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JP2013235685A - Negative electrode material for lithium ion secondary batteries, negative electrode for lithium ion secondary batteries arranged by use thereof, and lithium ion secondary battery arranged by use thereof - Google Patents

Negative electrode material for lithium ion secondary batteries, negative electrode for lithium ion secondary batteries arranged by use thereof, and lithium ion secondary battery arranged by use thereof Download PDF

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JP2013235685A
JP2013235685A JP2012106320A JP2012106320A JP2013235685A JP 2013235685 A JP2013235685 A JP 2013235685A JP 2012106320 A JP2012106320 A JP 2012106320A JP 2012106320 A JP2012106320 A JP 2012106320A JP 2013235685 A JP2013235685 A JP 2013235685A
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Japan
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phase
negative electrode
lithium ion
particles
ion secondary
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Application number
JP2012106320A
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Japanese (ja)
Inventor
Takeshi Nishimura
健 西村
Hideo Nishikubo
英郎 西久保
Yutaka Shimizu
裕 清水
Toshiya Higami
俊哉 樋上
Masaaki Kubota
昌明 久保田
Hidetoshi Abe
英俊 阿部
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Furukawa Electric Co Ltd
Furukawa Battery Co Ltd
Original Assignee
Furukawa Electric Co Ltd
Furukawa Battery Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a negative electrode material for lithium ion secondary batteries which achieves a high capacity and good cycle characteristic.SOLUTION: The negative electrode material for lithium ion secondary batteries comprises: active material particle containing at least one element A selected from a group consisting of Si, Sn, Al, Pb, Sb, Bi, Ge, In, and Zn. The active material particle is covered with a binding agent layer. When the volume of the active material particle before charging is denoted by V, and the volume after the charging is denoted by V, and the reversible shrinkage degree of the binding agent is denoted by ε[%], the following relational expression holds: ε≥((V/V)-1)×100.

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池用の負極材料などに関するものであり、特に、高容量かつ長寿命のリチウムイオン二次電池用の負極材料に関する。   The present invention relates to a negative electrode material for a lithium ion secondary battery, and more particularly to a negative electrode material for a high capacity and long life lithium ion secondary battery.

従来、負極活物質としてグラファイトを用いたリチウムイオン二次電池が実用化されている。また、負極活物質と、カーボンブラック等の導電助剤と、樹脂の結着剤とを混練してスラリーを調製し、銅箔上に塗布・乾燥して、負極を形成することが行われている。   Conventionally, lithium ion secondary batteries using graphite as a negative electrode active material have been put into practical use. Also, a negative electrode is formed by kneading a negative electrode active material, a conductive aid such as carbon black, and a resin binder to prepare a slurry, and applying and drying on a copper foil. Yes.

一方、高容量化を目指し、リチウム化合物として理論容量の大きなケイ素(Si)やスズ(Sn)等の金属やその合金を負極活物質として用いるリチウムイオン二次電池用の負極が開発されている。しかしこのような負極活物質は、充電時にリチウムイオンを吸蔵することで体積が膨張する。例えばシリコンを負極活物質として用いた場合、リチウムイオンを吸蔵したシリコンは、吸蔵前のシリコンに対して約4倍まで体積が膨張するため、シリコン系合金を負極活物質として用いた負極は、充放電サイクル時に膨張と収縮を繰り返す。そのため、負極活物質の剥離、脱落などが発生し、従来のグラファイト電極と比較して、寿命が極めて短いという問題があった。   On the other hand, with the aim of increasing the capacity, negative electrodes for lithium ion secondary batteries using metals such as silicon (Si) and tin (Sn), which have large theoretical capacities as lithium compounds, and alloys thereof as negative electrode active materials have been developed. However, such a negative electrode active material expands in volume by occlusion of lithium ions during charging. For example, when silicon is used as the negative electrode active material, the volume of silicon that has occluded lithium ions expands to about four times that of the silicon before occlusion, so a negative electrode that uses a silicon-based alloy as a negative electrode active material is Repeat expansion and contraction during the discharge cycle. For this reason, the negative electrode active material is peeled off and dropped off, and there is a problem that the life is extremely short as compared with the conventional graphite electrode.

そこでリチウムイオンの吸蔵、放出による体積変化を拘束することを目的とし、例えば、Si相粒と、このSi相粒を少なくとも部分的に包囲する、少なくともSi含有固溶体または金属間化合物の相とを含む合金粒子からなる非水電解質二次電池用負極材料が開示されている(特許文献1)。   Therefore, for the purpose of constraining volume changes due to insertion and extraction of lithium ions, including, for example, Si phase grains and at least a part of the Si-containing solid solution or intermetallic compound that at least partially surrounds the Si phase grains. A negative electrode material for non-aqueous electrolyte secondary batteries made of alloy particles is disclosed (Patent Document 1).

しかしながら、特許文献1に記載の発明においても、シリコンの体積膨張を抑制することが不十分であり、サイクル特性の劣化は十分には防げなかった。   However, even in the invention described in Patent Document 1, it is insufficient to suppress the volume expansion of silicon, and deterioration of cycle characteristics cannot be sufficiently prevented.

また、シリコン等の負極活物質と共に用いる高強度でサイクル特性が優れるバインダーとして、ポリイミド等のバインダーを用い、負極活物質とともに有機溶媒によりスラリー状にして銅箔上に塗布、乾燥して、負極を形成することによる負極の製造が行われているが、この方法においても十分なサイクル特性が得られるものではない。   In addition, as a binder having high strength and excellent cycle characteristics used together with a negative electrode active material such as silicon, a binder such as polyimide is used, and is slurried with an organic solvent together with the negative electrode active material, applied onto a copper foil, dried, and then the negative electrode is formed. Although a negative electrode is manufactured by forming, a sufficient cycle characteristic is not obtained even in this method.

このような負極材料7は、初期の数十サイクルで容量低下が大きい。この原因について検討した結果、ポリイミドのような、溶剤に溶解した状態で活物質とともに集電体への塗布スラリーを形成するいわゆる溶質型の結着剤9は、集電体への塗布スラリーの被覆、乾燥により、活物質粒子3を被覆した状態で固化する(図9(a))が、充電時に、活物質粒子3が大きく体積膨張したとき、被覆した結着剤層は追随して伸長することができず、破断した状態となり(図9(b))、放電により活物質粒子3が体積収縮しても結着剤層は破断したままとなり(図9(c))、これにより次の充填時には活物質粒子3が微粉化しやすい状態となり、活物質粒子3が剥離、脱落することが、容量低下の原因であると推察した。   Such a negative electrode material 7 has a large capacity drop in the initial tens of cycles. As a result of examining this cause, a so-called solute type binder 9 that forms a slurry applied to a current collector together with an active material in a state of being dissolved in a solvent such as polyimide is coated with a slurry applied to the current collector. By drying, the active material particles 3 are solidified in a state of being coated (FIG. 9A). However, when the active material particles 3 are largely expanded during charging, the coated binder layer follows and expands. The binder layer remains broken even when the active material particles 3 contract by volume due to the discharge (FIG. 9B). It was inferred that the active material particles 3 were easily pulverized at the time of filling, and that the active material particles 3 were peeled off and dropped off, which was the cause of capacity reduction.

特許第3562398号公報Japanese Patent No. 3562398

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたもので、その目的とすることは、高容量と良好なサイクル特性を実現するリチウムイオン二次電池用の負極材料を得ることである。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain a negative electrode material for a lithium ion secondary battery that realizes high capacity and good cycle characteristics.

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、リチウムイオン二次電池負極の結着剤として、特定の可逆的な伸縮率を有する樹脂を用いることにより、負極におけるリチウムの吸蔵、放出に伴う負極活物質粒子の体積変化に、結着剤が伸長して追随することが可能となり、高容量と良好なサイクル特性を実現することを見出し、本発明に至った。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have used lithium-occluded lithium in the negative electrode by using a resin having a specific reversible expansion / contraction rate as a binder for the negative electrode of the lithium ion secondary battery. Thus, the present inventors have found that the binder can expand and follow the volume change of the negative electrode active material particles accompanying the release, and realize high capacity and good cycle characteristics, leading to the present invention.

すなわち本発明は、
(1)Si,Sn,Al,Pb,Sb、Bi,Ge,In,Znからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素Aを含む活物質粒子を有し、前記活物質粒子の表面の少なくとも一部が結着剤層で覆われており、充電前の前記活物質粒子の体積をVとし、充電後の前記活物質粒子の体積をVとし、結着剤の可逆的な伸縮率をε[%]とするとき、ε≧((V/V1/3−1)×100の関係式を満たすことを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極材料。
(2)前記結着剤層がポリイミド、ポリアミドイミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリアミド、ポリアクリル、ポリウレタン、ポリエステル、ポリエステルイミド、エポキシ、フェノール樹脂、およびそれらの前躯体、変性体、中和体、塩、混合物、のいずれか一つ以上を含むことを特徴とする(1)に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。
(3)前記結着剤層が、前記活物質粒子の表面の50%以上を覆っていることを特徴とする(1)または(2)に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。
(4)前記結着剤層の厚みが、2nm以上1500nm以下であることを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。
(5)前記活物質粒子は、前記元素Aと元素Mとを含む粒子からなり、前記元素Mが、Cu、Fe、Co、Ni、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Ba、ランタノイド元素(Pmを除く)、Hf、Ta、W、Re、Os、Irからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素であって、前記粒子は、前記元素Aの単体または固溶体である第1の相と、前記元素Mの単体または化合物である第2の相と、を少なくとも有し、前記粒子は、前記第1の相と前記第2の相との両方が外表面に露出するとともに、界面を介して接合しており、前記第1の相は、界面以外の外表面が略球面状または多角形状であることを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。
(6)前記粒子は、Cu、Fe、Co、Ni、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Ba、ランタノイド元素(Pmを除く)、Hf、Ta、W、Re、Os、Irからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素である元素M’をさらに含み、前記元素M’が、前記第2の相を構成する前記元素Mとは種類の異なる元素であり、前記元素M’の単体または化合物である他の第2の相をさらに有していることを特徴とする(5)に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。
(7)前記粒子は、Si、Sn、Al、Pb、Sb、Bi、Ge、In、Znからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素である元素A’をさらに含み、前記元素A’が、前記元素Aとは種類の異なる元素であり、前記元素A’の単体または固溶体である第3の相をさらに有していることを特徴とする(5)または(6)に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。
(8)前記第3の相が、前記第1の相と前記第2の相の少なくとも一方と、界面を介して接合していることを特徴とする(7)記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。
(9)前記活物質粒子は、平均粒径が2nm〜15μmであることを特徴とする(1)〜(8)のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。
(10)(1)〜(9)のいずれか1項に記載の負極材料を用いたリチウムイオン二次電池用負極。
(11)リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な正極と、(10)に記載のリチウムイオン二次電池用負極と、前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータとを有し、リチウムイオン伝導性を有する電解質中に、前記正極と前記負極と前記セパレータとを設けたことを特徴とするリチウムイオン二次電池。
である。
That is, the present invention
(1) having active material particles containing at least one element A selected from the group consisting of Si, Sn, Al, Pb, Sb, Bi, Ge, In, and Zn, at least on the surface of the active material particles A portion is covered with a binder layer, the volume of the active material particles before charging is V 0 , the volume of the active material particles after charging is V, and the reversible stretching rate of the binder is A negative electrode material for a lithium ion secondary battery, wherein ε [%] satisfies the relational expression ε ≧ ((V / V 0 ) 1/3 −1) × 100.
(2) The binder layer is polyimide, polyamideimide, polybenzimidazole, polyamide, polyacryl, polyurethane, polyester, polyesterimide, epoxy, phenol resin, and precursors, modified bodies, neutralized bodies, salts, The negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to (1), comprising any one or more of a mixture.
(3) The negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to (1) or (2), wherein the binder layer covers 50% or more of the surface of the active material particles.
(4) The negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to any one of (1) to (3), wherein the binder layer has a thickness of 2 nm to 1500 nm.
(5) The active material particles are particles including the element A and the element M, and the element M includes Cu, Fe, Co, Ni, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Sr, and Y. , Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ba, a lanthanoid element (excluding Pm), Hf, Ta, W, Re, Os, and at least one element selected from the group consisting of Ir, The particle has at least a first phase that is a single element or a solid solution of the element A and a second phase that is a single element or a compound of the element M, and the particle includes the first phase and the first phase. Both the second phase and the second phase are exposed to the outer surface and bonded via an interface, and the outer surface other than the interface is substantially spherical or polygonal in the first phase. The negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to any one of (1) to (4) .
(6) The particles are Cu, Fe, Co, Ni, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ba, lanthanoid elements (Pm The element M ′ that is at least one element selected from the group consisting of Hf, Ta, W, Re, Os, and Ir, and the element M ′ constitutes the second phase. The lithium ion secondary battery according to (5), wherein the element M is an element of a different type and further has another second phase that is a simple substance or a compound of the element M ′. Negative electrode material.
(7) The particles further include an element A ′ that is at least one element selected from the group consisting of Si, Sn, Al, Pb, Sb, Bi, Ge, In, and Zn, and the element A ′ The lithium ion according to (5) or (6), which is a different element from the element A and further has a third phase that is a single element or a solid solution of the element A ′. Negative electrode material for secondary batteries.
(8) The lithium ion secondary battery according to (7), wherein the third phase is bonded to at least one of the first phase and the second phase via an interface. Negative electrode material.
(9) The negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to any one of (1) to (8), wherein the active material particles have an average particle diameter of 2 nm to 15 μm.
(10) A negative electrode for a lithium ion secondary battery using the negative electrode material according to any one of (1) to (9).
(11) a positive electrode capable of occluding and releasing lithium ions; a negative electrode for a lithium ion secondary battery according to (10); and a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode; A lithium ion secondary battery in which the positive electrode, the negative electrode, and the separator are provided in an electrolyte having a property.
It is.

本発明により、高容量と良好なサイクル特性を実現するリチウムイオン二次電池用の負極材料、前記負極材料を用いたリチウムイオン二次電池用負極、並びに前記リチウムイオン二次電池用負極を用いたリチウムイオン二次電池を得ることができる。   According to the present invention, a negative electrode material for a lithium ion secondary battery realizing high capacity and good cycle characteristics, a negative electrode for a lithium ion secondary battery using the negative electrode material, and a negative electrode for the lithium ion secondary battery are used. A lithium ion secondary battery can be obtained.

(a)〜(c)第1の実施の形態に係るリチウムイオン二次電池用負極材料1を示す概念図。(A)-(c) The conceptual diagram which shows the negative electrode material 1 for lithium ion secondary batteries which concerns on 1st Embodiment. (a)〜(c)活物質粒子として用いる粒子11の概略断面図。(A)-(c) The schematic sectional drawing of the particle | grains 11 used as an active material particle. (a)〜(b)活物質粒子として用いる粒子11の概略断面図。(A)-(b) The schematic sectional drawing of the particle | grains 11 used as an active material particle. (a)〜(b)活物質粒子として用いる粒子17の概略断面図。(A)-(b) The schematic sectional drawing of the particle | grains 17 used as an active material particle. (a)〜(c)活物質粒子として用いる粒子21の概略説明図。(A)-(c) Schematic explanatory drawing of the particle | grains 21 used as an active material particle. (a)〜(b)活物質粒子として用いる粒子21の概略説明図。(A)-(b) Schematic explanatory drawing of the particle | grains 21 used as an active material particle. 粒子の製造装置を示す説明図。Explanatory drawing which shows the manufacturing apparatus of particle | grains. リチウムイオン二次電池61の構成を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of a lithium ion secondary battery 61. (a)〜(c)従来のリチウムイオン二次電池用負極材料7を示す概念図。(A)-(c) The conceptual diagram which shows the negative electrode material 7 for the conventional lithium ion secondary battery.

以下図面に基づいて、本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池用負極材料を詳細に説明する。
(1.負極材料1の構成)
(1−1.第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る負極材料1を示す説明図である。図1(a)は、本発明の充電前の負極材料1を示す説明図であり、活物質粒子3は一次粒子または一次粒子が複数集合した二次凝集体であり、表面が結着剤5で覆われている。二次凝集体は、物理吸着、メカニカルアロイングや焼結による複合体、あるいは結着剤で造粒したものであってもよい。図1(b)は、充電時の負極材料1を示す図であり、図1(c)は、放電時の負極材料1を示す図である。なお、結着剤5は活物質粒子3の表面の必ずしも100%を覆っている必要はなく、活物質粒子3の表面積の50%以上を覆っていれば良い。なお、結着剤5は活物質粒子3の表面を80%以上覆っていれば好適である。さらに、結着剤5は活物質粒子3の表面を100%覆っていればさらに好適である。結着剤5が活物質粒子3の表面の50%以上、あるいは、ほとんどを覆っていれば、活物質粒子3の微粉化を抑制する効果や、活物質粒子3が集電体から剥離、脱落することを防止する効果は得られる。
Hereinafter, a negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described in detail based on the drawings.
(1. Configuration of negative electrode material 1)
(1-1. First Embodiment)
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a negative electrode material 1 according to the first embodiment. FIG. 1A is an explanatory view showing the negative electrode material 1 before charging according to the present invention. The active material particles 3 are primary particles or secondary aggregates in which a plurality of primary particles are aggregated, and the surface thereof is a binder 5. Covered with. The secondary aggregate may be a composite formed by physical adsorption, mechanical alloying or sintering, or may be granulated with a binder. FIG.1 (b) is a figure which shows the negative electrode material 1 at the time of charge, and FIG.1 (c) is a figure which shows the negative electrode material 1 at the time of discharge. Note that the binder 5 does not necessarily cover 100% of the surface of the active material particles 3, and may cover 50% or more of the surface area of the active material particles 3. Note that it is preferable that the binder 5 covers 80% or more of the surface of the active material particles 3. Further, it is more preferable that the binder 5 covers 100% of the surface of the active material particles 3. If the binder 5 covers 50% or more of the surface of the active material particles 3 or most of the surface, the effect of suppressing the pulverization of the active material particles 3 and the active material particles 3 are peeled off from the current collector. The effect which prevents doing is acquired.

負極材料1は、活物質粒子3表面を結着剤5が覆い、結着剤層を形成している(図1(a))。活物質粒子3は、充電時にリチウムの吸蔵により体積が膨張し、この時、結着剤層は活物質粒子3の膨張に追随して伸びた状態となり、(図1(b))。その後放電することにより、一旦充電により膨張した活物質粒子3の体積が収縮し、結着剤層5も活物質粒子3に密着したまま元の状態に戻る(図1(c))。尚、結着剤層は、前記活物質粒子の表面の50%以上覆っていれば好適で効果を発揮するが、80%以上がより好ましく、さらに、100%すなわち、全面を覆っていることが特に好ましい。   In the negative electrode material 1, the surface of the active material particles 3 is covered with the binder 5, and a binder layer is formed (FIG. 1A). The volume of the active material particles 3 expands due to occlusion of lithium at the time of charging, and at this time, the binder layer is in an extended state following the expansion of the active material particles 3 (FIG. 1B). Thereafter, by discharging, the volume of the active material particles 3 once expanded by contraction contracts, and the binder layer 5 also returns to the original state while being in close contact with the active material particles 3 (FIG. 1C). The binder layer is suitable and exhibits an effect as long as it covers 50% or more of the surface of the active material particles, but more preferably 80% or more, and further 100%, that is, covers the entire surface. Particularly preferred.

結着剤層5の厚さは、伸びていない状態で、2nm〜1500nmであることが好ましい。2nmより薄いと、部分被覆になったり結着力が不足したりすることがあり、1500nmより厚いと電極の導電性が低下することがある。   The thickness of the binder layer 5 is preferably 2 nm to 1500 nm in an unstretched state. If the thickness is less than 2 nm, partial coating may occur or the binding force may be insufficient. If the thickness is greater than 1500 nm, the conductivity of the electrode may be reduced.

活物質粒子3は、リチウムを合金化することにより吸蔵可能な活物質材料からなり、このような活物質材料は、Si,Sn,Al,Pb,Sb、Bi,Ge,In,Znからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素Aを含む。特に好ましくは、Siを主成分としたものである。   The active material particle 3 is made of an active material that can be occluded by alloying lithium, and such an active material is made of Si, Sn, Al, Pb, Sb, Bi, Ge, In, and Zn. It contains at least one element A selected from the above. Particularly preferably, Si is the main component.

活物質粒子3の平均粒径は、特に限定するものではないが、2nm〜15μmが好適である。活物質粒子3は一次粒子であっても、一次粒子が複数集合した二次凝集体であっても良い。   The average particle diameter of the active material particles 3 is not particularly limited, but is preferably 2 nm to 15 μm. The active material particles 3 may be primary particles or secondary aggregates in which a plurality of primary particles are aggregated.

結着剤5は、負極製造(製造方法の詳細は後述する)において、溶媒に溶解した状態で、活物質粒子3とともに混合スラリーが調製され、集電体に塗布、乾燥することにより、結着剤5が活物質粒子3の表面を被覆した状態となって固化し、結着剤層を形成する。結着剤5は、活物質粒子がナノサイズであれば、ミクロンサイズ(1000nm以上)の粒子に比べて、吸着量が多くなるため配合割合を多くすることが好ましい。結着剤5の配合割合は、導電助剤の種類や量にも影響を受けるが、活物質粒子がナノサイズの場合は2〜25重量%、ミクロンサイズの場合は0.1〜5重量%が好適である。   In the negative electrode production (details of the production method will be described later), the binder 5 is prepared by preparing a mixed slurry together with the active material particles 3 in a state dissolved in a solvent, and applying and drying to a current collector. The agent 5 is solidified in a state of covering the surface of the active material particles 3 to form a binder layer. If the active material particles are nano-sized, the binder 5 has a larger amount of adsorption than the micron-sized (1000 nm or more) particles, so that the blending ratio is preferably increased. The blending ratio of the binder 5 is also affected by the type and amount of the conductive additive, but is 2 to 25% by weight when the active material particles are nano-sized, and 0.1 to 5% by weight when the active material particles are micron-sized. Is preferred.

結着剤5は、水または有機溶媒に溶解して用いることが可能であり、可逆的な伸縮率ε[%]が下記式(1)の条件を満足する特性を有する樹脂からなる。下記式(1)において、Vは充電前の活物質粒子3の体積を示し、Vは充電後の活物質粒子3の体積を示す。
ε≧((V/V1/3−1)×100・・・式(1)
可逆的な伸縮率εは、JIS K7163により、厚み25μm、25℃にて求めることができる。
活物質粒子3の体積V、Vは、電子顕微鏡等の画像解析により求めることができる。
使用する活物質粒子3について以下の方法による試験を行い、充電前の体積、充電後の体積を測定して、式(1)により可逆的な伸縮率εを算出すれば、使用する活物質粒子3に適する結着剤5を選択することができる。
The binder 5 can be used by being dissolved in water or an organic solvent, and is made of a resin having a characteristic that the reversible stretching ratio ε [%] satisfies the condition of the following formula (1). In the following formula (1), V 0 represents the volume of the active material particles 3 before charging, and V represents the volume of the active material particles 3 after charging.
ε ≧ ((V / V 0 ) 1/3 −1) × 100 (1)
The reversible expansion / contraction ratio ε can be obtained at a thickness of 25 μm and 25 ° C. according to JIS K7163.
The volumes V and V 0 of the active material particles 3 can be obtained by image analysis such as an electron microscope.
If the active material particles 3 to be used are tested by the following method, the volume before charging and the volume after charging are measured, and the reversible expansion / contraction ratio ε is calculated by the equation (1), the active material particles to be used 3 can be selected.

<試験方法>
活物質粒子の充電前の体積は、平均粒子径から算出することが出来る。フル充電により膨張した活物質の体積は、不活性雰囲気を保ちながら電極の解体・洗浄を行い、電子顕微鏡等の画像解析により求めることができる。
<Test method>
The volume of the active material particles before charging can be calculated from the average particle diameter. The volume of the active material expanded by the full charge can be obtained by image analysis such as an electron microscope after disassembling and cleaning the electrode while maintaining an inert atmosphere.

例えば、活物質粒子3がシリコン(Si)からなり、充電後の体積が充電前の体積の4倍であるとすると、結着剤5として、前記式(1)より、約60%以上の可逆的な伸縮率を有する樹脂を用いることにより、本発明の負極材料1が得られる。   For example, if the active material particles 3 are made of silicon (Si) and the volume after charging is four times the volume before charging, the binder 5 is about 60% or more reversible from the above formula (1). The negative electrode material 1 of the present invention can be obtained by using a resin having a general expansion / contraction ratio.

上記式(1)は、次のように考えることができる。活物質粒子3を球体であると仮定すると、活物質粒子の体積がVからVに膨張した時、球体の半径は、(V/V1/3倍となる。すなわち、活物質粒子3は、体積の膨張により、半径が、膨張前の半径の((V/V1/3−1)×100)%分大きくなる(立方体と仮定した場合は、一辺の長さについて同様のことが言える)。よって、式(1)の関係式を満し、活物質粒子3の伸び(膨張)以上の可逆的な伸縮率ε[%]を有する結着剤は、活物質粒子の膨張に十分追随して伸びることが可能であり、結着剤層の破断等により能力低下を起こすことがない。 The above equation (1) can be considered as follows. Assuming that the active material particle 3 is a sphere, when the volume of the active material particle expands from V 0 to V, the radius of the sphere becomes (V / V 0 ) 1/3 times. That is, the active material particle 3 has a radius that is larger by ((V / V 0 ) 1/3 −1) × 100)% of the radius before the expansion due to volume expansion. The same can be said about the length of). Therefore, the binder satisfying the relational expression (1) and having a reversible expansion / contraction ratio ε [%] equal to or greater than the elongation (expansion) of the active material particles 3 sufficiently follows the expansion of the active material particles. It can be stretched and does not cause a decrease in capacity due to breakage of the binder layer.

結着剤5の材料としては、水または有機溶媒に可溶であり、活物質粒子3および結着剤5の混合スラリーを集電体に塗布、乾燥して、活物質粒子3表面に結着剤5による被覆層を形成するものが使用可能であり、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリアミド、ポリアクリル、ポリウレタン、ポリエステル、ポリエステルイミド、エポキシ、フェノール樹脂、およびそれらの変性体、中和体、塩、混合物等、ワニス形状に利用可能な樹脂を用いることができる。特にポリイミド、ポリアミドイミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリアミドが好適に使用可能である。またポリイミドに代えて、ポリアミック酸等のポリイミド前駆体を用いて前記混合スラリーを調製し、負極製造工程においてポリイミド化させてもよい。結着剤5は、単独で使用しても良いし、2種以上を併用して使用しても良い。   The material of the binder 5 is soluble in water or an organic solvent, and a mixed slurry of the active material particles 3 and the binder 5 is applied to a current collector and dried to bind to the surface of the active material particles 3. What forms the coating layer by the agent 5 can be used. Polyimide, polyamideimide, polybenzimidazole, polyamide, polyacryl, polyurethane, polyester, polyesterimide, epoxy, phenol resin, and modified products and neutralized products thereof Resins that can be used in a varnish shape, such as salts and mixtures, can be used. In particular, polyimide, polyamideimide, polybenzimidazole, and polyamide can be suitably used. Moreover, it replaces with a polyimide and the said mixed slurry may be prepared using polyimide precursors, such as a polyamic acid, and you may make it polyimide in a negative electrode manufacturing process. The binder 5 may be used alone or in combination of two or more.

(1−2.第1の実施形態における効果)
このように、本発明に係る負極材料1は、炭素よりも単位体積あたりの容量の高い活物質粒子3を用い、充電による活物質粒子3の膨張に追随することが可能な可逆的な伸縮率を有する結着剤による結着剤層が、活物質粒子を覆っているため、活物質粒子の膨張による結着剤層の破断が発生せず、これによる活物質粒子の微粉化等が起こらないため、従来のリチウムイオン二次電池よりも高容量で、良好なサイクル特性を有する。
(1-2. Effects in the first embodiment)
As described above, the negative electrode material 1 according to the present invention uses the active material particles 3 having a capacity per unit volume higher than that of carbon, and is capable of following the expansion of the active material particles 3 due to charging. Since the binder layer made of the binder having the active material particles covers the active material particles, the binder layer does not break due to the expansion of the active material particles, and the active material particles are not pulverized. Therefore, the capacity is higher than that of the conventional lithium ion secondary battery and the battery has good cycle characteristics.

(1−3.第2の実施形態)
次に、本発明に係る活物質材料の第2の実施形態について説明する。第2の実施形態では、前述した第1の実施形態における活物質粒子3が、後述する元素Aと元素Mとを含む粒子からなることを特徴とする。
(1-3. Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the active material according to the present invention will be described. In the second embodiment, the active material particles 3 in the first embodiment described above are composed of particles containing an element A and an element M described later.

図2は、本発明の活物質粒子を構成する粒子11を示す概略断面図である。粒子11は、元素Aと元素Mとを含んでいる。   FIG. 2 is a schematic sectional view showing the particles 11 constituting the active material particles of the present invention. The particle 11 includes an element A and an element M.

第1の実施形態と同様で、元素Aは、Si、Sn、Al、Pb、Sb、Bi、Ge、In、Znからなる群より選ばれた1種の元素である。元素Aは、リチウムを吸蔵しやすい元素である。   As in the first embodiment, the element A is one element selected from the group consisting of Si, Sn, Al, Pb, Sb, Bi, Ge, In, and Zn. The element A is an element that easily stores lithium.

また、元素Mは、Cu、Fe、Co、Ni、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Ba、ランタノイド元素(Pmを除く)、Hf、Ta、W、Re、Os、Irからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素であって、前記活物質粒子は、前記元素Aの単体または固溶体である第1の相と、前記元素Mの単体または化合物である第2の相とを形成する。   The element M is Cu, Fe, Co, Ni, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ba, and a lanthanoid element (excluding Pm). ), At least one element selected from the group consisting of Hf, Ta, W, Re, Os, and Ir, wherein the active material particles are a single phase or a solid solution of the element A; A second phase that is a simple substance or a compound of the element M is formed.

粒子11は、第1の相13と第2の相15を少なくとも有している。
第1の相13は、元素Aの単体であってもよいし、元素Aを主成分とする固溶体であってもよい。また、第1の相13は、結晶質であっても非晶質であってもよい。元素Aと固溶体を形成する元素は、元素Aの群にあげられた元素以外から選択することができる。この第1の相13は、リチウムを吸蔵可能である。第1の相13は一度リチウムを吸蔵して合金化した後、リチウムを脱離して脱合金化すると非晶質となる。
The particle 11 has at least a first phase 13 and a second phase 15.
The first phase 13 may be a single element A or a solid solution containing the element A as a main component. Further, the first phase 13 may be crystalline or amorphous. The element that forms a solid solution with the element A can be selected from elements other than those listed in the group of the element A. The first phase 13 can occlude lithium. The first phase 13 becomes amorphous when occluded by lithium and alloyed and then desorbed and dealloyed.

また、第2の相15は、元素Mの単体であってもよいし、または元素Mを主成分とする化合物であってもよい。この第2の相15は、リチウムを吸蔵しても容量が小さく体積変化が小さい。例えば、CoはCoSiとして58mAh/g、FeはFeSiとして60mAh/g、NiはNiSiとして198mAh/g、等の放電容量を有するが、SiやSn等の元素Aに比べると放電容量が少ないために体積変化は無視できる程度である。シリコン化合物がリチウムと反応することは、リチウムがシリコン化合物をすり抜け可能であることを意味しており、シリコン相の利用率向上に寄与する。 Further, the second phase 15 may be a single element M or a compound containing the element M as a main component. The second phase 15 has a small capacity and a small volume change even when lithium is occluded. For example, Co has a discharge capacity of 58 mAh / g as CoSi 2 , Fe has a discharge capacity of 60 mAh / g as FeSi 2 , Ni has a discharge capacity of 198 mAh / g as NiSi 2 , etc., but has a discharge capacity as compared with element A such as Si and Sn. The volume change is negligible because it is small. The fact that the silicon compound reacts with lithium means that lithium can pass through the silicon compound, and contributes to an improvement in the utilization rate of the silicon phase.

元素Aと元素Mが化合物を形成可能な組み合わせであれば、第2の相15は、元素Aと元素Mの化合物であるMA等から形成されていてもよい。一方、元素Aと元素Mとが化合物を形成しない組み合わせであれば、第2の相15は元素Mの単体や固溶体等であってよい。 If possible combinations form an element A and element M compound, the second phase 15 may be formed from MA Y like a compound of element A and element M. On the other hand, if the element A and the element M are a combination that does not form a compound, the second phase 15 may be a single element or a solid solution of the element M.

例えば、元素AがSiであり、元素MがCuである場合、第2の相15は、元素Mと元素Aの化合物である銅シリサイドで形成することができる。
例えば、元素AがSiであり、元素MがAgまたはAuである場合、第2の相15は、元素Mの単体または元素Mを主成分とする固溶体等で形成することができる。
また、元素AがSiであり、元素A’がSnまたはAlである場合、第2の相15は、元素A’の単体または固溶体等で形成することができる。
For example, when the element A is Si and the element M is Cu, the second phase 15 can be formed of copper silicide that is a compound of the element M and the element A.
For example, when the element A is Si and the element M is Ag or Au, the second phase 15 can be formed of a single element of the element M or a solid solution containing the element M as a main component.
Further, when the element A is Si and the element A ′ is Sn or Al, the second phase 15 can be formed of a single element or a solid solution of the element A ′.

また、元素AがSiである場合、Siと元素Mは、MA(0.1<Y≦3)で表される化合物を形成可能である。このような化合物としては、例えば、具体的には、FeSiやCoSiやNiSi(Y=2)、RhSi(Y=1.33)、RuSi(Y=1.5)、SrSi(Y=1.67)、MnSiやTcSi(Y=1.75)、IrSi(Y=3)、Cu3Si(Y=0.33)などを例示することができる。ここで、Siと元素Mの合計に占める元素Mの原子比率は、0.01〜27%であることが好ましい。この原子比率が0.01〜25%であると、粒子11を負極活物質として用いた際に、サイクル特性と高容量を両立できる。一方、0.01%を下回ると、粒子11のリチウム吸蔵時の体積変化を抑制できず、27%を超えると、高容量であるメリットが特になくなってしまう。 When element A is Si, Si and element M can form a compound represented by MA Y (0.1 <Y ≦ 3). Specific examples of such compounds include FeSi 2 , CoSi 2 , NiSi 2 (Y = 2), Rh 3 Si 4 (Y = 1.33), and Ru 2 Si 3 (Y = 1.5). ), Sr 3 Si 5 (Y = 1.67), Mn 4 Si 7 , Tc 4 Si 7 (Y = 1.75), IrSi 3 (Y = 3), Cu 3 Si (Y = 0.33), etc. Can be illustrated. Here, the atomic ratio of the element M in the total of Si and the element M is preferably 0.01 to 27%. When the atomic ratio is 0.01 to 25%, both cycle characteristics and high capacity can be achieved when the particles 11 are used as the negative electrode active material. On the other hand, if it is less than 0.01%, the volume change of the particles 11 during occlusion of lithium cannot be suppressed, and if it exceeds 27%, the merit of high capacity is particularly lost.

そして粒子11は、例えば図2に示したように、第1の相13と第2の相15との両方が、粒子11の外表面に露出するとともに、界面を介して互いに接合している。第1の相13と第2の相15との界面は、平面あるいは曲面を示している。また、界面は階段状であってもよい。第1の相13は、外表面が略球面状である。第1の相13と第2の相15の接合部の界面形状は、円形ないしは楕円形となる。リチウム吸蔵により膨張する第1の相13上にリチウムを吸蔵しにくい第2の相15が存在することで、リチウム吸蔵による第1の相13の膨張を抑制することができる。   For example, as shown in FIG. 2, both the first phase 13 and the second phase 15 of the particle 11 are exposed on the outer surface of the particle 11 and are bonded to each other through the interface. The interface between the first phase 13 and the second phase 15 is a flat surface or a curved surface. Further, the interface may be stepped. The first phase 13 has a substantially spherical outer surface. The interface shape of the joint portion between the first phase 13 and the second phase 15 is circular or elliptical. By the presence of the second phase 15 that does not easily store lithium on the first phase 13 that expands due to lithium storage, expansion of the first phase 13 due to lithium storage can be suppressed.

なお、第1の相13の外表面が略球面状であるとは、第1の相13と第2の相15とが接する界面以外の第1の相13の表面が、おおむね滑らかな曲面で構成されていることを意味し、言い換えると、第1の相13と第2の相15とが接する箇所から先を除き、第1の相13が、球形ないしは楕円球形であることを意味する。球ないしは楕円球との表現は、幾何学的に厳密な球形や楕円球形を意味するものではない。破砕法により形成される粒子の形状に代表されるような、表面に角を有する形状とは異なる形状である。   Note that the outer surface of the first phase 13 has a substantially spherical shape means that the surface of the first phase 13 other than the interface where the first phase 13 and the second phase 15 are in contact is generally a smooth curved surface. In other words, it means that the first phase 13 has a spherical shape or an elliptical spherical shape except for the point where the first phase 13 and the second phase 15 are in contact with each other. The expression “sphere” or “elliptical sphere” does not mean a geometrically exact sphere or ellipsoid. The shape is different from the shape having a corner on the surface, as represented by the shape of particles formed by the crushing method.

また、図2(b)に示す粒子11のように、元素Mの単体または化合物である第2の相15が、第1の相13中に分散していてもよい。第2の相15は、第1の相13に覆われている。第2の相15は、外表面に露出している第2の相15と同様、リチウムをほとんど吸蔵しない。また、図2(c)のように、第1の相13に覆われている第2の相15の一部が表面に露出していてもよい。つまり、必ずしも第2の相15の周囲の全てを第1の相13で覆っている必要はなく、第2の相15の周囲の一部のみを第1の相13で覆っていてもよい。   In addition, the second phase 15 that is a single element or a compound of the element M may be dispersed in the first phase 13 as in the particle 11 illustrated in FIG. The second phase 15 is covered with the first phase 13. Like the second phase 15 exposed on the outer surface, the second phase 15 hardly absorbs lithium. Further, as shown in FIG. 2C, a part of the second phase 15 covered with the first phase 13 may be exposed on the surface. That is, the entire periphery of the second phase 15 is not necessarily covered with the first phase 13, and only a part of the periphery of the second phase 15 may be covered with the first phase 13.

なお、図2(b)においては、第1の相13中に、複数の第2の相15が分散しているが、単一の第2の相15が内包されていてもよい。   In FIG. 2B, the plurality of second phases 15 are dispersed in the first phase 13, but a single second phase 15 may be included.

図3(a)に示す第2の相15’のように、元素Mの単体または化合物の結晶の安定性等の影響により、多面体形状となることもある。   As in the second phase 15 ′ shown in FIG. 3A, it may have a polyhedral shape due to the influence of the stability of the element M simple substance or compound crystal.

さらに、図3(b)に示す粒子11のように、第1の相13上に第2の相15を複数有してもよい。例えば、粒子の製造過程において、元素Mの割合が少なく、ガス状態や液体状態における元素M同士の衝突頻度が少なくなる場合や、第1の相13および第2の相15の融点の関係や濡れ性、さらに冷却速度の影響等により、第2の相15が、第1の相13の表面に分散して接合する場合が考えられる。   Further, a plurality of second phases 15 may be provided on the first phase 13 like the particles 11 shown in FIG. For example, in the particle manufacturing process, the ratio of the element M is small, the collision frequency between the elements M in the gas state or the liquid state is low, the relationship between the melting points of the first phase 13 and the second phase 15 and wetting. It is conceivable that the second phase 15 is dispersed and joined to the surface of the first phase 13 due to the property, the influence of the cooling rate and the like.

第1の相13上に複数の第2の相15を有する場合、第1の相13と第2の相15との界面の面積が広くなり、第1の相13の膨張収縮をさらに抑えることができる。また、第2の相15は第1の相13よりも導電率が高いため、第2の相15により電子の移動が促進され、粒子11は、それぞれの粒子11に複数の集電スポットを有することとなる。よって、第2の相15を複数有する粒子11は高い粉体導電率を有する負極材料となり、導電助剤を減らすことが可能となり、高容量の負極を形成することができる。さらに、ハイレート特性に優れる負極が得られる。   When the plurality of second phases 15 are provided on the first phase 13, the area of the interface between the first phase 13 and the second phase 15 is widened to further suppress the expansion and contraction of the first phase 13. Can do. Further, since the second phase 15 has higher conductivity than the first phase 13, the movement of electrons is promoted by the second phase 15, and the particle 11 has a plurality of current collecting spots in each particle 11. It will be. Therefore, the particles 11 having a plurality of the second phases 15 become a negative electrode material having a high powder conductivity, the conductive auxiliary agent can be reduced, and a high capacity negative electrode can be formed. Furthermore, a negative electrode having excellent high rate characteristics can be obtained.

元素Mとして、元素Mを選ぶことのできる群より選ばれた2種以上の元素が含まれる場合、ある一つの元素Mと元素Aの化合物である第2の相15に、別の他の元素Mが、固溶体または化合物として含有されることがある。つまり、粒子中に、元素Mを選ぶことのできる群より選ばれた2種以上の元素が含まれる場合でも、後述の元素M´のように、他の第2の相19を形成しない場合がある。例えば、元素AがSi、一つの元素MがNi、他の元素MがFeの場合、FeはNiSi2に固溶体として存在することがある。また、EDSで観察した場合、Niの分布とFeの分布がほぼ同じ場合もあれば、異なる場合が有り、別の他の元素Mが、第2の相15に均一に含有されることもあれば、部分的に含有されることもある。 When two or more elements selected from the group that can select the element M are included as the element M, the second phase 15 that is a compound of one element M and the element A includes another element. M may be contained as a solid solution or a compound. That is, even when two or more elements selected from the group from which the element M can be selected are included in the particles, there may be cases where the other second phase 19 is not formed like the element M ′ described later. is there. For example, when the element A is Si, one element M is Ni, and the other element M is Fe, Fe may exist in NiSi 2 as a solid solution. In addition, when observed by EDS, the distribution of Ni and the distribution of Fe may be approximately the same or different, and another element M may be uniformly contained in the second phase 15. For example, it may be partially contained.

また、粒子は、元素Mに加えて、元素M’を含んでも良い。元素M’は、Cu、Fe、Co、Ni、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Ba、ランタノイド元素(Pmを除く)、Hf、Ta、W、Re、Os、Irからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素であり、前記の第2の相を構成する元素Mとは種類の異なる元素である。   The particles may contain an element M ′ in addition to the element M. Element M ′ is Cu, Fe, Co, Ni, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ba, lanthanoid elements (except Pm) , Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, and at least one element selected from the group consisting of elements different from the element M constituting the second phase.

図4(a)に示す粒子17は、元素Mと元素M’を含み、元素Mの単体または化合物である第2の相15に加えて、他の第2の相19を有する。例えば、第1の相13の一端に第2の相15があり、他端に他の第2の相19があり、粒子17は、大きな球の表面に二つの小さな球が接合している形状を有することができる。他の第2の相19は、元素M’の単体または化合物であり、第2の相15と同様、リチウムをほとんど吸蔵しない。また、粒子17は、元素Mと元素M’からなる固溶体(図示せず)を含んでもよい。例えば、第2の相15がSiとFeの化合物であり、他の第2の相19がSiとCoの化合物であり、元素Mと元素M’からなる固溶体がFeとCoの固溶体である場合などが挙げられる。   The particle 17 shown in FIG. 4A includes the element M and the element M ′, and has another second phase 19 in addition to the second phase 15 which is a simple substance or a compound of the element M. For example, there is a second phase 15 at one end of the first phase 13, another second phase 19 at the other end, and the particle 17 has a shape in which two small spheres are joined to the surface of a large sphere. Can have. The other second phase 19 is a simple substance or a compound of the element M ′ and, like the second phase 15, hardly absorbs lithium. Further, the particle 17 may include a solid solution (not shown) composed of the element M and the element M ′. For example, the second phase 15 is a compound of Si and Fe, the other second phase 19 is a compound of Si and Co, and the solid solution composed of the elements M and M ′ is a solid solution of Fe and Co. Etc.

また、図4(b)に示すように、元素Mの単体または化合物である第2の相15と、元素M’の単体または化合物である他の第2の相19が、第1の相13中に分散していてもよい。なお、図4(a)および(b)は元素M及び元素M’を選ぶことができる元素の群から2種類の元素を選んだ場合の例を示したが、3種類以上の元素を選んでもよい。   Further, as shown in FIG. 4B, the second phase 15 that is a simple substance or a compound of the element M and the other second phase 19 that is a simple substance or a compound of the element M ′ are included in the first phase 13. It may be dispersed in the inside. FIGS. 4A and 4B show an example in which two types of elements are selected from the group of elements from which the element M and the element M ′ can be selected, but even if three or more types of elements are selected. Good.

なお、このように元素M及び元素M’の群から2種類以上の元素を選ぶ場合においても、元素Aと元素M及び元素M’の群の元素の合計に対する、元素M及び元素M’の群の元素の合計の原子比率が0.01〜30%であることが好ましい。   Even when two or more kinds of elements are selected from the group of the element M and the element M ′ as described above, the group of the element M and the element M ′ with respect to the total of the elements of the group of the element A, the element M, and the element M ′. The total atomic ratio of these elements is preferably 0.01 to 30%.

また、本発明において、第1の相13が主として結晶質シリコンであり、第2の相15が結晶質シリサイドであることが好ましい。また、第1の相13は、リンまたはホウ素を添加したSiであることがより好ましい。リンまたはホウ素を添加することでシリコンの導電性を高めることができる。リンの代わりに、インジウムやガリウムを用いることもでき、ホウ素の代わりにヒ素を用いることも可能である。第1の相13のシリコンの導電性を高めることで、このような粒子を用いた負極は、内部抵抗が小さくなり、大電流を流すことが可能となり、良好なハイレート特性を有する。   In the present invention, it is preferable that the first phase 13 is mainly crystalline silicon and the second phase 15 is crystalline silicide. The first phase 13 is more preferably Si to which phosphorus or boron is added. The conductivity of silicon can be increased by adding phosphorus or boron. Indium and gallium can be used instead of phosphorus, and arsenic can be used instead of boron. By increasing the conductivity of the silicon of the first phase 13, the negative electrode using such particles has a low internal resistance, allows a large current to flow, and has a good high rate characteristic.

さらに、本発明において、粒子11や17、後述する21の平均粒径は、好ましくは2nm〜15μmであり、より好ましくは30〜1500nmであり、さらに好ましくは50〜500nmである。ホールペッチの法則により、粒子サイズが小さいと降伏応力が高まるため、一次粒子の平均粒径が2〜1500nmであれば、粒子サイズが十分小さく、降伏応力が十分大きく、充放電により微粉化しにくくなる。なお、平均粒径が2nmより小さいと、粒子の合成後の取扱いが困難となり、平均粒径が1500nmより大きいと、粒子サイズが大きくなってしまい、降伏応力が十分でない。活物質粒子3は粒子11や粒子17、粒子21の一次粒子または二次凝集体で構成される。一次粒子は、30〜1500nmが好ましく、さらに好ましくは50〜500nmである。   Further, in the present invention, the average particle diameter of the particles 11 and 17 and 21 described later is preferably 2 nm to 15 μm, more preferably 30 to 1500 nm, and further preferably 50 to 500 nm. Since the yield stress increases when the particle size is small according to the Hall Petch's law, if the average particle size of the primary particles is 2 to 1500 nm, the particle size is sufficiently small, the yield stress is sufficiently large, and it becomes difficult to pulverize by charge / discharge. If the average particle size is smaller than 2 nm, it is difficult to handle the particles after synthesis. If the average particle size is larger than 1500 nm, the particle size becomes large and the yield stress is not sufficient. The active material particles 3 are composed of primary particles or secondary aggregates of the particles 11, the particles 17, and the particles 21. The primary particles are preferably 30-1500 nm, more preferably 50-500 nm.

なお、微粒子は通常は凝集して存在しているので、粒子の平均粒径は、ここでは一次粒子の平均粒径を指す。粒子の計測は、電子顕微鏡(SEM)の画像情報と動的光散乱光度計(DLS)の体積基準メディアン径を併用する。平均粒径は、SEM画像によりあらかじめ粒子形状を確認し、画像解析(例えば、旭化成エンジニアリング製「A像くん」(登録商標))で粒径を求めたり、粒子を溶媒に分散してDLS(例えば、大塚電子製DLS−8000)により測定したりすることが可能である。微粒子が十分に分散しており、凝集していなければ、SEMとDLSでほぼ同じ測定結果が得られる。また、粒子の形状が、アセチレンブラックのような高度に発達したストラクチャー形状である場合にも、ここでは一次粒径で平均粒径を定義し、SEM写真の画像解析で平均粒径を求めることができる。   Since the fine particles are usually present in an aggregated state, the average particle size of the particles herein refers to the average particle size of the primary particles. For particle measurement, image information of an electron microscope (SEM) and a volume-based median diameter of a dynamic light scattering photometer (DLS) are used in combination. For the average particle size, confirm the particle shape in advance using an SEM image, obtain the particle size by image analysis (for example, “A Image-kun” (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Engineering), or disperse the particles in a solvent to obtain DLS (for example, , OLSKA Electronics DLS-8000). If the fine particles are sufficiently dispersed and not agglomerated, almost the same measurement results can be obtained with SEM and DLS. In addition, even when the shape of the particle is a highly developed structure such as acetylene black, the average particle size is defined by the primary particle size here, and the average particle size can be obtained by image analysis of the SEM photograph. it can.

なお、粒子11または17の最表面に酸素が結合しても良い。空気中に粒子を取り出すと、空気中の酸素が粒子の表面の元素と反応するからである。つまり、粒子11または17の最表面は、厚さ0.5〜15nm程度のアモルファスの層を有してもよく、特に第1の相が主として結晶質シリコンの場合などは、酸化膜層を有していてもよい。   Note that oxygen may be bonded to the outermost surface of the particle 11 or 17. This is because when particles are taken out into the air, oxygen in the air reacts with elements on the surface of the particles. That is, the outermost surface of the particle 11 or 17 may have an amorphous layer having a thickness of about 0.5 to 15 nm, and in particular, when the first phase is mainly crystalline silicon, it has an oxide film layer. You may do it.

(1−4.第2の実施形態における効果)
第1の相13がリチウムを吸蔵すると、体積膨張するが、第2の相15はリチウムを吸蔵しにくいため、第2の相15に接する第1の相13の膨張は、抑えられる。つまり、第1の相13がリチウムを吸蔵して体積膨張をしようとしても、第2の相15が膨張しにくいため、第2の相15がくさびやピンのような効果を発揮し、粒子11または17全体の膨張を抑制する。そのため、第2の相15を有しない粒子に比べて、第2の相15を有する粒子11または17は、リチウムを吸蔵する際に膨張しにくく、リチウムの放出時には復元力が働いて元の形状に戻りやすくなる。そのため、本発明によれば、粒子11または17は、リチウムを吸蔵させても、体積膨張に伴う歪が緩和され、低い可逆的な伸縮率の結着剤の使用が可能となり、また膨張時の結着剤層の追随が容易となり、サイクル特性時の放電容量の低下が抑制される。
(1-4. Effects in the Second Embodiment)
When the first phase 13 occludes lithium, the volume expands. However, since the second phase 15 hardly occludes lithium, the expansion of the first phase 13 in contact with the second phase 15 is suppressed. That is, even if the first phase 13 occludes lithium and attempts to expand the volume, the second phase 15 hardly expands. Therefore, the second phase 15 exhibits an effect like a wedge or a pin, and the particle 11 Or the expansion of the whole 17 is suppressed. Therefore, compared with particles that do not have the second phase 15, the particles 11 or 17 that have the second phase 15 are less likely to expand when occludes lithium, and a restoring force works during the release of lithium, and the original shape. It becomes easy to return to. Therefore, according to the present invention, even if the particles 11 or 17 occlude lithium, strain associated with volume expansion is relieved, and a binder having a low reversible expansion / contraction rate can be used. It becomes easy to follow the binder layer, and a decrease in discharge capacity during cycle characteristics is suppressed.

さらに、粒子11または17は膨張しにくいため、粒子を大気中に出したとしても、大気中の酸素と反応しにくい。一方、どちらか一方の相のみを有する粒子は、表面保護せずに大気中に放置すると、表面から酸素と反応し、表面から粒子内部へと酸化が進行するため、粒子全体が酸化する。しかしながら、粒子11または17を大気中に放置した場合、粒子の最表面は酸素と反応するが、全体として粒子が膨張しにくいため、酸素が内部に侵入しにくく、粒子の中心部まで酸化が及びにくい。従って、通常の金属ナノ粒子は比表面積が大きく、酸化して発熱や体積膨張が生じやすいが、粒子11または17は、有機物や金属酸化物で特別な表面コートを行う必要がなく、大気中で粉体のまま扱うことができる。   Furthermore, since the particles 11 or 17 are difficult to expand, even if the particles are put out into the atmosphere, they hardly react with oxygen in the atmosphere. On the other hand, if the particles having only one phase are left in the atmosphere without surface protection, the particles react with oxygen from the surface, and oxidation proceeds from the surface to the inside of the particles, so that the whole particles are oxidized. However, when the particles 11 or 17 are left in the atmosphere, the outermost surface of the particles reacts with oxygen, but the particles are difficult to expand as a whole, so that the oxygen does not easily enter the interior, and oxidation reaches the center of the particles. Hateful. Therefore, normal metal nanoparticles have a large specific surface area and are likely to oxidize and generate heat and volume expansion. However, the particles 11 or 17 do not need to be specially coated with an organic substance or metal oxide, and are not used in the atmosphere. Can be handled as powder.

また、第2の実施形態によれば、第2の相15は元素Mを含むため導電性が高く、導電性の低い元素Aを含む第1の相13を主相として有していても、粒子11または17全体としての導電率が飛躍的に上昇する。見方を変えれば、粒子11または17は、それぞれの粒子毎に集電スポットを有した構造と等価であり、導電助剤が少なくても導電性を有する負極材料となり、高容量の電極を形成することが可能となり、また、ハイレート特性に優れる負極活物質となり得る。特に、第2の相15に導電性の高いFeやCuなどの金属元素を用いることで、シリコンナノ粒子のみの場合等に比べて、導電性の良い負極活物質が得られる。   Further, according to the second embodiment, the second phase 15 includes the element M, and thus has high conductivity, and has the first phase 13 including the low conductivity element A as the main phase. The conductivity of the particles 11 or 17 as a whole increases dramatically. In other words, the particle 11 or 17 is equivalent to a structure having a current collecting spot for each particle, and becomes a negative electrode material having conductivity even with a small amount of conductive auxiliary agent, and forms a high-capacity electrode. In addition, a negative electrode active material having excellent high rate characteristics can be obtained. In particular, by using a highly conductive metal element such as Fe or Cu for the second phase 15, a negative electrode active material with better conductivity can be obtained as compared to the case of using only silicon nanoparticles.

また、第1の相13中に第2の相15を含む粒子11や、第1の相13中に第2の相15と他の第2の相19とを含む粒子17は、第1の相13のより多くの部分がリチウムを吸蔵しにくい相と接することになり、第1の相13の膨張がより効果的に抑えられる。その結果、粒子17は、少ない量の元素Mで体積膨張を抑制する効果を発揮することが可能となり、リチウム吸蔵可能なSi等の元素Aの量を効果的に増やすことができ、高容量かつサイクル特性が向上する。   Further, the particle 11 including the second phase 15 in the first phase 13 and the particle 17 including the second phase 15 and the other second phase 19 in the first phase 13 are the first A larger part of the phase 13 comes into contact with a phase in which lithium is not occluded, and the expansion of the first phase 13 is more effectively suppressed. As a result, the particle 17 can exhibit the effect of suppressing volume expansion with a small amount of the element M, and can effectively increase the amount of the element A such as Si that can occlude lithium. Cycle characteristics are improved.

外表面に露出する第2の相15と他の第2の相19の両方を備えた粒子17は、上記同様の効果を有するうえ、粒子毎の集電スポットが増加し、集電性能が効果的に向上する。2種以上の元素Mおよび元素M’の群の元素を添加すると、2種以上の化合物が生成し、これらの化合物は相互に分離しやすいため、集電スポットが増加しやすく、より好ましい。
リチウムを吸蔵する第1の相13に加え、元素Mを含む第2の相15を有するため、この第2の相15の触媒作用により、電解液に分子内に不飽和結合を有し還元重合が可能な有機物を含む場合、負極活物質層の表面に有機物の安定な被膜を効果的に形成することができ、電解質材料の分解を防ぐことができ、サイクル特性が向上される。
The particles 17 having both the second phase 15 exposed on the outer surface and the other second phase 19 have the same effect as described above, and the current collection spot for each particle is increased, and the current collection performance is effective. Improve. When two or more elements M and elements of the group of element M ′ are added, two or more kinds of compounds are formed, and these compounds are easily separated from each other.
Since it has the 2nd phase 15 containing the element M in addition to the 1st phase 13 which occludes lithium, the catalytic action of this 2nd phase 15 has an unsaturated bond in a molecule | numerator in electrolyte solution, and reduction polymerization In the case where an organic material that can be used is included, a stable organic film can be effectively formed on the surface of the negative electrode active material layer, decomposition of the electrolyte material can be prevented, and cycle characteristics can be improved.

(1−5.第3の実施形態)
次に、本発明に係る活物質材料の第3の実施形態について説明する。以下の実施形態で第2の実施形態と同一の様態を果たす要素には同一の番号を付し、重複した説明は避ける。
(1-5. Third embodiment)
Next, a third embodiment of the active material according to the present invention will be described. In the following embodiment, the same number is attached | subjected to the element which fulfill | performs the same aspect as 2nd Embodiment, and the duplicate description is avoided.

図5は、本発明の活物質粒子を構成する粒子21の概略断面図である。図5(a)に示すように、粒子21は、前記と同じ第1の相13と、第2の相15に加えて、さらに、第3の相23を有している。第3の相23は、Si、Sn、Al、Pb、Sb、Bi、Ge、InおよびZnからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素である元素A’を含み、元素Aとは異なる種類の元素である。これら元素A’はリチウムを吸蔵しやすい元素である。第3の相23は、元素A’の単体であってもよいし、元素A’を主成分とする固溶体であってもよい。元素A’と固溶体を形成する元素は、元素A’を選ぶことができる群より選ばれた元素でもよいし、前記群に挙げられていない元素であってもよい。第3の相23はリチウムを吸蔵可能である。   FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the particles 21 constituting the active material particles of the present invention. As shown in FIG. 5A, the particle 21 has a third phase 23 in addition to the first phase 13 and the second phase 15 which are the same as described above. The third phase 23 includes an element A ′ that is at least one element selected from the group consisting of Si, Sn, Al, Pb, Sb, Bi, Ge, In, and Zn, and is different from the element A Elements. These elements A ′ are elements that easily store lithium. The third phase 23 may be a single element of element A ′ or a solid solution containing element A ′ as a main component. The element that forms a solid solution with the element A ′ may be an element selected from the group capable of selecting the element A ′, or may be an element not listed in the group. The third phase 23 can occlude lithium.

第1の相13と第2の相15と第3の相23は、全てが外表面に露出し、第1の相13と第2の相15と第3の相23の外表面は略球形状であってよい。第2の相15は第1の相13と接合しており、第3の相23は、第1の相13と第2の相15の少なくとも一方と、界面を介して互いに接合している。例えば、第1の相13の一端に第2の相15があり、他端に第3の相23があり、粒子21は、大きな球の表面に二つの小さな球が接合している形状を有することができる。第3の相23と第1の相13との界面は、平面あるいは曲面を示している。一方で、図6(a)に示すように、第2の相15と第3の相23とが界面を介して接合していても良い。
このような粒子21については、負極活物質としてのリチウム吸蔵特性や導電性等を考慮すると、例えば、第1の相13がSiで、第2の相15がSiとFeの化合物で、第3の相23がSnとすること等が例示される。
The first phase 13, the second phase 15, and the third phase 23 are all exposed on the outer surface, and the outer surfaces of the first phase 13, the second phase 15, and the third phase 23 are substantially spherical. It may be a shape. The second phase 15 is bonded to the first phase 13, and the third phase 23 is bonded to at least one of the first phase 13 and the second phase 15 through an interface. For example, the first phase 13 has a second phase 15 at one end and a third phase 23 at the other end, and the particle 21 has a shape in which two small spheres are joined to the surface of a large sphere. be able to. The interface between the third phase 23 and the first phase 13 is a flat surface or a curved surface. On the other hand, as shown to Fig.6 (a), the 2nd phase 15 and the 3rd phase 23 may be joined via the interface.
For such particles 21, in consideration of lithium storage characteristics, conductivity, etc. as the negative electrode active material, for example, the first phase 13 is Si, the second phase 15 is a compound of Si and Fe, and the third For example, the phase 23 is Sn.

また、図5(b)に示す粒子21のように、元素Mの単体または化合物である第2の相15や、元素A’の単体または固溶体である第3の相23が、第1の相13中に分散していてもよい。また、元素A’と元素Mの化合物である相(図示せず)が分散していてもよい。これらの相15,23は、第1の相13に覆われているが、図5(c)のように、一部の相15,23が表面に露出していてもよい。つまり、必ずしも第1の相13中に分散されている相15,23周囲の全てを第1の相13で覆っている必要はなく、周囲の一部のみを第1の相13で覆っていてもよい。なお、第1の相13中には、複数の相が分散していてもよいし、例えば、第2の相15、第3の相23、元素A’と元素Mの化合物である相のいずれかが分散されていてもよい。   Further, like the particle 21 shown in FIG. 5B, the second phase 15 that is a simple substance or a compound of the element M, or the third phase 23 that is a simple substance or a solid solution of the element A ′ is the first phase. 13 may be dispersed. Further, a phase (not shown) which is a compound of the element A ′ and the element M may be dispersed. Although these phases 15 and 23 are covered with the 1st phase 13, as shown in Drawing 5 (c), some phases 15 and 23 may be exposed to the surface. That is, it is not always necessary to cover all of the periphery of the phases 15 and 23 dispersed in the first phase 13 with the first phase 13, and only a part of the periphery is covered with the first phase 13. Also good. Note that a plurality of phases may be dispersed in the first phase 13, for example, any of the second phase 15, the third phase 23, and a phase that is a compound of the element A ′ and the element M. May be dispersed.

また、第3の相23の界面以外の表面の形状は、図5(a)に示す第3の相23のように、表面がおおむね滑らかな球面であってもよいし、図6(b)に示す第3の相23’のように、多面体形状となってもよい。多面体形状は、第3の相23を介して粒子11、17または21が接合した後、剥離して生じたものである。   Further, the shape of the surface other than the interface of the third phase 23 may be a spherical surface whose surface is generally smooth like the third phase 23 shown in FIG. 5A, or FIG. 6B. As shown in the third phase 23 ′ shown in FIG. The polyhedron shape is formed by peeling after the particles 11, 17, or 21 are bonded via the third phase 23.

また、第1の相13および第3の相23は、酸素を含むことでリチウムと反応するサイトを抑制することができる。酸素を含むと容量は減少するが、リチウム吸蔵に伴う体積膨張を抑制することができる。酸素の添加量zは、例えばAO、A’Oとしたとき、0<z<1の範囲が好ましい。zが1以上になると元素Aや元素A’のLi吸蔵サイトが抑制され、容量が大幅に低下する。 Moreover, the 1st phase 13 and the 3rd phase 23 can suppress the site | part which reacts with lithium by containing oxygen. When oxygen is included, the capacity decreases, but volume expansion accompanying lithium occlusion can be suppressed. Amount of oxygen z is, for example AO z, when a A'O z, 0 <z <1 is preferably in the range. When z is 1 or more, the Li storage sites of the element A and the element A ′ are suppressed, and the capacity is greatly reduced.

粒子が元素A、元素A’、元素M、元素M’を含む場合、これらの合計に占める元素M及び元素M’の原子比率については、上記と同じ理由から、0.01〜27%程度とすることが好ましい。この原子比率が0.01〜27%であると、粒子21を負極活物質として用いた際に、サイクル特性と高容量を両立できる。   When the particles include the element A, the element A ′, the element M, and the element M ′, the atomic ratio of the element M and the element M ′ in the total is about 0.01 to 27% for the same reason as above. It is preferable to do. When the atomic ratio is 0.01 to 27%, when the particles 21 are used as the negative electrode active material, both cycle characteristics and high capacity can be achieved.

また、本発明に係る粒子21の構成については、他にも様々な態様を考慮することができる。例えば、第1の相13の表面に、第3の相23を複数有することができる。また、例えば、粒子21は、さらに、2種以上の元素A’を含むことができる。例えば、2種目の元素A’は、前記の元素A’の群より選ばれた1種の元素であって、1種目の元素A’とは異なる種類の元素である。例えば、元素Aとしてシリコン、元素A’としてスズ、アルミニウム、のように用いることができる。元素A’は、単体もしくは固溶体として他の第3相を形成してもよいし、元素Mおよび元素M’等との化合物を形成してもよい。他の第3相は、第3の相23と同様に、外表面が球面状であり、粒子21の外表面に露出することができる。また、元素A’と元素Mとの化合物である相が、第1の相13や第3の相23中に分散するなどしていてもよい。さらに、粒子21は、元素Mに加えて、元素M’を含んでも良い。   In addition, various other aspects can be considered for the configuration of the particles 21 according to the present invention. For example, a plurality of third phases 23 can be provided on the surface of the first phase 13. For example, the particle 21 can further contain two or more kinds of elements A ′. For example, the second element A ′ is one element selected from the group of the elements A ′ and is a different kind of element from the first element A ′. For example, silicon can be used as the element A, and tin or aluminum can be used as the element A ′. The element A ′ may form another third phase as a simple substance or a solid solution, or may form a compound with the element M, the element M ′, and the like. The other third phase, like the third phase 23, has a spherical outer surface and can be exposed on the outer surface of the particles 21. Further, a phase that is a compound of the element A ′ and the element M may be dispersed in the first phase 13 or the third phase 23. Further, the particles 21 may contain an element M ′ in addition to the element M.

このように、粒子21は、元素A、A’の群の元素、元素Mの群の元素、及び元素M’ の群の元素の様々な組み合わせから、多様な組成の化合物、固溶体の相を含むことができる。このような相は、粒子21の表面に露出していても良いし、第1の相13中や、あるいは他のいずれかの相中に、分散していてもよい。   Thus, the particles 21 include compounds and solid solution phases of various compositions from various combinations of elements A, A ′, elements M, and elements M ′. be able to. Such a phase may be exposed on the surface of the particle 21 or may be dispersed in the first phase 13 or in any other phase.

なお、粒子21の最表面に酸素が結合しても良い。空気中に粒子21を取り出すと、空気中の酸素が粒子21の表面の元素と反応するからである。つまり、粒子21の最表面は、厚さ0.5〜15nm程度のアモルファスの層を有してもよく、特に第1の相が主として結晶質シリコンの場合などは、酸化膜層を有していてもよい。   Note that oxygen may be bonded to the outermost surface of the particle 21. This is because when the particles 21 are taken out into the air, oxygen in the air reacts with elements on the surface of the particles 21. That is, the outermost surface of the particle 21 may have an amorphous layer having a thickness of about 0.5 to 15 nm, and in particular, when the first phase is mainly crystalline silicon, it has an oxide film layer. May be.

(1−6.第3の実施形態における効果)
第3の実施形態によれば、第2の実施形態で得られる効果と同様の効果が得られる。ただし、第3の実施形態によれば、第1の相13がリチウムを吸蔵すると、体積膨張し、第3の相23もリチウムを吸蔵すると膨張する。しかし、第1の相13と第3の相23では、リチウムを吸蔵する電気化学的電位が異なるため、一方の相が優先的にリチウムを吸蔵し、一方の相が体積膨張する際に、他方の相の体積膨張が相対的に少なくなり、他方の相により一方の相が体積膨張しにくくなる。そのため、第3の相23がない場合の粒子に比べて、第1の相13と第3の相23を有する粒子21は、リチウムを吸蔵する際に膨張しにくい。そのため、第3の実施形態によれば、粒子21は、リチウムを吸蔵させても、体積膨張が抑えられ、サイクル特性時の放電容量の低下が抑制される。
(1-6. Effects in the third embodiment)
According to the third embodiment, the same effect as that obtained in the second embodiment can be obtained. However, according to the third embodiment, volume expansion occurs when the first phase 13 occludes lithium, and expansion also occurs when the third phase 23 occludes lithium. However, since the electrochemical potential for storing lithium differs between the first phase 13 and the third phase 23, when one phase preferentially occludes lithium and one phase expands in volume, The volume expansion of one phase is relatively reduced, and the other phase makes it difficult for one phase to be volume expanded. Therefore, compared with the particles without the third phase 23, the particles 21 having the first phase 13 and the third phase 23 are less likely to expand when occludes lithium. Therefore, according to the third embodiment, even if the particles 21 occlude lithium, the volume expansion is suppressed, and a decrease in discharge capacity during cycle characteristics is suppressed.

(1−7.その他の態様)
また、上記の粒子11,17,21の表面の少なくとも一部を、例えば、銅、スズ、亜鉛、銀、ニッケルまたは炭素により被覆したものをも考慮することができる。被覆の厚みは、0.01〜0.5μmの範囲とすることが例示される。例えば、このような構成は、図5に示した粒子17において、元素M’としてCuを選択し、元素M’の単体である他の第2の相19が、第1の相13の表面に接合しているのではなく、第1の相13および第2の相15を覆う形で(図示せず)存在していると理解することもできる。
(1-7. Other aspects)
Moreover, what coat | covered at least one part of the surface of said particle | grains 11, 17, 21 with copper, tin, zinc, silver, nickel, or carbon can also be considered, for example. The thickness of the coating is exemplified as being in the range of 0.01 to 0.5 μm. For example, in such a configuration, in the particle 17 shown in FIG. 5, Cu is selected as the element M ′, and another second phase 19, which is a single element M ′, is formed on the surface of the first phase 13. It can also be understood that the first phase 13 and the second phase 15 are not bonded (not shown).

このように粒子の表面が導電性の良い材料で被覆されることで、導電助剤等を使用せずとも、負極全体の導電性が向上され、サイクル特性も改善される。また、負極活物質の表面が被覆されているため、シリコン等の酸化を抑制することができる。表面被覆をすることで、充放電による体積変化にも耐性が向上する。   Thus, by covering the surface of the particles with a material having good conductivity, the conductivity of the entire negative electrode is improved and the cycle characteristics are also improved without using a conductive aid or the like. Further, since the surface of the negative electrode active material is coated, oxidation of silicon or the like can be suppressed. By covering the surface, resistance to volume changes due to charge / discharge is improved.

さらに、上記の粒子11、17、21は形状が曲面を有する事例を示したが、活物質粒子3はこれらの粒子が一次粒子、あるいは二次凝集体であっても良い。さらに、活物質粒子3は粉砕粒子のような多角形状の粒子の一次粒子、あるいは二次凝集体であっても良い。二次凝集体は吸着による複数粒子の集合体であってもよく、また、焼結やメカニカルアロイング、結着剤による凝集体、スプレードライ等で造粒した凝集体であっても良い。   Furthermore, although the particles 11, 17, and 21 have been shown as examples having a curved surface, the active material particles 3 may be primary particles or secondary aggregates. Further, the active material particles 3 may be primary particles of polygonal particles such as pulverized particles, or secondary aggregates. The secondary aggregate may be an aggregate of a plurality of particles by adsorption, or may be an aggregate formed by sintering, mechanical alloying, a binder, spray drying, or the like.

(1−8.粒子の製造方法)
ここで、粒子の製造方法を説明する。
粒径の比較的小さな粒子は、気相合成法により合成することができる。特に、原料粉末を、プラズマ化し、1万K相当にまで加熱し、その後冷却することで、粒子を製造可能である。
(1-8. Method for producing particles)
Here, the manufacturing method of particle | grains is demonstrated.
Particles having a relatively small particle size can be synthesized by a gas phase synthesis method. In particular, particles can be produced by converting the raw material powder into plasma and heating it to a temperature equivalent to 10,000 K, followed by cooling.

粒子の製造に用いられる製造装置の一具体例を、図7に基づいて説明する。図7に示す粒子製造装置37において、反応チャンバー39の上部外壁には、プラズマ発生用の高周波コイル46が巻き付けてある。高周波コイル46には、高周波電源47より、数MHzの交流電圧が印加される。好ましい周波数は4MHzである。なお、高周波コイル46を巻きつける上部外壁は石英ガラスなどで構成された円筒形の2重管となっており、その隙間に冷却水を流してプラズマによる石英ガラスの溶融を防止している。   A specific example of a manufacturing apparatus used for manufacturing particles will be described with reference to FIG. In the particle manufacturing apparatus 37 shown in FIG. 7, a high frequency coil 46 for generating plasma is wound around the upper outer wall of the reaction chamber 39. An AC voltage of several MHz is applied to the high frequency coil 46 from a high frequency power source 47. A preferred frequency is 4 MHz. The upper outer wall around which the high-frequency coil 46 is wound is a cylindrical double tube made of quartz glass or the like, and cooling water is passed through the gap to prevent the quartz glass from melting by plasma.

また、反応チャンバー39の上部には、原料粉末供給口41と共に、シースガス供給口43が設けてある。原料粉末フィーダーから供給される原料粉末42は、キャリアガス45(ヘリウム、アルゴンなどの希ガス)とともに原料粉末供給口41を通してプラズマ49中に供給される。また、シースガス44はシースガス供給口43を通して反応チャンバー39に供給される。なお、原料粉末供給口41は、必ずしも図7のようにプラズマ49の上部に設置する必要はなく、プラズマ49の横方向にノズルを設置することもできる。また、原料粉末供給口41を冷却水により水冷しても良い。なお、プラズマに供給する粒子の原料の性状は、粉末だけに限られず、原料粉末のスラリーやガス状の原料を供給しても良い。   In addition, a sheath gas supply port 43 is provided in the upper part of the reaction chamber 39 together with the raw material powder supply port 41. The raw material powder 42 supplied from the raw material powder feeder is supplied into the plasma 49 through the raw material powder supply port 41 together with the carrier gas 45 (rare gas such as helium and argon). The sheath gas 44 is supplied to the reaction chamber 39 through the sheath gas supply port 43. Note that the raw material powder supply port 41 is not necessarily installed above the plasma 49 as shown in FIG. 7, and a nozzle can be installed in the lateral direction of the plasma 49. The raw material powder supply port 41 may be water-cooled with cooling water. In addition, the property of the raw material of the particle | grains supplied to plasma is not restricted only to powder, You may supply the raw material powder slurry and gaseous raw material.

反応チャンバー39は、プラズマ反応部の圧力の保持や、製造された微粉末の分散を抑制する役割を果たす。反応チャンバー39も、プラズマによる損傷を防ぐため、水冷されている。また、反応チャンバー39の側部には、吸引管が接続してあり、その吸引管の途中には合成された微粉末を捕集するためのフィルター51が設置してある。反応チャンバー39とフィルター51を連結する吸引管も、冷却水により水冷されている。反応チャンバー39内の圧力は、フィルター51の下流側に設置されている図示しない真空ポンプの吸引能力によって調整する。   The reaction chamber 39 plays a role of maintaining the pressure in the plasma reaction part and suppressing the dispersion of the produced fine powder. The reaction chamber 39 is also water-cooled to prevent damage due to plasma. A suction tube is connected to the side of the reaction chamber 39, and a filter 51 for collecting the synthesized fine powder is installed in the middle of the suction tube. The suction pipe connecting the reaction chamber 39 and the filter 51 is also water-cooled with cooling water. The pressure in the reaction chamber 39 is adjusted by the suction capability of a vacuum pump (not shown) installed on the downstream side of the filter 51.

粒子の製造方法は、プラズマから気体、液体を経由して固体となり、粒子を析出させるボトムアップの手法なので、液滴の段階で球形状となり、第1の相13と第2の相15とは球形状となる。一方、破砕法やメカノケミカル法のような、大きな粒子を小さくするトップダウンの手法では、粒子の形状はごつごつしたものとなり、粒子11の球形状の形状とは大きく異なる。   The method for producing particles is a bottom-up method in which the particles are solidified via plasma and gas and liquid, and the particles are deposited. Therefore, the particles are formed into a spherical shape at the stage of droplets, and the first phase 13 and the second phase 15 are It becomes a spherical shape. On the other hand, in a top-down method for reducing large particles, such as the crushing method and the mechanochemical method, the shape of the particles is rugged and is significantly different from the spherical shape of the particles 11.

なお、原料粉末に元素Aと元素Mのそれぞれの粉末の混合粉末を用いると、第2の実施形態における粒子11が得られる。一方、原料粉末に元素A、元素M、元素M’のそれぞれの粉末の混合粉末を用いると、第2の実施形態における粒子17が得られる。また、原料粉末に元素Aと元素M(または、元素Mおよび元素M’)と元素A’のそれぞれの粉末の混合粉末を用いると、第3の実施形態における粒子21が得られる。   In addition, when the mixed powder of each powder of the element A and the element M is used for raw material powder, the particle | grains 11 in 2nd Embodiment are obtained. On the other hand, when a mixed powder of each of the elements A, M, and M ′ is used as the raw material powder, the particles 17 in the second embodiment are obtained. Further, when a mixed powder of each of the elements A, M (or element M and element M ′) and the element A ′ is used as the raw material powder, the particles 21 in the third embodiment are obtained.

また、粒子の表面被覆の手法についても特に制限されず、公知の各種の方法を採用することができる。金属の被覆には、無電解メッキまたは置換メッキが用いられ、シリコン等の粒子の表面酸化が小さく、導電性を有する場合には電気メッキも可能である。炭素の被覆には、カーボンブラックなどの無機系やポリビニルアルコールなどの有機系の炭素源を混合した後に不活性または還元性雰囲気中熱処理する方法などを用いることができる。また、炭化水素系ガスを600℃以上に加熱して熱分解させることで、粒子の表面にカーボンのコーティングを施す熱分解CVD法なども利用することができる。   Further, the method for particle surface coating is not particularly limited, and various known methods can be employed. Electroless plating or displacement plating is used for coating the metal, and the surface oxidation of particles such as silicon is small, and electroplating is possible if the particles are conductive. For coating the carbon, a method of heat treatment in an inert or reducing atmosphere after mixing an inorganic carbon source such as carbon black or an organic carbon source such as polyvinyl alcohol can be used. In addition, a thermal decomposition CVD method in which the surface of particles is coated with carbon by heating the hydrocarbon gas to 600 ° C. or higher to be thermally decomposed can also be used.

(2.リチウムイオン二次電池用負極の作製)
次に、リチウムイオン電池用負極の製造方法を説明する。本発明の負極は、少なくとも、負極活物質、導電助剤および結着剤を含む塗布液が、集電体に塗布され、乾燥されて形成されることができる。塗布液は、例えば、ミキサーに、スラリー原料を投入し、混練してスラリー(塗布液)を形成することで調製することができる。スラリー原料は、負極活物質粒子、導電助剤、結着剤、増粘剤、溶媒などである。
(2. Production of negative electrode for lithium ion secondary battery)
Next, the manufacturing method of the negative electrode for lithium ion batteries is demonstrated. The negative electrode of the present invention can be formed by applying a coating liquid containing at least a negative electrode active material, a conductive additive and a binder to a current collector and drying it. The coating liquid can be prepared, for example, by charging a slurry raw material into a mixer and kneading to form a slurry (coating liquid). The slurry raw materials are negative electrode active material particles, conductive assistants, binders, thickeners, solvents, and the like.

活物質がSiやSnを含むと高容量の負極が形成できるが、活物質の体積変化が大きいため、充放電サイクルに伴って、結着剤が活物質の体積変化に追随できる柔軟性のある結着剤を使用すると、電極の崩壊を防ぐことができ、サイクル特性が向上する。さらに、活物質と電解液との界面の増加や活物質の新生面を抑制できるために、継続的な電解液の副反応を抑制でき、効率が向上する。結果として、サイクル特性が向上し、電解液の消耗を抑制できる。   When the active material contains Si or Sn, a high-capacity negative electrode can be formed. However, since the volume change of the active material is large, the binder can flexibly follow the volume change of the active material with a charge / discharge cycle. When the binder is used, the electrode can be prevented from collapsing and cycle characteristics are improved. Furthermore, since an increase in the interface between the active material and the electrolytic solution and a new surface of the active material can be suppressed, a continuous side reaction of the electrolytic solution can be suppressed and efficiency is improved. As a result, cycle characteristics are improved and consumption of the electrolyte can be suppressed.

スラリー中の固形分において、例えば、活物質粒子25〜90重量%、導電助剤5〜70重量%、結着剤1〜30重量%、増粘剤0〜25重量%の配合を目安とすることができる。   In the solid content in the slurry, for example, the blending of 25 to 90% by weight of the active material particles, 5 to 70% by weight of the conductive additive, 1 to 30% by weight of the binder, and 0 to 25% by weight of the thickener is a guide be able to.

ミキサーは、スラリーの調製に用いられる一般的な混練機を用いることができ、ニーダー、撹拌機、分散機、混合機などと呼ばれるスラリーを調製可能な装置を用いてもよい。また、増粘剤としてはカルボキシメチルセルロース、メチルセルロース等の多糖類等を1種または2種以上の混合物として用いることが適している。また、溶媒としては、水または有機溶媒を用いることができる。有機系スラリーを調製するときは、溶媒としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を用いることができる。溶媒は、使用する結着剤の種類等に応じて、適宜選択する。   As the mixer, a general kneader used for preparing a slurry can be used, and a device called a kneader, a stirrer, a disperser, a mixer, or the like that can prepare a slurry may be used. Moreover, as a thickener, it is suitable to use polysaccharides, such as carboxymethylcellulose and methylcellulose, as a 1 type, or 2 or more types of mixture. Moreover, water or an organic solvent can be used as a solvent. When preparing an organic slurry, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) can be used as a solvent. The solvent is appropriately selected according to the type of binder used.

導電助剤は、炭素、銅、スズ、亜鉛、ニッケル、銀などからなる群より選ばれた少なくとも1種の導電性物質からなる粉末である。炭素、銅、スズ、亜鉛、ニッケル、銀の単体の粉末でもよいし、それぞれの合金の粉末でもよい。例えば、ファーネスブラックやアセチレンブラックなどの一般的なカーボンブラックを使用できる。さらに、カーボンナノホーンを導電助剤として加えることができる。特に、粒子の元素Aが導電性の低いシリコンである場合、粒子の表面には、シリコンが露出することとなり、導電性が低くなるため、カーボンナノホーンを導電助剤として加えることが好ましい。ここで、カーボンナノホーン(CNH)とは、グラフェンシートを円錐形に丸めた構造をしており、実際の形態は多数のCNHが頂点を外側に向けて、放射状のウニのような形態の集合体として存在する。CNHのウニ様集合体の外径は50nm〜250nm程度である。特に、平均粒径80nm〜150nm程度のCNHが好ましい。これらの材料は、いずれか1種を用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。   The conductive assistant is a powder made of at least one conductive material selected from the group consisting of carbon, copper, tin, zinc, nickel, silver and the like. A single powder of carbon, copper, tin, zinc, nickel, or silver may be used, or a powder of each alloy may be used. For example, general carbon black such as furnace black and acetylene black can be used. In addition, carbon nanohorns can be added as conductive aids. In particular, when the element A of the particle is silicon having low conductivity, silicon is exposed on the surface of the particle, and the conductivity becomes low. Therefore, it is preferable to add carbon nanohorn as a conductive additive. Here, the carbon nanohorn (CNH) has a structure in which a graphene sheet is rounded into a conical shape, and the actual form is an aggregate in the form of a radial sea urchin with many CNHs facing the apex to the outside. Exists as. The outer diameter of the CNH sea urchin-like aggregate is about 50 nm to 250 nm. In particular, CNH having an average particle size of about 80 nm to 150 nm is preferable. Any one of these materials may be used, or two or more of these materials may be used in combination.

導電助剤の平均粒径も一次粒子の平均粒径を指す。アセチレンブラックのような高度にストラクチャー形状が発達している場合にも、ここでは一次粒径で平均粒径を定義し、SEM写真の画像解析で平均粒径を求めることができる。   The average particle size of the conductive assistant also refers to the average particle size of the primary particles. Even when the structure shape is highly developed such as acetylene black, the average particle diameter can be defined by the primary particle diameter here, and the average particle diameter can be obtained by image analysis of the SEM photograph.

また、粒子状の導電助剤とワイヤー形状の導電助剤の両方を用いても良い。ワイヤー形状の導電助剤は導電性物質のワイヤーであり、粒子状の導電助剤に挙げられた導電性物質を用いることができる。ワイヤー形状の導電助剤は、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、銅ナノワイヤー、ニッケルナノワイヤーなどの外径が300nm以下の線状体を用いることができる。ワイヤー形状の導電助剤を用いることで、負極活物質や集電体などと電気的接続が保持しやすくなり集電性能が向上するとともに、ポーラス膜状の負極に繊維状物質が増え、負極にクラックが生じにくくなる。例えば粒子状の導電助剤として銅粉末を用い、ワイヤー形状の導電助剤として気相成長炭素繊維(VGCF:Vapor Grown Carbon Fiber)を用いることが考えられる。なお、粒子状の導電助剤を加えずに、ワイヤー形状の導電助剤のみを用いても良い。   Moreover, you may use both a particulate-form conductive support agent and a wire-shaped conductive support agent. The wire-shaped conductive aid is a wire made of a conductive material, and the conductive materials listed in the particulate conductive aid can be used. As the wire-shaped conductive assistant, a linear body having an outer diameter of 300 nm or less, such as carbon fiber, carbon nanotube, copper nanowire, or nickel nanowire, can be used. By using a wire-shaped conductive aid, electrical connection with the negative electrode active material or current collector is easily maintained, and the current collection performance is improved. Cracks are less likely to occur. For example, it is conceivable to use copper powder as the particulate conductive auxiliary agent and to use vapor grown carbon fiber (VGCF) as the wire-shaped conductive auxiliary agent. In addition, you may use only a wire-shaped conductive support agent, without adding a particulate-form conductive support agent.

ワイヤー形状の導電助剤の長さは、好ましくは0.1μm〜2mmである。導電助剤の外径は、好ましくは2nm〜500nmであり、より好ましくは10nm〜200nmである。導電助剤の長さが0.1μm以上であれば、導電助剤の生産性を上げるのには十分な長さであり、長さが2mm以下であれば、スラリーの塗布が容易である。また、導電助剤の外径が2nmより太い場合、合成が容易であり、外径が500nmより細い場合、スラリーの混練が容易である。導電物質の外径と長さの測定方法は、SEMによる画像解析により行った。   The length of the wire-shaped conductive assistant is preferably 0.1 μm to 2 mm. The outer diameter of the conductive additive is preferably 2 nm to 500 nm, more preferably 10 nm to 200 nm. If the length of the conductive auxiliary agent is 0.1 μm or more, the length is sufficient to increase the productivity of the conductive auxiliary agent, and if the length is 2 mm or less, application of the slurry is easy. Further, when the outer diameter of the conductive auxiliary agent is larger than 2 nm, the synthesis is easy, and when the outer diameter is smaller than 500 nm, the slurry is easily kneaded. The measuring method of the outer diameter and length of the conductive material was performed by image analysis using SEM.

次に、例えば、コーターを用いて、集電体の片面に、スラリーを塗布する。コーターは、スラリーを集電体に塗布可能な一般的な塗工装置を用いることができ、例えばロールコーターやドクターブレードによるコーター、コンマコーター、ダイコーターである。   Next, the slurry is applied to one surface of the current collector using, for example, a coater. As the coater, a general coating apparatus capable of applying the slurry to the current collector can be used. For example, a coater using a roll coater or a doctor blade, a comma coater, or a die coater.

集電体は、銅、ニッケル、ステンレスからなる群より選ばれた少なくとも1種の金属からなる箔である。それぞれの金属は、単独で用いてもよいし、それぞれの合金として用いてもよい。厚さは4μm〜35μmが好ましく、さらに8μm〜18μmがより好ましい。   The current collector is a foil made of at least one metal selected from the group consisting of copper, nickel, and stainless steel. Each metal may be used independently and may be used as each alloy. The thickness is preferably 4 μm to 35 μm, and more preferably 8 μm to 18 μm.

その後、50〜150℃程度で乾燥し、厚みを調整するため、ロールプレスを通して、リチウムイオン二次電池用負極を得ることができる。結着材として、ポリイミドやポリアミドイミドを使用したときは、さらに150℃〜450℃の範囲で焼成する。焼成温度や焼成時間などの焼成条件は、結着剤を構成する高分子の分子量や化学構造の他に、溶剤の種類や沸点に依存するため、結着剤の種類により適宜選択することが好ましい。   Then, in order to dry at about 50-150 degreeC and adjust thickness, the negative electrode for lithium ion secondary batteries can be obtained through a roll press. When polyimide or polyamideimide is used as the binder, it is further fired in the range of 150 ° C to 450 ° C. Firing conditions such as the firing temperature and firing time depend on the type and boiling point of the solvent in addition to the molecular weight and chemical structure of the polymer constituting the binder, and are therefore preferably selected appropriately depending on the type of binder. .

(3.リチウムイオン二次電池用正極の作製)
正極は、リチウムイオンを吸蔵および放出可能な各種の正極を用いることができる。このリチウムイオン電池用正極は、正極活物質、導電助剤、結着剤および溶媒等を混合して正極活物質の組成物を準備し、これをアルミ箔などの金属集電体上に直接塗布・乾燥することで製造することができる。
(3. Production of positive electrode for lithium ion secondary battery)
As the positive electrode, various positive electrodes capable of inserting and extracting lithium ions can be used. This positive electrode for a lithium ion battery is prepared by mixing a positive electrode active material, a conductive additive, a binder and a solvent to prepare a positive electrode active material composition, which is directly applied onto a metal current collector such as an aluminum foil. -It can be manufactured by drying.

正極活物質としては、一般的に使われるものであればいずれも使用可能であり、例えばLiCoO、LiMn、LiMnO、LiNiO、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3、LiFePOなどの化合物が例示される。 Any positive electrode active material can be used as long as it is generally used. For example, LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 , compounds such as LiFePO 4 are exemplified.

導電助剤としては、例えばカーボンブラックを使用し、結着剤としては、例えばポリフッ化ビニリデン(PVdF)、水溶性アクリル系バインダーを使用し、溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、水などを使用することができる。このとき、正極活物質、導電助剤、結着剤および溶媒の含量は、非水電解質二次電池等で通常的に使用するレベルである。   For example, carbon black is used as the conductive assistant, polyvinylidene fluoride (PVdF), a water-soluble acrylic binder is used as the binder, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is used as the solvent. Water, etc. can be used. At this time, the contents of the positive electrode active material, the conductive additive, the binder, and the solvent are at levels normally used in non-aqueous electrolyte secondary batteries and the like.

(4.セパレータ)
セパレータとしては、正極と負極の電子伝導を絶縁する機能を有し、非水電解質二次電池で通常的に使われるものであればいずれも使用可能である。例えば、微多孔性のポリオレフィンフィルム、多孔質のアラミド樹脂フィルム、多孔質のセラミックス、不織布などを使用できる。
(4. Separator)
Any separator can be used as long as it has a function of insulating electronic conduction between the positive electrode and the negative electrode and is usually used in a non-aqueous electrolyte secondary battery. For example, a microporous polyolefin film, a porous aramid resin film, a porous ceramic, a nonwoven fabric, etc. can be used.

(5.電解液・電解質)
電解液および電解質としては、リチウムイオン二次電池、Liポリマー電池などに使用される、リチウムイオン伝導性を有する非水系の有機電解液を使用することができる。
(5. Electrolyte / Electrolyte)
As the electrolytic solution and the electrolyte, a non-aqueous organic electrolytic solution having lithium ion conductivity used for a lithium ion secondary battery, a Li polymer battery, or the like can be used.

有機電解液の溶媒の具体例として、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート等のカーボネート;ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル等のエーテル;ベンゾニトリル、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、γ―ブチロラクトン、ジオキソラン、4−メチルジオキソラン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルクロロベンゼン、ニトロベンゼン等の非プロトン性溶媒、あるいはこれらの溶媒のうちの2種以上を混合した混合溶媒が挙げられる。   Specific examples of the organic electrolyte solvent include carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, and methyl ethyl carbonate; diethyl ether, dibutyl ether, ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, ethylene glycol di Ethers such as butyl ether and diethylene glycol dimethyl ether; aprotic such as benzonitrile, acetonitrile, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, γ-butyrolactone, dioxolane, 4-methyldioxolane, N, N-dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethylchlorobenzene, nitrobenzene Solvent, or two or more of these solvents Mixed solvent of thereof.

有機電解液の電解質には、LiPF、LiClO、LiBF、LiAlO、LiAlCl、LiSbF、LiSCN、LiCl、LiCFSO、LiCFCO、LiCSO、LiN(CFSO等のリチウム塩からなる電解質の1種または2種以上を混合させたものを用いることができる。 The electrolyte of the organic electrolyte includes LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , LiSbF 6 , LiSCN, LiCl, LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) A mixture of one or more electrolytes made of a lithium salt such as 2 can be used.

電解質は、分子内に不飽和結合を有し還元重合が可能な有機物を含有することができる。このような有機物を電解質に添加することで、負極活物質の表面に有効な固体電解質界面被膜を形成することができ、電解液質材料の分解を抑制することが可能となる。分子内に不飽和結合を有し、充電時に還元重合できる物質としては、例えば、フルオロエチレンカーボネート、ビニレンカーボネート(VC)、ビニルエチレンカーボネート等のカーボネート及びその誘導体の他、不飽和のカルボン酸エステル類、リン酸エステル類、ホウ酸エステル類、及びアルコール類等を用いることができる。中でも、ビニレンカーボネート(VC)を用いるのが好ましい例として示される。   The electrolyte can contain an organic substance having an unsaturated bond in the molecule and capable of reductive polymerization. By adding such an organic substance to the electrolyte, an effective solid electrolyte interface film can be formed on the surface of the negative electrode active material, and decomposition of the electrolyte material can be suppressed. Examples of the substance having an unsaturated bond in the molecule and capable of undergoing reductive polymerization at the time of charging include, for example, carbonates such as fluoroethylene carbonate, vinylene carbonate (VC), vinyl ethylene carbonate, and derivatives thereof, and unsaturated carboxylic acid esters. , Phosphoric acid esters, boric acid esters, alcohols and the like can be used. Among them, it is shown as a preferable example that vinylene carbonate (VC) is used.

このような有機物は、安定な固体電解質界面被膜を得るために、電解質重量の0.1重量%〜10重量%程度添加することが好ましい。さらには、1重量%〜5重量%程度添加するのがより好ましい。添加量が0.1重量%〜10重量%の範囲であると、充電時に還元されて、負極活物質層の表面に安定な被膜を形成することができ、電解質材料の分解を防ぐことができる。添加量が0.1重量%未満の場合は、負極活物質の表面に安定な被膜を十分に形成するのが困難となり、また、添加量が10重量%を超過する場合には、還元される量が増えるため、形成される固体電解質界面被膜が厚くなり、電池のインピーダンスが上昇してしまうために好ましくない。   In order to obtain a stable solid electrolyte interface film, such an organic substance is preferably added in an amount of about 0.1 wt% to 10 wt% of the electrolyte weight. Furthermore, it is more preferable to add about 1 to 5% by weight. When the addition amount is in the range of 0.1% by weight to 10% by weight, it can be reduced during charging to form a stable film on the surface of the negative electrode active material layer, and the decomposition of the electrolyte material can be prevented. . When the addition amount is less than 0.1% by weight, it is difficult to sufficiently form a stable film on the surface of the negative electrode active material, and when the addition amount exceeds 10% by weight, it is reduced. Since the amount increases, the formed solid electrolyte interface film becomes thick, and the impedance of the battery increases, which is not preferable.

(6.リチウムイオン二次電池の組立て)
本発明のリチウムイオン二次電池は、前述したような正極と負極との間にセパレータを配置して、電池構造体を形成している。このような電池構造体を巻くか、または積層して円筒形や角形の電池ケースに入れた後、電解液を注入して、リチウムイオン二次電池が完成する。
(6. Assembly of lithium ion secondary battery)
In the lithium ion secondary battery of the present invention, a separator is disposed between the positive electrode and the negative electrode as described above to form a battery structure. After winding or stacking such battery structures into a cylindrical or rectangular battery case, an electrolyte is injected to complete a lithium ion secondary battery.

具体的には、図8に示したように、本発明のリチウムイオン二次電池61は、正極63、負極65を、セパレータ67を介して、セパレータ−正極−セパレータ−負極の順に積層配置し、正極63が内側になるように巻回して極板群を構成し、これを電池缶69内に挿入する。そして正極63は正極リード71を介して正極端子73に、負極65は負極リード75を介して電池缶69にそれぞれ接続し、リチウムイオン二次電池61内部で生じた化学エネルギーを電気エネルギーとして外部に取り出し得るようにする。次いで、電池缶69内に非水系電解液68を極板群を覆うように充填した後、電池缶69の上端(開口部)に、円形蓋板とその上部の正極端子73からなり、その内部に安全弁機構を内蔵した封口体77を、環状の絶縁ガスケットを介して取り付けて、本発明のリチウムイオン二次電池61を製造することができる。   Specifically, as shown in FIG. 8, in the lithium ion secondary battery 61 of the present invention, the positive electrode 63 and the negative electrode 65 are stacked and arranged in the order of separator-positive electrode-separator-negative electrode via the separator 67, The electrode plate group is formed by winding so that the positive electrode 63 is on the inner side, and this is inserted into the battery can 69. The positive electrode 63 is connected to the positive electrode terminal 73 via the positive electrode lead 71, and the negative electrode 65 is connected to the battery can 69 via the negative electrode lead 75, and chemical energy generated inside the lithium ion secondary battery 61 is externally output as electric energy. It can be taken out. Next, after filling the battery can 69 with the nonaqueous electrolyte solution 68 so as to cover the electrode plate group, the upper end (opening portion) of the battery can 69 is composed of a circular lid plate and the positive electrode terminal 73 on the upper portion thereof. The lithium ion secondary battery 61 of the present invention can be manufactured by attaching the sealing body 77 having a built-in safety valve mechanism thereto via an annular insulating gasket.

(7.本発明に係るリチウムイオン二次電池の効果)
本発明に係るリチウムイオン二次電池は、炭素よりも単位体積、および単位重量あたりの容量の高い負極活物質を用い、充電による活物質の膨張に追随して伸長し、放電時には活物質に追随して収縮可能な結着剤層が活物質粒子を覆っているため負極活物質が微粉化しにくく、炭素を活物質とする従来のリチウムイオン二次電池よりも容量が大きく、サイクル特性が良い。さらに、活物質と電解液との界面の増加や活物質の新生面を抑制できるために、継続的な電解液の副反応を抑制でき、効率が向上する。結果として、高容量、かつサイクル特性が向上し、電解液の消耗を抑制できる。
(7. Effect of lithium ion secondary battery according to the present invention)
The lithium ion secondary battery according to the present invention uses a negative electrode active material having a unit volume and a capacity per unit weight higher than that of carbon, and extends following the expansion of the active material due to charging, and follows the active material during discharge. In addition, since the shrinkable binder layer covers the active material particles, the negative electrode active material is not easily pulverized, has a larger capacity than a conventional lithium ion secondary battery using carbon as an active material, and has good cycle characteristics. Furthermore, since an increase in the interface between the active material and the electrolytic solution and a new surface of the active material can be suppressed, a continuous side reaction of the electrolytic solution can be suppressed and efficiency is improved. As a result, high capacity and cycle characteristics are improved, and consumption of the electrolyte can be suppressed.

1………負極材料
3………活物質粒子
5………結着剤
7………負極材料
9………結着剤
11………粒子
13………第1の相
15………第2の相
17………粒子
19………他の第2の相
21………粒子
23………第3の相
37………粒子製造装置
39………反応チャンバー
41………原料粉末供給口
42………原料粉末
43………シースガス供給口
44………シースガス
45………キャリアガス
46………高周波コイル
47………高周波電源
49………プラズマ
51………フィルター
61………リチウムイオン二次電池
63………正極
65………負極
67………セパレータ
69………電池缶
71………正極リード
73………正極端子
75………負極リード
77………封口体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ......... Negative electrode material 3 ......... Active material particle 5 ......... Binder 7 ......... Negative electrode material 9 ......... Binder 11 ......... Particle 13 ......... First phase 15 ......... Second phase 17 .... Particles 19 .... Other second phase 21 ... ... Particles 23 ... ... Third phase 37 ... ... Particle production equipment 39 ... ... Reaction chamber 41 ... ... Raw materials Powder supply port 42 ... Raw material powder 43 ... Sheath gas supply port 44 ... Sheath gas 45 ... Carrier gas 46 ... High frequency coil 47 ... High frequency power supply 49 ... Plasma 51 ... Filter 61 ......... Lithium ion secondary battery 63 ......... Positive electrode 65 ......... Negative electrode 67 ......... Separator 69 ......... Battery can 71 ......... Positive lead 73 ......... Positive terminal 75 ......... Negative lead 77 ... ... Sealing body

Claims (11)

Si,Sn,Al,Pb,Sb、Bi,Ge,In,Znからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素Aを含む活物質粒子を有し、
前記活物質粒子の表面の少なくとも一部が結着剤層で覆われており、
充電前の前記活物質粒子の体積をVとし、充電後の前記活物質粒子の体積をVとし、結着剤の可逆的な伸縮率をε[%]とするとき、
ε≧((V/V1/3−1)×100
の関係式を満たすことを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極材料。
Having active material particles containing at least one element A selected from the group consisting of Si, Sn, Al, Pb, Sb, Bi, Ge, In, Zn,
At least part of the surface of the active material particles is covered with a binder layer;
When the volume of the active material particles before charging is V 0 , the volume of the active material particles after charging is V, and the reversible expansion / contraction rate of the binder is ε [%],
ε ≧ ((V / V 0 ) 1/3 −1) × 100
The negative electrode material for lithium ion secondary batteries characterized by satisfying the following relational expression:
前記結着剤層がポリイミド、ポリアミドイミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリアミド、ポリアクリル、ポリウレタン、ポリエステル、ポリエステルイミド、エポキシ、フェノール樹脂、およびそれらの前躯体、変性体、中和体、塩、混合物、のいずれか一つ以上を含むことを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。   The binder layer is composed of polyimide, polyamideimide, polybenzimidazole, polyamide, polyacryl, polyurethane, polyester, polyesterimide, epoxy, phenol resin, and precursors, modified bodies, neutralized bodies, salts, and mixtures thereof. The negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to claim 1, comprising any one or more. 前記結着剤層が、前記活物質粒子の表面の50%以上を覆っていることを特徴とする請求項1または2に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。   The negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to claim 1 or 2, wherein the binder layer covers 50% or more of the surface of the active material particles. 前記結着剤層の厚みが、2nm以上1500nm以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。   The thickness of the said binder layer is 2 nm or more and 1500 nm or less, The negative electrode material for lithium ion secondary batteries of any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned. 前記活物質粒子は、前記元素Aと元素Mとを含む粒子からなり、
前記元素Mが、Cu、Fe、Co、Ni、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Ba、ランタノイド元素(Pmを除く)、Hf、Ta、W、Re、Os、Irからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素であって、
前記粒子は、前記元素Aの単体または固溶体である第1の相と、前記元素Mの単体または化合物である第2の相と、を少なくとも有し、
前記粒子は、前記第1の相と前記第2の相との両方が外表面に露出するとともに、界面を介して接合しており、
前記第1の相は、界面以外の外表面が略球面状または多角形状であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。
The active material particles are composed of particles containing the element A and the element M,
The element M is Cu, Fe, Co, Ni, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ba, a lanthanoid element (excluding Pm). At least one element selected from the group consisting of Hf, Ta, W, Re, Os, Ir,
The particles have at least a first phase that is a simple substance or a solid solution of the element A and a second phase that is a simple substance or a compound of the element M, and
The particles have both the first phase and the second phase exposed on the outer surface and bonded via an interface;
5. The negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein an outer surface other than the interface of the first phase is substantially spherical or polygonal.
前記粒子は、Cu、Fe、Co、Ni、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Ba、ランタノイド元素(Pmを除く)、Hf、Ta、W、Re、Os、Irからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素である元素M’をさらに含み、
前記元素M’が、前記第2の相を構成する前記元素Mとは種類の異なる元素であり、
前記元素M’の単体または化合物である他の第2の相をさらに有している
ことを特徴とする請求項5に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。
The particles include Cu, Fe, Co, Ni, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ba, lanthanoid elements (excluding Pm), An element M ′ that is at least one element selected from the group consisting of Hf, Ta, W, Re, Os, and Ir;
The element M ′ is an element different in kind from the element M constituting the second phase,
The negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to claim 5, further comprising another second phase that is a single element or a compound of the element M ′.
前記粒子は、Si、Sn、Al、Pb、Sb、Bi、Ge、In、Znからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素である元素A’をさらに含み、
前記元素A’が、前記元素Aとは種類の異なる元素であり、
前記元素A’の単体または固溶体である第3の相をさらに有している
ことを特徴とする請求項5または請求項6に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。
The particles further include an element A ′ that is at least one element selected from the group consisting of Si, Sn, Al, Pb, Sb, Bi, Ge, In, and Zn,
The element A ′ is a different element from the element A,
The negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to claim 5, further comprising a third phase that is a single element or a solid solution of the element A ′.
前記第3の相が、前記第1の相と前記第2の相の少なくとも一方と、界面を介して接合していることを特徴とする請求項7記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。   The negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to claim 7, wherein the third phase is bonded to at least one of the first phase and the second phase via an interface. 前記活物質粒子は、平均粒径が2nm〜15μmであることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料。   9. The negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the active material particles have an average particle diameter of 2 nm to 15 μm. 請求項1〜9のいずれか1項に記載の負極材料を用いたリチウムイオン二次電池用負極。   The negative electrode for lithium ion secondary batteries using the negative electrode material of any one of Claims 1-9. リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な正極と、
請求項10に記載のリチウムイオン二次電池用負極と、
前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータとを有し、
リチウムイオン伝導性を有する電解質中に、前記正極と前記負極と前記セパレータとを設けたことを特徴とするリチウムイオン二次電池。
A positive electrode capable of inserting and extracting lithium ions;
A negative electrode for a lithium ion secondary battery according to claim 10,
Having a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode;
A lithium ion secondary battery, wherein the positive electrode, the negative electrode, and the separator are provided in an electrolyte having lithium ion conductivity.
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