JP2020017512A - シリコン材料を含む負極活物質の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】シリコン材料を含む負極活物質の製造方法を、改良する。【解決手段】a)CaSi2を酸及び炭素数4以上のアルコールと反応させて、シリコン材料前駆体を合成する工程、b)前記シリコン材料前駆体を酸素存在下で自己発熱させて、シリコン材料を合成する工程、を有することを特徴とするシリコン材料を含む負極活物質の製造方法。【選択図】なし
Description
本発明は、シリコン材料を含む負極活物質の製造方法に関する。
リチウムイオン二次電池等の二次電池は、主な構成要素として、正極及び負極を備える。そして、負極には、集電体と、充放電に関与する負極活物質が具備されている。産業界からは二次電池の高容量化が求められており、その対応として、各種の技術が検討されている。その具体的な技術の一つとしては、二次電池の負極活物質として、リチウムなどの電荷担体の吸蔵能力が高いシリコンを含有する負極活物質を採用する技術が知られている。
例えば、特許文献1には、CaSi2と酸とを反応させてCaを除去した層状ポリシランを主成分とする層状シリコン化合物を合成したこと、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たシリコン材料を製造したこと、及び、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。
さて、研究開発された技術を工業化する場合には、種々のコストを考慮する必要がある。画期的な技術を開発したとしても、コストがかさみ、その結果、製品が高価格となれば、産業界全体へ普及させることが困難となるからである。
しかしながら、新しい材料に関しては、当該材料の化学組成や固有の構造を形成するために、固有の製造工程で製造するのが一般的である。そして、製造工程のうち、化学反応を要する工程には、それに適した個別の設備を導入する必要があるため、コスト増の要因となっていたものの、当該工程を改良することは困難である。
特許文献1に記載されたシリコン材料の製造方法においても、同様の課題が存在した。
特許文献1に記載されたシリコン材料の製造方法においても、同様の課題が存在した。
本発明は、かかる事情に鑑みて為されたものであり、シリコン材料を含む負極活物質の製造方法を、改良することを目的とする。
本発明のシリコン材料を含む負極活物質の製造方法は、
a)CaSi2を酸及び炭素数4以上のアルコールと反応させて、シリコン材料前駆体を合成する工程、
b)前記シリコン材料前駆体を酸素存在下で自己発熱させて、シリコン材料を合成する工程、
を有することを特徴とする。
a)CaSi2を酸及び炭素数4以上のアルコールと反応させて、シリコン材料前駆体を合成する工程、
b)前記シリコン材料前駆体を酸素存在下で自己発熱させて、シリコン材料を合成する工程、
を有することを特徴とする。
特許文献1に記載されたシリコン材料の製造方法においては、外部加熱用の加熱設備にて、層状ポリシランを主成分とする層状シリコン化合物を、外部のエネルギーを用いて加熱することに因り、層状シリコン化合物から水素を離脱させてシリコン材料を製造していた。
しかし、本発明のシリコン材料を含む負極活物質の製造方法においては、CaSi2と酸が反応して生成する層状ポリシランのSi6H6に対して、炭素数4以上のアルコールが反応することで、特許文献1に記載の層状シリコン化合物とは異なる物質であるシリコン材料前駆体を製造し、そして、当該シリコン材料前駆体を酸素ガスと接触させることで自己発熱させて、シリコン材料を合成する。
従って、本発明のシリコン材料を含む負極活物質の製造方法においては、外部加熱用の加熱設備を設けることなく、かつ、加熱用の外部のエネルギーを要することなく、又は、外部のエネルギーを著しく抑制した条件下で、目的のシリコン材料を合成することができる。
以下に、本発明を実施するための形態を説明する。なお、特に断らない限り、本明細書に記載された数値範囲「a〜b」は、下限a及び上限bをその範囲に含む。そして、これらの上限値及び下限値、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。
本発明のシリコン材料を含む負極活物質の製造方法(以下、単に、「本発明の製造方法」ということがある。また、本発明のシリコン材料を含む負極活物質の製造方法を経て製造されたシリコン材料及び負極活物質を、それぞれ「本発明のシリコン材料」及び「本発明の負極活物質」ということがある。)は、
a)CaSi2を酸及び炭素数4以上のアルコールと反応させて、シリコン材料前駆体を合成する工程、
b)前記シリコン材料前駆体を酸素存在下で自己発熱させて、シリコン材料を合成する工程、
を有することを特徴とする。
a)CaSi2を酸及び炭素数4以上のアルコールと反応させて、シリコン材料前駆体を合成する工程、
b)前記シリコン材料前駆体を酸素存在下で自己発熱させて、シリコン材料を合成する工程、
を有することを特徴とする。
a)工程において、酸としてHCl、及び、炭素数4以上のアルコールとして1−ヘキサノールを使用する場合は、以下の式(1)で示す反応が進行し、次いで、層状ポリシランであるSi6H6の表面において、例えば式(2)で示す反応が進行すると考えられる。
式(1) 3CaSi2+6HCl→Si6H6+3CaCl2
式(2) Si6H6+3C6H13OH→Si6H3(OC6H13)3+3H2↑
式(1) 3CaSi2+6HCl→Si6H6+3CaCl2
式(2) Si6H6+3C6H13OH→Si6H3(OC6H13)3+3H2↑
原料であるCaSi2は、一般にCa層とSi層が積層した構造からなる。a)工程にて、式(1)の反応により、CaSi2のCaが2個のHで置換されるため、層状ポリシランであるSi6H6は、Si層とH層が積層した構造となる。そして、Si6H6のSi−H結合のH及び1−ヘキサノールの水酸基のHが結合してH2として離脱するとともに、Si−OC6H13構造が形成されて、シリコン材料前駆体になると考えられる。ここで、Si−OC6H13構造が形成されることにより、シリコン材料前駆体のSi層の層間距離は、Si6H6のSi層の層間距離よりも、少なくとも部分的に著しく拡大しているといえる。
そして、b)工程にて、酸素がシリコン材料前駆体の拡大されたSi層の層間に侵入し、Siが酸化されることで、発熱が生じる。かかる発熱に因り、シリコン材料前駆体の内部に存在するSi−H結合が開裂して、水素ガスが発生すると共に、シリコン材料が製造される。
さらに、シリコン材料前駆体には炭素源であるアルコキシドが存在することから、かかるアルコキシドが発熱時に炭化されることにより、本発明のシリコン材料が炭素で被覆されることも期待できる。炭素で被覆された本発明のシリコン材料は、導電性が向上するとの利点を期待できる。
さらに、シリコン材料前駆体には炭素源であるアルコキシドが存在することから、かかるアルコキシドが発熱時に炭化されることにより、本発明のシリコン材料が炭素で被覆されることも期待できる。炭素で被覆された本発明のシリコン材料は、導電性が向上するとの利点を期待できる。
なお、炭素数3以下のアルコールを用いる場合には、炭素数3以下のアルコール分子の大きさが小さいため、シリコン材料前駆体のSi層の層間距離の拡大の程度が制限されるといえる。そうすると、b)工程において、酸素がシリコン材料前駆体のSi層の層間に侵入することは困難であり、自己発熱を生じない場合があると考えられる。
a)工程を特定する事項を、順に説明する。
CaSi2は、公知の製造方法で合成してもよく、市販されているものを採用してもよい。a)工程に用いるCaSi2は、あらかじめ粉砕し、粉末状にしておくことが好ましい。
CaSi2は、公知の製造方法で合成してもよく、市販されているものを採用してもよい。a)工程に用いるCaSi2は、あらかじめ粉砕し、粉末状にしておくことが好ましい。
CaSi2は、Alを含有しているものが好ましい。Alの含有量としては、4.5%未満が好ましく、0.01〜3%の範囲内がより好ましく、0.05〜2%の範囲内がさらに好ましく、0.1〜1%の範囲内が特により好ましい。
Alを含有するCaSi2を用いることで、Alを含有するシリコン材料を製造することができる。そして、Alを含有するシリコン材料は、導電性などの点で、負極活物質としての特性に優れるといえる。
Alを含有するCaSi2を用いることで、Alを含有するシリコン材料を製造することができる。そして、Alを含有するシリコン材料は、導電性などの点で、負極活物質としての特性に優れるといえる。
酸としては、フッ化水素酸、塩化水素酸、臭化水素酸、ヨウ化水素酸、硫酸、硝酸、リン酸、蟻酸、酢酸、メタンスルホン酸、テトラフルオロホウ酸、ヘキサフルオロリン酸、ヘキサフルオロヒ素酸、フルオロアンチモン酸、ヘキサフルオロケイ酸、ヘキサフルオロゲルマン酸、ヘキサフルオロスズ(IV)酸、トリフルオロ酢酸、ヘキサフルオロチタン酸、ヘキサフルオロジルコニウム酸、トリフルオロメタンスルホン酸、フルオロスルホン酸が例示される。これらの酸を単独又は併用して使用すれば良い。
酸は、1モルのCaSi2に対して、2モル以上のプロトンを供給できる量を用いるのが好ましい。
酸は酸水溶液として用いるのが好ましい。酸水溶液を用いることで、CaCl2などの不要物の除去が容易となる。また、酸水溶液を用いることで、シリコン材料前駆体に酸素を導入するのが極めて簡単となる。なお、後述するように、シリコン材料には、一定程度の酸素が含まれるものが、負極活物質として好ましい。
酸水溶液中における酸の濃度としては、5〜36質量%が好ましく、5〜30質量%がより好ましく、10〜30質量%がさらに好ましく、13〜25質量%が特に好ましく、15〜20質量%が最も好ましい。酸の濃度が低すぎると、反応の進行が緩慢になるため、生産効率が低下する。他方、酸の濃度が高すぎると、酸のアニオン由来の元素が本発明のシリコン材料に多量に含有される。
炭素数4以上のアルコールとしては、1級アルコール、2級アルコール、3級アルコールのいずれでもよいが、反応性の高さから、1級アルコールが好ましい。アルコールの炭素数としては、4〜18、4〜12、5〜10、6〜8を例示できる。アルコールの炭素鎖としては、飽和、不飽和のいずれであってもよく、また、直鎖、分岐鎖、環状のいずれであってもよい。
なお、炭素数4以上のアルコールとしては酸水溶液に溶解性を示すアルコールが好ましいが、酸水溶液に溶解するのが困難なアルコールであっても、撹拌下における層状ポリシランとアルコールとの固液界面で反応が進行し得るといえる。
なお、炭素数4以上のアルコールとしては酸水溶液に溶解性を示すアルコールが好ましいが、酸水溶液に溶解するのが困難なアルコールであっても、撹拌下における層状ポリシランとアルコールとの固液界面で反応が進行し得るといえる。
炭素数4以上のアルコールとしては、1価アルコール、2価アルコール、3価アルコール、その他のポリオールのいずれでもよいが、炭素で被覆された好適な本発明のシリコン材料を得るためには、炭素数4以上のアルコールにおける炭素元素の割合が高い方が好ましいといえる。炭素数4以上のアルコールにおける炭素元素と酸素元素の数の比(C:O)としては、3:1〜18:1、4:1〜12:1、5:1〜10:1を例示できる。
1価アルコールとしては、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、ノナノール、デカノールなどを例示できる。
2価アルコールとしては、1,2−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、2,3−ブタンジオール、1,2−ペンタンジオール、1,3−ペンタンジオール、1,4−ペンタンジオール、1,5−ペンタンジオール、2,3−ペンタンジオール、1,2−ヘキサンジオール、1,2−ヘプタンジオール、1,7−ヘプタンジオール、1,2−オクタンジオール、1,8−オクタンジオール、1,2−ノナンジオール、1,9−ノナンジオール、1,2−デカンジオール、1,10−デカンジオールなどを例示できる。
3価アルコールとしては、1,2,3−ブタントリオール、1,2,4−ブタントリオール、1,2,5−ペンタントリオール、1,2,6−ヘキサントリオール、1,2,7−ヘプタントリオール、1,2,3−ヘプタントリオール、2,4,6−ヘプタントリオール、1,2,8−オクタントリオール、1,2,9−ノナントリオール、1,3,4−ノナントリオール、1,2,10−デカントリオールなどを例示できる。
ポリオールとしては、エリスリトール、トレイトール、アラビニトール、キシリトール、リビトール、イジトール、ガラクチトール、グルシトール、マンニトール、ボレミトール、イノシトール及びクエルシトールなどの糖アルコール、グルコース、マルトース、スクロース、ラクトース、セロビオース、トレハロース及びシクロデキストリンなどの単糖及びオリゴ糖、アミロース、セルロース及びポリビニルアルコールなどの高分子ポリオールを例示できる。
a)工程における炭素数4以上のアルコールの量としては、1分子のSi6H6に対して、1以上の水酸基を供給できる量を用いるのが好ましく、2以上の水酸基を供給できる量を用いるのがより好ましく、3以上の水酸基を供給できる量を用いるのがさらに好ましい。
換言すると、a)工程における炭素数4以上のアルコールの量としては、1分子のCaSi2に対して、1/3以上の水酸基を供給できる量を用いるのが好ましく、2/3以上の水酸基を供給できる量を用いるのがより好ましく、3/3以上の水酸基を供給できる量を用いるのがさらに好ましい。
換言すると、a)工程における炭素数4以上のアルコールの量としては、1分子のCaSi2に対して、1/3以上の水酸基を供給できる量を用いるのが好ましく、2/3以上の水酸基を供給できる量を用いるのがより好ましく、3/3以上の水酸基を供給できる量を用いるのがさらに好ましい。
a)工程における撹拌作業性や反応速度を鑑みると、酸水溶液に対する炭素数4以上のアルコールの質量比は、0.05以上が好ましく、0.07以上1以下がより好ましく、0.1以上0.5以下がさらに好ましい。
a)工程の反応温度としては、−20〜50℃の範囲内、−15〜30℃の範囲内、−10〜20℃の範囲内、−5〜10℃の範囲内を例示できる。a)工程の温度を制御するには、恒温槽などの恒温装置を使用すればよい。a)工程の反応時間としては、1〜50時間、5〜40時間、10〜30時間を例示できる。
a)工程における反応条件は、窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気下とすることが好ましく、また、撹拌条件下とすることが好ましい。
a)工程で得られるシリコン材料前駆体を単離するために、適宜、濾過工程、洗浄工程、乾燥工程を実施してもよい。シリコン材料前駆体の不都合な発熱を制御するため及びシリコン材料前駆体の酸素量を制御するために、窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気下でこれらの工程を実施するのが好ましい。
次に、b)工程について説明する。b)工程は、シリコン材料前駆体を酸素存在下で自己発熱させて、シリコン材料を合成する工程である。
b)工程は、シリコン材料前駆体が自己発熱するに足る酸素濃度下で実施される。製造コストの観点から、空気存在下で実施されるのが好ましい。
自己発熱の温度としては、シリコン材料が合成されるに足る温度が必要である。さらに、アルコールに由来するアルコキシドが炭化する温度であるのが好ましい。
自己発熱の温度として、具体的には、450〜850℃の範囲内が好ましく、500〜800℃の範囲内がさらに好ましく、600〜750℃の範囲内がさらに好ましい。自己発熱の温度が低すぎると、水素の離脱が十分に進行しないおそれがあるし、アルコキシドの炭素化が十分に進行しないおそれがある。他方、自己発熱の温度が900℃を超えると、シリコン材料に含まれるシリコンの結晶化が過剰に進行して、負極活物質としての性能低下に繋がるおそれがある。
自己発熱の温度として、具体的には、450〜850℃の範囲内が好ましく、500〜800℃の範囲内がさらに好ましく、600〜750℃の範囲内がさらに好ましい。自己発熱の温度が低すぎると、水素の離脱が十分に進行しないおそれがあるし、アルコキシドの炭素化が十分に進行しないおそれがある。他方、自己発熱の温度が900℃を超えると、シリコン材料に含まれるシリコンの結晶化が過剰に進行して、負極活物質としての性能低下に繋がるおそれがある。
b)工程において、自己発熱の後に、追加加熱工程を加えてもよい。追加加熱工程の加熱温度としては、500〜800℃の範囲内、550〜750℃の範囲内、600〜750℃の範囲内を例示できる。追加加熱工程における雰囲気は、窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気下とすることが好ましい。
本発明のシリコン材料は、粉砕や分級を経て、一定の粒度分布の粒子としてもよい。
なお、本発明の製造方法を経て製造されたシリコン材料は、脆い凝集体として得られるため、特別な粉砕機器を用いることなく、篩過などで分級をすることもできる。
なお、本発明の製造方法を経て製造されたシリコン材料は、脆い凝集体として得られるため、特別な粉砕機器を用いることなく、篩過などで分級をすることもできる。
本発明のシリコン材料を含む本発明の負極活物質は、リチウムイオン二次電池などの二次電池の負極活物質として使用できる。
酸素質量%が過度に低く、シリコン質量%が過度に高いシリコン材料は、負極活物質としての容量及び初期効率に優れるものの、容量維持率に劣る。他方、酸素質量%が過度に高く、シリコン質量%が過度に低いシリコン材料は、負極活物質としての容量及び初期効率に劣る。
本発明のシリコン材料における酸素質量%(WO%)は、15≦WO≦30が好ましく、15.5≦WO≦25がより好ましく、16≦WO≦22がさらに好ましく、16.5≦WO≦19.5が特に好ましい。
本発明のシリコン材料におけるシリコン質量%(WSi%)は、65≦WSi≦85を満足するのが好ましく、68≦WSi≦80を満足するのがより好ましく、70≦WSi≦79を満足するのがさらに好ましく、70≦WSi≦78を満足するのが特に好ましい。
本発明のシリコン材料におけるシリコン質量%(WSi%)は、65≦WSi≦85を満足するのが好ましく、68≦WSi≦80を満足するのがより好ましく、70≦WSi≦79を満足するのがさらに好ましく、70≦WSi≦78を満足するのが特に好ましい。
本発明のシリコン材料は、酸素及びシリコン以外の元素を含有してもよい。かかる元素としては、Alが好ましい。Alを含有する本発明のシリコン材料は、抵抗が低減する。そのため、Alを含有する本発明のシリコン材料は、負極活物質としての機能に優れるといえる。
また、二次電池の充放電条件下においては、電解液の構成成分が分解して、負極活物質の表面に酸素を含むSEI(Solid Electrolyte Interphase)被膜が形成することが知られている。ここで、負極活物質がシリコンを含有する場合、シリコンがSEI被膜に含まれる酸素によって酸化されて劣化することが懸念される。
しかしながら、Alを含有する本発明のシリコン材料は、Alを含有するので、シリコンの酸化劣化が抑制されると考えられる。その理由は、Alはシリコンよりも電気陰性度が低いため酸素と優先的にかつ安定に結合すると考えられる点、Alと酸素とのAl−O結合がSi−O結合よりも安定である点、及び、安定なAl−O結合を形成した酸素はAlよりも電気陰性度の高いシリコンの酸化には関与し難いといえる点にある。
したがって、Alを含有する本発明のシリコン材料を負極活物質として具備する二次電池は、長寿命であることが期待できる。
しかしながら、Alを含有する本発明のシリコン材料は、Alを含有するので、シリコンの酸化劣化が抑制されると考えられる。その理由は、Alはシリコンよりも電気陰性度が低いため酸素と優先的にかつ安定に結合すると考えられる点、Alと酸素とのAl−O結合がSi−O結合よりも安定である点、及び、安定なAl−O結合を形成した酸素はAlよりも電気陰性度の高いシリコンの酸化には関与し難いといえる点にある。
したがって、Alを含有する本発明のシリコン材料を負極活物質として具備する二次電池は、長寿命であることが期待できる。
本発明のシリコン材料におけるAl質量%(WAl%)は、0<WAl<1を満足するのが好ましく、0<WAl≦0.8を満足するのがより好ましく、0.01≦WAl≦0.6を満足するのがさらに好ましく、0.05≦WAl≦0.4を満足するのが特に好ましい。
また、本発明のシリコン材料における炭素質量%(WC%)は、1≦WC≦9を満足するのが好ましく、2≦WC≦8を満足するのがより好ましく、3≦WC≦7を満足するのがさらに好ましい。
本発明のシリコン材料には、製造工程由来の不純物や、原料由来の不純物が含有される場合がある。製造方法において使用した酸のアニオン由来の元素は、不純物として本発明のシリコン材料に含有されやすい。
本発明のシリコン材料における、酸のアニオン由来の元素質量%(WX%)は、小さい値が好ましい。WX%が大きい場合、シリコン材料の不可逆容量が増加するため、初期効率が低下する。WX%の範囲として、0<WX<5を例示できる。WX%の範囲は、0<WX<4を満足するのが好ましく、0<WX≦3を満足するのがより好ましく、0<WX≦2を満足するのがさらに好ましく、0<WX≦1を満足するのが特に好ましい。酸のアニオンがハロゲンの場合には、酸のアニオン由来の元素質量%(WX%)を、ハロゲン質量%(WX%)と読み替える。
本発明のシリコン材料における、酸のアニオン由来の元素質量%(WX%)は、小さい値が好ましい。WX%が大きい場合、シリコン材料の不可逆容量が増加するため、初期効率が低下する。WX%の範囲として、0<WX<5を例示できる。WX%の範囲は、0<WX<4を満足するのが好ましく、0<WX≦3を満足するのがより好ましく、0<WX≦2を満足するのがさらに好ましく、0<WX≦1を満足するのが特に好ましい。酸のアニオンがハロゲンの場合には、酸のアニオン由来の元素質量%(WX%)を、ハロゲン質量%(WX%)と読み替える。
本発明のシリコン材料に含有され得る不純物として、CaとFeを例示できる。Caは、原料のCaSi2に由来する。Feは、原料中の不純物である。
本発明のシリコン材料における、Ca質量%(WCa%)は、小さい値が好ましい。本発明のシリコン材料におけるCa質量%(WCa%)は、0≦WCa<5を満足するのが好ましく、0≦WCa≦1を満足するのがより好ましく、0≦WCa≦0.5を満足するのがさらに好ましく、0≦WCa≦0.3を満足するのが特に好ましい。Caの混入容易性及び除去困難性を鑑みると、本発明のシリコン材料におけるCa質量%(WCa%)は、0<WCaとなる場合が想定される。
本発明のシリコン材料における、Fe質量%(WFe%)は、小さい値が好ましい。本発明のシリコン材料におけるFe質量%(WFe%)は、0≦WFe≦3を満足するのが好ましく、0≦WFe≦1を満足するのがより好ましく、0≦WFe≦0.5を満足するのがさらに好ましく、0≦WFe≦0.3を満足するのが特に好ましく、0≦WFe≦0.1を満足するのが最も好ましい。Feの混入容易性及び除去困難性を鑑みると、本発明のシリコン材料におけるFe質量%(WFe%)は、0<WFeとなる場合が想定される。
また、Al質量%(WAl%)とFe質量%(WFe%)の関係が、WAl>WFeを満足するのが好ましく、WAl>2×WFeを満足するのがより好ましい。
また、Al質量%(WAl%)とFe質量%(WFe%)の関係が、WAl>WFeを満足するのが好ましく、WAl>2×WFeを満足するのがより好ましい。
構造の面からは、本発明のシリコン材料は、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のが好ましい。この積層構造は、走査型電子顕微鏡などによる観察で確認できる。本発明のシリコン材料をリチウムイオン二次電池の負極活物質として使用することを考慮すると、リチウムイオン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。また、板状シリコン体の長軸方向の長さは、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、(長軸方向の長さ)/(厚さ)が2〜1000の範囲内であるのが好ましい。なお、板状シリコン体の積層構造は、原料のCaSi2におけるSi層の名残りと考えられる。
本発明のシリコン材料は、アモルファスシリコン及びシリコン結晶のいずれかを含有してもよいし、両者を含有してもよい。シリコン結晶のサイズとしては、ナノサイズのものが好ましい。具体的には、シリコン結晶のサイズは、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、シリコン結晶のサイズは、シリコン材料に対してX線回折測定(XRD測定)を行い、得られたXRD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。
本発明のシリコン材料は粉末状態のものが好ましく、一定の粒度分布を示す粒子の集合体であるのが好ましい。本発明のシリコン材料の平均粒子径としては、0.5〜30μm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、2〜6μm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、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のD50を意味する。
また、本発明のシリコン材料の粒度分布は、シャープな分布を示すのが好ましい。D10からD90までの範囲、すなわちD90からD10を減じた数値が、2〜20μmの範囲内、3〜10μmの範囲内、又は、5〜8μmの範囲内のものが好ましいといえる。
また、本発明のシリコン材料の粒度分布は、シャープな分布を示すのが好ましい。D10からD90までの範囲、すなわちD90からD10を減じた数値が、2〜20μmの範囲内、3〜10μmの範囲内、又は、5〜8μmの範囲内のものが好ましいといえる。
本発明の負極活物質は、本発明のシリコン材料そのものでもよいし、本発明のシリコン材料をさらに炭素で被覆したものでもよい。本発明のシリコン材料をさらに炭素で被覆することで、導電性にさらに優れた本発明の負極活物質を提供できる。
炭素被覆の方法としては、本発明のシリコン材料及び炭素粉末の混合物に対して、強い圧力を付した上で撹拌して一体化するメカニカルミリング法や、炭素源から生じる炭素を本発明のシリコン材料に蒸着させるCVD(chemical vapor deposition)法を例示できる。
本発明のシリコン材料の表面を薄い炭素層で均一に被覆できる点から、炭素被覆の方法としては、CVD法が好ましい。そして、CVD法のうち、炭素源である気体状態の有機物を熱で分解して炭素を発生させる熱CVD法が好ましい。
炭素被覆された本発明の負極活物質における炭素質量%は、2〜10質量%が好ましく、3〜9質量%がより好ましく、4〜8質量%がさらに好ましい。
炭素被覆された本発明のシリコン材料は粉末状態のものが好ましく、一定の粒度分布を示す粒子の集合体であるのが好ましい。炭素被覆された本発明のシリコン材料の平均粒子径としては、0.5〜30μm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、2〜6μmの範囲内が特に好ましい。
また、炭素被覆された本発明のシリコン材料の粒度分布は、シャープな分布を示すのが好ましい。D10からD90までの範囲、すなわちD90からD10を減じた数値が、2〜20μmの範囲内、3〜10μmの範囲内、又は、5〜8μmの範囲内のものが好ましいといえる。
また、炭素被覆された本発明のシリコン材料の粒度分布は、シャープな分布を示すのが好ましい。D10からD90までの範囲、すなわちD90からD10を減じた数値が、2〜20μmの範囲内、3〜10μmの範囲内、又は、5〜8μmの範囲内のものが好ましいといえる。
以下、本発明の負極活物質を具備する二次電池について、その代表としてリチウムイオン二次電池を例にして、説明する。本発明の負極活物質を具備するリチウムイオン二次電池を、以下、本発明のリチウムイオン二次電池という。具体的には、本発明のリチウムイオン二次電池は、正極、本発明の負極活物質を具備する負極、並びに、固体電解質、又は、電解液及びセパレータを具備する。
正極は、集電体と、集電体の表面に結着させた正極活物質層を有する。
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。
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。
正極活物質層は正極活物質、並びに必要に応じて導電助剤及び/又は結着剤を含む。
正極活物質としては、層状化合物のLiaNibCocMndDeOf(0.2≦a≦2、b+c+d+e=1、0≦e<1、DはLi、Fe、Cr、Cu、Zn、Ca、Mg、S、Si、Na、K、Al、Zr、Ti、P、Ga、Ge、V、Mo、Nb、W、Laから選ばれる少なくとも1の元素、1.7≦f≦3)、LiaNibCocAldDeOf(0.2≦a≦2、b+c+d+e=1、0≦e<1、DはLi、Fe、Cr、Cu、Zn、Ca、Mg、S、Si、Na、K、Zr、Ti、P、Ga、Ge、V、Mo、Nb、W、Laから選ばれる少なくとも1の元素、1.7≦f≦3)、Li2MnO3を挙げることができる。また、正極活物質として、LiMn2O4等のスピネル、及びスピネルと層状化合物の混合物で構成される固溶体、LiMPO4、LiMVO4又はLi2MSiO4(式中のMはCo、Ni、Mn、Feのうちの少なくとも一種から選択される)などで表されるポリアニオン系化合物を挙げることができる。さらに、正極活物質として、LiFePO4FなどのLiMPO4F(Mは遷移金属)で表されるタボライト系化合物、LiFeBO3などのLiMBO3(Mは遷移金属)で表されるボレート系化合物を挙げることができる。正極活物質として用いられるいずれの金属酸化物も上記の組成式を基本組成とすればよく、基本組成に含まれる金属元素を他の金属元素で置換したものも使用可能である。また、正極活物質として、充放電に寄与するリチウムイオンを含まない正極活物質材料、たとえば、硫黄単体、硫黄と炭素を複合化した化合物、TiS2などの金属硫化物、V2O5、MnO2などの酸化物、ポリアニリン及びアントラキノン並びにこれら芳香族を化学構造に含む化合物、共役二酢酸系有機物などの共役系材料、その他公知の材料を用いることもできる。さらに、ニトロキシド、ニトロニルニトロキシド、ガルビノキシル、フェノキシルなどの安定なラジカルを有する化合物を正極活物質として採用してもよい。リチウムを含まない正極活物質材料を用いる場合には、正極および/または負極に、公知の方法により、予めイオンを添加させておく必要がある。ここで、当該イオンを添加するためには、金属または当該イオンを含む化合物を用いればよい。
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、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活物質層に添加することができる。
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、1:0.02〜1:0.15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。
結着剤は、活物質や導電助剤を集電体の表面に繋ぎ止め、電極中の導電ネットワークを維持する役割を果たすものである。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、アルコキシシリル基含有樹脂、ポリ(メタ)アクリル酸等のアクリル系樹脂、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロースを例示することができる。これらの結着剤を単独で又は複数で採用すれば良い。
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=1:0.05〜1:0.3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、1:0.02〜1:0.15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。
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を有する。集電体については、正極で説明したものを適宜適切に採用すれば良い。負極活物質層は負極活物質、並びに必要に応じて導電助剤及び/又は結着剤を含む。
負極活物質としては、本発明の負極活物質を含むものであればよく、本発明の負極活物質のみを採用してもよいし、本発明の負極活物質と公知の負極活物質を併用してもよい。
負極に用いる導電助剤及び結着剤については、正極で説明したものを同様の配合割合で適宜適切に採用すれば良い。
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。
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。
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。
固体電解質としては、リチウムイオン二次電池の固体電解質として使用可能なものを適宜採用すればよい。
電解液は、非水溶媒と非水溶媒に溶解した電解質とを含んでいる。
非水溶媒としては、環状カーボネート、環状エステル、鎖状カーボネート、鎖状エステル、エーテル類等が使用できる。環状カーボネートとしては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートを例示でき、環状エステルとしては、ガンマブチロラクトン、2−メチル−ガンマブチロラクトン、アセチル−ガンマブチロラクトン、ガンマバレロラクトンを例示できる。鎖状カーボネートとしては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジブチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、エチルメチルカーボネートを例示でき、鎖状エステルとしては、プロピオン酸アルキルエステル、マロン酸ジアルキルエステル、酢酸アルキルエステル等を例示できる。エーテル類としては、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−ジブトキシエタンを例示できる。非水溶媒としては、上記具体的な溶媒の化学構造のうち一部又は全部の水素がフッ素に置換した化合物を採用しても良い。
電解質としては、LiClO4、LiAsF6、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(FSO2)2等のリチウム塩を例示できる。
電解液としては、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネートなどの非水溶媒に、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiN(FSO2)2などのリチウム塩を0.5〜3.5mol/L、1〜3mol/L、1.6〜2.5mol/Lの濃度で溶解させた溶液を例示できる。
セパレータは、正極と負極とを隔離し、両極の接触による短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。セパレータとしては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアミド、ポリアラミド(Aromatic polyamide)、ポリエステル、ポリアクリロニトリル等の合成樹脂、セルロース、アミロース等の多糖類、フィブロイン、ケラチン、リグニン、スベリン等の天然高分子、セラミックスなどの電気絶縁性材料を1種若しくは複数用いた多孔体、不織布、織布などを挙げることができる。また、セパレータは多層構造としてもよい。
次に、正極、負極及び電解液を用いた本発明のリチウムイオン二次電池の製造方法について説明する。
例えば、正極と負極とでセパレータを挟持して電極体とする。電極体は、正極、セパレータ及び負極を重ねた積層型、又は、正極、セパレータ及び負極の積層体を捲いた捲回型のいずれの型にしても良い。正極の集電体および負極の集電体から外部に通ずる正極端子および負極端子までを、集電用リード等を用いて接続した後に、電極体に電解液を加えてリチウムイオン二次電池とするとよい。
本発明のリチウムイオン二次電池の形状は特に限定されるものでなく、円筒型、角型、コイン型、ラミネート型等、種々の形状を採用することができる。
本発明のリチウムイオン二次電池は、車両に搭載してもよい。車両は、その動力源の全部あるいは一部にリチウムイオン二次電池による電気エネルギーを使用している車両であればよく、たとえば、電気車両、ハイブリッド車両などであるとよい。車両にリチウムイオン二次電池を搭載する場合には、リチウムイオン二次電池を複数直列に接続して組電池とするとよい。リチウムイオン二次電池を搭載する機器としては、車両以外にも、パーソナルコンピュータ、携帯通信機器など、電池で駆動される各種の家電製品、オフィス機器、産業機器などが挙げられる。さらに、本発明のリチウムイオン二次電池は、風力発電、太陽光発電、水力発電その他電力系統の蓄電装置及び電力平滑化装置、船舶等の動力及び/又は補機類の電力供給源、航空機、宇宙船等の動力及び/又は補機類の電力供給源、電気を動力源に用いない車両の補助用電源、移動式の家庭用ロボットの電源、システムバックアップ用電源、無停電電源装置の電源、電動車両用充電ステーションなどにおいて充電に必要な電力を一時蓄える蓄電装置に用いてもよい。
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。
以下に、実施例およ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。
(実施例1)
以下のとおり、Alを含有するCaSi2粉末を準備した。
Ca、Al及びSiを炭素坩堝に秤量した。Ca及びSiの元素組成比は1:2であり、Alの添加量はCa、Al及びSiの全体の質量に対して1%とした。アルゴンガス雰囲気下の高周波誘導加熱装置にて、炭素坩堝を1300℃付近で加熱してCa、Al及びSiを含む溶湯とした。前記溶湯を所定の鋳型に注湯することで冷却して固体とした。当該固体を粉砕して、CaSi2粉末にした後に、a)工程に供した。
以下のとおり、Alを含有するCaSi2粉末を準備した。
Ca、Al及びSiを炭素坩堝に秤量した。Ca及びSiの元素組成比は1:2であり、Alの添加量はCa、Al及びSiの全体の質量に対して1%とした。アルゴンガス雰囲気下の高周波誘導加熱装置にて、炭素坩堝を1300℃付近で加熱してCa、Al及びSiを含む溶湯とした。前記溶湯を所定の鋳型に注湯することで冷却して固体とした。当該固体を粉砕して、CaSi2粉末にした後に、a)工程に供した。
a)工程
100質量部の18質量%塩酸及び10質量部の1−ヘキサノールの混合液を入れた反応容器を、0℃の恒温槽に設置した。混合液の温度が0℃になったのを確認後、窒素ガス雰囲気下及び撹拌条件下で、10質量部のCaSi2粉末を混合液に徐々に投入した。CaSi2粉末の投入後、反応液の温度を0℃に維持しつつ、16時間撹拌を継続した。その後、窒素ガス雰囲気下で反応液を濾過した。窒素ガス雰囲気下で残渣を蒸留水で洗浄した後、さらにメタノールで洗浄して、実施例1のシリコン材料前駆体を得た。
100質量部の18質量%塩酸及び10質量部の1−ヘキサノールの混合液を入れた反応容器を、0℃の恒温槽に設置した。混合液の温度が0℃になったのを確認後、窒素ガス雰囲気下及び撹拌条件下で、10質量部のCaSi2粉末を混合液に徐々に投入した。CaSi2粉末の投入後、反応液の温度を0℃に維持しつつ、16時間撹拌を継続した。その後、窒素ガス雰囲気下で反応液を濾過した。窒素ガス雰囲気下で残渣を蒸留水で洗浄した後、さらにメタノールで洗浄して、実施例1のシリコン材料前駆体を得た。
b)工程
実施例1のシリコン材料前駆体を大気下に曝したところ、直ちに自己発熱し、黒色の実施例1のシリコン材料が製造された。
実施例1のシリコン材料前駆体を大気下に曝したところ、直ちに自己発熱し、黒色の実施例1のシリコン材料が製造された。
実施例1の負極及びリチウムイオン二次電池を以下のとおり製造した。
重量平均分子量80万のポリアクリル酸をN−メチル−2−ピロリドンに溶解して、ポリアクリル酸が10質量%で含有されるポリアクリル酸溶液を製造した。また、4,4’−ジアミノジフェニルメタン0.2g(1.0mmol)を0.4mLのN−メチル−2−ピロリドンに溶解して、4,4’−ジアミノジフェニルメタン溶液を製造した。撹拌条件下、ポリアクリル酸溶液7mL(アクリル酸モノマー換算で、9.5mmolに該当する。)に、4,4’−ジアミノジフェニルメタン溶液の全量を滴下して、得られた混合物を室温で30分間撹拌した。その後、ディーンスターク装置を用いて、混合物を130℃で3時間撹拌して脱水反応を進行させることで、結着剤溶液を製造した。
負極活物質として実施例1のシリコン材料72.5質量部、導電助剤としてアセチレンブラック13.5質量部、結着剤として固形分が14質量部となる量の上記結着剤溶液、及び、適量のN−メチル−2−ピロリドンを混合して、スラリーを製造した。負極用集電体として銅箔を準備した。この銅箔の表面に、ドクターブレードを用いて、上記スラリーを膜状に塗布した。スラリーが塗布された銅箔を乾燥することで、N−メチル−2−ピロリドンを除去した。その後、プレス、180℃でのベークをすることで、負極活物質層が形成された実施例1の負極を製造した。
エチレンカーボネート及びジエチルカーボネートを体積比1:1で混合した混合溶媒に、LiPF6を1mol/Lの濃度で溶解した溶液を電解液とした。
負極を径11mmに裁断し、評価極とした。厚さ500μmの金属リチウム箔を径13mmに裁断し対極とした。セパレータとしてガラスフィルター(ヘキストセラニーズ社)及び単層ポリプロピレンであるcelgard2400(ポリポア株式会社)を準備した。対極、ガラスフィルター、celgard2400、評価極の順に、2種のセパレータを対極と評価極で挟持し電極体とした。この電極体をコイン型電池ケースCR2032(宝泉株式会社)に収容した。電池ケースに電解液を注入し、電池ケースを密閉して、実施例1のリチウムイオン二次電池を製造した。
(実施例1−1)
実施例1のシリコン材料を窒素ガス雰囲気下にて700℃で1時間加熱し、実施例1−1のシリコン材料とした。
実施例1−1のシリコン材料を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、実施例1−1の負極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
実施例1のシリコン材料を窒素ガス雰囲気下にて700℃で1時間加熱し、実施例1−1のシリコン材料とした。
実施例1−1のシリコン材料を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、実施例1−1の負極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(実施例2)
a)工程にて33質量部の1−ヘキサノールを用いた以外は、実施例1と同様の方法で、実施例2のシリコン材料、負極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
a)工程にて33質量部の1−ヘキサノールを用いた以外は、実施例1と同様の方法で、実施例2のシリコン材料、負極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(参考例1)
a)工程にて1−ヘキサノールを用いなかったこと、及び、a)工程で得られた参考例1のシリコン材料前駆体を窒素ガス雰囲気下にて900℃で1時間加熱して参考例1のシリコン材料を製造したこと以外は、実施例1と同様の方法で、参考例1のシリコン材料、負極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
なお、参考例1のシリコン材料前駆体を大気下に曝したが、発熱は観測されなかった。
a)工程にて1−ヘキサノールを用いなかったこと、及び、a)工程で得られた参考例1のシリコン材料前駆体を窒素ガス雰囲気下にて900℃で1時間加熱して参考例1のシリコン材料を製造したこと以外は、実施例1と同様の方法で、参考例1のシリコン材料、負極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
なお、参考例1のシリコン材料前駆体を大気下に曝したが、発熱は観測されなかった。
(比較例1)
a)工程にて1−ヘキサノールに替えて、5質量部のメタノールを用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例1のシリコン材料前駆体を得た。
b)工程にて、比較例1のシリコン材料前駆体を大気下に曝したが、発熱は観測されなかった。
a)工程にて1−ヘキサノールに替えて、5質量部のメタノールを用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例1のシリコン材料前駆体を得た。
b)工程にて、比較例1のシリコン材料前駆体を大気下に曝したが、発熱は観測されなかった。
(比較例2)
a)工程にて1−ヘキサノールに替えて、10質量部のメタノールを用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例2のシリコン材料前駆体を得た。
b)工程にて、比較例2のシリコン材料前駆体を大気下に曝したが、発熱は観測されなかった。
a)工程にて1−ヘキサノールに替えて、10質量部のメタノールを用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例2のシリコン材料前駆体を得た。
b)工程にて、比較例2のシリコン材料前駆体を大気下に曝したが、発熱は観測されなかった。
(比較例3)
a)工程にて1−ヘキサノールに替えて、20質量部のメタノールを用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例3のシリコン材料前駆体を得た。
b)工程にて、比較例3のシリコン材料前駆体を大気下に曝したが、発熱は観測されなかった。
a)工程にて1−ヘキサノールに替えて、20質量部のメタノールを用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例3のシリコン材料前駆体を得た。
b)工程にて、比較例3のシリコン材料前駆体を大気下に曝したが、発熱は観測されなかった。
(比較例4)
a)工程にて1−ヘキサノールに替えて、5質量部のエタノールを用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例4のシリコン材料前駆体を得た。
b)工程にて、比較例4のシリコン材料前駆体を大気下に曝したが、発熱は観測されなかった。
a)工程にて1−ヘキサノールに替えて、5質量部のエタノールを用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例4のシリコン材料前駆体を得た。
b)工程にて、比較例4のシリコン材料前駆体を大気下に曝したが、発熱は観測されなかった。
(比較例5)
a)工程にて1−ヘキサノールに替えて、10質量部のエタノールを用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例5のシリコン材料前駆体を得た。
b)工程にて、比較例5のシリコン材料前駆体を大気下に曝したが、発熱は観測されなかった。
a)工程にて1−ヘキサノールに替えて、10質量部のエタノールを用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例5のシリコン材料前駆体を得た。
b)工程にて、比較例5のシリコン材料前駆体を大気下に曝したが、発熱は観測されなかった。
(比較例6)
a)工程にて1−ヘキサノールに替えて、20質量部のエタノールを用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例6のシリコン材料前駆体を得た。
b)工程にて、比較例6のシリコン材料前駆体を大気下に曝したが、発熱は観測されなかった。
a)工程にて1−ヘキサノールに替えて、20質量部のエタノールを用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例6のシリコン材料前駆体を得た。
b)工程にて、比較例6のシリコン材料前駆体を大気下に曝したが、発熱は観測されなかった。
(比較例7)
a)工程にて1−ヘキサノールに替えて、30質量部のエタノールを用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例7のシリコン材料前駆体を得た。
b)工程にて、比較例7のシリコン材料前駆体を大気下に曝したが、発熱は観測されなかった。
a)工程にて1−ヘキサノールに替えて、30質量部のエタノールを用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例7のシリコン材料前駆体を得た。
b)工程にて、比較例7のシリコン材料前駆体を大気下に曝したが、発熱は観測されなかった。
(比較例8)
a)工程にて1−ヘキサノールに替えて、30質量部のエタノールを用い、かつ、a)工程の途中で反応温度を0℃から30℃に昇温した以外は、実施例1と同様の方法で、比較例8のシリコン材料前駆体を得た。
b)工程にて、比較例8のシリコン材料前駆体を大気下に曝したが、発熱は観測されなかった。
a)工程にて1−ヘキサノールに替えて、30質量部のエタノールを用い、かつ、a)工程の途中で反応温度を0℃から30℃に昇温した以外は、実施例1と同様の方法で、比較例8のシリコン材料前駆体を得た。
b)工程にて、比較例8のシリコン材料前駆体を大気下に曝したが、発熱は観測されなかった。
(比較例9)
a)工程にて1−ヘキサノールに替えて、10質量部の2−プロパノールを用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例9のシリコン材料前駆体を得た。
b)工程にて、比較例9のシリコン材料前駆体を大気下に曝したが、発熱は観測されなかった。
a)工程にて1−ヘキサノールに替えて、10質量部の2−プロパノールを用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例9のシリコン材料前駆体を得た。
b)工程にて、比較例9のシリコン材料前駆体を大気下に曝したが、発熱は観測されなかった。
(比較例10)
a)工程にて1−ヘキサノールに替えて、20質量部の2−プロパノールを用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例10のシリコン材料前駆体を得た。
b)工程にて、比較例10のシリコン材料前駆体を大気下に曝したが、発熱は観測されなかった。
a)工程にて1−ヘキサノールに替えて、20質量部の2−プロパノールを用いた以外は、実施例1と同様の方法で、比較例10のシリコン材料前駆体を得た。
b)工程にて、比較例10のシリコン材料前駆体を大気下に曝したが、発熱は観測されなかった。
実施例1、実施例2、参考例1、比較例1〜比較例10の製造方法の概略と発熱の有無について、表1に記載する。
実施例1及び実施例2に示すとおり、ヘキサノールの添加量を変化させた場合であっても、自己発熱が観察された。他方、炭素数が3以下のアルコールを用いた比較例1〜比較例10では、大気下で発熱が観測されず、自己発熱に因るシリコン材料の製造ができなかった。
(評価例1)
実施例1、実施例1−1、実施例2及び参考例1のシリコン材料、並びに、参考例1のシリコン材料前駆体に対して、Si、Cl、Al及びCaを対象とした蛍光X線分析装置(XRF)での元素分析、酸素及び水素を対象とした酸素・窒素・水素分析装置(不活性ガス溶融法)での元素分析、並びに、炭素を対象とした炭素・硫黄分析装置での元素分析を、それぞれ行った。
これらの元素分析の結果を、質量%として、表2及び表3に示す。
実施例1、実施例1−1、実施例2及び参考例1のシリコン材料、並びに、参考例1のシリコン材料前駆体に対して、Si、Cl、Al及びCaを対象とした蛍光X線分析装置(XRF)での元素分析、酸素及び水素を対象とした酸素・窒素・水素分析装置(不活性ガス溶融法)での元素分析、並びに、炭素を対象とした炭素・硫黄分析装置での元素分析を、それぞれ行った。
これらの元素分析の結果を、質量%として、表2及び表3に示す。
表2の水素の含有量から、実施例1、実施例1−1、実施例2及び参考例1のシリコン材料においては、自己発熱又は加熱に因る、水素の離脱が行われたことがわかる。また、表3の炭素の含有量から、実施例1、実施例1−1及び実施例2のシリコン材料においては、b)工程の自己発熱で、アルコールに由来するアルコキシドの炭素化が進行したことも伺える。
なお、参考例1のシリコン材料前駆体において、炭素が検出されたのは、洗浄溶媒が付着したためか、大気中の二酸化炭素が炭酸塩として付着したためと考えられる。
なお、参考例1のシリコン材料前駆体において、炭素が検出されたのは、洗浄溶媒が付着したためか、大気中の二酸化炭素が炭酸塩として付着したためと考えられる。
(評価例2)
Cu−Kα線を用いた粉末X線回折装置にて、実施例1、実施例1−1、実施例2及び参考例1のシリコン材料、並びに、参考例1のシリコン材料前駆体の分析を行った
図1に、各粉末X線回折チャートの重ね書きを示す。
実施例1、実施例1−1、実施例2及び参考例1のシリコン材料については、いずれも同様の回折パターンが観測された。ただし、参考例1のシリコン材料については、2θ=27〜29°の範囲内に、粗大なシリコン結晶に由来するシャープなピークが観測された
参考例1のシリコン材料前駆体については、2θ=10〜20°の範囲内に、層状ポリシランに由来する大きなピークが観測された。
これらの結果からも、実施例1、実施例1−1及び実施例2のシリコン材料前駆体が自己発熱に因り、それぞれのシリコン材料に変換されたことが裏付けられる。
Cu−Kα線を用いた粉末X線回折装置にて、実施例1、実施例1−1、実施例2及び参考例1のシリコン材料、並びに、参考例1のシリコン材料前駆体の分析を行った
図1に、各粉末X線回折チャートの重ね書きを示す。
実施例1、実施例1−1、実施例2及び参考例1のシリコン材料については、いずれも同様の回折パターンが観測された。ただし、参考例1のシリコン材料については、2θ=27〜29°の範囲内に、粗大なシリコン結晶に由来するシャープなピークが観測された
参考例1のシリコン材料前駆体については、2θ=10〜20°の範囲内に、層状ポリシランに由来する大きなピークが観測された。
これらの結果からも、実施例1、実施例1−1及び実施例2のシリコン材料前駆体が自己発熱に因り、それぞれのシリコン材料に変換されたことが裏付けられる。
(評価例3)
実施例1、実施例1−1、実施例2及び参考例1のリチウムイオン二次電池に対して、電流0.2mAで0.01Vまで充電を行い、その後、電流0.2mAで1.0Vまで放電を行うとの初期充放電を行った。
さらに、初期充放電後の実施例1、実施例1−1、実施例2及び参考例1のリチウムイオン二次電池につき、電流0.5mAで0.01Vまで充電を行い、その後、電流0.5mAで1.0Vまで放電を行うとの充放電サイクルを50回行った。
実施例1、実施例1−1、実施例2及び参考例1のリチウムイオン二次電池に対して、電流0.2mAで0.01Vまで充電を行い、その後、電流0.2mAで1.0Vまで放電を行うとの初期充放電を行った。
さらに、初期充放電後の実施例1、実施例1−1、実施例2及び参考例1のリチウムイオン二次電池につき、電流0.5mAで0.01Vまで充電を行い、その後、電流0.5mAで1.0Vまで放電を行うとの充放電サイクルを50回行った。
初期効率及び容量維持率を以下の各式で算出した。
初期効率(%)=100×(初期放電容量)/(初期充電容量)
容量維持率(%)=100×(50サイクル時の放電容量)/(1サイクル時の放電容量)
初期充電容量、初期放電容量、初期効率及び容量維持率の結果を、表4に示す。
初期効率(%)=100×(初期放電容量)/(初期充電容量)
容量維持率(%)=100×(50サイクル時の放電容量)/(1サイクル時の放電容量)
初期充電容量、初期放電容量、初期効率及び容量維持率の結果を、表4に示す。
実施例1、実施例1−1及び実施例2のリチウムイオン二次電池の電池特性は同等といえる。実施例1及び実施例2におけるb)工程で生じた自己発熱にて、負極活物質としての機能を満足するシリコン材料が製造できたといえる。
他方、参考例1のリチウムイオン二次電池は容量維持率の点で、著しく劣っていた。参考例1のシリコン材料はa)工程で得られた参考例1のシリコン材料前駆体を900℃で加熱して製造されたものである。そして、900℃との高温での加熱に因り、参考例1のシリコン材料には、評価例2で示されたとおり、粗大なシリコン結晶が生じている。参考例1のリチウムイオン二次電池の容量維持率が低いのは、参考例1のシリコン材料に粗大なシリコン結晶が存在することに原因があると考えられる。
以上の結果から、実施例1及び実施例2におけるb)工程で生じた自己発熱の温度は、概ね700℃程度であったと推測される。
(実施例3)
実施例1と同様の方法で、シリコン材料前駆体及び黒色のシリコン材料を製造した。
製造後の凝集体としてのシリコン材料を目開き20μmの篩にかけた。なお、製造後の凝集体としてのシリコン材料は、非常に脆く、弱い外圧を加えたのみで細かく粉砕されて、篩を通過した。
篩を通過したものを、実施例3のシリコン材料とした。
実施例1と同様の方法で、シリコン材料前駆体及び黒色のシリコン材料を製造した。
製造後の凝集体としてのシリコン材料を目開き20μmの篩にかけた。なお、製造後の凝集体としてのシリコン材料は、非常に脆く、弱い外圧を加えたのみで細かく粉砕されて、篩を通過した。
篩を通過したものを、実施例3のシリコン材料とした。
・炭素被覆工程
実施例3のシリコン材料をロータリーキルン型の反応器に入れ、ヘキサン−アルゴン混合ガスの通気下にて700℃、滞留時間60分間の条件で熱CVDを行い、炭素被覆されたシリコン材料を得た。これを実施例3の炭素被覆−シリコン材料とした。
実施例3のシリコン材料をロータリーキルン型の反応器に入れ、ヘキサン−アルゴン混合ガスの通気下にて700℃、滞留時間60分間の条件で熱CVDを行い、炭素被覆されたシリコン材料を得た。これを実施例3の炭素被覆−シリコン材料とした。
負極活物質として実施例3の炭素被覆−シリコン材料を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、実施例3の負極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(参考例2)
参考例1と同様の方法で、参考例2のシリコン材料を製造した。
参考例2のシリコン材料には、非常に硬い凝集体が存在したため、ジェットミルを用いて、粉砕した上で、以下の炭素被覆工程に供した。
参考例1と同様の方法で、参考例2のシリコン材料を製造した。
参考例2のシリコン材料には、非常に硬い凝集体が存在したため、ジェットミルを用いて、粉砕した上で、以下の炭素被覆工程に供した。
・炭素被覆工程
ジェットミルでの粉砕後の参考例2のシリコン材料をロータリーキルン型の反応器に入れ、ヘキサン−アルゴン混合ガスの通気下にて700℃、滞留時間60分間の条件で熱CVDを行い、炭素被覆されたシリコン材料を得た。これを参考例2の炭素被覆−シリコン材料とした。
ジェットミルでの粉砕後の参考例2のシリコン材料をロータリーキルン型の反応器に入れ、ヘキサン−アルゴン混合ガスの通気下にて700℃、滞留時間60分間の条件で熱CVDを行い、炭素被覆されたシリコン材料を得た。これを参考例2の炭素被覆−シリコン材料とした。
負極活物質として参考例2の炭素被覆−シリコン材料を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、参考例2の負極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(評価例4)
レーザー回折式粒度分布測定装置を用いて、実施例3のシリコン材料、実施例3の炭素被覆−シリコン材料、参考例2のシリコン材料、及び、参考例2の炭素被覆−シリコン材料の粒度分布を測定した。結果を表5に示す。
レーザー回折式粒度分布測定装置を用いて、実施例3のシリコン材料、実施例3の炭素被覆−シリコン材料、参考例2のシリコン材料、及び、参考例2の炭素被覆−シリコン材料の粒度分布を測定した。結果を表5に示す。
実施例3のシリコン材料は、ジェットミルでの粉砕を経ることなく好適な粒度分布を示したこと、及び、炭素被覆後も好適な粒度分布を維持したことがわかる。
(評価例5)
評価例3と同様の方法で、実施例3及び参考例2のリチウムイオン二次電池の試験を行った。結果を表6に示す。
評価例3と同様の方法で、実施例3及び参考例2のリチウムイオン二次電池の試験を行った。結果を表6に示す。
実施例3のリチウムイオン二次電池の電池特性は、参考例2のリチウムイオン二次電池と同等といえる。
本発明の製造方法により、加熱用の外部エネルギーを要することなくシリコン材料を合成することができると共に、特別な粉砕機器を用いることなく好適な粒度分布のシリコン材料を製造できることも明らかになった。
本発明の製造方法により、加熱用の外部エネルギーを要することなくシリコン材料を合成することができると共に、特別な粉砕機器を用いることなく好適な粒度分布のシリコン材料を製造できることも明らかになった。
Claims (5)
- a)CaSi2を酸及び炭素数4以上のアルコールと反応させて、シリコン材料前駆体を合成する工程、
b)前記シリコン材料前駆体を酸素存在下で自己発熱させて、シリコン材料を合成する工程、
を有することを特徴とするシリコン材料を含む負極活物質の製造方法。 - 前記酸を酸水溶液として用いる請求項1に記載の負極活物質の製造方法。
- 前記酸水溶液に対する前記アルコールの質量比が0.05以上である請求項2に記載の負極活物質の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の負極活物質の製造方法で、負極活物質を製造する工程、
前記負極活物質を用いて負極を製造する工程、を有することを特徴とする負極の製造方法。 - 請求項4に記載の負極の製造方法で、負極を製造する工程、
前記負極を用いて二次電池を製造する工程、を有することを特徴とする二次電池の製造方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018134453 | 2018-07-17 | ||
JP2018134453 | 2018-07-17 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2020017512A true JP2020017512A (ja) | 2020-01-30 |
Family
ID=69580552
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2018175156A Pending JP2020017512A (ja) | 2018-07-17 | 2018-09-19 | シリコン材料を含む負極活物質の製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2020017512A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115520872A (zh) * | 2022-11-02 | 2022-12-27 | 中国科学院过程工程研究所 | 一种硅醇的制备方法及其储存方法 |
-
2018
- 2018-09-19 JP JP2018175156A patent/JP2020017512A/ja active Pending
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CN115520872A (zh) * | 2022-11-02 | 2022-12-27 | 中国科学院过程工程研究所 | 一种硅醇的制备方法及其储存方法 |
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