JP6705302B2 - Negative electrode active material for electric device and electric device using the same - Google Patents
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Description
本発明は、電気デバイス用負極活物質、およびこれを用いた電気デバイスに関する。本発明の電気デバイス用負極活物質およびこれを用いた電気デバイスは、例えば、二次電池やキャパシタ等として電気自動車、燃料電池車およびハイブリッド電気自動車等の車両のモータ等の駆動用電源や補助電源に用いられる。 The present invention relates to a negative electrode active material for electric devices and an electric device using the same. The negative electrode active material for an electric device of the present invention and the electric device using the same are, for example, a driving power source and an auxiliary power source for a motor of a vehicle such as an electric vehicle, a fuel cell vehicle and a hybrid electric vehicle as a secondary battery or a capacitor. Used for.
近年、大気汚染や地球温暖化に対処するため、二酸化炭素量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池などの電気デバイスの開発が盛んに行われている。 In recent years, in order to deal with air pollution and global warming, reduction of carbon dioxide has been eagerly desired. In the automobile industry, expectations are growing for the reduction of carbon dioxide emissions by the introduction of electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs), and electric devices such as secondary batteries for motor drives that hold the key to their practical application. Is being actively developed.
モータ駆動用二次電池としては、携帯電話やノートパソコン等に使用される民生用リチウムイオン二次電池と比較して極めて高い出力特性、および高いエネルギーを有することが求められている。したがって、全ての電池の中で最も高い理論エネルギーを有するリチウムイオン二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。 As a secondary battery for driving a motor, it is required to have extremely high output characteristics and high energy as compared with a consumer-use lithium-ion secondary battery used in a mobile phone, a notebook computer and the like. Therefore, a lithium ion secondary battery, which has the highest theoretical energy among all batteries, has been attracting attention and is currently under rapid development.
リチウムイオン二次電池は、一般に、バインダを用いて正極活物質等を正極集電体の両面に塗布した正極と、バインダを用いて負極活物質等を負極集電体の両面に塗布した負極とが、電解質層を介して接続され、電池ケースに収納される構成を有している。 Lithium ion secondary batteries are generally composed of a positive electrode in which a positive electrode active material or the like is applied to both sides of a positive electrode current collector using a binder, and a negative electrode in which a negative electrode active material or the like is applied to both sides of a negative electrode current collector using a binder. However, it is connected via the electrolyte layer and housed in the battery case.
従来、リチウムイオン二次電池の負極には充放電サイクルの寿命やコスト面で有利な炭素・黒鉛系材料が用いられてきた。しかし、炭素・黒鉛系の負極材料ではリチウムイオンの黒鉛結晶中への吸蔵・放出により充放電がなされるため、最大リチウム導入化合物であるLiC6から得られる理論容量372mAh/g以上の充放電容量が得られないという欠点がある。このため、炭素・黒鉛系負極材料で車両用途の実用化レベルを満足する容量、エネルギー密度を得るのは困難である。 Conventionally, carbon/graphite-based materials, which are advantageous in terms of charge/discharge cycle life and cost, have been used for the negative electrode of lithium-ion secondary batteries. However, since the carbon/graphite negative electrode material is charged and discharged by occluding/releasing lithium ions into the graphite crystal, the theoretical capacity of 372 mAh/g or more obtained from LiC 6 which is the maximum lithium-introducing compound. There is a drawback that is not obtained. For this reason, it is difficult to obtain a capacity and energy density that satisfy the practical use level for vehicle applications with the carbon/graphite negative electrode material.
これに対し、負極にLiと合金化する材料を用いた電池は、従来の炭素・黒鉛系負極材料と比較しエネルギー密度が向上するため、車両用途における負極材料として期待されている。例えば、Si材料は、充放電において下記の反応式(A)のように1molあたり3.75molのリチウムイオンを吸蔵放出し、Li15Si4(=Li3.75Si)においては理論容量3600mAh/gである。 On the other hand, a battery using a material that forms an alloy with Li for the negative electrode has an improved energy density as compared with the conventional carbon/graphite-based negative electrode material, and is therefore expected as a negative electrode material for vehicle applications. For example, a Si material absorbs and desorbs 3.75 mol of lithium ions per mol as shown in the following reaction formula (A) during charge and discharge, and has a theoretical capacity of 3600 mAh/in Li 15 Si 4 (=Li 3.75 Si). It is g.
しかしながら、負極にLiと合金化する材料を用いたリチウムイオン二次電池は、充放電時の負極での膨張収縮が大きい。例えば、Liイオンを吸蔵した場合の体積膨張は、黒鉛材料では約1.2倍であるのに対し、Si材料ではSiとLiが合金化する際、アモルファス状態から結晶状態へ転移し大きな体積変化(約4倍)を起こすため、電極のサイクル寿命を低下させる問題があった。また、Si負極活物質の場合、容量とサイクル耐久性とはトレードオフの関係であり、高容量を示しつつサイクル耐久性を向上させることが困難であるといった問題があった。 However, a lithium ion secondary battery using a material that forms an alloy with Li for the negative electrode has a large expansion and contraction at the negative electrode during charging and discharging. For example, the volume expansion in the case of occluding Li ions is about 1.2 times in the graphite material, whereas in the Si material, when Si and Li are alloyed, a transition from an amorphous state to a crystalline state occurs and a large volume change occurs. (About 4 times), there is a problem that the cycle life of the electrode is reduced. Further, in the case of the Si negative electrode active material, there is a trade-off relationship between capacity and cycle durability, and there is a problem that it is difficult to improve cycle durability while exhibiting high capacity.
ここで、特許文献1では、高容量で、かつサイクル寿命に優れた負極ペレットを有する非水電解質二次電池を提供することを課題とした発明が開示されている。具体的には、ケイ素粉末とチタン粉末とをメカニカルアロイング法により混合し、湿式粉砕して得られるSi含有合金であって、ケイ素を主体とする第1相とチタンのケイ化物(TiSi2など)を含む第2相とを含むものを負極活物質として用いることが開示されている。この際、これらの2つの相の少なくとも一方を非晶質または低結晶性とすることも開示されている。 Here, Patent Document 1 discloses an invention which aims to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery having a negative electrode pellet having a high capacity and an excellent cycle life. Specifically, it is a Si-containing alloy obtained by mixing silicon powder and titanium powder by a mechanical alloying method, and wet-milling the mixture. The first phase mainly contains silicon and a silicide of titanium (such as TiSi 2 ). Is used as a negative electrode active material. At this time, it is also disclosed that at least one of these two phases is amorphous or low crystalline.
特許文献2は、Si、Al、Tiおよびその他の添加元素を含むアモルファス性に優れた負極活物質用Si合金を開示している。具体的には、Tiをアモルファス化促進元素として用いて、所定の組成を有するリボンを単ロール式液体急冷装置にて作製する、または所定の組成の粉末をガスアトマイズ法にて作製している。 Patent Document 2 discloses a Si alloy for a negative electrode active material, which contains Si, Al, Ti and other additive elements and has excellent amorphousness. Specifically, using Ti as an amorphization promoting element, a ribbon having a predetermined composition is produced by a single roll type liquid quenching device, or a powder having a predetermined composition is produced by a gas atomizing method.
本発明者らの検討によれば、上記特許文献1および特許文献2に記載の負極物質用Si合金を用いたリチウムイオン二次電池等の電気デバイスでは、良好なサイクル耐久性を示すことができるとされているにもかかわらず、サイクル耐久性が十分ではない場合があることが判明した。 According to the study by the present inventors, the electric devices such as the lithium ion secondary battery using the Si alloy for the negative electrode material described in Patent Document 1 and Patent Document 2 described above can exhibit good cycle durability. However, it has been found that the cycle durability may not be sufficient in some cases.
そこで本発明は、リチウムイオン二次電池等の電気デバイスのサイクル耐久性を向上させうる手段を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide means for improving the cycle durability of electric devices such as lithium ion secondary batteries.
本発明者らは、上記課題を解決するため、鋭意研究を行った。その結果、Si−Al−M(Mは1または2以上の遷移金属元素である)で表される三元系の合金組成を有し、Si−Al−Mの組成比が特定の組成範囲に含まれるSi含有合金を電気デバイス用の負極活物質として用いることで、上記課題が解決されうることを見出し、本発明を解決するに至った。 The present inventors have conducted earnest research to solve the above problems. As a result, it has a ternary alloy composition represented by Si-Al-M (M is one or more transition metal elements), and the composition ratio of Si-Al-M falls within a specific composition range. The inventors have found that the above problems can be solved by using the contained Si-containing alloy as a negative electrode active material for electric devices, and have completed the present invention.
すなわち、本発明は、Si含有合金(ケイ素含有合金)からなる電気デバイス用負極活物質に関する。そして、前記Si含有合金は、下記化学式(I): That is, the present invention relates to a negative electrode active material for electric devices made of a Si-containing alloy (silicon-containing alloy). The Si-containing alloy has the following chemical formula (I):
(上記化学式(I)において、
Mは、1または2以上の遷移金属元素であり、
Aは、不可避不純物であり、
x、y、zおよびaは、質量%の値を表し、この際、yは、0.3≦y≦5.0であり、zは、27≦z≦35であり、ならびにxおよびaは、残部である。)
で表される組成を有する。
(In the above chemical formula (I),
M is one or more transition metal elements,
A is an unavoidable impurity,
x, y, z and a represent mass% values, where y is 0.3≦y≦5.0, z is 27≦z≦35, and x and a are , The rest. )
It has a composition represented by.
本発明に係る負極活物質を構成するSi含有合金では、Si−Al−M(以下、Tiを例として説明する)合金が所定の組成を有することにより、組織構造を微細化することができる。すなわち、合金にAlを所定量添加することにより、TiSi2(シリサイド)を主成分とする相を微細化することができる(当該相の最頻半径を小さくできる)。また、微細組織中の共晶(TiSi2およびSi)比率を増やすことができる。さらに、本発明のSi含有合金の組成により、アモルファス(非晶質または低結晶性Si)形成能を増大することができる。よって、充放電でのSi膨張を抑制することで、サイクル耐久性を向上させることができる。 In the Si-containing alloy constituting the negative electrode active material according to the present invention, the Si-Al-M (hereinafter, Ti will be described as an example) alloy has a predetermined composition, so that the microstructure can be refined. That is, by adding a predetermined amount of Al to the alloy, the phase containing TiSi 2 (silicide) as a main component can be miniaturized (the mode radius of the phase can be reduced). Also, the eutectic (TiSi 2 and Si) ratio in the microstructure can be increased. Further, the composition of the Si-containing alloy of the present invention can increase the ability to form amorphous (amorphous or low crystalline Si). Therefore, cycle durability can be improved by suppressing Si expansion during charge and discharge.
以下、図面を参照しながら、本発明の電気デバイス用負極活物質並びにこれを用いてなる電気デバイス用負極および電気デバイスの実施形態を説明する。但し、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみには制限されない。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Embodiments of a negative electrode active material for an electric device of the present invention, a negative electrode for an electric device using the same, and an electric device will be described below with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention should be determined based on the description of the claims, and is not limited to the following modes. In the description of the drawings, the same elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description. Also, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may differ from the actual ratios.
以下、本発明の電気デバイス用負極活物質が適用されうる電気デバイスの基本的な構成を、図面を用いて説明する。本実施形態では、電気デバイスとしてリチウムイオン二次電池を例示して説明する。 Hereinafter, a basic configuration of an electric device to which the negative electrode active material for an electric device of the present invention can be applied will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, a lithium ion secondary battery will be described as an example of the electric device.
まず、本発明に係る電気デバイス用負極活物質を含む負極の代表的な一実施形態であるリチウムイオン二次電池用の負極およびこれを用いてなるリチウムイオン二次電池では、セル(単電池層)の電圧が大きく、高エネルギー密度、高出力密度が達成できる。そのため本実施形態のリチウムイオン二次電池用の負極活物質を用いてなるリチウムイオン二次電池では、車両の駆動電源用や補助電源用として優れている。その結果、車両の駆動電源用等のリチウムイオン二次電池として好適に利用できる。このほかにも、携帯電話などの携帯機器向けのリチウムイオン二次電池にも十分に適用可能である。 First, in a negative electrode for a lithium ion secondary battery, which is a typical embodiment of a negative electrode containing a negative electrode active material for an electric device according to the present invention, and a lithium ion secondary battery using the same, a cell (single battery layer ) Is large, and high energy density and high power density can be achieved. Therefore, the lithium ion secondary battery using the negative electrode active material for the lithium ion secondary battery of the present embodiment is excellent as a drive power source or an auxiliary power source for a vehicle. As a result, it can be suitably used as a lithium-ion secondary battery for a vehicle drive power source or the like. In addition to this, it is sufficiently applicable to a lithium-ion secondary battery for mobile devices such as mobile phones.
すなわち、本実施形態の対象となるリチウムイオン二次電池は、以下に説明する本実施形態のリチウムイオン二次電池用の負極活物質を用いてなるものであればよく、他の構成要件に関しては、特に制限されるべきものではない。 That is, the lithium-ion secondary battery to be the subject of the present embodiment may be one that uses the negative electrode active material for the lithium-ion secondary battery of the present embodiment described below, and with respect to other constituent requirements , Is not particularly limited.
例えば、上記リチウムイオン二次電池を形態・構造で区別した場合には、積層型(扁平型)電池、巻回型(円筒型)電池など、従来公知のいずれの形態・構造にも適用し得るものである。積層型(扁平型)電池構造を採用することで簡単な熱圧着などのシール技術により長期信頼性を確保でき、コスト面や作業性の点では有利である。 For example, when the above lithium ion secondary batteries are distinguished by form/structure, they can be applied to any conventionally known form/structure such as a stacked type (flat type) battery and a wound type (cylindrical type) battery. It is a thing. By adopting a laminated type (flat type) battery structure, long-term reliability can be secured by a sealing technique such as simple thermocompression bonding, which is advantageous in terms of cost and workability.
また、リチウムイオン二次電池内の電気的な接続形態(電極構造)で見た場合、非双極型(内部並列接続タイプ)電池および双極型(内部直列接続タイプ)電池のいずれにも適用し得るものである。 When viewed in terms of the electrical connection form (electrode structure) in the lithium-ion secondary battery, it can be applied to both non-bipolar (internal parallel connection type) batteries and bipolar (internal series connection type) batteries. It is a thing.
リチウムイオン二次電池内の電解質層の種類で区別した場合には、電解質層に非水系の電解液等の溶液電解質を用いた溶液電解質型電池、電解質層に高分子電解質を用いたポリマー電池など従来公知のいずれの電解質層のタイプにも適用し得るものである。該ポリマー電池は、さらに高分子ゲル電解質(単にゲル電解質ともいう)を用いたゲル電解質型電池、高分子固体電解質(単にポリマー電解質ともいう)を用いた固体高分子(全固体)型電池に分けられる。 When distinguished by the type of electrolyte layer in a lithium-ion secondary battery, a solution electrolyte type battery that uses a solution electrolyte such as a non-aqueous electrolyte solution for the electrolyte layer, a polymer battery that uses a polymer electrolyte for the electrolyte layer, etc. It can be applied to any type of conventionally known electrolyte layer. The polymer battery is further divided into a gel electrolyte type battery using a polymer gel electrolyte (also simply referred to as gel electrolyte) and a solid polymer (all solid) type battery using a polymer solid electrolyte (also simply referred to as polymer electrolyte). Be done.
したがって、以下の説明では、本実施形態のリチウムイオン二次電池用の負極活物質を用いてなる非双極型(内部並列接続タイプ)リチウムイオン二次電池につき図面を用いてごく簡単に説明する。但し、本実施形態のリチウムイオン二次電池の技術的範囲が、これらに制限されるべきものではない。 Therefore, in the following description, a non-bipolar (internal parallel connection type) lithium ion secondary battery using the negative electrode active material for the lithium ion secondary battery of the present embodiment will be briefly described with reference to the drawings. However, the technical scope of the lithium ion secondary battery of the present embodiment should not be limited to these.
<電池の全体構造>
図1は、本発明の電気デバイスの代表的な一実施形態である、扁平型(積層型)のリチウムイオン二次電池(以下、単に「積層型電池」ともいう)の全体構造を模式的に表した断面概略図である。
<Overall structure of battery>
FIG. 1 schematically shows the overall structure of a flat (laminated) lithium-ion secondary battery (hereinafter, also simply referred to as “laminated battery”), which is a typical embodiment of the electric device of the present invention. It is the cross-sectional schematic diagram represented.
図1に示すように、本実施形態の積層型電池10は、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、外装材であるラミネートフィルム29の内部に封止された構造を有する。ここで、発電要素21は、正極集電体12の両面に正極活物質層15が配置された正極と、電解質層17と、負極集電体11の両面に負極活物質層13が配置された負極とを積層した構成を有している。具体的には、1つの正極活物質層15とこれに隣接する負極活物質層13とが、電解質層17を介して対向するようにして、負極、電解質層および正極がこの順に積層されている。 As shown in FIG. 1, the laminated battery 10 according to the present embodiment has a structure in which a substantially rectangular power generation element 21 in which a charging/discharging reaction actually progresses is sealed inside a laminate film 29 as an exterior material. .. Here, in the power generation element 21, the positive electrode in which the positive electrode active material layers 15 are arranged on both surfaces of the positive electrode current collector 12, the electrolyte layer 17, and the negative electrode active material layers 13 are arranged on both surfaces of the negative electrode current collector 11. It has a structure in which a negative electrode is laminated. Specifically, one positive electrode active material layer 15 and the negative electrode active material layer 13 adjacent to the positive electrode active material layer 15 face each other with the electrolyte layer 17 interposed therebetween, and the negative electrode, the electrolyte layer, and the positive electrode are laminated in this order. ..
これにより、隣接する正極、電解質層、および負極は、1つの単電池層19を構成する。したがって、図1に示す積層型電池10は、単電池層19が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。なお、発電要素21の両最外層に位置する最外層の正極集電体には、いずれも片面のみに正極活物質層15が配置されているが、両面に活物質層が設けられてもよい。すなわち、片面にのみ活物質層を設けた最外層専用の集電体とするのではなく、両面に活物質層がある集電体をそのまま最外層の集電体として用いてもよい。また、図1とは正極および負極の配置を逆にすることで、発電要素21の両最外層に最外層の負極集電体が位置するようにし、該最外層の負極集電体の片面または両面に負極活物質層が配置されているようにしてもよい。 As a result, the adjacent positive electrode, electrolyte layer, and negative electrode form one unit cell layer 19. Therefore, it can be said that the stacked battery 10 shown in FIG. 1 has a configuration in which a plurality of unit cell layers 19 are stacked and electrically connected in parallel. In addition, in each of the outermost positive electrode collectors located on both outermost layers of the power generation element 21, the positive electrode active material layer 15 is arranged on only one surface, but the active material layers may be provided on both surfaces. .. That is, the current collector having the active material layers on both sides may be used as it is as the current collector for the outermost layer, instead of the current collector dedicated to the outermost layer in which the active material layer is provided on only one surface. Further, by reversing the arrangement of the positive electrode and the negative electrode from that in FIG. 1, the outermost negative electrode current collectors are positioned on both outermost layers of the power generation element 21, and one surface of the outermost negative electrode current collector or You may make it arrange|position the negative electrode active material layer on both surfaces.
正極集電体12および負極集電体11は、各電極(正極および負極)と導通される正極集電板27および負極集電板25がそれぞれ取り付けられ、ラミネートフィルム29の端部に挟まれるようにしてラミネートフィルム29の外部に導出される構造を有している。正極集電板27および負極集電板25は、それぞれ必要に応じて正極リードおよび負極リード(図示せず)を介して、各電極の正極集電体12および負極集電体11に超音波溶接や抵抗溶接等により取り付けられていてもよい。 The positive electrode current collector 12 and the negative electrode current collector 11 are attached with a positive electrode current collector plate 27 and a negative electrode current collector plate 25 that are electrically connected to the respective electrodes (positive electrode and negative electrode), and are sandwiched between the end portions of the laminate film 29. It has a structure led out to the outside of the laminate film 29. The positive electrode current collector plate 27 and the negative electrode current collector plate 25 are ultrasonically welded to the positive electrode current collector 12 and the negative electrode current collector 11 of each electrode via a positive electrode lead and a negative electrode lead (not shown), respectively, if necessary. It may be attached by resistance welding or the like.
上記で説明したリチウムイオン二次電池は、負極に特徴を有する。以下、当該負極を含めた電池の主要な構成部材について説明する。 The lithium-ion secondary battery described above is characterized by the negative electrode. Hereinafter, the main constituent members of the battery including the negative electrode will be described.
<活物質層>
活物質層13または15は活物質を含み、必要に応じてその他の添加剤をさらに含む。
<Active material layer>
The active material layer 13 or 15 contains an active material, and may further contain other additives as needed.
[正極活物質層]
正極活物質層15は、正極活物質を含む。
[Cathode active material layer]
The positive electrode active material layer 15 contains a positive electrode active material.
(正極活物質)
正極活物質としては、例えば、LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、Li(Ni−Mn−Co)O2およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの等のリチウム−遷移金属複合酸化物、リチウム−遷移金属リン酸化合物、リチウム−遷移金属硫酸化合物などが挙げられる。場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、リチウム−遷移金属複合酸化物が、正極活物質として用いられる。より好ましくはリチウムとニッケルとを含有する複合酸化物が用いられ、さらに好ましくはLi(Ni−Mn−Co)O2およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの(以下、単に「NMC複合酸化物」とも称する)が用いられる。NMC複合酸化物は、リチウム原子層と遷移金属(Mn、NiおよびCoが秩序正しく配置)原子層とが酸素原子層を介して交互に積み重なった層状結晶構造を持ち、遷移金属Mの1原子あたり1個のLi原子が含まれ、取り出せるLi量が、スピネル系リチウムマンガン酸化物の2倍、つまり供給能力が2倍になり、高い容量を持つことができる。
(Cathode active material)
As the positive electrode active material, for example, lithium such as those LiMn 2 O 4, LiCoO 2, LiNiO 2, Li (Ni-Mn-Co) O 2 , and some of these transition metals are replaced by other elements - Examples thereof include transition metal composite oxides, lithium-transition metal phosphate compounds, lithium-transition metal sulfate compounds, and the like. Depending on the case, two or more positive electrode active materials may be used in combination. From the viewpoint of capacity and output characteristics, a lithium-transition metal composite oxide is preferably used as the positive electrode active material. More preferably, a composite oxide containing lithium and nickel is used, and further preferably Li(Ni—Mn—Co)O 2 and those in which some of these transition metals are replaced with other elements (hereinafter, (Also simply referred to as “NMC complex oxide”) is used. The NMC composite oxide has a layered crystal structure in which a lithium atomic layer and a transition metal (Mn, Ni and Co are arranged in order) atomic layers are alternately stacked via an oxygen atomic layer. One Li atom is contained, and the amount of Li that can be taken out is twice as large as that of spinel-type lithium manganese oxide, that is, the supply capacity is twice as large, and a high capacity can be obtained.
NMC複合酸化物は、上述したように、遷移金属元素の一部が他の金属元素により置換されている複合酸化物も含む。その場合の他の元素としては、Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Cr、Fe、B、Ga、In、Si、Mo、Y、Sn、V、Cu、Ag、Znなどが挙げられ、好ましくは、Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Crであり、より好ましくは、Ti、Zr、P、Al、Mg、Crであり、サイクル特性向上の観点から、さらに好ましくは、Ti、Zr、Al、Mg、Crである。 As described above, the NMC composite oxide also includes a composite oxide in which a part of the transition metal element is replaced with another metal element. In this case, other elements include Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, Cr, Fe, B, Ga, In, Si, Mo, Y, Sn, V, Cu. , Ag, Zn and the like, preferably Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr and Cr, more preferably Ti, Zr, P, Al and Mg, Cr, and more preferably Ti, Zr, Al, Mg, and Cr from the viewpoint of improving cycle characteristics.
NMC複合酸化物は、理論放電容量が高いことから、好ましくは、一般式(1):LiaNibMncCodMxO2(但し、式中、a、b、c、d、xは、0.9≦a≦1.2、0<b<1、0<c≦0.5、0<d≦0.5、0≦x≦0.3、b+c+d=1を満たす。MはTi、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Crから選ばれる元素で少なくとも1種類である)で表される組成を有する。ここで、aは、Liの原子比を表し、bは、Niの原子比を表し、cは、Mnの原子比を表し、dは、Coの原子比を表し、xは、Mの原子比を表す。サイクル特性の観点からは、一般式(1)において、0.4≦b≦0.6であることが好ましい。なお、各元素の組成は、例えば、誘導結合プラズマ(ICP)発光分析法により測定できる。 Since the NMC composite oxide has a high theoretical discharge capacity, it is preferable that the NMC composite oxide has the general formula (1): Li a Ni b Mn c Co d M x O 2 (where a, b, c, d, and x are in the formula). Satisfies 0.9≦a≦1.2, 0<b<1, 0<c≦0.5, 0<d≦0.5, 0≦x≦0.3, b+c+d=1, and M is Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, and Cr, which is at least one element). Here, a represents the atomic ratio of Li, b represents the atomic ratio of Ni, c represents the atomic ratio of Mn, d represents the atomic ratio of Co, and x represents the atomic ratio of M. Represents. From the viewpoint of cycle characteristics, it is preferable that 0.4≦b≦0.6 in the general formula (1). The composition of each element can be measured by, for example, an inductively coupled plasma (ICP) emission analysis method.
一般に、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)およびマンガン(Mn)は、材料の純度向上および電子伝導性向上という観点から、容量および出力特性に寄与することが知られている。Ti等は、結晶格子中の遷移金属を一部置換するものである。サイクル特性の観点からは、遷移元素の一部が他の金属元素により置換されていることが好ましく、特に一般式(1)において0<x≦0.3であることが好ましい。Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、SrおよびCrからなる群から選ばれる少なくとも1種が固溶することにより結晶構造が安定化されるため、その結果、充放電を繰り返しても電池の容量低下が防止でき、優れたサイクル特性が実現し得ると考えられる。 In general, nickel (Ni), cobalt (Co) and manganese (Mn) are known to contribute to the capacity and output characteristics from the viewpoint of improving the purity of materials and improving electron conductivity. Ti and the like partially replace the transition metal in the crystal lattice. From the viewpoint of cycle characteristics, it is preferable that a part of the transition element be replaced by another metal element, and 0<x≦0.3 is particularly preferable in the general formula (1). Since at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, and Cr is solid-solved, the crystal structure is stabilized, resulting in charge/discharge. It is considered that the battery capacity can be prevented from being lowered even by repeating the above, and excellent cycle characteristics can be realized.
より好ましい実施形態としては、一般式(1)において、b、cおよびdが、0.44≦b≦0.51、0.27≦c≦0.31、0.19≦d≦0.26であることが、容量と寿命特性とのバランスを向上させるという観点からは好ましい。例えば、LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2は、一般的な民生電池で実績のあるLiCoO2、LiMn2O4、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2などと比較して、単位重量あたりの容量が大きく、エネルギー密度の向上が可能となることでコンパクトかつ高容量の電池を作製できるという利点を有しており、航続距離の観点からも好ましい。なお、より容量が大きいという点ではLiNi0.8Co0.1Al0.1O2がより有利であるが、寿命特性に難がある。これに対し、LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2はLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2並みに優れた寿命特性を有しているのである。 As a more preferred embodiment, in the general formula (1), b, c and d are 0.44≦b≦0.51, 0.27≦c≦0.31 and 0.19≦d≦0.26. Is preferable from the viewpoint of improving the balance between capacity and life characteristics. For example, LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 is LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2, etc., which have a proven record in general consumer batteries. Compared with, the capacity per unit weight is large, and the energy density can be improved, so that a compact and high-capacity battery can be manufactured, which is also preferable from the viewpoint of cruising distance. Note that LiNi 0.8 Co 0.1 Al 0.1 O 2 is more advantageous in that it has a larger capacity, but it has poor life characteristics. On the other hand, LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 has a life characteristic as excellent as LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 .
場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、リチウム−遷移金属複合酸化物が、正極活物質として用いられる。なお、上記以外の正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。 Depending on the case, two or more positive electrode active materials may be used in combination. From the viewpoint of capacity and output characteristics, a lithium-transition metal composite oxide is preferably used as the positive electrode active material. Needless to say, a positive electrode active material other than the above may be used.
正極活物質層15に含まれる正極活物質の平均粒子径は特に制限されないが、高出力化の観点からは、好ましくは1〜30μmであり、より好ましくは5〜20μmである。なお、本明細書において、「粒子径」とは、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用いて観察される活物質粒子(観察面)の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離を意味する。また、本明細書において、「平均粒子径」の値は、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。他の構成成分の粒子径や平均粒子径も同様に定義することができる。 The average particle diameter of the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer 15 is not particularly limited, but from the viewpoint of high output, it is preferably 1 to 30 μm, more preferably 5 to 20 μm. In addition, in the present specification, the “particle diameter” is on the contour line of the active material particles (observation surface) observed using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). Of the distances between any two points, it means the maximum distance. In addition, in the present specification, the value of the “average particle diameter” refers to the number of particles observed in several to several tens of visual fields by using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). The value calculated as the average value of the particle diameter shall be adopted. The particle size and average particle size of the other constituents can be defined in the same manner.
正極活物質層15は、バインダを含みうる。 The positive electrode active material layer 15 may include a binder.
(バインダ)
バインダは、活物質同士または活物質と集電体とを結着させて電極構造を維持する目的で添加される。正極活物質層に用いられるバインダとしては、特に限定されないが、例えば、以下の材料が挙げられる。ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、セルロース、カルボキシメチルセルロース(CMC)、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物などの熱可塑性高分子、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−HFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFMVE−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂等が挙げられる。中でも、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミド、スチレン・ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、ポリアミドイミドであることがより好ましい。これらの好適なバインダは、耐熱性に優れ、さらに電位窓が非常に広く正極電位、負極電位双方に安定であり活物質層に使用が可能となる。これらのバインダは、1種単独で用いてもよいし、2種併用してもよい。
(Binder)
The binder is added for the purpose of binding the active materials to each other or the active material and the current collector to maintain the electrode structure. The binder used for the positive electrode active material layer is not particularly limited, but examples thereof include the following materials. Polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate (PET), polyether nitrile (PEN), polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, polyamide imide, cellulose, carboxymethyl cellulose (CMC), ethylene-vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, styrene-butadiene Rubber (SBR), isoprene rubber, butadiene rubber, ethylene/propylene rubber, ethylene/propylene/diene copolymer, styrene/butadiene/styrene block copolymer and hydrogenated product thereof, styrene/isoprene/styrene block copolymer and Thermoplastic polymers such as hydrogenated products thereof, polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene/hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene/perfluoroalkyl vinyl ether copolymer Fluorine resins such as polymer (PFA), ethylene/tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene/chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyvinyl fluoride (PVF), Vinylidene fluoride-hexafluoropropylene fluororubber (VDF-HFP fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluororubber (VDF-HFP-TFE fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoro Propylene-based fluororubber (VDF-PFP-based fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-PFP-TFE-based fluororubber), vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene Examples thereof include vinylidene fluoride-based fluororubbers such as vinylidene fluoride-based fluororubbers (VDF-PFMVE-TFE-based fluororubbers) and vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene-based fluororubbers (VDF-CTFE-based fluororubbers). Among them, polyvinylidene fluoride, polyimide, styrene-butadiene rubber, carboxymethyl cellulose, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, polyamide, and polyamide-imide are more preferable. These suitable binders are excellent in heat resistance, have a very wide potential window, are stable in both positive electrode potential and negative electrode potential, and can be used in the active material layer. These binders may be used alone or in combination of two.
正極活物質層中に含まれるバインダ量は、活物質を結着することができる量であれば特に限定されるものではないが、好ましくは活物質層に対して、0.5〜15質量%であり、より好ましくは1〜10質量%である。 The amount of binder contained in the positive electrode active material layer is not particularly limited as long as it can bind the active material, but is preferably 0.5 to 15 mass% with respect to the active material layer. And more preferably 1 to 10% by mass.
正極(正極活物質層)は、通常のスラリーを塗布(コーティング)する方法のほか、混練法、スパッタ法、蒸着法、CVD法、PVD法、イオンプレーティング法および溶射法のいずれかの方法によって形成することができる。 The positive electrode (positive electrode active material layer) is formed by any one of a kneading method, a sputtering method, a vapor deposition method, a CVD method, a PVD method, an ion plating method, and a thermal spraying method, in addition to a method of applying a usual slurry (coating). Can be formed.
≪負極活物質層≫
負極活物質層13は、負極活物質を含む。
<<Negative electrode active material layer>>
The negative electrode active material layer 13 contains a negative electrode active material.
<負極活物質>
本実施形態において、負極活物質は、Si−Al−M(Mは1または2以上の遷移金属元素である)で表される三元系の合金組成を有する。具体的には、本実施形態における負極活物質を構成するSi含有合金は、下記化学式(I)で表される組成を有するものである。
<Negative electrode active material>
In the present embodiment, the negative electrode active material has a ternary alloy composition represented by Si-Al-M (M is one or two or more transition metal elements). Specifically, the Si-containing alloy that constitutes the negative electrode active material in the present embodiment has a composition represented by the following chemical formula (I).
(上記化学式(I)において、
Mは、1または2以上の遷移金属元素であり、
Aは、不可避不純物であり、
x、y、zおよびaは、質量%の値を表し、この際、yは、0.3≦y≦5.0であり、zは、27≦z≦35であり、ならびにxおよびaは、残部である。
(In the above chemical formula (I),
M is one or more transition metal elements,
A is an unavoidable impurity,
x, y, z and a represent mass% values, where y is 0.3≦y≦5.0, z is 27≦z≦35, and x and a are , The rest.
Si系負極活物質では、充電時にSiとLiとが合金化する際、Si相がアモルファス状態から結晶状態へと転移して大きな体積変化(約4倍)を起こす。その結果、活物質粒子自体が壊れてしまい、活物質としての機能が失われてしまうという問題がある。このため、負極活物質が上記化学式(I)で表される組成を有することにより、充電時におけるSi相のアモルファス−結晶の相転移を抑制することで粒子自体の崩壊を抑制することができ、活物質としての機能(高容量)が保持され、サイクル寿命も向上させることができる。 In the Si-based negative electrode active material, when Si and Li alloy with each other during charging, the Si phase transitions from an amorphous state to a crystalline state, causing a large volume change (about 4 times). As a result, there is a problem that the active material particles themselves are broken and the function as an active material is lost. Therefore, when the negative electrode active material has the composition represented by the chemical formula (I), it is possible to suppress the collapse of the particles themselves by suppressing the phase transition of the amorphous-crystal of the Si phase during charging, The function (high capacity) as an active material is maintained, and the cycle life can be improved.
これらの効果は、Al原子は、Si原子と液相状態では引付合うが、固相状態では分離しようとし、また、Al原子とTi原子は、SiとTiほどではないが結合する傾向があることに由来する。Tiに比べて少量のAlを含有させることで上述のような特性が発現することを、本発明者らは見出している。 These effects are that Al atoms attract Si atoms in the liquid phase state, but try to separate in the solid phase state, and Al atoms and Ti atoms tend to bond to each other, though not so much as Si and Ti. It derives from that. The present inventors have found that the inclusion of a small amount of Al as compared with Ti causes the above characteristics to be exhibited.
上記化学式(I)で表される組成において、yが0.3未満であると、独立したシリサイド相(初晶シリサイド相;第一の相)の微細化が不十分であり、加えて、アモルファス形成能の増大(Si結晶晶出の臨界冷却速度を小さくする)効果が不十分であり、耐久性を十分に向上することができない。yが5.0超であると、微細組織中の共晶の割合が小さくなりすぎ(初晶シリサイドの割合が大きくなりすぎ)、合金全体としての組織の微細化が不十分となり、耐久性を十分に向上することができなくなる。また、yが27未満であると、組織中に占めるシリサイドの割合が小さくなり過ぎ、充放電に伴うSiの膨張・収縮を十分に抑制することができず、耐久性を十分に向上することができない。zが35超であると、シリサイド量が大きくなり過ぎ、この結果Liと反応できるSi量が小さくなり過ぎ、Si系合金の最大の魅力である高容量という特性を十分に発揮できなくなる。 In the composition represented by the above chemical formula (I), when y is less than 0.3, the refinement of the independent silicide phase (primary crystal silicide phase; first phase) is insufficient, and in addition, amorphous The effect of increasing the forming ability (reducing the critical cooling rate of Si crystal crystallization) is insufficient and the durability cannot be sufficiently improved. If y is more than 5.0, the proportion of eutectic in the microstructure becomes too small (proportion of primary crystal silicide becomes too large), and the refinement of the structure of the alloy as a whole becomes insufficient, resulting in poor durability. It cannot be improved enough. Further, when y is less than 27, the proportion of silicide in the structure becomes too small, the expansion and contraction of Si due to charge and discharge cannot be sufficiently suppressed, and the durability can be sufficiently improved. Can not. When z is more than 35, the amount of silicide becomes too large, and as a result, the amount of Si capable of reacting with Li becomes too small, and the characteristic of high capacity, which is the most attractive feature of the Si-based alloy, cannot be sufficiently exhibited.
上記化学式(I)で表される組成において、yは、好ましくは3.0以下であり、より好ましくは2.0以下であり、さらに好ましくは1.8以下であり、よりさらに好ましくは1.5以下である。また、yは、好ましくは0.7以上であり、より好ましくは1.0以上である。かかる範囲であると、耐久性を十分に向上させることができる。 In the composition represented by the above chemical formula (I), y is preferably 3.0 or less, more preferably 2.0 or less, still more preferably 1.8 or less, still more preferably 1. It is 5 or less. Further, y is preferably 0.7 or more, more preferably 1.0 or more. Within such a range, the durability can be sufficiently improved.
上記化学式(I)で表される組成において、zは、好ましくは34以下であり、より好ましくは33以下であり、さらに好ましくは32以下である。また、zは、好ましくは28以上であり、より好ましくは29以上であり、さらに好ましくは、30以上である。かかる範囲であると、耐久性を十分向上させることができ、また高容量を得ることができる。 In the composition represented by the above chemical formula (I), z is preferably 34 or less, more preferably 33 or less, and further preferably 32 or less. Further, z is preferably 28 or more, more preferably 29 or more, and further preferably 30 or more. Within such a range, durability can be sufficiently improved and high capacity can be obtained.
上記化学式(I)で表される組成において、xの範囲は、yおよびzが上記範囲であれば、特に制限されない。xは、充放電(Liイオンの挿入脱離)に対する耐久性の保持および初期容量のバランスという観点から、好ましくは60≦x≦72であり、より好ましくは64≦x≦70であり、さらに好ましくは65≦x≦68である。 In the composition represented by the chemical formula (I), the range of x is not particularly limited as long as y and z are in the above ranges. x is preferably 60≦x≦72, more preferably 64≦x≦70, and even more preferably from the viewpoint of maintaining durability against charge/discharge (insertion/desorption of Li ions) and balancing the initial capacity. Is 65≦x≦68.
上記化学式(I)で表される組成において、x+y+zは、最大100である。 In the composition represented by the chemical formula (I), x+y+z is 100 at the maximum.
本明細書において「不可避不純物」とは、Si含有合金において、原料中に存在したり、製造工程において不可避的に混入したりするものを意味する。当該不可避不純物は、本来は不要なものであるが、微量であり、Si合金の特性に影響を及ぼさないため、許容されている不純物である。上記化学式(I)で表される組成において、aは、好ましくは0.5未満であり、より好ましくは0.1未満である。負極活物質(ケイ素含有合金)が上記化学式(I)の組成を有するか否かは、蛍光X線分析(XRF)による定性分析、および誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析法による定量分析により確認することが可能である。 In the present specification, the “unavoidable impurities” mean those present in the raw material of the Si-containing alloy and inevitably mixed in the manufacturing process. The unavoidable impurities are originally unnecessary, but are trace amounts and do not affect the characteristics of the Si alloy, and are therefore allowed impurities. In the composition represented by the above chemical formula (I), a is preferably less than 0.5, more preferably less than 0.1. Whether or not the negative electrode active material (silicon-containing alloy) has the composition of the above chemical formula (I) is confirmed by qualitative analysis by fluorescent X-ray analysis (XRF) and quantitative analysis by inductively coupled plasma (ICP) emission spectroscopy. It is possible to
本発明の好ましい実施形態において、充放電に伴うSiの膨張収縮を抑制できるとの観点から、前記zに対する前記yの比(y/z)は、0.10(1/10)以下であり、より好ましくは0.08以下であり、さらに好ましくは0.07以下であり、よりさらに好ましくは0.06以下であり、特に好ましくは0.05以下である。前記zに対する前記yの比(y/z)の下限は、特に制限されないが、例えば0.01以上であり、好ましくは0.02以上であり、より好ましくは0.03以上である。 In a preferred embodiment of the present invention, the ratio of y to z (y/z) is 0.10 (1/10) or less from the viewpoint that expansion and contraction of Si due to charge and discharge can be suppressed. It is more preferably 0.08 or less, still more preferably 0.07 or less, even more preferably 0.06 or less, and particularly preferably 0.05 or less. The lower limit of the ratio of y to z (y/z) is not particularly limited, but is, for example, 0.01 or more, preferably 0.02 or more, and more preferably 0.03 or more.
上記化学式(I)で表される組成において、M(遷移金属)の種類については、Siとの間でケイ化物(シリサイド)を形成する元素(本明細書中、単に「シリサイド形成元素」とも称する)であれば、特に制限されない。シリサイド形成元素として、好ましくはTi、Zr、Ni、Cu、Mo、V、Nb、Sc、Y、Co、CrおよびFeからなる群から選択される少なくとも一種であり、より好ましくはTiおよびZrから選択される少なくとも一種であり、とくに好ましくはTiである。これらの元素は、ケイ化物を形成した際に他の元素のケイ化物よりも高い電子伝導度を示し、かつ高い強度を有するものである。中でも、遷移金属としてTiを選択することで、Li合金化の際に、アモルファス−結晶の相転移を抑制してサイクル寿命を向上させることができる。また、これによって、従来の負極活物質(例えば、炭素系負極活物質)よりも高容量のものとなる。特に、負極活物質(Si含有合金)への添加元素としてTiを選択し、さらに第2添加元素としてAlを添加することで、Li合金化の際に、より一層アモルファス−結晶の相転移を抑制してサイクル寿命を向上させることができる。したがって、本発明の好ましい実施形態では、上記化学式(I)で表される組成において、Mがチタン(Ti)である。 In the composition represented by the above chemical formula (I), the type of M (transition metal) is an element that forms a silicide (silicide) with Si (also simply referred to as “silicide forming element” in the present specification). ), there is no particular limitation. The silicide forming element is preferably at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Ni, Cu, Mo, V, Nb, Sc, Y, Co, Cr and Fe, and more preferably selected from Ti and Zr. At least one of them is used, and Ti is particularly preferable. These elements have higher electron conductivity than silicides of other elements when forming silicides and have high strength. Among them, by selecting Ti as the transition metal, it is possible to suppress the phase transition of amorphous-crystal during Li alloying and improve the cycle life. Further, this makes the capacity higher than that of the conventional negative electrode active material (for example, carbon-based negative electrode active material). In particular, by selecting Ti as an additive element to the negative electrode active material (Si-containing alloy) and further adding Al as a second additive element, it is possible to further suppress the amorphous-crystal phase transition during Li alloying. The cycle life can be improved. Therefore, in a preferred embodiment of the present invention, M is titanium (Ti) in the composition represented by the chemical formula (I).
次に、本実施形態における負極活物質を構成するSi含有合金の粒子径は特に制限されないが、平均粒子径D50としては、好ましくは0.1〜20μmであり、より好ましくは0.2〜10μmである。平均粒子径D90としては、好ましくは5〜30μmであり、より好ましくは10〜25μmである。 Next, the particle diameter of the Si-containing alloy constituting the negative electrode active material in the present embodiment is not particularly limited, but the average particle diameter D50 is preferably 0.1 to 20 μm, more preferably 0.2 to 10 μm. Is. The average particle diameter D90 is preferably 5 to 30 μm, more preferably 10 to 25 μm.
(Si含有合金の微細組織構造)
本実施形態における負極活物質を構成するSi含有合金は、その微細組織が、(1)遷移金属のケイ化物(シリサイド)を主成分とする第一の相(シリサイド相)と、(2)一部にAlを含み、非晶質または低結晶性のSiを主成分とする第二の相(Si相、好ましくはアモルファスSi相(a−Si相))とを有し、さらに、(3)一部が複数の独立した第一の相、および(4)一部が第一の相と第二の相との共晶組織となっている構造を有することが好ましい。
(Microstructure of Si-containing alloy)
The microstructure of the Si-containing alloy that constitutes the negative electrode active material in the present embodiment has (1) a first phase (silicide phase) containing a transition metal silicide (silicide) as a main component, and (2) a single phase. Part has Al and has a second phase (Si phase, preferably amorphous Si phase (a-Si phase)) containing amorphous or low crystalline Si as a main component, and further (3) It is preferable that a part has a plurality of independent first phases, and (4) a part has a eutectic structure of the first phase and the second phase.
上記微細組織構造を有するSi含有合金は、その微細組織において、第二の相(Si相)が第一の相(シリサイド相)と共晶化し、更に複数の独立した第一の相(シリサイド相)の隙間に入る構成となっている。また、第一の相(シリサイド相)、例えばTiSi2相は、第二の相(Si相)、例えばa−Si相と比較して硬度および電子伝導性の点で優れている。そのため、充放電過程における共晶組織中のa−Si相の膨張を、共晶化したTiSi2相が抑え込み、更に複数の独立したTiSi2相が抑え込む、いわば2段構えの抑え込みで抑制することができる。 In the Si-containing alloy having the above microstructure, in the microstructure, the second phase (Si phase) is eutectic with the first phase (silicide phase), and a plurality of independent first phases (silicide phase) ) Is configured to enter the gap. In addition, the first phase (silicide phase), for example, TiSi 2 phase, is superior in hardness and electron conductivity to the second phase (Si phase), for example, a-Si phase. Therefore, the expansion of the a-Si phase in the eutectic structure during the charging/discharging process is suppressed by the eutecticized TiSi 2 phase and further suppressed by a plurality of independent TiSi 2 phases. You can
前記第一の相(シリサイド相)が遷移金属のケイ化物(シリサイド)を主成分とすることから、Mは、上記シリサイド形成元素から選択される1種以上の遷移金属元素である。すなわち、Mが、1つの遷移金属元素である場合、第一の相(シリサイド相)を構成するシリサイド形成元素である。またMが、2以上の遷移金属元素である場合、少なくとも1種は第一の相(シリサイド相)を構成するシリサイド形成元素である。残る遷移金属元素は、第二の相(a−Si相)に含まれる遷移金属元素であってもよいし、第一の相(シリサイド相)を構成するシリサイド形成元素であってもよい。あるいは、第一の相及び第二の相(a−Si相)以外の遷移金属が晶出した相(遷移金属相)を構成する遷移金属元素であってもよい。 Since the first phase (silicide phase) is mainly composed of a transition metal silicide (silicide), M is one or more kinds of transition metal elements selected from the above silicide forming elements. That is, when M is one transition metal element, it is a silicide forming element that constitutes the first phase (silicide phase). When M is a transition metal element of 2 or more, at least one kind is a silicide-forming element forming the first phase (silicide phase). The remaining transition metal element may be a transition metal element contained in the second phase (a-Si phase) or may be a silicide forming element forming the first phase (silicide phase). Alternatively, it may be a transition metal element that constitutes a phase (transition metal phase) in which a transition metal other than the first phase and the second phase (a-Si phase) is crystallized.
以下、本実施形態において、上記好ましい微細組織構造を有するSi含有合金(負極活物質)について説明する。 Hereinafter, in the present embodiment, the Si-containing alloy (negative electrode active material) having the above preferable microstructure structure will be described.
(1)遷移金属のケイ化物(シリサイド)を主成分とする第一の相(シリサイド相)
微細組織構造を有するSi含有合金において、第一の相(シリサイド相)は、遷移金属のケイ化物(シリサイド)を主成分とする。この第一の相(シリサイド相)は、第二の相(a−Si相)と比較して硬度および電子伝導性の点で優れている。このため、シリサイド相(第一の相)は、膨張時の応力に対して、a−Si相(第二の相)中のSi活物質の形状を維持する役割を担うとともに、a−Si相(特にSi活物質)の低い電子伝導性を改善することができる。さらに、このシリサイド相(第一の相)は、遷移金属のケイ化物(例えばTiSi2)を含むことで、a−Si相(第二の相)との親和性に優れ、特に充電時の体積膨張における(結晶)界面での割れを抑制することができる。
(1) First phase (silicide phase) containing a transition metal silicide as a main component
In a Si-containing alloy having a microstructure structure, the first phase (silicide phase) is mainly composed of a transition metal silicide (silicide). This first phase (silicide phase) is superior in hardness and electron conductivity to the second phase (a-Si phase). Therefore, the silicide phase (first phase) plays a role of maintaining the shape of the Si active material in the a-Si phase (second phase) with respect to the stress during expansion, and at the same time, the a-Si phase. The low electronic conductivity of (particularly Si active material) can be improved. Furthermore, since this silicide phase (first phase) contains a silicide of a transition metal (for example, TiSi 2 ), it has an excellent affinity with the a-Si phase (second phase), and especially the volume during charging. It is possible to suppress cracking at the (crystal) interface during expansion.
また、上述したように、上記化学式(I)で表される組成において、Mがチタン(Ti)であることが好ましい。特に、負極活物質(Si含有合金)への添加元素としてTiを選択し、さらに第2添加元素としてAlを添加することで、Si含有合金の共晶組織において、第一の相および第二の相をより微細化することができる。その結果、Li合金化の際に、より一層アモルファス−結晶の相転移を抑制してサイクル寿命(耐久性)を向上させることができる。また、これによって、本発明の負極活物質(Si含有合金)は、従来の負極活物質(例えば、炭素系負極活物質)よりも高容量のものとなる。したがって、微細組織中の遷移金属のケイ化物(シリサイド)を主成分とするシリサイド相(第一の相)は、チタンシリサイド(TiSi2)であるのが好ましい。 Further, as described above, in the composition represented by the chemical formula (I), M is preferably titanium (Ti). In particular, by selecting Ti as the additive element to the negative electrode active material (Si-containing alloy) and further adding Al as the second additive element, in the eutectic structure of the Si-containing alloy, the first phase and the second phase The phase can be made finer. As a result, it is possible to further suppress the amorphous-crystal phase transition during Li alloying and improve the cycle life (durability). Further, as a result, the negative electrode active material (Si-containing alloy) of the present invention has a higher capacity than conventional negative electrode active materials (for example, carbon-based negative electrode active materials). Therefore, it is preferable that the silicide phase (first phase) whose main component is a silicide of a transition metal in the microstructure (first phase) is titanium silicide (TiSi 2 ).
上記シリサイド相(第一の相)において、シリサイドを「主成分とする」とは、シリサイド相の50質量%以上、好ましくは80質量%以上、さらに好ましくは90質量%以上、特に好ましくは95質量%以上、最も好ましくは98質量%以上がシリサイドである。なお、理想的にはシリサイドが100質量%である。しかし、合金中には、原料中に存在したり、製造工程において不可避的に混入したりする不可避不純物が含まれうる。よって、100質量%の第一の相を得るのは実際上、困難である。 In the silicide phase (first phase), the term "mainly composed of silicide" means 50 mass% or more, preferably 80 mass% or more, more preferably 90 mass% or more, particularly preferably 95 mass% of the silicide phase. % Or more, and most preferably 98% by mass or more is silicide. Ideally, silicide is 100% by mass. However, the alloy may contain unavoidable impurities that are present in the raw material or are unavoidably mixed in the manufacturing process. Therefore, it is practically difficult to obtain 100 mass% of the first phase.
(2)一部にAlを含み、非晶質または低結晶性のSiを主成分とする第二の相(アモルファスSi相(a−Si相))
微細組織構造を有するSi含有合金において、第二の相(アモルファスSi相(a−Si相))は、一部にAlを含み(具体的には、AlがSi中に固溶している、またはSi中に内包され分散している)、非晶質または低結晶性のSiを主成分とすることができる。このa−Si相(第二の相)は、非晶質または低結晶性のSiを主成分として含有する相である。
(2) A second phase (amorphous Si phase (a-Si phase)) containing Al as a part and having amorphous or low crystalline Si as a main component
In the Si-containing alloy having a fine structure structure, the second phase (amorphous Si phase (a-Si phase)) partially contains Al (specifically, Al is a solid solution in Si, Alternatively, the main component may be Si which is encapsulated and dispersed in Si) or amorphous or low crystalline Si. The a-Si phase (second phase) is a phase containing amorphous or low crystalline Si as a main component.
このa−Si相(第二の相;a−Siを主成分とする相)は、本実施形態の電気デバイス(リチウムイオン二次電池)の作動時にリチウムイオンの吸蔵・放出に関与する相であり、電気化学的にLiと反応可能な相である。a−Si相(第二の相)は、Siを主成分とするため重量あたりおよび体積あたりに多量のLiを吸蔵・放出することが可能である。ただし、Siは電子伝導性に乏しいことから、a−Si相(第二の相)にはリンやホウ素などの微量の添加元素や遷移金属などが含まれていてもよい。なお、a−Si相(第二の相;Siを主成分とする相)は、シリサイド相(第一の相)よりもアモルファス化していることが好ましい。かような構成とすることにより、負極活物質(Si含有合金)をより高容量なものとすることができる。a−Si相(第二の相)がシリサイド相(第一の相)よりもアモルファス化しているか否かは、電子線回折分析により確認することができる。具体的には、電子線回折分析によると、単結晶相についは二次元点配列のネットパターン(格子状のスポット)が得られ、多結晶相についてはデバイシェラーリング(回折環)が得られ、アモルファス相についてはハローパターンが得られる。これを利用することで、上記の確認が可能となるのである。 The a-Si phase (second phase; phase containing a-Si as a main component) is a phase involved in occlusion/release of lithium ions during operation of the electric device (lithium ion secondary battery) of the present embodiment. It is a phase that can electrochemically react with Li. Since the a-Si phase (second phase) contains Si as a main component, it is possible to store and release a large amount of Li per weight and per volume. However, since Si has poor electron conductivity, the a-Si phase (second phase) may contain a trace amount of additional elements such as phosphorus and boron, a transition metal, or the like. The a-Si phase (second phase; phase containing Si as a main component) is preferably more amorphous than the silicide phase (first phase). With such a configuration, the negative electrode active material (Si-containing alloy) can have a higher capacity. Whether the a-Si phase (second phase) is more amorphous than the silicide phase (first phase) can be confirmed by electron diffraction analysis. Specifically, according to electron diffraction analysis, a net pattern (lattice-like spots) of a two-dimensional point array is obtained for the single crystal phase, and a Debye-Scherrer ring (diffraction ring) is obtained for the polycrystalline phase. A halo pattern is obtained for the amorphous phase. By utilizing this, the above confirmation becomes possible.
上述したように、上記化学式(I)で表される組成において、Mがチタン(Ti)であることが好ましい。特に、負極活物質(Si含有合金)への添加元素としてTiを選択し、さらに第2添加元素としてAlを添加することで、Li合金化の際に、より一層アモルファス−結晶の相転移を抑制してサイクル寿命を向上させることができる。また、これによって、本発明の負極活物質(Si含有合金)は、従来の負極活物質(例えば、炭素系負極活物質)よりも高容量のものとなる。したがって、微細組織中の非晶質または低結晶性を主成分とするSi相(第二の相)は、非晶質(アモルファス)のSiを主成分とするのが好ましい。 As described above, in the composition represented by the chemical formula (I), M is preferably titanium (Ti). In particular, by selecting Ti as an additive element to the negative electrode active material (Si-containing alloy) and further adding Al as a second additive element, it is possible to further suppress the amorphous-crystal phase transition during Li alloying. The cycle life can be improved. Further, as a result, the negative electrode active material (Si-containing alloy) of the present invention has a higher capacity than conventional negative electrode active materials (for example, carbon-based negative electrode active materials). Therefore, it is preferable that the Si phase (second phase) having amorphous or low crystallinity as a main component in the microstructure has amorphous Si as a main component.
以上のことから、上記微細組織中の、第一の相の遷移金属のケイ化物は、チタンシリサイド(TiSi2)であり、かつ、前記Si相(第二の相)は非晶質(アモルファス)を主成分とするSiであるのが好ましい。かかる構成とすることで、電気デバイスの高容量を示しつつ、サイクル耐久性をより一層向上することができる。 From the above, the transition metal silicide of the first phase in the microstructure is titanium silicide (TiSi 2 ), and the Si phase (second phase) is amorphous. It is preferable that the main component is Si. With such a configuration, the cycle durability can be further improved while showing the high capacity of the electric device.
上記a−Si相(第二の相)において、Alを含み、非晶質または低結晶性のSiを「主成分とする」とは、Si相の50質量%以上、好ましくは80質量%以上、さらに好ましくは90質量%以上、特に好ましくは95質量%以上、最も好ましくは98質量%以上が上記Siである。しかし、合金中には、原料中に存在したり、製造工程において不可避的に混入したりする不可避不純物が含まれうる。よって、100質量%の第二の相を得るのは実際上、困難である。 In the a-Si phase (second phase), the phrase "mainly containing amorphous or low crystalline Si" containing Al means 50% by mass or more, preferably 80% by mass or more of the Si phase. More preferably, 90 mass% or more, particularly preferably 95 mass% or more, most preferably 98 mass% or more is the above Si. However, the alloy may contain unavoidable impurities that are present in the raw material or are unavoidably mixed in the manufacturing process. Therefore, it is practically difficult to obtain the 100% by mass second phase.
上記Si相(第二の相)において、「一部にAlを含み」としたのは、例えば図8(b)、(c)および(e)とを対比すると、多くはSi相にAlをほとんど含まない部分(Si部分が活物質として機能する)であるが、AlがSi中に固溶している、またはSi中に内包され分散していることが分かる。また、共晶組織中のAlの残りの部分は、共晶組織中のシリサイド相に分散していることが確認できる。 In the above Si phase (second phase), the reason why “partly contains Al” is that, for example, comparing FIGS. 8B, 8C, and 8E, most of the Si phase contains Al. It can be seen that Al is a solid solution in Si, or is encapsulated and dispersed in Si, although it is a part that hardly contains it (Si part functions as an active material). Further, it can be confirmed that the remaining part of Al in the eutectic structure is dispersed in the silicide phase in the eutectic structure.
(3)一部が複数の独立した第一の相
上記好ましい構造を有するSi含有合金は、微細組織中において、一部が複数の独立した第一の相となっている構造を有する。Si含有合金が前記構造を有することにより、充放電過程における共晶組織中の第二の相(a−Si相)の膨張を、複数の独立した第一の相が抑え込んで抑制することができる。またa−Si相(特にSi活物質)の低い電子伝導性を改善することができる。
(3) Part of a plurality of independent first phases The Si-containing alloy having the above preferred structure has a structure in which a part thereof is a plurality of independent first phases in the microstructure. Since the Si-containing alloy has the above structure, the expansion of the second phase (a-Si phase) in the eutectic structure in the charge/discharge process can be suppressed and suppressed by the plurality of independent first phases. .. In addition, the low electronic conductivity of the a-Si phase (particularly Si active material) can be improved.
微細組織中において、一部が複数の独立した第一の相の最頻半径の上限は、特に制限されないが、例えば280nm以下であり、好ましくは260nm以下であり、より好ましくは255nm以下であり、さらに好ましくは250nm以下である。前記共晶組織中の独立した第一の相の最頻半径の下限は、特に制限されないが、好ましくは160nm以上、より好ましくは170nm以上、さらに好ましくは180nm以上、特に好ましくは190nm以上である。かかる範囲であることにより、一部が複数の独立した第一の相が微細組織中に細かく分散することができる。したがって、充放電に伴うSiの膨張収縮を効果的に抑制できることで、耐久性を向上できる。 In the microstructure, the upper limit of the mode radius of a part of the plurality of independent first phases is not particularly limited, but is, for example, 280 nm or less, preferably 260 nm or less, more preferably 255 nm or less, More preferably, it is 250 nm or less. The lower limit of the mode radius of the independent first phase in the eutectic structure is not particularly limited, but is preferably 160 nm or more, more preferably 170 nm or more, further preferably 180 nm or more, particularly preferably 190 nm or more. Within such a range, a plurality of independent first phases, some of which are independent, can be finely dispersed in the microstructure. Therefore, the expansion and contraction of Si due to charge and discharge can be effectively suppressed, and the durability can be improved.
微細組織中において、一部が複数の独立した第一の相の半径分布は、好ましくは80〜1000nm、より好ましくは100〜800nm、さらに好ましくは110〜500nm、特に好ましくは120〜400nm、なかでも好ましくは150〜360nmである。かかる範囲であることにより、一部が複数の独立した第一の相が微細組織中に細かく分散することができる。したがって、充放電に伴うSiの膨張収縮を効果的に抑制できることで、耐久性を向上できる。 In the microstructure, a part of the plurality of independent first phases has a radius distribution of preferably 80 to 1000 nm, more preferably 100 to 800 nm, still more preferably 110 to 500 nm, and particularly preferably 120 to 400 nm. It is preferably 150 to 360 nm. Within such a range, a plurality of independent first phases, some of which are independent, can be finely dispersed in the microstructure. Therefore, the expansion and contraction of Si due to charge and discharge can be effectively suppressed, and the durability can be improved.
(4)一部が第一の相と第二の相との共晶組織となっている構造
上記好ましい構造を有するSi含有合金は、微細組織中において、一部が第一の相と第二の相との共晶組織となっている構造を有する。微細組織中において一部が第一の相と第二の相とが共晶組織となっていることにより、充放電過程における共晶組織中の第二の相(a−Si相)の膨張を、共晶化した第一の相が抑え込んで抑制することができる。つまり、a−Si相の膨張を共晶化した第一の相(TiSi2相)と一部が独立した第一の相(TiSi2相)とにより抑え込むことができる、すなわち2段構えの抑え込みで第二の相の膨張を抑制することができる。またa−Si相(特にSi活物質)の低い電子伝導性を改善することができる。
(4) Structure in which a part has a eutectic structure of a first phase and a second phase The Si-containing alloy having the above-described preferable structure has a part in the microstructure of the first phase and the second phase. It has a eutectic structure with the phase. Since the first phase and the second phase are partly a eutectic structure in the fine structure, the expansion of the second phase (a-Si phase) in the eutectic structure during the charge/discharge process is suppressed. The eutecticized first phase can be suppressed and suppressed. That is, the expansion of the a-Si phase can be suppressed by the eutecticized first phase (TiSi 2 phase) and the partially independent first phase (TiSi 2 phase), that is, the suppression of the two-step stance. Thus, the expansion of the second phase can be suppressed. In addition, the low electronic conductivity of the a-Si phase (particularly Si active material) can be improved.
共晶組織中において、第一の相の最頻半径の上限は、特に制限されないが、好ましくは60nm以下であり、より好ましくは54nm以下である。また、前記共晶組織中の第二の相の最頻半径の下限は、特に制限されないが、好ましくは20nm以上であり、より好ましくは25nm以上であり、さらに好ましくは30nm以上である。かかる範囲であることにより、上記効果をより有効に発現することができる。 In the eutectic structure, the upper limit of the mode radius of the first phase is not particularly limited, but is preferably 60 nm or less, more preferably 54 nm or less. The lower limit of the mode radius of the second phase in the eutectic structure is not particularly limited, but is preferably 20 nm or more, more preferably 25 nm or more, and further preferably 30 nm or more. Within such a range, the above effects can be more effectively exhibited.
共晶組織中において、第二の相の最頻半径の上限は、特に制限されないが、好ましくは90nm以下であり、より好ましくは85nm以下であり、さらに好ましくは80nm以下である。また、前記共晶組織中の第二の相の最頻半径の下限は、特に制限されないが、好ましくは40nm以上であり、より好ましくは50nm以上であり、さらに好ましくは60nm以上である。かかる範囲であることにより、上記効果をより有効に発現することができる。 In the eutectic structure, the upper limit of the mode radius of the second phase is not particularly limited, but is preferably 90 nm or less, more preferably 85 nm or less, and further preferably 80 nm or less. The lower limit of the mode radius of the second phase in the eutectic structure is not particularly limited, but is preferably 40 nm or more, more preferably 50 nm or more, and further preferably 60 nm or more. Within such a range, the above effects can be more effectively exhibited.
共晶組織中において、第二の相の半径分布は、好ましくは10〜200nmであり、より好ましくは20〜150nmであり、さらに好ましくは25〜120nmである。かかる範囲であることにより、上記効果をより有効に発現することができる。 In the eutectic structure, the radius distribution of the second phase is preferably 10 to 200 nm, more preferably 20 to 150 nm, and further preferably 25 to 120 nm. Within such a range, the above effects can be more effectively exhibited.
本実施形態において、共晶組織中の、第二の相の最頻半径に対する第一の相の最頻半径の比は、好ましくは1.00以下であり、より好ましくは0.95以下であり、さらに好ましくは0.90以下である。また、共晶組織中の、第二の相の最頻半径に対する第一の相の最頻半径の比の下限は、特に制限されないが、例えば0.40以上であり、好ましくは0.50以上であり、より好ましくは0.60以上であり、さらに好ましくは0.70以上であり、特に好ましくは0.80以上である。すなわち、充放電に直接寄与する共晶組織中の第二の相(a−Si相)に対する共晶組織中の第一の相(シリサイド相)の割合を大きくしなくても、効果的に充放電過程における共晶組織中の第二の相(a−Si相)の膨張を抑え込むことができる。 In the present embodiment, the ratio of the mode radius of the first phase to the mode radius of the second phase in the eutectic structure is preferably 1.00 or less, more preferably 0.95 or less. , And more preferably 0.90 or less. The lower limit of the ratio of the modal radius of the first phase to the modal radius of the second phase in the eutectic structure is not particularly limited, but is, for example, 0.40 or more, preferably 0.50 or more. And more preferably 0.60 or more, further preferably 0.70 or more, and particularly preferably 0.80 or more. That is, even if the ratio of the first phase (silicide phase) in the eutectic structure to the second phase (a-Si phase) in the eutectic structure that directly contributes to charging/discharging is not increased, charging is effectively performed. It is possible to suppress the expansion of the second phase (a-Si phase) in the eutectic structure during the discharge process.
上記(1)〜(4)の構造を有するSi含有合金は、例えば液体急冷ロール凝固法で、所定の合金原料を溶融し、所定の冷却速度で急冷し合金化することで、液相中に複数の独立した第一の相が初晶として晶出し、この独立した第一の相の隙間の液相に第一の相と第二の相の共晶組織が晶出して得られる。 The Si-containing alloy having the structures of (1) to (4) above is melted in a liquid quenching roll solidification method to melt a predetermined alloy raw material, and is rapidly cooled at a predetermined cooling rate to be alloyed to form a liquid phase. A plurality of independent first phases are crystallized as primary crystals, and the eutectic structure of the first phase and the second phase is crystallized in the liquid phase in the gap between the independent first phases.
上記の一部が複数の独立したシリサイド相(第一の相)及び共晶組織中のシリサイド相(第一の相)には、それぞれ複数の相が存在していてもよく、例えば遷移金属元素MとSiとの組成比が異なる2相以上(例えば、MSi2およびMSi)が存在していてもよい。また、異なる遷移金属元素とのケイ化物を含むことにより、2相以上が存在していてもよい。ここで、シリサイド相(第一の相)に含まれる遷移金属の種類について特に制限はないが、好ましくはTi、Zr、Ni、Cu、Mo、V、Nb、Sc、Y、Co、CrおよびFeからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、より好ましくはTiまたはZrであり、特に好ましくはTiである。これらの元素は、ケイ化物を形成した際に他の元素のケイ化物よりも高い電子伝導度を示し、かつ高い強度を有するものである。特に遷移金属元素がTiである場合のシリサイドであるTiSi2は、非常に優れた電子伝導性を示すため、好ましい。 A plurality of phases may exist in the silicide phase (first phase) in which a part of the above is independent and the silicide phase (first phase) in the eutectic structure. Two or more phases having different composition ratios of M and Si (for example, MSi 2 and MSi) may be present. Moreover, two or more phases may be present by containing silicides with different transition metal elements. Here, the kind of transition metal contained in the silicide phase (first phase) is not particularly limited, but Ti, Zr, Ni, Cu, Mo, V, Nb, Sc, Y, Co, Cr and Fe are preferable. It is at least one selected from the group consisting of, more preferably Ti or Zr, and particularly preferably Ti. These elements have higher electron conductivity than silicides of other elements when forming silicides and have high strength. In particular, TiSi 2 which is a silicide in the case where the transition metal element is Ti is preferable because it shows extremely excellent electron conductivity.
遷移金属元素MがTiであり、シリサイド相に組成比が異なる2相以上(例えば、TiSi2およびTiSi)が存在する場合は、シリサイド相の50質量%以上、好ましくは80質量%以上、さらに好ましくは90質量%以上、特に好ましくは95質量%以上、最も好ましくは100質量%がTiSi2相である。 When the transition metal element M is Ti and there are two or more phases having different composition ratios in the silicide phase (for example, TiSi 2 and TiSi), 50% by mass or more, preferably 80% by mass or more of the silicide phase, and further preferably Is 90% by mass or more, particularly preferably 95% by mass or more, and most preferably 100% by mass is the TiSi 2 phase.
さらに、遷移金属元素MがTiである場合、化学熱力学(CALPHAD法=計算状態図法)によれば、図31のSi−Ti二元系状態図より、Si−Tiは非常に強い結合性を示す。図32のSi−Al二元系状態図より、Si−Alは液体状態では引付合うが、固相中では反発する。また、図33のTi−Al二元系状態図より、Ti−Alは結合性を示すことが分かる。つまり、本発明のSi−Al−Ti合金では、Tiに比べAlを少量含有することにより、例えば急冷凝固法などにより液体状態から冷却する場合には、液相中にAlがとどまり、TiおよびSiを引き付け、TiSi2の晶出を抑制することができる。このため、初晶TiSi2を微細化でき、独立した初晶TiSi2相が組織中に細かく分散することにより、効果的に、充放電に伴うSiの膨張収縮を抑制できるようになり、耐久性を向上できる。 Further, when the transition metal element M is Ti, according to the chemical thermodynamics (CALPHAD method=calculation phase diagram method), Si-Ti has a very strong bonding property from the Si-Ti binary system phase diagram of FIG. Show. From the Si-Al binary system phase diagram of FIG. 32, Si-Al attracts in a liquid state, but repels in a solid phase. Further, from the Ti-Al binary system phase diagram of FIG. 33, it can be seen that Ti-Al exhibits binding properties. That is, in the Si-Al-Ti alloy of the present invention, by containing a small amount of Al as compared with Ti, when cooling from a liquid state by, for example, a rapid solidification method, Al remains in the liquid phase and Ti and Si Can be attracted and crystallization of TiSi 2 can be suppressed. Therefore, the primary crystal TiSi 2 can be made finer, and the independent primary crystal TiSi 2 phase is finely dispersed in the structure, so that the expansion and contraction of Si due to charge and discharge can be effectively suppressed, and the durability can be improved. Can be improved.
上記二元系状態図は、スウェーデン Thermo−Calc software AB社製(日本代理店:伊藤忠テクノソリューションズ株式会社)の統合型熱力学計算システム:Thermo−Calc Ver2015aを用い、熱力学データベースとして、固溶体汎用データベース:SSOL5(SGTE* Solution Database,ver.5.0)を用いて、計算することができる。
*SGTE:Scientific Group Thermodata Europe。
The above binary system phase diagram uses a solid solution general-purpose database as a thermodynamic database using an integrated thermodynamic calculation system: Thermo-Calc Ver2015a manufactured by Sweden Thermo-Calc software AB (Japanese agency: ITOCHU Technosolutions Co., Ltd.). : SSOL5 (SGTE* Solution Database, ver. 5.0) can be used for the calculation.
*SGTE: Scientific Group Thermodata Europe.
上記Si含有合金の微細組織が上記(1)〜(4)の構成(構造)を有することは、例えば、高分解能STEM(走査透過型電子顕微鏡)観察、EDX(エネルギー分散型X線分光法)による元素分析、電子回折測定及びEELS(電子エネルギー損失分光法)測定により、負極活物質粒子であるSi含有合金(粒子)の微細組織の構造を明らかにすることができる。分析装置(分析法)としては、例えば、XPS(X線光電子分光法)、TEM−EDX(透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法)、STEM−EDX/EELS(走査透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法/電子エネルギー損失分光分析器)、HAADF−STEM(高角度散乱暗視野−走査透過電子顕微鏡像)、BF−STEM(明視野−走査透過電子顕微鏡像)などを使用することができる。但し、本実施形態では、これらに何ら制限されるものではなく、既存の合金の微細組織に用いられる各種の観察装置(装置条件、測定条件)を用いてもよい。 The fact that the microstructure of the Si-containing alloy has the configuration (structure) of (1) to (4) above means that, for example, high-resolution STEM (scanning transmission electron microscope) observation, EDX (energy dispersive X-ray spectroscopy) The structure of the fine structure of the Si-containing alloy (particles) that is the negative electrode active material particles can be clarified by elemental analysis by means of, electron diffraction measurement, and EELS (electron energy loss spectroscopy) measurement. Examples of the analyzer (analysis method) are XPS (X-ray photoelectron spectroscopy), TEM-EDX (transmission electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy), STEM-EDX/EELS (scanning transmission electron microscope-). Energy dispersive X-ray spectroscopy/electron energy loss spectroscopy analyzer), HAADF-STEM (high angle scattering dark field-scanning transmission electron microscope image), BF-STEM (bright field-scanning transmission electron microscope image), etc. are used. be able to. However, the present embodiment is not limited to these, and various observation devices (device conditions and measurement conditions) used for the microstructure of existing alloys may be used.
(Si含有合金の微細組織構造の解析)
以下では、上記微細組織構造を有する負極活物質の微細構造を、実施例1で作製したSi含有合金(粒子)を試料(サンプル)に用いた例につき説明する。しかし、他の本実施形態で得られる負極活物質であるSi含有合金(粒子)についても同様にして、合金(粒子)の微細組織構造を明らかにすることができる。また、実施例2〜5および比較例1〜2についても、同様の方法を用いることにより、解析することができる。
(Analysis of microstructure of Si-containing alloy)
Hereinafter, the fine structure of the negative electrode active material having the above-described fine structure will be described with reference to an example in which the Si-containing alloy (particles) produced in Example 1 is used as a sample. However, the microstructure structure of the alloy (particles) can be clarified in the same manner for the other Si-containing alloy (particles) that is the negative electrode active material obtained in this embodiment. In addition, Examples 2 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 can also be analyzed by using the same method.
1.分析方法
1−1.試料調製
FIB(集束イオンビーム)法:マイクロサンプリングシステム(日立製作所製,FB−2000A)
Alグリッドを使用する。
1. Analysis method 1-1. Sample preparation FIB (Focused Ion Beam) method: Micro sampling system (Hitachi, FB-2000A)
Use an Al grid.
1−2.STEMimage、EDX、EELS(電子エネルギー損失分光法)測定装置及び条件
1)装置:原子分解能分析電子顕微鏡 日本電子株式会社製JEM−ARM200
EDX(Energy dispersive X−ray Spectroscopy):日本電子株式会社製JED−2300(100mm2シリコンドリフト(SDD)型)
システム:Analysis Station
EELS(Electron Energy Loss Spectroscopy):GATAN GIF Quantum
画像取得;Digital Micrograph
2)測定条件
加速電圧:200kV
ビーム径:約0.2nmφ(直径)
エネルギー分解能:約0.5eV FWHM。
1-2. STEMimage, EDX, EELS (electron energy loss spectroscopy) measuring device and conditions 1) Device: atomic resolution analysis electron microscope JEM-ARM200 manufactured by JEOL Ltd.
EDX (Energy dispersive X-ray Spectroscopy): JED-2300 (100 mm 2 silicon drift (SDD) type, manufactured by JEOL Ltd.)
System: Analysis Station
EELS (Electron Energy Loss Spectroscopy): GATAN GIF Quantum
Image acquisition; Digital Micrograph
2) Measurement conditions Acceleration voltage: 200kV
Beam diameter: about 0.2 nmφ (diameter)
Energy resolution: about 0.5 eV FWHM.
1−3.電子回折測定装置及び条件
1)装置;電界放出型電子顕微鏡 日本電子株式会社製JEM2100F;
画像取得;Digital Micrograph
2)測定条件
加速電圧:200kV
ビーム径:1.0nmφ(直径)程度。
1-3. Electron Diffraction Measuring Device and Conditions 1) Device; Field Emission Electron Microscope JEM2100F manufactured by JEOL Ltd.;
Image acquisition; Digital Micrograph
2) Measurement conditions Acceleration voltage: 200kV
Beam diameter: about 1.0 nmφ (diameter).
2.STEM−EDX(走査透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法)による(定量マッピング)分析
図3は、実施例1のSi67.6Al1.2Ti31.2の急冷薄帯合金の断面SEM(走査型電子顕微鏡)画像を表す図面である。図3および下記で説明する図4〜8の分析結果より、実施例1のSi含有合金は、一部が独立した第一の相(TiSi2相)と、一部が第一の相と第二の相との共晶組織となっている構造とを有することを確認できる。
2. (Quantitative Mapping) Analysis by STEM-EDX (Scanning Transmission Electron Microscope-Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) FIG. 3 is a graph of a quenched ribbon of Si 67.6 Al 1.2 Ti 31.2 of Example 1. It is drawing showing a cross-sectional SEM (scanning electron microscope) image. From the analysis results of FIG. 3 and FIGS. 4 to 8 described below, the Si-containing alloy of Example 1 has a partially independent first phase (TiSi 2 phase) and a partially first phase and a second phase. It can be confirmed that the structure has a eutectic structure with the second phase.
図4〜8は、図3において示す共晶部の組織構造を分析したものである。 4 to 8 analyze the structure of the eutectic portion shown in FIG.
図4は、実施例1の負極活物質(Si含有合金)粒子からFIB法により試料を調製し、その試料のBF−STEM(明視野−走査透過電子顕微鏡像)およびHAADF−STEM(高角度散乱暗視野−走査透過電子顕微鏡像)による観察画像(低倍率)である。測定対象は、実施例1で作製したSi含有合金(負極活物質)粒子とした。前記Si含有合金(負極活物質)粒子の平均粒子径D50は、6μmであり、前記Si含有合金(負極活物質)粒子の平均粒子径D90は、19μmであった。そして、前記Si含有合金(負極活物質)粒子表面を2質量%のアルミナでコーティングした後、そのコーティングした粒子の断面を観察対象とした。 FIG. 4 shows a sample prepared from the negative electrode active material (Si-containing alloy) particles of Example 1 by the FIB method, and BF-STEM (bright field-scanning transmission electron microscope image) and HAADF-STEM (high-angle scattering) of the sample. It is an observation image (low magnification) by a dark field-scanning transmission electron microscope image. The measurement target was the Si-containing alloy (negative electrode active material) particles produced in Example 1. The average particle diameter D50 of the Si-containing alloy (negative electrode active material) particles was 6 μm, and the average particle diameter D90 of the Si-containing alloy (negative electrode active material) particles was 19 μm. Then, the surface of the Si-containing alloy (negative electrode active material) particles was coated with 2% by mass of alumina, and the cross section of the coated particles was observed.
図5は、STEM−EDX(走査透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法)による定量マッピングデータを示した図面(低倍率)である。図5(a)は、図4(b)と同一のHAADF−STEM画像である。図5(b)〜(d)は、それぞれHAADF−STEM(図5(a))と同一視野で測定したAl、SiおよびTiのマッピングデータを示した図面である。図5(e)は、図5(b)〜(d)のマッピングデータを重ねあわせた図面である。なお、図5(b)〜5(e)のマッピングは実際には、カラーリング(色づけ)できるため、例えば、Alを緑、Siを青、Tiを赤とすれば、シリサイド(TiSi2)は、Siの青とTiの赤が混ざり合ったピンクになるため、一目で判別し得る。しかし、出願図面では、白黒画像で提出する必要があることから、こうしたカラーリングにより明らかになった解析情報を図4(b)や図5(e)中に盛り込んでいる。これは当業者であれば、図5と同様にSTEM−EDX(走査透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法)による定量マッピングデータから本願と同様の画像解析により、同様の解析情報を容易に得ることができるためである。因みに、図5(b)〜5(d)では、Al、SiおよびTiそれぞれの存在をグレーの濃淡または白で表しており、これらの元素が存在しない部分を黒で表している。これにより、測定対象の活物質合金Si67.6Al1.2Ti31.2(実施例1の負極活物質)を構成する元素であるSi、AlおよびTiの存在および分布状態も確認できる。 FIG. 5 is a drawing (low magnification) showing quantitative mapping data by STEM-EDX (scanning transmission electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy). FIG. 5A is the same HAADF-STEM image as that of FIG. 4B. FIGS. 5B to 5D are drawings showing mapping data of Al, Si, and Ti measured in the same field of view as HAADF-STEM (FIG. 5A). FIG. 5E is a drawing in which the mapping data of FIGS. 5B to 5D are superimposed. In addition, since the mappings of FIGS. 5B to 5E can actually be colored (colored), for example, when Al is green, Si is blue, and Ti is red, silicide (TiSi 2 ) is not generated. , And blue of Si and red of Ti are mixed to form a pink, which can be identified at a glance. However, since it is necessary to submit a black and white image in the application drawing, analysis information clarified by such coloring is included in FIG. 4(b) and FIG. 5(e). Those skilled in the art can easily obtain similar analysis information by image analysis similar to the present application from quantitative mapping data by STEM-EDX (scanning transmission electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy) as in FIG. This is because it can be obtained. Incidentally, in FIGS. 5B to 5D, the presence of each of Al, Si and Ti is represented by gray shades or white, and the portions where these elements do not exist are represented by black. From this, it is possible to confirm the existence and distribution state of Si, Al and Ti which are the elements constituting the active material alloy Si 67.6 Al 1.2 Ti 31.2 (negative electrode active material of Example 1) to be measured.
上記分析において、STEM像観察には、試料を透過した電子線を用いて結像する明視野(Bright−field:BF)STEM像と、試料から散乱された電子線を用いて結像する暗視野(Dark−field:DF)STEM像の2種類の観察法がある。図4(a)に示すBF−STEM像では、通常のTEM像と同様に、試料の内部構造を示す透過像、図4(b)に示す(HAA)DF−STEM像では、試料の組成を反映したコントラストが得られる組成像の観察できる。特に、HAADF(高角散乱環状暗視野)では、原子番号(Z)に起因する弾性散乱電子contrastが優勢なためZ−contrast像ともいわれる結像法である。原子番号の大きな物質が明るく見える(図4(b)、図5(a)、図6(b)、図7(b)、図8(a)、図9(a)、図10(a)参照)。HAADF−STEM(高角散乱環状暗視野走査透過顕微鏡法)では、像は細く絞った電子線を試料に操作させながら当て、透過電子のうち高角に散乱したものを環状の検出器で検出することにより得られる。Z2ρが大きな材料の方がより高角に散乱されることから、重い元素はSTEM像では暗く、HAADF−STEM像では明るい。原子量(Z)に比例したコントラストが得られることからZコントラスト像とも呼ばれる。またSTEM−EDX定量マッピングでは、電子線を細く絞り試料上を走査しながら、各点から発生した特性X線をEDS(Energy−Dispersive−Spectroscopy)検出器に取り込むことにより、試料の組成分布の情報を得ることができる。透過型電子顕微鏡(TEM)測定では、走査型電子顕微鏡(SEM)測定に見られる様な電子線の拡散が殆どないため、ナノメーターの空間分解能で測定が可能となる。 In the above analysis, for the STEM image observation, a bright field (Bright-field: BF) STEM image formed by using an electron beam transmitted through the sample and a dark field formed by using an electron beam scattered from the sample There are two types of (Dark-field: DF) STEM image observation methods. In the BF-STEM image shown in FIG. 4A, the transmission image showing the internal structure of the sample is shown in the same manner as the normal TEM image, and in the (HAA)DF-STEM image shown in FIG. 4B, the composition of the sample is shown. The composition image that provides the reflected contrast can be observed. Particularly, in HAADF (high-angle scattering annular dark field), elastic scattering electron contrast due to atomic number (Z) is predominant, so this is an imaging method also called Z-contrast image. A substance with a large atomic number looks bright (FIG. 4(b), FIG. 5(a), FIG. 6(b), FIG. 7(b), FIG. 8(a), FIG. 9(a), FIG. 10(a)). reference). In HAADF-STEM (High Angle Scattering Annular Dark Field Scanning Transmission Microscopy), the image is applied by operating a sample with a narrowed electron beam, and high-angle scattered electrons among the transmitted electrons are detected by a circular detector. can get. The heavier element is darker in the STEM image and brighter in the HAADF-STEM image because the material having a large Z2ρ is scattered at a higher angle. It is also called a Z-contrast image because a contrast proportional to the atomic weight (Z) can be obtained. In the STEM-EDX quantitative mapping, the characteristic X-rays generated from each point are taken into an EDS (Energy-Dispersive-Spectroscopy) detector while scanning the sample with a narrow electron beam and information on the composition distribution of the sample is obtained. Can be obtained. In the transmission electron microscope (TEM) measurement, there is almost no diffusion of the electron beam as seen in the scanning electron microscope (SEM) measurement, and therefore the measurement can be performed with a spatial resolution of nanometer.
図5(e)のAl、SiおよびTiを重ねあわせたマッピングデータより、試料の微細組織中に、シリサイド相(第一の相)とAlを含むSi相(第二の相)とが共晶組織(それぞれ違った成分比の(固溶体)結晶ないし非晶質又は低結晶性である、第一の相と第二の相とが混ざりあっている組織)となっていることが確認できる。 From the mapping data in which Al, Si, and Ti are overlapped with each other in FIG. 5E, the silicide phase (first phase) and the Si phase containing Al (second phase) are eutectic in the microstructure of the sample. It can be confirmed that it has a structure (a structure in which the first phase and the second phase are mixed, which are (solid solution) crystals or amorphous or low crystalline with different component ratios).
共晶組織であることは、カラーリングした場合、以下により確認できる。すなわち、図(b)〜(d)と対比することで、図5(e)の全面において、シリサイド相(第一の相)とAlを含むSi相(第二の相)との共晶であることが確認できる。 The eutectic structure can be confirmed by the following when colored. That is, by comparing with FIGS. 5B to 5D, the eutectic of the silicide phase (first phase) and the Si phase containing Al (second phase) is formed on the entire surface of FIG. 5E. It can be confirmed that there is.
図6は、図3の共晶部(図4)の部分を図4よりも拡大したSTEM画像である(中倍率)。下記図8の観察結果から、図6(b)において、比較的淡いグレーの部分がシリサイド相(第一の相)に相当し、相対的に濃いグレーの部分がAlを含むSi相(第二の相)に相当することが分かる。また、共晶組織中、シリサイド相(第一の相)とAlを含むSi相(第二の相)とが微細化し、隣接していることが確認できる。 FIG. 6 is a STEM image in which the portion of the eutectic portion (FIG. 4) in FIG. 3 is enlarged as compared with FIG. 4 (medium magnification). From the observation result of FIG. 8 below, in FIG. 6B, the relatively light gray portion corresponds to the silicide phase (first phase), and the relatively dark gray portion corresponds to the Si phase containing Al (second It is understood that it corresponds to the phase). Further, it can be confirmed that in the eutectic structure, the silicide phase (first phase) and the Si phase containing Al (second phase) are miniaturized and are adjacent to each other.
図7は、図3の共晶部(図4)の部分を図6よりも拡大したSTEM画像である(高倍率)。 FIG. 7 is a STEM image in which the portion of the eutectic portion (FIG. 4) in FIG. 3 is enlarged as compared with FIG. 6 (high magnification).
図8は、図5と同様に、STEM−EDX(走査透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法)による定量マッピングデータを示した図面(高倍率)である。図8(a)は、図7(b)と同一のHAADF−STEM画像である。図8(b)〜(d)は、それぞれHAADF−STEM(図8(a))と同一視野で測定したAl、SiおよびTiのマッピングデータを示した図面である。図5(e)は、図8(b)〜(d)のマッピングデータを重ねあわせた図面である。なお、図8(b)〜8(e)のマッピングは実際には、カラーリング(色づけ)できるため、例えば、Alを緑、Siを青、Tiを赤とすれば、シリサイド(TiSi2)は、Siの青とTiの赤が混ざり合ったピンクになるため、一目で判別し得るが、出願図面では、白黒画像で提出する必要があることから、こうしたカラーリングにより明らかになった解析情報を図8(b)および(d)中に盛り込んでいる。これは当業者であれば、図8と同様にSTEM−EDX(走査透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法)による定量マッピングデータから本願と同様の画像解析により、同様の解析情報を容易に得ることができるためである。 Similar to FIG. 5, FIG. 8 is a drawing (high magnification) showing quantitative mapping data by STEM-EDX (scanning transmission electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy). FIG. 8A is the same HAADF-STEM image as that of FIG. 7B. FIGS. 8B to 8D are drawings showing mapping data of Al, Si and Ti measured in the same field of view as HAADF-STEM (FIG. 8A). FIG. 5E is a drawing in which the mapping data of FIGS. 8B to 8D are superimposed. In addition, since the mappings of FIGS. 8B to 8E can actually be colored (colored), for example, if Al is green, Si is blue, and Ti is red, silicide (TiSi 2 ) is not generated. , The blue color of Si and the red color of Ti are mixed to make a pink color, which can be identified at a glance, but it is necessary to submit a black and white image in the application drawing. It is included in FIGS. 8B and 8D. Those skilled in the art can easily obtain the same analysis information from the quantitative mapping data by STEM-EDX (scanning transmission electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy) as in FIG. This is because it can be obtained.
因みに、図8(b)〜8(d)では、Al、SiおよびTiがそれぞれ存在しない部分が黒色で表され、これらの元素が存在する部分は、グレーないし白で表されている。これにより、測定対象である実施例1のSi含有合金(負極活物質)Si67.6Al1.2Ti31.2を構成する元素であるSi、Sn、Tiの存在なおよび分布状態が確認できる。 Incidentally, in FIGS. 8B to 8D, portions where Al, Si and Ti are not present are shown in black, and portions where these elements are present are shown in gray or white. This confirms the presence and distribution state of Si, Sn, and Ti which are the elements constituting the Si-containing alloy (negative electrode active material) Si 67.6 Al 1.2 Ti 31.2 of Example 1 which is the measurement target. it can.
図8(a)と、図8(e)のAl、SiおよびTiを重ねあわせたマッピングデータとを対比することで、シリサイド相(第一の相)とAlを含むSi相(第二の相)とが共晶組織(それぞれ違った成分比の(固溶体)結晶ないし非晶質又は低結晶性である、第一の相と第二の相とが混ざりあっている組織)となっていることが確認できる。 By comparing FIG. 8A and the mapping data of FIG. 8E in which Al, Si, and Ti are superimposed, the silicide phase (first phase) and the Si phase containing Al (second phase) are compared. ) And have a eutectic structure (a (solid solution) crystal or amorphous or low crystallinity with different composition ratios, a structure in which the first phase and the second phase are mixed). Can be confirmed.
詳しくは、図8(e)中の相対的に淡いグレーまたは白の部分は、図8(b)よりAl相であることが分かる。図8(e)の相対的に最も濃いグレーの部分(例えば、中央部分)は、図8(c)および(d)より、Tiが存在しない場所、つまりSi相であることが分かる。また、図8(c)および(d)より、Al相およびSi相に相当する部分以外は、シリサイド相であることが分かる。 Specifically, it can be seen from FIG. 8B that the relatively light gray or white portion in FIG. 8E is the Al phase. From FIG. 8C and FIG. 8D, it can be seen that the relatively darkest gray portion (for example, the central portion) of FIG. 8E is the place where Ti does not exist, that is, the Si phase. Further, it is understood from FIGS. 8C and 8D that the portions other than the portions corresponding to the Al phase and the Si phase are the silicide phases.
以上より、共晶組織において、シリサイド相(第一の相)と、Alを含むSi相(第二の相)とが共晶組織となっていることが分かる。 From the above, it can be seen that in the eutectic structure, the silicide phase (first phase) and the Si phase containing Al (second phase) have a eutectic structure.
共晶組織であることは、カラーリングした場合、以下により確認できる。すなわち、図8(e)には、ピンク、青および緑の部分が存在している。図8(d)を見ると、図8(e)の青い部分には、Tiが存在しないまたはほとんど存在しないことが分かる。つまり、図8(e)の青い部分は、Si相であることが確認できる。一方で、ピンクの部分は、図8(c)の青(Siが存在する部分)と、図8(d)の赤(Tiが存在する部分)とが混ざりあったものである。つまり、図8(e)のピンクの部分は、シリサイド相(TiSi2)であることが確認できる。また、図8(e)の青い部分には、緑の部分(Alが存在する部分)が内包されていることが確認できる。このことは、一部のAlがSi中に固溶されていることを示している。また、それ以外のAlは、Si相およびTiSi2相に分散していることも確認できる。 The eutectic structure can be confirmed by the following when colored. That is, pink, blue, and green parts are present in FIG. From FIG. 8D, it can be seen that Ti does not exist or hardly exists in the blue portion of FIG. 8E. That is, it can be confirmed that the blue portion in FIG. 8E is the Si phase. On the other hand, the pink portion is a mixture of blue (a portion where Si exists) in FIG. 8C and red (a portion where Ti exists) in FIG. 8D. That is, it can be confirmed that the pink portion in FIG. 8E is the silicide phase (TiSi 2 ). In addition, it can be confirmed that the green part (the part where Al exists) is included in the blue part of FIG. This indicates that a part of Al is solid-dissolved in Si. It can also be confirmed that Al other than that is dispersed in the Si phase and the TiSi 2 phase.
3.HAADF−STEM Image(高角度散乱暗視野−走査透過電子顕微鏡像)と元素分析法による分析
図9および10は、実施例1のSi含有合金の共晶組織中のシリサイド相またはアモルファスSi相の微細組織構造を分析した結果を示す写真およびグラフである。
3. Analysis by HAADF-STEM Image (High Angle Scattering Dark Field-Scanning Transmission Electron Microscope Image) and Elemental Analysis FIGS. 9 and 10 show the fineness of the silicide phase or amorphous Si phase in the eutectic structure of the Si-containing alloy of Example 1. It is a photograph and a graph which show the result of having analyzed the organization structure.
図9(a)は、実施例1のSi含有合金の共晶組織部分を拡大したHAADF−STEM画像である。図9(b)は、図9(a)における太線で囲んだ部分(画像中の7;シリサイド相が存在するとものと考えられた部分)について、元素分析したグラフである。 FIG. 9A is a HAADF-STEM image in which the eutectic structure portion of the Si-containing alloy of Example 1 is enlarged. FIG. 9B is a graph obtained by elemental analysis of a portion surrounded by a thick line in FIG. 9A (7 in the image; a portion thought to have a silicide phase).
図10(a)は、図9(a)と同一の、実施例1のSi含有合金の共晶組織部分を拡大したHAADF−STEM画像である。図10(b)は、図10(a)における太線で囲んだ部分(画像中の8;a−Si相が存在するとものと考えられた部分)について、元素分析した図面である。 FIG. 10A is a HAADF-STEM image in which the eutectic structure portion of the Si-containing alloy of Example 1 is enlarged, which is the same as FIG. 9A. FIG. 10B is a drawing in which an elemental analysis is performed on a portion surrounded by a thick line in FIG. 10A (8 in the image; a portion considered to have an a-Si phase).
図9(b)より、元素分布の観察対象とする部分である図9(a)の7の部分では、Si元素のピークとTi元素のピークが観察されており、Al元素のピークはほとんど観察されない。また図9(b)より、SiとTiとがほぼ2:1の原子比で存在していることが確認された。このことからも、当該7の部分を含む相対的に淡いグレー部分は、シリサイド(TiSi2相)であることが確認できる。 From FIG. 9B, the peak of the Si element and the peak of the Ti element are observed and the peak of the Al element is almost observed in the portion 7 of FIG. 9A, which is the portion where the element distribution is to be observed. Not done. Further, from FIG. 9B, it was confirmed that Si and Ti exist in an atomic ratio of approximately 2:1. From this, it can be confirmed that the relatively light gray portion including the portion 7 is silicide (TiSi2 phase).
図10(b)より、元素分布の観察対象とする部分である図10(a)の8の部分では、Si元素のピークが観察されており、Al元素及びTi元素のピークはほとんど観察されない。すなわち、図10(a)の8の部分は、Si相(第二の相)であることが確認できる。 From FIG. 10B, the Si element peak is observed and the Al element and Ti element peaks are scarcely observed in the portion 8 of FIG. 10A, which is the portion where the element distribution is to be observed. That is, it can be confirmed that the portion 8 in FIG. 10A is the Si phase (second phase).
4.電子回折図形による分析
図11(a)は、実施例1のSi含有合金の共晶組織を拡大したBF−STEM Image(高角度散乱暗視野−走査透過電子顕微鏡像)を表す図面である。図11(a)において、左上の囲い部分(FFT3)が共晶組織中のシリサイド相を示し、右側の囲い部分(FFT4)が共晶組織中のSi相(a−Si相)を示す。図11(b)は、共晶組織中のシリサイド相の領域を電子回折測定により高速フーリエ変換処理して得られた回折図形である。図11(c)は、共晶組織中のSi相(a−Si相)の領域を電子回折測定により高速フーリエ変換処理して得られた回折図形である。
4. Analysis by Electron Diffraction Diagram FIG. 11A is a drawing showing a BF-STEM Image (high-angle scattering dark field-scanning transmission electron microscope image) in which the eutectic structure of the Si-containing alloy of Example 1 is enlarged. In FIG. 11A, the upper left enclosure (FFT3) shows the silicide phase in the eutectic structure, and the right enclosure (FFT4) shows the Si phase (a-Si phase) in the eutectic structure. FIG. 11B is a diffraction pattern obtained by subjecting the region of the silicide phase in the eutectic structure to fast Fourier transform by electron diffraction measurement. FIG. 11C is a diffraction pattern obtained by subjecting the Si phase (a-Si phase) region in the eutectic structure to fast Fourier transform by electron diffraction measurement.
電子回折測定により高速フーリエ変換処理して得られた回折図形では、単結晶相については二次元点配列のネットパターン(格子状のスポット)が得られ、多結晶相についてはデバイシェラーリング(回折環)が得られ、アモルファス相についてはハローパターンが得られる。さらに、二次元点配列のネットパターン(シリサイド相)については、その結晶構造を特定することもできる。 In the diffraction pattern obtained by the fast Fourier transform processing by electron diffraction measurement, a net pattern (lattice-like spots) of a two-dimensional dot array is obtained for the single crystal phase, and a Debye-Scherrer ring (diffraction ring) is obtained for the polycrystalline phase. ) Is obtained, and a halo pattern is obtained for the amorphous phase. Furthermore, the crystal structure of the two-dimensional dot array net pattern (silicide phase) can be specified.
図11(b)に示す回折図形から、二次元点配列のネットパターン(ラウエパターン)が得られている。よって、共晶組織中のシリサイド相(TiSi2相)は、単結晶相であることが確認できる。 A net pattern (Laue pattern) of a two-dimensional point array is obtained from the diffraction pattern shown in FIG. Therefore, it can be confirmed that the silicide phase (TiSi 2 phase) in the eutectic structure is a single crystal phase.
また、図11(c)に示す回折図形から、デバイシェラーリング(回折環)およびハローパターンの回折環が得られている。よって、共晶組織中のSi相(第二の相)は、多結晶相であり、非晶質または低結晶性のSi(a−Si)を有するアモルファス相であることが確認できる。 Also, from the diffraction pattern shown in FIG. 11C, a Debye-Scherrer ring (diffraction ring) and a halo pattern diffraction ring are obtained. Therefore, it can be confirmed that the Si phase (second phase) in the eutectic structure is a polycrystalline phase and is an amorphous phase having amorphous or low crystalline Si (a-Si).
以上より、実施例1のSi含有合金の微細組織は、シリサイド相(第一の相)と一部にAlを含むSi相(第二の相)とが共晶組織となっていることが確認できる。図6〜図8からも、実施例1のSi含有合金の微細組織中には、遷移金属のケイ化物(シリサイド)を主成分とするシリサイド相(第一の相)と、一部にAlを含み、非晶質または低結晶性のSiを主成分とするa−Si相(第二の相)とを有し、さらに、一部が複数の独立した第一の相、および一部が第一の相と第二の相との共晶組織となっていることが確認できる。 From the above, it is confirmed that the microstructure of the Si-containing alloy of Example 1 has the eutectic structure of the silicide phase (first phase) and the Si phase (Alpha) partially containing Al (second phase). it can. From FIG. 6 to FIG. 8 as well, in the microstructure of the Si-containing alloy of Example 1, a silicide phase (first phase) whose main component is a silicide of a transition metal (first phase) and Al in part thereof are included. And an a-Si phase (second phase) containing amorphous or low crystalline Si as a main component, and further, a part of the plurality of independent first phases, and a part of the first phase. It can be confirmed that it has a eutectic structure of the first phase and the second phase.
(析出物サイズの分析)
析出計算
スウェーデンThermo−Calc software AB社製(日本代理店:伊藤忠テクノソリューションズ株式会社)の析出成長予測ソフトウェア:TC−PRISMA Ver2015aを用い、熱力学データベースとしてSSOL5を用い、動力学データベースとして同社製MOB2(TCS Alloy Mobility Database Ver.2.5)を用いて、実施例1〜5および比較例1〜2の条件で、析出計算を行った。この析出成長予測ソフトウェアTC−PRISMAは、Langer−SchwartzおよびKampmann−Wagnerの理論に基づいて、析出計算を行うものである[3][4]。
(Analysis of precipitate size)
Precipitation calculation Precipitation growth prediction software: TC-PRISMA Ver2015a manufactured by Sweden Thermo-Calc software AB (Japanese agency: ITOCHU Techno Solutions Co., Ltd.), SSOL5 as a thermodynamic database, and MOB2 manufactured by the same company as a kinetic database ( Precipitation calculation was performed using TCS Alloy Mobility Database Ver.2.5) under the conditions of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2. The precipitation growth prediction software TC-PRISMA performs precipitation calculation based on the theory of Langer-Schwartz and Kampmann-Wagner [3][4].
析出計算は、実施例1〜5および比較例1〜2の条件で行う。以下に示す計算条件および温度プロファイル(図28)を用いる。 The precipitation calculation is performed under the conditions of Examples 1-5 and Comparative Examples 1-2. The calculation conditions and temperature profile (FIG. 28) shown below are used.
[3]:Q.Chen,H.J.Jou,G.Sterner.TC−PRISMA User’s Guide,http://www.thermocalc.com/,2011
[4]:Q.Chen,J.Jeppsson,and J.Agren.,Acta Materialia,Vol.56,pp,1890−1896,2008。
[3]: Q. Chen, H.; J. Jou, G.; Sterner. TC-PRISMA User's Guide, http://www. thermocalc. com/, 2011
[4]: Q. Chen, J.; Jepsson, and J.M. Agren. , Acta Materialia, Vol. 56, pp, 1890-1896, 2008.
計算条件
温度プロファイル:図28(実施例1〜5、比較例1〜2)
合金組成(質量%):Si67.6Al1.2Ti31.2(実施例1)
Si65.0Al2.5Ti32.5(実施例2)
Si66.6Al1.2Ti32.2(実施例3)
Si67.0Al1.8Ti31.2(実施例4)
Si67.3Al1.5Ti31.2(実施例5)
Si65.0Sn5.0Ti30.0(比較例1)
Si60.0Sn10.0Ti30.0(比較例2)
母相/析出相:Liquid/TiSi2、Si(液相に晶出)
核生成モデル:均質核生成
核生成サイト:バルク
界面エネルギー:estimated value(温度ごとに計算)
母相/析出相体積:1E−4(1×10−4)m3。
Calculation conditions Temperature profile: FIG. 28 (Examples 1-5, Comparative Examples 1-2)
Alloy composition (mass %): Si 67.6 Al 1.2 Ti 31.2 (Example 1)
Si 65.0 Al 2.5 Ti 32.5 (Example 2)
Si 66.6 Al 1.2 Ti 32.2 (Example 3)
Si 67.0 Al 1.8 Ti 31.2 (Example 4)
Si 67.3 Al 1.5 Ti 31.2 (Example 5)
Si 65.0 Sn 5.0 Ti 30.0 (Comparative Example 1)
Si 60.0 Sn 10.0 Ti 30.0 (Comparative Example 2)
Mother phase/precipitation phase: Liquid/TiSi 2 , Si (crystallized in liquid phase)
Nucleation Model: Homogeneous Nucleation Nucleation Site: Bulk Interface Energy: Estimated value (calculated for each temperature)
Mother phase/precipitated phase volume: 1E-4 (1×10 −4 )m 3 .
ここで、図28の析出シミュレーションに用いた温度プロファイルは、以下により求めた。 Here, the temperature profile used for the precipitation simulation of FIG. 28 was obtained by the following.
図29は、液体急冷ロール凝固法に用いた装置により得られる急冷薄帯合金の温度を赤外サーモグラフを用いて観察した様子(熱画像)を表した図面である。温度計測には、米国フリアーシステムズ社製(株式会社チノー取扱い)の高分解能赤外サーモグラフィ CPA−SC7500(受光素子:InSb)及び、同機用の50mmレンズを用いて測定した。詳しくは1450℃に溶融した母合金を入れた石英ノズルから回転数4000rpm(周速:41.9m/秒)のCuロール上に母合金を噴射し、ロール上から水平に連続的して形成される薄帯状の合金温度を観察したものである。黄白色に光っている部分が母合金が入り加熱された石英ノズルで、ここに貯めた合金溶湯を急冷ロール表面上に噴射し、ロール上に載った合金薄帯の温度を、フレームレート350Hzにて、320×256ピクセルの熱画像にて、連続的に温度を計測した。ノズル直下のロール部分(ノズルからの距離ゼロ)から2.25mmごとの位置(距離)にある薄帯状の合金温度(観察位置を数字1〜8で示した)について、溶湯噴射中の温度の平均値をそれぞれ計測したものである。 FIG. 29 is a drawing showing a state (thermal image) of observing the temperature of a quenched ribbon alloy obtained by an apparatus used for a liquid quench roll solidification method using an infrared thermograph. For the temperature measurement, a high-resolution infrared thermography CPA-SC7500 (light-receiving element: InSb) manufactured by FLIR Systems Inc. (handled by Chino Co., Ltd.) and a 50 mm lens for the same machine were used for measurement. Specifically, a master nozzle is injected from a quartz nozzle containing a master alloy melted at 1450° C. onto a Cu roll having a rotation speed of 4000 rpm (peripheral speed: 41.9 m/sec), and is continuously formed horizontally from the roll. This is an observation of the temperature of the ribbon-shaped alloy. The part that shines yellowish white is the heated quartz nozzle containing the mother alloy, and the molten alloy stored in this part is sprayed onto the surface of the quenching roll to bring the temperature of the alloy ribbon on the roll to a frame rate of 350 Hz. Then, the temperature was continuously measured with a thermal image of 320×256 pixels. Average of temperature during melt injection for ribbon-shaped alloy temperatures (observation positions are indicated by numerals 1 to 8) at positions (distances) at 2.25 mm intervals from the roll portion immediately below the nozzle (zero distance from the nozzle) Each value is measured.
図30(a)は、ノズルから2.25mmごとの位置(距離)での急冷薄帯合金の温度をプロットしたグラフである。図30(b)は、図30(a)を基にロールの周速から算出した、冷却時間(経過時間)と計測温度との関係を示すグラフである。図30(c)は、各測温点間の温度差/各測温点間の移動時間より算出した、ノズルから2.25mmごとの位置(距離)での冷却速度(急冷速度)を示すグラフである。実施例1において、図30(b)より、1350℃から1100℃に到達するまでの冷却時間が5.37×10−5秒であるため、冷却温度を4.67×106℃/秒と算出できる。 FIG. 30( a) is a graph in which the temperature of the quenched ribbon alloy is plotted at positions (distances) every 2.25 mm from the nozzle. FIG. 30B is a graph showing the relationship between the cooling time (elapsed time) and the measured temperature calculated from the peripheral speed of the roll based on FIG. 30A. FIG. 30C is a graph showing the cooling rate (quenching rate) at the position (distance) of 2.25 mm from the nozzle, which is calculated from the temperature difference between the temperature measuring points/the moving time between the temperature measuring points. Is. In Example 1, since the cooling time from 1350° C. to 1100° C. was 5.37×10 −5 seconds in FIG. 30B, the cooling temperature was 4.67×10 6 ° C./second. Can be calculated.
図28の析出シミュレーションに用いた温度プロファイルは、図30(b)の冷却時間と計測温度との関係のグラフを基に、直線近似することで算出できる。 The temperature profile used for the precipitation simulation in FIG. 28 can be calculated by linear approximation based on the graph of the relationship between the cooling time and the measured temperature in FIG. 30(b).
上記析出計算より、析出物の最頻半径および半径分布を求めることができる。以下、実施例1で作製したSi含有合金(負極活物質)を用いた例につき説明する。なお、実施例2〜5および比較例1〜2についても、同様の方法により解析を行った(図16、18、20、22、24および26参照)。 From the above precipitation calculation, the mode radius and the radius distribution of the precipitate can be obtained. Hereinafter, an example using the Si-containing alloy (negative electrode active material) produced in Example 1 will be described. In addition, also about Examples 2-5 and Comparative Examples 1-2, it analyzed by the same method (refer FIG. 16, 18, 20, 22, 24 and 26).
図12(a)は、析出シミュレーションにより得られた、独立した第一の相ならびに共晶組織中の第一の相および第二の相の半径の頻度分布を対数表示し、最頻半径を示すグラフである。図12(a)において、シリサイド相(第一の相)は、バイモーダルなグラフで示される。上記図3〜図10の解析より、最頻半径の大きなピークが独立した第一の相であり、最頻半径の小さなピークが共晶組織中の第一の相であることが分かる。 FIG. 12A shows the frequency distribution of the radii of the independent first phase and the first phase and the second phase in the eutectic structure obtained by the precipitation simulation in logarithmic form, and shows the mode radius. It is a graph. In FIG. 12A, the silicide phase (first phase) is shown by a bimodal graph. From the analysis of FIGS. 3 to 10 described above, it is found that the peak with the largest mode radius is the independent first phase and the peak with the smallest mode radius is the first phase in the eutectic structure.
独立した第一の相の最頻半径は、250nmである。共晶組織において、第一の相の最頻半径は、53nmであり、第二の相の最頻半径は、63nmである。 The modal radius of the independent first phase is 250 nm. In the eutectic structure, the modal radius of the first phase is 53 nm and the modal radius of the second phase is 63 nm.
図12(b)は、図12(a)のグラフの縦軸(頻度分布)を線形表示して拡大したグラフであり、独立した第一の相および共晶組織中の第二の相の半径分布を示すグラフである。半径分布は、ピーク高さに対して5%の高さとなる箇所を読み取るものとする。 FIG. 12B is a graph in which the vertical axis (frequency distribution) of the graph in FIG. 12A is linearly displayed and enlarged, and the radius of the independent first phase and the radius of the second phase in the eutectic structure. It is a graph which shows distribution. The radius distribution shall be read at the location where the height is 5% of the peak height.
独立した第一の相の半径分布は、190〜340nmである。共晶組織において、第二の相の最頻半径は、30〜100nmである。 The radius distribution of the independent first phase is 190-340 nm. In the eutectic structure, the mode radius of the second phase is 30 to 100 nm.
図3は、実施例1のSi67.6Al1.2Ti31.2の急冷薄帯合金の断面SEM(走査型電子顕微鏡)画像を表す図面である。 3 is a drawing showing a cross-sectional SEM (scanning electron microscope) image of the quenched ribbon alloy of Si 67.6 Al 1.2 Ti 31.2 of Example 1. FIG.
上記1.〜3.で説明したように、図3において、相対的に薄いグレーの部分が独立した第一の相(シリサイド相)であり、相対的に濃いグレーの部分が第一の相と第二の相(a−Si相)との共晶組織である。 Above 1. ~3. As described above, in FIG. 3, the relatively light gray portion is the independent first phase (silicide phase), and the relatively dark gray portion is the first phase and the second phase (a). -Si phase).
図3には、上記析出計算により求めた、独立した第一の相の最頻半径(250nm)に基づく最頻直径の中間円(直径500nm)を独立した第一の相の幾つかに適用し、図示している。その結果、これらの最頻直径の中間円(直径500nm)は、実際の独立した第一の相の中間サイズの等価円直径(平均値)にほぼ合致していることが確認できた。 In FIG. 3, the intermediate circle (diameter 500 nm) of the mode diameter based on the mode radius (250 nm) of the independent first phase obtained by the above precipitation calculation was applied to some of the independent first phases. , Illustrated. As a result, it was confirmed that the intermediate circles of these most frequent diameters (diameter 500 nm) substantially matched the actual equivalent circle diameters (average value) of the intermediate size of the independent first phase.
同様に、図3には、上記析出計算により求めた、独立した第一の相の半径分布(190〜340nm)に基づく最大円(直径680nm)と最小円(直径380nm)を独立した第一の相の幾つかに適用し、図示している。その結果、これらの最大円(直径600nm)と最小円(直径320nm)は、実際の独立した第一の相の大きなサイズ及び小さなサイズの等価円直径(直径分布)とも、ほぼ合致していることが確認できた。 Similarly, in FIG. 3, the maximum circle (diameter 680 nm) and the minimum circle (diameter 380 nm) based on the independent first phase radius distribution (190 to 340 nm) obtained by the above precipitation calculation are independent. Applied to some of the phases and illustrated. As a result, the maximum circle (diameter 600 nm) and the minimum circle (diameter 320 nm) substantially match the actual independent first phase large and small equivalent circle diameters (diameter distribution). Was confirmed.
また、上記析出計算により求めた共晶組織中のSi相(第二の相)の最頻半径に基づく最頻直径の中間円、ならびに半径分布に基づく最大円および最小円を、HAADF−STEM Imageなどの電子顕微鏡写真に適用し、図示することができる。その結果、これらの共晶組織中のSi相(第二の相)の最頻半径に基づく最頻直径の中間円ならびに半径分布に基づく最大円および最小円は、実際のSi相(第二の相)の等価円直径(平均値や直径分布)ともほぼ合致することが確認できる。 In addition, the HAADF-STEM Image is used to calculate the intermediate circle of the mode diameter based on the mode radius of the Si phase (second phase) in the eutectic structure obtained by the precipitation calculation, and the maximum circle and the minimum circle based on the radius distribution. It can be applied to and illustrated in an electron micrograph. As a result, the middle circle of the mode diameter based on the mode radius of the Si phase (second phase) in these eutectic structures and the maximum circle and the minimum circle based on the radius distribution are the actual Si phase (second It can be confirmed that the circle diameters (phases) and the equivalent circular diameters (average value and diameter distribution) almost match.
(等価円半径)
本実施形態のSi含有合金の微細組織について、図3〜図10のような電子顕微鏡写真等を用いて、個数基準における10〜100個、好ましくは30〜100個の等価円半径(平均値)を求めることができる。
(Equivalent circle radius)
Regarding the microstructure of the Si-containing alloy of the present embodiment, the equivalent circular radii (average value) of 10 to 100 pieces, preferably 30 to 100 pieces on a number basis, using electron micrographs and the like as shown in FIGS. Can be asked.
独立した第一の相(シリサイド相)の等価円半径(平均値)は、280nm以下、好ましくは260nm以下、より好ましくは255nm以下、さらに好ましくは250nm以下である。独立した第一の相(シリサイド相)の等価円半径(平均値)の下限に関しては、特に制限されないが、好ましくは160nm以上、より好ましくは170nm以上、更に好ましくは180nm以上、特に好ましくは190nm以上である。 The equivalent circular radius (average value) of the independent first phase (silicide phase) is 280 nm or less, preferably 260 nm or less, more preferably 255 nm or less, and further preferably 250 nm or less. The lower limit of the equivalent circle radius (average value) of the independent first phase (silicide phase) is not particularly limited, but is preferably 160 nm or more, more preferably 170 nm or more, further preferably 180 nm or more, particularly preferably 190 nm or more. Is.
共晶組織中の第二の相(Si相)の等価円半径(平均値)は、90nm以下、好ましくは85nm以下、より好ましくは80nm以下、更に好ましくは70nm以下、特に好ましくは65nm以下である。共晶組織中の第二の相(Si相)の等価円半径(平均値)の下限に関しては、特に制限されないが、好ましくは25nm以上、より好ましくは30nm以上、更に好ましくは35nm以上である。 The equivalent circular radius (average value) of the second phase (Si phase) in the eutectic structure is 90 nm or less, preferably 85 nm or less, more preferably 80 nm or less, still more preferably 70 nm or less, and particularly preferably 65 nm or less. .. The lower limit of the equivalent circular radius (average value) of the second phase (Si phase) in the eutectic structure is not particularly limited, but is preferably 25 nm or more, more preferably 30 nm or more, and further preferably 35 nm or more.
共晶組織中の第一の相(シリサイド相)の等価円半径(平均値)は、80nm以下、好ましくは70nm以下、より好ましくは60nm以下、更に好ましくは54nm以下である。なお、前記共晶組織中の第一の相(シリサイド相)の等価円半径(平均値)の下限に関しては、特に制限されないが、好ましくは25nm以上、より好ましくは30nm以上、更に好ましくは35nm以上である。 The equivalent circle radius (average value) of the first phase (silicide phase) in the eutectic structure is 80 nm or less, preferably 70 nm or less, more preferably 60 nm or less, and further preferably 54 nm or less. The lower limit of the equivalent circle radius (average value) of the first phase (silicide phase) in the eutectic structure is not particularly limited, but is preferably 25 nm or more, more preferably 30 nm or more, further preferably 35 nm or more. Is.
以上のことから、上記析出計算により求めた独立した第一の相および共晶組織中の第二の相の最頻半径は、実際の独立した第一の相および共晶組織中の第二の相の最頻半径とほぼ合致するものといえる。このことは電子顕微鏡写真等から測定される個数基準における10〜100個、好ましくは30〜100個の等価円半径(平均値)とほぼ合致しており、これらの等価円半径に代わる新たな指標として、上記した最頻半径や半径分布が問題なく適用できることを見出したものである。 From the above, the modal radii of the independent first phase and the second phase in the eutectic structure obtained by the above precipitation calculation are the actual independent first phase and the second mode in the eutectic structure. It can be said that it almost matches the mode radius of the phase. This is almost in agreement with the equivalent circle radii (average value) of 10 to 100 pieces, preferably 30 to 100 pieces on the number basis measured from electron micrographs, etc., and is a new index in place of these equivalent circle radii. As a result, the inventors have found that the above-mentioned mode radius and radius distribution can be applied without problems.
<負極活物質の製造方法>
本実施形態に係る電気デバイス用負極活物質の製造方法について特に制限はなく、従来公知の知見が適宜参照されうる。上述したように、本実施形態では、Si含有合金は、その微細組織において、第一の相と第二の相とを有し、さらに、一部が複数の独立した第一の相、および一部が第一の相と第二の相との共晶組織となっている構造を有することが好ましい。かかるSi含有合金からなる負極活物質の製造方法の一例としては、以下のように液体急冷ロール凝固法(本明細書中、単に「液体急冷凝固法」とも称する)による急冷薄帯合金を作製する方法が提供される。すなわち、本発明の他の形態によれば、上記化学式(I)で表される組成を有するSi含有合金からなる電気デバイス用負極活物質の製造方法であって、前記Si含有合金と同一の組成を有する母合金を用いた液体急冷凝固法により、急冷薄帯合金を作製して、前記Si含有合金からなる電気デバイス用負極活物質を得る、電気デバイス用負極活物質の製造方法もまた、提供される。このように、液体急冷凝固法を実施して負極活物質(Si含有合金)を製造することで、上述した微細組織構造を有する合金を製造することが可能となる。また、得られるSi含有合金において、上述した共晶組織中の第二の相の最頻半径、独立した第一の相の最頻半径などを小さくすることができる。これらによりSi含有合金活物質の高容量を示しつつ、サイクル耐久性の向上に有効に寄与し得る製造方法が提供されるのである。
<Method for producing negative electrode active material>
The method for producing the negative electrode active material for an electric device according to this embodiment is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to. As described above, in the present embodiment, the Si-containing alloy has a first phase and a second phase in its microstructure, and further, a part thereof includes a plurality of independent first phases, and a single phase. It is preferable that the part has a structure having a eutectic structure of the first phase and the second phase. As an example of a method for producing a negative electrode active material made of such a Si-containing alloy, a quenched ribbon alloy is prepared by a liquid quench roll solidification method (also simply referred to as “liquid rapid solidification method” in the present specification) as follows. A method is provided. That is, according to another aspect of the present invention, there is provided a method for producing a negative electrode active material for an electric device, which is made of a Si-containing alloy having a composition represented by the chemical formula (I), and has the same composition as the Si-containing alloy. Also provided is a method for producing a negative electrode active material for an electric device, which comprises producing a quenched ribbon alloy by a liquid rapid solidification method using a mother alloy having a To be done. As described above, by carrying out the liquid rapid solidification method to manufacture the negative electrode active material (Si-containing alloy), it becomes possible to manufacture the alloy having the above-described microstructure structure. Further, in the obtained Si-containing alloy, the mode radius of the second phase and the mode radius of the independent first phase in the above-described eutectic structure can be reduced. These provide a manufacturing method that can effectively contribute to improving cycle durability while exhibiting a high capacity of the Si-containing alloy active material.
上述したように、遷移金属元素としてTiを用いた場合、Si−Al−Ti三元系合金において、化学熱力学(CALPHAD法=計算状態図法)によれば、Si−Tiは非常に強い結合性を示す(図31)。Si−Alは液体状態では引付合うが、固相中では反発する(図32)。また、Ti−Alは結合性を示すことが分かる(図33)。 As described above, when Ti is used as the transition metal element, in the Si—Al—Ti ternary alloy, according to chemical thermodynamics (CALPHAD method=calculated phase diagram method), Si—Ti has a very strong bondability. Is shown (FIG. 31). Si-Al attracts in the liquid state, but repels in the solid phase (Fig. 32). Further, it can be seen that Ti-Al exhibits a bondability (FIG. 33).
本発明に係るSi含有合金(負極活物質)は、Ti(遷移金属元素)に比べてAlを少量含有している。例えば、液体急冷凝固法を用いてSi含有合金(負極活物質)を製造する場合、Alは、液相中において、TiおよびSiを引き付け、TiSi2の晶出を抑制することができる。つまり、初晶TiSi2を微細化することができ、独立したTiSi2相(第一の相)が、合金組織中に細かく分散するため、充放電に伴うSiの膨張収縮を抑制できる。よって、本発明の負極活物質(Si含有合金)を用いたリチウムイオン二次電池などの電気デバイスのサイクル耐久性を向上できる。 The Si-containing alloy (negative electrode active material) according to the present invention contains a small amount of Al as compared with Ti (transition metal element). For example, when a Si-containing alloy (negative electrode active material) is manufactured using a liquid rapid solidification method, Al can attract Ti and Si in the liquid phase and suppress crystallization of TiSi 2 . That is, the primary crystal TiSi 2 can be miniaturized, and the independent TiSi 2 phase (first phase) is finely dispersed in the alloy structure, so that the expansion and contraction of Si due to charge and discharge can be suppressed. Therefore, the cycle durability of an electric device such as a lithium ion secondary battery using the negative electrode active material (Si-containing alloy) of the present invention can be improved.
さらに、冷却が進むと、初晶TiSi2の晶出が終わり、TiSi2とSiとが共晶する段階に入る。この段階においても、液相中のAlがTiSi2の晶出を抑制するため、液相中のAl含有量が増えると、共晶組織中のTiSi2が小さくなる(微細化する)。結果として、共晶組織中のSiに対してTiSi2が相対的に小さくなり、構造として共晶組織中のSi相とTiSi2相とが隣接する形となっていることから、共晶組織中のSiの割合が相対的に大きくなる。 Further, as the cooling progresses, the crystallization of the primary crystal TiSi 2 ends, and the process enters into the stage where TiSi 2 and Si are eutectic. In this step, Al in the liquid phase in order to suppress the crystallization of TiSi 2, the Al content in the liquid phase increases, the TiSi 2 eutectic structure in smaller (finer). As a result, TiSi 2 is relatively small with respect to Si in the eutectic structure, and the Si phase and the TiSi 2 phase in the eutectic structure are adjacent to each other as a structure, Of Si becomes relatively large.
そのため、充放電過程における共晶組織中のSi相(a−Si相)の膨張を、共晶化したTiSi2相が抑え込み、さらに複数の独立したTiSi2相が抑え込む、いわば2段構えの抑え込みで抑制することができる。 Therefore, the expansion of the Si phase (a-Si phase) in the eutectic structure during the charge/discharge process is suppressed by the eutecticized TiSi 2 phase, and further suppressed by a plurality of independent TiSi 2 phases. Can be suppressed with.
以下、本形態に係る製造方法について説明する。 Hereinafter, the manufacturing method according to this embodiment will be described.
(液体急冷ロール凝固法(液体急冷凝固法))
まず、所望のSi含有合金と同一の組成を有する母合金を用いて液体急冷ロール凝固法(液体急冷凝固法)を実施する。これにより、急冷薄帯(リボン)合金を作製する。
(Liquid quench roll solidification method (liquid quench solidification method))
First, a liquid quench roll solidification method (liquid quench solidification method) is carried out using a mother alloy having the same composition as the desired Si-containing alloy. This produces a quenched ribbon alloy.
ここで、母合金を得るために、原料として、ケイ素(Si)、アルミニウム(Al)、遷移金属(例えば、チタン(Ti))のそれぞれについて、高純度の原料(単体のインゴット、ワイヤ、板など)を準備する。続いて、最終的に製造したいSi含有合金(負極活物質)の組成を考慮して、アーク溶解法などの公知の手法により、インゴット等の形態の母合金を作製する。 Here, in order to obtain the mother alloy, high-purity raw materials (single ingot, wire, plate, etc.) are used as raw materials for silicon (Si), aluminum (Al), and transition metal (for example, titanium (Ti)). ) Is prepared. Then, in consideration of the composition of the Si-containing alloy (negative electrode active material) to be finally manufactured, a master alloy in the form of an ingot or the like is manufactured by a known method such as an arc melting method.
その後、上記で得られた母合金を用いて液体急冷ロール凝固法を実施する。この工程は、上記で得られた母合金を溶融させた溶融物を急冷して凝固させる工程であり、例えば、高周波誘導溶解−液体急冷ロール凝固法(双ロールまたは単ロール急冷法)によって実施することができる。これにより、急冷薄帯(リボン)合金が得られる。なお、液体急冷ロール凝固法は非晶質合金の作製法としてよく使われており、その手法自体に関する知見は多く存在する。なお、液体急冷ロール凝固法は、市販の液体急冷凝固装置(例えば、日新技研株式会社製の液体急冷凝固装置NEV−A05型)を用いて実施することができる。 Then, a liquid quench roll solidification method is carried out using the mother alloy obtained above. This step is a step of rapidly cooling and solidifying a melt obtained by melting the mother alloy obtained above, and is performed by, for example, a high frequency induction melting-liquid quenching roll solidification method (twin roll or single roll quenching method). be able to. This gives a quenched ribbon alloy. The liquid quenching roll solidification method is often used as a method for producing an amorphous alloy, and there is much knowledge about the method itself. The liquid quench roll solidification method can be carried out using a commercially available liquid quench solidification device (for example, liquid quench solidification device NEV-A05 type manufactured by Nisshin Giken Co., Ltd.).
詳しくは、日新技研株式会社製の液体急冷凝固装置NEV−A05型を用いて、Ar置換の上、ゲージ圧を減圧し調整したチャンバー内に設置した噴射ノズル付きの溶融装置(例えば、石英ノズル)中に、上記母合金を入れ、適当な溶融手段(例えば、高周波誘導加熱)により所定温度域に融解した後、所定の噴射圧にて、所定の回転数の金属製ないしセラミックス製(特に熱伝導性に優れたCu製)ロール上に噴射することで、ロール上から水平に連続的して形成される薄帯状合金(急冷薄帯(リボン)合金)を作製することができる。 Specifically, using a liquid rapid solidification device NEV-A05 type manufactured by Nisshin Giken Co., Ltd., a melting device with an injection nozzle (for example, a quartz nozzle, which is installed in a chamber whose Ar pressure is reduced and the gauge pressure is reduced and adjusted). ) Inside, and melted in a predetermined temperature range by an appropriate melting means (for example, high frequency induction heating), and then at a predetermined injection pressure, made of metal or ceramics (especially heat). By spraying on a roll having excellent conductivity) made of Cu, a ribbon-shaped alloy (quenched ribbon (ribbon) alloy) that is continuously formed horizontally from the roll can be produced.
この際、チャンバー内の雰囲気は、不活性ガス(Heガス、Neガス、Arガス、N2ガス等)に置換するのが望ましい。不活性ガスで置換後、チャンバー内のゲージ圧は、−0.03〜−0.07MPa(絶対圧で0.03〜0.07MPa)の範囲に調整するのが望ましい。 At this time, the atmosphere in the chamber is preferably replaced with an inert gas (He gas, Ne gas, Ar gas, N 2 gas, etc.). After the replacement with the inert gas, the gauge pressure in the chamber is preferably adjusted within the range of -0.03 to -0.07 MPa (absolute pressure 0.03 to 0.07 MPa).
噴射ノズル付きの溶融装置(例えば、石英ノズル)内における母合金の溶融温度は、合金の融点以上であればよい。また、溶融手段としては、高周波誘導加熱など従来公知の溶融手段を用いることができる。 The melting temperature of the master alloy in the melting device with the injection nozzle (for example, a quartz nozzle) may be equal to or higher than the melting point of the alloy. Further, as the melting means, conventionally known melting means such as high frequency induction heating can be used.
噴射ノズル付きの溶融装置(例えば、石英ノズル)のノズルからの母合金の噴射圧は、ゲージ圧で0.03〜0.09MPaの範囲に調整するのが望ましい。上記噴射圧は、従来公知の手法により調節することができる。また、チャンバー内圧と噴射圧との差圧は0.06〜0.16MPaの範囲に調整するのが望ましい。 The injection pressure of the mother alloy from the nozzle of the melting device with the injection nozzle (for example, a quartz nozzle) is preferably adjusted to a range of 0.03 to 0.09 MPa in gauge pressure. The injection pressure can be adjusted by a conventionally known method. Further, it is desirable to adjust the differential pressure between the chamber internal pressure and the injection pressure within the range of 0.06 to 0.16 MPa.
母合金を噴射する際のロールの回転数及び周速度は、4000〜6000rpm(周速として40〜65m/sec)の範囲に調整するのが望ましい。 It is desirable to adjust the rotation speed and the peripheral speed of the roll when the mother alloy is injected within a range of 4000 to 6000 rpm (peripheral speed of 40 to 65 m/sec).
上記薄帯状の合金(急冷薄帯(リボン)合金)の冷却速度は、好ましくは160万℃/秒以上、より好ましくは200万℃/秒以上、さらに好ましくは300万℃/秒以上、特に好ましくは400万℃/秒以上である。当該冷却速度の求め方は、上記図28〜30にて説明した通りである。冷却速度を上記範囲内に調整することで、上記した本発明の一実施形態における微細組織を有するSi含有合金を作製することができる。 The cooling rate of the above ribbon-shaped alloy (quenched ribbon (ribbon) alloy) is preferably 1.6 million °C/second or more, more preferably 2 million °C/second or more, still more preferably 3 million °C/second or more, and particularly preferably. Is 4,000,000° C./sec or more. The method of obtaining the cooling rate is as described with reference to FIGS. By adjusting the cooling rate within the above range, the Si-containing alloy having the microstructure according to the above-described embodiment of the present invention can be produced.
(急冷薄帯(リボン)合金の粉砕工程)
続いて、上記で得られた薄帯状合金(急冷薄帯(リボン)合金)の粉砕処理を行う。例えば、適当な粉砕装置(例えば、ドイツフリッチュ社製遊星ボールミル装置P−6など)を用いて、適当な粉砕ポット(例えば、ジルコニア製粉砕ポット)に適当な粉砕ボール(例えば、ジルコニア製粉砕ボール)と急冷薄帯(リボン)合金を投入し、所定の回転数で所定時間、粉砕処理を実施する。急冷薄帯(リボン)合金は、上記粉砕装置に投入しやすい大きさに、適当な粉砕機で粗粉砕しておいてもよい。
(Process of crushing quenched ribbon (ribbon) alloy)
Subsequently, the ribbon-shaped alloy (quenched ribbon (ribbon) alloy) obtained above is pulverized. For example, using a suitable crushing device (for example, a planetary ball mill device P-6 manufactured by Fritsch GmbH in Germany), a suitable crushing ball (for example, zirconia crushing ball) in a suitable crushing pot (for example, zirconia crushing pot). Then, the quenched ribbon (ribbon) alloy is charged, and the pulverization process is performed at a predetermined rotation speed for a predetermined time. The quenched ribbon (ribbon) alloy may be coarsely crushed by an appropriate crusher to a size that can be easily charged into the crusher.
粉砕処理条件としては、粉砕機(ミル装置)の回転数は、例えば上記液体急冷ロール凝固法により形成された合金微細組織を損なわない範囲であればよく、500rpm未満、好ましくは100〜480rpm、より好ましくは300〜450rpmの範囲である。粉砕時間は、例えば上記液体急冷ロール凝固法により形成された合金微細組織を損なわない範囲であればよく、12時間未満、好ましくは、0.5〜10時間、より好ましくは、0.5〜3時間の範囲である。 As the pulverization conditions, the rotation speed of the pulverizer (mill device) may be within a range that does not impair the alloy microstructure formed by the liquid quench roll solidification method, for example, and is less than 500 rpm, preferably 100 to 480 rpm. It is preferably in the range of 300 to 450 rpm. The crushing time may be within a range that does not impair the alloy microstructure formed by the liquid quench roll solidification method, for example, and is less than 12 hours, preferably 0.5 to 10 hours, more preferably 0.5 to 3 It is a range of time.
上記粉砕処理は、通常乾式雰囲気下で行われるが、粉砕処理後の粒度分布は大小の幅が大きい場合がある。このため、粒度を整えるための、粉砕処理と分級処理を組み合わせて1回以上行ってもよい。 The pulverization treatment is usually performed in a dry atmosphere, but the particle size distribution after the pulverization treatment may have a wide range of magnitude. Therefore, the pulverization treatment and the classification treatment for adjusting the particle size may be combined and performed once or more.
(メカニカルアロイング処理)
急冷薄帯(リボン)合金の作製工程に続いて、必要に応じて、上記得られた薄帯状合金(急冷薄帯(リボン)合金)に対して、メカニカルアロイング処理を行ってもよい。この際、必要に応じて、上記急冷薄帯(リボン)合金の粉砕工程を行い、得られた粉砕物に対してメカニカルアロイング処理を行ってもよい。
(Mechanical alloying process)
Following the step of producing a quenched ribbon (ribbon) alloy, a mechanical alloying treatment may be performed on the obtained ribbon-shaped alloy (quenched ribbon (ribbon) alloy), if necessary. At this time, if necessary, the crushing step of the quenched ribbon (ribbon) alloy may be performed, and the resulting crushed material may be mechanically alloyed.
メカニカルアロイング処理は、従来公知の方法を用いて行うことができる。例えばボールミル装置(例えば、遊星ボールミル装置)を用いて、粉砕ポットに粉砕ボールおよび合金の原料粉末を投入し、回転数を高くして高エネルギーを付与することで、合金化を図ることができる。ボールミル装置の回転数は、例えば、500rpm以上、好ましくは600rpm以上である。また、メカニカルアロイング処理の時間は、例えば12時間以上であり、好ましくは24時間以上であり、より好ましくは30時間以上であり、さらに好ましくは36時間以上であり、特に好ましくは42時間以上であり、最も好ましくは48時間以上である。なお、合金化処理のための時間の上限値は特に設定されないが、通常は72時間以下であればよい。 The mechanical alloying treatment can be performed using a conventionally known method. For example, by using a ball mill device (for example, a planetary ball mill device), the grinding balls and the raw material powder of the alloy are put into a grinding pot, and the rotation speed is increased to impart high energy, whereby alloying can be achieved. The rotation speed of the ball mill device is, for example, 500 rpm or more, preferably 600 rpm or more. The mechanical alloying treatment time is, for example, 12 hours or longer, preferably 24 hours or longer, more preferably 30 hours or longer, further preferably 36 hours or longer, and particularly preferably 42 hours or longer. Yes, and most preferably 48 hours or more. Although the upper limit of the time for alloying treatment is not particularly set, it is usually 72 hours or less.
上述した手法によるメカニカルアロイング処理は、通常乾式雰囲気下で行われるが、メカニカルアロイング処理後の粒度分布は大小の幅が非常に大きい場合がある。このため、粒度を整えるための粉砕処理および/または分級処理を行うことが好ましい。 The mechanical alloying treatment by the above-mentioned method is usually performed in a dry atmosphere, but the particle size distribution after the mechanical alloying treatment may have a very large range. For this reason, it is preferable to perform a crushing treatment and/or a classification treatment for adjusting the particle size.
以上、負極活物質層に必須に含まれる所定の合金について説明したが、負極活物質層はその他の負極活物質を含んでいてもよい。上記所定の合金以外の負極活物質としては、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、もしくはハードカーボンなどのカーボン、SiやSnなどの純金属や上記所定の組成比を外れる合金系活物質、あるいはTiO、Ti2O3、TiO2、もしくはSiO2、SiO、SnO2などの金属酸化物、Li4/3Ti5/3O4もしくはLi7MnNなどのリチウムと遷移金属との複合酸化物(複合窒化物)、Li−Pb系合金、Li−Al系合金、Liなどが挙げられる。ただし、上記所定の合金を負極活物質として用いることにより奏される作用効果を十分に発揮させるという観点からは、負極活物質の全量100質量%に占める上記所定の合金の含有量は、好ましくは50〜100質量%であり、より好ましくは80〜100質量%であり、さらに好ましくは90〜100質量%であり、特に好ましくは95〜100質量%であり、最も好ましくは100質量%である。 The above has described the predetermined alloy that is essentially included in the negative electrode active material layer, but the negative electrode active material layer may include other negative electrode active materials. Examples of the negative electrode active material other than the above-mentioned predetermined alloy include natural graphite, artificial graphite, carbon black, activated carbon, carbon fiber, carbon such as coke, soft carbon or hard carbon, pure metal such as Si and Sn, and the above-mentioned predetermined composition. Alloy active materials out of the ratio, or metal oxides such as TiO, Ti 2 O 3 , TiO 2 , or SiO 2 , SiO, SnO 2 , lithium such as Li 4/3 Ti 5/3 O 4 or Li 7 MnN. And a transition metal compound oxide (composite nitride), a Li-Pb-based alloy, a Li-Al-based alloy, and Li. However, from the viewpoint of sufficiently exerting the operational effects exhibited by using the above-mentioned predetermined alloy as the negative electrode active material, the content of the above-mentioned predetermined alloy in the total amount of the negative electrode active material of 100% by mass is preferably It is 50 to 100% by mass, more preferably 80 to 100% by mass, further preferably 90 to 100% by mass, particularly preferably 95 to 100% by mass, and most preferably 100% by mass.
(アモルファス形成能)
上述したように、本実施形態において、Si含有合金の微細組織は、好ましくは遷移金属のケイ化物を主成分とする第一の相と、一部にAlを含み、非晶質または低結晶性のSiを主成分とする第二の相とを有し、さらに、一部が複数の独立した第一の相、および一部が第一の相と第二の相との共晶組織となる構造を有する。本発明の効果を効率的に発現するため、共晶組織中のSi相(第二の相)は、アモルファス化が十分に進行していることが好ましい。
(Amorphous forming ability)
As described above, in the present embodiment, the microstructure of the Si-containing alloy preferably contains the first phase containing a transition metal silicide as a main component, and Al in part, and is amorphous or low crystalline. And a second phase containing Si as a main component, and further, a part is a plurality of independent first phases, and a part is a eutectic structure of the first phase and the second phase. Have a structure. In order to efficiently exhibit the effects of the present invention, it is preferable that the Si phase (second phase) in the eutectic structure is sufficiently amorphized.
具体的なアモルファス形成能の指標としては、臨界冷却速度、液相線温度、T0曲線、ガラス転移温度、結晶化温度などが用いられている。中でも、臨界冷却速度は、合金系が異なる場合であってもアモルファス形成能を比較することが可能である。 As a concrete index of the amorphous forming ability, a critical cooling rate, a liquidus temperature, a T 0 curve, a glass transition temperature, a crystallization temperature and the like are used. Among them, regarding the critical cooling rate, it is possible to compare the amorphous forming ability even when the alloy systems are different.
臨界冷却速度とは、原子または分子がアモルファス相となる最小の冷却速度である。合金の製造における冷却速度を、臨界冷却速度以上とすることにより、アモルファス相を有する合金を製造することができる。すなわち、臨界冷却速度が遅い合金組成は、ゆっくり冷却してもアモルファス化できるため、アモルファス形成能が高いと考えられている。 The critical cooling rate is the minimum cooling rate at which an atom or molecule becomes an amorphous phase. By setting the cooling rate in the production of the alloy to be equal to or higher than the critical cooling rate, the alloy having the amorphous phase can be produced. That is, an alloy composition having a slow critical cooling rate is considered to have a high amorphous forming ability because it can be made amorphous even if slowly cooled.
本発明の製造方法における好ましい実施形態では、共晶組織中の第二の相のアモルファス化を十分に進行させるとの観点から、母合金組成における共晶開始時の液相組成の臨界冷却速度Fが3.0×108K/sec以下であり、より好ましくは2.0×108K/sec以下であり、さらに好ましくは1.5×108K/sec以下である。また、前記臨界冷却速度Fの下限は、特に制限されず、例えば4.0×107K/sec以上である。 In a preferred embodiment of the production method of the present invention, from the viewpoint of sufficiently promoting the amorphization of the second phase in the eutectic structure, the critical cooling rate F of the liquid phase composition at the start of the eutectic in the master alloy composition is F. Is 3.0×10 8 K/sec or less, more preferably 2.0×10 8 K/sec or less, and further preferably 1.5×10 8 K/sec or less. The lower limit of the critical cooling rate F is not particularly limited and is, for example, 4.0×10 7 K/sec or more.
以下では、合金組成における共晶開始時の液相組成の臨界冷却速度の算出について、実施例1で用いた合金組成を例として説明する。実施例2〜5および比較例1〜2の合金組成についても、同様の方法により共晶開始時の液相組成の臨界冷却速度を求めることができる。 Hereinafter, the calculation of the critical cooling rate of the liquid phase composition at the start of the eutectic in the alloy composition will be described using the alloy composition used in Example 1 as an example. Also for the alloy compositions of Examples 2 to 5 and Comparative Examples 1 and 2, the critical cooling rate of the liquid phase composition at the start of the eutectic can be determined by the same method.
[Thermo−Calcのシャイル(Scheil)凝固シミュレータによる共晶開始時液相組成計算]
スウェーデン Thermo−Calc software AB社製(日本代理店:伊藤忠テクノソリューションズ株式会社)の統合型熱力学計算システム:Thermo−Calc Ver2015aを用い、熱力学データベースとして、固溶体汎用データベース:SSOL5(SGTE* Solution Database,ver.5.0)を用いて、実施例1のSi−Al−Ti三元系合金について、シャイルモデルにて、シャイル凝固計算を行う。シャイルモデルおよびシャイル凝固計算については、金属 vol.77,No.8(p.898〜p.904)に準じて行うものとする。なお、シャイルモデル条件において、固相中の原子拡散は無視できる、液相中は完全混合する、固液界面は平滑である、固液界面では局所平衡が成り立つ、凝固方向は一方向である、液相線温度において凝固が開始する、および凝固潜熱は速やかに移動する、と仮定する。
*SGTE:Scientific Group Thermodata Europe。
[Calculation of liquid phase composition at start of eutectic by Thermo-Calc's Scheil solidification simulator]
Sweden Thermo-Calc software AB (Japan agency: ITOCHU Techno Solutions Co., Ltd.) integrated thermodynamic calculation system: Thermo-Calc Ver2015a is used as a thermodynamic database, solid solution general-purpose database: SSOL5 (SGTE* Solution Database). Ver.5.0), for the Si-Al-Ti ternary alloy of Example 1, a sille solidification calculation is performed using a sille model. For the Shill model and Schill solidification calculation, see Metal Vol. 77, No. 8 (p.898 to p.904). It should be noted that in the Shyle model condition, atomic diffusion in the solid phase can be ignored, complete mixing in the liquid phase, smooth solid-liquid interface, local equilibrium is established at the solid-liquid interface, solidification direction is unidirectional, It is assumed that solidification begins and the latent heat of solidification moves rapidly at the liquidus temperature.
*SGTE: Scientific Group Thermodata Europe.
シャイル凝固計算により、合金組成における共晶開始時の液相組成を求めることができる。 The liquid phase composition at the start of the eutectic in the alloy composition can be obtained by the Shill solidification calculation.
実施例1の合金組成では、図14(a)に示すように、初晶シリサイド(TiSi2)及び共晶(TiSi2+Si)からなる組織となり、Al単相が少ない。つまり、析出相が、シリサイド(TiSi2)相及びSi相となり、ここでは固相の組成は温度に寄らず一定と考えられるため、このようなシャイルモデルを用いても、実際の状態をよく再現するものと考えられる。また、図14(b)に示すように、実施例1の合金組成において、共晶開始時の液相組成は、Si77.4Al2.0Ti20.6である。 As shown in FIG. 14A, the alloy composition of Example 1 has a structure composed of primary crystal silicide (TiSi 2 ) and eutectic (TiSi 2 +Si), and has a small Al single phase. In other words, the precipitation phases are the silicide (TiSi 2 ) phase and the Si phase, and the composition of the solid phase here is considered to be constant regardless of temperature. Therefore, even when using such a sille model, the actual state is well reproduced. It is thought to do. Further, as shown in FIG. 14B, in the alloy composition of Example 1, the liquid phase composition at the start of the eutectic is Si 77.4 Al 2.0 Ti 20.6 .
なお、実施例2の合金組成においても、図34(a)に示すように、初晶シリサイド(TiSi2)及び共晶(TiSi2+Si)からなる組織となり、Al単相が少ない。また、図34(b)に示すように、実施例2の合金組成において、共晶開始時の液相組成は、Si76.3Al5.0Ti18.7である。 Note that, also in the alloy composition of Example 2, as shown in FIG. 34( a ), the structure was composed of primary crystal silicide (TiSi 2 ) and eutectic (TiSi 2 +Si), and the Al single phase was small. Further, as shown in FIG. 34B, in the alloy composition of Example 2, the liquid phase composition at the start of the eutectic is Si 76.3 Al 5.0 Ti 18.7 .
一方、特許文献2の合金組成では、図35(a)に示すように、初晶シリサイド(TiSi2)が多すぎることで粗大化し、共晶(TiSi2+Si)が少なく、またAl単層が多い。また、特許文献2に開示される合金組成の範囲で、最も耐久性に優れると考えられる、最もAlが少なくTiが多い合金組成(Si57.3Al12.7Ti30.0)における共晶開始時の液相Al量が多すぎるため(図35(b)での矢印の地点;液相組成Si62.1Al31.5Ti6.4)、共晶開始時の液相線温度が1150℃とかなり低くなっているため、急冷ロール法では十分に凝固しないことが予測される。 On the other hand, in the alloy composition of Patent Document 2, as shown in FIG. 35(a), the amount of primary crystal silicide (TiSi 2 ) is too large to cause coarsening, and the eutectic (TiSi 2 +Si) is small, and the Al single layer is Many. Further, in the range of the alloy composition disclosed in Patent Document 2, the eutectic in the alloy composition (Si 57.3 Al 12.7 Ti 30.0 ) which is considered to have the best durability and which has the smallest amount of Al and the large amount of Ti. Since the amount of liquid Al at the start is too large (point of arrow in FIG. 35(b); liquid phase composition Si 62.1 Al 31.5 Ti 6.4 ), the liquidus temperature at the start of eutectic is Since it is considerably low at 1150° C., it is expected that the quenching roll method will not sufficiently solidify.
[アモルファス形成能計算]
アモルファス形成能は、液相から結晶が晶出する臨界冷却速度にて評価する。液相単相域から液相線温度以下の温度Tへ急冷し、等温保持した時に、体積分率Xになるまで結晶が成長するのに要する時間を表す、TTT線図(恒温変態曲線)を求め、ここから臨界冷却速度を算出する。熱力学計算ソフトThermo−Calc Ver2015a、熱力学データベース:SSOL5を用い、必要となる熱力学量を求め、TTT曲線を算出する。
[Amorphous forming ability calculation]
The amorphous forming ability is evaluated by the critical cooling rate at which crystals crystallize from the liquid phase. A TTT diagram (constant temperature transformation curve) showing the time required for a crystal to grow to a volume fraction X when rapidly cooled from a liquid phase single phase region to a temperature T below the liquidus temperature and kept isothermally Then, the critical cooling rate is calculated from this. Using a thermodynamic calculation software Thermo-Calc Ver2015a and a thermodynamic database: SSOL5, a required thermodynamic amount is calculated and a TTT curve is calculated.
以下、TTT曲線の算出方法について説明する。臨界冷却速度の計算方法については、例えば、金属 Vol.77(2007)No.10(p.1148〜p.1153)を参照することができる。 The method of calculating the TTT curve will be described below. For the calculation method of the critical cooling rate, for example, Metal Vol. 77 (2007) No. 10 (p. 1148 to p. 1153) can be referred to.
均一核生成成長理論に基づくJohnson−Mehl−Avramiの速度論的取扱いの下記式(1)(保持時間:tにおいて生成される結晶の体積分率:X、核生成頻度:I、核の成長速度:Uとする)は、DaviesとUhlmannにより、下記式(2)のように導出される。 The following equation (1) of the Johnson-Mehl-Avrami kinetic treatment based on the homogeneous nucleation and growth theory (retention time: volume fraction of crystals produced at t: X, nucleation frequency: I, growth rate of nuclei) : U) is derived by Davies and Uhlmann as in the following equation (2).
ここで、Gmは、液相から結晶を晶出する駆動力、G*は、液相から球形の結晶核を生成する自由エネルギー、ηは、粘性係数、Nvは、単位体積当たりの原子数を表す。 Here, G m is a driving force for crystallizing a crystal from a liquid phase, G * is a free energy for generating a spherical crystal nucleus from the liquid phase, η is a viscosity coefficient, and Nv is the number of atoms per unit volume. Represents.
G*は、σm(固液界面エネルギー)として、下記式(3)で表すことができる。また、Gmは、下記式(4)で近似できる。σmは、経験的に下記式(5)のように表され、SaundersとMiodownikとによって約0.41であることが示されている。 G * can be represented by the following formula (3) as σ m (solid-liquid interface energy). Further, G m can be approximated by the following equation (4). Empirically, σ m is represented by the following formula (5), and it is shown by Saunders and Miowdown that it is about 0.41.
fは固液界面での原子の移動しうるサイトの割合であり、Uhlmannによれば下記式(6)のように表される。 f is the ratio of the sites where atoms can move at the solid-liquid interface, and is represented by the following formula (6) according to Uhlmann.
液体合金の粘性係数ηは、Doolittleの式(下記式(7))により近似できる。ここでA、BおよびCは定数である。fTは液体における相対自由体積、EHは空孔生成エネルギーである。Ramachandraraoによれば、EHは下記式(8)のようにTg(ガラス転移温度)から推定できる。ここで、Tg=0.6Tmとし、fT=0.03、η=1012Pa・S、B=1と仮定して、下記式(7)の定数AおよびCを算出した。 The viscosity coefficient η of the liquid alloy can be approximated by the Doolittle equation (Equation (7) below). Here, A, B and C are constants. f T is the relative free volume in the liquid, and E H is the hole formation energy. According to Ramachandrarao, E H can be estimated from T g (glass transition temperature) as in the following formula (8). Here, assuming that T g =0.6T m , f T =0.03, η=10 12 Pa·S, and B=1, constants A and C in the following formula (7) were calculated.
実施例1の合金組成について、前述のシャイル凝固シミュレーションで共晶開始組成を求めた後、ガラス転移温度、液相線温度および融解エンタルピーを求め、上記式(2)より、TTT曲線(図36)を計算し、下記式(9)より臨界冷却速度Rcを計算した。実施例1の合金組成に係るTTT線図を図13(b)に示す。 Regarding the alloy composition of Example 1, after the eutectic initiation composition was determined by the above-mentioned Shill solidification simulation, the glass transition temperature, the liquidus temperature, and the enthalpy of fusion were determined, and from the above equation (2), the TTT curve (FIG. 36). Was calculated, and the critical cooling rate R c was calculated from the following formula (9). A TTT diagram relating to the alloy composition of Example 1 is shown in FIG.
以上より、実施例1の合金組成において、臨界冷却速度は、1.4×108K/secと算出される。 From the above, in the alloy composition of Example 1, the critical cooling rate is calculated to be 1.4×10 8 K/sec.
また、本発明の製造方法において、Si含有合金の母合金組成における共晶開始時の液相組成の臨界冷却速度Fと、Si含有合金の急冷薄帯中の全遷移金属のケイ化物に対する前記共晶組織中の遷移金属のケイ化物の比Eとが、E/F>3.0×10−9sec/Kであることが好ましく、E/F>3.5×10−9sec/Kであることがより好ましく、E/F>4.0×10−9sec/Kであることがさらに好ましい。また、E/Fの上限は、特に制限されず、上記臨界冷却速度Fの範囲および下記比Fの範囲を満たすものであればよい。 Further, in the production method of the present invention, the critical cooling rate F of the liquid phase composition at the start of eutectic in the master alloy composition of the Si-containing alloy and the above-mentioned co- The ratio E of the transition metal silicide in the crystal structure is preferably E/F>3.0×10 −9 sec/K, and E/F>3.5×10 −9 sec/K. It is more preferable that E/F>4.0×10 −9 sec/K. The upper limit of E/F is not particularly limited as long as it satisfies the range of the critical cooling rate F and the range of the following ratio F.
上述のとおり、Si含有合金の母合金組成における共晶開始時の液相組成の臨界冷却速度Fは、アモルファス形成能の観点から、遅いことが好ましい。他方、遷移金属のケイ化物(第一の相)は、充放電過程における共晶組織中のa−Si相(第二の相)の膨張を抑制するとの観点から、共晶組織中により多く存在することが好ましい。 As described above, the critical cooling rate F of the liquid phase composition at the start of the eutectic in the master alloy composition of the Si-containing alloy is preferably low from the viewpoint of the amorphous forming ability. On the other hand, the transition metal silicide (first phase) is more present in the eutectic structure from the viewpoint of suppressing the expansion of the a-Si phase (second phase) in the eutectic structure during the charge/discharge process. Preferably.
よって、E/Fが上記範囲であることより、本発明の効果をより効率的に発現することができる。 Therefore, since the E/F is in the above range, the effect of the present invention can be more efficiently exhibited.
Si含有合金の急冷薄帯中の全遷移金属のケイ化物に対する前記共晶組織中の遷移金属のケイ化物の比Eは、上述した析出計算により、算出することができる。 The ratio E of the transition metal silicide in the eutectic structure to the total transition metal silicide in the quenched ribbon of the Si-containing alloy can be calculated by the above-described precipitation calculation.
図13(a)は、実施例1において、TiSi2およびSiの析出シミュレーションの結果を示したグラフである。図13(a)において、縦軸は体積分率、横軸は時間を示す。図13(a)は、初晶としてシリサイド(TiSi2)が晶出し、その後Siが晶出することを示している。つまり、Si晶出までは、初晶としてTiSi2が晶出し、Si晶出後は、TiSi2とSiとの共晶であることが分かる。以上より、Si含有合金の急冷薄帯中の全遷移金属のケイ化物に対する前記共晶組織中の遷移金属のケイ化物の比Eを算出することができる。 FIG. 13A is a graph showing the result of TiSi 2 and Si precipitation simulation in Example 1. In FIG. 13A, the vertical axis represents the volume fraction and the horizontal axis represents time. FIG. 13A shows that silicide (TiSi 2 ) is crystallized as a primary crystal and then Si is crystallized. That is, it can be seen that TiSi 2 is crystallized as a primary crystal until Si crystallization, and is a eutectic of TiSi 2 and Si after Si crystallization. From the above, the ratio E of the transition metal silicide in the eutectic structure to the total transition metal silicide in the quenched ribbon of the Si-containing alloy can be calculated.
全遷移金属のケイ化物に対する前記共晶組織中の遷移金属のケイ化物の比Eは、充放電過程における共晶組織中のa−Si相(第二の相)の膨張を抑制するとの観点から、好ましくは0.30以上であり、より好ましくは0.40以上であり、さらに好ましくは0.50以上であり、よりさらに好ましくは0.55以上である。前記比Eの上限は、特に制限されないが、例えば0.80以下であり、好ましくは0.70以下である。 From the viewpoint that the ratio E of the transition metal silicide in the eutectic structure to the silicide of all transition metals suppresses the expansion of the a-Si phase (second phase) in the eutectic structure in the charge/discharge process. , Preferably 0.30 or more, more preferably 0.40 or more, still more preferably 0.50 or more, still more preferably 0.55 or more. The upper limit of the ratio E is not particularly limited, but is, for example, 0.80 or less, preferably 0.70 or less.
続いて、負極活物質層13は、バインダを含む。 Subsequently, the negative electrode active material layer 13 contains a binder.
(バインダ)
バインダは、活物質同士または活物質と集電体とを結着させて電極構造を維持する目的で添加される。負極活物質層に用いられるバインダの種類についても特に制限はなく、正極活物質層に用いられるバインダとして上述したものが同様に用いられうる。よって、ここでは詳細な説明は省略する。
(Binder)
The binder is added for the purpose of binding the active materials to each other or the active material and the current collector to maintain the electrode structure. The type of binder used in the negative electrode active material layer is also not particularly limited, and the binder described above as the binder used in the positive electrode active material layer can be similarly used. Therefore, detailed description is omitted here.
なお、負極活物質層中に含まれるバインダ量は、活物質を結着することができる量であれば特に限定されるものではないが、好ましくは負極活物質層に対して、0.5〜20質量%であり、より好ましくは1〜15質量%である。 The amount of the binder contained in the negative electrode active material layer is not particularly limited as long as it can bind the active material, but is preferably 0.5 to 0.5 with respect to the negative electrode active material layer. It is 20% by mass, more preferably 1 to 15% by mass.
(正極および負極活物質層15、13に共通する要件)
以下に、正極および負極活物質層15、13に共通する要件につき、説明する。
(Requirements common to the positive electrode and negative electrode active material layers 15 and 13)
The requirements common to the positive electrode and negative electrode active material layers 15 and 13 will be described below.
正極活物質層15および負極活物質層13は、必要に応じて、導電助剤、電解質塩(リチウム塩)、イオン伝導性ポリマー等を含む。特に、負極活物質層13は、導電助剤をも必須に含む。 The positive electrode active material layer 15 and the negative electrode active material layer 13 include a conductive auxiliary agent, an electrolyte salt (lithium salt), an ion conductive polymer, and the like, if necessary. In particular, the negative electrode active material layer 13 also essentially contains a conductive auxiliary agent.
(導電助剤)
導電助剤とは、正極活物質層または負極活物質層の導電性を向上させるために配合される添加物をいう。導電助剤としては、アセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト、気相成長炭素繊維などの炭素材料が挙げられる。活物質層が導電助剤を含むと、活物質層の内部における電子ネットワークが効果的に形成され、電池の出力特性の向上に寄与しうる。
(Conductive agent)
The conduction aid refers to an additive added to improve the conductivity of the positive electrode active material layer or the negative electrode active material layer. Examples of the conduction aid include carbon black such as acetylene black, carbon materials such as graphite and vapor grown carbon fiber. When the active material layer contains a conductive additive, an electronic network inside the active material layer is effectively formed, which can contribute to improvement of the output characteristics of the battery.
活物質層へ混入されてなる導電助剤の含有量は、活物質層の総量に対して、1質量%以上、より好ましくは3質量%以上、さらに好ましくは5質量%以上の範囲である。また、活物質層へ混入されてなる導電助剤の含有量は、活物質層の総量に対して、15質量%以下、より好ましくは10質量%以下、さらに好ましくは7質量%以下の範囲である。活物質自体の電子導電性は低く導電助剤の量によって電極抵抗を低減できる活物質層での導電助剤の配合比(含有量)を上記範囲内に規定することで以下の効果が発現される。即ち、電極反応を阻害することなく、電子導電性を十分に担保することができ、電極密度の低下によるエネルギー密度の低下を抑制でき、ひいては電極密度の向上によるエネルギー密度の向上を図ることができる。 The content of the conductive additive mixed in the active material layer is in the range of 1% by mass or more, more preferably 3% by mass or more, and further preferably 5% by mass or more with respect to the total amount of the active material layer. The content of the conductive additive mixed in the active material layer is 15% by mass or less, more preferably 10% by mass or less, and further preferably 7% by mass or less with respect to the total amount of the active material layer. is there. The electronic conductivity of the active material itself is low, and the electrode resistance can be reduced by the amount of the conductive additive. By defining the compounding ratio (content) of the conductive additive in the active material layer within the above range, the following effects are exhibited. It That is, the electron conductivity can be sufficiently ensured without hindering the electrode reaction, the decrease in energy density due to the decrease in electrode density can be suppressed, and the energy density due to the increase in electrode density can be improved. ..
また、上記導電助剤とバインダの機能を併せ持つ導電性結着剤をこれら導電助剤とバインダに代えて用いてもよいし、あるいはこれら導電助剤とバインダの一方ないし双方と併用してもよい。導電性結着剤としては、既に市販のTAB−2(宝泉株式会社製)を用いることができる。 Further, a conductive binder having the functions of the above-mentioned conductive additive and a binder may be used in place of the conductive additive and the binder, or may be used in combination with one or both of the conductive additive and the binder. .. As the conductive binder, commercially available TAB-2 (manufactured by Hosen Co., Ltd.) can be used.
(電解質塩(リチウム塩))
電解質塩(リチウム塩)としては、Li(C2F5SO2)2N、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3等が挙げられる。
(Electrolyte salt (lithium salt))
Examples of the electrolyte salt (lithium salt) include Li(C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3, and the like.
(イオン伝導性ポリマー)
イオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)系およびポリプロピレンオキシド(PPO)系のポリマーが挙げられる。
(Ion conductive polymer)
Examples of ion conductive polymers include polyethylene oxide (PEO)-based and polypropylene oxide (PPO)-based polymers.
正極活物質層および負極活物質層中に含まれる成分の配合比は、特に限定されない。配合比は、非水電解質二次電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。 The mixing ratio of the components contained in the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer is not particularly limited. The blending ratio can be adjusted by appropriately referring to known knowledge about the non-aqueous electrolyte secondary battery.
各活物質層(集電体片面の活物質層)の厚さについても特に制限はなく、電池についての従来公知の知見が適宜参照されうる。一例を挙げると、各活物質層の厚さは、電池の使用目的(出力重視、エネルギー重視など)、イオン伝導性を考慮し、通常1〜500μm程度、好ましくは2〜100μmである。 The thickness of each active material layer (active material layer on one surface of the current collector) is not particularly limited, and conventionally known knowledge about the battery can be appropriately referred to. As an example, the thickness of each active material layer is usually about 1 to 500 μm, preferably 2 to 100 μm in consideration of the purpose of use of the battery (emphasis on output, emphasis on energy, etc.) and ionic conductivity.
<集電体>
集電体11、12は導電性材料から構成される。集電体の大きさは、電池の使用用途に応じて決定される。例えば、高エネルギー密度が要求される大型の電池に用いられるのであれば、面積の大きな集電体が用いられる。
<Current collector>
The current collectors 11 and 12 are made of a conductive material. The size of the current collector is determined according to the intended use of the battery. For example, in the case of being used for a large battery requiring high energy density, a current collector having a large area is used.
集電体の厚さについても特に制限はない。集電体の厚さは、通常は1〜100μm程度である。 The thickness of the current collector is also not particularly limited. The thickness of the current collector is usually about 1 to 100 μm.
集電体の形状についても特に制限されない。図1に示す積層型電池10では、集電箔のほか、網目形状(エキスパンドグリッド等)等を用いることができる。 The shape of the current collector is also not particularly limited. In the laminated battery 10 shown in FIG. 1, in addition to the collector foil, a mesh shape (expanded grid or the like) can be used.
なお、負極活物質をスパッタ法等により薄膜合金を負極集電体12上に直接形成する場合には、集電箔を用いるのが望ましい。 When a thin film alloy of the negative electrode active material is directly formed on the negative electrode current collector 12 by a sputtering method or the like, it is desirable to use a collector foil.
集電体を構成する材料に特に制限はない。例えば、金属や、導電性高分子材料または非導電性高分子材料に導電性フィラーが添加された樹脂が採用されうる。 There is no particular limitation on the material forming the current collector. For example, a metal or a resin in which a conductive filler is added to a conductive polymer material or a non-conductive polymer material can be adopted.
具体的には、金属としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、銅などが挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材、またはこれらの金属の組み合わせのめっき材などが好ましく用いられうる。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも、電子伝導性や電池作動電位、集電体へのスパッタリングによる負極活物質の密着性等の観点からは、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケルが好ましい。 Specifically, examples of the metal include aluminum, nickel, iron, stainless steel, titanium, copper and the like. In addition to these, a clad material of nickel and aluminum, a clad material of copper and aluminum, or a plated material of a combination of these metals can be preferably used. Further, a foil having a metal surface coated with aluminum may be used. Of these, aluminum, stainless steel, copper, and nickel are preferable from the viewpoints of electron conductivity, battery operating potential, and adhesion of the negative electrode active material to the current collector by sputtering.
また、導電性高分子材料としては、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアクリロニトリル、およびポリオキサジアゾールなどが挙げられる。かような導電性高分子材料は、導電性フィラーを添加しなくても十分な導電性を有するため、製造工程の容易化または集電体の軽量化の点において有利である。 In addition, examples of the conductive polymer material include polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, polyparaphenylene, polyphenylenevinylene, polyacrylonitrile, and polyoxadiazole. Since such a conductive polymer material has sufficient conductivity without adding a conductive filler, it is advantageous in facilitating the manufacturing process or reducing the weight of the current collector.
非導電性高分子材料としては、例えば、ポリエチレン(PE;高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)など)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリアミド(PA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、またはポリスチレン(PS)などが挙げられる。かような非導電性高分子材料は、優れた耐電位性または耐溶媒性を有しうる。 Examples of the non-conductive polymer material include polyethylene (PE; high density polyethylene (HDPE), low density polyethylene (LDPE), etc.), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyether nitrile (PEN), polyimide. (PI), polyamideimide (PAI), polyamide (PA), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl acrylate (PMA), polymethyl methacrylate (PMMA). , Polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVdF), polystyrene (PS), and the like. Such a non-conductive polymer material may have excellent potential resistance or solvent resistance.
上記の導電性高分子材料または非導電性高分子材料には、必要に応じて導電性フィラーが添加されうる。特に、集電体の基材となる樹脂が非導電性高分子のみからなる場合は、樹脂に導電性を付与するために必然的に導電性フィラーが必須となる。 A conductive filler may be added to the above conductive polymer material or non-conductive polymer material, if necessary. In particular, when the resin serving as the base material of the current collector is composed only of the non-conductive polymer, the conductive filler is indispensable in order to impart conductivity to the resin.
導電性フィラーは、導電性を有する物質であれば特に制限なく用いることができる。例えば、導電性、耐電位性、またはリチウムイオン遮断性に優れた材料として、金属および導電性カーボンなどが挙げられる。金属としては、特に制限はないが、Ni、Ti、Al、Cu、Pt、Fe、Cr、Sn、Zn、In、Sb、およびKからなる群から選択される少なくとも1種の金属もしくはこれらの金属を含む合金または金属酸化物を含むことが好ましい。また、導電性カーボンとしては、特に制限はない。好ましくは、アセチレンブラック、バルカン、ブラックパール、カーボンナノファイバー、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノバルーン、およびフラーレンからなる群より選択される少なくとも1種を含むものである。 The conductive filler can be used without particular limitation as long as it is a substance having conductivity. For example, as a material having excellent conductivity, potential resistance, or lithium ion barrier property, metal and conductive carbon can be cited. The metal is not particularly limited, but at least one metal selected from the group consisting of Ni, Ti, Al, Cu, Pt, Fe, Cr, Sn, Zn, In, Sb, and K or a metal thereof. It is preferable to include an alloy or a metal oxide containing. The conductive carbon is not particularly limited. Preferably, at least one selected from the group consisting of acetylene black, vulcan, black pearl, carbon nanofiber, Ketjen black, carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanoballoon, and fullerene is included.
導電性フィラーの添加量は、集電体に十分な導電性を付与できる量であれば特に制限はなく、一般的には、5〜35質量%程度である。 The amount of the conductive filler added is not particularly limited as long as it can provide the current collector with sufficient conductivity, and is generally about 5 to 35 mass %.
<電解質層>
電解質層17を構成する電解質としては、液体電解質またはポリマー電解質が用いられうる。
<Electrolyte layer>
A liquid electrolyte or a polymer electrolyte may be used as the electrolyte that constitutes the electrolyte layer 17.
液体電解質は、有機溶媒にリチウム塩(電解質塩)が溶解した形態を有する。有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、メチルプロピルカーボネート(MPC)等のカーボネート類が例示される。 The liquid electrolyte has a form in which a lithium salt (electrolyte salt) is dissolved in an organic solvent. Examples of the organic solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), vinylene carbonate (VC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), Illustrative are carbonates such as methylpropyl carbonate (MPC).
また、リチウム塩としては、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2N、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiTaF6、LiClO4、LiCF3SO3等の電極の活物質層に添加され得る化合物を採用することができる。 As the lithium salt, Li (CF 3 SO 2) 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2) 2 N, LiPF 6, LiBF 4, LiAsF 6, LiTaF 6, LiClO 4, LiCF 3 SO 3 , etc. A compound that can be added to the active material layer of the electrode can be adopted.
一方、ポリマー電解質は、電解液を含むゲル電解質と、電解液を含まない真性ポリマー電解質とに分類される。 On the other hand, the polymer electrolyte is classified into a gel electrolyte containing an electrolytic solution and an intrinsic polymer electrolyte containing no electrolytic solution.
ゲル電解質は、イオン伝導性ポリマーからなるマトリックスポリマーに、上記の液体電解質(電解液)が注入されてなる構成を有する。電解質としてゲルポリマー電解質を用いることで電解質の流動性がなくなり、各層間のイオン伝導を遮断することが容易になる点で優れている。 The gel electrolyte has a structure in which the above liquid electrolyte (electrolytic solution) is injected into a matrix polymer made of an ion conductive polymer. The use of a gel polymer electrolyte as the electrolyte is advantageous in that the fluidity of the electrolyte is lost and it becomes easy to block the ionic conduction between the layers.
マトリックスポリマーとして用いられるイオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、およびこれらの共重合体等が挙げられる。かようなポリアルキレンオキシド系ポリマーには、リチウム塩などの電解質塩がよく溶解しうる。 Examples of the ion conductive polymer used as the matrix polymer include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof. An electrolyte salt such as a lithium salt can be well dissolved in such a polyalkylene oxide polymer.
ゲル電解質中の上記液体電解質(電解液)の割合としては、特に制限されるべきものではないが、イオン伝導度などの観点から、数質量%〜98質量%程度とするのが望ましい。本実施形態では、電解液の割合が70質量%以上の、電解液が多いゲル電解質について、特に効果がある。 The ratio of the liquid electrolyte (electrolyte solution) in the gel electrolyte is not particularly limited, but is preferably about several mass% to 98 mass% from the viewpoint of ionic conductivity and the like. The present embodiment is particularly effective for a gel electrolyte containing a large amount of electrolytic solution in which the proportion of the electrolytic solution is 70% by mass or more.
なお、電解質層が液体電解質やゲル電解質や真性ポリマー電解質から構成される場合には、電解質層にセパレータを用いてもよい。セパレータ(不織布を含む)の具体的な形態としては、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィンからなる微多孔膜や多孔質の平板、更には不織布が挙げられる。 When the electrolyte layer is composed of a liquid electrolyte, a gel electrolyte or an intrinsic polymer electrolyte, a separator may be used for the electrolyte layer. Specific forms of the separator (including a nonwoven fabric) include, for example, a microporous film made of a polyolefin such as polyethylene or polypropylene, a porous flat plate, and a nonwoven fabric.
真性ポリマー電解質は、上記のマトリックスポリマーに支持塩(リチウム塩)が溶解してなる構成を有し、可塑剤である有機溶媒を含まない。したがって、電解質層が真性ポリマー電解質から構成される場合には電池からの液漏れの心配がなく、電池の信頼性が向上しうる。 The intrinsic polymer electrolyte has a structure in which a supporting salt (lithium salt) is dissolved in the above matrix polymer and does not contain an organic solvent which is a plasticizer. Therefore, when the electrolyte layer is composed of an intrinsic polymer electrolyte, there is no fear of liquid leakage from the battery, and the reliability of the battery can be improved.
ゲル電解質や真性ポリマー電解質のマトリックスポリマーは、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度を発現しうる。架橋構造を形成させるには、適当な重合開始剤を用いて、高分子電解質形成用の重合性ポリマー(例えば、PEOやPPO)に対して熱重合、紫外線重合、放射線重合、電子線重合等の重合処理を施せばよい。 The matrix polymer of the gel electrolyte or the intrinsic polymer electrolyte can exhibit excellent mechanical strength by forming a crosslinked structure. In order to form a crosslinked structure, a suitable polymerization initiator may be used to conduct a thermal polymerization, an ultraviolet polymerization, a radiation polymerization, an electron beam polymerization or the like on a polymerizable polymer for forming a polyelectrolyte (for example, PEO or PPO). Polymerization may be performed.
<集電板およびリード>
電池外部に電流を取り出す目的で、集電板を用いてもよい。集電板は集電体やリードに電気的に接続され、電池外装材であるラミネートフィルムの外部に取り出される。
<Current collector and lead>
A current collector plate may be used for the purpose of extracting an electric current to the outside of the battery. The current collector plate is electrically connected to the current collector and the leads and taken out to the outside of the laminate film that is the battery exterior material.
集電板を構成する材料は、特に制限されず、リチウムイオン二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましく、より好ましくは軽量、耐食性、高導電性の観点からアルミニウム、銅などが好ましい。なお、正極集電板と負極集電板とでは、同一の材質が用いられてもよいし、異なる材質が用いられてもよい。 The material forming the current collector is not particularly limited, and a well-known highly conductive material that has been conventionally used as a current collector for a lithium ion secondary battery can be used. As the constituent material of the current collector, for example, metal materials such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof are preferable, and more preferably aluminum from the viewpoint of light weight, corrosion resistance, and high conductivity, Copper or the like is preferable. The positive electrode current collector plate and the negative electrode current collector plate may be made of the same material or different materials.
正極端子リードおよび負極端子リードに関しても、必要に応じて使用する。正極端子リードおよび負極端子リードの材料は、公知のリチウムイオン二次電池で用いられる端子リードを用いることができる。なお、電池外装材29から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆するのが好ましい。 The positive electrode terminal lead and the negative electrode terminal lead are also used as needed. As a material for the positive electrode terminal lead and the negative electrode terminal lead, a terminal lead used in a known lithium ion secondary battery can be used. The portion taken out from the battery exterior material 29 has a heat insulating property so as not to affect the products (for example, automobile parts, particularly electronic devices) by contacting peripheral devices or wirings and leaking electricity. It is preferable to cover with a heat-shrinkable tube.
<電池外装材>
電池外装材29としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルムを用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。
<Battery exterior material>
As the battery exterior material 29, a well-known metal can case can be used, and a bag-shaped case that can cover the power generation element and that uses a laminate film containing aluminum can be used. As the laminate film, for example, a laminate film having a three-layer structure obtained by laminating PP, aluminum and nylon in this order can be used, but the laminate film is not limited thereto. A laminated film is desirable from the viewpoint of high output and excellent cooling performance, and the fact that it can be suitably used for batteries for large-sized equipment for EVs and HEVs.
なお、上記のリチウムイオン二次電池は、従来公知の製造方法により製造することができる。 The above lithium-ion secondary battery can be manufactured by a conventionally known manufacturing method.
<リチウムイオン二次電池の外観構成>
図2は、積層型の扁平なリチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。
<External configuration of lithium-ion secondary battery>
FIG. 2 is a perspective view showing the appearance of a laminated flat lithium ion secondary battery.
図2に示すように、積層型の扁平なリチウムイオン二次電池50では、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極集電板59、負極集電板58が引き出されている。発電要素57は、リチウムイオン二次電池50の電池外装材52によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素57は、正極集電板59および負極集電板58を外部に引き出した状態で密封されている。ここで、発電要素57は、図1に示すリチウムイオン二次電池(積層型電池)10の発電要素21に相当するものである。発電要素57は、正極(正極活物質層)13、電解質層17および負極(負極活物質層)15で構成される単電池層(単セル)19が複数積層されたものである。 As shown in FIG. 2, the laminated flat lithium ion secondary battery 50 has a rectangular flat shape, and a positive electrode current collector plate 59 and a negative electrode current collector plate 59 for extracting electric power from both sides thereof. The electric plate 58 is pulled out. The power generation element 57 is wrapped by the battery exterior material 52 of the lithium-ion secondary battery 50, and its periphery is heat-sealed, and the power generation element 57 draws out the positive electrode current collector plate 59 and the negative electrode current collector plate 58 to the outside. It is sealed in a closed state. Here, the power generation element 57 corresponds to the power generation element 21 of the lithium-ion secondary battery (laminated battery) 10 shown in FIG. The power generation element 57 is formed by stacking a plurality of single cell layers (single cells) 19 including a positive electrode (positive electrode active material layer) 13, an electrolyte layer 17, and a negative electrode (negative electrode active material layer) 15.
なお、上記リチウムイオン二次電池は、積層型の扁平な形状のもの(ラミネートセル)に制限されるものではない。巻回型のリチウムイオン電池では、円筒型形状のもの(コインセル)や角柱型形状(角型セル)のもの、こうした円筒型形状のものを変形させて長方形状の扁平な形状にしたようなもの、更にシリンダー状セルであってもよいなど、特に制限されるものではない。上記円筒型や角柱型の形状のものでは、その外装材に、ラミネートフィルムを用いてもよいし、従来の円筒缶(金属缶)を用いてもよいなど、特に制限されるものではない。好ましくは、発電要素がアルミニウムラミネートフィルムで外装される。当該形態により、軽量化が達成されうる。 The lithium ion secondary battery is not limited to the laminated flat type (laminate cell). The winding type lithium-ion battery has a cylindrical shape (coin cell), a prismatic shape (square cell), or a shape obtained by deforming such a cylindrical shape into a rectangular flat shape. Further, it may be a cylindrical cell and is not particularly limited. The cylindrical or prismatic shape is not particularly limited, and may be a laminate film or a conventional cylindrical can (metal can) as the exterior material. Preferably, the power generating element is covered with an aluminum laminate film. With this configuration, weight reduction can be achieved.
また、図2に示す正極集電板59、負極集電板58の取り出しに関しても、特に制限されるものではない。正極集電板59と負極集電板58とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、正極集電板59と負極集電板58をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出すようにしてもよいなど、図2に示すものに制限されるものではない。また、巻回型のリチウムイオン電池では、集電板に変えて、例えば、円筒缶(金属缶)を利用して端子を形成すればよい。 Further, the extraction of the positive electrode current collector plate 59 and the negative electrode current collector plate 58 shown in FIG. 2 is not particularly limited. The positive electrode current collector plate 59 and the negative electrode current collector plate 58 may be drawn out from the same side, or the positive electrode current collector plate 59 and the negative electrode current collector plate 58 may be divided into a plurality of parts and taken out from each side. However, the present invention is not limited to that shown in FIG. Further, in the wound type lithium ion battery, the terminal may be formed by using, for example, a cylindrical can (metal can) instead of the current collector plate.
上記したように、本実施形態のリチウムイオン二次電池用の負極活物質を用いてなる負極ならびにリチウムイオン二次電池は、電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの大容量電源として、好適に利用することができる。即ち、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。 As described above, the negative electrode and the lithium-ion secondary battery using the negative electrode active material for the lithium-ion secondary battery of the present embodiment can be used for electric vehicles, hybrid electric vehicles, fuel cell vehicles, hybrid fuel cell vehicles, and the like. It can be suitably used as a capacity power source. That is, it can be suitably used as a vehicle driving power supply or an auxiliary power supply that requires high volume energy density and high volume output density.
なお、上記実施形態では、電気デバイスとして、リチウムイオン電池を例示したが、これに制限されるわけではなく、他のタイプの二次電池、さらには一次電池にも適用できる。また、電池だけではなくキャパシタにも適用できる。 In addition, in the said embodiment, although a lithium ion battery was illustrated as an electric device, it is not restricted to this, It can apply to a secondary battery of another type, and also a primary battery. Further, it can be applied not only to batteries but also to capacitors.
本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。 The effects of the present invention will be described using the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited to the following examples.
(実施例1)
[Si含有合金の作製]
合金種をSi67.6Al1.2Ti31.2とし、液体急冷凝固法で作製した。以下詳しく説明する。具体的には、高純度金属Siインゴット(5N)、高純度Tiワイヤ(3N)、高純度Alショット(3N)を用い、アーク溶解法を用いて、Si合金(Si67.6質量%、Al1.2質量%、Ti31.2質量%)のインゴット合金を作製した。インゴット合金は、石英ノズルに投入しやすいように、粉砕して直径2mm程度に粗粉砕した。
(Example 1)
[Production of Si-containing alloy]
The alloy species was Si 67.6 Al 1.2 Ti 31.2, and it was produced by the liquid rapid solidification method. This will be described in detail below. Specifically, using a high-purity metal Si ingot (5N), a high-purity Ti wire (3N), and a high-purity Al shot (3N), and using an arc melting method, a Si alloy (Si67.6 mass%, Al1. 2% by mass, Ti 31.2% by mass) was prepared. The ingot alloy was crushed and roughly crushed to a diameter of about 2 mm so as to be easily put into a quartz nozzle.
続いて、粗粉砕したインゴット合金の粉末を母合金として、液体急冷凝固法によりSi含有合金として薄帯状合金=急冷薄帯(リボン)合金を作製した。具体的には、日新技研株式会社製の液体急冷凝固装置NEV−A05型を用いて、Ar置換のうえゲージ圧−0.03MPaに減圧したチャンバー内に設置した石英ノズル中に、Si67.6Al1.2Ti31.2の母合金を入れ、高周波誘導加熱により融解した。その後、0.05MPaの噴射圧にて、回転数4000rpm(周速:41.9m/sec)のCuロール上に噴射し、薄帯状合金を作製した。なお、液体急冷凝固法での合金の冷却速度は、4.67×106℃/秒であった。得られた薄帯状合金(急冷薄帯合金)の厚さは、20μmであった。 Successively, a ribbon-shaped alloy=quenched ribbon (ribbon) alloy was produced as a Si-containing alloy by a liquid rapid solidification method using the powder of the roughly crushed ingot alloy as a mother alloy. Specifically, using a liquid rapid solidification apparatus NEV-A05 type manufactured by Nisshin Giken Co., Ltd., Si 67. was placed in a quartz nozzle installed in a chamber whose Ar pressure was replaced and the gauge pressure was reduced to −0.03 MPa . A master alloy of 6 Al 1.2 Ti 31.2 was put and melted by high frequency induction heating. Then, it was jetted onto a Cu roll at a rotation speed of 4000 rpm (peripheral speed: 41.9 m/sec) at a jet pressure of 0.05 MPa to produce a ribbon alloy. The cooling rate of the alloy in the liquid rapid solidification method was 4.67×10 6 ° C./sec. The thickness of the obtained ribbon-shaped alloy (quenched ribbon alloy) was 20 μm.
その後、得られた薄帯状合金(急冷薄帯合金)を粉砕処理した。具体的には、薄帯状合金(急冷薄帯合金)は、ボールミル装置に投入しやすいように、粉砕して直径2mm程度に粗粉砕した。次に、ドイツ フリッチュ社製遊星ボールミル装置P−6を用いて、ジルコニア製粉砕ポットにジルコニア製粉砕ボールと粗粉砕した薄帯状合金(急冷薄帯合金)粉末を投入し、400rpmで1時間、粉砕処理を実施して、Si含有合金(負極活物質)を得た。得られたSi含有合金(負極活物質)粉末の平均粒子径D50は、6μmであり、D90は、19μmであった。 Then, the obtained ribbon-shaped alloy (quenched ribbon alloy) was pulverized. Specifically, the ribbon alloy (quenched ribbon alloy) was crushed and roughly crushed to a diameter of about 2 mm so that it could be easily put into a ball mill device. Next, using a planetary ball mill device P-6 manufactured by German Fritsch GmbH, a zirconia crushing ball and coarsely crushed ribbon-shaped alloy (quenched ribbon alloy) powder were put into a zirconia crushing pot, and crushed at 400 rpm for 1 hour. The treatment was performed to obtain a Si-containing alloy (negative electrode active material). The Si-containing alloy (negative electrode active material) powder thus obtained had an average particle diameter D50 of 6 μm and D90 of 19 μm.
[負極の作製]
負極活物質である上記で製造したSi含有合金(Si67.6Al1.2Ti31.2)80質量部と、導電助剤であるアセチレンブラック 5質量部と、バインダであるポリアミドイミド 15質量部と、を混合し、N−メチルピロリドンに分散させて負極スラリーを得た。次いで、得られた負極スラリーを、銅箔よりなる負極集電体の両面にそれぞれ負極活物質層の厚さが30μmとなるように均一に塗布し、真空中で24時間乾燥させて、負極を得た。
[Fabrication of negative electrode]
80 parts by mass of the Si-containing alloy (Si 67.6 Al 1.2 Ti 31.2 ) manufactured as the negative electrode active material, 5 parts by mass of acetylene black as a conductive additive, and 15 parts by mass of polyamide imide as a binder. Parts and were mixed and dispersed in N-methylpyrrolidone to obtain a negative electrode slurry. Next, the obtained negative electrode slurry was uniformly applied onto both surfaces of a negative electrode current collector made of copper foil so that the thickness of the negative electrode active material layer was 30 μm, and dried in vacuum for 24 hours to give a negative electrode. Obtained.
[リチウムイオン二次電池(コインセル)の作製]
上記で作製した負極と対極Liとを対向させ、この間にセパレータ(ポリオレフィン、膜厚20μm)を配置した。次いで、負極、セパレータ、および対極Liの積層体をコインセル(CR2032、材質:ステンレス鋼(SUS316))の底部側に配置した。さらに、正極と負極との間の絶縁性を保つためガスケットを装着し、下記電解液をシリンジにより注入し、スプリングおよびスペーサを積層し、コインセルの上部側を重ねあわせ、かしこめることにより密閉して、リチウムイオン二次電池(コインセル)を得た。
[Fabrication of lithium-ion secondary battery (coin cell)]
The negative electrode prepared above and the counter electrode Li were opposed to each other, and a separator (polyolefin, film thickness 20 μm) was arranged therebetween. Next, the laminated body of the negative electrode, the separator, and the counter electrode Li was placed on the bottom side of the coin cell (CR2032, material: stainless steel (SUS316)). Furthermore, a gasket is attached to maintain the insulation between the positive electrode and the negative electrode, the following electrolytic solution is injected with a syringe, a spring and a spacer are stacked, and the upper sides of the coin cells are overlapped and caulked to seal. Thus, a lithium ion secondary battery (coin cell) was obtained.
なお、上記電解液としては、エチレンカーボネート(EC)およびジエチルカーボネート(DEC)を、EC:DEC=1:2(体積比)の割合で混合した有機溶媒に、リチウム塩である六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を、濃度が1mol/Lとなるように溶解させたものを用いた。 As the above-mentioned electrolytic solution, ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) were mixed in an organic solvent in which EC:DEC=1:2 (volume ratio), and hexafluorophosphoric acid which is a lithium salt. Lithium (LiPF 6 ) was used by dissolving it so that the concentration was 1 mol/L.
(実施例2)
合金種をSi65.0Al2.5Ti32.5に変更した以外は、上述した実施例1と同様の方法により、負極活物質、負極およびリチウムイオン二次電池(コインセル)を作製した。得られた薄帯状合金(急冷薄帯合金)の厚さは、21μmであった。また、得られたSi含有合金(負極活物質)粉末の平均粒子径D50は、4μmであり、D90は、16μmであった。
(Example 2)
A negative electrode active material, a negative electrode, and a lithium ion secondary battery (coin cell) were produced in the same manner as in Example 1 except that the alloy type was changed to Si 65.0 Al 2.5 Ti 32.5 . The thickness of the obtained ribbon-shaped alloy (quenched ribbon alloy) was 21 μm. The average particle diameter D50 of the obtained Si-containing alloy (negative electrode active material) powder was 4 μm, and D90 was 16 μm.
(実施例3)
合金種をSi66.6Al1.2Ti32.2に変更した以外は、上述した実施例1と同様の方法により、負極活物質、負極およびリチウムイオン二次電池(コインセル)を作製した。
(Example 3)
A negative electrode active material, a negative electrode, and a lithium ion secondary battery (coin cell) were produced in the same manner as in Example 1 except that the alloy type was changed to Si 66.6 Al 1.2 Ti 32.2 .
(実施例4)
合金種をSi67.0Al1.8Ti31.2に変更した以外は、上述した実施例1と同様の方法により、負極活物質、負極およびリチウムイオン二次電池(コインセル)を作製した。
(Example 4)
A negative electrode active material, a negative electrode, and a lithium ion secondary battery (coin cell) were produced in the same manner as in Example 1 except that the alloy type was changed to Si 67.0 Al 1.8 Ti 31.2 .
(実施例5)
合金種をSi67.3Al1.5Ti31.2に変更した以外は、上述した実施例1と同様の方法により、負極活物質、負極およびリチウムイオン二次電池(コインセル)を作製した。
(Example 5)
A negative electrode active material, a negative electrode, and a lithium ion secondary battery (coin cell) were produced in the same manner as in Example 1 except that the alloy type was changed to Si 67.3 Al 1.5 Ti 31.2 .
(比較例1)
合金種をSi65.0Sn5.0Ti30.0に変更した以外は、上述した実施例1と同様の方法により、負極活物質、負極およびリチウムイオン二次電池(コインセル)を作製した。得られた薄帯状合金(急冷薄帯合金)の厚さは、20μmであった。また、得られたSi含有合金(負極活物質)粉末の平均粒子径D50は、7μmであり、D90は、20μmであった。
(比較例2)
合金種をSi60.0Sn10.0Ti30.0に変更した以外は、上述した実施例1と同様の方法により、負極活物質、負極およびリチウムイオン二次電池(コインセル)を作製した。得られた薄帯状合金(急冷薄帯合金)の厚さは、21μmであった。また、得られたSi含有合金(負極活物質)粉末の平均粒子径D50は、7μmであり、D90は、20μmであった。
(Comparative Example 1)
A negative electrode active material, a negative electrode, and a lithium ion secondary battery (coin cell) were produced in the same manner as in Example 1 except that the alloy species was changed to Si 65.0 Sn 5.0 Ti 30.0 . The thickness of the obtained ribbon-shaped alloy (quenched ribbon alloy) was 20 μm. The average particle diameter D50 of the obtained Si-containing alloy (negative electrode active material) powder was 7 μm, and D90 was 20 μm.
(Comparative example 2)
A negative electrode active material, a negative electrode, and a lithium ion secondary battery (coin cell) were produced in the same manner as in Example 1 except that the alloy type was changed to Si 60.0 Sn 10.0 Ti 30.0 . The thickness of the obtained ribbon-shaped alloy (quenched ribbon alloy) was 21 μm. The average particle diameter D50 of the obtained Si-containing alloy (negative electrode active material) powder was 7 μm, and D90 was 20 μm.
[負極活物質の組織構造の分析]
実施例1において作製した負極活物質(Si含有合金)の組織構造(微細組織)を分析した。詳細については、図3〜図11を用いて上述したとおりである。実施例1のSi含有合金の微細組織からは、遷移金属であるTi元素のケイ化物(TiSi2)を主成分とする第一の相と、一部にアルミニウム(Al)を含み、非晶質または低結晶性のSiを主成分とする第二の相(a−Si相)とを有し、さらに、一部が複数の独立した第一の相、および一部が第一の相と第二の相との共晶組織となっている構造を有することが確認できた。
[Analysis of organization structure of negative electrode active material]
The microstructure of the negative electrode active material (Si-containing alloy) produced in Example 1 was analyzed. The details are as described above with reference to FIGS. From the microstructure of the Si-containing alloy of Example 1, a first phase containing a transition metal Ti element silicide (TiSi 2 ) as a main component and a part of aluminum (Al) were included, and the amorphous Or a second phase (a-Si phase) having low crystallinity Si as a main component, and further, a part is a plurality of independent first phases, and a part is a first phase and a second phase. It was confirmed that the structure had a eutectic structure with the second phase.
なお、実施例2〜5について、実施例2の断面SEM画像(図15)以外、結果を図示はしていないが、実施例1と同様の結果が得られた。 In addition, about Example 2-5, although the result is not illustrated except the cross-sectional SEM image (FIG. 15) of Example 2, the same result as Example 1 was obtained.
実施例1において作製した負極活物質(Si含有合金)について、独立した第一の相ならびに共晶組織中の第一の相および第二の相の最頻半径は、図12を用いて上記に説明したとおりである。また、実施例2〜5および比較例1〜2において作製した負極活物質(Si含有合金)について、独立した第一の相ならびに共晶組織中の第一の相および第二の相の最頻半径を上記析出計算により算出した。得られた結果を図16、18、20、22、24および26に示す。各析出相の最頻半径の結果を下記表1に示す。 Regarding the negative electrode active material (Si-containing alloy) produced in Example 1, the modal radii of the independent first phase and the first phase and the second phase in the eutectic structure are as described above using FIG. As explained. Further, regarding the negative electrode active materials (Si-containing alloys) produced in Examples 2 to 5 and Comparative Examples 1 and 2, the independent first phase and the most frequent first phase and second phase in the eutectic structure The radius was calculated by the above precipitation calculation. The results obtained are shown in Figures 16, 18, 20, 22, 24 and 26. The results of the modal radius of each precipitation phase are shown in Table 1 below.
また、実施例1の合金組成における、TiSi2およびSiの析出シミュレーションの結果(図13)から、Si含有合金の急冷薄帯中の全遷移金属のケイ化物に対する前記共晶組織中の遷移金属のケイ化物の比Eを算出した。実施例2〜5および比較例1〜2の合金組成においても同様に、TiSi2およびSiの析出シミュレーションの結果から、Si含有合金の急冷薄帯中の全遷移金属のケイ化物に対する前記共晶組織中の遷移金属のケイ化物の比Eを算出した(図17(a)、19(a)、21(a)、23(a)、25(a)および27(a))。これらの結果を表1に示す。 In addition, from the results of TiSi 2 and Si precipitation simulation (FIG. 13) in the alloy composition of Example 1, the transition metal in the eutectic structure with respect to the silicide of all the transition metals in the quenched ribbon of the Si-containing alloy was determined. The silicide ratio E was calculated. Similarly, in the alloy compositions of Examples 2 to 5 and Comparative Examples 1 and 2, from the results of TiSi 2 and Si precipitation simulations, the eutectic structure for the silicide of all transition metals in the quenched ribbon of the Si-containing alloy was obtained. The ratio E of the transition metal silicide therein was calculated (FIGS. 17(a), 19(a), 21(a), 23(a), 25(a) and 27(a)). The results are shown in Table 1.
[アモルファス形成能の評価(臨界冷却速度)]
実施例1において作製した負極活物質(Si含有合金)において、母合金組成の共晶開始時の液相組成における臨界冷却速度は、図13を用いて上記に説明したとおりである。また、実施例2〜5および比較例1〜2のそれぞれにおいて作製した負極活物質(Si含有合金)において、母合金組成物の共晶開始時の液相組成における臨界冷却速度を算出した(図17(b)、19(b)、21(b)、23(b)、25(b)および27(b))。これらの結果を表1に示す。
[Evaluation of amorphous forming ability (critical cooling rate)]
In the negative electrode active material (Si-containing alloy) manufactured in Example 1, the critical cooling rate in the liquid phase composition at the start of the eutectic of the mother alloy composition is as described above with reference to FIG. Further, in the negative electrode active materials (Si-containing alloys) produced in each of Examples 2 to 5 and Comparative Examples 1 and 2, the critical cooling rate in the liquid phase composition at the start of eutectic of the mother alloy composition was calculated (Fig. 17(b), 19(b), 21(b), 23(b), 25(b) and 27(b)). The results are shown in Table 1.
[サイクル耐久性の評価]
実施例1〜2および比較例1〜2のそれぞれにおいて作製した各リチウムイオン二次電池(コインセル)について以下の充放電試験条件に従ってサイクル耐久性評価を行った。
[Evaluation of cycle durability]
The cycle durability of each lithium ion secondary battery (coin cell) produced in each of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 was evaluated according to the following charge/discharge test conditions.
(充放電試験条件)
1)充放電試験機:HJ0501SM8A(北斗電工株式会社製)
2)充放電条件[充電過程]0.3C、2V→10mV(定電流・定電圧モード)
[放電過程]0.3C、10mV→2V(定電流モード)
3)恒温槽:PFU−3K(エスペック株式会社製)
4)評価温度:300K(27℃)。
(Charge/discharge test conditions)
1) Charge/discharge tester: HJ0501SM8A (manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.)
2) Charge/discharge conditions [charging process] 0.3C, 2V→10mV (constant current/constant voltage mode)
[Discharging process] 0.3 C, 10 mV→2 V (constant current mode)
3) Constant temperature bath: PFU-3K (manufactured by ESPEC Corporation)
4) Evaluation temperature: 300K (27°C).
評価用セルは、充放電試験機を使用して、上記評価温度に設定された恒温槽中にて、充電過程(評価用電極へのLi挿入過程を言う)では、定電流・定電圧モードとし、0.1mAにて2Vから10mVまで充電した。その後、放電過程(評価用電極からのLi脱離過程を言う)では、定電流モードとし、0.3C、10mVから2Vまで放電した。以上の充放電サイクルを1サイクルとして、同じ充放電条件にて、初期サイクル(1サイクル)〜50サイクルまで充放電試験をおこなった。そして、1サイクル目の放電容量に対する50サイクル目の放電容量の割合(放電容量維持率[%])を求めた結果を、下記の表2に示す。 The evaluation cell was set in a constant current/constant voltage mode during the charging process (referring to the process of inserting Li into the evaluation electrode) in a constant temperature bath set to the above evaluation temperature using a charge/discharge tester. , 0.1 mA was charged from 2 V to 10 mV. After that, in the discharging process (referring to the process of desorbing Li from the evaluation electrode), a constant current mode was set, and discharging was performed from 0.3 C, 10 mV to 2 V. With the above charge/discharge cycle as one cycle, a charge/discharge test was performed from the initial cycle (1 cycle) to 50 cycles under the same charge/discharge conditions. Then, Table 2 below shows the results of obtaining the ratio of the discharge capacity at the 50th cycle to the discharge capacity at the first cycle (discharge capacity retention rate [%]).
上記表2に示す結果から、本発明に係る負極活物質を用いたリチウムイオン電池は、50サイクル後の放電容量維持率が高い値に維持されており、サイクル耐久性に優れるものであることがわかる。また、Si含有合金負極を用いた実施例では、炭素材料を用いた負極活物質に比べて、高容量である(この点は、負極材料を用いた比較例を示すまでもなく、いわば公知(背景技術参照)であるため、当該比較例は省略した)。このように高容量を示しつつ、高いサイクル耐久性が実現できたのは、負極活物質を構成するSi含有合金が、Si−Al−M(Mは1または2以上の遷移金属元素である)で表される三元系の合金組成を有することによると考えられる。一方、比較例の負極活物質を用いたリチウムイオン電池では、実施例の負極活物質を用いたリチウムイオン電池と比べて、サイクル耐久性が低いことがわかる。これは、Si−Alが液相では引き付け合うが、固相では反発することから、Alを少量含有させた実施例のSi−Al−Ti合金は、比較例のSi−Sn−Ti合金に比べて、Si含有合金の液体状態での安定性が相対的に高くなると考えられる。これにより、Si含有合金のアモルファス形成能が増大でき、共晶組織中のSi相のアモルファス度合いを高められるため、充放電に伴うLiの挿入脱離に対して、Si相の化学構造が変化しにくくなり、さらに高いサイクル耐久性を示すことが可能であると考えられる。 From the results shown in Table 2 above, it is found that the lithium ion battery using the negative electrode active material according to the present invention has a high discharge capacity retention rate after 50 cycles and is excellent in cycle durability. Recognize. In addition, the example using the Si-containing alloy negative electrode has a higher capacity than the negative electrode active material using the carbon material (this point is, so to speak, well-known (not to mention a comparative example using the negative electrode material). (See background art), so the comparative example is omitted). As described above, it was possible to realize high cycle durability while exhibiting high capacity because the Si-containing alloy constituting the negative electrode active material is Si-Al-M (M is 1 or 2 or more transition metal elements). It is considered that this is due to having a ternary alloy composition represented by On the other hand, it is found that the lithium ion battery using the negative electrode active material of the comparative example has lower cycle durability than the lithium ion battery using the negative electrode active material of the example. This is because Si-Al attracts each other in the liquid phase, but repels in the solid phase. Therefore, the Si-Al-Ti alloy of the example containing a small amount of Al is compared with the Si-Sn-Ti alloy of the comparative example. Therefore, it is considered that the stability of the Si-containing alloy in the liquid state becomes relatively high. As a result, the amorphous forming ability of the Si-containing alloy can be increased, and the degree of amorphousness of the Si phase in the eutectic structure can be increased. Therefore, the chemical structure of the Si phase changes due to the insertion and desorption of Li accompanying charge and discharge. It is considered that it becomes difficult to exhibit higher cycle durability.
10、50 リチウムイオン二次電池(積層型電池)、
11 負極集電体、
12 正極集電体、
13 負極活物質層、
15 正極活物質層、
17 電解質層、
19 単電池層、
21、57 発電要素、
25、58 負極集電板、
27、59 正極集電板、
29、52 電池外装材(ラミネートフィルム)。
10, 50 Lithium-ion secondary battery (stacked battery),
11 negative electrode current collector,
12 positive electrode current collector,
13 negative electrode active material layer,
15 positive electrode active material layer,
17 electrolyte layer,
19 cell layers,
21,57 power generation element,
25, 58 negative electrode current collector,
27, 59 Positive electrode current collector,
29, 52 Battery exterior material (laminate film).
Claims (10)
(上記化学式(I)において、
Mは、Tiであり、
Aは、不可避不純物であり、
x、y、zおよびaは、質量%の値を表し、この際、xは、60≦x≦72であり、yは、0.3≦y≦5.0であり、zは、27≦z≦35であり、aは、0≦a<0.5であり、前記zに対する前記yの比が、0.10以下であり、x+y+z+a=100である。)
で表される組成を有するSi含有合金からなる、電気デバイス用負極活物質。 The following chemical formula (I):
(In the above chemical formula (I),
M is Ti ,
A is an unavoidable impurity,
x, y, z and a represent mass% values, where x is 60≦x≦72, y is 0.3≦y≦5.0 and z is 27≦ z≦35, a is 0≦a<0.5, the ratio of y to z is 0.10 or less, and x+y+z+a=100 . )
A negative electrode active material for an electric device, comprising a Si-containing alloy having a composition represented by:
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|---|---|---|---|
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