JP2021157867A - Negative electrode material for lithium ion secondary battery - Google Patents

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悦子 西村
Etsuko Nishimura
悦子 西村
勝憲 西村
Katsunori Nishimura
勝憲 西村
美佳 鵜野
Mika Uno
美佳 鵜野
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Abstract

To provide a negative electrode material for lithium ion secondary batteries, with which a lithium ion secondary battery can maintain a high discharge capacity ratio even by charging/discharging.SOLUTION: A negative electrode material for lithium ion secondary batteries includes: a silicon particle; a diamond oxide catalyst fine particle close to a silicon particle; a first conductive material coated on a silicon particle and having a porous structure; and a second conductive material of fibrous carbon that extends from a diamond oxide catalyst fine particle. A silicon particle is held in the form of a cluster of grapes on a second conductive material.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池用負極材料に関する。 The present invention relates to a negative electrode material for a lithium ion secondary battery.

リチウムイオン二次電池は、高いエネルギー密度を有し、電気自動車用や電力貯蔵用の電池として注目されている。電気自動車には、エンジンを搭載しないゼロエミッション電気自動車、エンジンと二次電池の両方を搭載したハイブリッド電気自動車、さらには系統電源から充電させるプラグイン電気自動車がある。特に、ゼロミッション電気自動車やプラグイン電気自動車では、高エネルギー密度型リチウムイオン二次電池が要求されている。 Lithium-ion secondary batteries have a high energy density and are attracting attention as batteries for electric vehicles and power storage. Electric vehicles include zero-emission electric vehicles that do not have an engine, hybrid electric vehicles that have both an engine and a rechargeable battery, and plug-in electric vehicles that are charged from a grid power source. In particular, zero-mission electric vehicles and plug-in electric vehicles are required to have high energy density lithium-ion secondary batteries.

リチウムイオン二次電池の高容量化には、高容量な電極活物質の開発が必要である。特に、負極に目を向けると、現行の黒鉛負極に対し8倍以上の理論容量をもつシリコン負極が、黒鉛に代わる次世代の高容量負極として期待されている。 In order to increase the capacity of lithium-ion secondary batteries, it is necessary to develop high-capacity electrode active materials. In particular, looking at the negative electrode, a silicon negative electrode having a theoretical capacity eight times or more that of the current graphite negative electrode is expected as a next-generation high-capacity negative electrode to replace graphite.

例えば、特許文献1では、酸化ダイヤモンド触媒微粒子を核として繊維状のナノ炭素材料が放射状に形成されたマリモカーボンの空隙に、Si微粒子が内包されてなる、ナノ炭素材料複合体及びその製造方法が開示されている。 For example, Patent Document 1 describes a nanocarbon material composite in which Si fine particles are encapsulated in the voids of marimocarbon in which fibrous nanocarbon materials are radially formed with diamond oxide catalyst fine particles as nuclei, and a method for producing the same. It is disclosed.

特許文献2では、炭素元素以外のリチウムイオンを吸蔵・放出可能な元素を含む粒子(A)と、リチウムイオンを吸蔵・放出可能であり且つ一次粒子のアスペクト比の数基準分布における中央値が1.4〜3.0である黒鉛粒子(B)と、炭素繊維(C)とを含んでなり、1本以上の炭素繊維(C)によって3次元交絡網状構造体が形成されていて、該構造体に粒子(A)が融着していて、且つ該構造体が黒鉛粒子(B)の表面の少なくとも一部に融着しているリチウムイオン二次電池用負極材が開示されている。 In Patent Document 2, the median value in the number-based distribution of the aspect ratios of the particles (A) containing an element other than the carbon element that can store and release lithium ions and the primary particles that can store and release lithium ions is 1. A three-dimensional entangled network structure is formed by one or more carbon fibers (C) containing graphite particles (B) having a value of .4 to 3.0 and carbon fibers (C). A negative electrode material for a lithium ion secondary battery is disclosed in which the particles (A) are fused to the body and the structure is fused to at least a part of the surface of the graphite particles (B).

特許文献3では、シリコン粒子、黒鉛質材料及び炭素質材料からなる複合材料を含むリチウムイオン二次電池用負極材料であって、圧縮力及び剪断力を付与する処理が施されて、炭素質材料Aからなる被膜Aを表面の少なくとも一部に有する前記シリコン粒子と、前記黒鉛質材料とが密着している構造を有する複合材料Aを含む、リチウムイオン二次電池用負極材料が開示されている。 In Patent Document 3, a negative electrode material for a lithium ion secondary battery including a composite material composed of silicon particles, a graphitic material, and a carbonaceous material, which has been subjected to a treatment for imparting compressive force and shearing force, and is a carbonaceous material. A negative electrode material for a lithium ion secondary battery is disclosed, which comprises a composite material A having a structure in which the silicon particles having a coating film A made of A on at least a part of the surface and the graphitic material are in close contact with each other. ..

特許文献4では、シリコン粒子と、グラフェンと、を有し、前記シリコン粒子の周囲は、前記グラフェンにより覆われた領域を有し、前記グラフェンは、リチウムイオンを通過させる空隙を有する負極が開示されている。 Patent Document 4 discloses a negative electrode having silicon particles and graphene, the periphery of the silicon particles having a region covered with the graphene, and the graphene having voids through which lithium ions pass. ing.

特開2014−177389号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-177389 国際公開第2016/017583号International Publication No. 2016/017583 特開2008−235247号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-235247 特開2015−181136号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-181136

このようなシリコン負極におけるシリコン粒子では、充放電による体積変化が大きい。したがって、シリコン負極の高容量化と高レート化のためには、充放電時のシリコン粒子の体積変化に追従可能な導電性ネットワークが必要である。このような導電性ネットワークは、シリコン粒子と一緒に導電剤を添加することによって形成される。 In such silicon particles in the silicon negative electrode, the volume change due to charging and discharging is large. Therefore, in order to increase the capacity and rate of the silicon negative electrode, a conductive network capable of following the volume change of the silicon particles during charging and discharging is required. Such a conductive network is formed by adding a conductive agent together with the silicon particles.

導電剤は負極作製時においてシリコン粒子とバインダと共に混合されることで導入され、導電剤はシリコン粒子の表面に付着している。充電前にはシリコン粒子の体積変化がないので、電子は導電剤を介して負極全体に行き渡る。 The conductive agent is introduced by being mixed with the silicon particles and the binder at the time of producing the negative electrode, and the conductive agent is attached to the surface of the silicon particles. Since there is no change in the volume of the silicon particles before charging, the electrons are distributed throughout the negative electrode via the conductive agent.

しかしながら、充電過程において、充電が進行すると、シリコン粒子の体積は徐々に変化し、さらに充電容量が3000mAh/gを超えると、シリコン粒子の体積は充電前の3倍以上に膨張する。この過程で導電性ネットワークが切断されると、電子は一部のシリコン粒子に供給されなくなり、その後、充電が進まなくなることがある。 However, in the charging process, as the charging progresses, the volume of the silicon particles gradually changes, and when the charging capacity exceeds 3000 mAh / g, the volume of the silicon particles expands to three times or more that before charging. If the conductive network is disconnected in this process, electrons may not be supplied to some silicon particles, and then charging may not proceed.

一方で、放電過程では、シリコン粒子から電子が奪われて、シリコン粒子からリチウムイオンが放出される。放電容量の増大とともに、シリコン粒子の大きさは徐々に小さくなり、放電が完了することで、シリコン粒子は充電前のサイズに戻る。このときに、シリコン粒子の表面から導電材が剥がれ、導電剤とシリコン粒子との導電性ネットワークが切断され、シリコン粒子が導電性ネットワークから抜けてしまうと、電子は放電途中でシリコン粒子から導電性ネットワークへ伝達されなくなり、その後、再度の充電はできなくなる。 On the other hand, in the discharge process, electrons are deprived of the silicon particles and lithium ions are emitted from the silicon particles. As the discharge capacity increases, the size of the silicon particles gradually decreases, and when the discharge is completed, the silicon particles return to the size before charging. At this time, if the conductive material is peeled off from the surface of the silicon particles, the conductive network between the conductive agent and the silicon particles is cut, and the silicon particles escape from the conductive network, the electrons are conductive from the silicon particles during the discharge. It will not be transmitted to the network, and then it will not be able to be charged again.

このように、負極の充放電過程において、シリコン粒子の体積変化に導電性ネットワークが追従することが重要であり、これが十分に働かないと、充放電サイクルの途中で、負極の充放電ができなくなり、負極の初期容量が低下し、レート特性と充放電サイクルの寿命も低下する。 In this way, it is important for the conductive network to follow the volume change of the silicon particles in the charge / discharge process of the negative electrode, and if this does not work sufficiently, the negative electrode cannot be charged / discharged in the middle of the charge / discharge cycle. , The initial capacitance of the negative electrode is reduced, and the rate characteristics and the life of the charge / discharge cycle are also reduced.

また、シリコン粒子表面は、極薄の酸化物層に覆われているので、表面の電子抵抗が高い。シリコン粒子表面の電子抵抗が高いと、大電流の充放電が難しくなり、リチウムイオン二次電池の入出力密度が低下する。つまり、このシリコン粒子表面の高い電子抵抗の層に電子伝導性を付与するための表面改質も必要である。 Further, since the surface of the silicon particles is covered with an ultrathin oxide layer, the electron resistance of the surface is high. If the electronic resistance on the surface of the silicon particles is high, it becomes difficult to charge and discharge a large current, and the input / output density of the lithium ion secondary battery decreases. That is, it is also necessary to modify the surface of the silicon particle surface to impart electron conductivity to the layer having high electronic resistance.

したがって、本発明では、リチウムイオン二次電池が充放電によっても高い放電容量比を維持するリチウムイオン二次電池用負極材料を提供することを課題とする。 Therefore, it is an object of the present invention to provide a negative electrode material for a lithium ion secondary battery in which the lithium ion secondary battery maintains a high discharge capacity ratio even when charged and discharged.

前記課題を解決するため、本発明者らが鋭意研究を行った結果、リチウムイオン二次電池に、リチウムイオン二次電池用負極材料として、シリコン粒子と、シリコン粒子を被覆する層状の第一の導電性材料と、シリコン粒子に近接した酸化ダイヤモンド触媒微粒子から伸長する繊維状の第二の導電性材料とを含む負極材料を使用して製造した負極を搭載することにより、リチウムイオン二次電池を充放電してもシリコン粒子が導電性ネットワークから抜けなくなることで、前記課題が解決されることを見出し、本発明を完成した。 As a result of diligent research conducted by the present inventors in order to solve the above-mentioned problems, a layered first layer covering a lithium ion secondary battery, silicon particles as a negative electrode material for the lithium ion secondary battery, and silicon particles. A lithium ion secondary battery is mounted by mounting a negative electrode manufactured using a negative electrode material containing a conductive material and a fibrous second conductive material extending from diamond oxide catalyst fine particles in the vicinity of silicon particles. The present invention has been completed by finding that the above-mentioned problems can be solved by preventing the silicon particles from coming out of the conductive network even when charged and discharged.

すなわち、本発明は、シリコン粒子と、シリコン粒子に近接した酸化ダイヤモンド触媒微粒子と、シリコン粒子に被覆されている多孔質構造を有する第一の導電性材料と、酸化ダイヤモンド触媒微粒子から伸長する繊維状炭素である第二の導電性材料とを含み、シリコン粒子が、第二の導電性材料にぶどう房状に保持されているリチウムイオン二次電池用負極材料を特徴とする。 That is, the present invention comprises silicon particles, diamond oxide catalyst fine particles in close proximity to the silicon particles, a first conductive material having a porous structure coated on the silicon particles, and a fibrous form extending from the diamond oxide catalyst fine particles. It comprises a second conductive material which is carbon, and is characterized by a negative electrode material for a lithium ion secondary battery in which silicon particles are held in a vine tuft shape in the second conductive material.

本発明によれば、リチウムイオン二次電池が充放電によっても高い放電容量比を維持するリチウムイオン二次電池用負極材料が提供される。前記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。 According to the present invention, there is provided a negative electrode material for a lithium ion secondary battery in which the lithium ion secondary battery maintains a high discharge capacity ratio even when charged and discharged. Issues, configurations and effects other than those described above will be clarified by the following description of the embodiments.

本発明に係るリチウムイオン二次電池の一実施形態の断面を示す図である。It is a figure which shows the cross section of one Embodiment of the lithium ion secondary battery which concerns on this invention. 本発明に係る負極材料が、充電前の状態(放電状態、左側の図)から、充電状態(右側の図)に変化する様子を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically how the negative electrode material which concerns on this invention changes from the state before charging (discharging state, the figure on the left side) to the state of charging (the figure on the right side).

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図面では、明確化のために各部の寸法及び形状を誇張しており、実際の寸法及び形状を正確に描写してはいない。それ故、本発明の技術的範囲は、これら図面に表された各部の寸法及び形状に限定されるものではない。なお、後述する実施の形態は一例であって、各実施例同士の組み合わせ、公知又は周知の技術との組み合わせや置換による他の態様も可能であることは言うまでもない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the dimensions and shapes of each part are exaggerated for clarification, and the actual dimensions and shapes are not accurately depicted. Therefore, the technical scope of the present invention is not limited to the dimensions and shapes of the parts shown in these drawings. It is needless to say that the embodiment described later is an example, and other embodiments may be possible by combining each embodiment, combining with a known or well-known technique, or replacing the embodiment.

本明細書に記載される「〜」は、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味で使用する。本明細書に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的に記載されている上限値又は下限値に置き換えてもよい。本明細書に記載される数値範囲の上限値又は下限値は、実施例中に示されている値に置き換えてもよい。 The "~" described in the present specification is used to mean that the numerical values described before and after it are included as the lower limit value and the upper limit value. In the numerical range described stepwise in the present specification, the upper limit value or the lower limit value described in one numerical range may be replaced with the upper limit value or the lower limit value described in another stepwise. The upper or lower limit of the numerical range described herein may be replaced with the values shown in the examples.

以下、実施の形態に基づき、本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the embodiments.

(本発明の一実施形態のリチウムイオン二次電池の構成)
図1は、本発明に係るリチウムイオン二次電池の一実施形態の内部構造を模式的に示している。リチウムイオン二次電池101とは、非水電解質中における電極へのリチウムイオンの吸蔵・放出により、電気エネルギーを貯蔵又は利用可能とする電気化学デバイスである。これは、リチウムイオン電池、非水電解質二次電池、非水電解液二次電池の別の名称で呼ばれるが、いずれの電池も本実施形態の対象である。
(Structure of Lithium Ion Secondary Battery of One Embodiment of the Present Invention)
FIG. 1 schematically shows the internal structure of an embodiment of a lithium ion secondary battery according to the present invention. The lithium ion secondary battery 101 is an electrochemical device that stores or makes available electrical energy by storing and releasing lithium ions into electrodes in a non-aqueous electrolyte. This is called by another name of a lithium ion battery, a non-aqueous electrolyte secondary battery, and a non-aqueous electrolyte secondary battery, and any of the batteries is the subject of the present embodiment.

本実施形態に係るリチウムイオン二次電池101は、正極107、負極108及びセパレータ109からなる電極群を電池容器102に密閉状態で収納した構成を有している。電極群は、短冊状の電極を積層させた構成、帯状の電極を捲回して円筒状、扁平状に成形した構成など、種々の構成を採用することができる。電池容器102は、電極群の形状に対応して、円筒型、偏平長円形状、角型など、任意の形状を選択することができる。電池容器102は、上部に設けられた開口から電極群を収容した後、開口部が蓋103によって塞がれて密閉されている。 The lithium ion secondary battery 101 according to the present embodiment has a configuration in which an electrode group including a positive electrode 107, a negative electrode 108, and a separator 109 is housed in a battery container 102 in a sealed state. As the electrode group, various configurations can be adopted, such as a configuration in which strip-shaped electrodes are laminated, a configuration in which strip-shaped electrodes are wound and formed into a cylindrical or flat shape. The battery container 102 can be selected from any shape such as a cylindrical shape, a flat oval shape, and a square shape, depending on the shape of the electrode group. After accommodating the electrode group from the opening provided in the upper part of the battery container 102, the opening is closed by the lid 103 and sealed.

蓋103は、外縁が全周に亘って、例えば、溶接、かしめ、接着などによって電池容器102の開口に接合され、電池容器102を密閉状態で封止している。蓋103は、電池容器102の開口を封止した後に、電池容器102内に電解液Lを注入する注液口を有している。注液口は、電池容器102内に電解液Lを注入した後に、注液栓106によって密閉されている。注液栓106に安全機構を付与することも可能である。その安全機構として、電池容器102内部の圧力を解放するための圧力弁を設けてもよい。 The outer edge of the lid 103 is joined to the opening of the battery container 102 by welding, caulking, adhesion, or the like over the entire circumference, and the battery container 102 is sealed in a sealed state. The lid 103 has a liquid injection port for injecting the electrolytic solution L into the battery container 102 after sealing the opening of the battery container 102. The liquid injection port is sealed by a liquid injection plug 106 after the electrolytic solution L is injected into the battery container 102. It is also possible to provide a safety mechanism to the liquid injection plug 106. As the safety mechanism, a pressure valve for releasing the pressure inside the battery container 102 may be provided.

蓋103には、絶縁シール部材112を介して正極外部端子104及び負極外部端子105が固定され、両端子(正極外部端子104及び負極外部端子105)の短絡が絶縁シール部材112によって防止されている。正極外部端子104は正極リード線110を介して正極107へ、負極外部端子105は負極リード線111を介して負極108へ、それぞれ連結されている。リード線絶縁性シール部材112の材料は、フッ素樹脂、熱硬化性樹脂、ガラスハーメチックシールなどから選択することができ、電解液Lと反応せず、かつ気密性に優れた任意の絶縁材料を使用することができる。 A positive electrode external terminal 104 and a negative electrode external terminal 105 are fixed to the lid 103 via an insulating seal member 112, and a short circuit between both terminals (positive electrode external terminal 104 and negative electrode external terminal 105) is prevented by the insulating seal member 112. .. The positive electrode external terminal 104 is connected to the positive electrode 107 via the positive electrode lead wire 110, and the negative electrode external terminal 105 is connected to the negative electrode 108 via the negative electrode lead wire 111. The material of the lead wire insulating seal member 112 can be selected from fluororesin, thermosetting resin, glass hermetic seal, etc., and any insulating material that does not react with the electrolytic solution L and has excellent airtightness is used. can do.

電極群は、正極107と負極108とをセパレータ109を介して積層させることによって構成されている。セパレータ109は、正極107と負極108との間に配置されてこれらの短絡を防止するだけでなく、電極群と電池容器102の間にも挿入され、正極107と負極108が電池容器102を通じて短絡しないようにしている。セパレータ109と各電極(正極107及び負極108)の表面及び細孔内部に、電解液Lが保持されている。 The electrode group is formed by laminating a positive electrode 107 and a negative electrode 108 via a separator 109. The separator 109 is arranged between the positive electrode 107 and the negative electrode 108 to prevent short circuits between them, and is also inserted between the electrode group and the battery container 102 so that the positive electrode 107 and the negative electrode 108 are short-circuited through the battery container 102. I try not to. The electrolytic solution L is held on the surface of the separator 109 and each electrode (positive electrode 107 and negative electrode 108) and inside the pores.

電池容器102の材質は、電解液Lによって腐食したり、電解液Lへ溶解したりしなければ、任意の材料を選択することが可能で、例えば、ステンレス鋼、鋼、ニッケルメッキ鋼板、プラスチック、アルミニウム(例えば、アルミニウムのラミネートシート)などを使用することができる。 As the material of the battery container 102, any material can be selected as long as it is not corroded by the electrolytic solution L or dissolved in the electrolytic solution L. For example, stainless steel, steel, nickel-plated steel plate, plastic, etc. Aluminum (for example, a laminated sheet of aluminum) can be used.

セパレータ109としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどからなるポリオレフィン系高分子シート、又はポリオレフィン系高分子と4フッ化ポリエチレンを代表とするフッ素系高分子シートを溶着させた多層構造のシートなどを用いることができる。また、セパレータ109が電池温度の上昇時に収縮しないように、セパレータ109の表面にセラミックスとバインダの混合物を薄層状に形成してもよい。さらに、セパレータ109としては、セルロース繊維からなるセルロース・セパレータを用いてもよい。セパレータ109は、リチウムイオン二次電池101の充放電時にリチウムイオンを透過させるために、例えば、細孔径が0.01μm〜10μmであり、気孔率が20%〜90%であることが好ましい。 As the separator 109, for example, a polyolefin-based polymer sheet made of polyethylene, polypropylene, or the like, or a multi-layered sheet in which a polyolefin-based polymer and a fluorine-based polymer sheet typified by tetrafluoride polyethylene are welded is used. Can be done. Further, a mixture of ceramics and binder may be formed in a thin layer on the surface of the separator 109 so that the separator 109 does not shrink when the battery temperature rises. Further, as the separator 109, a cellulose separator made of cellulose fibers may be used. The separator 109 preferably has a pore diameter of 0.01 μm to 10 μm and a pore ratio of 20% to 90%, for example, in order to allow lithium ions to permeate during charging and discharging of the lithium ion secondary battery 101.

(正極の製造)
正極107は、正極活物質、導電剤、バインダ、及び正極集電体から構成されている。
(Manufacturing of positive electrode)
The positive electrode 107 is composed of a positive electrode active material, a conductive agent, a binder, and a positive electrode current collector.

正極活物質を例示すると、LiCoO、LiNiO、LiMnが代表例である。他に、LiMnO、LiMn、LiMnO、LiMn12、LiMn2−x(ただし、M=Co、Ni、Fe、Cr、Zn、Ta、x=0.01〜0.2)、LiMnMO(ただし、M=Fe、Co、Ni、Cu、Zn)、Li1−xMn(ただし、A=Mg、B、Al、Fe、Co、Ni、Cr、Zn、Ca、x=0.01〜0.1)、LiNi1−xMxO(ただし、M=Co、Fe、Ga、x=0.01〜0.2)、LiFeO、Fe(SO、LiCo1−x(ただし、M=Ni、Fe、Mn、x=0.01〜0.2)、LiNi1−x(ただし、M=Mn、Fe、Co、Al、Ga、Ca、Mg、x=0.01〜0.2)、Fe(MoO、FeF、LiFePO、LiMnPO、LiMnO−LiMnO系固溶体などを列挙することができる。本実施形態では、正極活物質にLiNi1/3Mn1/3Co1/3を選択することが好ましい。ただし、本実施形態は正極材料に何ら制約を受けないので、これらの材料に限定されない。 Examples of the positive electrode active material are LiCoO 2 , LiNiO 2 , and LiMn 2 O 4 . In addition, LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , LiMnO 2 , Li 4 Mn 5 O 12 , LiMn 2-x M x O 2 (where M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn, Ta, x = 0. 01-0.2), Li 2 Mn 3 MO 8 (where M = Fe, Co, Ni, Cu, Zn), Li 1-x A x Mn 2 O 4 (where A = Mg, B, Al, Fe, Co, Ni, Cr, Zn, Ca, x = 0.01 to 0.1), LiNi 1-x MxO 2 (where M = Co, Fe, Ga, x = 0.01 to 0.2) , LiFeO 2 , Fe 2 (SO 4 ) 3 , LiCo 1-x M x O 2 (where M = Ni, Fe, Mn, x = 0.01-0.2), LiNi 1-x M x O 2 (However, M = Mn, Fe, Co, Al, Ga, Ca, Mg, x = 0.01 to 0.2), Fe (MoO 4 ) 3 , FeF 3 , LiFePO 4 , LiMnPO 4 , Li 2 MnO 3 -LimnO 2 system solid solution and the like can be listed. In the present embodiment, it is preferable to select LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 as the positive electrode active material. However, this embodiment is not limited to these materials because the positive electrode material is not restricted in any way.

正極活物質の平均粒径(D50)は、合剤層の厚さ以下になるように規定される。正極活物質粉末中に合剤層厚さ以上のサイズを有する粗粒がある場合、予めふるい分級、風流分級などにより粗粒を除去し、合剤層厚さ以下の粒子を作製する。なお、平均粒径は、レーザー散乱を利用した粒度分布計を用いて、測定することが可能である。 The average particle size (D 50 ) of the positive electrode active material is specified to be equal to or less than the thickness of the mixture layer. If the positive electrode active material powder contains coarse particles having a size equal to or larger than the thickness of the mixture layer, the coarse particles are removed in advance by sieving classification, wind flow classification, or the like to prepare particles having a size equal to or less than the thickness of the mixture layer. The average particle size can be measured using a particle size distribution meter using laser scattering.

また、正極活物質が酸化物であるとき、一般に、酸化物は導電性が低い(すなわち、電気抵抗が高い)ので、導電剤として炭素粉末を加えて酸化物粒子間の導電性を向上させる。 Further, when the positive electrode active material is an oxide, the oxide generally has low conductivity (that is, high electrical resistance), so carbon powder is added as a conductive agent to improve the conductivity between the oxide particles.

導電剤としては、例えば、黒鉛、非晶質炭素、易黒鉛化炭素、カーボンブラック、活性炭、導電性繊維、カーボンナノチューブなどの公知の材料を用いることができる。導電性繊維としては、気相成長炭素、またはピッチ(石油、石炭、コールタールなどの副生成物)を原料に高温で炭化して製造した繊維、アクリル繊維(Polyacrylonitrile)から製造した炭素繊維などがある。また、導電剤の材料は、正極の充放電電位(通常は2.5V〜2.8Vである)にて酸化溶解しない材料であり、正極活物質よりも電気抵抗の低い金属材料、例えばチタン、金等の耐食性金属、SiCやWCなどのカーバイド、Si、BNなどの窒化物からなる繊維を用いてもよい。導電剤は、例えば溶融法、化学気相成長法など既存の製造方法によって製造することができる。導電剤は正極活物質の表面を被覆し、一体になっていてもよい。導電剤の含有量は、正極活物質の重量に対して、通常1%〜10%であればよく、好ましくは5%〜10%である。導電剤は少なすぎると電気伝導度が不足して正極が高抵抗になり、逆に多すぎると正極活物質の含有量が減少し電池容量が低下する。 As the conductive agent, for example, known materials such as graphite, amorphous carbon, graphitized carbon, carbon black, activated carbon, conductive fibers, and carbon nanotubes can be used. Conductive fibers include vapor-grown carbon, fibers produced by carbonizing pitch (a by-product of petroleum, coal, coal tar, etc.) at high temperatures, and carbon fibers produced from acrylic fibers (Polyacrylonitrile). be. Further, the material of the conductive agent is a material that does not oxidize and dissolve at the charge / discharge potential of the positive electrode (usually 2.5 V to 2.8 V), and is a metal material having a lower electric resistance than the positive electrode active material, for example, titanium. A fiber made of a corrosion-resistant metal such as gold, a carbide such as SiC or WC, or a nitride such as Si 3 N 4 or BN may be used. The conductive agent can be produced by an existing production method such as a melting method or a chemical vapor deposition method. The conductive agent may cover the surface of the positive electrode active material and be integrated. The content of the conductive agent may be usually 1% to 10%, preferably 5% to 10%, based on the weight of the positive electrode active material. If the amount of the conductive agent is too small, the electrical conductivity will be insufficient and the positive electrode will have high resistance. On the contrary, if the amount of the conductive agent is too large, the content of the positive electrode active material will decrease and the battery capacity will decrease.

バインダとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFともいう。)を用いることができる。バインダは、予め1−メチル−2−ピロリドン(以下、NMPともいう。)に溶解されているものを用いることができる。バインダの含有量は、正極活物質の重量に対して、通常1%〜10%であればよく、好ましくは5%〜10%である。バインダは少なすぎると正極の構造が弱くなりサイクル寿命が低下し、逆に多すぎると正極の抵抗が高くなって電池容量が低下する。 As the binder, for example, polyvinylidene fluoride (hereinafter, also referred to as PVDF) can be used. As the binder, one previously dissolved in 1-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter, also referred to as NMP) can be used. The binder content is usually 1% to 10%, preferably 5% to 10%, based on the weight of the positive electrode active material. If the amount of binder is too small, the structure of the positive electrode is weakened and the cycle life is shortened. On the contrary, if the amount is too large, the resistance of the positive electrode is increased and the battery capacity is reduced.

正極集電体には、厚さが通常1μm〜100μmであるアルミニウム箔、孔径が通常0.11mm〜10mmである孔を有する、厚さが通常10μm〜100μmであるアルミニウム製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡金属板などが用いられ、材質もアルミニウムの他に、ステンレス鋼、チタンなども適用可能である。本発明では、電池の使用中に溶解、酸化などの変化をしないものであれば、材質、形状、製造方法などに制限されることなく、任意の材料を集電体に使用することができる。 The positive electrode current collector includes an aluminum foil having a thickness of usually 1 μm to 100 μm, an aluminum perforated foil having a hole diameter of usually 0.11 mm to 10 mm and a thickness of usually 10 μm to 100 μm, and expanded metal. A foamed metal plate or the like is used, and stainless steel, titanium, or the like can be applied in addition to aluminum as the material. In the present invention, any material can be used for the current collector without being limited by the material, shape, manufacturing method, etc., as long as the battery does not change such as dissolution and oxidation during use.

正極集電体の表面に合剤層を形成する際には、まず、正極活物質、導電剤、バインダの混合比(重量百分率表示)を、例えば、正極活物質を通常80重量%〜95重量%、導電剤を通常1重量%〜10重量%、バインダを通常1重量%〜10重量%とし、これらを配合する。導電剤の混合比は、導電性を十分に発揮させて大電流の充放電を可能にするために、3重量%以上にすることが望ましい。これにより、正極107全体の抵抗が小さくなり、大電流が流れる際のオーム抵抗損失を小さくすることができる。また、リチウムイオン二次電池101のエネルギー密度を向上させる場合は、正極活物質の混合比を85重量%〜95重量%の高い範囲にすることが望ましい。 When forming a mixture layer on the surface of the positive electrode current collector, first, the mixing ratio (weight percentage display) of the positive electrode active material, the conductive agent, and the binder is determined, for example, the positive electrode active material is usually 80% by weight to 95% by weight. %, The conductive agent is usually 1% by weight to 10% by weight, and the binder is usually 1% by weight to 10% by weight, and these are blended. The mixing ratio of the conductive agent is preferably 3% by weight or more in order to sufficiently exert conductivity and enable charging / discharging of a large current. As a result, the resistance of the entire positive electrode 107 is reduced, and the ohmic resistance loss when a large current flows can be reduced. Further, when improving the energy density of the lithium ion secondary battery 101, it is desirable that the mixing ratio of the positive electrode active material is in a high range of 85% by weight to 95% by weight.

次に、正極活物質、バインダを含むNMP溶液、導電剤を撹拌、混合しながら、有機溶媒としてのNMPを添加し、なめらかな流動性を有するスラリ(正極スラリともいう)を調製して正極集電体に塗布し、有機溶媒を蒸発させて乾燥させる。正極集電体に正極スラリを塗布する方法は特に限定されず、例えばドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法などの既知の方法を採用することができる。また、正極スラリを集電体に塗布させた後、有機溶媒を蒸発させて乾燥させ、正極集電体の表面に形成された正極合剤層をロールプレスによって加圧成形することにより、正極107を作製することができる。また、正極スラリの塗布から乾燥までを複数回おこなうことにより、複数の正極合剤層を正極集電体に積層化させることも可能である。 Next, while stirring and mixing the positive electrode active material, the NMP solution containing the binder, and the conductive agent, NMP as an organic solvent is added to prepare a slurry having smooth fluidity (also referred to as a positive electrode slurry) to prepare a positive electrode collection. It is applied to an electric body, and the organic solvent is evaporated and dried. The method of applying the positive electrode slurry to the positive electrode current collector is not particularly limited, and known methods such as a doctor blade method, a dipping method, and a spray method can be adopted. Further, after applying the positive electrode slurry to the current collector, the organic solvent is evaporated and dried, and the positive electrode mixture layer formed on the surface of the positive electrode current collector is pressure-molded by a roll press to obtain the positive electrode 107. Can be produced. It is also possible to stack a plurality of positive electrode mixture layers on the positive electrode current collector by performing the process from application of the positive electrode slurry to drying a plurality of times.

正極合剤層の厚さは、正極活物質の平均粒径以上とすることが望ましい。正極合剤層の厚さを正極活物質の平均粒径未満にすると、隣接する粒子間の電子伝導性が低下するからである。本実施形態の正極活物質の平均粒径(D50)は、レーザー散乱法により測定され、通常1μm〜4μmの範囲である。この正極活物質を用いる場合、正極合剤層の厚さは通常10μm以上である。正極合剤層の厚さが前記範囲であることで、本実施形態のより高い効果を得ることができる。また、正極合剤層の厚さの上限は、通常30μm以下である。それよりも厚くなると、導電剤の量を増加させない限り、合剤の表面と集電体表面近傍の正極活物質の充電レベルにばらつきが生じ、偏った充放電が起こり得るからである。導電剤の量を増加させると、正極体積が嵩高になり、電池のエネルギー密度が低下する。 The thickness of the positive electrode mixture layer is preferably equal to or larger than the average particle size of the positive electrode active material. This is because if the thickness of the positive electrode mixture layer is less than the average particle size of the positive electrode active material, the electron conductivity between adjacent particles decreases. The average particle size (D 50 ) of the positive electrode active material of the present embodiment is measured by a laser scattering method and is usually in the range of 1 μm to 4 μm. When this positive electrode active material is used, the thickness of the positive electrode mixture layer is usually 10 μm or more. When the thickness of the positive electrode mixture layer is within the above range, a higher effect of the present embodiment can be obtained. The upper limit of the thickness of the positive electrode mixture layer is usually 30 μm or less. If it is thicker than that, the charging level of the positive electrode active material near the surface of the mixture and the surface of the current collector will vary unless the amount of the conductive agent is increased, and uneven charging / discharging may occur. Increasing the amount of the conductive agent increases the volume of the positive electrode and reduces the energy density of the battery.

(負極の製造)
負極108は、負極活物質、バインダ、及び負極集電体から構成されている。負極活物質は、本発明の負極材料であり、シリコン粒子と、酸化ダイヤモンド触媒微粒子と、第一の導電性材料と、第二の導電性材料とを含む。
(Manufacturing of negative electrode)
The negative electrode 108 is composed of a negative electrode active material, a binder, and a negative electrode current collector. The negative electrode active material is the negative electrode material of the present invention, and includes silicon particles, diamond oxide catalyst fine particles, a first conductive material, and a second conductive material.

本発明の負極材料において、シリコン粒子は、結晶質又は非晶質の金属粒子である。粒子表面に微量のシリコン酸化物が存在してもよいし、粒子の内部に微量の酸素や炭素が含まれていてもよく、粒子全体として、シリコンが主成分であればよい。また、シリコン粒子の形状は、球状、塊状、板状の任意の形状を有することができる。負極合剤層の密度が高いほど、リチウムイオン二次電池が小さくなるので、シリコン粒子は、球状又は塊状であることが望ましい。ここで、塊状とは、一次粒子のシリコン粒子が凝集した二次粒子又はそれ以上の凝集体であり、当該凝集体の中心を通る一番短い辺に対する一番長い辺のアスペクト比が1〜3である無定形の凝集体であり、球状(アスペクト比が1)に近いものを含むものとする。 In the negative electrode material of the present invention, the silicon particles are crystalline or amorphous metal particles. A trace amount of silicon oxide may be present on the surface of the particle, a trace amount of oxygen or carbon may be contained inside the particle, and silicon may be the main component of the particle as a whole. Further, the shape of the silicon particles can have any shape such as a spherical shape, a lump shape, or a plate shape. Since the lithium ion secondary battery becomes smaller as the density of the negative electrode mixture layer increases, it is desirable that the silicon particles are spherical or agglomerated. Here, the agglomerate is an agglomerate of secondary particles or more in which silicon particles of primary particles are agglomerated, and the aspect ratio of the longest side to the shortest side passing through the center of the agglomerate is 1 to 3. It is assumed that it is an atypical agglomerate that is close to a spherical shape (aspect ratio is 1).

リチウムイオン電池101の充放電時におけるシリコン粒子の体積変化により、シリコン粒子に大きな応力が発生し、シリコン粒子が崩壊することがある。この現象は、シリコン粒子の微粉化と呼ばれ、この現象が進行すると、負極の導電性が悪化し、充放電可能なシリコン粒子が減少する。これを回避するために、あらかじめ、シリコン粒子の粒径を小さくすることで、応力を低減し、微粉化を抑制することができる。ただし、粒子が細かすぎると、負極中の充填性が低下し、リチウムイオン二次電池の体積あたりの容量密度が低下する。また、粒子が細かくなると、その表面積が増大するため、充放電以外の副反応量が増大し、リチウムイオン二次電池の初期容量が低下する。したがって、初期の充放電サイクル時の微粉化を抑制し、負極の容量密度を高めるためには、シリコン粒子の一次粒子の平均粒径は、通常5nm〜500nmである。レート特性とサイクル寿命をさらに向上させるためには、シリコン粒子の一次粒子の平均粒径は、好ましくは100nm以下であり、より好ましくは70nm以下である。また、負極の容量密度をさらに高めるためには、シリコン粒子の一次粒子の平均粒径は、好ましくは10nm以上であり、より好ましくは20nm以上である。なお、シリコン粒子の一次粒子の平均粒径は、例えば透過型電子顕微鏡写真(TEM写真)において無作為に選択した10個〜50個の粒子の円相当径の平均値とすることができる。 Due to the volume change of the silicon particles during charging and discharging of the lithium ion battery 101, a large stress is generated in the silicon particles, and the silicon particles may collapse. This phenomenon is called pulverization of silicon particles, and as this phenomenon progresses, the conductivity of the negative electrode deteriorates, and the number of chargeable and dischargeable silicon particles decreases. In order to avoid this, the stress can be reduced and the pulverization can be suppressed by reducing the particle size of the silicon particles in advance. However, if the particles are too fine, the filling property in the negative electrode is lowered, and the capacitance density per volume of the lithium ion secondary battery is lowered. Further, when the particles become finer, the surface area thereof increases, so that the amount of side reactions other than charging and discharging increases, and the initial capacity of the lithium ion secondary battery decreases. Therefore, in order to suppress pulverization during the initial charge / discharge cycle and increase the capacitance density of the negative electrode, the average particle size of the primary particles of the silicon particles is usually 5 nm to 500 nm. In order to further improve the rate characteristics and cycle life, the average particle size of the primary particles of the silicon particles is preferably 100 nm or less, more preferably 70 nm or less. Further, in order to further increase the capacitance density of the negative electrode, the average particle size of the primary particles of the silicon particles is preferably 10 nm or more, more preferably 20 nm or more. The average particle size of the primary particles of the silicon particles can be, for example, the average value of the equivalent circle diameters of 10 to 50 particles randomly selected in a transmission electron micrograph (TEM photograph).

また、シリコン粒子の二次粒子の平均粒径は、レーザー散乱粒度分布測定装置において測定したときに、体積基準の粒度分布における累積体積が50%となる二次粒子径D50が通常5μm〜10μmであり、体積基準の粒度分布における累積体積が90%となる二次粒子径D90が通常15μm〜25μmである。 The average particle size of the secondary particles of the silicon particles is usually 5 μm to 10 μm for the secondary particle size D 50, which is 50% of the cumulative volume in the volume-based particle size distribution when measured with a laser scattering particle size distribution measuring device. The secondary particle size D 90 at which the cumulative volume in the volume-based particle size distribution is 90% is usually 15 μm to 25 μm.

次に、図2にて、1個のシリコン粒子201に焦点を当てて、本発明の負極材料の構造を説明する。図2の左に、上述の条件を満たしたシリコン粒子201を示す。このシリコン粒子202の表面には、層状の導電性材料202が形成されている。これが、第一の導電性材料202である。なお、層状とは、第一の導電性材料202が乱層構造をもつ炭素質又は層構造に乱れのない黒鉛質であり、シリコン粒子202の表面に1層、2層、3層、又は4層以上のグラフェン層で被覆されている形態を意味する。なお、グラフェン層は、微視的に層構造を有していればよく、シリコン粒子の表面全体が連続したグラフェン構造になっていなくてもよい。第一の導電性材料202は、シリコン粒子201に層状に被覆しており、シリコン粒子201の体積変化に追従して、電子伝導性を保持することができる。また、第一の導電性材料202は多孔質構造になっており、リチウムイオンの挿入脱離を可能とする。 Next, in FIG. 2, the structure of the negative electrode material of the present invention will be described with a focus on one silicon particle 201. On the left side of FIG. 2, silicon particles 201 satisfying the above conditions are shown. A layered conductive material 202 is formed on the surface of the silicon particles 202. This is the first conductive material 202. The layered form means that the first conductive material 202 is a carbonaceous material having a disordered layer structure or a graphite material having no disorder in the layered structure, and has one layer, two layers, three layers, or four layers on the surface of the silicon particles 202. It means a form in which the graphene layer is covered with more than one layer. The graphene layer may have a microscopic layer structure, and the entire surface of the silicon particles does not have to have a continuous graphene structure. The first conductive material 202 coats the silicon particles 201 in a layered manner, and can maintain the electron conductivity by following the volume change of the silicon particles 201. Further, the first conductive material 202 has a porous structure, which enables insertion and desorption of lithium ions.

さらに、第一の導電性材料202が被覆されているシリコン粒子201は、当該シリコン粒子201に近接する酸化ダイヤモンド触媒微粒子204から放射状に伸長する複数の繊維状の第二の導電性材料203(図2では2本)により包含されている。第二の導電性材料203は、異なるシリコン粒子201に被覆されている第一の導電性材料202と連結しているので、シリコン粒子201が体積変化して、その位置がずれても、シリコン粒子201間の電子の伝達を可能にする。 Further, the silicon particles 201 coated with the first conductive material 202 are a plurality of fibrous second conductive materials 203 extending radially from the diamond oxide catalyst fine particles 204 in the vicinity of the silicon particles 201 (FIG. In 2, it is included by 2). Since the second conductive material 203 is connected to the first conductive material 202 coated with different silicon particles 201, even if the silicon particles 201 change in volume and their positions shift, the silicon particles Allows the transfer of electrons between 201.

第一の導電性材料202は、微粒子又は一次粒子の凝集体が望ましく、第一の導電性材料202により形成される層は、細孔を有する多孔質構造である。当該細孔の大きさは、溶媒和しているリチウムイオンを出し入れすることができる大きさであり、シリコン粒子201の粒径の通常1/100〜1(等しい粒径)の大きさであり、シリコン粒子201の大きさにも依存するが、通常10nm〜1000nmである。なお、当該細孔の大きさは、例えば、水銀圧入によるポロシメーターによる細孔分布測定、電極表面又は断面のSEM写真の二値化画像処理によって、無作為に選択した10個〜50個の細孔の円相当径の平均値とすることができる。 The first conductive material 202 is preferably an agglomerate of fine particles or primary particles, and the layer formed by the first conductive material 202 has a porous structure having pores. The size of the pores is a size that allows solvated lithium ions to be taken in and out, and is usually 1/100 to 1 (equal particle size) of the particle size of the silicon particles 201. Although it depends on the size of the silicon particles 201, it is usually 10 nm to 1000 nm. The size of the pores was determined by, for example, 10 to 50 pores randomly selected by measuring the pore distribution with a porosimeter by injecting mercury and binarizing an SEM photograph of the electrode surface or cross section. It can be the average value of the circle equivalent diameter of.

層中の細孔の量は、限定されないが、通常、水銀圧入によるポロシメーターによる細孔分布測定により得られた細孔容積、電極断面のSEM写真の二値化画像処理によって計算された細孔面積の比率とすることができる。 The amount of pores in the layer is not limited, but is usually the pore volume obtained by measuring the pore distribution with a porosimeter by mercury intrusion, and the pore area calculated by binarized image processing of the SEM photograph of the electrode cross section. Can be the ratio of.

第一の導電性材料202により形成されている層中には細孔があるために、当該細孔を介してリチウムイオンが透過し、シリコン粒子がリチウムイオンを吸蔵、放出することができる。なお、第一の導電性材料202は、熱処理によって、第一の導電性材料202からなる層を緻密化してもよいが、層の中に細孔が残ることを条件とする。 Since there are pores in the layer formed by the first conductive material 202, lithium ions can permeate through the pores, and the silicon particles can occlude and release lithium ions. In the first conductive material 202, the layer made of the first conductive material 202 may be densified by heat treatment, provided that pores remain in the layer.

第一の導電性材料202に使用可能な材料としては、カーボンブラック、ファーネスブラック、黒鉛、非晶質炭素などが挙げられる。第一の導電性材料202の一次粒子の平均粒径は、シリコン粒子201の一次粒子の平均粒径の通常1/10以下であればよい。第一の導電性材料202の平均粒径が前記範囲であることで、第一の導電性材料202はシリコン粒子201の表面を被覆することができる。 Examples of the material that can be used for the first conductive material 202 include carbon black, furnace black, graphite, and amorphous carbon. The average particle size of the primary particles of the first conductive material 202 may be usually 1/10 or less of the average particle size of the primary particles of the silicon particles 201. When the average particle size of the first conductive material 202 is within the above range, the first conductive material 202 can cover the surface of the silicon particles 201.

第一の導電性材料202の含有量は、例えば、第一の導電性材料202がカーボンブラックであるとき、シリコン粒子201と第一の導電性材料202の重量比(シリコン粒子201:第一の導電性材料202)が通常、97:3〜70:30、好ましくは95:5〜75:25の範囲にあること、換言すると、シリコン粒子201の重量に対する第一の導電性材料202の重量比(第一の導電性材料202/シリコン粒子201)が通常0.031〜0.429、好ましくは0.053〜0.333の範囲にあることが望ましい。シリコン粒子201の重量に対する第一の導電性材料202の重量比が0.031よりも小さくなると、第一の導電性材料202の量が不足する傾向があり、シリコン粒子201に高い電子抵抗である表面が残ってしまう。一方で、シリコン粒子201の重量に対する第一の導電性材料202の重量比が0.429を超えると、シリコン粒子201の比率が低下し、負極の容量密度が低下する傾向がある。 The content of the first conductive material 202 is, for example, the weight ratio of the silicon particles 201 to the first conductive material 202 (silicon particles 201: first) when the first conductive material 202 is carbon black. The conductive material 202) is usually in the range 97: 3 to 70:30, preferably 95: 5 to 75:25, in other words, the weight ratio of the first conductive material 202 to the weight of the silicon particles 201. It is desirable that (the first conductive material 202 / silicon particles 201) is usually in the range of 0.031 to 0.429, preferably 0.053 to 0.333. When the weight ratio of the first conductive material 202 to the weight of the silicon particles 201 is smaller than 0.031, the amount of the first conductive material 202 tends to be insufficient, and the silicon particles 201 have high electronic resistance. The surface remains. On the other hand, when the weight ratio of the first conductive material 202 to the weight of the silicon particles 201 exceeds 0.429, the ratio of the silicon particles 201 tends to decrease, and the capacitance density of the negative electrode tends to decrease.

第一の導電性材料202の被覆厚さ(層厚)は、通常100nm以上である。第一の導電性材料202のシリコン粒子201の表面積に対する被覆率は、通常70%〜90%である。このような被覆率であれば、シリコン粒子201の表面に露出した面、すなわちシリコン粒子201の第一の導電性材料202に被覆されていない面を、10%〜30%にすることができ、リチウムイオンが第一の導電性材料202を透過し、シリコン粒子201に吸蔵、放出され、負極の高容量化が実現される。 The coating thickness (layer thickness) of the first conductive material 202 is usually 100 nm or more. The coverage of the first conductive material 202 with respect to the surface area of the silicon particles 201 is usually 70% to 90%. With such a coverage, the surface exposed on the surface of the silicon particles 201, that is, the surface of the silicon particles 201 not covered with the first conductive material 202 can be set to 10% to 30%. Lithium ions pass through the first conductive material 202, are occluded and released into the silicon particles 201, and the capacity of the negative electrode is increased.

第一の導電性材料202は、炭素以外に、負極の充放電時にリチウムイオンを吸蔵、放出せず、溶解もしない材料を含んでいてもよい。第一の導電性材料202は、限定されないが、例えばチタン、鉄、ニッケル、アルミナ、シリカ、チタン酸リチウム、チタン酸バリウム、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物などからなる群から選択される1種以上を含むことができる。 The first conductive material 202 may contain, in addition to carbon, a material that does not occlude, release, or dissolve lithium ions when the negative electrode is charged or discharged. The first conductive material 202 is selected from the group consisting of, but not limited to, for example, titanium, iron, nickel, alumina, silica, lithium titanate, barium titanate, alkali metal oxides, alkaline earth metal oxides and the like. Can include one or more species.

シリコン粒子201の表面に第一の導電性材料202を被覆させる方法としては、ボールミルやメカニカルフュージョンなどによる機械的被覆方法、ガス熱分解反応を利用した気相被覆などがある。ボールミルによる方法では、シリコン粒子201の粉末と第一の導電性材料202の原料となる炭素粉末とを混合し、高速回転による衝撃によって、シリコン粒子201の表面に第一の導電性材料202となる炭素を被覆させることができる。また、気相被覆法によると、シリコン粒子201の粉末と炭化水素(アセチレン、プロピレンなど)とを例えば800℃以上の高温に加熱し、炭化水素を分解させて、シリコン粒子201の表面に第一の導電性材料202となる炭素を被覆することができる。 Examples of the method of coating the surface of the silicon particles 201 with the first conductive material 202 include a mechanical coating method using a ball mill or mechanical fusion, and a vapor phase coating using a gas pyrolysis reaction. In the ball mill method, the powder of the silicon particles 201 and the carbon powder which is the raw material of the first conductive material 202 are mixed, and the impact of high-speed rotation causes the surface of the silicon particles 201 to become the first conductive material 202. It can be coated with carbon. Further, according to the vapor phase coating method, the powder of the silicon particles 201 and the hydrocarbon (acetylene, propylene, etc.) are heated to a high temperature of, for example, 800 ° C. or higher to decompose the hydrocarbons, and the surface of the silicon particles 201 is first surfaced. It is possible to coat carbon which becomes the conductive material 202 of.

例えば、第一の導電性材料202が被覆されているシリコン粒子201は、第一の導電性材料202としてのカーボンブラック(CB;Carbon Black)とシリコン粒子201とを混合し、乾式で、ボールミルを用いて、混合することで作製することができる。第一の導電性材料202が被覆されているシリコン粒子201の組成は、CBとシリコン粒子201の混合比から決めることができる。 For example, the silicon particles 201 coated with the first conductive material 202 are made by mixing carbon black (CB; Carbon Black) as the first conductive material 202 and the silicon particles 201, and using a dry ball mill. It can be produced by using and mixing. The composition of the silicon particles 201 coated with the first conductive material 202 can be determined from the mixing ratio of the CB and the silicon particles 201.

第一の導電性材料202から形成される層の多孔質構造は、シリコン粒子201の表面積に対する第一の導電性材料202の添加量で制御可能である。前記表面積は、シリコン粒子201の粒径、シリコン粒子201の粉末の比表面積などを測定して、シリコン粒子201 1個当たりの平均表面積から見積もることができる。第一の導電性材料202の添加量は、シリコン粒子201の平均粒径、すなわち比表面積に応じて、適宜決定することができる。第一の導電性材料は、ほぼ全量のシリコン粒子201の表面積を被覆することが望ましい。第一の導電性材料202の被覆量と層厚を変化させることで、シリコン粒子201 1個当たりの平均被覆量と、平均細孔サイズを制御することができる。 The porous structure of the layer formed from the first conductive material 202 can be controlled by the amount of the first conductive material 202 added to the surface area of the silicon particles 201. The surface area can be estimated from the average surface area per silicon particle 201 by measuring the particle size of the silicon particle 201, the specific surface area of the powder of the silicon particle 201, and the like. The amount of the first conductive material 202 added can be appropriately determined according to the average particle size of the silicon particles 201, that is, the specific surface area. It is desirable that the first conductive material covers almost the entire surface area of the silicon particles 201. By changing the coating amount and the layer thickness of the first conductive material 202, the average coating amount per silicon particle 201 and the average pore size can be controlled.

シリコン粒子201の表面に第一の導電性材料202が存在することは、光電子分光測定のシリコンと炭素のピークから確認することができる。層厚は、簡易な方法として、光電子分光測定をしながら、シリコン粒子表面をイオンスパッタで削ることにより測定することができる。より厳密な方法として、TEM写真から、第一の導電性材料202の厚さを測定することができる。多孔質構造は、走査型電子顕微鏡(SEM)によって、観察することができる。 The presence of the first conductive material 202 on the surface of the silicon particles 201 can be confirmed from the peaks of silicon and carbon in the photoelectron spectroscopy measurement. As a simple method, the layer thickness can be measured by scraping the surface of silicon particles by ion sputtering while performing photoelectron spectroscopy measurement. As a more rigorous method, the thickness of the first conductive material 202 can be measured from the TEM photograph. The porous structure can be observed with a scanning electron microscope (SEM).

第一の導電性材料202の被覆率(θ)は、シリコン粒子201の比表面積の合計(S)と、第一の導電性材料202の厚さ(t)、重量(w)、及び密度(ρ)とから計算することができる。第一の導電性材料202の密度は、第一の導電性材料202を平板上に付着させて、重量及び厚さを求めることで計算することができるが、既知の材料であれば文献値を用いてもよい。第一の導電性材料202の被覆率(θ)の計算式を以下に示す。
θ = w/(t・ρ・S) 式1
The coverage (θ) of the first conductive material 202 is the total specific surface area (S) of the silicon particles 201, and the thickness (t), weight (w), and density (w) of the first conductive material 202. It can be calculated from ρ). The density of the first conductive material 202 can be calculated by adhering the first conductive material 202 on a flat plate and obtaining the weight and thickness, but if it is a known material, the literature value is used. You may use it. The formula for calculating the coverage (θ) of the first conductive material 202 is shown below.
θ = w / (t ・ ρ ・ S) Expression 1

続いて、第一の導電性材料202が被覆されているシリコン粒子201を包含している第二の導電性材料203の生成方法について説明する。ここで、「包含」とは、複数の繊維状の第二の導電性材料203が、第一の導電性材料202が被覆されているシリコン粒子201を囲い込んでいることを意味し、例えば図2に示すように、繊維状の複数の第二の導電性材料203が、第一の導電性材料202が被覆されているシリコン粒子201と接触して配置していることを含む。 Subsequently, a method for producing the second conductive material 203 including the silicon particles 201 coated with the first conductive material 202 will be described. Here, "inclusion" means that a plurality of fibrous second conductive materials 203 enclose the silicon particles 201 coated with the first conductive material 202, for example, FIG. As shown in 2, a plurality of fibrous second conductive materials 203 are arranged in contact with silicon particles 201 coated with the first conductive material 202.

はじめに、第二の導電性材料203の生成方法の概略を説明する。まず、第一の導電性材料202が被覆されているシリコン粒子201と酸化ダイヤモンド触媒微粒子204とを混合する。次いで、この混合物に、炭化水素を供給し、炭化水素を熱分解させると、複数の第二の導電性材料203(図2では2本)が、酸化ダイヤモンド触媒微粒子204を起点としてそこから放射状に成長してゆく。最終的には、第二の導電性材料203は、複数のシリコン粒子201をぶどう房状に取り込みながら成長し、マリモ状の形態(球形又は変形した球形)になる。なお、「ぶどう房状」とは、少なくとも1つのシリコン粒子201の一次粒子又は二次粒子が、少なくとも2本以上の第二の導電性材料203に包含(接触)されて分散している形態を意味し、「マリモ状」とは、第二の導電性材料203が酸化ダイヤモンド触媒微粒子204から放射状に成長している形態を意味する。 First, an outline of a method for producing the second conductive material 203 will be described. First, the silicon particles 201 coated with the first conductive material 202 and the diamond oxide catalyst fine particles 204 are mixed. Then, when a hydrocarbon is supplied to this mixture and the hydrocarbon is thermally decomposed, a plurality of second conductive materials 203 (two in FIG. 2) radiate from the diamond oxide catalyst fine particles 204 as a starting point. It grows up. Eventually, the second conductive material 203 grows while incorporating the plurality of silicon particles 201 in a vine tuft shape, and becomes a marimo-like morphology (spherical or deformed spherical shape). The "vine tuft" is a form in which at least one primary particle or secondary particle of silicon particles 201 is included (contacted) in at least two or more second conductive materials 203 and dispersed. Meaning, "marimo-like" means a form in which the second conductive material 203 is radially grown from the oxide diamond catalyst fine particles 204.

ここで、第二の導電性材料203の成長の起点となる酸化ダイヤモンド触媒微粒子204は、酸化ダイヤモンド及び当該酸化ダイヤモンドに担持される金属触媒を含む触媒微粒子である。酸化ダイヤモンドに担持される金属触媒としては、Ni、Co、Pdなどが使用できる。酸化ダイヤモンドと金属触媒の重量比(酸化ダイヤモンド:金属触媒)は、通常70:30〜90:10、好ましくは75:25〜85:15である。 Here, the diamond oxide catalyst fine particles 204, which is the starting point of growth of the second conductive material 203, are catalyst fine particles containing diamond oxide and a metal catalyst supported on the diamond oxide. As the metal catalyst supported on diamond oxide, Ni, Co, Pd and the like can be used. The weight ratio of diamond oxide to the metal catalyst (diamond oxide: metal catalyst) is usually 70:30 to 90:10, preferably 75:25 to 85:15.

酸化ダイヤモンドに金属触媒を担持するには、金属触媒となる金属を含む金属塩の水溶液に酸化ダイヤモンドを浸漬し、所定時間、例えば12時間放置した後で、過剰の水を蒸発させ、乾燥後、例えば400℃〜500℃の空気中で焼成し、金属塩の分解と酸化を起こさせ、金属塩を金属酸化物に転換する。次に、空気中での焼成により酸化された酸化ダイヤモンド上に担持されたNi、Co、Pdなどからなる金属酸化物を、水素などの還元雰囲気で金属へと還元し、金属触媒とすることにより酸化ダイヤモンド触媒微粒子204を得ることができる。 To support a metal catalyst on diamond oxide, the diamond oxide is immersed in an aqueous solution of a metal salt containing a metal serving as a metal catalyst, left for a predetermined time, for example, 12 hours, and then excess water is evaporated, dried, and then dried. For example, it is fired in air at 400 ° C. to 500 ° C. to decompose and oxidize the metal salt, and convert the metal salt into a metal oxide. Next, the metal oxide consisting of Ni, Co, Pd, etc. supported on the oxidized diamond oxidized by firing in air is reduced to a metal in a reducing atmosphere such as hydrogen to form a metal catalyst. Oxidized diamond catalyst fine particles 204 can be obtained.

続いて、第二の導電性材料203の生成方法の詳細を説明する。まず、酸化ダイヤモンド触媒微粒子204と、第一の導電性材料202が表面に被覆されているシリコン粒子201(以下、炭素被覆シリコン粒子ともいう)とを、それらが均一に分散するように混合する。酸化ダイヤモンド触媒微粒子204と炭素被覆シリコン粒子の重量比(酸化ダイヤモンド触媒微粒子204:炭素被覆シリコン粒子)は、通常1:1〜1:99、好ましくは1:4〜1:9の組成になるように混合する。 Subsequently, the details of the method for producing the second conductive material 203 will be described. First, the diamond oxide catalyst fine particles 204 and the silicon particles 201 (hereinafter, also referred to as carbon-coated silicon particles) whose surface is coated with the first conductive material 202 are mixed so that they are uniformly dispersed. The weight ratio of the diamond oxide catalyst fine particles 204 to the carbon-coated silicon particles (diamond oxide catalyst fine particles 204: carbon-coated silicon particles) is usually 1: 1 to 1:99, preferably 1: 4 to 1: 9. Mix in.

なお、本発明において、酸化ダイヤモンド触媒微粒子204は負極材料(負極)中に残留する。酸化ダイヤモンド触媒微粒子204及びそこに含まれる金属触媒としてのNi、Co又はPd及びそれらの合金は、負極が充放電で動作する電位範囲(Li参照極基準で通常0V〜2Vである)において溶解しないが、リチウムイオンを吸蔵、放出しないので、できるだけ少量を用いることが望ましい。酸化ダイヤモンド触媒微粒子204及びそこに含まれる金属触媒の量を少なくすることにより、負極を軽量化し、負極の容量密度を増大することができる。 In the present invention, the diamond oxide catalyst fine particles 204 remain in the negative electrode material (negative electrode). The diamond oxide catalyst fine particles 204 and Ni, Co or Pd as a metal catalyst contained therein and their alloys do not dissolve in the potential range in which the negative electrode operates in charge and discharge (usually 0 V to 2 V based on the Li reference electrode). However, since lithium ions are not occluded and released, it is desirable to use as little as possible. By reducing the amount of the diamond oxide catalyst fine particles 204 and the metal catalyst contained therein, the weight of the negative electrode can be reduced and the capacitance density of the negative electrode can be increased.

混合には、乾式で二種類の粉末を撹拌して混合する方法を採ることができる。炭素被覆シリコン粒子が凝集している場合には、湿式で混合することが望ましい。湿式混合に用いる溶媒としては、アルコール、炭化水素、ケトン、芳香族化合物、1−メチル−2−ピロリドン、水などが挙げられる。取り扱い上、常温で揮発しにくい溶媒が望ましい。アルコールでは、エタノール、プロパノール(1級又は2級)、炭化水素では、ヘキサン、芳香族化合物では、トルエンを選択することができる。また、これらの2種以上の混合溶媒を用いてもよい。例えば、溶媒としてプロパノールとヘキサンの混合溶媒を用いることができる。このような溶媒と、酸化ダイヤモンド触媒微粒子204及び炭素被覆シリコン粒子とを混合し、撹拌子やプロペラを回転させることで、撹拌する。溶媒と、酸化ダイヤモンド触媒微粒子204と炭素被覆シリコン粒子との重量比は、限定されないが、通常1:19〜19:1の範囲にすることができる。本発明で合成した負極材料に含まれるシリコン含有量を高めるためには、前記比率を1:19〜2:8の範囲にすることが望ましい。酸化ダイヤモンド触媒微粒子204と炭素被覆シリコン粒子が溶媒中で懸濁すればよいので、溶媒に対する粉体の質量比は、1%〜50%の範囲で、適宜、調整することが可能である。混合後に、懸濁液を乾燥して、溶媒を気化させれば、酸化ダイヤモンド触媒微粒子204と炭素被覆シリコン粒子とを均一に分散させた粉体を調製することができる。 For mixing, a method of stirring and mixing two kinds of powders in a dry manner can be adopted. If the carbon-coated silicon particles are agglomerated, it is desirable to mix them wet. Examples of the solvent used for wet mixing include alcohols, hydrocarbons, ketones, aromatic compounds, 1-methyl-2-pyrrolidone, water and the like. For handling, a solvent that does not easily volatilize at room temperature is desirable. Ethanol and propanol (primary or secondary) can be selected for alcohols, hexane can be selected for hydrocarbons, and toluene can be selected for aromatic compounds. Moreover, you may use these 2 or more kinds of mixed solvents. For example, a mixed solvent of propanol and hexane can be used as the solvent. Such a solvent is mixed with diamond oxide catalyst fine particles 204 and carbon-coated silicon particles, and the mixture is stirred by rotating a stirrer or a propeller. The weight ratio of the solvent, the diamond oxide catalyst fine particles 204 and the carbon-coated silicon particles is not limited, but can usually be in the range of 1:19 to 19: 1. In order to increase the silicon content in the negative electrode material synthesized in the present invention, it is desirable to set the ratio in the range of 1:19 to 2: 8. Since the diamond oxide catalyst fine particles 204 and the carbon-coated silicon particles may be suspended in the solvent, the mass ratio of the powder to the solvent can be appropriately adjusted in the range of 1% to 50%. After mixing, the suspension is dried and the solvent is vaporized to prepare a powder in which the diamond oxide catalyst fine particles 204 and the carbon-coated silicon particles are uniformly dispersed.

このように、酸化ダイヤモンド触媒微粒子204と炭素被覆シリコン粒子とを近接させることにより、酸化ダイヤモンド触媒微粒子204から繊維状の第二の導電性材料203が成長したときに、炭素被覆シリコン粒子を複数の繊維状の第二の導電性材料203に包含させることができる。ここで、近接とは、酸化ダイヤモンド触媒微粒子204が炭素被覆シリコン粒子に近い範囲に配置されていることを意味し、例えば図2に示すように、第二の導電性材料203がシリコン粒子201と接触して配置していることを含む。接触状態は現実に接触している炭素被覆シリコン粒子が少なくとも1個あればよい。繊維状の第二の導電性材料203が炭素被覆シリコン粒子に接触していれば、酸化ダイヤモンド触媒微粒子204は、炭素被覆シリコン粒子から離れていてもよい。なぜならば、酸化ダイヤモンド触媒微粒子204から複数の繊維状の第二の導電性材料203が成長するので、最近接の炭素被覆シリコンが少なくとも1個以上あれば十分であり、その他の炭素被覆シリコン粒子は、成長する第二の導電性材料203に包含されるので、酸化ダイヤモンド触媒微粒子204に接触せずに、離れていてもよい。 By bringing the diamond oxide catalyst fine particles 204 and the carbon-coated silicon particles close to each other in this way, when the fibrous second conductive material 203 grows from the diamond oxide catalyst fine particles 204, a plurality of carbon-coated silicon particles are formed. It can be included in the fibrous second conductive material 203. Here, "proximity" means that the diamond oxide catalyst fine particles 204 are arranged in a range close to the carbon-coated silicon particles. For example, as shown in FIG. 2, the second conductive material 203 and the silicon particles 201 Including that they are placed in contact with each other. The contact state may be at least one carbon-coated silicon particle that is actually in contact. The diamond oxide catalyst fine particles 204 may be separated from the carbon-coated silicon particles as long as the fibrous second conductive material 203 is in contact with the carbon-coated silicon particles. This is because a plurality of fibrous second conductive materials 203 grow from the diamond oxide catalyst fine particles 204, so that at least one of the closest carbon-coated silicon particles is sufficient, and the other carbon-coated silicon particles are present. Since it is included in the growing second conductive material 203, it may be separated from the diamond oxide catalyst fine particles 204 without being in contact with the fine particles 204.

酸化ダイヤモンド触媒微粒子204の表面から放射状に成長している繊維状の第二の導電性材料203である繊維状炭素(カーボンナノ繊維)は、流動気相合成装置を使用し、原料ガス(反応ガス)として炭化水素を用いて、熱分解反応により、酸化ダイヤモンド触媒微粒子204にカーボンナノ繊維を成長させることで製造することができる。酸化ダイヤモンド触媒微粒子204の一次粒子の平均粒径は、大きすぎると流動気相合成装置の反応槽において浮遊し難くなるので、通常500nm以下、好ましくは100nm〜400nmにする。なお、酸化ダイヤモンド触媒微粒子の一次粒子の平均粒径は、例えばTEM写真において無作為に選択した10個〜50個の粒子の円相当径の平均値とすることができる。例えば、原料ガスとしてメタンを用い、酸化ダイヤモンドに担持させる金属触媒としてNi、Co又はPdを用いる場合には、成長温度は、通常400℃〜600℃である。また、酸化ダイヤモンド触媒微粒子204を所定の温度で浮遊させ、かつ撹拌させてカーボンナノ繊維を成長させる際に、生成するマリモ状の負極材料の粒径は撹拌時間、つまり反応時間に比例して大きくなるので、触媒含有量が高いときは反応時間を短く、触媒含有量が少ないときは反応時間を長く調整すればよい。 The fibrous carbon (carbon nanofibers), which is the second fibrous conductive material 203 that grows radially from the surface of the diamond oxide catalyst fine particles 204, uses a fluid vapor phase synthesizer and is a raw material gas (reaction gas). ), It can be produced by growing carbon nanofibers on the oxide diamond catalyst fine particles 204 by a thermal decomposition reaction. If the average particle size of the primary particles of the diamond oxide catalyst fine particles 204 is too large, it will be difficult to float in the reaction vessel of the fluidized gas phase synthesizer, so the average particle size is usually 500 nm or less, preferably 100 nm to 400 nm. The average particle size of the primary particles of the diamond oxide catalyst fine particles can be, for example, the average value of the equivalent circle diameters of 10 to 50 particles randomly selected in the TEM photograph. For example, when methane is used as the raw material gas and Ni, Co or Pd is used as the metal catalyst to be supported on diamond oxide, the growth temperature is usually 400 ° C. to 600 ° C. Further, when the carbon nanofibers are grown by suspending the diamond oxide catalyst fine particles 204 at a predetermined temperature and stirring them, the particle size of the marimo-like negative electrode material produced increases in proportion to the stirring time, that is, the reaction time. Therefore, when the catalyst content is high, the reaction time may be short, and when the catalyst content is low, the reaction time may be long.

被覆炭素シリコン粒子に近接した酸化ダイヤモンド触媒微粒子204から第二の導電性材料203が繊維状かつ放射状に成長し、結果として、当該第二の導電性材料203は、当該被覆炭素シリコン粒子と共に、酸化ダイヤモンド触媒微粒子204に近接した他の複数の炭素被覆シリコン粒子を巻き込み、絡みつきながら、さらに成長していく。したがって、複数の炭素被覆シリコン粒子は、複数の繊維状の第二の導電性材料203にぶどう房状に保持されて、本発明の負極材料である負極活物質が合成される。 The second conductive material 203 grows fibrously and radially from the diamond oxide catalyst fine particles 204 close to the coated carbon silicon particles, and as a result, the second conductive material 203 is oxidized together with the coated carbon silicon particles. A plurality of other carbon-coated silicon particles in the vicinity of the diamond catalyst fine particles 204 are involved and entangled to grow further. Therefore, the plurality of carbon-coated silicon particles are held in a vine tuft shape by the plurality of fibrous second conductive materials 203, and the negative electrode active material which is the negative electrode material of the present invention is synthesized.

第二の導電性材料203が所定時間成長した後、原料ガスの反応槽への供給を停止し、電気炉による加熱を停止して、室温程度まで降温する。反応槽から本発明の負極材料である負極活物質を回収する。 After the second conductive material 203 has grown for a predetermined time, the supply of the raw material gas to the reaction vessel is stopped, the heating by the electric furnace is stopped, and the temperature is lowered to about room temperature. The negative electrode active material, which is the negative electrode material of the present invention, is recovered from the reaction vessel.

得られた第二の導電性材料203は、図2に示すように、酸化ダイヤモンド触媒微粒子204から放射状に成長し、第一の導電性材料202と接触し、複数のシリコン粒子201を連結する。第二の導電性材料203は、マリモ状に広がって成長するので、負極材料全体の導電性ネットワークとして機能する。第二の導電性材料203に、第一の導電性材料202が被覆されているシリコン粒子201がぶどう房状に付着し、連結されている。第二の導電性材料203は、繊維状炭素なので、FC(Fiber−like Carbon)とも表記する。 As shown in FIG. 2, the obtained second conductive material 203 grows radially from the diamond oxide catalyst fine particles 204, comes into contact with the first conductive material 202, and connects the plurality of silicon particles 201. Since the second conductive material 203 spreads and grows like a marimo, it functions as a conductive network of the entire negative electrode material. Silicon particles 201 coated with the first conductive material 202 adhere to the second conductive material 203 in a vine-like shape and are connected to the second conductive material 203. Since the second conductive material 203 is fibrous carbon, it is also referred to as FC (Fiber-like Carbon).

第二の導電性材料203の長さは、シリコン粒子201の一次粒子の平均粒径の通常1/2以上であれば、シリコン粒子201同士を連結することが可能になる。第二の導電性材料203の長さの上限は限定されないが、シリコン粒子201の一次粒子の平均粒径の通常1倍〜3倍である。また、第二の導電性材料203は充放電に寄与しないので、体積が小さいことが望ましい。第二の導電性材料203の平均直径は、シリコン粒子201の一次粒子の平均粒径の通常1/10以下であればよく、例えば100nm以下であり、好ましくは50nm以下であり、より好ましくは10nm以下である。第二の導電性材料203の平均直径が前記範囲であることで、第二の導電性材料203は体積比率を小さくすることができる。なお、第二の導電性材料203の平均直径及び長さは、平均直径であれば、例えばTEM写真において無作為に選択した10個〜50個の第二の導電性材料203の直径の円相当径の平均値とすることができ、長さであれば、例えばSEM写真において無作為に選択した10個〜50個の第二の導電性材料203の長さの平均値とすることができる。第二の導電性材料203の長さ及び直径は、触媒含有量、原料ガス組成、流速、反応槽の温度、反応時間などのパラメータを適宜変更することで、制御することができる。 If the length of the second conductive material 203 is usually ½ or more of the average particle size of the primary particles of the silicon particles 201, the silicon particles 201 can be connected to each other. The upper limit of the length of the second conductive material 203 is not limited, but is usually 1 to 3 times the average particle size of the primary particles of the silicon particles 201. Further, since the second conductive material 203 does not contribute to charging / discharging, it is desirable that the volume is small. The average diameter of the second conductive material 203 may be usually 1/10 or less of the average particle size of the primary particles of the silicon particles 201, for example, 100 nm or less, preferably 50 nm or less, and more preferably 10 nm. It is as follows. When the average diameter of the second conductive material 203 is in the above range, the volume ratio of the second conductive material 203 can be reduced. The average diameter and length of the second conductive material 203 correspond to, for example, a circle having a diameter of 10 to 50 randomly selected in the TEM photograph if the average diameter is used. It can be the average value of the diameter, and if it is the length, it can be the average value of the lengths of 10 to 50 second conductive materials 203 randomly selected in the SEM photograph, for example. The length and diameter of the second conductive material 203 can be controlled by appropriately changing parameters such as catalyst content, raw material gas composition, flow rate, reaction tank temperature, and reaction time.

第二の導電性材料203の含有量は、シリコン粒子201及び第一の導電性材料202の合計重量と第二の導電性材料203の重量の比(シリコン粒子201及び第一の導電性材料202:第二の導電性材料203)が通常85:15〜98:2の範囲、換言すると、シリコン粒子201及び第一の導電性材料202の合計重量に対する第二の導電性材料203の重量比(第二の導電性材料203/(シリコン粒子201+第一の導電性材料202))が通常0.020〜0.176の範囲になるように調整される。第二の導電性材料203の含有量が前記範囲であることで、第一の導電性材料202と第二の導電性材料203が、最適な組成となって、充放電時の体積変化があっても、導電性ネットワークが強固になる。 The content of the second conductive material 203 is the ratio of the total weight of the silicon particles 201 and the first conductive material 202 to the weight of the second conductive material 203 (silicon particles 201 and the first conductive material 202). : The second conductive material 203) is usually in the range of 85: 15-98: 2, in other words, the weight ratio of the second conductive material 203 to the total weight of the silicon particles 201 and the first conductive material 202 ( The second conductive material 203 / (silicon particles 201 + first conductive material 202)) is usually adjusted to be in the range of 0.020 to 0.176. When the content of the second conductive material 203 is within the above range, the first conductive material 202 and the second conductive material 203 have an optimum composition, and the volume changes during charging and discharging. However, the conductive network becomes strong.

第二の導電性材料203の組成は、製造後の負極活物質に含まれるシリコン量を測定し、以下の式によって決定することができる。シリコンの分析には、重量法(JIS G 1212の附属書1、二酸化けい素重量法(1))を適用することができる。第一の導電性材料202の組成は、乾式混合前の混合組成になる。 The composition of the second conductive material 203 can be determined by the following formula by measuring the amount of silicon contained in the negative electrode active material after production. The gravimetric method (JIS G 1212 Annex 1, silicon dioxide gravimetric method (1)) can be applied to the analysis of silicon. The composition of the first conductive material 202 is the mixed composition before the dry mixing.

第二の導電性材料組成(重量%)=100−シリコン組成(重量%)−第一の導電性材料組成(重量%) 式2 Second Conductive Material Composition (% by Weight) = 100-Silicon Composition (% by Weight) -First Conductive Material Composition (% by Weight) Equation 2

図2に、負極材料が、充電前の状態(放電状態、左側の図)から、充電状態(右側の図)に変化する様子を示す。シリコン粒子201及び第一の導電性材料202の合計重量に対する第二の導電性材料203の重量比(第二の導電性材料203/(シリコン粒子201+第一の導電性材料202))を前記範囲にすると、放電状態から充電状態へ変化しても導電性ネットワークが維持され、そのまま放電状態に復帰することができる。 FIG. 2 shows how the negative electrode material changes from the state before charging (discharged state, left side figure) to the charged state (right side figure). The weight ratio of the second conductive material 203 to the total weight of the silicon particles 201 and the first conductive material 202 (second conductive material 203 / (silicon particles 201 + first conductive material 202)) is in the above range. Then, the conductive network is maintained even if the state changes from the discharged state to the charged state, and the state can be returned to the discharged state as it is.

本発明の負極材料(シリコン粒子複合体ともいう)は、一次粒子と、二次粒子で構成され、負極に含まれる。一次粒子は、シリコン粒子201 1個及び第一の導電性材料202からなり、シリコン粒子複合体を機械的に解砕することで得られる最小単位である。二次粒子は、複数のシリコン粒子201の一次粒子が、第一の導電性材料202により電気的に接続され、粒子状に集合した塊状の粒子である。負極内部では、二次粒子が、第二の導電性材料203によって電気的に連絡されているので、全てのシリコン粒子が充電、放電することができる。第二の導電性材料203によって電気的に連絡された複数の炭素被覆シリコン粒子は、凝集体となって粉状になるので、他の凝集体と区別することができる。その凝集体は、レーザー散乱による粒度分布測定により測定したときに、D50が通常1μm〜100μmであり、さらにD50が5μm〜20μmになると、負極スラリを集電体へ塗布したときに平滑な負極面ができるので、さらに好ましい。 The negative electrode material (also referred to as a silicon particle composite) of the present invention is composed of primary particles and secondary particles, and is contained in the negative electrode. The primary particle is composed of 1 silicon particle 201 and the first conductive material 202, and is the smallest unit obtained by mechanically crushing the silicon particle composite. The secondary particles are agglomerate particles in which a plurality of primary particles of silicon particles 201 are electrically connected by a first conductive material 202 and aggregated in the form of particles. Inside the negative electrode, the secondary particles are electrically connected by the second conductive material 203, so that all the silicon particles can be charged and discharged. The plurality of carbon-coated silicon particles electrically connected by the second conductive material 203 become agglomerates and become powdery, so that they can be distinguished from other agglomerates. Its aggregates, as measured by particle size distribution measurement by laser scattering, D 50 is usually 1 m to 100 m, further D 50 is 5Myuemu~20myuemu, smooth at the time of application of an anode slurry to the current collector It is more preferable because a negative electrode surface is formed.

本発明のシリコン粒子複合体の二次粒子は、複数のシリコン粒子201の一次粒子及び第一の導電性材料202からなり、その平均粒径(D50)は、負極合剤層の厚さ以下になるように規定される。シリコン粉末中に合剤層厚さ以上のサイズを有する粗粒がある場合、予めふるい分級、風流分級などにより粗粒を除去し、合剤層厚さ以下の粒子を作製する。なお、平均粒径は、レーザー散乱を利用した粒度分布計を用いて、測定することが可能である。 The secondary particles of the silicon particle composite of the present invention are composed of the primary particles of a plurality of silicon particles 201 and the first conductive material 202, and the average particle size (D 50 ) thereof is equal to or less than the thickness of the negative electrode mixture layer. Is specified to be. If the silicon powder contains coarse particles having a size equal to or larger than the thickness of the mixture layer, the coarse particles are removed in advance by sieving classification, wind flow classification, or the like to prepare particles having a size equal to or less than the thickness of the mixture layer. The average particle size can be measured using a particle size distribution meter using laser scattering.

本発明の負極材料には、黒鉛をさらに混合することができる。黒鉛自身が導電性を有しているため、第一の導電性材料202や第二の導電性材料203と接触すると、負極材料全体に導電性を付与することができる。また、黒鉛が理論容量372Ah/kgの容量を有しているため、リチウムイオンの吸蔵、放出が可能になる。 Graphite can be further mixed with the negative electrode material of the present invention. Since graphite itself has conductivity, when it comes into contact with the first conductive material 202 or the second conductive material 203, it is possible to impart conductivity to the entire negative electrode material. Further, since graphite has a theoretical capacity of 372 Ah / kg, lithium ions can be occluded and released.

黒鉛の添加量は、以下のように制御すると、高容量な負極材料を得ることができる。第一の導電性材料202及び第二の導電性材料203の二種類の材料に含まれる炭素の合計、又は第一の導電性材料202、第二の導電性材料203、及び黒鉛の三種類の材料に含まれる炭素の合計を総炭素量と定義したときに、シリコンの重量に対する総炭素量の比(総炭素量/シリコン)を、通常0.5〜1.5とする。 If the amount of graphite added is controlled as follows, a high-capacity negative electrode material can be obtained. The total amount of carbon contained in the two types of materials, the first conductive material 202 and the second conductive material 203, or the three types of the first conductive material 202, the second conductive material 203, and graphite. When the total amount of carbon contained in the material is defined as the total carbon amount, the ratio of the total carbon amount to the weight of silicon (total carbon amount / silicon) is usually 0.5 to 1.5.

本発明の負極材料を用いて、負極108を製造する。まず、本発明の負極材料である負極活物質とバインダと溶媒とを混合して負極スラリを調製する。 The negative electrode 108 is manufactured using the negative electrode material of the present invention. First, a negative electrode slurry is prepared by mixing a negative electrode active material, which is the negative electrode material of the present invention, a binder, and a solvent.

バインダとしては、限定されないが、ポリアミドイミド、PVDF、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体(PVDF−HFP)、スチレンブタジエンゴムとカルボキシメチルセルロースのバインダなどが挙げられる。バインダとしては、他にも、フッ素ゴム、エチレン・プロピレンゴム、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸メチル、キトサン、アルギン酸、ポリイミド、ポリアミドなどを用いることができる。バインダとしては、リチウムイオン二次電池における負極表面上で分解せず、電解液に溶解しないものであれば、本発明に使用することができる。バインダとしてはポリアミドイミドが望ましい。 Examples of the binder include, but are not limited to, polyamideimide, PVDF, a copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene (PVDF-HFP), a binder of styrene butadiene rubber and carboxymethyl cellulose, and the like. As the binder, fluororubber, ethylene / propylene rubber, polyacrylic acid, polymethylmethacrylate, chitosan, alginic acid, polyimide, polyamide and the like can also be used. As the binder, any binder that does not decompose on the surface of the negative electrode in the lithium ion secondary battery and does not dissolve in the electrolytic solution can be used in the present invention. Polyamideimide is desirable as the binder.

バインダとしては、シリコン粒子201表面の少なくとも一部を被覆し、リチウムイオンを透過する材料を選択することが望ましい。充電時には、電解液中のリチウムイオンがバインダを透過し、シリコン粒子201表面に到達すれば、リチウムイオンを吸蔵することができる。逆に、放電時には、シリコン粒子201表面からバインダを経由して、電解液へリチウムイオンを放出する。バインダがシリコン粒子201表面を覆うことで、電解液の還元反応を抑制するので、初回の充放電効率(クーロン効率)を高め、サイクル寿命を向上させることができる。バインダはリチウムイオン伝導体として働き、第一の導電性材料202は電子伝導体として働くので、充放電によってシリコン粒子201の体積変化があっても、バインダなどが体積変化に追従し、イオンと電子の伝導性が悪化しにくくなると考えられる。 As the binder, it is desirable to select a material that covers at least a part of the surface of the silicon particles 201 and allows lithium ions to pass through. At the time of charging, if the lithium ions in the electrolytic solution pass through the binder and reach the surface of the silicon particles 201, the lithium ions can be occluded. On the contrary, at the time of discharge, lithium ions are released from the surface of the silicon particles 201 to the electrolytic solution via the binder. By covering the surface of the silicon particles 201 with the binder, the reduction reaction of the electrolytic solution is suppressed, so that the initial charge / discharge efficiency (Coulomb efficiency) can be increased and the cycle life can be improved. Since the binder acts as a lithium ion conductor and the first conductive material 202 acts as an electron conductor, even if the volume of the silicon particles 201 changes due to charging and discharging, the binder and the like follow the volume change, and ions and electrons. It is considered that the conductivity of the is less likely to deteriorate.

バインダは、第一の導電性材料202と一体になった複合層として、シリコン粒子201表面の少なくとも一部の上に、形成されていてもよい。複合層が、電子とイオンの両方を伝達する働きをするからである。 The binder may be formed on at least a part of the surface of the silicon particles 201 as a composite layer integrated with the first conductive material 202. This is because the composite layer functions to transfer both electrons and ions.

負極スラリを調製するために用いる溶媒としては、バインダを溶解させるものであればよく、例えばバインドとしてポリアミドイミドを使用するときには1−メチル−2−ピロリドンを用いることができる。バインダの種類に応じて、溶媒は選択される。負極材料の分散処理には、公知の混練機、分散機を用いることができる。 The solvent used to prepare the negative electrode slurry may be any solvent that dissolves the binder. For example, when polyamide-imide is used as the binding, 1-methyl-2-pyrrolidone can be used. The solvent is selected according to the type of binder. A known kneader or disperser can be used for the dispersion treatment of the negative electrode material.

負極スラリの調製には、公知の技術を適用可能であり、負極活物質、バインダを分散可能な溶媒を用いることが可能である。 A known technique can be applied to the preparation of the negative electrode slurry, and a solvent capable of dispersing the negative electrode active material and the binder can be used.

次に、負極スラリを負極集電体に塗布し、溶媒を蒸発させて乾燥させ、負極集電体上に負極材料及びバインダからなる混合層である負極合剤層を形成させる。負極集電体に負極スラリを塗布する方法は特に限定されず、例えばドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法などの既知の方法を採用することができる。また、スラリの塗布から乾燥までを複数回おこなうことにより、複数の負極合剤層を負極集電体に積層化させることも可能である。 Next, the negative electrode slurry is applied to the negative electrode current collector, the solvent is evaporated and dried, and the negative electrode mixture layer, which is a mixed layer composed of the negative electrode material and the binder, is formed on the negative electrode current collector. The method of applying the negative electrode slurry to the negative electrode current collector is not particularly limited, and known methods such as a doctor blade method, a dipping method, and a spray method can be adopted. Further, it is also possible to laminate a plurality of negative electrode mixture layers on the negative electrode current collector by performing the process from application of the slurry to drying a plurality of times.

本発明に利用可能な負極集電体には、厚さが通常10μm〜100μmである銅箔、孔径が通常0.1mm〜10mmである孔を有する、厚さが通常10μm〜100μmである銅製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡金属板などが用いられ、材質も銅の他に、ステンレス鋼、チタン、ニッケルなども適用可能である。本発明では、材質、形状、製造方法などに制限されることなく、任意の負極集電体を使用することができる。 The negative electrode current collector that can be used in the present invention includes a copper foil having a thickness of usually 10 μm to 100 μm, a hole having a hole diameter of usually 0.1 mm to 10 mm, and a copper perforation having a thickness of usually 10 μm to 100 μm. Foil, expanded metal, foamed metal plate, etc. are used, and in addition to copper, stainless steel, titanium, nickel, etc. can also be applied. In the present invention, any negative electrode current collector can be used without being limited by the material, shape, manufacturing method, and the like.

負極合剤層の厚さは、本発明の負極材料である負極活物質のレーザー散乱法により測定される平均粒径以上とすることが望ましい。負極合剤層の厚さを当該平均粒径未満にすると、隣接する粒子間の電子伝導性が低下するからである。本発明の負極材料であるシリコン粒子複合体の二次粒子の平均粒径は、レーザー散乱粒度分布測定装置において測定したときに、D50が通常5μm〜20μmである。したがって、負極合剤層の厚さをD50より大きくすると、本発明のより高い効果を得ることができる。また、負極合剤層の厚さの上限は、50μm以下にすることが望ましい。それ以上厚くなると、導電剤の量を増加させない限り、合剤の表面と負極集電体表面近傍の負極活物質の充電レベルにばらつきが生じ、偏った充放電が起こり得るからである。また、導電剤の量を増加させると、負極体積が嵩高になり、電池のエネルギー密度が低下する。 It is desirable that the thickness of the negative electrode mixture layer is equal to or larger than the average particle size measured by the laser scattering method of the negative electrode active material which is the negative electrode material of the present invention. This is because if the thickness of the negative electrode mixture layer is less than the average particle size, the electron conductivity between adjacent particles is lowered. The average particle size of the secondary particles of the silicon particle composite, which is the negative electrode material of the present invention, is usually 5 μm to 20 μm for D50 when measured with a laser scattering particle size distribution measuring device. Therefore, when the thickness of the negative electrode mixture layer is made larger than D 50 , the higher effect of the present invention can be obtained. Further, it is desirable that the upper limit of the thickness of the negative electrode mixture layer is 50 μm or less. This is because if the thickness is higher than that, the charging level of the negative electrode active material near the surface of the mixture and the surface of the negative electrode current collector will vary unless the amount of the conductive agent is increased, and uneven charging / discharging may occur. Further, when the amount of the conductive agent is increased, the volume of the negative electrode becomes bulky and the energy density of the battery decreases.

負極スラリを塗布し、例えば80℃〜120℃で溶媒を気化した後に、例えば200℃〜400℃の熱処理によりバインダを硬化させ、ロールプレスによって加圧成形することにより、負極集電体上に負極合剤層を形成させた負極108を作製することができる。負極合剤層の密度(負極密度ともいう)は、通常0.5g/cm〜1.3g/cmの範囲である。負極密度が前記範囲であることにより、負極合剤層に空間を確保して、図2のようにシリコン粒子201が膨張したときにも、負極合剤層に空間が残り、電解液のチャンネルが保持される。そのため、充電状態においても、リチウムイオンが負極の内部に拡散することができ、リチウムイオンの吸蔵が可能になる。また、逆に放電する場合にも、シリコン粒子201の近傍に電解液が存在するため、リチウムイオンを電解液に放出することが可能になる。 A negative electrode slurry is applied, the solvent is vaporized at, for example, 80 ° C. to 120 ° C., the binder is cured by heat treatment at, for example, 200 ° C. to 400 ° C., and pressure molding is performed by a roll press to form a negative electrode on the negative electrode current collector. The negative electrode 108 on which the mixture layer is formed can be produced. (Also referred to as a negative density) density of the negative electrode mixture layer is usually in the range of 0.5g / cm 3 ~1.3g / cm 3 . Since the negative electrode density is within the above range, a space is secured in the negative electrode mixture layer, and even when the silicon particles 201 expand as shown in FIG. 2, the space remains in the negative electrode mixture layer and the electrolyte channel becomes Be retained. Therefore, even in the charged state, lithium ions can be diffused inside the negative electrode, and lithium ions can be occlusioned. Further, even in the case of discharging on the contrary, since the electrolytic solution exists in the vicinity of the silicon particles 201, lithium ions can be discharged to the electrolytic solution.

本発明の負極材料を含む負極は、高容量で、レート特性に優れており、したがって、本発明の負極材料を使用することにより、高容量でレート特性に優れたリチウムイオン二次電池を搭載した蓄電装置を提供することが可能になる。 The negative electrode containing the negative electrode material of the present invention has a high capacity and excellent rate characteristics. Therefore, by using the negative electrode material of the present invention, a lithium ion secondary battery having a high capacity and excellent rate characteristics is mounted. It becomes possible to provide a power storage device.

(電解液の製造)
本実施形態では、電解液は、溶媒及び電解質を含む。
(Manufacturing of electrolyte)
In this embodiment, the electrolytic solution contains a solvent and an electrolyte.

電解液に使用可能な溶媒は、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、γ-ブチロラクトン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、1,3−ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、テトラヒドロフラン、1,2−ジエトキシエタン、クロルエチレンカーボネート、クロルプロピレンカーボネートなどからなる群から選択される1種以上の非水溶媒がある。本発明の電池に内蔵される正極あるいは負極上で分解しなければ、これ以外の溶媒を用いてもよい。 Solvents that can be used in the electrolytic solution are propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, γ-butyrolactone, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-Dioxolane, formamide, dimethylformamide, methyl propionate, ethyl propionate, phosphate triester, trimethoxymethane, dioxolane, diethyl ether, sulfolane, 3-methyl-2-oxazolidinone, tetrahydrofuran, 1,2-di There is one or more non-aqueous solvents selected from the group consisting of ethoxyethane, chloroethylene carbonate, chloropropylene carbonate and the like. Other solvents may be used as long as they do not decompose on the positive electrode or the negative electrode built in the battery of the present invention.

また、電解質には、化学式でLiPF、LiBF、LiClO、LiCFSO、LiCFCO、LiAsF、LiSbF、あるいはリチウムトリフルオロメタンスルホンイミドで代表されるリチウムのイミド塩などの多種類のリチウム塩がある。これらの塩を、上述の溶媒に溶解してできた非水電解液を電池用電解液として使用することができる。本発明の電池に内蔵される正極あるいは負極上で分解しなければ、これ以外の電解質を用いてもよい。 Further, the electrolyte, the chemical formula LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4 , LiCF 3 SO 3, LiCF 3 CO 2, LiAsF 6, LiSbF 6, or multi such imide lithium salts represented by lithium trifluoromethane sulfonimide There are different types of lithium salts. A non-aqueous electrolyte solution prepared by dissolving these salts in the above-mentioned solvent can be used as the battery electrolyte solution. Other electrolytes may be used as long as they do not decompose on the positive electrode or the negative electrode built in the battery of the present invention.

本実施形態において使用可能な電解液の代表例として、エチレンカーボネートにジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどを混合した溶媒に、電解質として六フッ化リン酸リチウム(LiPF)、あるいはホウフッ化リチウム(LiBF)を溶解させた溶液がある。 As a typical example of the electrolytic solution that can be used in the present embodiment, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) or lithium borofluoride is used as an electrolyte in a solvent obtained by mixing ethylene carbonate with dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, or the like. There is a solution in which (LiBF 4) is dissolved.

本実施形態では、溶媒や電解質の種類、溶媒の混合比に制限されることはない。また、前記の電解液以外にも、他の電解液も利用可能である。 In the present embodiment, the type of solvent and electrolyte, and the mixing ratio of the solvent are not limited. In addition to the above-mentioned electrolytic solution, other electrolytic solutions can also be used.

例えば、非水電解液の代わりに、固体高分子電解質(ポリマー電解質)を用いることができる。この場合には、エチレンオキシド、アクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、メタクリル酸メチル、ヘキサフルオロプロピレンのポリエチレンオキシドなどのイオン導電性ポリマーを電解質に用いることができる。これらの固体高分子電解質を用いた場合、前記セパレータ109を省略することができる利点がある。 For example, a solid polymer electrolyte (polymer electrolyte) can be used instead of the non-aqueous electrolyte solution. In this case, an ionic conductive polymer such as ethylene oxide, acrylonitrile, polyvinylidene fluoride, methyl methacrylate, or polyethylene oxide of hexafluoropropylene can be used as the electrolyte. When these solid polymer electrolytes are used, there is an advantage that the separator 109 can be omitted.

また、ポリフッ化ビニリデンと非水電解液の混合物(ゲル電解質)を用いることも可能である。 It is also possible to use a mixture of polyvinylidene fluoride and a non-aqueous electrolyte solution (gel electrolyte).

さらに、イオン性液体を用いることができる。例えば、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート(EMI−BF)、リチウム塩LiN(SOCF(LiTFSI)とトリグライムとテトラグライムの混合錯体、環状四級アンモニウム系陽イオン(N−メチル−N−プロピルピロリジニウムが例示される。)及びイミド系陰イオン(ビス(フルオロスルホニル)イミドが例示される。)より正極と負極にて分解しない組み合わせを選択して、本発明のリチウムイオン二次電池に用いることができる。 In addition, ionic liquids can be used. For example, 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (EMI-BF 4 ), a mixed complex of lithium salt LiN (SO 2 CF 3 ) 2 (LiTFSI), triglime and tetraglime, cyclic quaternary ammonium cation. (N-methyl-N-propylpyrrolidinium is exemplified.) And imide-based anion (bis (fluorosulfonyl) imide is exemplified.) Select a combination that does not decompose at the positive and negative sides, and present the present. It can be used in the lithium ion secondary battery of the present invention.

(リチウムイオン二次電池の組み立て)
電極群の構造は、図1に示した角型構造のものであってもよいし、円筒形あるいは扁平状などの任意の形状に捲回したもの、短冊状など、種々の形状にすることができる。電池容器の形状は、電極群の形状に合わせ、円筒型、偏平長円形状、角型などの形状を選択してもよい。
(Assembly of lithium ion secondary battery)
The structure of the electrode group may be the square structure shown in FIG. 1, or may be various shapes such as a cylindrical structure, a flat shape, or a strip-shaped structure. can. The shape of the battery container may be selected from a cylindrical shape, a flat oval shape, a square shape, and the like according to the shape of the electrode group.

正極107と、セパレータ109と、負極108とを積層して電極群を構成する。セパレータ109は、正極107と負極108の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを正極と負極間で移動させる媒体として機能する。 The positive electrode 107, the separator 109, and the negative electrode 108 are laminated to form an electrode group. The separator 109 functions as a medium for moving lithium ions between the positive electrode and the negative electrode while preventing a short circuit between the positive electrode 107 and the negative electrode 108.

電極群の末端に配置されている電極と電池容器102の間にも、セパレータ109を挿入し、正極107と負極108が電池容器102を通じて短絡しないようにする。 A separator 109 is also inserted between the electrode arranged at the end of the electrode group and the battery container 102 so that the positive electrode 107 and the negative electrode 108 are not short-circuited through the battery container 102.

電極群は、上部におけるリード線を介して外部端子に電気的に接続されている。具体的には、正極107は正極リード線110を介して蓋103の正極外部端子104に接続されている。負極108は負極リード線111を介して蓋103の負極外部端子105に接続されている。リード線110、111の形状、材質は、電流を流したときにオーム損失を小さくすることのできる構造であり、かつ電解液と反応しない材質であれば、電池容器102の構造に応じて任意に選択することができる。例えば、リード線110、111は、ワイヤ状、板状、箔状などの任意の形状を採ることができる。 The electrode group is electrically connected to an external terminal via a lead wire at the upper part. Specifically, the positive electrode 107 is connected to the positive electrode external terminal 104 of the lid 103 via the positive electrode lead wire 110. The negative electrode 108 is connected to the negative electrode external terminal 105 of the lid 103 via the negative electrode lead wire 111. The shapes and materials of the lead wires 110 and 111 are arbitrary as long as they have a structure capable of reducing ohm loss when an electric current is passed and do not react with the electrolytic solution, depending on the structure of the battery container 102. You can choose. For example, the lead wires 110 and 111 can take any shape such as a wire shape, a plate shape, and a foil shape.

その後、蓋103を電池容器102に密着させ、電池全体を密閉する。例えば、かしめによって、蓋103を電池容器102に取り付けることができる。電池を密閉する方法には、溶接、接着など公知の技術を適用してもよい。 After that, the lid 103 is brought into close contact with the battery container 102, and the entire battery is sealed. For example, the lid 103 can be attached to the battery container 102 by caulking. Known techniques such as welding and adhesion may be applied to the method of sealing the battery.

電解液の注入方法は、蓋103を電池容器102から取り外して電極群に直接、添加する方法、あるいは蓋103に設置した注液栓106から添加する方法がある。 As a method of injecting the electrolytic solution, there are a method of removing the lid 103 from the battery container 102 and adding it directly to the electrode group, or a method of adding it from a liquid injection plug 106 installed on the lid 103.

なお、注液栓106は、正極107又は負極108に電解質を添加するときに用いるが、予め電極に電解質を保持させているときには、注液栓106は不要である。 The liquid injection plug 106 is used when adding an electrolyte to the positive electrode 107 or the negative electrode 108, but the liquid injection plug 106 is unnecessary when the electrode holds the electrolyte in advance.

本発明のリチウムイオン二次電池は、前記負極材料を含むため、高容量で、レート特性に優れている。 Since the lithium ion secondary battery of the present invention contains the negative electrode material, it has a high capacity and excellent rate characteristics.

次に、実施例及び比較例に基づき本実施形態をさらに詳細に説明するが、本実施形態はこれらの実施例に限定されるものではない。 Next, the present embodiment will be described in more detail based on Examples and Comparative Examples, but the present embodiment is not limited to these Examples.

実施例では、下記で説明する事項以外は、前記で説明した(本発明の一実施形態のリチウムイオン二次電池の構成)、(正極の製造)、(負極の製造)、(電解液の製造)、及び(リチウムイオン二次電池の組み立て)に基づいて、図1に示す構造を有するリチウムイオン二次電池を製造した。 In the examples, except for the matters described below, the above-described (configuration of the lithium ion secondary battery according to the embodiment of the present invention), (manufacturing of the positive electrode), (manufacturing of the negative electrode), (manufacturing of the electrolytic solution). ) And (Assembly of a lithium ion secondary battery), a lithium ion secondary battery having the structure shown in FIG. 1 was manufactured.

(正極107の製造)
正極活物質は、LiNi1/3Mn1/3Co1/3を使用した。
(Manufacturing of positive electrode 107)
As the positive electrode active material, LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 was used.

正極スラリのバインダにはPVDFを使用し、溶媒には1−メチル−2−ピロリドンを使用した。正極スラリの分散処理には、公知の混練機、分散機を使用した。 PVDF was used as the binder of the positive electrode slurry, and 1-methyl-2-pyrrolidone was used as the solvent. A known kneader and disperser were used for the dispersion treatment of the positive electrode slurry.

(負極108の製造)
負極活物質として、下記の表1に示す組成の負極材料を使用した。
(Manufacturing of negative electrode 108)
As the negative electrode active material, a negative electrode material having the composition shown in Table 1 below was used.

炭素被覆シリコンの製造は以下の通り行った。まず、シリコン粉末とカーボンブラック(CB)を重量比で70:30〜90:10の組成で混合し、続いて、遊星ボールミルを用いて撹拌し、シリコン粒子表面にカーボンブラック(第一の導電性材料)を付着させ、炭素被覆シリコンを製造した。なお、シリコン粒子とカーボンブラック(CB)の混合比は、表1の負極材料の重量組成の欄に示した。 The carbon-coated silicon was produced as follows. First, silicon powder and carbon black (CB) are mixed in a composition of 70:30 to 90:10 by weight, and then stirred using a planetary ball mill to surface the silicon particles with carbon black (first conductivity). Material) was attached to produce carbon-coated silicon. The mixing ratio of silicon particles and carbon black (CB) is shown in the column of weight composition of the negative electrode material in Table 1.

次に、第二の導電性材料の作製は以下の通り行った。まず、前記の炭素被覆シリコンと酸化物ダイヤモンド触媒微粒子を、重量比1:9で採取した。これを湿式1、2又は3の分散方式によって混合した。なお、湿式1では2−プロパノールを用い、湿式2ではヘキサンを用い、湿式3では体積比1:9の2−プロパノールとヘキサンの混合溶媒を用いた。 Next, the production of the second conductive material was carried out as follows. First, the carbon-coated silicon and the oxide diamond catalyst fine particles were collected at a weight ratio of 1: 9. This was mixed by a wet 1, 2 or 3 dispersion method. In wet 1, 2-propanol was used, in wet 2, hexane was used, and in wet 3, a mixed solvent of 2-propanol and hexane having a volume ratio of 1: 9 was used.

分散処理後に、室温にて溶媒を乾燥させて、さらに真空下で溶媒を完全に除去した。 After the dispersion treatment, the solvent was dried at room temperature, and the solvent was completely removed under vacuum.

続いて、前記で製造した炭素被覆シリコンと酸化物ダイヤモンド触媒微粒子の混合物を反応槽に設置した。反応槽を電気炉により600℃まで昇温し、続いて、原料ガスとしてプロパンを用いて、希釈ガスとしてArを用いて、プロパンの流量が10%で流量が100sccm(sccmはcm/分である)になるように、原料ガスとしてのプロパンを反応槽に供給した。反応時間は60分とし、60分経過後に、電気炉の通電を停止し、反応槽を自然冷却することにより、負極活物質を製造した。なお、酸化ダイヤモンド触媒微粒子と炭素被覆シリコン粒子の重量比は、1:9とした。 Subsequently, the mixture of the carbon-coated silicon and the oxide diamond catalyst fine particles produced above was placed in the reaction vessel. The reaction vessel was heated to 600 ° C. by an electric furnace, and then propane was used as the raw material gas and Ar was used as the dilution gas. The flow rate of propane was 10% and the flow rate was 100 sccm (sccm was cm 3 / min). Propane as a raw material gas was supplied to the reaction vessel so as to be. The reaction time was 60 minutes, and after 60 minutes had passed, the energization of the electric furnace was stopped and the reaction vessel was naturally cooled to produce a negative electrode active material. The weight ratio of the diamond oxide catalyst fine particles to the carbon-coated silicon particles was 1: 9.

また、バインダにはポリアミドイミドを使用し、溶媒には1−メチル−2−ピロリドンを使用して、負極スラリを作製した。なお、負極スラリの分散処理には、公知の混練機、分散機を使用した。当該負極スラリを、厚さ10μmの圧延銅箔上に、ドクターブレード法により一回塗布し、100℃で乾燥した後に、真空中にて300℃の熱処理を施して、バインダを硬化させた。 Further, a negative electrode slurry was prepared by using polyamide-imide as a binder and 1-methyl-2-pyrrolidone as a solvent. A known kneader and disperser were used for the dispersion treatment of the negative electrode slurry. The negative electrode slurry was applied once on a rolled copper foil having a thickness of 10 μm by the doctor blade method, dried at 100 ° C., and then heat-treated at 300 ° C. in vacuum to cure the binder.

(電解液Lの製造)
電解液Lは、1モル濃度(1M=1mol/dm)のLiPFをエチレンカーボネート(ECと示す)とエチルメチルカーボネート(EMCと示す)の混合溶媒に溶解させることで調整した。ECとEMCの混合割合は体積比率で1:2とした。電解質濃度は1モル濃度を基準値とした。また、電解液には1重量%のビニレンカーボネートを添加した。
(Manufacturing of electrolytic solution L)
The electrolytic solution L was prepared by dissolving 1 molar concentration (1M = 1 mol / dm 3 ) of LiPF 6 in a mixed solvent of ethylene carbonate (denoted as EC) and ethyl methyl carbonate (denoted as EMC). The mixing ratio of EC and EMC was 1: 2 by volume. The electrolyte concentration was set to 1 molar concentration as a reference value. Further, 1% by weight of vinylene carbonate was added to the electrolytic solution.

(リチウムイオン二次電池101の組み立て)
セパレータ109として、厚さ25μm、空隙率45%のポリエチレン単層を使用した。なお、蓋103は、かしめによって、電池容器102に取り付けた。また、製造したリチウムイオン二次電池101の定格容量(計算値)は3Ahとした。電極塗布量を変更した場合には、電極の面積と枚数を変化させ、定格容量が得られるように、電極サイズを調整した。
(Assembly of lithium ion secondary battery 101)
As the separator 109, a polyethylene single layer having a thickness of 25 μm and a porosity of 45% was used. The lid 103 was attached to the battery container 102 by caulking. The rated capacity (calculated value) of the manufactured lithium ion secondary battery 101 was set to 3 Ah. When the electrode coating amount was changed, the area and the number of electrodes were changed, and the electrode size was adjusted so that the rated capacity could be obtained.

(実施例1〜7)
表1に、実施例の負極材料の仕様、バインダを含む負極合剤の組成、及び負極密度を示す。本発明の第二の導電性材料は、繊維状炭素(FC;Fiber−like carbon)と表示する。
(Examples 1 to 7)
Table 1 shows the specifications of the negative electrode material of the examples, the composition of the negative electrode mixture containing the binder, and the negative electrode density. The second conductive material of the present invention is labeled as fibrous carbon (FC; Fiber-like carbon).

第一の導電性材料は、カーボンブラック(CB)であり、CBの重量組成は、シリコン粒子とCBの混合前の組成である。第二の導電性材料の組成は、CVD装置にて原料ガスを熱分解させた後に得られた負極活物質の重量変化から求めた(式2参照)。 The first conductive material is carbon black (CB), and the weight composition of CB is the composition of silicon particles and CB before mixing. The composition of the second conductive material was determined from the weight change of the negative electrode active material obtained after the raw material gas was thermally decomposed by the CVD apparatus (see Equation 2).

実施例1〜4は、CB/Siの組成を0.333〜0.053の範囲で変化させ、FC/(Si+CB)の重量比を一定にしたときの負極活物質の実施態様である。なお、実施例3の炭素被覆シリコン粒子の粉末の粒度分布を、当該粉末と、水と、少量の界面活性剤とを混合して分散させた分散液を用いて、レーザー散乱粒度分布測定装置により測定したところ、D50は7.8μmであり、D90は20μmであった。また、炭素被覆シリコン粒子と酸化ダイヤモンド触媒微粒子との混合時には、溶媒として2−プロパノールを用いて、湿式法により混合した(湿式1)。これを用いて、CVDにより第二の導電性材料(FB)を成長させた。 Examples 1 to 4 are embodiments of the negative electrode active material when the composition of CB / Si is changed in the range of 0.333 to 0.053 and the weight ratio of FC / (Si + CB) is kept constant. The particle size distribution of the carbon-coated silicon particle powder of Example 3 was measured by a laser scattering particle size distribution measuring device using a dispersion liquid obtained by mixing and dispersing the powder, water, and a small amount of a surfactant. As a result, D 50 was 7.8 μm and D 90 was 20 μm. When the carbon-coated silicon particles and the diamond oxide catalyst fine particles were mixed, 2-propanol was used as a solvent and the particles were mixed by a wet method (wet 1). Using this, a second conductive material (FB) was grown by CVD.

実施例5は、実施例3で作製した負極活物質に、平均粒径20μmの天然黒鉛粉末を混合させたものを、負極に用いた実施例である。 Example 5 is an example in which a negative electrode active material prepared in Example 3 mixed with natural graphite powder having an average particle size of 20 μm is used as the negative electrode.

実施例6は、溶媒としてヘキサンを用いて、湿式法により、炭素被覆シリコン粒子と酸化ダイヤモンド触媒微粒子とを混合した(湿式2)。これを用いて、CVDにより第二の導電性材料(FB)を成長させた。 In Example 6, hexane was used as a solvent, and carbon-coated silicon particles and diamond oxide catalyst fine particles were mixed by a wet method (wet 2). Using this, a second conductive material (FB) was grown by CVD.

実施例7は、溶媒として体積比1:9の2−プロパノールとヘキサンの混合溶媒を用いて、湿式法により、炭素被覆シリコン粒子と酸化ダイヤモンド触媒微粒子とを混合した(湿式3)。これを用いて、CVDにより第二の導電性材料(FB)を成長させた。 In Example 7, carbon-coated silicon particles and diamond oxide catalyst fine particles were mixed by a wet method using a mixed solvent of 2-propanol and hexane having a volume ratio of 1: 9 as a solvent (wet 3). Using this, a second conductive material (FB) was grown by CVD.

実施例8は、乾式法により、炭素被覆シリコン粒子と酸化ダイヤモンド触媒とを混合した(乾式)。これを用いて、CVDにより第二の導電性材料(FB)を成長させた。 In Example 8, carbon-coated silicon particles and a diamond oxide catalyst were mixed by a dry method (dry method). Using this, a second conductive material (FB) was grown by CVD.

Figure 2021157867
Figure 2021157867

表2に実施例のリチウムイオン二次電池の評価結果を示す。リチウムイオン二次電池の評価では、各実施例の電池について、初期エージングの処理を行った。まず、開回路の状態から充電を開始した。0.2CA電流にて、4.2Vに到達した時点でその電圧を維持し、電流が1/10になるまで充電を継続した。その後30分の休止時間を設けて、0.2CAにて放電を始めた。電池電圧が2.8Vに達したときに放電を停止させ、30分の休止を行った。同じように、充電と放電を5回繰り返して、電池の初期エージングの処理を終了させた。 Table 2 shows the evaluation results of the lithium ion secondary battery of the example. In the evaluation of the lithium ion secondary battery, the batteries of each example were subjected to the initial aging treatment. First, charging was started from the open circuit state. At 0.2 CA current, the voltage was maintained when 4.2 V was reached, and charging was continued until the current became 1/10. After that, a rest period of 30 minutes was provided, and discharge was started at 0.2 CA. When the battery voltage reached 2.8 V, the discharge was stopped and the battery was paused for 30 minutes. Similarly, charging and discharging were repeated 5 times to complete the initial aging process of the battery.

次いで、充電は初期化時の条件とし、0.5CAと1CAの放電試験を実施した。表2に、その放電容量を示す。 Next, charging was set as the condition at the time of initialization, and discharge tests of 0.5 CA and 1 CA were carried out. Table 2 shows the discharge capacity.

いずれの実施例においても、初回充放電効率が85%を超え、初期容量は設計値に一致した。また、0.2CAに対する0.5CA、1CAの放電容量比も高い結果となった。本発明の構成により、高容量で、レート特性に優れた負極を得ることができた。 In each of the examples, the initial charge / discharge efficiency exceeded 85%, and the initial capacity was in agreement with the design value. In addition, the discharge capacity ratio of 0.5CA and 1CA to 0.2CA was also high. With the configuration of the present invention, it was possible to obtain a negative electrode having a high capacity and excellent rate characteristics.

Figure 2021157867
Figure 2021157867

(比較例1〜3)
比較例では、以下で説明する負極活物質を使用した以外は、実施例と同様にしてリチウムイオン二次電池を製作した。
(Comparative Examples 1 to 3)
In the comparative example, a lithium ion secondary battery was manufactured in the same manner as in the examples except that the negative electrode active material described below was used.

比較例1は、負極活物質として、第一の導電性材料が被覆されているシリコン粒子の粉末のみをそのまま使用し、第二の導電性材料の組成をゼロとした。 In Comparative Example 1, only the powder of silicon particles coated with the first conductive material was used as it was as the negative electrode active material, and the composition of the second conductive material was set to zero.

比較例2は、負極活物質として、シリコン粒子の粉末をそのまま酸化ダイヤモンド触媒微粒子と混合して、第二の導電性材料を成長させたものを使用し、第一の導電性材料の組成をゼロとした。 In Comparative Example 2, as the negative electrode active material, a powder of silicon particles was directly mixed with diamond oxide catalyst fine particles to grow a second conductive material, and the composition of the first conductive material was zero. And said.

比較例3は、負極活物質として、シリコン粒子の粉末と、第一の導電性材料と、第二の導電性材料とを乾式で混合しただけのものを使用した。 In Comparative Example 3, as the negative electrode active material, a powder obtained by simply mixing a powder of silicon particles, a first conductive material, and a second conductive material in a dry manner was used.

表3に、比較例の負極材料の仕様、バインダを含む負極合剤の組成、及び負極密度を示す。 Table 3 shows the specifications of the negative electrode material of the comparative example, the composition of the negative electrode mixture containing the binder, and the negative electrode density.

Figure 2021157867
Figure 2021157867

表4に、比較例のリチウムイオン二次電池の評価結果を示す。評価方法は、実施例と同様に行った。比較例1では、0.2CAの放電容量は、実施例1及び2と同等であるものの、0.5CA、1CAのレート特性は低下した。また、比較例1の初回充放電効率は低かった。比較例2では、初回充放電効率が低く、放電容量も大きく低下した。比較例3では、初回充放電効率及び0.2CAの放電容量は高かったものの、0.5CA、1CAのレート特性が低下した。 Table 4 shows the evaluation results of the lithium ion secondary battery of the comparative example. The evaluation method was the same as in the examples. In Comparative Example 1, the discharge capacity of 0.2CA was equivalent to that of Examples 1 and 2, but the rate characteristics of 0.5CA and 1CA were lowered. In addition, the initial charge / discharge efficiency of Comparative Example 1 was low. In Comparative Example 2, the initial charge / discharge efficiency was low, and the discharge capacity was also greatly reduced. In Comparative Example 3, although the initial charge / discharge efficiency and the discharge capacity of 0.2CA were high, the rate characteristics of 0.5CA and 1CA were lowered.

Figure 2021157867
Figure 2021157867

以上、本実施形態の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本実施形態の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本実施形態に含まれるものである。 Although the embodiment of the present embodiment has been described in detail above, the specific configuration is not limited to this embodiment, and even if there is a design change or the like within a range that does not deviate from the gist of the present embodiment. They are included in this embodiment.

101 リチウムイオン二次電池
102 電池容器
103 蓋
104 正極外部端子
105 負極外部端子
106 注液栓
107 正極
108 負極
109 セパレータ
110 正極リード線
111 負極リード線
112 絶縁シール部材
L 電解質
201 シリコン粒子
202 第一の導電性材料
203 第二の導電性材料
204 酸化ダイヤモンド触媒微粒子
101 Lithium ion secondary battery 102 Battery container 103 Lid 104 Positive electrode external terminal 105 Negative electrode external terminal 106 Injection plug 107 Positive electrode 108 Negative electrode 109 Separator 110 Positive electrode lead wire 111 Negative electrode lead wire 112 Insulation seal member L Electrolyte 201 Silicon particles 202 First Conductive material 203 Second conductive material 204 Diamond oxide catalyst fine particles

Claims (6)

シリコン粒子と、シリコン粒子に近接した酸化ダイヤモンド触媒微粒子と、シリコン粒子に被覆されている多孔質構造を有する第一の導電性材料と、酸化ダイヤモンド触媒微粒子から伸長する繊維状炭素である第二の導電性材料とを含み、
シリコン粒子が、第二の導電性材料にぶどう房状に保持されている
リチウムイオン二次電池用負極材料。
Silicon particles, diamond oxide catalyst fine particles close to the silicon particles, a first conductive material having a porous structure coated with silicon particles, and a second fibrous carbon extending from the diamond oxide catalyst fine particles. Including conductive materials
A negative electrode material for a lithium ion secondary battery in which silicon particles are held in a tuft of vines in a second conductive material.
第一の導電性材料がカーボンブラックであり、シリコン粒子と第一の導電性材料の重量比が95:5〜75:25である、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。 The negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the first conductive material is carbon black, and the weight ratio of the silicon particles to the first conductive material is 95: 5 to 75:25. 第一の導電性材料の被覆厚さが100nm以上であり、シリコン粒子の表面積に対する被覆率が70%〜90%である、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。 The negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the coating thickness of the first conductive material is 100 nm or more, and the coating ratio with respect to the surface area of silicon particles is 70% to 90%. 黒鉛をさらに含む、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。 The negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to claim 1, further comprising graphite. 請求項1〜4のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料を負極活物質として含むリチウムイオン二次電池。 A lithium ion secondary battery containing the negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 4 as a negative electrode active material. シリコン粒子の表面に第一の導電性材料を被覆することにより第一の導電性材料が被覆されているシリコン粒子を調製するステップと、
第一の導電性材料が被覆されているシリコン粒子と酸化ダイヤモンド触媒微粒子とを混合するステップと、
炭化水素の熱分解反応により酸化ダイヤモンド触媒微粒子から第二の導電性材料を成長させるステップと
を含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料を製造する方法。
The step of preparing the silicon particles coated with the first conductive material by coating the surface of the silicon particles with the first conductive material, and
The step of mixing the silicon particles coated with the first conductive material and the diamond oxide catalyst fine particles,
The negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 4, which comprises a step of growing a second conductive material from the diamond oxide catalyst fine particles by a thermal decomposition reaction of hydrocarbons. Method.
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