JP2023094056A - Electrode for power storage device, power storage device and production method of electrode for power storage device - Google Patents

Electrode for power storage device, power storage device and production method of electrode for power storage device Download PDF

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Abstract

To further increase an energy density as to a material including Si.SOLUTION: An electrode for a power storage device herein disclosed comprises a porous silicon material having a plate-like integral shape with pores and containing at least Si and Al. The production method of an electrode for a power storage device herein disclosed comprises: a precursor step of melting and quench-solidifying a raw material containing at least Si and Al, in which Al is in a range more than 20 at% and less than 70 at% to 100 at% of Si and Al in total, and the rest mainly contains Si, thereby obtaining a plate-like silicon alloy precursor; and a turning-into electrode step of removing Al component included in the silicon alloy to gain a porous silicon material having a plate-like shape as part of an electrode for a power storage device.SELECTED DRAWING: None

Description

本明細書では、蓄電デバイス用電極、蓄電デバイス及び蓄電デバイス用電極の製造方法を開示する。 Disclosed herein are an electrode for an electricity storage device, an electricity storage device, and a method for manufacturing an electrode for an electricity storage device.

従来、シリコンの負極材料としては、50質量%以上の第1元素であるAlと50質量%以下のSiとを含むシリコン合金を溶解して粒子化する粒子化工程と、シリコン合金中の第1元素を除去して多孔質シリコン粒子を得る多孔化工程と、を含む製造方法より得られる多孔質シリコン粒子が提案されている(例えば、特許文献1など参照)。この多孔質シリコン粒子は、平均粒径が0.1μm以上100μm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、平均空隙率が50体積%以上95体積%以下の範囲であり、酸素を除く元素の比率でSiを85質量% 以上含み、Alを15質量%以下の範囲で含むものである。 Conventionally, as a silicon negative electrode material, a granulating step of dissolving and granulating a silicon alloy containing 50% by mass or more of Al as the first element and 50% by mass or less of Si, and Porous silicon particles obtained by a production method including a porosification step of removing elements to obtain porous silicon particles have been proposed (see, for example, Patent Document 1). The porous silicon particles have an average particle diameter in the range of 0.1 μm or more and 100 μm or less, contain skeletal silicon having a three-dimensional network structure with voids, and have an average porosity in the range of 50 volume % or more and 95 volume % or less. and contains 85% by mass or more of Si and 15% by mass or less of Al in terms of the ratio of elements other than oxygen.

特開2021-123517号公報JP 2021-123517 A

しかしながら、上述の特許文献1の多孔質シリコン粒子では、比較的微細な粒子で空隙率が高く、電極にする際の塗工が困難であった。また、この多孔質シリコン粒子では、導電材や結着材などを要し、エネルギー密度などがより低下するなど、課題があった。 However, the porous silicon particles of Patent Literature 1 described above are relatively fine particles and have a high porosity, which makes it difficult to apply a coating to form an electrode. In addition, the porous silicon particles require a conductive material, a binder, and the like, and there are problems such as a further decrease in energy density and the like.

本開示は、このような課題に鑑みなされたものであり、エネルギー密度をより高めることができる蓄電デバイス用電極、蓄電デバイス及び蓄電デバイス用電極の製造方法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 a main object thereof is to provide an electricity storage device electrode that can further increase energy density, an electricity storage device, and a method for manufacturing an electricity storage device electrode.

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Siとを少なくとも含むシリコン合金を熔融し、板状に急冷したのちAlを含む化合物を除去すると、結着材を用いずに平板状の多孔質シリコン材料を電極にすることができることを見いだし、本開示の蓄電デバイス用電極、蓄電デバイス及び蓄電デバイス用電極の製造方法を完成するに至った。 As a result of intensive research to achieve the above object, the present inventors melted a silicon alloy containing at least Al and Si, quenched it into a plate, and then removed the Al-containing compound to form a binder. The present inventors have found that a plate-shaped porous silicon material can be used as an electrode without using a silicon material, and have completed the electricity storage device electrode, the electricity storage device, and the method for manufacturing the electricity storage device electrode of the present disclosure.

即ち、本開示の蓄電デバイス用電極は、
SiとAlとを少なくとも含み空隙を有し板状の一体形状を有する多孔質シリコン材料を電極活物質として有するものである。
That is, the electricity storage device electrode of the present disclosure is
A porous silicon material containing at least Si and Al and having voids and having a plate-like integral shape is used as an electrode active material.

本開示の蓄電デバイスは、
正極活物質を含む正極と、
上述に記載の蓄電デバイス用電極である負極と、
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 that is the electrode for the electricity storage device described above;
an ion conducting medium interposed between the positive electrode and the negative electrode and conducting lithium ions;
is provided.

本開示の蓄電デバイス用電極の製造方法は、
SiとAlとを少なくとも含み、SiとAlとの全体を100at%としたときに、Alを20at%を超え70at%未満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板状の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成分を除去して板状の形状を有する多孔質シリコン材料を蓄電デバイス用電極の一部として得る電極化工程と、
を含むものである。
The method for manufacturing an electrode for an electricity storage device of the present disclosure includes:
A raw material containing at least Si and Al and containing Al in a range of more than 20 at% and less than 70 at% when the total of Si and Al is 100 at%, and the balance being Si is melted and rapidly solidified into a plate-like shape. a precursor step of obtaining a silicon alloy precursor;
an electrode forming step of removing the Al component contained in the silicon alloy to obtain a porous silicon material having a plate-like shape as a part of an electrode for an electricity storage device;
includes.

本開示は、Siを含む材料において、エネルギー密度をより高めることができる。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、本開示の製造方法によれば、シリコンおよびアルミニウム合金からアルミニウムを選択的に溶解して、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できる。また、本開示により得られた多孔質シリコン材料は、自立膜であるため、導電材や結着材を添加することなく、そのまま電極として用いることができる。それ故、エネルギー密度の高い電極の提供が可能になる。また、構成シリコンのサイズと混合比率の最適化により、リチウムイオン電池に用いた場合、体積の膨張・収縮が緩和され、サイクル特性が向上するので、性能の高い蓄電デバイスを容易に得ることができる。 The present disclosure can further increase the energy density in materials containing Si. The reason why such an effect is obtained is presumed as follows. For example, the manufacturing method of the present disclosure can selectively dissolve aluminum from silicon and aluminum alloys to produce porous silicon with small pore sizes and high porosity. Moreover, since the porous silicon material obtained by the present disclosure is a self-supporting film, it can be used as an electrode as it is without adding a conductive material or a binder. Therefore, it becomes possible to provide an electrode with a high energy density. In addition, by optimizing the size and mixing ratio of the constituent silicon, when used in a lithium-ion battery, volumetric expansion and contraction are mitigated, and cycle characteristics are improved, making it possible to easily obtain a high-performance electricity storage device. .

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; Al-Si二元系状態図。Al-Si binary phase diagram. 単ロール急冷装置の一例を示す説明図。Explanatory drawing which shows an example of a single roll quenching apparatus. 実験例3の多孔質シリコン材料の評価結果。Evaluation results of the porous silicon material of Experimental Example 3. 実験例7の多孔質シリコン材料の評価結果。Evaluation results of the porous silicon material of Experimental Example 7. 実験例3の電極の評価結果。Evaluation results of the electrode of Experimental Example 3. 実験例4の電極の評価結果。Evaluation results of the electrode of Experimental Example 4. 集電体を形成した電極の外観写真。Appearance photograph of the electrode which formed the current collector.

(蓄電デバイス用電極)
本開示の蓄電デバイス用電極は、SiとAlとを少なくとも含み空隙を有し板状の一体形状を有する多孔質シリコン材料を電極活物質として有するものである。更にまた、蓄電デバイス用電極は、一体物であり、結着材を含まないものとしてもよい。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。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、この骨格状シリコンの内部又は外部にAlが存在するものとしてもよい。
(Electrodes for power storage devices)
The electricity storage device electrode of the present disclosure has, as an electrode active material, a porous silicon material that contains at least Si and Al, has voids, and has a plate-like integral shape. Furthermore, the electricity storage device electrode may be an integral body and may not contain a binder. 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. The porous silicon material may include skeleton-like silicon having a three-dimensional network structure with voids, and Al may be present inside or outside the skeleton-like silicon.

多孔質シリコン材料は、水銀圧入法で求めた細孔径の分布範囲が1nm以上500nm以下の範囲であるものとしてもよい。この細孔径は、10nm以上としてもよいし、50nm以上としてもよいし、100nm以上としてもよい。また、この細孔径は、250nm以下が好ましく、200nm以下としてもよいし、150nm以下としてもよい。この多孔質シリコン材料において、水銀圧入法で求めた平均細孔径は、5nm以上500nm以下の範囲としてもよいし、10nm以上250nm以下の範囲としてもよい。 The porous silicon material may have a pore diameter distribution range of 1 nm or more and 500 nm or less as determined by a mercury intrusion method. The pore diameter may be 10 nm or more, 50 nm or more, or 100 nm or more. The pore diameter is preferably 250 nm or less, may be 200 nm or less, or may be 150 nm or less. In this porous silicon material, the average pore diameter determined by mercury porosimetry may be in the range of 5 nm or more and 500 nm or less, or may be in the range of 10 nm or more and 250 nm or less.

多孔質シリコン材料は、空隙率が10体積%以上50体積%以下の範囲であるものとしてもよい。この空隙率は、40体積%以下であることが好ましく、35体積%以下であることがより好ましく、30体積%以下としてもよい。また、空隙率は、15体積%以上であることが好ましく、20体積%以上であることがより好ましく、25体積%以上としてもよい。この空隙率は、シリコンの体積変化の観点からはより大きいことが好ましく、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。この空隙率は、水銀ポロシメータで測定した値とする。 The porous silicon material may have a porosity ranging from 10% by volume to 50% by volume. The porosity is preferably 40% by volume or less, more preferably 35% by volume or less, and may be 30% by volume or less. The porosity is preferably 15% by volume or more, more preferably 20% by volume or more, and may be 25% by volume or more. This porosity is preferably larger from the viewpoint of volume change of silicon, and preferably smaller from the viewpoint of charge/discharge capacity of the electricity storage device. This porosity is a value measured with a mercury porosimeter.

多孔質シリコン材料は、冷却時に結晶化する初晶シリコンを含む粗粒(マイクロスケール)と、Alとの共晶シリコンを含む微粒(ナノスケール)と、の2種類の組織を含むものとしてもよい。この構造を有すると、充放電時の体積膨張の応力を緩和することができると推察される。粗粒は、例えば、1μm以上5μm以下の範囲の粒状部とすることができる。また、微粒は、例えば、10nm以上100nm以下の範囲の粒状部とすることができる。 The porous silicon material may include two types of structures: coarse grains (microscale) containing primary crystal silicon that crystallizes when cooled, and fine grains (nanoscale) containing eutectic silicon with Al. . With this structure, it is speculated that stress due to volume expansion during charging and discharging can be relaxed. Coarse grains can be, for example, granular parts in the range of 1 μm or more and 5 μm or less. Further, the fine particles can be, for example, granular parts in the range of 10 nm or more and 100 nm or less.

多孔質シリコン材料は、酸素や不可避的不純物を除き、Si及びAlの全体を100at%としたときに、Siを75at%以上含むことが好ましい。このSiの含有率は、80at%以上がより好ましく、85at%以上が更に好ましく、90at%以上や98at%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。Al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Ti、Sn、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 porous silicon material preferably contains 75 at % or more of Si, excluding oxygen and unavoidable impurities, when the total of Si and Al is 100 at %. The Si content is more preferably 80 at % or higher, more preferably 85 at % or higher, and may be 90 at % or higher or 98 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 content of Al 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 it is a component that does not charge and discharge. Furthermore, the porous silicon material may contain one or more of Ti, Sn, 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 and Al. 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は、多孔質シリコン材料の板状体の厚さが10μm以上50μm以下の範囲であることが好ましい。厚さが10μm以上では、高出力型電池の容量を示すことができる。また、この厚さが50μm以下では、十分な容量を有するものとすることができる。この厚さは、20μm以上40μm以下の範囲がより好ましい。なお、多孔質シリコン材料の厚さは、求められる電池特性に合わせて適宜選択するものとすればよい。 In the electric storage device electrode, the thickness of the porous silicon material plate is preferably in the range of 10 μm to 50 μm. A thickness of 10 μm or more can exhibit the capacity of a high-power battery. In addition, when the thickness is 50 μm or less, a sufficient capacity can be obtained. This thickness is more preferably in the range of 20 μm or more and 40 μm or less. The thickness of the porous silicon material may be appropriately selected according to the required battery characteristics.

この蓄電デバイス用電極は、多孔質シリコン材料の板状体の一面に集電体が圧着又は蒸着されているものとしてもよい。集電体は、例えば、多孔質シリコン材料の表面において、凹凸がある自由面側に形成するものとしてもよい。また、蓄電デバイス用電極は、多孔質シリコン材料の一面に集電体成分を蒸着したのち、集電体箔を圧着して形成するものとしてもよい。集電体は、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。 This electricity storage device electrode may be one in which a current collector is crimped or vapor-deposited on one surface of a porous silicon material plate. The current collector may be formed, for example, on the uneven free surface side of the surface of the porous silicon material. Further, the electricity storage device electrode may be formed by vapor-depositing a current collector component on one surface of a porous silicon material and then press-bonding a current collector foil. Current collectors include, for example, aluminum, titanium, stainless steel, nickel, iron, copper, calcined carbon, conductive polymers, conductive glass, and the like. or copper whose surface is treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like can be used. 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.

(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、TiS2、TiS3、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。
(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 TiS 2 , TiS 3 , MoS 3 and FeS 2 , and basic compositional formulas of Li (1-x) MnO 2 (0<x<1, etc., the same applies hereinafter) 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.

蓄電デバイスの正極は、上述した正極活物質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、正極活物質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、正極活物質の含有量は、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。正極に用いられる集電体などは、上述した蓄電デバイス用電極で例示したものを適宜利用することができる。 The positive electrode of the electric storage device is formed by mixing the above-described positive electrode active material with a conductive material, a binder, and a solvent as necessary, forming a paste, and applying the positive electrode active material on the current collector. It can be produced by a process of mixing with a material or a binder and crimping it to a current collector. In this electrode, the content of the positive electrode active material is preferably more, 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. As the current collector and the like used for the positive electrode, those exemplified in the electrode for the electricity storage device 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1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、上述した一体物の板状体である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. 1 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 which is an integrated plate-like body, and has voids 23 .

(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La0.5Li0.5TiO3、(La2/3Li3x1/3-2x)TiO3(□:原子空孔)、ガーネット型のLi7La3Zr212、NASICON型と呼ばれるLiTi2(PO43、Li1.30.3Ti1.7(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 TiO 3 , (La 2/3 Li 3x1/3-2x )TiO 3 (□: atomic vacancies), garnet-type Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , NASICON-type LiTi 2 (PO 4 ) 3 , Li 1.3M0.3Ti1.7 ( 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.

(蓄電デバイス用電極の製造方法)
本開示の蓄電デバイス用電極の製造方法は、上述した蓄電デバイス用電極を作製するものとしてもよい。ここでは、多孔質シリコン材料の各物性などについて、上述した蓄電デバイス用電極と同様であるものとしてその詳細な説明を省略する。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、電極化工程とを含む。前駆体工程では、SiとAlとを少なくとも含み、SiとAlとの全体を100at%としたときに、Alを20at%を超え70at%未満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板状のシリコン合金の前駆体を得る処理を行う。また、電極化工程では、シリコン合金に含まれるAl成分を除去して板状の形状を有する多孔質シリコン材料を蓄電デバイス用電極の一部として得る処理を行う。まず、原料組成について説明する。
(Manufacturing method of electrode for power storage device)
A method for manufacturing an electricity storage device electrode according to the present disclosure may be used to manufacture the electricity storage device electrode described above. Here, the physical properties of the porous silicon material are the same as those of the electricity storage device electrode described above, and detailed description thereof will be omitted. The manufacturing method of the porous silicon material of the present disclosure includes a precursor step and an electrode forming step. In the precursor step, a raw material containing at least Si and Al, containing Al in a range of more than 20 at% and less than 70 at% when the total of Si and Al is 100 at%, and the balance being Si, is melted and rapidly cooled. A process for solidifying to obtain a plate-shaped silicon alloy precursor is performed. Further, in the electrode formation step, processing is performed to obtain a porous silicon material having a plate-like shape as a part of the electricity storage device electrode by removing the Al component contained in the silicon alloy. First, the raw material composition will be described.

図2は、Al-Si二元系状態図である。一般的に、共晶系Si-Al合金の平衡状態図において、液相線が極小となる共晶組成の融液を凝固させるとSi相とAl相とが繊維状(ラメラ状)に相分離した共晶組織が形成される。この時、形成されるラメラ組織のサイズは、冷却速度が速いほど細かくなり、1000K/s以上の冷却速度ではナノサイズの組織が形成される。この共晶組織から、Al元素のみを選択除去することができれば、共晶組織を特徴としたSi元素からなる材料を得ることができる。Si-Al合金の場合、13Si-87Alが共晶組成付近になる。この場合、Alを溶解すると自立膜を得ることが難しいが、50Si-50Al付近で合金を作製すると、共晶SjとAlと合金化しない初晶Siが成長する。この初晶Siが電極がシート状を保つ骨格になる。そして、電気化学反応時には、共晶Siが形成する細孔が電極の膨張・収縮を緩和するように作用する。 FIG. 2 is a phase diagram of the Al—Si binary system. In general, in the equilibrium phase diagram of the eutectic Si—Al alloy, when a melt with a eutectic composition in which the liquidus line becomes the minimum is solidified, the Si phase and the Al phase are separated into fibrous (lamellar) states. A eutectic structure is formed. At this time, the size of the lamellar structure formed becomes finer as the cooling rate increases, and a nano-sized structure is formed at a cooling rate of 1000 K/s or higher. If it is possible to selectively remove only the Al element from this eutectic structure, it is possible to obtain a material composed of the Si element characterized by the eutectic structure. In the case of Si-Al alloy, 13Si-87Al is near the eutectic composition. In this case, it is difficult to obtain a self-supporting film by dissolving Al, but when an alloy is produced around 50Si-50Al, eutectic Sj and primary crystal Si that does not alloy with Al grow. This primary crystal Si becomes a skeleton that keeps the electrode in a sheet form. During the electrochemical reaction, the pores formed by the eutectic Si act to relax the expansion and contraction of the electrode.

(前駆体工程)
前駆体工程では、SiとAlとの全体を100at%としたときに、Alを20at%を超え70at%未満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、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Ti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。Alの配合比は、60at%以下が好ましく、50at%以下がより好ましく、40at%以下としてもよい。また、Alの配合比は、25at%以上が好ましく、30at%以上がより好ましく、40at%以上としてもよい。Al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, it is preferable to use a raw material containing more than 20 at % and less than 70 at % of Al, with the balance being Si, when the total of Si and Al is 100 at %. The raw material may contain unavoidable impurities. The unavoidable impurities are components that inevitably remain during the purification of either Si or 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, Ti, and Al is 100 at %, the content is preferably 5 at % or less, more preferably 2 at % or less. The compounding ratio of Al is preferably 60 at % or less, more preferably 50 at % or less, and may be 40 at % or less. Moreover, the compounding ratio of Al is preferably 25 at % or more, more preferably 30 at % or more, and may be 40 at % or more. A silicon alloy containing Al in such a range is preferable because the porosity can be further increased and pores with 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. This 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、原料を溶解する場合は、Arなど不活性ガス雰囲気中の高周波融解が好ましいが、いかなる融解手法を用いても構わない。前駆体工程では、シリコン合金の溶湯をロール急冷法で冷却し、板状(薄膜状を含む)の前駆体を得るものとしてもよい。ロール急冷法で得られた前駆体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。 In this step, when the raw material is melted, high-frequency melting in an inert gas atmosphere such as Ar is preferable, but any melting method may be used. In the precursor step, the molten silicon alloy may be cooled by a roll quenching method to obtain a plate-like (including thin film-like) precursor. Since the precursor obtained by the roll quenching method has a fine alloy structure, porous silicon having fine pores can be obtained after the elution treatment.

この前駆体工程では、図3に示す単ロール急冷装置を用いるものとしてもよい。この工程では、酸素除去材を含む減圧状態のチャンバー内で冷却ロールに原料を溶融した融液を噴射して冷却し板状の前駆体を得るものとしてもよい。冷却ロールで液体急冷する場合、冷却速度に影響を及ぼすパラメータとして、融液の温度や熱伝導度、ノズル先端の穴径d、ロールとノズル間のギャップサイズg、ロール回転数rなどが挙げられる。ノズル先端の穴径dは、例えば、0.1mm以上5mm以下の範囲とすることができ、0.2mm以上2mm以下の範囲としてもよい。ギャップサイズgは、0.1mm以上5mm以下の範囲とすることができ、0.2mm以上2mm以下の範囲としてもよい。ロール回転数rは、1000rpm以上5000rpm以下の範囲とすることができ、2000rpm以上4000rpm以下の範囲としてもよい。チャンバーは、10-3Pa以下に減圧することが好ましい。また、チャンバー内に不活性ガスを導入することが好ましい。不活性ガスは、例えば、Arが好ましい。内圧は、例えば、30cmHg以上、40cmHg以上としてもよい。また、内圧は、100cmHg以下が好ましい。原料が溶融するまで加熱し、Arガスを噴射してノズル先端から冷却ロールに向けて融液を噴霧して、急冷凝固させた前駆体を得ることができる。 In this precursor step, a single roll quenching apparatus shown in FIG. 3 may be used. In this step, a plate-like precursor may be obtained by injecting a molten liquid obtained by melting the raw material onto a cooling roll in a decompressed chamber containing an oxygen removing material and cooling the same. When the liquid is quenched with a cooling roll, the parameters that affect the cooling rate include the temperature and thermal conductivity of the melt, the hole diameter d at the tip of the nozzle, the gap size g between the roll and the nozzle, the roll rotation speed r, and the like. . The hole diameter d of the tip of the nozzle can be, for example, in the range of 0.1 mm or more and 5 mm or less, and may be in the range of 0.2 mm or more and 2 mm or less. The gap size g can range from 0.1 mm to 5 mm, and may range from 0.2 mm to 2 mm. The roll rotation speed r can be in the range of 1000 rpm or more and 5000 rpm or less, and may be in the range of 2000 rpm or more and 4000 rpm or less. The chamber is preferably evacuated to 10 -3 Pa or less. Also, it is preferable to introduce an inert gas into the chamber. The inert gas is preferably Ar, for example. The internal pressure may be, for example, 30 cmHg or higher, or 40 cmHg or higher. Moreover, the internal pressure is preferably 100 cmHg or less. It is possible to obtain a rapidly solidified precursor by heating the raw material until it melts, injecting Ar gas, and spraying the melt from the tip of the nozzle toward the cooling roll.

前駆体工程では、厚さが10μm以上50μm以下の範囲の板状の前駆体を得るものとしてもよい。この厚さは、20μm以上40μm以下としてもよい。前駆体の厚さは、蓄電デバイスに要求される性能に応じて適宜選択すればよい。前駆体工程では、結着材を含まない板状の前駆体を得るものとしてもよい。 In the precursor step, a plate-shaped precursor having a thickness in the range of 10 μm to 50 μm may be obtained. This thickness may be 20 μm or more and 40 μm or less. The thickness of the precursor may be appropriately selected according to the performance required for the electricity storage device. In the precursor step, a plate-like precursor containing no binder may be obtained.

この前駆体工程では、AlとSiとに加えTi、Sn、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Ti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, in addition to Al and Si, a raw material containing a second element containing one or more of Ti, Sn, 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 Ti, 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.

(電極化工程)
電極化工程では、上記作製した板状の前駆体から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。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。
(Electrode formation process)
In the electrode forming step, a process for removing substances other than Si from the plate-shaped precursor prepared above is performed. Substances other than Si include, for example, Al and compounds thereof. 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 can be, for example, in the range of 1 mol/L or more and 5 mol/L or less. This removal treatment may be performed by heating at, for example, 30.degree. C. to 60.degree. The porous silicon material obtained is then washed and dried.

電極化工程では、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。この電極化工程では、Si及びAlの全体を100at%としたときに、Alを0.5at%以上15at%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。この多孔質シリコン材料において、Alは、1.0at%以上含んでもよいし、2.0at%以上含んでもよい。また、Alは、10at%以下としてもよいし、7.5at%以下の範囲で含有するものとしてもよい。 In the electrode forming 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 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 a component such as Al is contained in a predetermined amount or more from the viewpoint of reinforcing the silicon skeleton and improving durability. In this electrode forming step, it is preferable to obtain a porous silicon material containing Al in the range of 0.5 at % or more and 15 at % or less when the total of Si and Al is 100 at %. In this porous silicon material, Al may be contained in an amount of 1.0 at % or more, or may be contained in an amount of 2.0 at % or more. Also, Al may be contained in a range of 10 atomic % or less, or 7.5 atomic % or less.

電極化工程では、空隙率が10体積%以上50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。この空隙率は、水銀ポロシメータで測定した値とする。この空隙率は、例えば、15体積%以上であることが好ましく、20体積%以上としてもよい。また、空隙率は、例えば、50体積%以下が好ましく、40体積%以下や30体積%以下であるものとしてもよい。空隙率は、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 electrode forming step, a porous silicon material having a porosity in the range of 10% by volume or more and 50% by volume or less may be obtained. This porosity is a value measured with a mercury porosimeter. This porosity is, for example, preferably 15% by volume or more, and may be 20% by volume or more. Moreover, the porosity is preferably 50% by volume or less, and may be 40% by volume or less or 30% by volume or less. If the porosity is larger, it is more likely to respond to volume changes when carrier ions are occluded.

電極化工程では、板状の多孔質シリコン材料の少なくとも一面に集電体を圧着又は蒸着する処理を行うものとしてもよい。この処理では、板状の多孔質シリコン材料の一面に集電体の成分を蒸着したのち、集電体を圧着するものとしてもよい。集電体は、上記説明したものを適宜利用するものとしてもよい。集電体の厚さは、例えば、1μm以上50μm以下の範囲としてもよい。 In the electrode formation step, a current collector may be crimped or vapor-deposited onto at least one surface of the plate-like porous silicon material. In this treatment, the components of the current collector may be vapor-deposited on one surface of the plate-like porous silicon material, and then the current collector may be crimped. Any of the above-described current collectors may be appropriately used as the current collector. The thickness of the current collector may be, for example, in the range of 1 μm or more and 50 μm or less.

以上詳述したように、本開示は、Siを含む材料において、エネルギー密度をより高めることができる。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、本開示の製造方法によれば、シリコンおよびアルミニウム合金からアルミニウムを選択的に溶解して、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できる。また、この多孔質シリコン材料は、自立膜であるため、導電材や結着材を添加することなく、そのまま電極として用いることができる。それ故、エネルギー密度の高い電極の提供が可能になる。また、構成シリコンのサイズと混合比率の最適化により、リチウムイオン電池に用いた場合、体積の膨張・収縮が緩和され、サイクル特性が向上するので、性能の高い蓄電デバイスを容易に得ることができる。 As detailed above, the present disclosure can further increase the energy density in materials containing Si. The reason why such an effect is obtained is presumed as follows. For example, the manufacturing method of the present disclosure can selectively dissolve aluminum from silicon and aluminum alloys to produce porous silicon with small pore sizes and high porosity. Moreover, since this porous silicon material is a self-supporting film, it can be used as an electrode as it is without adding a conductive material or a binder. Therefore, it becomes possible to provide an electrode with a high energy density. In addition, by optimizing the size and mixing ratio of the constituent silicon, when used in a lithium-ion battery, volumetric expansion and contraction are mitigated, and cycle characteristics are improved, making it possible to easily obtain a high-performance electricity storage device. .

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2~5、8~10が本開示の実施例であり、実験例1、6~7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 2-5 and 8-10 are examples of the present disclosure, and Experimental Examples 1 and 6-7 are comparative examples.

(リボン状Al-Siインゴットの作製)
最初に、Al-Siインゴットを作製した。表1にインゴットの組成をまとめた。原料のAl(高純度化学、99.5%粒状)およびSi(高純度化学、99.999%粒状)を、所望の組成(表1)になる様に秤量した(実験例1~7)。アーク溶解炉(日新技研NEV-ACD1)のチャンバー内の銅ハースに秤量した原料をセットした。更に、酸素ゲッターとしてTi塊もセットした。チャンバー内を10-3Pa以下まで真空引きしたあと、40cmHgまでArを導入し、アーク放電でTi塊を溶融して残留酸素を除去したあと、原料を溶かしてAl-Si合金のインゴットを得た。この時、試料の均一性を高めるためインゴットを裏返し再溶解するプロセスを3回以上繰り返した。
(Production of ribbon-shaped Al-Si ingot)
First, an Al--Si ingot was produced. Table 1 summarizes the composition of the ingots. Raw materials Al (Kojundo Chemical, 99.5% granular) and Si (Kojundo Chemical, 99.999% granular) were weighed to obtain the desired composition (Table 1) (Experimental Examples 1 to 7). A weighed raw material was set in a copper hearth in a chamber of an arc melting furnace (Nisshin Giken NEV-ACD1). Furthermore, a Ti lump was also set as an oxygen getter. After the inside of the chamber was evacuated to 10 −3 Pa or less, Ar was introduced to 40 cmHg, and after melting the Ti ingot by arc discharge to remove residual oxygen, the raw material was melted to obtain an Al—Si alloy ingot. . At this time, in order to improve the uniformity of the sample, the process of turning over the ingot and remelting was repeated three times or more.

次に、図3に示す単ロール型の液体急冷装置を用いて、合成したインゴットを急冷凝固処理した。単ロールで液体急冷する場合、冷却速度に影響を及ぼすパラメータとして、融液の温度や熱伝導度、ノズル先端の穴径d、ロールとノズル間のギャップサイズg、ロール回転数rなどが考えられる。融液の温度や熱伝導度は試料に依存したパラメータであるが、残りは装置のセッティングで調節できる。今回は、(1)ノズル先端の穴径d=0.5mm、(2)ギャップサイズg=0.5mm、(3)ロール回転数r=3000rpmに調節した。作製したインゴットを石英製のノズルに入れ、高周波溶解装置に接続した。チャンバー内を10-3Pa以下まで真空引き後、50cmHgまでArガスを導入した。電流値を徐々に上げ、放射温度計で温度を確認しながら試料が溶融するまで加熱し、Arガスを噴射してノズル先端から銅ロールに向けて融液を噴霧して、急冷凝固リボン試料を得た。 Next, the synthesized ingot was subjected to a rapid solidification treatment using a single-roll liquid rapid cooling apparatus shown in FIG. When quenching a liquid with a single roll, the temperature and thermal conductivity of the melt, the hole diameter d at the tip of the nozzle, the gap size g between the roll and the nozzle, and the roll rotation speed r can be considered as parameters that affect the cooling rate. . The temperature and thermal conductivity of the melt are parameters dependent on the sample, but the rest can be adjusted by setting the instrument. This time, (1) the hole diameter d of the nozzle tip was adjusted to 0.5 mm, (2) the gap size g was 0.5 mm, and (3) the roll rotation speed was adjusted to 3000 rpm. The produced ingot was placed in a quartz nozzle and connected to a high-frequency melting device. After the inside of the chamber was evacuated to 10 −3 Pa or less, Ar gas was introduced to 50 cmHg. Gradually increase the current value, heat the sample while checking the temperature with a radiation thermometer until the sample melts, spray Ar gas and spray the melt from the tip of the nozzle toward the copper roll, and quickly solidify the ribbon sample. Obtained.

シリコンはバルクでのサイクル特性は、実験例7を類似データとしてみたときに、電極の膨張により良好とはいえない。一方、スパッタ法などで薄膜(例えば5μm以下)にすると、サイクル特性は比較的良好になることが知られている。しかし、単位面積当たりの容量が小さい事、導電性が低い事(導電材の添加ができない)ことより、実用化には不向きである。つまり、高出力タイプでは薄膜にする代わり高い伝導度が要求される。一般的な電極では、伝導度は低くてもサイクル特性が要求される。現状、高出力型電池の黒鉛負極の厚さは50μm程度である。10倍の容量を持つシリコンでは、その厚さは5μmとなる。この厚さのシリコン電極をスパッタ法で成膜すると、導電性が低く黒鉛の代替にならない。一方、本開示の多孔質シリコン電極では、高級アルコール(フルフリルアルコールなど)を隙間に含侵させ、それを熱分解・重合することで黒鉛化することができる。その結果、導電性の高い電極を得ることができる。多孔質シリコン電極の厚さは、正極と負極との容量比、および電極製造工程時のハンドリングを考慮すると、40μmで十分である。更に、サイクル特性を考慮すると30μm以下がより好ましい膜厚である。本実施例では、全て30μmの膜厚で電極を作製した。 The bulk cycle characteristics of silicon cannot be said to be good due to the expansion of the electrode when Experimental Example 7 is used as similar data. On the other hand, it is known that if a thin film (for example, 5 μm or less) is formed by a sputtering method or the like, cycle characteristics are relatively improved. However, it is unsuitable for practical use due to its small capacitance per unit area and low conductivity (cannot be added with a conductive material). In other words, the high output type requires high conductivity instead of a thin film. General electrodes are required to have cycle characteristics even if the conductivity is low. At present, the thickness of graphite negative electrodes in high-power batteries is about 50 μm. For silicon with ten times the capacity, the thickness would be 5 μm. When a silicon electrode of this thickness is deposited by sputtering, it has low conductivity and cannot be used as a substitute for graphite. On the other hand, the porous silicon electrode of the present disclosure can be graphitized by impregnating higher alcohol (such as furfuryl alcohol) into the gaps and thermally decomposing and polymerizing it. As a result, an electrode with high conductivity can be obtained. A thickness of 40 μm is sufficient for the thickness of the porous silicon electrode, considering the capacity ratio between the positive electrode and the negative electrode and the handling during the electrode manufacturing process. Furthermore, considering cycle characteristics, the film thickness is more preferably 30 μm or less. In this example, all the electrodes were produced with a film thickness of 30 μm.

(電気化学評価)
試料を1mg秤量し、それを銅集電箔上にのせたものを作用極とした。電解液には1M-LiPF6をエチレンカーボネート(EC)/ジエチルカーボネート(DEC)=3/7(体積比)に溶解したものを用い、ポリエチレン微多孔膜のセパレータを介して対極にはリチウム金属を用いた。得られた試験セルを用い、電流密度1/20C、下限電位50mV、上限電位2Vで充放電を行った。
(Electrochemical evaluation)
1 mg of a sample was weighed and placed on a copper current collector foil to obtain a working electrode. 1M-LiPF 6 dissolved in ethylene carbonate (EC)/diethyl carbonate (DEC) = 3/7 (volume ratio) was used as the electrolyte, and lithium metal was applied to the counter electrode via a polyethylene microporous membrane separator. Using. Using the obtained test cell, charging and discharging were performed at a current density of 1/20C, a lower limit potential of 50 mV, and an upper limit potential of 2V.

(電極観察)
3000mAh/gのLiを挿入後、電池をアルゴン雰囲気のグローブボックス内で解体し、シリコン負極をジメチルカーボネート(DMC)で3回洗浄した。それを室温で減圧乾燥して試料を調整した。これを、大気非暴露のホルダーを用いて、SEMへ導入して電極断面を観察した。なお、実験例1に関しては、電池抵抗が大きく、2800mAh/gまでLi挿入してSEM観察を行った。
(Electrode observation)
After inserting 3000 mAh/g of Li, the battery was disassembled in an argon atmosphere glove box, and the silicon negative electrode was washed with dimethyl carbonate (DMC) three times. The sample was prepared by drying it under reduced pressure at room temperature. Using a holder not exposed to air, this was introduced into an SEM to observe the cross section of the electrode. In Experimental Example 1, the battery resistance was large, and SEM observation was performed after Li was inserted up to 2800 mAh/g.

(集電体一体電極の作製)
実験例2~4の酸処理後の多孔質シリコンリボンの一面に集電体としての銅箔を形成した集電体一体電極を作製した。単ロール冷却したAl-Si合金リボンの自由面(凹凸が大きい面、図6では初期電極の下部、図7の初期電極の上部)に20~100nmの厚さの銅をスパッタ法で成膜し、この面を集電体である銅箔へ一軸加圧して圧着した。その状態で、0.5N-HCl水溶液に5時間浸漬して多孔質シリコン電極と銅集電体が一体化した電極を作製した(実験例8~10)。
(Preparation of current collector integrated electrode)
A current collector-integrated electrode was prepared by forming a copper foil as a current collector on one surface of the porous silicon ribbon after the acid treatment of Experimental Examples 2-4. A copper film having a thickness of 20 to 100 nm was formed by sputtering on the free surface of the Al—Si alloy ribbon cooled by a single roll (the surface with large irregularities, the lower portion of the initial electrode in FIG. 6 and the upper portion of the initial electrode in FIG. 7). , and this surface was uniaxially pressurized and crimped to a copper foil as a current collector. In this state, the electrode was immersed in a 0.5N-HCl aqueous solution for 5 hours to prepare an electrode in which the porous silicon electrode and the copper current collector were integrated (Experimental Examples 8 to 10).

(結果と考察)
図4は、実験例3の多孔質シリコン材料の評価結果であり、図4Aが原料合金のXRDチャートであり、図4Bが酸処理後の多孔質シリコンリボンのXRDチャートであり、図4Cが原料合金のSEM写真であり、図4Dが酸処理後の多孔質シリコンリボンのSEM写真であり、図4Eが酸処理後の多孔質シリコンリボンの表面SEM写真である。図5は、実験例7の多孔質シリコン材料の評価結果であり、図5A~5Eは、図4A~4Eと同様である。図6は、実験例3の電極の評価結果であり、図6Aが充放電曲線、図6Bが初期の断面SEM像、図6Cが3000mAh/gのLi挿入時の断面SEM像である。図7は、実験例4の電極の評価結果であり、図7Aが充放電曲線、図7Bが初期の断面SEM像、図7Cが3000mAh/gのLi挿入時の断面SEM像である。図8は、集電体を形成した電極の外観写真であり、図8Aが実験例9、図8Bが実験例10である。表1に、各試料の仕込み組成、秤量値、単ロール冷却後の合金形状、酸処理後の結晶相と結晶性、酸処理後の形状などをまとめた。また、表1には、充放電評価結果として初回Li挿入容量A(mAh/g)、初回Li脱容量B(mAh/g)、初回充電効率(B/A×100;%)、3000mAh/gのLi挿入時の電極膨張率(体積%)をまとめた。表2には、実験例8~10の多孔質シリコン材料の仕込み組成、初回Li挿入容量A(mAh/g)、初回Li脱容量B(mAh/g)、初回充電効率(B/A×100;%)をまとめた。
(Results and discussion)
4 is the evaluation result of the porous silicon material of Experimental Example 3, FIG. 4A is the XRD chart of the raw material alloy, FIG. 4B is the XRD chart of the porous silicon ribbon after acid treatment, and FIG. 4C is the raw material. 4D is an SEM photograph of the porous silicon ribbon after acid treatment, and FIG. 4E is a SEM photograph of the surface of the porous silicon ribbon after acid treatment. FIG. 5 shows evaluation results of the porous silicon material of Experimental Example 7, and FIGS. 5A to 5E are the same as FIGS. 4A to 4E. FIG. 6 shows evaluation results of the electrode of Experimental Example 3. FIG. 6A is a charge/discharge curve, FIG. 6B is an initial cross-sectional SEM image, and FIG. 6C is a cross-sectional SEM image when 3000 mAh/g of Li is inserted. 7 shows the evaluation results of the electrode of Experimental Example 4. FIG. 7A is a charge/discharge curve, FIG. 7B is an initial cross-sectional SEM image, and FIG. 7C is a cross-sectional SEM image when 3000 mAh/g of Li is inserted. 8A and 8B are photographs of the external appearance of an electrode on which a current collector is formed. FIG. 8A is for Experimental Example 9, and FIG. Table 1 summarizes the charged composition, weighed value, alloy shape after single roll cooling, crystal phase and crystallinity after acid treatment, shape after acid treatment, and the like of each sample. In addition, Table 1 shows the initial Li insertion capacity A (mAh / g), the initial Li removal capacity B (mAh / g), the initial charging efficiency (B / A × 100; %), 3000 mAh / g as the charge / discharge evaluation results. The electrode expansion rate (volume %) at the time of Li insertion is summarized. Table 2 shows the charging composition of the porous silicon materials of Experimental Examples 8 to 10, the initial Li insertion capacity A (mAh / g), the initial Li desorption capacity B (mAh / g), the initial charging efficiency (B / A × 100 ;%) were summarized.

(形状についての考察)
表1に示すように、仕込み組成がAl70Si30、Al60Si40、Al50Si50、Al40Si60及びAl30Si70の実験例1~5では、冷却後及び酸処理後は、長いリボン状もしくはリボン状の形状を有していた。また、実験例1~5では、高結晶シリコンが検出され、結晶性が高いことがわかった。更に、実験例1~5では、その断面を観察すると、冷却時に結晶化する初晶シリコンを含む粗粒(マイクロスケール)と、Alとの共晶シリコンを含む微粒(ナノスケール)と、の2種類の組織が観察された。一方、Al含有量の少ない実験例6,7では、鱗片状あるいは粉末状であり、形状の保持性が低く、結晶性も低かった。また、実験例6、7では、その断面を観察すると、微粒は見られず、粗粒(マイクロスケール)が連結した形状が認められた。
(Consideration on shape)
As shown in Table 1, Experimental Examples 1 to 5 with the charged compositions of Al70Si30, Al60Si40, Al50Si50, Al40Si60 and Al30Si70 had long ribbon-like or ribbon-like shapes after cooling and acid treatment. Also, in Experimental Examples 1 to 5, highly crystalline silicon was detected, indicating high crystallinity. Furthermore, in Experimental Examples 1 to 5, when observing the cross section, there are two coarse grains (microscale) containing primary crystal silicon that crystallizes during cooling and fine grains (nanoscale) containing eutectic silicon with Al. Different types of tissue were observed. On the other hand, in Experimental Examples 6 and 7, in which the Al content was low, the particles were scaly or powdery, had poor shape retention, and had low crystallinity. Further, in Experimental Examples 6 and 7, when the cross section was observed, fine grains were not observed, and a shape in which coarse grains (microscale) were connected was recognized.

(実験例3: 仕込み元素比Al50Si50)
形状などについて、より具体的に、実験例3について検討した。単ロール冷却後のAl-Si合金は、AlとSiの混合相となり、酸処理後はSi単相になった。格子定数は、5.428Åであり、文献値(5.43Å)に等しかった。また、酸処理後の試料は、リボン状形態から短冊状になった。その理由は、合金内のシリコン含有量が少ないため、シリコン骨格の連結が弱く、アルミ除去後はリボン形状を保持し難くなるためであると推察された。酸処理後の電極は、2種類の組織が観察された。粗粒(マイクロスケール)は冷却時に結晶化する初晶シリコンであり、微粒(ナノスケール)はアルミとの共晶シリコンであった。
(Experimental example 3: charged element ratio Al50Si50)
Experimental Example 3 was examined more specifically regarding the shape and the like. The Al—Si alloy after single roll cooling had a mixed phase of Al and Si, and after acid treatment, had a Si single phase. The lattice constant was 5.428 Å, equal to the literature value (5.43 Å). Also, the sample after the acid treatment changed from a ribbon shape to a strip shape. It is speculated that the reason for this is that since the silicon content in the alloy is small, the connection of the silicon skeleton is weak, making it difficult to maintain the ribbon shape after aluminum removal. Two types of structures were observed in the electrode after acid treatment. The coarse grains (microscale) were primary crystal silicon crystallized during cooling, and the fine grains (nanoscale) were eutectic silicon with aluminum.

(実験例7: 仕込み元素比Al10Si90)
単ロール冷却後のAl-Si合金は、AlとSiの混合相となり、酸処理後はSi単相になるが、XRDのピーク強度が低いことから、結晶性が低いものと推察された。Siの格子定数は、5.421Åであり、文献値(5.43Å)より小さく、シリコンサイトにアルミニウムが置換することによりホールが形成されていると推察された。また、同様の理由で結晶性が低いものと推察された。単ロール冷却後は、リボン状ではなくフレーク状になった。その理由は、シリコンが圧延性の低い元素であるためであると推察された。酸処理後の電極は、実験例1~5などと異なり、粗粒(マイクロスケール)が連結した形状が認められた。
(Experimental example 7: charge element ratio Al10Si90)
The Al—Si alloy after single-roll cooling becomes a mixed phase of Al and Si, and becomes a single Si phase after acid treatment, but it was assumed that the crystallinity was low because the XRD peak intensity was low. The lattice constant of Si is 5.421 Å, which is smaller than the literature value (5.43 Å), and it was presumed that holes were formed by substitution of aluminum at silicon sites. Moreover, it was inferred that the crystallinity was low for the same reason. After single-roll cooling, it became flake-like rather than ribbon-like. It was speculated that the reason for this is that silicon is an element with low rolling properties. The electrode after the acid treatment was found to have a shape in which coarse particles (microscale) were connected, unlike Experimental Examples 1 to 5 and the like.

(電気化学特性についての考察)
表1に示すように、実験例2~7では、初回Li挿入容量が3000mAh/g以上であり、初回Li脱離容量が2500mAh/g以上であり、初回充放電効率も70%以上を示し、いずれも高かった。一方、実験例1では、2800mAh/gがLi挿入限界であり、挿入容量、脱離容量及び初回充放電効率のいずれもが比較的低かった。実験例1では、Al量が多く、抵抗が高いことに起因しているものと視察された。また、電極の膨張率では、実験例1~5が20体積%までの膨張にとどまり、良好であった。一方、実験例6、7では、体積膨張が50体積%以上あり、体積変化が大きかった。実験例1~5では、マイクロスケール粒子とナノスケール粒子とが混在している構造を有し、この構造がLiの吸蔵放出時の体積変化をより抑制するものと推察された。一方、実験例6、7では、実験例1~5とは異なり、初晶シリコン由来のナノスケール粒子が混在しないため、体積膨張が大きいものと推察された。
(Discussion on electrochemical properties)
As shown in Table 1, in Experimental Examples 2 to 7, the initial Li insertion capacity was 3000 mAh/g or more, the initial Li desorption capacity was 2500 mAh/g or more, and the initial charge/discharge efficiency was 70% or more. Both were expensive. On the other hand, in Experimental Example 1, the Li insertion limit was 2800 mAh/g, and the insertion capacity, desorption capacity, and initial charge/discharge efficiency were all relatively low. In Experimental Example 1, it was observed that this was caused by the high amount of Al and the high resistance. Further, the expansion rate of the electrode was good in Experimental Examples 1 to 5, with the expansion only up to 20% by volume. On the other hand, in Experimental Examples 6 and 7, the volume expansion was 50% by volume or more, and the volume change was large. Experimental Examples 1 to 5 had a structure in which microscale particles and nanoscale particles were mixed, and this structure was presumed to suppress the volume change during Li absorption/desorption. On the other hand, in Experimental Examples 6 and 7, different from Experimental Examples 1 to 5, nanoscale particles derived from primary crystal silicon were not mixed, so it was presumed that the volume expansion was large.

(集電体一体電極についての考察)
表2に示すように、多孔質シリコンリボンの一面に銅集電体を接合しても、電気化学特性に悪影響を与えないことがわかった。また、図8に示すように、実験例2~4では、結着材を必要とせず、柔軟な電極体を作製することができることが明らかとなった。このため、この多孔質シリコンリボンを電極活物質にそのまま利用することにより、結着材などの添加物を含まないエネルギー密度の高い電極を提供することができることがわかった。
(Study on current collector integrated electrode)
As shown in Table 2, it was found that bonding a copper current collector to one surface of the porous silicon ribbon did not adversely affect the electrochemical properties. In addition, as shown in FIG. 8, in Experimental Examples 2 to 4, it was found that a flexible electrode body could be produced without requiring a binder. Therefore, it was found that by using this porous silicon ribbon as it is as an electrode active material, it is possible to provide an electrode with a high energy density that does not contain additives such as binders.

Figure 2023094056000001
Figure 2023094056000001

Figure 2023094056000002
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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 (13)

SiとAlとを少なくとも含み空隙を有し板状の一体形状を有する多孔質シリコン材料を電極活物質として有する、蓄電デバイス用電極。 An electric storage device electrode comprising, as an electrode active material, a porous silicon material containing at least Si and Al, having voids, and having a plate-like integral shape. 前記多孔質シリコン材料は、Si及びAlの全体を100at%としたときにSiを98at%以上の範囲で含む、請求項1に記載の蓄電デバイス用電極。 2. The electricity storage device electrode according to claim 1, wherein said porous silicon material contains Si in a range of 98 at % or more when the total of Si and Al is 100 at %. 空隙率が10体積%以上50体積%以下の範囲である、請求項1又は2に記載の蓄電デバイス用電極。 3. The electricity storage device electrode according to claim 1, wherein the porosity is in the range of 10% by volume or more and 50% by volume or less. 結着材を含まない、請求項1~3のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用電極。 The electricity storage device electrode according to any one of claims 1 to 3, which does not contain a binder. 前記多孔質シリコン材料の板状体は、その一面に集電体が圧着又は蒸着されている、請求項1~4のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用電極。 The electricity storage device electrode according to any one of claims 1 to 4, wherein a current collector is crimped or vapor-deposited on one surface of the porous silicon material plate. 前記多孔質シリコン材料の板状体は、その厚さが10μm以上50μm以下の範囲である、請求項1~5のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用電極。 The electricity storage device electrode according to any one of claims 1 to 5, wherein said porous silicon material plate-like body has a thickness ranging from 10 µm to 50 µm. 正極活物質を含む正極と、
請求項1~6のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用電極である負極と、
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 that is an electrode for an electricity storage device according to any one of claims 1 to 6;
an ion conducting medium interposed between the positive electrode and the negative electrode and conducting lithium ions;
A storage device with
SiとAlとを少なくとも含み、SiとAlとの全体を100at%としたときに、Alを20at%を超え70at%未満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板状の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成分を除去して板状の形状を有する多孔質シリコン材料を蓄電デバイス用電極の一部として得る電極化工程と、
を含む蓄電デバイス用電極の製造方法。
A raw material containing at least Si and Al and containing Al in a range of more than 20 at% and less than 70 at% when the total of Si and Al is 100 at%, and the balance being Si is melted and rapidly solidified into a plate-like shape. a precursor step of obtaining a silicon alloy precursor;
an electrode forming step of removing the Al component contained in the silicon alloy to obtain a porous silicon material having a plate-like shape as a part of an electrode for an electricity storage device;
A method for manufacturing an electrode for an electricity storage device, comprising:
前記前駆体工程では、酸素除去材を含む減圧状態のチャンバー内で冷却ロールに前記原料を溶融した融液を噴射して冷却し前記板状の前駆体を得る、請求項8に記載の蓄電デバイス用電極の製造方法。 9. The electricity storage device according to claim 8, wherein in the precursor step, the melt obtained by melting the raw material is injected onto a cooling roll in a decompressed chamber containing an oxygen removing material and cooled to obtain the plate-like precursor. method of manufacturing an electrode for 前記前駆体工程では、厚さが10μm以上50μm以下の範囲の板状の前駆体を得る、請求項8又は9に記載の蓄電デバイス用電極の製造方法。 10. The method for producing an electric storage device electrode according to claim 8, wherein in said precursor step, a plate-shaped precursor having a thickness in the range of 10 [mu]m to 50 [mu]m is obtained. 前記前駆体工程では、結着材を含まない前記板状の前駆体を得る、請求項8~10のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用電極の製造方法。 11. The method for producing an electricity storage device electrode according to claim 8, wherein in said precursor step, said plate-like precursor containing no binder is obtained. 前記電極化工程では、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8~11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。 12. The method for producing a porous silicon material according to claim 8, wherein said electrode forming step selectively removes an Al component with an acid or an alkali. 前記電極化工程では、前記板状の多孔質シリコン材料の少なくとも一面に集電体を圧着又は蒸着する処理を行う、請求項8~12のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用電極の製造方法。 13. The method for producing an electric storage device electrode according to any one of claims 8 to 12, wherein in the electrode forming step, a current collector is crimped or vapor-deposited onto at least one surface of the plate-shaped porous silicon material. .
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