JP6288285B2 - MSix(Mは第3〜9族元素から選択される少なくとも一元素。ただし、1/3≦x≦3)含有シリコン材料およびその製造方法 - Google Patents
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Description
Ca、M(Mは第3〜9族元素から選択される少なくとも一元素)及びSiを加熱して溶湯とする溶湯工程、
前記溶湯を冷却して、珪化カルシウムマトリックス中にMSix(ただし、1/3≦x≦3)を含有するMSix含有珪化カルシウムを得る工程、
前記MSix含有珪化カルシウムを酸と反応させて、ポリシランマトリックス中にMSixを含有するMSix含有ポリシランを得る工程、
前記MSix含有ポリシランを300℃以上で加熱する加熱工程、
を含むことを特徴とする。
Ca、M(Mは第3〜9族元素から選択される少なくとも一元素)及びSiを加熱して溶湯とする溶湯工程、
前記溶湯を冷却して、珪化カルシウムマトリックス中にMSix(ただし、1/3≦x≦3)を含有するMSix含有珪化カルシウムを得る工程、
前記MSix含有珪化カルシウムを酸と反応させて、ポリシランマトリックス中にMSixを含有するMSix含有ポリシランを得る工程、
前記MSix含有ポリシランを300℃以上で加熱する加熱工程、
を含むことを特徴とする。
・溶融Ca中にSiやMが溶解して溶湯となる
・溶融Ca中で固体のSiや固体のMにCaが拡散し、徐々にSiやMの融点が下がり、溶湯となる
・固体のM中にSiが拡散し、徐々にMの融点が下がり、溶湯となる
そのため、溶湯工程においては、Ca、M及びSiの各単体の融点以上の加熱温度が必ずしも必要ではないと考えられる。
上記反応式において、Si6H6が理想的なポリシランに該当する。
ただし、加熱工程に実際に用いられるMSix含有ポリシランはMeSifHa(OH)bXc(Xは酸のアニオン由来の元素若しくは基、0<e≦0.5、1≦f≦3、0<a<f−x×e、0<b<f−x×e、0<c<f−x×e、x×e+a+b+c≦f)で表されるものであり、さらに不可避不純物も含有するため、実際に得られるMSix含有シリコン材料は、MeSifHpOqXr(Xは酸のアニオン由来の元素若しくは基、0<e≦0.5、1≦f≦3、0≦p<a、0≦q<b、0≦r≦c、x×e+p+q+r≦f、ただしa、b、cはMSix含有ポリシランの組成式で定義される。)で表され、さらに不可避不純物も含有するものとなる。
以下のとおり、実施例1のMSix含有珪化カルシウム、MSix含有ポリシラン、MSix含有シリコン材料を製造した。
Ca、Ti及びSiを0.95:0.05:2のモル比で炭素坩堝に秤量し、高周波誘導加熱装置にて、アルゴンガス雰囲気下、坩堝を1150℃で加熱してCa、Ti及びSiを溶湯とした。
前記溶湯を所定の鋳型に注湯して冷却し、珪化カルシウムマトリックス中にTiSi2を含有するTiSi2含有珪化カルシウムを得た。得られたTiSi2含有珪化カルシウムを乳鉢で粉砕し、目開き53μmの篩にかけた。目開き53μmの篩を通過したTiSi2含有珪化カルシウムを実施例1のMSix含有珪化カルシウムとした。実施例1のMSix含有珪化カルシウムを組成式で表わすと、Ca0.95Ti0.05Si2となる。
氷浴中の36質量%HCl水溶液100mLに、アルゴンガス気流中にて上記実施例1のMSix含有珪化カルシウム10gを加え、90分間撹拌した。反応液中に暗緑粉末が分散するのが確認できた。反応液を濾過し、残渣を蒸留水及びアセトンで洗浄し、さらに、室温で12時間以上減圧乾燥して8gのTiSi2含有ポリシランを得た。これを実施例1のMSix含有ポリシランとした。
上記実施例1のMSix含有ポリシラン8gをアルゴンガス雰囲気下、500℃で1時間加熱し、実施例1のMSix含有シリコン材料を得た。
溶湯工程のCa、Ti及びSiを0.87:0.13:2のモル比とした以外は、実施例1と同様の方法で、実施例2のMSix含有珪化カルシウム、MSix含有ポリシラン及びMSix含有シリコン材料を得た。なお、実施例2のMSix含有珪化カルシウムを組成式で表わすと、Ca0.87Ti0.13Si2となる。
溶湯工程のCa、Ti及びSiを0.78:0.22:2のモル比とした以外は、実施例1と同様の方法で、実施例3のMSix含有珪化カルシウム、MSix含有ポリシラン及びMSix含有シリコン材料を得た。なお、実施例3のMSix含有珪化カルシウムを組成式で表わすと、Ca0.78Ti0.22Si2となる。
溶湯工程において、Ca、Ti及びSiに換えて、Ca、Fe及びSiを0.95:0.03:2のモル比で用いた以外は、実施例1と同様の方法で、実施例4のMSix含有珪化カルシウム、MSix含有ポリシラン及びMSix含有シリコン材料を得た。なお、実施例4のMSix含有珪化カルシウムを組成式で表わすと、Ca0.95Fe0.03Si2となる。
溶湯工程において、Ca、Ti及びSiに換えて、Ca、Fe及びSiを0.84:0.13:2のモル比で用いた以外は、実施例1と同様の方法で、実施例5のMSix含有珪化カルシウム、MSix含有ポリシラン及びMSix含有シリコン材料を得た。なお、実施例5のMSix含有珪化カルシウムを組成式で表わすと、Ca0.84Fe0.13Si2となる。
溶湯工程において、Ca、Ti及びSiに換えて、Ca、Fe及びSiを0.72:0.22:2のモル比で用いた以外は、実施例1と同様の方法で、実施例6のMSix含有珪化カルシウム、MSix含有ポリシラン及びMSix含有シリコン材料を得た。なお、実施例6のMSix含有珪化カルシウムを組成式で表わすと、Ca0.72Fe0.22Si2となる。
・溶湯工程
Feを含有するCaSi2を準備した。当該CaSi220gを炭素坩堝に入れた。当該炭素坩堝を高周波誘導加熱装置に配置して、アルゴンガス雰囲気下、1150℃で加熱し、CaSi2を溶融した。溶融したCaSi2に、Ca1.5gを添加し、溶湯とした。
前記溶湯を所定の鋳型に注湯して冷却し、珪化カルシウムマトリックス中にFeSixを含有するFeSix含有珪化カルシウムを得た。得られたFeSix含有珪化カルシウムを乳鉢で粉砕し、目開き53μmの篩にかけた。目開き53μmの篩を通過したFeSix含有珪化カルシウムを実施例7のMSix含有珪化カルシウムとした。実施例7のMSix含有珪化カルシウムを組成式で表わすと、Ca0.95Fe0.09Si2である。
溶湯工程で添加したCaの量を2gとした以外は、実施例7と同様の方法で、実施例8のMSix含有珪化カルシウム、MSix含有ポリシラン及びMSix含有シリコン材料を得た。なお、実施例8のMSix含有珪化カルシウムを組成式で表わすと、Ca1.08Fe0.08Si1.9となる。
溶湯工程にて、Tiを用いず、Ca及びSiを1:2のモル比で採用した以外は、実施例1と同様の方法で、比較例1の珪化カルシウム、ポリシラン及びシリコン材料を得た。
実施例1のMSix含有珪化カルシウムの粒子の断面につき、走査型電子顕微鏡(SEM)で観察し、さらに、エネルギー分散型X線分析法(EDX)でCa、Ti及びSiを対象とした分析を行った。得られたSEM画像を図1に示す。EDXの結果から、図1のSEM画像において、Siが全体に存在すること、最濃色箇所はSi単体であること、Tiは淡色の繊維状の箇所に存在すること、Caは繊維状及び最濃色以外の箇所に存在することが確認できた。
したがって、実施例1のMSix含有珪化カルシウムは、珪化カルシウムマトリックス中に繊維状のTiSi2を含有していることが裏付けられた。
したがって、実施例4〜6のMSix含有珪化カルシウムは、珪化カルシウムマトリックス中に繊維状のFeSi及びFeSi2を含有していることが裏付けられた。
粉末X線回折装置にて、実施例1〜3のMSix含有珪化カルシウム及び比較例1の珪化カルシウムのX線回折を測定した。得られたX線回折チャートをTiSi2結晶及びCaSi2結晶のX線回折チャートとともに図5に示す。
粉末X線回折装置にて、実施例1〜3のMSix含有シリコン材料及び比較例1のシリコン材料のX線回折を測定した。得られたX線回折チャートをTiSi2結晶のX線回折チャートとともに図8に示す。
実施例1〜6のMSix含有シリコン材料及び比較例1のシリコン材料の組成分析を、酸素については酸素窒素分析装置EMGA(株式会社堀場製作所)を用い、塩素についてはイオンクロマトグラフを用い、Ca、Ti及びFeについては誘導結合プラズマ発光分光法を用いて行った。結果を表1に示す。表中の数値は質量%である。なお、Siの値は100から他の元素の割合を減じて算出した。
実施例5のMSix含有シリコン材料につき、SEMで観察し、さらに、EDXでFe及びSiを対象とした分析を行った。得られたSEM画像を図11に示す。EDX分析の結果から、図11のSEM画像において、Siが板状の横方向の積層体と、当該積層体に対して直交する繊維体の両者の全体に存在することが判明した。また、Feは上記繊維体に存在することが判明した。
実施例7のMSix含有シリコン材料につき、SEMで観察し、さらに、EDXでFe及びSiを対象とした分析を行った。得られたSEM画像を図12に示し、その拡大図を図13に示す。EDX分析の結果から、図12及び図13のSEM画像において、Siが板状の横方向の積層体と、当該積層体に対して直交する繊維体の両者の全体に存在することが判明した。また、Feは上記繊維体に存在することが判明した。
実施例5及び実施例7のMSix含有シリコン材料には、Siを含む板状の積層体と、当該積層体に対して直交する、FeSi及び/又はFeSi2を含む繊維体が、存在するといえる。
実施例9のMSix含有シリコン材料につき、SEMで観察し、さらに、EDXでFe及びSiを対象とした分析を行った。得られたSEM画像を図14に示す。EDX分析の結果から、図14のSEM画像において、Siが板状の積層体の全体に存在することが判明した。また、Feは上記積層体を有する粒子に、点状に分散して存在することが判明した。
実施例1のMSix含有シリコン材料を用いて、以下のとおり、実施例A−1のリチウムイオン二次電池を製造した。
負極活物質として実施例1のMSix含有シリコン材料の代わりに、実施例2のMSix含有シリコン材料を採用した以外は、実施例A−1と同様の方法で、実施例A−2のリチウムイオン二次電池を製造した。
負極活物質として実施例1のMSix含有シリコン材料の代わりに、実施例3のMSix含有シリコン材料を採用した以外は、実施例A−1と同様の方法で、実施例A−3のリチウムイオン二次電池を製造した。
負極活物質として実施例1のMSix含有シリコン材料の代わりに、実施例4のMSix含有シリコン材料を採用した以外は、実施例A−1と同様の方法で、実施例A−4のリチウムイオン二次電池を製造した。
負極活物質として実施例1のMSix含有シリコン材料の代わりに、実施例5のMSix含有シリコン材料を採用した以外は、実施例A−1と同様の方法で、実施例A−5のリチウムイオン二次電池を製造した。
負極活物質として実施例1のMSix含有シリコン材料の代わりに、実施例6のMSix含有シリコン材料を採用した以外は、実施例A−1と同様の方法で、実施例A−6のリチウムイオン二次電池を製造した。
負極活物質として実施例1のMSix含有シリコン材料の代わりに比較例1のシリコン材料を採用した以外は、実施例A−1と同様の方法で、比較例A−1のリチウムイオン二次電池を製造した。
実施例A−1〜A−6及び比較例A−1のリチウムイオン二次電池につき、対極に対する評価極の電圧が0.01Vになるまで0.25Cレートで放電を行い、対極に対する評価極の電圧が1Vになるまで0.25Cレートで充電を行う充放電サイクルを50サイクル行った。(50サイクル目の充電容量/初回充電容量)×100を容量維持率(%)として算出した。結果を表2に示す。
実施例7のMSix含有シリコン材料を粉砕し、炭素で被覆した後に水洗して、実施例7の炭素被覆MSix含有シリコン材料を製造した。
負極活物質として実施例7の炭素被覆MSix含有シリコン材料を75質量部、さらに負極活物質として黒鉛を10質量部、結着剤としてポリアミドイミドを10質量部、導電助剤としてアセチレンブラックを5質量部及び適量のN−メチル−2−ピロリドンを混合してスラリーとした。
集電体として厚さ20μmの電解銅箔を準備した。該銅箔の表面に、ドクターブレードを用いて上記スラリーが膜状になるように塗布した。スラリーが塗布された銅箔を80℃で20分間乾燥することでN−メチル−2−ピロリドンを揮発により除去し、その結果、表面に負極活物質層が形成された銅箔を得た。該銅箔を負極活物質層の厚みが20μmとなるように、ロールプレス機で圧縮して接合物を得た。この接合物を200℃で2時間減圧加熱乾燥し、電極とした。
上記電極を径11mmに裁断し、評価極とした。金属リチウム箔を径13mmに裁断し対極とした。セパレータとしてガラスフィルター(ヘキストセラニーズ社)及び単層ポリプロピレンであるcelgard2400(ポリポア株式会社)を準備した。また、エチレンカーボネート50容量部及びジエチルカーボネート50容量部を混合した溶媒にLiPF6を1mol/Lで溶解した電解液を準備した。対極、ガラスフィルター、celgard2400、評価極の順に、2種のセパレータを対極と評価極で挟持し電極体とした。この電極体をコイン型電池ケースCR2032(宝泉株式会社)に収容し、さらに電解液を注入して、コイン型電池を得た。これを実施例A−7のリチウムイオン二次電池とした。
実施例A−7のリチウムイオン二次電池につき、評価極の対極に対する電圧が0.01Vになるまで0.25Cレートで放電を行い、評価極の対極に対する電圧が1Vになるまで0.25Cレートで充電を行う充放電サイクルを50サイクル行った。初回の充電容量に対する各サイクルでの充電容量の比率を容量維持率とした。サイクル数と容量維持率との関係のグラフを図15に示す。なお、評価例7では、評価極にLiを吸蔵させることを放電といい、評価極からLiを放出させることを充電という。
図15から、実施例A−7のリチウムイオン二次電池は、好適に容量を維持しているのがわかる。
Claims (12)
- Ca、M(Mは第3〜9族元素から選択される少なくとも一元素)及びSiを加熱して溶湯とする溶湯工程、
前記溶湯を冷却して、珪化カルシウムマトリックス中にMSix(ただし、1/3≦x≦3)を含有するMSix含有珪化カルシウムを得る工程、
前記MSix含有珪化カルシウムを酸と反応させて、ポリシランマトリックス中にMSixを含有するMSix含有ポリシランを得る工程、
前記MSix含有ポリシランを300℃以上で加熱する加熱工程、
を含むことを特徴とするシリコンマトリックス中にMSixを含有するMSix含有シリコン材料の製造方法。 - M(Mは第3〜9族元素から選択される少なくとも一元素)を含有するCaSi2を加熱して溶融する溶融工程、
溶融した前記CaSi2に、Caを添加し、溶湯とする工程、
前記溶湯を冷却して、珪化カルシウムマトリックス中にMSix(ただし、1/3≦x≦3)を含有するMSix含有珪化カルシウムを得る工程、
前記MSix含有珪化カルシウムを酸と反応させて、ポリシランマトリックス中にMSixを含有するMSix含有ポリシランを得る工程、
前記MSix含有ポリシランを300℃以上で加熱する加熱工程、
を含むことを特徴とするシリコンマトリックス中にMSixを含有するMSix含有シリコン材料の製造方法。 - Ca、M(Mは第3〜9族元素から選択される少なくとも一元素)及びSiを含有する溶湯を冷却して、珪化カルシウムマトリックス中にMSix(ただし、1/3≦x≦3)を含有するMSix含有珪化カルシウムを得る工程、
前記MSix含有珪化カルシウムを酸と反応させて、ポリシランマトリックス中にMSixを含有するMSix含有ポリシランを得る工程、
前記MSix含有ポリシランを300℃以上で加熱する加熱工程、
を含むことを特徴とするシリコンマトリックス中にMSixを含有するMSix含有シリコン材料の製造方法。 - 前記MSixは、FeSi及び/又はFeSi2である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のMSix含有シリコン材料の製造方法。
- ポリシランマトリックス中にMSix(Mは第3〜9族元素から選択される少なくとも一元素。ただし、1/3≦x≦3)を含有することを特徴とするMSix含有ポリシラン。
- シリコンマトリックス中にMSix(Mは第3〜9族元素から選択される少なくとも一元素。ただし、1/3≦x≦3)を含有し、複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有する粒子であることを特徴とするMSix含有シリコン材料。
- 前記MSixは、前記粒子の内部に分散して配置されている、請求項6に記載のMSix含有シリコン材料。
- 前記MSixを含む繊維体を含有する、請求項6又は7に記載のMSix含有シリコン材料。
- 前記繊維体が前記粒子における複数の層に亘って配置されている、請求項8に記載のMSix含有シリコン材料。
- 前記MSixは繊維状であって、前記粒子における複数の層に亘って配置されている、請求項6又は7に記載のMSix含有シリコン材料。
- 前記MSixは、FeSi及び/若しくはFeSi2、又は、TiSi2である請求項6〜10のいずれか1項に記載のMSix含有シリコン材料。
- 請求項6〜11のいずれかに記載のMSix含有シリコン材料を負極活物質として具備するリチウムイオン二次電池。
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