JP7491482B2 - 二次電池用活物質、二次電池用活物質の製造方法および二次電池 - Google Patents
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Description
さらに近年、各種電子機器および通信機器の小型化およびハイブリッド自動車等の急速な普及に伴い、これら機器等の駆動電源として、より高容量であり、かつサイクル特性や放電レート特性等の各種電池特性が更に向上したリチウムイオン二次電池の開発が強く求められている。
例えば特許文献1には金属ケイ素またはケイ素含有化合物、および軟化点もしくは融点を有するケイ素を含まない有機化合物を共に不活性ガス中または真空中にて、特定の温度で炭化させて得られる多孔性ケイ素含有炭素系複合材料が提案されている。
しかしながら酸化珪素をリチウムイオン二次電池用負極活物質として使用した時に、多回数の充放電後の急激な充放電容量低下の原因については、リチウムを大量に吸蔵および放出することによって大きな体積変化が起こり、これに伴い粒子の破壊が起こるためと考えられている。
即ち本発明は、リチウムイオン二次電池に用いられる二次電池用活物質および前記二次電池用活物質を負極活物質として含む二次電池に関し、サイクル性、初期のクーロン効率および容量維持率に優れた二次電池を与える二次電池用活物質を提供することを目的とする。
[1] 酸化ケイ素含有粒子をコアとし、シリコンオキシカーバイド含有相をシェル層とするコアシェル複合構造体を有する二次電池用活物質。
[2] 前記シェル層は、平均厚みが5nmから500nmである前記[1]に記載の二次電池用活物質。
[3] 前記酸化ケイ素含有粒子の平均粒径が1μm以上20μm以下である前記[1]または[2]のいずれかに記載の二次電池用活物質。
[4] X線回折において2θが28.4°付近のSi(111)に帰属されるピークを有する前記[1]から[3]のいずれかに記載の二次電池用活物質。
[5] 比表面積が0.3m2/g以上10m2/g以下である前記[1]から[4]のいずれかに記載の二次電池用活物質。
[6] 前記シリコンオキシカーバイド含有相は更に窒素原子を含む前記[1]から[5]のいずれかに記載の二次電池用活物質。
[7] ラマンスペクトルにおいて、炭素構造のGバンドとDバンドに帰属する1590cm-1と1330cm-1付近の散乱ピークを有し、それらの散乱ピークの強度比I(Gバンド)/I(Dバンド)が、0.7から2である前記[1]から[6]のいずれかに記載の二次電池用活物質。
[8] 前記コアシェル複合構造体の表面に炭素の被膜を有し、前記コアシェル複合構造体の全体質量を100質量%として、炭素被膜量が1質量%以上10質量%以下である前記[1]から[7]のいずれかに記載の二次電池用活物質。
[9] Li、K、Na、Ca、MgおよびAlからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属のシリケート化合物を有する前記[1]から[8]のいずれかに記載の二次電池用活物質。
[10] 下記(1)から(3)の工程を含む前記[1]から[9]のいずれかに記載の二次電池用活物質の製造方法。
(1)前記シェル層作製用前駆体を得る工程
(2)前記酸化ケイ素含有粒子の表面に前記シェル層作製用前駆体を塗布および乾燥する工程
(3)不活性ガス雰囲気中、焼成温度900℃から1300℃で高温焼成して負極活物質を得る工程
[11] さらに下記(4)の工程を含む前記[10]に記載の二次電池用活物質の製造方法。
(4)化学気相蒸着装置内で、熱分解性炭素源ガスとキャリア不活性ガスフローの中、700℃から1000℃の温度範囲にて炭素被膜で被覆して負極活物質を得る工程。
[12] 前記[1]から[9]のいずれかに記載の二次電池用活物質を負極に含む二次電池。
前記のとおり、酸化ケイ素は、高容量であるがリチウムを大量に吸蔵および放出することによって大きな体積変化が起こり、その結果、サイクル性に劣ると考えられる。一方、シリコンオキシカーバイド相は比較的低容量ではあるが、リチウムの吸蔵および放出に対して体積変化が小さく、サイクル特性に優れる。本活物質は前者をコアとし、後者をシェル層とすることで、高容量維持の上に体積膨張やサイクル特性に優れた二次電池を与える二次電池用活物質が得られたと考えられる。
SiOn (1)
ただし、前記式(1)において、nは0.4以上1.8以下であり、0.5以上1.6以下が好ましい。
また酸化ケイ素は不均化反応により0価のケイ素を生成する場合があるが、酸化ケイ素含有粒子は得られる本活物質の高容量化、高初回効率の観点から、不均化によって生成した0価のケイ素を含んでいてもよい。酸化ケイ素含有粒子が0価のケイ素を含む場合、本活物質をX線回折分析した場合、X線回折パターンにおいて2θが28.4°付近のSi(111)面に帰属されるピークが検出される。
酸化ケイ素含有粒子に別途、0価のケイ素を添加してもよいが、酸化ケイ素含有粒子が含む0価のケイ素は前記不均化反応により生成した0価のケイ素であるのが、0価ケイ素の結晶子が比較的に小さいので好ましい。
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。本酸化ケイ素粒子の平均粒径は、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。
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。
得られた酸化ケイ素含有粒子を、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酸化ケイ素含有粒子の平均粒径を前記範囲することができる。
酸化ケイ素含有粒子の形態は、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、サンプルのアスペクト比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観察により本酸化ケイ素粒子の状態を同定することができる。
なお前記本酸化ケイ素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粒子から計算により求めることができる。
シリコンオキシカーバイド含有相は前記シリコンオキシカーバイド以外に酸化チタン、チタン酸リチウム、酸化アルミニウム、及び遷移金属系酸化物等を含んでもよい。
SiOxCy (2)
式(2)中、xはケイ素に対する酸素のモル比、yはケイ素に対する炭素のモル比を表す。
本活物質を二次電池に用いた場合、充放電性能と容量維持率とのバランスが優位になるという観点から、1≦x<2が好ましく、1≦x≦1.9がより好ましく、1≦x≦1.8がさらに好ましい。
また、本活物質を二次電池に用いた場合、充放電性能と初回クーロン効率のバランスとの観点から、1≦y≦20が好ましく、1.2≦y≦15がより好ましい。
なお、前記xおよびyの測定は前記記載方法によって実施することが好ましいが、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。
シリコンオキシカーバイド含有相を構成する化合物がケイ素、酸素、炭素および窒素を含む化合物の場合、シリコンオキシカーバイド含有相は下記式(3)で表される化合物を含有するのが好ましい。
SiOxCyNz (3)
式(3)中、xおよびyは前記と同じ意味であり、zはケイ素に対する窒素のモル比を表す。
シリコンオキシカーバイド含有相が前記式(3)で表される化合物を含む場合、本活物質を二次電池に用いた際の充放電性能や容量維持率の観点から、1≦x≦2、1≦y≦20、0<z≦0.5が好ましく、1≦x≦1.9、1.2≦y≦15、0<z≦0.4がより好ましい。
前記xおよびyと同様、zの測定は前記記載方法によって実施することが好ましいが、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。
本シェル層の厚みは、充放電容量・初回クーロン効率とサイクル特性とのバランス観点から、5nmから500nmが好ましく、10nmから400nmがより好ましい。
したがって本活物質の平均粒径は1μm以上30μm以下が好ましい。本活物質の平均粒径は2μm以上がより好ましく、3μm以上が特に好ましい。また、本活物質の平均粒径は25μm以下がより好ましく、20μm以下が特に好ましい。平均粒径は前記D50の値である。
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SiO2C2、SiO3C、およびSiO4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、本活物質のシリコンオキシカーバイド含有相中の炭素は、非晶質炭素と類似する特性を有しているため、大気中において約550℃から900℃の温度範囲に熱分解される。その結果、急激な重量減少が発生する。TG-DTAの測定条件の最高温度は特に限定されないが、炭素の熱分解反応を完全に終了させるために、大気中、約25℃から約1000℃以上までの条件下でTG-DTA測定を行うのが好ましい。
前記被膜としては、炭素、チタン、ニッケル等の電子伝導性物質の被膜が挙げられる。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、炭素の被膜が好ましく、非晶質炭素の被膜がより好ましい。
炭素の被膜は気相沈積法によりコアシェル複合構造体の表面に作成するのが好ましい。
なおコアシェル複合構造体の全体質量とは、本活物質を構成する本コアと本シェル層の合計量である。前記シリコンオキシカーバイド含有層相が窒素を含む本シェル層の場合は、窒素も含む合計量であり、コアシェル複合構造体が後述する第三成分を含む場合、第三成分も含む合計量である。
このようなリチウム酸化物の生成を抑制するために、本活物質は前記酸化ケイ素含有粒子およびシリコンオキシカーバイド含有相以外の第三成分を含有してもよい。
シリケート化合物は一般に1個または数個のケイ素原子を中心とし、電気陰性な配位子がこれを取り囲んだ構造を持つアニオンを含む化合物であるが、金属シリケート化合物はLi、K、Na、Ca、MgおよびAlからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属と前記アニオンを含む化合物とのABO型酸化物である。
前記アニオンを含む化合物としてはオルトケイ酸イオン(SiO4 4-)、メタケイ酸イオン(SiO3 2-)、ピロケイ酸イオン(Si2O7 6-)、環状ケイ酸イオン(Si3O9 6-またはSi6O18 12-)等のケイ酸イオンが知られている。本シリケート化合物はメタケイ酸イオンとLi、K、Na、Ca、MgおよびAlからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属とのABO型酸化物であるシリケート化合物が好ましい。前記金属の中ではLiまたはMgが好ましい。
金属シリケート化合物はリチウムシリケート化合物またはマグネシウムシリケート化合物が好ましく、メタケイ酸リチウム(Li2SiO3、Li2Si2O5、Li4SiO4)またはメタケイ酸マグネシウム(MgSiO3、Mg2SiO4)がより好ましく、メタケイ酸マグネシウム(MgSiO3、Mg2SiO4)が特に好ましい。
前記コアシェル構造体に金属シリケート化合物が存在していることの確認は高分解能透過型電子顕微鏡(以下、「HR-TEM」とも記す。)にて確認することができる。詳しくは本活物質を集束イオンビーム(FIB)でスライス加工してHR-TEM観察により確認することができる。
金属シリケート化合物は、結晶状態の場合、粉末X線回折測定(XRD)で検出することができ、非晶質の場合は、固体29Si-NMR測定で確認することができる。
表面被膜は非晶質炭素の被膜が好ましい。
本前駆体としては、例えば、ポリシロキサン化合物と炭素源樹脂の混合物が挙げられる。本前駆体は必要に応じて、ポリシロキサン化合物と炭素源樹脂以外のシリコンオキシカーバイド含有相に含まれる成分を含んでもよい。
上述方法によりポリシロキサン化合物が得られる。
ポリシロキサン化合物としては、例えば、セラネート(登録商標)シリーズ(有機・無機ハイブリッド型コーティング樹脂;DIC株式会社製)やコンポセランSQシリーズ(シルセスキオキサン型ハイブリッド;荒川化学工業株式会社製)が挙げられる。
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。
非水系分散剤の種類は、ポリエーテル系、アルコール系、ポリアルキレンポリアミン系、ポリカルボン酸部分アルキルエステル系などの高分子型、多価アルコールエステル系、アルキルポリアミン系などの低分子型、ポリリン酸塩系などの無機型が例示される。
ポリシロキサン化合物と炭素源樹脂の混合物のスラリーまたは溶液におけるポリシロキサン化合物と炭素源樹脂の混合物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ポリシロキサン化合物と炭素源樹脂の混合物との合計量を100質量%として、ポリシロキサン化合物と炭素源樹脂の混合物の量は70質量%から99質量%の範囲が好ましく、80質量%から95質量%がより好ましい。
酸化ケイ素含有粒子は、前記のとおり、二酸化珪素と金属珪素との混合物を加熱して生成した一酸化珪素ガスを冷却し析出により製造することができる。また市販の酸化ケイ素を用いてもよい。
酸化ケイ素を粉砕、分級等により所望の平均粒径として酸化ケイ素含有粒子としてもよい。粉砕、分級の方法は前記のとおりである。
また本前駆体が前記溶媒を含まない場合は、酸ケイ素含有粒子のスラリーまたは溶液に本前駆体を浸漬する方法、または本前駆体を酸化ケイ素含有粒子に蒸着する方法等による塗布する方法が挙げられる。
これら混合は分散および混合の機能を有する装置を用いて行うのが好ましい。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。
酸化ケイ素含有粒子のスラリーにおける酸化ケイ素含有粒子の固形分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酸化ケイ素の合計量を100質量%として、酸化ケイ素の量は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。
塗布にスラリー状の酸化ケイ素含有粒子またはスラリー状の本前駆体を用いた場合、用いた前記溶媒が除去されるまで乾燥するのが好ましい。
前記溶媒を除去することを目的とする乾燥は、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。
乾燥により溶媒を除去する場合、溶媒を完全に除去してもよく、少量の溶媒が残った状態で後述する本焼成工程に供してもよい。
不活性ガスは窒素、ヘリウム、アルゴン等のガスが挙げられる。
Li、K、Na、Ca、MgおよびAlからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属の塩としては、これら金属のフッ化物、塩化物、臭化物等のハロゲン化物、水酸化物、炭酸塩等が挙げられる。
前記金属の塩を酸化ケイ素含有粒子と本前駆体のスラリーに添加する際の金属の塩の添加量は、酸化ケイ素含有粒子中の酸化ケイ素のモル数に対してモル比で0.01から0.5までが好ましい。
前記金属の塩が有機溶媒に可溶の場合、前記金属の塩を有機溶媒に溶かして酸化ケイ素含有粒子と本前駆体のスラリーに加えて混合すればよい。前記金属の塩が有機溶媒に不溶の場合、金属の塩の粒子を有機溶媒に分散してから、酸化ケイ素含有粒子と本前駆体のスラリーに加え、混合すればよい。前記金属の塩は、分散効果向上の観点から平均粒径が100nm以下のナノ粒子が好ましい。前記有機溶媒は、アルコール類、ケトン類などを好適に用いることができるが、トルエン、キシレン、ナフタレン、メチルナフタレンなどの芳香族炭化水素系溶剤も用いることができる。
また、有機添加物を用いて前記金属の塩の分子を表面修飾することで、酸化ケイ素含有粒子表面付近に付着することができる。有機添加物の分子構造は、特に制限はないが、酸化ケイ素含有粒子の表面上に存在している分散剤との物理的または化学的結合ができるような分子構造が好ましい。前記の物理的または化学的結合は、静電作用、水素結合、分子間ファンデルワールス力、イオン結合、共有結合などが挙げられる。高温焼成の時、前記金属の塩の分子が酸化ケイ素中のSiO2相と固相反応することにより、酸化ケイ素含有粒子中に金属シリケート化合物を形成させることができる。
熱分解性炭素源ガスはプロパン、アセチレン、エチレン、アセトンなどが挙げられる。不活性ガスとしては、窒素、ヘリウム、アルゴン等が挙げられ、通常、窒素が用いられる。
本活物質を負極活物質として用いる場合、本活物質を単独で用いてもよいし、本活物質と他の活物質との混合活物質を用いてもよいし、本活物質をマトリクス相に分散させた複合活物質と用いてもよい。
マトリクス相はリチウムイオンを吸蔵放出が可能な物質である。吸蔵放出が可能な物質とは、電池の充電時にリチウムイオンをマトリクス相内に吸蔵し、放電時にリチウムイオンをマトリクス相内から放出することができる物質である。リチウム二次電池では前記吸蔵放出のサイクルが繰り返される。
リチウムイオンを吸蔵放出が可能な物質としては黒鉛、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化スズ、およびケイ素、酸素、炭素を含む化合物が挙げられ、前記マトリクス相はこれら物質から構成されるのが好ましく、ケイ素、酸素、炭素を含む化合物から構成されるのが好ましい。
ケイ素、酸素、炭素を含む化合物としてはシリコンオキシカーバイド含有相に含まれる前記シリコンオキシカーバイドが挙げられ、好ましいシリコンオキシカーバイドも前記と同じである。またシリコンオキシカーバイドは窒素原子を含んでもよく、窒素を含場合の好ましい化合物は前記と同じである。
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。
かかる範囲において、本活物質は、化学安定性が高く、水性バインダーも採用することができる点で、実用化面においても取り扱い容易である。
本活物質は前記方法により負極として用い、前記負極を有する二次電池とすることができる。
本活物質および本活物質を負極に含む二次電池は前記実施形態の構成において、他の任意の構成を追加してもよいし、同様の機能を発揮する任意の構成と置換されていてもよい。
また本活物質の製造方法において、他の任意の工程を追加してもよいし、同様の機能を発揮する任意の工程と置換されていてもよい。
なお、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。
合成例1(メチルトリメトキシシランの縮合物(a1)の合成)
攪拌機、温度計、滴下ロート、冷却管および窒素ガス導入口を備えた反応容器に、1、421質量部のメチルトリメトキシシラン(以下、「MTMS」と略記する。)を仕込んで、60℃まで昇温した。次いで、前記反応容器中に0.17質量部のiso-プロピルアシッドホスフェート(SC有機化学株式会社製「Phoslex A-3」)と207質量部の脱イオン水との混合物を5分間で滴下した後、80℃の温度で4時間撹拌してMTMSの加水分解縮合反応をさせた。
前記の加水分解縮合反応によって得られた縮合物を、温度40から60℃および40から1.3kPaの減圧下で蒸留した。なお、「40から1.3kPaの減圧下」とは、メタノールの留去開始時の減圧条件が40kPaであり、最終的に1.3kPaとなるまで減圧することを意味する。以下の記載においても同様である。前記反応過程で生成したメタノールおよび水を除去することによって、数平均分子量が1、000から5、000のMTMSの縮合物(以下、「a1」とも記す。)を含有する液を1、000質量部得た。得られた液の有効成分は70質量%であった。
なお、前記有効成分とは、MTMS等のシランモノマーのメトキシ基が全て縮合反応した場合の理論収量(質量部)を、縮合反応後の実収量(質量部)で除した値、〔シランモノマーのメトキシ基が全て縮合反応した場合の理論収量(質量部)/縮合反応後の実収量(質量部)〕、により算出したものである。
撹拌機、温度計、滴下ロート、冷却管および窒素ガス導入口を備えた反応容器に、150質量部のブタノール(以下、「BuOH」とも記す。)、105質量部のフェニルトリメトキシシラン(以下、「PTMS」とも記す。)、277質量部のジメチルジメトキシシラン(以下、「DMDMS」とも記す。)を仕込んで80℃まで昇温した。
次いで、同温度で21質量部のメチルメタアクリレート(以下、「MMA」とも記す。)、4質量部のブチルメタアクリレート(以下、「BMA」とも記す。)、3質量部の酪酸(以下、「BA」とも記す。)、2質量部のメタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン(以下、「MPTS」とも記す。)、3質量部のBuOHおよび0.6質量部のブチルペルオキシ-2-エチルヘキサノエート(以下、「TBPEH」とも記す。)を含有する混合物を、前記反応容器中へ6時間で滴下した。滴下終了後、更に同温度で20時間反応させて加水分解性シリル基を有する数平均分子量が10、000のビニル重合体(a2-1)の有機溶剤溶液を得た。
次いで、この液に472質量部の合成例1で得られたMTMSの縮合物(a1)、80質量部の脱イオン水を添加し、同温度で10時間撹拌して加水分解縮合反応させ、合成例1と同様の条件で蒸留することによって生成したメタノールおよび水を除去した。次いで、250質量部のBuOHを添加し、不揮発分が60.1質量%の硬化性樹脂組成物(1)を1、000質量部得た。
撹拌機、温度計、滴下ロート、冷却管および窒素ガス導入口を備えた反応容器に、150質量部のBuOH、249質量部のPTMS、263質量部のDMDMSを仕込んで80℃まで昇温した。
次いで、同温度で18質量部のMMA、14質量部のBMA、7質量部のBA、1質量部のアクリル酸(以下、「AA」とも記す。)、2質量部のMPTS、6質量部のBuOHおよび0.9質量部のTBPEH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。
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、合成例1と同様の条件で蒸留することによって生成したメタノールおよび水を除去した。次いで、250質量部のBuOHを添加し、不揮発分が60.0質量%の硬化性樹脂組成物(2)を1、000質量部得た。
前記合成例2で作製した平均分子量3500のポリシロキサン樹脂(硬化性樹脂組成物(1))と平均分子量3000のフェノール樹脂を樹脂固形物の重量比が90/10となるように、イソプロピルアルコール溶媒へ混合、撹拌して固形物濃度3質量%の混合液を100部に調製した。調製後、平均粒径が3μmの酸化ケイ素粒子(市販品)を100部添加し、撹拌機中にて十分に混合した。得られた酸化ケイ素粒子を含有する樹脂混合のスラリーを小型スプレードライヤー(窒素循環)で噴霧乾燥した。窒素雰囲気中950℃で4時間にて高温焼成することで黒色固形物を得、遊星型ボールミルで解砕して黒色粉体を調製した。
20部の得られた黒色粉体をCVD装置(デスクトップロータリキルン:高砂工業株式会社製)に投入し、エチレンガス0.2L/分および窒素ガス0.8L/分の混合ガスを導入しながら、850℃で1時間、化学的気相成長法により、黒色粉体表面への炭素被膜処理を行い、活物質粒子を作製した。
Cu-Kα線による粉末X線回折(XRD)の測定結果によりSi(111)結晶面に帰属される2θ=28.4°の回折ピークは検出されなかった。エネルギー分散型X線分析(Energy dispersive X―ray spectroscopy、EDS)結果から窒素元素の含有量は0.2質量%であった。また、ラマン散乱分析測定結果、炭素のGバンドに帰属される1590cm-1付近のピークとDバンドに帰属される1330cm-1付近のピークを示し、強度比I(Gバンド)/I(Dバンド)は1.4であった。
実施例1と同様に合成例2で作成した平均分子量3500のポリシロキサン樹脂(硬化性樹脂組成物(1))と平均分子量3000のフェノール樹脂を樹脂固形物の重量比が90/10となるように、イソプロピルアルコール溶媒へ混合、撹拌して、固形物濃度を、実施例2では6質量%、実施例3では12質量%、実施例4では30質量%および実施例5では50質量%にそれぞれ変更した混合液とした。混合液を100部に調製後、平均粒径3μmの酸化ケイ素(市販品)を100部加え、スラリーを調製して噴霧乾燥した。その他は実施例1と同様条件にて炭素被膜を有する活物質粉末を得た。粒径および比表面積を測定し、得られた活物質粉末を用いてハーフセルおよびフルセルでの充放電性能を評価した。各種評価結果を表1に示した。
高温焼成後に酸化ケイ素粒子表面上にシリコンオキシカバード相の厚みが103nmとなるように、実施例1に示すポリシロキサン樹脂(硬化性樹脂組成物(1))とフェノール樹脂を樹脂固形物の重量比90/10となるように、イソプロピルアルコール溶媒へ混合、撹拌して混合液を調製した。調製した混合液100部に、平均粒径がそれぞれ実施例6では1.5μm、実施例7では5μm、実施例8では11μm、実施例9では16μmの酸化ケイ素粒子を100部入れてスラリーを調整した。噴霧乾燥後、実施例1と同様条件にて炭素被膜を有する活物質粉末を得た。粒径および比表面積を測定し、得られた活物質粉末を用いてハーフセルおよびフルセルでの充放電性能を評価した。各種評価結果を表1に示した。
前記実施例3と同様に、合成例2で作製した平均分子量3500のポリシロキサン樹脂(硬化性樹脂組成物(1))と平均分子量3000のフェノール樹脂を樹脂固形物の重量比が実施例10では100/0、実施例11では50/50、実施例12では30/70となるように、イソプロピルアルコール溶媒へ混合、撹拌して固形物濃度12質量%の混合液を調整した。調製した混合液100部に、平均粒径3μmの酸化ケイ素(市販品)を100部加え、スラリーを調製して噴霧乾燥した。その他は、実施例1と同じ操作で炭素被膜を有する活物質粉末を得た。粒径および比表面積を測定し、得られた活物質粉末を用いてハーフセルおよびフルセルでの充放電性能を評価した。各種評価結果を表1に示した。
前記合成例3で作製した平均分子量3500のポリシロキサン樹脂(硬化性樹脂組成物(2))および平均分子量3000のフェノール樹脂を樹脂固形物の重量比90/10となるように、イソプロピルアルコール溶媒へ混合、撹拌して固形物濃度12質量%の混合液を調整した。調製した混合液100部に平均粒径が3μmの酸化ケイ素粒子(市販品)を100部添加し、撹拌機中にて十分に混合した。得られた酸化ケイ素粒子を含有する樹脂混合スラリーを小型スプレードライヤー(窒素循環)で噴霧乾燥した。窒素雰囲気中、実施例13では1050℃で4時間、実施例14では1100℃で4時間の条件下にて高温焼成することで黒色固形物を得た。得られた黒色固形物を遊星型ボールミルで解砕して黒色粉体を調製した。その他は、実施例1と同様操作で炭素被膜を有する活物質粉末を得た。粒径および比表面積を測定し、得られた活物質粉末を用いてハーフセルおよびフルセルでの充放電性能を評価した。各種評価結果を表1に示した。
実施例3と同様に酸化ケイ素粒子を含有するスラリーを調製した後、酸化ケイ素粒子の量に対してLi+/酸化ケイ素をモル比で実施例15は30/100、実施例16は50/100となるようにLiClを原料として酸化ケイ素粒子を含有するスラリーに添加し、噴霧乾燥を行った。それ以降の条件は実施例1と同様にして、炭素被膜を有する活物質粉末を作製した。得られた活物質粒子中のLi元素の含有量は実施例15が2.5質量%、実施例16は5.1質量%であった。得られた活物質粒子の粒径および比表面積を測定し、得られた活物質粒子を用いてハーフセルおよびフルセルでの充放電性能を評価した。各種評価結果を表1に示した。
20gの平均粒径が5μmの酸化ケイ素粉体をCVD装置(デスクトップロータリキルン:高砂工業株式会社製)に投入し、エチレンガス0.2L/分および窒素ガス0.8L/分の混合ガスを導入しながら、850℃で1時間、化学的気相成長法により、黒色粉体表面への炭素被覆処理を行い、活物質粒子を作製した。処理後の炭素被覆量を熱分析装置によって測定したところ、処理前重量より2.0%増加したことが分かった。得られた活物質粒子をCu-Kα線による粉末X線回折(XRD)の測定を行った結果、Si(111)結晶面に帰属される2θ=28.4°の回折ピークが検出されなかった。得られた活物質粒子の粒径および比表面積を測定し、得られた活物質粒子を用いてハーフセルおよびフルセルでの充放電性能を評価した。各種評価結果を表1に示した。
合成例1で作成した硬化性樹脂組成物(1)を110℃にて減圧乾燥後、窒素雰囲気中、1100℃で4時間、高温焼成することで黒色固形物を得た。得られた黒色固形物を遊星型ボールミルで粉砕後に黒色粉体を作製後、比較例1と同様なCVD条件下にて炭素被膜処理を行った。
得られた炭素被膜処理後の黒色粉体の粒径および比表面積を測定し、炭素被膜処理後の黒色粉体を用いてハーフセルおよびフルセルでの充放電性能を評価した。各種評価結果を表1に示した。
酸化ケイ素粒子の代わりにケイ素粒子(市販品)を平均粒径3μmに分級して用い、実施例3と同様な条件にてケイ素粒子を含有するスラリーを調製して、噴霧乾燥した。乾燥後、窒素雰囲気中1000℃で4時間、高温焼成することで黒色固形物を得た。得られた活物質粒子をCu-Kα線による粉末X線回折(XRD)の測定を行った結果、Si(111)結晶面に帰属される2θ=28.4°の回折ピークが強く検出された。得られた活物質粒子の粒径および比表面積を測定し、得られた活物質粒子を用いてハーフセルおよびフルセルでの充放電性能を評価した。各種評価結果を表1に示した。
表1中、各評価方法は以下のとおりである。
D50:レーザー回折式粒度分布測定装置(マルバーン・パナリティカル社製、マスターサイザー3000)を用いて測定した。
比表面積:比表面積測定装置(BELJAPAN社製、BELSORP-mini)を用いて窒素吸着測定より、BET法で測定した。29Si-NMR:JEOL RESONANCE社製、JNM-ECA600を用いた。
粉末X線回折(XRD):X線回折装置(リガク社製、SmartLab)を用いて室温の大気中で測定した。
シリコンオキシカーバイド含有相の厚み測定:クロスセクションポリッシャ(CP法)で粒子の断面構造を加工し、FE-SEM観察で測定した。
炭素被膜量の測定:熱分析装置(リガク社製、Thermo Plus EVO2)を用いて大気中にて重量損失を測って計算した。
Claims (10)
- 酸化ケイ素含有粒子をコアとし、シリコンオキシカーバイド含有相をシェル層とするコアシェル複合構造体を有し、前記シェル層は、平均厚みが5nmから500nmであり、ラマンスペクトルにおいて、炭素元素のみで構成されるフリー炭素由来の炭素構造のGバンドとDバンドに帰属する1590cm-1と1330cm-1付近の散乱ピークを有し、それらの散乱ピークの強度比I(Gバンド)/I(Dバンド)が、0.7から2である二次電池用活物質。
- 前記酸化ケイ素含有粒子の平均粒径が1μm以上20μm以下である請求項1に記載の二次電池用活物質。
- X線回折において2θが28.4°付近のSi(111)に帰属されるピークを有する請求項1に記載の二次電池用活物質。
- 比表面積が0.3m2/g以上10m2/g以下である請求項1に記載の二次電池用活物質。
- 前記シリコンオキシカーバイド含有相は更に窒素原子を含む請求項1に記載の二次電池用活物質。
- 前記コアシェル複合構造体の表面に炭素被膜を有し、前記コアシェル複合構造体の全体質量を100質量%として、炭素被膜量が1質量%以上10質量%以下である請求項1に記載の二次電池用活物質。
- 前記コアシェル複合構造体が、Li、K、Na、Ca、MgおよびAlからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属のシリケート化合物を有する請求項1に記載の二次電池用活物質。
- 下記(1)から(3)の工程を含む酸化ケイ素含有粒子をコアとし、シリコンオキシカーバイド含有相をシェル層とするコアシェル複合構造体を有し、前記シェル層は、平均厚みが5nmから500nmである二次電池用活物質の製造方法。
(1)前記シェル層作製用前駆体を得る工程
(2)前記酸化ケイ素含有粒子の表面に前記シェル層作製用前駆体を塗布および乾燥する工程
(3)不活性ガス雰囲気中、焼成温度900℃から1300℃で高温焼成して二次電池用活物質を得る工程 - さらに下記(4)の工程を含む請求項8に記載の二次電池用活物質の製造方法。
(4)化学気相蒸着装置内で、熱分解性炭素源ガスとキャリア不活性ガスフローの中、
700℃から1000℃の温度範囲にて炭素被膜で被覆して負極活物質を得る工程 - 請求項1に記載の二次電池用活物質を負極に含む二次電池。
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