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JP6080653B2 - Negative electrode composite - Google Patents
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Description

本発明は、負極合材に関する。   The present invention relates to a negative electrode composite material.

現行のリチウムイオン電池には、電解質として有機系電解液が主に用いられている。
有機系電解液は高いイオン伝導度を示すものの、電解液が液体でかつ可燃性であることから、電池として用いた場合に、漏洩、発火等の危険性が懸念されている。この問題を解決する次世代リチウムイオン電池として、より安全性の高い硫化物系固体電解質を使用した全固体リチウムイオン電池が開発された(特許文献1)。
In the current lithium ion battery, an organic electrolyte is mainly used as an electrolyte.
Although organic electrolytes exhibit high ionic conductivity, the electrolytes are liquid and flammable, so there are concerns about risks such as leakage and ignition when used as batteries. As a next-generation lithium ion battery that solves this problem, an all-solid-state lithium ion battery using a sulfide-based solid electrolyte with higher safety has been developed (Patent Document 1).

電気自動車用途等の電池では、高いエネルギー密度を有することが求められる。シリコンは高い理論容量を有し、負極活物質にシリコン系負極活物質を用いた電池の開示があるものの(特許文献2、3)、充放電サイクル特性が十分ではなかった。   Batteries for electric vehicle applications and the like are required to have a high energy density. Although silicon has a high theoretical capacity and a battery using a silicon-based negative electrode active material as a negative electrode active material is disclosed (Patent Documents 2 and 3), charge / discharge cycle characteristics are not sufficient.

また、液系リチウムイオン電池用では新しいシリコン系負極活物質の開示があるものの、全固体リチウムイオン電池としたときの特性は明らかではなかった(特許文献4)。   In addition, although there is a disclosure of a new silicon-based negative electrode active material for a liquid-type lithium ion battery, the characteristics when an all-solid-state lithium ion battery is made are not clear (Patent Document 4).

特開2005−228570号公報JP 2005-228570 A 特開2010−003679号公報JP 2010-003679 A 特開2003−331828号公報JP 2003-331828 A 国際公開第2013/027686号International Publication No. 2013/027686

本発明の目的は、充放電サイクル特性が高い全固体リチウム電池を得ることができる新規な負極合材を提供することである。   An object of the present invention is to provide a novel negative electrode mixture capable of obtaining an all solid lithium battery having high charge / discharge cycle characteristics.

本発明によれば、以下の負極合材等が提供される。
1.(a)黒鉛、及びリチウムイオンと化合可能な電池活物質を含有し、下記条件(1)を満たす略球状の複合活物質、及び
(b)固体電解質
を含む負極合材。
(1)加速電圧10kV以下での走査型電子顕微鏡観察により観察される前記複合活物質表面上に露出している前記黒鉛の面積率が95%以上である。
2.(c)黒鉛、及びリチウムイオンと化合可能な電池活物質を含有し、下記(2)の製造方法により製造される略球状の複合活物質、及び
(b)固体電解質
を含む負極合材。
(2)比表面積30m/g以上の黒鉛と、リチウムイオンと化合可能な電池活物質とを混合して、混合物を得る混合工程と、
前記混合物に球形化処理を施し、黒鉛及びリチウムイオンと化合可能な電池活物質を含有する略球状の複合活物質を製造する球形化工程とを有する、複合活物質の製造方法。
3.前記黒鉛が膨張黒鉛である、1又は2に記載の負極合材。
4.前記リチウムイオンと化合可能な電池活物質が、シリコン、スズ、アルミニウム、アンチモン及びインジウムからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含有する、1〜3のいずれかに記載の負極合材。
5.前記複合活物質のタップ密度が0.8g/cm以上である、1〜4のいずれかに記載の負極合材。
6.前記複合活物質の比表面積が5〜100m/gである、1〜5のいずれかに記載の負極合材。
7.前記リチウムイオンと化合可能な電池活物質の平均粒子径が1μm以下である、1〜6のいずれかに記載の負極合材。
8.前記固体電解質がLi、P、及びSを含むリチウムイオン伝導性無機固体電解質である、1〜7のいずれかに記載の負極合材。
9.前記固体電解質が下記式(I)に示す組成を満たすリチウムイオン伝導性無機固体電解質である、1〜8のいずれかに記載の負極合材。
Li ・・・(I)
(式(I)において、Mは、B、Zn、Si、Cu、Ga又はGeから選択される元素を示す。
a〜dは各元素の組成比を示し、a:b:c:dは1〜12:0〜0.2:1:2〜9を満たす。)
10.前記固体電解質がガラスセラミックスである、1〜9のいずれかに記載の負極合材。
11.前記固体電解質が、結晶化度が50%以上のガラスセラミックスである、1〜10のいずれかに記載の負極合材。
12.前記固体電解質が少なくともPとLiSを用いて製造されたものである、2〜11のいずれかに記載の負極合材。
13.比表面積30m/g以上の黒鉛と、リチウムイオンと化合可能な電池活物質とを混合して、混合物を得る混合工程と、
前記混合物に球形化処理を施し、黒鉛及びリチウムイオンと化合可能な電池活物質を含有する略球状の複合活物質を製造する球形化工程と、
前記複合活物質と固体電解質とを混合する工程と
を有する、負極合材の製造方法。
14.13記載の製造方法により製造された負極合材。
15.1〜12及び14のいずれかに記載の負極合材を含む負極。
16.1〜12及び14のいずれかに記載の負極合材から製造された負極。
17.15又は16に記載の負極を含むリチウム二次電池。
18.17に記載のリチウム二次電池を備える装置。
According to the present invention, the following negative electrode mixture and the like are provided.
1. (A) A substantially spherical composite active material that contains graphite and a battery active material that can be combined with lithium ions and satisfies the following condition (1); and (b) a negative electrode composite containing a solid electrolyte.
(1) The area ratio of the graphite exposed on the surface of the composite active material observed by scanning electron microscope observation at an acceleration voltage of 10 kV or less is 95% or more.
2. (C) A substantially spherical composite active material that contains graphite and a battery active material that can be combined with lithium ions, and is produced by the production method of (2) below, and (b) a negative electrode mixture containing a solid electrolyte.
(2) A mixing step of mixing a graphite having a specific surface area of 30 m 2 / g or more and a battery active material that can be combined with lithium ions to obtain a mixture;
A method for producing a composite active material, comprising: subjecting the mixture to a spheronization treatment to produce a substantially spherical composite active material containing a battery active material that can be combined with graphite and lithium ions.
3. 3. The negative electrode composite material according to 1 or 2, wherein the graphite is expanded graphite.
4). The negative electrode composite material according to any one of 1 to 3, wherein the battery active material that can be combined with lithium ions contains at least one element selected from the group consisting of silicon, tin, aluminum, antimony, and indium.
5. The negative electrode composite material in any one of 1-4 whose tap density of the said composite active material is 0.8 g / cm < 3 > or more.
6). The negative electrode mixture in any one of 1-5 whose specific surface area of the said composite active material is 5-100 m < 2 > / g.
7). The negative electrode composite material according to any one of 1 to 6, wherein an average particle diameter of the battery active material that can be combined with the lithium ions is 1 μm or less.
8). The negative electrode composite material according to any one of 1 to 7, wherein the solid electrolyte is a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte containing Li, P, and S.
9. The negative electrode composite material according to any one of 1 to 8, wherein the solid electrolyte is a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte that satisfies a composition represented by the following formula (I).
Li a M b P c S d (I)
(In the formula (I), M represents an element selected from B, Zn, Si, Cu, Ga, or Ge.
a to d indicate the composition ratio of each element, and a: b: c: d satisfies 1 to 12: 0 to 0.2: 1: 2 to 9. )
10. The negative electrode composite material according to any one of 1 to 9, wherein the solid electrolyte is glass ceramics.
11. The negative electrode composite material according to any one of 1 to 10, wherein the solid electrolyte is a glass ceramic having a crystallinity of 50% or more.
12 The negative electrode composite material according to any one of 2 to 11, wherein the solid electrolyte is produced using at least P 2 S 5 and Li 2 S.
13. A mixing step of mixing a graphite having a specific surface area of 30 m 2 / g or more and a battery active material capable of combining with lithium ions to obtain a mixture;
Spheronization step of producing a substantially spherical composite active material containing a battery active material that can be combined with graphite and lithium ions by subjecting the mixture to spheroidization;
A method for producing a negative electrode mixture, comprising a step of mixing the composite active material and a solid electrolyte.
A negative electrode composite produced by the production method according to 14.13.
15. A negative electrode comprising the negative electrode mixture according to any one of 1 to 12 and 14.
16. A negative electrode produced from the negative electrode composite material according to any one of 1 to 12 and 14.
A lithium secondary battery including the negative electrode according to 17.15 or 16.
A device comprising the lithium secondary battery according to 18.17.

本発明によれば、充放電サイクル特性が高い全固体リチウム電池を得ることができる新規な負極合材を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the novel negative electrode compound material which can obtain the all-solid-state lithium battery with high charging / discharging cycling characteristics can be provided.

図1(A)は、実施例1にて作製した複合活物質のXRD回折パターン(*:膨張黒鉛由来のピーク、+:Si由来のピーク)を示す図であり、図1(B)は、膨張黒鉛と標準珪素試料との混合物のXRD回折パターン(*:膨張黒鉛由来のピーク、+:Si由来のピーク)を示す図である。FIG. 1 (A) is a diagram showing an XRD diffraction pattern (*: peak derived from expanded graphite, +: peak derived from Si) of the composite active material prepared in Example 1, and FIG. It is a figure which shows the XRD diffraction pattern (*: peak derived from expanded graphite, +: peak derived from Si) of the mixture of expanded graphite and a standard silicon sample. 図2は、実施例1にて作製した複合活物質のSEM(走査型電子顕微鏡)による2次電子像(加速度電圧10kV)であり、図2(A)は倍率:500倍、図2(B)は倍率:2000倍である。FIG. 2 is a secondary electron image (acceleration voltage 10 kV) obtained by SEM (scanning electron microscope) of the composite active material manufactured in Example 1. FIG. 2A shows a magnification of 500 times and FIG. ) Is a magnification of 2000 times.

本発明の負極合材の一形態は、
(a)黒鉛、及びリチウムイオンと化合可能な電池活物質を含有し、下記条件(1)を満たす略球状の複合活物質、及び
(b)固体電解質
を含む。
(1)加速電圧10kV以下での走査型電子顕微鏡(SEM)観察により観察される前記複合活物質表面上に露出している前記黒鉛の面積率が95%以上である。
One form of the negative electrode mixture of the present invention is
(A) a substantially spherical composite active material containing graphite and a battery active material that can be combined with lithium ions and satisfying the following condition (1); and (b) a solid electrolyte.
(1) The area ratio of the graphite exposed on the surface of the composite active material observed by scanning electron microscope (SEM) observation at an acceleration voltage of 10 kV or less is 95% or more.

また、本発明の負極合材の別の形態は、(c)黒鉛、及びリチウムイオンと化合可能な電池活物質を含有し、下記(2)の製造方法により製造される略球状の複合活物質、及び
(b)固体電解質
を含む。
(2)比表面積30m/g以上の黒鉛と、リチウムイオンと化合可能な電池活物質とを混合して、混合物を得る混合工程と、
前記混合物に球形化処理を施し、黒鉛及びリチウムイオンと化合可能な電池活物質を含有する略球状の複合活物質を製造する球形化工程とを有する、複合活物質の製造方法。
Another form of the negative electrode composite of the present invention includes (c) a battery active material that can be combined with graphite and lithium ions, and is a substantially spherical composite active material manufactured by the manufacturing method of (2) below. And (b) including a solid electrolyte.
(2) A mixing step of mixing a graphite having a specific surface area of 30 m 2 / g or more and a battery active material that can be combined with lithium ions to obtain a mixture;
A method for producing a composite active material, comprising: subjecting the mixture to a spheronization treatment to produce a substantially spherical composite active material containing a battery active material that can be combined with graphite and lithium ions.

[複合活物質と製造方法]
以下に、本発明の負極合材に使用する複合活物質とその製造方法について詳述する。
まず、従来技術と比較した本発明の特徴点について詳述する。
本発明の負極合材に使用する複合活物質の製造方法の特徴点の一つとしては、所定の比表面積の黒鉛を使用して、黒鉛及びリチウムイオンと化合する電池活物質の混合物に対して球状化処理を施している点が挙げられる。より具体的には、まず、膨張黒鉛や薄片化した黒鉛(薄片状黒鉛)等の所定の比表面積を有する黒鉛が持つ巨大な空間又は表面積を利用して、黒鉛表面に電池活物質(好ましくは微粒子化した電池活物質)を高度に均一分散させる。その後、得られた電池活物質高分散黒鉛組成物に球形化処理を施すことにより、黒鉛AB面間の高い接着性に基づいて黒鉛と電池活物質との密着性を高めることが可能となる。上記手順によって得られる複合活物質は、大きな比表面積を示す極めて薄い厚みの黒鉛シートで、電池活物質を包み込む形状を有している。よって、本発明の負極合材に使用する複合活物質は、従来のリチウム二次電池用複合活物質と比較して、黒鉛と電池活物質との間の接触頻度と密着性が比較にならない程良好である。その結果、電池活物質に高い導電性を付与し、かつ、充放電サイクルに伴う電池活物質の粒子崩壊による導電パスの欠落をも回避することが可能となり、結果としてリチウム二次電池の高いサイクル特性を実現することができる。
[Composite active material and production method]
Below, the composite active material used for the negative electrode composite material of this invention and its manufacturing method are explained in full detail.
First, the features of the present invention compared with the prior art will be described in detail.
As one of the features of the method for producing a composite active material used for the negative electrode composite of the present invention, a graphite having a specific surface area is used, and a mixture of battery active material combined with graphite and lithium ions is used. The point which has performed the spheroidization process is mentioned. More specifically, first, a battery active material (preferably a graphite active material) is preferably used on the graphite surface by utilizing a huge space or surface area of graphite having a predetermined specific surface area such as expanded graphite or exfoliated graphite (flaky graphite). Highly uniform dispersion of finely divided battery active material). Thereafter, by subjecting the obtained battery active material highly dispersed graphite composition to spheronization treatment, it becomes possible to enhance the adhesion between graphite and the battery active material based on the high adhesion between the graphite AB surfaces. The composite active material obtained by the above procedure is an extremely thin graphite sheet having a large specific surface area, and has a shape that encloses the battery active material. Therefore, the composite active material used for the negative electrode composite of the present invention is incomparable with the contact frequency and adhesion between graphite and the battery active material as compared with the conventional composite active material for lithium secondary battery. It is good. As a result, it is possible to impart high conductivity to the battery active material and to avoid the loss of the conductive path due to the particle collapse of the battery active material associated with the charge / discharge cycle, resulting in a high cycle of the lithium secondary battery. Characteristics can be realized.

従来、黒鉛と電池活物質とからなるリチウム二次電池用複合活物質は、電池活物質の体積膨張や収縮を緩和するために複合活物質中に膨張緩和の空間を敢えて設けていた。しかしながら、本発明の負極合材に使用する複合活物質は、全く逆の発想で黒鉛と電池活物質とをできるだけ高分散させ、さらに圧着することで、電池活物質の膨張を強固な黒鉛AB面内に封じ込め、導電性の維持と複合活物質の変形を抑制している。
さらに、充放電サイクルに伴い電池活物質が微粉化等の物理的変形を受けても、電池活物質は柔軟に層間距離を調節できる黒鉛層間に挟まれた状態で維持されるので、電池活物質の導電性は維持される。
Conventionally, a composite active material for a lithium secondary battery composed of graphite and a battery active material has intentionally provided a space for expansion relaxation in the composite active material in order to reduce the volume expansion and contraction of the battery active material. However, the composite active material used in the negative electrode composite of the present invention has a graphite AB surface that has a strong expansion of the battery active material by dispersing graphite and the battery active material as high as possible with a completely opposite concept and further pressing them. Contained inside, the conductivity is maintained and the deformation of the composite active material is suppressed.
Furthermore, even if the battery active material undergoes physical deformation such as pulverization along with the charge / discharge cycle, the battery active material is maintained in a state of being sandwiched between graphite layers whose interlayer distance can be adjusted flexibly. This conductivity is maintained.

さらには、この複合活物質を球形化した成型材料とすることにより、粉化した電池活物質はそれを内包する薄片状黒鉛の層からの脱落を抑制することができる。又は、球形化処理を施されて得られる複合活物質は、球形化により黒鉛エッジ面を実質的に外表面に露出しない構造を有する。さらに必要に応じて、その表面をCVD炭素で被覆することにより、電池活物質又は黒鉛エッジ面がリチウム二次電池用複合活物質の表面に露出することの無いエッジレス構造とすることができる。このような構造を有する複合活物質は、より優れた安全性を示す。   Furthermore, by making this composite active material into a spherical molding material, the powdered battery active material can be prevented from falling off from the flaky graphite layer enclosing it. Alternatively, the composite active material obtained by performing the spheronization treatment has a structure in which the graphite edge surface is not substantially exposed to the outer surface by spheronization. Furthermore, if necessary, by covering the surface with CVD carbon, it is possible to obtain an edgeless structure in which the battery active material or the graphite edge surface is not exposed on the surface of the composite active material for a lithium secondary battery. The composite active material having such a structure exhibits better safety.

本発明の負極合材に使用する複合活物質の構造上の特徴を表す特性としては、その形状が略球状であり、10kV以下の低加速電圧で走査型電子顕微鏡を用いて複合活物質の2次電子像を観察すると、複合活物質表面上に露出している黒鉛の面積率が95%以上である点が挙げられる。つまり、電池活物質が実質的に複合活物質中に内包されている。さらに、2次電子像中において、薄い黒鉛層を透過して、黒鉛層内に挟み込まれた状態で内包された電池活物質を直接観察できる。   The characteristics representing the structural characteristics of the composite active material used for the negative electrode composite of the present invention are substantially spherical in shape, and 2 of the composite active material using a scanning electron microscope at a low acceleration voltage of 10 kV or less. When the secondary electron image is observed, the area ratio of the graphite exposed on the surface of the composite active material is 95% or more. That is, the battery active material is substantially encapsulated in the composite active material. Further, in the secondary electron image, it is possible to directly observe the battery active material encapsulated while being transmitted through the thin graphite layer and sandwiched in the graphite layer.

また、X線回折においては、黒鉛層間にインターカレーションした層間化合物に起因するピークはほとんど認められず、この複合活物質が黒鉛と電池活物質との機械的混合物からなる複合体であることがわかる。このように薄い厚みの黒鉛シートによって微細な電池活物質を包み込むことにより、黒鉛シート間内での電池活物質の高度な分散と密な接着が図られる。その結果、本来、非導電性又は導電性の低い電池活物質から大きな電池容量を引き出し、さらには微細な電池活物質に起因する物質内のリチウムイオンの拡散距離が小さいという特性を生かし、極めて高い充放電レート特性及び良好なサイクル特性を有するリチウム二次電池を作製可能なリチウム二次電池用複合活物質を提供することができる。   Further, in X-ray diffraction, almost no peak due to an intercalation compound intercalated between graphite layers is observed, and this composite active material is a composite composed of a mechanical mixture of graphite and a battery active material. Recognize. By encapsulating the fine battery active material with the graphite sheet having such a small thickness as described above, the battery active material can be highly dispersed and closely adhered between the graphite sheets. As a result, it is extremely high by taking advantage of the fact that a large battery capacity is originally derived from a non-conductive or low-conductive battery active material, and further, the diffusion distance of lithium ions in the material caused by the fine battery active material is small. A composite active material for a lithium secondary battery capable of producing a lithium secondary battery having charge / discharge rate characteristics and good cycle characteristics can be provided.

まず、本発明の負極合材に使用する複合活物質の製造方法について詳述し、その後製造される複合活物質の態様について詳述する。
本発明の負極合材に使用する複合活物質の製造方法は、所定の黒鉛及びリチウムイオンと化合可能な電池活物質を混合する混合工程と、得られた混合物に球形化処理を施す球形化工程とを備える。
以下に、工程ごとに、使用される材料及びその手順について詳述する。
First, the manufacturing method of the composite active material used for the negative electrode composite material of the present invention will be described in detail, and the aspect of the composite active material manufactured thereafter will be described in detail.
The method for producing a composite active material used for the negative electrode composite of the present invention includes a mixing step of mixing a predetermined graphite and a battery active material that can be combined with lithium ions, and a spheronization step of subjecting the obtained mixture to a spheronization treatment With.
Below, the material used and the procedure are explained in full detail for every process.

<混合工程>
混合工程は、比表面積30m/g以上の黒鉛と、リチウムイオンと化合可能な電池活物質(以後、単に電池活物質も称する)とを混合して、混合物を得る工程である。本工程を実施することによって、極めて広い黒鉛表面に電池活物質が均一に混じり合い、極めて高度に電池活物質が分散した混合物を得ることができる。後述するように、黒鉛は大きな面積を有しているため、混合物中の黒鉛表面に分散し付着した電池活物質は、黒鉛に僅かな圧力を加えるだけで黒鉛に挟みこまれる形で、黒鉛間に包み込まれる(言い換えれば内包される)。
まず、本工程で使用される材料(黒鉛、電池活物質等)について詳述し、その後本工程の手順について詳述する。
<Mixing process>
The mixing step is a step of obtaining a mixture by mixing graphite having a specific surface area of 30 m 2 / g or more and a battery active material that can be combined with lithium ions (hereinafter also simply referred to as a battery active material). By carrying out this step, it is possible to obtain a mixture in which the battery active material is uniformly mixed on a very wide graphite surface and the battery active material is dispersed extremely highly. As will be described later, since graphite has a large area, the battery active material dispersed and adhered to the graphite surface in the mixture is sandwiched between the graphites by applying a slight pressure to the graphite. (In other words, it is included).
First, materials (graphite, battery active material, etc.) used in this step will be described in detail, and then the procedure of this step will be described in detail.

(黒鉛)
複合活物質に含有される黒鉛は、比表面積が30m/g以上を示す。上記範囲内であれば、高表面積(好ましくは、厚みの薄い)の黒鉛表面に高度に電池活物質が分散した複合活物質が得られる。その結果として、この複合活物質を用いた電池材料は、大充放電容量及び良好なサイクル特性を示す。なかでも、該複合活物質を用いたリチウム二次電池のサイクル特性がより優れる点で、40m/g以上が好ましく、60m/g以上がより好ましい。上限は特に制限されないが、製造の手順が煩雑となり、合成が困難な点で、比表面積は200m/g以下が好ましい。
(graphite)
The graphite contained in the composite active material has a specific surface area of 30 m 2 / g or more. If it is in the said range, the composite active material in which the battery active material was highly disperse | distributed on the graphite surface of a high surface area (preferably thin thickness) will be obtained. As a result, the battery material using this composite active material exhibits a large charge / discharge capacity and good cycle characteristics. Especially, 40 m < 2 > / g or more is preferable and 60 m < 2 > / g or more is more preferable at the point which the cycling characteristics of the lithium secondary battery using this composite active material are more excellent. The upper limit is not particularly limited, but the specific surface area is preferably 200 m 2 / g or less in that the production procedure is complicated and the synthesis is difficult.

黒鉛の比表面積が30m/g未満の場合、黒鉛と電池活物質との混合が不均一となり、成型時の電池活物質の脱落や成型複合物表面への電池活物質の露出等が起こり、結果として、複合活物質を用いたリチウム二次電池の充放電量及びサイクル特性に劣る。
尚、黒鉛の比表面積は、窒素吸着によるBET法(JIS Z 8830、一点法)を用いて測定したものである。
When the specific surface area of graphite is less than 30 m 2 / g, mixing of the graphite and the battery active material becomes non-uniform, and the battery active material falls off during molding, the battery active material is exposed to the surface of the molded composite, etc. As a result, the charge / discharge amount and cycle characteristics of the lithium secondary battery using the composite active material are inferior.
In addition, the specific surface area of graphite is measured using the BET method (JIS Z 8830, one point method) by nitrogen adsorption.

黒鉛中においては、黒鉛面を重ねる方向でグラフェンシートが複数枚重なった層が含まれており、グラフェンシートは主にファンデルワールス力によって互いに結合している。
上記所定の比表面積を示す黒鉛中に含まれる積層したグラフェンシートの層の平均厚みは、複合活物質を用いたリチウム二次電池の充放電量及びサイクル特性がより優れる点で、29nm以下が好ましく、22nm以下がより好ましい。下限は特に制限されないが、製造手順が煩雑になることから、通常、4.4nm以上である場合が多い。
The graphite includes a layer in which a plurality of graphene sheets are stacked in the direction in which the graphite surfaces are overlapped, and the graphene sheets are bonded to each other mainly by van der Waals force.
The average thickness of the layer of the graphene sheets stacked in the graphite having the predetermined specific surface area is preferably 29 nm or less in view of more excellent charge / discharge amount and cycle characteristics of the lithium secondary battery using the composite active material. 22 nm or less is more preferable. The lower limit is not particularly limited, but is usually 4.4 nm or more because the production procedure becomes complicated.

尚、一般的に、単一のグラフェンシートの厚みは0.34nmという薄さといわれており、平均厚みが18nmより薄い場合には比表面積は約50m/gより大きくなると計算される。また、グラフェン単一シートは、2630m/gに達する比表面積の理論値を有する。
尚、上記平均厚みの測定方法としては、電子顕微鏡観察(TEM)によって黒鉛を観察し、黒鉛中の積層したグラフェンシートの層の厚みを10個以上測定して、その値を算術平均することによって、平均厚みが得られる。
In general, the thickness of a single graphene sheet is said to be as thin as 0.34 nm. When the average thickness is less than 18 nm, the specific surface area is calculated to be greater than about 50 m 2 / g. Further, the graphene single sheet has a theoretical value of specific surface area reaching 2630 m 2 / g.
The average thickness is measured by observing graphite by electron microscope observation (TEM), measuring the thickness of 10 or more layers of the graphene sheet laminated in graphite, and arithmetically averaging the values. An average thickness is obtained.

使用される黒鉛の嵩比重の下限は特に制限されないが、黒鉛への電池活物質のより均一かつより高度な分散がなされる点で、0.01g/cm以上が好ましく、0.02g/cm以上がより好ましい。上限は、製造上の問題から、0.05g/cm以下の場合が多い。
尚、嵩比重の測定方法としては、500mlのガラス製メスシリンダーに試料を圧縮しないように挿入し、その試料重量を試料体積で除して求める。
The lower limit of the bulk specific gravity of the graphite used is not particularly limited, but is preferably 0.01 g / cm 3 or more and 0.02 g / cm 3 in that the battery active material is more uniformly and highly dispersed in the graphite. 3 or more is more preferable. The upper limit is often 0.05 g / cm 3 or less because of manufacturing problems.
In addition, as a measuring method of bulk specific gravity, it inserts in a 500 ml glass measuring cylinder so that a sample may not be compressed, and calculates | requires by dividing the sample weight by a sample volume.

黒鉛としては、市販品を使用してもよいし、公知の方法で製造してもよい。いわゆる膨張黒鉛や、薄片状黒鉛を使用することができる。
膨張黒鉛の製造方法としては、例えば、酸中に黒鉛(例えば、鱗片状黒鉛)を室温で浸漬した後、得られた酸処理黒鉛に加熱処理(好ましくは、700〜1000℃で処理)を施すことにより製造することができる。より具体的には、硫酸9重量部と硝酸1重量部の混酸に鱗片状天然黒鉛を1時間程度浸漬後、酸を除去し、水洗・乾燥を行う。その後、得られた酸処理黒鉛を850℃程度の炉に投入することで膨張黒鉛が得られる。尚、酸処理黒鉛の代わりに、アルカリ金属など黒鉛と層間化合物を形成した黒鉛を使用しても、膨張黒鉛を得ることができる。
As graphite, a commercially available product may be used, or it may be produced by a known method. So-called expanded graphite or flaky graphite can be used.
As a method for producing expanded graphite, for example, after immersing graphite (for example, flaky graphite) in acid at room temperature, the obtained acid-treated graphite is subjected to heat treatment (preferably treated at 700 to 1000 ° C.). Can be manufactured. More specifically, after scaly natural graphite is immersed in a mixed acid of 9 parts by weight of sulfuric acid and 1 part by weight of nitric acid for about 1 hour, the acid is removed, followed by washing and drying. Then, expanded graphite is obtained by putting the obtained acid-treated graphite into a furnace at about 850 ° C. Note that expanded graphite can also be obtained by using graphite formed with an interlayer compound such as alkali metal instead of acid-treated graphite.

上記で得られた酸処理黒鉛の嵩密度は特に限定されないが、酸処理黒鉛が十分に膨張する点で、0.6g/cm以上が好ましく、0.7g/cm以上がより好ましい。上限は特に制限されないが、製造上の問題から、1.0g/cm以下の場合が多い。
尚、嵩密度の測定方法としては、100mlのガラス製メスシリンダーに試料を圧縮しないように挿入し、その試料重量を試料体積で除して求める。
Although the bulk density of the acid-treated graphite obtained above is not particularly limited, 0.6 g / cm 3 or more is preferable and 0.7 g / cm 3 or more is more preferable in view of sufficient expansion of the acid-treated graphite. The upper limit is not particularly limited, but is often 1.0 g / cm 3 or less due to manufacturing problems.
The bulk density is measured by inserting a sample into a 100 ml glass graduated cylinder so as not to be compressed and dividing the sample weight by the sample volume.

また、薄片状黒鉛の製造方法としては、上記膨張黒鉛を溶媒に分散後、超音波処理や大きなズリ応力を与える粉砕機(例えば、石臼)等で処理することにより、膨張黒鉛のヒンジ部が破壊され、グラフェンシート枚数で50枚程度(好ましくは、10〜150枚)が積層した薄片状の黒鉛を得ることができる。
尚、上記比表面積を示す膨張黒鉛を構成するグラフェンシートの枚数と、それを解砕した薄片状黒鉛を構成するグラフェンシートの枚数は、基本的にほぼ同一と推測される。
As a method for producing flaky graphite, the expanded graphite hinge part is destroyed by dispersing the expanded graphite in a solvent and then treating it with an ultrasonic treatment or a pulverizer (for example, a stone mill) that applies a large shear stress. In addition, flaky graphite in which about 50 (preferably 10 to 150) graphene sheets are laminated can be obtained.
Note that the number of graphene sheets constituting the expanded graphite exhibiting the above specific surface area and the number of graphene sheets constituting the flaky graphite obtained by pulverizing the graphite are estimated to be basically the same.

(電池活物質)
本工程で使用される電池活物質としては、リチウムイオンと化合可能な電池活物質(好ましくは、負極活物質)である。言い換えれば、リチウムイオンと化合して、リチウムイオンを吸蔵及び放出し得る物質(例えば、金属、金属の炭化物、窒化物、酸化物等)であればよい。例えば、リチウムイオンの吸収及び放出が可能な金属もしくは非金属、又は、リチウムと合金化可能な金属酸化物である。好ましくは、負極活物質である。
(Battery active material)
The battery active material used in this step is a battery active material (preferably a negative electrode active material) that can be combined with lithium ions. In other words, any substance (for example, metal, metal carbide, nitride, oxide, or the like) that can occlude and release lithium ions by combining with lithium ions may be used. For example, a metal or nonmetal capable of absorbing and releasing lithium ions, or a metal oxide capable of being alloyed with lithium. Preferably, it is a negative electrode active material.

より具体的には、シリコン(ケイ素:Si)、スズ(Sn)、アルミニウム(Al)、アンチモン(Sb)、亜鉛(Zn)、ビスマス(Bi)、カドミウム(Cd)、鉛(Pb)、インジウム(In)、銀(Ag)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)等の金属(リチウムと合金化可能な金属)もしくはこれら金属を含む合金(例えば、Si合金、Sb合金、Sn合金、In合金)、又は、SnO、SnO等の金属酸化物(リチウムと合金化可能な金属酸化物)等が挙げられる。 More specifically, silicon (silicon: Si), tin (Sn), aluminum (Al), antimony (Sb), zinc (Zn), bismuth (Bi), cadmium (Cd), lead (Pb), indium ( In), silver (Ag), gallium (Ga), germanium (Ge), or other metals (metals that can be alloyed with lithium) or alloys containing these metals (for example, Si alloys, Sb alloys, Sn alloys, In alloys) Or metal oxides (metal oxides that can be alloyed with lithium) such as SnO and SnO 2 .

なかでも、得られる複合活物質を用いて得られるリチウム二次電池の理論容量及びサイクル特性がより優れる点で、電池活物質がSi、Sn、Al、Sb及びInからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含有することが好ましく、Si又はSnの元素を含有することがより好ましい。電池活物質がSiを含有することが最も好ましい。 Among them, the battery active material is at least one selected from the group consisting of Si, Sn, Al, Sb and In in that the theoretical capacity and cycle characteristics of the lithium secondary battery obtained using the obtained composite active material are more excellent. It is preferable to contain a seed element, and it is more preferable to contain a Si or Sn element. Most preferably, the battery active material contains Si.

尚、該合金については、上記した金属の組み合わせからなる合金の他、リチウムイオンを吸蔵及び放出しない金属を含む合金であってもよい。この場合、合金中の上記リチウムと合金化可能な金属の含有量はより多いほうが好ましい。SEM観察で得られる2次電子像で判断する粒子の均一性やサイクル特性等から判断すると、金属含有量の上限は70質量%であることが好ましく、60質量%以下がより好ましい。   In addition, about this alloy, the alloy containing the metal which does not occlude and discharge | release lithium ion other than the alloy which consists of a combination of the above-mentioned metal may be sufficient. In this case, the content of the metal that can be alloyed with the lithium in the alloy is preferably larger. Judging from the uniformity of particles and the cycle characteristics determined by the secondary electron image obtained by SEM observation, the upper limit of the metal content is preferably 70% by mass, and more preferably 60% by mass or less.

使用される電池活物質の形状は特に制限されず、粉状、板状、粒状、繊維状、塊状、球状等、あらゆる形状のものが使用可能である。
使用される電池活物質の平均粒子径としては、黒鉛と電池活物質との複合化時の電池活物質の脱落やサイクルに伴う電池活物質の膨張破壊等がより抑制される点で、1μm以下が好ましく、0.5μm以下がより好ましく、0.1μm以下がさらに好ましい。下限値については、特に制限はなく小さいほうが好ましい。通常の粉砕方法では、平均粒子径0.01μm程度までの微粉末を製造することが可能であり、この程度の粒径の粉末を有効に用いることができる。
尚、平均粒子径の測定方法としては、レーザー回折式の粒度分布測定器が用いられる。
The shape of the battery active material to be used is not particularly limited, and any shape such as powder, plate, granule, fiber, lump, and sphere can be used.
The average particle size of the battery active material to be used is 1 μm or less in terms of further suppressing the battery active material from dropping off when the graphite and the battery active material are combined, or the expansion failure of the battery active material accompanying the cycle. Is preferably 0.5 μm or less, and more preferably 0.1 μm or less. The lower limit is not particularly limited and is preferably smaller. In a normal pulverization method, it is possible to produce a fine powder having an average particle size of about 0.01 μm, and a powder having this size can be used effectively.
As a method for measuring the average particle size, a laser diffraction type particle size distribution measuring device is used.

尚、上記所定の平均粒子径の電池活物質を得る方法としては、撹拌槽型撹拌ミル(ビーズミル等)等の公知の装置を用いて電池活物質の粉砕を行うことによって、上記した粒径の小さい粉末を得ることが可能である。   In addition, as a method for obtaining the battery active material having the predetermined average particle diameter, the battery active material is pulverized by using a known apparatus such as a stirring tank type stirring mill (bead mill, etc.) to obtain the above-mentioned particle diameter. It is possible to obtain a small powder.

(工程の手順)
上述した黒鉛と電池活物質との混合方法は特に制限されず、公知の方法を採用することができ、いわゆる乾式処理又は湿式処理等が挙げられる。尚、得られる混合物中での黒鉛と電池活物質とがより均一に混合する点より、湿式処理の態様が好ましい。
乾式処理としては、例えば、公知の撹拌機(例えば、ヘンシェルミキサー)に上述した黒鉛と電池活物質とを加え、混合する方法がある。
(Process procedure)
The method for mixing the graphite and the battery active material described above is not particularly limited, and a known method can be employed, and examples thereof include so-called dry processing or wet processing. In addition, the aspect of a wet process is preferable from the point which the graphite and battery active material in the obtained mixture mix more uniformly.
As the dry process, for example, there is a method of adding the above-described graphite and the battery active material to a known stirrer (for example, a Henschel mixer) and mixing them.

湿式処理としては、例えば、上述した黒鉛と電池活物質とを溶媒中に分散させ、得られた溶液を混合撹拌して、溶媒を除去する方法が挙げられる。
湿式処理の際に使用される溶媒の種類は特に制限されず、黒鉛と電池活物質とを分散させることができる溶媒であればよい。例えば、アルコール系溶媒(例えば、メタノール、エタノール、イソプロパノール)、ケトン系溶媒(例えば、アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン)、アミド系溶媒(例えば、ホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、N−エチルピロリドン)、ニトリル系溶媒(例えば、アセトニトリル、プロピオニトリル)、エステル系溶媒(例えば、酢酸メチル、酢酸エチル)、カーボネート系溶媒(例えば、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート)、エーテル系溶媒(例えば、セロソルブ)、ハロゲン系溶媒、水及びこれらの混合物等が挙げられる。
なかでも、得られる複合活物質を用いたリチウム二次電池のサイクル特性がより優れる点で、アルコール系溶媒が好ましい。
Examples of the wet treatment include a method of dispersing the above-described graphite and battery active material in a solvent, mixing and stirring the obtained solution, and removing the solvent.
The type of the solvent used in the wet treatment is not particularly limited as long as it can disperse graphite and the battery active material. For example, alcohol solvents (eg, methanol, ethanol, isopropanol), ketone solvents (eg, acetone, methyl ethyl ketone, cyclohexanone), amide solvents (eg, formamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, N-ethylpyrrolidone), Nitrile solvents (eg acetonitrile, propionitrile), ester solvents (eg methyl acetate, ethyl acetate), carbonate solvents (eg dimethyl carbonate, diethyl carbonate), ether solvents (eg cellosolve), halogens Examples thereof include a solvent, water, and a mixture thereof.
Among these, alcohol solvents are preferable in that the cycle characteristics of the lithium secondary battery using the obtained composite active material are more excellent.

湿式処理において、黒鉛と電池活物質とを混合撹拌する条件は特に制限されず、使用される材料に応じて適宜最適な条件が選択される。通常、撹拌時間としては、黒鉛と電池活物質とのより均一に分散する結果、得られる複合活物質を用いたリチウム二次電池のサイクル特性がより優れる点で、1〜2時間程度が好ましい。
また、必要に応じて、撹拌処理時に超音波を加えてもよい。
In the wet processing, the conditions for mixing and stirring the graphite and the battery active material are not particularly limited, and optimal conditions are appropriately selected according to the materials used. Usually, the stirring time is preferably about 1 to 2 hours in that the cycle characteristics of the lithium secondary battery using the obtained composite active material are more excellent as a result of more uniform dispersion of graphite and the battery active material.
Moreover, you may add an ultrasonic wave at the time of a stirring process as needed.

溶媒を除去する方法は特に制限されず、公知の装置(例えば、エバポレータ)等を使用する方法が挙げられる。   The method for removing the solvent is not particularly limited, and examples thereof include a method using a known apparatus (for example, an evaporator).

黒鉛と電池活物質との混合比は特に制限されないが、得られる複合活物質を用いたリチウム二次電池のサイクル特性がより優れる点で、黒鉛100質量部に対して、電池活物質を10〜230質量部混合することが好ましく、40〜150質量部混合することがより好ましい。   The mixing ratio of graphite and the battery active material is not particularly limited, but the battery active material is 10 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of graphite in that the cycle characteristics of the lithium secondary battery using the obtained composite active material are more excellent. It is preferable to mix 230 mass parts, and it is more preferable to mix 40-150 mass parts.

また、溶媒の使用量は特に制限されないが、より高度な分散が図られる結果、得られる複合活物質を用いたリチウム二次電池のサイクル特性がより優れる点で、黒鉛100質量部に対して、溶媒を3000〜15000質量部混合することが好ましく、5000〜7000質量部混合することがより好ましい。   Further, the amount of the solvent used is not particularly limited, but as a result of achieving a higher degree of dispersion, the cycle characteristics of the lithium secondary battery using the resulting composite active material are more excellent, with respect to 100 parts by mass of graphite. It is preferable to mix 3000-15000 mass parts of solvent, and it is more preferable to mix 5000-7000 mass parts.

<球形化工程>
球形化工程は、混合物に球形化処理を施し、黒鉛及びリチウムイオンと化合可能な電池活物質を含有する略球状の複合活物質を製造する工程である。
本工程を実施することにより、黒鉛のシートがその内部に電池活物質を取り込むように折り畳まれて球形化する。その際、黒鉛のエッジ部は内部に折り畳まれ、形成される複合活物質の表面には実質的に露出しない構造が得られる。
<Spheronization process>
The spheronization step is a step of producing a substantially spherical composite active material containing a battery active material that can be combined with graphite and lithium ions by subjecting the mixture to a spheronization treatment.
By carrying out this step, the graphite sheet is folded into a spherical shape so as to take in the battery active material therein. At that time, the edge portion of the graphite is folded inside, and a structure that is not substantially exposed on the surface of the formed composite active material is obtained.

以下に、鱗片状の黒鉛を使用した場合と、比表面積の大きな黒鉛(膨張黒鉛又は薄片状黒鉛)を使用した場合との球形化工程におけるメカニズムの違いについて詳述する。
例えば、特開2008−27897号公報に記載されるように、鱗片状の黒鉛と電池活物質とを高速気流中に置くと、黒鉛の長軸方向、即ち黒鉛のAB面は気流の方向に配列し、気流と垂直に設けられたピン又は衝突板に衝突し、黒鉛AB面は圧縮変形し、結果的に電池活物質を挟み込む形で球形化する。この場合、黒鉛表面に存在する電池活物質の多くは衝突時の衝撃で黒鉛表面から離れ、たまたま黒鉛AB面間に挟まれた状態の電池活物質のみが黒鉛層間に挟み込まれる。
Below, the difference in the mechanism in the spheronization process between when the flaky graphite is used and when the graphite having a large specific surface area (expanded graphite or flaky graphite) is used will be described in detail.
For example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-27897, when scaly graphite and a battery active material are placed in a high-speed air stream, the major axis direction of the graphite, that is, the AB surface of the graphite is aligned in the direction of the air stream. Then, it collides with a pin or a collision plate provided perpendicular to the air flow, the graphite AB surface is compressed and deformed, and as a result, it is spheroidized by sandwiching the battery active material. In this case, most of the battery active material existing on the graphite surface is separated from the graphite surface by the impact at the time of collision, and only the battery active material that happens to be sandwiched between the graphite AB surfaces is sandwiched between the graphite layers.

一方、本発明においては、例えば、使用される比表面積の大きな黒鉛が膨張黒鉛の場合、膨張黒鉛の長軸は黒鉛C軸方向であり、高速気流中に該黒鉛が置かれると、黒鉛C軸が気流方向に配列し、ピンや衝突板に衝突する。その結果、まず黒鉛C軸が圧縮され、黒鉛は膨張前の形態に近い状態に変化する。これは黒鉛のAB面に付着した電池活物質が黒鉛で押し潰され、完全に電池活物質が黒鉛層同士で挟み込まれることを意味する。一旦C軸方向に圧縮された黒鉛は、AB面が長軸となる構造に変化し、やがて黒鉛AB面が折り畳まれた球形成型体へと変化する。   On the other hand, in the present invention, for example, when the graphite having a large specific surface area to be used is expanded graphite, the long axis of the expanded graphite is in the direction of the graphite C axis, and when the graphite is placed in a high-speed air stream, Are arranged in the direction of airflow and collide with pins and collision plates. As a result, the graphite C-axis is first compressed, and the graphite changes to a state close to that before expansion. This means that the battery active material adhering to the AB surface of graphite is crushed by graphite, and the battery active material is completely sandwiched between the graphite layers. The graphite once compressed in the C-axis direction changes to a structure in which the AB surface is a major axis, and eventually changes to a sphere-forming body in which the graphite AB surface is folded.

また、薄片状黒鉛の場合、黒鉛AB面に平行方向の圧縮と垂直方向の圧縮を同時に受けるが、黒鉛AB面の弾性率が低いため、黒鉛AB面に垂直方向の圧縮により黒鉛AB間で容易に接着して変形し、薄片状黒鉛表面に付着した電池活物質は黒鉛AB面内に挟み込まれる作用が先行する。その後、弾性率の高い黒鉛AB面の変形が起こり、球形化が進行する。
また、膨張黒鉛又は薄片状黒鉛は、それを構成する積層したグラフェンシートの層の厚みが小さいため、より小さなAB面方向の圧縮力でAB面の変形が容易に行われることはいうまでもない。
In the case of flaky graphite, compression in the direction parallel to the graphite AB surface and compression in the direction perpendicular to the graphite AB surface are simultaneously received. However, since the modulus of elasticity of the graphite AB surface is low, compression between the graphite AB and the graphite AB surface is easy. The battery active material adhered and deformed to adhere to the flaky graphite surface is preceded by the action of being sandwiched in the graphite AB plane. Thereafter, deformation of the graphite AB surface having a high elastic modulus occurs, and spheroidization proceeds.
Further, since expanded graphite or flaky graphite has a small thickness of the laminated graphene sheet layer constituting it, it goes without saying that the AB surface can be easily deformed with a smaller compressive force in the AB surface direction. .

球形化処理の方法は特に制限されず、主に衝撃応力を加えられる粉砕機であれば特に限定されない。粉砕機としては、例えば、高速回転衝撃式粉砕機が挙げられ、より具体的にはサンプルミル、ハンマミル、ピンミル等を用いることができる。なかでも、黒鉛と電池活物質との混合がより均一に実施され、結果として得られる複合活物質を用いたリチウム二次電池のサイクル特性がより優れる点で、ピンミルが好ましい。   The method of spheroidizing treatment is not particularly limited as long as it is a pulverizer capable of mainly applying impact stress. Examples of the pulverizer include a high-speed rotational impact pulverizer. More specifically, a sample mill, a hammer mill, a pin mill, or the like can be used. Among these, a pin mill is preferable in that the graphite and the battery active material are more uniformly mixed, and the resulting lithium secondary battery using the composite active material has more excellent cycle characteristics.

高速回転衝撃式粉砕機としては、高速回転するローターに試料を衝突させて、その衝撃力による微細化を達成するものが挙げられ、例えば、ローターに固定式あるいはスイング式の衝撃子を取り付けたハンマーミルタイプのハンマー型、回転する円盤にピンや衝撃ヘッドを取り付けたピンミルタイプの回転円盤型、試料がシャフト方向に搬送されながら粉砕する軸流型、狭い環状部での粒子の微細化を行うアニュラー型等が挙げられる。より具体的には、ハンマミル、ピンミル、スクリーンミル、ターボ型ミル、遠心分級型ミル等が挙げられる。   Examples of high-speed rotary impact type pulverizers include those that collide a sample with a rotor that rotates at high speed and achieve miniaturization by the impact force. For example, a hammer with a fixed or swing type impactor attached to the rotor Mill type hammer type, pin mill type rotary disc type with a pin and impact head attached to a rotating disc, an axial flow type that crushes while the sample is conveyed in the shaft direction, and an annular type that refines particles in a narrow annular part Examples include molds. More specifically, a hammer mill, a pin mill, a screen mill, a turbo mill, a centrifugal classification mill, and the like can be given.

尚、本工程を上記高速回転衝撃式粉砕機で行なう場合には、通常100rpm以上、好ましくは1500rpm以上、また、通常20000rpm以下の回転速度で球形化を行うことが好ましい。過度の衝撃力により球形化より粉砕が進行する。従って、衝突速度は20m/秒〜100m/秒程度とすることが好ましい。   When this step is performed with the high-speed rotational impact pulverizer, the spheronization is preferably performed at a rotation speed of usually 100 rpm or more, preferably 1500 rpm or more, and usually 20000 rpm or less. Grinding progresses from spheroidization due to excessive impact force. Therefore, the collision speed is preferably about 20 m / second to 100 m / second.

粉砕と異なり、球形化処理は低い衝撃力で処理するため、本工程は通常循環処理を行うことが好ましい。その処理時間は、使用する粉砕機の種類や仕込み量等によって異なるが、通常2分以内であり、適切なピン或いは衝突板の配置がなされた装置であれば処理時間は10秒程度で終了する。
また、球形化処理は空気中で行うことが好ましい。窒素気流同処理を行うと、大気開放時に発火する危険がある。
Unlike pulverization, since the spheronization treatment is carried out with a low impact force, it is usually preferable to perform a circulation treatment in this step. The processing time varies depending on the type of the pulverizer to be used, the amount charged, and the like, but is usually within 2 minutes, and the processing time can be completed in about 10 seconds if the apparatus is provided with an appropriate pin or collision plate. .
The spheronization treatment is preferably performed in air. If the same treatment is performed with nitrogen, there is a risk of fire when released to the atmosphere.

<複合活物質>
上述した工程を経て得られる複合活物質は、略球状であり、黒鉛と電池活物質とを含有する。
以下、得られた複合活物質について詳述する。
<Composite active material>
The composite active material obtained through the above-described steps is substantially spherical and contains graphite and a battery active material.
Hereinafter, the obtained composite active material will be described in detail.

複合活物質の形状は、上記処理によって略球状の形状を有する。略球状とは、複合活物質が丸みを帯びた構造を有し、破砕粒に一般的に見られるような鋭いエッジ(峰部や綾部)を有さない形状であることを意図する。
より具体的には、略球状とは、長径と短径との比率であるアスペクト比(長径/短径)が1〜3の範囲程度(本発明の効果がより優れる点で、1〜2がより好ましい)の複合活物質粒子の形状を表す。上記アスペクト比は、少なくとも100の粒子について一つ一つの粒子の長径/短径を求め、それらの算術平均した値(算術平均値)を意味する。
The shape of the composite active material has a substantially spherical shape by the above treatment. The term “substantially spherical” means that the composite active material has a rounded structure and does not have sharp edges (peaks or twills) that are commonly found in crushed grains.
More specifically, the substantially spherical shape means that the aspect ratio (major axis / minor axis), which is the ratio of the major axis to the minor axis, is in the range of 1 to 3 (1-2 in that the effect of the present invention is more excellent). More preferably) the shape of composite active material particles. The aspect ratio means a value (arithmetic average value) obtained by calculating the long diameter / short diameter of each particle for at least 100 particles and arithmetically averaging them.

尚、上記における短径とは、走査型電子顕微鏡等によって観察される粒子の外側に接し、粒子を挟み込む二つの平行線の組み合わせのうち最短間隔になる二つの平行線の距離である。一方、長径とは、該短径を決定する平行線に直角方向の二つの平行線であって、粒子の外側に接する二つの平行線の組み合わせのうち、最長間隔になる二つの平行線の距離である。これらの四つの線で形成される長方形は、粒子がちょうどその中に納まる大きさとなる。   The minor axis in the above is the distance between two parallel lines that are in contact with the outside of the particles observed by a scanning electron microscope or the like and that are the shortest distance among the combinations of two parallel lines that sandwich the particles. On the other hand, the major axis is the two parallel lines perpendicular to the parallel line that determines the minor axis, and the distance between the two parallel lines that is the longest interval among the combination of two parallel lines that touch the outside of the particle It is. The rectangle formed by these four lines is the size that the particles just fit within.

加速電圧10kV以下での走査型電子顕微鏡(SEM)観察により観察されるリチウム二次電池用複合活物質表面上に露出している黒鉛の面積率は、95%以上である。なかでも、98%以上がより好ましく、99%以上がさらに好ましい。上限値は特に制限されず、100%が挙げられる。面積率が上記範囲内であれば、複合活物質の表面上に露出している電池活物質の量が少なく、結果としてサイクル特性等に優れる。
上記面積率が上記範囲外(95%未満)の場合、電池活物質の脱落等が生じやすく、サイクル特性に劣る。
面積率の測定方法としては、加速電圧10kV以下での走査型電子顕微鏡(好ましくは、倍率2000倍以上)によって、少なくとも100個以上の複合活物質を観察し、各複合活物質表面上に占める黒鉛の面積率を測定し、それらを算術平均した値である。
The area ratio of the graphite exposed on the surface of the composite active material for a lithium secondary battery observed by scanning electron microscope (SEM) observation at an acceleration voltage of 10 kV or less is 95% or more. Among these, 98% or more is more preferable, and 99% or more is more preferable. The upper limit is not particularly limited and may be 100%. If the area ratio is within the above range, the amount of the battery active material exposed on the surface of the composite active material is small, and as a result, the cycle characteristics and the like are excellent.
When the area ratio is out of the above range (less than 95%), the battery active material is likely to fall off, resulting in poor cycle characteristics.
As a method for measuring the area ratio, at least 100 composite active materials are observed with a scanning electron microscope (preferably at a magnification of 2000 times or more) at an acceleration voltage of 10 kV or less, and graphite occupies the surface of each composite active material. It is the value which measured the area ratio of and calculated them arithmetically.

また、加速電圧10kV以下での走査型電子顕微鏡観察により観察されるリチウム二次電池用複合活物質表面上に露出している電池活物質の面積率は、5%以下が好ましい。なかでも、2%以下がより好ましく、1%以下がさらに好ましい。下限は特に制限されず、0%が挙げられる。面積率が上記範囲内であれば、複合活物質の表面上に露出している電池活物質の量が少なく、結果としてサイクル特性等に優れる。
面積率の測定方法としては、加速電圧10kV以下での走査型電子顕微鏡(好ましくは、倍率2000倍以上)によって、少なくとも100個以上の複合活物質を観察し、各複合活物質表面上に占める電池活物質の面積率を測定し、それらを算術平均した値である。
Further, the area ratio of the battery active material exposed on the surface of the composite active material for a lithium secondary battery observed by observation with a scanning electron microscope at an acceleration voltage of 10 kV or less is preferably 5% or less. Among these, 2% or less is more preferable, and 1% or less is more preferable. A minimum in particular is not restrict | limited, 0% is mentioned. If the area ratio is within the above range, the amount of the battery active material exposed on the surface of the composite active material is small, and as a result, the cycle characteristics and the like are excellent.
As a method for measuring the area ratio, at least 100 composite active materials are observed with a scanning electron microscope (preferably at a magnification of 2000 times or more) at an acceleration voltage of 10 kV or less, and a battery occupying the surface of each composite active material It is a value obtained by measuring the area ratio of the active material and arithmetically averaging them.

また、複合活物質の特徴として、加速電圧10kV以下での走査型電子顕微鏡観察により観察すると、薄い黒鉛層を透過して黒鉛層内に挟み込まれた状態で内包された電池活物質を直接観察できる。   Further, as a feature of the composite active material, when observed with a scanning electron microscope at an acceleration voltage of 10 kV or less, the battery active material encapsulated in a state of being sandwiched in the graphite layer through the thin graphite layer can be directly observed. .

また、複合活物質の好ましい態様として、黒鉛のエッジ部がその表面上に実質的に露出していない態様が挙げられる。エッジ部が表面に露出していないことによって、充放電サイクル時に発生しやすい電解液の分解や黒鉛の破壊がより抑制され、結果としてサイクル特性の向上がもたらされる。   Moreover, as a preferable aspect of a composite active material, the aspect which the edge part of graphite is not exposed on the surface substantially is mentioned. Since the edge portion is not exposed on the surface, the decomposition of the electrolytic solution and the destruction of the graphite, which are likely to occur during the charge / discharge cycle, are further suppressed, and as a result, the cycle characteristics are improved.

複合活物質中における電池活物質の含有量は、上述した混合工程における黒鉛と電池活物質との含有量により適宜調整できる。
なかでも、得られる複合活物質を使用したリチウム二次電池のサイクル特性がより優れる点で、電池活物質の含有量は、複合活物質全量に対して、10質量%以上が好ましく、20質量%がより好ましく、30質量%以上が特に好ましい。上限としては、70質量%以下が好ましく、60質量%以下がより好ましい。
尚、得られる複合活物質において電池活物質の含有量が上記範囲内である場合でも、複合活物質表面に露出する黒鉛の面積率は上記範囲内となる。
尚、電池活物質をSiとする場合、複合活物質中のSiの含有量を30質量%とした場合、Siのみに由来する充放電容量は1200mAh/g程度となる。
The content of the battery active material in the composite active material can be appropriately adjusted depending on the content of graphite and the battery active material in the mixing step described above.
Among them, the content of the battery active material is preferably 10% by mass or more, and 20% by mass with respect to the total amount of the composite active material in that the cycle characteristics of the lithium secondary battery using the obtained composite active material are more excellent. Is more preferable, and 30% by mass or more is particularly preferable. As an upper limit, 70 mass% or less is preferable, and 60 mass% or less is more preferable.
Even when the content of the battery active material is within the above range in the obtained composite active material, the area ratio of graphite exposed on the surface of the composite active material is within the above range.
When the battery active material is Si, when the content of Si in the composite active material is 30% by mass, the charge / discharge capacity derived only from Si is about 1200 mAh / g.

複合活物質の粒径(D50:50%体積粒径)は特に制限されないが、得られる複合活物質を用いたリチウム二次電池のサイクル特性がより優れる点で、2〜30μmが好ましく、5〜20μmがより好ましく、5〜15μmがさらに好ましい。
尚、粒径(D90:90%体積粒径)は特に制限されないが、得られる複合活物質を用いたリチウム二次電池のサイクル特性がより優れる点で、7〜30μmが好ましく、10〜25μmがより好ましい。
さらに、粒径(D10:10%体積粒径)は特に制限されないが、得られる複合活物質を用いたリチウム二次電池のサイクル特性がより優れる点で、1〜10μmが好ましく、2〜3μmがより好ましい。
The particle size (D50: 50% volume particle size) of the composite active material is not particularly limited, but is preferably 2 to 30 μm in terms of more excellent cycle characteristics of the lithium secondary battery using the resulting composite active material, 20 micrometers is more preferable and 5-15 micrometers is still more preferable.
The particle size (D90: 90% volume particle size) is not particularly limited, but is preferably 7 to 30 μm, more preferably 10 to 25 μm in terms of more excellent cycle characteristics of the lithium secondary battery using the obtained composite active material. More preferred.
Further, the particle size (D10: 10% volume particle size) is not particularly limited, but 1 to 10 μm is preferable and 2 to 3 μm is preferable in that the cycle characteristics of the lithium secondary battery using the obtained composite active material are more excellent. More preferred.

D10、D50及びD90は、レーザー回折散乱法により測定した累積粒度分布の微粒側から累積10%、累積50%、累積90%の粒径にそれぞれ該当する。
尚、測定に際しては、複合活物質を液体に加えて超音波等を利用しながら激しく混合し、作製した分散液を装置にサンプルとして導入し、測定を行う。液体としては作業上、水やアルコール、低揮発性の有機溶媒を用いることが好ましい。この時、得られる粒度分布図は正規分布を示すことが好ましい。
D10, D50, and D90 correspond to the particle sizes of 10%, 50%, and 90% from the fine particle side of the cumulative particle size distribution measured by the laser diffraction scattering method, respectively.
In the measurement, the composite active material is added to the liquid and mixed vigorously while using ultrasonic waves or the like, and the prepared dispersion is introduced as a sample into the apparatus for measurement. As the liquid, it is preferable to use water, alcohol, or a low-volatile organic solvent for work. At this time, the obtained particle size distribution diagram preferably shows a normal distribution.

複合活物質の嵩密度は特に制限されないが、得られる複合活物質の体積当たりの容量をより大きくするため、0.5g/cm以上が好ましく、0.7g/cm以上がより好ましい。上限は特に制限されない。
嵩密度の測定方法は、25mlのメスシリンダーを用いる以外は、上述した黒鉛の嵩密度の測定方法と同じである。
The bulk density of the composite active material is not particularly limited, but is preferably 0.5 g / cm 3 or more and more preferably 0.7 g / cm 3 or more in order to increase the capacity per volume of the composite active material to be obtained. The upper limit is not particularly limited.
The method for measuring the bulk density is the same as the method for measuring the bulk density of graphite described above, except that a 25 ml graduated cylinder is used.

複合活物質のタップ密度は特に制限されないが、得られる複合活物質の体積当たりの容量をより大きくするため、0.8g/cm以上が好ましく、1.0g/cm以上がより好ましい。上限は特に制限されないが、1.6g/cm以下が好ましい。
タップ密度の測定方法は、試料を25mlメスシリンダーには入れ、タッピングを行い、容量変化がなくなった時点の試料重量を試料体積で除して求める。
The tap density of the composite active material is not particularly limited, but is preferably 0.8 g / cm 3 or more and more preferably 1.0 g / cm 3 or more in order to increase the capacity per volume of the composite active material to be obtained. The upper limit is not particularly limited, but is preferably 1.6 g / cm 3 or less.
The tap density is measured by putting the sample in a 25 ml graduated cylinder, tapping, and dividing the sample weight at the time when the change in capacity disappears by the sample volume.

複合活物質の比表面積(BET比表面積)は特に制限されないが、得られる複合活物質を用いたリチウム二次電池のサイクル特性がより優れる点で、5m/g以上が好ましく、8m/g以上がより好ましい。上限は特に制限されないが、100m/g以下が好ましい。
複合活物質の比表面積(BET比表面積)の測定方法は、試料を300℃で30分真空乾燥後、窒素吸着1点法で測定する。
The specific surface area (BET specific surface area) of the composite active material is not particularly limited, but is preferably 5 m 2 / g or more, more preferably 8 m 2 / g in terms of better cycle characteristics of the lithium secondary battery using the resulting composite active material. The above is more preferable. The upper limit is not particularly limited, but is preferably 100 m 2 / g or less.
The measurement method of the specific surface area (BET specific surface area) of the composite active material is measured by a nitrogen adsorption one-point method after vacuum drying the sample at 300 ° C. for 30 minutes.

必要に応じて、複合活物質の表面を炭素で被覆することができる。該処理を実施することにより、複合活物質の表面積を調整し、電気化学的安定性を高めることができる。
炭素で被覆する方法は特に制限されないが、例えば、CVD法が挙げられる。より具体的には、トルエン等のガスを流し、750〜1100℃でCVD処理を行うことが好ましい。
If necessary, the surface of the composite active material can be coated with carbon. By performing this treatment, the surface area of the composite active material can be adjusted, and the electrochemical stability can be enhanced.
The method of coating with carbon is not particularly limited, and examples thereof include a CVD method. More specifically, it is preferable to perform a CVD process at 750 to 1100 ° C. by flowing a gas such as toluene.

[固体電解質]
本発明の負極合材に使用する固体電解質は、例えば、酸化物系固体電解質又は硫化物系固体電解質である。
(1)酸化物系固体電解質
酸化物系固体電解質には、LiN、LISICON類、Thio−LISICON類、La0.55Li0.35TiO等のペロブスカイト構造を有する結晶;NASICON型構造を有するLiTi12;これらを結晶化した電解質等が挙げられる。
[Solid electrolyte]
The solid electrolyte used for the negative electrode mixture of the present invention is, for example, an oxide solid electrolyte or a sulfide solid electrolyte.
(1) Oxide-based solid electrolyte The oxide-based solid electrolyte includes a crystal having a perovskite structure such as LiN, LISICON, Thio-LISON, La 0.55 Li 0.35 TiO 3 ; LiTi having a NASICON type structure 2 P 3 O 12 ; an electrolyte obtained by crystallizing these, and the like.

(2)硫化物系固体電解質
硫化物系固体電解質は、好ましくはLi、P、及びSを含むリチウムイオン伝導性無機固体電解質であり、より好ましくは下記式(I)に示す組成を満たすリチウムイオン伝導性無機固体電解質である。
Li ・・・(I)
式(I)において、Mは、B、Zn、Si、Cu、Ga又はGeから選択される元素を示す。
a〜dは各元素の組成比を示し、a:b:c:dは1〜12:0〜0.2:1:2〜9を満たす。
好ましくは、bは0であり、より好ましくは、a、c及びdの比(a:c:d)がa:c:d=1〜9:1:3〜7、さらに好ましくは、a:c:d=1.5〜4:1:3.25〜4.5である。
各元素の組成比は、後述するように、硫化物系固体電解質を製造する際の原料化合物の配合量を調整することにより制御できる。
(2) Sulfide-based solid electrolyte The sulfide-based solid electrolyte is preferably a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte containing Li, P, and S, and more preferably lithium ions satisfying the composition represented by the following formula (I) Conductive inorganic solid electrolyte.
Li a M b P c S d (I)
In the formula (I), M represents an element selected from B, Zn, Si, Cu, Ga, or Ge.
a to d indicate the composition ratio of each element, and a: b: c: d satisfies 1 to 12: 0 to 0.2: 1: 2 to 9.
Preferably, b is 0, more preferably the ratio of a, c and d (a: c: d) is a: c: d = 1 to 9: 1: 3-7, more preferably a: c: d = 1.5-4: 1: 3.25-4.5.
As will be described later, the composition ratio of each element can be controlled by adjusting the blending amount of the raw material compound in producing the sulfide-based solid electrolyte.

硫化物系固体電解質は、非晶質(ガラス)であっても結晶化(ガラスセラミックス)していてもよく、一部のみ結晶化していてもよい。
ここで、結晶化させると非晶質よりもイオン伝導度が高くなる場合があり、その場合には結晶化させることが好ましい。
The sulfide-based solid electrolyte may be amorphous (glass) or crystallized (glass ceramics), or only partially crystallized.
Here, when crystallized, the ion conductivity may be higher than that of amorphous, and in that case, it is preferable to crystallize.

硫化物系固体電解質の結晶構造として、例えば、特開2002−109955号公報に開示されているLiPS構造、Li構造、LiPS構造、LiSiS構造、LiSiS構造、特開2005−228570号公報及び国際公開第2007/066539号に開示されているLi11構造が好ましく、これら結晶構造であれば、非晶体よりイオン伝導度を高めることができる。
ここで、硫化物系固体電解質の結晶化された部分は、1つの結晶構造のみからなっていてもよく、複数の結晶構造を有していてもよい。
Examples of the crystal structure of the sulfide-based solid electrolyte include, for example, Li 7 PS 6 structure, Li 4 P 2 S 6 structure, Li 3 PS 4 structure, Li 4 SiS 4 structure disclosed in JP 2002-109955 A, Li 2 SiS 3 structure, Li 7 P 3 S 11 structure disclosed in JP-A-2005-228570 and International Publication No. 2007/065539 are preferable. If these crystal structures are used, the ionic conductivity is higher than that of the amorphous body. Can be increased.
Here, the crystallized portion of the sulfide-based solid electrolyte may consist of only one crystal structure or may have a plurality of crystal structures.

特にイオン伝導度が高い硫化物系固体電解質の結晶構造としてはLi11が挙げられる。
Li11構造は、X線回折(CuKα:λ=1.5418Å)において、2θ=17.8±0.3deg,18.2±0.3deg,19.8±0.3deg,21.8±0.3deg,23.8±0.3deg,25.9±0.3deg,29.5±0.3deg,30.0±0.3degに回折ピークを有する。
In particular, Li 7 P 3 S 11 can be cited as a crystal structure of a sulfide-based solid electrolyte having high ionic conductivity.
The Li 7 P 3 S 11 structure has 2θ = 17.8 ± 0.3 deg, 18.2 ± 0.3 deg, 19.8 ± 0.3 deg, 21 in X-ray diffraction (CuKα: λ = 1.54184). It has diffraction peaks at .8 ± 0.3 deg, 23.8 ± 0.3 deg, 25.9 ± 0.3 deg, 29.5 ± 0.3 deg, 30.0 ± 0.3 deg.

硫化物系固体電解質の結晶化度(非晶体よりイオン伝導度が高い結晶構造の結晶化度)は、50%以上が好ましく、より好ましくは60%以上である。
硫化物系固体電解質の結晶化度が50%未満の場合は、結晶化によってイオン伝導度を高くするという効果が少なくなるためである。
結晶化度は、NMRスペクトル装置を用いることにより測定できる。具体的には、硫化物系固体電解質の固体31P−NMRスペクトルを測定し、得られたスペクトルについて、70−120ppmに観測される共鳴線を、非線形最少二乗法を用いたガウス曲線に分離し、各曲線の面積比を求めることにより測定できる。
The degree of crystallinity of the sulfide-based solid electrolyte (the degree of crystallinity of the crystal structure having higher ionic conductivity than that of the amorphous body) is preferably 50% or more, more preferably 60% or more.
This is because when the crystallinity of the sulfide-based solid electrolyte is less than 50%, the effect of increasing the ionic conductivity by crystallization is reduced.
The degree of crystallinity can be measured by using an NMR spectrum apparatus. Specifically, a solid 31 P-NMR spectrum of a sulfide-based solid electrolyte was measured, and the resonance line observed at 70-120 ppm was separated into a Gaussian curve using a nonlinear least square method. It can be measured by determining the area ratio of each curve.

硫化物系固体電解質は、以下の方法により製造することができる。
硫化物系固体電解質の原料は、LiS(硫化リチウム)、P(三硫化二リン)、P(五硫化二リン)、SiS(硫化珪素)、LiSiO(オルト珪酸リチウム)、Al(硫化アルミニウム)、単体のリン(P)、単体の硫黄(S)、シリコン(Si)、GeS(硫化ゲルマニウム)、B(三硫化二ホウ素)、LiPO(燐酸リチウム)、LiGeO(ゲルマン酸リチウム)、LiBO(メタホウ酸リチウム)、LiAlO(リチウムアルミネート)等を用いることができる。
好ましい硫化物系固体電解質の原料は、LiS(硫化リチウム)、P(五硫化二リン)である。
The sulfide-based solid electrolyte can be produced by the following method.
The raw materials for the sulfide-based solid electrolyte are Li 2 S (lithium sulfide), P 2 S 3 (phosphorus trisulfide), P 2 S 5 (phosphorus pentasulfide), SiS 2 (silicon sulfide), Li 4 SiO 4. (Lithium orthosilicate), Al 2 S 3 (aluminum sulfide), single phosphorus (P), single sulfur (S), silicon (Si), GeS 2 (germanium sulfide), B 2 S 3 (diboron trisulfide) ), Li 3 PO 4 (lithium phosphate), Li 4 GeO 4 (lithium germanate), LiBO 2 (lithium metaborate), LiAlO 3 (lithium aluminate), or the like can be used.
Preferred raw materials for sulfide-based solid electrolytes are Li 2 S (lithium sulfide) and P 2 S 5 (diphosphorus pentasulfide).

以下、硫化物系固体電解質の原料として、LiS(硫化リチウム)、P(五硫化二リン)を用いた硫化物系固体電解質について説明する。 Hereinafter, a sulfide-based solid electrolyte using Li 2 S (lithium sulfide) and P 2 S 5 (diphosphorus pentasulfide) as a raw material for the sulfide-based solid electrolyte will be described.

硫化リチウムは、例えば、特開平7−330312号公報、特開平9−283156号公報、特開2010−163356号公報、特開2011−84438号公報に記載の方法により製造することができる。
特開2010−163356号公報では、炭化水素系有機溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを70℃〜300℃で反応させて、水硫化リチウムを生成し、次いでこの反応液を脱硫化水素化することにより硫化リチウムを合成する。また、特開2011−84438号公報では、水溶媒中で水酸化リチウムと硫化水素とを10℃〜100℃で反応させて、水硫化リチウムを生成し、次いでこの反応液を脱硫化水素化することにより硫化リチウムを合成する。
Lithium sulfide can be manufactured by the method of Unexamined-Japanese-Patent No. 7-330312, Unexamined-Japanese-Patent No. 9-283156, Unexamined-Japanese-Patent No. 2010-163356, and Unexamined-Japanese-Patent No. 2011-84438, for example.
In JP 2010-163356 A, lithium hydroxide and hydrogen sulfide are reacted at 70 ° C. to 300 ° C. in a hydrocarbon organic solvent to produce lithium hydrosulfide, and then this reaction solution is dehydrosulfurized. To synthesize lithium sulfide. In JP 2011-84438 A, lithium hydroxide and hydrogen sulfide are reacted at 10 ° C. to 100 ° C. in an aqueous solvent to produce lithium hydrosulfide, and then this reaction solution is dehydrosulfurized. To synthesize lithium sulfide.

硫化物系固体電解質の製造に用いる硫化リチウムは、特に制限はないが、高純度のものが好ましい。
硫化リチウムは、硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が0.15質量%以下であることが好ましく、より好ましくは0.1質量%以下であり、かつN−メチルアミノ酪酸リチウムの含有量が0.15質量%以下であることが好ましく、より好ましくは0.1質量%以下である。
Although there is no restriction | limiting in particular, the lithium sulfide used for manufacture of sulfide type solid electrolyte has a high purity.
The lithium sulfide preferably has a total lithium oxide lithium salt content of 0.15% by mass or less, more preferably 0.1% by mass or less, and a lithium N-methylaminobutyrate content. The content is preferably 0.15% by mass or less, more preferably 0.1% by mass or less.

硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が0.15質量%以下であると、溶融急冷法やメカニカルミリング法で得られる硫化物系固体電解質は、ガラス状の硫化物系固体電解質(完全非晶質)となる。一方、硫黄酸化物のリチウム塩の総含有量が0.15質量%を超えると、得られる電解質は、最初から結晶化物となるおそれがあり、この結晶化物のイオン伝導度は低い。さらに、この結晶化物について熱処理を施しても結晶化物には変化がなく、高イオン伝導度の硫化物系固体電解質を得ることができないおそれがある。また、N−メチルアミノ酪酸リチウムの含有量が0.15質量%以下であると、N−メチルアミノ酪酸リチウムの劣化物がリチウムイオン電池のサイクル性能を低下させることがない。
このように不純物が低減された硫化リチウムを用いると、高いイオン伝導度を有する硫化物系固体電解質が得られる。
When the total content of the lithium salt of the sulfur oxide is 0.15% by mass or less, the sulfide-based solid electrolyte obtained by the melt quenching method or the mechanical milling method is a glassy sulfide-based solid electrolyte (fully amorphous). Quality). On the other hand, when the total content of the lithium salt of sulfur oxide exceeds 0.15% by mass, the obtained electrolyte may become a crystallized product from the beginning, and the ionic conductivity of the crystallized product is low. Further, even if this crystallized product is subjected to a heat treatment, the crystallized product is not changed, and there is a possibility that a sulfide-based solid electrolyte having high ion conductivity cannot be obtained. In addition, when the content of lithium N-methylaminobutyrate is 0.15% by mass or less, a deteriorated product of lithium N-methylaminobutyrate does not deteriorate the cycle performance of the lithium ion battery.
When lithium sulfide with reduced impurities is used as described above, a sulfide-based solid electrolyte having high ionic conductivity can be obtained.

特開平7−330312号公報及び特開平9−283156号公報に記載の硫化リチウムは、硫黄酸化物のリチウム塩等を含むため、精製することが好ましい。
硫化リチウムを精製する場合、好ましい精製法としては、例えば国際公開第2005/40039号に記載された精製法等が挙げられる。具体的には、上記のようにして得られた硫化リチウムを、有機溶媒を用い、100℃以上の温度で洗浄することで精製する。
尚、特開2010−163356号公報に記載の硫化リチウムの製法で製造した硫化リチウムは、硫黄酸化物のリチウム塩等の含有量が非常に少ないため、精製せずに硫化物系固体電解質の製造に用いることができる。
The lithium sulfides described in JP-A-7-330312 and JP-A-9-283156 preferably contain a lithium salt of sulfur oxide and the like, and thus are preferably purified.
In the case of purifying lithium sulfide, a preferable purification method includes, for example, a purification method described in International Publication No. 2005/40039. Specifically, the lithium sulfide obtained as described above is purified by washing at a temperature of 100 ° C. or higher using an organic solvent.
In addition, since lithium sulfide manufactured by the manufacturing method of lithium sulfide described in JP 2010-163356 A has a very small content of lithium salt of sulfur oxide, etc., manufacture of a sulfide-based solid electrolyte without purification Can be used.

硫化物系固体電解質の製造に用いる五硫化二リン(P)は、工業的に製造され、販売されているものであれば、特に限定なく使用することができる。 The phosphorous pentasulfide (P 2 S 5 ) used for the production of the sulfide-based solid electrolyte can be used without particular limitation as long as it is industrially produced and sold.

硫化リチウムと五硫化二リンを用いて硫化物系固体電解質を製造する場合、硫化リチウムと五硫化二リンの割合(モル比)は、通常、LiS:P=50:50〜80:20であり、好ましくは60:40〜80:20であり、さらに好ましくは65:35〜78:22であり、最も好ましくは68:32〜76:24である。 When a sulfide-based solid electrolyte is produced using lithium sulfide and diphosphorus pentasulfide, the ratio (molar ratio) between lithium sulfide and diphosphorus pentasulfide is usually Li 2 S: P 2 S 5 = 50: 50˜ 80:20, preferably 60:40 to 80:20, more preferably 65:35 to 78:22, and most preferably 68:32 to 76:24.

硫化リチウム(LiS)と五硫化二リン(P)を用いたガラス状の硫化物系固体電解質の製造方法としては、溶融急冷法、メカニカルミリング法(MM法)、有機溶媒中で原料を反応させるスラリー法等がある。 As a method for producing a glassy sulfide-based solid electrolyte using lithium sulfide (Li 2 S) and diphosphorus pentasulfide (P 2 S 5 ), a melt quenching method, a mechanical milling method (MM method), an organic solvent There is a slurry method in which the raw materials are reacted.

(a)溶融急冷法
溶融急冷法は、例えば、特開平6−279049号公報、国際公開第2005/119706号に記載されている。具体的には、所定量のPとLiSを乳鉢にて混合しペレット状にしたものを、カーボンコートした石英管中に入れ真空封入する。所定の反応温度で反応させた後、氷中に投入し急冷することにより、ガラス状の硫化物系固体電解質が得られる。
反応温度は、好ましくは400℃〜1000℃、より好ましくは、800℃〜900℃である。
反応時間は、好ましくは0.1時間〜12時間、より好ましくは、1〜12時間である。
反応物の急冷温度は、通常10℃以下、好ましくは0℃以下であり、その冷却速度は、通常1〜10000K/sec程度、好ましくは10〜10000K/secである。
(A) Melting and quenching method The melting and quenching method is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-279049 and International Publication No. 2005/119706. Specifically, a predetermined amount of P 2 S 5 and Li 2 S mixed in a mortar and pelletized are placed in a carbon-coated quartz tube and vacuum-sealed. After reacting at a predetermined reaction temperature, it is put into ice and rapidly cooled to obtain a glassy sulfide-based solid electrolyte.
The reaction temperature is preferably 400 ° C to 1000 ° C, more preferably 800 ° C to 900 ° C.
The reaction time is preferably 0.1 hour to 12 hours, more preferably 1 to 12 hours.
The quenching temperature of the reaction product is usually 10 ° C. or less, preferably 0 ° C. or less, and the cooling rate is usually about 1 to 10,000 K / sec, preferably 10 to 10,000 K / sec.

(b)メカニカルミリング法
メカニカルミリング法は、例えば、特開平11−134937号公報、特開2004−348972公報、及び特開2004−348973号公報に記載されている。
例えば、PとLiSを所定量乳鉢にて混合し、各種ボールミル等を使用して所定時間反応させることにより、ガラス状の硫化物系固体電解質が得られる。
上記原料を用いたメカニカルミリング法は、室温で反応を行うことができる。メカニカルミリング法によれば、室温でガラス状の硫化物系固体電解質を製造できるため、原料の熱分解が起らず、仕込み組成のガラス状の硫化物系固体電解質を得ることができるという利点がある。また、メカニカルミリング法では、ガラス状の硫化物系固体電解質の製造と同時に、ガラス状の硫化物系固体電解質を微粉末化できるという利点もある。
(B) Mechanical milling method The mechanical milling method is described in, for example, JP-A-11-134937, JP-A-2004-348972, and JP-A-2004-34897.
For example, a predetermined amount of P 2 S 5 and Li 2 S are mixed in a mortar and reacted for a predetermined time using various ball mills or the like to obtain a glassy sulfide-based solid electrolyte.
The mechanical milling method using the above raw materials can be reacted at room temperature. According to the mechanical milling method, since a glassy sulfide-based solid electrolyte can be produced at room temperature, there is an advantage that a raw material is not thermally decomposed and a glassy sulfide-based solid electrolyte having a charged composition can be obtained. is there. The mechanical milling method also has an advantage that the glassy sulfide-based solid electrolyte can be finely powdered simultaneously with the production of the glassy sulfide-based solid electrolyte.

メカニカルミリング法は、回転ボールミル、転動ボールミル、振動ボールミル、遊星ボールミル等種々の形式を用いることができる。尚、特開2010−90003号公報に記載されているように、ボールミルのボールは異なる径のボールを混合して使用してもよい。
メカニカルミリング法の条件としては、例えば、遊星型ボールミル機を使用した場合、回転速度を数十〜数百回転/分とし、0.5時間〜100時間処理すればよい。この際、原料が60℃以上160℃以下になるようにすることが好ましい。
特開2009−110920号公報及び特開2009−211950号公報に記載されているように、原料に有機溶媒を添加してスラリー状にし、このスラリーをメカニカルミリング処理してもよい。また、特開2010−30889号公報に記載のようにメカニカルミリング処理の際のミル内の温度を調整してもよい。
For the mechanical milling method, various types such as a rotating ball mill, a rolling ball mill, a vibrating ball mill, and a planetary ball mill can be used. Incidentally, as described in JP 2010-90003 A, balls of a ball mill may be used by mixing balls having different diameters.
As a condition of the mechanical milling method, for example, when a planetary ball mill is used, the rotation speed may be several tens to several hundreds of revolutions / minute, and the treatment may be performed for 0.5 hours to 100 hours. At this time, it is preferable that the raw material be 60 ° C. or higher and 160 ° C. or lower.
As described in JP 2009-110920 A and JP 2009-211950 A, an organic solvent may be added to the raw material to form a slurry, and the slurry may be mechanically milled. Moreover, you may adjust the temperature in the mill in the case of a mechanical milling process as described in Unexamined-Japanese-Patent No. 2010-30889.

(c)スラリー法
スラリー法は、例えば国際公開第2004/093099号及び国際公開第2009/047977号に記載されている。
具体的には、所定量の五硫化二燐(P)粒子と硫化リチウム(LiS)粒子を有機溶媒中で所定時間反応させることにより、ガラス状の硫化物系固体電解質が得られる。
ここで、特開2010−140893号公報に記載されているように、反応を進行させるため、原料を含むスラリーをビーズミルと反応容器との間で循環させながら反応させてもよい。また、国際公開第2009/047977号に記載されているように、原料の硫化リチウムを予め粉砕しておくと効率的に反応を進行させることができる。この他、特開2011−136899号公報に記載されているように、原料の硫化リチウムの比表面積を大きくするために溶解パラメーターが9.0以上の極性溶媒(例えば、メタノール、ジエチルカーネート、アセトニトリル)に所定時間浸漬してもよい。
(C) Slurry method The slurry method is described in, for example, International Publication No. 2004/093099 and International Publication No. 2009/047977.
Specifically, a glassy sulfide-based solid electrolyte is obtained by reacting a predetermined amount of phosphorous pentasulfide (P 2 S 5 ) particles and lithium sulfide (Li 2 S) particles in an organic solvent for a predetermined time. It is done.
Here, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-140893, in order to advance the reaction, the slurry containing the raw material may be reacted while being circulated between the bead mill and the reaction vessel. Further, as described in International Publication No. 2009/047977, when the raw material lithium sulfide is pulverized in advance, the reaction can proceed efficiently. In addition, as described in JP2011-136899A, polar solvents having a solubility parameter of 9.0 or more (for example, methanol, diethylcarnate, acetonitrile, etc.) in order to increase the specific surface area of the raw material lithium sulfide. ) For a predetermined time.

スラリー法に用いる有機溶媒としては特に制限はないが、非プロトン性有機溶媒が特に好ましい。
非プロトン性有機溶媒は、非プロトン性有機溶媒(例えば、炭化水素系有機溶媒)、非プロトン性極性有機化合物(例えば、アミド化合物、ラクタム化合物、尿素化合物、有機イオウ化合物、環式有機リン化合物等)を含み、単独溶媒として、又は混合溶媒として、好適に使用することができる。
The organic solvent used in the slurry method is not particularly limited, but an aprotic organic solvent is particularly preferable.
Aprotic organic solvents include aprotic organic solvents (for example, hydrocarbon organic solvents), aprotic polar organic compounds (for example, amide compounds, lactam compounds, urea compounds, organic sulfur compounds, cyclic organophosphorus compounds, etc. ) And can be suitably used as a single solvent or as a mixed solvent.

非プロトン性有機溶媒である炭化水素系有機溶媒としては、飽和炭化水素溶媒、不飽和炭化水素溶媒又は芳香族炭化水素溶媒が使用でき、飽和炭化水素溶媒としては、ヘキサン、ペンタン、2−エチルヘキサン、ヘプタン、デカン、シクロヘキサン等が挙げられ、不飽和炭化水素溶媒としては、ヘキセン、ヘプテン、シクロヘキセン等が挙げられ、芳香族炭化水素溶媒としては、トルエン、キシレン、デカリン、1,2,3,4−テトラヒドロナフタレン等が挙げられる。これらのうち炭化水素系溶媒のうち、特にトルエン、キシレンが好ましい。
炭化水素系溶媒は、あらかじめ脱水されていることが好ましい。具体的には、水分含有量として100重量ppm以下が好ましく、特に30重量ppm以下であることが好ましい。
尚、必要に応じて炭化水素系溶媒に他の溶媒を添加してもよい。具体的には、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類、テトラヒドロフラン等のエーテル類、エタノール、ブタノール等のアルコール類、酢酸エチル等のエステル類等、ジクロロメタン、クロロベンゼン等のハロゲン化炭化水素等が挙げられる。
As the hydrocarbon organic solvent which is an aprotic organic solvent, a saturated hydrocarbon solvent, an unsaturated hydrocarbon solvent or an aromatic hydrocarbon solvent can be used, and as the saturated hydrocarbon solvent, hexane, pentane, 2-ethylhexane , Heptane, decane, cyclohexane, etc., unsaturated hydrocarbon solvents include hexene, heptene, cyclohexene, etc., and aromatic hydrocarbon solvents include toluene, xylene, decalin, 1, 2, 3, 4 -Tetrahydronaphthalene etc. are mentioned. Among these hydrocarbons, toluene and xylene are particularly preferable.
The hydrocarbon solvent is preferably dehydrated in advance. Specifically, the water content is preferably 100 ppm by weight or less, and particularly preferably 30 ppm by weight or less.
In addition, you may add another solvent to a hydrocarbon type solvent as needed. Specific examples include ketones such as acetone and methyl ethyl ketone, ethers such as tetrahydrofuran, alcohols such as ethanol and butanol, esters such as ethyl acetate, and halogenated hydrocarbons such as dichloromethane and chlorobenzene.

原料の有機溶媒への添加量は、原料である硫化リチウムと五硫化二燐が、溶液又はスラリー状になる程度であることが好ましい。通常、有機溶媒1リットルに対する原料(合計量)の添加量は、0.001kg以上1kg以下程度であり、好ましくは0.005kg以上0.5kg以下であり、より好ましくは0.01kg以上〜0.3kgである。   The amount of the raw material added to the organic solvent is preferably such that the raw materials lithium sulfide and diphosphorus pentasulfide are in the form of a solution or slurry. Usually, the amount of the raw material (total amount) added to 1 liter of the organic solvent is about 0.001 kg or more and 1 kg or less, preferably 0.005 kg or more and 0.5 kg or less, and more preferably 0.01 kg or more to 0. 3 kg.

スラリー法において、反応温度は、好ましくは20℃以上80℃以下、より好ましくは20℃以上60℃以下である。また、反応時間は、好ましくは1時間以上16時間以下、より好ましくは2時間以上14時間以下である。   In the slurry method, the reaction temperature is preferably 20 ° C. or higher and 80 ° C. or lower, more preferably 20 ° C. or higher and 60 ° C. or lower. The reaction time is preferably 1 hour or longer and 16 hours or shorter, more preferably 2 hours or longer and 14 hours or shorter.

溶融急冷法、メカニカルミリング法及びスラリー法の温度条件、処理時間、仕込み料等の製造条件は、使用設備等に合わせて適宜調整することができる。   Manufacturing conditions such as temperature conditions, processing time, and charge of the melt quenching method, mechanical milling method and slurry method can be appropriately adjusted according to the equipment used.

結晶性の硫化物系固体電解質の製造方法は、特開2005−228570号公報、国際公開第2007/066539号、特開2002−109955号公報に開示されている。
具体的には、上述の方法で得られたガラス状硫化物系固体電解質を所定の温度で熱処理することで、結晶性硫化物系固体電解質が得られる。
A method for producing a crystalline sulfide solid electrolyte is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-228570, International Publication No. 2007/065539, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-109955.
Specifically, a crystalline sulfide solid electrolyte is obtained by heat-treating the glassy sulfide solid electrolyte obtained by the above-described method at a predetermined temperature.

ガラス状硫化物系固体電解質の加熱は、露点−40℃以下の環境下で行うことが好ましく、より好ましくは露点−60℃以下の環境下で行うことが好ましい。
加熱時の圧力は、常圧であっても減圧下であってもよく、加熱時の雰囲気は、空気であってもよく、不活性雰囲気下であってもよい。さらに特開2010−186744号公報に記載されているように溶媒中で加熱してもよい。
The glassy sulfide-based solid electrolyte is preferably heated in an environment with a dew point of −40 ° C. or less, and more preferably in an environment with a dew point of −60 ° C. or less.
The pressure during heating may be normal pressure or reduced pressure, and the atmosphere during heating may be air or an inert atmosphere. Furthermore, you may heat in a solvent as it describes in Unexamined-Japanese-Patent No. 2010-186744.

Li11結晶構造を有する硫化物系固体電解質を製造する場合の加熱条件としては、以下が挙げられる。
熱処理温度は、好ましくは180℃以上330℃以下、より好ましくは200℃以上320℃以下、特に好ましくは210℃以上310℃以下である。180℃より低いと結晶化度の高い硫化物系固体電解質が得られにくい場合があり、330℃より高いとイオン伝導度の低い結晶構造を有する硫化物系固体電解質が生じるおそれがある。
熱処理時間は、熱処理温度が180℃以上210℃以下の場合は、3時間以上240時間以下が好ましく、特に4時間以上230時間以下が好ましい。また、熱処理温度が210℃より高く330℃以下の場合は、0.1時間以上240時間以下が好ましく、0.2時間以上235時間以下がより好ましく、0.3時間以上230時間以下がさらに好ましい。
熱処理時間が0.1時間より短いと、結晶化度の高い硫化物系固体電解質が得られにくい場合があり、240時間より長いと、結晶化度の低い硫化物系固体電解質が生じるおそれがある。
The heating conditions for producing a sulfide-based solid electrolyte having a Li 7 P 3 S 11 crystal structure include the following.
The heat treatment temperature is preferably 180 ° C. or higher and 330 ° C. or lower, more preferably 200 ° C. or higher and 320 ° C. or lower, and particularly preferably 210 ° C. or higher and 310 ° C. or lower. If the temperature is lower than 180 ° C., a sulfide-based solid electrolyte having a high degree of crystallinity may be difficult to obtain. If the temperature is higher than 330 ° C., a sulfide-based solid electrolyte having a crystal structure having a low ionic conductivity may be generated.
When the heat treatment temperature is 180 ° C. or higher and 210 ° C. or lower, the heat treatment time is preferably 3 hours or longer and 240 hours or shorter, and particularly preferably 4 hours or longer and 230 hours or shorter. Further, when the heat treatment temperature is higher than 210 ° C and lower than or equal to 330 ° C, it is preferably 0.1 hours or longer and 240 hours or shorter, more preferably 0.2 hours or longer and 235 hours or shorter, and further preferably 0.3 hours or longer and 230 hours or shorter. .
If the heat treatment time is shorter than 0.1 hour, a sulfide-based solid electrolyte with a high degree of crystallinity may be difficult to obtain. If longer than 240 hours, a sulfide-based solid electrolyte with a low degree of crystallinity may be generated. .

LiPS結晶構造、Li結晶構造、LiPS結晶構造、LiSiS結晶構造、又はLiSiS結晶構造を有する硫化物系固体電解質を製造する場合、これら結晶構造を有する硫化物系固体電解質は公知の方法で製造することができ、例えば、特開2002−109955号公報に開示されている方法が挙げられる。 When producing a sulfide-based solid electrolyte having a Li 7 PS 6 crystal structure, a Li 4 P 2 S 6 crystal structure, a Li 3 PS 4 crystal structure, a Li 4 SiS 4 crystal structure, or a Li 2 SiS 3 crystal structure, these A sulfide-based solid electrolyte having a crystal structure can be produced by a known method, for example, a method disclosed in JP-A-2002-109955.

[その他の成分]
本発明の負極合材は、リチウム二次電池用複合活物質及び固体電解質に加えて、例えば、バインダー等のその他の任意成分を含んでもよい。
バインダーとしては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂;ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂;エチレン−プロピレン−ジエンマー(EPDM)、スルホン化EPDM、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。
また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。
[Other ingredients]
In addition to the composite active material for lithium secondary batteries and the solid electrolyte, the negative electrode mixture of the present invention may contain other optional components such as a binder.
Examples of binders include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), fluorine-containing resins such as fluororubber; thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene; ethylene-propylene-dienemer (EPDM), sulfonated EPDM, natural Butyl rubber (NBR) or the like can be used alone or as a mixture of two or more.
In addition, an aqueous dispersion of cellulose or styrene butadiene rubber (SBR), which is an aqueous binder, can also be used.

[負極合材の組成]
本発明の負極合材に含まれるリチウム二次電池用複合活物質と固体電解質の重量比は、例えば90:10〜30:70(重量比)であり、好ましくは80:20〜40:60(重量比)である。
[Composition of negative electrode mixture]
The weight ratio of the composite active material for a lithium secondary battery and the solid electrolyte contained in the negative electrode mixture of the present invention is, for example, 90:10 to 30:70 (weight ratio), and preferably 80:20 to 40:60 ( Weight ratio).

本発明の負極合材は、リチウム二次電池用複合活物質及び固体電解質のみからなってもよく、又はリチウム二次電池用複合活物質及び固体電解質から実質的になってもよい。本発明において「実質的になる」とは、負極合材中のリチウム二次電池用複合活物質及び固体電解質の含有量が、例えば90重量%以上、95重量%以上、97重量%以上、又は99重量%以上であることをいう。   The negative electrode composite of the present invention may consist only of a composite active material for lithium secondary batteries and a solid electrolyte, or may consist essentially of a composite active material for lithium secondary batteries and a solid electrolyte. In the present invention, “substantially” means that the content of the composite active material for lithium secondary battery and the solid electrolyte in the negative electrode mixture is, for example, 90 wt% or more, 95 wt% or more, 97 wt% or more, or It means 99% by weight or more.

[負極合材の製造方法]
本発明の負極合材は、複合活物質及び固体電解質を含む材料を混合することにより製造することができる。
材料の混合方法は、特に制限なく使用することができ、例えば、乳鉢、ボールミル、ビーズミル、ジェットミル、遊星ボールミル、振動ボールミル、ピンミル、サンドミル、カッターミルを用いて混合する乾式混合;及び有機溶媒中に原料を分散させた後に、乳鉢、ボールミル、ビーズミル、遊星ボールミル、振動ボールミル、ピンミル、サンドミル、フィルミックスを用いて混合し、その後溶媒を除去する湿式混合を適用することができる。
[Method for producing negative electrode mixture]
The negative electrode composite of the present invention can be produced by mixing a material containing a composite active material and a solid electrolyte.
The mixing method of the materials can be used without any particular limitation, for example, dry mixing using a mortar, ball mill, bead mill, jet mill, planetary ball mill, vibrating ball mill, pin mill, sand mill, cutter mill; and in an organic solvent After the raw materials are dispersed in the mixture, mixing using a mortar, ball mill, bead mill, planetary ball mill, vibrating ball mill, pin mill, sand mill, and fill mix, and then wet mixing for removing the solvent can be applied.

[リチウム二次電池]
本発明の負極合材は、リチウム二次電池の負極層の材料として好適に用いることができる。本発明のリチウム二次電池は、正極層、電解質層及び負極層をこの順に備える全固体電池であり、負極層が本発明の負極合材を含む。
[Lithium secondary battery]
The negative electrode mixture of the present invention can be suitably used as a material for the negative electrode layer of a lithium secondary battery. The lithium secondary battery of the present invention is an all-solid battery including a positive electrode layer, an electrolyte layer, and a negative electrode layer in this order, and the negative electrode layer includes the negative electrode mixture of the present invention.

上述した複合活物質は、リチウム二次電池で使用される電池材料(電極材料)に使用される活物質として有用である。
上記複合活物質を用いた電池材料の特徴として、電池材料の理論値に近い容量が得られること、サイクル特性が良好なこと、レート特性が優れていることが挙げられる。電池材料の理論値に近い容量が得られる理由としては、微細化した電池活物質の周囲に導電性の優れた黒鉛が十分に存在できることが挙げられる。また、サイクル特性が良好な理由としては、サイクルに伴い電池活物質が粉化しても、電池活物質は薄い黒鉛層に密着して包まれているために導電パスを失うことがないことが挙げられる。さらに、レート特性が優れている理由としては、電池活物質が微細化している結果、Liイオンの拡散距離が小さいことが挙げられる。特に、レート特性は粒子径が小さくなるほど良好になることは理論的に明らかであるが、サイクルに伴いさらに微細化した電池活物質が脱落することなく、薄い黒鉛層に確実に保持された環境下で十分に導電パスが確保されて初めて達成されるものである。
The composite active material described above is useful as an active material used for battery materials (electrode materials) used in lithium secondary batteries.
Features of the battery material using the composite active material include that a capacity close to the theoretical value of the battery material is obtained, that the cycle characteristics are good, and that the rate characteristics are excellent. The reason why the capacity close to the theoretical value of the battery material can be obtained is that graphite having excellent conductivity can sufficiently exist around the refined battery active material. In addition, the reason why the cycle characteristics are good is that even if the battery active material is pulverized with the cycle, the battery active material does not lose the conductive path because it is tightly wrapped in the thin graphite layer. It is done. Furthermore, the reason why the rate characteristics are excellent is that the diffusion distance of Li ions is small as a result of the refinement of the battery active material. In particular, it is theoretically clear that the rate characteristics become better as the particle size becomes smaller, but in an environment in which the battery active material further refined with the cycle does not fall off and is securely held in a thin graphite layer. This is achieved only when a sufficient conductive path is secured.

以下、本発明のリチウムイオン電池の各層について説明する。
(1)負極層
負極層(以下、単に「負極」ともいう)は、本発明の負極合材を含む層又は本発明の負極合材から製造された層である。
負極層は、本発明の負極合材を含めばよく、本発明の負極合材のみからなってもよい。
負極層の厚さは、100nm以上5mm以下が好ましく、1μm以上3mm以下がより好ましく、5μm以上1mm以下がさらに好ましい。
負極層は公知の方法により製造することができ、例えば、塗布法、静電法(静電スプレー法、静電スクリーン法等)により製造することができる。
Hereinafter, each layer of the lithium ion battery of the present invention will be described.
(1) Negative electrode layer The negative electrode layer (hereinafter also simply referred to as “negative electrode”) is a layer containing the negative electrode mixture of the present invention or a layer produced from the negative electrode mixture of the present invention.
A negative electrode layer should just contain the negative electrode compound material of this invention, and may consist only of the negative electrode compound material of this invention.
The thickness of the negative electrode layer is preferably from 100 nm to 5 mm, more preferably from 1 μm to 3 mm, and even more preferably from 5 μm to 1 mm.
A negative electrode layer can be manufactured by a well-known method, for example, can be manufactured by the apply | coating method and an electrostatic method (an electrostatic spray method, an electrostatic screen method, etc.).

(2)電解質層
電解質層は、固体電解質を含む層である。電解質層を構成する固体電解質としては、上述した酸化物系固体電解質が挙げられ、また硫化物系固体電解質の他に、ポリマー系固体電解質が挙げられる。
ポリマー系固体電解質としては、例えば特開2010−262860号公報に開示されているように、フッ素樹脂、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、ポリアクリレート、及びこれらの誘導体並びに共重合体等の、ポリマー電解質として用いられる材料が挙げられる。
ポリマー系固体電解質であるフッ素樹脂としては、例えば、フッ化ビニリデン(VdF)、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)、テトラフルオロエチレン(TFE)や、これらの誘導体等を構成単位として含むポリマーが挙げられる。具体的には、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリヘキサフルオロプロピレン(PHFP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のホモポリマー;、VdFとHFPの共重合体(以下、この共重合体を「P(VdF−HFP)」と示す場合がある。)等の2元共重合体や3元共重合体が挙げられる。
(2) Electrolyte layer The electrolyte layer is a layer containing a solid electrolyte. Examples of the solid electrolyte constituting the electrolyte layer include the oxide-based solid electrolyte described above, and a polymer-based solid electrolyte in addition to the sulfide-based solid electrolyte.
As the polymer solid electrolyte, as disclosed in, for example, JP-A-2010-262860, it is used as a polymer electrolyte such as fluororesin, polyethylene oxide, polyacrylonitrile, polyacrylate, and derivatives and copolymers thereof. Materials that can be used.
Examples of the fluororesin that is a polymer-based solid electrolyte include a polymer containing, as a structural unit, vinylidene fluoride (VdF), hexafluoropropylene (HFP), tetrafluoroethylene (TFE), or a derivative thereof. Specifically, homopolymers such as polyvinylidene fluoride (PVdF), polyhexafluoropropylene (PHFP), polytetrafluoroethylene (PTFE); a copolymer of VdF and HFP (hereinafter, this copolymer is referred to as “P (VdF-HFP) ") and the like, and binary copolymers and ternary copolymers.

電解質層は、固体電解質のみからなってもよく、さらにバインダーを含んでもよい。当該バインダーとしては、本発明の負極合材のバインダーと同じものが使用できる。   The electrolyte layer may consist only of a solid electrolyte, and may further contain a binder. As the binder, the same binder as that of the negative electrode mixture of the present invention can be used.

電解質層の厚さは、0.001mm以上1mm以下であることが好ましい。
電解質層の固体電解質は、融着していることが好ましい。融着とは、固体電解質粒子の一部が溶解し、溶解した部分が他の個体電解質粒子と一体化することを意味する。また、電解質層は、固体電解質の板状体であってもよく、当該板状体は、固体電解質粒子の一部又は全部が溶解し、板状体になっている場合も含む。
電解質層は、公知の方法により製造することができ例えば、塗布法、静電法(静電スプレー法、静電スクリーン法等)により製造することができる。
The thickness of the electrolyte layer is preferably 0.001 mm or more and 1 mm or less.
The solid electrolyte of the electrolyte layer is preferably fused. The fusion means that a part of the solid electrolyte particles is dissolved and the dissolved part is integrated with other solid electrolyte particles. The electrolyte layer may be a solid electrolyte plate, and the plate includes a case where a part or all of the solid electrolyte particles are dissolved to form a plate.
The electrolyte layer can be manufactured by a known method, for example, by a coating method or an electrostatic method (an electrostatic spray method, an electrostatic screen method, or the like).

(3)正極層
正極層(以下、単に「正極」ともいう)は、正極活物質を含む層である。
正極活物質は、リチウムイオンの挿入脱離が可能な物質であり、電池分野において正極活部質として公知のものが使用できる。
正極活物質としては、例えばV、LiCoO、LiNiO、LiMnO、LiMn、Li(NiCoMn)O(ここで、0<a<1、0<b<1、0<c<1、a+b+c=1)、LiNi1−YCo、LiCo1−YMn、LiNi1−YMn(ここで、0≦Y<1)、Li(NiCoMn)O(0<a<2、0<b<2、0<c<2、a+b+c=2)、LiMn2−ZNi、LiMn2−ZCoZO(ここで、0<Z<2)、LiCoPO、LiFePOが挙げられる。
硫化物系正極活物質では、硫化チタン(TiS)、硫化モリブデン(MoS)、硫化鉄(FeS、FeS)、硫化銅(CuS)及び硫化ニッケル(Ni)等が使用でき、好ましくは、TiSである。
酸化物系正極活物質では、酸化ビスマス(Bi)、鉛酸ビスマス(BiPb)、酸化銅(CuO)、酸化バナジウム(V13)、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、マンガン酸リチウム(LiMnO)等が使用できる。尚、これらを混合して用いることも可能である。好ましくは、コバルト酸リチウムが使用できる。
また、LiCoO,LiNiO,LiMn,LiFePO,LiCoPO,LiMn1/3Ni1/3Co1/3,LiMn1.5Ni0.5等も使用できる(Xは0.1〜0.9である。)
(3) Positive Electrode Layer The positive electrode layer (hereinafter also simply referred to as “positive electrode”) is a layer containing a positive electrode active material.
The positive electrode active material is a material capable of inserting and removing lithium ions, and those known as a positive electrode active material in the battery field can be used.
Examples of the positive electrode active material include V 2 O 5 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , Li (Ni a Co b Mn c ) O 2 (where 0 <a <1, 0 <b <1, 0 <c <1, a + b + c = 1), LiNi 1-Y Co Y 2 O 2 , LiCo 1-Y Mn Y 2 O 2 , LiNi 1-Y Mn Y 2 O 2 (where 0 ≦ Y <1) , Li (Ni a Co b Mn c) O 4 (0 <a <2,0 <b <2,0 <c <2, a + b + c = 2), LiMn 2-Z Ni Z O 4, LiMn 2-Z CoZO 4 (where 0 <Z <2), LiCoPO 4 , and LiFePO 4 .
In the sulfide-based positive electrode active material, titanium sulfide (TiS 2 ), molybdenum sulfide (MoS 2 ), iron sulfide (FeS, FeS 2 ), copper sulfide (CuS), nickel sulfide (Ni 3 S 2 ), etc. can be used. TiS 2 is preferable.
In the oxide-based positive electrode active material, bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), bismuth leadate (Bi 2 Pb 2 O 5 ), copper oxide (CuO), vanadium oxide (V 6 O 13 ), lithium cobalt oxide (LiCoO 2) ), Lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium manganate (LiMnO 2 ), and the like. It is also possible to use a mixture of these. Preferably, lithium cobaltate can be used.
In addition, Li x CoO 2 , Li x NiO 2 , Li x Mn 2 O 4 , Li x FePO 4 , Li x CoPO 4 , Li x Mn 1/3 Ni 1/3 Co 1/3 O 2 , Li x Mn 1 .5 Ni 0.5 O 2 and the like can also be used (X is 0.1 to 0.9.)

上記の他、セレン化ニオブ(NbSe)、以下に示す有機ジスルフィド化合物、以下に示すカーボンスルフィド化合物、硫黄、硫化リチウム、金属インジウム等を正極活物質として使用でき、好ましくは、硫黄、硫化リチウムである。
(式(A)〜(C)において、Xはそれぞれ置換基であり、n及びmはそれぞれ独立に1〜2の整数であり、p及びqはそれぞれ独立に1〜4の整数である。
式(D)において、Zはそれぞれ−S−又は−NH−であり、nは繰返数2〜300の整数である。)
(式中、n、mは、それぞれ1以上の整数である。)
In addition to the above, niobium selenide (NbSe 3 ), organic disulfide compounds shown below, carbon sulfide compounds shown below, sulfur, lithium sulfide, metal indium and the like can be used as the positive electrode active material, preferably sulfur, lithium sulfide is there.
(In Formulas (A) to (C), X is a substituent, n and m are each independently an integer of 1 to 2, and p and q are each independently an integer of 1 to 4.
In formula (D), Z is -S- or -NH-, respectively, and n is an integer of 2 to 300 repetitions. )
(In the formula, n and m are each an integer of 1 or more.)

正極層は、さらに固体電解質及び/又は導電助剤を含んでいてもよい。
正極層が含む固体電解質は、負極層及び電解質層の固体電解質と同様のものが挙げられる。
導電助剤は、導電性を有していればよく、その電子伝導度は、好ましくは1×10S/cm以上であり、より好ましくは1×10S/cm以上である。導電助剤としては、炭素材料、金属粉末及び金属化合物から選択される物質、及びこれらの混合物が挙げられる。
導電助剤の具体例としては、好ましくは炭素材料、ニッケル、銅、アルミニウム、インジウム、銀、コバルト、マグネシウム、リチウム、クロム、金、ルテニウム、白金、ベリリウム、イリジウム、モリブデン、ニオブ、オスニウム、ロジウム、タングステン及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも1つの元素を含む物質であり、より好ましくは導電性が高い炭素単体、炭素単体以外の炭素材料;ニッケル、銅、銀、コバルト、マグネシウム、リチウム、ルテニウム、金、白金、ニオブ、オスニウム又はロジウムを含む金属単体、混合物又は化合物である。
尚、炭素材料の具体例としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、デンカブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック等のカーボンブラック;黒鉛、炭素繊維、活性炭等が挙げられ、これらは単独でも2種以上でも併用可能である。なかでも、電子伝導性が高いアセチレンブラック、デンカブラック、ケッチェンブラックが好適である。
The positive electrode layer may further contain a solid electrolyte and / or a conductive aid.
Examples of the solid electrolyte included in the positive electrode layer include the same as the solid electrolyte of the negative electrode layer and the electrolyte layer.
The conductive auxiliary agent only needs to have conductivity, and its electronic conductivity is preferably 1 × 10 3 S / cm or more, more preferably 1 × 10 5 S / cm or more. Examples of the conductive aid include substances selected from carbon materials, metal powders and metal compounds, and mixtures thereof.
Specific examples of conductive aids are preferably carbon materials, nickel, copper, aluminum, indium, silver, cobalt, magnesium, lithium, chromium, gold, ruthenium, platinum, beryllium, iridium, molybdenum, niobium, osnium, rhodium, A substance containing at least one element selected from the group consisting of tungsten and zinc, and more preferably a carbon simple substance having a high conductivity, or a carbon material other than simple carbon; nickel, copper, silver, cobalt, magnesium, lithium, ruthenium , Gold, platinum, niobium, osnium or rhodium, simple metals, mixtures or compounds.
Specific examples of carbon materials include carbon blacks such as ketjen black, acetylene black, denka black, thermal black, and channel black; graphite, carbon fiber, activated carbon, and the like. These may be used alone or in combination of two or more. Is possible. Among these, acetylene black, denka black, and ketjen black having high electron conductivity are preferable.

正極の厚さは、0.01mm以上10mm以下であることが好ましい。
正極層は、公知の方法により製造することができ、例えば、塗布法、静電法(静電スプレー法、静電スクリーン法等)により製造することができる。
The thickness of the positive electrode is preferably 0.01 mm or more and 10 mm or less.
The positive electrode layer can be manufactured by a known method, for example, by a coating method or an electrostatic method (electrostatic spray method, electrostatic screen method, etc.).

(4)集電体
本発明のリチウム二次電池は集電体をさらに備えてもよく、当該集電体は、公知の集電体を用いることができる。
集電体は、例えばAu、Pt、Al、Cu等のように硫化物系固体電解質と反応する金属からなる層を、さらにAu、導電性カーボン等で被覆した層である。
(4) Current Collector The lithium secondary battery of the present invention may further include a current collector, and a known current collector can be used as the current collector.
The current collector is a layer in which a layer made of a metal that reacts with a sulfide-based solid electrolyte, such as Au, Pt, Al, or Cu, is further coated with Au, conductive carbon, or the like.

[リチウム二次電池を備える装置]
本発明の負極合材を用いたリチウム二次電池は、各種の装置に備えることができる。具体的には、携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、モーターを電力源とする自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等の電池として用いることができる。
[Equipment with lithium secondary battery]
The lithium secondary battery using the negative electrode mixture of the present invention can be provided in various devices. Specifically, it can be used as a battery for a portable information terminal, a portable electronic device, a small household power storage device, a motorcycle using a motor as a power source, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, or the like.

製造例1 固体電解質の製造
(1)硫化リチウムの製造
硫化リチウムの製造及び精製は、国際公開第2005/040039号の実施例と同様に行った。具体的には、以下のとおりである。
撹拌翼のついた10リットルオートクレーブにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)3326.4g(33.6モル)及び水酸化リチウム287.4g(12モル)を仕込み、300rpmで撹拌しながら、130℃に昇温した。昇温後、液中に硫化水素を3リットル/分の供給速度で2時間吹き込んだ。
Production Example 1 Production of Solid Electrolyte (1) Production of Lithium Sulfide Production and purification of lithium sulfide were carried out in the same manner as in Example of International Publication No. 2005/040039. Specifically, it is as follows.
A 10-liter autoclave equipped with a stirring blade was charged with 3326.4 g (33.6 mol) of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and 287.4 g (12 mol) of lithium hydroxide at 130 ° C. while stirring at 300 rpm. The temperature was raised to. After the temperature rise, hydrogen sulfide was blown into the liquid at a supply rate of 3 liters / minute for 2 hours.

続いて、この反応液を窒素気流下(200cc/分)昇温し、反応した硫化水素の一部を脱硫化水素化した。昇温するにつれ、硫化水素と水酸化リチウムの反応により副生した水が蒸発を始めたが、この水はコンデンサにより凝縮し系外に抜き出した。水を系外に留去すると共に反応液の温度は上昇するが、180℃に達した時点で昇温を停止し、一定温度に保持した。脱硫化水素反応が終了後(約80分)反応を終了し、硫化リチウムを得た。   Subsequently, this reaction solution was heated in a nitrogen stream (200 cc / min) to dehydrosulfide a part of the reacted hydrogen sulfide. As the temperature increased, water produced as a by-product due to the reaction between hydrogen sulfide and lithium hydroxide began to evaporate, but this water was condensed by the condenser and extracted out of the system. While water was distilled out of the system, the temperature of the reaction solution rose, but when the temperature reached 180 ° C., the temperature increase was stopped and the temperature was kept constant. After the dehydrosulfurization reaction was completed (about 80 minutes), the reaction was completed to obtain lithium sulfide.

(2)硫化リチウムの精製
上記(1)で得られた500mLのスラリー反応溶液(NMP−硫化リチウムスラリー)中のNMPをデカンテーションした後、脱水したNMP100mLを加え、105℃で約1時間撹拌した。その温度のままNMPをデカンテーションした。さらにNMP100mLを加え、105℃で約1時間撹拌し、その温度のままNMPをデカンテーションし、同様の操作を合計4回繰り返した。デカンテーション終了後、窒素気流下、230℃(NMPの沸点以上の温度)、常圧下で、硫化リチウムを3時間乾燥した。得られた硫化リチウム中の不純物含有量を測定した。
(2) Purification of lithium sulfide After decanting NMP in the 500 mL slurry reaction solution (NMP-lithium sulfide slurry) obtained in (1) above, 100 mL of dehydrated NMP was added and stirred at 105 ° C. for about 1 hour. . NMP was decanted at that temperature. Further, 100 mL of NMP was added, stirred at 105 ° C. for about 1 hour, NMP was decanted at that temperature, and the same operation was repeated a total of 4 times. After completion of decantation, lithium sulfide was dried for 3 hours under a nitrogen stream at 230 ° C. (temperature higher than the boiling point of NMP) and normal pressure. The impurity content in the obtained lithium sulfide was measured.

尚、亜硫酸リチウム(LiSO)、硫酸リチウム(LiSO)及びチオ硫酸リチウム(Li)の各硫黄酸化物、ならびにN−メチルアミノ酪酸リチウム(LMAB)の含有量は、イオンクロマトグラフ法により定量した。その結果、硫黄酸化物の総含有量は0.13質量%であり、LMABは0.07質量%であった。 Incidentally, lithium sulfite (Li 2 SO 3), the content of each sulfur oxide lithium sulfate (Li 2 SO 4) and lithium thiosulfate (Li 2 S 2 O 3) , and N- methylamino acid lithium (LMAB) Was quantified by ion chromatography. As a result, the total content of sulfur oxides was 0.13% by mass, and LMAB was 0.07% by mass.

(3)固体電解質の製造
固体電解質は以下の方法で得た。国際公開第2005/040039号に記載された方法に従い、上記(1)及び(2)で製造された高純度LiS0.6508g(0.01417mol)と、P(アルドリッチ製)1.3492g(0.00607mol)をよく混合し、混合粉末をアルミナ製ポットに投入し完全密閉した。このポットを遊星型ボールミル機に取り付けた。初めに、出発原料を十分に混合するために数分間低速回転(85rpm)でミリングを行った。その後、徐々に回転数を上げ370rpmとし、20時間メカニカルミリングを行った。
(3) Production of solid electrolyte The solid electrolyte was obtained by the following method. According to the method described in WO 2005/040039, the (1) and high purity Li 2 S0.6508g (0.01417mol) prepared in (2), P 2 S 5 (manufactured by Aldrich) 1. 3492 g (0.00607 mol) was mixed well, and the mixed powder was put into an alumina pot and completely sealed. This pot was attached to a planetary ball mill. First, milling was performed at a low speed (85 rpm) for several minutes in order to sufficiently mix the starting materials. Thereafter, the rotational speed was gradually increased to 370 rpm, and mechanical milling was performed for 20 hours.

X線測定により、得られた粉末がガラス化していることを確認した。次に、この粉末を300℃で2時間熱処理して固体電解質を得た。
イオン伝導度を交流インピーダンス法(測定周波数100Hz〜15MHz)により測定したところ、室温で1.0×10−3S/cmであった。
It was confirmed by X-ray measurement that the obtained powder was vitrified. Next, this powder was heat-treated at 300 ° C. for 2 hours to obtain a solid electrolyte.
The ionic conductivity was measured by an AC impedance method (measurement frequency: 100 Hz to 15 MHz) and found to be 1.0 × 10 −3 S / cm at room temperature.

製造例2 黒鉛−Si複合体の製造
(1)膨張黒鉛の調製
平均粒子径1mmの鱗片状天然黒鉛を、硫酸9重量部、硝酸1重量部の混酸に室温で1時間浸漬後、No3ガラスフィルターで混酸を除去して酸処理黒鉛を得た。さらに酸処理黒鉛を水洗後、乾燥した。乾燥した酸処理黒鉛5gを蒸留水100g中で撹拌し、1時間後にpHを測定したところ、pHは6.7であった。乾燥した酸処理黒鉛を850℃に設定した窒素雰囲気下の縦型電気炉に投入し、膨張黒鉛を得た。酸処理黒鉛の嵩密度は0.78g/cmであった。膨張黒鉛の比表面積は42m/g、嵩比重は0.023g/cm、積層したグラフェンシートの層の平均厚みは21nmであった。
Production Example 2 Production of Graphite-Si Composite (1) Preparation of Expanded Graphite After immersing scaly natural graphite with an average particle diameter of 1 mm in a mixed acid of 9 parts by weight of sulfuric acid and 1 part by weight of nitric acid at room temperature for 1 hour, a No3 glass filter Then, mixed acid was removed to obtain acid-treated graphite. Further, the acid-treated graphite was washed with water and dried. When 5 g of dried acid-treated graphite was stirred in 100 g of distilled water and the pH was measured after 1 hour, the pH was 6.7. The dried acid-treated graphite was put into a vertical electric furnace under a nitrogen atmosphere set at 850 ° C. to obtain expanded graphite. The bulk density of the acid-treated graphite was 0.78 g / cm 3 . The specific surface area of the expanded graphite was 42 m 2 / g, the bulk specific gravity was 0.023 g / cm 3 , and the average thickness of the layers of the laminated graphene sheets was 21 nm.

(2)混合工程
平均粒子径0.23μmの金属Si(15質量部)をビーカー中で3000質量部のエタノールに投入し、2分間の撹拌を行った。
金属Siが分散したエタノールに上記膨張黒鉛(35質量部)を加え、膨張黒鉛と金属Si微粉末を含む均一混合スラリーを調製した。エバポレーターを用い、このスラリーからエタノールを回収し、粉末の混合物を得た。
(2) Mixing Step Metal Si (15 parts by mass) having an average particle size of 0.23 μm was charged into 3000 parts by mass of ethanol in a beaker and stirred for 2 minutes.
The expanded graphite (35 parts by mass) was added to ethanol in which metal Si was dispersed to prepare a uniformly mixed slurry containing expanded graphite and metal Si fine powder. Ethanol was recovered from this slurry using an evaporator to obtain a powder mixture.

(3)球形化工程
ピンミル(フリッチュ社製)(ローター直径10cm、回転速度:8000rpm、処理時間:2分)を用いて、上記で得られた粉末の混合物を球形状に造粒成形して、黒鉛の含有量70質量%、金属Siの含有量30質量%からなる略球形の複合活物質を得た。
その物性は以下のとおりである。嵩密度:0.65g/cm、タップ密度:1.15g/cm、粒度分布D90:25μm、D50:12μm、D10:4.5μm、XRD:図1A参照、比表面積:10.7m/g、形状:図2のSEM参照、アスペクト比:1.45であった。
(3) Spheronization process Using a pin mill (manufactured by Fritsch) (rotor diameter 10 cm, rotation speed: 8000 rpm, treatment time: 2 minutes), the powder mixture obtained above is granulated and formed into a spherical shape, A substantially spherical composite active material having a graphite content of 70% by mass and a metal Si content of 30% by mass was obtained.
The physical properties are as follows. Bulk density: 0.65 g / cm 3 , tap density: 1.15 g / cm 3 , particle size distribution D90: 25 μm, D50: 12 μm, D10: 4.5 μm, XRD: see FIG. 1A, specific surface area: 10.7 m 2 / g, shape: SEM reference in FIG. 2, aspect ratio: 1.45.

図1Aに示すように、上記で得られた複合活物質のXRDには、黒鉛と結晶性Siの回折パターンが認められる。このことから、金属SiはSiC等に変化することなく、黒鉛層に分散して存在していることが明らかである。
また、図1BにSiとの複合化前の膨張黒鉛と標準珪素物質の混合材料の回折パターンを示す。図1Aと図1Bとを比較すると、複合化した後の膨張黒鉛の回折パターンに変化は見られない。このことから、黒鉛の層間には金属Si微粒子がインターカレーションすることなく、折りたたまれた黒鉛によって金属Si微粒子が内包された状態であることが分かる。
As shown to FIG. 1A, the diffraction pattern of graphite and crystalline Si is recognized by XRD of the composite active material obtained above. From this, it is clear that the metal Si is dispersed in the graphite layer without changing to SiC or the like.
FIG. 1B shows a diffraction pattern of a mixed material of expanded graphite and a standard silicon substance before being combined with Si. When FIG. 1A is compared with FIG. 1B, there is no change in the diffraction pattern of the expanded graphite after being combined. From this, it can be seen that the metal Si fine particles are encapsulated by the folded graphite without intercalation of the metal Si fine particles between the graphite layers.

図2は、10kV以下の低加速電圧にて、SEMを用いて複合活物質の2次電子像を観察した図である。該図から分かるように、黒鉛表皮を透過して電池活物質Si金属の粒子を明瞭に観察することができる。
このことから、複合活物質においては、薄い黒鉛層で電池活物質を挟み込んだ構造であることを直接観察することができる。また、表面に露出する電池活物質が極めて少ないこと、黒鉛エッジ面が複合材の表面に存在しないことも同時に確認できる。
より具体的には、SEM観察により観察される複合活物質表面上に露出している黒鉛の面積率は98%であり、露出しているSi金属の面積率は2%であった。尚、複合活物質中における金属Siの平均粒子径は、混合工程時の平均粒子径とほぼ同じであった。
FIG. 2 is a view obtained by observing a secondary electron image of the composite active material using SEM at a low acceleration voltage of 10 kV or less. As can be seen from the figure, the particles of the battery active material Si metal can be clearly observed through the graphite skin.
From this, it can be directly observed that the composite active material has a structure in which the battery active material is sandwiched between thin graphite layers. It can also be confirmed at the same time that the battery active material exposed on the surface is extremely small and that the graphite edge surface is not present on the surface of the composite material.
More specifically, the area ratio of graphite exposed on the surface of the composite active material observed by SEM observation was 98%, and the area ratio of exposed Si metal was 2%. In addition, the average particle diameter of metal Si in the composite active material was almost the same as the average particle diameter in the mixing step.

実施例1
[負極合材を用いたハーフセルの作製]
(a)負極合材の調製
負極材料(負極活物質)として、製造例2で調製した黒鉛−Si複合体を用いた。この負極材料と製造例1で調製した固体電解質を質量比70:30で混合しこれを負極層の材料(負極合材)とした。
Example 1
[Fabrication of half cell using negative electrode mixture]
(A) Preparation of negative electrode mixture The graphite-Si composite prepared in Production Example 2 was used as a negative electrode material (negative electrode active material). This negative electrode material and the solid electrolyte prepared in Production Example 1 were mixed at a mass ratio of 70:30 to obtain a negative electrode layer material (negative electrode mixture).

(b)ハーフセルの作製
製造例1で調製した固体電解質ガラスである無機固体電解質粉末60mgを直径10mmのセラミック製の円筒に投入し、加圧成型して電解質層(電解質シート、無機固体電解質粉末目付け量:76.4mg/cm)とした。
次に(a)で調製した負極合材(黒鉛−Si複合体量:3.3mg、負極合材目付け量:6.0mg/cm)を電解質層と接触するように加圧成型することで、作用極とした。作用極の反対側から、参照極かつ対極として、LiIn合金箔を貼合し加圧成型した。最後にセルの周囲を90度おきに4か所ネジ締めを行うことで、積層方向に加圧した。このようにして、3層構造の2極式ハーフセルを作製した。尚、LiIn合金は原子数比Li/Inが0.8以下であれば、Li脱挿入の反応電位が一定(0.62Vvs.Li/Li+)に保たれるため、参照極として使用することが可能となる。
(B) Production of half cell 60 mg of the inorganic solid electrolyte powder, which is the solid electrolyte glass prepared in Production Example 1, was put into a ceramic cylinder having a diameter of 10 mm, and pressure-molded to form an electrolyte layer (electrolyte sheet, inorganic solid electrolyte powder basis weight) Amount: 76.4 mg / cm 2 ).
Next, by pressure-molding the negative electrode mixture prepared in (a) (graphite-Si composite amount: 3.3 mg, negative electrode composite weight per unit area: 6.0 mg / cm 2 ) in contact with the electrolyte layer, The working electrode was used. From the opposite side of the working electrode, a LiIn alloy foil was bonded as a reference electrode and a counter electrode, followed by pressure molding. Finally, the periphery of the cell was screwed at four positions every 90 degrees to pressurize in the stacking direction. In this way, a bipolar half cell having a three-layer structure was produced. The LiIn alloy can be used as a reference electrode because the Li desorption reaction potential is kept constant (0.62 V vs. Li / Li +) if the atomic ratio Li / In is 0.8 or less. It becomes possible.

[負極合材を用いたハーフセルの評価]
作製したハーフセルを、1.0mA/cmで、電位が0.01Vvs.Li/Li+になるまで、その後0.01Vvs.Li/Li+で、0.127mA/cmになるまでLiイオンを挿入し、1.0mA/cmで電位1.52Vvs.Li/Li+までLiイオンを脱離させた。この条件で充放電サイクルを繰返し、50サイクル後のLiイオン脱離容量維持率[%](50サイクル目のLiイオン脱離容量/1サイクル目のLiイオン脱離容量×100)を算出した。結果を表1に示す。
[Evaluation of half cell using negative electrode composite]
The produced half cell was 1.0 mA / cm 2 and the potential was 0.01 Vvs. Until Li / Li +, then 0.01 V vs. Li / Li + is, by inserting Li ions until 0.127mA / cm 2, the potential 1.52Vvs at 1.0 mA / cm 2. Li ions were desorbed to Li / Li +. The charge / discharge cycle was repeated under these conditions, and the Li ion desorption capacity retention ratio [%] after 50 cycles (Li ion desorption capacity at the 50th cycle / Li ion desorption capacity at the 1st cycle × 100) was calculated. The results are shown in Table 1.

比較例1
Si粉末(SIE19PB、粒径45μm以下、99.9%、高純度科学研究所製)を負極活物質として用いたほかは、実施例1と同様にハーフセルを作製し評価した。結果を表1に示す。
Comparative Example 1
A half cell was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that Si powder (SIE19PB, particle size of 45 μm or less, 99.9%, manufactured by High Purity Science Laboratory) was used as the negative electrode active material. The results are shown in Table 1.

表1のとおり、導電性物質である黒鉛とSiの複合体を用いた実施例1は、Si単体である比較例1と比べてサイクル特性が向上した。
As shown in Table 1, Example 1 using a composite of graphite and Si, which is a conductive material, has improved cycle characteristics as compared with Comparative Example 1 that is Si alone.

本発明の負極合材を用いた電池は、携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、モーターを電力源とする自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等の電池として用いることができる。
The battery using the negative electrode composite material of the present invention can be used as a battery for a portable information terminal, a portable electronic device, a small electric power storage device for home use, a motorcycle using a motor as a power source, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, or the like. .

Claims (18)

(a)膨張黒鉛又は薄片状黒鉛、及びリチウムイオンと化合可能な電池活物質を含有し、下記条件(1)を満たす球形化複合活物質、及び
(b)固体電解質
を含む全固体リチウム電池用負極合材。
(1)加速電圧10kV以下での走査型電子顕微鏡観察により観察される前記複合活物質表面上に露出している前記黒鉛の面積率が95%以上である。
(A) a spheroidized composite active material containing expanded graphite or flaky graphite and a battery active material that can be combined with lithium ions and satisfying the following condition (1); and (b) for an all solid lithium battery including a solid electrolyte . Negative electrode composite.
(1) The area ratio of the graphite exposed on the surface of the composite active material observed by scanning electron microscope observation at an acceleration voltage of 10 kV or less is 95% or more.
(c)膨張黒鉛又は薄片状黒鉛、及びリチウムイオンと化合可能な電池活物質を含有し、下記(2)の製造方法により製造される球形化複合活物質、及び
(b)固体電解質
を含む全固体リチウム電池用負極合材。
(2)比表面積30m/g以上の膨張黒鉛又は薄片状黒鉛と、リチウムイオンと化合可能な電池活物質とを混合して、混合物を得る混合工程と、
前記混合物に球形化処理を施し、膨張黒鉛又は薄片状黒鉛及びリチウムイオンと化合可能な電池活物質を含有する球形化複合活物質を製造する球形化工程とを有する、複合活物質の製造方法。
(C) a spheroidized composite active material containing expanded graphite or flake graphite , and a battery active material that can be combined with lithium ions, and manufactured by the manufacturing method of (2) below, and (b) all including a solid electrolyte Negative electrode composite material for solid lithium batteries .
(2) A mixing step of mixing expanded graphite or flaky graphite having a specific surface area of 30 m 2 / g or more and a battery active material that can be combined with lithium ions to obtain a mixture;
The mixture subjected to sphering treatment, and a sphering step of producing spherical composite active material containing expanded graphite or flake graphite, and lithium ions can compound a battery active material, method for producing a composite active material.
前記膨張黒鉛又は薄片状黒鉛が膨張黒鉛である、請求項1又は2に記載の全固体リチウム電池用負極合材。 The negative electrode composite material for an all-solid-state lithium battery according to claim 1 or 2, wherein the expanded graphite or flaky graphite is expanded graphite. 前記リチウムイオンと化合可能な電池活物質が、シリコン、スズ、アルミニウム、アンチモン及びインジウムからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含有する、請求項1〜3のいずれかに記載の全固体リチウム電池用負極合材。 The all-solid-state lithium in any one of Claims 1-3 in which the battery active material which can be combined with the said lithium ion contains at least 1 sort (s) of element chosen from the group which consists of silicon, tin, aluminum, antimony, and indium. Negative electrode composite for batteries . 前記複合活物質のタップ密度が0.8g/cm以上である、請求項1〜4のいずれかに記載の全固体リチウム電池用負極合材。 The negative electrode composite material for all-solid-state lithium batteries in any one of Claims 1-4 whose tap density of the said composite active material is 0.8 g / cm < 3 > or more. 前記複合活物質の比表面積が5〜100m/gである、請求項1〜5のいずれかに記載の全固体リチウム電池用負極合材。 The negative electrode composite material for all-solid-state lithium batteries in any one of Claims 1-5 whose specific surface area of the said composite active material is 5-100 m < 2 > / g. 前記リチウムイオンと化合可能な電池活物質の平均粒子径が1μm以下である、請求項1〜6のいずれかに記載の全固体リチウム電池用負極合材。 The negative electrode composite material for all-solid-state lithium batteries in any one of Claims 1-6 whose average particle diameter of the battery active material which can be combined with the said lithium ion is 1 micrometer or less. 前記固体電解質がLi、P、及びSを含むリチウムイオン伝導性無機固体電解質である、請求項1〜7のいずれかに記載の全固体リチウム電池用負極合材。 The negative electrode composite material for all-solid-state lithium batteries in any one of Claims 1-7 whose said solid electrolyte is a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte containing Li, P, and S. 前記固体電解質が下記式(I)に示す組成を満たすリチウムイオン伝導性無機固体電解質である、請求項1〜8のいずれかに記載の全固体リチウム電池用負極合材。
Li … (I)
(式(I)において、Mは、B、Zn、Si、Cu、Ga又はGeから選択される元素を示す。
a〜dは各元素の組成比を示し、a:b:c:dは1〜12:0〜0.2:1:2〜9を満たす。)
The negative electrode composite material for all-solid-state lithium batteries in any one of Claims 1-8 whose said solid electrolyte is a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte which satisfy | fills the composition shown to following formula (I).
Li a Mb P c S d (I)
(In the formula (I), M represents an element selected from B, Zn, Si, Cu, Ga, or Ge.
a to d indicate the composition ratio of each element, and a: b: c: d satisfies 1 to 12: 0 to 0.2: 1: 2 to 9. )
前記固体電解質がガラスセラミックスである、請求項1〜9のいずれかに記載の全固体リチウム電池用負極合材。 The negative electrode composite material for all-solid-state lithium batteries in any one of Claims 1-9 whose said solid electrolyte is glass ceramics. 前記固体電解質が、結晶化度が50%以上のガラスセラミックスである、請求項1〜10のいずれかに記載の全固体リチウム電池用負極合材。 The negative electrode composite material for all-solid-state lithium batteries in any one of Claims 1-10 whose said solid electrolyte is glass ceramics whose crystallinity degree is 50% or more. 前記固体電解質が少なくともPとLiSを用いて製造されたものである、請求項2〜11のいずれかに記載の全固体リチウム電池用負極合材。 Wherein the solid electrolyte is one prepared by using at least P 2 S 5 and Li 2 S, negative electrode composite for all-solid lithium battery according to any one of claims 2 to 11. 比表面積30m/g以上の膨張黒鉛又は薄片状黒鉛と、リチウムイオンと化合可能な電池活物質とを混合して、混合物を得る混合工程と、
前記混合物に球形化処理を施し、膨張黒鉛又は薄片状黒鉛及びリチウムイオンと化合可能な電池活物質を含有する球形化複合活物質を製造する球形化工程と、
前記複合活物質と固体電解質とを混合する工程と
を有する、全固体リチウム電池用負極合材の製造方法。
A mixing step of mixing expanded graphite or flaky graphite having a specific surface area of 30 m 2 / g or more and a battery active material that can be combined with lithium ions to obtain a mixture;
A spheronization step of subjecting the sphering treatment, to produce spherical composite active material containing expanded graphite or flake graphite, and lithium ions can compound battery active material to the mixture,
The manufacturing method of the negative mix for all-solid-state lithium batteries which has the process of mixing the said composite active material and solid electrolyte.
請求項13記載の製造方法により製造された全固体リチウム電池用負極合材。 A negative electrode composite material for an all solid lithium battery produced by the production method according to claim 13. 請求項1〜12及び14のいずれかに記載の負極合材を含む全固体リチウム電池用負極。 The negative electrode for all-solid-state lithium batteries containing the negative mix in any one of Claims 1-12 and 14. 請求項1〜12及び14のいずれかに記載の負極合材から製造された全固体リチウム電池用負極。 The negative electrode for all-solid-state lithium batteries manufactured from the negative electrode compound material in any one of Claims 1-12 and 14. 請求項15又は16に記載の負極を含む全固体リチウム二次電池。 An all-solid lithium secondary battery comprising the negative electrode according to claim 15. 請求項17に記載の全固体リチウム二次電池を備える装置。 An apparatus comprising the all-solid-state lithium secondary battery according to claim 17.
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