JP5374705B2 - Method for producing SiOx - Google Patents
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Description
本発明は、SiOxの製造方法、特にリチウムイオン二次電池の負極材に用いられるSiOxの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing SiOx, and more particularly to a method for producing SiOx used for a negative electrode material of a lithium ion secondary battery.
近年、携帯型の電子機器、通信機器等の著しい発展に伴い、経済性および機器の小型化、軽量化の観点から、高エネルギー密度の二次電池の開発が強く要望されている。このような高エネルギー密度の二次電池として、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン二次電池、ポリマー電池などがある。このうち、リチウムイオン二次電池は、高寿命かつ高容量であることから、電源市場において高い需要の伸びを示している。 In recent years, with the remarkable development of portable electronic devices, communication devices, etc., there is a strong demand for the development of secondary batteries with a high energy density from the viewpoints of economy, miniaturization and weight reduction of the devices. Examples of such high energy density secondary batteries include nickel cadmium batteries, nickel metal hydride batteries, lithium ion secondary batteries, and polymer batteries. Among these, the lithium ion secondary battery has a high lifespan and a high capacity, and thus shows a high demand growth in the power supply market.
図1は、リチウムイオン二次電池の構成例を示す図である。リチウムイオン二次電池は、図1に示すように、正極1、負極2および電解液を含浸させたセパレータ3、ならびに正極1と負極2の電気的絶縁性を保つとともに電池内容物を封止するガスケット4から構成されており、充放電によってリチウムイオンが電解液を介して正極1と負極2の間を往復する。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a lithium ion secondary battery. As shown in FIG. 1, the lithium ion secondary battery maintains the electrical insulation between the
正極1は、対極ケース1aと対極集電体1bと対極1cとで構成され、対極1cにはコバルト酸リチウム(LiCoO3)やマンガンスピネル(LiMn2O4)が主に使用される。負極2は、作用極ケース2aと作用極集電体2bと作用極2cとで構成され、作用極2cに用いる負極材は、一般に、リチウムイオンの吸蔵放出が可能な活物質(負極活物質)と導電助剤およびバインダーとで構成される。
The
リチウムイオン二次電池の負極活物質としては、従来、リチウムとホウ素の複合酸化物、リチウムと遷移金属(V、Fe、Cr、Mo、Niなど)との複合酸化物、Si、GeまたはSnと窒素(N)および酸素(O)を含む化合物、化学蒸着により表面を炭素層で被覆したSi粒子などが提案されている。 Conventionally, as a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery, a composite oxide of lithium and boron, a composite oxide of lithium and a transition metal (V, Fe, Cr, Mo, Ni, etc.), Si, Ge, or Sn Compounds including nitrogen (N) and oxygen (O), Si particles whose surfaces are covered with a carbon layer by chemical vapor deposition, and the like have been proposed.
しかし、これらの負極活物質はいずれも、充放電容量を向上させ、エネルギー密度を高めることができるものの、充放電に伴って電極上にデンドライトや不働体化合物が生成するため劣化が顕著であり、またはリチウムイオンの吸蔵放出時の膨張や収縮が大きくなる。そのため、これらの負極活物質を用いたリチウムイオン二次電池は、充放電の繰り返しによる放電容量の維持性(以下、「サイクル特性」という)が不十分である。また、製造直後の放電容量と充電容量の比(放電容量/充電容量;以下、「初期効率」という)も十分ではない。 However, all of these negative electrode active materials can improve the charge / discharge capacity and increase the energy density, but due to the formation of dendrites and passive compounds on the electrodes along with charge / discharge, the deterioration is significant, Or the expansion and contraction at the time of occlusion and release of lithium ions increase. Therefore, lithium ion secondary batteries using these negative electrode active materials are insufficient in sustainability of discharge capacity (hereinafter referred to as “cycle characteristics”) due to repeated charge and discharge. Further, the ratio of the discharge capacity to the charge capacity immediately after manufacture (discharge capacity / charge capacity; hereinafter referred to as “initial efficiency”) is not sufficient.
これに対し、負極活物質としてSiOなどの珪素酸化物を用いる試みがなされている。珪素酸化物はリチウムに対する電極電位が低く(卑であり)、充放電時のリチウムイオンの吸蔵、放出による結晶構造の崩壊や不可逆物質の生成等による劣化がなく、かつ可逆的にリチウムイオンを吸蔵、放出できることから、この珪素酸化物を負極活物質として用いることにより、高電圧、高エネルギー密度で、かつ充放電特性(初期効率)およびサイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池が得られることが期待できるからである。 In contrast, attempts have been made to use silicon oxide such as SiO as the negative electrode active material. Silicon oxide has a low electrode potential with respect to lithium (base), and does not deteriorate due to occlusion or release of lithium ions during charging / discharging, generation of irreversible substances, etc., and reversibly occludes lithium ions. Therefore, by using this silicon oxide as a negative electrode active material, a lithium ion secondary battery having high voltage, high energy density, and excellent charge / discharge characteristics (initial efficiency) and cycle characteristics can be obtained. Because it can be expected.
例えば、特許文献1では、ケイ素の酸化物と、リチウムもしくはリチウムを含有する物質を両電極とし、非水電解質中で対向させて両電極間に通電し、電気化学的にリチウムイオンを収蔵させることにより得られるリチウム含有ケイ素酸化物、または、ケイ素もしくはケイ素化合物と、リチウムもしくはリチウムを混合し、加熱することにより得られるリチウム含有ケイ素酸化物を負極活物質として用いたリチウムイオン二次電池の製造方法が提案されている。しかし、本発明者らの検討によれば、このリチウムイオン二次電池では、初回の充放電時における不可逆容量が大きく(すなわち、初期効率が十分ではなく)、またサイクル特性が実用レベルに十分達しているとはいえない。
For example, in
また、特許文献2では、酸化珪素ガス(SiOガス)を発生する原料を1100〜1600℃で加熱して発生させた酸化珪素ガスと、金属珪素を1800〜2400℃で加熱して発生させた珪素ガスとの混合ガスを基体表面に析出させてSiOx(0.3<x<0.9)とするSiOxの製造方法が提案されており、これを負極活物質として用いることにより、初回充放電効率(前記の「初期効率」に相当する)およびサイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池を得ることができるとしている。しかし、金属珪素の融液およびそれから発生する高温で高濃度の珪素ガスに十分に耐える容器(材質)が少なく、かつ高価であるため、この方法は実用的ではない。また、珪素の溶融時における突沸など安全上の問題もあって製造装置の大型化が難しく、量産用として適しているとは言い難い。
In
本発明は、負極活物質として珪素酸化物を用いるに際し、上述した問題に鑑みてなされたものであり、珪素酸化物(SiOx)、特に、優れたサイクル特性および初期効率を有するリチウムイオン二次電池の負極活物質として好適に使用することができるSiOxの製造方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above-described problems when using silicon oxide as a negative electrode active material, and is a silicon oxide (SiOx), in particular, a lithium ion secondary battery having excellent cycle characteristics and initial efficiency. It aims at providing the manufacturing method of SiOx which can be used suitably as a negative electrode active material of this.
本発明者らは、上記課題を解決するために、前掲の特許文献2に記載の方法で採用されている、1100〜1600℃や1800〜2400℃のような高温下での原料処理を伴わず、より低い温度領域で処理することによりSiOxを製造する方法、ならびにSiOxにおけるxの値の適正な範囲について検討を重ねた。その結果、酸化珪素(SiO)をAr雰囲気中で400〜800℃で所定時間熱処理した後、フッ酸(HF)でエッチング(洗浄)することにより、SiOx(x<1)を得ることが可能であることを知見した。
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors do not involve raw material treatment at a high temperature such as 1100 to 1600 ° C. or 1800 to 2400 ° C., which is employed in the method described in
これは、後に詳述するが、前記Ar雰囲気下での熱処理によって、SiO内にSiが富化した部分(Siリッチな領域)とSiO2が富化した部分(SiO2リッチな領域)とを生成させ(言い換えれば、SiOからSiリッチな領域とSiO2リッチな領域とを分離させ)、続いて、HFで洗浄することにより、SiO2リッチな領域を溶解除去して、原料である酸化珪素(SiO)中の酸素(O)を一部取り除くという発想に基づき検討した結果得られた知見である。SiOxにおけるxの値は、前記熱処理時の温度や時間を適宜調整することにより制御することができる。 This is described in detail later, by heat treatment under the Ar atmosphere, Si in the SiO are the enriched portion (Si-rich region) SiO 2 is a enriched portion (SiO 2 rich region) (In other words, the Si-rich region and the SiO 2 -rich region are separated from the SiO), and subsequently washed with HF to dissolve and remove the SiO 2 -rich region, so that silicon oxide as a raw material This is a knowledge obtained as a result of examination based on the idea of removing part of oxygen (O) in (SiO). The value of x in SiOx can be controlled by appropriately adjusting the temperature and time during the heat treatment.
前記のSiリッチな領域とSiO2リッチな領域の分離は、熱処理によらず、酸化珪素(SiO)を遊星ボールミルで粉砕処理することによっても行える。 The separation of the Si-rich region and the SiO 2 -rich region can be performed not by heat treatment but also by pulverizing silicon oxide (SiO) with a planetary ball mill.
さらに、得られたSiOxをリチウムイオン二次電池の負極活物質として使用し、作製したリチウムイオン二次電池について初期効率およびサイクル特性を調査した結果、SiOxにおける理想的なxの値は、0.8<x<0.95であることを見いだした。 Furthermore, as a result of investigating initial efficiency and cycle characteristics of the produced lithium ion secondary battery using the obtained SiOx as a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery, the ideal value of x in SiOx is 0. It was found that 8 <x <0.95.
本発明はこのような知見に基づいてなされたものであり、下記のSiOxの製造方法を要旨とする。
すなわち、SiOxの製造方法であって、下記(1)および(2)の工程を含み、前記SiOxにおけるxの値を0.8<x<0.95の範囲内に制御することを特徴とするSiOxの製造方法である。
(1)酸化珪素(SiO)を非酸化性雰囲気中で400〜800℃で2時間以上熱処理する。
(2)前記熱処理後の酸化珪素を0.5〜10体積%(以下、「%」と記す)のフッ酸で洗浄する。
The present invention has been made on the basis of such knowledge, and the gist thereof is the following method for producing SiOx.
That is, a method for producing SiOx, comprising the following steps (1) and (2), wherein the value of x in the SiOx is controlled within a range of 0.8 <x <0.95. It is a manufacturing method of SiOx.
(1) Silicon oxide (SiO) is heat-treated at 400 to 800 ° C. for 2 hours or more in a non-oxidizing atmosphere.
(2) The silicon oxide after the heat treatment is washed with 0.5 to 10% by volume (hereinafter referred to as “%”) hydrofluoric acid.
本発明のSiOxの製造方法において、前記(1)の工程の非酸化性雰囲気中での熱処理に替えて、遊星ボールミルによる粉砕処理を行うこととしてもよい。
また、本発明のSiOxの製造方法において、前記(1)の工程の非酸化性雰囲気中での熱処理温度は600〜700℃とすることが望ましい。
In the method for producing SiOx of the present invention, instead of the heat treatment in the non-oxidizing atmosphere of the step (1), a pulverization treatment by a planetary ball mill may be performed.
In the method for producing SiOx of the present invention, the heat treatment temperature in the non-oxidizing atmosphere in the step (1) is preferably 600 to 700 ° C.
本発明のSiOxの製造方法によれば、酸化珪素(SiO)を原料として、高温下での加熱処理を伴わない、比較的容易な処理により、所定のx値のSiOxを製造することができる。特に、本発明の方法により製造されたSiOx(0.8<x<0.95)をリチウムイオン二次電池の負極活物質として用いることによって、優れたサイクル特性および初期効率を有するリチウムイオン二次電池を製造することができる。 According to the method for producing SiOx of the present invention, it is possible to produce SiOx having a predetermined x value by using silicon oxide (SiO) as a raw material and relatively easily without heat treatment at a high temperature. In particular, by using SiOx (0.8 <x <0.95) produced by the method of the present invention as a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery, a lithium ion secondary having excellent cycle characteristics and initial efficiency. A battery can be manufactured.
本発明のSiOxの製造方法は、前記のとおり、SiOxの製造方法であって、下記(1)および(2)の工程を含み、前記SiOxにおけるxの値を0.8<x<0.95の範囲内に制御することを特徴とするSiOxの製造方法である。
(1)酸化珪素(SiO)を非酸化性雰囲気中で400〜800℃で2時間以上熱処理する。
(2)前記熱処理後の酸化珪素を0.5〜10%のフッ酸で洗浄する。
As described above, the method for producing SiOx of the present invention is a method for producing SiOx, which includes the following steps (1) and (2), and the value of x in the SiOx is 0.8 <x <0.95. It is the manufacturing method of SiOx characterized by controlling within the range.
(1) Silicon oxide (SiO) is heat-treated at 400 to 800 ° C. for 2 hours or more in a non-oxidizing atmosphere.
(2) The silicon oxide after the heat treatment is washed with 0.5 to 10% hydrofluoric acid.
前記(1)の工程で原料として使用する酸化珪素(SiO)は、特定のものに限定されない。例えば、以下に述べる構成を備えた装置により製造される酸化珪素(SiO)の粉末を原料として使用してもよい。 The silicon oxide (SiO) used as a raw material in the step (1) is not limited to a specific one. For example, silicon oxide (SiO) powder produced by an apparatus having the configuration described below may be used as a raw material.
図2は、珪素酸化物の製造装置の構成例を示す図である。この装置は、真空室5と、真空室5内に配置された原料室6と、原料室6の上部に配置された析出室7とから構成される。
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of a silicon oxide manufacturing apparatus. This apparatus includes a
原料室6は円筒体で構成され、その中心部には、円筒状の原料容器8と、原料容器8を囲繞する加熱源9が配置される。加熱源9としては、例えば電熱ヒータを用いることができる。
The
析出室7は、原料容器8と軸が一致するように配置された円筒体で構成される。析出室7の内周面には、原料室6で昇華して発生した気体状の珪素酸化物を蒸着させるためのステンレス鋼からなる析出基体10が設けられる。
The deposition chamber 7 is configured by a cylindrical body arranged so that its axis coincides with the
原料室6と析出室7とを収容する真空室5には、雰囲気ガスを排出するための真空装置(図示せず)が接続されており、矢印A方向にガスが排出される。
A vacuum device (not shown) for discharging atmospheric gas is connected to the
この図2に示す製造装置を用いて本発明の製造方法で原料として使用する酸化珪素(SiO)を製造する場合、珪素粉末と二酸化珪素粉末とを等モル配合し、混合、造粒および乾燥した混合造粒原料11を用いる。この混合造粒原料11を原料容器8に充填し、不活性ガス雰囲気または真空中で加熱してSiOを生成(昇華)させる。昇華により発生した気体状のSiOは、原料室6から上昇して析出室7に入り、周囲の析出基体10上に蒸着し、析出酸化珪素(SiO)12として析出する。その後、析出酸化珪素(SiO)12を析出基体10から取り外し、粉砕することにより酸化珪素粉末が得られる。
When producing silicon oxide (SiO) used as a raw material in the production method of the present invention using the production apparatus shown in FIG. 2, equimolar amounts of silicon powder and silicon dioxide powder are mixed, granulated and dried. A mixed granulated
前記(1)の工程において、原料である酸化珪素(SiO)を非酸化性雰囲気中で400〜800℃で熱処理するのは、酸化珪素(SiO)からSiリッチな領域とSiO2リッチな領域とを分離させるためである。 In the step (1), the silicon oxide (SiO) as a raw material is heat-treated in a non-oxidizing atmosphere at 400 to 800 ° C. because the silicon-rich (SiO) -rich region, the SiO 2 -rich region, This is to separate them.
図3は、本発明の製造方法における前記(1)の工程で実施する非酸化性囲気中での熱処理後の酸化珪素(SiO)のミクロ状態を模式的に示す図である。図3に示すように、原料である酸化珪素(SiO)を非酸化性雰囲気中において前記所定温度で熱処理することにより不均化反応が進行し、酸化珪素(SiO)からSiリッチな領域(図3では、「Si」と表示)とSiO2リッチな領域(図3では、「SiO2」と表示)が分離する。このとき、反応を完全には進行させず、未反応のSiO(図3では、「中間層」と表示)とSiリッチ領域とSiO2リッチ領域とが混在した状態で熱処理を終了する。 FIG. 3 is a diagram schematically showing a micro state of silicon oxide (SiO) after heat treatment in a non-oxidizing atmosphere performed in the step (1) in the production method of the present invention. As shown in FIG. 3, the disproportionation reaction proceeds by heat-treating silicon oxide (SiO) as a raw material at a predetermined temperature in a non-oxidizing atmosphere, and a silicon-rich region (FIG. 3 is labeled “Si”) and the SiO 2 rich region (labeled “SiO 2 ” in FIG. 3) is separated. At this time, the reaction is not allowed to proceed completely, and the heat treatment is finished in a state where unreacted SiO (indicated as “intermediate layer” in FIG. 3), the Si rich region, and the SiO 2 rich region coexist.
このような熱処理を施した酸化珪素に対し、次に述べる(2)の工程のHF洗浄処理を行うと、SiO2リッチ領域が選択的に除去されるので、中間層(SiO)とSiとがミクロ的に混在したSiOx(x<1)を得ることができる。 When silicon oxide that has been subjected to such heat treatment is subjected to HF cleaning in the step (2) described below, the SiO 2 rich region is selectively removed, so that the intermediate layer (SiO) and Si are removed. Microscopically mixed SiOx (x <1) can be obtained.
その場合、反応の進行度により中間層(SiO)とSiリッチ領域とSiO2リッチ領域の存在比が変わり、それに応じて、得られるSiOx(x<1)におけるxの値が変わるので、熱処理条件とSiOxにおけるxの値との関係をあらかじめ把握しておくことにより、得られるSiOxにおけるxの値の制御が可能になる。なお、SiOxのx値は、例えば、O(酸素)をセラミック中酸素分析装置(不活性気流下溶融法)によって定量し、SiはSiOxを溶液化した後にICP発光分光分析により定量することによって算出することができる。 In that case, the abundance ratio of the intermediate layer (SiO), the Si-rich region, and the SiO 2 -rich region changes depending on the progress of the reaction, and the value of x in the resulting SiOx (x <1) changes accordingly. By grasping in advance the relationship between x and the value of x in SiOx, the value of x in the resulting SiOx can be controlled. The x value of SiOx is calculated by, for example, quantifying O (oxygen) with an oxygen analyzer in a ceramic (melting method under an inert gas stream), and Si by quantifying the solution with SiOP and then ICP emission spectrometry. can do.
熱処理温度が400℃未満では、反応が進行しにくく、Siリッチな領域とSiO2リッチな領域の分離が起こりにくい。一方、熱処理温度が800℃を超えると、反応速度が速すぎるためxの値が小さくなりやすく、SiOxにおけるxの値の適正な制御が困難になる。 When the heat treatment temperature is less than 400 ° C., the reaction does not proceed easily, and separation between the Si-rich region and the SiO 2 -rich region hardly occurs. On the other hand, when the heat treatment temperature exceeds 800 ° C., the reaction rate is too fast, and the value of x tends to be small, and it is difficult to properly control the value of x in SiOx.
前記(1)の工程の非酸化性雰囲気中での熱処理温は、600〜700℃とするのが望ましい。これにより、Siリッチ領域とSiO2リッチ領域とSiOとが混在した状態が得られやすく、SiOxにおけるxの値の制御がし易くなる。 The heat treatment temperature in the non-oxidizing atmosphere of the step (1) is preferably 600 to 700 ° C. Thereby, it is easy to obtain a state in which the Si rich region, the SiO 2 rich region, and SiO are mixed, and the value of x in SiOx can be easily controlled.
非酸化性雰囲気としては、通常はAr雰囲気とするのがよいが、N2雰囲気等としてもよい。 The non-oxidizing atmosphere is usually an Ar atmosphere, but may be an N 2 atmosphere or the like.
前記所定温度での熱処理時間は2時間以上とする。熱処理時間が2時間に満たないと、反応の進行度が低いため、前記のSiOとSiリッチ領域およびSiO2リッチ領域が混在した状態に達しにくく、SiOxにおけるxの値の制御が難しい。熱処理時間の上限は特に定めないが、過度に長時間の熱処理を行うと作業能率が低下するので、12時間以下とするのが望ましい。 The heat treatment time at the predetermined temperature is 2 hours or more. If the heat treatment time is less than 2 hours, the degree of progress of the reaction is low, so that it is difficult to reach the state where the SiO, Si rich region and SiO 2 rich region are mixed, and it is difficult to control the value of x in SiOx. The upper limit of the heat treatment time is not particularly defined, but if the heat treatment is performed for an excessively long time, the work efficiency is lowered.
前記(2)の工程では、前記熱処理後の酸化珪素(SiO)を0.5〜10%のフッ酸(HF)で洗浄する。これは、SiO中に生成したSiO2リッチな領域を溶解除去して、酸化珪素(SiO)中の酸素(O)を一部取り除くためである。HF濃度が0.5%未満ではSiO2リッチ領域の溶解除去に長時間を要し、10%を超えると、濃度の増大に伴う溶解速度上昇のため、SiOxにおけるxの値の制御が難しく、またSiH4の発生による爆発の危険性がある。 In the step (2), the silicon oxide (SiO) after the heat treatment is washed with 0.5 to 10% hydrofluoric acid (HF). This is because the SiO 2 rich region generated in SiO is dissolved and removed to partially remove oxygen (O) in silicon oxide (SiO). If the HF concentration is less than 0.5%, it takes a long time to dissolve and remove the SiO 2 -rich region. If it exceeds 10%, it is difficult to control the value of x in SiOx because of the increase in dissolution rate accompanying the increase in concentration. There is also a risk of explosion due to the generation of SiH 4 .
HFによる洗浄では、SiO2リッチ領域が選択的に溶解され、SiOやSiリッチ領域への影響は少ない。したがって、洗浄時間は特に限定しないが、作業能率等を考慮して5〜30分程度とすることが望ましい。また、溶解の促進を図るため、適宜攪拌することが望ましい。 In the cleaning with HF, the SiO 2 rich region is selectively dissolved, and the influence on the SiO or Si rich region is small. Accordingly, the cleaning time is not particularly limited, but is preferably about 5 to 30 minutes in consideration of work efficiency and the like. In addition, it is desirable to appropriately stir to promote dissolution.
前述したように、酸化珪素(SiO)を非酸化性雰囲気中で熱処理した後、HFで洗浄することにより、酸化珪素(SiO)中の酸素(O)の一部を取り除き、SiOx(x<1)とすることができる。その際、SiOxにおけるxの値を0.8<x<0.95の範囲内に制御するのは、このSiOxをリチウムイオン二次電池の負極活物質として用いた場合に、優れたサイクル特性および初期効率を有するリチウムイオン二次電池を製造できるからである。前記xの値が0.8以下であれば、サイクル特性が劣化する。一方、xの値が0.95以上であれば、初期効率が低下する。 As described above, after heat-treating silicon oxide (SiO) in a non-oxidizing atmosphere, the silicon oxide (SiO) is washed with HF to remove a part of oxygen (O) in the silicon oxide (SiO), and SiOx (x <1 ). At that time, the value of x in SiOx is controlled within the range of 0.8 <x <0.95 when the SiOx is used as a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery and excellent cycle characteristics and This is because a lithium ion secondary battery having initial efficiency can be manufactured. If the value of x is 0.8 or less, the cycle characteristics deteriorate. On the other hand, if the value of x is 0.95 or more, the initial efficiency is lowered.
このようにして得られた珪素酸化物(SiOx;0.8<x<0.95)は、通常は、粉末状で、HF中に懸濁した状態にあるので、ろ過した後、乾燥させる。例えば、適切なろ過器を使用してろ過した後、120℃に設定した乾燥機で24時間程度乾燥させるのが望ましい。また、このSiOx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には、さらに粉砕して、適切な粒度(例えば、D50(積算粒子径分布における50%径)で10μm程度)に調整する。 The silicon oxide (SiOx; 0.8 <x <0.95) thus obtained is usually in the form of powder and suspended in HF, and is filtered and dried. For example, it is desirable to perform filtration for about 24 hours with a dryer set at 120 ° C. after filtration using an appropriate filter. Further, when this SiOx is used as a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery, it is further pulverized and adjusted to an appropriate particle size (for example, D 50 (about 50 μm in the integrated particle size distribution) at about 10 μm). .
本発明のSiOxの製造方法において、前記(1)の工程の非酸化性雰囲気中での熱処理に替えて、遊星ボールミルによる粉砕処理を行うこととしてもよい。 In the method for producing SiOx of the present invention, instead of the heat treatment in the non-oxidizing atmosphere of the step (1), a pulverization treatment by a planetary ball mill may be performed.
遊星ボールミルは、一般に、モータの駆動力によって回転する主軸(公転回転軸)と、主軸から放射状に延伸している公転回転アームと、当該アームの先端において、主軸に対して傾斜している自転軸を中心として自転自在に装着されている粉砕容器(ミルポット)とを有している。 A planetary ball mill generally includes a main shaft (revolving rotation shaft) that is rotated by a driving force of a motor, a revolving rotation arm that extends radially from the main shaft, and a rotation shaft that is inclined with respect to the main shaft at the tip of the arm. And a pulverization container (mill pot) mounted so as to be rotatable about the center.
この遊星ボールミルを使用し、酸化珪素(SiO)を被粉砕物として処理する場合、被粉砕物と粉砕媒体ボールを入れたミルポットを公転させながら自転させるので、公転遠心加速度と自転遠心加速度をミルポット内の被粉砕物と粉砕媒体ボールに与えることができ、被粉砕物と粉砕媒体ボールが激しく衝突し、被粉砕物に強い衝撃力が加えられる。その結果、瞬間的に高圧状態が生じ、前述の熱処理を施した場合と同様に、酸化珪素(SiO)からSiリッチな領域とSiO2リッチな領域が分離されて、SiOとSiリッチ領域およびSiO2リッチ領域とが混在した状態が得られるものと推察される。 When this planetary ball mill is used to treat silicon oxide (SiO) as the material to be crushed, the mill pot containing the material to be crushed and the grinding media ball is rotated while revolving, so the revolution centrifugal acceleration and the rotation centrifugal acceleration are measured in the mill pot. The material to be crushed and the grinding media ball can be applied to each other, and the material to be ground and the grinding media ball collide violently, and a strong impact force is applied to the material to be crushed. As a result, a high-pressure state is instantaneously generated, and the Si-rich region and the SiO 2 -rich region are separated from the silicon oxide (SiO) as in the case where the above-described heat treatment is performed. It is inferred that a mixture of two rich areas can be obtained.
遊星ボールミルでの処理条件については、主軸(公転回転軸)の回転数:10〜60rpm、処理時間:5〜60分の範囲内で適宜調整するのが望ましい。回転数が10rpm未満であると、衝撃力が小さく分離が行えない。同様に、処理時間が5分未満であると、分離を行うことができない。一方、回転数が60rpm、または処理時間が60分を超えるようになると、粒度が小さくなり過ぎて微粉が多くなるため、分離反応の制御が困難になる。 Regarding the processing conditions in the planetary ball mill, it is desirable to appropriately adjust the rotational speed of the main shaft (revolving rotation shaft): 10 to 60 rpm and the processing time: 5 to 60 minutes. When the rotational speed is less than 10 rpm, the impact force is small and separation cannot be performed. Similarly, when the processing time is less than 5 minutes, separation cannot be performed. On the other hand, when the rotational speed is 60 rpm or the treatment time exceeds 60 minutes, the particle size becomes too small and the amount of fine powder increases, so that it becomes difficult to control the separation reaction.
本発明のSiOxの製造方法によれば、酸化珪素(SiO)を原料として、比較的容易な処理により、所定のx値のSiOxを製造することができる。特に、本発明の方法により製造されたSiOx(0.8<x<0.95)をリチウムイオン二次電池の負極活物質として用いれば、優れたサイクル特性および初期効率を有するリチウムイオン二次電池を製造することができる。本発明の製造方法は、SiOxの製造に際して、高温下での加熱処理を伴わないので、装置材質の選定における制約も少なく、製造装置の大型化への対応が比較的容易であり、量産に適している。 According to the method for producing SiOx of the present invention, SiOx having a predetermined x value can be produced by a relatively easy process using silicon oxide (SiO) as a raw material. In particular, if SiOx (0.8 <x <0.95) produced by the method of the present invention is used as a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery, the lithium ion secondary battery having excellent cycle characteristics and initial efficiency. Can be manufactured. Since the manufacturing method of the present invention does not involve heat treatment at high temperature when manufacturing SiOx, there are few restrictions on the selection of material for the device, and it is relatively easy to cope with the increase in size of the manufacturing device and is suitable for mass production. ing.
(実施例1)
珪素粉末と二酸化珪素粉末とを等量配合し、混合、造粒した混合造粒原料を用い、前記図2に示した構成を有する装置を使用して減圧下で昇華反応させ、発生した気体状のSiOを冷却した析出基体上に酸化珪素(SiO)として析出させた。
Example 1
Using a mixed granulation raw material in which equal amounts of silicon powder and silicon dioxide powder are mixed, granulated, and sublimated under reduced pressure using the apparatus having the configuration shown in FIG. SiO was deposited as silicon oxide (SiO) on a cooled precipitation substrate.
この酸化珪素(SiO)を粒径1〜4mmに粉砕して得られた粒状SiOを、雰囲気炉内で、Ar雰囲気中、700℃で2時間熱処理した後、HFにより洗浄してSiOxとし、ろ過、乾燥処理を経た後、粉砕して、D50で10μmのSiOx粉末とした。 The granular SiO obtained by pulverizing this silicon oxide (SiO) to a particle size of 1 to 4 mm is heat-treated in an atmosphere furnace in an Ar atmosphere at 700 ° C. for 2 hours, then washed with HF to form SiOx, filtered After passing through a drying treatment, it was pulverized to obtain a SiOx powder having a D 50 of 10 µm.
このSiOx粉末を負極活物質として使用し、これに導電助剤としてのアセチレンブラックとバインダーを加えて負極材とし、正極にLi箔を用いたコイン状のリチウムイオン二次電池を作製して、初期効率およびサイクル特性を調査した。なお、この場合のサイクル特性は、充放電を100回繰り返した後の放電容量の初期放電容量(製造直後の放電容量)に対する維持率である。 Using this SiOx powder as a negative electrode active material, adding acetylene black and a binder as a conductive auxiliary agent to a negative electrode material, and producing a coin-shaped lithium ion secondary battery using Li foil for the positive electrode, Efficiency and cycle characteristics were investigated. In addition, the cycle characteristic in this case is a maintenance ratio with respect to the initial discharge capacity (discharge capacity immediately after manufacture) of the discharge capacity after repeating charging and discharging 100 times.
初期効率およびサイクル特性調査においては、SiOx粉末におけるxの値を、0.86〜0.97の範囲で変更した。また、熱処理後の洗浄に使用するHFの濃度を0.4%、0.5%、または10%とした。なお、調査に用いたSiOxのx値は、セラミック中酸素分析装置によるO(酸素)の定量値と、ICP発光分光分析法によるSiの定量値から求め、所期のx値もしくはそれに近い値であることを確認した。 In the initial efficiency and cycle characteristic investigation, the value of x in the SiOx powder was changed in the range of 0.86 to 0.97. Further, the concentration of HF used for cleaning after the heat treatment was set to 0.4%, 0.5%, or 10%. The x value of SiOx used in the investigation was obtained from the quantitative value of O (oxygen) by the oxygen analyzer in the ceramic and the quantitative value of Si by the ICP emission spectroscopic analysis method. I confirmed that there was.
調査結果を表1に示す。 The survey results are shown in Table 1.
表1に示した結果から、SiOxにおけるxの値が0.8〜0.95の範囲内(本発明例1、2)であれば、初期効率が85%以上であり、サイクル特性も85%以上の良好な値が維持されるとみることができる。熱処理後の洗浄に用いるHFの濃度は、表1の結果から、0.5〜10%の範囲内とするのが妥当である。SiOxにおけるxの値が0.97、HF濃度が0.4(比較例)の場合は、本発明例1、2に比べて初期効率、サイクル特性のいずれも大きく低下した。
(実施例2)
From the results shown in Table 1, when the value of x in SiOx is in the range of 0.8 to 0.95 (Invention Examples 1 and 2), the initial efficiency is 85% or more, and the cycle characteristics are also 85%. It can be seen that the above good values are maintained. From the results shown in Table 1, it is appropriate that the concentration of HF used for cleaning after the heat treatment be within the range of 0.5 to 10%. When the value of x in SiOx was 0.97 and the HF concentration was 0.4 (comparative example), both the initial efficiency and the cycle characteristics were greatly reduced as compared with Examples 1 and 2 of the present invention.
(Example 2)
実施例1で用いた粒状SiOを、遊星ボールミルで処理した後、HFにより洗浄してSiOxとし、ろ過、乾燥処理後、粉砕して、D50で10μmのSiOx粉末とした。遊星ボールミルでの処理条件は、主軸(公転回転軸)の回転数:12rpm、処理時間:20分とし、遊星ボールミルによる処理後の洗浄に使用するHF濃度は10%とした。得られたSiOx粉末におけるxの値は0.91であった。 The granular SiO used in Example 1 was treated with a planetary ball mill, washed with HF to form SiOx, filtered, dried, pulverized, and made into a 50 μm SiOx powder with D 50 . The processing conditions in the planetary ball mill were: the rotation speed of the main shaft (revolving rotation shaft): 12 rpm, the processing time: 20 minutes, and the HF concentration used for cleaning after the processing by the planetary ball mill was 10%. The value of x in the obtained SiOx powder was 0.91.
このSiOx粉末を負極活物質として使用し、実施例1の場合と同様にリチウムイオン二次電池を作製して、初期効率およびサイクル特性を調査した。 Using this SiOx powder as the negative electrode active material, a lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, and the initial efficiency and cycle characteristics were investigated.
調査結果を表1に本発明例3として示す。この結果から、遊星ボールミルで処理することによって、非酸化性雰囲気中で所定温度で熱処理する場合と同等の効果が得られることが確認できた。 The investigation results are shown in Table 1 as Example 3 of the present invention. From this result, it was confirmed that the effect equivalent to the case where heat treatment was performed at a predetermined temperature in a non-oxidizing atmosphere was obtained by treating with a planetary ball mill.
本発明のSiOxの製造方法によれば、酸化珪素(SiO)を原料として、比較的容易な処理により、SiOx(0.8<x<0.95)を製造することができる。このSiOx(0.8<x<0.95)をリチウムイオン二次電池の負極活物質として用いれば、優れたサイクル特性および初期効率を有するリチウムイオン二次電池を製造することができる。したがって、本発明は、リチウムイオン二次電池の製造において好適に利用することができる。 According to the method for producing SiOx of the present invention, SiOx (0.8 <x <0.95) can be produced by relatively easy processing using silicon oxide (SiO) as a raw material. If this SiOx (0.8 <x <0.95) is used as the negative electrode active material of a lithium ion secondary battery, a lithium ion secondary battery having excellent cycle characteristics and initial efficiency can be produced. Therefore, the present invention can be suitably used in the manufacture of lithium ion secondary batteries.
1:正極、 1a:対極ケース、 1b:対極集電体、 1c:対極、
2:負極、 2a:作用極ケース、 2b:作用曲集電体、 2c:作用極、
3:セパレータ、 4:ガスケット、 5:真空室、 6:原料室、
7:析出室、 8:原料容器、 9:混合造粒原料、 10:加熱源
11:析出基体、 12:析出珪素酸化物
1: positive electrode, 1a: counter electrode case, 1b: counter electrode current collector, 1c: counter electrode,
2: negative electrode, 2a: working electrode case, 2b: working music collector, 2c: working electrode,
3: separator, 4: gasket, 5: vacuum chamber, 6: raw material chamber,
7: Precipitation chamber, 8: Raw material container, 9: Mixed granulated raw material, 10: Heat source 11: Precipitation base, 12: Precipitated silicon oxide
Claims (3)
下記(1)および(2)の工程を含み、前記SiOxにおけるxの値を0.8<x<0.95の範囲内に制御することを特徴とするSiOxの製造方法。
(1)酸化珪素(SiO)を非酸化性雰囲気中で400〜800℃で2時間以上熱処理する。
(2)前記熱処理後の酸化珪素を0.5〜10%のフッ酸で洗浄する。 A method for producing SiOx, comprising:
A method for producing SiOx, comprising the following steps (1) and (2), wherein the value of x in the SiOx is controlled within a range of 0.8 <x <0.95.
(1) Silicon oxide (SiO) is heat-treated at 400 to 800 ° C. for 2 hours or more in a non-oxidizing atmosphere.
(2) The silicon oxide after the heat treatment is washed with 0.5 to 10% hydrofluoric acid.
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