JP7147619B2 - Method for producing negative electrode active material - Google Patents

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Description

本開示は、放電容量が良好な負極活物質の製造方法に関する。 The present disclosure relates to a method for producing a negative electrode active material with good discharge capacity.

近年におけるパソコン、ビデオカメラおよび携帯電話等の情報関連機器や通信機器等の急速な普及に伴い、その電源として優れた電池(例えばリチウム電池)の開発が重要視されている。また、情報関連機器や通信関連機器以外の分野では、例えば自動車産業界において、電気自動車やハイブリッド自動車に用いられるリチウム電池等の開発が進められている。 2. Description of the Related Art In recent years, with the rapid spread of information-related equipment and communication equipment such as personal computers, video cameras, and mobile phones, the development of batteries (for example, lithium batteries) that are excellent as power sources for these devices has been emphasized. In fields other than information-related devices and communication-related devices, for example, in the automotive industry, development of lithium batteries and the like used in electric vehicles and hybrid vehicles is underway.

リチウム電池に用いられる負極活物質としては、Si系活物質が知られている。特許文献1には、フッ化水素酸処理により酸化膜を除去する多孔質シリコンの製造方法が開示されている。特許文献2には、Siと合金からなる負極活物質を用いた非水電解液二次電池が開示されている。 Si-based active materials are known as negative electrode active materials used in lithium batteries. Patent Document 1 discloses a method for producing porous silicon in which an oxide film is removed by hydrofluoric acid treatment. Patent Document 2 discloses a non-aqueous electrolyte secondary battery using a negative electrode active material composed of Si and an alloy.

特開2013-008487号公報JP 2013-008487 A 特開2006-286313号公報JP 2006-286313 A

全固体電池の性能向上のため、放電容量の良好な負極活物質が望まれている。 In order to improve the performance of all-solid-state batteries, negative electrode active materials with good discharge capacity are desired.

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、放電容量が良好な負極活物質を提供することを主目的とする。 The present disclosure has been made in view of the above circumstances, and a main object thereof is to provide a negative electrode active material with good discharge capacity.

上記課題を達成するために、本開示においては、全固体電池に用いられる負極活物質の製造方法であって、表面に酸化膜を有するSi系活物質に、水素ガス含有雰囲気下で、150℃以上600℃以下1時間以上24時間以下の熱処理を行い、上記酸化膜を除去する熱処理工程を有する、負極活物質の製造方法を提供する。 In order to achieve the above objects, the present disclosure provides a method for producing a negative electrode active material used in an all-solid-state battery, wherein a Si-based active material having an oxide film on its surface is heated at 150 ° C. in a hydrogen gas-containing atmosphere. Provided is a method for producing a negative electrode active material, comprising a heat treatment step of removing the oxide film by performing heat treatment at 600° C. or less for 1 hour or more and 24 hours or less.

本開示によれば、水素ガス含有雰囲気下での熱処理により酸化膜を除去することができるため、放電容量が良好な負極活物質を製造することができる。 According to the present disclosure, since the oxide film can be removed by heat treatment in a hydrogen gas-containing atmosphere, a negative electrode active material with good discharge capacity can be produced.

本開示における負極活物質の製造方法は、リチウムイオン伝導性が良好な負極活物質を製造できるという効果を奏する。 The method for producing a negative electrode active material according to the present disclosure has the effect of being able to produce a negative electrode active material with good lithium ion conductivity.

本開示における負極活物質の製造方法の一例を示すフロー図である。FIG. 2 is a flow chart showing an example of a method for producing a negative electrode active material in the present disclosure; 実施例1、比較例1および参考例で作製した負極活物質の赤外分光測定の結果である。1 shows the results of infrared spectroscopic measurement of negative electrode active materials produced in Example 1, Comparative Example 1, and Reference Example. 実施例1および比較例1、2で作製した負極活物質の赤外分光測定の結果である。4 shows the results of infrared spectroscopic measurement of negative electrode active materials produced in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. FIG. 実施例1および比較例1、2で作製した負極活物質のX線回折測定の結果である。4 shows the results of X-ray diffraction measurement of negative electrode active materials produced in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. FIG. 実施例1~3、比較例1、2および参考例で作製した全固体電池のレート性能の結果である。It is the result of the rate performance of all-solid-state batteries produced in Examples 1 to 3, Comparative Examples 1 and 2, and Reference Example. 実施例1~3および比較例1、2で作製した全固体電池のインピーダンス測定の結果である。1 shows the results of impedance measurement of all-solid-state batteries produced in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2. FIG.

以下、本開示における負極活物質の製造方法について説明する。
図1は、本開示における負極活物質の製造方法の一例を示すフロー図である。図1に示すように、本開示においては、表面に酸化膜を有するSi系活物質質に水素ガス含有雰囲気下で熱処理を加える熱処理工程を有する。
A method for producing a negative electrode active material according to the present disclosure will be described below.
FIG. 1 is a flow chart showing an example of a method for producing a negative electrode active material according to the present disclosure. As shown in FIG. 1, the present disclosure includes a heat treatment step of heat-treating a Si-based active material having an oxide film on its surface in an atmosphere containing hydrogen gas.

本開示によれば、水素ガス含有雰囲気下での熱処理により酸化膜を除去することができるため、放電容量が良好な負極活物質を製造することができる。また、本開示によれば、熱処理を行ってもシリコンの結晶性を維持することができる。そのため、本開示における負極活物質を全固体電池に用いた場合、例えば負荷特性等のレート性能を向上させることができる。 According to the present disclosure, since the oxide film can be removed by heat treatment in a hydrogen gas-containing atmosphere, a negative electrode active material with good discharge capacity can be produced. In addition, according to the present disclosure, the crystallinity of silicon can be maintained even after heat treatment. Therefore, when the negative electrode active material of the present disclosure is used in an all-solid-state battery, rate performance such as load characteristics can be improved.

全固体電池においては活物質と固体電解質との接触界面の反応性が重要である。全固体電池においては活物質と固体電解質との接触面積が小さいため、接触界面における反応性がよければ、抵抗の軽減につながりレート性能を向上させることができるからである。特に全固体電池においては、液系電池とは異なり固体電解質界面(SEI)が形成されないため、活物質の表面状態が上記接触界面の反応性に重要となる。ここで、全固体電池に用いられる負極活物質としてSi系活物質が知られている。Si系活物質は理論容量が大きく、電池の高エネルギー密度化に有効だが、表面に酸化膜が形成されやすい。この酸化膜は不動態の膜であるため、酸化膜が存在していると、リチウムイオンが移動する際の障壁となる恐れがある。その結果、抵抗の増加により活物質の放電容量が低下する恐れがある。本開示においては、水素ガス含有雰囲気下での熱処理により酸化膜を除去することができるため、放電容量が良好な負極活物質を製造することができる。
以下、本開示における負極活物質の製造方法について詳細に説明する。
In all-solid-state batteries, the reactivity of the contact interface between the active material and the solid electrolyte is important. This is because the contact area between the active material and the solid electrolyte is small in an all-solid-state battery, so if the reactivity at the contact interface is good, the resistance can be reduced and the rate performance can be improved. Especially in an all-solid-state battery, unlike a liquid-based battery, a solid electrolyte interface (SEI) is not formed, so the surface state of the active material is important for the reactivity of the contact interface. Si-based active materials are known as negative electrode active materials used in all-solid-state batteries. A Si-based active material has a large theoretical capacity and is effective in increasing the energy density of a battery, but an oxide film is likely to be formed on the surface. Since this oxide film is a passive film, the presence of the oxide film may act as a barrier when lithium ions move. As a result, the increased resistance may reduce the discharge capacity of the active material. In the present disclosure, since the oxide film can be removed by heat treatment in an atmosphere containing hydrogen gas, a negative electrode active material with good discharge capacity can be produced.
Hereinafter, the method for manufacturing the negative electrode active material in the present disclosure will be described in detail.

1.熱処理工程
本開示における熱処理工程は、表面に酸化膜を有するSi系活物質質に、水素ガス含有雰囲気下で、150℃以上600℃以下1時間以上24時間以下の熱処理を行い、上記酸化膜を除去する工程である。Si系活物質は自ら作製してもよく、他者から購入してもよい。
1. Heat Treatment Step In the heat treatment step of the present disclosure, a Si-based active material having an oxide film on its surface is subjected to heat treatment at 150° C. or more and 600° C. or less for 1 hour or more and 24 hours or less in an atmosphere containing hydrogen gas to remove the oxide film. This is the step of removing. The Si-based active material may be produced by oneself or purchased from another party.

Si系活物質は、Liと合金化可能な活物質であることが好ましい。Si系活物質としては、例えば、Si単体、Si合金が挙げられる。Si合金は、Si元素を主成分として含有することが好ましい。Si合金中のSi元素の割合は、例えば、50mol%以上であってもよく、70mol%以上であってもよく、90mol%以上であってもよい。 The Si-based active material is preferably an active material that can be alloyed with Li. Si-based active materials include, for example, simple Si and Si alloys. The Si alloy preferably contains Si element as a main component. The proportion of Si element in the Si alloy may be, for example, 50 mol % or more, 70 mol % or more, or 90 mol % or more.

Si系活物質の形状は、例えば、粒子状、薄膜状等にすることができる。Si系活物質が粒子状である場合、Si系活物質の平均粒径(D50)は、例えば、1nm以上100μm以下であることが好ましく、10nm以上30μm以下であることがより好ましく、1μm以上10μm以下であることが特に好ましい。平均粒径は、例えば、SEM(走査型電子顕微鏡)を用いた画像解析に基づいて求めることができる。サンプル数は多いことが好ましく、例えば100以上である。 The shape of the Si-based active material can be, for example, particulate, thin film, or the like. When the Si-based active material is particulate, the average particle size (D 50 ) of the Si-based active material is, for example, preferably 1 nm or more and 100 μm or less, more preferably 10 nm or more and 30 μm or less, and 1 μm or more. 10 μm or less is particularly preferable. The average particle size can be determined, for example, based on image analysis using a SEM (scanning electron microscope). The number of samples is preferably large, for example 100 or more.

酸化膜は、通常Si系活物質の表面に自然酸化により形成される膜であり、例えばSiO等の膜である。酸化膜の厚さは、例えば10nm以上であり、100nm以上であってもよい。一方、酸化膜の厚さは、例えば1000nm以下である。 The oxide film is usually a film formed on the surface of the Si-based active material by natural oxidation, such as a film of SiO 2 or the like. The thickness of the oxide film is, for example, 10 nm or more, and may be 100 nm or more. On the other hand, the thickness of the oxide film is, for example, 1000 nm or less.

本開示における熱処理工程は、上述したSi系活物質に水素ガス含有雰囲気下で、150℃以上600℃以下1時間以上24時間以下の熱処理を行い、酸化膜を除去する工程である。 The heat treatment step in the present disclosure is a step of performing heat treatment on the above-described Si-based active material in a hydrogen gas-containing atmosphere at 150° C. or more and 600° C. or less for 1 hour or more and 24 hours or less to remove the oxide film.

水素ガス含有雰囲気としては、水素ガスのみの雰囲気であってもよいし、水素ガスと、例えばアルゴンおよびヘリウム等の不活性ガスとの混合ガスの雰囲気であってもよい。混合ガスの場合は、水素ガスを主成分とすることが好ましい。混合ガスにおける水素ガスの割合は、例えば、50vol%以上であってもよく、70vol%以上であってもよく、90vol%以上であってもよい。このようなガスを用いた還元作用により、酸化膜を除去することができる。 The atmosphere containing hydrogen gas may be an atmosphere containing only hydrogen gas, or an atmosphere containing a mixed gas of hydrogen gas and an inert gas such as argon or helium. In the case of a mixed gas, it is preferable to use hydrogen gas as the main component. The ratio of hydrogen gas in the mixed gas may be, for example, 50 vol% or more, 70 vol% or more, or 90 vol% or more. The oxide film can be removed by the reducing action using such gas.

熱処理温度は150℃以上であり、例えば200℃以上であってもよく、250℃以上であってもよく、300℃以上であってもよく、400℃以上であってもよい。一方で、熱処理温度は600℃以下であり、例えば500℃以下であってもよい。熱処理温度が低すぎると、酸化膜が十分に除去できない恐れがある。一方で、熱処理温度が高すぎると、Si系活物質の結晶性が変化してしまう恐れがある。 The heat treatment temperature is 150° C. or higher, for example, 200° C. or higher, 250° C. or higher, 300° C. or higher, or 400° C. or higher. On the other hand, the heat treatment temperature is 600° C. or lower, and may be, for example, 500° C. or lower. If the heat treatment temperature is too low, the oxide film may not be sufficiently removed. On the other hand, if the heat treatment temperature is too high, the crystallinity of the Si-based active material may change.

熱処理時間は1時間以上であり、例えば3時間以上であってもよく、6時間以上であってもよく、12時間以上であってもよい。一方で、熱処理時間は24時間以下であり、例えば20時間以下であってもよく、16時間以下であってもよい。熱処理時間が短すぎると、酸化膜を十分に除去できない恐れがある。一方、熱処理時間が長すぎると、製造効率が悪化する恐れがある。 The heat treatment time is 1 hour or longer, for example, 3 hours or longer, 6 hours or longer, or 12 hours or longer. On the other hand, the heat treatment time is 24 hours or less, and may be, for example, 20 hours or less, or may be 16 hours or less. If the heat treatment time is too short, the oxide film may not be sufficiently removed. On the other hand, if the heat treatment time is too long, the production efficiency may deteriorate.

水素ガスまたは混合ガスの流量は特に限定されないが、例えば0.1L/min以上であり、0.25L/min以上であり、0.3L/min以上であってもよい。一方で、水素ガスの流量は例えば0.5L/min以下であり、0.4L/min以下であってもよい。 The flow rate of hydrogen gas or mixed gas is not particularly limited, but may be, for example, 0.1 L/min or more, 0.25 L/min or more, or 0.3 L/min or more. On the other hand, the flow rate of hydrogen gas is, for example, 0.5 L/min or less, and may be 0.4 L/min or less.

昇温速度は特に限定されないが、例えば1℃/min以上であり、3℃/min以上であってもよく、5℃/min以上であってもよい。一方で、昇温速度は、例えば30℃/min以下であり、20℃/min以下であってもよく、10℃/min以下であってもよい。 The rate of temperature increase is not particularly limited, but is, for example, 1° C./min or higher, may be 3° C./min or higher, or may be 5° C./min or higher. On the other hand, the heating rate is, for example, 30° C./min or less, may be 20° C./min or less, or may be 10° C./min or less.

本開示における熱処理は、例えば、チャンバー内に上記Si系活物質を配置し、水素ガスを導入して、設定温度まで昇温させた後、所定の時間保持することで行うことができる。 The heat treatment in the present disclosure can be performed, for example, by placing the Si-based active material in a chamber, introducing hydrogen gas, raising the temperature to a set temperature, and then holding the temperature for a predetermined time.

2.負極活物質
本開示により製造される負極活物質では、上述した熱処理によりSi系活物質表面の酸化膜が除去されている。
2. Negative Electrode Active Material In the negative electrode active material manufactured according to the present disclosure, the oxide film on the surface of the Si-based active material is removed by the heat treatment described above.

酸化膜の有無は、例えば赤外分光測定により得られたピークから確認することができる。酸化膜が形成されているSi系活物質では、3100cm-1~3500cm-1にブロードなピークが確認される。一方、酸化膜が除去されたSi系活物質では、上記ブロードなピークは確認されない。 The presence or absence of an oxide film can be confirmed, for example, from peaks obtained by infrared spectroscopy. A broad peak is confirmed at 3100 cm −1 to 3500 cm −1 in the Si-based active material on which an oxide film is formed. On the other hand, the above broad peak is not observed in the Si-based active material from which the oxide film has been removed.

また、本開示により製造される負極活物質は、上述した熱処理を加えても結晶性が維持されている。結晶性は、例えばX線回折測定により得られる(220)面の2θ=47.2付近のピークの半値幅によって確認することができる。また、結晶性は、例えば赤外分光測定により得られる、Si-O骨格に由来する1200~1000cm-1付近のピークの変化によって確認することができる。 In addition, the negative electrode active material produced according to the present disclosure maintains its crystallinity even after the heat treatment described above. The crystallinity can be confirmed, for example, by the half width of the peak near 2θ=47.2 of the (220) plane obtained by X-ray diffraction measurement. Also, the crystallinity can be confirmed by a change in the peak around 1200 to 1000 cm −1 derived from the Si—O skeleton obtained by infrared spectroscopy, for example.

上記のように本開示における負極活物質は、酸化膜が除去されているため、放電容量が良好である。また、本開示における負極活物質は、熱処理を行ってもシリコンの結晶性が維持されている。そのため、後述する全固体電池に用いた場合、レート性能を向上させることができる。 As described above, the negative electrode active material according to the present disclosure has a good discharge capacity because the oxide film is removed. In addition, the negative electrode active material in the present disclosure maintains the crystallinity of silicon even after heat treatment. Therefore, when used in an all-solid-state battery described later, the rate performance can be improved.

また、本開示においては、全固体電池に用いられる負極活物質の製造方法であって、表面に酸化膜を有するSi系活物質に、減圧雰囲気下で、150℃以上600℃以下1時間以上24時間以下の熱処理を行い、前記酸化膜を除去する熱処理工程を有する、負極活物質の製造方法を提供することもできる。減圧雰囲気は、例えば真空雰囲気であることが好ましい。真空雰囲気は、例えば、100Pa以下であることが好ましい。また、熱処理温度は、例えば200℃以上300℃以下であることが好ましい。 Further, in the present disclosure, in a method for manufacturing a negative electrode active material used in an all-solid-state battery, a Si-based active material having an oxide film on its surface is heated at 150° C. or higher and 600° C. or lower in a reduced pressure atmosphere for 1 hour or longer24. It is also possible to provide a method for producing a negative electrode active material, which includes a heat treatment step of removing the oxide film by performing a heat treatment for less than one hour. The reduced-pressure atmosphere is preferably, for example, a vacuum atmosphere. The vacuum atmosphere is preferably 100 Pa or less, for example. Moreover, the heat treatment temperature is preferably 200° C. or higher and 300° C. or lower, for example.

また、本開示においては、全固体電池に用いられる負極活物質の製造方法であって、表面に酸化膜を有するSi系活物質に、不活性ガス雰囲気下で、150℃以上600℃以下1時間以上24時間以下の熱処理を行い、前記酸化膜を除去する熱処理工程を有する、負極活物質の製造方法を提供することもできる。不活性ガス雰囲気としては、例えばArガス雰囲気、Nガス雰囲気、Hガス雰囲気が挙げられる。熱処理温度は、例えば200℃以上300℃以下であることが好ましい。 Further, in the present disclosure, in a method for producing a negative electrode active material used in an all-solid-state battery, a Si-based active material having an oxide film on its surface is heated at 150 ° C. or higher and 600 ° C. or lower for 1 hour in an inert gas atmosphere. It is also possible to provide a method for producing a negative electrode active material, which includes a heat treatment step of performing heat treatment for 24 hours or less and removing the oxide film. Examples of the inert gas atmosphere include an Ar gas atmosphere, an N2 gas atmosphere, and an H2 gas atmosphere. The heat treatment temperature is preferably 200° C. or higher and 300° C. or lower, for example.

3.全固体電池
本開示における負極活物質は、全固体電池に用いられる。全固体電池は、通常、正極活物質層と、負極活物質層と、正極活物質および負極活物質層の間に形成された固体電解質層とを有する。本開示においては、全固体電池がリチウム電池であることが好ましい。また、リチウム電池としては、正極活物質層および固体電解質層の少なくともいずれか一方が硫化物固体電解質を含有することが好ましい。
3. All-solid-state battery The negative electrode active material in the present disclosure is used in an all-solid-state battery. An all-solid-state battery usually has a positive electrode active material layer, a negative electrode active material layer, and a solid electrolyte layer formed between the positive electrode active material and the negative electrode active material layer. In the present disclosure, the all-solid-state battery is preferably a lithium battery. Moreover, as a lithium battery, at least one of the positive electrode active material layer and the solid electrolyte layer preferably contains a sulfide solid electrolyte.

硫化物固体電解質としては、例えば、Li元素、X元素(Xは、P、Si、Ge、Sn、B、Al、Ga、Inの少なくとも一種である)、および、S元素を含有する固体電解質が挙げられる。また、硫化物固体電解質は、O元素およびハロゲン元素の少なくとも一方をさらに含有していてもよい。硫化物固体電解質としては、例えば、LiS-P、LiS-P-LiPO、LiI-P-LiPO、LiI-LiS-B、LiS-P-LiI、LiS-P-LiI-LiBr、LiS-P-LiO、LiS-P-LiO-LiI、LiS-P、LiI-LiS-P、LiS-SiS、LiS-SiS-LiI、LiS-SiS-LiI-LiBr、LiS-SiS-LiBr、LiS-SiS-LiCl、LiS-SiS-B-LiI、LiS-SiS-P-LiI、LiS-B、LiS-P-Z(ただし、m、nは正の数。Zは、Ge、Zn、Gaのいずれか。)、LiS-GeS、LiS-SiS-LiPO、LiS-SiS-LiMO(ただし、x、yは正の数。Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれか。)が挙げられる。 Examples of sulfide solid electrolytes include solid electrolytes containing Li element, X element (X is at least one of P, Si, Ge, Sn, B, Al, Ga, and In), and S element. mentioned. Moreover, the sulfide solid electrolyte may further contain at least one of the O element and the halogen element. Examples of sulfide solid electrolytes include Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 SP 2 S 5 -Li 3 PO 4 , LiI-P 2 S 5 -Li 3 PO 4 , LiI-Li 2 S- B2S3 , Li2SP2S5 - LiI , Li2SP2S5 - LiI - LiBr , Li2SP2S5 - Li2O , Li2SP2S5 —Li 2 O—LiI, Li 2 SP 2 O 5 , LiI—Li 2 SP 2 O 5 , Li 2 S—SiS 2 , Li 2 S—SiS 2 —LiI, Li 2 S—SiS 2 — LiI—LiBr, Li 2 S—SiS 2 —LiBr, Li 2 S—SiS 2 —LiCl, Li 2 S—SiS 2 —B 2 S 3 —LiI, Li 2 S—SiS 2 —P 2 S 5 —LiI, Li 2 S—B 2 S 3 , Li 2 SP 2 S 5 —Z m S n (where m and n are positive numbers and Z is one of Ge, Zn and Ga), Li 2 S —GeS 2 , Li 2 S—SiS 2 —Li 3 PO 4 , Li 2 S—SiS 2 —Li x MO y (where x and y are positive numbers, M is P, Si, Ge, B, Al , Ga, or In.).

硫化物固体電解質は、ガラスであってもよく、ガラスセラミックスであってもよく、結晶であってもよい。硫化物固体電解質に含まれる結晶相としては、例えば、チオリシコン型結晶相、LGPS型結晶相およびアルジロダイト型結晶相が挙げられる。 The sulfide solid electrolyte may be glass, glass ceramics, or crystal. Crystal phases contained in sulfide solid electrolytes include, for example, thiolysicone-type crystal phases, LGPS-type crystal phases, and aldirodite-type crystal phases.

なお、本開示は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本開示の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本開示の技術的範囲に包含される。 Note that the present disclosure is not limited to the above embodiments. The above embodiment is an example, and any device that has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present disclosure and achieves the same effect is the present invention. It is included in the technical scope of the disclosure.

[実施例1]
(負極活物質の作製)
Si粉末(D50=8μm)をチャンバー内に添加し、水素ガス(住友精化製、ZERO-U(6N))を0.25L/minの流量で導入した。次に、チャンバーを3℃/minで600℃まで昇温させた。600℃到達後、24時間保持して熱処理を行った。これにより、負極活物質を作製した。
[Example 1]
(Preparation of negative electrode active material)
Si powder (D 50 =8 μm) was added into the chamber, and hydrogen gas (ZERO-U (6N) manufactured by Sumitomo Seika Chemicals) was introduced at a flow rate of 0.25 L/min. The chamber was then heated to 600°C at 3°C/min. After reaching 600° C., heat treatment was performed by holding for 24 hours. Thus, a negative electrode active material was produced.

(評価セルの作製)
作製した負極活物質と、硫化物固体電解質と、PVdF系バインダーの5重量%酪酸ブチル溶液と、導電助剤(VGCF)とを、負極活物質:固体電解質:バインダー:導電助剤=55.0:40.0:0.6:4.4の重量比となるように秤量し、酪酸ブチル溶液と混合して負極スラリーを調製した。負極スラリーを負極集電体(Cu箔)に塗布して乾燥させて、負極集電体上に負極活物質層が形成された負極を作製した。なお、硫化物固体電解質としては、IおよびBr等のハロゲンを含む、P 4-構造、PS 3-構造、およびP 4-構造を有する硫化物固体電解質を用いた。また、固体電解質の25℃におけるイオン伝導度は4.5×10-3S/cmであった。
(Preparation of evaluation cell)
The prepared negative electrode active material, a sulfide solid electrolyte, a 5% by weight solution of PVdF-based binder in butyl butyrate, and a conductive aid (VGCF) were combined into a negative electrode active material: solid electrolyte: binder: conductive aid = 55.0. :40.0:0.6:4.4, and mixed with a butyl butyrate solution to prepare a negative electrode slurry. The negative electrode slurry was applied to a negative electrode current collector (Cu foil) and dried to prepare a negative electrode in which a negative electrode active material layer was formed on the negative electrode current collector. As the sulfide solid electrolyte, sulfide solid electrolytes containing halogen such as I and Br and having a P 2 S 4 - structure, a PS 4 3- structure, and a P 2 S 6 4- structure were used. The ionic conductivity of the solid electrolyte at 25° C. was 4.5×10 −3 S/cm.

正極活物質(LiNi1/3Co1/3Mn1/3)と、硫化物固体電解質と、PVdF系バインダーの5重量%酪酸ブチル溶液と、導電助剤(VGCF)とを、正極活物質:固体電解質:バインダー:導電助剤=84.7:12.6:0.6:2.1の重量比となるように秤量し、酪酸ブチル溶液と混合して正極スラリーを調製した。正極スラリーを正極集電体(Al箔)に塗布して乾燥させて、正極集電体上に正極活物質層が形成された正極を作製した。硫化物固体電解質は上記と同様である。 A positive electrode active material (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ), a sulfide solid electrolyte, a 5% by weight solution of a PVdF-based binder in butyl butyrate, and a conductive agent (VGCF) were mixed into a positive electrode active material. Materials:solid electrolyte:binder:conduction aid=84.7:12.6:0.6:2.1 weight ratio, and mixed with butyl butyrate solution to prepare positive electrode slurry. The positive electrode slurry was applied to a positive electrode current collector (Al foil) and dried to prepare a positive electrode in which a positive electrode active material layer was formed on the positive electrode current collector. The sulfide solid electrolyte is the same as above.

正極の正極活物質層と負極の負極活物質層とを、固体電解質:バインダー=99.4:0.6の重量比で含有する固体電解質層を介して対向させて、5tom/cmの線圧でプレスして評価セルを作製した。 The positive electrode active material layer of the positive electrode and the negative electrode active material layer of the negative electrode were opposed to each other via a solid electrolyte layer containing a solid electrolyte:binder at a weight ratio of 99.4:0.6, and a linear pressure of 5 tom / cm was applied. was pressed to prepare an evaluation cell.

[実施例2]
負極活物質の作製において、処理温度を200℃に変更したこと以外は、実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
[Example 2]
An all-solid battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the processing temperature was changed to 200° C. in the production of the negative electrode active material.

[実施例3]
負極活物質の作製において、処理温度を400℃に変更したこと以外は、実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
[Example 3]
An all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the processing temperature was changed to 400° C. in the production of the negative electrode active material.

[比較例1]
負極活物質の作製において、熱処理を行わなかったこと以外は、実施例1と同様にして評価セルを作製した。
[Comparative Example 1]
An evaluation cell was produced in the same manner as in Example 1, except that heat treatment was not performed in the production of the negative electrode active material.

[比較例2]
負極活物質の作製において、処理温度を1200℃に変更したこと以外は、実施例1と同様にして全固体電池を作製した。
[Comparative Example 2]
An all-solid-state battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the treatment temperature was changed to 1200° C. in the production of the negative electrode active material.

[参考例]
Si粉末に対して、真空乾燥下で250℃で3時間の熱処理を加えて負極活物質を作製し、実施例1と同様にして評価セルを作製した。
[Reference example]
The Si powder was subjected to heat treatment at 250° C. for 3 hours under vacuum drying to prepare a negative electrode active material, and an evaluation cell was prepared in the same manner as in Example 1.

[評価]
(赤外分光測定およびX線回折測定)
実施例1、比較例1、2および参考例で作製した負極活物質について、赤外分光測定を行った。また、実施例1および比較例1、2で作製した負極活物質についてはX線回折(XRD)測定も行った。これにより酸化膜の除去および結晶性について評価した。結果を図2~図4に示した。
[evaluation]
(Infrared spectroscopic measurement and X-ray diffraction measurement)
Infrared spectroscopy was performed on the negative electrode active materials produced in Example 1, Comparative Examples 1 and 2, and Reference Example. In addition, X-ray diffraction (XRD) measurement was also performed for the negative electrode active materials produced in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. This was used to evaluate removal of the oxide film and crystallinity. The results are shown in FIGS. 2-4.

図2に示したように、実施例1および参考例では、比較例1で確認された3100cm-1~3500cm-1のブロードなピークが消滅していた。これにより、実施例1および参考例の負極活物質では酸化膜が除去されていることが確認された。 As shown in FIG. 2, in Example 1 and Reference Example, the broad peak at 3100 cm −1 to 3500 cm −1 confirmed in Comparative Example 1 disappeared. As a result, it was confirmed that the oxide film was removed from the negative electrode active materials of Example 1 and Reference Example.

図3に示したように、比較例1(未処理)と実施例1(600℃)では、Si-O骨格に由来する1200~1000cm-1のピークが同様に得られたが、比較例2(1200℃)では、上記ピークに変化が見られた。また、図4に示したように、2θ=47.2~47.4にかけてみられるピークが、比較例1(未処理)と実施例1(600℃)では同様であったが、比較例2(1200℃)ではシャープになっていた。つまり、比較例2では比較例1および実施例1とくらべて半値幅が狭くなっていた。このことから、本開示における負極活物質の製造方法では、得られる負極活物質の結晶性に影響を及ぼさないことが確認された。 As shown in FIG. 3, in Comparative Example 1 (untreated) and Example 1 (600 ° C.), a peak of 1200 to 1000 cm derived from the Si—O skeleton was similarly obtained, but Comparative Example 2 (1200° C.), a change was observed in the above peak. Further, as shown in FIG. 4, the peaks seen over 2θ=47.2 to 47.4 were similar between Comparative Example 1 (untreated) and Example 1 (600° C.), but Comparative Example 2 (1200° C.) was sharp. That is, in Comparative Example 2, the half width was narrower than in Comparative Example 1 and Example 1. From this, it was confirmed that the method for producing a negative electrode active material according to the present disclosure does not affect the crystallinity of the obtained negative electrode active material.

(電池性能評価)
実施例1~3、比較例1、2および参考例で作製した各評価セルに対してレート性能を評価した。具体的には以下のようにして評価した。まず、25℃において、0.02Cの定電流で上限電圧4.0Vまで充電した後、0.02Cの定電流で下限電圧2.5Vまで放電し、初期放電容量を評価した。次いで、2.0Cの定電流でそれぞれ充放電して放電容量を測定した。2Cの放電容量を0.2Cの放電容量で除した値(2C/0.2C)で電池のレート性能を評価した。結果を図5に示した。また、実施例1~3および比較例1、2で作製した各評価セルに対してインピーダンス測定を行い、Liイオン伝導度を評価した。結果を図6に示した。
(Battery performance evaluation)
Rate performance was evaluated for each evaluation cell produced in Examples 1 to 3, Comparative Examples 1 and 2, and Reference Example. Specifically, it was evaluated as follows. First, at 25° C., the battery was charged at a constant current of 0.02 C to an upper limit voltage of 4.0 V, then discharged at a constant current of 0.02 C to a lower limit voltage of 2.5 V, and the initial discharge capacity was evaluated. Then, each battery was charged and discharged at a constant current of 2.0 C, and the discharge capacity was measured. The rate performance of the battery was evaluated by dividing the discharge capacity at 2C by the discharge capacity at 0.2C (2C/0.2C). The results are shown in FIG. In addition, impedance measurement was performed on each evaluation cell produced in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 to evaluate the Li ion conductivity. The results are shown in FIG.

図5に示したように、実施例1~3および参考例の電池では、比較例1、2の電池に比べてレート性能が向上していることが確認された。
また、図6に示したように、実施例1の電池は比較例1と同等のイオン伝導度を示すことが確認された。また、実施例2、3の電池は、比較例1および2に比べて良好なイオン伝導度を示すことが確認された。
As shown in FIG. 5, it was confirmed that the batteries of Examples 1 to 3 and Reference Example had improved rate performance compared to the batteries of Comparative Examples 1 and 2.
Moreover, as shown in FIG. 6, it was confirmed that the battery of Example 1 exhibited ion conductivity equivalent to that of Comparative Example 1. Also, it was confirmed that the batteries of Examples 2 and 3 exhibit better ionic conductivity than those of Comparative Examples 1 and 2.

Claims (1)

全固体電池に用いられる負極活物質の製造方法であって、
表面に酸化膜を有するSi系活物質に、水素ガス含有雰囲気下で、150℃以上600℃以下1時間以上24時間以下の熱処理を行い、前記酸化膜を除去する熱処理工程を有し、
前記Si系活物質は、Si単体であり、
前記水素ガス含有雰囲気は、水素ガスのみの雰囲気である、負極活物質の製造方法。
A method for producing a negative electrode active material used in an all-solid-state battery,
a heat treatment step of subjecting a Si-based active material having an oxide film on its surface to a heat treatment at 150° C. or higher and 600° C. or lower for 1 hour or more and 24 hours or less in an atmosphere containing hydrogen gas to remove the oxide film ;
The Si-based active material is Si simple substance,
The method for producing a negative electrode active material , wherein the atmosphere containing hydrogen gas is an atmosphere containing only hydrogen gas .
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