JP6376054B2 - Silicon material, manufacturing method thereof, and secondary battery including silicon material - Google Patents
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Description
本発明は、シリコン材料及びその製造方法並びにシリコン材料を具備する二次電池に関する。 The present invention relates to a silicon material, a manufacturing method thereof, and a secondary battery including the silicon material.
シリコンは半導体、太陽電池、二次電池などの構成要素として用いられることが知られており、それゆえに、シリコンに関する研究が活発に行われている。 Silicon is known to be used as a component of semiconductors, solar cells, secondary batteries, etc. Therefore, research on silicon is actively conducted.
例えば、特許文献1には、CaSi2を濃塩酸で処理し、層状ポリシランを製造したこと、及び、当該層状ポリシランが二次電池の活物質として機能し得ることが記載されている。 For example, Patent Document 1 describes that CaSi 2 was treated with concentrated hydrochloric acid to produce a layered polysilane, and that the layered polysilane can function as an active material of a secondary battery.
また、特許文献2には、CaSi2と酸とを反応させてCaを除去した層状ポリシランを主成分とする層状シリコン化合物を合成したこと、当該層状シリコン化合物を300℃以上で加熱して水素を離脱させたシリコン材料を製造したこと、及び、当該シリコン材料を活物質として具備するリチウムイオン二次電池が記載されている。 Patent Document 2 discloses that a layered silicon compound mainly composed of layered polysilane obtained by reacting CaSi 2 and an acid to remove Ca, and heating the layered silicon compound at 300 ° C. or higher to generate hydrogen. It describes that a detached silicon material was manufactured and a lithium ion secondary battery comprising the silicon material as an active material.
ところで、上述した特許文献に記載の、層状ポリシランを主成分とする層状シリコン化合物は、洗浄工程を経ているにも関わらず、酸のアニオンに由来する塩素などの成分を多く含んでいる。ここで、酸のアニオンに由来する成分は、層状ポリシランそのものが有する機能を損ねる恐れがある。また、層状ポリシランを主成分とする層状シリコン化合物を加熱して水素を離脱させたシリコン材料においても、上述した酸のアニオンに由来する成分は残存する。そして、酸のアニオンに由来する成分は、シリコン材料そのものが有する機能を損ねる恐れがある。 Incidentally, the layered silicon compound mainly composed of layered polysilane described in the above-mentioned patent document contains a large amount of components such as chlorine derived from an anion of an acid, even though it has undergone a cleaning process. Here, the component derived from the acid anion may impair the function of the layered polysilane itself. Further, even in a silicon material obtained by heating a layered silicon compound containing layered polysilane as a main component to release hydrogen, components derived from the acid anion described above remain. And the component derived from the anion of an acid may impair the function which silicon material itself has.
本発明は、かかる事情に鑑みて為されたものであり、酸のアニオンに由来する成分の含有量を低減できる、シリコン材料の製造方法を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of this situation, and it aims at providing the manufacturing method of the silicon material which can reduce content of the component derived from the anion of an acid.
本発明者は、試行錯誤を繰り返し、酸のアニオンに由来する成分の含有量を低減できる、シリコン材料の製造方法を検討した。その結果、本発明者は、酸のアニオンに由来する成分の含有量を低減できるシリコン材料の製造方法を見出し、しかも、当該製造方法で製造されたシリコン材料が二次電池の活物質として機能することを確認して、本発明を完成させた。 This inventor repeated trial and error, and examined the manufacturing method of the silicon material which can reduce content of the component derived from the anion of an acid. As a result, the present inventor has found a method for producing a silicon material capable of reducing the content of components derived from an anion of an acid, and the silicon material produced by the production method functions as an active material for a secondary battery. This was confirmed and the present invention was completed.
すなわち、本発明のシリコン材料の製造方法は、a)アルコール存在下でCaSi2と酸とを反応させ層状シリコン化合物を製造する工程、b)前記層状シリコン化合物を300℃以上で加熱する工程、を含むことを特徴とする。 That is, in the method for producing a silicon material of the present invention, a) a step of producing a layered silicon compound by reacting CaSi 2 with an acid in the presence of alcohol, and b) a step of heating the layered silicon compound at 300 ° C. or higher. It is characterized by including.
本発明のシリコン材料の製造方法は、シリコン材料における酸のアニオンに由来する成分の含有量を好適に低減できる。 The method for producing a silicon material of the present invention can suitably reduce the content of components derived from acid anions in the silicon material.
以下に、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below.
CaSi2と酸とを反応させる、層状ポリシランを主成分とする層状シリコン化合物の製造方法では、Caが水素によって置換されることで反応が進行する。当該反応を、酸として塩酸を用いた場合の反応式で示すと以下のとおりとなる。
3CaSi2+6HCl→Si6H6+3CaCl2
In the method for producing a layered silicon compound containing layered polysilane as a main component in which CaSi 2 is reacted with an acid, the reaction proceeds by replacing Ca with hydrogen. The reaction can be represented by the following reaction formula when hydrochloric acid is used as the acid.
3CaSi 2 + 6HCl → Si 6 H 6 + 3CaCl 2
つまり、理論的には、1モルのCaSi2に対して、2モルのプロトンを供給できる酸が反応系内に存在すれば、上記反応は進行する。 That is, theoretically, the reaction proceeds if an acid capable of supplying 2 moles of protons to 1 mole of CaSi 2 is present in the reaction system.
しかし、例えば、酸として濃塩酸を選択し、1モルのCaSi2に対して2モルのHClに相当する量を用いた場合、反応液の量が少なすぎて撹拌が十分に行えないため、層状ポリシランが再現よく製造できるとはいえない。 However, for example, when concentrated hydrochloric acid is selected as the acid and an amount corresponding to 2 mol of HCl is used with respect to 1 mol of CaSi 2 , the amount of the reaction solution is too small to sufficiently stir. It cannot be said that polysilane can be produced with good reproducibility.
かかる状況を改善するため、濃塩酸を酸としてだけでなく、反応液の撹拌を十分に行うための溶媒として、多量に用いていたのが従来の製造方法である。 In order to improve such a situation, the conventional production method has used concentrated hydrochloric acid not only as an acid but also as a solvent for sufficiently stirring the reaction solution.
従来の製造方法に対し、溶媒としての濃塩酸の代わりにアルコールを用いたのが、本発明のシリコン材料の製造方法におけるa)工程である。 In contrast to the conventional production method, alcohol is used instead of concentrated hydrochloric acid as a solvent in the step a) in the production method of the silicon material of the present invention.
まず、a)工程について説明する。a)工程は、アルコール存在下でCaSi2と酸とを反応させ層状シリコン化合物を製造する工程である。 First, a) process is demonstrated. The step a) is a step for producing a layered silicon compound by reacting CaSi 2 with an acid in the presence of alcohol.
アルコールは、常温(25℃)で液体状態のものが好ましく、また、a)工程で使用する酸と混和できるものが好ましい。アルコールとしては、分子内に1つの水酸基を有する1価アルコールでもよいし、複数の水酸基を有する多価アルコールでもよい。また、アルコールは1種類を用いてもよいし、複数種類を併用してもよい。 The alcohol is preferably in a liquid state at normal temperature (25 ° C.), and is preferably miscible with the acid used in step a). The alcohol may be a monohydric alcohol having one hydroxyl group in the molecule or a polyhydric alcohol having a plurality of hydroxyl groups. One kind of alcohol may be used, or a plurality of kinds may be used in combination.
アルコールの炭化水素基の炭素数としては、1〜6の範囲内が好ましく、1〜4の範囲内がより好ましく、1〜2の範囲内がさらに好ましい。アルコールの炭化水素基は飽和炭化水素基が好ましい。 As carbon number of the hydrocarbon group of alcohol, the inside of the range of 1-6 is preferable, the inside of the range of 1-4 is more preferable, and the inside of the range of 1-2 is further more preferable. The hydrocarbon group of the alcohol is preferably a saturated hydrocarbon group.
アルコールの具体例として、メタノール、エタノール、n−プロパノール、2−プロパノール、n−ブタノール、iso−ブタノール、sec−ブタノール、1−ペンタノール、2−ペンタノール、3−ペンタノール、2−メチル−1−ブタノール、3−メチル−1−ブタノール、2−メチル−2−ブタノール、3−メチル−2−ブタノール、1−ヘキサノール、2−ヘキサノール、3−ヘキサノールなどの1価アルコール、エチレングリコール、プロピレングリコール、1,2−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、2,3−ブタンジオール、1,2−ペンタンジオール、1,3−ペンタンジオール、1,4−ペンタンジオール、1,5−ペンタンジオール、2,3−ペンタンジオール、1,2−ヘキサンジオールなどの2価アルコール、グリセリン、1,2,3−ブタントリオール、1,2,4−ブタントリオールなどの3価アルコールを挙げることができる。 Specific examples of alcohol include methanol, ethanol, n-propanol, 2-propanol, n-butanol, iso-butanol, sec-butanol, 1-pentanol, 2-pentanol, 3-pentanol, 2-methyl-1 -Monohydric alcohols such as butanol, 3-methyl-1-butanol, 2-methyl-2-butanol, 3-methyl-2-butanol, 1-hexanol, 2-hexanol, 3-hexanol, ethylene glycol, propylene glycol, 1,2-butanediol, 1,3-butanediol, 1,4-butanediol, 2,3-butanediol, 1,2-pentanediol, 1,3-pentanediol, 1,4-pentanediol, 1 , 5-pentanediol, 2,3-pentanediol, 1,2-hexane Dihydric alcohols such as ol, glycerol, 1,2,3-butanetriol, mention may be made of trihydric alcohols such as 1,2,4-butanetriol.
a)工程で得られる層状シリコン化合物の安定性の観点から、アルコールとしてはメタノールが最も好ましい。 From the viewpoint of the stability of the layered silicon compound obtained in the step a), methanol is most preferable as the alcohol.
CaSi2は、一般にCa層とSi層が積層した構造からなる。CaSi2は、公知の製造方法で合成してもよく、市販されているものを採用してもよい。a)工程に用いるCaSi2は、あらかじめ粉砕しておくことが好ましい。 CaSi 2 generally has a structure in which a Ca layer and a Si layer are laminated. CaSi 2 may be synthesized by a known production method, or a commercially available one may be adopted. The CaSi 2 used in the step a) is preferably pulverized in advance.
a)工程において、アルコールとCaSi2との質量比は0.5:1〜30:1の範囲内が好ましく、0.5:1〜15:1の範囲内がより好ましく、1:1〜5:1の範囲内がさらに好ましい。アルコールの量が少なすぎると、a)工程における撹拌が不十分となる恐れがあり、また、逆に、アルコールの量が多すぎると酸の濃度が希釈されすぎるため、a)工程の反応が十分に進行しない恐れがある。 In the step a), the mass ratio of alcohol to CaSi 2 is preferably in the range of 0.5: 1 to 30: 1, more preferably in the range of 0.5: 1 to 15: 1, and 1: 1 to 5 A range of 1 is more preferable. If the amount of alcohol is too small, the stirring in step a) may be insufficient, and conversely, if the amount of alcohol is too large, the acid concentration will be too diluted, so that the reaction in step a) is sufficient. There is a risk of not progressing.
酸としては、フッ化水素、塩化水素、臭化水素、ヨウ化水素、硫酸、硝酸、リン酸、蟻酸、酢酸、メタンスルホン酸、テトラフルオロホウ酸、ヘキサフルオロリン酸、ヘキサフルオロヒ素酸、フルオロアンチモン酸、ヘキサフルオロケイ酸、ヘキサフルオロゲルマン酸、ヘキサフルオロスズ(IV)酸、トリフルオロ酢酸、ヘキサフルオロチタン酸、ヘキサフルオロジルコニウム酸、トリフルオロメタンスルホン酸、フルオロスルホン酸が例示される。これらの酸を単独又は併用して使用すれば良い。 Acids include hydrogen fluoride, hydrogen chloride, hydrogen bromide, hydrogen iodide, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, formic acid, acetic acid, methanesulfonic acid, tetrafluoroboric acid, hexafluorophosphoric acid, hexafluoroarsenic acid, fluoro Examples include antimonic acid, hexafluorosilicic acid, hexafluorogermanic acid, hexafluorotin (IV) acid, trifluoroacetic acid, hexafluorotitanic acid, hexafluorozirconic acid, trifluoromethanesulfonic acid, and fluorosulfonic acid. These acids may be used alone or in combination.
酸としては無機酸が好ましく、特に好ましい無機酸としては、フッ化水素、塩化水素、臭化水素、ヨウ化水素、テトラフルオロホウ酸、ヘキサフルオロリン酸を例示できる。 The acid is preferably an inorganic acid, and particularly preferred inorganic acids include hydrogen fluoride, hydrogen chloride, hydrogen bromide, hydrogen iodide, tetrafluoroboric acid, and hexafluorophosphoric acid.
酸は水溶液として用いられるのが、反応液の撹拌状態、並びに、作業の簡便性及び安全性の観点から好ましい。 The acid is preferably used as an aqueous solution from the viewpoint of the stirring state of the reaction solution and the convenience and safety of work.
a)工程に用いる酸は、CaSi2に対して2当量以上のプロトンを供給できる量で用いればよい。CaSi2と酸の使用量をモル比で示すと、1:2以上が好ましく、1:2〜1:6の範囲内がより好ましく、1:2〜1:4の範囲内がさらに好ましい。酸の使用量が少なすぎると反応が十分に進行しない恐れがある。また、酸の使用量が多すぎると、酸のアニオンに由来する成分が層状シリコン化合物に多く含まれる恐れがある。 acid used in step a), it may be used in an amount capable of providing 2 or more equivalents of protons relative CaSi 2. When the amount of CaSi 2 and acid used is shown in molar ratio, it is preferably 1: 2 or more, more preferably in the range of 1: 2 to 1: 6, and still more preferably in the range of 1: 2 to 1: 4. If the amount of acid used is too small, the reaction may not proceed sufficiently. Moreover, when there is too much usage-amount of an acid, there exists a possibility that many components derived from the anion of an acid may be contained in a layered silicon compound.
a)工程における反応条件は、真空などの減圧条件又は不活性ガス雰囲気下とすることが好ましく、反応時間と反応温度は特に限定されないが、通常、反応温度は−10℃〜50℃の範囲内である。a)工程の反応時間は適宜設定すれば良く、例えば、1〜30時間、3〜20時間、10〜20時間を例示できる。 The reaction conditions in the step a) are preferably reduced pressure conditions such as vacuum or an inert gas atmosphere, and the reaction time and reaction temperature are not particularly limited, but the reaction temperature is usually in the range of −10 ° C. to 50 ° C. It is. The reaction time of a) process should just be set suitably, For example, 1 to 30 hours, 3 to 20 hours, and 10 to 20 hours can be illustrated.
反応制御の観点から、a)工程は、CaSi2をアルコール中又はアルコールと水との混合溶媒中で懸濁させた懸濁液に、酸の水溶液を滴下して反応液とする方法で行われるのが好ましい。アルコールと水との混合溶媒における、アルコールと水との質量比は、10:1〜1:1、9:1〜3:1などを例示できる。 From the viewpoint of reaction control, step a) is performed by a method in which an aqueous acid solution is dropped into a suspension obtained by suspending CaSi 2 in an alcohol or a mixed solvent of alcohol and water to obtain a reaction solution. Is preferred. Examples of the mass ratio of alcohol to water in the mixed solvent of alcohol and water include 10: 1 to 1: 1 and 9: 1 to 3: 1.
a)工程の反応液における溶媒に対する酸の濃度は3〜30質量%が好ましく、5〜25質量%がより好ましく、10〜25質量%がさらに好ましく、15〜25質量%が最も好ましい。 a) The concentration of the acid in the reaction solution in the step is preferably 3 to 30% by mass, more preferably 5 to 25% by mass, further preferably 10 to 25% by mass, and most preferably 15 to 25% by mass.
さて、a)工程において、酸として塩酸を用いた場合の反応式を示すと、上述したように以下のとおりとなる。
3CaSi2+6HCl→Si6H6+3CaCl2
In the step a), the reaction formula when hydrochloric acid is used as the acid is as follows as described above.
3CaSi 2 + 6HCl → Si 6 H 6 + 3CaCl 2
Si6H6が理想的な層状シリコン化合物に該当する。この反応は、層状のCaSi2のCaが2Hで置換されつつ、Si−H結合を形成すると考えることもできる。層状シリコン化合物は、原料のCaSi2におけるSi層の基本骨格が維持されているため、層状をなす。 Si 6 H 6 corresponds to an ideal layered silicon compound. It can be considered that this reaction forms Si—H bonds while Ca in the layered CaSi 2 is substituted with 2H. The layered silicon compound has a layer shape because the basic skeleton of the Si layer in the raw material CaSi 2 is maintained.
a)工程において、酸は水溶液として用いられるのが好ましいことは、前述した。ここで、Si6H6は水と反応し得るため、通常は、層状シリコン化合物がSi6H6なる化合物のみで得られることはほとんどなく、酸素や酸のアニオン由来の元素を含有する。 As described above, in the step a), the acid is preferably used as an aqueous solution. Here, since Si 6 H 6 can react with water, the layered silicon compound is rarely obtained only with a compound of Si 6 H 6 , and usually contains an element derived from an anion of oxygen or acid.
a)工程で得られる層状シリコン化合物を単離するために、適宜、濾過工程、洗浄工程、乾燥工程を実施してもよい。層状シリコン化合物の中には、空気中で発熱するものもあるため、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気下でこれらの工程を実施するのが好ましい。 In order to isolate the layered silicon compound obtained in the step a), a filtration step, a washing step, and a drying step may be appropriately performed. Since some layered silicon compounds generate heat in the air, it is preferable to carry out these steps in an inert gas atmosphere such as argon.
次に、b)工程について説明する。b)工程は、層状シリコン化合物を300℃以上で加熱する工程である。以下、a)工程及びb)工程を経て製造されたシリコン材料を本発明のシリコン材料ということがある。 Next, step b) will be described. Step b) is a step of heating the layered silicon compound at 300 ° C. or higher. Hereinafter, the silicon material manufactured through the steps a) and b) may be referred to as the silicon material of the present invention.
化学的な観点から述べると、b)工程は、加熱により、層状シリコン化合物から水素などを離脱させてシリコン材料を合成する工程である。b)工程を理想的な反応式で示すと以下のとおりとなる。
Si6H6→6Si+3H2↑
From a chemical point of view, step b) is a step of synthesizing a silicon material by removing hydrogen from the layered silicon compound by heating. b) The process is represented by an ideal reaction formula as follows.
Si 6 H 6 → 6Si + 3H 2 ↑
ただし、b)工程に実際に用いられる層状シリコン化合物は酸素や酸のアニオン由来の元素を含有し、さらに不可避不純物も含有するため、実際に得られるシリコン材料も酸素や酸のアニオン由来の元素を含有し、さらに不可避不純物も含有するものとなる。 However, since the layered silicon compound actually used in step b) contains an element derived from an anion of oxygen or acid, and also contains inevitable impurities, the silicon material actually obtained also contains an element derived from an anion of oxygen or acid. In addition, it also contains inevitable impurities.
b)工程は、通常の大気下よりも酸素含有量の少ない非酸化性雰囲気下で行われるのが好ましい。非酸化性雰囲気としては、真空を含む減圧雰囲気、不活性ガス雰囲気を例示できる。加熱温度は、350℃〜1200℃の範囲内が好ましく、400℃〜1200℃の範囲内がより好ましい。加熱温度が低すぎると水素の離脱が十分でない場合があり、他方、加熱温度が高すぎるとエネルギーの無駄になる。加熱時間は加熱温度に応じて適宜設定すれば良く、また、反応系外に抜けていく水素などの量を測定しながら加熱時間を決定するのも好ましい。加熱温度及び加熱時間を適宜選択することにより、製造されるシリコン材料に含まれるアモルファスシリコン及びシリコン結晶子の割合、並びに、シリコン結晶子の大きさを調製することもでき、さらには、製造されるシリコン材料に含まれる、アモルファスシリコン及びシリコン結晶子を含むナノ水準の厚みの層の形状や大きさを調製することもできる。 The step b) is preferably performed in a non-oxidizing atmosphere having a lower oxygen content than that in normal air. Examples of the non-oxidizing atmosphere include a reduced pressure atmosphere including a vacuum and an inert gas atmosphere. The heating temperature is preferably in the range of 350 ° C to 1200 ° C, more preferably in the range of 400 ° C to 1200 ° C. If the heating temperature is too low, hydrogen may not be released sufficiently. On the other hand, if the heating temperature is too high, energy is wasted. What is necessary is just to set a heating time suitably according to heating temperature, and it is also preferable to determine a heating time, measuring the quantity of hydrogen etc. which escapes out of a reaction system. By appropriately selecting the heating temperature and the heating time, the ratio of amorphous silicon and silicon crystallites contained in the silicon material to be manufactured, and the size of the silicon crystallites can also be adjusted, and further manufactured. The shape and size of a nano-level layer containing amorphous silicon and silicon crystallites contained in the silicon material can also be prepared.
シリコン結晶子のサイズとしては、ナノサイズのものが好ましい。具体的には、シリコン結晶子サイズは、0.5nm〜300nmの範囲内が好ましく、1nm〜100nmの範囲内がより好ましく、1nm〜50nmの範囲内がさらに好ましく、1nm〜10nmの範囲内が特に好ましい。なお、シリコン結晶子サイズは、シリコン材料に対してX線回折測定(XRD測定)を行い、得られたXRDチャートのSi(111)面の回折ピークの半値幅を用いたシェラーの式から算出される。 The size of the silicon crystallite is preferably nano-sized. Specifically, the silicon crystallite size is preferably in the range of 0.5 nm to 300 nm, more preferably in the range of 1 nm to 100 nm, still more preferably in the range of 1 nm to 50 nm, and particularly in the range of 1 nm to 10 nm. preferable. Note that the silicon crystallite size is calculated from the Scherrer equation using X-ray diffraction measurement (XRD measurement) on the silicon material and using the half-value width of the diffraction peak of the Si (111) plane of the obtained XRD chart. The
b)工程により、複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有するシリコン材料を得ることができる。この構造は、走査型電子顕微鏡などによる観察で確認できる。本発明のシリコン材料をリチウムイオン二次電池の活物質として使用することを考慮すると、リチウムイオンの効率的な挿入及び脱離反応のためには、板状シリコン体は厚さが10nm〜100nmの範囲内のものが好ましく、20nm〜50nmの範囲内のものがより好ましい。また、板状シリコン体の長軸方向の長さは、0.1μm〜50μmの範囲内のものが好ましい。また、板状シリコン体は、(長軸方向の長さ)/(厚さ)が2〜1000の範囲内であるのが好ましい。 By the step b), a silicon material having a structure in which a plurality of plate-like silicon bodies are laminated in the thickness direction can be obtained. This structure can be confirmed by observation with a scanning electron microscope or the like. In consideration of using the silicon material of the present invention as an active material of a lithium ion secondary battery, the plate-like silicon body has a thickness of 10 nm to 100 nm for efficient insertion and desorption reaction of lithium ions. Those within the range are preferable, and those within the range of 20 nm to 50 nm are more preferable. The length of the plate-like silicon body in the major axis direction is preferably in the range of 0.1 μm to 50 μm. The plate-like silicon body preferably has a (length in the major axis direction) / (thickness) range of 2 to 1000.
本発明のシリコン材料は、粉砕や分級を経て、一定の粒度分布の粒子としてもよい。本発明のシリコン材料の好ましい粒度分布としては、一般的なレーザー回折式粒度分布測定装置で測定した場合に、D50が1〜30μmの範囲内を例示できる。 The silicon material of the present invention may be pulverized and classified into particles having a certain particle size distribution. As a preferable particle size distribution of the silicon material of the present invention, D50 can be exemplified within a range of 1 to 30 μm when measured with a general laser diffraction type particle size distribution measuring apparatus.
本発明のシリコン材料は、酸素を20質量%以下で含むものが好ましく、17質量%以下で含むものがより好ましく、14質量%以下で含むものがさらに好ましく、13質量%以下で含むものが特に好ましい。酸素の含有量の下限値として、5質量%、10質量%を例示できる。 The silicon material of the present invention preferably contains oxygen at 20% by mass or less, more preferably contains at 17% by mass or less, more preferably contains at 14% by mass or less, particularly preferably contains at 13% by mass or less. preferable. Examples of the lower limit of the oxygen content include 5% by mass and 10% by mass.
本発明のシリコン材料は、a)工程で用いた酸のアニオン由来の元素を0.001〜5質量%で含むものが好ましく、0.01〜3質量%で含むものがより好ましく、0.1〜1質量%で含むものがさらに好ましい。 The silicon material of the present invention preferably contains 0.001 to 5% by mass of the element derived from the anion of the acid used in step a), more preferably contains 0.01 to 3% by mass. More preferably, it is contained at ˜1% by mass.
好適な本発明のシリコン材料として、例えば、酸のアニオン由来の元素を0.001〜5質量%で含み、酸素を14質量%以下で含むものを挙げることができる。 As a suitable silicon material of the present invention, for example, a material containing 0.001 to 5% by mass of an element derived from an acid anion and 14% by mass or less of oxygen can be cited.
本発明のシリコン材料は、リチウムイオン二次電池などの二次電池の負極活物質として使用することができる。その際には、本発明のシリコン材料を炭素で被覆して用いるのが好ましい。 The silicon material of the present invention can be used as a negative electrode active material for a secondary battery such as a lithium ion secondary battery. In that case, the silicon material of the present invention is preferably coated with carbon.
以下、本発明のシリコン材料を負極活物質として具備する二次電池について、その代表としてリチウムイオン二次電池を例にして、説明する。本発明のシリコン材料を負極活物質として具備するリチウムイオン二次電池を、以下、本発明のリチウムイオン二次電池という。具体的には、本発明のリチウムイオン二次電池は、正極、本発明のシリコン材料を負極活物質として具備する負極、電解液及び必要に応じてセパレータを具備する。 Hereinafter, a secondary battery comprising the silicon material of the present invention as a negative electrode active material will be described by taking a lithium ion secondary battery as an example. The lithium ion secondary battery comprising the silicon material of the present invention as the negative electrode active material is hereinafter referred to as the lithium ion secondary battery of the present invention. Specifically, the lithium ion secondary battery of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode including the silicon material of the present invention as a negative electrode active material, an electrolytic solution, and, if necessary, a separator.
正極は、集電体と、集電体の表面に結着させた正極活物質層を有する。 The positive electrode has a current collector and a positive electrode active material layer bound to the surface of the current collector.
集電体は、リチウムイオン二次電池の放電又は充電の間、電極に電流を流し続けるための化学的に不活性な電子伝導体をいう。集電体としては、銀、銅、金、アルミニウム、タングステン、コバルト、亜鉛、ニッケル、鉄、白金、錫、インジウム、チタン、ルテニウム、タンタル、クロム、モリブデンから選ばれる少なくとも一種、並びにステンレス鋼などの金属材料を例示することができる。集電体は公知の保護層で被覆されていても良い。集電体の表面を公知の方法で処理したものを集電体として用いても良い。 The current collector refers to a chemically inert electronic conductor that keeps a current flowing through an electrode during discharge or charging of a lithium ion secondary battery. As the current collector, at least one selected from silver, copper, gold, aluminum, tungsten, cobalt, zinc, nickel, iron, platinum, tin, indium, titanium, ruthenium, tantalum, chromium, molybdenum, and stainless steel, etc. Metal materials can be exemplified. The current collector may be covered with a known protective layer. What collected the surface of the electrical power collector by the well-known method may be used as an electrical power collector.
集電体は箔、シート、フィルム、線状、棒状、メッシュなどの形態をとることができる。そのため、集電体として、例えば、銅箔、ニッケル箔、アルミニウム箔、ステンレス箔などの金属箔を好適に用いることができる。集電体が箔、シート、フィルム形態の場合は、その厚みが1μm〜100μmの範囲内であることが好ましい。 The current collector can take the form of a foil, a sheet, a film, a linear shape, a rod shape, a mesh, or the like. Therefore, for example, a metal foil such as a copper foil, a nickel foil, an aluminum foil, and a stainless steel foil can be suitably used as the current collector. When the current collector is in the form of foil, sheet or film, the thickness is preferably in the range of 1 μm to 100 μm.
正極活物質層は正極活物質、並びに必要に応じて導電助剤及び/又は結着剤を含む。 The positive electrode active material layer includes a positive electrode active material and, if necessary, a conductive additive and / or a binder.
正極活物質としては、層状化合物のLiaNibCocMndDeOf(0.2≦a≦2、b+c+d+e=1、0≦e<1、DはLi、Fe、Cr、Cu、Zn、Ca、Mg、S、Si、Na、K、Al、Zr、Ti、P、Ga、Ge、V、Mo、Nb、W、Laから選ばれる少なくとも1の元素、1.7≦f≦3)、Li2MnO3を挙げることができる。また、正極活物質として、LiMn2O4等のスピネル、及びスピネルと層状化合物の混合物で構成される固溶体、LiMPO4、LiMVO4又はLi2MSiO4(式中のMはCo、Ni、Mn、Feのうちの少なくとも一種から選択される)などで表されるポリアニオン系化合物を挙げることができる。さらに、正極活物質として、LiFePO4FなどのLiMPO4F(Mは遷移金属)で表されるタボライト系化合物、LiFeBO3などのLiMBO3(Mは遷移金属)で表されるボレート系化合物を挙げることができる。正極活物質として用いられるいずれの金属酸化物も上記の組成式を基本組成とすればよく、基本組成に含まれる金属元素を他の金属元素で置換したものも使用可能である。また、正極活物質として、充放電に寄与するリチウムイオンを含まない正極活物質材料、たとえば、硫黄単体、硫黄と炭素を複合化した化合物、TiS2などの金属硫化物、V2O5、MnO2などの酸化物、ポリアニリン及びアントラキノン並びにこれら芳香族を化学構造に含む化合物、共役二酢酸系有機物などの共役系材料、その他公知の材料を用いることもできる。さらに、ニトロキシド、ニトロニルニトロキシド、ガルビノキシル、フェノキシルなどの安定なラジカルを有する化合物を正極活物質として採用してもよい。リチウムを含まない正極活物質材料を用いる場合には、正極及び/又は負極に、公知の方法により、予めイオンを添加させておく必要がある。ここで、当該イオンを添加するためには、金属または当該イオンを含む化合物を用いればよい。 As the positive electrode active material, the layered compound Li a Ni b Co c Mn d De O f (0.2 ≦ a ≦ 2, b + c + d + e = 1, 0 ≦ e <1, D is Li, Fe, Cr, Cu, At least one element selected from Zn, Ca, Mg, S, Si, Na, K, Al, Zr, Ti, P, Ga, Ge, V, Mo, Nb, W, La, 1.7 ≦ f ≦ 3 ), Li 2 MnO 3 . Further, as a positive electrode active material, a solid solution composed of a spinel such as LiMn 2 O 4 and a mixture of a spinel and a layered compound, LiMPO 4 , LiMVO 4 or Li 2 MSiO 4 (wherein M is Co, Ni, Mn, And a polyanionic compound represented by (selected from at least one of Fe). Furthermore, as the positive electrode active material, tavorite compound (the M a transition metal) LiMPO 4 F, such as LiFePO 4 F represented by, Limbo 3 such LiFeBO 3 (M is a transition metal) include borate-based compound represented by be able to. Any metal oxide used as the positive electrode active material may have the above composition formula as a basic composition, and a metal element contained in the basic composition may be substituted with another metal element. Further, as a positive electrode active material, a positive electrode active material that does not contain lithium ions that contribute to charge / discharge, for example, sulfur alone, a compound in which sulfur and carbon are combined, a metal sulfide such as TiS 2 , V 2 O 5 , MnO 2 and other oxides, polyaniline and anthraquinone, compounds containing these aromatics in the chemical structure, conjugated materials such as conjugated diacetate-based organic substances, and other known materials can also be used. Further, a compound having a stable radical such as nitroxide, nitronyl nitroxide, galvinoxyl, phenoxyl, etc. may be adopted as the positive electrode active material. When using a positive electrode active material that does not contain lithium, it is necessary to add ions to the positive electrode and / or the negative electrode in advance by a known method. Here, in order to add the ion, a metal or a compound containing the ion may be used.
導電助剤は、電極の導電性を高めるために添加される。そのため、導電助剤は、電極の導電性が不足する場合に任意に加えればよく、電極の導電性が十分に優れている場合には加えなくても良い。導電助剤としては化学的に不活性な電子高伝導体であれば良く、炭素質微粒子であるカーボンブラック、黒鉛、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、気相法炭素繊維(Vapor Grown Carbon Fiber:VGCF)、および各種金属粒子などが例示される。これらの導電助剤を単独または二種以上組み合わせて活物質層に添加することができる。 The conductive assistant is added to increase the conductivity of the electrode. Therefore, the conductive auxiliary agent may be added arbitrarily when the electrode conductivity is insufficient, and may not be added when the electrode conductivity is sufficiently excellent. The conductive auxiliary agent may be any chemically inert electronic high conductor, such as carbon black, graphite, acetylene black, ketjen black (registered trademark), vapor grown carbon fiber (Vapor Grown Carbon). Fiber: VGCF) and various metal particles are exemplified. These conductive assistants can be added to the active material layer alone or in combination of two or more.
活物質層中の導電助剤の配合割合は、質量比で、活物質:導電助剤=1:0.005〜1:0.5であるのが好ましく、1:0.01〜1:0.2であるのがより好ましく、1:0.03〜1:0.1であるのがさらに好ましい。導電助剤が少なすぎると効率のよい導電パスを形成できず、また、導電助剤が多すぎると活物質層の成形性が悪くなるとともに電極のエネルギー密度が低くなるためである。 The blending ratio of the conductive additive in the active material layer is preferably a mass ratio of active material: conductive additive = 1: 0.005 to 1: 0.5, and 1: 0.01 to 1: 0. .2 is more preferable, and 1: 0.03 to 1: 0.1 is even more preferable. This is because if the amount of the conductive auxiliary is too small, an efficient conductive path cannot be formed, and if the amount of the conductive auxiliary is too large, the moldability of the active material layer is deteriorated and the energy density of the electrode is lowered.
結着剤は、活物質や導電助剤を集電体の表面に繋ぎ止め、電極中の導電ネットワークを維持する役割を果たすものである。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド等のイミド系樹脂、アルコキシシリル基含有樹脂、ポリ(メタ)アクリル酸等のアクリル系樹脂、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロースを例示することができる。これらの結着剤を単独で又は複数で採用すれば良い。 The binder plays a role of securing an active material or a conductive auxiliary agent to the surface of the current collector and maintaining a conductive network in the electrode. Examples of the binder include fluorine-containing resins such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, and fluororubber, thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, imide resins such as polyimide and polyamideimide, alkoxysilyl group-containing resins, poly ( Examples thereof include acrylic resins such as (meth) acrylic acid, styrene-butadiene rubber (SBR), and carboxymethyl cellulose. These binders may be used singly or in plural.
活物質層中の結着剤の配合割合は、質量比で、活物質:結着剤=1:0.001〜1:0.3であるのが好ましく、1:0.005〜1:0.2であるのがより好ましく、1:0.01〜1:0.15であるのがさらに好ましい。結着剤が少なすぎると電極の成形性が低下し、また、結着剤が多すぎると電極のエネルギー密度が低くなるためである。 The blending ratio of the binder in the active material layer is preferably a mass ratio of active material: binder = 1: 0.001 to 1: 0.3, and 1: 0.005 to 1: 0. .2 is more preferable, and 1: 0.01 to 1: 0.15 is still more preferable. This is because when the amount of the binder is too small, the moldability of the electrode is lowered, and when the amount of the binder is too large, the energy density of the electrode is lowered.
負極は、集電体と、集電体の表面に結着させた負極活物質層を有する。集電体については、正極で説明したものを適宜適切に採用すれば良い。負極活物質層は負極活物質、並びに必要に応じて導電助剤及び/又は結着剤を含む。 The negative electrode has a current collector and a negative electrode active material layer bound to the surface of the current collector. What is necessary is just to employ | adopt suitably what was demonstrated with the positive electrode about a collector. The negative electrode active material layer includes a negative electrode active material and, if necessary, a conductive additive and / or a binder.
負極活物質としては、本発明のシリコン材料を含むものであればよく、本発明のシリコン材料のみを採用してもよいし、本発明のシリコン材料と公知の負極活物質を併用してもよい。 The negative electrode active material only needs to contain the silicon material of the present invention, and only the silicon material of the present invention may be employed, or the silicon material of the present invention and a known negative electrode active material may be used in combination. .
負極に用いる導電助剤及び結着剤については、正極で説明したものを同様の配合割合で適宜適切に採用すれば良い。 About the conductive support agent and binder used for a negative electrode, what was demonstrated in the positive electrode should just be employ | adopted suitably suitably with the same mixture ratio.
集電体の表面に活物質層を形成させるには、ロールコート法、ダイコート法、ディップコート法、ドクターブレード法、スプレーコート法、カーテンコート法などの従来から公知の方法を用いて、集電体の表面に活物質を塗布すればよい。具体的には、活物質、溶剤、並びに必要に応じて結着剤及び/又は導電助剤を混合し、スラリーを調製する。上記溶剤としては、N−メチル−2−ピロリドン、メタノール、メチルイソブチルケトン、水を例示できる。該スラリーを集電体の表面に塗布後、乾燥する。電極密度を高めるべく、乾燥後のものを圧縮しても良い。 In order to form an active material layer on the surface of the current collector, a current collecting method such as a roll coating method, a die coating method, a dip coating method, a doctor blade method, a spray coating method, or a curtain coating method can be used. An active material may be applied to the surface of the body. Specifically, an active material, a solvent, and, if necessary, a binder and / or a conductive aid are mixed to prepare a slurry. Examples of the solvent include N-methyl-2-pyrrolidone, methanol, methyl isobutyl ketone, and water. The slurry is applied to the surface of the current collector and then dried. In order to increase the electrode density, the dried product may be compressed.
電解液は、非水溶媒と非水溶媒に溶解した電解質とを含んでいる。 The electrolytic solution includes a nonaqueous solvent and an electrolyte dissolved in the nonaqueous solvent.
非水溶媒としては、環状エステル類、鎖状エステル類、エーテル類等が使用できる。環状エステル類としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ガンマブチロラクトン、ビニレンカーボネート、2−メチル−ガンマブチロラクトン、アセチル−ガンマブチロラクトン、ガンマバレロラクトンを例示できる。鎖状エステル類としては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジブチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、エチルメチルカーボネート、プロピオン酸アルキルエステル、マロン酸ジアルキルエステル、酢酸アルキルエステル等を例示できる。エーテル類としては、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−ジブトキシエタンを例示できる。非水溶媒としては、上記具体的な溶媒の化学構造のうち一部又は全部の水素がフッ素に置換した化合物を採用しても良い。 As the non-aqueous solvent, cyclic esters, chain esters, ethers and the like can be used. Examples of cyclic esters include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, gamma butyrolactone, vinylene carbonate, 2-methyl-gamma butyrolactone, acetyl-gamma butyrolactone, and gamma valerolactone. Examples of chain esters include dimethyl carbonate, diethyl carbonate, dibutyl carbonate, dipropyl carbonate, ethyl methyl carbonate, propionic acid alkyl ester, malonic acid dialkyl ester, and acetic acid alkyl ester. Examples of ethers include tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, and 1,2-dibutoxyethane. As the non-aqueous solvent, a compound in which part or all of hydrogen in the chemical structure of the specific solvent is substituted with fluorine may be employed.
電解質としては、LiClO4、LiAsF6、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2等のリチウム塩を例示できる。 Examples of the electrolyte include lithium salts such as LiClO 4 , LiAsF 6 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , and LiN (CF 3 SO 2 ) 2 .
電解液としては、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネートなどの非水溶媒に、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3などのリチウム塩を0.5mol/Lから1.7mol/L程度の濃度で溶解させた溶液を例示できる。 As an electrolytic solution, 0.5 mol / L to 1.7 mol of a lithium salt such as LiClO 4 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 in a nonaqueous solvent such as ethylene carbonate, dimethyl carbonate, propylene carbonate, and diethyl carbonate. A solution dissolved at a concentration of about / L can be exemplified.
セパレータは、正極と負極とを隔離し、両極の接触による短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。セパレータとしては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアミド、ポリアラミド(Aromatic polyamide)、ポリエステル、ポリアクリロニトリル等の合成樹脂、セルロース、アミロース等の多糖類、フィブロイン、ケラチン、リグニン、スベリン等の天然高分子、セラミックスなどの電気絶縁性材料を1種若しくは複数用いた多孔体、不織布、織布などを挙げることができる。また、セパレータは多層構造としてもよい。 The separator separates the positive electrode and the negative electrode and allows lithium ions to pass while preventing a short circuit due to contact between the two electrodes. As separators, natural resins such as polytetrafluoroethylene, polypropylene, polyethylene, polyimide, polyamide, polyaramid (Aromatic polymer), polyester, polyacrylonitrile and other polysaccharides, cellulose, amylose and other polysaccharides, fibroin, keratin, lignin and suberin Examples thereof include porous bodies, nonwoven fabrics, and woven fabrics using one or more electrically insulating materials such as polymers and ceramics. The separator may have a multilayer structure.
次に、正極、負極及び電解液を用いた本発明のリチウムイオン二次電池の製造方法について説明する。 Next, the manufacturing method of the lithium ion secondary battery of this invention using a positive electrode, a negative electrode, and electrolyte solution is demonstrated.
正極および負極に必要に応じてセパレータを挟装させ電極体とする。電極体は、正極、セパレータ及び負極を重ねた積層型、又は、正極、セパレータ及び負極を捲いた捲回型のいずれの型にしても良い。正極の集電体および負極の集電体から、外部に通ずる正極端子および負極端子までの間を、集電用リード等を用いて接続した後に、電極体に電解液を加えてリチウムイオン二次電池とするとよい。また、本発明のリチウムイオン二次電池は、電極に含まれる活物質の種類に適した電圧範囲で充放電を実行されればよい。 A separator is sandwiched between the positive electrode and the negative electrode as necessary to form an electrode body. The electrode body may be either a stacked type in which the positive electrode, the separator and the negative electrode are stacked, or a wound type in which the positive electrode, the separator and the negative electrode are sandwiched. After connecting the current collector of the positive electrode and the current collector of the negative electrode to the positive electrode terminal and the negative electrode terminal that communicate with the outside using a lead for current collection, etc., an electrolyte is added to the electrode body and a lithium ion secondary Use batteries. Moreover, the lithium ion secondary battery of this invention should just be charged / discharged in the voltage range suitable for the kind of active material contained in an electrode.
本発明のリチウムイオン二次電池の形状は特に限定されるものでなく、円筒型、角型、コイン型、ラミネート型等、種々の形状を採用することができる。 The shape of the lithium ion secondary battery of the present invention is not particularly limited, and various shapes such as a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, and a laminate shape can be adopted.
本発明のリチウムイオン二次電池は、車両に搭載してもよい。車両は、その動力源の全部あるいは一部にリチウムイオン二次電池による電気エネルギーを使用している車両であればよく、たとえば、電気車両、ハイブリッド車両などであるとよい。車両にリチウムイオン二次電池を搭載する場合には、リチウムイオン二次電池を複数直列に接続して組電池とするとよい。リチウムイオン二次電池を搭載する機器としては、車両以外にも、パーソナルコンピュータ、携帯通信機器など、電池で駆動される各種の家電製品、オフィス機器、産業機器などが挙げられる。さらに、本発明のリチウムイオン二次電池は、風力発電、太陽光発電、水力発電その他電力系統の蓄電装置及び電力平滑化装置、船舶等の動力及び/又は補機類の電力供給源、航空機、宇宙船等の動力及び/又は補機類の電力供給源、電気を動力源に用いない車両の補助用電源、移動式の家庭用ロボットの電源、システムバックアップ用電源、無停電電源装置の電源、電動車両用充電ステーションなどにおいて充電に必要な電力を一時蓄える蓄電装置に用いてもよい。 The lithium ion secondary battery of the present invention may be mounted on a vehicle. The vehicle may be a vehicle that uses electric energy from a lithium ion secondary battery for all or a part of its power source, and may be, for example, an electric vehicle or a hybrid vehicle. When a lithium ion secondary battery is mounted on a vehicle, a plurality of lithium ion secondary batteries may be connected in series to form an assembled battery. Examples of devices equipped with lithium ion secondary batteries include various home appliances driven by batteries such as personal computers and portable communication devices, office devices, and industrial devices in addition to vehicles. Furthermore, the lithium ion secondary battery of the present invention includes wind power generation, solar power generation, hydroelectric power generation and other power system power storage devices and power smoothing devices, power supplies for ships and / or auxiliary power supply sources, aircraft, Power supply for spacecraft and / or auxiliary equipment, auxiliary power supply for vehicles that do not use electricity as a power source, power supply for mobile home robots, power supply for system backup, power supply for uninterruptible power supply, You may use for the electrical storage apparatus which stores temporarily the electric power required for charge in the charging station for electric vehicles.
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment. The present invention can be implemented in various forms without departing from the gist of the present invention, with modifications and improvements that can be made by those skilled in the art.
以下に、実施例および比較例などを示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例によって限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. In addition, this invention is not limited by these Examples.
(実施例1)
a)工程
アルゴン雰囲気下、0℃としたメタノール75gに、50gのCaSi2(Ca含有率32wt%)を加え、撹拌して、懸濁液とした。同条件下、当該懸濁液に、濃度35重量%のHCl水溶液85.5gを滴下し反応を開始した。HCl水溶液を滴下した後に、反応液から発泡が無くなったのを確認した後、さらに同条件下、合計で20時間攪拌した。反応液の溶媒に対するHClの濃度は19質量%であり、また、CaSi2とHClのモル比は1:2であった。その後、反応液を室温まで昇温し、濾過を行った。残渣を300mLの蒸留水で3回洗浄した後、300mLのエタノールで洗浄し、減圧乾燥して層状シリコン化合物を得た。これを実施例1の層状シリコン化合物とした。
Example 1
a) Step 50 g of CaSi 2 (Ca content 32 wt%) was added to 75 g of methanol at 0 ° C. under an argon atmosphere, and the mixture was stirred to obtain a suspension. Under the same conditions, 85.5 g of a 35% by weight HCl aqueous solution was dropped into the suspension to initiate the reaction. After dropping HCl aqueous solution and confirming that foaming disappeared from the reaction solution, the mixture was further stirred for 20 hours under the same conditions. The concentration of HCl with respect to the solvent of the reaction solution was 19% by mass, and the molar ratio of CaSi 2 and HCl was 1: 2. Thereafter, the reaction solution was heated to room temperature and filtered. The residue was washed with 300 mL of distilled water three times, then with 300 mL of ethanol, and dried under reduced pressure to obtain a layered silicon compound. This was used as the layered silicon compound of Example 1.
b)工程
実施例1の層状シリコン化合物を、O2を1体積%以下の量で含むアルゴン雰囲気下にて900℃で1時間加熱し、シリコン材料を得た。これを実施例1のシリコン材料とした。
b) Step The layered silicon compound of Example 1 was heated at 900 ° C. for 1 hour in an argon atmosphere containing O 2 in an amount of 1% by volume or less to obtain a silicon material. This was used as the silicon material of Example 1.
実施例1のリチウムイオン二次電池を以下のとおり製造した。 The lithium ion secondary battery of Example 1 was manufactured as follows.
負極活物質として実施例1のシリコン材料45質量部、負極活物質として天然黒鉛40質量部、導電助剤としてアセチレンブラック5質量部、結着剤としてポリアミドイミド10質量部、溶剤としてN−メチル−2−ピロリドンを混合し、スラリーを調製した。上記スラリーを、集電体としての厚さ約20μmの電解銅箔の表面にドクターブレードを用いて塗布し、乾燥して、銅箔上に負極活物質層を形成した。その後、ロールプレス機により、集電体と負極活物質層を強固に密着接合させた。これを200℃で2時間減圧乾燥し、負極活物質層の厚さが23μmの負極を得た。 45 parts by mass of the silicon material of Example 1 as a negative electrode active material, 40 parts by mass of natural graphite as a negative electrode active material, 5 parts by mass of acetylene black as a conductive additive, 10 parts by mass of polyamideimide as a binder, and N-methyl- as a solvent 2-Pyrrolidone was mixed to prepare a slurry. The slurry was applied to the surface of an electrolytic copper foil having a thickness of about 20 μm as a current collector using a doctor blade and dried to form a negative electrode active material layer on the copper foil. Thereafter, the current collector and the negative electrode active material layer were firmly and closely joined by a roll press. This was dried under reduced pressure at 200 ° C. for 2 hours to obtain a negative electrode having a negative electrode active material layer thickness of 23 μm.
上記の手順で作製した負極を評価極として用い、リチウムイオン二次電池(ハーフセル)を作製した。対極は厚さ500μmの金属リチウム箔とした。 A lithium ion secondary battery (half cell) was produced using the negative electrode produced by the above procedure as an evaluation electrode. The counter electrode was a metal lithium foil having a thickness of 500 μm.
対極をφ14mm、評価極をφ11mmに裁断し、セパレータ(ヘキストセラニーズ社製ガラスフィルター及びCelgard社製「Celgard2400」)を両極の間に介装して電極体とした。この電極体を電池ケース(CR2032型コイン電池用部材、宝泉株式会社製)に収容した。電池ケースに、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比1:1で混合した混合溶媒にLiPF6を1Mの濃度で溶解した非水電解液を注入し、電池ケースを密閉して、実施例1のリチウムイオン二次電池を得た。 The counter electrode was cut to φ14 mm and the evaluation electrode was cut to φ11 mm, and a separator (Hoechst Celanese glass filter and Celgard “Celgard 2400”) was interposed between the two electrodes to form an electrode body. This electrode body was accommodated in a battery case (CR2032-type coin battery member, manufactured by Hosen Co., Ltd.). Into the battery case, a nonaqueous electrolyte solution in which LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1M was poured into a mixed solvent in which ethylene carbonate and diethyl carbonate were mixed at a volume ratio of 1: 1, the battery case was sealed, and A lithium ion secondary battery was obtained.
(実施例2)
a)工程にて、メタノール75gの代わりにエタノール0.9gを用い、CaSi2(Ca含有率32wt%)を1g、濃度35重量%のHCl水溶液を1.7g用いた以外は、実施例1と同様の方法で、実施例2の層状シリコン化合物、シリコン材料及びリチウムイオン二次電池を製造した。なお、a)工程の反応液の溶媒に対するHClの濃度は23質量%であり、また、CaSi2とHClのモル比は1:2であった。
(Example 2)
a) In the step, Example 1 except that 0.9 g of ethanol was used instead of 75 g of methanol, 1 g of CaSi 2 (Ca content 32 wt%) and 1.7 g of an aqueous HCl solution having a concentration of 35 wt% were used. In the same manner, the layered silicon compound, silicon material and lithium ion secondary battery of Example 2 were produced. The concentration of HCl in the solvent of the reaction solution a) step is 23 wt%, and the molar ratio of CaSi 2 and HCl was 1: 2.
(実施例3)
a)工程にて、メタノール75gの代わりにエタノール9質量部と水1質量部の混合溶媒3gを用い、CaSi2(Ca含有率32wt%)を2g、濃度35重量%のHCl水溶液を3.4g用いた以外は、実施例1と同様の方法で、実施例3の層状シリコン化合物、シリコン材料及びリチウムイオン二次電池を製造した。なお、a)工程の反応液の溶媒に対するHClの濃度は19質量%であり、また、CaSi2とHClのモル比は1:2であった。
(Example 3)
a) In the step, 3 g of a mixed solvent of 9 parts by mass of ethanol and 1 part by mass of water was used instead of 75 g of methanol, 2 g of CaSi 2 (Ca content 32 wt%), and 3.4 g of HCl aqueous solution having a concentration of 35 wt%. A layered silicon compound, a silicon material, and a lithium ion secondary battery of Example 3 were produced in the same manner as in Example 1 except that they were used. The concentration of HCl in the solvent of the reaction solution a) step is 19 wt%, and the molar ratio of CaSi 2 and HCl was 1: 2.
(実施例4)
a)工程にて、メタノール75gの代わりにエタノール2質量部と水1質量部の混合溶媒1.8gを用い、CaSi2(Ca含有率32wt%)を2g、濃度35重量%のHCl水溶液を3.4g用いた以外は、実施例1と同様の方法で、実施例4の層状シリコン化合物、シリコン材料及びリチウムイオン二次電池を製造した。なお、a)工程の反応液の溶媒に対するHClの濃度は23質量%であり、また、CaSi2とHClのモル比は1:2であった。
Example 4
a) In the step, 1.8 g of a mixed solvent of 2 parts by mass of ethanol and 1 part by mass of water is used instead of 75 g of methanol, 2 g of CaSi 2 (Ca content 32 wt%) and 3% by weight HCl aqueous solution having a concentration of 35 wt% A layered silicon compound, a silicon material, and a lithium ion secondary battery of Example 4 were produced in the same manner as in Example 1 except that .4 g was used. The concentration of HCl in the solvent of the reaction solution a) step is 23 wt%, and the molar ratio of CaSi 2 and HCl was 1: 2.
(実施例5)
a)工程にて、0℃としたメタノール75gの代わりに25℃としたエタノール21.8gを用い、CaSi2(Ca含有率32wt%)を1g、濃度35重量%のHCl水溶液を4.8g用い、合計撹拌時間を3時間とした以外は、実施例1と同様の方法で、実施例5の層状シリコン化合物、シリコン材料及びリチウムイオン二次電池を製造した。なお、a)工程の反応液の溶媒に対するHClの濃度は6質量%であり、また、CaSi2とHClのモル比は1:6であった。
(Example 5)
a) In the step, 21.8 g of ethanol at 25 ° C. was used instead of 75 g of methanol at 0 ° C., 1 g of CaSi 2 (Ca content 32 wt%), and 4.8 g of HCl aqueous solution having a concentration of 35 wt% were used. The layered silicon compound, silicon material, and lithium ion secondary battery of Example 5 were produced in the same manner as in Example 1 except that the total stirring time was 3 hours. The concentration of HCl in the solvent of the reaction solution a) step is 6 wt%, and the molar ratio of CaSi 2 and HCl was 1: 6.
(比較例1)
アルゴン雰囲気下、0℃とした濃度35重量%のHCl水溶液507gに、50gのCaSi2(Ca含有率32wt%)を加え、撹拌した。反応液から発泡が無くなったのを確認した後、さらに同条件下、合計で3時間攪拌した。その後、反応液を室温まで昇温し、濾過を行った。以後、実施例1と同様の方法で、比較例1の層状シリコン化合物、シリコン材料及びリチウムイオン二次電池を製造した。なお、CaSi2とHClのモル比は1:12であった。
(Comparative Example 1)
Under an argon atmosphere, 50 g of CaSi 2 (Ca content 32 wt%) was added to 507 g of an aqueous HCl solution having a concentration of 35 wt% at 0 ° C. and stirred. After confirming that foaming disappeared from the reaction solution, the mixture was further stirred for 3 hours under the same conditions. Thereafter, the reaction solution was heated to room temperature and filtered. Thereafter, the layered silicon compound, silicon material, and lithium ion secondary battery of Comparative Example 1 were produced in the same manner as in Example 1. The molar ratio of CaSi 2 and HCl was 1:12.
(比較例2)
a)工程にて、メタノール75gの代わりに水1.8gを用い、CaSi2(Ca含有率32wt%)を2g、濃度35重量%のHCl水溶液を3.4g用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例2の層状シリコン化合物、シリコン材料及びリチウムイオン二次電池を製造した。なお、a)工程の反応液の溶媒に対するHClの濃度は23質量%であり、また、CaSi2とHClのモル比は1:2であった。
(Comparative Example 2)
a) In Example 1, except that 1.8 g of water was used instead of 75 g of methanol, 2 g of CaSi 2 (Ca content 32 wt%) and 3.4 g of an aqueous HCl solution having a concentration of 35 wt% were used. In the same manner, the layered silicon compound, silicon material, and lithium ion secondary battery of Comparative Example 2 were produced. The concentration of HCl in the solvent of the reaction solution a) step is 23 wt%, and the molar ratio of CaSi 2 and HCl was 1: 2.
(比較例3)
a)工程にて、エタノール21.8gの代わりに水20gを用い、濃度35重量%のHCl水溶液を2.5g用いた以外は、実施例5と同様の方法で、比較例3の層状シリコン化合物、シリコン材料及びリチウムイオン二次電池を製造した。なお、a)工程の反応液の溶媒に対するHClの濃度は4質量%であり、また、CaSi2とHClのモル比は1:3であった。
(Comparative Example 3)
a) Layered silicon compound of Comparative Example 3 in the same manner as in Example 5 except that 20 g of water was used instead of 21.8 g of ethanol and 2.5 g of 35% by weight HCl aqueous solution was used in step a). A silicon material and a lithium ion secondary battery were manufactured. The concentration of HCl in the solvent of the reaction solution a) step is 4 wt%, and the molar ratio of CaSi 2 and HCl was 1: 3.
実施例及び比較例の一覧を表1に示す。 Table 1 shows a list of examples and comparative examples.
(評価例1)
各シリコン材料につき、蛍光X線元素分析により酸のアニオン由来の元素である塩素の量を分析した。さらに、各シリコン材料につき、酸素・窒素・水素分析装置EMGA(株式会社堀場製作所)を用いて酸素量を分析した。各シリコン材料についての分析結果を表2に示す。
(Evaluation example 1)
For each silicon material, the amount of chlorine which is an element derived from an anion of an acid was analyzed by fluorescent X-ray elemental analysis. Further, the oxygen amount of each silicon material was analyzed using an oxygen / nitrogen / hydrogen analyzer EMGA (Horiba, Ltd.). Table 2 shows the analysis results for each silicon material.
表2の結果から、実施例1〜5のシリコン材料は、従来の製造方法で得られた比較例1のシリコン材料と比較して、酸のアニオン由来の元素である塩素含有量が著しく減少したことがわかる。比較例2及び比較例3のシリコン材料は、従来の製造方法で得られた比較例1のシリコン材料と比較して、塩素含有量が著しく減少したものの、酸素含有量が著しく増加した。 From the results in Table 2, the silicon materials of Examples 1 to 5 have significantly reduced the chlorine content, which is an element derived from an acid anion, as compared with the silicon material of Comparative Example 1 obtained by the conventional production method. I understand that. Compared with the silicon material of Comparative Example 1 obtained by the conventional manufacturing method, the silicon materials of Comparative Example 2 and Comparative Example 3 significantly decreased the chlorine content but increased the oxygen content significantly.
(評価例2)
実施例1〜4、比較例1〜2の層状シリコン化合物を空気中に曝して観察した。また、実施例1〜4、比較例1〜2の層状シリコン化合物につき、粉末X線回折装置を用いて、回折パターンを測定した。各層状シリコン化合物の回折パターンにおけるシリコン層の間隔の回折を示す2θ=9〜13°のピークのθ、測定条件、及び、ブラッグの条件:2dsinθ=nλを用いて、シリコン層の間隔dを算出した。結果を表3に示す。また、実施例1の層状シリコン化合物の拡大した粉末X線回折チャートを図1に示し、比較例1の層状シリコン化合物の拡大した粉末X線回折チャートを図2に示す。
(Evaluation example 2)
The layered silicon compounds of Examples 1-4 and Comparative Examples 1-2 were observed in the air. Moreover, about the layered silicon compound of Examples 1-4 and Comparative Examples 1-2, the diffraction pattern was measured using the powder X-ray-diffraction apparatus. The silicon layer interval d is calculated by using 2θ = 9 to 13 ° peak θ indicating the diffraction of the silicon layer interval in the diffraction pattern of each layered silicon compound, the measurement condition, and the Bragg condition: 2dsin θ = nλ. did. The results are shown in Table 3. An enlarged powder X-ray diffraction chart of the layered silicon compound of Example 1 is shown in FIG. 1, and an enlarged powder X-ray diffraction chart of the layered silicon compound of Comparative Example 1 is shown in FIG.
表3の結果から、層状シリコン化合物におけるシリコン層の間隔dが9.0Å以上になると、層状シリコン化合物の空気中での発熱が観察されるといえる。層状シリコン化合物におけるシリコン層の間隔dが大きくなると、空気中の酸素などがシリコン層の間隔に挿入しやすくなり、酸化反応などが生じやすくなると推察される。 From the results of Table 3, it can be said that heat generation in the air of the layered silicon compound is observed when the distance d between the silicon layers in the layered silicon compound is 9.0 mm or more. If the distance d between the silicon layers in the layered silicon compound is increased, it is presumed that oxygen in the air is easily inserted into the distance between the silicon layers, and an oxidation reaction is likely to occur.
実施例1と実施例2の結果の差は、実施例1の層状シリコン化合物においてはSi−Hとメタノールが反応したSi−OCH3が生成し、実施例2の層状シリコン化合物においてはSi−Hとエタノールが反応したSi−OCH2CH3が生成していると推測され、OCH3とOCH2CH3の嵩高さの差がシリコン層の間隔に反映したものと考えられる。空気中の層状シリコン化合物の安定性を考慮すると、a)工程で用いるアルコールとしてはメタノールが最も好ましいといえる。 The difference between the results of Example 1 and Example 2 is that, in the layered silicon compound of Example 1, Si—OCH 3 in which Si—H and methanol reacted was formed, and in the layered silicon compound of Example 2, Si—H It is presumed that Si—OCH 2 CH 3 is produced by the reaction of ethanol with ethanol, and the bulk difference between OCH 3 and OCH 2 CH 3 is considered to be reflected in the distance between the silicon layers. Considering the stability of the layered silicon compound in the air, methanol is most preferable as the alcohol used in the step a).
実施例3と実施例4の結果の差は、両実施例の層状シリコン化合物においてSi−Hとエタノールが反応したSi−OCH2CH3が生成しているものの、実施例4の方がエタノールの量が少なく水の量が多いため、実施例4の層状シリコン化合物においてはSi−Hと水が反応したSi−OHがより多く生成しているためと考えられる。空気中の層状シリコン化合物の安定性を考慮すると、a)工程で用いるアルコールには、水をあらかじめ混合させておくのが好ましいといえる。 The difference between the results of Example 3 and Example 4 is that although Si—OCH 2 CH 3 in which Si—H and ethanol react with each other in the layered silicon compound of both Examples is generated, Example 4 is more ethanol. Since the amount is small and the amount of water is large, it is considered that in the layered silicon compound of Example 4, a larger amount of Si—OH produced by the reaction of Si—H and water was generated. Considering the stability of the layered silicon compound in the air, it can be said that it is preferable to mix water in advance with the alcohol used in the step a).
(評価例3)
実施例1〜5のリチウムイオン二次電池及び比較例1〜3のリチウムイオン二次電池について、温度25℃、電流0.2mAで評価極の対極に対する電圧が0.01Vになるまで充電を行い、次いで温度25℃、電流0.2mAで評価極の対極に対する電圧が1Vになるまで放電を行った。この時の(放電容量/充電容量)×100を初期効率(%)として算出した。なお、評価例3では、評価極にLiを吸蔵させることを充電といい、評価極からLiを放出させることを放電という。
(Evaluation example 3)
About the lithium ion secondary battery of Examples 1-5 and the lithium ion secondary battery of Comparative Examples 1-3, it charges until the voltage with respect to the counter electrode of an evaluation electrode will be 0.01V at temperature 25 degreeC and current 0.2mA. Then, discharging was performed at a temperature of 25 ° C. and a current of 0.2 mA until the voltage with respect to the counter electrode of the evaluation electrode became 1V. The (discharge capacity / charge capacity) × 100 at this time was calculated as the initial efficiency (%). In Evaluation Example 3, occlusion of Li in the evaluation electrode is called charging, and discharging Li from the evaluation electrode is called discharging.
以上の結果を表4に示す。 The results are shown in Table 4.
実施例1〜3のリチウムイオン二次電池は、優れた初期充電容量及び初期効率を示したことがわかる。また、実施例4のリチウムイオン二次電池と比較例2のリチウムイオン二次電池の結果の比較、及び、実施例5のリチウムイオン二次電池と比較例3のリチウムイオン二次電池の結果の比較から、a)工程でアルコールを用いたシリコン材料を採用することにより、リチウムイオン二次電池の初期充電容量が向上することがわかる。本発明のシリコン材料が活物質として好適に機能することが裏付けられた。 It turns out that the lithium ion secondary battery of Examples 1-3 showed the outstanding initial stage charge capacity and initial stage efficiency. Moreover, the comparison of the result of the lithium ion secondary battery of Example 4 and the lithium ion secondary battery of Comparative Example 2 and the result of the lithium ion secondary battery of Example 5 and the lithium ion secondary battery of Comparative Example 3 From the comparison, it is understood that the initial charge capacity of the lithium ion secondary battery is improved by adopting the silicon material using alcohol in the step a). It was confirmed that the silicon material of the present invention suitably functions as an active material.
Claims (8)
b)前記層状シリコン化合物を300℃以上で加熱する工程、
を含むことを特徴とするシリコン材料の製造方法。
(ただし、以下の製造方法を除く。
ケイ素原子で構成された六員環が複数連なった構造を基本骨格とし該ケイ素原子には水酸基及び水素基の少なくとも一方が結合した層状構造をなす層状ポリシランと、アルコキシシランとを有機溶媒中で混合し、該層状ポリシランの層間に該アルコキシシランが滲入した層状化合物を得る第一工程と、
アルカリ金属及びアルカリ土類金属から選ばれる少なくとも一種の金属を含むアルカリ化合物の水溶液と前記層状化合物とを混合し、前記層状ポリシランの層間において前記アルコキシシランを加水分解するとともに該金属のシリケートを形成して複合体前駆体を得る第二工程と、
該複合体前駆体を非酸化性雰囲気にて加熱し前記層状ポリシランを分解してアモルファスで粒径が0.5nm〜20nmのシリコン粒子とする第三工程と、よりなることを特徴とするシリコン複合体の製造方法。) a) a step of producing a layered silicon compound by reacting CaSi 2 with an acid in the presence of alcohol;
b) heating the layered silicon compound at 300 ° C. or higher;
A method for producing a silicon material, comprising:
(However, the following manufacturing methods are excluded.
A layered polysilane having a layered structure in which at least one of a hydroxyl group and a hydrogen group is bonded to a silicon skeleton having a structure in which a plurality of six-membered rings composed of silicon atoms are connected to each other is mixed in an organic solvent. And a first step of obtaining a layered compound in which the alkoxysilane has infiltrated between the layers of the layered polysilane,
An aqueous solution of an alkali compound containing at least one metal selected from alkali metals and alkaline earth metals is mixed with the layered compound to hydrolyze the alkoxysilane between the layers of the layered polysilane and form a silicate of the metal. A second step of obtaining a composite precursor,
A silicon composite comprising: a third step of heating the composite precursor in a non-oxidizing atmosphere to decompose the layered polysilane to form amorphous silicon particles having a particle diameter of 0.5 nm to 20 nm. Manufacturing method. )
b)前記層状シリコン化合物を300℃以上で加熱する工程、
を含むことを特徴とするシリコン材料の製造方法。 a) a step of producing a layered silicon compound by reacting CaSi 2 with an acid in the presence of methanol ;
b) heating the layered silicon compound at 300 ° C. or higher;
A method for producing a silicon material, comprising:
前記シリコン材料を負極活物質として用いて負極を製造する工程、
を含む、シリコン材料を負極活物質として負極に具備する二次電池の製造方法。 The process of manufacturing a silicon material with the manufacturing method of any one of Claims 1-5,
Producing a negative electrode using the silicon material as a negative electrode active material;
The manufacturing method of the secondary battery which comprises a silicon material for a negative electrode as a negative electrode active material containing .
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