JP2007294422A - SiCO−Li系複合体及びその製造方法並びに非水電解質二次電池用負極材 - Google Patents
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Abstract
【効果】本発明のSiCO−Li系複合体は、非水電解質二次電池用負極材として用いた場合、良好な初期効率を有し、良好なサイクル性、特異な放電特性を与える。
【選択図】なし
Description
しかし、その反面、珪素系材料では用途によっては充放電容量が大きすぎるので、容量的には現状のカーボン系の1.5〜3倍程度であればよく、よりサイクル性に優れる材料も期待されていた。
請求項1:
架橋基を有する反応性シラン、シロキサン又はこれらの混合物の架橋物を焼結、無機化して得たSi−C−O系コンポジットに金属リチウム又は有機リチウム化合物をドープすることによって得られたSiCO−Li系複合体。
請求項2:
上記架橋物が球状シリコーン粉末である請求項1記載のSiCO−Li系複合体。
請求項3:
上記架橋基を有する反応性シラン、シロキサン又はこれらの混合物にグラファイト及び珪素粉並びに有機珪素系表面処理剤で表面処理したグラファイト及び珪素粉から選ばれる添加粒子を添加して上記架橋物を形成した請求項1又は2記載のSiCO−Li系複合体。
請求項4:
反応性シラン又はシロキサンが、下記一般式(1)〜(5)で表されるシラン又はシロキサンの1種又は2種以上である請求項1、2又は3記載のSiCO−Li系複合体。
(式中、R1〜R7は、独立して水素原子、水酸基、加水分解性基、又は1価炭化水素基を示すが、上記式(1)〜(5)の各化合物において、珪素原子に結合する置換基の少なくとも2個は水素原子、水酸基、加水分解性基又は脂肪族不飽和炭化水素基である。また、m,n,kは0〜2,000であり、p,qは0〜10であるが、p,qは同時に0になることはない。)
請求項5:
反応性シラン又はシロキサンが、平均式CwHxSiOyNz(w及びxは正数、y及びzは0又は正数)で表され、架橋点が珪素原子4個に対して少なくとも1個以上あり、かつ(w−y)が0より大きなシラン又はシロキサンを原料とする請求項1、2又は3記載のSiCO−Li系複合体。
請求項6:
平均粒子径が0.1〜30μmである請求項1乃至5のいずれか1項記載のSiCO−Li系複合体。
請求項7:
請求項1乃至6のいずれか1項記載のSiCO−Li系複合体表面をカーボンで被覆してなる表面導電化SiCO−Li系複合体。
請求項8:
架橋基を有する反応性シラン、シロキサン又はこれらの混合物を熱硬化又は触媒反応によって硬化させて架橋物とし、これを不活性気流中700〜1,400℃の温度範囲で焼結させて無機化してSi−C−O系コンポジットを製造し、これに金属リチウム又は有機リチウム化合物を添加してドープすることを特徴とするSiCO−Li系複合体の製造方法。
請求項9:
架橋基を有する反応性シラン、シロキサン又はこれらの混合物を原料として、エマルション法によって架橋して球状シリコーン粉末を製造し、これを不活性気流中700〜1,400℃の温度範囲で焼結させて無機化してSi−C−O系コンポジットを製造し、これに金属リチウム又は有機リチウム化合物を添加してドープすることを特徴とするSiCO−Li系複合体の製造方法。
請求項10:
上記反応性シラン、シロキサン又はこれらの混合物に、導電化材及び/又はリチウム吸蔵材としてグラファイト及び/又は珪素粉、又はシランカップリング剤、その(部分)加水分解物、シリル化剤、シリコーンレジンから選ばれる1種又は2種以上の有機珪素系表面処理剤で表面処理したグラファイト及び/又は珪素粉を添加して架橋物を製造する請求項8又は9記載の製造方法。
請求項11:
反応性シラン又はシロキサンが、下記一般式(1)〜(5)で表されるシラン又はシロキサンの1種又は2種以上である請求項8、9又は10記載の製造方法。
(式中、R1〜R7は、独立して水素原子、水酸基、加水分解性基、又は1価炭化水素基を示すが、上記式(1)〜(5)の各化合物において、珪素原子に結合する置換基の少なくとも2個は水素原子、水酸基、加水分解性基又は脂肪族不飽和炭化水素基である。また、m,n,kは0〜2,000であり、p,qは0〜10であるが、p,qは同時に0になることはない。)
請求項12:
反応性シラン又はシロキサンが、平均式CwHxSiOyNz(w及びxは正数、y及びzは0又は正数)で表され、架橋点が珪素原子4個に対して少なくとも1個以上あり、かつ(w−y)が0より大きなシラン又はシロキサンを原料とする請求項8、9又は10記載の製造方法。
請求項13:
金属リチウム又はリチウム化合物を添加して還元し、リチウム化した後に、0.1〜30μmの平均粒子径に粉砕する請求項8乃至12のいずれか1項記載の製造方法。
請求項14:
請求項8乃至13のいずれか1項記載の製造方法によって得られたSiCO−Li系複合体表面にCVDによりカーボンを被覆する表面導電化SiCO−Li系複合体の製造方法。
請求項15:
請求項1乃至7のいずれか1項記載のSiCO−Li系複合体を用いた非水電解質二次電池用負極材。
請求項16:
請求項1乃至7のいずれか1項記載のSiCO−Li系複合体と導電剤の混合物であって、混合物中の導電剤が5〜60質量%であり、かつ混合物中の全炭素量が5〜90質量%である混合物を用いた非水電解質二次電池用負極材。
i.SiCO−Li系複合体は一般式LipSiCnOmで表すことができるが、この一般式において、p,m,nはそれぞれ正数であり、p/m≦2、0<n≦10であることが好ましい。
ii.X線回折において、グラファイトなど添加剤に起因する回折線以外は無定形か無定形に近いものである。
CwHxSiOyNz
(式中、w及びxは正数、y及びzは0又は正数であり、w−y>0である。)
で示され、架橋点が珪素原子4個に対して少なくとも1個有し、かつ(w−y)が0より大きいものが好ましい。また、Nは珪素と直接結合又は炭素などを介して間接的に結合していてもよい。
R8 bSi(Z)(4-b)/2 (7)
(但し、R8は1価の有機基、Yは1価の加水分解性基又は水酸基、Zは2価の加水分解性基、aは1〜4の整数、bは0.8〜3、好ましくは1〜3の正数である。)
R9 c(R10O)dSiO(4-c-d)/2 (8)
(但し、R9は水素原子又は炭素数が1〜10の置換もしくは非置換の1価炭化水素基、R10は水素原子又は炭素数が1〜6の置換もしくは非置換の1価炭化水素基であり、c,dはそれぞれ0≦c≦2.5、0.01≦d≦3、0.5≦c+d≦3を満足する0又は正数である。)
HSCH2CH2CH2−、NH2CH2CH2CH2−、NH2CH2CH2NHCH2CH2CH2−、NH2CONHCH2CH2CH2−などが挙げられる。好ましいR8としては、γ−グリシジルオキシプロピル基、β−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチル基、γ−アミノプロピル基、γ−シアノプロピル基、γ−アクリルオキシプロピル基、γ−メタクリルオキシプロピル基、γ−ウレイドプロピル基などである。
本発明のSiCO−Li系複合体粒子は、上記架橋基を有する反応性有機珪素化合物又はその混合物を熱硬化又は触媒反応によって硬化させ、この硬化物(架橋物)を不活性気流中700〜1,400℃、好ましくは800〜1,300℃、より好ましくは900〜1,200℃の温度範囲で焼結させて無機化したものであれば、その製造方法は特に限定されるものではないが、例えば下記I〜IVの方法を好適に採用することができる。
この段階で、好ましくは0.1〜30μm、より好ましくは1〜20μmの粒度に粉砕しておくと、以後の粉砕・分級が容易になる。なお、粉砕方法は特に問わないが、ここでの粉砕では、静電気を帯び易いので、分散媒中での粉砕が好適である。好ましい分散媒としては、ヘキサン、トルエン、メタノール、メチルイソブチルケトン、ジブチルエーテル、酢酸イソブチルなどの有機溶媒が好ましいが、特に限定はされない。
また、球状シリコーン微粒子などの形態で提供されるシリコーン微粒子のうち、高度に架橋したシリコーン粉末を出発原料としてもよい。
テトラメチルテトラビニルシクロテトラシロキサン[信越化学工業(株)製、LS−8670]120gr、メチル水素シロキサン[信越化学工業(株)製、KF−99]80grからなる硬化性シロキサン混合物に塩化白金酸触媒[塩化白金酸1%溶液]0.1grを添加して、よく混合した。その後、60℃で一昼夜プレキュアした。塊状のまま、ガラス容器に入れて、雰囲気コントロール可能な温度プログラム付マッフル炉で窒素雰囲気下にて、200℃×2時間加熱して、完全に硬化させた。この硬化物を粗砕した後、ヘキサンを分散媒としてボールミルにより、平均粒子径10μmになるように微粉砕した。その後、蓋付のアルミナ製容器に入れて、雰囲気コントロール可能な温度プログラム付マッフル炉で窒素雰囲気下にて、1,000℃×3時間という温度条件で焼成を行った。十分冷却後、クリアランスを20μmに設定した粉砕機(マスコロイダー)で粉砕し、平均粒子径約10μmのSi−C−O系コンポジット粉末を得た。このSi−C−O系コンポジット粉末をアルゴン雰囲気のグローブボックス内で内容積約50mlのガラス瓶に8.5gr秤取した。ここに、FMC社製安定化リチウム粉SLMPを1.5gr添加し、蓋をして手で振とう混合した。この混合物をRetsch製遊星ボールミルPM−100用SUS製500ml(32g/1ヶのSUS製ボールを10個)のポットに仕込み、密栓後グローブボックスより取り出し、遊星ボールミルPM−100本体にセットした。回転速度500rpmで正方向逆方向に各10分ずつ回転し、ポットが十分に冷却した後に珪素−珪素酸化物−リチウム系複合体を取り出した。このもののX線回折データを図1に示したが、無定形であった。その後、縦型管状炉(内径約50mmφ)を用いて、メタン−アルゴン混合ガス通気下で1,100℃×3時間の条件で熱CVDを行った。こうして得られた黒色塊状物をらいかい機で解砕した。得られた炭素コートSiCO−Li系複合体粉末の表面コート炭素量は14%、平均粒子径は13μmであった。メタン−アルゴン混合ガスに、1,100℃×3時間接触させてCVDを行い、炭素を約14%コートした。
リチウムイオン二次電池負極活物質としての評価は全ての実施例、比較例共に同一で、以下の方法・手順にて行った。
まず、得られたSiCO−Li系複合体などの珪素系負極材85grに新日本理化製リカコートSN−20を固形物換算で15%加え、20℃以下の温度でスラリーとした。更にN−メチルピロリドンを加えて粘度調整を行い、速やかにこのスラリーを厚さ20μmの銅箔に塗布し、120℃で1時間乾燥後、ローラープレスにより電極を加圧成形し、最終的には2cm2に打ち抜き負極とした。
作製したリチウムイオン二次電池は、一晩室温で放置した後、二次電池充放電試験装置((株)ナガノ製)を用いて、テストセルの電圧が0Vに達するまで3mAの定電流で充電を行い、0Vに達した後は、セル電圧を0Vに保つように電流を減少させて充電を行った。そして、電流値が100μAを下回った時点で充電を終了した。放電は3mAの定電流で行い、セル電圧が2.0Vを上回った時点で放電を終了し、放電容量を求めた。
以上の充放電試験を繰り返し、評価用リチウムイオン二次電池の充放電試験50回を行った。結果を表1に示す。また、初回及び二回目の充放電曲線を図3に示す。
一般式(CH3SiO3/2)nで表される三官能の高度に架橋した球状メチルシロキサンポリマーであり、平均粒子径が約10μmである信越化学工業(株)製シリコーンパウダー(X−52−1621)を、蓋付のアルミナ製容器に入れて、雰囲気コントロール可能な温度プログラム付マッフル炉で窒素雰囲気下にて、1,000℃×3時間という温度条件で焼成を行った。十分冷却後、クリアランスを20μmに設定した粉砕機(マスコロイダー)で粉砕し、平均粒子径約10μmのSi−C−O系コンポジット粉末を得た。このSi−C−O系コンポジット粉末をアルゴン雰囲気のグローブボックス内で内容積約50mlのガラス瓶に17.0gr秤取した。ここに、FMC社製安定化リチウム粉SLMPを3.0gr添加し、蓋をして手で振とう混合した。この混合物をRetsch製遊星ボールミルPM−100用SUS製500ml(32g/1ヶのSUS製ボールを10個)のポットに仕込み、密栓後グローブボックスより取り出し、遊星ボールミルPM−100本体にセットした。回転速度500rpmで正方向逆方向に各10分ずつ回転し、ポットが十分に冷却した後に珪素−珪素酸化物−リチウム系複合体を取り出した。このもののX線回折データを図2に示したが、若干結晶性も認められたが、無定形に近いものであった。その後、縦型管状炉(内径約50mmφ)を用いて、メタン−アルゴン混合ガス通気下で1,100℃×3時間の条件で熱CVDを行った。こうして得られた黒色塊状物をらいかい機で解砕した。得られた炭素コートSiCO−Li系複合体粉末の表面コート炭素量は15%、平均粒子径は11μmであった。
こうして得られた炭素コートSiCO−Li系複合体粉末について、実施例1と全く同様に、リチウムイオン二次電池負極活物質としての評価を行った結果を表1に示す。
鱗片状天然黒鉛(平均粒子径6μm)50grに、テトラメチルテトラビニルシクロテトラシロキサン[信越化学工業(株)製LS−8670]120gr、メチル水素シロキサン[信越化学工業(株)製KF−99]80gr及び塩化白金酸触媒[塩化白金酸1%溶液]0.5grからなる硬化性シロキサン混合物を添加し、更にヘキサンを100ml添加して、パテ状の状態でよく混合した。その後、60℃で脱溶剤・プレキュアし、更に200℃×1時間空気中でキュアした。こうして得られた塊状のものを、粗砕した後、ヘキサンを分散媒としてボールミルにより、平均粒子径15μmになるように微粉砕した。脱溶剤後、蓋付のアルミナ製容器に入れて、雰囲気コントロール可能な温度プログラム付マッフル炉で窒素雰囲気下にて、1000℃×3時間という温度条件で焼成を行った。十分冷却後、クリアランスを20μmに設定した粉砕機(マスコロイダー)で粉砕し、平均粒子径約10μmの珪素複合体を得た。このSi−C−O系コンポジット粉末をアルゴン雰囲気のグローブボックス内で内容積約50mlのガラス瓶に9.3gr秤取した。ここに、FMC社製安定化リチウム粉SLMPを0.7gr添加し、蓋をして手で振とう混合した。この混合物をRetsch製遊星ボールミルPM−100用SUS製500ml(32g/1ヶのSUS製ボールを10個)のポットに仕込み、密栓後グローブボックスより取り出し、遊星ボールミルPM−100本体にセットした。回転速度500rpmで正方向逆方向に各10分ずつ回転し、ポットが十分に冷却した後に珪素−珪素酸化物−リチウム系複合体を取り出した。このもののX線回折データは、実施例1と同様に無定形であった。その後、縦型管状炉(内径約50mmφ)を用いて、メタン−アルゴン混合ガス通気下で1,100℃×3時間の条件で熱CVDを行った。こうして得られた黒色塊状物をらいかい機で解砕した。得られた炭素コートSiCO−Li系複合体粉末の表面コート炭素量は14%、平均粒子径は13μmであった。メタン−アルゴン混合ガスに、1,100℃×3時間接触させてCVDを行い、炭素を約14%コートした。
こうして得られた炭素コートSiCO−Li系複合体粉末について、実施例1と全く同様に、リチウムイオン二次電池負極活物質としての評価を行った結果を表1に示す。
実施例2と同様に、一般式(CH3SiO3/2)nで表される三官能の高度に架橋した球状メチルシロキサンポリマーであり、平均粒子径が約10μmである信越化学工業(株)製シリコーンパウダー(X−52−1621)を、蓋付のアルミナ製容器に入れて、雰囲気コントロール可能な温度プログラム付マッフル炉で窒素雰囲気下にて、1,000℃×3時間という温度条件で焼成を行った。十分冷却後、クリアランスを20μmに設定した粉砕機(マスコロイダー)で粉砕し、平均粒子径約10μmのSi−C−O系コンポジット粉末を得た。このSi−C−O系コンポジット粉末を、縦型管状炉(内径約50mmφ)を用いて、メタン−アルゴン混合ガス通気下で1,100℃×3時間の条件で熱CVDを行った。こうして得られた黒色塊状物をらいかい機で解砕した。得られた炭素コートSi−C−O系複合体粉末の表面コート炭素量は14%、平均粒子径は12μmであった。
こうして得られたリチウム未ドープの炭素コートSi−C−O系コンポジット粉末について、実施例1と全く同様に、リチウムイオン二次電池負極活物質としての評価を行った結果を表1に示す。
ブロック状又はフレーク状の酸化珪素をヘキサンを分散媒としてボールミルで粉砕し、得られた懸濁物を濾過し、窒素雰囲気下で脱溶剤後、平均粒子径が約10μmの粉末を得た。この酸化珪素粉について、縦型管状炉(内径約50mmφ)を用いて、メタン−アルゴン混合ガス通気下で1,100℃×3時間の条件で熱CVDを行った。こうして得られた黒色塊状物をらいかい機で解砕した。得られた炭素コート酸化珪素系複合体粉末の表面コート炭素量は16%、平均粒子径は12μmであった。リチウムイオン二次電池負極活物質としての評価を、実施例1と全く同じ条件で行った。その結果を表1に示す。
*1:CVD炭素を含む珪素系活物質あたりの容量。電池試験において導電性付与のために添加した黒鉛分は除いた数字。
実施例1はSiCO−Li系(ハイドロシリレーション法高架橋体)炭素コート複合体粒子。
実施例2はSiCO−Li系(MeSiO3/2系高架橋シリコーンパウダー)炭素コート複合体粒子。
実施例3は炭素(グラファイト)/SiCO−Li系炭素コート複合体粒子。
比較例1はSiCO系(MeSiO3/2系高架橋シリコーンパウダー)炭素コート粒子。
比較例2は酸化珪素の炭素コート。
Claims (16)
- 架橋基を有する反応性シラン、シロキサン又はこれらの混合物の架橋物を焼結、無機化して得たSi−C−O系コンポジットに金属リチウム又は有機リチウム化合物をドープすることによって得られたSiCO−Li系複合体。
- 上記架橋物が球状シリコーン粉末である請求項1記載のSiCO−Li系複合体。
- 上記架橋基を有する反応性シラン、シロキサン又はこれらの混合物にグラファイト及び珪素粉並びに有機珪素系表面処理剤で表面処理したグラファイト及び珪素粉から選ばれる添加粒子を添加して上記架橋物を形成した請求項1又は2記載のSiCO−Li系複合体。
- 反応性シラン又はシロキサンが、下記一般式(1)〜(5)で表されるシラン又はシロキサンの1種又は2種以上である請求項1、2又は3記載のSiCO−Li系複合体。
(式中、R1〜R7は、独立して水素原子、水酸基、加水分解性基、又は1価炭化水素基を示すが、上記式(1)〜(5)の各化合物において、珪素原子に結合する置換基の少なくとも2個は水素原子、水酸基、加水分解性基又は脂肪族不飽和炭化水素基である。また、m,n,kは0〜2,000であり、p,qは0〜10であるが、p,qは同時に0になることはない。) - 反応性シラン又はシロキサンが、平均式CwHxSiOyNz(w及びxは正数、y及びzは0又は正数)で表され、架橋点が珪素原子4個に対して少なくとも1個以上あり、かつ(w−y)が0より大きなシラン又はシロキサンを原料とする請求項1、2又は3記載のSiCO−Li系複合体。
- 平均粒子径が0.1〜30μmである請求項1乃至5のいずれか1項記載のSiCO−Li系複合体。
- 請求項1乃至6のいずれか1項記載のSiCO−Li系複合体表面をカーボンで被覆してなる表面導電化SiCO−Li系複合体。
- 架橋基を有する反応性シラン、シロキサン又はこれらの混合物を熱硬化又は触媒反応によって硬化させて架橋物とし、これを不活性気流中700〜1,400℃の温度範囲で焼結させて無機化してSi−C−O系コンポジットを製造し、これに金属リチウム又は有機リチウム化合物を添加してドープすることを特徴とするSiCO−Li系複合体の製造方法。
- 架橋基を有する反応性シラン、シロキサン又はこれらの混合物を原料として、エマルション法によって架橋して球状シリコーン粉末を製造し、これを不活性気流中700〜1,400℃の温度範囲で焼結させて無機化してSi−C−O系コンポジットを製造し、これに金属リチウム又は有機リチウム化合物を添加してドープすることを特徴とするSiCO−Li系複合体の製造方法。
- 上記反応性シラン、シロキサン又はこれらの混合物に、導電化材及び/又はリチウム吸蔵材としてグラファイト及び/又は珪素粉、又はシランカップリング剤、その(部分)加水分解物、シリル化剤、シリコーンレジンから選ばれる1種又は2種以上の有機珪素系表面処理剤で表面処理したグラファイト及び/又は珪素粉を添加して架橋物を製造する請求項8又は9記載の製造方法。
- 反応性シラン又はシロキサンが、下記一般式(1)〜(5)で表されるシラン又はシロキサンの1種又は2種以上である請求項8、9又は10記載の製造方法。
(式中、R1〜R7は、独立して水素原子、水酸基、加水分解性基、又は1価炭化水素基を示すが、上記式(1)〜(5)の各化合物において、珪素原子に結合する置換基の少なくとも2個は水素原子、水酸基、加水分解性基又は脂肪族不飽和炭化水素基である。また、m,n,kは0〜2,000であり、p,qは0〜10であるが、p,qは同時に0になることはない。) - 反応性シラン又はシロキサンが、平均式CwHxSiOyNz(w及びxは正数、y及びzは0又は正数)で表され、架橋点が珪素原子4個に対して少なくとも1個以上あり、かつ(w−y)が0より大きなシラン又はシロキサンを原料とする請求項8、9又は10記載の製造方法。
- 金属リチウム又はリチウム化合物を添加して還元し、リチウム化した後に、0.1〜30μmの平均粒子径に粉砕する請求項8乃至12のいずれか1項記載の製造方法。
- 請求項8乃至13のいずれか1項記載の製造方法によって得られたSiCO−Li系複合体表面にCVDによりカーボンを被覆する表面導電化SiCO−Li系複合体の製造方法。
- 請求項1乃至7のいずれか1項記載のSiCO−Li系複合体を用いた非水電解質二次電池用負極材。
- 請求項1乃至7のいずれか1項記載のSiCO−Li系複合体と導電剤の混合物であって、混合物中の導電剤が5〜60質量%であり、かつ混合物中の全炭素量が5〜90質量%である混合物を用いた非水電解質二次電池用負極材。
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