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JP7601745B2 - Method for producing porous silicon material, porous silicon material and power storage device - Google Patents
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Method for producing porous silicon material, porous silicon material and power storage device Download PDF

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Description

本明細書では、多孔質シリコン材料の製造方法、多孔質シリコン材料及び蓄電デバイスを開示する。 This specification discloses a method for producing a porous silicon material, a porous silicon material, and an electricity storage device.

従来、シリコンの負極材料において、塊状のSiを70質量部とAl粉末を30質量部混合したのちアルゴン雰囲気下で合金溶湯と、ヘリウムガスによるガスアトマイズ法で粒子化したのち、塩酸でAlを除去して得られた多孔質シリコンが提案されている(例えば、特許文献1参照)。この多孔質シリコンでは、充放電時の活物質体積の膨張収縮による微粉化、集電体からの活物質の剥離や導電材との接触の欠如を完全に抑制することができるとしている。また、シリコン材料の製造方法としては、Mg、Co、Cr、Cu、Feなどを含む中間合金元素と、SiとのSi合金を、所定の溶湯元素を含む溶湯中で中間合金元素と溶湯元素とを置換した第2相とSi微粒子とに分離させ、第2相を除去することによって、多孔質シリコン材料を得るものが提案されている(例えば、特許文献2参照)。この多孔質シリコン材料では、高容量と高サイクル特性を有するものとすることができるとしている。 Conventionally, a porous silicon has been proposed as a silicon anode material, in which 70 parts by mass of lump Si and 30 parts by mass of Al powder are mixed, and then granulated by gas atomization using alloy melt and helium gas under an argon atmosphere, and then Al is removed with hydrochloric acid (see, for example, Patent Document 1). It is said that this porous silicon can completely suppress pulverization due to expansion and contraction of the active material volume during charging and discharging, peeling of the active material from the current collector, and lack of contact with the conductive material. In addition, as a method for producing a silicon material, a method has been proposed in which an intermediate alloy element containing Mg, Co, Cr, Cu, Fe, etc. and a Si alloy of Si are separated into a second phase in which the intermediate alloy element and the molten metal element are replaced in a molten metal containing a predetermined molten metal element, and Si fine particles, and the second phase is removed to obtain a porous silicon material (see, for example, Patent Document 2). It is said that this porous silicon material can have high capacity and high cycle characteristics.

特開2004-214054号公報JP 2004-214054 A 特開2012-82125号公報JP 2012-82125 A

しかしながら、上述の特許文献1の製造方法では、SiとAlとを含む合金を用いて多孔化しているが、Siの膨張収縮に基づく不具合の抑制に対しては、まだ十分ではなかった。特許文献2の多孔質シリコン材料の製造方法では、中間合金元素を含むシリコン合金を溶融し、所定の溶湯元素を含む溶湯中で置換する、即ち高温での処理が必要であり、簡便な製造工程が求められていた。 However, in the manufacturing method of Patent Document 1, an alloy containing Si and Al is used to make the material porous, but this is still insufficient in suppressing defects caused by the expansion and contraction of Si. In the manufacturing method of the porous silicon material of Patent Document 2, a silicon alloy containing an intermediate alloy element is melted and replaced with a molten metal containing a specified molten metal element, i.e., high-temperature processing is required, and a simple manufacturing process is required.

本開示は、このような課題に鑑みなされたものであり、充放電特性の低下をより抑制することができる多孔質シリコン材料の製造方法、多孔質シリコン材料及び蓄電デバイスを提供することを主目的とする。 The present disclosure has been made in consideration of these problems, and has as its main objective the provision of a method for producing a porous silicon material, a porous silicon material, and an electricity storage device that can further suppress the deterioration of charge/discharge characteristics.

上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、AlとTiとを含むシリコン合金を作製し、Alを含む化合物を除去すると、充放電特性の低下をより抑制することができる多孔質シリコン材料を得ることができることを見いだし、本開示の多孔質シリコン材料の製造方法、多孔質シリコン材料及び蓄電デバイスを完成するに至った。 As a result of intensive research to achieve the above-mentioned object, the inventors discovered that by producing a silicon alloy containing Al and Ti and removing the compound containing Al, a porous silicon material can be obtained that can further suppress the deterioration of the charge-discharge characteristics, and thus completed the manufacturing method for the porous silicon material, the porous silicon material, and the electricity storage device disclosed herein.

即ち、本開示の多孔質シリコン材料の製造方法は、
SiとTiとAlとの全体を100at%としたときに、Tiを5at%以上15at%以下の範囲で含み、Alを10at%以上50at%以下の範囲で含み、残部をSiとする原料を溶融し急冷凝固させシリコン合金の前駆体を得る前駆体工程と、
前記シリコン合金に含まれるAl成分を除去して多孔質シリコン材料を得る多孔化工程と、
を含むものである。
That is, the method for producing the porous silicon material of the present disclosure includes:
a precursor process for obtaining a precursor of a silicon alloy by melting and rapidly solidifying a raw material containing Ti in a range of 5 at % to 15 at % and Al in a range of 10 at % to 50 at % and the remainder being Si, where the total of Si, Ti and Al is 100 at %;
a porosity forming step of removing an Al component contained in the silicon alloy to obtain a porous silicon material;
It includes.

本開示の多孔質シリコン材料は、
水銀圧入法で求めた細孔径の分布範囲が1nm以上250nm以下の範囲であり、空隙を有する三次元網目構造の骨格状シリコンを含み、SiTi化合物及び/又はAlSiTi化合物を含み、平均空隙率が10体積%以上50体積%以下の範囲であるものである。
The porous silicon material of the present disclosure comprises:
The pore size distribution range determined by mercury intrusion porosimetry is in the range of 1 nm to 250 nm, the skeletal silicon has a three-dimensional mesh structure having voids, the SiTi compound and/or the AlSiTi compound, and the average porosity is in the range of 10 vol. % to 50 vol. %.

本開示の蓄電デバイスは、
正極活物質を含む正極と、
上述した多孔質シリコン材料を負極活物質として含む負極と、
前記正極と前記負極との間に介在しリチウムイオンを伝導するイオン伝導媒体と、
を備えたものである。
The electricity storage device of the present disclosure comprises:
a positive electrode including a positive electrode active material;
A negative electrode containing the above-mentioned porous silicon material as a negative electrode active material;
an ion conductive medium interposed between the positive electrode and the negative electrode and conducting lithium ions;
It is equipped with the following:

本開示は、Siを含む材料において、充放電特性の低下をより抑制することができる。このような効果が得られる理由は以下のように推察される。例えば、リチウムイオン二次電池用シリコン負極は、理論容量が4199mAh/gであり、一般的な黒鉛の理論容量372mAh/gに比べ約10倍の値を示し、さらなる高容量化、高エネルギー密度化が期待されている。一方で、リチウムイオンを吸蔵したシリコンはLi4.4Siであり、リチウム吸蔵前のシリコンに対して約4倍まで体積が膨張する。本開示では、シリコン、シリコンチタンおよびアルミシリコンチタン化合物以外の元素あるいは化合物を選択的に溶解して、細孔サイズが小さく、空隙率の大きい多孔質シリコンを生産できる。シリコン、シリコンチタンおよびアルミシリコンチタン化合物以外の元素あるいは化合物を除去するだけで、大規模な設備が必要なく、大気中で容易に多孔質シリコンを提供可能である。また、得られた多孔質シリコン材料は、シリコンチタン化合物やアルミシリコンチタン化合物で強化された籠状シリコン骨格を有し、かつ平均細孔径が250nm以下である。このように細孔サイズは小さく、空隙率が大きく、さらに骨格が強化された多孔質シリコン材料は、リチウムイオン電池などの蓄電デバイスに用いた場合、体積の膨張・収縮が緩和され、サイクル特性を向上するなど、性能の高い蓄電デバイスを容易に得ることができる。 The present disclosure can further suppress the deterioration of charge/discharge characteristics in materials containing Si. The reason for obtaining such an effect is presumed to be as follows. For example, the theoretical capacity of a silicon negative electrode for a lithium ion secondary battery is 4199 mAh/g, which is about 10 times the theoretical capacity of 372 mAh/g of general graphite, and further high capacity and high energy density are expected. On the other hand, silicon that has absorbed lithium ions is Li 4.4 Si, and its volume expands to about four times that of silicon before lithium absorption. In the present disclosure, elements or compounds other than silicon, silicon titanium, and aluminum silicon titanium compounds are selectively dissolved to produce porous silicon with small pore size and large porosity. By simply removing elements or compounds other than silicon, silicon titanium, and aluminum silicon titanium compounds, porous silicon can be easily provided in the atmosphere without the need for large-scale equipment. In addition, the obtained porous silicon material has a cage-shaped silicon skeleton reinforced with silicon titanium compounds and aluminum silicon titanium compounds, and has an average pore diameter of 250 nm or less. Such porous silicon materials with small pore size, high porosity, and reinforced skeletons make it easy to obtain high-performance electricity storage devices such as lithium-ion batteries by mitigating volume expansion and contraction and improving cycle characteristics.

10at%TiにおけるAl-Si-Ti状態図。Al-Si-Ti phase diagram at 10 at % Ti. 60at%SiにおけるAl-Si-Ti状態図。Al-Si-Ti phase diagram at 60 at% Si. 蓄電デバイス10の構造の一例を示す説明図。FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example of the structure of the electricity storage device 10. 実験例3の多孔質シリコンの表面SEM像。1 is a SEM image of the surface of the porous silicon of Experimental Example 3. 実験例3の多孔質シリコンの断面SEM像。1 is a cross-sectional SEM image of porous silicon of Experimental Example 3. 実験例1の酸処理後のXRD測定結果。1 shows XRD measurement results after acid treatment in Experimental Example 1. 実験例2の酸処理後のXRD測定結果。13 shows XRD measurement results after acid treatment in Experimental Example 2. 実験例3の酸処理後のXRD測定結果。13 shows XRD measurement results after acid treatment in Experimental Example 3. 実験例3の多孔質シリコン材料の細孔分布曲線。3 is a pore distribution curve of the porous silicon material of Experimental Example 3.

(多孔質シリコン材料の製造方法)
本開示の多孔質シリコン材料の製造方法は、前駆体工程と、多孔化工程とを含む。前駆体工程では、SiとAlとTiとを含む原料を溶融し急冷凝固させシリコン合金の前駆体を得る処理を行う。多孔化工程では、シリコン合金に含まれるAl成分を除去して多孔質シリコン材料を得る処理を行う。まず、原料組成について説明する。
(Method of Producing Porous Silicon Material)
The manufacturing method of the porous silicon material of the present disclosure includes a precursor process and a porosity process. In the precursor process, a raw material containing Si, Al, and Ti is melted and rapidly solidified to obtain a precursor of a silicon alloy. In the porosity process, the Al component contained in the silicon alloy is removed to obtain a porous silicon material. First, the raw material composition will be described.

図1は、10at%TiにおけるAl-Si-Ti状態図である。図2は、60at%SiにおけるAl-Si-Ti状態図である。一般的に、共晶系A-B合金の平衡状態図において、液相線が極小となる共晶組成の融液を凝固させると、A相とB相とが繊維状(ラメラ状)に相分離した共晶組織が形成される。このとき、形成されるラメラ組織のサイズは、冷却速度が速いほど細かくなり、1000℃/s以上の冷却速度では、ナノサイズの組織が形成される。この共晶組織から、酸処理によりA元素のみを選択除去することができれば、共晶組織を特徴としたB元素からなる材料を得ることができる。微細構造は、共晶組成付近でA元素とB元素との組成を調整することで変化し、B元素からなる晶出相が連結した構造を有する多孔体となる。合金中のA元素としてAlを、B元素としてSiおよびTiを考えると、Al-Si-Tiの三元共晶組成近傍では、SiTi化合物、AlSiTi化合物、Siが晶出するともに、初晶のAl、AlTi化合物が晶出あるいは析出することが平衡状態図からわかる。凝固組織はSiTi化合物、AlSiTi化合物、AlTi化合物、共晶Si、初晶Si、初晶Alからなるラメラ組織を形成する。酸に溶出する化合物としては、初晶Al、AlTi化合物が挙げられるため、酸処理後の構造は、残存するSiTi化合物、AlSiTi化合物、共晶Si、初晶Siからなる骨格状の多孔体が得られるものと推察される。 Figure 1 is an Al-Si-Ti phase diagram at 10 at% Ti. Figure 2 is an Al-Si-Ti phase diagram at 60 at% Si. In general, when a melt of a eutectic composition with a minimum liquidus line in the equilibrium diagram of a eutectic A-B alloy is solidified, a eutectic structure is formed in which the A phase and the B phase are separated into fibers (lamellae). At this time, the size of the lamellar structure formed becomes finer as the cooling rate increases, and a nano-sized structure is formed at a cooling rate of 1000°C/s or more. If only the A element can be selectively removed from this eutectic structure by acid treatment, a material consisting of the B element characterized by a eutectic structure can be obtained. The microstructure changes by adjusting the composition of the A element and the B element near the eutectic composition, resulting in a porous body having a structure in which the crystallized phase consisting of the B element is connected. Considering Al as the A element in the alloy and Si and Ti as the B element, the equilibrium diagram shows that near the Al-Si-Ti ternary eutectic composition, SiTi compounds, AlSiTi compounds, and Si crystallize, while primary crystal Al and AlTi compounds crystallize or precipitate. The solidification structure forms a lamellar structure consisting of SiTi compounds, AlSiTi compounds, AlTi compounds, eutectic Si, primary crystal Si, and primary crystal Al. Compounds that dissolve in acid include primary crystal Al and AlTi compounds, so it is presumed that the structure obtained after acid treatment will be a skeletal porous body consisting of the remaining SiTi compounds, AlSiTi compounds, eutectic Si, and primary crystal Si.

(前駆体工程)
前駆体工程では、SiとTiとAlとの全体を100at%としたときに、Tiを5at%以上15at%以下の範囲で含み、Alを10at%以上50at%以下の範囲で含み、残部をSiとする原料を用いることが好ましい。なお、原料には、不可避的不純物を含むものとしてもよい。不可避的不純物としては、Si,Ti、Alのいずれかの精製の際に不可避的に残存する成分であり、例えば、FeやC、Cu、Ni、Pなどが挙げられる。不可避的不純物は、より少ないことが好ましく、例えば、SiとTiとAlとの全体を100at%としたときに、5at%以下が好ましく、2at%以下がより好ましい。Tiの配合比は、例えば、6at%以上が好ましく、7.5at%以上としてもよい。また、Tiの配合比は、14at%以下が好ましく、12.5at%以下としてもよい。Alの配合比は、50at%以下が好ましく、50at%未満がより好ましく、40at%以下が更に好ましく、30at%以下としてもよい。また、Alの配合比は、10at%以上が好ましく、15at%以上がより好ましく、20at%以上としてもよい。AlやTiをこのような範囲で含むシリコン合金では、空隙率をより高めると共に、より好適な形状、サイズの空隙を得ることができ好ましい。Alの含有量が多いと、溶融して合金としたあと、急速冷却するとAlの単相が大きく析出するので、多くの空隙を形成させることができる。この冷却速度は、より急冷であることが好ましく、例えば、溶融状態から102℃/s以上108℃/s以下の範囲としてもよい。
(Precursor Process)
In the precursor process, it is preferable to use a raw material containing Ti in the range of 5 at% to 15 at% and Al in the range of 10 at% to 50 at% and the remainder being Si, when the total of Si, Ti and Al is 100 at%. The raw material may contain unavoidable impurities. The unavoidable impurities are components that inevitably remain during the purification of any of Si, Ti and Al, and examples thereof include Fe, C, Cu, Ni and P. It is preferable that the amount of unavoidable impurities is as small as possible, and for example, when the total of Si, Ti and Al is 100 at%, it is preferably 5 at% or less, and more preferably 2 at% or less. The compounding ratio of Ti is, for example, preferably 6 at% or more, and may be 7.5 at% or more. The compounding ratio of Ti is preferably 14 at% or less, and may be 12.5 at% or less. The compounding ratio of Al is preferably 50 at% or less, more preferably less than 50 at%, further preferably 40 at% or less, and may be 30 at% or less. The compounding ratio of Al is preferably 10 at% or more, more preferably 15 at% or more, and may be 20 at% or more. In a silicon alloy containing Al or Ti in such a range, the porosity can be further increased and voids of a more suitable shape and size can be obtained, which is preferable. If the content of Al is high, when the alloy is melted to form an alloy and then rapidly cooled, a single phase of Al is largely precipitated, so that many voids can be formed. This cooling rate is preferably more rapid, and may be, for example, in the range of 10 2 ° C./s to 10 8 ° C./s from the molten state.

この工程において、原料を溶解する場合は、Arなど不活性ガス雰囲気中の高周波るつぼ溶解が好ましいが、いかなる溶解手法を用いても構わない。前駆体工程では、原料から得られた合金を粒子化するものとしてもよい。この粒子化処理では、シリコン合金の原料の溶湯を金型に鋳造して、得られたインゴットを破砕して粒子化するものとしてもよい。また、シリコン合金を粒子化する方法は、シリコン合金の溶湯をガスアトマイズ法、水アトマイズ法及びロール急冷法などのうち1以上としてもよい。ガスアトマイズ法及び水アトマイズ法では合金粉末が得られる。一方、ロール急冷法では薄帯合金が得られることから、その後粉砕して粉末にするものとしてもよい。ロール急冷法で得られた粉末は合金組織が微細となるため、溶出処理後に微細な細孔を有する多孔質シリコンを得ることができる。このうち、シリコン合金を粒子化する方法は、ガスアトマイズ法がより好ましい。ガスアトマイズでは、溶湯とする際にAr雰囲気で行うことが好ましく、粒子化の際は、ArやHe雰囲気下で行うことが好ましい。 In this process, when the raw material is melted, high-frequency crucible melting in an inert gas atmosphere such as Ar is preferable, but any melting method may be used. In the precursor process, the alloy obtained from the raw material may be granulated. In this granulation process, the molten metal of the silicon alloy raw material may be cast into a mold, and the obtained ingot may be crushed and granulated. In addition, the method of granulating the silicon alloy may be one or more of the gas atomization method, water atomization method, and roll quenching method. In the gas atomization method and the water atomization method, an alloy powder is obtained. On the other hand, in the roll quenching method, a thin strip alloy is obtained, so that it may be crushed and powdered after that. Since the powder obtained by the roll quenching method has a fine alloy structure, porous silicon having fine pores can be obtained after the elution process. Of these, the gas atomization method is more preferable as the method of granulating the silicon alloy. In the gas atomization, it is preferable to perform the molten metal in an Ar atmosphere, and it is preferable to perform the granulation in an Ar or He atmosphere.

前駆体工程では、平均粒径が0.1μm以上100μm以下の範囲でシリコン合金を粒子化することが好ましい。この粒子は、例えば、平均粒径が0.5μm以上10μm以下であることが好ましく、1μm以上5μm以下がより好ましく、1μm以上3μm以下が更に好ましい。シリコン合金の粒子は、蓄電デバイスに求められる特性に応じて適宜選択すればよい。ここで、粒子の平均粒径は、走査型電子顕微鏡(SEM)で粒子を観察し、各粒子の長径をその粒子の直径として集計し、粒子数で除算して平均した値として求めるものとする。この粒子化処理で得られた粒子は、最終的に得ようとする多孔質粒子の集合体の平均粒径となる。 In the precursor process, it is preferable to granulate the silicon alloy to an average particle size in the range of 0.1 μm to 100 μm. For example, the average particle size of the particles is preferably 0.5 μm to 10 μm, more preferably 1 μm to 5 μm, and even more preferably 1 μm to 3 μm. The silicon alloy particles may be appropriately selected according to the characteristics required for the power storage device. Here, the average particle size of the particles is determined by observing the particles with a scanning electron microscope (SEM), tallying up the major axis of each particle as the diameter of the particle, and dividing the average value by the number of particles. The particles obtained by this granulation process will be the average particle size of the aggregate of porous particles to be finally obtained.

この前駆体工程では、AlとTiとSiとに加えCa、Cu、Mg、Na、Sr及びPのうち1以上を含む第2元素を含む原料を用いてもよい。このうち、第2元素としては、Ca、Na及びSrのうち1以上が好ましい。第2元素は、AlやTiの含有量よりも少ないことが好ましく、例えば、シリコン合金の全体に対して、10質量%以下の範囲が好ましく、5質量%以下の範囲より好ましい。 In this precursor process, a raw material containing Al, Ti, and Si as well as a second element containing one or more of Ca, Cu, Mg, Na, Sr, and P may be used. Of these, the second element is preferably one or more of Ca, Na, and Sr. The content of the second element is preferably less than the content of Al and Ti, and is preferably in the range of 10 mass% or less, more preferably 5 mass% or less, relative to the entire silicon alloy.

(多孔化工程)
多孔化工程では、上記作製したシリコン合金の粒子からSi以外の物質を除去する処理を行う。Si以外の物質としては、例えば、Alやその化合物、Tiやその化合物などが挙げられる。この工程では、酸又はアルカリによってAl成分、即ちAl相やその化合物を選択的に除去することが好ましい。用いる酸またはアルカリは、シリコン合金中のシリコン以外の元素及び/又は化合物を溶出し、シリコンが溶出されないものが好ましく、塩酸、硫酸、水酸化ナトリウムなどが挙げられる。この酸又はアルカリは、水溶液とすることが好ましい。酸又はアルカリの濃度は、Alやその化合物、Tiやその化合物を除去できる範囲であれば特に限定されず、例えば、1mol/L以上5mol/L以下の範囲などにすることができる。この除去処理は、例えば、30℃~60℃で加温するものとしてもよい。また、除去処理は、シリコン合金の粒子を酸又はアルカリ溶液に浸漬し、1~5時間程度で撹拌を行うことがこのましい。得られた多孔質シリコン材料は、その後、洗浄および乾燥を行う。
(Porosification process)
In the porosity forming step, a process is performed to remove substances other than Si from the silicon alloy particles produced above. Examples of substances other than Si include Al and its compounds, Ti and its compounds, etc. In this process, it is preferable to selectively remove the Al component, i.e., the Al phase and its compounds, using an acid or alkali. The acid or alkali used is preferably one that dissolves elements and/or compounds other than silicon in the silicon alloy and does not dissolve silicon, and examples of such acids include hydrochloric acid, sulfuric acid, and sodium hydroxide. This acid or alkali is preferably an aqueous solution. The concentration of the acid or alkali is not particularly limited as long as it is within a range that can remove Al and its compounds, Ti and its compounds, and can be, for example, in the range of 1 mol/L to 5 mol/L. This removal process may be performed by heating at, for example, 30°C to 60°C. In addition, the removal process is preferably performed by immersing the silicon alloy particles in an acid or alkali solution and stirring for about 1 to 5 hours. The obtained porous silicon material is then washed and dried.

多孔化工程では、Si以外の物質を85質量%以上100質量%以下の範囲で除去するものとしてもよい。例えば、AlやTi、その他の酸素などは、残存しても構わないが、電極活物質として利用する際には、充放電容量の観点からは、より少ない方が好ましい。また、AlやTiなどの成分は、シリコン骨格を補強し、耐久性向上の観点からは、所定量以上含まれることが、好ましい。この工程では、SiTi化合物及び/又はAlSiTi化合物を含む多孔質シリコン材料を得るものとしてもよい。SiTi化合物としては、例えば、SixTiy(x、yは任意の数)としてもよく、Si3Ti5やSi4Ti5などが挙げられる。また、AlSiTi化合物としては、例えば、AlaSibTic化合物(a、b、cは任意の数)としてもよく、Ti33Al15Si52(τ)などが挙げられる。SiTi化合物やAlSiTi化合物は、酸又はアルカリに難溶であるものとしてもよい。 In the porous forming process, substances other than Si may be removed in the range of 85 mass% to 100 mass%. For example, Al, Ti, other oxygen, etc. may remain, but when used as an electrode active material, it is preferable that they are less in terms of charge/discharge capacity. In addition, components such as Al and Ti are preferably contained in a predetermined amount or more in terms of reinforcing the silicon skeleton and improving durability. In this process, a porous silicon material containing a SiTi compound and/or an AlSiTi compound may be obtained. Examples of SiTi compounds include Si x Ti y (x and y are arbitrary numbers), such as Si 3 Ti 5 and Si 4 Ti 5. Examples of AlSiTi compounds include Al a Si b Ti c compounds (a, b, and c are arbitrary numbers), such as Ti 33 Al 15 Si 522 ). The SiTi compound or AlSiTi compound may be one that is poorly soluble in acid or alkali.

多孔化工程では、Si,SiTi化合物及びAlSiTi化合物の全体を100質量%としたときに、SiTi化合物を10質量%以下の範囲で含有する多孔質シリコン材料を得ることが好ましい。また、多孔質シリコン材料において、SiTi化合物は、0.5質量%以上含有することが好ましく、1質量%以上含有するものとしてもよい。また、多孔質シリコン材料において、SiTi化合物は、7.5質量%以下含有することが好ましく、5質量%以下含有するものとしてもよい。また、この工程では、Si,SiTi化合物及びAlSiTi化合物の全体を100質量%としたときに、AlSiTi化合物を50質量%以下の範囲で含有する多孔質シリコン材料を得ることが好ましい。また、多孔質シリコン材料において、AlSiTi化合物は、1質量%以上含有することが好ましく、5質量%以上含有するものとしてもよい。また、多孔質シリコン材料において、AlSiTi化合物は、40質量%以下含有することが好ましく、30質量%以下含有するものとしてもよい。この工程では、Si3Ti5及びTi33Al15Si52が残存する多孔質シリコン材料を得ることが好ましい。 In the porosity forming step, it is preferable to obtain a porous silicon material containing SiTi compounds in a range of 10 mass% or less when the total of Si, SiTi compounds and AlSiTi compounds is 100 mass%. In addition, in the porous silicon material, it is preferable to contain SiTi compounds in an amount of 0.5 mass% or more, and it may be contained in an amount of 1 mass% or more. In addition, in the porous silicon material, it is preferable to contain SiTi compounds in an amount of 7.5 mass% or less, and it may be contained in an amount of 5 mass% or less. In addition, in this step, it is preferable to obtain a porous silicon material containing AlSiTi compounds in a range of 50 mass% or less when the total of Si, SiTi compounds and AlSiTi compounds is 100 mass%. In addition, in the porous silicon material, it is preferable to contain AlSiTi compounds in an amount of 1 mass% or more, and it may be contained in an amount of 5 mass% or more. In addition, in the porous silicon material, it is preferable to contain AlSiTi compounds in an amount of 40 mass% or less, and it may be contained in an amount of 30 mass% or less. This step preferably results in a porous silicon material in which Si 3 Ti 5 and Ti 33 Al 15 Si 52 remain.

多孔化工程では、平均空隙率が10体積%以上50体積%以下の範囲の多孔質シリコン材料を得るものとしてもよい。この平均空隙率は、水銀ポロシメータで測定した値とする。この平均空隙率は、例えば、15体積%以上であることが好ましく、20体積%以上としてもよい。また、平均空隙率は、例えば、50体積%未満であることが好ましく、49体積%以下がより好ましく、40体積%以下や30体積%以下であるものとしてもよい。平均空隙率は、より大きいとキャリアイオンの吸蔵時の体積変化に応答しやすく、より小さいと単位体積あたりに存在するSi量が多くなり、好ましい。 In the porosification process, a porous silicon material having an average porosity in the range of 10 volume % to 50 volume % may be obtained. This average porosity is a value measured with a mercury porosimeter. This average porosity is preferably 15 volume % or more, and may be 20 volume % or more, for example. The average porosity is preferably less than 50 volume %, more preferably 49 volume % or less, and may be 40 volume % or less or 30 volume % or less, for example. A larger average porosity is more responsive to volume changes when carrier ions are absorbed, and a smaller average porosity is preferable because it increases the amount of Si present per unit volume.

(多孔質シリコン材料)
本開示の多孔質シリコン材料は、上述した製造方法で作製されたものとしてもよい。ここでは、多孔質シリコン材料の各物性などについて、上述した製造方法と同様であるものとしてその詳細な説明を省略する。この多孔質シリコン材料は、水銀圧入法で求めた細孔径の分布範囲が1nm以上500nm以下の範囲であるものとする。この細孔径は、10nm以上としてもよいし、50nm以上としてもよいし、100nm以上としてもよい。また、この細孔径は、250nm以下が好ましく、200nm以下としてもよいし、150nm以下としてもよい。この多孔質シリコン材料において、水銀圧入法で求めた平均細孔径は、5nm以上500nm以下の範囲としてもよいし、10nm以上250nm以下の範囲としてもよい。
(Porous silicon material)
The porous silicon material of the present disclosure may be one produced by the above-mentioned manufacturing method. Here, the detailed description of each physical property of the porous silicon material is omitted, assuming that it is the same as the above-mentioned manufacturing method. The porous silicon material has a pore size distribution range of 1 nm to 500 nm as determined by mercury intrusion porosimetry. The pore size may be 10 nm or more, 50 nm or more, or 100 nm or more. The pore size is preferably 250 nm or less, may be 200 nm or less, or may be 150 nm or less. In the porous silicon material, the average pore size as determined by mercury intrusion porosimetry may be in the range of 5 nm to 500 nm, or may be in the range of 10 nm to 250 nm.

多孔質シリコン材料は、空隙を有する三次元網目構造の骨格状シリコンを含み、SiTi化合物及び/又はAlSiTi化合物を含む。このSiTi化合物及びAlSiTi化合物は、シリコン骨格の補強を担うものと推察される。この多孔質シリコン材料は、SiTi化合物を10質量%以下の範囲で含有することが好ましい。また、多孔質シリコン材料は、AlSiTi化合物を50質量%以下の範囲で含有することが好ましい。このSiTi化合物及びAlSiTi化合物は、骨格の補強を補う観点からはより多いことが好ましく、蓄電デバイスの充放電容量の観点からはより少ないことが好ましい。 The porous silicon material contains skeletal silicon with a three-dimensional network structure having voids, and contains SiTi compounds and/or AlSiTi compounds. It is presumed that the SiTi compounds and AlSiTi compounds are responsible for reinforcing the silicon skeleton. The porous silicon material preferably contains SiTi compounds in the range of 10 mass% or less. The porous silicon material preferably contains AlSiTi compounds in the range of 50 mass% or less. It is preferable that the amount of the SiTi compounds and AlSiTi compounds is higher from the viewpoint of supplementing the reinforcement of the skeleton, and it is preferable that the amount is lower from the viewpoint of the charge/discharge capacity of the power storage device.

多孔質シリコン材料は、平均空隙率が10体積%以上50体積%以下の範囲である。この平均空隙率は、40体積%以下であることが好ましく、35体積%以下であることがより好ましく、30体積%以下としてもよい。また、平均空隙率は、15体積%以上であることが好ましく、20体積%以上であることがより好ましく、25体積%以上としてもよい。この平均空隙率は、材料の体積変化の観点からはより大きいことが好ましく、蓄電デバイスの充放電容量の観点からはより少ないことが好ましい。この平均空隙率は、水銀ポロシメータで測定した値とする。 The porous silicon material has an average porosity in the range of 10 volume % or more and 50 volume % or less. This average porosity is preferably 40 volume % or less, more preferably 35 volume % or less, and may be 30 volume % or less. The average porosity is preferably 15 volume % or more, more preferably 20 volume % or more, and may be 25 volume % or more. From the viewpoint of the volume change of the material, it is preferable that this average porosity is larger, and from the viewpoint of the charge/discharge capacity of the electricity storage device, it is preferable that this average porosity is smaller. This average porosity is a value measured with a mercury porosimeter.

多孔質シリコン材料は、平均粒径が0.1μm以上であることが好ましく、1μm以上がより好ましく、5μm以上としてもよい。また、この粒子は、平均粒径が10μm以下が好ましく、5μm以下がより好ましく、3μm以下が更に好ましい。この多孔質シリコン材料は、酸素や不可避的不純物を除き、Si、Al及びTiの全体を100at%としたときに、Siを70at%以上含むことが好ましい。このSiの含有率は、75at%以上がより好ましく、80at%以上が更に好ましく、85at%以上としてもよい。Siの含有率は、充放電容量の観点からはより高いことが好ましく、相対的な骨格補強の観点からはより低いものとしてもよい。Alの含有率は、0.5at%以上15at%以下の範囲が好ましく、12.5at%以下が好ましく、10at%以下がより好ましく、7.5at%以下としてもよい。また、Alの含有率は、1at%以上がより好ましく、2at%以上がより好ましく、2.5at%以上としてもよい。Tiの含有率は、0.5at%以上25at%以下の範囲が好ましい。Tiの含有率は、20at%以下がより好ましく、17.5at%以下が更に好ましく、17at%以下としてもよい。また、Tiの含有率は、1at%以上がより好ましく、5at%以上がより好ましく、10at%以上が更に好ましく、12%以上としてもよい。AlやTiの含有率は、骨格の補強を補う観点からはより多いことが好ましく、充放電しない成分であるため、蓄電デバイスの充放電容量の観点からはより少ないことが好ましい。更に、多孔質シリコン材料は、15質量%以下の範囲で第2元素としてのCa、Cu、Mg、Na、Sr及びPのうち1以上を含むものとしてもよい。また、多孔質シリコン材料は、Si,Al,Tiの他に、不可避的不純物を含むものとしてもよい。なお、第2元素や不可避的不純物は、より少ないことが好ましい。 The porous silicon material preferably has an average particle size of 0.1 μm or more, more preferably 1 μm or more, and may be 5 μm or more. The particles preferably have an average particle size of 10 μm or less, more preferably 5 μm or less, and even more preferably 3 μm or less. The porous silicon material preferably contains 70 at% or more of Si when the total of Si, Al, and Ti is 100 at%, excluding oxygen and unavoidable impurities. The Si content is more preferably 75 at% or more, even more preferably 80 at% or more, and may be 85 at% or more. The Si content is preferably higher from the viewpoint of charge/discharge capacity, and may be lower from the viewpoint of relative skeletal reinforcement. The Al content is preferably in the range of 0.5 at% to 15 at%, more preferably 12.5 at% or less, more preferably 10 at% or less, and may be 7.5 at% or less. The Al content is more preferably 1 at% or more, more preferably 2 at% or more, and may be 2.5 at% or more. The Ti content is preferably in the range of 0.5 at% or more and 25 at% or less. The Ti content is more preferably 20 at% or less, even more preferably 17.5 at% or less, and may be 17 at% or less. The Ti content is more preferably 1 at% or more, more preferably 5 at% or more, even more preferably 10 at% or more, and may be 12% or more. The Al and Ti contents are preferably higher from the viewpoint of supplementing the reinforcement of the skeleton, and are preferably lower from the viewpoint of the charge/discharge capacity of the power storage device, since they are components that do not charge or discharge. Furthermore, the porous silicon material may contain one or more of Ca, Cu, Mg, Na, Sr, and P as the second element in the range of 15 mass% or less. The porous silicon material may also contain unavoidable impurities in addition to Si, Al, and Ti. It is preferable that the second element and the unavoidable impurities are less.

(蓄電デバイス用電極)
蓄電デバイス用電極は、上述した多孔質シリコン材料を電極活物質として備えたものである。この電極は、電極活物質の電位に対して対極の電位に基づいて正極又は負極のいずれかとなるが、リチウムをキャリアとする場合、負極とすることが好ましい。この電極は、例えば、リチウムイオン二次電池、ハイブリッドキャパシタ、空気電池などに利用することができる。蓄電デバイス用電極は、多孔質シリコン材料の平均空隙率が5体積%以上50体積%以下の範囲に圧縮されているものとしてもよい。この電極では、作製時に圧縮することにより、多孔質シリコン材料の空隙率が減少したものとしてもよい。例えば、多孔質シリコンの粒子をリチウムイオン二次電池の負極活物質として用いる場合、細孔が小さいほどリチウムイオンが合金化する際に、均一に合金化するため、応力集中が減少し、電極そのものの劣化を防ぐことが可能となる。この圧縮後の多孔質シリコン材料の平均空隙率は、蓄電デバイス用電極に求められる特性に応じて適宜調整すればよく、例えば、5体積%以上や、10体積%以上としてもよい。また、この圧縮後の多孔質シリコン材料の平均空隙率は、例えば、30体積%以下や、20体積%以下としてもよい。
(Electrodes for Electricity Storage Devices)
The electrode for the power storage device is provided with the porous silicon material described above as an electrode active material. This electrode is either a positive electrode or a negative electrode based on the potential of the counter electrode relative to the potential of the electrode active material, but when lithium is used as a carrier, it is preferable to use the electrode as a negative electrode. This electrode can be used, for example, in lithium ion secondary batteries, hybrid capacitors, air batteries, etc. The electrode for the power storage device may be one in which the average porosity of the porous silicon material is compressed to a range of 5 volume % or more and 50 volume % or less. In this electrode, the porosity of the porous silicon material may be reduced by compressing it during production. For example, when porous silicon particles are used as the negative electrode active material of a lithium ion secondary battery, the smaller the pores are, the more uniform the alloying of lithium ions is, so that stress concentration is reduced and deterioration of the electrode itself can be prevented. The average porosity of the porous silicon material after compression may be appropriately adjusted according to the characteristics required for the electrode for the power storage device, and may be, for example, 5 volume % or more or 10 volume % or more. The average porosity of the compressed porous silicon material may be, for example, 30 vol. % or less, or 20 vol. % or less.

蓄電デバイス用電極は、集電体上に上述した多孔質シリコン材料を形成し、集電体上に固着したものとしてもよい。この電極は、多孔質シリコン材料を必要に応じて導電材や結着材と溶媒に混合しペースト状にして集電体上に塗布する工程か、多孔質シリコン材料を必要に応じて導電材や結着材と混合して集電体に圧着する工程により作製することができる。この電極において、多孔質シリコン材料の含有量は、より多いことが好ましく、70質量%以上が好ましく、80質量%以上がより好ましく、85質量%以上が更に好ましい。導電材は、電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば特に限定されず、例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛)や人造黒鉛などの黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウィスカ、ニードルコークス、炭素繊維、金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金など)などの1種又は2種以上を混合したものを用いることができる。結着材は、活物質粒子及び導電材粒子を繋ぎ止める役割を果たすものであり、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレンプロピレンジエンゴム(EPDM)、スルホン化EPDMゴム、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。溶媒としては、例えばN-メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチレントリアミン、N,N-ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフランなどの有機溶剤を用いることができる。また、水に分散剤、増粘剤等を加え、SBRなどのラテックスで活物質をスラリー化してもよい。塗布方法としては、例えば、アプリケータロールなどのローラコーティング、スクリーンコーティング、ドクターブレイド方式、スピンコーティング、バーコータなどが挙げられ、これらのいずれかを用いて任意の厚さ・形状とすることができる。集電体は、活物質の電位などに応じて適宜選択すればよいが、例えば、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、銅、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラスなどのほか、接着性、導電性及び耐酸化性向上の目的で、アルミニウムや銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀などで処理したものを用いることができる。これらについては、表面を酸化処理することも可能である。集電体の形状については、箔状、フィルム状、シート状、ネット状、パンチ又はエキスパンドされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の形成体などが挙げられる。集電体の厚さは、例えば1~500μmのものが用いられる。活物質複合体の形成量は、蓄電デバイスに求められる所望の性能に応じて適宜設定すればよい。 The electrode for the power storage device may be formed by forming the porous silicon material on a current collector and fixing it to the current collector. This electrode can be produced by mixing the porous silicon material with a conductive material or a binder in a solvent as necessary to form a paste and applying it to the current collector, or by mixing the porous silicon material with a conductive material or a binder as necessary and pressing it onto the current collector. In this electrode, the content of the porous silicon material is preferably higher, preferably 70% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, and even more preferably 85% by mass or more. The conductive material is not particularly limited as long as it is an electronic conductive material that does not adversely affect the battery performance, and for example, a mixture of one or more of graphite such as natural graphite (scale graphite, scale graphite) and artificial graphite, acetylene black, carbon black, ketjen black, carbon whisker, needle coke, carbon fiber, and metal (copper, nickel, aluminum, silver, gold, etc.) can be used. The binder plays a role of binding the active material particles and the conductive material particles, and can be, for example, fluorine-containing resins such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), fluorine rubber, or thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, ethylene propylene diene rubber (EPDM), sulfonated EPDM rubber, natural butyl rubber (NBR), etc., used alone or as a mixture of two or more kinds. In addition, a cellulose-based aqueous binder or an aqueous dispersion of styrene butadiene rubber (SBR) can also be used. As the solvent, for example, an organic solvent such as N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethylenetriamine, N,N-dimethylaminopropylamine, ethylene oxide, or tetrahydrofuran can be used. In addition, a dispersant, a thickener, etc. can be added to water, and the active material can be slurried with latex such as SBR. Examples of application methods include roller coating such as applicator rolls, screen coating, doctor blade method, spin coating, bar coater, etc., and any of these can be used to form any thickness and shape. The current collector may be appropriately selected depending on the potential of the active material, and may be, for example, aluminum, titanium, stainless steel, nickel, iron, copper, baked carbon, conductive polymer, conductive glass, or aluminum or copper whose surface is treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc. for the purpose of improving adhesion, conductivity, and oxidation resistance. The surfaces of these materials may also be subjected to oxidation treatment. Examples of the shape of the current collector include foil, film, sheet, net, punched or expanded, lath, porous, foamed, and fiber group formed bodies. The thickness of the current collector is, for example, 1 to 500 μm. The amount of the active material complex formed may be appropriately set depending on the desired performance required for the power storage device.

この電極において、電極活物質は、低拘束圧と容量維持率との両立が可能な範囲において、多孔質シリコン材料に加えて、多孔質シリコン材料以外の活物質が含まれていてもよい。例えば、電極活物質として、炭素質材料やLi4Ti512などが含まれていてもよい。ただし、電池容量を一層増大させる観点から、電極活物質全体を100質量%として、例えば、多孔質シリコン材料が50質量%以上、好ましくは90質量%以上を占めることが好ましい。 In this electrode, the electrode active material may contain an active material other than the porous silicon material in addition to the porous silicon material, within a range in which both a low confining pressure and a capacity retention rate can be achieved. For example, the electrode active material may contain a carbonaceous material or Li4Ti5O12 . However, from the viewpoint of further increasing the battery capacity, it is preferable that the porous silicon material accounts for, for example, 50 mass% or more , preferably 90 mass% or more, of the entire electrode active material as 100 mass%.

(蓄電デバイス)
本開示の蓄電デバイスは、上述した多孔質シリコン材料を有する電極を備えたものである。この蓄電デバイスは、正極と、負極と、正極及び負極の間に介在しキャリアイオンを伝導するイオン伝導媒体と、を備えたものとしてもよい。多孔質シリコン材料は、負極活物質として用いることができる。この蓄電デバイスは、リチウムイオン二次電池、ハイブリッドキャパシタ、空気電池などのうちいずれかであるものとしてもよい。正極において、正極活物質としては、遷移金属元素を含む硫化物や、リチウムと遷移金属元素とを含む酸化物などを用いることができる。具体的には、TiS2、TiS3、MoS3、FeS2などの遷移金属硫化物、基本組成式をLi(1-x)MnO2(0<x<1など、以下同じ)やLi(1-x)Mn24などとするリチウムマンガン複合酸化物、基本組成式をLi(1-x)CoO2などとするリチウムコバルト複合酸化物、基本組成式をLi(1-x)NiO2などとするリチウムニッケル複合酸化物、基本組成式をLi(1-x)NiaCobMnc2(a+b+c=1)などとするリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物、基本組成式をLiV23などとするリチウムバナジウム複合酸化物、基本組成式をV25などとする遷移金属酸化物などを用いることができる。これらのうち、リチウムの遷移金属複合酸化物、例えば、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、Li(1-x)Ni1/3Co1/3Mn1/32などが好ましい。なお、「基本組成式」とは、AlやMgなど他の元素を含んでもよい趣旨である。あるいは、正極活物質は、キャパシタやリチウムイオンキャパシタなどに用いられている炭素質材料としてもよい。炭素質材料としては、例えば、活性炭類、コークス類、ガラス状炭素類、黒鉛類、難黒鉛化性炭素類、熱分解炭素類、炭素繊維類、カーボンナノチューブ類、ポリアセン類などが挙げられる。このうち、高比表面積を示す活性炭類が好ましい。炭素質材料としての活性炭は、比表面積が1000m2/g以上であることが好ましく、1500m2/g以上であることがより好ましい。比表面積が1000m2/g以上では、放電容量をより高めることができる。この活性炭の比表面積は、作製の容易性から3000m2/g以下であることが好ましく、2000m2/g以下であることがより好ましい。正極に用いられる導電材や結着材、溶媒、集電体などは、上述した電極で例示したものを適宜利用することができる。
(Electricity storage device)
The electricity storage device of the present disclosure includes an electrode having the porous silicon material described above. The electricity storage device may include a positive electrode, a negative electrode, and an ion-conducting medium that is interposed between the positive electrode and the negative electrode and conducts carrier ions. The porous silicon material can be used as the negative electrode active material. The electricity storage device may be any of a lithium ion secondary battery, a hybrid capacitor, and an air battery. In the positive electrode, a sulfide containing a transition metal element, an oxide containing lithium and a transition metal element, or the like can be used as the positive electrode active material. Specifically, transition metal sulfides such as TiS2 , TiS3 , MoS3 , and FeS2 , lithium manganese composite oxides having a basic composition formula such as Li (1-x) MnO2 (0<x<1, etc., the same applies below) and Li (1 -x ) Mn2O4 , lithium cobalt composite oxides having a basic composition formula such as Li( 1-x ) CoO2 , lithium nickel composite oxides having a basic composition formula such as Li(1- x ) NiO2 , lithium nickel cobalt manganese composite oxides having a basic composition formula such as Li(1-x ) NiaCobMncO2 (a+b+c=1) , lithium vanadium composite oxides having a basic composition formula such as LiV2O3 , and transition metal oxides having a basic composition formula such as V2O5 can be used. Among these, lithium transition metal composite oxides, such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , and Li (1-x) Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2, are preferred. The term "basic composition formula" means that other elements such as Al and Mg may be included. Alternatively, the positive electrode active material may be a carbonaceous material used in capacitors and lithium ion capacitors. Examples of carbonaceous materials include activated carbons, cokes, glassy carbons, graphites, non-graphitizable carbons, pyrolytic carbons, carbon fibers, carbon nanotubes, and polyacenes. Among these, activated carbons exhibiting a high specific surface area are preferred. The activated carbon as the carbonaceous material preferably has a specific surface area of 1000 m 2 /g or more, and more preferably 1500 m 2 /g or more. When the specific surface area is 1000 m2 /g or more, the discharge capacity can be further increased. From the viewpoint of ease of preparation, the specific surface area of the activated carbon is preferably 3000 m2 /g or less, and more preferably 2000 m2 /g or less. The conductive material, binder, solvent, current collector, etc. used in the positive electrode can be appropriately selected from those exemplified in the above-mentioned electrode.

イオン伝導媒体としては、支持塩を含む非水系電解液や非水系ゲル電解液などを用いることができる。非水電解液の溶媒としては、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ニトリル類、フラン類、スルホラン類及びジオキソラン類などが挙げられ、これらを単独又は混合して用いることができる。具体的には、カーボネート類としてエチレンカーボネートやプロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネートなどの環状カーボネート類や、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチル-n-ブチルカーボネート、メチル-t-ブチルカーボネート、ジ-i-プロピルカーボネート、t-ブチル-i-プロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート類、γ-ブチルラクトン、γ-バレロラクトンなどの環状エステル類、ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酪酸メチルなどの鎖状エステル類、ジメトキシエタン、エトキシメトキシエタン、ジエトキシエタンなどのエーテル類、アセトニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル類、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフラン、などのフラン類、スルホラン、テトラメチルスルホランなどのスルホラン類、1,3-ジオキソラン、メチルジオキソランなどのジオキソラン類などが挙げられる。このうち、環状カーボネート類と鎖状カーボネート類との組み合わせが好ましい。この組み合わせによると、充放電の繰り返しでの電池特性を表すサイクル特性が優れているばかりでなく、電解液の粘度、得られる電池の電気容量、電池出力などをバランスの取れたものとすることができる。支持塩は、例えば、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO22、LiC(CF3SO23、LiSbF6、LiSiF6、LiAlF4、LiSCN、LiClO4、LiCl、LiF、LiBr、LiI、LiAlCl4などが挙げられる。このうち、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4などの無機塩、及びLiCF3SO3、LiN(CF3SO22、LiC(CF3SO23などの有機塩からなる群より選ばれる1種又は2種以上の塩を組み合わせて用いることが電気特性の点から見て好ましい。この支持塩は、非水電解液中の濃度が0.1mol/L以上5mol/L以下であることが好ましく、0.5mol/L以上2mol/L以下であることがより好ましい。支持塩を溶解する濃度が0.1mol/L以上では、十分な電流密度を得ることができ、5mol/L以下では、電解液をより安定させることができる。また、この非水電解液には、リン系、ハロゲン系などの難燃剤を添加してもよい。 The ion-conducting medium may be a non-aqueous electrolyte solution containing a supporting salt, a non-aqueous gel electrolyte solution, etc. Examples of the solvent for the non-aqueous electrolyte solution include carbonates, esters, ethers, nitriles, furans, sulfolanes, and dioxolanes, which may be used alone or in combination. Specific examples of carbonates include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, vinylene carbonate, butylene carbonate, and chloroethylene carbonate; chain carbonates such as dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl-n-butyl carbonate, methyl-t-butyl carbonate, di-i-propyl carbonate, and t-butyl-i-propyl carbonate; cyclic esters such as γ-butyl lactone and γ-valerolactone; chain esters such as methyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, and methyl butyrate; ethers such as dimethoxyethane, ethoxymethoxyethane, and diethoxyethane; nitriles such as acetonitrile and benzonitrile; furans such as tetrahydrofuran and methyltetrahydrofuran; sulfolanes such as sulfolane and tetramethylsulfolane; and dioxolanes such as 1,3-dioxolane and methyldioxolane. Among these, a combination of cyclic carbonates and chain carbonates is preferred. This combination not only provides excellent cycle characteristics, which represent the battery characteristics during repeated charging and discharging, but also provides a well-balanced electrolyte viscosity, battery capacity, battery output, etc. Examples of supporting salts include LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, LiC(CF3SO2)3 , LiSbF6 , LiSiF6 , LiAlF4 , LiSCN , LiClO4 , LiCl , LiF , LiBr, LiI , and LiAlCl4 . Among these, it is preferable to use one or more salts selected from the group consisting of inorganic salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , and LiClO 4 and organic salts such as LiCF 3 SO 3 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , and LiC(CF 3 SO 2 ) 3 in combination from the viewpoint of electrical properties. The concentration of this supporting salt in the non-aqueous electrolyte is preferably 0.1 mol/L or more and 5 mol/L or less, and more preferably 0.5 mol/L or more and 2 mol/L or less. When the concentration at which the supporting salt is dissolved is 0.1 mol/L or more, a sufficient current density can be obtained, and when it is 5 mol/L or less, the electrolyte can be more stabilized. In addition, a phosphorus-based, halogen-based, or other flame retardant may be added to this non-aqueous electrolyte.

また、液状のイオン伝導媒体の代わりに、固体のイオン伝導性ポリマーをイオン伝導媒体として用いることもできる。イオン伝導性ポリマーとしては、例えば、アクリロニトリル、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、メチルメタクリレート、ビニルアセテート、ビニルピロリドン、フッ化ビニリデンなどのポリマーと支持塩とで構成されるポリマーゲルを用いることができる。更に、イオン伝導性ポリマーと非水系電解液とを組み合わせて用いることもできる。また、イオン伝導媒体としては、イオン伝導性ポリマーのほか、無機固体電解質あるいは有機ポリマー電解質と無機固体電解質の混合材料、若しくは有機バインダーによって結着された無機固体粉末などを利用することができる。 In addition, instead of a liquid ion-conducting medium, a solid ion-conducting polymer can be used as the ion-conducting medium. As the ion-conducting polymer, for example, a polymer gel composed of a polymer such as acrylonitrile, ethylene oxide, propylene oxide, methyl methacrylate, vinyl acetate, vinylpyrrolidone, vinylidene fluoride, and a supporting salt can be used. Furthermore, an ion-conducting polymer can be used in combination with a non-aqueous electrolyte. As the ion-conducting medium, in addition to an ion-conducting polymer, an inorganic solid electrolyte, a mixed material of an organic polymer electrolyte and an inorganic solid electrolyte, or an inorganic solid powder bound by an organic binder can be used.

蓄電デバイスは、負極と正極との間にセパレータを備えていてもよい。セパレータとしては、リチウム二次電池の使用範囲に耐えうる組成であれば特に限定されないが、例えば、ポリプロピレン製不織布やポリフェニレンスルフィド製不織布などの高分子不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂の薄い微多孔膜が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。 The power storage device may have a separator between the negative electrode and the positive electrode. The separator is not particularly limited as long as it has a composition that can withstand the range of use of lithium secondary batteries, but examples include polymer nonwoven fabrics such as polypropylene nonwoven fabrics and polyphenylene sulfide nonwoven fabrics, and thin microporous films of olefin resins such as polyethylene and polypropylene. These may be used alone or in combination.

この蓄電デバイスの形状は、特に限定されないが、例えばコイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型などが挙げられる。また、電気自動車等に用いる大型のものなどに適用してもよい。図3は、蓄電デバイス10の構造の一例を示す説明図である。この蓄電デバイス10は、正極12と、負極15と、イオン伝導媒体18とを有する。正極12は、正極活物質13と、集電体14とを有する。負極15は、負極活物質16と、集電体17とを有する。負極活物質16は、上述した多孔質シリコン材料21であり、空隙23を有する。 The shape of this electricity storage device is not particularly limited, but examples include coin type, button type, sheet type, laminated type, cylindrical type, flat type, and square type. It may also be applied to large devices used in electric vehicles and the like. FIG. 3 is an explanatory diagram showing an example of the structure of an electricity storage device 10. This electricity storage device 10 has a positive electrode 12, a negative electrode 15, and an ion conductive medium 18. The positive electrode 12 has a positive electrode active material 13 and a current collector 14. The negative electrode 15 has a negative electrode active material 16 and a current collector 17. The negative electrode active material 16 is the porous silicon material 21 described above, and has voids 23.

(全固体リチウムイオン二次電池)
この蓄電デバイスは、全固体リチウムイオン二次電池とすることが好ましい。全固体電池では、電解液による性能の変化をより抑制することができ、更に安全性を高めることができ好ましい。この全固体リチウムイオン二次電池は、正極活物質を含む正極と、上述した蓄電デバイス用電極である負極と、正極と負極との間に介在しリチウムイオンを伝導する固体電解質と、を備えたものとしてもよい。正極は、上述した蓄電デバイスに示したいずれかを用いることができる。また、負極は、上述した蓄電デバイス用電極を用いることができる。
(All-solid-state lithium-ion secondary battery)
The power storage device is preferably an all-solid-state lithium ion secondary battery. In the case of an all-solid-state battery, the change in performance due to the electrolyte can be further suppressed, and safety can be further improved, which is preferable. The all-solid-state lithium ion secondary battery may include a positive electrode containing a positive electrode active material, a negative electrode which is the above-mentioned electrode for the power storage device, and a solid electrolyte which is interposed between the positive electrode and the negative electrode and conducts lithium ions. The positive electrode may be any of those shown in the above-mentioned power storage device. The negative electrode may be the above-mentioned electrode for the power storage device.

固体電解質は、例えば、LiとLaとZrと少なくとも含むガーネット型酸化物としてもよい。この固体電解質は、基本組成がLi7.0+x-y(La3-x,Ax)(Zr2-y,Ty)O12であるものとしてもよい。但し、AはSr、Caのうち1種以上であり、TはNb、Taのうち1種以上であり、0<x≦1.0、0<y<0.75を満たすものである。あるいは、固体電解質は、基本組成(Li7-3z+x-yz)(La3-xx)(Zr2-yy)O12や、(Li7-3z+x-yz)(La3-xx)(Y2-yy)O12で表されるガーネット型酸化物であるものとしてもよい。但し、式中、元素MはAl,Gaのうち1以上、元素AはCa,Srのうち1以上、TはNb,Taのうち1以上であり、0≦z≦0.2、0≦x≦0.2、0≦y≦2であるものとしてもよい。この基本組成式において、0.05≦z≦0.1を満たすことがより好ましい。この基本組成式において、0.05≦x≦0.1を満たすことがより好ましい。また、この基本組成式において、0.1≦y≦0.8を満たすことがより好ましい。このような範囲では、イオン伝導度をより好適なものとすることができる。 The solid electrolyte may be, for example, a garnet-type oxide containing at least Li, La, and Zr. The solid electrolyte may have a basic composition of Li7.0+xy (La3 -x , Ax )(Zr2 -y , Ty ) O12 . However, A is one or more of Sr and Ca, and T is one or more of Nb and Ta, and satisfies 0<x≦1.0 and 0<y<0.75. Alternatively, the solid electrolyte may be a garnet-type oxide represented by a basic composition of ( Li7-3z+ xyMz )( La3-xAx ) ( Zr2 - yTy ) O12 or ( Li7-3z +xyMz)( La3 - xAx)(Y2- yTy ) O12 . However, in the formula, element M may be one or more of Al and Ga, element A may be one or more of Ca and Sr, and T may be one or more of Nb and Ta, and 0≦z≦0.2, 0≦x≦0.2, and 0≦y≦2 may be satisfied. In this basic composition formula, it is more preferable that 0.05≦z≦0.1 is satisfied. In this basic composition formula, it is more preferable that 0.05≦x≦0.1 is satisfied. In addition, it is more preferable that 0.1≦y≦0.8 is satisfied. In such a range, the ion conductivity can be more suitable.

あるいは、固体電解質としては、例えば、一般的な、Li3N、LISICONと呼ばれるLi14Zn(GeO44、硫化物のLi3.25Ge0.250.754、ペロブスカイト型のLa0.5Li0.5TiO3、(La2/3Li3x1/3-2x)TiO3(□:原子空孔)、ガーネット型のLi7La3Zr212、NASICON型と呼ばれるLiTi2(PO43、Li1.30.3Ti1.7(PO34(M=Sc,Al)などが挙げられる。また、ガラスセラミックスである80Li2S・20P25(mol%)組成のガラスから得られたLi7311、さらに硫化物系で高い導電率を持つ物質であるLi10Ge2PS2なども挙げられる。ガラス系無機固体電解質ではLi2S-SiS2、Li2S-SiS2-LiI、Li2S-SiS2-Li3PO4、Li2S-SiS2-Li4SiO4、Li2S-P25、Li3PO4-Li4SiO4、Li3BO4-Li4SiO4、そしてSiO2、GeO2、B23、P25をガラス系物質としてLi2Oを網目修飾物質とするものなどが挙げられる。また、チオリシコン固体電解質としてLi2S-GeS2系、Li2S-GeS2-ZnS系、Li2S-Ga22系、Li2S-GeS2-Ga23系、Li2S-GeS2-P25系、Li2S-GeS2-SbS5系、Li2S-GeS2-Al23系、Li2S-SiS2系、Li2S-P25系、Li2S-Al23系、LiS-SiS2-Al23系、Li2S-SiS2-P25系などが挙げられる。これらの固体電解質は、板状に形成して正極と負極との間に配置するものとしてもよい。 Alternatively, examples of solid electrolytes include common Li3N , Li14Zn ( GeO4 ) 4 known as LISICON, the sulfide Li3.25Ge0.25P0.75S4 , perovskite-type La0.5Li0.5TiO3 , ( La2 / 3Li3x1/3-2x ) TiO3 ( : atomic vacancy ), garnet-type Li7La3Zr2O12 , NASICON-type LiTi2 ( PO4 ) 3 , Li1.3M0.3Ti1.7 ( PO3 ) 4 ( M = Sc , Al ) , etc. Other examples include Li 7 P 3 S 11 obtained from glass having a composition of 80Li 2 S·20P 2 S 5 (mol %), which is a glass ceramic, and Li 10 Ge 2 PS 2 , which is a sulfide-based substance having high electrical conductivity. Examples of glass-based inorganic solid electrolytes include Li2S - SiS2 , Li2S - SiS2- LiI, Li2S - SiS2 - Li3PO4 , Li2S - SiS2 -Li4SiO4, Li2S - P2S5 , Li3PO4 - Li4SiO4 , Li3BO4 - Li4SiO4 , and those in which SiO2 , GeO2 , B2O3 , or P2O5 is the glass - based substance and Li2O is the network modifier . In addition, examples of thio-liquid oxide solid electrolytes include Li2S -GeS2 - based, Li2S -GeS2 - ZnS-based, Li2S- Ga2S2 - based, Li2S -GeS2 -Ga2S3-based, Li2S-GeS2 - P2S5 - based , Li2S - GeS2 - SbS5 - based, Li2S -GeS2- Al2S3 -based, Li2S - SiS2 - based, Li2S - P2S5 - based, Li2S - Al2S3 - based, LiS- SiS2 - Al2S3 - based , Li2S - SiS2 - P2S5 -based, and the like . These solid electrolytes may be formed into a plate shape and disposed between the positive electrode and the negative electrode.

また、全固体リチウムイオン二次電池は、正極、固体電解質及び負極を積層した積層体を積層方向に対して拘束する拘束部材を備えるものとしてもよい。この拘束部材は、例えば、積層体の積層方向の両端側から積層体を挟む1対の板状部と、1対の板状部を連結する棒状部と、棒状部に連結されネジ構造等によって1対の板状部の間隔を調整する調整部とを備えるものとしてもよい。 The all-solid-state lithium-ion secondary battery may also include a restraining member that restrains the stack of the positive electrode, solid electrolyte, and negative electrode in the stacking direction. This restraining member may include, for example, a pair of plate-shaped parts that sandwich the stack from both ends of the stack in the stacking direction, a rod-shaped part that connects the pair of plate-shaped parts, and an adjustment part that is connected to the rod-shaped part and adjusts the distance between the pair of plate-shaped parts by a screw structure or the like.

以上詳述したように、本開示は、Siを含む材料において、充放電特性の低下をより抑制することができる。このような効果が得られる理由は以下のように推察される。例えば、リチウムイオン二次電池用シリコン負極は、理論容量が4199mAh/gであり、一般的な黒鉛の理論容量372mAh/gに比べ約10倍の値を示し、さらなる高容量化、高エネルギー密度化が期待されている。一方で、リチウムイオンを吸蔵したシリコンはLi4.4Siであり、リチウム吸蔵前のシリコンに対して約4倍まで体積が膨張する。本開示によれば、シリコン合金に含まれる、シリコン以外のAl成分物質を溶解する酸またはアルカリを用いることによってこれを選択的に除去し、細孔サイズが小さく、空隙率の大きい多孔質シリコン材料を容易に生産できる。また、微細構造としてTiを含む化合物が含まれており、この化合物によってシリコン骨格が強化されるため、充放電の繰り返しによる骨格の変動に伴う容量劣化をより抑制することができる。このように細孔サイズが小さく、空隙率が大きい多孔質シリコン材料では、リチウムイオン二次電池などの蓄電デバイスに用いた場合、体積の膨張、収縮が大きく緩和されるため、例えば、充放電サイクル特性など充放電特性が向上するので、性能の高い蓄電デバイスを容易に得ることができる。 As described above in detail, the present disclosure can further suppress the deterioration of charge/discharge characteristics in materials containing Si. The reason for obtaining such an effect is presumed to be as follows. For example, the theoretical capacity of a silicon negative electrode for a lithium ion secondary battery is 4199 mAh/g, which is about 10 times the theoretical capacity of general graphite, 372 mAh/g, and further high capacity and high energy density are expected. On the other hand, silicon that has absorbed lithium ions is Li 4.4 Si, and its volume expands to about four times that of silicon before lithium absorption. According to the present disclosure, the Al component material other than silicon contained in the silicon alloy can be selectively removed by using an acid or alkali that dissolves it, and a porous silicon material with a small pore size and a large porosity can be easily produced. In addition, a compound containing Ti is included as a microstructure, and this compound strengthens the silicon skeleton, so that the capacity deterioration caused by the skeleton fluctuation due to repeated charging and discharging can be further suppressed. When a porous silicon material having such a small pore size and large porosity is used in an electricity storage device such as a lithium ion secondary battery, volume expansion and contraction is greatly alleviated, and therefore, for example, charge/discharge characteristics such as charge/discharge cycle characteristics are improved, making it easy to obtain a high-performance electricity storage device.

なお、本開示は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It goes without saying that the present disclosure is in no way limited to the above-described embodiments, and may be implemented in various forms as long as they fall within the technical scope of the present disclosure.

以下には、本開示の多孔質シリコンおよび蓄電デバイスを具体的に作製した例を実験例として説明する。実験例1~3が本開示の実施例であり、実験例4が比較例である。 Below, specific examples of the fabrication of the porous silicon and electricity storage device of the present disclosure are described as experimental examples. Experimental Examples 1 to 3 are working examples of the present disclosure, and Experimental Example 4 is a comparative example.

[多孔質シリコン材料の作製]
(実験例1)
10mm角の塊状のAlを45.5質量%と、塊状のSi及びスポンジ状Tiをそれぞれ37.7質量%、16.8質量%秤量して混合し、Ar不活性雰囲気中において高周波加熱法により溶解して合金溶湯とした。この合金溶湯をAr不活性ガスを用いたガスアトマイズ法によって平均粒径3μmのAlSiTi合金粉末を得た(前駆体工程)。急冷速度は、106℃/sとした。AlSiTi合金粉末は、Si、τ2(Ti33Al15Si52)、(Al,Si)3Ti、Si3Ti5およびAlを含むものであった。AlSiTi合金粉末は、原子組成にすると、Al-40at%Si-10at%Tiとなる。酸処理後の得られた粉末に対してX線回折を行ったところ、結晶質相としてのSi、(Al,Si)3TiおよびAl相及びSi相の存在が確認された。次に、得られた合金粉末を純水中に希釈した3mol/Lの塩酸に入れ、室温25℃で1時間攪拌したのち十分に洗浄しながら濾過し、30℃の真空乾燥炉で2時間乾燥した(多孔化工程)。このようにして、実験例1の多孔質シリコン材料を作製した。
[Preparation of porous silicon material]
(Experimental Example 1)
45.5% by mass of 10 mm square lump Al, 37.7% by mass of lump Si and 16.8% by mass of sponge-like Ti were weighed and mixed, and melted in an Ar inert atmosphere by high-frequency heating to obtain a molten alloy. This molten alloy was gas atomized using Ar inert gas to obtain an AlSiTi alloy powder with an average particle size of 3 μm (precursor process). The quenching rate was 10 6 ° C./s. The AlSiTi alloy powder contained Si, τ 2 (Ti 33 Al 15 Si 52 ), (Al, Si) 3 Ti, Si 3 Ti 5 , and Al. The atomic composition of the AlSiTi alloy powder was Al-40 at % Si-10 at % Ti. When the powder obtained after the acid treatment was subjected to X-ray diffraction, the presence of Si, (Al, Si) 3 Ti, and Al phase and Si phase as crystalline phases was confirmed. Next, the obtained alloy powder was placed in 3 mol/L hydrochloric acid diluted in pure water, stirred at room temperature of 25° C. for 1 hour, filtered while being thoroughly washed, and dried in a vacuum drying oven at 30° C. for 2 hours (porosity forming step). In this manner, the porous silicon material of Experimental Example 1 was produced.

(実験例2)
Alを47.2質量%、Siを19質量%、スポンジTiを16.6質量%を用いた以外は上記実験例1と同様にして実験例2の多孔質シリコン材料を作製した。原子組成にするとAl-50at%Si-10at%Tiである。実験例1と同様の条件で酸処理を行い、実験例2の多孔質シリコン材料とした。
(Experimental Example 2)
A porous silicon material of Experimental Example 2 was produced in the same manner as in Experimental Example 1, except that 47.2 mass% Al, 19 mass% Si, and 16.6 mass% sponge Ti were used. The atomic composition was Al-50 at% Si-10 at% Ti. An acid treatment was carried out under the same conditions as in Experimental Example 1 to produce the porous silicon material of Experimental Example 2.

(実験例3)
Alを56質量%、Siを56.2質量%、スポンジTiを16.7質量%を用いた以外は上記実験例1と同様にして実験例3の多孔質シリコン材料を作製した。原子組成にするとAl-60at%Si-10at%Tiである。実験例1と同様の条件で酸処理を行い、実験例3の多孔質シリコン材料とした。
(Experimental Example 3)
A porous silicon material of Experimental Example 3 was produced in the same manner as in Experimental Example 1, except that 56 mass% of Al, 56.2 mass% of Si, and 16.7 mass% of sponge Ti were used. The atomic composition was Al-60 at% Si-10 at% Ti. An acid treatment was carried out under the same conditions as in Experimental Example 1 to produce the porous silicon material of Experimental Example 3.

(実験例4)
平均粒径が5μmのSi粉末を実験例4のシリコン材料とした。
(Experimental Example 4)
The silicon material in Experimental Example 4 was a Si powder having an average particle size of 5 μm.

(多孔質シリコン材料の物性測定)
酸処理後の多孔質シリコン粉末をHFとHNO3とで溶解し、ICP発光分光分析(ICP-OES,日立ハイテクサイエンス製PS3520UVDDII II)で元素分析を行った。また、走査電子顕微鏡(SEM,HITACHI製S-4300)およびエネルギー分散型X線分析(EDAX,HITACHI製S-4300)で観察、元素分析を行った。また、水銀ポロシメータ(カンタクローム製POWERMASTER60GT)で細孔分布を測定した。
(Physical property measurement of porous silicon materials)
The acid-treated porous silicon powder was dissolved in HF and HNO3 , and elemental analysis was performed using ICP optical emission spectroscopy (ICP-OES, Hitachi High-Tech Science PS3520UVDDII II). In addition, observation and elemental analysis were performed using a scanning electron microscope (SEM, Hitachi S-4300) and energy dispersive X-ray analysis (EDAX, Hitachi S-4300). In addition, the pore distribution was measured using a mercury porosimeter (Quantachrome POWERMASTER 60GT).

(結果と考察)
図4は、実験例3の多孔質シリコンの表面SEM像であり、図5は、実験例3の多孔質シリコンの断面SEM像である。図4に示すように、酸処理によって、Si合金から初晶AlなどのAl成分が溶出し、多孔質シリコン粒子になっていることが確認された。また、図5に示すように、その粒子断面を観察すると、Siの三次元網目構造の骨格状シリコン上にSiTi化合物及びAlSiTi化合物が析出した構造が確認された。シリコン化合物中の初晶AlやAl化合物を酸で溶出させることにより、ボイドを形成し、多孔質シリコン粒子が得られることがわかった。
(Results and Discussion)
Fig. 4 is a surface SEM image of the porous silicon of Experimental Example 3, and Fig. 5 is a cross-sectional SEM image of the porous silicon of Experimental Example 3. As shown in Fig. 4, it was confirmed that Al components such as primary crystal Al were dissolved from the Si alloy by the acid treatment to form porous silicon particles. Furthermore, as shown in Fig. 5, when the cross section of the particle was observed, a structure in which SiTi compounds and AlSiTi compounds were precipitated on skeletal silicon of a three-dimensional network structure of Si was confirmed. It was found that voids were formed by dissolving primary crystal Al and Al compounds in the silicon compound with acid, and porous silicon particles were obtained.

図6は、実験例1の酸処理後のXRD測定結果である。図7は、実験例2の酸処理後のXRD測定結果である。図8は、実験例3の酸処理後のXRD測定結果である。酸処理後において、実験例1、2ではSi、τ(Ti33Al15Si52)が検出され、実験例3では、Si、τ(Ti33Al15Si52)、Si3Ti5相が検出された。おそらく、酸処理によって、Al相や(Al,Si)3Tiが溶出され、この部分が細孔となったものと推察された。 Fig. 6 shows the XRD measurement results after the acid treatment in Experimental Example 1. Fig. 7 shows the XRD measurement results after the acid treatment in Experimental Example 2. Fig. 8 shows the XRD measurement results after the acid treatment in Experimental Example 3. After the acid treatment, Si, τ2 ( Ti33Al15Si52 ) was detected in Experimental Examples 1 and 2 , and Si, τ2 ( Ti33Al15Si52 ) and Si3Ti5 phases were detected in Experimental Example 3. It was presumed that the Al phase and (Al,Si) 3Ti were dissolved by the acid treatment, and these portions became pores.

図9は、実験例3の多孔質シリコン材料の水銀ポロシメーターによる細孔分布曲線である。水銀ポロシメータでは粒子間の空隙も検出されるため、酸処理前のアトマイズ粉末から粒子間空隙を求めて、細孔部分の細孔径、細孔容積を求めた。図4、図5に示すSEM画像から求めた細孔サイズは、数nm~約200nmであると算出された。水銀ポロシメータから求めた多孔質シリコン材料の細孔分布は5~200nmの範囲にあり、SEMから求められた範囲と同等であった。実験例3の水銀ポロシメータで求めた細孔サイズは、80nm近傍で最も多く、平均細孔サイズは61nmであり、空隙率は29体積%であった。また、実験例1,2では、それぞれ、平均細孔サイズが85nm、76nmであり、空隙率が47体積%、37体積%であった。Alの配合組成が減少するほど、空隙率や平均細孔径が減少する傾向を示した。 Figure 9 shows the pore distribution curve of the porous silicon material of Experimental Example 3 measured by a mercury porosimeter. Since the mercury porosimeter also detects voids between particles, the voids between particles were measured from the atomized powder before the acid treatment, and the pore diameter and pore volume of the pores were obtained. The pore size measured from the SEM images shown in Figures 4 and 5 was calculated to be several nm to about 200 nm. The pore distribution of the porous silicon material measured by the mercury porosimeter was in the range of 5 to 200 nm, which was equivalent to the range measured by the SEM. The pore size measured by the mercury porosimeter in Experimental Example 3 was most common in the vicinity of 80 nm, the average pore size was 61 nm, and the porosity was 29 vol.%. In Experimental Examples 1 and 2, the average pore size was 85 nm and 76 nm, and the porosity was 47 vol.% and 37 vol.%, respectively. As the Al blend composition decreased, the porosity and average pore size tended to decrease.

実験例1~4の原料の元素組成(at%)、酸処理後の元素組成(at%)、化合物組成比(Si、τ(Ti33Al15Si52)、Si3Ti5相)(mol%)、水銀圧入法による空隙率(体積%)および平均細孔サイズ(nm)を表1にまとめた。酸処理後にAl及びAlTi化合物は溶解され、Siが主であり、τ及び/又はSi3Ti5相の構造体となった。実験例1~3では、化合物組成は、Siが60~87mol、Si3Ti5が0~4mol、τ(Ti33Al15Si52)が9~40molの範囲内であった。また、実験例1~3の空隙率は、29~47体積%であり、平均細孔径は61nm~85nmであり、高い多孔性を有することがわかった。 Table 1 shows the elemental composition (at%) of the raw material in Experimental Examples 1 to 4, the elemental composition (at%) after the acid treatment, the compound composition ratio (Si, τ 2 (Ti 33 Al 15 Si 52 ), Si 3 Ti 5 phase) (mol%), the porosity (volume%) by the mercury intrusion method, and the average pore size (nm). After the acid treatment, Al and AlTi compounds were dissolved, and Si was the main component, resulting in a structure of τ 2 and/or Si 3 Ti 5 phase. In Experimental Examples 1 to 3, the compound composition was in the range of 60 to 87 mol of Si, 0 to 4 mol of Si 3 Ti 5 , and 9 to 40 mol of τ 2 (Ti 33 Al 15 Si 52 ). In addition, the porosity of Experimental Examples 1 to 3 was 29 to 47 vol% and the average pore size was 61 nm to 85 nm, indicating high porosity.

Figure 0007601745000001
Figure 0007601745000001

(非水系電解液を用いたリチウム二次電池の作製)
実験例1~4の各々のシリコン材料を負極活物質とし、これを60質量%、導電材として平均粒径2μmのアセチレンブラックを20質量%、結着材としてのポリイミドを20質量%、秤量して混合し、N-メチルピロリドンを加えてから攪拌して負極合材スラリーを作製した。次に、このスラリーを厚さ20μmの銅箔上に塗布して乾燥し、これを圧延して厚さ50μmの負極電極を作製した。作製した負極電極を直径16mmの円形に打ち抜き、この負極電極に多孔質ポロエチレン製セパレータを挟んで対極として金属リチウムを重ねて積層体とした。続いて、フルオロエチレンカーボネート(FEC)/炭酸エチレン(EC)/炭酸ジメチル(DMC)/炭酸エチルメチル(EMC)を体積比で1.5:3:4:3で混合した混合溶媒に、LiPF6を1mol/Lの濃度で添加した電解液を上記積層体へ注液することにより、トムセル型小型電池セルであるリチウム二次電池を製造した。得られたリチウム二次電池に対して、電池電圧0.005V~1.5Vの範囲で0.2Cの電流密度による充放電を10サイクル繰り返し行った。
(Preparation of lithium secondary battery using non-aqueous electrolyte)
Each of the silicon materials of Experimental Examples 1 to 4 was used as the negative electrode active material, and 60% by mass of this, 20% by mass of acetylene black with an average particle size of 2 μm as a conductive material, and 20% by mass of polyimide as a binder were weighed and mixed, and N-methylpyrrolidone was added and stirred to prepare a negative electrode composite slurry. Next, this slurry was applied to a copper foil with a thickness of 20 μm, dried, and rolled to prepare a negative electrode with a thickness of 50 μm. The prepared negative electrode was punched out into a circle with a diameter of 16 mm, and a porous polyethylene separator was sandwiched between this negative electrode and metallic lithium was layered as a counter electrode to form a laminate. Next, an electrolyte solution in which LiPF6 was added at a concentration of 1 mol/L to a mixed solvent of fluoroethylene carbonate (FEC)/ethylene carbonate (EC)/dimethyl carbonate (DMC)/ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of 1.5:3:4:3 was injected into the laminate to produce a lithium secondary battery, which is a Tom cell type small battery cell. The resulting lithium secondary battery was repeatedly charged and discharged for 10 cycles at a current density of 0.2 C in a battery voltage range of 0.005 V to 1.5 V.

(非水系電解液を用いたリチウム二次電池の特性)
実験例1~4の初回放電容量(mAh/g)、10サイクル後の放電容量(mAh/g)及び容量維持率(%)をまとめて表2に示した。容量維持率は、1サイクル目の放電容量Q1と、10サイクル目の放電容量Q10とを用い、Q10/Q1×100の式から求めた。実験例1~3では、シリサイド相やτ相が存在し、Si相が相対的に少ないため、実験例4に比して初回放電容量は小さい傾向を示した。また、実験例1~3では、Al量の減少に応じて、放電容量が大きくなる傾向を示した。一方、実験例4は、10サイクル後には、容量維持率が28%と低下した。これは、空隙を有さないシリコン粒子では、体積変化を吸収することができず、電極に不具合が発生したものと推察された。一方、実験例1~3のリチウム二次電池では、容量維持率が98%以上と極めて良好な値を示し、電極が安定的であることがわかった。実験例1~3のように、空隙率が10~50体積%の範囲を示す多孔質シリコン材料に、更にTiを含む化合物相を有すると、Si骨格を補強することなどによってサイクル特性の低下をより抑制し、容量維持率を高めることができることがわかった。
(Characteristics of lithium secondary batteries using non-aqueous electrolyte)
Table 2 shows the initial discharge capacity (mAh/g), the discharge capacity after 10 cycles (mAh/g), and the capacity retention rate (%) of Experimental Examples 1 to 4. The capacity retention rate was calculated from the formula Q 10 /Q 1 ×100 using the discharge capacity Q 1 at the first cycle and the discharge capacity Q 10 at the tenth cycle. In Experimental Examples 1 to 3, the silicide phase and τ 2 phase were present, and the Si phase was relatively small, so the initial discharge capacity tended to be smaller than that of Experimental Example 4. In addition, in Experimental Examples 1 to 3, the discharge capacity tended to increase with the decrease in the Al amount. On the other hand, in Experimental Example 4, the capacity retention rate decreased to 28% after 10 cycles. This was presumed to be because the silicon particles without voids could not absorb the volume change, and a defect occurred in the electrode. On the other hand, in the lithium secondary batteries of Experimental Examples 1 to 3, the capacity retention rate was extremely good at 98% or more, and it was found that the electrodes were stable. As in Experimental Examples 1 to 3, it was found that when a porous silicon material having a porosity in the range of 10 to 50 volume % further contains a compound phase containing Ti, the deterioration of cycle characteristics can be further suppressed and the capacity retention rate can be increased by, for example, reinforcing the Si skeleton.

Figure 0007601745000002
Figure 0007601745000002

なお、本発明は上述した実験例に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It goes without saying that the present invention is in no way limited to the above-mentioned experimental examples, and can be implemented in various forms as long as they fall within the technical scope of the present invention.

本開示は、二次電池の技術分野に利用可能である。 This disclosure can be used in the field of secondary battery technology.

10 蓄電デバイス、12 正極、13 正極活物質、14 集電体、15 負極、16 負極活物質、17 集電体、18 イオン伝導媒体、21 多孔質シリコン材料、23 空隙。 10: power storage device, 12: positive electrode, 13: positive electrode active material, 14: current collector, 15: negative electrode, 16: negative electrode active material, 17: current collector, 18: ion conductive medium, 21: porous silicon material, 23: void.

Claims (9)

SiとTiとAlとの全体を100at%としたときに、Tiを5at%以上15at%以下の範囲で含み、Alを10at%以上50at%以下の範囲で含み、残部をSiとする原料を溶融し急冷凝固させシリコン合金の前駆体を得る前駆体工程と、
前記シリコン合金に含まれるAl成分を除去して多孔質シリコン材料を得る多孔化工程と、
を含む多孔質シリコン材料の製造方法。
a precursor process for obtaining a precursor of a silicon alloy by melting and rapidly solidifying a raw material containing Ti in a range of 5 at % to 15 at % and Al in a range of 10 at % to 50 at % and the remainder being Si, where the total of Si, Ti and Al is 100 at %;
a porosity forming step of removing an Al component contained in the silicon alloy to obtain a porous silicon material;
A method for producing a porous silicon material comprising:
前記多孔化工程では、酸又はアルカリによってAl成分を選択的に除去する、請求項1に記載の多孔質シリコン材料の製造方法。 The method for producing a porous silicon material according to claim 1, wherein the porosity-making step selectively removes the Al component using an acid or alkali. 前記多孔化工程では、SiTi化合物及び/又はAlSiTi化合物を含む前記多孔質シリコン材料を得る、請求項1又は2に記載の多孔質シリコン材料の製造方法。 The method for producing a porous silicon material according to claim 1 or 2, wherein the porous silicon material contains a SiTi compound and/or an AlSiTi compound in the porosity forming step. 前記多孔化工程では、平均空隙率が10体積%以上50体積%以下の範囲の前記多孔質シリコン材料を得る、請求項1~3のいずれか1項に記載の多孔質シリコン材料の製造方法。 The method for producing a porous silicon material according to any one of claims 1 to 3, wherein the porous silicon material has an average porosity in the range of 10% by volume or more and 50% by volume or less in the porosity forming step. 前記前駆体工程では、前記シリコン合金の溶湯をガスアトマイズ法、水アトマイズ法及びロール急冷法のうちいずれかの方法で平均粒径が0.1μm以上100μm以下の範囲に粒子化する、請求項1~4のいずれか1項に記載の多孔質シリコン材料の製造方法。 The method for producing a porous silicon material according to any one of claims 1 to 4, wherein in the precursor process, the molten silicon alloy is granulated to have an average particle size in the range of 0.1 μm to 100 μm by any one of gas atomization, water atomization, and roll quenching. 水銀圧入法で求めた細孔径の分布範囲が1nm以上500nm以下の範囲であり、空隙を有する三次元網目構造の骨格状シリコンを含み、SiTi化合物及び/又はAlSiTi化合物を含み、平均空隙率が10体積%以上50体積%以下の範囲である、
多孔質シリコン材料。
the pore size distribution range determined by mercury intrusion porosimetry is in the range of 1 nm to 500 nm, the skeletal silicon has a three-dimensional network structure having voids, the SiTi compound and/or the AlSiTi compound is contained, and the average porosity is in the range of 10 vol. % to 50 vol. %;
Porous silicon material.
前記SiTi化合物であるSi3Ti5を10質量%以下の範囲で含有し、前記AlSiTi化合物であるTi33Al15Si52を50質量%以下の範囲で含有する、請求項6に記載の多孔質シリコン材料。 7. The porous silicon material according to claim 6, wherein the SiTi compound Si3Ti5 is contained in an amount of 10 mass% or less, and the AlSiTi compound Ti33Al15Si52 is contained in an amount of 50 mass% or less. 平均空隙率が40体積%以下である、請求項6又は7に記載の多孔質シリコン材料。 The porous silicon material according to claim 6 or 7, having an average porosity of 40 volume % or less. 正極活物質を含む正極と、
請求項6~8のいずれか1項に記載の多孔質シリコン材料を負極活物質として含む負極と、
前記正極と前記負極との間に介在しリチウムイオンを伝導するイオン伝導媒体と、
を備えた蓄電デバイス。
a positive electrode including a positive electrode active material;
A negative electrode comprising the porous silicon material according to any one of claims 6 to 8 as a negative electrode active material;
an ion conductive medium interposed between the positive electrode and the negative electrode and conducting lithium ions;
A power storage device comprising:
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