JP7388330B2 - Composite materials and lithium-ion secondary batteries - Google Patents
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Description
本発明は、複合材料、例えば、リチウムイオン二次電池の負極に用いられる複合材料と、リチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a composite material, for example, a composite material used for a negative electrode of a lithium ion secondary battery, and a lithium ion secondary battery.
現在、リチウムイオン二次電池は、携帯電話、ノートパソコンおよびデジタルカメラなどの携帯電子機器や、電気自動車などに広く用いられている。そのようなリチウムイオン二次電池の負極材料として、高い容量を有するケイ素系材料を用いる研究が進められている。 Currently, lithium ion secondary batteries are widely used in portable electronic devices such as mobile phones, notebook computers, and digital cameras, electric vehicles, and the like. Research is underway to use silicon-based materials with high capacity as negative electrode materials for such lithium ion secondary batteries.
特許文献1には、ケイ素にボロン、リン、窒素、アンチモン、砒素、アルミニウム、ガリウム又はインジウムの一種又は複数種がドープされ、ウェハーもしくはインゴットでの抵抗値が10Ωcm以下であるケイ素材料の粉末粒子の表面を、結晶性成分を多く含む炭素でコーティングした比抵抗の小さいケイ素の導電性物質被覆物が開示されている。このケイ素の導電性物質被覆物をリチウムイオン二次電池の負極活物質として用いることにより、良好なサイクル特性が得られると特許文献1には記載されている。
特許文献2には、リチウムイオンを吸蔵及び放出することが可能なケイ素系活物質粒子に、加熱装置内において窒素源を供給しながら加熱することで、ケイ素系活物質粒子に窒素を含有させる窒素導入工程を有し、窒素導入工程において、ケイ素系活物質粒子における窒素含有量を100ppm以上50,000ppm以下の範囲に制御し、かつ、窒素源と共に炭素源を加熱装置内に通気することで、ケイ素系活物質粒子の表面に炭素被膜を形成するリチウムイオン二次電池用負極材の製造方法が開示されている。この製造方法によれば、ケイ素系活物質粒子における窒素含有量の制御と同時に、ケイ素系活物質粒子表面に導電性を有する炭素被膜を形成でき、簡便に高容量でサイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池用負極材を得ることができるとされている。
特許文献3には、ホウ素を含む炭素材料と、 ケイ素と酸化ケイ素のうちの少なくとも一方を含むが、ホウ素を含まないケイ素材料とを含む負極活物質が開示されている。この負極活物質によれば、ケイ素または酸化ケイ素の有する高い放電容量密度を損なうことなく、サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池を実現できると特許文献3には記載されている。 Patent Document 3 discloses a negative electrode active material including a carbon material containing boron and a silicon material containing at least one of silicon and silicon oxide but not containing boron. Patent Document 3 describes that this negative electrode active material makes it possible to realize a lithium ion secondary battery with excellent cycle characteristics without impairing the high discharge capacity density of silicon or silicon oxide.
しかしながら、特許文献1に記載のケイ素の導電性物質被覆物、特許文献2に記載のリチウムイオン二次電池用負極材、および、特許文献3に記載の負極活物質は、後述するように、いずれも電子伝導性が低い。
However, as described later, the silicon conductive material coating described in
特許文献1に記載のケイ素の導電性物質被覆物では、ケイ素の電子伝導性を向上させるため、主に第13族(B、Al、GaおよびIn)と、第15族(N、P、AsおよびSb)の元素ドープを行っている。例えば、第13族の代表的なドープ元素であるBは、第14族元素である炭素原子よりも電子の数が1つ少ない。そのため、六角網面中の炭素原子を置換した置換型固溶体の場合、Bは正孔として振る舞うため、電子伝導性が向上する。一方、第15族の代表的なドープ元素であるNは、炭素原子よりも電子の数が1つ多く、ドナーとして振る舞うため、電子伝導性が向上する。このように、ケイ素に第13族および第15族の元素がドープされている場合、正孔として振る舞う元素と、ドナーとして振る舞う元素が含まれることにより、電子伝導性を向上させる効果が相殺される懸念がある。
The silicon conductive material coating described in
また、特許文献1に記載のケイ素の導電性物質被覆物では、シリコン単結晶成長中にドープを行っている。具体的には、金属シリコンの精製時に、酸素ガスの吹き込みと同時に上記ドープ元素からなる塩を添加している。この場合、それぞれの金属イオンと塩を形成する物質は、不純物として残存するため、電子伝導性が低下する。
Furthermore, in the silicon conductive material coating described in
また、特許文献1に記載のケイ素の導電性物質被覆物では、シリコン単結晶の成長を行う方法として、磁界引上げ法、チョクラルスキー法、浮遊帯域溶融法などが挙げられているが、これらの方法は一般的に高温下で行われる。その場合、ドープされるB、P、Nなどは容易に酸化されてしまうため、実際にドープされる量は少なくなると思われる。
In addition, in the silicon conductive material coating described in
さらに、特許文献1に記載のケイ素の導電性物質被覆物では、炭素源を脂肪族、脂環式炭化水素および芳香族炭化水素として、熱化学蒸着法によって炭素のコーティングを行っている。このときの最適な温度範囲として、1000~1400℃が好ましいと記載されている。しかしながら、そのような高温では、母粒子であるケイ素の熱酸化は回避できず、ケイ素がSiO2に至るまで酸化された場合、電子伝導性は非常に低下する。
Furthermore, in the silicon conductive material coating described in
特許文献2に記載のリチウムイオン二次電池用負極材では、ケイ素系活物質粒子に、加熱装置内において窒素源を供給しながら1000℃で加熱することで、ケイ素系活物質粒子に窒素を含有させている。しかしながら、そのような高温での加熱を行うと、母粒子であるケイ素の熱酸化は回避できず、ケイ素がSiO2に至るまで酸化された場合、電子伝導性は非常に低下する。
In the negative electrode material for lithium ion secondary batteries described in
また、特許文献2に記載のリチウムイオン二次電池用負極材では、熱化学蒸着法により、ケイ素系活物質粒子の表面に炭素被膜を形成しており、そのときの温度は900~1100℃が望ましいとされている。しかしながら、そのような高温下では、上述したように、母粒子であるケイ素の熱酸化は回避できず、電子伝導性は低下する。
Furthermore, in the negative electrode material for lithium ion secondary batteries described in
特許文献3に記載の負極活物質では、炭素材料がホウ素と窒素の両方を含んでいるため、特許文献1に記載のケイ素の導電性物質被覆物と同様に、電子伝導性を向上させる効果が相殺される懸念がある。
In the negative electrode active material described in Patent Document 3, since the carbon material contains both boron and nitrogen, it has the same effect of improving electronic conductivity as the silicon conductive material coating described in
ここで、特許文献3には、石油コークス粉末をアルゴン雰囲気下、2800℃で1時間加熱することで、炭素材料を作製することが記載されている。そのような非常に高い温度で熱処理を行うと、熱処理で消失する非晶質部位は飛散痕として残存し、微細孔として炭素材料中に存在する。高温の熱処理によって得られた炭素材料の電子伝導性は向上するが、その代わりに比表面積が非常に大きくなる。 Here, Patent Document 3 describes that a carbon material is produced by heating petroleum coke powder at 2800° C. for 1 hour in an argon atmosphere. When heat treatment is performed at such a very high temperature, the amorphous portions that disappear during the heat treatment remain as scattering marks and exist in the carbon material as micropores. Although the electronic conductivity of the carbon material obtained by high-temperature heat treatment improves, the specific surface area becomes extremely large.
負極活物質の比表面積が大きくなると、特開平9-199126号広報に記載されているように、電解液との副反応などの望ましくない反応が起こる起点が多くなり、電解液と電極との界面に生成されるSEI(固体電解質界面:Solid Electrolyte Interface)被膜が過剰に形成されることが知られている。SEI被膜が過剰に形成されると、電池の不可逆容量の増加や放電容量の低下などが生じる。 As the specific surface area of the negative electrode active material increases, as described in JP-A-9-199126, there are more starting points for undesirable reactions such as side reactions with the electrolyte, and the interface between the electrolyte and the electrode increases. It is known that an excessive SEI (Solid Electrolyte Interface) film is formed. When the SEI film is excessively formed, the irreversible capacity of the battery increases and the discharge capacity decreases.
本発明は、上記課題を解決するものであり、電子伝導性が高く、比表面積が小さい複合材料、および、そのような複合材料を含む負極を備えたリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。 The present invention solves the above problems, and aims to provide a composite material with high electronic conductivity and a small specific surface area, and a lithium ion secondary battery equipped with a negative electrode containing such a composite material. shall be.
本発明の複合材料は、
酸化ケイ素と、
前記酸化ケイ素を被覆する炭素質材料と、
を備え、
前記炭素質材料には、窒素がドープされていることを特徴とする。
The composite material of the present invention is
silicon oxide,
a carbonaceous material covering the silicon oxide;
Equipped with
The carbonaceous material is characterized in that it is doped with nitrogen.
本発明のリチウムイオン二次電池は、正極、負極、および、電解質を備え、前記負極は、上述した複合材料を含むことを特徴とする。 The lithium ion secondary battery of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte, and the negative electrode includes the above-mentioned composite material.
本発明の複合材料は、酸化ケイ素と、酸化ケイ素を被覆する炭素質材料とを備え、炭素質材料には、窒素がドープされている構造を有することにより、電子伝導性が高く、比表面積が小さい特性を有する。 The composite material of the present invention includes silicon oxide and a carbonaceous material covering the silicon oxide, and the carbonaceous material has a structure in which nitrogen is doped, so that it has high electronic conductivity and a specific surface area. It has small characteristics.
本発明のリチウムイオン二次電池は、負極が上述した複合材料を含むので、放電容量が向上し、それにより充放電効率も向上する。 In the lithium ion secondary battery of the present invention, since the negative electrode includes the above-mentioned composite material, the discharge capacity is improved, and thereby the charging and discharging efficiency is also improved.
以下に本発明の実施形態を示して、本発明の特徴を具体的に説明する。 Embodiments of the present invention will be shown below, and features of the present invention will be specifically explained.
図1は、本発明の複合材料10の構成を模式的に示す断面図である。本発明の複合材料10は、酸化ケイ素1と、酸化ケイ素1を被覆する炭素質材料2とを備える。炭素質材料2には、窒素がドープされている。すなわち、本発明の複合材料10は、酸化ケイ素1と、酸化ケイ素1を被覆する炭素質材料2とを備え、炭素質材料2には、窒素がドープされているという要件(以下、本発明の要件と呼ぶ)を満たす。後述するように、炭素質材料2に窒素がドープされていることにより、高温での熱処理を行うことなく、体積抵抗率を低下させることができる。また、ドープされた窒素が炭素質材料2の細孔を閉塞させることにより、比表面積の増加を抑制することができる。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a
本発明の複合材料10は、例えば、リチウムイオン二次電池の負極材料として用いられる。本発明の複合材料10を負極材料として用いたリチウムイオン二次電池は、後述するように放電容量が向上する。
The
ここで、本発明において、「窒素がドープされている」とは、X線光電子分光法(XPS)によって炭素質材料2の表面を分析したときに、深さ数nmの表面分析(Nlsスペクトル)において、Nが検出されることを意味する。
Here, in the present invention, "doped with nitrogen" means that when the surface of the
なお、Nの結合状態や置換位置の差異による化学シフトが生じ、これを評価することによって、Nが骨格中のどの位置のCと置換されたのかの同定や定量的な分離が可能である。図2に、窒素がドープされた炭素質材料の様々な置換型の種類を示す。図2に示す様々な置換型のうち、ピリジンライク(Pyridine)な置換型は、電子伝導性の向上に効果的とされている。なお、ピリジンライクな置換型とは、図2に示すように、Nが六員環構造中のC2個と結合する置換型である。 Note that chemical shifts occur due to differences in the bonding state and substitution position of N, and by evaluating this, it is possible to identify and quantitatively separate the position in the skeleton at which N is substituted with C. FIG. 2 shows various substitution types of nitrogen-doped carbonaceous materials. Among the various substitution types shown in FIG. 2, the pyridine-like substitution type is said to be effective in improving electronic conductivity. The pyridine-like substituted type is a substituted type in which N is bonded to C2 in a six-membered ring structure, as shown in FIG.
<実施例1>
(操作A1)
純水に、スクロース(キシダ化学株式会社)とジシアンジアミド(富士フィルム 和光純薬株式会社)を混ぜて、マグネットスターラーで撹拌することで溶解させて、スクロース0.5Mとジシアンジアミド0.25とが溶解した100mLの水溶液を作製した。
<Example 1>
(Operation A1)
Sucrose (Kishida Chemical Co., Ltd.) and dicyandiamide (Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were mixed in pure water and dissolved by stirring with a magnetic stirrer, so that 0.5M of sucrose and 0.25M of dicyandiamide were dissolved. A 100 mL aqueous solution was prepared.
(操作A2)
操作A1で作製した水溶液に、酸化ケイ素(5μm)10gを添加し、デジタル超音波洗浄器を用いて分散処理を8分間行うことによって、酸化ケイ素分散液を作製した。
(Operation A2)
A silicon oxide dispersion was prepared by adding 10 g of silicon oxide (5 μm) to the aqueous solution prepared in Operation A1 and performing a dispersion treatment for 8 minutes using a digital ultrasonic cleaner.
(操作A3)
操作A2で作製した酸化ケイ素分散液を反応容器「オートクレーブユニット」に添加し、最高温度200℃、保持時間5時間の条件で、撹拌羽を用いて300rpmの速度で撹拌しながら、密閉下で水熱反応させた。
(Operation A3)
The silicon oxide dispersion prepared in Step A2 was added to the reaction vessel "autoclave unit", and water was poured under airtight conditions at a maximum temperature of 200°C and a holding time of 5 hours, while stirring at a speed of 300 rpm using a stirring blade. caused a thermal reaction.
(操作A4)
オートクレーブユニットの冷却後、ユニット内のスラリーをディスポカップに添加した。続いて、スラリーを、ろ別にて、合成された複合材料と水溶液とに分離した。具体的には、純粋50mLで6回、ろ液が透明になるまで複合材料を洗浄した後、さらに、エタノール50mLで6回、ろ液が透明になるまで洗浄を行った。そして、スパチュラなどを用いて、ろ紙上に残された複合材料を回収した。続いて、回収した複合材料を、定温乾燥器を用いて、50℃、3時間、大気下の条件で乾燥させた。
(Operation A4)
After cooling the autoclave unit, the slurry inside the unit was added to a disposable cup. Subsequently, the slurry was separated into the synthesized composite material and the aqueous solution by filtration. Specifically, the composite material was washed six times with 50 mL of pure water until the filtrate became transparent, and then washed six times with 50 mL of ethanol until the filtrate became transparent. Then, the composite material left on the filter paper was collected using a spatula or the like. Subsequently, the recovered composite material was dried at 50° C. for 3 hours under atmospheric conditions using a constant temperature dryer.
(操作A5)
操作A4の工程を経て得られた複合材料を、メノウ乳鉢で解砕した。
(Operation A5)
The composite material obtained through the process of Operation A4 was crushed in an agate mortar.
(操作A6)
操作A5の工程を経て得られた複合材料の粉体に対して、集束イオンビーム加工し、FE-TEM/EDX(日本電子株式会社製の多機能電子顕微鏡「JEM-F200」、株式会社日立ハイテク製のエネルギー分散型X線分析装置「NORAN SYSTEM7」)を用いて、STEM-EDXマッピング分析を行った。STEM-EDXによる明視野像を図3(a)に、STEM-EDXによるCの元素マッピング像を図3(b)に示す。
(Operation A6)
The composite material powder obtained through the process of step A5 was subjected to focused ion beam processing using FE-TEM/EDX (multifunctional electron microscope "JEM-F200" manufactured by JEOL Ltd., Hitachi High-Technology Corporation). STEM-EDX mapping analysis was performed using an energy-dispersive A bright field image obtained by STEM-EDX is shown in FIG. 3(a), and a C elemental mapping image obtained by STEM-EDX is shown in FIG. 3(b).
図3(a)、(b)に示すように、実施例1の複合材料は、炭素質材料が酸化ケイ素を被覆した構造を有する。図3(a)に示す例では、酸化ケイ素を被覆している炭素質材料の厚みが20nm以上123nm以下である。 As shown in FIGS. 3(a) and 3(b), the composite material of Example 1 has a structure in which a carbonaceous material coats silicon oxide. In the example shown in FIG. 3(a), the thickness of the carbonaceous material covering silicon oxide is 20 nm or more and 123 nm or less.
(操作A7)
操作A5の工程を得て得られた複合材料の粉体に対して、マイクロトラック・ベル社製の比表面積測定装置「BELSORP MR6」を用いて、BET1点法により、比表面積の測定を行った。
(Operation A7)
The specific surface area of the composite material powder obtained in step A5 was measured by the BET 1-point method using a specific surface area measuring device "BELSORP MR6" manufactured by Microtrac Bell Co., Ltd. .
(操作A8)
操作A5の工程を得て得られた複合材料の粉体をプレスし、その表面に対して、アルバック・ファイ社製のXPS(X線光電子分光分析)装置「VersaProbe」を用いて、ワイドスキャンスペクトル測定から定性・半定量分析を行った。測定領域は、直径100μmの円内であり、分析深さは、数nmである。
(Operation A8)
The composite material powder obtained in step A5 is pressed, and a wide scan spectrum is measured on its surface using an XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) device "VersaProbe" manufactured by ULVAC-PHI. Qualitative and semi-quantitative analyzes were performed from the measurements. The measurement area is within a circle with a diameter of 100 μm, and the analysis depth is several nm.
(操作A9)
操作A5の工程を得て得られた複合材料の粉体に対して、三菱ケミカルアナリテック社製の粉体抵抗測定システム「MCP-PD51」を用いて、荷重印加時の粉体の体積抵抗率とかさ密度を測定した。
(Operation A9)
The volume resistivity of the powder when a load is applied was measured using a powder resistance measurement system "MCP-PD51" manufactured by Mitsubishi Chemical Analytech Co., Ltd. for the composite material powder obtained in step A5. The comb density was measured.
<実施例2>
実施例1の操作A5を得て得られた粉体をアルミナるつぼに添加し、焼成炉で熱処理した。熱処理条件は、最高温度400℃、保持時間は1時間、昇温速度は8℃/分とし、窒素(N2)ガス5L/分を常時流通させる雰囲気で熱処理を行うことによって、実施例2の複合材料を作製した。また、作製した複合材料について、上述した操作A7、操作A8、および、操作A9の処理を行った。
<Example 2>
The powder obtained in Operation A5 of Example 1 was added to an alumina crucible and heat-treated in a firing furnace. The heat treatment conditions were as follows: the maximum temperature was 400°C, the holding time was 1 hour, the temperature increase rate was 8°C/min, and the heat treatment was performed in an atmosphere in which nitrogen (N 2 ) gas was constantly flowing at 5 L/min. A composite material was created. Further, the produced composite material was subjected to the above-mentioned operations A7, A8, and A9.
<実施例3>
実施例2の熱処理条件における最高温度を800℃とした以外は、実施例2の複合材料を作製する方法と同様の方法により、実施例3の複合材料を作製した。また、作製した複合材料について、上述した操作A7、操作A8、および、操作A9の処理を行った。
<Example 3>
The composite material of Example 3 was produced in the same manner as the method of producing the composite material of Example 2, except that the maximum temperature under the heat treatment conditions of Example 2 was 800°C. Further, the produced composite material was subjected to the above-mentioned operations A7, A8, and A9.
<実施例4>
実施例2の熱処理条件における最高温度を500℃とした以外は、実施例2の複合材料を作製する方法と同様の方法により、実施例4の複合材料を作製した。また、作製した複合材料について、上述した操作A7、操作A8、および、操作A9の処理を行った。
<Example 4>
The composite material of Example 4 was produced in the same manner as the method of producing the composite material of Example 2, except that the maximum temperature under the heat treatment conditions of Example 2 was 500°C. Further, the produced composite material was subjected to the above-mentioned operations A7, A8, and A9.
<実施例5>
実施例2の熱処理条件における最高温度を600℃とした以外は、実施例2の複合材料を作製する方法と同様の方法により、実施例5の複合材料を作製した。また、作製した複合材料について、上述した操作A6、操作A7、操作A8、および、操作A9の処理を行った。実施例5の複合材料のSTEM-EDXによる明視野像を図4(a)に、STEM-EDXによるCの元素マッピング像を図4(b)に示す。
<Example 5>
The composite material of Example 5 was produced in the same manner as the method of producing the composite material of Example 2, except that the maximum temperature under the heat treatment conditions of Example 2 was 600°C. Further, the produced composite material was subjected to the above-described operations A6, A7, A8, and A9. A bright field image of the composite material of Example 5 by STEM-EDX is shown in FIG. 4(a), and an elemental mapping image of C by STEM-EDX is shown in FIG. 4(b).
上述した実施例1~5の複合材料は、本発明の要件を満たす複合材料である。図5(a)~(e)に、FE-SEM(電界放出形走査電子顕微鏡)による実施例1~5の複合材料の観察写真をそれぞれ示す。 The composite materials of Examples 1 to 5 described above are composite materials that meet the requirements of the present invention. FIGS. 5(a) to 5(e) show photographs of the composite materials of Examples 1 to 5 taken by FE-SEM (field emission scanning electron microscope), respectively.
以下で説明する実施例6~8は、本発明の要件を満たす複合材料を負極材料として用いたリチウムイオン二次電池の実施例である。後述するように、実施例6~8のリチウムイオン二次電池は、正極、負極、および、電解質を備え、負極は、本発明の要件を満たす複合材料を含む。 Examples 6 to 8 described below are examples of lithium ion secondary batteries using composite materials that meet the requirements of the present invention as negative electrode materials. As described below, the lithium ion secondary batteries of Examples 6 to 8 included a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte, and the negative electrode contained a composite material that met the requirements of the present invention.
<実施例6>
(操作B1)
実施例3の複合材料の粉体28.5質量%、人造黒鉛(10μm)66.5質量%、カーボンブラック1質量%、ポリフッ化ビニリデン4質量%を混合し、さらに、N-メチルピロリドンを加えて、ハイブリッドミキサーで撹拌して、スラリーを作製した。
<Example 6>
(Operation B1)
28.5% by mass of the composite material powder of Example 3, 66.5% by mass of artificial graphite (10 μm), 1% by mass of carbon black, and 4% by mass of polyvinylidene fluoride were mixed, and further, N-methylpyrrolidone was added. A slurry was prepared by stirring with a hybrid mixer.
(操作B2)
操作B1の工程を経て得られたスラリーを、厚さ20μmの銅箔上に卓上コータを用いて塗布し、120℃、1時間の条件で真空乾燥させた。その後、油圧シリンダによるプレスによって加圧することで、負極を作製した。
(Operation B2)
The slurry obtained through the process of Operation B1 was applied onto a 20 μm thick copper foil using a desktop coater, and vacuum dried at 120° C. for 1 hour. Thereafter, a negative electrode was produced by applying pressure with a press using a hydraulic cylinder.
(操作B3)
操作B2で作製した負極を、超精密打抜きハンドパンチを用いて、直径17mmの円形形状に打ち抜いた。次に、負極ケースに、打ち抜いた負極と、300μmのロワープレートを積層した。その後、負極ケース内に、セパレータを直径17.5mmの円形形状に打ち抜き、ガスケットで封止した。
(Operation B3)
The negative electrode produced in Operation B2 was punched into a circular shape with a diameter of 17 mm using an ultra-precision hand punch. Next, the punched negative electrode and a 300 μm lower plate were laminated on the negative electrode case. Thereafter, a separator was punched into a circular shape with a diameter of 17.5 mm inside the negative electrode case and sealed with a gasket.
(操作B4)
エチレンカーボネートとジエチルカーボネートの混合比率が体積比で1:1の混合液に、非水電解質である六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1Mの濃度で溶解させて、電解液を作製した。
(Operation B4)
An electrolytic solution was prepared by dissolving lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), which is a non-aqueous electrolyte, at a concentration of 1M in a mixed solution of ethylene carbonate and diethyl carbonate at a volume ratio of 1:1.
(操作B5)
セパレータの上に、操作B4で作製した電解液を含浸させ、負極中の空隙に電解液を染み込ませた。
(Operation B5)
The electrolytic solution prepared in operation B4 was impregnated onto the separator, and the electrolytic solution penetrated into the voids in the negative electrode.
(操作B6)
正極に用いるリチウム箔を直径16.5mmの円形形状に打ち抜いた。次に、電解液を含浸させたセパレータ上に正極を積層し、さらに厚さ12μmのアルミニウム製のアッパープレートを積層した。
(Operation B6)
The lithium foil used for the positive electrode was punched out into a circular shape with a diameter of 16.5 mm. Next, a positive electrode was laminated on the separator impregnated with the electrolytic solution, and an aluminum upper plate having a thickness of 12 μm was further laminated.
(操作B7)
周縁にガスケットを配置した状態で正極ケースを負極ケースに接合し、かしめ機によって外装封止することによって、直径20mm、厚さ1.6mmのコインセルを作製した。このコインセルは、リチウムイオン二次電池である。
(Operation B7)
A coin cell having a diameter of 20 mm and a thickness of 1.6 mm was produced by joining the positive electrode case to the negative electrode case with a gasket placed around the periphery and sealing the case using a caulking machine. This coin cell is a lithium ion secondary battery.
(操作B8)
操作B7の工程を経て得られたコインセルに対して、北斗電工製の電池充放電装置「HJ1010mSM8A」、「HJ1005SM8A」を用いて、以下の条件で、初期充放電試験を行った。まず、コインセルの電圧が0Vに達するまで0.2mA/cm2の定電流で充電を行い、0Vに達した後は、セル電圧を0Vに保つように電流を減少させて充電を行った。その後、電流値が0.04mAを下回った時点で充電を終了した。放電は、0.2mA/cm2の定電流で行い、セル電圧が1.5Vに達した時点で終了して、放電容量を求めた。上述した充放電試験を再度繰り返し、初回充電容量、初回放電容量、初回充放電効率、2回目充電容量、2回目放電容量、および、2回目充放電効率を求めた。初回充放電効率は、初回充電容量に対する初回放電容量の割合(初回放電容量/初回充電容量×100)である。また、2回目充放電効率は、2回目充電容量に対する2回目放電容量の割合(2回目放電容量/2回目充電容量×100)である。
(Operation B8)
An initial charging/discharging test was conducted on the coin cell obtained through the process of Operation B7 using a battery charging/discharging device "HJ1010mSM8A" and "HJ1005SM8A" manufactured by Hokuto Denko under the following conditions. First, charging was performed at a constant current of 0.2 mA/cm 2 until the voltage of the coin cell reached 0V, and after reaching 0V, charging was performed by reducing the current so as to maintain the cell voltage at 0V. Thereafter, charging was terminated when the current value fell below 0.04 mA. Discharge was performed at a constant current of 0.2 mA/cm 2 and was terminated when the cell voltage reached 1.5 V, and the discharge capacity was determined. The above charge/discharge test was repeated again to determine the first charge capacity, first discharge capacity, first charge/discharge efficiency, second charge capacity, second discharge capacity, and second charge/discharge efficiency. The initial charge/discharge efficiency is the ratio of the initial discharge capacity to the initial charge capacity (initial discharge capacity/initial charge capacity×100). Further, the second charge/discharge efficiency is the ratio of the second discharge capacity to the second charge capacity (second discharge capacity/second charge capacity×100).
<実施例7>
負極活物質として、実施例4の複合材料を用いること以外は、実施例6のコインセルを作製する方法と同様の方法により、実施例7のコインセルを作製した。このコインセルもリチウムイオン二次電池である。
<Example 7>
The coin cell of Example 7 was produced in the same manner as the method of producing the coin cell of Example 6, except that the composite material of Example 4 was used as the negative electrode active material. This coin cell is also a lithium ion secondary battery.
<実施例8>
負極活物質として、実施例5の複合材料を用いること以外は、実施例6のコインセルを作製する方法と同様の方法により、実施例8のコインセルを作製した。このコインセルもリチウムイオン二次電池である。
<Example 8>
The coin cell of Example 8 was produced in the same manner as the method of producing the coin cell of Example 6, except that the composite material of Example 5 was used as the negative electrode active material. This coin cell is also a lithium ion secondary battery.
<比較例1>
上述した操作A1において、ジシアンジアミドを添加せずに水溶液を作製した以外は、実施例4の複合材料を作製する方法と同様の方法により、比較例1の複合材料を作製した。ジシアンジアミドを添加していないため、比較例1の複合材料は、酸化ケイ素を被覆する炭素質材料に窒素がドープされていない。また、作製した複合材料について、上述した操作A7、操作A8、および、操作A9の処理を行った。
<Comparative example 1>
A composite material of Comparative Example 1 was produced in the same manner as the method of producing the composite material of Example 4, except that in operation A1 described above, an aqueous solution was produced without adding dicyandiamide. Since dicyandiamide was not added, in the composite material of Comparative Example 1, the carbonaceous material covering the silicon oxide was not doped with nitrogen. Further, the produced composite material was subjected to the above-mentioned operations A7, A8, and A9.
<比較例2>
操作A1において、ジシアンジアミドを添加せずに水溶液を作製した以外は、実施例5の複合材料を作製する方法と同様の方法により、比較例2の複合材料を作製した。ジシアンジアミドを添加していないため、比較例2の複合材料は、酸化ケイ素を被覆する炭素質材料に窒素がドープされていない。また、作製した複合材料について、上述した操作A7、操作A8、および、操作A9の処理を行った。
<Comparative example 2>
A composite material of Comparative Example 2 was produced in the same manner as the method of producing the composite material of Example 5, except that in operation A1, an aqueous solution was produced without adding dicyandiamide. Since dicyandiamide was not added, in the composite material of Comparative Example 2, the carbonaceous material covering the silicon oxide was not doped with nitrogen. Further, the produced composite material was subjected to the above-mentioned operations A7, A8, and A9.
<比較例3>
実施例1の複合材料を作製する際に用いた酸化ケイ素(5μm)を比較例3の試料として用意した。また、用意した酸化ケイ素について、上述した操作A7、操作A8、および、操作A9の処理を行った。
<Comparative example 3>
The silicon oxide (5 μm) used in producing the composite material of Example 1 was prepared as a sample of Comparative Example 3. Further, the prepared silicon oxide was subjected to the above-described operations A7, A8, and A9.
<比較例4>
実施例1の複合材料を作製する際に用いた酸化ケイ素(5μm)をアルミナるつぼに添加し、焼成炉で熱処理した。熱処理条件は、最高温度600℃、保持時間は1時間、昇温速度は8℃/分とし、窒素(N2)ガス5L/分を常時流通させる雰囲気で熱処理を行うことによって、比較例4の材料を作製した。この材料は、酸化ケイ素が炭素質材料によって被覆されていない。また、作製した材料について、上述した操作A7および操作A9の処理を行った。
<Comparative example 4>
The silicon oxide (5 μm) used in producing the composite material of Example 1 was added to an alumina crucible and heat-treated in a firing furnace. The heat treatment conditions were a maximum temperature of 600°C, a holding time of 1 hour, a temperature increase rate of 8°C/min, and a heat treatment in an atmosphere in which nitrogen (N 2 ) gas was constantly flowing at 5 L/min. The material was prepared. This material does not have silicon oxide coated with a carbonaceous material. Further, the produced material was subjected to the above-mentioned operations A7 and A9.
上述した比較例1~4の材料は、本発明の要件を満たさない材料である。図6(a)~(c)に、FE-SEM(電界放出形走査電子顕微鏡)による比較例1~3の材料の観察写真をそれぞれ示す。 The materials of Comparative Examples 1 to 4 described above are materials that do not meet the requirements of the present invention. FIGS. 6(a) to 6(c) show photographs taken by FE-SEM (field emission scanning electron microscope) of the materials of Comparative Examples 1 to 3, respectively.
以下で説明する比較例5~6は、本発明の要件を満たさない材料を負極材料として用いたリチウムイオン二次電池の例である。 Comparative Examples 5 and 6 described below are examples of lithium ion secondary batteries using materials that do not meet the requirements of the present invention as negative electrode materials.
<比較例5>
負極活物質として比較例2の複合材料を用いること以外は、実施例6のコインセルを作製する方法と同様の方法により、比較例5のコインセルを作製した。このコインセルは、リチウムイオン二次電池である。また、作製したコインセルについて、上述した操作B8の処理を行った。
<Comparative example 5>
A coin cell of Comparative Example 5 was produced in the same manner as the method of producing the coin cell of Example 6, except that the composite material of Comparative Example 2 was used as the negative electrode active material. This coin cell is a lithium ion secondary battery. Further, the produced coin cell was subjected to the process of operation B8 described above.
<比較例6>
負極活物質として比較例3の酸化ケイ素を用いること以外は、実施例6のコインセルを作製する方法と同様の方法により、比較例6のコインセルを作製した。また、作製したコインセルについて、上述した操作B8の処理を行った。
<Comparative example 6>
A coin cell of Comparative Example 6 was produced in the same manner as the method of producing the coin cell of Example 6, except that silicon oxide of Comparative Example 3 was used as the negative electrode active material. Further, the produced coin cell was subjected to the process of operation B8 described above.
上述した実施例1~5の複合材料および比較例1~4の材料について、操作A7の処理によって求めた比表面積を表1に示す。 Table 1 shows the specific surface areas determined by the process of Operation A7 for the composite materials of Examples 1 to 5 and the materials of Comparative Examples 1 to 4 described above.
また、上述した実施例1~5の複合材料および比較例1~3の材料について、操作A8の処理によって求めたXPSによる定性・半定量分析の結果を表2に示す。 Further, Table 2 shows the results of qualitative and semi-quantitative analysis by XPS obtained by the process of operation A8 for the composite materials of Examples 1 to 5 and the materials of Comparative Examples 1 to 3 described above.
表2に示すように、実施例1~5の複合材料に含まれる窒素の量は、3.0原子%以上8.5原子%以下である。より詳しくは、複合材料に含まれる窒素の量は、3.1原子%以上8.1原子%以下である。 As shown in Table 2, the amount of nitrogen contained in the composite materials of Examples 1 to 5 is 3.0 atomic % or more and 8.5 atomic % or less. More specifically, the amount of nitrogen contained in the composite material is 3.1 atomic % or more and 8.1 atomic % or less.
また、上述した実施例1~5の複合材料および比較例1~4の材料について、操作A9の処理によって求めた体積抵抗率とかさ密度を表3に示す。 Further, Table 3 shows the volume resistivity and bulk density determined by the process of Operation A9 for the composite materials of Examples 1 to 5 and the materials of Comparative Examples 1 to 4 described above.
なお、表3において、比較例4の材料の体積抵抗率を「O.L」と表記しているが、オーバーレンジの意味である。すなわち、比較例4の材料の体積抵抗率は非常に高く、値を求めることができなかった。 In Table 3, the volume resistivity of the material of Comparative Example 4 is expressed as "O.L", which means over-range. That is, the volume resistivity of the material of Comparative Example 4 was so high that it was not possible to determine its value.
上述した実施例1~5の複合材料および比較例1~4の材料の比表面積、体積抵抗率、および、比表面積と体積抵抗率の両立性をまとめた結果を表4に示す。 Table 4 summarizes the specific surface area, volume resistivity, and compatibility of specific surface area and volume resistivity of the composite materials of Examples 1 to 5 and the materials of Comparative Examples 1 to 4 described above.
比表面積と体積抵抗率の両立性は、比表面積が80m2/g以下であり、かつ、体積抵抗率が1.0×109Ω・cm未満である場合に、両立性が良いことを意味する「○」、それ以外の場合を、両立性が悪いことを意味する「×」とした。 Compatibility of specific surface area and volume resistivity means that the compatibility is good when the specific surface area is 80 m 2 /g or less and the volume resistivity is less than 1.0 × 10 9 Ω・cm. The other cases were marked as "x", which means poor compatibility.
表4に示すように、実施例1~5の複合材料は全て、比表面積と体積抵抗率の両立性が「○」となった。一方、比較例1~4の材料は全て、比表面積と体積抵抗率の両立性が「×」となった。すなわち、本発明の要件を満たす複合材料は、電子伝導性が高く、かつ、比表面積が小さい。 As shown in Table 4, the compatibility of specific surface area and volume resistivity of all the composite materials of Examples 1 to 5 was "○". On the other hand, all of the materials of Comparative Examples 1 to 4 were rated "x" in terms of compatibility between specific surface area and volume resistivity. That is, a composite material that satisfies the requirements of the present invention has high electronic conductivity and a small specific surface area.
また、実施例1~5の複合材料のうち、実施例3~5の複合材料は、体積抵抗率が10×102Ω・cm以下と、より電子伝導性が高い。表2に示すように、実施例3~5の複合材料は、複合材料に含まれる窒素の量が3.0原子%以上7.0原子%以下である。したがって、複合材料に含まれる窒素の量は、3.0原子%以上7.0原子%以下であることが好ましい。より詳細には、複合材料に含まれる窒素の量は、3.1原子%以上6.2原子%以下であることが好ましい。 Further, among the composite materials of Examples 1 to 5, the composite materials of Examples 3 to 5 have a volume resistivity of 10×10 2 Ω·cm or less, which is higher in electronic conductivity. As shown in Table 2, in the composite materials of Examples 3 to 5, the amount of nitrogen contained in the composite material is 3.0 at % or more and 7.0 at % or less. Therefore, the amount of nitrogen contained in the composite material is preferably 3.0 atomic % or more and 7.0 atomic % or less. More specifically, the amount of nitrogen contained in the composite material is preferably 3.1 atomic % or more and 6.2 atomic % or less.
なお、実施例2~5の複合材料は、作製した複合材料を加熱処理したものであるが、500℃以上800℃以下の温度で加熱した実施例3~5の複合材料は、400℃で加熱した実施例2の複合材料と比べて、体積抵抗率がかなり低くなった。したがって、作製した複合材料を加熱する温度は、400℃より高い温度であることが好ましく、500℃以上800℃以下であることがより好ましい。 Note that the composite materials of Examples 2 to 5 were obtained by heat-treating the prepared composite materials, but the composite materials of Examples 3 to 5, which were heated at a temperature of 500°C or higher and 800°C or lower, were heated at 400°C. The volume resistivity was considerably lower than that of the composite material of Example 2. Therefore, the temperature at which the produced composite material is heated is preferably higher than 400°C, more preferably 500°C or higher and 800°C or lower.
また、実施例1~5の複合材料のうち、実施例4および5の複合材料は、比表面積が45m2/g以下であり、かつ、体積抵抗率が10×102Ω・cm以下と、より電子伝導性が高く、かつ、より比表面積が小さい。表2に示すように、実施例4および5の複合材料は、複合材料に含まれる窒素の量が4.0原子%以上6.5原子%以下である。したがって、複合材料に含まれる窒素の量は、4.0原子%以上6.5原子%以下であることがより好ましい。より詳細には、複合材料に含まれる窒素の量は、4.4原子%以上6.2原子%以下であることがより好ましい。 Further, among the composite materials of Examples 1 to 5, the composite materials of Examples 4 and 5 have a specific surface area of 45 m 2 /g or less, and a volume resistivity of 10×10 2 Ω·cm or less, It has higher electronic conductivity and smaller specific surface area. As shown in Table 2, in the composite materials of Examples 4 and 5, the amount of nitrogen contained in the composite material is 4.0 atomic % or more and 6.5 atomic % or less. Therefore, the amount of nitrogen contained in the composite material is more preferably 4.0 atomic % or more and 6.5 atomic % or less. More specifically, the amount of nitrogen contained in the composite material is more preferably 4.4 atomic % or more and 6.2 atomic % or less.
比較例1~4の材料のうち、比較例4の材料は、炭素質材料によって被覆されていない酸化ケイ素を600℃で熱処理したものである。このため、酸化ケイ素の酸化により、測定ができなくなるほど、体積抵抗率が大きくなった。 Among the materials of Comparative Examples 1 to 4, the material of Comparative Example 4 was obtained by heat-treating silicon oxide not covered with a carbonaceous material at 600°C. Therefore, due to oxidation of silicon oxide, the volume resistivity became so large that it became impossible to measure it.
これに対し、窒素がドープされた炭素質材料によって被覆された酸化ケイ素を、比較例4と同じ600℃で熱処理した実施例5の複合材料は、酸化ケイ素の酸化が抑制されることによって、体積抵抗率が3.2×10Ω・cmと非常に小さくなった。 On the other hand, in the composite material of Example 5, in which silicon oxide coated with a nitrogen-doped carbonaceous material was heat-treated at 600°C, the same as in Comparative Example 4, the oxidation of silicon oxide was suppressed, so that the volume The resistivity was extremely small at 3.2×10 Ω·cm.
上述したように、窒素がドープされた炭素質材料で酸化ケイ素が被覆された本発明の複合材料は、体積抵抗率が低い。本来、複合材料の体積抵抗率を所望の値まで低下させるためには、複合材料の作製後に、800℃以上の高温熱処理が必要になるが、窒素がドープされた炭素質材料で酸化ケイ素を被覆することにより、熱処理時の温度を800℃以下の低温(例えば600℃以下)とすることが可能となる。これにより、高温加熱による酸化ケイ素の酸化を抑制することができ、電子伝導性の低下を抑制することができる。また、ドープされた窒素が炭素質材料の細孔を閉塞させることにより、熱処理に起因する比表面積の増加を抑制することができる。 As mentioned above, the composite material of the present invention in which silicon oxide is coated with a nitrogen-doped carbonaceous material has a low volume resistivity. Normally, in order to reduce the volume resistivity of a composite material to the desired value, high-temperature heat treatment of 800°C or higher is required after the composite material is manufactured, but silicon oxide is coated with a nitrogen-doped carbonaceous material. By doing so, it becomes possible to set the temperature during the heat treatment to a low temperature of 800° C. or lower (for example, 600° C. or lower). Thereby, oxidation of silicon oxide due to high-temperature heating can be suppressed, and a decrease in electronic conductivity can be suppressed. In addition, since the doped nitrogen closes the pores of the carbonaceous material, an increase in specific surface area due to heat treatment can be suppressed.
上述した実施例6~8および比較例5~6のコインセルについて求めた初回充電容量、初回放電容量、初回充放電効率、2回目充電容量、2回目放電容量、および、2回目充放電効率を表5に示す。 The first charge capacity, first discharge capacity, first charge/discharge efficiency, second charge capacity, second discharge capacity, and second charge/discharge efficiency obtained for the coin cells of Examples 6 to 8 and Comparative Examples 5 to 6 described above are shown. 5.
体積抵抗率および比表面積がともに低い実施例4の複合材料を負極活物質として用いた実施例7のコインセル、および、体積抵抗率および比表面積がともに低い実施例5の複合材料を負極活物質として用いた実施例8のコインセルは、実施例6のコインセルおよび比較例5~6のコインセルと比べて、初回放電容量が高く、そのため、初回充放電効率が80%以上と高くなった。また、2回目充放電効率も97%以上と高くなった。 The coin cell of Example 7 using the composite material of Example 4, which has both low volume resistivity and low specific surface area, as the negative electrode active material, and the composite material of Example 5, which has both low volume resistivity and low specific surface area, as the negative electrode active material. The coin cell of Example 8 used had a higher initial discharge capacity than the coin cell of Example 6 and the coin cells of Comparative Examples 5 and 6, and therefore had a high initial charge/discharge efficiency of 80% or more. In addition, the second charge/discharge efficiency was as high as 97% or more.
一方、比表面積が大きい比較例2の複合材料を負極活物質として用いた比較例5のコインセルでは、実施例6~8のコインセルと比べて、初回放電容量が低くなり、初回充放電効率も62.8%と低くなった。また、2回目放電容量も低くなった。これは、初回の充放電時に、電解液の分解時の副反応など、望ましくない反応が起こる起点が多くなり、電解液と電極との界面に生成されるSEI皮膜が過剰に形成されているからであると推察される。 On the other hand, in the coin cell of Comparative Example 5 in which the composite material of Comparative Example 2, which has a large specific surface area, was used as the negative electrode active material, the initial discharge capacity was lower than that of the coin cells of Examples 6 to 8, and the initial charge/discharge efficiency was also 62. It was as low as .8%. Furthermore, the second discharge capacity was also lower. This is because during the first charge and discharge, there are many starting points for undesirable reactions such as side reactions during decomposition of the electrolyte, and an excessive SEI film is formed at the interface between the electrolyte and the electrode. It is assumed that this is the case.
また、比表面積は小さいが、体積抵抗率が高い比較例3の複合材料を負極活物質として用いた比較例6のコインセルでは、電極内の電子伝導性が低いため、電子の移動が少ない。このため、実施例6~8のコインセルと比べて、初回の放電容量および2回目の放電容量が低くなっている。 Furthermore, in the coin cell of Comparative Example 6 in which the composite material of Comparative Example 3, which has a small specific surface area but a high volume resistivity, was used as the negative electrode active material, electron conductivity within the electrode was low, so electron movement was small. Therefore, compared to the coin cells of Examples 6 to 8, the first discharge capacity and second discharge capacity are lower.
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。 The present invention is not limited to the above embodiments, and various applications and modifications can be made within the scope of the present invention.
1 酸化ケイ素
2 炭素質材料
10 複合材料
1
Claims (4)
前記酸化ケイ素を被覆する炭素質材料と、
を備え、
前記炭素質材料には、窒素がドープされている複合材料であって、
前記複合材料に含まれる前記窒素の量は、3.0原子%以上8.5原子%以下であることを特徴とする複合材料。 silicon oxide,
a carbonaceous material covering the silicon oxide;
Equipped with
The carbonaceous material is a composite material doped with nitrogen,
A composite material characterized in that the amount of nitrogen contained in the composite material is 3.0 atomic % or more and 8.5 atomic % or less .
前記酸化ケイ素を被覆する炭素質材料と、
を備え、
前記炭素質材料には、窒素がドープされている複合材料であって、
前記複合材料に含まれる前記窒素の量は、3.0原子%以上7.0原子%以下であることを特徴とする複合材料。 silicon oxide,
a carbonaceous material covering the silicon oxide;
Equipped with
The carbonaceous material is a composite material doped with nitrogen,
A composite material characterized in that the amount of nitrogen contained in the composite material is 3.0 atomic % or more and 7.0 atomic % or less.
前記酸化ケイ素を被覆する炭素質材料と、
を備え、
前記炭素質材料には、窒素がドープされている複合材料であって、
前記複合材料に含まれる前記窒素の量は、4.0原子%以上6.5原子%以下であることを特徴とする複合材料。 silicon oxide,
a carbonaceous material covering the silicon oxide;
Equipped with
The carbonaceous material is a composite material doped with nitrogen,
A composite material characterized in that the amount of nitrogen contained in the composite material is 4.0 atomic % or more and 6.5 atomic % or less.
前記負極は、請求項1~3のいずれか一項に記載の複合材料を含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池。 A lithium ion secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte,
A lithium ion secondary battery, wherein the negative electrode contains the composite material according to any one of claims 1 to 3 .
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