JP7453631B2 - Silicon-based materials, composite materials containing silicon-based materials, negative electrode materials for secondary batteries, and secondary batteries - Google Patents

Silicon-based materials, composite materials containing silicon-based materials, negative electrode materials for secondary batteries, and secondary batteries Download PDF

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Description

本発明は、ケイ素系材料およびケイ素系材料を含む複合材料に関する。また本発明は前記複合材料を含む二次電池用負極物質、前記二次電池用負極物質を含む負極、前記負極を含む二次電池に関する。 The present invention relates to silicon-based materials and composite materials containing silicon-based materials. The present invention also relates to a negative electrode material for a secondary battery including the composite material, a negative electrode including the negative electrode material for a secondary battery, and a secondary battery including 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・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 vehicles, electric vehicles, household storage batteries, etc., and are required to have a good balance of multiple characteristics such as electrical capacity, safety, and operational stability. ing.
Furthermore, in recent years, with the miniaturization of various electronic devices and communication devices and the rapid spread of hybrid vehicles, etc., batteries with higher capacity and various characteristics such as cycle characteristics and discharge rate characteristics are being used as drive power sources for these devices. There is a strong need for the development of further improved lithium ion secondary batteries.

そこで理論容量が高く、リチウムイオンを吸蔵および放出可能なシリコンが注目されている。シリコン粒子は、充放電における膨張収縮率が体積比で4倍と高いため、充放電時の膨張収縮によるシリコン粒子の破壊を抑制することが課題である。
非特許文献1には150nm以下のシリコン粒子は、表面亀裂が生じにくく、その構造が破壊されにくいとされている。しかしながら、繰り返しの充放電により機械的強度が低下し、最終的には、シリコン粒子の構造が破壊され、結果として電池性能の劣化要因となっている。
Therefore, silicon, which has a high theoretical capacity and can absorb and release lithium ions, is attracting attention. Silicon particles have a high rate of expansion and contraction during charging and discharging, which is four times the volume ratio, so it is a challenge to suppress the destruction of silicon particles due to expansion and contraction during charging and discharging.
Non-Patent Document 1 states that silicon particles with a diameter of 150 nm or less are less likely to cause surface cracks and their structure is less likely to be destroyed. However, repeated charging and discharging decreases mechanical strength and eventually destroys the structure of the silicon particles, resulting in deterioration of battery performance.

特許文献1にはシリコン粒子の膨張収縮を抑制する方法として、炭素源をシリコン表面に被覆し複合体とする方法が提案されている。得られる複合体は電気化学的に安定であるが、炭素はシリコンに比較して柔らかく、シリコン粒子の膨張収縮を十分に抑えるまでには至っていない。 Patent Document 1 proposes a method of coating a silicon surface with a carbon source to form a composite as a method of suppressing the expansion and contraction of silicon particles. Although the resulting composite is electrochemically stable, carbon is softer than silicon, and the expansion and contraction of silicon particles cannot be sufficiently suppressed.

特許文献2にはシリコン粒子の膨張収縮を抑える方法として、ナトリウムシリケート相とシリコン粒子からなる複合体による方法が報告されており、ビッカース硬度計の測定による硬さが大きいほど電池性能が向上することが報告されている。
しかしながらビッカース硬度計による硬度の測定のみでは、Si粒子の繰り返しの膨張収縮に対する指標としては十分でない。
Patent Document 2 reports a method using a composite consisting of a sodium silicate phase and silicon particles as a method of suppressing the expansion and contraction of silicon particles, and it is shown that the greater the hardness measured by a Vickers hardness meter, the better the battery performance. has been reported.
However, hardness measurement alone using a Vickers hardness meter is not sufficient as an indicator for repeated expansion and contraction of Si particles.

特開2014-183043号公報Japanese Patent Application Publication No. 2014-183043 WO2019-107032号WO2019-107032

ACS NANO,6,1522-1531,(2012)ACS NANO, 6, 1522-1531, (2012)

したがってシリコン粒子の膨張収縮、および繰り返しの充放電によるシリコン粒子の構造破壊を抑制し、二次電池の容量維持率の改良の評価方法については未だ十分ではなかった。 Therefore, there has not yet been a sufficient evaluation method for improving the capacity retention rate of secondary batteries by suppressing expansion and contraction of silicon particles and structural destruction of silicon particles due to repeated charging and discharging.

本発明者らはシリコン粒子の膨張収縮を抑制する方法を検討した。その結果、ナノインデンテーション法を用いた力学測定した各種物性を有するケイ素系材料がシリコン粒子の膨張収縮の抑制効果を有することを見出し、本発明に至った。
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負極活物質および前記二次電池用負極活物質を負極に含む二次電池に関し、容量維持率が改良された二次電池を与えるケイ素系材料を提供することを目的とする。
The present inventors investigated a method for suppressing the expansion and contraction of silicon particles. As a result, it was discovered that a silicon-based material having various physical properties measured mechanically using a nanoindentation method has an effect of suppressing the expansion and contraction of silicon particles, leading to the present invention.
That is, the present invention relates to a negative electrode active material for a secondary battery used in a lithium ion secondary battery and a secondary battery containing the negative electrode active material for a secondary battery in the negative electrode, and provides a secondary battery with an improved capacity retention rate. The purpose is to provide silicon-based materials.

本発明は下記の態様を有する。
[1] ナノインデンテーション法を用いた力学強度測定において、押し込み硬度が1GPa以上11GPa以下、押し込み弾性率が10GPa以上110GPa以下、および弾性変形仕事率が20%以上90%以下からなる群より選択される少なくとも1の物性を有するケイ素系材料。
[2] ナノインデンテーション法を用いた力学強度測定において、押し込み硬度が1GPa以上11GPa以下で且つ、押し込み弾性率が10GPa以上110GPaである前記[1]に記載のケイ素系材料。
[3] ナノインデンテーション法を用いた力学強度測定において、押し込み硬度が1GPa以上11GPa以下で且つ、弾性変形仕事率が20%以上90%以下である前記[1]に記載のケイ素系材料。
[4] ナノインデンテーション法を用いた力学強度測定において、押し込み弾性率が10GPa以上110GPa以下で且つ、弾性変形仕事率が20%以上90%以下である前記[1]に記載のケイ素系材料。
[5] 主成分としてケイ素元素、酸素元素、炭素元素を含む前記[1]から[4]のいずれかに記載のケイ素系材料。
[6] 主成分としてSiOxCy (1≦x<2、1≦y≦80)を含む前記[5]に記載のケイ素系材料。
[7] 窒素元素を含む前記[6]に記載のケイ素系材料。
The present invention has the following aspects.
[1] In mechanical strength measurement using the nanoindentation method, the indentation hardness is selected from the group consisting of 1 GPa or more and 11 GPa or less, the indentation elastic modulus is 10 GPa or more and 110 GPa or less, and the elastic deformation power is 20% or more and 90% or less. A silicon-based material having at least one physical property.
[2] The silicon-based material according to the above [1], which has an indentation hardness of 1 GPa or more and 11 GPa or less and an indentation elastic modulus of 10 GPa or more and 110 GPa in mechanical strength measurement using a nanoindentation method.
[3] The silicon-based material according to the above [1], which has an indentation hardness of 1 GPa or more and 11 GPa or less and an elastic deformation power of 20% or more and 90% or less in mechanical strength measurement using a nanoindentation method.
[4] The silicon-based material according to the above [1], which has an indentation modulus of 10 GPa or more and 110 GPa or less and an elastic deformation power of 20% or more and 90% or less in mechanical strength measurement using a nanoindentation method.
[5] The silicon-based material according to any one of [1] to [4] above, which contains silicon element, oxygen element, and carbon element as main components.
[6] The silicon-based material according to [5] above, which contains SiOxCy (1≦x<2, 1≦y≦80) as a main component.
[7] The silicon-based material according to [6] above, containing a nitrogen element.

また本発明は下記の態様を有する。
[8] 前記[1]から[7]のいずれかに記載のケイ素系材料を主成分とするマトリクス相に平均粒径200nm以下のシリコン粒子が分散された複合材料。
Further, the present invention has the following aspects.
[8] A composite material in which silicon particles having an average particle size of 200 nm or less are dispersed in a matrix phase mainly composed of the silicon-based material according to any one of [1] to [7].

さらに本発明は下記の態様を有する。
[9] 前記[8]に記載の複合材料を含む二次電池用負極活物質。
[10] 前記[9]に記載の二次電池用負極活物質を含む負極。
[11] 前記[10]に記載の負極を含む二次電池。
Furthermore, the present invention has the following aspects.
[9] A negative electrode active material for a secondary battery, comprising the composite material according to [8] above.
[10] A negative electrode comprising the negative electrode active material for secondary batteries according to [9] above.
[11] A secondary battery comprising the negative electrode according to [10] 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負極活物質および前記二次電池用負極活物質を負極に含む二次電池に関し、容量維持率が改良された二次電池を与えるケイ素系材料が提供される。 According to the present invention, a secondary battery with an improved capacity retention rate is provided with respect to a negative electrode active material for a secondary battery used in a lithium ion secondary battery and a secondary battery containing the negative electrode active material for a secondary battery in the negative electrode. A silicon-based material is provided.

本発明のケイ素系材料(以下、「本ケイ素系材料」とも記す。)はナノインデンテーション法(以下、「NI法」とも記す。)を用いた力学強度測定において、押し込み硬度が1GPa以上11GPa以下(以下、「物性1」とも記す。)、押し込み弾性率が10GPa以上110GPa以下(以下、「物性2」とも記す。)、および弾性変形仕事率が20%以上90%以下(以下、「物性3」とも記す)からなる群より選択される少なくとも1の物性を有する。
前記のとおり、シリコン粒子は高容量であるが充放電における膨張収縮による体積変化が大きく、繰り返しの充放電による機械的強度の低下によるシリコン粒子の構造破壊が起こると考えられる。その結果、二次電池の容量維持率の低下に繋がると考えられる。
The silicon-based material of the present invention (hereinafter also referred to as "this silicon-based material") has an indentation hardness of 1 GPa or more and 11 GPa or less in mechanical strength measurement using the nanoindentation method (hereinafter also referred to as "NI method"). (hereinafter also referred to as "physical property 1"), indentation modulus of 10 GPa or more and 110 GPa or less (hereinafter also referred to as "physical property 2"), and elastic deformation power of 20% or more and 90% or less (hereinafter referred to as "physical property 3"). ) has at least one physical property selected from the group consisting of
As mentioned above, although silicon particles have a high capacity, their volume changes greatly due to expansion and contraction during charging and discharging, and it is thought that structural destruction of silicon particles occurs due to a decrease in mechanical strength due to repeated charging and discharging. As a result, it is thought that this leads to a decrease in the capacity retention rate of the secondary battery.

本発明者らは、前記シリコン粒子の体積変化を抑えるために、シリコン粒子が分散しているマトリクス相に用いるケイ素系材料の強度に着目した。その結果、前記物性1、前記物性2および前記物性3からなる群より選択される少なくとも1つの物性を有するケイ素系材料をマトリクス相に用いると、シリコン粒子の体積変化の抑制に効果があることを見出した。このようなケイ素系材料を用いたマトリクス相とシリコン粒子を組み合わせた複合材料を二次電池用負極活物質として負極に用いることで、容量維持率に優れた二次電池が得られたと考えられる。 In order to suppress the volume change of the silicon particles, the present inventors focused on the strength of the silicon-based material used for the matrix phase in which silicon particles are dispersed. As a result, it was found that when a silicon-based material having at least one physical property selected from the group consisting of physical property 1, physical property 2, and physical property 3 is used for the matrix phase, it is effective in suppressing the volume change of silicon particles. I found it. It is thought that a secondary battery with excellent capacity retention was obtained by using a composite material in which a matrix phase using such a silicon-based material and silicon particles were combined as a negative electrode active material for a secondary battery.

NI法とは測定装置に、先端に極小のダイヤモンドを使用した突起状のダイヤモンド圧子を取り付け、圧子を押し込むことで微小領域の硬さやヤング率等の力学的強度を測定する方法である。NI法によれば従来の硬さ試験では測定できなかった微小試料や薄膜試料の力学的特性を測定することができる。
NI法の測定方法はISO14577により規格化されている。
The NI method is a method in which a protruding diamond indenter with an extremely small diamond at the tip is attached to a measuring device, and mechanical strength such as hardness and Young's modulus of a minute area is measured by pushing the indenter. According to the NI method, it is possible to measure the mechanical properties of micro samples and thin film samples that could not be measured using conventional hardness tests.
The measurement method of the NI method is standardized by ISO14577.

従来、粒子状物質の機械的強度を測定する手段として、マイクロビッカース硬度測定法がある。しかしながら、マイクロビッカース硬度測定法では粒子表面の押し込み硬度のみ測定が可能であり、押し込み弾性率や弾性変形仕事率の測定を行うことは不可能である。また、押し込み弾性率は原子間力顕微鏡などで測定できるが、同様にその他の物性を同時に測定することは不可能である。したがって、粒子状物質の前記物性1から3の評価を行なうためには、これらの異なる測定方法を組合わせる必要があるため、評価が煩雑となる。
一方、NI法では粒子表面に一度圧子を押し込むことで押し込み硬度、押し込み弾性率、および弾性変形仕事率の3つの物性を測定することが可能である。即ち、同じ押し込み位置での押し込み硬度、押し込み弾性率、および弾性変形仕事率の3つの物性について同時に測定を行うことが可能であることから、NI法により前記物性1から3を効率よく評価することができる。
さらに、ケイ素元素以外の酸素元素や炭素元素を含むマトリクス相と、シリコン粒子が混在しているケイ素系材料においては、マトリクス相とシリコン粒子の押し込み硬度、および押し込み弾性率が異なることがあり、そのため同一箇所を測定する方法以外では、弾性変形仕事率の正確な値を測定することが困難となる。
Conventionally, there is a micro-Vickers hardness measurement method as a means for measuring the mechanical strength of particulate matter. However, in the micro-Vickers hardness measurement method, only the indentation hardness of the particle surface can be measured, and it is not possible to measure the indentation modulus or elastic deformation power. Further, although the indentation modulus can be measured using an atomic force microscope or the like, it is similarly impossible to measure other physical properties at the same time. Therefore, in order to evaluate the physical properties 1 to 3 of the particulate matter, it is necessary to combine these different measurement methods, which makes the evaluation complicated.
On the other hand, in the NI method, it is possible to measure the three physical properties of indentation hardness, indentation modulus, and elastic deformation power by pushing an indenter once into the particle surface. That is, since it is possible to simultaneously measure the three physical properties of indentation hardness, indentation elastic modulus, and elastic deformation power at the same indentation position, it is possible to efficiently evaluate the above-mentioned physical properties 1 to 3 using the NI method. Can be done.
Furthermore, in silicon-based materials in which silicon particles are mixed with a matrix phase containing oxygen and carbon elements other than silicon, the indentation hardness and indentation modulus of the matrix phase and silicon particles may differ. It is difficult to measure an accurate value of elastic deformation power by any method other than measuring the same location.

前記物性1、物性2および物性3はNI法で測定した値であり、本ケイ素系材料は前記物性1、物性2および物性3の少なくとも一つの物性を有する。物性1、物性2および物性3はISO14577で規定されている方法で求めることができる。
本ケイ素系材料を二次電池の負極に用いた場合の二次電池の容量維持率の観点から、前記物性1は5GPa以上が好ましく、6GPa以上がより好ましい。また前記物性1は容量維持率の観点から、9GPa以下が好ましい。
Physical property 1, physical property 2, and physical property 3 are values measured by the NI method, and the silicon-based material has at least one of physical property 1, physical property 2, and physical property 3. Physical property 1, physical property 2, and physical property 3 can be determined by the method specified in ISO14577.
From the viewpoint of the capacity retention rate of a secondary battery when this silicon-based material is used for the negative electrode of a secondary battery, the physical property 1 is preferably 5 GPa or more, more preferably 6 GPa or more. Further, the physical property 1 is preferably 9 GPa or less from the viewpoint of capacity retention rate.

本ケイ素系材料を二次電池の負極に用いた場合の二次電池の容量維持率の観点から、前記物性2は40GPa以上が好ましく、50GPa以上がより好ましい。また前記物性2は容量維持率の観点から、100GPa以下が好ましく、80GPa以下がより好ましい。 From the viewpoint of the capacity retention rate of a secondary battery when this silicon-based material is used for the negative electrode of a secondary battery, the physical property 2 is preferably 40 GPa or more, more preferably 50 GPa or more. Further, from the viewpoint of capacity retention rate, the physical property 2 is preferably 100 GPa or less, more preferably 80 GPa or less.

本ケイ素系材料を二次電池の負極に用いた場合の二次電池の容量維持率の観点から、前記物性3は30%以上が好ましく、40%以上がより好ましい。また前記物性3は容量維持率の観点から、80%以下が好ましく、60%以下がより好ましい。 From the viewpoint of the capacity retention rate of a secondary battery when this silicon-based material is used for the negative electrode of a secondary battery, the physical property 3 is preferably 30% or more, more preferably 40% or more. Further, from the viewpoint of capacity retention rate, the physical property 3 is preferably 80% or less, more preferably 60% or less.

前記物性1を満たすケイ素系材料を構成する物質は、珪素元素と炭素元素と酸素元素を含む物質が好ましく、電池性能に影響の少ない範囲で珪素元素の含有率が高い方がより好ましい。これら元素が結合してマトリックス構造になっている物質がさらに好ましい。 The substance constituting the silicon-based material satisfying the physical property 1 is preferably a substance containing a silicon element, a carbon element, and an oxygen element, and it is more preferable that the content of the silicon element is high within a range that has little effect on battery performance. A substance in which these elements are combined to form a matrix structure is more preferable.

前記物性2を満たすケイ素系材料を構成する物質は、珪素元素と炭素元素と酸素元素を含む物質が好ましく、珪素元素と炭素元素が均一に混合している物質が好ましい。これら元素が結合してマトリックス構造になっている物質がさらに好ましい。 The substance constituting the silicon-based material satisfying the physical property 2 is preferably a substance containing a silicon element, a carbon element, and an oxygen element, and preferably a substance in which the silicon element and the carbon element are uniformly mixed. A substance in which these elements are combined to form a matrix structure is more preferable.

前記物性3を満たすケイ素系材料を構成する物質は、珪素元素と炭素元素と酸素元素を含む物質が好ましく、珪素元素と炭素元素を均一に混合している物質がより好ましく、炭素元素を珪素元素より多く含む物質がさらに好ましい。これら元素が結合してマトリックス構造になっている物質が特に好ましい。 The substance constituting the silicon-based material that satisfies the physical property 3 is preferably a substance containing a silicon element, a carbon element, and an oxygen element, more preferably a substance containing a uniform mixture of silicon element and carbon element, and a substance containing a silicon element and a silicon element. Substances containing more are more preferred. Particularly preferred are substances in which these elements are combined to form a matrix structure.

本ケイ素系材料は前記物性1、物性2および物性3の内、少なくとも2つの物性を有するのが好ましく、物性2と物性3を有するのがより好ましい。 The present silicon-based material preferably has at least two of the physical properties 1, 2, and 3, and more preferably has physical properties 2 and 3.

なおケイ素系材料とはケイ素元素を有する化合物を主成分として含有する材料であり、ケイ素系材料の全質量を100質量%として、ケイ素元素を有する化合物の含有量が少なくとも50質量%である。ケイ素元素を含有する化合物はケイ素そのものでもよい。
本ケイ素系材料中のケイ素元素を有する化合物の含有量は80質量%以上が好ましく、90質量%以上がより好ましい。
本ケイ素系材料中のケイ素元素を有する化合物の含有量は100質量%が好ましい。
Note that the silicon-based material is a material containing a compound containing the silicon element as a main component, and the content of the compound containing the silicon element is at least 50% by mass, with the total mass of the silicon-based material being 100% by mass. The compound containing silicon element may be silicon itself.
The content of the compound having silicon element in the present silicon-based material is preferably 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more.
The content of the compound having silicon element in the present silicon-based material is preferably 100% by mass.

本ケイ素系材料中、主成分としてケイ素元素、酸素元素および炭素元素を含むのが、物性1から3の特性を示す観点から好ましく、ケイ素元素、酸素元素および炭素元素を含む化合物を含むのがより好ましい。本ケイ素系材料は、ケイ素系材料の全質量を100質量%として、ケイ素元素、酸素元素および炭素元素を含む化合物を90質量%以上含有するのがさらに好ましい。ケイ素元素、酸素元素および炭素元素を含む化合物としてシリコンオキシカーバイド/カーボン複合体が挙げられる。
前記複合体は、主成分として下記式(1)で表される化合物を含有するのが好ましい
SiOxCy (1)
前記式(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。
前記式(1)で表される化合物において、前記物性1、物性2および物性3の少なくとも1の物性を有するためには、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、前記物性1、物性2および物性3の少なくとも1の物性を有するためには、1≦y≦80が好ましく、1.2≦y≦70がより好ましい。
The present silicon-based material preferably contains silicon element, oxygen element, and carbon element as main components from the viewpoint of exhibiting physical properties 1 to 3, and more preferably contains a compound containing silicon element, oxygen element, and carbon element. preferable. It is further preferable that the present silicon-based material contains 90% by mass or more of a compound containing a silicon element, an oxygen element, and a carbon element, with the total mass of the silicon-based material being 100% by mass. A silicon oxycarbide/carbon composite is an example of a compound containing a silicon element, an oxygen element, and a carbon element.
The composite preferably contains a compound represented by the following formula (1) as a main component: SiOxCy (1)
In the formula (1), x represents the molar ratio of oxygen to silicon, and y represents the molar ratio of carbon to silicon.
In order for the compound represented by the formula (1) to have at least one of the physical properties 1, 2, and 3, 1≦x<2 is preferable, and 1≦x≦1.9 is more preferable. , 1≦x≦1.8 is more preferable.
Further, in order to have at least one of the physical properties 1, 2, and 3, 1≦y≦80 is preferable, and 1.2≦y≦70 is more preferable.

本ケイ素系材料の主成分がケイ素-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する場合、本ケイ素系材料をマトリクス相に用いた時に、マトリクス相のケイ素-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、このマトリックス構造の変形度合いは小さく、割れにくい。
後述するシリコン粒子がケイ素-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シリコン粒子の体積変化及び膨張が抑制され、ケイ素の膨張に対しても、マトリックスの構造自体が割れにくくケイ素の表面副反応を抑えることが出来る。その結果、本ケイ素系材料を含む複合材料を負極に用いた場合、負極中のシリコン粒子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、充放電時に本シリコン粒子の体積変化に伴う粒子の破壊を抑制し、リチウム二次電池の容量維持率が改良される。
このマトリックス相の変形度合いとシリコン粒子の体積変化に伴う粒子の破壊を抑制するのは、押し込み弾性率と弾性変形仕事率が影響するパラメータであり、この値を制御することによってリチウム二次電池の容量維持率が改良される。
When the main component of this silicon-based material has a three-dimensional network structure of silicon-oxygen-carbon skeleton and a structure containing free carbon, when this silicon-based material is used for the matrix phase, the silicon-oxygen-carbon skeleton of the matrix phase has high chemical stability, has a composite structure with free carbon, and the degree of deformation of this matrix structure is small, making it difficult to crack.
The silicon particles, which will be described later, are tightly wrapped in a composite structure of silicon-oxygen-carbon skeleton and free carbon, which suppresses the volume change and expansion of the silicon particles due to occlusion and desorption of lithium, and prevents silicon from expanding. However, the matrix structure itself is difficult to break, and side reactions on the surface of silicon can be suppressed. As a result, when a composite material containing this silicon-based material is used as a negative electrode, while the silicon particles in the negative electrode play the role of being the main component for developing charge and discharge performance, the particles due to the volume change of the silicon particles during charging and discharging. , and the capacity retention rate of the lithium secondary battery is improved.
The degree of deformation of the matrix phase and the destruction of particles due to changes in the volume of silicon particles are controlled by the parameters affected by the indentation elastic modulus and elastic deformation power, and by controlling these values, lithium secondary batteries can be Capacity retention is improved.

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の測定は上記記載方法によって実施することが好ましいが、本ケイ素系材料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。
The above x and y can be determined by measuring the mass content of each element and then converting it into a molar ratio (atomic ratio). At this time, the contents of oxygen and carbon can be determined by using an inorganic element analyzer, and the content of silicon can be determined by using an ICP optical emission spectrometer (ICP-OES).
Although it is preferable to measure x and y by the method described above, the present silicon-based material is locally analyzed and a large number of measurement points are obtained for the resulting content ratio data. This can also be done by analogizing 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).

また本ケイ素系材料の主成分がケイ素-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, if the main component of this silicon-based material has a three-dimensional network structure of a silicon-oxygen-carbon skeleton and a structure containing free carbon, the silicon-oxygen-carbon skeleton will change due to the approach of lithium ions. Changes occur in the electron distribution inside the carbon skeleton, and electrostatic bonds and coordinate bonds are formed between the silicon-oxygen-carbon skeleton and lithium ions. Lithium ions are stored in the silicon-oxygen-carbon skeleton due to these electrostatic bonds and coordinate bonds. On the other hand, since the coordination bond energy is relatively low, the elimination reaction of lithium ions is easily carried out. In other words, it is thought that the silicon-oxygen-carbon skeleton can reversibly cause lithium ion insertion and desorption reactions during charging and discharging.

前記式(1)で表される化合物はケイ素元素、酸素元素、炭素元素以外に窒素元素を含んでもよい。窒素は後述する本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、分散剤、ポリシロキサン化合物、その他の窒素化合物、および焼成プロセスで用いる窒素ガス等がその分子内に官能基として窒素を含む原子団を有することで、前記式(1)で表される化合物に導入することができる。前記式(1)で表される化合物が窒素を含むことで、本ケイ素系材料をマトリクス相に用い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。
前記式(1)で表される化合物が窒素元素を含む場合、下記式(2)で表される化合物が好ましい。
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。
マトリクス相が前記式(2)で表される化合物を含む場合、前記式(2)で表される化合物において、前記物性1、物性2および物性3の少なくとも1の物性を有するためには、1≦a≦2、1≦b≦80、0<c≦0.5が好ましく、1≦a≦1.9、1.2≦b≦70、0<c≦0.4がより好ましい。
The compound represented by the formula (1) may contain nitrogen element in addition to silicon element, oxygen element, and carbon element. Nitrogen is used in the production method of the present active material described later, when the raw materials used, such as phenol resins, dispersants, polysiloxane compounds, other nitrogen compounds, and nitrogen gas used in the firing process, have nitrogen as a functional group in their molecules. By having an atomic group containing the above, it can be introduced into the compound represented by the formula (1). Since the compound represented by the formula (1) contains nitrogen, it tends to have excellent charge/discharge performance and capacity retention when the present silicon-based material is used as a matrix phase and used as a negative electrode active material.
When the compound represented by the above formula (1) contains a nitrogen element, a compound represented by the following formula (2) is preferable.
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 matrix phase contains the compound represented by the formula (2), in order for the compound represented by the formula (2) to have at least one of the physical properties 1, 2, and 3, 1 Preferably, ≦a≦2, 1≦b≦80, 0<c≦0.5, and more preferably 1≦a≦1.9, 1.2≦b≦70, 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。
Similar to x and y, the above a, b and c can be determined by measuring the mass content of the element and then converting it into a molar ratio (atomic ratio).
Similar to x and y above, it is preferable to measure a, b and c by the method described above, but it is also possible to locally analyze the present active material and increase the number of measurement points of the content ratio data obtained thereby. It is also possible to obtain this information and estimate 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).

前記本ケイ素系材料を主成分とするマトリクス相(以下、「本マトリクス相」とも記す。)に平均粒径が200nm以下のシリコン粒子(以下、「本シリコン粒子」とも記す。)を分散させ複合材料(以下、「本複合材料」とも記す。)とすることができる。
複合材料における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。リチウム二次電池はこの充電と放電によるリチウムイオンの吸蔵と放電のサイクルが繰り返される。
Silicon particles having an average particle size of 200 nm or less (hereinafter also referred to as "silicon particles") are dispersed in a matrix phase (hereinafter also referred to as "main matrix phase") mainly composed of the present silicon-based material to form a composite. material (hereinafter also referred to as "this composite material").
The matrix phase in the composite material is a substance that can absorb and release lithium ions. A substance capable of intercalation and desorption is a substance that can occlude lithium ions into the matrix phase during battery charging and release lithium ions from the matrix phase during discharge. In a lithium secondary battery, this cycle of intercalating and discharging lithium ions is repeated through charging and discharging.

本マトリクス相は前記本ケイ素系材料を主成分であり、リチウムイオンを吸蔵放出する。主成分とはマトリクス相の全質量を100質量%として、本ケイ素系材料の含有量が少なくとも50質量%である。
本マトリクス相中の本ケイ素系材料の含有量は80質量%以上が好ましく、90質量%以上がより好ましい。
本ケイ素系材料中のケイ素元素を有する化合物の含有量は100質量%が好ましい。
The present matrix phase is mainly composed of the present silicon-based material and absorbs and releases lithium ions. The main component is one in which the content of the silicon-based material is at least 50% by mass, with the total mass of the matrix phase being 100% by mass.
The content of the silicon-based material in the matrix phase is preferably 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more.
The content of the compound having silicon element in the present silicon-based material is preferably 100% by mass.

本マトリクス相が本ケイ素系材料以外の物質を含有する場合、含有する物質はリチウムイオンを吸蔵放出が可能な物質であるのが好ましく、リチウムイオンを吸蔵放出が可能な物質としては黒鉛、二酸化ケイ素および酸化チタンが挙げられる。 When this matrix phase contains a substance other than this silicon-based material, it is preferable that the contained substance is a substance capable of intercalating and deintercalating lithium ions, and examples of substances capable of intercalating and deintercalating lithium ions include graphite and silicon dioxide. and titanium oxide.

本マトリクス相中に分散される本シリコン粒子は0価のケイ素から構成され、平均粒径は200nm以下である。
ここで平均粒径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。本シリコン粒子の平均粒径は、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である。
The present silicon particles dispersed in the present matrix phase are composed of zero-valent silicon and have an average particle size of 200 nm or less.
Here, the average particle size is a D50 value that 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 average particle diameter of the present silicon particles is the particle diameter at which the cumulative volume distribution curve is 50% when a volume cumulative distribution curve is drawn from the small diameter side in the particle diameter distribution.

300nmを超える大サイズのシリコン粒子は、大きな塊となり、本複合材料を負極活物質とした時、充放電時に微粉化現象が起りやすいため、負極活物質の容量維持率が低下する傾向がある。
したがって、本シリコン粒子は300nmを超える大サイズのシリコン粒子および10nm未満の小サイズのシリコン粒子の含有割合が出来るだけ小さいことが好ましい。
前記の観点から、平均粒径は120nm以下が好ましく、100nm以下がより好ましい。平均粒径は10nm以上が好ましい。
Large-sized silicon particles exceeding 300 nm form large clumps, and when this composite material is used as a negative electrode active material, pulverization tends to occur during charging and discharging, so the capacity retention rate of the negative electrode active material tends to decrease.
Therefore, it is preferable that the content ratio of large-sized silicon particles exceeding 300 nm and small-sized silicon particles less than 10 nm in the present silicon particles is as small as possible.
From the above viewpoint, the average particle diameter is preferably 120 nm or less, more preferably 100 nm or less. The average particle size is preferably 10 nm or more.

本シリコン粒子は、例えばシリコンの塊を平均粒径が前記範囲となるように粉砕などで粒子化し、得ることができる。
シリコンの塊の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。また、粉砕は有機溶剤を用いた湿式粉砕であってもよく、有機溶剤としては、例えば、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。
得られたシリコンの粒子を、ビーズ粒径、配合率、回転数または粉砕時間などのビーズミルの条件を制御し、分級等することで本シリコン粒子の平均粒径を前記範囲とすることができる。
The present silicon particles can be obtained, for example, by pulverizing a lump of silicon so that the average particle size falls within the above range.
Examples of the crusher used to crush the silicon lump include a ball mill, a bead mill, a jet mill, and the like. Further, the pulverization may be wet pulverization using an organic solvent. As the organic solvent, for example, alcohols, ketones, etc. can be suitably used, but aromatic substances such as toluene, xylene, naphthalene, methylnaphthalene, etc. Group hydrocarbon solvents can also be used.
By controlling the bead mill conditions such as the bead particle size, compounding ratio, rotation speed, or grinding time, and classifying the obtained silicon particles, the average particle size of the present silicon particles can be set within the above range.

本シリコン粒子の形状は前記平均粒径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、フレーク状が取り扱いの観点から好ましい。本シリコン粒子がフレーク状の場合、X線回折スペクトルにおける2θが28.4°のピーク半値幅から得られる結晶子サイズが35nm以下であれば、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。結晶子サイズは25nm以下がより好ましい。 The shape of the silicon particles may be granular, acicular, or flaky as long as the above average particle size is satisfied, but flaky is preferable from the viewpoint of handling. When the present silicon particles are flaky, it is preferable from the viewpoint of initial Coulombic efficiency and capacity retention rate that the crystallite size obtained from the peak half width of 2θ of 28.4° in the X-ray diffraction spectrum is 35 nm or less. The crystallite size is more preferably 25 nm or less.

本シリコン粒子は、本複合材料を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70から300nmが好ましく、厚みは15から70nm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以下であることが好ましい。
本シリコン粒子の形態は、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観察により本シリコン粒子の状態を同定することができる。
なお前記本シリコン粒子のアスペクト比は、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。
The silicon particles preferably have a length in the long axis direction of 70 to 300 nm, and a thickness of 15 to 70 nm, from the viewpoint of charge/discharge performance when the composite material is used as a negative electrode active material. From the viewpoint of charge/discharge performance when used as a negative electrode active material, it is preferable that the so-called aspect ratio, which is the ratio of thickness to length, is 0.5 or less.
The average particle size of the silicon particles can be measured using dynamic light scattering, but it is also possible to measure the average particle size using a transmission electron microscope (TEM) or field emission scanning electron microscope (FE-SEM). , samples with the above aspect ratio can be identified more easily and precisely. 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 by FE-SEM, or the sample can be sliced and observed by TEM. Accordingly, the state of the silicon particles can be identified.
Note that the aspect ratio of the present silicon particles is a calculation result based on 50 particles of the main part of the sample within the field of view reflected in the TEM image.

本複合材料は前記本マトリクス相中に前記本シリコン粒子が分散している。本マトリクス相中に分散している本シリコン粒子の数は1つでもよいが、複数の本シリコン粒子が本マトリクス相中に分散しているのが好ましい。 In the present composite material, the present silicon particles are dispersed in the present matrix phase. Although the number of the present silicon particles dispersed in the present matrix phase may be one, it is preferable that a plurality of present silicon particles are dispersed in the present matrix phase.

本複合材料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、本複合材料を活物活物質として二次電池とした時、充放電時に固相界面電解質分解物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。本複合材料の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。
したがって本複合材料の平均粒径は0.5μm以上50μm以下が好ましい。本複合材料の平均粒径は1μm以上がより好ましく、5μm以上が特に好ましい。また、本複合材料の平均粒径は30μm以下がより好ましく、15μm以下が特に好ましい。平均粒径は前記D50の値である。
If the average particle size of this composite material is too small, the specific surface area will increase significantly, and when this composite material is used as an active material in a secondary battery, the amount of solid phase interfacial electrolyte decomposition products will increase during charging and discharging. This may reduce the reversible charge/discharge capacity per unit volume. If the average particle size of the present composite material is too large, there is a risk that it will peel off from the current collector during electrode film production.
Therefore, the average particle diameter of the present composite material is preferably 0.5 μm or more and 50 μm or less. The average particle diameter of the present composite material is more preferably 1 μm or more, particularly preferably 5 μm or more. Further, the average particle size of the present composite material is more preferably 30 μm or less, particularly preferably 15 μm or less. The average particle diameter is the value of D50.

本複合材料の比表面積は0.1m/g以上50m/g以下が好ましい。本複合材料の平均粒径は0.2m/g以上がより好ましく、0.3m/g以上が特に好ましい。また、本複合材料の平均粒径は30m/g以下がより好ましく、20m/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 present composite material is preferably 0.1 m 2 /g or more and 50 m 2 /g or less. The average particle size of the present composite material is more preferably 0.2 m 2 /g or more, particularly preferably 0.3 m 2 /g or more. Further, the average particle size of the present composite material is more preferably 30 m 2 /g or less, particularly preferably 20 m 2 /g or less. When the specific surface area is within the above range, the amount of solvent absorbed during electrode production can be maintained appropriately, and the amount of binder used for maintaining binding properties can also be maintained appropriately. Note that 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.

本マトリクス相が前記式(1)で表される化合物を主成分とする場合、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前記フリー炭素を有しているのが好ましい。本複合材料がフリー炭素を有する場合、本複合材料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G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)が、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。 When this matrix phase has a compound represented by the formula (1) as a main component, it preferably has the silicon-oxygen-carbon skeleton structure and the free carbon composed only of carbon elements. When this composite material has free carbon, in the Raman spectrum of this composite material, 1590 cm -1 belongs to the G band of the graphite long period carbon lattice structure, and the D band of the graphite short period carbon lattice structure with disorder and defects. A scattering peak near 1330 cm −1 attributed to is observed. The intensity ratio of the scattering intensity of the G band, I (D band), to the scattering peak intensity of the D band, I (G band), I (G band)/I (D band) is 0.7 or more and 2 or less. preferable. 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 within the above range means that the following can be said about 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。このため本複合材料を二次電池の負極活物質として用いた時の充放電時のリチウムイオンの挿入および離脱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、負極活物質は僅かではある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負極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 charge and discharge characteristics. Free carbon is mainly formed in the silicon-oxygen-carbon skeleton composed of SiO 2 C 2 , SiO 3 C, and SiO 4 , and some silicon atoms in the silicon-oxygen-carbon skeleton As a result, electron transfer between silicon atoms and free carbon inside the silicon-oxygen-carbon skeleton and on the surface becomes easier. Therefore, when this composite material is used as a negative electrode active material of a secondary battery, insertion and withdrawal reactions of lithium ions during charging and discharging proceed rapidly, and it is thought that the charging and discharging characteristics are improved. In addition, the negative electrode active material may expand and contract, albeit slightly, due to lithium ion insertion and deintercalation reactions, but the presence of free carbon in its vicinity alleviates the expansion and contraction of the negative electrode active material as a whole. It is thought that this has the effect of greatly improving the capacity retention rate.

フリー炭素は、前記式(1)で表される化合物を製造する際に後述する前駆体である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る。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 when a silicon-containing compound and a carbon source resin, which are precursors described later, are thermally decomposed in an inert gas atmosphere when producing the compound represented by the formula (1). Specifically, the silicon-containing compound and the carbon source resin become carbon components through high-temperature thermal decomposition in an atmosphere that inactivates carbonizable sites in their molecular structures. Some of these carbons are bonded to a part of the silicon-oxygen-carbon skeleton. The carbonizable component is preferably a hydrocarbon, more preferably an alkyl, an alkylene, an alkene, an alkyne, or an aromatic, and among these, an aromatic is even more preferred.

また、フリー炭素が存在することにより、本複合材料の抵抗低減効果が期待され、二次電池の負極として本複合材料を使用した場合、本複合材料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材料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、特に限定されてないが、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 this composite material, and when this composite material is used as the negative electrode of a secondary battery, the reaction inside this composite material will occur uniformly and smoothly, allowing charging and discharging. It is believed that a material for secondary batteries with an excellent balance between performance and capacity retention can be obtained. Although it is possible to introduce free carbon only from a silicon-containing compound, by using a carbon source resin in combination, it is expected that the amount of free carbon present and its effect will increase. The type of carbon source resin is not particularly limited, 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、本マトリクス相が前記式(1)で表される化合物を主成分として構成される場合、前記式(1)で表される化合物中の炭素は、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 existence state of the free carbon can be identified not only by Raman spectroscopy but also by thermogravimetric differential thermal analysis (TG-DTA). Unlike the carbon atoms in the 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 thermogravimetric 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, it is easy to understand changes in thermal decomposition temperature behavior such as decomposition reaction start temperature, decomposition reaction end temperature, number of thermal decomposition reaction species, and temperature of maximum weight loss for each thermal decomposition reaction species. . 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 very strong chemical bonds. It has high thermal stability and is considered not to be thermally decomposed in the atmosphere within the temperature range measured by a thermal analyzer. Furthermore, when the present matrix phase is composed mainly of a compound represented by the above formula (1), carbon in the compound represented by the above formula (1) has characteristics similar to amorphous carbon. Therefore, it is thermally decomposed in the air at temperatures ranging from approximately 550°C to 900°C. As a result, a rapid weight loss occurs. The maximum temperature of the TG-DTA measurement conditions is not particularly limited, but in order to completely complete the carbon thermal decomposition reaction, TG-DTA measurements are performed in the atmosphere from about 25°C to about 1000°C or higher. is preferable.

また本複合材料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。
Further, the surface of the present composite material may be coated with a coating material. The coating material is preferably a material that can be expected to have electron conductivity, lithium ion conductivity, and an effect of suppressing decomposition of the electrolytic solution.
Examples of the coating material include electron conductive substances such as carbon, titanium, and nickel. Among these, carbon is preferred, and low-crystalline carbon is more preferred, from the viewpoint of improving the chemical stability and thermal stability of the negative electrode active material.

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、または、低結晶性炭素の含有量は本活物質の全量を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本活物質表面に作成するのが好ましい。炭素の被膜の量は本複合材料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%以下が本複合材料の化学安定性や熱安定性の改善の観点から好ましい。
なお本複合材料の質量とは、本複合材料を構成する本マトリクス相および本シリコン粒子の合計量である。本ケイ素系材料が窒素を含む場合は、窒素も含む合計量である。また本複合材料は前記以外に他の必要な第三成分を含んでもよく、本複合材料が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 or more and 300 nm or less, or the content of low crystalline carbon is preferably 1 to 30% by mass, based on the total amount of the active material as 100% by mass.
When the coating material is carbon, the carbon film is preferably formed on the surface of the active material by a vapor deposition method. The amount of carbon film is 1% by mass or more and 10% by mass or less, based on the total mass of this composite material and the mass of carbon film being 100% by mass, from the viewpoint of improving the chemical stability and thermal stability of this composite material. preferred.
Note that the mass of the present composite material is the total amount of the present matrix phase and the present silicon particles that constitute the present composite material. When the present silicon-based material contains nitrogen, the total amount also includes nitrogen. The present composite material may also contain other necessary third components in addition to the above, and when the present composite material contains other third components, the total amount includes the third components.

本シリコン粒子は、有機溶媒を用いシリコン粒子を湿式粉末粉砕装置にて粉砕しながら行うことでシリコン粒子スラリーとして調整することができる。有機溶媒においてシリコン粒子の粉砕を促進させるために分散剤を用いても良い。湿式粉砕装置としては、例えば、ローラーミル、高速回転粉砕機、容器駆動型ミル、ビーズミルなどが挙げられる。
湿式粉砕ではシリコン粒子が本シリコン粒子の粒径となるまで粉砕するのが好ましい。
The present silicon particles can be prepared as a silicon particle slurry by using an organic solvent and pulverizing the silicon particles with a wet powder pulverizer. A dispersant may be used to promote the pulverization of silicon particles in an organic solvent. Examples of the wet grinding device include a roller mill, a high-speed rotary grinder, a container-driven mill, and a bead mill.
In wet pulverization, it is preferable to pulverize the silicon particles until they have the particle size of the present silicon particles.

湿式法で用いる有機溶媒は、シリコンと化学反応しない有機溶媒が挙げられる。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。 Examples of the organic solvent used in the wet method include organic solvents that do not chemically react with silicon. Examples 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 aromatic compounds such as benzene, toluene, and xylene.

前記分散剤の種類は、水系や非水系の分散剤が挙げられる。本シリコン粒子の表面に対する過剰酸化を抑制するため、非水系分散剤の使用が好ましい。非水系分散剤の種類は、ポリエーテル系、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。ケイ素(0価)スラリーにおけるケイ素の濃度は特に限定されないが、前記溶媒および、必要に応じて分散剤を含む場合は分散剤とケイ素の合計量を100質量%として、ケイ素の量は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。 Examples of the type of dispersant include aqueous and non-aqueous dispersants. In order to suppress excessive oxidation of the surface of the silicon particles, it is preferable to use a non-aqueous dispersant. Types of non-aqueous dispersants include polymer types such as polyethers, polyalkylenepolyamines, and polycarboxylic acid partial alkyl esters, low-molecular types such as polyhydric alcohol esters and alkylpolyamines, and polyphosphates. The inorganic type is exemplified. The concentration of silicon in the silicon (zero-valent) slurry is not particularly limited, but if the solvent and, if necessary, a dispersant are included, the total amount of the dispersant and silicon is 100% by mass, and the amount of silicon is 5% by mass. The range is preferably from 10% to 40% by mass, and more preferably from 10% to 30% by mass.

前記で得られた本シリコン粒子のスラリーを、本ケイ素系化合物物質と混合し、焼成することで本複合材料が得られる。
例えばマトリクス相が主成分として前記式(1)の化合物を含む場合、前記のようにして調整された本シリコン粒子と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懸濁液とし、脱溶媒して前駆体が得られる。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本活物質が得られる。
本シリコン粒子のスラリーは、有機溶媒を用い、シリコン粒子を湿式粉末粉砕装置にて粉砕しながら調整することができる。シリコン粒子の粉砕を促進させるために有機溶媒に分散剤を添加して用いても良い。湿式粉砕装置としてはローラーミル、高速回転粉砕機、容器駆動型ミル、ビーズミルなどが挙げられる。
有機溶媒は、前記と同じ化合物が例示できる。
分散剤の種類も前記と同じ化合物が例示でき、好ましい分散剤の種類も前記のとおりである。またスラリー中のシリコン粒子の濃度も前記のとおりである。
The present composite material is obtained by mixing the silicon particle slurry obtained above with the present silicon-based compound substance and firing.
For example, when the matrix phase contains the compound of formula (1) as a main component, the present silicon particles prepared as described above are mixed with a mixture of a polysiloxane compound and a carbon source resin to form a suspension, and the A precursor is obtained using a solvent. The obtained precursor is fired to obtain a fired product, and the active material is obtained by pulverizing the product if necessary.
This silicon particle slurry can be prepared by using an organic solvent and pulverizing the silicon particles with a wet powder pulverizer. A dispersant may be added to the organic solvent in order to accelerate the pulverization of the silicon particles. Examples of wet grinding devices include roller mills, high-speed rotary grinders, container-driven mills, and bead mills.
Examples of the organic solvent include the same compounds as mentioned above.
The types of dispersants can be exemplified by the same compounds as mentioned above, and the preferable types of dispersants are also as mentioned above. Further, the concentration of silicon particles in the slurry is also as described above.

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と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があり、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。 Examples of the polysiloxane compound include resins containing at least one of a polycarbosilane structure, a polysilazane structure, a polysilane structure, and a polysiloxane structure. It may be a resin containing only these structures, or it may be a composite resin having at least one of these structures as a segment and chemically bonded to other polymer segments. Forms of composite include graft copolymerization, block copolymerization, random copolymerization, and alternating copolymerization. For example, there are composite resins that have a graft structure in which polysiloxane segments are chemically bonded to the side chains of polymer segments, and composite resins that have block structures in which polysiloxane segments are chemically bonded to the ends of polymer segments. Can 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. Among these, it is more preferable that the polysiloxane compound has a carboxyl group, an epoxy group, an amino group, or a polyether group at the side chain or terminal of the siloxane bond (Si-O-Si) main skeleton.

Figure 0007453631000001
Figure 0007453631000001

Figure 0007453631000002
(前記一般式(S-1)および(S-2)中、Rは置換基を有してい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 0007453631000002
(In the general formulas (S-1) and (S-2), R 1 represents an aromatic hydrocarbon group that may have a substituent, an alkyl group, an epoxy group, a carboxy group, etc. R 2 and R3 represents an alkyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, 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 group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, isobutyl group, sec-butyl group, tert-butyl group, pentyl group, isopentyl group, neopentyl group, tert-pentyl group, -Methylbutyl group, 2-methylbutyl group, 1,2-dimethylpropyl group, 1-ethylpropyl group, hexyl group, isohexyl group, 1-methylpentyl group, 2-methylpentyl group, 3-methylpentyl group, 1,1 -dimethylbutyl group, 1,2-dimethylbutyl group, 2,2-dimethylbutyl group, 1-ethylbutyl group, 1,1,2-trimethylpropyl group, 1,2,2-trimethylpropyl group, 1-ethyl- Examples include 2-methylpropyl group and 1-ethyl-1-methylpropyl group. Examples of the cycloalkyl group include a cyclopropyl group, a cyclobutyl group, a cyclopentyl group, and a cyclohexyl group.

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 the aryl group include phenyl group, naphthyl group, 2-methylphenyl group, 3-methylphenyl group, 4-methylphenyl group, 4-vinylphenyl group, and 3-isopropylphenyl group.

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 the aralkyl group include a benzyl group, a diphenylmethyl group, and a naphthylmethyl group.

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 possessed by the polysiloxane compound include vinyl polymer segments such as acrylic polymers, fluoroolefin polymers, vinyl ester polymers, aromatic vinyl polymers, and polyolefin polymers; Examples include 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 a polysiloxane segment and a polymer segment are bonded in a structure represented by the following structural formula (S-3), or may have a three-dimensional network polysiloxane structure.

Figure 0007453631000003
(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 0007453631000003
(In the formula, the carbon atom is a carbon atom constituting a polymer segment, and the two silicon atoms are silicon atoms constituting 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 that the polysiloxane compound has may have a functional group capable of reacting by heating, such as a polymerizable double bond, in the polysiloxane segment. By heat-treating the polysiloxane compound before thermal decomposition, the crosslinking reaction progresses, and by making it into a solid state, thermal decomposition treatment can be easily performed.

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 the polymerizable double bond include a vinyl group and a (meth)acryloyl group. It is preferable that two or more polymerizable double bonds exist in the polysiloxane segment, more preferably 3 to 200, and still more preferably 3 to 50. Moreover, by using a composite resin in which two or more polymerizable double bonds are present as the polysiloxane compound, the crosslinking reaction can be easily caused to proceed.

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 silanol groups and/or hydrolyzable silyl groups. 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 iminooxy 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 hydrolytic condensation reaction proceeds between the hydroxyl group in the silanol group and the hydrolyzable group in the hydrolyzable silyl group to obtain a solid polysiloxane compound. can.

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。 The silanol group used in the present invention is a silicon-containing group having a hydroxyl group directly bonded to a silicon atom. The hydrolyzable silyl group referred to in the present invention is a silicon-containing group having a hydrolyzable group directly bonded to a silicon atom, and specifically, for example, a group represented by the following general formula (S-4). can be mentioned.

Figure 0007453631000004
(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 0007453631000004
(In the formula, R 4 is a monovalent organic group such as an alkyl group, aryl group, or aralkyl group, and R 5 is a halogen atom, alkoxy group, acyloxy group, allyloxy group, mercapto group, amino group, amide group, aminooxy group, iminooxy group, or alkenyloxy group. b is an integer from 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 the alkyl group include methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, isobutyl group, sec-butyl group, tert-butyl group, pentyl group, isopentyl group, neopentyl group, tert-pentyl group, -Methylbutyl group, 2-methylbutyl group, 1,2-dimethylpropyl group, 1-ethylpropyl group, hexyl group, isohexyl group, 1-methylpentyl group, 2-methylpentyl group, 3-methylpentyl group, 1,1 -dimethylbutyl group, 1,2-dimethylbutyl group, 2,2-dimethylbutyl group, 1-ethylbutyl group, 1,1,2-trimethylpropyl group, 1,2,2-trimethylpropyl group, 1-ethyl- Examples include 2-methylpropyl group and 1-ethyl-1-methylpropyl group.

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 the aryl group include phenyl group, naphthyl group, 2-methylphenyl group, 3-methylphenyl group, 4-methylphenyl group, 4-vinylphenyl group, and 3-isopropylphenyl group.

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 the aralkyl group include a benzyl group, a diphenylmethyl group, and a naphthylmethyl group.

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 the halogen atom include a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, an iodine atom, and the like.

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 the alkoxy group include methoxy group, ethoxy group, propoxy group, isopropoxy group, butoxy group, sec-butoxy group, tertiary-butoxy group, and the like.

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 the acyloxy group include formyloxy group, acetoxy group, propanoyloxy group, butanoyloxy group, pivaloyloxy group, pentanoyloxy group, phenylacetoxy group, acetoacetoxy group, benzoyloxy group, naphthoyloxy group, etc. Can be mentioned.

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 the allyloxy group include phenyloxy group and naphthyloxy group.

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 the alkenyloxy group include vinyloxy group, allyloxy group, 1-propenyloxy group, isopropenyloxy group, 2-butenyloxy group, 3-butenyloxy group, 2-petenyloxy group, 3-methyl-3-butenyloxy group, 2 -hexenyloxy group and the like.

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 the polysiloxane segment having a structural unit represented by the general formula (S-1) and/or the general formula (S-2) include those having the following structures.

Figure 0007453631000005
Figure 0007453631000005

Figure 0007453631000006
Figure 0007453631000006

Figure 0007453631000007
Figure 0007453631000007

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 within a range that does not impede the effects of the present invention. Examples of such functional groups include carboxyl groups, blocked carboxyl groups, carboxylic anhydride groups, tertiary amino groups, hydroxyl groups, blocked hydroxyl groups, cyclocarbonate groups, epoxy groups, carbonyl groups, primary amide groups, secondary An amide group, a carbamate group, a functional group represented by the following structural formula (S-5), etc. can be used.

Figure 0007453631000008
Figure 0007453631000008

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。 Further, the polymer segment may have a polymerizable double bond such as a vinyl group or a (meth)acryloyl group.

上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 above polysiloxane compound is preferably manufactured by the methods shown in (1) to (3) below, for example.

(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) As a raw material for the polymer segment, a polymer segment containing a silanol group and/or a hydrolyzable silyl group is prepared in advance, and this polymer segment and a silanol group and/or a hydrolyzable silyl group are , and a silane compound having a polymerizable double bond to perform 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) As a raw material for the polymer segment, a polymer segment containing a silanol group and/or a hydrolyzable silyl group is prepared in advance. Further, a polysiloxane is also prepared in advance by subjecting a silane compound having a silanol group and/or a hydrolyzable silyl group and a polymerizable double bond to a hydrolytic condensation reaction. A method of mixing a polymer segment and polysiloxane and performing a hydrolytic 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。
前記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 of mixing the polymer segment, a silane compound having a silanol group and/or a hydrolyzable silyl group, and a polymerizable double bond, and a polysiloxane, and performing a hydrolytic condensation reaction.
A polysiloxane compound is obtained by the method described above.
Examples of polysiloxane compounds include the Ceranate (registered trademark) series (organic/inorganic hybrid coating resin; manufactured by DIC Corporation) and the Compoceran 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 a natural chemical raw material that has good miscibility with a polysiloxane compound, is carbonized by high-temperature firing in an inert atmosphere, and has an aromatic functional group.

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 the synthetic resin include thermoplastic resins such as polyvinyl alcohol and polyacrylic acid, and thermosetting resins such as phenol resins and furan resins. Natural chemical raw materials include heavy oil, 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, and oxygen-crosslinked petroleum pitch. , heavy oil, etc., but it is more preferable to use phenol resin from the viewpoint of low cost and removal 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。
本複合材料の製造においては、前記物性1から3の少なくともいずれか1の物性を有する本ケイ素系材料が得られるという観点から、前記ポリシロキサン化合物を炭素源樹脂としてフェノール樹脂との組合せが好ましい。
In particular, the carbon source resin is preferably a resin containing an aromatic hydrocarbon moiety, 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 resin. .
Examples of the phenolic resin include the Sumilite resin series (resol type phenolic resin, manufactured by Sumitomo Bakelite Co., Ltd.).
In the production of the present composite material, the polysiloxane compound is preferably used in combination with a phenol resin as a carbon source resin from the viewpoint of obtaining the present silicon-based material having at least any one of the physical properties 1 to 3 above.

本シリコン粒子のスラリーを前記ポリシロキサン化合物と前記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。
A slurry of silicon particles is mixed with a 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 dispersion and mixing functions. Examples of devices having dispersion and mixing functions include a stirrer, an ultrasonic mixer, and a premix disperser. In the desolvation and drying operations aimed at distilling off the organic solvent, a dryer, a vacuum dryer, a spray dryer, etc. can be used.

前駆体は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15質量%から85質量%含有するのが好ましく、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20質量%から70質量%含有するのがより好ましい。さらに本前駆体には、Si粒子を1から90質量%含んでもよい。 The precursor preferably contains a solid content of the polysiloxane compound of 15% to 85% by mass, a solid content of the carbon source resin of 15% to 85% by mass, and a solid content of the polysiloxane compound of 20 to 70% by mass. It is more preferable that the solid content of the carbon source resin is 20% by mass to 70% by mass. Furthermore, the present precursor may contain 1 to 90% by mass of Si particles.

前記で得られた前駆体を不活性雰囲気中、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 fired in an inert atmosphere to completely decompose the thermally decomposable organic components to obtain a fired product. The pyrolyzable organic components can be completely decomposed by firing at a temperature in the range of 900° C. to 1200° C., for example. Also, the polysiloxane compound and the carbon source resin are converted into a silicon oxycarbide phase having a silicon-oxygen-carbon skeleton and free carbon by the energy of the high-temperature treatment.

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 performed according to a firing program defined by the rate of temperature increase, the holding time at a constant temperature, and the like. Note that the maximum temperature reached is the maximum temperature to be set, and has a strong influence on the structure and performance of the fired product. Depending on the maximum temperature reached, the microstructure of the active material, which has a chemical bonding state of silicon and carbon in the silicon oxycarbide phase, can be precisely controlled, and better charge-discharge characteristics can be obtained.

焼成方法は、特に限定されないが、不活性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 firing method is not particularly limited, but a reaction apparatus having a heating function in an inert atmosphere may be used, and continuous or batch processing is possible. As for the firing device, a fluidized bed reactor, a rotary furnace, a vertical moving bed reactor, a tunnel furnace, a batch furnace, a rotary kiln, etc. can be appropriately selected depending on the purpose.

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複合材料が得られる。粉砕は目的とする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。尚、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。 This composite material is obtained by pulverizing the obtained fired product and classifying it as necessary. The pulverization may be carried out in one stage to reach the desired particle size, or may be carried out in several stages. For example, when producing an active material of about 10 μm from a fired product of lumps or agglomerated particles of 10 mm or more, coarsely crush it into particles of about 1 mm using a jaw crusher, roll crusher, etc., and then grind it to about 100 μm using a glow mill, ball mill, etc. , bead mill, jet mill, etc. to about 10 μm. Particles produced by pulverization may contain coarse particles, and in order to remove them, or to remove fine particles to adjust the particle size distribution, classification is performed. 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. Note that if the precursor mixture is controlled to have a shape near the target particle diameter by spray drying or the like before firing, and the firing is performed in that shape, the pulverization step can be omitted.

本複合材料を含む二次電池用負極活物質は容量維持率に優れており、本複合材料を含む二次電池用負極活物質を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、本複合材料と有機結着剤と、必要に応じてその他の導電助剤などの成分を含む二次電池用負極活物質の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。
A negative electrode active material for a secondary battery containing the present composite material has an excellent capacity retention rate, and a secondary battery using the negative electrode active material for a secondary battery containing the present composite material as a negative electrode exhibits good characteristics.
Specifically, a slurry of a negative electrode active material for secondary batteries containing this composite material, an organic binder, and other components such as conductive aids as necessary is applied in a thin film onto a current collector copper foil. It can be attached as a negative electrode. Moreover, a negative electrode can also be produced by adding a carbon material such as graphite to the slurry.
Examples of the carbon material include natural graphite, artificial graphite, and amorphous carbon such as hard carbon or soft carbon.

例えば、本複合材料と、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、二次電池用負極活物質のスラリーを調製し、これを集電体に塗布して負極層を形成することで負極を得ることができる。また、ペースト状の二次電池用負極活物質の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, this composite material and a binder, which is an organic binder, are kneaded together with a solvent using a dispersion device such as a stirrer, a ball mill, a super sand mill, or a pressure kneader to prepare a slurry of a negative electrode active material for a secondary battery. A negative electrode can be obtained by applying this to a current collector to form a negative electrode layer. Alternatively, it can be obtained by forming a paste-like slurry of a negative electrode active material for a secondary battery into a sheet, pellet, or the like, and integrating this 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 copolymer (hereinafter also referred to as "SBR"); methyl (meth)acrylate, ethyl (meth)acrylate, butyl (meth)acrylate, and (meth)acrylonitrile. and (meth)acrylic copolymers consisting of ethylenically unsaturated carboxylic acid esters such as hydroxyethyl (meth)acrylate, and ethylenically unsaturated carboxylic acids such as acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, fumaric acid, and maleic acid. Unsaturated carboxylic acid copolymers such as polymers; polyvinylidene fluoride, polyethylene oxide, polyepichlorohydrin, polyphosphazene, polyacrylonitrile, polyimide, polyamideimide, carboxymethyl cellulose (hereinafter also referred to as "CMC"), etc. Examples include polymer compounds.

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 ratio of the organic binder in the negative electrode layer of the lithium ion secondary battery negative electrode is preferably 1% by mass to 30% by mass, more preferably 2% to 20% by mass, and 3% by mass. It is more preferably from 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、得られる二次電池用負極活物質は、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 ratio of the organic binder is 1% by mass or more, adhesion is better, and destruction of the negative electrode structure due to expansion and contraction during charging and discharging is further suppressed. On the other hand, when the content is 30% by mass or less, the increase in electrode resistance can be further suppressed.
Within this range, the obtained negative electrode active material for secondary batteries has high chemical stability and can also be used with an aqueous binder, making it easy to handle in terms of practical use.

また、前記二次電池用負極活物質のスラリーには、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。 Further, a conductive additive may be mixed into the slurry of the negative electrode active material for secondary batteries, if necessary. Examples of the conductive additive include carbon black, graphite, acetylene black, and oxides and nitrides exhibiting conductivity. The amount of the conductive aid used may be about 1% by mass to 15% by mass based on 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。 Regarding the material and shape of the current collector, for example, a strip made of copper, nickel, titanium, stainless steel or the like may be used in the form of foil, perforated foil, mesh, or the like. Porous materials such as porous metal (foamed metal) and carbon paper can also be used.

前記二次電池用負極活物質の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。 Examples of methods for applying the slurry of the negative electrode active material for secondary batteries to the current collector include metal mask printing method, electrostatic coating method, dip coating method, spray coating method, roll coating method, doctor blade method, and gravure method. Examples include coating method and screen printing method. After coating, it is preferable to perform a rolling treatment using a flat plate press, a calendar roll, etc., if necessary.

また、前記二次電池用負極活物質の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。 Further, the slurry of the negative electrode active material for a secondary battery may be formed into a sheet or pellet form, and the current collector may be integrated with the slurry by, for example, rolling, pressing, or a combination thereof.

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 depending on the organic binder used. For example, when water-based styrene-butadiene rubber copolymer (SBR) is used, heat treatment at 100 to 130°C is sufficient; when an organic binder with a main skeleton of polyimide or polyamide-imide is used, Preferably, the heat treatment is performed at a temperature of 150 to 450°C.

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。尚、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。 Through this heat treatment, the solvent is removed and the binder is hardened to increase the strength, and the adhesion between particles and between the particles and the current collector can be improved. Note that these heat treatments are preferably performed in an inert atmosphere such as helium, argon, nitrogen, etc., or a vacuum atmosphere in order to prevent oxidation of the current collector during the 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。本複合材料を用いた負極では、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。 Further, after the heat treatment, the negative electrode is preferably subjected to pressure treatment. In the negative electrode using this composite 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 1 g/cm 3 to 1.7 g/cm 3 . More preferably, it is between .2 g/cm 3 and 1.6 g/cm 3 . Regarding the electrode density, there is a tendency that the higher the electrode density, the better the adhesion and the volumetric capacity density of the electrode. 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 volumetric expansion of silicon and other materials, which may lower the capacity retention rate. Therefore, an optimal range of electrode density is selected.

本発明の二次電池は前記二次電池用負極活物質を負極に含む。前記二次電池用負極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 includes the negative electrode active material for secondary batteries in the negative electrode. As a secondary battery having a negative electrode containing the negative electrode active material for secondary batteries, nonaqueous electrolyte secondary batteries and solid electrolyte secondary batteries are preferable, and they are particularly excellent when used as a negative electrode of a nonaqueous electrolyte secondary battery. It exhibits excellent performance.

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、本発明の二次電池用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 for a secondary battery 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 the current collector in the same manner as the negative electrode. In this case, the current collector may be a band-shaped object made of metal or alloy such as aluminum, titanium, stainless steel, etc., 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 for the positive electrode layer is not particularly limited. Among nonaqueous electrolyte secondary batteries, when producing a lithium ion secondary battery, for example, metal compounds, metal oxides, metal sulfides, or conductive polymer materials that can be doped or intercalated with lithium ions are used. You can use For example, lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium manganate (LiMnO 2 ), and composite oxides thereof (LiCoxNiyMnzO 2 , x+y+z=1), lithium manganese spinel (LiMn 2 O 4 ). , lithium vanadium compound, V2O5 , V6O13 , VO2 , MnO2 , TiO2 , MoV2O8 , TiS2 , V2S5 , VS2 , MoS2 , MoS3 , Cr3O8 , Cr 2 O 5 , olivine-type LiMPO 4 (where M is Co, Ni, Mn or Fe), conductive polymers such as polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacene, porous carbon, etc. alone or in combination. can be used.

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。 As the separator, for example, a nonwoven fabric, a cloth, a microporous film, or a combination thereof, which is mainly composed of polyolefin such as polyethylene or polypropylene, can be used. Note that if the structure of the non-aqueous electrolyte secondary battery to be manufactured is such that the positive electrode and negative electrode do not come into 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。 Examples of the electrolytic solution include lithium salts such as LiClO 4 , LiPF 6 , LiAsF 6 , LiBF 4 , and LiSO 3 CF 3 , ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, fluoroethylene carbonate, cyclopentanone, and sulfolane. , 3-methylsulfolane, 2,4-dimethylsulfolane, 3-methyl-1,3-oxazolidin-2-one, γ-butyrolactone, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, methylpropyl carbonate, butyl methyl carbonate, ethyl For non-aqueous solvents such as propyl carbonate, butylethyl carbonate, dipropyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, methyl acetate, ethyl acetate, etc. alone or in a mixture of two or more components. Dissolved, so-called organic electrolytes can be used.

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。尚、本発明の実施例で用いるハーフセルは、負極に本複合材料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 usually, a positive electrode, a negative electrode, and a separator provided as necessary are wound in a flat spiral shape to form a wound type electrode plate group, or It is common to have a structure in which the electrode plates are laminated in a flat plate shape to form a laminated electrode plate group, and these electrode plate groups are enclosed in an exterior body. In addition, the half cell used in the examples of the present invention has a configuration in which the negative electrode is mainly made of this composite material, and a simple evaluation is performed using metallic lithium as the counter electrode. This is for comparison.

本複合材料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。 The secondary battery using this composite material is not particularly limited, but can be used as a paper type battery, a button type battery, a coin type battery, a stacked type battery, a cylindrical type battery, a square type battery, etc. The negative electrode active material of the present invention described above can also be applied to general electrochemical devices whose charging/discharging mechanism is insertion and extraction of lithium ions, such as hybrid capacitors and solid lithium secondary batteries.

前記のとおり、本複合材料を二次電池用負極活物質とした時、容量維持率が改良された二次電池を与える。
本複合材料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 this composite material is used as a negative electrode active material for a secondary battery, it provides a secondary battery with improved capacity retention.
This composite material can be used as a negative electrode by the method described above to form a secondary battery having the negative electrode.

以上、本ケイ素系材料、本複合材料、本複合材料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。
本ケイ素系材料、本複合材料、本複合材料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。
The present silicon-based material, the present composite material, the active material for a secondary battery containing the present composite material, the negative electrode containing the above active material for a secondary battery, and the secondary battery containing the above negative electrode have been described above. It is not limited to the configuration of the embodiment.
The present silicon-based material, the present composite material, the active material for a secondary battery containing the present composite material, the negative electrode containing the active material for a secondary battery, and the secondary battery containing the negative electrode may be any other arbitrary material in the configuration of the embodiment. Configurations may be added or replaced with arbitrary configurations that perform similar functions.

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。
尚、本発明の実施例で用いるハーフセルは、負極に本発明のケイ素含有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。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be explained in detail with reference to Examples, but the present invention is not limited thereto.
Note that the half cell used in the examples of the present invention has a configuration in which the silicon-containing active material of the present invention is mainly used as the negative electrode, and a simple evaluation is performed using metallic lithium as the counter electrode. This is to clearly compare cycle characteristics.

合成例1:ポリシロキサン化合物1の作製
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、150質量部のn-ブタノール(以下、「n-BuOH」とも記す。)、249質量部のフェニルトリメトキシシラン(以下、「PTMS」とも記す。)、263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18質量部のメチルメタアクリレート(以下、「MMA」とも記す。)、14質量部のブチルメタアクリレート(以下、「BMA」とも記す。)、7質量部の酪酸(以下、「BA」とも記す。)、1質量部のアクリル酸(以下、「AA」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。)、6質量部のn-BuOHおよび0.9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5時間で滴下した。滴下終了後、更に同温度で10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20,100のビニル重合体(a2-2)の有機溶剤溶液を得た。
Synthesis Example 1: Preparation of Polysiloxane Compound 1 150 parts by mass of n-butanol (hereinafter also referred to as "n-BuOH") was placed in a reaction vessel equipped with a stirrer, a thermometer, a dropping funnel, a cooling tube, and a nitrogen gas inlet. ), 249 parts by mass of phenyltrimethoxysilane (hereinafter also referred to as "PTMS"), and 263 parts by mass of dimethyldimethoxysilane (hereinafter also referred to as "DMDMS"), and the temperature was raised to 80°C. Next, at the same temperature, 18 parts by mass of methyl methacrylate (hereinafter also referred to as "MMA"), 14 parts by mass of butyl methacrylate (hereinafter also referred to as "BMA"), and 7 parts by mass of butyric acid (hereinafter referred to as " ), 1 part by mass of acrylic acid (hereinafter also referred to as "AA"), 2 parts by mass of methacryloyloxypropyltrimethoxysilane (hereinafter also referred to as "MPTS"), 6 parts by mass of n. A mixture containing -BuOH and 0.9 parts by mass of butylperoxy-2-ethylhexanoate (hereinafter also referred to as "TBPEH") was dropped into the reaction vessel over 5 hours. After the dropwise addition was completed, the reaction was further carried out at the same temperature for 10 hours to obtain an organic solvent solution of a vinyl polymer (a2-2) having a hydrolyzable silyl group and having a number average molecular weight of 20,100.

次いで、0.05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147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(a2-2)の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の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76質量部の3-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、231質量部の合成例1で得られたMTMSの縮合物(a1)、56質量部の脱イオン水を添加し、同温度で15時間撹拌して加水分解縮合反応させたものを、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n-BuOHを添加し、ケイ素系材料として不揮発分が60.0質量%の硬化性樹脂組成物(2)を1,000質量部得た。 Next, a mixture of 0.05 parts by mass of iso-propyl acid phosphate ("Phoslex A-3" manufactured by SC Organic Chemical Co., Ltd.) and 147 parts by mass of deionized water was added dropwise over 5 minutes, and further heated at the same temperature. By stirring for 10 hours and causing a hydrolytic condensation reaction, the hydrolyzable silyl groups of the vinyl polymer (a2-2) and the hydrolysable silyl groups and silanol groups of the polysiloxane derived from PTMS and DMDMS are combined. A liquid containing the bound composite resin was obtained. Next, 76 parts by mass of 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, 231 parts by mass of the MTMS condensate (a1) obtained in Synthesis Example 1, and 56 parts by mass of deionized water were added to this solution. The mixture was stirred at a temperature for 15 hours to undergo a hydrolytic condensation reaction, and then distilled under the same conditions as in Synthesis Example 1 to remove generated methanol and water. Next, 250 parts by mass of n-BuOH was added to obtain 1,000 parts by mass of a curable resin composition (2) having a nonvolatile content of 60.0% by mass as a silicon-based material.

合成例2:ポリシロキサン化合物2の作製
攪拌機、温度計、滴下ロート、冷却管及び窒素ガス導入口を備えた反応容器に、55質量部のイソプロパノール(以下、「IPA」とも記す。)、952質量部のメチルトリメトキシシラン(以下、「MTMS」とも記す。)と180質量部のPTMS、152質量部のDMDMSを仕込んで、60℃まで昇温した。次いで、前記反応容器中に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」)0.17質量部と脱イオン水150質量部との混合物を5分間で滴下した後、80℃の温度で4時間撹拌して加水分解縮合反応させた。
上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の減圧下で蒸留し前記反応過程で生成したメタノール及び水を除去することによって、ケイ素系材料として数平均分子量1,200の縮合物を含有する、有効成分が70質量%の液を1,000質量部得た。
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。
また、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 2: Production of Polysiloxane Compound 2 55 parts by mass of isopropanol (hereinafter also referred to as "IPA") and 952 parts by mass were placed in a reaction vessel equipped with a stirrer, a thermometer, a dropping funnel, a cooling tube, and a nitrogen gas inlet. 1 part of methyltrimethoxysilane (hereinafter also referred to as "MTMS"), 180 parts by mass of PTMS, and 152 parts by mass of DMDMS were charged, and the temperature was raised 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 150 parts by mass of deionized water was dropped into the reaction vessel over 5 minutes, and then 80 parts by mass of deionized water was added dropwise into the reaction vessel. The mixture was stirred at a temperature of 0.degree. C. for 4 hours to carry out a hydrolytic condensation reaction.
The condensate obtained by the above hydrolytic condensation reaction is distilled at a temperature of 40 to 60°C and a reduced pressure of 40 to 1.3 kPa to remove methanol and water produced in the reaction process, thereby producing a silicon-based material. 1,000 parts by mass of a liquid containing a condensate with a number average molecular weight of 1,200 and an active ingredient content of 70% by mass was obtained.
Note that "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 reduced until it finally reaches 1.3 kPa. The same applies to the following description.
In addition, the above-mentioned active ingredient refers to the value obtained by dividing the theoretical yield (parts by mass) when all the methoxy groups of silane monomers such as MTMS undergo a condensation reaction by the actual yield (parts by mass) after the condensation reaction. The theoretical yield when all methoxy groups undergo a condensation reaction (parts by mass)/actual yield after condensation reaction (parts by mass)].

合成例3:シリコン粒子の作製
150mlの小型ビーズミル装置の容器中に60%の充填率で粒径が0.1mmから0.2mmのジルコニアビーズおよび100mlのメチルエチルケトン(以下、「MEK」とも記す。)溶媒を入れた。その後、平均粒径が5μmのシリコン粉体(市販品)とカチオン性分散剤液(ビックケミー・ジャパン株式会社:BYK145)を入れ、表1に記載の条件下にてビーズミル湿式粉砕を行い、固形物濃度が30質量%の濃い褐色液体状のシリコンスラリーを得た。TEM観察で得られたシリコン粒子の形態およびサイズを確認し、表1に示したように、それぞれをSi1、Si2およびSi3とした。
Synthesis Example 3: Preparation of Silicon Particles Zirconia beads with a particle size of 0.1 mm to 0.2 mm and 100 ml of methyl ethyl ketone (hereinafter also referred to as "MEK") were placed in a 150 ml container of a small bead mill device at a filling rate of 60%. Added solvent. Thereafter, silicon powder (commercially available) with an average particle size of 5 μm and a cationic dispersant liquid (BYK145, BYK Chemie Japan Co., Ltd.) were added, and wet pulverization was performed in a bead mill under the conditions listed in Table 1 to obtain a solid material. A silicon slurry in the form of a dark brown liquid with a concentration of 30% by mass was obtained. The morphology and size of the silicon particles obtained were confirmed by TEM observation, and as shown in Table 1, they were designated as Si1, Si2, and Si3, respectively.

Figure 0007453631000009
Figure 0007453631000009

実施例1
上記合成例1で作製したポリシロキサン化合物1とフェノール樹脂(スミライトレジン:PR-53570、住友ベークライト社製)を樹脂固形物重量比で1:9の割合で撹拌機中にて十分に混合させ脱溶媒を行た。その後、プレート型に成形し、減圧乾燥を行い、プレート型成形乾燥物を得た。成形物を窒素雰囲気中、1050℃で6時間、高温焼成して、黒色固形物を得た。
Example 1
Polysiloxane compound 1 prepared in Synthesis Example 1 above and phenol resin (Sumilite Resin: PR-53570, manufactured by Sumitomo Bakelite Co., Ltd.) were thoroughly mixed in a stirrer at a resin solid weight ratio of 1:9. Solvent removal was performed. Thereafter, it was molded into a plate shape and dried under reduced pressure to obtain a plate-shaped dried product. The molded product was fired at a high temperature of 1050° C. for 6 hours in a nitrogen atmosphere to obtain a black solid.

前記のように作製した黒色固形物をナノインテンダー測定装置(ENT-2100:エリオ二クス(株)社製)を用いて、力学的物性の測定を行った。測定はISO14577に準拠した方式で実施した。試料形状は、測定圧子に対して垂直であり、局所的に平面である構造体で、凹凸面を少なくする為、試料は厚さを3mm以下とし、場合に応じて表面を粒度2000、5000およびバフ研磨を行ったものを用いた。測定条件は、開始荷重0mN、終了荷重100mN、分割数500、ステップ間隔20msの負荷、除荷試験を任意の箇所で20点測定し、平均値を算出した。押し込み硬度は1.2GPaであった。The mechanical properties of the black solid material prepared as described above were measured using a nano-intender measuring device (ENT-2100: manufactured by Elionix Co., Ltd.). The measurements were performed in accordance with ISO 14577. The sample shape was a structure that was perpendicular to the measuring indenter and locally flat, and in order to reduce uneven surfaces, the thickness of the sample was 3 mm or less, and the surface was polished with a grain size of 2000 or 5000 or buffed depending on the case. The measurement conditions were a starting load of 0 mN, a final load of 100 mN, division number of 500, and a loading and unloading test with a step interval of 20 ms, and the average value was calculated at 20 random points. The indentation hardness was 1.2 GPa.

ポリシロキサン化合物1とフェノール樹脂(スミライトレジン:PR-53570、住友ベークライト社製)を混合し、合成例3で作製し平均粒径が50nmのSi1を50重量%となるように調整した液体状シリコンスラリーを添加し、撹拌機中にて十分に混合させた。その後、脱溶媒、減圧乾燥を行い、前駆体を得た。窒素雰囲気中、1050℃で6時間、高温焼成して、遊星型ボールミル装置(ボールミルP-6クラシックライン:FRITSCH社製)で粉砕後に黒色粉体を得た。得られた黒色粉体を活物質粉末として充放電測定に用いた。活物質粉末の平均粒径が約7.0μm±1.0μmであり、比表面積は15m/gを示した。
ハーフセルの評価は、8質量部の負極活物質と導電助剤として1質量部のアセチレンブラックと1質量部の有機結着材を混合して、自転公転式の泡取り錬太郎で10分間攪拌することでスラリーを調整した。なお有機結着材は0.75質量部のSBR(市販品)と0.25質量部のCMCとの混合物である。アプリケーターを用いて厚み20μmの銅箔へ得られたスラリーを塗膜後、110℃、減圧条件下で乾燥し、厚みが約40μmの電極薄膜を得た。
Polysiloxane compound 1 and phenol resin (Sumilite Resin: PR-53570, manufactured by Sumitomo Bakelite Co., Ltd.) were mixed to form a liquid prepared in Synthesis Example 3 and adjusted to 50% by weight of Si1 with an average particle size of 50 nm. The silicone slurry was added and mixed thoroughly in a stirrer. Thereafter, the solvent was removed and dried under reduced pressure to obtain a precursor. The mixture was fired at a high temperature of 1050° C. for 6 hours in a nitrogen atmosphere and pulverized using a planetary ball mill (Ball Mill P-6 Classic Line, manufactured by FRITSCH) to obtain a black powder. The obtained black powder was used as an active material powder for charge/discharge measurements. The average particle size of the active material powder was about 7.0 μm±1.0 μm, and the specific surface area was 15 m 2 /g.
For half cell evaluation, 8 parts by mass of the negative electrode active material, 1 part by mass of acetylene black as a conductive aid, and 1 part by mass of an organic binder are mixed and stirred for 10 minutes using a rotation-revolution type bubble remover Rentaro. The slurry was adjusted accordingly. Note that the organic binder is a mixture of 0.75 parts by mass of SBR (commercially available) and 0.25 parts by mass of CMC. The obtained slurry was coated on a copper foil with a thickness of 20 μm using an applicator, and then dried at 110° C. under reduced pressure to obtain an electrode thin film with a thickness of about 40 μm.

得られた電極薄膜を直径14mmの円状電極に打ち抜き、露点-40℃以下である水分含有量の極低であるドライルームにおいてLi箔を対極にし、25μmのポリプロピレン製セパレータを介して本発明の電極を対向させた。炭酸ジエチルと炭酸エチレンを容量比で1:1に1mol/LのLiPFを含有する電解液(キシダ化学製)を吸着させ評価用ハーフ電池(CR2032型)を作製した。二次電池充放電試験装置(北斗電工製)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0.005-1.4Vに、1から3サイクル目までは充電レートを0.1C、4サイクル目以後は0.2Cとし、定電流・定電圧式の充放電および定電流式充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には、30分間、開回路で放置した。 The obtained electrode thin film was punched into a circular electrode with a diameter of 14 mm, and in a dry room with an extremely low moisture content and a dew point of -40°C or less, Li foil was used as the counter electrode, and the electrode of the present invention was passed through a 25 μm polypropylene separator. The electrodes were placed opposite each other. An evaluation half battery (CR2032 type) was prepared by adsorbing an electrolytic solution (manufactured by Kishida Chemical) containing 1 mol/L of LiPF 6 at a volume ratio of diethyl carbonate and ethylene carbonate of 1:1. Battery characteristics were measured using a secondary battery charge/discharge test device (manufactured by Hokuto Denko) at a room temperature of 25°C, a cutoff voltage range of 0.005-1.4V, and a charge rate of 0 from the 1st to 3rd cycle. .1C, and 0.2C after the fourth cycle, and evaluation tests for charging and discharging characteristics were conducted under the set conditions of constant current/constant voltage charging and discharging and constant current charging and discharging. Each charge/discharge switch was left open circuit for 30 minutes.

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放電容量設計値にて黒鉛粉体や活物質粉末とバインダーを混合して負極膜を作製した。活物質粉体はハーフセルの充電容量が1500mAh/gになるように組成を調整し、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とジエチルカーボネートを体積比で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ネート型リチウムイオン二次電池を作製した。ラミネート型リチウムイオン二次電池を室温下、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。室温下300サイクルの容量維持率は72%であった。結果を表3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, active material powder, and binder with a discharge capacity design value of 450mAh/g. The composition of the active material powder was adjusted so that the charge capacity of the half cell was 1500mAh/g, and a non-aqueous electrolyte solution in which lithium hexafluorophosphate was dissolved at a concentration of 1 mol/L in a mixture of ethylene carbonate and diethyl carbonate in a volume ratio of 1/1 was used as the non-aqueous electrolyte, and a laminated lithium ion secondary battery was prepared using a 30μm thick polyethylene microporous film as the 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 room temperature until the voltage of the test cell reached 4.2 V, and after reaching 4.2 V, the current was reduced to keep the cell voltage at 4.2 V, and the discharge capacity was determined. The capacity retention rate at room temperature for 300 cycles was 72%. The results are shown in Table 3.

実施例2、3、6から8、11から13、16から18、25、26
実施例1と同様にして、表2に示した樹脂構成比で活物質を作製し、各材料の力学的測定と充放電特性などを評価した。評価結果を表2、3に示した。
Examples 2, 3, 6 to 8, 11 to 13, 16 to 18, 25, 26
In the same manner as in Example 1, active materials were prepared with the resin composition ratios shown in Table 2, and the mechanical measurements and charge/discharge characteristics of each material were evaluated. The evaluation results are shown in Tables 2 and 3.

実施例4、5、9、10、14、15、19、20
フェノール樹脂2(スミライトレジン:PR-54387、住友ベークライト社製)を用いて、表2に示した樹脂構成比で活物質を作製し、各材料の力学的測定と充放電特性などを評価した。評価結果を表2、3に示した。
Examples 4, 5, 9, 10, 14, 15, 19, and 20
Using phenolic resin 2 (Sumilite Resin: PR-54387, manufactured by Sumitomo Bakelite Co., Ltd.), active materials were prepared with the resin composition ratios shown in Table 2, and the mechanical properties and charge/discharge characteristics of each material were evaluated. The evaluation results are shown in Tables 2 and 3.

実施例21および22
合成例2に示したポリシロキサン化合物を用いて、表2に示した樹脂構成比で活物質を作製し、材料の力学的測定と充放電特性などを評価した。評価結果を表2、3に示した。
Examples 21 and 22
Using the polysiloxane compound shown in Synthesis Example 2, an active material was prepared with the resin composition ratio shown in Table 2, and the mechanical measurement and charge/discharge characteristics of the material were evaluated. The evaluation results are shown in Tables 2 and 3.

実施例23および24
実施例1との同様にして、表2に示した樹脂構成比とSiの平均粒径を100nmおよび200nmに変えた活物質を作製し、材料の力学的測定と充放電特性などを評価した。評価結果を表2、3に示した。
Examples 23 and 24
In the same manner as in Example 1, active materials were prepared with the resin composition ratio shown in Table 2 and the average particle size of Si changed to 100 nm and 200 nm, and the mechanical measurements and charge/discharge characteristics of the materials were evaluated. The evaluation results are shown in Tables 2 and 3.

実施例27および28
実施例1との同様にして、表2に示した樹脂構成比に窒素元素源として、メラミンを加えて活物質を作製し、各材料の力学的測定と充放電特性などを評価した。評価結果を表2、3に示した。
Examples 27 and 28
In the same manner as in Example 1, active materials were prepared by adding melamine as a nitrogen element source to the resin composition ratio shown in Table 2, and the mechanical measurements and charge/discharge characteristics of each material were evaluated. The evaluation results are shown in Tables 2 and 3.

比較例1および2
実施例1において、ポリシロキサン樹脂単独またはフェノール樹脂単独で前駆体を乾燥後、窒素雰囲気、1050℃にて6時間焼成して活物質を得た。活物質の押し込み弾性率はそれぞれ114GPa、4.5GPa、弾性変形仕事率は18%、105%であった。フルセルの充放電測定結果は、室温下300サイクル後の容量維持率がそれぞれ50%、65%であり、大幅に低下した。評価結果を表2、3に示した。
Comparative examples 1 and 2
In Example 1, the precursor was dried using a polysiloxane resin alone or a phenol resin alone, and then baked at 1050° C. for 6 hours in a nitrogen atmosphere to obtain an active material. The indentation modulus of the active material was 114 GPa and 4.5 GPa, and the elastic deformation power was 18% and 105%, respectively. The full cell charge/discharge measurement results showed that the capacity retention rate after 300 cycles at room temperature was 50% and 65%, respectively, which was a significant decrease. The evaluation results are shown in Tables 2 and 3.

Figure 0007453631000010
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Figure 0007453631000011
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[評価方法]
平均粒径および比表面積は以下の方法で求めた。
平均粒径: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D50の値を平均粒径とした。
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。
[Evaluation method]
The average particle size and specific surface area were determined by the following method.
Average particle size: Measured using a laser diffraction particle size distribution analyzer (Mastersizer 3000, manufactured by Malvern Panalytical), and the D50 value was taken as the average particle size.
Specific surface area: Measured by the BET method by nitrogen adsorption measurement using a specific surface area measuring device (manufactured by BELJAPAN, BELSORP-mini).

押し込み硬度、押し込み弾性率、および弾性変形仕事率は以下の方法で求めた。
測定サンプルの力学的物性測定をナノインテンダー測定装置(ENT-2100:エリオ二クス(株)社製)を用いて行った。測定はISO14577に準拠した方式で実施した。試料形状は、測定圧子に対して垂直であり、局所的に平面である構造体で、凹凸面を少なくする為、試料は厚さを3mm以下とし、場合に応じて表面を粒度2000、5000およびバフ研磨を行ったものを用いた。測定条件は、開始荷重0mN、終了荷重100mN、分割数500、ステップ間隔20msの負荷、除荷試験を任意の箇所で20点測定し、平均値を算出した。
The indentation hardness, indentation modulus, and elastic deformation power were determined by the following methods.
Mechanical properties of the measurement sample were measured using a nanointender measurement device (ENT-2100, manufactured by Elionix Co., Ltd.). The measurement was carried out in accordance with ISO14577. The sample shape is perpendicular to the measuring indenter and is a locally flat structure. In order to reduce uneven surfaces, the sample has a thickness of 3 mm or less, and the surface is coated with grain sizes of 2000, 5000, and 2000, depending on the case. The one that had been buffed was used. The measurement conditions were a loading and unloading test with a starting load of 0 mN, an ending load of 100 mN, a number of divisions of 500, and a step interval of 20 ms, and measurements were taken at 20 arbitrary points, and the average value was calculated.

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1.4Vに、1から3サイクル目までは充放電レートを0.1C、4サイクル目以後は0.2Cとし、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。25℃でフルセルを300サイクル充放電後の容量維持率は以下のようにして、フルセル(ラミネートセル)の測定で求めた。容量維持率(%@300回目)=300回目の負極放電容量(mAh/g)/負極初回放電容量(mAh/g) Battery characteristics evaluation: Battery characteristics were measured using a secondary battery charge/discharge test device (manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.) at a room temperature of 25°C and a cutoff voltage range of 0.005 to 1.4V from 1st to 3rd cycles. The charging/discharging rate was set to 0.1 C up to the fourth cycle, and 0.2 C after the fourth cycle, and a charging/discharging characteristic evaluation test was conducted under the setting conditions of constant current/constant voltage charging/constant current discharging. At each charge/discharge switch, the circuit was left open for 30 minutes. The capacity retention rate after 300 cycles of charging and discharging a full cell at 25° C. was determined by measuring a full cell (laminated cell) as follows. Capacity retention rate (% @ 300th time) = 300th negative electrode discharge capacity (mAh/g) / negative electrode initial discharge capacity (mAh/g)

前記結果から明らかなように、前記物性1から3のいずれかを満たす珪素系材料を含む本活物質を負極活物質として用いた場合、容量維持率に優れる。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ると考えられる。 As is clear from the above results, when the present active material containing a silicon-based material satisfying any of the above physical properties 1 to 3 is used as a negative electrode active material, the capacity retention rate is excellent. Further, a secondary battery containing the present active material as a negative electrode active material is considered to have excellent battery characteristics.

Claims (10)

ナノインデンテーション法を用いた力学強度測定において、押し込み硬度が1GPa以上11GPa以下、押し込み弾性率が10GPa以上110GPa以下、および弾性変形仕事率が20%以上90%以下からなる群より選択される少なくとも1の物性を有するケイ素系材料であって、
前記ケイ素系材料は、ケイ素元素、酸素元素、炭素元素を含む化合物を90質量%以上含み、前記ケイ素元素、酸素元素、炭素元素を含む化合物はシリコンオキシカーバイド/カーボン複合体であるケイ素系材料。
In mechanical strength measurement using the nanoindentation method, at least one selected from the group consisting of an indentation hardness of 1 GPa or more and 11 GPa or less, an indentation elastic modulus of 10 GPa or more and 110 GPa or less, and an elastic deformation power of 20% or more and 90% or less A silicon-based material having physical properties of
The silicon-based material contains 90% by mass or more of a compound containing silicon element, oxygen element, and carbon element, and the compound containing silicon element, oxygen element, and carbon element is a silicon oxycarbide/carbon composite .
ナノインデンテーション法を用いた力学強度測定において、押し込み硬度が1GPa以上11GPa以下で且つ、押し込み弾性率が10GPa以上110GPaである請求項1に記載のケイ素系材料。 The silicon-based material according to claim 1, which has an indentation hardness of 1 GPa or more and 11 GPa or less and an indentation elastic modulus of 10 GPa or more and 110 GPa in mechanical strength measurement using a nanoindentation method. ナノインデンテーション法を用いた力学強度測定において、押し込み硬度が1GPa以上11GPa以下で且つ、弾性変形仕事率が20%以上90%以下である請求項1に記載のケイ素系材料。 The silicon-based material according to claim 1, which has an indentation hardness of 1 GPa or more and 11 GPa or less and an elastic deformation power of 20% or more and 90% or less in mechanical strength measurement using a nanoindentation method. ナノインデンテーション法を用いた力学強度測定において、押し込み弾性率が10GPa以上110GPa以下で且つ、弾性変形仕事率が20%以上90%以下である請求項1に記載のケイ素系材料。 The silicon-based material according to claim 1, which has an indentation modulus of 10 GPa or more and 110 GPa or less and an elastic deformation power of 20% or more and 90% or less in mechanical strength measurement using a nanoindentation method. 前記シリコンオキシカーバイド/カーボン複合体は、SiOxCy (1≦x<2、1≦y≦80)で表される化合物を含有する請求項1に記載のケイ素系材料。 The silicon-based material according to claim 1 , wherein the silicon oxycarbide/carbon composite contains a compound represented by SiOxCy (1≦x<2, 1≦y≦80). 窒素元素を含む請求項5に記載のケイ素系材料。 The silicon-based material according to claim 5, containing nitrogen element. 請求項1から6のいずれか1項に記載のケイ素系材料を主成分とするマトリクス相に平均粒径200nm以下のシリコン粒子が分散された複合材料。 A composite material in which silicon particles having an average particle size of 200 nm or less are dispersed in a matrix phase containing the silicon-based material according to any one of claims 1 to 6 as a main component. 請求項7に記載の複合材料を含む二次電池用負極活物質。 A negative electrode active material for a secondary battery, comprising the composite material according to claim 7. 請求項8に記載の二次電池用負極活物質を含む負極。 A negative electrode comprising the negative electrode active material for secondary batteries according to claim 8. 請求項9に記載の負極を含む二次電池。 A secondary battery comprising the negative electrode according to claim 9.
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