JP7485230B2 - Nanosilicon, nanosilicon slurry, method for producing nanosilicon, active material for secondary battery, and secondary battery - Google Patents

Nanosilicon, nanosilicon slurry, method for producing nanosilicon, active material for secondary battery, and secondary battery Download PDF

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Description

本発明は、ナノシリコン、ナノシリコンスラリーおよび前記ナノシリコンの製造方法に関する。また本発明は前記ナノシリコンを含む二次電池用活物質、前記二次電池用活物質を含む負極、および前記負極を含む二次電池に関する。The present invention relates to nanosilicon, nanosilicon slurry, and a method for producing the nanosilicon. The present invention also relates to an active material for secondary batteries containing the nanosilicon, a negative electrode containing the active material for secondary batteries, and a secondary battery containing the negative electrode.

非水電解質二次電池は、携帯機器を始め、ハイブリッド自動車や電気自動車、家庭用蓄電池などに用いられており、電気容量、安全性、作動安定性など複数の特性をバランスよく有することが要求されている。
さらに近年、各種電子機器および通信機器の小型化およびハイブリッド自動車等の急速な普及に伴い、これら機器等の駆動電源として、より高容量であり、かつサイクル特性や放電レート特性等の各種電池特性が更に向上したリチウムイオン二次電池の開発が強く求められている。
Non-aqueous electrolyte secondary batteries are used in portable devices, hybrid and electric vehicles, home storage batteries, and the like, and are required to have a good balance of multiple characteristics such as electric capacity, safety, and operational stability.
Furthermore, in recent years, with the miniaturization of various electronic devices and communication devices and the rapid spread of hybrid automobiles and the like, there has been a strong demand for the development of lithium ion secondary batteries that have higher capacity and further improved various battery characteristics, such as cycle characteristics and discharge rate characteristics, as a driving power source for these devices and the like.

ケイ素はその理論電気容量が大きいことから、リチウムイオン二次電池用の高容量化を目的として、負極活物質としてケイ素を用いることが検討されている。しかしながらケイ素は繰り返し充放電をしたときの体積膨張と収縮の差が大きく、充放電を繰り返す間にケイ素粒子が破壊してしまう。その結果、ケイ素を負極活物質として用いた二次電池はサイクル特性が悪い結果となった。 Since silicon has a large theoretical electric capacity, its use as an anode active material has been considered in order to increase the capacity of lithium-ion secondary batteries. However, silicon has a large difference between its volume expansion and contraction when repeatedly charged and discharged, and silicon particles break down during repeated charging and discharging. As a result, secondary batteries using silicon as the anode active material have poor cycle characteristics.

このようなケイ素粒子の破壊は150nm以下の粒径を有するケイ素粒子では抑制されることが非特許文献1に記載されている。
また特許文献1には粒径がナノオーダーのケイ素粒子を用いる二次電池用負極活物質が記載されている。
Non-Patent Document 1 describes that such destruction of silicon particles is suppressed in silicon particles having a particle size of 150 nm or less.
Furthermore, Patent Document 1 describes a negative electrode active material for secondary batteries that uses silicon particles with nano-order particle sizes.

特開2021-180124号公報JP 2021-180124 A

Xiao et al.,ACS Nano, 6, 1522-1531(2012)Xiao et al. , ACS Nano, 6, 1522-1531 (2012)

しかしながら、前記非特許文献1または特許文献1に記載の粒径のケイ素粒子を用いた二次電池用活物質でも、充放電を繰り返すと粒子の破壊が発生しサイクル特性は十分ではなかった。また粒径の小さいケイ素粒子を用いた二次電池用活物質の場合、電気容量と初期のクーロン効率は不十分であった。
したがってサイクル特性、電気容量および初期のクーロン効率が改良された、ケイ素粒子を用いたリチウム二次電池用活物質の開発が求められている。
However, even in the case of a secondary battery active material using silicon particles having a particle size described in Non-Patent Document 1 or Patent Document 1, repeated charging and discharging caused particle destruction and the cycle characteristics were insufficient. Moreover, in the case of a secondary battery active material using silicon particles having a small particle size, the electric capacity and initial coulombic efficiency were insufficient.
Therefore, there is a demand for the development of an active material for lithium secondary batteries using silicon particles, which has improved cycle characteristics, electric capacity and initial coulombic efficiency.

本発明者らはケイ素粒子の粒径に着目するとともに、ケイ素粒子の表面酸化の程度に着目し、サイクル特性と電気容量および初期のクーロン効率に優れた二次電池用活物質を検討した。その結果、リチウム二次電池のサイクル性、電気容量および初期のクーロン効率に優れた二次電池用活物質を見出した。
即ち本発明は、リチウムイオン二次電池に用いられる二次電池用活物質および前記二次電池用活物質を負極活物質として含む二次電池に関し、サイクル性、初期のクーロン効率および容量維持率に優れた二次電池を与える二次電池用活物質に用いられるケイ素粒子を提供することを目的とする。
さらに本発明は前記二次電池用活物質に用いられるケイ素粒子の製造方法を提供することを目的とする。
The present inventors have focused on the particle size of silicon particles and the degree of surface oxidation of silicon particles, and have investigated active materials for secondary batteries excellent in cycle characteristics, electric capacity, and initial Coulombic efficiency. As a result, they have found an active material for secondary batteries excellent in cycle characteristics, electric capacity, and initial Coulombic efficiency of lithium secondary batteries.
That is, the present invention relates to a secondary battery active material used in lithium ion secondary batteries and a secondary battery containing the secondary battery active material as a negative electrode active material, and aims to provide silicon particles used in the secondary battery active material that provides a secondary battery excellent in cycle performance, initial coulombic efficiency, and capacity retention rate.
A further object of the present invention is to provide a method for producing silicon particles used in the active material for secondary batteries.

本発明は、下記の態様を有する。
[1] 比表面積が100から400m/gおよび、珪素原子に対して酸素原子が5から45atom%であるナノシリコン。
[2] 結晶子径が5から14nmである前記[1]に記載のナノシリコン。
[3] 体積平均粒子径が10から200nmである前記[1]または[2]に記載のナノシリコン。
The present invention has the following aspects.
[1] Nanosilicon having a specific surface area of 100 to 400 m 2 /g and an oxygen atom content of 5 to 45 atom % relative to silicon atoms.
[2] The nanosilicon according to [1] above, having a crystallite diameter of 5 to 14 nm.
[3] The nanosilicon according to [1] or [2], having a volume average particle diameter of 10 to 200 nm.

本発明はまた下記の態様を有する。
[4] 前記[1]から[3]に記載のナノシリコン、分散剤および溶媒を含むナノシリコンスラリー。
The present invention also has the following aspects.
[4] A nanosilicon slurry comprising the nanosilicon according to any one of [1] to [3] above, a dispersant and a solvent.

さらに本発明は下記の態様を有する。
[5] 露点温度が-60℃以下のガス雰囲気下、温度が60℃以下、水分濃度が10000ppm以下の非水溶媒中でシリコン粉末を湿式粉砕するナノシリコンの製造方法。
[6] 前記湿式粉砕をカチオン性界面活性剤、アニオン性界面活性剤および両性界面活性剤からなる群から選ばれる少なくとも1種の界面活性剤を含む非水溶媒中で行う前記[5]に記載のナノシリコンの製造方法。
[7] 前記湿式粉砕において、体積平均粒子径が1から20μm、珪素原子に対して酸素原子が10atom%以下であるシリコン粉末を、非水溶媒中で湿式粉砕する前記[5]または[6]に記載のナノシリコンの製造方法。
[8] 前記湿式粉砕において、シリコン粉末の純度が99質量%以上である前記[5]から[7]のいずれかに記載のナノシリコンの製造方法。
Further, the present invention has the following aspects.
[5] A method for producing nanosilicon, comprising wet-milling silicon powder in a gas atmosphere having a dew point temperature of −60° C. or lower, a temperature of 60° C. or lower, and a non-aqueous solvent having a moisture concentration of 10,000 ppm or lower.
[6] The method for producing nanosilicon according to [5], wherein the wet grinding is carried out in a non-aqueous solvent containing at least one surfactant selected from the group consisting of cationic surfactants, anionic surfactants, and amphoteric surfactants.
[7] The method for producing nanosilicon according to [5] or [6], wherein the wet pulverization involves wet pulverizing silicon powder having a volume average particle size of 1 to 20 μm and an oxygen atom content of 10 atom% or less relative to silicon atoms in a non-aqueous solvent.
[8] The method for producing nanosilicon according to any one of [5] to [7], wherein the purity of the silicon powder in the wet grinding is 99 mass% or more.

併せて本発明は下記の態様を有する。
[9] 前記[5]から[8]のいずれかに記載のナノシリコンの製造方法で得られたナノシリコンと樹脂とを混合し、乾燥後、不活性ガス雰囲気下で焼成する二次電池用活物質の製造方法。
[10] 前記[1]から[3]のいずれかに記載のナノシリコンを含有する二次電池用活物質。
[11] 前記[10]に記載の二次電池用活物質を含む二次電池用負極。
[12] 前記[11]に記載の二次電池用負極を含む二次電池。
The present invention also has the following aspects.
[9] A method for producing an active material for a secondary battery, comprising mixing the nanosilicon obtained by the method for producing nanosilicon according to any one of [5] to [8] above with a resin, drying the mixture, and then firing the mixture under an inert gas atmosphere.
[10] An active material for secondary batteries containing nanosilicon according to any one of [1] to [3] above.
[11] A negative electrode for a secondary battery, comprising the active material for a secondary battery according to [10] above.
[12] A secondary battery comprising the negative electrode for secondary batteries according to [11] above.

本発明によれば、リチウムイオン二次電池に用いられる二次電池用活物質および前記二次電池用活物質を負極活物質として含む二次電池に関し、サイクル性、初期のクーロン効率および容量維持率に優れた二次電池を与える二次電池用活物質が提供される。
さらに本発明は前記二次電池用活物質に用いられるケイ素粒子の製造方法が提供される。
According to the present invention, there is provided an active material for a secondary battery used in a lithium ion secondary battery, and a secondary battery containing the active material for a secondary battery as a negative electrode active material, which provides a secondary battery excellent in cycle performance, initial coulombic efficiency, and capacity retention rate.
The present invention further provides a method for producing silicon particles used in the active material for secondary batteries.

本発明のナノシリコン(以下、「本ナノシリコン」とも記す。)は比表面積が100から400m/gおよび、珪素原子に対して酸素原子が5から45atom%である。ここで、「珪素原子に対して酸素原子が5から45atom%である」とは、本ナノシリコン中の酸素原子の数を珪素原子の数で除した値をatom%表示とした値が5から45である、という意味であり、以下も同じである。
前記のとおり、粒径の小さいケイ素粒子は繰り返しの充放電により体積変化が起こっても、ケイ素粒子の破壊は抑制されると考えられている。一方、粒径の小さいケイ素粒子は表面積が大きくなり、ケイ素粒子の表面酸化率が大きくなると考えられる。その結果、粒径の小さいケイ素粒子を含有する二次電池用活物質は繰り返しの充放電によるサイクル特性の低下は抑えられるものの、電気容量と初期のクーロン効率に劣る結果となったと考えられる。
The nanosilicon of the present invention (hereinafter also referred to as "the present nanosilicon") has a specific surface area of 100 to 400 m2 /g and 5 to 45 atom% of oxygen atoms relative to silicon atoms. Here, "5 to 45 atom% of oxygen atoms relative to silicon atoms" means that the value obtained by dividing the number of oxygen atoms in the present nanosilicon by the number of silicon atoms, expressed as atom%, is 5 to 45, and the same applies below.
As mentioned above, it is believed that the destruction of silicon particles having a small particle size is suppressed even if the volume changes due to repeated charging and discharging.On the other hand, it is believed that the surface area of silicon particles having a small particle size is large, and the surface oxidation rate of silicon particles is large.As a result, it is believed that the secondary battery active material containing silicon particles having a small particle size is inferior in electric capacity and initial coulombic efficiency, although the deterioration of cycle characteristics due to repeated charging and discharging is suppressed.

本ナノシリコンは体積平均粒径がナノオーダーの粒子であり、粒径が小さいためサイクル特性が改良される。また表面積は従来のケイ素粒子と同程度またはそれ以上であるが、酸素原子の含有率が低く抑えられているため電気容量および初期のクーロン効率の改良が図られたと考えられる。This nanosilicon has a volume average particle size of nano-order, and its small particle size improves cycle characteristics. In addition, its surface area is equal to or greater than that of conventional silicon particles, but the oxygen atom content is kept low, which is believed to have improved the electrical capacity and initial coulombic efficiency.

体積平均粒径がナノオーダーとは、体積平均粒径がナノメートル単位であり、体積平均粒径が通常、1から999nmである。シリコン粒子が1000nmを超えると、シリコンスラリーとした時の分散性が悪化し、攪拌の際の圧力が上昇し、生産性が低下する可能性がある。これらの観点から、本ナノシリコンの体積平均粒径は10から200nmが好ましく、より好ましくは10から100nm、さらに好ましくは20から70nmである。
なお体積平均粒径とはレーザー回折式粒度分析計などを用いて測定することができるD50の値である。D50は、レーザー粒度分析計などを用い動的光散乱法により測定することができる。本ナノシリコンの体積平均粒径は、粒子径分布において、小径側から体積累積分布曲線を描いた場合に、累積50%となるときの粒子径が前記平均粒径である。
The volume average particle size of the nano order means that the volume average particle size is in nanometer units, and the volume average particle size is usually 1 to 999 nm. If the silicon particles exceed 1000 nm, the dispersibility of the silicon slurry may deteriorate, the pressure during stirring may increase, and the productivity may decrease. From these viewpoints, the volume average particle size of the present nanosilicon is preferably 10 to 200 nm, more preferably 10 to 100 nm, and even more preferably 20 to 70 nm.
The volume average particle size is the value of D50, which can be measured using a laser diffraction particle size analyzer or the like. D50 can be measured by dynamic light scattering using a laser particle size analyzer or the like. The volume average particle size of the present nanosilicon is the particle size at which the cumulative volume distribution curve is drawn from the small diameter side in the particle size distribution and the cumulative 50% is the average particle size.

本ナノシリコンの比表面積は100から400m/gである。
前記比表面積はBET法により求めた値であり、窒素ガス吸着測定により求めることができ、例えば比表面積測定装置を用いて測定することができる。
本ナノシリコンの比表面積は、電気容量と初期のクーロン効率の観点から、100から300m/gがより好ましく、100から230m/gがさらに好ましい。
The specific surface area of the nanosilicon is from 100 to 400 m 2 /g.
The specific surface area is a value determined by the BET method, and can be determined by nitrogen gas adsorption measurement, for example, by using a specific surface area measuring device.
The specific surface area of the present nanosilicon is more preferably from 100 to 300 m 2 /g, and further preferably from 100 to 230 m 2 /g, from the viewpoints of electric capacity and initial coulombic efficiency.

本ナノシリコン中の酸素原子の量は、前記のとおり珪素原子に対して5から45atm%である。本ナノシリコンの平均粒径が前記範囲のように小さくても、酸素原子の量が前記範囲にある本ナノシリコンを二次電池の負極活物質に用いることで、サイクル性、初期のクーロン効率および容量維持率に優れた二次電池が得られると考えられる。
本ナノシリコン中の酸素原子の量は、初期のクーロン効率および容量維持率の観点から、5から30atm%が好ましく、より好ましくは5から25atm%、さらに好ましくは5から15%である。酸素原子の量はナノシリコンを300~800℃の温度で焼成して添加剤を揮発させた後、SEM-EDS(JEOL製、JSM-7900F)による組成分析で酸素原子の量を取得した。
本ナノシリコンはケイ素原子および酸素原子以外に炭素原子、窒素原子を含んでもよい。窒素原子を含む場合は、窒化ケイ素生成による容量低下の観点から5質量%以下が好ましい。
The amount of oxygen atoms in the nanosilicon is 5 to 45 atm% relative to silicon atoms as described above. Even if the average particle size of the nanosilicon is small as in the above range, it is believed that by using the nanosilicon having the amount of oxygen atoms in the above range as the negative electrode active material of a secondary battery, a secondary battery excellent in cycleability, initial coulombic efficiency, and capacity retention rate can be obtained.
From the viewpoint of initial coulombic efficiency and capacity retention, the amount of oxygen atoms in the nanosilicon is preferably 5 to 30 atm%, more preferably 5 to 25 atm%, and further preferably 5 to 15%. The amount of oxygen atoms was obtained by calcining the nanosilicon at a temperature of 300 to 800° C. to volatilize the additives, and then performing composition analysis using SEM-EDS (JSM-7900F, manufactured by JEOL).
The nanosilicon may contain carbon atoms and nitrogen atoms in addition to silicon atoms and oxygen atoms. When nitrogen atoms are contained, the amount is preferably 5 mass % or less from the viewpoint of the decrease in capacity due to the formation of silicon nitride.

本ナノシリコンの形状は、本ナノシリコンが前記比表面積および酸素原子量を満たす範囲であれば、粒状、針状、フレーク状のいずれでもよいが、結晶質が好ましい。本ナノシリコンが結晶質の場合、X線回折においてSi(111)に帰属される回折ピークから得られる結晶子径(以下、「結晶子径」とも記す。)が5から14nmの範囲であれば、初期クーロン効率および容量維持率の観点から好ましい。結晶子径は12nm以下がより好ましく、さらに好ましくは10nm以下である。The shape of the nanosilicon may be granular, needle-like, or flake-like as long as the nanosilicon satisfies the above-mentioned specific surface area and oxygen atomic weight, but crystalline is preferred. When the nanosilicon is crystalline, it is preferable from the viewpoint of initial coulombic efficiency and capacity maintenance rate if the crystallite diameter obtained from the diffraction peak assigned to Si (111) in X-ray diffraction (hereinafter also referred to as "crystallite diameter") is in the range of 5 to 14 nm. The crystallite diameter is more preferably 12 nm or less, and even more preferably 10 nm or less.

本ナノシリコンは、負極活物質とした時の充放電性能の観点から、長軸方向の長さが30から300nmが好ましく、厚みは1から60nmが好ましい。負極活物質とした時の充放電性能の観点から、長さに対する厚みの比である、いわゆるアスペクト比が0.5以下である針状またはフレーク状の形状が好ましい。
本ナノシリコンの形態は、動的光散乱法で平均粒径の測定が可能であるが、透過型電子顕微鏡(TEM)や電界放出型走査電子顕微鏡(FE-SEM)の解析手段を用いることで、前記アスペクト比のサンプルをより容易かつ精密に同定することができる。本発明の二次電池用材料を含有する負極活物質の場合は、サンプルを集束イオンビーム(FIB)で切断して断面をFE-SEM観察することができ、またはサンプルをスライス加工してTEM観察により本ナノシリコンの状態を同定することができる。
なお前記本ナノシリコンのアスペクト比は、TEM画像に映る視野内のサンプルの主要部分50粒子をベースにした計算結果である。
From the viewpoint of charge/discharge performance when used as a negative electrode active material, the nanosilicon preferably has a length in the long axis direction of 30 to 300 nm and a thickness of 1 to 60 nm. From the viewpoint of charge/discharge performance when used as a negative electrode active material, a needle-like or flake-like shape with a so-called aspect ratio, which is the ratio of length to thickness, of 0.5 or less is preferred.
The morphology of the nanosilicon can be measured by dynamic light scattering to determine the average particle size, but the aspect ratio of the sample can be more easily and precisely identified by using an analytical means such as a transmission electron microscope (TEM) or a field emission scanning electron microscope (FE-SEM). In the case of a negative electrode active material containing the secondary battery material of the present invention, the sample can be cut with a focused ion beam (FIB) and the cross section can be observed with an FE-SEM, or the sample can be sliced and the state of the nanosilicon can be identified by TEM observation.
The aspect ratio of the nanosilicon is a calculation result based on 50 particles of the main part of the sample within the field of view of the TEM image.

前記本ナノシリコンを二次電池用活物質に用いる場合、本ナノシリコンをそのまま活物質として用いてもよく、マトリクス相が本ナノシリコンを含有する二次電池用活物質として用いてもよい。
二次電池用活物質の安定性の観点から、マトリクス相が本ナノシリコンを含有する活物質を二次電池用活物質として用いるのが好ましい。
When the present nanosilicon is used as an active material for a secondary battery, the present nanosilicon may be used as an active material as it is, or may be used as an active material for a secondary battery in which the matrix phase contains the present nanosilicon.
From the viewpoint of the stability of the active material for secondary batteries, it is preferable to use an active material in which the matrix phase contains the present nanosilicon as the active material for secondary batteries.

本ナノシリコンを含有する活物質を二次電池用活物質として用いる場合、前記マトリクス相はリチウムイオンを吸蔵放出が可能な物質である。吸蔵放出が可能な物質とは、電池の充電時にリチウムイオンをマトリクス相内に吸蔵し、放電時にリチウムイオンをマトリクス相内から放出することができる物質である。リチウム二次電池では前記吸蔵放出のサイクルが繰り返される。
リチウムイオンを吸蔵放出が可能な物質としては黒鉛、二酸化ケイ素、酸化チタン、およびケイ素、酸素、炭素を含む化合物が挙げられ、前記マトリクス相はこれら物質から構成されるのが好ましく、ケイ素、酸素、炭素を含む化合物から構成されるのが、初回効率及び容量維持率向上の観点からより好ましい。
ケイ素、酸素、炭素を含む化合物としてはシリコンオキシカーバイドが挙げられる。
When the active material containing the nanosilicon is used as an active material for a secondary battery, the matrix phase is a material capable of absorbing and releasing lithium ions. The material capable of absorbing and releasing is a material that can absorb lithium ions into the matrix phase when the battery is charged and release the lithium ions from the matrix phase when the battery is discharged. The cycle of absorbing and releasing is repeated in the lithium secondary battery.
Examples of materials capable of absorbing and releasing lithium ions include graphite, silicon dioxide, titanium oxide, and compounds containing silicon, oxygen, and carbon. The matrix phase is preferably composed of these materials, and more preferably composed of compounds containing silicon, oxygen, and carbon from the viewpoints of improving the initial efficiency and capacity retention rate.
Compounds containing silicon, oxygen, and carbon include silicon oxycarbide.

シリコンオキシカーバイドはケイ素、酸素、炭素を含む化合物から構成されており、なかでもケイ素-酸素-炭素骨格の三次元ネットワーク構造とフリー炭素を含む構造が好ましい。ここでフリー炭素とは、ケイ素-酸素-炭素の三次元骨格に含まれていない炭素である。フリー炭素は炭素相として存在する炭素、炭素相の炭素同士で結合している炭素、およびケイ素-酸素-炭素骨格と炭素相が結合している炭素を含む。Silicon oxycarbide is composed of compounds containing silicon, oxygen, and carbon, and among these, a three-dimensional network structure of a silicon-oxygen-carbon skeleton and a structure containing free carbon are preferred. Here, free carbon is carbon that is not contained in the three-dimensional silicon-oxygen-carbon skeleton. Free carbon includes carbon that exists as a carbon phase, carbon that is bonded to carbon in a carbon phase, and carbon that is bonded to a silicon-oxygen-carbon skeleton and a carbon phase.

シリコンオキシカーバイドは下記式(1)で表されるのが好ましい。
SiOxCy (1)
式(1)中、xはケイ素に対する酸素のモル比、yはケイ素に対する炭素のモル比を表す。
本ナノシリコンとマトリクス相を含む活物質を二次電池に用いた場合、充放電性能と容量維持率とのバランスが優位になるという観点から、1≦x<2が好ましく、1≦x≦1.9がより好ましく、1≦x≦1.8がさらに好ましい。
また、本ナノシリコンとマトリクス相を含む活物質を二次電池に用いた場合、充放電性能と初回クーロン効率のバランスとの観点から、1≦y≦20が好ましく、1.2≦y≦15がより好ましい。
The silicon oxycarbide is preferably represented by the following formula (1):
SiOxCy (1)
In formula (1), x represents the molar ratio of oxygen to silicon, and y represents the molar ratio of carbon to silicon.
When the active material containing the present nanosilicon and the matrix phase is used in a secondary battery, from the viewpoint of achieving an advantageous balance between charge/discharge performance and capacity retention rate, 1≦x<2 is preferable, 1≦x≦1.9 is more preferable, and 1≦x≦1.8 is even more preferable.
Furthermore, when the active material containing the present nanosilicon and a matrix phase is used in a secondary battery, from the viewpoint of the balance between charge/discharge performance and initial coulombic efficiency, 1≦y≦20 is preferable, and 1.2≦y≦15 is more preferable.

前記xおよびyはそれぞれの元素の質量含有量を測定した後、モル比(原子数比)に換算することにより求めることができる。この際、酸素と炭素は無機元素分析装置を使用することによって、その含有量を定量でき、ケイ素の含有量はICP発光分析装置(ICP-OES)を使用することによって定量できる。
なお、前記xおよびyの測定は前記記載方法によって実施することが好ましいが、活物質の局所的な分析を行い、それにより得られた含有比データの測定点数を多く取得して、活物質全体の含有比を類推することでも可能である。局所的な分析としては、例えばエネルギー分散型X線分光法(SEM-EDX)や電子線プローブマイクロアナライザ(EPMA)が挙げられる。
The x and y can be determined by measuring the mass content of each element and then converting it into a molar ratio (atomic number ratio). In this case, the oxygen and carbon contents can be quantified using an inorganic elemental analyzer, and the silicon content can be quantified using an inductively coupled plasma optical emission spectrometer (ICP-OES).
It is preferable to measure x and y by the above-described method, but it is also possible to perform a local analysis of the active material, obtain a large number of measurement points for the content ratio data obtained thereby, and infer the content ratio of the entire active material. Examples of local analysis include energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDX) and electron probe microanalyzer (EPMA).

マトリクス相がシリコンオキシカーバイドからなるシリコンオキシカーバイド相であり、ケイ素-酸素-炭素骨格の三次元ネットワーク構造とフリー炭素を含む構造の場合、シリコンオキシカーバイド相中のケイ素-酸素-炭素骨格は化学安定性が高く、フリー炭素との複合構造をとり、リチウムの吸蔵および放出に対して体積変化が小さい。本ナノシリコンがケイ素-酸素-炭素骨格とフリー炭素との複合構造体に密に包まれることで、リチウムの吸蔵および放出に対する本ナノシリコンの体積変化がより抑制される。その結果、本ナノシリコンとマトリクス相を含む活物質を負極活物質とした場合、負極中の本ナノシリコンが充放電性能発現の主要成分とする役割を果たしながら、シリコンオキシカーバイド相が充放電時に本ナノシリコンの体積変化に伴う粒子の破壊をさらに抑制し、リチウム二次電池のサイクル性がより改良される。 When the matrix phase is a silicon oxycarbide phase made of silicon oxycarbide and has a three-dimensional network structure of a silicon-oxygen-carbon skeleton and a structure containing free carbon, the silicon-oxygen-carbon skeleton in the silicon oxycarbide phase has high chemical stability, forms a composite structure with the free carbon, and exhibits small volumetric changes in response to the absorption and release of lithium. The nanosilicon is tightly wrapped in a composite structure of the silicon-oxygen-carbon skeleton and free carbon, which further suppresses the volumetric changes of the nanosilicon in response to the absorption and release of lithium. As a result, when an active material containing the nanosilicon and a matrix phase is used as a negative electrode active material, the nanosilicon in the negative electrode plays a role as a main component in expressing charge and discharge performance, while the silicon oxycarbide phase further suppresses particle destruction associated with volumetric changes of the nanosilicon during charge and discharge, thereby further improving the cycleability of the lithium secondary battery.

またシリコンオキシカーバイド相を構成する化合物がケイ素-酸素-炭素骨格の三次元ネットワーク構造とフリー炭素を含む構造を有していると、ケイ素-酸素-炭素骨格は、リチウムイオンの接近によりケイ素-酸素-炭素骨格の内部の電子分布に変動が生じ、ケイ素-酸素-炭素骨格とリチウムイオンの間に静電的な結合や配位結合などが形成される。この静電的な結合や配位結合によりリチウムイオンがケイ素-酸素-炭素骨格中に貯蔵される。一方、配位結合エネルギーは比較的低いため、リチウムイオンの脱離反応が容易に行われる。つまりケイ素-酸素-炭素骨格が充放電の際にリチウムイオンの挿入と脱離反応を可逆的に起こすことができると考えられる。Furthermore, when the compound that constitutes the silicon oxycarbide phase has a three-dimensional network structure of a silicon-oxygen-carbon skeleton and a structure that contains free carbon, the approach of lithium ions causes a change in the internal electron distribution of the silicon-oxygen-carbon skeleton, and electrostatic bonds and coordinate bonds are formed between the silicon-oxygen-carbon skeleton and the lithium ions. These electrostatic bonds and coordinate bonds allow lithium ions to be stored in the silicon-oxygen-carbon skeleton. Meanwhile, because the coordinate bond energy is relatively low, lithium ion desorption reactions occur easily. In other words, it is believed that the silicon-oxygen-carbon skeleton can reversibly cause lithium ion insertion and desorption reactions during charging and discharging.

前記シリコンオキシカーバイドはケイ素、酸素、炭素以外に窒素を含んでもよい。後述する本ナノシリコンとマトリクス相を含む活物質の製造方法において、使用する原料、例えばフェノール樹脂またはポリシロキサン化合物、その他の分散剤等の窒素化合物、および焼成プロセスで用いる窒素ガス等に含まれる窒素原子を分子内に官能基として含む原子団として、窒素原子をシリコンオキシカーバイド相に導入することができる。シリコンオキシカーバイド相が窒素を含むことで、本ナノシリコンとマトリクス相を含む活物質を負極活物質とした時の充放電性能や容量維持率に優れる傾向にある。
シリコンオキシカーバイド相を構成する化合物がケイ素、酸素、炭素および窒素を含む化合物の場合、シリコンオキシカーバイド相は下記式(2)で表される化合物を含有するのが好ましい。
SiOaCbNc (2)
式(2)中、aおよびbは前記と同じ意味であり、cはケイ素に対する窒素のモル比を表す。
シリコンオキシカーバイド相が前記式(2)で表される化合物を含む場合、本ナノシリコンを含む活物質を二次電池に用いた際の充放電性能や容量維持率の観点から、1≦a≦2、1≦b≦20、0<c≦0.5が好ましく、1≦a≦1.9、1.2≦b≦15、0<c≦0.4がより好ましい。
The silicon oxycarbide may contain nitrogen in addition to silicon, oxygen, and carbon. In the manufacturing method of the active material containing the nanosilicon and the matrix phase described later, nitrogen atoms contained in the raw materials used, such as nitrogen compounds such as phenolic resins or polysiloxane compounds, other dispersants, and nitrogen gas used in the firing process, can be introduced into the silicon oxycarbide phase as an atomic group containing nitrogen atoms as functional groups in the molecule. When the silicon oxycarbide phase contains nitrogen, the charge/discharge performance and capacity retention rate tend to be excellent when the active material containing the nanosilicon and the matrix phase is used as the negative electrode active material.
When the compound constituting the silicon oxycarbide phase is a compound containing silicon, oxygen, carbon and nitrogen, the silicon oxycarbide phase preferably contains a compound represented by the following formula (2).
SiOaCbNc (2)
In formula (2), a and b have the same meanings as above, and c represents the molar ratio of nitrogen to silicon.
When the silicon oxycarbide phase contains a compound represented by formula (2), from the viewpoint of charge/discharge performance and capacity retention rate when the active material containing the present nanosilicon is used in a secondary battery, it is preferable that 1≦a≦2, 1≦b≦20, and 0<c≦0.5, and it is more preferable that 1≦a≦1.9, 1.2≦b≦15, and 0<c≦0.4.

前記a、bおよびcは前記xおよびyと同様、元素の質量含有量を測定した後、モル比(原子数比)に換算することにより求めることができる。
前記xおよびyと同様、a、bおよびcの測定は上記記載方法によって実施することが好ましいが、本活物質の局所的な分析を行い、それにより得られた含有比データの測定点数を多く取得して、本活物質全体の含有比を類推することでも可能である。局所的な分析としては、例えばエネルギー分散型X線分光法(SEM-EDX)や電子線プローブマイクロアナライザ(EPMA)が挙げられる。
Similarly to x and y, a, b and c can be determined by measuring the mass contents of the elements and then converting them into molar ratios (atomic number ratios).
As with x and y, it is preferable to measure a, b, and c by the above-described method, but it is also possible to perform a local analysis of the active material, obtain a large number of measurement points for the content ratio data obtained thereby, and infer the content ratio of the entire active material. Examples of local analysis include energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDX) and electron probe microanalyzer (EPMA).

本ナノシリコンとマトリクス相を含む活物質の平均粒径が小さすぎると、比表面積の大幅な上昇につれ、活物質を負極活物質とする二次電池とした時、充放電時に固相界面電解質分解物(以下、「SEI」とも記す。)の生成量が増えることで単位体積当たりの可逆充放電容量が低下することがある。平均粒径が大きすぎると、電極膜作製時に集電体から剥離するおそれがある。
したがってマトリクス相が本ナノシリコンを含有する活物質の場合、その体積平均粒径は2μm以上15μm以下が好ましい。マトリクス相が本ナノシリコンを含有する活物質の体積平均粒径は2.5μm以上がより好ましく、3.0μm以上が特に好ましい。また、活物質の体積平均粒径は12μm以下がより好ましく、10μm以下が特に好ましい。体積平均粒径は前記D50の値である。
If the average particle size of the active material containing the present nanosilicon and the matrix phase is too small, the specific surface area will increase significantly, and when the active material is used as the negative electrode active material in a secondary battery, the reversible charge/discharge capacity per unit volume may decrease due to an increase in the amount of solid-phase interface electrolyte decomposition products (hereinafter, also referred to as "SEI") generated during charging and discharging. If the average particle size is too large, there is a risk of peeling off from the current collector during electrode film production.
Therefore, in the case of an active material in which the matrix phase contains the present nanosilicon, the volume average particle size is preferably 2 μm or more and 15 μm or less. The volume average particle size of an active material in which the matrix phase contains the present nanosilicon is more preferably 2.5 μm or more, and particularly preferably 3.0 μm or more. The volume average particle size of the active material is more preferably 12 μm or less, and particularly preferably 10 μm or less. The volume average particle size is the value of D50.

マトリクス相が本ナノシリコンを含有する活物質の比表面積は0.3m/g以上10m/g以下が好ましい。マトリクス相が本ナノシリコンを含有する活物質の比表面積は0.5m/g以上がより好ましく、1.0m/g以上が特に好ましい。また、活物質の比表面積は9.0m/g以下がより好ましく、8.0m/g以下が特に好ましい。比表面積が前記範囲であると、電極作製時における溶媒の吸収量を適切に保つことができ、結着性を維持するための結着剤の使用量も適切に保つことができる。なお前記比表面積は前記と同様にBET法により求めた値であり、窒素ガス吸着測定により求めることができ、例えば比表面積測定装置を用いて測定することができる。 The specific surface area of the active material in which the matrix phase contains the present nanosilicon is preferably 0.3 m 2 /g or more and 10 m 2 /g or less. The specific surface area of the active material in which the matrix phase contains the present nanosilicon is more preferably 0.5 m 2 /g or more, and particularly preferably 1.0 m 2 /g or more. The specific surface area of the active material is more preferably 9.0 m 2 /g or less, and particularly preferably 8.0 m 2 /g or less. When the specific surface area is in the above range, the amount of solvent absorbed during electrode preparation can be appropriately maintained, and the amount of binder used to maintain binding properties can also be appropriately maintained. The specific surface area is a value determined by the BET method as described above, and can be determined by nitrogen gas adsorption measurement, for example, can be measured using a specific surface area measuring device.

マトリクス相がシリコンオキシカーバイドを含む活物質の場合、シリコンオキシカーバイドはケイ素-酸素-炭素骨格構造とともに炭素元素のみで構成されるフリー炭素を有しているのが好ましい。シリコンオキシカーバイドがフリー炭素を有する場合、活物質のラマンスペクトルにおいて、グラファイト長周期炭素格子構造のGバンドに帰属される1590cm-1と、乱れや欠陥のあるグラファイト短周期炭素格子構造のDバンドに帰属される1330cm-1付近の散乱ピークが観測される。Dバンドの散乱ピーク強度、I(Gバンド)、に対するDバンドの散乱強度、I(Dバンド)、の強度比、I(Gバンド)/I(Dバンド)、は0.7以上2以下が好ましい。前記散乱ピーク強度比、I(Gバンド)/I(Dバンド)、は0.7以上1.8以下がより好ましい。前記散乱ピーク強度比、I(Gバンド)/I(Dバンド)、が前記の範囲であるということは、マトリクス中のフリー炭素において以下のことが言える。 In the case of an active material in which the matrix phase contains silicon oxycarbide, it is preferable that the silicon oxycarbide has free carbon composed only of carbon elements along with a silicon-oxygen-carbon skeletal structure. When the silicon oxycarbide has free carbon, a scattering peak is observed in the Raman spectrum of the active material at 1590 cm −1 which is attributed to the G band of the graphite long-period carbon lattice structure, and at about 1330 cm −1 which is attributed to the D band of the graphite short-period carbon lattice structure having disorder or defects. The intensity ratio I(G band)/I(D band) of the scattering peak intensity of the D band, I(G band), to the scattering peak intensity of the D band, I(D band), is preferably 0.7 or more and 2 or less. The scattering peak intensity ratio I(G band)/I(D band) is more preferably 0.7 or more and 1.8 or less. The fact that the scattering peak intensity ratio I(G band)/I(D band) is in the above range means that the following can be said about the free carbon in the matrix.

フリー炭素の一部の炭素原子は、ケイ素-酸素-炭素骨格中の一部のケイ素原子と結合している。このフリー炭素は、充放電特性に影響を与える重要な成分である。フリー炭素は主に、SiO,SiOC、およびSiOで構成されるケイ素-酸素-炭素骨格中に形成しているものであり、ケイ素-酸素-炭素骨格の一部のケイ素原子と結合しているため、ケイ素-酸素-炭素骨格内部、および表面のケイ素原子とフリー炭素間の電子伝達がより容易となる。このためマトリクス相が本ナノシリコンを含有する活物質を負極活物質として二次電池に用いた時の充放電時のリチウムイオンの挿入および脱離反応が速やかに進行し、充放電特性が向上すると考えられる。また、リチウムイオンの挿入および脱離反応によって、活物質が膨張および収縮することがあるが、フリー炭素がその近傍に存在することで活物質全体の膨張および収縮が緩和され、容量維持率を大きく向上させる効果があると考えられる。 Some carbon atoms of the free carbon are bonded to some silicon atoms in the silicon-oxygen-carbon skeleton. This free carbon is an important component that affects the charge-discharge characteristics. The free carbon is mainly formed in the silicon-oxygen-carbon skeleton composed of SiO 2 C 2 , SiO 3 C, and SiO 4 , and is bonded to some silicon atoms of the silicon-oxygen-carbon skeleton, so that electron transfer between the silicon atoms inside the silicon-oxygen-carbon skeleton and on the surface and the free carbon becomes easier. Therefore, when the active material containing the nanosilicon in the matrix phase is used as the negative electrode active material in a secondary battery, the insertion and desorption reaction of lithium ions during charging and discharging proceeds quickly, and the charge-discharge characteristics are improved. In addition, the insertion and desorption reaction of lithium ions may cause the active material to expand and contract, but the presence of free carbon in its vicinity is thought to have the effect of mitigating the expansion and contraction of the entire active material, greatly improving the capacity retention rate.

フリー炭素は、シリコンオキシカーバイド相を製造する際にケイ素含有化合物および炭素源樹脂の不活性ガス雰囲気中の熱分解に伴い形成する。具体的にはケイ素含有化合物および炭素源樹脂の分子構造中にある炭化可能な部位が不活性化する雰囲気中で高温熱分解によって炭素成分となり、これらの一部の炭素がケイ素-酸素-炭素骨格の一部と結合する。炭化可能な成分は、炭化水素が好ましく、アルキル類、アルキレン類、アルケン類、アルキン類、芳香族類がより好ましく、その中でも芳香族類であることがさらに好ましい。Free carbon is formed by thermal decomposition of the silicon-containing compound and the carbon source resin in an inert gas atmosphere when producing the silicon oxycarbide phase. Specifically, carbonizable sites in the molecular structures of the silicon-containing compound and the carbon source resin are converted into carbon components by high-temperature thermal decomposition in an inactive atmosphere, and some of these carbons bond to part of the silicon-oxygen-carbon skeleton. The carbonizable components are preferably hydrocarbons, more preferably alkyls, alkylenes, alkenes, alkynes, and aromatics, and even more preferably aromatics.

また、フリー炭素が存在することにより、活物質の抵抗低減効果が期待され、二次電池の負極として活物質を使用した場合、活物質内部の反応が均一かつスムーズに起こり、充放電性能と容量維持率のバランスに優れた二次電池用活物質が得られると考えられる。フリー炭素の導入はケイ素含有化合物由来だけでも可能であるが、炭素源樹脂を併用することにより、フリー炭素の存在量とその効果の増大が期待される。炭素源樹脂の種類は、特に限定されないが、炭素の六員環を含む炭素化合物が好ましい。 In addition, the presence of free carbon is expected to reduce the resistance of the active material, and when the active material is used as the negative electrode of a secondary battery, it is believed that the reaction inside the active material will occur uniformly and smoothly, resulting in an active material for secondary batteries with an excellent balance between charge/discharge performance and capacity retention rate. Although free carbon can be introduced only from silicon-containing compounds, the use of a carbon source resin in combination is expected to increase the amount of free carbon present and its effect. There are no particular limitations on the type of carbon source resin, but a carbon compound containing a six-membered carbon ring is preferred.

前記フリー炭素の存在状態は、ラマンスペクトル以外に熱重量示差熱分析装置(TG-DTA)でも同定することが可能である。ケイ素-酸素-炭素骨格中の炭素原子と異なり、フリー炭素は、大気中で熱分解されやすく、空気存在下で測定した熱重量減少量により炭素の存在量を求めることができる。つまり炭素量は、TG-DTAを用いることで定量できる。
また、熱重量減少挙動より、分解反応開始温度、分解反応終了温度、熱分解反応種の数、各熱分解反応種における最大重量減少量の温度などの熱分解温度挙動の変化も容易に把握できる。これら挙動の温度値を用いて炭素の状態を判断することができる。一方、ケイ素-酸素-炭素骨格中の炭素原子、すなわち前記SiO、SiOC、およびSiOを構成するケイ素原子と結合している炭素原子は、非常に強い化学結合を有するために熱安定性が高く、熱分析装置測定の温度範囲内では大気中で熱分解されることがないと考えられる。また、活物質のシリコンオキシカーバイド相中の炭素は、非晶質炭素と類似する特性を有しているため、大気中において約550℃から900℃の温度範囲に熱分解される。その結果、急激な重量減少が発生する。TG-DTAの測定条件の最高温度は特に限定されないが、炭素の熱分解反応を完全に終了させるために、大気中、約25℃から約1000℃以上までの条件下でTG-DTA測定を行うのが好ましい。
The state of the free carbon can be identified by a thermogravimetric differential thermal analyzer (TG-DTA) in addition to Raman spectroscopy. Unlike carbon atoms in a silicon-oxygen-carbon skeleton, free carbon is easily thermally decomposed in the atmosphere, and the amount of carbon present can be determined from the amount of thermal weight loss measured in the presence of air. In other words, the amount of carbon can be quantified using TG-DTA.
In addition, from the thermal weight loss behavior, the changes in the thermal decomposition temperature behavior, such as the decomposition reaction start temperature, the decomposition reaction end temperature, the number of thermal decomposition reaction species, and the temperature of the maximum weight loss amount in each thermal decomposition reaction species, can be easily understood. The state of carbon can be determined using the temperature values of these behaviors. On the other hand, the carbon atoms in the silicon-oxygen-carbon skeleton, that is, the carbon atoms bonded to the silicon atoms constituting the SiO 2 C 2 , SiO 3 C, and SiO 4 , have a very strong chemical bond and are therefore highly thermally stable, and are not considered to be thermally decomposed in the air within the temperature range of the thermal analysis device measurement. In addition, since the carbon in the silicon oxycarbide phase of the active material has properties similar to those of amorphous carbon, it is thermally decomposed in the air in the temperature range of about 550°C to 900°C. As a result, a rapid weight loss occurs. The maximum temperature of the measurement conditions for TG-DTA is not particularly limited, but in order to completely terminate the thermal decomposition reaction of carbon, it is preferable to perform the TG-DTA measurement in the air under conditions of about 25°C to about 1000°C or higher.

また前記活物質は被覆材により表面が被覆されていてもよい。被覆材としては、電子伝導性、リチウムイオン伝導性、電解液の分解抑制効果が期待出来る物質が好ましい。
前記被覆材としては、炭素、チタン、ニッケル等の電子伝導性物質が挙げられる。これらの中でも、負極活物質の化学安定性や熱安定性改善の観点から、炭素が好ましく、低結晶性炭素がより好ましい。
The surface of the active material may be coated with a coating material, which is preferably a material that is expected to have electronic conductivity, lithium ion conductivity, and the effect of inhibiting decomposition of the electrolyte.
The coating material includes electron conductive materials such as carbon, titanium, nickel, etc. Among these, from the viewpoint of improving the chemical stability and thermal stability of the negative electrode active material, carbon is preferred, and low crystalline carbon is more preferred.

被覆材が低結晶性炭素の場合、被覆層の平均厚みは10nm以上300nm以下が好ましい。また低結晶性炭素の含有量は活物質の全量を100質量%として、1から30質量%が好ましい。
被覆材が炭素の場合、炭素の被膜は気相沈積法により活物質表面に作成するのが好ましい。炭素の被膜の量は活物質の質量と炭素の被膜の質量の合計量を100質量%として、1質量%以上10質量%以下が活物質の化学安定性や熱安定性の改善の観点から好ましい。
なお活物質の質量とは、活物質が本ナノシリコンのみから構成される場合、本ナノシリコンの質量であり、活物質が本ナノシリコンとマトリクス相から構成される場合、両者の合計量である。例えばマトリクス相がシリコンオキシカーバイドからなる場合、本ナノシリコンとシリコンオキシカーバイドとの合計量である。シリコンオキシカーバイドが窒素を含む場合は、窒素も含む合計量である。活物質が後述する他の第三成分を含む場合、第三成分も含む合計量である。
When the coating material is low-crystalline carbon, the average thickness of the coating layer is preferably 10 nm to 300 nm, and the content of low-crystalline carbon is preferably 1 to 30 mass % relative to 100 mass % of the total amount of the active material.
When the coating material is carbon, the carbon coating is preferably formed on the surface of the active material by a vapor deposition method. The amount of the carbon coating is preferably 1% by mass to 10% by mass, based on the total mass of the active material and the carbon coating being 100% by mass, from the viewpoint of improving the chemical stability and thermal stability of the active material.
The mass of the active material is the mass of the nanosilicon when the active material is composed only of the nanosilicon, and is the total amount of the nanosilicon and the matrix phase when the active material is composed of the nanosilicon. For example, when the matrix phase is composed of silicon oxycarbide, it is the total amount of the nanosilicon and the silicon oxycarbide. When the silicon oxycarbide contains nitrogen, it is the total amount including the nitrogen. When the active material contains another third component described later, it is the total amount including the third component.

活物質は前記以外に他の必要な第三成分を含んでもよい。
第三成分としては、Li、K、Na、Ca、MgおよびAlからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属のシリケート化合物(以下、「金属シリケート化合物」とも記す。)が挙げられる。
シリケート化合物は一般に1個または数個のケイ素原子を中心とし、電気陰性な配位子がこれを取り囲んだ構造を持つアニオンを含む化合物であるが、金属シリケート化合物はLi、K、Na、Ca、MgおよびAlからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属と前記アニオンを含む化合物との塩である。
前記アニオンを含む化合物としてはオルトケイ酸イオン(SiO 4-)、メタケイ酸イオン(SiO 2-)、ピロケイ酸イオン (Si 6-)、環状ケイ酸イオン(Si 6-またはSi18 12-)等のケイ酸イオンが知られている。本シリケート化合物はメタケイ酸イオンとLi、K、Na、Ca、MgおよびAlからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属との塩であるシリケート化合物が好ましい。前記金属の中ではLiまたはMgが好ましい。
The active material may contain other necessary third components in addition to those mentioned above.
The third component may be a silicate compound of at least one metal selected from the group consisting of Li, K, Na, Ca, Mg, and Al (hereinafter, also referred to as a "metal silicate compound").
A silicate compound is generally a compound containing an anion having a structure in which one or several silicon atoms are at the center and electronegative ligands surround the silicon atom, and a metal silicate compound is a salt of at least one metal selected from the group consisting of Li, K, Na, Ca, Mg, and Al and a compound containing the above anion.
Known compounds containing the anion include silicate ions such as orthosilicate ion (SiO 4 4- ), metasilicate ion (SiO 3 2- ), pyrosilicate ion (Si 2 O 7 6- ), and cyclic silicate ion (Si 3 O 9 6- or Si 6 O 18 12- ). The silicate compound is preferably a silicate compound which is a salt of metasilicate ion and at least one metal selected from the group consisting of Li, K, Na, Ca, Mg, and Al. Of the metals, Li or Mg is preferred.

金属シリケート化合物はLi、K、Na、Ca、MgおよびAlからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属を有しており、これら金属の2種以上を有していてもよい。2種以上の金属を有する場合、一つのケイ酸イオンが複数種の金属を有していてもよいし、異なる金属を有するシリケート化合物の混合物であってもよい。また金属シリケート化合物はLi、K、Na、Ca、MgおよびAlからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属を有する限り、他の金属を有してもよい。
金属シリケート化合物はリチウムシリケート化合物またはマグネシウムシリケート化合物が好ましく、メタケイ酸リチウム(LiSiO)またはメタケイ酸マグネシウム(MgSiO)がより好ましく、メタケイ酸マグネシウム(MgSiO)が特に好ましい。
The metal silicate compound has at least one metal selected from the group consisting of Li, K, Na, Ca, Mg and Al, and may have two or more of these metals. When having two or more metals, one silicate ion may have multiple metals, or may be a mixture of silicate compounds having different metals. In addition, the metal silicate compound may have other metals as long as it has at least one metal selected from the group consisting of Li, K, Na, Ca, Mg and Al.
The metal silicate compound is preferably a lithium silicate compound or a magnesium silicate compound, more preferably lithium metasilicate (Li 2 SiO 3 ) or magnesium metasilicate (MgSiO 3 ), and particularly preferably magnesium metasilicate (MgSiO 3 ).

本ナノシリコンの製造方法は、露点温度が-60℃以下のガス雰囲気下、温度が60℃以下、水分濃度が10000ppm以下の非水溶媒中でシリコン粉末を湿式粉砕する製造方法(以下、「本製造方法」とも記す。)が挙げられる。
露点温度とは気体を冷却していったときに結露が起こる温度であり、ガス中の湿度を表す指標となる。「露点温度が-60℃以下のガス雰囲気下」とは、-60℃まで冷却したとき初めて結露が起こるガス雰囲気のことであり、ガス中の水分量が低い状態を表わしている。露点温度が-60℃を超えると、湿式粉砕中に溶媒への水分多量混入により分散不良が生じ、シリコン粒子がゲル化して生産性が低下する。
The method for producing the present nanosilicon includes wet-grinding silicon powder in a gas atmosphere having a dew point temperature of -60°C or lower, a temperature of 60°C or lower, and a non-aqueous solvent having a moisture concentration of 10,000 ppm or lower (hereinafter also referred to as "the present production method").
The dew point temperature is the temperature at which condensation occurs when gas is cooled, and is an index of the humidity in the gas. "In a gas atmosphere with a dew point temperature of -60°C or lower" refers to a gas atmosphere in which condensation occurs only when the gas is cooled to -60°C, and represents a state in which the moisture content in the gas is low. If the dew point temperature exceeds -60°C, a large amount of moisture will be mixed into the solvent during wet grinding, causing poor dispersion, and the silicon particles will gel, resulting in reduced productivity.

露点温度の算出は、例えば、JIS Z 8806「湿度-測定方法」の飽和水蒸気圧表などを用いて近似的に算出することができる。
ガス雰囲気は通常、不活性ガス雰囲気であり、取り扱いの観点から窒素雰囲気が好ましい。窒素の場合、露点温度が-60℃以下とは窒素中の水分量が10.67ppmである。
本製造方法は前記のガス雰囲気下で温度が60℃以下、水分濃度が10000ppm以下の非水溶媒中でシリコン粉末を湿式粉砕する。溶媒の蒸発およびシリコン粒子のゲル化を抑制する観点から、温度は40℃以下が好ましい。
The dew point temperature can be approximately calculated using, for example, the saturated water vapor pressure table of JIS Z 8806 "Humidity - Measurement method".
The gas atmosphere is usually an inert gas atmosphere, and from the viewpoint of handling, a nitrogen atmosphere is preferable. In the case of nitrogen, a dew point temperature of −60° C. or lower means that the moisture content in the nitrogen is 10.67 ppm.
In this manufacturing method, silicon powder is wet-pulverized in a non-aqueous solvent having a water concentration of 10,000 ppm or less at a temperature of 60° C. or less under the above-mentioned gas atmosphere. From the viewpoint of suppressing evaporation of the solvent and gelation of the silicon particles, the temperature is preferably 40° C. or less.

溶媒の揮発とシリコン酸化の抑制の観点から、非水溶媒の温度は40℃以下が好ましい。
非水溶媒としては、例えば、ケトン類のアセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、ジイソブチルケトン;アルコール類のエタノール、メタノール、ノルマルプロピルアルコール、イソプロピルアルコール;芳香族のベンゼン、トルエン、キシレンなどが挙げられる。
非水溶媒の水分濃度はシリコンの酸化による初回効率低下の観点から10000ppm以下が好ましく、より好ましくは5000ppm以下、更に好ましくは1000ppm以下、最も好ましいのは600ppm以下である。
非水溶媒の水分濃度は、例えば、使用前に脱水剤を非水溶媒に添加し、一定時間経過後に脱水剤を濾別する、または使用前に非水溶媒を蒸留する、雰囲気の露点を管理する等の方法で前記範囲内に制御することができる。
シリコン粒子の濃度は非水溶媒中、5から50質量%が好ましい。
From the viewpoint of suppressing volatilization of the solvent and silicon oxidation, the temperature of the nonaqueous solvent is preferably 40° C. or less.
Examples of non-aqueous solvents include ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, and diisobutyl ketone; alcohols such as ethanol, methanol, normal propyl alcohol, and isopropyl alcohol; and aromatics such as benzene, toluene, and xylene.
From the viewpoint of reducing the initial efficiency due to oxidation of silicon, the water concentration of the nonaqueous solvent is preferably 10,000 ppm or less, more preferably 5,000 ppm or less, further preferably 1,000 ppm or less, and most preferably 600 ppm or less.
The water concentration of the nonaqueous solvent can be controlled within the above range, for example, by adding a dehydrating agent to the nonaqueous solvent before use and filtering off the dehydrating agent after a certain period of time has elapsed, or by distilling the nonaqueous solvent before use, or by controlling the dew point of the atmosphere, or the like.
The concentration of the silicon particles in the non-aqueous solvent is preferably 5 to 50% by mass.

前記温度および水分濃度の非水溶媒中でシリコン粒子を湿式粉砕する。
用いるシリコン粒子は0価のケイ素から構成される。シリコン粒子の体積平均粒径が小さすぎると、分散性が悪くなり生産性が低下する可能性があることから、シリコン粒子の体積平均粒径は1μm以上が好ましく、3μm以上がより好ましい。シリコン粒子の体積平均粒径が大きすぎても、生産性が低下する可能性があることから、体積平均粒子径は20μm以下が好ましく、好ましくは10μm以下、更に好ましくは5μm以下である。体積平均粒子径は前記D50と同じであり、測定方法も前記と同じである。
得られる本ナノシリコンの酸素原子の量を小さくする観点から、用いるシリコン粒子の酸素原子は珪素原子の原子に対して、10atm%以下が好ましく、より好ましくは5atm%以下、さらに好ましくは2atm%以下である。
Silicon particles are wet-milled in a non-aqueous solvent having the above-mentioned temperature and water concentration.
The silicon particles used are composed of zero-valent silicon. If the volume average particle diameter of silicon particles is too small, dispersibility may be poor and productivity may be reduced, so the volume average particle diameter of silicon particles is preferably 1 μm or more, more preferably 3 μm or more. If the volume average particle diameter of silicon particles is too large, productivity may be reduced, so the volume average particle diameter is preferably 20 μm or less, preferably 10 μm or less, more preferably 5 μm or less. The volume average particle diameter is the same as D50, and the measurement method is also the same as above.
From the viewpoint of reducing the amount of oxygen atoms in the obtained nanosilicon, the oxygen atoms in the silicon particles used are preferably 10 atm % or less, more preferably 5 atm % or less, and even more preferably 2 atm % or less, relative to the silicon atoms.

用いるシリコン粒子の純度が99質量%未満の場合、本ナノシリコンを負極活物質とした時に金属が溶出しやすく電池として扱いにくい可能性がある。したがって用いるシリコン粒子の純度は99質量%以上が好ましく、より好ましくは99.9質量%、さらに好ましくは99.99質量%である。If the purity of the silicon particles used is less than 99% by mass, when the nanosilicon is used as the negative electrode active material, the metal may easily dissolve, making it difficult to handle as a battery. Therefore, the purity of the silicon particles used is preferably 99% by mass or more, more preferably 99.9% by mass, and even more preferably 99.99% by mass.

湿式粉砕に用いる粉砕機としては、ボールミル、ビーズミル、ジェットミルなどの粉砕機が例示できる。
前記粉砕機のビーズ粒径0.5mm以下、ビーズ充填率50から95vоl%、ローターの周速2から14m/sまたは粉砕時間を0.5から24hなどの粉砕の条件を制御し、分級等することでナノオーダーの平均粒径を有する前記本ナノシリコンが得られる。ビーズ粒径は0.2mm以下が好ましい。ビーズミルのローターの周速は4から12m/sが好ましく、6から12m/sがより好ましい。
Examples of the mill used for wet milling include a ball mill, a bead mill, and a jet mill.
The nanosilicon having an average particle size of nano-order can be obtained by controlling the grinding conditions such as bead particle size of 0.5 mm or less, bead filling rate of 50 to 95 vol%, rotor peripheral speed of 2 to 14 m/s, or grinding time of 0.5 to 24 h, and classifying the same. The bead particle size is preferably 0.2 mm or less. The rotor peripheral speed of the bead mill is preferably 4 to 12 m/s, more preferably 6 to 12 m/s.

前記湿式粉砕において、シリコン粒子の粉砕を促進するために分散剤を添加してもよい。分散剤の種類は、水系や非水系の分散剤が挙げられ、非水系分散剤が好ましい。非水系分散剤の種類は、ポリエーテル系、アルコール系、ポリアルキレンポリアミン系、ポリカルボン酸部分アルキルエステル系などの高分子型、多価アルコールエステル系、アルキルポリアミン系などの低分子型、ポリリン酸塩系などの無機型が例示される。
前記分散剤を添加する場合は、シリコン粒子の質量に対して、5質量%から60質量%の範囲が好ましく、5質量%から30質量%がより好ましい。
In the wet grinding, a dispersant may be added to promote grinding of silicon particles. The type of dispersant may be aqueous or non-aqueous, and non-aqueous dispersants are preferred. The type of non-aqueous dispersant may be a polymer type such as polyether, alcohol, polyalkylene polyamine, or polycarboxylic acid partial alkyl ester, a low molecular type such as polyhydric alcohol ester or alkyl polyamine, or an inorganic type such as polyphosphate.
When the dispersant is added, its amount is preferably in the range of 5% by mass to 60% by mass, and more preferably 5% by mass to 30% by mass, based on the mass of the silicon particles.

さらに、前記湿式粉砕において、用いるシリコン粒子の分散性を向上し、シリコン粒子の粉砕を促進するために、カチオン性界面活性剤、アニオン性界面活性剤および両性界面活性剤からなる群から選ばれる少なくとも1種の界面活性剤を添加してもよい。
カチオン性界面活性剤としては、脂肪族アミン塩、脂肪族四級アンモニウム塩、芳香族四級アンモニウム塩および複素環四級アンモニウム塩が挙げられる。カチオン性界面活性剤のアミン価は例えば1から100mgKOH/g、好ましくは5から80mgKOH/g、より好ましくは10から48mgKOH/g、特に好ましくは35から48mgKOH/gである。アミン価が上記範囲であると、粉砕によりナノ化した珪素粒子同士の再凝集が抑制されスラリーの増粘を抑制でき、結果として電池におけるサイクル特性、充放電容量、初期クーロン効率が優れる。カチオン性界面活性剤として具体的にはDISPERBYK9077(BYK Additives&Instruments製、DISPERBYKは登録商標)を使用できる。
Furthermore, in the wet grinding, in order to improve the dispersibility of the silicon particles used and promote the grinding of the silicon particles, at least one surfactant selected from the group consisting of cationic surfactants, anionic surfactants, and amphoteric surfactants may be added.
Examples of the cationic surfactant include aliphatic amine salts, aliphatic quaternary ammonium salts, aromatic quaternary ammonium salts, and heterocyclic quaternary ammonium salts. The amine value of the cationic surfactant is, for example, 1 to 100 mgKOH/g, preferably 5 to 80 mgKOH/g, more preferably 10 to 48 mgKOH/g, and particularly preferably 35 to 48 mgKOH/g. When the amine value is within the above range, re-aggregation of silicon particles nano-sized by pulverization can be suppressed, and the viscosity of the slurry can be suppressed, resulting in excellent cycle characteristics, charge/discharge capacity, and initial coulombic efficiency in the battery. Specifically, DISPERBYK9077 (manufactured by BYK Additives & Instruments, DISPERBYK is a registered trademark) can be used as the cationic surfactant.

アニオン性界面活性剤としては、カルボン酸塩、スルホン酸塩、硫酸エステル塩およびリン酸エステル塩が挙げられる。アニオン性界面活性剤の酸価は例えば1から200mgKOH/g、好ましくは10から180mgKOH/g、より好ましくは50から150mgKOH/gである。酸価が上記範囲であると、珪素粒子の分散媒への濡れ性が向上されるためスラリーの増粘を抑制でき、結果として電池におけるサイクル特性、充放電容量、初期クーロン効率が優れる。アニオン性界面活性剤として具体的にはDISPERBYK111(BYK Additives&Instruments製)を使用できる。Examples of anionic surfactants include carboxylates, sulfonates, sulfates, and phosphates. The acid value of the anionic surfactant is, for example, 1 to 200 mgKOH/g, preferably 10 to 180 mgKOH/g, and more preferably 50 to 150 mgKOH/g. When the acid value is within the above range, the wettability of the silicon particles to the dispersion medium is improved, so that the viscosity of the slurry can be suppressed, resulting in excellent cycle characteristics, charge/discharge capacity, and initial coulombic efficiency in the battery. Specifically, DISPERBYK111 (manufactured by BYK Additives & Instruments) can be used as the anionic surfactant.

界面活性剤は、上記のアミン価および酸価を有する両性界面活性剤であってもよく、上記のアミン価と酸価を有するカチオン性とアニオン性の界面活性剤を併用してもよい。両性界面活性剤はアルカリ性領域ではアニオン界面活性剤の性質を、酸性領域ではカチオン界面活性剤の性質を示す界面活性剤であり、例えば、カルボン酸塩、アミノ酸およびベタインを含む化合物が挙げられる。両性界面活性剤として具体的にはANTI-TERRA(登録商標)-U100(BYK Additives&Instruments製)を使用できる。
前記界面活性剤を添加する場合、その添加量はシリコン粒子の質量に対して、5から60質量%が好ましく、より好ましくは5から40質量%、更に好ましくは5から20質量%である。
The surfactant may be an amphoteric surfactant having the above amine value and acid value, or a cationic surfactant and an anionic surfactant having the above amine value and acid value may be used in combination. The amphoteric surfactant is a surfactant that exhibits the properties of an anionic surfactant in the alkaline range and the properties of a cationic surfactant in the acidic range, and examples of such surfactants include compounds containing carboxylates, amino acids, and betaines. Specific examples of amphoteric surfactants that can be used include ANTI-TERRA (registered trademark)-U100 (manufactured by BYK Additives & Instruments).
When the surfactant is added, the amount added is preferably from 5 to 60% by mass, more preferably from 5 to 40% by mass, and further preferably from 5 to 20% by mass, based on the mass of the silicon particles.

マトリクス相が本ナノシリコンを含有する二次電池用活物質(以下、「本活物質」とも記す。)とする場合、本活物質は例えば、前記本ナノシリコンと樹脂とを混合し、乾燥後、不活性ガス雰囲気下で焼成して製造することができる。
前記のとおりマトリクス相はリチウムイオンを吸蔵放出が可能な物質から構成されるので、本ナノシリコンと混合する樹脂は焼成によりリチウムイオンを吸蔵放出が可能な物質となる樹脂であればよい。前記のとおりリチウムイオンを吸蔵放出が可能な物質としては黒鉛、二酸化ケイ素、酸化チタン、およびケイ素、酸素、炭素を含む化合物が挙げられるので、本ナノシリコンと混合する樹脂としては、ポリシロキサン系樹脂や炭素源樹脂が挙げられる。
When the matrix phase is an active material for secondary batteries containing the present nanosilicon (hereinafter also referred to as the present active material), the present active material can be produced, for example, by mixing the present nanosilicon with a resin, drying the mixture, and then firing it under an inert gas atmosphere.
As described above, the matrix phase is composed of a material capable of absorbing and releasing lithium ions, so the resin to be mixed with the present nanosilicon may be any resin that can become a material capable of absorbing and releasing lithium ions by baking. As described above, materials capable of absorbing and releasing lithium ions include graphite, silicon dioxide, titanium oxide, and compounds containing silicon, oxygen, and carbon, so the resin to be mixed with the present nanosilicon may be a polysiloxane resin or a carbon source resin.

本ナノシリコンと樹脂を混合する場合、両者を均一に混合する観点から、本ナノシリコンを溶媒中に分散させたナノシリコンスラリーとして用いるのが好ましい。
ナノシリコンスラリーは分散性の観点から、前記本ナノシリコン、分散剤および溶媒を含むナノシリコンスラリー(以下、「本ナノシリコンスラリー」とも記す。)が好ましい。
本ナノシリコンスラリーが含有する分散剤は前記と同じであり、溶媒は水または前記の非水溶媒と同じ非水溶媒である。好ましい分散剤および非水溶媒も前記と同じである。また本ナノシリコンスラリーは界面活性剤を含有してもよい。界面活性剤は前記と同じカチオン界面活性剤、アニオン界面活性剤および両面界面活性剤間なる群から選ばれる少なくとも一種が挙げられる。
本ナノシリコンスラリーは本ナノシリコン、分散剤および非水溶媒を含むのが好ましい。
本ナノシリコンスラリーは、前記本製造方法において前記分散剤を用い、得られた本ナノシリコンを分離することなく前記非水溶媒中に本ナノシリコンが分散したスラリーがより好ましい。この場合、前記非水溶媒および、必要に応じて分散剤を含む場合は分散剤と本ナノシリコンの合計量を100質量%として、本ナノシリコンの量は5質量%から40質量%の範囲が好ましく、10質量%から30質量%がより好ましい。
When the present nanosilicon and a resin are mixed, from the viewpoint of uniformly mixing the two, it is preferable to use the present nanosilicon as a nanosilicon slurry in which the present nanosilicon is dispersed in a solvent.
From the viewpoint of dispersibility, the nanosilicon slurry is preferably a nanosilicon slurry containing the present nanosilicon, a dispersant and a solvent (hereinafter, also referred to as "the present nanosilicon slurry").
The dispersant contained in the nanosilicon slurry is the same as that described above, and the solvent is water or the same non-aqueous solvent as the non-aqueous solvent described above. The preferred dispersant and non-aqueous solvent are also the same as those described above. The nanosilicon slurry may also contain a surfactant. The surfactant may be at least one selected from the group consisting of the cationic surfactant, the anionic surfactant, and the amphoteric surfactant, as described above.
The nanosilicon slurry preferably comprises the nanosilicon, a dispersant and a non-aqueous solvent.
The present nanosilicon slurry is more preferably a slurry in which the present nanosilicon is dispersed in the non-aqueous solvent without separating the present nanosilicon obtained by using the dispersant in the present manufacturing method. In this case, the amount of the present nanosilicon is preferably in the range of 5% by mass to 40% by mass, more preferably 10% by mass to 30% by mass, based on the total amount of the non-aqueous solvent and, if necessary, the dispersant and the present nanosilicon being 100% by mass.

本活物質のマトリクス相が前記シリコンオキシカーバイドを含有する場合、樹脂としてポリシロキサン化合物と炭素源樹脂との混合物を用いるのが好ましい。ポリシロキサン化合物と炭素源樹脂との混合物と本ナノシリコンを混合する場合、本ナノシリコンスラリーを用いるのが好ましい。
本ナノシリコンスラリーと、ポリシロキサン化合物と炭素源樹脂との混合物とを混合し、脱溶媒して前駆体を得、得られた前駆体を焼成して焼成物を得、必要に応じて粉砕することで所望の平均粒径または比表面積を有する本活物質が得られる。
When the matrix phase of the active material contains silicon oxycarbide, it is preferable to use a mixture of a polysiloxane compound and a carbon source resin as the resin.When the mixture of a polysiloxane compound and a carbon source resin is mixed with the nanosilicon, it is preferable to use the nanosilicon slurry.
The present nanosilicon slurry is mixed with a mixture of a polysiloxane compound and a carbon source resin, the solvent is removed to obtain a precursor, the obtained precursor is calcined to obtain a calcined product, and if necessary, is pulverized to obtain the present active material having the desired average particle size or specific surface area.

前記ポリシロキサン化合物としては、ポリカルボシラン構造、ポリシラザン構造、ポリシラン構造およびポリシロキサン構造を少なくとも1つ含む樹脂が挙げられる。これらの構造のみを含む樹脂であっても良く、これら構造の少なくとも一つをセグメントとして有し、他の重合体セグメントと化学的に結合した複合型樹脂でも良い。複合化の形態はグラフト共重合、ブロック共重合、ランダム共重合、交互共重合などがある。例えば、ポリシロキサンセグメントが重合体セグメントの側鎖に化学的に結合したグラフト構造を有する複合樹脂、重合体セグメントの末端にポリシロキサンセグメントが化学的に結合したブロック構造を有する複合樹脂等が挙げられる。The polysiloxane compound may be a resin containing at least one of a polycarbosilane structure, a polysilazane structure, a polysilane structure, and a polysiloxane structure. The resin may contain only these structures, or may be a composite resin having at least one of these structures as a segment and chemically bonded to other polymer segments. The form of the composite may be graft copolymerization, block copolymerization, random copolymerization, alternating copolymerization, etc. For example, a composite resin having a graft structure in which a polysiloxane segment is chemically bonded to the side chain of a polymer segment, a composite resin having a block structure in which a polysiloxane segment is chemically bonded to the end of a polymer segment, etc. may be mentioned.

ポリシロキサンセグメントが、下記一般式(S-1)および/または下記一般式(S-2)で表される構造単位を有するポリシロキサン化合物が好ましい。なかでもポリシロキサン化合物が、シロキサン結合(Si-O-Si)主骨格の側鎖または末端に、カルボキシ基、エポキシ基、アミノ基、またはポリエーテル基を有することがより好ましい。A polysiloxane compound in which the polysiloxane segment has a structural unit represented by the following general formula (S-1) and/or the following general formula (S-2) is preferred. In particular, it is more preferred that the polysiloxane compound has a carboxy group, an epoxy group, an amino group, or a polyether group on the side chain or terminal of the siloxane bond (Si-O-Si) main skeleton.

Figure 0007485230000001
Figure 0007485230000001

Figure 0007485230000002
なお、前記一般式(S-1)および(S-2)中、Rは置換基を有してもよい芳香族炭化水素基またはアルキル基、エポキシ基、カルボキシ基などを表す。RおよびRは、それぞれアルキル基、シクロアルキル基、アリール基またはアラルキル基、エポキシ基、カルボキシ基などを示す。
Figure 0007485230000002
In the general formulae (S-1) and (S-2), R1 represents an aromatic hydrocarbon group or an alkyl group which may have a substituent, an epoxy group, a carboxy group, etc. R2 and R3 each represent an alkyl group, a cycloalkyl group, an aryl group or an aralkyl group, an epoxy group, a carboxy group, etc.

アルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、sec-ブチル基、tert-ブチル基、ペンチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、tert-ペンチル基、1-メチルブチル基、2-メチルブチル基、1,2-ジメチルプロピル基、1-エチルプロピル基、ヘキシル基、イソヘシル基、1-メチルペンチル基、2-メチルペンチル基、3-メチルペンチル基、1,1-ジメチルブチル基、1,2-ジメチルブチル基、2,2-ジメチルブチル基、1-エチルブチル基、1,1,2-トリメチルプロピル基、1,2,2-トリメチルプロピル基、1-エチル-2-メチルプロピル基、1-エチル-1-メチルプロピル基等が挙げられる。前記のシクロアルキル基としては、例えば、シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基等が挙げられる。Examples of the alkyl group include methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, isobutyl, sec-butyl, tert-butyl, pentyl, isopentyl, neopentyl, tert-pentyl, 1-methylbutyl, 2-methylbutyl, 1,2-dimethylpropyl, 1-ethylpropyl, hexyl, isohexyl, 1-methylpentyl, 2-methylpentyl, 3-methylpentyl, 1,1-dimethylbutyl, 1,2-dimethylbutyl, 2,2-dimethylbutyl, 1-ethylbutyl, 1,1,2-trimethylpropyl, 1,2,2-trimethylpropyl, 1-ethyl-2-methylpropyl, and 1-ethyl-1-methylpropyl. Examples of the cycloalkyl group include cyclopropyl, cyclobutyl, cyclopentyl, and cyclohexyl.

アリール基としては、例えば、フェニル基、ナフチル基、2-メチルフェニル基、3-メチルフェニル基、4-メチルフェニル基、4-ビニルフェニル基、3-イソプロピルフェニル基等が挙げられる。Examples of aryl groups include phenyl groups, naphthyl groups, 2-methylphenyl groups, 3-methylphenyl groups, 4-methylphenyl groups, 4-vinylphenyl groups, and 3-isopropylphenyl groups.

アラルキル基としては、例えば、ベンジル基、ジフェニルメチル基、ナフチルメチル基等が挙げられる。 Examples of aralkyl groups include benzyl groups, diphenylmethyl groups, and naphthylmethyl groups.

ポリシロキサン化合物が有するポリシロキサンセグメント以外の重合体セグメントとしては、例えば、アクリル重合体、フルオロオレフィン重合体、ビニルエステル重合体、芳香族系ビニル重合体、ポリオレフィン重合体等のビニル重合体セグメントや、ポリウレタン重合体セグメント、ポリエステル重合体セグメント、ポリエーテル重合体セグメント等の重合体セグメント等が挙げられる。中でも、ビニル重合体セグメントが好ましい。Examples of polymer segments other than the polysiloxane segment contained in the polysiloxane compound include vinyl polymer segments such as acrylic polymers, fluoroolefin polymers, vinyl ester polymers, aromatic vinyl polymers, and polyolefin polymers, as well as polymer segments such as polyurethane polymer segments, polyester polymer segments, and polyether polymer segments. Among these, vinyl polymer segments are preferred.

ポリシロキサン化合物が、ポリシロキサンセグメントと重合体セグメントとが下記の構造式(S-3)で示される構造で結合した複合樹脂でもよく、三次元網目状のポリシロキサン構造を有してもよい。The polysiloxane compound may be a composite resin in which polysiloxane segments and polymer segments are bonded in a structure shown in the following structural formula (S-3), or may have a three-dimensional mesh-like polysiloxane structure.

Figure 0007485230000003
なお式中、炭素原子は重合体セグメントを構成する炭素原子であり、2個のケイ素原子はポリシロキサンセグメントを構成するケイ素原子である。
Figure 0007485230000003
In the formula, the carbon atom is a carbon atom that constitutes a polymer segment, and the two silicon atoms are silicon atoms that constitute a polysiloxane segment.

ポリシロキサン化合物が有するポリシロキサンセグメントは、ポリシロキサンセグメント中に重合性二重結合など加熱により反応が可能な官能基を有していてもよい。熱分解前にポリシロキサン化合物を加熱処理することにより、架橋反応が進行し、固体状とすることにより、熱分解処理を容易に行うことができる。The polysiloxane segment of the polysiloxane compound may have a functional group capable of reacting by heating, such as a polymerizable double bond, in the polysiloxane segment. By subjecting the polysiloxane compound to heat treatment before thermal decomposition, the crosslinking reaction proceeds, and the compound becomes solid, making it easier to carry out the thermal decomposition treatment.

重合性二重結合としては、例えば、ビニル基や(メタ)アクリロイル基等が挙げられる。重合性二重結合は、ポリシロキサンセグメント中に2つ以上存在することが好ましく3から200個存在することがより好ましく、3から50個存在することが更に好ましい。また、ポリシロキサン化合物として重合性二重結合が2個以上存在する複合樹脂を使用することによって、架橋反応が容易に進行させることができる。Examples of polymerizable double bonds include vinyl groups and (meth)acryloyl groups. Preferably, there are two or more polymerizable double bonds in the polysiloxane segment, more preferably 3 to 200, and even more preferably 3 to 50. In addition, by using a composite resin having two or more polymerizable double bonds as the polysiloxane compound, the crosslinking reaction can be easily carried out.

ポリシロキサンセグメントは、シラノール基および/または加水分解性シリル基を有してもよい。加水分解性シリル基中の加水分解性基としては、例えば、ハロゲン原子、アルコキシ基、置換アルコキシ基、アシロキシ基、フェノキシ基、メルカプト基、アミノ基、アミド基、アミノオキシ基、イミノオキシ基、アルケニルオキシ基等が挙げられ、これらの基が加水分解されることにより加水分解性シリル基はシラノール基となる。前記熱硬化反応と並行して、シラノール基中の水酸基や加水分解性シリル基中の前記加水分解性基の間で加水分解縮合反応が進行することで、固体状のポリシロキサン化合物を得ることができる。The polysiloxane segment may have a silanol group and/or a hydrolyzable silyl group. Examples of the hydrolyzable group in the hydrolyzable silyl group include a halogen atom, an alkoxy group, a substituted alkoxy group, an acyloxy group, a phenoxy group, a mercapto group, an amino group, an amide group, an aminooxy group, an iminoxy group, and an alkenyloxy group. When these groups are hydrolyzed, the hydrolyzable silyl group becomes a silanol group. In parallel with the thermosetting reaction, a hydrolysis condensation reaction proceeds between the hydroxyl group in the silanol group and the hydrolyzable group in the hydrolyzable silyl group, thereby obtaining a solid polysiloxane compound.

本発明でいうシラノール基とはケイ素原子に直接結合した水酸基を有するケイ素含有基である。本発明で言う加水分解性シリル基とはケイ素原子に直接結合した加水分解性基を有するケイ素含有基であり、具体的には、例えば、下記の一般式(S-4)で表される基が挙げられる。In the present invention, the silanol group refers to a silicon-containing group having a hydroxyl group directly bonded to a silicon atom. In the present invention, the hydrolyzable silyl group refers to a silicon-containing group having a hydrolyzable group directly bonded to a silicon atom, and specific examples thereof include groups represented by the following general formula (S-4).

Figure 0007485230000004
なお式中、Rはアルキル基、アリール基またはアラルキル基等の1価の有機基を、Rはハロゲン原子、アルコキシ基、アシロキシ基、アリルオキシ基、メルカプト基、アミノ基、アミド基、アミノオキシ基、イミノオキシ基またはアルケニルオキシ基である。またbは0から2の整数である。
Figure 0007485230000004
In the formula, R4 is a monovalent organic group such as an alkyl group, an aryl group, or an aralkyl group, R5 is a halogen atom, an alkoxy group, an acyloxy group, an allyloxy group, a mercapto group, an amino group, an amido group, an aminooxy group, an iminoxy group, or an alkenyloxy group, and b is an integer of 0 to 2.

アルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、sec-ブチル基、tert-ブチル基、ペンチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、tert-ペンチル基、1-メチルブチル基、2-メチルブチル基、1,2-ジメチルプロピル基、1-エチルプロピル基、ヘキシル基、イソヘシル基、1-メチルペンチル基、2-メチルペンチル基、3-メチルペンチル基、1,1-ジメチルブチル基、1,2-ジメチルブチル基、2,2-ジメチルブチル基、1-エチルブチル基、1,1,2-トリメチルプロピル基、1,2,2-トリメチルプロピル基、1-エチル-2-メチルプロピル基、1-エチル-1-メチルプロピル基等が挙げられる。Examples of alkyl groups include methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, isobutyl, sec-butyl, tert-butyl, pentyl, isopentyl, neopentyl, tert-pentyl, 1-methylbutyl, 2-methylbutyl, 1,2-dimethylpropyl, 1-ethylpropyl, hexyl, isohexyl, 1-methylpentyl, 2-methylpentyl, 3-methylpentyl, 1,1-dimethylbutyl, 1,2-dimethylbutyl, 2,2-dimethylbutyl, 1-ethylbutyl, 1,1,2-trimethylpropyl, 1,2,2-trimethylpropyl, 1-ethyl-2-methylpropyl, and 1-ethyl-1-methylpropyl.

アリール基としては、例えば、フェニル基、ナフチル基、2-メチルフェニル基、3-メチルフェニル基、4-メチルフェニル基、4-ビニルフェニル基、3-イソプロピルフェニル基等が挙げられる。Examples of aryl groups include phenyl groups, naphthyl groups, 2-methylphenyl groups, 3-methylphenyl groups, 4-methylphenyl groups, 4-vinylphenyl groups, and 3-isopropylphenyl groups.

アラルキル基としては、例えば、ベンジル基、ジフェニルメチル基、ナフチルメチル基等が挙げられる。 Examples of aralkyl groups include benzyl groups, diphenylmethyl groups, and naphthylmethyl groups.

ハロゲン原子としては、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等が挙げられる。 Examples of halogen atoms include fluorine atoms, chlorine atoms, bromine atoms, iodine atoms, etc.

アルコキシ基としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、イソプロポキシ基、ブトキシ基、第二ブトキシ基、第三ブトキシ基等が挙げられる。Examples of alkoxy groups include methoxy groups, ethoxy groups, propoxy groups, isopropoxy groups, butoxy groups, sec-butoxy groups, and tert-butoxy groups.

アシロキシ基としては、例えば、ホルミルオキシ基、アセトキシ基、プロパノイルオキシ基、ブタノイルオキシ基、ピバロイルオキシ基、ペンタノイルオキシ基、フェニルアセトキシ基、アセトアセトキシ基、ベンゾイルオキシ基、ナフトイルオキシ基等が挙げられる。Examples of acyloxy groups include formyloxy groups, acetoxy groups, propanoyloxy groups, butanoyloxy groups, pivaloyloxy groups, pentanoyloxy groups, phenylacetoxy groups, acetoacetoxy groups, benzoyloxy groups, and naphthoyloxy groups.

アリルオキシ基としては、例えば、フェニルオキシ基、ナフチルオキシ基等が挙げられる。 Examples of allyloxy groups include phenyloxy groups and naphthyloxy groups.

アルケニルオキシ基としては、例えば、ビニルオキシ基、アリルオキシ基、1-プロペニルオキシ基、イソプロペニルオキシ基、2-ブテニルオキシ基、3-ブテニルオキシ基、2-ペテニルオキシ基、3-メチル-3-ブテニルオキシ基、2-ヘキセニルオキシ基等が挙げられる。Examples of alkenyloxy groups include vinyloxy groups, allyloxy groups, 1-propenyloxy groups, isopropenyloxy groups, 2-butenyloxy groups, 3-butenyloxy groups, 2-pentenyloxy groups, 3-methyl-3-butenyloxy groups, and 2-hexenyloxy groups.

前記一般式(S-1)および/または前記一般式(S-2)で示される構造単位を有するポリシロキサンセグメントとしては、例えば以下の構造を有するもの等が挙げられる。Examples of polysiloxane segments having structural units represented by the general formula (S-1) and/or the general formula (S-2) include those having the following structures:

Figure 0007485230000005
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Figure 0007485230000006
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Figure 0007485230000007
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重合体セグメントは、本発明の効果を阻害しない範囲で、必要に応じて各種官能基を有していても良い。かかる官能基としては、例えばカルボキシル基、ブロックされたカルボキシル基、カルボン酸無水基、3級アミノ基、水酸基、ブロックされた水酸基、シクロカーボネート基、エポキシ基、カルボニル基、1級アミド基、2級アミド、カーバメート基、下記の構造式(S-5)で表される官能基等を使用することができる。The polymer segment may have various functional groups as necessary, as long as they do not impair the effects of the present invention. Examples of such functional groups include a carboxyl group, a blocked carboxyl group, a carboxylic anhydride group, a tertiary amino group, a hydroxyl group, a blocked hydroxyl group, a cyclocarbonate group, an epoxy group, a carbonyl group, a primary amide group, a secondary amide, a carbamate group, and a functional group represented by the following structural formula (S-5).

Figure 0007485230000008
Figure 0007485230000008

また、前記重合体セグメントは、ビニル基、(メタ)アクリロイル基等の重合性二重結合を有していてもよい。The polymer segment may also have a polymerizable double bond such as a vinyl group or a (meth)acryloyl group.

前記ポリシロキサン化合物は、例えば、下記(1)から(3)に示す方法で製造することが好ましい。The polysiloxane compound is preferably produced, for example, by the methods shown in (1) to (3) below.

(1)前記重合体セグメントの原料として、シラノール基および/または加水分解性シリル基を含有する重合体セグメントを予め調製しておき、この重合体セグメントと、シラノール基および/または加水分解性シリル基、並びに重合性二重結合を併有するシラン化合物とを混合し、加水分解縮合反応を行う方法。(1) A method in which a polymer segment containing a silanol group and/or a hydrolyzable silyl group is prepared in advance as a raw material for the polymer segment, and this polymer segment is mixed with a silane compound having both a silanol group and/or a hydrolyzable silyl group and a polymerizable double bond to carry out a hydrolysis condensation reaction.

(2)前記重合体セグメントの原料として、シラノール基および/または加水分解性シリル基を含有する重合体セグメントを予め調製する。また、シラノール基および/または加水分解性シリル基、並びに重合性二重結合を併有するシラン化合物を加水分解縮合反応してポリシロキサンも予め調製しておく。そして、重合体セグメントとポリシロキサンとを混合し、加水分解縮合反応を行う方法。(2) A polymer segment containing a silanol group and/or a hydrolyzable silyl group is prepared in advance as a raw material for the polymer segment. A polysiloxane is also prepared in advance by subjecting a silane compound having both a silanol group and/or a hydrolyzable silyl group and a polymerizable double bond to a hydrolysis and condensation reaction. The polymer segment and the polysiloxane are then mixed together to carry out a hydrolysis and condensation reaction.

(3)前記重合体セグメントと、シラノール基および/または加水分解性シリル基、並びに重合性二重結合を併有するシラン化合物と、ポリシロキサンとを混合し、加水分解縮合反応を行う方法。
上述方法によりポリシロキサン化合物が得られる。
ポリシロキサン化合物としては、例えば、セラネート(登録商標)シリーズ(有機・無機ハイブリッド型コーティング樹脂;DIC株式会社製)やコンポセランSQシリーズ(シルセスキオキサン型ハイブリッド;荒川化学工業株式会社製)が挙げられる。
(3) A method in which the polymer segment, a silane compound having a silanol group and/or a hydrolyzable silyl group, and a polymerizable double bond, and a polysiloxane are mixed together, and a hydrolysis condensation reaction is carried out.
A polysiloxane compound can be obtained by the above method.
Examples of polysiloxane compounds include the Ceranate (registered trademark) series (organic-inorganic hybrid coating resin; manufactured by DIC Corporation) and the CompoCerane SQ series (silsesquioxane hybrid; manufactured by Arakawa Chemical Industries, Ltd.).

前記炭素源樹脂は、ポリシロキサン化合物との混和性が良く、また、不活性雰囲気中、高温焼成により炭化され、芳香族官能基を有する合成樹脂や天然化学原料が好ましい。The carbon source resin is preferably a synthetic resin or natural chemical raw material having aromatic functional groups, which has good miscibility with polysiloxane compounds and can be carbonized by high-temperature baking in an inert atmosphere.

合成樹脂としては、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸などの熱可塑性樹脂、フェノール樹脂、フラン樹脂などの熱硬化性樹脂が挙げられる。天然化学原料としては、重質油、特にはタールピッチ類としては、コールタール、タール軽油、タール中油、タール重油、ナフタリン油、アントラセン油、コールタールピッチ、ピッチ油、メソフェーズピッチ、酸素架橋石油ピッチ、ヘビーオイルなどが挙げられるが、安価入手や不純物排除の観点からフェノール樹脂の使用がより好ましい。 Examples of synthetic resins include thermoplastic resins such as polyvinyl alcohol and polyacrylic acid, and thermosetting resins such as phenolic resins and furan resins. Natural chemical raw materials include heavy oils, particularly tar pitches, such as coal tar, light tar oil, medium tar oil, heavy tar oil, naphthalene oil, anthracene oil, coal tar pitch, pitch oil, mesophase pitch, oxygen-crosslinked petroleum pitch, and heavy oil, but the use of phenolic resins is more preferable from the standpoint of cheap availability and the elimination of impurities.

特に、炭素源樹脂が芳香族炭化水素部位を含む樹脂であることが好ましく、芳香族炭化水素部位を含む樹脂がフェノール樹脂、エポキシ樹脂、または熱硬化性樹脂が好ましく、フェノール樹脂はレゾール型が好ましい。
フェノール樹脂としては、例えばスミライトレジンシリーズ(レゾール型フェノール樹脂,住友ベークライト株式会社製)が挙げられる。
In particular, the carbon source resin is preferably a resin containing an aromatic hydrocarbon moiety, and the resin containing an aromatic hydrocarbon moiety is preferably a phenol resin, an epoxy resin, or a thermosetting resin, and the phenol resin is preferably a resol type.
The phenolic resin may be, for example, SUMILITE RESIN series (resole type phenolic resin, manufactured by Sumitomo Bakelite Co., Ltd.).

本ナノシリコンのスラリー、好ましくは前記本ナノシリコンスラリーを前記ポリシロキサン化合物と炭素源樹脂との混合物と混合し、脱溶媒して前駆体が得られる。
ポリシロキサン化合物と炭素源樹脂を含む混合物は、ポリシロキサン化合物と炭素源樹脂とが均一に混合した状態であることが好ましい。前記混合は分散および混合の機能を有する装置を用いて行われる。分散および混合の機能を有する装置としては、例えば、攪拌機、超音波ミキサー、プリミックス分散機などが挙げられる。有機溶媒を溜去することを目的とする脱溶剤と乾燥の作業では、乾燥機、減圧乾燥機、噴霧乾燥機などを用いることができる。
The nanosilicon slurry, preferably the nanosilicon slurry, is mixed with the mixture of the polysiloxane compound and the carbon source resin, and the solvent is removed to obtain a precursor.
The mixture containing the polysiloxane compound and the carbon source resin is preferably in a state in which the polysiloxane compound and the carbon source resin are uniformly mixed. The mixing is performed using a device having the functions of dispersion and mixing. Examples of the device having the functions of dispersion and mixing include a stirrer, an ultrasonic mixer, and a premix disperser. In the work of desolvation and drying for the purpose of distilling off the organic solvent, a dryer, a reduced pressure dryer, a spray dryer, etc. can be used.

前駆体は本ナノシリコンを3質量%から50質量%、ポリシロキサン化合物の固形分を15質量%から85質量%、炭素源樹脂の固形分を3質量%から70質量%含有するのが好ましく、本酸化ケイ素粒子の固形分含有量を8質量%から40質量%、ポリシロキサン化合物の固形分を20から70質量%、炭素源樹脂の固形分を3質量%から60質量%含有するのがより好ましい。The precursor preferably contains 3% to 50% by mass of the nanosilicon, 15% to 85% by mass of a solid content of the polysiloxane compound, and 3% to 70% by mass of a solid content of the carbon source resin, and more preferably contains 8% to 40% by mass of the solid content of the silicon oxide particles, 20 to 70% by mass of a solid content of the polysiloxane compound, and 3% to 60% by mass of a solid content of the carbon source resin.

前記で得られた前駆体を不活性ガス雰囲気中、焼成して熱分解可能な有機成分を完全分解させて焼成物が得られる。焼成温度は、例えば、最高到達温度が900℃から1200℃の範囲の温度で焼成することで、熱分解可能な有機成分を完全分解することができる。またポリシロキサン化合物および炭素源樹脂が高温処理のエネルギーによってケイ素-酸素-炭素骨格とフリー炭素を有するシリコンオキシカーバイド相に転化される。The precursor obtained above is calcined in an inert gas atmosphere to completely decompose the thermally decomposable organic components, resulting in a calcined product. The calcination temperature can be set, for example, at a maximum temperature in the range of 900°C to 1200°C, which allows the thermally decomposable organic components to be completely decomposed. The polysiloxane compound and carbon source resin are also converted by the energy of the high-temperature treatment into a silicon oxycarbide phase having a silicon-oxygen-carbon skeleton and free carbon.

焼成は昇温速度、一定温度での保持時間等により規定される焼成のプログラムに沿って行われる。なお最高到達温度は、設定する最高温度であり、焼成物の構造や性能に強く影響を与えるものである。最高到達温度により、シリコンオキシカーバイド相のケイ素と炭素の化学結合状態を保有する本活物質の微細構造が精密に制御でき、より優れた充放電特性が得られる。 Firing is carried out according to a firing program that specifies factors such as the heating rate and holding time at a constant temperature. The maximum temperature reached is the highest temperature that can be set, and it has a strong influence on the structure and performance of the fired product. The maximum temperature reached allows precise control of the microstructure of this active material, which retains the chemically bonded state of silicon and carbon in the silicon oxycarbide phase, resulting in better charge and discharge characteristics.

焼成方法は、特に限定されないが、不活性ガス雰囲気中にて加熱機能を有する反応装置を用いればよく、連続法、回分法での処理が可能である。焼成用装置については、流動層反応炉、回転炉、竪型移動層反応炉、トンネル炉、バッチ炉、ロータリーキルン等をその目的に応じ適宜選択することができる。The calcination method is not particularly limited, but a reaction device having a heating function in an inert gas atmosphere may be used, and processing can be carried out by a continuous method or a batch method. The calcination device can be appropriately selected according to the purpose from among a fluidized bed reactor, a rotary furnace, a vertical moving bed reactor, a tunnel furnace, a batch furnace, a rotary kiln, etc.

得られた焼成物を粉砕し、必要に応じて分級することで本活物質が得られる。粉砕は所望の粒径まで一段で行っても良いし、数段に分けて行っても良い。例えば10mm以上の塊または凝集粒子の焼成物を、10μm程度の活物質を作製する場合はジョークラッシャー、ロールクラッシャー等で粗粉砕を行い1mm程度の粒子にした後、グローミル、ボールミル等で100μm程度とし、ビーズミル、ジェットミル等で10μm程度まで粉砕する。粉砕で作製した粒子には粗大粒子が含まれる場合がありそれを取り除くため、また、微粉を取り除いて粒度分布を調整する場合は分級を行う。使用する分級機は風力分級機、湿式分級機等目的に応じて使い分けるが、粗大粒子を取り除く場合、篩を通す分級方式が確実に目的を達成できるために好ましい。なお、焼成前に前駆体混合物を噴霧乾燥等により目標粒子径付近の形状に制御し、その形状で焼成を行った場合は、粉砕工程を省くことも可能である。The obtained fired product is pulverized and classified as necessary to obtain the active material. The pulverization may be performed in one step to the desired particle size, or may be performed in several steps. For example, when preparing an active material of about 10 μm, the fired product of lumps or aggregates of 10 mm or more is coarsely pulverized with a jaw crusher, roll crusher, etc. to particles of about 1 mm, then crushed to about 100 μm with a glow mill, ball mill, etc., and to about 10 μm with a bead mill, jet mill, etc. The particles produced by pulverization may contain coarse particles, and classification is performed to remove them, or to remove fine powder and adjust the particle size distribution. The classifier used is a wind classifier, a wet classifier, etc., depending on the purpose, but when removing coarse particles, a classification method that passes through a sieve is preferable because it can reliably achieve the purpose. In addition, if the precursor mixture is controlled to a shape close to the target particle size by spray drying or the like before firing, and fired in that shape, it is possible to omit the grinding process.

本活物質がLi、K、Na、Ca、MgおよびAlからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属のシリケート化合物を有する場合、本酸化ケイ素粒子のスラリーをポリシロキサン化合物と炭素源樹脂との混合物と混合して得られた懸濁液に、Li、K、Na、Ca、MgおよびAlからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属の塩を添加し、その後は前記と同じ操作で、前記シリケート化合物を有する本活物質が得られる。
Li、K、Na、Ca、MgおよびAlからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属の塩としては、これら金属のフッ化物、塩化物、臭化物等のハロゲン化物、水酸化物、炭酸塩等が挙げられる。
When the present active material contains a silicate compound of at least one metal selected from the group consisting of Li, K, Na, Ca, Mg, and Al, a salt of at least one metal selected from the group consisting of Li, K, Na, Ca, Mg, and Al is added to a suspension obtained by mixing a slurry of the present silicon oxide particles with a mixture of a polysiloxane compound and a carbon source resin, and then the same operation as above is carried out to obtain the present active material containing the silicate compound.
Examples of the salt of at least one metal selected from the group consisting of Li, K, Na, Ca, Mg, and Al include halides such as fluorides, chlorides, and bromides, hydroxides, and carbonates of these metals.

前記金属の塩は2種以上の金属の塩でもよく、一つの塩が複数種の金属を有していてもよいし、異なる金属を有する塩の混合物であってもよい。
前記金属の塩を懸濁液に添加する際の金属の塩の添加量は、酸化ケイ素粒子のモル数に対してモル比で0.01から0.4までが好ましい。
前記金属の塩が有機溶媒に可溶の場合、前記金属の塩を有機溶媒に溶かして懸濁液に加えて混合すればよい。前記金属の塩が有機溶媒に不溶の場合、金属の塩の粒子を有機溶媒に分散してから前記懸濁液に加え、混合すればよい。前記金属の塩は、分散効果向上の観点から平均粒径が100nm以下のナノ粒子が好ましい。前記有機溶媒は、アルコール類、ケトン類などを好適に用いることができるが、トルエン、キシレン、ナフタレン、メチルナフタレンなどの芳香族炭化水素系溶剤も用いることができる。
The salt of the metal may be a salt of two or more metals, one salt may have a plurality of metals, or a mixture of salts having different metals.
The amount of the metal salt added to the suspension is preferably 0.01 to 0.4 in terms of molar ratio relative to the number of moles of silicon oxide particles.
When the metal salt is soluble in an organic solvent, the metal salt may be dissolved in an organic solvent and added to the suspension and mixed. When the metal salt is insoluble in an organic solvent, the metal salt particles may be dispersed in an organic solvent and then added to the suspension and mixed. From the viewpoint of improving the dispersion effect, the metal salt is preferably nanoparticles having an average particle size of 100 nm or less. As the organic solvent, alcohols, ketones, etc. can be suitably used, but aromatic hydrocarbon solvents such as toluene, xylene, naphthalene, and methylnaphthalene can also be used.

前記懸濁液に前記金属の塩を均一に分散させることで金属の塩の分子と本ナノシリコンを十分に接触させることができる。本ナノシリコンの表面や周辺に酸化ケイ素が存在する場合、前記金属の塩の分子と本ナノシリコンが固相反応する条件で、金属の塩の分子と本ナノシリコンを十分に接触させることで本ナノシリコンの表面近傍に前記シリケート化合物を存在させることができる。本ナノシリコンの表面近傍における前記シリケート化合物の濃度を、シリコンオキシカーバイドの濃度より高濃度とするためには、前記金属の塩と本酸化ケイ素粒子の接触状態を向上させるのが重要である。
また、有機添加物を用いて前記金属の塩の分子を表面修飾することで、本ナノシリコン表面付近に付着させることができる。有機添加物の分子構造は、特に制限はないが、本ナノシリコンの表面上に存在している分散剤との物理的または化学的結合ができるような分子構造が好ましい。前記の物理的または化学的結合は、静電作用、水素結合、分子間ファンデルワールス力、イオン結合、共有結合などが挙げられる。高温焼成の時、前記金属の塩の分子が本ナノシリコン表面の酸化ケイ素と固相反応することにより、本ナノシリコンの表面を前記シリケート化合物で被覆することができる。
By uniformly dispersing the metal salt in the suspension, the metal salt molecules can be brought into sufficient contact with the nanosilicon. When silicon oxide is present on or around the surface of the nanosilicon, the silicate compound can be present near the surface of the nanosilicon by bringing the metal salt molecules into sufficient contact with the nanosilicon under conditions in which the metal salt molecules and the nanosilicon undergo a solid-phase reaction. In order to make the concentration of the silicate compound near the surface of the nanosilicon higher than the concentration of silicon oxycarbide, it is important to improve the contact state between the metal salt and the silicon oxide particles.
In addition, the metal salt molecules can be attached to the vicinity of the nanosilicon surface by surface modification using an organic additive. The molecular structure of the organic additive is not particularly limited, but it is preferable that the organic additive has a molecular structure that can form a physical or chemical bond with the dispersant present on the surface of the nanosilicon. The physical or chemical bond can be an electrostatic action, a hydrogen bond, an intermolecular van der Waals force, an ionic bond, a covalent bond, etc. During high-temperature baking, the metal salt molecules undergo a solid-phase reaction with the silicon oxide on the surface of the nanosilicon, so that the surface of the nanosilicon can be covered with the silicate compound.

本活物質は、サイクル性、初期のクーロン効率および容量維持率に優れており、本活物質を含む負極として用いた二次電池は良好な特性を発揮する。
具体的には、本活物質と有機結着剤と、必要に応じてその他の導電助剤などの成分を含んで構成されるスラリーを集電体銅箔上へ薄膜状に塗付して負極とすることができる。また、前記のスラリーに黒鉛など炭素材料を加えて負極を作製することもできる。
炭素材料としては、天然黒鉛、人工黒鉛、ハードカーボンまたはソフトカーボンのような非晶質炭素などが挙げられる。
The present active material is excellent in cycle property, initial coulombic efficiency and capacity retention rate, and a secondary battery using the present active material as a negative electrode exhibits excellent characteristics.
Specifically, a slurry containing the active material, an organic binder, and other components such as a conductive assistant, if necessary, can be applied to a copper foil collector in the form of a thin film to form a negative electrode. Alternatively, a carbon material such as graphite can be added to the slurry to form a negative electrode.
Examples of the carbon material include natural graphite, artificial graphite, and amorphous carbon such as hard carbon or soft carbon.

例えば、本活物質と、有機結着材であるバインダーとを、溶媒とともに撹拌機、ボールミル、スーパーサンドミル、加圧ニーダ等の分散装置により混練して、負極材スラリーを調製し、これを集電体に塗布して負極層を形成することで得ることができる。また、ペースト状の負極材スラリーをシート状、ペレット状等の形状に成形し、これを集電体と一体化することでも得ることができる。For example, the active material and the organic binder are mixed together with a solvent using a dispersing device such as a mixer, ball mill, super sand mill, or pressure kneader to prepare a negative electrode material slurry, which is then applied to a current collector to form a negative electrode layer. Alternatively, the negative electrode material can be obtained by forming the paste-like negative electrode material slurry into a sheet, pellet, or other shape and integrating it with a current collector.

前記有機結着剤としては、例えば、スチレン-ブタジエンゴム共重合体(以下、「SBR」とも記す。);メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、ブチル(メタ)アクリレート、(メタ)アクリロニトリル、およびヒドロキシエチル(メタ)アクリレート等のエチレン性不飽和カルボン酸エステル、および、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、フマル酸、マレイン酸等のエチレン性不飽和カルボン酸からなる(メタ)アクリル共重合体等の不飽和カルボン酸共重合体;ポリ弗化ビニリデン、ポリエチレンオキサイド、ポリエピクロヒドリン、ポリホスファゼン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミドイミド、カルボキシメチルセルロース(以下、「CMC」とも記す。)などの高分子化合物が挙げられる。Examples of the organic binder include styrene-butadiene rubber copolymers (hereinafter also referred to as "SBR"); ethylenically unsaturated carboxylic acid esters such as methyl (meth)acrylate, ethyl (meth)acrylate, butyl (meth)acrylate, (meth)acrylonitrile, and hydroxyethyl (meth)acrylate, and unsaturated carboxylic acid copolymers such as (meth)acrylic copolymers consisting of ethylenically unsaturated carboxylic acids such as acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, fumaric acid, and maleic acid; and polymeric compounds such as polyvinylidene fluoride, polyethylene oxide, polyepichlorohydrin, polyphosphazene, polyacrylonitrile, polyimide, polyamideimide, and carboxymethylcellulose (hereinafter also referred to as "CMC").

これらの有機結着剤は、それぞれの物性によって、水に分散、あるいは溶解したもの、また、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)などの有機溶剤に溶解したものがある。リチウムイオン二次電池負極の負極層中の有機結着剤の含有比率は、1質量%から30質量%であることが好ましく、2質量%から20質量%であることがより好ましく、3質量%から15質量%であることがさらに好ましい。Depending on their physical properties, these organic binders may be dispersed or dissolved in water, or dissolved in an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). The content of the organic binder in the negative electrode layer of the lithium ion secondary battery negative electrode is preferably 1% to 30% by mass, more preferably 2% to 20% by mass, and even more preferably 3% to 15% by mass.

有機結着剤の含有比率が1質量%以上であることで密着性がより良好で、充放電時の膨張および収縮によって負極構造の破壊がより抑制される。一方、30質量%以下であることで、電極抵抗の上昇がより抑えられる。
かかる範囲において、本活物質は、化学安定性が高く、水性バインダーも採用することができる点で、実用化面においても取り扱い容易である。
When the content of the organic binder is 1% by mass or more, the adhesion is better and the destruction of the negative electrode structure due to the expansion and contraction during charging and discharging is more suppressed, whereas when the content is 30% by mass or less, the increase in the electrode resistance is more suppressed.
Within this range, the present active material has high chemical stability and can employ an aqueous binder, making it easy to handle in practical applications.

また、前記負極材スラリーには、必要に応じて、導電助材を混合してもよい。導電助材としては、例えば、カーボンブラック、グラファイト、アセチレンブラック、あるいは導電性を示す酸化物や窒化物等が挙げられる。導電助剤の使用量は、本発明の負極活物質に対して1質量%から15質量%程度とすればよい。In addition, the negative electrode material slurry may be mixed with a conductive additive as necessary. Examples of conductive additives include carbon black, graphite, acetylene black, and oxides and nitrides that exhibit electrical conductivity. The amount of conductive additive used may be about 1% by mass to 15% by mass relative to the negative electrode active material of the present invention.

また前記集電体の材質および形状については、例えば、銅、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等を、箔状、穴開け箔状、メッシュ状等にした帯状のものを用いればよい。また、多孔性材料、たとえばポーラスメタル(発泡メタル)やカーボンペーパーなども使用できる。The material and shape of the current collector may be, for example, a strip of copper, nickel, titanium, stainless steel, or the like in the form of foil, perforated foil, mesh, or the like. Porous materials such as porous metal (foamed metal) and carbon paper may also be used.

前記負極材スラリーを集電体に塗布する方法としては、例えば、メタルマスク印刷法、静電塗装法、ディップコート法、スプレーコート法、ロールコート法、ドクターブレード法、グラビアコート法、スクリーン印刷法などが挙げられる。塗布後は、必要に応じて平板プレス、カレンダーロール等による圧延処理を行うことが好ましい。 Methods for applying the negative electrode material slurry to the current collector include, for example, metal mask printing, electrostatic painting, dip coating, spray coating, roll coating, doctor blade, gravure coating, screen printing, etc. After application, it is preferable to perform a rolling process using a flat plate press, calendar roll, etc. as necessary.

また、前記負極材スラリーをシート状またはペレット状等として、これと集電体との一体化は、例えば、ロール、プレス、もしくはこれらの組み合わせ等により行うことができる。In addition, the negative electrode material slurry can be made into a sheet or pellet form, and integrated with the current collector by, for example, rolling, pressing, or a combination of these.

前記集電体上に形成された負極層または集電体と一体化した負極層は、用いた有機結着剤に応じて熱処理することが好ましい。例えば、水系のスチレン-ブタジエンゴム共重合体(SBR)などを用いた場合には100から130℃で熱処理すればよく、ポリイミド、ポリアミドイミドを主骨格とした有機結着剤を用いた場合には150から450℃で熱処理することが好ましい。The negative electrode layer formed on the current collector or the negative electrode layer integrated with the current collector is preferably heat-treated according to the organic binder used. For example, when using a water-based styrene-butadiene rubber copolymer (SBR), heat treatment at 100 to 130°C is sufficient, and when using an organic binder with a polyimide or polyamideimide as the main skeleton, heat treatment at 150 to 450°C is preferable.

この熱処理により溶媒の除去、バインダーの硬化による高強度化が進み、粒子間および粒子と集電体間の密着性が向上できる。なお、これらの熱処理は、処理中の集電体の酸化を防ぐため、ヘリウム、アルゴン、窒素等の不活性雰囲気、真空雰囲気で行うことが好ましい。This heat treatment removes the solvent and hardens the binder, increasing strength and improving adhesion between particles and between the particles and the current collector. It is preferable to carry out these heat treatments in an inert atmosphere such as helium, argon, or nitrogen, or in a vacuum atmosphere, to prevent oxidation of the current collector during treatment.

また、熱処理した後に、負極は加圧処理しておくことが好ましい。本活物質を用いた負極では、電極密度が1g/cmから1.8g/cmであることが好ましく、1.1g/cmから1.7g/cmであることがより好ましく、1.2g/cmから1.6g/cmであることがさらに好ましい。電極密度については、高いほど密着性および電極の体積容量密度が向上する傾向がある。一方、電極密度が高すぎると、電極中の空隙が減少することでケイ素など体積膨張の抑制効果が弱くなり、容量維持率が低下することがある。そのため電極密度の最適な範囲が選択される。 In addition, after the heat treatment, the negative electrode is preferably subjected to pressure treatment. In the negative electrode using the present active material, the electrode density is preferably 1 g/cm 3 to 1.8 g/cm 3 , more preferably 1.1 g/cm 3 to 1.7 g/cm 3 , and even more preferably 1.2 g/cm 3 to 1.6 g/cm 3. The higher the electrode density, the more the adhesion and the volume capacity density of the electrode tend to improve. On the other hand, if the electrode density is too high, the voids in the electrode are reduced, which weakens the effect of suppressing the volume expansion of silicon, etc., and the capacity retention rate may decrease. Therefore, the optimal range of the electrode density is selected.

本発明の二次電池は前記本活物質を負極に含む。本活物質を含む負極を有する二次電池としては、非水電解質二次電池と固体型電解質二次電池が好ましく、特に非水電解質二次電池の負極として用いた際に優れた性能を発揮するものである。The secondary battery of the present invention contains the active material in the negative electrode. As secondary batteries having a negative electrode containing the active material, non-aqueous electrolyte secondary batteries and solid electrolyte secondary batteries are preferred, and the active material exhibits excellent performance particularly when used as the negative electrode of a non-aqueous electrolyte secondary battery.

前記本発明の二次電池は、例えば、湿式電解質二次電池に用いる場合、正極と、本発明の負極活物質を含む負極とを、セパレータを介して対向して配置し、電解液を注入することにより構成することができる。When the secondary battery of the present invention is used, for example, as a wet electrolyte secondary battery, it can be constructed by arranging a positive electrode and a negative electrode containing the negative electrode active material of the present invention opposite each other via a separator and injecting an electrolyte.

正極は、負極と同様にして、集電体表面上に正極層を形成することで得ることができる。この場合の集電体はアルミニウム、チタン、ステンレス鋼等の金属や合金を、箔状、穴開け箔状、メッシュ状等にした帯状のものを用いることができる。The positive electrode can be obtained by forming a positive electrode layer on the surface of a current collector in the same manner as the negative electrode. In this case, the current collector can be a strip of metal or alloy such as aluminum, titanium, or stainless steel in the form of foil, perforated foil, mesh, or the like.

正極層に用いる正極材料としては、特に制限されない。非水電解質二次電池の中でも、リチウムイオン二次電池を作製する場合には、例えば、リチウムイオンをドーピングまたはインターカレーション可能な金属化合物、金属酸化物、金属硫化物、または導電性高分子材料を用いればよい。例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、マンガン酸リチウム(LiMnO)、およびこれらの複合酸化物(LiCoxNiyMnzO、x+y+z=1)、リチウムマンガンスピネル(LiMn)、リチウムバナジウム化合物、V、V13、VO、MnO、TiO、MoV、TiS、V、VS、MoS、MoS、Cr、Cr、オリビン型LiMPO(ただし、MはCo、Ni、MnまたはFe)、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセン等の導電性ポリマー、多孔質炭素等などを単独或いは混合して使用することができる。 The positive electrode material used in the positive electrode layer is not particularly limited. When a lithium ion secondary battery is produced among non-aqueous electrolyte secondary batteries, for example, a metal compound, a metal oxide, a metal sulfide, or a conductive polymer material capable of doping or intercalating lithium ions may be used. For example, lithium cobalt oxide ( LiCoO2 ), lithium nickel oxide ( LiNiO2 ), lithium manganese oxide ( LiMnO2 ), and composite oxides thereof ( LiCoxNiyMnzO2 , x+y+z= 1 ), lithium manganese spinel ( LiMn2O4 ), lithium vanadium compounds, V2O5 , V6O13 , VO2 , MnO2 , TiO2 , MoV2O8 , TiS2 , V2S5 , VS2 , MoS2 , MoS3 , Cr3O8 , Cr2O5 , olivine type LiMPO4 (wherein M is Co, Ni, Mn or Fe), conductive polymers such as polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene and polyacene, porous carbon, etc. can be used alone or in combination.

セパレータとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンを主成分とした不織布、クロス、微孔フィルムまたはそれらを組み合わせたものを使用することができる。なお、作製する非水電解質二次電池の正極と負極が直接接触しない構造にした場合は、セパレータを使用する必要はない。The separator may be, for example, a nonwoven fabric, cloth, microporous film, or a combination of these, whose main component is a polyolefin such as polyethylene or polypropylene. If the positive and negative electrodes of the nonaqueous electrolyte secondary battery are not in direct contact with each other, there is no need to use a separator.

電解液としては、例えば、LiClO、LiPF、LiAsF、LiBF、LiSOCF等のリチウム塩を、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、シクロペンタノン、スルホラン、3-メチルスルホラン、2,4-ジメチルスルホラン、3-メチル-1,3-オキサゾリジン-2-オン、γ-ブチロラクトン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、ブチルメチルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、ブチルエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、1,2-ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、1,3-ジオキソラン、酢酸メチル、酢酸エチル等の単体もしくは2成分以上の混合物の非水系溶剤に溶解した、いわゆる有機電解液を使用することができる。 As the electrolyte, for example, a so-called organic electrolyte can be used in which a lithium salt such as LiClO 4 , LiPF 6 , LiAsF 6 , LiBF 4 , or LiSO 3 CF 3 is dissolved in a non-aqueous solvent such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, fluoroethylene carbonate, cyclopentanone, sulfolane, 3-methylsulfolane, 2,4-dimethylsulfolane, 3-methyl-1,3-oxazolidin-2-one, γ-butyrolactone, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, methyl propyl carbonate, butyl methyl carbonate, ethyl propyl carbonate, butyl ethyl carbonate, dipropyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, methyl acetate, or ethyl acetate, or a mixture of two or more components.

本発明の二次電池の構造は、特に限定されないが、通常、正極および負極と、必要に応じて設けられるセパレータとを、扁平渦巻状に巻回して巻回式極板群としたり、これらを平板状として積層して積層式極板群としたりし、これら極板群を外装体中に封入した構造とするのが一般的である。なお、本発明の実施例で用いるハーフセルは、負極に本活物質を主体とする構成とし、対極に金属リチウムを用いた簡易評価を行っているが、これはより活物質自体のサイクル特性を明確に比較するためである。The structure of the secondary battery of the present invention is not particularly limited, but typically, the positive and negative electrodes and a separator, which is provided as necessary, are wound into a flat spiral shape to form a wound electrode assembly, or are stacked as flat plates to form a stacked electrode assembly, and these electrode assembly are enclosed in an exterior body. Note that the half cells used in the examples of the present invention are mainly composed of the active material in the negative electrode, and a simple evaluation was performed using metallic lithium in the counter electrode, in order to more clearly compare the cycle characteristics of the active material itself.

本活物質を用いた二次電池は、特に限定されないが、ペーパー型電池、ボタン型電池、コイン型電池、積層型電池、円筒型電池、角型電池などとして使用される。上述した本発明の負極活物質は、リチウムイオンを挿入脱離することを充放電機構とする電気化学装置全般、例えば、ハイブリッドキャパシタ、固体リチウム二次電池などにも適用することが可能である。 Secondary batteries using this active material are used as, but are not limited to, paper-type batteries, button-type batteries, coin-type batteries, laminated batteries, cylindrical batteries, square batteries, etc. The above-mentioned negative electrode active material of the present invention can also be applied to general electrochemical devices that use the insertion and removal of lithium ions as a charging and discharging mechanism, such as hybrid capacitors and solid lithium secondary batteries.

前記のとおり、本活物質を二次電池の負極活物質とした時、サイクル性、初期のクーロン効率および容量維持率に優れた二次電池を与える。
本活物質は前記方法により負極として用い、前記負極を有する二次電池とすることができる。
As described above, when the present active material is used as the negative electrode active material of a secondary battery, it gives a secondary battery excellent in cycle performance, initial coulombic efficiency and capacity retention rate.
The present active material can be used as a negative electrode by the above-mentioned method to produce a secondary battery having the negative electrode.

以上、本ナノシリコン、本ナノシリコンを含む本ナノシリコンスラリー、本ナノシリコンの製造方法、本ナノシリコンを含む本活物質、本活物質を負極に含む二次電池に関して説明したが、本発明は前記の実施形態の構成に限定されない。
本ナノシリコン、本ナノシリコンスラリーおよび本活物質、本活物質を負極に含む二次電池は前記実施形態の構成において、他の任意の構成を追加してもよいし、同様の機能を発揮する任意の構成と置換されていてもよい。
また本ナノシリコンの製造方法および本活物質の製造方法は前記実施形態の構成において、他の任意の工程を追加してもよいし、同様の機能を発揮する任意の工程と置換されていてもよい。
The above describes the present nanosilicon, the present nanosilicon slurry containing the present nanosilicon, the method for producing the present nanosilicon, the present active material containing the present nanosilicon, and the secondary battery containing the present active material in the negative electrode, but the present invention is not limited to the configurations of the above embodiments.
The present nanosilicon, the present nanosilicon slurry, the present active material, and the secondary battery containing the present active material in the negative electrode may have any other configuration added to the configuration of the above embodiment, or may be replaced with any configuration that exhibits a similar function.
Furthermore, in the configurations of the above-described embodiments of the method for producing nanosilicon and the method for producing active material, any other steps may be added, or any step that exhibits a similar function may be substituted.

以下、実施例によって本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されない。
なお、本発明の実施例で用いるハーフセルは、負極に本活物質を主体とする構成とし、対極に金属リチウムを用いた簡易評価を行っているが、これはより活物質自体のサイクル特性を明確に比較するためである。
The present invention will be described in detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these.
In addition, the half-cell used in the examples of the present invention has a negative electrode mainly made of the present active material, and a simple evaluation is performed using metallic lithium as the counter electrode, in order to more clearly compare the cycle characteristics of the active material itself.

合成例1:ポリシロキサン化合物の作製
(メチルトリメトキシシランの縮合物(a1)の合成)
攪拌機、温度計、滴下ロート、冷却管および窒素ガス導入口を備えた反応容器に、1、421質量部のメチルトリメトキシシラン(以下、「MTMS」と記す。)を仕込んで、60℃まで昇温した。次いで、前記反応容器中に0.17質量部のiso-プロピルアシッドホスフェート(SC有機化学株式会社製「Phoslex A-3」)と207質量部の脱イオン水との混合物を5分間で滴下した後、80℃の温度で4時間撹拌してMTMSの加水分解縮合反応をさせた。
前記の加水分解縮合反応によって得られた縮合物を、温度40から60℃および40から1.3kPaの減圧下で蒸留した。なお、「40から1.3kPaの減圧下」とは、メタノールの留去開始時の減圧条件が40kPaであり、最終的に1.3kPaとなるまで減圧することを意味する。以下の記載においても同様である。前記反応過程で生成したメタノールおよび水を除去することによって、数平均分子量が1、000から5、000のMTMSの縮合物(以下、「a1」とも記す。)を含有する液を1、000質量部得た。得られた液の有効成分は70質量%であった。
なお、前記有効成分とは、MTMS等のシランモノマーのメトキシ基が全て縮合反応した場合の理論収量(質量部)を、縮合反応後の実収量(質量部)で除した値、〔シランモノマーのメトキシ基が全て縮合反応した場合の理論収量(質量部)/縮合反応後の実収量(質量部)〕、により算出したものである。
Synthesis Example 1: Preparation of polysiloxane compound (synthesis of methyltrimethoxysilane condensate (a1))
A reaction vessel equipped with a stirrer, a thermometer, a dropping funnel, a cooling tube, and a nitrogen gas inlet was charged with 1,421 parts by mass of methyltrimethoxysilane (hereinafter, referred to as "MTMS") and heated to 60° C. Next, a mixture of 0.17 parts by mass of iso-propyl acid phosphate ("Phoslex A-3" manufactured by SC Organic Chemical Co., Ltd.) and 207 parts by mass of deionized water was dropped into the reaction vessel over a period of 5 minutes, and the mixture was stirred at a temperature of 80° C. for 4 hours to carry out a hydrolysis and condensation reaction of MTMS.
The condensate obtained by the hydrolysis-condensation reaction was distilled at a temperature of 40 to 60° C. and under a reduced pressure of 40 to 1.3 kPa. The phrase "under a reduced pressure of 40 to 1.3 kPa" means that the reduced pressure condition at the start of methanol distillation is 40 kPa, and the pressure is finally reduced to 1.3 kPa. The same applies to the following description. By removing the methanol and water produced during the reaction, 1,000 parts by mass of a liquid containing a condensate of MTMS having a number average molecular weight of 1,000 to 5,000 (hereinafter also referred to as "a1"). The content of the active ingredient in the obtained liquid was 70% by mass.
The effective component is calculated by dividing the theoretical yield (parts by mass) when all methoxy groups of a silane monomer such as MTMS undergo a condensation reaction by the actual yield (parts by mass) after the condensation reaction, i.e., [theoretical yield (parts by mass) when all methoxy groups of a silane monomer undergo a condensation reaction/actual yield (parts by mass) after the condensation reaction].

(硬化性樹脂組成物の製造)
撹拌機、温度計、滴下ロート、冷却管および窒素ガス導入口を備えた反応容器に、150質量部のブタノール(以下、「BuOH」とも記す。)、105質量部のフェニルトリメトキシシラン(以下、「PTMS」とも記す。)、277質量部のジメチルジメトキシシラン(以下、「DMDMS」とも記す。)を仕込んで80℃まで昇温した。
次いで、同温度で21質量部のメチルメタアクリレート(以下、「MMA」とも記す。)、4質量部のブチルメタアクリレート(以下、「BMA」とも記す。)、3質量部の酪酸(以下、「BA」とも記す。)、2質量部のメタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン(以下、「MPTS」とも記す。)、3質量部のBuOHおよび0.6質量部のブチルペルオキシ-2-エチルヘキサノエート(以下、「TBPEH」とも記す。)を含有する混合物を、前記反応容器中へ6時間で滴下した。滴下終了後、更に同温度で20時間反応させて加水分解性シリル基を有する数平均分子量が10、000のビニル重合体(a2)の有機溶剤溶液を得た。
(Production of Curable Resin Composition)
A reaction vessel equipped with a stirrer, a thermometer, a dropping funnel, a cooling tube, and a nitrogen gas inlet was charged with 150 parts by mass of butanol (hereinafter also referred to as "BuOH"), 105 parts by mass of phenyltrimethoxysilane (hereinafter also referred to as "PTMS"), and 277 parts by mass of dimethyldimethoxysilane (hereinafter also referred to as "DMDMS"), and the temperature was raised to 80°C.
Next, at the same temperature, a mixture containing 21 parts by mass of methyl methacrylate (hereinafter also referred to as "MMA"), 4 parts by mass of butyl methacrylate (hereinafter also referred to as "BMA"), 3 parts by mass of butyric acid (hereinafter also referred to as "BA"), 2 parts by mass of methacryloyloxypropyltrimethoxysilane (hereinafter also referred to as "MPTS"), 3 parts by mass of BuOH, and 0.6 parts by mass of butylperoxy-2-ethylhexanoate (hereinafter also referred to as "TBPEH") was dropped into the reaction vessel over 6 hours. After the dropwise addition was completed, the mixture was further reacted at the same temperature for 20 hours to obtain an organic solvent solution of a vinyl polymer (a2) having a number average molecular weight of 10,000 and having a hydrolyzable silyl group.

次いで、0.04質量部のiso-プロピルアシッドホスフェート(SC有機化学株式会社製「Phoslex A-3」)と112質量部の脱イオン水との混合物を、5分間で滴下し、更に同温度で10時間撹拌して加水分解縮合反応させることで、ビニル重合体(a2)が有する加水分解性シリル基と、前記PTMSおよびDMDMS由来のポリシロキサンを有する加水分解性シリル基およびシラノール基とが結合した複合樹脂を含有する液を得た。
次いで、この液に472質量部の合成例1で得られたMTMSの縮合物(a1)、80質量部の脱イオン水を添加し、同温度で10時間撹拌して加水分解縮合反応させ、合成例1と同様の条件で蒸留することによって生成したメタノールおよび水を除去した。次いで、250質量部のBuOHを添加し、不揮発分が60.1質量%の硬化性樹脂組成物を1、000質量部得た。
Next, a mixture of 0.04 parts by mass of iso-propyl acid phosphate ("Phoslex A-3" manufactured by SC Organic Chemical Co., Ltd.) and 112 parts by mass of deionized water was added dropwise over a period of 5 minutes, and the mixture was further stirred at the same temperature for 10 hours to cause a hydrolysis condensation reaction, thereby obtaining a liquid containing a composite resin in which the hydrolyzable silyl group of the vinyl polymer (a2) and the hydrolyzable silyl group and silanol group of the polysiloxane derived from the PTMS and DMDMS were bonded to each other.
Next, 472 parts by mass of the MTMS condensate (a1) obtained in Synthesis Example 1 and 80 parts by mass of deionized water were added to this liquid, and the mixture was stirred at the same temperature for 10 hours to cause a hydrolysis condensation reaction, and the produced methanol and water were removed by distillation under the same conditions as in Synthesis Example 1. Next, 250 parts by mass of BuOH was added, and 1,000 parts by mass of a curable resin composition having a nonvolatile content of 60.1% by mass was obtained.

実施例1
シリコン純度が99.9質量%、体積平均粒子径が3.2μm、珪素に対して酸素が3.5atom%である市販品のシリコン粉末(高純度化学製)を70g、DISPERBYK9077(BYK Additives&Instruments製、DISPERBYKは登録商標)を28g、メチルエチルケトン(以下、「MEK」とも記す。)を280gとして攪拌槽内で混合し、よく攪拌させた。攪拌槽に蓋をして露点-70℃の窒素ガスを供給し、槽内を不活性ガス雰囲気下とした。水分初期濃度は0.058質量%とした。この混合液を、ビーズミル(株式会社広島メタル&マシナリー社製ウルトラアペックミルUAM-015)を用いて1.5時間の湿式粉砕を行い、分散媒に均一分散したナノシリコンを得た。ビーズミル内のビーズの径は0.2mmとし、湿式粉砕中の混合液温度は40℃以下とした。比表面積が105m/g、結晶子径が13.5nm、珪素に対して酸素が12.5atom%、体積平均粒子径が180nmのナノシリコンを得た。
Example 1
70 g of commercially available silicon powder (manufactured by Kojundo Kagaku) with a silicon purity of 99.9% by mass, a volume average particle size of 3.2 μm, and 3.5 atom% oxygen relative to silicon, 28 g of DISPERBYK9077 (manufactured by BYK Additives & Instruments, DISPERBYK is a registered trademark), and 280 g of methyl ethyl ketone (hereinafter also referred to as "MEK") were mixed in a stirring tank and stirred well. The stirring tank was covered with a lid and nitrogen gas with a dew point of -70 ° C. was supplied to the tank, and the tank was placed under an inert gas atmosphere. The initial moisture concentration was 0.058% by mass. This mixture was wet-milled for 1.5 hours using a bead mill (Ultra Apec Mill UAM-015 manufactured by Hiroshima Metal & Machinery Co., Ltd.) to obtain nanosilicon uniformly dispersed in the dispersion medium. The diameter of the beads in the bead mill was 0.2 mm, and the temperature of the mixed liquid during wet pulverization was not more than 40° C. Nanosilicon was obtained with a specific surface area of 105 m 2 /g, a crystallite size of 13.5 nm, an oxygen content of 12.5 atom % relative to silicon, and a volume average particle size of 180 nm.

前記のナノシリコンを含むスラリーと合成例1の硬化性樹脂組成物とフェノール樹脂(住友ベークライト製、スミライトレジンPR-53570)とを、焼成後の組成で計算してSiOC/C/Si=10/40/50となるように混合し、3つ口セパラブルフラスコに仕込んだ。1口の蓋をして、残り2口に窒素導入管、溶剤トラップ装置を接続した。フラスコ内に窒素を導入し、マグネチックスターラーで混合液を攪拌しながら、オイルバスにてフラスコを120℃まで加熱し、攪拌子が動かなくなるまで溶媒を留去した。その後、室温まで冷却し、焼成前駆体である樹脂乾燥物を得た。その後、焼成前駆体である樹脂乾燥物を窒素雰囲気中で温度1050℃、6時間焼成し、黒色固形物を得た。得られた黒色固形物を遊星型ボールミルで粉砕して、負極活物質粉末を得た。The nanosilicon-containing slurry, the curable resin composition of Synthesis Example 1, and a phenolic resin (Sumitomo Bakelite, Sumilite Resin PR-53570) were mixed in a three-necked separable flask so that the composition after firing was calculated to be SiOC/C/Si = 10/40/50. One neck was covered, and a nitrogen inlet tube and a solvent trap were connected to the remaining two necks. Nitrogen was introduced into the flask, and while stirring the mixture with a magnetic stirrer, the flask was heated to 120°C in an oil bath, and the solvent was distilled off until the stirrer stopped moving. It was then cooled to room temperature, and a dried resin product, which is a firing precursor, was obtained. The dried resin product, which is a firing precursor, was then fired in a nitrogen atmosphere at a temperature of 1050°C for 6 hours, and a black solid product was obtained. The black solid product obtained was pulverized with a planetary ball mill to obtain a negative electrode active material powder.

得られた負極活物質粉末について、Cu-Kα線による粉末X線回折(XRD)の測定結果によりSi(111)結晶面に帰属される2θ=28.4°の回折ピークは検出されなかった。エネルギー分散型X線分析(Energy dispersive X―ray spectroscopy、EDS)結果から窒素元素の含有量は0.2質量%であった。また、ラマン散乱分析測定結果、炭素のGバンドに帰属される1590cm-1付近のピークとDバンドに帰属される1330cm-1付近のピークを示し、強度比I(Gバンド)/I(Dバンド)は1.4であった。 For the obtained negative electrode active material powder, the powder X-ray diffraction (XRD) measurement using Cu-Kα rays did not detect a diffraction peak at 2θ = 28.4 ° attributed to the Si (111) crystal plane. The content of nitrogen element was 0.2 mass% from the energy dispersive X-ray analysis (EDS) results. In addition, the Raman scattering analysis measurement results showed a peak at about 1590 cm -1 attributed to the G band of carbon and a peak at about 1330 cm -1 attributed to the D band, and the intensity ratio I (G band) / I (D band) was 1.4.

80質量%の前記の負極活物質粉末、導電助剤としてアセチレンブラックを10質量%、およびバインダーとしてCMCとSBRの混合物を10質量%含む混合スラリーを調整して銅箔上に製膜した。その後、110℃で減圧乾燥し、Li金属箔を対極してハーフセルを作製した。このハーフセルについて、二位電池充放電測定装置(北斗社製)を用い、カットオフ電圧範囲を0.005から1.5Vとして充放電特性の評価を行った。充放電特性の測定結果は、初回放電容量が1630mAh/g、初回効率が86%、5サイクル後の維持率は91%であった。A mixed slurry containing 80% by mass of the above-mentioned negative electrode active material powder, 10% by mass of acetylene black as a conductive additive, and 10% by mass of a mixture of CMC and SBR as a binder was prepared and formed into a film on copper foil. It was then dried under reduced pressure at 110°C and a Li metal foil was used as the counter electrode to prepare a half cell. The charge and discharge characteristics of this half cell were evaluated using a two-phase battery charge and discharge measuring device (manufactured by Hokuto Co., Ltd.) with a cutoff voltage range of 0.005 to 1.5 V. The measurement results of the charge and discharge characteristics were an initial discharge capacity of 1630 mAh/g, an initial efficiency of 86%, and a retention rate after 5 cycles of 91%.

フルセルの評価は、正極材料としてLiCoOを正極活物質、集電体としてアルミ箔を用いた単層シートを用いて、正極膜を作製し、450mAh/gの放電容量設計値にて黒鉛粉体と活物質粉末を混合して負極膜を作製した。非水電解質には六フッ化リン酸リチウムをエチレンカーボネート(以下、「EC」とも記す。)とジエチルカーボネート(以下、「DEC」とも記す。)を体積比で1/1の混合液に1mol/Lの濃度で溶解した非水電解質溶液を用い、セパレータに厚さ30μmのポリエチレン製微多孔質フィルムを用いたラミ型リチウムイオン二次電池を作製した。ラミ型リチウムイオン二次電池を25℃、テストセルの電圧が4.2Vに達するまで1.2mA(正極基準で0.25c)の定電流で充電を行い、4.2Vに達した後は、セル電圧を4 .2V に保つように電流を減少させて充電を行い、放電容量を求めた。2.5Vから4.2V電圧範囲内の充放電を1サイクルとして、300サイクル後の容量維持率は90%であった。充放電後、ラミネートセルをグローブボックス・アルゴン雰囲気中にて解体して負極を取り出し、EC/DEC混合液で洗浄してから静置乾燥後、電極膜の厚みを測定した。充放電前後に負極膜の厚さの変化率を負極膨張率した。負極膨張率は19%であった。結果を表1に示した。 For the evaluation of the full cell, a positive electrode film was prepared using a single-layer sheet using LiCoO2 as the positive electrode active material and aluminum foil as the current collector, and a negative electrode film was prepared by mixing graphite powder and active material powder with a discharge capacity design value of 450mAh/g. A non-aqueous electrolyte solution was used in which lithium hexafluorophosphate was dissolved at a concentration of 1 mol/L in a 1/1 volumetric mixture of ethylene carbonate (hereinafter also referred to as "EC") and diethyl carbonate (hereinafter also referred to as "DEC"), and a laminated lithium ion secondary battery was prepared using a 30 μm thick polyethylene microporous film as a separator. The laminated lithium ion secondary battery was charged at a constant current of 1.2 mA (0.25c based on the positive electrode) at 25°C until the voltage of the test cell reached 4.2V, and after reaching 4.2V, the current was reduced to keep the cell voltage at 4.2V, and the discharge capacity was determined. The capacity retention rate after 300 cycles was 90%, with one cycle being a charge and discharge within a voltage range of 2.5V to 4.2V. After charging and discharging, the laminated cell was disassembled in a glove box in an argon atmosphere to remove the negative electrode, which was washed with an EC/DEC mixed solution and then left to dry, after which the thickness of the electrode film was measured. The rate of change in the thickness of the negative electrode film before and after charging and discharging was taken as the negative electrode expansion rate. The negative electrode expansion rate was 19%. The results are shown in Table 1.

実施例2から12
ビーズミルによる湿式粉砕時の混合液の添加剤の重量%と湿式粉砕の粉砕時間を表1記載の条件とすること以外は実施例1と同様にして、ビーズミルによる湿式粉砕を行い、作製したナノシリコンを用いて負極活物質を作製した。これを用いて実施例1と同様の方法でハーフセルを作製し、充放電特性を評価した。結果を表1に示した。
Examples 2 to 12
Wet milling was performed in the same manner as in Example 1, except that the weight percentage of the additive in the mixed solution during wet milling with a bead mill and the milling time for wet milling were set to the conditions shown in Table 1. A negative electrode active material was produced using the nanosilicon produced. A half cell was produced using this in the same manner as in Example 1, and the charge/discharge characteristics were evaluated. The results are shown in Table 1.

実施例13
ビーズミルによる湿式粉砕時の混合液の水分初期濃度が0.49質量%とした以外は実施例1と同様にしてビーズミルによる湿式粉砕を行い、作製したナノシリコンを用いて負極活物質を作製した。これを用いて実施例1と同様の方法でハーフセルを作製し、充放電特性を評価した。結果を表1に示した。
Example 13
Wet milling was performed in the same manner as in Example 1, except that the initial water concentration of the mixed solution during wet milling with a bead mill was 0.49 mass%, and the nanosilicon thus produced was used to produce a negative electrode active material. A half cell was produced using this in the same manner as in Example 1, and the charge/discharge characteristics were evaluated. The results are shown in Table 1.

実施例14および18
ビーズミルによる湿式粉砕時の原料シリコン粉末の体積平均粒子径)、および原料シリコン粉末の珪素に対する酸素の量が異なる以外は実施例1と同様にしてビーズミルによる湿式粉砕を行い、作製したナノシリコンを用いて負極活物質を作製した。これを用いて実施例1と同様の方法でハーフセルを作製し、充放電特性を評価した。結果を表1に示した。
Examples 14 and 18
Wet milling was carried out in the same manner as in Example 1, except that the volume average particle size of the raw silicon powder when wet milled in a bead mill and the amount of oxygen relative to silicon in the raw silicon powder were different, and the nanosilicon produced was used to produce a negative electrode active material. A half cell was produced using this in the same manner as in Example 1, and the charge/discharge characteristics were evaluated. The results are shown in Table 1.

実施例19
ビーズミルによる湿式粉砕時の原料シリコン粉末の、シリコン純度が99重量%、体積平均粒子径が4.6μm、珪素に対する酸素の量が1.5atom%以外は実施例1と同様にしてビーズミルによる湿式粉砕を行い、作製したナノシリコンを用いて負極活物質を作製した。これを用いて実施例1と同様の方法でハーフセルを作製し、充放電特性を評価した。結果を表1に示した。
Example 19
Wet milling was carried out in the same manner as in Example 1, except that the raw silicon powder used in wet milling had a silicon purity of 99% by weight, a volume average particle size of 4.6 μm, and an amount of oxygen relative to silicon of 1.5 atom%, and the nanosilicon produced was used to produce a negative electrode active material. A half cell was produced using this in the same manner as in Example 1, and the charge/discharge characteristics were evaluated. The results are shown in Table 1.

比較例1
添加剤を加えなかった以外は実施例1と同様にしてビーズミルによる湿式粉砕を実施した。増粘が激しく、粉砕途中でゲル化が生じ、ビーズミルの運転が停止した。ナノシリコン含有スラリーのゲル化により次工程への適正が悪く、継続不可能であった。
Comparative Example 1
Wet milling was carried out in the same manner as in Example 1, except that no additive was added. Viscosity increased significantly, gelation occurred during milling, and operation of the bead mill was stopped. Due to gelation of the nanosilicon-containing slurry, it was not suitable for the next step, and it was not possible to continue.

比較例2
水分初期濃度2.51質量%、液温度を60℃以上で湿式粉砕した以外は実施例1と同様にしてビーズミルによる湿式粉砕を実施した。増粘が激しく、粉砕途中でゲル化が生じ、ビーズミルの運転が停止した。ナノシリコン含有スラリーのゲル化により次工程への適正が悪く、継続不可能であった。
Comparative Example 2
Wet pulverization was carried out using a bead mill in the same manner as in Example 1, except that the initial water concentration was 2.51% by mass and the liquid temperature was 60° C. or higher. Viscosity increased significantly, gelation occurred during pulverization, and the operation of the bead mill was stopped. Due to gelation of the nanosilicon-containing slurry, it was not suitable for the next step and could not be continued.

比較例3
攪拌槽に供給する窒素ガスの露点が-40℃以上であること以外は実施例1と同様にしてビーズミルによる湿式粉砕を実施した。増粘が激しく、粉砕途中でゲル化が生じ、ビーズミルの運転が停止した。ナノシリコン含有スラリーのゲル化により次工程への適正が悪く、継続不可能であった。
Comparative Example 3
Wet milling was carried out using a bead mill in the same manner as in Example 1, except that the dew point of the nitrogen gas supplied to the stirring tank was -40°C or higher. Viscosity increased significantly, gelation occurred during the milling process, and the operation of the bead mill was stopped. Due to gelation of the nanosilicon-containing slurry, it was not suitable for the next step and could not be continued.

比較例4
負極活物質の前駆体を空気で焼成した後に以外は実施例1と同様にして負極活物質を作製後、ハーフセルを作製した。充放電特性の測定結果は、初回放電容量は1090mAh/g、初回効率は61.2%であった。結果を表1に示した。
Comparative Example 4
A negative electrode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that the precursor of the negative electrode active material was calcined in air, and then a half cell was prepared. The measurement results of the charge and discharge characteristics showed that the initial discharge capacity was 1090 mAh/g and the initial efficiency was 61.2%. The results are shown in Table 1.

比較例5
体積平均粒子径が0.5μm、珪素に対する酸素の量が16atom%のシリコン粉末を原料として使用した以外は実施例1と同様にして湿式粉砕、負極活物質の作製、およびハーフセルの作製を行った。ダマがほぐれず、セパレーター(スクリーン)が詰まり、ビーズミル内の圧力上昇が生じ、ビーズミルの運転が停止した。これ以上の粉砕継続が不可能であった。
Comparative Example 5
Wet milling, preparation of anode active material, and preparation of half cells were carried out in the same manner as in Example 1, except that silicon powder with a volume average particle size of 0.5 μm and an oxygen content of 16 atom% relative to silicon was used as the raw material. The lumps could not be broken up, the separator (screen) was clogged, and the pressure inside the bead mill rose, causing the bead mill to stop operating. It was not possible to continue milling any further.

比較例6
体積平均粒子径が30μm、珪素に対する酸素の量が0.3atom%のシリコン粉末を原料として使用した以外は実施例1と同様にして湿式粉砕を実施した。粗大粒子を粉砕できずにビーズミルのセパレータが詰まり、スクリーンブロックが生じた。ビーズミル内の圧力上昇が生じ、ビーズミルの運転が停止した。これ以上の継続が不可能であった。
Comparative Example 6
Wet milling was carried out in the same manner as in Example 1, except that silicon powder with a volume average particle size of 30 μm and an oxygen content of 0.3 atom% relative to silicon was used as the raw material. The separator of the bead mill was clogged because the coarse particles could not be milled, resulting in screen blockage. The pressure inside the bead mill rose, and the operation of the bead mill was stopped. It was not possible to continue further.

[評価方法]
各評価方法は以下のとおりである。
体積平均粒子径:レーザー回折式粒度分布測定装置(マルバーン・パナリティカル社製、マスターサイザー3000)を用いて測定した。
比表面積:比表面積測定装置(BELJAPAN社製、BELSORP-mini)を用いて窒素吸着測定より、BET法で測定した。29Si-NMR:JEOL RESONANCE社製、JNM-ECA600を用いた。
[Evaluation method]
The evaluation methods are as follows:
Volume average particle size: Measured using a laser diffraction particle size distribution measuring device (Malvern Panalytical, Mastersizer 3000).
Specific surface area: Measured by the BET method using a specific surface area measuring device (BELSORP-mini, manufactured by BELJAPAN) by nitrogen adsorption measurement. 29 Si-NMR: JNM-ECA600, manufactured by JEOL RESONANCE, was used.

電池特性評価:二次電池充放電試験装置(北斗電工株式会社製)を用いて電池特性を測定し、室温25℃、カットオフ電圧範囲が0.005から1.5Vに、充放電レートが0.1C(1から3サイクル)と0.2C(4サイクル以後)にし、定電流・定電圧式充電/定電流式放電の設定条件下で充放電特性の評価試験を行った。各充放電時の切り替え時には、30分間、開回路で放置した。放電容量、充電容量、初回クーロン効率とサイクル性(本願では、25℃でフルセルを5サイクル充放電後の容量維持率を指す)、負極膨張率は以下のようにして求めた。活物質の充電容量と放電容量:ハーフセルの充放電測定で求めた。活物質の初回クーロン効率(%)=初回放電容量(mAh/g)/初回充電容量(mAh/g)容量維持率(%@5回目)=5回目の負極放電容量(mAh/g)/負極初回放電容量(mAh/g)、フルセル(ラミセル)の測定で求めた。 Battery characteristic evaluation: Battery characteristics were measured using a secondary battery charge/discharge tester (manufactured by Hokuto Denko Corporation). The charge/discharge characteristics were evaluated under the set conditions of constant current/constant voltage charge/constant current discharge, with room temperature at 25°C, cutoff voltage range of 0.005 to 1.5V, and charge/discharge rate of 0.1C (1st to 3rd cycles) and 0.2C (after 4th cycle). When switching between charge and discharge, the battery was left in an open circuit for 30 minutes. Discharge capacity, charge capacity, initial coulombic efficiency and cyclability (in this application, this refers to the capacity retention rate after 5 cycles of charge/discharge of a full cell at 25°C), and negative electrode expansion rate were determined as follows. Charge capacity and discharge capacity of active material: Calculated by charge/discharge measurement of half cell. Initial Coulombic efficiency of active material (%)=initial discharge capacity (mAh/g)/initial charge capacity (mAh/g) Capacity retention rate (%@5th)=5th negative electrode discharge capacity (mAh/g)/negative electrode initial discharge capacity (mAh/g), obtained by measuring a full cell (lamicelle).

Figure 0007485230000009
Figure 0007485230000009

前記結果から明らかなように、本ナノシリコンを負極活物質として用いた場合、サイクル性、初期のクーロン効率および容量維持率はいずれも高く、またこれら二次電池の特性のバランスに優れる。また本活物質を負極活物質として含む二次電池はその電池特性に優れている。As is clear from the above results, when this nanosilicon is used as the negative electrode active material, the cycleability, initial coulombic efficiency, and capacity retention rate are all high, and the balance of these secondary battery properties is excellent. Furthermore, secondary batteries containing this active material as the negative electrode active material have excellent battery properties.

Claims (8)

比表面積が100から400m/g、珪素原子に対して酸素原子が5から45atom%、結晶子径が5から14nm、体積平均粒子径が10から200nmであるナノシリコン。 Nanosilicon having a specific surface area of 100 to 400 m 2 /g, 5 to 45 atom % of oxygen atoms relative to silicon atoms, a crystallite diameter of 5 to 14 nm, and a volume average particle diameter of 10 to 200 nm. 請求項1に記載のナノシリコン、分散剤および溶媒を含むナノシリコンスラリー。 A nanosilicon slurry comprising the nanosilicon of claim 1, a dispersant and a solvent. 露点温度が-60℃以下のガス雰囲気下、温度が60℃以下、アミン価が1から100mgKOH/gであるカチオン性界面活性剤を含む水分濃度が10000ppm以下の非水溶媒中で、体積平均粒子径が1から20μm、珪素原子に対して酸素原子が10atom%以下であるシリコン粉末を湿式粉砕する、請求項1に記載のナノシリコンの製造方法。 The method for producing nanosilicon according to claim 1, wherein silicon powder having a volume average particle size of 1 to 20 μm and an oxygen atom ratio of 10 atom% or less to silicon atoms is wet-pulverized in a non-aqueous solvent having a water concentration of 10,000 ppm or less and containing a cationic surfactant having an amine value of 1 to 100 mgKOH/g at a temperature of 60° C. or less in a gas atmosphere having a dew point temperature of −60° C. or less. 前記湿式粉砕において、シリコン粉末の純度が99質量%以上である請求項3に記載のナノシリコンの製造方法。 The method for producing nanosilicon according to claim 3 , wherein the purity of the silicon powder obtained in the wet grinding is 99% by mass or more. 請求項3または4に記載のナノシリコンの製造方法で得られたナノシリコンと樹脂とを混合し、乾燥後、不活性ガス雰囲気下で焼成する二次電池用活物質の製造方法。 A method for producing an active material for a secondary battery, comprising mixing the nanosilicon obtained by the method for producing nanosilicon according to claim 3 or 4 with a resin, drying the mixture, and then firing the mixture in an inert gas atmosphere. 請求項1に記載のナノシリコンを含有する二次電池用活物質。 An active material for secondary batteries containing the nanosilicon according to claim 1. 請求項に記載の二次電池用活物質を含む二次電池用負極。 A negative electrode for a secondary battery comprising the active material for a secondary battery according to claim 6 . 請求項に記載の二次電池用負極を含む二次電池。 A secondary battery comprising the negative electrode for secondary batteries according to claim 7 .
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