JP2011222151A - 非水電解質二次電池用負極材及び非水電解質二次電池用負極材の製造方法並びにリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】SiOx(x=0.5〜1.6)で表される酸化珪素と、粒子径が50nm以下の珪素が原子オーダー及び/又は微結晶状態で珪素酸化物に分散した構造を有するSi:O=1:0.5〜1.6の珪素−珪素酸化物系複合体との少なくともいずれか一方からなる粉末の表面に、有機物ガス及び/又は蒸気の雰囲気下、温度800℃以上1300℃以下での熱CVD処理によって被覆量を粉末に対して1〜40質量%となるように炭素を被覆し、炭素被覆後の粉末と水素化リチウム及び/又は水素化リチウムアルミニウムを混合した後、温度200℃以上800℃以下で加熱して、粉末に対してのドープ量が0.1〜20質量%となるようにリチウムを炭素被覆後の粉末にドープする。
【選択図】図1
Description
しかし、現在のリチウムイオン二次電池の性能では、電気自動車に適用するには容量、サイクル耐久性が十分とはいえず、更に高容量でサイクル耐久性に優れた次世代型のリチウムイオン二次電池の開発が進められている。
現在は炭素系の負極材が広く使われているが、飛躍的に性能を高めるために炭素系以外の材料も開発が進められており、その代表的なものとして珪素酸化物がある。
しかし、開発初期には初回効率が低い、電子導電性が低い、サイクル耐久性が低いという問題があり、これまでさまざまな改良がなされてきた。
その対策として、初回充電前にあらかじめ珪素酸化物とリチウム金属またはリチウム化合物(酸化リチウム、水酸化リチウム、水素化リチウム、有機リチウム等)を反応させてそのようなリチウム化合物を生成させておくという方法が知られている。
このような組成式がLixSiOyであるリチウムを含有する珪素の酸化物の製造方法として、予めリチウムを含有しない珪素の低級酸化物SiOyを合成し、得られた珪素の低級酸化物SiOyとリチウムもしくはリチウムを含有する物質との電気化学的反応によってリチウムイオンを吸蔵させる方法が開示されている。また、リチウムと珪素の各々の単体又はその化合物を所定のモル比で混合し、非酸化性雰囲気中または酸素を規制した雰囲気中で加熱して合成する方法が開示されている。
出発原料としては、各々の酸化物、水酸化物、あるいは炭酸塩、硝酸塩等の塩あるいは有機化合物等々が挙げられ、加熱温度として通常400℃以上で合成が可能であるが、800℃以上では珪素と二酸化珪素に不均化反応する場合があるため、400〜800℃の温度が良いとある。
ここで化学的方法としては、負極活物質とリチウム金属、リチウム合金(リチウム−アルミニウム合金など)、リチウム化合物(n−ブチルリチウム、水素化リチウム、水素化リチウムアルミニウムなど)とを直接反応させる方法があり、化学的方法においてはリチウム挿入反応を25〜80℃の温度で行うことが良いとある。また、電気化学的方法としては、正極活物質として該負極活物質、負極活物質としてリチウム金属またはリチウム合金、リチウム塩を含む非水電解質からなる酸化還元系を開放系で放電する方法と、正極活物質としてリチウム含有遷移金属酸化物、該負極活物質、リチウム塩を含む非水電解質からなる酸化還元系を充電する方法が開示されている。
ここで、SiOガスを発生する原料粉末としては、酸化珪素(SiOz)粉末(0<z<2)や二酸化珪素粉末を用いることができ、必要に応じ、還元粉末(金属珪素化合物、炭素含有粉末)を添加して用いることが開示されている。また、金属リチウム又はリチウム化合物は特に限定されず、金属リチウムの他、リチウム化合物として、例えば、酸化リチウム、水酸化リチウム、炭酸リチウム、硝酸リチウム、珪酸リチウム又はそれらの水和物等を用いることができるとある。
この電子導電性を高める改良として、特許文献6には、珪素酸化物粒子の表面に電子導電性材料層を備えた負極材料が開示されている。このうち、珪素酸化物は、元素組成がSiとOからなる酸化珪素であって、SiOx(0<x<2)で表される珪素の低級酸化物が好ましく、また該酸化珪素にLiをドープさせた珪素酸リチウムであってもよいとある。また、導電性材料としては炭素材料が良く、CVD法または液相法または焼成法を用いて作製することができるとある。
その製造方法の一例としては、酸化珪素を900〜1400℃の温度で有機物ガス及び/又は蒸気で不均化するとともに、炭素を化学蒸着処理する方法がある。
その製造方法として、珪素酸化物をリチウムドープ剤としてリチウム金属及び/又は有機リチウム化合物を用いて1300℃以下でリチウムドープする方法、更に、所定の粒子サイズに粉砕した珪素−珪素酸化物−リチウム系複合体を900℃乃至1400℃で有機炭化水素ガス及び/又は蒸気で熱CVDを施し、カーボンの付着量が表面処理後の複合粒子全体に対し5〜50質量%となるように被覆する方法が記載されている。
即ち、特許文献8に記載されているような方法で製造した導電化珪素−珪素酸化物−リチウム系複合体は、初回効率はリチウムドープされていない導電化珪素−珪素酸化物系複合体よりも大幅に向上したが、サイクル耐久性は劣る結果であった。
また、別の観点として、リチウムドープ剤としてリチウム金属及び/又は有機リチウム化合物を用いる方法は、反応熱が大きくかつ反応速度が大きいため、反応温度を制御することが難しく、工業的規模で製造するのが困難であるという問題もあった。
また、珪素−珪素酸化物系複合体に対するドープ量が0.1〜20質量%でリチウムがドープされ、かつ炭素被膜が1〜40質量%だけ被覆された粒子径が0.5〜50nmの珪素が原子オーダー及び/又は微結晶状態で珪素酸化物に分散した構造を有するSi/Oのモル比が1/0.5〜1.6の珪素−珪素酸化物系複合体がベースとなっているため、従来の負極材に比べて高容量・高サイクル耐久性であり、特に初回効率に優れた負極材となっているものである。
このように、リチウムのドープには、後述するように好適にはアルミニウムを含む水素化リチウムアルミニウムも用いることができるが、このようにアルミニウムを含む負極材であっても、珪素−珪素酸化物系複合体と炭素被膜との界面でのSiCの量が十分に少なく、特にサイクル耐久性及び初回効率に優れた負極材とすることができる。
上述のように、本発明の非水電解質二次電池用負極材は、非水電解質の二次電池の負極として用いた場合に電池特性(初回効率及びサイクル耐久性)を良好なものとできるものである。このため、本発明の非水電解質二次電池用負極材が用いられたリチウムイオン二次電池は、電池特性、特に初回効率及びサイクル耐久性に優れたものとなる。
そして、珪素−珪素酸化物系複合体に炭素を被覆し、かつリチウムをドープすることによって、容量を従来に比べて改善できるとともに、導電性及び初回効率が改善された非水電解質二次電池用負極材とすることができる。
更に、リチウムドープ剤として水素化リチウム及び/又は水素化リチウムアルミニウムを用いることによって、リチウム金属をリチウムドープ剤に用いる場合に比べて反応が穏やかなものとできるため、容易に温度制御しながらリチウムドープを行うことができる。また、水酸化リチウムや酸化リチウムなど酸素を含むものを用いる場合に比べて、珪素酸化物を還元できるため、製造された負極材の放電容量を高いものとすることができ、工業的な量産に非常に適した高容量負極材の製造方法とすることができる。
そして、200℃以上800℃以下の低い温度で加熱してリチウムドープを行うことにより、SiC生成や珪素−珪素酸化物系複合体中の珪素結晶が必要以上に成長することを防ぎ、放電容量やサイクル耐久性が劣化することを確実に防止することができる。
本発明者らは、上記目的を達成するため、従来の非水電解質を用いる二次電池用の負極材の問題点とその解決法について鋭意検討を重ねた。
そのうち、最も改善が進んでいる特許文献8の技術の問題点を徹底的に検証し、電子導電性とサイクル耐久性に劣る原因を究明した。
そのメカニズムは必ずしも良く分かってはいないが、リチウム金属及び/又は有機リチウム化合物によってリチウムをドープする際に、珪素酸化物の一部がリチウムによって還元され珪素となるが、この珪素が不均化によって生じた珪素よりもSiC化および結晶化しやすく、負極とした時に電池特性、特にサイクル耐久性と放電容量の劣化を招いているためと考えられる。
すなわち、従来のようにリチウム金属及び/又は有機リチウム化合物の代わりに水酸化リチウムや酸化リチウムなど酸素を含むリチウムドープ剤を用いると、反応は穏やかではあるが組成中に酸素を含むため、珪素酸化物を還元することができず、放電容量が低下してしまうとの問題が発生し、金属リチウムを用いる場合では、反応の激しさ故、灼熱状態となって反応の制御が困難であるとの問題が発生するので、この解決方法について鋭意検討を重ねた。
本発明の非水電解質を用いる二次電池用の負極材は、少なくとも、粒子径が0.5〜50nmの珪素が原子オーダー及び/又は微結晶状態で珪素酸化物に分散した構造を有するSi/Oのモル比が1/0.5〜1.6の珪素−珪素酸化物系複合体と、珪素−珪素酸化物系複合体の表面に珪素−珪素酸化物系複合体に対しての被覆量が1〜40質量%で被覆された炭素被膜とからなるものである。
そして、少なくとも珪素−珪素酸化物系複合体に対するドープ量が0.1〜20質量%でリチウムがドープされ、かつCu−Kα線のX線回折において2θ=35.8±0.2°のSiCに帰属されるピーク強度I(SiC)と、2θ=28.4±0.2°のSiに帰属されるピーク強度I(Si)の比I(SiC)/I(Si)が、I(SiC)/I(Si)≦0.03の関係を満たすものである。
そして、Cu−Kα線のX線回折において2θ=35.8±0.2°のSiCに帰属されるピーク強度I(SiC)と2θ=28.4±0.2°のSiに帰属されるピーク強度I(Si)の比が、I(SiC)/I(Si)≦0.03の関係を満たすものである。
そのため、Cu−Kα線のX線回折において、I(SiC)/I(Si)≦0.03の関係を満たす量のSiC生成量であれば十分に許容できるが、I(SiC)/I(Si)>0.03では電池特性の劣化が著しい。このため、本発明の非水電解質二次電池用負極材ではI(SiC)/I(Si)≦0.03とする。
D(nm)=Kλ/Bcosθ (1)
ただし、K=0.9,λ=0.154nm(Cu−Kαの場合),B=半値全幅(rad),θ=ピーク位置(°)である。
この珪素の粒子径は、0.7〜40nmであることが望ましく、1〜30nmであることが更に望ましい。
粒子径を0.5nm以上とすることで初回効率の低下が防止でき、50nm以下とすることで容量やサイクル耐久性が低下することを防止できる。
そして、珪素含有量は10〜60質量%、特に15〜50質量%、更には20〜40質量%であることが望ましい。珪素酸化物の含有量は、40〜90質量%、特に50〜85質量%、更には60〜80質量%であることが望ましい。
リチウムの含有量が0.1質量%以上であれば初回効率の向上を達成でき、20質量%以下であれば、サイクル特性の低下や取り扱いの安全面に問題が生じることもない。
なお、同時に炭素被覆にもリチウムがドープされていても問題はなく、その量は特に限定されない。
この被覆炭素量が1質量%以上であれば導電性を十分に改善でき、40質量%以下であれば炭素の割合が多くなりすぎて放電容量が減少してしまう可能性を極力避けることができる。
この電気伝導率が1×10−6S/m以上であれば、電極の導電性が小さくなって、リチウムイオン二次電池用負極材として用いた場合にサイクル耐久性が低下するおそれを低減できる。
なお、ここでいう電気伝導率とは、4端子を持つ円筒状のセル内に被測定粉末を充填し、この被測定粉末に電流を流したときの電圧降下を測定することで求めた値である。
ここで、珪酸リチウムは一般式LixSiOy(1≦x≦4,2.5≦y≦4)で表され、アルミン酸リチウムは一般式LixAlOy(0.2≦x≦1,1.6≦y≦2)で表される化合物を示す。
本発明の負極材はアルミニウムを含む水素化リチウムアルミニウムを用いてリチウムがドープされたものとすることもできるが、このような負極材も、珪素−珪素酸化物系複合体と炭素被膜との界面でのSiCの量が十分に少なく、サイクル耐久性及び初回効率に優れた負極材である。
なお、この粉末は、所望の粒度分布まで粉砕・分級されたものとすることができる。
なお、この熱CVD処理の時間は、被覆炭素量との関係で適宜設定される。準備した粉末に酸化珪素が含まれる場合は、この処理による熱の作用で、酸化珪素が珪素−珪素酸化物系複合体に変化する。
また、この処理において粒子が凝集する場合には、凝集物をボールミル等で解砕することができる。また、解砕した場合、再度同様に熱CVD処理を繰り返し行うことができる。
このように、熱CVD処理の温度を、800℃以上とすることによって、炭素被膜と珪素−珪素酸化物系複合体との融合、炭素原子の整列(結晶化)を十分かつ確実に行うことができ、より高容量でサイクル耐久性に優れた非水電解質二次電池用負極材が得られる。また、珪素の微結晶の形成に長時間を要することなく、効率的である。また、1300℃以下とすることによって、二酸化珪素部分の結晶構造化が進んでリチウムイオンの往来が阻害され、負極材としての機能が低下するおそれもないものとすることができる。
この時、本発明ではこの炭素被覆される珪素−珪素酸化物系複合体の粉末にはまだリチウムがドープされていない。従って、800℃以上、特には900℃以上の高温で熱CVDが行われても、SiCの形成は抑制される。
例えばメタン、エタン、エチレン、アセチレン、プロパン、ブタン、ブテン、ペンタン、イソブタン、ヘキサン、シクロヘキサン等の炭化水素の単独もしくは混合物、ベンゼン、トルエン、キシレン、スチレン、エチルベンゼン、ジフェニルメタン、ナフタレン、フェノール、クレゾール、ニトロベンゼン、クロルベンゼン、インデン、クマロン、ピリジン、アントラセン、フェナントレン等の1環〜3環の芳香族炭化水素もしくはこれらの混合物が挙げられる。また、タール蒸留工程で得られるガス軽油、クレオソート油、アントラセン油、ナフサ分解タール油も単独もしくは混合物として用いることができる。
例えば、連続法、回分法での処理が可能で、具体的には流動層反応炉、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て適宜選択することができる。
この混合には、乾燥雰囲気下で均一に混合できる装置を用いれば良く、特に限定はされないが、小型装置としてはタンブラーミキサーが例示される。
具体的には、乾燥空気雰囲気下のグローブボックス内で、炭素被覆した珪素−珪素酸化物系複合体の粉末と水素化リチウム及び/又は水素化リチウムアルミニウムの粉末を所定量ずつ秤取し、ステンレス密閉容器に入れ、タンブラーミキサーにセットして室温で所定時間回転させ、均一になるように混合することができる。
また、金属リチウム等を用いる場合は、連鎖的に反応が起こり、灼熱状態を形成する危険性が高く、灼熱状態になると珪素の結晶が成長しすぎて、容量及びサイクル耐久性が低くなってしまう場合があるという問題があるが、水素化リチウム及び/又は水素化リチウムアルミニウムであれば、反応が穏やかに進行するので、反応熱による温度上昇は数十℃であり、灼熱することがなく、容易に高容量かつサイクル耐久性に優れた負極材が工業的規模で製造できる。
またリチウムドープ反応は、炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体とリチウムドープ剤との固体−固体反応であるが、固体内へのリチウムの拡散速度は一般的に小さいので、リチウムが炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体内部に完全に均一に侵入することは困難である。
リチウムドープを200℃以上の温度で行うことによって、反応が不十分になることを防ぐことができる。また、800℃以下の温度で行うことによって、珪素−珪素酸化物系複合体中の珪素結晶の成長が必要以上に進むことを防止することができるので、高負荷での容量が低下したり、特にサイクル耐久性が低くなることを確実に防ぐことができる。すなわち、高容量かつサイクル耐久性がより良好な非水電解質二次電池用負極材を製造することができる。
例えば、連続法、回分法での処理が可能で、具体的には回転炉、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て適宜選択することができる。小型装置としては管状電気炉が例示される。
より具体的には、アルゴンガス流通下の石英管内に、上記混合物を入れ、管状電気炉で200℃〜800℃に加熱して、所定時間反応させることで行うことができる。
従って、非水電解質を用いる二次電池用負極材として使用したときに、大きな放電容量を有すると共に、良好なサイクル耐久性と、酸化珪素及び珪素−珪素酸化物系複合体の欠点であった低い初回効率が改善された非水電解質二次電池用負極材が得られる。
例えば、正極活物質としてはLiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、V2O5、MnO2、TiS2、MoS2などの遷移金属の酸化物及びカルコゲン化合物などが用いられる。
また電解質としては、例えば、過塩素酸リチウムなどのリチウム塩を含む非水溶液が用いられ、非水溶媒としてはプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメトキシエタン、γ−ブチロラクトン、2−メチルテトラヒドロフランなどを単独で又は2種類以上を組み合わせて用いられる。また、それ以外の種々の非水系電解質や固体電解質も使用できる。
この場合においても導電剤の種類は特に限定されず、構成された電池において、分解や変質を起こさない電子伝導性の材料であればよく、具体的にはAl,Ti,Fe,Ni,Cu,Zn,Ag,Sn,Si等の金属粉末や金属繊維、又は天然黒鉛、人造黒鉛、各種のコークス粉末、メソフェーズ炭素、気相成長炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、PAN系炭素繊維、各種の樹脂焼成体等の黒鉛を用いることができる。
導電剤の添加量を1質量%以上とすることによって、充放電に伴う膨張・収縮に耐えられなくなる危険を避けることができる。また、60質量%以下とすることによって、充放電容量が小さくなる危険性を極力低くすることができる。
5質量%以上とすることによって、充放電に伴う膨張・収縮に十分に耐えることができるものとなる。また90質量%以下とすることによって、充放電容量が小さくなることもない。
なお、下記例で%は質量%を示し、平均粒子径はレーザー回折法による粒度分布測定における累積重量平均値(又はメジアン径)D50として測定した値である。また、珪素の結晶の大きさはCu−Kα線のX線回折データよりシェラー法により求めたSi(111)面の結晶子の大きさである。
金属珪素と二酸化珪素をモル比1:1で混合し、100Paの減圧下、1400℃で反応させて酸化珪素のガスを発生させ、このガスを50Paの減圧下、900℃において冷却して析出させ、塊状の生成物を得た。そしてこの生成物を乾式ボールミルで粉砕し、平均粒子径5μmの粉末を得た。
化学分析により、この粉末の組成はSiO0.95であり、透過電子顕微鏡により珪素が原子オーダー〜微結晶状態で珪素酸化物に分散した構造が観察され、珪素−珪素酸化物系複合体であることが判った。この珪素−珪素酸化物系複合体の珪素の結晶の大きさは4nmであった。
そして、この混合物29gをアルミナ製70mlボートに仕込み、内径50mmのアルミナ炉芯管を備えた管状電気炉の炉芯管の中央に静置した。そしてアルゴンガスを毎分2l通気しながら、毎分5℃で600℃まで加熱し、1時間保持した後、放冷した。
また、Cu−Kα線のX線回折で珪素と珪酸リチウムに帰属されるピークが観察され、珪素の結晶の大きさは10nmであり、珪素の結晶の成長が抑制されていることが確認できた。さらに、Cu−Kα線のX線回折において2θ=35.8±0.2°のSiCに帰属されるピーク強度I(SiC)と2θ=28.4±0.2°のSiに帰属されるピーク強度I(Si)の比がI(SiC)/I(Si)=0であり、SiCの生成が抑制されていることが確認できた。このX線回折チャートを図1に示す。
実施例1において、リチウムドープ剤に水素化リチウムアルミニウムを用いた以外は同様の条件で非水電解質二次電池用負極材を作製し、同様の評価を行った。
その結果、リチウムドープ量が2%であった。そして、透過電子顕微鏡により珪素が原子オーダー〜微結晶状態で珪素酸化物に分散した構造が観察された。
また、Cu−Kα線のX線回折で珪素と珪酸リチウム、およびアルミン酸リチウムに帰属されるピークが観察され、珪素の結晶の大きさは10nmであり、珪素の結晶の成長が抑制されていることが確認できた。さらに、I(SiC)/I(Si)=0であり、SiCの生成が抑制されていることが確認できた。そのX線回折チャートを図2に示す。
金属珪素と二酸化珪素をモル比1:1で混合し、100Paの減圧下、1400℃で反応させて酸化珪素のガスを発生させ、このガスと金属珪素を2000℃に加熱して発生させた珪素ガスとを混合し、50Paの減圧下、900℃に冷却し析出させて、塊状の生成物を得た。この生成物を乾式ボールミルで粉砕し、平均粒子径5μmの珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
化学分析により、この珪素−珪素酸化物系複合体粉末の組成はSiO0.5であり、透過電子顕微鏡により珪素が原子オーダー〜微結晶状態で珪素酸化物に分散した構造が観察され、珪素−珪素酸化物系複合体であることが判った。この珪素−珪素酸化物系複合体の珪素の結晶の大きさは5nmであった。
次に、この炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を、水素化リチウム:珪素−珪素酸化物系複合体(炭素除く)=1:20(質量比)とした以外は実施例1と同様の条件で水素化リチウムと反応させた。
また、Cu−Kα線のX線回折で珪素,珪酸リチウムに帰属されるピークが観察され、珪素の結晶の大きさは14nmであり、珪素の結晶の成長が抑制されていることが確認できた。さらに、I(SiC)/I(Si)=0であり、SiCの生成が抑制されていることが確認できた。
金属珪素と二酸化珪素をモル比1:1で混合し、100Paの減圧下、1400℃で反応させて酸化珪素のガスを発生させ、このガスを酸素ガスとモル比10:1で混合し、50Paの減圧下、900℃に冷却し析出させて、塊状の生成物を得た。この生成物を乾式ボールミルで粉砕し、平均粒子径5μmの珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
化学分析により、この珪素−珪素酸化物系複合体粉末の組成はSiO1.5であり、透過電子顕微鏡により珪素が原子オーダー〜微結晶状態で珪素酸化物に分散した構造が観察され、珪素−珪素酸化物系複合体であることが判った。この珪素−珪素酸化物系複合体の珪素の結晶の大きさは3nmであった。
次に、この炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を実施例1と同様の条件で水素化リチウムと反応させた。
また、Cu−Kα線のX線回折で珪素,珪酸リチウムに帰属されるピークが観察され、珪素の結晶の大きさは10nmであり、珪素の結晶の成長が抑制されていることが確認できた。さらに、I(SiC)/I(Si)=0であり、SiCの生成が抑制されていることが確認できた。
金属珪素と二酸化珪素をモル比1:1で混合し、100Paの減圧下、1400℃で反応させて酸化珪素のガスを発生させ、このガスを50Paの減圧下、600℃に冷却し析出させて塊状の生成物を得た。この生成物を乾式ボールミルで粉砕し、平均粒子径5μmの粉末を得た。
化学分析により、この粉末の組成はSiO0.95であり、透過電子顕微鏡により珪素が原子オーダー〜微結晶状態で珪素酸化物に分散した構造は観察されず、(珪素−珪素酸化物に不均化していない)酸化珪素であることが判った。この酸化珪素のCu−Kα線のX線回折にはSi(111)面のピークがみられなかった。
次に、この炭素被覆された粉末を、実施例1と同様の条件で水素化リチウムと反応させた。
また、Cu−Kα線のX線回折で珪素,珪酸リチウムに帰属されるピークが観察され、珪素の結晶の大きさは1nmであり、珪素の結晶の成長が抑制されていることが確認できた。さらに、I(SiC)/I(Si)=0であり、SiCの生成が抑制されていることが確認できた。
実施例1と同様の方法で、珪素の結晶の大きさが4nmの珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
この珪素−珪素酸化物系複合体粉末を、処理温度を1200℃、処理時間を2時間とした以外は実施例1と同様の条件で熱CVD処理し、被覆炭素量が5%の炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
次に、この炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を、実施例1と同様の条件で水素化リチウムと反応させた。
また、Cu−Kα線のX線回折で珪素、珪酸リチウムに帰属されるピークが観察され、珪素の結晶の大きさは23nmであり、珪素の結晶の成長が抑制されていることが確認できた。さらに、I(SiC)/I(Si)=0.019であり、SiCの生成が抑制されていることが確認できた。
実施例1と同様の方法で、珪素の結晶の大きさが4nmの珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
この珪素−珪素酸化物系複合体粉末を実施例1と同様の条件で熱CVD処理し、被覆炭素量が5%の炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
次に、この炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を、反応温度を300℃、反応時間を20時間とした以外は実施例1と同様の条件で水素化リチウムと反応させた。
また、Cu−Kα線のX線回折で珪素,珪酸リチウムに帰属されるピークが観察され、珪素の結晶の大きさは9nmであり、珪素の結晶の成長が抑制されていることが確認できた。さらに、I(SiC)/I(Si)=0であり、SiCの生成が抑制されていることが確認できた。
実施例1と同様の方法で、珪素の結晶の大きさが4nmの珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
この珪素−珪素酸化物系複合体粉末を実施例1と同様の条件で熱CVD処理し、被覆炭素量が5%の炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
次に、この炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を、反応温度を800℃、反応時間を10分とした以外は実施例1と同様の条件で水素化リチウムと反応させた。
また、Cu−Kα線のX線回折で珪素,珪酸リチウムに帰属されるピークが観察され、珪素の結晶の大きさは25nmであり、珪素の結晶の成長が抑制されていることが確認できた。さらに、I(SiC)/I(Si)=0であり、SiCの生成が抑制されていることが確認できた。
実施例1と同様の方法で、珪素の結晶の大きさが4nmの珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
この珪素−珪素酸化物系複合体粉末を実施例1と同様の条件で熱CVD処理し、被覆炭素量が5%の炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
次に、この炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を、水素化リチウム:珪素−珪素酸化物系複合体(炭素除く)=1:100(質量比)とした以外は実施例1と同様の条件で水素化リチウムと反応させた。
また、Cu−Kα線のX線回折で珪素,珪酸リチウムに帰属されるピークが観察され、珪素の結晶の大きさは8nmであり、珪素の結晶の成長が抑制されていることが確認できた。さらに、I(SiC)/I(Si)=0であり、SiCの生成が抑制されていることが確認できた。
実施例4と同様の方法で、組成がSiO1.5であり、珪素の結晶の大きさが3nmの珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
この珪素−珪素酸化物系複合体粉末を実施例1と同様の条件で熱CVD処理し、被覆炭素量が5%の炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
次に、この炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を、水素化リチウム:珪素−珪素酸化物系複合体(炭素除く)=1:4(質量比)とした以外は実施例1と同様の条件で水素化リチウムと反応させた。
また、Cu−Kα線のX線回折で珪素,珪酸リチウムに帰属されるピークが観察され、珪素の結晶の大きさは30nmであり、珪素の結晶の成長が抑制されていることが確認できた。さらに、I(SiC)/I(Si)=0.008であり、SiCの生成が抑制されていることが確認できた。
実施例1と同様の方法で、珪素の結晶の大きさが4nmの珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
この珪素−珪素酸化物系複合体粉末を、処理時間を1時間とした以外は実施例1と同様の条件で熱CVD処理し、被覆炭素量が1%の炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
次に、この炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を実施例1と同様の条件で水素化リチウムと反応させた。
また、Cu−Kα線のX線回折で珪素,珪酸リチウムに帰属されるピークが観察され、珪素の結晶の大きさは10nmであり、珪素の結晶の成長が抑制されていることが確認できた。さらに、I(SiC)/I(Si)=0であり、SiCの生成が抑制されていることが確認できた。
実施例1と同様の方法で、珪素の結晶の大きさが4nmの珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
この珪素−珪素酸化物系複合体粉末を、処理時間を63時間とした以外は実施例1と同様の条件で熱CVD処理し、被覆炭素量が40%の炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
次に、この炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を実施例1と同様の条件で水素化リチウムと反応させた。
また、Cu−Kα線のX線回折で珪素,珪酸リチウムに帰属されるピークが観察され、珪素の結晶の大きさは13nmであり、珪素の結晶の成長が抑制されていることが確認できた。さらに、I(SiC)/I(Si)=0.011であり、SiCの生成が抑制されていることが確認できた。
実施例1と同様の方法で、珪素の結晶の大きさが4nmの珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
この珪素−珪素酸化物系複合体粉末を実施例1と同様の条件で熱CVD処理し、被覆炭素量が5%の炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。この珪素−珪素酸化物系複合体の珪素の結晶の大きさは7nmであった。
これをリチウムをドープすることなくそのまま非水電解質二次電池用負極材とした。
実施例1において、熱CVD工程(1100℃で5時間)とリチウムドープ工程(水素化リチウムを用い、水素化リチウム:珪素−珪素酸化物系複合体=1:10、600℃加熱して1時間保持)を行う順序を逆にした以外は同様の条件で非水電解質二次電池用負極材を作製し、同様の評価を行った。
またI(SiC)/I(Si)=0.034であり、SiCが多量に生成していることが確認された。そのX線回折チャートを図3に示す。図3には、SiCに基づくピークが見られる。
実施例1と同様の方法で、珪素の結晶の大きさが4nmの珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
この珪素−珪素酸化物系複合体粉末を実施例1と同様の条件で熱CVD処理し、被覆炭素量が5%の炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
次に、アルゴン雰囲気のグローブボックス内で200gガラス瓶にこの炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末28.4gを入れ、更にFMC社製安定化リチウム粉SLMP2.7gを加え、蓋をして手で振とうして均一に混合した。
この混合物を内容積1000mlの鉄製乳鉢に入れて、乳棒で撹拌を行ったところ、乳棒と乳鉢表面の接触部付近から発光を伴う灼熱反応が発生したので、スパチュラーを使用して周辺部の未反応部をその上に移動して、最終的には乳鉢全体にこの反応が均一にいきわたるようにして反応させた。そして十分に冷却後、生成物をよく解砕して、グローブボックスより取り出した。
このようにして得られた非水電解質二次電池用負極材の珪素の結晶の大きさは81nmであり、珪素の結晶が大きく成長していることが判った。
実施例1と同様の方法で、珪素の結晶の大きさが4nmの珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
この珪素−珪素酸化物系複合体粉末を実施例1と同様の条件で熱CVD処理し、被覆炭素量が5%の炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
次に、乾燥空気雰囲気のグローブボックス内で内容積約500mlの磁器製乳鉢に水酸化リチウム(和光純薬製試薬)の粉末2.7gを入れ粉砕した後、上記炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末28.4gを追加し、十分均一になるまで攪拌・混合した。
この混合物29gをアルミナ製70mlボートに仕込み、内径50mmのアルミナ炉芯管を備えた管状電気炉の炉芯管の中央に静置した。アルゴンガスを毎分2L通気しながら、毎分5℃で900℃まで加熱し、1時間保持した後、放冷した。
このようにして得られた非水電解質二次電池用負極材の珪素の結晶の大きさは68nmであり、珪素の結晶が大きく成長していることが判った。
金属珪素の加熱温度を2100℃とした以外は実施例3と同様の方法により組成がSiO0.3である珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
この珪素−珪素酸化物系複合体粉末を実施例1と同様の条件で熱CVD処理し、被覆炭素量が5%の炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
次に、この炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を、水素化リチウム:珪素−珪素酸化物系複合体(炭素除く)=1:20(質量比)とした以外は実施例1と同様の条件で水素化リチウムと反応させて非水電解質二次電池用負極材を得た。
酸化珪素ガスと酸素ガスのモル比を10:2とした以外は実施例4と同様の方法により組成がSiO1.7である珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
この珪素−珪素酸化物系複合体粉末を実施例1と同様の条件で熱CVD処理し、被覆炭素量が5%の炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
次に、この炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を、実施例1と同様の条件で水素化リチウムと反応させて非水電解質二次電池用負極材を得た。
実施例5と同様の方法で、(珪素−珪素酸化物に不均化していない)酸化珪素粉末を得た。
この酸化珪素粉末を、処理温度を750℃、処理時間を200時間とした以外は実施例1と同様の条件で熱CVD処理し、被覆炭素量が5%の炭素被覆された粉末を得た。
次に、この炭素被覆された粉末を、反応温度を300℃、反応時間を20時間にした以外は実施例1と同様の条件で水素化リチウムと反応させた。
このようにして得られた非水電解質二次電池用負極材のリチウムドープ量は8%であった。この粉末の珪素の結晶の大きさは0.4nmであり、珪素の結晶の成長が十分に成長していないことが判った。
実施例1と同様の方法で、珪素の結晶の大きさが4nmの珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
この珪素−珪素酸化物系複合体粉末を、処理温度を1350℃、処理時間を40分とした以外は実施例1と同様の条件で熱CVD処理し、被覆炭素量が5%の炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
次に、この炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を、実施例1と同様の条件で水素化リチウムと反応させた。
このようにして得られた非水電解質二次電池用負極材の珪素の結晶の大きさは52nmであり、珪素の結晶が大きく成長していることが判った。
実施例1と同様の方法で、珪素の結晶の大きさが4nmの珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
この珪素−珪素酸化物系複合体粉末を実施例1と同様の条件で熱CVD処理し、被覆炭素量が5%の炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
次に、この炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を、加熱温度を100℃、加熱時間を40時間とした以外は実施例1と同様の条件で水素化リチウムと加熱した。
このようにして得られた非水電解質二次電池用負極材のリチウムドープ量は0%であり、リチウムドープ反応が起こらないことが判った。
実施例1と同様の方法で、珪素の結晶の大きさが4nmの珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
この珪素−珪素酸化物系複合体粉末を実施例1と同様の条件で熱CVD処理し、被覆炭素量が5%の炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
次に、この炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を、反応温度を900℃、反応時間を10分とした以外は実施例1と同様の条件で水素化リチウムと反応させた。
このようにして得られた非水電解質二次電池用負極材の珪素の結晶の大きさは85nmであり、珪素の結晶が大きく成長していることが判った。
実施例1と同様の方法で、珪素の結晶の大きさが4nmの珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
この珪素−珪素酸化物系複合体粉末を実施例1と同様の条件で熱CVD処理し、被覆炭素量が5%の炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
次に、この炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を、水素化リチウム:珪素−珪素酸化物系複合体(炭素除く)=1:2000(質量比)とした以外は実施例1と同様の条件で水素化リチウムと反応させた。
このようにして得られた非水電解質二次電池用負極材のリチウムドープ量は0.05%であった。
実施例4と同様の方法で、組成がSiO1.5で珪素の結晶の大きさが3nmの珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
この珪素−珪素酸化物系複合体粉末を実施例1と同様の条件で熱CVD処理し、被覆炭素量が5%の炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
次に、この炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を、水素化リチウム:珪素−珪素酸化物系複合体(炭素除く)=2:5(質量比)とした以外は実施例1と同様の条件で水素化リチウムと反応させた。
このようにして得られた非水電解質二次電池用負極材のリチウムドープ量は23%であった。
実施例1と同様の方法で、珪素の結晶の大きさが4nmの珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
この珪素−珪素酸化物系複合体粉末を、処理時間を96時間とした以外は実施例1と同様の条件で熱CVD処理し、被覆炭素量が50%の炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を得た。
次に、この炭素被覆された珪素−珪素酸化物系複合体粉末を実施例1と同様の条件で水素化リチウムと反応させて、非水電解質二次電池用負極材を得た。
リチウムイオン二次電池負極活物質としての評価は全ての実施例及び比較例共に同一で、以下の方法・手順にて行った。
まず、得られた非水電解質二次電池用負極材20gに鱗片状黒鉛粉(平均粒子径D50=5μm)を、鱗片状黒鉛の炭素と非水電解質二次電池用負極材の被覆炭素が合計42%となるように加え、混合物を製造した。
この混合物に信越化学工業(株)製バインダKSC−4011を固形物換算で10%加え、20℃以下の温度でスラリーとした。更にN−メチルピロリドンを加えて粘度調整を行い、速やかにこのスラリーを厚さ20μmの銅箔に塗布し、120℃で1時間乾燥した後、ローラープレスにより電極を加圧成形し、最終的には2cm2に打ち抜いて負極とした。ここで、負極の質量を測定し、これから銅箔と鱗片状黒鉛とバインダの質量を引いて負極材の質量を求めた。
そして作製したリチウムイオン二次電池を、一晩室温で放置した後、二次電池充放電試験装置((株)ナガノ製)を用いて、室温で、テストセルの電圧が5mVに達するまで1.5mAの定電流で充電を行い、5mVに達した後は、セル電圧を5mVに保つように電流を減少させて充電を行った。そして、電流値が200μAを下回った時点で充電を終了した。放電は0.6mAの定電流で行い、セル電圧が2.0Vを上回った時点で放電を終了した。
質量当り容量(mAh/g)=負極材の放電容量(mAh)/負極材質量(g)
初回効率(%)=負極材の放電容量(mAh)/負極材の充電容量(mAh)×100
そして、以上の充放電試験を繰り返して評価用リチウムイオン二次電池の充放電試験を50回行い、サイクル耐久性の評価を行った。
容量保持率(%)=サイクル50回後の負極材の放電容量(mAh)/初回の負極材の放電容量(mAh)×100
上記の方法で実施例1−12及び比較例1−13の非水電解質二次電池用負極材を評価した結果を表1に示す。
また、珪素の結晶成長が不十分(珪素の粒子径が0.5nm未満)であった比較例7では初回効率が低く、結晶が大きすぎた(珪素の粒子径が50nmより大)比較例8ではサイクル耐久性が悪いことが判った。
Claims (4)
- 非水電解質を用いる二次電池用の負極材であって、少なくとも、粒子径が0.5〜50nmの珪素が原子オーダー及び/又は微結晶状態で珪素酸化物に分散した構造を有するSi/Oのモル比が1/0.5〜1.6の珪素−珪素酸化物系複合体と、該珪素−珪素酸化物系複合体の表面に該珪素−珪素酸化物系複合体に対しての被覆量が1〜40質量%で被覆された炭素被膜とからなり、
少なくとも前記珪素−珪素酸化物系複合体に対するドープ量が0.1〜20質量%でリチウムがドープされ、かつCu−Kα線のX線回折において2θ=35.8±0.2°のSiCに帰属されるピーク強度I(SiC)と、2θ=28.4±0.2°のSiに帰属されるピーク強度I(Si)の比I(SiC)/I(Si)が、I(SiC)/I(Si)≦0.03の関係を満たすものであることを特徴とする非水電解質二次電池用負極材。 - 前記非水電解質二次電池用負極材は、更に、前記Cu−Kα線のX線回折においてアルミン酸リチウムに帰属されるピークが観察されるものであることを特徴とする請求項1に記載の非水電解質二次電池用負極材。
- 少なくとも、正極と、負極と、リチウムイオン導電性の非水電解質とからなるリチウムイオン二次電池であって、
前記負極に、請求項1または請求項2に記載の非水電解質二次電池用負極材が用いられたものであることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 - 非水電解質を用いる二次電池用の負極材の製造方法であって、少なくとも、
一般式SiOx(x=0.5〜1.6)で表される酸化珪素と、粒子径が50nm以下の珪素が原子オーダー及び/又は微結晶状態で珪素酸化物に分散した構造を有するSi/Oのモル比が1/0.5〜1.6の珪素−珪素酸化物系複合体との少なくともいずれか一方からなる粉末の表面に、有機物ガス及び/又は蒸気の雰囲気下、温度800℃以上1300℃以下での熱CVD処理によって被覆量を該粉末に対して1〜40質量%となるように炭素を被覆し、
該炭素被覆後の粉末と水素化リチウム及び/又は水素化リチウムアルミニウムを混合した後、温度200℃以上800℃以下で加熱して、前記粉末に対してのドープ量が0.1〜20質量%となるようにリチウムを前記炭素被覆後の粉末にドープすることを特徴とする非水電解質二次電池用負極材の製造方法。
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