Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP6973775B2 - Manufacturing method of negative electrode for lithium ion secondary battery, negative electrode, and negative electrode active material - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP6973775B2 - Manufacturing method of negative electrode for lithium ion secondary battery, negative electrode, and negative electrode active material - Google Patents

Manufacturing method of negative electrode for lithium ion secondary battery, negative electrode, and negative electrode active material Download PDF

Info

Publication number
JP6973775B2
JP6973775B2 JP2017106031A JP2017106031A JP6973775B2 JP 6973775 B2 JP6973775 B2 JP 6973775B2 JP 2017106031 A JP2017106031 A JP 2017106031A JP 2017106031 A JP2017106031 A JP 2017106031A JP 6973775 B2 JP6973775 B2 JP 6973775B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
negative electrode
active material
nanoparticles
electrode active
secondary battery
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2017106031A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2018200852A (en
Inventor
淳 神原
智秋 東原
遼至 太田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Tokyo NUC
Original Assignee
University of Tokyo NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Tokyo NUC filed Critical University of Tokyo NUC
Priority to JP2017106031A priority Critical patent/JP6973775B2/en
Priority to PCT/JP2018/020045 priority patent/WO2018221383A1/en
Publication of JP2018200852A publication Critical patent/JP2018200852A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6973775B2 publication Critical patent/JP6973775B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G19/00Compounds of tin
    • C01G19/02Oxides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/134Electrodes based on metals, Si or alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139Processes of manufacture
    • H01M4/1395Processes of manufacture of electrodes based on metals, Si or alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池用負極の製造方法、負極、及び負極活物質に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a negative electrode for a lithium ion secondary battery, a negative electrode, and a negative electrode active material.

リチウムイオン二次電池は、従来のニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池等に比べ、軽量かつ高容量であるため、携帯電話等の電子機器用電源に広く使用されている。またリチウムイオン二次電池は、ハイブリッド自動車や、電気自動車に搭載される電源としても有力な候補になっている。 Lithium-ion secondary batteries are lighter and have a higher capacity than conventional nickel-cadmium batteries and nickel-metal hydride batteries, and are therefore widely used as power sources for electronic devices such as mobile phones. Lithium-ion secondary batteries are also promising candidates for power sources installed in hybrid vehicles and electric vehicles.

リチウムイオン二次電池の負極は、負極集電体と、負極集電体上に設けられた負極活物質層とで形成されている。負極活物質層は、負極活物質と、バインダーと、導電助剤とを含む。従来、負極活物質として黒鉛が利用されているが、黒鉛の理論容量は372mAh/gであるので、リチウムイオン二次電池の高容量化には限界があった。そこで、理論容量が黒鉛の10倍以上の約4200mAh/gであるSi(シリコン)を負極活物質に適用することにより、リチウムイオン二次電池の高容量化を図ることが期待されている。 The negative electrode of the lithium ion secondary battery is formed of a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer provided on the negative electrode current collector. The negative electrode active material layer contains a negative electrode active material, a binder, and a conductive auxiliary agent. Conventionally, graphite has been used as the negative electrode active material, but since the theoretical capacity of graphite is 372 mAh / g, there is a limit to increasing the capacity of the lithium ion secondary battery. Therefore, it is expected that the capacity of the lithium ion secondary battery will be increased by applying Si (silicon), which has a theoretical capacity of about 4200 mAh / g, which is 10 times or more that of graphite, to the negative electrode active material.

Siからなる負極活物質を用いた場合には、活物質に対して反応するリチウムイオンの量が多いため、高容量化が実現できる一方、充放電時の体積変化が大きい。Siは、充放電過程でのリチウムとの合金/脱合金化反応で、約400%程度の体積変化が生じる。体積変化により、負極活物質の破壊、負極活物質層における導電パスの分断、負極集電体と負極活物質層との剥離等が生じることがあり、結果として、リチウムイオン二次電池のサイクル特性の低下を招く。体積変化を抑制するために、Si粒子のナノサイズ化、ポーラス構造化、合金化、炭素材料との複合化等の技術が提案されているが、高スループットでの材料生産に向けて大きな技術課題がある。 When a negative electrode active material made of Si is used, the amount of lithium ions that react with the active material is large, so that the capacity can be increased, but the volume change during charging and discharging is large. Si undergoes a volume change of about 400% in the alloying / dealloying reaction with lithium in the charge / discharge process. The volume change may cause destruction of the negative electrode active material, fragmentation of the conductive path in the negative electrode active material layer, separation of the negative electrode current collector and the negative electrode active material layer, etc., and as a result, the cycle characteristics of the lithium ion secondary battery. Causes a decrease in. Technologies such as nano-size, porous structuring, alloying, and compounding with carbon materials have been proposed in order to suppress volume changes, but there are major technical issues for material production with high throughput. There is.

非特許文献1には、ナノサイズ化したSiナノ粒子の表面に、導電性を有するSn(スズ)ナノ粒子を担持させた負極活物質が提案されている。Siナノ粒子の粒径は100nm未満であり、Snナノ粒子の粒径は10〜20nmである。 Non-Patent Document 1 proposes a negative electrode active material in which conductive Sn (tin) nanoparticles are supported on the surface of nano-sized Si nanoparticles. The particle size of the Si nanoparticles is less than 100 nm, and the particle size of the Sn nanoparticles is 10 to 20 nm.

L.Zhong et al., SCIENTIFIC REPORTS. 6, 30952 (2016)L.Zhong et al., SCIENTIFIC REPORTS. 6, 30952 (2016)

非特許文献1に記載される負極活物質を用いることにより、サイクル特性が安定することが報告されている。しかしながら、サイクル特性は依然として不十分であり、サイクル初期の不可逆容量も大きい。 It has been reported that the cycle characteristics are stabilized by using the negative electrode active material described in Non-Patent Document 1. However, the cycle characteristics are still insufficient, and the irreversible capacitance at the beginning of the cycle is also large.

本発明は、サイクル初期の不可逆容量が低減され、サイクル特性に優れるリチウムイオン二次電池用負極の製造方法、負極、及び負極活物質を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a negative electrode for a lithium ion secondary battery, a negative electrode, and a negative electrode active material, in which the irreversible capacity at the initial stage of the cycle is reduced and the cycle characteristics are excellent.

本発明に係るリチウムイオン二次電池用負極の製造方法は、Siナノ粒子の表面にSn金属体が設けられた負極活物質粒子を含むスラリーを、負極集電体に塗工し負極前駆体を形成する負極前駆体形成工程と、酸素を含む雰囲気下で前記負極前駆体を50℃以上350℃以下の温度で加熱し、前記Sn金属体の表面を酸化させる加熱工程と、を有することを特徴とする。 In the method for manufacturing a negative electrode for a lithium ion secondary battery according to the present invention, a slurry containing a negative electrode active material particle in which a Sn metal body is provided on the surface of Si nanoparticles is applied to a negative electrode current collector to obtain a negative electrode precursor. It is characterized by having a negative electrode precursor forming step of forming and a heating step of heating the negative electrode precursor at a temperature of 50 ° C. or higher and 350 ° C. or lower in an atmosphere containing oxygen to oxidize the surface of the Sn metal body. And.

本発明に係るリチウムイオン二次電池用負極は、負極集電体と、前記負極集電体上に設けられた、複数の負極活物質を含む負極活物質層とを備え、前記負極活物質は、Siナノ粒子の表面に、表面が酸化されたSnナノ粒子である酸化Snナノ粒子が設けられていることを特徴とする。 The negative electrode for a lithium ion secondary battery according to the present invention includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer containing a plurality of negative electrode active materials provided on the negative electrode current collector, and the negative electrode active material is , Si nanoparticles are characterized in that oxidized Sn nanoparticles, which are Sn nanoparticles whose surface is oxidized, are provided on the surface of the Si nanoparticles.

本発明に係るリチウムイオン二次電池用負極活物質は、Siナノ粒子の表面に、表面が酸化されたSnナノ粒子である酸化Snナノ粒子が設けられていることを特徴とする。 The negative electrode active material for a lithium ion secondary battery according to the present invention is characterized in that the oxidized Sn nanoparticles, which are Sn nanoparticles whose surface is oxidized, are provided on the surface of the Si nanoparticles.

本発明によれば、Siナノ粒子の表面に、表面が酸化されたSnナノ粒子である酸化Snナノ粒子が設けられた負極活物質を含む負極が得られるため、サイクル初期の不可逆容量が低減され、サイクル特性に優れるリチウムイオン二次電池が得られる。 According to the present invention, since a negative electrode containing a negative electrode active material in which the surface of the Si nanoparticles is provided with the oxidized Sn nanoparticles, which are Sn nanoparticles whose surface is oxidized, the irreversible capacity at the initial stage of the cycle is reduced. , A lithium ion secondary battery having excellent cycle characteristics can be obtained.

本実施形態を実施したリチウムイオン二次電池の外観の概略図である。It is the schematic of the appearance of the lithium ion secondary battery which carried out this embodiment. リチウムイオン二次電池の要部を拡大した断面概略図である。It is an enlarged sectional drawing of the main part of a lithium ion secondary battery. 負極の製造方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the manufacturing method of a negative electrode. 負極前駆体の断面を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross section of the negative electrode precursor. 負極の断面を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross section of a negative electrode. 充放電試験の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the charge / discharge test. 実施例1の負極のXPS分析結果を示す図である。It is a figure which shows the XPS analysis result of the negative electrode of Example 1. FIG. 比較例3の負極のXPS分析結果を示す図である。It is a figure which shows the XPS analysis result of the negative electrode of the comparative example 3. FIG. 実施例1,2、及び比較例3の負極のIR分析結果を示す図である。It is a figure which shows the IR analysis result of the negative electrode of Examples 1, 2 and Comparative Example 3. 実施例1の負極のSEM画像である。It is an SEM image of the negative electrode of Example 1. FIG. 実施例1の負極のSnマッピング画像である。It is a Sn mapping image of the negative electrode of Example 1. FIG.

1.実施形態
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
1. 1. Embodiments Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明を実施したリチウムイオン二次電池10の概略図である。リチウムイオン二次電池10の形状は、この例では角型形状をしているが、これに限られず、円筒型、シート状等でもよい。リチウムイオン二次電池10は、電池容器11と、電極構造体12と、正極端子13と、正極リード14と、負極端子15、負極リード16とを備えている。 FIG. 1 is a schematic view of a lithium ion secondary battery 10 in which the present invention is carried out. The shape of the lithium ion secondary battery 10 is not limited to the square shape in this example, but may be a cylindrical shape, a sheet shape, or the like. The lithium ion secondary battery 10 includes a battery container 11, an electrode structure 12, a positive electrode terminal 13, a positive electrode lead 14, a negative electrode terminal 15, and a negative electrode lead 16.

電池容器11は、扁平な箱状をしており、例えば、アルミニウム等の金属により形成されている。電池容器11は、内部に、電極構造体12、正極リード14、負極リード16、及び電解質を溶解させた電解液(図示なし)を収容した状態で密閉されている。電解液は特に限定されず、環状カーボネート、鎖状カーボネート等のうちの一種以上を用いることができる。環状カーボネートとしては、エチレンカーボネート(EC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、プロピレンカーボネート(PC)等が挙げられる。鎖状カーボネートとしては、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)等が挙げられる。電解質も特に限定されず、LiPF、LiBF等のリチウム塩を用いることができる。本実施形態では、ECとDECとFECを体積比1:1:0.2で混合した溶液に、1.0モル/リットルのLiPFを溶解させたものを電解液として用いている。図1においては、電極構造体12、正極リード14、及び負極リード16を点線で示している。 The battery container 11 has a flat box shape and is made of, for example, a metal such as aluminum. The battery container 11 is hermetically sealed with an electrode structure 12, a positive electrode lead 14, a negative electrode lead 16, and an electrolytic solution (not shown) in which an electrolyte is dissolved. The electrolytic solution is not particularly limited, and one or more of cyclic carbonate, chain carbonate and the like can be used. Examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate (EC), fluoroethylene carbonate (FEC), and propylene carbonate (PC). Examples of the chain carbonate include diethyl carbonate (DEC) and dimethyl carbonate (DMC). The electrolyte is not particularly limited, and lithium salts such as LiPF 6 and LiBF 4 can be used. In this embodiment, a solution obtained by dissolving 1.0 mol / liter of LiPF 6 in a solution in which EC, DEC, and FEC are mixed at a volume ratio of 1: 1: 0.2 is used as an electrolytic solution. In FIG. 1, the electrode structure 12, the positive electrode lead 14, and the negative electrode lead 16 are shown by dotted lines.

正極端子13は、電池容器11の外部に設けられており、正極リード14の一端と溶接されることにより接続されている。正極リード14の他端は、後述の正極17と接続している。この正極リード14を介して、正極端子13と正極17とが電気的に接続される。 The positive electrode terminal 13 is provided on the outside of the battery container 11 and is connected by welding to one end of the positive electrode lead 14. The other end of the positive electrode lead 14 is connected to the positive electrode 17 described later. The positive electrode terminal 13 and the positive electrode 17 are electrically connected via the positive electrode lead 14.

負極端子15は、電池容器11の外部に設けられており、負極リード16の一端と溶接されることにより接続されている。負極リード16の他端は、後述の負極18と接続している。この負極リード16を介して、負極端子15と負極18とが電気的に接続される。 The negative electrode terminal 15 is provided outside the battery container 11 and is connected by welding to one end of the negative electrode lead 16. The other end of the negative electrode lead 16 is connected to the negative electrode 18 described later. The negative electrode terminal 15 and the negative electrode 18 are electrically connected via the negative electrode lead 16.

電極構造体12は、正極17と、負極18と、セパレータ19,20とを備えている。正極17と負極18とセパレータ19,20はシート状に形成されており、電極構造体12は、セパレータ20の一方の表面に負極18が積層され、さらにその上にセパレータ19、正極17が順に積層された状態で、巻回することにより形成される。電極構造体12は、上記のような巻回型でもよいし、積層型でもよい。 The electrode structure 12 includes a positive electrode 17, a negative electrode 18, and separators 19 and 20. The positive electrode 17, the negative electrode 18, and the separators 19 and 20 are formed in a sheet shape. In the electrode structure 12, the negative electrode 18 is laminated on one surface of the separator 20, and the separator 19 and the positive electrode 17 are laminated in this order on the negative electrode 18. It is formed by winding in the state of being wound. The electrode structure 12 may be a wound type or a laminated type as described above.

図2は、図1に示した電極構造体12の一部を拡大した断面概略図である。図2に示すように、正極17は、正極集電体22と正極活物質層24とを有する。正極集電体22は、例えば、アルミニウム箔、Ni(ニッケル)箔、ステンレス箔等の金属箔により形成されている。本実施形態では、正極集電体22をアルミニウム箔で形成した。正極集電体22は、正極リード14と接続している。 FIG. 2 is an enlarged cross-sectional schematic view of a part of the electrode structure 12 shown in FIG. As shown in FIG. 2, the positive electrode 17 has a positive electrode current collector 22 and a positive electrode active material layer 24. The positive electrode current collector 22 is formed of, for example, a metal foil such as an aluminum foil, a Ni (nickel) foil, or a stainless steel foil. In this embodiment, the positive electrode current collector 22 is made of aluminum foil. The positive electrode current collector 22 is connected to the positive electrode lead 14.

正極活物質層24は、正極集電体22の一方の表面に設けられている。正極活物質層24は、リチウムを吸蔵及び脱離する正極活物質を含む。正極活物質としては、リチウム遷移金属複合酸化物が用いられる。リチウム遷移金属複合酸化物は、例えば、Co(コバルト)、Ni、及びMn(マンガン)からなる群のうちの少なくともいずれかを含む。正極活物質層24は、正極活物質の他、例えば、導電助剤と正極用バインダーをさらに含む。導電助剤は、例えば、黒鉛、カーボンブラック等の炭素材料である。正極用バインダーは、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等である。 The positive electrode active material layer 24 is provided on one surface of the positive electrode current collector 22. The positive electrode active material layer 24 contains a positive electrode active material that occludes and desorbs lithium. As the positive electrode active material, a lithium transition metal composite oxide is used. Lithium transition metal composite oxides include, for example, at least one of the group consisting of Co (cobalt), Ni, and Mn (manganese). In addition to the positive electrode active material, the positive electrode active material layer 24 further contains, for example, a conductive auxiliary agent and a binder for the positive electrode. The conductive auxiliary agent is, for example, a carbon material such as graphite or carbon black. The binder for the positive electrode is polyvinylidene fluoride (PVDF) or the like.

負極18は、負極集電体26と負極活物質層28とを有する。負極集電体26は、Cu(銅)箔により形成されており、負極リード16と接続している。負極活物質層28は、負極集電体26の正極活物質層24と対向する表面に設けられている。負極18の詳細については、別の図面を用いて後述する。 The negative electrode 18 has a negative electrode current collector 26 and a negative electrode active material layer 28. The negative electrode current collector 26 is formed of Cu (copper) foil and is connected to the negative electrode lead 16. The negative electrode active material layer 28 is provided on the surface of the negative electrode current collector 26 facing the positive electrode active material layer 24. The details of the negative electrode 18 will be described later with reference to another drawing.

セパレータ19,20は、多孔質膜により形成されており、孔内に電解液を保持する。セパレータ19により正極17と負極18の短絡が防止され、かつ、充放電時にリチウムイオンが当該セパレータ19を通過する。セパレータ19,20の材料としては、例えば、微多孔性ポリプロピレンフィルムを用いることができる。ポリオレフィン系、ポリエステル系、ポリアクリロニトリル系、ポリフェニレンサルファイド系、ポリイミド系またはフッ素樹脂系の微孔膜や不織布を用いてもよい。 The separators 19 and 20 are formed of a porous membrane and hold an electrolytic solution in the pores. The separator 19 prevents a short circuit between the positive electrode 17 and the negative electrode 18, and lithium ions pass through the separator 19 during charging and discharging. As the material of the separators 19 and 20, for example, a microporous polypropylene film can be used. Polyolefin-based, polyester-based, polyacrylonitrile-based, polyphenylene sulfide-based, polyimide-based or fluororesin-based micropore membranes and non-woven fabrics may be used.

図3に示すように、負極18は、Si粉末30とSn粉末31の混合粉末を原料粉末として用いて、Siナノ粒子の表面にSn金属体が設けられた負極活物質粒子32を形成する負極活物質粒子形成工程40と、負極活物質粒子32を含むスラリーを負極集電体26に塗工し負極前駆体33を形成する負極前駆体形成工程41と、負極前駆体33を加熱する加熱工程42とにより製造される。 As shown in FIG. 3, the negative electrode 18 uses a mixed powder of Si powder 30 and Sn powder 31 as a raw material powder to form negative electrode active material particles 32 in which Sn metal bodies are provided on the surface of Si nanoparticles. The active material particle forming step 40, the negative electrode precursor forming step 41 for applying the slurry containing the negative electrode active material particles 32 to the negative electrode current collector 26 to form the negative electrode precursor 33, and the heating step for heating the negative electrode precursor 33. Manufactured by 42.

負極活物質粒子形成工程40は、上記混合粉末を用いたプラズマスプレーPVD(PS−PVD;Plasma Spray - Physical Vapor Deposition)法により負極活物質粒子32を形成する。PS−PVD法は、原料粉末をプラズマ中に供給し完全蒸発させることにより高温蒸気を生成し、この高温蒸気の冷却過程で生じる急速凝縮によりナノ粒子を形成する。本実施形態では、PS−PVD法を行うPS−PVD装置(図示なし)が用いられる。PS−PVD装置としては、本実施形態では、日本電子社製ハイブリッドプラズマスプレー装置を用いる。本実施形態でのSi粉末30の平均粒径は、19μmである。Si粉末30の純度は、99.5%である。Sn粉末31としては、本実施形態では、市販の粉末、例えば高純度化学社製の粉末を用いる。Sn粉末31の粒径は、38μm以下である。Sn粉末31の純度は、99.9%である。 In the negative electrode active material particle forming step 40, the negative electrode active material particles 32 are formed by a plasma spray PVD (PS-PVD; Plasma Spray − Physical Vapor Deposition) method using the mixed powder. In the PS-PVD method, high-temperature steam is generated by supplying raw material powder into plasma and completely evaporating it, and nanoparticles are formed by rapid condensation generated in the cooling process of the high-temperature steam. In this embodiment, a PS-PVD apparatus (not shown) that performs the PS-PVD method is used. As the PS-PVD device, in the present embodiment, a hybrid plasma spray device manufactured by JEOL Ltd. is used. The average particle size of the Si powder 30 in this embodiment is 19 μm. The purity of Si powder 30 is 99.5%. As the Sn powder 31, in the present embodiment, a commercially available powder, for example, a powder manufactured by High Purity Chemical Co., Ltd. is used. The particle size of the Sn powder 31 is 38 μm or less. The purity of Sn powder 31 is 99.9%.

PS−PVD装置は、例えば、原料供給部と、プラズマ発生部と、プラズマガス供給部と、チャンバーとを備える。原料供給部は、プラズマ発生部の上に設置されており、負極活物質粒子32の原料をプラズマ発生部に供給するためのものである。プラズマ発生部は、プラズマトーチを有し、このプラズマトーチ内でプラズマを発生させる。本実施形態では、プラズマ発生部は、直流プラズマトーチと高周波プラズマトーチを有するハイブリッド型プラズマトーチを利用する。直流プラズマトーチは、陰極電極と陽極電極を有し、直流電源から両電極間に直流電圧を放電させる。高周波プラズマトーチは、高周波誘導コイルが巻き付けられており、高周波電源から高周波誘導コイルに高周波を印加する。プラズマガス供給部は、直流プラズマ発生ガスを直流プラズマトーチに供給し、かつ、高周波プラズマ発生ガスを高周波プラズマトーチに供給する。直流プラズマ発生ガスとしては、Ar(アルゴン)ガスが用いられる。高周波プラズマ発生ガスとしては、ArガスとH(水素)ガスが用いられる。チャンバーは、プラズマトーチ直下に設置されている。 The PS-PVD apparatus includes, for example, a raw material supply unit, a plasma generation unit, a plasma gas supply unit, and a chamber. The raw material supply unit is installed above the plasma generation unit, and is for supplying the raw material of the negative electrode active material particles 32 to the plasma generation unit. The plasma generation unit has a plasma torch and generates plasma in the plasma torch. In the present embodiment, the plasma generating unit uses a hybrid plasma torch having a DC plasma torch and a high frequency plasma torch. The DC plasma torch has a cathode electrode and an anode electrode, and discharges a DC voltage between both electrodes from a DC power source. A high-frequency induction coil is wound around the high-frequency plasma torch, and a high frequency is applied from a high-frequency power source to the high-frequency induction coil. The plasma gas supply unit supplies the DC plasma generated gas to the DC plasma torch and supplies the high frequency plasma generated gas to the high frequency plasma torch. Ar (argon) gas is used as the DC plasma generating gas. Ar gas and H 2 (hydrogen) gas are used as the high frequency plasma generating gas. The chamber is installed directly under the plasma torch.

このように構成されたPS−PVD装置において、直流プラズマ発生ガスとしてArガスを直流プラズマトーチに供給し、点火することによりプラズマジェットが形成され、高周波プラズマ発生ガスとしてArガスとHガスを高周波プラズマトーチに供給し、高周波を印加することによりプラズマが発生する。これにより高速かつ高温のガス流が発生する。ガス流のプラズマトーチ内での温度は、例えば、プラズマトーチ中心部で10000℃、プラズマトーチ出口で平均5000℃である。プラズマトーチ中心部が最高温度領域である。ガス流のプラズマトーチ内での平均速度は、数十m/secである。ガス流は、チャンバー内に供給される。チャンバーは、冷却捕集器を有する。冷却捕集器は、ガス流を冷却し、急速凝縮により形成されるナノ粒子を負極活物質粒子32として捕集する。冷却捕集器は、例えば図示しない制御部により制御され、チャンバー内の温度、ガス流の温度及び冷却速度等を調整する機能を有する。プラズマ発生部としては、ハイブリッド型プラズマトーチに限られず、直流プラズマトーチ単独、又は高周波プラズマトーチ単独でもよい。 In such PS-PVD apparatus thus configured, the Ar gas was supplied to the direct current plasma torch as direct current plasma generation gas, a plasma jet is formed by igniting the high-frequency Ar gas and H 2 gas as a high frequency plasma generating gas Plasma is generated by supplying it to a plasma torch and applying a high frequency. This produces a high speed and high temperature gas flow. The temperature of the gas flow in the plasma torch is, for example, 10000 ° C. at the center of the plasma torch and 5000 ° C. on average at the outlet of the plasma torch. The central part of the plasma torch is the maximum temperature region. The average velocity of the gas flow in the plasma torch is several tens of m / sec. The gas stream is supplied into the chamber. The chamber has a cooling collector. The cooling collector cools the gas stream and collects nanoparticles formed by rapid condensation as negative electrode active material particles 32. The cooling collector is controlled by, for example, a control unit (not shown), and has a function of adjusting the temperature in the chamber, the temperature of the gas flow, the cooling rate, and the like. The plasma generating unit is not limited to the hybrid plasma torch, and may be a DC plasma torch alone or a high frequency plasma torch alone.

混合粉末の総量に対するSnの原子数濃度、すなわちSn粉末31の原子数濃度は、0at%より大きく10at%以下の範囲内であり、1at%以上5at%以下の範囲内であることが好ましい。本実施形態では、Sn粉末31の原子数濃度を例えば1at%とした。このような混合粉末を用いたPS−PVD法では、高温蒸気の冷却過程において、まず、高温蒸気中での均質核生成によりSiナノ粒子が形成され、その後、Siナノ粒子の表面での不均質核生成によりSnナノ粒子が形成される。すなわち、負極活物質粒子形成工程40では、Siナノ粒子60の表面に、Sn金属体としてのSnナノ粒子62を担持させることにより、負極活物質粒子32を形成する(図4参照)。 The atomic number concentration of Sn with respect to the total amount of the mixed powder, that is, the atomic number concentration of Sn powder 31 is larger than 0 at% and in the range of 10 at% or less, and preferably in the range of 1 at% or more and 5 at% or less. In this embodiment, the atomic number concentration of Sn powder 31 is set to, for example, 1 at%. In the PS-PVD method using such a mixed powder, Si nanoparticles are first formed by homogeneous nucleation in the high-temperature steam in the cooling process of the high-temperature steam, and then inhomogeneous on the surface of the Si nanoparticles. Sn nanoparticles are formed by nucleation. That is, in the negative electrode active material particle forming step 40, the negative electrode active material particles 32 are formed by supporting the Sn nanoparticles 62 as Sn metal bodies on the surface of the Si nanoparticles 60 (see FIG. 4).

負極活物質粒子32に対するSnナノ粒子62の原子数濃度は、混合粉末の総量に対するSn粉末31の原子数濃度と同等であり、0at%より大きく10at%以下の範囲内であり、1at%以上5at%以下の範囲内が好ましい。Snナノ粒子62の原子数濃度が10at%より大きいと、負極活物質層28中のSiからなる活物質の量が減少し、電池容量が低下する。Snナノ粒子62の原子数濃度が少ないと、後述の複数のSiナノ粒子60間を連結するリガメント72の効果が発揮されない。 The atomic number concentration of the Sn nanoparticles 62 with respect to the negative electrode active material particles 32 is equivalent to the atomic number concentration of the Sn powder 31 with respect to the total amount of the mixed powder, which is larger than 0 at% and within the range of 10 at% or less, and is 1 at% or more and 5 at. It is preferably in the range of% or less. When the atomic number concentration of the Sn nanoparticles 62 is larger than 10 at%, the amount of the active material made of Si in the negative electrode active material layer 28 decreases, and the battery capacity decreases. If the atomic number concentration of the Sn nanoparticles 62 is low, the effect of the ligament 72 that connects the plurality of Si nanoparticles 60 described later is not exhibited.

Siナノ粒子60の粒径は、20nm以上40nm以下の範囲内である。Snナノ粒子62の粒径は、5nm以上20nm以下の範囲内である。本実施形態では、Siナノ粒子60の平均粒径が30nmであり、Snナノ粒子62の平均粒径が10nmである。Siナノ粒子60とSnナノ粒子62の粒径は、例えばXRD(X‐ray diffraction)装置を利用したRietveld解析により求められる。 The particle size of the Si nanoparticles 60 is in the range of 20 nm or more and 40 nm or less. The particle size of the Sn nanoparticles 62 is in the range of 5 nm or more and 20 nm or less. In the present embodiment, the average particle size of the Si nanoparticles 60 is 30 nm, and the average particle size of the Sn nanoparticles 62 is 10 nm. The particle sizes of the Si nanoparticles 60 and the Sn nanoparticles 62 are determined by, for example, Rietveld analysis using an XRD (X-ray diffraction) apparatus.

負極活物質粒子形成工程40について、より具体的に説明する。負極活物質粒子形成工程40は、混合蒸気生成工程50と、第1冷却工程51と、第2冷却工程52とを有する。 The negative electrode active material particle forming step 40 will be described more specifically. The negative electrode active material particle forming step 40 includes a mixed steam generation step 50, a first cooling step 51, and a second cooling step 52.

混合蒸気生成工程50では、上記混合粉末が、プラズマ中に供給されることにより加熱される。混合粉末は、ガス流とともにプラズマトーチの最高温度領域を通過することにより完全に熱分解し、蒸発する。このようにしてSiとSnを含む高温の混合蒸気が生成される。混合蒸気は、ガス流とともにチャンバー内に供給される。 In the mixed steam generation step 50, the mixed powder is heated by being supplied into the plasma. The mixed powder is completely pyrolyzed and evaporated by passing through the highest temperature region of the plasma torch together with the gas flow. In this way, a high-temperature mixed steam containing Si and Sn is generated. The mixed steam is supplied into the chamber together with the gas flow.

第1冷却工程51では、チャンバー内に供給された混合蒸気を冷却することにより、混合蒸気中でSiナノ粒子60を均質核生成させる。典型的なPS−PVD条件での、Siの均質核生成温度は、混合粉末の総量に対するSn粉末31の原子数濃度に応じて決まる。例えば、Siの均質核生成温度は、Sn粉末31の原子数濃度が1at%で2175K、5at%で2195Kである。このため、第1冷却工程51では、均質核生成によりSiナノ粒子60が形成し得る2200K以上の混合蒸気の温度から冷却する必要がある。これにより、第1冷却工程51では、混合蒸気の冷却過程で、混合蒸気中での均質核生成によりSiナノ粒子60が形成される。 In the first cooling step 51, Si nanoparticles 60 are homogeneously nucleated in the mixed steam by cooling the mixed steam supplied into the chamber. The homogeneous nucleation temperature of Si under typical PS-PVD conditions is determined by the atomic number concentration of Sn powder 31 with respect to the total amount of mixed powder. For example, the homogeneous nucleation temperature of Si is 2175K when the atomic number concentration of Sn powder 31 is 1 at% and 2195K when the atomic number concentration is 5 at%. Therefore, in the first cooling step 51, it is necessary to cool from the temperature of the mixed steam of 2200 K or more that Si nanoparticles 60 can form by homogeneous nucleation. As a result, in the first cooling step 51, Si nanoparticles 60 are formed by homogeneous nucleation in the mixed steam in the cooling process of the mixed steam.

第2冷却工程では、第1冷却工程を経た混合蒸気をさらに冷却することにより、Siナノ粒子60の表面に、Snナノ粒子62を不均質核生成させる。すなわち、第2冷却工程は、第1冷却工程を経た混合蒸気を、Siナノ粒子60の表面での不均質核生成によりSnナノ粒子62が形成される不均質核生成温度にする。Snの不均質核生成温度は、混合粉末の総量に対するSn粉末31の原子数濃度とSiナノ粒子径に応じて決まる。例えば、Snの不均質核生成温度は、代表的なSiナノ粒子が30nmの場合、Sn粉末31の原子数濃度が1at%で1375K、5at%で1480Kである。一方、Snの均質核生成温度は、Sn粉末31の原子数濃度が1at%で1345K、5at%で1460Kである。このことから、第2冷却工程において、Siナノ粒子へのSnナノ粒子の直接担持構造が期待される。このため、第2冷却工程は、SiおよびSnナノ粒子の粗大化を抑えるために、混合蒸気の冷却速度を、10K/sec以上とすることが好ましい。 In the second cooling step, the mixed steam that has undergone the first cooling step is further cooled to generate inhomogeneous nuclei of Sn nanoparticles 62 on the surface of the Si nanoparticles 60. That is, in the second cooling step, the mixed steam that has undergone the first cooling step is brought to an inhomogeneous nucleation temperature at which Sn nanoparticles 62 are formed by inhomogeneous nucleation on the surface of the Si nanoparticles 60. The Sn heterogeneous nucleation temperature is determined according to the atomic number concentration of the Sn powder 31 and the Si nanoparticle diameter with respect to the total amount of the mixed powder. For example, the inhomogeneous nucleation temperature of Sn is 1375 K at 1 at% and 1480 K at 5 at% when the typical Si nanoparticles are 30 nm. On the other hand, the homogeneous nucleation temperature of Sn is 1345K when the atomic number concentration of Sn powder 31 is 1 at% and 1460K when the atomic number concentration is 5 at%. From this, in the second cooling step, a structure in which Sn nanoparticles are directly supported on Si nanoparticles is expected. Therefore, the second cooling step, in order to suppress the coarsening of Si and Sn nanoparticles, the cooling rate of the vapor mixture, it is preferable to 10 4 K / sec or more.

次に、負極前駆体形成工程41について説明する。負極前駆体形成工程41は、スラリー作成工程53と、塗布工程54と、乾燥及びプレス工程55とを有しており、これら全ての工程を経て得られたものが、図4に示す負極前駆体33である。スラリー作成工程53では、負極活物質粒子32を含むスラリーが作成される。塗布工程54では、スラリーを負極集電体26上に塗工することにより塗膜63が形成される。乾燥及びプレス工程55では、負極集電体26の表面に塗膜63が形成されたものに対し、乾燥とプレスが行われる。図4に示すように、負極前駆体33は、塗膜63内に負極活物質粒子32が均一に分散している。 Next, the negative electrode precursor forming step 41 will be described. The negative electrode precursor forming step 41 includes a slurry making step 53, a coating step 54, and a drying and pressing step 55, and the negative electrode precursor obtained through all these steps is the negative electrode precursor shown in FIG. 33. In the slurry making step 53, a slurry containing the negative electrode active material particles 32 is made. In the coating step 54, the coating film 63 is formed by coating the slurry on the negative electrode current collector 26. In the drying and pressing step 55, the coating film 63 formed on the surface of the negative electrode current collector 26 is dried and pressed. As shown in FIG. 4, in the negative electrode precursor 33, the negative electrode active material particles 32 are uniformly dispersed in the coating film 63.

負極前駆体形成工程41における各工程について、より具体的に説明する。 Each step in the negative electrode precursor forming step 41 will be described more specifically.

スラリー作成工程53は、負極活物質粒子32と負極用バインダー材46と導電助剤48を混合し、この混合物に溶媒を適量入れて調整することにより、スラリーを作成する。負極用バインダー材46としては、例えば、PVDF、ポリイミド前駆体等が用いられる。ポリイミド前駆体としては、ポリアミド酸が挙げられる。導電助剤48は、例えば、黒鉛、カーボンブラック、炭素繊維等の炭素系材料が用いられる。溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)等が用いられる。本実施形態では、負極用バインダー材46としてポリアミド酸、導電助剤48としてカーボンブラック、溶媒としてNMPが用いられる。上記混合物は、負極用バインダー材46が1〜20wt%の範囲内であり、導電助剤48が1〜20wt%の範囲内であり、本実施形態ではいずれも5wt%としている。 In the slurry making step 53, the negative electrode active material particles 32, the binder material 46 for the negative electrode, and the conductive auxiliary agent 48 are mixed, and an appropriate amount of a solvent is added to the mixture to prepare a slurry. As the binder material 46 for the negative electrode, for example, PVDF, a polyimide precursor, or the like is used. Examples of the polyimide precursor include polyamic acid. As the conductive auxiliary agent 48, for example, a carbon-based material such as graphite, carbon black, or carbon fiber is used. As the solvent, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) or the like is used. In this embodiment, polyamic acid is used as the binder material 46 for the negative electrode, carbon black is used as the conductive auxiliary agent 48, and NMP is used as the solvent. In the above mixture, the binder material 46 for the negative electrode is in the range of 1 to 20 wt%, the conductive auxiliary agent 48 is in the range of 1 to 20 wt%, and in the present embodiment, the content is 5 wt%.

塗布工程54は、スラリー作成工程53で作成したスラリーを負極集電体26上に塗工することにより、負極集電体26の表面に塗膜63を形成する。スラリーを負極集電体26上に塗工する方法としては、ドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法等が挙げられる。本実施形態ではドクターブレード法により、負極集電体26上にスラリーを膜状に塗工する。塗布工程54において、塗膜63の厚みは例えば75μmとされ、負極集電体26の厚みは例えば12μmとされている。 In the coating step 54, the coating film 63 is formed on the surface of the negative electrode current collector 26 by applying the slurry prepared in the slurry making step 53 onto the negative electrode current collector 26. Examples of the method of applying the slurry on the negative electrode current collector 26 include a doctor blade method, a dipping method, and a spray method. In the present embodiment, the slurry is coated on the negative electrode current collector 26 in the form of a film by the doctor blade method. In the coating step 54, the thickness of the coating film 63 is set to, for example, 75 μm, and the thickness of the negative electrode current collector 26 is set to, for example, 12 μm.

乾燥及びプレス工程55は、第1乾燥工程と、プレス工程と、第2乾燥工程とを有する。 The drying and pressing step 55 includes a first drying step, a pressing step, and a second drying step.

第1乾燥工程は、大気下で塗膜63を乾燥させる。第1乾燥工程では、Snナノ粒子62のSnと負極集電体26のCuが酸化しない条件で乾燥する。具体的には、室温(例えば25℃)以上110℃以下の範囲内の温度で、3分以上15分以下の範囲内の時間乾燥する。第1乾燥工程の温度は、80℃以上110℃以下であることがより好ましい。本実施形態では塗膜63を110℃で15分間乾燥する。これにより、SnとCuの酸化が抑制され、かつ、溶媒の揮発が進められる。 In the first drying step, the coating film 63 is dried in the atmosphere. In the first drying step, Sn of the Sn nanoparticles 62 and Cu of the negative electrode current collector 26 are dried under the condition that they are not oxidized. Specifically, the product is dried at a temperature within the range of room temperature (for example, 25 ° C.) or higher and 110 ° C. or lower for a time within the range of 3 minutes or longer and 15 minutes or lower. The temperature of the first drying step is more preferably 80 ° C. or higher and 110 ° C. or lower. In this embodiment, the coating film 63 is dried at 110 ° C. for 15 minutes. As a result, the oxidation of Sn and Cu is suppressed, and the volatilization of the solvent is promoted.

プレス工程は、例えばロールプレス機を用いて、第1乾燥工程を経た塗膜63をプレスする。プレス工程では、例えば、10kNで塗膜63をプレスする。プレス工程により、塗膜63の平面が平坦化され、負極集電体26に塗膜63がより密着される。プレス工程により、負極活物質層28の空隙率を調整することができる。プレス工程後は、塗膜63の厚みが例えば10μmとされ、負極集電体26の厚みが例えば10μmとされる。 In the pressing step, for example, a roll press machine is used to press the coating film 63 that has undergone the first drying step. In the pressing process, for example, the coating film 63 is pressed at 10 kN. By the pressing step, the flat surface of the coating film 63 is flattened, and the coating film 63 is more closely adhered to the negative electrode current collector 26. The porosity of the negative electrode active material layer 28 can be adjusted by the pressing process. After the pressing step, the thickness of the coating film 63 is set to, for example, 10 μm, and the thickness of the negative electrode current collector 26 is set to, for example, 10 μm.

第2乾燥工程では、プレス工程を経た塗膜63を大気下で乾燥することにより負極前駆体33を形成する。第2乾燥工程では、Snナノ粒子62のSnと負極集電体26のCuが、酸化が進行しない条件で乾燥する。具体的には、室温以上110℃以下の範囲内の温度で、3分以上60分以下の範囲内の時間乾燥する。第2乾燥工程の温度は、80℃以上110℃以下であることがより好ましい。本実施形態では塗膜63を110℃で45分間乾燥する。これにより、SnとCuの酸化が抑制され、かつ、溶媒が除去される。第1乾燥工程で溶媒が除去される場合には、第2乾燥工程は、行わなくても良い。 In the second drying step, the negative electrode precursor 33 is formed by drying the coating film 63 that has undergone the pressing step in the atmosphere. In the second drying step, Sn of the Sn nanoparticles 62 and Cu of the negative electrode current collector 26 are dried under the condition that oxidation does not proceed. Specifically, it is dried at a temperature in the range of room temperature or more and 110 ° C. or less for a time in the range of 3 minutes or more and 60 minutes or less. The temperature of the second drying step is more preferably 80 ° C. or higher and 110 ° C. or lower. In this embodiment, the coating film 63 is dried at 110 ° C. for 45 minutes. As a result, the oxidation of Sn and Cu is suppressed and the solvent is removed. If the solvent is removed in the first drying step, the second drying step may not be performed.

次に、加熱工程42について説明する。加熱工程42は、酸素を含む雰囲気下で、Snが溶融する温度で負極前駆体33を加熱し、Snナノ粒子62の、特に表面を酸化させる。具体的には、Snの融点は、Snナノ粒子62の粒径が100nm以上の場合には230℃程度であるが、Snナノ粒子62の粒径が10nm程度では50℃を下回る。従って、加熱工程42の加熱温度は、50℃以上であることが好ましく、大きなSnナノ粒子62も溶融する200℃以上であることがより好ましい。負極前駆体33は加熱工程42の昇温過程で直ちに溶融し、その後の保持過程でSnナノ粒子62が表面から酸化されて、後述の酸化Snナノ粒子71により形成されたリガメント72が形成される(図5参照)。酸素分子の拡散反応を利用すると、Snナノ粒子62の表面を含有酸素量xの多いSnOx(xは、0<x≦2の範囲内である)とするためには、加熱工程42の加熱温度は、より高温であることが好ましい。ただし、負極用バインダー材46としてのポリアミド酸のイミド化反応が進行しすぎないようにするために、加熱工程42の温度は、350℃以下であることが好ましい。すなわち、加熱工程42の加熱温度は、50℃以上350℃以下であることが好ましく、200℃以上230℃以下であることがより好ましい。また、負極集電体26のCuの酸化を抑制するために、加熱工程42の加熱温度を高温とするほど、加熱時間を短くする必要がある。このため、加熱工程42の加熱時間は、1分以上5分以下であることが好ましい。本実施形態では、負極前駆体33を230℃で1分間加熱する。 Next, the heating step 42 will be described. In the heating step 42, the negative electrode precursor 33 is heated at a temperature at which Sn melts in an atmosphere containing oxygen, and the surface of the Sn nanoparticles 62, particularly the surface, is oxidized. Specifically, the melting point of Sn is about 230 ° C. when the particle size of the Sn nanoparticles 62 is 100 nm or more, but is lower than 50 ° C. when the particle size of the Sn nanoparticles 62 is about 10 nm. Therefore, the heating temperature in the heating step 42 is preferably 50 ° C. or higher, and more preferably 200 ° C. or higher at which the large Sn nanoparticles 62 are also melted. The negative electrode precursor 33 is immediately melted in the heating process of the heating step 42, and the Sn nanoparticles 62 are oxidized from the surface in the subsequent holding process to form the ligament 72 formed by the oxidized Sn nanoparticles 71 described later. (See FIG. 5). Utilizing the diffusion reaction of oxygen molecules, in order to make the surface of the Sn nanoparticles 62 SnOx having a large amount of oxygen x (x is in the range of 0 <x ≦ 2), the heating temperature in the heating step 42. Is preferably at a higher temperature. However, the temperature of the heating step 42 is preferably 350 ° C. or lower so that the imidization reaction of the polyamic acid as the binder material 46 for the negative electrode does not proceed too much. That is, the heating temperature in the heating step 42 is preferably 50 ° C. or higher and 350 ° C. or lower, and more preferably 200 ° C. or higher and 230 ° C. or lower. Further, in order to suppress the oxidation of Cu in the negative electrode current collector 26, it is necessary to shorten the heating time as the heating temperature in the heating step 42 becomes higher. Therefore, the heating time of the heating step 42 is preferably 1 minute or more and 5 minutes or less. In this embodiment, the negative electrode precursor 33 is heated at 230 ° C. for 1 minute.

加熱工程42は、図示しないアニール装置(管状炉)を用いて行う。アニール装置は、例えば、負極前駆体33が設置されるアニール室と、アニール室内にArガスを供給するガス供給部と、アニール装置各部を制御する制御部を有する(いずれも図示なし)。アニール室の内部にはヒーターと温度計(いずれも図示なし)等が設けられている。制御部は、図示しない設定手段により設定された設定情報に基づき、アニール装置各部の制御を行う。例えば、制御部は、温度計から取得した測定温度情報と、設定手段により設定された設定温度情報とに基づき、ヒーターの発熱量の制御を行う。これにより、アニール室内の温度は、設定温度情報に対応する設定温度に保たれる。また、制御部は、アニール室内の温度を目的とする温度に昇温させる速度(以下、昇温速度という)、Arガスの供給開始タイミング、Arガスの供給停止タイミング、Arガスの流量等の制御を行う。 The heating step 42 is performed using an annealing device (tubular furnace) (not shown). The annealing device has, for example, an annealing chamber in which the negative electrode precursor 33 is installed, a gas supply unit that supplies Ar gas to the annealing chamber, and a control unit that controls each unit of the annealing device (none of which is shown). A heater and a thermometer (neither shown) are provided inside the annealing chamber. The control unit controls each unit of the annealing device based on the setting information set by the setting means (not shown). For example, the control unit controls the calorific value of the heater based on the measured temperature information acquired from the thermometer and the set temperature information set by the setting means. As a result, the temperature in the annealing chamber is maintained at the set temperature corresponding to the set temperature information. Further, the control unit controls the rate at which the temperature in the annealing chamber is raised to the target temperature (hereinafter referred to as the temperature raising rate), the Ar gas supply start timing, the Ar gas supply stop timing, the Ar gas flow rate, and the like. I do.

本実施形態では、大気雰囲気下にて、アニール室に負極前駆体33を設置した後、制御部により、Arガスの供給とアニール室内の昇温とが同時に開始される。Arガスの流量は、300sccm(Standard Cubic Centimeter per Minutes)とされている。昇温速度は、30℃/minとされている。設定温度は、230℃とされている。アニール室の温度が230℃に達した後、1〜5分間保持され、負極前駆体33が加熱される。所定の加熱時間に達したら、Arガスフロー中のまま,直ちに負極前駆体33を50℃以下の温度帯に移動させて冷却させる。アニール室への負極前駆体33の導入の際に、アニール室内へ大気が入る。当該大気は負極前駆体33が加熱される際にも残留しており、このように酸素を含む雰囲気下で負極前駆体33が加熱されることにより、負極18が形成される。加熱時の酸素分圧は、加熱温度が50℃以上350℃以下の温度範囲では、0.1×10Pa以上2×10Pa以下であることが好ましい。酸素分圧が0.1×10Pa以上であることにより、酸素分圧が0.1×10Pa未満である場合と比べて、Snがより確実に酸化し得る。酸素分圧が2×10Pa以下であることにより、酸素分圧が2×10Paより大きい場合と比べて、Cuの酸化がより確実に抑制される。 In the present embodiment, after the negative electrode precursor 33 is installed in the annealing chamber under the atmospheric atmosphere, the supply of Ar gas and the temperature rise in the annealing chamber are started at the same time by the control unit. The flow rate of Ar gas is 300 sccm (Standard Cubic Centimeter per Minutes). The rate of temperature rise is set to 30 ° C./min. The set temperature is 230 ° C. After the temperature of the annealing chamber reaches 230 ° C., it is held for 1 to 5 minutes to heat the negative electrode precursor 33. When the predetermined heating time is reached, the negative electrode precursor 33 is immediately moved to a temperature range of 50 ° C. or lower and cooled while still in the Ar gas flow. At the time of introducing the negative electrode precursor 33 into the annealing chamber, the atmosphere enters the annealing chamber. The atmosphere remains even when the negative electrode precursor 33 is heated, and the negative electrode 18 is formed by heating the negative electrode precursor 33 in an atmosphere containing oxygen in this way. The oxygen partial pressure during heating is preferably 0.1 × 10 2 Pa or more and 2 × 10 4 Pa or less in the temperature range where the heating temperature is 50 ° C. or higher and 350 ° C. or lower. When the oxygen partial pressure is 0.1 × 10 2 Pa or more, Sn can be more reliably oxidized as compared with the case where the oxygen partial pressure is less than 0.1 × 10 2 Pa. When the oxygen partial pressure is 2 × 10 4 Pa or less, the oxidation of Cu is more reliably suppressed as compared with the case where the oxygen partial pressure is larger than 2 × 10 4 Pa.

図5に示すように、負極18は、負極活物質層28内に複数の負極活物質70を含む。負極活物質70は、加熱工程42において、Snナノ粒子62の表面が酸化されることにより得られる。すなわち、負極活物質70は、Siナノ粒子60の表面に、表面が酸化されたSnナノ粒子である酸化Snナノ粒子71が担持されている。酸化Snナノ粒子71は、Snの酸化物であるSnOxを含むので導電性を有する。この酸化Snナノ粒子71により、酸化が進行しても負極活物質70に導電性が維持される。 As shown in FIG. 5, the negative electrode 18 includes a plurality of negative electrode active materials 70 in the negative electrode active material layer 28. The negative electrode active material 70 is obtained by oxidizing the surface of the Sn nanoparticles 62 in the heating step 42. That is, in the negative electrode active material 70, the oxidized Sn nanoparticles 71, which are Sn nanoparticles whose surface has been oxidized, are supported on the surface of the Si nanoparticles 60. The oxidized Sn nanoparticles 71 have conductivity because they contain SnOx, which is an oxide of Sn. The oxidized Sn nanoparticles 71 maintain the conductivity of the negative electrode active material 70 even if the oxidation progresses.

酸化Snナノ粒子71は、Siナノ粒子60に直接担持したSn金属体(Snナノ粒子62)の表面からの酸化により形成されるため、表面には中心部と異なる酸化量のSnOx層が設けられる(いずれも図示なし)。SnOx層は、表面からの深さが深いほどxの値が小さい。例えば、SnOx層は、最表面から特定深さまでの部分にSnOが含まれ、さらに深い部分にSnOが含まれる。含有酸素の少ないSnOを内包することにより、SnOのみから構成される場合に比べてSnに対するLiOの生成量は減少し、サイクル初期の不可逆容量は確実に低減される。酸化Snナノ粒子71の最表面にSnOが含まれていることにより、表面のSnOがSn/LiOを形成するが、酸化Snナノ粒子71はSiナノ粒子間に点在するため凝集が抑制されることから、サイクル特性により優れる。 Since the oxidized Sn nanoparticles 71 are formed by oxidation from the surface of the Sn metal body (Sn nanoparticles 62) directly supported on the Si nanoparticles 60, a SnOx layer having an oxidation amount different from that of the central portion is provided on the surface. (Neither is shown). The deeper the SnOx layer is from the surface, the smaller the value of x. For example, in the SnOx layer, SnO 2 is contained in a portion from the outermost surface to a specific depth, and SnO is contained in a deeper portion. By enclosing the low oxygen content SnO, the amount of Li 2 O with respect to Sn in comparison with the case constituted only SnO 2 is decreased and the irreversible capacity of the initial cycle is reliably reduced. By contain SnO 2 on the outermost surface of the oxide Sn nanoparticles 71, aggregation because although SnO 2 surface to form a Sn / Li 2 O, the oxide Sn nanoparticles 71 interspersed between Si nanoparticles Is suppressed, so the cycle characteristics are superior.

負極活物質層28において、酸化Snナノ粒子71は、均一に分布した状態に含まれている。これは、走査型電子顕微鏡(SEM;Scanning Electron Microscope)の画像を用いて、EDS(Energy Dispersion Spectroscopy)によりSnのマッピングを行うことにより確認される。 In the negative electrode active material layer 28, the oxidized Sn nanoparticles 71 are contained in a uniformly distributed state. This is confirmed by mapping Sn by EDS (Energy Dispersion Spectroscopy) using an image of a scanning electron microscope (SEM).

複数のSiナノ粒子60は、直接担持している酸化Snナノ粒子71により形成されたリガメント72で連結されている。リガメント72は、加熱工程42において、Snナノ粒子62が溶融しキャピラリ効果でSiナノ粒子間の空隙に配置され、直ちにSnナノ粒子62の表面から酸化することにより形成される。酸化Snは導電性を有するため、リガメント72と複数のSiナノ粒子60および導電助剤の炭素材料により、導電性ネットワークNが形成される。導電性ネットワークNは負極活物質層28内に縦横無尽に形成され、これにより三次元負極構造が得られる。導電性ネットワークNにより、負極活物質層28の表面から負極集電体26に向かう方向(深さ方向)、及び負極活物質層28の表面に平行な方向の電気伝導率が向上する。複数のSiナノ粒子60がリガメント72で連結されることにより、充放電時の負極活物質70の体積変化による導電パスの分断が生じることが抑制される。このため、特に初期効率に優れるリチウムイオン二次電池10が得られる。 The plurality of Si nanoparticles 60 are connected by a ligament 72 formed by the directly supported Sn oxide nanoparticles 71. The ligament 72 is formed by melting the Sn nanoparticles 62 in the heating step 42, placing them in the voids between the Si nanoparticles by the capillary effect, and immediately oxidizing the Sn nanoparticles 62 from the surface. Since the oxidized Sn has conductivity, the conductive network N is formed by the ligament 72, the plurality of Si nanoparticles 60, and the carbon material of the conductive auxiliary agent. The conductive network N is formed in the negative electrode active material layer 28 infinitely vertically and horizontally, whereby a three-dimensional negative electrode structure can be obtained. The conductive network N improves the electrical conductivity in the direction from the surface of the negative electrode active material layer 28 toward the negative electrode current collector 26 (depth direction) and in the direction parallel to the surface of the negative electrode active material layer 28. By connecting the plurality of Si nanoparticles 60 with the ligament 72, it is possible to prevent the conduction path from being divided due to the volume change of the negative electrode active material 70 during charging and discharging. Therefore, a lithium ion secondary battery 10 having particularly excellent initial efficiency can be obtained.

導電性ネットワークNを構成するために、負極活物質層28の空隙率は、25%以上65%以下の範囲内であることが好ましい。空隙率が65%より大きいと、複数のSiナノ粒子60同士が、加熱工程42において形成された酸化Snナノ粒子71で十分に連結されない場合がある。空隙率が25%より小さいと、三次元負極構造が、負極活物質70の充放電時の体積変化を吸収できず、負極活物質70の破壊や負極集電体26と負極活物質層28との剥離が生じる。負極活物質層28の空隙率は、試験用に切り出した負極18の構成要素の体積と重量より求めた。 In order to form the conductive network N, the porosity of the negative electrode active material layer 28 is preferably in the range of 25% or more and 65% or less. If the porosity is larger than 65%, the plurality of Si nanoparticles 60 may not be sufficiently linked by the oxidized Sn nanoparticles 71 formed in the heating step 42. If the void ratio is smaller than 25%, the three-dimensional negative electrode structure cannot absorb the volume change during charging and discharging of the negative electrode active material 70, and the negative electrode active material 70 is destroyed or the negative electrode current collector 26 and the negative electrode active material layer 28 are formed. Peeling occurs. The porosity of the negative electrode active material layer 28 was determined from the volume and weight of the components of the negative electrode 18 cut out for the test.

負極活物質層28は、負極活物質層28と負極集電体26との界面に、CuとSnとの合金により形成された合金部73を有する。合金部73は、加熱工程42において、Snナノ粒子62と負極集電体26との一部が合金化するものである。この合金部73を介して、負極活物質70が負極集電体26に固着される。これにより、負極集電体26と負極活物質層28との密着性が向上する。Snを膜状に集電体上に形成する場合、集電体と活物質層との間に層状のCu−Sn合金層が形成され、体積変化に起因した繰り返し応力により、活物質層の剥離が生じることが知られている。しかし、本実施形態では、負極活物質層28内には複数の負極活物質70が均一に分散し、複数の合金部73が互いに間隔をあけた状態に設けられている。このため、負極集電体26と負極活物質層28との剥離がより確実に抑制され、サイクル特性に優れるリチウムイオン二次電池10が得られる。 The negative electrode active material layer 28 has an alloy portion 73 formed of an alloy of Cu and Sn at the interface between the negative electrode active material layer 28 and the negative electrode current collector 26. In the alloying portion 73, a part of the Sn nanoparticles 62 and the negative electrode current collector 26 is alloyed in the heating step 42. The negative electrode active material 70 is fixed to the negative electrode current collector 26 via the alloy portion 73. This improves the adhesion between the negative electrode current collector 26 and the negative electrode active material layer 28. When Sn is formed on the current collector in the form of a film, a layered Cu—Sn alloy layer is formed between the current collector and the active material layer, and the active material layer is peeled off due to repeated stress caused by the volume change. Is known to occur. However, in the present embodiment, the plurality of negative electrode active materials 70 are uniformly dispersed in the negative electrode active material layer 28, and the plurality of alloy portions 73 are provided in a state of being spaced apart from each other. Therefore, peeling of the negative electrode current collector 26 and the negative electrode active material layer 28 is more reliably suppressed, and a lithium ion secondary battery 10 having excellent cycle characteristics can be obtained.

負極活物質層28は、導電助剤48と負極活物質70の他、負極用バインダー74をさらに有する。負極用バインダー74は、特許請求の範囲の「バインダー」に対応する。負極用バインダー74は、ポリイミドを含む。ポリイミドは、負極用バインダー材46としてのポリイミド前駆体であるポリアミド酸が、加熱工程42で加熱されることによりイミド化したものである。ポリアミド酸は、200℃以上の加熱によりイミド化反応が進行する。このように、ポリイミド前駆体をポリイミドにするための工程を別途設ける必要がないので、効率よく負極18を製造することができる。 The negative electrode active material layer 28 further includes a negative electrode binder 74 in addition to the conductive auxiliary agent 48 and the negative electrode active material 70. The negative electrode binder 74 corresponds to the "binder" in the claims. The binder 74 for the negative electrode contains polyimide. The polyimide is imidized by heating the polyamic acid, which is a polyimide precursor as the binder material 46 for the negative electrode, in the heating step 42. The imidization reaction of the polyamic acid proceeds by heating at 200 ° C. or higher. As described above, since it is not necessary to separately provide a step for converting the polyimide precursor into polyimide, the negative electrode 18 can be efficiently manufactured.

2.実施例
加熱工程42において負極前駆体33を230℃で5分間加熱することにより製造した負極を実施例1とした。加熱工程42における加熱時間を1分としたこと以外は実施例1と同じ条件で製造した負極を実施例2とした。
2. 2. Example The negative electrode manufactured by heating the negative electrode precursor 33 at 230 ° C. for 5 minutes in the heating step 42 was designated as Example 1. Example 2 was a negative electrode manufactured under the same conditions as in Example 1 except that the heating time in the heating step 42 was set to 1 minute.

加熱工程42の有無や負極活物質粒子の原料粉末を変えて、3種の負極を製造し、比較例1〜3とした。比較例1は、原料粉末としてSi粉末30のみを用い、加熱工程42を行わずに製造した負極である。比較例2は、230℃で5分間の加熱工程42を行ったこと以外は比較例1と同じ条件で製造した負極である。比較例3は、加熱工程42を行わないこと以外は実施例1と同じ条件で製造した負極である。 Three types of negative electrodes were manufactured by changing the presence or absence of the heating step 42 and the raw material powder of the negative electrode active material particles, and used as Comparative Examples 1 to 3. Comparative Example 1 is a negative electrode manufactured by using only Si powder 30 as a raw material powder and without performing a heating step 42. Comparative Example 2 is a negative electrode manufactured under the same conditions as in Comparative Example 1 except that the heating step 42 was performed at 230 ° C. for 5 minutes. Comparative Example 3 is a negative electrode manufactured under the same conditions as in Example 1 except that the heating step 42 is not performed.

実施例1及び2、比較例1〜3の各負極について、電気化学セルを用いて充放電試験を行った。電気化学セルは、負極の対極としてリチウム金属箔を用い、上記実施形態と同様の手法で作った電解液を用いて作製した。充放電は、1〜3サイクルは0.1mA(0.02C)の定電流条件で、4〜100サイクルは0.5mA(0.1C)の定電流条件で行った。カットオフ電圧は0〜1.5Vとした。充放電試験の結果を図6に示す。本図は、縦軸が充放電容量、横軸がサイクル数を示す。白抜きされた印は充電容量を示し、塗り潰された印は放電容量を示す。本図では、放電容量についての凡例を表示している。実施例1及び2は、比較例1〜3と比べて、サイクル初期の充電容量、放電容量も、100サイクル後の充電容量、放電容量も高い。実施例1と実施例2とを比較すると、加熱時間が長いほど、充放電サイクルによる容量の低下が抑えられ、サイクル特性が向上している。実施例1と比較例2とを比較すると、5分間の加熱工程42を行っても、原料粉末にSn粉末31を加えずにSi粉末30のみを用いた比較例2では、サイクル初期の充電容量、放電容量も低く、充放電サイクルによる容量の低下率も大きい。実施例1及び2と比較例3とを比較すると、原料粉末にSn粉末31を加えても、加熱工程42を行わない比較例3では、充放電サイクルによる容量の低下が顕著であり、100サイクル後の容量は、原料粉末にSn粉末31を加えていない比較例1及び2と同程度まで低下する。実施例1及び2では、複数のSiナノ粒子60が酸化Snナノ粒子71により形成されたリガメント72で連結されることにより、充放電時の負極活物質70の体積変化による導電パスの分断が生じることが抑制され、優れたサイクル特性が得られたと考えられる。 A charge / discharge test was performed on each of the negative electrodes of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3 using an electrochemical cell. The electrochemical cell was produced by using a lithium metal foil as the counter electrode of the negative electrode and using an electrolytic solution prepared by the same method as in the above embodiment. Charging and discharging were performed under a constant current condition of 0.1 mA (0.02C) for 1 to 3 cycles and a constant current condition of 0.5 mA (0.1 C) for 4 to 100 cycles. The cutoff voltage was 0 to 1.5V. The results of the charge / discharge test are shown in FIG. In this figure, the vertical axis shows the charge / discharge capacity and the horizontal axis shows the number of cycles. The white marks indicate the charge capacity, and the filled marks indicate the discharge capacity. In this figure, a legend about the discharge capacity is displayed. In Examples 1 and 2, the charge capacity and the discharge capacity at the initial stage of the cycle and the charge capacity and the discharge capacity after 100 cycles are higher than those of Comparative Examples 1 to 2. Comparing Example 1 and Example 2, the longer the heating time, the more the decrease in capacity due to the charge / discharge cycle is suppressed, and the cycle characteristics are improved. Comparing Example 1 and Comparative Example 2, in Comparative Example 2 in which only Si powder 30 was used without adding Sn powder 31 to the raw material powder even after the heating step 42 for 5 minutes, the charge capacity at the initial stage of the cycle was used. The discharge capacity is also low, and the rate of decrease in capacity due to the charge / discharge cycle is large. Comparing Examples 1 and 2 with Comparative Example 3, even if Sn powder 31 is added to the raw material powder, in Comparative Example 3 in which the heating step 42 is not performed, the capacity is significantly reduced due to the charge / discharge cycle, and 100 cycles. The subsequent volume is reduced to the same level as in Comparative Examples 1 and 2 in which Sn powder 31 is not added to the raw material powder. In Examples 1 and 2, the plurality of Si nanoparticles 60 are connected by the ligament 72 formed by the oxidized Sn nanoparticles 71, so that the conductive path is divided due to the volume change of the negative electrode active material 70 during charging and discharging. It is considered that this was suppressed and excellent cycle characteristics were obtained.

実施例1と比較例3の負極について、XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)分析を行い、酸化Snナノ粒子71、Snナノ粒子62の酸化状態を調べた。XPS分析は、島津製作所社製ESCA850装置を用いた。XPS装置に負極をセットした後、真空排気し、負極の表面を深さ方向にアルゴンイオンのエッチングを行った。イオン電流とエッチング時間は、1回のエッチングの量(深さ)が数nmになるように設定した。その後、XPSスペクトル測定を行った。XPSスペクトル測定は、エッチング回数が、2回、8回、14回、20回のそれぞれの回数で行った。図7は実施例1のXPSスペクトルを示し、図8は比較例3のXPSスペクトルを示す。図7において、L1はエッチング回数が2回、L2はエッチング回数が8回、L3はエッチング回数が14回、L4はエッチング回数が20回の場合をそれぞれ示す。図8において、L5はエッチング回数が2回、L6はエッチング回数が8回、L7はエッチング回数が14回、L8はエッチング回数が20回の場合をそれぞれ示す。結合エネルギー485.0eV、493.0eVにSnに対応する金属状態のピークが現れ、結合エネルギー486.6eV、494.7eVにSnOに対応する酸化状態のピークが、485.9eVにSnOに対応するピークが現れる。図7及び図8より、実施例1のL1はSnOに対応する酸化状態のピークが顕著に現れており、L2、L3、L4と負極の深い位置に行くほど、金属状態のピークが現れる方向にピークが広がっていることがわかる。これより、実施例1は、負極活物質70の表面にはSnOxが含まれ、表面からの深さが深いほどxの値が小さいことが確認できた。特に、実施例1は、負極活物質70の最表面はSnOが形成されていることが確認できた。一方、図8から、比較例3は、負極活物質の表面にはSnOが少ないことが確認できた。 XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) analysis was performed on the negative electrodes of Example 1 and Comparative Example 3 to examine the oxidation state of the oxidized Sn nanoparticles 71 and the Sn nanoparticles 62. For XPS analysis, an ESCA850 device manufactured by Shimadzu Corporation was used. After setting the negative electrode in the XPS device, vacuum exhaust was performed, and the surface of the negative electrode was etched with argon ions in the depth direction. The ion current and the etching time were set so that the amount (depth) of one etching was several nm. After that, XPS spectrum measurement was performed. The XPS spectrum measurement was performed with the number of etchings being 2, 8, 14, and 20, respectively. FIG. 7 shows the XPS spectrum of Example 1, and FIG. 8 shows the XPS spectrum of Comparative Example 3. In FIG. 7, L1 shows a case where the number of etchings is 2 times, L2 shows a case where the number of times of etching is 8 times, L3 shows a case where the number of times of etching is 14 times, and L4 shows a case where the number of times of etching is 20 times. In FIG. 8, L5 shows a case where the number of etchings is 2, L6 shows a case where the number of etchings is 8, L7 shows a case where the number of etchings is 14, and L8 shows a case where the number of etchings is 20 times. Metallic peaks corresponding to Sn appear at binding energies 485.0 eV and 493.0 eV, oxidation state peaks corresponding to SnO 2 at binding energies 486.6 eV and 494.7 eV correspond to SnO at 485.9 eV. A peak appears. 7 and 8, the L1 of Example 1 is conspicuous peak oxidation state corresponding to SnO 2, L2, L3, L4 and toward the deep position of the negative electrode, the direction in which the peak of the metallic state appears It can be seen that the peak is spreading. From this, it was confirmed that in Example 1, SnOx was contained in the surface of the negative electrode active material 70, and the deeper the depth from the surface, the smaller the value of x. In particular, in Example 1, it was confirmed that SnO 2 was formed on the outermost surface of the negative electrode active material 70. On the other hand, from FIG. 8, it was confirmed that in Comparative Example 3, SnO 2 was scarce on the surface of the negative electrode active material.

実施例1,2、及び比較例3の負極について、IR(infrared spectroscopy)分析を行い、負極用バインダー材46としてポリアミド酸のイミド化反応の進行状態を調べた。図9は、IR分析結果である。IR分析は、日本分光社製FT−IR装置を用いた。図9において、L10は実施例1、L11は実施例2、L12は比較例3の各スペクトルを示す。本図から、実施例1は、1725cm−1と1336cm−1に、イミド基に由来する吸収ピークが確認された。このことから、加熱工程42により、ポリイミド前駆体であるポリアミド酸のイミド化反応が進行し、ポリイミドが得られたことが確認できた。 IR (infrared spectroscopy) analysis was performed on the negative electrodes of Examples 1 and 2 and Comparative Example 3 to investigate the progress of the imidization reaction of the polyamic acid as the binder material 46 for the negative electrode. FIG. 9 is an IR analysis result. For IR analysis, an FT-IR apparatus manufactured by JASCO Corporation was used. In FIG. 9, L10 shows the spectra of Example 1, L11 shows the spectra of Example 2, and L12 shows the spectra of Comparative Example 3. From this figure, in Example 1, absorption peaks derived from the imide group were confirmed at 1725 cm -1 and 1336 cm -1. From this, it was confirmed that the imidization reaction of the polyamic acid, which is a polyimide precursor, proceeded by the heating step 42, and the polyimide was obtained.

実施例1の負極活物質層28の断面をSEMにより撮影し、得られたSEM画像を用いてEDS分析を行った。EDS分析では、SEM画像に基づきSnのマッピング画像を生成し、このSnマッピング画像を用いて、酸化Snナノ粒子71の負極活物質層28内での分布を観察した。図10はSEM画像を示し、図11はSnマッピング画像を示す。図11から、実施例1は、Snが、凝集し粗大化することなく、均一に分散していることが確認できた。このことから、負極活物質層28において、酸化Snナノ粒子71が均一に分散していることがわかる。 A cross section of the negative electrode active material layer 28 of Example 1 was photographed by SEM, and EDS analysis was performed using the obtained SEM image. In the EDS analysis, a Sn mapping image was generated based on the SEM image, and the distribution of the oxidized Sn nanoparticles 71 in the negative electrode active material layer 28 was observed using this Sn mapping image. FIG. 10 shows an SEM image, and FIG. 11 shows a Sn mapping image. From FIG. 11, it was confirmed that in Example 1, Sn was uniformly dispersed without agglomeration and coarsening. From this, it can be seen that the oxidized Sn nanoparticles 71 are uniformly dispersed in the negative electrode active material layer 28.

以上のように、Siナノ粒子60の表面にSn金属体が設けられた負極活物質粒子32を含むスラリーを負極集電体26に塗工し形成した負極前駆体を、加熱工程42で酸素を含む雰囲気下でSnの融点に近い温度で加熱することにより、複数のSiナノ粒子60を酸化Snナノ粒子71から形成されたリガメント72で連結した導電性ネットワークNが形成されるので、電気伝導率が向上し、かつ、充放電時の負極活物質70の体積変化による導電パスの分断が生じることが抑制される。また、加熱工程42により、負極集電体26と負極活物質層28との界面にCuとSnの合金部73が形成されるので、負極集電体26と負極活物質層28との密着性が向上し、負極集電体26と負極活物質層28との剥離がより確実に抑制される。したがって、サイクル初期の不可逆容量が低減され、サイクル特性に優れるリチウムイオン二次電池10が得られる。 As described above, the negative electrode precursor formed by applying the slurry containing the negative electrode active material particles 32 having the Sn metal body provided on the surface of the Si nanoparticles 60 to the negative electrode current collector 26 is oxygenated in the heating step 42. By heating at a temperature close to the melting point of Sn in the containing atmosphere, a conductive network N in which a plurality of Si nanoparticles 60 are connected by a ligament 72 formed from the oxidized Sn nanoparticles 71 is formed, so that the electric conductivity is formed. In addition, it is possible to prevent the conduction path from being divided due to the volume change of the negative electrode active material 70 during charging and discharging. Further, since the Cu and Sn alloy portion 73 is formed at the interface between the negative electrode current collector 26 and the negative electrode active material layer 28 by the heating step 42, the adhesion between the negative electrode current collector 26 and the negative electrode active material layer 28 is formed. Is improved, and peeling between the negative electrode current collector 26 and the negative electrode active material layer 28 is more reliably suppressed. Therefore, the irreversible capacity at the initial stage of the cycle is reduced, and the lithium ion secondary battery 10 having excellent cycle characteristics can be obtained.

3.変形例
Siナノ粒子の表面にSnナノ粒子が担持された負極活物質粒子32は、PS−PVD法以外の方法により形成してもよい。例えば、Snを含む溶液中にSiナノ粒子を分散させ乾燥する方法や、ボールミル等を用いた機械的な造粒法により形成することができる。PS−PVD法は、低級な冶金級粉末を原料として用いた場合であっても比較的高密度な混合蒸気中において核生成が行われるので、上記の方法と比べて、高スループットかつ容易に負極活物質粒子を形成することができるため好ましい。
3. 3. Modification Example The negative electrode active material particles 32 in which Sn nanoparticles are supported on the surface of Si nanoparticles may be formed by a method other than the PS-PVD method. For example, it can be formed by a method of dispersing Si nanoparticles in a solution containing Sn and drying them, or a mechanical granulation method using a ball mill or the like. In the PS-PVD method, nucleation is performed in a relatively high-density mixed steam even when low-grade metallurgical powder is used as a raw material, so that the negative electrode has higher throughput and is easier than the above method. It is preferable because it can form active material particles.

Sn金属体として、Siナノ粒子の表面にSn被覆層を設けてもよい。例えば、CVD法によりSiナノ粒子の表面にSn薄膜を堆積してSn被覆層を形成することができる。これにより、Siナノ粒子の表面にSn被覆層が設けられた負極活物質粒子が形成される。この負極活物質粒子を含むスラリーを負極集電体に塗工して負極前駆体を形成し、加熱工程42において負極前駆体を加熱することにより負極を製造してもよい。こうして得られた負極も、上記実施形態の負極18と同様の効果が得られる。 As the Sn metal body, a Sn coating layer may be provided on the surface of the Si nanoparticles. For example, a Sn thin film can be deposited on the surface of Si nanoparticles by the CVD method to form a Sn coating layer. As a result, the negative electrode active material particles having the Sn coating layer provided on the surface of the Si nanoparticles are formed. A negative electrode may be manufactured by applying a slurry containing the negative electrode active material particles to a negative electrode current collector to form a negative electrode precursor and heating the negative electrode precursor in the heating step 42. The negative electrode thus obtained also has the same effect as the negative electrode 18 of the above embodiment.

上記実施形態では、加熱工程42において、Arガスの供給とアニール室内の昇温とを同時に開始しているが、これらを異なるタイミングで行ってもよい。例えば、アニール室にArガスを10分間供給した後、昇温を開始してもよい。 In the above embodiment, in the heating step 42, the supply of Ar gas and the temperature rise in the annealing chamber are started at the same time, but these may be performed at different timings. For example, the temperature may be started after supplying Ar gas to the annealing chamber for 10 minutes.

負極集電体としては、Ni箔やステンレス箔等を用いてもよいが、Snナノ粒子62との合金化の観点から、Cuを含む金属箔を用いることが好ましく、Cu箔を用いることがより好ましい。 As the negative electrode current collector, Ni foil, stainless foil, or the like may be used, but from the viewpoint of alloying with Sn nanoparticles 62, it is preferable to use a metal foil containing Cu, and it is more preferable to use Cu foil. preferable.

10 リチウムイオン二次電池
17 正極
18 負極
19,20 セパレータ
26 負極集電体
28 負極活物質層
32 負極活物質粒子
40 負極活物質粒子形成工程
41 負極前駆体形成工程
42 加熱工程
60 Siナノ粒子
62 Snナノ粒子
70 負極活物質
71 酸化Snナノ粒子
72 リガメント
73 合金部
N 導電性ネットワーク
10 Lithium ion secondary battery 17 Positive electrode 18 Negative electrode 19, 20 Separator 26 Negative electrode current collector 28 Negative electrode active material layer 32 Negative electrode active material particles 40 Negative electrode active material particle formation process 41 Negative electrode precursor formation process 42 Heating process 60 Si nanoparticles 62 Sn Nanoparticles 70 Negative Electrode Active Material 71 Oxidized Sn Nanoparticles 72 Ligament 73 Alloy Part N Conductive Network

Claims (10)

Siナノ粒子の表面に、Sn金属体としてのSnナノ粒子を担持させ、負極活物質粒子を形成する負極活物質粒子形成工程と、
前記負極活物質粒子を含むスラリーを、負極集電体に塗工し負極前駆体を形成する負極前駆体形成工程と、
酸素分圧が2×10 Pa以下の酸素を含む雰囲気下で前記負極前駆体を200℃以上350℃以下の温度で加熱し、前記Sn金属体の表面を酸化させる加熱工程と、
を有することを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極の製造方法。
A negative electrode active material particle forming step of supporting Sn nanoparticles as a Sn metal body on the surface of Si nanoparticles to form negative electrode active material particles, and
A negative electrode precursor forming step of applying the slurry containing the negative electrode active material particles to the negative electrode current collector to form a negative electrode precursor.
A heating step of heating the negative electrode precursor at a temperature of 200 ° C. or higher and 350 ° C. or lower in an atmosphere containing oxygen having an oxygen partial pressure of 2 × 10 4 Pa or less to oxidize the surface of the Sn metal body.
A method for manufacturing a negative electrode for a lithium ion secondary battery.
Siナノ粒子の表面に、Sn金属体としてのSnナノ粒子を担持させ、負極活物質粒子を形成する負極活物質粒子形成工程と、
前記負極活物質粒子を含むスラリーを、負極集電体に塗工し負極前駆体を形成する負極前駆体形成工程と、
酸素を含む雰囲気下で前記負極前駆体を50℃以上350℃以下の温度で加熱し、前記Sn金属体の表面を酸化させる加熱工程と、
を有し、
前記負極活物質粒子形成工程は、
SiとSnとの混合粉末を蒸発させ、前記Siと前記Snとを含む混合蒸気を生成する混合蒸気生成工程と、
前記混合蒸気を冷却し、前記混合蒸気の冷却過程で、前記混合蒸気中での均質核生成により前記Siナノ粒子を形成させる第1冷却工程と、
前記第1冷却工程を経た前記混合蒸気をさらに冷却し、前記Siナノ粒子の表面での不均質核生成により前記Snナノ粒子を形成させる第2冷却工程と、
を有する、プラズマスプレーPVD法により前記負極活物質粒子を形成する
ことを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極の製造方法。
A negative electrode active material particle forming step of supporting Sn nanoparticles as a Sn metal body on the surface of Si nanoparticles to form negative electrode active material particles, and
A negative electrode precursor forming step of applying the slurry containing the negative electrode active material particles to the negative electrode current collector to form a negative electrode precursor.
A heating step of heating the negative electrode precursor at a temperature of 50 ° C. or higher and 350 ° C. or lower in an atmosphere containing oxygen to oxidize the surface of the Sn metal body.
Have,
The negative electrode active material particle forming step is
A mixed steam generation step of evaporating a mixed powder of Si and Sn to generate a mixed steam containing the Si and the Sn.
A first cooling step of cooling the mixed steam and forming the Si nanoparticles by homogeneous nucleation in the mixed steam in the cooling process of the mixed steam.
A second cooling step of further cooling the mixed steam that has undergone the first cooling step and forming the Sn nanoparticles by inhomogeneous nucleation on the surface of the Si nanoparticles.
It is having, features and be Brighter lithium ion anode manufacturing method for a secondary battery to form the anode active material particles by plasma spraying PVD method.
Siナノ粒子の表面に、Sn金属体としてのSnナノ粒子を担持させ、負極活物質粒子を形成する負極活物質粒子形成工程と、
前記負極活物質粒子を含むスラリーを、負極集電体に塗工し負極前駆体を形成する負極前駆体形成工程と、
酸素を含む雰囲気下で前記負極前駆体を50℃以上350℃以下の温度で加熱し、前記Sn金属体の表面を酸化させる加熱工程と、
を有し、
前記負極活物質粒子形成工程は、SiとSnとの混合粉末を用いたプラズマスプレーPVD法により前記負極活物質粒子を形成し、
前記混合粉末の総量に対する前記Snの原子数濃度は、1at%以上5at%以下の範囲内である
ことを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極の製造方法。
A negative electrode active material particle forming step of supporting Sn nanoparticles as a Sn metal body on the surface of Si nanoparticles to form negative electrode active material particles, and
A negative electrode precursor forming step of applying the slurry containing the negative electrode active material particles to the negative electrode current collector to form a negative electrode precursor.
A heating step of heating the negative electrode precursor at a temperature of 50 ° C. or higher and 350 ° C. or lower in an atmosphere containing oxygen to oxidize the surface of the Sn metal body.
Have,
In the negative electrode active material particle forming step, the negative electrode active material particles are formed by a plasma spray PVD method using a mixed powder of Si and Sn.
The atomic concentration of the Sn to the total amount of the mixed powder, wherein the to Brighter lithium ion method of manufacturing a negative electrode for a secondary battery to be within the scope of the following or 1 at.% 5at%.
前記第1冷却工程は、前記混合蒸気の温度を、2200K以上とし、
前記第2冷却工程は、前記混合蒸気の冷却速度を10K/secとすることを特徴とする請求項記載のリチウムイオン二次電池用負極の製造方法。
In the first cooling step, the temperature of the mixed steam is set to 2200 K or higher.
The second cooling step, method for producing a negative electrode for a lithium ion secondary battery according to claim 2, characterized in that the cooling rate of the mixed vapor and 10 4 K / sec.
前記スラリーは、ポリイミド前駆体を含むことを特徴とする請求項1からのいずれか1項記載のリチウムイオン二次電池用負極の製造方法。 The method for producing a negative electrode for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 4 , wherein the slurry contains a polyimide precursor. 負極集電体と、
前記負極集電体上に設けられた、複数の負極活物質を含む負極活物質層とを備え、
前記負極活物質は、Siナノ粒子の表面に、表面が酸化されたSnナノ粒子である酸化Snナノ粒子が設けられており、
前記酸化Snナノ粒子は、Snにより形成された中心部と、前記中心部の表面に設けられたSnOx層(0<x≦2)とを有し、前記SnOx層は表面からの深さが深いほどxの値が小さく、表面から所定の深さまでの部分にSnO が含まれ、さらに深い部分にSnOが含まれる
ことを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極。
Negative electrode current collector and
A negative electrode active material layer containing a plurality of negative electrode active materials provided on the negative electrode current collector is provided.
The negative electrode active material is provided with oxidized Sn nanoparticles, which are Sn nanoparticles whose surface is oxidized, on the surface of Si nanoparticles .
The oxidized Sn nanoparticles have a central portion formed by Sn and a SnOx layer (0 <x≤2) provided on the surface of the central portion, and the SnOx layer has a deep depth from the surface. A negative electrode for a lithium ion secondary battery, characterized in that the value of x is as small as possible, SnO 2 is contained in a portion from the surface to a predetermined depth, and SnO is contained in a deeper portion.
複数の前記Siナノ粒子が、前記酸化Snナノ粒子により形成されたリガメントで連結されていることを特徴とする請求項記載のリチウムイオン二次電池用負極。 The negative electrode for a lithium ion secondary battery according to claim 6 , wherein the plurality of the Si nanoparticles are connected by a ligament formed of the oxidized Sn nanoparticles. 前記負極集電体はCuを含み、
前記負極活物質層は、前記CuとSnとの合金により形成された合金部を有し、
前記負極活物質は、前記合金部を介して前記負極集電体に固着されることを特徴とする請求項6または7記載のリチウムイオン二次電池用負極。
The negative electrode current collector contains Cu and contains Cu.
The negative electrode active material layer has an alloy portion formed of an alloy of Cu and Sn, and has an alloy portion.
The negative electrode for a lithium ion secondary battery according to claim 6 or 7 , wherein the negative electrode active material is fixed to the negative electrode current collector via the alloy portion.
前記負極活物質層は、ポリイミドを含むバインダーを有することを特徴とする請求項からのいずれか1項記載のリチウムイオン二次電池用負極。 The negative electrode for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 6 to 8 , wherein the negative electrode active material layer has a binder containing polyimide. Siナノ粒子の表面に、表面が酸化されたSnナノ粒子である酸化Snナノ粒子が設けられており、
前記酸化Snナノ粒子は、Snにより形成された中心部と、前記中心部の表面に設けられたSnOx層(0<x≦2)とを有し、前記SnOx層は表面からの深さが深いほどxの値が小さく、表面から所定の深さまでの部分にSnO が含まれ、さらに深い部分にSnOが含まれる
ことを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極活物質。
Oxidized Sn nanoparticles, which are Sn nanoparticles whose surface has been oxidized, are provided on the surface of the Si nanoparticles.
The oxidized Sn nanoparticles have a central portion formed by Sn and a SnOx layer (0 <x≤2) provided on the surface of the central portion, and the SnOx layer has a deep depth from the surface. A negative electrode active material for a lithium ion secondary battery, characterized in that the value of x is as small as possible, SnO 2 is contained in a portion from the surface to a predetermined depth, and SnO is contained in a deeper portion.
JP2017106031A 2017-05-29 2017-05-29 Manufacturing method of negative electrode for lithium ion secondary battery, negative electrode, and negative electrode active material Active JP6973775B2 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017106031A JP6973775B2 (en) 2017-05-29 2017-05-29 Manufacturing method of negative electrode for lithium ion secondary battery, negative electrode, and negative electrode active material
PCT/JP2018/020045 WO2018221383A1 (en) 2017-05-29 2018-05-24 Method for producing negative electrode for lithium-ion secondary battery, negative electrode, and negative electrode active material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017106031A JP6973775B2 (en) 2017-05-29 2017-05-29 Manufacturing method of negative electrode for lithium ion secondary battery, negative electrode, and negative electrode active material

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2018200852A JP2018200852A (en) 2018-12-20
JP6973775B2 true JP6973775B2 (en) 2021-12-01

Family

ID=64455746

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017106031A Active JP6973775B2 (en) 2017-05-29 2017-05-29 Manufacturing method of negative electrode for lithium ion secondary battery, negative electrode, and negative electrode active material

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP6973775B2 (en)
WO (1) WO2018221383A1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110993931A (en) * 2019-12-23 2020-04-10 上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司 Modification method of silicon negative electrode material for lithium ion battery

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102196997A (en) * 2008-10-27 2011-09-21 巴斯夫欧洲公司 Method for preparing a suspension of nanoparticulate metal borides
JP5638765B2 (en) * 2009-03-25 2014-12-10 ウチヤ・サーモスタット株式会社 Method for producing deposited film containing nanoparticles
JP5598836B2 (en) * 2009-08-03 2014-10-01 古河電気工業株式会社 Negative electrode material for lithium ion secondary battery containing nano-sized particles, negative electrode for lithium ion secondary battery, lithium ion secondary battery
JP2012102354A (en) * 2010-11-08 2012-05-31 Furukawa Electric Co Ltd:The Nano-size particle, negative electrode material for lithium ion secondary battery including the nano-size particle, negative electrode for lithium ion secondary battery, lithium ion secondary battery, and method for producing the nano-size particle

Also Published As

Publication number Publication date
JP2018200852A (en) 2018-12-20
WO2018221383A1 (en) 2018-12-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4954865B2 (en) Negative electrode active material having improved electrochemical characteristics and electrochemical device including the same
JP6163294B2 (en) Lithium secondary battery
KR102124052B1 (en) Positive electrode active material, preparing method thereof, and lithium battery employing positive electrode including the same
JP5888418B2 (en) Negative electrode active material, method for producing negative electrode active material, negative electrode and secondary battery
JP2009021214A (en) Method for producing electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery
CN110383540A (en) Negative electrode for lithium secondary battery, method for manufacturing same, and lithium secondary battery comprising same
CN106663815B (en) Method of manufacturing conductive material, conductive material manufactured thereby, and lithium secondary battery including the same
JPWO2015186742A1 (en) Nanocarbon composite and method for producing the same
US20070099436A1 (en) Method of producing silicon oxide, negative electrode active material for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery using the same
EP4231383A1 (en) Silicon nanocomposite structure powder for negative electrode material, and method for manufacturing same
WO2013038884A1 (en) Negative electrode active substance and production method therefor
JP4831987B2 (en) Method for producing non-aqueous electrolyte secondary battery
KR20170084307A (en) Electrical device
WO2015015548A1 (en) Negative electrode material for lithium ion secondary batteries, negative electrode for lithium ion secondary batteries, lithium ion secondary battery, and method for producing negative electrode material for lithium ion secondary batteries
JP2017076466A (en) Negative electrode for lithium ion secondary battery, lithium ion secondary battery
KR101284025B1 (en) Anode Materials for Secondary Batteries and Method Producing the Same
US20100261066A1 (en) Positive electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery and non-aqueous electrolyte secondary battery using the same
KR20130118191A (en) Silicon based negative active material and secondary battery comprising the same
JP6973775B2 (en) Manufacturing method of negative electrode for lithium ion secondary battery, negative electrode, and negative electrode active material
JPH10214615A (en) Non-aqueous secondary battery and method for producing negative electrode active material
JP2007095363A (en) Battery electrode material and method for producing battery electrode material
JP4765109B2 (en) Carbon material for electrode and manufacturing method thereof, electrode and manufacturing method thereof, and electrochemical device and manufacturing method thereof
WO2024048653A1 (en) Nonaqueous electrolyte secondary battery, battery module and battery system
JP2008179846A (en) Method for producing metal powder, metal powder, electrode, and lithium ion secondary battery
JP2023141406A (en) Method for producing a positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, a positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, a non-aqueous electrolyte secondary battery using the same, a battery module, a battery system, a composition for producing a positive electrode

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20200526

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210511

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20210709

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210826

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20210928

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20211027

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6973775

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250