JP7465672B2 - Negative electrode materials for power storage devices - Google Patents
Negative electrode materials for power storage devices Download PDFInfo
- Publication number
- JP7465672B2 JP7465672B2 JP2020027177A JP2020027177A JP7465672B2 JP 7465672 B2 JP7465672 B2 JP 7465672B2 JP 2020027177 A JP2020027177 A JP 2020027177A JP 2020027177 A JP2020027177 A JP 2020027177A JP 7465672 B2 JP7465672 B2 JP 7465672B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- phase
- negative electrode
- less
- electrode material
- sio2
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/13—Energy storage using capacitors
Landscapes
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池、全固体リチウムイオン二次電池、ハイブリットキャパシタ等の、充電時及び放電時にリチウムイオンの移動を伴う蓄電デバイスの、負極に適した材料に関する。 The present invention relates to a material suitable for the negative electrode of an electricity storage device involving the movement of lithium ions during charging and discharging, such as a lithium ion secondary battery, an all-solid-state lithium ion secondary battery, and a hybrid capacitor.
近年、携帯電話機、携帯音楽プレーヤー、携帯端末等が急速に普及している。これらの携帯機器は、リチウムイオン二次電池を有している。電気自動車及びハイブリッド自動車も、リチウムイオン二次電池を有している。さらに、家庭用の定置蓄電デバイスとして、リチウムイオン二次電池及びハイブリットキャパシタが用いられている。 In recent years, mobile phones, portable music players, portable terminals, etc. have rapidly become popular. These portable devices have lithium-ion secondary batteries. Electric vehicles and hybrid vehicles also have lithium-ion secondary batteries. Furthermore, lithium-ion secondary batteries and hybrid capacitors are used as stationary electricity storage devices for home use.
リチウムイオン二次電池では、放電時に負極がリチウムイオンを吸蔵する。リチウムイオン二次電池の充電時には、負極からリチウムイオンが放出される。負極は、集電体と、この集電体の表面に固着された活物質とを有している。 In a lithium-ion secondary battery, the negative electrode absorbs lithium ions during discharge. When the lithium-ion secondary battery is charged, lithium ions are released from the negative electrode. The negative electrode has a current collector and an active material adhered to the surface of the current collector.
負極における活物質として、天然黒鉛、人造黒鉛、コークス等の炭素系材料が用いられている。この炭素系材料の、リチウムイオンに対する理論上の容量は、372mAh/gにすぎない。容量の大きな活物質が望まれている。 Carbonaceous materials such as natural graphite, artificial graphite, and coke are used as the active material in the negative electrode. The theoretical capacity of these carbonaceous materials for lithium ions is only 372 mAh/g. Active materials with a larger capacity are desired.
負極における活物質として、Siが注目されている。Siは、リチウムイオンと反応する。この反応により、化合物が形成される。典型的な化合物は、Li22Si5である。この反応により、大量のリチウムイオンが負極に吸蔵される。Siは、負極の蓄電容量を高めうる。 As an active material in the negative electrode, Si has been attracting attention. Si reacts with lithium ions. This reaction forms a compound. A typical compound is Li 22 Si 5. This reaction causes a large amount of lithium ions to be absorbed in the negative electrode. Si can increase the storage capacity of the negative electrode.
Siを含む活物質層がリチウムイオンを吸蔵すると、前述の化合物の生成により、この活物質層が膨張する。活物質の膨張率は、約400%である。活物質層からリチウムイオンが放出されると、この活物質層が収縮する。膨張と収縮との繰り返しにより、活物質が集電体から脱落する。この脱落は、蓄電容量を低下させる。膨張と収縮との繰り返しにより、活物質間の導電性が阻害されることもある。 When the active material layer containing Si absorbs lithium ions, the active material layer expands due to the formation of the aforementioned compound. The expansion rate of the active material is approximately 400%. When lithium ions are released from the active material layer, the active material layer contracts. Repeated expansion and contraction causes the active material to fall off the current collector. This falling off reduces the storage capacity. Repeated expansion and contraction can also impede conductivity between active materials.
膨張と収縮との繰り返しによって活物質に新たな界面が形成されるので、活物質の表面にてSEIが継続的に形成される。SEIの形成は、電解液の分解反応を伴う。この分解反応は、電解液の枯渇を引き起こす。電解液の分解反応は、抵抗被膜の形成を伴う。この抵抗被膜は、電池の内部抵抗を増大させる。Siを含む従来のリチウムイオン二次電池負極の寿命は、長くない。 The repeated expansion and contraction creates new interfaces in the active material, so that the SEI is continuously formed on the surface of the active material. The formation of the SEI is accompanied by a decomposition reaction of the electrolyte, which causes the electrolyte to be depleted. The decomposition reaction of the electrolyte is accompanied by the formation of a resistive film, which increases the internal resistance of the battery. The life span of conventional lithium-ion secondary battery negative electrodes containing Si is short.
Si酸化物の蓄電容量は、Siの蓄電容量に比べると小さいが、炭素系材料の蓄電容量に比べると十分大きい。さらに、Si酸化物がリチウムイオンを吸蔵するときの体積変化は、Siのそれと比べて小さい。サイクル寿命の観点から、リチウムイオン二次電池へのSi酸化物の適用が、検討されている。 The storage capacity of silicon oxide is smaller than that of silicon, but is sufficiently larger than that of carbon-based materials. Furthermore, the volume change when silicon oxide absorbs lithium ions is smaller than that of silicon. From the viewpoint of cycle life, the application of silicon oxide to lithium ion secondary batteries is being considered.
Si酸化物がリチウムイオンを吸蔵すると、反応によってケイ酸リチウムが生成する。この反応は、不可逆的である。このケイ酸リチウムは、初期容量可逆率の低下を招く。さらに、ケイ酸リチウムが多量に生成されて被膜が形成されると、この被膜が抵抗となり、サイクル中の容量低下を引き起こす。 When silicon oxide absorbs lithium ions, a reaction occurs to produce lithium silicate. This reaction is irreversible. This lithium silicate reduces the initial capacity reversibility rate. Furthermore, if a large amount of lithium silicate is produced and a coating is formed, this coating acts as resistance and causes a decrease in capacity during cycling.
特開2018-41702公報には、その組成がSi、Si酸化物及び炭素系材料からなる負極材料が開示されている。この負極材料では、炭素系材料が、初期容量可逆率を改善する。特表2019-508842公報にも、同様の組成の負極材料が開示されている。 JP 2018-41702 A discloses an anode material whose composition is composed of Si, Si oxide, and a carbon-based material. In this anode material, the carbon-based material improves the initial capacity reversibility rate. JP 2019-508842 A discloses an anode material with a similar composition.
従来のリチウムイオン二次電池では、大きな蓄電容量、長いサイクル寿命、及び十分な初期容量可逆率の全てを満たすことはできない。同様の問題は、リチウムイオン二次電池以外の、様々な蓄電デバイスにおいても、生じている。 Conventional lithium-ion secondary batteries cannot meet all of the requirements of a large storage capacity, a long cycle life, and a sufficient initial capacity reversibility rate. Similar problems also occur in various power storage devices other than lithium-ion secondary batteries.
本発明の目的は、蓄電容量、サイクル寿命及び初期容量可逆率に優れた蓄電デバイスが得られる、負極材料の提供にある。 The object of the present invention is to provide a negative electrode material that can provide an electricity storage device with excellent storage capacity, cycle life, and initial capacity reversibility.
本発明に係る蓄電デバイス用負極材料は、多数の粒子からなる。それぞれの粒子の材質は、Si酸化物のマトリクスに複数のSi相が分散する金属組織を有する合金である。このマトリクスは、
(1)SiO2相
及び
(2)SiO2相の一部のOがSiに置換して得られたSiOX相
を含む。Si相の結晶子サイズは、80nm以下である。X線回折における、SiO2のメインピークである(101)面の回折ピーク強度Iの半値幅Aは、0.20°以上1.30°以下である。X線回折における、Siのメインピークである(111)面の回折ピーク強度IIの半値幅Bは、0.30°以上1.50°以下である。
The negative electrode material for an electric storage device according to the present invention is composed of a large number of particles. The material of each particle is an alloy having a metal structure in which a plurality of Si phases are dispersed in a matrix of Si oxide. This matrix is
The sample includes (1) a SiO2 phase and (2) a SiOX phase obtained by replacing a part of O in the SiO2 phase with Si. The crystallite size of the Si phase is 80 nm or less. In X-ray diffraction, the half-width A of the diffraction peak intensity I of the (101) plane, which is the main peak of SiO2 , is 0.20° or more and 1.30° or less. In X-ray diffraction, the half-width B of the diffraction peak intensity II of the (111) plane, which is the main peak of Si, is 0.30° or more and 1.50° or less.
好ましくは、この合金における、Si相の面積率は5.0%以上10.0%以下であり、SiOX相の面積率は80.0%以上90.0%以下であり、SiO2相の面積率は5.0%以上10.0%以下である。 Preferably, in this alloy, the area fraction of the Si phase is 5.0% or more and 10.0% or less, the area fraction of the SiO X phase is 80.0% or more and 90.0% or less, and the area fraction of the SiO 2 phase is 5.0% or more and 10.0% or less.
好ましくは、負極材料の平均粒子径D50は、1.0μm以上12.0μm以下である。 Preferably, the average particle diameter D50 of the negative electrode material is 1.0 μm or more and 12.0 μm or less.
本発明に係る他の蓄電デバイス用負極材料は、多数の被覆粒子からなる。それぞれの被覆粒子は、コア粒子と、このコア粒子の表面の一部又は全部を覆う導電性の被覆層とを有する。このコア粒子の材質は、Si酸化物のマトリクスにSi相が分散する金属組織を有する合金である。このマトリクスは、
(1)SiO2相
及び
(2)SiO2相の一部のOがSiに置換して得られたSiOX相
を含む。Si相の結晶子サイズは、80nm以下である。X線回折における、SiO2のメインピークである(101)面の回折ピーク強度Iの半値幅Aは、0.20°以上1.30°以下である。X線回折における、Siのメインピークである(111)面の回折ピーク強度IIの半値幅Bは、0.30°以上1.50°以下である。
Another negative electrode material for an electricity storage device according to the present invention is composed of a large number of coated particles. Each coated particle has a core particle and a conductive coating layer that covers a part or all of the surface of the core particle. The material of the core particle is an alloy having a metal structure in which a Si phase is dispersed in a matrix of Si oxide. The matrix is
The sample includes (1) a SiO2 phase and (2) a SiOX phase obtained by replacing a part of O in the SiO2 phase with Si. The crystallite size of the Si phase is 80 nm or less. In X-ray diffraction, the half-width A of the diffraction peak intensity I of the (101) plane, which is the main peak of SiO2 , is 0.20° or more and 1.30° or less. In X-ray diffraction, the half-width B of the diffraction peak intensity II of the (111) plane, which is the main peak of Si, is 0.30° or more and 1.50° or less.
好ましくは、被覆層の材質は、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノファイバー及びカーボンナノチューブからなる群より選択された1又は2以上である。 Preferably, the material of the coating layer is one or more selected from the group consisting of acetylene black, ketjen black, carbon nanofibers, and carbon nanotubes.
好ましくは、被覆層の含有率は、10質量%以下である。 Preferably, the coating layer content is 10% by mass or less.
本発明に係る負極材料の製造方法は、
(1)その材質がSiである原料と、その材質がSiO2である原料とを、準備する工程
及び
(2)これらの原料をミリングに供し、SiO2相の一部のOをSiに置換してSiOX相を形成する工程
を含む。
The method for producing the negative electrode material according to the present invention comprises the steps of:
The method includes (1) preparing a raw material whose material is Si and a raw material whose material is SiO2 , and (2) milling these raw materials to replace some of the O in the SiO2 phase with Si to form a SiOX phase.
本発明に係る負極材料が用いられた蓄電デバイスでは、Si相が主として蓄電容量及び初期容量可逆率に寄与し、SiO2相及びSiOX相が主としてサイクル寿命に寄与する。 In an electricity storage device using the negative electrode material according to the present invention, the Si phase mainly contributes to the electricity storage capacity and the initial capacity reversibility rate, and the SiO 2 phase and the SiO X phase mainly contribute to the cycle life.
以下、適宜図面が参照されつつ、好ましい実施形態に基づいて本発明が詳細に説明される。 The present invention will now be described in detail based on a preferred embodiment, with reference to the drawings as appropriate.
本実施形態は、リチウムイオン二次電池の負極材料である。このリチウムイオン二次電池は、充放電時にリチウムイオンの移動を伴う蓄電デバイスの一例である。リチウムイオン二次電池の負極は、集電体、活物質、導電材及び結着材を有している。活物質、導電材及び結着材が混ざり合った状態で、これらが集電体に付着している。導電材は、活物質の導電性を補助する。結着材は、活物質粒子を他の活物質粒子に固着させる。結着材はさらに、活物質粒子を集電体に固着させる。この活物質として、本発明に係る負極材料が用いられうる。 This embodiment is a negative electrode material for a lithium ion secondary battery. This lithium ion secondary battery is an example of an electricity storage device that involves the movement of lithium ions during charging and discharging. The negative electrode of a lithium ion secondary battery has a current collector, an active material, a conductive material, and a binder. The active material, conductive material, and binder are mixed together and attached to the current collector. The conductive material assists the conductivity of the active material. The binder fixes the active material particles to other active material particles. The binder further fixes the active material particles to the current collector. The negative electrode material according to the present invention can be used as this active material.
負極材料は、多数の粒子からなる。多数の粒子の集合は、粉末である。これらの粒子の材質は、合金である。 The negative electrode material consists of a large number of particles. The collection of particles is a powder. The material of these particles is an alloy.
図1に、負極材料の金属組織のTEM写真が示されている。図1には、複数のSi相と、SiO2相とが示されている。図2は、図1の金属組織の他の部分が示されたTEM写真である。図2には、SiOX相が示されている。この金属組織は、複数のSi相と、SiO2相と、SiOX相とを有する。SiO2相及びSiOX相は、マトリクスである。換言すれば、この金属組織は、Si酸化物であるマトリクスを有する。この金属組織では、マトリクス中にSi相が分散している。 FIG. 1 shows a TEM photograph of the metal structure of the negative electrode material. FIG. 1 shows a plurality of Si phases and a SiO2 phase. FIG. 2 is a TEM photograph showing another part of the metal structure of FIG. 1. FIG. 2 shows a SiOX phase. This metal structure has a plurality of Si phases, a SiO2 phase, and a SiOX phase. The SiO2 phase and the SiOX phase are a matrix. In other words, this metal structure has a matrix which is a Si oxide. In this metal structure, the Si phase is dispersed in the matrix.
合金が、Si相、SiO2相及びSiOX相と共に、他の相を含んでもよい。好ましくは、この合金は、Si相、SiO2相及びSiOX相のみからなる。好ましくは、この合金の組成はSi及びOを含み、残部は不可避的不純物である。 The alloy may contain other phases in addition to the Si, SiO2 and SiOX phases. Preferably, the alloy consists of only the Si, SiO2 and SiOX phases. Preferably, the composition of the alloy includes Si and O, with the balance being unavoidable impurities.
それぞれのSi相は、微細である。このリチウムイオン電池では、Si相は、マトリクスを介して電解液と通電している。Si相は、電気的に孤立していない。Si相は、リチウムイオンと反応する。この反応により、化合物が形成される。典型的な化合物は、Li22Si5である。この反応により、大量のリチウムイオンがSi相に吸蔵される。Si相は、負極の蓄電容量を高めうる。この吸蔵により、Si相は膨張する。リチウムイオンは、Si相から離脱しうる。この離脱により、Si相は収縮する。 Each Si phase is fine. In this lithium ion battery, the Si phase is electrically connected to the electrolyte through the matrix. The Si phase is not electrically isolated. The Si phase reacts with lithium ions. This reaction forms a compound. A typical compound is Li 22 Si 5. This reaction causes a large amount of lithium ions to be absorbed into the Si phase. The Si phase can increase the storage capacity of the negative electrode. This absorption causes the Si phase to expand. Lithium ions can be released from the Si phase. This release causes the Si phase to shrink.
SiO2相がリチウムイオンと反応すると、不可逆的化合物であるケイ酸リチウムが生成する。SiO2相がリチウムイオンと反応すると、わずかに、可逆的化合物も生成する。この反応により、SiO2相が膨張する。可逆的化合物からリチウムイオンが離脱するとき、SiO2相が収縮する。膨張時及び収縮時の、SiO2相の体積変化率は、Si相のそれと比べて極めて小さい。 When the SiO2 phase reacts with lithium ions, lithium silicate, an irreversible compound, is produced. When the SiO2 phase reacts with lithium ions, a small amount of a reversible compound is also produced. This reaction causes the SiO2 phase to expand. When the lithium ions leave the reversible compound, the SiO2 phase contracts. The volume change rate of the SiO2 phase during expansion and contraction is extremely small compared to that of the Si phase.
SiOX相は、SiO2相に由来する。SiO2相に含まれるO原子の一部がSi原子に置換することで、SiOX相が形成される。従って、値Xは2.0未満である。好ましい値Xは、0.2以上1.8以下である。 The SiO X phase is derived from the SiO 2 phase. The SiO X phase is formed by substituting a part of the O atoms contained in the SiO 2 phase with Si atoms. Therefore, the value X is less than 2.0. The preferred value X is 0.2 or more and 1.8 or less.
SiOX相では、置換によって導入されたSiがリチウムイオンと反応する。この反応により、リチウムイオンが負極に吸蔵される。置換によって導入されたSiは、負極の蓄電容量を高めうる。 In the SiO X phase, the Si introduced by substitution reacts with lithium ions. This reaction causes lithium ions to be absorbed in the negative electrode. The Si introduced by substitution can increase the charge storage capacity of the negative electrode.
置換によって導入されたSiがリチウムイオンと反応するとき、SiOX相の膨張が生じる。リチウムイオンが離脱するとき、SiOX相の収縮が生じる。膨張又は収縮によって生じた応力は、置換によって導入されたSiの周囲に存在する、O-Si-O結合により、緩和される。この緩和は、Siの電気的孤立を抑制する。この緩和は、集電体からの粒子の脱落を抑制する。この負極は、サイクル寿命に優れる。 When the Si introduced by substitution reacts with lithium ions, the SiO X phase expands. When the lithium ions are released, the SiO X phase contracts. The stress caused by the expansion or contraction is relieved by the O-Si-O bonds present around the Si introduced by substitution. This relaxation suppresses electrical isolation of Si. This relaxation suppresses the falling off of particles from the current collector. This negative electrode has an excellent cycle life.
SiOX相は、Si相とSiO2相との中間の性質を有する。膨張時及び収縮時のSiOX相の体積変化率は、Si相のそれよりも小さく、かつSiO2相のそれよりも大きい。SiOX相の体積変化率と、Si相の体積変化率との差は、あまり大きくない。この負極では、Si相の膨張又は収縮によって生じた応力が、SiOX相によって緩和され、さらにSiO2相によって緩和される。この緩和は、Si相の電気的孤立を抑制する。この緩和は、集電体からの粒子の脱落を抑制する。この負極は、サイクル寿命に優れる。 The SiO X phase has intermediate properties between the Si phase and the SiO 2 phase. The volume change rate of the SiO X phase during expansion and contraction is smaller than that of the Si phase and larger than that of the SiO 2 phase. The difference between the volume change rate of the SiO X phase and the volume change rate of the Si phase is not very large. In this negative electrode, the stress caused by the expansion or contraction of the Si phase is alleviated by the SiO X phase and further alleviated by the SiO 2 phase. This alleviation suppresses electrical isolation of the Si phase. This alleviation suppresses the falling off of particles from the current collector. This negative electrode has excellent cycle life.
Si相からなる従来の負極では、Si相の界面が電解液と接触し、電解液の分解反応が起こる。この反応により、SEIが形成される。その後のSi相の膨張及び収縮により、SEIが剥離する。さらに、SEIが再度形成され、しかも、膨張時及び収縮時の割れで新たに現れた界面でも新たなSEIが形成される。従来の負極では、過剰かつ不均一なSEIが発生する。このSEIの生成は、電池の内部抵抗増加、及び電解液の枯渇を引き起こす。本発明に係る負極材料では、Si相は、マトリクス中に分散しているので、電解液とはあまり接触しない。この負極では、SEIの形成が抑制されうる。この負極は、サイクル寿命に優れる。 In a conventional negative electrode made of a Si phase, the interface of the Si phase comes into contact with the electrolyte, and a decomposition reaction of the electrolyte occurs. This reaction forms an SEI. The SEI peels off due to the subsequent expansion and contraction of the Si phase. Furthermore, the SEI is formed again, and a new SEI is formed at the interface that appears due to cracks during expansion and contraction. In a conventional negative electrode, an excessive and non-uniform SEI is generated. The generation of this SEI causes an increase in the internal resistance of the battery and depletion of the electrolyte. In the negative electrode material of the present invention, the Si phase is dispersed in the matrix, so it does not come into contact with the electrolyte much. In this negative electrode, the formation of the SEI can be suppressed. This negative electrode has excellent cycle life.
SiO2相がリチウムイオンと反応すると、ケイ酸リチウムが生成される。この反応は、不可逆的である。このケイ酸リチウムは、初期容量可逆率の低下を招く。本発明に係る負極材料は、SiOX相が形成されているので、酸素量が少ない。従って、ケイ酸リチウムの生成が抑制される。このリチウムイオン二次電池は、初期容量可逆率に優れる。 When the SiO2 phase reacts with lithium ions, lithium silicate is produced. This reaction is irreversible. This lithium silicate leads to a decrease in the initial capacity reversibility rate. The negative electrode material according to the present invention has a small amount of oxygen because the SiOX phase is formed. Therefore, the production of lithium silicate is suppressed. This lithium ion secondary battery has an excellent initial capacity reversibility rate.
Si相の面積率は、5.0%以上10.0%以下が好ましい。この面積率が5.0%以上である負極は、蓄電容量に優れる。この観点から、面積率は6.0%以上がより好ましく、7.0%以上が特に好ましい。この面積率が10.0%以下である負極では、膨張収縮に起因する応力が小さい。従ってこの負極は、サイクル寿命に優れる。この観点から、この面積率は9.0%以下がより好ましく、8.5%以下が特に好ましい。 The area ratio of the Si phase is preferably 5.0% or more and 10.0% or less. A negative electrode with this area ratio of 5.0% or more has excellent storage capacity. From this viewpoint, the area ratio is more preferably 6.0% or more, and particularly preferably 7.0% or more. A negative electrode with this area ratio of 10.0% or less has small stress due to expansion and contraction. Therefore, this negative electrode has excellent cycle life. From this viewpoint, the area ratio is more preferably 9.0% or less, and particularly preferably 8.5% or less.
SiOX相の面積率は、80.0%以上90.0%以下が好ましい。面積率がこの範囲内である負極では、Si相と他の相との界面における亀裂が抑制され、SiO2相と他の相との界面における亀裂も抑制される。この負極は、サイクル寿命に優れる。この観点から、この面積率は81.0%以上がより好ましく、82.0%以上が特に好ましい。この観点から、この面積率は89.0%以下がより好ましく、88.0%以下が特に好ましい。 The area ratio of the SiO X phase is preferably 80.0% or more and 90.0% or less. In a negative electrode with an area ratio within this range, cracks at the interface between the Si phase and other phases are suppressed, and cracks at the interface between the SiO 2 phase and other phases are also suppressed. This negative electrode has excellent cycle life. From this viewpoint, this area ratio is more preferably 81.0% or more, and particularly preferably 82.0% or more. From this viewpoint, this area ratio is more preferably 89.0% or less, and particularly preferably 88.0% or less.
SiO2相の面積率は、5.0%以上10.0%以下が好ましい。この面積率が5.0%以上である負極は、Si相の膨張又は収縮によって生じる応力が緩和される。従ってこの負極は、サイクル寿命に優れる。この観点から、面積率は6.0%以上がより好ましく、7.0%以上が特に好ましい。この面積率が10.0%以下である負極は、蓄電容量に優れる。この観点から、この面積率は9.0%以下がより好ましく、8.5%以下が特に好ましい。 The area ratio of the SiO2 phase is preferably 5.0% or more and 10.0% or less. In a negative electrode having this area ratio of 5.0% or more, the stress caused by the expansion or contraction of the Si phase is alleviated. Therefore, this negative electrode has excellent cycle life. From this viewpoint, the area ratio is more preferably 6.0% or more, and particularly preferably 7.0% or more. A negative electrode having this area ratio of 10.0% or less has excellent storage capacity. From this viewpoint, the area ratio is more preferably 9.0% or less, and particularly preferably 8.5% or less.
各相の面積率は、TEMのEDS分析によって測定される。負極から無作為に抽出された10カ所で測定がなされ、平均値が算出される。 The area ratio of each phase is measured by TEM EDS analysis. Measurements are taken at 10 randomly selected locations on the negative electrode, and the average value is calculated.
図3は、図1の負極材料の粉末X線回折の結果が示されたグラフである。図3において、横軸は2θ(deg.)であり、縦軸は強度(a.u.)である。図3には、SiO2のメインピークである(101)面の回折ピーク強度I、及びSiのメインピークである(111)面の回折ピーク強度IIが示されている。 Fig. 3 is a graph showing the results of powder X-ray diffraction of the negative electrode material of Fig. 1. In Fig. 3, the horizontal axis is 2θ (deg.) and the vertical axis is intensity (a.u.). Fig. 3 shows the diffraction peak intensity I of the (101) plane, which is the main peak of SiO2 , and the diffraction peak intensity II of the (111) plane, which is the main peak of Si.
このX線回折では、X線源として波長が1.54059オングストロームのCuKα線が用いられる。測定は、2θが20°以上80°以下の範囲でなされる。これにより、回折スペクトルが得られる。この回折スペクトルから、回折ピーク強度Iと回折ピーク強度IIとが選定される。 In this X-ray diffraction, CuKα radiation with a wavelength of 1.54059 angstroms is used as the X-ray source. Measurements are performed with 2θ in the range of 20° to 80°. This results in a diffraction spectrum. From this diffraction spectrum, diffraction peak intensity I and diffraction peak intensity II are selected.
回折ピーク強度Iの半値幅Aは、好ましくは、下記数式を満たす。
0.20 ≦ A ≦ 1.30
換言すれば、この半値幅Aは、0.20°以上1.30°以下が好ましい。半値幅Aが0.20°以上である負極材料では、SiO2相の結晶性が低い。この負極では、リチウムイオンの拡散経路としての、SiO2の結晶粒界が、多い。この負極は、蓄電容量及び初期容量可逆率に優れる。この観点から、半値幅Aは0.30°以上がより好ましく、0.35°以上が特に好ましい。半値幅Aが1.30°以下である負極材料は、低コストで得られうる。この観点から、半値幅Aは1.15°以下がより好ましく、1.05°以下が特に好ましい。半値幅Aは、X線回折のチャートにおいて、強度がピークの最大値Iの半分であるときの、そのピークの幅である。
The half width A of the diffraction peak intensity I preferably satisfies the following formula.
0.20≦A≦1.30
In other words, the half-width A is preferably 0.20° or more and 1.30° or less. In a negative electrode material with a half-width A of 0.20° or more, the crystallinity of the SiO 2 phase is low. In this negative electrode, there are many SiO 2 grain boundaries as diffusion paths for lithium ions. This negative electrode is excellent in storage capacity and initial capacity reversibility. From this viewpoint, the half-width A is more preferably 0.30° or more, and particularly preferably 0.35° or more. A negative electrode material with a half-width A of 1.30° or less can be obtained at low cost. From this viewpoint, the half-width A is more preferably 1.15° or less, and particularly preferably 1.05° or less. The half-width A is the width of the peak when the intensity is half the maximum value I of the peak in the X-ray diffraction chart.
回折ピーク強度IIの半値幅Bは、好ましくは、下記数式を満たす。
0.30 ≦ B ≦ 1.50
換言すれば、この半値幅Bは、0.30°以上1.50°以下が好ましい。半値幅Bが0.30°以上である負極材料では、Si相の結晶性が低い。この負極材料では、リチウムイオンの吸蔵時及び放出時の体積変化によっても、Si相が割れにくい。この負極材料は、サイクル寿命に優れる。この観点から、半値幅Bは0.40°以上がより好ましく、0.50°以上が特に好ましい。半値幅Bが1.50°以下である負極材料では、Si相の結晶性が低すぎない。この負極材料では、リチウムイオンのSi相までのパスの数が過大でない。従って、このパスのわずかな遮断では、性能が大幅には低下しない。さらにこの負極材料では、Si結晶サイズが多少ばらついても、局所的な電極膨張が生じにくい。この負極は、サイクル寿命に優れる。これらの観点から、半値幅Bは1.40°以下がより好ましく、1.30°以下が特に好ましい。半値幅Bは、X線回折のチャートにおいて、強度がピークの最大値IIの半分であるときの、そのピークの幅である。
The half width B of the diffraction peak intensity II preferably satisfies the following formula.
0.30≦B≦1.50
In other words, the half-width B is preferably 0.30° or more and 1.50° or less. In a negative electrode material having a half-width B of 0.30° or more, the crystallinity of the Si phase is low. In this negative electrode material, the Si phase is not easily broken even by the volume change during the absorption and release of lithium ions. This negative electrode material has excellent cycle life. From this viewpoint, the half-width B is more preferably 0.40° or more, and particularly preferably 0.50° or more. In a negative electrode material having a half-width B of 1.50° or less, the crystallinity of the Si phase is not too low. In this negative electrode material, the number of paths to the Si phase of lithium ions is not excessive. Therefore, even if the path is slightly blocked, the performance does not decrease significantly. Furthermore, in this negative electrode material, even if the Si crystal size varies to some extent, local electrode expansion is not likely to occur. This negative electrode has excellent cycle life. From these viewpoints, the half-width B is more preferably 1.40° or less, and particularly preferably 1.30° or less. The half-width B is the width of a peak when the intensity is half the maximum value II of the peak in an X-ray diffraction chart.
Si相の結晶子サイズは、80nm以下が好ましい。結晶子サイズが80nm以下であるSi相では、充電時の膨張で生じる応力が小さい。この負極は、サイクル寿命に優れる。この観点から、この結晶子サイズは50nm以下がより好ましく、30nm以下が特に好ましい。この結晶子サイズは、3nm以上が好ましい。負極材料に含まれる全てのSi相において、結晶子サイズが上記範囲内であることが好ましい。 The crystallite size of the Si phase is preferably 80 nm or less. In a Si phase with a crystallite size of 80 nm or less, the stress caused by expansion during charging is small. This negative electrode has excellent cycle life. From this viewpoint, the crystallite size is more preferably 50 nm or less, and particularly preferably 30 nm or less. The crystallite size is preferably 3 nm or more. It is preferable that the crystallite size of all Si phases contained in the negative electrode material is within the above range.
Si相の結晶子サイズは、前述の粉末X線回折により確認されうる。回折スペクトルにおいて、結晶子サイズが小さいほど、ブロードな回折ピークが観測される。粉末X線回折分析で得られるピークの半値幅から、下記のScherrerの式が用いられて、結晶子サイズが求められ得る。
D = (K × λ) / (β × cosθ)
この数式において、Dは結晶子の大きさ(オングストローム)を表し、KはScherrerの定数を表し、λはX線管球の波長を表し、βは結晶子の大きさによる回折線の拡がりを表し、θは回折角を表す。
The crystallite size of the Si phase can be confirmed by the above-mentioned powder X-ray diffraction. In the diffraction spectrum, the smaller the crystallite size, the broader the diffraction peak observed. The crystallite size can be calculated from the half-width of the peak obtained by powder X-ray diffraction analysis using the following Scherrer formula.
D = (K × λ) / (β × cosθ)
In this formula, D represents the crystallite size (Angstroms), K represents the Scherrer constant, λ represents the wavelength of the X-ray tube, β represents the broadening of the diffraction lines due to the crystallite size, and θ represents the diffraction angle.
負極材料の粉末の平均粒子径D50は、1.0μm以上12.0μm以下が好ましい。平均粒子径D50が1.0μm以上である負極材料では、粒子の表層でのSEI形成量が抑制される。従って、抵抗が増加しにくく、電解液が不足しにくい。この負極材料は、サイクル寿命に優れる。この観点から、平均粒子径D50は1.2μm以上がより好ましく、1.5μm以上が特に好ましい。平均粒子径D50が12.0μm以下である負極材料では、リチウムイオンの吸蔵時及び放出時の体積変化によるクラックが抑制される。この負極材料は、サイクル寿命に優れる。この観点から、平均粒子径D50は10.0μm以下がより好ましく、8.0μm以下が特に好ましい。 The average particle diameter D50 of the powder of the negative electrode material is preferably 1.0 μm or more and 12.0 μm or less. In a negative electrode material having an average particle diameter D50 of 1.0 μm or more, the amount of SEI formed on the surface layer of the particles is suppressed. Therefore, the resistance is less likely to increase and the electrolyte is less likely to run short. This negative electrode material has excellent cycle life. From this viewpoint, the average particle diameter D50 is more preferably 1.2 μm or more, and particularly preferably 1.5 μm or more. In a negative electrode material having an average particle diameter D50 of 12.0 μm or less, cracks due to volume changes during absorption and release of lithium ions are suppressed. This negative electrode material has excellent cycle life. From this viewpoint, the average particle diameter D50 is more preferably 10.0 μm or less, and particularly preferably 8.0 μm or less.
平均粒子径D50は、粉末の体積の累積カーブにおいて、累積体積が50%であるときの粒子直径である。平均粒子径D50は、レーザー回折・散乱式粒子径分布測定装置により測定される。 The average particle diameter D50 is the particle diameter when the cumulative volume is 50% in the cumulative volume curve of the powder. The average particle diameter D50 is measured using a laser diffraction/scattering type particle size distribution measuring device.
以下、本発明に係る負極材料の製造方法の一例が説明される。この製造方法は、
(1)その材質がSiである原料と、その材質がSiO2である原料とが、準備される工程及び
(2)これらの原料がミリングに供されて、混合物が得られる工程
を含む。
An example of a method for producing a negative electrode material according to the present invention will now be described.
The method includes (1) a step of preparing a raw material whose material is Si and a raw material whose material is SiO2 , and (2) a step of milling these raw materials to obtain a mixture.
ミリングに供されるSi原料は、アトマイズ法、溶融法、還元法等によって製作されうる。Si原料の性状は、粉末状、フレーク状、塊状等である。ミリングに供されるSiO2原料は、液相合成法、気相合成法、溶融法等によって製作されうる。SiO2原料の性状は、粉末状、フレーク状、塊状等である。これらの原料が、メディアと共にポットに投入される。メディアの材質として、ジルコニア、SUS304及びSUJ2が例示される。ポットの材質として、ジルコニア、SUS304及びSUJ2が例示される。このポットの内部が不活性ガスで満たされて、このポットが密閉される。このポットがミリング装置に載せられて、攪拌がなされる。ミリング法として、ボールミル、ビーズミル、遊星ボールミル、アトライタ及び振動ボールミルが例示される。ミリングにより、Si相及びSiO2相の結晶性が低下する。ミリングの高エネルギーにより、SiO2の一部のOがSiに強制的に置換され、Si相、SiO2相及びSiOX相を有する負極材料が得られる。過剰のミリングは、SiO2相の消失を招来する。適量のSiOX相が生成し、かつ適量のSiO2相が残存するように、ミリングの条件が調整される。 The Si raw material to be milled can be produced by an atomizing method, a melting method, a reduction method, etc. The Si raw material can be in the form of powder, flakes, or lumps. The SiO 2 raw material to be milled can be produced by a liquid phase synthesis method, a gas phase synthesis method, a melting method, etc. The SiO 2 raw material can be in the form of powder, flakes, or lumps. These raw materials are put into a pot together with media. Examples of the media material include zirconia, SUS304, and SUJ2. Examples of the pot material include zirconia, SUS304, and SUJ2. The inside of the pot is filled with an inert gas, and the pot is sealed. The pot is placed on a milling device and stirred. Examples of the milling method include a ball mill, a bead mill, a planetary ball mill, an attritor, and a vibration ball mill. The crystallinity of the Si phase and the SiO 2 phase is reduced by milling. The high energy of the milling forces some of the O in SiO2 to be replaced by Si, resulting in a negative electrode material having a Si phase, a SiO2 phase, and a SiOX phase. Excessive milling leads to the disappearance of the SiO2 phase. The milling conditions are adjusted so that an appropriate amount of the SiOX phase is produced and an appropriate amount of the SiO2 phase remains.
本発明に係る負極材料が用いられた負極は、蓄電容量、サイクル寿命及び初期容量可逆率に優れる。この負極は、
(1)集電体
及び
(2)この集電体の表面に固着された多数の粒子
を備える。それぞれの粒子の材質は、Si酸化物のマトリクスに複数のSi相が分散する金属組織を有する合金である。このマトリクスは、
(2-1)SiO2相
及び
(2-2)SiO2相の一部のOがSiに置換して得られたSiOX相
を含む。X線回折における、SiO2のメインピークである(101)面の回折ピーク強度Iの半値幅Aは、0.20°以上1.30°以下である。X線回折における、Siのメインピークである(111)面の回折ピーク強度IIの半値幅Bは、0.30°以上1.50°以下である。
The negative electrode using the negative electrode material according to the present invention is excellent in storage capacity, cycle life, and initial capacity reversibility rate.
The present invention comprises (1) a current collector and (2) a large number of particles fixed to the surface of the current collector. The material of each particle is an alloy having a metal structure in which a plurality of Si phases are dispersed in a matrix of Si oxide. The matrix is
(2-1) SiO2 phase and (2-2) SiOX phase obtained by replacing some of the O in the SiO2 phase with Si. In X-ray diffraction, the half-width A of the diffraction peak intensity I of the (101) plane, which is the main peak of SiO2 , is 0.20° or more and 1.30° or less. In X-ray diffraction, the half-width B of the diffraction peak intensity II of the (111) plane, which is the main peak of Si, is 0.30° or more and 1.50° or less.
本発明に係る負極材料が用いられた蓄電デバイスは、蓄電容量、サイクル寿命及び初期容量可逆率に優れる。この蓄電デバイスは、
(1)正極
及び
(2)負極
を備える。この負極は、
(2-1)集電体
及び
(2-2)この集電体の表面に固着された多数の粒子
を有する。それぞれの粒子の材質は、Si酸化物のマトリクスに複数のSi相が分散する金属組織を有する合金である。このマトリクスは、
(2-2-1)SiO2相
及び
(2-2-2)SiO2相の一部のOがSiに置換して得られたSiOX相
を含む。X線回折における、SiO2のメインピークである(101)面の回折ピーク強度Iの半値幅Aは、0.20°以上1.30°以下である。X線回折における、Siのメインピークである(111)面の回折ピーク強度IIの半値幅Bは、0.30°以上1.50°以下である。
An electricity storage device using the negative electrode material according to the present invention is excellent in electricity storage capacity, cycle life, and initial capacity reversibility rate.
The battery includes (1) a positive electrode and (2) a negative electrode. The negative electrode includes
The current collector (2-1) and the multiple particles (2-2) are attached to the surface of the current collector. The material of each particle is an alloy having a metal structure in which multiple Si phases are dispersed in a matrix of Si oxide. The matrix is
The (2-2-1) SiO2 phase and the (2-2-2) SiOX phase are obtained by replacing some of the O in the SiO2 phase with Si. In X-ray diffraction, the half-width A of the diffraction peak intensity I of the (101) plane, which is the main peak of SiO2 , is 0.20° or more and 1.30° or less. In X-ray diffraction, the half-width B of the diffraction peak intensity II of the (111) plane, which is the main peak of Si, is 0.30° or more and 1.50° or less.
以上説明された粒子(以下、「コア粒子」とも称される。)が、被覆層で覆われてもよい。コア粒子と被覆層とにより、被覆粒子が形成される。被覆層の電気伝導度は、コア粒子のそれよりも高い。被覆層は、多数の微粉から形成される。これらの微粉は、コア粒子の表面に付着する。被覆層は、コア粒子の表面の一部又は全部を覆う。被覆層を有する負極材料は、初期容量可逆率及びサイクル寿命に優れる。この負極材料は、特にレート特性に優れる。 The particles described above (hereinafter also referred to as "core particles") may be covered with a coating layer. The core particle and the coating layer form a coated particle. The electrical conductivity of the coating layer is higher than that of the core particle. The coating layer is formed from a large number of fine powders. These fine powders adhere to the surface of the core particle. The coating layer covers a part or the entire surface of the core particle. A negative electrode material having a coating layer has excellent initial capacity reversibility and cycle life. This negative electrode material is particularly excellent in rate characteristics.
被覆層は、コア粒子と電解液との直接の接触を抑制する。従ってこの被覆層は、Siと電解液との反応を抑制する。この負極では、抵抗被膜の形成が抑制され、かつ電解液の枯渇が抑制される。この負極は、サイクル寿命に優れる。 The coating layer prevents direct contact between the core particles and the electrolyte. This coating layer therefore prevents the reaction between Si and the electrolyte. In this negative electrode, the formation of a resistive coating is suppressed, and the depletion of the electrolyte is suppressed. This negative electrode has an excellent cycle life.
被覆層の材料として、炭素系材料が例示される。好ましい炭素系材料として、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、他のカーボンブラック、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ及び非晶質炭素の粉末が例示される。アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノファイバー及びカーボンナノチューブが、特に好ましい。2以上の粉末が、併用されてもよい。これらの炭素系材料に含まれるCと、コア粒子に含まれるSiとの反応は、実質的には生じていない。 Examples of the material for the coating layer include carbon-based materials. Examples of preferred carbon-based materials include acetylene black, ketjen black, other carbon blacks, carbon nanofibers, carbon nanotubes, and amorphous carbon powders. Acetylene black, ketjen black, carbon nanofibers, and carbon nanotubes are particularly preferred. Two or more powders may be used in combination. There is substantially no reaction between the C contained in these carbon-based materials and the Si contained in the core particles.
コア粒子の表面の50面積%以上が被覆層で覆われることが好ましい。この負極材料は、導電性に優れる。さらにこの負極材料では、Siと電解液との反応が抑制される。この観点から、被覆率は55面積%以上がより好ましく、60面積%以上が特に好ましい。 It is preferable that 50% or more of the surface of the core particle is covered with the coating layer. This negative electrode material has excellent electrical conductivity. Furthermore, this negative electrode material suppresses the reaction between Si and the electrolyte. From this viewpoint, the coverage is more preferably 55% or more, and particularly preferably 60% or more.
蓄電容量の観点から、被覆粒子における被覆層の含有率は、10質量%以下が好ましく、8質量%以下がより好ましく、7質量%以下が特に好ましい。 From the viewpoint of storage capacity, the content of the coating layer in the coated particles is preferably 10% by mass or less, more preferably 8% by mass or less, and particularly preferably 7% by mass or less.
以下、実施例によって本発明の効果が明らかにされるが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるべきではない。 The effects of the present invention will be explained below by way of examples, but the present invention should not be interpreted in a restrictive manner based on the description of these examples.
[実施例1]
アトマイズにより、Si粉末を得た。液相合成法により、SiO2粉末を得た。所定量のSi粉末及び所定量のSiO2粉末を、SUS304製のポットに投入し、ポットの内部を窒素ガスで満たした。このポットをボールミル装置に設置して粉末を攪拌し、実施例1の負極材料を得た。この負極材料の特性が、下記の表1に示されている。
[Example 1]
Si powder was obtained by atomization. SiO2 powder was obtained by liquid phase synthesis. A predetermined amount of Si powder and a predetermined amount of SiO2 powder were put into a pot made of SUS304, and the inside of the pot was filled with nitrogen gas. This pot was placed in a ball mill device and the powder was stirred to obtain the negative electrode material of Example 1. The properties of this negative electrode material are shown in Table 1 below.
[実施例2-23及び比較例24-31]
ポットに投入する2種の粉末の比率と、攪拌時間とを変更した他は、実施例1と同様にして、実施例2-23及び比較例24-31の負極材料を得た。一部の負極材料では、コア粒子の表面を炭素系材料の微粉で覆い、被覆層を形成した。
[Examples 2 to 23 and Comparative Examples 24 to 31]
Except for changing the ratio of the two types of powders put into the pot and the stirring time, the negative electrode materials of Examples 2 to 23 and Comparative Examples 24 to 31 were obtained in the same manner as in Example 1. In some of the negative electrode materials, the surfaces of the core particles were covered with fine powder of a carbon-based material to form a coating layer.
[評価]
負極材料、導電材(アセチレンブラック又はケッチェンブラック)、結着材(ポリイミド又はポリフッ化ビニリデン)及び分散液(N-メチルピロリドン)を混合し、スラリーを得た。このスラリーを、集電体である銅箔の上に塗布した。このスラリーを、真空乾燥機で減圧乾燥した。乾燥温度は、ポリイミドが結着材である場合は200℃以上であり、ポリフッ化ビニリデンが結着材である場合は160℃以上であった。この乾燥によって溶媒を蒸発させ、活物質層を得た。この活物質層及び銅箔を、ロールにて押圧した。この活物質層及び銅箔をコイン型セルに適した形状に打ち抜き、負極を得た。
[evaluation]
A negative electrode material, a conductive material (acetylene black or ketjen black), a binder (polyimide or polyvinylidene fluoride), and a dispersion liquid (N-methylpyrrolidone) were mixed to obtain a slurry. This slurry was applied onto a copper foil current collector. This slurry was dried under reduced pressure in a vacuum dryer. The drying temperature was 200°C or higher when polyimide was the binder, and 160°C or higher when polyvinylidene fluoride was the binder. The solvent was evaporated by this drying, and an active material layer was obtained. This active material layer and copper foil were pressed with a roll. This active material layer and copper foil were punched into a shape suitable for a coin-shaped cell to obtain a negative electrode.
電解液として、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートの混合溶媒を準備した。両者の質量比は、3:7であった。さらに、支持電解質として、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を準備した。この支持電解質の量は、電解液1リットルに対して1モルである。この支持電解質を、電解液に溶解させた。 A mixed solvent of ethylene carbonate and dimethyl carbonate was prepared as the electrolyte. The mass ratio of the two was 3:7. Furthermore, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was prepared as the supporting electrolyte. The amount of this supporting electrolyte was 1 mole per 1 liter of the electrolyte. This supporting electrolyte was dissolved in the electrolyte.
コイン型セルに適した形状のセパレータ及び正極を、準備した。この正極は、リチウム箔から打ち抜いた。減圧下で電解液にセパレータを浸漬し、5時間放置して、セパレータに電解液を充分に浸透させた。 A separator and positive electrode of a shape suitable for a coin-type cell were prepared. The positive electrode was punched out from lithium foil. The separator was immersed in electrolyte under reduced pressure and left for 5 hours to allow the electrolyte to fully permeate the separator.
コイン型セルに負極、セパレータ及び正極を組み込んだ。コイン型セルに電解液を充填した。なお、電解液は、露点管理された不活性雰囲気中で取り扱われる必要がある。従って、セルの組み立ては、不活性雰囲気のグローブボックスの中で行った。 The negative electrode, separator, and positive electrode were assembled into a coin-type cell. The coin-type cell was filled with electrolyte. Note that the electrolyte must be handled in an inert atmosphere with a controlled dew point. Therefore, the cell was assembled in an inert atmosphere glove box.
コイン型セルにて、25℃の温度と0.3Cの定電流定電圧の条件下で、正極と負極との電位差が0.010Vとなるまで充電を行った。その後、電位差が1.5Vとなるまで、0.3Cの定電流条件下で放電を行った。この充電及び放電の初期効率(初期放電容量/初期充電容量×100)を測定した。この充電及び放電を、50サイクル繰り返した。その50サイクル後の放電容量を測定した。この結果が、下記の表1及び2に示されている。 In a coin-type cell, charging was performed at a temperature of 25°C and under conditions of a constant current and constant voltage of 0.3 C until the potential difference between the positive and negative electrodes reached 0.010 V. Then, discharging was performed under a constant current condition of 0.3 C until the potential difference reached 1.5 V. The initial efficiency of this charging and discharging (initial discharge capacity/initial charge capacity x 100) was measured. This charging and discharging was repeated for 50 cycles. The discharge capacity after the 50 cycles was measured. The results are shown in Tables 1 and 2 below.
表1及び2に示されるように、各実施例の負極材料では、75.0%以上の初期効率、及び1400mAh/g以上の初期放電容量が達成されている。さらに、各実施例の負極材料における、50サイクル後の放電容量は、グラファイトからなる負極材料の初期放電容量である372mAh/gよりも大きい。この評価結果から、本発明の優位性は明らかである。 As shown in Tables 1 and 2, the negative electrode materials of each embodiment achieve an initial efficiency of 75.0% or more and an initial discharge capacity of 1,400 mAh/g or more. Furthermore, the discharge capacity after 50 cycles of the negative electrode materials of each embodiment is greater than the initial discharge capacity of 372 mAh/g of the negative electrode material made of graphite. From these evaluation results, the superiority of the present invention is clear.
以上説明された負極は、リチウムイオン二次電池のみならず、全固体リチウムイオン二次電池、ハイブリットキャパシタ等の、種々の蓄電デバイスにも適用されうる。 The negative electrode described above can be applied not only to lithium ion secondary batteries, but also to various power storage devices such as all-solid-state lithium ion secondary batteries and hybrid capacitors.
Claims (6)
それぞれの粒子が、Si酸化物のマトリクスに複数のSi相が分散する組織を有しており、
上記マトリクスが、
(1)SiO2相
及び
(2)SiO2相の一部のOがSiに置換して得られたSiOX相
を含んでおり、
上記Si相の結晶子サイズが80nm以下であり、
X線回折における、SiO2のメインピークである(101)面の回折ピーク強度Iの半値幅Aが、0.20°以上1.30°以下であり、
X線回折における、Siのメインピークである(111)面の回折ピーク強度IIの半値幅Bが、0.30°以上1.50°以下である負極材料。 A negative electrode material for an electricity storage device, comprising a large number of particles,
Each particle has a structure in which a plurality of Si phases are dispersed in a matrix of Si oxide,
The above matrix is
(1) The SiO2 phase and (2) the SiOX phase obtained by replacing some of the O in the SiO2 phase with Si,
The crystallite size of the Si phase is 80 nm or less,
In X-ray diffraction, the half-value width A of the diffraction peak intensity I of the (101) plane, which is the main peak of SiO2 , is 0.20° or more and 1.30° or less;
A negative electrode material in which the half-value width B of the diffraction peak intensity II of the (111) plane, which is the main peak of Si in X-ray diffraction, is 0.30° or more and 1.50° or less.
それぞれの被覆粒子が、コア粒子と、このコア粒子の表面の一部又は全部を覆う導電性の被覆層とを有しており、
上記コア粒子が、Si酸化物のマトリクスにSi相が分散する組織を有しており、
上記マトリクスが、
(1)SiO2相
及び
(2)SiO2相の一部のOがSiに置換して得られたSiOX相
を含んでおり、
上記Si相の結晶子サイズが80nm以下であり、
X線回折における、SiO2のメインピークである(101)面の回折ピーク強度Iの半値幅Aが、0.20°以上1.30°以下であり、
X線回折における、Siのメインピークである(111)面の回折ピーク強度IIの半値幅Bが、0.30°以上1.50°以下である負極材料。 A negative electrode material for an electricity storage device, comprising a large number of coated particles,
Each of the coated particles has a core particle and a conductive coating layer that covers a part or all of the surface of the core particle,
the core particle has a structure in which a Si phase is dispersed in a matrix of Si oxide,
The above matrix is
(1) The SiO2 phase and (2) the SiOX phase obtained by replacing some of the O in the SiO2 phase with Si,
The crystallite size of the Si phase is 80 nm or less,
In X-ray diffraction, the half-value width A of the diffraction peak intensity I of the (101) plane, which is the main peak of SiO2 , is 0.20° or more and 1.30° or less;
A negative electrode material in which the half-value width B of the diffraction peak intensity II of the (111) plane, which is the main peak of Si in X-ray diffraction, is 0.30° or more and 1.50° or less.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020027177A JP7465672B2 (en) | 2020-02-20 | 2020-02-20 | Negative electrode materials for power storage devices |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020027177A JP7465672B2 (en) | 2020-02-20 | 2020-02-20 | Negative electrode materials for power storage devices |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2021131990A JP2021131990A (en) | 2021-09-09 |
| JP7465672B2 true JP7465672B2 (en) | 2024-04-11 |
Family
ID=77551159
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2020027177A Active JP7465672B2 (en) | 2020-02-20 | 2020-02-20 | Negative electrode materials for power storage devices |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7465672B2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20250140818A1 (en) * | 2022-09-07 | 2025-05-01 | Lg Energy Solution, Ltd. | Negative electrode composition, negative electrode for lithium secondary battery, comprising same, and lithium secondary battery comprising negative electrode |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011003432A (en) | 2009-06-19 | 2011-01-06 | Osaka Titanium Technologies Co Ltd | Silicon oxide and negative electrode material for lithium ion secondary battery |
| JP2013225469A (en) | 2012-04-19 | 2013-10-31 | Lg Chem Ltd | Silicon-based positive active material and secondary battery comprising the same |
| JP2015502026A (en) | 2012-11-30 | 2015-01-19 | エルジー・ケム・リミテッド | Silicon oxide and method for producing the same |
| JP2016530189A (en) | 2013-07-10 | 2016-09-29 | ユミコア | Silicon-based powder and electrode containing the same |
-
2020
- 2020-02-20 JP JP2020027177A patent/JP7465672B2/en active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011003432A (en) | 2009-06-19 | 2011-01-06 | Osaka Titanium Technologies Co Ltd | Silicon oxide and negative electrode material for lithium ion secondary battery |
| JP2013225469A (en) | 2012-04-19 | 2013-10-31 | Lg Chem Ltd | Silicon-based positive active material and secondary battery comprising the same |
| JP2015502026A (en) | 2012-11-30 | 2015-01-19 | エルジー・ケム・リミテッド | Silicon oxide and method for producing the same |
| JP2016530189A (en) | 2013-07-10 | 2016-09-29 | ユミコア | Silicon-based powder and electrode containing the same |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2021131990A (en) | 2021-09-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20200373570A1 (en) | Li4Ti5O12, Li(4-a)ZaTi5O12 OR Li4ZßTi(5-ß)O12, PARTICLES, PROCESSES FOR OBTAINING SAME AND USE AS ELECTROCHEMICAL GENERATORS | |
| JP7455425B2 (en) | Silicon/silicon oxide-carbon composite material, its preparation method, and negative electrode active material for lithium secondary batteries containing the same | |
| TWI697148B (en) | Negative electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary battery, non-aqueous electrolyte secondary battery, and method for manufacturing negative electrode material for non-aqueous electrolyte secondary battery | |
| EP3407409B1 (en) | Negative electrode active material, material of mixed negative electrode active material, negative electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery, lithium-ion secondary battery, method for producing negative electrode active material, and method for producing a lithium-ion secondary battery | |
| JP2022116186A (en) | Lithium-ion secondary battery, mobile terminal, automobile, and power storage system | |
| EP3447829B1 (en) | Negative electrode active substance, mixed negative electrode active substance material, and method for producing negative electrode active substance | |
| JP7388936B2 (en) | Negative electrode active material for nonaqueous electrolyte secondary batteries, negative electrode material for nonaqueous electrolyte secondary batteries, and lithium ion secondary batteries | |
| JP2017188319A (en) | Negative electrode active material, mixed negative electrode active material, and method for producing negative electrode active material | |
| KR102176590B1 (en) | Method of preparing anode active material for rechargeable lithium battery and rechargeable lithium battery | |
| JP2024500147A (en) | Metal-carbon composite negative electrode material for lithium ion secondary batteries, method for producing the same, and secondary batteries containing the same | |
| JP7514630B2 (en) | Negative electrode materials for power storage devices | |
| JP2024546786A (en) | Negative electrode material for secondary batteries | |
| JP7465672B2 (en) | Negative electrode materials for power storage devices | |
| US20240282927A1 (en) | Silicon carbon composite anode materials, preparation method thereof, and secondary battery comprising the same | |
| KR20180134680A (en) | Metal/carbon crystal particle composite, method for producing the same, and energy storage device having the same | |
| JP7132781B2 (en) | Anode materials for storage devices | |
| KR101807474B1 (en) | Method for preparing nanostructured Ge/GeO2 composite in carbon matrix | |
| CN117730435A (en) | Negative active material and manufacturing method thereof | |
| JP7178278B2 (en) | Anode materials for storage devices | |
| KR20170074249A (en) | Nanostructured Ge/GeO2 composite in carbon matrix and preparing method thereof | |
| US20250192149A1 (en) | Cathode active material for lithium secondary battery and method of manufacturing the same | |
| CN117795696A (en) | Negative electrode and manufacturing method thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20221212 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20231024 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20231025 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20231212 |
|
| 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: 20240305 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20240401 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7465672 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |