JP6630632B2 - Anode materials for power storage devices - Google Patents
Anode materials for power storage devices Download PDFInfo
- Publication number
- JP6630632B2 JP6630632B2 JP2016109857A JP2016109857A JP6630632B2 JP 6630632 B2 JP6630632 B2 JP 6630632B2 JP 2016109857 A JP2016109857 A JP 2016109857A JP 2016109857 A JP2016109857 A JP 2016109857A JP 6630632 B2 JP6630632 B2 JP 6630632B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- negative electrode
- phase
- less
- based alloy
- compound
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000003860 storage Methods 0.000 title claims description 34
- 239000010405 anode material Substances 0.000 title 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 45
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 45
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 37
- 239000007773 negative electrode material Substances 0.000 claims description 26
- 229910021332 silicide Inorganic materials 0.000 claims description 26
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 25
- FVBUAEGBCNSCDD-UHFFFAOYSA-N silicide(4-) Chemical compound [Si-4] FVBUAEGBCNSCDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 25
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 23
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 23
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 21
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 20
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 10
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims 4
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 32
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 32
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 19
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 description 12
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 8
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 7
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 6
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 6
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 5
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 4
- 238000009689 gas atomisation Methods 0.000 description 4
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 4
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 description 3
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 3
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 3
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 3
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 3
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 3
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010298 pulverizing process Methods 0.000 description 3
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 3
- 239000003115 supporting electrolyte Substances 0.000 description 3
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 2
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 2
- 229910000676 Si alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- 239000011324 bead Substances 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 2
- 238000003701 mechanical milling Methods 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 2
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 2
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 2
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 229910019974 CrSi Inorganic materials 0.000 description 1
- KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N Ethylene carbonate Chemical compound O=C1OCCO1 KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910013870 LiPF 6 Inorganic materials 0.000 description 1
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 1
- 229910008484 TiSi Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006230 acetylene black Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 229910021383 artificial graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000889 atomisation Methods 0.000 description 1
- 238000010296 bead milling Methods 0.000 description 1
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N dimethyl carbonate Chemical compound COC(=O)OC IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- -1 lithium hexafluorophosphate Chemical compound 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 239000012046 mixed solvent Substances 0.000 description 1
- 229910021382 natural graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 238000000634 powder X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 1
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000009692 water atomization Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池、全固体リチウムイオン二次電池、ハイブリットキャパシタ等の、充放電時にリチウムイオンの移動を伴う蓄電デバイスの負極に適した材料に関する。 The present invention relates to a material suitable for a negative electrode of a power storage device that involves movement of lithium ions during charge and discharge, such as a lithium ion secondary battery, an all solid lithium ion secondary battery, and a hybrid capacitor.
近年、携帯電話機、携帯音楽プレーヤー、携帯端末等が急速に普及している。これらの携帯機器は、リチウムイオン二次電池を有している。電気自動車及びハイブリッド自動車も、リチウムイオン二次電池を有している。さらに、家庭用の定置蓄電デバイスとして、リチウムイオン二次電池及びハイブリットキャパシタが用いられている。 In recent years, portable telephones, portable music players, portable terminals, and the like have rapidly spread. These portable devices have a lithium ion secondary battery. Electric vehicles and hybrid vehicles also have lithium ion secondary batteries. Further, lithium ion secondary batteries and hybrid capacitors are used as stationary power storage devices for home use.
リチウムイオン二次電池では、充電時に負極がリチウムイオンを吸蔵する。リチウムイオン二次電池の使用時には、負極からリチウムイオンが放出される。負極は、集電体と、この集電体の表面に固着された活物質とを有している。 In a lithium ion secondary battery, the negative electrode occludes lithium ions during charging. When a lithium ion secondary battery is used, lithium ions are released from the negative electrode. The negative electrode has a current collector and an active material fixed to the surface of the current collector.
負極における活物質として、天然黒鉛、人造黒鉛、コークス等の炭素系材料が用いられている。しかし、炭素系材料の、リチウムイオンに対する理論上の容量は、３７２ｍＡｈ／ｇにすぎない。容量の大きな活物質が望まれている。 Carbonaceous materials such as natural graphite, artificial graphite, and coke are used as an active material in the negative electrode. However, the theoretical capacity of the carbon-based material with respect to lithium ions is only 372 mAh / g. An active material having a large capacity is desired.
負極における活物質として、Ｓｉが注目されている。Ｓｉは、リチウムイオンと反応する。この反応により、化合物が形成される。典型的な化合物は、Ｌｉ２２Ｓｉ５である。この反応により、大量のリチウムイオンが負極に吸蔵される。Ｓｉは、負極の蓄電容量を高めうる。
Attention has been paid to Si as an active material in a negative electrode. Si reacts with lithium ions. This reaction forms a compound.
Ｓｉを含む活物質層がリチウムイオンを吸蔵すると、前述の化合物の生成により、この活物質層が膨張する。活物質の膨張率は、約４００％である。活物質層からリチウムイオンが放出されると、この活物質層が収縮する。膨張と収縮との繰り返しにより、活物質が集電体から脱落する。この脱落は、蓄電容量を低下させる。膨張と収縮との繰り返しにより、活物質間の導電性が阻害されることもある。負極がＳｉを含む従来のリチウムイオン二次電池の寿命は、長くない。 When the active material layer containing Si absorbs lithium ions, the active compound layer expands due to the formation of the above-described compound. The expansion rate of the active material is about 400%. When lithium ions are released from the active material layer, the active material layer contracts. The active material falls off the current collector by repeating the expansion and contraction. This drop reduces the storage capacity. The repetition of expansion and contraction may inhibit the conductivity between the active materials. The life of a conventional lithium ion secondary battery in which the negative electrode contains Si is not long.
Ｓｉの単体での電気伝導性は、炭素質材料及び金属系材料のそれに比べて低い。Ｓｉが負極に用いられる場合、炭素質材料等の導電性材料と組み合わせて用いられる。この組み合わせの場合の充放電特性の改善が、種々提案されている。特開２０１３−１９１５２９公報には、Ｓｉ相と、このＳｉ相を包囲する炭素質材料又は金属酸化物とを有する負極材料が開示されている。特開２０１４−１８６９９２公報には、リチウム相の少なくとも一部が、Ｓｉと遷移金属との金属間化合物で包囲された負極材料が開示されている。 The electric conductivity of Si alone is lower than those of carbonaceous materials and metal-based materials. When Si is used for the negative electrode, it is used in combination with a conductive material such as a carbonaceous material. Various improvements in charge / discharge characteristics in the case of this combination have been proposed. JP 2013-191529 A discloses a negative electrode material having a Si phase and a carbonaceous material or a metal oxide surrounding the Si phase. JP 2014-186992 A discloses a negative electrode material in which at least a part of a lithium phase is surrounded by an intermetallic compound of Si and a transition metal.
Ｓｉ相が炭素質材料又は金属酸化物で包囲されている負極材料では、Ｓｉ相の膨張及び収縮の繰り返しにより、Ｓｉ相の微粉化が生じる。微粉化は、Ｓｉ相の導電性を阻害する。微粉化により、活物質が集電体から脱落することもある。さらに、炭素質材料を含む負極材料では、ＳｉＣが生成する。このＳｉＣは絶縁性なので、このＳｉＣによって負極材料の導電性が阻害される。しかも、ＳｉＣはリチウムイオンと反応しないので、ＳｉＣの存在は蓄電容量を低下させる。 In the negative electrode material in which the Si phase is surrounded by the carbonaceous material or the metal oxide, the Si phase is pulverized by repeated expansion and contraction of the Si phase. Micronization impairs the conductivity of the Si phase. The active material may fall off from the current collector due to pulverization. Furthermore, in the negative electrode material containing a carbonaceous material, SiC is generated. Since this SiC is insulating, the conductivity of the negative electrode material is impaired by the SiC. Moreover, since SiC does not react with lithium ions, the presence of SiC reduces the storage capacity.
リチウム相が金属間化合物で包囲された負極材料では、充放電の繰り返しにより、蓄電容量が大幅に低下する。 In the negative electrode material in which the lithium phase is surrounded by the intermetallic compound, the storage capacity is significantly reduced by repeated charge and discharge.
同様の問題は、リチウムイオン二次電池以外の、様々な蓄電デバイスにおいても、生じている。 A similar problem occurs in various power storage devices other than the lithium ion secondary battery.
本発明の目的は、蓄電容量が大きく、かつ充放電の繰り返しによる蓄電容量低下が抑制された負極が得られる材料の提供にある。 An object of the present invention is to provide a material capable of obtaining a negative electrode having a large storage capacity and suppressing a reduction in the storage capacity due to repeated charge and discharge.
本発明に係る蓄電デバイス用負極材料は、多数の粒子の集合である粉末からなる。これらの粒子の材質は、Ｓｉ系合金である。このＳｉ系合金は、マトリクスと、このマトリクス中に分散した多数の黒鉛とを含む。このマトリクスは、
（１）Ｓｉが主成分であって、その結晶子サイズが２０ｎｍ以下であるＳｉ相、
及び
（２）シリサイドを含む１種又は２種以上の化合物からなり、このシリサイドの結晶子サイズが３０ｎｍ以下である化合物相
を有する。このＳｉ系合金の密度は、２．５ｇ／ｃｍ３以上６．０ｇ／ｃｍ３以下である。この粉末のＢＥＴ比表面積は、２．０ｍ２／ｇ以上１０．０ｍ２／ｇ以下である。
The negative electrode material for an electric storage device according to the present invention is composed of a powder that is an aggregate of a large number of particles. The material of these particles is a Si-based alloy. The Si-based alloy includes a matrix and a large number of graphite dispersed in the matrix. This matrix is
(1) a Si phase containing Si as a main component and having a crystallite size of 20 nm or less;
And (2) a compound phase comprising one or more compounds containing silicide, and having a crystallite size of 30 nm or less. The density of this Si-based alloy is 2.5 g / cm 3 or more and 6.0 g / cm 3 or less. The BET specific surface area of this powder is from 2.0 m 2 / g to 10.0 m 2 / g.
好ましくは、Ｓｉ系合金は、
（Ｘ１）Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｂ及びＭｇからなる群から選択された１種又は２種以上の元素、
並びに
（Ｘ２）Ｐ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ及びＡｇからなる群から選択された１種又は２種以上の元素
を含む。化合物相（２）は、
（２−１）Ｓｉ及び元素Ｘ１からなるシリサイド、
並びに
（２−２）２種以上の元素Ｘ２の金属間化合物、及び／又は１種の元素Ｘ２の単相
を有する。
Preferably, the Si-based alloy is
(X1) one or more elements selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, B and Mg;
And (X2) one or more elements selected from the group consisting of P, S, Se, Te, Sn, In, Ga, Pb, Bi, Zn, Al and Ag. Compound phase (2)
(2-1) a silicide composed of Si and the element X1,
And (2-2) an intermetallic compound of two or more elements X2 and / or a single phase of one element X2.
化合物相（２）が、
（２−３）元素Ｘ１と元素Ｘ２との金属間化合物
をさらに有してもよい。
Compound phase (2)
(2-3) An intermetallic compound of the element X1 and the element X2 may be further included.
好ましくは、Ｓｉ系合金における元素Ｘ１の含有率は、０．０５ａｔ．％以上３５ａｔ．％以下である。 Preferably, the content of the element X1 in the Si-based alloy is 0.05 at. % At least 35 at. % Or less.
好ましくは、Ｓｉ系合金における元素Ｘ２の含有率は、０．０５ａｔ．％以上１０ａｔ．％以下である。 Preferably, the content of the element X2 in the Si-based alloy is 0.05 at. % At least 10 at. % Or less.
好ましくは、Ｓｉ系合金における、黒鉛以外の成分の合計量に対する黒鉛の量の比率は、０．１ｍａｓｓ．％以上１０ｍａｓｓ．％以下である。 Preferably, the ratio of the amount of graphite to the total amount of components other than graphite in the Si-based alloy is 0.1 mass. % Or more and 10 mass. % Or less.
本発明に係る材料を含む負極では、蓄電容量が大きい。しかもこの負極では、充放電の繰り返しによる蓄電容量低下が抑制される。 The negative electrode including the material according to the present invention has a large storage capacity. Moreover, in the negative electrode, a decrease in the storage capacity due to repeated charge and discharge is suppressed.
以下、適宜図面が参照されつつ、好ましい実施形態に基づいて本発明が詳細に説明される。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on preferred embodiments with reference to the drawings as appropriate.
図１に概念的に示されたリチウムイオン二次電池２は、槽４、電解液６、セパレータ８、正極１０及び負極１２を備えている。電解液６は、槽４に蓄えられている。この電解液６は、リチウムイオンを含んでいる。セパレータ８は、槽４を、正極室１４及び負極室１６に区画している。セパレータ８により、正極１０と負極１２との当接が防止される。このセパレータ８は、多数の孔（図示されず）を備えている。リチウムイオンは、この孔を通過しうる。正極１０は、正極室１４において、電解液６に浸漬されている。負極１２は、負極室１６において、電解液６に浸漬されている。
The lithium ion secondary battery 2 conceptually shown in FIG. 1 includes a tank 4, an electrolyte 6, a
図２には、負極１２の一部が示されている。この負極１２は、集電体１８と、活物質層２０とを備えている。活物質層２０は、多数の粒子２２を含んでいる。粒子２２は、この粒子２２に当接する他の粒子２２と固着されている。集電体１８に当接する粒子２２は、この集電体１８に固着されている。活物質層２０は、多孔質である。
FIG. 2 shows a part of the
活物質層２０を形成する前の多数の粒子２２の集合は、粉末である。本発明では、この粉末が、「負極材料」と称される。
An aggregate of a large number of
粒子２２の材質は、Ｓｉ系合金である。図３及び４に、このＳｉ合金の顕微鏡写真が示されている。図３及び４に示されるように、このＳｉ系合金は、マトリクスと、このマトリクス中に分散した多数の黒鉛とを含んでいる。このマトリクスは、
（１）Ｓｉが主成分であるＳｉ相、
及び
（２）シリサイドを含む１種又は２種以上の化合物からなる化合物相
を有している。マトリクス中の、Ｓｉ相（１）以外の相が、化合物相（２）である。
The material of the
(1) Si phase containing Si as a main component,
And (2) having a compound phase composed of one or more compounds including silicide. The phases other than the Si phase (1) in the matrix are the compound phases (2).
Ｓｉ系合金が、
（Ｘ１）Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｂ及びＭｇからなる群から選択された１種又は２種以上の元素、
並びに
（Ｘ２）Ｐ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ及びＡｇからなる群から選択された１種又は２種以上の元素
を含むことが好ましい。この場合、化合物相（２）が、
（２−１）Ｓｉ及び元素Ｘ１からなるシリサイド、
並びに
（２−２）２種以上の元素Ｘ２の金属間化合物、及び／又は１種の元素Ｘ２の単相
を有することが好ましい。化合物相（２）が、
（２−３）元素Ｘ１と元素Ｘ２との金属間化合物
をさらに有してもよい。
Si based alloy,
(X1) one or more elements selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, B and Mg;
And (X2) preferably contains one or more elements selected from the group consisting of P, S, Se, Te, Sn, In, Ga, Pb, Bi, Zn, Al and Ag. In this case, the compound phase (2)
(2-1) a silicide composed of Si and the element X1,
And (2-2) preferably having an intermetallic compound of two or more elements X2 and / or a single phase of one element X2. Compound phase (2)
(2-3) An intermetallic compound of the element X1 and the element X2 may be further included.
Ｓｉ相（１）の主成分は、Ｓｉである。Ｓｉは、リチウムイオンと反応する。従ってこのＳｉ相（１）を含む負極１２は、大量のリチウムイオンを吸蔵しうる。Ｓｉ相（１）は、負極１２の蓄電容量を高めうる。蓄電容量の観点から、Ｓｉ相（１）におけるＳｉの含有率は５０ａｔ．％以上が好ましく、６０ａｔ．％以上がより好ましく、７０ａｔ．％以上が特に好ましい。
The main component of the Si phase (1) is Si. Si reacts with lithium ions. Therefore, the
蓄電容量の観点から、マトリクスに占めるＳｉ相（１）の比率は、２０％以上７０％以下が好ましい。この比率は、合金の断面の拡大写真における、マトリクスの面積に対するＳｉ相（１）の面積の比率である。 From the viewpoint of the storage capacity, the ratio of the Si phase (1) in the matrix is preferably from 20% to 70%. This ratio is the ratio of the area of the Si phase (1) to the area of the matrix in an enlarged photograph of the cross section of the alloy.
Ｓｉ相（１）がＳｉ以外の元素を含んでもよい。Ｓｉ相（１）が、導電性に優れた元素を含むことが好ましい。導電性に優れた元素を含む合金では、大きな蓄電容量が達成され、かつ優れた電気伝導性が達成される。好ましくは、導電性に優れた元素は、Ｓｉに固溶している。 The Si phase (1) may contain an element other than Si. It is preferable that the Si phase (1) contains an element having excellent conductivity. An alloy containing an element having excellent conductivity achieves a large storage capacity and excellent electrical conductivity. Preferably, the element having excellent conductivity is dissolved in Si.
化合物相（２）は、シリサイドを有する。シリサイドは、Ｓｉと他の金属元素との金属間化合物である。概してシリサイドの電気抵抗値は、Ｓｉ相の電気抵抗値よりも小さい。シリサイドを含む合金は、導電性に優れる。シリサイドはさらに、充放電時の体積変化によって生じる応力を緩和する。これらの観点から、マトリクスに占めるシリサイドの比率は、３０％以上８０％以下が好ましい。この比率は、合金の断面の拡大写真における、マトリクスの面積に対するシリサイドの面積の比率である。 The compound phase (2) has silicide. Silicide is an intermetallic compound of Si and another metal element. Generally, the electric resistance of silicide is smaller than the electric resistance of the Si phase. Alloys containing silicide have excellent conductivity. Silicide also relieves stress caused by volume changes during charge and discharge. From these viewpoints, the ratio of silicide in the matrix is preferably 30% or more and 80% or less. This ratio is the ratio of the area of the silicide to the area of the matrix in the enlarged photograph of the cross section of the alloy.
導電性の観点から好ましいシリサイドは、Ｓｉと元素Ｘ１との金属間化合物である。Ｓｉ−Ｘ１金属間化合物は、共晶反応を起こしうる。共晶組織では、Ｓｉ相及びシリサイドが微細である。微細組織では、充放電時の体積変化によっても、Ｓｉ相の微粉化が生じにくい。 A preferable silicide from the viewpoint of conductivity is an intermetallic compound of Si and the element X1. The Si-X1 intermetallic compound can cause a eutectic reaction. In the eutectic structure, the Si phase and silicide are fine. In the microstructure, pulverization of the Si phase hardly occurs even by a volume change during charge and discharge.
導電性の観点から、特に好ましいシリサイドとして、ＣｒＳｉ２及びＴｉＳｉ２が例示される。 From the viewpoint of conductivity, CrSi 2 and TiSi 2 are exemplified as particularly preferred silicides.
化合物相（２）は、シリサイド以外の相を有しうる。シリサイド以外の相として、元素Ｘ１と元素Ｘ２との金属間化合物が挙げられる。Ｘ１−Ｘ２化合物の電気抵抗値は、低い。Ｘ１−Ｘ２化合物の電気抵抗値は、概して、シリサイドの電気抵抗値よりも低い。Ｘ１−Ｘ２化合物は、Ｓｉ相とシリサイドとの間に形成されうる。Ｘ１−Ｘ２化合物は、Ｓｉ相とシリサイドとの間の導電パスとして機能する。導電性の観点から、マトリクスに占めるＸ１−Ｘ２化合物の比率は、０．１％以上５％以下が好ましい。この比率は、合金の断面の拡大写真における、マトリクスの面積に対するＸ１−Ｘ２化合物の面積の比率である。 The compound phase (2) may have a phase other than the silicide. Examples of the phase other than the silicide include an intermetallic compound of the element X1 and the element X2. The electric resistance value of the X1-X2 compound is low. The electrical resistance of the X1-X2 compound is generally lower than the electrical resistance of silicide. The X1-X2 compound can be formed between the Si phase and the silicide. The X1-X2 compound functions as a conductive path between the Si phase and the silicide. From the viewpoint of conductivity, the ratio of the X1-X2 compound in the matrix is preferably 0.1% or more and 5% or less. This ratio is the ratio of the area of the X1-X2 compound to the area of the matrix in the enlarged photograph of the cross section of the alloy.
化合物相（２）が、２種以上の元素Ｘ２の金属間化合物を有してもよい。化合物相（２）が、１種の元素Ｘ２の単相を有してもよい。化合物相（２）が、２種以上の元素Ｘ２の金属間化合物と、１種の元素Ｘ２の単相との両方を、有してもよい。Ｘ２−Ｘ２化合物及びＸ２単相は、Ｓｉ相とシリサイドとの間に形成されうる。Ｘ２−Ｘ２化合物及びＸ２単相は、Ｓｉ相の体積変化によって生じる応力を緩和する。この観点から、マトリクスに占める、Ｘ２−Ｘ２化合物及びＸ２単相の合計比率は、０．１％以上５％以下が好ましい。この比率は、合金の断面の拡大写真における、マトリクスの面積に対する、Ｘ２−Ｘ２化合物の面積とＸ２単相の面積との合計の比率である。 The compound phase (2) may have two or more intermetallic compounds of the element X2. The compound phase (2) may have a single phase of one kind of element X2. The compound phase (2) may have both an intermetallic compound of two or more elements X2 and a single phase of one element X2. The X2-X2 compound and the X2 single phase can be formed between the Si phase and the silicide. The X2-X2 compound and the X2 single phase alleviate the stress caused by the volume change of the Si phase. From this viewpoint, the total ratio of the X2-X2 compound and the X2 single phase in the matrix is preferably 0.1% or more and 5% or less. This ratio is the ratio of the sum of the area of the X2-X2 compound and the area of the X2 single phase to the area of the matrix in the enlarged photograph of the cross section of the alloy.
前述の通り黒鉛は、マトリクス中に分散している。この黒鉛は、マトリクスとコンポジット化している。黒鉛の電気抵抗値は、小さい。しかもＣが黒鉛として存在することで、絶縁性であるＳｉＣの生成が抑制される。黒鉛は、合金の導電性に寄与する。さらに黒鉛は、Ｓｉ相の体積変化によって生じる応力を緩和する。黒鉛を含む合金が用いられた負極１２は、ＳｉがＣでコーティングされた合金が用いられた負極に比べ、蓄電容量維持性能に優れる。
As described above, graphite is dispersed in the matrix. This graphite is composited with a matrix. The electrical resistance of graphite is small. Moreover, since C exists as graphite, the generation of insulating SiC is suppressed. Graphite contributes to the conductivity of the alloy. Further, graphite relieves the stress caused by the volume change of the Si phase. The
導電性の観点及び蓄電容量維持性能の観点から、Ｓｉ系合金における、黒鉛以外の成分の合計量に対する黒鉛の量の比率は０．１ｍａｓｓ．％以上が好ましく、１．０ｍａｓｓ．％以上がより好ましく、３．０ｍａｓｓ．％以上が特に好ましい。Ｓｉの電解液との接触が阻害されにくく、反応比表面積が十分であり、かつ蓄電容量の劣化が抑制されるとの観点から、この比率は１０ｍａｓｓ．％以下が好ましく、５ｍａｓｓ．％以下が特に好ましい。 From the viewpoints of conductivity and storage capacity maintenance performance, the ratio of the amount of graphite to the total amount of components other than graphite in the Si-based alloy is 0.1 mass. % Or more, preferably 1.0 mass. % Is more preferable, and 3.0 mass. % Is particularly preferable. This ratio is 10 mass. % Or less, preferably 5 mass. % Or less is particularly preferred.
Ｓｉ系合金におけるＳｉの含有率は、５０ａｔ．％以上が好ましい。この含有率が５０ａｔ．％以上である合金は、多量のリチウムイオンを吸蔵しうる。この観点から、この含有率は６０ａｔ．％以上がより好ましく、７０ａｔ．％以上が特に好ましい。合金が十分な量の他の元素を含みうるとの観点から、この含有率は９５ａｔ．％以下が好ましく、９０ａｔ．％以下がより好ましく、８５ａｔ．％以下が特に好ましい。 The content of Si in the Si-based alloy is 50 at. % Or more is preferable. When this content is 50 at. % Or more can occlude a large amount of lithium ions. From this viewpoint, the content is 60 at. % Or more, more preferably 70 at. % Is particularly preferable. In view that the alloy may contain sufficient amounts of other elements, this content is 95 at. %, Preferably 90 at. % Or less, more preferably 85 at. % Or less is particularly preferred.
Ｓｉ系合金における元素Ｘ１の含有率は、０．０５ａｔ．％以上３５ａｔ．％以下が好ましい。この含有率が０．０５ａｔ．％以上である合金では、十分な化合物相が形成される。従ってこの合金は、導電性に優れ、かつ蓄電容量維持性能にも優れる。これらの観点から、この含有率は５ａｔ．％以上がより好ましく、１０ａｔ．％以上が特に好ましい。この含有率が３５ａｔ．％以下である合金では、十分なＳｉ相が形成されうる。従ってこの合金は、蓄電容量に優れる。この観点から、この含有率は３２ａｔ．％以下がより好ましく、３０ａｔ．％以下が特に好ましい。 The content of the element X1 in the Si-based alloy is 0.05 at. % At least 35 at. % Or less is preferable. When this content is 0.05 at. %, A sufficient compound phase is formed. Therefore, this alloy is excellent in conductivity and also excellent in storage capacity maintenance performance. From these viewpoints, this content is 5 at. % Is more preferable, and 10 at. % Is particularly preferable. This content is 35 at. % Or less, a sufficient Si phase may be formed. Therefore, this alloy has excellent storage capacity. From this viewpoint, the content is 32 at. % Or less, more preferably 30 at. % Or less is particularly preferred.
Ｓｉ系合金における元素Ｘ２の含有率は、０．０５ａｔ．％以上１０ａｔ．％以下が好ましい。この含有率が０．０５ａｔ．％以上である合金では、十分な化合物相が形成される。従ってこの合金は、導電性に優れ、かつ蓄電容量維持性能にも優れる。これらの観点から、この含有率は０．５ａｔ．％以上がより好ましく、１．０ａｔ．％以上が特に好ましい。この含有率が１０ａｔ．％以下である合金では、十分なＳｉ相が形成されうる。従ってこの合金は、蓄電容量に優れる。さらに、この含有率が１０ａｔ．％以下である合金では、元素Ｘ２の単相の生成が抑制される。従って、Ｘ２単相のリチウムイオンとの反応が抑制され、充放電時の体積変化が抑制される。これらの観点から、この含有率は７ａｔ．％以下がより好ましく、５ａｔ．％以下が特に好ましい。 The content of the element X2 in the Si-based alloy is 0.05 at. % At least 10 at. % Or less is preferable. When this content is 0.05 at. %, A sufficient compound phase is formed. Therefore, this alloy is excellent in conductivity and also excellent in storage capacity maintenance performance. From these viewpoints, the content is 0.5 at. % Or more is more preferable, and 1.0 at. % Is particularly preferable. When this content is 10 at. % Or less, a sufficient Si phase may be formed. Therefore, this alloy has excellent storage capacity. Further, when this content is 10 at. % Or less, formation of a single phase of the element X2 is suppressed. Therefore, the reaction with the X2 single-phase lithium ions is suppressed, and the volume change during charging and discharging is suppressed. From these viewpoints, this content is 7 at. % Or less, more preferably 5 at. % Or less is particularly preferred.
Ｓｉ相の結晶子サイズは、２０ｎｍ以下が好ましい。この結晶子サイズが２０ｎｍ以下である負極材料では、充放電時の応力に起因する、粒子２２の、ひび割れ、電気的孤立及び集電体からの脱落が抑制される。この観点から、この結晶子サイズは１０ｎｍ以下がより好ましく、５ｎｍ以下が特に好ましい。
The crystallite size of the Si phase is preferably 20 nm or less. In the negative electrode material having a crystallite size of 20 nm or less, cracks, electrical isolation, and falling off of the current collector of the
シリサイドの結晶子サイズは、３０ｎｍ以下が好ましい。この結晶子サイズが３０ｎｍ以下である負極材料では、化合物相内でリチウムイオンが容易に移動しうる。この観点から、この結晶子サイズは２０ｎｍ以下がより好ましく、１５ｎｍ以下が特に好ましい。 The crystallite size of silicide is preferably 30 nm or less. In the negative electrode material having a crystallite size of 30 nm or less, lithium ions can easily move in the compound phase. In this respect, the crystallite size is more preferably equal to or less than 20 nm, and particularly preferably equal to or less than 15 nm.
結晶子サイズは、Ｘ線回折により確認されうる。Ｘ線回折では、Ｘ線源として波長が１．５４０５９オングストロームのＣｕＫα線が用いられる。測定は、２θが２０度以上８０度以下である範囲でなされる。得られる回折スペクトルにおいて、結晶子サイズが小さいほど、ブロードな回折ピークが観測される。粉末Ｘ線回折分析で得られるピークの半値幅から、下記のＳｃｈｅｒｒｅｒの式が用いられて、結晶子サイズが求められ得る。
Ｄ ＝ （Ｋ × λ） ／ （β × ｃｏｓθ）
この数式において、Ｄは結晶子の大きさ（オングストローム）を表し、ＫはＳｃｈｅｒｒｅｒの定数を表し、λはＸ線管球の波長を表し、βは結晶子の大きさによる回折線の拡がりを表し、θは回折角を表す。
Crystallite size can be confirmed by X-ray diffraction. In X-ray diffraction, a CuKα ray having a wavelength of 1.54059 angstroms is used as an X-ray source. The measurement is performed in a range where 2θ is 20 degrees or more and 80 degrees or less. In the obtained diffraction spectrum, a broader diffraction peak is observed as the crystallite size is smaller. From the half width of the peak obtained by powder X-ray diffraction analysis, the crystallite size can be determined using the following Scherrer equation.
D = (K × λ) / (β × cosθ)
In this equation, D represents the size of the crystallite (angstrom), K represents the Scherrer's constant, λ represents the wavelength of the X-ray tube, and β represents the spread of the diffraction line due to the size of the crystallite. , Θ represent diffraction angles.
Ｓｉ相及び化合物相の結晶子サイズの制御は、原料の成分の調整によってなされうる。結晶子サイズの制御は、原料粉末を溶解した後の凝固時の冷却速度の制御によっても、なされうる。 The control of the crystallite size of the Si phase and the compound phase can be performed by adjusting the components of the raw materials. The control of the crystallite size can also be performed by controlling the cooling rate during solidification after dissolving the raw material powder.
Ｓｉ系合金の密度ＤＥが下記数式（Ｉ）を満たすことが、好ましい。
２．５ｇ／ｃｍ３ ≦ ＤＥ ≦ ６．０ｇ／ｃｍ３ （Ｉ）
換言すれば、密度ＤＥは、２．５ｇ／ｃｍ３以上６．０ｇ／ｃｍ３以下が好ましい。合金に含まれる黒鉛の量は、少ない。従って、マトリクスの密度は、合金の密度ＤＥとほぼ同じである。密度ＤＥが２．５ｇ／ｃｍ３以上６．０ｇ／ｃｍ３以下である合金では、マトリクスの密度と黒鉛の密度との差が小さい。この合金では、マトリクス中に黒鉛が均一に分散する。均一分散の観点から、合金の密度ＤＥは２．６ｇ／ｃｍ３以上がより好ましく、２．７ｇ／ｃｍ３以上が特に好ましい。均一分散の観点から、合金の密度ＤＥは５．０ｇ／ｃｍ３以下がより好ましく、４．５ｇ／ｃｍ３以下が特に好ましい。
It is preferable that the density DE of the Si-based alloy satisfies the following formula (I).
2.5 g / cm 3 ≦ DE ≦ 6.0 g / cm 3 (I)
In other words, the density DE is preferably 2.5 g / cm 3 or more and 6.0 g / cm 3 or less. The amount of graphite contained in the alloy is small. Therefore, the density of the matrix is approximately the same as the density DE of the alloy. In an alloy having a density DE of 2.5 g / cm 3 or more and 6.0 g / cm 3 or less, the difference between the matrix density and the graphite density is small. In this alloy, graphite is uniformly dispersed in the matrix. In light of uniform dispersion, the density DE of the alloy is more preferably equal to or greater than 2.6 g / cm 3 and particularly preferably equal to or greater than 2.7 g / cm 3 . From the viewpoint of uniform dispersion, the density DE of the alloy or less, more preferably 5.0g / cm 3, 4.5g / cm 3 or less is particularly preferred.
粉末のＢＥＴ比表面積ＳＳが下記数式（II）を満たすことが、好ましい。
２．０ｍ２／ｇ ≦ ＳＳ ≦ １０．０ｍ２／ｇ （II）
換言すれば、この比表面積ＳＳは、２．０ｍ２／ｇ以上１０．０ｍ２／ｇ以下が好ましい。この比表面積ＳＳが２．０ｍ２／ｇ以上である粉末では、Ｓｉ系合金が広い面積でリチウムイオンと反応しうる。従ってこの粉末が用いられた負極１２では、蓄電容量が大きい。さらに、この比表面積ＳＳが２．０ｍ２／ｇ以上である粉末では、充放電時の粒子２２の内部と粒子２２の表面との応力差が小さい。従ってこの粉末が用いられた負極１２では、粒子２２の微粉化が抑制され、蓄電容量が維持される。これらの観点から、この比表面積ＳＳは２．５ｍ２／ｇ以上がより好ましく、３．０ｍ２／ｇ以上が特に好ましい。この比表面積ＳＳが１０．０ｍ２／ｇ以下である粉末では、粒子２２の表面での電解液の分解反応が抑制される。従ってこの粉末が用いられた負極１２では、リチウムイオンの減少が抑制され、固体電解質の形成が抑制される。この負極１２では、蓄電容量が維持される。この比表面積ＳＳは９．０ｍ２／ｇ以下がより好ましく、７．０ｍ２／ｇ以下が特に好ましい。ＢＥＴ比表面積ＳＳは、「ＪＩＳ Ｚ ８８３０：２０１３」の規格に準拠して測定される。
It is preferable that the BET specific surface area SS of the powder satisfies the following formula (II).
2.0 m 2 /g≦SS≦10.0 m 2 / g (II)
In other words, the specific surface area SS is preferably from 2.0 m 2 / g to 10.0 m 2 / g. In the powder having a specific surface area SS of 2.0 m 2 / g or more, the Si alloy can react with lithium ions in a wide area. Accordingly, the
粉末の製造方法として、水アトマイズ法、単ロール急冷法、双ロール急冷法、ガスアトマイズ法、ディスクアトマイズ法及び遠心アトマイズ法が例示される。これらの方法によって得られた粉末に、メカニカルミリング等が施されてもよい。ミリング方法として、ボールミル法、ビーズミル法、遊星ボールミル法、アトライタ法及び振動ボールミル法が例示される。 Examples of the method for producing the powder include a water atomizing method, a single-roll quenching method, a twin-roll quenching method, a gas atomizing method, a disk atomizing method, and a centrifugal atomizing method. The powder obtained by these methods may be subjected to mechanical milling or the like. Examples of the milling method include a ball mill method, a bead mill method, a planetary ball mill method, an attritor method, and a vibrating ball mill method.
好ましい製造方法は、単ロール冷却法、ガスアトマイズ法及びディスクアトマイズ法である。以下、これらの製造方法の一例が、詳説される。製造の条件は、下記に記載されたものに限定されない。 Preferred production methods are a single roll cooling method, a gas atomizing method and a disk atomizing method. Hereinafter, an example of these manufacturing methods will be described in detail. Manufacturing conditions are not limited to those described below.
単ロール冷却法では、底部に細孔を有する石英管の中に、原料が投入される。この原料が、アルゴンガス雰囲気中で、高周波誘導炉によって加熱され、溶融する。細孔から流出する原料が、銅ロールの表面に落とされて冷却され、リボンが得られる。このリボンが、ボールと共にポットに投入される。ボールの材質として、ジルコニア、ＳＵＳ３０４及びＳＵＪ２が例示される。ポットの材質として、ジルコニア、ＳＵＳ３０４及びＳＵＪ２が例示される。ポットの中にアルゴンガスが充満され、このポットが密閉される。このリボンがミリングにより粉砕され、粒子２２が得られる。ミリングとして、ボールミル、ビーズミル、遊星ボールミル、アトライタ及び振動ボールミルが例示される。
In the single roll cooling method, a raw material is charged into a quartz tube having a pore at the bottom. This raw material is heated and melted by a high-frequency induction furnace in an argon gas atmosphere. The raw material flowing out of the pores is dropped on the surface of the copper roll and cooled, and a ribbon is obtained. This ribbon is put into the pot together with the ball. Examples of the material of the ball include zirconia, SUS304 and SUJ2. Examples of the pot material include zirconia, SUS304 and SUJ2. The pot is filled with argon gas and the pot is sealed. The ribbon is pulverized by milling to obtain
ガスアトマイズ法では、底部に細孔を有する石英坩堝の中に、原料が投入される。この原料が、アルゴンガス雰囲気中で、高周波誘導炉によって加熱され、溶融する。アルゴンガス雰囲気において、細孔から流出する原料に、アルゴンガスが噴射される。原料は急冷されて凝固し、粒子２２が得られる。
In the gas atomization method, a raw material is charged into a quartz crucible having a pore at the bottom. This raw material is heated and melted by a high-frequency induction furnace in an argon gas atmosphere. In an argon gas atmosphere, argon gas is injected into the raw material flowing out of the pores. The raw material is rapidly cooled and solidified to obtain
ディスクアトマイズ法では、底部に細孔を有する石英坩堝の中に、原料が投入される。この原料が、アルゴンガス雰囲気中で、高周波誘導炉によって加熱され、溶融する。アルゴンガス雰囲気において、細孔から流出する原料が、高速で回転するディスクの上に落とされる。回転速度は、４００００ｒｐｍから６００００ｒｐｍである。ディスクによって原料は急冷され、凝固して、粉末が得られる。この粉末が、ボールと共にポットに投入される。ボールの材質として、ジルコニア、ＳＵＳ３０４及びＳＵＪ２が例示される。ポットの材質として、ジルコニア、ＳＵＳ３０４及びＳＵＪ２が例示される。ポットの中にアルゴンガスが充満され、このポットが密閉される。このリボンがミリングにより粉砕され、粒子２２が得られる。ミリングとして、ボールミル、ビーズミル、遊星ボールミル、アトライタ及び振動ボールミルが例示される。
In the disk atomization method, a raw material is charged into a quartz crucible having a pore at the bottom. This raw material is heated and melted by a high-frequency induction furnace in an argon gas atmosphere. In an argon gas atmosphere, the raw material flowing out of the pores is dropped on a disk rotating at a high speed. The rotation speed is from 40,000 rpm to 60,000 rpm. The raw material is quenched by the disk and solidified to obtain a powder. This powder is put into a pot together with the ball. Examples of the material of the ball include zirconia, SUS304 and SUJ2. Examples of the pot material include zirconia, SUS304 and SUJ2. The pot is filled with argon gas and the pot is sealed. The ribbon is pulverized by milling to obtain
以下、実施例によって本発明の効果が明らかにされるが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるべきではない。 Hereinafter, the effects of the present invention will be clarified by examples, but the present invention should not be construed as being limited based on the description of the examples.
本発明に係る負極材料の効果を、二極式コイン型セルを用いて確認した。まず、表１−３に示された組成の原料を準備した。各原料から、ガスアトマイズ法及びメカニカルミリングにより、粉末を製作した。それぞれの粉末、導電材（アセチレンブラック）、結着材（ポリイミド、ポリフッ化ビニリデン等）及び分散液（Ｎ−メチルピロリドン）を混合し、スラリーを得た。このスラリーを、集電体である銅箔の上に塗布した。このスラリーを、真空乾燥機で減圧乾燥した。乾燥温度は、ポリイミドが結着材である場合は２００℃以上であり、ポリフッ化ビニリデンが結着材である場合は１６０℃以上であった。この乾燥によって溶媒を蒸発させ、活物質層を得た。この活物質層及び銅箔を、ロールにて押圧した。この活物質層及び銅箔をコイン型セルに適した形状に打ち抜き、負極を得た。 The effect of the negative electrode material according to the present invention was confirmed using a bipolar coin cell. First, raw materials having the compositions shown in Table 1-3 were prepared. Powder was produced from each raw material by a gas atomizing method and mechanical milling. Each powder, a conductive material (acetylene black), a binder (polyimide, polyvinylidene fluoride, etc.) and a dispersion (N-methylpyrrolidone) were mixed to obtain a slurry. This slurry was applied on a copper foil as a current collector. This slurry was dried under reduced pressure with a vacuum dryer. The drying temperature was 200 ° C. or higher when polyimide was the binder, and 160 ° C. or higher when polyvinylidene fluoride was the binder. The solvent was evaporated by this drying to obtain an active material layer. The active material layer and the copper foil were pressed with a roll. The active material layer and the copper foil were punched into a shape suitable for a coin cell to obtain a negative electrode.
電解液として、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートの混合溶媒を準備した。両者の質量比は、３：７であった。さらに、支持電解質として、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を準備した。この支持電解質の量は、電解液１リットルに対して１モルである。この支持電解質を、電解液に溶解させた。 A mixed solvent of ethylene carbonate and dimethyl carbonate was prepared as an electrolyte. The mass ratio between the two was 3: 7. Further, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was prepared as a supporting electrolyte. The amount of the supporting electrolyte is 1 mol per liter of the electrolytic solution. This supporting electrolyte was dissolved in the electrolytic solution.
コイン型セルに適した形状のセパレータ及び正極を、準備した。この正極は、リチウム箔から打ち抜いた。減圧下で電解液にセパレータを浸漬し、５時間放置して、セパレータに電解液を充分に浸透させた。 A separator and a positive electrode having a shape suitable for a coin cell were prepared. This positive electrode was stamped from a lithium foil. The separator was immersed in the electrolyte under reduced pressure, and allowed to stand for 5 hours, so that the electrolyte was sufficiently permeated into the separator.
槽に、負極、セパレータ及び正極を組み込んだ。槽に電解液を充填し、コイン型セルを得た。なお、電解液は、露点管理された不活性雰囲気中で取り扱われる必要がある。従って、セルの組み立ては、不活性雰囲気のグローブボックスの中で行った。 A negative electrode, a separator and a positive electrode were assembled in the tank. The tank was filled with an electrolytic solution to obtain a coin cell. Note that the electrolyte needs to be handled in an inert atmosphere in which the dew point is controlled. Therefore, the cell was assembled in a glove box in an inert atmosphere.
上記コイン型セルにて、温度が２５℃であり、電流密度が０．５０ｍＡ／ｃｍ２である条件で、正極と負極との電位差が０Ｖとなるまで充電を行った。その後、電位差が１．５Ｖとなるまで放電を行った。この充電及び放電を、５０サイクル繰り返した。初期の放電容量Ｘ及び５０サイクルの充電及び放電を繰り返した後の放電容量Ｙを測定した。さらに、放電容量Ｘに対する放電容量Ｙの比率（維持率）を算出した。この結果が、下記の表１−３に示されている。 In the coin-shaped cell, charging was performed under the conditions of a temperature of 25 ° C. and a current density of 0.50 mA / cm 2 until the potential difference between the positive electrode and the negative electrode became 0 V. Thereafter, discharging was performed until the potential difference became 1.5 V. This charge and discharge were repeated 50 cycles. The initial discharge capacity X and the discharge capacity Y after repeating charge and discharge for 50 cycles were measured. Further, the ratio (retention rate) of the discharge capacity Y to the discharge capacity X was calculated. The results are shown in Tables 1-3 below.
下記の表１−３において、Ｎｏ．１−３３は本発明の実施例に係る負極材料の組成であり、Ｎｏ．３４−４６は比較例に係る負極材料の組成である。表１−３に記載された成分の残部は、Ｓｉ及び不可避的不純物である。 In Table 1-3 below, No. No. 1-33 is a composition of a negative electrode material according to an example of the present invention. 34-46 are compositions of the negative electrode material according to the comparative example. The balance of the components described in Tables 1-3 is Si and inevitable impurities.
表１−３に記載された数式（Ｉ）は、下記の通りである。
２．５ｇ／ｃｍ３ ≦ ＤＥ ≦ ６．０ｇ／ｃｍ３
この数式においてＤＥは、Ｓｉ系合金の密度である。
Formula (I) described in Table 1-3 is as follows.
2.5 g / cm 3 ≦ DE ≦ 6.0 g / cm 3
In this equation, DE is the density of the Si-based alloy.
表１−３に記載された数式（II）は、下記の通りである。
２．０ｍ２／ｇ ≦ ＳＳ ≦ １０．０ｍ２／ｇ
この数式においてＳＳは、粉末のＢＥＴ比表面積である。
The formula (II) described in Table 1-3 is as follows.
2.0 m 2 /g≦SS≦10.0 m 2 / g
In this equation, SS is the BET specific surface area of the powder.
表１−３において、初期放電容量は５００ｍＡｈ／ｇ以上が好ましく、維持率は７０％以上が好ましい。 In Table 1-3, the initial discharge capacity is preferably 500 mAh / g or more, and the maintenance ratio is preferably 70% or more.
各実施例の負極材料は、Ｓｉ相と化合物相とを有し、合金の密度が２．５ｇ／ｃｍ３以上６．０ｇ／ｃｍ３以下の範囲であり、ＢＥＴ比表面積が２．０ｍ２／ｇ以上１０．０ｍ２／ｇ以下の範囲であり、Ｓｉ相の結晶子サイズが２０ｎｍ以下であり、シリサイドの結晶子サイズが３０ｎｍ以下であり、マトリックス中に黒鉛が分散されている。この負極材料は、本発明の全ての発明特定事項を具備している。 The negative electrode material of each example has a Si phase and a compound phase, the density of the alloy is in a range of 2.5 g / cm 3 or more and 6.0 g / cm 3 or less, and the BET specific surface area is 2.0 m 2 / g to 10.0 m 2 / g, the crystallite size of the Si phase is 20 nm or less, the crystallite size of silicide is 30 nm or less, and graphite is dispersed in the matrix. This negative electrode material has all the invention specific items of the present invention.
例えば、Ｎｏ．８の負極材料では、Ｓｉ相の結晶子サイズが２ｎｍであり、シリサイドの結晶子サイズが２５ｎｍである。この負極材料では、初期放電容量が１１２５ｍＡｈ／ｇと大きく、放電容量維持率も８５％と大きい。 For example, no. In the negative electrode material of No. 8, the crystallite size of the Si phase is 2 nm, and the crystallite size of silicide is 25 nm. In this negative electrode material, the initial discharge capacity is as large as 1125 mAh / g, and the discharge capacity retention rate is as large as 85%.
各比較例の負極材料は、本発明の発明特定事項のいずれかを満たしていない。表３において、満たされていない発明特定事項に下線が付されている。 The negative electrode material of each comparative example does not satisfy any of the invention specifying matters of the present invention. In Table 3, unspecified invention-specifying items are underlined.
例えば、Ｎｏ．３８の負極材料では、合金密度が２．５ｇ／ｃｍ３以上６．０ｇ／ｃｍ３以下の範囲外であり、ＢＥＴ比表面積が２．０ｍ２／ｇ以上１０．０ｍ２／ｇ以下の範囲外であり、マトリックス中に黒鉛がしていない。この負極材料では、初期放電容量が２１１ｍＡｈ／ｇと小さく、放電容量維持率も２２％と小さい。 For example, no. In the negative electrode material of No. 38, the alloy density is out of the range of 2.5 g / cm 3 or more and 6.0 g / cm 3 or less, and the BET specific surface area is out of the range of 2.0 m 2 / g or more and 10.0 m 2 / g or less. And there is no graphite in the matrix. In this negative electrode material, the initial discharge capacity is as small as 211 mAh / g, and the discharge capacity retention is as small as 22%.
以上の評価結果から、本発明の優位性は明かである。 From the above evaluation results, the superiority of the present invention is clear.
以上説明された負極は、リチウムイオン二次電池のみならず、全固体リチウムイオン二次電池、ハイブリットキャパシタ等の、種々の蓄電デバイスにも適用されうる。 The negative electrode described above can be applied not only to a lithium ion secondary battery, but also to various power storage devices such as an all-solid lithium ion secondary battery and a hybrid capacitor.
２・・・リチウムイオン二次電池
６・・・電解液
８・・・セパレータ
１０・・・正極
１２・・・負極
１８・・・集電体
２０・・・活物質層
２２・・・粒子
2 ... lithium ion secondary battery 6 ...
Claims (6)
上記粒子の材質が、Ｓｉ系合金であり、
上記Ｓｉ系合金が、マトリクスと、このマトリクス中に分散した多数の黒鉛とを含んでおり、
上記マトリクスが、
（１）Ｓｉが主成分であって、その結晶子サイズが２０ｎｍ以下であるＳｉ相、
及び
（２）シリサイドを含む１種又は２種以上の化合物からなり、このシリサイドの結晶子サイズが３０ｎｍ以下である化合物相
を有しており、
上記Ｓｉ系合金の密度が、２．５ｇ／ｃｍ３以上６．０ｇ／ｃｍ３以下であり、
上記粉末のＢＥＴ比表面積が、２．０ｍ２／ｇ以上１０．０ｍ２／ｇ以下である蓄電デバイス用負極材料。 A negative electrode material for an electricity storage device, comprising a powder that is an aggregate of a large number of particles,
The material of the particles is a Si-based alloy,
The Si-based alloy includes a matrix and a large number of graphite dispersed in the matrix,
The above matrix is
(1) a Si phase containing Si as a main component and having a crystallite size of 20 nm or less;
And (2) a compound phase comprising one or more compounds containing silicide, wherein the crystallite size of the silicide is 30 nm or less;
The density of the Si-based alloy is 2.5 g / cm 3 or more and 6.0 g / cm 3 or less;
A negative electrode material for an electricity storage device, wherein the powder has a BET specific surface area of 2.0 m 2 / g or more and 10.0 m 2 / g or less.
（Ｘ１）Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｂ及びＭｇからなる群から選択された１種又は２種以上の元素、
並びに
（Ｘ２）Ｐ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ及びＡｇからなる群から選択された１種又は２種以上の元素
を含んでおり、
上記化合物相（２）が、
（２−１）Ｓｉ及び元素Ｘ１からなるシリサイド、
並びに
（２−２）２種以上の元素Ｘ２の金属間化合物、及び／又は１種の元素Ｘ２の単相
を有する請求項１に記載の蓄電デバイス用負極材料。 The Si-based alloy is
(X1) one or more elements selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, B and Mg;
And (X2) one or more elements selected from the group consisting of P, S, Se, Te, Sn, In, Ga, Pb, Bi, Zn, Al and Ag,
The compound phase (2) is
(2-1) a silicide composed of Si and the element X1,
And (2-2) the negative electrode material for an electricity storage device according to claim 1, comprising an intermetallic compound of two or more elements X2 and / or a single phase of one element X2.
（２−３）元素Ｘ１と元素Ｘ２との金属間化合物
をさらに有する請求項２に記載の蓄電デバイス用負極材料。 The compound phase (2) is
(2-3) The negative electrode material for an electric storage device according to claim 2, further comprising an intermetallic compound of the element X1 and the element X2.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016109857A JP6630632B2 (en) | 2016-06-01 | 2016-06-01 | Anode materials for power storage devices |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016109857A JP6630632B2 (en) | 2016-06-01 | 2016-06-01 | Anode materials for power storage devices |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2017216172A JP2017216172A (en) | 2017-12-07 |
| JP6630632B2 true JP6630632B2 (en) | 2020-01-15 |
Family
ID=60577078
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2016109857A Active JP6630632B2 (en) | 2016-06-01 | 2016-06-01 | Anode materials for power storage devices |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6630632B2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7132781B2 (en) | 2018-07-24 | 2022-09-07 | 山陽特殊製鋼株式会社 | Anode materials for storage devices |
-
2016
- 2016-06-01 JP JP2016109857A patent/JP6630632B2/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2017216172A (en) | 2017-12-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6374678B2 (en) | Negative electrode materials for electricity storage devices | |
| KR101817664B1 (en) | Si-based-alloy anode material | |
| JP6211961B2 (en) | Negative electrode materials for electricity storage devices | |
| JP6371504B2 (en) | Si-based alloy negative electrode material for power storage device and electrode using the same | |
| JP4739462B1 (en) | Si-based alloy negative electrode material with excellent conductivity | |
| JP6735060B2 (en) | Si-based alloy negative electrode material for power storage device and electrode using the same | |
| WO2017221693A1 (en) | Negative electrode material for electricity storage devices | |
| JP2014160554A (en) | Si-BASED ALLOY NEGATIVE ELECTRODE MATERIAL FOR POWER STORAGE DEVICE, AND ELECTRODE USING THE SAME | |
| JP2009152201A (en) | Complex anode active material, its manufacturing method, and anode and lithium battery using the same | |
| JP6630632B2 (en) | Anode materials for power storage devices | |
| JP6371635B2 (en) | Si-based alloy negative electrode material for power storage device and electrode using the same | |
| WO2018193864A1 (en) | Negative electrode material for power storage device | |
| JP2015090847A (en) | Powder for negative electrode of power storage device | |
| JP2020053162A (en) | Negative electrode material for power storage device | |
| WO2018180212A1 (en) | Negative electrode material for storage device | |
| JP7132781B2 (en) | Anode materials for storage devices | |
| JP6470806B2 (en) | Powder for negative electrode of electricity storage device | |
| JP2021131991A (en) | Negative electrode material for power storage device | |
| JP2020119847A (en) | Negative electrode material for electricity storage device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20181203 |
|
| RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20181203 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20191011 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20191112 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20191209 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6630632 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |