JP5737447B2 - Copper-containing layered polysilane, negative electrode active material, and power storage device - Google Patents

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Description

本発明は、リチウムイオン二次電池などの蓄電装置に用いられる負極活物質用の層状ポリシランと、その負極活物質を用いた二次電池、電気二重層コンデンサ、リチウムイオンキャパシタなどの蓄電装置に関するものである。   The present invention relates to a layered polysilane for a negative electrode active material used in a power storage device such as a lithium ion secondary battery, and a power storage device such as a secondary battery, an electric double layer capacitor, and a lithium ion capacitor using the negative electrode active material. It is.

リチウムイオン二次電池は、充放電容量が高く、高出力化が可能な二次電池である。現在、主として携帯電子機器用の電源として用いられており、更に、今後普及が予想される電気自動車用の電源として期待されている。リチウムイオン二次電池は、リチウム(Li)を挿入および脱離することができる活物質を正極及び負極にそれぞれ有する。そして、両極間に設けられた電解液内をリチウムイオンが移動することによって動作する。   A lithium ion secondary battery is a secondary battery having a high charge / discharge capacity and capable of high output. Currently, it is mainly used as a power source for portable electronic devices, and further expected as a power source for electric vehicles that are expected to be widely used in the future. Lithium ion secondary batteries have active materials capable of inserting and extracting lithium (Li) in the positive electrode and the negative electrode, respectively. And it operates by moving lithium ions in the electrolyte provided between the two electrodes.

リチウムイオン二次電池には、正極の活物質として主にリチウムコバルト複合酸化物等のリチウム含有金属複合酸化物が用いられ、負極の活物質としては多層構造を有する炭素材料が主に用いられている。リチウムイオン二次電池の性能は、二次電池を構成する正極、負極および電解質の材料に左右される。なかでも活物質を形成する活物質材料の研究開発が活発に行われている。例えば負極活物質材料として炭素よりも高容量なケイ素またはケイ素酸化物が検討されている。   In lithium ion secondary batteries, lithium-containing metal composite oxides such as lithium cobalt composite oxide are mainly used as the active material for the positive electrode, and carbon materials having a multilayer structure are mainly used as the active material for the negative electrode. Yes. The performance of the lithium ion secondary battery depends on the materials of the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte constituting the secondary battery. In particular, research and development of active material that forms an active material is being actively conducted. For example, silicon or silicon oxide having a higher capacity than carbon has been studied as a negative electrode active material.

ケイ素を負極活物質として用いることにより、炭素材料を用いるよりも高容量の電池とすることができる。しかしながらケイ素は、充放電時のLiの吸蔵・放出に伴う体積変化が大きい。そのためケイ素が微粉化して集電体から脱落または剥離し、電池の充放電サイクル寿命が短いという問題点がある。そこでケイ素酸化物を負極活物質として用いることにより、ケイ素よりも充放電時のLiの吸蔵・放出に伴う体積変化を抑制することができる。   By using silicon as the negative electrode active material, a battery having a higher capacity than that using a carbon material can be obtained. However, silicon has a large volume change due to insertion and extraction of Li during charge and discharge. Therefore, there is a problem that silicon is pulverized and falls off or peels from the current collector, and the charge / discharge cycle life of the battery is short. Therefore, by using silicon oxide as the negative electrode active material, volume change associated with insertion and extraction of Li during charge and discharge can be suppressed more than silicon.

例えば、負極活物質として、酸化ケイ素(SiOx:xは0.5≦x≦1.5程度)の使用が検討されている。SiOxは熱処理されると、SiとSiO2とに分解することが知られている。これは不均化反応といい、固体の内部反応によりSi相とSiO2相の二相に分離する。分離して得られるSi相は非常に微細である。また、Si相を覆うSiO2相が電解液の分解を抑制する働きをもつ。したがって、SiとSiO2とに分解したSiOxからなる負極活物質を用いた二次電池は、サイクル特性に優れる。 For example, the use of silicon oxide (SiO x : x is about 0.5 ≦ x ≦ 1.5) as a negative electrode active material has been studied. It is known that SiO x decomposes into Si and SiO 2 when heat-treated. This is called disproportionation reaction, and it is separated into two phases of Si phase and SiO 2 phase by solid internal reaction. The Si phase obtained by separation is very fine. Further, the SiO 2 phase covering the Si phase has a function of suppressing the decomposition of the electrolytic solution. Therefore, the secondary battery using the negative electrode active material composed of SiO x decomposed into Si and SiO 2 has excellent cycle characteristics.

上記したSiOxのSi相を構成するシリコン粒子が微細であるほど、それを負極活物質として用いた二次電池はサイクル特性が向上する。そこで特許第3865033号(特許文献1)には、金属シリコンとSiO2を加熱して昇華させて酸化珪素ガスとし、それを冷却してSiOxを製造する方法が記載されている。この方法によれば、Si相を構成するシリコン粒子の粒径を1-5nmのナノサイズとすることができる。 As the silicon particles constituting the Si phase of SiO x are finer, the secondary battery using the silicon particles as the negative electrode active material has improved cycle characteristics. Therefore, Japanese Patent No. 3806333 (Patent Document 1) describes a method of heating and sublimating metallic silicon and SiO 2 to form silicon oxide gas and cooling it to produce SiO x . According to this method, the particle size of the silicon particles constituting the Si phase can be set to a nanosize of 1-5 nm.

また特開2009-102219号公報(特許文献2)には、シリコン原料を高温のプラズマ中で元素状態まで分解し、それを液体窒素温度まで急冷してシリコンナノ粒子を得、このシリコンナノ粒子をゾルゲル法などでSiO2-TiO2マトリクス中に固定する製造方法が記載されている。 JP 2009-102219 (Patent Document 2) discloses that a silicon raw material is decomposed to an elemental state in a high-temperature plasma, and rapidly cooled to a liquid nitrogen temperature to obtain silicon nanoparticles. A manufacturing method for fixing in a SiO 2 —TiO 2 matrix by a sol-gel method or the like is described.

ところが特許文献1に記載の製造方法では、マトリクスが昇華性の材料に限られる。また特許文献2に記載の製造方法では、プラズマ放電のために高いエネルギーが必要となる。さらにこれらの製造方法で得られたシリコン複合体では、Si相のシリコン粒子の分散性が低く凝集し易いという不具合がある。Si粒子どうしが凝集して粒径が大きくなると、それを負極活物質として用いた二次電池は初期容量が低く、サイクル特性も低下する。   However, in the manufacturing method described in Patent Document 1, the matrix is limited to a sublimable material. Further, in the manufacturing method described in Patent Document 2, high energy is required for plasma discharge. Furthermore, the silicon composites obtained by these production methods have a disadvantage that the dispersibility of Si-phase silicon particles is low and they are likely to aggregate. When Si particles are aggregated to increase the particle size, a secondary battery using the same as a negative electrode active material has a low initial capacity and cycle characteristics.

ところで近年、半導体、電気・電子等の各分野への利用が期待されるナノシリコン材料が開発されている。例えばPhysical Review B(1993),vol48,8172-8189(非特許文献1)には、塩化水素(HCl)と二ケイ化カルシウム(CaSi2)とを反応させることで層状ポリシランを合成する方法が記載され、こうして得られる層状ポリシランは、発光素子などに利用できることが記載されている。 By the way, in recent years, nanosilicon materials that are expected to be used in various fields such as semiconductors, electrical / electronics, and the like have been developed. For example, Physical Review B (1993), vol 48, 8172-8189 (Non-Patent Document 1) describes a method of synthesizing layered polysilane by reacting hydrogen chloride (HCl) with calcium disilicide (CaSi 2 ). In addition, it is described that the layered polysilane thus obtained can be used for a light emitting device or the like.

そして特開2011-090806号公報(特許文献3)には、層状ポリシランを負極活物質として用いたリチウムイオン二次電池が記載されている。   JP 2011-090806 A (Patent Document 3) describes a lithium ion secondary battery using layered polysilane as a negative electrode active material.

特許第3865033号公報Japanese Patent No. 3806333 特開2009-102219号公報JP 2009-102219 A 特開2011-090806号公報JP 2011-090806 JP

Physical Review B(1993),vol48,8172-8189Physical Review B (1993), vol48,8172-8189

ところが特許文献3に記載された層状ポリシランからなる負極活物質は、電子伝導性が低くレート特性がまだ不十分であり、また初期効率も不十分であった。本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、電子伝導性が向上した負極活物質として用いられる銅含有層状ポリシランと、その銅含有層状ポリシランを負極活物質として用いた負極を有する蓄電装置を提供することを解決すべき課題とする。   However, the negative electrode active material composed of layered polysilane described in Patent Document 3 has low electron conductivity and insufficient rate characteristics, and initial efficiency is also insufficient. The present invention has been made in view of such circumstances, and a power storage device including a copper-containing layered polysilane used as a negative electrode active material with improved electron conductivity and a negative electrode using the copper-containing layered polysilane as a negative electrode active material. Providing a device is a problem to be solved.

上記課題を解決する本発明の銅含有層状ポリシランの特徴は、二次電池の負極活物質用であり、ケイ素原子で構成された六員環が複数連なった構造をなし基本骨格としての組成式(SiH)nで示される層状ポリシランと、層状ポリシランの層間に存在して0.01〜50質量%含まれた銅と、よりなることにある。 The feature of the copper-containing layered polysilane of the present invention that solves the above problems is for a negative electrode active material of a secondary battery, and has a structure in which a plurality of six-membered rings composed of silicon atoms are linked to each other as a basic skeleton ( The layered polysilane represented by (SiH) n , and copper which is present between the layers of the layered polysilane and contained in an amount of 0.01 to 50% by mass.

第二の発明の銅含有層状ポリシランの特徴は、二次電池の負極活物質用であり、ケイ素原子で構成された六員環が複数連なった構造をなし基本骨格としての組成式(SiH)nで示される層状ポリシランと、層状ポリシランの細孔内に存在して0.01〜50質量%含まれた銅と、よりなることにある。 The feature of the copper-containing layered polysilane of the second invention is for a negative electrode active material of a secondary battery, and has a structure in which a plurality of six-membered rings composed of silicon atoms are connected to each other as a basic skeleton (SiH) n The layered polysilane represented by the formula (1) and copper contained in the pores of the layered polysilane and contained in an amount of 0.01 to 50% by mass.

第三の発明の銅含有層状ポリシランの特徴は、二次電池の負極活物質用であり、ケイ素原子で構成された六員環が複数連なった構造をなし基本骨格としての組成式(SiH)nで示される層状ポリシランと、層状ポリシラン上に成長して0.01〜50質量%含まれた銅と、よりなることにある。 A feature of the copper-containing layered polysilane of the third invention is for a negative electrode active material of a secondary battery, and has a structure in which a plurality of six-membered rings composed of silicon atoms are connected to each other and has a composition formula (SiH) n as a basic skeleton. It is to consist of the layered polysilane shown by (5) and copper which is grown on the layered polysilane and contained in an amount of 0.01 to 50% by mass.

また本発明の負極活物質の特徴は、本発明に係る銅含有層状ポリシランを熱処理してなる銅含有ナノシリコンからなることにある。   In addition, the negative electrode active material of the present invention is characterized by comprising copper-containing nanosilicon obtained by heat-treating the copper-containing layered polysilane according to the present invention.

そして本発明の蓄電装置の特徴は、本発明の負極活物質を含む負極を有することにある。   And the characteristic of the electrical storage apparatus of this invention exists in having a negative electrode containing the negative electrode active material of this invention.

本発明の負極活物質によれば、銅を含むことによって電子伝導性が向上する。そのためその負極活物質を負極に用いた蓄電装置は、レート特性が向上する。   According to the negative electrode active material of the present invention, the electronic conductivity is improved by including copper. Therefore, the power storage device using the negative electrode active material for the negative electrode has improved rate characteristics.

実施例3に係るナノシリコンのSEM画像を示す。4 shows an SEM image of nanosilicon according to Example 3. FIG. 実施例3に係るナノシリコンのX線回折スペクトルを示す。3 shows an X-ray diffraction spectrum of nanosilicon according to Example 3. FIG. 実施例1、参考例及び比較例1に係るリチウムイオン二次電池の充放電曲線を示す。2 shows charge / discharge curves of lithium ion secondary batteries according to Example 1, Reference Example and Comparative Example 1. FIG. 実施例1,2に係るリチウムイオン二次電池の充電曲線を示す。The charge curve of the lithium ion secondary battery which concerns on Example 1, 2 is shown. 実施例1,2に係るリチウムイオン二次電池の充放電曲線を示す。The charging / discharging curve of the lithium ion secondary battery which concerns on Example 1, 2 is shown. 実施例1,3に係るリチウムイオン二次電池の充放電曲線を示す。The charging / discharging curve of the lithium ion secondary battery which concerns on Example 1, 3 is shown.

本発明に係る負極活物質を構成する銅含有層状ポリシランは、ケイ素原子で構成された六員環が複数連なった構造をなし組成式(SiH)nで示される層状ポリシランを基本骨格としている。この構造は、非特許文献1に記載された製造方法で製造された層状ポリシランと同様であるが、銅を含むことが異なっている。 The copper-containing layered polysilane constituting the negative electrode active material according to the present invention has a structure in which a plurality of six-membered rings composed of silicon atoms are connected, and has a layered polysilane represented by the composition formula (SiH) n as a basic skeleton. This structure is the same as the layered polysilane produced by the production method described in Non-Patent Document 1, except that it contains copper.

銅は、銅含有層状ポリシラン中に0.01〜50質量%の範囲で含まれている。銅の含有量が0.01質量%未満では電子伝導性の向上が僅かとなり実用的でない。また銅の含有量が50質量%を超えると、層状ポリシランの量が相対的に減少し充放電容量が極端に低下してしまう。   Copper is contained in the copper-containing layered polysilane in the range of 0.01 to 50% by mass. If the copper content is less than 0.01% by mass, the electron conductivity is slightly improved and is not practical. On the other hand, if the copper content exceeds 50% by mass, the amount of the layered polysilane is relatively reduced, and the charge / discharge capacity is extremely reduced.

層状ポリシラン中に銅を含ませるには、非特許文献1に記載された方法で層状ポリシランを製造する際に、銅を含む化合物を混合しておく方法がある。この方法によれば、層状ポリシランと銅との結合力が向上すると考えられ、単に銅粉末を混合したものに比べて蓄電装置とした場合に充放電容量が向上する。   In order to include copper in the layered polysilane, there is a method in which a compound containing copper is mixed when the layered polysilane is produced by the method described in Non-Patent Document 1. According to this method, it is considered that the bonding force between the layered polysilane and copper is improved, and the charge / discharge capacity is improved when the power storage device is used as compared with the case where the copper powder is simply mixed.

本発明の銅含有層状ポリシランにおいては、層状ポリシランの層間に銅粒子が入り込み層状ポリシランを覆うと考えられる。そのため層状ポリシランの酸化が防止され、不可逆容量が低下する。また充放電時の膨張・収縮が抑制され、サイクル特性が向上する。さらに層状ポリシランの細孔や層間を銅が埋めることで比表面積が減少し、SEIの生成による不可逆容量の低下も防止できる。   In the copper-containing layered polysilane of the present invention, it is considered that copper particles enter between the layers of the layered polysilane to cover the layered polysilane. Therefore, the oxidation of the layered polysilane is prevented and the irreversible capacity is reduced. Further, expansion / contraction during charging / discharging is suppressed, and cycle characteristics are improved. Furthermore, copper fills the pores and layers of the layered polysilane, thereby reducing the specific surface area and preventing the loss of irreversible capacity due to the generation of SEI.

本発明の銅含有層状ポリシランを製造するには、例えば、二ケイ化カルシウム(CaSi2)と、二ケイ化カルシウム(CaSi2)からカルシウム(Ca)を引き抜く酸と、銅を含む化合物と、を反応させる。ここで二ケイ化カルシウム(CaSi2)からカルシウム(Ca)を引き抜く酸としては、塩化水素(HCl)、フッ化水素(HF)と塩化水素(HCl)の混合物を用いることができる。 To produce the copper-containing layered polysilane of the present invention, for example, calcium disilicide (CaSi 2 ), an acid that extracts calcium (Ca) from calcium disilicide (CaSi 2 ), and a compound containing copper. React. Here, as an acid for extracting calcium (Ca) from calcium disilicide (CaSi 2 ), hydrogen chloride (HCl), a mixture of hydrogen fluoride (HF) and hydrogen chloride (HCl) can be used.

また銅を含む化合物としては、金属銅でもよいが、二ケイ化カルシウム(CaSi2)からカルシウム(Ca)を引き抜く酸の水溶液に溶解する化合物が望ましい。このようにすることで、反応時に層状ポリシラン上に銅が成長し、銅と層状ポリシランとが面接触となり結合強度が高まると考えられる。 The compound containing copper may be metallic copper, but is preferably a compound that dissolves in an aqueous solution of acid that extracts calcium (Ca) from calcium disilicide (CaSi 2 ). By doing in this way, copper grows on layered polysilane at the time of reaction, and it is thought that copper and layered polysilane become surface contact and bond strength increases.

ところで非特許文献1に記載された塩化水素(HCl)を用いて製造された層状ポリシランは、比表面積が大きく、SiO2成分が多く含まれているために、二次電池の負極活物質材料としては適していないという不具合があった。例えばリチウムイオン二次電池の負極においては、比表面積が大きいと電解液の分解が促進されるために負極で消費される不可逆容量が大きくなり、高容量化が困難である。またSiであれば問題がないが負極活物質中にSiO2成分が多く含まれると、初期特性の劣化を引き起こすことが知られている。 By the way, the layered polysilane produced by using hydrogen chloride (HCl) described in Non-Patent Document 1 has a large specific surface area and contains a large amount of SiO 2 component, so that it is used as a negative electrode active material for secondary batteries. There was a defect that was not suitable. For example, in the negative electrode of a lithium ion secondary battery, if the specific surface area is large, the decomposition of the electrolytic solution is promoted, so that the irreversible capacity consumed by the negative electrode increases, and it is difficult to increase the capacity. In addition, if Si, there is no problem, but it is known that when the SiO 2 component is contained in the negative electrode active material, the initial characteristics are deteriorated.

そこで鋭意研究の結果、層状ポリシランの製造条件によって、得られる層状ポリシランの比表面積及び酸素量が変化し、それを熱処理して得られるナノシリコンの比表面積及び酸素量も変化することが明らかとなった。非特許文献1及び特許文献3では、塩化水素(HCl)と二ケイ化カルシウム(CaSi2)とを反応させて層状ポリシランを得ている。二ケイ化カルシウム(CaSi2)は、ダイヤモンド型のSiの(111)面の間にCa原子層が挿入された層状結晶をなし、酸との反応でカルシウム(Ca)が引き抜かれることによって層状ポリシランが得られる。 As a result of intensive research, it became clear that the specific surface area and oxygen content of the resulting layered polysilane change depending on the production conditions of the layered polysilane, and the specific surface area and oxygen content of the nanosilicon obtained by heat-treating it also change. It was. In Non-Patent Document 1 and Patent Document 3, hydrogen chloride (HCl) and calcium disilicide (CaSi 2 ) are reacted to obtain layered polysilane. Calcium disilicide (CaSi 2 ) forms a layered crystal in which a Ca atomic layer is inserted between the (111) faces of diamond-type Si, and the layered polysilane is formed by extracting calcium (Ca) by reaction with acid. Is obtained.

しかしCaを引き抜く酸として、フッ化水素(HF)と塩化水素(HCl)の混合物を用いることで、得られる層状ポリシラン及びナノシリコン材料の比表面積が増大するものの酸素量が少なくなることが明らかとなった。以下、塩化水素(HCl)を用いる方法を第1の製造方法といい、フッ化水素(HF)と塩化水素(HCl)の混合物を用いる方法を第2の製造方法という。   However, it is clear that the use of a mixture of hydrogen fluoride (HF) and hydrogen chloride (HCl) as the acid for extracting Ca increases the specific surface area of the resulting layered polysilane and nanosilicon material, but reduces the amount of oxygen. became. Hereinafter, a method using hydrogen chloride (HCl) is referred to as a first production method, and a method using a mixture of hydrogen fluoride (HF) and hydrogen chloride (HCl) is referred to as a second production method.

<第1の製造方法>
第1の製造方法では、塩化水素(HCl)と、二ケイ化カルシウム(CaSi2)と、銅の化合物とを反応させる。二ケイ化カルシウム(CaSi2)は、ダイヤモンド型のSiの(111)面の間にCa原子層が挿入された層状結晶をなし、酸との反応でカルシウム(Ca)が引き抜かれることによって層状ポリシランが得られる。
<First manufacturing method>
In the first production method, hydrogen chloride (HCl), calcium disilicide (CaSi 2 ), and a copper compound are reacted. Calcium disilicide (CaSi 2 ) forms a layered crystal in which a Ca atomic layer is inserted between the (111) faces of diamond-type Si, and the layered polysilane is formed by extracting calcium (Ca) by reaction with acid. Is obtained.

反応時には、層状ポリシラン上に銅が成長し、銅と層状ポリシランとが面接触となり銅の結合強度が高まる。   During the reaction, copper grows on the layered polysilane, and the copper and the layered polysilane are brought into surface contact to increase the bond strength of copper.

<第2の製造方法>
第2の製造方法では、フッ化水素(HF)と塩化水素(HCl)との混合物と、二ケイ化カルシウム(CaSi2)と、銅の化合物とを反応させる。二ケイ化カルシウム(CaSi2)は、ダイヤモンド型のSiの(111)面の間にCa原子層が挿入された層状結晶をなし、酸との反応でカルシウム(Ca)が引き抜かれることによって層状ポリシランが得られる。
<Second production method>
In the second production method, a mixture of hydrogen fluoride (HF) and hydrogen chloride (HCl), calcium disilicide (CaSi 2 ), and a copper compound are reacted. Calcium disilicide (CaSi 2 ) forms a layered crystal in which a Ca atomic layer is inserted between the (111) faces of diamond-type Si, and the layered polysilane is formed by extracting calcium (Ca) by reaction with acid. Is obtained.

この製造方法では、酸としてフッ化水素(HF)と塩化水素(HCl)との混合物を用いている。フッ化水素(HF)を用いることで、合成中あるいは精製中に生成するSiOがエッチングされ、これにより酸素量が低減される。フッ化水素(HF)のみを用いた場合でも層状ポリシランが得られるものの、活性が高く微量の空気によって酸化され、逆に酸素量が増大するため好ましくない。また塩化水素(HCl)のみを用いた場合は第1の製造方法と同様となり、酸素量が多い層状ポリシランしか得られない。   In this production method, a mixture of hydrogen fluoride (HF) and hydrogen chloride (HCl) is used as the acid. By using hydrogen fluoride (HF), SiO generated during synthesis or purification is etched, thereby reducing the amount of oxygen. Even when only hydrogen fluoride (HF) is used, a layered polysilane can be obtained, but it is not preferable because it has high activity and is oxidized by a small amount of air, and conversely increases the amount of oxygen. When only hydrogen chloride (HCl) is used, it is the same as in the first production method, and only layered polysilane having a large amount of oxygen can be obtained.

フッ化水素(HF)と塩化水素(HCl)との組成比は、モル比でHF/HCl=1/10000〜1/1の範囲が望ましい。フッ化水素(HF)の量がこの比より多くなるとCaF2、CaSiO系などの不純物が生成し、この不純物と層状ポリシランとを分離するのが困難であるため好ましくない。またフッ化水素(HF)の量がこの比より少なくなると、HFによるエッチングの効果が弱くなる場合がある。 The composition ratio of hydrogen fluoride (HF) and hydrogen chloride (HCl) is preferably in the range of HF / HCl = 1/10000 to 1/1 in molar ratio. If the amount of hydrogen fluoride (HF) exceeds this ratio, impurities such as CaF 2 and CaSiO are generated, and it is difficult to separate this impurity from the layered polysilane, which is not preferable. If the amount of hydrogen fluoride (HF) is less than this ratio, the effect of etching with HF may be weakened.

フッ化水素(HF)と塩化水素(HCl)との混合物と二ケイ化カルシウム(CaSi2)との配合比は、当量より酸を過剰にすることが望ましい。実際の反応では、副反応としてフッ化水素(HF)とSiとが反応してSiF4が生じ、CaF2はほとんど生成しない。また反応雰囲気は、真空下又は不活性ガス雰囲気下で行うことが望ましい。窒素ガス雰囲気下では、窒化ケイ素(SiN)が生成する可能性があるため好ましくない。なお本発明の製造方法によれば、第1の製造方法に比べて反応時間が短くなることも明らかとなった。反応時間が長すぎるとSiとHFがさらに反応しSiF4が生じてしまうため、反応時間は0.25〜24時間程度で充分である。反応温度は、室温でも容易に反応する。 As for the compounding ratio of the mixture of hydrogen fluoride (HF) and hydrogen chloride (HCl) and calcium disilicide (CaSi 2 ), it is desirable to make the acid excessive from the equivalent. In the actual reaction, hydrogen fluoride (HF) and Si react as a side reaction to produce SiF 4 , and CaF 2 is hardly produced. The reaction atmosphere is preferably carried out in a vacuum or an inert gas atmosphere. In a nitrogen gas atmosphere, silicon nitride (SiN) may be generated, which is not preferable. It has also been clarified that according to the production method of the present invention, the reaction time is shorter than that in the first production method. If the reaction time is too long, Si and HF further react to produce SiF 4 , and therefore a reaction time of about 0.25 to 24 hours is sufficient. The reaction easily occurs even at room temperature.

反応によりCaCl2などが生成するが、水洗によって容易に除去することができ、銅を含む層状ポリシランの精製は容易である。 CaCl 2 and the like are generated by the reaction, but can be easily removed by washing with water, and purification of the layered polysilane containing copper is easy.

<本発明の負極活物質>
この負極活物質は、本発明の銅含有層状ポリシランを熱処理してなる銅含有ナノシリコンからなる。窒素ガスを除く非酸化性雰囲気下にて300℃を超える温度で熱処理するのが好ましい。
<Negative electrode active material of the present invention>
This negative electrode active material is made of copper-containing nanosilicon obtained by heat-treating the copper-containing layered polysilane of the present invention. Heat treatment is preferably performed at a temperature exceeding 300 ° C. in a non-oxidizing atmosphere excluding nitrogen gas.

非酸化性雰囲気としては、不活性ガス雰囲気、真空雰囲気が例示される。窒素ガス雰囲気では、窒化ケイ素が生成する場合があるので好ましくない。また熱処理温度は、300℃〜800℃の範囲が好ましく、400℃〜600℃の範囲が特に好ましい。   Examples of the non-oxidizing atmosphere include an inert gas atmosphere and a vacuum atmosphere. In a nitrogen gas atmosphere, silicon nitride may be generated, which is not preferable. The heat treatment temperature is preferably in the range of 300 ° C to 800 ° C, particularly preferably in the range of 400 ° C to 600 ° C.

第1の製造方法で製造された層状ポリシランの比表面積は約20m2/g程度と比較的小さいが、第2の製造方法で製造された層状ポリシランの比表面積は122.3m2/g程度と大きい。 The specific surface area of the layered polysilane produced by the first production method is relatively small as about 20 m 2 / g, but the specific surface area of the layered polysilane produced by the second production method is as large as about 122.3 m 2 / g. .

第1の製造方法で製造された層状ポリシランを熱処理することで得られたナノシリコンの比表面積は約7m2/g程度と小さく、第2の製造方法で製造された層状ポリシランを熱処理することで得られたナノシリコンの比表面積は55m2/g以下と層状ポリシランに比べて小さくなる。 The specific surface area of nanosilicon obtained by heat-treating the layered polysilane produced by the first production method is as small as about 7 m 2 / g, and by heat-treating the layered polysilane produced by the second production method The specific surface area of the obtained nanosilicon is 55 m 2 / g or less, which is smaller than that of the layered polysilane.

また第1の製造方法で製造された層状ポリシランの酸素量は約40質量%と比較的多いが、第2の製造方法で製造された層状ポリシランの酸素量は30質量%以下ときわめて少ない。なお酸素量は、エネルギー分散X線分光法(EDX)にて測定された数値である。   The oxygen content of the layered polysilane produced by the first production method is relatively high at about 40% by mass, but the oxygen content of the layered polysilane produced by the second production method is very small at 30% by mass or less. The oxygen amount is a numerical value measured by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX).

そして第1の製造方法で製造された層状ポリシランを熱処理することで得られたナノシリコンの酸素量は約39質量%と比較的大きいが、第2の製造方法で製造された層状ポリシランを熱処理することで得られたナノシリコンの酸素量は20質量%以下ときわめて小さい。   The amount of oxygen in nanosilicon obtained by heat-treating the layered polysilane produced by the first production method is relatively large at about 39% by mass, but the layered polysilane produced by the second production method is heat-treated. The amount of oxygen in the nanosilicon obtained in this way is as small as 20% by mass or less.

こうして得られるナノシリコン材料の粒径は、蓄電装置の電極活物質として用いる場合には0.5nm〜30nmが好ましく、1nm〜10nmの範囲が特に望ましい。   The particle diameter of the nanosilicon material thus obtained is preferably from 0.5 nm to 30 nm, particularly preferably from 1 nm to 10 nm, when used as an electrode active material for a power storage device.

<蓄電装置の負極>
本発明の銅含有層状ポリシラン又は銅含有ナノシリコンを負極活物質として用いて、例えば非水系二次電池の負極を作製するには、負極活物質粉末と、炭素粉末などの導電助剤と、バインダーと、適量の有機溶剤を加えて混合しスラリーにしたものを、ロールコート法、ディップコート法、ドクターブレード法、スプレーコート法、カーテンコート法などの方法で集電体上に塗布し、バインダーを乾燥あるいは硬化させることによって作製することができる。
<Negative electrode of power storage device>
In order to produce, for example, a negative electrode of a non-aqueous secondary battery using the copper-containing layered polysilane or copper-containing nanosilicon of the present invention as a negative electrode active material, a negative electrode active material powder, a conductive aid such as carbon powder, and a binder Apply a suitable amount of an organic solvent and mix to make a slurry. It can be produced by drying or curing.

バインダーは、なるべく少ない量で活物質等を結着させることが求められるが、その添加量は活物質、導電助剤、及びバインダーを合計したものの0.5wt%〜50wt%が望ましい。バインダーが0.5wt%未満では電極の成形性が低下し、50wt%を超えると電極のエネルギー密度が低くなる。   The binder is required to bind the active material or the like in as small an amount as possible, but the addition amount is preferably 0.5 wt% to 50 wt% of the total of the active material, the conductive auxiliary agent, and the binder. When the binder is less than 0.5 wt%, the moldability of the electrode is lowered, and when it exceeds 50 wt%, the energy density of the electrode is lowered.

バインダーには、ポリフッ化ビニリデン(PolyVinylidene DiFluoride:PVdF)、ポリ四フッ化エチレン(PTFE)、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリ塩化ビニル(PVC)、メタクリル樹脂(PMA)、ポリアクリロニトリル(PAN)、変性ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリアクリル酸(PAA)等が例示される。中でも、ポリフッ化ビニリデン(PolyVinylidene DiFluoride:PVdF)を用いると初期効率が向上し、サイクル特性も向上する。   The binder includes Polyvinylidene Fluoride (PVdF), Polytetrafluoroethylene (PTFE), Styrene-Butadiene Rubber (SBR), Polyimide (PI), Polyamideimide (PAI), Carboxymethylcellulose (CMC), Polychlorinated Examples include vinyl (PVC), methacrylic resin (PMA), polyacrylonitrile (PAN), modified polyphenylene oxide (PPO), polyethylene oxide (PEO), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyacrylic acid (PAA), etc. The Among these, when polyvinylidene fluoride (PVdF) is used, initial efficiency is improved and cycle characteristics are also improved.

集電体は、放電或いは充電の間、電極に電流を流し続けるための化学的に不活性な電子高伝導体のことである。集電体は箔、板等の形状を採用することができるが、目的に応じた形状であれば特に限定されない。集電体として、例えば銅箔やアルミニウム箔を好適に用いることができる。   A current collector is a chemically inert electronic high conductor that keeps current flowing through an electrode during discharging or charging. The current collector can adopt a shape such as a foil or a plate, but is not particularly limited as long as it has a shape according to the purpose. As the current collector, for example, a copper foil or an aluminum foil can be suitably used.

負極活物質として、上記した銅含有層状ポリシラン又は銅含有ナノシリコンに、グラファイト、ハードカーボン、ケイ素、炭素繊維、スズ(Sn)、酸化ケイ素など公知のものを混合することもできる。中でもSiOx(0.3≦x≦1.6)で表されるケイ素酸化物が特に好ましい。このケイ素酸化物粉末の各粒子は、不均化反応によって微細なSiと、Siを覆うSiO2とに分解したSiOxからなる。xが下限値未満であると、Si比率が高くなるため充放電時の体積変化が大きくなりすぎてサイクル特性が低下する。またxが上限値を超えると、Si比率が低下してエネルギー密度が低下するようになる。0.5≦x≦1.5の範囲が好ましく、0.7≦x≦1.2の範囲がさらに望ましい。 As the negative electrode active material, known materials such as graphite, hard carbon, silicon, carbon fiber, tin (Sn), and silicon oxide may be mixed with the above-described copper-containing layered polysilane or copper-containing nanosilicon. Among these, a silicon oxide represented by SiO x (0.3 ≦ x ≦ 1.6) is particularly preferable. Each particle of the silicon oxide powder is composed of SiO x decomposed into fine Si and SiO 2 covering Si by a disproportionation reaction. When x is less than the lower limit value, the Si ratio increases, so that the volume change during charge / discharge becomes too large and the cycle characteristics deteriorate. When x exceeds the upper limit value, the Si ratio decreases and the energy density decreases. A range of 0.5 ≦ x ≦ 1.5 is preferable, and a range of 0.7 ≦ x ≦ 1.2 is more desirable.

一般に、酸素を断った状態であれば800℃以上で、ほぼすべてのSiOが不均化して二相に分離すると言われている。具体的には、非結晶性のSiO粉末を含む原料酸化ケイ素粉末に対して、真空中または不活性ガス中などの不活性雰囲気中で800〜1200℃、1〜5時間の熱処理を行うことで、非結晶性のSiO2相および結晶性のSi相の二相を含むケイ素酸化物粉末が得られる。 In general, when oxygen is turned off, it is said that almost all SiO disproportionates and separates into two phases at 800 ° C. or higher. Specifically, the raw material silicon oxide powder containing amorphous SiO powder is subjected to heat treatment at 800 to 1200 ° C. for 1 to 5 hours in an inert atmosphere such as in a vacuum or an inert gas. A silicon oxide powder containing two phases of an amorphous SiO 2 phase and a crystalline Si phase is obtained.

またケイ素酸化物として、SiOxに対し炭素材料を1〜50質量%で複合化したものを用いることもできる。炭素材料を複合化することで、サイクル特性が向上する。炭素材料の複合量が1質量%未満では導電性向上の効果が得られず、50質量%を超えるとSiOxの割合が相対的に減少して負極容量が低下してしまう。炭素材料の複合量は、SiOxに対して5〜30質量%の範囲が好ましく、5〜20質量%の範囲がさらに望ましい。SiOxに対して炭素材料を複合化するには、CVD法などを利用することができる。 As silicon oxides, with respect to SiO x may be used as complexed with from 1 to 50% by weight of carbon material. By combining carbon materials, cycle characteristics are improved. If the composite amount of the carbon material is less than 1% by mass, the effect of improving the conductivity cannot be obtained, and if it exceeds 50% by mass, the proportion of SiO x is relatively decreased and the negative electrode capacity is decreased. The composite amount of the carbon material is preferably in the range of 5 to 30% by mass, more preferably in the range of 5 to 20% by mass with respect to SiO x . A CVD method or the like can be used to combine a carbon material with SiO x .

ケイ素酸化物粉末は平均粒径が1μm〜10μmの範囲にあることが望ましい。平均粒径が10μmより大きいと蓄電装置の充放電特性が低下し、平均粒径が1μmより小さいと凝集して粗大な粒子となるため同様に蓄電装置の充放電特性が低下する場合がある。   The silicon oxide powder desirably has an average particle size in the range of 1 μm to 10 μm. When the average particle size is larger than 10 μm, the charge / discharge characteristics of the power storage device are deteriorated, and when the average particle size is smaller than 1 μm, the particles are aggregated into coarse particles.

導電助剤は、電極の導電性を高めるために添加される。導電助剤として、炭素質微粒子であるカーボンブラック、黒鉛、アセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック(KB)、気相法炭素繊維(Vapor Grown Carbon Fiber:VGCF)等を単独でまたは二種以上組み合わせて添加することができる。導電助剤の使用量については、特に限定的ではないが、例えば、活物質100質量部に対して、20〜100質量部程度とすることができる。導電助剤の量が20質量部未満では効率のよい導電パスを形成できず、100質量部を超えると電極の成形性が悪化するとともにエネルギー密度が低くなる。なお炭素材料が複合化されたケイ素酸化物を活物質として用いる場合は、導電助剤の添加量を低減あるいは無しとすることができる。   The conductive assistant is added to increase the conductivity of the electrode. Carbon black, graphite, acetylene black (AB), ketjen black (KB), vapor grown carbon fiber (VGCF), etc., which are carbonaceous fine particles, are used alone or in combination of two or more as conductive aids. Can be added. The amount of the conductive aid used is not particularly limited, but can be, for example, about 20 to 100 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the active material. If the amount of the conductive auxiliary is less than 20 parts by mass, an efficient conductive path cannot be formed, and if it exceeds 100 parts by mass, the moldability of the electrode deteriorates and the energy density decreases. Note that when the silicon oxide combined with the carbon material is used as the active material, the amount of the conductive auxiliary agent added can be reduced or eliminated.

有機溶剤には特に制限はなく、複数の溶剤の混合物でも構わない。N-メチル-2-ピロリドン及びN-メチル-2-ピロリドンとエステル系溶媒(酢酸エチル、酢酸n-ブチル、ブチルセロソルブアセテート、ブチルカルビトールアセテート等)あるいはグライム系溶媒(ジグライム、トリグライム、テトラグライム等)の混合溶媒が特に好ましい。   There is no restriction | limiting in particular in an organic solvent, The mixture of a some solvent may be sufficient. N-methyl-2-pyrrolidone and N-methyl-2-pyrrolidone and ester solvents (ethyl acetate, n-butyl acetate, butyl cellosolve acetate, butyl carbitol acetate, etc.) or glyme solvents (diglyme, triglyme, tetraglyme, etc.) The mixed solvent is particularly preferred.

本発明の蓄電装置がリチウムイオン二次電池の場合、負極には、リチウムがプリドーピングされていることもできる。負極にリチウムをドープするには、例えば対極に金属リチウムを用いて半電池を組み、電気化学的にリチウムをドープする電極化成法などを利用することができる。リチウムのドープ量は特に制約されない。   When the power storage device of the present invention is a lithium ion secondary battery, the negative electrode can be pre-doped with lithium. In order to dope lithium into the negative electrode, for example, an electrode formation method in which a half battery is assembled using metallic lithium as the counter electrode and electrochemically doped with lithium can be used. The amount of lithium doped is not particularly limited.

本発明の蓄電装置がリチウムイオン二次電池の場合、特に限定されない公知の正極、電解液、セパレータを用いることができる。正極は、非水系二次電池で使用可能なものであればよい。正極は、集電体と、集電体上に結着された正極活物質層とを有する。正極活物質層は、正極活物質と、バインダーとを含み、さらには導電助剤を含んでも良い。正極活物質、導電助材およびバインダーは、特に限定はなく、非水系二次電池で使用可能なものであればよい。   When the power storage device of the present invention is a lithium ion secondary battery, known positive electrodes, electrolytic solutions, and separators that are not particularly limited can be used. The positive electrode may be anything that can be used in a non-aqueous secondary battery. The positive electrode has a current collector and a positive electrode active material layer bound on the current collector. The positive electrode active material layer includes a positive electrode active material and a binder, and may further include a conductive additive. The positive electrode active material, the conductive additive, and the binder are not particularly limited as long as they can be used in the nonaqueous secondary battery.

正極活物質としては、金属リチウム、LiCoO2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、Li2MnO3、硫黄などが挙げられる。集電体は、アルミニウム、ニッケル、ステンレス鋼など、リチウムイオン二次電池の正極に一般的に使用されるものであればよい。導電助剤は上記の負極で記載したものと同様のものが使用できる。 Examples of the positive electrode active material include lithium metal, LiCoO 2 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , Li 2 MnO 3 , and sulfur. The current collector is not particularly limited as long as it is generally used for the positive electrode of a lithium ion secondary battery, such as aluminum, nickel, and stainless steel. As the conductive auxiliary agent, the same ones as described in the above negative electrode can be used.

電解液は、有機溶媒に電解質であるリチウム金属塩を溶解させたものである。電解液は、特に限定されない。有機溶媒として、非プロトン性有機溶媒、たとえばプロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等から選ばれる一種以上を用いることができる。また、溶解させる電解質としては、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiI、LiClO4、LiCF3SO3等の有機溶媒に可溶なリチウム金属塩を用いることができる。 The electrolytic solution is obtained by dissolving a lithium metal salt as an electrolyte in an organic solvent. The electrolytic solution is not particularly limited. As the organic solvent, an aprotic organic solvent such as propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC) or the like should be used. Can do. As the electrolyte to be dissolved, a lithium metal salt soluble in an organic solvent such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiI, LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 can be used.

例えば、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネートなどの有機溶媒にLiClO4、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3等のリチウム金属塩を0.5mol/Lから1.7mol/L程度の濃度で溶解させた溶液を使用することができる。 For example, lithium metal salts such as LiClO 4 , LiPF 6 , LiBF 4 , and LiCF 3 SO 3 in organic solvents such as ethylene carbonate, dimethyl carbonate, propylene carbonate, and dimethyl carbonate at a concentration of about 0.5 mol / L to 1.7 mol / L. A dissolved solution can be used.

セパレータは、非水系二次電池に使用されることができるものであれば特に限定されない。セパレータは、正極と負極とを分離し電解液を保持するものであり、ポリエチレン、ポリプロピレン等の薄い微多孔膜を用いることができる。   A separator will not be specifically limited if it can be used for a non-aqueous secondary battery. The separator separates the positive electrode and the negative electrode and holds the electrolytic solution, and a thin microporous film such as polyethylene or polypropylene can be used.

本発明の蓄電装置が非水系二次電池である場合、その形状に特に限定はなく、円筒型、積層型、コイン型等、種々の形状を採用することができる。いずれの形状を採る場合であっても、正極および負極にセパレータを挟装させ電極体とし、正極集電体および負極集電体から外部に通ずる正極端子および負極端子までの間を、集電用リード等を用いて接続した後、この電極体を電解液とともに電池ケースに密閉して電池となる。   When the power storage device of the present invention is a non-aqueous secondary battery, the shape thereof is not particularly limited, and various shapes such as a cylindrical shape, a stacked shape, and a coin shape can be adopted. Regardless of the shape, a separator is sandwiched between the positive electrode and the negative electrode to form an electrode body, and the space between the positive electrode current collector and the negative electrode current collector to the positive electrode terminal and the negative electrode terminal is used for current collection. After connecting using a lead or the like, the electrode body is sealed in a battery case together with an electrolytic solution to form a battery.

以下、実施例及び比較例により本発明の実施形態を具体的に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to Examples and Comparative Examples.

濃度36重量%のHCl水溶液20mlを氷浴中で0℃とし、アルゴンガス気流中にてそこへ2gの二ケイ化カルシウム(CaSi2)と、酢酸銅1gと、を加えて撹拌した。発泡が完了したのを確認した後に室温まで昇温し、室温でさらに2時間撹拌した後、蒸留水20mlを加えてさらに10分間撹拌した。このとき黄色粉末が浮遊した。 20 ml of a 36 wt% HCl aqueous solution was brought to 0 ° C. in an ice bath, and 2 g of calcium disilicide (CaSi 2 ) and 1 g of copper acetate were added thereto and stirred in an argon gas stream. After confirming the completion of foaming, the temperature was raised to room temperature, and the mixture was further stirred at room temperature for 2 hours. Then, 20 ml of distilled water was added, and the mixture was further stirred for 10 minutes. At this time, yellow powder floated.

得られた混合溶液を濾過し、残渣を10mlの蒸留水で洗浄した後、10mlのエタノールで洗浄し、真空乾燥して2gの銅含有層状ポリシランを得た。   The obtained mixed solution was filtered, and the residue was washed with 10 ml of distilled water, then washed with 10 ml of ethanol, and dried under vacuum to obtain 2 g of copper-containing layered polysilane.

得られた銅含有層状ポリシラン粉末45質量部と、天然黒鉛粉末40質量部と、アセチレンブラック5質量部と、バインダー溶液33質量部とを混合してスラリーを調製した。バインダー溶液には、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)がN-メチル-2-ピロリドン(NMP)に30質量%溶解した溶液を用いている。このスラリーを、厚さ約20μmの電解銅箔(集電体)の表面にドクターブレードを用いて塗布し、銅箔上に負極活物質層を形成した。その後、ロールプレス機により、集電体と負極活物質層を強固に密着接合させた。これを120℃で56時間真空乾燥し、負極活物質層の厚さが16μmの負極を形成した。   A slurry was prepared by mixing 45 parts by mass of the obtained copper-containing layered polysilane powder, 40 parts by mass of natural graphite powder, 5 parts by mass of acetylene black, and 33 parts by mass of the binder solution. As the binder solution, a solution in which 30% by mass of polyvinylidene fluoride (PVdF) is dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is used. This slurry was applied to the surface of an electrolytic copper foil (current collector) having a thickness of about 20 μm using a doctor blade to form a negative electrode active material layer on the copper foil. Thereafter, the current collector and the negative electrode active material layer were firmly and closely joined by a roll press. This was vacuum dried at 120 ° C. for 56 hours to form a negative electrode having a negative electrode active material layer thickness of 16 μm.

上記の手順で作製した負極を評価極として用い、リチウムイオン二次電池(ハーフセル)を作製した。対極は金属リチウム箔(厚さ500μm)とした。   A lithium ion secondary battery (half cell) was produced using the negative electrode produced by the above procedure as an evaluation electrode. The counter electrode was a metal lithium foil (thickness 500 μm).

対極をφ14mm、評価極をφ11mmに裁断し、セパレータ(ヘキストセラニーズ社製ガラスフィルター及びCelgard社製「Celgard2400」)を両者の間に介装して電極体電池とした。この電極体電池を電池ケース(CR2032型コイン電池用部材、宝泉株式会社製)に収容した。電池ケースには、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを1:1(体積比)で混合した混合溶媒にLiPF6を1Mの濃度で溶解した非水電解液を注入し、電池ケースを密閉してリチウムイオン二次電池を得た。 The counter electrode was cut to φ14 mm and the evaluation electrode was cut to φ11 mm, and a separator (Hoechst Celanese glass filter and Celgard “Celgard2400”) was interposed between them to form an electrode body battery. This electrode body battery was accommodated in a battery case (CR2032 type coin battery member, manufactured by Hosen Co., Ltd.). In the battery case, a nonaqueous electrolyte solution in which LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1M was injected into a mixed solvent in which ethylene carbonate and diethyl carbonate were mixed at a ratio of 1: 1 (volume ratio). A secondary battery was obtained.

実施例1で合成された銅含有層状ポリシランを用い、実施例1と同様にして負極を形成した。この負極を用いたこと、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVdF)に代えてポリアミドイミド(PAI)を用いたこと以外は実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を得た。   Using the copper-containing layered polysilane synthesized in Example 1, a negative electrode was formed in the same manner as in Example 1. A lithium ion secondary battery was obtained in the same manner as in Example 1 except that this negative electrode was used and that polyamide imide (PAI) was used in place of polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder.

実施例1で合成された銅含有層状ポリシランを1g秤量し、O2が1体積%以下のアルゴンガス中にて500℃で1時間保持する熱処理を行い、銅含有ナノシリコン粉末を得た。この銅含有ナノシリコン粉末のSEM画像を図1に、XRD回折チャートを図2に示す。図2にはCuのピークが観察され、銅含有ナノシリコンにはCuが含まれていることが分かる。 1 g of the copper-containing layered polysilane synthesized in Example 1 was weighed and subjected to a heat treatment that was held at 500 ° C. for 1 hour in an argon gas containing O 2 of 1% by volume or less to obtain a copper-containing nanosilicon powder. An SEM image of this copper-containing nanosilicon powder is shown in FIG. 1, and an XRD diffraction chart is shown in FIG. In FIG. 2, a Cu peak is observed, and it can be seen that Cu is contained in the copper-containing nanosilicon.

銅含有層状ポリシランに代えてこの銅含有ナノシリコン粉末を用いたこと以外は実施例1と同様にして負極を形成し、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を得た。   A negative electrode was formed in the same manner as in Example 1 except that this copper-containing nanosilicon powder was used in place of the copper-containing layered polysilane, and a lithium ion secondary battery was obtained in the same manner as in Example 1.

[参考例]
酢酸銅を添加しなかったこと以外は実施例1と同様にして、層状ポリシラン粉末を得た。この層状ポリシラン粉末に対して銅粉末を30質量%となるように混合し、よく撹拌混合した。この混合粉末を用いたこと以外は実施例1と同様にして負極を形成し、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を得た。
[Reference example]
A layered polysilane powder was obtained in the same manner as in Example 1 except that copper acetate was not added. The layered polysilane powder was mixed with copper powder at 30% by mass and mixed well with stirring. A negative electrode was formed in the same manner as in Example 1 except that this mixed powder was used, and a lithium ion secondary battery was obtained in the same manner as in Example 1.

[比較例1]
酢酸銅を添加しなかったこと以外は実施例1と同様にして、層状ポリシラン粉末を得た。この層状ポリシラン粉末を用いたこと以外は実施例1と同様にして負極を形成し、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を得た。
[Comparative Example 1]
A layered polysilane powder was obtained in the same manner as in Example 1 except that copper acetate was not added. A negative electrode was formed in the same manner as in Example 1 except that this layered polysilane powder was used, and a lithium ion secondary battery was obtained in the same manner as in Example 1.

<電池特性試験>
実施例1、参考例及び比較例1のリチウムイオン二次電池について、1Vで充電した際の初期の充放電特性を図3に示す。横軸には、それぞれの放電容量を100としたときの比率を示している。
<Battery characteristics test>
FIG. 3 shows initial charge / discharge characteristics of the lithium ion secondary batteries of Example 1, Reference Example and Comparative Example 1 when charged at 1V. The horizontal axis shows the ratio when each discharge capacity is 100.

参考例と比較例1との比較より、銅粉末を添加することで充電容量が増大していることがわかる。そして実施例1のように層状ポリシランの合成時に銅を含ませておくことで、合成後に銅粉末を添加する場合に比べて充電容量が著しく増大していることがわかる。   From the comparison between the reference example and the comparative example 1, it can be seen that the charging capacity is increased by adding the copper powder. As shown in Example 1, it can be seen that the inclusion of copper during the synthesis of the layered polysilane significantly increases the charge capacity compared to the case where copper powder is added after the synthesis.

実施例1,2のリチウムイオン二次電池について、1Vで充電した際の初期の充電特性を図4に示す。横軸には、それぞれの充電容量を100としたときの比率を示している。また1Vで充電した際の初期の充放電特性を図5に示す。横軸には、それぞれの放電容量を100としたときの比率を示している。   FIG. 4 shows the initial charging characteristics when the lithium ion secondary batteries of Examples 1 and 2 were charged at 1V. The horizontal axis shows the ratio when each charge capacity is 100. Fig. 5 shows the initial charge / discharge characteristics when charged at 1V. The horizontal axis shows the ratio when each discharge capacity is 100.

図4,5から、負極活物質層のバインダーとしてポリアミドイミド(PAI)よりポリフッ化ビニリデン(PVdF)を用いるのが好ましいことがわかる。   4 and 5 show that it is preferable to use polyvinylidene fluoride (PVdF) rather than polyamideimide (PAI) as the binder of the negative electrode active material layer.

実施例1,3のリチウムイオン二次電池について、1Vで充電した際の初期の充放電特性を図6に示す。横軸には、それぞれの放電容量を100としたときの比率を示している。   The initial charge / discharge characteristics of the lithium ion secondary batteries of Examples 1 and 3 when charged at 1 V are shown in FIG. The horizontal axis shows the ratio when each discharge capacity is 100.

図6から、負極活物質として、銅含有層状ポリシランよりも銅含有ナノシリコンを用いるのが好ましいことがわかる。   FIG. 6 shows that it is preferable to use copper-containing nanosilicon as the negative electrode active material rather than copper-containing layered polysilane.

本発明の蓄電装置は二次電池、電気二重層コンデンサ、リチウムイオンキャパシタなどに利用できる。また電気自動車やハイブリッド自動車のモータ駆動用、パソコン、携帯通信機器、家電製品、オフィス機器、産業機器などに利用される非水系二次電池として有用であり、特に、大容量、大出力が必要な電気自動車やハイブリッド自動車のモータ駆動用に好適に用いることができる。   The power storage device of the present invention can be used for secondary batteries, electric double layer capacitors, lithium ion capacitors, and the like. It is also useful as a non-aqueous secondary battery for motor drive of electric vehicles and hybrid vehicles, personal computers, portable communication devices, home appliances, office equipment, industrial equipment, etc. It can be suitably used for driving a motor of an electric vehicle or a hybrid vehicle.

Claims (6)

二次電池の負極活物質用であり、ケイ素原子で構成された六員環が複数連なった構造をなし基本骨格としての組成式(SiH)nで示される層状ポリシランと、該層状ポリシランの層間に存在して銅含有層状ポリシランに対し0.01〜50質量%含まれた銅と、よりなることを特徴とする銅含有層状ポリシラン。 A layered polysilane represented by a composition formula (SiH) n as a basic skeleton having a structure in which a plurality of six-membered rings composed of silicon atoms are connected, and a layered polysilane between layers of the layered polysilane. A copper-containing layered polysilane , characterized by comprising copper present in an amount of 0.01 to 50% by mass with respect to the copper-containing layered polysilane. 二次電池の負極活物質用であり、ケイ素原子で構成された六員環が複数連なった構造をなし基本骨格としての組成式(SiH)nで示される層状ポリシランと、該層状ポリシランの細孔内に存在して銅含有層状ポリシランに対し0.01〜50質量%含まれた銅と、よりなることを特徴とする銅含有層状ポリシラン。 Layered polysilane represented by a composition formula (SiH) n as a basic skeleton having a structure in which a plurality of six-membered rings composed of silicon atoms are connected, and a pore of the layered polysilane, for a negative electrode active material of a secondary battery A copper-containing layered polysilane comprising copper contained in an amount of 0.01 to 50% by mass relative to the copper-containing layered polysilane. 二次電池の負極活物質用であり、ケイ素原子で構成された六員環が複数連なった構造をなし基本骨格としての組成式(SiH)nで示される層状ポリシランと、該層状ポリシラン上に成長して銅含有層状ポリシランに対し0.01〜50質量%含まれた銅と、よりなることを特徴とする銅含有層状ポリシラン。 A layered polysilane represented by the composition formula (SiH) n as a basic skeleton and grown on the layered polysilane, for a negative electrode active material of a secondary battery, having a structure in which a plurality of six-membered rings composed of silicon atoms are connected. The copper-containing layered polysilane is characterized by comprising 0.01 to 50% by mass of copper with respect to the copper-containing layered polysilane. 請求項1〜請求項3のいずれかに記載の銅含有層状ポリシランを熱処理してなる銅含有ナノシリコンからなることを特徴とする負極活物質。   4. A negative electrode active material comprising a copper-containing nanosilicon obtained by heat-treating the copper-containing layered polysilane according to any one of claims 1 to 3. 請求項1〜請求項4のいずれかに記載の負極活物質を含む負極を有することを特徴とする蓄電装置。   5. A power storage device comprising a negative electrode including the negative electrode active material according to claim 1. 前記負極は、集電体と該集電体に形成された負極活物質層とからなり、該負極活物質層にはバインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVdF)を含む請求項5に記載の蓄電装置。   6. The power storage device according to claim 5, wherein the negative electrode includes a current collector and a negative electrode active material layer formed on the current collector, and the negative electrode active material layer includes polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder.
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