JP2023092861A - Method of producing porous silicon material, porous silicon material, and storage device - Google Patents

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賢東 松原
Masaharu Matsubara
涼 鈴木
Ryo Suzuki
尚之 長廻
Naoyuki Nagameguri
宏之 川浦
Hiroyuki Kawaura
康仁 近藤
Yasuhito Kondo
哲也 早稲田
Tetsuya Waseda
淳 吉田
Atsushi Yoshida
貴之 内山
Takayuki Uchiyama
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Abstract

To provide a method for producing a porous silicon material that allows the decrease in charge-discharge characteristics to be more suppressed in materials containing Si.SOLUTION: A method for producing a porous silicon material of the present disclosure includes a precursor step of obtaining a precursor of a silicon alloy by melting and rapidly solidifying a raw material containing 1 at% to 20 at% Cr, 40 at% to 90 at% Al, and the remainder Si, when the total content of Si, Al, and Cr is 100 at%, and a porosity-increasing step of obtaining a porous silicon material by removing the Al component contained in the silicon alloy.SELECTED DRAWING: None

Description

本明細書では、多孔質シリコン材料の製造方法、多孔質シリコン材料及び蓄電デバイスを開示する。 Disclosed herein are methods of making porous silicon materials, porous silicon materials, and electrical storage devices.

従来、シリコンの負極材料において、塊状のSiを70質量部とAl粉末を30質量部混合したのちアルゴン雰囲気下で合金溶湯と、ヘリウムガスによるガスアトマイズ法で粒子化したのち、塩酸でAlを除去して得られた多孔質シリコンが提案されている(例えば、特許文献1参照)。この多孔質シリコンでは、充放電時の活物質体積の膨張収縮による微粉化、集電体からの活物質の剥離や導電材との接触の欠如を完全に抑制することができるとしている。また、シリコン材料の製造方法としては、Mg、Co、Cr、Cu、Feなどを含む中間合金元素と、SiとのSi合金を、所定の溶湯元素を含む溶湯中で中間合金元素と溶湯元素とを置換した第2相とSi微粒子とに分離させ、第2相を除去することによって、多孔質シリコン材料を得るものが提案されている(例えば、特許文献2参照)。この多孔質シリコン材料では、高容量と高サイクル特性を有するものとすることができるとしている。 Conventionally, in a silicon negative electrode material, after mixing 70 parts by mass of bulk Si and 30 parts by mass of Al powder, the alloy was melted in an argon atmosphere and granulated by a gas atomization method using helium gas, and then Al was removed with hydrochloric acid. Porous silicon obtained by the method has been proposed (see, for example, Patent Document 1). It is said that this porous silicon can completely suppress pulverization due to expansion and contraction of the volume of the active material during charging and discharging, separation of the active material from the current collector, and lack of contact with the conductive material. In addition, as a method for producing a silicon material, an intermediate alloy element containing Mg, Co, Cr, Cu, Fe, etc., and a Si alloy with Si are mixed in a molten metal containing a predetermined molten metal element as an intermediate alloy element and a molten metal element. It is proposed to obtain a porous silicon material by separating a second phase substituted with Si particles and removing the second phase (see, for example, Patent Document 2). It is said that this porous silicon material can have high capacity and high cycle characteristics.

特開2004-214054号公報JP 2004-214054 A 特開2012-82125号公報JP 2012-82125 A

しかしながら、上述の特許文献1の製造方法では、SiとAlとを含む合金を用いて多孔化しているが、Siの膨張収縮に基づく不具合の抑制に対しては、まだ十分ではなかった。特許文献2の多孔質シリコン材料の製造方法では、中間合金元素を含むシリコン合金を溶融し、所定の溶湯元素を含む溶湯中で置換する、即ち高温での処理が必要であり、簡便な製造工程が求められていた。 However, in the manufacturing method of Patent Document 1 described above, although an alloy containing Si and Al is used to form a porous structure, it is still not sufficient to suppress problems due to expansion and contraction of Si. In the method for producing a porous silicon material of Patent Document 2, a silicon alloy containing an intermediate alloy element is melted and replaced in a molten metal containing a predetermined molten metal element, that is, a treatment at a high temperature is required, and a simple manufacturing process is required. was sought.

本開示は、このような課題に鑑みなされたものであり、充放電特性の低下をより抑制することができる多孔質シリコン材料の製造方法、多孔質シリコン材料及び蓄電デバイスを提供することを主目的とする。 The present disclosure has been made in view of such problems, and the main purpose of the present disclosure is to provide a method for producing a porous silicon material, a porous silicon material, and an electricity storage device that can further suppress deterioration in charge and discharge characteristics. and

上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、AlとCrとを含むシリコン合金を作製し、Alを含む化合物を除去すると、より強固な構造を有するものとし、充放電特性の低下をより抑制することができる多孔質シリコン材料を得ることができることを見いだし、本開示の多孔質シリコン材料の製造方法、多孔質シリコン材料及び蓄電デバイスを完成するに至った。 As a result of intensive research to achieve the above-described object, the present inventors have produced a silicon alloy containing Al and Cr, and have found that when the compound containing Al is removed, it has a stronger structure. The present inventors have found that it is possible to obtain a porous silicon material capable of further suppressing deterioration in properties, and have completed the method for producing a porous silicon material, the porous silicon material, and the electric storage device of the present disclosure.

即ち、本開示の多孔質シリコン材料の製造方法は、
SiとAlとCrとの全体を100at%としたときに、Crを1at%以上20at%以下の範囲で含み、Alを40at%以上90at%以下の範囲で含み、残部をSiとする原料を溶融し急冷凝固させシリコン合金の前駆体を得る前駆体工程と、
前記シリコン合金に含まれるAl成分を除去して多孔質シリコン材料を得る多孔化工程と、
を含むものである。
That is, the method for producing a porous silicon material of the present disclosure includes:
When the total of Si, Al, and Cr is 100 at%, a raw material containing Cr in a range of 1 at% or more and 20 at% or less, Al in a range of 40 at% or more and 90 at% or less, and the balance being Si is melted. a precursor step of obtaining a silicon alloy precursor by rapid cooling and solidification;
a porosification step of removing the Al component contained in the silicon alloy to obtain a porous silicon material;
includes.

本開示の多孔質シリコン材料は、
水銀圧入法で求めた平均細孔径が60nm以下の範囲であり、空隙を有する三次元網目構造の骨格状シリコンを含み、SiCr化合物及び/又はAlSiCr化合物を含み、細孔率が30体積%以上85体積%以下の範囲であるものである。
The porous silicon material of the present disclosure is
An average pore diameter determined by a mercury intrusion method is in the range of 60 nm or less, contains skeleton-like silicon with a three-dimensional network structure having voids, contains a SiCr compound and/or an AlSiCr compound, and has a porosity of 30% by volume or more85 It is in the range of vol% or less.

本開示の蓄電デバイスは、
正極活物質を含む正極と、
上述した多孔質シリコン材料を負極活物質として含む負極と、
前記正極と前記負極との間に介在しリチウムイオンを伝導するイオン伝導媒体と、
を備えたものである。
The power storage device of the present disclosure is
a positive electrode comprising a positive electrode active material;
a negative electrode containing the porous silicon material described above as a negative electrode active material;
an ion conducting medium interposed between the positive electrode and the negative electrode and conducting lithium ions;
is provided.

本開示は、Siを含む材料において、充放電特性の低下をより抑制することができる。このような効果が得られる理由は以下のように推察される。例えば、リチウムイオン二次電池用シリコン負極は、理論容量が4199mAh/gであり、一般的な黒鉛の理論容量372mAh/gに比べ約10倍の値を示し、さらなる高容量化、高エネルギー密度化が期待されている。一方で、リチウムイオンを吸蔵したシリコンはLi4.4Siであり、リチウム吸蔵前のシリコンに対して約4倍まで体積が膨張する。本開示では、Si、Si-Cr化合物以外の元素あるいは化合物を選択的に溶解することによって、細孔サイズが小さく、空隙率の大きい多孔質シリコンを生産することができる。また、SiCr化合物以外の元素あるいは化合物を除去するだけで、大規模な設備が必要としなく、大気中で容易に多孔質シリコンを提供可能である。また、得られた多孔質シリコン材料は、SiCr化合物で強化された空隙を有する三次元網目構造の骨格状シリコンを有し、かつ平均細孔径が60nm以下である。このように細孔サイズは小さく、空隙率が大きく、さらに骨格が強化された多孔質シリコン材料は、リチウムイオン二次電池などの蓄電デバイスに用いた場合、体積の膨張・収縮が緩和され、サイクル特性を向上するなど、性能の高い蓄電デバイスを容易に得ることができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present disclosure can further suppress deterioration in charge-discharge characteristics in materials containing Si. The reason why such an effect is obtained is presumed as follows. For example, a silicon negative electrode for a lithium ion secondary battery has a theoretical capacity of 4199 mAh/g, which is about 10 times higher than the theoretical capacity of general graphite, 372 mAh/g. is expected. On the other hand, silicon that occludes lithium ions is Li 4.4 Si, and its volume expands to about four times that of silicon before lithium ions are occluded. In the present disclosure, by selectively dissolving elements or compounds other than Si and Si—Cr compounds, porous silicon with small pore size and high porosity can be produced. In addition, only by removing elements or compounds other than the SiCr compound, porous silicon can be easily provided in the air without the need for large-scale equipment. The obtained porous silicon material has a three-dimensional network structure of skeletal silicon with voids reinforced with a SiCr compound, and an average pore size of 60 nm or less. Such a porous silicon material with a small pore size, a large porosity, and a reinforced skeleton, when used in an electricity storage device such as a lithium-ion secondary battery, can reduce volumetric expansion and contraction, and can be cycled. An electricity storage device with high performance such as improved characteristics can be easily obtained.

25at%SiにおけるAl-Si-Cr状態図。Al-Si-Cr phase diagram at 25 at% Si. 融液液滴の冷却過程における最表面層の微細組織形成過程の模式図。FIG. 4 is a schematic diagram of a microstructure forming process of the outermost surface layer in the cooling process of the melt droplet. Al85-ySi15CryにおけるAl-Si-Cr状態図。Al-Si-Cr phase diagram in Al 85-y Si 15 Cr y . Al80-ySi20CryにおけるAl-Si-Cr状態図。Al-Si-Cr phase diagram in Al 80-y Si 20 Cr y . Al75-ySi25CryにおけるAl-Si-Cr状態図。Al-Si-Cr phase diagram in Al 75-y Si 25 Cr y . Al70-ySi30CryにおけるAl-Si-Cr状態図。Al-Si-Cr phase diagram in Al 70-y Si 30 Cr y . Al60-ySi40CryにおけるAl-Si-Cr状態図。Al-Si-Cr phase diagram in Al 60-y Si 40 Cr y . Al-Si-Cr系組成における共晶組成の範囲の説明図。Explanatory drawing of the range of the eutectic composition in the Al-Si-Cr system composition. 蓄電デバイス10の構造の一例を示す説明図。FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example of the structure of the electricity storage device 10; 実験例1の多孔質シリコンの断面のSEM像。5 is a SEM image of a cross section of porous silicon of Experimental Example 1. FIG. 実験例2の多孔質シリコンの断面のSEM像。4 is a SEM image of a cross section of porous silicon of Experimental Example 2. FIG. 実験例1、2の酸処理前後のXRD測定結果。XRD measurement results before and after acid treatment in Experimental Examples 1 and 2. 実験例1、2、16の多孔質シリコン材料の細孔分布曲線。Pore distribution curves of the porous silicon materials of Experimental Examples 1, 2 and 16. 実験例3~11のx/yに対するSi相含有量の関係図。FIG. 3 is a relationship diagram of Si phase content with respect to x/y in Experimental Examples 3 to 11; CrSi2相の割合とプレス後の細孔率変化量との関係図。FIG. 2 is a relational diagram between the ratio of CrSi 2 phase and the amount of change in porosity after pressing.

(多孔質シリコン材料の製造方法)
本開示の多孔質シリコン材料の製造方法は、前駆体工程と、多孔化工程とを含む。前駆体工程では、SiとAlとCrとを含む原料を溶融し急冷凝固させシリコン合金の前駆体を得る処理を行う。多孔化工程では、シリコン合金に含まれるAl成分を除去して多孔質シリコン材料を得る処理を行う。まず、原料組成について説明する。
(Method for producing porous silicon material)
A method for producing a porous silicon material of the present disclosure includes a precursor step and a porosification step. In the precursor step, a raw material containing Si, Al, and Cr is melted and rapidly solidified to obtain a silicon alloy precursor. In the porosification step, the Al component contained in the silicon alloy is removed to obtain a porous silicon material. First, the raw material composition will be described.

図1は、25at%SiにおけるAl-Si-Cr状態図である。図2は、融液液滴の冷却過程における最表面層の微細組織形成過程の模式図である。SiCr化合物である CrSi2の強度はSiの2倍程度あるため、Si骨格中に強化相としてCrSi2を共存させることで、骨格強度を向上することができる。Cr添加による細孔の微細化は、Al-Si-Cr系の状態図の特徴が影響している。ここでは、合金融液をガスアトマイズ法で冷却する場合を一例として説明する。ガスアトマイズ法ではノズル先端の穴から高温の融液を高圧ガス中に噴射して冷却する。この時、融液(図1(1))を冷却し図1(2)の温度になると温度の低い液滴表面から最初にCrSi2が晶出するが(図2(2))、CrSi2は融液との共存温度領域(図1(3))で徐々に粗大化する(図2(3))。その際、CrSi2があまりに粗大化すると生成するシリコン粉末の周囲を殻状に不活性なCrSi2が覆うことになり(図2(3-2))、活物質表面にキャリアイオン(Li)の伝導パスが少なくなるため好ましくない。しかし、AlSiCr系の状態図では図1(4)の温度まで冷却されるとCrSi2が分解される(包晶反応)と同時にSiとAl13Si4Cr4が析出するので(共晶反応)、活物質表面に活性なキャリアイオンの伝導パス(即ち、Si相)が形成されるためより好ましい。更に、この包晶反応は一般に、L+CrSi2⇒Al13Si4Cr4の様に、融液と固相が反応して、別の固相が生成する反応を指すが、固相粒子の表面から反応が進行するため、図2(4)に示すように、微細なCrSi2粒子の周りを、Al13Si4Cr4とSiの殻が被覆するような組織ができやすく、より細かい微細構造が実現される。即ち、Si粒子や強化相CrSi2の細かさに加えて、細孔源となるAl合金も微細化される。更に、強化相、Si、比酸化除去相(Al)の析出温度差が比較的小さい(~350℃)ため、それらの粒子の結晶成長が小さく、ナノサイズの微細構造を実現できる。なお、凝固組織はSiCr化合物、AlSiCr化合物、AlCr化合物、共晶Si、初晶Si、初晶Alからなるラメラ組織を形成する。酸に溶出する化合物としては、初晶Al、AlSiCr化合物、AlCr化合物が挙げられ、酸処理後の構造は、残存するSiCr化合物、共晶Si、初晶Siからなる骨格状の多孔体が得られるものと推察される。 FIG. 1 is an Al--Si--Cr phase diagram at 25 at % Si. FIG. 2 is a schematic diagram of the microstructure formation process of the outermost surface layer in the cooling process of the melt droplet. Since the strength of CrSi 2 , which is a SiCr compound, is about twice that of Si, the skeleton strength can be improved by coexisting CrSi 2 as a reinforcing phase in the Si skeleton. The refinement of pores by adding Cr is influenced by the characteristics of the phase diagram of the Al--Si--Cr system. Here, a case of cooling the alloying liquid by the gas atomization method will be described as an example. In the gas atomization method, a high-temperature melt is injected into high-pressure gas through a hole at the tip of a nozzle to cool it. At this time, when the melt (Fig. 1 (1)) is cooled to the temperature shown in Fig. 1 (2), CrSi 2 crystallizes first from the surface of the droplet with the lower temperature (Fig. 2 (2)), but CrSi 2 gradually coarsens in the coexistence temperature region with the melt (Fig. 1(3)) (Fig. 2(3)). At that time, if CrSi 2 becomes too coarse, the generated silicon powder is covered with shell-like inert CrSi 2 (FIG. 2 (3-2)), and carrier ions (Li) are formed on the surface of the active material. This is not preferable because it reduces the number of conduction paths. However, in the phase diagram of the AlSiCr system, CrSi2 is decomposed ( peritectic reaction) when cooled to the temperature shown in FIG . is more preferable because active carrier ion conduction paths (that is, Si phase) are formed on the surface of the active material. Furthermore, this peritectic reaction generally refers to a reaction in which the melt reacts with the solid phase to generate another solid phase, such as L + CrSi 2Al 13 Si 4 Cr 4 , but from the surface of the solid phase particle As the reaction progresses, as shown in FIG. 2(4), a structure in which the fine CrSi 2 particles are covered with Al 13 Si 4 Cr 4 and Si shells tends to form, and a finer microstructure is formed. Realized. That is, in addition to the fineness of Si particles and the strengthening phase CrSi 2 , the fineness of the Al alloy, which is the source of pores, is also made finer. Furthermore, since the precipitation temperature difference between the strengthening phase, Si, and the specific oxidation removal phase (Al) is relatively small (up to 350° C.), crystal growth of these particles is small, and a nano-sized microstructure can be realized. The solidification structure forms a lamellar structure composed of SiCr compound, AlSiCr compound, AlCr compound, eutectic Si, primary crystal Si, and primary crystal Al. Compounds that dissolve in acid include primary crystal Al, AlSiCr compounds, and AlCr compounds, and the structure after acid treatment is a framework-like porous body composed of the remaining SiCr compound, eutectic Si, and primary crystal Si. It is assumed that

図3~図7は、Si及びCrの含有量を変化させた場合のAl-Si-Cr系合金の状態図である。図3は、Al85-ySi15CryにおけるAl-Si-Cr状態図である。図4は、Al80-ySi20CryにおけるAl-Si-Cr状態図である。図5は、Al75-ySi25CryにおけるAl-Si-Cr状態図である。図6は、Al70-ySi30CryにおけるAl-Si-Cr状態図である。図7は、Al60-ySi40CryにおけるAl-Si-Cr状態図である。図8は、Al-Si-Cr系組成における共晶組成の範囲の説明図である。一般に、ナノコンポジット化による強度改善を実現するためには、CrSi2相などの強化相がなるべく微細であることが必要とされる、その実現のためには、Al-Si-Cr系合金の状態図において、Siと強化相であるシリサイドの晶出温度が近いことが好ましい。即ち、Siと強化相であるシリサイドが共晶反応で同時析出する組成範囲が理想的である。図3~7に示すように、Al100-x-ySixCryの基本組成において、Si量xが20at%未満の場合、Siとシリサイドとが共晶反応で晶出する組成を示さない一方、Si量xが20at%以上、特に25at%以上の組成では、Cr量yに依存してL⇒Si+CrSi2(共晶反応1)と、L⇒Si+Al13Si4Cr4(共晶反応2)の共晶反応を生じる組成が存在する。図8は、これらの共晶反応1,2を生じるSi量x及びCr量yの関係図であるが、斜線で示した組成領域では、SiとCrSi2とが比較的近い温度で晶出することに加えて、CrSi2+L⇒Al13Si4Cr4の包晶反応が生じるため、より微細な再考構造が実現でき、特にサイクル特性が良好なポーラスシリコン材料を実現するために、より好ましい組成範囲であると推察される。 3 to 7 are phase diagrams of Al--Si--Cr alloys when the contents of Si and Cr are varied. FIG. 3 is an Al--Si--Cr phase diagram in Al 85-y Si 15 Cr y . FIG. 4 is an Al--Si--Cr phase diagram in Al 80-y Si 20 Cr y . FIG. 5 is an Al--Si--Cr phase diagram in Al 75-y Si 25 Cr y . FIG. 6 is an Al--Si--Cr phase diagram in Al 70-y Si 30 Cr y . FIG. 7 is an Al--Si--Cr phase diagram in Al 60-y Si 40 Cr y . FIG. 8 is an explanatory diagram of the eutectic composition range in the Al—Si—Cr system composition. In general, in order to improve the strength by nanocompositing, it is necessary that the strengthening phase such as the CrSi phase is as fine as possible. In the figure, it is preferable that the crystallization temperatures of Si and silicide, which is a strengthening phase, are close to each other. In other words, the ideal composition range is such that Si and silicide, which is a strengthening phase, precipitate simultaneously through a eutectic reaction. As shown in FIGS. 3 to 7, in the basic composition of Al 100-xy Si x Cr y , when the Si content x is less than 20 at %, Si and silicide do not crystallize by eutectic reaction, In a composition where the Si content x is 20 at % or more, particularly 25 at % or more, depending on the Cr content y, L⇒Si+CrSi 2 (eutectic reaction 1) and L⇒Si+Al 13 Si 4 Cr 4 (eutectic reaction 2). There are compositions that produce eutectic reactions. FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the amount of Si x and the amount of Cr y that cause these eutectic reactions 1 and 2. In the shaded composition region, Si and CrSi2 crystallize at relatively close temperatures. In addition, since the peritectic reaction of CrSi 2 +L ⇒ Al 13 Si 4 Cr 4 occurs, a finer reconsidered structure can be realized, and in order to realize a porous silicon material with particularly good cycle characteristics, a more preferable composition presumed to be within the range.

(前駆体工程)
前駆体工程では、SiとCrとAlとの全体を100at%としたときに、Crを1at%以上20at%以下の範囲で含み、Alを40at%以上90at%以下の範囲で含み、残部をSiとする原料を用いることが好ましい。なお、原料には、不可避的不純物を含むものとしてもよい。不可避的不純物としては、Si,Cr、Alのいずれかの精製の際に不可避的に残存する成分であり、例えば、FeやC、Cu、Ni、Pなどが挙げられる。不可避的不純物は、より少ないことが好ましく、例えば、SiとCrとAlとの全体を100at%としたときに、5at%以下が好ましく、2at%以下がより好ましい。Crの配合比は、例えば、2at%以上が好ましく、3at%以上としてもよい。また、Crの配合比は、15at%以下が好ましく、12.5at%以下としてもよい。Alの配合比は、50at%以上が好ましく、55at%以上や60at%以上としてもよい。また、Alの配合比は、85at%以下が好ましく、80at%以下がより好ましく、77.5at%以下としてもよい。Siの配合比は、例えば、9at%以上が好ましく、12at%以上がより好ましく、20at%以上や25at%以上としてもよい。また、Siの配合比は、例えば、59at%以下が好ましく、50at%以下がより好ましく、40at%以下や30at%以下としてもよい。AlやCrをこのような範囲で含むシリコン合金では、空隙率をより高めると共に、より好適な形状、サイズの空隙を得ることができ好ましい。Alの含有量が多いと、溶融して合金としたあと、急速冷却するとAlの単相が大きく析出するので、多くの空隙を形成させることができる。この冷却速度は、より急冷であることが好ましく、例えば溶融状態から102℃/s以上108℃/s以下の範囲としてもよい。
(Precursor step)
In the precursor step, when the total of Si, Cr, and Al is 100 at%, Cr is contained in a range of 1 at% or more and 20 at% or less, Al is contained in a range of 40 at% or more and 90 at% or less, and the balance is Si. It is preferable to use a raw material with The raw material may contain unavoidable impurities. The unavoidable impurities are components that inevitably remain during the purification of any one of Si, Cr, and Al, and examples thereof include Fe, C, Cu, Ni, and P. The amount of unavoidable impurities is preferably as small as possible. For example, when the total of Si, Cr, and Al is 100 at %, the content is preferably 5 at % or less, more preferably 2 at % or less. The compounding ratio of Cr is, for example, preferably 2 at % or more, and may be 3 at % or more. Moreover, the compounding ratio of Cr is preferably 15 at % or less, and may be 12.5 at % or less. The compounding ratio of Al is preferably 50 at % or more, and may be 55 at % or more or 60 at % or more. Moreover, the compounding ratio of Al is preferably 85 at % or less, more preferably 80 at % or less, and may be 77.5 at % or less. The compounding ratio of Si is, for example, preferably 9 at % or more, more preferably 12 at % or more, and may be 20 at % or more or 25 at % or more. The compounding ratio of Si is, for example, preferably 59 at % or less, more preferably 50 at % or less, and may be 40 at % or less or 30 at % or less. A silicon alloy containing Al or Cr within such a range is preferable because the porosity can be further increased and pores having a more suitable shape and size can be obtained. When the Al content is high, a single phase of Al precipitates largely when the alloy is rapidly cooled after being melted to form an alloy, so that many voids can be formed. The cooling rate is preferably more rapid, and may be, for example, in the range of 10 2 ° C./s or more and 10 8 ° C./s or less from the molten state.

この工程において、基本組成式Al100-x-ySixCryにおいて、x/yが3以上10以下の範囲である原料を用いることが好ましい。Siの粉末は、黒からこげ茶色である。一方、CrSi2は銀色の金属間化合物であり、その粉末は黒色を呈している。x/yが3以上である場合は、Si材料の色は、シリコンと同じこげ茶色であり、酸化されておらず好ましい。酸化物が混入すると単位質量当たりのSiの実電池容量が低下するため好ましくない。即ち、x/yに関しては3以上がより好ましい。一方、Cr量が少ないとSiCr化合物による骨格の補強が弱くなるため、x/yは10以下が好ましく、8.5以下がより好ましく、6以下が更に好ましい。 In this step, it is preferable to use raw materials in which x/y is in the range of 3 or more and 10 or less in the basic composition formula Al 100-xy Si x Cr y . The Si powder is black to dark brown. On the other hand, CrSi 2 is a silvery intermetallic compound and its powder is black. When x/y is 3 or more, the Si material has the same dark brown color as silicon, which is preferable because it is not oxidized. If an oxide is mixed in, the actual battery capacity of Si per unit mass is lowered, which is not preferable. That is, x/y is more preferably 3 or more. On the other hand, if the amount of Cr is small, the reinforcement of the skeleton by the SiCr compound becomes weak, so x/y is preferably 10 or less, more preferably 8.5 or less, and even more preferably 6 or less.

この工程において、原料を溶融する場合は、Arなど不活性ガス雰囲気中の高周波るつぼ溶融が好ましいが、いかなる溶融手法を用いても構わない。前駆体工程では、原料から得られた合金を粒子化するものとしてもよい。この粒子化処理では、シリコン合金の原料の溶湯を金型に鋳造して、得られたインゴットを破砕して粒子化するものとしてもよい。また、シリコン合金を粒子化する方法は、シリコン合金の溶湯をガスアトマイズ法、水アトマイズ法及びロール急冷法などのうち1以上としてもよい。ガスアトマイズ法及び水アトマイズ法では合金粉末が得られる。一方、ロール急冷法では薄帯合金が得られることから、その後粉砕して粉末にするものとしてもよい。ロール急冷法で得られた粉末は合金組織が微細となるため、溶出処理後に微細な細孔を有する多孔質シリコンを得ることができる。このうち、シリコン合金を粒子化する方法は、ガスアトマイズ法がより好ましい。ガスアトマイズでは、溶湯とする際にAr雰囲気で行うことが好ましく、粒子化の際は、ArやHe雰囲気下で行うことが好ましい。 In this step, when the raw material is melted, high-frequency crucible melting in an inert gas atmosphere such as Ar is preferable, but any melting method may be used. In the precursor step, the alloy obtained from the raw material may be granulated. In this granulation treatment, the molten metal of the raw material of the silicon alloy may be cast in a mold, and the obtained ingot may be crushed and granulated. In addition, as a method for granulating the silicon alloy, one or more of the gas atomization method, water atomization method, roll quenching method, and the like may be used for the molten silicon alloy. An alloy powder is obtained by the gas atomization method and the water atomization method. On the other hand, since the ribbon alloy can be obtained by the roll quenching method, it may be pulverized to powder afterward. Since the powder obtained by the roll quenching method has a fine alloy structure, porous silicon having fine pores can be obtained after the elution treatment. Among these methods, the gas atomization method is more preferable as the method for granulating the silicon alloy. Gas atomization is preferably carried out in an Ar atmosphere when forming a molten metal, and is preferably carried out in an Ar or He atmosphere when forming particles.

前駆体工程では、平均粒径が0.1μm以上100μm以下の範囲でシリコン合金を粒子化することが好ましい。この粒子は、例えば、平均粒径が0.5μm以上10μm以下であることが好ましく、1μm以上5μm以下がより好ましく、1μm以上3μm以下が更に好ましい。シリコン合金の粒子は、蓄電デバイスに求められる特性に応じて適宜選択すればよい。ここで、粒子の平均粒径は、走査型電子顕微鏡(SEM)で粒子を観察し、各粒子の長径をその粒子の直径として集計し、粒子数で除算して平均した値として求めるものとする。この粒子化処理で得られた粒子は、最終的に得ようとする多孔質粒子の集合体の平均粒径となる。 In the precursor step, it is preferable to granulate the silicon alloy with an average particle size in the range of 0.1 μm or more and 100 μm or less. For example, the particles preferably have an average particle diameter of 0.5 μm or more and 10 μm or less, more preferably 1 μm or more and 5 μm or less, and even more preferably 1 μm or more and 3 μm or less. The silicon alloy particles may be appropriately selected according to the properties required for the electricity storage device. Here, the average particle diameter of the particles is obtained by observing the particles with a scanning electron microscope (SEM), totaling the major diameter of each particle as the diameter of the particle, and dividing by the number of particles to obtain an average value. . The particles obtained by this granulation treatment have the average particle size of the aggregate of porous particles to be finally obtained.

この前駆体工程では、AlとCrとSiとに加えCa、Cu、Mg、Na、Sr及びPのうち1以上を含む第2元素を含む原料を用いてもよい。このうち、第2元素としては、Ca、Na及びSrのうち1以上が好ましい。第2元素は、AlやCrの含有量よりも少ないことが好ましく、例えば、シリコン合金の全体に対して。10質量%以下の範囲が好ましく、5質量%以下の範囲より好ましい。 In this precursor step, a raw material containing Al, Cr, and Si and a second element containing one or more of Ca, Cu, Mg, Na, Sr, and P may be used. Among these, one or more of Ca, Na and Sr is preferable as the second element. The content of the second element is preferably less than the content of Al and Cr, for example, relative to the entire silicon alloy. A range of 10% by mass or less is preferred, and a range of 5% by mass or less is more preferred.

(多孔化工程)
多孔化工程では、上記作製したシリコン合金の粒子からSi以外の物質を除去する処理を行う。Si以外の物質としては、例えば、Alやその化合物、Crやその化合物などが挙げられる。この工程では、酸又はアルカリによってAl成分、即ちAl相やその化合物を選択的に除去することが好ましい。用いる酸またはアルカリは、シリコン合金中のシリコン以外の元素及び/又は化合物を溶出し、シリコンが溶出されないものが好ましく、塩酸、硫酸、水酸化ナトリウムなどが挙げられる。この酸又はアルカリは、水溶液とすることが好ましい。酸又はアルカリの濃度は、Alやその化合物、Crやその化合物を除去できる範囲であれば特に限定されず、例えば、1mol/L以上5mol/L以下の範囲などにすることができる。この除去処理は、例えば、30℃~60℃で加温するものとしてもよい。また、除去処理は、シリコン合金の粒子を酸又はアルカリ溶液に浸漬し、1~5時間程度で撹拌を行うことがこのましい。得られた多孔質シリコン材料は、その後、洗浄および乾燥を行う。
(Porosification step)
In the porosification step, a process for removing substances other than Si from the silicon alloy particles produced above is performed. Substances other than Si include, for example, Al and its compounds, and Cr and its compounds. In this step, it is preferable to selectively remove the Al component, that is, the Al phase and its compounds with acid or alkali. The acid or alkali to be used is preferably one that dissolves elements and/or compounds other than silicon in the silicon alloy and does not dissolve silicon, and examples thereof include hydrochloric acid, sulfuric acid, and sodium hydroxide. This acid or alkali is preferably an aqueous solution. The concentration of the acid or alkali is not particularly limited as long as it can remove Al and its compounds, and Cr and its compounds. This removal treatment may be performed by heating at, for example, 30.degree. C. to 60.degree. The removal treatment is preferably carried out by immersing the silicon alloy particles in an acid or alkaline solution and stirring for about 1 to 5 hours. The porous silicon material obtained is then washed and dried.

多孔化工程では、Si以外の物質を85質量%以上100質量%以下の範囲で除去するものとしてもよい。例えば、AlやCr、その他の酸素などは、残存しても構わないが、電極活物質として利用する際には、充放電容量の観点からは、より少ない方が好ましい。また、AlやCrなどの成分は、シリコン骨格を補強し、耐久性向上の観点からは、所定量以上含まれることが、好ましい。この工程では、SiCr化合物を含む多孔質シリコン材料を得るものとしてもよい。SiCr化合物としては、例えば、SixCry(x、yは任意の数)としてもよく、CrSi2などが挙げられる。このSiCr化合物としてのCrSi2には、Siの一部をAlが置換した、Cr(Si,Al)2が含まれるものとしてもよい。また、AlSiCr化合物としては、例えば、AlaSibCrc化合物(a、b、cは任意の数)としてもよく、Al13Si4Cr4などが挙げられる。SiCr化合物は、酸又はアルカリに難溶であるものとしてもよい。 In the porosification step, substances other than Si may be removed in a range of 85% by mass or more and 100% by mass or less. For example, Al, Cr, and other oxygen may remain, but when used as an electrode active material, the smaller the amount, the better, from the viewpoint of the charge/discharge capacity. In addition, it is preferable that components such as Al and Cr are contained in a predetermined amount or more from the viewpoint of reinforcing the silicon skeleton and improving durability. This step may result in a porous silicon material comprising a SiCr compound. Examples of the SiCr compound include Si x Cr y (where x and y are arbitrary numbers) such as CrSi 2 . CrSi 2 as the SiCr compound may include Cr(Si, Al) 2 in which part of Si is substituted with Al. The AlSiCr compound may be, for example, an Al a Si b Cr c compound (where a, b, and c are arbitrary numbers), such as Al 13 Si 4 Cr 4 . The SiCr compound may be sparingly soluble in acid or alkali.

多孔化工程では、Si相に対して、SiCr化合物を5mol%以上20mol%以下の範囲で含有する多孔質シリコン材料を得ることが好ましい。また、多孔質シリコン材料において、SiCr化合物は、7.5mol%以上含有することが好ましく、10mol%以上含有するものとしてもよい。また、多孔質シリコン材料において、SiCr化合物は、15mol%以下含有することが好ましく、12.5mol%以下含有するものとしてもよい。この工程ではCrSi2が残存する多孔質シリコン材料を得ることが好ましい。また、この工程では、AlSiCr化合物を10mol%以下、より好ましくは5mol%以下、更に好ましくは3mol%以下の範囲で含有する多孔質シリコン材料を得ることが好ましい。 In the porosification step, it is preferable to obtain a porous silicon material containing a SiCr compound in the range of 5 mol % or more and 20 mol % or less with respect to the Si phase. The SiCr compound content in the porous silicon material is preferably 7.5 mol % or more, and may be 10 mol % or more. The SiCr compound content in the porous silicon material is preferably 15 mol % or less, and may be 12.5 mol % or less. This step preferably results in a porous silicon material with residual CrSi 2 . Moreover, in this step, it is preferable to obtain a porous silicon material containing an AlSiCr compound in an amount of 10 mol % or less, more preferably 5 mol % or less, and still more preferably 3 mol % or less.

多孔化工程では、細孔率が30体積%以上85体積%以下の範囲の多孔質シリコン材料を得るものとしてもよい。この細孔率は、水銀ポロシメータで測定した値とする。この細孔率は、例えば、35体積%以上であることが好ましく、40体積%以上としてもよい。また、細孔率は、例えば、80体積%以下であることが好ましく、77.5体積%以下がより好ましく、75体積%以下としてもよい。細孔率は、より大きいとキャリアイオンの吸蔵時の体積変化に応答しやすく、より小さいと単位体積あたりに存在するSi量が多くなり、好ましい。 In the porosification step, a porous silicon material having a porosity in the range of 30% by volume or more and 85% by volume or less may be obtained. This porosity is a value measured with a mercury porosimeter. The porosity is, for example, preferably 35% by volume or more, and may be 40% by volume or more. Also, the porosity is, for example, preferably 80% by volume or less, more preferably 77.5% by volume or less, and may be 75% by volume or less. If the porosity is larger, it is easier to respond to the volume change when carrier ions are occluded, and if it is smaller, the amount of Si present per unit volume increases, which is preferable.

(多孔質シリコン材料)
本開示の多孔質シリコン材料は、上述した製造方法で作製されたものとしてもよい。ここでは、多孔質シリコン材料の各物性などについて、上述した製造方法と同様であるものとしてその詳細な説明を省略する。この多孔質シリコン材料は、水銀圧入法で求めた平均細孔径が60nm以下の範囲であるものとする。この細孔径は、5nm以上300nm以下の範囲であることが好ましい。この細孔径は、10nm以上としてもよいし、20nm以上としてもよい。また、この細孔径は、50nm以下が好ましく、45nm以下としてもよい。細孔径が小さいと細孔がつぶれにくく好ましい。また、細孔が大きいと、キャリアイオンを吸蔵した際に体積変化をより抑制でき好ましい。
(porous silicon material)
The porous silicon material of the present disclosure may be made by the manufacturing method described above. Here, the physical properties of the porous silicon material are the same as those of the above-described manufacturing method, and detailed description thereof will be omitted. This porous silicon material has an average pore size of 60 nm or less as determined by mercury porosimetry. The pore diameter is preferably in the range of 5 nm or more and 300 nm or less. This pore diameter may be 10 nm or more, or may be 20 nm or more. Moreover, the pore diameter is preferably 50 nm or less, and may be 45 nm or less. When the pore size is small, the pores are less likely to collapse, which is preferable. Moreover, when the pores are large, it is preferable because the volume change can be further suppressed when the carrier ions are occluded.

多孔質シリコン材料は、空隙を有する三次元網目構造の骨格状シリコンを含み、SiCr化合物及び/又はAlSiCr化合物を含む。このSiCr化合物及びAlSiCr化合物は、シリコン骨格の補強を担うものと推察される。この多孔質シリコン材料は、Si相に対してSiCr化合物を5mol%以上20mol%以下の範囲で含有することが好ましい。また、この多孔質シリコン材料は、SiCr化合物を1質量%以上15質量%以下の範囲で含有することが好ましい。また、多孔質シリコン材料は、AlSiCr化合物を0.1質量%以上10質量%以下の範囲で含有することが好ましい。このSiCr化合物及びAlSiCr化合物は、骨格の補強を補う観点からはより多いことが好ましく、蓄電デバイスの充放電容量の観点からはより少ないことが好ましい。 The porous silicon material includes skeleton-like silicon having a three-dimensional network structure with voids, and includes a SiCr compound and/or an AlSiCr compound. This SiCr compound and AlSiCr compound are presumed to reinforce the silicon skeleton. This porous silicon material preferably contains a SiCr compound in the range of 5 mol % or more and 20 mol % or less with respect to the Si phase. Moreover, this porous silicon material preferably contains a SiCr compound in the range of 1% by mass or more and 15% by mass or less. Also, the porous silicon material preferably contains an AlSiCr compound in the range of 0.1% by mass or more and 10% by mass or less. The amount of the SiCr compound and the AlSiCr compound is preferably larger from the viewpoint of reinforcing the skeleton, and preferably smaller from the viewpoint of the charge/discharge capacity of the electricity storage device.

多孔質シリコン材料は、水銀圧入法で求めた細孔率が30体積%以上85体積%以下の範囲である。この細孔率は、例えば、35体積%以上であることが好ましく、40体積%以上としてもよい。また、細孔率は、例えば、80体積%以下であることが好ましく、77.5体積%以下がより好ましく、75体積%以下としてもよい。細孔率は、より大きいとキャリアイオンの吸蔵時の体積変化に応答しやすく、より小さいと単位体積あたりに存在するSi量が多くなり、好ましい。 The porous silicon material has a porosity of 30% by volume or more and 85% by volume or less as determined by mercury porosimetry. The porosity is, for example, preferably 35% by volume or more, and may be 40% by volume or more. Also, the porosity is, for example, preferably 80% by volume or less, more preferably 77.5% by volume or less, and may be 75% by volume or less. If the porosity is larger, it is easier to respond to the volume change when carrier ions are occluded, and if it is smaller, the amount of Si present per unit volume increases, which is preferable.

多孔質シリコン材料は、水銀圧入法で求めた1μm以下の細孔が20体積%以上であることが好ましい。多孔質シリコン材料では、このような微細な細孔がより多くあることが好ましい。この多孔質シリコン材料は、水銀圧入法で求めた1μm以下の細孔が30体積%以上あることがより好ましく、40体積%以上あることが更に好ましい。また、この多孔質シリコン材料は、水銀圧入法で求めた1μm以下の細孔が90体積%以下であるものとしてもよい。 The porous silicon material preferably has pores of 1 μm or less measured by mercury porosimetry in an amount of 20% by volume or more. Porous silicon materials preferably have more such fine pores. The porous silicon material preferably contains 30% by volume or more, more preferably 40% by volume or more, of pores of 1 μm or less measured by mercury porosimetry. In addition, the porous silicon material may contain 90% by volume or less of pores having a diameter of 1 μm or less as determined by mercury porosimetry.

多孔質シリコン材料は、電極として1GPaの拘束圧を受けた際に、細孔変化量が25体積%よりも小さいことが好ましく、20体積%よりも小さいことがより好ましく、10体積%よりも小さいことが更に好ましい。多孔質シリコン材料は、拘束圧を受けた際に細孔の減少量がより小さいことが、骨格強度の観点から好ましい。 The porous silicon material preferably has a pore size change of less than 25% by volume, more preferably less than 20% by volume, and less than 10% by volume when subjected to a confining pressure of 1 GPa as an electrode. is more preferred. From the viewpoint of skeleton strength, it is preferable that the porous silicon material has a smaller reduction in pores when subjected to a confining pressure.

多孔質シリコン材料は、平均粒径が0.1μm以上であることが好ましく、1μm以上がより好ましく、5μm以上としてもよい。また、この粒子は、平均粒径が10μm以下が好ましく、5μm以下がより好ましく、3μm以下が更に好ましい。この多孔質シリコン材料は、酸素や不可避的不純物を除き、Si、Al及びCrの全体を100at%としたときに、Siを70at%以上含むことが好ましい。このSiの含有率は、75at%以上がより好ましく、80at%以上が更に好ましく、85at%以上としてもよい。Siの含有率は、充放電容量の観点からはより高いことが好ましく、相対的な骨格補強の観点からはより低いものとしてもよい。Alの含有率は、0.5at%以上15at%以下の範囲が好ましく、12.5at%以下が好ましく、10at%以下がより好ましく、7.5at%以下としてもよい。また、Alの含有率は、1at%以上がより好ましく、2at%以上がより好ましく、2.5at%以上としてもよい。Crの含有率は、0.5at%以上20at%以下の範囲が好ましい。Crの含有率は、17.5at%以下がより好ましく、15at%以下が更に好ましく、12at%以下としてもよい。また、Crの含有率は、1at%以上がより好ましく、4.5at%以上がより好ましく、8at%以上が更に好ましい。AlやCrの含有率は、骨格の補強を補う観点からはより多いことが好ましく、充放電しない成分であるため、蓄電デバイスの充放電容量の観点からはより少ないことが好ましい。更に、多孔質シリコン材料は、15質量%以下の範囲で第2元素としてのCa、Cu、Mg、Na、Sr及びPのうち1以上を含むものとしてもよい。また、多孔質シリコン材料は、Si,Al,Crの他に、不可避的不純物を含むものとしてもよい。なお、第2元素や不可避的不純物は、より少ないことが好ましい。 The average particle diameter of the porous silicon material is preferably 0.1 μm or more, more preferably 1 μm or more, and may be 5 μm or more. In addition, the particles preferably have an average particle size of 10 μm or less, more preferably 5 μm or less, and even more preferably 3 μm or less. This porous silicon material preferably contains 70 at % or more of Si, excluding oxygen and unavoidable impurities, when the total of Si, Al and Cr is 100 at %. The Si content is more preferably 75 at % or higher, still more preferably 80 at % or higher, and may be 85 at % or higher. The content of Si is preferably higher from the viewpoint of charge/discharge capacity, and may be lower from the viewpoint of relative skeleton reinforcement. The Al content is preferably in the range of 0.5 at % or more and 15 at % or less, preferably 12.5 at % or less, more preferably 10 at % or less, and may be 7.5 at % or less. Also, the Al content is more preferably 1 at % or more, more preferably 2 at % or more, and may be 2.5 at % or more. The Cr content is preferably in the range of 0.5 atomic % or more and 20 atomic % or less. The Cr content is more preferably 17.5 at % or less, still more preferably 15 at % or less, and may be 12 at % or less. Also, the Cr content is more preferably 1 at % or more, more preferably 4.5 at % or more, and even more preferably 8 at % or more. The content of Al and Cr is preferably higher from the viewpoint of reinforcing the skeleton, and is preferably lower from the viewpoint of the charge/discharge capacity of the electricity storage device because they are components that do not charge and discharge. Furthermore, the porous silicon material may contain one or more of Ca, Cu, Mg, Na, Sr and P as the second element in a range of 15% by mass or less. Also, the porous silicon material may contain unavoidable impurities in addition to Si, Al, and Cr. In addition, it is preferable that the amount of the second element and unavoidable impurities be as small as possible.

(蓄電デバイス用電極)
蓄電デバイス用電極は、上述した多孔質シリコン材料を電極活物質として備えたものである。この電極は、電極活物質の電位に対して対極の電位に基づいて正極又は負極のいずれかとなるが、リチウムをキャリアとする場合、負極とすることが好ましい。この電極は、例えば、リチウムイオン二次電池、ハイブリッドキャパシタ、空気電池などに利用することができる。蓄電デバイス用電極は、多孔質シリコン材料の細孔率が5体積%以上50体積%以下の範囲に圧縮されているものとしてもよい。この電極では、作製時に圧縮することにより、多孔質シリコン材料の細孔率が減少したものとしてもよい。例えば、多孔質シリコンの粒子をリチウムイオン二次電池の負極活物質として用いる場合、細孔が小さいほどリチウムイオンが合金化する際に、均一に合金化するため、応力集中が減少し、電極そのものの劣化を防ぐことが可能となる。この圧縮後の多孔質シリコン材料の細孔率は、蓄電デバイス用電極に求められる特性に応じて適宜調整すればよく、例えば、5体積%以上や、10体積%以上としてもよい。また、この圧縮後の多孔質シリコン材料の細孔率は、例えば、30体積%以下や、20体積%以下としてもよい。
(Electrodes for power storage devices)
An electric storage device electrode includes the porous silicon material described above as an electrode active material. This electrode becomes either a positive electrode or a negative electrode based on the potential of the counter electrode with respect to the potential of the electrode active material. When lithium is used as a carrier, it is preferably a negative electrode. This electrode can be used, for example, in lithium ion secondary batteries, hybrid capacitors, air batteries, and the like. In the electric storage device electrode, the porosity of the porous silicon material may be compressed to a range of 5 volume % or more and 50 volume % or less. In this electrode, the porosity of the porous silicon material may be reduced by compressing during fabrication. For example, when porous silicon particles are used as the negative electrode active material of a lithium ion secondary battery, the smaller the pores, the more uniformly the lithium ions are alloyed, so the stress concentration is reduced, and the electrode itself deterioration can be prevented. The porosity of the porous silicon material after compression may be appropriately adjusted according to the characteristics required for the electrode for an electricity storage device, and may be, for example, 5% by volume or more, or 10% by volume or more. Moreover, the porosity of the porous silicon material after compression may be, for example, 30% by volume or less, or 20% by volume or less.

蓄電デバイス用電極は、集電体上に上述した多孔質シリコン材料を形成し、集電体上に固着したものとしてもよい。この電極は、多孔質シリコン材料を必要に応じて導電材や結着材と溶媒に混合しペースト状にして集電体上に塗布する工程か、多孔質シリコン材料を必要に応じて導電材や結着材と混合して集電体に圧着する工程により作製することができる。この電極において、多孔質シリコン材料の含有量は、より多いことが好ましく、70質量%以上が好ましく、80質量%以上がより好ましく、85質量%以上が更に好ましい。導電材は、電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば特に限定されず、例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛)や人造黒鉛などの黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウィスカ、ニードルコークス、炭素繊維、金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金など)などの1種又は2種以上を混合したものを用いることができる。結着材は、活物質粒子及び導電材粒子を繋ぎ止める役割を果たすものであり、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレンプロピレンジエンゴム(EPDM)、スルホン化EPDMゴム、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。溶媒としては、例えばN-メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチレントリアミン、N,N-ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフランなどの有機溶剤を用いることができる。また、水に分散剤、増粘剤等を加え、SBRなどのラテックスで活物質をスラリー化してもよい。塗布方法としては、例えば、アプリケータロールなどのローラコーティング、スクリーンコーティング、ドクターブレイド方式、スピンコーティング、バーコータなどが挙げられ、これらのいずれかを用いて任意の厚さ・形状とすることができる。集電体は、活物質の電位などに応じて適宜選択すればよいが、例えば、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、銅、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラスなどのほか、接着性、導電性及び耐酸化性向上の目的で、アルミニウムや銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀などで処理したものを用いることができる。これらについては、表面を酸化処理することも可能である。集電体の形状については、箔状、フィルム状、シート状、ネット状、パンチ又はエキスパンドされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の形成体などが挙げられる。集電体の厚さは、例えば1~500μmのものが用いられる。活物質複合体の形成量は、蓄電デバイスに求められる所望の性能に応じて適宜設定すればよい。 The electricity storage device electrode may be formed by forming the above-described porous silicon material on a current collector and adhering it to the current collector. This electrode is produced by mixing a porous silicon material with a conductive material, a binder, and a solvent as necessary, making a paste, and applying the porous silicon material on a current collector. It can be produced by a process of mixing with a binder and crimping onto a current collector. In this electrode, the content of the porous silicon material is preferably larger, preferably 70% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, and even more preferably 85% by mass or more. The conductive material is not particularly limited as long as it is an electronically conductive material that does not adversely affect battery performance. One or a mixture of two or more of black, carbon whiskers, needle coke, carbon fibers, metals (copper, nickel, aluminum, silver, gold, etc.) can be used. The binder plays a role of binding the active material particles and the conductive material particles, and is, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), fluorine-containing resin such as fluororubber, polypropylene, Thermoplastic resins such as polyethylene, ethylene propylene diene rubber (EPDM), sulfonated EPDM rubber, natural butyl rubber (NBR) and the like can be used alone or as a mixture of two or more. Cellulose-based or styrene-butadiene rubber (SBR) aqueous dispersions, which are water-based binders, can also be used. Examples of solvents that can be used include organic solvents such as N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, methylethylketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethylenetriamine, N,N-dimethylaminopropylamine, ethylene oxide, and tetrahydrofuran. . Alternatively, a dispersant, a thickener, or the like may be added to water, and the active material may be slurried with a latex such as SBR. Application methods include, for example, roller coating such as applicator roll, screen coating, doctor blade method, spin coating, and bar coater, and any thickness and shape can be obtained using any of these methods. The current collector may be appropriately selected depending on the potential of the active material, and examples thereof include aluminum, titanium, stainless steel, nickel, iron, copper, calcined carbon, conductive polymer, conductive glass, etc. For the purpose of improving adhesion, electrical conductivity and oxidation resistance, it is possible to use aluminum, copper or the like whose surface has been treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like. For these, it is also possible to oxidize the surface. Examples of the shape of the current collector include foil, film, sheet, net, punched or expanded, lath, porous, foam, and fiber group formed bodies. The current collector used has a thickness of, for example, 1 to 500 μm. The amount of the active material complex formed may be appropriately set according to the desired performance required for the electricity storage device.

この電極において、電極活物質は、低拘束圧と容量維持率との両立が可能な範囲において、多孔質シリコン材料に加えて、多孔質シリコン材料以外の活物質が含まれていてもよい。例えば、電極活物質として、炭素質材料やLi4Cr512などが含まれていてもよい。ただし、電池容量を一層増大させる観点から、電極活物質全体を100質量%として、例えば、多孔質シリコン材料が50質量%以上、好ましくは90質量%以上を占めることが好ましい。 In this electrode, the electrode active material may contain, in addition to the porous silicon material, an active material other than the porous silicon material within a range in which both the low confining pressure and the capacity retention rate can be achieved. For example, the electrode active material may contain a carbonaceous material, Li 4 Cr 5 O 12 , or the like. However, from the viewpoint of further increasing the battery capacity, the porous silicon material preferably accounts for 50% by mass or more, preferably 90% by mass or more, for example, when the entire electrode active material is 100% by mass.

(蓄電デバイス)
本開示の蓄電デバイスは、上述した多孔質シリコン材料を有する電極を備えたものである。この蓄電デバイスは、正極と、負極と、正極及び負極の間に介在しキャリアイオンを伝導するイオン伝導媒体と、を備えたものとしてもよい。多孔質シリコン材料は、負極活物質として用いることができる。この蓄電デバイスは、リチウムイオン二次電池、ハイブリッドキャパシタ、空気電池などのうちいずれかであるものとしてもよい。正極において、正極活物質としては、遷移金属元素を含む硫化物や、リチウムと遷移金属元素とを含む酸化物などを用いることができる。具体的には、CrS2、CrS3、MoS3、FeS2などの遷移金属硫化物、基本組成式をLi(1-x)MnO2(0<x<1など、以下同じ)やLi(1-x)Mn24などとするリチウムマンガン複合酸化物、基本組成式をLi(1-x)CoO2などとするリチウムコバルト複合酸化物、基本組成式をLi(1-x)NiO2などとするリチウムニッケル複合酸化物、基本組成式をLi(1-x)NiaCobMnc2(a+b+c=1)などとするリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物、基本組成式をLiV23などとするリチウムバナジウム複合酸化物、基本組成式をV25などとする遷移金属酸化物などを用いることができる。これらのうち、リチウムの遷移金属複合酸化物、例えば、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、Li(1-x)Ni1/3Co1/3Mn1/32などが好ましい。なお、「基本組成式」とは、AlやMgなど他の元素を含んでもよい趣旨である。あるいは、正極活物質は、キャパシタやリチウムイオンキャパシタなどに用いられている炭素質材料としてもよい。炭素質材料としては、例えば、活性炭類、コークス類、ガラス状炭素類、黒鉛類、難黒鉛化性炭素類、熱分解炭素類、炭素繊維類、カーボンナノチューブ類、ポリアセン類などが挙げられる。このうち、高比表面積を示す活性炭類が好ましい。炭素質材料としての活性炭は、比表面積が1000m2/g以上であることが好ましく、1500m2/g以上であることがより好ましい。比表面積が1000m2/g以上では、放電容量をより高めることができる。この活性炭の比表面積は、作製の容易性から3000m2/g以下であることが好ましく、2000m2/g以下であることがより好ましい。正極に用いられる導電材や結着材、溶媒、集電体などは、上述した電極で例示したものを適宜利用することができる。
(storage device)
The power storage device of the present disclosure includes an electrode having the porous silicon material described above. The electricity storage device may include a positive electrode, a negative electrode, and an ion-conducting medium that is interposed between the positive electrode and the negative electrode and conducts carrier ions. A porous silicon material can be used as a negative electrode active material. This power storage device may be any one of a lithium ion secondary battery, a hybrid capacitor, an air battery, and the like. In the positive electrode, a sulfide containing a transition metal element, an oxide containing lithium and a transition metal element, or the like can be used as a positive electrode active material. Specifically, transition metal sulfides such as CrS 2 , CrS 3 , MoS 3 and FeS 2 , and basic compositional formulas such as Li (1-x) MnO 2 (0<x<1, etc., hereinafter the same) and Li (1 -x) Lithium-manganese composite oxides such as Mn 2 O 4 , Lithium-cobalt composite oxides such as Li (1-x) CoO 2 with a basic composition formula, Li (1-x) NiO 2 with a basic composition formula, etc. a lithium-nickel composite oxide having a basic composition formula of Li (1-x) Ni a Co b Mn c O 2 (a+b+c=1) or the like, a basic composition formula of LiV 2 O 3 Lithium vanadium composite oxides such as V 2 O 5 , transition metal oxides having a basic composition formula of V 2 O 5 , and the like can be used. Among these, transition metal composite oxides of lithium such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 and Li (1-x) Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 are preferred. The term "basic composition formula" means that other elements such as Al and Mg may be included. Alternatively, the positive electrode active material may be a carbonaceous material used in capacitors, lithium ion capacitors, and the like. Carbonaceous materials include, for example, activated carbons, cokes, vitreous carbons, graphites, non-graphitizable carbons, pyrolytic carbons, carbon fibers, carbon nanotubes, and polyacenes. Among these, activated carbons exhibiting a high specific surface area are preferred. The activated carbon as the carbonaceous material preferably has a specific surface area of 1000 m 2 /g or more, more preferably 1500 m 2 /g or more. When the specific surface area is 1000 m 2 /g or more, the discharge capacity can be further increased. The specific surface area of this activated carbon is preferably 3000 m 2 /g or less, more preferably 2000 m 2 /g or less, for ease of production. As the conductive material, binder, solvent, current collector, and the like used for the positive electrode, those exemplified for the electrode described above can be appropriately used.

イオン伝導媒体としては、支持塩を含む非水系電解液や非水系ゲル電解液などを用いることができる。非水電解液の溶媒としては、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ニトリル類、フラン類、スルホラン類及びジオキソラン類などが挙げられ、これらを単独又は混合して用いることができる。具体的には、カーボネート類としてエチレンカーボネートやプロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネートなどの環状カーボネート類や、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチル-n-ブチルカーボネート、メチル-t-ブチルカーボネート、ジ-i-プロピルカーボネート、t-ブチル-i-プロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート類、γ-ブチルラクトン、γ-バレロラクトンなどの環状エステル類、ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酪酸メチルなどの鎖状エステル類、ジメトキシエタン、エトキシメトキシエタン、ジエトキシエタンなどのエーテル類、アセトニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル類、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフラン、などのフラン類、スルホラン、テトラメチルスルホランなどのスルホラン類、1,3-ジオキソラン、メチルジオキソランなどのジオキソラン類などが挙げられる。このうち、環状カーボネート類と鎖状カーボネート類との組み合わせが好ましい。この組み合わせによると、充放電の繰り返しでの電池特性を表すサイクル特性が優れているばかりでなく、電解液の粘度、得られる電池の電気容量、電池出力などをバランスの取れたものとすることができる。支持塩は、例えば、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO22、LiC(CF3SO23、LiSbF6、LiSiF6、LiAlF4、LiSCN、LiClO4、LiCl、LiF、LiBr、LiI、LiAlCl4などが挙げられる。このうち、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4などの無機塩、及びLiCF3SO3、LiN(CF3SO22、LiC(CF3SO23などの有機塩からなる群より選ばれる1種又は2種以上の塩を組み合わせて用いることが電気特性の点から見て好ましい。この支持塩は、非水電解液中の濃度が0.1mol/L以上5mol/L以下であることが好ましく、0.5mol/L以上2mol/L以下であることがより好ましい。支持塩を溶解する濃度が0.1mol/L以上では、十分な電流密度を得ることができ、5mol/L以下では、電解液をより安定させることができる。また、この非水電解液には、リン系、ハロゲン系などの難燃剤を添加してもよい。 A non-aqueous electrolytic solution containing a supporting salt, a non-aqueous gel electrolytic solution, or the like can be used as the ion-conducting medium. Examples of the solvent for the non-aqueous electrolyte include carbonates, esters, ethers, nitriles, furans, sulfolanes and dioxolanes, and these can be used alone or in combination. Specifically, the carbonates include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, vinylene carbonate, butylene carbonate, and chloroethylene carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl-n-butyl carbonate, methyl-t -chain carbonates such as butyl carbonate, di-i-propyl carbonate and t-butyl-i-propyl carbonate, cyclic esters such as γ-butyl lactone and γ-valerolactone, methyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, Chain esters such as methyl butyrate; ethers such as dimethoxyethane, ethoxymethoxyethane, and diethoxyethane; nitriles such as acetonitrile and benzonitrile; furans such as tetrahydrofuran and methyltetrahydrofuran; Dioxolanes such as sulfolanes, 1,3-dioxolane, and methyldioxolane are included. Among these, a combination of cyclic carbonates and chain carbonates is preferred. According to this combination, not only is the cycle characteristic, which represents the battery characteristics in repeated charging and discharging, excellent, but also the viscosity of the electrolytic solution, the resulting electric capacity of the battery, the battery output, etc. can be well-balanced. can. The supporting salt is, for example, LiPF6 , LiBF4 , LiAsF6 , LiCF3SO3, LiN( CF3SO2 ) 2 , LiC( CF3SO2 ) 3 , LiSbF6, LiSiF6 , LiAlF4 , LiSCN , LiClO 4 , LiCl, LiF, LiBr, LiI, LiAlCl4 and the like. Among them, from the group consisting of inorganic salts such as LiPF6 , LiBF4 , LiAsF6 and LiClO4 , and organic salts such as LiCF3SO3 , LiN( CF3SO2 ) 2 and LiC( CF3SO2 ) 3 From the viewpoint of electrical properties, it is preferable to use one selected salt or a combination of two or more selected salts. The concentration of the supporting salt in the non-aqueous electrolyte is preferably 0.1 mol/L or more and 5 mol/L or less, more preferably 0.5 mol/L or more and 2 mol/L or less. When the supporting electrolyte is dissolved in a concentration of 0.1 mol/L or more, a sufficient current density can be obtained, and when it is 5 mol/L or less, the electrolytic solution can be made more stable. In addition, a phosphorus-based or halogen-based flame retardant may be added to the non-aqueous electrolyte.

また、液状のイオン伝導媒体の代わりに、固体のイオン伝導性ポリマーをイオン伝導媒体として用いることもできる。イオン伝導性ポリマーとしては、例えば、アクリロニトリル、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、メチルメタクリレート、ビニルアセテート、ビニルピロリドン、フッ化ビニリデンなどのポリマーと支持塩とで構成されるポリマーゲルを用いることができる。更に、イオン伝導性ポリマーと非水系電解液とを組み合わせて用いることもできる。また、イオン伝導媒体としては、イオン伝導性ポリマーのほか、無機固体電解質あるいは有機ポリマー電解質と無機固体電解質の混合材料、若しくは有機バインダーによって結着された無機固体粉末などを利用することができる。 A solid ion-conducting polymer can also be used as the ion-conducting medium instead of the liquid ion-conducting medium. As the ion conductive polymer, for example, a polymer gel composed of a polymer such as acrylonitrile, ethylene oxide, propylene oxide, methyl methacrylate, vinyl acetate, vinylpyrrolidone, and vinylidene fluoride and a supporting salt can be used. Furthermore, an ion conductive polymer and a non-aqueous electrolytic solution can be used in combination. As the ion conducting medium, in addition to the ion conducting polymer, an inorganic solid electrolyte, a mixed material of an organic polymer electrolyte and an inorganic solid electrolyte, or an inorganic solid powder bound by an organic binder can be used.

蓄電デバイスは、負極と正極との間にセパレータを備えていてもよい。セパレータとしては、リチウム二次電池の使用範囲に耐えうる組成であれば特に限定されないが、例えば、ポリプロピレン製不織布やポリフェニレンスルフィド製不織布などの高分子不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂の薄い微多孔膜が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。 The electricity storage device may include a separator between the negative electrode and the positive electrode. The separator is not particularly limited as long as it has a composition that can withstand the range of use of the lithium secondary battery. Porous membranes are mentioned. These may be used alone, or may be used in combination.

この蓄電デバイスの形状は、特に限定されないが、例えばコイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型などが挙げられる。また、電気自動車等に用いる大型のものなどに適用してもよい。図9は、蓄電デバイス10の構造の一例を示す説明図である。この蓄電デバイス10は、正極12と、負極15と、イオン伝導媒体18とを有する。正極12は、正極活物質13と、集電体14とを有する。負極15は、負極活物質16と、集電体17とを有する。負極活物質16は、上述した多孔質シリコン材料21であり、空隙23を有する。 The shape of the electricity storage device is not particularly limited, and examples thereof include coin-shaped, button-shaped, sheet-shaped, laminated, cylindrical, flat, and rectangular shapes. Also, it may be applied to a large-sized one used for an electric vehicle or the like. FIG. 9 is an explanatory diagram showing an example of the structure of the electricity storage device 10. As shown in FIG. This electricity storage device 10 has a positive electrode 12 , a negative electrode 15 and an ion conducting medium 18 . The positive electrode 12 has a positive electrode active material 13 and a current collector 14 . The negative electrode 15 has a negative electrode active material 16 and a current collector 17 . The negative electrode active material 16 is the above-described porous silicon material 21 and has voids 23 .

この蓄電デバイスは、充放電サイクルを行った際の容量維持率がより高いことが好ましく、例えば、10サイクルでの容量維持率が95%以上が好ましく、97.5%以上がより好ましく、98%以上であることが更に好ましい。 This electricity storage device preferably has a higher capacity retention rate when subjected to charge-discharge cycles. For example, the capacity retention rate in 10 cycles is preferably 95% or more, more preferably 97.5% or more, and 98%. It is more preferable that it is above.

(全固体リチウムイオン二次電池)
この蓄電デバイスは、全固体リチウムイオン二次電池とすることが好ましい。全固体電池では、電解液による性能の変化をより抑制することができ、更に安全性を高めることができ好ましい。この全固体リチウムイオン二次電池は、正極活物質を含む正極と、上述した蓄電デバイス用電極である負極と、正極と負極との間に介在しリチウムイオンを伝導する固体電解質と、を備えたものとしてもよい。正極は、上述した蓄電デバイスに示したいずれかを用いることができる。また、負極は、上述した蓄電デバイス用電極を用いることができる。
(all solid state lithium ion secondary battery)
This electric storage device is preferably an all-solid lithium ion secondary battery. The all-solid-state battery is preferable because it is possible to further suppress changes in performance due to the electrolytic solution and to further improve safety. This all-solid-state lithium-ion secondary battery includes a positive electrode containing a positive electrode active material, a negative electrode that is the above-described electricity storage device electrode, and a solid electrolyte that is interposed between the positive electrode and the negative electrode and conducts lithium ions. It can be a thing. For the positive electrode, any one of the power storage devices described above can be used. Moreover, the electrode for electrical storage devices mentioned above can be used for a negative electrode.

固体電解質は、例えば、LiとLaとZrと少なくとも含むガーネット型酸化物としてもよい。この固体電解質は、基本組成がLi7.0+x-y(La3-x,Ax)(Zr2-y,Ty)O12であるものとしてもよい。但し、AはSr、Caのうち1種以上であり、TはNb、Taのうち1種以上であり、0<x≦1.0、0<y<0.75を満たすものである。あるいは、固体電解質は、基本組成(Li7-3z+x-yz)(La3-xx)(Zr2-yy)O12や、(Li7-3z+x-yz)(La3-xx)(Y2-yy)O12で表されるガーネット型酸化物であるものとしてもよい。但し、式中、元素MはAl,Gaのうち1以上、元素AはCa,Srのうち1以上、TはNb,Taのうち1以上であり、0≦z≦0.2、0≦x≦0.2、0≦y≦2であるものとしてもよい。この基本組成式において、0.05≦z≦0.1を満たすことがより好ましい。この基本組成式において、0.05≦x≦0.1を満たすことがより好ましい。また、この基本組成式において、0.1≦y≦0.8を満たすことがより好ましい。このような範囲では、イオン伝導度をより好適なものとすることができる。 The solid electrolyte may be, for example, a garnet-type oxide containing at least Li, La and Zr. This solid electrolyte may have a basic composition of Li7.0 +xy (La3 -x , Ax )(Zr2 -y , Ty ) O12 . However, A is at least one of Sr and Ca, and T is at least one of Nb and Ta, satisfying 0<x≦1.0 and 0<y<0.75. Alternatively, the solid electrolyte has a basic composition of ( Li7-3z+xyMz ) ( La3-xAx ) ( Zr2-yTy ) O12 or ( Li7-3z+xyMz ) (La 3- xA x )(Y 2-y T y )O 12 may be a garnet-type oxide. However, in the formula, element M is one or more of Al and Ga, element A is one or more of Ca and Sr, T is one or more of Nb and Ta, and 0 ≤ z ≤ 0.2, 0 ≤ x ≤0.2, 0≤y≤2. In this basic composition formula, it is more preferable to satisfy 0.05≦z≦0.1. In this basic composition formula, it is more preferable to satisfy 0.05≦x≦0.1. Moreover, in this basic composition formula, it is more preferable to satisfy 0.1≦y≦0.8. Within such a range, the ionic conductivity can be made more suitable.

あるいは、固体電解質としては、例えば、一般的な、Li3N、LISICONと呼ばれるLi14Zn(GeO44、硫化物のLi3.25Ge0.250.754、ペロブスカイト型のLa0.5Li0.5CrO3、(La2/3Li3x1/3-2x)CrO3(□:原子空孔)、ガーネット型のLi7La3Zr212、NASICON型と呼ばれるLiCr2(PO43、Li1.30.3Cr1.7(PO34(M=Sc,Al)などが挙げられる。また、ガラスセラミックスである80Li2S・20P25(mol%)組成のガラスから得られたLi7311、さらに硫化物系で高い導電率を持つ物質であるLi10Ge2PS2なども挙げられる。ガラス系無機固体電解質ではLi2S-SiS2、Li2S-SiS2-LiI、Li2S-SiS2-Li3PO4、Li2S-SiS2-Li4SiO4、Li2S-P25、Li3PO4-Li4SiO4、Li3BO4-Li4SiO4、そしてSiO2、GeO2、B23、P25をガラス系物質としてLi2Oを網目修飾物質とするものなどが挙げられる。また、チオリシコン固体電解質としてLi2S-GeS2系、Li2S-GeS2-ZnS系、Li2S-Ga22系、Li2S-GeS2-Ga23系、Li2S-GeS2-P25系、Li2S-GeS2-SbS5系、Li2S-GeS2-Al23系、Li2S-SiS2系、Li2S-P25系、Li2S-Al23系、LiS-SiS2-Al23系、Li2S-SiS2-P25系などが挙げられる。これらの固体電解質は、板状に形成して正極と負極との間に配置するものとしてもよい。 Alternatively, as the solid electrolyte, for example, general Li 3 N, Li 14 Zn(GeO 4 ) 4 called LISICON, sulfide Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 , perovskite La 0.5 Li 0.5 CrO 3 , (La 2/3 Li 3x1/3-2x )CrO 3 (□: atomic vacancies), garnet-type Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , NASICON-type LiCr 2 (PO 4 ) 3 , Li 1.3M0.3Cr1.7 ( PO3 ) 4 (M=Sc, Al) and the like . In addition, Li 7 P 3 S 11 obtained from glass having a composition of 80Li 2 S·20P 2 S 5 (mol %), which is a glass-ceramic, and Li 10 Ge 2 PS, which is a sulfide-based substance with high electrical conductivity. 2 are also mentioned. Li 2 S--SiS 2 , Li 2 S--SiS 2 --LiI, Li 2 S--SiS 2 --Li 3 PO 4 , Li 2 S--SiS 2 --Li 4 SiO 4 , and Li 2 S-- as glass-based inorganic solid electrolytes. P 2 S 5 , Li 3 PO 4 —Li 4 SiO 4 , Li 3 BO 4 —Li 4 SiO 4 , and SiO 2 , GeO 2 , B 2 O 3 , and P 2 O 5 as glass-based materials, and Li 2 O Examples include those used as network modifiers. Li 2 S--GeS 2 system, Li 2 S--GeS 2 --ZnS system, Li 2 S--Ga 2 S 2 system, Li 2 S--GeS 2 --Ga 2 S 3 system, and Li 2 S as thiolysicone solid electrolytes. -GeS2- P2S5 system , Li2S - GeS2 - SbS5 system , Li2S - GeS2 - Al2S3 system, Li2S - SiS2 system, Li2SP2S5 system, Li 2 S--Al 2 S 3 system, LiS--SiS 2 --Al 2 S 3 system, and Li 2 S--SiS 2 --P 2 S 5 system. These solid electrolytes may be formed in a plate shape and arranged between the positive electrode and the negative electrode.

また、全固体リチウムイオン二次電池は、正極、固体電解質及び負極を積層した積層体を積層方向に対して拘束する拘束部材を備えるものとしてもよい。この拘束部材は、例えば、積層体の積層方向の両端側から積層体を挟む1対の板状部と、1対の板状部を連結する棒状部と、棒状部に連結されネジ構造等によって1対の板状部の間隔を調整する調整部とを備えるものとしてもよい。 Further, the all-solid-state lithium ion secondary battery may be provided with a restraining member that restrains the laminate in which the positive electrode, the solid electrolyte, and the negative electrode are laminated in the stacking direction. This restraining member includes, for example, a pair of plate-like portions that sandwich the laminate from both ends in the stacking direction of the laminate, a rod-like portion that connects the pair of plate-like portions, and a screw structure that is connected to the rod-like portions. An adjusting portion for adjusting the interval between the pair of plate-like portions may also be provided.

以上詳述したように、本開示は、Siを含む材料において、充放電特性の低下をより抑制することができる。このような効果が得られる理由は以下のように推察される。例えば、Al-Si-Crの三元系合金からAlを含む化合物を除去することによって、ナノサイズの細孔を有し、ナノサイズのSiCr化合物で骨格を強化された高強度の多孔質シリコン材料を容易に多量生産することができる。ナノ細孔は、充放電時のシリコンの膨張、収縮に伴う応力を緩和する。同時に、シリコン骨格中にキャリアイオンに対して不活性なSiCr化合物を導入することで骨格強度を向上させ充放電時の膨張、収縮に伴う応力でシリコンの細孔構造が潰れるのを防ぐことができるため、充放電サイクル特性を改善することができる。また、AlSi合金にCrを添加することによって、同様のAlSi二元系合金を急冷凝固、酸処理して作製した多孔質シリコンと比べて、細孔サイズを微細化することができるため、残留応力による細孔構造の潰れ抑制効果を向上することができる。 As described in detail above, the present disclosure can further suppress deterioration in charge-discharge characteristics in materials containing Si. The reason why such an effect is obtained is presumed as follows. For example, a high-strength porous silicon material having nano-sized pores and having a skeleton reinforced with a nano-sized SiCr compound by removing Al-containing compounds from an Al-Si-Cr ternary alloy. can be easily mass-produced. The nanopores relax the stress associated with the expansion and contraction of silicon during charging and discharging. At the same time, by introducing an SiCr compound that is inert to carrier ions into the silicon skeleton, the strength of the skeleton can be improved, and the pore structure of silicon can be prevented from being crushed by the stress associated with expansion and contraction during charging and discharging. Therefore, charge-discharge cycle characteristics can be improved. In addition, by adding Cr to the AlSi alloy, the pore size can be made finer than the porous silicon produced by rapidly solidifying and acid-treating a similar AlSi binary alloy, so residual stress It is possible to improve the effect of suppressing collapse of the pore structure by.

なお、本開示は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It goes without saying that the present disclosure is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various forms as long as they fall within the technical scope of the present disclosure.

以下には、本開示の多孔質シリコンおよび蓄電デバイスを具体的に作製した例を実験例として説明する。実験例1~13が本開示の実施例であり、実験例14~17が比較例である。 Hereinafter, specific examples of fabricating the porous silicon and the electricity storage device of the present disclosure will be described as experimental examples. Experimental Examples 1-13 are examples of the present disclosure, and Experimental Examples 14-17 are comparative examples.

[多孔質シリコン材料の作製]
(実験例1、2)
Al、SiおよびCrの原料を基本組成式Al100-x-ySixCry(x=10~40、y=2~15)の組成になる様に秤量し、アーク溶融炉で溶融した。溶融前にアーク溶融炉内は8×10-3Pa以下まで減圧後、Arガス置換した。母合金の作製には、原料粉末の溶融が必要であり、均一な試料を作製するために高周波溶融を行った。得られた母合金をAr雰囲気中で1000~1300℃に加熱して溶融し、ガスアトマイズ法を用いて102K/sec以上の速度で急冷凝固処理しAlSiCr合金粉末を得た(前駆体工程)。得られた合金を3Nの塩酸水溶液に浸漬し、50℃で5時間処理して、Alを選択除去した。残差をろ過フィルターに移し、加圧濾過法により処理後の酸を除去した後で、蒸留水で4回以上洗浄し、同様の加圧濾過法で洗浄水を除去して多孔質シリコンを得た(多孔化工程)。上記基本組成式のx=25、y=3とする母合金組成Al72Si25Cr3から得られた多孔質シリコン材料を実験例1とした。また、x=30、y=7.5とする母合金組成Al62.5Si30Cr7.5から得られた多孔質シリコン材料を実験例2とした。
[Preparation of porous silicon material]
(Experimental Examples 1 and 2)
Raw materials of Al, Si and Cr were weighed so as to have a composition of the basic composition formula Al 100-xy Si x Cr y (x=10-40, y=2-15) and melted in an arc melting furnace. Before melting, the inside of the arc melting furnace was evacuated to 8×10 -3 Pa or less and then replaced with Ar gas. The production of the mother alloy requires melting of the raw material powder, and high-frequency melting was performed to produce a uniform sample. The obtained mother alloy was heated to 1000 to 1300° C. in an Ar atmosphere to melt, and was subjected to rapid solidification at a rate of 102 K/sec or higher using gas atomization to obtain AlSiCr alloy powder (precursor step). The obtained alloy was immersed in a 3N hydrochloric acid aqueous solution and treated at 50° C. for 5 hours to selectively remove Al. The residue is transferred to a filtration filter, and after removing the acid after treatment by pressure filtration, it is washed with distilled water four times or more, and the washing water is removed by the same pressure filtration method to obtain porous silicon. (Porosification step). A porous silicon material obtained from the master alloy composition Al 72 Si 25 Cr 3 where x=25 and y=3 in the above basic composition formula was used as Experimental Example 1. Experimental Example 2 is a porous silicon material obtained from a master alloy composition of Al 62.5 Si 30 Cr 7.5 with x=30 and y=7.5.

(実験例3~13)
上記基本組成式のx=15、y=5とする母合金組成から、単ロール法で急冷凝固後に、酸処理で多孔化した以外は実験例1と同様の工程を経て得られた多孔質シリコン材料を実験例3とした。上記基本組成式のx=15、y=7.5とする母合金組成から実験例3と同様の工程を経て得られた多孔質シリコン材料を実験例4とした。上記基本組成式のx=15、y=10とする母合金組成から実験例3と同様の工程を経て得られた多孔質シリコン材料を実験例5とした。また、上記基本組成式のx=20、y=5とする母合金組成から実験例3と同様の工程を経て得られた多孔質シリコン材料を実験例6とした。上記基本組成式のx=20、y=10とする母合金組成から実験例3と同様の工程を経て得られた多孔質シリコン材料を実験例7とした。上記基本組成式のx=20、y=12.5とする母合金組成から実験例3と同様の工程を経て得られた多孔質シリコン材料を実験例8とした。また、上記基本組成式のx=25、y=5とする母合金組成から実験例3と同様の工程を経て得られた多孔質シリコン材料を実験例9とした。上記基本組成式のx=25、y=10とする母合金組成から実験例3と同様の工程を経て得られた多孔質シリコン材料を実験例10とした。上記基本組成式のx=25、y=12.5とする母合金組成から実験例3と同様の工程を経て得られた多孔質シリコン材料を実験例11とした。また、上記基本組成式のx=12、y=3とする母合金組成から実験例3と同様の工程を経て得られた多孔質シリコン材料を実験例12とした。上記基本組成式のx=18、y=3とする母合金組成から実験例3と同様の工程を経て得られた多孔質シリコン材料を実験例13とした。
(Experimental Examples 3 to 13)
Porous silicon obtained through the same steps as in Experimental Example 1 except that the mother alloy composition of x = 15 and y = 5 in the above basic composition formula was rapidly solidified by a single roll method and then made porous by acid treatment. Experimental Example 3 was used as the material. Experimental Example 4 is a porous silicon material obtained through the same steps as in Experimental Example 3 from the master alloy composition where x=15 and y=7.5 in the above basic composition formula. Experimental Example 5 is a porous silicon material obtained from a master alloy composition of x=15 and y=10 in the above basic composition formula through the same steps as in Experimental Example 3. Experimental Example 6 is a porous silicon material obtained by performing the same steps as in Experimental Example 3 from the master alloy composition where x=20 and y=5 in the above basic composition formula. Experimental Example 7 is a porous silicon material obtained by performing the same steps as in Experimental Example 3 from the master alloy composition where x=20 and y=10 in the above basic composition formula. Experimental Example 8 is a porous silicon material obtained through the same process as in Experimental Example 3 from the master alloy composition where x=20 and y=12.5 in the above basic composition formula. Experimental Example 9 is a porous silicon material obtained through the same process as in Experimental Example 3 from the master alloy composition of x=25 and y=5 in the above basic composition formula. Experimental Example 10 is a porous silicon material obtained through the same process as in Experimental Example 3 from the master alloy composition of x=25 and y=10 in the above basic composition formula. Experimental Example 11 is a porous silicon material obtained from a master alloy composition of x=25 and y=12.5 in the above basic composition formula through the same steps as in Experimental Example 3. Experimental Example 12 is a porous silicon material obtained from a master alloy composition of x=12 and y=3 in the above basic composition formula through the same steps as in Experimental Example 3. Experimental Example 13 is a porous silicon material obtained through the same process as in Experimental Example 3 from the master alloy composition of x=18 and y=3 in the above basic composition formula.

(実験例14~17)
二元系の基本組成式Al100-xSixのx=12とする母合金組成Al88Si12をガスアトマイズにて急冷凝固したのち、酸処理多孔化するという、実験例1と同様の工程を経て得られた多孔質シリコン材料を実験例14とした。二元系の基本組成式のx=20とする母合金組成から実験例14と同様の工程を経て得られた多孔質シリコン材料を実験例15とした。二元系の基本組成式のx=26とする母合金組成から実験例14と同様の工程を経て得られた多孔質シリコン材料を実験例16とした。また、平均粒径が5μmのSi粉末を実験例17とした。
(Experimental Examples 14-17)
The same process as in Experimental Example 1 was carried out, in which the master alloy composition Al 88 Si 12 with x=12 in the binary basic composition formula Al 100-x Si x was rapidly solidified by gas atomization and then acid-treated to make it porous. The porous silicon material thus obtained was designated as Experimental Example 14. Experimental example 15 is a porous silicon material obtained through the same process as in experimental example 14 from a master alloy composition of x=20 in the binary basic composition formula. Experimental example 16 is a porous silicon material obtained through the same process as in experimental example 14 from a master alloy composition of x=26 in the binary basic composition formula. Experimental Example 17 is Si powder having an average particle size of 5 μm.

(多孔質シリコン材料の物性測定)
酸処理後の多孔質シリコン粉末を走査電子顕微鏡(SEM,HITACHI製S-4300)およびエネルギー分散型X線分析(EDAX,HITACHI製S-4300)で観察、元素分析を行った。また、X線回折装置(リガク社製RINT-TTR)を使用し、Cu管球で、2θ=10°~80°の範囲で、5°/分の速度でX線回折測定を行った。Si相、Al相、CrSi2相、Al13Cr4Si4相の各相の割合は、アルミナ標準物質を用いて各相のXRDピーク強度比から質量割合で計算した。また、水銀ポロシメータ(カンタクローム製POWERMASTER60GT)で細孔分布を測定した。酸処理後の多孔質シリコン粉末をHFとHNO3とで溶解し、ICP発光分光分析(ICP-OES,日立ハイテクサイエンス製PS3520UVDDII II)で元素分析を行った。
(Physical property measurement of porous silicon material)
The acid-treated porous silicon powder was observed by a scanning electron microscope (SEM, S-4300 manufactured by HITACHI) and energy dispersive X-ray analysis (EDAX, S-4300 manufactured by HITACHI), and subjected to elemental analysis. Also, using an X-ray diffraction apparatus (RINT-TTR manufactured by Rigaku Co., Ltd.), X-ray diffraction measurement was performed with a Cu tube at a rate of 5°/min in the range of 2θ=10° to 80°. The ratio of each phase of Si phase, Al phase, CrSi 2 phase, and Al 13 Cr 4 Si 4 phase was calculated as a mass ratio from the XRD peak intensity ratio of each phase using an alumina standard material. Also, the pore size distribution was measured with a mercury porosimeter (POWERMASTER 60GT manufactured by Quantachrome). The acid-treated porous silicon powder was dissolved in HF and HNO 3 and subjected to elemental analysis by ICP emission spectrometry (ICP-OES, Hitachi High-Tech Science PS3520UVDDII II).

図10は、実験例1の多孔質シリコンの断面の二次電子像(SEM像)である。図11は、実験例2の多孔質シリコンの断面の二次電子像(SEM像)である。シリコン化合物中のAlおよびAl合金相を酸で溶出させることにより、ボイドを形成し、多孔質シリコン粒子が得られることが分かった。 10 is a secondary electron image (SEM image) of the cross section of the porous silicon of Experimental Example 1. FIG. 11 is a secondary electron image (SEM image) of the cross section of the porous silicon of Experimental Example 2. FIG. It has been found that by eluting Al and Al alloy phases in the silicon compound with acid, voids are formed and porous silicon particles are obtained.

図12は、実験例1、2の酸処理前後のXRD測定結果である。なお、酸処理前の実験例1,2は、空気中、400℃で加熱処理した試料の測定結果を示し、酸処理後の実験例1、2は、空気中、200℃加熱処理した試料の測定結果を示した。実験例1、2の組成の母合金をガスアトマイズ法で急冷凝固した粉末では、XRDパターン中にAlとSiとの回折ピークしか確認されず、強化相はアモルファス状態で存在していること分かった。このアトマイズ粉末を400℃以上で加熱処理すると、図8に示すように、Al13Si4Cr4が結晶化し、平衡状態図から予想される生成相と一致した。また、酸処理後の試料においても、Siのみの回折ピークしか確認できなかったが、200℃以上で加熱処理することにより、強化相としてCrSi2相が結晶化するのが確認された。CrSi2は骨格の強化のために導入しているが、その割合が多すぎると、負極活物質であるSiの割合が少なくなるため容量が低下してしまう。これらの粉末試料に対して、αアルミナを標準試料として加えて含有相の割合を定量評価したところ、酸処理により多孔化した実験例1、2のSi含有量は、それぞれ76質量%および58質量%であった。また、強化相CrSi2の割合は、それぞれ24質量%および42質量%であった。Al13Si4Cr4は酸処理後の試料中には確認されず、酸処理で溶解したものと推察された。このように、急冷後の状態で強化相がアモルファス状態の場合もあったが、加熱処理しない状態でも強化相が結晶化している場合もあった。なお、この例では、相同定のために加熱処理を行っているが、強化相がアモルファス状態の場合でも骨格補強効果が確認できるため、負極材として、特に加熱処理は必要はない。ただし、加熱処理でSiの結晶性が向上することで電池特性が向上する可能性があるため加熱処理して使用してもよいものと推察された。 12 shows XRD measurement results before and after acid treatment in Experimental Examples 1 and 2. FIG. Experimental Examples 1 and 2 before acid treatment show the measurement results of samples heat-treated in air at 400°C, and Experimental Examples 1 and 2 after acid treatment show the results of samples heat-treated in air at 200°C. Measurement results are shown. In the powder obtained by rapidly solidifying the mother alloys of Experimental Examples 1 and 2 by gas atomization, only diffraction peaks of Al and Si were confirmed in the XRD pattern, indicating that the strengthening phase was present in an amorphous state. When this atomized powder was heat-treated at 400° C. or higher, Al 13 Si 4 Cr 4 was crystallized as shown in FIG. 8, matching the phase expected from the equilibrium diagram. Also, in the sample after the acid treatment, only the diffraction peak of Si was confirmed, but it was confirmed that the CrSi 2 phase crystallized as a strengthening phase by heat treatment at 200° C. or higher. CrSi 2 is introduced to strengthen the skeleton, but if the ratio is too high, the ratio of Si, which is the negative electrode active material, will decrease, resulting in a decrease in capacity. When α-alumina was added as a standard sample to these powder samples and the ratio of the contained phase was quantitatively evaluated, the Si contents of Experimental Examples 1 and 2, which were made porous by acid treatment, were 76% by mass and 58% by mass, respectively. %Met. Also, the proportions of the strengthening phase CrSi 2 were 24% and 42% by weight, respectively. Al 13 Si 4 Cr 4 was not confirmed in the sample after the acid treatment, and it was presumed that it was dissolved by the acid treatment. Thus, in some cases, the strengthening phase was amorphous after quenching, but in other cases, the strengthening phase was crystallized even without heat treatment. In this example, heat treatment is performed for phase identification, but since the skeleton reinforcing effect can be confirmed even when the strengthening phase is in an amorphous state, heat treatment is not particularly necessary for the negative electrode material. However, it was presumed that the heat treatment may improve the crystallinity of Si, thereby improving the battery characteristics, so that the heat treatment may be used.

図13は、実験例1、2、16の多孔質シリコン材料の細孔分布曲線である。母合金を急冷凝固後、酸処理で多孔化した試料に関して水銀ポロシメーターにより、細孔径分布を評価した。また、細孔径分布データ中の各サイズの細孔の体積分率の値から平均細孔径を求めた。一般に、多孔質材料の粉末には粒子内の細孔と粒子間の細孔が含まれるが、細孔径分布のデータでは、両者を区別することができない。本実施例では、酸処理前の試料と酸処理後の試料の細孔径分布のデータを比較することにより、粒子内の細孔と粒子間細孔とを区別した。実験例16の二元系合金では、粒子内細孔の分布ピークが100nm付近に存在し、平均細孔径が121nmであった。これに対して、Crを加えた実験例1,2では、細孔径の分布ピークの中心が30nm以下に移動し、平均細孔径も、35nm以下まで小さくなることが分かった。Siの充放電時の膨張・収縮変化を4倍に見積もると、満充電時の体積膨張を完全に緩和するためには75体積%以上の細孔が必要である。細孔率がこの値よりも小さくなると単位質量当たりのSi容量が向上するため好ましい。細孔率が75体積%よりも小さい場合、Siの含有量が多くなるため高容量となる一方、ある程度、体積膨張を緩和することもできる。 13 shows pore distribution curves of the porous silicon materials of Experimental Examples 1, 2 and 16. FIG. After rapid solidification of the master alloy, the pore size distribution was evaluated with a mercury porosimeter for samples made porous by acid treatment. Also, the average pore diameter was determined from the volume fraction of pores of each size in the pore diameter distribution data. In general, powders of porous materials contain pores within particles and pores between particles, but the data on the pore size distribution cannot distinguish between the two. In this example, intra-particle and inter-particle pores were distinguished by comparing pore size distribution data for samples before and after acid treatment. In the binary alloy of Experimental Example 16, the intraparticle pore distribution peak was present near 100 nm, and the average pore diameter was 121 nm. On the other hand, in Experimental Examples 1 and 2 in which Cr was added, it was found that the center of the pore size distribution peak shifted to 30 nm or less, and the average pore size also decreased to 35 nm or less. If the expansion/contraction change during charge/discharge of Si is estimated to be four times, pores of 75% by volume or more are required to completely mitigate the volume expansion during full charge. When the porosity is smaller than this value, the Si capacity per unit mass is improved, which is preferable. When the porosity is less than 75% by volume, the Si content increases, resulting in a high capacity, while at the same time reducing volume expansion to some extent.

更に、母合金組成が細孔構造や生成相に及ぼす影響に関して検討した結果を説明する。SiとCrSi2との生成量は母合金のSi量xとCr量yとの割合x/yによって変化する。負極容量に重要なSi含有量を把握するため、x/yの値を様々に変化させた母合金を作製し、単ロール法で急冷凝固後に、酸処理で多孔化した試料を作製した。表1に、x/yとSi含有量との関係をまとめた。図14は、実験例3~11のx/yに対するSi相含有量の関係図である。図14に示すように、Si含有量はSi量にも依存するが、x/yの値が小さくなるほどSi含有量は低下する傾向があることが分かった。Siの大きな電池容量を活かすためにはSi含有量が50質量%以上であることが好ましく、70質量%以上であることがより好ましいものと推察された。 Furthermore, the results of studies on the effect of master alloy composition on the pore structure and phases produced will be described. The amount of Si and CrSi 2 produced varies depending on the ratio x/y of the amount x of Si and the amount y of Cr in the master alloy. In order to grasp the Si content, which is important for the negative electrode capacity, master alloys with various x/y values were prepared. Table 1 summarizes the relationship between x/y and the Si content. FIG. 14 is a relationship diagram of the Si phase content with respect to x/y in Experimental Examples 3-11. As shown in FIG. 14, it was found that the Si content tends to decrease as the value of x/y decreases, although the Si content also depends on the Si content. In order to make the most of the large battery capacity of Si, the Si content is preferably 50% by mass or more, and was presumed to be more preferably 70% by mass or more.

また、表1には、酸処理後の試料の色から求めた酸化性についても示した。これらの実験例3~13の多孔体に関してXRDで同定できたのはSiとCrSi2のみであった。一般にSiの粉末は黒からこげ茶色である。一方、CrSi2は銀色の金属間化合物であり、その粉末は黒色を呈している。x/yが3以上である場合は、作製した試料の色は、シリコンと同じこげ茶色であった。他方、x/yが3よりも小さくなると試料の色が白~薄灰色に変化した。このことは、XRDでは検出できないアモルファス状態の酸化物相が試料中に含まれていることを示唆している。ICPによる組成分析の結果、これらの試料には25~50at%の酸素が含まれることが分かった。酸化物が混入すると単位質量当たりのSiの実電池容量が低下するため好ましくない。即ち、x/yに関しては3以上がより好ましい。他方、x/yの値を変化させても平均細孔径の大きさはあまり変化せず、40~60nm程度であることが分かった。 Table 1 also shows the oxidizability determined from the color of the sample after acid treatment. Only Si and CrSi 2 could be identified by XRD in the porous bodies of Experimental Examples 3-13. Generally, Si powder is black to dark brown. On the other hand, CrSi 2 is a silvery intermetallic compound and its powder is black. When x/y was 3 or more, the color of the prepared sample was dark brown like silicon. On the other hand, when x/y was less than 3, the color of the sample changed from white to light gray. This suggests that the sample contains an amorphous oxide phase that cannot be detected by XRD. As a result of composition analysis by ICP, it was found that these samples contained 25 to 50 at % of oxygen. If an oxide is mixed in, the actual battery capacity of Si per unit mass is lowered, which is not preferable. That is, x/y is more preferably 3 or more. On the other hand, even when the value of x/y was changed, the average pore size did not change much, and was found to be about 40 to 60 nm.

更に、実験例1~13の多孔質シリコン材料に対して、EDXで組成分析を行った。上述したように、x/yが小さい試料では、酸素を多く含むが、ここでは、多孔体中の酸素を除いた元素、即ち、Si,Cr,Alの元素比を表1にまとめた。いずれの実験例でも、Si量は75~96at%程度であり、Cr量は3~15at程度であった。多孔体のXRDでは、Si相とCrSi2相のみが確認され、Alを含む相は確認されなかったが、これらの実験例では、Alを2~12at%程度含むことがわかった。測定されたCrSi2の回折ピーク位置は、純粋なCrSi2のピーク位置に比して少し変化しており、Cr(Si,Sl)2相としてAlが生成相の中に固溶して存在しているものと推察された。 Furthermore, composition analysis was performed on the porous silicon materials of Experimental Examples 1 to 13 by EDX. As described above, a sample with a small x/y ratio contains a large amount of oxygen. In all experimental examples, the amount of Si was about 75 to 96 at % and the amount of Cr was about 3 to 15 at. By XRD of the porous body, only Si phase and CrSi 2 phase were confirmed, and no phase containing Al was confirmed. The measured diffraction peak position of CrSi 2 is slightly different from that of pure CrSi 2 , indicating that Al exists as a Cr(Si, Sl) 2 phase in solid solution in the generated phase. It was inferred that

Figure 2023092861000001
Figure 2023092861000001

次に、必要な細孔率に関して説明する。上述した様にSiがLiと完全に反応すると体積が4倍に膨張する。その場合、例えば、Siの体積が25cm3に仮定すると100cm3の体積になるため、75cm3即ち、75体積%の細孔率が必要になる。これは、活物質中のSi量が100質量%の場合であるが、Siの含有量が変化すると必要な細孔率も変化する。表2に、各Si含有量に対して、必要な細孔率をまとめた。Siの高容量を使用するためには50質量%以上のSi容量が好ましいが、その場合必要な細孔率は60体積%である。即ち、好ましい細孔率の範囲は60体積%~75体積%である。ただし、Si骨格にはある程度の強度があるため、細孔率が60体積%よりも小さくても細孔構造が直ぐに壊れるわけではない。 Next, the necessary porosity will be explained. As described above, when Si completely reacts with Li, the volume expands four times. In that case, for example, if the volume of Si is assumed to be 25 cm 3 , the volume will be 100 cm 3 , so a porosity of 75 cm 3 or 75% by volume is required. This is the case where the amount of Si in the active material is 100% by mass, but when the amount of Si changes, the necessary porosity also changes. Table 2 summarizes the required porosity for each Si content. In order to use a high Si content, a Si content of 50% by weight or more is preferred, in which case the required porosity is 60% by volume. That is, the preferred porosity range is 60% to 75% by volume. However, since the Si skeleton has a certain degree of strength, even if the porosity is less than 60% by volume, the pore structure will not immediately break.

Figure 2023092861000002
Figure 2023092861000002

細孔構造の強度は、骨格中にシリサイドを導入することで改善可能である。次にそのことについて説明する。細孔構造の強度を比較するため、作製した多孔体試料を超硬製の金型に充填し、1GPaで一軸加圧した。そして、加圧前後の試料の細孔径分布のデータから細孔率を評価した。比較として、Crを含まない二元系のAlSi合金を急冷凝固酸処理して作製した多孔体試料に関しても同様に細孔率の圧力変化を評価した(実験例14~16)。表3に実験例6、9、12、14~16の測定結果をまとめた。いずれの試料においても、1GPaで加圧した後は、細孔の一部が潰れて、細孔率が小さくなった。しかし、それぞれSi仕込み量xが近い二元系の試料と比べてCrを加えた三元系の試料では細孔率の変化量は小さくなっており、Crの導入により細孔構造が強化されることが分かった。組成によって細孔率の変化挙動には差があるが、Cr無添加の場合と比べて、2~15体積%程度の細孔率が余分に生き残っており、その分、細孔率が小さくなってもよいことが示唆された。即ち、Crを導入した試料では、50質量%のSi含有量の負極活物質でも45体積%程度の細孔率があれば残留応力による細孔潰れに耐えられる可能性があることが示唆された。 The strength of the pore structure can be improved by introducing silicides into the framework. This will be explained next. In order to compare the strength of the pore structure, the prepared porous body sample was filled in a cemented carbide mold and uniaxially pressed at 1 GPa. Then, the porosity was evaluated from the pore size distribution data of the sample before and after pressurization. For comparison, changes in porosity under pressure were similarly evaluated for porous body samples prepared by subjecting a Cr-free binary AlSi alloy to rapid solidification acid treatment (Experimental Examples 14 to 16). Table 3 summarizes the measurement results of Experimental Examples 6, 9, 12, 14-16. In any sample, after pressurization at 1 GPa, some of the pores were crushed and the porosity was reduced. However, compared to the binary samples with similar amounts of Si charged x, the ternary samples to which Cr is added show a smaller change in porosity, indicating that the introduction of Cr strengthens the pore structure. I found out. Although there is a difference in porosity change behavior depending on the composition, an extra porosity of about 2 to 15% by volume survives compared to the case where Cr is not added, and the porosity is reduced accordingly. It was suggested that That is, it was suggested that in the sample into which Cr was introduced, even a negative electrode active material with a Si content of 50% by mass could withstand pore collapse due to residual stress if it had a porosity of about 45% by volume. .

Figure 2023092861000003
Figure 2023092861000003

次に、必要な強化相CrSi2の割合に関して説明する。図15は、CrSi2相の割合(mol%)とプレス後の細孔率変化量(体積%)との関係図である。図15では、強化相CrSi2の含有量が、1GPaでの加圧後の細孔率変化に及ぼす効果が示される。細孔率の潰れ具合は、初期細孔率の大きさの影響を受ける。初期細孔率が小さいほど加圧後の細孔率変化は小さくなった。同程度の細孔率の試料で比較した場合、CrSi2強化相が増えるほど細孔率変化量が小さくなる傾向が確認された。 A discussion will now be made regarding the proportion of the necessary reinforcing phase CrSi 2 . FIG. 15 is a diagram showing the relationship between the CrSi 2 phase ratio (mol %) and porosity change after pressing (volume %). In FIG. 15 the effect of the reinforcing phase CrSi 2 content on the porosity change after pressing at 1 GPa is shown. The degree of collapse of the porosity is affected by the magnitude of the initial porosity. The smaller the initial porosity, the smaller the porosity change after pressurization. When samples with similar porosity were compared, it was confirmed that the porosity change amount tended to decrease as the CrSi 2 reinforced phase increased.

(非水系電解液を用いたリチウムイオン二次電池の作製)
実施例1、2及び17のシリコン材料を負極活物質に用いたリチウムイオン二次電池を作製し、放電容量などの電池と癖を評価した。負極活物質を60質量%と、導電材として平均粒径2μmのアセチレンブラックを20質量%と、ポリイミド20質量%とを混合し、N-メチルピロリドンを加えて攪拌し、スラリーを調製した。次にこのスラリーを厚さ20μmの銅箔上に塗布して乾燥し、これを圧延して厚さ50μmの負極電極を作製した。作製した負極電極を直径16mmの円形に打ち抜き、この負極電極に多孔質ポロエチレン製セパレータを挟んで対極として金属リチウムを重ね、電解液を注液することにより、トムセル型小型電池セルであるリチウム二次電池を製造した。電解液は、フルオロエチレンカーボネート/炭酸エチレン/炭酸ジメチル/炭酸エチルメチル(FEC/EC/DMC/EMC)を体積比で1.5:3:4:3とする混合溶媒に、LiPF6を1mol/Lの濃度で添加したものとした。得られたリチウム二次電池に対して、電池電圧0.005 V~1.5Vの範囲で0.2Cの電流密度による充放電を10サイクル繰り返し行った。
(Production of lithium ion secondary battery using non-aqueous electrolyte)
Lithium-ion secondary batteries were produced using the silicon materials of Examples 1, 2 and 17 as negative electrode active materials, and the batteries and peculiarities such as discharge capacity were evaluated. 60% by mass of the negative electrode active material, 20% by mass of acetylene black having an average particle size of 2 μm as a conductive material, and 20% by mass of polyimide were mixed, and N-methylpyrrolidone was added and stirred to prepare a slurry. Next, this slurry was applied onto a copper foil having a thickness of 20 μm, dried, and rolled to prepare a negative electrode having a thickness of 50 μm. The prepared negative electrode was punched out into a circle with a diameter of 16 mm. The following batteries were produced. The electrolytic solution was a mixed solvent of fluoroethylene carbonate/ethylene carbonate/dimethyl carbonate/ethyl methyl carbonate (FEC/EC/DMC/EMC) in a volume ratio of 1.5:3:4:3, and LiPF6 at 1 mol/mol. was added at a concentration of L. The obtained lithium secondary battery was repeatedly charged and discharged at a current density of 0.2 C in a battery voltage range of 0.005 V to 1.5 V for 10 cycles.

(非水系電解液を用いたリチウムイオン二次電池の特性)
表4に、負極活物質の母合金組成と、初回放電容量、10サイクル後放電容量、10サイクル後の容量維持率とをまとめた。実験例17では容量維持率が28%と低いのに対して、実験例1、2の二次電池では、容量維持率がおおよそ99%と良好であることがわかった。ただし、x/y=8.33の場合には、放電容量自体も比較的高いが、x/y=4と小さい実験例2では、放電容量が実験例1の半分程度であった。
(Characteristics of lithium-ion secondary battery using non-aqueous electrolyte)
Table 4 summarizes the composition of the master alloy of the negative electrode active material, the initial discharge capacity, the discharge capacity after 10 cycles, and the capacity retention rate after 10 cycles. In Experimental Example 17, the capacity retention rate was as low as 28%, whereas in the secondary batteries of Experimental Examples 1 and 2, it was found that the capacity retention rate was as good as about 99%. However, in the case of x/y=8.33, the discharge capacity itself is relatively high, but in Experimental Example 2, where x/y=4, which is small, the discharge capacity was about half that of Experimental Example 1.

Figure 2023092861000004
Figure 2023092861000004

なお、本開示は上述した実験例に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It goes without saying that the present disclosure is not limited to the experimental examples described above, and can be implemented in various modes as long as they fall within the technical scope of the present disclosure.

本開示は、二次電池の技術分野に利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present disclosure can be used in the technical field of secondary batteries.

10 蓄電デバイス、12 正極、13 正極活物質、14 集電体、15 負極、16 負極活物質、17 集電体、18 イオン伝導媒体、21 多孔質シリコン材料、23 空隙。 10 electricity storage device, 12 positive electrode, 13 positive electrode active material, 14 current collector, 15 negative electrode, 16 negative electrode active material, 17 current collector, 18 ion conducting medium, 21 porous silicon material, 23 voids.

Claims (11)

SiとAlとCrとの全体を100at%としたときに、Crを1at%以上20at%以下の範囲で含み、Alを40at%以上90at%以下の範囲で含み、残部をSiとする原料を溶融し急冷凝固させシリコン合金の前駆体を得る前駆体工程と、
前記シリコン合金に含まれるAl成分を除去して多孔質シリコン材料を得る多孔化工程と、
を含む多孔質シリコン材料の製造方法。
When the total of Si, Al, and Cr is 100 at%, a raw material containing Cr in a range of 1 at% or more and 20 at% or less, Al in a range of 40 at% or more and 90 at% or less, and the balance being Si is melted. a precursor step of obtaining a silicon alloy precursor by rapid cooling and solidification;
a porosification step of removing the Al component contained in the silicon alloy to obtain a porous silicon material;
A method of making a porous silicon material comprising:
前記多孔化工程では、酸又はアルカリによってAl成分を選択的に除去する、請求項1に記載の多孔質シリコン材料の製造方法。 2. The method for producing a porous silicon material according to claim 1, wherein in said porosification step, an Al component is selectively removed with acid or alkali. 前記多孔化工程では、SiCr化合物及び/又はAlSiCr化合物を含む前記多孔質シリコン材料を得る、請求項1又は2に記載の多孔質シリコン材料の製造方法。 3. The method for producing a porous silicon material according to claim 1, wherein said porous silicon material containing a SiCr compound and/or an AlSiCr compound is obtained in said porosification step. 前記多孔化工程では、細孔率が30体積%以上85体積%以下の範囲の前記多孔質シリコン材料を得る、請求項1~3のいずれか1項に記載の多孔質シリコン材料の製造方法。 4. The method for producing a porous silicon material according to claim 1, wherein said porous silicon material having a porosity in the range of 30% by volume or more and 85% by volume or less is obtained in said porosity making step. 前記前駆体工程では、基本組成式Al100-x-ySixCryにおいて、x/yが3以上10以下の範囲である原料を用いる、請求項1~4のいずれか1項に記載の多孔質シリコン材料の製造方法。 The porous porous material according to any one of claims 1 to 4, wherein in the precursor step, a raw material having a basic composition formula Al 100-xy Si x Cr y in which x/y is in the range of 3 or more and 10 or less A method of manufacturing a silicon material. 前記前駆体工程では、前記シリコン合金の溶湯をガスアトマイズ法、水アトマイズ法及びロール急冷法のうちいずれかの方法で平均粒径が0.1μm以上100μm以下の範囲に粒子化する、請求項1~5のいずれか1項に記載の多孔質シリコン材料の製造方法。 Claim 1 or claim 1, wherein in the precursor step, the molten silicon alloy is granulated to have an average particle size in the range of 0.1 μm to 100 μm by any one of gas atomization, water atomization, and roll quenching. 6. The method for producing a porous silicon material according to any one of 5. 水銀圧入法で求めた平均細孔径が60nm以下の範囲であり、空隙を有する三次元網目構造の骨格状シリコンを含み、SiCr化合物及び/又はAlSiCr化合物を含み、細孔率が30体積%以上85体積%以下の範囲である、
多孔質シリコン材料。
An average pore diameter determined by a mercury intrusion method is in the range of 60 nm or less, contains skeleton-like silicon with a three-dimensional network structure having voids, contains a SiCr compound and/or an AlSiCr compound, and has a porosity of 30% by volume or more85 is in the range of volume % or less,
Porous silicon material.
前記SiCr化合物であるCrSi2をSi相に対して5mol%以上20mol%以下の範囲で含有する、請求項7に記載の多孔質シリコン材料。 8. The porous silicon material according to claim 7, wherein said SiCr compound, CrSi2 , is contained in a range of 5 mol % or more and 20 mol % or less with respect to the Si phase. 水銀圧入法で求めた1μm以下の細孔が20体積%以上である、請求項7又は8に記載の多孔質シリコン材料。 9. The porous silicon material according to claim 7, wherein pores of 1 μm or less measured by mercury intrusion method are 20% by volume or more. 水銀圧入法で求めた細孔径が5nm以上300nm以下の範囲である、請求項7~9のいずれか1項に記載の多孔質シリコン材料。 10. The porous silicon material according to any one of claims 7 to 9, wherein the pore diameter determined by mercury porosimetry is in the range of 5 nm or more and 300 nm or less. 正極活物質を含む正極と、
請求項7~10のいずれか1項に記載の多孔質シリコン材料を負極活物質として含む負極と、
前記正極と前記負極との間に介在しリチウムイオンを伝導するイオン伝導媒体と、
を備えた蓄電デバイス。
a positive electrode comprising a positive electrode active material;
a negative electrode comprising the porous silicon material according to any one of claims 7 to 10 as a negative electrode active material;
an ion conducting medium interposed between the positive electrode and the negative electrode and conducting lithium ions;
A storage device with
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