JP2018073650A - Lithium occlusion/release material, electrode, lithium ion secondary battery, and method for producing lithium occlusion/release material - Google Patents

Lithium occlusion/release material, electrode, lithium ion secondary battery, and method for producing lithium occlusion/release material Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium occlusion/release material which can be applied as an electrode material of a lithium ion secondary battery which stably has excellent charge and discharge characteristics without requiring high-speed cooling in a manufacturing process.SOLUTION: The lithium occlusion/release material has a composition containing Si and Ni, and includes a Si phase and NiSiphase. An average diameter of crystals calculated from a peak of Si in an X-ray diffraction spectrum of the lithium occlusion/release material by the Scherrer equation is 100 nm or less.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

リチウム吸蔵放出材料、電極、リチウムイオン二次電池およびリチウム吸蔵放出材料の製造方法に関する。   The present invention relates to a lithium storage / release material, an electrode, a lithium ion secondary battery, and a method for producing a lithium storage / release material.

近年、急速な電子機器、通信機器等の発展及び小型化の技術の発達に伴い、様々な携帯型の機器が普及してきている。そして、これらの携帯型の機器の電源として、経済性と機器の小型化、軽量化の観点から、高容量及び寿命特性の優れた二次電池の開発が強く求められている。   In recent years, with the rapid development of electronic devices and communication devices and the development of miniaturization technology, various portable devices have become widespread. As a power source for these portable devices, development of a secondary battery having high capacity and excellent life characteristics is strongly demanded from the viewpoints of economy, miniaturization and weight reduction of the device.

このような小型、軽量な高容量の二次電池としては、今日、リチウムイオンを層間から放出するリチウムインターカレーション化合物を正極物質に、リチウムイオンを結晶面間の層間に充放電時に吸蔵放出(インターカレート)できる黒鉛などに代表される炭素質材料を負極物質に用いた、ロッキングチェア−型のリチウムイオン電池の開発が進み、実用化されて一般的に使用されている。   As such a small, lightweight, high-capacity secondary battery, a lithium intercalation compound that releases lithium ions from the interlayer is used as a cathode material, and lithium ions are occluded and released during charging / discharging between layers between crystal planes ( The development of rocking chair type lithium ion batteries using a carbonaceous material typified by graphite or the like that can be intercalated as a negative electrode material has been developed and put into practical use.

リチウム化合物を負極として使用する非水電解質二次電池は、高電圧と高エネルギー密度とを有しており、そのうちでもリチウム金属は、豊富な電池容量により負極活物質として初期に、多くの研究対象になった。しかし、リチウム金属を負極として使用する場合、充電時に負極リチウム表面に多くの樹枝状リチウムが析出するため、充放電効率が低下したり、また、樹枝状リチウムが成長し、正極と短絡を起こしたりすることがあり、あるいはリチウム自体の不安定性、すなわち高い反応性によって熱や衝撃に敏感であるので、商用化には課題が残されていた。   Non-aqueous electrolyte secondary batteries that use lithium compounds as negative electrodes have high voltage and high energy density. Among them, lithium metal is the subject of many researches as an active material for negative electrode due to its abundant battery capacity. Became. However, when lithium metal is used as the negative electrode, a lot of dendritic lithium is deposited on the surface of the negative electrode lithium during charging, so that the charge / discharge efficiency is reduced, or the dendritic lithium grows, causing a short circuit with the positive electrode. However, because of the instability of lithium itself, that is, high reactivity, it is sensitive to heat and impact, so there are still problems in commercialization.

そこで、かかるリチウム金属に代わる負極活物質として、リチウムを吸蔵放出する炭素系負極が用いられるようになった。炭素系負極は、リチウム金属が有する各種問題点を解決し、リチウムイオン電池が普及されるのに大きく寄与をした。しかし、次第に各種携帯用機器が小型化、軽量化及び高性能化されるにつれて、リチウムイオン二次電池の高容量化が重要な問題として浮び上がってきた。   Therefore, a carbon-based negative electrode that occludes and releases lithium has been used as a negative electrode active material instead of lithium metal. The carbon-based negative electrode has greatly contributed to the widespread use of lithium ion batteries by solving various problems of lithium metal. However, as various portable devices are gradually reduced in size, weight and performance, increasing the capacity of lithium ion secondary batteries has emerged as an important issue.

炭素系負極を使用するリチウムイオン二次電池は、炭素の多孔性構造のため、本質的に低い電池容量を有する。例えば、使用されている炭素として最も結晶性の高い黒鉛の場合にも、理論的な容量は、LiCの組成であるとき、372mAh/gほどである。これは、リチウム金属の理論的な容量が3860mAh/gであることに比べれば、僅か10%ほどに過ぎない。そこで、金属負極が有する既存の問題点にもかかわらず、再びリチウムのような金属を負極に導入し、電池の容量を向上させようという研究が活発に試みられている。 A lithium ion secondary battery using a carbon-based negative electrode has a substantially low battery capacity due to the porous structure of carbon. For example, even in the case of graphite having the highest crystallinity as the carbon used, the theoretical capacity is about 372 mAh / g when the composition is LiC 6 . This is only about 10% compared to the theoretical capacity of lithium metal being 3860 mAh / g. Therefore, in spite of the existing problems of the metal negative electrode, research has been actively conducted to improve the battery capacity by introducing a metal such as lithium again into the negative electrode.

炭素系材料に代わる材料として、近年、最も注目されているのがSiである。その理由は、SiはLi22Siで代表される化合物を形成して、大量のリチウムを吸蔵できるため、炭素系材料を使用した場合に較べて負極の容量を増大でき、結果としてリチウムイオン二次電池やキャパシタ、固体電池の蓄電容量を増大できる可能性を秘めているからである。 In recent years, Si has attracted the most attention as a material that can replace carbon-based materials. The reason is that Si forms a compound represented by Li 22 Si 5 and can occlude a large amount of lithium, so that the capacity of the negative electrode can be increased as compared with the case where a carbon-based material is used. This is because it has the potential to increase the storage capacity of secondary batteries, capacitors and solid state batteries.

しかし、Siを単独で負極材として使用した場合には、充電時にリチウムと合金化する際の膨張と、放電時にリチウムと脱合金化する際の収縮との繰り返しにより、Si相が微粉化されて、使用中に電極基板からSi相が脱落したり、Si相間の電気伝導度が取れなくなったりするなどのトラブルが発生するために、蓄電デバイスとしての寿命が極めて短いと言う問題があった。   However, when Si is used alone as a negative electrode material, the Si phase is pulverized by repetition of expansion when alloying with lithium during charging and contraction when dealloying with lithium during discharging. There is a problem that the life of the electricity storage device is extremely short because troubles such as the Si phase dropping off from the electrode substrate during use or the electrical conductivity between the Si phases being lost can occur.

さらに、Siは炭素系材料や金属系材料に比べて電気伝導度が悪く、充放電に伴う電子の効率的な移動が制限されているため、負極材としては炭素系材料などの導電性を補う材料と組み合わせて使用されるが、その場合でも特に初期の充放電や高効率の充放電特性も問題があった。   Furthermore, Si has a lower electrical conductivity than carbon-based materials and metal-based materials, and the efficient movement of electrons associated with charge / discharge is limited. Therefore, the negative electrode material supplements conductivity such as carbon-based materials. Although it is used in combination with the material, even in that case, there was a problem in the initial charge / discharge characteristics and the highly efficient charge / discharge characteristics.

このようなSi相を負極として利用する際の欠陥を解決する方法として、Si相の少なくとも一部を、Siと遷移金属に代表される金属化合物でラップした材料およびその製造方法が、例えば、特許文献1に提案されている。   As a method for solving such a defect when using the Si phase as a negative electrode, a material in which at least a part of the Si phase is wrapped with a metal compound typified by Si and a transition metal and a manufacturing method thereof are disclosed in, for example, a patent. It is proposed in Document 1.

特開2001−297757号公報JP 2001-297757 A

長崎誠三、平林真共著、「二元合金状態図集」、第2版、株式会社アグネ技術センター、2013年5月30日、p234Nagasaki Seizo and Hirabayashi Shinko, “Binary Alloy Phase Diagrams”, 2nd edition, Agne Technology Center, Inc., May 30, 2013, p234

特許文献1には、リチウムを吸蔵したり放出したりすることができる相(リチウム吸蔵放出相)ではない相が初晶として析出する組成を有する母合金の溶融体を100℃/秒以上の高速で冷却するプロセスを行うことにより、充放電容量や容量維持率が高い材料が得られることが記載されている。このような高速冷却を製造過程に必要とする材料では、生産性を高めることは容易でない。   Patent Document 1 discloses that a melt of a master alloy having a composition in which a phase that is not a phase capable of occluding and releasing lithium (lithium occluding / releasing phase) is precipitated as a primary crystal is 100 ° C./second or more. It is described that a material having a high charge / discharge capacity and a high capacity retention rate can be obtained by performing the process of cooling at 1. It is not easy to increase productivity with materials that require such rapid cooling in the manufacturing process.

本発明は、このような高速冷却を必要とすることなく、優れた充放電特性を安定的に有するリチウムイオン二次電池の電極材料として適用可能な、リチウム吸蔵放出材料を提供することを目的とする。本発明は、かかるリチウム吸蔵放出材料の製造方法を提供することも目的とする。本発明は、上記のリチウム吸蔵放出材料を含む電極、およびかかる電極を負極として備えるリチウムイオン二次電池を提供することも目的とする。   An object of the present invention is to provide a lithium occlusion / release material that can be applied as an electrode material of a lithium ion secondary battery that stably has excellent charge / discharge characteristics without requiring such high-speed cooling. To do. Another object of the present invention is to provide a method for producing such a lithium storage / release material. Another object of the present invention is to provide an electrode including the above lithium storage / release material and a lithium ion secondary battery including the electrode as a negative electrode.

上記課題を解決するために提供される本発明は次のとおりである。
(1)SiおよびNiを含有する組成を有し、Si相およびNiSi相を備えるリチウム吸蔵放出材料であって、前記リチウム吸蔵放出材料のX線回析スペクトルにおけるSiのピークからシェラーの式(後述する式(i))により算出される結晶の平均直径(後述する5つのピークから算出された結晶サイズの算術平均値、Si相の大きさに相当する。)が、100nm以下であることを特徴とするリチウム吸蔵放出材料。
The present invention provided to solve the above problems is as follows.
(1) A lithium occlusion / release material having a composition containing Si and Ni and comprising an Si phase and an NiSi 2 phase, wherein the Scherrer formula (from the Si peak in the X-ray diffraction spectrum of the lithium occlusion / release material) The average diameter of the crystal calculated by the formula (i) described later (the arithmetic average value of the crystal size calculated from five peaks described later, which corresponds to the size of the Si phase) is 100 nm or less. Lithium storage / release material.

(2)SiのNiに対する原子比(Si/Ni比)が2.2以上4.2以下である、上記(1)に記載のリチウム吸蔵放出材料。 (2) The lithium storage / release material according to (1) above, wherein an atomic ratio of Si to Ni (Si / Ni ratio) is 2.2 or more and 4.2 or less.

(3)前記リチウム吸蔵放出材料はFeをさらに含有する組成を有し、FeのNiに対する原子比(Fe/Ni比)は0.08以下である、上記(1)または(2)に記載のリチウム吸蔵放出材料。 (3) The lithium storage / release material has a composition further containing Fe, and the atomic ratio of Fe to Ni (Fe / Ni ratio) is 0.08 or less, according to (1) or (2) above Lithium storage / release material.

(4)NiSi相をさらに備える、上記(1)から(3)のいずれかに記載のリチウム吸蔵放出材料。 (4) The lithium storage / release material according to any one of (1) to (3), further including a NiSi phase.

(5)上記(1)から(4)のいずれかに記載のリチウム吸蔵放出材料を含む電極。 (5) An electrode comprising the lithium storage / release material according to any one of (1) to (4).

(6)上記(5)に記載される電極を負極として備えるリチウムイオン二次電池。 (6) A lithium ion secondary battery comprising the electrode described in (5) as a negative electrode.

(7)金属珪素からなる珪素源およびニッケル源を含む原料材を加熱して、SiおよびNiを含有しSiのNiに対する原子比が2.08以上の組成を有する熔融物質を得て、前記熔融物質を3時間以上の冷却時間で50℃以下に冷却してリチウム吸蔵放出材料を得ることを特徴とするリチウム吸蔵放出材料の製造方法。 (7) A raw material containing a silicon source and a nickel source made of metallic silicon is heated to obtain a molten material containing Si and Ni and having a composition in which the atomic ratio of Si to Ni is 2.08 or more. A method for producing a lithium occlusion / release material, wherein the material is cooled to 50 ° C. or less with a cooling time of 3 hours or more to obtain a lithium occlusion / release material.

(8)ニッケル源、珪素源および炭素源を含む原料材を加熱して、1,100〜1,650℃にて、不活性ガス雰囲気下、0.5〜30時間反応させて、SiおよびNiを含有しSiのNiに対する原子比が2.08以上の組成を有する熔融物質を得て、前記熔融物質を3時間以上の冷却時間で50℃以下に冷却してリチウム吸蔵放出材料を得ることを特徴とするリチウム吸蔵放出材料の製造方法。 (8) A raw material containing a nickel source, a silicon source and a carbon source is heated and reacted at 1,100 to 1,650 ° C. in an inert gas atmosphere for 0.5 to 30 hours. And obtaining a lithium occlusion / release material by cooling the melted substance to 50 ° C. or less with a cooling time of 3 hours or more. A method for producing a lithium storage / release material.

(9)前記ニッケル源が、新ニッケル、使用済スポンジニッケル触媒、および電気炉残存ニッケル珪素合金半製品からなる群より選ばれた1種または2種以上を含む、上記(7)または(8)に記載のリチウム吸蔵放出材料の製造方法。(本発明では精錬されたニッケルを「新ニッケル」という。) (9) The above (7) or (8), wherein the nickel source contains one or more selected from the group consisting of new nickel, used sponge nickel catalyst, and electric furnace residual nickel silicon alloy semi-finished product A method for producing a lithium storage / release material according to claim 1. (In the present invention, refined nickel is referred to as “new nickel”.)

(10)前記新ニッケルは、純度が99.5重量%以上であって、S、P、Asおよびハロゲン元素の含有量がいずれも不可避的不純物レベルである、上記(9)に記載のリチウム吸蔵放出材料の製造方法。 (10) The lithium as described in (9) above, wherein the new nickel has a purity of 99.5% by weight or more, and the contents of S, P, As and halogen elements are all inevitable impurity levels. A method for producing a release material.

(11)前記使用済スポンジニッケル触媒は、純度が50〜70重量%であって、Siの含有量が30〜50重量%、かつFeの含有量が4重量%以下である、上記(9)または(10)に記載のリチウム吸蔵放出材料の製造方法。 (11) The spent sponge nickel catalyst has a purity of 50 to 70% by weight, a Si content of 30 to 50% by weight, and a Fe content of 4% by weight or less (9) Or the manufacturing method of the lithium occlusion release material as described in (10).

(12)前記珪素源は、珪石および金属珪素からなる群から選ばれた1種または2種以上を含む、上記(8)から(11)のいずれかに記載のリチウム吸蔵放出材料の製造方法。 (12) The method for producing a lithium storage / release material according to any one of (8) to (11), wherein the silicon source includes one or more selected from the group consisting of silica and metal silicon.

(13)前記珪石は、純度が99.0重量%以上であって、酸化カルシウムの含有量が0.1重量%以下、酸化アルミニウムの含有量が0.2重量%以下、かつ酸化マグネシウムの含有量が0.1重量%以下である、上記(12)に記載のリチウム吸蔵放出材料の製造方法。 (13) The silica has a purity of 99.0% by weight or more, a calcium oxide content of 0.1% by weight or less, an aluminum oxide content of 0.2% by weight or less, and a magnesium oxide content The method for producing a lithium storage / release material according to (12), wherein the amount is 0.1% by weight or less.

(14)前記金属珪素は、純度が99.0重量%以上であって、Feの含有量が0.5重量%以下、Alの含有量が0.1重量%以下、かつCaの含有量が0.3重量%以下である、上記(12)または(13)に記載のリチウム吸蔵放出材料の製造方法。 (14) The metal silicon has a purity of 99.0% by weight or more, an Fe content of 0.5% by weight or less, an Al content of 0.1% by weight or less, and a Ca content of The method for producing a lithium storage / release material according to (12) or (13), wherein the content is 0.3% by weight or less.

(15)前記炭素源が、木炭およびオガ炭からなる群から選ばれた1種または2種以上を含む、上記(8)から(14)のいずれかに記載のリチウム吸蔵放出材料の製造方法。 (15) The method for producing a lithium storage / release material according to any one of (8) to (14), wherein the carbon source includes one or more selected from the group consisting of charcoal and oga charcoal.

(16)前記炭素源は、S、P、Asおよびハロゲンの含有量がいずれも不可避的不純物レベルである、上記(8)から(15)のいずれかに記載のリチウム吸蔵放出材料の製造方法。 (16) The method for producing a lithium storage / release material according to any one of (8) to (15), wherein the carbon source has an inevitable impurity level in any of S, P, As, and halogen contents.

(17)前記原料材をあらかじめ混合した状態で加熱を行う、上記(7)から(16)のいずれかに記載のリチウム吸蔵放出材料の製造方法。 (17) The method for producing a lithium storage / release material according to any one of (7) to (16), wherein heating is performed in a state where the raw material is mixed in advance.

(18)前記熔融物質の平均冷却速度が0.5℃/秒以下である、上記(7)から(17)のいずれかに記載のリチウム吸蔵放出材料の製造方法。 (18) The method for producing a lithium storage / release material according to any one of (7) to (17), wherein an average cooling rate of the molten material is 0.5 ° C./second or less.

本発明によれば、初回のみならず繰り返し充放電した場合であっても優れた充・放電特性を有するリチウムイオン二次電池の電極材料として適用可能な、リチウム吸蔵放出材料が提供される。本発明によれば、かかるリチウム吸蔵放出材料の製造方法、上記のリチウム吸蔵放出材料を含む電極、およびかかる電極を負極として備えるリチウムイオン二次電池も提供される。   According to the present invention, there is provided a lithium occlusion / release material that can be applied as an electrode material of a lithium ion secondary battery having excellent charge / discharge characteristics even when it is repeatedly charged and discharged not only for the first time. According to this invention, the manufacturing method of this lithium occlusion / release material, the electrode containing said lithium occlusion / release material, and a lithium ion secondary battery provided with this electrode as a negative electrode are also provided.

非特許文献1に示されるNi−Si合金状態図である。2 is a Ni—Si alloy state diagram shown in Non-Patent Document 1. FIG. 本発明の一実施形態に係るリチウム吸蔵放出材料の製造方法の具体的な一例を示す機器設置の概略フローシートである。It is a general | schematic apparatus installation flow chart which shows a specific example of the manufacturing method of the lithium occlusion / release material which concerns on one Embodiment of this invention. 実施例1に係るリチウム吸蔵放出材料のX線光電子分光スペクトル(ワイドスキャン)である。2 is an X-ray photoelectron spectrum (wide scan) of the lithium storage / release material according to Example 1. FIG. 実施例1に係るリチウム吸蔵放出材料のX線光電子分光スペクトル(Siのピークを含むナロースキャン)である。2 is an X-ray photoelectron spectrum (narrow scan including a Si peak) of the lithium storage / release material according to Example 1; 実施例1に係るリチウム吸蔵放出材料のX線光電子分光スペクトル(Niのピークを含むナロースキャン)である。2 is an X-ray photoelectron spectrum (narrow scan including a Ni peak) of the lithium storage / release material according to Example 1; 実施例1に係るリチウム吸蔵放出材料のX線回折スペクトルである。2 is an X-ray diffraction spectrum of a lithium storage / release material according to Example 1. FIG.

本発明の一実施形態に係るリチウム吸蔵放出材料は、SiおよびNiを含有する組成を有し、Si相およびNiSi相を備える。 The lithium storage / release material according to an embodiment of the present invention has a composition containing Si and Ni, and includes a Si phase and a NiSi 2 phase.

Siは、リチウム吸蔵放出相であるSi相の直接的な構成元素である。Niは、Si相を拘束するNiSi相を構成する元素の一種である。図1に示されるように、熱力学的に平衡な条件では、Ni−Si二元合金においてSiの含有量が67.5原子%以上(SiのNiに対する原子比(本明細書において「Si/Ni比」ともいう。)換算では2.08以上)の場合にNiSi相およびSi相が主に形成される。したがって、本発明の一実施形態に係るリチウム吸蔵放出材料はSi/Ni比が2.08以上となる組成を有する。 Si is a direct constituent element of the Si phase, which is a lithium storage / release phase. Ni is a kind of element constituting the NiSi 2 phase that restrains the Si phase. As shown in FIG. 1, under the thermodynamic equilibrium condition, the Si content in the Ni—Si binary alloy is 67.5 atomic% or more (the atomic ratio of Si to Ni (herein, “Si / It is also referred to as “Ni ratio”.) When converted to 2.08 or more), NiSi 2 phase and Si phase are mainly formed. Therefore, the lithium occlusion / release material according to an embodiment of the present invention has a composition in which the Si / Ni ratio is 2.08 or more.

リチウム吸蔵放出材料のSi/Ni比が2.08以上であることにより、Si相およびNiSi相を主に含む組織が得られ、本発明の一実施形態に係るリチウム吸蔵放出材料を含む電極を負極として備えるリチウムイオン二次電池(以下、「本電池」という場合がある。)の充放電特性が良好となる。かかる充放電特性を良好にすることがより安定的に実現される観点から、Si/Ni比は、2.2以上であることが好ましく、2.4以上であることがより好ましく、2.5以上であることが特に好ましい。 When the Si / Ni ratio of the lithium storage / release material is 2.08 or more, a structure mainly including the Si phase and the NiSi 2 phase is obtained, and the electrode including the lithium storage / release material according to one embodiment of the present invention is provided. The charge / discharge characteristics of a lithium ion secondary battery (hereinafter sometimes referred to as “the present battery”) provided as a negative electrode are improved. From the viewpoint of more stably realizing such charge / discharge characteristics, the Si / Ni ratio is preferably 2.2 or more, more preferably 2.4 or more, and 2.5 The above is particularly preferable.

基本的な傾向として、Si/Ni比が高いほど、リチウム吸蔵放出相であるSi相の存在割合が相対的に高くなり、上記の充放電特性は良好となり、特に初回充電量および初回放電量は増大する。しかしながら、Si/Ni比が高くなると、拘束相であるNiSi相の存在割合が相対的に低下する。このため、Si/Ni比が過度に高くなると、NiSi相によるSi相の拘束が適切に行われにくくなり、繰り返し充放電した場合の容量保持率(繰り返し充放電した後の充電量/初期の充電量、単位:%)が低下する傾向がみられるようになる。容量保持率を適切に維持することがより安定的に実現される観点から、Si/Ni比は、4.2以下であることが好ましい場合があり、4.0以下であることがより好ましい場合がある。 As a basic tendency, the higher the Si / Ni ratio, the higher the proportion of the Si phase that is the lithium occlusion / release phase, and the above charge / discharge characteristics are improved. Increase. However, when the Si / Ni ratio increases, the existence ratio of the NiSi 2 phase, which is a constrained phase, relatively decreases. For this reason, when the Si / Ni ratio becomes excessively high, it becomes difficult to properly restrain the Si phase by the NiSi 2 phase, and the capacity retention ratio when repeatedly charged / discharged (charge amount after repeated charge / discharge / initial charge (Charge amount, unit:%) tends to decrease. From the viewpoint of more stably realizing the capacity retention appropriately, the Si / Ni ratio may be preferably 4.2 or less, and more preferably 4.0 or less. There is.

本発明の一実施形態に係るリチウム吸蔵放出材料は、SiおよびNiに加えて、Feなど他の元素を任意添加元素として含有していてもよい。FeはNiと同じく鉄族元素であり、Siとの反応性も高い。したがって、SiおよびNiを含有する材料にFeも含まれやすく、かかる材料からFeを完全に除去することは容易でない。上記の充放電特性を本発明の一実施形態に係るリチウム吸蔵放出材料がFeを含有する場合には、上記の充放電特性を良好にすることがより安定的に実現される観点から、本発明の一実施形態に係るリチウム吸蔵放出材料のFe含有量は、FeのNiに対する原子比(以下、「Fe/Ni比」ということもある。)が0.08以下となる量であることが好ましい。   The lithium occlusion / release material according to one embodiment of the present invention may contain other elements such as Fe as optional addition elements in addition to Si and Ni. Fe, like Ni, is an iron group element and has high reactivity with Si. Therefore, Fe is also easily contained in the material containing Si and Ni, and it is not easy to completely remove Fe from such material. In the case where the lithium storage / release material according to an embodiment of the present invention has the above charge / discharge characteristics, when Fe contains Fe, the present invention can be achieved more stably from the viewpoint of achieving better charge / discharge characteristics. The Fe content in the lithium storage / release material according to an embodiment of the present invention is preferably such that the atomic ratio of Fe to Ni (hereinafter sometimes referred to as “Fe / Ni ratio”) is 0.08 or less. .

本発明の一実施形態に係るリチウム吸蔵放出材料におけるFe以外の任意添加元素として、Co,Cu,Ag,Au,Pt,Ti,V,Zr,Nb,Zn,T,W等の遷移金属元素、B,C,Al,S,K,Na,Ca,Mg,Sn,Geなどの元素が例示される。これらの任意添加元素の含有量は、少なければ少ないほど好ましい。Ca,Al,Mgなどは、Siとともに複合酸化物を形成し、この形成された複合酸化物に含まれるSiはリチウムの吸蔵放出機能を果たすことができない。本発明の一実施形態に係るリチウム吸蔵放出材料は、Cl等のハロゲン元素、P、SおよびAsを実質的に含有しないことが好ましい。これらの元素は、本電池に含まれる他の材料、特に金属系の材料を腐食する可能性がある。   As optional addition elements other than Fe in the lithium occlusion / release material according to one embodiment of the present invention, transition metal elements such as Co, Cu, Ag, Au, Pt, Ti, V, Zr, Nb, Zn, T, and W, Examples are B, C, Al, S, K, Na, Ca, Mg, Sn, Ge and the like. The smaller the content of these optional added elements, the better. Ca, Al, Mg and the like form a composite oxide together with Si, and Si contained in the formed composite oxide cannot fulfill the function of occluding and releasing lithium. The lithium storage / release material according to one embodiment of the present invention preferably contains substantially no halogen element such as Cl, P, S and As. These elements may corrode other materials included in the battery, particularly metal-based materials.

本発明の一実施形態に係るリチウム吸蔵放出材料を構成する相は、前述のように、リチウム吸蔵放出相であるSi相および拘束相であるNiSi相を含む。Si相の形状が過度に大きい場合には、拘束相による拘束が適切に行われない場合がある。したがって、Si相は過度に大きくないことが好ましい。Si相の大きさは、リチウム吸蔵放出材料のX線回析スペクトルにおけるSiのピークからシェラーの式により算出される結晶の平均直径によって見積もることができる。 As described above, the phase constituting the lithium storage / release material according to the embodiment of the present invention includes the Si phase that is the lithium storage / release phase and the NiSi 2 phase that is the constraining phase. When the shape of the Si phase is excessively large, the constraint by the constraint phase may not be performed properly. Therefore, the Si phase is preferably not excessively large. The size of the Si phase can be estimated by the average diameter of the crystal calculated by the Scherrer equation from the Si peak in the X-ray diffraction spectrum of the lithium storage / release material.

本発明の一実施形態に係るリチウム吸蔵放出材料についてX線回折測定(線源:Cu Kα)を行うと、得られたX線回折スペクトルには、Siと帰属される複数のピークが検出される。これらのピークのうち、ピーク位置の角度(2θ)がおおむね次の値となる5つのピーク(ピーク1からピーク5)について半値全幅FWHM(単位:ラジアン)を求め、下記式(i)に示されるシェラーの式から、結晶サイズτ(単位:nm)を求める。
ピーク1:56.14°
ピーク2:69.14°
ピーク3:76.38°
ピーク4:88.04°
ピーク5:94.95°
τ=k×λ/(FWHM×COS(θ)) (i)
ここで、
τ:結晶サイズ(nm)
k:シェラーの定数(0.94)
λ:X線の波長(nm)
FWHM:半値全幅(rad)
θ:ブラッグ角(rad)
When X-ray diffraction measurement (ray source: Cu Kα) is performed on the lithium storage / release material according to one embodiment of the present invention, a plurality of peaks attributed to Si are detected in the obtained X-ray diffraction spectrum. . Among these peaks, the full width at half maximum FWHM (unit: radians) is obtained for five peaks (peak 1 to peak 5) in which the angle (2θ) of the peak position is approximately the following value, and is expressed by the following formula (i): The crystal size τ (unit: nm) is determined from the Scherrer equation.
Peak 1: 56.14 °
Peak 2: 69.14 °
Peak 3: 76.38 °
Peak 4: 88.04 °
Peak 5: 94.95 °
τ = k × λ / (FWHM × COS (θ)) (i)
here,
τ: Crystal size (nm)
k: Scherrer's constant (0.94)
λ: X-ray wavelength (nm)
FWHM: Full width at half maximum (rad)
θ: Bragg angle (rad)

本明細書では、こうして求めた5つの結晶サイズτの算術平均値を、本発明の一実施形態に係るリチウム吸蔵放出材料におけるSi相の大きさとする。本発明の一実施形態に係るリチウム吸蔵放出材料は、上記の方法により求めたSi相の大きさが100nm以下である。Si相の大きさが100nmを超えると、本電池を繰り返し充放電した場合の容量保持率が低下する傾向が顕著となる。この容量保持率の低下をより安定的に抑制する観点から、Si相の大きさは、90nm以下であることが好ましい場合があり、85nm以下であることがより好ましい場合がある。   In the present specification, the arithmetic average value of the five crystal sizes τ thus obtained is defined as the size of the Si phase in the lithium storage / release material according to one embodiment of the present invention. In the lithium storage / release material according to one embodiment of the present invention, the size of the Si phase obtained by the above method is 100 nm or less. When the size of the Si phase exceeds 100 nm, the tendency for the capacity retention rate to decrease when the battery is repeatedly charged and discharged becomes significant. From the viewpoint of more stably suppressing the decrease in capacity retention, the size of the Si phase may be preferably 90 nm or less, and more preferably 85 nm or less.

本発明の一実施形態に係るリチウム吸蔵放出材料は、上記のSi相およびNiSi相以外の相を含んでいてもよい。そのような相としてNiSi相が挙げられる。 The lithium occlusion / release material according to one embodiment of the present invention may include a phase other than the Si phase and the NiSi 2 phase. An example of such a phase is a NiSi phase.

本発明の一実施形態に係る電極は、上記の本発明の一実施形態に係るリチウム吸蔵放出材料を含む。上記のとおり、上記の本発明の一実施形態に係るリチウム吸蔵放出材料は、大きさが適切に規定されたSi相および拘束相であるNiSi相を含むため、リチウムイオン吸蔵放出を適切に行うことができる。したがって、本発明の一実施形態に係るリチウム吸蔵放出材料はリチウムイオン二次電池の電極、特に負極として好適に使用されうる。 An electrode according to an embodiment of the present invention includes the lithium storage / release material according to the above-described embodiment of the present invention. As described above, since the lithium occlusion / release material according to the embodiment of the present invention includes the Si phase appropriately defined in size and the NiSi 2 phase that is a constrained phase, the lithium occlusion / release is appropriately performed. be able to. Therefore, the lithium occlusion / release material according to one embodiment of the present invention can be suitably used as an electrode of a lithium ion secondary battery, particularly as a negative electrode.

そのような負極を備える本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、充放電特性が良好である。しかも、好ましい一例では、繰り返し充放電した場合であっても容量保持率が低下しにくい。   The lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention including such a negative electrode has good charge / discharge characteristics. Moreover, in a preferred example, the capacity retention rate is unlikely to decrease even when the battery is repeatedly charged and discharged.

本発明の一実施形態に係るリチウム吸蔵放出材料の製造方法は限定されない。次に説明する方法により製造すれば、本発明の一実施形態に係るリチウム吸蔵放出材料を効率的に製造することができる。   The manufacturing method of the lithium occlusion / release material according to an embodiment of the present invention is not limited. If it manufactures with the method demonstrated below, the lithium occlusion / release material which concerns on one Embodiment of this invention can be manufactured efficiently.

本発明の一実施形態に係るリチウム吸蔵放出材料の製造方法では、まず、ニッケル源、珪素源および炭素源を含む原料材を加熱して、1,100〜1,650℃にて、不活性ガス雰囲気下、0.5〜30時間反応させて、SiおよびNiを含有しSiのNiに対する原子比(Si/Ni比)が2.08以上の組成を有する熔融物質を得る。   In the method for producing a lithium occlusion / release material according to an embodiment of the present invention, first, a raw material containing a nickel source, a silicon source and a carbon source is heated to 1,100 to 1,650 ° C. and an inert gas. By reacting in an atmosphere for 0.5 to 30 hours, a molten material containing Si and Ni and having a composition in which the atomic ratio of Si to Ni (Si / Ni ratio) is 2.08 or more is obtained.

Siは酸素との親和性が高い元素であるため、珪素源にはSiの酸化物が含有されている場合が多い。そこで、本発明の一実施形態に係る製造方法では、炭素源を用いて、下記式(ii)のようにSiの酸化物(下記式(ii)では具体例として、SiOを示している。)を還元してSiを得る。
SiO + 2C → Si + 2CO (ii)
Since Si is an element having high affinity with oxygen, the silicon source often contains an oxide of Si. Therefore, in the manufacturing method according to an embodiment of the present invention, a carbon source is used, and a Si oxide as shown in the following formula (ii) (SiO 2 is shown as a specific example in the following formula (ii)). ) To obtain Si.
SiO 2 + 2C → Si + 2CO (ii)

この還元反応を適切に進行させるため、原料材を不活性ガスの雰囲気下で溶融するまで加熱し、溶融状態を0.5〜30時間維持する。加熱温度は溶融状態となる温度である。加熱温度の具体的な温度範囲は原料材の組成により適宜設定される。通常、1,100〜1,650℃の範囲であり、1,200〜1,650℃の範囲であることが好ましい場合があり、1,300〜1,500℃の範囲であることがより好ましい場合がある。加熱手段は任意であって、電気炉が具体例として挙げられる。溶融状態の維持時間は適宜設定されるべきものであって、原料材の組成に基づいて上記式(ii)に示される反応が適切に完了する時間が設定される。   In order to make this reduction reaction proceed appropriately, the raw material is heated until it is melted in an inert gas atmosphere, and the molten state is maintained for 0.5 to 30 hours. The heating temperature is a temperature at which a molten state is reached. A specific temperature range of the heating temperature is appropriately set depending on the composition of the raw material. Usually, it is in the range of 1,100 to 1,650 ° C, preferably in the range of 1,200 to 1,650 ° C, more preferably in the range of 1,300 to 1,500 ° C. There is a case. A heating means is arbitrary and an electric furnace is mentioned as a specific example. The maintenance time of a molten state should be set suitably, and the time which the reaction shown by said formula (ii) is completed appropriately based on the composition of a raw material is set.

熔融物質の組成は、Si/Ni比が2.08以上である限り任意である。得られたリチウム吸蔵放出材料の特性を良好にする観点から、熔融物質におけるSi/Ni比は、2.2以上4.2以下とすることが好ましい場合があり、2.5以上4.0以下とすることがより好ましい場合がある。   The composition of the molten material is arbitrary as long as the Si / Ni ratio is 2.08 or more. From the viewpoint of improving the properties of the obtained lithium storage / release material, the Si / Ni ratio in the molten material may be preferably 2.2 or more and 4.2 or less, and may be 2.5 or more and 4.0 or less. It may be more preferable.

原料材が含むニッケル源の組成は、Niを含有している限り任意である。ニッケル源は、新ニッケル、使用済スポンジニッケル触媒、および電気炉残存ニッケル珪素合金半製品からなる群より選ばれた1種または2種以上を含むことが好ましい場合がある。   The composition of the nickel source contained in the raw material is arbitrary as long as it contains Ni. It may be preferable that the nickel source contains one or more selected from the group consisting of new nickel, a used sponge nickel catalyst, and an electric furnace residual nickel silicon alloy semi-finished product.

新ニッケルは、製錬されたニッケルであり、純度(Ni含有量)が99.5重量%以上であることが好ましい。そのような新ニッケルは容易に市場から入手することができる。本電池のリチウム吸蔵放出材料以外の金属系材料の腐食を抑制する観点から、新ニッケルは、S、P、Asおよびハロゲン元素の含有量がいずれも不可避的不純物レベルであることが好ましい。   The new nickel is smelted nickel and preferably has a purity (Ni content) of 99.5% by weight or more. Such new nickel is readily available from the market. From the viewpoint of suppressing corrosion of metallic materials other than the lithium occlusion / release material of the battery, it is preferable that the content of S, P, As, and halogen elements in the new nickel are all inevitable impurity levels.

使用済スポンジニッケル触媒は、スポンジ状(多孔質)のニッケル合金からなる部材を水添反応などの触媒として使用した後のものである。使用済スポンジニッケル触媒は、純度(Ni含有量)が50〜70重量%であって、Siの含有量が30〜50重量%、かつFeの含有量が4重量%以下であることが好ましい。Siは本発明の一実施形態に係るリチウム吸蔵放出材料の必須の構成元素の1つであるから、使用済スポンジニッケル触媒がSiを含有していることは問題とならない。FeはSiと金属間化合物を容易に形成するため、使用済スポンジニッケル触媒におけるFeの含有量は少なければ少ないほど好ましい。なお、後述する実施例において示すように、触媒として使用する前のスポンジニッケルであっても、触媒として使用した後のスポンジニッケルであっても、ニッケル源としての機能は同等である。したがって、触媒として使用した後のスポンジニッケルを用いることは、貴重な資源のリサイクルとなり、好ましい。   The used sponge nickel catalyst is obtained after a member made of a sponge-like (porous) nickel alloy is used as a catalyst for hydrogenation reaction or the like. The used sponge nickel catalyst preferably has a purity (Ni content) of 50 to 70% by weight, a Si content of 30 to 50% by weight, and an Fe content of 4% by weight or less. Since Si is one of the essential constituent elements of the lithium storage / release material according to an embodiment of the present invention, it does not matter that the used sponge nickel catalyst contains Si. Since Fe easily forms an intermetallic compound with Si, the Fe content in the used sponge nickel catalyst is preferably as small as possible. In addition, as shown in the Example mentioned later, even if it is sponge nickel before using as a catalyst, and the sponge nickel after using as a catalyst, the function as a nickel source is equivalent. Therefore, it is preferable to use sponge nickel after it has been used as a catalyst because it is a valuable resource for recycling.

本明細書において、「電気炉残存ニッケル珪素合金半製品」とは、電気炉を用いてニッケル合金を製造する工程で発生する、電気炉に残存するニッケル珪素合金の半製品を意味する。かかる半製品には、NiおよびSiが含まれるため、本発明の一実施形態に係るリチウム吸蔵放出材料の原料材として好適である。NiおよびSi以外の元素が含まれてもよいが、その含有量は少なければ少ないほど好ましい。   In this specification, “an electric furnace residual nickel silicon alloy semi-finished product” means a nickel silicon alloy semi-finished product remaining in the electric furnace, which is generated in the process of producing the nickel alloy using the electric furnace. Since this semi-finished product contains Ni and Si, it is suitable as a raw material for the lithium storage / release material according to one embodiment of the present invention. Elements other than Ni and Si may be included, but the smaller the content, the better.

ニッケル源の分析方法の一例を挙げれば、次のとおりである。
純度(Ni含有量):JIS H 1151 2. 純分(Ni+Co)定量方法に準じる。
S含有量:JIS H 1151 12.2 硫化水素気化分離メチレンブルー吸光光度法に準じる。検出限界:0.0001重量%
P含有量:JIS H 1278 ニッケル及びニッケル合金中の燐定量方法に準じる。検出限界:0.0005重量%
As含有量:JIS G 1225 三塩化砒素蒸留分離モリブド砒酸青吸収光度法に準じる。検出限界:0.0005重量%
ハロゲン元素含有量:試料燃焼イオンクロマトグラフ法に準じる。検出限界:10質量ppm
An example of the nickel source analysis method is as follows.
Purity (Ni content): JIS H 1151 According to pure (Ni + Co) quantification method.
S content: According to JIS H 1151 12.2 Hydrogen sulfide vaporization separation methylene blue spectrophotometry. Detection limit: 0.0001% by weight
P content: Conforms to the method for determining phosphorus in JIS H 1278 nickel and nickel alloys. Detection limit: 0.0005% by weight
As content: Conforms to JIS G 1225 arsenic trichloride distillation separation molybdoarsenate blue absorption photometric method. Detection limit: 0.0005% by weight
Halogen element content: According to sample combustion ion chromatography. Detection limit: 10 mass ppm

原料材が含む珪素源の組成はSiを含んでいる限り任意である。珪素源は、珪石および金属珪素からなる群から選ばれた1種または2種以上を含むことが好ましい場合がある。   The composition of the silicon source contained in the raw material is arbitrary as long as it contains Si. It may be preferred that the silicon source contains one or more selected from the group consisting of silica and metallic silicon.

珪石はSiの酸化物を含有し、入手が容易であることから、珪素源として好適な材料の一種である。珪石は、純度(二酸化珪素の含有量)が99.0重量%以上であることが好ましい。珪石は、酸化カルシウムの含有量が0.1重量%以下、酸化アルミニウムの含有量が0.2重量%以下、かつ酸化マグネシウムの含有量が0.1重量%以下であることが好ましい。Ca,Al,Mgは、単独で、または複数種類で、Siとともに難溶性の複合酸化物を形成し、上記式(ii)の反応によりSiを得ることの阻害因子となる。   Silica stone is a type of material suitable as a silicon source because it contains an oxide of Si and is easily available. The silica is preferably 99.0% by weight or more in purity (silicon dioxide content). The quartzite preferably has a calcium oxide content of 0.1% by weight or less, an aluminum oxide content of 0.2% by weight or less, and a magnesium oxide content of 0.1% by weight or less. Ca, Al, and Mg, alone or in a plurality of types, form a hardly soluble complex oxide with Si and become an inhibitory factor for obtaining Si by the reaction of the above formula (ii).

珪石の分析方法の一例を挙げれば、次のとおりである。
純度(二酸化珪素の含有量):JIS M 8852:1998 8.3 脱水重量分析・吸光光度分析併用法に準じる。検出限界:0.1重量%
酸化カルシウム:JIS M 8852: 1998 9.3 ICP発光分析法に準じる。検出限界 : 0.005重量%
酸化アルミニウム:JIS M 8852:1998 13.3 ICP発光分析法に準じる。検出限界:0.02重量%
酸化マグネシウム:JIS M 8852:1998 14.3 ICP発光分析法に準じる。検出限界:0.002重量%
An example of a method for analyzing quartzite is as follows.
Purity (content of silicon dioxide): Conforms to JIS M 8852: 1998 8.3 Dehydration gravimetric analysis and spectrophotometric analysis combined method. Detection limit: 0.1% by weight
Calcium oxide: Conforms to JIS M 8852: 1998 9.3 ICP emission analysis. Detection limit: 0.005% by weight
Aluminum oxide: According to JIS M 8852: 1998 13.3 ICP emission analysis method. Detection limit: 0.02% by weight
Magnesium oxide: Conforms to JIS M 8852: 1998 14.3 ICP emission analysis. Detection limit: 0.002% by weight

金属珪素も入手が容易であり、すでにある程度還元処理が行われている材料であることから、珪素源として好適である。金属珪素は、純度(Si含有量)が99.0重量%以上であることが好ましい。金属珪素は、Feの含有量が0.5重量%以下、Alの含有量が0.1重量%以下、かつCaの含有量が0.3重量%以下であることが好ましい。   Metallic silicon is also readily available, and is a material that has already undergone a reduction treatment to some extent, and is therefore suitable as a silicon source. The metal silicon preferably has a purity (Si content) of 99.0% by weight or more. The metal silicon preferably has an Fe content of 0.5% by weight or less, an Al content of 0.1% by weight or less, and a Ca content of 0.3% by weight or less.

金属珪素の分析方法の一例を挙げれば、次のとおりである。
純度(Si含有量):JIS G 1322−1:2010 5.珪素定量方法 重量法に準じる。検出限界:0.1重量%
Fe含有量:JIS G 1322−5:2010 7.珪素分離ICP発光分光法に準じる。検出限界:0.001重量%
Al含有量:JIS G 1322−6:2010 6.珪素分離ICP発光分光法に準じる。検出限界:0.001重量%
Ca含有量:JIS G 1322−7:2010 6.珪素分離ICP発光分光法に準じる。検出限界:0.001重量%
P含有量:JIS G 1322−3:2010 6.珪素分離ICP発光分光法に準じる。検出限界:0.002重量%
B含有量:JIS G 1322−3:2010 6.珪素分離ICP発光分析法に準じる。検出限界:1質量ppm
An example of a method for analyzing metal silicon is as follows.
Purity (Si content): JIS G 1322-1: 2010 5. Silicon determination method Follows the gravimetric method. Detection limit: 0.1% by weight
Fe content: JIS G 1322-5: 2010 7. Conforms to silicon isolation ICP emission spectroscopy. Detection limit: 0.001% by weight
Al content: JIS G 1322-6: 2010 6. Conforms to silicon isolation ICP emission spectroscopy. Detection limit: 0.001% by weight
Ca content: JIS G 1322-7: 2010 6. Conforms to silicon isolation ICP emission spectroscopy. Detection limit: 0.001% by weight
P content: JIS G 1322-3: 2010 6. Conforms to silicon isolation ICP emission spectroscopy. Detection limit: 0.002% by weight
B content: JIS G 1322-3: 2010 6. Conforms to silicon separation ICP emission analysis. Detection limit: 1 ppm by mass

原料材が含む炭素源はCを含んでいる限り任意である。入手容易性が高いため、炭素源は、木炭およびオガ炭からなる群から選ばれた1種または2種以上を含むことが好ましい場合がある。   The carbon source contained in the raw material is arbitrary as long as it contains C. Since the availability is high, the carbon source may preferably include one or more selected from the group consisting of charcoal and oga charcoal.

S、P、As、Biおよびハロゲンは、リチウムイオン二次電池を構成する金属系材料を腐食させるため、炭素源は、S、P、As、Biおよびハロゲンの含有量がいずれも不可避的不純物レベルであることが好ましい。   Since S, P, As, Bi, and halogen corrode the metal-based material constituting the lithium ion secondary battery, the carbon source contains unavoidable impurity levels of any of S, P, As, Bi, and halogen. It is preferable that

炭素源の分析方法の一例を挙げれば、次のとおりである。
S含有量:試料燃焼イオンクロマトグラフ法に準じる。検出限界:10質量ppm
P含有量:ICP発光分析法に準じる。検出限界:1質量ppm
As含有量:ICP発光分析法に準じる。検出限界:1質量ppm
Bi含有量:ICP発光分析法に準じる。検出限界:1質量ppm
ハロゲン元素含有量:試料燃焼イオンクロマトグラフ法に準じる。検出限界:10質量ppm
An example of the carbon source analysis method is as follows.
S content: According to the sample combustion ion chromatography method. Detection limit: 10 mass ppm
P content: According to ICP emission analysis. Detection limit: 1 ppm by mass
As content: According to ICP emission analysis. Detection limit: 1 ppm by mass
Bi content: According to ICP emission analysis. Detection limit: 1 ppm by mass
Halogen element content: According to sample combustion ion chromatography. Detection limit: 10 mass ppm

珪素源が珪石を含む場合には、珪石に含まれるシリコンの酸化物を還元することができるように、原料材における炭素源の量は設定される。珪石の還元を安定的に生じさせる観点から、炭素源におけるCの量は、珪石に含まれるSiの3モル倍以上の量とすることが好ましい。   When the silicon source includes silica, the amount of the carbon source in the raw material is set so that the silicon oxide contained in the silica can be reduced. From the viewpoint of stably producing the reduction of the silica, the amount of C in the carbon source is preferably 3 mol times or more of Si contained in the silica.

原料材を構成する各材料(ニッケル源、珪素源および炭素源)を炉内で加熱して熔融物質を得る際に、均一性を高める観点から、原料材を構成する各材料あらかじめ混合した状態で加熱を行うことが好ましい。   From the viewpoint of improving uniformity when heating each material (nickel source, silicon source and carbon source) constituting the raw material in a furnace to obtain a molten material, the materials constituting the raw material are mixed in advance. It is preferable to perform heating.

原料材を加熱することにより得られた熔融物質を、3時間以上の冷却時間で50℃以下に冷却することにより、リチウム吸蔵放出材料を得ることができる。後述する実施例において示すように、得られるリチウム吸蔵放出材料は、Si相およびNiSi相ならびにNiSi相を含む。すなわち、熔融物質からリチウム吸蔵放出材料を得るプロセスは下記式(ii)により示すことができる。
xNi + ySi → (NiSi(NiSi)(Si) (iii)
By cooling the molten material obtained by heating the raw material to 50 ° C. or lower with a cooling time of 3 hours or longer, a lithium occlusion / release material can be obtained. As will be described later in Examples, the obtained lithium storage / release material includes a Si phase, a NiSi 2 phase, and a NiSi phase. That is, the process for obtaining the lithium storage / release material from the molten material can be represented by the following formula (ii).
xNi + ySi → (NiSi 2 ) a (NiSi) b (Si) c (iii)

熔融物質はSi/Ni比が2.08以上であるから、これを冷却すれば、非特許文献1に示されるように、初晶はSi相となる。特許文献1ではリチウム吸蔵放出相であるSi相が初晶となることは、リチウム吸蔵放出相が粗大になるおそれがあることから好ましくないと位置付けられているが、冷却速度が遅い場合には、リチウム吸蔵放出相が初相であっても、優れた充放電特性を有し繰り返し充放電した場合の容量維持率が高いリチウムイオン二次電池の負極材料となりうるリチウム吸蔵放出材料を得ることができる。   Since the melted substance has a Si / Ni ratio of 2.08 or more, as shown in Non-Patent Document 1, the primary crystal becomes the Si phase if it is cooled. In Patent Document 1, the Si phase that is the lithium occlusion / release phase is regarded as an initial crystal, which is not preferable because the lithium occlusion / release phase may become coarse, but when the cooling rate is slow, Even when the lithium occlusion / release phase is the initial phase, it is possible to obtain a lithium occlusion / release material that can be used as a negative electrode material of a lithium ion secondary battery having excellent charge / discharge characteristics and high capacity retention when repeatedly charged / discharged. .

適切な組織を有するリチウム吸蔵放出材料を得る観点から、冷却過程における平均冷却速度は、0.5℃/秒以下であることが好ましい場合があり、0.3℃/秒以下であることがより好ましい場合があり、0.1℃/秒以下であることが特に好ましい場合がある。   From the viewpoint of obtaining a lithium occlusion / release material having an appropriate structure, the average cooling rate in the cooling process may be preferably 0.5 ° C./second or less, more preferably 0.3 ° C./second or less. It may be preferable, and it may be particularly preferable that it is 0.1 ° C./second or less.

図2は、本発明の一実施形態に係るリチウム吸蔵放出材料の製造方法の具体的な一例を示す機器設置の概略フローシートである。以下、図2を用いて製造例を説明する。   FIG. 2 is a schematic flow sheet of equipment installation showing a specific example of a method for producing a lithium storage / release material according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, a manufacturing example will be described with reference to FIG.

まず、所定量の原料を混合機にてよく混合させてから、コンテナに貯蔵する。混合機(MX−101)で、原料を予め均質に混合した後に電気炉へ供給することが好ましい。混合が不十分であると珪素源である珪石が炭素源によって十分珪素に還元されずに不溶性の珪石のまま電気炉(本例ではアーク炉)の内部に残存してしまう。この残存物は連続運転を阻害する要因となりうる。   First, a predetermined amount of raw material is mixed well in a mixer and then stored in a container. It is preferable to feed the raw materials to the electric furnace after homogeneously mixing the raw materials in advance with a mixer (MX-101). If the mixing is insufficient, the silica that is the silicon source is not sufficiently reduced to silicon by the carbon source and remains in the electric furnace (in this example, the arc furnace) as insoluble silica. This residue can be a factor that hinders continuous operation.

次に、電気炉の運転手順に従い、炉の準備を完了させる。炉の準備完了後、スタートアップ手順に従い、炉の運転を通常運転温度(1,200〜1,650℃)まで昇温する。運転中は炉内の温度を1,200〜1,650℃、より好ましくは1,350〜1,500℃の範囲に保持する。通常運転を継続できる状態に到達すると、コンテナの良く混合された原料を原料ストック皿に移し、所定の速度で、必要量をアーク炉に投入し、合金を製造する。電気炉(アーク炉)の内部の状態が安定するために、通常、1〜2時間を要する。その後、さらに4〜30時間加熱反応させる。こうして、熔融物質を得る。   Next, the preparation of the furnace is completed according to the operation procedure of the electric furnace. After the preparation of the furnace is completed, the operation of the furnace is raised to the normal operating temperature (1,200 to 1,650 ° C.) according to the startup procedure. During operation, the temperature in the furnace is maintained in the range of 1,200 to 1,650 ° C, more preferably 1,350 to 1,500 ° C. When a state where normal operation can be continued is reached, the well-mixed raw material of the container is transferred to the raw material stock pan, and the required amount is charged into the arc furnace at a predetermined speed to produce an alloy. It usually takes 1 to 2 hours to stabilize the internal state of the electric furnace (arc furnace). Thereafter, the reaction is further carried out for 4 to 30 hours. In this way, a molten material is obtained.

続いて、得られた熔融物質を、所定時間ごとに受け皿に抜き出す。受け皿に抜き出された熔融物質を3時間以上かけて50℃に冷却することにより、塊状のリチウム吸蔵放出材料が得られる。これをクラッシャー(図示せず)にて粉砕し、その後、使用目的に応じたサイズに分級し、サイズの揃ったリチウム吸蔵放出材料を得る。作業中に発生する粉塵は、No.1ブロアー(BL−101)、No.2ブロアー(BL−102)にて吸引し、No1.集塵機およびNo2.集塵機にて除去する。集塵の塵は、フレコンに収納し、処理する。   Subsequently, the obtained molten material is drawn out into a tray every predetermined time. A molten lithium occlusion / release material is obtained by cooling the molten material extracted to the tray to 50 ° C. over 3 hours or more. This is pulverized by a crusher (not shown), and then classified into a size according to the purpose of use to obtain a lithium occluding / releasing material having a uniform size. The dust generated during work is No. 1 blower (BL-101), No. 1 Aspirate with 2 blowers (BL-102). Dust collector and No2. Remove with a dust collector. Dust collected is stored in a flexible container and processed.

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。   The embodiment described above is described for facilitating understanding of the present invention, and is not described for limiting the present invention. Therefore, each element disclosed in the above embodiment is intended to include all design changes and equivalents belonging to the technical scope of the present invention.

例えば、上記のリチウム吸蔵放出材料の製造方法では、原料材が炭素源を含有していたが、金属珪素など製錬された(還元された)珪素材料を珪素源として用いれば、炭素源を用いてSiの酸化物を還元するプロセスを行わなくてもよい。ただし、Siは酸化しやすく、リチウム吸蔵放出材料内にSiの酸化物が残留すれば、その酸化物に含まれるSiはリチウムの吸蔵放出機能を果たすことができない。したがって、熔融物質を製造するに当たり還元プロセスを行って、熔融物質内のSiを十分に還元しておくことが好ましい。   For example, in the above method for producing a lithium storage / release material, the raw material contains a carbon source. However, if a refined (reduced) silicon material such as metallic silicon is used as the silicon source, the carbon source is used. Thus, the process of reducing the oxide of Si may not be performed. However, Si is easy to oxidize, and if an oxide of Si remains in the lithium occlusion / release material, Si contained in the oxide cannot fulfill the function of occlusion / release of lithium. Therefore, it is preferable to reduce the Si in the molten material sufficiently by performing a reduction process in producing the molten material.

以下、実施例等により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例等に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example etc. demonstrate this invention further more concretely, the scope of the present invention is not limited to these Examples etc.

(実施例1)
原料のニッケル源として、新ニッケル100kgに対し、珪素源として珪石306.6kg、炭素源として木炭184.0kgを用い、図2に示した製造フローシートに記載の方法にてリチウム吸蔵放出材料を製造した。リチウム吸蔵放出材料におけるFeのNiに対する原子比(Fe/Ni比)が0.063以下となるように熔融物質の組成を管理した。他の実施例および比較例においても、リチウム吸蔵放出材料のFe/Ni比の管理は同様とした。熔融物質の冷却は、熔融状態から3時間かけて50℃に冷却することにより行われた。この場合の平均冷却速度は、0.1℃/秒であった。こうして、珪素のニッケルに対する原子比率(Si/Ni比)が3.0のリチウム吸蔵放出材料を99%の収率で得た。
(Example 1)
Using 306.6 kg of silica as a silicon source and 184.0 kg of charcoal as a carbon source for 100 kg of new nickel as a raw material nickel source, a lithium storage / release material is produced by the method described in the production flow sheet shown in FIG. did. The composition of the molten material was controlled such that the atomic ratio of Fe to Ni (Fe / Ni ratio) in the lithium storage / release material was 0.063 or less. In other examples and comparative examples, the management of the Fe / Ni ratio of the lithium storage / release material was the same. The molten material was cooled by cooling to 50 ° C. over 3 hours from the molten state. In this case, the average cooling rate was 0.1 ° C./second. Thus, a lithium occlusion / release material having an atomic ratio of silicon to nickel (Si / Ni ratio) of 3.0 was obtained in a yield of 99%.

(測定例1)X線光電子分光スペクトル
実施例1により製造されたリチウム吸蔵放出材料をX線光電子分光(XPS)により測定した。測定条件は、次のとおりであった。
装置:アルバック・ファイ株式会社製「Quantera SXM ULXAC−PHI」
X線源ターゲット:Al(単色化光源)
X線ビーム径・出力:100μm・15KV,25W
Take−off Angle.:45°(分析深さ約7nm)
(Measurement Example 1) X-ray Photoelectron Spectroscopy The lithium storage / release material produced in Example 1 was measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The measurement conditions were as follows.
Equipment: “Quantera SXM ULXAC-PHI” manufactured by ULVAC-PHI Co., Ltd.
X-ray source target: Al (monochromatic light source)
X-ray beam diameter and output: 100 μm, 15 KV, 25 W
Take-off Angle. : 45 ° (analysis depth about 7nm)

測定結果(X線光電子分光スペクトル)を表1および図3から図5に示す。表1に示されるように、実施例1により製造されたリチウム吸蔵放出材料の表面におけるSi/Ni比(金属Siと金属Niとの比)は5.6で、表面には相対的にSiが多く存在することが確認された。
The measurement results (X-ray photoelectron spectroscopy spectrum) are shown in Table 1 and FIGS. As shown in Table 1, the Si / Ni ratio (ratio of metal Si to metal Ni) on the surface of the lithium occlusion / release material manufactured according to Example 1 is 5.6, and Si is relatively present on the surface. It was confirmed that there were many.

(測定例2)X線回折スペクトル
実施例1により製造されたリチウム吸蔵放出材料のX線回折測定を行った。測定条件は、次のとおりであった。
装置:Smart Lab(リガク社製)
線源:Cu Kα(出力:45kV×200mA)
測定モード:2θ−ω測定(集中法)
範囲:5〜150°
ステップ幅:0.01°
計数時間:0.1°/分
試料設置方法:ガラスプレートに塗布
(Measurement Example 2) X-ray diffraction spectrum The X-ray diffraction measurement of the lithium occlusion / release material produced in Example 1 was performed. The measurement conditions were as follows.
Device: Smart Lab (manufactured by Rigaku Corporation)
Radiation source: Cu Kα (output: 45 kV x 200 mA)
Measurement mode: 2θ-ω measurement (concentration method)
Range: 5-150 °
Step width: 0.01 °
Counting time: 0.1 ° / min Sample setting method: Apply to glass plate

測定結果(X線回折スペクトル)を装置に付属しているICDD(粉末回折データベース)にある既知のNiSiパターンと照合した。図6中に、Siによるピークを破線(頂部に■を付した。)で示し、NiSiによるピークを点線(頂部に◇を付した。)で示し、NiSiによるピークを点線(頂部に△を付した。)で示した。図6(特に、76°近傍のピーク群、88°近傍のピーク群、および95°近傍のピーク群)に示されるように、Siと帰属されるピークおよびNiSiと帰属されるピークが検出された。また、他の小さなピークは一部NiSiと帰属されるものを含んでいた。したがって、実施例1により製造されたリチウム吸蔵放出材料は、Si相およびNiSi相を含むこと、およびさらに微量なNiSi結晶を含むことが確認された。なお、図6には、55°〜58°の範囲、68°〜71°の範囲、75°〜78°の範囲、よび87°〜90°の範囲を拡大したX線回折スペクトルも示した。X線回折スペクトルにおいてSiと帰属された5つのピークについて、ピーク位置(単位:°(degree))および格子間隔の算出結果を表2に示した。 The measurement result (X-ray diffraction spectrum) was collated with a known Ni x Si y pattern in ICDD (powder diffraction database) attached to the apparatus. In FIG. 6, the peak due to Si is indicated by a broken line (marked with ■ at the top), the peak due to NiSi 2 is indicated by a dotted line (marked with 頂 at the top), and the peak due to NiSi is indicated by a dotted line (Δ at the top). Attached). As shown in FIG. 6 (particularly, a peak group near 76 °, a peak group near 88 °, and a peak group near 95 °), a peak attributed to Si and a peak attributed to NiSi 2 were detected. It was. In addition, the other small peaks included some attributed to NiSi. Therefore, it was confirmed that the lithium occlusion / release material manufactured according to Example 1 includes a Si phase and a NiSi 2 phase, and further includes a trace amount of NiSi crystals. FIG. 6 also shows an X-ray diffraction spectrum obtained by enlarging the range of 55 ° to 58 °, the range of 68 ° to 71 °, the range of 75 ° to 78 °, and the range of 87 ° to 90 °. Table 5 shows the calculation results of peak positions (unit: ° (degree)) and lattice spacing for five peaks assigned to Si in the X-ray diffraction spectrum.

(測定例3)Si相の大きさの測定
測定例2により測定されたX線回折スペクトルにおいてSiと帰属された5つのピークについて半値全幅FWHM(単位:rad)を求め、上記式(i)に示されるシェラーの式を用いて、各ピークにおけるSiの結晶サイズτ(単位:nm)を算出した(表2参照。)。求めた5つの結晶サイズの算術平均値を、実施例1により製造されたリチウム吸蔵放出材料のSi相の大きさとした。こうして求められたSi相の大きさは47nmであった。
(Measurement Example 3) Measurement of Si Phase Size The full width at half maximum FWHM (unit: rad) is obtained for the five peaks assigned to Si in the X-ray diffraction spectrum measured in Measurement Example 2, and the above formula (i) is obtained. The Si crystal size τ (unit: nm) at each peak was calculated using the Scherrer equation shown (see Table 2). The arithmetic average value of the obtained five crystal sizes was defined as the size of the Si phase of the lithium occlusion / release material manufactured in Example 1. The size of the Si phase thus determined was 47 nm.

(実施例2)
原料のニッケル源として、新ニッケル100kgに対し、珪素源として珪石255.5kg、炭素源として木炭153.2kgを用い、図2に示した製造フローシートに記載の方法にてリチウム吸蔵放出材料を製造した。熔融物質の冷却は、熔融状態から3時間かけて50℃に冷却することにより行われた。この場合の平均冷却速度は、0.1℃/秒であった。こうして、珪素のニッケルに対する原子比率(Si/Ni比)が2.5のリチウム吸蔵放出材料を99%の収率で得た。
(Example 2)
Production of lithium occlusion / release material by the method described in the production flow sheet shown in FIG. 2, using 255.5 kg of silica as a silicon source and 153.2 kg of charcoal as a carbon source for 100 kg of new nickel as a raw material nickel source did. The molten material was cooled by cooling to 50 ° C. over 3 hours from the molten state. In this case, the average cooling rate was 0.1 ° C./second. Thus, a lithium occlusion / release material having an atomic ratio of silicon to nickel (Si / Ni ratio) of 2.5 was obtained in a yield of 99%.

(実施例3)
原料のニッケル源として、新ニッケル100kgに対し、珪素源として珪石408.9kg、炭素源として木炭245.3kgを用い、図2に示した製造フローシートに記載の方法にてリチウム吸蔵放出材料を製造した。熔融物質の冷却は、熔融状態から3時間かけて50℃に冷却することにより行われた。この場合の平均冷却速度は、0.1℃/秒であった。こうして、珪素のニッケルに対する原子比率(Si/Ni比)が4.0のリチウム吸蔵放出材料を99%の収率で得た。測定例3と同様にして測定されたSi相の大きさは84nmであった。
(Example 3)
Production of lithium occlusion / release material by the method described in the production flow sheet shown in FIG. 2, using 408.9 kg of silica as a silicon source and 245.3 kg of charcoal as a carbon source for 100 kg of new nickel as a raw material nickel source. did. The molten material was cooled by cooling to 50 ° C. over 3 hours from the molten state. In this case, the average cooling rate was 0.1 ° C./second. Thus, a lithium occlusion / release material having an atomic ratio of silicon to nickel (Si / Ni ratio) of 4.0 was obtained in a yield of 99%. The size of the Si phase measured in the same manner as in Measurement Example 3 was 84 nm.

(実施例4)
原料のニッケル源として、ニッケル珪素水添触媒(水添触媒)100kg(組成:Ni53.5kg、Si43kg、Fe2.5kg)に対し、珪素源として珪石71.9kg、炭素源として木炭43.1kgを用い、図2に示した製造フローシートに記載の方法にてリチウム吸蔵放出材料を製造した。熔融物質の冷却は、熔融状態から3時間かけて50℃に冷却することにより行われた。この場合の平均冷却速度は、0.1℃/秒であった。こうして、珪素のニッケルに対する原子比率(Si/Ni比)が3.0のリチウム吸蔵放出材料を99%の収率で得た。
Example 4
As a raw material nickel source, 100 kg of nickel silicon hydrogenation catalyst (hydrogenation catalyst) (composition: Ni 53.5 kg, Si 43 kg, Fe 2.5 kg), using 71.9 kg of silica as a silicon source and 43.1 kg of charcoal as a carbon source A lithium occlusion / release material was produced by the method described in the production flow sheet shown in FIG. The molten material was cooled by cooling to 50 ° C. over 3 hours from the molten state. In this case, the average cooling rate was 0.1 ° C./second. Thus, a lithium occlusion / release material having an atomic ratio of silicon to nickel (Si / Ni ratio) of 3.0 was obtained in a yield of 99%.

(実施例5)
原料のニッケル源として、使用済みスポンジニッケル触媒(水添回収触媒)100kg(組成:Ni63kg、Si34kg、Fe3kg)に対し、珪素源として珪石120.3kg、炭素源として木炭72.1kgを用い、図2に示した製造フローシートに記載の方法にてリチウム吸蔵放出材料を製造した。熔融物質の冷却は、熔融状態から3時間かけて50℃に冷却することにより行われた。この場合の平均冷却速度は、0.1℃/秒であった。こうして、珪素のニッケルに対する原子比率(Si/Ni比)が3.0のリチウム吸蔵放出材料を99%の収率で得た。
(Example 5)
As a raw material nickel source, 100 kg of used sponge nickel catalyst (hydrogenation recovery catalyst) (composition: Ni 63 kg, Si 34 kg, Fe 3 kg), 120.3 kg of silica as a silicon source, and 72.1 kg of charcoal as a carbon source, FIG. A lithium occlusion / release material was produced by the method described in the production flow sheet shown in FIG. The molten material was cooled by cooling to 50 ° C. over 3 hours from the molten state. In this case, the average cooling rate was 0.1 ° C./second. Thus, a lithium occlusion / release material having an atomic ratio of silicon to nickel (Si / Ni ratio) of 3.0 was obtained in a yield of 99%.

(実施例6)
原料のニッケル源として、新ニッケル100kgに対し、珪素源として金属珪素143.1kgを用い、高周波誘導溶解炉にて熔融物質を得た。熔融物質の冷却は、熔融状態から3時間かけて50℃に冷却することにより行われた。この場合の平均冷却速度は、0.1℃/秒であった。こうして、珪素のニッケルに対する原子比率(Si/Ni比)が3.0のリチウム吸蔵放出材料を99%の収率で得た。
(Example 6)
A molten material was obtained in a high frequency induction melting furnace using 143.1 kg of metallic silicon as a silicon source for 100 kg of new nickel as a raw material nickel source. The molten material was cooled by cooling to 50 ° C. over 3 hours from the molten state. In this case, the average cooling rate was 0.1 ° C./second. Thus, a lithium occlusion / release material having an atomic ratio of silicon to nickel (Si / Ni ratio) of 3.0 was obtained in a yield of 99%.

(実施例7)
原料のニッケル源として、新ニッケル100kgに対し、珪素源として珪石235.1kg、炭素源として木炭141.1kgを用い、図2に示した製造フローシートに記載の方法にてリチウム吸蔵放出材料を製造した。熔融物質の冷却は、熔融状態から3時間かけて50℃に冷却することにより行われた。この場合の平均冷却速度は、0.1℃/秒であった。こうして、Siのニッケルに対する原子比率(Si/Ni比)が2.3のリチウム吸蔵放出材料を99%の収率で得た。
(Example 7)
Production of lithium storage and release material by the method described in the production flow sheet shown in FIG. 2, using 235.1 kg of silica as a silicon source and 141.1 kg of charcoal as a carbon source for 100 kg of new nickel as a raw material nickel source did. The molten material was cooled by cooling to 50 ° C. over 3 hours from the molten state. In this case, the average cooling rate was 0.1 ° C./second. Thus, a lithium occlusion / release material having an atomic ratio of Si to nickel (Si / Ni ratio) of 2.3 was obtained in a yield of 99%.

(比較例1)
原料のニッケル源として、使用済みスポンジニッケル触媒100kg(組成:Ni63kg,Si34kg、Fe3kg)に対し、珪素源として珪石30.2kg、炭素源として木炭18.1kgを用い、図2に示した製造フローシートに記載の方法にて水添用珪素―ニッケル合金を製造した。熔融物質の冷却は、熔融状態から3時間かけて50℃に冷却することにより行われた。この場合の平均冷却速度は、0.1℃/秒であった。こうして、Siのニッケルに対する原子比率(Si/Ni比)が1.6の水添用珪素―ニッケル合金を99%の収率で得た。
(Comparative Example 1)
As a raw material nickel source, 100 kg of used sponge nickel catalyst (composition: Ni 63 kg, Si 34 kg, Fe 3 kg), 30.2 kg of silica as a silicon source, 18.1 kg of charcoal as a carbon source, and the production flow sheet shown in FIG. A silicon-nickel alloy for hydrogenation was produced by the method described in 1. The molten material was cooled by cooling to 50 ° C. over 3 hours from the molten state. In this case, the average cooling rate was 0.1 ° C./second. Thus, a hydrogenating silicon-nickel alloy having an atomic ratio of Si to nickel (Si / Ni ratio) of 1.6 was obtained in a yield of 99%.

(比較例2)
原料のニッケル源として、新ニッケル100kgに対し、珪素源として珪石460kg、炭素源として木炭276kgを用い、図2に示した製造フローシートに記載の方法にてリチウム吸蔵放出材料を製造した。熔融物質の冷却は、熔融状態から3時間かけて50℃に冷却することにより行われた。この場合の平均冷却速度は、0.1℃/秒であった。こうして、Siのニッケルに対する原子比率(Si/Ni比)が4.5のリチウム吸蔵放出材料を99%の収率で得た。測定例3と同様にして測定されたSi相の大きさは130nmであった。
(Comparative Example 2)
Lithium occlusion / release materials were produced by the method described in the production flow sheet shown in FIG. 2, using 460 kg of silica as a silicon source and 276 kg of charcoal as a carbon source for 100 kg of new nickel as a raw material nickel source. The molten material was cooled by cooling to 50 ° C. over 3 hours from the molten state. In this case, the average cooling rate was 0.1 ° C./second. Thus, a lithium occlusion / release material having an atomic ratio of Si to nickel (Si / Ni ratio) of 4.5 was obtained in a yield of 99%. The size of the Si phase measured in the same manner as in Measurement Example 3 was 130 nm.

(実施例8)
原料のニッケル源として、新ニッケル100kgに対し、珪素源として珪石245kg、炭素源として木炭147kgを用い、図2に示した製造フローシートに記載の方法にてリチウム吸蔵放出材料を製造した。熔融物質の冷却は、熔融状態から3時間かけて50℃に冷却することにより行われた。この場合の平均冷却速度は、0.1℃/秒であった。こうして、Siのニッケルに対する原子比率(Si/Ni比)が2.4のリチウム吸蔵放出材料を99%の収率で得た。
(Example 8)
Lithium occlusion / release material was manufactured by the method described in the manufacturing flow sheet shown in FIG. 2 using 245 kg of silica as a silicon source and 147 kg of charcoal as a carbon source for 100 kg of new nickel as a raw material nickel source. The molten material was cooled by cooling to 50 ° C. over 3 hours from the molten state. In this case, the average cooling rate was 0.1 ° C./second. Thus, a lithium occlusion / release material having an atomic ratio of Si to nickel (Si / Ni ratio) of 2.4 was obtained in a yield of 99%.

(比較例3)
原料のニッケル源として、新ニッケル2kgに対し、珪素源として珪石6kg、炭素源として木炭3.7kgを用い、高周波炉にて溶解して熔融物質を得た。得られた熔融物質を20分間にて50℃まで急冷してリチウム吸蔵放出材料を製造した。この場合の平均冷却速度は、1℃/秒であった。こうして、Siのニッケルに対する原子比率(Si/Ni比)が3.0のリチウム吸蔵放出材料を99%の収率で得た。
(Comparative Example 3)
As a raw material nickel source, 2 kg of new nickel, 6 kg of silica as a silicon source, and 3.7 kg of charcoal as a carbon source were melted in a high frequency furnace to obtain a molten material. The obtained molten material was rapidly cooled to 50 ° C. in 20 minutes to produce a lithium storage / release material. In this case, the average cooling rate was 1 ° C./second. Thus, a lithium storage / release material having an atomic ratio of Si to nickel (Si / Ni ratio) of 3.0 was obtained in a yield of 99%.

(測定例4)リチウムイオン二次電池の作製および特性評価
2032型コイン電池を作成した。実施例および比較例により作製した塊状のリチウム吸蔵放出材料を粉砕機で1mmφ程度に粉砕し、遊星ボールミルを用いて得られた粉砕体をさらに粉砕して、1μmφ程度の微粉末を得た。この微粉末を用いて負極を作製した。対極(正極)として金属リチウム、セパレータとして微多孔性のポリプロピレン製フィルムを使用した。LiPFを1モル/Lの割合で溶解させたエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの1:1(体積比)の混合溶媒にフルオロエチレンカーボネイトを5重量%添加したものを電解液として使用した。
(Measurement Example 4) Production and characteristic evaluation of lithium ion secondary battery A 2032 type coin battery was produced. The bulk lithium occlusion / release material produced in Examples and Comparative Examples was pulverized to about 1 mmφ by a pulverizer, and the pulverized product obtained using a planetary ball mill was further pulverized to obtain a fine powder of about 1 μmφ. A negative electrode was prepared using this fine powder. Metallic lithium was used as the counter electrode (positive electrode), and a microporous polypropylene film was used as the separator. A solution obtained by adding 5% by weight of fluoroethylene carbonate to a 1: 1 (volume ratio) mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate in which LiPF 6 was dissolved at a rate of 1 mol / L was used as an electrolytic solution.

本発明のリチウム吸蔵放出材料を含む負極を用いたリチウムイオン二次電池の充放電特性は、次のようにして測定した。ナガノ社製「BTS2005W」を用い、活物質1g当たり100mAの電流で、リチウム電極に対して0.001Vに達するまで定電流充電した。次に、0.001Vの電圧を維持しつつ、電流が活物質1g当たり20mA以下の電流値になるまで定電圧充電を実施した。充電が完了したセルは、約30分間の休止期間を経た後、活物質1g当たり100mAの電流で電圧が1.5Vに達するまで定電流放電を行った。   The charge / discharge characteristics of the lithium ion secondary battery using the negative electrode containing the lithium storage / release material of the present invention were measured as follows. Using “BTS2005W” manufactured by Nagano Co., Ltd., constant current charging was performed at a current of 100 mA per gram of active material until reaching 0.001 V with respect to the lithium electrode. Next, constant voltage charging was carried out while maintaining a voltage of 0.001 V until the current reached a current value of 20 mA or less per gram of active material. The cell that had been fully charged was subjected to a constant current discharge at a current of 100 mA per gram of active material until the voltage reached 1.5 V after a rest period of about 30 minutes.

充電容量は、定電圧充電が終了するまで積算電流値から計算し、放電容量は、電池電圧が1.5Vに到達するまでの積算電流値から計算した。各充放電の切り替え時には、30分間、開回路で休止した。   The charge capacity was calculated from the integrated current value until the constant voltage charge was completed, and the discharge capacity was calculated from the integrated current value until the battery voltage reached 1.5V. At the time of switching between charge and discharge, the circuit was paused for 30 minutes.

充放電特性の測定結果を表3に示す。なお、容量保持率は、50回目の充電量の2回目の充電量に対する割合(単位:%)である。   Table 3 shows the measurement results of the charge / discharge characteristics. The capacity retention rate is a ratio (unit:%) of the 50th charge amount to the second charge amount.

表3に示されるように、比較例1の水添用珪素―ニッケル合金を用いた場合には、リチウムイオン二次電池の初回充電量、初回放電量のいずれも極めて低い結果となった。これは、比較例1の合金のSi/Ni比が2.08未満であるためと考えられる。これに対し、Si/Ni比が2.08以上である実施例に係るリチウム吸蔵放出材料を用いたリチウムイオン二次電池では、初回充電量および初回放電量のいずれも400mAh/g以上となり、良好な充放電特性が得られた。特に、Si/Ni比が2.4以上である実施例(実施例1,2,3および8)に係るリチウム吸蔵放出材料を用いたリチウムイオン二次電池では、初回充電量が500mAh/g以上となった。   As shown in Table 3, when the hydrogenated silicon-nickel alloy of Comparative Example 1 was used, both the initial charge amount and the initial discharge amount of the lithium ion secondary battery were extremely low. This is considered because the Si / Ni ratio of the alloy of Comparative Example 1 is less than 2.08. On the other hand, in the lithium ion secondary battery using the lithium occlusion / release material according to the example in which the Si / Ni ratio is 2.08 or more, both the initial charge amount and the initial discharge amount are 400 mAh / g or more, which is favorable. Charge / discharge characteristics were obtained. In particular, in the lithium ion secondary battery using the lithium occlusion / release material according to Examples (Examples 1, 2, 3 and 8) having a Si / Ni ratio of 2.4 or more, the initial charge amount is 500 mAh / g or more. It became.

また、Si相の大きさが100nm以下であってSi/Ni比が2.08以上4.2以下である、実施例1および3に係るリチウム吸蔵放出材料を用いたリチウムイオン二次電池では、容量保持率が85%以上となって、繰り返し充放電した場合の容量を適切に維持することができた。これに対し、比較例2に係るリチウム吸蔵放出材料(Si相の相当径=65nm、Si/Ni比=4.5)を用いたリチウムイオン二次電池では容量保持率が低下し、繰り返し充放電した場合の容量を維持できなかった。比較例2の場合には、リチウム吸蔵放出材料内のSi相が過度に大きく、繰り返し充放電した時にNiSi相による拘束が適切に行われなくなったと考えられる。 Further, in the lithium ion secondary battery using the lithium occlusion / release materials according to Examples 1 and 3 in which the size of the Si phase is 100 nm or less and the Si / Ni ratio is 2.08 or more and 4.2 or less, The capacity retention rate was 85% or more, and the capacity when repeatedly charged and discharged could be properly maintained. On the other hand, in the lithium ion secondary battery using the lithium occlusion / release material according to Comparative Example 2 (Si phase equivalent diameter = 65 nm, Si / Ni ratio = 4.5), the capacity retention rate decreases, and repeated charge / discharge The capacity could not be maintained. In the case of Comparative Example 2, it is considered that the Si phase in the lithium occlusion / release material is excessively large, and the NiSi 2 phase is not properly restrained when repeatedly charged and discharged.

ニッケル源とリチウム吸蔵放出材料(Si/Ni比=3.0)との関係を評価するため、実施例1,4および5の測定結果を表4に示した。   In order to evaluate the relationship between the nickel source and the lithium storage / release material (Si / Ni ratio = 3.0), the measurement results of Examples 1, 4 and 5 are shown in Table 4.

表4に示されるように、リチウム源が相違しても、得られたリチウム吸蔵放出材料の特性はほとんど等しくなった。特に、使用済みスポンジニッケル触媒をニッケル源とした場合でも、新ニッケルや使用前の水添触媒をニッケル源とした場合と性能的に大差ない結果が得られたことから、使用済みスポンジニッケル触媒が、リチウム吸蔵放出材料を製造するためのニッケル源として再利用可能であることが明らかになった。   As shown in Table 4, the properties of the obtained lithium storage / release materials were almost equal even when the lithium sources were different. In particular, even when the used sponge nickel catalyst was used as the nickel source, the results were not significantly different from the case where the new nickel or the hydrogenation catalyst before use was used as the nickel source. It has become clear that it can be reused as a nickel source for producing lithium storage / release materials.

リチウム吸蔵放出材料の製造方法、特に熔融物質の製造方法の相違が充放電特性に与える影響を評価するため、実施例1および6の結果を表5に示した。実施例1では、原料材に炭素源を含む還元法を実施して、電気炉(アーク炉)を用いて熔融物質を製造した。これに対し、実施例6では、いずれも新ニッケルおよび金属珪素を原料材とし、高周波誘導溶解炉を用いて熔融物質を製造した。   The results of Examples 1 and 6 are shown in Table 5 in order to evaluate the influence of the difference in the production method of the lithium storage / release material, particularly the production method of the molten material, on the charge / discharge characteristics. In Example 1, a reduction method including a carbon source in a raw material was performed, and a molten material was produced using an electric furnace (an arc furnace). On the other hand, in Example 6, the new nickel and metallic silicon were used as raw materials, and the molten material was manufactured using a high frequency induction melting furnace.

表5に示されるように、熔融物質の製造方法の相違が与える影響は大きくないことが確認された。未還元の材料(珪石)を原料材の一部に含んでいても熔融物質の製造過程で還元プロセスを積極的に行う(実施例1)ことにより、還元された材料(新ニッケル、金属珪素)からなる原料材を用いて還元プロセスを積極的に行わない場合(実施例6)に比べて、得られたリチウムイオン吸蔵放出材料を用いたリチウムイオン二次電池の充放電特性が良好となることが確認された。   As shown in Table 5, it was confirmed that the influence of the difference in the manufacturing method of the molten material was not great. Even if an unreduced material (silica stone) is included in a part of the raw material, the reduced material (new nickel, metallic silicon) is obtained by actively performing the reduction process in the manufacturing process of the molten material (Example 1). Compared with the case where the reduction process is not actively performed using the raw material made of (Example 6), the charge / discharge characteristics of the lithium ion secondary battery using the obtained lithium ion storage / release material are improved. Was confirmed.

リチウム吸蔵放出材料におけるSi相の大きさが充放電特性に与える影響を評価するため、実施例1および3ならびに比較例2の測定結果を表6に示した。   Table 6 shows the measurement results of Examples 1 and 3 and Comparative Example 2 in order to evaluate the influence of the size of the Si phase in the lithium storage / release material on the charge / discharge characteristics.

表6に示されるように、Si相の大きさが100nm以下、好ましくは85nmであれば、良好な充放電特性が得られ、繰り返し充放電した場合でも容量を適切に維持できるが、Si相の大きさが過大になると容量保持率が低下することが確認された。   As shown in Table 6, when the size of the Si phase is 100 nm or less, preferably 85 nm, good charge / discharge characteristics can be obtained, and the capacity can be properly maintained even when repeatedly charged / discharged. It was confirmed that the capacity retention decreased when the size was excessive.

リチウム吸蔵放出材料の製造方法、特に熔融物質を冷却してリチウム吸蔵放出材料を得る過程の相違が充放電特性に与える影響を評価するため、実施例1および比較例4の結果を表7に示した。   The results of Example 1 and Comparative Example 4 are shown in Table 7 in order to evaluate the effect on the charge / discharge characteristics of the production method of the lithium storage / release material, particularly the difference in the process of obtaining the lithium storage / release material by cooling the molten material. It was.

表7に示されるように、熔融物質の冷却速度を低下させること、具体的には平均冷却速度を0.1℃/秒程度とすることにより、優れた充放電特性を有し繰り返し充放電した場合でも容量を適切に維持できるリチウムイオン二次電池の電極材料となりうるリチウムイオン吸蔵放出材料が得られ、平均冷却速度が1℃/秒程度の場合には、優れた充放電特性を有するリチウムイオン二次電池を与えるリチウム吸蔵放出材料が得られないことが確認された。   As shown in Table 7, by reducing the cooling rate of the molten material, specifically, by setting the average cooling rate to about 0.1 ° C./second, it was repeatedly charged and discharged with excellent charge / discharge characteristics. Lithium ion storage / release material that can be used as an electrode material for a lithium ion secondary battery that can maintain the capacity appropriately can be obtained. When the average cooling rate is about 1 ° C./second, lithium ion having excellent charge / discharge characteristics It was confirmed that a lithium storage / release material giving a secondary battery could not be obtained.

本発明のリチウム吸蔵放出材料は、リチウムイオン二次電池の負極材料として好適に用いることができる。   The lithium storage / release material of the present invention can be suitably used as a negative electrode material for a lithium ion secondary battery.

Claims (18)

SiおよびNiを含有する組成を有し、Si相およびNiSi相を備えるリチウム吸蔵放出材料であって、
前記リチウム吸蔵放出材料のX線回析スペクトルにおけるSiのピークからシェラーの式により算出される結晶の平均直径が、100nm以下であること
を特徴とするリチウム吸蔵放出材料。
A lithium storage / release material having a composition containing Si and Ni, comprising a Si phase and a NiSi 2 phase,
The lithium occlusion / release material is characterized in that the average diameter of the crystal calculated by the Scherrer equation from the Si peak in the X-ray diffraction spectrum of the lithium occlusion / release material is 100 nm or less.
SiのNiに対する原子比が2.2以上4.2以下である、請求項1に記載のリチウム吸蔵放出材料。   The lithium occlusion / release material according to claim 1, wherein an atomic ratio of Si to Ni is 2.2 or more and 4.2 or less. 前記リチウム吸蔵放出材料はFeをさらに含有する組成を有し、FeのNiに対する原子比は0.08以下である、請求項1または2に記載のリチウム吸蔵放出材料。   The lithium storage / release material according to claim 1 or 2, wherein the lithium storage / release material has a composition further containing Fe, and an atomic ratio of Fe to Ni is 0.08 or less. NiSi相をさらに備える、請求項1から3のいずれか一項に記載のリチウム吸蔵放出材料。   The lithium storage / release material according to any one of claims 1 to 3, further comprising a NiSi phase. 請求項1から4のいずれか一項に記載のリチウム吸蔵放出材料を含む電極。   The electrode containing the lithium occlusion / release material according to any one of claims 1 to 4. 請求項5に記載される電極を負極として備えるリチウムイオン二次電池。   A lithium ion secondary battery comprising the electrode according to claim 5 as a negative electrode. 金属珪素からなる珪素源およびニッケル源を含む原料材を加熱して、SiおよびNiを含有しSiのNiに対する原子比が2.08以上の組成を有する熔融物質を得て、
前記熔融物質を3時間以上の冷却時間で50℃以下に冷却してリチウム吸蔵放出材料を得ること
を特徴とするリチウム吸蔵放出材料の製造方法。
Heating a raw material containing a silicon source and a nickel source made of metallic silicon to obtain a molten material containing Si and Ni and having a composition in which the atomic ratio of Si to Ni is 2.08 or more,
A method for producing a lithium occlusion / release material, wherein the molten material is cooled to 50 ° C. or less with a cooling time of 3 hours or more to obtain a lithium occlusion / release material.
ニッケル源、珪素源および炭素源を含む原料材を加熱して、1,100〜1,650℃にて、不活性ガス雰囲気下、0.5〜30時間反応させて、SiおよびNiを含有しSiのNiに対する原子比が2.08以上の組成を有する熔融物質を得て、
前記熔融物質を3時間以上の冷却時間で50℃以下に冷却してリチウム吸蔵放出材料を得ること
を特徴とするリチウム吸蔵放出材料の製造方法。
A raw material containing a nickel source, a silicon source and a carbon source is heated and reacted at 1,100 to 1,650 ° C. in an inert gas atmosphere for 0.5 to 30 hours to contain Si and Ni. Obtaining a molten material having a composition in which the atomic ratio of Si to Ni is 2.08 or more;
A method for producing a lithium occlusion / release material, wherein the molten material is cooled to 50 ° C. or less with a cooling time of 3 hours or more to obtain a lithium occlusion / release material.
前記ニッケル源が、新ニッケル、使用済スポンジニッケル触媒、および電気炉残存ニッケル珪素合金半製品からなる群より選ばれた1種または2種以上を含む、請求項7または8に記載のリチウム吸蔵放出材料の製造方法。   9. The lithium occlusion / release of claim 7, wherein the nickel source includes one or more selected from the group consisting of new nickel, a used sponge nickel catalyst, and an electric furnace residual nickel-silicon alloy semi-finished product. Material manufacturing method. 前記新ニッケルは、純度が99.5重量%以上であって、S、P、Asおよびハロゲン元素の含有量がいずれも不可避的不純物レベルである、請求項9に記載のリチウム吸蔵放出材料の製造方法。   10. The production of a lithium storage / release material according to claim 9, wherein the new nickel has a purity of 99.5% by weight or more, and the contents of S, P, As, and a halogen element are all inevitable impurity levels. Method. 前記使用済スポンジニッケル触媒は、純度が50〜70重量%であって、Siの含有量が30〜50重量%、かつFeの含有量が4重量%以下である、請求項9または10に記載のリチウム吸蔵放出材料の製造方法。   11. The spent sponge nickel catalyst has a purity of 50 to 70% by weight, a Si content of 30 to 50% by weight, and a Fe content of 4% by weight or less. Manufacturing method of lithium storage / release material. 前記珪素源は、珪石および金属珪素からなる群から選ばれた1種または2種以上を含む、請求項8から11のいずれか一項に記載のリチウム吸蔵放出材料の製造方法。   The method for producing a lithium storage / release material according to any one of claims 8 to 11, wherein the silicon source includes one or more selected from the group consisting of silica and metal silicon. 前記珪石は、純度が99.0重量%以上であって、酸化カルシウムの含有量が0.1重量%以下、酸化アルミニウムの含有量が0.2重量%以下、かつ酸化マグネシウムの含有量が0.1重量%以下である、請求項12に記載のリチウム吸蔵放出材料の製造方法。   The silica has a purity of 99.0% by weight or more, a calcium oxide content of 0.1% by weight or less, an aluminum oxide content of 0.2% by weight or less, and a magnesium oxide content of 0. The method for producing a lithium storage / release material according to claim 12, wherein the content is 1% by weight or less. 前記金属珪素は、純度が99.0重量%以上であって、Feの含有量が0.5重量%以下、Alの含有量が0.1重量%以下、かつCaの含有量が0.3重量%以下である、請求項12または13に記載のリチウム吸蔵放出材料の製造方法。   The metal silicon has a purity of 99.0% by weight or more, an Fe content of 0.5% by weight or less, an Al content of 0.1% by weight or less, and a Ca content of 0.3% by weight. The method for producing a lithium storage / release material according to claim 12 or 13, wherein the lithium storage / release material has a weight% or less. 前記炭素源が、木炭およびオガ炭からなる群から選ばれた1種または2種以上を含む、請求項8から14のいずれか一項に記載のリチウム吸蔵放出材料の製造方法。   The method for producing a lithium storage / release material according to any one of claims 8 to 14, wherein the carbon source includes one or more selected from the group consisting of charcoal and oga charcoal. 前記炭素源は、S、P、Asおよびハロゲンの含有量がいずれも不可避的不純物レベルである、請求項8から15のいずれか一項に記載のリチウム吸蔵放出材料の製造方法。   The method for producing a lithium storage / release material according to any one of claims 8 to 15, wherein the carbon source has an inevitable impurity level in the contents of S, P, As, and halogen. 前記原料材をあらかじめ混合した状態で加熱を行う、請求項7から16のいずれか一項に記載のリチウム吸蔵放出材料の製造方法。   The method for producing a lithium storage / release material according to any one of claims 7 to 16, wherein heating is performed in a state where the raw material is mixed in advance. 前記熔融物質の平均冷却速度が0.5℃/秒以下である、請求項7から17のいずれか一項に記載のリチウム吸蔵放出材料の製造方法。   The method for producing a lithium storage / release material according to any one of claims 7 to 17, wherein an average cooling rate of the molten material is 0.5 ° C / second or less.
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