JP5584302B2 - リチウムイオン二次電池負極材用粉末、これを用いたリチウムイオン二次電池負極およびキャパシタ負極、ならびにリチウムイオン二次電池およびキャパシタ - Google Patents
リチウムイオン二次電池負極材用粉末、これを用いたリチウムイオン二次電池負極およびキャパシタ負極、ならびにリチウムイオン二次電池およびキャパシタ Download PDFInfo
- Publication number
- JP5584302B2 JP5584302B2 JP2012533836A JP2012533836A JP5584302B2 JP 5584302 B2 JP5584302 B2 JP 5584302B2 JP 2012533836 A JP2012533836 A JP 2012533836A JP 2012533836 A JP2012533836 A JP 2012533836A JP 5584302 B2 JP5584302 B2 JP 5584302B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- negative electrode
- ion secondary
- secondary battery
- lithium ion
- powder
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000000843 powder Substances 0.000 title claims description 134
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 126
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 title claims description 126
- 239000007773 negative electrode material Substances 0.000 title claims description 68
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 title claims description 21
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 73
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 71
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 claims description 54
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 claims description 46
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 44
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 42
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 40
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 38
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 36
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 33
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 19
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Chemical compound [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 description 20
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 18
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 14
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 13
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 11
- -1 nickel metal hydride Chemical class 0.000 description 11
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 10
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 10
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 9
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 7
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 6
- 229910003902 SiCl 4 Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000004833 X-ray photoelectron spectroscopy Methods 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 238000007323 disproportionation reaction Methods 0.000 description 5
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 5
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 5
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 4
- 238000011276 addition treatment Methods 0.000 description 4
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 3
- 125000001309 chloro group Chemical group Cl* 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 3
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 3
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 3
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 3
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 2
- OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N Diethyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OCC OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N Ethylene carbonate Chemical compound O=C1OCCO1 KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910013870 LiPF 6 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920002125 Sokalan® Polymers 0.000 description 2
- 239000006230 acetylene black Substances 0.000 description 2
- OJIJEKBXJYRIBZ-UHFFFAOYSA-N cadmium nickel Chemical compound [Ni].[Cd] OJIJEKBXJYRIBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- 229910052987 metal hydride Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011255 nonaqueous electrolyte Substances 0.000 description 2
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 2
- 239000011863 silicon-based powder Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 238000000992 sputter etching Methods 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 description 2
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 description 2
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 238000005211 surface analysis Methods 0.000 description 2
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910012851 LiCoO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910015643 LiMn 2 O 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 229910000676 Si alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001128 Sn alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000004308 accommodation Effects 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 230000005260 alpha ray Effects 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000002482 conductive additive Substances 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 210000001787 dendrite Anatomy 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000002050 diffraction method Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 238000005469 granulation Methods 0.000 description 1
- 230000003179 granulation Effects 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 1
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 239000004584 polyacrylic acid Substances 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 1
- 238000011158 quantitative evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000000682 scanning probe acoustic microscopy Methods 0.000 description 1
- 239000011856 silicon-based particle Substances 0.000 description 1
- 229910052596 spinel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011029 spinel Substances 0.000 description 1
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
- 239000013585 weight reducing agent Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
- H01G11/32—Carbon-based
- H01G11/42—Powders or particles, e.g. composition thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
- H01G11/50—Electrodes characterised by their material specially adapted for lithium-ion capacitors, e.g. for lithium-doping or for intercalation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
- H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/362—Composites
- H01M4/366—Composites as layered products
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
- H01M4/485—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of mixed oxides or hydroxides for inserting or intercalating light metals, e.g. LiTi2O4 or LiTi2OxFy
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/13—Energy storage using capacitors
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池に用いることにより放電容量が大きく、かつサイクル特性が良好であり、実用レベルでの使用に耐え得るリチウムイオン二次電池を得ることができる負極材用粉末に関する。また本発明は、この負極材用粉末を用いたリチウムイオン二次電池負極およびキャパシタ負極、ならびにリチウムイオン二次電池およびキャパシタに関する。
近年、携帯型の電子機器、通信機器等の著しい発展に伴い、経済性と機器の小型化および軽量化の観点から、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。現在、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およびポリマー電池等がある。このうち、リチウムイオン二次電池は、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池に比べて格段に高寿命かつ高容量であることから、その需要は電源市場において高い伸びを示している。
図１は、コイン形状の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、同図に示すように、正極１、負極２、電解液を含浸させたセパレーター３、および正極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から構成されている。充放電を行うと、リチウムイオンがセパレーター３の電解液を介して正極１と負極２の間を往復する。
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（ＬｉＣｏＯ２）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。
従来、リチウムイオン二次電池の負極活物質としては、カーボン、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等）との複合酸化物、Ｓｉ、ＧｅまたはＳｎとＮおよび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粒子等が提案されている。
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、充放電の繰り返しにともな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。
これに対し、負極活物質としてＳｉＯ等、一般式でＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．５）と表される低級酸化珪素の粉末が期待されている。酸化珪素は、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の劣化がなく、かつ可逆的にリチウムイオンを吸蔵および放出可能であることから、有効な充放電容量がより大きな負極活物質となり得る。そのため、酸化珪素を負極活物質として用いることにより、カーボンを用いた場合と比較して高容量であり、ＳｉやＳｎ合金といった高容量負極材を用いた場合と比較してサイクル特性が良好なリチウムイオン二次電池が得られている。
例えば特許文献１では、低級酸化珪素粉末を負極活物質として用いた非水電解質二次電池が提案されている。この提案された二次電池において、低級酸化珪素は、その結晶構造中または非晶質構造内にリチウムを含有し、非水電解質中で電気化学反応によってリチウムイオンを吸蔵および放出可能となるようにリチウムと珪素との複合酸化物を構成する。
上述のように、特許文献１で提案された二次電池では、低級酸化珪素粉末を負極活物質として用いることで高容量を得ることができるものの、本発明者らの検討によれば、サイクル特性が実用レベルに達していないという問題があった。
本発明は、これらの問題に鑑みてなされたものであり、放電容量が大きく、かつサイクル特性が良好であり、実用レベルでの使用に耐え得るリチウムイオン二次電池に、負極活物質として用いられる負極材用粉末、およびこの負極材用粉末を用いたリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。
図２は、低級珪素酸化物表面での電解液成分の化学反応を説明するための模式図である。本発明者らが、特許文献１で提案された二次電池のサイクル特性が低い原因について検討したところ、以下の結論に達した。すなわち、低級酸化珪素粉末を負極材に用いたリチウムイオン二次電池では、同図に示すように、充放電時に電解液が負極活物質を構成する低級酸化珪素粉末２０の表面に接触すると、電解液中のＬｉおよびＦを含有する成分（例えば六フッ化リンリチウム（ＬｉＰＦ６））が分解され、低級酸化珪素粉末２０の表面にＬｉＦ化合物からなる皮膜２１（以下「ＬｉＦ皮膜」という。）が形成される。負極活物質として用いられた低級酸化珪素粉末は、リチウムイオン二次電池の充放電時における膨張、収縮が大きいため、形成されたＬｉＦ皮膜２１は充放電にともなって剥がれやすく安定しない。そして、ＬｉＦ皮膜２１が剥がれて露出した酸化珪素相では、再び電解液成分の分解反応およびＬｉＦ皮膜２１の形成反応が進行する。このように、リチウムイオン二次電池の充放電を繰り返すと、ＬｉＦ皮膜の形成反応および剥離が絶え間なく進行し、電解液中のリチウムイオンが減少する。リチウムイオンは正極と負極との間を行き来して充放電を担う物質であるため、これが充放電の繰り返しにより減少すると、リチウムイオン二次電池の充放電容量が低下し、サイクル特性が劣る原因となる。
そこで、本発明者らが、このサイクル特性に影響を及ぼす充放電時のＬｉＦ皮膜の形成を抑制する方法について検討したところ、低級酸化珪素粉末の表面にＣｌを付加する方法が有効であることを知見した。
図３は、表面にＣｌを付加した低級酸化珪素粉末の模式図であり、付加したＣｌの一部がＦに置換された様子を示す。低級酸化珪素粉末２０の表面にＣｌを付加することにより、リチウムイオン二次電池の充放電時に低級酸化珪素粉末の表面において、上述したＬｉＦ化合物が形成される反応よりも、ＣｌからＦへの置換反応を優先的に進行させることができる。この置換反応が進行すると、低級酸化珪素粉末２０の表面はＣｌに代えてＦが付加された状態となる。Ｃｌから置換されたＦは、酸化珪素が膨張、収縮しても脱落せず、付加した状態で存在する。Ｆが付加された表面では電解液の分解反応が抑制されるため、正極と負極との間を行き来するリチウムイオンがＬｉＦ化合物の形成により減少するのを抑制することができ、優れたサイクル特性を得ることができる。
本発明は、この知見に基づいてなされたものであり、その要旨は、下記（１）〜（３）のリチウムイオン二次電池負極材用粉末、下記（４）のリチウムイオン二次電池負極および下記（５）のキャパシタ負極、ならびに下記（６）のリチウムイオン二次電池および下記（７）のキャパシタにある。
（１）全体の酸素と珪素のｍｏｌ比の値ｘが０．４≦ｘ≦１．２を満たすＳｉＯ x の粉末である低級酸化珪素粉末の表面に塩素が付加したリチウムイオン二次電池負極材用粉末であって、表面塩素濃度が０．１ｍｏｌ％以上であることを特徴とするリチウムイオン二次電池負極材用粉末。
（２）全体の酸素と珪素のｍｏｌ比の値ｘが０．４≦ｘ≦１．２を満たすＳｉＯ x の粉末である低級酸化珪素粉末の表面に珪素リッチ層を有し、前記珪素リッチ層の表面に塩素が付加したリチウムイオン二次電池負極材用粉末であって、表面塩素濃度が０．１ｍｏｌ％以上であることを特徴とするリチウムイオン二次電池負極材用粉末。
（３）前記塩素が付加した表面に炭素皮膜を有することを特徴とする前記（１）または（２）のリチウムイオン二次電池負極材用粉末。
（４）前記（１）〜（３）のいずれかのリチウムイオン二次電池負極材用粉末を用いたリチウムイオン二次電池用負極。
（５）前記（１）〜（３）のいずれかのリチウムイオン二次電池負極材用粉末を用いたキャパシタ負極。
（６）前記（４）のリチウムイオン二次電池用負極を用いたリチウムイオン二次電池。
（７）前記（５）のキャパシタ負極を用いたキャパシタ。
本発明において、「低級酸化珪素粉末」とは、全体の酸素と珪素のｍｏｌ比の値ｘが０．４≦ｘ≦１．２を満たす酸化珪素（ＳｉＯｘ）の粉末である。
「珪素リッチ層」とは、低級酸化珪素粉末の表面およびその近傍の領域であって、上記酸素と珪素のｍｏｌ比の値ｘが、低級酸化珪素粉末全体のｘの値よりも小さい領域をいう。珪素リッチ層には、珪素被覆も含まれる。
低級酸化珪素粉末または珪素リッチ層の表面における「表面塩素濃度」とは、これらの表面におけるＣｌの原子数をＳｉ、Ｏ、ＣおよびＣｌの原子数の合計で除してｍｏｌ％として算出した値である。ｘの測定方法、および低級酸化珪素粉末の表面塩素濃度の測定方法については後述する。
「塩素が付加した表面に導電性炭素皮膜を有する」とは、後述するように、Ｘ線光電子分光分析装置を用いて表面分析を行った結果、ＳｉとＣのモル比の値Ｓｉ／Ｃが０．０２以下であること、すなわちリチウムイオン二次電池負極材用粉末の表面のほとんどがＣに覆われており、ＳｉおよびＣｌがほとんど露出していない状態をいう。
本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末、およびリチウムイオン二次電池用負極を用いることにより、放電容量が大きく、かつサイクル特性が良好であり、実用レベルでの使用に耐え得るリチウムイオン二次電池またはキャパシタを得ることができる。また、本発明のリチウムイオン二次電池およびキャパシタは、放電容量が大きく、かつサイクル特性が良好である。
１．本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末
本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末は、全体の酸素と珪素のｍｏｌ比の値ｘが０．４≦ｘ≦１．２を満たすＳｉＯ x の粉末である低級酸化珪素粉末の表面に塩素が付加したリチウムイオン二次電池負極材用粉末、または低級酸化珪素粉末の表面に珪素リッチ層を有し、前記珪素リッチ層の表面に塩素が付加したリチウムイオン二次電池負極材用粉末であって、表面塩素濃度が０．１ｍｏｌ％以上であることを特徴とする。
本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末は、全体の酸素と珪素のｍｏｌ比の値ｘが０．４≦ｘ≦１．２を満たすＳｉＯ x の粉末である低級酸化珪素粉末の表面に塩素が付加したリチウムイオン二次電池負極材用粉末、または低級酸化珪素粉末の表面に珪素リッチ層を有し、前記珪素リッチ層の表面に塩素が付加したリチウムイオン二次電池負極材用粉末であって、表面塩素濃度が０．１ｍｏｌ％以上であることを特徴とする。
低級酸化珪素粉末とは、上述のように、全体の酸素と珪素のｍｏｌ比（Ｏ／Ｓｉ）の値ｘが０．４≦ｘ≦１．２を満たす酸化珪素（ＳｉＯｘ）の粉末である。ｘをこの範囲とする理由は、ｘの値が０．４を下回ると、本発明の負極材用粉末を用いたリチウムイオン二次電池およびキャパシタの充放電サイクルに伴う劣化が激しく、１．２を超えるとリチウムイオン二次電池およびキャパシタの容量が小さくなるからである。また、ｘは、０．８≦ｘ≦１．０５を満たすことが好ましい。
本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末は、低級酸化珪素粉末の表面、または低級酸化珪素粉末の表面に形成された珪素リッチ層の表面に塩素が付加しており、表面塩素濃度が０．１ｍｏｌ％以上である。リチウムイオン二次電池負極材用粉末の表面に塩素を有することにより、上述のように、リチウムイオン二次電池においてＬｉＦ化合物が形成され、リチウムイオンが減少することによる放電容量の低下を抑制することができ、リチウムイオン二次電池をサイクル特性の優れたものとすることができる。この放電容量の低減抑制効果は、表面塩素濃度が０．１ｍｏｌ％以上であれば得ることができる。表面塩素濃度の上限は、リチウムイオン二次電池の負極に用いられる電極（例えば銅箔）と塩素との化学反応が悪影響を及ぼさない程度として、２．０ｍｏｌ％未満が好ましい。
低級酸化珪素粉末の表面に形成された珪素リッチ層とは、リチウムイオン二次電池負極材用粉末の表面およびその近傍の領域であって、上述の酸素と珪素のｍｏｌ比の値ｘが、全体のｘの値よりも小さい領域をいう。本発明者らが検討したところ、酸化珪素の粉末において、表面の酸素と珪素のｍｏｌ比の値ｘ１が、粉末全体の酸素と珪素のｍｏｌ比ｘ０の値よりも小さい場合、すなわちｘ１＜ｘ０であり、珪素リッチ層を有する場合には、ｘ１≧ｘ０の場合と比較して、この低級酸化珪素粉末を負極材用粉末として使用したリチウムイオン二次電池の可逆容量を大きくかつ不可逆容量を小さくすることができた。珪素リッチ層は、珪素皮膜として低級酸化珪素粉末の表面に形成されていてもよく、珪素皮膜は粉末全体を完全に覆うものであっても、粉末の一部を覆うものであってもよい。
本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末は、塩素が付加した表面に導電性炭素皮膜を有することが好ましい。表面に導電性炭素皮膜を形成することで、リチウムイオン二次電池負極材用粉末の導電性が向上し、この負極材用粉末を用いたリチウムイオン二次電池の放電容量を、導電性炭素皮膜を形成していないものを用いた場合よりも大きくすることができる。
本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末において導電性炭素皮膜の占める割合（以下、「炭素皮膜率」という）は、０．２質量％以上１０質量％以下であることが好ましい。これは、以下の理由による。
炭素皮膜も、低級酸化珪素と同様にリチウムイオン二次電池の充放電容量に寄与するものの、その単位質量あたりの充放電容量は低級酸化珪素に比較して小さい。そのため、リチウムイオン二次電池負極材用粉末の炭素皮膜率は１０質量％以下であることが、リチウムイオン二次電池の充放電容量を確保する観点から好ましい。一方、炭素皮膜率が０．２質量％よりも小さいと、導電性炭素皮膜による導電性付与の効果が得られず、この負極材用粉末を用いたリチウムイオン二次電池が電池として作用しにくい。
リチウムイオン二次電池負極材用粉末の比抵抗は、４００００Ωｃｍ以下が好ましい。これは、比抵抗が４００００Ωｃｍよりも大きいとリチウムイオン二次電池の電極活物質として作用しにくいからである。比抵抗は、小さければ小さいほど電気伝導が良好になり、リチウムイオン二次電池の電極活物質として好ましい状態となるため下限は特に設ける必要がない。
リチウムイオン二次電池負極材用粉末の平均粒子径は、１μｍ以上１５μｍ以下が好ましく、３μｍ以上１２μｍ以下がより好ましい。平均粒子径が小さすぎると、電極作製時に均一なスラリーにすることができず、粉末が集電体から脱落しやすい。一方、平均粒子径が大きすぎると前記図１に示す作用極２ｃを構成する電極膜の作製が困難となり、粉末が集電体から剥離するおそれがある。平均粒子径は、レーザー光回折法による粒度分布測定における重量平均値Ｄ５０（累積重量が全重量の５０％となるときの粒子径またはメジアン径）として測定した値とする。
２．分析方法
２−１．ＳｉＯｘのｘの値の測定、算出方法
ＳｉＯｘのｘは、リチウムイオン二次電池負極材用粉末中のＯ含有率とＳｉ含有率のモル比（Ｏ／Ｓｉ）であり、粉末表面および粉末全体のｘの値は以下の方法で測定、算出することができる。
２−１．ＳｉＯｘのｘの値の測定、算出方法
ＳｉＯｘのｘは、リチウムイオン二次電池負極材用粉末中のＯ含有率とＳｉ含有率のモル比（Ｏ／Ｓｉ）であり、粉末表面および粉末全体のｘの値は以下の方法で測定、算出することができる。
２−１−１．粉末表面
酸化珪素粉末表面のｘの値は、オージェ電子分光分析によって測定することができる。オージェ電子分光装置の試料台上に密に載置した酸化珪素粉末について、０．５ｍｍ角の領域を等間隔に縦横１０区画の合計１００区画に区切り、各区画で１回ずつ測定した数値の平均を、その酸化珪素粉末表面のｘの値とする。
酸化珪素粉末表面のｘの値は、オージェ電子分光分析によって測定することができる。オージェ電子分光装置の試料台上に密に載置した酸化珪素粉末について、０．５ｍｍ角の領域を等間隔に縦横１０区画の合計１００区画に区切り、各区画で１回ずつ測定した数値の平均を、その酸化珪素粉末表面のｘの値とする。
測定の際の１次電子線のビーム径は０．５μｍ以下とし、Ａｒ＋イオンエッチングを併用する。測定対象は、Ａｒ＋イオンエッチングレート（５２．６ｎｍ／ｍｉｎ）で換算した数値で、表面から深さ方向に２０〜１００ｎｍの領域とする。
２−１−２．粉末全体
粉末全体のｘの値は、例えば下記（ａ）及び（ｂ）に示す測定方法で測定したＯ含有率をＳｉ含有率で除して算出することができる。
粉末全体のｘの値は、例えば下記（ａ）及び（ｂ）に示す測定方法で測定したＯ含有率をＳｉ含有率で除して算出することができる。
（ａ）Ｏ含有率の測定方法
リチウムイオン二次電池負極材用粉末中のＯ含有率は、酸素濃度分析装置（Ｌｅｃｏ社製、ＴＣ４３６）を用いて、試料１０ｍｇを不活性ガス融解・赤外線吸収法によって分析することで定量評価した試料中のＯ含有量から算出する。
リチウムイオン二次電池負極材用粉末中のＯ含有率は、酸素濃度分析装置（Ｌｅｃｏ社製、ＴＣ４３６）を用いて、試料１０ｍｇを不活性ガス融解・赤外線吸収法によって分析することで定量評価した試料中のＯ含有量から算出する。
（ｂ）Ｓｉ含有率の測定方法
リチウムイオン二次電池負極材用粉末中のＳｉ含有率は、試料に硝酸およびフッ酸を加えて試料を溶解させ、得られた溶液をＩＣＰ発光分光分析装置（株式会社島津製作所製）で分析することによって定量評価下試料中のＳｉ含有量から算出する。この方法では、Ｓｉ、ＳｉＯおよびＳｉＯ２が溶解され、これらを構成するＳｉを検出できる。
リチウムイオン二次電池負極材用粉末中のＳｉ含有率は、試料に硝酸およびフッ酸を加えて試料を溶解させ、得られた溶液をＩＣＰ発光分光分析装置（株式会社島津製作所製）で分析することによって定量評価下試料中のＳｉ含有量から算出する。この方法では、Ｓｉ、ＳｉＯおよびＳｉＯ２が溶解され、これらを構成するＳｉを検出できる。
２−２．導電性炭素皮膜の形成状態の評価方法
本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末において、「表面に導電性炭素皮膜を有する」とは、ＡｌＫα線（１４８６．６ｅＶ）を用いたＸ線光電子分光分析装置（ＸＰＳ）で、導電性炭素皮膜の形成処理を施したリチウムイオン二次電池負極材用粉末の表面分析を行った場合に、ＳｉとＣとのモル比の値Ｓｉ／Ｃが０．０２以下であることをいう。ＸＰＳの測定条件は表１に示す通りとする。「Ｓｉ／Ｃが０．０２以下」とは、リチウムイオン二次電池負極材用粉末の表面のほとんどがＣに覆われており、Ｓｉがほとんど露出していない状態である。
本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末において、「表面に導電性炭素皮膜を有する」とは、ＡｌＫα線（１４８６．６ｅＶ）を用いたＸ線光電子分光分析装置（ＸＰＳ）で、導電性炭素皮膜の形成処理を施したリチウムイオン二次電池負極材用粉末の表面分析を行った場合に、ＳｉとＣとのモル比の値Ｓｉ／Ｃが０．０２以下であることをいう。ＸＰＳの測定条件は表１に示す通りとする。「Ｓｉ／Ｃが０．０２以下」とは、リチウムイオン二次電池負極材用粉末の表面のほとんどがＣに覆われており、Ｓｉがほとんど露出していない状態である。
２−３．表面塩素濃度の測定方法
リチウムイオン二次電池負極材用粉末の表面塩素濃度は、ＸＰＳを使用し、表２に示す条件でＳｉ、Ｏ、ＣおよびＣｌの原子数を測定し、Ｃｌの原子数をＳｉ、Ｏ、ＣおよびＣｌの原子数の合計で除してｍｏｌ％として算出する。
リチウムイオン二次電池負極材用粉末の表面塩素濃度は、ＸＰＳを使用し、表２に示す条件でＳｉ、Ｏ、ＣおよびＣｌの原子数を測定し、Ｃｌの原子数をＳｉ、Ｏ、ＣおよびＣｌの原子数の合計で除してｍｏｌ％として算出する。
リチウムイオン二次電池負極材用粉末の表面に導電性炭素皮膜が形成されていない場合には、表面について測定した結果を表面塩素濃度として採用する。
リチウムイオン二次電池負極材用粉末の表面に導電性炭素皮膜が形成されている場合には、リチウムイオン二次電池負極材用粉末を表面から中心に向かって深さ方向に、Ａｒによって所定のピッチでエッチングし、エッチングされた面をＸＰＳで測定する操作を繰り返し行い、各深さについてＳｉ、Ｏ、ＣおよびＣｌの原子数を測定する。その結果を用いて各深さについて算出された塩素濃度のうち、最大の値を表面塩素濃度として採用する。エッチングを行うピッチはＳｉＯ２換算で１ｎｍ以下とする。
２−４．炭素皮膜率の測定方法
炭素皮膜率は、試料として用いるリチウムイオン二次電池負極材用粉末の質量と、その試料について炭素濃度分析装置（Ｌｅｃｏ社製、ＣＳ４００）を用いて酸素気流燃焼−赤外線吸収法によってＣＯ２ガスを分析することで定量評価した炭素量の結果から算出する。ルツボはセラミックルツボを、助燃剤は銅を用い、分析時間は４０秒とする。
炭素皮膜率は、試料として用いるリチウムイオン二次電池負極材用粉末の質量と、その試料について炭素濃度分析装置（Ｌｅｃｏ社製、ＣＳ４００）を用いて酸素気流燃焼−赤外線吸収法によってＣＯ２ガスを分析することで定量評価した炭素量の結果から算出する。ルツボはセラミックルツボを、助燃剤は銅を用い、分析時間は４０秒とする。
２−５．比抵抗の測定方法
リチウムイオン二次電池負極材用粉末の比抵抗ρ（Ωｃｍ）は、下記（２）式を用いて算出する。
ρ＝Ｒ×Ａ／Ｌ …（２）
ここで、Ｒ：試料の電気抵抗（Ω）、Ａ：試料の底面積（ｃｍ２）、Ｌ：試料の厚さ（ｃｍ）である。
試料の電気抵抗は、例えば、デジタルマルチメーター（岩通計測株式会社製、ＶＯＡＣ７５１３）を用いた二端子法によって測定することができる。この場合、試料は、粉末抵抗測定用治具（治具部：内径２０ｍｍのステンレス製、枠部：ポリテトラフルオロエチレン製）に試料０．２０ｇを充填し、２０ｋｇｆ／ｃｍ２で６０秒間加圧して成形し、成形した試料の厚さはマイクロメーターで測定する。
リチウムイオン二次電池負極材用粉末の比抵抗ρ（Ωｃｍ）は、下記（２）式を用いて算出する。
ρ＝Ｒ×Ａ／Ｌ …（２）
ここで、Ｒ：試料の電気抵抗（Ω）、Ａ：試料の底面積（ｃｍ２）、Ｌ：試料の厚さ（ｃｍ）である。
試料の電気抵抗は、例えば、デジタルマルチメーター（岩通計測株式会社製、ＶＯＡＣ７５１３）を用いた二端子法によって測定することができる。この場合、試料は、粉末抵抗測定用治具（治具部：内径２０ｍｍのステンレス製、枠部：ポリテトラフルオロエチレン製）に試料０．２０ｇを充填し、２０ｋｇｆ／ｃｍ２で６０秒間加圧して成形し、成形した試料の厚さはマイクロメーターで測定する。
３．リチウムイオン二次電池負極材用粉末の製造方法
３−１．低級酸化珪素粉末の製造方法
図４は、酸化珪素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とを備える。
３−１．低級酸化珪素粉末の製造方法
図４は、酸化珪素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とを備える。
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１０が配置される。加熱源１０としては、例えば電熱ヒーターを用いることができる。
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酸化珪素を蒸着させるためのステンレス鋼からなる析出基体１１が設けられる。
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。
図４に示す製造装置を用いて低級酸化珪素を製造する場合、原料として珪素粉末と二酸化珪素粉末とを所定の割合で配合し、混合、造粒および乾燥した混合造粒原料９を用いる。この混合造粒原料９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源１０によって加熱して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１１上に蒸着し、低級酸化珪素１２として析出する。その後、析出基体１１から析出した低級酸化珪素１２を取り外し、ボールミル等を使用して粉砕することにより、低級酸化珪素粉末が得られる。
３−２．珪素皮膜の形成方法
図５は、ＳｉＣｌＸ不均化反応装置の構成例を示す図である。ＳｉＣｌＸ不均化反応装置は、酸化珪素粉末１３を収容する粉末容器１４と、粉末容器１４を囲繞する加熱源１５とを備える。加熱源１５としては、例えば電熱ヒーターを用いることができる。粉末容器１４の内部は多孔板１６により上下に仕切られており、酸化珪素粉末１３は多孔板１６の上に載置される。そして、多孔板１６の下方から粉末容器１４の内部にＳｉＣｌＸガスが導入される。多孔板１６を通過したＳｉＣｌＸガスは、加熱源１５で加熱された酸化珪素粉末１３の表面に接しながら上方から排出される。
図５は、ＳｉＣｌＸ不均化反応装置の構成例を示す図である。ＳｉＣｌＸ不均化反応装置は、酸化珪素粉末１３を収容する粉末容器１４と、粉末容器１４を囲繞する加熱源１５とを備える。加熱源１５としては、例えば電熱ヒーターを用いることができる。粉末容器１４の内部は多孔板１６により上下に仕切られており、酸化珪素粉末１３は多孔板１６の上に載置される。そして、多孔板１６の下方から粉末容器１４の内部にＳｉＣｌＸガスが導入される。多孔板１６を通過したＳｉＣｌＸガスは、加熱源１５で加熱された酸化珪素粉末１３の表面に接しながら上方から排出される。
酸化珪素粉末１３およびその周辺の雰囲気は加熱源１５で加熱されているため、粉末容器１４内にＳｉＣｌＸが導入されると、酸化珪素粉末１３の表面では下記化学式（１）で表されるＳｉＣｌＸ（Ｘ＜４）の不均化反応が生じ、珪素が生成する。
ｍＳｉＣｌＸ→（ｍ−ｎ）Ｓｉ＋ｎＳｉＣｌ４ …（１）
ＳｉＣｌＸの不均化反応によって生成した珪素（Ｓｉ）が酸化珪素粉末１３の表面に付着し、珪素の皮膜、すなわち珪素リッチ層の形成がなされる。珪素皮膜の厚さや量は、ＳｉＣｌＸを導入する量や時間を調整することにより調整することができる。
ｍＳｉＣｌＸ→（ｍ−ｎ）Ｓｉ＋ｎＳｉＣｌ４ …（１）
ＳｉＣｌＸの不均化反応によって生成した珪素（Ｓｉ）が酸化珪素粉末１３の表面に付着し、珪素の皮膜、すなわち珪素リッチ層の形成がなされる。珪素皮膜の厚さや量は、ＳｉＣｌＸを導入する量や時間を調整することにより調整することができる。
３−３．塩素の付加方法
低級酸化珪素粉末または珪素リッチ層の表面に塩素を付加することにより、本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末が完成する。低級酸化珪素粉末または珪素リッチ層の表面への塩素の付加方法としては、さまざまな方法が考えられる。一例として、非酸化性雰囲気または減圧雰囲気下でＳｉＣｌ４ガスと接触させながら熱処理する方法が挙げられる。この場合、ＳｉＣｌ４ガスの流量を調整することにより、付加される塩素量を調整することができる。
低級酸化珪素粉末または珪素リッチ層の表面に塩素を付加することにより、本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末が完成する。低級酸化珪素粉末または珪素リッチ層の表面への塩素の付加方法としては、さまざまな方法が考えられる。一例として、非酸化性雰囲気または減圧雰囲気下でＳｉＣｌ４ガスと接触させながら熱処理する方法が挙げられる。この場合、ＳｉＣｌ４ガスの流量を調整することにより、付加される塩素量を調整することができる。
３−４．導電性炭素皮膜の形成方法
リチウムイオン二次電池負極材用粉末の表面への導電性炭素皮膜の形成は、ＣＶＤ等により行う。具体的には、装置としてロータリーキルンを用い、ガスとして炭素源である炭化水素ガスまたは有機物含有ガスと、不活性ガスとの混合ガスを用いて行う。
リチウムイオン二次電池負極材用粉末の表面への導電性炭素皮膜の形成は、ＣＶＤ等により行う。具体的には、装置としてロータリーキルンを用い、ガスとして炭素源である炭化水素ガスまたは有機物含有ガスと、不活性ガスとの混合ガスを用いて行う。
ただし、炭素源として炭化水素以外の有機物を用いると、ＯやＮといったＣおよびＨ以外の成分が酸化珪素と反応し、ＳｉＯ２やＳｉＮを生成するため、リチウムイオンの収容、放出に寄与し得るＳｉ量が減少し、リチウムイオン二次電池の容量が小さくなる。そのため、炭素源としてはＣおよびＨのみからなる炭化水素ガスが好ましい。
導電性炭素皮膜の形成処理温度は７００℃以上７５０℃以下とする。また、処理時間は２０分以上１２０分以下とし、形成する導電性炭素皮膜の厚さに応じて設定する。
４．リチウムイオン二次電池の構成
本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末およびリチウムイオン二次電池負極を用いた、コイン形状のリチウムイオン二次電池の構成例を、前記図１を参照して説明する。同図に示すリチウムイオン二次電池の基本的構成は、上述の通りである。
本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末およびリチウムイオン二次電池負極を用いた、コイン形状のリチウムイオン二次電池の構成例を、前記図１を参照して説明する。同図に示すリチウムイオン二次電池の基本的構成は、上述の通りである。
負極２、すなわち本発明のリチウムイオン二次電池負極を構成する作用極２ｃに用いる負極材は、本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末を用いて構成する。具体的には、活物質である本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末とその他の活物質と導電助材とバインダーとで構成することができる。負極材中の構成材料のうち、バインダーを除いた構成材料の合計に対する本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末の割合は２０質量％以上とする。本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末以外の活物質は必ずしも添加しなくてもよい。導電助材としては、例えばアセチレンブラックやカーボンブラックを使用することができ、バインダーとしては例えばポリアクリル酸（ＰＡＡ）やポリフッ化ビニリデンを使用することができる。
本発明のリチウムイオン二次電池は、上述の本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末およびリチウムイオン二次電池負極を用いたため、放電容量が大きく、かつサイクル特性が良好であり、実用レベルでの使用に耐え得る。
また、本発明の負極材用粉末およびこれを用いた負極は、キャパシタにも適用することができる。
本発明の効果を確認するため、リチウムイオン二次電池を用いた以下の試験を行い、その結果を評価した。
１．試験条件
１−１．リチウムイオン二次電池の構成
リチウムイオン二次電池の構成は、前記図１に示すコイン形状とした。
１−１．リチウムイオン二次電池の構成
リチウムイオン二次電池の構成は、前記図１に示すコイン形状とした。
最初に負極２について説明する。珪素粉末と二酸化珪素粉末とを所定の割合で配合し、混合、造粒および乾燥した混合造粒原料を原料とし、前記図３に示す装置を用いて析出基板上に低級酸化珪素を析出させた。析出した低級酸化珪素は、アルミナ製ボールミルを使用して２４時間粉砕した。この低級酸化珪素（ＳｉＯｘ）の粉末は、ｘ＝１を満たしていた。
この低級酸化珪素粉末は、ＳｉＣｌ４−Ａｒ混合ガス雰囲気下で５００℃に加熱することにより、表面への塩素付加処理を施した。ＳｉＣｌ４−Ａｒ混合ガスの、ＳｉＣｌ４／Ａｒのｍｏｌ比は表３に示す通りとした。塩素付加処理後の低級酸化珪素粉末の平均粒子径（Ｄ５０）が５〜１０μｍであった。
試験番号１〜４は、塩素付加処理を施し、表面塩素濃度が本発明の規定を満足する本発明例である。試験番号５は、塩素付加処理を行わず、表面塩素濃度が測定限界以下であった比較例である。表面塩素濃度は、ＸＰＳを用いて測定した結果を用いて算出した。
このリチウムイオン二次電池負極材用粉末を６５質量％、アセチレンブラックを１０質量％、ＰＡＡを２５質量％とした混合物に、ｎ−メチルピロリドンを加えてスラリーを作成する。このスラリーを厚さ２０μｍの銅箔に塗布し、１２０℃の雰囲気下で３０分乾燥した後、片面の面積が１ｃｍ２となる大きさに打ち抜いて負極２とした。
対極１ｃはリチウム箔とした。電解液は、ＥＣ（エチレンカーボネート）とＤＥＣ（ジエチルカーボネート）を１：１の体積比とした混合液に、ＬｉＰＦ６を１モル／リットルの割合となるように溶解させた溶液とした。セパレーターには厚さ３０μｍのポリエチレン製多孔質フィルムを用いた。
１−２．充放電試験条件
充放電試験には、二次電池充放電試験装置（株式会社ナガノ製）を用いた。充電は、リチウムイオン二次電池の両極間の電圧が０Ｖに達するまでは１ｍＡの定電流で行い、電圧が０Ｖに達した後は、０Ｖを維持したまま充電を行った。その後、電流値が２０μＡを下回った時点で充電を終了した。放電は、リチウムイオン二次電池の両極間の電圧が１．５Ｖに達するまでは１ｍＡの定電流で行った。以上の充放電試験を１００サイクル行った。
充放電試験には、二次電池充放電試験装置（株式会社ナガノ製）を用いた。充電は、リチウムイオン二次電池の両極間の電圧が０Ｖに達するまでは１ｍＡの定電流で行い、電圧が０Ｖに達した後は、０Ｖを維持したまま充電を行った。その後、電流値が２０μＡを下回った時点で充電を終了した。放電は、リチウムイオン二次電池の両極間の電圧が１．５Ｖに達するまでは１ｍＡの定電流で行った。以上の充放電試験を１００サイクル行った。
２．試験結果
上記条件で作製したリチウムイオン二次電池について充放電試験を行い、１サイクル目の放電容量（初回放電容量）およびサイクル容量維持率を指標として評価を行った。また、リチウムイオン二次電池負極材用粉末の比抵抗も測定した。これらの値を試験条件と併せて前記表３に示す。サイクル容量維持率とは、１００サイクル目の放電容量を初回放電容量で除した値であり、この値が大きいほどサイクル特性が良好であることを示す。
上記条件で作製したリチウムイオン二次電池について充放電試験を行い、１サイクル目の放電容量（初回放電容量）およびサイクル容量維持率を指標として評価を行った。また、リチウムイオン二次電池負極材用粉末の比抵抗も測定した。これらの値を試験条件と併せて前記表３に示す。サイクル容量維持率とは、１００サイクル目の放電容量を初回放電容量で除した値であり、この値が大きいほどサイクル特性が良好であることを示す。
本発明例である試験番号１〜４では、初回放電容量は１４３７ｍＡｈ／ｇ以上であり、サイクル容量維持率は８０％以上といずれも優れた値であった。また、表面塩素濃度が高いほどサイクル容量維持率が高かった。サイクル容量維持率が優れていた理由は、低級酸化珪素粉末の表面に塩素を付加したことにより、充放電時のＬｉＦの生成が抑制されたためと考えられる。
比較例である試験番号５では、初回放電容量は１４３２ｍＡｈ／ｇと、本発明例から若干劣る程度であったものの、サイクル容量維持率は７６％と本発明例に比較して劣っていた。これは、充放電時のＬｉＦの生成によって、電解液中のリチウムイオンが減少したためと考えられる。
本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末、ならびにリチウムイオン二次電池負極またはキャパシタ負極を用いることにより、放電容量が大きく、かつサイクル特性が良好であり、実用レベルでの使用に耐え得るリチウムイオン二次電池またはキャパシタを得ることができる。また、本発明のリチウムイオン二次電池およびキャパシタは、放電容量が大きく、かつサイクル特性が良好である。したがって、本発明は、二次電池およびキャパシタの分野において有用な技術である。
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：作用極集電体、
２ｃ：作用極、 ３：セパレーター、 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：低級酸化珪素、
１３：酸化珪素粉末、 １４：粉末容器、 １５：加熱源、
１６：多孔板、 ２０：低級酸化珪素粉末、 ２１：ＬｉＦ皮膜
２：負極、 ２ａ：作用極ケース、 ２ｂ：作用極集電体、
２ｃ：作用極、 ３：セパレーター、 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：低級酸化珪素、
１３：酸化珪素粉末、 １４：粉末容器、 １５：加熱源、
１６：多孔板、 ２０：低級酸化珪素粉末、 ２１：ＬｉＦ皮膜
Claims (7)
- 全体の酸素と珪素のｍｏｌ比の値ｘが０．４≦ｘ≦１．２を満たすＳｉＯ x の粉末である低級酸化珪素粉末の表面に塩素が付加したリチウムイオン二次電池負極材用粉末であって、
表面塩素濃度が０．１ｍｏｌ％以上であることを特徴とするリチウムイオン二次電池負極材用粉末。 - 全体の酸素と珪素のｍｏｌ比の値ｘが０．４≦ｘ≦１．２を満たすＳｉＯ x の粉末である低級酸化珪素粉末の表面に珪素リッチ層を有し、前記珪素リッチ層の表面に塩素が付加したリチウムイオン二次電池負極材用粉末であって、
表面塩素濃度が０．１ｍｏｌ％以上であることを特徴とするリチウムイオン二次電池負極材用粉末。 - 前記塩素が付加した表面に炭素皮膜を有することを特徴とする請求項１または２に記載のリチウムイオン二次電池負極材用粉末。
- 請求項１〜３のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池負極材用粉末を用いたリチウムイオン二次電池用負極。
- 請求項１〜３のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池負極材用粉末を用いたキャパシタ負極。
- 請求項４に記載のリチウムイオン二次電池用負極を用いたリチウムイオン二次電池。
- 請求項５に記載のキャパシタ負極を用いたキャパシタ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2012533836A JP5584302B2 (ja) | 2010-09-17 | 2011-07-29 | リチウムイオン二次電池負極材用粉末、これを用いたリチウムイオン二次電池負極およびキャパシタ負極、ならびにリチウムイオン二次電池およびキャパシタ |
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010209838 | 2010-09-17 | ||
| JP2010209838 | 2010-09-17 | ||
| PCT/JP2011/004342 WO2012035698A1 (ja) | 2010-09-17 | 2011-07-29 | リチウムイオン二次電池負極材用粉末、これを用いたリチウムイオン二次電池負極およびキャパシタ負極、ならびにリチウムイオン二次電池およびキャパシタ |
| JP2012533836A JP5584302B2 (ja) | 2010-09-17 | 2011-07-29 | リチウムイオン二次電池負極材用粉末、これを用いたリチウムイオン二次電池負極およびキャパシタ負極、ならびにリチウムイオン二次電池およびキャパシタ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPWO2012035698A1 JPWO2012035698A1 (ja) | 2014-01-20 |
| JP5584302B2 true JP5584302B2 (ja) | 2014-09-03 |
Family
ID=45831194
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2012533836A Expired - Fee Related JP5584302B2 (ja) | 2010-09-17 | 2011-07-29 | リチウムイオン二次電池負極材用粉末、これを用いたリチウムイオン二次電池負極およびキャパシタ負極、ならびにリチウムイオン二次電池およびキャパシタ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP5584302B2 (ja) |
| KR (1) | KR20130055668A (ja) |
| CN (1) | CN103119760A (ja) |
| WO (1) | WO2012035698A1 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012093651A1 (ja) * | 2011-01-07 | 2012-07-12 | 株式会社大阪チタニウムテクノロジーズ | リチウムイオン二次電池負極材用粉末、これを用いたリチウムイオン二次電池負極およびリチウムイオン二次電池 |
| JP6746526B2 (ja) * | 2016-04-06 | 2020-08-26 | 信越化学工業株式会社 | 負極活物質、混合負極活物質材料、及び負極活物質の製造方法 |
| CN109524653A (zh) * | 2018-11-21 | 2019-03-26 | 湖南中车特种电气装备有限公司 | 一种利用导电聚合物提升锂离子电容器比容量的方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006004822A (ja) * | 2004-06-18 | 2006-01-05 | Japan Storage Battery Co Ltd | 非水電解質電池 |
| JP2006198610A (ja) * | 2004-12-22 | 2006-08-03 | Fuyo Paaraito Kk | 油吸着カートリッジ、油水分離装置及び油水分離方法 |
| JP2006261127A (ja) * | 2006-04-07 | 2006-09-28 | Ube Ind Ltd | リチウムイオン非水電解質二次電池用正極活物質及びその製造方法 |
| JP2009104892A (ja) * | 2007-10-23 | 2009-05-14 | Panasonic Corp | リチウム二次電池 |
| JP2010272411A (ja) * | 2009-05-22 | 2010-12-02 | Shin-Etsu Chemical Co Ltd | 非水電解質二次電池用負極材及びその製造方法、ならびにリチウムイオン二次電池及び電気化学キャパシタ |
| WO2011148569A1 (ja) * | 2010-05-25 | 2011-12-01 | 株式会社大阪チタニウムテクノロジーズ | リチウムイオン二次電池負極材用粉末およびその製造方法 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002042809A (ja) * | 2000-07-31 | 2002-02-08 | Denki Kagaku Kogyo Kk | 非水系二次電池 |
| JP2002260651A (ja) * | 2001-02-28 | 2002-09-13 | Shin Etsu Chem Co Ltd | 酸化珪素粉末及びその製造方法 |
| DE602007010097D1 (de) * | 2006-01-25 | 2010-12-09 | Panasonic Corp | Negative elektrode für lithiumsekundärbatterie, verfahren zu ihrer herstellung sowie lithiumsekundärbatterie mit einer derartigen negativen elektrode für eine lithiumsekundärbatterie |
| KR101451801B1 (ko) * | 2007-02-14 | 2014-10-17 | 삼성에스디아이 주식회사 | 음극 활물질, 그 제조 방법 및 이를 채용한 음극과 리튬전지 |
| JP5245559B2 (ja) * | 2008-06-16 | 2013-07-24 | 信越化学工業株式会社 | 非水電解質二次電池用負極材及びその製造方法、ならびにリチウムイオン二次電池及び電気化学キャパシタ |
-
2011
- 2011-07-29 JP JP2012533836A patent/JP5584302B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 2011-07-29 WO PCT/JP2011/004342 patent/WO2012035698A1/ja active Application Filing
- 2011-07-29 CN CN2011800441422A patent/CN103119760A/zh active Pending
- 2011-07-29 KR KR1020137007921A patent/KR20130055668A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006004822A (ja) * | 2004-06-18 | 2006-01-05 | Japan Storage Battery Co Ltd | 非水電解質電池 |
| JP2006198610A (ja) * | 2004-12-22 | 2006-08-03 | Fuyo Paaraito Kk | 油吸着カートリッジ、油水分離装置及び油水分離方法 |
| JP2006261127A (ja) * | 2006-04-07 | 2006-09-28 | Ube Ind Ltd | リチウムイオン非水電解質二次電池用正極活物質及びその製造方法 |
| JP2009104892A (ja) * | 2007-10-23 | 2009-05-14 | Panasonic Corp | リチウム二次電池 |
| JP2010272411A (ja) * | 2009-05-22 | 2010-12-02 | Shin-Etsu Chemical Co Ltd | 非水電解質二次電池用負極材及びその製造方法、ならびにリチウムイオン二次電池及び電気化学キャパシタ |
| WO2011148569A1 (ja) * | 2010-05-25 | 2011-12-01 | 株式会社大阪チタニウムテクノロジーズ | リチウムイオン二次電池負極材用粉末およびその製造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103119760A (zh) | 2013-05-22 |
| JPWO2012035698A1 (ja) | 2014-01-20 |
| WO2012035698A1 (ja) | 2012-03-22 |
| KR20130055668A (ko) | 2013-05-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5584299B2 (ja) | リチウムイオン二次電池負極材用粉末、これを用いたリチウムイオン二次電池負極およびキャパシタ負極、ならびにリチウムイオン二次電池およびキャパシタ | |
| KR101513820B1 (ko) | 리튬 이온 이차 전지 음극재용 분말, 이것을 이용한 리튬 이온 이차 전지 음극 및 캐패시터 음극, 및 리튬 이온 이차 전지 및 캐패시터 | |
| US8647776B2 (en) | Carbon material for lithium ion secondary battery | |
| KR101531451B1 (ko) | 리튬 이온 이차 전지 음극재용 분말, 리튬 이온 이차 전지 음극 및 캐패시터 음극, 및, 리튬 이온 이차 전지 및 캐패시터 | |
| JP5497177B2 (ja) | リチウムイオン二次電池負極材用粉末、リチウムイオン二次電池負極およびキャパシタ負極、ならびに、リチウムイオン二次電池およびキャパシタ | |
| WO2010146759A1 (ja) | 珪素酸化物およびリチウムイオン二次電池用負極材 | |
| KR101440207B1 (ko) | 리튬 이온 이차 전지 음극재용 분말 및 그 제조 방법 | |
| JP5662485B2 (ja) | リチウムイオン二次電池負極材用粉末、これを用いたリチウムイオン二次電池負極およびキャパシタ負極、ならびにリチウムイオン二次電池およびキャパシタ | |
| JP5430761B2 (ja) | リチウムイオン二次電池負極材用粉末、リチウムイオン二次電池負極およびキャパシタ負極、ならびに、リチウムイオン二次電池およびキャパシタ | |
| JP2002251992A (ja) | 非水溶媒二次電池用電極材料、電極および二次電池 | |
| JP5909552B2 (ja) | リチウムイオン二次電池負極材用粉末、これを用いたリチウムイオン二次電池負極およびキャパシタ負極、ならびにリチウムイオン二次電池およびキャパシタ | |
| JP5584302B2 (ja) | リチウムイオン二次電池負極材用粉末、これを用いたリチウムイオン二次電池負極およびキャパシタ負極、ならびにリチウムイオン二次電池およびキャパシタ | |
| US10497967B2 (en) | Negative-electrode active material for non-aqueous secondary battery and non-aqueous secondary battery | |
| JP7054871B2 (ja) | 非水二次電池用負極活物質、及び、非水二次電池 | |
| JP2018195558A (ja) | 非水二次電池用負極活物質、及び、非水二次電池 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20140430 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20140617 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20140715 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20140717 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5584302 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |