JP5809897B2 - Porous silicon particles, production method thereof, negative electrode for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、リチウムイオン二次電池の負極用材料として有用な多孔質シリコン粒子などに関する。 The present invention relates to a porous silicon particle useful as a negative electrode material for a lithium ion secondary battery.
従来、負極活物質としてグラファイトを用いるリチウムイオン二次電池が実用化されている。このリチウムイオン二次電池の負極は、一般に、負極活物質と、カーボンブラック等の導電助剤と、樹脂の結着剤とを混練してスラリーを調製し、銅箔等の集電体上に塗布・乾燥して形成されている。 Conventionally, lithium ion secondary batteries using graphite as a negative electrode active material have been put into practical use. In general, the negative electrode of this lithium ion secondary battery is prepared by kneading a negative electrode active material, a conductive aid such as carbon black, and a resin binder to prepare a slurry on a current collector such as a copper foil. It is formed by coating and drying.
一方で、高容量化を目指し、負極活物質としての理論容量の大きな金属や合金、特にシリコンおよびその合金を用いるリチウムイオン二次電池用の負極の開発が進められている。 On the other hand, development of a negative electrode for a lithium ion secondary battery using a metal or an alloy having a large theoretical capacity as a negative electrode active material, in particular, silicon or an alloy thereof has been promoted with the aim of increasing the capacity.
このシリコンを使用したリチウムイオン二次電池用の負極の製造方法としては、活物質である金属シリコンを機械的にナノメートルサイズにまで粉砕し、造粒して、カーボンブラック等の導電助剤と樹脂の結着剤と共に混練してスラリーを調製し、銅箔上に塗布する方法が挙げられる。また、プラズマ法による直接ナノサイズの粒子を製造する方法もある。このナノメートルサイズのシリコン粒子は、粒子表面に粘結剤をコーティングし、銅箔へ均一に塗布することを目的に造粒される。しかし、シリコン粒子がたいへん小さいことから、造粒体中におけるシリコンの体積比率は50%を下回ることが頻繁に発生する。その為に、電池容量が大きくならないという欠点が生じている。 As a method of manufacturing a negative electrode for a lithium ion secondary battery using silicon, metal silicon as an active material is mechanically pulverized to a nanometer size, granulated, and a conductive assistant such as carbon black. There is a method in which a slurry is prepared by kneading together with a resin binder and applied onto a copper foil. There is also a method of directly producing nano-sized particles by a plasma method. The nanometer-sized silicon particles are granulated for the purpose of coating the surface of the particles with a binder and uniformly coating the copper foil. However, since the silicon particles are very small, the volume ratio of silicon in the granulated body frequently occurs below 50%. For this reason, there is a disadvantage that the battery capacity does not increase.
また、リチウム電池で充放電を繰返すことで、例えばシリコンは約4倍もの体積膨張収縮を繰返す。シリコン粒子間の結合力は小さく、その体積変化を防止することができないことからシリコン粒子の微粉化が進み、サイクル特性が急激に劣化する。
これらの理由から、ナノメートルサイズのシリコンを造粒せずに多孔質体を直接製造する製法が提案されている。具体的には、(1)シリコン基板に陽極酸化を施しスリットなどの溝を形成する方法や、(2)リボン状のバルク金属中に微細なシリコンを晶出させる方法(例えば、特許文献1を参照)などが知られている。また、同様に急冷凝固技術を応用した技術(例えば、特許文献2を参照)や、シリコン粒子をフッ酸処理して多孔質シリコンを得る方法(例えば、特許文献3、4を参照)が知られている。
Further, by repeating charge and discharge with a lithium battery, for example, silicon repeatedly expands and contracts by about four times. Since the bonding force between the silicon particles is small and the volume change cannot be prevented, the silicon particles are pulverized and the cycle characteristics are rapidly deteriorated.
For these reasons, a manufacturing method for directly manufacturing a porous body without granulating nanometer-sized silicon has been proposed. Specifically, (1) a method of forming a groove such as a slit by anodizing a silicon substrate, or (2) a method of crystallizing fine silicon in a ribbon-like bulk metal (for example, Patent Document 1) For example). Similarly, a technique (for example, see Patent Document 2) applying a rapid solidification technique and a method for obtaining porous silicon by hydrofluoric acid treatment of silicon particles (for example, see Patent Documents 3 and 4) are known. ing.
これらの多孔質体でも、(1)充放電に伴う微粉化、(2)導電性の劣化、が課題として存在する。これらの課題をクリアーする為に、特許文献5〜10に示すようなシリコン表面をスズや銅などで被覆する複合材が提案されている。
これらの先行技術では、シリコン塊から微細なシリコン粒子を作製し、その粒子径は10nm〜60μmが提案されている。具体的には、平均粒径0.1〜5μmのシリコン粒子の積層物の表面をメッキする方法(特許文献5)、平均粒径0.5〜60μmのシリコンと電子伝導補助材を混合する方法(特許文献6)、平均粒子径0.1〜50μmのシリコンと炭素を混合する方法(特許文献7)、粒径0.01〜0.5μmのシリコンを炭素と共にメカニカルアロイングで作製する方法(特許文献8)、平均粒子径0.1〜5μmのシリコンに炭素を化学蒸着処理する方法(特許文献9)等が挙げられる。
Even in these porous bodies, (1) pulverization associated with charge / discharge and (2) deterioration of conductivity exist as problems. In order to clear these problems, composite materials for covering the silicon surface with tin, copper or the like as shown in Patent Documents 5 to 10 have been proposed.
In these prior arts, a fine silicon particle is produced from a silicon lump, and the particle diameter is proposed to be 10 nm to 60 μm. Specifically, a method of plating the surface of a laminate of silicon particles having an average particle size of 0.1 to 5 μm (Patent Document 5), a method of mixing silicon having an average particle size of 0.5 to 60 μm and an electron conduction auxiliary material (Patent Document 6), a method of mixing silicon and carbon having an average particle diameter of 0.1 to 50 μm (Patent Document 7), and a method of manufacturing silicon having a particle diameter of 0.01 to 0.5 μm together with carbon by mechanical alloying ( Patent Document 8), a method of performing chemical vapor deposition of carbon on silicon having an average particle diameter of 0.1 to 5 μm (Patent Document 9), and the like.
しかしながら、負極活物質と導電助剤と結着剤とのスラリーを塗布・乾燥して形成される従来の負極は、負極活物質と集電体とを導電性の低い樹脂の結着剤で結着するため、内部抵抗が大きくならないように樹脂の使用量を最小限に抑える必要があり、負極活物質と集電体の結合力は強いものではなかった。そのため、充放電時の負極の体積膨張を抑制できないと、負極活物質の微粉化や剥離、負極の亀裂の発生、負極活物質間の導電性の低下等が発生して容量が低下してしまう。また、この負極活物質同士もしくは集電体との結着を強固にする為に、樹脂を増加させると、樹脂の体積比率が増加し電池の容量が低下する、導電性低下により応答性が低下するなどの問題が発生する。 However, a conventional negative electrode formed by applying and drying a slurry of a negative electrode active material, a conductive additive, and a binder binds the negative electrode active material and the current collector with a binder of a resin having low conductivity. Therefore, it is necessary to minimize the amount of resin used so that the internal resistance does not increase, and the bonding force between the negative electrode active material and the current collector was not strong. Therefore, if the volume expansion of the negative electrode during charge / discharge cannot be suppressed, the negative electrode active material is pulverized or peeled off, the negative electrode cracks are generated, the conductivity between the negative electrode active materials is reduced, and the capacity is reduced. . In addition, if the resin is increased in order to strengthen the binding between the negative electrode active materials or the current collector, the volume ratio of the resin increases and the capacity of the battery decreases. Problems occur.
これらのことから、この微粉化を防止するために、負極活物質のナノ化が挙げられている。しかし、そのナノ粒子そのものを使用してスラリーにした場合に、スラリー内に均一分散しないなどの問題点があった。その為に、このナノ粒子を用いて造粒する手法が広く用いられている。しかし、この造粒物の中での活物質同士の接合力は極めて小さい為に、造粒物は充放電時の活物質の体積膨張に伴い崩壊する。また、連結する空隙を有するポーラス体もあるが、スラリー製造時にポーラス体の空隙に導電助剤が入り込まないことから充放電効率が低下するという問題があった。
それゆえ、従来のシリコンを用いた負極には、サイクル特性が悪く、二次電池の寿命が短いという問題点があった。特に、負極用材料としての実用化が期待されているシリコンは、リチウムイオン吸蔵時の体積変化が約4倍と大きいため、負極活物質に割れや剥離が発生しやすく、また充放電サイクル特性が悪いという問題点があり、従来のグラファイト負極と比較して極めて寿命が短いという欠点があった。
For these reasons, in order to prevent the pulverization, the negative electrode active material is made nano-sized. However, when the nanoparticles themselves are used to form a slurry, there is a problem that they are not uniformly dispersed in the slurry. Therefore, a method of granulating using these nanoparticles is widely used. However, since the bonding force between the active materials in this granulated product is extremely small, the granulated product collapses with the volume expansion of the active material during charge and discharge. In addition, there is a porous body having voids to be connected, but there is a problem that the charge / discharge efficiency is lowered because the conductive auxiliary agent does not enter the voids of the porous body during slurry production.
Therefore, the conventional negative electrode using silicon has problems that the cycle characteristics are poor and the life of the secondary battery is short. In particular, silicon, which is expected to be put to practical use as a negative electrode material, has a large volume change of about 4 times during storage of lithium ions, so that the negative electrode active material is easily cracked and peeled off, and has charge / discharge cycle characteristics. There was a problem that it was bad, and there was a fault that the life was extremely short compared with the conventional graphite negative electrode.
また、特許文献2の技術は、非晶質リボンや微粉末などを製造する際に適応するものであり、冷却速度は専ら104K/秒以上で凝固させるものである。
一般的な合金の凝固に於いては、一次デンドライトが成長しながら2次デンドライトが成長する樹枝状結晶をとる。
特殊な合金系(Cu−Mg系、Ni−Ti系など)では、104K/秒以上で非晶質金属を形成させることができるが、その他の系(例えばSi−Ni系)では冷却速度は専ら104K/秒以上で凝固させても非晶質金属を得ることができず、結晶相が形成される。
この結晶相が形成される場合の結晶のサイズは、冷却速度(R:K/秒)とデンドライト・アーム・スペーシング(DAS:μm)の関係に順ずる。
DAS=A×RB (一般に、A:40〜100、B:−0.3〜−0.4)
そのために、結晶相を有する場合、例えばA:60、B:−0.35の場合に、R:104K/秒でDASは1μmとなる。結晶相もこのサイズに準ずるもので、10nmなどの微細な結晶相を得ることはできない。これらの理由から、Si−Ni系などの材料では、この急冷凝固技術単独で微細な結晶相からなる多孔質を得ることができない。
The technique of Patent Document 2 is applied when producing an amorphous ribbon or fine powder, and solidifies at a cooling rate of 10 4 K / second or more.
In the solidification of a general alloy, dendrites in which secondary dendrite grows while primary dendrite grows are taken.
A special alloy system (Cu-Mg system, Ni-Ti system, etc.) can form an amorphous metal at 10 4 K / second or more, but other systems (for example, Si-Ni system) have a cooling rate. Even when solidified at a rate of 10 4 K / sec or more, an amorphous metal cannot be obtained and a crystalline phase is formed.
The size of the crystal when this crystal phase is formed follows the relationship between the cooling rate (R: K / sec) and the dendrite arm spacing (DAS: μm).
DAS = A × R B (generally A: 40 to 100, B: −0.3 to −0.4)
Therefore, in the case of having a crystal phase, for example, when A: 60 and B: −0.35, DAS becomes 1 μm at R: 10 4 K / sec. The crystal phase is equivalent to this size, and a fine crystal phase of 10 nm or the like cannot be obtained. For these reasons, it is not possible to obtain a porous material composed of a fine crystalline phase with this rapid solidification technique alone with materials such as Si—Ni.
また、メッキしたシリコン粒子の微粉化を回避する為に、シリコン粒子を小さくすると相対的に被覆材の比率が大きくなりリチウム電池容量が小さくなるというトレード・オフが生じている。また、シリコンと導電材(炭素等)でメカニカルアロイングする方法で体積変化を緩和する方法(例えば、特許文献8)もあるが、空隙率が小さく電池内の電解液の浸入が困難となるというトレード・オフも生じており、実用化には至っていない。 Further, in order to avoid pulverization of the plated silicon particles, there is a trade-off that if the silicon particles are made smaller, the ratio of the covering material becomes relatively larger and the lithium battery capacity becomes smaller. In addition, there is a method (for example, Patent Document 8) in which volume change is mitigated by a method of mechanical alloying with silicon and a conductive material (carbon or the like), but the porosity is small and it is difficult to enter the electrolyte in the battery. There is also a trade-off, and it has not been put into practical use.
また、シリコンの微粉化を回避する上で、連結したナノサイズの空隙を有するポーラス体も提案されている(例えば、特許文献3、4)。しかし、このポーラス状のシリコンを用いてスラリーを作製しても、ナノサイズの空隙に導電助剤が入り込まないことから充放電効率が低下するという課題があり、実用化に至っていない。 Further, in order to avoid silicon pulverization, a porous body having connected nano-sized voids has also been proposed (for example, Patent Documents 3 and 4). However, even if a slurry is produced using this porous silicon, there is a problem that the charge / discharge efficiency is lowered because the conductive auxiliary agent does not enter the nano-sized voids, and it has not been put into practical use.
本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたもので、その目的とすることは、高容量と良好なサイクル特性を実現するリチウムイオン二次電池の負極用材料に好適な多孔質シリコン粒子を得ることである。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and its object is to provide porous silicon particles suitable for a negative electrode material for a lithium ion secondary battery that achieves high capacity and good cycle characteristics. Is to get.
本発明者は、連続した空隙を有する三次元的網目構造の多孔質シリコン粒子の空孔内に導電性物質を析出させることで、これらの導電性物質が導電パスとなり、導電性を改善でき、さらに微粉化を防止できることを見出した。本発明は、この知見に基づきなされたものである。 The present inventor, by depositing the conductive material in the pores of the porous silicon particles of the three-dimensional network structure having continuous voids, these conductive materials become a conductive path, can improve the conductivity, Furthermore, it discovered that pulverization could be prevented. The present invention has been made based on this finding.
すなわち本発明は、以下のとおりである。
(1)連続する空孔を有し、三次元網目構造を有する多孔質シリコン粒子であって、前記空孔が、前記多孔質シリコン粒子を貫通し、前記空孔内に、Cu、Ni、Sn、Zn、Ag、Cのいずれか1つ以上の導電性元素の単体又は合金を有することを特徴とする多孔質シリコン粒子。
(2)前記導電性元素の単体又は合金が、前記空孔内の表面の少なくとも一部を被覆することを特徴とする(1)に記載の多孔質シリコン粒子。
(3)前記導電性元素の単体又は合金が、前記空孔内の少なくとも一部に充填されていることを特徴とする(1)に記載の多孔質シリコン粒子。
(4)前記多孔質シリコン粒子内に、As、Ba、C、Ca、Ce、Co、Cr、Cu、Er、Fe、Gd、Hf、Lu、Mg、Mn、Mo、Nb、Nd、Ni、P、Pd、Pr、Pt、Pu、Re、Rh、Ru、Sc、Sm、Sr、Ta、Te、Th、Ti、Tm、U、V、W、Y、Yb、Zrからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素とのシリサイドを有することを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載の多孔質シリコン粒子。
(5)前記多孔質シリコン粒子の平均粒径が、0.1μm〜1000μmであり、前記多孔質シリコン粒子の平均空隙率が、15〜93%であり、前記多孔質シリコン粒子の平均空孔径が、5nm〜2μmであり、前記多孔質シリコン粒子の平均粒径と平均空孔径の比が、5以上であることを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の多孔質シリコン粒子。
(6)(1)〜(5)のいずれかに記載の多孔質シリコン粒子が負極活物質として用いられることを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極。
(7)リチウムイオンを吸蔵および放出可能な正極と、(6)に記載のリチウムイオン二次電池用負極と、前記正極と前記負極との間に配置されるセパレータとを有し、リチウムイオン伝導性を有する電解質中に、前記正極、前記負極および前記セパレータとが配設されることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
(8)連続する空孔を有し、三次元網目構造を有する多孔質シリコン粒子の前記空孔内部に、Cu、Ni、Sn、Zn、Ag、Cのいずれか1つ以上の導電性元素の単体又は合金を析出させることを特徴とする多孔質シリコン粒子の製造方法。
(9)前記多孔質シリコン粒子の空孔内の少なくとも一部に、Cu、Ni、Sn、Zn、Agのいずれか1つ以上の導電性元素で無電解メッキを行い、前記導電性元素を析出させることを特徴とする(8)に記載の多孔質シリコン粒子の製造方法。
(10)前記多孔質シリコン粒子が、Cu、Ni、Sn、Zn、Agのいずれか1つ以上の導電性元素よりも析出電位が卑な元素を1原子%以上含み、前記卑な元素を、前記導電性元素で置換する置換メッキを行い、前記多孔質シリコン粒子の空孔内の少なくとも一部に、前記導電性元素を析出させることを特徴とする(8)に記載の多孔質シリコン粒子の製造方法。
(11)前記多孔質シリコン粒子を、フィルター上に置き、前記無電解メッキまたは前記置換メッキを、平均流速0.1cm/秒以上の流れ場で行うことを特徴とする(9)または(10)に記載の多孔質シリコン粒子の製造方法。
(12)前記多孔質シリコン粒子を、10体積%以上の炭化水素系ガスを含有する雰囲気中で、100K/分以上の昇温速度で600℃以上に加熱し、前記空孔内で、前記炭化水素系ガスを熱分解させることで、前記多孔質シリコン粒子の前記空孔内の少なくとも一部に、炭素を析出させることを特徴とする(8)に記載の多孔質シリコン粒子の製造方法。
That is, the present invention is as follows.
(1) Porous silicon particles having continuous pores and having a three-dimensional network structure, wherein the pores penetrate the porous silicon particles, and Cu, Ni, Sn are contained in the pores. A porous silicon particle comprising a single element or an alloy of one or more conductive elements of any one of Zn, Ag, Ag, and C.
(2) The porous silicon particles according to (1), wherein the single element or alloy of the conductive element covers at least a part of the surface in the pores.
(3) The porous silicon particles according to (1), wherein the conductive element alone or an alloy is filled in at least a part of the pores.
(4) In the porous silicon particles, As, Ba, C, Ca, Ce, Co, Cr, Cu, Er, Fe, Gd, Hf, Lu, Mg, Mn, Mo, Nb, Nd, Ni, P , Pd, Pr, Pt, Pu, Re, Rh, Ru, Sc, Sm, Sr, Ta, Te, Th, Ti, Tm, U, V, W, Y, Yb, Zr The porous silicon particle according to any one of (1) to (3), which has a silicide with one kind of element.
(5) The average particle diameter of the porous silicon particles is 0.1 μm to 1000 μm, the average porosity of the porous silicon particles is 15 to 93%, and the average pore diameter of the porous silicon particles is The porous silicon particle according to any one of (1) to (4), wherein the porous silicon particle has a ratio of 5 nm to 2 μm and a ratio of an average particle diameter to an average pore diameter of the porous silicon particle is 5 or more .
(6) A negative electrode for a lithium ion secondary battery, wherein the porous silicon particles according to any one of (1) to (5) are used as a negative electrode active material.
(7) having a positive electrode capable of inserting and extracting lithium ions, a negative electrode for a lithium ion secondary battery according to (6), and a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode, A lithium ion secondary battery, wherein the positive electrode, the negative electrode, and the separator are disposed in an electrolyte having a property.
(8) Inside the pores of the porous silicon particles having continuous pores and having a three-dimensional network structure, any one or more conductive elements of Cu, Ni, Sn, Zn, Ag, and C are contained. A method for producing porous silicon particles, comprising depositing a simple substance or an alloy.
(9) Electroless plating with at least one of Cu, Ni, Sn, Zn, and Ag is performed on at least a part of the pores of the porous silicon particles to deposit the conductive element (6) The method for producing porous silicon particles according to (8).
(10) The porous silicon particles contain 1 atomic% or more of an element having a deposition potential lower than that of any one or more conductive elements of Cu, Ni, Sn, Zn, and Ag. The porous silicon particle according to (8), wherein the conductive element is deposited in at least a part of the pores of the porous silicon particle by performing substitution plating replacing the conductive element. Production method.
(11) The porous silicon particles are placed on a filter, and the electroless plating or the displacement plating is performed in a flow field having an average flow rate of 0.1 cm / second or more (9) or (10) The manufacturing method of the porous silicon particle as described in any one of Claims 1-3.
(12) The porous silicon particles are heated to 600 ° C. or higher at a temperature increase rate of 100 K / min or more in an atmosphere containing 10% by volume or more of hydrocarbon-based gas, and the carbonization is performed in the pores. The method for producing porous silicon particles according to (8), wherein carbon is deposited in at least a part of the pores of the porous silicon particles by thermally decomposing a hydrogen-based gas.
本発明により、高容量と良好なサイクル特性を実現するリチウムイオン二次電池の負極用材料に好適な多孔質シリコン粒子を得ることができる。 According to the present invention, porous silicon particles suitable for a negative electrode material for a lithium ion secondary battery that achieves a high capacity and good cycle characteristics can be obtained.
(多孔質シリコン粒子)
以下図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。図1は、本発明に係る多孔質シリコン粒子1の一例を示す図である。多孔質シリコン粒子1は、連続する空孔3を有し、三次元網目構造を有し、空孔3が、多孔質シリコン粒子1を貫通し、空孔3内に、Cu、Ni、Sn、Zn、Ag、Cのいずれか1つ以上の導電性元素の単体又は合金7を有することを特徴とする。
(Porous silicon particles)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing an example of porous silicon particles 1 according to the present invention. The porous silicon particle 1 has continuous pores 3 and has a three-dimensional network structure. The pores 3 penetrate through the porous silicon particles 1, and Cu, Ni, Sn, It has a single element or an alloy 7 of any one or more conductive elements of Zn, Ag, and C.
本発明に係る多孔質シリコン粒子1での三次元網目構造は、空孔が互いに連接している構造を意味する。図1では、多数のシリコン微粒子5が接合し、シリコン微粒子5の間の空間が空孔3である多孔質シリコン粒子1を図示しているが、他に、多孔質シリコン粒子の空孔が互いに連接している構造で、その空孔が多孔質シリコン粒子を貫通していれば、そのような多孔質シリコン粒子も用いることができる。例えば、チューブ状の空孔が形成されているシリコン粒子を用いることもできる。なお、図1などでは、シリコン微粒子5が互いに接触していないが、これは、多孔質シリコン粒子1を模式的に描いたためであり、実際は、隣接するシリコン微粒子5と接合したり、奥または手前の別のシリコン微粒子5と接合したりして、互いのシリコン微粒子5は接合し、一体化している。 The three-dimensional network structure in the porous silicon particle 1 according to the present invention means a structure in which pores are connected to each other. In FIG. 1, porous silicon particles 1 in which a large number of silicon fine particles 5 are joined and the space between the silicon fine particles 5 are pores 3 are illustrated. If the pores penetrate through the porous silicon particles in the connected structure, such porous silicon particles can also be used. For example, silicon particles in which tube-like holes are formed can also be used. In FIG. 1 and the like, the silicon fine particles 5 are not in contact with each other, but this is because the porous silicon particles 1 are schematically drawn. Actually, the silicon fine particles 5 are joined to the adjacent silicon fine particles 5 or at the back or in front. The other silicon fine particles 5 are joined to each other, and the silicon fine particles 5 are joined and integrated.
本発明に係る多孔質シリコン粒子1、後述する1a、1bは、前記導電性元素の単体又は合金を析出させる前は、平均粒径が0.1μm〜1000μmであり、平均空隙率が15〜93%であり、平均空孔が5nm〜2μmであり、平均粒径と平均空孔の比が5以上で、連続した空隙を有する三次元網目構造を有する多孔質シリコン粒子である。これら多孔質シリコン粒子の平均粒径または平均支柱径は、0.1μm〜1000μmであり、好ましくは1〜50μm、より好ましくは、5〜20μmである。また、平均空隙率が15〜93%であり、好ましくは30〜80%である。平均空孔が5nm〜2μmであり、好ましくは10〜500nm、より好ましくは、20〜200nmである。 The porous silicon particles 1 according to the present invention, 1a and 1b, which will be described later, have an average particle size of 0.1 to 1000 μm and an average porosity of 15 to 93 before the single element or alloy of the conductive element is precipitated. %, The average pores are 5 nm to 2 μm, the ratio of the average particle size to the average pores is 5 or more, and the porous silicon particles have a three-dimensional network structure having continuous voids. These porous silicon particles have an average particle diameter or an average column diameter of 0.1 to 1000 μm, preferably 1 to 50 μm, and more preferably 5 to 20 μm. Moreover, an average porosity is 15 to 93%, Preferably it is 30 to 80%. An average void | hole is 5 nm-2 micrometers, Preferably it is 10-500 nm, More preferably, it is 20-200 nm.
シリコン微粒子5は、平均粒径または平均支柱径が2nm〜2μmであり、好ましくは10〜500nm、より好ましくは、20〜300nmである。そして、一つ一つのシリコン微粒子5の結晶構造は、結晶性を有する単結晶であることが好ましい。また、シリコン微粒子5は、酸素を除く元素の比率でシリコンを80原子%以上含む中実な微粒子であることが好ましい。 The silicon fine particles 5 have an average particle diameter or an average column diameter of 2 nm to 2 μm, preferably 10 to 500 nm, and more preferably 20 to 300 nm. The crystal structure of each silicon fine particle 5 is preferably a single crystal having crystallinity. The silicon fine particles 5 are preferably solid fine particles containing 80 atomic% or more of silicon in a ratio of elements excluding oxygen.
導電性元素の単体又は合金7は、Cu、Ni、Sn、Zn、Ag、Cのいずれか1つ以上の導電性元素の単体又は合金である。図1では、粒子状の導電性元素の単体又は合金7が、空孔3内に析出しているが、析出形態は特に限定されず、後述する第1の実施形態や第2の実施形態のように、空孔3の表面を被覆しても、空孔3内を充填してもよい。 The single element or alloy 7 of the conductive element is a single element or alloy of any one or more of the conductive elements of Cu, Ni, Sn, Zn, Ag, and C. In FIG. 1, the particulate conductive element alone or the alloy 7 is precipitated in the pores 3, but the precipitation form is not particularly limited, and the first embodiment and the second embodiment described later are used. As described above, the surface of the hole 3 may be covered or the inside of the hole 3 may be filled.
また、多孔質シリコン粒子1内に、As、Ba、C、Ca、Ce、Co、Cr、Cu、Er、Fe、Gd、Hf、Lu、Mg、Mn、Mo、Nb、Nd、Ni、P、Pd、Pr、Pt、Pu、Re、Rh、Ru、Sc、Sm、Sr、Ta、Te、Th、Ti、Tm、U、V、W、Y、Yb、Zrからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素と、シリコンとのシリサイドを有してもよい。これらの元素は、シリコンに比べてリチウムイオンを吸蔵しにくい元素であるため、リチウムイオンの吸蔵時にこのシリサイドは膨張し難く、多孔質シリコン粒子全体の膨張も抑制され、より長寿命の負極活物質を得ることができる。 Further, in the porous silicon particle 1, As, Ba, C, Ca, Ce, Co, Cr, Cu, Er, Fe, Gd, Hf, Lu, Mg, Mn, Mo, Nb, Nd, Ni, P, At least one selected from the group consisting of Pd, Pr, Pt, Pu, Re, Rh, Ru, Sc, Sm, Sr, Ta, Te, Th, Ti, Tm, U, V, W, Y, Yb, Zr A silicide of a seed element and silicon may be included. Since these elements are more difficult to occlude lithium ions than silicon, this silicide does not easily expand during occlusion of lithium ions, the expansion of the entire porous silicon particles is suppressed, and a longer-life anode active material Can be obtained.
(本発明に係る多孔質シリコン粒子の効果)
本発明に係る多孔質シリコン粒子は、シリコンを使用しているため、リチウムイオン二次電池の負極に用いると、高容量の負極活物質となる。
(Effect of porous silicon particles according to the present invention)
Since the porous silicon particle according to the present invention uses silicon, it becomes a high-capacity negative electrode active material when used for the negative electrode of a lithium ion secondary battery.
また、本発明に係る多孔質シリコン粒子は、導電性元素の単体又は合金を有するので、この導電性元素が、多孔質シリコン粒子の内部のシリコンへの導電パスとなる。さらに、本発明に係る多孔質シリコン粒子は、連続する空孔を有し、三次元網目構造を有するため、多孔質シリコン粒子内部のシリコンにまで電解液が接触することができる。そのため、多孔質シリコン粒子の内部のシリコンまでが、充放電反応に参加することができ、シリコンの利用効率が高く、本発明に係る多孔質シリコン粒子は、高容量の負極活物質となる。 Further, since the porous silicon particles according to the present invention have a single element or an alloy of a conductive element, this conductive element becomes a conductive path to silicon inside the porous silicon particle. Furthermore, since the porous silicon particles according to the present invention have continuous pores and have a three-dimensional network structure, the electrolytic solution can contact the silicon inside the porous silicon particles. Therefore, even the silicon inside the porous silicon particles can participate in the charge / discharge reaction, the silicon utilization efficiency is high, and the porous silicon particles according to the present invention become a high-capacity negative electrode active material.
また、本発明に係る多孔質シリコン粒子は、連続する空孔を有し、三次元網目構造を有するため、多孔質シリコン粒子を構成するシリコンが、膨張または収縮しても、多孔質シリコン粒子の内部に係る応力が小さく分散され、多孔質シリコン粒子の微粉化を防止することができる。つまり、本発明に係る多孔質シリコン粒子を、リチウムイオン二次電池の負極に用いると、サイクル特性に優れる長寿命の負極活物質となる。 In addition, since the porous silicon particles according to the present invention have continuous pores and have a three-dimensional network structure, even if the silicon constituting the porous silicon particles expands or contracts, The stress relating to the inside is dispersed to a small extent, and the micronization of the porous silicon particles can be prevented. That is, when the porous silicon particles according to the present invention are used for the negative electrode of a lithium ion secondary battery, a long-life negative electrode active material having excellent cycle characteristics is obtained.
また、本発明に係る多孔質シリコン粒子は、導電性元素の単体又は合金を有するので、この導電性元素が、多孔質シリコン粒子を構成するシリコンへの導電パスとなり、多孔質シリコン粒子の導電性が高くなる。さらには、高率での充放電特性に優れる。 Further, since the porous silicon particles according to the present invention have a simple substance or an alloy of a conductive element, this conductive element becomes a conductive path to silicon constituting the porous silicon particle, and the conductivity of the porous silicon particle Becomes higher. Furthermore, it is excellent in charge / discharge characteristics at a high rate.
また、本発明に係る多孔質シリコン粒子は、導電性元素の単体又は合金を有するので、空孔3の内部の導電性元素の単体又は合金が、多孔質シリコン粒子の微粉化を抑えることができる。 Further, since the porous silicon particles according to the present invention have a single element or alloy of the conductive element, the single element or alloy of the conductive element inside the pores 3 can suppress pulverization of the porous silicon particles. .
(本発明に係る多孔質シリコン粒子の第1の実施形態)
以下の実施形態で、同一の様態を果たす要素には同一の番号を付し、重複した説明は避ける。
図2(a)は、本発明の第1の実施形態に係る多孔質シリコン粒子1aの一例を示す図である。多孔質シリコン粒子1aは、多数のシリコン微粒子5が接合して形成され、シリコン微粒子5の間の空間が空孔3である。空孔3は連続し、多孔質シリコン粒子1aを貫通する。多孔質シリコン粒子1aは、三次元網目構造を有する。また、空孔3の表面、すなわち、シリコン微粒子5の表面の少なくとも一部は、Cu、Ni、Sn、Zn、Ag、Cのいずれか1つ以上の導電性元素の単体又は合金7aにより被覆される。
(First Embodiment of Porous Silicon Particles According to the Present Invention)
In the following embodiment, the same number is attached | subjected to the element which fulfill | performs the same aspect, and the duplicate description is avoided.
FIG. 2A is a diagram showing an example of porous silicon particles 1a according to the first embodiment of the present invention. The porous silicon particle 1 a is formed by joining a large number of silicon fine particles 5, and the space between the silicon fine particles 5 is the void 3. The holes 3 are continuous and penetrate the porous silicon particles 1a. The porous silicon particle 1a has a three-dimensional network structure. Further, at least a part of the surface of the hole 3, that is, the surface of the silicon fine particle 5 is covered with a single element or an alloy 7a of one or more conductive elements of Cu, Ni, Sn, Zn, Ag, and C. The
被覆する導電性元素の単体又は合金7aの厚さは、0.005〜1.0μm程度である。 The thickness of the conductive element or the alloy 7a to be coated is about 0.005 to 1.0 μm.
本発明の第1の実施形態に係る多孔質シリコン粒子1aは、後述する、無電解メッキや炭素コーティングにより得られる。また、後述する置換メッキでも、卑な元素19を空孔3の表面に被覆させておけば、卑な元素19を導電性元素で置換させ、空孔3の表面を導電性元素の単体または合金7aで被覆することができる。 The porous silicon particle 1a according to the first embodiment of the present invention is obtained by electroless plating or carbon coating, which will be described later. Further, even in substitution plating described later, if the base element 19 is coated on the surface of the hole 3, the base element 19 is replaced with a conductive element, and the surface of the hole 3 is made of a single element or alloy of the conductive element. It can be coated with 7a.
第1の実施形態に係る多孔質シリコン粒子によれば、前述の本発明に係る多孔質シリコン粒子1の効果に加えて、導電性元素の単体又は合金7aが、空孔3の少なくとも一部を被覆しているので、多孔質シリコン粒子1aを構成するシリコンの微粉化を防ぐことができる。そのため、第1の実施形態に係る多孔質シリコン粒子は、長寿命の負極活物質となる。 According to the porous silicon particles according to the first embodiment, in addition to the effect of the porous silicon particles 1 according to the present invention described above, the simple substance or the alloy 7a of the conductive element has at least a part of the pores 3. Since it coat | covers, the pulverization of the silicon which comprises the porous silicon particle 1a can be prevented. Therefore, the porous silicon particles according to the first embodiment become a long-lived negative electrode active material.
(本発明に係る多孔質シリコン粒子の第2の実施形態)
図2(b)は、本発明の第2の実施形態に係る多孔質シリコン粒子1bの一例を示す図である。多孔質シリコン粒子1bは、多数のシリコン微粒子5が接合して形成され、シリコン微粒子5の間の空間が空孔3である。空孔3は連続し、多孔質シリコン粒子1bを貫通する。多孔質シリコン粒子1bは、三次元網目構造を有する。また、少なくとも一部の空孔3の内部に、Cu、Ni、Sn、Zn、Ag、Cのいずれか1つ以上の導電性元素の単体又は合金7bが充填される
(Second Embodiment of Porous Silicon Particles According to the Present Invention)
FIG.2 (b) is a figure which shows an example of the porous silicon particle 1b which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. The porous silicon particle 1 b is formed by joining a large number of silicon fine particles 5, and the space between the silicon fine particles 5 is the void 3. The pores 3 are continuous and penetrate the porous silicon particles 1b. The porous silicon particle 1b has a three-dimensional network structure. Further, at least some of the holes 3 are filled with a single element or an alloy 7b of one or more conductive elements of Cu, Ni, Sn, Zn, Ag, and C.
本発明の第2の実施形態に係る多孔質シリコン粒子1bは、後述する、置換メッキにより得られる。また、後述する無電解メッキや炭素コーティングでも、条件により導電性元素が、多孔質シリコン粒子1b内で、部分的に析出することで、少なくとも一部の空孔3の内部を導電性元素で充填させることができる。 The porous silicon particle 1b according to the second embodiment of the present invention is obtained by displacement plating, which will be described later. Also, in electroless plating and carbon coating, which will be described later, the conductive element partially deposits in the porous silicon particles 1b depending on conditions, so that at least some of the pores 3 are filled with the conductive element. Can be made.
第2の実施形態に係る多孔質シリコン粒子によれば、前述の本発明に係る多孔質シリコン粒子1の効果に加えて、導電性元素の単体又は合金7bが、空孔3の少なくとも一部に充填されているので、多孔質シリコン粒子1bを構成するシリコンの微粉化を防ぐことができる。そのため、第2の実施形態に係る多孔質シリコン粒子は、長寿命の負極活物質となる。 According to the porous silicon particles according to the second embodiment, in addition to the effect of the porous silicon particles 1 according to the present invention described above, the simple substance or the alloy 7b of the conductive element is present in at least a part of the pores 3. Since it is filled, it is possible to prevent pulverization of silicon constituting the porous silicon particles 1b. Therefore, the porous silicon particles according to the second embodiment become a long-lived negative electrode active material.
(本発明に係る多孔質シリコン粒子の製造方法)
本発明に係る多孔質シリコン粒子の製造方法を説明する。多孔質シリコン粒子を貫通する、連続する空孔を有し、三次元網目構造を有する多孔質シリコン粒子の空孔内部に、Cu、Ni、Sn、Zn、Ag、Cのいずれか1つ以上の導電性元素の単体又は合金を析出させることができれば、どのような方法でも良いが、図3〜5に示す、無電解メッキ、置換メッキ、炭素コーディングなどの用法を行うことが好ましい。
(Method for producing porous silicon particles according to the present invention)
A method for producing porous silicon particles according to the present invention will be described. One or more of Cu, Ni, Sn, Zn, Ag, and C are formed in the pores of the porous silicon particles having continuous pores penetrating the porous silicon particles and having a three-dimensional network structure. Any method can be used as long as a single element or an alloy of a conductive element can be deposited, but it is preferable to use methods such as electroless plating, displacement plating, and carbon coding as shown in FIGS.
(無電解メッキによる製造方法)
図3(a)〜(d)は、本発明に係る無電解メッキ工程を示す図である。処理前の多孔質シリコン粒子8に、無電解メッキを行い、空孔3内に金属の導電性元素を析出させ、多孔質シリコン粒子1aを得る。
(Production method by electroless plating)
3A to 3D are diagrams showing an electroless plating process according to the present invention. Electroless plating is performed on the
まず、図3(a)に示すとおり、三次元網目構造を有する処理前の多孔質シリコン粒子8を用意する。
図3(a)では、多孔質シリコン粒子8は、多数のシリコン微粒子5が接合して形成されているが、このような形状に限定されない。他に、多孔質シリコン粒子の空孔が互いに連接している構造で、その空孔が多孔質シリコン粒子を貫通していれば、どのような多孔質シリコン粒子も用いることができる。
First, as shown in FIG. 3A, a pre-treatment
In FIG. 3A, the
多孔質シリコン粒子8としては、シリコン粉末をフッ酸などで処理して多孔質化した粒子を用いることができる。フッ酸処理すると、結晶の粒界がフッ酸でエッチングされ、結晶性の高いシリコン微粒子5が接合した構造となる。なお、フッ酸でエッチングする場合、表面には細孔構造が発達するが、粒子の内部に細孔構造が発達しにくいため、フッ酸でエッチングしただけでは、粒子全体が三次元網目構造とはなりにくい。そのため、エッチングした後、粒子を粉砕することにより、細孔構造が発達した、粉砕前の粒子の表面部分のみからなる粒子を得ることができ、三次元網目構造を有する多孔質シリコン粒子8を得ることができる。
また、超高温プラズマ法によって、微粒子の凝集・合体を促進して得られる粒子を、多孔質シリコン粒子8として用いることもできる。
As the
In addition, particles obtained by promoting the aggregation and coalescence of fine particles by an ultra-high temperature plasma method can be used as the
次に、図3(b)に示すとおり、メッキ液11にて、Cu、Ni、Sn、Zn、Agのどれか1つ以上を無電解メッキする。
多孔質シリコン粒子8の内部へ、確実に無電解メッキをするために、多孔質シリコン粒子8をフィルター9の上に堆積させ、メッキ液11を、0.1cm/秒以上、好ましくは1cm/秒以上の流速を持つ流れ場にして、無電解メッキを行う。
Next, as shown in FIG. 3B, one or more of Cu, Ni, Sn, Zn, and Ag is electrolessly plated with a
In order to reliably perform electroless plating inside the
図3(c)は、図3(b)でのA領域の拡大図である。処理前の多孔質シリコン粒子8の空孔3の内部を、メッキ液11が流れることが分かる。また、多孔質シリコン粒子8は、連続する空孔3があり、三次元網目構造を有しているため、メッキ液11は、空孔3を通過して、多孔質シリコン粒子8の内部を通過することができる。特に、多孔質シリコン粒子8をフィルター9上において、さらにメッキ液11を流れ場としているため、メッキ液11は、多孔質シリコン粒子8の空孔3の内部を所定の流速で流れることとなる。そのため、多孔質シリコン粒子8の空孔3の表面に、常に新しいメッキ液11が供給され、空孔3の表面に無電解メッキをすることができる。
FIG.3 (c) is an enlarged view of A area | region in FIG.3 (b). It can be seen that the
一方、多孔質シリコン粒子8を、フィルター上に固定せず、例えば攪拌されているメッキ液中に多孔質シリコン粒子8を入れると、多孔質シリコン粒子8は、空孔3中のメッキ液ごと移動するため、実際の空孔3中ではメッキ液がほとんど流れず、空孔3の内部には新しいメッキ液が供給されない。そのため、空孔3の表面よりも多孔質シリコン粒子8の外表面に、より多くメッキされ、空孔3の表面は被覆されにくい。
On the other hand, without fixing the
無電解メッキのメッキ液11は、特に限定されず、Cu、Ni、Sn、Zn、Agのどれか1つ以上を無電解メッキする際に通常に用いられるメッキ液を使用することができる。
The
図3(d)に示すとおり、処理前の多孔質シリコン粒子8に無電解メッキを施すことで、シリコン微粒子5の周囲を導電性元素(金属)の単体または合金7aが被覆する多孔質シリコン粒子1aが得られる。被覆する導電性元素の単体又は合金7aの厚さは、0.005〜1.0μm程度である。
As shown in FIG. 3 (d),
(炭素コーティングによる製造方法)
図4(a)〜(c)は、本発明に係る炭素コーティング工程を示す図である。処理前の多孔質シリコン粒子8に、炭素コーティングを行い、空孔3に炭素を析出させ、多孔質シリコン粒子1aを得る。
(Production method by carbon coating)
4 (a) to 4 (c) are diagrams showing a carbon coating process according to the present invention. The
まず、図4(a)に示すとおり、三次元網目構造を有する処理前の多孔質シリコン粒子8を用意する。
First, as shown in FIG. 4 (a), a pre-treatment
図4(b)に示すとおり、多孔質シリコン粒子8を炉13内に置き、炉13に炭化水素系ガス17を供給し、炭化水素系ガス17を10体積%以上の含有する雰囲気中で、ヒーター15にて、100K/分以上の昇温速度で600℃以上に加熱して、炭化水素系ガス17を空孔3内で熱分解させることで、多孔質シリコン粒子8の表面及び空孔3の内部の少なくとも一部に、厚さ0.005〜0.5μmの炭素のコーティングを施す。炭化水素系ガス濃度は、好ましくは20〜90体積%で、より好ましくは30〜50体積%である。また、昇温速度は、100K/分以上で、好ましくは200〜1000K/分である。1000K/分の昇温速度を付与すると、多孔質シリコン粒子内で大きな温度分布が生じ、多孔質シリコン粒子が崩壊することから望ましくない。
As shown in FIG. 4 (b), the
図4(c)に示すとおり、多孔質シリコン粒子8に炭素のコーティングを施すことで、シリコン微粒子5の周囲を導電性元素(炭素)の単体7cが被覆する多孔質シリコン粒子1aが得られる。
As shown in FIG. 4C, the
(置換メッキによる製造方法)
図5(a)〜(d)は、本発明に係る置換メッキ工程を示す図である。卑な元素を含む多孔質シリコン粒子18に、置換メッキを行い、空孔3に導電性元素を析出させ、多孔質シリコン粒子1bを得る。
(Production method by displacement plating)
FIGS. 5A to 5D are diagrams showing a displacement plating process according to the present invention. Displacement plating is performed on the
まず、図5(a)に示すとおり、卑な元素を含む多孔質シリコン粒子18を用意する。多孔質シリコン粒子18は、少なくとも一部の空孔3が、卑な元素19で充填されている。また、卑な元素19の含有量は、多孔質シリコン粒子18の1原子%以上であり、10原子%以上が好ましく、30原子%以上がより好ましい。なお、卑な元素の含有量の上限は事実上40原子%である。
First, as shown in FIG. 5A,
多孔質シリコン粒子18は、シリコンと卑な元素の合金の粉末を、フッ酸等で多孔質化したものを用いることができる。
As the
また、多孔質シリコン粒子18としては、卑な元素19のマトリクス中に、互いに接合する多数のシリコン微粒子5が存在する材料から、卑な元素19を一部除去した材料を用いることもできる。
Further, as the
析出電位が卑な元素19とは、置換メッキにより析出する、Cu、Ni、Sn、Zn、Agのどれか1つ以上の導電性元素よりも、析出電位が卑な元素である。
例えば置換メッキが硫酸浴、硝酸浴で行われる場合の各元素の析出電位(左側:卑<貴:右側)は以下のような順番になり、
Be<Al<Zn<Ga<Cd<In<Tl<Ni<Sn<Pb<Bi<Sb<Cu<Ag<Au
例えば、Agを析出させる場合、卑な元素19には、Cuより左側の元素を使用できる。
また、置換メッキがシアン浴で行われる場合は、以下のようになる。
Zn<Cd<Cu<Ag<Au
The element 19 having a low deposition potential is an element having a lower deposition potential than any one or more conductive elements of Cu, Ni, Sn, Zn, and Ag deposited by displacement plating.
For example, when displacement plating is performed in a sulfuric acid bath or nitric acid bath, the deposition potential of each element (left: base <noble: right) is as follows:
Be <Al <Zn <Ga <Cd <In <Tl <Ni <Sn <Pb <Bi <Sb <Cu <Ag <Au
For example, when Ag is deposited, the element on the left side of Cu can be used as the base element 19.
When displacement plating is performed in a cyan bath, the following is performed.
Zn <Cd <Cu <Ag <Au
次に、図5(b)に示すように、多孔質シリコン粒子18をフィルター9の上に堆積させたところに、メッキ液20にて、Cu、Ni、Sn、Zn、Agのどれか1つ以上を置換メッキにより析出させる。
多孔質シリコン粒子18の内部へ置換メッキをするために、メッキ液20が0.1cm/秒以上、好ましくは1cm/秒以上の流速を持つ流れ場で置換メッキを行う。
Next, as shown in FIG. 5B, when
In order to perform displacement plating on the inside of the
メッキ液20としては、Cu、Ni、Sn、Zn、Agのどれか1つ以上を置換メッキする際に通常用いられるメッキ液を用いることができ、通常は、これらの元素の硝酸塩、硫酸塩、シアン化合物の溶液を用いることができる。
As the
図5(c)は、図5(b)でのB領域の拡大図である。多孔質シリコン粒子18の空孔3の内部を、メッキ液20が流れることが分かる。また、多孔質シリコン粒子18は、連続する空孔3があり、三次元網目構造を有しているため、メッキ液20は、空孔3を通過して、多孔質シリコン粒子18の内部を通過することができる。
FIG.5 (c) is an enlarged view of the B area | region in FIG.5 (b). It can be seen that the
その結果、図5(d)に示すように、卑な元素19は、導電性元素(金属)の単体または合金7bにより置換され、空孔3の少なくとも一部が導電性元素(金属)の単体または合金7bにより充填された多孔質シリコン粒子1bが得られる。導電性元素の単体又は合金7bの厚さは、0.005〜0.5μm程度である。 As a result, as shown in FIG. 5D, the base element 19 is replaced with a single element of the conductive element (metal) or the alloy 7b, and at least a part of the holes 3 is a single element of the conductive element (metal). Alternatively, porous silicon particles 1b filled with alloy 7b are obtained. The thickness of the single element of the conductive element or the alloy 7b is about 0.005 to 0.5 μm.
置換メッキにより、例えば卑な元素19としてBiが残存している多孔質シリコン粒子18に対して、Agを置換メッキすることで充放電時のシリコンの微粉化を回避でき、更に多孔質体内部に導電パスを付与することができる。また、諸特性がPbに類似しており、今後RoHS規制等の対象になる可能性があるBiを安価に精錬・除去することができる。
By displacement plating, for example, by substituting Ag for
なお、Cu、Ni、Sn、Zn、Agの導電性元素は、シリコンとシリサイドを形成しやすいため、導電性元素を含む多孔質シリコン粒子を作製すると、導電性元素はシリサイドを形成し、導電パスとはなりにくくなる。一方で、卑な元素は、シリサイドを形成しにくい元素であるため、卑な元素を含む多孔質シリコン粒子を作製しても、卑な元素はシリコンと化合物を形成せずに、金属状態で残存する。そのため、多孔質シリコン粒子を形成する際には卑な元素を加え、その後、卑な元素を導電性元素で置換することで、金属状態での導電性元素を多孔質シリコン粒子の内部に導入することができる。 Note that conductive elements such as Cu, Ni, Sn, Zn, and Ag easily form silicide with silicon. Therefore, when porous silicon particles containing a conductive element are formed, the conductive element forms silicide, and a conductive path. It becomes difficult to become. On the other hand, since the base element is an element that does not easily form silicide, even if porous silicon particles containing the base element are prepared, the base element does not form a compound with silicon and remains in a metal state. To do. Therefore, when forming porous silicon particles, a base element is added, and then the base element is replaced with a conductive element, thereby introducing a conductive element in a metallic state into the porous silicon particle. be able to.
(造粒)
なお、上記の多孔質シリコン粒子の粒径がスラリー作製時に大き過ぎる場合には、ボールミルなどで所望の粒径に粉砕した後に、造粒することで、簡便に粒度調整を行うことができる。
また、造粒する工程で、Cu、Ni、Sn、Zn、Ag、Cのうちから選ばれる少なくとも1種からなる導電助剤を含めてもよい。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、スチレンブタジエンゴム(SBR)などのフッ素樹脂やゴム系材料などが用いられる。造粒する工程は、乾式と湿式の一般的な造粒方法を用いることができるが、例えば、乾式では圧縮とせん断力をかけるメカニカルアロイング法や、気流中で粉体同士を高速で衝突させるハイブリダイゼーション法がある。さらに、湿式ではスプレードライヤー法を用いることができる。例えば、多孔質シリコン粒子または多孔質シリコン複合体粒子を、PVdF等の結着剤を含むノルマルメチルピロリドン(NMP)等の溶媒に分散させて、サスペンションとして所定のサイズとなるようにスプレードライ法により造粒する方法がある。
(Granulation)
In addition, when the particle diameter of said porous silicon particle is too large at the time of slurry preparation, it can grind | pulverize to a desired particle diameter with a ball mill etc., and can adjust a particle size simply by granulating.
Moreover, you may include the conductive support agent which consists of at least 1 sort (s) chosen from Cu, Ni, Sn, Zn, Ag, and C at the process of granulating. As the binder, fluororesins such as polyvinylidene fluoride (PVdF) and styrene butadiene rubber (SBR), rubber-based materials, and the like are used. For the granulation process, general dry and wet granulation methods can be used. For example, in the dry process, the mechanical alloying method in which compression and shear force are applied, and the powders collide with each other at high speed in an air stream. There is a hybridization method. Furthermore, a spray dryer method can be used in a wet process. For example, porous silicon particles or porous silicon composite particles are dispersed in a solvent such as normal methylpyrrolidone (NMP) containing a binder such as PVdF and spray-dried so that the suspension has a predetermined size. There is a method of granulation.
(リチウムイオン二次電池)
本発明のリチウムイオン二次電池は、リチウムイオンを吸蔵および放出可能な正極と、本発明に係る多孔質シリコン粒子が負極活物質として用いられているリチウムイオン二次電池用負極と、前記正極と前記負極との間に配置されるセパレータとを有し、リチウムイオン伝導性を有する電解質中に、前記正極、前記負極および前記セパレータとが配設されていることを特徴としている。以下に、その構成について、製造方法も併せて詳しく説明する。
(Lithium ion secondary battery)
The lithium ion secondary battery of the present invention includes a positive electrode capable of inserting and extracting lithium ions, a negative electrode for a lithium ion secondary battery in which the porous silicon particles according to the present invention are used as a negative electrode active material, and the positive electrode. A separator disposed between the negative electrode and the negative electrode, wherein the positive electrode, the negative electrode, and the separator are disposed in an electrolyte having lithium ion conductivity. Below, the manufacturing method is also demonstrated in detail about the structure.
(リチウムイオン二次電池用負極)
本発明のリチウムイオン二次電池用負極は、本発明に係る多孔質シリコン粒子が負極活物質として用いられていることを特徴としている。負極活物質である多孔質シリコン粒子が、導電助剤、結着剤、増粘剤等と混合された状態で集電体の表面に配設され、リチウムイオン二次電池用負極が構成される。
(Anode for lithium ion secondary battery)
The negative electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention is characterized in that the porous silicon particles according to the present invention are used as a negative electrode active material. Porous silicon particles, which are negative electrode active materials, are arranged on the surface of the current collector in a state of being mixed with a conductive additive, a binder, a thickener, etc., thereby forming a negative electrode for a lithium ion secondary battery. .
このようなリチウムイオン二次電池用負極は、例えば、多孔質シリコン粒子、導電助剤、結着剤、増粘剤、溶媒等のスラリー原料をミキサーに投入し、混練してスラリーを形成し、これを集電体に塗布することで製造することができる。 Such a negative electrode for a lithium ion secondary battery, for example, put slurry raw materials such as porous silicon particles, a conductive additive, a binder, a thickener, a solvent, etc. into a mixer, kneaded to form a slurry, It can be manufactured by applying this to a current collector.
スラリー中の固形分配合は、多孔質シリコン粒子25〜90質量%、導電助剤0〜70質量%、結着剤1〜30質量%、増粘剤0〜25質量%を目安に適宜調整することができる。 The solid content in the slurry is appropriately adjusted based on 25 to 90% by mass of porous silicon particles, 0 to 70% by mass of a conductive additive, 1 to 30% by mass of a binder, and 0 to 25% by mass of a thickener. be able to.
ミキサーは、スラリーの調製に用いられる一般的な混練機を用いることができ、ニーダー、撹拌機、分散機、混合機などと呼ばれるスラリーを調製可能な装置を用いてもよい。また、水系スラリーを調整するときは、結着剤としてスチレン・ブタジエン・ラバー(SBR)等のラテックス(微粒子のゴム分散体)を使用することができ、増粘剤としてはカルボキシメチルセルロース、メチルセルロース等の多糖類等を1種または2種以上の混合物として用いることが適している。また、有機系スラリーを調製するときは、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)等を使用することができ、溶媒としてN−メチル−2−ピロリドンを用いることができる。 As the mixer, a general kneader used for preparing a slurry can be used, and a device called a kneader, a stirrer, a disperser, a mixer, or the like that can prepare a slurry may be used. When preparing an aqueous slurry, latex (fine rubber dispersion) such as styrene / butadiene / rubber (SBR) can be used as a binder, and carboxymethylcellulose, methylcellulose, etc. can be used as a thickener. It is suitable to use polysaccharides and the like as one kind or a mixture of two or more kinds. In preparing an organic slurry, polyvinylidene fluoride (PVdF) or the like can be used as a binder, and N-methyl-2-pyrrolidone can be used as a solvent.
導電助剤は、Cu、Ni、Sn、Zn、Ag、Cからなる群より選ばれる少なくとも1種の導電性物質からなる粉末である。Cu、Ni、Sn、Zn、Ag、Cの単体の粉末でもよいし、それぞれの合金の粉末でもよい。例えば、ファーネスブラックやアセチレンブラックなどの一般的なカーボンブラックを使用することができる。特に、多孔質シリコン粒子の表面でシリコンが露出している場合は導電性が低くなるため、カーボンナノホーンを導電助剤として加えることが好ましい。ここで、カーボンナノホーン(CNH)とは、グラフェンシートを円錐形に丸めた構造をしており、実際の形態は多数のCNHが頂点を外側に向けて、放射状のウニの様な形態の集合体として存在する。CNHのウニ様集合体の外径は50nm〜250nm程度である。特に、平均粒径80nm程度のCNHを用いるのが好ましい。 The conductive assistant is a powder made of at least one conductive material selected from the group consisting of Cu, Ni, Sn, Zn, Ag, and C. A single powder of Cu, Ni, Sn, Zn, Ag, and C may be used, or a powder of each alloy may be used. For example, general carbon black such as furnace black and acetylene black can be used. In particular, when silicon is exposed on the surface of the porous silicon particles, the conductivity becomes low. Therefore, it is preferable to add carbon nanohorn as a conductive aid. Here, the carbon nanohorn (CNH) has a structure in which a graphene sheet is rounded into a conical shape, and the actual form is an aggregate of a shape like a radial sea urchin with many CNHs facing the apex to the outside. Exists as. The outer diameter of the CNH sea urchin-like aggregate is about 50 nm to 250 nm. In particular, it is preferable to use CNH having an average particle size of about 80 nm.
導電助剤の平均粒径も一次粒子の平均粒径を指す。アセチレンブラック(AB)のような高度にストラクチャー形状が発達している場合にも、ここでは一次粒径で平均粒径を定義し、SEM写真の画像解析で平均粒径を求めることができる。 The average particle size of the conductive assistant also refers to the average particle size of the primary particles. Even when the structure shape is highly developed such as acetylene black (AB), the average particle diameter can be defined by the primary particle diameter here, and the average particle diameter can be obtained by image analysis of the SEM photograph.
また、粒子状の導電助剤とワイヤー形状の導電助剤の両方を用いても良い。ワイヤー形状の導電助剤は導電性物質のワイヤーであり、粒子状の導電助剤に挙げられた導電性物質を用いることができる。ワイヤー形状の導電助剤は、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、銅ナノワイヤー、ニッケルナノワイヤーなどの外径が300nm以下の線状体を用いることができる。ワイヤー形状の導電助剤を用いることで、負極活物質や集電体などと電気的接続が保持しやすくなり集電性能が向上するとともに、ポーラス膜状の負極に繊維状物質が増え、負極にクラックが生じにくくなる。例えば粒子状の導電助剤としてABや銅粉末を用い、ワイヤー形状の導電助剤として気相成長炭素繊維(VGCF:Vapor Grown Carbon Fiber)を用いることが考えられる。なお、粒子状の導電助剤を加えずに、ワイヤー形状の導電助剤のみを用いても良い。 Moreover, you may use both a particulate-form conductive support agent and a wire-shaped conductive support agent. The wire-shaped conductive aid is a wire made of a conductive material, and the conductive materials listed in the particulate conductive aid can be used. As the wire-shaped conductive assistant, a linear body having an outer diameter of 300 nm or less, such as carbon fiber, carbon nanotube, copper nanowire, or nickel nanowire, can be used. By using a wire-shaped conductive aid, electrical connection with the negative electrode active material or current collector is easily maintained, and the current collection performance is improved. Cracks are less likely to occur. For example, it is conceivable to use AB or copper powder as the particulate conductive aid, and use vapor grown carbon fiber (VGCF) as the wire shaped conductive aid. In addition, you may use only a wire-shaped conductive support agent, without adding a particulate-form conductive support agent.
ワイヤー形状の導電助剤の長さは、好ましくは0.1μm〜2mmである。導電助剤の外径は、好ましくは4nm〜1000nmであり、より好ましくは25nm〜200nmである。導電助剤の長さが0.1μm以上であれば、導電助剤の生産性を上げるのには十分な長さであり、長さが2mm以下であれば、スラリーの塗布が容易である。また、導電助剤の外径が4nmより太い場合、合成が容易であり、外径が1000nmより細い場合、スラリーの混練が容易である。導電物質の外径と長さの測定方法は、SEMによる画像解析により行うことができる。 The length of the wire-shaped conductive assistant is preferably 0.1 μm to 2 mm. The outer diameter of the conductive aid is preferably 4 nm to 1000 nm, more preferably 25 nm to 200 nm. If the length of the conductive auxiliary agent is 0.1 μm or more, the length is sufficient to increase the productivity of the conductive auxiliary agent, and if the length is 2 mm or less, application of the slurry is easy. Further, when the outer diameter of the conductive auxiliary agent is larger than 4 nm, the synthesis is easy, and when the outer diameter is thinner than 1000 nm, the slurry is easily kneaded. The measuring method of the outer diameter and length of the conductive material can be performed by image analysis using SEM.
結着剤は、樹脂の結着剤であり、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、スチレンブタジエンゴム(SBR)などのフッ素樹脂やゴム系、さらには、ポリイミド(PI)やアクリルなどの有機材料を用いることができる。 The binder is a resin binder, and a fluororesin such as polyvinylidene fluoride (PVdF) and styrene butadiene rubber (SBR) or a rubber system, and an organic material such as polyimide (PI) or acrylic is used. Can do.
集電体へのスラリーの塗布は、例えば、コーターを用いて、集電体の片面にスラリーを塗布することができる。コーターとしては、スラリーを集電体に塗布可能な一般的な塗工装置を用いることができ、例えばロールコーターやドクターブレードによるコーター、コンマコーター、ダイコーターなどである。 For applying the slurry to the current collector, for example, the slurry can be applied to one side of the current collector using a coater. As the coater, a general coating apparatus capable of applying the slurry to the current collector can be used, for example, a coater using a roll coater or a doctor blade, a comma coater, a die coater, or the like.
集電体は、銅、ニッケル、ステンレスからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属からなる箔である。それぞれを単独で用いてもよいし、それぞれの合金であってもよい。厚さは4μm〜35μm程度が好ましく、さらに8μm〜18μm程度であることがより好ましい。 The current collector is a foil made of at least one metal selected from the group consisting of copper, nickel, and stainless steel. Each may be used alone or may be an alloy of each. The thickness is preferably about 4 μm to 35 μm, and more preferably about 8 μm to 18 μm.
調整したスラリーを集電体に均一に塗布し、その後、50〜150℃程度で乾燥し、厚みを調整するためロールプレスを通すなどして、リチウムイオン二次電池用負極を得ることができる。 The prepared slurry is uniformly applied to the current collector, then dried at about 50 to 150 ° C., and passed through a roll press to adjust the thickness. Thus, a negative electrode for a lithium ion secondary battery can be obtained.
(リチウムイオン二次電池用正極)
リチウムイオン二次電池用正極としては、リチウムイオンを吸蔵および放出可能な各種の正極を用いることができる。このリチウムイオン二次電池用正極は、正極活物質、導電助剤、結着剤および溶媒等を混合して正極活物質の組成物を準備し、これをアルミ箔などの金属集電体上に直接塗布・乾燥することで製造することができる。
(Positive electrode for lithium ion secondary battery)
As the positive electrode for a lithium ion secondary battery, various positive electrodes capable of inserting and extracting lithium ions can be used. The positive electrode for a lithium ion secondary battery is prepared by mixing a positive electrode active material, a conductive additive, a binder, a solvent, and the like to prepare a positive electrode active material composition on a metal current collector such as an aluminum foil. It can be produced by direct application and drying.
正極活物質としては、一般的に使われるものであればいずれも使用可能であり、例えばLiCoO2、LiMn2O4、LiMnO2、LiNiO2、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3、LiFePO4などの化合物を使用することができる。 Any positive electrode active material can be used as long as it is generally used. For example, LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 , Compounds such as LiFePO 4 can be used.
導電助剤としては、例えばカーボンブラックを使用し、結着剤としては、例えばポリフッ化ビニリデン(PVdF)、水溶性アクリル系バインダーを使用することができ、溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、水などを使用することができる。このとき、正極活物質、導電助剤、結着剤および溶媒の配合は、リチウムイオン二次電池で通常的に採用される範囲で適宜調整することができる。 For example, carbon black is used as the conductive auxiliary agent, and, for example, polyvinylidene fluoride (PVdF) and a water-soluble acrylic binder can be used as the binder, and N-methyl-2-pyrrolidone is used as the solvent. (NMP), water, etc. can be used. At this time, the composition of the positive electrode active material, the conductive additive, the binder, and the solvent can be appropriately adjusted within a range that is normally employed in a lithium ion secondary battery.
(セパレータ)
セパレータとしては、正極と負極の電子伝導を絶縁する機能を有し、リチウムイオン二次電池で通常的に使われるものであればいずれも使用可能である。例えば、微多孔性のポリオレフィンフィルムを使用できる。
(Separator)
Any separator can be used as long as it has a function of insulating electronic conduction between the positive electrode and the negative electrode and is usually used in a lithium ion secondary battery. For example, a microporous polyolefin film can be used.
(電解質)
電解質としては、リチウムイオン伝導性を有する各種の電解液および電解質を使用することができる。例えば、電解質リチウムイオン二次電池、Liポリマー電池などにおける電解液および電解質には、有機電解液(非水系電解液)、無機固体電解質、高分子固体電解質等が使用できる。
(Electrolytes)
Various electrolytes and electrolytes having lithium ion conductivity can be used as the electrolyte. For example, an organic electrolyte (non-aqueous electrolyte), an inorganic solid electrolyte, a polymer solid electrolyte, or the like can be used as an electrolyte and an electrolyte in an electrolyte lithium ion secondary battery, a Li polymer battery, or the like.
有機電解液の溶媒の具体例として、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート等のカーボネート;ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル等のエーテル;ベンゾニトリル、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、γ―ブチロラクトン、ジオキソラン、4−メチルジオキソラン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルクロロベンゼン、ニトロベンゼン等の非プロトン性溶媒、あるいはこれらの溶媒のうちの2種以上を混合した混合溶媒が挙げられる。 Specific examples of the organic electrolyte solvent include carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, and methyl ethyl carbonate; diethyl ether, dibutyl ether, ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, ethylene glycol di Ethers such as butyl ether and diethylene glycol dimethyl ether; aprotic such as benzonitrile, acetonitrile, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, γ-butyrolactone, dioxolane, 4-methyldioxolane, N, N-dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethylchlorobenzene, nitrobenzene Solvent, or two or more of these solvents Mixed solvent of thereof.
有機電解液の電解質には、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiAlO4、LiAlCl4、LiSbF6、LiSCN、LiCl、LiCF3SO3、LiCF3CO3、LiC4F9SO3、LiN(CF3SO2)2等のリチウム塩からなる電解質の1種または2種以上を混合させたものを用いることができる。 The electrolyte of the organic electrolyte includes LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , LiSbF 6 , LiSCN, LiCl, LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) A mixture of one or more electrolytes made of a lithium salt such as 2 can be used.
有機電解液には、添加剤として、負極活物質の表面に有効な固体電解質界面被膜を形成できる化合物を添加することが望ましい。例えば、分子内に不飽和結合を有し、充電時に還元重合できる物質、例えばビニレンカーボネート(VC)などを添加する。 It is desirable to add a compound capable of forming an effective solid electrolyte interface film on the surface of the negative electrode active material as an additive to the organic electrolyte. For example, a substance having an unsaturated bond in the molecule and capable of reductive polymerization during charging, such as vinylene carbonate (VC), is added.
また、上記の有機電解液に代えて固体状のリチウムイオン伝導体を用いることができる。たとえばポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリエチレンイミン等からなるポリマーに前記リチウム塩を混合した固体高分子電解質や、高分子材料に電解液を含浸させゲル状に加工した高分子ゲル電解質を用いることができる。 Moreover, it can replace with said organic electrolyte solution and can use a solid-state lithium ion conductor. For example, a solid polymer electrolyte in which the lithium salt is mixed with a polymer made of polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyethyleneimine, or the like, or a polymer gel electrolyte in which a polymer material is impregnated with an electrolytic solution and processed into a gel shape can be used.
さらに、リチウム窒化物、リチウムハロゲン化物、リチウム酸素酸塩、Li4SiO4、Li4SiO4−LiI−LiOH、Li3PO4−Li4SiO4、Li2SiS3、Li3PO4−Li2S−SiS2、硫化リン化合物などの無機材料を無機固体電解質として用いてもよい。 Further, lithium nitride, lithium halide, lithium oxyacid salt, Li 4 SiO 4, Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO 4 -Li 4 SiO 4, Li 2 SiS 3, Li 3 PO 4 -Li Inorganic materials such as 2 S—SiS 2 and phosphorus sulfide compounds may be used as the inorganic solid electrolyte.
(リチウムイオン二次電池の組立て)
本発明のリチウムイオン二次電池は、前述したような正極と本発明のリチウムイオン二次電池用負極との間にセパレータを配置して、電池素子を形成している。このような電池素子を巻回、または積層して円筒形や角形の電池ケースに入れた後、電解質を注入して、リチウムイオン電池とする。
(Assembly of lithium ion secondary battery)
In the lithium ion secondary battery of the present invention, a separator is disposed between the positive electrode as described above and the negative electrode for the lithium ion secondary battery of the present invention to form a battery element. After winding or stacking such battery elements into a cylindrical or rectangular battery case, an electrolyte is injected to obtain a lithium ion battery.
本発明のリチウムイオン二次電池の一例(断面図)を図6に示す。リチウムイオン二次電池21は、正極23、負極25を、セパレータ27を介して、セパレータ−負極−セパレータ−正極の順に積層配置し、正極23が内側になるように巻回して極板群を構成し、これを電池缶37内に挿入する。そして正極23は正極リード33を介して正極端子31に、負極25は負極リード35を介して電池缶37にそれぞれ接続し、リチウムイオン二次電池21内部で生じた化学エネルギーを電気エネルギーとして外部に取り出し得るようにする。次いで、電池缶37内に非水系電解質29を極板群を覆うように充填した後、電池缶37の上端(開口部)に、円形蓋板とその上部の正極端子31からなり、その内部に安全弁機構を内蔵した封口体39を、環状の絶縁ガスケットを介して取り付けて、本発明のリチウムイオン二次電池21を製造することができる。
An example (cross-sectional view) of the lithium ion secondary battery of the present invention is shown in FIG. The lithium ion secondary battery 21 includes a positive electrode 23 and a negative electrode 25 which are stacked in the order of separator-negative electrode-separator-positive electrode with a
(リチウムイオン二次電池用負極の効果)
本発明によれば、負極活物質として本発明に係る多孔質シリコン粒子を用いているため、リチウムイオン吸蔵時の体積膨張が抑制され、負極活物質の微粉化や剥離、負極の亀裂の発生、負極活物質間の導電性の低下等の問題が解消された高容量で長寿命の負極が提供される。
(Effect of negative electrode for lithium ion secondary battery)
According to the present invention, since the porous silicon particles according to the present invention are used as the negative electrode active material, volume expansion at the time of occlusion of lithium ions is suppressed, pulverization and peeling of the negative electrode active material, generation of cracks in the negative electrode, Provided is a high-capacity, long-life negative electrode in which problems such as a decrease in conductivity between negative electrode active materials are eliminated.
本発明によれば、負極活物質である多孔質シリコン粒子の空孔内にCu、Ni、Sn、Zn、AgまたはCの単体または合金が含まれているため、高い伝導性を備えており、導電助剤の量および結着剤の量を減らすことができるため、負極活物質と集電体の間の結合強度を高く、電極の内部抵抗を低くすることが可能となり、その結果、電極のサイクル特性を向上させることができる。 According to the present invention, Cu, Ni, Sn, Zn, Ag, or a C simple substance or alloy is contained in the pores of the porous silicon particles that are the negative electrode active material, and thus has high conductivity. Since the amount of the conductive auxiliary agent and the amount of the binder can be reduced, the bonding strength between the negative electrode active material and the current collector can be increased, and the internal resistance of the electrode can be reduced. Cycle characteristics can be improved.
(リチウムイオン二次電池の効果)
本発明によると、高容量で、サイクル特性が良好な長寿命のリチウムイオン二次電池を得ることができる。
(Effect of lithium ion secondary battery)
According to the present invention, a long-life lithium ion secondary battery having a high capacity and good cycle characteristics can be obtained.
以下、本発明について実施例および比較例を用いて具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be specifically described using examples and comparative examples.
[サンプル1]
まず、表1のサンプル1として、シリコンとビスマスを溶解し、インゴットを鋳造した。このインゴットを機械的に粉砕してシリコン合金粉末を得た。このシリコン合金粉末を、20質量%のフッ化水素水と、25質量%の硝酸を混合した混酸を用いてエッチング処理を行い、ろ過した。さらに機械的に粉砕し、Biを含有し、連続した空隙を有する三次元網目構造を有する多孔質シリコン粒子(平均粒径:2.1μm、平均空隙率:49.7%、平均空孔径:0.061μm)を得た。この材料中のBi含有量は1.2原子%であった。
[Sample 1]
First, as sample 1 in Table 1, silicon and bismuth were dissolved and an ingot was cast. This ingot was mechanically pulverized to obtain a silicon alloy powder. This silicon alloy powder was subjected to an etching treatment using a mixed acid obtained by mixing 20% by mass of hydrogen fluoride water and 25% by mass of nitric acid, followed by filtration. Further, the porous silicon particles were pulverized mechanically, contained Bi, and had a three-dimensional network structure with continuous voids (average particle size: 2.1 μm, average porosity: 49.7%, average pore size: 0) .061 μm). The Bi content in this material was 1.2 atomic%.
表1の多孔質シリコン粒子の平均粒径は、SEMを用いて測定したところ、2.1μmであった。また、多孔質シリコン粒子の平均空隙率は、水銀圧入法(JIS R 1655)により15mLセルで測定したところ、約50%であった。 The average particle diameter of the porous silicon particles in Table 1 was 2.1 μm as measured using SEM. The average porosity of the porous silicon particles was about 50% when measured in a 15 mL cell by the mercury intrusion method (JIS R 1655).
この多孔質シリコン粒子の組成を、ICP発光分光分析計により調べたところ、Siが主であり、Biが1.2原子%、その他元素の元素は0.5原子%以下であった。 When the composition of the porous silicon particles was examined with an ICP emission spectrometer, Si was the main component, Bi was 1.2 atomic%, and other elements were 0.5 atomic% or less.
[サンプル2〜7、A〜D]
含有元素の種類と割合とを変更し、さらにシリサイドを形成する元素の添加の有無を変更し、サンプル1と同様の方法でサンプル2〜7、A〜Dを作製した。
[Samples 2-7, AD]
Samples 2 to 7 and A to D were produced in the same manner as in sample 1 by changing the type and ratio of the contained elements and changing the presence or absence of addition of an element that forms silicide.
[サンプル8〜10、E〜G]
サンプル8〜10、E〜Gは、市販のシリコン粉末に、サンプル1と同様のエッチング処理、粉砕処理を施し、連続した空隙を有する三次元網目構造を有する多孔質シリコン粒子を作製した。
各サンプルの特性を表1に示す。
[
Table 1 shows the characteristics of each sample.
なお、サンプル5は、シリサイドとしてFeSi2を含み、サンプル8と9は、NiSi2を含み、サンプルD、Eは、FeSi2を含む。
Sample 5 contains FeSi 2 as a silicide,
[実施例1]
サンプル1の多孔質シリコン粒子を、メッシュ・サイズ1μmのフィルター上に2mm堆積させてpH=2の35℃の硝酸銀溶液を平均流速0.18cm/秒で10分間流し、置換メッキを施した。その結果、局部的にシリコンの空隙内部に厚さ5nmのAgメッキ層が形成された。
[Example 1]
The porous silicon particles of Sample 1 were deposited 2 mm on a filter having a mesh size of 1 μm, and a 35 ° C. silver nitrate solution having a pH = 2 was allowed to flow at an average flow rate of 0.18 cm / sec for 10 minutes to perform displacement plating. As a result, an Ag plating layer having a thickness of 5 nm was locally formed inside the voids of silicon.
この置換メッキ後のAgメッキ層は、局所的に観察された。このメッキ厚みは、FE−SEMやFE−TEMなどによって観察されたものを算術的に平均したものである。なお、観察されなかった部位は、無しとして平均値の算出には用いなかった。他の実施例・比較例のメッキ厚さ、炭素層厚さについても同様である。 The Ag plating layer after the displacement plating was locally observed. This plating thickness is an arithmetic average of those observed by FE-SEM, FE-TEM, or the like. In addition, the site | part which was not observed was not used for calculation of an average value as none. The same applies to the plating thickness and carbon layer thickness of other examples and comparative examples.
メッキ工程で、メッキ液を0.1cm/秒以上の平均流速で多孔質体内を通過させたが、このシリコン多孔質体は連続した空隙を有することからフィルターでの圧力は0.05MPaで十分であった。 In the plating process, the plating solution was passed through the porous body at an average flow rate of 0.1 cm / second or more. Since this silicon porous body has continuous voids, a pressure of 0.05 MPa is sufficient for the filter. there were.
[実施例2〜7]
実施例1と同様に、サンプル2〜7について、メッキ元素、流速、メッキ時間を適宜変更し、置換メッキを施した。なお、各元素の置換メッキに用いる溶液は、硫酸銅、硫酸亜鉛、硫酸スズ、スルファミン酸ニッケルの水溶液である。
[Examples 2 to 7]
As in Example 1, Samples 2 to 7 were subjected to displacement plating by appropriately changing the plating element, the flow rate, and the plating time. The solution used for displacement plating of each element is an aqueous solution of copper sulfate, zinc sulfate, tin sulfate, and nickel sulfamate.
[実施例8]
実施例8ではサンプル8の多孔質シリコン粒子に対し、以下のような一般的な触媒付与処理を行った。
触媒付与処理は、コンディショナー処理(処理液1:温度約55℃で1分間)によって基材表面を洗浄した後、プレディップ処理(処理液2:温度約20℃で30秒間)を行い、奥野製薬工業(株)製のキャタリストC−10(温度30℃で1分間)を使用して触媒を付与し、アクセラレーター(処理液3:温度約20℃で1分間)を用いて触媒を活性化した後、酸化剤(処理液4:温度約50℃で1分間)に浸漬し、残ったスズを酸化し、銅皮膜を析出しやすくした。工程ごとに水洗、乾燥を行った。
<処理液の組成>
処理液1 2−アミノエタノール 2ミリリットル/リットル
トリエタノールアミン 1ミリリットル/リットル
処理液2 塩酸 200ミリリットル/リットル
処理液3 塩酸 50ミリリットル/リットル
処理液4 亜塩素酸ナトリウム 3グラム/リットル
[Example 8]
In Example 8, the following general catalyst application treatment was performed on the porous silicon particles of
In the catalyst application treatment, the substrate surface is washed by a conditioner treatment (treatment liquid 1: temperature of about 55 ° C. for 1 minute), followed by a pre-dip treatment (treatment solution 2: temperature of about 20 ° C. for 30 seconds). The catalyst is applied using a catalyst C-10 manufactured by Kogyo Co., Ltd. (temperature of 30 ° C. for 1 minute), and the catalyst is activated using an accelerator (treatment liquid 3: temperature of about 20 ° C. for 1 minute). After that, it was immersed in an oxidizing agent (treatment liquid 4: temperature of about 50 ° C. for 1 minute) to oxidize the remaining tin and to easily deposit a copper film. Washing and drying were performed for each step.
<Composition of treatment liquid>
Treatment liquid 1 2-aminoethanol 2ml / liter
Triethanolamine 1 ml / liter Treatment liquid 2 Hydrochloric acid 200 ml / liter Treatment liquid 3 Hydrochloric acid 50 ml / liter Treatment liquid 4 Sodium chlorite 3 grams / liter
下地金属層を形成するための銅の無電解メッキは、下記のメッキ浴組成とメッキ条件を用いて0.032μm厚の無電解銅メッキ層を形成した。
<無電解銅メッキ浴組成>
硫酸銅 5水和物 28.3グラム/リットル
次亜リン酸ナトリウム 17.5グラム/リットル
クエン酸ナトリウム 61.3グラム/リットル
ホウ酸 35.2グラム/リットル
<メッキ条件>
浴温 60〜85℃
pH 7.7〜9.2
メッキ時間 3分間
For the electroless plating of copper for forming the base metal layer, an electroless copper plating layer having a thickness of 0.032 μm was formed using the following plating bath composition and plating conditions.
<Electroless copper plating bath composition>
Copper sulfate pentahydrate 28.3 grams / liter Sodium hypophosphite 17.5 grams / liter Sodium citrate 61.3 grams / liter Boric acid 35.2 grams / liter <Plating conditions>
Bath temperature 60-85 ° C
pH 7.7 to 9.2
Plating time 3 minutes
[実施例9〜10]
実施例8と同様に無電解メッキを施した。
なお、実施例10の無電解銀メッキは、一般的な浴組成にて行った。
[Examples 9 to 10]
Electroless plating was performed in the same manner as in Example 8.
In addition, the electroless silver plating of Example 10 was performed by a general bath composition.
[比較例1〜7]
前述の表1に示すサンプルA〜Gの多孔質シリコンを用いて比較例1〜7の条件で置換メッキまたは無電解メッキを行った。
[Comparative Examples 1 to 7]
Using the porous silicon samples A to G shown in Table 1 above, displacement plating or electroless plating was performed under the conditions of Comparative Examples 1 to 7.
[比較例8]
前述の表1に示すサンプル1をメッキせずに活物質として使用した。
[Comparative Example 8]
Sample 1 shown in Table 1 was used as an active material without plating.
[実施例11〜12]
次に、表1のサンプル8、9を用いて、表3に示す条件で炭素コーティングを施した。炭素コーティングは、原料ガスとしてアセチレンガスを用い、雰囲気ガス中の炭化水素ガス濃度、昇温速度、到達温度を変更してカーボン・コーティングを行った。
[Examples 11 to 12]
Next, carbon coating was performed under the conditions shown in Table 3 using
[比較例9〜12]
同様に、表1のサンプルE,Fを用いて、表3に示す条件で炭素コーティングを施した。
[Comparative Examples 9-12]
Similarly, carbon coating was performed using the samples E and F in Table 1 under the conditions shown in Table 3.
(粒子を負極に用いた際の電池特性の評価)
(i)負極スラリーの調製
得られた多孔質シリコン粒子を65質量部、アセチレンブラック(電気化学工業株式会社製)を20質量部の比率でミキサーに投入した。さらに結着剤としてスチレンブタジエンラバー(SBR)5質量%のエマルジョン(日本ゼオン(株)製)を固形分換算で5質量部、スラリーの粘度を調整する増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウム(ダイセル化学工業(株)製)1質量%溶液を固形分換算で10質量部の割合で混合してスラリーを作製した。
(Evaluation of battery characteristics when particles are used for the negative electrode)
(I) Preparation of negative electrode slurry 65 parts by mass of the obtained porous silicon particles and 20 parts by mass of acetylene black (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) were charged into a mixer. Furthermore, 5 mass parts of styrene butadiene rubber (SBR) emulsion (manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) as a binder, 5 parts by mass in terms of solid content, and sodium carboxymethyl cellulose (Daicel Chemical Industries) as a thickener to adjust the viscosity of the slurry A slurry was prepared by mixing a 1% by mass solution in a proportion of 10 parts by mass in terms of solid content.
(ii)負極の作製
調製したスラリーを自動塗工装置のドクターブレードを用いて、厚さ10μmの集電体用電解銅箔(古河電気工業(株)製、NC−WS)上に25μmの厚みで塗布し、70℃で乾燥させた後、プレスによる調厚工程を経て、リチウムイオン二次電池用負極を作製した。
(Ii) Production of negative electrode Using the doctor blade of the automatic coating apparatus, the prepared slurry was 25 μm thick on a 10 μm thick electrolytic copper foil for current collector (Furukawa Electric Co., Ltd., NC-WS). After being coated at 70 ° C. and dried at a temperature of 70 ° C., a negative electrode for a lithium ion secondary battery was produced through a thickness adjusting process using a press.
(iii)特性評価
リチウムイオン二次電池用負極と、1mol/LのLiPF6を含むエチレンカーボネートとジエチルカーボネートの混合溶液からなる電解液と、金属Li箔対極を用いてリチウムイオン電池を構成し、充放電特性を調べた。特性の評価は、初回の放電容量および50サイクルの充電・放電後の放電容量を測定し、放電容量の維持率を算出することによって行った。放電容量は、シリサイドと、リチウムの吸蔵・放出に有効な活物質Siの総質量を基準として算出した。まず、25℃環境下において、電流値を0.1C、電圧値を0.02Vまで定電流定電圧条件で充電を行い、電流値が0.05Cに低下した時点で充電を停止した。次いで、電流値0.1Cの条件で、金属Liに対する電圧が1.5Vとなるまで放電を行い、0.1C初期放電容量を測定した。なお、1Cとは、1時間で満充電できる電流値である。また、充電と放電はともに25℃環境下において行った。次いで、0.1Cでの充放電速度で上記充放電を50サイクル繰り返した。0.1C初期放電容量に対する、充放電を50サイクル繰り返したときの放電容量の割合を百分率で求め、50サイクル後放電容量維持率とした。
(Iii) Characteristic evaluation A lithium ion battery is configured using a negative electrode for a lithium ion secondary battery, an electrolytic solution composed of a mixed solution of ethylene carbonate and diethyl carbonate containing 1 mol / L LiPF 6 , and a metal Li foil counter electrode. The charge / discharge characteristics were examined. The characteristics were evaluated by measuring the initial discharge capacity and the discharge capacity after 50 cycles of charge / discharge, and calculating the discharge capacity retention rate. The discharge capacity was calculated on the basis of the total mass of silicide and active material Si effective for occlusion / release of lithium. First, in a 25 ° C. environment, charging was performed under constant current and constant voltage conditions until the current value was 0.1 C and the voltage value was 0.02 V, and the charging was stopped when the current value decreased to 0.05 C. Next, discharging was performed under the condition of a current value of 0.1 C until the voltage with respect to the metal Li became 1.5 V, and a 0.1 C initial discharge capacity was measured. 1C is a current value that can be fully charged in one hour. Both charging and discharging were performed in a 25 ° C. environment. Next, the above charge / discharge cycle was repeated 50 cycles at a charge / discharge rate of 0.1C. The ratio of the discharge capacity when charging / discharging was repeated 50 cycles with respect to the initial discharge capacity of 0.1 C was obtained as a percentage, and the discharge capacity retention rate after 50 cycles was determined.
評価結果を表2、表3にまとめた。 The evaluation results are summarized in Tables 2 and 3.
表に示すとおり、実施例は、比較例に比べて、50サイクル後容量維持率が高く、充放電の繰り返しによる放電容量の低下の割合が小さいので、電池の寿命が長いことが確認された。 As shown in the table, it was confirmed that the battery life was long in the example because the capacity retention rate after 50 cycles was higher than that in the comparative example and the rate of decrease in discharge capacity due to repeated charge and discharge was small.
各実施例においては、負極活物質が、三次元網目構造を持つ多孔質シリコン粒子であるため、充放電時のLiとSiの合金化・脱合金化による膨張・収縮の体積変化が生じても、シリコン複合体粒子の割れや微粉化を生じず、放電容量維持率が高くなることがわかった。 In each example, since the negative electrode active material is a porous silicon particle having a three-dimensional network structure, even if a volume change of expansion / contraction occurs due to alloying / dealloying of Li and Si during charge / discharge. It was found that the discharge capacity retention rate was high without cracking or pulverizing the silicon composite particles.
比較例1では、サンプルAの多孔質シリコン粒子の平均粒径が0.08μmであり、粒径が小さすぎた。
比較例2では、サンプルBの多孔質シリコン粒子の平均粒径が1100μmであり、粒径が大きすぎた。
比較例3では、サンプルCの空隙率が94%と高すぎた。
比較例4では、メッキ液の流速が遅すぎたため、多孔質シリコン粒子内部へのメッキの析出が少なく、サイクル特性が悪かった。
In Comparative Example 1, the average particle size of the porous silicon particles of Sample A was 0.08 μm, and the particle size was too small.
In Comparative Example 2, the average particle size of the porous silicon particles of Sample B was 1100 μm, and the particle size was too large.
In Comparative Example 3, the porosity of Sample C was too high at 94%.
In Comparative Example 4, since the plating solution flow rate was too slow, plating deposition in the porous silicon particles was small, and the cycle characteristics were poor.
比較例5、6では、メッキ厚さが十分でなかった。
比較例7では、過剰にメッキを行い、メッキ厚さが厚すぎた。
比較例8では、置換メッキを行わない多孔質シリコン粒子であるため、微粉化が進み、サイクル特性が悪かった。
In Comparative Examples 5 and 6, the plating thickness was not sufficient.
In Comparative Example 7, the plating was performed excessively and the plating thickness was too thick.
In Comparative Example 8, since the porous silicon particles were not subjected to displacement plating, the pulverization progressed and the cycle characteristics were poor.
比較例9では炭化水素系ガス濃度が十分でなく、比較例10では昇温速度が低く、比較例11では加熱温度が低かったため、炭素層の厚さが十分でなかった。また、比較例12では、炭素コーティング時間が短かったため、炭素層の厚さが十分でなかった。炭素層の厚さが十分でない比較例9〜12では、サイクル特性が悪かった。 In Comparative Example 9, the hydrocarbon gas concentration was not sufficient, in Comparative Example 10, the rate of temperature increase was low, and in Comparative Example 11, the heating temperature was low, so the carbon layer thickness was not sufficient. Moreover, in the comparative example 12, since the carbon coating time was short, the thickness of the carbon layer was not sufficient. In Comparative Examples 9 to 12 where the thickness of the carbon layer was not sufficient, the cycle characteristics were poor.
以上、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しえることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 The preferred embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to such examples. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the technical idea disclosed in the present application, and these are naturally within the technical scope of the present invention. Understood.
本発明に係る多孔質シリコン粒子は、リチウムイオン電池の負極に用いられるだけでなく、リチウム・イオン・キャパシタの負極、太陽電池、発光材料、フィルター用素材としても用いられることができる。 The porous silicon particles according to the present invention can be used not only for a negative electrode of a lithium ion battery but also as a negative electrode of a lithium ion capacitor, a solar battery, a light emitting material, and a filter material.
1、1a、1b………多孔質シリコン粒子
3………空孔
5………シリコン微粒子
7a、7b………導電性元素の単体または合金
7c………導電性元素(炭素)の単体
8………多孔質シリコン粒子
9………フィルター
11………メッキ液
13………炉
15………ヒーター
17………炭化水素系ガス
18………多孔質シリコン粒子
19………卑な元素
20………メッキ液
21………リチウムイオン二次電池
23………正極
25………負極
27………セパレータ
29………非水系電解質
31………正極端子
33………正極リード
35………負極リード
37………電池缶
39………封口体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1a, 1b ......... Porous silicon particle 3 ......... Void 5 ......... Silicon fine particle 7a, 7b ......... Conductive element simple substance or alloy 7c ......... Conductive element (carbon)
Claims (4)
前記空孔が、前記多孔質シリコン粒子を貫通し、
前記空孔内に、Cu、Ni、Sn、Zn、Ag、Cのいずれか1つ以上の導電性元素の単体又は合金を有し、
前記導電性元素の単体又は合金が、前記空孔内の表面の少なくとも一部を被覆する、及び/又は、前記空孔内の少なくとも一部に充填されている
ことを特徴とし、さらに、
前記多孔質シリコン粒子の平均粒径が、0.1μm〜1000μmであり、
前記多孔質シリコン粒子の平均空隙率が、15〜93%であり、
前記多孔質シリコン粒子の平均空孔径が、5nm〜2μmであり、
前記多孔質シリコン粒子の平均粒径と平均空孔径の比が、5以上であることを特徴とする多孔質シリコン粒子。 Porous silicon particles having continuous pores and a three-dimensional network structure,
The pores penetrate the porous silicon particles;
In the void, it has a simple substance or an alloy of any one or more of Cu, Ni, Sn, Zn, Ag, C,
The element or alloy of the conductive element covers at least a part of the surface in the pores and / or is filled in at least a part of the pores, and
The average particle diameter of the porous silicon particles is 0.1 μm to 1000 μm,
The average porosity of the porous silicon particles is 15 to 93%,
The average pore diameter of the porous silicon particles is 5 nm to 2 μm,
The porous silicon particles, wherein the ratio of the average particle diameter to the average pore diameter of the porous silicon particles is 5 or more .
請求項3に記載のリチウムイオン二次電池用負極と、
前記正極と前記負極との間に配置されるセパレータとを有し、
リチウムイオン伝導性を有する電解質中に、前記正極、前記負極および前記セパレータとが配設されることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
A positive electrode capable of inserting and extracting lithium ions;
A negative electrode for a lithium ion secondary battery according to claim 3 ,
Having a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode;
A lithium ion secondary battery, wherein the positive electrode, the negative electrode, and the separator are disposed in an electrolyte having lithium ion conductivity.
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