JP2018190563A - Negative electrode active material for electric device, and electric device arranged by use thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気デバイス用負極活物質、およびこれを用いた電気デバイスに関する。本発明の電気デバイス用負極活物質およびこれを用いた電気デバイスは、例えば、二次電池やキャパシタ等として電気自動車、燃料電池車およびハイブリッド電気自動車等の車両のモータ等の駆動用電源や補助電源に用いられる。 The present invention relates to a negative electrode active material for electric devices and an electric device using the same. The negative electrode active material for an electric device and the electric device using the same according to the present invention include, for example, a driving power source and an auxiliary power source for a motor of a vehicle such as an electric vehicle, a fuel cell vehicle, and a hybrid electric vehicle as a secondary battery or a capacitor. Used for.
近年、大気汚染や地球温暖化に対処するため、二酸化炭素量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池などの電気デバイスの開発が盛んに行われている。 In recent years, in order to cope with air pollution and global warming, reduction of the amount of carbon dioxide has been strongly desired. In the automobile industry, there is a great expectation for reducing carbon dioxide emissions by introducing electric vehicles (EV) and hybrid electric vehicles (HEV). Electric devices such as secondary batteries for motor drive that hold the key to their practical application. Is being actively developed.
モータ駆動用二次電池としては、携帯電話やノートパソコン等に使用される民生用リチウムイオン二次電池と比較して極めて高い出力特性、および高いエネルギーを有することが求められている。したがって、全ての電池の中で最も高い理論エネルギーを有するリチウムイオン二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。 As a secondary battery for driving a motor, it is required to have extremely high output characteristics and high energy as compared with a consumer lithium ion secondary battery used in a mobile phone, a notebook personal computer or the like. Therefore, lithium ion secondary batteries having the highest theoretical energy among all the batteries are attracting attention, and are currently being developed rapidly.
リチウムイオン二次電池は、一般に、バインダを用いて正極活物質等を正極集電体の両面に塗布した正極と、バインダを用いて負極活物質等を負極集電体の両面に塗布した負極とが、電解質層を介して接続され、電池ケースに収納される構成を有している。 Generally, a lithium ion secondary battery includes a positive electrode in which a positive electrode active material or the like is applied to both surfaces of a positive electrode current collector using a binder, and a negative electrode in which a negative electrode active material or the like is applied to both surfaces of a negative electrode current collector using a binder. However, it has the structure connected through an electrolyte layer and accommodated in a battery case.
従来、リチウムイオン二次電池の負極には充放電サイクルの寿命やコスト面で有利な炭素・黒鉛系材料が用いられてきた。しかし、炭素・黒鉛系の負極材料ではリチウムイオンの黒鉛結晶中への吸蔵・放出により充放電がなされるため、最大リチウム導入化合物であるLiC6から得られる理論容量372mAh/g以上の充放電容量が得られないという欠点がある。このため、炭素・黒鉛系負極材料で車両用途の実用化レベルを満足する容量、エネルギー密度を得るのは困難である。 Conventionally, carbon / graphite-based materials that are advantageous in terms of charge / discharge cycle life and cost have been used for negative electrodes of lithium ion secondary batteries. However, since carbon / graphite-based negative electrode materials are charged / discharged by occlusion / release of lithium ions into / from graphite crystals, the charge / discharge capacity of the theoretical capacity 372 mAh / g or more obtained from LiC 6 which is the maximum lithium-introduced compound. There is a disadvantage that cannot be obtained. For this reason, it is difficult to obtain a capacity and energy density that satisfy the practical use level of the vehicle application with the carbon / graphite negative electrode material.
これに対し、負極にLiと合金化する材料を用いた電池は、従来の炭素・黒鉛系負極材料と比較しエネルギー密度が向上するため、車両用途における負極材料として期待されている。例えば、Si材料は、充放電において下記の反応式(A)のように1molあたり3.75molのリチウムイオンを吸蔵放出し、Li15Si4(=Li3.75Si)においては理論容量3600mAh/gである。 On the other hand, a battery using a material that is alloyed with Li for the negative electrode is expected as a negative electrode material for vehicle use because the energy density is improved as compared with a conventional carbon / graphite negative electrode material. For example, the Si material occludes and releases 3.75 mol of lithium ions per mol as shown in the following reaction formula (A) in charge / discharge, and the theoretical capacity is 3600 mAh / liter in Li 15 Si 4 (= Li 3.75 Si). g.
しかしながら、負極にLiと合金化する材料を用いたリチウムイオン二次電池は、充放電時の負極での膨張収縮が大きい。例えば、Liイオンを吸蔵した場合の体積膨張は、黒鉛材料では約1.2倍であるのに対し、Si材料ではSiとLiが合金化する際、アモルファス状態から結晶状態へ転移し大きな体積変化(約4倍)を起こすため、電極のサイクル寿命を低下させる問題があった。また、Si負極活物質の場合、容量とサイクル耐久性とはトレードオフの関係であり、高容量を示しつつサイクル耐久性を向上させることが困難であるといった問題があった。 However, a lithium ion secondary battery using a material that is alloyed with Li for the negative electrode has a large expansion and contraction in the negative electrode during charge and discharge. For example, when Li ions are occluded, the volume expansion is about 1.2 times in graphite materials, whereas in Si materials, when Si and Li are alloyed, transition from the amorphous state to the crystalline state causes a large volume change. (Approximately 4 times), there was a problem of reducing the cycle life of the electrode. In the case of the Si negative electrode active material, the capacity and the cycle durability are in a trade-off relationship, and there is a problem that it is difficult to improve the cycle durability while exhibiting a high capacity.
ここで、特許文献1では、高容量で、かつサイクル寿命に優れた負極ペレットを有する非水電解質二次電池を提供することを課題とした発明が開示されている。具体的には、Si粉末とチタン粉末とをメカニカルアロイング法により混合し、湿式粉砕して得られるSi含有合金であって、Siを主体とする第1相とチタンのケイ化物(TiSi2など)を含む第2相とを含むものを負極活物質として用いることが開示されている。この際、これらの2つの相の少なくとも一方を非晶質または低結晶性とすることも開示されている。 Here, Patent Document 1 discloses an invention that aims to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery having a negative electrode pellet having a high capacity and an excellent cycle life. Specifically, it is a Si-containing alloy obtained by mixing Si powder and titanium powder by a mechanical alloying method and wet-pulverizing the first phase mainly composed of Si and a silicide of titanium (such as TiSi 2 ). ) Containing a second phase containing) is disclosed as a negative electrode active material. At this time, it is also disclosed that at least one of these two phases is amorphous or low crystalline.
本発明者らの検討によれば、上記特許文献1に記載の負極ペレットを用いたリチウムイオン二次電池等の電気デバイスでは、良好なサイクル耐久性を示すことができるとされているにもかかわらず、サイクル耐久性が十分ではない場合があることが判明した。 According to the study by the present inventors, although it is said that the electric device such as a lithium ion secondary battery using the negative electrode pellet described in Patent Document 1 can exhibit good cycle durability. Therefore, it has been found that the cycle durability may not be sufficient.
そこで本発明は、リチウムイオン二次電池等の電気デバイスのサイクル耐久性を向上させうる手段を提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the means which can improve the cycling durability of electric devices, such as a lithium ion secondary battery.
本発明者らは、上記課題を解決するため、鋭意研究を行った。その結果、遷移金属のケイ化物を主成分とする第一の相と、Alを含み、非晶質または低結晶性のSiを主成分とする第二の相と、Snを主成分とする第三の相とを有し、一部が複数の独立した第一の相、及び、一部が第一の相と第二の相との共晶組織となり、前記共晶組織中に第三の相が第一の相及び第二の相よりも微細に分散している微細組織を有するSi含有合金を電気デバイス用負極活物質として用いることで上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成させるに至った。 In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted intensive research. As a result, a first phase mainly containing transition metal silicide, a second phase containing Al and containing amorphous or low crystalline Si as a main component, and a first phase mainly containing Sn. Three phases, part of which is a plurality of independent first phases, and part of which is a eutectic structure of the first phase and the second phase, It has been found that the above problem can be solved by using, as a negative electrode active material for an electric device, a Si-containing alloy having a microstructure in which the phase is more finely dispersed than the first phase and the second phase. It came to complete.
本発明に係る負極活物質を構成するSi含有合金は、その微細組織において、Si−Ti合金へのSn、Alの添加により、共晶組織中の第二の相(Si相)は硬くて導電性のより大きな共晶組織中の第一の相(シリサイド相)に包接される。これにより、充放電した場合、共晶組織中の第二の相(Si相)はシリサイド相(共晶組織中の第一の相、さらにその外側の複数の独立した第一の相)で包まれるため膨張収縮が抑制され、導電性付与により第一の相のSiは均一に反応するため、耐久劣化しにくい。さらに共晶組織中に、特に第二の相(Si相)の周辺に第三の相(Sn相)が微細に分散するため、第二の相(Si相)がアモルファス化しやすい。その結果、当該負極活物質が用いられる電気デバイスの高容量を示しつつ、サイクル耐久性を向上することができる。 In the Si-containing alloy constituting the negative electrode active material according to the present invention, the second phase (Si phase) in the eutectic structure is hard and conductive due to the addition of Sn and Al to the Si-Ti alloy in the microstructure. It is included in the first phase (silicide phase) in the eutectic structure having higher properties. As a result, when charging / discharging, the second phase (Si phase) in the eutectic structure is enveloped by the silicide phase (the first phase in the eutectic structure and a plurality of independent first phases outside it). Therefore, expansion and contraction are suppressed, and Si of the first phase reacts uniformly by imparting electrical conductivity, so that durability is hardly deteriorated. Furthermore, since the third phase (Sn phase) is finely dispersed in the eutectic structure, particularly around the second phase (Si phase), the second phase (Si phase) is likely to become amorphous. As a result, cycle durability can be improved while showing the high capacity | capacitance of the electric device in which the said negative electrode active material is used.
以下、図面を参照しながら、本発明の電気デバイス用負極活物質並びにこれを用いてなる電気デバイス用負極および電気デバイスの実施形態を説明する。但し、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみには制限されない。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of a negative electrode active material for an electric device of the present invention, a negative electrode for an electric device using the same, and an electric device will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention should be determined based on the description of the scope of claims, and is not limited to the following modes. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may be different from the actual ratios.
以下、本発明の電気デバイス用負極活物質が適用されうる電気デバイスの基本的な構成を、図面を用いて説明する。本実施形態では、電気デバイスとしてリチウムイオン二次電池を例示して説明する。 Hereinafter, a basic configuration of an electric device to which the negative electrode active material for an electric device of the present invention can be applied will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, a lithium ion secondary battery will be described as an example of an electric device.
まず、本発明に係る電気デバイス用負極活物質を含む負極の代表的な一実施形態であるリチウムイオン二次電池用の負極およびこれを用いてなるリチウムイオン二次電池では、セル(単電池層)の電圧が大きく、高エネルギー密度、高出力密度が達成できる。そのため本実施形態のリチウムイオン二次電池用の負極活物質を用いてなるリチウムイオン二次電池では、車両の駆動電源用や補助電源用として優れている。その結果、車両の駆動電源用等のリチウムイオン二次電池として好適に利用できる。このほかにも、携帯電話などの携帯機器向けのリチウムイオン二次電池にも十分に適用可能である。 First, in a negative electrode for a lithium ion secondary battery, which is a typical embodiment of a negative electrode including a negative electrode active material for an electric device according to the present invention, and a lithium ion secondary battery using the same, a cell (single cell layer) ) Voltage is large, and high energy density and high power density can be achieved. Therefore, the lithium ion secondary battery using the negative electrode active material for the lithium ion secondary battery of the present embodiment is excellent as a vehicle driving power source or an auxiliary power source. As a result, it can be suitably used as a lithium ion secondary battery for a vehicle driving power source or the like. In addition to this, the present invention can be sufficiently applied to lithium ion secondary batteries for portable devices such as mobile phones.
すなわち、本実施形態の対象となるリチウムイオン二次電池は、以下に説明する本実施形態のリチウムイオン二次電池用の負極活物質を用いてなるものであればよく、他の構成要件に関しては、特に制限されるべきものではない。 That is, the lithium ion secondary battery that is the subject of the present embodiment may be any one that uses the negative electrode active material for the lithium ion secondary battery of the present embodiment described below. It should not be restricted in particular.
例えば、上記リチウムイオン二次電池を形態・構造で区別した場合には、積層型(扁平型)電池、巻回型(円筒型)電池など、従来公知のいずれの形態・構造にも適用し得るものである。積層型(扁平型)電池構造を採用することで簡単な熱圧着などのシール技術により長期信頼性を確保でき、コスト面や作業性の点では有利である。 For example, when the lithium ion secondary battery is distinguished by form / structure, it can be applied to any conventionally known form / structure such as a stacked (flat) battery or a wound (cylindrical) battery. Is. By adopting a stacked (flat) battery structure, long-term reliability can be secured by a sealing technique such as simple thermocompression bonding, which is advantageous in terms of cost and workability.
また、リチウムイオン二次電池内の電気的な接続形態(電極構造)で見た場合、非双極型(内部並列接続タイプ)電池および双極型(内部直列接続タイプ)電池のいずれにも適用し得るものである。 Moreover, when viewed in terms of electrical connection form (electrode structure) in a lithium ion secondary battery, it can be applied to both non-bipolar (internal parallel connection type) batteries and bipolar (internal series connection type) batteries. Is.
リチウムイオン二次電池内の電解質層の種類で区別した場合には、電解質層に非水系の電解液等の溶液電解質を用いた溶液電解質型電池、電解質層に高分子電解質を用いたポリマー電池など従来公知のいずれの電解質層のタイプにも適用し得るものである。該ポリマー電池は、さらに高分子ゲル電解質(単にゲル電解質ともいう)を用いたゲル電解質型電池、高分子固体電解質(単にポリマー電解質ともいう)を用いた固体高分子(全固体)型電池に分けられる。 When distinguished by the type of electrolyte layer in the lithium ion secondary battery, a solution electrolyte type battery using a solution electrolyte such as a nonaqueous electrolyte solution for the electrolyte layer, a polymer battery using a polymer electrolyte for the electrolyte layer, etc. It can be applied to any conventionally known electrolyte layer type. The polymer battery is further divided into a gel electrolyte type battery using a polymer gel electrolyte (also simply referred to as gel electrolyte) and a solid polymer (all solid) type battery using a polymer solid electrolyte (also simply referred to as polymer electrolyte). It is done.
したがって、以下の説明では、本実施形態のリチウムイオン二次電池用の負極活物質を用いてなる非双極型(内部並列接続タイプ)リチウムイオン二次電池につき図面を用いてごく簡単に説明する。但し、本実施形態のリチウムイオン二次電池の技術的範囲が、これらに制限されるべきものではない。 Therefore, in the following description, the non-bipolar (internal parallel connection type) lithium ion secondary battery using the negative electrode active material for the lithium ion secondary battery of this embodiment will be described very simply with reference to the drawings. However, the technical scope of the lithium ion secondary battery of the present embodiment should not be limited to these.
<電池の全体構造>
図1は、本発明の電気デバイスの代表的な一実施形態である、扁平型(積層型)のリチウムイオン二次電池(以下、単に「積層型電池」ともいう)の全体構造を模式的に表した断面概略図である。
<Overall battery structure>
FIG. 1 schematically shows the overall structure of a flat (stacked) lithium ion secondary battery (hereinafter also simply referred to as “stacked battery”), which is a typical embodiment of the electrical device of the present invention. FIG.
図1に示すように、本実施形態の積層型電池10は、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、外装体であるラミネートシート29の内部に封止された構造を有する。ここで、発電要素21は、正極集電体12の両面に正極活物質層15が配置された正極と、電解質層17と、負極集電体11の両面に負極活物質層13が配置された負極とを積層した構成を有している。具体的には、1つの正極活物質層15とこれに隣接する負極活物質層13とが、電解質層17を介して対向するようにして、負極、電解質層および正極がこの順に積層されている。 As shown in FIG. 1, the stacked battery 10 of the present embodiment has a structure in which a substantially rectangular power generation element 21 in which a charge / discharge reaction actually proceeds is sealed inside a laminate sheet 29 that is an exterior body. . Here, in the power generation element 21, the positive electrode in which the positive electrode active material layer 15 is disposed on both surfaces of the positive electrode current collector 12, the electrolyte layer 17, and the negative electrode active material layer 13 is disposed on both surfaces of the negative electrode current collector 11. It has a configuration in which a negative electrode is laminated. Specifically, the negative electrode, the electrolyte layer, and the positive electrode are laminated in this order so that one positive electrode active material layer 15 and the negative electrode active material layer 13 adjacent thereto face each other with the electrolyte layer 17 therebetween. .
これにより、隣接する正極、電解質層、および負極は、1つの単電池層19を構成する。したがって、図1に示す積層型電池10は、単電池層19が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。なお、発電要素21の両最外層に位置する最外層の正極集電体には、いずれも片面のみに正極活物質層15が配置されているが、両面に活物質層が設けられてもよい。すなわち、片面にのみ活物質層を設けた最外層専用の集電体とするのではなく、両面に活物質層がある集電体をそのまま最外層の集電体として用いてもよい。また、図1とは正極および負極の配置を逆にすることで、発電要素21の両最外層に最外層の負極集電体が位置するようにし、該最外層の負極集電体の片面または両面に負極活物質層が配置されているようにしてもよい。 Thereby, the adjacent positive electrode, electrolyte layer, and negative electrode constitute one unit cell layer 19. Therefore, it can be said that the stacked battery 10 shown in FIG. 1 has a configuration in which a plurality of single battery layers 19 are stacked and electrically connected in parallel. The positive electrode current collector 15 located on both outermost layers of the power generation element 21 has the positive electrode active material layer 15 disposed only on one side, but the active material layers may be provided on both sides. . That is, instead of using a current collector dedicated to the outermost layer provided with an active material layer only on one side, a current collector having an active material layer on both sides may be used as it is as an outermost current collector. Further, by reversing the arrangement of the positive electrode and the negative electrode as compared with FIG. 1, the outermost negative electrode current collector is positioned on both outermost layers of the power generation element 21, and one side of the outermost negative electrode current collector or A negative electrode active material layer may be disposed on both sides.
正極集電体12および負極集電体11は、各電極(正極および負極)と導通される正極集電板27および負極集電板25がそれぞれ取り付けられ、ラミネートシート29の端部に挟まれるようにしてラミネートシート29の外部に導出される構造を有している。正極集電板27および負極集電板25は、それぞれ必要に応じて正極リードおよび負極リード(図示せず)を介して、各電極の正極集電体12および負極集電体11に超音波溶接や抵抗溶接等により取り付けられていてもよい。 The positive electrode current collector 12 and the negative electrode current collector 11 are attached to the positive electrode current collector plate 27 and the negative electrode current collector plate 25 that are electrically connected to the respective electrodes (positive electrode and negative electrode), and are sandwiched between the end portions of the laminate sheet 29. Thus, it has a structure led out of the laminate sheet 29. The positive electrode current collector 27 and the negative electrode current collector 25 are ultrasonically welded to the positive electrode current collector 12 and the negative electrode current collector 11 of each electrode via a positive electrode lead and a negative electrode lead (not shown), respectively, as necessary. Or resistance welding or the like.
上記で説明したリチウムイオン二次電池は、負極に特徴を有する。以下、当該負極を含めた電池の主要な構成部材について説明する。 The lithium ion secondary battery described above is characterized by a negative electrode. Hereinafter, main components of the battery including the negative electrode will be described.
<活物質層>
活物質層13または15は活物質を含み、必要に応じてその他の添加剤をさらに含む。
<Active material layer>
The active material layer 13 or 15 contains an active material, and further contains other additives as necessary.
[正極活物質層]
正極活物質層15は、正極活物質を含む。
[Positive electrode active material layer]
The positive electrode active material layer 15 includes a positive electrode active material.
(正極活物質)
正極活物質としては、例えば、LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、Li(Ni−Mn−Co)O2およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの等のリチウム−遷移金属複合酸化物、リチウム−遷移金属リン酸化合物、リチウム−遷移金属硫酸化合物などが挙げられる。場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、リチウム−遷移金属複合酸化物が、正極活物質として用いられる。より好ましくはリチウムとニッケルとを含有する複合酸化物が用いられ、さらに好ましくはLi(Ni−Mn−Co)O2およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの(以下、単に「NMC複合酸化物」とも称する)が用いられる。NMC複合酸化物は、リチウム原子層と遷移金属(Mn、NiおよびCoが秩序正しく配置)原子層とが酸素原子層を介して交互に積み重なった層状結晶構造を持ち、遷移金属Mの1原子あたり1個のLi原子が含まれ、取り出せるLi量が、スピネル系リチウムマンガン酸化物の2倍、つまり供給能力が2倍になり、高い容量を持つことができる。
(Positive electrode active material)
Examples of the positive electrode active material include LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , Li (Ni—Mn—Co) O 2, and lithium-such as those obtained by replacing some of these transition metals with other elements. Examples include transition metal composite oxides, lithium-transition metal phosphate compounds, and lithium-transition metal sulfate compounds. In some cases, two or more positive electrode active materials may be used in combination. Preferably, a lithium-transition metal composite oxide is used as the positive electrode active material from the viewpoint of capacity and output characteristics. More preferably, a composite oxide containing lithium and nickel is used, and more preferably Li (Ni-Mn-Co) O 2 and a part of these transition metals substituted with other elements (hereinafter, Simply referred to as “NMC composite oxide”). The NMC composite oxide has a layered crystal structure in which a lithium atomic layer and a transition metal (Mn, Ni, and Co are arranged in order) are stacked alternately via an oxygen atomic layer. One Li atom is contained, and the amount of Li that can be taken out is twice that of the spinel lithium manganese oxide, that is, the supply capacity is doubled, so that a high capacity can be obtained.
NMC複合酸化物は、上述したように、遷移金属元素の一部が他の金属元素により置換されている複合酸化物も含む。その場合の他の元素としては、Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Cr、Fe、B、Ga、In、Si、Mo、Y、Sn、V、Cu、Ag、Znなどが挙げられ、好ましくは、Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Crであり、より好ましくは、Ti、Zr、P、Al、Mg、Crであり、サイクル特性向上の観点から、さらに好ましくは、Ti、Zr、Al、Mg、Crである。 As described above, the NMC composite oxide includes a composite oxide in which a part of the transition metal element is substituted with another metal element. Other elements in that case include Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, Cr, Fe, B, Ga, In, Si, Mo, Y, Sn, V, Cu , Ag, Zn, etc., preferably Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, Cr, more preferably Ti, Zr, P, Al, Mg, From the viewpoint of improving cycle characteristics, Ti, Zr, Al, Mg, and Cr are more preferable.
NMC複合酸化物は、理論放電容量が高いことから、好ましくは、一般式(1):LiaNibMncCodMxO2(但し、式中、a、b、c、d、xは、0.9≦a≦1.2、0<b<1、0<c≦0.5、0<d≦0.5、0≦x≦0.3、b+c+d=1を満たす。MはTi、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Crから選ばれる元素で少なくとも1種類である)で表される組成を有する。ここで、aは、Liの原子比を表し、bは、Niの原子比を表し、cは、Mnの原子比を表し、dは、Coの原子比を表し、xは、Mの原子比を表す。サイクル特性の観点からは、一般式(1)において、0.4≦b≦0.6であることが好ましい。なお、各元素の組成は、例えば、誘導結合プラズマ(ICP)発光分析法により測定できる。 Since the NMC composite oxide has a high theoretical discharge capacity, it is preferable that the general formula (1): Li a Ni b Mn c Co d M x O 2 (where a, b, c, d, x Satisfies 0.9 ≦ a ≦ 1.2, 0 <b <1, 0 <c ≦ 0.5, 0 <d ≦ 0.5, 0 ≦ x ≦ 0.3, and b + c + d = 1. And at least one element selected from Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, and Cr. Here, a represents the atomic ratio of Li, b represents the atomic ratio of Ni, c represents the atomic ratio of Mn, d represents the atomic ratio of Co, and x represents the atomic ratio of M. Represents. From the viewpoint of cycle characteristics, it is preferable that 0.4 ≦ b ≦ 0.6 in the general formula (1). The composition of each element can be measured by, for example, inductively coupled plasma (ICP) emission spectrometry.
一般に、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)およびマンガン(Mn)は、材料の純度向上および電子伝導性向上という観点から、容量および出力特性に寄与することが知られている。Ti等は、結晶格子中の遷移金属を一部置換するものである。サイクル特性の観点からは、遷移元素の一部が他の金属元素により置換されていることが好ましく、特に一般式(1)において0<x≦0.3であることが好ましい。Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、SrおよびCrからなる群から選ばれる少なくとも1種が固溶することにより結晶構造が安定化されるため、その結果、充放電を繰り返しても電池の容量低下が防止でき、優れたサイクル特性が実現し得ると考えられる。 In general, nickel (Ni), cobalt (Co), and manganese (Mn) are known to contribute to capacity and output characteristics from the viewpoint of improving the purity of materials and improving electronic conductivity. Ti or the like partially replaces the transition metal in the crystal lattice. From the viewpoint of cycle characteristics, it is preferable that a part of the transition element is substituted with another metal element, and it is particularly preferable that 0 <x ≦ 0.3 in the general formula (1). Since at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, and Cr is dissolved, the crystal structure is stabilized. It is considered that the battery capacity can be prevented from decreasing even if the above is repeated, and that excellent cycle characteristics can be realized.
より好ましい実施形態としては、一般式(1)において、b、cおよびdが、0.44≦b≦0.51、0.27≦c≦0.31、0.19≦d≦0.26であることが、容量と寿命特性とのバランスを向上させるという観点からは好ましい。例えば、LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2は、一般的な民生電池で実績のあるLiCoO2、LiMn2O4、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2などと比較して、単位重量あたりの容量が大きく、エネルギー密度の向上が可能となることでコンパクトかつ高容量の電池を作製できるという利点を有しており、航続距離の観点からも好ましい。なお、より容量が大きいという点ではLiNi0.8Co0.1Al0.1O2がより有利であるが、寿命特性に難がある。これに対し、LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2はLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2並みに優れた寿命特性を有しているのである。 As a more preferable embodiment, in the general formula (1), b, c and d are 0.44 ≦ b ≦ 0.51, 0.27 ≦ c ≦ 0.31, 0.19 ≦ d ≦ 0.26. It is preferable from the viewpoint of improving the balance between capacity and life characteristics. For example, LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 is LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2, etc. that have been proven in general consumer batteries. Compared to the above, the capacity per unit weight is large, and the energy density can be improved, so that a battery having a compact and high capacity can be produced, which is preferable from the viewpoint of cruising distance. In addition, LiNi 0.8 Co 0.1 Al 0.1 O 2 is more advantageous in terms of a larger capacity, but there are difficulties in life characteristics. On the other hand, LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 has life characteristics as excellent as LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 .
場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、リチウム−遷移金属複合酸化物が、正極活物質として用いられる。なお、上記以外の正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。 In some cases, two or more positive electrode active materials may be used in combination. Preferably, a lithium-transition metal composite oxide is used as the positive electrode active material from the viewpoint of capacity and output characteristics. Of course, positive electrode active materials other than those described above may be used.
正極活物質層15に含まれる正極活物質の平均粒子径は特に制限されないが、高出力化の観点からは、好ましくは1〜30μmであり、より好ましくは5〜20μmである。なお、本明細書において、「粒子径」とは、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用いて観察される活物質粒子(観察面)の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離を意味する。また、本明細書において、「平均粒子径」の値は、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。他の構成成分の粒子径や平均粒子径も同様に定義することができる。 The average particle diameter of the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer 15 is not particularly limited, but is preferably 1 to 30 μm, more preferably 5 to 20 μm from the viewpoint of increasing the output. In the present specification, the “particle diameter” refers to the outline of the active material particles (observation surface) observed using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). It means the maximum distance among any two points. In this specification, the value of “average particle diameter” is the value of particles observed in several to several tens of fields using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). The value calculated as the average value of the particle diameter shall be adopted. The particle diameters and average particle diameters of other components can be defined in the same manner.
正極活物質層15は、バインダを含みうる。 The positive electrode active material layer 15 can include a binder.
(バインダ)
バインダは、活物質同士または活物質と集電体とを結着させて電極構造を維持する目的で添加される。正極活物質層に用いられるバインダとしては、特に限定されないが、例えば、以下の材料が挙げられる。ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、セルロース、カルボキシメチルセルロース(CMC)、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物などの熱可塑性高分子、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−HFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFMVE−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂等が挙げられる。中でも、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミド、スチレン・ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、ポリアミドイミドであることがより好ましい。これらの好適なバインダは、耐熱性に優れ、さらに電位窓が非常に広く正極電位、負極電位双方に安定であり活物質層に使用が可能となる。これらのバインダは、1種単独で用いてもよいし、2種併用してもよい。
(Binder)
The binder is added for the purpose of maintaining the electrode structure by binding the active materials or the active material and the current collector. Although it does not specifically limit as a binder used for a positive electrode active material layer, For example, the following materials are mentioned. Polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate (PET), polyether nitrile (PEN), polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, polyamideimide, cellulose, carboxymethylcellulose (CMC), ethylene-vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, styrene / butadiene Rubber (SBR), isoprene rubber, butadiene rubber, ethylene / propylene rubber, ethylene / propylene / diene copolymer, styrene / butadiene / styrene block copolymer and hydrogenated product thereof, styrene / isoprene / styrene block copolymer and Thermoplastic polymers such as hydrogenated products, polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene hexafluoropropylene Copolymer (FEP), tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene / chlorotrifluoroethylene Fluororesin such as copolymer (ECTFE), polyvinyl fluoride (PVF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-based fluororubber (VDF-HFP-based fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluorine Rubber (VDF-HFP-TFE fluorine rubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene fluorine rubber (VDF-PFP fluorine rubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-teto Fluoroethylene fluororubber (VDF-PFP-TFE fluororubber), vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene fluororubber (VDF-PFMVE-TFE fluororubber), vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene Vinylidene fluoride-based fluororubbers such as epoxy-based fluororubbers (VDF-CTFE-based fluororubbers), and epoxy resins. Among these, polyvinylidene fluoride, polyimide, styrene / butadiene rubber, carboxymethyl cellulose, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, polyamide, and polyamideimide are more preferable. These suitable binders are excellent in heat resistance, have a very wide potential window, are stable at both the positive electrode potential and the negative electrode potential, and can be used for the active material layer. These binders may be used alone or in combination of two.
正極活物質層中に含まれるバインダ量は、活物質を結着することができる量であれば特に限定されるものではないが、好ましくは活物質層に対して、0.5〜15質量%であり、より好ましくは1〜10質量%である。 The amount of the binder contained in the positive electrode active material layer is not particularly limited as long as it is an amount capable of binding the active material, but is preferably 0.5 to 15% by mass with respect to the active material layer. More preferably, it is 1-10 mass%.
正極(正極活物質層)は、通常のスラリーを塗布(コーティング)する方法のほか、混練法、スパッタ法、蒸着法、CVD法、PVD法、イオンプレーティング法および溶射法のいずれかの方法によって形成することができる。 The positive electrode (positive electrode active material layer) can be applied by any one of a kneading method, a sputtering method, a vapor deposition method, a CVD method, a PVD method, an ion plating method, and a thermal spraying method in addition to a method of applying (coating) a normal slurry. Can be formed.
[負極活物質層]
負極活物質層13は、負極活物質を含む。
[Negative electrode active material layer]
The negative electrode active material layer 13 includes a negative electrode active material.
(負極活物質)
本実施形態において、負極活物質は、Si−Sn−M(Mは1または2以上の遷移金属元素である)−Alで表される四元系の合金組成を有し、その微細組織が、遷移金属のケイ化物(シリサイド)を主成分とする第一の相(シリサイド相ともいう)と、Alを含み、非晶質または低結晶性のSiを主成分とする第二の相(Si相又はa−Si相(アモルファスSi相)ともいう)と、Snを主成分とする第三の相(Sn相ともいう)とを有し、さらに、一部が複数の独立した第一の相、及び、一部が第一の相と第二の相との共晶組織となっており、前記共晶組織中に、第三の相が、第一の相及び第二の相よりも微細に分散しているSi含有合金からなるものである。
(Negative electrode active material)
In this embodiment, the negative electrode active material has a quaternary alloy composition represented by Si-Sn-M (M is one or more transition metal elements) -Al, and the microstructure is A first phase (also referred to as a silicide phase) containing transition metal silicide (silicide) as a main component and a second phase (Si phase) containing Al and containing amorphous or low-crystalline Si as a main component Or a-Si phase (also referred to as amorphous Si phase)) and a third phase (also referred to as Sn phase) containing Sn as a main component, and a part of the plurality of independent first phases, And a part is a eutectic structure of the first phase and the second phase, and in the eutectic structure, the third phase is finer than the first phase and the second phase. It is made of a dispersed Si-containing alloy.
本実施形態では、第一の相(シリサイド相)が遷移金属のケイ化物(シリサイド)を主成分とすることから、Mは、Siとの間でシリサイドを形成する遷移金属(シリサイド形成元素という)を1種以上有するものである。すなわち、Mが、1つの遷移金属元素である場合、第一の相(シリサイド相)を構成するシリサイド形成元素である。またMが、2以上の遷移金属元素である場合、少なくとも1種は第一の相(シリサイド相)を構成するシリサイド形成元素である。残る遷移金属元素は、第二の相(a−Si相)ないし第三の相(Sn相)に含まれる遷移金属元素であってもよいし、第一の相(シリサイド相)を構成するシリサイド形成元素であってもよい。あるいは、第一の相、第二の相及び第三の相以外の遷移金属が晶出した相(遷移金属相)を構成する遷移金属元素であってもよい。 In this embodiment, since the first phase (silicide phase) is mainly composed of a transition metal silicide (silicide), M is a transition metal that forms silicide with Si (referred to as a silicide-forming element). It has 1 or more types. That is, when M is one transition metal element, it is a silicide forming element constituting the first phase (silicide phase). Further, when M is two or more transition metal elements, at least one kind is a silicide forming element constituting the first phase (silicide phase). The remaining transition metal element may be a transition metal element contained in the second phase (a-Si phase) or the third phase (Sn phase), or the silicide constituting the first phase (silicide phase). It may be a forming element. Or the transition metal element which comprises the phase (transition metal phase) which transition metals other than the 1st phase, the 2nd phase, and the 3rd phase crystallized may be sufficient.
上述したように、本実施形態における負極活物質を構成するSi含有合金は、まず、Si−Sn−M(Mは1または2以上の遷移金属元素である)−Alで表される四元系の合金組成を有している。より具体的には、本実施形態における負極活物質を構成するSi含有合金は、Si−Sn−M(Mは1または2以上の遷移金属元素である)−Al合金であって、下記化学式(2)で表される組成を有するものである。 As described above, the Si-containing alloy constituting the negative electrode active material in the present embodiment is first a quaternary system represented by Si—Sn—M (M is one or more transition metal elements) —Al. The alloy composition is as follows. More specifically, the Si-containing alloy constituting the negative electrode active material in the present embodiment is a Si—Sn—M (M is one or two or more transition metal elements) —Al alloy having the following chemical formula ( It has a composition represented by 2).
上記化学式(1)において、Aは、不可避不純物であり、Mは、1または2以上の遷移金属元素であり、x、y、z、wおよびaは、質量%の値を表し、この際、0<x<100、0<y<100、0<z<100、0<w<100であり、aは残部であり、x+y+z+w+a=100である。 In the chemical formula (1), A is an inevitable impurity, M is one or more transition metal elements, and x, y, z, w, and a represent mass% values, 0 <x <100, 0 <y <100, 0 <z <100, 0 <w <100, a is the remainder, and x + y + z + w + a = 100.
好ましくは、前記Si含有合金は、Si−Sn−Ti−Al合金であって、下記化学式(1)で表される組成を有するものである。 Preferably, the Si-containing alloy is a Si—Sn—Ti—Al alloy and has a composition represented by the following chemical formula (1).
上記化学式(1)において、Aは、不可避不純物であり、x、y、z、wおよびaは、質量%の値を表し、この際、x、y、z、wは、それぞれ58≦x≦68、2≦y≦10、25≦z≦35、0.3≦w≦3であり、aは残部であり、x+y+z+w+a=100である。 In the above chemical formula (1), A is an inevitable impurity, and x, y, z, w and a represent mass% values, where x, y, z and w are 58 ≦ x ≦, respectively. 68, 2 ≦ y ≦ 10, 25 ≦ z ≦ 35, 0.3 ≦ w ≦ 3, a is the remainder, and x + y + z + w + a = 100.
上記化学式(2)から明らかなように、本実施形態に係るSi含有合金(SixSnyMzAlwAaの組成を有するもの)は、Si、Sn、M(遷移金属)およびAlの四元系である。かような組成を有することで、高いサイクル耐久性の実現が可能となる。 As apparent from the chemical formula (2), the Si-containing alloy (having a composition of Si x Sn y M z Al w A a ) according to the present embodiment is composed of Si, Sn, M (transition metal), and Al. It is a quaternary system. By having such a composition, high cycle durability can be realized.
また、本明細書において「不可避不純物」とは、Si含有合金において、原料中に存在したり、製造工程において不可避的に混入したりするものを意味する。当該不可避不純物は、本来は不要なものであるが、微量であり、Si合金の特性に影響を及ぼさないため、許容されている不純物である。 Further, in the present specification, the “inevitable impurities” means an Si-containing alloy that exists in a raw material or is inevitably mixed in a manufacturing process. The inevitable impurities are originally unnecessary impurities, but are a very small amount and do not affect the characteristics of the Si alloy.
本実施形態において特に好ましくは、負極活物質(Si含有合金)への添加元素(M;遷移金属)としてシリサイド形成元素の1種であるTiを選択することで、Li合金化の際に、アモルファス−結晶の相転移を抑制してサイクル寿命を向上させることができる。また、これによって、従来の負極活物質(例えば、炭素系負極活物質)よりも高容量のものとなる。したがって、本発明の好ましい実施形態によると、上記化学式(2)で表される組成において、Mがチタン(Ti)であることが好ましい。特に、負極活物質(Si含有合金)への添加元素としてTiを選択し、さらに第2添加元素としてSn、第3添加元素としてAlを添加することで、Li合金化の際に、より一層アモルファス−結晶の相転移を抑制してサイクル寿命を向上させることができる。また、これによって、従来の負極活物質(例えば、炭素系負極活物質)よりも高容量のものとなる。したがって、本発明の好ましい実施形態によると、上記化学式(2)で表される組成において、Mがチタン(Ti)であることが好ましい。 In the present embodiment, it is particularly preferable to select Ti, which is one of silicide forming elements, as an additive element (M: transition metal) to the negative electrode active material (Si-containing alloy). -The cycle life can be improved by suppressing the phase transition of the crystal. This also increases the capacity of conventional negative electrode active materials (for example, carbon-based negative electrode active materials). Therefore, according to a preferred embodiment of the present invention, in the composition represented by the chemical formula (2), M is preferably titanium (Ti). In particular, when Ti is selected as the additive element to the negative electrode active material (Si-containing alloy), Sn is added as the second additive element, and Al is added as the third additive element, it becomes even more amorphous during Li alloying. -The cycle life can be improved by suppressing the phase transition of the crystal. This also increases the capacity of conventional negative electrode active materials (for example, carbon-based negative electrode active materials). Therefore, according to a preferred embodiment of the present invention, in the composition represented by the chemical formula (2), M is preferably titanium (Ti).
ここで、Si系負極活物質では、充電時にSiとLiとが合金化する際、Si相がアモルファス状態から結晶状態へと転移して大きな体積変化(約4倍)を起こす。その結果、活物質粒子自体が壊れてしまい、活物質としての機能が失われてしまうという問題がある。このため、負極活物質が上記化学式(2)、好ましくは化学式(1)で表される組成及び上記微細組織を有することにより、充電時におけるSi相のアモルファス−結晶の相転移を抑制することで粒子自体の崩壊を抑制することができ、活物質としての機能(高容量)が保持され、サイクル寿命も向上させることができる。 Here, in the Si-based negative electrode active material, when Si and Li are alloyed during charging, the Si phase transitions from the amorphous state to the crystalline state, causing a large volume change (about 4 times). As a result, there is a problem that the active material particles themselves are broken and the function as the active material is lost. For this reason, the negative electrode active material has the composition represented by the chemical formula (2), preferably the chemical formula (1) and the fine structure, thereby suppressing the phase transition of the Si-phase amorphous-crystal during charging. The collapse of the particles themselves can be suppressed, the function (high capacity) as an active material is maintained, and the cycle life can be improved.
上述したように、本実施形態に係るSi含有合金(SixSnyMzAlwAaの組成を有するもの)は、Si、Sn、M(遷移金属、好ましくはTi)およびAlの四元系である。ここで、各構成元素の構成比(質量比x、y、z、w,a)の合計は100質量%であるが、x、y、z、wのそれぞれの値について特に制限はないが、好ましくは以下の通りである。 As described above, the Si-containing alloy (having the composition of Si x Sn y M z Al w A a ) according to the present embodiment is a quaternary of Si, Sn, M (transition metal, preferably Ti) and Al. It is a system. Here, the sum of the constituent ratios of each constituent element (mass ratio x, y, z, w, a) is 100% by mass, but there is no particular limitation on each value of x, y, z, w. Preferably, it is as follows.
上記化学式(2)、好ましくは化学式(1)で表される組成において、x(Siの組成比;質量%)は、好ましくは68以下であり、より好ましくは67以下であり、さらに好ましくは66以下である。また、xは、好ましくは58以上であり、より好ましくは58.5以上であり、より好ましくは59以上である。かかる範囲であると、充放電(Liイオンの挿入脱離)に対する耐久性の保持および初期容量のバランスという点で優れており、耐久性を十分に向上させ高容量を得ることができ、本発明の効果をより効率的に発現することができる。 In the composition represented by the above chemical formula (2), preferably the chemical formula (1), x (Si composition ratio; mass%) is preferably 68 or less, more preferably 67 or less, and even more preferably 66. It is as follows. Further, x is preferably 58 or more, more preferably 58.5 or more, and more preferably 59 or more. Within such a range, it is excellent in terms of maintaining durability against charge / discharge (insertion / desorption of Li ions) and balance of initial capacity, and can sufficiently improve durability and obtain a high capacity. The effect of can be expressed more efficiently.
上記化学式(2)、好ましくは化学式(1)で表される組成において、y(Snの組成比;質量%)は、好ましくは10以下であり、より好ましくは9以下であり、更に好ましくは8.5以下である。また、yは、好ましくは2以上、さらに好ましくは3以上である。かかる範囲であると、第二の相(Si相)中に固溶し、該Si相中のSi正四面体間距離を増大させることにより、充放電時の可逆的Liイオンの挿入脱離を可能にするという点で優れている。これにより、耐久性を十分に向上させることができ、本発明の効果をより効率的に発現することができる。 In the composition represented by the above chemical formula (2), preferably the chemical formula (1), y (Sn composition ratio; mass%) is preferably 10 or less, more preferably 9 or less, and still more preferably 8 .5 or less. Moreover, y is preferably 2 or more, more preferably 3 or more. Within such a range, reversible insertion and desorption of Li ions during charge / discharge is achieved by increasing the distance between Si tetrahedrons in the Si phase by solid solution in the second phase (Si phase). It is excellent in that it is possible. Thereby, durability can fully be improved and the effect of the present invention can be expressed more efficiently.
上記化学式(2)、好ましくは化学式(1)で表される組成において、z(遷移金属元素M、好ましくはTiの組成比;質量%)は好ましくは35以下であり、より好ましくは34以下であり、更に好ましくは33以下であり、さらに好ましくは32以下であり、特に好ましくは31以下である。また、zは、好ましくは25以上であり、より好ましくは28以上であり、さらに好ましくは29以上である。かかる範囲であると、充放電(Liイオンの挿入脱離)に対する耐久性の保持および初期容量のバランスという点で優れており、耐久性を十分に向上させ高容量を得ることができ、本発明の効果をより効率的に発現することができる。 In the composition represented by the chemical formula (2), preferably the chemical formula (1), z (composition ratio of transition metal element M, preferably Ti; mass%) is preferably 35 or less, more preferably 34 or less. Yes, more preferably 33 or less, still more preferably 32 or less, and particularly preferably 31 or less. Z is preferably 25 or more, more preferably 28 or more, and still more preferably 29 or more. Within such a range, it is excellent in terms of maintaining durability against charge / discharge (insertion / desorption of Li ions) and balance of initial capacity, and can sufficiently improve durability and obtain a high capacity. The effect of can be expressed more efficiently.
上記化学式(2)、好ましくは化学式(1)で表される組成において、w(Alの組成比;質量%)は、好ましくは3以下であり、より好ましくは2.5以下である。さらに好ましくは2.0以下である。また、wは、好ましくは0.3以上であり、より好ましくは0.35以上であり、より好ましくは0.4以上である。かかる範囲であると、初晶シリサイド析出物(第一の相)を微細化でき、また、シリサイドの共晶比率を大きいままに保つことが可能であり、かつ、アモルファス化のための臨界冷却速度を小さくできるという点で優れており、耐久性を十分に向上させることができ、本発明の効果をより効率的に発現することができる。 In the composition represented by the above chemical formula (2), preferably the chemical formula (1), w (Al composition ratio; mass%) is preferably 3 or less, more preferably 2.5 or less. More preferably, it is 2.0 or less. Further, w is preferably 0.3 or more, more preferably 0.35 or more, and more preferably 0.4 or more. Within such a range, the primary crystal silicide precipitate (first phase) can be refined, the eutectic ratio of the silicide can be kept large, and the critical cooling rate for amorphization is achieved. Is excellent in that it can be reduced, the durability can be sufficiently improved, and the effects of the present invention can be expressed more efficiently.
上記化学式(2)、好ましくは化学式(1)で表される組成において、x+y+z+wは、最大100(100を超えない)である。 In the composition represented by the chemical formula (2), preferably the chemical formula (1), x + y + z + w is a maximum of 100 (not exceeding 100).
上記したように、Siを主成分としつつ、遷移金属元素M、特にTiを比較的多めに含ませ、Snについてもある程度含ませ、なおかつAlを少量含ませることで、本実施形態に係るSi含有合金の微細組織構造を得やすくなるため好ましい。またSi含有合金の主成分Siへの添加元素として遷移金属元素M(特にTi)を選択し、第2添加元素としてSnを上記範囲内で添加し、第3添加元素としてAlを上記範囲内で少量添加することで、Si相中の一部にAl(更にSn)を十分に分散(固溶)することができる。更にAlが入ることでシリサイド相(第一の相)とSi相(第二の相)との共晶組織中に、Sn相(第三の相)が、共晶シリサイド相(第一の相)及び共晶Si相(第二の相)よりも微細に分散(固溶)することができる。即ち、Sn相は、Si相中の分散(固溶)するほか、Si相中に結晶性Snとして偏析することなく微細組織中に、共晶組織のシリサイド相とSi相との境界部分、更には独立したシリサイド相と共晶組織との境界部分などにも微細に分散する。またSn相についてはSn活物質として機能することから、高容量を維持しつつ、十分なサイクル耐久性を得ることができる。また、Alは共晶Si相の全域に割と均一に分散することができる。そのため、Si−Sn−Ti合金にAlを添加するで、Si合金のアモルファスのアモルファス形成能が増大でき、アモルファス度合いを高められる。そのため、充放電に伴うLiの挿入脱離に対しても、a−Si相(第二の相)の化学構造が変化しにくくなり、さらに高いサイクル耐久性が得られる。Si相中に分散、固溶しなかったAlは、Si相中に結晶性Alとして偏析することなく、微細組織中に共晶組織のシリサイド相とSi相との境界部分、更には独立したシリサイド相と共晶組織との境界部分などにも分散(晶出)する。ただし、上述した各構成元素の組成比の好適な数値範囲はあくまでも、好ましい各実施形態を説明するものに過ぎず、特許請求の範囲に含まれている限り、本発明の技術的範囲内のものである。 As described above, Si is a main component, transition metal element M, in particular, Ti is relatively included, Sn is also included to some extent, and a small amount of Al is included. This is preferable because the microstructure of the alloy can be easily obtained. Further, the transition metal element M (especially Ti) is selected as the additive element to the main component Si of the Si-containing alloy, Sn is added as the second additive element within the above range, and Al as the third additive element is within the above range. By adding a small amount, Al (further Sn) can be sufficiently dispersed (solid solution) in a part of the Si phase. Further, when Al enters, the Sn phase (third phase) becomes the eutectic silicide phase (first phase) in the eutectic structure of the silicide phase (first phase) and the Si phase (second phase). ) And the eutectic Si phase (second phase). That is, the Sn phase is dispersed (solid solution) in the Si phase, and is not segregated as crystalline Sn in the Si phase, but in the microstructure, the boundary portion between the silicide phase of the eutectic structure and the Si phase, Is finely dispersed in the boundary portion between the independent silicide phase and the eutectic structure. Further, since the Sn phase functions as an Sn active material, sufficient cycle durability can be obtained while maintaining a high capacity. Moreover, Al can be dispersed relatively uniformly over the entire eutectic Si phase. Therefore, by adding Al to the Si—Sn—Ti alloy, the amorphous forming ability of the amorphous Si alloy can be increased, and the degree of amorphousness can be increased. Therefore, the chemical structure of the a-Si phase (second phase) is less likely to change even when Li is inserted and desorbed due to charge and discharge, and higher cycle durability is obtained. Al that is not dispersed or dissolved in the Si phase does not segregate as crystalline Al in the Si phase, and does not segregate in the microstructure, but the boundary between the silicide phase of the eutectic structure and the Si phase, and an independent silicide. Disperses (crystallizes) at the boundary between the phase and the eutectic structure. However, the preferred numerical ranges of the composition ratios of the constituent elements described above are merely for explaining the preferred embodiments, and are within the technical scope of the present invention as long as they are included in the claims. It is.
なお、上記化学式(2)、好ましくは化学式(1)で表される組成において、Aは上述のように、原料や製法に由来する上記4成分以外の不純物(不可避不純物)である。上記化学式(2)、好ましくは化学式(1)で表される組成において、a(質量%)は、好ましくは0.5未満であり、より好ましくは0.1未満である。 In the composition represented by the chemical formula (2), preferably the chemical formula (1), as described above, A is an impurity (inevitable impurity) other than the four components derived from the raw materials and the manufacturing method. In the composition represented by the chemical formula (2), preferably the chemical formula (1), a (mass%) is preferably less than 0.5, and more preferably less than 0.1.
負極活物質(Si含有合金)が上記化学式(2)、好ましくは化学式(1)で表される組成を有するか否かは、蛍光X線分析(XRF)による定性分析、および誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析法による定量分析により確認することが可能である。 Whether or not the negative electrode active material (Si-containing alloy) has the composition represented by the chemical formula (2), preferably the chemical formula (1), is determined by qualitative analysis by fluorescent X-ray analysis (XRF) and inductively coupled plasma (ICP). ) It can be confirmed by quantitative analysis by emission spectroscopy.
(Si含有合金の微細組織構造)
図3(a)は、本実施形態のSi含有合金であるSiSnTiAl四元系合金の微細組織構造をHAADF−STEM及びEDXに基づき模式的に表した図面であり、図3(b)は、図3(a)の共晶組織部分の一部を拡大して模式的に表した図面である。図4(a)は、HAADF−STEM及びEDXに基づき、Alを含まないSiSnTi三元系合金の微細組織構造の一部を拡大して模式的に表した図面であり、図4(b)は、HAADF−STEM及びEDXに基づきSi含有合金であるSiSnTiAl四元系合金の微細組織構造の共晶組織部分の一部を拡大して模式的に表した図面である。図5(a)は、Si−Alの状態図であり、図5(b)は、Si−Snの状態図であり、図5(c)は、Al−Snの状態図である。
(Microstructure of Si-containing alloy)
FIG. 3A is a drawing schematically showing the microstructure of the SiSnTiAl quaternary alloy, which is the Si-containing alloy of the present embodiment, based on HAADF-STEM and EDX, and FIG. It is drawing which expanded and represented typically a part of eutectic structure part of 3 (a). FIG. 4A is a diagram schematically showing an enlarged part of the microstructure of the SiSnTi ternary alloy containing no Al based on HAADF-STEM and EDX, and FIG. 1 is an enlarged view schematically showing a part of a eutectic structure portion of a microstructure of a SiSnTiAl quaternary alloy that is a Si-containing alloy based on HAADF-STEM and EDX. 5A is a phase diagram of Si—Al, FIG. 5B is a phase diagram of Si—Sn, and FIG. 5C is a phase diagram of Al—Sn.
本実施形態における負極活物質を構成するSi含有合金は、図3(a)(b)や図4(b)に示すように、その微細組織31が、(1)遷移金属のケイ化物(シリサイド)を主成分とする第一の相(シリサイド相)を有する。また(2)一部にAl(更にSn)を含み(具体的にはSiの結晶構造の内部にAl(更にSn)が分散(固溶)してなる)、非晶質または低結晶性のSiを主成分とする第二の相(a−Si相)を有する。更に(3)Snを主成分とする第三の相(Sn相)を有する。さらに(4)一部が複数の独立した第一の相32、及び、(5)一部が第一の相34と第二の相35とが共晶組織33となっている。さらに、(6)共晶組織33中に、第三の相36が、第一の相34及び第二の相35よりも微細に分散していることを特徴とする。本実施形態のSi含有合金は、第二の相35が第一の相34と共晶化し、更に複数の独立した第一の相32の隙間に入る構成となっている(図3(a)参照)。また、第一の相(シリサイド相)32、34は、第二の相(a−Si相)35と比較して硬度および電子伝導性の観点で優れている。そのため、次のような作用メカニズムにより、本発明の効果を奏し得るといえる(実施例1の微細組織の図面参照)。即ち、合金の微細組織31が上記構成を有することにより、充放電過程における共晶組織33中の第二の相35、特に主成分のSi活物質の膨張を、共晶化した第一の相34が包み込むことで抑え込み、更に複数の独立した第一の相32が共晶組織中の第二の相35を包み込むことで抑え込む、いわば2段構えの抑え込みで抑制することができる。これにより、充電時にSiとLiとが合金化する際のアモルファス−結晶の相転移(Li15Si4への結晶化)が抑制される。その結果、充放電過程におけるSi含有合金の膨張収縮が低減され、かつ、導電性を有するシリサイドで構成される第一の相(シリサイド相)34により第二の相(a−Si相)35と共晶化することで、該第二の相(a−Si相)35、特に主成分のSi活物質を均一に反応させることができる。その結果、当該負極活物質が用いられる電気デバイスの高容量を示しつつ、サイクル耐久性を向上することができる。特にSiSnTi合金にAlと加えることで、第二の相(a−Si相)35の周辺に第三の相36が微細に分散すると、第二の相(a−Si相)35がアモルファス化しやすく耐久性に優れる。より詳しくは、第二の相(a−Si相)35がアモルファス化しやすくなるのは、第三の相36が分散するからだけではなく、第二の相(a−Si相)35にAlがほぼ均一に分散するからである(図5及びアモルファス形成能(臨界冷却速度)の計算結果参照のこと)。すなわち、Alは、液相状態ではAl−Siは隣接が安定、固相状態ではAl−SiよりAl−Al、Si−Si隣接が安定で、SiにAlが入った状態で急冷すると過冷却を大きくしてもSi結晶が生じにくくなり、アモルファス形成能が向上する。第二の相(a−Si相)35中にAlがほぼ均一に分散した結果として、第三の相(Sn相)36が微細に分散する(SnはTiと結合性のため、Si(第二の相)35とTiSi2相(第一の相)34の境界(周辺)に形成される)。第三の相(Sn相)36の微細分散は耐久性向上のために必要である、これは、第三の相(Sn相)36の主成分のSnは充放電での体積膨張が大きいためである。そのため、合金にAlが入ることでSn(第三の相)が共晶組織33中の第一の相や第二の相よりも微細に分散すると、さらに耐久性が向上する。一方、比較例1で用いたSiSnTi三元系合金では、図4(a)に示すように、その微細組織31’は、シリサイド相32’がSi相35’やSn相36’を包み込む(微細組織)構造とならないため、Si活物質の膨張を包み込みによる(2段構えの)抑え込みで抑制する効果が十分に発揮できないといえる。 As shown in FIGS. 3A and 3B and FIG. 4B, the Si-containing alloy constituting the negative electrode active material in this embodiment has a microstructure 31 of (1) a transition metal silicide (silicide). ) As a main component (silicide phase). Also, (2) a part of Al (further Sn) (specifically, Al (further Sn) is dispersed (solid solution) inside the Si crystal structure), amorphous or low crystalline It has the 2nd phase (a-Si phase) which has Si as a main component. Furthermore, (3) it has a third phase (Sn phase) containing Sn as a main component. Further, (4) a part of the plurality of independent first phases 32 and (5) a part of the first phase 34 and the second phase 35 form a eutectic structure 33. Furthermore, (6) the third phase 36 is more finely dispersed in the eutectic structure 33 than the first phase 34 and the second phase 35. The Si-containing alloy of the present embodiment has a configuration in which the second phase 35 is eutectic with the first phase 34 and further enters a plurality of independent first phase 32 gaps (FIG. 3A). reference). In addition, the first phases (silicide phases) 32 and 34 are superior to the second phase (a-Si phase) 35 in terms of hardness and electron conductivity. Therefore, it can be said that the effects of the present invention can be achieved by the following mechanism of action (see the microstructure drawing of Example 1). That is, since the microstructure 31 of the alloy has the above-described configuration, the expansion of the second phase 35 in the eutectic structure 33, particularly the main component Si active material in the charge / discharge process, is a first phase that is eutecticized. 34 can be suppressed by wrapping, and the plurality of independent first phases 32 can be suppressed by wrapping the second phase 35 in the eutectic structure. This suppresses the amorphous-crystal phase transition (crystallization to Li 15 Si 4 ) when Si and Li are alloyed during charging. As a result, the expansion and contraction of the Si-containing alloy in the charge / discharge process is reduced, and the first phase (silicide phase) 34 composed of the silicide having conductivity is combined with the second phase (a-Si phase) 35. By eutecticization, the second phase (a-Si phase) 35, in particular, the main component Si active material can be reacted uniformly. As a result, cycle durability can be improved while showing the high capacity | capacitance of the electric device in which the said negative electrode active material is used. In particular, by adding Al to the SiSnTi alloy, if the third phase 36 is finely dispersed around the second phase (a-Si phase) 35, the second phase (a-Si phase) 35 is likely to become amorphous. Excellent durability. More specifically, the second phase (a-Si phase) 35 is easily amorphized not only because the third phase 36 is dispersed, but also in the second phase (a-Si phase) 35. This is because the particles are dispersed almost uniformly (see FIG. 5 and the calculation result of the amorphous forming ability (critical cooling rate)). That is, Al is adjacent to Al—Si in the liquid phase state is more stable, Al—Al and Si—Si adjacent to Al—Si are more stable than Al—Si in the solid phase state, and when cooled rapidly with Al contained in Si, overcooling occurs. Even if it enlarges, it becomes difficult to produce Si crystal | crystallization, and an amorphous formation ability improves. As a result of Al being almost uniformly dispersed in the second phase (a-Si phase) 35, the third phase (Sn phase) 36 is finely dispersed (Sn is bonded to Ti, so Si (first phase)). A second phase) 35 and a TiSi 2 phase (first phase) 34 (formed at the boundary). The fine dispersion of the third phase (Sn phase) 36 is necessary for improving the durability. This is because the main component of the third phase (Sn phase) 36 has a large volume expansion during charge and discharge. It is. Therefore, if Sn (third phase) is dispersed more finely than the first phase and the second phase in the eutectic structure 33 due to Al entering the alloy, the durability is further improved. On the other hand, in the SiSnTi ternary alloy used in Comparative Example 1, as shown in FIG. 4A, in the microstructure 31 ′, the silicide phase 32 ′ wraps the Si phase 35 ′ and the Sn phase 36 ′ (fine It can be said that the effect of suppressing the expansion of the Si active material by wrapping (in a two-stage structure) cannot be sufficiently exhibited because the structure does not become a structure.
なお、Si含有合金がこのような微細組織構造を有しているか否かは、例えば、Si含有合金を高角度環状暗視野走査透過型電子顕微鏡(HAADF−STEM)を用いて観察した後、観察画像と同じ視野についてEDX(エネルギー分散型X線分光法)により元素強度マッピングを行うことにより確認することができる。 Whether or not the Si-containing alloy has such a microstructure is determined by, for example, observing the Si-containing alloy using a high-angle annular dark field scanning transmission electron microscope (HAADF-STEM). The same field of view as the image can be confirmed by performing element intensity mapping by EDX (energy dispersive X-ray spectroscopy).
以下、本実施形態において、上記微細組織構造を有するSi含有合金(負極活物質)について説明する。 Hereinafter, in the present embodiment, the Si-containing alloy (negative electrode active material) having the above microstructure will be described.
(1)遷移金属のケイ化物(シリサイド)を主成分とする第一の相(シリサイド相)
微細組織構造を有するSi含有合金において、第一の相(シリサイド相)は、遷移金属のケイ化物(シリサイド)を主成分とする。この第一の相(シリサイド相)は、第二の相(a−Si相)と比較して硬度および電子伝導性の点で優れている。このため、シリサイド相(第一の相)は、膨張時の応力に対して、a−Si相(第二の相)中のSi活物質の形状を維持する役割を担うとともに、a−Si相(特にSi活物質)の低い電子伝導性を改善することができる。さらに、このシリサイド相(第一の相)は、遷移金属のケイ化物(例えばTiSi2)を含むことで、a−Si相(第二の相)との親和性に優れ、特に充電時の体積膨張における(結晶)界面での割れを抑制することができる。
(1) First phase (silicide phase) mainly composed of transition metal silicide (silicide)
In the Si-containing alloy having a microstructure, the first phase (silicide phase) is mainly composed of a transition metal silicide (silicide). This first phase (silicide phase) is superior in terms of hardness and electronic conductivity compared to the second phase (a-Si phase). For this reason, the silicide phase (first phase) plays a role of maintaining the shape of the Si active material in the a-Si phase (second phase) against the stress at the time of expansion, and the a-Si phase. The low electronic conductivity of (especially Si active material) can be improved. Further, the silicide phase (first phase) includes a transition metal silicide (eg, TiSi 2 ), and thus has excellent affinity with the a-Si phase (second phase), and particularly has a volume during charging. Cracking at the (crystal) interface during expansion can be suppressed.
また、上述したように、上記化学式(2)、好ましくは化学式(1)で表される組成において、Mがチタン(Ti)であることが好ましい。特に、Si含有合金への添加元素としてTiを選択し、第2添加元素としてSnを添加し、第3添加元素としてAlを少量添加することで、Si含有合金の共晶組織において、第一の相および第二の相を(独立シリサイド相に比して)より微細化することができる。その結果、Li合金化(更に充放電)の際に、より一層アモルファス−結晶の相転移を抑制してサイクル寿命(耐久性)を向上させることができる。また、これによって、本発明の負極活物質(Si含有合金)は、従来の負極活物質(例えば、炭素系負極活物質)よりも高容量のものとなる。したがって、微細組織中の遷移金属のケイ化物(シリサイド)を主成分とするシリサイド相(第一の相)は、チタンシリサイド(TiSi2)であるのが好ましい。 As described above, in the composition represented by the chemical formula (2), preferably the chemical formula (1), M is preferably titanium (Ti). In particular, by selecting Ti as the additive element to the Si-containing alloy, adding Sn as the second additive element, and adding a small amount of Al as the third additive element, in the eutectic structure of the Si-containing alloy, The phase and the second phase can be made finer (compared to the independent silicide phase). As a result, the cycle life (durability) can be improved by further suppressing the amorphous-crystal phase transition during Li alloying (further charge / discharge). This also makes the negative electrode active material (Si-containing alloy) of the present invention have a higher capacity than conventional negative electrode active materials (for example, carbon-based negative electrode active materials). Therefore, it is preferable that the silicide phase (first phase) mainly composed of a transition metal silicide (silicide) in the microstructure is titanium silicide (TiSi 2 ).
上記シリサイド相(第一の相)において、シリサイドを「主成分とする」とは、シリサイド相の50質量%以上、好ましくは80質量%以上、さらに好ましくは90質量%以上、特に好ましくは95質量%以上、最も好ましくは98質量%以上がシリサイドである。なお、理想的にはシリサイドが100質量%である。しかし、合金中には、原料中に存在したり、製造工程において不可避的に混入したりする不可避不純物が含まれうる。よって、100質量%の第一の相を得るのは実際上、困難である。 In the above-described silicide phase (first phase), “having silicide as a main component” means 50 mass% or more, preferably 80 mass% or more, more preferably 90 mass% or more, particularly preferably 95 mass% of the silicide phase. % Or more, and most preferably 98% by mass or more is silicide. Ideally, the silicide is 100% by mass. However, the alloy may contain inevitable impurities that are present in the raw material or are inevitably mixed in the manufacturing process. Therefore, it is practically difficult to obtain 100% by mass of the first phase.
(2)一部にAlを含み、非晶質または低結晶性のSiを主成分とする第二の相(Si相又はa−Si相)
微細組織構造を有するSi含有合金において、第二の相(Si相)は、一部にAl(好ましくは更にSn)を含み、非晶質または低結晶性のSiを主成分とする。この第二の相(Si相)は、非晶質または低結晶性のSiを主成分として含有する相である。また、第二の相の一部にAl(好ましくは更にSn)を含むとは、具体的には、Al(好ましくは更にSn)がSi中に分散、固溶(固溶した状態で分散)している、或いはSi中に内包される形で(細かく)分散しているものであればよい。
(2) Second phase (Si phase or a-Si phase) containing Al in part and mainly containing amorphous or low crystalline Si
In the Si-containing alloy having a microstructure, the second phase (Si phase) partially contains Al (preferably Sn) and mainly contains amorphous or low-crystalline Si. This second phase (Si phase) is a phase containing amorphous or low crystalline Si as a main component. Further, Al (preferably further Sn) is included in a part of the second phase, specifically, Al (preferably further Sn) is dispersed in Si and dissolved (dispersed in a solid solution state). It is sufficient if it is dispersed or (finely) dispersed in the form of being included in Si.
この第二の相(Si相)は、本実施形態の電気デバイスであるリチウムイオン二次電池の作動時にリチウムイオンの吸蔵・放出に関与する相であり、電気化学的にLiと反応可能な相である。第二の相は、Siを主成分とするため重量あたりおよび体積あたりに多量のLiを吸蔵・放出することが可能である。ただし、Siは電子伝導性に乏しいことから、第二の相にはリンやホウ素などの微量の添加元素や遷移金属などが含まれていてもよい。なお、第二の相は、第一の相(シリサイド相)よりもアモルファス化していることが好ましい。かような構成とすることにより、負極活物質(Si含有合金)をより高容量なものとすることができる。第二の相が第一の相よりもアモルファス化しているか否かは、電子線回折分析(高角度環状暗視野走査透過型電子顕微鏡(HAADF−STEM)を用いた第一の相および第二の相のそれぞれの観察画像を高速フーリエ変換(FFT)して得られる回折図形)により確認することができる。具体的には、電子線回折分析によると、単結晶相についは二次元点配列のネットパターン(格子状のスポット)が得られ、多結晶相についてはデバイシェラーリング(回折環)が得られ、アモルファス相についてはハローパターンが得られる。これを利用することで、上記の確認が可能となるのである。 This second phase (Si phase) is a phase involved in occlusion / release of lithium ions during operation of the lithium ion secondary battery which is the electrical device of this embodiment, and is a phase capable of electrochemically reacting with Li. It is. Since the second phase is mainly composed of Si, a large amount of Li can be occluded and released per weight and per volume. However, since Si has poor electron conductivity, the second phase may contain a trace amount of additive elements such as phosphorus and boron, transition metals, and the like. Note that the second phase is preferably more amorphous than the first phase (silicide phase). By setting it as such a structure, a negative electrode active material (Si containing alloy) can be made into a higher capacity | capacitance. Whether or not the second phase is more amorphous than the first phase is determined by electron diffraction analysis (first phase and second phase using high angle annular dark field scanning transmission electron microscope (HAADF-STEM)). Each observation image of the phase can be confirmed by a diffraction pattern obtained by fast Fourier transform (FFT). Specifically, according to electron beam diffraction analysis, a net pattern (lattice spot) of a two-dimensional dot array is obtained for a single crystal phase, and a Debye-Scherrer ring (diffraction ring) is obtained for a polycrystalline phase, A halo pattern is obtained for the amorphous phase. By using this, the above confirmation becomes possible.
上述したように、上記化学式(2)、好ましくは化学式(1)で表される組成において、Mがチタン(Ti)であることが好ましい。特に、負極活物質(Si含有合金)への添加元素としてTiを選択し、第2添加元素としてSnを添加し、さらに第3添加元素としてAlを少量添加することで、Li合金化の際に、より一層アモルファス−結晶の相転移を抑制してサイクル寿命を向上させることができる。また、これによって、本発明の負極活物質(Si含有合金)は、従来の負極活物質(例えば、炭素系負極活物質)よりも高容量のものとなる。したがって、微細組織中の非晶質または低結晶性を主成分とするSi相(第二の相)は、より高いサイクル耐久性を実現するという観点から、非晶質(アモルファス)のSiを主成分とするのが好ましい。 As described above, in the composition represented by the chemical formula (2), preferably the chemical formula (1), M is preferably titanium (Ti). In particular, when Ti is formed by selecting Ti as an additive element to the negative electrode active material (Si-containing alloy), adding Sn as the second additive element, and further adding a small amount of Al as the third additive element. Further, the cycle life can be improved by further suppressing the amorphous-crystal phase transition. This also makes the negative electrode active material (Si-containing alloy) of the present invention have a higher capacity than conventional negative electrode active materials (for example, carbon-based negative electrode active materials). Accordingly, the Si phase (second phase) mainly composed of amorphous or low crystallinity in the microstructure is mainly made of amorphous Si from the viewpoint of realizing higher cycle durability. It is preferable to use it as a component.
以上のことから、上記微細組織中の、第一の相の遷移金属のケイ化物は、チタンシリサイド(TiSi2)であり、かつ、前記第二の相はAl、Snを含んだSi相であるのが好ましい。かかる構成とすることで、電気デバイスの高容量を示しつつ、サイクル耐久性を向上することができる。更に、上記微細組織中の、第一の相の遷移金属のケイ化物は、チタンシリサイドであり、かつ、前記第二の相は、Al、Snを含んだ、非晶質(アモルファス)なSiを主成分とするのが好ましい。かかる構成とすることで、電気デバイスの高容量を示しつつ、サイクル耐久性をより一層向上することができる。 From the above, the transition metal silicide of the first phase in the microstructure is titanium silicide (TiSi2), and the second phase is an Si phase containing Al and Sn. Is preferred. With such a configuration, cycle durability can be improved while exhibiting a high capacity of the electric device. Furthermore, the first phase transition metal silicide in the microstructure is titanium silicide, and the second phase is made of amorphous Si containing Al and Sn. The main component is preferable. With such a configuration, cycle durability can be further improved while showing a high capacity of the electric device.
上記a−Si相(第二の相)において、非晶質または低結晶性のSiを「主成分とする」とは、Si相の50質量%以上、好ましくは80質量%以上、さらに好ましくは90質量%以上、特に好ましくは95質量%以上、最も好ましくは98質量%以上が上記Siである。しかし、合金中には、原料中に存在したり、製造工程において不可避的に混入したりする不可避不純物が含まれうる。よって、100質量%の第二の相を得るのは実際上、困難である。 In the a-Si phase (second phase), “mainly composed of amorphous or low crystalline Si” means 50% by mass or more, preferably 80% by mass or more of the Si phase, more preferably The Si is 90% by mass or more, particularly preferably 95% by mass or more, and most preferably 98% by mass or more. However, the alloy may contain inevitable impurities that are present in the raw material or are inevitably mixed in the manufacturing process. Therefore, it is practically difficult to obtain 100% by mass of the second phase.
上記第二の相(Si相)において、「一部にAlを含み」としたのは、例えば図9(b)と図9(e)とを対比した場合、多くはSi相にAlをほとんど含まない部分(Si部分が活物質として機能する)であるが、Si相にAlを含む部分が見られるためである。特にAlは共晶部全域に割と均一に分散している。なお、共晶部内でAlがSiと重なる一部分で濃化している部分が認められる。この部分ではAlがSiと共晶化しているためと考えられる(図9(b)参照)。Si相にAlを含む部分では、Si中にAlが分散固溶している、或いはSi中に内包された形で分散している。また、共晶組織中のAlの残りの部分は、Si相ではなく、共晶組織中のシリサイド相内部、シリサイド相やSi相の境界部分など全体的に細かく微分散した形で晶出してAlを主成分とするAl相もしくはTiAlxSiy(x+y=2)化合物相を形成している。これは、微細組織全体で見た場合も同様で、共晶組織中のシリサイド相内部、シリサイド相やSi相の境界部分のほかに、独立したシリサイド相内部や独立したシリサイド相との境界部分などにも全体的に細かく微分散した形で晶出してAl相もしくはTiAlxSiy(x+y=2)化合物相を形成している。なお、Alを主成分とするAl相に加え、TiSi2の一部をAlが置換したような化合物TiAlxSiy(x+y=2)化合物相を加えたのは、Si−Al−TiのEDXマッピング合成像(図9(e))で3つの元素が重なっている部分があり、NIMS(物質材料研究機構)のホームページ(無機材料データベースで、TiAl0.3Si1.7化合物(C49−TiSi2と同じ結晶構造)が存在することが示されているためである。Alを「主成分とする」とは、Al相の50質量%以上、好ましくは80質量%以上、さらに好ましくは90質量%以上、特に好ましくは95質量%以上、最も好ましくは98質量%以上がSnである。しかし、合金中には、原料中に存在したり、製造工程において不可避的に混入したりする不可避不純物が含まれうる。よって、Alが100質量%のものを得るのは実際上、困難である。 In the second phase (Si phase), “partially contains Al” means that, for example, when comparing FIG. 9B and FIG. This is because it is a portion not included (Si portion functions as an active material), but a portion containing Al in the Si phase is observed. In particular, Al is relatively uniformly dispersed throughout the eutectic part. In the eutectic part, a portion where Al is overlapped with Si is concentrated. This is probably because Al is eutectic with Si in this portion (see FIG. 9B). In the portion containing Al in the Si phase, Al is dispersed and dissolved in Si, or is dispersed in the form of being included in Si. In addition, the remaining part of Al in the eutectic structure is not the Si phase, but crystallized in a finely finely dispersed form such as the inside of the silicide phase in the eutectic structure and the boundary part of the silicide phase or Si phase. An Al phase containing Ti as a main component or a TiAl x Si y (x + y = 2) compound phase is formed. This also applies to the entire microstructure. In addition to the inside of the silicide phase in the eutectic structure, the boundary between the silicide phase and the Si phase, the inside of the independent silicide phase and the boundary with the independent silicide phase, etc. In addition, it is crystallized in a finely dispersed form as a whole to form an Al phase or a TiAl x Si y (x + y = 2) compound phase. In addition to the Al phase containing Al as a main component, a compound TiAl x Si y (x + y = 2) compound phase in which a part of TiSi 2 is replaced with Al is added to EDX of Si—Al—Ti. In the mapping composite image (FIG. 9 (e)), there is a part where three elements overlap, and the homepage of NIMS (National Institute for Materials Science) (inorganic material database, TiAl 0.3 Si 1.7 compound (C49-TiSi by "main component" that is because it has been shown that the same crystalline structure and 2) are present .al, 50 wt% or more of Al phase, preferably 80 wt% or more, more preferably 90 mass % Or more, particularly preferably 95% by mass or more, and most preferably 98% by mass or more is Sn, however, it is present in the raw material or inevitably mixed in the manufacturing process. It may include inevitable impurities. Therefore, Al of get of 100 wt% in practice, it is difficult.
上記第二の相(Si相)は、Alを含んでいることが必須であるが、必ずしも、Snを含んでいる必要はないためである。第二の相にAlがほぼ均質に分散することで、第二の相の周辺部にSnを押し出し、この結果として、Snを主成分とする第三の相が第二の相の周辺(第一の相と第二の相の境目)に、第二の相よりも微細に分散するものと考えられる。 This is because the second phase (Si phase) must contain Al, but does not necessarily contain Sn. Al is almost uniformly dispersed in the second phase, so that Sn is pushed out to the periphery of the second phase. As a result, the third phase containing Sn as the main component is the periphery of the second phase (the first phase). It is considered that the first phase and the second phase are dispersed more finely than the second phase.
上記第二の相(Si相)において、「一部にSnを含み」得るとしたのは、例えば図8(b)と図8(e)とを対比した場合、多くはSi相にSnをほとんど含まない部分(Si部分が活物質として機能する)であるが、Si相にSnを含む部分が見られるためである。またSi相にSnを含む部分では、Si中にSnが分散固溶している、或いはSi中に内包された形で分散している(Sn−Si固溶体や内包されたSnが活物質として機能する)。Si相にSnが分布することで、第二の相(Si相)のアモルファス度を高めることができ耐久性に優れる。また、第二の相(Si相)中にSn(Siの結晶構造の内部に分散、固溶してなるSn)が含まれる場合、当該Snもカーボン負極材料(炭素負極材料)に比べて重量あたりおよび体積あたりに多量のLiを吸蔵・放出することが可能である。 In the second phase (Si phase), “a part of Sn can be included” is, for example, when comparing FIG. 8B and FIG. 8E, in many cases, Sn is contained in the Si phase. This is because it is a portion that hardly contains (Si portion functions as an active material), but a portion containing Sn in the Si phase can be seen. Moreover, in the part containing Sn in the Si phase, Sn is dispersed and dissolved in Si, or is dispersed in a form of being included in Si (Sn—Si solid solution or Sn included therein functions as an active material). To do). By distributing Sn in the Si phase, the degree of amorphousness of the second phase (Si phase) can be increased, and the durability is excellent. Moreover, when Sn (Sn which is dispersed and dissolved in the Si crystal structure) is contained in the second phase (Si phase), the Sn also has a weight compared to the carbon negative electrode material (carbon negative electrode material). A large amount of Li can be occluded and released per area and per volume.
(3)Snを主成分とする第三の相
微細組織構造を有するSi含有合金において、第三の相は、スズ(Sn)を主成分とする。この第三の相(Sn相)は、炭素系材料の負極活物質よりも高容量の負極活物質であり、Siよりも充放電時の膨張収縮が小さいSnを主成分としている点で優れている。Snを「主成分とする」とは、第三の相(Sn相)の50質量%以上、好ましくは80質量%以上、さらに好ましくは90質量%以上、特に好ましくは95質量%以上、最も好ましくは98質量%以上がSnである。しかし、合金中には、原料中に存在したり、製造工程において不可避的に混入したりする不可避不純物が含まれうる。よって、Snが100質量%のものを得るのは実際上、困難である。
(3) Third phase mainly composed of Sn In the Si-containing alloy having a microstructure, the third phase is mainly composed of tin (Sn). This third phase (Sn phase) is a negative electrode active material having a capacity higher than that of a carbon-based negative electrode active material, and is excellent in that it has Sn as a main component, which is smaller in expansion and contraction during charge / discharge than Si. Yes. “Sn as a main component” means 50 mass% or more of the third phase (Sn phase), preferably 80 mass% or more, more preferably 90 mass% or more, particularly preferably 95 mass% or more, most preferably 98 mass% or more is Sn. However, the alloy may contain inevitable impurities that are present in the raw material or are inevitably mixed in the manufacturing process. Therefore, it is practically difficult to obtain Sn having a mass of 100% by mass.
(4)一部が複数の独立した第一の相となっている構成について
上記Si含有合金は、微細組織中において、一部が複数の独立した第一の相となっていることを特徴の1つとするものである。微細組織中において一部が複数の独立したシリサイド相(第一の相)となっていることにより、充放電過程における共晶組織中の第二の相(a−Si相)の膨張を、複数の独立した第1の相が抑え込んで抑制することができる。またa−Si相(特にSi活物質)の低い電子伝導性を改善することができる。
(4) About the structure in which a part is a plurality of independent first phases The Si-containing alloy is characterized in that a part thereof is a plurality of independent first phases in the microstructure. One. Since a part of the microstructure is a plurality of independent silicide phases (first phases), a plurality of expansions of the second phase (a-Si phase) in the eutectic structure in the charge / discharge process are performed. The independent first phase can be suppressed and suppressed. Moreover, the low electronic conductivity of a-Si phase (especially Si active material) can be improved.
(5)一部が第一の相と第二の相とが共晶組織となっている構成について
上記Si含有合金は、微細組織中において、一部が第一の相と第二の相とが共晶組織となっていることを特徴の1つとするものである。微細組織中において一部が第一の相と第二の相とが共晶組織となっていることにより、充放電過程における共晶組織中の第二の相(a−Si相)の膨張を、共晶化した第一の相が抑え込んで抑制することができる。またa−Si相(特にSi活物質)の低い電子伝導性を改善することができる。さらにAl添加で、共晶組織中の第一の相(シリサイド相、例えばTiSi2相)が丸くなる(図3(b)、図8(b)(e)等参照)。共晶組織中の第一の相(シリサイド相)が丸くなることで、角部で発生する応力集中がなくなるので、耐久性がより一層向上するものと考えられる。
(5) Regarding a configuration in which a part of the first phase and the second phase have a eutectic structure, the Si-containing alloy includes a part of the first phase and the second phase in the microstructure. One of the features is that it has a eutectic structure. In the microstructure, a part of the first phase and the second phase have a eutectic structure, so that the expansion of the second phase (a-Si phase) in the eutectic structure in the charge / discharge process is caused. , The eutectic first phase can be suppressed and suppressed. Moreover, the low electronic conductivity of a-Si phase (especially Si active material) can be improved. Furthermore, by adding Al, the first phase (silicide phase, eg, TiSi 2 phase) in the eutectic structure is rounded (see FIGS. 3B, 8B, 8E, etc.). Since the first phase (silicide phase) in the eutectic structure is rounded, stress concentration generated at the corners is eliminated, and it is considered that the durability is further improved.
(6)共晶組織中に、第三の相が、第一の相及び第二の相よりも微細に分散している構成について
上記Si含有合金は、微細組織において、前記共晶組織中に、第三の相(Sn相)が、第一の相(シリサイド相)及び第二の相(Si相)よりも微細に分散していることを特徴の1つとするものである。これは、Si含有合金にAlが少量入ることで第三の相(Sn相)が共晶部中に微細に分散しているものである(図7(b)、図8(b)〜8(e)参照)。共晶組織中のSnは、第二の相(Si相)に一部含まれることもあるが、その多くは、第二の相(Si相)中ではなく、共晶組織中の第一の相や第二の相の境界部分などに晶出して、Snを主成分とするSn相(第三の相;活物質として機能する)を形成している(図8(e)参照)。これは、微細組織全体で見た場合も同様で、共晶組織中の第一の相や第二の相の境界部分のほかに、独立した第一の相との境界部分などにも晶出してSn相(第三の相;活物質として機能する)を形成している。第三の相(Sn相)もカーボン負極材料(炭素負極材料)に比べて重量あたりおよび体積あたりに多量のLiを吸蔵・放出することが可能である。
(6) About the structure in which the third phase is finely dispersed in the eutectic structure than in the first phase and the second phase The Si-containing alloy is in the fine structure in the eutectic structure. One of the characteristics is that the third phase (Sn phase) is more finely dispersed than the first phase (silicide phase) and the second phase (Si phase). This is because the third phase (Sn phase) is finely dispersed in the eutectic part due to the small amount of Al contained in the Si-containing alloy (FIGS. 7B and 8B-8). (See (e)). Sn in the eutectic structure may be partly contained in the second phase (Si phase), but most of the Sn is not in the second phase (Si phase) but in the first phase in the eutectic structure. Crystallized at the boundary between the phase and the second phase, etc., an Sn phase mainly composed of Sn (third phase; functioning as an active material) is formed (see FIG. 8E). This also applies to the entire microstructure. In addition to the boundary between the first and second phases in the eutectic structure, crystallization occurs at the boundary with the independent first phase. Thus, an Sn phase (third phase; functioning as an active material) is formed. The third phase (Sn phase) can also store and release a large amount of Li per weight and volume as compared with the carbon negative electrode material (carbon negative electrode material).
上記Si含有合金は、液体急冷ロール凝固法で、所定の合金原料を溶融し、所定の冷却速度で急冷し合金化することで、液相中に複数の独立した第一の相が初晶として晶出し、この独立した第一の相の隙間の液相に第一の相と第二の相の共晶組織が晶出し、更にこの共晶組織中に、第三の相が、第一の相及び第二の相よりも微細に分散して得られる。 The Si-containing alloy is obtained by melting a predetermined alloy raw material by a liquid quenching roll solidification method, quenching at a predetermined cooling rate, and alloying, so that a plurality of independent first phases become primary crystals in the liquid phase. Crystallization occurs, and the eutectic structure of the first phase and the second phase crystallizes in the liquid phase of the gap between the independent first phases, and further, the third phase becomes the first phase in the eutectic structure. It is obtained by finer dispersion than the phase and the second phase.
上記の一部が複数の独立した第一の相(シリサイド相)及び共晶組織中の第一の相(シリサイド相)には、それぞれ複数の相が存在していてもよく、例えば遷移金属元素MとSiとの組成比が異なる2相以上(例えば、MSi2およびMSi)が存在していてもよい。また、異なる遷移金属元素とのケイ化物を含むことにより、2相以上が存在していてもよい。ここで、第一の相(シリサイド相)に含まれる遷移金属の種類について特に制限はないが、好ましくはTi、Zr、Ni、Cu、およびFeからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、より好ましくはTiまたはZrであり、特に好ましくはTiである。これらの元素は、ケイ化物を形成した際に他の元素のケイ化物よりも高い電子伝導度を示し、かつ高い強度を有するものである。特に遷移金属元素がTiである場合のシリサイドであるTiSi2は、非常に優れた電子伝導性を示すため、好ましい。 A plurality of phases may exist in each of the above-described plurality of independent first phases (silicide phases) and first phases (silicide phases) in the eutectic structure, for example, transition metal elements Two or more phases (for example, MSi 2 and MSi) having different composition ratios of M and Si may exist. Moreover, two or more phases may exist by including a silicide with different transition metal elements. Here, the type of transition metal contained in the first phase (silicide phase) is not particularly limited, but is preferably at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Ni, Cu, and Fe, and more Ti or Zr is preferable, and Ti is particularly preferable. These elements exhibit higher electronic conductivity and higher strength than silicides of other elements when silicides are formed. In particular, TiSi 2 which is silicide when the transition metal element is Ti is preferable because it exhibits very excellent electron conductivity.
特に、遷移金属元素MがTiであり、シリサイド相に組成比が異なる2相以上(例えば、TiSi2およびTiSi)が存在する場合は、シリサイド相の50質量%以上、好ましくは80質量%以上、さらに好ましくは90質量%以上、特に好ましくは95質量%以上、最も好ましくは100質量%がTiSi2相である。 In particular, when the transition metal element M is Ti and there are two or more phases having different composition ratios in the silicide phase (for example, TiSi 2 and TiSi), the silicide phase is 50 mass% or more, preferably 80 mass% or more, More preferably, 90% by mass or more, particularly preferably 95% by mass or more, and most preferably 100% by mass is the TiSi 2 phase.
上記Si含有合金の微細組織が上記(1)〜(6)の構成(構造)を有することは、例えば、高分解能STEM(走査透過型電子顕微鏡)観察、EDX(エネルギー分散型X線分光法)による元素分析、電子回折測定及びEELS(電子エネルギー損失分光法)測定により、負極活物質粒子であるSi含有合金(粒子)の微細組織の構造を明らかにすることができる。分析装置(分析法)としては、例えば、XPS(X線光電子分光法)、TEM−EDX(透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法)、STEM−EDX/EELS(走査透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法/電子エネルギー損失分光分析器)、Cs−STEM(球面収差補正走査透過型電子顕微鏡像)、HAADF−STEM(高角度散乱暗視野−走査透過電子顕微鏡像)、BF−STEM(明視野−走査透過電子顕微鏡像)などを使用することができる。但し、本実施形態では、これらに何ら制限されるものではなく、既存の合金の微細組織に用いられる各種の観察装置(装置条件、測定条件)を用いてもよい。 The fine structure of the Si-containing alloy has the configurations (structures) described in (1) to (6) above, for example, high-resolution STEM (scanning transmission electron microscope) observation, EDX (energy dispersive X-ray spectroscopy). The structure of the microstructure of the Si-containing alloy (particle) that is the negative electrode active material particle can be clarified by elemental analysis, electron diffraction measurement, and EELS (electron energy loss spectroscopy) measurement. Examples of the analysis apparatus (analysis method) include XPS (X-ray photoelectron spectroscopy), TEM-EDX (transmission electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy), and STEM-EDX / EELS (scanning transmission electron microscope). Energy dispersive X-ray spectroscopy / electron energy loss spectrometer), Cs-STEM (spherical aberration corrected scanning transmission electron microscope image), HAADF-STEM (high angle scattering dark field-scanning transmission electron microscope image), BF- STEM (bright field-scanning transmission electron microscope image) or the like can be used. However, in this embodiment, it is not limited to these, and various observation apparatuses (apparatus conditions, measurement conditions) used for the microstructure of existing alloys may be used.
(Si含有合金の微細組織構造の解析)
以下では、上記微細組織構造を有する負極活物質の微細構造を、実施例1で作製した負極活物質粒子であるSi含有合金(粒子)を試料(サンプル)に用いて例につき説明する。しかし、他の本実施形態で得られる負極活物質であるSi含有合金(粒子)についても同様にして、合金(粒子)の微細組織の構造を明らかにすることができる。また、実施例2および比較例1についても、同様の方法を用いることにより、解析することができる。
(Analysis of microstructure of Si-containing alloys)
Hereinafter, the microstructure of the negative electrode active material having the above-described microstructure will be described with reference to an example using the Si-containing alloy (particles) that are the negative electrode active material particles produced in Example 1 as a sample. However, the structure of the microstructure of the alloy (particle) can be clarified in the same manner for the Si-containing alloy (particle) that is the negative electrode active material obtained in the other embodiment. Further, Example 2 and Comparative Example 1 can also be analyzed by using the same method.
1:分析方法
1−1:試料調製
FIB(集束イオンビーム)法;マイクロサンプリングシステム(日立製作所製,FB−2000A)
Alグリッドを使用する。
1: Analysis method 1-1: Sample preparation FIB (focused ion beam) method; Microsampling system (manufactured by Hitachi, Ltd., FB-2000A)
An Al grid is used.
1−2:STEMimage、EDX、EELS(電子エネルギー損失分光法)測定装置及び条件は以下の通りである。 1-2: STEMimage, EDX, EELS (Electron Energy Loss Spectroscopy) measuring apparatus and conditions are as follows.
1)装置;原子分解能分析電子顕微鏡 JEOL製 JEM−ARM200F
EDX(Energy dispersive X−ray Spectroscopy)
;JEOL製 JED−2300
(100mm2シリコンドリフト(SDD)型)
;システム;Analysis Station
EELS(Electron Energy Loss Spectroscopy)
;GATAN GIF Quantum
画像取得;Digital Micrograph
2)測定条件;加速電圧:200kV
ビーム径:約0.2nmφ(直径)
エネルギー分解能:約0.5eV FWHM
1−3:電子回折測定装置及び条件は以下の通りである。
1) Apparatus; atomic resolution analytical electron microscope JEOL JEM-ARM200F
EDX (Energy dispersive X-ray Spectroscopy)
; JED-2300 made by JEOL
(100mm 2 silicon drift (SDD) type)
; System; Analysis Station
EELS (Electron Energy Loss Spectroscopy)
GATAN GIF Quantum
Image acquisition; Digital Micrograph
2) Measurement conditions; acceleration voltage: 200 kV
Beam diameter: about 0.2nmφ (diameter)
Energy resolution: about 0.5eV FWHM
1-3: Electron diffraction measurement apparatus and conditions are as follows.
1)装置;電界放出型電子顕微鏡 JEOL製 JEM2100F
画像取得;Digital Micrograph
2)測定条件;加速電圧:200kV
ビーム径:1.0nmφ(直径)程度
2:STEM−EDX(走査透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法)による(定量マッピング)分析
図6(a)は、本実施形態のSi含有合金(粒子)をFIB法で調製した試料のCs−STEM(球面収差補正走査透過型電子顕微鏡像)(低倍率)のうち、BF(Bright−field)−STEM Image(明視野−走査透過電子顕微鏡像)を表す図面である。図6(b)は、図6(a)と同一視野での活物質粒子のHAADF−STEM Image(高角度散乱暗視野−走査透過電子顕微鏡像)を表す図面である。測定対象は、本実施形態の合金組成を有する急冷薄帯合金を粉砕した負極活物質粒子サイズが平均粒子径D50=7μm(D90=18μm)である、Si含有合金(粒子)表面に2質量%のアルミナをコーティンして作製した負極活物質粒子の断面を観察対象とした。急冷薄帯合金には、実施例1の合金組成Si65Sn4.8Ti29Al1.2で表されるものを用いた。
1) Apparatus; Field Emission Electron Microscope JEOL JEM2100F
Image acquisition; Digital Micrograph
2) Measurement conditions; acceleration voltage: 200 kV
Beam diameter: about 1.0 nmφ (diameter) 2: (Quantitative mapping) analysis by STEM-EDX (scanning transmission electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy) FIG. 6A shows the Si-containing alloy of the present embodiment. Among Cs-STEM (spherical aberration-corrected scanning transmission electron microscope image) (low magnification) of a sample prepared by FIB method (particles), BF (Bright-field) -STEM Image (bright field-scanning transmission electron microscope image) It is drawing which represents. FIG. 6B is a drawing showing a HAADF-STEM Image (high angle scattering dark field-scanning transmission electron microscope image) of the active material particles in the same field of view as FIG. The measurement object is 2% by mass on the surface of the Si-containing alloy (particles) in which the negative electrode active material particle size obtained by pulverizing the quenched ribbon alloy having the alloy composition of the present embodiment has an average particle diameter D50 = 7 μm (D90 = 18 μm). The cross-section of the negative electrode active material particles produced by coating the alumina was used as an observation target. As the quenched ribbon alloy, one represented by the alloy composition of Si 65 Sn 4.8 Ti 29 Al 1.2 of Example 1 was used.
図7(a)は、図6(b)の四角い枠で囲んだ部分(共晶組織の部分)を拡大したCs−STEM(球面収差補正走査透過型電子顕微鏡像)(中倍率)のうち、BF(Bright−field)−STEM Image(明視野−走査透過電子顕微鏡像)を表す図面である。図7(b)は、図7(a)と同一視野での活物質粒子のHAADF−STEM Image(高角度散乱暗視野−走査透過電子顕微鏡像)を表す図面である。 FIG. 7A shows a Cs-STEM (spherical aberration corrected scanning transmission electron microscope image) (medium magnification) obtained by enlarging a portion surrounded by a square frame in FIG. 6B (a portion of a eutectic structure). It is drawing which shows BF (Bright-field) -STEM Image (bright field-scanning transmission electron microscope image). FIG.7 (b) is drawing which represents the HAADF-STEM Image (high angle scattering dark field-scanning transmission electron microscope image) of the active material particle in the same visual field as FIG.7 (a).
図8は、STEM−EDX(走査透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法)による定量マッピングデータを示した図面である。図8(a)は、図7(b)の四角い枠で囲んだ部分(共晶組織の部分)を拡大したCs−STEM(球面収差補正走査透過型電子顕微鏡像)(高倍率)のうち、HAADF−STEM Image(高角度散乱暗視野−走査透過電子顕微鏡像)を表す図面である。図8(b)は、HAADF−STEM(上段左の図8(a))と同一視野で測定したSn(下段左)のマッピングデータを示した図面である。図8(c)は、HAADF−STEM(上段左の図8(a))と同一視野で測定したSi(下段中央)のマッピングデータを示した図面である。図8(d)は、HAADF−STEM(上段左の図8(a))と同一視野で測定したTi(下段右)のマッピングデータを示した図面である。図8(e)は、HAADF−STEM(上段左の図8(a))と同一視野で測定したSn、Si、Tiのマッピングデータを重ねあわせた図面(上段右)である。なお、図8(b)〜8(e)のマッピングは実際には、カラーリング(色づけ)できるため、例えば、Snを緑、Siを青、Tiを赤とすれば、シリサイド(TiSi2)は、Siの青とTiの赤が混ざり合ったピンクになるため、一目で判別し得るが、出願図面では、白黒画像で提出する必要があることから、こうしたカラーリングにより明らかになった解析情報を図6(b)や図7(b)中に盛り込んでいる。これは当業者であれば、図8と同様にSTEM−EDX(走査透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法)による定量マッピングデータから本願と同様の画像解析により、同様の解析情報を容易に得ることができるためである。因みに、図8(b)〜8(d)では、Sn、Si、Tiが存在しない部分が黒色で表され、これらの元素が存在する部分は、グレーの濃淡ないし白で表されている。これにより、測定対象の活物質合金Si65Sn4.8Ti29Al1.2(実施例1の負極活物質)を構成する元素のうち、Si、Sn、Tiの存在および分布状態も確認できる。 FIG. 8 is a drawing showing quantitative mapping data by STEM-EDX (scanning transmission electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy). FIG. 8A shows a Cs-STEM (spherical aberration-corrected scanning transmission electron microscope image) (high magnification) obtained by enlarging a portion surrounded by a square frame in FIG. It is drawing which represents HAADF-STEM Image (high angle scattering dark field-scanning transmission electron microscope image). FIG. 8B is a diagram showing mapping data of Sn (lower left) measured in the same field of view as HAADF-STEM (upper left FIG. 8A). FIG. 8C is a diagram showing mapping data of Si (lower center) measured in the same field of view as HAADF-STEM (upper left FIG. 8A). FIG. 8D shows the mapping data of Ti (lower right) measured in the same field of view as HAADF-STEM (upper left FIG. 8A). FIG. 8E is a drawing (upper right) in which mapping data of Sn, Si, Ti measured in the same field of view as HAADF-STEM (upper left FIG. 8A) is superimposed. Since the mapping of FIGS. 8B to 8E can actually be colored (colored), for example, if Sn is green, Si is blue, and Ti is red, silicide (TiSi 2 ) is Since the blue of Si and the red of Ti are mixed, it can be distinguished at a glance. However, in the application drawing, it is necessary to submit a black and white image. These are included in FIG. 6B and FIG. 7B. Those skilled in the art can easily obtain the same analysis information from quantitative mapping data by STEM-EDX (scanning transmission electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy) as in FIG. It is because it can be obtained. Incidentally, in FIGS. 8B to 8D, a portion where Sn, Si and Ti are not present is represented in black, and a portion where these elements are present is represented in gray shading or white. Thereby, the presence and distribution state of Si, Sn, and Ti among the elements constituting the active material alloy Si 65 Sn 4.8 Ti 29 Al 1.2 (negative electrode active material of Example 1) can be confirmed. .
図9は、STEM−EDX(走査透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法)による定量マッピングデータを示した図面である。図9(a)は、図7(b)の四角い枠で囲んだ部分(共晶組織の部分)を拡大したCs−STEM(球面収差補正走査透過型電子顕微鏡像)(高倍率)のうち、HAADF−STEM Image(高角度散乱暗視野−走査透過電子顕微鏡像)を表す図面である。図9(b)は、HAADF−STEM(上段左の図9(a))と同一視野で測定したAl(下段左)のマッピングデータを示した図面である。図9(c)は、HAADF−STEM(上段左の図9(a))と同一視野で測定したSi(下段中央)のマッピングデータを示した図面である。図9(d)は、HAADF−STEM(上段左の図9(a))と同一視野で測定したTi(下段右)のマッピングデータを示した図面である。図9(e)は、HAADF−STEM(上段左の図9(a))と同一視野で測定したAl、Si、Tiのマッピングデータを重ねあわせた図面(上段右)である。なお、図9(b)〜8(e)のマッピングは実際には、カラーリング(色づけ)できるため、例えば、Alを緑、Siを青、Tiを赤とすれば、シリサイド(TiSi2)は、Siの青とTiの赤が混ざり合ったピンクになるため、一目で判別し得るが、出願図面では、白黒画像で提出する必要があることから、こうしたカラーリングにより明らかになった解析情報を図6(b)や図7(b)中に盛り込んでいる。これは当業者であれば、図9と同様にSTEM−EDX(走査透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法)による定量マッピングデータから本願と同様の画像解析により、同様の解析情報を容易に得ることができるためである。因みに、図9(b)〜9(d)では、Al、Si、Tiが存在しない部分が黒色で表され、これらの元素が存在する部分は、グレーの濃淡ないし白で表されている。これにより、測定対象の活物質合金Si65Sn4.8Ti29Al1.2(実施例1の負極活物質)を構成する元素のうち、Al、Sn、Tiの存在および分布状態も確認できる。 FIG. 9 is a diagram showing quantitative mapping data by STEM-EDX (scanning transmission electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy). FIG. 9A shows a Cs-STEM (spherical aberration corrected scanning transmission electron microscope image) (high magnification) obtained by enlarging a portion surrounded by a square frame in FIG. 7B (a portion of a eutectic structure). It is drawing which represents HAADF-STEM Image (high angle scattering dark field-scanning transmission electron microscope image). FIG. 9B is a diagram showing mapping data of Al (lower left) measured in the same field of view as HAADF-STEM (upper left FIG. 9A). FIG. 9C is a drawing showing mapping data of Si (lower center) measured in the same field of view as HAADF-STEM (upper left FIG. 9A). FIG. 9D is a diagram showing mapping data of Ti (lower right) measured in the same field of view as HAADF-STEM (upper left FIG. 9A). FIG. 9E is a drawing (upper right) in which mapping data of Al, Si, Ti measured in the same field of view as HAADF-STEM (upper left FIG. 9A) is superimposed. 9B to 8E can actually be colored (colored). For example, if Al is green, Si is blue, and Ti is red, silicide (TiSi 2 ) is Since the blue of Si and the red of Ti are mixed, it can be distinguished at a glance. However, in the application drawing, it is necessary to submit a black and white image. These are included in FIG. 6B and FIG. 7B. Those skilled in the art can easily obtain the same analysis information from the quantitative mapping data by STEM-EDX (scanning transmission electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy) as in FIG. It is because it can be obtained. Incidentally, in FIGS. 9B to 9D, a portion where Al, Si, and Ti are not present is expressed in black, and a portion where these elements are present is expressed in gray shading or white. Thereby, the presence and distribution state of Al, Sn, and Ti among the elements constituting the active material alloy Si 65 Sn 4.8 Ti 29 Al 1.2 (negative electrode active material of Example 1) can be confirmed. .
上記分析において、STEM像観察には、試料を透過した電子線を用いて結像する明視野(Bright−field:BF)STEM像と、試料から散乱された電子線を用いて結像する暗視野(Dark−field:DF)STEM像の2種類の観察法がある。図6(a)、図7(a)に示すBF−STEM像では、通常のTEM像と同様に、試料の内部構造を示す透過像、図6(b)、図7(b)、図8(a)、図9(a)に示す(HAA)DF−STEM像では、試料の組成を反映したコントラストが得られる組成像を観察できる。特に、HAADF(高角散乱環状暗視野)では、原子番号(Z)に起因する弾性散乱電子contrastが優勢なためZ−contrast像ともいわれる結像法である。原子番号の大きな物質が明るく見える(図6(b)、図7(b)、図8(a)、図9(a)参照)。HAADF−STEM(高角散乱環状暗視野走査透過顕微鏡法)では、像は細く絞った電子線を試料に操作させながら当て、透過電子のうち高角に散乱したものを環状の検出器で検出することにより得られる。Z2ρが大きな材料の方がより高角に散乱されることから、重い元素はSTEM像では暗く、HAADF−STEM像では明るい。原子量(Z)に比例したコントラストが得られることからZコントラスト像とも呼ばれる。またSTEM−EDX定量マッピングでは、電子線を細く絞り試料上を走査しながら、各点から発生した特性X線をEDS(Energy−Dispersive−Spectroscopy)検出器に取り込むことにより、試料の組成分布の情報を得ることができる。透過型電子顕微鏡(TEM)測定では、走査型電子顕微鏡(SEM)測定に見られる様な電子線の拡散が殆どないため、ナノメーターの空間分解能で測定が可能となる。 In the above analysis, for the STEM image observation, a bright-field (BF) STEM image formed using an electron beam transmitted through the sample and a dark field formed using an electron beam scattered from the sample. There are two types of observation methods for (Dark-field: DF) STEM images. In the BF-STEM images shown in FIGS. 6A and 7A, similarly to the normal TEM image, the transmission images showing the internal structure of the sample, FIGS. 6B, 7B, and 8 are used. In the (HA) DF-STEM image shown in (a) and FIG. 9 (a), a composition image that provides a contrast reflecting the composition of the sample can be observed. In particular, HAADF (high angle scattering annular dark field) is an imaging method referred to as a Z-contrast image because elastic scattering electron contrast due to atomic number (Z) is dominant. A substance with a large atomic number appears bright (see FIGS. 6B, 7B, 8A, and 9A). In HAADF-STEM (High Angle Scattering Circular Dark Field Scanning Transmission Microscopy), an image is applied by operating a thinly focused electron beam while operating a sample, and the scattered electrons are detected at a high angle by a ring detector. can get. Since a material having a large Z 2 ρ is scattered at a higher angle, heavier elements are darker in the STEM image and brighter in the HAADF-STEM image. Since a contrast proportional to the atomic weight (Z) is obtained, it is also called a Z contrast image. In STEM-EDX quantitative mapping, the characteristic X-rays generated from each point are taken into an EDS (Energy-Dispersive-Spectroscope) detector while narrowing down the electron beam and scanning the sample, thereby obtaining information on the composition distribution of the sample. Can be obtained. In transmission electron microscope (TEM) measurement, since there is almost no diffusion of an electron beam as seen in scanning electron microscope (SEM) measurement, measurement can be performed with a spatial resolution of nanometers.
図6(b)より、四角い枠で囲った部分(共晶組織)以外のうち、3本の矢印で示されるシリサイド(TiSi2)に相当する(相対的に大きな)薄いグレーの部分が、複数独立して存在している(複数の独立した第一の相である)ことが確認できる。これがシリサイドであることは、図6(b)と同じ薄いグレーの部分が、図6(b)で四角い枠で囲った部分(共晶組織)を拡大した図7(b)に複数存在し、更にこの図7(b)で四角い枠で囲った部分(共晶組織)を拡大した図8(a)や図9(a)にも複数存在する。図8(a)や図9(a)で図6(b)と同じ薄いグレーの部分が、図8(e)や図9(e)をカラーリングした場合、Siの青とTiの赤が混ざり合ったピンク(即ち、シリサイド相)であることが確認できているためである。これは、図8、図9を白黒画像で観ても、図8(d)や図9(d)のTiのマッピングデータより、試料の微細組織中に、Tiの存在を示すグレー色の部分が複数存在していることが確認できる。更に、図8(c)や図9(c)のSiのマッピングデータより、試料の微細組織中の図8(d)や図9(d)のTiの存在を示すグレー部分と重なる部分にSiの存在を示すグレー色の部分が確認できる。このことは、図8(a)(c)(d)(e)や図9(a)(c)(d)(e)を対比することで、判別することができる。また、図6(b)のシリサイド(TiSi2)に相当する(相対的に大きな)薄いグレーの部分には、Sn(白い部分)がほとんど存在していないことが確認できる。このことは、図8(b)のSnのマッピングデータより、試料の微細組織中の図8(d)のTiの存在を示すグレー色の部分と重なるSnの存在を示すグレーの部分がほとんど存在していないことが確認できる。これらのことから、本実施形態のSi含有合金(粒子)の微細組織中には、上記(1)の遷移金属のケイ化物(シリサイド)を主成分とする第一の相(シリサイド相)を有し、上記(4)の一部が複数の独立した第一の相(シリサイド相)を有することが確認できる。 As shown in FIG. 6B, among the portions surrounded by a square frame (eutectic structure), there are a plurality of (relatively large) light gray portions corresponding to silicide (TiSi 2 ) indicated by three arrows. It can be confirmed that they exist independently (a plurality of independent first phases). That this is silicide, there are a plurality of the same light gray portions as in FIG. 6B in FIG. 7B in which the portion surrounded by the square frame (eutectic structure) in FIG. Further, there are a plurality of portions in FIG. 8A and FIG. 9A in which the portion (eutectic structure) surrounded by the square frame in FIG. 7B is enlarged. In FIG. 8 (a) or FIG. 9 (a), when the same light gray portion as FIG. 6 (b) is colored in FIG. 8 (e) or FIG. 9 (e), the blue of Si and the red of Ti This is because the mixed pink (that is, silicide phase) has been confirmed. This is because, even when viewing FIGS. 8 and 9 as black and white images, the gray portion indicating the presence of Ti in the microstructure of the sample based on the Ti mapping data in FIGS. 8 (d) and 9 (d). It can be confirmed that there are multiple. Further, from the Si mapping data of FIG. 8C and FIG. 9C, Si overlaps with the gray portion indicating the presence of Ti in FIG. 8D and FIG. 9D in the microstructure of the sample. A gray portion indicating the presence of can be confirmed. This can be determined by comparing FIGS. 8 (a) (c) (d) (e) and FIGS. 9 (a) (c) (d) (e). Further, it can be confirmed that Sn (white portion) hardly exists in a light gray portion (relatively large) corresponding to the silicide (TiSi 2 ) in FIG. From the Sn mapping data in FIG. 8 (b), there is almost a gray portion indicating the presence of Sn overlapping the gray portion indicating the presence of Ti in FIG. 8 (d) in the microstructure of the sample. It can be confirmed that they are not. For these reasons, the microstructure of the Si-containing alloy (particles) of the present embodiment has the first phase (silicide phase) containing the transition metal silicide (silicide) of (1) as a main component. And it can confirm that a part of said (4) has a some independent 1st phase (silicide phase).
次に、上段右の図8(e)のSn、Si、Tiを重ねあわせたマッピングデータ及び上段右の図9(e)のTi、Si、Tiを重ねあわせたマッピングデータより、試料の微細組織中に、第一の相(シリサイド相)と、Al、Snを含む第二の相(a−Si相)とが共晶組織(それぞれ違った成分比の(固溶体)結晶ないし非晶質又は低結晶性である、第一の相と第二の相とが混ざりあっている組織)となっていることが確認できる。 Next, the microstructure of the sample is obtained from the mapping data in which Sn, Si, Ti are superimposed in FIG. 8E on the upper right and the mapping data in which the Ti, Si, Ti are superimposed in FIG. 9E on the upper right. Among them, the first phase (silicide phase) and the second phase containing Al and Sn (a-Si phase) have a eutectic structure (crystalline (solid solution) having different composition ratios, amorphous or low It can be confirmed that the structure is a crystalline structure in which the first phase and the second phase are mixed.
詳しくは、図8(e)及び図9(e)では、試料の微細組織中に、一部にAl、Snを含む第二の相(a−Si相)に相当する(相対的に第一の相より小さな)濃いグレー部分(Si+Sn部分)と、第一の相(シリサイド相)に相当する(相対的に第二の相より大きな)グレー色の部分とが混ざりあっていることが確認できる。このことから互いに細かな第二の相(a−Si相)と第一の相(シリサイド相)とが共晶化している(共晶組織である)ことがわかる。共晶組織であることは、図8(e)及び図9(e)をカラーリングした場合、以下により確認できる。即ち、図8(e)及び図9(e)の(相対的に第一の相より小さな)濃いグレー部分(第二の相)が主にSiの青(少量のAl、Snを含む)やSiの青とSnの緑が混ざり合った青緑となり、一方のグレー部分(第一の相)がSiの青とTiの赤が混ざり合ったピンクとなる。そして、このAl、Snを含むSi相(第二の相)に相当する(相対的に第一の相より小さな)青や青緑の部分と、シリサイド相(第一の相)に相当する(相対的に第二の相より大きな)ピンクの部分とが混ざりあっていることから、これらが共晶組織であることが確認できる。 Specifically, in FIG. 8 (e) and FIG. 9 (e), the sample corresponds to a second phase (a-Si phase) partially containing Al and Sn in the microstructure of the sample (relatively first. It can be confirmed that the dark gray portion (Si + Sn portion) smaller than the first phase and the gray portion corresponding to the first phase (silicide phase) (relatively larger than the second phase) are mixed. . From this, it can be seen that the fine second phase (a-Si phase) and the first phase (silicide phase) are eutectic (having a eutectic structure). The eutectic structure can be confirmed by the following when coloring FIGS. 8 (e) and 9 (e). That is, in FIG. 8 (e) and FIG. 9 (e), the dark gray portion (second phase) (which is relatively smaller than the first phase) is mainly Si blue (including a small amount of Al and Sn). Si blue and Sn green are mixed in blue-green, and one gray portion (first phase) is pink in which Si blue and Ti red are mixed. Then, it corresponds to the Si phase (second phase) containing Al and Sn (relatively smaller than the first phase) and the blue and blue-green portions and the silicide phase (first phase) ( Since pink portions (relatively larger than the second phase) are mixed, it can be confirmed that these are eutectic structures.
また、白黒画像で観ても、図8(d)及び図9(d)のTiのマッピングデータより、試料の微細組織(共晶組織)中に、Tiの存在を示す(相対的に小さな)グレー色の部分が多数存在(点在)して存在していることが確認できる。更に、図8(c)及び図9(c)のSiのマッピングデータより、図8(d)及び図9(d)の試料の微細組織のほぼ全体に、Siの存在を示すグレー色の部分が確認できる。また、図8(b)のSnのマッピングデータと図8(d)のTiのマッピングデータとの対比から、図8(d)の微細組織(共晶組織)中にTiが点在する部分に、図8(b)のSnの存在を示すグレーの部分がほとんど存在していないことが確認できる。即ち、図8(b)(c)(d)から図8(d)の微細組織(共晶組織)中には、Si及びTiの双方が存在する(相対的に第二の相より大きな)グレー色の部分が多数点在していることが確認できる。図9(b)のAlのマッピングデータと図9(d)のTiのマッピングデータとの対比から、図9(d)の微細組織(共晶組織)中にTiが点在する部分に、図9(b)のAlの存在を示すグレーの部分があまり存在していないことが確認できる。即ち、図9(b)(c)(d)から図9(d)の微細組織(共晶組織)中には、Si及びTiの双方が存在する(相対的に第二の相より大きな)グレー色の部分が多数点在していることが確認できる。更に、図8(d)及び図9(d)の微細組織(共晶組織)中のグレーの部分(シリサイド)が点在していない部分(相対的に小さな黒の部分が多数点在する部分)には、図8(b)(c)及び図9(b)(c)より主にSi(少量のAl、Snを含む)の部分やSn+Siの部分やAl+Siの部分が多数点在していることが確認できる。これらのことからも図8(e)及び図9(e)の微細組織(共晶組織)から、シリサイド相(第一の相)と一部にAl、Snを含むSi相(第二の相)とが共晶組織となっていることが確認できる。 Further, even when viewed in a black and white image, the presence of Ti is shown (relatively small) in the microstructure (eutectic structure) of the sample from the Ti mapping data of FIGS. 8D and 9D. It can be confirmed that a large number of gray portions are present (dotted). Further, from the mapping data of Si in FIGS. 8C and 9C, a gray portion indicating the presence of Si is present in almost the entire microstructure of the sample in FIGS. 8D and 9D. Can be confirmed. Further, from the comparison of the Sn mapping data in FIG. 8B and the Ti mapping data in FIG. 8D, in the portion where Ti is scattered in the microstructure (eutectic structure) in FIG. It can be confirmed that the gray portion indicating the presence of Sn in FIG. That is, both Si and Ti are present (relatively larger than the second phase) in the microstructure (eutectic structure) of FIGS. 8B, 8C, 8D to 8D. It can be confirmed that a large number of gray portions are scattered. From the comparison between the Al mapping data in FIG. 9B and the Ti mapping data in FIG. 9D, a graph showing a portion where Ti is scattered in the microstructure (eutectic structure) in FIG. It can be confirmed that there is not much gray portion indicating the presence of Al in 9 (b). That is, both Si and Ti are present (relatively larger than the second phase) in the microstructures (eutectic structures) of FIGS. 9B, 9C, 9D, and 9D. It can be confirmed that a large number of gray portions are scattered. Further, a portion in which the gray portion (silicide) is not scattered (a portion in which many relatively small black portions are scattered) in the microstructures (eutectic structures) in FIGS. 8D and 9D. 8 (b) (c) and FIG. 9 (b) (c) are mainly dotted with a lot of Si (including a small amount of Al and Sn), Sn + Si and Al + Si. It can be confirmed. Also from these facts, from the microstructures (eutectic structures) shown in FIGS. 8E and 9E, a silicide phase (first phase) and a Si phase (second phase) partially containing Al and Sn. ) And a eutectic structure.
これらのことから、本実施形態のSi含有合金(粒子)の微細組織中には、上記(2)の一部にAl、更にSnを含み、(具体的には、Siの結晶構造の内部にAl、Snが分散、固溶してなる)非晶質または低結晶性のSiを主成分とする第二の相(a−Si相)とを有し、上記(5)の一部が第一の相と第二の相とが共晶組織となっていることが確認できる。 From these facts, the microstructure of the Si-containing alloy (particles) of the present embodiment contains Al and Sn in part of the above (2) (specifically, inside the crystal structure of Si) And a second phase (a-Si phase) mainly composed of amorphous or low crystalline Si (in which Al and Sn are dispersed and solid-dissolved). It can be confirmed that the first phase and the second phase have a eutectic structure.
図7(b)、図8(a)、図9(a)の微細組織中、更に共晶組織中の白の部分は、Snを主成分とする第三の相(Sn相、微量のSi、Ti、Alを含んでもよい)である。また、図8(a)〜(e)より、共晶組織中の第三の相(Sn相)は、共晶組織中の第一の相及び第二の相よりも微細に分散していることがわかる。特にSiSnTi合金にAlと加えることで、共晶組織中の第一の相や第二の相の境界(周辺)に第三の相が微細に分散していることが確認できる(図8(a)〜(e)参照)。なお、図6(b)に示すように、独立した第一の相と共晶組織以外の部分に白の部分のSn相が晶出することもある。これらもSn活物質として機能するが、Siほど充放電過程で膨張収縮しないこと、更に共晶組織中の第三の相(Sn相)の膨張収縮は、共晶組織中のSi相の膨張収縮の抑制メカニズムと同様に防止し得るものである。また独立した第一の相と共晶組織以外の部分のSnについてもその近傍には独立した第一の相が存在することから、当該独立した第一の相による膨張収縮抑制メカニズムと同様に膨張収縮を防止し得るものである。よって、図6(b)で見られる程度の白の部分(Sn相)が存在していても、負極活物質合金の劣化を十分に抑制し得るものである。 7 (b), FIG. 8 (a), and FIG. 9 (a), the white portion in the eutectic structure is the third phase (Sn phase, trace amount of Si). , Ti, and Al may be included). Further, from FIGS. 8A to 8E, the third phase (Sn phase) in the eutectic structure is more finely dispersed than the first phase and the second phase in the eutectic structure. I understand that. In particular, by adding Al to the SiSnTi alloy, it can be confirmed that the third phase is finely dispersed at the boundary (periphery) of the first phase and the second phase in the eutectic structure (FIG. 8A ) To (e)). In addition, as shown in FIG.6 (b), the Sn phase of a white part may crystallize in parts other than an independent 1st phase and a eutectic structure. These also function as Sn active materials, but they do not expand and contract during the charge / discharge process as much as Si, and the expansion and contraction of the third phase (Sn phase) in the eutectic structure is the expansion and contraction of the Si phase in the eutectic structure. This can be prevented in the same manner as the suppression mechanism. In addition, since the independent first phase and the Sn other than the eutectic structure have an independent first phase in the vicinity thereof, the expansion is similar to the expansion / contraction suppression mechanism by the independent first phase. Shrinkage can be prevented. Therefore, even if the white part (Sn phase) of the grade seen by FIG.6 (b) exists, deterioration of a negative electrode active material alloy can fully be suppressed.
これらのことから、本実施形態のSi含有合金(粒子)の微細組織中には、上記(3)の更に(3)Snを主成分とする第三の相(Sn相)を有することが確認できる。また、上記(6)の共晶組織中に、第三の相(Sn相)が、共晶組織中の第一の相及び第二の相よりも微細に分散していることが確認できる。 From these facts, it is confirmed that the microstructure of the Si-containing alloy (particles) of the present embodiment has a third phase (Sn phase) further comprising (3) Sn as a main component in (3) above. it can. Moreover, it can confirm that the 3rd phase (Sn phase) is disperse | distributing more finely than the 1st phase and 2nd phase in a eutectic structure in the eutectic structure of said (6).
3:電子回折及び(粉末)X線回折(XRD)測定による分析
図6(b)のHAADF−STEM Image(高角度散乱暗視野−走査透過電子顕微鏡像)中の相対的に大きなグレー色の部分は、上記の通り独立した第一の相(シリサイド相)を示す。また、四角い枠で囲った部分は、一部にAl、Snを含む第二の相(a−Si相)に相当する相対的に小さな濃いグレー部分(Si+Sn部分)と、第一の相(シリサイド相)に相当する相対的に小さなグレー色の部分とが混ざりあった共晶組織を示す。図6(b)の独立したシリサイド相の領域と、共晶組織中のシリサイド相の領域とa−Si相の領域とを電子回折測定により高速フーリエ変換処理して回折図形(図示せず)を得る。これらの回折図形からは、単結晶相については二次元点配列のネットパターン(格子状のスポット)が得られ、多結晶相についてはデバイシェラーリング(回折環)が得られ、アモルファス相についてはハローパターンが得られる。さらに、二次元点配列のネットパターン(シリサイド相)については、その結晶構造を特定することもできる。即ち、これらの回折図形から、いずれも二次元点配列のネットパターンが得られ、単結晶相であることが確認できる。また、回折図形から、共晶組織中のSi相(第二の相)が、デバイシェラーリング(回折環)が得られ、多結晶相であることが確認できる。さらに、ハローパターンの回折環が得られ、Si相(第二の相)は、非晶質または低結晶性のSi(a−Si)を有するアモルファス相であることが確認できる。即ち、共晶組織中のSi相(第二の相)は、アモルファス化することで非晶質または低結晶性のSi(a−Si)を有していることが、電子線回折分析により確認できる。さらに、a−Si相(第二の相)がシリサイド相(第一の相)よりもアモルファス化していることについても、回折図形により確認できる。なお、他の実施例についても、同様の結果が得られる。
3: Analysis by electron diffraction and (powder) X-ray diffraction (XRD) measurement A relatively large gray portion in the HAADF-STEM Image (high angle scattering dark field-scanning transmission electron microscope image) of FIG. Indicates an independent first phase (silicide phase) as described above. In addition, a portion surrounded by a square frame includes a relatively small dark gray portion (Si + Sn portion) corresponding to a second phase (a-Si phase) partially containing Al and Sn, and a first phase (silicide). A eutectic structure in which a relatively small gray portion corresponding to (phase) is mixed is shown. A diffraction pattern (not shown) is obtained by subjecting the independent silicide phase region, the silicide phase region and the a-Si phase region in the eutectic structure of FIG. obtain. From these diffraction patterns, a two-dimensional dot array net pattern (lattice spot) is obtained for the single crystal phase, a Debye-Scherrer ring (diffraction ring) is obtained for the polycrystalline phase, and a halo is obtained for the amorphous phase. A pattern is obtained. Furthermore, the crystal structure of the two-dimensional dot array net pattern (silicide phase) can be specified. That is, from these diffraction patterns, a net pattern of a two-dimensional point array is obtained, and it can be confirmed that it is a single crystal phase. Further, it can be confirmed from the diffraction pattern that the Si phase (second phase) in the eutectic structure is a Debye-Scherrer ring (diffraction ring) and is a polycrystalline phase. Furthermore, a diffractive ring with a halo pattern is obtained, and it can be confirmed that the Si phase (second phase) is an amorphous phase having amorphous or low crystalline Si (a-Si). That is, it is confirmed by electron beam diffraction analysis that the Si phase (second phase) in the eutectic structure has amorphous or low crystalline Si (a-Si) by amorphization. it can. Furthermore, it can be confirmed from the diffraction pattern that the a-Si phase (second phase) is more amorphous than the silicide phase (first phase). Similar results are obtained for the other examples.
(Si含有合金の微細組織中の各相のサイズ)
1.独立した第一の相のサイズと共晶組織のサイズの関係について
次に、本実施形態のSi含有合金(粒子)では、当該合金の微細組織中の、独立した第一の相のサイズが、第一の相と第二の相の共晶組織のサイズよりも大きいことが好ましい(図3(a)、図6参照)。かかる構成を有することで、本発明の効果をより効果的に発現することができるためである。即ち、微細組織において複数の独立した相対的に大きなサイズの第一の相の隙間に、相対的に小さなサイズの(第二の相が第一の相と共晶化した)共晶組織が入り込む構成とすることができる。これにより、充放電過程における相対的に小さなサイズの共晶組織中の第二の相(a−Si相)の膨張を、(共晶化した第一の相が抑え込み)、複数の独立した相対的に大きなサイズの第一の相により抑え込み易くなるためである。
(Size of each phase in the microstructure of Si-containing alloy)
1. Regarding the relationship between the size of the independent first phase and the size of the eutectic structure Next, in the Si-containing alloy (particle) of the present embodiment, the size of the independent first phase in the microstructure of the alloy is It is preferable that it is larger than the size of the eutectic structure of the first phase and the second phase (see FIGS. 3A and 6). This is because by having such a configuration, the effects of the present invention can be expressed more effectively. That is, a relatively small-sized eutectic structure (the second phase is eutectic with the first phase) enters a gap between a plurality of independent relatively large-sized first phases in the microstructure. It can be configured. As a result, the expansion of the second phase (a-Si phase) in the relatively small size eutectic structure during the charge / discharge process (suppressed by the eutectic first phase), a plurality of independent relative This is because the first phase having a large size is more easily suppressed.
(独立した第一の相のサイズ)
ここで、当該合金の微細組織中の独立した第一の相(シリサイド相)のドメインサイズは、200〜600nmの範囲であるのが好ましい。独立した第一の相のドメインサイズが上記範囲であれば、微細組織において複数の独立した相対的に大きなサイズの第一の相の隙間に、相対的に小さなサイズの(第二の相が第一の相と共晶化した)共晶組織が入り込む構成とすることができる。これにより、充放電過程における相対的に小さなサイズの共晶組織中の第二の相(a−Si相)の膨張を、(共晶化した第一の相が抑え込み)、複数の独立した相対的に大きなサイズの第一の相により抑え込み易くなるためである。
(Independent first phase size)
Here, the domain size of the independent first phase (silicide phase) in the microstructure of the alloy is preferably in the range of 200 to 600 nm. If the domain size of the independent first phase is within the above range, a relatively small size (the second phase is the first phase) in the gap between the plurality of independent relatively large first phases in the microstructure. A structure in which a eutectic structure (eutectic with one phase) enters can be adopted. As a result, the expansion of the second phase (a-Si phase) in the relatively small size eutectic structure during the charge / discharge process (suppressed by the eutectic first phase), a plurality of independent relative This is because the first phase having a large size is more easily suppressed.
当該合金の微細組織中の独立した第一の相のドメインサイズ(直径)の値については、微細組織部分のCs−STEMでの低倍率(0.5μmスケールバー)のうち、共晶組織以外のグレーの部分(図6(b)の矢印で示すTiSi2部分)を独立した第一の相とみなす。即ち、Cs−STEMでの低倍率のSiのEDX元素マッピングおよびM(例えば、Ti)のEDX元素マッピングを比較し、Siが存在しMも存在する領域のうち、共晶組織以外の領域を独立した第一の相とみなし、MのEDX元素マッピングで強度が最大値の1/10を閾値とし、この閾値以上となる領域について二値化画像処理を行い、得られた二値化画像より、各独立した第一の相の寸法を読み取るという手法により5個以上の相について測定して得られた測定値の相加平均値として得ることができる。 Regarding the value of the domain size (diameter) of the independent first phase in the microstructure of the alloy, of the low magnification (0.5 μm scale bar) in Cs-STEM of the microstructure portion other than the eutectic structure The gray part (TiSi 2 part indicated by the arrow in FIG. 6B) is regarded as an independent first phase. That is, the low-magnification Si EDX element mapping with Cs-STEM and M (for example, Ti) EDX element mapping are compared, and among the regions where Si is present and M is present, the regions other than the eutectic structure are independent. In the EDX element mapping of M, the intensity is 1/10 of the maximum value as a threshold, and binarized image processing is performed for a region that is equal to or greater than this threshold. From the obtained binarized image, It can be obtained as an arithmetic average value of measured values obtained by measuring five or more phases by the method of reading the dimensions of each independent first phase.
2.共晶組織中の第一の相〜第三の相の大小関係について
前記共晶組織中の第二の相のドメインサイズは、第一の相のドメインサイズより小さく、第三の相のドメインサイズは第二の相のドメインサイズより小さいことが好ましい。これは、Si含有合金にAlが少量入ることにより、共晶組織中において第二の相が第一の相より微細化し、第三の相は、共晶組織中の第一の相と第二の相の粒界により微細に分散するためである。即ち、共晶組織において、第二の相のドメインサイズは第一の相のドメインサイズより小さく、第二の相は硬くて導電性のより大きな第一の相に包接される。そのため、充放電した場合、共晶組織中の第二の相(Si相)は第一の相(シリサイド相)で包まれるため、膨張収縮が抑制され、導電性付与によりSiは均一に反応するため、耐久劣化しにくい。また、共晶組織中の第一の相や第二の相(Si相)の周辺に第三の相(Sn相)がより微細に分散するため、第二の相(Si相)がアモルファス化しやすくなり、耐久性に優れる。これらのことから、独立した第一の相のドメインサイズが、が、第一の相と第二の相の共晶組織のサイズよりも大きく、第二の相のドメインサイズは、第一の相のドメインサイズより小さく、第三の相のドメインサイズは第二の相のドメインサイズより小さいことが好ましいものである。これにより、充放電過程における共晶組織中の第二の相、特に主成分のSi活物質の膨張を、共晶化した第一の相が包み込むことで抑え込み、更に複数の独立した第一の相が共晶組織中の第二の相を包み込むことで抑え込む、2段構えの抑え込みで抑制することができる。そして、充電時にSiとLiとが合金化する際のアモルファス−結晶の相転移(Li15Si4への結晶化)が抑制される。その結果、充放電過程におけるSi含有合金の膨張収縮が低減され、かつ、導電性を有するシリサイドで構成される第一の相(シリサイド相)により第二の相(a−Si相)と共晶化することで、該第二の相(a−Si相)、特に主成分のSi活物質を均一に反応させることができる。その結果、当該負極活物質が用いられる電気デバイスの高容量を示しつつ、サイクル耐久性を向上することができる。特にSiSnTi合金にAlと加えることで、第二の相の周辺に第三の相が微細に分散すると、第二の相(a−Si相)がアモルファス化しやすく耐久性に優れる。より詳しくは、第二の相(a−Si相)がアモルファス化しやすくなるのは、第二の相(a−Si相)にAlがほぼ均一に分散することによる。そして、第二の相(a−Si相)にAlがほぼ均一(均質)に分散することで、第二の相の周辺部にSnを押し出し、この結果として、Snを主成分とする第三の相が第二の相の周辺(第一の相と第二の相の境目)に、第一の相及び第二の相よりも微細に分散する。よって、第三の相が第二の相の周辺に微細に分散すると(第二の相にAlがほぼ均一に分散することになり)、第二の相(a−Si相)がアモルファス化しやすくなるといえる。すなわち、Alは、液相状態ではAl−Siは隣接が安定、固相状態ではAl−SiよりAl−Al、Si−Si隣接が安定で、SiにAlが入った状態で急冷すると過冷却を大きくしてもSi結晶が生じにくくなり、アモルファス形成能が向上する。第二の相(a−Si相)中にAlがほぼ均一に分散した結果として、第三の相(Sn相)が微細に分散する(SnはTiと結合性のため、Si(第二の相)とTiSi2相(第一の相)の境界(周辺)に形成される)。第三の相(Sn相)の微細分散は耐久性向上のために必要である、これは、第三の相(Sn相)の主成分のSnは充放電での体積膨張が大きいためである。そのため、合金にAlが入ることでSn(第三の相)が共晶組織中の第一の相や第二の相よりも微細に分散すると、さらに耐久性が向上する。
2. Regarding the magnitude relationship between the first phase to the third phase in the eutectic structure The domain size of the second phase in the eutectic structure is smaller than the domain size of the first phase, and the domain size of the third phase. Is preferably smaller than the domain size of the second phase. This is because, when a small amount of Al enters the Si-containing alloy, the second phase becomes finer than the first phase in the eutectic structure, and the third phase consists of the first phase and the second phase in the eutectic structure. This is because it is finely dispersed by the grain boundary of the phase. That is, in the eutectic structure, the domain size of the second phase is smaller than the domain size of the first phase, and the second phase is included in the first phase that is harder and more conductive. Therefore, when charging / discharging, the second phase (Si phase) in the eutectic structure is surrounded by the first phase (silicide phase), so expansion and contraction are suppressed, and Si reacts uniformly by imparting conductivity. Therefore, it is difficult for durability to deteriorate. In addition, since the third phase (Sn phase) is more finely dispersed around the first phase and the second phase (Si phase) in the eutectic structure, the second phase (Si phase) becomes amorphous. It becomes easy and has excellent durability. From these, the domain size of the independent first phase is larger than the size of the eutectic structure of the first phase and the second phase, and the domain size of the second phase is The domain size of the third phase is preferably smaller than the domain size of the second phase. As a result, the expansion of the second phase in the eutectic structure in the charge / discharge process, in particular, the Si active material as the main component, is suppressed by enveloping the eutectic first phase, and a plurality of independent first phases The phase can be suppressed by enclosing the second phase in the eutectic structure. Then, amorphous at the time of alloying Si and Li during charging - crystal phase transition (crystallization into Li 15 Si 4) is suppressed. As a result, expansion and contraction of the Si-containing alloy during the charge / discharge process is reduced, and the first phase (silicide phase) composed of the conductive silicide and the second phase (a-Si phase) are eutectic. Thus, the second phase (a-Si phase), in particular, the main component Si active material can be reacted uniformly. As a result, cycle durability can be improved while showing the high capacity | capacitance of the electric device in which the said negative electrode active material is used. In particular, by adding Al to the SiSnTi alloy, if the third phase is finely dispersed around the second phase, the second phase (a-Si phase) is likely to become amorphous and excellent in durability. More specifically, the reason why the second phase (a-Si phase) becomes amorphous easily is that Al is almost uniformly dispersed in the second phase (a-Si phase). Then, Al is almost uniformly (homogeneously) dispersed in the second phase (a-Si phase), so that Sn is pushed out to the periphery of the second phase, and as a result, the third containing Sn as a main component. Are dispersed more finely around the second phase (between the first phase and the second phase) than in the first phase and the second phase. Therefore, when the third phase is finely dispersed around the second phase (Al is almost uniformly dispersed in the second phase), the second phase (a-Si phase) is likely to become amorphous. It can be said. That is, Al is adjacent to Al—Si in the liquid phase state is more stable, Al—Al and Si—Si adjacent to Al—Si are more stable than Al—Si in the solid phase state, and when cooled rapidly with Al contained in Si, overcooling occurs. Even if it enlarges, it becomes difficult to produce Si crystal | crystallization, and an amorphous formation ability improves. As a result of Al being dispersed almost uniformly in the second phase (a-Si phase), the third phase (Sn phase) is finely dispersed (Sn is bonded to Ti, so Si (second phase)). Phase) and a TiSi 2 phase (first phase). The fine dispersion of the third phase (Sn phase) is necessary for improving the durability, because the main component of the third phase (Sn phase) Sn has a large volume expansion during charge and discharge. . Therefore, if Sn (third phase) is dispersed more finely than the first phase and second phase in the eutectic structure due to Al entering the alloy, the durability is further improved.
(共晶組織中の第一の相のドメインサイズ)
共晶組織中の第一の相(シリサイド相)のドメインサイズ(直径)については、上述したように共晶組織中の微細な第三の相(Sn相)のドメインサイズ(直径)よりも大きければよいが、更に共晶組織中の第二の相(a−Si相)のドメインサイズ(直径)よりも大きいことが好ましい。これにより、共晶組織中の第二の相、特に主成分のSi活物質の膨張を、共晶化した相対的に大きなサイズの第一の相が包み込むことで抑え込み(図3(b)参照)、サイクル耐久性を向上することができる。かかる観点から、共晶組織中の第一の相(シリサイド相)のドメインサイズ(直径)は、20〜70nmの範囲であるのが好ましい。共晶組織中の第一の相のドメインサイズは、より好ましくは60nm以下であり、さらに好ましくは55nm以下であり、特に好ましくは50nm以下である。また共晶組織中の第一の相のドメインサイズは、より好ましくは25nm以上であり、より好ましくは30nm以上である。
(Domain size of the first phase in the eutectic structure)
As described above, the domain size (diameter) of the first phase (silicide phase) in the eutectic structure should be larger than the domain size (diameter) of the fine third phase (Sn phase) in the eutectic structure. However, it is preferably larger than the domain size (diameter) of the second phase (a-Si phase) in the eutectic structure. As a result, the expansion of the second phase in the eutectic structure, particularly the Si active material as the main component, is suppressed by enveloping the eutectic relatively large-sized first phase (see FIG. 3B). ), Cycle durability can be improved. From this viewpoint, the domain size (diameter) of the first phase (silicide phase) in the eutectic structure is preferably in the range of 20 to 70 nm. The domain size of the first phase in the eutectic structure is more preferably 60 nm or less, still more preferably 55 nm or less, and particularly preferably 50 nm or less. The domain size of the first phase in the eutectic structure is more preferably 25 nm or more, and more preferably 30 nm or more.
上記共晶組織中の第一の相(シリサイド相)のドメインサイズ(直径)の値については、共晶組織部分についてのCs−STEMでの高倍率(25nmスケールバー)のSiのEDX元素マッピングおよびM(例えば、Ti)のEDX元素マッピングを比較する。そして、Siが存在しMも存在する領域をシリサイド相とみなし、MのEDX元素マッピングで強度が最大値の1/10を閾値とし、この閾値以上となる領域について二値化画像処理を行い、得られた二値化画像より、共晶組織中の各第一の相の寸法を読み取るという手法により5個以上の相について測定して得られた測定値の相加平均値として得ることができる。 Regarding the domain size (diameter) value of the first phase (silicide phase) in the eutectic structure, high-magnification (25 nm scale bar) Si EDX element mapping in Cs-STEM for the eutectic structure part and Compare the EDX elemental mapping of M (eg, Ti). Then, a region where Si is present and M is also regarded as a silicide phase, the intensity of 1/10 of the maximum value is set as a threshold in the EDX element mapping of M, and binarized image processing is performed for a region that is equal to or greater than the threshold. From the obtained binarized image, it can be obtained as an arithmetic average value of measured values obtained by measuring five or more phases by a method of reading the dimensions of each first phase in the eutectic structure. .
(共晶組織中の第二の相のサイズ)
共晶組織中の第二の相(a−Si相)のサイズについては、上述したように共晶組織中の微細な第三の相(Sn相)のドメインサイズ(直径)よりも大きければよいが、更に第一の相(シリサイドSn相)のドメインサイズ(直径)よりも小さいことが好ましい。これにより、共晶組織中の第二の相、特に主成分のSi活物質の膨張を、共晶化した相対的に大きなサイズの第一の相が包み込むことで抑え込み(図3(b)参照)、サイクル耐久性を向上することができる。かかる観点からは、第二の相のサイズは小さいほど好ましい。具体的には、共晶組織中の第二の相のサイズは、30nm以下であることが好ましく、28nm以下であることがより好ましく、25nm以下であることがさらに好ましい。一方、第二の相のサイズの下限値についても特に制限はないが、好ましくは5nm以上であり、より好ましくは8nm以上であり、更に好ましくは10nm以上である。
(Size of the second phase in the eutectic structure)
The size of the second phase (a-Si phase) in the eutectic structure may be larger than the domain size (diameter) of the fine third phase (Sn phase) in the eutectic structure as described above. However, it is preferably smaller than the domain size (diameter) of the first phase (silicide Sn phase). As a result, the expansion of the second phase in the eutectic structure, particularly the Si active material as the main component, is suppressed by enveloping the eutectic relatively large-sized first phase (see FIG. 3B). ), Cycle durability can be improved. From this viewpoint, the size of the second phase is preferably as small as possible. Specifically, the size of the second phase in the eutectic structure is preferably 30 nm or less, more preferably 28 nm or less, and further preferably 25 nm or less. On the other hand, the lower limit of the size of the second phase is not particularly limited, but is preferably 5 nm or more, more preferably 8 nm or more, and further preferably 10 nm or more.
なお、第二の相(a−Si相)のドメインサイズ(直径)の値については、HAADF−STEMでの高倍率(25nmスケールバー)のSiのEDX元素マッピングおよびM(例えば、Ti)のEDX元素マッピングを比較し、Siが存在しMが存在しない領域を第二の相(a−Si相)とみなし、MのEDX元素マッピングで強度が最大値の1/10を閾値とし、この閾値以下となる領域について二値化画像処理を行い、得られた二値化画像より、各第二の相(a−Si相)の寸法を読み取るという手法により5個以上の相について測定して得られた測定値の相加平均値として得ることができる。 In addition, about the value of the domain size (diameter) of a 2nd phase (a-Si phase), EDX element mapping of Si of high magnification (25 nm scale bar) and M (for example, Ti) EDX in HAADF-STEM The element mapping is compared, the region where Si is present and M is not present is regarded as the second phase (a-Si phase), and the intensity is 1/10 of the maximum value in the EDX element mapping of M, and below this threshold Obtained by measuring five or more phases by a technique of performing binarized image processing on the region to be obtained and reading the dimensions of each second phase (a-Si phase) from the obtained binarized image. It can be obtained as an arithmetic average value of the measured values.
(共晶組織中の第三の相のサイズ)
共晶組織中の第三の相(Sn相)のドメインサイズ(直径)については、上述したように共晶組織中の第一の相及び第二の相よりも小さく、微細に分散していればよい。詳しくは、共晶組織中の第二の相(a−Si相)にAlがほぼ均一に分散することで、第三の相が第二の相の周辺に微細に分散する。第三の相が第二の相の周辺に微細に分散すると(第二の相にAlがほぼ均一に分散することになり)、第二の相(a−Si相)がアモルファス化しやすくなる。すなわち、Alは、液相状態ではAl−Siは隣接が安定、固相状態ではAl−SiよりAl−Al、Si−Si隣接が安定で、SiにAlが入った状態で急冷すると過冷却を大きくしてもSi結晶が生じにくくなり、アモルファス形成能が向上する。第二の相(a−Si相)中にAlがほぼ均一に分散した結果として、第三の相(Sn相)が微細に分散する(SnはTiと結合性のため、Si(第二の相)とTiSi2相(第一の相)の境界(周辺)に形成される)。第三の相(Sn相)の微細分散は耐久性向上のために必要である、これは、第三の相(Sn相)の主成分のSnは充放電での体積膨張が大きいためである。そのため、合金にAlが入ることでSn(第三の相)が共晶組織中の第一の相や第二の相よりも(小さく)微細に分散すると、さらに耐久性が向上する。かかる観点からは、第三の相のドメインサイズは小さいほど好ましい。具体的には、共晶組織中の第三の相のサイズは、10nm以下であることが好ましく、9nm以下であることがより好ましく、8nm以下であることがさらに好ましい。また、第三の相のドメインサイズは、好ましくは3nm以上であり、より好ましくは4nm以上であり、更に好ましくは5nm以上である。
(Size of the third phase in the eutectic structure)
As described above, the domain size (diameter) of the third phase (Sn phase) in the eutectic structure is smaller than the first phase and the second phase in the eutectic structure, and may be finely dispersed. That's fine. Specifically, Al is dispersed almost uniformly in the second phase (a-Si phase) in the eutectic structure, so that the third phase is finely dispersed around the second phase. If the third phase is finely dispersed around the second phase (Al is almost uniformly dispersed in the second phase), the second phase (a-Si phase) is likely to be amorphous. That is, Al is adjacent to Al—Si in the liquid phase state is more stable, Al—Al and Si—Si adjacent to Al—Si are more stable than Al—Si in the solid phase state, and when cooled rapidly with Al contained in Si, overcooling occurs. Even if it enlarges, it becomes difficult to produce Si crystal | crystallization, and an amorphous formation ability improves. As a result of Al being dispersed almost uniformly in the second phase (a-Si phase), the third phase (Sn phase) is finely dispersed (Sn is bonded to Ti, so Si (second phase)). Phase) and a TiSi 2 phase (first phase). The fine dispersion of the third phase (Sn phase) is necessary for improving the durability, because the main component of the third phase (Sn phase) Sn has a large volume expansion during charge and discharge. . Therefore, if Sn (third phase) is finely dispersed (smaller) than the first phase and the second phase in the eutectic structure due to Al entering the alloy, the durability is further improved. From this point of view, it is preferable that the domain size of the third phase is smaller. Specifically, the size of the third phase in the eutectic structure is preferably 10 nm or less, more preferably 9 nm or less, and even more preferably 8 nm or less. The domain size of the third phase is preferably 3 nm or more, more preferably 4 nm or more, and further preferably 5 nm or more.
なお、第三の相(Sn相)のドメインサイズ(直径)の値については、HAADF−STEMでの高倍率(25nmスケールバー)のSnのEDX元素マッピング、SiのEDX元素マッピングおよびM(例えば、Ti)のEDX元素マッピングを比較する。そして、Siが存在しMも存在する領域を第一の相(シリサイド相)とみなし、Siが存在しMが存在しない領域を第二の相(a−Si相)とみなす。そして、これら第一の相(シリサイド相)及び第二の相(a−Si相)の周辺(境界)にSn相が微細に分散する領域を第三の相(Sn相)とみなし、SnのEDX元素マッピングで強度が最大値の1/10を閾値とし、この閾値以下となる領域について二値化画像処理を行い、得られた二値化画像より、共晶組織中の各第三の相(Sn相)の寸法を読み取るという手法により5個以上の相について測定して得られた測定値の相加平均値として得ることができる。 As for the domain size (diameter) value of the third phase (Sn phase), high magnification (25 nm scale bar) Sn EDX element mapping, Si EDX element mapping and M (for example, in HAADF-STEM) Compare the EDX elemental mapping of Ti). A region where Si is present and M is present is regarded as a first phase (silicide phase), and a region where Si is present and M is not present is regarded as a second phase (a-Si phase). A region in which the Sn phase is finely dispersed around (boundary) the first phase (silicide phase) and the second phase (a-Si phase) is regarded as a third phase (Sn phase). In the EDX elemental mapping, the intensity is 1/10 of the maximum value as a threshold value, and binarized image processing is performed for a region where the intensity is less than or equal to this threshold value. It can be obtained as an arithmetic average value of measured values obtained by measuring five or more phases by a method of reading the dimension of (Sn phase).
次に、本実施形態における負極活物質を構成するSi含有合金の粒子径は特に制限されないが、平均粒子径として、好ましくは0.1〜20μmであり、より好ましくは0.2〜10μmである。 Next, the particle diameter of the Si-containing alloy constituting the negative electrode active material in the present embodiment is not particularly limited, but the average particle diameter is preferably 0.1 to 20 μm, more preferably 0.2 to 10 μm. .
また、本実施形態においては、上記した合金の共晶組織中の第二の相(a−Si相)についての周期配列領域(MRO)のサイズの好ましい範囲が規定される。ここで、第二の相(a−Si相)についての周期配列領域(MRO)のサイズは、下記のTEM−MRO解析により測定するものとする。実施例についても同様の測定を行った。 Moreover, in this embodiment, the preferable range of the size of the periodic arrangement area | region (MRO) about the 2nd phase (a-Si phase) in the eutectic structure of the above-mentioned alloy is prescribed | regulated. Here, the size of the periodic array region (MRO) for the second phase (a-Si phase) is measured by the following TEM-MRO analysis. The same measurement was performed for the examples.
(TEM−MRO解析による第二の相(a−Si相)の周期配列領域(MRO)のサイズの測定)
本測定では、Si含有合金の高角度環状暗視野走査透過型電子顕微鏡(HAADF−STEM)により得られた格子像から、フーリエ変換処理を行い、回折図形を得る。この回折図形の中で、Si正四面体間距離を1.0とした場合の、0.7〜1.0の幅に存在する回折リング部分に対して逆フーリエ変換処理を行い、得られたフーリエ変換画像から、周期配列に注目し、周期配列領域(MRO)のサイズを測定することができる。
(Measurement of size of periodic array region (MRO) of second phase (a-Si phase) by TEM-MRO analysis)
In this measurement, a Fourier transform process is performed from a lattice image obtained by a high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscope (HAADF-STEM) of a Si-containing alloy to obtain a diffraction pattern. In this diffraction pattern, when the distance between Si tetrahedrons was set to 1.0, an inverse Fourier transform process was performed on a diffraction ring portion existing in a width of 0.7 to 1.0. From the Fourier transform image, attention can be paid to the periodic array, and the size of the periodic array region (MRO) can be measured.
・HAADF−STEM観察による格子像
ここで、高角度環状暗視野走査透過型電子顕微鏡(HAADF−STEM)を用いた観察は、通常、HAADF−STEMおよびコンピュータを用いて行うことができる。HAADF−STEMによる観察は、電子線を被観察試料にあて、被観察試料を透過してきた電子が作り出す格子像(干渉像)を拡大してコンピュータで観察(モニタ)する手法などが利用できる。透過型電子顕微鏡(TEM)によれば、原子レベルまで拡大された高分解能の観察像であって、高いコントラストを有するものを取得することができる。例えば図10(A)は、本実施形態のSi含有合金(詳しくは、SiSnTiAl合金)のHAADF−STEMにより得られた格子像を拡大した写真である。
-Lattice image by HAADF-STEM observation Here, observation using a high-angle annular dark field scanning transmission electron microscope (HAADF-STEM) can be usually performed using HAADF-STEM and a computer. For observation by HAADF-STEM, a method of observing (monitoring) with a computer by enlarging a lattice image (interference image) created by electrons transmitted through the sample to be observed by applying an electron beam to the sample to be observed can be used. According to a transmission electron microscope (TEM), it is possible to obtain a high-resolution observation image enlarged to the atomic level and having high contrast. For example, FIG. 10A is an enlarged photograph of a lattice image obtained by HAADF-STEM of the Si-containing alloy (specifically, SiSnTiAl alloy) of the present embodiment.
次に、HAADF−STEMにより得られた格子像から、フーリエ変換処理を行い、回折図形を得る。この際、フーリエ変換処理は、例えば、Gatan社製のソフトウェア「デジタルマイクログラフ」にて実施することができる。なお、HAADF−STEMにより得られた格子像からのフーリエ変換処理には、当業者であれば容易に再現(実施)できる汎用性のある他のソフトウェアを用いてもよい。ここで、図10(A)に示すHAADF−STEM像は、明るい部分と暗い部分とを有している。明るい部分は、原子列が存在する部分に対応し、暗い部分は、原子列と原子列との間の部分に対応している。 Next, a Fourier transform process is performed from the lattice image obtained by HAADF-STEM to obtain a diffraction pattern. At this time, the Fourier transform process can be performed by, for example, software “Digital Micrograph” manufactured by Gatan. It should be noted that other versatile software that can be easily reproduced (implemented) by those skilled in the art may be used for the Fourier transform processing from the lattice image obtained by the HAADF-STEM. Here, the HAADF-STEM image shown in FIG. 10A has a bright part and a dark part. The bright part corresponds to the part where the atomic sequence exists, and the dark part corresponds to the part between the atomic sequence.
・回折図形
次いで、図10(A)に示す格子像(HAADF−STEM像)の40nm四方の部分(破線で囲った部分)につき、フーリエ変換(FT)処理を行う。ここでは取得した格子像の破線で囲った範囲に対してフーリエ変換処理を行うことで、複数の原子面に対応した複数の回折スポットを含む回折図形(回折データ)を取得する。このフーリエ変換処理は、例えば、Gatan社製のソフトウェア「デジタルマイクログラフ」にて実施することができる。なお、このフーリエ変換処理には、当業者であれば容易に再現(実施)できる汎用性のある他のソフトウェアを用いてもよい。
Diffraction pattern Next, Fourier transform (FT) processing is performed on a 40 nm square portion (portion surrounded by a broken line) of the lattice image (HAADF-STEM image) shown in FIG. Here, a diffraction pattern (diffraction data) including a plurality of diffraction spots corresponding to a plurality of atomic planes is acquired by performing a Fourier transform process on a range surrounded by a broken line of the acquired lattice image. This Fourier transform processing can be performed by, for example, software “Digital Micrograph” manufactured by Gatan. For the Fourier transform process, other general-purpose software that can be easily reproduced (implemented) by those skilled in the art may be used.
図10(B)は、図10(A)に示す実施例1のケイ素含有合金の格子像(HAADF−STEM像)に対して高速フーリエ変換(FFT)処理を施して取得した回折図形を示す写真である。図10(B)に示すに示す回折図形では、絶対値を示す強度としては中心部に見える最も明るいスポットを中心として、リング状(環状)に、複数の回折リング部分(回折スポット)が観察される。 FIG. 10 (B) is a photograph showing a diffraction pattern obtained by performing a fast Fourier transform (FFT) process on the lattice image (HAADF-STEM image) of the silicon-containing alloy of Example 1 shown in FIG. 10 (A). It is. In the diffraction pattern shown in FIG. 10B, a plurality of diffraction ring portions (diffraction spots) are observed in a ring shape (annular) around the brightest spot that can be seen in the center as the intensity indicating the absolute value. The
図10(B)に示す回折図形の中で、Si正四面体間距離を1.0とした場合の、0.7〜1.0の幅に存在する回折リング部分を決定する。ここで、Si正四面体間距離とは、Si正四面体構造の中心Si原子と近接するSi正四面体構造の中心Si原子との距離(単に、Si−Si間距離とも略記する)に相当する。ちなみに、この距離は、Siダイヤモンド構造におけるSi(220)面の面間隔に相当する。このことから、このステップでは、複数の回折リング部分(回折スポット)のうち、Si(220)面に対応した回折リング部分を帰属し、その回折リング部分を、Si正四面体間距離を1.0とした場合の、0.7〜1.0の幅に存在する回折リング部分とする。回折リング部分(回折線)の帰属は、例えば、公知の文献(公報や学術書など)やインターネット上に公開されている各種のケイ素の電子回折線に関する文献を用いることができる。例えば、インターネット上に公開されている名古屋大学工学研究科・工学部「技報」,Vol.9,2007年3月,I.技術部技術研修会 8.透過電子顕微鏡による電子回折図形観察に関わる技術修得,齋藤徳之、荒井重勇,工学研究科・工学部技術部 物質・分析技術系(http://etech.engg.nagoya−u.ac.jp/gihou/v9/047.pdf)等のケイ素の電子回折線に関する文献を参考にして行うことができる。 In the diffraction pattern shown in FIG. 10 (B), a diffraction ring portion having a width of 0.7 to 1.0 when the distance between Si regular tetrahedrons is 1.0 is determined. Here, the Si tetrahedral distance is equivalent to the distance between the central Si atom of the Si tetrahedral structure and the central Si atom of the adjacent Si regular tetrahedral structure (simply abbreviated as Si-Si distance). To do. Incidentally, this distance corresponds to the surface interval of the Si (220) plane in the Si diamond structure. Therefore, in this step, among the plurality of diffraction ring portions (diffraction spots), the diffraction ring portion corresponding to the Si (220) plane is assigned, and the diffraction ring portion is assigned a distance between Si tetrahedrons of 1. A diffraction ring portion having a width of 0.7 to 1.0 when 0 is set. For the attribution of the diffraction ring portion (diffraction line), for example, a known document (gazette, academic book, etc.) or a document related to various silicon electron diffraction lines published on the Internet can be used. For example, “Technical Report”, Vol. 9, March 2007, I.I. Engineering Department Technical Workshop 8. Acquisition of technology related to electron diffraction pattern observation by transmission electron microscope, Noriyuki Saito, Shigeyasu Arai, Graduate School of Engineering, Engineering Department, Materials / Analysis Technology System (http: //eng.engg. /V9/047.pdf) etc., and can be carried out with reference to literature relating to electron diffraction lines of silicon.
・逆フーリエ変換画像
次いで、回折図形の上記Si正四面体間距離を1.0とした場合の、0.7〜1.0の幅に存在する回折リング部分、すなわち、Si(220)面に対応した回折リング部分につき、逆フーリエ変換処理を行う。このSi(220)面に対応した回折リング部分(のデータが抽出された抽出図形・抽出データ)につき逆フーリエ変換処理を行うことで、逆フーリエ変換画像を取得する。逆フーリエ変換処理は、例えば、Gatan社製のソフトウェア「デジタルマイクログラフ」にて実施することができる。なお、この逆フーリエ変換処理には、当業者であれば容易に再現(実施)できる汎用性のある他のソフトウェアを用いてもよい。
Inverse Fourier transform image Next, the diffraction ring portion existing in a width of 0.7 to 1.0, that is, the Si (220) plane when the distance between the above-mentioned Si tetrahedrons of the diffraction pattern is 1.0. Inverse Fourier transform processing is performed for the corresponding diffraction ring portion. An inverse Fourier transform image is acquired by performing an inverse Fourier transform process on the diffraction ring portion corresponding to the Si (220) plane (extracted figure / extracted data from which data is extracted). The inverse Fourier transform process can be performed by, for example, software “Digital Micrograph” manufactured by Gatan. For the inverse Fourier transform process, other general-purpose software that can be easily reproduced (implemented) by those skilled in the art may be used.
図10(C)は、図10(B)のSi(220)面に対応した回折リング部分のデータが抽出された抽出図形に対して逆高速フーリエ変換処理を行い、得られた逆フーリエ変換画像を示す写真である。図10(C)に示すように、得られた逆フーリエ変換画像では、複数の明るい部分(明部)と、複数の暗い部分(暗部)とからなる明暗模様が観察される。明部および暗部の大部分は、周期配列することなく、不規則に配置されている非晶質領域(Siアモルファス領域)である。ただし、図10(C)に示すように、明部が周期的に配列された領域(図10(C)中、破線で囲った楕円内に存在する周期配列部分)が散点(散在)している。すなわち、図10(C)に示す逆フーリエ変換画像のうち、破線で囲った楕円内に存在する周期配列部分以外の非晶質領域では、明部と暗部とは、途中で曲がるなどして直線状に延伸しておらず、規則的にも並んでいない。また、明部と暗部との間で明るさのコントラストが弱くなっている部分もある。このような破線で囲った楕円内に存在する周期配列部分以外の非晶質領域における明部と暗部とからなる明暗模様の構造は、被観察試料が、当該非晶質領域において、アモルファスないし微結晶(MROの前駆体)構造を有することを示している。したがって、図10(C)に示すような逆フーリエ変換画像を取得することで、非晶質領域(アモルファス領域)中に破線で囲った楕円内に存在する周期配列を有する領域(結晶化領域ないし結晶構造領域)を有するか否かを、容易に解析することができる。この「周期配列を有する領域」を、本明細書では「周期配列領域(Middle Range Order;MRO)」とも称する。 FIG. 10C shows an inverse Fourier transform image obtained by performing inverse fast Fourier transform processing on the extracted figure from which the data of the diffraction ring portion corresponding to the Si (220) plane of FIG. 10B is extracted. It is a photograph which shows. As shown in FIG. 10C, in the obtained inverse Fourier transform image, a light / dark pattern composed of a plurality of bright portions (bright portions) and a plurality of dark portions (dark portions) is observed. Most of the bright and dark portions are amorphous regions (Si amorphous regions) that are irregularly arranged without periodic arrangement. However, as shown in FIG. 10 (C), areas where the bright portions are periodically arranged (periodic arrangement portions existing in the ellipses surrounded by broken lines in FIG. 10 (C)) are scattered (scattered). ing. That is, in the inverse Fourier transform image shown in FIG. 10C, in the amorphous region other than the periodic array portion existing in the ellipse surrounded by the broken line, the bright portion and the dark portion are straight and bent in the middle. They are not stretched into a shape and are not regularly arranged. In addition, there is a portion where the brightness contrast is weak between the bright portion and the dark portion. The bright and dark pattern structure consisting of bright and dark portions in the amorphous region other than the periodic array portion present in the ellipse surrounded by the broken line is that the sample to be observed is amorphous or fine in the amorphous region. It shows that it has a crystalline (precursor of MRO) structure. Therefore, by acquiring an inverse Fourier transform image as shown in FIG. 10C, a region (a crystallization region or a region having a periodic arrangement existing in an ellipse surrounded by a broken line in an amorphous region (amorphous region). Whether or not it has a crystal structure region) can be easily analyzed. This “region having a periodic array” is also referred to as a “periodic array region (MRO)” in this specification.
図10(C’)は、実施例1の合金の共晶組織中の第二の相(a−Si相)について、以下の図10(A)〜(C)と同様にして得られた図10(C)に相当する図面である。詳しくは実施例1の共晶組織中の第二の相(a−Si相)について、図10(B)に相当する図面のSi(220)面に対応した回折リング部分のデータが抽出された抽出図形に対して逆高速フーリエ変換処理を行い、得られた逆フーリエ変換画像を示す写真である。図15は、実施例2の合金の共晶組織中の第二の相(a−Si相)について、以下の図10(A)〜(C)と同様にして得られた図10(C)に相当する図面である。詳しくは実施例2の共晶組織中の第二の相(a−Si相)について、図10(B)に相当する図面のSi(220)面に対応した回折リング部分のデータが抽出された抽出図形に対して逆高速フーリエ変換処理を行い、得られた逆フーリエ変換画像を示す写真である。図18は、比較例1の合金の共晶組織中の第二の相(a−Si相)について、以下の図10(A)〜(C)と同様にして得られた図10(C)に相当する図面である。詳しくは比較例1の共晶組織中の第二の相(a−Si相)について、図10(B)に相当する図面のSi(220)面に対応した回折リング部分のデータが抽出された抽出図形に対して逆高速フーリエ変換処理を行い、得られた逆フーリエ変換画像を示す写真である。 FIG. 10C ′ is a diagram obtained in the same manner as FIGS. 10A to 10C below for the second phase (a-Si phase) in the eutectic structure of the alloy of Example 1. It is drawing equivalent to 10 (C). Specifically, for the second phase (a-Si phase) in the eutectic structure of Example 1, data of the diffraction ring portion corresponding to the Si (220) plane of the drawing corresponding to FIG. 10B was extracted. It is a photograph which shows the inverse Fourier-transform image obtained by performing an inverse fast Fourier-transform process with respect to an extracted figure. FIG. 15 shows the second phase (a-Si phase) in the eutectic structure of the alloy of Example 2 obtained in the same manner as FIGS. 10 (A) to 10 (C) below. It is drawing equivalent to. Specifically, for the second phase (a-Si phase) in the eutectic structure of Example 2, data of the diffraction ring portion corresponding to the Si (220) plane of the drawing corresponding to FIG. 10B was extracted. It is a photograph which shows the inverse Fourier-transform image obtained by performing an inverse fast Fourier-transform process with respect to an extracted figure. 18 shows the second phase (a-Si phase) in the eutectic structure of the alloy of Comparative Example 1 obtained in the same manner as in the following FIGS. 10 (A) to 10 (C). It is drawing equivalent to. Specifically, for the second phase (a-Si phase) in the eutectic structure of Comparative Example 1, data of the diffraction ring portion corresponding to the Si (220) plane of the drawing corresponding to FIG. It is a photograph which shows the inverse Fourier-transform image obtained by performing an inverse fast Fourier-transform process with respect to an extracted figure.
本形態において、「周期配列領域(MRO)」とは、少なくとも明部が3点以上連続してほぼ直線状に配置したものが2列以上規則的に並んで配置されている領域をいう。この周期配列領域(MRO)では、被観察試料が結晶構造を有することを示している。すなわち、[周期配列領域(MRO)」は、フーリエ画像中の大部分を占めるSiアモルファス領域中に散点(散在)する結晶化(結晶構造)領域を示している。 In this embodiment, the “periodic array region (MRO)” refers to a region in which at least three bright portions are continuously arranged in a substantially straight line and are regularly arranged in two or more rows. This periodic array region (MRO) indicates that the sample to be observed has a crystal structure. That is, the “periodic array region (MRO)” indicates a crystallization (crystal structure) region scattered (scattered) in the Si amorphous region occupying most of the Fourier image.
また、図11は、「周期配列領域(MRO)の長軸径」を模式的に表した図面である。図11では、周期配列領域(MRO)の暗部A(図10(C)の明部)を便宜上、黒丸●で表記し、周期配列を有する領域に隣接する不規則に配置されている領域(Siアモルファス領域)の暗部B(図10(C)の明部)を便宜上、白丸○で表記している。また図11では、「周期配列領域(MRO)」として、暗部(図10(C)の明部)が3点連続して直線状に配置したものが2列隣接して並行に配置されている領域を用いて説明している。本形態において、「周期配列領域(MRO)の長軸径」は、以下のように求めることができる。まず、図11に示すように「周期配列領域(MRO)」の暗部A(●)と、これらに隣接する不規則に配置されている領域の暗部B(○)とを結ぶ最短ルートの中間点Cをとる。これらの中間点Cを結んで作図した一点破線の枠(楕円方程式に合致していなくてもよい)から長軸方向と短軸方向の4点D1〜D4を選定し、これらのうち少なくとも長軸方向の2点(好ましくは4点全て)を用いて、楕円方程式により作図した楕円(図10(C)中、破線で囲った楕円;画像上に作図可能な楕円の作図ソフトを使用できる)の長軸径(L)を求めることができる。例えば、図11に示すように「周期配列領域(MRO)」の長軸方向の最長となる両端の暗部A1(●)の長さを、2点間の距離を計測可能な画像解析ソフト(例えば、楕円の作図ソフトによる長軸径のデータ)を用いて計測する。次に、「周期配列領域(MRO)」の長軸方向の両端の暗部A1(●)に隣接する不規則に配置されている領域の暗部B1(○)の長さを同様に計測する。これらから、「周期配列領域(MRO)」の長軸方向の両端の暗部A1(●)と、これらに隣接する不規則に配置されている領域の暗部B1(○)とを結ぶ両端の中間点C1の長さを求め、この長さを長軸径(L)とすることができる。なお、図10(C)中、破線で囲った楕円は、図11に示すように長軸方向の2点を長軸径とし、短軸方向の2点を短軸径として、周期配列を有する領域がすべて含まれるように、楕円方程式により楕円を作図(画像上に作図可能な楕円の作図ソフトを使用)したものである。 FIG. 11 is a drawing schematically showing “major axis diameter of periodic array region (MRO)”. In FIG. 11, the dark portion A (the bright portion in FIG. 10C) of the periodic array region (MRO) is represented by a black circle ● for convenience, and the region (Si) arranged irregularly adjacent to the region having the periodic array. For the sake of convenience, the dark part B (the bright part in FIG. 10C) of the amorphous region is indicated by white circles. In FIG. 11, as the “periodic array region (MRO)”, the dark portions (bright portions in FIG. 10C) arranged in a straight line with three consecutive points are arranged in parallel adjacent to two rows. The description is made using regions. In this embodiment, the “major axis diameter of the periodic array region (MRO)” can be obtained as follows. First, as shown in FIG. 11, the midpoint of the shortest route connecting the dark portion A (●) of the “periodic array region (MRO)” and the dark portion B (◯) of the irregularly arranged region adjacent thereto. Take C. Four points D1 to D4 in the major axis direction and the minor axis direction are selected from a one-dot dashed frame drawn by connecting these intermediate points C (which may not match the elliptical equation), and at least the major axis is selected among them. An ellipse drawn by an elliptic equation using two points in the direction (preferably all four points) (the ellipse enclosed by a broken line in FIG. 10C; an ellipse drawing software that can be drawn on the image can be used) The major axis diameter (L) can be determined. For example, as shown in FIG. 11, the length of the dark part A1 (●) at both ends, which is the longest in the major axis direction of the “periodic array region (MRO)”, can be measured using image analysis software (for example, , Measured using the data of the major axis diameter by the ellipse drawing software). Next, the length of the dark portion B1 (◯) of the irregularly arranged region adjacent to the dark portion A1 (●) at both ends in the major axis direction of the “periodic array region (MRO)” is similarly measured. From these, the midpoint between both ends connecting the dark portion A1 (●) at both ends in the major axis direction of the “periodic array region (MRO)” and the dark portion B1 (◯) of the irregularly arranged region adjacent thereto. The length of C1 is obtained, and this length can be used as the major axis diameter (L). In FIG. 10C, an ellipse surrounded by a broken line has a periodic array with two major axis directions as the major axis diameter and two minor axis directions as the minor axis diameter as shown in FIG. An ellipse is drawn by an elliptic equation (using ellipse drawing software that can be drawn on an image) so that all regions are included.
また、本形態において、「最大5点のものの長軸径の平均値により得られたサイズ」とは、逆フーリエ変換画像中の「周期配列領域(MRO)」を特定し、得られた複数の「周期配列領域(MRO)」につき、その長軸径を上記「周期配列領域(MRO)の長軸径」の定義により作図した楕円から求める。得られた複数の長軸径の中から、長軸径の値が大きい方から5点を求め、その平均値を算出し、その平均値を周期配列領域(MRO)のサイズとする。なお、「最大5点のもの」としたのは、逆フーリエ変換画像(40×40nmの視野中;図10(C)参照)から得られた「周期配列領域(MRO)の長軸径」が5点に満たない場合(4点以下)もあるためである。この場合には、逆フーリエ変換画像から得られた「周期配列領域(MRO)」の全ての長軸径の平均値を算出し、その平均値の大きさ(サイズ)を周期配列領域(MRO)のサイズとする。なお、本形態では、逆フーリエ変換画像(40×40nmの視野)中の「周期配列領域(MRO)」は複数(2か所以上)存在すればよいが、好ましく3か所以上、より好ましくは4か所以上、さらに好ましくは5か所以上である。また、逆フーリエ変換画像(40×40nmの視野)中の「周期配列領域(MRO)」の個数の上限値は、Siアモルファスの特性(作用効果)が損なわれない範囲であればよく、10か所以下が好ましい。 Further, in this embodiment, the “size obtained from the average value of the major axis diameters of a maximum of five points” refers to the “periodic array region (MRO)” in the inverse Fourier transform image and a plurality of obtained For the “periodic array region (MRO)”, the major axis diameter is obtained from the ellipse drawn according to the definition of the “major axis diameter of the periodic array region (MRO)”. From the obtained major axis diameters, five points are calculated from the larger major axis diameter, the average value is calculated, and the average value is taken as the size of the periodic array region (MRO). The “maximum of 5 points” is the “major axis diameter of the periodic array region (MRO)” obtained from the inverse Fourier transform image (in the field of view of 40 × 40 nm; see FIG. 10C). This is because there are cases where it is less than 5 points (4 points or less). In this case, an average value of all major axis diameters of the “periodic array region (MRO)” obtained from the inverse Fourier transform image is calculated, and the size (size) of the average value is calculated as the periodic array region (MRO). The size of In the present embodiment, a plurality (two or more) of “periodic array regions (MRO)” in the inverse Fourier transform image (40 × 40 nm field of view) may exist, but preferably three or more, more preferably 4 or more, more preferably 5 or more. Further, the upper limit value of the number of “periodic array regions (MRO)” in the inverse Fourier transform image (40 × 40 nm field of view) may be in a range where the characteristics (effects) of Si amorphous are not impaired. Or less is preferred.
(周期配列領域(MRO)のサイズ)
本発明の好ましい実施形態では、周期配列領域(MRO)のサイズが6nm以下であることが好ましく、より好ましくは5nm以下、さらに好ましくは4nm以下、特に好ましくは3nm以下、とりわけ好ましくは2.5nm以下である。周期配列領域(MRO)のサイズが上記範囲(要件)を満足することで、Siが十分にアモルファス化された状態となり、充放電時のSi粒子の膨張を緩和することができ、耐久性を大幅に向上することができるSi合金活物質を提供することができる。すなわち、Siが十分にアモルファス化された状態となることにより、高い耐久性能を有するSi合金を得るために必要とされるSi(220)面の回折リング部分を発現(確認)できる。加えて、Si(220)面の回折リング部分の逆フーリエ変換画像から、アモルファス中に規則性があるMRO(Si結晶化領域)が形成され、このMROのサイズをより小さくすることで、アモルファス化度が進み、活物質として用いた際に、不可逆的なLi−Si合金結晶相を形成し難くなる。さらに、アモルファス化度が進むことで、充放電時の活物質粒子の膨張を緩和することができ、耐久性を大幅に向上することができる。なお、周期配列領域(MRO)のサイズの下限は、特に制限されるものではないが、理論的観点から1nm以上であればよい。
(Size of periodic array area (MRO))
In a preferred embodiment of the present invention, the size of the periodic array region (MRO) is preferably 6 nm or less, more preferably 5 nm or less, further preferably 4 nm or less, particularly preferably 3 nm or less, and particularly preferably 2.5 nm or less. It is. When the size of the periodic array region (MRO) satisfies the above range (requirement), Si is sufficiently amorphized, and the expansion of Si particles during charge / discharge can be mitigated, greatly improving durability. It is possible to provide a Si alloy active material that can be improved easily. That is, when Si is sufficiently amorphized, the diffraction ring portion of the Si (220) plane required for obtaining a Si alloy having high durability can be expressed (confirmed). In addition, from the inverse Fourier transform image of the diffraction ring portion of the Si (220) surface, MRO (Si crystallized region) having regularity in the amorphous is formed, and by making the size of this MRO smaller, it becomes amorphous. When it is used as an active material, it becomes difficult to form an irreversible Li—Si alloy crystal phase. Furthermore, since the degree of amorphization progresses, the expansion of the active material particles during charge / discharge can be relaxed, and the durability can be greatly improved. The lower limit of the size of the periodic array region (MRO) is not particularly limited, but may be 1 nm or more from a theoretical viewpoint.
また、本発明の他の好ましい実施形態においては、上記した合金の共晶組織中の第二の相(a−Si相)についてのSi正四面体間距離の好ましい範囲も規定される。ここで、共晶組織中の第二の相(a−Si相)についてのSi正四面体間距離の値についても、周期配列領域(MRO)の測定について上述したTEM−MRO解析により測定することができる(後述する実施例についても同様の測定を行った)。具体的には、まず、上述した図10(C)に示すような逆フーリエ変換画像の破線で囲った楕円内に存在する周期配列領域(MRO)を含まない領域(非晶質領域)内で、例えば、任意の20nm四方(20×20nmの視野)の領域を確保(選定)し、この視野領域内の明部(ドット=Si正四面体ユニットに相当)の数を測定する。次に、当該視野の一辺の長さである20nmを明部の数の平方根で除した値をSi正四面体間距離とする。例えば、任意の20nm四方の視野領域内の明部(ドット=Si正四面体ユニットに相当)の数が100個であれば、20nm÷√(100)=20nm/10=2nmがSi正四面体間距離となる。 In another preferable embodiment of the present invention, a preferable range of the distance between Si tetrahedrons for the second phase (a-Si phase) in the eutectic structure of the alloy described above is also defined. Here, the value of the Si tetrahedral distance for the second phase (a-Si phase) in the eutectic structure is also measured by the TEM-MRO analysis described above for the measurement of the periodic array region (MRO). (The same measurement was performed for the examples described later). Specifically, first, in a region (amorphous region) that does not include a periodic array region (MRO) that exists in an ellipse surrounded by a broken line of the inverse Fourier transform image as shown in FIG. For example, an arbitrary 20 nm square (20 × 20 nm field of view) region is secured (selected), and the number of bright portions (corresponding to dots = Si regular tetrahedron units) in this field region is measured. Next, a value obtained by dividing 20 nm, which is the length of one side of the visual field, by the square root of the number of bright portions is defined as a distance between Si regular tetrahedra. For example, if the number of bright portions (corresponding to dots = Si regular tetrahedron unit) in an arbitrary 20 nm square field region is 100, 20 nm ÷ √ (100) = 20 nm / 10 = 2 nm is Si regular tetrahedron. It becomes a distance.
(Si正四面体間距離)
本発明の好ましい実施形態において、上記非晶質領域におけるSi正四面体間距離が0.36nm超であることが好ましく、より好ましくは0.40nm以上であり、さらに好ましくは0.44nm以上であり、特に好ましくは0.48nm以上である。上記非晶質領域でのSi正四面体間距離が上記範囲を満足することにより、上記非晶質領域のアモルファス化を進めることができる。その結果、充放電時には広げられたSi−Si間にLiイオンが容易に挿入・脱離することができる。本形態の負極活物質を用いた負極及び電気デバイスの耐久性を大幅に向上することができるものである。なお、上記非晶質領域におけるSi正四面体間距離の上限値は、特に制限されるものではないが、理論的観点から0.55nm以下といえる。
(Si tetrahedral distance)
In a preferred embodiment of the present invention, the Si tetrahedral distance in the amorphous region is preferably more than 0.36 nm, more preferably 0.40 nm or more, and still more preferably 0.44 nm or more. Particularly preferably, the thickness is 0.48 nm or more. When the distance between the Si tetrahedrons in the amorphous region satisfies the above range, the amorphous region can be made amorphous. As a result, Li ions can be easily inserted / extracted between the expanded Si—Si during charge / discharge. The durability of the negative electrode and the electric device using the negative electrode active material of this embodiment can be greatly improved. The upper limit value of the distance between the Si tetrahedrons in the amorphous region is not particularly limited, but can be said to be 0.55 nm or less from a theoretical point of view.
(負極活物質の製造方法)
本実施形態に係る電気デバイス用負極活物質の製造方法について特に制限はなく、従来公知の知見が適宜参照されうるが、本実施形態では、Si含有合金は、その微細組織において、第二の相(Si相)が第一の相(シリサイド相)と共晶化し、更に複数の独立した第一の相の隙間に入る構成となっている。更に共晶組織中に第三の相(Sn相)が第一の相及び第二の相より微細に分散した組織となっている。特にAl添加により、第三の相は共晶組織中の第二の相と第一の相の粒界により微細に分散した組織となっている。更に、共晶組織中の第二の相が第一の相より微細化し、第三の相(Sn相)が第二の相より微細化している構成が好ましい。かかるSi含有合金からなる負極活物質の製造方法としては、以下のように液体急冷ロール凝固法(単に液体急冷凝固法ともいう)による急冷薄帯合金を作製する方法が提供される。すなわち、本発明の他の形態によれば、上記微細組成を有し、好ましくは上記化学式(1)の組織を有するSi含有合金からなる電気デバイス用負極活物質の製造方法である。詳しくは、前記Si含有合金と同一の組成を有する母合金を用いた液体急冷凝固法により、Si含有合金の急冷薄帯(リボン)合金を作製することを有する電気デバイス用負極活物質の製造方法もまた、提供される。好ましくはSi含有合金の急冷薄帯を作製した後、上記した平均粒子径になるように粉砕処理を施して前記Si含有合金からなる電気デバイス用負極活物質を得る、電気デバイス用負極活物質の製造方法である。このように、液体急冷凝固法を実施して負極活物質(Si含有合金)を製造することで、上述した微細組織構造を有する合金を製造することが可能となる。これによりSi含有合金活物質の高容量を示しつつ、サイクル耐久性の向上に有効に寄与し得る製造方法が提供されるのである。以下、本形態に係る製造方法について説明する。
(Method for producing negative electrode active material)
There is no particular limitation on the method for producing the negative electrode active material for an electrical device according to the present embodiment, and conventionally known knowledge can be referred to as appropriate, but in this embodiment, the Si-containing alloy has the second phase in the microstructure. (Si phase) is eutectic with the first phase (silicide phase), and further enters a gap between a plurality of independent first phases. Further, the third phase (Sn phase) is more finely dispersed in the eutectic structure than the first phase and the second phase. In particular, due to the addition of Al, the third phase has a finely dispersed structure due to grain boundaries between the second phase and the first phase in the eutectic structure. Furthermore, a configuration in which the second phase in the eutectic structure is made finer than the first phase and the third phase (Sn phase) is made finer than the second phase is preferable. As a method for producing a negative electrode active material comprising such an Si-containing alloy, a method for producing a quenched ribbon alloy by a liquid quench roll solidification method (also simply referred to as a liquid rapid solidification method) is provided as follows. That is, according to another aspect of the present invention, there is provided a method for producing a negative electrode active material for an electric device comprising the Si-containing alloy having the fine composition, preferably having the structure of the chemical formula (1). Specifically, a method for producing a negative electrode active material for an electric device, comprising producing a quenched ribbon (ribbon) alloy of an Si-containing alloy by a liquid rapid solidification method using a mother alloy having the same composition as the Si-containing alloy Is also provided. Preferably, after preparing a quenched ribbon of an Si-containing alloy, the negative electrode active material for an electric device is obtained by performing a pulverization treatment to obtain the above-described average particle diameter to obtain the negative electrode active material for an electric device made of the Si-containing alloy. It is a manufacturing method. As described above, by performing the liquid rapid solidification method to manufacture the negative electrode active material (Si-containing alloy), it is possible to manufacture the alloy having the above-described microstructure. This provides a manufacturing method that can effectively contribute to the improvement of cycle durability while exhibiting a high capacity of the Si-containing alloy active material. Hereinafter, the manufacturing method according to the present embodiment will be described.
〈液体急冷ロール凝固法(急冷薄帯(リボン)合金の作製工程)〉
まず、所望のSi含有合金と同一の組成を有する母合金を用いて液体急冷ロール凝固法を実施する。これにより、急冷薄帯を作製する。
<Liquid quenching roll solidification method (preparation process of quenched ribbon ribbon)>
First, a liquid quench roll solidification method is performed using a mother alloy having the same composition as the desired Si-containing alloy. Thereby, a rapidly cooled ribbon is produced.
ここで、母合金を得るために、原料として、ケイ素(Si)、スズ(Sn)、アルミニウム(Al)、遷移金属(例えば、チタン(Ti))のそれぞれについて、高純度の原料(単体のインゴット、ワイヤ、板など)を準備する。続いて、最終的に製造したいSi含有合金(負極活物質)の組成を考慮して、アーク溶解法などの公知の手法により、インゴット等の形態の母合金を作製する。 Here, in order to obtain a master alloy, high-purity raw materials (single ingots) are used as raw materials for silicon (Si), tin (Sn), aluminum (Al), and transition metals (for example, titanium (Ti)). , Wire, plate, etc.). Subsequently, in consideration of the composition of the Si-containing alloy (negative electrode active material) to be finally produced, a master alloy in the form of an ingot or the like is produced by a known technique such as an arc melting method.
その後、上記で得られた母合金を用いて液体急冷ロール凝固法を実施する。この工程は、上記で得られた母合金を溶融させた溶融物を急冷して凝固させる工程であり、例えば、高周波誘導溶解−液体急冷ロール凝固法(双ロールまたは単ロール急冷法)によって実施することができる。これにより、急冷薄帯(リボン)合金が得られる。なお、液体急冷ロール凝固法は非晶質合金の作製法としてよく使われており、その手法自体に関する知見は多く存在する。なお、液体急冷ロール凝固法は、市販の液体急冷凝固装置(例えば、日新技研株式会社製の液体急冷凝固装置NEV−A05型など)を用いて実施することができる。 Thereafter, a liquid quench roll solidification method is performed using the mother alloy obtained above. This step is a step of rapidly cooling and solidifying the melt obtained by melting the master alloy obtained above, and is performed by, for example, a high-frequency induction melting-liquid quench roll solidification method (a twin roll or a single roll quench method). be able to. Thereby, a rapidly cooled ribbon (ribbon) alloy is obtained. The liquid quench roll solidification method is often used as a method for producing an amorphous alloy, and there are many knowledges about the method itself. The liquid rapid roll coagulation method can be performed using a commercially available liquid rapid solidification apparatus (for example, a liquid rapid solidification apparatus NEV-A05 type manufactured by Nisshin Giken Co., Ltd.).
詳しくは、日新技研株式会社製の液体急冷凝固装置NEV−A05型を用いて、Ar置換の上、ゲージ圧を減圧し調整したチャンバー内に設置した噴射ノズル付きの溶融装置(例えば、石英ノズル)中に、上記母合金を入れ、適用な溶融手段(例えば、高周波誘導加熱)により所定温度域に融解した後、所定の噴射圧にて、所定の回転数の金属製ないしセラミックス製(特に熱伝導性に優れたCu製)ロール上に噴射することで、ロール上から水平に連続的して形成される薄帯状の合金=急冷薄帯(リボン)合金を作製することができる。 Specifically, using a liquid rapid solidification apparatus NEV-A05 manufactured by Nissin Giken Co., Ltd., a melting apparatus with an injection nozzle (for example, a quartz nozzle) installed in a chamber adjusted by reducing the gauge pressure after Ar replacement. ), The above-mentioned master alloy is put in, melted to a predetermined temperature range by an appropriate melting means (for example, high frequency induction heating), and then made of metal or ceramics (especially heat) at a predetermined rotation speed at a predetermined injection pressure. By spraying onto a roll (made of Cu having excellent conductivity), it is possible to produce a ribbon-like alloy = quenched ribbon (ribbon) alloy that is continuously formed horizontally from above the roll.
この際、チャンバー内の雰囲気は、不活性ガス(Heガス、Neガス、Arガス、N2ガス等)に置換するのが望ましい。不活性ガスで置換後、チャンバー内のゲージ圧は、−0.03〜−0.07MPa(絶対圧で0.03〜0.07MPa)の範囲に調整するのが望ましい。 At this time, the atmosphere in the chamber is preferably replaced with an inert gas (He gas, Ne gas, Ar gas, N 2 gas, or the like). After the replacement with the inert gas, the gauge pressure in the chamber is desirably adjusted to a range of -0.03 to -0.07 MPa (0.03 to 0.07 MPa in absolute pressure).
また、噴射ノズル付きの溶融装置(例えば、石英ノズル)内における母合金の溶融温度は、合金の融点以上であればよい。また、溶融手段としては、高周波誘導加熱など従来公知の溶融手段を用いることができる。 Moreover, the melting temperature of the mother alloy in the melting apparatus (for example, quartz nozzle) with an injection nozzle should just be more than melting | fusing point of an alloy. As the melting means, conventionally known melting means such as high frequency induction heating can be used.
また、噴射ノズル付きの溶融装置(例えば、石英ノズル)のノズルからの母合金の噴射圧は、ゲージ圧で0.03〜0.09MPaの範囲に調整するのが望ましい。上記噴射圧は、従来公知の手法により調節することができる。また、チャンバー内圧と噴射圧との差圧は0.06〜0.16MPaの範囲に調整するのが望ましい。 Moreover, it is desirable to adjust the injection pressure of the mother alloy from the nozzle of a melting apparatus (for example, a quartz nozzle) with an injection nozzle in the range of 0.03 to 0.09 MPa as a gauge pressure. The said injection pressure can be adjusted with a conventionally well-known method. Moreover, it is desirable to adjust the differential pressure between the chamber internal pressure and the injection pressure within the range of 0.06 to 0.16 MPa.
また、母合金の噴射する際のロールの回転数及び周速度は、4000〜6000rpm(周速として40〜65m/sec)の範囲に調整するのが望ましい。 Moreover, it is desirable to adjust the rotation speed and peripheral speed of the roll when jetting the mother alloy to the range of 4000 to 6000 rpm (40 to 65 m / sec as the peripheral speed).
更に、上記薄帯状の合金=急冷薄帯(リボン)合金の冷却速度は、好ましくは160万℃/秒以上、より好ましくは200万℃/秒以上、さらに好ましくは300万℃/秒以上、特に好ましくは500万℃/秒以上である。当該冷却速度の求め方は、上記した通りである。冷却速度を上記範囲内に調整することで、上記した本発明の微細組織を有するSi含有合金を作製することができ、当該合金による作用効果を有効に発現することができる点で優れている。 Further, the cooling rate of the ribbon-like alloy = quenched ribbon (ribbon) alloy is preferably 1.6 million ° C./second or more, more preferably 2 million ° C./second or more, further preferably 3 million ° C./second or more, particularly Preferably it is 5 million degrees C / sec or more. The method for obtaining the cooling rate is as described above. By adjusting the cooling rate within the above range, it is excellent in that the Si-containing alloy having the above-described microstructure of the present invention can be produced, and the effects of the alloy can be effectively expressed.
本実施形態では、上記液体急冷ロール凝固法における冷却速度や噴射圧等を上記に規定する範囲に調整することにより、上記した所望の微細組織を有するSi含有合金=急冷薄帯(リボン)合金を作製することができるものである。 In the present embodiment, the above-described Si-containing alloy = quenched ribbon (ribbon) alloy having the desired microstructure is adjusted by adjusting the cooling rate, jetting pressure, and the like in the liquid quench roll solidification method to the ranges specified above. It can be produced.
(急冷薄帯(リボン)合金の粉砕工程)
続いて、上記で得られた薄帯状合金(急冷薄帯(リボン)合金)の粉砕処理を行う。例えば、適当な粉砕装置(例えば、ドイツ フリッチュ社製遊星ボールミル装置P−6など)を用いて、適当な粉砕ポット(例えば、ジルコニア製粉砕ポット)に適当な粉砕ボール(例えば、ジルコニア製粉砕ボール)と急冷薄帯(リボン)合金を投入し、所定の回転数で所定時間、粉砕処理を実施する。急冷薄帯(リボン)合金は、上記粉砕装置に投入しやすい大きさに、適当な粉砕機で粗粉砕しておいてもよい。
(Crushing process of rapidly cooled ribbon (ribbon) alloy)
Then, the pulverization process of the obtained ribbon-like alloy (quenched ribbon (ribbon) alloy) is performed. For example, using an appropriate pulverizing apparatus (for example, planetary ball mill apparatus P-6 manufactured by Frichtu, Germany), an appropriate pulverizing ball (for example, zirconia pulverizing ball) in an appropriate pulverizing pot (for example, zirconia pulverizing pot) Then, a rapidly cooled ribbon (ribbon) alloy is charged and pulverization is performed at a predetermined rotational speed for a predetermined time. The quenched ribbon (ribbon) alloy may be coarsely pulverized with an appropriate pulverizer so as to be easily put into the pulverizer.
この際の粉砕処理条件としては、粉砕機(ミル装置)の回転数は、上記液体急冷ロール凝固法により形成された合金微細組織を損なわない範囲であればよく、500rpm未満、好ましくは100〜480rpm、より好ましくは300〜450rpmの範囲に調整するのが望ましい。粉砕時間は、例えば上記液体急冷ロール凝固法により形成された合金微細組織を損なわない範囲であればよく、12時間未満、好ましくは、0.5〜10時間、より好ましくは、0.5〜3時間の範囲に調整するのが望ましい。 As the grinding treatment conditions at this time, the rotational speed of the grinding machine (mill apparatus) may be in a range that does not impair the alloy microstructure formed by the liquid quench roll solidification method, and is less than 500 rpm, preferably 100 to 480 rpm. More preferably, it is desirable to adjust to the range of 300 to 450 rpm. The pulverization time may be in a range that does not impair the alloy microstructure formed by the liquid quench roll solidification method, for example, less than 12 hours, preferably 0.5 to 10 hours, and more preferably 0.5 to 3 It is desirable to adjust to the time range.
上記粉砕処理は、通常乾式雰囲気下で行われるが、粉砕処理後の粒度分布は大小の幅が大きい場合がある。このため、粒度を整えるための、粉砕処理と分級処理を組み合わせて1回以上行ってもよい。 The pulverization process is usually performed in a dry atmosphere, but the particle size distribution after the pulverization process may be large or small. For this reason, you may perform once or more combining the grinding | pulverization process and classification process for adjusting a particle size.
(メカニカルアロイング処理)
急冷薄帯(リボン)合金の作製工程に続いて、必要に応じて、上記で得られた薄帯状合金(急冷薄帯(リボン)合金)に対して、メカニカルアロイング処理を行ってもよい。この際、必要に応じて、上記急冷薄帯(リボン)合金の粉砕工程を行い、得られた粉砕物に対してメカニカルアロイング処理を行ってもよい。液体急冷凝固法を実施後にメカニカルアロイング処理行うことで、得られる合金におけるSi正四面体間距離をより大きくすることができ、周期配列領域(MRO)のサイズも小さくすることができる。
(Mechanical alloying process)
Following the process of producing the quenched ribbon (ribbon) alloy, mechanical alloying treatment may be performed on the obtained ribbon-like alloy (quenched ribbon (ribbon) alloy) as necessary. At this time, if necessary, a crushing step of the quenched ribbon (ribbon) alloy may be performed, and a mechanical alloying process may be performed on the obtained pulverized product. By performing the mechanical alloying treatment after the liquid rapid solidification method, the distance between the Si regular tetrahedrons in the obtained alloy can be increased, and the size of the periodic array region (MRO) can also be reduced.
メカニカルアロイング処理は、従来公知の方法を用いて行うことができる。例えばボールミル装置(例えば、遊星ボールミル装置)を用いて、粉砕ポットに粉砕ボールおよび合金の原料粉末を投入し、回転数を高くして高エネルギーを付与することで、合金化を図ることができる。ボールミル装置の回転数は、例えば、500rpm以上、好ましくは600rpm以上である。また、メカニカルアロイング処理の時間は、例えば12時間以上であり、好ましくは24時間以上であり、より好ましくは30時間以上であり、さらに好ましくは36時間以上であり、特に好ましくは42時間以上であり、最も好ましくは48時間以上である。なお、合金化処理のための時間の上限値は特に設定されないが、通常は72時間以下であればよい。 The mechanical alloying process can be performed using a conventionally known method. For example, by using a ball mill device (for example, a planetary ball mill device), a pulverized ball and an alloy raw material powder are put into a pulverizing pot, and a high energy is applied by increasing the number of rotations, thereby achieving alloying. The rotation speed of the ball mill device is, for example, 500 rpm or more, preferably 600 rpm or more. Further, the mechanical alloying treatment time is, for example, 12 hours or more, preferably 24 hours or more, more preferably 30 hours or more, further preferably 36 hours or more, and particularly preferably 42 hours or more. Yes, most preferably 48 hours or more. In addition, although the upper limit of the time for alloying process is not set in particular, it may usually be 72 hours or less.
上述した手法によるメカニカルアロイング処理は、通常乾式雰囲気下で行われるが、メカニカルアロイング処理後の粒度分布は大小の幅が非常に大きい場合がある。このため、粒度を整えるための粉砕処理および/または分級処理を行うことが好ましい。 The mechanical alloying process by the above-described method is usually performed in a dry atmosphere, but the particle size distribution after the mechanical alloying process may have a very large or small width. For this reason, it is preferable to perform the grinding | pulverization process and / or classification process for adjusting a particle size.
以上、負極活物質層に必須に含まれる所定の合金について説明したが、負極活物質層はその他の負極活物質を含んでいてもよい。上記所定の合金以外の負極活物質としては、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、もしくはハードカーボンなどのカーボン、SiやSnなどの純金属や上記所定の組成比を外れる合金系活物質、あるいはTiO、Ti2O3、TiO2、もしくはSiO2、SiO、SnO2などの金属酸化物、Li4/3Ti5/3O4もしくはLi7MnNなどのリチウムと遷移金属との複合酸化物(複合窒化物)、Li−Pb系合金、Li−Al系合金、Liなどが挙げられる。ただし、上記所定の合金を負極活物質として用いることにより奏される作用効果を十分に発揮させるという観点からは、負極活物質の全量100質量%に占める上記所定の合金の含有量は、好ましくは50〜100質量%であり、より好ましくは80〜100質量%であり、さらに好ましくは90〜100質量%であり、特に好ましくは95〜100質量%であり、最も好ましくは100質量%である。 As described above, the predetermined alloy included in the negative electrode active material layer has been described, but the negative electrode active material layer may contain other negative electrode active materials. Examples of the negative electrode active material other than the predetermined alloy include natural graphite, artificial graphite, carbon black, activated carbon, carbon fiber, coke, soft carbon, carbon such as hard carbon, pure metal such as Si and Sn, and the predetermined composition. Alloy-based active material out of ratio, or metal oxide such as TiO, Ti 2 O 3 , TiO 2 , SiO 2 , SiO, SnO 2 , lithium such as Li 4/3 Ti 5/3 O 4 or Li 7 MnN And transition metal composite oxides (composite nitrides), Li—Pb alloys, Li—Al alloys, Li, and the like. However, from the viewpoint of sufficiently exerting the effects exhibited by using the predetermined alloy as the negative electrode active material, the content of the predetermined alloy in the total amount of 100% by mass of the negative electrode active material is preferably It is 50-100 mass%, More preferably, it is 80-100 mass%, More preferably, it is 90-100 mass%, Especially preferably, it is 95-100 mass%, Most preferably, it is 100 mass%.
(アモルファス形成能)
上述したように、本実施形態において、Si含有合金の微細組織は、好ましくは遷移金属のケイ化物を主成分とする第一の相と、一部にAl(更にはSn)を含み、非晶質または低結晶性のSiを主成分とする第二の相と、Snを主成分とする第三の相とを有する。さらに、一部が複数の独立した第一の相、および一部が第一の相と第二の相との共晶組織であり、共晶組織中に、第三の相が、第一の相及び第二の相よりも微細に分散している構造を有する。本発明の効果を効率的に発現するため、共晶組織中のSi相(第二の相)は、アモルファス化が十分に進行していることが好ましい。
(Amorphous forming ability)
As described above, in the present embodiment, the microstructure of the Si-containing alloy preferably contains a first phase mainly composed of a transition metal silicide and a part of Al (and Sn), and is amorphous. It has a second phase mainly composed of high quality or low crystalline Si and a third phase mainly composed of Sn. Furthermore, a part is a plurality of independent first phases, and a part is a eutectic structure of the first phase and the second phase, and the third phase is the first phase in the eutectic structure. The structure has a finer dispersion than the phase and the second phase. In order to efficiently express the effects of the present invention, it is preferable that the Si phase (second phase) in the eutectic structure is sufficiently amorphized.
具体的なアモルファス形成能の指標としては、臨界冷却速度、液相線温度、T0曲線、ガラス転移温度、結晶化温度などが用いられている。中でも、臨界冷却速度は、合金系が異なる場合であってもアモルファス形成能を比較することが可能である。 As a specific index of amorphous forming ability, critical cooling rate, liquidus temperature, T 0 curve, glass transition temperature, crystallization temperature, and the like are used. Among them, the critical cooling rate can compare the amorphous forming ability even when the alloy systems are different.
臨界冷却速度とは、原子または分子がアモルファス相となる最小の冷却速度である。合金の製造における冷却速度を、臨界冷却速度以上とすることにより、アモルファス相を有する合金を製造することができる。すなわち、臨界冷却速度が遅い合金組成は、ゆっくり冷却してもアモルファス化できるため、アモルファス形成能が高いと考えられている。 The critical cooling rate is the minimum cooling rate at which atoms or molecules become an amorphous phase. By setting the cooling rate in the production of the alloy to be equal to or higher than the critical cooling rate, an alloy having an amorphous phase can be produced. That is, an alloy composition having a low critical cooling rate is considered to have high amorphous forming ability because it can be made amorphous even when slowly cooled.
本発明の製造方法における好ましい実施形態では、共晶組織中の第二の相のアモルファス化を十分に進行させるとの観点から、母合金組成における共晶開始時の液相組成の臨界冷却速度Fが4×107K/sec以下であり、好ましくは3×107K/sec以下である。より好ましくは2.8×107K/sec以下であり、さらに好ましくは2.5×107K/sec以下であり、特に好ましくは2.2×107K/sec以下である。また、前記臨界冷却速度Fの下限は、特に制限されず、例えば1×106K/sec以上である。 In a preferred embodiment of the production method of the present invention, from the viewpoint of sufficiently amorphizing the second phase in the eutectic structure, the critical cooling rate F of the liquid phase composition at the start of the eutectic in the master alloy composition. Is 4 × 10 7 K / sec or less, preferably 3 × 10 7 K / sec or less. More preferably, it is 2.8 × 10 7 K / sec or less, further preferably 2.5 × 10 7 K / sec or less, and particularly preferably 2.2 × 10 7 K / sec or less. Further, the lower limit of the critical cooling rate F is not particularly limited, and is, for example, 1 × 10 6 K / sec or more.
以下では、合金組成における共晶開始時の液相組成の臨界冷却速度の算出について、実施例1で用いた合金組成を例として説明する。実施例2および比較例1の合金組成についても、同様の方法により共晶開始時の液相組成の臨界冷却速度を求めることができる。 Hereinafter, calculation of the critical cooling rate of the liquid phase composition at the start of eutectic in the alloy composition will be described using the alloy composition used in Example 1 as an example. For the alloy compositions of Example 2 and Comparative Example 1, the critical cooling rate of the liquid phase composition at the start of eutectic can be determined by the same method.
[Thermo−Calcのシャイル(Scheil)凝固シミュレータによる共晶開始時液相組成計算]
スウェーデン Thermo−Calc software AB社製(日本代理店:伊藤忠テクノソリューションズ株式会社)の統合型熱力学計算システム:Thermo−Calc Ver2015aを用い、熱力学データベースとして、固溶体汎用データベース:SSOL5(SGTE* Solution Database,ver.5.0)を用いて、実施例1のSi−Sn−Ti−Al四元系合金について、シャイルモデルにて、シャイル凝固計算を行う。シャイルモデルおよびシャイル凝固計算については、金属 vol.77,No.8(p.898〜p.904)に準じて行うものとする。なお、シャイルモデル条件において、固相中の原子拡散は無視できる、液相中は完全混合する、固液界面は平滑である、固液界面では局所平衡が成り立つ、凝固方向は一方向である、液相線温度において凝固が開始する、および凝固潜熱は速やかに移動する、と仮定する。
*SGTE:Scientific Group Thermodata Europe
シャイル凝固計算により、合金組成における共晶開始時の液相組成を求めることができる。
[Calculation of liquid phase composition at the start of eutectic by Thermo-Calc's Seil solidification simulator]
Swedish Thermo-Calc software AB (Japan agency: Itochu Techno Solutions Co., Ltd.) integrated thermodynamic calculation system: Thermo-Calc Ver2015a, solid solution general-purpose database: SSOL5 (SGTE * Solution Database, SGTE * Solution Database, Ver. 5.0), the sill solidification calculation is performed on the Si—Sn—Ti—Al quaternary alloy of Example 1 using the Sile model. For the Sile model and Sile solidification calculation, see metal vol. 77, no. 8 (p.898-p.904). In the Shyle model conditions, atomic diffusion in the solid phase is negligible, complete mixing in the liquid phase, the solid-liquid interface is smooth, local equilibrium is established at the solid-liquid interface, the solidification direction is one direction, Assume that solidification begins at the liquidus temperature and that the latent heat of solidification moves quickly.
* SGTE: Scientific Group Thermodata Europe
The liquid phase composition at the start of the eutectic in the alloy composition can be obtained by the sill solidification calculation.
実施例1の合金組成では、初晶シリサイド(TiSi2)及び共晶(TiSi2+Si)からなる組織となり、Si相、Al単相が少ない。つまり、析出相が、シリサイド(TiSi2)相及びSi相となる。ここでは固相の組成は温度に寄らず一定と考えられるため、このようなシャイルモデルを用いても、実際の状態をよく再現するものと考えられる。また、実施例1の合金組成において、共晶開始時の液相組成は、Si70.9Sn7.4Ti19.9Al1.8である。なお、実施例2の合金組成においても、同様の結果が得られている(共晶開始時の液相組成は、図12(実施例1)、図16(実施例2))に記載)。 The alloy composition of Example 1 has a structure composed of primary crystal silicide (TiSi 2 ) and eutectic (TiSi 2 + Si), and has few Si phases and Al single phases. That is, the precipitated phase becomes a silicide (TiSi 2 ) phase and a Si phase. Here, since the composition of the solid phase is considered to be constant regardless of the temperature, it is considered that the actual state is well reproduced even if such a Sile model is used. In the alloy composition of Example 1, the liquid phase composition at the start of the eutectic is Si 70.9 Sn 7.4 Ti 19.9 Al 1.8 . In addition, the same result was obtained also in the alloy composition of Example 2 (the liquid phase composition at the start of the eutectic is described in FIG. 12 (Example 1) and FIG. 16 (Example 2)).
[アモルファス形成能計算]
アモルファス形成能は、液相から結晶が晶出する臨界冷却速度にて評価する。液相単相域から液相線温度以下の温度Tへ急冷し、等温保持した時に、体積分率Xになるまで結晶が成長するのに要する時間を表す、TTT線図(恒温変態曲線)を求め、ここから臨界冷却速度を算出する。熱力学計算ソフトThermo−Calc Ver2015a、熱力学データベース:SSOL5を用い、必要となる熱力学量を求め、TTT曲線を算出する。
[Amorphous formation ability calculation]
The amorphous forming ability is evaluated by a critical cooling rate at which crystals crystallize from the liquid phase. A TTT diagram (constant temperature transformation curve) showing the time required for crystals to grow until the volume fraction becomes X when quenched from a liquid phase region to a temperature T below the liquidus temperature and kept isothermal. The critical cooling rate is calculated from this. Using a thermodynamic calculation software Thermo-Calc Ver 2015a and a thermodynamic database: SSOL5, a required thermodynamic quantity is obtained and a TTT curve is calculated.
以下、TTT曲線の算出方法について説明する。臨界冷却速度の計算方法については、例えば、金属 Vol.77(2007)No.10(p.1148〜p.1153)を参照することができる。 Hereinafter, a method for calculating the TTT curve will be described. For the calculation method of the critical cooling rate, see, for example, Metal Vol. 77 (2007) No. 10 (p. 1148 to p. 1153).
均一核生成成長理論に基づくJohnson−Mehl−Avramiの速度論的取扱いの下記式(1)(保持時間:tにおいて生成される結晶の体積分率:X、核生成頻度:I、核の成長速度:Uとする)は、DaviesとUhlmannにより、下記式(2)のように導出される。 The following formula (1) of Johnson-Mehl-Avrami's kinetic treatment based on the homogeneous nucleation growth theory (retention time: volume fraction of crystals produced at t: nucleation frequency: I, nucleation growth rate) : U) is derived by Davies and Uhlmann as shown in the following formula (2).
ここで、Gmは、液相から結晶を晶出する駆動力、G*は、液相から球形の結晶核を生成する自由エネルギー、ηは、粘性係数、Nvは、単位体積当たりの原子数を表す。 Here, G m is a driving force for crystallizing a crystal from the liquid phase, G * is a free energy for generating a spherical crystal nucleus from the liquid phase, η is a viscosity coefficient, and Nv is the number of atoms per unit volume. Represents.
G*は、σm(固液界面エネルギー)として、下記式(3)で表すことができる。また、Gmは、下記式(4)で近似できる。σmは、経験的に下記式(5)のように表され、SaundersとMiodownikとによって約0.41であることが示されている。 G * can be expressed by the following formula (3) as σ m (solid-liquid interface energy). G m can be approximated by the following equation (4). σ m is empirically expressed as the following equation (5), and is shown to be about 0.41 by Saunders and Miodownik.
fは固液界面での原子の移動しうるサイトの割合であり、Uhlmannによれば下記式(6)のように表される。 f is the ratio of the sites to which atoms can move at the solid-liquid interface, and is expressed by the following formula (6) according to Uhlmann.
液体合金の粘性係数ηは、Doolittleの式(下記式(7))により近似できる。ここでA、BおよびCは定数である。fTは液体における相対自由体積、EHは空孔生成エネルギーである。Ramachandraraoによれば、EHは下記式(8)のようにTg(ガラス転移温度)から推定できる。ここで、Tg=0.6Tmとし、fT=0.03、η=1012Pa・S、B=1と仮定して、下記式(7)の定数AおよびCを算出した。 The viscosity coefficient η of the liquid alloy can be approximated by a Doottle equation (the following equation (7)). Here, A, B and C are constants. f T is the relative free volume in the liquid, and E H is the vacancy generation energy. According to Ramachandrarao, E H can be estimated from T g (glass transition temperature) as shown in the following formula (8). Here, assuming that T g = 0.6 Tm , f T = 0.03, η = 10 12 Pa · S, and B = 1, the constants A and C of the following formula (7) were calculated.
実施例1の合金(Si含有合金と同一の組成を有する母合金)組成について、前述のシャイル凝固シミュレーションで共晶開始組成を求めた後、ガラス転移温度、液相線温度および融解エンタルピーを求め、上記式(2)より、TTT曲線(図20)を計算し、下記式(9)より臨界冷却速度Rcを計算した。実施例1の合金(Si含有合金と同一の組成を有する母合金)組成に係るTTT線図を図12(実施例1)に示す。実施例1と同様にして求めた実施例2の合金組成に係るTTT線図を図16に示す。また比較例1の合金組成に係るTTT線図は省略した。 For the alloy composition of Example 1 (mother alloy having the same composition as the Si-containing alloy), after obtaining the eutectic initiation composition in the above-described sill solidification simulation, the glass transition temperature, the liquidus temperature, and the melting enthalpy are obtained. A TTT curve (FIG. 20) was calculated from the above equation (2), and a critical cooling rate R c was calculated from the following equation (9). A TTT diagram relating to the composition of the alloy of Example 1 (the master alloy having the same composition as the Si-containing alloy) is shown in FIG. 12 (Example 1). A TTT diagram relating to the alloy composition of Example 2 obtained in the same manner as Example 1 is shown in FIG. The TTT diagram relating to the alloy composition of Comparative Example 1 is omitted.
以上より、実施例1の合金(Si含有合金と同一の組成を有する母合金)組成において、臨界冷却速度は、2.0×107K/secと算出される。また、実施例2の合金(Si含有合金と同一の組成を有する母合金)において、臨界冷却速度は、1.9×107K/secと算出され、比較例1の合金(Si含有合金と同一の組成を有する母合金)において、臨界冷却速度は、4.3×107K/secと算出される。 From the above, in the alloy composition of Example 1 (mother alloy having the same composition as the Si-containing alloy), the critical cooling rate is calculated to be 2.0 × 10 7 K / sec. In the alloy of Example 2 (mother alloy having the same composition as the Si-containing alloy), the critical cooling rate was calculated to be 1.9 × 10 7 K / sec, and the alloy of Comparative Example 1 (the Si-containing alloy and In the mother alloy having the same composition), the critical cooling rate is calculated to be 4.3 × 10 7 K / sec.
続いて、負極活物質層13は、バインダを含む。 Subsequently, the negative electrode active material layer 13 includes a binder.
(バインダ)
バインダは、活物質同士または活物質と集電体とを結着させて電極構造を維持する目的で添加される。負極活物質層に用いられるバインダの種類についても特に制限はなく、正極活物質層に用いられるバインダとして上述したものが同様に用いられうる。よって、ここでは詳細な説明は省略する。
(Binder)
The binder is added for the purpose of maintaining the electrode structure by binding the active materials or the active material and the current collector. There is no restriction | limiting in particular also about the kind of binder used for a negative electrode active material layer, What was mentioned above as a binder used for a positive electrode active material layer can be used similarly. Therefore, detailed description is omitted here.
なお、負極活物質層中に含まれるバインダ量は、活物質を結着することができる量であれば特に限定されるものではないが、好ましくは負極活物質層に対して、0.5〜20質量%であり、より好ましくは1〜15質量%である。 Note that the amount of the binder contained in the negative electrode active material layer is not particularly limited as long as it is an amount capable of binding the active material, but is preferably 0.5 to It is 20 mass%, More preferably, it is 1-15 mass%.
(正極および負極活物質層15、13に共通する要件)
以下に、正極および負極活物質層15、13に共通する要件につき、説明する。
(Requirements common to the positive and negative electrode active material layers 15 and 13)
The requirements common to the positive and negative electrode active material layers 15 and 13 will be described below.
正極活物質層15および負極活物質層13は、必要に応じて、導電助剤、電解質塩(リチウム塩)、イオン伝導性ポリマー等を含む。特に、負極活物質層13は、導電助剤をも必須に含む。 The positive electrode active material layer 15 and the negative electrode active material layer 13 include a conductive additive, an electrolyte salt (lithium salt), an ion conductive polymer, and the like as necessary. In particular, the negative electrode active material layer 13 essentially includes a conductive additive.
(導電助剤)
導電助剤とは、正極活物質層または負極活物質層の導電性を向上させるために配合される添加物をいう。導電助剤としては、アセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト、気相成長炭素繊維などの炭素材料が挙げられる。活物質層が導電助剤を含むと、活物質層の内部における電子ネットワークが効果的に形成され、電池の出力特性の向上に寄与しうる。
(Conductive aid)
The conductive assistant refers to an additive that is blended in order to improve the conductivity of the positive electrode active material layer or the negative electrode active material layer. Examples of the conductive assistant include carbon materials such as carbon black such as acetylene black, graphite, and vapor grown carbon fiber. When the active material layer contains a conductive additive, an electronic network inside the active material layer is effectively formed, which can contribute to improvement of the output characteristics of the battery.
活物質層へ混入されてなる導電助剤の含有量は、活物質層の総量に対して、1質量%以上、より好ましくは3質量%以上、さらに好ましくは5質量%以上の範囲である。また、活物質層へ混入されてなる導電助剤の含有量は、活物質層の総量に対して、15質量%以下、より好ましくは10質量%以下、さらに好ましくは7質量%以下の範囲である。活物質自体の電子導電性は低く導電助剤の量によって電極抵抗を低減できる活物質層での導電助剤の配合比(含有量)を上記範囲内に規定することで以下の効果が発現される。即ち、電極反応を阻害することなく、電子導電性を十分に担保することができ、電極密度の低下によるエネルギー密度の低下を抑制でき、ひいては電極密度の向上によるエネルギー密度の向上を図ることができる。 The content of the conductive additive mixed into the active material layer is in the range of 1% by mass or more, more preferably 3% by mass or more, and further preferably 5% by mass or more with respect to the total amount of the active material layer. In addition, the content of the conductive additive mixed in the active material layer is 15% by mass or less, more preferably 10% by mass or less, and further preferably 7% by mass or less with respect to the total amount of the active material layer. is there. By defining the compounding ratio (content) of the conductive aid in the active material layer within the above range, the electronic conductivity of the active material itself is low and the electrode resistance can be reduced by the amount of the conductive aid. The That is, it is possible to sufficiently ensure the electronic conductivity without hindering the electrode reaction, to suppress the decrease in the energy density due to the decrease in the electrode density, and to improve the energy density due to the increase in the electrode density. .
また、上記導電助剤とバインダの機能を併せ持つ導電性結着剤をこれら導電助剤とバインダに代えて用いてもよいし、あるいはこれら導電助剤とバインダの一方ないし双方と併用してもよい。導電性結着剤としては、既に市販のTAB−2(宝泉株式会社製)を用いることができる。 Moreover, the conductive binder having the functions of the conductive assistant and the binder may be used in place of the conductive assistant and the binder, or may be used in combination with one or both of the conductive assistant and the binder. . As the conductive binder, commercially available TAB-2 (manufactured by Hosen Co., Ltd.) can be used.
(電解質塩(リチウム塩))
電解質塩(リチウム塩)としては、Li(C2F5SO2)2N、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3等が挙げられる。
(Electrolyte salt (lithium salt))
Examples of the electrolyte salt (lithium salt) include Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 and the like.
(イオン伝導性ポリマー)
イオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)系およびポリプロピレンオキシド(PPO)系のポリマーが挙げられる。
(Ion conductive polymer)
Examples of the ion conductive polymer include polyethylene oxide (PEO) -based and polypropylene oxide (PPO) -based polymers.
正極活物質層および負極活物質層中に含まれる成分の配合比は、特に限定されない。配合比は、非水電解質二次電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。 The compounding ratio of the components contained in the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer is not particularly limited. The blending ratio can be adjusted by appropriately referring to known knowledge about the nonaqueous electrolyte secondary battery.
各活物質層(集電体片面の活物質層)の厚さについても特に制限はなく、電池についての従来公知の知見が適宜参照されうる。一例を挙げると、各活物質層の厚さは、電池の使用目的(出力重視、エネルギー重視など)、イオン伝導性を考慮し、通常1〜500μm程度、好ましくは2〜100μmである。 There is no particular limitation on the thickness of each active material layer (active material layer on one side of the current collector), and conventionally known knowledge about the battery can be referred to as appropriate. For example, the thickness of each active material layer is usually about 1 to 500 μm, preferably 2 to 100 μm in consideration of the intended use of the battery (emphasis on output, energy, etc.) and ion conductivity.
<集電体>
集電体11、12は導電性材料から構成される。集電体の大きさは、電池の使用用途に応じて決定される。例えば、高エネルギー密度が要求される大型の電池に用いられるのであれば、面積の大きな集電体が用いられる。
<Current collector>
The current collectors 11 and 12 are made of a conductive material. The size of the current collector is determined according to the intended use of the battery. For example, if it is used for a large battery that requires a high energy density, a current collector having a large area is used.
集電体の厚さについても特に制限はない。集電体の厚さは、通常は1〜100μm程度である。 There is no particular limitation on the thickness of the current collector. The thickness of the current collector is usually about 1 to 100 μm.
集電体の形状についても特に制限されない。図1に示す積層型電池10では、集電箔のほか、網目形状(エキスパンドグリッド等)等を用いることができる。 The shape of the current collector is not particularly limited. In the laminated battery 10 shown in FIG. 1, in addition to the current collector foil, a mesh shape (such as an expanded grid) can be used.
なお、負極活物質をスパッタ法等により薄膜合金を負極集電体12上に直接形成する場合には、集電箔を用いるのが望ましい。 In the case where the negative electrode active material is formed directly on the negative electrode current collector 12 by sputtering or the like, it is desirable to use a current collector foil.
集電体を構成する材料に特に制限はない。例えば、金属や、導電性高分子材料または非導電性高分子材料に導電性フィラーが添加された樹脂が採用されうる。 There is no particular limitation on the material constituting the current collector. For example, a metal or a resin in which a conductive filler is added to a conductive polymer material or a non-conductive polymer material can be employed.
具体的には、金属としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、銅などが挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材、またはこれらの金属の組み合わせのめっき材などが好ましく用いられうる。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも、電子伝導性や電池作動電位、集電体へのスパッタリングによる負極活物質の密着性等の観点からは、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケルが好ましい。 Specifically, examples of the metal include aluminum, nickel, iron, stainless steel, titanium, and copper. In addition to these, a clad material of nickel and aluminum, a clad material of copper and aluminum, or a plating material of a combination of these metals can be preferably used. Moreover, the foil by which aluminum is coat | covered on the metal surface may be sufficient. Of these, aluminum, stainless steel, copper, and nickel are preferable from the viewpoints of electronic conductivity, battery operating potential, and adhesion of the negative electrode active material by sputtering to the current collector.
また、導電性高分子材料としては、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアクリロニトリル、およびポリオキサジアゾールなどが挙げられる。かような導電性高分子材料は、導電性フィラーを添加しなくても十分な導電性を有するため、製造工程の容易化または集電体の軽量化の点において有利である。 Examples of the conductive polymer material include polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, polyparaphenylene, polyphenylene vinylene, polyacrylonitrile, and polyoxadiazole. Since such a conductive polymer material has sufficient conductivity without adding a conductive filler, it is advantageous in terms of facilitating the manufacturing process or reducing the weight of the current collector.
非導電性高分子材料としては、例えば、ポリエチレン(PE;高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)など)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリアミド(PA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、またはポリスチレン(PS)などが挙げられる。かような非導電性高分子材料は、優れた耐電位性または耐溶媒性を有しうる。 Non-conductive polymer materials include, for example, polyethylene (PE; high density polyethylene (HDPE), low density polyethylene (LDPE), etc.), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyether nitrile (PEN), polyimide (PI), polyamideimide (PAI), polyamide (PA), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl acrylate (PMA), polymethyl methacrylate (PMMA) , Polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVdF), or polystyrene (PS). Such a non-conductive polymer material may have excellent potential resistance or solvent resistance.
上記の導電性高分子材料または非導電性高分子材料には、必要に応じて導電性フィラーが添加されうる。特に、集電体の基材となる樹脂が非導電性高分子のみからなる場合は、樹脂に導電性を付与するために必然的に導電性フィラーが必須となる。 A conductive filler may be added to the conductive polymer material or the non-conductive polymer material as necessary. In particular, when the resin used as the base material of the current collector is made of only a non-conductive polymer, a conductive filler is inevitably necessary to impart conductivity to the resin.
導電性フィラーは、導電性を有する物質であれば特に制限なく用いることができる。例えば、導電性、耐電位性、またはリチウムイオン遮断性に優れた材料として、金属および導電性カーボンなどが挙げられる。金属としては、特に制限はないが、Ni、Ti、Al、Cu、Pt、Fe、Cr、Sn、Zn、In、Sb、およびKからなる群から選択される少なくとも1種の金属もしくはこれらの金属を含む合金または金属酸化物を含むことが好ましい。また、導電性カーボンとしては、特に制限はない。好ましくは、アセチレンブラック、バルカン、ブラックパール、カーボンナノファイバー、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノバルーン、およびフラーレンからなる群より選択される少なくとも1種を含むものである。 The conductive filler can be used without particular limitation as long as it is a substance having conductivity. For example, metals, conductive carbon, etc. are mentioned as a material excellent in electroconductivity, electric potential resistance, or lithium ion barrier | blocking property. The metal is not particularly limited, but at least one metal selected from the group consisting of Ni, Ti, Al, Cu, Pt, Fe, Cr, Sn, Zn, In, Sb, and K, or these metals It is preferable to contain an alloy or metal oxide containing. Moreover, there is no restriction | limiting in particular as electroconductive carbon. Preferably, it includes at least one selected from the group consisting of acetylene black, vulcan, black pearl, carbon nanofiber, ketjen black, carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanoballoon, and fullerene.
導電性フィラーの添加量は、集電体に十分な導電性を付与できる量であれば特に制限はなく、一般的には、5〜35質量%程度である。 The amount of the conductive filler added is not particularly limited as long as it is an amount capable of imparting sufficient conductivity to the current collector, and is generally about 5 to 35% by mass.
<電解質層>
電解質層17を構成する電解質としては、液体電解質またはポリマー電解質が用いられうる。
<Electrolyte layer>
A liquid electrolyte or a polymer electrolyte can be used as the electrolyte constituting the electrolyte layer 17.
液体電解質は、有機溶媒にリチウム塩(電解質塩)が溶解した形態を有する。有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、メチルプロピルカーボネート(MPC)等のカーボネート類が例示される。 The liquid electrolyte has a form in which a lithium salt (electrolyte salt) is dissolved in an organic solvent. Examples of the organic solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), vinylene carbonate (VC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), Examples include carbonates such as methylpropyl carbonate (MPC).
また、リチウム塩としては、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2N、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiTaF6、LiClO4、LiCF3SO3等の電極の活物質層に添加され得る化合物を採用することができる。 As the lithium salt, Li (CF 3 SO 2) 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2) 2 N, LiPF 6, LiBF 4, LiAsF 6, LiTaF 6, LiClO 4, LiCF 3 SO 3 , etc. A compound that can be added to the active material layer of the electrode can be employed.
一方、ポリマー電解質は、電解液を含むゲル電解質と、電解液を含まない真性ポリマー電解質とに分類される。 On the other hand, the polymer electrolyte is classified into a gel electrolyte containing an electrolytic solution and an intrinsic polymer electrolyte containing no electrolytic solution.
ゲル電解質は、イオン伝導性ポリマーからなるマトリックスポリマーに、上記の液体電解質(電解液)が注入されてなる構成を有する。電解質としてゲルポリマー電解質を用いることで電解質の流動性がなくなり、各層間のイオン伝導を遮断することが容易になる点で優れている。 The gel electrolyte has a configuration in which the liquid electrolyte (electrolytic solution) is injected into a matrix polymer made of an ion conductive polymer. The use of a gel polymer electrolyte as the electrolyte is superior in that the fluidity of the electrolyte is lost and it is easy to block ion conduction between the layers.
マトリックスポリマーとして用いられるイオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、およびこれらの共重合体等が挙げられる。かようなポリアルキレンオキシド系ポリマーには、リチウム塩などの電解質塩がよく溶解しうる。 Examples of the ion conductive polymer used as the matrix polymer include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof. In such polyalkylene oxide polymers, electrolyte salts such as lithium salts can be well dissolved.
ゲル電解質中の上記液体電解質(電解液)の割合としては、特に制限されるべきものではないが、イオン伝導度などの観点から、数質量%〜98質量%程度とするのが望ましい。本実施形態では、電解液の割合が70質量%以上の、電解液が多いゲル電解質について、特に効果がある。 The ratio of the liquid electrolyte (electrolytic solution) in the gel electrolyte is not particularly limited, but is preferably about several mass% to 98 mass% from the viewpoint of ionic conductivity. In the present embodiment, the gel electrolyte having a large amount of electrolytic solution having a ratio of the electrolytic solution of 70% by mass or more is particularly effective.
なお、電解質層が液体電解質やゲル電解質や真性ポリマー電解質から構成される場合には、電解質層にセパレータを用いてもよい。セパレータ(不織布を含む)の具体的な形態としては、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィンからなる微多孔膜や多孔質の平板、更には不織布が挙げられる。 In the case where the electrolyte layer is composed of a liquid electrolyte, a gel electrolyte, or an intrinsic polymer electrolyte, a separator may be used for the electrolyte layer. Specific examples of the separator (including non-woven fabric) include a microporous film made of polyolefin such as polyethylene and polypropylene, a porous flat plate, and a non-woven fabric.
真性ポリマー電解質は、上記のマトリックスポリマーに支持塩(リチウム塩)が溶解してなる構成を有し、可塑剤である有機溶媒を含まない。したがって、電解質層が真性ポリマー電解質から構成される場合には電池からの液漏れの心配がなく、電池の信頼性が向上しうる。 The intrinsic polymer electrolyte has a structure in which a supporting salt (lithium salt) is dissolved in the matrix polymer, and does not include an organic solvent that is a plasticizer. Therefore, when the electrolyte layer is composed of an intrinsic polymer electrolyte, there is no fear of liquid leakage from the battery, and the reliability of the battery can be improved.
ゲル電解質や真性ポリマー電解質のマトリックスポリマーは、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度を発現しうる。架橋構造を形成させるには、適当な重合開始剤を用いて、高分子電解質形成用の重合性ポリマー(例えば、PEOやPPO)に対して熱重合、紫外線重合、放射線重合、電子線重合等の重合処理を施せばよい。 The matrix polymer of the gel electrolyte or the intrinsic polymer electrolyte can exhibit excellent mechanical strength by forming a crosslinked structure. In order to form a crosslinked structure, thermal polymerization, ultraviolet polymerization, radiation polymerization, electron beam polymerization, etc. are performed on a polymerizable polymer (for example, PEO or PPO) for forming a polymer electrolyte using an appropriate polymerization initiator. A polymerization treatment may be performed.
<集電板およびリード>
電池外部に電流を取り出す目的で、集電板を用いてもよい。集電板は集電体やリードに電気的に接続され、電池外装材であるラミネートシートの外部に取り出される。
<Current collector plate and lead>
A current collecting plate may be used for the purpose of taking out the current outside the battery. The current collector plate is electrically connected to the current collector and the lead, and is taken out of the laminate sheet that is a battery exterior material.
集電板を構成する材料は、特に制限されず、リチウムイオン二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましく、より好ましくは軽量、耐食性、高導電性の観点からアルミニウム、銅などが好ましい。なお、正極集電板と負極集電板とでは、同一の材質が用いられてもよいし、異なる材質が用いられてもよい。 The material which comprises a current collector plate is not specifically limited, The well-known highly electroconductive material conventionally used as a current collector plate for lithium ion secondary batteries can be used. As a constituent material of the current collector plate, for example, metal materials such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof are preferable, and aluminum is more preferable from the viewpoint of light weight, corrosion resistance, and high conductivity. Copper or the like is preferable. Note that the same material may be used for the positive electrode current collector plate and the negative electrode current collector plate, or different materials may be used.
正極端子リードおよび負極端子リードに関しても、必要に応じて使用する。正極端子リードおよび負極端子リードの材料は、公知のリチウムイオン二次電池で用いられる端子リードを用いることができる。なお、電池外装材29から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆するのが好ましい。 The positive terminal lead and the negative terminal lead are also used as necessary. As the material of the positive terminal lead and the negative terminal lead, a terminal lead used in a known lithium ion secondary battery can be used. It should be noted that the part taken out from the battery outer packaging material 29 has a heat insulating property so as not to affect the product (for example, automobile parts, particularly electronic devices) by contacting with peripheral devices or wiring and causing leakage. It is preferable to coat with a heat shrinkable tube or the like.
<電池外装材>
電池外装材29としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルムを用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。
<Battery exterior material>
As the battery exterior material 29, a known metal can case can be used, and a bag-like case using a laminate film containing aluminum that can cover the power generation element can be used. For example, a laminate film having a three-layer structure in which PP, aluminum, and nylon are laminated in this order can be used as the laminate film, but the laminate film is not limited thereto. A laminate film is desirable from the viewpoint that it is excellent in high output and cooling performance, and can be suitably used for a battery for large equipment for EV and HEV.
なお、上記のリチウムイオン二次電池は、従来公知の製造方法により製造することができる。 In addition, said lithium ion secondary battery can be manufactured with a conventionally well-known manufacturing method.
<リチウムイオン二次電池の外観構成>
図2は、積層型の扁平なリチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。
<Appearance structure of lithium ion secondary battery>
FIG. 2 is a perspective view showing the appearance of a stacked flat lithium ion secondary battery.
図2に示すように、積層型の扁平なリチウムイオン二次電池50では、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極集電板59、負極集電板58が引き出されている。発電要素57は、リチウムイオン二次電池50の電池外装材52によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素57は、正極集電板59および負極集電板58を外部に引き出した状態で密封されている。ここで、発電要素57は、図1に示すリチウムイオン二次電池(積層型電池)10の発電要素21に相当するものである。発電要素57は、正極(正極活物質層)13、電解質層17および負極(負極活物質層)15で構成される単電池層(単セル)19が複数積層されたものである。 As shown in FIG. 2, the stacked flat lithium ion secondary battery 50 has a rectangular flat shape, and a positive current collector 59 for taking out power from both sides thereof, a negative current collector, and the like. The electric plate 58 is pulled out. The power generation element 57 is wrapped by the battery outer packaging material 52 of the lithium ion secondary battery 50 and the periphery thereof is heat-sealed. The power generation element 57 pulls out the positive electrode current collector plate 59 and the negative electrode current collector plate 58 to the outside. Sealed. Here, the power generation element 57 corresponds to the power generation element 21 of the lithium ion secondary battery (stacked battery) 10 shown in FIG. The power generation element 57 is formed by laminating a plurality of single battery layers (single cells) 19 including a positive electrode (positive electrode active material layer) 13, an electrolyte layer 17, and a negative electrode (negative electrode active material layer) 15.
なお、上記リチウムイオン二次電池は、積層型の扁平な形状のもの(ラミネートセル)に制限されるものではない。巻回型のリチウムイオン電池では、円筒型形状のもの(コインセル)や角柱型形状(角型セル)のもの、こうした円筒型形状のものを変形させて長方形状の扁平な形状にしたようなもの、更にシリンダー状セルであってもよいなど、特に制限されるものではない。上記円筒型や角柱型の形状のものでは、その外装材に、ラミネートフィルムを用いてもよいし、従来の円筒缶(金属缶)を用いてもよいなど、特に制限されるものではない。好ましくは、発電要素がアルミニウムラミネートフィルムで外装される。当該形態により、軽量化が達成されうる。 The lithium ion secondary battery is not limited to a laminated flat shape (laminate cell). In a wound type lithium ion battery, a cylindrical shape (coin cell), a prismatic shape (square cell), or such a cylindrical shape deformed into a rectangular flat shape Further, it may be a cylindrical cell, and is not particularly limited. The cylindrical or prismatic shape is not particularly limited, for example, a laminate film or a conventional cylindrical can (metal can) may be used as the exterior material. Preferably, the power generation element is covered with an aluminum laminate film. With this configuration, weight reduction can be achieved.
また、図2に示す正極集電板59、負極集電板58の取り出しに関しても、特に制限されるものではない。正極集電板59と負極集電板58とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、正極集電板59と負極集電板58をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出すようにしてもよいなど、図2に示すものに制限されるものではない。また、巻回型のリチウムイオン電池では、集電板に変えて、例えば、円筒缶(金属缶)を利用して端子を形成すればよい。 Further, the removal of the positive electrode current collector plate 59 and the negative electrode current collector plate 58 shown in FIG. 2 is not particularly limited. The positive electrode current collector plate 59 and the negative electrode current collector plate 58 may be drawn out from the same side, or the positive electrode current collector plate 59 and the negative electrode current collector plate 58 may be divided into a plurality of parts and taken out from each side. It is not limited to the one shown in FIG. Further, in a wound type lithium ion battery, instead of the current collector plate, for example, a terminal may be formed using a cylindrical can (metal can).
上記したように、本実施形態のリチウムイオン二次電池用の負極活物質を用いてなる負極ならびにリチウムイオン二次電池は、電気自動車やハイブリッド電気自動車やプラグインハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの大容量電源として、好適に利用することができる。即ち、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。 As described above, the negative electrode and the lithium ion secondary battery using the negative electrode active material for the lithium ion secondary battery of the present embodiment are an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, a fuel cell vehicle, and a hybrid. It can be suitably used as a large-capacity power source for fuel cell vehicles. That is, it can be suitably used for a vehicle driving power source and an auxiliary power source that require high volume energy density and high volume output density.
なお、上記実施形態では、電気デバイスとして、リチウムイオン電池を例示したが、これに制限されるわけではなく、他のタイプの二次電池、さらには一次電池にも適用できる。また、電池だけではなくキャパシタにも適用できる。 In the above embodiment, the lithium ion battery is exemplified as the electric device. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to other types of secondary batteries and further to primary batteries. Moreover, it can be applied not only to batteries but also to capacitors.
本発明を、以下の実施例を用いてさらに詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。 The invention is explained in more detail using the following examples. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples.
(実施例1)
[Si含有合金(合金活物質)の作製]
合金種をSi65Sn4.8Ti29Al1.2(Si65質量%−Sn4.8質量%−Ti29質量%−Al1.2質量%)とし、液体急冷凝固法で作製した。以下詳しく説明する。具体的には、高純度金属Siインゴット(5N)、高純度Sn板(3N)、高純度Tiワイヤ(3N)、高純度Alショット(3N)を用い、アーク溶解法を用いて、Si合金(Si65質量%、Sn4.8質量%、Ti29質量%、Al1.2質量%)のインゴット合金を作製した。インゴット合金は、石英ノズルに投入しやすいように、粉砕して直径2mm程度に粗粉砕した。これを、液体急冷凝固法(急冷ロール凝固法)の母合金として用いた。
(Example 1)
[Production of Si-containing alloy (alloy active material)]
The alloy type was Si 65 Sn 4.8 Ti 29 Al 1.2 (Si 65 % by mass—Sn 4.8 % by mass—Ti 29 % by mass—Al 1.2 % by mass), which was prepared by a liquid rapid solidification method. This will be described in detail below. Specifically, a high purity metal Si ingot (5N), a high purity Sn plate (3N), a high purity Ti wire (3N), a high purity Al shot (3N) are used, and an Si alloy ( Ingot alloy of Si 65% by mass, Sn 4.8% by mass, Ti 29% by mass, Al 1.2% by mass) was produced. The ingot alloy was pulverized and roughly crushed to a diameter of about 2 mm so that it could be easily put into a quartz nozzle. This was used as a mother alloy of a liquid rapid solidification method (quenching roll solidification method).
続いて、粗粉砕したインゴット合金の粉末を母合金として、液体急冷凝固法によりSi含有合金として薄帯状合金=急冷薄帯(リボン)合金を作製した。具体的には、日新技研株式会社製の液体急冷凝固装置NEV−A05型を用いて、Ar置換のうえゲージ圧−0.03MPaに減圧したチャンバー内に設置した石英ノズル中に、Si65Sn4.8Ti29Al1.2の母合金を入れ、高周波誘導加熱により融解した。その後、0.03MPaの噴射圧にて、回転数4000rpm(周速:41.9m/sec)のCuロール上に噴射し、薄帯状合金を作製した。なお、液体急冷凝固法での合金の冷却速度は、4.6×106℃/秒であった。母合金組成の臨界冷却速度は2.0×107K/secであった。得られた薄帯状合金(急冷薄帯合金)の厚さは、18μmであった。 Subsequently, using the coarsely pulverized ingot alloy powder as a mother alloy, a ribbon-like alloy = quenched ribbon (ribbon) alloy was produced as a Si-containing alloy by a liquid rapid solidification method. Specifically, using a liquid rapid solidification apparatus NEV-A05 type manufactured by Nisshin Giken Co., Ltd., Si 65 Sn was placed in a quartz nozzle installed in a chamber reduced to a gauge pressure of −0.03 MPa after Ar substitution. A mother alloy of 4.8 Ti 29 Al 1.2 was put and melted by high frequency induction heating. Thereafter, it was sprayed onto a Cu roll having a rotational speed of 4000 rpm (peripheral speed: 41.9 m / sec) at an injection pressure of 0.03 MPa to produce a ribbon-like alloy. The cooling rate of the alloy in the liquid rapid solidification method was 4.6 × 10 6 ° C./second. The critical cooling rate of the mother alloy composition was 2.0 × 10 7 K / sec. The thickness of the obtained ribbon-like alloy (quenched ribbon alloy) was 18 μm.
その後、得られた薄帯状合金(急冷薄帯合金)を粉砕処理した。具体的には、薄帯状合金(急冷薄帯合金)は、ボールミル装置に投入しやすいように、粉砕して直径2mm程度に粗粉砕した。次に、ドイツ フリッチュ社製遊星ボールミル装置P−6を用いて、ジルコニア製粉砕ポットにジルコニア製粉砕ボールと粗粉砕した薄帯状合金(急冷薄帯合金)粉末を投入し、400rpmで1時間、粉砕処理を実施して、合金種と同じ合金組成のSi含有合金(負極活物質)を得た。得られたSi含有合金(負極活物質)粉末の平均粒子径D50は、7.2μmであり、D90は、18μmであった。 Thereafter, the obtained ribbon-like alloy (quenched ribbon alloy) was pulverized. Specifically, the ribbon-like alloy (quenched ribbon alloy) was crushed and roughly crushed to a diameter of about 2 mm so that it could be easily put into a ball mill apparatus. Next, using a planetary ball mill device P-6 manufactured by Fricht, Germany, zirconia pulverized balls and coarsely pulverized ribbon-like alloy (quenched ribbon alloy) powder were charged into a zirconia pulverization pot and pulverized at 400 rpm for 1 hour. The process was implemented and the Si containing alloy (negative electrode active material) of the same alloy composition as an alloy seed | species was obtained. The average particle diameter D50 of the obtained Si-containing alloy (negative electrode active material) powder was 7.2 μm, and D90 was 18 μm.
[負極の作製]
負極活物質である上記で製造したSi含有合金(Si65Sn4.8Ti29Al1.2)80質量部と、導電助剤であるアセチレンブラック 5質量部と、バインダであるポリアミドイミド 15質量部と、を混合し、N−メチルピロリドンに分散させて負極スラリーを得た。次いで、得られた負極スラリーを、銅箔よりなる負極集電体の両面にそれぞれ負極活物質層の厚さが30μmとなるように均一に塗布し、真空中で24時間乾燥させて、負極を得た。
[Production of negative electrode]
80 parts by mass of the Si-containing alloy (Si 65 Sn 4.8 Ti 29 Al 1.2 ) produced above as a negative electrode active material, 5 parts by mass of acetylene black as a conductive additive, and 15 parts by mass of polyamideimide as a binder Were mixed and dispersed in N-methylpyrrolidone to obtain a negative electrode slurry. Next, the obtained negative electrode slurry was uniformly applied to both surfaces of a negative electrode current collector made of copper foil so that the thickness of the negative electrode active material layer was 30 μm, and dried in a vacuum for 24 hours. Obtained.
[リチウムイオン二次電池(コインセル)の作製]
上記で作製した負極と対極Liとを対向させ、この間にセパレータ(ポリオレフィン、膜厚20μm)を配置した。次いで、負極、セパレータ、および対極Liの積層体をコインセル(CR2032、材質:ステンレス鋼(SUS316))の底部側に配置した。さらに、正極と負極との間の絶縁性を保つためガスケットを装着し、下記電解液をシリンジにより注入し、スプリングおよびスペーサを積層し、コインセルの上部側を重ねあわせ、かしこめることにより密閉して、リチウムイオン二次電池(コインセル)を得た。
[Production of lithium ion secondary battery (coin cell)]
The negative electrode produced above and the counter electrode Li were opposed to each other, and a separator (polyolefin, film thickness 20 μm) was disposed therebetween. Next, a laminate of a negative electrode, a separator, and a counter electrode Li was disposed on the bottom side of a coin cell (CR2032, material: stainless steel (SUS316)). Furthermore, in order to maintain insulation between the positive electrode and the negative electrode, a gasket is attached, the following electrolyte is injected with a syringe, a spring and a spacer are stacked, the upper side of the coin cell is overlapped, and sealed by caulking. Thus, a lithium ion secondary battery (coin cell) was obtained.
なお、上記電解液としては、エチレンカーボネート(EC)およびジエチルカーボネート(DEC)を、EC:DEC=1:2(体積比)の割合で混合した有機溶媒に、リチウム塩(支持塩)である六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を、濃度が1mol/Lとなるように溶解させたものを用いた。 In addition, as the electrolytic solution, six lithium carbonate (supporting salt) is added to an organic solvent in which ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) are mixed at a ratio of EC: DEC = 1: 2 (volume ratio). A solution obtained by dissolving lithium fluorophosphate (LiPF 6 ) so as to have a concentration of 1 mol / L was used.
(実施例2)
合金種をSi61Sn7.2Ti30Al1.8(Si61質量%−Sn7.2質量%−Ti30質量%−Al1.8質量%)に変更し、液体急冷凝固法における噴射圧を0.05MPaとした以外は、上述した実施例1と同様の方法により、負極活物質、負極およびリチウムイオン二次電池(コインセル)を作製した。なお、液体急冷凝固法での合金の冷却速度は、4.0×106℃/秒であった。母合金組成の臨界冷却速度は1.9×107K/secであった。得られた薄帯状合金(急冷薄帯合金)の厚さは、20μmであった。また、得られたSi含有合金(負極活物質)粉末の平均粒子径D50は、6.8μmであり、D90は、20μmであった。
(Example 2)
The alloy type was changed to Si 61 Sn 7.2 Ti 30 Al 1.8 (Si 61 % by mass—Sn 7.2 % by mass—Ti 30 % by mass—Al 1.8 % by mass), and the injection pressure in the liquid rapid solidification method was changed to 0. A negative electrode active material, a negative electrode, and a lithium ion secondary battery (coin cell) were produced in the same manner as in Example 1 except that the pressure was 05 MPa. The cooling rate of the alloy in the liquid rapid solidification method was 4.0 × 10 6 ° C./second. The critical cooling rate of the mother alloy composition was 1.9 × 10 7 K / sec. The thickness of the obtained ribbon-like alloy (quenched ribbon alloy) was 20 μm. The obtained Si-containing alloy (negative electrode active material) powder had an average particle diameter D50 of 6.8 μm and D90 of 20 μm.
(比較例1)
合金種をSi60Sn10Ti30に変更した以外は、上述した実施例1と同様の手法により、負極活物質、負極およびリチウムイオン二次電池(コインセル)を作製した。なお、液体急冷凝固法での合金の冷却速度は4.6×106℃/秒であった。母合金組成の臨界冷却速度は4.3×107K/secであった。得られた薄帯状合金(急冷薄帯合金)の厚さは18μmであった。また、得られたSi含有合金(負極活物質)粉末の平均粒子径D50=6.5μm(D90=17μm)であった。
(Comparative Example 1)
A negative electrode active material, a negative electrode, and a lithium ion secondary battery (coin cell) were produced in the same manner as in Example 1 except that the alloy type was changed to Si 60 Sn 10 Ti 30 . The cooling rate of the alloy in the liquid rapid solidification method was 4.6 × 10 6 ° C./second. The critical cooling rate of the mother alloy composition was 4.3 × 10 7 K / sec. The thickness of the obtained ribbon-like alloy (quenched ribbon alloy) was 18 μm. Moreover, it was the average particle diameter D50 = 6.5micrometer (D90 = 17micrometer) of the obtained Si containing alloy (negative electrode active material) powder.
[負極活物質の組織構造の分析]
実施例1において作製した負極活物質(Si含有合金)の組織構造(微細組織)を分析した。詳細については、図6〜図9を用いて上述した通りであり、実施例1の合金の微細組織からは、遷移金属であるTi元素のケイ化物(シリサイド)を主成分とする第一の相(シリサイド相)と、一部にAlを含み、非晶質または低結晶性のSiを主成分とする第二の相(a−Si相)と、Snを主成分とする第三の相(Sn相)と、を有していることが確認できた。さらに実施例1の合金の微細組織からは、一部が複数の独立した第一の相、及び、一部が第一の相と第二の相とが共晶組織となっており、この共晶組織中に、第三の相が、第一の相及び第二の相よりも微細に分散していることが確認できた。この共晶組織中の第三の相(Sn相)は、第一の相と第二の相との粒界部分(共外部分)などに、特に第二の相の周辺に微細に分散して晶出していることが確認できた。実施例1の合金の微細組織からは、共晶組織中の第二の相のドメインサイズが第一の相のドメインサイズより小さく、第三の相のドメインサイズは第二の相のドメインサイズより小さいことが確認できた。さらに、共晶組織中のSi相(第二の相)は、非晶質または低結晶性のSi(a−Si)を有するアモルファス相であることが確認できた。即ち、共晶組織中のSi相(第二の相)は、アモルファス化することで非晶質または低結晶性のSi(a−Si)を有していることが確認できた。
[Analysis of the structure of the anode active material]
The structure (fine structure) of the negative electrode active material (Si-containing alloy) produced in Example 1 was analyzed. The details are as described above with reference to FIGS. 6 to 9. From the microstructure of the alloy of Example 1, the first phase mainly composed of a silicide of Ti element (silicide) as a transition metal is used. (Silicide phase), a second phase (a-Si phase) mainly containing amorphous Si or low crystalline Si, and a third phase mainly containing Sn (silicide phase) Sn phase). Furthermore, from the microstructure of the alloy of Example 1, some of the independent first phases and some of the first and second phases are eutectic structures. It was confirmed that the third phase was more finely dispersed in the crystal structure than the first phase and the second phase. The third phase (Sn phase) in this eutectic structure is finely dispersed in the grain boundary portion (co-external portion) between the first phase and the second phase, particularly around the second phase. It was confirmed that crystallization occurred. From the microstructure of the alloy of Example 1, the domain size of the second phase in the eutectic structure is smaller than the domain size of the first phase, and the domain size of the third phase is smaller than the domain size of the second phase. It was confirmed that it was small. Further, it was confirmed that the Si phase (second phase) in the eutectic structure was an amorphous phase having amorphous or low crystalline Si (a-Si). That is, it has been confirmed that the Si phase (second phase) in the eutectic structure has amorphous or low crystalline Si (a-Si) by making it amorphous.
なお、実施例2についても、図6〜図9と同様の結果が得られている。また、比較例1については、図4(a)に示すように、図4(b)や図6〜図9とは異なる結果が得られている。図13は、実施例2の合金の微細組織(共晶組織の部分)につき、STEM−EDX(走査透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法)による定量マッピングデータを示した図面である。図13(a)は、実施例2の合金の微細組織のうち、共晶組織の部分を拡大したCs−STEM(球面収差補正走査透過型電子顕微鏡像)(高倍率)のうち、HAADF−STEM Image(高角度散乱暗視野−走査透過電子顕微鏡像)を表す図面である。図13(b)は、HAADF−STEM(上段左の図13(a))と同一視野で測定したSn(下段左)のマッピングデータを示した図面である。図13(c)は、HAADF−STEM(上段左の図13(a))と同一視野で測定したSi(下段中央)のマッピングデータを示した図面である。図13(d)は、HAADF−STEM(上段左の図13(a))と同一視野で測定したTi(下段右)のマッピングデータを示した図面である。図13(e)は、HAADF−STEM(上段左の図13(a))と同一視野で測定したSn、Si、Tiのマッピングデータを重ねあわせた図面(上段右)である。図14は、実施例2の合金の微細組織(共晶組織の部分)につき、STEM−EDX(走査透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法)による定量マッピングデータを示した図面である。図14(a)は、実施例2の合金の微細組織のうち、共晶組織の部分を拡大したCs−STEM(球面収差補正走査透過型電子顕微鏡像)(高倍率)のうち、HAADF−STEM Image(高角度散乱暗視野−走査透過電子顕微鏡像)を表す図面である。図14(b)は、HAADF−STEM(上段左の図14(a))と同一視野で測定したAl(下段左)のマッピングデータを示した図面である。図14(c)は、HAADF−STEM(上段左の図14(a))と同一視野で測定したSi(下段中央)のマッピングデータを示した図面である。図14(d)は、HAADF−STEM(上段左の図14(a))と同一視野で測定したTi(下段右)のマッピングデータを示した図面である。図14(e)は、HAADF−STEM(上段左の図14(a))と同一視野で測定したAl、Si、Tiのマッピングデータを重ねあわせた図面(上段右)である。図17は、比較例1の合金の微細組織(共晶組織の部分)につき、STEM−EDX(走査透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法)による定量マッピングデータを示した図面である。図17(a)は、実施例2の合金の微細組織を拡大したCs−STEM(球面収差補正走査透過型電子顕微鏡像)(高倍率)のうち、HAADF−STEM Image(高角度散乱暗視野−走査透過電子顕微鏡像)を表す図面である。図17(b)は、HAADF−STEM(上段左の図17(a))と同一視野で測定したSn(下段左)のマッピングデータを示した図面である。図17(c)は、HAADF−STEM(上段左の図17(a))と同一視野で測定したSi(下段中央)のマッピングデータを示した図面である。図17(d)は、HAADF−STEM(上段左の図17(a))と同一視野で測定したTi(下段右)のマッピングデータを示した図面である。図17(e)は、HAADF−STEM(上段左の図17(a))と同一視野で測定したSn、Si、Tiのマッピングデータを重ねあわせた図面(上段右)である。 In Example 2, the same results as in FIGS. 6 to 9 were obtained. Moreover, about the comparative example 1, as shown to Fig.4 (a), the result different from FIG.4 (b) and FIGS. 6-9 is obtained. 13 is a drawing showing quantitative mapping data by STEM-EDX (scanning transmission electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy) for the microstructure (eutectic structure portion) of the alloy of Example 2. FIG. FIG. 13A shows HAADF-STEM in Cs-STEM (spherical aberration corrected scanning transmission electron microscope image) (high magnification) obtained by enlarging the eutectic portion of the microstructure of the alloy of Example 2. It is drawing showing Image (high angle scattering dark field-scanning transmission electron microscope image). FIG. 13B is a diagram showing mapping data of Sn (lower left) measured in the same field of view as HAADF-STEM (upper left FIG. 13A). FIG. 13C is a diagram showing mapping data of Si (lower center) measured in the same field of view as HAADF-STEM (upper left FIG. 13A). FIG. 13D is a diagram showing mapping data of Ti (lower right) measured in the same field of view as HAADF-STEM (upper left FIG. 13A). FIG. 13E is a drawing (upper right) in which mapping data of Sn, Si, Ti measured in the same field of view as HAADF-STEM (upper left FIG. 13A) is superimposed. 14 is a drawing showing quantitative mapping data by STEM-EDX (scanning transmission electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy) for the microstructure (eutectic structure portion) of the alloy of Example 2. FIG. FIG. 14A shows HAADF-STEM in Cs-STEM (spherical aberration corrected scanning transmission electron microscope image) (high magnification) obtained by enlarging the eutectic portion of the microstructure of the alloy of Example 2. It is drawing showing Image (high angle scattering dark field-scanning transmission electron microscope image). FIG. 14B is a diagram showing mapping data of Al (lower left) measured in the same field of view as HAADF-STEM (upper left FIG. 14A). FIG. 14C is a diagram showing mapping data of Si (lower center) measured in the same field of view as HAADF-STEM (upper left FIG. 14A). FIG. 14D is a drawing showing mapping data of Ti (lower right) measured in the same field of view as HAADF-STEM (upper left FIG. 14A). FIG. 14E is a drawing (upper right) in which mapping data of Al, Si, and Ti measured in the same field of view as HAADF-STEM (upper left FIG. 14A) is superimposed. FIG. 17 is a drawing showing quantitative mapping data by STEM-EDX (scanning transmission electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy) for the microstructure (eutectic structure portion) of the alloy of Comparative Example 1. FIG. 17 (a) shows HAADF-STEM Image (high angle scattering dark field−) of Cs-STEM (spherical aberration corrected scanning transmission electron microscope image) (high magnification) obtained by enlarging the microstructure of the alloy of Example 2. It is drawing which shows a scanning transmission electron microscope image. FIG. 17B is a diagram showing mapping data of Sn (lower left) measured in the same field of view as HAADF-STEM (upper left FIG. 17A). FIG. 17C is a drawing showing mapping data of Si (lower center) measured in the same field of view as HAADF-STEM (upper left FIG. 17A). FIG. 17D is a diagram showing mapping data of Ti (lower right) measured in the same field of view as HAADF-STEM (upper left FIG. 17A). FIG. 17E is a drawing (upper right) in which mapping data of Sn, Si, and Ti measured in the same field of view as HAADF-STEM (upper left FIG. 17A).
即ち、実施例2の合金の微細組織からも、遷移金属であるTi元素のケイ化物(シリサイド)を主成分とする第一の相(シリサイド相)と、一部にAl(更にはSn)を含み、非晶質または低結晶性のSiを主成分とする第二の相(a−Si相)と、Snを主成分とする第三の相(Sn相)と、を有していることが確認できる(図13、図14参照、Cs−STEM(球面収差補正走査透過型電子顕微鏡像)(低倍率)及び(中倍率)は実施例1の図6、図7と同様な微細組織であるため、図面を省略した)。さらに実施例2の合金の微細組織からは、一部が複数の独立した第一の相、及び、一部が第一の相と第二の相とが共晶組織となっており、この共晶組織中に、第三の相が、第一の相及び第二の相よりも微細に分散していることが確認できた(図13、図14参照)。この共晶組織中の第三の相(Sn相)は、第一の相と第二の相との粒界部分(共外部分)などに、特に第二の相の周辺に微細に分散して晶出していることが確認できた(図13、図14参照)。実施例2の合金の微細組織からは、共晶組織中の第二の相のドメインサイズが第一の相のドメインサイズより小さく、第三の相のドメインサイズは第二の相のドメインサイズより小さいことが確認できた。さらに、共晶組織中のSi相(第二の相)は、非晶質または低結晶性のSi(a−Si)を有するアモルファス相であることが確認できた。即ち、共晶組織中のSi相(第二の相)は、アモルファス化することで非晶質または低結晶性のSi(a−Si)を有していることが確認できた(図13、図14参照)。一方、比較例1で用いたSiSnTi三元系合金では、図4(a)や図17に示すように、その微細組織31’は、シリサイド相32’がSi相35’やSn相36’を包み込む(微細組織)構造とならないため、Si活物質の膨張を包み込みによる(2段構えの)抑え込みで抑制する効果が十分に発揮できないといえる。 That is, from the microstructure of the alloy of Example 2, a first phase (silicide phase) mainly composed of a silicide of Ti element (silicide) as a transition metal and a part of Al (and Sn) are included. And having a second phase (a-Si phase) mainly containing amorphous or low crystalline Si and a third phase (Sn phase) mainly containing Sn. (See FIGS. 13 and 14), Cs-STEM (spherical aberration corrected scanning transmission electron microscope image) (low magnification) and (medium magnification) are the same microstructure as in FIGS. 6 and 7 of Example 1. Because of this, the drawing was omitted). Furthermore, from the microstructure of the alloy of Example 2, some of the independent first phases and some of the first and second phases are eutectic structures. It was confirmed that the third phase was more finely dispersed in the crystal structure than the first phase and the second phase (see FIGS. 13 and 14). The third phase (Sn phase) in this eutectic structure is finely dispersed in the grain boundary portion (co-external portion) between the first phase and the second phase, particularly around the second phase. It was confirmed that crystallization occurred (see FIGS. 13 and 14). From the microstructure of the alloy of Example 2, the domain size of the second phase in the eutectic structure is smaller than the domain size of the first phase, and the domain size of the third phase is smaller than the domain size of the second phase. It was confirmed that it was small. Further, it was confirmed that the Si phase (second phase) in the eutectic structure was an amorphous phase having amorphous or low crystalline Si (a-Si). That is, it has been confirmed that the Si phase (second phase) in the eutectic structure has amorphous or low crystalline Si (a-Si) by making it amorphous (FIG. 13, (See FIG. 14). On the other hand, in the SiSnTi ternary alloy used in Comparative Example 1, as shown in FIG. 4A and FIG. 17, the microstructure 31 ′ has a silicide phase 32 ′ that is a Si phase 35 ′ and a Sn phase 36 ′. Since it does not have an enveloping (microstructure) structure, it can be said that the effect of suppressing the expansion of the Si active material by encapsulating (in a two-stage manner) cannot be sufficiently exhibited.
更に実施例1〜2及び比較例1で作製した負極活物質のSi含有合金の微細構造中の、独立した第一の相(TiSi2相)のドメインサイズと共晶組織中の第一の相、第二の相及び第三の相の各ドメインサイズは上記に説明した通りである。詳しくは、実施例1〜2及び比較例1の合金組成につき、上記に説明した測定方法により求めた独立した第一の相のドメインサイズと共晶組織中の第一の相(TiSi2相)、第二の相(Si相)及び第三の相(Sn相)の各ドメインサイズの結果を下記表1に示す。 Furthermore, the domain size of the independent first phase (TiSi 2 phase) and the first phase in the eutectic structure in the microstructure of the Si-containing alloy of the negative electrode active material produced in Examples 1-2 and Comparative Example 1 The domain sizes of the second phase and the third phase are as described above. Specifically, for the alloy compositions of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, the domain size of the independent first phase and the first phase in the eutectic structure (TiSi 2 phase) determined by the measurement method described above. The results of the domain sizes of the second phase (Si phase) and the third phase (Sn phase) are shown in Table 1 below.
[アモルファス形成能の評価(臨界冷却速度)]
実施例1において作製した負極活物質(Si含有合金)において、母合金組成の共晶開始時の液相組成における臨界冷却速度は、図12を用いて上記に説明したとおりであり、実施例1の文中に記載した。実施例2において作製した負極活物質(Si含有合金)において、母合金組成物の共晶開始時の液相組成における臨界冷却速度を算出した。この結果は図16中に示し、実施例2の文中に記載した。比較例1において作製した負極活物質(Si含有合金)において、母合金組成物の共晶開始時の液相組成における臨界冷却速度を算出した。この結果は比較例1の文中に記載した。
[Evaluation of amorphous forming ability (critical cooling rate)]
In the negative electrode active material (Si-containing alloy) produced in Example 1, the critical cooling rate in the liquid phase composition at the start of the eutectic of the mother alloy composition is as described above with reference to FIG. It was described in the sentence. In the negative electrode active material (Si-containing alloy) produced in Example 2, the critical cooling rate in the liquid phase composition at the start of eutectic of the mother alloy composition was calculated. The results are shown in FIG. 16 and described in the text of Example 2. In the negative electrode active material (Si-containing alloy) produced in Comparative Example 1, the critical cooling rate in the liquid phase composition at the start of eutectic of the mother alloy composition was calculated. This result is described in the sentence of Comparative Example 1.
[サイクル耐久性の評価]
実施例1〜2および比較例1のそれぞれにおいて作製した各リチウムイオン二次電池(コインセル)について以下の充放電試験条件に従ってサイクル耐久性評価を行った。
[Evaluation of cycle durability]
Each lithium ion secondary battery (coin cell) produced in each of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 was subjected to cycle durability evaluation according to the following charge / discharge test conditions.
(充放電試験条件)
1)充放電試験機:HJ0501SM8A(北斗電工株式会社製)
2)充放電条件[充電過程]0.3C、2V→10mV(定電流・定電圧モード)
[放電過程]0.3C、10mV→2V(定電流モード)
3)恒温槽:PFU−3K(エスペック株式会社製)
4)評価温度:300K(27℃)。
(Charge / discharge test conditions)
1) Charge / discharge tester: HJ0501SM8A (Hokuto Denko Co., Ltd.)
2) Charging / discharging conditions [charging process] 0.3C, 2V → 10mV (constant current / constant voltage mode)
[Discharge process] 0.3C, 10mV → 2V (constant current mode)
3) Thermostatic bath: PFU-3K (Espec Corp.)
4) Evaluation temperature: 300K (27 ° C.).
評価用セルは、充放電試験機を使用して、上記評価温度に設定された恒温槽中にて、充電過程(評価用電極へのLi挿入過程を言う)では、定電流・定電圧モードとし、0.3Cにて2Vから10mVまで充電した。その後、放電過程(評価用電極からのLi脱離過程を言う)では、定電流モードとし、0.3C、10mVから2Vまで放電した。以上の充放電サイクルを1サイクルとして、同じ充放電条件にて、初期サイクル(1サイクル)〜50サイクルまで充放電試験を行った。そして、1サイクル目の放電容量(初期放電容量)に対する50サイクル目の放電容量の割合(放電容量維持率[%])を求めた結果を、下記の表2及び図19に示す。ここで、図19は、実施例1〜2及び比較例1で作製した各リチウムイオン二次電池(コインセル)につき、充放電サイクル数と放電容量維持率[%]との関係を表した図面である。 The evaluation cell is in a constant current / constant voltage mode in the charging process (referring to the Li insertion process to the evaluation electrode) in a thermostat set to the above evaluation temperature using a charge / discharge tester. The battery was charged from 2 V to 10 mV at 0.3 C. Thereafter, in the discharge process (referring to the Li desorption process from the electrode for evaluation), a constant current mode was set and discharge was performed from 0.3 C, 10 mV to 2 V. The charge / discharge test was conducted from the initial cycle (1 cycle) to 50 cycles under the same charge / discharge conditions with the above charge / discharge cycle as one cycle. And the result of having calculated | required the ratio (discharge capacity maintenance factor [%]) of the 50th cycle discharge capacity with respect to the discharge capacity (initial discharge capacity) of the 1st cycle is shown in following Table 2 and FIG. Here, FIG. 19 is a drawing showing the relationship between the number of charge / discharge cycles and the discharge capacity retention rate [%] for each lithium ion secondary battery (coin cell) produced in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1. is there.
上記表1に示す結果から、実施例1〜2の負極活物質を用いたリチウムイオン電池は、50サイクル後の放電容量維持率が高い値に維持されており、サイクル耐久性に優れるものであることがわかる。また、Si合金負極を用いた実施例1〜2では、炭素材料を用いた負極活物質に比べて、高容量である(この点は、炭素材料を用いた比較例を示すまでもなく、いわば公知(背景技術参照)であるため、当該比較例は省略した)。このように高容量を示しつつ、高いサイクル耐久性が実現できたのは、負極活物質を構成するSi含有合金がSi−Sn−M(遷移金属元素)−Alで表される四元系の合金組成を有することによる。更にその微細組織が、シリサイドを主成分とする第一の相と、一部にAlを含み、非晶質または低結晶性のSiを主成分とする第二の相と、Snを主成分とする第三の相とを有している。そして、かかる微細組織において、更に、一部が複数の独立した第一の相、及び、一部が第一の相と第二の相との共晶組織となっており、共晶組織中に第三の相が、第一の相及び第二の相よりも微細に分散していることによる。 From the results shown in Table 1, the lithium ion batteries using the negative electrode active materials of Examples 1 and 2 are maintained at a high discharge capacity retention rate after 50 cycles, and are excellent in cycle durability. I understand that. Further, in Examples 1 and 2 using the Si alloy negative electrode, the capacity is higher than that of the negative electrode active material using the carbon material (this point is not limited to showing a comparative example using the carbon material. Since it is publicly known (see Background Art), the comparative example is omitted). Thus, high cycle durability was able to be realized while showing a high capacity because the Si-containing alloy constituting the negative electrode active material is a quaternary system represented by Si-Sn-M (transition metal element) -Al. By having an alloy composition. Further, the microstructure includes a first phase mainly composed of silicide, a second phase partially including Al and mainly composed of amorphous or low crystalline Si, and Sn as a main component. And a third phase. And in such a microstructure, a part is a plurality of independent first phases, and a part is a eutectic structure of the first phase and the second phase. This is because the third phase is more finely dispersed than the first phase and the second phase.
一方、比較例1の負極活物質を用いたリチウムイオン電池は、サイクル耐久性が十分に得られないことがわかる。これは、比較例1の負極活物質では、実施例のようなAl添加がないため、表1にあるように独立した第一の相が形成されるものの、共晶組織中の第二の相と第一の相が同程度の大きさである。そのため、充放電過程における共晶組織中の第二の相(Si相)の膨張を、共晶化した第一の相が十分に抑え込むことができず、いわば2段構えの抑え込みで抑制することができない為と思われる。また、Al添加がないため、共晶組織中の第二の相が第一の相より微細化せず、第三の相も第一の相と第二の相の粒界に微細に分散せず、比較的大きな相が分散せず局在化して形成される。そのため、第二の相が、十分に第一の相で包接できないため、充放電した場合、第二の相は第一の相により十分に膨張収縮が抑制できず、導電性付与も不十分で第二の相(Si)は均一に反応できず、耐久劣化を生じたものと思われる。また、第二の相(Si)の周辺に第三の相が比較的大きな相が分散せず局在化して形成するため、第二の相がアモルファス化しにくいなど、実施例(本発明)の微細組織構造と異なることにより、サイクル耐久性が十分に得られなかったものと思われる。 On the other hand, it can be seen that the lithium ion battery using the negative electrode active material of Comparative Example 1 does not have sufficient cycle durability. This is because, in the negative electrode active material of Comparative Example 1, since there was no addition of Al as in the Examples, an independent first phase was formed as shown in Table 1, but the second phase in the eutectic structure And the first phase are about the same size. For this reason, the expansion of the second phase (Si phase) in the eutectic structure during the charge / discharge process cannot be sufficiently suppressed by the eutectic first phase, and so to suppress it by suppressing the two-stage structure. It seems that it is not possible. In addition, since there is no Al addition, the second phase in the eutectic structure is not made finer than the first phase, and the third phase is finely dispersed at the grain boundaries of the first and second phases. However, a relatively large phase is localized and formed without being dispersed. Therefore, since the second phase cannot be sufficiently clathrated with the first phase, when charged / discharged, the second phase cannot sufficiently suppress expansion and contraction due to the first phase, and conductivity is insufficient. The second phase (Si) cannot react uniformly and seems to have deteriorated durability. Further, since the relatively large phase of the third phase does not disperse and is localized around the second phase (Si), the second phase is difficult to become amorphous. It seems that the cycle durability was not sufficiently obtained due to the difference from the microstructure.
また、実施例1と2で比較した場合、実施例2の方がサイクル耐久性に優れるのは、以下の理由によるものと考えられる。これは、実施例2の方が、独立した第一の相のドメインサイズがより大きい。これにより、充放電過程における共晶組織中の第二の相、特に主成分のSi活物質の膨張を、共晶化した第一の相が包み込むことで抑え込み、更により大きな複数の独立した第一の相が共晶組織(特に第二の相)を包み込むことで抑え込む、2段構えの抑え込みで抑制する効果がより顕著に得られている為と思われる。これにより、充電時にSiとLiとが合金化する際のアモルファス−結晶の相転移(Li15Si4への結晶化)が抑制される。その結果、充放電過程におけるSi含有合金の膨張収縮が低減され(かつ、導電性を有するシリサイドで構成される第一の相(シリサイド相)により第二の相(a−Si相)と共晶化す)ることで、該第二の相(a−Si相)、特に主成分のSi活物質を均一に反応させることができる。その結果、当該負極活物質が用いられる電気デバイスの高容量を示しつつ、サイクル耐久性がより優れたものになったと思われる。 Moreover, when compared with Example 1 and 2, it is thought that it is based on the following reasons that Example 2 is more excellent in cycle durability. This is because the domain size of the independent first phase is larger in Example 2. As a result, the expansion of the second phase in the eutectic structure in the charge / discharge process, in particular, the Si active material as the main component, is suppressed by enveloping the eutectic first phase. This is probably because the effect of suppressing by suppressing the two-stage structure, in which one phase is suppressed by enveloping the eutectic structure (especially the second phase), is obtained more remarkably. This suppresses the amorphous-crystal phase transition (crystallization to Li 15 Si 4 ) when Si and Li are alloyed during charging. As a result, the expansion and contraction of the Si-containing alloy in the charge / discharge process is reduced (and the first phase (silicide phase) composed of the conductive silicide and the second phase (a-Si phase) are eutectic. The second phase (a-Si phase), in particular, the main component Si active material can be uniformly reacted. As a result, it is considered that the cycle durability is further improved while showing the high capacity of the electric device in which the negative electrode active material is used.
10、50 リチウムイオン二次電池(積層型電池)、
11 負極集電体、
12 正極集電体、
13 負極活物質層、
15 正極活物質層、
17 電解質層、
19 単電池層、
21、57 発電要素、
25、58 負極集電板、
27、59 正極集電板、
29、52 電池外装材(ラミネートフィルム)、
31 本実施形態のSiSnTiAl四元系合金(Si含有合金)の微細組織、
31’ SiSnTi三元系合金(Si含有合金)の微細組織、
32 複数の独立した第一の相(シリサイド相)、
32’ シリサイド相、
33 共晶組織、
34 共晶組織中の第一の相(シリサイド相)、
35 共晶組織中の第二の相(a−Si相)、
35’ Si相、
36 共晶組織中に第一の相及び第二の相より微細に分散している第三の相(Sn相)、
36’ Sn相。
10, 50 Lithium ion secondary battery (stacked battery),
11 negative electrode current collector,
12 positive electrode current collector,
13 negative electrode active material layer,
15 positive electrode active material layer,
17 electrolyte layer,
19 cell layer,
21, 57 power generation element,
25, 58 negative electrode current collector plate,
27, 59 positive current collector,
29, 52 Battery exterior material (laminate film),
31 The microstructure of the SiSnTiAl quaternary alloy (Si-containing alloy) of the present embodiment,
Microstructure of 31 ′ SiSnTi ternary alloy (Si-containing alloy),
32 a plurality of independent first phases (silicide phases),
32 'silicide phase,
33 eutectic structure,
34 The first phase (silicide phase) in the eutectic structure,
35 the second phase (a-Si phase) in the eutectic structure,
35 'Si phase,
36 a third phase (Sn phase) finely dispersed in the eutectic structure than the first phase and the second phase;
36 'Sn phase.
Claims (12)
前記Si含有合金の微細組織が、遷移金属のケイ化物(シリサイド)を主成分とする第一の相と、一部にAlを含み、非晶質または低結晶性のSiを主成分とする第二の相と、Snを主成分とする第三の相とを有し、
さらに、一部が複数の独立した第一の相、及び、一部が第一の相と第二の相との共晶組織となっており、
前記共晶組織中に、第三の相が、第一の相及び第二の相よりも微細に分散していることを特徴とする電気デバイス用負極活物質。 A negative electrode active material for an electrical device made of a Si-containing alloy,
The microstructure of the Si-containing alloy includes a first phase mainly composed of a transition metal silicide (silicide), a part containing Al, and a first phase mainly composed of amorphous or low crystalline Si. Having a second phase and a third phase based on Sn;
Furthermore, a part is a plurality of independent first phases, and part is a eutectic structure of the first phase and the second phase,
A negative electrode active material for an electrical device, wherein the third phase is finely dispersed in the eutectic structure as compared with the first phase and the second phase.
下記化学式(1):
Aは、不可避不純物であり、
x、y、z、wおよびaは、質量%の値を表し、この際、x、y、z、wは、それぞれ58≦x≦68、2≦y≦10、25≦z≦35、0.3≦w≦3であり、aは残部であり、x+y+z+w+a=100である。)
で表される組成を有することを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電気デバイス用負極活物質。 The Si-containing alloy is a Si-Sn-Ti-Al alloy,
The following chemical formula (1):
A is an inevitable impurity,
x, y, z, w and a represent mass% values, where x, y, z and w are 58 ≦ x ≦ 68, 2 ≦ y ≦ 10, 25 ≦ z ≦ 35, 0, respectively. 3 ≦ w ≦ 3, a is the remainder, and x + y + z + w + a = 100. )
5. The negative electrode active material for an electric device according to claim 1, wherein the negative electrode active material has a composition represented by:
前記Si含有合金と同一の組成を有する母合金を用いた液体急冷凝固法により、Si含有合金の急冷薄帯を作製することを有することを特徴とする電気デバイス用負極活物質の製造方法。 It is a manufacturing method of the negative electrode active material for electric devices of any one of Claims 1-7,
A method for producing a negative electrode active material for an electrical device, comprising: producing a quenched ribbon of a Si-containing alloy by a liquid rapid solidification method using a mother alloy having the same composition as the Si-containing alloy.
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