의해 보호되어 있다.The laminate film type lithium ion
정부극 리드는, 예를 들어 외장 부재(25)의 내부로부터 외부를 향하여 일 방향으로 도출되어 있다. 정극 리드(22)는, 예를 들어 알루미늄 등의 도전성 재료에 의해 형성되고, 부극 리드(23)는, 예를 들어 니켈, 구리 등의 도전성 재료에 의해 형성된다.The control electrode leads extend in one direction from the inside of the sheathing member 25 to the outside, for example. The positive electrode lead 22 is made of a conductive material such as aluminum and the negative electrode lead 23 is made of a conductive material such as nickel or copper.
외장 부재(25)는, 예를 들어 융착층, 금속층, 표면 보호층이 이 순서대로 적층된 라미네이트 필름이고, 이 라미네이트 필름은 융착층이 전극체(21)와 대향하도록, 2매의 필름의 융착층에 있어서의 외주연부끼리가 융착, 또는 접착제 등으로 맞대어져 있다. 융착부는, 예를 들어 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 필름이며, 금속부는 알루미늄박 등이다. 보호층은 예를 들어, 나일론 등이다.The exterior member 25 is, for example, a laminate film in which a fusing layer, a metal layer, and a surface protection layer are laminated in this order, and the lamination film is a laminate film in which the fusing layer faces the electrode body 21, And the outer peripheral edges of the layer are mutually fused or adhered with an adhesive or the like. The fused portion is, for example, a film such as polyethylene or polypropylene, and the metal portion is an aluminum foil or the like. The protective layer is, for example, nylon or the like.
외장 부재(25)와 정부극 리드 사이에는, 외기 침입 방지를 위해 밀착 필름(24)이 삽입되어 있다. 이 재료는, 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리올레핀 수지이다.An adhesive film 24 is inserted between the sheathing member 25 and the lead of the positive electrode for preventing entry of outside air. This material is, for example, polyethylene, polypropylene or polyolefin resin.
[정극][Positive]
정극은, 예를 들어 도 1의 부극(10)과 동일하게, 정극 집전체의 양면 또는 편면에 정극 활물질층을 갖고 있다.Like the
정극 집전체는, 예를 들어 알루미늄 등의 도전성재에 의해 형성되어 있다.The positive electrode current collector is formed of a conductive material such as aluminum.
정극 활물질층은, 리튬 이온의 흡장 방출 가능한 정극재 중 어느 1종 또는 2종 이상을 포함하고 있고, 설계에 따라 결착제, 도전 보조제, 분산제 등의 다른 재료를 포함하고 있어도 된다. 이 경우, 결착제, 도전 보조제에 관한 상세는, 예를 들어 이미 기술한 부극 결착제, 부극 도전 보조제와 동일하다.The positive electrode active material layer contains any one or more kinds of positive electrode materials capable of lithium ion intercalation and deintercalation, and may contain other materials such as a binder, a conductive auxiliary agent, and a dispersant depending on the design. In this case, the details of the binder and the conductive auxiliary agent are the same as those described above for the negative electrode binder and the negative electrode conductive auxiliary agent, for example.
정극 재료로서는, 리튬 함유 화합물이 바람직하다. 이 리튬 함유 화합물은, 예를 들어 리튬과 전이 금속 원소를 포함하는 복합 산화물, 또는 리튬과 전이 금속 원소를 갖는 인산 화합물을 들 수 있다. 이들 기술되는 정극재 중에서도 니켈, 철, 망간, 코발트 중 적어도 1종 이상을 갖는 화합물이 바람직하다. 이들의 화학식으로서, 예를 들어 LixM1O2 또는 LiyM2PO4로 표시된다. 식 중, M1, M2는 적어도 1종 이상의 전이 금속 원소를 나타낸다. x, y의 값은 전지 충방전 상태에 따라 상이한 값을 나타내지만, 일반적으로 0.05≤x≤1.10, 0.05≤y≤1.10으로 나타낸다.As the positive electrode material, a lithium-containing compound is preferable. The lithium-containing compound includes, for example, a composite oxide containing lithium and a transition metal element, or a phosphoric acid compound having lithium and a transition metal element. Of the positive electrode materials described above, a compound having at least one of nickel, iron, manganese, and cobalt is preferable. As their formulas, for example, LixM1O2 Or LiyM2PO4. In the formulas, M1 and M2 represent at least one kind of transition metal element. The values of x and y are different from each other depending on the state of charge / discharge of the battery, but generally, 0.05? x? 1.10 and 0.05? y?
리튬과 전이 금속 원소를 갖는 복합 산화물로서는, 예를 들어 리튬 코발트 복합 산화물(LixCoO2), 리튬 니켈 복합 산화물(LixNiO2) 등을 들 수 있다. 리튬과 전이 금속 원소를 갖는 인산 화합물로서는, 예를 들어 리튬 철 인산화합물(LiFePO4) 또는 리튬 철 망간 인산화합물(LiFe1 - uMnuPO4(0<u<1)) 등을 들 수 있다. 이들의 정극재를 사용하면, 높은 전지 용량이 얻어짐과 함께, 우수한 사이클 특성도 얻어지기 때문이다.Examples of the composite oxide having lithium and a transition metal element include a lithium cobalt complex oxide (Li x CoO 2 ) and a lithium nickel composite oxide (Li x NiO 2 ). Examples of the phosphoric acid compound having lithium and a transition metal element include a lithium iron phosphate compound (LiFePO 4 ) or a lithium iron manganese phosphate compound (LiFe 1 - u Mn u PO 4 (0 <u <1) . When these positive electrode materials are used, a high battery capacity can be obtained and excellent cycle characteristics can be obtained.
[부극][Negative pole]
부극은, 상기 도 1의 리튬 이온 이차 전지용 부극(10)과 마찬가지의 구성을 갖고, 예를 들어 집전체(11)의 양면에 부극 활물질층(12)을 갖고 있다. 이 부극은, 정극 활물질제로부터 얻어지는 전기 용량(전지로서 충전 용량)에 대하여, 부극 충전 용량이 커지는 것이 바람직하다. 부극 상에서의 리튬 금속의 석출을 억제할 수 있기 때문이다.The negative electrode has the same structure as that of the
정극 활물질층은, 정극 집전체의 양면의 일부에 설치되어 있고, 부극 활물질층도 부극 집전체의 양면의 일부에 설치되어 있다. 이 경우, 예를 들어 부극 집전체 상에 설치된 부극 활물질층은 대향하는 정극 활물질층이 존재하지 않는 영역이 설치되어 있다. 이것은, 안정된 전지 설계를 행하기 위해서이다.The positive electrode active material layer is provided on a part of both surfaces of the positive electrode current collector, and the negative electrode active material layer is also provided on a part of both surfaces of the negative electrode current collector. In this case, for example, the negative electrode active material layer provided on the negative electrode collector is provided with a region in which the opposite positive electrode active material layer does not exist. This is to perform a stable battery design.
비대향 영역, 즉, 상기 부극 활물질층과 정극 활물질층이 대향하지 않는 영역에서는, 충방전의 영향을 받을 일이 거의 없다. 그 때문에 부극 활물질층의 상태가 형성 직후인 채로 유지된다. 이에 의해 부극 활물질의 조성 등, 충방전의 유무에 의존하지 않고 양호한 재현성으로 조성 등을 정확하게 조사할 수 있다.In a region where the non-opposing region, that is, the region where the negative electrode active material layer and the positive electrode active material layer do not face, is hardly affected by charge and discharge. Therefore, the state of the negative electrode active material layer is maintained immediately after formation. As a result, it is possible to accurately examine the composition and the like with good reproducibility without depending on the presence or absence of charge and discharge, such as the composition of the negative electrode active material.
[세퍼레이터][Separator]
세퍼레이터는 정극, 부극을 격리하여, 양극(兩極) 접촉에 수반하는 전류 단락을 방지하면서, 리튬 이온을 통과시키는 것이다. 이 세퍼레이터는, 예를 들어 합성 수지, 또는 세라믹을 포함하는 다공질막에 의해 형성되어 있고, 2종 이상의 다공질막이 적층된 적층 구조를 가져도 된다. 합성 수지로서 예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등을 들 수 있다.The separator isolates the positive electrode and the negative electrode to allow lithium ions to pass therethrough while preventing a short circuit of current accompanying the contact between the electrodes. The separator may be formed of, for example, a synthetic resin or a porous film containing ceramics, and may have a laminated structure in which two or more porous films are laminated. Examples of the synthetic resin include polytetrafluoroethylene, polypropylene, polyethylene, and the like.
[전해액][Electrolytic solution]
활물질층의 적어도 일부, 또는 세퍼레이터에는, 액상의 전해질(전해액)이 함침되어 있다. 이 전해액은, 용매 중에 전해질염이 용해되어 있고, 첨가제 등 다른 재료를 포함하고 있어도 된다.At least a part of the active material layer or the separator is impregnated with a liquid electrolyte (electrolytic solution). The electrolytic solution contains an electrolytic salt dissolved in a solvent and may contain other materials such as an additive.
용매는, 예를 들어 비수용매를 사용할 수 있다. 비수용매로서는, 예를 들어 탄산에틸렌, 탄산프로필렌, 탄산부틸렌, 탄산디메틸, 탄산디에틸, 탄산에틸메틸, 탄산메틸프로필, 1,2-디메톡시에탄 또는 테트라히드로푸란 등을 들 수 있다. 이 중에서도, 탄산에틸렌, 탄산프로필렌, 탄산디메틸, 탄산디에틸, 탄산에틸메틸 중 적어도 1종 이상을 사용하는 것이 바람직하다. 더 좋은 특성이 얻어지기 때문이다. 또한 이 경우, 탄산에틸렌, 탄산프로필렌 등의 고점도 용매와, 탄산디메틸, 탄산에틸메틸, 탄산디에틸 등의 저점도 용매를 조합함으로써, 보다 우위인 특성을 얻을 수 있다. 전해질염의 해리성이나 이온 이동도가 향상되기 때문이다.As the solvent, for example, a non-aqueous solvent may be used. Examples of the non-aqueous solvent include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, methyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane and tetrahydrofuran. Among them, it is preferable to use at least one of ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate and ethyl methyl carbonate. And better characteristics can be obtained. In this case, superior characteristics can be obtained by combining a high viscosity solvent such as ethylene carbonate and propylene carbonate with a low viscosity solvent such as dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate or diethyl carbonate. This is because the dissociability and ion mobility of the electrolyte salt are improved.
합금계 부극을 사용하는 경우, 특히 용매로서, 할로겐화 쇄상 탄산에스테르, 또는 할로겐화 환상 탄산에스테르 중 적어도 1종을 포함하고 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 충방전시, 특히 충전 시에 있어서, 부극 활물질 표면에 안정된 피막이 형성된다. 여기서, 할로겐화 쇄상 탄산에스테르란, 할로겐을 구성 원소로서 갖는(적어도 하나의 수소가 할로겐에 의해 치환된) 쇄상 탄산에스테르이다. 또한, 할로겐화 환상 탄산에스테르란, 할로겐을 구성 원소로서 갖는(즉, 적어도 하나의 수소가 할로겐에 의해 치환된) 환상 탄산에스테르이다.In the case of using the alloy-based negative electrode, it is particularly preferable that at least one of the halogenated chain carbonate ester and the halogenated cyclic carbonate ester is contained as the solvent. As a result, a stable film is formed on the surface of the negative electrode active material during charging / discharging, particularly charging. Here, the halogenated chain carbonate ester is a chain carbonate ester (in which at least one hydrogen is substituted by halogen) having a halogen as a constituent element. Further, the halogenated cyclic carbonic ester is a cyclic carbonic ester having a halogen as a constituent element (that is, at least one hydrogen is substituted by halogen).
할로겐의 종류는 특별히 한정되지 않지만, 불소가 바람직하다. 이것은, 다른 할로겐보다도 양질인 피막을 형성하기 때문이다. 또한, 할로겐 수는 많을수록 바람직하다. 이것은, 얻어지는 피막이 보다 안정적이어서, 전해액의 분해 반응이 저감되기 때문이다.The kind of the halogen is not particularly limited, but fluorine is preferable. This is because it forms a coating film superior to other halogens. Also, the larger the number of halogen atoms, the better. This is because the obtained film is more stable and the decomposition reaction of the electrolytic solution is reduced.
할로겐화 쇄상 탄산에스테르는, 예를 들어 탄산플루오로메틸메틸, 탄산디플루오로메틸메틸 등을 들 수 있다. 할로겐화 환상 탄산에스테르로서는, 4-플루오로-1,3-디옥솔란-2-온, 4,5-디플루오로-1,3-디옥솔란-2-온 등을 들 수 있다.Examples of the halogenated chain carbonic ester include fluoromethyl methyl carbonate, difluoromethyl methyl carbonate, and the like. Examples of the halogenated cyclic carbonate ester include 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one and 4,5-difluoro-1,3-dioxolan-2-one.
용매 첨가물로서, 불포화 탄소 결합 환상 탄산에스테르를 포함하고 있는 것이 바람직하다. 충방전 시에 부극 표면에 안정된 피막이 형성되고, 전해액의 분해 반응을 억제할 수 있기 때문이다. 불포화 탄소 결합 환상 탄산에스테르로서, 예를 들어 탄산비닐렌 또는 탄산비닐에틸렌 등을 들 수 있다.As the solvent additive, it is preferable to contain an unsaturated carbon-bonded cyclic carbonate ester. This is because a stable film is formed on the surface of the negative electrode at the time of charging and discharging, and the decomposition reaction of the electrolytic solution can be suppressed. As the unsaturated carbon-bonded cyclic carbonic ester, for example, vinylene carbonate, vinyl ethylene carbonate and the like can be given.
또한 용매 첨가물로서, 술톤(환상 술폰산에스테르)을 포함하고 있는 것이 바람직하다. 전지의 화학적 안정성이 향상되기 때문이다. 술톤으로서는, 예를 들어 프로판술톤, 프로펜술톤을 들 수 있다.As the solvent addition, it is preferable to contain sultone (cyclic sulfonic acid ester). This is because the chemical stability of the battery improves. Examples of the sultone include propanesultone and propensultone.
또한, 용매는, 산 무수물을 포함하고 있는 것이 바람직하다. 전해액의 화학적 안정성이 향상되기 때문이다. 산 무수물로서는, 예를 들어 프로판디술폰산 무수물을 들 수 있다.Further, the solvent preferably contains an acid anhydride. This is because the chemical stability of the electrolytic solution is improved. As the acid anhydride, for example, propane disulfonic anhydride can be mentioned.
전해질염은, 예를 들어 리튬염 등의 경금속염 중 어느 1종류 이상 포함할 수 있다. 리튬염으로서, 예를 들어 육불화인산리튬(LiPF6), 사불화붕산리튬(LiBF4) 등을 들 수 있다.The electrolytic salt may contain any one or more of, for example, a light metal salt such as a lithium salt. Examples of the lithium salt include lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) and lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ).
전해질염의 함유량은, 용매에 대하여 0.5mol/kg 이상 2.5mol/kg 이하인 것이 바람직하다. 높은 이온 전도성이 얻어지기 때문이다.The content of the electrolyte salt is preferably 0.5 mol / kg or more and 2.5 mol / kg or less based on the solvent. This is because high ion conductivity is obtained.
[라미네이트 필름형 이차 전지의 제조 방법][Method of producing laminate film type secondary battery]
본 발명에서는, 상기한 본 발명의 부극 활물질의 제조 방법에 의해 제조된 부극 활물질을 사용하여 부극을 제작할 수 있고, 해당 제작된 부극을 사용하여 리튬 이온 이차 전지를 제조할 수 있다.In the present invention, the negative electrode can be manufactured using the negative electrode active material produced by the method of manufacturing the negative electrode active material of the present invention, and the lithium ion secondary battery can be manufactured using the prepared negative electrode.
최초로 상기 정극재를 사용하여 정극 전극을 제작한다. 먼저, 정극 활물질과, 필요에 따라 결착제, 도전 보조제 등을 혼합하여 정극 합제로 한 후, 유기 용제에 분산시켜 정극 합제 슬러리로 한다. 계속해서, 나이프 롤 또는 다이 헤드를 갖는 다이 코터 등의 코팅 장치로 정극 집전체에 합제 슬러리를 도포하고, 열풍 건조시켜 정극 활물질층을 얻는다. 마지막으로, 롤 프레스기 등으로 정극 활물질층을 압축 성형한다. 이때, 가열해도 되고, 또한 가열 또는 압축을 복수회 반복해도 된다.First, a positive electrode is manufactured using the positive electrode material. First, a positive electrode active material and, if necessary, a binder, a conductive auxiliary agent, and the like are mixed to form a positive electrode mixture, which is then dispersed in an organic solvent to obtain a positive electrode mixture slurry. Subsequently, a mixed slurry is applied to the positive electrode current collector by a coating apparatus such as a knife roll or a die coater such as a die coater, and hot air drying is performed to obtain a positive electrode active material layer. Finally, the positive electrode active material layer is compression molded by a roll press machine or the like. At this time, heating may be performed, and heating or compression may be repeated a plurality of times.
이어서, 상기 리튬 이온 이차 전지용 부극(10)의 제작과 마찬가지의 작업 수순을 사용하여, 부극 집전체에 부극 활물질층을 형성하고 부극을 제작한다.Subsequently, a negative electrode active material layer is formed on the negative electrode current collector by using the same working procedure as that for the above-described negative electrode for lithium ion
정극 및 부극을 제작할 때에, 정극 및 부극 집전체의 양면에 각각의 활물질층을 형성한다. 이때, 어느 전극에 있어서도 양면부의 활물질 도포 길이가 어긋나 있어도 된다(도 1을 참조).When producing the positive electrode and the negative electrode, the respective active material layers are formed on both surfaces of the positive electrode and the negative electrode current collector. At this time, the coating length of the active material on both sides may be deviated from any electrode (see Fig. 1).
계속해서, 전해액을 조정한다. 계속해서, 초음파 용접 등에 의해, 정극 집전체에 정극 리드(22)를 장착함과 함께, 부극 집전체에 부극 리드(23)를 장착한다. 계속해서, 정극과 부극을 세퍼레이터를 통하여 적층, 또는 권회시켜 권회 전극체(21)를 제작하고, 그의 최외주부에 보호 테이프를 접착시킨다. 이어서, 편평한 형상이 되도록 권회체를 성형한다. 계속해서, 접은 필름상의 외장 부재(25) 사이에 권회 전극체를 끼워 넣은 후, 열 융착법에 의해 외장 부재의 절연부끼리를 접착시키고, 한 방향만 해방 상태에서, 권회 전극체를 봉입한다. 정극 리드, 및 부극 리드와 외장 부재 사이에 밀착 필름을 삽입한다. 해방부로부터 상기 조정한 전해액을 소정량 투입하고, 진공 함침을 행한다. 함침 후, 해방부를 진공 열 융착법에 의해 접착시킨다. 이상과 같이 하여, 라미네이트 필름형의 리튬 이온 이차 전지(20)를 제조할 수 있다.Subsequently, the electrolyte is adjusted. Subsequently, the positive electrode lead 22 is attached to the positive electrode current collector by ultrasonic welding or the like, and the negative electrode lead 23 is attached to the negative electrode current collector. Subsequently, the positive electrode and the negative electrode are laminated or wound by way of a separator to prepare the wound electrode body 21, and a protective tape is bonded to the outermost periphery thereof. Then, the winding body is formed to have a flat shape. Subsequently, after the wound electrode body is sandwiched between the sheathing members 25 on the folded film, the insulating members of the sheathing member are adhered to each other by the heat welding method, and the wound electrode body is sealed in a state in which only one direction is released. A positive film lead is inserted between the negative electrode lead and the exterior member. A predetermined amount of the adjusted electrolytic solution is charged from the liberating portion, and vacuum impregnation is performed. After the impregnation, the release part is bonded by the vacuum heat sealing method. In this way, a laminate film type lithium ion
실시예Example
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 나타내어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples of the present invention, but the present invention is not limited to these Examples.
(실시예 1-1)(Example 1-1)
이하의 수순에 의해, 도 4에 나타낸 라미네이트 필름형의 리튬 이온 이차 전지(20)를 제작했다.A laminate film type lithium ion
최초로 정극을 제작했다. 정극 활물질은 리튬니켈코발트 복합 산화물인 LiNi0.7Co0.25Al0.05O를 95질량%와, 정극 도전 보조제 2.5질량%와, 정극 결착제(폴리불화비닐리덴: PVDF) 2.5질량%를 혼합하여, 정극 합제로 했다. 계속하여 정극 합제를 유기 용제(N-메틸-2-피롤리돈: NMP)에 분산시켜 페이스트상의 슬러리로 했다. 계속하여 다이헤드를 갖는 코팅 장치로 정극 집전체의 양면에 슬러리를 도포하고, 열풍식 건조 장치로 건조했다. 이때 정극 집전체는 두께 15㎛인 것을 사용했다. 마지막으로 롤 프레스로 압축 성형을 행했다.The positive electrode was first fabricated. The positive electrode active material was prepared by mixing 95 mass% of LiNi 0.7 Co 0.25 Al 0.05 O, a lithium nickel cobalt composite oxide, 2.5 mass% of a positive electrode active material, and 2.5 mass% of a positive electrode binder (polyvinylidene fluoride: PVDF) . Subsequently, the positive electrode mixture was dispersed in an organic solvent (N-methyl-2-pyrrolidone: NMP) to obtain a paste-like slurry. Subsequently, the slurry was applied to both surfaces of the positive electrode current collector with a coating apparatus having a die head, and dried with a hot air type drying apparatus. At this time, the positive electrode current collector having a thickness of 15 mu m was used. Finally, compression molding was performed using a roll press.
다음으로 부극을 제작했다. 먼저, 부극 활물질을 이하와 같이 하여 제작했다. 금속 규소와 이산화규소를 혼합한 원료를 반응로에 도입하고, 10Pa의 진공도의 분위기 중에서 기화시킨 것을 흡착판 상에 퇴적시켜, 충분히 냉각한 후, 퇴적물을 취출하여 볼 밀로 분쇄했다. 이와 같이 하여 얻은 규소 화합물 입자의 SiOx의 x의 값은 0.5였다. 계속해서, 규소 화합물 입자의 입경을 분급에 의해 조정했다. 그 후, 열 분해 CVD를 행함으로써, 규소 화합물 입자의 표면에 탄소재를 피복했다.Next, a negative electrode was produced. First, a negative electrode active material was prepared as follows. A raw material obtained by mixing metallic silicon and silicon dioxide was introduced into a reaction furnace and vaporized in an atmosphere of a degree of vacuum of 10 Pa was deposited on an adsorption plate and sufficiently cooled, and then the deposit was taken out and crushed by a ball mill. The x value of SiO x of the silicon compound particles thus obtained was 0.5. Subsequently, the particle size of the silicon compound particles was adjusted by classification. Thereafter, thermal decomposition CVD was performed to cover the surface of the silicon compound particles with a carbon material.
계속해서, 탄소 피막을 피복한 규소 화합물 입자(부극 활물질 입자)에 대하여 산화 환원법에 의해 리튬을 삽입해 개질을 행했다. 먼저, 부극 활물질 입자를, 리튬편과, 방향족 화합물인 나프탈렌을 테트라히드로푸란(이하, THF라고 호칭한다)에 용해시킨 용액(용액 C)에 침지했다. 이 용액 C는 THF 용매에 나프탈렌을 0.2mol/L의 농도로 용해시킨 후에, 이 THF와 나프탈렌의 혼합액에 대하여 10질량%의 질량 분의 리튬편을 가함으로써 제작했다. 또한, 부극 활물질 입자를 침지할 때의 용액 온도는 20℃에서, 침지 시간은 20시간으로 했다. 그 후, 부극 활물질 입자를 여과 취출했다. 이상의 처리에 의해 부극 활물질 입자에 리튬을 삽입했다.Subsequently, lithium was inserted into the silicon compound particles coated with the carbon coating (negative electrode active material particles) by an oxidation reduction method to carry out the modification. First, the negative electrode active material particles were immersed in a solution (solution C) in which a lithium piece and an aromatic compound naphthalene were dissolved in tetrahydrofuran (hereinafter referred to as THF). This solution C was prepared by dissolving naphthalene in a THF solvent at a concentration of 0.2 mol / L and then adding a lithium component in an amount of 10 mass% to the mixed solution of THF and naphthalene. The solution temperature at the time of immersing the negative electrode active material particles was 20 占 폚 and the immersion time was 20 hours. Thereafter, the negative electrode active material particles were taken out by filtration. Through the above process, lithium was inserted into the negative electrode active material particles.
계속해서, 얻어진 부극 활물질 입자를 아르곤 분위기 하 600℃에서 24시간 열처리를 행하여 Li 화합물의 안정화를 행했다.Subsequently, the obtained negative electrode active material particles were subjected to heat treatment at 600 캜 for 24 hours in an argon atmosphere to stabilize the Li compound.
다음으로, 부극 활물질 입자를 세정 처리하고, 세정 처리 후의 부극 활물질 입자를 감압 하에서 건조 처리했다. 이와 같이 하여, 부극 활물질 입자의 개질을 행했다. 이상의 처리에 의해, 부극 활물질 입자를 제작했다.Next, the negative electrode active material particles were washed, and the negative electrode active material particles after the washing treatment were dried under a reduced pressure. Thus, the negative electrode active material particles were modified. By the above treatment, the negative electrode active material particles were produced.
다음에, 부극 활물질 입자에, 인산 알루미늄을 분산시킨 폴리아크릴산Na 수용액을 분무하고, Al 원소를 0.44질량%, Na 원소를 0.49질량% 함유시켰다. 즉, 질량비 MNa/MAl은 1.1이며, 식 1 및 식 2를 만족하고 있었다. 또한, 여기서 사용한 폴리아크릴산Na의 분자량은 60만, 1% 수용액으로 했을 때의 pH는 8.8이었다.Next, an aqueous solution of sodium polyacrylate in which aluminum phosphate was dispersed was sprayed on the negative electrode active material particles to contain 0.44 mass% of Al element and 0.49 mass% of Na element. That is, the mass ratio M Na / M Al was 1.1, which satisfied
다음으로, 부극 제작용의 부극 활물질 입자(규소계 부극 활물질)와, 탄소계 활물질을 2:8의 질량비로 배합하고, 부극 활물질을 제작했다. 여기서, 탄소계 활물질로서는, 피치층으로 피복한 천연 흑연 및 인조 흑연을 5:5의 질량비로 혼합한 것을 사용했다. 또한, 탄소계 활물질의 메디안 직경은 20㎛였다.Next, the negative electrode active material particles (silicon-based negative electrode active material) for forming the negative electrode and the carbon-based active material were mixed in a mass ratio of 2: 8 to prepare a negative electrode active material. Here, as the carbonaceous active material, natural graphite coated with a pitch layer and artificial graphite mixed in a mass ratio of 5: 5 were used. The median diameter of the carbon-based active material was 20 占 퐉.
다음에, 제작한 부극 활물질, 도전 보조제 1(카본 나노 튜브, CNT), 도전 보조제 2(메디안 직경이 약 50㎚인 탄소 미립자), 스티렌부타디엔 고무(스티렌부타디엔 공중합체, 이하, SBR이라고 칭한다), 카르복시메틸셀룰로오스(이하, CMC라고 칭한다)를 92.5:1:1:2.5:3의 건조 질량비로 혼합한 후, 순수로 희석하여 부극 합제 슬러리로 했다. 또한, 상기 SBR, CMC는 부극 결합제(부극 결착제)이다.Next, the negative electrode active material, the conductive auxiliary agent 1 (carbon nanotube, CNT), the conductive auxiliary agent 2 (carbon fine particles having a median diameter of about 50 nm), the styrene butadiene rubber (styrene butadiene copolymer, Carboxymethylcellulose (hereinafter referred to as CMC) was mixed at a dry weight ratio of 92.5: 1: 1: 2.5: 3, and then diluted with pure water to obtain a negative electrode mixture slurry. The SBR and CMC are negative electrode binders (negative electrode binder).
여기서, 부극 활물질 입자를 포함하는 수계 슬러리의 안정성을 평가하기 위해서, 제작한 부극 합제 슬러리의 일부를 이차 전지의 제작용의 것과는 별도로 30g 취출하고, 20℃에서 보존하여, 부극 합제 슬러리 제작 후로부터 가스 발생까지의 시간을 측정했다.Here, in order to evaluate the stability of the aqueous slurry containing the negative electrode active material particles, 30 g of the prepared negative electrode material mixture slurry was taken out separately from those for the production of the secondary battery and stored at 20 占 폚, The time to occurrence was measured.
또한, 부극 집전체로서는, 두께 15㎛의 전해 구리박을 사용했다. 이 전해 구리박에는, 탄소 및 황이 각각 70 질량ppm의 농도로 포함되어 있었다. 마지막으로, 부극 합제 슬러리를 부극 집전체에 도포해 진공 분위기 중에서 100℃×1시간의 건조를 행했다. 건조 후의, 부극의 편면에 있어서의 단위 면적당 부극 활물질층의 퇴적량(면적 밀도라고도 칭한다)은 5㎎/㎠였다.As the negative electrode current collector, an electrolytic copper foil having a thickness of 15 mu m was used. The electrolytic copper foil contained carbon and sulfur in a concentration of 70 mass ppm respectively. Finally, the negative electrode mixture slurry was applied to the negative electrode current collector and dried in a vacuum atmosphere at 100 占 폚 for 1 hour. After drying, the deposition amount (also referred to as an areal density) of the negative electrode active material layer per unit area on one side of the negative electrode was 5 mg /
이어서, 용매(4-플루오로-1,3-디옥솔란-2-온(FEC), 에틸렌카르보네이트(EC) 및 디메틸카르보네이트(DMC))를 혼합한 후, 전해질염(육불화인산리튬: LiPF6)을 용해시켜 전해액을 제조했다. 이 경우에는, 용매의 조성을 부피비로 FEC:EC:DMC=10:20:70으로 하여 전해질염의 함유량을 용매에 대하여 1.2mol/kg로 했다.Subsequently, the mixture was mixed with a solvent (4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one (FEC), ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) Lithium: LiPF 6 ) was dissolved to prepare an electrolytic solution. In this case, the composition of the solvent was FEC: EC: DMC = 10: 20: 70 by volume ratio, and the content of the electrolyte salt was 1.2 mol / kg with respect to the solvent.
이어서, 이하와 같이 하여 이차 전지를 조립했다. 최초로, 정극 집전체의 일단부에 알루미늄 리드를 초음파 용접하고, 부극 집전체의 일단부에는 니켈 리드를 용접했다. 계속해서, 정극, 세퍼레이터, 부극, 세퍼레이터를 이 순서대로 적층하고, 길이 방향으로 권취시켜 권회 전극체를 얻었다. 그 감음 종료 부분을 PET 보호 테이프로 고정했다. 세퍼레이터는 다공성 폴리프로필렌을 주성분으로 하는 필름에 의해 다공성 폴리에틸렌을 주성분으로 하는 필름에 끼워진 적층 필름(두께12㎛)을 사용했다. 계속해서, 외장 부재간에 전극체를 끼운 후, 1변을 제외한 외주연부끼리를 열 융착하고, 내부에 전극체를 수납했다. 외장 부재는 나일론 필름, 알루미늄박 및 폴리프로필렌 필름이 적층된 알루미늄 적층 필름을 사용했다. 계속해서, 개구부로부터 조제한 전해액을 주입하고, 진공 분위기 하에서 함침한 후, 열 융착하여, 밀봉했다.Subsequently, the secondary battery was assembled as follows. First, an aluminum lead was ultrasonically welded to one end of the positive electrode current collector, and nickel lead was welded to one end of the negative electrode current collector. Subsequently, a positive electrode, a separator, a negative electrode and a separator were laminated in this order and wound in the longitudinal direction to obtain a wound electrode body. And the end of the sounding was fixed with a PET protective tape. As the separator, a laminated film (thickness: 12 mu m) was used which was sandwiched by a film mainly composed of porous polyethylene by a film mainly composed of porous polypropylene. Subsequently, after the electrode bodies were sandwiched between the outer sheath members, the outer circumferential edge portions except for one side were thermally fused, and the electrode bodies were housed inside. An aluminum laminated film laminated with a nylon film, an aluminum foil and a polypropylene film was used as the exterior member. Subsequently, the electrolyte prepared from the openings was injected, impregnated in a vacuum atmosphere, thermally fused, and sealed.
이상과 같이 하여 제작한 이차 전지의 사이클 특성 및 첫회 충방전 특성을 평가했다.The cycle characteristics and the first charge / discharge characteristics of the secondary battery manufactured as described above were evaluated.
사이클 특성에 대해서는, 이하와 같이 하여 조사했다. 최초로, 전지 안정화 때문에 25℃의 분위기 하에서, 0.2C로 2사이클 충방전을 행하고, 2사이클째의 방전 용량을 측정했다. 계속해서, 총사이클수가 499사이클이 될 때까지 충방전을 행하고, 그 때마다 방전 용량을 측정했다. 마지막으로, 0.2C 충방전으로 얻어진 500사이클째의 방전 용량을 2사이클째의 방전 용량으로 나누고, 용량 유지율(이하, 단순히 유지율이라고도 한다)을 산출하였다. 통상 사이클, 즉 3사이클째로부터 499사이클째까지는, 충전 0.7C, 방전 0.5C로 충방전을 행했다. Cycle characteristics were examined as follows. For the first time, the battery was charged and discharged at 0.2 C for 2 cycles under an atmosphere of 25 캜 for battery stabilization, and the discharge capacity at the second cycle was measured. Subsequently, charging and discharging were carried out until the total cycle number became 499 cycles, and the discharge capacity was measured every time. Finally, the discharge capacity at the 500th cycle obtained by 0.2C charge / discharge was divided by the discharge capacity at the second cycle, and the capacity retention rate (hereinafter simply referred to as retention rate) was calculated. Charge and discharge were performed at a normal cycle, that is, from the 3rd cycle to the 499th cycle at a charge of 0.7C and a discharge of 0.5C.
첫회 충방전 특성을 조사하는 경우에는, 첫회 효율(이하에서는 초기 효율이라고 칭하는 경우도 있음)을 산출하였다. 첫회 효율은, 첫회 효율(%)=(첫회 방전 용량/첫회 충전 용량)×100으로 표시되는 식으로부터 산출하였다. 분위기 온도는, 사이클 특성을 조사한 경우와 동일하게 했다.In the case where the charge / discharge characteristics were investigated for the first time, the efficiency (hereinafter, also referred to as initial efficiency) was calculated first. The first efficiency was calculated from the equation represented by the first efficiency (%) = (first discharge capacity / first charge capacity) × 100. The atmospheric temperature was the same as in the case where the cycle characteristics were examined.
(실시예 1-2 내지 실시예 1-3, 비교예 1-1, 1-2)(Examples 1-2 to 1-3, Comparative Examples 1-1 and 1-2)
규소 화합물의 벌크 내 산소량을 조정한 것을 제외하고, 실시예 1-1과 동일하게, 이차 전지의 제조를 행했다. 이 경우, 규소 화합물의 원료 중의 금속 규소와 이산화규소와의 비율이나 가열 온도를 변화시킴으로써, 산소량을 조정했다. 실시예 1-1 내지 1-3, 비교예 1-1, 1-2에 있어서의, SiOx로 표시되는 규소 화합물의 x의 값을 표 1 중에 나타냈다.A secondary battery was produced in the same manner as in Example 1-1 except that the amount of oxygen in the bulk of the silicon compound was adjusted. In this case, the oxygen content was adjusted by changing the ratio of the silicon metal and silicon dioxide in the raw material of the silicon compound and the heating temperature. Table 1 shows the values of x of the silicon compounds represented by SiO x in Examples 1-1 to 1-3 and Comparative Examples 1-1 and 1-2.
이때, 실시예 1-1 내지 1-3 및 비교예 1-1, 1-2의 규소계 활물질 입자는 이하와 같은 성질을 갖고 있었다. 부극 활물질 입자 중의 규소계 활물질 입자의 메디안 직경은 8㎛였다. 규소 화합물 입자의 내부에는, Li2Si2O5 및 Li2SiO3이 포함되어 있었다. 또한, 규소 화합물은, X선 회절에 의해 얻어지는 Si(111) 결정면에 기인하는 회절 피크의 반값폭(2θ)이 2.257°이며, Si(111) 결정면에 기인하는 결정자 크기는 3.77㎚였다. 또한, 표면에 피복된 탄소재의 평균 두께는 50㎚였다.At this time, the silicon-based active material particles of Examples 1-1 to 1-3 and Comparative Examples 1-1 and 1-2 had the following properties. The median diameter of the silicon-based active material particles in the negative electrode active material particles was 8 占 퐉. The inside of the silicon compound particles contained Li 2 Si 2 O 5 and Li 2 SiO 3 . The silicon compound had a half width (2?) Of 2.257 占 of the diffraction peak due to the Si (111) crystal face obtained by X-ray diffraction and a crystallite size attributable to the Si (111) crystal face of 3.77 nm. The average thickness of the carbon material coated on the surface was 50 nm.
또한, 상기 모든 실시예 및 비교예에 있어서, 29Si-MAS-NMR 스펙트럼으로부터 얻어지는 케미컬 시프트값으로서 -60 내지 -95ppm에서 부여되는 Si 및 Li 실리케이트 영역의 피크가 발현했다. 또한, 상기 모든 실시예, 비교예에서, 29Si-MAS-NMR 스펙트럼으로부터 얻어지는 케미컬 시프트값으로서 -60 내지 -95ppm에서 부여되는 Si 및 Li 실리케이트 영역의 최대 피크 강도값 A와, -96 내지 -150ppm에서 부여되는 SiO2 영역의 피크 강도값 B와의 관계가 A>B이었다.In all of the above Examples and Comparative Examples, peaks of Si and Li silicate regions imparted at -60 to -95 ppm as a chemical shift value obtained from the 29 Si-MAS-NMR spectrum were expressed. In all of the above Examples and Comparative Examples, the maximum peak intensity value A of the Si and Li silicate regions given at -60 to -95 ppm as the chemical shift value obtained from the 29 Si-MAS-NMR spectrum and the maximum peak intensity value A of -96 to -150 ppm And the peak intensity value B of the SiO 2 region imparted by the above-mentioned method was A > B.
실시예 1-1 내지 1-3, 비교예 1-1, 1-2의 평가 결과를 표 1에 나타낸다.The evaluation results of Examples 1-1 to 1-3 and Comparative Examples 1-1 and 1-2 are shown in Table 1.
표 1에 나타낸 바와 같이, SiOx로 표시되는 규소 화합물에 있어서, x의 값이, 0.5≤x≤1.6의 범위 외인 경우, 전지 특성이 악화되었다. 예를 들어, 비교예 1-1에 나타내는 바와 같이, 산소가 충분히 없는 경우(x=0.3), 첫회 효율이 향상되지만, 용량 유지율이 현저하게 악화된다. 한편, 비교예 1-2에 나타내는 바와 같이, 산소량이 많은 경우(x=1.8)는 도전성의 저하가 생겨 실질적으로 규소 산화물의 용량이 발현되지 않기 때문에, 평가를 정지했다. 또한, 실시예 1-1 내지 1-3에서는 가스 발생까지의 시간이 3일 이상이 되고, 비교예 1-1에 비하여 수계 부극 슬러리 안정성이 향상된 것을 알 수 있었다. 또한, 비교예 1-2에서는 가스 발생까지의 시간 측정은 행하지 않았다.As shown in Table 1, when the value of x in the silicon compound represented by SiO x was outside the range of 0.5? X? 1.6, the battery characteristics deteriorated. For example, as shown in Comparative Example 1-1, when the amount of oxygen is insufficient (x = 0.3), the efficiency is improved for the first time, but the capacity retention rate remarkably deteriorates. On the other hand, as shown in Comparative Example 1-2, when the amount of oxygen was large (x = 1.8), the conductivity was deteriorated and the silicon oxide capacity was not substantially developed. Further, in Examples 1-1 to 1-3, it was found that the time until the generation of the gas was 3 days or more, and the stability of the aqueous negative electrode slurry was improved as compared with Comparative Example 1-1. In Comparative Example 1-2, time measurement until gas generation was not performed.
(실시예 2-1 내지 실시예 2-2)(Examples 2-1 to 2-2)
규소 화합물 입자의 내부에 포함시키는 리튬 실리케이트의 종류를 표 2와 같이 변경한 것 이외에도, 실시예 1-2와 동일 조건으로 이차 전지를 제작하고, 사이클 특성, 첫회 효율 및 수계 부극 슬러리의 안정성을 평가했다.Secondary batteries were produced under the same conditions as in Example 1-2 except that the kinds of lithium silicate contained in the silicon compound particles were changed as shown in Table 2, and the cycle characteristics, the initial efficiency and the stability of the aqueous negative electrode slurry were evaluated did.
(비교예 2-1)(Comparative Example 2-1)
규소 화합물 입자에 Li를 삽입하지 않은 것 이외에도, 실시예 1-2와 동일 조건으로 이차 전지를 제작하고, 사이클 특성, 첫회 효율 및 수계 부극 슬러리의 안정성을 평가했다.A secondary battery was produced under the same conditions as in Example 1-2 except that Li was not inserted into the silicon compound particles, and the cycle characteristics, the initial efficiency, and the stability of the aqueous negative electrode slurry were evaluated.
실시예 2-1 내지 실시예 2-2, 비교예 2-1의 결과를 표 2에 나타낸다.Table 2 shows the results of Examples 2-1 to 2-2 and Comparative Example 2-1.
규소 화합물 입자가 Li2SiO3, Li4SiO4와 같은 안정된 리튬 실리케이트를 포함함으로써, 용량 유지율, 초기 효율이 향상되었다. 특히, 2종류의 리튬 실리케이트를 포함하는 경우에, 용량 유지율, 초기 효율이 더 향상되었다. 또한, 가스 발생까지의 시간이 2일 이상이 되고, 충분한 수계 부극 슬러리의 안정성이 얻어졌다. 한편, 비교예 2-1과 같이, 규소 화합물 입자가 Li 화합물을 함유하고 있지 않은 경우, 가스 발생은 없지만, 초기 효율이 현저하게 저하되어 버렸다.When the silicon compound particles contain stable lithium silicate such as Li 2 SiO 3 and Li 4 SiO 4 , the capacity retention rate and initial efficiency were improved. In particular, when two types of lithium silicate were included, the capacity retention rate and the initial efficiency were further improved. Further, the time until the generation of the gas was two days or more, and the stability of the water-based negative electrode slurry was obtained. On the other hand, when the silicon compound particles did not contain a Li compound as in Comparative Example 2-1, no gas was generated, but the initial efficiency remarkably decreased.
(실시예 3-1 내지 실시예 3-35, 비교예 3-1 내지 비교예 3-8)(Examples 3-1 to 3-35, Comparative Examples 3-1 to 3-8)
규소 화합물 입자에 함유시키는 Al 원소와 Na 원소의 질량 농도를 변경함으로써, 질량비 MNa/MAl의 값을 표 3과 같이 변경한 것 이외에도, 실시예 1-2와 동일 조건으로 이차 전지를 제작하고, 사이클 특성, 첫회 효율 및 수계 부극 슬러리의 안정성을 평가했다.By changing the mass concentration of Al element and Na element contained in the silicon compound particles, in addition to the mass ratio it was changed as the value of M Na / M Al in Table 3, Examples 1-2 and to prepare a secondary battery under the same conditions , Cycle characteristics, initial efficiency and stability of the water-based negative electrode slurry.
실시예 3-1 내지 실시예 3-35, 비교예 3-1 내지 비교예 3-8의 결과를 표 3에 나타낸다.Table 3 shows the results of Examples 3-1 to 3-35 and Comparative Examples 3-1 to 3-8.
표 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 질량비 MNa/MAl의 값이 식 1 0.022≤MNa/MAl≤61을 만족하는 경우, 가스 발생까지의 시간은 식 1을 만족하지 않는 비교예 3-4 내지 3-8보다도 길어졌다. 또한, Al 원소와 Na 원소 중 적어도 한쪽을 포함하지 않는 비교예 3-1 내지 3-3에서는, 가스 발생까지의 시간이 한층 더 짧아졌다. 따라서, 본 발명과 같이, 부극 활물질 입자가, 그 구성 원소로서 Al 원소 및 Na 원소를 포함함과 함께, 이들 원소의 질량비 MNa/MAl이 식 1을 만족하는 경우에, 수계 부극 슬러리의 안정성이 향상되는 것이 확인되었다.As can be seen from Table 3, when the value of the mass ratio M Na / M Al satisfies the
(실시예 4-1 내지 실시예 4-5)(Examples 4-1 to 4-5)
폴리아크릴산Na의 분자량을 표 4와 같이 변경한 것 이외에도, 실시예 1-2와 동일 조건으로 이차 전지를 제작하고, 사이클 특성, 첫회 효율 및 수계 부극 슬러리의 안정성을 평가했다.A secondary battery was produced under the same conditions as in Example 1-2 except that the molecular weight of the polyacrylic acid Na was changed as shown in Table 4, and the cycle characteristics, the initial efficiency and the stability of the aqueous negative electrode slurry were evaluated.
실시예 4-1 내지 실시예 4-5의 결과를 표 4에 나타낸다.Table 4 shows the results of Examples 4-1 to 4-5.
표 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 폴리아크릴산Na의 분자량에 따라 가스 발생까지의 시간이 변화한다. 이 중에서도 특히, 실시예 1-2, 4-2 내지 4-4와 같이, 폴리아크릴산Na의 분자량이 25만 이상 100만 이하인 경우에 가스 발생까지의 시간이 보다 길어져, 수계 부극 슬러리의 안정성이 더 향상된 것을 알 수 있었다.As can be seen from Table 4, the time until the generation of the gas varies depending on the molecular weight of the polyacrylic acid Na. In particular, as in Examples 1-2 and 4-2 to 4-4, when the molecular weight of the polyacrylic acid Na is 250,000 or more and 1,000,000 or less, the time until the generation of the gas becomes longer and the stability of the aqueous negative electrode slurry is further improved And improved.
(실시예 5-1 내지 실시예 5-4)(Examples 5-1 to 5-4)
1% 수용액으로 했을 때 pH가 표 5와 같이 되는 폴리아크릴산Na를 사용한 것 이외에도, 실시예 1-2와 동일 조건으로 이차 전지를 제작하고, 사이클 특성, 첫회 효율 및 수계 부극 슬러리의 안정성을 평가했다.A secondary battery was produced under the same conditions as in Example 1-2 except that polyacrylic acid Na in which pH was as shown in Table 5 was used as a 1% aqueous solution to evaluate the cycle characteristics, the initial efficiency and the stability of the aqueous negative electrode slurry .
실시예 5-1 내지 실시예 5-4의 결과를 표 5에 나타낸다.The results of Examples 5-1 to 5-4 are shown in Table 5.
표 5로부터 알 수 있는 바와 같이, pH가 6 내지 10이면, 가스 발생까지의 시간이 길고, 수계 부극 슬러리의 안정성이 높은 것을 알 수 있었다. 특히, pH가 7 내지 9이면, 수계 부극 슬러리의 안정성이 보다 높아졌다.As can be seen from Table 5, when the pH was 6 to 10, it was found that the time until gas generation was long and the stability of the aqueous negative electrode slurry was high. In particular, when the pH is 7 to 9, the stability of the aqueous negative electrode slurry is higher.
(실시예 6-1 내지 6-9)(Examples 6-1 to 6-9)
규소 화합물 입자의 결정성을 표 6과 같이 변화시킨 것 이외에도, 실시예 1-2와 동일 조건으로 이차 전지를 제작하고, 사이클 특성, 첫회 효율 및 수계 부극 슬러리의 안정성을 평가했다. 또한, 규소 화합물 입자 중의 결정성은, 원료의 기화 온도의 변경, 또는 규소 화합물 입자의 생성 후의 열처리로 제어할 수 있다. 또한, 실시예 6-9에서는 반값폭을 20° 이상으로 산출하고 있지만, 해석 소프트웨어를 사용하여 피팅한 결과이며, 실질적으로 피크는 얻어지지 않는다. 따라서 실시예 6-9의 규소 화합물은, 실질적으로 비정질이라고 할 수 있다.A secondary battery was produced under the same conditions as in Example 1-2 except that the crystallinity of the silicon compound particles was changed as shown in Table 6, and the cycle characteristics, the initial efficiency and the stability of the aqueous negative electrode slurry were evaluated. The crystallinity in the silicon compound particles can be controlled by changing the vaporization temperature of the raw material or by heat treatment after the generation of the silicon compound particles. In Example 6-9, the full width at half maximum is calculated to be 20 degrees or more, but the result is obtained by fitting using analysis software, and substantially no peak is obtained. Therefore, the silicon compound of Example 6-9 can be said to be substantially amorphous.
특히 반값폭이 1.2° 이상이고, 그 위에 또한 Si(111)면에 기인하는 결정자 크기가 7.5㎚ 이하인 저결정성 재료에서 높은 용량 유지율이 얻어졌다.In particular, a high capacity retention ratio was obtained in a low crystalline material having a half width of 1.2 or more and a crystallite size of 7.5 nm or less due to the Si (111) surface thereon.
(실시예 7-1)(Example 7-1)
규소 화합물을 Si 및 Li 실리케이트 영역의 최대 피크 강도값 A와 상기 SiO2 영역에서 유래하는 피크 강도값 B와의 관계가 A<B로 한 것 이외에도, 실시예 1-2와 동일 조건으로 이차 전지를 제작하고, 사이클 특성, 첫회 효율 및 수계 부극 슬러리의 안정성을 평가했다. 이 경우, 개질 시에 리튬의 삽입량을 저감시킴으로써, Li2SiO3의 양을 저감시켜, Li2SiO3에서 유래하는 피크의 강도 A를 작게 했다.A secondary battery was manufactured under the same conditions as in Example 1-2 except that the relation between the maximum peak intensity value A of the Si and Li silicate regions and the peak intensity value B derived from the SiO 2 region was A & And the cycle characteristics, the initial efficiency, and the stability of the water-based negative electrode slurry were evaluated. In this case, by reducing the insertion amount of lithium at the time of modification, the amount of Li 2 SiO 3 is reduced to reduce the intensity A of the peak derived from Li 2 SiO 3 .
표 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 피크 강도의 관계가 A>B인 경우의 편이, 전지 특성이 향상되었다.As can be seen from Table 7, the battery characteristics were improved when the relationship of the peak intensity was A> B.
(실시예 8-1 내지 8-6)(Examples 8-1 to 8-6)
규소 화합물 입자의 메디안 직경을 표 8과 같이 변화시킨 것 이외에도, 실시예 1-2와 동일 조건으로 이차 전지를 제작하고, 사이클 특성, 첫회 효율 및 수계 부극 슬러리의 안정성을 평가했다.A secondary battery was produced under the same conditions as in Example 1-2 except that the median diameter of the silicon compound particles was changed as shown in Table 8, and the cycle characteristics, the initial efficiency and the stability of the aqueous negative electrode slurry were evaluated.
규소 화합물의 메디안 직경이 3㎛ 이상이면, 유지율 및 초기 효율이 더 향상되었다. 이것은, 규소 화합물의 질량당의 표면적이 지나치게 크지 않아, 부반응이 일어나는 면적을 작게 할 수 있었기 때문으로 생각된다. 한편, 메디안 직경이 15㎛ 이하이면 충전 시에 입자가 깨지기 어렵고, 충방전 시에 신생면에 의한 SEI(고체 전해질 계면)가 생성되기 어렵기 때문에, 가역 Li의 손실을 억제할 수 있다. 또한, 규소계 활물질 입자의 메디안 직경이 15㎛ 이하이면 충전 시의 규소 화합물 입자의 팽창량이 커지지 않기 때문에, 팽창에 의한 부극 활물질층의 물리적, 전기적 파괴를 방지할 수 있다.When the median diameter of the silicon compound was 3 m or more, the retention and initial efficiency were further improved. This is considered to be because the surface area per mass of the silicon compound is not excessively large and the area where side reactions occur can be reduced. On the other hand, when the median diameter is 15 μm or less, the particles are hardly broken at the time of charging, and SEI (solid electrolyte interface) due to the new surface is not generated at the time of charging and discharging, so that loss of reversible Li can be suppressed. If the median diameter of the silicon-based active material particles is 15 μm or less, the expansion amount of the silicon compound particles at the time of filling does not increase, so physical and electrical breakdown of the negative electrode active material layer due to expansion can be prevented.
(실시예 9-1 내지 9-4)(Examples 9-1 to 9-4)
규소계 활물질 입자의 표면에 피복된 탄소재의 평균 두께를 변경한 것 이외에도, 실시예 1-2와 동일 조건으로 이차 전지를 제작하고, 사이클 특성, 첫회 효율 및 수계 부극 슬러리의 안정성을 평가했다. 탄소재의 평균 두께는, CVD 조건을 변경함으로써 조정할 수 있다.A secondary battery was manufactured under the same conditions as in Example 1-2 except that the average thickness of the carbonaceous material coated on the surface of the silicon-based active material was changed, and the cycle characteristics, the first efficiency and the stability of the aqueous negative electrode slurry were evaluated. The average thickness of the carbonaceous material can be adjusted by changing the CVD condition.
표 9로부터 알 수 있는 바와 같이, 탄소층의 막 두께가 5㎚ 이상으로 도전성이 향상되기 때문에, 용량 유지율 및 초기 효율을 향상시킬 수 있다. 한편, 탄소층의 막 두께가 5000㎚ 이하이면 전지 설계상, 규소 화합물 입자의 양을 충분히 확보할 수 있기 때문에, 전지 용량이 저하될 일이 없다.As can be seen from Table 9, since the film thickness of the carbon layer is 5 nm or more, the conductivity is improved, and the capacity retention rate and initial efficiency can be improved. On the other hand, if the thickness of the carbon layer is 5000 nm or less, the amount of the silicon compound particles can be sufficiently secured in the battery design, so that the battery capacity does not decrease.
(실시예 10-1)(Example 10-1)
부극 활물질 중의 규소계 활물질 입자의 질량 비율을 변경한 것 이외에도, 실시예 1-2와 동일 조건으로 이차 전지를 제작하고, 전지 용량의 증가율을 평가했다.A secondary battery was produced under the same conditions as in Example 1-2 except that the mass ratio of the silicon-based active material particles in the negative electrode active material was changed, and the rate of increase of the battery capacity was evaluated.
도 5에, 부극 활물질의 총량에 대한 규소계 활물질 입자의 비율과 이차 전지의 전지 용량의 증가율의 관계를 나타내는 그래프를 나타낸다. 도 5 중의 A로 나타내는 그래프는, 본 발명의 부극의 부극 활물질에 있어서, 규소 화합물 입자의 비율을 증가시킨 경우의 전지 용량의 증가율을 나타내고 있다. 한편, 도 5 중의 B로 나타내는 그래프는, Li를 도프하고 있지 않은 규소 화합물 입자의 비율을 증가시킨 경우의 전지 용량의 증가율을 나타내고 있다. 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 규소 화합물의 비율이 6질량% 이상이 되면, 전지 용량의 증가율은 종래에 비하여 커지고, 체적 에너지 밀도가 특히 현저하게 증가한다.5 is a graph showing the relationship between the ratio of the silicon-based active material particles to the total amount of the negative electrode active material and the rate of increase of the battery capacity of the secondary battery. The graph A shown in Fig. 5 shows the rate of increase of the battery capacity when the ratio of the silicon compound particles is increased in the negative electrode active material of the negative electrode of the present invention. On the other hand, the graph shown by B in Fig. 5 shows the rate of increase of the battery capacity when the ratio of the silicon compound particles not doped with Li is increased. As can be seen from Fig. 5, when the ratio of the silicon compound is 6 mass% or more, the rate of increase of the battery capacity becomes larger than that of the prior art, and the volume energy density particularly increases remarkably.
또한, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 상기 실시 형태는 예시이며, 본 발명의 특허 청구 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 갖고, 동일한 작용 효과를 발휘하는 것은 어느 것이든 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.The present invention is not limited to the above-described embodiments. The above embodiment is an example, and any one having substantially the same structure as the technical idea described in the claims of the present invention and exhibiting the same operational effect is included in the technical scope of the present invention.
Claims (15)
상기 부극 활물질 입자는, 규소 화합물(SiOx: 0.5≤x≤1.6)을 포함하는 규소 화합물 입자를 함유하고,
상기 규소 화합물 입자는, Li 화합물을 함유하고,
상기 부극 활물질 입자의 구성 원소로서, Al 원소 및 Na 원소를 포함함과 함께, 상기 Al 원소와 상기 Na 원소의 질량비 MNa/MAl이 하기 식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 부극 활물질.
<식 1> 0.022≤MNa/MAl≤611. A negative electrode active material comprising negative electrode active material particles,
Wherein the negative electrode active material particles contain silicon compound particles containing a silicon compound (SiOx: 0.5? X? 1.6)
The silicon compound particle contains a Li compound,
Wherein the negative electrode active material particle includes an Al element and an Na element as constituent elements, and a mass ratio M Na / M Al of the Al element and the Na element satisfies the following formula (1).
<Formula 1> 0.022? M Na / M Al? 61
<식 2> 0.36≤MNa/MAl≤3.3The negative electrode active material according to claim 1, wherein the mass ratio M Na / M Al satisfies the following formula (2).
& Quot ; (2) & quot ; 0.36 & lt ; / = M Na / M Al &
규소 화합물(SiOx: 0.5≤x≤1.6)을 포함하는 규소 화합물 입자를 제작하는 공정과,
상기 규소 화합물 입자에 Li를 삽입하여 Li 화합물을 함유시키는 공정
에 의해 부극 활물질 입자를 제작하고,
상기 부극 활물질 입자에, Al 원소 및 Na 원소를, 상기 Al 원소와 상기 Na 원소의 질량비 MNa/MAl이 하기 식 1을 만족하도록 포함시키는 공정을 포함하고,
상기 Al 원소 및 상기 Na 원소를 포함한 상기 부극 활물질 입자를 사용하여, 부극 활물질을 제조하는 것을 특징으로 하는 부극 활물질의 제조 방법.
<식 1> 0.022≤MNa/MAl≤61A method for producing a negative electrode active material comprising negative electrode active material particles containing silicon compound particles,
A step of producing a silicon compound particle containing a silicon compound (SiO x : 0.5? X? 1.6)
A step of inserting Li into the silicon compound particle to contain a Li compound
The negative electrode active material particles were produced by the above-
And a step of including the Al element and the Na element in the negative electrode active material particle so that the mass ratio M Na / M Al of the Al element and the Na element satisfy the following formula 1,
Wherein the negative electrode active material is produced by using the negative electrode active material particles containing the Al element and the Na element.
<Formula 1> 0.022? M Na / M Al? 61
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