JP2020507906A - リチウムイオン二次電池用負極材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、リチウムイオン二次電池用負極材料及びその製造方法を開示しており、前記負極材料は、ＳｉＯy（０．２＜ｙ＜０．９）及びＭ化合物を含み、Ｍは金属である。本発明の方法は、ＳｉＯx材料を含む原料を金属Ｍと酸化還元反応させ、ＳｉＯx（０．５＜ｘ＜１．５）材料におけるＯ／Ｓｉ比であるｘをｙ（０．２＜ｙ＜０．９）に調整すると同時に、金属Ｍを酸化してＭ化合物を得るものである。

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池用負極材料の分野に属し、リチウムイオン二次電池用負極材料及びその製造方法、例えばリチウムイオン二次電池用一酸化ケイ素負極材料及びその製造方法に関する。

現在、電気自動車及び他の電気製品の急速な発展に伴い、電気エネルギーの貯蔵に対する要求がますます高まっている。リチウムイオン二次電池は、作動電圧が高く、軽量で、自己放電が少なく、サイクル寿命が長く、メモリー効果がなく、環境汚染がなく、安全性に優れているなどの特徴から、現在理想的な携帯用電池となっている。現在製品化されているリチウムイオン二次電池は、主に黒鉛を採用して負極材料とし、その理論比容量は、将来のエネルギー貯蔵分野のますます高まっている要求を満たすことができず、次世代の高性能の負極材料の開発が急がれている。Ｓｉは４２００ｍＡｈ・ｇ^-1と高いリチウムの吸蔵容量を有するが、Ｓｉのリチウムの離脱・吸蔵工程で体積効果が３００％と高く、Ｓｉの格子構造の崩壊が見られ、Ｓｉ粒子が粉化し、活物質と集電体表面の脱離が発生することにより、サイクル工程で容量が急速に減衰するため、リチウムイオン二次電池の負極としてのＳｉの実用化が妨げられる。ＳｉＯ_xは、非晶質ナノＳｉと非晶質ＳｉＯ₂がＳｉの低値酸化物からなる骨格で囲まれた構造であり、Ｓｉの体積効果を緩和し、ＳｉＯ_xはＳｉ材料よりも低膨張で長寿命であるという利点を有し、より高い容量密度で長い使用寿命であるリチウムイオン二次電池の開発に有利であり、現在既に商品化されている。

しかし、ＳｉＯ_xの初回クーロン効率は約７５％と低い。一般的にＳｉＯ_xは初回のリチウムの吸蔵時に、以下の反応が起こると考えられる。
ＳｉＯ＋２Ｌｉ⁺＋２ｅ^-→Ｌｉ₂Ｏ＋Ｓｉ （１）
４ＳｉＯ＋４Ｌｉ⁺＋４ｅ^-→Ｌｉ₄ＳｉＯ₄＋３Ｓｉ （２）
Ｓｉ＋４．４Ｌｉ⁺＋４．４ｅ^-→Ｌｉ_4.4Ｓｉ （３）
式（１）及び式（２）は不可逆反応であり、Ｌｉ₂Ｏ及びＬｉ₄ＳｉＯ₄が生成して多くのリチウムイオンを消費したため、ＳｉＯ_xの初回クーロン効率が低い。ＳｉＯ_xの初回クーロン効率を向上させるためには、ＳｉＯ_x系における酸素含有量を減らし、式（１）及び式（２）の反応による不可逆容量を減らす必要がある。ＳｉＯ材料は、膨張を緩和するためにＳｉの低値酸化物骨格が必要であるため、酸素含有量を低減すると同時に、ＳｉＯ_x自体の体系を破壊してはならない。

特許ＣＮ２０１３１０１５４３２８は、初回クーロン効率の高いリチウムイオン二次電池用負極材料の製造方法を開示しており、当該方法は、ＬｉＨを用いてＳｉＯ_x材料に対してリチウムを予め吸蔵し、ＳｉＯ_x材料の初回クーロン効率を著しく向上させる。しかし、ＬｉＨは水と接触すると燃えやすくて爆発しやすい物質であり、安全性に大きな懸念があり、大規模な生産を実現することは容易ではない。

特許ＣＮ２０１１１０１４９６４５は、マグネシウムを熱還元して多孔質ケイ素を製造する方法を開示しており、その技術的ポイントは、大量のマグネシウムを用いてＳｉＯ_xを徹底的に還元して多孔質ケイ素材料を製造することにある。この材料はＳｉ材料に属し、ＳｉＯ_x自体の酸化物骨格を完全に破壊し、その低膨張の利点を保障できず、ＳｉＯ_x負極材料とは同一系ではない。

特許ＣＮ２０１６１０８６３９０２．７は、ケイ素含有酸化物の複合体の製造方法を開示しており、その技術的ポイントは、負圧雰囲気下で、ＳｉＯ蒸気と金属蒸気とを気相反応させ、凝結して得られることにある。この方法は、真空環境及びＳｉＯを気化可能な温度が必要であり、機器及びエネルギーに対する要求が高いため、常圧で簡易な機器で実施可能な手段が必要になる。

Ｓｉ材料は、黒鉛と比較して非常に高い容量の利点を有するが、３００％と高い膨張は、Ｓｉ材料の実際の適用を抑制する。多孔質ケイ素などの高比表面積のＳｉ材料は、空間を予め空にするように膨張をある程度緩和するが、その比表面積の増大は電解液との副反応を増加し、却って活物質をより多く消費してＳＥＩ膜を形成し、そして粒子間の電気的接触を不良にする。ＳｉＯ_x材料は、Ｓｉの低値酸化物骨格がナノＳｉと非晶質ＳｉＯ₂を包む構造である。Ｓｉは、小さい微結晶粒子のサイズで骨格全体に分散し、小さい結晶粒子のサイズのナノＳｉ自体の膨張は小さく、そして剛性の骨格は、ナノＳｉの膨張を抑制するだけでなく、サイクル工程でナノ粒子が凝集することを防止するため、ＳｉＯ_x材料は、Ｓｉ材料と比較して優れたサイクル性及び膨張の利点を有し、特に後期サイクル性に優れている。

従って、所属分野の技術的課題は、ＳｉＯ_x負極材料自体の体系構造を保持し、その低い体積効果及び優れたサイクル特性を保証する前提で、簡単で一般的な機器、温和な反応条件で、安全、安価でその初回クーロン効率を大幅に向上させ、且つその産業化を実現可能である。

以下は、本明細書に詳細に記載される主題の概要である。本概要は、特許請求の範囲を制限するためのものではない。

本発明の目的は、リチウムイオン二次電池用負極材料及びその製造方法、特にリチウムイオン二次電池用一酸化ケイ素負極材料及びその製造方法を提供することにある。本発明に係るリチウムイオン二次電池用負極材料を用いて製造された電池の初回容量が高く、初回クーロン効率が高く、且つサイクル特性に優れ、体積効果が小さい。

手段１として、本発明は、リチウムイオン二次電池用負極材料、特に一酸化ケイ素負極材料を提供し、前記負極材料は、ＳｉＯ_y及びＭ化合物を含み、Ｍは、金属であり、
ただし、０．２＜ｙ＜０．９である。

本発明において、ＳｉＯ_y（０．２＜ｙ＜０．９）は良い酸化物骨格を保持し、低膨張の利点を有する。

本発明において、前記「Ｍ化合物」とは、金属Ｍが酸化還元反応してから変換した物質を指す。

本発明において、ＳｉＯ_y（０．２＜ｙ＜０．９）を主成分とし、ｙは、例えば、０．２５、０．３、０．４、０．４５、０．５、０．５５、０．６、０．６５、０．７、０．８又は０．８５などである。

本発明に係るリチウムイオン二次電池用負極材料を用いて製造された電池は、初回容量が高く、初回クーロン効率が高く、且つサイクル特性に優れ、体積効果が小さく、０．００５Ｖ〜１．５Ｖで充放電し、初回容量が１２５０ｍＡｈ／ｇ以上、初回クーロン効率が８０％以上、５０サイクル目の容量保持率が９０％以上であり、且つ体積効果が小さく、極板の膨張率が５０％以下である。そして、実際の必要に応じて、プロセスパラメーラを調整することで初回容量及び初回クーロン効率が異なる一酸化ケイ素負極材料を得ることができる。

好ましくは、前記Ｍは活性金属であり、そのポーリングの電気陰性度は、＜１．８である。好ましくは、金属Ｎａ、金属Ｋ、金属Ｍｇ、金属Ｃａ又は金属Ａｌのいずれか１種又は少なくとも２種の組合せを含む。

本発明の好ましい技術案として、前記負極材料の総質量を１００％として、前記Ｍ化合物の質量割合は、１％〜６０％であり、例えば、１％、３％、５％、８％、１０％、１２．５％、１５％、２０％、２５％、２７．５％、３０％、３３％、３６％、４０％、４５％、５０％、５５％又は６０％などである。質量割合が１％未満であると、調製されたＳｉＯ_yの初回クーロン効率は、ＳｉＯ_xと比較して上昇幅が小さすぎ、質量割合が６０％を超えると、ＳｉＯ_xは徹底的にＳｉ単体に還元され、一酸化ケイ素材料自体の酸化物骨格は、完全に破壊され、一酸化ケイ素材料の低膨張の特性がなくなる。

好ましくは、前記負極材料の比表面積は≦５０ｍ²／ｇであり、例えば、１ｍ²／ｇ、３ｍ²／ｇ、５ｍ²／ｇ、７ｍ²／ｇ、１０ｍ²／ｇ、１５ｍ²／ｇ、２０ｍ²／ｇ、２２ｍ²／ｇ、２５ｍ²／ｇ、３０ｍ²／ｇ、３２ｍ²／ｇ、３５ｍ²／ｇ、４０ｍ²／ｇ、４５ｍ²／ｇ又は５０ｍ²／ｇなどであり、好ましくは１．０ｍ²／ｇ〜１５．０ｍ²／ｇである。比表面積が５０ｍ²／ｇを超えると、その初回クーロン効率が低くなり、好ましくは≦１５ｍ²／ｇである。

好ましくは、前記ＳｉＯ_yにおけるＳｉ微結晶粒子のサイズは≦１００ｎｍであり、例えば、１ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、１２ｎｍ、１５ｎｍ、２０ｎｍ、２５ｎｍ、２８ｎｍ、３０ｎｍ、４０ｎｍ、４５ｎｍ、５０ｎｍ、５５ｎｍ、６０ｎｍ、７０ｎｍ、８０ｎｍ、９０ｎｍ又は１００ｎｍなどであり、Ｓｉ微結晶粒子のサイズが１００ｎｍを超えると、そのサイクル特性が悪くなり、好ましくは≦２０ｎｍである。

本発明に記載の方法の好ましい技術案として、前記負極材料は、非晶質炭素被覆層、黒鉛、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、ケイ素、金属化合物のいずれか１種又は少なくとも２種の組合せを更に含む。

好ましくは、前記金属化合物は金属酸化物、金属シリサイド又は金属ケイ酸塩のいずれか１種又は少なくとも２種の組合せを含み、好ましくは、Ｋ₂Ｏ、Ｎａ₂Ｏ、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｍｇ₂Ｓｉ、Ｃａ₂Ｓｉ、Ａｌ₄Ｓｉ₃、Ｋ₂ＳｉＯ₃、Ｋ₄ＳｉＯ₄、Ｋ₂Ｓｉ₂Ｏ₅、Ｎａ₂ＳｉＯ₃、Ｎａ₄ＳｉＯ₄、Ｎａ₂Ｓｉ₂Ｏ₅、Ｍｇ₂ＳｉＯ₄、ＭｇＳｉＯ₃、Ｃａ₂ＳｉＯ₄、ＣａＳｉＯ₃、Ａｌ₄（ＳｉＯ₄）₃又はＡｌ₂（ＳｉＯ₃）₃のいずれか１種又は少なくとも２種の組合せを含む。

手段２として、本発明は、手段１に記載のリチウムイオン二次電池用負極材料の製造方法を提供しており、この方法も改質方法であり、前記方法は、
ＳｉＯ_x材料を含む原料を金属Ｍと酸化還元反応させ、ＳｉＯ_x材料におけるＯ／Ｓｉ比であるｘをｙに調整すると同時に、金属Ｍを酸化してＭ化合物を得る工程を含み、
ただし、０．５＜ｘ＜１．５、０．２＜ｙ＜０．９、且つｙ＜ｘであり、例えば、ｘ＝０．６、ｙ＝０．２５；ｘ＝０．７５、ｙ＝０．４；ｘ＝０．８、ｙ＝０．４；ｘ＝０．９、ｙ＝０．４５；ｘ＝１．０、ｙ＝０．５；ｘ＝１．２、ｙ＝０．８；ｘ＝１．５、ｙ＝０．８５などである。

本発明において、ｙの値が制御可能であり、実際の異なる要求に応じて、プロセスパラメータを調整することで実現可能である。

本発明に記載の方法の好ましい技術案として、前記方法は、
（１）ＳｉＯ_x材料を含む原料を金属Ｍと均一に混合させてから、非酸化性雰囲気下で熱処理して保温し、還元生成物ＳｉＯ_y及び酸化生成物Ｍ化合物を得て、
ただし、ＳｉＯ_x材料を含む原料及び金属Ｍの総質量を１００％として、前記金属Ｍの質量割合は、３％〜４０％である工程と、
（２）Ｍ化合物を溶解させて一部を除去するように、酸を用いて工程（１）で得られた生成物を酸処理し、ＳｉＯ_y及びＭ化合物を含むリチウムイオン二次電池材料を得て、
ただし、０．５＜ｘ＜１．５、０．２＜ｙ＜０．９、且つｙ＜ｘである工程とを含む。

本発明において、工程（１）における前記金属Ｍの質量割合は３％〜４０％であり、例えば、３％、４％、６％、１０％、１３％、１５％、２０％、２２．５％、２５％、３０％、３５％又は４０％などである。この好ましい技術案において、前記金属Ｍの質量割合を３％〜４０％に制御し、当該混合割合をｍに記載し、当該割合ｍは、ＳｉＯ_x材料におけるＯ／Ｓｉ比であるｘをｙに調整するように制御可能であり、０．５＜ｘ＜１．５、０．２＜ｙ＜０．９、且つｙ＜ｘである。

本発明に記載の方法の好ましい技術案として、酸処理後に固液分離し、分離した固相を洗浄及び乾燥する工程を更に含む。

好ましくは、前記固液分離の方法は遠心分離又はろ過分離のいずれか１種を含むが、これに限定されない。

好ましくは、前記乾燥の方法は高温乾燥又は凍結乾燥のいずれか１種を含むが、これに限定されない。

本発明に記載の方法の好ましい技術案として、前記方法は、工程（１）で得られた生成物及び／又は工程（２）で得られた生成物を工程（１）の原料として、工程（１）を繰り返すか、又は、工程（１）、工程（２）の順で繰り返す工程を更に含む。上記工程を繰り返すことにより、最終に得られた負極材料の初回クーロン効率がより高くなり、繰り返し回数は、好ましくは０〜５回であり、例えば、０回、１回、２回、３回、４回又は５回であり、ただし、「０回」とは、繰り返し操作を行わないことを指し、好ましくは１回である。

好ましくは、工程（１）における前記ＳｉＯ_x材料を含む原料におけるＳｉ微結晶粒子のサイズは≦１００ｎｍであり、例えば、１ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、１５ｎｍ、２０ｎｍ、２５ｎｍ、３０ｎｍ、４０ｎｍ、４５ｎｍ、５５ｎｍ、６０ｎｍ、７０ｎｍ、８０ｎｍ、９０ｎｍ又は１００ｎｍなどであり、好ましくは≦２０ｎｍである。

本発明に記載の方法の好ましい技術案として、工程（１）における前記ＳｉＯ_x材料を含む原料には、添加物及びＳｉＯ_x材料により形成されたＳｉＯ_x基複合材料を更に含み、前記添加物は、非晶質炭素被覆層、黒鉛、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、ケイ素又は金属塩のいずれか１種又は少なくとも２種の組合せである。

好ましくは、ＳｉＯ_x基複合材料の総質量を１００％として、前記非晶質炭素被覆層の質量割合は１％〜２０％であり、例えば、１％、２％、３％、５％、８％、１０％、１２％、１５％、１８％、１９％又は２０％などである。

好ましくは、前記ＳｉＯ_x材料を含む原料はＳｉＯ_x粉末又はＳｉＯ_x基複合材料のいずれか１種又は２種の組合せである。

好ましくは、工程（１）における前記金属Ｍは活性金属であり、そのポーリングの電気陰性度は＜１．８である。好ましくは、金属Ｎａ、金属Ｋ、金属Ｍｇ、金属Ｃａ又は金属Ａｌのいずれか１種又は少なくとも２種の組合せを含む。

好ましくは、前記金属Ｍの粒径はＤ₅₀≦３００μｍであり、例えば、３００μｍ、２７５μｍ、２６０μｍ、２４０μｍ、２２０μｍ、２００μｍ、１８０μｍ、１５０μｍ、１２０μｍ、１００μｍ、５０μｍ、２０μｍ又は１０μｍなどである。

好ましくは、工程（１）における前記混合に用いられた機器はＶＣミキサー、多次元ミキサー、メカノフュージョン、粉末攪拌機又はボールミルのいずれか１種である。

好ましくは、工程（１）における前記非酸化性雰囲気は、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気、ネオン雰囲気又はヘリウム雰囲気のいずれか１種又は少なくとも２種の組合せを含む。

好ましくは、工程（１）における前記熱処理時の気圧は、０．０１ＭＰａ〜１ＭＰａであり、例えば、０．０１ＭＰａ、０．０２ＭＰａ、０．０５ＭＰａ、０．０８ＭＰａ、０．１ＭＰａ、０．１５ＭＰａ、０．２ＭＰａ、０．３ＭＰａ、０．３５ＭＰａ、０．４ＭＰａ、０．５ＭＰａ、０．６ＭＰａ、０．７ＭＰａ、０．８ＭＰａ又は１ＭＰａなどであり、好ましくは０．１ＭＰａである。

好ましくは、工程（１）における前記熱処理の温度は５５０℃〜１１００℃であり、例えば、５５０℃、６００℃、６５０℃、６７５℃、７００℃、７２５℃、７３５℃、７５０℃、７７０℃、７８０℃、８００℃、８５０℃、８８０℃、９００℃、９２５℃、９５０℃、１０００℃、１０５０℃又は１１００℃などである。

好ましくは、工程（１）における前記保温の時間は０．５ｈ〜２４ｈであり、例えば、０．５ｈ、１ｈ、２ｈ、３ｈ、４ｈ、６ｈ、８ｈ、９ｈ、１０ｈ、１２ｈ、１３．５ｈ、１５ｈ、１８ｈ、１９ｈ、２０ｈ、２２ｈ又は２４ｈなどである。

好ましくは、前記熱処理に用いられた機器は箱形炉、回転炉、管状炉、加熱ミキサー、ローラーキルン、プッシャーキルン、オートクレーブ又は真空炉のいずれか１種である。

好ましくは、工程（２）における前記酸処理工程で用いられた酸は、Ｍ化合物を溶解できる酸であり、塩酸、硫酸、硝酸、過塩素酸、ギ酸又は酢酸のいずれか１種又は少なくとも２種の組合せを含む。

好ましくは、前記酸処理の時間は０．２ｈ〜２４ｈであり、例えば、０．２ｈ、０．５ｈ、１ｈ、３ｈ、５ｈ、６ｈ、８ｈ、１０ｈ、１２ｈ、１５ｈ、１８ｈ、２０ｈ、２１．５ｈ又は２４ｈなどであり、好ましくは０．２ｈ〜４ｈである。

好ましくは、前記酸処理後に、残りのＭ化合物はリチウムイオン二次電池材料の総質量の１％〜６０％を占める。この範囲に限定する理由は、Ｍ化合物がすべて溶解することによって材料の比表面積が大きすぎることを回避し、Ｍ化合物の溶解が少なすぎることによって材料の容量が低きすぎることも回避する。すべて溶解しているか、溶解が少なすぎるかにかかわらず、材料の最終的な電気化学的性能が低下する。

本発明に記載の方法の好ましい技術案として、前記方法は、
（１）ＳｉＯ_x材料を含む原料を金属Ｍと均一に混合させてから、非酸化性雰囲気下で５５０℃熱処理して０．５ｈ〜２４ｈ保温し、還元生成物ＳｉＯ_y及び酸化生成物Ｍ化合物を得て、
ただし、ＳｉＯ_x材料を含む原料及び金属Ｍの総質量を１００％として、前記金属Ｍの質量割合は、３％〜４０％である工程と、
（２）Ｍ化合物を溶解させて一部を除去するために、酸を用いて工程（１）で得られた生成物を酸処理し、酸処理時に、Ｍ化合物がすべて溶解することによって材料の比表面積が大きすぎることを回避するために、Ｍ化合物の残量が材料の総質量の１％〜６０％を占めるように処理時間を制御してから、固液分離し、中性までに洗浄して乾燥させ、ＳｉＯ_y及びＭ化合物を含むリチウムイオン二次電池材料を得て、
ただし、０．５＜ｘ＜１．５、０．２＜ｙ＜０．９、且つｙ＜ｘである工程とを含む。

本発明は、従来の関連技術に比べて以下のような有益な効果がある。
（１）本発明は、活性金属を用いてＳｉＯ_x（０．５＜ｘ＜１．５）負極材料を還元脱酸素してリチウムイオン二次電池用負極材料を製造し、ＳｉＯ_x系における酸素含有量をｙ（０．２＜ｙ＜０．９）に効果的且つ安価に低減し、その初回クーロン効率を向上させると同時に、得られた負極材料にＭ化合物を更に含み、ＳｉＯ_yにＳｉ微結晶粒子を含む。本発明に係る方法を用いて製造された負極材料は、ＳｉＯ_x系自体の構造を保持し、ＳｉＯ_x材料自体のサイクル・膨張特性が優れている利点を受け継いだ。

（２）本発明に係る方法に用いられた原料及び機器は、すべて一般的で入手が容易であり、且つ反応条件が温和であるため、本発明に係る方法は簡単で経済的であり、産業化を実現しやすい。

（３）本発明に係る負極材料は、ＳｉＯ_y（０．２＜ｙ＜０．９）及びＭ化合物を含み、Ｍは金属であり、ＳｉＯ_yは、Ｓｉ微結晶粒子を含み、当該負極材料は、高い初回クーロン効率を有し、負極のＯ含有量を低減するため、リチウムを初回に吸蔵する時の不可逆相であるＬｉ₂Ｏ及びＬｉ₄ＳｉＯ₄の生成量を低減し、且つ当該材料は、優れたサイクル・膨張特性を有し、高エネルギー密度電池の開発に寄与する。

図面および詳細な説明を閲読し理解することで、他の態様も理解できる。

図１は、実施例１及び比較例におけるボタン型電池の５０サイクル目の容量保持率の図である。

以下、図面を参照しながら、具体的な実施形態によって本発明の技術案を更に説明する。

材料の分析方法：
材料のＯ含有量の分析方法は、まず、材料を濃ＨＣｌで２４ｈ処理し、次いで、酸液を分離し、濾残を乾燥させた。そのＸ線回折スペクトルを調べ、いずれの金属塩系の回折ピークもないことを確認してから、Ｎ／Ｈ／Ｏアナライザーを用いて濾残を分析する。

材料ＳｉＯ_xにおけるｘは、上記方法を用いて分析し、Ｏ含有量を得て、ｘ＝Ｏ含有量×１６／（２８＋Ｏ含有量×１６）から算出される。

材料ＳｉＯ_yにおけるｙは、上記方法を用いて分析し、Ｏ含有量を得て、ｙ＝Ｏ含有量×１６／（２８＋Ｏ含有量×１６）から算出される。

材料におけるＳｉ微結晶粒子のサイズの分析方法は、いずれもＸ線回折計を用いて、２−Ｔｈｅｔａが１０°〜９０°の範囲を走査し、次いで２−Ｔｈｅｔａが２６°〜３０°の範囲をフィッティングし、Ｓｉ（１１１）ピークの半値幅を得て、シェラーの式を用いてＳｉ微結晶粒子のサイズを算出する。

材料の初回容量及び初回効率試験は、いずれもボタン型電池を用いて分析し、対極はリチウム金属シートであり、充放電レートはいずれも０．１Ｃであり、充放電電圧範囲は０．００５Ｖ〜１．５Ｖである。

材料のサイクル及び膨張特性は、いずれもボタン型電池を用いて分析し、黒鉛と材料：黒鉛＝１：９（質量比）の割合で混合した後、銅箔上に塗布して極板を作製し、その極板厚みを測定する。その後、リチウム金属シートを対極としてボタン型電池を組み立てる。

サイクル充放電レートは、１サイクル目が０．１Ｃ、２サイクル目が０．２Ｃ、３サイクル目が０．５Ｃ、４サイクル目〜５０サイクル目が１．０Ｃであり、５１サイクル目は、０．１Ｃで０．００５Ｖまで放電した後、電池を分解して極板厚みを測定する。すべてのサイクル数の充放電電圧範囲は、０．００５Ｖ〜１．５Ｖである。

５０サイクル目の容量保持率は、５０サイクル目の充電容量と１サイクル目の充電容量との比率である。

極板膨張率は、（サイクル後の極板厚み−サイクル前の極板厚み）／（サイクル前の極板厚み−銅箔厚み）である。

実施例１
ＳｉＯ_yの調製：
（１）８８０ｇのＳｉＯ_x基複合材料（非晶質炭素被覆層と市販されているＳｉＯ_x（ｘ＝１）で形成された複合材料であり、且つ非晶質炭素は、複合材料の３ｗｔ％を占める）と、混合物に占める割合が１２％である１２０ｇのＭｇ粉末とを取り、ＶＣミキサー内に投入して３０ｍｉｎ混合した後、０．１ＭＰａ、Ａｒ雰囲気の箱形炉に投入して１０００℃で１２ｈ処理し、生成物（ＳｉＯ_y材料とＭｇとを還元した化合物）を得た。

（２）ＨＣｌを用いて工程（１）で得られた生成物を２ｈ酸処理した後、濾過して酸液を分離してから、濾残を高温乾燥させ、リチウムイオン二次電池用負極材料を得た。

分析結果：
Ｎ／Ｈ／Ｏアナライザーを用いて分析し、Ｏ含有量を得て、本実施例で得られたリチウムイオン二次電池用負極材料において、ｙ＝０．３７である。
Ｘ線回折計を用いて分析し、ＳｉＯ_yにおけるＳｉ微結晶粒子のサイズが９．８ｎｍであることを得た。
材料をボタン型電池に組み立て分析し、その初回容量は１２８１ｍＡｈ／ｇ、初回効率は８３．１％である。
材料に黒鉛を混合してからボタン型電池に組み立て、その５０サイクル目の容量保持率は９５％、極板膨張率は４９％である。

実施例２
ＳｉＯ_yの調製：
以下の内容に加え、他の条件は実施例１と同じである。
９６０ｇのＳｉＯ_x基複合材料（非晶質炭素被覆層と市販されているＳｉＯ_x（ｘ＝１）で形成された複合材料であり、且つ非晶質炭素は、複合材料の３ｗｔ％を占める）と、混合物に占める割合が４％である４０ｇのＭｇ粉末を取って試験した。

分析結果：
Ｎ／Ｈ／Ｏアナライザーを用いて分析し、Ｏ含有量を得て、本実施例で得られたリチウムイオン二次電池用負極材料において、ｙ＝０．７８である。
Ｘ線回折計を用いて分析し、ＳｉＯ_yにおけるＳｉ微結晶粒子のサイズが４．５ｎｍであることを得た。
材料をボタン型電池に組み立て分析し、その初回容量は１４６５ｍＡｈ／ｇ、初回効率は８０．１％である。
材料に黒鉛を混合してからボタン型電池に組み立て、その５０サイクル目の容量保持率は９７％、極板膨張率は４２％である。

実施例３
ＳｉＯ_yの調製：
以下の内容に加え、他の条件は実施例２と同じである。
ＳｉＯ_xとＭｇとをＶＣミキサーで混合した混合物を、０．１ＭＰａ、Ｎ₂雰囲気の箱形炉に投入して１０００℃で１２ｈ処理した。

分析結果：
Ｎ／Ｈ／Ｏアナライザーを用いて分析し、Ｏ含有量を得て、本実施例で得られたリチウムイオン二次電池用負極材料において、ｙ＝０．７９である。
Ｘ線回折計を用いて分析し、ＳｉＯ_yにおけるＳｉ微結晶粒子のサイズが４．６ｎｍであることを得た。
材料をボタン型電池に組み立て分析し、その初回容量は１４７１ｍＡｈ／ｇ、初回効率は７９．９％である。
材料に黒鉛を混合してからボタン型電池に組み立て、その５０サイクル目の容量保持率は９７％、極板膨張率は４２％である。

実施例４
ＳｉＯ_yの調製：
以下の内容に加え、他の条件は実施例１と同じである。
９６０ｇのＳｉＯ_x基複合材料（非晶質炭素被覆層と市販されているＳｉＯ_x（ｘ＝１）で形成された複合材料であり、且つ非晶質炭素は、複合材料の３ｗｔ％を占める）と、混合物に占める割合が４％である４０ｇのＡｌ粉末とを取って試験した。

分析結果：
Ｎ／Ｈ／Ｏアナライザーを用いて分析し、Ｏ含有量を得て、本実施例で得られたリチウムイオン二次電池用負極材料において、ｙ＝０．３５である。
Ｘ線回折計を用いて分析し、ＳｉＯ_yにおけるＳｉ微結晶粒子のサイズが５．２ｎｍであることを得た。
材料をボタン型電池に組み立て分析し、その初回容量は１３７９ｍＡｈ／ｇ、初回効率は８６．４％である。
材料に黒鉛を混合してからボタン型電池に組み立て、その５０サイクル目の容量保持率は９４％、極板膨張率は４８％である。

実施例５
ＳｉＯ_yの調製：
以下の内容に加え、他の条件は実施例１と同じである。
ＳｉＯ_xとＭｇとをＶＣミキサーで混合した混合物を、０．０２ＭＰａ、Ａｒ雰囲気の真空に投入して１０００℃で１２ｈ処理した。

分析結果：
Ｎ／Ｈ／Ｏアナライザーを用いて分析し、Ｏ含有量を得て、本実施例で得られたリチウムイオン二次電池用負極材料において、ｙ＝０．３７である。
Ｘ線回折計を用いて分析し、ＳｉＯ_yにおけるＳｉ微結晶粒子のサイズが９．５ｎｍであることを得た。
材料をボタン型電池に組み立て分析し、その初回容量は１３０７ｍＡｈ／ｇ、初回効率は８３．３％である。
材料に黒鉛を混合してからボタン型電池に組み立て、その５０サイクル目の容量保持率は９５％、極板膨張率は４９％である。

実施例６
ＳｉＯ_yの調製：
以下の内容に加え、他の条件は実施例１と同じである。
ＳｉＯ_xとＭｇとをＶＣミキサーで混合した混合物を、０．１ＭＰａ、Ａｒ雰囲気の真空に投入して８００℃で１２ｈ処理した。

分析結果：
Ｎ／Ｈ／Ｏアナライザーを用いて分析し、Ｏ含有量を得て、本実施例で得られたリチウムイオン二次電池用負極材料において、ｙ＝０．５１である。
Ｘ線回折計を用いて分析し、ＳｉＯ_yにおけるＳｉ微結晶粒子のサイズが６．６ｎｍであることを得た。
材料をボタン型電池に組み立て分析し、その初回容量は１３２１ｍＡｈ／ｇ、初回効率は８１．８％である。
材料に黒鉛を混合してからボタン型電池に組み立て、その５０サイクル目の容量保持率は９７％、極板膨張率は４５％である。

実施例７
ＳｉＯ_yの調製：
実施例２における工程（１）で得られた生成物を工程（１）の原料として、工程（１）の操作を１回繰り返してから、工程（２）を完成して生成物ＳｉＯ_yを得た。

分析結果：
Ｎ／Ｈ／Ｏアナライザーを用いて分析し、Ｏ含有量を得て、本実施例で得られたリチウムイオン二次電池用負極材料において、ｙ＝０．５３である。
Ｘ線回折計を用いて分析し、ＳｉＯ_yにおけるＳｉ微結晶粒子のサイズが５．２ｎｍであることを得た。
材料をボタン型電池に組み立て分析し、その初回容量は１３９５ｍＡｈ／ｇ、初回効率は８１．４％である。
材料に黒鉛を混合してからボタン型電池に組み立て、その５０サイクル目の容量保持率は９６％、極板膨張率は４４％である。

実施例１〜実施例７から分かるように、異なるｘを有するＳｉＯ_x原料と異なる金属（Ｍｇ、Ａｌ等）の添加割合から、異なる処理条件により、異なるｙ値を有するＳｉＯ_yを得ることができる。そして、得られたＳｉＯ_yの初回効率が高く、初回容量が高いと同時に、サイクル特性に優れ、体積効果が小さい。

比較例１
以下の内容に加え、他の条件は実施例１と同じである。
５００ｇのＳｉＯ_x基複合材料（非晶質炭素被覆層と市販されているＳｉＯで形成された複合材料であり、且つ非晶質炭素は、複合材料の３ｗｔ％を占める）と、混合物に占める割合が５０ｗｔ％である５００ｇのＭｇ粉末を取って試験した。

分析結果：
Ｎ／Ｈ／Ｏアナライザーを用いて分析し、Ｏ含有量を得て、本実施例で得られたリチウムイオン二次電池用負極材料において、ｙ＝０である。
Ｘ線回折計を用いて分析し、ＳｉＯ_yにおけるＳｉ微結晶粒子のサイズが６３．５ｎｍであることを得た。
材料をボタン型電池に組み立て分析し、その初回容量は１２３５ｍＡｈ／ｇ、初回効率は８８．４％である。
材料に黒鉛を混合してからボタン型電池に組み立て、その５０サイクル目の容量保持率は８２％、極板膨張率は７１％である。

本発明は、上記実施例によって本発明の詳細な方法を説明したが、本発明は上記詳細な方法に限定されるものではなく、すなわち、本発明は、必ずしも上記詳細な方法に依存しなければ実施できないわけではないことを意味することを、出願人より声明する。

Claims (12)

1. 負極材料は、ＳｉＯ_y及びＭ化合物を含み、Ｍは、金属であり、
   ただし、０．２＜ｙ＜０．９である、リチウムイオン二次電池用負極材料。
2. 前記負極材料の総質量を１００％として、前記Ｍ化合物の質量割合は、１％〜６０％である、請求項１に記載の負極材料。
3. 前記負極材料の比表面積は、≦５０ｍ²／ｇであり、好ましくは、≦１５ｍ²／ｇである、請求項１に記載の負極材料。
4. 前記ＳｉＯ_yにおけるＳｉ微結晶粒子のサイズは、≦１００ｎｍであり、好ましくは、≦２０ｎｍであり、
   好ましくは、前記Ｍは活性金属であり、そのポーリングの電気陰性度は、＜１．８であり、好ましくは、金属Ｎａ、金属Ｋ、金属Ｍｇ、金属Ｃａ又は金属Ａｌのいずれか１種又は少なくとも２種の組合せを含む、請求項１に記載の負極材料。
5. 前記負極材料は、非晶質炭素被覆層、黒鉛、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、ケイ素、金属化合物のいずれか１種又は少なくとも２種の組合せを更に含み、
   好ましくは、前記金属化合物は金属酸化物、金属シリサイド又は金属ケイ酸塩のいずれか１種又は少なくとも２種の組合せを含み、好ましくは、Ｋ₂Ｏ、Ｎａ₂Ｏ、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｍｇ₂Ｓｉ、Ｃａ₂Ｓｉ、Ａｌ₄Ｓｉ₃、Ｋ₂ＳｉＯ₃、Ｋ₄ＳｉＯ₄、Ｋ₂Ｓｉ₂Ｏ₅、Ｎａ₂ＳｉＯ₃、Ｎａ₄ＳｉＯ₄、Ｎａ₂Ｓｉ₂Ｏ₅、Ｍｇ₂ＳｉＯ₄、ＭｇＳｉＯ₃、Ｃａ₂ＳｉＯ₄、ＣａＳｉＯ₃、Ａｌ₄（ＳｉＯ₄）₃又はＡｌ₂（ＳｉＯ₃）₃のいずれか１種又は少なくとも２種の組合せを含む、請求項１又は４に記載の負極材料。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池材料の製造方法であって、
   ＳｉＯ_x材料を含む原料を金属Ｍと酸化還元反応させ、ＳｉＯ_x材料におけるＯ／Ｓｉ比であるｘをｙに調整すると同時に、金属Ｍを酸化してＭ化合物を得る工程を含み、
   ただし、０．５＜ｘ＜１．５、０．２＜ｙ＜０．９、且つｙ＜ｘである、方法。
7. （１）ＳｉＯ_x材料を含む原料を金属Ｍと均一に混合させてから、非酸化性雰囲気下で熱処理して保温し、還元生成物ＳｉＯ_y及び酸化生成物Ｍ化合物を得て、
   ただし、ＳｉＯ_x材料を含む原料及び金属Ｍの総質量を１００％として、前記金属Ｍの質量割合は、３％〜４０％である工程と、
   （２）Ｍ化合物を溶解させて一部を除去するために、酸を用いて工程（１）で得られた生成物を酸処理し、ＳｉＯ_y及びＭ化合物を含むリチウムイオン二次電池材料を得て、
   ただし、０．５＜ｘ＜１．５、０．２＜ｙ＜０．９、且つｙ＜ｘである工程とを含む、請求項６に記載の方法。
8. 工程（１）における前記ＳｉＯ_x材料を含む原料におけるＳｉ微結晶粒子のサイズは、≦１００ｎｍであり、好ましくは、≦２０ｎｍである、請求項６又は７に記載の方法。
9. 酸処理後に固液分離し、分離した固相を洗浄及び乾燥する工程を更に含み、
   好ましくは、前記固液分離の方法は遠心分離又はろ過分離のいずれか１種を含み、
   好ましくは、前記乾燥の方法は高温乾燥又は凍結乾燥のいずれか１種を含む、請求項７に記載の方法。
10. 工程（１）で得られた生成物及び／又は工程（２）で得られた生成物を工程（１）の原料として、工程（１）を繰り返すか、又は、工程（１）、工程（２）の順で繰り返す工程を更に含み、
    好ましくは、前記繰り返し回数は０〜５回であり、好ましくは１回であり、
    好ましくは、工程（１）における前記ＳｉＯ_x材料を含む原料には、添加物及びＳｉＯ_x材料により形成されたＳｉＯ_x基複合材料を更に含み、前記添加物は、非晶質炭素被覆層、黒鉛、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、ケイ素又は金属塩のいずれか１種又は少なくとも２種の組合せであり、
    好ましくは、ＳｉＯ_x基複合材料の総質量を１００％として、前記非晶質炭素被覆層の質量割合は１％〜２０％であり、
    好ましくは、前記ＳｉＯ_x材料を含む原料はＳｉＯ_x粉末又はＳｉＯ_x基複合材料のいずれか１種又は２種の組合せであり、
    好ましくは、工程（１）における前記金属Ｍは活性金属であり、そのポーリングの電気陰性度は＜１．８であり、好ましくは金属Ｎａ、金属Ｋ、金属Ｍｇ、金属Ｃａ又は金属Ａｌのいずれか１種又は少なくとも２種の組合せを含み、
    好ましくは、前記金属Ｍの粒径はＤ₅₀≦３００μｍであり、
    好ましくは、工程（１）における前記混合に用いられた機器はＶＣミキサー、多次元ミキサー、メカノフュージョン、粉末攪拌機又はボールミルのいずれか１種である、請求項７又は９に記載の方法。
11. 工程（１）における前記非酸化性雰囲気は、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気、ネオン雰囲気又はヘリウム雰囲気のいずれか１種又は少なくとも２種の組合せを含み、
    好ましくは、工程（１）における前記熱処理時の気圧は０．０１ＭＰａ〜１ＭＰａであり、好ましくは０．１ＭＰａであり、
    好ましくは、工程（１）における前記熱処理の温度は５５０℃〜１１００℃であり、
    好ましくは、工程（１）における前記保温の時間は０．５ｈ〜２４ｈであり、
    好ましくは、前記熱処理に用いられた機器は箱形炉、回転炉、管状炉、加熱ミキサー、ローラーキルン、プッシャーキルン、オートクレーブ又は真空炉のいずれか１種である、請求項６〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 工程（２）における前記酸処理工程で用いられた酸は、Ｍ化合物を溶解できる酸であり、塩酸、硫酸、硝酸、過塩素酸、ギ酸又は酢酸のいずれか１種又は少なくとも２種の組合せを含み、
    好ましくは、前記酸処理の時間は０．２ｈ〜２４ｈであり、好ましくは０．２ｈ〜４ｈであり、
    好ましくは、前記酸処理後に、残りのＭ化合物はリチウムイオン二次電池材料の総質量の１％〜６０％を占める、請求項６〜１１のいずれか一項に記載の方法。

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