JP2017220451A - シリコン−炭素複合材料およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来のシリコンと炭素材料とを含む複合材料に比べてシリコン粒子と炭素材料とがナノスケールで高度に複合されて電気的接続がより安定化され、かつ、シリコン粒子の破壊がより抑制された、シリコンと炭素材料とを含む複合材料を提供する。【解決手段】本開示のシリコン−炭素複合材料は、層状構造を有する炭素材料と、当該炭素材料の層間に担持されたシリコン粒子とを含み、窒素ガス吸着によるBET法により求めた比表面積が200m2/g以上である。シリコン−炭素複合材料の比表面積は、500m2/g未満であってもよい。シリコン−炭素複合材料は、無定形炭素をさらに含んでいてもよい。【選択図】図2A
Description
本開示は、シリコン−炭素複合材料およびその製造方法に関する。
リチウムイオン電池を高容量化する負極材料として、シリコンと炭素材料とを含む複合材料が検討されている。シリコンは、理論電気化学容量が4200mAh/g(Li22Si5)であり、この理論電気化学容量は、現在広く用いられている黒鉛の理論電気化学容量である372mAh/g(LiC6)の10倍以上である。一方、シリコンは、リチウムを吸蔵し、Li22Si5を形成した場合の体積変化率が420%と非常に高いため、電極材料内におけるシリコン粒子とシリコン粒子との間およびシリコン粒子と炭素との間で電気的接続の不良化が生じやすい。また、シリコン粒子内におけるリチウムイオンの拡散が遅いため、シリコン粒子内においてリチウムイオンの濃度分布が不均一となり、シリコン粒子が破壊されてしまうことがある。
電気的接続の不良化に対しては、ポリマーとシリコン粒子とを混合し、当該ポリマーを炭化することによってシリコン粒子を炭素材料でコーティングする、または、機械的混合によってシリコン粒子を炭素材料で被覆することが検討されている。このような構造によれば、シリコン粒子が膨張した場合でも電気的接続が切断されにくくなる。
シリコン粒子の破壊に対しては、シリコン粒子の粒径をナノ(nm)化することが検討されている。これによれば、シリコン粒子内におけるリチウムイオンの濃度分布が不均一となることを軽減することができる。例えば、特許文献1には、リチウムイオン電池の負極材料として用いられる、炭素基体上にナノシリコンが分散したナノシリコン炭素複合材料が開示されている。
しかしながら、ナノシリコンと炭素材料とを混合した場合、シリコン粒子間での凝集が生じやすい。また、シリコン粒子間での凝集によって部分的に凝集したナノシリコンと、炭素材料との不均一な複合材料が形成されることがある。そのため、シリコン粒子および炭素材料を含む複合材料について、電気的接続のさらなる安定化、および、シリコン粒子の破壊抑制を求める場合、シリコン粒子と炭素材料とをナノスケールで高度に複合するという点において、さらなる改善の余地があった。
そこで本開示は、従来のシリコンと炭素材料とを含む複合材料に比べてシリコン粒子と炭素材料とがナノスケールで高度に複合されて電気的接続がより安定化され、かつ、シリコン粒子の破壊がより抑制された、シリコンと炭素材料とを含む複合材料を提供することを目的とする。
すなわち本開示は、
層状構造を有する炭素材料と、
前記炭素材料の層間に担持されたシリコン粒子と、
を含み、
窒素ガス吸着によるBET(Brunauer-Emmett-Teller)法により求めた比表面積が、200m2/g以上である、シリコン−炭素複合材料を提供する。
層状構造を有する炭素材料と、
前記炭素材料の層間に担持されたシリコン粒子と、
を含み、
窒素ガス吸着によるBET(Brunauer-Emmett-Teller)法により求めた比表面積が、200m2/g以上である、シリコン−炭素複合材料を提供する。
本開示によれば、従来のシリコンと炭素材料とを含む複合材料に比べてシリコン粒子と炭素材料とがナノスケールで高度に複合されて電気的接続がより安定化され、かつ、シリコン粒子の破壊がより抑制された、シリコンと炭素材料とを含む複合材料を提供できる。
(本開示の基礎となった知見)
本発明者の検討の結果、特許文献1に記載された製造方法では、シリコン粒子と炭素材料とがナノスケールで高度に混ざり合った複合材料を合成することができないことが判明した。また、黒鉛などの炭素材料と、ナノシリコンとをボールミルなどで機械的に混合した場合、ナノオーダーのシリコン粒子(ナノシリコン)と炭素材料とがナノスケールで複合化された高分散複合体は得られず、シリコン粒子の粒径はミクロン(μm)オーダーとなる。これは、シリコン粒子の大きさがナノオーダーである場合、シリコン粒子間での凝集が生じやすくなり、凝集したシリコン粒子を解砕することが困難であるためである。さらに、ナノシリコンと熱分解性樹脂とを混合し、非酸化性雰囲気下での熱処理によって、当該熱分解性樹脂を炭化した場合にも、シリコン粒子間での凝集が生じやすくなる。凝集したナノシリコンを解砕し、熱分解性樹脂と均一に混合することは困難であるため、結果として、部分的に凝集したナノシリコンと、炭素との不均一な複合材料となってしまう。以上のとおり、従来の方法では、シリコン粒子と炭素材料とがナノスケールで高度に複合されて電気的接続が十分に安定化され、かつ、シリコン粒子の破壊が十分に抑制されたシリコン−炭素複合材料を得ることができない。
本発明者の検討の結果、特許文献1に記載された製造方法では、シリコン粒子と炭素材料とがナノスケールで高度に混ざり合った複合材料を合成することができないことが判明した。また、黒鉛などの炭素材料と、ナノシリコンとをボールミルなどで機械的に混合した場合、ナノオーダーのシリコン粒子(ナノシリコン)と炭素材料とがナノスケールで複合化された高分散複合体は得られず、シリコン粒子の粒径はミクロン(μm)オーダーとなる。これは、シリコン粒子の大きさがナノオーダーである場合、シリコン粒子間での凝集が生じやすくなり、凝集したシリコン粒子を解砕することが困難であるためである。さらに、ナノシリコンと熱分解性樹脂とを混合し、非酸化性雰囲気下での熱処理によって、当該熱分解性樹脂を炭化した場合にも、シリコン粒子間での凝集が生じやすくなる。凝集したナノシリコンを解砕し、熱分解性樹脂と均一に混合することは困難であるため、結果として、部分的に凝集したナノシリコンと、炭素との不均一な複合材料となってしまう。以上のとおり、従来の方法では、シリコン粒子と炭素材料とがナノスケールで高度に複合されて電気的接続が十分に安定化され、かつ、シリコン粒子の破壊が十分に抑制されたシリコン−炭素複合材料を得ることができない。
本開示の第1態様は、
層状構造を有する炭素材料と、
前記炭素材料の層間に担持されたシリコン粒子と、
を含み、
窒素ガス吸着によるBET法により求めた比表面積が、200m2/g以上である、シリコン−炭素複合材料を提供する。
層状構造を有する炭素材料と、
前記炭素材料の層間に担持されたシリコン粒子と、
を含み、
窒素ガス吸着によるBET法により求めた比表面積が、200m2/g以上である、シリコン−炭素複合材料を提供する。
第1態様によれば、従来のシリコンと炭素材料とを含む複合材料に比べてシリコン粒子と炭素材料とがナノスケールで高度に複合されて電気的接続がより安定化され、かつ、シリコン粒子の破壊がより抑制された複合材料を提供することができる。また、第1態様にかかる複合材料の構造は、例えばリチウムイオンの吸蔵によるシリコン粒子の体積変化に対しても、電気的接続の不良を起こしにくく、さらに、シリコン粒子が破壊されにくい構造である。
本開示の第2態様において、例えば、第1態様にかかる複合材料の前記炭素材料の層間に、2つ以上の前記シリコン粒子が、担持されていてもよい。
本開示の第3態様において、例えば、第1態様または第2態様にかかる複合材料の前記比表面積が、500m2/g未満であってもよい。第3態様にかかる複合材料において、例えば電解液と直接接触するシリコン粒子の数が少なく、リチウムイオン電池の容量が低下する原因となる固体電解質界面相(SEI:Solid Electrolyte Interphase)の生成が抑制される。また、第3態様にかかる複合材料において、層状構造を有する炭素材料は、酸化グラフェンとして剥離している部分が少ない。すなわち、酸化グラフェンに由来する、水酸基、エポキシ基、カルボキシル基などの酸素含有基が少ないため、例えばリチウムイオン電池における不可逆容量の増加を抑えることができる。
本開示の第4態様において、例えば、第1〜第3態様のいずれか1つに記載の複合材料は、無定形炭素をさらに含んでもよい。第4態様によれば、複合材料の導電性を高めることができる。すなわち、当該複合材料を含む電極材料内におけるシリコン粒子とシリコン粒子との間およびシリコン粒子と炭素との間の電気的接続がより安定化する。
本開示の第5態様は、第1〜第4態様のいずれか1つに記載の複合材料を含む負極と、正極と、を備える、リチウムイオン電池を提供する。第5態様によれば、リチウムイオンの吸蔵によるシリコン粒子の体積変化に対して、電気的接続が安定化された負極を有する、リチウムイオン電池を提供することができる。
本開示の第6態様は、
酸化黒鉛と、アルキルアミンまたは陽イオン界面活性剤とを混合することにより、層状構造を有する酸化黒鉛を作製し、
前記層状構造を有する酸化黒鉛、および有機ケイ素化合物から、層状構造を有する炭素材料とシロキサンとの複合体を作製し、
マグネシウム蒸気を含む非酸化性雰囲気下での熱処理によって、前記シロキサンをシリコンに還元し、
シリコンおよび炭素以外の成分材料を除去する、
シリコン−炭素複合材料の製造方法であって、
前記アルキルアミンまたは前記陽イオン界面活性剤は、炭素数が12〜18のアルキル基を有する、シリコン−炭素複合材料の製造方法を提供する。
酸化黒鉛と、アルキルアミンまたは陽イオン界面活性剤とを混合することにより、層状構造を有する酸化黒鉛を作製し、
前記層状構造を有する酸化黒鉛、および有機ケイ素化合物から、層状構造を有する炭素材料とシロキサンとの複合体を作製し、
マグネシウム蒸気を含む非酸化性雰囲気下での熱処理によって、前記シロキサンをシリコンに還元し、
シリコンおよび炭素以外の成分材料を除去する、
シリコン−炭素複合材料の製造方法であって、
前記アルキルアミンまたは前記陽イオン界面活性剤は、炭素数が12〜18のアルキル基を有する、シリコン−炭素複合材料の製造方法を提供する。
第6態様によれば、シリコン粒子と炭素材料とをナノスケールで高度に複合することができ、これによりシリコン粒子が炭素材料の層間に担持された複合材料を得ることができる。また、充放電に寄与しないシリコン粒子表面における酸化層の体積比率がシリコン粒子全体に対して小さい複合材料を得ることができる。
本開示の第7態様では、例えば、第6態様にかかる製造方法において、前記有機ケイ素化合物が、アルキル基を含まないアルコキシシランであってもよい。第6態様によれば、例えば、Si−CH3結合を含まない複合材料を得ることができる。
本開示の第8態様では、例えば、第6態様または第7態様にかかる製造方法において、シリコンおよび炭素以外の成分材料の除去が、酸またはアンモニウム塩の水溶液を用いた前記複合体の洗浄によって実施されてもよい。第8態様によれば、シリコンと炭素以外の成分材料を効率よく除去することができる。
本開示の第9態様では、例えば、第6態様または第7態様にかかる製造方法において、シリコンおよび炭素以外の成分材料の除去が、非酸化性雰囲気下での前記複合材料の熱処理によって実施されてもよい。第9態様によれば、Mg2Siを分解することができる。
以下、本開示の実施形態について説明する。なお、以下の説明は本開示の一例に関するものであり、本開示はこれらによって限定されるものではない。
本実施形態の複合材料は、層状構造を有する炭素材料と、当該炭素材料の層間に担持されたシリコン粒子とを含んでいる。
本実施形態の炭素材料は、層状構造を有するものであれば特に限定されない。炭素材料としては、例えば黒鉛を用いることができる。
炭素材料の層間にはシリコン粒子が担持されており、窒素ガス吸着によるBET法により求めた比表面積が、200m2/g以上である。この程度に大きい比表面積を有する複合材料は、シリコン粒子と炭素材料とがナノスケールで高度に複合された構造を有している。本実施形態の複合材料は、ナノシリコンが層状構造を有する炭素材料の層間に担持されているため、炭素材料の層間距離が大きい。これに対して、複合材料の比表面積が200m2/g未満である場合、シリコン粒子は、層状構造を有する炭素材料の端部および表面部に担持されており、層状構造を有する炭素材料の層間に十分に担持されておらず、前者の層間距離に対してより小さい値となる。なお、炭素材料の層間距離が大きければ大きいほど、窒素ガスの吸着量が増加し、比表面積が大きい値となる傾向がある。
本実施形態の複合材料は、シリコン粒子が層状構造を有する炭素材料の層間に担持された構造を有しており、両者が高度に複合化しているので、例えばリチウムイオン電池の負極材料として用いられた際のリチウムイオンの吸蔵によるシリコン粒子の体積変化に対しても、電気的接続の不良が起こりにくい。また、シリコン粒子がナノオーダーの粒径を有しており、シリコン粒子内においてリチウムイオンの濃度が不均一となりにくいため、シリコン粒子の破壊が抑制される。なお、「背景技術」の欄において記載したとおり、リチウムイオン電池の負極材料としてシリコンを用いる場合においては、シリコン粒子がナノ化していること、および、ナノスケールでシリコン粒子と炭素材料とが高度に複合されていることが重要であり、本実施形態の複合材料はこれらの構成を満たしている。
複合材料の比表面積の上限は特に限定されないが、例えば、500m2/g未満である。複合材料の比表面積が500m2/g未満である場合、例えば電解液と直接接触するシリコン粒子の数が少なく、SEIの生成を抑制することができる。そのため、リチウムイオン電池における容量の低下が抑制される。また、層状構造を有する炭素材料において、酸化グラフェンとして剥離している部分が少ない。すなわち、酸化グラフェンに由来する、水酸基、エポキシ基、カルボキシル基などの酸素含有基が少ないため、例えばリチウムイオン電池における不可逆容量の増加を抑えることができる。
本実施形態のシリコン粒子の粒径は、特に限定されない。炭素材料の層間には、例えば、ナノオーダーの粒径を有するシリコン粒子が担持されている。例えば、炭素材料の層間には、一次粒径が3nm以上であり、二次粒径が50nm以下のシリコン粒子が担持されている。当該シリコン粒子の一次粒径は、例えば20nm未満である。ここで、シリコン粒子の一次粒径とは、シリコンの一次粒子における粒径のことを示している。シリコン粒子の二次粒径とは、シリコンの一次粒子が凝集することで形成された二次粒子における粒径のことを示している。炭素材料の層間に担持されたシリコン粒子の一次粒径の平均値が3nm以上であってもよい。シリコン粒子の二次粒径の平均値が50nm以下であってもよい。さらに、シリコン粒子の一次粒径の平均値が20nm未満であってもよい。なお、本開示においてシリコン粒子の一次粒径および二次粒径の平均値とは、透過電子顕微鏡(TEM)画像を用いて、複合材料に含まれた任意の100個のシリコン粒子の一次粒径および二次粒径を測定し、得られた測定値を用いて算出された平均値である。また、一次粒径および二次粒径は、得られた画像におけるシリコン粒子の面積に等しい面積を有する円の直径として算出することができる。
本実施形態のシリコン粒子が上記の粒径を有することによって、例えばシリコン粒子内におけるリチウムイオンの濃度分布が不均一となりにくい。すなわち、シリコン粒子の内部にリチウムイオンが拡散する際に、シリコン粒子の表面と内部との間でリチウムイオンの濃度差が大きくなりにくい。そのため、シリコン粒子が割れにくい。これにより、リチウムイオン電池の容量劣化を抑制することができる。
また、本実施形態の複合材料は、無定形炭素をさらに含んでいてもよい。例えば、無定形炭素であるカーボンブラックをシリコン−炭素複合材料と混合する方法、または、熱分解によって無定形炭素化する樹脂をシリコン−炭素複合材料と混合した後、熱分解させる方法によって無定形炭素を付加することができる。後者の場合、樹脂は特に限定されないが、例えば、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)、ポリビニルクロライド(PVC)などを使用してもよい。無定形炭素は導電助剤としての役割を果たすため、当該複合材料が無定形炭素をさらに含むことで、電極材料内におけるシリコン粒子とシリコン粒子との間およびシリコン粒子と層状構造を有する炭素材料との間の電気的接続がより安定化される。
次に、本実施形態の複合材料の製造方法の一例について説明する。本実施形態の複合材料の製造方法は、酸化黒鉛と、アルキルアミンまたは陽イオン界面活性剤とを混合することにより、層状構造を有する酸化黒鉛の層間距離を拡大する工程(s)と、層状構造を有する酸化黒鉛、および有機ケイ素化合物から、層状構造を有する炭素材料とシロキサンとの複合体を作製する工程(a)と、得られた複合体に対してマグネシウム蒸気を含む非酸化性雰囲気下での熱処理を施して、シロキサンをシリコンに還元する工程(b)と、シリコンおよび炭素以外の成分材料を除去する工程(c)とを含む。また、工程(s)で用いられるアルキルアミンまたは陽イオン界面活性剤は、炭素数が12〜18のアルキル基を有する。さらに、工程(a)〜(c)および(s)は、図6のフローチャートに示す順序で実施されることが望ましい。上記の製造方法で複合材料を製造することによって、シリコン粒子と炭素材料とをナノスケールで高度に複合することができる。また、この製造方法では、シリコン粒子は、シロキサンをナノシリコンに還元することによって作製されているため、粒子表面における酸化層が極めて少ないシリコン粒子となる。
本実施形態の製造方法において、酸化黒鉛は黒鉛を原料としている。当該黒鉛としては、天然黒鉛または合成黒鉛のどちらも使用することができる。これらの黒鉛を酸化することによって酸化黒鉛を得ることができる。黒鉛を酸化する方法としては、例えば、Hummers法、Brodie法、Staudenmaier法などの公知の化学的または電気化学的な方法が挙げられる。酸化黒鉛の層間または端部には、水酸基、エポキシ基、カルボキシル基などの酸素含有基が形成されている。後述するとおり、酸化黒鉛が水酸基を有することで、シロキサンが酸化黒鉛の層間に固定化された複合体を作製することができる。
得られた酸化黒鉛に有機ケイ素化合物を加える前に、アルキルアミンまたは陽イオン界面活性剤を加える。アルキルアミンまたは陽イオン界面活性剤は、炭素数が12〜18のアルキル基を有している。この程度に長いアルキル基を有するアルキルアミンまたは陽イオン界面活性剤は、酸化黒鉛の層間に侵入して層間距離を拡大することによって、有機ケイ素化合物が当該層間に侵入することを容易にする。
アルキルアミンまたは陽イオン界面活性剤は、炭素数が12〜18のアルキル基を有している限りにおいて特に限定されない。例えば、ドデシル基(C12)、テトラデシル基(C14)、ヘキサデシル基(C16)またはオクタデシル基(C18)を有したアミンまたは陽イオン界面活性剤が挙げられる。上記のアルキルアミンとしては、例えば、ドデシルアミン、テトラデシルアミン、ヘキサデシルアミン、オクタデシルアミンなどが挙げられる。上記の陽イオン界面活性剤としては、例えば、ドデシルトリメチルアンモニウムブロミド、テトラデシルトリメチルアンモニウムブロミド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド、オクタデシルトリメチルアンモニウムブロミド、ドデシルトリメチルアンモニウムクロリド、テトラデシルトリメチルアンモニウムクロリド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリド、オクタデシルトリメチルアンモニウムクロリドなどが挙げられる。用いるアルキルアミンまたは陽イオン界面活性剤のアルキル基の炭素数に応じて、得られる複合材料のBET比表面積が増減する。
アルキルアミンを用いる場合には、ヘキサンなどの有機溶媒にアミンを溶解させて調整した溶液に酸化黒鉛粉末を浸漬することにより、アミンが層間に進入した酸化黒鉛を得ることができる。また、陽イオン界面活性剤を用いる場合には、陽イオン界面活性剤の水溶液を酸化黒鉛と混合した後に、濾過、乾燥することによって陽イオン界面活性剤が層間に挿入された酸化黒鉛が得られる。また、界面活性剤の水溶液と酸化黒鉛とを混合する前に、あらかじめ酸化黒鉛と水酸化ナトリウム水溶液とを混合し、超音波分散させてもよい。酸化黒鉛と水酸化ナトリウム水溶液とを混合することにより、酸化黒鉛の分散性が向上する。
次に、有機ケイ素化合物が酸化黒鉛に加えられる。本実施形態の製造方法において用いられる有機ケイ素化合物は、特に限定されない。有機ケイ素化合物において代表的なものとしては、例えば、アルコキシシラン、クロロシランなどの加水分解性の官能基を有するケイ素化合物が挙げられる。アルコキシシランとしては、メトキシ基(−OCH3)を有するメトキシシラン、エトキシ基(−OCH2CH3)を有するエトキシシランが一般的によく用いられる。
また、有機ケイ素化合物は、アルキル基を含まないアルコキシシランであることが望ましい。アルキル基を含まないアルコキシシラン(ケイ素原子に直接結合したアルキル基を含まないアルコキシシラン)としては、例えば、テトラメチルオルソシリケート(Si(OCH3)4)、テトラエチルオルソシリケート(Si(OC2H5)4)、テトラプロピルオルソシリケート(Si(OC3H7)4)、テトラブチルオルソシリケート(Si(OC4H9)4)などが挙げられる。メチルトリエトキシシラン(CH3Si(OC2H5)3)、3−アミノプロピルメチルジエトキシシラン(H2N(CH2)3Si(CH3)(OC2H5)2)などのアルキル基を有するアルコキシシランを用いた場合には、Si−C結合が約700℃未満の温度では切断されないため、後述するMg蒸気による還元反応時にSi−C結合が切断されずに残り、シリコンが得られないことがある。
本実施形態では、酸化黒鉛に有機ケイ素化合物を加え、有機ケイ素化合物の官能基を加水分解した後に脱水縮合させることによって、層状構造を有する炭素材料とシロキサンとの複合体を作製することができる。有機ケイ素化合物の官能基を加水分解することによって水酸基(−OH)が生じ、続いて、当該水酸基間で脱水縮合させることによって、シロキサン結合(Si−O−Si)を有するシロキサンが形成される。シロキサンが形成される際に、酸化黒鉛が有している水酸基と一部のケイ素化合物の水酸基とが脱水縮合し、酸化黒鉛の炭素とシロキサンとの結合(C−O−Si)が形成されることで、生成したシロキサンは酸化黒鉛と結合し、酸化黒鉛の層間で固定化される。
有機ケイ素化合物を加水分解し、脱水縮合する条件は特に限定されない。例えば、層間が拡大された酸化黒鉛、有機ケイ素化合物、有機溶媒および水を混合し、室温〜80℃の温度で撹拌を行うことで有機ケイ素化合物が加水分解される。なお、当該有機溶媒としては、例えば、トルエンなどを用いることができる。その後、遠心分離、ろ過などの方法によって酸化黒鉛から未反応のケイ素化合物と有機溶媒とを除去し、酸化黒鉛を乾燥することによってケイ素化合物が脱水縮合され、シロキサンが得られる。
また、層状構造を有する炭素材料とシロキサンとの複合体については、還元反応を実施する前に熱処理を行ってもよい。熱処理を行うことで、酸化黒鉛が有している酸素含有基の還元反応および未反応の水酸基間の脱水縮合反応が進行する。熱処理の条件は、特に限定されないが、例えば真空雰囲気下、500℃で処理する条件が挙げられる。また、当該熱処理は、還元反応の際に同時に実施してもよい。
本実施形態において、シロキサンはマグネシウム蒸気の存在下で熱処理することによってシリコンに還元される。本実施形態においては、酸化黒鉛の層間に固定化されたシロキサンがシリコンに還元されることによってシリコン粒子の拡散による粒成長が抑制されるため、シリコン粒子が粗大化しにくい。
マグネシウムは、融点(650℃)において非常に高い蒸気圧(372Pa)を有している。このマグネシウム蒸気の存在下において、上述の炭素材料とシロキサンとの複合体を熱処理することで下記の化学反応が進行し、シロキサンがシリコンに還元される。
2Mg+SiO2→2MgO+Si
2Mg+SiO2→2MgO+Si
熱処理の条件は、特に限定されないが、温度が高く、マグネシウム蒸気の蒸気圧が高いほど還元反応の反応効率が優れる。一方、マグネシウムの融点を大きく上回る温度で熱処理を実施した場合、溶融したマグネシウムが凝集を起こすため、蒸発が起こるマグネシウムの表面積が減少してしまう。したがって、熱処理は、マグネシウムの融点付近の温度で実施することが効果的である。
本実施形態で用いるマグネシウムの形態は、マグネシウム蒸気を生じるものであれば特に限定されず、例えば、粉末、粒状、リボン、ロッドまたはペレット状のマグネシウムを用いることができる。当該マグネシウムは、黒鉛またはステンレスの容器内で上記の複合体と混合し、熱処理に供すればよい。
また、本実施形態において、上記の熱処理は非酸化性雰囲気下で行う。本開示において、非酸化性雰囲気下としては、例えば、真空下または窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気下が挙げられる。酸化性雰囲気の場合、発生したマグネシウム蒸気が酸化され、酸化マグネシウム(MgO)または二酸化マグネシウム(MgO2)となり、シロキサンが十分に還元されない。
上述したとおり、マグネシウム蒸気で還元されたシリコンと炭素材料とを含む複合材料には、シリコンと炭素材料とのほかにMgOが含有されている。また、シロキサンの当量に対しマグネシウムの当量が過剰であった場合には、未反応のMgが含有されるだけでなく、下記反応式のとおりケイ化マグネシウム(Mg2Si)がさらに生成することがある。
4Mg+SiO2→Mg2Si+2MgO
4Mg+SiO2→Mg2Si+2MgO
また、シロキサンの当量に対しマグネシウムの当量が少ない場合には、下記反応式のとおり、MgO2がさらに生成することがある。
Mg+SiO2→MgO2+Si
Mg+SiO2→MgO2+Si
上述のとおり、マグネシウム蒸気を利用した還元反応では、シリコンおよび炭素以外の成分材料として、MgO、MgO2、Mg2Siまたは未反応のMgが生成する。本実施形態においては、これらシリコンおよび炭素以外の成分材料を除去することが望ましい。なお、本開示においてシリコンおよび炭素以外の成分材料を除去するとは、シリコンおよび炭素以外の成分材料を除去する処理を施すということを意味しており、シリコンおよび炭素以外の成分材料の全てを完全に除去することまでを意味するものではない。すなわち、最終的に得られた複合材料は、シリコンおよび炭素以外の成分材料を含んでいてもよい。
本実施形態において、シリコンおよび炭素以外の成分材料の除去は、酸またはアンモニウム塩の水溶液を用いた洗浄によって行うことができる。
上記の酸またはアンモニウム塩の水溶液としては特に限定されない。酸の水溶液としては、例えば、希塩酸などを使用してもよい。アンモニウム塩の水溶液としては、例えば、塩化アンモニウム水溶液などを使用してもよい。
シリコンと炭素材料とを含む複合材料にMg2Siが含まれる場合には、希塩酸を用いて複合材料を洗浄した際にMg2Siと希塩酸とが反応し、モノシラン(SiH4)が発生することがある。モノシランは、空気中の酸素と激しく反応し、二酸化ケイ素(SiO2)を生成する。したがって、複合材料にMg2Siが含まれる場合には、非酸化性雰囲気下での熱処理によりMg2Siをあらかじめ分解することが有効である。熱処理の条件については特に限定されないが、例えば、真空雰囲気下で650℃の熱処理を実施してもよい。Mg2Siは熱処理によって分解し、Mgが蒸発するとともに、Siが結晶化する。
本実施形態の複合材料の製造方法においては、無定形炭素を付加する処理をさらにおこなってもよい。当該複合材料に無定形炭素が付加されることで、無定形炭素は導電助剤としての役割を果たすため、複合材料内におけるシリコン粒子とシリコン粒子との間および、シリコン粒子と層状構造を有する炭素材料との間の電気的接続がより安定化される。無定形炭素を付加する方法は特に限定されない。例えば、当該複合材料とカーボンブラックとを機械的に混合する方法、または、当該複合材料と樹脂とを混合し、熱分解によって当該樹脂を無定形炭素化する方法が挙げられる。上記の樹脂は特に限定されないが、例えば、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)、ポリビニルクロライド(PVC)、フルフリルアルコール(FFA)などを使用してもよい。
本実施形態のリチウムイオン電池は、上記に説明したシリコン−炭素複合材料を含む負極、および正極を備えている。図4に示すように、リチウムイオン電池100は、極板群4および外装5を備えている。極板群4は、外装5に収容されている。極板群4は、正極10、負極20およびセパレーター30を有する。正極10と負極20とは、セパレーター30を介して対向している。正極10は、正極合剤層1aおよび正極集電体1bを備えている。正極合剤層1aは、正極集電体1bとセパレーター30との間に形成されている。負極20は、負極合剤層2aおよび負極集電体2bを備えている。負極合剤層2aは、負極集電体2bとセパレーター30との間に形成されている。極板群4には、リチウムイオン塩を含む電解液(図示せず)が含浸されている。
図5に示すように、正極10の正極集電体1bには正極タブリード1cが接続されている。負極20の負極集電体2bには負極タブリード2cが接続されている。正極タブリード1cおよび負極タブリード2cは、それぞれ、外装5の外側まで延びている。正極タブリード1cと外装5との間には絶縁タブフィルム6が配置されている。負極タブリード2cと外装5との間にも絶縁タブフィルム6が配置されている。
正極合剤層1aは、リチウムイオンを吸蔵および放出できる正極活物質を含む。正極活物質の例としては、コバルト酸リチウム、またはリチウム複合金属酸化物が挙げられる。正極合剤層1aは、必要に応じて、導電助剤、イオン伝導体およびバインダを含んでいてもよい。正極活物質、導電助剤、イオン伝導体およびバインダには、それぞれ、公知の材料を使用することができる。
正極集電体1bは、金属材料から作製されたシートまたはフィルムであってもよい。正極集電体1bは、多孔質または無孔であってもよい。
負極合剤層2aは、上記に説明したシリコン−炭素複合材料を含有する。すなわち、負極合剤層2aにおいて、負極活物質はシリコン粒子を含有する。負極合剤層2aは、必要に応じて、導電助剤、イオン伝導体およびバインダを含んでいてもよい。導電助剤、イオン伝導体およびバインダには、それぞれ、公知の材料を使用することができる。
負極集電体2bは、金属材料から作製されたシートまたはフィルムであってもよい。負極集電体2bは、多孔質または無孔であってもよい。
セパレーター30は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ガラス、セルロースまたはセラミックスなどから作製された多孔質膜であってもよい。セパレーター30の細孔の内部には電解液が含浸されている。
電解液は、例えば、非水溶媒と、非水溶媒に溶けたリチウム塩とを含む。非水溶媒の例としては、環状炭酸エステル溶媒、鎖状炭酸エステル溶媒、環状エーテル溶媒、鎖状エーテル溶媒、環状エステル溶媒、鎖状エステル溶媒、フッ素溶媒などが挙げられる。リチウム塩の例としては、LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiAsF6、LiSO3CF3、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiN(SO2CF3)(SO2C4F9)、LiC(SO2CF3)3などが挙げられる。
リチウムイオン電池の形状は、図4および図5に示したシート型に限定されない。リチウムイオン電池の形状は、例えばコイン型、ボタン型、積層型、円筒型、偏平型、角型などであってもよい。
本実施形態のリチウムイオン電池の負極が、上記に説明したシリコン−炭素複合材料を含んでいることで、リチウムイオン電池は、リチウムイオンの吸蔵によるシリコン粒子の体積変化に対して電気的接続が安定化される。また、当該リチウムイオン電池は、大容量かつ高耐久性を兼ね備えている。
すなわち、本実施形態のリチウムイオン電池は、負極活物質がシリコン粒子を含むことにより、大容量化されている。加えて、負極活物質がリチウムイオンを吸蔵してシリコン粒子の体積が変化した場合であっても、負極活物質内において良好な電気的接続が維持される。そのため、本実施形態のリチウムイオン電池は、高い耐久性を有する。
本実施形態のリチウムイオン電池を製造する方法は、特に限定されるものではなく、公知の方法をそのまま流用することができる。なお、本実施形態のシリコン−炭素複合材料を含む負極と、正極(例えば、活性炭など)と、を備えるイオンキャパシタが構成されてもよい。すなわち、本実施形態のシリコン−炭素複合材料を含む負極と、正極と、を備える電気化学デバイス(リチウムイオン電池、イオンキャパシタ、など)が構成されてもよい。
本開示を実施例に基づき、具体的に説明する。ただし、本開示は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
(実施例1A)
平均粒径が45μmの鱗片状天然黒鉛に発煙硝酸および塩素酸カリウムを加え、60℃で3時間かけて黒鉛を酸化させた後に、水洗、濾過、乾燥することにより、酸化黒鉛(GO:Graphite Oxide)を得た(Brodie法)。
平均粒径が45μmの鱗片状天然黒鉛に発煙硝酸および塩素酸カリウムを加え、60℃で3時間かけて黒鉛を酸化させた後に、水洗、濾過、乾燥することにより、酸化黒鉛(GO:Graphite Oxide)を得た(Brodie法)。
次に、当該酸化黒鉛1200mgと、0.05NのNaOH水溶液240mlとを混合し、15分間超音波分散することにより酸化黒鉛が分散した水溶液(酸化黒鉛分散水溶液)を作製した。また、一方では、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド(C16TAB)4800mgと水1200mlとを混合、撹拌し、C16TABの水溶液を作製した。
次に、作製した酸化黒鉛分散水溶液とC16TAB水溶液とを混合、撹拌した後に、水洗、濾過、乾燥することにより、C16TABが層間に挿入(インターカレート)された酸化黒鉛粉末(C16TAB/GO)が得られた。
上記のC16TAB/GO粉末4.4gをガラス製密閉容器に入れ、水2.3ml、トルエン700mlを加えて室温にて1時間撹拌した後、テトラエチルオルソシリケート(Si(OC2H5)4)を22.2ml添加し、80℃で100時間撹拌した。その後、遠心分離機を用いて、トルエンおよびアセトンで内容物を洗浄し、乾燥させることによって層状構造を有する炭素材料とシロキサンとの複合体を得た。
次に、上記の複合体1500mgを秤量し、ステンレス製ボートに加え、500℃で1時間真空加熱を行なうことで試料1を得た。試料1の重量は1000mgであった。
その後、真空排気ラインおよびストップバルブを有する金属製の密閉容器内に100mgの試料1とマグネシウム粉(粒径:180μm以下)79mgを混合、封入し、容器内部を真空排気した。次に、当該容器を650℃で6時間、容器外部に窒素ガスを流しながら加熱処理することで試料2を得た。次に、試料2に1Mの塩酸を80ml加え、12時間撹拌を行い、水洗濾過した後の残渣を乾燥させることでシリコン−炭素複合材料である試料3が得られた。
次に、試料3のシリコンと炭素との重量比を調べた。試料3を100mg秤量してこれをアルミナ製ボートに入れ、空気中、1000℃で6時間の熱処理を行い、試料中の炭素を酸化分解するとともに、試料中のシリコン(Si)を酸化シリコン(SiO2)に酸化させた。得られた酸化シリコンは105mgであった。この酸化シリコンの重量からSiO2のモル数を算出し、同じモル数のSiが熱処理前の試料3内に存在すると考えるとSiは49mgとなった。すなわち、試料3の炭素とシリコンとの重量比は51:49であった。
(実施例1B)
(実施例1A)と同じ方法で酸化黒鉛粉末(C16TAB/GO)を作製した。この粉末4.4gをガラス製密閉容器に入れ、水2.3ml、トルエン700mlを加えて室温にて1時間撹拌した後、テトラエチルオルソシリケート(Si(OC2H5)4)を44.0ml添加し、80℃で100時間撹拌した。その後、遠心分離機を用いて、トルエンおよびアセトンで内容物を洗浄し、乾燥させることによって層状構造を有する炭素材料とシロキサンとの複合体を得た。その後は(実施例1A)と同じ方法で、真空加熱を行い、次にマグネシウム粉を混合し加熱処理した後、塩酸処理を行って試料9を得た。また(実施例1A)と同様にして試料9のシリコンと炭素との重量比を調べた結果、炭素とシリコンとの重量比は51:49であった。
(実施例1A)と同じ方法で酸化黒鉛粉末(C16TAB/GO)を作製した。この粉末4.4gをガラス製密閉容器に入れ、水2.3ml、トルエン700mlを加えて室温にて1時間撹拌した後、テトラエチルオルソシリケート(Si(OC2H5)4)を44.0ml添加し、80℃で100時間撹拌した。その後、遠心分離機を用いて、トルエンおよびアセトンで内容物を洗浄し、乾燥させることによって層状構造を有する炭素材料とシロキサンとの複合体を得た。その後は(実施例1A)と同じ方法で、真空加熱を行い、次にマグネシウム粉を混合し加熱処理した後、塩酸処理を行って試料9を得た。また(実施例1A)と同様にして試料9のシリコンと炭素との重量比を調べた結果、炭素とシリコンとの重量比は51:49であった。
以下は、本出願人による出願(特願2015−125768号)に記載された条件に基づいて作製したシリコン−炭素複合材料の参考例である。
(参考例1)
実施例1Aと同様の方法で作製した酸化黒鉛を1200mg秤量し、スクリューキャップ付きバイアル瓶に移した。バイアル瓶にn−ブチルアミン24mlを加えた後、スクリューキャップを締め、60℃で3時間加熱処理を行った。室温に戻し、水を2.2ml、トルエンを150ml加えて室温にて1時間撹拌した後、テトラエチルオルソシリケート(Si(OC2H5)4)を22ml添加し、80℃で100時間撹拌した。その後、遠心分離機を用いて、トルエンおよびアセトンで内容物を洗浄し、乾燥させることによって層状構造を有する炭素材料とシロキサンとの複合体を得た。
実施例1Aと同様の方法で作製した酸化黒鉛を1200mg秤量し、スクリューキャップ付きバイアル瓶に移した。バイアル瓶にn−ブチルアミン24mlを加えた後、スクリューキャップを締め、60℃で3時間加熱処理を行った。室温に戻し、水を2.2ml、トルエンを150ml加えて室温にて1時間撹拌した後、テトラエチルオルソシリケート(Si(OC2H5)4)を22ml添加し、80℃で100時間撹拌した。その後、遠心分離機を用いて、トルエンおよびアセトンで内容物を洗浄し、乾燥させることによって層状構造を有する炭素材料とシロキサンとの複合体を得た。
次に、上記の複合体1500mgを秤量し、ステンレス製ボートに加え、500℃で1時間真空加熱を行なうことで試料4を得た。試料4の重量は1160mgであった。
その後、真空排気ラインおよびストップバルブを有する金属製の密閉容器内に試料4を100mgとマグネシウム粉(粒径:180μm以下)79mgを混合、封入し、容器内部を真空排気した。次に、当該容器を650℃で6時間、容器外部に窒素ガスを流しながら加熱処理することで試料5を得た。
次に、試料5に1Mの塩酸を80ml加え、12時間撹拌を行い、水洗濾過した後の残渣を乾燥させることでシリコン−炭素複合材料である試料6が得られた。
次に、実施例1Aと同様の方法により、試料6の炭素とシリコンとの重量比を調べたところ、55:45であった。
実施例1Aの試料3と、実施例1Bの試料9と、参考例1の試料6とについて、Cu−Kα線を用いたX線回折による分析を実施した。分析チャートを図1に示す。試料3、試料9、および試料6からは、シリコン(Si)および層状構造を有する炭素に由来するピークが観察された。また、層状構造を有する炭素のピーク位置(回折角度)は、試料3が2θ=24.66°であり、試料9が2θ=23.06°であり、試料6が2θ=25.75°であった。さらに、回折角度から層状構造を有する炭素材料の層間距離を算出した。試料3の層間距離はIc=0.361nmで、試料9の層間距離はIc=0.390nmであった。試料6の層間距離はIc=0.346nmであった。このことから、試料6に比べて、試料3と試料9の層間距離が大きいことがわかる。なお、試料3と試料9からは、わずかではあるが、SiCに由来するピークも観察された。このピークから、Mgによりシロキサンが還元されることによって生成したSiと、C16TABの熱分解により生成したC、または、酸化黒鉛のCとの反応が進行したことが推測される。
また、実施例1Aの試料3と、参考例1の試料6とについて、SEMによる形態観察を行った。図2Aは試料3のSEM画像であり、図2Bは試料6のSEM画像である。図2Aからは、試料3において、ナノシリコンが層状構造を形成する炭素シート(グラフェン)の間に挟まれた状態で高度に複合化していることがわかる。一方、図2Bからは、試料6において、炭素シート(グラフェン)の積層集合体の表面にシリコン粒子が付着していることがわかる。また、試料6において、炭素シート(グラフェン)間に挟まれて存在するシリコン粒子は、試料3と比べて少量である。
実施例1Aの試料3と、実施例1Bの試料9と、参考例1の試料6とについて、窒素吸着によるBET比表面積を測定した。その結果を表1に示す。実施例1Aの試料3と実施例1Bの試料9は、上述のようにナノシリコンと層状構造を有する炭素シートとが高度に複合化しているため、比表面積はそれぞれ344m2/g、466m2/gと大きい値となった。一方、参考例1の試料6は、炭素シート間に挟まれて存在するシリコン粒子が試料3と比べて少量であるため、比表面積は168m2/gと試料3に比べて小さい値となった。
(実施例2A)
次に、実施例1Aの試料3について、無定型炭素を付加する処理をおこなった。ポリビニルアルコール(PVA)0.8gに水100mlを加え、撹拌することによりPVA水溶液を作製した。次に、この水溶液内に試料3を0.5g投入し、真空脱泡後80℃で16時間乾燥した後、窒素ガス雰囲気下にて600℃で6時間加熱することによりPVAを炭化して無定型炭素とし、無定型炭素を含んだシリコン−炭素複合材料である試料7を得た。
次に、実施例1Aの試料3について、無定型炭素を付加する処理をおこなった。ポリビニルアルコール(PVA)0.8gに水100mlを加え、撹拌することによりPVA水溶液を作製した。次に、この水溶液内に試料3を0.5g投入し、真空脱泡後80℃で16時間乾燥した後、窒素ガス雰囲気下にて600℃で6時間加熱することによりPVAを炭化して無定型炭素とし、無定型炭素を含んだシリコン−炭素複合材料である試料7を得た。
(実施例2B)
試料3の代わりに試料9を用いたこと以外は、実施例2Aと同様の方法によって、試料9から、無定型炭素を含んだシリコン−炭素複合材料である試料10を得た。
試料3の代わりに試料9を用いたこと以外は、実施例2Aと同様の方法によって、試料9から、無定型炭素を含んだシリコン−炭素複合材料である試料10を得た。
(参考例2)
試料3の代わりに試料6を用いたこと以外は、実施例2Aと同様の方法によって、試料6から、無定型炭素を含んだシリコン−炭素複合材料である試料8を得た。
試料3の代わりに試料6を用いたこと以外は、実施例2Aと同様の方法によって、試料6から、無定型炭素を含んだシリコン−炭素複合材料である試料8を得た。
試料7と試料10について、層状構造を有する炭素材料、シリコンおよび無定型炭素の重量比を測定した。まず、上述した方法と同様に、試料7について、空気中、1000℃で6時間の熱処理を行い、試料中の炭素を酸化分解するとともに、試料中のシリコン(Si)を酸化シリコン(SiO2)に酸化させ、得られた酸化シリコンの重量からSiO2のモル数を算出し、同じモル数のSiが熱処理前の試料内に存在すると考え、層状構造を有する炭素材料および無定型炭素の総重量と、シリコンの重量との比を算出した。算出した比と、試料3のシリコンおよび炭素の重量比とから、層状構造を有する炭素材料、シリコンおよび無定型炭素の重量比を算出した。表2にその結果を示す。同様の方法により、試料8について、層状構造を有する炭素材料および無定型炭素の総重量と、シリコンの重量との比を算出した。算出した比と、試料6のシリコンおよび炭素の重量比とから、層状構造を有する炭素材料、シリコンおよび無定型炭素の重量比を算出した。表2にその結果を示す。
Si:シリコン
a−C:無定形炭素
(実施例3A)
次に、試料7を用いて、リチウムイオン電池の試験用ラミネート型ハーフセルを作製した。試料7と、導電助剤としてのアセチレンブラック(AB)と、結着剤(バインダ)としてのポリビニリデンフルオライド(PVDF)とを重量比で85/5/10となるように乳鉢を用いて混合し、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)を加えて電極合剤のスラリーを作製した。このスラリーを厚み10μmの銅箔上に塗工、乾燥し、圧延することによって電極合剤膜(電極合剤層)を形成した。圧延後の電極合剤膜および銅箔の総厚みは20μmであった。次に、電極合剤膜および銅箔を20mm×20mmの大きさに打ち抜き、ニッケル製のタブリードを付け、作用極を得た。作用極における電極合剤膜の重量は4.4mgであった。一方、厚み42μmのリチウム箔を25mm×25mmに切断し、ニッケルタブリードを付け、対極を得た。セパレーターには、厚み30μmの宇部興産株式会社製のポリオレフィン多孔質フィルム「ユーポア」を1枚用いた。上記の作用極、セパレーターおよび対極を積層し、アルミラミネートフィルムで作製したセル容器内に入れ、セル容器内に電解液を0.3cm3注入し、含浸、真空脱泡後、ラミネートフィルムをヒートシールし、ラミネート型ハーフセルを得た。電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)との混合溶媒(体積比1:3)に、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を1Mの濃度で溶解させたもの(三菱化学株式会社製)を用いた。
次に、試料7を用いて、リチウムイオン電池の試験用ラミネート型ハーフセルを作製した。試料7と、導電助剤としてのアセチレンブラック(AB)と、結着剤(バインダ)としてのポリビニリデンフルオライド(PVDF)とを重量比で85/5/10となるように乳鉢を用いて混合し、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)を加えて電極合剤のスラリーを作製した。このスラリーを厚み10μmの銅箔上に塗工、乾燥し、圧延することによって電極合剤膜(電極合剤層)を形成した。圧延後の電極合剤膜および銅箔の総厚みは20μmであった。次に、電極合剤膜および銅箔を20mm×20mmの大きさに打ち抜き、ニッケル製のタブリードを付け、作用極を得た。作用極における電極合剤膜の重量は4.4mgであった。一方、厚み42μmのリチウム箔を25mm×25mmに切断し、ニッケルタブリードを付け、対極を得た。セパレーターには、厚み30μmの宇部興産株式会社製のポリオレフィン多孔質フィルム「ユーポア」を1枚用いた。上記の作用極、セパレーターおよび対極を積層し、アルミラミネートフィルムで作製したセル容器内に入れ、セル容器内に電解液を0.3cm3注入し、含浸、真空脱泡後、ラミネートフィルムをヒートシールし、ラミネート型ハーフセルを得た。電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)との混合溶媒(体積比1:3)に、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を1Mの濃度で溶解させたもの(三菱化学株式会社製)を用いた。
(実施例3B)
試料7の代わりに試料10を用いたこと以外は、実施例3Aと同様の方法によって、ラミネート型ハーフセルを得た。
試料7の代わりに試料10を用いたこと以外は、実施例3Aと同様の方法によって、ラミネート型ハーフセルを得た。
(参考例3)
試料7の代わりに試料8を用いたこと以外は、実施例3Aと同様の方法によって、ラミネート型ハーフセルを得た。
試料7の代わりに試料8を用いたこと以外は、実施例3Aと同様の方法によって、ラミネート型ハーフセルを得た。
次に、実施例3A、実施例3B、および参考例3で得られたそれぞれのラミネート型ハーフセルについて、充放電のサイクル試験を行った。充放電は0.29mAの定電流で行い、放電時の電圧が1.5Vに到達した時点で電流を止めた。図3Aおよび図3Bに、実施例3A、実施例3B、および参考例3におけるハーフセルのサイクル試験結果を示す。図3Aのグラフは放電容量とサイクル数との関係を示しており、図3Bのグラフは放電容量維持率とサイクル数との関係を示している。
図3Aから明らかなように、同じサイクル数において、実施例3Aと実施例3Bのハーフセルは、参考例3のハーフセルと比べて高い放電容量を有していた。また、図3Bから明らかなように、同じサイクル数において、実施例3Aと実施例3Bのハーフセルは、参考例3のハーフセルよりも高い容量維持率を示した。これらの結果は、実施例3Aと実施例3Bのハーフセルが備える作用極上の電極合剤層において、ナノシリコンと層状構造を有する炭素材料が高度に複合化しており、電気的接続の不良化と、シリコン粒子の破壊とが抑制されていることを示している。
本開示にかかるシリコン−炭素複合材料は、リチウムイオン電池の負極材へ適用できるものである。また、リチウムイオン電池の負極が当該複合材料を含むことによって、大容量かつ高耐久性を兼ね備えたリチウムイオン電池を得ることができる。
1a 正極合剤層
1b 正極集電体
1c 正極タブリード
10 正極
2a 負極合剤層
2b 負極集電体
2c 負極タブリード
20 負極
30 セパレーター
4 極板群
5 外装
6 絶縁タブフィルム
100 リチウムイオン電池
1b 正極集電体
1c 正極タブリード
10 正極
2a 負極合剤層
2b 負極集電体
2c 負極タブリード
20 負極
30 セパレーター
4 極板群
5 外装
6 絶縁タブフィルム
100 リチウムイオン電池
Claims (9)
- 層状構造を有する炭素材料と、
前記炭素材料の層間に担持されたシリコン粒子と、
を含み、
窒素ガス吸着によるBET法により求めた比表面積が、200m2/g以上である、シリコン−炭素複合材料。 - 前記炭素材料の隣接する層間に、2つ以上の前記シリコン粒子が、担持される、請求項1に記載のシリコン−炭素複合材料。
- 前記比表面積が、500m2/g未満である、請求項1または2に記載のシリコン−炭素複合材料。
- 無定形炭素をさらに含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載のシリコン−炭素複合材料。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の複合材料を含む負極と、
正極と、
を備える、電気化学デバイス。 - 酸化黒鉛と、アルキルアミンまたは陽イオン界面活性剤とを混合することにより、層状構造を有する酸化黒鉛を作製し、
前記層状構造を有する酸化黒鉛、および有機ケイ素化合物から、層状構造を有する炭素材料とシロキサンとの複合体を作製し、
マグネシウム蒸気を含む非酸化性雰囲気下での熱処理によって、前記シロキサンをシリコンに還元し、
シリコンおよび炭素以外の成分材料を除去する、
シリコン−炭素複合材料の製造方法であって、
前記アルキルアミンまたは前記陽イオン界面活性剤は、炭素数が12〜18のアルキル基を有する、シリコン−炭素複合材料の製造方法。 - 前記有機ケイ素化合物が、アルキル基を含まないアルコキシシランである、請求項6に記載の複合材料の製造方法。
- シリコンおよび炭素以外の成分材料の除去が、酸またはアンモニウム塩の水溶液を用いた前記複合体の洗浄によって実施される、請求項6または7に記載の複合材料の製造方法。
- シリコンおよび炭素以外の成分体の除去が、非酸化性雰囲気下での前記複合材料の熱処理によって実施される、請求項6または7に記載の複合材料の製造方法。
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