JP5729163B2 - 負極活物質及び負極活物質の製造方法 - Google Patents
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Description
また、SiO2のマトリックス中に粒子状のシリコンを分散させることで、伝導イオンの挿入・脱離に伴う体積膨張を緩和できることが知られている。しかしながら、本発明者は、SiO2等のシリコン酸化物が、リチウムイオンを可逆的に挿入・脱離する一方、リチウムイオンと不可逆的に反応してリチウムシリケイトを生成するという知見を得た。このような不可逆反応により二次電池の不可逆容量は増加し、充放電効率の低下を招く。
MaSibOc・m(OH)・n(H2O) 式(1)
(式(1)中、a、b、c、m及びnは、それぞれ、0<a≦7、0<b≦8、0<c≦22、0≦m≦4、0≦n≦10であり、Mは長周期型周期表における3族〜12族の遷移金属元素の少なくとも1種を含み、該遷移金属元素に加えてさらに1族のアルカリ金属元素及び2族のアルカリ土類金属元素の少なくとも1種を含んでいてもよく、Siは一部がAl及びBの少なくとも1種により置換されていてもよい。)
前記混合物は、前記一般式SiOy(0<y<2)で表わされるシリコン酸化物1molに対して、0.001〜0.2molの前記金属酸化物を含有することが好ましい。
前記混合物は、前記一般式SiOy(0<y<2)で表わされるシリコン酸化物1molに対して、0.001〜0.025molの前記金属酸化物を含有することが特に好ましい。
前記一般式SiOxにおいて、xの値は、0.8≦x≦1.2であることが好ましい。
より具体的には、前記シリケイト化合物相が、例えば、10〜2000nmの平均径を有する形態が挙げられる。
より具体的には、前記シリコン酸化物粒子の表面に存在する前記シリケイト化合物相の厚さが、例えば、10〜2000nmの厚さを有する形態が挙げられる。
一般式SiOy(0<y<2)で表わされるシリコン酸化物1molに対して、0.001〜0.5molの金属酸化物を混合する混合工程と、
前記混合工程において得られた混合物を、非酸化性雰囲気下、加熱処理する熱処理工程と、を有し、
前記金属酸化物は、前記熱処理工程の加熱温度における酸化反応の標準ギブスエネルギーの絶対値が、Siの前記熱処理工程の加熱温度における酸化反応の標準ギブスエネルギーの絶対値よりも小さいことを特徴とする。
前記熱処理工程において、前記加熱処理は、不活性雰囲気下、600℃〜1000℃で行うことが好ましい。上記シリコン酸化物と金属酸化物との反応を効率良く進行させることができるからである。
また、前記熱処理工程において、前記加熱処理は、700℃〜900℃で行うことが好ましい。上記シリコン酸化物粒子の表面に、上記シリケイト化合物相が存在する負極活物質を、効率良く合成することができるからである。
容量を維持しつつ、高い充放電効率を発現する負極活物質を効率良く合成することができるからである。
メカノケミカル法を採用することによって、シリコン酸化物の表面に金属酸化物を付着させることが可能であり、容量及び充放電効率に優れた負極活物質を効率良く得ることができる。
本発明の負極活物質は、一般式SiOx(0<x<2)で表わされるシリコン酸化物と、下記組成式(1)で表わされるシリケイト化合物と、を含有することを特徴とするものである。
(式(1)中、a、b、c、m及びnは、それぞれ、0<a≦7、0<b≦8、0<c≦22、0≦m≦4、0≦n≦10であり、Mは長周期型周期表における3族〜12族の遷移金属元素の少なくとも1種を含み、該遷移金属元素に加えてさらに1族のアルカリ金属元素及び2族のアルカリ土類金属元素の少なくとも1種を含んでいてもよく、Siは一部がAl及びBの少なくとも1種により置換されていてもよい。)
シリコン酸化物SiOxとシリケイト化合物(1)とを含有する本発明の負極活物質が上記のような不可逆的な副反応を抑制できる理由は次のように推測される。すなわち、本発明者の知見によれば、シリコン化合物SiOxとリチウムイオン等の伝導イオンとの不可逆的な副反応は、シリコン化合物SiOxの基本構造であるSiO4四面体のSi欠陥に、伝導イオン(例えばリチウムイオン)が入り込むことが引きがねとなって進むと考えられる。具体的には、伝導イオンがSi欠陥に入り込んだSiO4四面体は、電荷バランスが崩れ、その結果、該SiO4四面体の近傍に存在するSiO4四面体の電荷バランスの崩れや、該SiO4四面体と連結しているSiO4四面体との結合力の変化等が生じ、周囲のSiO4四面体へと連鎖的に不可逆反応が進行すると考えられる。本発明では、シリコン酸化物SiOxとシリケイト化合物(1)とを共存させることによって、上記のようなSi欠陥への伝導イオンの入り込みを阻止することが可能となり、連鎖的な不可逆反応の進行を効果的に抑制することができると推測される。
以上のように、本発明の負極活物質は、SiOxと伝導イオンとの不可逆的な副反応が抑制されているため、充放電効率を向上させることができる。
本発明の負極活物質が含有するシリコン酸化物は、その組成がSiOx(0<x<2)で表わされるものであり、単相から構成されていても、複数の相から構成されていてもよい。具体的には、例えば、単一のSiOx(0<x<2)相から構成されていてもよいし、x値の異なる複数のSiOx(0<x<2)相から構成されていてもよいし、SiOz(0≦z≦0.8)相とSiOv(1.2≦v≦2)相とを含む構成(例えば、Si相とSiO2相とを含む構成)であってもよい。
また、シリコン酸化物SiOxに含まれる相は、アモルファスであってもよいし、結晶質であってもよいし、或いは、アモルファスと結晶質とが混在していてもよいが、電子伝導性の観点から、結晶質のSiO2を含まないことが好ましい。
また、シリコン酸化物SiOxは、酸素欠陥や、シリコン欠陥を有していてもよい。
MaSibOc・m(OH)・n(H2O) 式(1)
(式(1)中、a、b、c、m及びnは、それぞれ、0<a≦7、0<b≦8、0<c≦22、0≦m≦4、0≦n≦10であり、Mは長周期型周期表における3族〜12族の遷移金属元素の少なくとも1種を含み、該遷移金属元素に加えてさらに1族のアルカリ金属元素及び2族のアルカリ土類金属元素の少なくとも1種を含んでいてもよく、Siは一部がAl及びBの少なくとも1種により置換されていてもよい。)
シリケイト化合物(1)は、酸素欠陥や金属欠陥(ケイ素欠陥、M欠陥)を有していてもよい。また、シリケイト化合物(1)は、通常、結晶質であるが、アモルファスであってもよいし、アモルファスと結晶質とが混在していてもよい。
SiO4四面体とは、4つの酸素原子を頂点とする四面体の空隙に、これら4つの酸素原子と共有結合した1つのシリコン原子が入った構造であり、1つの四面体が独立して、或いは、複数の四面体が1つの酸素又は複数の酸素を他の四面体と共有して、鎖状、環状、平面状、層状、又は三次元的な網目状等に連結して、存在する。
シリケイト化合物(1)において、SiO4四面体の連結形態は特に限定されない。シリケイト化合物(1)は、SiO4四面体と、SiO4四面体同士の隙間に入り込んだ遷移金属元素Mの陽イオンにより構成される。
以上のように、シリケイト化合物は、様々な骨格形態をとり得るため、a、b及びcの値は上記範囲内であれば特に限定されない
具体的には、本発明の負極活物質の好ましい形態としては、(A)シリコン酸化物SiOxを含むシリコン酸化物相の少なくとも内部に、シリケイト化合物(1)を含むシリケイト化合物相が少なくとも1つ以上存在する形態、及び、(B)シリコン酸化物SiOxを含むシリコン酸化物粒子の少なくとも表面に、シリケイト化合物(1)を含むシリケイト化合物相が存在する形態、が挙げられる。ここで、シリコン酸化物相、シリケイト化合物相、シリコン酸化物粒子は、それぞれ、アモルファスであっても結晶質であってもよい。また、シリケイト化合物相は、シリコン酸化物相或いはシリコン酸化物粒子の内部及び表面の両方に存在していてもよい。
形態(A)において、シリケイト化合物相の平均径は、10〜2000nmであることが好ましく、特に、10〜500nmであることが好ましい。ここで、シリケイト化合物相の平均径とは、シリケイト化合物相の投影面積を円換算した場合の平均径であり、例えば、走査透過型電子顕微鏡(STEM)を用いて、複数のシリケイト化合物相の投影面積を測定し、算出することができる。
その理由は、次のように考えられる。すなわち、負極活物質の表面にシリケイト化合物(1)が存在することによって、上記不可逆的な副反応の引き金となる、SiOxのSi欠陥部分への伝導イオンの入り込みを、より効果的に阻止することができるからである。
このような観点から、シリケイト化合物相はシリコン酸化物粒子の表面を覆うように存在することが特に好ましいといえる。
また、上記形態(B)は、負極活物質の電子伝導性が向上するという効果もある。
本発明の負極活物質の製造方法は、
一般式SiOy(0<y<2)で表わされるシリコン酸化物、及び、金属酸化物、を混合する混合工程と、
前記混合工程において得られた混合物を、非酸化性雰囲気下、加熱処理する熱処理工程と、を有し、
前記金属酸化物は、前記熱処理工程の加熱温度における酸化反応の標準ギブスエネルギーの絶対値が、Siの前記熱処理工程の加熱温度における酸化反応の標準ギブスエネルギーの絶対値よりも小さいことを特徴とするものである。
本発明の負極活物質の製造方法においては、次のようなメカニズムにより、上記形態(A)及び形態(B)のような、分子レベルでシリコン酸化物SiOxとシリケイト化合物とが混在する負極活物質が得られると考えられる。すなわち、原料であるシリコン酸化物SiOyは酸素欠陥やシリコン欠陥を有しており、非酸化性雰囲気で、還元性金属酸化物の共存の下、加熱することによって、還元性金属酸化物の酸素原子や金属原子が、シリコン酸化物SiOyの酸素欠陥やシリコン欠陥に導入され、シリケイト化合物が生成すると推測される。
(混合工程)
混合工程は、シリコン酸化物SiOyと、還元性金属酸化物とを混合する工程である。
また、シリコン酸化物SiOyに含まれる相は、アモルファスであってもよいし、結晶質であってもよいし、アモルファスと結晶質とが混在していてもよい。
また、シリコン酸化物SiOyは、酸素欠陥や、シリコン欠陥を有していてもよい。
還元性金属酸化物の平均粒径とシリコン酸化物SiOyの平均粒径との具体的な差などは特に限定されず、還元性金属酸化物及びシリコン酸化物SiOyそれぞれの平均粒径が、上記にて好ましい平均粒径として示した範囲内にあることが好ましい。
ボールミルによる混合は、通常、ポット内へ、原料である還元性金属酸化物及びシリコン酸化物SiOyと、メディア(ボール)とを投入し、メディアを回転させることで、原料を混合する。ボールミルの条件(例えば、メディアの材料、大きさ、回転数、処理時間等)は、適宜選択、設定すればよく、特に限定されない。
熱処理工程は、上記混合工程で得られた混合物を、非酸化性雰囲気下、加熱処理する工程である。
熱処理工程の非酸化性雰囲気は、熱処理雰囲気中の酸素によるシリコン酸化物の酸化を抑制できればよく、具体的には酸素分圧が大気の酸素分圧未満であればよく、アルゴンガス雰囲気、窒素ガス雰囲気等の不活性雰囲気でもよいし、真空でもよいし、水素ガス雰囲気等の還元性雰囲気でもよいが、不活性雰囲気であることが好ましい。
一方、還元性金属酸化物とシリコン酸化物SiOyとが反応し、シリケイト化合物(1)が生成するためには、600℃以上であることが好ましく、特に700℃以上であることが好ましい。
熱処理工程における加熱時間は、適宜設定すればよい。
以下、リチウム二次電池を例に、本発明により提供される負極活物質を用いる二次電池について説明する。
負極活物質として、上記本発明の負極活物質や本発明の製造方法により製造された負極活物質を用いることができる。
結着剤としては、例えば、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)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリイミド(PI)、ポリイミドアミド(PIA)、アクリル、ポリアミド、等が挙げられる。導電性材料としては、例えば、カーボンブラック、活性炭、カーボン炭素繊維(例えばカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー等)、グラファイト等の炭素材料等を挙げることができる。電解質としては、例えば、後述する固体電解質と同様のものを用いることができる。
正極活物質としては、リチウム二次電池の正極活物質として使用可能なもの、例えば、ニッケルコバルトマンガン酸リチウム(LiNixCo1−y−xMnyO2)、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMnO2)、鉄オリビン(LiFePO4)、コバルトオリビン(LiCoPO4)、マンガンオリビン(LiMnPO4)、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)、リン酸バナジウムリチウム(Li3V2(PO4)3)等のリチウム遷移金属化合物、銅シュブレル(Cu2Mo6S8)、硫化鉄(FeS)、硫化コバルト(CoS)、硫化ニッケル(NiS)等のカルコゲン化合物などが挙げられる。
正極集電体の材料としては、例えば、ステンレス、ニッケル、アルミニウム、鉄、チタン、銅等の金属材料、カーボンファイバー、カーボンペーパー等のカーボン材料、窒化チタン等の高電子伝導性セラミックス材料等が挙げられる。電池ケースが正極集電体としての機能を兼ね備えていてもよい。
負極集電体の材料としては、銅、ステンレス、ニッケル、チタン等が挙げられる。電池ケースが負極集電体としての機能を有していてもよい。
正極集電体及び負極集電体の形状としては、例えば、板状、箔状、メッシュ状等が挙げられる。
電解質としては、リチウムイオン伝導性を有していればよく、例えば、電解液、電解液をポリマー等を用いてゲル化したゲル状電解質、固体電解質等が挙げられる。
例えば、リチウムイオン伝導性を有する電解液としては、電解質塩(例えば、リチウム塩)を、水系又は非水溶媒に溶解した電解液が挙げられる。
また、イオン性液体を非水溶媒として用いることもできる。イオン性液体としては、例えば、N−メチル−N−プロピルピペリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド[略称:PP13−TFSA]、N−メチル−N−プロピルピロリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド[略称:P13−TFSA]等が挙げられる。
非水電解液において、リチウム塩の濃度は特に限定されないが、例えば、0.3mol/L〜5mol/Lであることが好ましく、特に1〜3mol/Lであることが好ましく、さらに1〜2.5mol/Lであることが好ましく、中でも0.8〜1.5mol/Lであることが好ましい。リチウム塩の濃度が上記上限値以下であることによって、電解液の過度な粘度上昇を抑え、高率放電における放電容量の低下や低温条件下における放電容量の低下を抑制することができる。一方、リチウム塩の濃度が上記下限値以上であることによって、リチウムイオン量が確保され、高率放電における放電容量の低下や低温条件下における放電容量の低下を抑制することができる。
固体電解質を用いる場合、電解質層は、固体電解質の他、必要に応じてその他の成分、例えば、結着剤、可塑剤等を含有していてもよい。
電池が、正極、電解質層、負極の順番で配置されている積層体を、繰り返し何層も重ねる構造を取る場合には、安全性の観点から、正極および負極の間に、絶縁性材料からなるセパレータを備えることができる。セパレータとしては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔膜;および樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等を挙げることができる。
また、各電極の集電体には、それぞれ、外部との接続部となる端子を設けることができる。
(実施例1)
まず、一酸化ケイ素(SiO)(大阪チタニウムテクノロジーズ製、平均粒径5μm)と、酸化鉄(Fe2O3)(シーアイ化成製、平均粒径0.039μm)を均一になるまで乳鉢で混合した。尚、SiO 1molに対して、0.125molのFe2O3を添加した。
得られた混合物を、非酸化性雰囲気下(アルゴンガス雰囲気下)、1000℃で、3時間反応させた。
得られた反応物について、粉末X線回折装置(理学電気製)により、2θ=10〜80°の範囲で、スキャンスピード10°/minで同定を行った。結果を図1及び図2に示す。図1に示すように、反応物はFe2SiO4含み、原料であるFe2O3が還元されたことがわかった。また、得られた反応物について、TEM−EDX(透過電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光分析)を行ったところ、Fe2SiO4以外に、SiO(0.8<x<1.2)を含むことがわかった。SiOはXRDにおいてピークが観察されなかったことから、アモルファスであると考えられる。
実施例1において、一酸化ケイ素(SiO)の代わりに、シリコン(Si)(Aldrich製、平均粒径5μm)を用いたこと以外は同様にして、負極活物質を得た。粉末X線回折の結果を図2に示す。実施例1とは異なり、FeとSiO2が生成し、FeとSiの複合酸化物は生成しなかった。
実施例1において、一酸化ケイ素(SiO)の代わりに、二酸化ケイ素(SiO2)(高純度化学製、平均粒径5μm)を用いたこと以外は同様にして、負極活物質を得た。粉末X線回折の結果を図2に示す。実施例1とは異なり、原料のFe2O3とSiO2の存在が確認され、FeとSiの複合酸化物(シリケイト)は生成しなかった。
実施例1において、反応雰囲気を大気雰囲気としたこと以外は同様にして、負極活物質を得た。粉末X線回折の結果を図2に示す。実施例1とは異なり、原料のFe2O3とSiO2の存在が確認され、FeとSiの複合酸化物は生成しなかった。
実施例1において、Fe2O3を用いなかったこと以外は同様にして、負極活物質を得た。粉末X線回折の結果を図2に示す。実施例1とは異なり、原料のSiOの存在が確認され、FeとSiの複合酸化物は生成しなかった。
実施例1において、Fe2O3を用いなかったこと、及び、反応雰囲気を大気雰囲気としたこと、以外は同様にして、負極活物質を得た。粉末X線回折の結果を図2に示す。実施例1とは異なり、SiO2の生成が確認され、FeとSiの複合酸化物は生成しなかった。
実施例1において、Fe2O3を用いなかったこと、及び、反応温度を1300℃に変更したこと、以外は同様にして、負極活物質を得た。粉末X線回折の結果を図2に示す。実施例1とは異なり、SiとSiO2の存在が確認され、FeとSiの複合酸化物は生成しなかった。
上記実施例1及び比較例1〜6で得られた各負極活物質について、以下のようにして負極を作製し、評価した。
(負極の作製)
負極活物質と、アセチレンブラック(電気化学工業製)と、ポリアミド(東レ製)とを、76.5:13.5:10(重量比)で混合し、さらに、分散剤として、N−メチル−2−ピロリドン(和光製)、及び溶媒を添加し、負極材スラリーを調製した。
次に、負極材スラリーをドクターブレード法を用いて銅箔(集電体)上に塗布し、乾燥及び圧延し、負極活物質層と負極集電体とが積層した負極を得た。
評価用セルを次のようにして作製した。
まず、箔状のリチウム金属(本城金属製)を、ローラーを用いて平滑化し、φ19mmに打ち抜き、対極を得た。
一方、エチレンカーボネート(EC)とジエチレンカーボネート(DEC)とを3:7(体積比)で混合した混合溶媒に、リチウム塩(LiPF6)を添加し、リチウム塩濃度が1Mの非水電解液を得た。
上記にて作製した負極、ポリプロピレン製多孔質膜(セパレータ)、対極、及び銅金属箔(対極集電体)を、この順序で積層した。このとき、負極活物質層がセパレータ側となるように負極を積層した。
上記積層体のセパレータに上記電解液を含浸させ、2032型のコインセル用ケースに収容し、評価用セルを得た。
各評価用セルについて、以下のようにして、充電容量(mAh/g)及び放電容量(mAh/g)を測定した。さらに、充電容量に対する放電容量の割合を算出し、充放電効率を求めた。結果を表1に示す。
・充電容量
25℃環境下、電流値0.1Cで、対極電位(リチウム金属電位)に対して0.01VまでLiを挿入し、総通電量から負極活物質重量1g当たりの充電容量を算出した。尚、1Cとは、1時間で満充電できる電流値である。
・放電容量
上記充電操作を行った後、25℃環境下、電流値0.1Cで、対極電位(リチウム金属電位)に対して2.5VまでLiの脱離操作を行い、総通電量から負極活物質重量1g当たりの放電容量を算出した。
尚、比較例2では、SiO2とFe2O3とは反応しなかったので、上記充放電性能評価結果は、Fe2O3の性能評価の結果といえる。また、図2に示すXRDの結果からは、比較例3ではSiO2が生成していることが確認できたが、表1の充放電容量及び充放電効率の結果から、SiOも含んでおり、Fe2O3及びSiOが充放電に関与した結果の性能が得られたと言える。
(実施例2)
まず、一酸化ケイ素(SiO)(大阪チタニウムテクノロジーズ製、平均粒径5μm)と、酸化鉄(Fe2O3、平均粒径30μm)(シーアイ化成製)を均一になるまで乳鉢で混合した。尚、SiO 1molに対して、0.125molのFe2O3を添加した。
得られた混合物を、非酸化性雰囲気下(アルゴンガス雰囲気下)、600℃で、3時間反応させた。
実施例2において、反応温度を700℃に変更したこと以外は同様にして、負極活物質を得た。
実施例2において、反応温度を800℃に変更したこと以外は同様にして、負極活物質を得た。
得られた負極活物質について、走査透過型電子顕微鏡(STEM)を用いてその形態を観察した。暗視野STEM像(DF−STEM)を図3〜図5に示す。グレー部分がSiOであり、白い部分がFe2SiO4である。
また、得られた負極活物質について、STEM観察及びエネルギー分散型X線分光分析(EXD)を行ない、O、Si及びFeの分布を観察した。結果を図6に示す。6AがDF−STEM像であり、6Bの白っぽい部分がO(酸素)の分布を示し、6Cの白っぽい部分がSi(シリコン)の分布を示し、6Dの白っぽい部分がFeの分布を示している。すなわち、図6から、SiO相の表面にFe化合物が存在することが確認できる。
図3〜図6より、熱処理工程を800℃で実施した実施例4の負極活物質は、SiO粒子の表面に、厚さ10〜500nmのFe2SiO4相が形成されていることがわかる。
実施例2において、反応温度を900℃に変更したこと以外は同様にして、負極活物質を得た。
実施例2において、反応温度を1000℃に変更したこと以外は同様にして、負極活物質を得た。
得られた負極活物質について、走査透過型電子顕微鏡(STEM)を用いてその形態を観察した。暗視野STEM像(DF−STEM)を図7及び図8に示す。グレー部分がSiOであり、白い部分がFe2SiO4である。
図7〜図8より、熱処理工程を1000℃で実施した実施例6の負極活物質は、SiO粒子の内部に、平均粒径10nm以上のFe2SiO4相が形成されていることがわかる。
実施例2において、Fe2O3を用いなかったこと、及び、反応温度を0℃とし加熱しなかったこと、以外は同様にして、負極活物質を得た。
実施例2において、Fe2O3を用いなかったこと、及び、反応温度を700℃に変更したこと、以外は同様にして、負極活物質を得た。
実施例2において、Fe2O3を用いなかったこと、及び、反応温度を800℃に変更したこと、以外は同様にして、負極活物質を得た。
実施例2において、Fe2O3を用いなかったこと、及び、反応温度を900℃に変更したこと、以外は同様にして、負極活物質を得た。
実施例2において、Fe2O3を用いなかったこと、及び、反応温度を1000℃に変更したこと、以外は同様にして、負極活物質を得た。
上記実施例2〜6及び比較例7〜11で得られた各負極活物質について、1.2gを秤量し、20KNの圧力で加圧して圧粉体を作製し、導電率を測定した。結果を表2に示す。
上記実施例2〜6及び比較例7〜11で得られた各負極活物質について、実施例1と同様にして負極、評価用セルを作製し、充放電効率を算出した。結果を表2に示す。
また、実施例2〜6を比較すると、反応温度600〜1000℃において、導電率及び充放電効率の両方に優れる負極活物質が得られることがわかる。
また、実施例4と実施例6との対比から、シリコン酸化物相(SiO粒子)の内部(バルク)に、シリケイト化合物相(Fe2SiO4相)を有する実施例6よりも、シリコン酸化物相(SiO粒子)の表面に、シリケイト化合物相(Fe2SiO4相)を有する実施例4の方が、充放電効率及び導電性に優れていることがわかる。
(参考実験例1)
一酸化ケイ素(SiO)(大阪チタニウムテクノロジーズ製、平均粒径5μm)と、酸化鉄(Fe2O3、平均粒径0.039μm)(シーアイ化成製)とを、SiO 1molに対するFe2O3の割合を0.1mol〜1.0molとして、均一になるまで混合した。
得られた混合物を、非酸化性雰囲気下(アルゴンガス雰囲気下)、加熱温度800℃で、3時間反応させた。
得られた反応物について、粉末X線回折装置(理学電気製)により、2θ=10〜80°の範囲で、スキャンスピード10°/minで同定を行った。結果を図9に示す。図9に示すように、SiO 1molに対するFe2O3の割合が0.3mol〜1.0molの場合、還元されていない3価のFeの存在も確認されたが、SiO 1molに対するFe2O3の割合が0.1mol及び0.2molでは、Feが2価に還元され、Fe2SiO4が生成したことが確認できた。
まず、一酸化ケイ素(SiO)(大阪チタニウムテクノロジーズ製、平均粒径5μm)と、酸化鉄(Fe2O3、平均粒径0.039μm)(シーアイ化成製)を均一になるまで乳鉢で混合した。尚、SiO 1molに対して、0.001molのFe2O3を添加した。
得られた混合物を、非酸化性雰囲気下(アルゴンガス雰囲気下)、800℃で、3時間反応させた。
実施例7において、SiO 1molに対するFe2O3の添加量を0.005molに変更したこと以外は同様にして、負極活物質を得た。
実施例7において、SiO 1molに対するFe2O3の添加量を0.025molに変更したこと以外は同様にして、負極活物質を得た。
実施例7において、SiO 1molに対するFe2O3の添加量を0.05molに変更したこと以外は同様にして、負極活物質を得た。
実施例7において、SiO 1molに対するFe2O3の添加量を0.1molに変更したこと以外は同様にして、負極活物質を得た。
実施例7において、SiO 1molに対するFe2O3の添加量を0.15molに変更したこと以外は同様にして、負極活物質を得た。
実施例7において、SiO 1molに対するFe2O3の添加量を0.2molに変更したこと以外は同様にして、負極活物質を得た。
実施例7において、SiO 1molに対するFe2O3の添加量を0.5molに変更したこと以外は同様にして、負極活物質を得た。
実施例7において、Fe2O3を用いなかったこと以外は同様にして、負極活物質を得た。
上記実施例7〜14及び比較例12で得られた各負極活物質について、実施例1と同様にして負極、評価用セルを作製し、充電容量、放電容量及び充放電効率を算出した。結果を表3、図10に示す。また、SiO 1molに対するFe2O3の添加量と、充放電効率との関係を図11に示す。
また、実施例7〜14の負極活物質の対比から、原料であるSiOとFe2O3のモル比は、SiO 1モルに対して、Fe2O3が0.001〜0.2モルである場合、充放電効率の向上効果が高く、Fe2O3が0.001〜0.15モルである場合、放電容量の低下を低減しつつ、充放電効率を向上させることができ、Fe2O3が0.001〜0.1モルである場合、放電容量の低下をさらに抑制しつつ、充放電効率を向上させることができることがわかる。
(実施例15)
まず、一酸化ケイ素(SiO)(大阪チタニウムテクノロジーズ製、平均粒径5μm)と、酸化鉄(Fe2O3、平均粒径0.039μm)(シーアイ化成製)を均一になるまで乳鉢で混合した。尚、SiO 1molに対して、0.02molのFe2O3を添加した。
得られた混合物を、非酸化性雰囲気下(アルゴンガス雰囲気下)、800℃で、3時間反応させた。
実施例15において、平均粒径0.039μmのFe2O3の代わりに平均粒径1μmのFe2O3を用いたこと以外は同様にして、負極活物質を得た。
実施例15において、平均粒径0.039μmのFe2O3の代わりに平均粒径5μmのFe2O3を用いたこと以外は同様にして、負極活物質を得た。
実施例15において、平均粒径0.039μmのFe2O3の代わりに平均粒径30μmのFe2O3を用いたこと以外は同様にして、負極活物質を得た。
上記実施例15〜18で得られた各負極活物質を用いて、実施例1と同様にして負極、評価用セルを作製した。得られた評価セルについて、以下の条件で充放電を10サイクル行い、1サイクル目の放電容量を100%として10サイクル目の放電容量の割合(容量維持率)を算出した。結果を表4に示す。
・充電
25℃環境下、電流値0.1Cで、対極電位(リチウム金属電位)に対して0.01VまでLiを挿入する。
・放電
上記充電操作を行った後、25℃環境下、電流値0.1Cで、対極電位(リチウム金属電位)に対して2.5VまでLiを脱離する。1サイクル目及び10サイクル目において、前記2.5VまでのLi脱離操作後、総通電量から負極活物質重量1g当たりの放電容量を算出した。
(実施例19)
まず、一酸化ケイ素(SiO)(大阪チタニウムテクノロジーズ製、平均粒径5μm)と、酸化鉄(Fe2O3、平均粒径0.039μm)(シーアイ化成製)を、ボールミルのポット内に投入した。ボールミルのポット内には、直径1mmのジルコニア製のボールも投入し、回転数350rpmで2時間攪拌し、回転方向を反対にして攪拌してさらに2時間攪拌し、均一になるまで混合した。尚、SiO 1molに対して、0.1molのFe2O3を添加した。
得られた混合物を、非酸化性雰囲気下(アルゴンガス雰囲気下)、800℃で、3時間反応させた。
上記実施例19で得られた各負極活物質を用いて、実施例1と同様にして負極、評価用セルを作製した。充電容量(mAh/g)、放電容量(mAh/g)及び充放電効率を算出した。結果を表5に示す。表5には、SiOとFe2O3の混合方法のみが異なる実施例11(乳鉢で混合)の結果もあわせて示す。
表5に示すように、実施例19は、充電容量が2072mAh/g、放電容量が2020mAh/gであり、充放電効率は97.5%だった。
乳鉢を用いた実施例11と、ボールミルを用いた実施例19とを比較すると、実施例19は、充電容量が若干低下したものの、放電容量は増加し、充放電効率が97.5%という非常に高い値にあった。
このような結果が得られた理由は次のように考えられる。すなわち、実施例19は、一酸化ケイ素と酸化鉄とをボールミルにより混合することで一酸化ケイ素の表面に酸化鉄を均一に被覆させることができ、その結果、一酸化ケイ素粒子の表面のより広い領域にFe2SiO4相(シリケイト化合物相)が存在する負極活物質が得られたため、シリコン酸化物とリチウムイオンとの不可逆的な反応による生成物が抑制され、実施例11よりも放電容量が大きくなり、充放電効率が著しく向上したと考えられる。尚、実施例19の充電容量が実施例11よりも低くなったが、これは、実施例19は、リチウムイオンとの副反応を起こさないFe2SiO4相が表面に多く存在するために、副反応に由来する容量の分、見かけ上、実施例11よりも充電容量が低下したと考えられる。
Claims (17)
- 一般式SiO y (0<y<2)で表わされるシリコン酸化物1molに対して、0.001〜0.5molの金属酸化物を含有する混合物から生成された負極活物質であって、
一般式SiOx(0<x<2)で表わされるシリコン酸化物と、
下記組成式(1)で表わされるシリケイト化合物と、
を含有することを特徴とする負極活物質。
MaSibOc・m(OH)・n(H2O) 式(1)
(式(1)中、a、b、c、m及びnは、それぞれ、0<a≦7、0<b≦8、0<c≦22、0≦m≦4、0≦n≦10であり、Mは長周期型周期表における3族〜12族の遷移金属元素の少なくとも1種を含み、該遷移金属元素に加えてさらに1族のアルカリ金属元素及び2族のアルカリ土類金属元素の少なくとも1種を含んでいてもよく、Siは一部がAl及びBの少なくとも1種により置換されていてもよい。) - 前記混合物が、前記一般式SiOy(0<y<2)で表わされるシリコン酸化物1molに対して、0.001〜0.2molの前記金属酸化物を含有する、請求項1に記載の負極活物質。
- 前記混合物が、前記一般式SiOy(0<y<2)で表わされるシリコン酸化物1molに対して、0.001〜0.025molの前記金属酸化物を含有する、請求項1に記載の負極活物質。
- 前記一般式SiOxにおいて、0.8≦x≦1.2である、請求項1乃至3のいずれかに記載の負極活物質。
- 前記シリコン酸化物を含むシリコン酸化物相の少なくとも内部に、前記シリケイト化合物を含むシリケイト化合物相が少なくとも1つ以上存在する、請求項1乃至4のいずれかに記載の負極活物質。
- 前記シリケイト化合物相の平均径が、10〜2000nmである、請求項5に記載の負極活物質。
- 前記シリコン酸化物を含むシリコン酸化物粒子の少なくとも表面に、前記シリケイト化合物を含むシリケイト化合物相が存在する、請求項1乃至6のいずれかに記載の負極活物質。
- 前記シリコン酸化物粒子の表面に存在する前記シリケイト化合物相の厚さが、10〜2000nmである、請求項7に記載の負極活物質。
- 一般式SiOy(0<y<2)で表わされるシリコン酸化物1molに対して、0.001〜0.5molの金属酸化物を混合する混合工程と、
前記混合工程において得られた混合物を、非酸化性雰囲気下、加熱処理する熱処理工程と、を有し、
前記金属酸化物は、前記熱処理工程の加熱温度における酸化反応の標準ギブスエネルギーの絶対値が、Siの前記熱処理工程の加熱温度における酸化反応の標準ギブスエネルギーの絶対値よりも小さいことを特徴とする、負極活物質の製造方法。 - 前記一般式SiOyにおいて、0.8≦y≦1.2である、請求項9に記載の負極活物質の製造方法。
- 前記熱処理工程において、前記加熱処理を、不活性雰囲気下、600℃〜1000℃で行う、請求項9又は10に記載の負極活物質の製造方法。
- 前記熱処理工程において、前記加熱処理を700℃〜900℃で行う、請求項9乃至11のいずれかに記載の負極活物質の製造方法。
- 前記混合工程において、前記シリコン酸化物1molに対して、0.001〜0.2molの前記金属酸化物を混合する、請求項9乃至12のいずれかに記載の負極活物質の製造方法。
- 前記混合工程において、前記金属酸化物の平均粒径が、前記シリコン酸化物の平均粒径以下である、請求項9乃至13のいずれかに記載の負極活物質の製造方法。
- 前記混合工程において、前記シリコン酸化物の表面に前記金属酸化物を付着させる、請求項9乃至14のいずれかに記載の負極活物質の製造方法。
- 前記混合工程において、前記シリコン酸化物及び前記金属酸化物を、メカノケミカル法により混合する、請求項9乃至15のいずれかに記載の負極活物質の製造方法。
- 前記メカノケミカル法が、ボールミルである、請求項16に記載の負極活物質の製造方法。
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