JP2016094316A - Method for producing laminar silicon-carbon composite, laminar silicon-carbon composite, electrode, and electricity storage device - Google Patents

Method for producing laminar silicon-carbon composite, laminar silicon-carbon composite, electrode, and electricity storage device Download PDF

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雅卓 大橋
Masataka Ohashi
雅卓 大橋
中野 秀之
Hideyuki Nakano
秀之 中野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To produce a laminar silicon-carbon composite more easily.SOLUTION: The method for producing a laminar silicon-carbon composite of the present invention comprises a mixing step where a silicon alloy, a sugar compound, and an acid are mixed. In the mixing step, the silicon compound and the sugar compound are preferably stirred in an acidic solution. As the silicon alloy, for example, calcium silicide (CaSi) and the like can suitably be used. As the sugar compound, for example, sucrose can suitably be used. As the acid, hydrochloric acid can suitably be used. In such a mixing step, there occur synthesis of laminar silicon and compounding of the laminar silicon and the carbon. That is, a laminar silicon-carbon composite is thought to be obtained by a one-step reaction.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、層状シリコン炭素複合体の製造方法、層状シリコン炭素複合体、電極及び蓄電デバイス(例えばリチウムイオン電池や電気二重層キャパシタ、ハイブリッドキャパシタ、疑似電気二重層キャパシタなど)に関する。   The present invention relates to a method for producing a layered silicon carbon composite, a layered silicon carbon composite, an electrode, and an electricity storage device (for example, a lithium ion battery, an electric double layer capacitor, a hybrid capacitor, a pseudo electric double layer capacitor, etc.).

リチウム二次電池の電極として、シリコンは室温において約3600mAh/gという高いエネルギー密度を有することが知られており、近年、リチウム二次電池の電極材料として注目されている。しかしながら、シリコンは、理論容量が高いものの、充放電過程での体積膨張率が大きいという問題があった。体積膨張率が大きいと、充放電に伴う体積変化により、例えば、シリコン粒子の割れやシリコン粒子と導電助剤との接触不良、ひいてはシリコン粒子と導電助剤とを含んだ材料から成る電極材料と集電体との接触不良が生じ、充放電サイクルが短くなる。また、同じ原因により、不可逆容量が大きくなり、電池容量の低減を招くことがある。こうしたことから、シリコンを主体とする電極材料の改良について、いくつか報告されている。   As an electrode of a lithium secondary battery, silicon is known to have a high energy density of about 3600 mAh / g at room temperature, and has recently attracted attention as an electrode material for a lithium secondary battery. However, although silicon has a high theoretical capacity, there is a problem that the volume expansion coefficient in the charge / discharge process is large. When the volume expansion coefficient is large, due to the volume change accompanying charge / discharge, for example, cracking of silicon particles or poor contact between the silicon particles and the conductive auxiliary agent, and hence the electrode material made of a material containing the silicon particles and the conductive auxiliary agent, A contact failure with the current collector occurs, and the charge / discharge cycle is shortened. In addition, due to the same cause, the irreversible capacity increases, which may lead to a reduction in battery capacity. For these reasons, several reports have been made on improvements in electrode materials mainly composed of silicon.

例えば、非特許文献1では、アニールしたカーボンブラックにCVD法でシリコンと炭素とを交互に積層担持することで、炭素骨格にシリコン粒子が担持した空孔率の高いナノコンポジットを形成することが提案されている。また、非特許文献2や特許文献1では、層状ポリシランとショ糖とを物理混合し、不活性雰囲気下で焼成することでシリコン炭素複合体を形成することが提案されている。また、例えば、特許文献2では、層状ポリシランの粉末を撹拌しながら乾式の被膜形成法によって、層状ポリシランをカーボンで被覆することが提案されている。このように、層状シリコンとカーボンとを複合化することによって特性を改善することが行われてきた。   For example, Non-Patent Document 1 proposes forming a nanocomposite with a high porosity in which silicon particles are supported on a carbon skeleton by alternately stacking and supporting silicon and carbon on annealed carbon black by CVD. Has been. Further, Non-Patent Document 2 and Patent Document 1 propose that a silicon-carbon composite is formed by physically mixing layered polysilane and sucrose and firing in an inert atmosphere. For example, Patent Document 2 proposes that the layered polysilane is coated with carbon by a dry film forming method while stirring the layered polysilane powder. Thus, the characteristics have been improved by combining layered silicon and carbon.

特開2012−59509号公報JP 2012-59509 A 特開2013−37809号公報JP 2013-37809 A

ネイチャーマテリアルズ 2010年9巻353頁Nature Materials 2010 9: 353 ジャーナルオブマテリアルズケミストリー 2011年21巻11941項Journal of Materials Chemistry, 2011, Vol. 21, 11941

しかしながら、非特許文献1のものでは、CVD法でシリコンと炭素とを交互に積層担持するという比較的複雑な工程が必要であった。非特許文献2や特許文献1のものでは、複合体の形成に、層状ポリシランの合成、ショ糖との混練、焼成と多段階の工程が必要であた。また、焼成によって層状ポリシランの層状構造が崩れてしまうことがあった。特許文献2のものでは、層状ポリシランにPLD法(Pulsed Laser Deposition)などでカーボンを被覆しており、高真空かつ高エネルギーな合成プロセスが必要であった。このため、より容易に得られる層状シリコンと炭素との複合体が望まれていた。   However, the non-patent document 1 requires a relatively complicated process of alternately stacking and supporting silicon and carbon by the CVD method. In Non-Patent Document 2 and Patent Document 1, synthesis of layered polysilane, kneading with sucrose, firing and multi-step processes are necessary for forming the composite. Moreover, the layered structure of the layered polysilane may be destroyed by firing. In Patent Document 2, carbon is coated on a layered polysilane by a PLD method (Pulsed Laser Deposition) or the like, and a high vacuum and high energy synthesis process is required. For this reason, a composite of layered silicon and carbon that can be obtained more easily has been desired.

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、より容易に得られる層状シリコンと炭素との複合体を提供することを主目的とする。   The present invention has been made to solve such problems, and has as its main object to provide a composite of layered silicon and carbon that can be obtained more easily.

上述した目的を達成するために、鋭意研究したところ、本発明者らは、二ケイ化カルシウムとスクロースとを濃塩酸に加えて撹拌すると、容易に層状シリコン炭素複合体を得られることを見いだし、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive research to achieve the above-mentioned object, the present inventors have found that a layered silicon carbon composite can be easily obtained when calcium disilicide and sucrose are added to concentrated hydrochloric acid and stirred. The present invention has been completed.

即ち、本発明の層状シリコン炭素複合体の製造方法は、
シリコン合金と糖化合物と酸とを混合する混合工程、
を含むものである。
That is, the method for producing the layered silicon carbon composite of the present invention is as follows.
A mixing step of mixing a silicon alloy, a sugar compound and an acid;
Is included.

また、本発明の層状シリコン炭素複合体は、
粉末X線回折パターンで層状シリコンに由来する回折ピークと炭素に由来するブロードなピークが観察され、赤外吸収スペクトルで−C=C−伸縮に由来する吸収帯が観測されるものである。
The layered silicon carbon composite of the present invention is
A diffraction peak derived from layered silicon and a broad peak derived from carbon are observed in the powder X-ray diffraction pattern, and an absorption band derived from -C = C-stretching is observed in the infrared absorption spectrum.

また、本発明の電極は、
上述した層状シリコン炭素複合体を用いたものである。
The electrode of the present invention is
The above-described layered silicon carbon composite is used.

また、本発明の蓄電デバイスは、正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に介在するイオン伝導媒体とを備え、前記正極及び前記負極の少なくとも一方として上述の電極を備えたものである。   The power storage device of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, and an ion conduction medium interposed between the positive electrode and the negative electrode, and includes the above-described electrode as at least one of the positive electrode and the negative electrode. is there.

本発明の層状シリコン炭素複合体の製造方法及び層状シリコン炭素複合体では、より容易に得られる層状シリコンと炭素との複合体を提供することができる。また、本発明の電極や蓄電デバイスでは、上述した層状シリコン炭素複合体を用いるため、層状シリコン炭素複合体を備えた電極や蓄電デバイスをより容易に提供することができる。このような効果が得られる理由は、以下のように推察される。すなわち、シリコン合金と糖化合物と酸とを混合すると、層状シリコンが合成されるとともに、糖化合物の炭化が進行するためと推察される。   With the method for producing a layered silicon carbon composite and the layered silicon carbon composite of the present invention, a composite of layered silicon and carbon that can be obtained more easily can be provided. Moreover, in the electrode and electrical storage device of this invention, since the layered silicon carbon composite mentioned above is used, the electrode and electrical storage device provided with the layered silicon carbon composite can be provided more easily. The reason why such an effect can be obtained is assumed as follows. That is, it is presumed that when a silicon alloy, a sugar compound, and an acid are mixed, layered silicon is synthesized and carbonization of the sugar compound proceeds.

一般的な層状ポリシランを表す模式図。The schematic diagram showing general layered polysilane. CaSi2の外観写真。An appearance photograph of CaSi 2 . 実験例1のSi/C複合体の外観写真。An appearance photograph of the Si / C composite of Experimental Example 1. 参考例1の層状シリコンの外観写真。An appearance photograph of the layered silicon of Reference Example 1. 実験例1のSi/C複合体の粉末X線回折パターン。The powder X-ray-diffraction pattern of the Si / C composite of Experimental Example 1. 実験例1のSi/C複合体の赤外吸収スペクトル。The infrared absorption spectrum of the Si / C composite of Experimental Example 1. 実験例1のSi/C複合体のラマンスペクトル。The Raman spectrum of the Si / C composite of Experimental Example 1. 炭素材料の窒素吸脱着等温線。Nitrogen adsorption / desorption isotherm for carbon materials. 実験例1のSi/C複合体のTG−DTA。TG-DTA of Si / C composite of Experimental Example 1. 実験例1のSi/C複合体のSEM像及びEDXマッピング像。The SEM image and EDX mapping image of the Si / C composite of Experimental Example 1. 実験例1のSi/C複合体を電極に用いた二次電池の充放電曲線。The charging / discharging curve of the secondary battery which used the Si / C composite of Experimental example 1 for the electrode. 実験例1の焼成Si/C複合体の粉末X線回折パターン。3 is a powder X-ray diffraction pattern of the fired Si / C composite of Experimental Example 1. FIG.

(層状シリコン炭素複合体の製造方法)
本発明の層状シリコン炭素複合体の製造方法は、シリコン合金と糖化合物と酸とを混合する混合工程を含むものである。この混合工程において、混合方法は、例えば、シリコン合金と糖化合物とを酸水溶液中で撹拌するものとしてもよい。より具体的には、例えば、糖化合物を酸水溶液に溶解させ、そこにシリコン合金を加えて撹拌するものとしてもよい。このとき、糖化合物を酸水溶液に飽和量程度溶解させてもよい。シリコン合金と糖化合物と酸との混合比率は、目的とする層状シリコン炭素複合体の組成となるように、経験的に求めることができる。例えば、シリコン合金に含まれるケイ素の重量と糖化合物に含まれる炭素の重量の比率であるSi/C比を、0.002以上0.6以下としてもよく、0.1以上0.2以下が好ましい。混合時の温度は特に限定されず、室温で行ってもよく、例えば0℃以上100℃以下などで行ってもよい。混合時の圧力は、例えば、大気圧下としてもよいし、反応容器を密閉し加熱することで生じる加圧下としてもよい。混合時間は、反応が進行するのに十分な時間とすればよく、例えば、1時間以上48時間以下などとしてもよい。混合時の雰囲気は、例えば、アルゴン雰囲気や窒素雰囲気などの不活性雰囲気としてもよいし、大気雰囲気や酸素雰囲気などの酸化性雰囲気としてもよい。
(Method for producing layered silicon carbon composite)
The method for producing a layered silicon carbon composite of the present invention includes a mixing step of mixing a silicon alloy, a sugar compound, and an acid. In this mixing step, the mixing method may be, for example, that the silicon alloy and the sugar compound are stirred in an acid aqueous solution. More specifically, for example, a sugar compound may be dissolved in an acid aqueous solution, and a silicon alloy may be added thereto and stirred. At this time, the sugar compound may be dissolved in a saturated amount in the acid aqueous solution. The mixing ratio of the silicon alloy, the sugar compound, and the acid can be determined empirically so that the composition of the target layered silicon carbon composite is obtained. For example, the Si / C ratio, which is the ratio of the weight of silicon contained in the silicon alloy and the weight of carbon contained in the sugar compound, may be 0.002 or more and 0.6 or less. preferable. The temperature at the time of mixing is not specifically limited, You may carry out at room temperature, for example, you may carry out at 0 degreeC or more and 100 degrees C or less. The pressure at the time of mixing may be under atmospheric pressure, for example, or may be under pressure generated by sealing and heating the reaction vessel. The mixing time may be a time sufficient for the reaction to proceed, and may be, for example, 1 hour to 48 hours. The atmosphere at the time of mixing may be, for example, an inert atmosphere such as an argon atmosphere or a nitrogen atmosphere, or may be an oxidizing atmosphere such as an air atmosphere or an oxygen atmosphere.

混合工程で用いるシリコン合金としては、糖化合物と酸との反応により層状シリコンを形成し得るものであればよく、例えば二ケイ化カルシウム(CaSi2)、ケイ化カルシウム(CaSi)等が挙げられる。このうち、二ケイ化カルシウムが好ましい。層状シリコンの原料として好適だからである。二ケイ化カルシウムは、例えば、量論比のシリコンとカルシウムを不活性雰囲気下で溶融して調製して得られたものとしてもよい。この場合、溶融温度としては、例えば850℃以上1100℃以下としてもよい。 The silicon alloy used in the mixing step may be any silicon alloy that can form layered silicon by the reaction of a sugar compound and an acid. Examples thereof include calcium disilicide (CaSi 2 ) and calcium silicide (CaSi). Of these, calcium disilicide is preferred. This is because it is suitable as a raw material for layered silicon. Calcium disilicide may be obtained, for example, by melting a stoichiometric ratio of silicon and calcium in an inert atmosphere. In this case, the melting temperature may be, for example, 850 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower.

混合工程で用いる糖化合物としては、単糖でもよいし、単糖が2〜20分子結合したオリゴ糖でもよいし、さらに多くの単糖が結合した多糖でもよい。このうち、単糖やオリゴ糖であることが好ましく、単糖や二糖がより好ましい。単糖や二糖としては、より具体的には、単糖であるグルコース、フルクトースや、二糖であるスクロース、ラクトース、マルトース、トレハロース、ツラノース、セロビオース、及びこれらの誘導体からなる群より選ばれる1以上が好ましい。これらは、分子量が小さく(180〜350)、分子サイズも小さいため、層状シリコンの層間に挿入しやすいためである。   The saccharide compound used in the mixing step may be a monosaccharide, an oligosaccharide in which 2 to 20 molecules of monosaccharide are bonded, or a polysaccharide in which more monosaccharides are bonded. Of these, monosaccharides and oligosaccharides are preferable, and monosaccharides and disaccharides are more preferable. More specifically, the monosaccharide or disaccharide is selected from the group consisting of glucose and fructose, which are monosaccharides, and sucrose, lactose, maltose, trehalose, turanose, cellobiose, and derivatives thereof, which are disaccharides. The above is preferable. These are because the molecular weight is small (180 to 350) and the molecular size is small, so that it is easy to insert between the layers of layered silicon.

混合工程で用いる酸としては、塩酸や硝酸、硫酸、酢酸及びこれらの混合物や有機溶媒との混合物などを用いることができるが、このうち、塩酸が好ましい。これは、糖化合物が容易に溶解し、炭化するためである。酸は、酸水溶液として用いることが好ましい。この場合、その濃度が1M以上12M以下であることが好ましく、10M以上12M以下であることがより好ましい。これは、糖化合物の炭化と層状シリコンの生成とを同時に進行させられるからである。   As the acid used in the mixing step, hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, acetic acid, a mixture thereof, a mixture with an organic solvent, or the like can be used. Of these, hydrochloric acid is preferable. This is because the sugar compound is easily dissolved and carbonized. The acid is preferably used as an aqueous acid solution. In this case, the concentration is preferably 1M or more and 12M or less, and more preferably 10M or more and 12M or less. This is because the carbonization of the sugar compound and the generation of layered silicon can proceed simultaneously.

この混合工程では、層状シリコンの合成及び、層状シリコンと炭素との複合化が生じるものとしてもよい。つまり、一段階反応で、層状シリコン炭素複合体が得られるものとしてもよい。こうしたものでは、あらかじめ層状シリコンを合成し、その後層状シリコンと炭素との複合化を行う場合よりも、より容易に層状シリコン炭素複合体を合成できる。   In this mixing step, layered silicon may be synthesized and layered silicon and carbon may be combined. That is, a layered silicon carbon composite may be obtained by a one-step reaction. In such a case, the layered silicon-carbon composite can be synthesized more easily than the case where layered silicon is synthesized in advance and then the layered silicon and carbon are combined.

この混合工程は、加熱を伴わない工程であることが好ましい。加熱によって層状シリコンの層状構造崩れてしまうことがあるが、加熱を伴わない工程であれば、構造がより維持されやすいからである。また、加熱設備などが不要であり、より容易に層状シリコン炭素複合体を合成できるからである。   This mixing step is preferably a step that does not involve heating. This is because the layered structure of layered silicon may be destroyed by heating, but the structure is more easily maintained if the process does not involve heating. Moreover, heating equipment or the like is unnecessary, and a layered silicon carbon composite can be synthesized more easily.

本発明の層状シリコン炭素複合体の製造方法は、混合工程の後に焼成工程を含むものとしてもよい。焼成工程により、混合工程で反応せずに残留した未反応糖化合物や、水分などを、除去できるからである。焼成温度は、例えば、100℃以上2000℃以下としてもよく、200℃以上1000℃以下が好ましい。焼成雰囲気は、例えば、大気雰囲気や酸素雰囲気などの酸化性雰囲気としてもよいし、アルゴン雰囲気や窒素雰囲気などの不活性雰囲気としてもよいが、不活性雰囲気が好ましい。   The method for producing a layered silicon carbon composite of the present invention may include a baking step after the mixing step. This is because the unreacted sugar compound remaining without reacting in the mixing step, moisture, and the like can be removed by the firing step. The firing temperature may be, for example, 100 ° C. or more and 2000 ° C. or less, and preferably 200 ° C. or more and 1000 ° C. or less. The firing atmosphere may be, for example, an oxidizing atmosphere such as an air atmosphere or an oxygen atmosphere, or an inert atmosphere such as an argon atmosphere or a nitrogen atmosphere, but an inert atmosphere is preferable.

本発明の層状シリコン炭素複合体の製造方法では、混合工程や焼成工程の後に、ろ過工程や洗浄工程、乾燥工程を含むものとしてもよい。ろ過工程では、例えば、通常のろ過の他、加圧ろ過や減圧ろ過を行ってもよい。また、洗浄工程では、水での洗浄や、酸での洗浄、ハロゲン化水素での洗浄、有機溶剤での洗浄などを行ってもよく、これらを単独で行っても複数を組み合わせて行ってもよい。乾燥工程では、加熱乾燥を行ってもよいし、送風乾燥を行ってもよいし、減圧乾燥を行ってもよい。乾燥は、例えば、20℃以上200℃以下で行ってもよく、50℃以上100℃以下で行うことが好ましい。こうした温度範囲では、効率よく乾燥を行うことができ、層状シリコン炭素複合体が変質しにくいからである。なお、各工程は、例えば、大気雰囲気や酸素雰囲気などの酸化性雰囲気下で行ってもよいし、アルゴン雰囲気や窒素雰囲気などの不活性雰囲気で行ってもよい。   In the manufacturing method of the layered silicon carbon composite of this invention, it is good also as a thing including a filtration process, a washing | cleaning process, and a drying process after a mixing process and a baking process. In the filtration step, for example, pressure filtration or vacuum filtration may be performed in addition to normal filtration. In the washing step, washing with water, washing with acid, washing with hydrogen halide, washing with an organic solvent, or the like may be performed. These may be performed alone or in combination. Good. In the drying process, heat drying may be performed, air drying may be performed, or vacuum drying may be performed. Drying may be performed, for example, at 20 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, and preferably performed at 50 ° C. or higher and 100 ° C. or lower. This is because, in such a temperature range, drying can be performed efficiently and the layered silicon carbon composite is not easily altered. Each process may be performed in an oxidizing atmosphere such as an air atmosphere or an oxygen atmosphere, or may be performed in an inert atmosphere such as an argon atmosphere or a nitrogen atmosphere.

(層状シリコン炭素複合体)
本発明の層状シリコン炭素複合体は、上述した層状シリコン炭素複合体の製造方法で得られたものとしてもよい。あるいは、本発明の層状シリコン炭素複合体は、粉末X線回折パターンで層状シリコンに由来する回折ピークと炭素に由来するブロードなピークが観察され、赤外吸収スペクトルで−C=C−伸縮に由来する吸収帯が観測されるものとしてもよい。層状シリコンに由来する回折ピークと炭素に由来するブロードなピークが観察されるものでは、層状シリコンと非晶質炭素とを有している。また、赤外吸収スペクトルで−C=C−伸縮に由来する吸収帯が観測されるものでは、例えば、層状ポリシランにPLD法でカーボンを被覆したものよりも、炭素量が多くなっている。なお、本発明の層状シリコン炭素複合体において、層状シリコンは、例えば層状ポリシラン又は層状シロキセンであるものとしてもよい。また、炭素は、非晶質炭素であるものとしてもよい。ここで、層状ポリシランとは、一般式Si66で表され、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するものをいう。このようなものであれば、特に限定されるものではないが、図1に示すように、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するシート構造が層状に形成されたものであることが好ましい。また、層状シロキセンとは、一般式Si6(OH)6-xx(0≦x<6)で表され、層状ポリシランにおけるケイ素原子に結合した水素のうちの一部の水素に代えてヒドロキシ基がケイ素原子に結合した構造を基本骨格とするものをいう。なお、層状ポリシランや層状シロキセンではケイ素原子には水素やヒドロキシ基が結合しているものとして説明したが、水素(ヒドロキシ基を構成する水素を含む)の全部又は一部が他の元素や置換基で置換されているものとしてもよい。また、層状シリコンは、層状ポリシランに由来するものや層状シロキセンに由来するものとしてもよい。層状ポリシランや層状シロキセンに由来するとは、層状ポリシランや層状シロキセンに焼成など何らかの処理を施したものをいい、層状ポリシランや層状シロキセンそのものではない層状シリコン化合物を示す。層状ポリシランや層状シロキセンに由来する層状シリコンには、層状ポリシランや層状シロキセンが一部に残存していてもよい。
(Layered silicon carbon composite)
The layered silicon carbon composite of the present invention may be obtained by the above-described method for producing a layered silicon carbon composite. Alternatively, in the layered silicon carbon composite of the present invention, a diffraction peak derived from layered silicon and a broad peak derived from carbon are observed in a powder X-ray diffraction pattern, and derived from -C = C-stretching in an infrared absorption spectrum. An absorption band to be observed may be observed. When a diffraction peak derived from layered silicon and a broad peak derived from carbon are observed, it has layered silicon and amorphous carbon. In addition, in the case where an absorption band derived from -C = C-stretching is observed in the infrared absorption spectrum, for example, the amount of carbon is larger than that obtained by coating the layered polysilane with carbon by the PLD method. In the layered silicon carbon composite of the present invention, the layered silicon may be, for example, layered polysilane or layered siloxane. Further, the carbon may be amorphous carbon. Here, the layered polysilane refers to one represented by the general formula Si 6 H 6 and having a basic skeleton having a structure in which a plurality of six-membered rings composed of silicon atoms are connected. If it is such, it is not particularly limited, but as shown in FIG. 1, a sheet structure having a basic skeleton having a structure in which a plurality of six-membered rings composed of silicon atoms are continuous is formed in a layer shape. It is preferable that The layered siloxane is represented by the general formula Si 6 (OH) 6-x H x (0 ≦ x <6), and is replaced with a part of hydrogen bonded to silicon atoms in the layered polysilane in place of hydroxy. A structure whose basic skeleton is a structure in which a group is bonded to a silicon atom. In the layered polysilane and layered siloxane, the silicon atom is described as having a hydrogen or hydroxy group bonded thereto, but all or a part of the hydrogen (including the hydrogen constituting the hydroxy group) is another element or substituent. It is good also as what is substituted by. The layered silicon may be derived from layered polysilane or layered siloxane. The term “derived from layered polysilane or layered siloxene” refers to a layered polysilane or layered siloxene that has been subjected to some treatment such as baking, and represents a layered silicon compound that is not layered polysilane or layered siloxene itself. In the layered silicon derived from the layered polysilane or the layered siloxane, the layered polysilane or the layered siloxane may partially remain.

本発明の層状シリコン炭素複合体において、粉末X線回折パターンで層状シリコンに由来する回折ピークは、層状ポリシランや層状シロキセンに特徴的な回折ピークとしてもよい。より具体的には、例えば、一般式Si66で表される層状ポリシランでは、CuKα線を線源に用いたときに、2θ=14°付近に観測される(001)面の回折ピークや、2θ=27°付近に観測される(100)面の回折ピーク、2θ=48°付近に観測される(110)面の回折ピークとしてもよい。炭素に由来するブロードなピークとしては、非晶質炭素に由来する、2θ=10〜30°付近に観測されるブロードな回折ピークとしてもよい。即ち、本発明の層状シリコン炭素複合体において、炭素は、非晶質炭素であるものとしてもよい。本発明の層状シリコン炭素複合体において、粉末X線回折パターンでは、シリコン微結晶に由来する回折ピーク(2θ=28.4°、47.3°、56.1°)が観測されないことが好ましい。こうしたピークが観測される層状シリコン炭素複合体では、層状シリコンの分解が進行していると考えられるからである。 In the layered silicon carbon composite of the present invention, the diffraction peak derived from layered silicon in the powder X-ray diffraction pattern may be a diffraction peak characteristic of layered polysilane or layered siloxane. More specifically, for example, in a layered polysilane represented by the general formula Si 6 H 6 , a diffraction peak of (001) plane observed near 2θ = 14 ° when CuKα rays are used as a radiation source, A diffraction peak of (100) plane observed near 2θ = 27 ° may be a diffraction peak of (110) plane observed near 2θ = 48 °. The broad peak derived from carbon may be a broad diffraction peak observed at around 2θ = 10 to 30 ° derived from amorphous carbon. That is, in the layered silicon carbon composite of the present invention, the carbon may be amorphous carbon. In the layered silicon carbon composite of the present invention, it is preferable that a diffraction peak (2θ = 28.4 °, 47.3 °, 56.1 °) derived from silicon microcrystals is not observed in the powder X-ray diffraction pattern. This is because in the layered silicon-carbon composite where such a peak is observed, it is considered that the decomposition of the layered silicon proceeds.

本発明の層状シリコン炭素複合体において、赤外吸収スペクトルで−C=C−伸縮に由来する吸収帯としては、例えば、1300〜1800cm-1付近に観測される吸収帯としてもよい。なお、この赤外吸収スペクトルでは、Si−O−Si結合に由来する吸収帯として1100cm-1付近にピークを有する吸収帯や、Si−H結合に由来する吸収帯として2100cm-1付近にピークを有する吸収帯が観測されることが好ましい。なお、糖化合物に由来するピークは、できるだけ観測されないことが好ましい。 In the layered silicon carbon composite of the present invention, the absorption band derived from -C = C-stretching in the infrared absorption spectrum may be, for example, an absorption band observed near 1300 to 1800 cm- 1 . In this infrared absorption spectrum, an absorption band having a peak in the vicinity of 1100 cm −1 as an absorption band derived from the Si—O—Si bond, and a peak in the vicinity of 2100 cm −1 as an absorption band derived from the Si—H bond. It is preferable that an absorption band is observed. In addition, it is preferable that the peak derived from a sugar compound is not observed as much as possible.

本発明の層状シリコン炭素複合体において、層状シリコン炭素複合体に含まれる炭素(炭素化合物)、すなわち、層状シリコンを除いた部分は、窒素吸脱着測定を行ったときに、II型の吸脱着挙動を示すものとしてもよい(IUPAC分類)。II型は、細孔が存在しないかまたはマクロポア(50nm以上の細孔)の存在の可能性を示す。この炭素は、BET法で算出した比表面積が1m2/g以上100m2/g以下であることが好ましく、10m2/g以上30m2/g以下であることがより好ましい。こうした範囲内であれば、二次電池電極にした際に、電極密度が高くなり、不可逆容量が小さくできると考えられるからである。 In the layered silicon-carbon composite of the present invention, the carbon (carbon compound) contained in the layered silicon-carbon composite, that is, the portion excluding the layered silicon is the type II adsorption / desorption behavior when nitrogen adsorption / desorption measurement is performed. (IUPAC classification). Type II indicates the possibility of no pores or the presence of macropores (pores greater than 50 nm). The carbon has a specific surface area calculated by the BET method of preferably 1 m 2 / g or more and 100 m 2 / g or less, and more preferably 10 m 2 / g or more and 30 m 2 / g or less. If it is within such a range, it is considered that when the secondary battery electrode is formed, the electrode density increases and the irreversible capacity can be reduced.

本発明の層状シリコン炭素複合体は、ラマンスペクトルで非晶質炭素に由来する吸収が観測されることが好ましい。例えば、いわゆるDバンド(例えば1330cm-1付近をピークとする吸収)と、いわゆるGバンド(例えば1590cm-1付近をピークとする吸収)が観測され、これらのピーク強度比、すなわちD/G比が0.5以上5以下であるものとしてもよい。こうしたものでは、炭素が非晶質炭素として存在していると考えられる。 In the layered silicon carbon composite of the present invention, it is preferable that absorption derived from amorphous carbon is observed in the Raman spectrum. For example, a so-called D-band (e.g. absorption with a peak around 1330 cm -1), so-called G-band (e.g. absorption with a peak around 1590 cm -1) are observed, these peak intensity ratio, i.e. D / G ratio It is good also as what is 0.5-5. In such cases, it is considered that carbon exists as amorphous carbon.

本発明の層状シリコン炭素複合体は、板状の層状シリコン粒子と球状の炭素粒子を備えたものとしてもよい。ここで、層状シリコン粒子は、積層間隔が、通常の層状シリコン粒子(例えば層状ポリシランや層状シロキセン)よりも広がっていてもよく、積層構造の一部が剥離していてもよい。また、炭素中にシリコンが存在していてもよいし、層状シリコンのエッジ部分に炭素の分布が集中していてもよい。例えば、非晶質炭素が層状シリコンのエッジ部分を取り囲む形で層状シリコン炭素複合体を形成しているものとしてもよい。   The layered silicon carbon composite of the present invention may include plate-shaped layered silicon particles and spherical carbon particles. Here, the layered silicon particles may have a lamination interval wider than that of normal layered silicon particles (for example, layered polysilane or layered siloxane), or a part of the layered structure may be peeled off. Further, silicon may be present in the carbon, or carbon distribution may be concentrated on the edge portion of the layered silicon. For example, the layered silicon carbon composite may be formed such that amorphous carbon surrounds the edge portion of the layered silicon.

この層状シリコン炭素複合体は、複合体に含まれる炭素(炭化物)の重量比(炭素/層状シリコン炭素複合体比)が0.1以上0.9以下であることが好ましく、0.3以上0.5以下であることがより好ましい。これは、二次電池電極を作製した際に、炭素による不可逆容量を小さくできるためである。この層状シリコン炭素複合体は、室温から1000℃まで加熱して熱重量分析を行ったときに、重量減少が、−22重量%以上62重量%以下の範囲にあるものであることが好ましく、2重量%以上22重量%以下がより好ましい。こうしたものでは、炭素/層状シリコン炭素複合体比が上述した範囲内であると考えられるからである。   In this layered silicon carbon composite, the weight ratio of carbon (carbide) contained in the composite (carbon / layered silicon carbon composite ratio) is preferably 0.1 or more and 0.9 or less, and 0.3 or more and 0. More preferably, it is 5 or less. This is because the irreversible capacity due to carbon can be reduced when a secondary battery electrode is produced. The layered silicon carbon composite preferably has a weight loss in the range of −22 wt% to 62 wt% when thermogravimetric analysis is performed by heating from room temperature to 1000 ° C. More preferably, the weight percent is 22% by weight or more. This is because the carbon / layered silicon carbon composite ratio is considered to be within the above-described range.

(電極)
本発明の電極は、上述した層状シリコン炭素複合体を電極材料として用いたものである。この電極は、例えば、電極材料としての層状シリコン炭素複合体と導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状にしたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。
(electrode)
The electrode of the present invention uses the above-described layered silicon carbon composite as an electrode material. This electrode is, for example, a layered silicon carbon composite as an electrode material, a conductive material, and a binder mixed, and a paste made by adding an appropriate solvent, applied to the surface of the current collector and dried, You may compress and form so that an electrode density may be raised as needed.

導電材は、電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば特に限定されず、例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛)や人造黒鉛などの黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウィスカ、ニードルコークス、炭素繊維、金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金など)などの1種又は2種以上を混合したものを用いることができる。これらの中で、導電材としては、電子伝導性及び塗工性の観点より、カーボンブラック及びアセチレンブラックが好ましい。   The conductive material is not particularly limited as long as it is an electron conductive material that does not adversely affect battery performance. For example, graphite such as natural graphite (scale-like graphite, scale-like graphite) or artificial graphite, acetylene black, carbon black, ketjen A mixture of one or more of black, carbon whisker, needle coke, carbon fiber, metal (copper, nickel, aluminum, silver, gold, etc.) can be used. Among these, as the conductive material, carbon black and acetylene black are preferable from the viewpoints of electron conductivity and coatability.

結着材は、活物質粒子及び導電材粒子を繋ぎ止める役割を果たすものであり、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレン−プロピレン−ジエンマー(EPDM)、スルホン化EPDM、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。   The binder serves to bind the active material particles and the conductive material particles. For example, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), fluorine-containing resin such as fluorine rubber, or polypropylene, Thermoplastic resins such as polyethylene, ethylene-propylene-dienemer (EPDM), sulfonated EPDM, natural butyl rubber (NBR) and the like can be used alone or as a mixture of two or more. In addition, an aqueous dispersion of cellulose or styrene butadiene rubber (SBR), which is an aqueous binder, can also be used.

炭素材料、導電材、結着材を分散させる溶剤としては、例えばN−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N,N−ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフラン、クロロホルムなどの有機溶剤を用いることができる。また、水に分散剤、増粘剤等を加え、SBRなどのラテックスで活物質をスラリー化してもよい。増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロースなどの多糖類を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。塗布方法としては、例えば、アプリケータロールなどのローラコーティング、スクリーンコーティング、ドクターブレイド方式、スピンコーティング、バーコータなどが挙げられ、これらのいずれかを用いて任意の厚さ・形状とすることができる。   Examples of the solvent for dispersing the carbon material, the conductive material, and the binder include N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethyltriamine, and N, N-dimethylaminopropylamine. Organic solvents such as ethylene oxide, tetrahydrofuran and chloroform can be used. Moreover, a dispersing agent, a thickener, etc. may be added to water, and an active material may be slurried with latex, such as SBR. As the thickener, for example, polysaccharides such as carboxymethyl cellulose and methyl cellulose can be used alone or as a mixture of two or more. Examples of the application method include roller coating such as applicator roll, screen coating, doctor blade method, spin coating, bar coater, and the like, and any of these can be used to obtain an arbitrary thickness and shape.

集電体としては、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラスなどのほか、接着性、導電性及び耐酸化性向上の目的で、アルミニウムや銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀などで処理したものを用いることができる。これらについては、表面を酸化処理することも可能である。集電体の形状については、箔状、フィルム状、シート状、ネット状、パンチ又はエキスパンドされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の形成体などが挙げられる。   Current collectors include aluminum, titanium, stainless steel, nickel, iron, calcined carbon, conductive polymer, conductive glass, and aluminum, copper, etc. for the purpose of improving adhesion, conductivity, and oxidation resistance. A surface treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like can be used. For these, the surface can be oxidized. Examples of the shape of the current collector include foil, film, sheet, net, punched or expanded, lath, porous, foam, and formed fiber group.

(蓄電デバイス)
本発明の蓄電デバイスは、正極と、負極と、正極と負極との間に介在するイオン伝導媒体と、を備えている。ここでは、正極または負極の少なくとも一方の電極として、上述した電極、すなわち、上述した層状シリコン炭素複合体を備えた電極を用いることができる。
(Electric storage device)
The electricity storage device of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, and an ion conductive medium interposed between the positive electrode and the negative electrode. Here, as at least one of the positive electrode and the negative electrode, the electrode described above, that is, the electrode including the layered silicon carbon composite described above can be used.

以下では、本発明の蓄電デバイスがリチウム二次電池である場合に特に好ましい形態について説明する。本発明の蓄電デバイス用電極材料を正極に用いる場合には、負極には、例えば、リチウム金属を用いることができる。また、本発明の蓄電デバイス用電極を負極に用いる場合には、正極には、LiCoO2やLiNiO2等の層状岩塩構造を有する化合物、LiMn24等のスピネル型構造を有する化合物、LiFePO4等のポリアニオン化合物などを用いることができる。 Hereinafter, a particularly preferable embodiment when the electricity storage device of the present invention is a lithium secondary battery will be described. When the electrode material for an electricity storage device of the present invention is used for a positive electrode, for example, lithium metal can be used for the negative electrode. When the electrode for an electricity storage device of the present invention is used as a negative electrode, the positive electrode includes a compound having a layered rock salt structure such as LiCoO 2 or LiNiO 2 , a compound having a spinel structure such as LiMn 2 O 4 , LiFePO 4 A polyanion compound such as can be used.

この蓄電デバイスにおいて、イオン伝導媒体は、支持塩を有機溶媒に溶かした非水電解液やイオン性液体、ゲル電解質、固体電解質などを用いることができる。このうち、非水電解液であることが好ましい。支持塩としては、例えば、LiPF6,LiClO4,LiAsF6,LiBF4,Li(CF3SO22N,Li(CF3SO3),LiN(C25SO2)などの公知の支持塩を用いることができる。支持塩の濃度としては、0.1〜2.0Mであることが好ましく、0.8〜1.2Mであることがより好ましい。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)、γ−ブチロラクトン(γ−BL)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)など従来の二次電池やキャパシタに使われる有機溶媒が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。また、イオン性液体としては、特に限定されるものではないが、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)イミド(PP13−TFSI)や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)イミド(P13−TFSI)、1−メチル−3−プロピルイミダゾリウムビス(トリフルオロスルホニル)イミドや1−エチル−3−ブチルイミダゾリウムテトラフルオロボレートなどを用いることができる。ゲル電解質としては、特に限定されるものではないが、例えば、ポリフッ化ビニリデンやポリエチレングリコール、ポリアクリロニトリルなどの高分子類またはアミノ酸誘導体やソルビトール誘導体などの糖類に、支持塩を含む電解液を含ませてなるゲル電解質が挙げられる。固体電解質としては、無機固体電解質や有機固体電解質などが挙げられる。無機固体電解質としては、例えば、Liの窒化物、ハロゲン化物、酸素酸塩などがよく知られている。なかでも、Li4SiO4、Li4SiO4−LiI−LiOH、xLi3PO4−(1−x)Li4SiO4、Li2SiS3、Li3PO4−Li2S−SiS2、硫化リン化合物などが挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。有機固体電解質としては、例えば、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデン、ポリホスファゼン、ポリエチレンスルフィド、ポリヘキサフルオロプロピレンなどやこれらの誘導体が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。 In this power storage device, the ion conductive medium may be a nonaqueous electrolytic solution, an ionic liquid, a gel electrolyte, a solid electrolyte, or the like in which a supporting salt is dissolved in an organic solvent. Of these, a non-aqueous electrolyte is preferable. Examples of the supporting salt include known LiPF 6 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, Li (CF 3 SO 3 ), LiN (C 2 F 5 SO 2 ), and the like. Supporting salts can be used. The concentration of the supporting salt is preferably 0.1 to 2.0M, and more preferably 0.8 to 1.2M. As an organic solvent, for example, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), γ-butyrolactone (γ-BL), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC) and the like are used for conventional secondary batteries and capacitors. An organic solvent is mentioned. These may be used alone or in combination. The ionic liquid is not particularly limited, but N-methyl-N-propylpiperidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (PP13-TFSI) or N-methyl-N-propylpyrrolidinium Bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (P13-TFSI), 1-methyl-3-propylimidazolium bis (trifluorosulfonyl) imide, 1-ethyl-3-butylimidazolium tetrafluoroborate, or the like can be used. The gel electrolyte is not particularly limited. For example, a polymer such as polyvinylidene fluoride, polyethylene glycol, or polyacrylonitrile, or a saccharide such as an amino acid derivative or sorbitol derivative is added with an electrolyte containing a supporting salt. And a gel electrolyte. Examples of the solid electrolyte include inorganic solid electrolytes and organic solid electrolytes. Well-known inorganic solid electrolytes include, for example, Li nitrides, halides, oxyacid salts, and the like. Among them, Li 4 SiO 4, Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, xLi 3 PO 4 - (1-x) Li 4 SiO 4, Li 2 SiS 3, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2, sulfide Examples thereof include phosphorus compounds. These may be used alone or in combination. Examples of the organic solid electrolyte include polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, polyphosphazene, polyethylene sulfide, polyhexafluoropropylene, and derivatives thereof. These may be used alone or in combination.

この蓄電デバイスは、正極と負極との間にセパレータを有していてもよい。セパレータとしては、蓄電デバイスの使用範囲に耐え得る組成であれば特に限定されないが、例えば、ポリプロピレン製不織布やポリフェニレンスルフィド製不織布などの高分子不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂の微多孔フィルムが挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複合して用いてもよい。   This power storage device may have a separator between the positive electrode and the negative electrode. The separator is not particularly limited as long as it is a composition that can withstand the usage range of the electricity storage device. For example, a polymer nonwoven fabric such as a polypropylene nonwoven fabric or a polyphenylene sulfide nonwoven fabric, or a microporous film of an olefin resin such as polyethylene or polypropylene is used. Can be mentioned. These may be used alone or in combination.

この蓄電デバイスの形状は、特に限定されないが、例えばコイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型などが挙げられる。また、電気自動車等に用いる大型のものなどに適用してもよい。   The shape of the electricity storage device is not particularly limited, and examples thereof include a coin type, a button type, a sheet type, a laminated type, a cylindrical type, a flat type, and a square type. Moreover, you may apply to the large sized thing used for an electric vehicle etc.

本発明の層状シリコン炭素複合体の製造方法及び層状シリコン炭素複合体では、より容易に得られる層状シリコンと炭素との複合体を提供することができる。また、本発明の電極や蓄電デバイスでは、こうした層状シリコン炭素複合体を用いるため、層状シリコン炭素複合体を備えた電極や蓄電デバイスをより容易に提供することができる。こうした効果が得られる理由は、以下のように推察される。すなわち、シリコン合金と糖化合物と酸とを混合することで、「シリコン合金からの層状シリコン化合物の合成」と、「層状シリコン化合物表面での糖化合物の炭化」を同系内で同時に進行し、一段階の合成プロセスで層状シリコン(層状シリコン化合物)と炭素(炭素化合物)との複合体が生成するためと推察される。特に、このとき、層状シリコンの生成と共に、その表面に糖化合物が配位した中間体が形成し、それらを基点として層状シリコンが炭素で覆われたナノレベルの複合化が実現しているものと推察される。   With the method for producing a layered silicon carbon composite and the layered silicon carbon composite of the present invention, a composite of layered silicon and carbon that can be obtained more easily can be provided. In addition, since the layered silicon carbon composite is used in the electrode and power storage device of the present invention, the electrode and power storage device provided with the layered silicon carbon composite can be provided more easily. The reason why such an effect can be obtained is assumed as follows. That is, by mixing a silicon alloy, a sugar compound, and an acid, “synthesis of a layered silicon compound from a silicon alloy” and “carbonization of a sugar compound on the surface of the layered silicon compound” proceed simultaneously in the same system. This is presumably because a composite of layered silicon (layered silicon compound) and carbon (carbon compound) is produced in the synthesis process in stages. In particular, at this time, with the generation of layered silicon, an intermediate in which a sugar compound is coordinated is formed on the surface of the layered silicon, and a nano-level complex in which the layered silicon is covered with carbon is realized based on them. Inferred.

なお、従来技術では、層状シリコン化合物と炭素化合物とをナノレベルで複合化するには、高価な有機試薬や多段階な合成プロセスが必要であり、その収率は極めて低かった。これに対して、本発明では、「シリコン合金からの層状シリコン化合物の合成」と「層状シリコン化合物表面での糖化合物の炭化」を同時に進行させることで、安価かつ一段階の合成プロセスで層状シリコン炭素複合体の合成を実現している。また、得られた複合化合物は、層状シリコンを炭素が被うナノレベルでの複合構造が形成していると推察される。さらに、この複合体を焼成することで焼成層状シリコン炭素複合体を形成することも可能である。また得られた複合化合物を電極材料に用いることで高容量の二次電池の構築が可能である。   In the prior art, in order to combine the layered silicon compound and the carbon compound at the nano level, an expensive organic reagent and a multi-step synthesis process are required, and the yield is extremely low. On the other hand, in the present invention, by simultaneously proceeding “synthesis of a layered silicon compound from a silicon alloy” and “carbonization of a sugar compound on the surface of the layered silicon compound”, the layered silicon is produced at a low cost and in a one-step synthesis process. The synthesis of carbon composite has been realized. In addition, it is assumed that the obtained composite compound has a nano-level composite structure in which carbon is covered with layered silicon. Further, it is possible to form a fired layered silicon carbon composite by firing this composite. Further, a high-capacity secondary battery can be constructed by using the obtained composite compound as an electrode material.

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。   It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes as long as it belongs to the technical scope of the present invention.

例えば、上述した実施形態においては、本発明の電極として、層状シリコン炭素複合体の他に、導電材、結着材および集電体を用いるものとしたが、これらの一部または全部を有していなくてもよい。例えば、集電体を用いず、本発明の層状シリコン炭素複合体と導電材と結着材とを混合して加圧成形したものとしてもよい。   For example, in the embodiment described above, a conductive material, a binder, and a current collector are used in addition to the layered silicon carbon composite as the electrode of the present invention. It does not have to be. For example, without using a current collector, the layered silicon carbon composite of the present invention, a conductive material, and a binder may be mixed and pressure-molded.

例えば、上述した実施形態においては、本発明の蓄電デバイスは、リチウム二次電池である場合に特に好ましい形態を記載したが、リチウム二次電池に限定されることなく、ナトリウム二次電池などのその他の二次電池のほか、電気二重層キャパシタ、電気化学キャパシタなど、各種蓄電デバイスなどとすることができる。   For example, in the above-described embodiment, the power storage device of the present invention has a particularly preferable form when it is a lithium secondary battery, but is not limited to the lithium secondary battery, and other such as a sodium secondary battery. In addition to the secondary battery, various electric storage devices such as an electric double layer capacitor and an electrochemical capacitor can be used.

以下には、本発明の層状シリコン炭素複合体を具体的に作成した例について、実験例として説明する。   Below, the example which produced the layered silicon carbon composite of this invention concretely is demonstrated as an experiment example.

[参考例1]
層状シリコン(Si66)を以下のように合成した。この合成は、−30℃に冷却した濃塩酸100ml中へニケイ化カルシウム(CaSi2)3gを添加し、1週間、−30℃の暗室で静置した。この処理で、黒色のニケイ化カルシウムは黄色へ変化した。この黄色固体をAr雰囲気下で加圧ろ過し、脱気塩酸(−30℃)で洗浄し、脱気HF(フッ化水素)水溶液(−30℃)で洗浄し、さらに脱気アセトン(−30℃)で洗浄し、110℃で一晩減圧乾燥して層状シリコンを合成した。この層状シリコンの合成の化学反応式を式(1)に示す。
3CaSi2+6HCl→Si66+3CaCl2
[Reference Example 1]
Layered silicon (Si 6 H 6 ) was synthesized as follows. In this synthesis, 3 g of calcium disilicide (CaSi 2 ) was added to 100 ml of concentrated hydrochloric acid cooled to −30 ° C., and allowed to stand in a dark room at −30 ° C. for 1 week. This treatment turned the black calcium silicide into yellow. The yellow solid was filtered under pressure in an Ar atmosphere, washed with degassed hydrochloric acid (−30 ° C.), washed with degassed HF (hydrogen fluoride) aqueous solution (−30 ° C.), and further degassed acetone (−30 And then dried under reduced pressure at 110 ° C. overnight to synthesize layered silicon. The chemical reaction formula for the synthesis of this layered silicon is shown in Formula (1).
3CaSi 2 + 6HCl → Si 6 H 6 + 3CaCl 2

[実験例1]
(1)層状シリコン炭素複合体(以下Si/C複合体)の合成
出発原料である二ケイ化カルシウム(CaSi2)は、量論比のシリコンとカルシウムを不活性雰囲気下1000℃で溶融して調製した。濃塩酸(100ml)にスクロース(4g)を加えて撹拌し、さらに得られたCaSi2(0.6g)を加え、12時間、室温で撹拌した。この処理で、金属光沢を有する二ケイ化カルシウムは暗褐色へ変化した。この暗褐色固体をアルゴン雰囲気下で吸引ろ過し、水で洗浄し、塩酸で洗浄し、その後室温下で減圧乾燥して、Si/C複合体を得た。図2に、CaSi2の外観を示した。また、図3に、実験例1のSi/C複合体の外観を示した。また、図4に、参考として、参考例1の層状シリコンの外観を示した。実験例1のSi/C複合体は、暗褐色の粉体であり、参考例1の層状シリコンは、黄色の粉体であった。
[Experiment 1]
(1) Synthesis of layered silicon carbon composite (hereinafter referred to as Si / C composite) The starting material calcium disilicide (CaSi 2 ) is obtained by melting silicon and calcium in a stoichiometric ratio at 1000 ° C. in an inert atmosphere. Prepared. Sucrose (4 g) was added to concentrated hydrochloric acid (100 ml) and stirred, and CaSi 2 (0.6 g) obtained was further added, followed by stirring for 12 hours at room temperature. With this treatment, calcium disilicide having a metallic luster changed to dark brown. The dark brown solid was suction filtered under an argon atmosphere, washed with water, washed with hydrochloric acid, and then dried under reduced pressure at room temperature to obtain a Si / C composite. FIG. 2 shows the appearance of CaSi 2 . FIG. 3 shows the appearance of the Si / C composite of Experimental Example 1. FIG. 4 shows the appearance of the layered silicon of Reference Example 1 as a reference. The Si / C composite of Experimental Example 1 was a dark brown powder, and the layered silicon of Reference Example 1 was a yellow powder.

(2)Si/C複合体の粉末X線回折(XRD)測定
得られたSi/C複合体について、XRD測定を行った。測定装置としては、リガク社製RINT−TTRを用いた。線源にはCuKα線を用いた。図5に、実験例1のSi/C複合体の粉末X線回折パターンを示した。この図5には、参考例1の層状シリコンの粉末X線回折パターンも示した。実験例1のSi/C複合体からは層状シリコン(Si66)に特徴的な回折ピーク(001、100、110)と共に、非晶質炭素に由来するブロードな回折(2θ =10〜30°)が観測された。このことから、実験例1のSi/C複合体は、層状シリコンと炭素との複合体であることが確認された。また実験例1のSi/C複合体の001は、スクロースなしで合成した参考例1の層状シリコンの001と比べて低角側にブロード化した。これは炭素との複合化により層状シリコンの層間が拡張していることを示していると推察された。なお、層状シリコン(Si66)では、001は2θ=14°付近に、100は2θ=27°付近に、110は2θ=48°付近にピークが観測された。
(2) Powder X-ray diffraction (XRD) measurement of Si / C composite The obtained Si / C composite was subjected to XRD measurement. As a measuring device, RINT-TTR manufactured by Rigaku Corporation was used. CuKα rays were used as the radiation source. FIG. 5 shows a powder X-ray diffraction pattern of the Si / C composite of Experimental Example 1. FIG. 5 also shows a powder X-ray diffraction pattern of the layered silicon of Reference Example 1. From the Si / C composite of Experimental Example 1, the diffraction peaks (001, 100, 110) characteristic of layered silicon (Si 6 H 6 ) and the broad diffraction derived from amorphous carbon (2θ = 10-30). °) was observed. From this, it was confirmed that the Si / C composite of Experimental Example 1 was a composite of layered silicon and carbon. In addition, 001 of the Si / C composite of Experimental Example 1 was broadened to the lower angle side compared to 001 of the layered silicon of Reference Example 1 synthesized without sucrose. This is presumed to indicate that the interlayer of the layered silicon is expanded by the combination with carbon. In the layered silicon (Si 6 H 6 ), peaks were observed near 2θ = 14 °, 100 near 2θ = 27 °, and 110 near 2θ = 48 °.

(3)Si/C複合体の赤外吸収(IR)スペクトル測定
得られたSi/C複合体について、IRスペクトルを測定した。測定装置としては、ニコレー社製AVATAR360型フーリエ赤外分光計を用いた。図6に、実験例1のSi/C複合体の赤外吸収スペクトルを示した。この図6には、参考例1の層状シリコンのIRスペクトル及び、スクロースのIRスペクトルも示した。実験例1のSi/C複合体の赤外吸収スペクトルからは、参考例1の層状シリコン表面のSi−H基に由来する吸収帯が減少し、新たに−C=C−伸縮に由来する吸収帯が観察された。これはスクロースの分解が進行し炭素−炭素二重結合を有する化合物が生成したことを示していると推察された。
(3) Infrared absorption (IR) spectrum measurement of Si / C composite IR spectrum was measured about the obtained Si / C composite. As a measuring apparatus, an AVATAR360 type Fourier infrared spectrometer manufactured by Nicorey was used. FIG. 6 shows an infrared absorption spectrum of the Si / C composite of Experimental Example 1. FIG. 6 also shows the IR spectrum of the layered silicon of Reference Example 1 and the IR spectrum of sucrose. From the infrared absorption spectrum of the Si / C composite of Experimental Example 1, the absorption band derived from the Si—H group on the surface of the layered silicon of Reference Example 1 is decreased, and the new absorption due to —C═C—stretching is newly obtained. A band was observed. This was presumed to indicate that the decomposition of sucrose progressed to produce a compound having a carbon-carbon double bond.

(4)Si/C複合体のラマンスペクトル測定
得られたSi/C複合体について、ラマンスペクトルを測定した。測定装置としては、日本分光製NRS−3300型レーザーラマン分光計を用いた。また、励起波長は532nmとし、レーザーパワーは0.01mW又は0.001mWとした。図7に、実験例1のSi/C複合体のラマンスペクトルを示した。この図7には、実験例1のSi/C複合体をアルゴン雰囲気下500℃で10分間加熱処理したもの(Si/C複合体加熱処理品)のラマンスペクトルも示した。実験例1のSi/C複合体のラマンスペクトルからは、1200〜1600cm-1に非晶質炭素に由来する吸収が微弱ながら観測された。ここで、観測されたピーク強度が弱いのは、層状シリコンの蛍光が影響しているためと推察された。そこで、同試料を上述のように加熱処理して層状シリコン由来の蛍光をクエンチすると(Si/C複合体加熱処理品)、炭素のDバンド及びGバンド(1330、1590cm-1)を明確に確認できた。D/Gバンド比から、系中に含まれる炭素が非晶質炭素であることが確認された。なお、D/Gバンド比は、加熱処理前後で大きな変化はないものと推察され、実験例1のSi/C複合体に含まれる炭素は非晶質炭素であると推察された。以上の結果から、CaSi2をスクロース/塩酸処理することで、スクロースの分解/炭化が進行し非晶質炭素が形成する事がわかった。
(4) Raman spectrum measurement of Si / C composite The Raman spectrum was measured about the obtained Si / C composite. As a measuring device, NRS-3300 laser Raman spectrometer manufactured by JASCO Corporation was used. The excitation wavelength was 532 nm and the laser power was 0.01 mW or 0.001 mW. FIG. 7 shows the Raman spectrum of the Si / C composite of Experimental Example 1. FIG. 7 also shows the Raman spectrum of the Si / C composite of Experimental Example 1 that was heat-treated at 500 ° C. for 10 minutes in an argon atmosphere (Si / C composite heat-treated product). From the Raman spectrum of the Si / C composite of Experimental Example 1, absorption derived from amorphous carbon was observed at 1200 to 1600 cm −1 , although it was weak. Here, it was guessed that the observed peak intensity was weak because of the fluorescence of layered silicon. Therefore, when the sample was heat-treated as described above to quench the fluorescence derived from layered silicon (Si / C composite heat-treated product), the carbon D-band and G-band (1330, 1590 cm −1 ) were clearly confirmed. did it. From the D / G band ratio, it was confirmed that the carbon contained in the system was amorphous carbon. The D / G band ratio was presumed not to change significantly before and after the heat treatment, and the carbon contained in the Si / C composite of Experimental Example 1 was assumed to be amorphous carbon. From the above results, it was found that by treating CaSi 2 with sucrose / hydrochloric acid, decomposition / carbonization of sucrose proceeds and amorphous carbon is formed.

(5)Si/C複合体に含まれる炭素の窒素吸脱着測定
Si/C複合体に含まれる炭素の窒素吸脱着特性や比表面積について検討した。まず、上記(1)Si/C複合体の合成において二ケイ化カルシウムを加えないこと以外は、Si/C複合体の合成と同様の操作を行い、Si/C複合体に含まれる炭素を模擬した炭素材料を合成した。得られた炭素材料は、粒径0.1〜2μmの黒色粉体であった。得られた炭素材料について、窒素吸脱着測定を行った。図8に、炭素材料の窒素吸脱着等温線を示した。図8より、炭素材料はII型の吸脱着挙動を示し、窒素の吸着量が非常に少ないことがわかった。また、吸着等温線の形状から、規則的な細孔構造などは形成されていないと推察された。また、BET法で算出した炭素材料の比表面積は約20m2/gであった。以上より、Si/C複合体に含まれる炭素は、BET法で算出した比表面積が約20m2/gであると推察された。
(5) Nitrogen adsorption / desorption measurement of carbon contained in Si / C composite The nitrogen adsorption / desorption characteristics and specific surface area of carbon contained in the Si / C composite were examined. First, except that calcium disilicide is not added in the synthesis of (1) Si / C composite, the same operation as in the synthesis of Si / C composite is performed to simulate carbon contained in the Si / C composite. Carbon material was synthesized. The obtained carbon material was a black powder having a particle size of 0.1 to 2 μm. The obtained carbon material was subjected to nitrogen adsorption / desorption measurement. FIG. 8 shows the nitrogen adsorption / desorption isotherm of the carbon material. From FIG. 8, it was found that the carbon material exhibited type II adsorption / desorption behavior, and the amount of nitrogen adsorbed was very small. Moreover, it was guessed from the shape of the adsorption isotherm that a regular pore structure or the like was not formed. The specific surface area of the carbon material calculated by the BET method was about 20 m 2 / g. From the above, it was speculated that the carbon contained in the Si / C composite had a specific surface area calculated by the BET method of about 20 m 2 / g.

(6)Si/C複合体の熱重量分析
得られたSi/C複合体について、熱重量分析を行った。図9に、空気(Air)フロー雰囲気での加熱による、Si/Cの熱重量変化(TG)及び示差熱変化(DTA)を示した。室温〜150℃において、吸着水の脱水に伴う3.9%の重量減少が確認された。その後、200〜280℃において一時的に重量が増加し、それ以降では再び重量が減少し、最終的に18.8%の重量減少となった。層状シリコンの酸化による重量増加(約32%:層状シリコン単独で同様にTG分析をしたときの重量増加)を考慮すると、Si/C複合体中の炭化物量は最大で46.9質量%(=18.8−3.9+32)と推定された。すなわち、層状シリコン炭素複合体に対する炭素(炭化物)の比率である炭素/層状シリコン炭素複合体重量比が0.469と推定された。以上より、層状シリコンと炭素とは、ほぼ1:1の重量比で複合体を形成していると推察された。
(6) Thermogravimetric analysis of Si / C composite The obtained Si / C composite was subjected to thermogravimetric analysis. FIG. 9 shows the thermogravimetric change (TG) and differential thermal change (DTA) of Si / C due to heating in an air flow atmosphere. From room temperature to 150 ° C., a weight loss of 3.9% accompanying dehydration of adsorbed water was confirmed. Thereafter, the weight temporarily increased at 200 to 280 ° C., thereafter the weight decreased again, and finally the weight decreased by 18.8%. Considering the increase in weight due to oxidation of layered silicon (about 32%: weight increase when TG analysis is similarly performed with layered silicon alone), the maximum amount of carbide in the Si / C composite is 46.9% by mass (= 18.8-3.9 + 32). That is, the weight ratio of carbon / layered silicon carbon composite, which is the ratio of carbon (carbide) to layered silicon carbon composite, was estimated to be 0.469. From the above, it was inferred that layered silicon and carbon formed a composite at a weight ratio of approximately 1: 1.

(7)Si/C複合体の電子顕微鏡像と元素マッピング
得られたSi/C複合体について、電子顕微鏡(SEM)観察を行った。また、エネルギー分散X線分光法(EDX)による元素マッピングを行った。図10に、実験例1のSi/C複合体のSEM像及びEDXマッピング像を示した。なお、図10a及び図10bはそれぞれ異なる視野のSEM像であり、図10cは図10aの視野の炭素分布を示すEDXマッピング像であり、図10dは図10aの視野のケイ素分布を示すEDXマッピング像である。実験例1のSi/C複合体のSEM像からは、板状の層状シリコン粒子と球状の炭素粒子が観察された(図10a)。また、多くの層状シリコン粒子は積層構造の一部が剥離し始めており(図10b)、このことは、XRD測定の結果、すなわち、(001)回折ピークの低角度側へのブロード化とも一致した。また、炭素とケイ素のEDXマッピング像では、両元素の分布位置は重なっており、炭素中にシリコンが存在していることが分かった。特に層状シリコンのエッジ部分(積層構造の厚み部分)に炭素の分布が集中する傾向があり、非晶質炭素が層状シリコンのエッジ部分を取り囲む形でSi/C複合体を形成していると推察された。
(7) Electron microscope image and element mapping of Si / C composite The obtained Si / C composite was observed with an electron microscope (SEM). In addition, elemental mapping by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) was performed. FIG. 10 shows an SEM image and an EDX mapping image of the Si / C composite of Experimental Example 1. 10a and 10b are SEM images of different visual fields, FIG. 10c is an EDX mapping image showing the carbon distribution of the visual field of FIG. 10a, and FIG. 10d is an EDX mapping image showing the silicon distribution of the visual field of FIG. 10a. It is. From the SEM image of the Si / C composite of Experimental Example 1, plate-like layered silicon particles and spherical carbon particles were observed (FIG. 10a). In addition, part of the laminated structure of many layered silicon particles has begun to peel off (FIG. 10b), which is consistent with the results of XRD measurement, that is, broadening of the (001) diffraction peak to the lower angle side. . Moreover, in the EDX mapping image of carbon and silicon, it was found that the distribution positions of both elements overlap each other, and silicon is present in the carbon. In particular, the distribution of carbon tends to concentrate on the edge portion of the layered silicon (thickness portion of the laminated structure), and it is assumed that the amorphous carbon forms the Si / C composite so as to surround the edge portion of the layered silicon. It was done.

(8)Si/C複合体の二次電池電極材料としての性能評価
得られたSi/C複合体について、二次電池電極材料としての性能評価を行った。具体的には、まず、実験例1のSi/C複合体をAr気流下(1L/min)で500℃で焼成して、焼成Si/C複合体を得た。この焼成Si/C複合体(0.1g)と炭素系導電助材とテフロンバインダー(テフロンは登録商標)とを80:15:5の質量比となるように混合することで電極材料を調製した。得られた電極材料を銅メッシュに圧着し、電極を作製した。この電極を作用極とし、金属リチウムを対極とし、ポリエチレン製微多孔質膜をセパレータとし、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とを1:1の体積比で混合した溶媒に、1MとなるようにLiPF6を溶解したものを電解液として、日本トムセル製2極式セルを用いて評価セルを作製した。この評価セルを充放電装置(北斗電工社製HJR−1010SM8)にセットして充放電試験を行った。充放電試験は、0.4mAの定電流で下限電位0.02Vまで放電した後、0.4mAの定電流で上限電位3Vまで充電する定電流充放電を5回繰り返すことにより行った。図11に、実験例1のSi/C複合体を電極材料に用いた二次電池の充放電曲線を示した。図11より、初期放電容量は3150mAh/gであったが、充放電を繰り返すことで1300〜1500mAh/gの充放電容量で一定となることがわかった。観測された充放電容量は従来の炭素系電極の4〜5倍であり、今回合成したSi/C複合体が高容量な二次電池負極材料として有望であることがわかった。
(8) Performance Evaluation of Si / C Composite as Secondary Battery Electrode Material The obtained Si / C composite was evaluated for performance as a secondary battery electrode material. Specifically, first, the Si / C composite of Experimental Example 1 was baked at 500 ° C. under an Ar stream (1 L / min) to obtain a baked Si / C composite. An electrode material was prepared by mixing the calcined Si / C composite (0.1 g), a carbon-based conductive additive, and a Teflon binder (Teflon is a registered trademark) at a mass ratio of 80: 15: 5. . The obtained electrode material was pressure-bonded to a copper mesh to produce an electrode. This electrode is used as a working electrode, metallic lithium is used as a counter electrode, a polyethylene microporous membrane is used as a separator, and ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) are mixed at a volume ratio of 1: 1, and 1M An evaluation cell was produced using a bipolar cell made by Nippon Tomcell, using LiPF 6 dissolved as an electrolyte. This evaluation cell was set in a charging / discharging device (HJR-1010SM8 manufactured by Hokuto Denko) and a charging / discharging test was performed. The charge / discharge test was performed by repeating the constant current charge / discharge, which was charged to a maximum potential of 3 V with a constant current of 0.4 mA, after being discharged to a minimum potential of 0.02 V with a constant current of 0.4 mA. FIG. 11 shows a charge / discharge curve of a secondary battery using the Si / C composite of Experimental Example 1 as an electrode material. From FIG. 11, the initial discharge capacity was 3150 mAh / g, but it was found that the charge / discharge capacity of 1300 to 1500 mAh / g became constant by repeating charge and discharge. The observed charge / discharge capacity is 4 to 5 times that of a conventional carbon electrode, and it was found that the synthesized Si / C composite is promising as a high capacity secondary battery negative electrode material.

(9)焼成Si/C複合体の粉末X線回折(XRD)測定
焼成Si/C複合体について、「(2)Si/C複合体の粉末X線回折(XRD)測定」と同様にXRD測定を行った。図12に、実験例1の焼成Si/C複合体の粉末X線回折パターンを示した。この図12には、焼成を行っていないSi/C複合体の粉末X線回折パターンも示した。焼成SiC複合体からは炭化物に由来するブロードな回折(2θ=10〜30°)が主に観測され、層状シリコンに特徴的な回折ピーク(001、100、110)の強度が大幅に低下した。一方、層状シリコンの分解物であるシリコン微結晶に由来する回折ピーク(2θ=28.4°、47.3°、56.1°)は観測されなかった。これらの結果、特に001の強度が減少したことより、Si/C複合体の焼成により、Si/C複合体に含まれる層状シリコンの積層構造が崩れるものと推察された。また、これらの結果、特に100及び110の強度が減少したことより、シリコン骨格が非晶質化したものと推察された。
(9) Powder X-ray diffraction (XRD) measurement of calcined Si / C composite XRD measurement is performed on the calcined Si / C composite in the same manner as “(2) Powder X-ray diffraction (XRD) measurement of Si / C composite”. Went. FIG. 12 shows a powder X-ray diffraction pattern of the fired Si / C composite of Experimental Example 1. FIG. 12 also shows a powder X-ray diffraction pattern of the Si / C composite that was not fired. From the sintered SiC composite, broad diffraction derived from carbide (2θ = 10 to 30 °) was mainly observed, and the intensity of diffraction peaks (001, 100, 110) characteristic of layered silicon was greatly reduced. On the other hand, diffraction peaks (2θ = 28.4 °, 47.3 °, 56.1 °) derived from silicon microcrystals which are decomposition products of layered silicon were not observed. From these results, it was speculated that the laminated structure of the layered silicon contained in the Si / C composite collapsed due to the firing of the Si / C composite, particularly because the strength of 001 decreased. In addition, as a result of these, it was speculated that the silicon skeleton was amorphized due to the decrease in the strength of 100 and 110 in particular.

(10)実験結果
以上より、実験例1では、「CaSi2合金からの層状シリコン化合物の合成」と、「層状シリコン化合物表面での糖化合物の炭化」とが、同系内で同時に進行することで、一段階の合成プロセスで層状シリコンと炭素との複合体が生成したものと推察された。より具体的には、層状シリコンの生成と共に、その表面にスクロースが配位した中間体が形成し、それらを基点として層状シリコンが炭素で覆われたナノレベルの複合化が実現したと推察された。なお、従来技術では、層状シリコン化合物と炭素化合物とをナノレベルで複合化するには、高価な有機試薬や多段階な合成プロセスが必要であり、その収率は極めて低かった。これに対して、実験例1では、「CaSi2合金からの層状シリコン化合物の合成」と「層状シリコン化合物表面での糖化合物の炭化」を同時に進行させることで、安価かつ一段階の合成プロセスで層状シリコンと炭素との複合化合物(複合体)の合成を実現できることがわかった。また、得られた複合化合物は、層状シリコンを炭素が被うナノレベルでの複合構造を形成していることがわかった。また得られた複合化合物を焼成することで焼成層状シリコン炭素複合体の形成も可能であることがわかった。また、得られた複合化合物を電極材料に用いることで高容量の二次電池の構築が可能であることがわかった。
(10) Experimental results As described above, in Experimental Example 1, “synthesis of the layered silicon compound from the CaSi 2 alloy” and “carbonization of the sugar compound on the surface of the layered silicon compound” proceed simultaneously in the same system. It was speculated that a composite of layered silicon and carbon was formed in a one-step synthesis process. More specifically, it was inferred that the formation of layered silicon resulted in the formation of an intermediate with sucrose coordinated on the surface, and the formation of nano-level composites in which the layered silicon was covered with carbon. . In the prior art, in order to combine the layered silicon compound and the carbon compound at the nano level, an expensive organic reagent and a multi-step synthesis process are required, and the yield is extremely low. On the other hand, in Experimental Example 1, “synthesis of a layered silicon compound from a CaSi 2 alloy” and “carbonization of a sugar compound on the surface of the layered silicon compound” proceed at the same time, which is an inexpensive and one-step synthesis process. It was found that synthesis of a composite compound (composite) of layered silicon and carbon can be realized. Further, it was found that the obtained composite compound formed a nano-level composite structure in which carbon is covered with layered silicon. It was also found that a fired layered silicon carbon composite can be formed by firing the obtained composite compound. It was also found that a high-capacity secondary battery can be constructed by using the obtained composite compound as an electrode material.

[実験例2〜4]
「(8)Si/C複合体の二次電池電極材料としての性能評価」において、Si/C複合体の500℃での焼成温度を表1に示すものに変えたこと以外は、実験例1と同様にして実験例2〜4の性能評価を行った。未焼成のSi/C複合体及び200℃、500℃、900℃で焼成したSi/C複合体の初期放電容量及び初期充放電効率を表1に示した。なお、初期充放電効率(%)は、初期充電容量(mAh/g)を初期放電容量(mAh/g)で除した値に100を乗じて求めた。表1に示すように、未焼成Si/C複合体は1840mAh/gの初期放電容量を示したが、初期充放電効率は20%と低く、不可逆容量が比較的大きいことがわかった。200℃で焼成したSi/C複合体の初期放電容量、初期充放電効率は、いずれも低い値を示した。一方、500℃及び900℃で焼成したSi/C複合体では、未焼成のSi/C複合体と比べて、初期充放電容量が1.3〜1.7倍に増加し、初期充放電効率は2.5〜3倍に向上した。以上の結果から、Si/C複合体を二次電池電極材料として利用する場合には、500℃以上の加熱処理が有効であることがわかった。
[Experimental Examples 2 to 4]
Experimental Example 1 except that the firing temperature at 500 ° C. of the Si / C composite was changed to that shown in Table 1 in “(8) Performance Evaluation of Si / C Composite as Secondary Battery Electrode Material”. In the same manner, the performance evaluation of Experimental Examples 2 to 4 was performed. Table 1 shows the initial discharge capacity and the initial charge / discharge efficiency of the unfired Si / C composite and the Si / C composite fired at 200 ° C., 500 ° C., and 900 ° C. The initial charge / discharge efficiency (%) was obtained by multiplying the value obtained by dividing the initial charge capacity (mAh / g) by the initial discharge capacity (mAh / g) by 100. As shown in Table 1, the unfired Si / C composite exhibited an initial discharge capacity of 1840 mAh / g, but the initial charge / discharge efficiency was as low as 20%, and it was found that the irreversible capacity was relatively large. The initial discharge capacity and initial charge / discharge efficiency of the Si / C composite fired at 200 ° C. both showed low values. On the other hand, in the Si / C composite fired at 500 ° C. and 900 ° C., the initial charge / discharge capacity is increased by 1.3 to 1.7 times compared to the unfired Si / C composite, and the initial charge / discharge efficiency is increased. Improved 2.5 to 3 times. From the above results, it was found that heat treatment at 500 ° C. or higher is effective when the Si / C composite is used as a secondary battery electrode material.

本発明は、電池産業の分野に利用可能である。   The present invention can be used in the field of the battery industry.

Claims (9)

シリコン合金と糖化合物と酸とを混合する混合工程、
を含む、層状シリコン炭素複合体の製造方法。
A mixing step of mixing a silicon alloy, a sugar compound and an acid;
A method for producing a layered silicon carbon composite comprising:
前記シリコン合金は二ケイ化カルシウム(CaSi2)であり、前記酸は塩酸であり、前記糖化合物は、グルコース、フルクトース、スクロース、ラクトース、マルトース、トレハロース、ツラノース、セロビオース及びこれらの誘導体からなる群より選ばれる1以上である、請求項1に記載の層状シリコン炭素複合体の製造方法。 The silicon alloy is calcium disilicide (CaSi 2 ), the acid is hydrochloric acid, and the sugar compound is selected from the group consisting of glucose, fructose, sucrose, lactose, maltose, trehalose, tulanose, cellobiose, and derivatives thereof. The method for producing a layered silicon carbon composite according to claim 1, wherein the number is one or more selected. 前記混合工程の後に、焼成工程を含む、請求項1又は2に記載の層状シリコン炭素複合体の製造方法。   The method for producing a layered silicon carbon composite according to claim 1, comprising a firing step after the mixing step. 粉末X線回折パターンで層状シリコンに由来する回折ピークと炭素に由来するブロードなピークが観察され、赤外吸収スペクトルで−C=C−伸縮に由来する吸収帯が観測される、層状シリコン炭素複合体。   A layered silicon-carbon composite in which a diffraction peak derived from layered silicon and a broad peak derived from carbon are observed in a powder X-ray diffraction pattern, and an absorption band derived from -C = C-stretching is observed in an infrared absorption spectrum body. 前記層状シリコンとして層状ポリシラン又は層状シロキセンを備え、前記炭素として非晶質炭素を備え、前記層状シリコンの表面が前記炭素で被覆された、請求項4に記載の層状シリコン炭素複合体。   The layered silicon-carbon composite according to claim 4, wherein the layered silicon includes layered polysilane or layered siloxane, the carbon includes amorphous carbon, and the surface of the layered silicon is covered with the carbon. 前記層状シリコン炭素複合体は、層状シリコン炭素複合体に対する炭素の比率である炭素/層状シリコン炭素複合体重量比が0.1以上0.9以下である、請求項4又は5に記載の層状シリコン炭素複合体。   The layered silicon carbon composite according to claim 4 or 5, wherein the layered silicon carbon composite has a carbon / layered silicon carbon composite weight ratio of 0.1 to 0.9, which is a ratio of carbon to the layered silicon carbon composite. Carbon composite. 前記層状シリコン炭素複合体に含まれる炭素は、BET法で算出した比表面積が1m2/g以上100m2/g以下である、請求項4〜6のいずれか1項に記載の層状シリコン炭素複合体。 The layered silicon carbon composite according to any one of claims 4 to 6, wherein the carbon contained in the layered silicon carbon composite has a specific surface area calculated by the BET method of 1 m 2 / g or more and 100 m 2 / g or less. body. 請求項4〜7のいずれか1項に記載の層状シリコン炭素複合体を用いた、電極。   An electrode using the layered silicon carbon composite according to any one of claims 4 to 7. 正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に介在するイオン伝導媒体とを備え、前記正極及び前記負極の少なくとも一方として請求項8に記載の電極を備えた、蓄電デバイス。   An electricity storage device comprising: a positive electrode; a negative electrode; and an ion conductive medium interposed between the positive electrode and the negative electrode, wherein the electrode according to claim 8 is provided as at least one of the positive electrode and the negative electrode.
JP2014232044A 2014-11-14 2014-11-14 Method for producing laminar silicon-carbon composite, laminar silicon-carbon composite, electrode, and electricity storage device Pending JP2016094316A (en)

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