JP2018152161A - Negative electrode material - Google Patents

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Masanori Harada
正則 原田
敬史 毛利
Takashi Mori
敬史 毛利
合田 信弘
Nobuhiro Goda
信弘 合田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a novel lithium-doped negative electrode material.SOLUTION: A negative electrode material contains lithium and a Si-containing negative electrode active material that contains silicon and oxygen, and also contains a LiSiOcrystal and a LiSiOcrystal, or a lithium silicide crystal.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は負極材料に関する。   The present invention relates to a negative electrode material.

リチウムイオン二次電池の負極活物質として、リチウムイオン吸蔵能力が高いSiを含有する負極活物質が知られている。   As a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery, a negative electrode active material containing Si having a high lithium ion storage capacity is known.

例えば、特許文献1及び特許文献2には、負極活物質がシリコンであるリチウムイオン二次電池が記載されている。特許文献3及び特許文献4には、負極活物質がSiOであるリチウムイオン二次電池が記載されている。   For example, Patent Literature 1 and Patent Literature 2 describe lithium ion secondary batteries in which the negative electrode active material is silicon. Patent Literature 3 and Patent Literature 4 describe lithium ion secondary batteries in which the negative electrode active material is SiO.

特許文献5には、複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有するシリコン材料が開示されるとともに、当該シリコン材料を負極活物質として具備するリチウムイオン二次電池が記載されている。   Patent Document 5 discloses a silicon material having a structure in which a plurality of plate-like silicon bodies are laminated in the thickness direction, and describes a lithium ion secondary battery including the silicon material as a negative electrode active material. Has been.

これらの負極活物質のうちケイ素及び酸素を含有するSi含有負極活物質は、理論容量が大きく、リチウムイオン二次電池用の負極活物質として有用である。しかしその反面、これらSi含有負極活物質は不可逆容量もまた大きい。本発明の発明者は、当該不可逆容量をキャンセルすべく、Si含有負極活物質にリチウムを導入することを検討した。以下、本明細書において、Si含有負極活物質にリチウムを導入することを「リチウムをドープする」、又は、単に「リチウムドープ」という。   Among these negative electrode active materials, a Si-containing negative electrode active material containing silicon and oxygen has a large theoretical capacity and is useful as a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery. However, these Si-containing negative electrode active materials also have a large irreversible capacity. The inventor of the present invention studied to introduce lithium into the Si-containing negative electrode active material in order to cancel the irreversible capacity. Hereinafter, in the present specification, introducing lithium into the Si-containing negative electrode active material is referred to as “lithium doping” or simply “lithium doping”.

Si含有負極活物質にリチウムをドープする方法として、各種の方法が提案されている。例えば、特許文献6には、金属リチウム及び/又は有機リチウム化合物と酸化珪素との混合物を60℃〜100℃の範囲の加熱条件下、ボールミル等の混合装置により機械的に混合し、酸化珪素とリチウムとを反応させて、Si含有負極活物質にリチウムドープする方法が開示されている。そして、同文献には、リチウムドープしたSi含有負極活物質にLiSiO結晶が含まれることが記載されている。特許文献7には水素化リチウムと酸化珪素との混合物を加熱して酸化珪素とリチウムとを反応させ、その後酸処理により特定の成分を除去して、Si含有負極活物質にリチウムドープする方法が開示されている。そして、同文献にはリチウムドープしたSi含有負極活物質に、LiSi結晶が含まれることが記載されている。 Various methods have been proposed as a method for doping lithium into the Si-containing negative electrode active material. For example, in Patent Document 6, a mixture of metallic lithium and / or organolithium compound and silicon oxide is mechanically mixed with a mixing device such as a ball mill under heating conditions in the range of 60 ° C. to 100 ° C., and silicon oxide and A method is disclosed in which lithium is reacted to lithium-doped a Si-containing negative electrode active material. The document describes that the Li-doped Si-containing negative electrode active material contains Li 4 SiO 4 crystals. Patent Document 7 discloses a method in which a mixture of lithium hydride and silicon oxide is heated to react silicon oxide and lithium, and then a specific component is removed by acid treatment to dope lithium into the Si-containing negative electrode active material. It is disclosed. The document describes that a Li-doped Si-containing negative electrode active material contains Li 2 Si 2 O 5 crystals.

特開2014−203595号公報JP 2014-203595 A 特開2015−57767号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-57767 特開2015−185509号公報JP 2015-185509 A 特開2015−179625号公報JP-A-2015-179625 国際公開第2015/114692号International Publication No. 2015/114692 特許第4985949号公報Japanese Patent No. 4985949 特開2015−153520号公報JP2015-153520A

本発明の発明者は、リチウムドープされた負極材料として、上記した従来の方法で得られるものとは全く異なるものを開発することを志向した。
本発明は、かかる事情に鑑みて為されたものであり、リチウムドープされた新規な負極材料を提供することを目的とする。
The inventor of the present invention aimed to develop a lithium-doped negative electrode material that is completely different from that obtained by the above-described conventional method.
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a new lithium-doped negative electrode material.

本発明の負極材料は、
ケイ素及び酸素を含有するSi含有負極活物質と、リチウムと、を含有し、
LiSiO結晶及びLiSiO結晶、又は、リチウムシリサイド結晶を含有する、負極材料である。
The negative electrode material of the present invention is
Si-containing negative electrode active material containing silicon and oxygen, and lithium,
It is a negative electrode material containing Li 4 SiO 4 crystal and Li 2 SiO 3 crystal or lithium silicide crystal.

本発明の負極材料の製造方法は、リチウムドープされた新規な負極材料である。   The method for producing a negative electrode material of the present invention is a novel lithium-doped negative electrode material.

シリコン材料の状態図である。It is a phase diagram of silicon material. 実施例1の負極材料の製造方法におけるリチウムドープ工程を模式的に表す説明図である。3 is an explanatory diagram schematically showing a lithium doping step in the method for producing a negative electrode material of Example 1. FIG. 実施例1〜実施例9、比較例1及び比較例2の負極材料のXRD分析チャートである。It is an XRD analysis chart of the negative electrode material of Example 1- Example 9, the comparative example 1, and the comparative example 2. FIG. 実施例10及び実施例11の負極材料のXRD分析チャートである。10 is an XRD analysis chart of negative electrode materials of Example 10 and Example 11.

以下に、本発明を実施するための最良の形態を説明する。なお、特に断らない限り、本明細書に記載された数値範囲「x〜y」は、下限xおよび上限yをその範囲に含む。そして、これらの上限値および下限値、ならびに実施例中に列記した数値も含めてそれらを任意に組み合わせることで数値範囲を構成し得る。さらに、これらの数値範囲内から任意に選択した数値を、新たな上限や下限の数値とすることができる。   The best mode for carrying out the present invention will be described below. Unless otherwise specified, the numerical range “x to y” described in this specification includes the lower limit x and the upper limit y. The numerical range can be configured by arbitrarily combining these upper limit value and lower limit value and the numerical values listed in the examples. Furthermore, numerical values arbitrarily selected from these numerical ranges can be used as new upper and lower numerical values.

本発明の負極材料は、ケイ素及び酸素を含有するSi含有負極活物質と、リチウムと、を含有し、LiSiO結晶及びLiSiO結晶、又は、リチウムシリサイド結晶を含有する、負極材料である。 The negative electrode material of the present invention contains a Si-containing negative electrode active material containing silicon and oxygen, and lithium, and contains a Li 4 SiO 4 crystal and a Li 2 SiO 3 crystal, or a lithium silicide crystal. It is.

本発明の負極材料はリチウムドープされた負極材料であり、Si含有負極活物質にリチウムドープがなされることで、Si含有負極活物質の不可逆容量をキャンセルでき、リチウムイオン二次電池の初期効率を向上させ得る利点がある。
本発明の負極材料は、上記の各特許文献に開示される従来の負極材料と組成の面で大きく異なる。これは、本発明の負極材料が従来の負極材料に比べてリチウムドープ量が多いことを意味する。このような本発明の負極材料は、不可逆容量を好適にキャンセルし得ることに加えて、より低電位(vs.Li基準)での充放電を可能にする。本発明の負極材料は、Si含有負極活物質に多くのリチウムをドープすることによって製造できる。
The negative electrode material of the present invention is a lithium-doped negative electrode material, and the irreversible capacity of the Si-containing negative electrode active material can be canceled by performing lithium doping on the Si-containing negative electrode active material, thereby improving the initial efficiency of the lithium ion secondary battery. There are advantages that can be improved.
The negative electrode material of the present invention is greatly different from the conventional negative electrode materials disclosed in the above patent documents in terms of composition. This means that the negative electrode material of the present invention has a larger lithium doping amount than the conventional negative electrode material. Such a negative electrode material of the present invention enables charge / discharge at a lower potential (vs. Li reference) in addition to being able to preferably cancel the irreversible capacity. The negative electrode material of the present invention can be produced by doping a large amount of lithium into a Si-containing negative electrode active material.

Si含有負極活物質に多くのリチウムがドープされた本発明の負極材料を製造する方法としては、例えば、特許文献6や特許文献7に開示される従来の負極材料の製造方法と同様の方法を採用しても良い。つまり、Si含有負極活物質に固体状のリチウム源を直接接触させて両者を反応させるリチウムドープ方法を採用し、Si含有負極活物質に対するリチウム源の量を多くすることで、Si含有負極活物質に多くのリチウムをドープしても良い。   As a method of manufacturing the negative electrode material of the present invention in which a large amount of lithium is doped in the Si-containing negative electrode active material, for example, the same method as the conventional negative electrode material manufacturing method disclosed in Patent Document 6 and Patent Document 7 is used. It may be adopted. That is, by adopting a lithium doping method in which a solid lithium source is brought into direct contact with the Si-containing negative electrode active material to react with each other, and the amount of the lithium source with respect to the Si-containing negative electrode active material is increased, A large amount of lithium may be doped.

しかし、当該従来の方法によると、反応生成物である負極材料に、未反応のリチウムが多く含まれ得る。このため、Si含有負極活物質に対して望み通りの量のリチウムをドープし難い問題がある。更に、当該方法によると、酸化リチウム等、リチウム源に由来しかつ電池反応に寄与しないリチウム化合物が負極材料に含まれ得る。   However, according to the conventional method, a large amount of unreacted lithium can be contained in the negative electrode material that is a reaction product. For this reason, there is a problem that it is difficult to dope a desired amount of lithium to the Si-containing negative electrode active material. Furthermore, according to the method, a lithium compound that is derived from a lithium source and does not contribute to the battery reaction, such as lithium oxide, can be included in the negative electrode material.

本発明の発明者は、このような従来の方法にかえて、Si含有負極活物質にガス状のリチウムつまり0価のリチウムガスを接触させるという着想を得て、本発明の負極材料を容易に製造する方法を見出した。以下、必要に応じて、Si含有負極活物質に0価のリチウムガスを接触させて本発明の負極材料を製造する方法を、単に本発明の製造方法といい、0価のリチウムガスを単にリチウムガスという。   The inventor of the present invention has obtained the idea that gaseous lithium, that is, zero-valent lithium gas is brought into contact with the Si-containing negative electrode active material in place of such a conventional method, so that the negative electrode material of the present invention can be easily obtained. A method of manufacturing was found. Hereinafter, if necessary, a method for producing a negative electrode material of the present invention by bringing a zero-valent lithium gas into contact with a Si-containing negative electrode active material is simply referred to as a production method of the present invention. It is called gas.

本発明の製造方法は、Si含有負極活物質に0価のリチウムガスを接触させるリチウムドープ工程を有する。後述するように、当該リチウムドープ工程を有する本発明の製造方法によると、Si含有負極活物質に対して最適な量のリチウムをドープすることが可能であり、かつ、未反応のリチウムや酸化リチウム等の負極材料への混入を抑制することも可能である。つまり、当該製造方法により得られた本発明の負極材料は、未反応のリチウムや酸化リチウム等の量が大きく低減され、かつ、多くのリチウムを含むといえる。このため本発明の負極材料は、リチウムイオン二次電池用負極活物質として好適な新規な負極材料といえる。以下、本発明の理解を助けるため、先ず、本発明の製造方法について説明する。   The manufacturing method of this invention has a lithium dope process which makes zero valent lithium gas contact a Si containing negative electrode active material. As will be described later, according to the production method of the present invention having the lithium doping step, it is possible to dope an optimum amount of lithium to the Si-containing negative electrode active material, and unreacted lithium or lithium oxide. It is also possible to suppress mixing into the negative electrode material. That is, it can be said that the negative electrode material of the present invention obtained by the production method is greatly reduced in the amount of unreacted lithium, lithium oxide and the like and contains a large amount of lithium. Therefore, it can be said that the negative electrode material of the present invention is a novel negative electrode material suitable as a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery. Hereinafter, in order to help understanding of the present invention, first, the production method of the present invention will be described.

リチウムガスは、リチウムガス発生源たる固体状または液体状の金属リチウム(以下必要に応じて単に金属リチウムという)が加熱されることにより生じる。また、0価のガスの状態のリチウムとSi含有負極活物質とが反応して得られた反応生成物、すなわち、本発明の製造方法により得られる本発明の負極材料は、冷却されて最終的に固体状になると考えられる。本発明の負極材料の製造方法は、このような反応を生じ得る条件で行えば良い。
例えば、本発明の負極材料の製造方法において、金属リチウムの加熱温度、金属リチウム及びSi含有負極活物質の量、並びに、リチウムガスとSi含有負極活物質との反応を行う反応室の雰囲気温度は、当該反応室の大きさや雰囲気圧等に応じて、金属リチウムからリチウムガスが生じかつ当該リチウムガスがガスの状態のままでSi含有負極活物質に到達するよう、適宜設定すれば良い。
Lithium gas is generated by heating solid or liquid metallic lithium (hereinafter simply referred to as metallic lithium as necessary) as a lithium gas generation source. In addition, the reaction product obtained by the reaction of lithium in a zero-valent gas state with the Si-containing negative electrode active material, that is, the negative electrode material of the present invention obtained by the production method of the present invention is cooled and finally obtained. It is thought that it becomes solid. The negative electrode material manufacturing method of the present invention may be performed under conditions that can cause such a reaction.
For example, in the method for producing a negative electrode material of the present invention, the heating temperature of metallic lithium, the amount of metallic lithium and a Si-containing negative electrode active material, and the atmospheric temperature of the reaction chamber in which the reaction between the lithium gas and the Si-containing negative electrode active material is performed Depending on the size of the reaction chamber, the atmospheric pressure, and the like, it may be set as appropriate so that lithium gas is generated from metallic lithium and the lithium gas reaches the Si-containing negative electrode active material in the gaseous state.

本発明の負極材料の製造方法では、Si含有負極活物質にリチウムガスを接触させれば良く、金属リチウムとSi含有負極活物質との位置関係は特に限定しない。例えば、金属リチウムは、Si含有負極活物質とともに反応室に配置しても良いし、当該反応室の外部に配置するとともにリチウムガスのみを反応室に導入しても良い。但し、金属リチウムに由来する未反応のリチウムが負極活物質や負極材料に付着することを抑制する為には、金属リチウムとSi含有負極活物質との接触を避け、両者を離間させるのが好ましい。つまり、金属リチウムは、リチウムドープ工程においてSi含有負極活物質に非接触であるよう配置されるのが好ましい。   In the method for producing a negative electrode material of the present invention, lithium gas may be brought into contact with the Si-containing negative electrode active material, and the positional relationship between metallic lithium and the Si-containing negative electrode active material is not particularly limited. For example, metallic lithium may be disposed in the reaction chamber together with the Si-containing negative electrode active material, or may be disposed outside the reaction chamber and only lithium gas may be introduced into the reaction chamber. However, in order to suppress unreacted lithium derived from metallic lithium from adhering to the negative electrode active material or the negative electrode material, it is preferable to avoid contact between metallic lithium and the Si-containing negative electrode active material and to separate them from each other. . That is, it is preferable that the metallic lithium is disposed so as not to contact the Si-containing negative electrode active material in the lithium doping step.

金属リチウムとSi含有負極活物質との接触を避け、かつ、リチウムガスとSi含有負極活物質との接触頻度を高めるためには、Si含有負極活物質は、金属リチウムよりも、反応室におけるガス流通経路の下流側に配置するのが好ましい。   In order to avoid contact between metallic lithium and the Si-containing negative electrode active material and to increase the contact frequency between the lithium gas and Si-containing negative electrode active material, the Si-containing negative electrode active material is more gas in the reaction chamber than metallic lithium. It is preferable to arrange on the downstream side of the distribution path.

リチウムガスとSi含有負極活物質との反応は、リチウムドープされた負極活物質や金属リチウムの酸化を抑制するとともに、金属リチウムのガス化を促進するため、アルゴンガス等の不活性ガスが存在する不活性雰囲気下、及び/又は、減圧雰囲気下で行うのが好ましい。
反応室を減圧雰囲気にするためには、吸引ポンプ等の減圧装置を用いて、反応室内のガスを外界に排出すれば良い。また、反応室を不活性雰囲気にするためには、外界から反応室に不活性ガスを供給すれば良い。これらのガスの移動により、反応室にはガスが流通し、上記したガス流通経路が形成される。
The reaction between the lithium gas and the Si-containing negative electrode active material suppresses the oxidation of the lithium-doped negative electrode active material or metallic lithium and promotes the gasification of metallic lithium, so that an inert gas such as argon gas exists. It is preferable to carry out under an inert atmosphere and / or under a reduced pressure atmosphere.
In order to make the reaction chamber have a reduced pressure atmosphere, the gas in the reaction chamber may be discharged to the outside using a pressure reducing device such as a suction pump. In addition, in order to make the reaction chamber an inert atmosphere, an inert gas may be supplied from the outside to the reaction chamber. By the movement of these gases, the gas flows in the reaction chamber, and the above-described gas flow path is formed.

ところで、金属リチウムが酸化した酸化リチウムは、リチウムガスを生じない。このため、リチウムのロスを低減しつつリチウムドープ負極活物質すなわち本発明の負極材料を歩留まり良く製造するためには、リチウムドープ工程において金属リチウムの酸化を抑制するのが好ましい。   By the way, lithium oxide obtained by oxidizing metallic lithium does not generate lithium gas. Therefore, in order to produce a lithium-doped negative electrode active material, that is, the negative electrode material of the present invention with a high yield while reducing lithium loss, it is preferable to suppress oxidation of metallic lithium in the lithium doping step.

金属リチウムの酸化を抑制するためには、上記したように反応室を減圧及び/又は不活性雰囲気にするだけでなく、金属リチウムの近傍から酸素を除去するのが好ましい。金属リチウムの近傍から酸素を除去するためには、リチウムドープ工程を酸素捕捉材の存在下で行えば良い。酸素捕捉材は、金属リチウムに優先して雰囲気中の酸素と反応する材料を指す。さらに酸素捕捉材は、取り扱い性を考慮すると、金属リチウムがリチウムガスを生じる温度下で固体として存在し得るのが好ましい。   In order to suppress the oxidation of metallic lithium, it is preferable not only to reduce the pressure in the reaction chamber and / or the inert atmosphere as described above, but also to remove oxygen from the vicinity of metallic lithium. In order to remove oxygen from the vicinity of metallic lithium, the lithium doping process may be performed in the presence of an oxygen scavenger. The oxygen scavenger refers to a material that reacts with oxygen in the atmosphere in preference to metallic lithium. Furthermore, the oxygen scavenger is preferably present as a solid at a temperature at which metallic lithium generates lithium gas, in consideration of handleability.

チタン及びジルコニウムは、上記した酸素捕捉材に好適な性質を有するため、本発明の製造方法において、酸素捕捉材として好ましく使用される。酸素捕捉材としては、チタン又はジルコニウムを用いることもできるし、或いは、これらの金属の酸化物を用いることもできる。なお、ここでいう酸化物とは、酸化数の小さな低次酸化物を指す。これらの酸素捕捉材は単独で用いても良いし、2種以上を併用しても良い。   Titanium and zirconium are preferably used as oxygen scavengers in the production method of the present invention because they have properties suitable for the oxygen scavenger described above. As the oxygen scavenger, titanium or zirconium can be used, or oxides of these metals can be used. Note that the oxide here refers to a low-order oxide having a small oxidation number. These oxygen scavengers may be used alone or in combination of two or more.

酸素捕捉材を用いて金属リチウムの酸化をより信頼性高く抑制するためには、リチウムドープ工程において金属リチウムが存在する空間に、酸素捕捉材を配置するのが良いと考えられる。また、金属リチウム、当該金属リチウムから生じたリチウムガス、及び、リチウムドープされた負極活物質の酸化を抑制する為には、反応室全体に酸素捕捉材を満遍なく配するのが好ましい。
但し、酸素捕捉材とSi含有負極活物質との反応を回避するために、酸素捕捉材とSi含有負極活物質とは離間させるのが好ましい。
金属リチウムと酸素捕捉材とは非接触であっても良いし、接触しても良い。金属リチウムと酸素捕捉材とを接触させる場合には、酸素捕捉材が、金属リチウムから酸素をうばい得る還元剤としても機能し得る。
In order to more reliably suppress the oxidation of metallic lithium using the oxygen-trapping material, it is considered that the oxygen-trapping material is preferably arranged in a space where metallic lithium is present in the lithium doping process. In addition, in order to suppress oxidation of metallic lithium, lithium gas generated from the metallic lithium, and lithium-doped negative electrode active material, it is preferable to uniformly distribute an oxygen scavenger in the entire reaction chamber.
However, in order to avoid the reaction between the oxygen scavenger and the Si-containing negative electrode active material, it is preferable to separate the oxygen scavenger and the Si-containing negative electrode active material.
The metallic lithium and the oxygen scavenger may be in non-contact or in contact with each other. When the metal lithium and the oxygen scavenger are brought into contact with each other, the oxygen scavenger can also function as a reducing agent that can obtain oxygen from the metal lithium.

反応室内の酸素を効率良く捕捉するためには、酸素捕捉材は比表面積の大きな形状であるのが好ましい。具体的には、酸素捕捉材は多孔材であるのが好ましい。例えばスポンジチタンと呼ばれるチタンの多孔材は、材料および形状の2つの面で、本発明の製造方法における酸素捕捉材として特に好ましく使用される。
多孔材である酸素捕捉材の空隙率は10体積%〜90体積%程度であるのが好ましい。空隙率は、水銀圧入式ポロシメータに代表される公知の測定装置で測定し得る。
In order to efficiently capture oxygen in the reaction chamber, it is preferable that the oxygen-trapping material has a large specific surface area. Specifically, the oxygen scavenger material is preferably a porous material. For example, a porous material of titanium called sponge titanium is particularly preferably used as an oxygen scavenger in the production method of the present invention in two aspects of material and shape.
The porosity of the oxygen-trapping material that is a porous material is preferably about 10% to 90% by volume. The porosity can be measured with a known measuring apparatus typified by a mercury intrusion porosimeter.

Si含有負極活物質としては、Si単体とSiOに不均化するSiO(0.3≦x≦1.6)、SiOと炭素系材料を組み合わせた複合体、既述した特許文献5に開示されるシリコン材料を挙げることができる。 Examples of the Si-containing negative electrode active material include Si alone and SiO x (0.3 ≦ x ≦ 1.6) that disproportionates to SiO 2 , a composite that combines SiO x and a carbon-based material, and Patent Document 5 described above. Can be mentioned.

以下、特許文献5に開示されているシリコン材料(本明細書においては単に「シリコン材料」という。)について詳細に説明する。シリコン材料は、例えば、CaSiと酸とを反応させて、ポリシランを主成分とする層状シリコン化合物を合成する工程、さらに、当該層状シリコン化合物を300℃以上で加熱して水素を離脱させる工程を経て製造されるものである。 Hereinafter, the silicon material disclosed in Patent Document 5 (in this specification, simply referred to as “silicon material”) will be described in detail. For example, the silicon material may include a step of reacting CaSi 2 with an acid to synthesize a layered silicon compound containing polysilane as a main component, and a step of heating the layered silicon compound at 300 ° C. or higher to release hydrogen. It is manufactured after that.

特許文献5に記載のシリコン材料の製造方法を、酸としては塩化水素を用いた場合の理想的な反応式で示すと以下のとおりとなる。
3CaSi+6HCl → Si+3CaCl
Si → 6Si+3H
The method for producing a silicon material described in Patent Document 5 is represented as follows by using an ideal reaction formula when hydrogen chloride is used as the acid.
3CaSi 2 + 6HCl → Si 6 H 6 + 3CaCl 2
Si 6 H 6 → 6Si + 3H 2

ただし、ポリシランであるSiを合成する上段の反応では、副生物や不純物除去の観点から、通常、反応溶媒として水が用いられる。そして、Siは水と反応し得るため、上段の反応を含む層状シリコン化合物を合成する工程において、層状シリコン化合物がSiのみを含むものとして製造されることはほとんどなく、層状シリコン化合物はSi(OH)(Xは酸のアニオン由来の元素若しくは基、s+t+u=6、0<s<6、0<t<6、0<u<6)で表されるものとして製造される。なお、上記の化学式においては、残存し得るCaなどの不可避不純物については、考慮していない。そして、当該層状シリコン化合物を加熱して得られるシリコン材料も、酸素や酸のアニオン由来の元素を含む。 However, in the upper reaction for synthesizing Si 6 H 6 which is polysilane, water is usually used as a reaction solvent from the viewpoint of removing by-products and impurities. Since Si 6 H 6 can react with water, in the step of synthesizing the layered silicon compound including the upper reaction, the layered silicon compound is hardly manufactured as containing only Si 6 H 6 , and the layered The silicon compound is represented by Si 6 H s (OH) t X u (X is an element or group derived from an acid anion, s + t + u = 6, 0 <s <6, 0 <t <6, 0 <u <6). Manufactured as a product. In the above chemical formula, inevitable impurities such as Ca that can remain are not taken into consideration. A silicon material obtained by heating the layered silicon compound also contains an element derived from an anion of oxygen or acid.

シリコン材料は、複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有する。リチウムイオン等の電荷担体の効率的な挿入及び脱離反応のためには、板状シリコン体は厚さが10nm〜100nmの範囲内のものが好ましく、20nm〜50nmの範囲内のものがより好ましい。板状シリコン体の長手方向の長さは、0.1μm〜50μmの範囲内のものが好ましい。また、板状シリコン体は、(長手方向の長さ)/(厚さ)が2〜1000の範囲内であるのが好ましい。板状シリコン体の積層構造は走査型電子顕微鏡などによる観察で確認できる。また、この積層構造は、原料のCaSiにおけるSi層の名残りであると考えられる。 The silicon material has a structure in which a plurality of plate-like silicon bodies are laminated in the thickness direction. For efficient insertion and desorption reaction of charge carriers such as lithium ions, the plate-like silicon body preferably has a thickness in the range of 10 nm to 100 nm, more preferably in the range of 20 nm to 50 nm. . The length in the longitudinal direction of the plate-like silicon body is preferably within a range of 0.1 μm to 50 μm. The plate-like silicon body preferably has (length in the longitudinal direction) / (thickness) in the range of 2 to 1000. The laminated structure of the plate-like silicon body can be confirmed by observation with a scanning electron microscope or the like. This laminated structure is considered to be a remnant of the Si layer in the raw material CaSi 2 .

シリコン材料には、アモルファスシリコン及び/又はシリコン結晶子が含まれるのが好ましい。特に、上記板状シリコン体において、アモルファスシリコンをマトリックスとし、シリコン結晶子が当該マトリックス中に点在している状態が好ましい。シリコン結晶子のサイズは、0.5nm〜300nmの範囲内が好ましく、1nm〜100nmの範囲内がより好ましく、1nm〜50nmの範囲内がさらに好ましく、1nm〜10nmの範囲内が特に好ましい。なお、シリコン結晶子のサイズは、シリコン材料に対してX線回折測定を行い、得られたX線回折チャートのSi(111)面の回折ピークの半値幅を用いたシェラーの式から算出される。   The silicon material preferably includes amorphous silicon and / or silicon crystallites. In particular, the above plate-like silicon body is preferably in a state where amorphous silicon is used as a matrix and silicon crystallites are scattered in the matrix. The size of the silicon crystallite is preferably in the range of 0.5 nm to 300 nm, more preferably in the range of 1 nm to 100 nm, still more preferably in the range of 1 nm to 50 nm, and particularly preferably in the range of 1 nm to 10 nm. The size of the silicon crystallite is calculated from the Scherrer equation using X-ray diffraction measurement on the silicon material and using the half-value width of the diffraction peak of the Si (111) plane of the obtained X-ray diffraction chart. .

シリコン材料に含まれる板状シリコン体、アモルファスシリコン及びシリコン結晶子の存在量や大きさは、主に加熱温度や加熱時間に左右される。加熱温度は、350℃〜950℃の範囲内が好ましく、400℃〜900℃の範囲内がより好ましい。   The abundance and size of the plate-like silicon body, amorphous silicon and silicon crystallite contained in the silicon material mainly depend on the heating temperature and the heating time. The heating temperature is preferably in the range of 350 ° C to 950 ° C, more preferably in the range of 400 ° C to 900 ° C.

一般的なレーザー回折式粒度分布測定装置で測定した場合における、シリコン材料又は本発明の負極材料の平均粒子径としては、0.6〜30μmの範囲内が好ましく、1〜20μmの範囲内がより好ましく、2〜10μmの範囲内がさらに好ましく、3〜8μmの範囲内が特に好ましい。なお、本明細書において、平均粒子径とは、50%累積径(D50)を意味する。   The average particle diameter of the silicon material or the negative electrode material of the present invention when measured with a general laser diffraction particle size distribution measuring device is preferably in the range of 0.6 to 30 μm, more preferably in the range of 1 to 20 μm. The range of 2 to 10 μm is more preferable, and the range of 3 to 8 μm is particularly preferable. In the present specification, the average particle diameter means a 50% cumulative diameter (D50).

Si含有負極活物質にドープされたリチウムは、ケイ素、又はケイ素及び酸素とともに化合物を生成する。Si含有負極活物質が組成式Si0.70.3である場合を例に挙げ、図1に示す負極材料の状態図を基に、当該化合物について説明する。
なお、図1に示す状態図は、状態図計算ソフト(Factsage 株式会社計算力学研究センター)を用いて得た。組成式Si0.70.3は、シリコン材料の代表的な組成式である。
Lithium doped in the Si-containing negative electrode active material forms a compound with silicon or silicon and oxygen. Taking the case where the Si-containing negative electrode active material has the composition formula Si 0.7 O 0.3 as an example, the compound will be described based on the phase diagram of the negative electrode material shown in FIG.
The phase diagram shown in FIG. 1 was obtained using phase diagram calculation software (Factsage Corp., Computational Mechanics Research Center). The composition formula Si 0.7 O 0.3 is a typical composition formula of silicon materials.

図1に示す負極材料の状態図は、縦軸に温度をとり、横軸にリチウムドープされた負極活物質におけるリチウムのモル比(Li/(Li+O+Si))をとったものである。以下、必要に応じて、「リチウムドープされた負極活物質」を負極材料といい、「リチウムドープされた負極活物質におけるリチウムのモル比」をリチウムドープ量という。   In the phase diagram of the negative electrode material shown in FIG. 1, the vertical axis represents temperature, and the horizontal axis represents the molar ratio of lithium in the lithium-doped negative electrode active material (Li / (Li + O + Si)). Hereinafter, as necessary, the “lithium-doped negative electrode active material” is referred to as a negative electrode material, and the “molar ratio of lithium in the lithium-doped negative electrode active material” is referred to as a lithium doping amount.

組成式Si0.70.3の負極活物質にリチウムをドープした負極材料の態様は、図1に示すように、シリコンドープ量及び温度に応じて、種々に変化する。例えば、リチウムドープ量の非常に少ない領域においては、リチウムシリケートが生成しかつシリコン単体が多く残存するが、リチウムドープ量の非常に多い領域においては、リチウムシリケートに加えてリチウムシリサイドが生成する。 The aspect of the negative electrode material obtained by doping lithium into the negative electrode active material having the composition formula Si 0.7 O 0.3 varies depending on the silicon doping amount and the temperature, as shown in FIG. For example, in a region where the amount of lithium doping is very small, lithium silicate is generated and a large amount of silicon remains, but in a region where the amount of lithium doping is very large, lithium silicide is generated in addition to lithium silicate.

具体的には、図1に示す状態図においては、室温かつリチウムドープ量0.18未満の領域においては、負極材料は、LiSi+SiO+Si又はLiSi+LiSiO+Siの態様をとる。これに対して、リチウムドープ量0.18以上の領域においては、負極材料は、LiSiO+LiSiO+Si、LiSiO+Li12Si+Si、LiSiO+Li12Si+LiSi、LiSiO+Li13Si+LiSi、LiSiO+Li13Si+Li22Si、又は、LiSiO+Li+Li22Siの態様をとる。 Specifically, in the state diagram shown in FIG. 1, the negative electrode material is Li 2 Si 2 O 5 + SiO 2 + Si or Li 2 Si 2 O 5 + Li 2 in a region at room temperature and a lithium doping amount of less than 0.18. It takes the form of SiO 3 + Si. On the other hand, in the region where the lithium doping amount is 0.18 or more, the negative electrode material is Li 4 SiO 4 + Li 2 SiO 3 + Si, Li 4 SiO 4 + Li 12 Si 7 + Si, Li 4 SiO 4 + Li 12 Si 7 + Li. 7 Si 3 , Li 4 SiO 4 + Li 13 Si 4 + Li 7 Si 3 , Li 4 SiO 4 + Li 13 Si 4 + Li 22 Si 5 , or Li 4 SiO 4 + Li + Li 22 Si 5 .

これら負極材料におけるリチウムシリケート及びリチウムシリサイドの態様は、負極材料におけるリチウムドープ量に対応する。   The aspect of the lithium silicate and lithium silicide in these negative electrode materials corresponds to the lithium doping amount in the negative electrode material.

既述したように、本発明の負極材料は、従来の負極材料に比べてリチウムドープ量の大きなものである。具体的には、本発明の負極材料は、リチウムシリケート及びリチウムシリサイドを含有するか、又は、リチウムシリサイドを含有しない場合にはリチウムシリケートとしてLiSiO及びLiSiOを含有する。
負極材料におけるリチウムドープ量が過小であれば、リチウムイオン二次電池に充分なリチウムを持ち込めない場合がある。本発明の負極材料は、充分にリチウムドープされているため、リチウムイオン二次電池用の負極材料として好適である。
As described above, the negative electrode material of the present invention has a larger lithium doping amount than the conventional negative electrode material. Specifically, the negative electrode material of the present invention contains lithium silicate and lithium silicide, or, when not containing lithium silicide, contains Li 4 SiO 4 and Li 2 SiO 3 as lithium silicate.
If the amount of lithium doped in the negative electrode material is too small, sufficient lithium may not be brought into the lithium ion secondary battery. Since the negative electrode material of the present invention is sufficiently lithium-doped, it is suitable as a negative electrode material for a lithium ion secondary battery.

ところで、負極材料におけるリチウムドープ量が過剰であれば、当該負極材料に起因してリチウムイオン二次電池に必要量を超えるリチウムを持ち込んでしまう場合がある。したがって、本発明の負極材料のリチウムドープ量には好ましい範囲が存在する。   By the way, if the amount of lithium doping in the negative electrode material is excessive, there may be cases where lithium exceeding the required amount is brought into the lithium ion secondary battery due to the negative electrode material. Accordingly, there is a preferred range for the lithium doping amount of the negative electrode material of the present invention.

本発明の負極材料は、リチウムシリケート及びリチウムシリサイドを含有するか、又は、リチウムシリサイドを含有しない場合にはリチウムシリケートとしてLiSiO及びLiSiOを含有する。また、リチウムシリケートとしてLiSiOを含有するとともにリチウムシリサイドとしてLi12Siを含有するのがより好ましい。
これに対応するリチウムドープ量の範囲として、本発明の負極材料のリチウムドープ量は0.18以上であるといえ、0.18以上0.63以下であるのが好ましい。本発明の負極材料のリチウムドープ量は0.23以上0.58以下であるのがより好ましい。
The negative electrode material of the present invention contains lithium silicate and lithium silicide, or, when not containing lithium silicide, contains Li 4 SiO 4 and Li 2 SiO 3 as lithium silicate. More preferably, Li 4 SiO 4 is contained as the lithium silicate, and Li 12 Si 7 is contained as the lithium silicide.
As a corresponding range of the lithium doping amount, it can be said that the lithium doping amount of the negative electrode material of the present invention is 0.18 or more, and preferably 0.18 or more and 0.63 or less. The lithium doping amount of the negative electrode material of the present invention is more preferably 0.23 or more and 0.58 or less.

なお、上記したリチウムドープ量の好ましい範囲は、組成式がSi0.70.3のSi含有負極活物質を用いる場合における好ましい範囲である。当該範囲はSi含有負極活物質の種類によってやや変化するが、何れの場合にも、本発明の負極材料がリチウムシリケート及びリチウムシリサイドを含有するか、又は、リチウムシリサイドを含有しない場合にはリチウムシリケートとしてLiSiO及びLiSiOを含有するリチウムドープ量を、本発明の負極材料におけるリチウムドープ量とする。 The preferable range of the lithium doping amount described above is a preferable range when a Si-containing negative electrode active material having a composition formula of Si 0.7 O 0.3 is used. The range varies slightly depending on the type of the Si-containing negative electrode active material. In either case, the negative electrode material of the present invention contains lithium silicate and lithium silicide, or lithium silicate when lithium silicide is not contained. As a lithium doping amount containing Li 4 SiO 4 and Li 2 SiO 3 as a lithium doping amount in the negative electrode material of the present invention.

本発明の負極材料におけるリチウムドープ量は、反応室におけるSi含有負極活物質と金属リチウムリチウムとの相対的な存在量を適宜設定することで、調整可能である。具体的には、Si含有負極活物質に対する金属リチウムの相対量を増大させれば、負極材料におけるリチウム含量が多くなり、リチウムシリサイドを含む負極材料が得られる。これに対して、Si含有負極活物質に対する金属リチウムの相対量を少なくすれば、負極材料におけるリチウム含量が少なくなり、リチウムシリサイドを含まない負極材料が得られる。この場合、Si含有負極活物質に対する金属リチウムの相対量がある程度以上であれば、リチウムシリケートとしてLiSiO及びLiSiOを含有する本発明の負極材料が得られ、Si含有負極活物質に対する金属リチウムの相対量が非常に少なければ、リチウムシリケートとしてLiSiのみを含むか、又は、LiSi及びLiSiOのみを含む負極材料、つまり、従来の負極材料が得られる。なお、Si含有負極活物質に対する金属リチウムの相対量が多い場合にも、反応時間を短くすることで、負極材料におけるリチウム含有量を少なくすることが可能である。 The amount of lithium doping in the negative electrode material of the present invention can be adjusted by appropriately setting the relative abundance of the Si-containing negative electrode active material and metallic lithium lithium in the reaction chamber. Specifically, if the relative amount of metallic lithium with respect to the Si-containing negative electrode active material is increased, the lithium content in the negative electrode material increases, and a negative electrode material containing lithium silicide is obtained. On the other hand, if the relative amount of metallic lithium with respect to the Si-containing negative electrode active material is reduced, the lithium content in the negative electrode material is reduced, and a negative electrode material containing no lithium silicide is obtained. In this case, if the relative amount of metallic lithium with respect to the Si-containing negative electrode active material is a certain level or more, the negative electrode material of the present invention containing Li 4 SiO 4 and Li 2 SiO 3 as lithium silicate is obtained, and the Si-containing negative electrode active material if very fewer relative amount of metal lithium to, or contains only Li 2 Si 2 O 5 as the lithium silicate or the negative electrode material containing only Li 2 Si 2 O 5 and Li 2 SiO 3, i.e., the conventional negative electrode A material is obtained. Even when the amount of metallic lithium relative to the Si-containing negative electrode active material is large, it is possible to reduce the lithium content in the negative electrode material by shortening the reaction time.

なお、Si含有負極活物質に対する金属リチウムの量、反応室の温度、リチウムドープ工程に要する時間等を適宜調整することで、反応室におけるSi含有負極活物質とリチウムガスとの相対量を設定可能である。   In addition, the relative amount of Si-containing negative electrode active material and lithium gas in the reaction chamber can be set by appropriately adjusting the amount of metallic lithium relative to the Si-containing negative electrode active material, the temperature of the reaction chamber, the time required for the lithium doping process, etc. It is.

更に、リチウムドープ工程後、反応室の温度を下げる前に、反応室に不活性ガスを導入して反応室のアルゴンガスを不活性ガスで置換するのが好ましい。リチウムドープ工程後にそのまま反応室の温度を下げると、負極材料の近傍にリチウムガスが残存していた場合に、当該リチウムガスが冷却されたリチウム粒子が負極材料に混入する可能性があるためである。なお、リチウムガスの温度低下を抑制し、未反応のリチウムの液体化又は固体化を抑制する為に、反応室は、ヒータ等によって加熱するのが好ましい。   Further, after the lithium doping step, before lowering the temperature of the reaction chamber, it is preferable to introduce an inert gas into the reaction chamber and replace the argon gas in the reaction chamber with the inert gas. This is because if the temperature of the reaction chamber is lowered as it is after the lithium doping step, lithium particles in which the lithium gas is cooled may be mixed into the negative electrode material when lithium gas remains in the vicinity of the negative electrode material. . Note that the reaction chamber is preferably heated by a heater or the like in order to suppress the temperature drop of the lithium gas and to suppress liquefaction or solidification of unreacted lithium.

リチウムドープ工程では、Si含有負極活物質と反応したリチウムガスが負極材料の一部となる。一方、Si含有負極活物質と反応しなかったリチウムガスは、その一部が負極材料に付着し固体状のリチウム粒子となって残存する可能性はあるものの、実質的には負極材料を構成しない。また、リチウムガス発生源である金属リチウムには酸化リチウムが含まれ得るが、酸化リチウムはリチウムに比べると沸点が遙かに高く、かつ、蒸気圧が遙かに低いために、ガス状になり難い。したがって、金属リチウムに含まれる酸化リチウムはリチウムガスを構成せず、当該酸化リチウムも又、実質的に負極材料を構成しない。   In the lithium doping step, lithium gas that has reacted with the Si-containing negative electrode active material becomes a part of the negative electrode material. On the other hand, the lithium gas that has not reacted with the Si-containing negative electrode active material may partially remain on the negative electrode material and remain as solid lithium particles, but does not substantially constitute the negative electrode material. . In addition, lithium metal may be included in metallic lithium, which is a source of lithium gas. However, lithium oxide is in a gaseous state because its boiling point is much higher than that of lithium and its vapor pressure is much lower. hard. Therefore, the lithium oxide contained in the metallic lithium does not constitute lithium gas, and the lithium oxide also does not substantially constitute the negative electrode material.

このようなリチウムドープ工程によると、未反応のリチウムや酸化リチウム等の量が大きく低減された本発明の負極材料が得られる。   According to such a lithium doping step, the negative electrode material of the present invention in which the amount of unreacted lithium, lithium oxide, etc. is greatly reduced can be obtained.

本発明の負極材料に含有されるリチウムシリケートやリチウムシリサイドは非晶質であっても良いし、結晶状態であっても良いが、これらの少なくとも一部は結晶状態であると推測される。
例えば、リチウムドープ量0.23以上の領域における負極材料は、例えば650℃を超える高温下において、液相及びリチウムシリケートと場合によって更にSiを含むだけであり、リチウムシリサイドを有さない。しかし、同じくリチウムドープ量0.23以上の領域における負極材料は、650℃以下の中温下において、リチウムシリケートとリチウムシリサイドとの両方を含む。
本発明の製造方法によると、ガス状のリチウムとSi含有負極活物質との反応は、リチウムがガス状で存在し得る程度の高温下で生じる。したがって、リチウムドープ工程をリチウムドープ量0.23以上となる条件下で実施する場合には、リチウムガスとSi含有負極活物質との反応で生成したリチウムシリサイドは、反応時には結晶相として生成する。リチウムシリケートも同様に、結晶相として生成する。
The lithium silicate and lithium silicide contained in the negative electrode material of the present invention may be amorphous or in a crystalline state, but at least a part of these is presumed to be in a crystalline state.
For example, the negative electrode material in the region where the lithium doping amount is 0.23 or more includes only a liquid phase and lithium silicate and optionally Si at a high temperature exceeding 650 ° C., for example, and does not have lithium silicide. However, similarly, the negative electrode material in the region where the lithium doping amount is 0.23 or more includes both lithium silicate and lithium silicide at an intermediate temperature of 650 ° C. or less.
According to the production method of the present invention, the reaction between gaseous lithium and the Si-containing negative electrode active material occurs at such a high temperature that lithium can exist in gaseous form. Therefore, when the lithium doping step is performed under the condition that the lithium doping amount is 0.23 or more, lithium silicide generated by the reaction between the lithium gas and the Si-containing negative electrode active material is generated as a crystalline phase during the reaction. Lithium silicate is also produced as a crystalline phase.

シリコン材料は、複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる特殊な構造を有する。このため、Si含有負極活物質としてシリコン材料を選択する場合には、当該構造を維持するために、リチウムドープ工程において、基本的には、シリコン材料は固体状であるのが好ましく、反応室の温度はSiが溶融する温度よりも低温であるのが好ましい。参考までに、Siの融点は1414℃、SiOの融点は1650±75℃である。 The silicon material has a special structure in which a plurality of plate-like silicon bodies are laminated in the thickness direction. For this reason, when a silicon material is selected as the Si-containing negative electrode active material, in order to maintain the structure, in the lithium doping process, basically, the silicon material is preferably solid, The temperature is preferably lower than the temperature at which Si melts. For reference, the melting point of Si is 1414 ° C., and the melting point of SiO 2 is 1650 ± 75 ° C.

Si含有負極活物質は、大容量である反面、黒鉛等の一般的な負極活物質に比べて導電性に劣る。本発明の負極材料は更に炭素コート層を有しても良い。この場合には、本発明の負極材料の導電性を向上させ得るし、また、負極材料に導電材料たる炭素コート層を一体化することで、単に負極材料と導電材料とを混合する場合に比べて、負極材料と導電材料と密着させることができ、本発明の負極材料に優れた導電性を付与し得る。
炭素コート層は、リチウムドープ工程後のSi含有負極活物質に形成しても良いし、リチウムドープ工程前のSi含有負極活物質に形成しても良い。具体的には、化学気相蒸着法等の既知の方法でSi含有負極活物質に炭素コートすれば、Si含有負極活物質の表面に容易に炭素コート層を形成できる。
The Si-containing negative electrode active material has a large capacity, but is inferior in conductivity compared to a general negative electrode active material such as graphite. The negative electrode material of the present invention may further have a carbon coat layer. In this case, the conductivity of the negative electrode material of the present invention can be improved, and by integrating a carbon coat layer as a conductive material into the negative electrode material, compared with a case where the negative electrode material and the conductive material are simply mixed. Thus, the negative electrode material and the conductive material can be brought into close contact with each other, and excellent conductivity can be imparted to the negative electrode material of the present invention.
The carbon coat layer may be formed on the Si-containing negative electrode active material after the lithium doping step, or may be formed on the Si-containing negative electrode active material before the lithium doping step. Specifically, if the Si-containing negative electrode active material is carbon-coated by a known method such as chemical vapor deposition, a carbon coat layer can be easily formed on the surface of the Si-containing negative electrode active material.

Si含有負極活物質への炭素コートは、リチウムドープ工程後に行うのが好ましい。Si含有負極活物質の体積は、充放電すなわちリチウムの出入りに伴って変化するところ、リチウムがドープされて体積が増大したSi含有負極活物質に炭素コートを行うことで、充放電に伴いSi含有負極活物質が体積変化しても壊れ難い炭素コート層が得られる。   The carbon coating on the Si-containing negative electrode active material is preferably performed after the lithium doping step. The volume of the Si-containing negative electrode active material changes with charging / discharging, that is, as lithium enters and exits. By performing carbon coating on the Si-containing negative electrode active material doped with lithium and increasing its volume, Even if the volume of the negative electrode active material changes, a carbon coat layer that is not easily broken can be obtained.

炭素コートの方法としては、上記した化学気相蒸着法(CVD:chemical vapor deposition)以外にも、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理蒸着法を採用することもできるし、或いは、その他の方法を採用することもできる。炭素コート層は、Si含有負極活物質の表面の一部にのみ形成しても良いし、Si含有負極活物質の表面全体に形成しても良いし、Si含有負極活物質の内部に部分的に入り込んでも良い。   As the carbon coating method, in addition to the above-described chemical vapor deposition (CVD), a physical vapor deposition method such as a vacuum vapor deposition method, a sputtering method, an ion plating method, or the like can be employed. Other methods can also be adopted. The carbon coat layer may be formed only on a part of the surface of the Si-containing negative electrode active material, may be formed on the entire surface of the Si-containing negative electrode active material, or may be partially formed inside the Si-containing negative electrode active material. You can get in.

炭素コート層の材料つまり炭素源は、炭素を含有し、かつ、炭素以外の元素を負極に多く持ち込まないものが好ましく、固体状、気体状等その状態は特に問わない。炭素源としては、例えば炭素単体、炭化水素ガス、有機ポリマー等を例示できる。炭素コート法としてCVD法を採用する場合には、作業効率上、メタン、エタン、プロパン、ブタン等の炭化水素ガスを選択するのが好ましい。   The material of the carbon coat layer, that is, the carbon source, preferably contains carbon and does not bring many elements other than carbon into the negative electrode, and the state thereof is not particularly limited such as solid or gaseous. Examples of the carbon source include carbon simple substance, hydrocarbon gas, and organic polymer. When the CVD method is adopted as the carbon coating method, it is preferable to select a hydrocarbon gas such as methane, ethane, propane, or butane from the viewpoint of work efficiency.

炭素コート層の厚さは特に問わないが、負極材料の耐久性と導電性を考慮すると厚い方が好ましい。一方、負極材料の容量維持やイオン伝導性を考慮すると、炭素コート層は薄い方が好ましい。負極材料における炭素コート層の量が過大になると、相対的に、Si含有負極活物質の量が低減して、負極材料の容量が低下したりリチウムイオンが通過し難くなったりするためである。これらを勘案すると、炭素コート層の厚さは1〜100nmであるのが好ましく、10〜50nmであるのがより好ましく、5〜50nmであるのが更に好ましい。   The thickness of the carbon coat layer is not particularly limited, but a thicker one is preferable in consideration of durability and conductivity of the negative electrode material. On the other hand, considering the capacity maintenance and ion conductivity of the negative electrode material, it is preferable that the carbon coat layer is thin. This is because when the amount of the carbon coat layer in the negative electrode material is excessive, the amount of the Si-containing negative electrode active material is relatively reduced, so that the capacity of the negative electrode material is reduced or lithium ions are difficult to pass. Taking these into consideration, the thickness of the carbon coat layer is preferably 1 to 100 nm, more preferably 10 to 50 nm, and even more preferably 5 to 50 nm.

炭素コート層は炭素だけを含んでも良いし、それ以外の元素を含んでも良い。例えば、炭素コート層は、遷移金属から選ばれる少なくとも一種の金属原子を含んでもよい。この金属原子によって炭素コート層内における導電性が向上するため、負極におけるリチウムイオンの伝導性が改善される。遷移金属から選ばれる金属原子としては、Cu、Fe、Niなどが好ましく、Cuが特に好ましい。また、炭素コート層における金属原子の含有量は、0.1〜10質量%の範囲が好ましい。   The carbon coat layer may contain only carbon or may contain other elements. For example, the carbon coat layer may contain at least one metal atom selected from transition metals. Since the metal atom improves the conductivity in the carbon coat layer, the lithium ion conductivity in the negative electrode is improved. As a metal atom selected from transition metals, Cu, Fe, Ni and the like are preferable, and Cu is particularly preferable. The metal atom content in the carbon coat layer is preferably in the range of 0.1 to 10% by mass.

本発明の負極材料は、リチウムイオン二次電池用の負極に使用することができる。以下、必要に応じて、本発明の負極材料を具備する負極を本発明の負極という。   The negative electrode material of the present invention can be used for a negative electrode for a lithium ion secondary battery. Hereinafter, the negative electrode comprising the negative electrode material of the present invention is referred to as the negative electrode of the present invention as necessary.

本発明の負極は、集電体と、集電体の表面に結着させた負極活物質層とを有する。   The negative electrode of the present invention has a current collector and a negative electrode active material layer bound to the surface of the current collector.

集電体は、リチウムイオン二次電池の放電又は充電の間、電極に電流を流し続けるための化学的に不活性な電子伝導体をいう。集電体としては、銀、銅、金、アルミニウム、タングステン、コバルト、亜鉛、ニッケル、鉄、白金、錫、インジウム、チタン、ルテニウム、タンタル、クロム、モリブデンから選ばれる少なくとも一種、並びにステンレス鋼などの金属材料を例示することができる。集電体は公知の保護層で被覆されていても良い。集電体の表面を公知の方法で処理したものを集電体として用いても良い。   The current collector refers to a chemically inert electronic conductor that keeps a current flowing through an electrode during discharge or charging of a lithium ion secondary battery. As the current collector, at least one selected from silver, copper, gold, aluminum, tungsten, cobalt, zinc, nickel, iron, platinum, tin, indium, titanium, ruthenium, tantalum, chromium, molybdenum, and stainless steel, etc. Metal materials can be exemplified. The current collector may be covered with a known protective layer. What collected the surface of the electrical power collector by the well-known method may be used as an electrical power collector.

集電体は箔、シート、フィルム、線状、棒状、メッシュなどの形態をとることができる。そのため、集電体として、例えば、銅箔、ニッケル箔、アルミニウム箔、ステンレス箔などの金属箔を好適に用いることができる。集電体が箔、シート、フィルム形態の場合は、その厚みが1μm〜100μmの範囲内であることが好ましい。   The current collector can take the form of a foil, a sheet, a film, a linear shape, a rod shape, a mesh, or the like. Therefore, for example, a metal foil such as a copper foil, a nickel foil, an aluminum foil, and a stainless steel foil can be suitably used as the current collector. When the current collector is in the form of foil, sheet or film, the thickness is preferably in the range of 1 μm to 100 μm.

負極活物質層は、上記した負極材料を具備し、当該負極材料は、既述したように、Si含有負極活物質がリチウムドープされたものである。本発明のリチウムイオン二次電池は、負極活物質として、本発明の負極材料すなわちリチウムドープされたSi含有負極活物質のみを含有しても良いし、黒鉛等の公知のその他の負極活物質を本発明の負極材料と併用しても良い。   The negative electrode active material layer includes the above-described negative electrode material, and the negative electrode material is, as described above, a lithium-doped Si-containing negative electrode active material. The lithium ion secondary battery of the present invention may contain only the negative electrode material of the present invention, that is, a lithium-doped Si-containing negative electrode active material as a negative electrode active material, or other known negative electrode active materials such as graphite. You may use together with the negative electrode material of this invention.

本発明の負極における負極活物質層は、本発明の負極材料以外にも、必要に応じて導電助剤及び/又は結着剤を含む。   The negative electrode active material layer in the negative electrode of the present invention contains a conductive additive and / or a binder as necessary, in addition to the negative electrode material of the present invention.

導電助剤は、電極の導電性を高めるために添加される。そのため、導電助剤は、電極の導電性が不足する場合に任意に加えればよく、例えば本発明の負極材料が比較的多くの炭素コート層を有する場合等、電極の導電性が十分に優れている場合には加えなくても良い。導電助剤としては化学的に不活性な電子高伝導体であれば良く、炭素質微粒子であるカーボンブラック、黒鉛、気相法炭素繊維(Vapor Grown Carbon Fiber)、および各種金属粒子などが例示される。カーボンブラックとしては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、ファーネスブラック、チャンネルブラックなどが例示される。これらの導電助剤を単独または二種以上組み合わせて負極活物質層に添加することができる。   The conductive assistant is added to increase the conductivity of the electrode. Therefore, the conductive auxiliary agent may be optionally added when the conductivity of the electrode is insufficient. For example, when the negative electrode material of the present invention has a relatively large number of carbon coat layers, the conductivity of the electrode is sufficiently excellent. If you are, you do not have to add it. The conductive auxiliary agent may be any chemically inert electronic high conductor, and examples thereof include carbon black, graphite, Vapor Grown Carbon Fiber, and various metal particles. The Examples of carbon black include acetylene black, ketjen black (registered trademark), furnace black, and channel black. These conductive assistants can be added to the negative electrode active material layer alone or in combination of two or more.

負極活物質層中の導電助剤の配合割合は、質量比で、活物質:導電助剤=1:0.005〜1:0.5であるのが好ましく、1:0.01〜1:0.2であるのがより好ましく、1:0.03〜1:0.1であるのがさらに好ましい。導電助剤が少なすぎると効率のよい導電パスを形成できず、また、導電助剤が多すぎると活物質層の成形性が悪くなるとともに電極のエネルギー密度が低くなるためである。   The blending ratio of the conductive assistant in the negative electrode active material layer is preferably a mass ratio of active material: conductive assistant = 1: 0.005 to 1: 0.5, and 1: 0.01 to 1: 0.2 is more preferable, and 1: 0.03 to 1: 0.1 is even more preferable. This is because if the amount of the conductive auxiliary is too small, an efficient conductive path cannot be formed, and if the amount of the conductive auxiliary is too large, the moldability of the active material layer is deteriorated and the energy density of the electrode is lowered.

結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド等のイミド系樹脂、ポリ(メタ)アクリル酸等のアクリル系樹脂、アルコキシシリル基含有樹脂、カルボキシメチルセルロース、スチレンブタジエンゴムなどの公知のものを採用すればよい。   Examples of the binder include fluorine-containing resins such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene and fluororubber, thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, imide resins such as polyimide and polyamideimide, and poly (meth) acrylic acid. What is necessary is just to employ | adopt well-known things, such as acrylic resin, alkoxysilyl group containing resin, carboxymethylcellulose, and styrene butadiene rubber.

また、国際公開第2016/063882号に開示される、ポリアクリル酸やポリメタクリル酸などのカルボキシル基含有ポリマーをジアミンなどのポリアミンで架橋した架橋ポリマーを、結着剤として用いてもよい。   A cross-linked polymer obtained by cross-linking a carboxyl group-containing polymer such as polyacrylic acid or polymethacrylic acid with a polyamine such as diamine disclosed in International Publication No. 2016/063882 may be used as a binder.

架橋ポリマーに用いられるジアミンとしては、エチレンジアミン、プロピレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン等のアルキレンジアミン、1,4−ジアミノシクロヘキサン、1,3−ジアミノシクロヘキサン、イソホロンジアミン、ビス(4−アミノシクロヘキシル)メタン等の含飽和炭素環ジアミン、m−フェニレンジアミン、p−フェニレンジアミン、4,4’−ジアミノジフェニルメタン、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、ビス(4−アミノフェニル)スルホン、ベンジジン、o−トリジン、2,4−トリレンジアミン、2,6−トリレンジアミン、キシリレンジアミン、ナフタレンジアミン等の芳香族ジアミンが挙げられる。   Examples of the diamine used in the crosslinked polymer include alkylene diamines such as ethylene diamine, propylene diamine, and hexamethylene diamine, 1,4-diaminocyclohexane, 1,3-diaminocyclohexane, isophorone diamine, and bis (4-aminocyclohexyl) methane. Saturated carbocyclic diamine, m-phenylenediamine, p-phenylenediamine, 4,4′-diaminodiphenylmethane, 4,4′-diaminodiphenyl ether, bis (4-aminophenyl) sulfone, benzidine, o-tolidine, 2,4- Aromatic diamines such as tolylenediamine, 2,6-tolylenediamine, xylylenediamine, and naphthalenediamine are exemplified.

活物質層中の結着剤の配合割合は、質量比で、活物質:結着剤=1:0.005〜1:0.3であるのが好ましい。結着剤が少なすぎると電極の成形性が低下し、また、結着剤が多すぎると電極のエネルギー密度が低くなるためである。   The blending ratio of the binder in the active material layer is preferably a mass ratio of active material: binder = 1: 0.005 to 1: 0.3. This is because when the amount of the binder is too small, the moldability of the electrode is lowered, and when the amount of the binder is too large, the energy density of the electrode is lowered.

活物質層中の結着剤の配合割合は、質量比で、活物質:結着剤=1:0.001〜1:0.3であるのが好ましく、1:0.005〜1:0.2であるのがより好ましく、1:0.01〜1:0.15であるのがさらに好ましい。結着剤が少なすぎると電極の成形性が低下し、また、結着剤が多すぎると電極のエネルギー密度が低くなるためである。   The blending ratio of the binder in the active material layer is preferably a mass ratio of active material: binder = 1: 0.001 to 1: 0.3, and 1: 0.005 to 1: 0. .2 is more preferable, and 1: 0.01 to 1: 0.15 is still more preferable. This is because when the amount of the binder is too small, the moldability of the electrode is lowered, and when the amount of the binder is too large, the energy density of the electrode is lowered.

集電体の表面に活物質層を形成させるには、ロールコート法、ダイコート法、ディップコート法、ドクターブレード法、スプレーコート法、カーテンコート法などの従来から公知の方法を用いて、集電体の表面に活物質を塗布すればよい。具体的には、活物質、溶剤、並びに必要に応じて結着剤及び/又は導電助剤を混合し、スラリーを調製する。上記溶剤としては、N−メチル−2−ピロリドン、メタノール、メチルイソブチルケトン、水を例示できる。該スラリーを集電体の表面に塗布後、乾燥する。電極密度を高めるべく、乾燥後のものを圧縮しても良い。   In order to form an active material layer on the surface of the current collector, a current collecting method such as a roll coating method, a die coating method, a dip coating method, a doctor blade method, a spray coating method, or a curtain coating method can be used. An active material may be applied to the surface of the body. Specifically, an active material, a solvent, and, if necessary, a binder and / or a conductive aid are mixed to prepare a slurry. Examples of the solvent include N-methyl-2-pyrrolidone, methanol, methyl isobutyl ketone, and water. The slurry is applied to the surface of the current collector and then dried. In order to increase the electrode density, the dried product may be compressed.

ところで、リチウムシリサイドを含有する負極材料と、水及び当該水系結着剤とを併用する場合、負極製造時に、負極材料及び結着剤を含有するスラリーの安定性が悪く、当該スラリーを集電体に塗工する作業が困難になる場合がある。したがって、リチウムシリサイドを含有し得る本発明の負極材料には、非水系溶剤及び非水系結着剤を組み合わせるのが好適だと言える。非水系溶剤としてはN−メチル−2−ピロリドン、メタノール、メチルイソブチルケトンが挙げられる。非水系結着剤としては、含フッ素樹脂、熱可塑性樹脂、イミド系樹脂、アクリル系樹脂、アルコキシシリル基含有樹脂、ポリアミンで架橋した架橋ポリマーから選ばれる結着剤が挙げられる。   By the way, when the negative electrode material containing lithium silicide, water, and the water-based binder are used in combination, the slurry containing the negative electrode material and the binder is poor at the time of manufacturing the negative electrode, and the slurry is used as a current collector. It may be difficult to apply the coating. Therefore, it can be said that it is preferable to combine a non-aqueous solvent and a non-aqueous binder with the negative electrode material of the present invention that can contain lithium silicide. Non-aqueous solvents include N-methyl-2-pyrrolidone, methanol, and methyl isobutyl ketone. Examples of the non-aqueous binder include a binder selected from a fluorine-containing resin, a thermoplastic resin, an imide resin, an acrylic resin, an alkoxysilyl group-containing resin, and a crosslinked polymer crosslinked with a polyamine.

その他、本発明の負極材料と組み合わせてリチウムイオン二次電池を構成する正極や電解液等のその他のリチウムイオン二次電池構成要素については、定法に基づいて適宜選択すれば良く、本発明においては特に限定しない。   In addition, other lithium ion secondary battery components such as a positive electrode and an electrolyte solution constituting a lithium ion secondary battery in combination with the negative electrode material of the present invention may be appropriately selected based on a conventional method. There is no particular limitation.

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment. The present invention can be implemented in various forms without departing from the gist of the present invention, with modifications and improvements that can be made by those skilled in the art.

以下に、実施例及び比較例などを示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例によって限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. In addition, this invention is not limited by these Examples.

(実施例1)
(負極材料の製造)
(シリコン材料製造工程)
氷浴中の36質量%HCl水溶液に、アルゴンガス雰囲気下、CaSiを加えて撹拌した。反応液を濾過し、残渣を蒸留水及びアセトンで洗浄し、さらに、減圧乾燥して、ポリシランを含む層状シリコン化合物を分離した。層状シリコン化合物をアルゴンガス雰囲気下、900℃で1時間加熱して、シリコン材料を得た。このシリコン材料をジェットミルNJ−30(株式会社アイシンナノテクノロジーズ)で粉砕して、粒子状のシリコン材料を得た。
Example 1
(Manufacture of negative electrode materials)
(Silicon material manufacturing process)
CaSi 2 was added to an aqueous 36% by mass HCl solution in an ice bath and stirred under an argon gas atmosphere. The reaction solution was filtered, the residue was washed with distilled water and acetone, and further dried under reduced pressure to separate the layered silicon compound containing polysilane. The layered silicon compound was heated at 900 ° C. for 1 hour under an argon gas atmosphere to obtain a silicon material. This silicon material was pulverized with a jet mill NJ-30 (Aisin Nano Technologies Co., Ltd.) to obtain a particulate silicon material.

(リチウムドープ工程)
上記のシリコン材料製造工程で得たシリコン材料をSi含有負極活物質として用い、以下のようにリチウムドープ工程を行った。実施例1の製造方法において用いたリチウムドープ装置を模式的に表す説明図を図2に示す。以下、図2を基に、実施例1の製造方法におけるリチウムドープ工程を説明する。
(Lithium doping process)
Using the silicon material obtained in the above silicon material manufacturing process as a Si-containing negative electrode active material, a lithium doping process was performed as follows. An explanatory view schematically showing the lithium doping apparatus used in the manufacturing method of Example 1 is shown in FIG. Hereinafter, based on FIG. 2, the lithium dope process in the manufacturing method of Example 1 is demonstrated.

(装置)
図2に示すように、リチウムドープ装置1は、内部に処理室2が区画された加熱炉3、多数の開口4を有し処理室2を上下に区画する区画壁5、加熱炉3に接続されたガス流入経路部6及びガス流出経路部7、ガス流入経路部6に接続された図略のガスボンベ、ガス流出経路部7に接続された減圧ポンプP、及び、処理室内に配置された第1の容器8及び第2の容器9で構成される。
(apparatus)
As shown in FIG. 2, the lithium doping apparatus 1 is connected to a heating furnace 3 in which a processing chamber 2 is partitioned, a partition wall 5 having a large number of openings 4 and partitioning the processing chamber 2 up and down, and a heating furnace 3. The gas inflow path section 6 and the gas outflow path section 7, the gas cylinder (not shown) connected to the gas inflow path section 6, the decompression pump P connected to the gas outflow path section 7, and the first disposed in the processing chamber. It is composed of one container 8 and a second container 9.

処理室2は、区画壁5によって上室20及び下室21に区画されている。区画壁5に設けられている多数の開口4によって、上室20と下室21との間のガスの流通は許容される。下室21には管状のガス流入経路部6が接続され、上室20には管状のガス流出経路部7が接続されている。ガス流入経路部6にはアルゴンガスの入った図略のガスボンベが接続されており、アルゴンガスは当該ガス流入経路部6を経て下室21に供給される。一方、ガス流出経路部7には減圧ポンプPが接続されており、図略の電源から給電を受け減圧ポンプPが駆動されると、上室20の内部にあるガスは、ガス流出経路部7及び減圧ポンプPを経て外界に流出する。したがって、処理室2の内部には、下室側21から上室側20に向けたガス流通経路が形成される。上室20にはシリコン材料用の第1の容器8が配置され、下室21には金属リチウム用の第2の容器9が配置されている。上室20は、シリコン材料とリチウムガスとが反応する反応室となる。   The processing chamber 2 is partitioned into an upper chamber 20 and a lower chamber 21 by a partition wall 5. The gas flow between the upper chamber 20 and the lower chamber 21 is allowed by the large number of openings 4 provided in the partition wall 5. A tubular gas inflow passage portion 6 is connected to the lower chamber 21, and a tubular gas outflow passage portion 7 is connected to the upper chamber 20. A gas cylinder (not shown) containing argon gas is connected to the gas inflow path section 6, and the argon gas is supplied to the lower chamber 21 through the gas inflow path section 6. On the other hand, a decompression pump P is connected to the gas outflow path section 7. When the decompression pump P is driven by receiving power from a power supply (not shown), the gas in the upper chamber 20 is transferred to the gas outflow path section 7. And flows out to the outside through the decompression pump P. Therefore, a gas flow path from the lower chamber side 21 to the upper chamber side 20 is formed inside the processing chamber 2. A first container 8 for silicon material is disposed in the upper chamber 20, and a second container 9 for metallic lithium is disposed in the lower chamber 21. The upper chamber 20 is a reaction chamber in which the silicon material and lithium gas react.

(方法)
上室20の第1の容器8にシリコン材料Sを入れ、下室21の第2の容器9に金属リチウムLを入れた。実施例1の製造方法において、金属リチウム及びシリコン材料の量は、金属リチウム:シリコン材料=1:3(質量比)となる量とした。
(Method)
Silicon material S was put in the first container 8 in the upper chamber 20, and metallic lithium L was put in the second container 9 in the lower chamber 21. In the manufacturing method of Example 1, the amounts of metallic lithium and silicon material were such that metallic lithium: silicon material = 1: 3 (mass ratio).

減圧ポンプPを駆動して、上室20および下室21を1〜10Pa程度の減圧雰囲気とした。処理室2の全体を図略のヒータにより550℃に加熱し、第2の容器9に入れられた金属リチウムLからリチウムガスを生じさせた。下室21で生じたリチウムガスは、区画壁5の開口4を通過し上室20に移動してシリコン材料Sに接触した。この状態を6時間維持した。6時間の経過後、処理室2にアルゴンガスを導入し、処理室2のリチウムガスをアルゴンで置換した。その後、アルゴン雰囲気下で処理室2を室温にまで自然冷却した。以上の工程で、実施例1の負極材料を得た。   The decompression pump P was driven to make the upper chamber 20 and the lower chamber 21 have a reduced pressure atmosphere of about 1 to 10 Pa. The entire processing chamber 2 was heated to 550 ° C. by a heater (not shown), and lithium gas was generated from metallic lithium L placed in the second container 9. The lithium gas generated in the lower chamber 21 passed through the opening 4 of the partition wall 5 and moved to the upper chamber 20 to contact the silicon material S. This state was maintained for 6 hours. After 6 hours, argon gas was introduced into the processing chamber 2 and the lithium gas in the processing chamber 2 was replaced with argon. Thereafter, the processing chamber 2 was naturally cooled to room temperature under an argon atmosphere. The negative electrode material of Example 1 was obtained through the above steps.

(実施例2)
金属リチウム及びシリコン材料の量を、金属リチウム:シリコン材料=1:4(質量比)となる量としたこと、および、処理室の加熱温度を600℃としたこと以外は、実施例1と同じ方法で実施例2の負極材料を製造した。
(Example 2)
The amount of metal lithium and silicon material was the same as that of Example 1 except that metal lithium: silicon material = 1: 4 (mass ratio) and that the heating temperature of the processing chamber was 600 ° C. The negative electrode material of Example 2 was manufactured by the method.

(実施例3)
金属リチウム及びシリコン材料の量を、金属リチウム:シリコン材料=1:2(質量比)となる量としたこと、および、処理室の加熱温度を600℃としたこと以外は、実施例1と同じ方法で実施例3の負極材料を製造した。
(Example 3)
The amount of metal lithium and silicon material was the same as that of Example 1 except that metal lithium: silicon material = 1: 2 (mass ratio) and that the heating temperature of the processing chamber was 600 ° C. The negative electrode material of Example 3 was manufactured by the method.

(実施例4)
金属リチウム及びシリコン材料の量を、金属リチウム:シリコン材料=1:2(質量比)となる量としたこと、および、処理室の加熱温度を650℃としたこと以外は、実施例1と同じ方法で実施例4の負極材料を製造した。
(Example 4)
The amount of metallic lithium and silicon material was the same as that of Example 1 except that the amount of metallic lithium: silicon material = 1: 2 (mass ratio) and that the heating temperature of the processing chamber was 650 ° C. The negative electrode material of Example 4 was manufactured by the method.

(実施例5)
金属リチウム及びシリコン材料の量を、金属リチウム:シリコン材料=1:1(質量比)となる量としたこと、および、処理室の加熱温度を650℃としたこと以外は、実施例1と同じ方法で実施例5の負極材料を製造した。
(Example 5)
The amount of metallic lithium and silicon material was the same as that of Example 1 except that the amount of metallic lithium: silicon material = 1: 1 (mass ratio) and that the heating temperature of the processing chamber was 650 ° C. The negative electrode material of Example 5 was manufactured by the method.

(実施例6)
金属リチウム及びシリコン材料の量を、金属リチウム:シリコン材料=1:2(質量比)となる量としたこと、および、処理室の加熱温度を700℃としたこと以外は、実施例1と同じ方法で実施例6の負極材料を製造した。
(Example 6)
The amount of metal lithium and silicon material was the same as that of Example 1 except that metal lithium: silicon material = 1: 2 (mass ratio) and that the heating temperature of the processing chamber was 700 ° C. The negative electrode material of Example 6 was manufactured by the method.

(実施例7)
金属リチウム及びシリコン材料の量を、金属リチウム:シリコン材料=1:1(質量比)となる量としたこと、および、処理室の加熱温度を700℃としたこと以外は、実施例1と同じ方法で実施例7の負極材料を製造した。
(Example 7)
The amount of metallic lithium and silicon material was the same as that of Example 1 except that the amount of metallic lithium: silicon material = 1: 1 (mass ratio) and that the heating temperature of the processing chamber was 700 ° C. The negative electrode material of Example 7 was manufactured by the method.

(実施例8)
金属リチウム及びシリコン材料の量を、金属リチウム:シリコン材料=1:2(質量比)となる量としたこと、および、処理室の加熱温度を750℃としたこと以外は、実施例1と同じ方法で実施例8の負極材料を製造した。
(Example 8)
The amount of metallic lithium and silicon material was the same as that of Example 1 except that the amount of metallic lithium: silicon material = 1: 2 (mass ratio) and that the heating temperature of the processing chamber was 750 ° C. The negative electrode material of Example 8 was manufactured by the method.

(実施例9)
金属リチウム及びシリコン材料の量を、金属リチウム:シリコン材料=1:1(質量比)となる量としたこと、および、処理室の加熱温度を750℃としたこと以外は、実施例1と同じ方法で実施例9の負極材料を製造した。
Example 9
The amount of metallic lithium and silicon material was the same as that of Example 1 except that the amount of metallic lithium: silicon material = 1: 1 (mass ratio) and that the heating temperature of the processing chamber was 750 ° C. The negative electrode material of Example 9 was manufactured by the method.

(比較例1)
比較例1の負極材料は、実施例1の製造方法におけるシリコン材料製造工程で得たシリコン材料である。
(Comparative Example 1)
The negative electrode material of Comparative Example 1 is a silicon material obtained in the silicon material manufacturing process in the manufacturing method of Example 1.

(比較例2)
金属リチウム及びシリコン材料の量を、金属リチウム:シリコン材料=1:2(質量比)となる量としたこと、および、処理室の加熱温度を500℃としたこと以外は、実施例1と同じ方法で比較例2の負極材料を製造した。
(Comparative Example 2)
The amount of metal lithium and silicon material was the same as that of Example 1 except that metal lithium: silicon material = 1: 2 (mass ratio) and that the heating temperature of the processing chamber was 500 ° C. The negative electrode material of Comparative Example 2 was produced by the method.

(XRD分析1)
実施例1〜実施例9、比較例1及び比較例2の負極材料につき、CuKαによる粉末X線回折装置にて、X線回折測定(X‐ray diffraction、XRD)を行った。図3に、各負極材料、LiSiO、Li12Si、LiSi、及び、Li13SiのX線回折チャートを示す。また、図3により確認された、各負極材料に含まれるリチウムシリケート結晶及びリチウムシリサイド結晶について、表1にまとめた。
(XRD analysis 1)
The negative electrode materials of Examples 1 to 9, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 were subjected to X-ray diffraction measurement (XRD) with a powder X-ray diffractometer using CuKα. FIG. 3 shows an X-ray diffraction chart of each negative electrode material, Li 4 SiO 4 , Li 12 Si 7 , Li 7 Si 3 , and Li 13 Si 4 . In addition, the lithium silicate crystals and lithium silicide crystals contained in each negative electrode material confirmed by FIG. 3 are summarized in Table 1.

図3及び表1に示すように、実施例1〜実施例9の負極材料には、何れもリチウムシリケート結晶に由来するピーク及びリチウムシリサイド結晶に由来するピークが確認された。つまり、実施例1〜実施例9の負極材料は、何れもリチウムドープがなされていた。この結果から、実施例1〜実施例9の負極材料が本発明の負極材料であることが明らかになる。
さらに、図3及び表1に示される結果から、各負極材料に含まれるリチウムシリケート結晶の種類は、リチウムとSi含有負極活物質との量、及び、リチウムドープ工程の温度を適宜設定することで、種々に変更可能であることがわかる。
As shown in FIG. 3 and Table 1, in the negative electrode materials of Examples 1 to 9, a peak derived from the lithium silicate crystal and a peak derived from the lithium silicide crystal were confirmed. That is, the negative electrode materials of Examples 1 to 9 were all doped with lithium. From this result, it becomes clear that the negative electrode materials of Examples 1 to 9 are the negative electrode materials of the present invention.
Furthermore, from the results shown in FIG. 3 and Table 1, the type of lithium silicate crystal contained in each negative electrode material is set by appropriately setting the amount of lithium and the Si-containing negative electrode active material and the temperature of the lithium doping step. It can be seen that various changes can be made.

また、図3に示されるように、反応温度が500℃であった比較例2では、26〜30°付近のシリコン結晶のピークは観察されるものの、その他リチウムシリケート結晶やリチウムシリサイド結晶に特有のピークがみられないことから、1〜10Pa程度の減圧下でリチウムドープ工程を行う場合には、反応温度500℃では、Si含有負極活物質にリチウムドープがなされないことがわかる。さらに、反応温度が700℃以上であった実施例6〜実施例9ではシリコン結晶のピークがシャープであることから、当該温度下でシリコン材料が一部溶融し、その結果、結晶粒の比較的大きなシリコンが生成したと推測される。したがって、1〜10Pa程度の減圧下でリチウムドープ工程を行う場合には、反応温度は500℃を超え700℃未満であるのが好ましいといえる。なお、反応温度は510℃以上690℃以下がより好ましく、525℃以上675℃以下がより好ましく、550℃以上650℃以下であるのが特に好ましいといえる。   Further, as shown in FIG. 3, in Comparative Example 2 where the reaction temperature was 500 ° C., a peak of silicon crystal around 26 to 30 ° was observed, but it was unique to other lithium silicate crystals and lithium silicide crystals. From the fact that no peak is observed, it is understood that when the lithium doping step is performed under a reduced pressure of about 1 to 10 Pa, lithium doping is not performed on the Si-containing negative electrode active material at a reaction temperature of 500 ° C. Furthermore, in Examples 6 to 9 where the reaction temperature was 700 ° C. or higher, the peak of the silicon crystal was sharp, so that the silicon material partially melted at that temperature, and as a result, It is estimated that large silicon was produced. Therefore, when performing a lithium dope process under reduced pressure of about 1-10 Pa, it can be said that it is preferable that reaction temperature exceeds 500 degreeC and is less than 700 degreeC. The reaction temperature is more preferably 510 ° C. or more and 690 ° C. or less, more preferably 525 ° C. or more and 675 ° C. or less, and particularly preferably 550 ° C. or more and 650 ° C. or less.

(実施例10)
リチウムドープ工程において、金属リチウムを入れた第2の容器とともに下室にスポンジチタンからなる酸素捕捉材を配置したこと、及び、処理室の加熱温度を600℃としたこと以外は、実施例1と同じ方法で実施例10の負極材料を得た。
(Example 10)
Example 1 except that in the lithium doping process, an oxygen scavenger material made of sponge titanium was placed in the lower chamber together with the second container containing metallic lithium, and the heating temperature of the processing chamber was set to 600 ° C. A negative electrode material of Example 10 was obtained in the same manner.

(実施例11)
スポンジチタンからなる酸素捕捉材を配置しなかったこと以外は、実施例10と同じ方法で実施例11の負極材料を得た。
(Example 11)
A negative electrode material of Example 11 was obtained in the same manner as in Example 10 except that no oxygen scavenger made of titanium sponge was arranged.

(XRD分析2)
実施例10及び実施例11の負極材料につき、CuKαによる粉末X線回折装置にて、X線回折測定を行った。図4に、各負極材料のX線回折チャートを示す。
(XRD analysis 2)
The negative electrode materials of Example 10 and Example 11 were subjected to X-ray diffraction measurement with a powder X-ray diffractometer using CuKα. FIG. 4 shows an X-ray diffraction chart of each negative electrode material.

図4に示すように、実施例10及び実施例11の負極材料には、何れも、リチウムシリサイド結晶に由来するピークが確認されるため、実施例1〜実施例9の負極材料と同様に、実施例10及び実施例11の負極材料もまた本発明の負極材料であるといえる。   As shown in FIG. 4, in the negative electrode materials of Example 10 and Example 11, since peaks derived from lithium silicide crystals are confirmed, as in the negative electrode materials of Examples 1 to 9, It can be said that the negative electrode materials of Example 10 and Example 11 are also the negative electrode material of the present invention.

ところで、酸素捕捉材の存在下でリチウムドープ工程を行った実施例10の負極材料では、酸素捕捉材の非存在下でリチウムドープ工程を行った実施例11の負極材料に比べて、LiSiの比率が大きかった。この結果は、実施例10の負極材料は実施例11の負極材料に比べてリチウムドープ量が多いことを意味する。つまり、酸素捕捉材の存在下で行った実施例10のリチウムドープ工程では、酸素捕捉材の非存在下で行った実施例11のリチウムドープ工程に比べてリチウムガスが多く発生したといえる。この結果から、本発明の負極材料を製造するにあたり酸素捕捉材が有用であることが裏付けられる。 Incidentally, in the negative electrode material of Example 10 was carried out with lithium doping process in the presence of oxygen capturing material, as compared with the negative electrode material of Example 11 in the absence of oxygen scavenging material was lithium doping process, Li 7 Si The ratio of 3 was large. This result means that the negative electrode material of Example 10 has a larger amount of lithium doping than the negative electrode material of Example 11. That is, it can be said that more lithium gas was generated in the lithium doping process of Example 10 performed in the presence of the oxygen scavenger than in the lithium doping process of Example 11 performed in the absence of the oxygen scavenger. This result supports the usefulness of the oxygen scavenger in producing the negative electrode material of the present invention.

1:リチウムドープ装置 2:処理室
3:加熱炉 4:開口
5:区画壁 6:ガス流入経路部
7:ガス流出経路部 P:減圧ポンプ
8:第1の容器 9:第2の容器
S:シリコン材料 L:金属リチウム
1: Lithium doping apparatus 2: Processing chamber 3: Heating furnace 4: Opening 5: Partition wall 6: Gas inflow path section 7: Gas outflow path section P: Pressure reducing pump 8: First container 9: Second container S: Silicon material L: Metallic lithium

Claims (5)

ケイ素及び酸素を含有するSi含有負極活物質と、リチウムと、を含有し、
LiSiO結晶及びLiSiO結晶、又は、リチウムシリサイド結晶を含有する、負極材料。
Si-containing negative electrode active material containing silicon and oxygen, and lithium,
A negative electrode material containing Li 4 SiO 4 crystal and Li 2 SiO 3 crystal or lithium silicide crystal.
前記リチウムシリサイド結晶はLi12Si結晶である、請求項1に記載の負極材料。 The negative electrode material according to claim 1, wherein the lithium silicide crystal is a Li 12 Si 7 crystal. LiSiO結晶及びLi12Si結晶を含有する、請求項1又は請求項2に記載の負極材料。 The negative electrode material according to claim 1 or 2, comprising a Li 4 SiO 4 crystal and a Li 12 Si 7 crystal. Li/(Li+O+Si)で表されるケイ素、酸素及びリチウムのモル比が0.18〜0.63の範囲である、請求項1又は請求項2に記載の負極材料。   The negative electrode material according to claim 1 or 2, wherein a molar ratio of silicon, oxygen, and lithium represented by Li / (Li + O + Si) is in a range of 0.18 to 0.63. 前記Si含有負極活物質は、複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有するシリコン材料である、請求項1〜請求項4の何れか一項に記載の負極材料。   The negative electrode material according to any one of claims 1 to 4, wherein the Si-containing negative electrode active material is a silicon material having a structure in which a plurality of plate-like silicon bodies are laminated in a thickness direction.
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