JP6955696B2 - 二次電池負極用組成物並びにこれを用いた二次電池用負極及び二次電池 - Google Patents
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Description
[1]炭素材料(a)と、
ケイ素酸化物構造体(b)と、
を含み、
上記ケイ素酸化物構造体(b)は、原子組成においてSiとOとを含むケイ素酸化物骨格と、該ケイ素酸化物骨格に化学的に結合したシリコン系ナノ粒子とを構成要素として含んでなり、
上記ケイ素酸化物構造体(b)は、上記炭素材料(a)と該ケイ素酸化物構造体(b)との合計に対して15質量%以上の割合で含まれ、
上記ケイ素酸化物構造体(b)は、以下の条件(i)〜(iii)を満たす、二次電池負極用組成物:
(i)一般式SiOx2Hy2(0.3<x2<1.5、0.01<y2<0.35)で表される原子組成を有すること;
(ii)Si−H結合を有すること;並びに
(iii)本質的に炭素を含まないこと。
[3]上記ケイ素酸化物構造体(b)は、上記炭素材料(a)と該ケイ素酸化物構造体(b)との合計に対して18〜85質量%の割合で含まれる、[1]又は[2]に記載の二次電池負極用組成物。
[5]上記ケイ素酸化物構造体(b)が、さらに以下の条件(iv)を満たす、[1]〜[4]の何れか1つに記載の二次電池負極用組成物:
(iv)赤外分光法により測定したスペクトルにおいて、820〜920cm−1にあるSi−H結合に由来するピーク1の強度(I1)と1000〜1200cm−1にあるSi−O−Si結合に由来するピーク2の強度(I2)の比(I1/I2)が0.01から0.35の範囲にあること。
(v)赤外分光法により測定したスペクトルにおいて、Si-O-Si結合に由来するピークのうち、1170cm−1に最も近いピーク(ピーク2−1)の強度(I2-1)と1070cm−1に最も近いピーク(ピーク2−2)の強度(I2-2)の比(I2-1/I2-2)が1を超えること。
[9]上記金属酸化物が、構成元素としてチタンを含む、[8]に記載の二次電池負極用組成物。
[11]上記ケイ素酸化物構造体(b)の全質量に対して上記シリコン系ナノ粒子が5〜65質量%含まれる、[1]〜[10]の何れか1つに記載の二次電池負極用組成物。
[12]上記炭素材料(a)が、略球状の粒子からなり、かつ体積基準平均粒径が1〜100μmである粉体である、[1]〜[11]の何れか1つに記載の二次電池負極用組成物。
[13]上記炭素材料(a)が黒鉛である、[1]〜[12]の何れか1つに記載の二次電池負極用組成物。
[14][1]〜[13]の何れか1つに記載の二次電池負極用組成物を含む、二次電池用負極。
[15][14]に記載の二次電池用負極を備えた、二次電池。
[16]リチウムイオン二次電池である、[15]に記載の二次電池。
(i)一般式SiOx2Hy2(0.3<x2<1.5、0.01<y2<0.35)で表される原子組成を有すること;
(ii)Si−H結合を有すること;並びに
(iii)本質的に炭素を含まないこと。
なお、以下、本発明の「二次電池負極用組成物」を単に「負極用組成物」と言うことがある。
さらに、本発明においては「ケイ素酸化物骨格に化学的に結合したシリコン系ナノ粒子」という用語が示すとおり、シリコン系ナノ粒子が、上記化学骨格に化学的に結合していることにより、全体としてのケイ素酸化物構造体が形成されることになる。ここで、「ケイ素酸化物骨格にシリコン系ナノ粒子が化学的に結合している」とは、シリコン系ナノ粒子の表面をSiとして、例えばSi−O−Siの結合様式でケイ素酸化物骨格に結合している形態が挙げられる。このような化学的な結合は強固であることから、本発明のケイ素酸化物構造体は、当該構造体からシリコン系ナノ粒子が脱落しにくい構造ないし性質を有している。
加えて、本発明のケイ素酸化物構造体においては、シリコン系ナノ粒子が集合した二次集合体が形成されることも、後述の通り好ましい実施形態である。
上述のような構成によれば、第一に、極小の一次粒子(つまり、ナノメートルスケールのシリコン系ナノ粒子)を採用する点、二次電池において充放電を繰り返す際に生じる膨張収縮時の応力が緩和されることになり、サイクル劣化を抑制し、サイクル特性向上の効果が見込める。さらに、上記構成を採用するケイ素酸化物構造体は、一次粒子が集合して形成された二次集合体によるネットワーク構造を有することから、結着剤との結着性が良好となり、さらに優れたサイクル特性を発現することとなる。
さらに加えて、後述のとおり、本発明の二次電池負極用組成物においては、上記のようなケイ素酸化物と炭素材料が所定の割合で配合されていることから、上記効果に加え、電池容量及び放電レート特性のうち少なくとも1つの電池特性を向上させることが可能になる。
[炭素材料(a)]
リチウムイオン二次電池を例に挙げて説明すると、本発明においては、正極においては活物質としてLiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4 等の Li層間化合物を用いるが、負極においては、充放電時にLiイオンを吸蔵及び放出(インターカレーション)可能とする材料として、この炭素材料(a)を用いる。
(シリコン系ナノ粒子)
本発明において「シリコン系ナノ粒子」とは、実質的にシリコンのみからなるシリコンナノ粒子、並びに原子組成にケイ素(シリコン)を含む化合物(例えば、シリカ、シリコン系金属化合物)からなるナノ粒子を包含する概念である。その粒径(体積基準平均粒径)が、ナノメートルスケールの範囲にあるものであれば使用可能であり、特に限定されるものでもない。本発明に係る組成物が二次電池の負極に用いられるものであることを考慮すると、シリコン系ナノ粒子の体積基準平均粒径(平均粒径)は、例えば10nm〜500nm(又は10nm超かつ500nm未満)、好ましくは30nm〜200nm(又は30nm超かつ200nm)であることが好ましい。このような平均粒径が比較的小さいシリコン系ナノ粒子を用いると、最終的に製造した二次電池においてサイクル劣化が抑制され、優れたサイクル特性を発揮することができるからである。
なお、本明発明において、「体積基準平均粒径」とは、体積基準によって算出される粒径であることを意味し、単に平均粒径と称する場合もある。
加えて、本発明において、シリコン系ナノ粒子は、所望の効果が損なわれない範囲であれば、ケイ素以外の他の成分を含有するものであってもよい。シリコンナノパウダーは、例えば、金属類などを含むことができるが、その含有量は、シリコン系ナノ粒子に対して、通常、5質量%未満である。
本発明において、ケイ素酸化物構造体(b)は、上述の通り以下の条件(i)〜(iii)を満たす物質であれば特に限定されるものでもない。これらの条件を満たすケイ素酸化物構造体を採用すると、良好な法充電容量と容量維持率を確保でき、サイクル特性の向上が見込める。
(i)一般式SiOx2Hy2(0.3<x2<1.5、0.01<y2<0.35)で表される原子組成を有すること;
(ii)Si−H結合を有すること;並びに
(iii)本質的に炭素を含まないこと。
まず、水素ポリシルセスキオキサン焼成物の前駆体となるシリコン系ナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン重合物を製造する。
該シリコン系ナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン重合物は、上述のシリコン系ナノ粒子の存在下、一般式(1)で示されるケイ素化合物を加水分解および重縮合させて得られる。
式(1)において、Rは、それぞれ同一あるいは異なる、ハロゲン、水素、炭素数1〜10の置換または非置換のアルコキシ、および炭素数6〜20の置換または非置換のアリールオキシから選択される基である。但し、炭素数1〜10の置換または非置換のアルコキシ、および炭素数6〜20の置換または非置換のアリールオキシにおいて、任意の水素はハロゲンで置換されていてもよい。
例えば、トリクロロシラン、トリフルオロシラン、トリブロモシラン、ジクロロシラン等のトリハロゲン化シランやジハロゲン化シラン、トリn−ブトキシシラン、トリt−ブトキシシラン、トリn−プロポキシシラン、トリi−プロポキシシラン、ジn−ブトキシエトキシシラン、トリエトキシシラン、トリメトキシシラン、ジエトキシシラン等のトリアルコキシシランやジアルコキシシラン、更にはトリアリールオキシシラン、ジアリールオキシシラン、ジアリールオキシエトキシシラン等のアリールオキシシランまたはアリールオキシアルコキシシランが挙げられる。
ここで、縮重合反応が進行する程度は、加水分解温度、加水分解時間、酸性度、及び/又は溶媒の種類や量等の反応条件によって制御でき、これらの要因ないし要素は、例えば、後述するように所望のケイ素酸化物構造体の性状等を考慮して適宜に設定することができる。
反応条件としては、撹拌下、酸性水溶液中に本発明に係る式(1)で表されるケイ素化合物を添加し、−20℃〜50℃、好ましくは0℃〜40℃、特に好ましくは10℃〜30℃の温度で0.5時間〜20時間、好ましくは1時間〜10時間、特に好ましくは1時間〜5時間反応させることが好ましい。さらに、上記シリコンナノ粒子分散液への式(1)で表されるケイ素化合物の添加は、特に限定されるものでもなく、一度に添加してもよいし又は複数回に渡って小量ずつ添加してもよいが、少量ずつ複数回に渡り滴下することにより添加するのが好都合である。
具体的には、有機酸としてはギ酸、酢酸、プロピオン酸、シュウ酸、クエン酸などが例示され、無機酸としては塩酸、硫酸、硝酸、リン酸などが例示される。加水分解反応およびその後の重縮合反応を容易に制御すること、反応後の処理が容易になること、さらに入手容易性、コスト、取扱性等を考慮すると、とりわけ塩酸を用いることが好ましい。
上記の如く得られたシリコン系ナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサンの組成は、元素分析により測定すると、ケイ素(Si)、酸素(O)及び水素(H)を含有しており、一般式SiOx1Hy1(0.25<x1<1.35、0.16<y1<0.90)で表される原子組成を有する。さらに、このシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサンは、本質的に炭素を含まない。
本発明におけるケイ素酸化物構造体(b)としては、具体的には、上記プロセスを介して得られたシリコン系ナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン重合物を、非酸化性雰囲気下で、熱処理して得られる。
非酸化性雰囲気としては、不活性ガス雰囲気、高真空により酸素を除去した雰囲気が挙げられるが、目的とするシリコン系ナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物の生成を阻害しない程度に酸素が除去されている雰囲気であれば足り、還元性雰囲気およびこれらの雰囲気を併用した雰囲気も包含される。不活性ガスとしては、窒素、アルゴン、ヘリウムなどが挙げられる。これらの不活性ガスは、一般に使用されている高純度規格のものであれば問題なく使用できる。また、不活性気体を用いることなく、高真空により酸素を除去した雰囲気でもよい。還元性雰囲気としては、水素などの還元性ガスを含む雰囲気が包含される。例えば、2容積%以上の水素ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気が挙げられる。また、還元性雰囲気として、水素ガス雰囲気も使用することができる。
本発明において、ケイ素酸化物構造体(b)は、任意に、金属酸化物により被覆され又は金属酸化物と複合化されたものであってもよい。金属酸化物により被覆され又は金属酸化物と複合化され、かつシリコン系ナノ粒子を含有するケイ素酸化物構造体を採用した場合、二次電池において金属酸化物の存在により高速充放電が可能となるだけでなく、より優れた充放電サイクル特性を発揮すると共に、高容量、初期充放電効率、容量維持率等の電池特性の顕著な向上が期待できる。
以下、金属酸化物により被覆され又は金属酸化物と複合化され、かつシリコン系ナノ粒子を含有するケイ素酸化物構造体(以下、単に金属酸化物被覆ケイ素酸化物構造体と言うことがある。)の製造方法について説明する。
熱処理時間は、特に限定されないが、通常30分から10時間、好ましくは1時間から8時間である。
本発明に係る二次電池負極用組成物は、炭素材料(a)及びケイ素酸化物構造体(b)(例えば、上記シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物)を上記所定の割合で混合せしめることで調製することができる。
したがって、本発明の二次電池負極用組成物においては、上記ケイ素酸化物構造体(b)(シリコン系ナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物)と炭素材料(a)とを上記所定の割合で配合する。ここで、上記ケイ素酸化物構造体(b)(シリコン系ナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物)と炭素材料(a)とは複合化されてもよいし、又は前者が後者で被覆されてもよい。
このような複合又は被覆を実現させる方法としては、メカノフュージョンやボールミルあるいは振動ミル等を用いた機械的混合法等により、前記シリコン系ナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物と炭素系物質を分散させる方法が挙げられる。
結着剤としては、二次電池において一般的に使われる各種公知のものが知られており、それらを用いることができる。具体的には、負極活物質上のSi−H結合と相互作用のある、COO−基のような官能基を持ったものが好ましく用いられる。例えば、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリル酸、アルギン酸、グルコマンナン、アミロース、サッカロース及びその誘導体や重合物、さらに夫々のアルカリ金属塩の他、ポリイミド樹脂やポリイミドアミド樹脂が例示される。これら結着剤は単独で使用してもよいし、混合物であってもよく、更にまた集電体との結着性の向上、分散性を改善、結着剤自身の導電性の向上など別機能を付与する成分、例えば、スチレン−ブタジエン・ゴム系ポリマーやスチレン−イソプレン・ゴム系ポリマーが付加、混合されていてもよい。
本発明に係る二次電池用負極は、本発明の二次電池負極用組成物を用いて形成される。
例えば、本発明の二次電池負極用組成物を一定の形状に成形する方法、該二次電池負極用組成物を銅箔などの集電体に塗布する方法等で、本発明の二次電池用負極を製造することができる。負極の成形方法は、特に限定されるものでもないが、各種公知の手法を利用することができる。
本発明に係る二次電池は、所望の用途や機能等を考慮し、適宜に設計すればよく、その構成は特に限定されるものでもないが、既存の二次電池の構成を参考に、本発明に係る負極を用いて二次電池を構成することができる。加えて、本発明の二次電池のタイプとしては、本発明の負極が適用できるものであれば特に限定されるものでもないが、例えば、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンポリマー二次電池が挙げられる。これら電池は、以下の実施例において実証されるとおり、本発明の所望の効果が発揮され得ることから、特に好ましい実施形態と言える。
以下、リチウムイオン電池の製造方法及び構成を例示する。
上記正極活物質組成物を別途、支持体上にキャスティングし、この支持体上に形成されたフィルムを剥離し、同フィルムを金属集電体上にラミネートして正極を製造することも可能である。正極の成形方法は、特に限定されるものではないが、各種公知の手法を用いて形成することができる。
この時、正極活物質、導電助剤、結着剤及び溶媒の含有量は、特に限定されるものでもないが、リチウムイオン電池で一般的に使用される量を目安に適宜選択することができる。
より具体的には、リチウムイオン電池の場合には、ポリエチレン、ポリプロピレンのような材料からなる巻き取り可能なセパレータを使用し、リチウムイオンポリマー電池の場合には、有機電解液含浸能に優れたセパレータを使用する事が好ましい。
本発明によれば、炭素材料(a)とケイ素酸化物構造体(b)とを所定の割合で配合することにより、各種電池特性をバランス良く維持しつつ、電池容量及び放電レート特性のうち少なくとも1つの電池特性を更に向上させることができるものであるが、さらに、以下のような特定の実施形態においては、更なる電池特性の向上も期待できる。
各合成例及び比較合成例における「赤外分光法測定」及び「元素分析測定」の測定装置/測定方法、並びに実施例及び比較例における「電池特性の評価」は、以下に示すとおりである。
赤外分光法測定は、赤外分光装置として、Thermo Fisher Scientific製 Nicolet iS5 FT−IRを用いて、KBr法による透過測定(分解能4cm−1、スキャン回数16回、データ間隔 1.928cm−1、検出器 DTGS KBr)にて、1000〜1200cm−1にあるSi−O−Si結合に由来するピーク2の強度(I2)を測定した。なお、各々のピーク強度は、対象のピークの始点と終点を直線で結び、部分的にベースライン補正を行った後、ベースラインからピークトップまでの高さを計測して求めた。Si−O−Si結合に由来するピークは、2箇所に存在するため、ピーク分離を行いピーク位置が1170cm−1付近のピークの強度をI2−1、1070cm−1付近のピークの強度をI2−2とし、2ピークのうち高強度なピークの強度をI2と規定した。
元素組成分析については、試料粉末をペレット状に固めたのち、2.3MeVに加速したHeイオンを試料に照射し、後方散乱粒子のエネルギースペクトル、及び前方散乱された水素原子のエネルギースペクトルを解析することにより水素を含めた確度の高い組成値が得られるRBS(ラザフォード後方散乱分析)/HFS(水素前方散乱分析)法により行った。測定装置はNational Electrostatics Corporation製 Pelletron 3SDHにて、入射イオン:2.3MeV He、RBS/HFS同時測定時入射角:75deg.、散乱角:160deg.、試料電流:4nA、ビーム径:2mmφの条件で測定した。
株式会社キーエンス製 VE−9800または株式会社日立ハイテクノロジーズ製SU−90を用い、任意の加速電圧で測定した。
酸化チタン被覆層の分析は、X線光電子分光分析装置 PHI Quanera SXM[ULVAC-PHI]を用い、X線源に単色化されたAlKα、出力15kV/25W、ビーム径100μmφで行い、Ti2p、O1sのピーク位置とピーク形状から複合体の状態を特定した。
後述のとおり、実施例及び比較例においては所定の二次電池負極用組成物(負極活物質)を用いてリチウムイオン電池を作製し、電池のサイクル試験により放電容量を測定し、容量維持率を算出した。さらに、レート特性の評価も行った。なお、放電容量の測定は、以下のとおり行った。
まず、作製した電池を20℃恒温槽内の電池特性評価装置ホルダーへセットした。その後、電池を24時間静置し、電位が安定するまで待機した。次いで、以下プログラムにて放電容量を測定し、電池評価を実施した(電子走査範囲:0.001−1.5V vs. Li+/Li、CC−CV充電(負極へのインターカレーション及びリチエーション)、CC放電(負極からのデインターカレーション及びデリチエーション))。
(1)充電0.05C→放電0.05C 2サイクル
(コンディショニング、初期容量確認)
(2)充電0.2C→放電0.2C 10サイクル(レート特性評価)
(3)充電0.2C→放電0.5C 1サイクル(レート特性評価)
(4)充電0.2C→放電1C 1サイクル(レート特性評価)
(5)充電0.2C→放電2C 1サイクル(レート特性評価)
(6)容量吐き出し(充電なし→放電0.2C 1サイクル)
(7)充電0.2C→放電0.2C 1サイクル(レート特性評価)
(8)充電0.2C→放電0.2C 500サイクル(サイクル特性評価)
(シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン粉体(1)の調製)
50mlビーカーに純水20gとシリコンナノパウダー(シグマアルドリッチ、100nm未満(体積基準平均粒径、ただし、10nmは超える))1.92gを入れ、超音波洗浄機にてシリコンナノ粒子分散水溶液を調製した。500mlの三つ口フラスコに、このシリコン微粒子分散液と36質量%濃度の塩酸2.43g(24mmol)及び純水218.6gを仕込み、室温にて10分攪拌してシリコンナノ粒子を全体に分散させ、撹拌下にトリエトキシシラン(東京化成工業社製)45g(274mmol)を25℃にて滴下した。滴下終了後、撹拌しながら25℃にて加水分解反応および縮合反応を2時間行った。
反応時間経過後、反応物をメンブランフィルター(孔径0.45μm、親水性)にてろ過し、固体を回収した。得られた固体を80℃にて10時間、減圧乾燥し、シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン粉体(1)16.4gを得た。
合成例1のシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン粉体(1)10.0gをSSA−Sグレードのアルミナ製ボートにのせた後、該ボートを真空パージ式チューブ炉 KTF43N1−VPS(光洋サーモシステム社製)にセットし、熱処理条件として、アルゴンガス雰囲気下(高純度アルゴンガス99.999%)にて、アルゴンガスを250ml/分の流量で供給しつつ、4℃/分の割合で昇温し、900℃で1時間焼成することで、シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサンの焼成物を得た。
次いで、得られたシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物を乳鉢にて5分間解砕粉砕し、目開き32μmのステンレス製篩を用いて分級することにより最大粒子径が32μmであるシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(1)9.58gを得た。
(シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン粉体(2)の調製)
500mlビーカーに純水200gとシリコンナノパウダー(シグマアルドリッチ、<100nm未満(体積基準平均粒径、ただし、10nmは超える))19.2gを入れ、超音波洗浄機にてシリコンナノ粒子分散水溶液を調製した。3lのセパラブルフラスコに、このシリコンナノ粒子分散液と36質量%濃度の塩酸12.2g(120mmol)及び純水0.94kg、室温にて10分攪拌してシリコンナノ粒子を全体分散させ、撹拌下にトリメトキシシラン(東京化成工業社製)167g(1.37mol)を25℃にて滴下した。滴下終了後、撹拌しながら25℃にて加水分解反応および縮合反応を2時間行った。
反応時間経過後、反応物をメンブランフィルター(孔径0.45μm、親水性)にてろ過し、固体を回収した。得られた固体を80℃にて10時間、減圧乾燥し、シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン粉体(2)95.2gを得た。
上記シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン粉体(2)を用いて、合成例1と同様の方法で、シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(2)を調製した。
(シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン粉体(3)の調製)
シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサンの調製において、シリコンナノパウダー(シグマアルドリッチ、100nm未満(体積基準平均粒径、ただし、10nmは超える))仕込み量を、77.0gに変えた以外は、合成例2と同様の手順で、調製を行い、シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン粉体(3)153gを得た。
得られたシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン粉体(3)の赤外分光スペクトルを図1に、SEM写真を図2に示す。
上記シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン粉体(3)を用いて、合成例1と同様の方法で、シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(3)を調製した。
(シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン粉体(4)の調製)
シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサンの調製において、縮合触媒として36質量%濃度の塩酸12.2g(120mmol)を代わりに、酢酸(和光特級試薬)7.2g(120mmol)を用いた以外は合成例3と同様の手順で調製を行い、シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン粉体(4)95.4gを得た。
上記シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン粉体(4)を用いて、合成例1と同様の方法で、シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(4)を調製した。
(シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン粉体(5)の調製)
100mlビーカーに純水50gとシリコンナノパウダー(シグマアルドリッチ、100nm未満(体積基準平均粒径、ただし、10nmは超える))6.63gを入れ、超音波洗浄機にてシリコンナノ粒子分散水溶液を調製した。500mlの三つ口フラスコに、このシリコンナノ粒子分散液と純水46gを仕込んで10分間攪拌した後、フラスコ内を窒素にて置換した。続いてフラスコを氷冷しながら、撹拌下にトリクロロシラン16.0g(118mmol)を20℃にて滴下した。滴下終了後、撹拌しながら20℃にて加水分解反応および縮合反応を2時間行った。
反応時間経過後、メンブランフィルター(孔径0.45μm、親水性)を用いて反応物をろ過し、固体を回収した。得られた固体を80℃にて10時間、減圧乾燥し、シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン粉体(5)12.6gを得た。
上記シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン粉体(5)を用いて、合成例1と同様の方法で、シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(5)を調製した。
得られたシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(5)(実施例10)の赤外分光スペクトルを図3に、SEM写真を図4に示す。
(シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(6)の調製)
上記シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン粉体(5)10.0gを用い、供給ガスをアルゴン−水素混合ガス(水素ガス濃度:10容積%)にしたこと以外は、合成例1と同様の方法で、シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(6)9.83gを得た。
(シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(7)の調製)
上記シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン粉体(5)10.0gを用い、焼成温度を800℃にしたこと以外は、合成例2と同様に焼成物の調製を行い、シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(7)9.81gを得た。
(シリコンナノ粒子複合ケイ素酸化物(1)の調製)
市販の一酸化珪素(アルドリッチ社製 under325mesh)を20μmのステンレス製篩を用いて分級することにより最大粒子径が20μmである一酸化ケイ素粉末を得た。該20μm以下の一酸化珪素10.0gを、シリコンナノパウダー(シグマアルドリッチ、体積基準平均粒径<100nm(100nm未満))6.37gとジルコニア製の容器とジルコニア製ボールを用いて遊星ボールミルにて10分間ボールミリング処理混合し、シリコンナノ粒子混合ケイ素酸化物(1)を得た。得られたシリコンナノ粒子混合ケイ素酸化物(1)の赤外分光スペクトルを図3に示す(図3では比較合成例1と表記する)。次に、該シリコンナノ粒子混合ケイ素酸化物(1)にカルボキシメチルセルロースの2質量%水溶液5gを加え、ジルコニア製の容器とジルコニア製ボールを用いて遊星ボールミルにて2時間ボールミリング処理を行い、真空乾燥機にて100℃で8時間乾燥して水分を除去してシリコンナノ粒子複合ケイ素酸化物(1)を得た。
(水素シルセスキオキサン重合体(1)の調製)
3lのセパラブルフラスコに、36質量%濃度の塩酸12.2g(120mmol)及び純水1.19kgを仕込み、撹拌下にトリメトキシシラン(東京化成工業社製)167g(1.37mol)を25℃にて滴下した。滴下終了後、撹拌しながら25℃にて加水分解反応および縮合反応を2時間行った。
反応時間経過後、反応物をメンブランフィルター(孔径0.45μm、親水性)にてろ過し、固体を回収した。得られた固体を80℃にて10時間、減圧乾燥し、水素シルセスキオキサン重合体(1)76.0gを得た。
得られた水素シルセスキオキサン重合体(1)の赤外分光スペクトルを図1に示す。
上記水素シルセスキオキサン重合体(1)を用いて、合成例1と同様の方法で、水素シルセスキオキサン重合体焼成物(1)の調製を行った。
(シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(8)の調製)
焼成物の調製において、熱処理における焼成温度を1100℃にしたこと以外は、合成例1と同様に行い、シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(8)を得た。
得られたシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(8)の赤外分光スペクトルを図3に示す。
(シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(9)の調製)
焼成物の調製において、熱処理における焼成温度を500℃にしたこと以外は、合成例1と同様に行い、シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(9)を得た。
得られたシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(9)(比較合成例5)の赤外分光スペクトルを図3に示す。
上記各合成例及び比較合成例の結果によると、合成例で得られたシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン及びその焼成物(1)〜(7)は、ケイ素(Si)、酸素(O)及び水素(H)の本発明所定の原子組成を有しており、合成例で得られたシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン(1)〜(7)は、所定量のSi−H結合を有しているものと考えられる。すなわち、シリコンナノ粒子表面と水素ポリシルセスキオキサンとの間に化学的な結合を有していることが推測でき、この化学的な結合はそれらの焼成物においてシリコンナノ粒子表面と水素ポリシルセスキオキサン由来のケイ素酸化物構造との間に残っているものと考えられる。
なお、本発明者らは、シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(1)〜(7)を本発明所定の炭素材料と組合せずに単独で負極材料として用いたリチウムイオン二次電池を作製し、それら二次電池を電池特性試験に供試した結果、何れも初期放電容量と50サイクル目の放電容量ともに従来の炭素系負極活物質よりも格段に放電容量が高く、さらに良好な初期充放電効率を確保でき、充放電サイクルによる容量低下が少なく、高い容量維持率を有するものであることを確認している。
比較合成例2については、シリコンナノ粒子を含まない水素ポリシルセスキオキサンの焼成物(水素シルセスキオキサン重合体焼成物(1))に相当するが、赤外吸収スペクトルにおいてSi−O−Si結合に由来するピークのうち、1170cm−1付近のピーク2−1の強度(I2−1)と1070cm−1付近のピーク2−2の強度(I2−2)の比(I2−1/I2−2)が1を超えておらず、合成例で見られるような、シリコンナノ粒子表面と水素ポリシルセスキオキサン由来のケイ素酸化物構造との間に化学的な結合を有する新しい構造体になっていない。本発明者らは、このようなシリコンナノ粒子表面と化学的な結合を持たないケイ素酸化物から作製された負極活物質を用い、負極及びリチウム二次電池を作製して電池特性を評価しているが、比較合成例1のシリコンナノ粒子複合ケイ素酸化物(1)と同様、初期充放電効率は一定程度の値を示すものの、急激な容量の低下が見られ、リチウムイオン電池として実用的なレベルに達しないことを確認済である。
さらに、比較合成例3のように1000℃を超える温度で焼成したシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物は、その原子組成において水素はゼロであり、適量のSi−H結合は全く有し得ないことが分かる。一方、焼成温度が低い比較合成例4で製造したシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(9)では、過剰量のSi−H結合が存在している。本発明者らは、比較合成例3及び4の焼成物から作製した負極を採用したリチウム二次電池の特性は、サイクル特性は良好なものの、初回の放電容量が極めて低く実用性に乏しいものとなることを確認済みである。
(酸化チタン被覆形成処理)
エタノール(和光純薬:特級試薬)45mlを仕込んだ200mlナス型フラスコに、合成例1で得られたシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(1)9.5gを投入し、超音波洗浄器で3分間、マグネチックスターラーで5分間分散処理を行った。分散処理後、撹拌しながらテトライソプロポキシチタニウム(Alfa Aesar 95%試薬)1.78gを滴下し、室温下で撹拌を1.5時間継続した。1.5時間後、撹拌を停止しエバポレータを使って溶媒を濃縮した。溶媒が揮発したところでフラスコごと減圧乾燥器に移し、1時間60℃で加熱減圧乾燥してシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物−チタン酸化物複合体前駆体粉末(1)を回収した。
回収したシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物−チタン酸化物複合体前駆体粉末(1)を前記ケイ素酸化物の調整と同様に真空パージ式チューブ炉KTF43N1−VPSにセットし、熱処理条件として、アルゴンガス雰囲気下にて、アルゴンガスを250ml/分の流量で供給しつつ、4℃/分の割合で昇温し、400℃で1時間焼成する。次いで乳鉢による解砕とステンレス製篩よる分級を行い、最大粒子径が32μmである粉粒状のシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物−チタン酸化物複合体(1)9.8gを得た。
得られたシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物−チタン酸化物複合体(1)のチタンの化学状態を調べるため、X線光電子分光装置を用いて、表面分析を行った結果、チタンは酸化チタンとして表面に結合していることを確認した。X線光電子分光分析 Ti2p及びO1sのスペクトルを図5に示す。
(シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物−チタン酸化物複合体(2)の調製)
合成例2で得られたシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(2)を用いた以外、合成例8と同様にして、酸化チタン被覆処理を行い、熱処理を行って、シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物−チタン酸化物複合体(2)を得た。
(シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物−チタン酸化物複合体(3)の調製)
合成例3で得られたシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(3)を用いた以外、合成例8と同様にして、酸化チタン被覆処理を行い、熱処理を行って、シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物−チタン酸化物複合体(3)を得た。
(シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物−チタン酸化物複合体(4)の製造)
合成例3で得られたシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン粉体(3)を用いて、テトライソプロポキシチタニウム(Alfa Aesar 95%試薬)の仕込み量を0.87gに変えた以外は、合成例8と同様の手順で被覆処理を行い、熱処理を行って、シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物−チタン酸化物複合体(4)を得た。
得られたシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物−チタン酸化物複合体(4)のSEM写真を図6に示す。
(シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物−チタン酸化物複合体(5)の製造)
合成例3で得られたシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン粉体(3)を用いて、テトライソプロポキシチタニウム(Alfa Aesar 95%試薬)の仕込み量を2.54gに変えた以外は、合成例8と同様の手順で被覆処理を行い、熱処理を行って、シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物−チタン酸化物複合体(5)を得た。
(シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン粉体(10)の調製)
シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサンの調製において、トリメトキシシラン(東京化成工業社製)の滴下量を、23.9gに変えた以外は、合成例2と同様の手順で、調製を行い、シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン粉体(10)を得た。
得られたシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン粉体(10)を用いて、合成例1と同様の方法で、シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(10)を調製した。
得られたシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(10)を用いて、合成例1と同様にして、酸化チタン被覆処理を行い、熱処理を行って、シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物−チタン酸化物複合体(6)を得た。
(シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(11)の調製)
合成例3で得られたシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン粉体(3)を用い、シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物の調製において、熱処理における焼成温度を1100℃にしたこと以外は、合成例1と同様の手順で、シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(11)を得た。
得られたシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(11)を用いて、合成例8と同様にして、酸化チタン被覆処理を行い、熱処理を行って、シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物−チタン酸化物複合体(7)を得た。
(シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(12)の調製)
合成例3で得られたシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン粉体(3)を用い、シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物の調製において、熱処理における焼成温度を500℃にしたこと以外は、合成例1と同様の手順で、シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(12)を得た。
得られたシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(8)を用いて、合成例8と同様にして、酸化チタン被覆処理を行い、熱処理を行って、シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物−チタン酸化物複合体(8)を得た。
ケイ素酸化物として、市販の一酸化ケイ素(アルドリッチ社製 under325mesh)を32μmのステンレス製篩を用いて分級することにより最大粒子径が32μmである一酸化ケイ素粉末を用いた。
用いた一酸化ケイ素の赤外分光測定の結果、及び元素分析結果を表1に示す。上記一酸化ケイ素をシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物(1)の代わりに用いた以外は、合成例8と同様にして酸化チタン被覆を行った。
上記元素分析の結果によると、合成例8〜13において酸化チタン被覆/複合化処理が施されたシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物は、所定量のSi−H結合を有し、シリコンナノ粒子表面と水素ポリシルセスキオキサン由来ケイ素酸化物構造との間に化学的な結合を有する新しい構造を有するケイ素酸化物構造体であることが明らかとなった。本発明者らは、これらのケイ素酸化物構造体は、本発明所定の炭素材料と組合せずに単独で負極材料として用いたとしても、電池性能の向上が見られることを確認している。具体的には、何れも初期容量と100回目の放電容量ともに従来の炭素系負極活物質よりも高い容量を有し、しかも、容量低下が殆ど無く、高い容量維持率、即ち充放電サイクル劣化が顕著に抑制され、良好なサイクル特性を有することから、実用に耐え得るものであった。
本発明者らは、これらの焼成物から作製された負極を採用した電池の特性は、サイクル特性は良好なものの、初回の放電容量が極めて低く実用性に乏しいものとなることを確認済みである。
本発明者らは、比較合成例7の酸化チタン被覆ケイ素酸化物を負極活物質として用いた負極を採用した場合、電池特性は、初回放電容量は一定程度の値を示すものの、急激な容量低下が見られ、さらに炭素系負極活物質を用いたものより容量が低くなるなど、電池特性としては従来の電池のような特性を示し得ない負極活物質となることを確認済みである。
次に、本発明の実施例を示す。
(負極の作製)
2質量%カルボキシメチルセルロース水溶液6gをスクリュー管に投入し、該水溶液にアセチレンブラック0.12gを更に加え、混錬機で2,000rpm,3分間混合した。次いで、合成例3で取得したシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物と天然黒鉛(日本黒鉛工業株式会社社製CGB−10;直径10μm程度の球状粒子)とを質量比2:8で混合して得た負極活物質を0.96g加え、混錬機で2000rpm,10分混合した。さらに、スクリュー管に攪拌子を入れ、1000rpmで4時間攪拌し、攪拌終了後、混錬機にて2000rpm,10分さらに混合した。得られたスラリーを塗工機にて銅箔上へ塗工した(アプリケータ設定:150μm、電極密度:0.7g/cm2)。塗工した電極をホットプレート上にて80℃、30分乾燥させ、ロールプレス機にて電極をプレスした(ロールプレス設定:20μm)。これにより得られた電極シートを打ち抜き器にてφ14.5mmで打ち抜いた。打ち抜いた電極をガラスチューブオーブンにて80℃、1晩、真空乾燥させ、リチウム二次電池用負極を完成させた。
(コインハーフセルCR2032型リチウムイオン二次電池の作製)
上記のとおり作製した負極を用い、図11に示す構造のコインハーフセルCR2032型リチウムイオン二次電池を作製した。作成手順は以下の通りである。
まず、LI箔を打ち抜き器にてΦ15MM打ち抜き、セルケース上に打ち抜いたLI箔を乗せ、その上に電解液(エチレンカーボネート:ジエチルカーボネート = 1:1(電解質として1MOL/Lヘキサフルオロリン酸リチウム、添加剤として5質量%フルオロエチレンカーボネート含む))を45ΜL滴下した。滴下した電解液上に、セパレータ(セルガード:Φ17MM)、ガラスフィルター(GA−100:Φ16MM)をこの順に置き、その上から再度電解液150mlを滴下し、その上に上記作製した負極を載置した。その上にセルケースキャップを被せ、かしめ機を用いてこれをかしめ、リチウムイオン二次電池を完成させた。作製した電池は、アセトン、純水で洗浄した。
次いで、作製したリチウムイオン二次電池の電池特性を上述の方法に基づいて評価した。
実施例1においてシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物と天然黒鉛の配合割合を5:5とした以外は、同様の手順で負極及びリチウムイオン二次電池を作製し、電池特性の評価を行った。
実施例1においてシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物と天然黒鉛の配合割合を8:2とした以外は、同様の手順で負極及びリチウムイオン二次電池を作製し、電池特性の評価を行った。
実施例1において、合成例3で取得したシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物の代わりに合成例10で取得した酸化チタン複合化シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物を用い、該焼成物と天然黒鉛の配合割合を2:8とした以外は、同様の手順で負極及びリチウムイオン二次電池を作製し、電池特性の評価を行った。
実施例4において酸化チタン複合化シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物と天然黒鉛の配合割合を8:2に変更した以外は、同様の手順で負極及びリチウムイオン二次電池を作製し、電池特性の評価を行った。
実施例1において、負極活物質としてシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物は添加せずに天然黒鉛のみ用いた以外は、同様の手順で負極及びリチウムイオン二次電池を作製し、電池特性の評価を行った。
実施例1において、負極活物質として天然黒鉛は添加せずにシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物のみ用いた以外は、同様の手順で負極及びリチウムイオン二次電池を作製し、電池特性の評価を行った。
実施例4において、負極活物質として天然黒鉛は添加せずに酸化チタン複合化シリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物のみ用いた以外は、同様の手順で負極及びリチウムイオン二次電池を作製し、電池特性の評価を行った。
本発明のケイ素酸化物構造体として所定のシリコンナノ粒子含有水素ポリシルセスキオキサン焼成物と炭素材料として天然黒鉛とを所定の割合で配合した実施例1〜3においては、表4及び図7に示すとおり、電池容量に有意な向上認められ、第100サイクルの容量維持率も実用品として十分に耐え得るレベルに維持されていた。
2:セパレータ
3:リチウム対極
Claims (16)
- 負極活物質として機能する、
炭素材料(a)(但し、カーボンナノチューブは除く。)と、
ケイ素酸化物構造体(b)と、
の両方を含み、
上記ケイ素酸化物構造体(b)は、原子組成においてSiとOとを含むケイ素酸化物骨格と、該ケイ素酸化物骨格に化学的に結合したシリコン系ナノ粒子とを構成要素として含んでなり、
上記ケイ素酸化物構造体(b)は、上記炭素材料(a)と該ケイ素酸化物構造体(b)との合計に対して15質量%以上の割合で含まれ、
上記ケイ素酸化物構造体(b)は、以下の条件(i)〜(iii)を満たす、二次電池負極用組成物:
(i)一般式SiOx2Hy2(0.3<x2<1.5、0.01<y2<0.35)で表される原子組成を有すること;
(ii)Si−H結合を有すること;並びに
(iii)本質的に炭素を含まないこと。 - 上記ケイ素酸化物構造体(b)は、上記炭素材料(a)と該ケイ素酸化物構造体(b)との合計に対して18〜90質量%の割合で含まれる、請求項1に記載の二次電池負極用組成物。
- 上記ケイ素酸化物構造体(b)は、上記炭素材料(a)と該ケイ素酸化物構造体(b)との合計に対して18〜85質量%の割合で含まれる、請求項1又は2に記載の二次電池負極用組成物。
- 上記ケイ素酸化物構造体(b)は、上記シリコン系ナノ粒子(a)が一次粒子として集合した二次集合体を含むものである、請求項1〜3の何れか1項に記載の二次電池負極用組成物。
- 上記ケイ素酸化物構造体(b)が、さらに以下の条件(iv)を満たす、請求項1〜4の何れか1項に記載の二次電池負極用組成物:
(iv)赤外分光法により測定したスペクトルにおいて、820〜920cm−1にあるSi−H結合に由来するピーク1の強度(I1)と1000〜1200cm−1にあるSi−O−Si結合に由来するピーク2の強度(I2)の比(I1/I2)が0.01から0.35の範囲にあること。 - 上記ケイ素酸化物構造体(b)が、さらに以下の条件(v)を満たす、請求項1〜5の何れか1項に記載の二次電池負極用組成物:
(v)赤外分光法により測定したスペクトルにおいて、Si−O−Si結合に由来するピークのうち、1170cm−1に最も近いピーク(ピーク2−1)の強度(I2-1)と1070cm−1に最も近いピーク(ピーク2−2)の強度(I2-2)の比(I2-1/I2-2)が1を超えること。 - 上記シリコン系ナノ粒子の少なくとも一部がSi−O−Si結合を介して上記ケイ素酸化物骨格に結合している、請求項1〜6の何れか1項に記載の二次電池負極用組成物。
- さらに、構成元素として、チタン、亜鉛、ジルコニウム、アルミニウム、及び鉄から選択される少なくとも一種を含む金属酸化物を含み、上記ケイ素酸化物構造体(b)が、該金属酸化物で被覆され又は該金属酸化物と複合化している、請求項1〜7の何れか1項に記載の二次電池負極用組成物。
- 上記金属酸化物が、構成元素としてチタンを含む、請求項8に記載の二次電池負極用組成物。
- 上記シリコン系ナノ粒子の体積基準平均粒径が100nm〜500nmである、請求項1〜9の何れか1項に記載の二次電池負極用組成物。
- 上記ケイ素酸化物構造体(b)の全質量に対して上記シリコン系ナノ粒子が5〜65質量%含まれる、請求項1〜10の何れか1項に記載の二次電池負極用組成物。
- 上記炭素材料(a)が、略球状の粒子からなり、かつ体積基準平均粒径が1〜100μmである粉体である、請求項1〜11の何れか1項に記載の二次電池負極用組成物。
- 上記炭素材料(a)が黒鉛である、請求項1〜12の何れか1項に記載の二次電池負極用組成物。
- 請求項1〜13の何れか1項に記載の二次電池負極用組成物を含む、二次電池用負極。
- 請求項14に記載の二次電池用負極を備えた、二次電池。
- リチウムイオン二次電池である、請求項15に記載の二次電池。
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