JP2004362895A

JP2004362895A - Negative electrode material, and battery using it

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Publication number: JP2004362895A
Application number: JP2003158464A
Authority: JP
Inventors: Yukiko Iijima; 由紀子飯嶋; Kotaro Satori; 浩太郎佐鳥; Hiroshi Imoto; 浩井本; Yoshikazu Kato; 良和加藤
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-06-03
Filing date: 2003-06-03
Publication date: 2004-12-24

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a negative electrode material having a long cycle life; and to provide a battery using it. <P>SOLUTION: This negative electrode material is formed of Si alloy powder containing Si and any one kind, or two or more kinds of Cu, Ni and Co as constituent elements. The Si alloy powder is synthesized by a single roll method or an atomization method, and has an eutectic phase 11 including an intermetallic compound phase 11A containing at least Si and one kind within a group comprising Cu, Ni and Co as constituent elements, and a phase 11B of Si; and a primary crystal phase 12 of Si dispersed in the eutectic phase 11. The percentage content of Si in the silicon alloy powder is preferably 22-60 mass%. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ケイ素合金よりなる負極材料およびそれを用いた電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のポータブル電子機器の小型化に伴い、その電源として高エネルギー密度を有する二次電池の開発が要求されている。この要求に応えるべく、理論上高電圧を発生でき、かつ高エネルギー密度を有するリチウム金属を負極活物質として用いたリチウム二次電池の研究開発が活発に行われてきた。しかし、リチウム二次電池では、充電時に負極上にリチウム（Ｌｉ）がデンドライト析出し、このリチウムが不活性化したり内部短絡を引き起こすことなどからサイクル寿命が短いという問題がある。
【０００３】
サイクル寿命を改善する電池としては、リチウムイオン二次電池が製品化されている。その負極材料には黒鉛層間へのリチウムのインターカレーション反応を利用した黒鉛材料、あるいは細孔中へのリチウムの吸蔵・放出作用を応用した炭素質材料が用いられている。そのため、リチウムイオン二次電池では、リチウムがデンドライト析出せず、サイクル寿命が長いという利点を有している。しかし、黒鉛層間へのリチウムのインターカレーション反応を利用した黒鉛材料の理論容量は、第１ステージ黒鉛層間化合物の組成Ｃ_６Ｌｉに規定されるように、３７２ｍＡｈ／ｇという上限が存在する。これに対し、ある種の低温焼成炭素質材料では１０００ｍＡｈ／ｇを越える放電容量を示すことが知られているが、対リチウム金属において０．８Ｖ以上の貴な電位で大きな容量を有するため、金属酸化物等を正極に用いて電池を構成した場合に放電電圧が低下する等の問題がある。また、炭素質材料の微小な細孔構造を制御することは工業的に困難であり、しかも細孔を多くすると炭素質材料の比重が低下してしまい、単位体積当たりの負極容量、ひいては単位体積当たりの電池容量向上の有効な手段とはなり得ない。
【０００４】
このような理由から、現状の黒鉛材料あるいは炭素質材料では、今後の更なるポータブル電子機器用電源の高エネルギー密度化に対応することが困難と考えられ、よりリチウムの吸蔵・放出能力に優れた負極材料の開発が望まれている。
【０００５】
こうした中で、より高容量を実現可能な負極材料として、ある種の金属もしくは半金属のうち、電気化学的かつ可逆的にリチウムと結合・解離することができる材料が広く研究されてきた。その一例として、ケイ素合金が報告されている（例えば、特許文献１参照。）。ケイ素は対リチウム金属において０．５Ｖ以下の卑な電位で４０００ｍＡｈ／ｇを超える容量を有する。このような特性からケイ素合金はリチウムイオン二次電池の高エネルギー密度化に応用することが可能であると考えられる。しかし、リチウム−ケイ素合金は、充放電時にリチウムとの結合・解離がなされる際に膨張収縮し、充放電を繰り返すたびに微粉化し、電池のサイクル寿命を極めて劣化させてしまう。
【０００６】
そこで、リチウムとの可逆的な結合・解離に関与しない元素を、リチウムとの可逆的な結合・解離をなし得る金属もしくは半金属と複合化もしくは化合させることによりサイクル寿命を改善する検討がされてきた。例えば、Ｌｉ_ａＳｉＯ_ｂ（ａ≧０，０＜ｂ＜２）（特許文献２参照）、Ｌｉ_ｃＳｉ_１−ｄＭ_ｄＯ_ｅ（ｃ≧０，０＜ｄ＜１，０＜ｅ＜２）（特許文献３参照）が提案されている。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第４９５０５６６号明細書
【特許文献２】
特開平６−３２５７６５号公報
【特許文献３】
特開平７−２３０８００号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの負極材料もサイクル寿命は不十分で、高容量という利点を活かしきれていないのが実状である。
【０００９】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、サイクル寿命が長い負極材料およびそれを用いた電池を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による第１の負極材料は、ケイ素（Ｓｉ）と、銅（Ｃｕ），ニッケル（Ｎｉ）およびコバルト（Ｃｏ）からなる群のうちの少なくとも１種の金属元素とを構成元素として含むケイ素合金よりなるものであって、ケイ素合金は、単ロール法またはアトマイズ法により合成されたものである。
【００１１】
本発明による第２の負極材料は、ケイ素と、銅，ニッケルおよびコバルトからなる群のうちの少なくとも１種の金属元素とを構成元素として含むケイ素合金よりなるものであって、ケイ素と上記金属元素とを構成元素として含む金属間化合物相と、ケイ素の相とを含む共晶相と、この共晶相に分散されたケイ素の初晶相とを有するものである。
【００１２】
本発明による第１の電池は、正極および負極と共に電解質を備えたものであって、負極は、ケイ素と、銅，ニッケルおよびコバルトからなる群のうちの少なくとも１種の金属元素とを構成元素として含むケイ素合金を含み、このケイ素合金は、単ロール法またはアトマイズ法により合成されたものである。
【００１３】
本発明による第２の電池は、正極および負極と共に電解質を備えたものであって、負極は、ケイ素と、銅，ニッケルおよびコバルトからなる群のうちの少なくとも１種の金属元素とを構成元素として含むケイ素合金を含み、ケイ素と上記金属元素とを構成元素として含む金属間化合物相と、ケイ素の相とを含む共晶相と、この共晶相に分散されたケイ素の初晶相とを有するものである。
【００１４】
本発明による第１の負極材料および第１の電池では、ケイ素と、銅，ニッケルおよびコバルトからなる群のうちの少なくとも１種の金属元素とを構成元素として含み、かつ単ロール法またはアトマイズ法により合成されたケイ素合金を含んでいるので、また、本発明による第２の負極材料および第２の電池では、ケイ素と上記金属元素とを構成元素として含む金属間化合物相と、ケイ素の相とを含む共晶相と、この共晶相に分散されたケイ素の初晶相とを有するケイ素合金を含んでいるので、長サイクル寿命が確保される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
本発明の一実施の形態に係る負極材料は、例えば、ケイ素と、銅，ニッケルおよびコバルトのいずれか１種または２種以上の金属元素とを含有するケイ素合金粉末により構成されている。このケイ素合金粉末は、負極活物質として機能するものであり、例えば、後述するように、単ロール法またはアトマイズ法により合成されたものである。
【００１７】
図１は、そのケイ素合金粉末の断面組織を模式的に表している。このケイ素合金粉末は、共晶相１１と、共晶相１１に分散して存在する初晶相１２とを有しており、形状は、図示しないが単ロール法により合成した場合は例えば鱗片状であり、アトマイズ法により合成した場合は例えば球形状である。共晶相１１は、ケイ素と上記金属元素とを構成元素として含む金属間化合物相１１Ａと、ケイ素の相１１Ｂ（以下、ケイ素の共晶による相１１Ｂという。）とを含んで構成されている。初晶相１２はケイ素の相である。これにより、このケイ素合金粉末は、初晶相１２により高いエネルギー密度を得ることができ、また、共晶相１１によりリチウムイオンなどの吸蔵・放出による体積変化に基づく微粉化を抑制することができるようになっていると考えられる。
【００１８】
金属間化合物相１１Ａには、銅が含まれていることが好ましい。サイクル寿命をより長くすることができるからである。なお、金属間化合物としては、例えば、ケイ素合金がケイ素と銅とを含む場合、Ｃｕ_３Ｓｉが挙げられる。
【００１９】
このケイ素合金粉末におけるケイ素の含有率は２２質量％以上であることが好ましい。高エネルギー密度を得ることができるからである。また、ケイ素合金粉末におけるケイ素の含有率は６０質量％以下であることが好ましい。サイクル寿命をより長くすることができるからである。
【００２０】
このケイ素合金粉末は、また、ケイ素および上記金属元素以外の他の元素を含んでいてもよい。他の元素としては、例えば、上記金属元素を除くチタン（Ｔｉ），バナジウム（Ｖ），クロム（Ｃｒ），マンガン（Ｍｎ），鉄（Ｆｅ），亜鉛（Ｚｎ），ジルコニウム（Ｚｒ），モリブデン（Ｍｏ）あるいはタングステン（Ｗ）などの長周期型周期表における３〜１２族の元素、マグネシウム（Ｍｇ），カルシウム（Ｃａ）あるいはバリウム（Ｂａ）などの長周期型周期表における２族の元素、ホウ素（Ｂ），アルミニウム（Ａｌ）あるいはインジウム（Ｉｎ）などの長周期型周期表における１３族の元素、ケイ素を除く炭素（Ｃ），ゲルマニウム（Ｇｅ），スズ（Ｓｎ）あるいは鉛（Ｐｂ）などの長周期型周期表における１４族の元素が挙げられるが、これらに限られるものではない。
【００２１】
この負極材料は、例えば、次のように単ロール法またはアトマイズ法を用いて製造することができる。
【００２２】
単ロール法により製造する場合には、まず、例えば、ケイ素合金の原料インゴットを所定の比で混合し、それを減圧アルゴンガス雰囲気中において高周波誘導加熱により溶解させたのち、回転するロールに噴射させ、ケイ素合金の薄片を得る。次いで、ケイ素合金の薄片を粉砕したのち、必要に応じて分級する。
【００２３】
また、アトマイズ法により製造する場合には、まず、例えば、ケイ素合金の原料インゴットを所定の比で混合し、それを減圧アルゴンガス雰囲気下において高周波誘導加熱により溶解させ溶湯を得る。次いで、この溶湯を減圧アルゴンガス雰囲気下のタンクに噴射する一方、噴霧中の試料に向けてアルゴンガスを噴出して、ケイ素合金粉末を得る。そののち、必要に応じて分級する。なお、アトマイズ法としては、ここで説明したガスアトマイズ法に限られるものではない。
【００２４】
この負極材料は例えば次のようにして電池に用いられる。
【００２５】
図２は、本実施の形態に係る負極材料を用いた二次電池の断面構造を表すものである。この二次電池はいわゆるコイン型といわれるものであり、正極缶２１内に収容された円板状の正極２２と負極缶２３内に収容された円板状の負極２４とが、セパレータ２５を介して積層されたものである。正極缶２１および負極缶２３の周縁部は絶縁性のガスケット２６を介してかしめることにより密閉されている。正極缶２１および負極缶２３は、例えば、ステンレスあるいはアルミニウムなどの金属によりそれぞれ構成されている。
【００２６】
正極２２は、例えば、正極集電体２２Ａと、正極集電体２２Ａに設けられた正極合剤層２２Ｂとを有している。正極集電体２２Ａは、例えば、アルミニウム箔，ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。正極合剤層２２Ｂは、例えば、正極活物質として、リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料のいずれか１種または２種以上を含んでおり、必要に応じて導電材および結着材を含んでいてもよい。リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料としては、例えば、硫化チタン（ＴｉＳ_２），硫化モリブデン（ＭｏＳ_２），セレン化ニオブ（ＮｂＳｅ_２）あるいは酸化バナジウム（Ｖ_２Ｏ_５）などのリチウムを含有しない金属硫化物あるいは金属酸化物など、またはリチウムを含有するリチウム複合酸化物、またはポリアセチレンあるいはポリピロールなどの高分子化合物が挙げられる。
【００２７】
中でも、リチウム複合酸化物は、高電圧および高エネルギー密度を得ることができるものがあるので好ましい。このようなリチウム複合酸化物としては、例えば、化学式Ｌｉ_ｘＭＩＯ_２あるいはＬｉ_ｙＭＩＩＰＯ_４で表されるものが挙げられる。式中、ＭＩおよびＭＩＩは１種類以上の遷移金属を表し、特にコバルト，ニッケルおよびマンガンのうちの少なくとも１種を含むことが好ましい。ｘおよびｙの値は電池の充放電状態によって異なり、通常、０．０５≦ｘ≦１．１０、０．０５≦ｙ≦１．１０である。化学式Ｌｉ_ｘＭＩＯ_２で表されるリチウム複合酸化物の具体例としては、リチウムコバルト複合酸化物（ＬｉＣｏＯ_２）、リチウムニッケル複合酸化物（ＬｉＮｉＯ_２）、リチウムニッケルコバルト複合酸化物（ＬｉＮｉ_ｚＣｏ_１−ｚＯ_２（０＜ｚ＜１））、あるいはリチウムマンガン複合酸化物（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）などが挙げられる。
【００２８】
負極２４は、例えば、負極集電体２４Ａと、負極集電体２４Ａに設けられた負極合剤層２４Ｂとを有している。負極集電体２４Ａは、例えば、銅箔，ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。
【００２９】
負極合剤層２４Ｂは、例えば、本実施の形態に係る負極材料を含んでおり、必要に応じてポリフッ化ビニリデンなどの結着材と共に構成されている。また、本実施の形態に係る負極材料に加えての他の負極活物質、または導電材などの他の材料を含んでいてもよい。他の負極活物質としては、リチウムを吸蔵および放出することが可能な炭素質材料，金属酸化物あるいは高分子化合物などが挙げられる。炭素質材料としては、例えば、難黒鉛化性炭素，人造黒鉛，天然黒鉛，熱分解炭素類，コークス類，グラファイト類，ガラス状炭素類，有機高分子化合物焼成体，炭素繊維，活性炭あるいはカーボンブラック類が挙げられる。このうち、コークス類には、ピッチコークス，ニードルコークスあるいは石油コークスなどがあり、有機高分子化合物焼成体というのは、フェノール樹脂やフラン樹脂などの高分子化合物を適当な温度で焼成して炭素化したものをいう。また、金属酸化物としては酸化スズ（ＳｎＯ_２）などが挙げられ、高分子化合物としては、ポリアセチレン，ポリパラフェニレンあるいはポリチオフェンが挙げられる。
【００３０】
セパレータ２５は、正極２２と負極２４とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。このセパレータ２５は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどよりなる合成樹脂製の多孔質膜、またはセラミック製の不織布などの無機材料よりなる多孔質膜により構成されており、これらの２種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。
【００３１】
セパレータ２５には、液状の電解質である電解液が含浸されている。電解液は、溶媒と、溶媒に溶解された電解質塩であるリチウム塩とを含んでいる。溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、アニソール、酢酸エステル、酪酸エステルあるいはプロピオン酸エステルが挙げられる。溶媒は、いずれか１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。
【００３２】
リチウム塩としては、例えば、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６），過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ_４），六フッ化ヒ酸リチウム（ＬｉＡｓＦ_６），四フッ化ホウ素リチウム（ＬｉＢＦ_４），トリフルオロメタンスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３）あるいはビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドリチウム（ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２）が挙げられる。リチウム塩は、いずれか１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。
【００３３】
この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極２２からリチウムイオンが放出され、電解液を介して負極２４に吸蔵される。放電を行うと、例えば、負極２４からリチウムイオンが放出され、電解液を介して正極２２に吸蔵される。ここでは、負極２４が、本実施の形態に係る負極材料を含んでいるので、負極材料の微粉化が抑制され、サイクル寿命が長くなる。
【００３４】
この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。
【００３５】
まず、例えば、正極材料と必要に応じて導電材および結着材とを混合して正極合剤を調製し、Ｎ−メチル−２−ピロリドンなどの分散媒に分散させて正極合剤スラリーを作製する。次いで、この正極合剤スラリーを正極集電体２２Ａに塗布し乾燥させ圧縮成型して正極合剤層２２Ｂを形成し、正極２２を作製する。
【００３６】
また、例えば、本実施の形態に係る負極材料と必要に応じて結着材とを混合して負極合剤を調製し、Ｎ−メチル−２−ピロリドンなどの分散媒に分散させて負極合剤スラリーを作製する。次いで、この負極合剤スラリーを負極集電体２４Ａに塗布し乾燥させ圧縮成型して負極合剤層２４Ｂを形成し、負極２４を作製する。
【００３７】
そののち、例えば、負極２４、電解液が含浸されたセパレータ２５および正極２２を積層して、負極缶２３と正極缶２１との中に入れ、それらをかしめる。これにより、図２に示した二次電池が完成する。
【００３８】
このように本実施の形態では、ケイ素と上記金属元素とを含有し、かつ単ロール法またはアトマイズ法により合成されたケイ素合金粉末を含むように、または、共晶相１１と共晶相１１に分散された初晶相１２とを含むようにしたので、サイクル寿命を延長することができる。
【００３９】
特に、ケイ素合金粉末におけるケイ素の含有率を２２質量％以上とすれば、エネルギー密度を向上させることもできる。また、ケイ素合金粉末におけるケイ素の含有率を６０質量％以下とするように、または、上記金属元素として銅を含むようにすれば、サイクル寿命をより長くすることができる。
【００４０】
【実施例】
更に、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。
【００４１】
（実施例１−１〜１−１３）
実施例１−１〜１−１０として、次のようにして単ロール法によりケイ素および銅よりなるケイ素合金粉末を合成し、負極材料を作製した。まず、ケイ素合金粉末の原料インゴットを所定の比で混合したものを石英ノズルに投入し、液体急冷凝固装置内部を減圧アルゴンガス雰囲気として、高周波誘導加熱により溶解させたのち、周速度３５ｍ／ｓで回転する銅ロールに噴射させることによりケイ素合金薄片を得た。次いで、ケイ素合金薄片を粉砕したのち、５０μｍのふるいを通し得られたケイ素合金粉末を負極材料とした。ケイ素合金粉末におけるケイ素および銅のそれぞれの含有率は実施例１−１〜１−１０で表１に示したように変化させた。
【００４２】
【表１】

【００４３】
合成した実施例１−１〜１−１０のケイ素合金粉末について微細構造を観察すると共に同定を行った。その結果、実施例１−１〜１−１０のケイ素合金のいずれも、鱗片状であり、また、粒子内に共晶相１１と初晶相１２とが観察された。代表して実施例１−８のケイ素合金粉末の走査型イオン顕微鏡（ＳＩＭ；ＳｃａｎｎｉｎｇＩｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真を図３に示すと共に、図４にこのケイ素合金粉末の断面組織を表すＳＩＭ写真を示す。なお、図４において、白色および灰色の部分が金属間化合物相１１Ａであり、小さな黒色部分がケイ素の共晶による相１１Ｂであり、大きな黒色部分が初晶相１２である。
【００４４】
また、実施例１−１１〜１−１３として、次のようにしてガスアトマイズ法によりケイ素および銅よりなるケイ素合金粉末を合成し、負極材料を作製した。まず、原料インゴットを所定の比で混合したものを高周波誘導加熱炉に投入し、減圧アルゴンガス雰囲気として、高周波誘導加熱により溶解させた。次いで、この溶湯を減圧アルゴンガス雰囲気下のタンクに噴射する一方、噴霧中の試料に向けてアルゴンガスを噴出した。次いで、５０μｍのふるいを通して得られたケイ素合金粉末を負極材料とした。ケイ素合金粉末におけるケイ素および銅のそれぞれの含有率は実施例１−１１〜１−１３で表１に示したように変化させた。
【００４５】
合成した実施例１−１１〜１−１３のケイ素合金粉末について微細構造を観察すると共に同定を行った。その結果、実施例１−１１〜１−１３のケイ素合金粉末のいずれも、球形状であり、また、粒子内に共晶相１１と初晶相１２とが観察された。代表して実施例１−１２のケイ素合金粉末の断面組織を表すＳＩＭ写真を図５に示す。なお、図５において、白色および灰色の部分が金属間化合物相１１Ａであり、小さな黒色部分がケイ素の共晶による相１１Ｂであり、大きな黒色部分が初晶相１２である。
【００４６】
更に、実施例１−１〜１−１３に対する比較例１−１〜１−４として、次のようにして、メカニカルアロイング法によりケイ素および銅よりなるケイ素合金粉末を合成し、負極材料を作製した。まず、ケイ素合金粉末の原料粉末を所定の比で混合し、この混合物とステンレス製ボールとをステンレス製ポットに投入したのち、ポット内部をアルゴンガス雰囲気として、遊星型ボールミルを用いたメカニカルアロイング法によりケイ素合金粉末を合成した。そののち、ケイ素合金粉末を５０μｍのふるいを通し、得られた粉末を負極材料とした。ケイ素合金粉末におけるケイ素および銅のそれぞれの含有率は比較例１−１〜１−４で表１に示したように変化させた。
【００４７】
合成した比較例１−１〜１−４のケイ素合金粉末について微細構造を観察すると共に同定を行った。その結果、比較例１−１〜１−４のケイ素合金のいずれも、不定形であり、粒子内には、Ｃｕ_３Ｓｉよりなる相と、この相に分散して存在するケイ素の相が観察された。代表して比較例１−２のケイ素合金粉末の断面組織を表すＳＩＭ写真を図６に示す。なお、図６において、白色および灰色部分がＣｕ_３Ｓｉよりなる相であり、黒色部分がケイ素の相である。
【００４８】
更に、得られた実施例１−１〜１−１３および比較例１−１〜１−４の負極材料を用いて図７に示したようなコイン型の試験セルを作製して充放電特性を評価し、負極材料のリチウム吸蔵・放出能力を調べた。この試験セルは、負極２４を正極缶２１側に配置すると共に、金属リチウム板３１を負極缶２３側に配置したことを除き、他は図２に示したコイン型の二次電池と同様の構成を有している。よって、図７においては、図２と同一の構成要素には同一の符号を付している。
【００４９】
負極２４は次のようにして作製した。まず、得られた負極材料４５質量部と、導電材および負極活物質である鱗片状黒鉛４５質量部と、結着材であるポリフッ化ビニリデン１０質量部とを混合して負極合剤を調製し、Ｎ−メチル−２−ピロリドンに分散させて負極合剤スラリーを作製した。次いで、この負極合剤スラリーを厚み１５μｍの圧延銅箔よりなる負極集電体２４Ａの片面に塗布し９０℃で乾燥させたのち、一定圧力で圧縮成型した。これを直径１５ｍｍの円形に打ち抜いた。セパレータ２５には直径１７ｍｍ、厚み２５μｍの微多孔性ポリエチレンフィルムを用いた。電解液には、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとの等体積混合溶媒に、電解質塩である六フッ化リン酸リチウムを溶解させ、電解質塩の濃度を１ｍｏｌ／ｌとしたものを用いた。電解液の注入量は８０μｌとした。試験セルの大きさは、直径２０ｍｍ、高さ１．６ｍｍとした。
【００５０】
充放電特性は次のようにして評価した。まず、充放電装置の正極端子を正極缶２１側に、負極端子を負極缶２３側に接続し、室温（２０℃）で試験セルの電圧が０Ｖに達するまで１ｍＡの定電流で放電を行い、０Ｖに達した後は同電圧を保つように次第に電流を減少させながら放電を行った。そして、電流値が１０μＡに達した時点で放電を終了した。続いて３０分の開路時間の後、１ｍＡの定電流で充電を行い、１．５Ｖに達した時点で充電を終了した。更に、３０分の開路時間の後、上述と同じ条件で、放電および充電のサイクルを初回のサイクルも含めて５０回繰り返した。
【００５１】
なお、本評価においては、正極缶２１側に配置された負極２４にリチウムを吸蔵する過程、つまり本試験セルの放電過程を経て観測された容量を負極２４の充電容量と呼ぶ。逆に正極缶２１側に配置された負極２４からリチウムが脱離する過程、つまり本試験セルの充電過程を経て観測された容量を負極２４の放電容量と呼ぶ。表１に実施例１−１〜１３および比較例１−１〜１−４の負極活物質当たりの初回充電容量，初回放電容量およびサイクル維持率を示す。また、図８に実施例１−１〜１−１３のケイ素の含有率と、負極活物質当たりの初回放電容量およびサイクル維持率との関係を示す。
【００５２】
なお、負極活物質当たりの充放電容量は、負極２４の充放電容量を、負極合剤のうちのポリフッ化ビニリデンを除くケイ素合金粉末よりなる負極材料と鱗片状黒鉛との合計の重量当たりに換算することにより求めた。また、サイクル維持率は初回放電容量と５０サイクル時点での放電容量の比、すなわち、（５０サイクル時点での放電容量／初回放電容量）×１００として算出した。
【００５３】
表１の実施例１−３，１−８〜１−１３および比較例１−１〜１−４を比較すると分かるように、実施例１−３，１−８〜１−１３によれば、同じ組成を有する比較例１−１〜１−４に比べて、サイクル維持率について高い値を得ることができた。すなわち、単ロール法またはガスアトマイズ法により合成したケイ素合金を用いるように、または、共晶相１１と共晶相１１に分散された初晶相１２とを有するケイ素合金を用いるようにすれば、サイクル寿命を長くすることができることが分かった。
【００５４】
また、実施例１−１〜１−１３の比較および図８から分かるように、ケイ素の含有率が２２質量％以上の実施例１−１〜１−９，１−１１〜１−１３によれば、初回放電容量を４００ｍＡｈ／ｇ以上とすることができた。更に、ケイ素の含有率が６０質量％以下の実施例１−２〜１−１３によれば、サイクル維持率を７９％以上とすることができた。すなわち、ケイ素合金粉末におけるケイ素の含有率を２２質量％以上とすれば、高エネルギー密度を得ることもでき、６０質量％以下とすればサイクル寿命をより長くすることができることが分かった。
【００５５】
（実施例２−１〜２−３）
実施例１−１〜１−１０と同様の単ロール法によりケイ素とニッケルまたはコバルトとよりなるケイ素合金粉末を合成し、負極材料を作製した。ケイ素合金粉末におけるケイ素，ニッケルおよびコバルトのそれぞれの含有率は実施例２−１〜２−３で表２に示したように変化させた。
【００５６】
【表２】

【００５７】
合成した実施例２−１〜２−３のケイ素合金粉末について微細構造を観察すると共に同定を行った。その結果、実施例２−１〜２−３のケイ素合金粉末はいずれも鱗片状であり、また、粒子内に共晶相１１と共晶相１１に分散して存在する初晶相１２とが観察された。
【００５８】
更に、得られた実施例２−１〜２−３の負極材料を用いて、実施例１−１〜１−１３と同様に、図７に示したコイン型の試験セルを作製して充放電特性を評価した。表２に実施例２−１〜２−３の負極活物質当たりの初回充電容量，初回放電容量およびサイクル維持率を示す。
【００５９】
表２から分かるように、実施例２−１〜２−３によれば、初回放電容量を４００ｍＡｈ／ｇ以上、サイクル維持率を７０％以上と、初回放電容量およびサイクル維持率の両方について良好な値を得ることができた。すなわち、ケイ素と，ニッケルまたはコバルトとを構成元素として含むケイ素合金粉末についても、単ロール法により合成するようにすれば、高エネルギー密度を得ることができると共に、長サイクル寿命を確保することができることが分かった。
【００６０】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態および実施例では、液状の電解質である電解液を用いる場合について説明したが、電解液に代えて、他の電解質を用いるようにしてもよい。他の電解質としては、例えば、電解液を高分子化合物に保持させたゲル状の電解質、イオン伝導性を有する固体電解質、固体電解質と電解液とを混合したもの、あるいは固体電解質とゲル状の電解質とを混合したものが挙げられる。
【００６１】
なお、ゲル状の電解質には電解液を吸収してゲル化するものであれば種々の高分子化合物を用いることができる。そのような高分子化合物としては、例えば、ポリフッ化ビニリデンあるいはフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体などのフッ素系高分子化合物、ポリエチレンオキサイドあるいはポリエチレンオキサイドを含む架橋体などのエーテル系高分子化合物、またはポリアクリロニトリルなどが挙げられる。特に、酸化還元安定性の点からは、フッ素系高分子化合物が望ましい。
【００６２】
固体電解質には、例えば、イオン伝導性を有する高分子化合物に電解質塩を分散させた高分子固体電解質、またはイオン伝導性ガラスあるいはイオン性結晶などよりなる無機固体電解質を用いることができる。高分子固体電解質の高分子化合物としては、例えば、ポリエチレンオキサイドあるいはポリエチレンオキサイドを含む架橋体などのエーテル系高分子化合物、ポリメタクリレートなどのエステル系高分子化合物、アクリレート系高分子化合物を単独あるいは混合して、または共重合させて用いることができる。また、無機固体電解質としては、窒化リチウムあるいはヨウ化リチウムなどを用いることができる。
【００６３】
また、上記実施の形態および実施例では、コイン型の二次電池を具体的に挙げて説明したが、本発明は、円筒型、ボタン型、角型あるいはラミネートフィルムなどの外装部材を用いた他の形状を有する二次電池、または巻回構造などの他の構造を有する二次電池についても同様に適用することができる。更に、上記実施の形態および実施例では、二次電池について説明したが、一次電池などの他の電池についても同様に適用することができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明による第１の負極材料および第１の電池では、ケイ素と所定の金属元素とを構成元素として含み、かつ単ロール法またはアトマイズ法により合成されたケイ素合金を含むようにしたので、また、本発明による第２の負極材料および第２の電池では、ケイ素と所定の金属元素とを構成元素として含む金属間化合物相と、ケイ素の相とを含む共晶相と、この共晶相に分散されたケイ素の初晶相とを有するケイ素合金を含むようにしたので、サイクル寿命を延長することができる。
【００６５】
特に、ケイ素合金におけるケイ素の含有率を２２質量％以上６０質量％以下とするように、または、上記金属元素として銅を含むようにすれば、より高い効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るケイ素合金粉末の組織を模式的に表す断面図である。
【図２】図１に示したケイ素合金粉末を含む負極材料を用いた二次電池の構成を表す断面図である。
【図３】本発明の実施例１−８に係るケイ素合金粉末を表すＳＩＭ写真である。
【図４】図３に示したケイ素合金粉末の断面組織を表すＳＩＭ写真である。
【図５】本発明の実施例１−１２に係るケイ素合金粉末の断面組織を表すＳＩＭ写真である。
【図６】比較例１−２に係るケイ素合金粉末の断面組織を表すＳＩＭ写真である。
【図７】本発明の実施例において作製した試験セルの構成を表す断面図である。
【図８】本発明の実施例１−１〜１−１３に係るケイ素の含有率と、負極活物質当たりの初回放電容量およびサイクル維持率との関係を表す特性図である。
【符号の説明】
１１…共晶相、１１Ａ…金属間化合物相、１１Ｂ…相（ケイ素の共晶による相）、１２…初晶相、２１…正極缶、２２…正極、２２Ａ…正極集電体、２２Ｂ…正極合剤層、２３…負極缶、２４…負極、２４Ａ…負極集電体、２４Ｂ…負極合剤層、２５…セパレータ、２６…ガスケット、３１…金属リチウム板。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a negative electrode material made of a silicon alloy and a battery using the same.
[0002]
[Prior art]
With the recent miniaturization of portable electronic devices, development of secondary batteries having a high energy density as power sources has been required. In order to meet this demand, research and development of lithium secondary batteries using lithium metal which can theoretically generate a high voltage and have a high energy density as a negative electrode active material have been actively performed. However, the lithium secondary battery has a problem that the cycle life is short because lithium (Li) is dendrite deposited on the negative electrode during charging and this lithium is inactivated or causes an internal short circuit.
[0003]
As a battery for improving cycle life, a lithium ion secondary battery has been commercialized. As the negative electrode material, a graphite material utilizing an intercalation reaction of lithium between graphite layers or a carbonaceous material utilizing a function of inserting and extracting lithium into pores is used. Therefore, the lithium ion secondary battery has the advantage that lithium does not precipitate in dendrites and the cycle life is long. However, the theoretical capacity of the graphite material utilizing the lithium intercalation reaction between the graphite layers is the composition C of the first-stage graphite interlayer compound. ₆ As defined by Li, there is an upper limit of 372 mAh / g. On the other hand, a certain low-temperature fired carbonaceous material is known to exhibit a discharge capacity exceeding 1000 mAh / g. However, since lithium metal has a large capacity at a noble potential of 0.8 V or more, the metal has a large capacity. When a battery is formed using an oxide or the like for the positive electrode, there is a problem that the discharge voltage is lowered. In addition, it is industrially difficult to control the fine pore structure of the carbonaceous material, and when the number of pores is increased, the specific gravity of the carbonaceous material is reduced. It cannot be an effective means for improving the battery capacity per unit.
[0004]
For these reasons, it is considered difficult for current graphite or carbonaceous materials to cope with a further increase in the energy density of power supplies for portable electronic devices in the future, and they have better lithium storage / release capabilities. The development of a negative electrode material is desired.
[0005]
Under such circumstances, as a negative electrode material capable of realizing higher capacity, among certain metals or metalloids, a material capable of electrochemically and reversibly binding and dissociating with lithium has been widely studied. As one example, a silicon alloy has been reported (for example, see Patent Document 1). Silicon has a capacity of more than 4000 mAh / g at a noble potential of less than 0.5 V versus lithium metal. From such characteristics, it is considered that the silicon alloy can be applied to increase the energy density of a lithium ion secondary battery. However, the lithium-silicon alloy expands and contracts when it is bonded to and dissociated from lithium during charge and discharge, and is pulverized every time charge and discharge are repeated, which significantly deteriorates the cycle life of the battery.
[0006]
Therefore, it has been studied to improve the cycle life by combining or combining an element not involved in reversible binding / dissociation with lithium with a metal or metalloid capable of reversibly binding / dissociating with lithium. Was. For example, Li _a SiO _b (A ≧ 0, 0 <b <2) (see Patent Document 2), Li _c Si _1-d M _d O _e (C ≧ 0, 0 <d <1, 0 <e <2) (see Patent Document 3).
[0007]
[Patent Document 1]
U.S. Pat. No. 4,950,566
[Patent Document 2]
JP-A-6-325765
[Patent Document 3]
JP-A-7-230800
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, these negative electrode materials also have inadequate cycle life and do not fully utilize the advantage of high capacity.
[0009]
The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a negative electrode material having a long cycle life and a battery using the same.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
A first negative electrode material according to the present invention is a silicon alloy containing silicon (Si) and at least one metal element selected from the group consisting of copper (Cu), nickel (Ni) and cobalt (Co) as constituent elements. The silicon alloy is synthesized by a single roll method or an atomizing method.
[0011]
A second negative electrode material according to the present invention comprises a silicon alloy containing silicon and at least one metal element selected from the group consisting of copper, nickel and cobalt as constituent elements, wherein silicon and the metal element And a eutectic phase including a silicon phase and a primary crystal phase of silicon dispersed in the eutectic phase.
[0012]
A first battery according to the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte. The negative electrode includes silicon and at least one metal element selected from the group consisting of copper, nickel, and cobalt as constituent elements. Containing silicon alloy, which is synthesized by a single roll method or an atomizing method.
[0013]
A second battery according to the present invention includes an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode, and the negative electrode includes silicon and at least one metal element selected from the group consisting of copper, nickel, and cobalt as constituent elements. Including a silicon alloy including, an intermetallic compound phase including silicon and the metal element as constituent elements, a eutectic phase including a silicon phase, and a primary crystal phase of silicon dispersed in the eutectic phase Things.
[0014]
The first negative electrode material and the first battery according to the present invention include silicon and at least one metal element from the group consisting of copper, nickel, and cobalt as constituent elements, and are formed by a single roll method or an atomizing method. Since the second negative electrode material and the second battery according to the present invention include the synthesized silicon alloy, the second negative electrode material and the second battery include an intermetallic compound phase containing silicon and the metal element as constituent elements, and a silicon phase. Since it contains a silicon alloy having a eutectic phase and a primary crystal phase of silicon dispersed in the eutectic phase, a long cycle life is ensured.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0016]
The negative electrode material according to one embodiment of the present invention is made of, for example, a silicon alloy powder containing silicon and one or more metal elements of copper, nickel, and cobalt. The silicon alloy powder functions as a negative electrode active material, and is synthesized by, for example, a single roll method or an atomizing method, as described later.
[0017]
FIG. 1 schematically shows a cross-sectional structure of the silicon alloy powder. The silicon alloy powder has a eutectic phase 11 and a primary crystal phase 12 dispersed and existing in the eutectic phase 11, and the shape is not shown, but when synthesized by a single roll method, for example, scale-like When synthesized by the atomizing method, the shape is, for example, a spherical shape. The eutectic phase 11 is configured to include an intermetallic compound phase 11A containing silicon and the above-mentioned metal element as constituent elements, and a silicon phase 11B (hereinafter, referred to as a eutectic phase 11B of silicon). The primary crystal phase 12 is a silicon phase. Thereby, in the silicon alloy powder, a higher energy density can be obtained by the primary crystal phase 12, and the eutectic phase 11 can suppress pulverization based on a volume change due to occlusion and release of lithium ions and the like. It is thought that it has become.
[0018]
It is preferable that the intermetallic compound phase 11A contains copper. This is because the cycle life can be further extended. In addition, as the intermetallic compound, for example, when the silicon alloy contains silicon and copper, Cu ₃ Si.
[0019]
The silicon content in the silicon alloy powder is preferably 22% by mass or more. This is because a high energy density can be obtained. Further, the silicon content in the silicon alloy powder is preferably 60% by mass or less. This is because the cycle life can be further extended.
[0020]
This silicon alloy powder may also contain other elements other than silicon and the above metal elements. As other elements, for example, titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), zinc (Zn), zirconium (Zr), molybdenum ( An element of group 3-12 in the long-period table such as Mo) or tungsten (W); an element of group 2 in the long-period table such as magnesium (Mg), calcium (Ca) or barium (Ba); boron (B), elements of group 13 in the long-period periodic table such as aluminum (Al) or indium (In), carbon (C) excluding silicon, germanium (Ge), tin (Sn) or lead (Pb). Examples include, but are not limited to, elements of Group 14 of the Long Periodic Table.
[0021]
This negative electrode material can be manufactured using, for example, a single roll method or an atomizing method as follows.
[0022]
In the case of manufacturing by a single roll method, first, for example, a raw material ingot of a silicon alloy is mixed at a predetermined ratio, melted by high frequency induction heating in a reduced pressure argon gas atmosphere, and then sprayed on a rotating roll. To obtain silicon alloy flakes. Next, the flakes of the silicon alloy are pulverized and then classified if necessary.
[0023]
In the case of manufacturing by the atomization method, first, for example, a raw material ingot of a silicon alloy is mixed at a predetermined ratio, and the mixture is melted by high-frequency induction heating under a reduced-pressure argon gas atmosphere to obtain a molten metal. Next, the molten metal is injected into a tank under a reduced-pressure argon gas atmosphere, while an argon gas is injected toward the sample being sprayed to obtain a silicon alloy powder. After that, classify as necessary. Note that the atomizing method is not limited to the gas atomizing method described here.
[0024]
This negative electrode material is used for a battery as follows, for example.
[0025]
FIG. 2 illustrates a cross-sectional structure of a secondary battery using the negative electrode material according to the present embodiment. This secondary battery is a so-called coin type. A disc-shaped positive electrode 22 accommodated in a positive electrode can 21 and a disc-shaped negative electrode 24 accommodated in a negative electrode can 23 are interposed with a separator 25 interposed therebetween. Are stacked. The peripheral portions of the positive electrode can 21 and the negative electrode can 23 are hermetically sealed by caulking via an insulating gasket 26. The positive electrode can 21 and the negative electrode can 23 are made of, for example, a metal such as stainless steel or aluminum.
[0026]
The positive electrode 22 has, for example, a positive electrode current collector 22A and a positive electrode mixture layer 22B provided on the positive electrode current collector 22A. The positive electrode current collector 22A is made of, for example, a metal foil such as an aluminum foil, a nickel foil, or a stainless steel foil. The positive electrode mixture layer 22B includes, for example, one or more of positive electrode materials capable of inserting and extracting lithium as a positive electrode active material, and a conductive material and a binder as necessary. May be included. As a positive electrode material capable of inserting and extracting lithium, for example, titanium sulfide (TiS ₂ ), Molybdenum sulfide (MoS ₂ ), Niobium selenide (NbSe ₂ ) Or vanadium oxide (V ₂ O ₅ ), A lithium-free metal sulfide or metal oxide, a lithium-containing lithium composite oxide, or a high molecular compound such as polyacetylene or polypyrrole.
[0027]
Among them, lithium composite oxides are preferable because some of them can obtain high voltage and high energy density. As such a lithium composite oxide, for example, the chemical formula Li _x MIO ₂ Or Li _y MIIPO ₄ Are represented. In the formula, MI and MII represent one or more transition metals, and particularly preferably contain at least one of cobalt, nickel and manganese. The values of x and y differ depending on the charge / discharge state of the battery, and are usually 0.05 ≦ x ≦ 1.10 and 0.05 ≦ y ≦ 1.10. Chemical formula Li _x MIO ₂ As a specific example of the lithium composite oxide represented by the formula, lithium cobalt composite oxide (LiCoO ₂ ), Lithium nickel composite oxide (LiNiO) ₂ ), Lithium nickel cobalt composite oxide (LiNi _z Co _1-z O ₂ (0 <z <1)) or lithium manganese composite oxide (LiMn ₂ O ₄ ).
[0028]
The negative electrode 24 has, for example, a negative electrode current collector 24A and a negative electrode mixture layer 24B provided on the negative electrode current collector 24A. The negative electrode current collector 24A is made of, for example, a metal foil such as a copper foil, a nickel foil, or a stainless steel foil.
[0029]
The negative electrode mixture layer 24B includes, for example, the negative electrode material according to the present embodiment, and is formed with a binder such as polyvinylidene fluoride as necessary. Further, in addition to the negative electrode material according to this embodiment, another material such as another negative electrode active material or a conductive material may be included. Other negative electrode active materials include carbonaceous materials, metal oxides, and high molecular compounds capable of inserting and extracting lithium. Examples of the carbonaceous material include non-graphitizable carbon, artificial graphite, natural graphite, pyrolytic carbons, cokes, graphites, glassy carbons, organic polymer compound fired bodies, carbon fibers, activated carbon and carbon black. And the like. Among them, cokes include pitch coke, needle coke and petroleum coke. The organic polymer compound fired body is obtained by firing a polymer compound such as a phenol resin or a furan resin at an appropriate temperature to carbonize. Means what you do. Further, tin oxide (SnO) is used as the metal oxide. ₂ ), And the high molecular compound includes polyacetylene, polyparaphenylene, and polythiophene.
[0030]
The separator 25 separates the positive electrode 22 and the negative electrode 24, and allows lithium ions to pass therethrough while preventing current short circuit due to contact between the two electrodes. The separator 25 is made of, for example, a porous film made of a synthetic resin such as polytetrafluoroethylene, polypropylene, or polyethylene, or a porous film made of an inorganic material such as a nonwoven fabric made of ceramic. A structure in which the above porous films are stacked may be employed.
[0031]
The separator 25 is impregnated with an electrolytic solution that is a liquid electrolyte. The electrolytic solution contains a solvent and a lithium salt that is an electrolyte salt dissolved in the solvent. Examples of the solvent include propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolan, 4-methyl-1,3-dioxolan, diethyl ether, sulfolane, methylsulfolane, acetonitrile, propionitrile, anisole, acetate, butyrate or propionate. As the solvent, any one kind may be used alone, or two or more kinds may be used in combination.
[0032]
As the lithium salt, for example, lithium hexafluorophosphate (LiPF ₆ ), Lithium perchlorate (LiClO) ₄ ), Lithium hexafluoroarsenate (LiAsF) ₆ ), Lithium boron tetrafluoride (LiBF ₄ ), Lithium trifluoromethanesulfonate (LiCF ₃ SO ₃ ) Or lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiN (CF ₃ SO ₂ ) ₂ ). As the lithium salt, any one kind may be used alone, or two or more kinds may be used in combination.
[0033]
In this secondary battery, when charged, for example, lithium ions are released from the positive electrode 22 and occluded in the negative electrode 24 via the electrolytic solution. When the discharge is performed, for example, lithium ions are released from the negative electrode 24 and occluded in the positive electrode 22 via the electrolytic solution. Here, since the negative electrode 24 includes the negative electrode material according to the present embodiment, pulverization of the negative electrode material is suppressed, and the cycle life is prolonged.
[0034]
This secondary battery can be manufactured, for example, as follows.
[0035]
First, for example, a positive electrode mixture is prepared by mixing a positive electrode material and a conductive material and a binder as necessary, and dispersed in a dispersion medium such as N-methyl-2-pyrrolidone to prepare a positive electrode mixture slurry. I do. Next, the positive electrode mixture slurry is applied to the positive electrode current collector 22A, dried, and compression molded to form the positive electrode mixture layer 22B, and the positive electrode 22 is manufactured.
[0036]
Further, for example, a negative electrode mixture is prepared by mixing the negative electrode material according to the present embodiment and a binder as needed, and dispersed in a dispersion medium such as N-methyl-2-pyrrolidone to prepare the negative electrode mixture. Make a slurry. Next, the negative electrode mixture slurry is applied to the negative electrode current collector 24A, dried, and compression molded to form the negative electrode mixture layer 24B, and the negative electrode 24 is manufactured.
[0037]
After that, for example, the negative electrode 24, the separator 25 impregnated with the electrolytic solution, and the positive electrode 22 are stacked, placed in the negative electrode can 23 and the positive electrode can 21, and caulked. Thereby, the secondary battery shown in FIG. 2 is completed.
[0038]
As described above, in the present embodiment, the eutectic phase 11 contains silicon and the metal element and contains a silicon alloy powder synthesized by a single roll method or an atomizing method. Since it includes the dispersed primary crystal phase 12, the cycle life can be extended.
[0039]
In particular, when the silicon content in the silicon alloy powder is set to 22% by mass or more, the energy density can be improved. If the silicon content in the silicon alloy powder is set to 60% by mass or less, or copper is contained as the metal element, the cycle life can be further extended.
[0040]
【Example】
Further, specific examples of the present invention will be described in detail.
[0041]
(Examples 1-1 to 1-13)
As Examples 1-1 to 1-10, a silicon alloy powder composed of silicon and copper was synthesized by a single-roll method as described below to produce a negative electrode material. First, a raw material ingot of a silicon alloy powder mixed at a predetermined ratio is put into a quartz nozzle, and the inside of the liquid quenching and solidification apparatus is melted by high-frequency induction heating under a reduced-pressure argon gas atmosphere. Silicon alloy flakes were obtained by spraying onto a rotating copper roll. Next, after crushing the silicon alloy flakes, the silicon alloy powder obtained through a 50 μm sieve was used as a negative electrode material. The respective contents of silicon and copper in the silicon alloy powder were changed as shown in Table 1 in Examples 1-1 to 1-10.
[0042]
[Table 1]

[0043]
The microstructure of the synthesized silicon alloy powders of Examples 1-1 to 1-10 was observed and identified. As a result, each of the silicon alloys of Examples 1-1 to 1-10 was scaly, and eutectic phase 11 and primary crystal phase 12 were observed in the particles. As a representative, a scanning ion microscope (SIM) photograph of the silicon alloy powder of Example 1-8 is shown in FIG. 3, and FIG. 4 is a SIM photograph showing a cross-sectional structure of this silicon alloy powder. In FIG. 4, the white and gray portions are the intermetallic compound phase 11A, the small black portion is the phase 11B due to eutectic silicon, and the large black portion is the primary crystal phase 12.
[0044]
Further, as Examples 1-11 to 1-13, a silicon alloy powder composed of silicon and copper was synthesized by a gas atomization method as described below to prepare a negative electrode material. First, a mixture of the raw material ingots at a predetermined ratio was put into a high-frequency induction heating furnace, and was melted by high-frequency induction heating in a reduced-pressure argon gas atmosphere. Next, the molten metal was injected into a tank under a reduced-pressure argon gas atmosphere, and argon gas was injected toward the sample being sprayed. Next, the silicon alloy powder obtained through a 50 μm sieve was used as a negative electrode material. The respective contents of silicon and copper in the silicon alloy powder were changed as shown in Table 1 in Examples 1-11 to 1-13.
[0045]
The microstructures of the synthesized silicon alloy powders of Examples 1-11 to 1-13 were observed and identified. As a result, each of the silicon alloy powders of Examples 1-11 to 1-13 was spherical, and eutectic phase 11 and primary crystal phase 12 were observed in the particles. Representatively, a SIM photograph showing a cross-sectional structure of the silicon alloy powder of Example 1-12 is shown in FIG. In FIG. 5, the white and gray portions are the intermetallic compound phase 11A, the small black portion is the phase 11B due to eutectic silicon, and the large black portion is the primary crystal phase 12.
[0046]
Further, as Comparative Examples 1-1 to 1-4 with respect to Examples 1-1 to 1-13, a silicon alloy powder composed of silicon and copper was synthesized by a mechanical alloying method as follows to produce a negative electrode material. did. First, a raw material powder of a silicon alloy powder is mixed at a predetermined ratio, and this mixture and a stainless steel ball are put into a stainless steel pot. Then, the inside of the pot is set to an argon gas atmosphere, and a mechanical alloying method using a planetary ball mill is performed. To synthesize a silicon alloy powder. After that, the silicon alloy powder was passed through a 50 μm sieve, and the obtained powder was used as a negative electrode material. The respective contents of silicon and copper in the silicon alloy powder were changed as shown in Table 1 in Comparative Examples 1-1 to 1-4.
[0047]
The microstructures of the synthesized silicon alloy powders of Comparative Examples 1-1 to 1-4 were observed and identified. As a result, each of the silicon alloys of Comparative Examples 1-1 to 1-4 was amorphous, and Cu was contained in the particles. ₃ A phase of Si and a phase of silicon dispersed in the phase were observed. As a representative, a SIM photograph showing the cross-sectional structure of the silicon alloy powder of Comparative Example 1-2 is shown in FIG. In FIG. 6, the white and gray portions are Cu ₃ The phase is made of Si, and the black portion is the phase of silicon.
[0048]
Further, a coin-shaped test cell as shown in FIG. 7 was prepared using the obtained negative electrode materials of Examples 1-1 to 1-13 and Comparative examples 1-1 to 1-4, and the charge / discharge characteristics were determined. The lithium anode was evaluated for its ability to occlude and release lithium. This test cell has the same configuration as the coin-type secondary battery shown in FIG. 2 except that the negative electrode 24 is disposed on the positive electrode can 21 side and the metal lithium plate 31 is disposed on the negative electrode can 23 side. have. Therefore, in FIG. 7, the same components as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals.
[0049]
The negative electrode 24 was manufactured as follows. First, a negative electrode mixture was prepared by mixing 45 parts by mass of the obtained negative electrode material, 45 parts by mass of flake graphite as a conductive material and a negative electrode active material, and 10 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder. And N-methyl-2-pyrrolidone to prepare a negative electrode mixture slurry. Next, this negative electrode mixture slurry was applied to one surface of a negative electrode current collector 24A made of a rolled copper foil having a thickness of 15 μm, dried at 90 ° C., and then compression-molded at a constant pressure. This was punched out into a circle having a diameter of 15 mm. As the separator 25, a microporous polyethylene film having a diameter of 17 mm and a thickness of 25 μm was used. As the electrolytic solution, a solution prepared by dissolving lithium hexafluorophosphate as an electrolyte salt in an equal volume mixed solvent of ethylene carbonate and dimethyl carbonate to a concentration of 1 mol / l of the electrolyte salt was used. The injection amount of the electrolyte was 80 μl. The size of the test cell was 20 mm in diameter and 1.6 mm in height.
[0050]
The charge / discharge characteristics were evaluated as follows. First, the positive electrode terminal of the charging / discharging device is connected to the positive electrode can 21 side and the negative electrode terminal is connected to the negative electrode can 23 side, and discharge is performed at a constant current of 1 mA at room temperature (20 ° C.) until the voltage of the test cell reaches 0 V After reaching 0 V, discharging was performed while gradually reducing the current so as to maintain the same voltage. Then, when the current value reached 10 μA, the discharge was terminated. Subsequently, after an opening time of 30 minutes, charging was performed at a constant current of 1 mA, and the charging was terminated when the voltage reached 1.5 V. Further, after the opening time of 30 minutes, the discharging and charging cycles were repeated 50 times including the first cycle under the same conditions as described above.
[0051]
In this evaluation, the process of inserting lithium into the negative electrode 24 disposed on the side of the positive electrode can 21, that is, the capacity observed through the discharging process of the test cell is referred to as the charge capacity of the negative electrode 24. Conversely, the process in which lithium is desorbed from the negative electrode 24 disposed on the side of the positive electrode can 21, that is, the capacity observed through the charging process of the test cell is referred to as the discharge capacity of the negative electrode 24. Table 1 shows the initial charge capacity, the initial discharge capacity, and the cycle retention rate per negative electrode active material of Examples 1-1 to 13 and Comparative Examples 1-1 to 1-4. FIG. 8 shows the relationship between the silicon content of Examples 1-1 to 1-13 and the initial discharge capacity and the cycle maintenance rate per negative electrode active material.
[0052]
The charge / discharge capacity per negative electrode active material is calculated by converting the charge / discharge capacity of the negative electrode 24 into the total weight of the negative electrode material composed of a silicon alloy powder excluding polyvinylidene fluoride in the negative electrode mixture and the flaky graphite. I asked by doing. The cycle retention rate was calculated as the ratio between the initial discharge capacity and the discharge capacity at 50 cycles, that is, (discharge capacity at 50 cycles / initial discharge capacity) × 100.
[0053]
As can be seen by comparing Examples 1-3, 1-8 to 1-13 and Comparative Examples 1-1 to 1-4 in Table 1, according to Examples 1-3, 1-8 to 1-13, As compared with Comparative Examples 1-1 to 1-4 having the same composition, a higher value was obtained for the cycle maintenance ratio. That is, if a silicon alloy synthesized by a single roll method or a gas atomization method is used, or if a silicon alloy having a eutectic phase 11 and a primary crystal phase 12 dispersed in the eutectic phase 11 is used, the cycle is increased. It has been found that the life can be extended.
[0054]
In addition, as can be seen from a comparison of Examples 1-1 to 1-13 and FIG. 8, Examples 1-1 to 1-9 and 1-11 to 1-13 having a silicon content of 22% by mass or more. For example, the initial discharge capacity could be 400 mAh / g or more. Furthermore, according to Examples 1-2 to 1-13 in which the silicon content was 60% by mass or less, the cycle maintenance rate could be 79% or more. That is, it was found that when the silicon content in the silicon alloy powder was 22% by mass or more, a high energy density could be obtained, and when it was 60% by mass or less, the cycle life could be further extended.
[0055]
(Examples 2-1 to 2-3)
A silicon alloy powder composed of silicon and nickel or cobalt was synthesized by the same single roll method as in Examples 1-1 to 1-10 to prepare a negative electrode material. The contents of silicon, nickel and cobalt in the silicon alloy powder were changed as shown in Table 2 in Examples 2-1 to 2-3.
[0056]
[Table 2]

[0057]
The microstructure of the synthesized silicon alloy powders of Examples 2-1 to 2-3 was observed and identified. As a result, each of the silicon alloy powders of Examples 2-1 to 2-3 was scaly, and eutectic phase 11 and primary crystal phase 12 dispersed in eutectic phase 11 were present in the particles. Was observed.
[0058]
Further, using the obtained negative electrode materials of Examples 2-1 to 2-3, a coin-shaped test cell shown in FIG. 7 was prepared and charged and discharged in the same manner as in Examples 1-1 to 1-13. The properties were evaluated. Table 2 shows the initial charge capacity, the initial discharge capacity, and the cycle retention rate per negative electrode active material of Examples 2-1 to 2-3.
[0059]
As can be seen from Table 2, according to Examples 2-1 to 2-3, the initial discharge capacity is 400 mAh / g or more, the cycle retention is 70% or more, and both the initial discharge capacity and the cycle retention are good. Value was obtained. That is, if the silicon alloy powder containing silicon and nickel or cobalt as constituent elements is synthesized by the single roll method, a high energy density can be obtained and a long cycle life can be secured. I understood.
[0060]
As described above, the present invention has been described with reference to the embodiment and the example. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment and example, and can be variously modified. For example, in the above-described embodiment and the example, the case where the electrolytic solution that is the liquid electrolyte is used has been described. However, another electrolyte may be used instead of the electrolytic solution. As other electrolytes, for example, a gel electrolyte in which an electrolyte is held by a polymer compound, a solid electrolyte having ionic conductivity, a mixture of a solid electrolyte and an electrolyte, or a solid electrolyte and a gel electrolyte And mixtures thereof.
[0061]
Note that various polymer compounds can be used as the gel electrolyte as long as they absorb the electrolytic solution and gel. Examples of such a polymer compound include fluorine-based polymer compounds such as polyvinylidene fluoride or a copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene, and ether-based polymers such as polyethylene oxide or a crosslinked product containing polyethylene oxide. And polyacrylonitrile. In particular, from the viewpoint of oxidation-reduction stability, a fluorine-based polymer compound is desirable.
[0062]
As the solid electrolyte, for example, a polymer solid electrolyte in which an electrolyte salt is dispersed in a polymer compound having ion conductivity, or an inorganic solid electrolyte made of ion conductive glass or ionic crystal can be used. As the polymer compound of the polymer solid electrolyte, for example, an ether-based polymer compound such as polyethylene oxide or a crosslinked body containing polyethylene oxide, an ester-based polymer compound such as polymethacrylate, or an acrylate-based polymer compound is used alone or as a mixture. Or copolymerized. As the inorganic solid electrolyte, lithium nitride, lithium iodide, or the like can be used.
[0063]
Further, in the above-described embodiment and examples, the coin-type secondary battery was specifically described. However, the present invention is not limited to use of an exterior member such as a cylindrical, button, square, or laminated film. The present invention can be similarly applied to a secondary battery having the following shape or a secondary battery having another structure such as a wound structure. Further, in the above embodiments and examples, the description has been given of the secondary battery. However, the present invention can be similarly applied to other batteries such as a primary battery.
[0064]
【The invention's effect】
As described above, the first negative electrode material and the first battery according to the present invention include silicon and a predetermined metal element as constituent elements, and include a silicon alloy synthesized by a single roll method or an atomizing method. Therefore, in the second anode material and the second battery according to the present invention, an intermetallic compound phase containing silicon and a predetermined metal element as constituent elements, a eutectic phase containing a silicon phase, Since the silicon alloy having the primary crystal phase of silicon dispersed in the eutectic phase is included, the cycle life can be extended.
[0065]
In particular, a higher effect can be obtained by setting the content of silicon in the silicon alloy to 22% by mass or more and 60% by mass or less, or by including copper as the metal element.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating a structure of a silicon alloy powder according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a secondary battery using the negative electrode material including the silicon alloy powder illustrated in FIG.
FIG. 3 is a SIM photograph showing a silicon alloy powder according to Example 1-8 of the present invention.
FIG. 4 is a SIM photograph showing a cross-sectional structure of the silicon alloy powder shown in FIG.
FIG. 5 is a SIM photograph showing a cross-sectional structure of a silicon alloy powder according to Example 1-12 of the present invention.
FIG. 6 is a SIM photograph showing a cross-sectional structure of a silicon alloy powder according to Comparative Example 1-2.
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a test cell manufactured in an example of the present invention.
FIG. 8 is a characteristic diagram illustrating a relationship between a silicon content rate, an initial discharge capacity per negative electrode active material, and a cycle retention rate according to Examples 1-1 to 1-13 of the present invention.
[Explanation of symbols]
11: eutectic phase, 11A: intermetallic compound phase, 11B: phase (phase by eutectic silicon), 12: primary crystal phase, 21: positive electrode can, 22: positive electrode, 22A: positive electrode current collector, 22B: positive electrode Mixture layer, 23: negative electrode can, 24: negative electrode, 24A: negative electrode current collector, 24B: negative electrode mixture layer, 25: separator, 26: gasket, 31: metal lithium plate.

Claims

ケイ素（Ｓｉ）と、銅（Ｃｕ），ニッケル（Ｎｉ）およびコバルト（Ｃｏ）からなる群のうちの少なくとも１種の金属元素とを構成元素として含むケイ素合金よりなる負極材料であって、
前記ケイ素合金は、単ロール法またはアトマイズ法により合成されたことを特徴とする負極材料。A negative electrode material comprising a silicon alloy containing silicon (Si) and at least one metal element selected from the group consisting of copper (Cu), nickel (Ni), and cobalt (Co) as constituent elements,
The negative electrode material, wherein the silicon alloy is synthesized by a single roll method or an atomizing method.

ケイ素（Ｓｉ）と、銅（Ｃｕ），ニッケル（Ｎｉ）およびコバルト（Ｃｏ）からなる群のうちの少なくとも１種の金属元素とを構成元素として含むケイ素合金よりなる負極材料であって、
ケイ素と前記金属元素とを構成元素として含む金属間化合物相と、ケイ素の相とを含む共晶相と、
この共晶相に分散されたケイ素の初晶相と
を有することを特徴とする負極材料。A negative electrode material comprising a silicon alloy containing silicon (Si) and at least one metal element selected from the group consisting of copper (Cu), nickel (Ni), and cobalt (Co) as constituent elements,
An intermetallic compound phase containing silicon and the metal element as constituent elements, and a eutectic phase containing a silicon phase,
A negative electrode material comprising: a primary crystal phase of silicon dispersed in the eutectic phase.

前記ケイ素合金におけるケイ素の含有率は、２２質量％以上６０質量％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の負極材料。The negative electrode material according to claim 1, wherein a content of silicon in the silicon alloy is 22% by mass or more and 60% by mass or less.

前記金属元素として銅を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の負極材料。The negative electrode material according to claim 1, wherein copper is included as the metal element.

正極および負極と共に電解質を備えた電池であって、
前記負極は、ケイ素（Ｓｉ）と、銅（Ｃｕ），ニッケル（Ｎｉ）およびコバルト（Ｃｏ）からなる群のうちの少なくとも１種の金属元素とを構成元素として含むケイ素合金を含み、
このケイ素合金は、単ロール法またはアトマイズ法により合成されたことを特徴とする電池。A battery comprising an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode,
The negative electrode includes a silicon alloy containing silicon (Si) and at least one metal element selected from the group consisting of copper (Cu), nickel (Ni), and cobalt (Co) as constituent elements,
A battery characterized in that the silicon alloy is synthesized by a single roll method or an atomizing method.

正極および負極と共に電解質を備えた電池であって、
前記負極は、ケイ素（Ｓｉ）と、銅（Ｃｕ），ニッケル（Ｎｉ）およびコバルト（Ｃｏ）からなる群のうちの少なくとも１種の金属元素とを構成元素として含むケイ素合金を含み、
ケイ素と前記金属元素とを構成元素として含む金属間化合物相と、ケイ素の相とを含む共晶相と、
この共晶相に分散されたケイ素の初晶相と
を有することを特徴とする電池。A battery comprising an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode,
The negative electrode includes a silicon alloy containing silicon (Si) and at least one metal element selected from the group consisting of copper (Cu), nickel (Ni), and cobalt (Co) as constituent elements,
An intermetallic compound phase containing silicon and the metal element as constituent elements, and a eutectic phase containing a silicon phase,
A battery comprising: a primary crystal phase of silicon dispersed in the eutectic phase.

前記ケイ素合金におけるケイ素の含有率は、２２質量％以上６０質量％以下であることを特徴とする請求項５または６に記載の電池。The battery according to claim 5, wherein a content of silicon in the silicon alloy is 22% by mass or more and 60% by mass or less.

前記金属元素として銅を含むことを特徴とする請求項５または６に記載の電池。The battery according to claim 5, wherein the battery includes copper as the metal element.