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JP7765214B2 - Tin oxide particles - Google Patents
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JP7765214B2 - Tin oxide particles - Google Patents

Tin oxide particles

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JP7765214B2
JP7765214B2 JP2021129268A JP2021129268A JP7765214B2 JP 7765214 B2 JP7765214 B2 JP 7765214B2 JP 2021129268 A JP2021129268 A JP 2021129268A JP 2021129268 A JP2021129268 A JP 2021129268A JP 7765214 B2 JP7765214 B2 JP 7765214B2
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Description

本発明は、スズ酸化物粒子に関する。 The present invention relates to tin oxide particles.

リチウムイオン電池などのリチウム二次電池は、ノートパソコンや携帯電話といった携帯用電子機器の電源として利用されている。近年、これらの携帯用電子機器の高性能化や長寿命化に伴って、高容量化や、容量の長期間の維持などの電池性能の向上が望まれる。 Lithium secondary batteries, such as lithium-ion batteries, are used as power sources for portable electronic devices such as laptops and mobile phones. In recent years, as these portable electronic devices have become more powerful and have longer lifespans, there is a demand for improved battery performance, such as higher capacity and the ability to maintain capacity for long periods of time.

特許文献1には、薄くてコンパクトなセパレータを得ることを目的として、ポリエチレンフィルムの両面に酸化錫を分散したアクリル系粘着剤を塗布してなる電池用セパレータが開示されている。 Patent Document 1 discloses a battery separator made by applying an acrylic adhesive with dispersed tin oxide to both sides of a polyethylene film, with the aim of producing a thin, compact separator.

特許文献2には、電池の安全性確保を目的として、気孔部を有する多孔性基材と、無機物粒子及びバインダ高分子の混合物が該基材の少なくとも一面にコートされて形成された多孔性活性層とを備える分離膜が開示されている。この分離膜は、リチウム二次電池に適用可能であることも同文献に開示されている。 Patent Document 2 discloses a separator for ensuring battery safety, which includes a porous substrate with pores and a porous active layer formed by coating at least one surface of the substrate with a mixture of inorganic particles and a binder polymer. The document also discloses that this separator can be used in lithium secondary batteries.

特許文献3には、電池の内部短絡防止を目的として、相対的にリチウム吸収性の低い低吸収性無機フィラーと、相対的にリチウム吸収性の高い高吸収性無機フィラーとを含んで構成された多孔質絶縁層を備えるリチウム二次電池が開示されている。 Patent Document 3 discloses a lithium secondary battery equipped with a porous insulating layer containing a low-absorbency inorganic filler with relatively low lithium absorption and a high-absorbency inorganic filler with relatively high lithium absorption, with the aim of preventing internal short circuits in the battery.

特許文献4には、容量及び安全性の確保を目的として、正極と、負極と、セパレータと、所定の平面率及び屈折率を有する粒子を含む電解質とを備える電池が開示されている。 Patent Document 4 discloses a battery that includes a positive electrode, a negative electrode, a separator, and an electrolyte containing particles with a predetermined flatness and refractive index, with the aim of ensuring capacity and safety.

特許文献5には、過充電耐性を向上することを目的として、正極と、負極と、これらの電極の間に配されたセパレータと、電解質と、固体粒子とを備え、固体粒子が電極の所定の領域に配された電池が開示されている。 Patent Document 5 discloses a battery that has a positive electrode, a negative electrode, a separator disposed between these electrodes, an electrolyte, and solid particles, with the solid particles disposed in predetermined regions of the electrodes, with the aim of improving overcharge resistance.

特開平11-213979号公報Japanese Patent Application Publication No. 11-213979 特表2009-518809号公報Special Publication No. 2009-518809 特開2013-109866号公報JP 2013-109866 A 特開2015-090777号公報JP 2015-090777 A 特開2016-119213号公報JP 2016-119213 A

電池性能の向上には、充放電効率や容量だけでなく、レートや放電容量維持率等のサイクル特性など様々な要因が関係している。しかし、特許文献1~5に記載の粒子やフィラーを含むセパレータ、並びにこれを備える電池は、サイクル特性を向上することに関し何ら検討されていない。 Improving battery performance involves a variety of factors, including not only charge/discharge efficiency and capacity, but also cycle characteristics such as rate and discharge capacity retention. However, the separators containing particles or fillers described in Patent Documents 1 to 5, as well as the batteries equipped with such separators, do not address the issue of improving cycle characteristics.

したがって本発明の課題は、リチウムイオン電池用のセパレータに適用したときに、電池のサイクル特性を向上できるスズ酸化物粒子を提供することにある。 Therefore, the objective of the present invention is to provide tin oxide particles that, when applied to separators for lithium-ion batteries, can improve the cycle characteristics of the batteries.

本発明は、レーザー回折散乱式粒度分布測定法による累積体積90容量%における体積累積粒径D90が3μm以下であり、
レーザー回折散乱式粒度分布測定法による累積体積50容量%における体積累積粒径D50に対するBET比表面積S1の比(S1/D50)が10以上100以下であり、
リチウムイオン電池用セパレータに配されて用いられる、スズ酸化物粒子を提供するものである。
The present invention is characterized in that the volume cumulative particle size D90 at 90% by volume cumulative volume measured by a laser diffraction/scattering particle size distribution measurement method is 3 μm or less,
the ratio (S1/D50) of the BET specific surface area S1 to the volume cumulative particle size D50 at a cumulative volume of 50% by volume, as determined by a laser diffraction/scattering particle size distribution measurement method, is 10 or more and 100 or less;
The present invention provides tin oxide particles that are disposed in a separator for a lithium ion battery.

本発明によれば、リチウムイオン電池用のセパレータに適用したときに、電池のサイクル特性を向上できるスズ酸化物粒子が提供される。 The present invention provides tin oxide particles that, when used in separators for lithium-ion batteries, can improve the cycle characteristics of the batteries.

図1は、実施例2のスズ酸化物粒子をセパレータに用いたときの電池の充放電曲線を示すグラフである。FIG. 1 is a graph showing the charge/discharge curves of a battery when the tin oxide particles of Example 2 are used for the separator. 図2は、比較例2のアルミナ粒子をセパレータに用いたときの電池の充放電曲線を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing charge/discharge curves of a battery when the alumina particles of Comparative Example 2 are used for the separator.

以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき説明する。本発明のスズ酸化物粒子は、スズ酸化物を含んで構成され、SnO(2-X)(式中、0≦X≦1)の化学式で表されるスズ酸化物を主体として含む。つまり、スズ酸化物粒子は、酸化スズ(II)(SnO)及び酸化スズ(IV)(SnO)の少なくとも一種を含んで構成されたり、あるいはSnOに酸素欠損を有したりするものを包含する。スズ酸化物粒子は、スズ酸化物のうちの50モル%以上がSnOからなることが好ましい。これに加えて、スズ酸化物粒子は、スズ単体が含まれたりすることは妨げられない。
いずれの場合であっても、スズ酸化物粒子は、リチウムイオン電池用のセパレータに配されるフィラーとして好適に用いられる。
The present invention will be described below based on preferred embodiments. The tin oxide particles of the present invention are composed of tin oxide and primarily comprise tin oxide represented by the chemical formula SnO (2-X) (where 0≦X≦1). That is, the tin oxide particles include those composed of at least one of tin(II) oxide (SnO) and tin(IV) oxide ( SnO2 ), or SnO2 having oxygen deficiency. The tin oxide particles preferably contain 50 mol% or more of the tin oxide as SnO2 . In addition, the tin oxide particles may contain elemental tin.
In either case, the tin oxide particles are suitable for use as a filler in a separator for a lithium ion battery.

スズ酸化物粒子は、スズ元素及び酸素元素からなり、不可避不純物を除いて他の元素を含まないものであるか、又は、スズ元素及び酸素元素以外の他の元素を更に含むものである。スズ酸化物粒子は、前者の態様、すなわちスズ元素及び酸素元素からなることが好ましいが、本発明の効果を損なわない限りにおいて、スズ元素及び酸素元素以外の不可避不純物元素が含まれることは許容される。いずれの態様であっても、スズ酸化物粒子におけるスズ元素及び酸素元素以外の他の元素の含有量は、好ましくは2質量%以下である。これらの元素の含有量は、例えばガス成分分析やICP発光分光分析法で測定することができる。 Tin oxide particles are either composed of tin and oxygen and contain no other elements except for inevitable impurities, or they further contain elements other than tin and oxygen. The former form, i.e., tin and oxygen, is preferred, but the inclusion of inevitable impurity elements other than tin and oxygen is acceptable as long as the effects of the present invention are not impaired. In either form, the content of elements other than tin and oxygen in the tin oxide particles is preferably 2 mass% or less. The content of these elements can be measured, for example, by gas composition analysis or ICP atomic emission spectroscopy.

スズ酸化物粒子中のスズ元素含有量は、ICP発光分光分析法で測定した場合において、好ましくは76質量%以上84質量%以下、より好ましくは76質量%以上82質量%以下、更に好ましくは76質量%以上80質量%以下である。このような範囲となっていることによって、スズ酸化物粒子をセパレータに用いたときに、セパレータに要求される絶縁性を十分に維持しやすくなる。 The tin element content in the tin oxide particles, as measured by ICP atomic emission spectroscopy, is preferably 76% by mass or more and 84% by mass or less, more preferably 76% by mass or more and 82% by mass or less, and even more preferably 76% by mass or more and 80% by mass or less. By having this range, when the tin oxide particles are used in a separator, the insulating properties required of the separator can be easily maintained.

また、スズ酸化物粒子中の酸素元素含有量は、ガス成分分析法で測定した場合において、好ましくは13質量%以上22質量%以下、より好ましくは15質量%以上22質量%以下、更に好ましくは17質量%以上22質量%以下である。このような範囲となっていることによって、スズ酸化物粒子をセパレータに用いたときに、セパレータに要求される絶縁性を十分に維持しやすくなる。 Furthermore, the oxygen element content in the tin oxide particles, as measured by gas composition analysis, is preferably 13% by mass or more and 22% by mass or less, more preferably 15% by mass or more and 22% by mass or less, and even more preferably 17% by mass or more and 22% by mass or less. By having this range, when the tin oxide particles are used in a separator, it becomes easier to sufficiently maintain the insulating properties required of the separator.

スズ酸化物粒子中のスズ酸化物の含有量は、その総量として、好ましくは98質量%以上100質量%以下、より好ましくは99質量%以上100質量%以下、更に好ましくは99.5質量%以上100質量%以下である。このような範囲となっていることによって、スズ酸化物粒子をセパレータに用いたときに、セパレータ機能として重要な絶縁性を十分に維持しやすくなる。スズ酸化物の含有量は、例えば塩化銅(II)カリウム溶液を用いる置換溶解法による定量法などの方法で測定することができる。 The total tin oxide content in the tin oxide particles is preferably 98% by mass or more and 100% by mass or less, more preferably 99% by mass or more and 100% by mass or less, and even more preferably 99.5% by mass or more and 100% by mass or less. This range makes it easier to maintain sufficient insulating properties, which are important for separator function, when the tin oxide particles are used in a separator. The tin oxide content can be measured by a method such as a quantitative determination method using a displacement dissolution method using a copper(II) chloride potassium solution.

スズ酸化物粒子は、レーザー回折散乱式粒度分布測定法による累積体積90容量%における体積累積粒径D90が、好ましくは3.0μm以下、より好ましくは2.6μm以下、更に好ましくは2.5μm以下であり、1.0μm以上が現実的である。 The volume cumulative particle size D90 of the tin oxide particles at 90% cumulative volume, as measured by a laser diffraction/scattering particle size distribution measurement method, is preferably 3.0 μm or less, more preferably 2.6 μm or less, and even more preferably 2.5 μm or less, with 1.0 μm or more being realistic.

上述したD90は、スズ酸化物粒子の集合体であるスズ酸化物粉としたときに、スズ酸化物粉中に存在する比較的粗大な粒子の大きさを表す指標の一つである。一般的に、リチウムイオン電池は、正極と、負極と、これらの電極の間に圧縮状態で配されたセパレータとを備える。このとき、スズ酸化物粒子をセパレータに適用したときには、セパレータが粒子とともに圧縮されてしまうのでセパレータに機械的損傷が発生し、これに起因して、セパレータの絶縁性能に影響を及ぼし、正極と負極との間で微小な短絡が生じる場合がある。この微小な短絡は、充放電時において正極と負極との間のリチウムイオンの供給バランスの悪化の一因となり、ひいては電池性能の低下につながる。
D90が上述した範囲であることによって、セパレータが粒子とともに圧縮された場合であっても過度に粗大な粒子が存在しないので、該粒子をセパレータに配した場合でもセパレータの機械的損傷の発生が低減され、セパレータの絶縁性能に影響に及ぼしにくくなり、微小な短絡の発生も低減される。その結果、セパレータに要求される耐熱性、電気絶縁性及びイオン伝導性を兼ね備えながらも、電池のサイクル特性、特に充放電サイクルにおけるレートや容量維持に関する特性を向上できる。上述したD90を満たすスズ酸化物粒子は、例えば後述する製造方法によって製造することができる。
The above-mentioned D90 is an index representing the size of relatively coarse particles present in tin oxide powder, which is an aggregate of tin oxide particles. Generally, lithium-ion batteries include a positive electrode, a negative electrode, and a separator disposed in a compressed state between these electrodes. When tin oxide particles are used as the separator, the separator is compressed together with the particles, causing mechanical damage to the separator. This can affect the insulating performance of the separator and cause micro-short circuits between the positive and negative electrodes. These micro-short circuits can contribute to a deterioration in the lithium ion supply balance between the positive and negative electrodes during charge and discharge, ultimately leading to a decrease in battery performance.
When the D90 is within the above range, even when the separator is compressed together with the particles, excessively coarse particles are not present, so that even when the particles are disposed in the separator, the occurrence of mechanical damage to the separator is reduced, the insulating performance of the separator is less affected, and the occurrence of micro-short circuits is also reduced. As a result, the separator has the heat resistance, electrical insulation, and ionic conductivity required, while improving the cycle characteristics of the battery, particularly the characteristics related to rate and capacity maintenance during charge/discharge cycles. Tin oxide particles satisfying the above D90 can be produced, for example, by the production method described below.

体積累積粒径D90は、以下の方法で測定できる。詳細には、測定対象となるスズ酸化物粒子の0.1gを、ヘキサメタリン酸ナトリウムの20mg/L水溶液100mLと混合し、超音波ホモジナイザ(日本精機製作所製 US-300T)で10分間分散させる。その後、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置(例えば堀場製作所製のLA-920)を用いて粒度分布を測定する。 The volume cumulative particle diameter D90 can be measured using the following method. Specifically, 0.1 g of the tin oxide particles to be measured is mixed with 100 mL of a 20 mg/L aqueous solution of sodium hexametaphosphate, and the mixture is dispersed for 10 minutes using an ultrasonic homogenizer (Nippon Seiki Seisakusho US-300T). The particle size distribution is then measured using a laser diffraction/scattering particle size distribution analyzer (e.g., Horiba Ltd. LA-920).

スズ酸化物粒子は、レーザー回折散乱式粒度分布測定法による累積体積50容量%における体積累積粒径D50(μm)に対するBET比表面積S1(m/g)の比であるS1/D50比(m/g/μm)が所定の範囲であることが好ましい。
詳細には、スズ酸化物粒子におけるS1/D50比は、好ましくは10以上100以下、より好ましくは20以上90以下、更に好ましくは45以上90以下である。
The tin oxide particles preferably have an S1/D50 ratio ( m2 /g/μm), which is the ratio of the BET specific surface area S1 ( m2 /g) to the volume cumulative particle size D50 (μm) at 50% cumulative volume measured by a laser diffraction/scattering particle size distribution measurement method, within a predetermined range.
Specifically, the S1/D50 ratio in the tin oxide particles is preferably 10 or more and 100 or less, more preferably 20 or more and 90 or less, and even more preferably 45 or more and 90 or less.

S1/D50比は単位粒子径当たりのBET比表面積を表すパラメータであり、S1/D50比が高いほど、例えば粒子が多孔質であるなどして、一粒子当たりの表面積が大きいことを意味する。S1/D50比が上述した範囲であることによって、リチウムイオン電池を構成する電解液が粒子内の孔又は粒子間に保持されやすくなるので、セパレータ内又はその近傍での電解液の保持性(いわゆる補液性)を向上させることができる。その結果、高温下等の過酷な条件や、複数回の充放電後であっても、セパレータからの電解液の抜けを防いで、電池内のリチウムイオンを十分にかつ可逆的に移動させることができ、充放電サイクルの耐久性を向上することができる。このようなS1/D50比を満たすスズ酸化物粒子は、例えば後述する製造方法によって製造することができる。 The S1/D50 ratio is a parameter that represents the BET specific surface area per unit particle diameter. A higher S1/D50 ratio means a larger surface area per particle, for example, due to the particles being porous. By ensuring that the S1/D50 ratio is within the above-mentioned range, the electrolyte constituting the lithium-ion battery is more easily retained in the pores or between the particles, thereby improving the retention of the electrolyte in or near the separator (so-called liquid replenishment). As a result, even under harsh conditions such as high temperatures or after multiple charge/discharge cycles, loss of the electrolyte from the separator is prevented, allowing sufficient and reversible movement of lithium ions within the battery, thereby improving charge/discharge cycle durability. Tin oxide particles that satisfy this S1/D50 ratio can be produced, for example, by the production method described below.

スズ酸化物粒子におけるBET比表面積S1は、好ましくは20m/g以上70m/g以下、より好ましくは30m/g以上60m/g以下、更に好ましくは50m/g以上60m/g以下である。BET比表面積S1がこのような範囲であることによって、電池が著しい温度変化にさらされたり、充放電による電極膨張により電池内圧が上昇してしまった場合であっても、セパレータに電解液を十分に保持することができる。その結果、レート特性やサイクル特性などの二次電池として要求される電池性能を長期間維持できる。 The BET specific surface area S1 of the tin oxide particles is preferably 20 m 2 /g or more and 70 m 2 /g or less, more preferably 30 m 2 /g or more and 60 m 2 /g or less, and even more preferably 50 m 2 /g or more and 60 m 2 /g or less. By having the BET specific surface area S1 in this range, the separator can sufficiently retain the electrolyte even when the battery is exposed to significant temperature changes or when the internal battery pressure increases due to electrode expansion during charge and discharge. As a result, the battery performance required for a secondary battery, such as rate characteristics and cycle characteristics, can be maintained for a long period of time.

BET比表面積S1は、BET法に基づいて、例えばカンタクローム社製のモノソーブMS-21を用い、窒素吸着法で測定できる。測定粉末の量は0.3gとし、予備脱気条件は大気下、105℃で60分間とすることができる。 The BET specific surface area S1 can be measured by the nitrogen adsorption method based on the BET method, using, for example, a Monosorb MS-21 manufactured by Quantachrome. The amount of powder to be measured is 0.3 g, and the preliminary degassing conditions can be atmospheric air at 105°C for 60 minutes.

上述した体積累積粒径D50は、好ましくは0.30μm以上2.0μm以下、より好ましくは0.60μm以上1.3μm以下、更に好ましくは0.50μm以上1.2μm以下である。このような範囲であることによって、スズ酸化物粒子が配されたセパレータを含む電池のエネルギー密度を高めることができる。特に、本発明のスズ酸化物粒子をセパレータの表面にコートする等の方法でセパレータに配したときに、スズ酸化物粒子層の厚みを薄く形成することができるので、要求される絶縁性を維持しながらも電池のエネルギー密度を更に高められる点で有利である。 The volume cumulative particle diameter D50 is preferably 0.30 μm or more and 2.0 μm or less, more preferably 0.60 μm or more and 1.3 μm or less, and even more preferably 0.50 μm or more and 1.2 μm or less. By keeping the particle diameter within this range, the energy density of a battery including a separator in which tin oxide particles are disposed can be increased. In particular, when the tin oxide particles of the present invention are disposed on a separator by, for example, coating the surface of the separator, the thickness of the tin oxide particle layer can be made thin, which is advantageous in that the required insulation properties can be maintained while further increasing the energy density of the battery.

スズ酸化物粒子におけるレーザー回折散乱式粒度分布測定法による累積体積10容量%における体積累積粒径D10は、好ましくは0.30μm以上0.80μm以下、より好ましくは0.30μm以上0.70μm以下、更に好ましくは0.50μm以上0.70μm以下である。このような範囲であることによって、スズ酸化物粒子をセパレータに配したときに、粒子間の空隙を適度に形成して補液性を高めることができるので、当該セパレータを含む電池のレート特性を高く維持できる。 The volume cumulative particle size D10 of tin oxide particles at 10% cumulative volume, as measured by a laser diffraction/scattering particle size distribution measurement method, is preferably 0.30 μm or more and 0.80 μm or less, more preferably 0.30 μm or more and 0.70 μm or less, and even more preferably 0.50 μm or more and 0.70 μm or less. By keeping the particle size within this range, when the tin oxide particles are placed in a separator, appropriate voids are formed between the particles, improving electrolyte replenishment properties, and maintaining high rate characteristics of batteries including the separator.

スズ酸化物粒子におけるレーザー回折散乱式粒度分布測定法による累積体積100容量%における体積累積粒径D100は、好ましくは3μm以上6μm以下、より好ましくは3μm以上5μm以下、更に好ましくは3μm以上4μm以下である。このような範囲であることによって、スズ酸化物粒子をセパレータに配したときに、粗大な粒子に起因した微小短絡を抑制できる。
スズ酸化物粒子のD50、D10及びD100はそれぞれ、上述したD90の測定と同様の測定方法で測定することができる。
The volume cumulative particle diameter D100 of the tin oxide particles at 100% cumulative volume as measured by a laser diffraction/scattering particle size distribution measurement method is preferably 3 μm or more and 6 μm or less, more preferably 3 μm or more and 5 μm or less, and even more preferably 3 μm or more and 4 μm or less. By setting the particle diameter in such a range, micro-short circuits caused by coarse particles can be suppressed when the tin oxide particles are disposed in a separator.
The D50, D10 and D100 of the tin oxide particles can each be measured by the same measurement method as the above-mentioned measurement of D90.

スズ酸化物粒子は、その好適な態様として、スズ酸化物であるSnOに酸素欠損を含むことが好ましい。例えば、スズ酸化物粒子は、SnO(2-X)(式中、0<X<1)の化学式で表されるスズ酸化物を含むことが好ましい。
詳細には、スズ酸化物粒子に含まれる酸素欠損量は、粒子の単位質量当たり、好ましくは1×1016個/g以上9×1016個/g以下、より好ましくは2×1016個/g以上6×1016個/g以下、更に好ましくは2×1016個/g以上4×1016個/g以下である。
このような酸素欠損量であることによって、スズ酸化物粒子をリチウムイオン電池のセパレータに配したときに、電解液との意図しない反応を防止しつつ、セパレータの絶縁性能を十分に維持することができるので、充放電電圧の挙動を安定的に維持して、サイクル特性を更に向上させることができる。
In a preferred embodiment, the tin oxide particles contain oxygen vacancies in the tin oxide SnO2 . For example, the tin oxide particles preferably contain tin oxide represented by the chemical formula SnO (2-X) (where 0<X<1).
In detail, the amount of oxygen vacancies contained in the tin oxide particles is preferably 1×10 16 /g or more and 9×10 16 /g or less, more preferably 2×10 16 /g or more and 6×10 16 /g or less, and even more preferably 2×10 16 /g or more and 4×10 16 /g or less, per unit mass of the particles.
Such an amount of oxygen deficiency makes it possible to prevent unintended reactions with the electrolyte when the tin oxide particles are placed in the separator of a lithium ion battery while sufficiently maintaining the insulating performance of the separator, thereby maintaining stable charge/discharge voltage behavior and further improving cycle characteristics.

酸素欠損量は、電子スピン共鳴(ESR)分析によって、以下の方法で測定することができる。測定装置としては、例えばJEOL社製のJES-X330を用いることができる。測定手順の詳細は、後述する実施例にて詳述する。 The amount of oxygen vacancy can be measured by electron spin resonance (ESR) analysis using the following method. A measuring device such as the JES-X330 manufactured by JEOL can be used. Details of the measurement procedure will be described in the examples below.

以下に、スズ酸化物粒子の好適な製造方法を説明する。製造方法の一実施形態では、スズ源である水溶性のスズ化合物を溶媒に溶解させてスズ化合物を含む溶液(以下、これをスズ溶液ともいう。)とし、該スズ溶液を中和することで中間体粒子を得る。その後、得られた中間体粒子を焼成する。これによって、目的となるスズ酸化物粒子の集合体からなるスズ酸化物粉末を得る。 A suitable method for producing tin oxide particles is described below. In one embodiment of the production method, a water-soluble tin compound, which serves as the tin source, is dissolved in a solvent to produce a solution containing the tin compound (hereinafter also referred to as a tin solution), and intermediate particles are obtained by neutralizing the tin solution. The resulting intermediate particles are then calcined. This results in the desired tin oxide powder, which is composed of aggregates of tin oxide particles.

まず、スズ溶液を調製する(溶液調製工程)。スズ溶液は、好ましくは溶媒として水を用いたスズ水溶液である。
スズ化合物としては、例えばスズ酸とナトリウムやカリウムなどのアルカリ金属との塩や、塩化スズ(II)、塩化スズ(IV)等の無機スズ塩が挙げられる。これらのスズ化合物は、無水物であってもよく、水和物であってもよい。スズ化合物は、単独で又は複数組み合わせて用いることができる。スズ化合物として、好ましくはスズ酸のアルカリ金属塩等の水溶性の無機スズ塩を用いることによって、製造時の取り扱い性に優れ、D90が所定の範囲に制御されやすく、また所定のS1/D50比を満たす粒子が得られやすい。
First, a tin solution is prepared (solution preparation step). The tin solution is preferably an aqueous tin solution using water as a solvent.
Examples of tin compounds include salts of stannic acid with alkali metals such as sodium and potassium, and inorganic tin salts such as tin(II) chloride and tin(IV) chloride. These tin compounds may be anhydrous or hydrated. The tin compounds can be used alone or in combination. Preferably, water-soluble inorganic tin salts such as alkali metal salts of stannic acid are used as the tin compound, which provides excellent handling during production, makes it easy to control the D90 within a predetermined range, and makes it easy to obtain particles that satisfy a predetermined S1/D50 ratio.

スズ化合物は、スズ溶液中のスズ元素の含有量に換算して、好ましくは0.14mol/L以上0.28mol/L以下、更に好ましくは0.17mol/L以上0.24mol/L以下となるように混合する。このような含有量とすることによって、D90が所定の範囲に制御されやすく、また所定のS1/D50比を満たす粒子が生産性高く得られやすい。 The tin compound is mixed so that the tin content in the tin solution is preferably 0.14 mol/L or more and 0.28 mol/L or less, and more preferably 0.17 mol/L or more and 0.24 mol/L or less. By adjusting the content in this manner, it becomes easier to control the D90 within the specified range, and particles that satisfy the specified S1/D50 ratio can be obtained with high productivity.

スズ溶液は、加熱状態であってよく、非加熱状態であってもよい。スズ溶液は、これが調製される前に、溶媒が加熱されていることが好ましい。つまり、スズ溶液の調製は、スズ化合物と、加熱された溶媒とが混合されることによって行われることが好ましい。このときの溶媒の温度は、溶媒として水を用いた場合、好ましくは30℃以上70℃以下、更に好ましくは40℃以上65℃以下に加熱される。このような温度に加熱されていることによって、スズ化合物を十分に溶解させることができ、所定のD90や、S1/D50比を満たす粒子が生産性高く得られやすい。 The tin solution may be heated or unheated. It is preferable that the solvent be heated before the tin solution is prepared. That is, the tin solution is preferably prepared by mixing a tin compound with a heated solvent. When water is used as the solvent, the solvent is heated to a temperature of preferably 30°C or higher and 70°C or lower, more preferably 40°C or higher and 65°C or lower. Heating to such a temperature allows the tin compound to be sufficiently dissolved, making it easier to produce particles that satisfy the specified D90 and S1/D50 ratio with high productivity.

次いで、上述の方法で得られたスズ溶液を中和して、中和液を得る(中和工程)。中和に用いられる中和剤は、各種の酸又は塩基の水溶液を用いることができる。例えばスズ溶液がスズ酸のアルカリ金属塩を用いて調製された場合にはスズ溶液はアルカリ性となっているので、スズ溶液を中和するために硝酸や硫酸などの強酸の水溶液が好ましく用いられ、希硫酸がより好適に用いられる。このような物質を用いることで、目的とする粒子を微粒の状態で且つ効率的に得られる点で有利である。
酸又は塩基の水溶液における酸又は塩基の濃度は適宜調整可能であるが、取り扱い性と得られる粒子の好適な物性との両立の観点から、好ましくは1mol/L以上5mol/L以下である。
Next, the tin solution obtained by the above method is neutralized to obtain a neutralized solution (neutralization step). The neutralizing agent used for neutralization can be an aqueous solution of various acids or bases. For example, when the tin solution is prepared using an alkali metal salt of stannic acid, the tin solution is alkaline. Therefore, an aqueous solution of a strong acid such as nitric acid or sulfuric acid is preferably used to neutralize the tin solution, and dilute sulfuric acid is more preferably used. The use of such a substance is advantageous in that the desired particles can be obtained efficiently in a fine particle state.
The concentration of the acid or base in the aqueous acid or base solution can be adjusted as appropriate, but is preferably 1 mol/L or more and 5 mol/L or less from the viewpoint of achieving both ease of handling and favorable physical properties of the resulting particles.

中和工程において、中和剤は一括添加にて混合してもよく、滴下等の方法で逐次添加して複数回に分けて混合してもよい。本製造方法においては、中和剤を逐次添加することが好ましく、加熱されたスズ溶液を撹拌しながら、中和剤を添加することも好ましい。スズ溶液を中和する際の液温は、上述した溶媒の温度と同様の範囲とすることができる。この場合、スズ溶液の液温は、上述した溶媒の温度と同一であってもよく、異なっていてもよい。 In the neutralization step, the neutralizing agent may be added all at once or may be added dropwise or in multiple batches. In this manufacturing method, it is preferable to add the neutralizing agent gradually, or to add the neutralizing agent while stirring the heated tin solution. The temperature of the tin solution when neutralizing it can be in the same range as the temperature of the solvent described above. In this case, the temperature of the tin solution may be the same as or different from the temperature of the solvent described above.

中和剤を逐次添加する場合、中和剤の添加速度は、中和剤の濃度が上述した範囲に調整されていることを条件として、中和剤の全量を上述の添加時間の範囲で所定の速度で連続的に添加することが好ましい。例えば、後述する実施例1のように、2.2リットルの仕込み量の場合には、中和剤の添加速度は、好ましくは12mL/min以上73mL/min以下、より好ましくは18mL/min以上37mL/min以下とすることができる。このような添加速度とすることで、所定のD90や、S1/D50比を満たす粒子が生産性高く得られやすい。 When the neutralizer is added gradually, it is preferable to add the entire amount of neutralizer continuously at a predetermined rate within the above-mentioned addition time range, provided that the concentration of the neutralizer is adjusted to the above-mentioned range. For example, as in Example 1 described below, in the case of a charge volume of 2.2 liters, the neutralizer addition rate can be preferably 12 mL/min or more and 73 mL/min or less, more preferably 18 mL/min or more and 37 mL/min or less. By using such an addition rate, particles that satisfy the specified D90 and S1/D50 ratio can be easily obtained with high productivity.

中和剤添加の開始から終了までの時間は、目的とする粒子の物性によって適宜変更可能であるが、好ましくは30分以上180分以下、より好ましくは60分以上120分以下とすることができる。 The time from the start to the end of neutralizing agent addition can be adjusted depending on the desired particle properties, but is preferably between 30 and 180 minutes, and more preferably between 60 and 120 minutes.

また、中和剤添加後において、中和液の液温におけるpHは、好ましくは2.0以上4.0以下、より好ましくは2.5以上3.5以下となるように、添加される中和剤の総量が調整されることが好ましい。このようなpH範囲に調整することで、粒径のばらつきが少なく、所定のD90や、S1/D50比を満たす粒子が生産性高く得られやすい。 Furthermore, it is preferable to adjust the total amount of neutralizer added so that after adding the neutralizer, the pH of the neutralization solution at the solution temperature is preferably 2.0 or more and 4.0 or less, more preferably 2.5 or more and 3.5 or less. By adjusting the pH to this range, particle size variation is reduced, and particles that satisfy the specified D90 and S1/D50 ratio can be obtained with high productivity.

中和反応をより均一に発生させて、均質な粒子を得やすくする観点から、スズ溶液に中和剤を添加したあと、所定時間熟成させることが好ましい。具体的には、スズ溶液に中和剤の全量を逐次添加して、中和液のpHを上述した範囲に調整したあと、中和液を加熱した状態で所定時間撹拌することが好ましい。このときの撹拌時間は、好ましくは30分以上180分以下とする。また、このときの中和液の液温は、スズ溶液を中和する際に採用した条件に維持されていることが好ましい。 From the perspective of making the neutralization reaction occur more uniformly and making it easier to obtain homogeneous particles, it is preferable to add the neutralizing agent to the tin solution and then allow it to age for a predetermined period of time. Specifically, it is preferable to gradually add the entire amount of neutralizing agent to the tin solution, adjust the pH of the neutralized solution to the above-mentioned range, and then stir the neutralized solution in a heated state for a predetermined period of time. The stirring time is preferably 30 minutes or more and 180 minutes or less. Furthermore, it is preferable that the temperature of the neutralized solution be maintained at the conditions used when neutralizing the tin solution.

中和反応を均一に発生させて、粒径のばらつきが少ない粒子を得る観点から、少なくとも中和工程の開始から終了までにわたって、より具体的には、スズ溶液と中和剤との混合開始時点から必要に応じて行われる熟成終了時点までにわたって、中和液の撹拌を継続することも好ましい。このとき、中和液の撹拌速度は、流速で表して、好ましくは60cm/秒以上140cm/秒以下、より好ましくは75cm/秒以上120cm/秒以下である。中和液の撹拌速度は、中和工程の開始から終了までにわたって定速であってもよく、変速であってもよい。これに加えて、溶液調製工程においても上述した撹拌速度で撹拌されていてもよい。
中和工程において採用される撹拌速度は、従来採用される撹拌速度よりも速いものである。このような撹拌速度を採用することによって、得られる粒子の粒径の制御を行いやすく、粒径のばらつきを少なくでき、所定のD90や、S1/D50比を満たす粒子が生産性高く得られやすい。
From the viewpoint of uniformly causing the neutralization reaction and obtaining particles with little variation in particle size, it is also preferable to continue stirring the neutralization solution at least from the start to the end of the neutralization step, more specifically, from the start of mixing the tin solution and the neutralizing agent to the end of aging, which is performed as needed. In this case, the stirring speed of the neutralization solution, expressed in terms of flow rate, is preferably 60 cm/s or more and 140 cm/s or less, more preferably 75 cm/s or more and 120 cm/s or less. The stirring speed of the neutralization solution may be constant or variable from the start to the end of the neutralization step. In addition, stirring may be performed at the above-mentioned stirring speed in the solution preparation step as well.
The stirring speed employed in the neutralization step is faster than that conventionally employed. By employing such a stirring speed, it is easy to control the particle size of the resulting particles, the particle size variation can be reduced, and particles satisfying a predetermined D90 and S1/D50 ratio can be easily obtained with high productivity.

以上の工程を経て、複数の中間体粒子が水中に分散した状態で得られる。この中間体粒子は、典型的には水酸化スズ(Sn(OH)4)である。
この中間体粒子は、後述する焼成工程に供される前に、純水リパルプ洗浄やデカンテーション法等によって洗浄されることが好ましい。不純物低減の観点から、中間体粒子を洗浄したときの水相の導電率が、好ましくは1000μS/cm以下になるまで洗浄を行う。洗浄液は、好ましくは水を用いる。
またこれに加えて、中間体粒子の洗浄後、固液分離を行って得られた固形分を、乾熱乾燥や真空乾燥等の方法で乾燥させて、中間体粒子の集合体である乾燥粉とすることが好ましい。中間体粒子の乾燥粉は、これを公知の解砕装置で解砕し、あるいは篩分けを行って、以後の工程に供してもよい。
Through the above steps, a plurality of intermediate particles dispersed in water are obtained, and these intermediate particles are typically tin hydroxide (Sn(OH) 4 ).
The intermediate particles are preferably washed by pure water repulp washing, decantation, or the like before being subjected to the firing step described below. From the viewpoint of reducing impurities, washing is carried out until the conductivity of the aqueous phase after washing the intermediate particles is preferably 1000 μS/cm or less. Water is preferably used as the washing liquid.
In addition, after washing the intermediate particles, it is preferable to dry the solid content obtained by solid-liquid separation using a method such as dry heat drying or vacuum drying to obtain a dry powder that is an aggregate of intermediate particles. The dry powder of intermediate particles may be crushed using a known crushing device or sieved, and then subjected to subsequent steps.

続いて、中間体粒子の乾燥粉を焼成する(焼成工程)。水酸化スズである中間体粒子は、これを所定の条件で焼成することでスズ酸化物粒子となる。
焼成工程における雰囲気は、大気等の酸素含有雰囲気、不活性雰囲気、又は還元雰囲気とすることができる。これらのうち、利便性を高めつつ、所定の酸素欠損量を満たすスズ酸化物粒子を効率的に得る観点から、酸素含有雰囲気で焼成することが好ましく、大気雰囲気で焼成することがより好ましい。
Next, the dried powder of the intermediate particles is calcined (calcination step). The intermediate particles, which are tin hydroxide, are converted into tin oxide particles by calcining them under predetermined conditions.
The atmosphere in the firing step can be an oxygen-containing atmosphere such as air, an inert atmosphere, or a reducing atmosphere. Among these, from the viewpoint of efficiently obtaining tin oxide particles that satisfy a predetermined amount of oxygen deficiency while improving convenience, firing in an oxygen-containing atmosphere is preferred, and firing in an air atmosphere is more preferred.

焼成工程における焼成温度は、好ましくは400℃以上900℃以下、より好ましくは500℃以上800℃以下である。また、焼成時間は、上述の焼成温度の範囲であることを条件として、好ましくは20分以上150分以下、より好ましくは40分以上120分以下である。このような範囲であることによって、水酸化スズからスズ酸化物への反応を十分に進行させるとともに、BET比表面積を制御しやすくして、所定のS1/D50比を満たす粒子が生産性高く得られやすい。
これに加えて、焼成を大気雰囲気で行った場合、所定の酸素欠損量を満たすスズ酸化物粒子を効率的に得ることができる。一般的には、酸素欠損を生じさせるためには還元雰囲気での焼成が行われるところ、本製造方法のように大気雰囲気の焼成によって所定量の酸素欠損を発生させることができる理由は、昇温時における中間体粒子中の酸素原子の脱離量の制御と、降温時における中間体粒子中の酸素原子の補填量との制御が、還元雰囲気下と比較して容易に行いやすくできるためと推測される。
The firing temperature in the firing step is preferably 400° C. or higher and 900° C. or lower, more preferably 500° C. or higher and 800° C. or lower. Furthermore, the firing time is preferably 20 minutes or higher and 150 minutes or lower, more preferably 40 minutes or higher and 120 minutes or lower, provided that the firing temperature is within the above-mentioned firing temperature range. By setting the firing time within such a range, the reaction from tin hydroxide to tin oxide is allowed to proceed sufficiently, and the BET specific surface area is easily controlled, making it easier to produce particles that satisfy a predetermined S1/D50 ratio with high productivity.
In addition, when the calcination is performed in an air atmosphere, tin oxide particles having a predetermined amount of oxygen vacancies can be efficiently obtained. Generally, calcination is performed in a reducing atmosphere to generate oxygen vacancies. However, the reason why a predetermined amount of oxygen vacancies can be generated by calcination in an air atmosphere as in the present production method is presumably because it is easier to control the amount of oxygen atoms released from the intermediate particles during temperature rise and the amount of oxygen atoms added to the intermediate particles during temperature fall than in a reducing atmosphere.

焼成時に意図せず生成した粗粒の粒子を除去して、微粒のスズ酸化物粉末を効率的に得る観点から、焼成後に得られた粒子に対して、解砕又は篩分けを行うなどして、粗粒の除去処理を行うことが好ましい。 In order to remove coarse particles unintentionally generated during firing and efficiently obtain fine tin oxide powder, it is preferable to perform a process to remove the coarse particles by crushing or sieving the particles obtained after firing.

以上の工程を経て、目的とするスズ酸化物粒子を、粒子の集合体からなる粉体として得ることができる。このように得られたスズ酸化物粒子は、好ましくはSnO(2-X)(式中、0<X<1)の化学式で表されるスズ酸化物を主体として含む。
スズ酸化物粒子は、粒子どうしの分散性を高めるための被覆処理を行わずとも、粒子径が小さく、また球状のものとなる。その理由として、本製造方法による製造時において生成する粒子の凝集の程度が低くなるので、粒径が小さい状態を維持したまま製造できると考えられるためである。なお、本発明の効果が奏される限りにおいて、スズ酸化物粒子がスズ及び酸素以外の他の元素を不可避的に微量含むことや、スズ酸化物粒子の表面が不可避的に微量酸化されたりすることを排除するものではない。
Through the above steps, the desired tin oxide particles can be obtained as a powder consisting of particle aggregates. The tin oxide particles thus obtained preferably contain tin oxide as a main component represented by the chemical formula SnO (2-X) (where 0<X<1).
The tin oxide particles have a small particle size and are spherical even without a coating treatment to improve the dispersibility of the particles. This is because the degree of aggregation of the particles produced during production by this production method is thought to be low, allowing production while maintaining a small particle size. Note that, as long as the effects of the present invention are achieved, it is not excluded that the tin oxide particles may inevitably contain trace amounts of elements other than tin and oxygen, or that the surfaces of the tin oxide particles may inevitably be slightly oxidized.

スズ酸化物粒子は、これに特段の処理を行わずに、粒子の集合体からなる粉体そのものの態様で、リチウムイオン電池を構成するセパレータに配して用いることができる。リチウムイオン電池は、典型的には、リチウム含有酸化物からなる正極と、炭素材料からなる負極と、これらの電極の間に配されたセパレータと、有機溶媒及びリチウム塩を含む電解液とを備える非水電池である。セパレータは、その一方の面が正極と隣接しており、その他方の面が負極と隣接して配されている。 Tin oxide particles can be used in the form of a powder consisting of an aggregate of particles without any special processing, and placed in the separator that constitutes a lithium-ion battery. Lithium-ion batteries are typically non-aqueous batteries that include a positive electrode made of a lithium-containing oxide, a negative electrode made of a carbon material, a separator placed between these electrodes, and an electrolyte solution containing an organic solvent and a lithium salt. One side of the separator is adjacent to the positive electrode, and the other side is adjacent to the negative electrode.

リチウムイオン電池用のセパレータは、例えばポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂を含む多孔質の樹脂フィルムから構成され、その厚み方向に流体透過性を有する。セパレータは、単層構造であってもよく、多層構造であってもよい。
スズ酸化物粒子は、セパレータの製造過程で該粒子がポリオレフィン樹脂に分散した態様でセパレータ内に配されるか、又は多孔質の樹脂フィルムの少なくとも一方の面に付着させて、該フィルムの面上に配される。これによって、セパレータの耐熱性や、電池の高温安定性を向上させることができる。粒子をセパレータ内に配する場合、セパレータ中のスズ酸化物粒子の含有量は、通常、30質量%以上75質量%以下程度である。
A separator for a lithium-ion battery is made of a porous resin film containing a polyolefin resin such as polyethylene or polypropylene, and is fluid permeable in the thickness direction. The separator may have a single-layer structure or a multi-layer structure.
The tin oxide particles are disposed in the separator in a state in which the particles are dispersed in a polyolefin resin during the separator manufacturing process, or are attached to at least one surface of a porous resin film and disposed on the surface of the film. This improves the heat resistance of the separator and the high-temperature stability of the battery. When the particles are disposed in the separator, the content of the tin oxide particles in the separator is usually about 30% by mass or more and 75% by mass or less.

スズ酸化物粒子が多孔質の樹脂フィルムの面上に配される場合、スズ酸化物粒子は、セパレータにおける正極との対向面に少なくとも配されることが好ましく、スズ酸化物粒子とバインダ樹脂とを含む粒子層として隣接して配されることがより好ましい。これによって、セパレータの耐熱性や、電池の高温安定性を更に向上できる。粒子層を構成するバインダ樹脂としては、例えば耐熱性の樹脂が好ましく挙げられ、具体的には、ポリイミド樹脂や芳香族ポリアミド樹脂等が挙げられる。粒子層を形成する場合、粒子層中のスズ酸化物粒子の含有量は、通常、80質量%以上95質量%以下程度である。 When tin oxide particles are disposed on the surface of a porous resin film, the tin oxide particles are preferably disposed at least on the surface of the separator facing the positive electrode, and more preferably disposed adjacent to the surface as a particle layer containing tin oxide particles and a binder resin. This further improves the heat resistance of the separator and the high-temperature stability of the battery. Preferred examples of the binder resin constituting the particle layer include heat-resistant resins, such as polyimide resins and aromatic polyamide resins. When a particle layer is formed, the content of tin oxide particles in the particle layer is typically approximately 80% by mass or more and 95% by mass or less.

以上の構成を有するスズ酸化物粒子は、これをリチウムイオン電池用のセパレータに配したときに、セパレータの機械的損傷の発生を低減しつつ、リチウムイオン電池を構成する電解質の補液性に優れ、電池内のリチウムイオン伝導性を十分に維持することができる。その結果、フィラーとしてセパレータの耐熱性や耐久性を高めることができ、また、充放電サイクル特性を向上させることができる。 When tin oxide particles having the above configuration are placed in a separator for a lithium-ion battery, they reduce the occurrence of mechanical damage to the separator, while providing excellent electrolyte replenishment properties that make up the lithium-ion battery and maintaining sufficient lithium ion conductivity within the battery. As a result, they can be used as a filler to enhance the heat resistance and durability of the separator, and also improve charge/discharge cycle characteristics.

リチウムイオン電池を構成する電解液は、電解液の充放電に起因する分解を抑制することを目的として、リチウム含有化合物等の電解質の他に、ビニレンカーボネート(VC)や、1,3-プロパンスルトン(PS)等の硫黄を含有した添加剤が添加されることがある。特にPSは、高容量のリチウムイオン電池を得ることを目的として、Ni比率が高い化合物を正極として用いた場合に採用されやすい。これらの添加剤は、リチウムイオン電池における電極界面においてPS又はVC及びPSに由来する被膜が形成されることで、電解液の分解の抑制に寄与する。
しかしながら、上述した添加剤を含む電解液を備えるリチウムイオン電池の構成材料として、従来から用いられるアルミナやマグネシアをセパレータ用の無機フィラーとして用いた場合には、電池の容量低下や、充放電のサイクル特性に多大な影響を及ぼし得ることが、本発明者によって新たに見出された。上述の悪影響が生じる理由としては、無機フィラーとPSとの意図しない化学反応が発生して硫化物が生成してしまうこと等が推測される。
この点に関して、本発明のスズ酸化物粒子をセパレータの構成材料として用いることによって、電解液にPSが添加されていた場合であっても、電解液内の化合物との相互作用を及ぼすことなく、電池の高い容量及びその高い容量維持率を達成でき、また、充放電のサイクル特性も十分に向上させることができる。これらの知見は、本発明者によって新たに見出されたものであり、また、後述する実施例の結果からも明らかである。
In addition to electrolytes such as lithium-containing compounds, sulfur-containing additives such as vinylene carbonate (VC) and 1,3-propane sultone (PS) may be added to the electrolyte solution constituting a lithium-ion battery in order to suppress decomposition of the electrolyte solution due to charging and discharging. PS, in particular, is often used when a compound with a high Ni ratio is used as the positive electrode in order to obtain a high-capacity lithium-ion battery. These additives contribute to suppressing decomposition of the electrolyte solution by forming a coating derived from PS or VC and PS at the electrode interface in the lithium-ion battery.
However, the present inventors have newly discovered that when alumina or magnesia, which have been conventionally used as inorganic fillers for separators in lithium-ion batteries equipped with electrolytes containing the above-mentioned additives, are used, the battery capacity may decrease and the charge/discharge cycle characteristics may be significantly affected. The reason for this adverse effect is presumed to be the generation of sulfides due to an unintended chemical reaction between the inorganic filler and PS.
In this regard, by using the tin oxide particles of the present invention as a constituent material of the separator, even when PS is added to the electrolyte, high battery capacity and high capacity retention can be achieved without interacting with compounds in the electrolyte, and charge/discharge cycle characteristics can also be sufficiently improved. These findings were newly discovered by the present inventors and are also evident from the results of the examples described below.

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。しかしながら本発明の範囲は、かかる実施例に制限されない。表中、「-」の欄は未測定を示す。 The present invention will be explained in more detail below using examples. However, the scope of the present invention is not limited to these examples. In the table, the "-" column indicates that the data was not measured.

〔実施例1〕
(1.溶液調製工程)
50℃に加熱した純水22.1リットルに、スズ源としてスズ酸ナトリウム三水和物1.35kg(純度92質量%)を溶解させて、スズ酸ナトリウム濃度61g/L(スズ元素濃度:0.21mol/L)のスズ水溶液を得た。
Example 1
(1. Solution preparation process)
1.35 kg of sodium stannate trihydrate (purity 92% by mass) was dissolved as a tin source in 22.1 L of pure water heated to 50°C to obtain an aqueous tin solution with a sodium stannate concentration of 61 g/L (elemental tin concentration: 0.21 mol/L).

(2.中和工程)
次いで、スズ水溶液を60℃に加熱し、この状態で、2.2リットルの20質量%希硫酸水溶液を84分間かけて逐次且つ連続的に添加して(酸濃度:2.3mol/L、添加速度:26mL/min)、60℃におけるpHが3.0となるまで中和し、中和液を得た。そして、この中和液を液温60℃に維持した状態で0.5時間熟成し、中間体粒子としての水酸化スズ粒子を析出させた。
また、溶液調製工程及び中和工程の各工程で連続して、110cm/秒の一定速度で水溶液及び中和液の撹拌を継続した。
(2. Neutralization process)
Next, the tin aqueous solution was heated to 60° C., and in this state, 2.2 L of a 20% by mass diluted sulfuric acid aqueous solution was gradually and continuously added over 84 minutes (acid concentration: 2.3 mol/L, addition rate: 26 mL/min) to neutralize the solution until the pH at 60° C. reached 3.0, thereby obtaining a neutralized solution. This neutralized solution was then aged for 0.5 hours while maintaining the solution temperature at 60° C., and tin hydroxide particles were precipitated as intermediate particles.
Furthermore, the aqueous solution and the neutralization solution were continuously stirred at a constant speed of 110 cm/sec throughout the solution preparation step and the neutralization step.

(3.焼成工程)
続いて、熟成した後の中和液を固液分離し、得られた固形分を水の導電度が580μS/cmとなるまで水で洗浄した。洗浄後の固形物を固液分離し、乾燥させて、乾燥物を得た。この乾燥物をミキサーで解砕して乾燥粉末としたあと、この乾燥粉末をボックス型電気炉で焼成した。焼成条件は、大気雰囲気下で500℃、2時間とした。その後、焼成後の粒子を篩分けして、粗粒を取り除いた。この工程を経て、目的とするスズ酸化物粒子を得た。このスズ酸化物粒子は、SnO(2-X)(式中、0<X<1)の化学式で表されるスズ酸化物を98質量%以上含むものであった。
(3. Firing process)
Subsequently, the aged neutralized solution was subjected to solid-liquid separation, and the obtained solid was washed with water until the water conductivity reached 580 μS/cm. The washed solid was subjected to solid-liquid separation and dried to obtain a dried product. This dried product was crushed in a mixer to obtain a dry powder, which was then fired in a box-type electric furnace. The firing conditions were 500°C for 2 hours in an air atmosphere. The fired particles were then sieved to remove coarse particles. Through this process, the desired tin oxide particles were obtained. The tin oxide particles contained 98% by mass or more of tin oxide represented by the chemical formula SnO (2-X) (where 0<X<1).

〔実施例2〕
溶液調製工程において、30℃に加熱した純水1246リットルに、スズ源としてスズ酸ナトリウム三水和物81kgを溶解させて、スズ酸ナトリウム濃度65g/L(スズ元素濃度:0.22mol/L)のスズ水溶液を得た。次いで、スズ水溶液を60℃に加熱し、この状態で、132リットルの20質量%希硫酸水溶液を82分間かけて逐次添加して(酸濃度:2.3mol/L、添加速度:1.61L/min)、60℃におけるpHが3.1となるまで中和し、中和液を得た。そして、この中和液を液温60℃に維持した状態で1時間熟成し、中間体粒子としての水酸化スズ粒子を析出させた。
また、水溶液及び中和液の撹拌を100cm/秒の一定速度に変更した以外は、実施例1と同様の条件で、目的とするスズ酸化物粒子を得た。
Example 2
In the solution preparation step, 81 kg of sodium stannate trihydrate was dissolved as a tin source in 1,246 L of pure water heated to 30°C to obtain a tin aqueous solution with a sodium stannate concentration of 65 g/L (elemental tin concentration: 0.22 mol/L). The tin aqueous solution was then heated to 60°C, and in this state, 132 L of a 20% by mass diluted sulfuric acid aqueous solution was added successively over 82 minutes (acid concentration: 2.3 mol/L, addition rate: 1.61 L/min) to neutralize the solution until the pH at 60°C reached 3.1, thereby obtaining a neutralized solution. This neutralized solution was then aged for 1 hour while maintaining the solution temperature at 60°C, resulting in the precipitation of tin hydroxide particles as intermediate particles.
Furthermore, the target tin oxide particles were obtained under the same conditions as in Example 1, except that the stirring speed of the aqueous solution and the neutralization solution was changed to a constant speed of 100 cm/sec.

〔実施例3〕
水溶液及び中和液の撹拌を80cm/秒の一定速度に変更した以外は、実施例2と同様の条件で、目的とするスズ酸化物粒子を得た。
Example 3
The target tin oxide particles were obtained under the same conditions as in Example 2, except that the aqueous solution and neutralization solution were stirred at a constant speed of 80 cm/sec.

〔実施例4〕
焼成工程において、焼成条件を大気雰囲気下で700℃、2時間に変更した以外は、実施例2と同様の条件で、目的とするスズ酸化物粒子を得た。
Example 4
The target tin oxide particles were obtained under the same conditions as in Example 2, except that in the firing step, the firing conditions were changed to 700° C. in an air atmosphere for 2 hours.

〔実施例5〕
焼成工程において、焼成条件を、ロータリーキルン内にて3体積%H/97体積%N混合雰囲気下、500℃、45分間に変更した以外は、実施例2と同様の条件で、目的とするスズ酸化物粒子を得た。
Example 5
The target tin oxide particles were obtained under the same conditions as in Example 2, except that in the firing step, the firing conditions were changed to a 3 vol% H2 /97 vol% N2 mixed atmosphere in a rotary kiln at 500°C for 45 minutes.

〔比較例1〕
スズ酸化物粒子として、高純度化学研究所社製の型番:SNO03PBを用いた。
Comparative Example 1
As the tin oxide particles, model number SNO03PB manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd. was used.

〔比較例2〕
スズ酸化物粒子に代えて、和光純薬工業社製の型番:013-11525であるアルミナ(Al)粒子を用いた。
Comparative Example 2
Alumina (Al 2 O 3 ) particles manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., model number: 013-11525, were used in place of the tin oxide particles.

〔比較例3〕
スズ酸化物粒子に代えて、富士フィルム和光純薬社製の型番:131-10851であるマグネシア(MgO)粒子を用いた。
Comparative Example 3
Instead of the tin oxide particles, magnesia (MgO) particles manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., model number: 131-10851, were used.

〔粒子の諸物性の評価〕
実施例及び比較例の無機粒子におけるBET比表面積S1、D10、D50、D90、及びD100はそれぞれ、上述した方法で測定した。
[Evaluation of particle properties]
The BET specific surface areas S1, D10, D50, D90, and D100 of the inorganic particles of the Examples and Comparative Examples were measured by the methods described above.

〔酸素欠損量の測定〕
実施例及び比較例の無機粒子における酸素欠損量は以下の測定方法で行った。外径5mmの石英管に測定試料を入れ、以下の測定条件で測定を行い、ESRスペクトルを得た。スズ酸化物粒子については、得られたESRスペクトルの吸収強度を、試料の1g当たりの値に換算した。不対電子数は0.1~2mM TEMPOL-トルエン溶液を標準として校正を行った。
・試料質量:120mg
・石英管:日本電子株式会社製LST-5HS 300MM
・マイクロ波出力:0.5mW
・磁場掃引幅:338±25mT
・変調磁場:0.6mT
・感度:100
・時定数:0.1秒
・測定時間:120秒
・測定温度:293K
[Measurement of oxygen deficiency]
The amount of oxygen vacancy in the inorganic particles of the Examples and Comparative Examples was measured by the following method. A measurement sample was placed in a quartz tube with an outer diameter of 5 mm, and measurement was carried out under the following measurement conditions to obtain an ESR spectrum. For tin oxide particles, the absorption intensity of the obtained ESR spectrum was converted to a value per 1 g of sample. The number of unpaired electrons was calibrated using a 0.1 to 2 mM TEMPOL-toluene solution as a standard.
Sample mass: 120 mg
Quartz tube: JEOL Ltd. LST-5HS 300MM
Microwave output: 0.5mW
・Magnetic field sweep width: 338±25mT
Modulation magnetic field: 0.6 mT
Sensitivity: 100
・Time constant: 0.1 seconds ・Measurement time: 120 seconds ・Measurement temperature: 293K

〔電池特性の評価〕
実施例及び比較例の無機粒子をセパレータに配したときの電池特性を評価した。
具体的には、溶剤としてN-メチルピロリドンを用い。該溶剤中に、無機粒子が90質量部、バインダ樹脂(ポリフッ化ビニリデン。以下、PVdFともいう。)が10質量部の割合で混合して、無機粒子のスラリーを調製した。このスラリーをペイントシェーカーで分散させたあと、バーコーターを用いて、ポリオレフィン製の多孔質樹脂フィルムの一方の面にコートして塗膜を形成し、膜厚3~4μmの無機粒子の層が一方の面に形成されたセパレータを作成した。
[Evaluation of Battery Characteristics]
The battery characteristics were evaluated when the inorganic particles of the examples and comparative examples were disposed on the separator.
Specifically, N-methylpyrrolidone was used as a solvent. 90 parts by mass of inorganic particles and 10 parts by mass of a binder resin (polyvinylidene fluoride, hereinafter also referred to as PVdF) were mixed into the solvent to prepare an inorganic particle slurry. This slurry was dispersed using a paint shaker, and then coated onto one side of a polyolefin porous resin film using a bar coater to form a coating film, thereby producing a separator with a 3-4 μm thick inorganic particle layer formed on one side.

次いで、正極活物質としてのリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物(LiNi0.6Mn0.2Co0.2)を89質量部と、導電助材としてのアセチレンブラックを5質量%と、結着剤としてのPVdFを6質量部とを混合し、更に、N-メチル-2-ピロリドンを加えて、ペースト状物とした。このペースト状物をアルミニウム箔の一方の面に塗布し、正極シートを作製した。 Next, 89 parts by mass of lithium nickel manganese cobalt composite oxide ( LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 ) as the positive electrode active material, 5% by mass of acetylene black as the conductive additive, and 6 parts by mass of PVdF as the binder were mixed, and N-methyl-2-pyrrolidone was further added to form a paste. This paste was applied to one side of aluminum foil to prepare a positive electrode sheet.

これとは別に、負極活物質としてグラファイト96質量部と、結着材としてのカルボキシメチルセルロース及びスチレンブタジエンゴム(各2質量部)とを混合し、水を加えてペースト状物とした。このペースト状物を銅箔の一方の面に塗布し、負極シートを作製した。
電解液は、PS非添加の電解液として、1mol/LのLiPF(エチレンカーボネート(EC):ジメチルカーボネート(DMC)=3:7体積混合)に、添加剤としてビニレンカーボネート(VC)を0.5質量%添加したものを用いた。
Separately, 96 parts by mass of graphite as a negative electrode active material and 2 parts by mass each of carboxymethyl cellulose and styrene-butadiene rubber as binders were mixed, and water was added to form a paste, which was then applied to one side of copper foil to prepare a negative electrode sheet.
The electrolyte used was a PS-free electrolyte, which was 1 mol/L LiPF 6 (ethylene carbonate (EC):dimethyl carbonate (DMC) = 3:7 volume mixture) to which 0.5 mass % vinylene carbonate (VC) was added as an additive.

そして、正極シートと負極シートとの間にセパレータを配し、且つ、PS非添加の電解液又はPS添加の電解液を充填したコイン型電池を6個ずつ作製した。いずれの電池も、セパレータは、無機粒子の層が正極シートと対向するように配置した。 Six coin-type batteries were then fabricated, each containing a separator placed between the positive and negative electrode sheets and filled with either a PS-free electrolyte or a PS-added electrolyte. In each battery, the separator was positioned so that the inorganic particle layer faced the positive electrode sheet.

このようにして得られた各電池について、充放電試験装置(東洋システム株式会社製、「TOSCAT」)を用いて、以下の条件で充放電を行った。
充放電サイクルは、25℃で、電流値0.1Cで4.3Vまで定電流充電した後、定電圧充電を電流値0.02Cまで減衰するまで行い、電流値0.1Cで電圧がリチウム基準電位で3.0Vになるまで放電するというサイクルを3回行い、初期活性とした。
初期活性後、充放電サイクルは、55℃で、電流値0.1Cで4.3Vまで定電流充電した後、電流値が0.05Cに減衰するまで定電圧充電を行った。次いで、電流値0.1Cで電圧がリチウム基準電位で3.0Vになるまで放電するサイクルを1回行った。続いて、電流値1Cで4.3Vまで定電流充電した後、電流値が0.05Cに減衰するまで定電圧充電を行い、電流値1Cにて、リチウム基準電位で電圧が3.0Vになるまで放電するサイクルを繰り返した。
Each battery thus obtained was charged and discharged under the following conditions using a charge-discharge tester (manufactured by Toyo Systems Co., Ltd., "TOSCAT").
The charge-discharge cycle consisted of charging at a constant current of 0.1 C up to 4.3 V at 25° C., followed by constant voltage charging until the current decayed to 0.02 C, and then discharging at a current of 0.1 C until the voltage reached 3.0 V relative to the lithium potential. This cycle was repeated three times to determine the initial activity.
After initial activation, the charge-discharge cycle consisted of constant current charging at 55°C at a current value of 0.1 C to 4.3 V, followed by constant voltage charging until the current value decayed to 0.05 C. Next, one cycle of discharging at a current value of 0.1 C until the voltage reached 3.0 V relative to the lithium potential was performed. Subsequently, a cycle of constant current charging at a current value of 1 C to 4.3 V, constant voltage charging until the current value decayed to 0.05 C, and discharging at a current value of 1 C until the voltage reached 3.0 V relative to the lithium potential was repeated.

55℃環境下、サイクル1回目における0.1Cでの放電容量を100%としたときの、サイクル31回目の1Cの放電容量の割合を算出し、レート特性(1C/0.1C[%])とした。数値が高いほど、レート特性に優れるものである。
同様に、サイクル2回目における1Cでの放電容量を100%としたときの、サイクル31回目の1Cの放電容量の割合を算出し、容量維持率(1C/1C[%])とした。数値が高いほど、容量維持率に優れるものである。
The rate characteristic (1C/0.1C [%]) was calculated by taking the discharge capacity at 0.1C in the first cycle at 55°C as 100% and then calculating the ratio of the discharge capacity at 1C in the 31st cycle. The higher the value, the better the rate characteristic.
Similarly, the ratio of the discharge capacity at 1 C in the 31st cycle to the discharge capacity at 1 C in the 2nd cycle, which was taken as 100%, was calculated and used as the capacity retention rate (1 C/1 C [%]). The higher the value, the better the capacity retention rate.

またこれとは別に、プロパンスルトン(PS)を5質量%添加した電解液を用い、それ以外は上述と同様の構成を有する電池を6個ずつ作成し、上述の方法でレート特性及び容量維持率を測定及び算出するとともに、電圧挙動を測定した。これに伴い、作製した電池の個数基準での作動率(百分率)を以下の基準で評価した。結果を表1に示す。
また実施例2及び比較例2の無機粒子をそれぞれ用いたときの電池の充放電曲線を図1および図2に示す。
Separately, six batteries were fabricated using an electrolyte containing 5% by mass of propane sultone (PS) and otherwise configured similarly to the above. Rate characteristics and capacity retention were measured and calculated using the methods described above, and voltage behavior was also measured. The operating rates (percentages) of the fabricated batteries were evaluated based on the number of batteries fabricated according to the following criteria. The results are shown in Table 1.
1 and 2 show charge/discharge curves of the batteries using the inorganic particles of Example 2 and Comparative Example 2, respectively.

<作動率の評価>
A:電池作動個数の割合が70%以上であり、安定的かつ優れた電圧挙動を有する。
B:電池作動個数の割合が30%以上70%未満であり、電池として動作し得る電圧挙動を有する。
C:電池作動個数の割合が30%未満であり、電池として動作しない。
<Evaluation of operation rate>
A: The percentage of working batteries is 70% or more, and the battery has stable and excellent voltage behavior.
B: The percentage of working batteries is 30% or more and less than 70%, and the battery has voltage behavior that allows it to function as a battery.
C: The percentage of working batteries is less than 30% and the batteries do not function.

表1に示すように、各実施例のスズ酸化物粒子は、リチウムイオン電池用のセパレータに適用したときに、比較例の無機粒子を用いた場合と比較して、初回充放電時における短絡発生が確認されず、レート特性及び容量維持率が良好であり、充放電サイクル特性に優れたものとなる。この充放電サイクル特性は、高温条件下であっても優れたものである。
特に実施例1~4のスズ酸化物粒子は、電解液にプロパンスルトンを含む場合であっても相互作用が生じずに、電池として優れた作動率及び電圧挙動を有することも判る。このことは、図1に示す実施例2における充放電曲線と、図2に示す比較例2における充放電曲線との比較からも明らかである。
As shown in Table 1, when the tin oxide particles of each Example were used in a separator for a lithium ion battery, no short circuit was observed during the initial charge/discharge, and the rate characteristics and capacity retention rate were good, resulting in excellent charge/discharge cycle characteristics, even under high temperature conditions, compared to the case where the inorganic particles of the Comparative Examples were used.
In particular, the tin oxide particles of Examples 1 to 4 exhibit excellent operating rates and voltage behavior as batteries without any interactions even when the electrolyte contains propane sultone, as is evident from a comparison of the charge-discharge curves of Example 2 shown in Figure 1 and Comparative Example 2 shown in Figure 2.

具体的には、実施例2のスズ酸化物粒子を用いた電池では、図1に示すように、充電および放電過程のいずれにおいても、不安定な電圧挙動は認められない。これに対して、比較例2のアルミナ粒子を用いた電池では、図2に示すように、充電初期の段階で充電終止電圧に到達しており、電池の内部抵抗が増加したことを示している。このことは、プロパンスルトン添加剤とアルミナとの化学反応による副反応物が生成し、この副反応物がセパレータ全体に堆積したことにより、電極間の抵抗が増加し、電池としての性能が発現できなくなったことを示唆している。 Specifically, as shown in Figure 1, the battery using the tin oxide particles of Example 2 did not exhibit unstable voltage behavior during either the charge or discharge process. In contrast, as shown in Figure 2, the battery using the alumina particles of Comparative Example 2 reached the end-of-charge voltage in the early stages of charging, indicating an increase in the internal resistance of the battery. This suggests that by-products were generated by the chemical reaction between the propane sultone additive and alumina, and that these by-products accumulated throughout the separator, increasing the resistance between the electrodes and preventing the battery from performing as intended.

Claims (3)

レーザー回折散乱式粒度分布測定法による累積体積90容量%における体積累積粒径D90が3μm以下であり、
レーザー回折散乱式粒度分布測定法による累積体積50容量%における体積累積粒径D50に対するBET比表面積S1の比(S1/D50)が10以上100以下であり、
リチウムイオン電池用セパレータに配されて用いられる、スズ酸化物粒子であって、
前記粒子中のスズ酸化物が酸素欠損を有し、
前記粒子の質量当たりの酸素欠損量が1×10 16 個/g以上9×10 16 個/g以下である、スズ酸化物粒子。
The volume cumulative particle size D90 at 90% by volume of the cumulative volume measured by a laser diffraction/scattering particle size distribution measurement method is 3 μm or less,
the ratio (S1/D50) of the BET specific surface area S1 to the volume cumulative particle size D50 at a cumulative volume of 50% by volume, as determined by a laser diffraction/scattering particle size distribution measurement method, is 10 or more and 100 or less;
Tin oxide particles for use in a lithium ion battery separator ,
the tin oxide in the particles has oxygen vacancies;
Tin oxide particles, wherein the amount of oxygen deficiency per mass of the particles is 1×10 16 /g or more and 9×10 16 /g or less.
前記BET比表面積S1が20m/g以上70m/g以下である、請求項に記載のスズ酸化物粒子。 2. The tin oxide particles according to claim 1 , wherein the BET specific surface area S1 is 20 m 2 /g or more and 70 m 2 /g or less. 前記体積累積粒径D50が0.3μm以上2.0μm以下である、請求項1又は2に記載のスズ酸化物粒子。 3. The tin oxide particles according to claim 1 , wherein the volume cumulative particle diameter D50 is 0.3 μm or more and 2.0 μm or less.
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