JP7779074B2 - Anode material, battery, method for manufacturing anode material, and method for manufacturing a battery - Google Patents
Anode material, battery, method for manufacturing anode material, and method for manufacturing a batteryInfo
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Description
本発明は、負極材料、電池、負極材料の製造方法、及び電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a negative electrode material, a battery, a method for manufacturing a negative electrode material, and a method for manufacturing a battery.
リチウムイオン二次電池の負極材料としては、炭素が用いられる場合がある。例えば特許文献1には、黒鉛の表面に三酸化タングステンを配置した負極が記載されている。黒鉛の表面に三酸化タングステンを配置することで、リチウムイオンの拡散性を向上させることが可能となり、電池の性能を向上できる。また例えば特許文献2には、ケイ素粒(シリコン)、タングステン、及び炭素を含む負極が記載されている。 Carbon is sometimes used as the negative electrode material for lithium-ion secondary batteries. For example, Patent Document 1 describes a negative electrode in which tungsten trioxide is disposed on the surface of graphite. By disposing tungsten trioxide on the surface of graphite, it is possible to improve the diffusibility of lithium ions, thereby improving battery performance. Furthermore, Patent Document 2, for example, describes a negative electrode containing silicon particles, tungsten, and carbon.
負極材料においては、三酸化タングステンやシリコンを設けることで性能を向上させることができるが、性能向上に改善の余地がある。 In the case of negative electrode materials, performance can be improved by adding tungsten trioxide or silicon, but there is still room for improvement.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、性能を向上した負極材料、電池、負極材料の製造方法、及び電池の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in light of the above, and aims to provide a negative electrode material, a battery, a method for manufacturing a negative electrode material, and a method for manufacturing a battery with improved performance.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る負極材料は、電池の負極材料であって、カーボンと、三酸化タングステンと、シリコンを含むシリコン材料と、を含み、前記シリコン材料は、X線光電子分光法で測定した場合の、表層におけるSiO2由来のSi2pのSiの量に対する単体シリコン由来のSi2pのSiの量の比率が、原子濃度基準で、3以上である。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object, the negative electrode material according to the present disclosure is a negative electrode material for a battery, and includes carbon, tungsten trioxide, and a silicon material containing silicon, wherein the silicon material has a ratio of the amount of Si in Si2p derived from elemental silicon to the amount of Si in Si2p derived from SiO2 in a surface layer, as measured by X-ray photoelectron spectroscopy, on an atomic concentration basis, of 3 or more.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る電池は、前記負極材料と、正極材料とを含む。 To solve the above-mentioned problems and achieve the objectives, the battery disclosed herein comprises the above-mentioned negative electrode material and positive electrode material.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る負極材料の製造方法は、電池の負極材料の製造方法であって、酸素濃度が5%以下の雰囲気下でシリコン原料を準備するステップと、前記シリコン原料を用いて、カーボンと、三酸化タングステンと、シリコン材料とを含む負極材料を生成するステップを含み、前記シリコン材料は、X線光電子分光法で測定した場合の、表層におけるSiO2由来のSi2pのSiの量に対する単体シリコン由来のSi2pのSiの量の比率が、原子濃度基準で、3以上である。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object, a method for producing an anode material according to the present disclosure is a method for producing an anode material for a battery, the method comprising the steps of preparing a silicon raw material in an atmosphere having an oxygen concentration of 5% or less, and using the silicon raw material to produce an anode material containing carbon, tungsten trioxide, and a silicon material, wherein the silicon material has a ratio of the amount of Si in Si2p derived from elemental silicon to the amount of Si in Si2p derived from SiO2 in a surface layer, as measured by X-ray photoelectron spectroscopy, on an atomic concentration basis, of 3 or more.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る電池の製造方法は、前記負極材料の製造方法と、正極材料を製造するステップと、を含む。 To solve the above-mentioned problems and achieve the objectives, the battery manufacturing method disclosed herein includes the method for manufacturing the negative electrode material and a step of manufacturing a positive electrode material.
本発明によれば、負極材料の性能を向上することができる。 The present invention can improve the performance of negative electrode materials.
以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態(以下、実施形態という)により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。 The present invention will now be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following modes for carrying out the invention (hereinafter referred to as "embodiments"). The components in the following embodiments include those that would be easily conceivable to a person skilled in the art, those that are substantially the same, and those that are within the scope of what is known as equivalents. Furthermore, the components disclosed in the following embodiments can be combined as appropriate.
(電池)
図1は、本実施形態に係る電池の模式的な一部断面図である。本実施形態に係る電池1は、リチウムイオン二次電池である。電池1は、ケージング10と、電極群12と、図示しない電解液と、を備える。ケージング10は、内部に電極群12及び電解液を収納するケースである。ケージング10内には、電極群12以外にも、電極群12に接続される配線や端子などを備えていてよい。
(battery)
FIG. 1 is a schematic partial cross-sectional view of a battery according to this embodiment. The battery 1 according to this embodiment is a lithium-ion secondary battery. The battery 1 includes a casing 10, an electrode group 12, and an electrolyte (not shown). The casing 10 is a case that houses the electrode group 12 and the electrolyte. In addition to the electrode group 12, the casing 10 may also include wiring, terminals, and the like that are connected to the electrode group 12.
電極群12は、負極14と、正極16と、セパレータ18とを備える。電極群12は、負極14と正極16との間に、セパレータ18が配置される構成となっている。図1の例では、電極群12は、矩形状のセパレータ18を間に挟んで、矩形状の負極14と矩形状の正極16とが交互に積層された、いわゆる積層型の電極群構造である。ただし、電極群12は、積層型の電極群構造に限られない。例えば、電極群12は、帯状のセパレータ18を間に挟んで、帯状の負極14と帯状の正極16とが積層されて、これらが巻回される、巻回型の電極群構造であってもよい。 The electrode group 12 includes a negative electrode 14, a positive electrode 16, and a separator 18. The electrode group 12 is configured such that the separator 18 is disposed between the negative electrode 14 and the positive electrode 16. In the example shown in FIG. 1, the electrode group 12 has a so-called stacked electrode group structure in which rectangular negative electrodes 14 and rectangular positive electrodes 16 are alternately stacked with a rectangular separator 18 sandwiched therebetween. However, the electrode group 12 is not limited to a stacked electrode group structure. For example, the electrode group 12 may have a wound electrode group structure in which strip-shaped negative electrodes 14 and strip-shaped positive electrodes 16 are stacked with a strip-shaped separator 18 sandwiched therebetween and then wound.
(負極)
図2は、本実施形態に係る負極の一例の模式的な断面図である。図2に示すように、負極14は、集電層20と、負極材料層22と、を備える。集電層20は、導電性部材で構成される層である。集電層20の導電性部材としては、例えば銅が挙げられる。負極材料層22は、本実施形態に係る負極材料を含む層である。負極材料層22は、集電層20の表面に設けられる。集電層20の厚みは、例えば、15μm以上40μm以下程度であってよく、負極材料層22の厚みは、例えば20μm以上200μm以下程度であってよい。なお、負極14は、集電層20の両面に、負極材料層22を備えてもよい。
(Negative electrode)
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an example of a negative electrode according to this embodiment. As shown in FIG. 2, the negative electrode 14 includes a current collecting layer 20 and a negative electrode material layer 22. The current collecting layer 20 is a layer made of a conductive material. An example of the conductive material of the current collecting layer 20 is copper. The negative electrode material layer 22 is a layer containing the negative electrode material according to this embodiment. The negative electrode material layer 22 is provided on the surface of the current collecting layer 20. The thickness of the current collecting layer 20 may be, for example, approximately 15 μm or more and 40 μm or less, and the thickness of the negative electrode material layer 22 may be, for example, approximately 20 μm or more and 200 μm or less. The negative electrode 14 may include the negative electrode material layer 22 on both sides of the current collecting layer 20.
負極材料層22は、負極材料を含む。負極材料は、カーボンと、三酸化タングステンと、シリコン材料とを含む。本実施形態の負極材料は、カーボンの表面に三酸化タングステンが設けられ、カーボンの表面にシリコン材料が設けられるが、カーボン、三酸化タングステン、及びシリコン材料の位置関係はそれに限られず任意であってよい。より具体的には、負極材料層22の負極材料は、カーボンの粒子であるカーボン粒子30と、三酸化タングステンの粒子であるWO3(三酸化タングステン)粒子32と、シリコンを含む粒子であるシリコン粒子33と、を含む。なお、ここでの粒子とは、形状が球状などに限定されるものではなく、線状やシート形状など、任意の形状であってよい。 The negative electrode material layer 22 includes a negative electrode material. The negative electrode material includes carbon, tungsten trioxide, and a silicon material. In the negative electrode material of this embodiment, tungsten trioxide is provided on the surface of carbon, and a silicon material is provided on the surface of the carbon. However, the positional relationship between the carbon, tungsten trioxide, and silicon material is not limited to this and may be any. More specifically, the negative electrode material of the negative electrode material layer 22 includes carbon particles 30, WO 3 (tungsten trioxide) particles 32, and silicon particles 33, which are particles containing silicon. Note that the shape of the particles here is not limited to spherical shapes, and may be any shape, such as linear or sheet-shaped.
カーボンの表面に設けられる三酸化タングステンとは、カーボンに三酸化タングステンが直接的に固着することと、カーボンに固着されたシリコンを介して三酸化タングステンが間接的にカーボンに固着することと、カーボンに固着された三酸化タングステンを介してシリコンが間接的にカーボンに固着することと、三酸化タングステンとシリコンが直接的に固着した複合粒子がカーボンに直接的又は間接的に固着することとのうち少なくとも一つを含む。なお、本実施形態における負極材料は、少なくともカーボンと、三酸化タングステンが固着したシリコン材料とを含むことが好ましい。また、本実施形態の負極材料は、カーボンと、三酸化タングステンと、シリコン材料とからなり、不可避的不純物を除き、カーボンと三酸化タングステンとシリコン材料以外を含まないものであってもよい。また、本実施形態の負極材料は、残部に不可避的不純物を含むようにしてもよい。 The tungsten trioxide applied to the surface of carbon includes at least one of the following: tungsten trioxide directly adhering to carbon; tungsten trioxide indirectly adhering to carbon via silicon adhering to carbon; silicon indirectly adhering to carbon via tungsten trioxide adhering to carbon; and composite particles of tungsten trioxide and silicon directly adhering to carbon, directly or indirectly adhering to carbon. The negative electrode material of this embodiment preferably contains at least carbon and a silicon material to which tungsten trioxide is adhering. The negative electrode material of this embodiment may also be composed of carbon, tungsten trioxide, and a silicon material, and may contain no components other than carbon, tungsten trioxide, and a silicon material, excluding unavoidable impurities. The negative electrode material of this embodiment may also contain unavoidable impurities as the remainder.
負極材料層22の負極材料は、複数のカーボン粒子30を含む。カーボン粒子30は、アモルファスカーボン又はグラファイトを含む。 The negative electrode material of the negative electrode material layer 22 includes a plurality of carbon particles 30. The carbon particles 30 include amorphous carbon or graphite.
アモルファスカーボンとは、結晶構造を有さない非晶質なカーボンである。アモルファスカーボンは、無定形炭素やダイヤモンドライクカーボンと呼ばれることもあり、sp2結合とsp3結合とが混在した炭素であるともいえる。アモルファスカーボンのカーボン粒子は、粒子全体がアモルファスカーボンで構成されており、不可避的不純物を除き、アモルファスカーボン以外の成分を含有しないことが好ましい。具体的には、アモルファスカーボンのカーボン粒子には、黒鉛が含まれていないことが好ましい。
また、アモルファスカーボンは、表面に三酸化タングステンを配置する処理の際に、表面に官能基(例、ヒドロキシ基、カルボキシル基)を含むことができる。そのため、この官能基によって、アモルファスカーボンの表面に三酸化タングステンを適切にトラップすることが可能となり、表面に三酸化タングステンを適切に配置できる。また、この官能基によって三酸化タングステンがアモルファスカーボンの表面に定着されるために、アモルファスカーボンの表面への三酸化タングステンの密着性を高くすることができ、三酸化タングステンがカーボンの表面から切り離されることを抑制できる。特に、ハードカーボン原料は、例えば黒鉛に比べて低温で製造されるため、官能基が除去されずに残りやすく、表面に三酸化タングステン及びシリコンを適切に配置できる。
Amorphous carbon is non-crystalline carbon that does not have a crystalline structure. Amorphous carbon is also called amorphous carbon or diamond-like carbon, and can be said to be carbon in which sp2 bonds and sp3 bonds are mixed. Carbon particles of amorphous carbon are composed entirely of amorphous carbon, and preferably contain no components other than amorphous carbon except for unavoidable impurities. Specifically, carbon particles of amorphous carbon preferably do not contain graphite.
Furthermore, amorphous carbon can contain functional groups (e.g., hydroxyl groups, carboxyl groups) on its surface during the treatment to dispose tungsten trioxide on the surface. Therefore, these functional groups enable tungsten trioxide to be appropriately trapped on the surface of the amorphous carbon, allowing tungsten trioxide to be appropriately disposed on the surface. Furthermore, since these functional groups fix tungsten trioxide to the surface of the amorphous carbon, the adhesion of tungsten trioxide to the amorphous carbon surface can be increased, and tungsten trioxide can be prevented from being separated from the carbon surface. In particular, since hard carbon raw materials are produced at lower temperatures than, for example, graphite, the functional groups are more likely to remain without being removed, allowing tungsten trioxide and silicon to be appropriately disposed on the surface.
グラファイトとは、平面的な結晶構造を有するカーボンである。 Graphite is carbon with a planar crystalline structure.
カーボン粒子30は、平均粒径が、1μm以上50μm以下であることが好ましく、1μm以上20μm以下であることがさらに好ましい。平均粒径がこの範囲にあることで、電極膜の強度を保つことができる。 The average particle size of the carbon particles 30 is preferably 1 μm or more and 50 μm or less, and more preferably 1 μm or more and 20 μm or less. Having an average particle size within this range helps maintain the strength of the electrode film.
負極材料層22の負極材料は、さらに複数のWO3粒子32及びシリコン粒子(シリコン材料)33を含む。より詳しくは、それぞれのカーボン粒子30に対し、複数のWO3粒子32及びシリコン粒子33が設けられている。複数のWO3粒子32のうち一方のWO3粒子32は、カーボン粒子30の表面に設けられている。また、複数のWO3粒子32のうち他方のWO3粒子32は、シリコン粒子33の表面に設けられている。より詳しくは、シリコン粒子33は、カーボン粒子30の表面に密着(接触)しており、シリコン粒子33の表面にWO3粒子32が密着(接触)している。カーボン粒子30とWO3粒子32とシリコン粒子33とは、複合化されていてもよい。または、カーボン粒子30とシリコン粒子33とが複合化され、カーボン粒子30とWO3粒子32とが複合化されていてもよい。したがって、負極材料層22の負極材料は、カーボン粒子30とWO3粒子32とシリコン粒子33とが複合化された構成であるが、更にカーボン粒子30とシリコン粒子33とが複合化された構成及びカーボン粒子30とWO3粒子32とが複合化された構成の少なくともどちらかを含んでもよい。 The negative electrode material of the negative electrode material layer 22 further includes a plurality of WO3 particles 32 and silicon particles (silicon material) 33. More specifically, a plurality of WO3 particles 32 and silicon particles 33 are provided for each carbon particle 30. One of the plurality of WO3 particles 32 is provided on the surface of the carbon particle 30. Another of the plurality of WO3 particles 32 is provided on the surface of the silicon particle 33. More specifically, the silicon particle 33 is in close contact with (adheres to) the surface of the carbon particle 30, and the WO3 particle 32 is in close contact with (adheres to) the surface of the silicon particle 33. The carbon particle 30, the WO3 particle 32, and the silicon particle 33 may be composited. Alternatively, the carbon particle 30 and the silicon particle 33 may be composited, and the carbon particle 30 and the WO3 particle 32 may be composited. Therefore, the negative electrode material of the negative electrode material layer 22 is a composite of carbon particles 30, WO3 particles 32, and silicon particles 33, but may further include at least one of a composite of carbon particles 30 and silicon particles 33 and a composite of carbon particles 30 and WO3 particles 32.
ここでの複合化とは、少なくとも外力が作用しない場合においては、シリコン粒子33をカーボン粒子30から引き離すこと、シリコン粒子33をWO3粒子32から引き離すこと、及びWO3粒子32をカーボン粒子30から引き離すことが不可能になっている状態を指す。例えば、外力とは、負極材料を使用した電池を作動させた際に、SEI(Solid Electrolyte Interphase)被膜が表層全体を覆って形成され膨張収縮される際の力をいう。 Here, "composite" refers to a state in which, at least when no external force is applied, it is impossible to separate the silicon particles 33 from the carbon particles 30, the silicon particles 33 from the WO3 particles 32, and the WO3 particles 32 from the carbon particles 30. For example, the external force refers to the force exerted when a solid electrolyte interphase (SEI) coating is formed to cover the entire surface and expands and contracts when a battery using the negative electrode material is operated.
例えば、複合化は、カーボン粒子30の表面にシリコン粒子33が配置されてシリコン粒子33の表面にWO3粒子32が配置された複合体を形成すること、カーボン粒子30の表面にWO3粒子32が配置されてWO3粒子32の表面にシリコン粒子33が配置された複合体を形成すること、カーボン粒子30の表面にシリコン粒子33が配置された複合体を形成すること、カーボン粒子30の表面にWO3粒子32が配置された複合体を形成すること、シリコン粒子33の表面にWO3粒子32が配置された複合体を形成すること、及びカーボン粒子30の表面にWO3粒子32とシリコン粒子33が配置され、WO3粒子32とシリコン粒子33同士も密着(接触)することの少なくとも何れかを含む。 For example, the composite formation includes at least one of the following: forming a composite in which silicon particles 33 are arranged on the surface of carbon particles 30 and WO3 particles 32 are arranged on the surface of silicon particles 33; forming a composite in which WO3 particles 32 are arranged on the surface of carbon particles 30 and silicon particles 33 are arranged on the surface of WO3 particles 32; forming a composite in which silicon particles 33 are arranged on the surface of carbon particles 30; forming a composite in which WO3 particles 32 are arranged on the surface of carbon particles 30; forming a composite in which WO3 particles 32 are arranged on the surface of silicon particles 33; and forming WO3 particles 32 and silicon particles 33 on the surface of carbon particles 30 and the WO3 particles 32 and silicon particles 33 are also in close contact with each other.
WO3粒子32は、六方晶の結晶構造のものと、単斜晶、三斜晶、斜方晶の結晶構造のものとを含む。すなわち、負極材料は、六方晶の結晶構造の三酸化タングステンと、単斜晶と三斜晶の結晶構造の三酸化タングステンとを含む。ただし、負極材料は、六方晶の結晶構造の三酸化タングステンと、単斜晶の結晶構造の三酸化タングステンと、三斜晶の結晶構造の三酸化タングステンとの少なくとも1つを含んでいてよい。以上をまとめると、負極材料は、六方晶、単斜晶及び三斜晶の少なくとも1つの三酸化タングステンを含むことが好ましく、六方晶の三酸化タングステンと、単斜晶又は三斜晶の三酸化タングステンとを含むことがより好ましく、六方晶、単斜晶及び三斜晶の三酸化タングステンを含むことがさらに好ましい。なお、負極材料が、六方晶の三酸化タングステンに加えて、単斜晶や三斜晶などの他の結晶構造の三酸化タングステンも含んでいる場合は、それぞれの結晶構造の三酸化タングステンのうち、六方晶の三酸化タングステンの含有量が最大であることが好ましい。ただし、負極材料に含まれる三酸化タングステンの結晶構造はこれに限られず、例えば、他の結晶構造の三酸化タングステンを含んでもよい。また、負極材料は、非晶質の三酸化タングステンを含んでいてもよい。 The WO3 particles 32 include those with a hexagonal crystal structure and those with monoclinic, triclinic, and orthorhombic crystal structures. That is, the negative electrode material includes tungsten trioxide with a hexagonal crystal structure and tungsten trioxide with monoclinic and triclinic crystal structures. However, the negative electrode material may include at least one of tungsten trioxide with a hexagonal crystal structure, tungsten trioxide with a monoclinic crystal structure, and tungsten trioxide with a triclinic crystal structure. In summary, the negative electrode material preferably includes at least one of hexagonal, monoclinic, and triclinic tungsten trioxide, more preferably hexagonal tungsten trioxide and monoclinic or triclinic tungsten trioxide, and even more preferably hexagonal, monoclinic, and triclinic tungsten trioxide. In addition, when the negative electrode material contains tungsten trioxide of other crystal structures, such as monoclinic or triclinic, in addition to hexagonal tungsten trioxide, it is preferable that the content of hexagonal tungsten trioxide be the largest among the tungsten trioxide of each crystal structure. However, the crystal structure of the tungsten trioxide contained in the negative electrode material is not limited to this, and for example, tungsten trioxide of other crystal structures may be contained. Furthermore, the negative electrode material may also contain amorphous tungsten trioxide.
WO3粒子32の平均粒径は、カーボン粒子30の平均粒径より小さい。WO3粒子32の平均粒径は、100nm以上20μm以下であることが好ましく、100nm以上1μm以下であることがさらに好ましい。 The average particle size of the WO3 particles 32 is smaller than the average particle size of the carbon particles 30. The average particle size of the WO3 particles 32 is preferably 100 nm or more and 20 μm or less, and more preferably 100 nm or more and 1 μm or less.
このように、負極材料は、カーボン粒子30の表面に、粒子状の三酸化タングステン(WO3粒子32)及びシリコン(シリコン粒子33)が設けられた構造となっているが、それに限られない。負極材料は、カーボンの表面に三酸化タングステン及びシリコン材料が設けられる構造であればよく、カーボンの表面に設けられる三酸化タングステン及びシリコン材料の形状は、任意であってよい。本実施形態では、タングステン化合物やタングステン酸化物として三酸化タングステンを用いた。また、本実施形態では、シリコン粒子33として、シリコンを用いたが、シリコン化合物を用いてもよい。 In this way, the negative electrode material has a structure in which particulate tungsten trioxide ( WO3 particles 32) and silicon (silicon particles 33) are provided on the surface of carbon particles 30, but is not limited to this. The negative electrode material may have a structure in which tungsten trioxide and silicon material are provided on the surface of carbon, and the shapes of the tungsten trioxide and silicon material provided on the surface of carbon may be arbitrary. In this embodiment, tungsten trioxide is used as the tungsten compound or tungsten oxide. Furthermore, in this embodiment, silicon is used as the silicon particles 33, but a silicon compound may also be used.
なお、負極材料層22は、負極材料(カーボン粒子30、WO3粒子32及びシリコン粒子33)以外の物質を含んでよい。負極材料層22は、例えば、バインダを含んでよい。バインダの材料は任意であってよいが、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、スチレンブタジエンラバー(SBR)、ポリアクリル酸(PAA)等が挙げられる。バインダは1種類のみで使用されてもよいし、2種以上が組み合わされて使用されてもよい。ただし、カーボン粒子30がアモルファスカーボンの場合、負極材料層22は、言い換えれば負極材料は、黒鉛を含まないことが好ましい。 The negative electrode material layer 22 may contain a substance other than the negative electrode material (carbon particles 30, WO3 particles 32, and silicon particles 33). The negative electrode material layer 22 may contain, for example, a binder. Any binder material may be used, and examples thereof include polyvinylidene fluoride (PVDF), carboxymethyl cellulose (CMC), styrene butadiene rubber (SBR), and polyacrylic acid (PAA). Only one type of binder may be used, or two or more types may be used in combination. However, when the carbon particles 30 are amorphous carbon, it is preferable that the negative electrode material layer 22, in other words, the negative electrode material, does not contain graphite.
カーボン、三酸化タングステン及びシリコンの同定は、X線回折法によって行うことができる。例えば、分析対象物のX線回折分析結果におけるピーク波形が、カーボンのピーク波形を示すが、既知のグラファイト構造における(002)ピーク波形がブロードになる場合に、アモルファスカーボンであると判断できる。また例えば、分析対象物のX線回折分析結果におけるピークを示す位置(角度)が、既知の三酸化タングステンにおけるピークを示す位置に一致する場合には、その分析対象物が、三酸化タングステンを含むと判断できる。さらに例えば、分析対象物のX線回折分析結果におけるピークを示す位置(角度)が、既知のシリコンにおけるピークを示す位置に一致する場合には、その分析対象物が、シリコンを含むと判断できる。 Carbon, tungsten trioxide, and silicon can be identified by X-ray diffraction. For example, if the peak waveform in the X-ray diffraction analysis of the object being analyzed shows the peak waveform of carbon, but the (002) peak waveform in a known graphite structure is broad, it can be determined that the object is amorphous carbon. Also, for example, if the position (angle) of the peak in the X-ray diffraction analysis of the object being analyzed matches the position of the peak in known tungsten trioxide, it can be determined that the object being analyzed contains tungsten trioxide. Furthermore, for example, if the position (angle) of the peak in the X-ray diffraction analysis of the object being analyzed matches the position of the peak in known silicon, it can be determined that the object being analyzed contains silicon.
また、WO3粒子32及びシリコン粒子33がカーボン粒子30の表面に配置されていることは、SEM(Scanning Electron Microscope)や、TEM(Transmission Electron Microscope)などの電子顕微鏡で観察することで、確認することができる。 Furthermore, the arrangement of the WO 3 particles 32 and the silicon particles 33 on the surface of the carbon particles 30 can be confirmed by observing with an electron microscope such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM).
さらに、本実施形態における負極材料のカーボン、三酸化タングステン及びシリコンの元素比率は、発光分析法によって測定することができる。 Furthermore, the elemental ratios of carbon, tungsten trioxide, and silicon in the negative electrode material in this embodiment can be measured by optical emission spectrometry.
本実施形態の負極材料について、シリコン、タングステンと酸素の化学成分を測定し、残量はカーボンとしてよい。シリコン及びタングステンはICP-OES法(Inductivity Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer、誘導結合プラズマ発光分光法)(メーカ名「Agilent」、装置製品名「720-ES」)によって測定し、酸素は不活性ガス融解-赤外線吸収法(メーカ名「LECO」、装置製品名「ONH836」)によって測定できる。生成物である負極材料においてシリコン材料、三酸化タングステンと炭素の3元素の合計を100重量%とした場合に、シリコン材料の含有量は、1重量%以上10重量%以下であることが好ましく、1重量%以上8重量%以下又は2重量%以上8重量%以下であることがより好ましく、1.5重量%以上7重量%以下又は1.8重量%以上7重量%以下であることがさらに好ましい。生成物である負極材料においてシリコン材料、三酸化タングステンと炭素の3元素の合計を100重量%とした場合に、三酸化タングステンの含有量は、1重量%以上10重量%以下であることが好ましく、2重量%以上8重量%以下であることがより好ましく、3重量%以上5重量%以下であることがさらに好ましい。 For the negative electrode material of this embodiment, the chemical components of silicon, tungsten, and oxygen are measured, and the remaining amount can be considered as carbon. Silicon and tungsten can be measured using an ICP-OES (Inductivity Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer) (manufacturer: Agilent, product name: 720-ES), and oxygen can be measured using an inert gas fusion-infrared absorption method (manufacturer: LECO, product name: ONH836). In the negative electrode material product, when the total of the three elements (silicon material, tungsten trioxide, and carbon) is taken as 100% by weight, the content of the silicon material is preferably 1% by weight to 10% by weight, more preferably 1% by weight to 8% by weight or 2% by weight to 8% by weight, and even more preferably 1.5% by weight to 7% by weight or 1.8% by weight to 7% by weight. In the negative electrode material product, when the total of the three elements (silicon material, tungsten trioxide, and carbon) is taken as 100% by weight, the content of the tungsten trioxide is preferably 1% by weight to 10% by weight, more preferably 2% by weight to 8% by weight, and even more preferably 3% by weight to 5% by weight.
また、生成物である負極材料においてシリコン材料、三酸化タングステンと炭素の3元素の合計を100重量%とした場合に、三酸化タングステンの含有量(重量%)に対するシリコン材料の含有量(重量%)の比率は、0.2以上2.5以下であることが好ましく、0.2以上2.0以下又は0.5以上2.0以下であることがより好ましく、0.3以上1.8以下又は0.4以上1.7以下であることがさらに好ましい。 Furthermore, when the total of the three elements of silicon material, tungsten trioxide, and carbon in the product negative electrode material is taken as 100% by weight, the ratio of the silicon material content (% by weight) to the tungsten trioxide content (% by weight) is preferably 0.2 to 2.5, more preferably 0.2 to 2.0 or 0.5 to 2.0, and even more preferably 0.3 to 1.8 or 0.4 to 1.7.
また、負極材料層22の負極材料は、シリコン粒子33が、カーボン粒子30の表面に密着(接触)し、WO3粒子32が、カーボン粒子30の表面に密着(接触)していてもよい。この場合は、カーボン粒子30とシリコン粒子33とが複合化され、カーボン粒子30とWO3粒子32とが複合化されていてもよい。 Furthermore, in the negative electrode material of the negative electrode material layer 22, the silicon particles 33 may be in close contact with the surfaces of the carbon particles 30, and the WO3 particles 32 may be in close contact with the surfaces of the carbon particles 30. In this case, the carbon particles 30 and the silicon particles 33 may be composited, and the carbon particles 30 and the WO3 particles 32 may be composited.
このように、負極材料は、カーボン粒子30の表面に、粒子状の三酸化タングステン(WO3粒子32)及びシリコン粒子33が設けられた構造となっているが、それに限られない。負極材料は、カーボンの表面に三酸化タングステン及びシリコン材料が設けられる構造であればよく、カーボンの表面に設けられる三酸化タングステン及びシリコン材料の形状は、任意であってよい。 In this way, the negative electrode material has a structure in which particulate tungsten trioxide ( WO3 particles 32) and silicon particles 33 are provided on the surface of carbon particles 30, but is not limited to this. The negative electrode material may have a structure in which tungsten trioxide and silicon material are provided on the surface of carbon, and the shapes of the tungsten trioxide and silicon material provided on the surface of carbon may be arbitrary.
(シリコン粒子)
図3は、シリコン粒子の模式的な断面図である。図3に示すように、シリコン粒子33は、Si層33Aと酸化層33Bとを含む。Si層33Aは、Siで構成される層であり、シリコン粒子33のコアとなる部分といえる。Si層33Aは、不可避的不純物を除き、Si以外の元素を含まないことが好ましい。酸化層33Bは、Si層33Aの表面に形成される層であり、Si層33Aの表面の全域を覆っていることが好ましい。酸化層33Bは、シリコン粒子33の最も外側の表面となる層といえる。酸化層33Bは、シリコンの酸化物(SiOx)で構成される層である。酸化層33Bは、シリコン酸化物としてSiO2を含むが、SiO2以外のシリコン酸化物を含んでよく、例えばSiOを含んでもよい。酸化層33Bは、不可避的不純物を除き、シリコンの酸化物を構成する元素以外の元素を含まないことが好ましい。
(silicon particles)
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a silicon particle. As shown in FIG. 3, the silicon particle 33 includes a Si layer 33A and an oxide layer 33B. The Si layer 33A is a layer composed of Si and can be considered to be the core of the silicon particle 33. The Si layer 33A preferably does not contain any elements other than Si, except for unavoidable impurities. The oxide layer 33B is a layer formed on the surface of the Si layer 33A and preferably covers the entire surface of the Si layer 33A. The oxide layer 33B can be considered to be the layer that forms the outermost surface of the silicon particle 33. The oxide layer 33B is a layer composed of an oxide of silicon (SiO x ). The oxide layer 33B contains SiO 2 as a silicon oxide, but may also contain silicon oxides other than SiO 2 , such as SiO 2 . The oxide layer 33B preferably does not contain any elements other than the elements that constitute the oxide of silicon, except for unavoidable impurities.
(XPSに基づくシリコン粒子の特性)
次に、X線光電子分光法(XPS:X-ray Photoelectron Spectroscopy)を用いて測定した場合における、シリコン粒子33の特性について説明する。以降においては、特に断りが無い限り、X線光電子分光法の測定条件を、以下とする。
・測定装置:PHI5000 Versa ProbeII (アルバック・ファイ社製)
・励起X線:モノクロAlKα線
・出力:50W
・パスエネルギー:187.85eV(Survey)、46.95eV(Narrow)
・測定間隔:0.8eV/step(Survey)、0.1eV/step(Narrow)
・試料面に対する光電子取り出し角:45°
・X線径:200μm
(XPS-based characteristics of silicon particles)
Next, the characteristics of the silicon particles 33 measured using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) will be described. Unless otherwise specified, the measurement conditions for X-ray photoelectron spectroscopy are as follows.
Measurement device: PHI5000 Versa Probe II (manufactured by ULVAC-PHI, Inc.)
Excitation X-ray: Monochrome AlKα ray Output: 50W
Pass energy: 187.85 eV (Survey), 46.95 eV (Narrow)
Measurement interval: 0.8 eV/step (Survey), 0.1 eV/step (Narrow)
Photoelectron take-off angle relative to the sample surface: 45°
・X-ray diameter: 200 μm
(SiO2由来のSiの量に対する単体シリコン由来のSiの量の比率)
シリコン粒子33は、X線光電子分光法で測定した場合の、表層におけるSiO2由来のSi2pのSiの量に対する、単体シリコン由来のSi2pのSiの量の比率が、原子濃度基準で、3.0以上であり、3.5以上であることが好ましく、4以上であることがより好ましい。
ここでの表層とは、表面から、光電子が試料内から脱出できる深さまでの範囲のことで、例えば、論文J.D.Lee et al.,Journal surface analysisVol16,No.1 (2009)PP.42-63の図5に記載されている。また、シリコン粒子33を、上記の測定条件でX線光電子分光法により測定した場合に、光電子が観測できる深さ範囲を、表層といってもよい。
試料面に対する光電子の取り出し角が45°であるので、Siウエハのような平面の場合には、検出される光電子の測定深さd´=dcosθ(θは試料面に対する光電子取り出し角度、dは光電子の脱出深さ)より、θ=90°の場合の0.71倍になる。しかし、今回は粒子状のシリコンを平板の上に敷き詰めて測定を行ったので、検出器に向いている個々の粒子の面からの光電子が主と考えられるので、試料面に対する光電子取り出し角度の補正は行わなかった。
また、Si2pのSiとは、X線光電子分光法によって2p軌道の電子が飛び出したSi原子を指す。SiO2由来のSi2pのSiとは、X線光電子分光法によって2p軌道の電子が飛び出した、SiO2を構成するSiを指し、単体シリコン由来のSi2pのSiとは、X線光電子分光法によって2p軌道の電子が飛び出した、単体シリコン(金属シリコン)を構成するSiを指す。
表層におけるSiO2由来のSi2pのSiの量に対する、単体シリコン由来のSi2pのSiの量の比率とは、表層(ここでは例えば、シリコン粒子33の最表面から、最表面よりもおよそ6オングストローム深い位置まで)における、2p軌道の電子が飛び出したSiO2由来のSi(Si原子)の原子濃度に対する、2p軌道の電子が飛び出した単体シリコン由来のSi(Si原子)の原子濃度の比率を指す。シリコン粒子33は、SiO2由来のSi2pのSiに対する単体シリコン由来のSi2pのSiの量の比率がこの範囲(3.0以上)となることで、表面近傍での酸化物の量が少なくなり、負極材料の容量を向上できる。また、表面の酸化層が薄くなるので、Liイオンの侵入と脱離が容易になり、インピーダンスが低下する。また、シリコン粒子33は、X線光電子分光法で測定した場合の、表層におけるSiO2由来のSi2pのSiの量に対する単体シリコン由来のSi2pのSiの量の比率が、原子濃度基準で、9以下であることが好ましく、19以下であることがより好ましく、99以下であることがさらに好ましい。シリコン粒子33は、SiO2の量に対するSiの量の比率がこの範囲(99以下)となることで、過度にシリコン粒子の酸化を防止するための設備やプロセスを準備する必要がなくなり、負極材料の容量を向上させつつ、生産性の低下を抑制できる。このように、X線光電子分光法で用いてシリコン粒子33を測定した場合において、表層におけるSiO2由来のSi2pのSiの量に対する、単体シリコン由来のSi2pのSiの量の比率が、原子濃度基準で、3以上9以下であることが好ましく、3以上19以下であることがより好ましく、3以上99以下であることがさらに好ましい。また、X線光電子分光法で用いてシリコン粒子33を測定した場合において、表層におけるSiO2由来のSi2pのSiの量に対する、単体シリコン由来のSi2pのSiの量の比率が、原子濃度基準で、3.5以上9以下であることが好ましく、3.5以上19以下であることがより好ましく、3.5以上99以下であることがさらに好ましい。さらに、X線光電子分光法で用いてシリコン粒子33を測定した場合において、表層におけるSiO2由来のSi2pのSiの量に対する、単体シリコン由来のSi2pのSiの量の比率が、原子濃度基準で、4以上9以下であることが好ましく、4以上19以下であることがより好ましく、4以上99以下であることがさらに好ましい。
なお例えば、SiO2由来のSi2pのSiの量が1%のとき、単体シリコン由来のSi2pのSiは99%になるので、その比をとると、表層におけるSiO2由来のSi2pのSiの量に対する、単体シリコン由来のSi2pのSiの量の比率が、99となる。同様に、SiO2由来のSi2pのSiの量が5%のとき、単体シリコン由来のSi2pのSiは95%になるので、その比をとると、表層におけるSiO2由来のSi2pのSiの量に対する、単体シリコン由来のSi2pのSiの量の比率が、19となる。
(Ratio of the amount of Si derived from elemental silicon to the amount of Si derived from SiO2 )
When the silicon particles 33 are measured by X-ray photoelectron spectroscopy, the ratio of the amount of Si in Si2p derived from elemental silicon to the amount of Si in Si2p derived from SiO2 in the surface layer is 3.0 or more, preferably 3.5 or more, and more preferably 4 or more, on an atomic concentration basis.
The surface layer here refers to the range from the surface to the depth at which photoelectrons can escape from within the sample, and is described, for example, in Figure 5 of the paper by J. D. Lee et al., Journal surface analysis Vol. 16, No. 1 (2009) pp. 42-63. Furthermore, when silicon particles 33 are measured by X-ray photoelectron spectroscopy under the above measurement conditions, the depth range at which photoelectrons can be observed may be referred to as the surface layer.
Because the photoelectron take-off angle with respect to the sample surface is 45°, in the case of a flat surface such as a Si wafer, the measurement depth of the detected photoelectrons, d' = d cos θ (θ is the photoelectron take-off angle with respect to the sample surface, and d is the escape depth of the photoelectrons), is 0.71 times that when θ = 90°. However, because measurements were performed with particulate silicon spread over a flat plate in this case, photoelectrons from the surfaces of individual particles facing the detector are thought to be the majority, and so no correction for the photoelectron take-off angle with respect to the sample surface was made.
Furthermore, the Si in Si2p refers to a Si atom from which an electron in the 2p orbital has been ejected as determined by X-ray photoelectron spectroscopy. The Si in Si2p derived from SiO2 refers to the Si constituting SiO2 from which an electron in the 2p orbital has been ejected as determined by X-ray photoelectron spectroscopy, and the Si in Si2p derived from elemental silicon refers to the Si constituting elemental silicon (metallic silicon) from which an electron in the 2p orbital has been ejected as determined by X-ray photoelectron spectroscopy.
The ratio of the amount of Si in Si2p derived from elemental silicon to the amount of Si in Si2p derived from SiO2 in the surface layer refers to the ratio of the atomic concentration of Si (Si atoms) derived from elemental silicon from which electrons in the 2p orbital have been ejected to the atomic concentration of Si (Si atoms) derived from SiO2 from which electrons in the 2p orbital have been ejected in the surface layer (for example, from the outermost surface of the silicon particles 33 to a position approximately 6 angstroms deeper than the outermost surface). When the ratio of the amount of Si in Si2p derived from elemental silicon to Si in Si2p derived from SiO2 falls within this range (3.0 or more), the amount of oxide near the surface of the silicon particles 33 is reduced, thereby improving the capacity of the negative electrode material. Furthermore, since the surface oxide layer is thinner, Li ions can easily penetrate and desorb, reducing impedance. Furthermore, when the silicon particles 33 are measured by X-ray photoelectron spectroscopy, the ratio of the amount of Si in the Si2p derived from elemental silicon to the amount of Si in the Si2p derived from SiO2 in the surface layer is preferably 9 or less, more preferably 19 or less, and even more preferably 99 or less, on an atomic concentration basis. When the ratio of the amount of Si to the amount of SiO2 in the silicon particles 33 is within this range (99 or less), there is no need to prepare equipment or processes to prevent excessive oxidation of the silicon particles, and a decrease in productivity can be suppressed while improving the capacity of the negative electrode material. Thus, when the silicon particles 33 are measured using X-ray photoelectron spectroscopy, the ratio of the amount of Si in the Si2p derived from elemental silicon to the amount of Si in the Si2p derived from SiO2 in the surface layer is preferably 3 or more and 9 or less, more preferably 3 or more and 19 or less, and even more preferably 3 or more and 99 or less, on an atomic concentration basis. Furthermore, when the silicon particles 33 are measured using X-ray photoelectron spectroscopy, the ratio of the amount of Si in Si2p derived from elemental silicon to the amount of Si in Si2p derived from SiO2 in the surface layer is preferably from 3.5 to 9, more preferably from 3.5 to 19, and even more preferably from 3.5 to 99, on an atomic concentration basis. Furthermore, when the silicon particles 33 are measured using X-ray photoelectron spectroscopy, the ratio of the amount of Si in Si2p derived from elemental silicon to the amount of Si in Si2p derived from SiO2 in the surface layer is preferably from 4 to 9, more preferably from 4 to 19, and even more preferably from 4 to 99, on an atomic concentration basis.
For example, when the amount of Si in Si2p derived from SiO2 is 1%, the amount of Si in Si2p derived from elemental silicon is 99%, so that when this ratio is taken, the ratio of the amount of Si in Si2p derived from elemental silicon to the amount of Si in Si2p derived from SiO2 in the surface layer is 99. Similarly, when the amount of Si in Si2p derived from SiO2 is 5%, the amount of Si in Si2p derived from elemental silicon is 95%, so that when this ratio is taken, the ratio of the amount of Si in Si2p derived from elemental silicon to the amount of Si in Si2p derived from SiO2 in the surface layer is 19.
ここで、X線光電子分光法で測定した場合の、SiO2由来のSi2pのSiの量と単体シリコン由来のSi2pのSiの量との比率の算出方法について説明する。図4は、シリコン材料のXPSによる測定結果を示すサーベイスペクトルの一例を示す図であり、図5は、シリコン材料のXPSによる測定結果を示すSi2pのナロースペクトルの一例を示す図であり、図6は、シリコン材料のXPSによる測定結果を示すSi2pのナロースペクトルのピーク分離の一例を示す図であり、図7は、シリコン材料のXPSによる測定結果を示すO1sのナロースペクトルの一例を示す図である。図4は、ワイドスキャン分析におけるシリコン粒子33のピーク波形Pの一例であり、結合エネルギー100eV付近のピーク波形P1が、Si2pのピークを示している。図5は、ピーク波形P1近傍のナロースキャン分析におけるシリコン粒子33の波形の一例であり、バックグラウンドが除去されてSi2pのピークが抽出されたものとなっている。ここで、SiO2由来のSi2pのSiと単体シリコン由来のSi2pのSiとは、結合状態の違いにより、結合エネルギーが異なる。従って、図6に示すように、ピーク波形P1を、単体シリコン由来のSi2pを示すピーク波形P1Aと、SiO2由来のSi2pを示すピーク波形P1Bとに分離できる。ピーク波形P1Aは、結合エネルギー99eV近傍に1つのピークを有する波形であり、ピーク波形P1Bは、結合エネルギー103eV近傍に1つのピークを有する波形である。ピーク波形からのバックグランド除去は、X線光電子分光装置に付属しているMultipak version9.9.0.8をソフトウェアとして用いて、ベースラインの補正に主にShirley法で行った。 Here, we will explain how to calculate the ratio of the amount of Si in Si2p derived from SiO2 to the amount of Si in Si2p derived from elemental silicon when measured by X-ray photoelectron spectroscopy. FIG. 4 shows an example of a survey spectrum illustrating the results of XPS measurement of a silicon material. FIG. 5 shows an example of a narrow spectrum of Si2p illustrating the results of XPS measurement of a silicon material. FIG. 6 shows an example of peak separation in the narrow spectrum of Si2p illustrating the results of XPS measurement of a silicon material. FIG. 7 shows an example of a narrow O1s spectrum illustrating the results of XPS measurement of a silicon material. FIG. 4 shows an example of a peak waveform P of a silicon particle 33 in a wide scan analysis, where a peak waveform P1 near a binding energy of 100 eV indicates the Si2p peak. FIG. 5 shows an example of a waveform of a silicon particle 33 in a narrow scan analysis near the peak waveform P1, where the background has been removed and the Si2p peak has been extracted. Here, the Si in Si2p derived from SiO2 and the Si in Si2p derived from elemental silicon have different binding energies due to differences in their bonding states. Therefore, as shown in Figure 6, peak waveform P1 can be separated into peak waveform P1A, which indicates Si2p derived from elemental silicon, and peak waveform P1B, which indicates Si2p derived from SiO2 . Peak waveform P1A has one peak near a binding energy of 99 eV, and peak waveform P1B has one peak near a binding energy of 103 eV. Background removal from the peak waveforms was performed using Multipak version 9.9.0.8, which was attached to the X-ray photoelectron spectrometer, as software, with baseline correction mainly performed using the Shirley method.
本実施形態では、ピーク波形P1Bの面積に対するピーク波形P1Aの面積の比率を、原子濃度基準での、SiO2由来のSi2pのSiの量に対する単体シリコン由来のSi2pのSiの量の比率として算出する。 In this embodiment, the ratio of the area of the peak waveform P1A to the area of the peak waveform P1B is calculated as the ratio of the amount of Si in Si2p derived from elemental silicon to the amount of Si in Si2p derived from SiO2 on an atomic concentration basis.
(Si由来のSi濃度割合)
また、シリコン粒子33の表層における、全てのSi2pのSi(2p軌道の電子が飛び出した全てのSi)の原子濃度に対する、単体シリコン由来のSi2pのSiの原子濃度の比率を、Si由来のSi濃度割合(第1Si濃度)とする。Si由来のSi濃度割合は、ピーク波形P1の面積に対するピーク波形P1Aの面積の比率として算出できる。Si由来のSi濃度割合は、75%以上であることが好ましく、77%以上であることがより好ましく、80%以上であることがさらに好ましい。Si由来のSi濃度割合がこの範囲となることで、表面近傍での酸化物の量が少なくなり、負極材料の容量を向上できる。またSi由来のSi濃度割合度は、90%以下であることが好ましく、95%以下であることがより好ましく、99%以下であることがさらに好ましい。Si由来のSi濃度割合がこの範囲となることで、過度にシリコン粒子の酸化を防止するための設備やプロセスを準備する必要がなくなり、負極材料の容量を向上させつつ、生産性の低下を抑制できる。
(Si concentration ratio derived from Si)
Furthermore, the ratio of the atomic concentration of Si2p derived from elemental silicon to the atomic concentration of Si (all Si from which electrons in the 2p orbitals have been ejected) in the surface layer of the silicon particle 33 is referred to as the Si-derived Si concentration ratio (first Si concentration). The Si-derived Si concentration ratio can be calculated as the ratio of the area of the peak waveform P1A to the area of the peak waveform P1. The Si-derived Si concentration ratio is preferably 75% or more, more preferably 77% or more, and even more preferably 80% or more. When the Si-derived Si concentration ratio falls within this range, the amount of oxide near the surface is reduced, thereby improving the capacity of the negative electrode material. Furthermore, the Si-derived Si concentration ratio is preferably 90% or less, more preferably 95% or less, and even more preferably 99% or less. When the Si-derived Si concentration ratio falls within this range, there is no need to prepare equipment or processes to prevent excessive oxidation of the silicon particles, and a decrease in productivity can be suppressed while improving the capacity of the negative electrode material.
(SiO2由来のSi濃度割合)
また、シリコン粒子33の表層における、全てのSi2pのSiの原子濃度に対する、SiO2由来のSi2pのSiの原子濃度の比率を、SiO2由来のSi濃度割合とする。SiO2由来のSi濃度割合は、ピーク波形P1の面積に対するピーク波形P1Bの面積の比率として算出できる。SiO2由来のSi濃度割合は、25%以下であることが好ましく、23%以下であることがより好ましく、20%以下であることがさらに好ましい。SiO2由来のSi濃度割合がこの範囲となることで、表面近傍での酸化物の量が少なくなり、負極材料の容量を向上できる。また、SiO2由来のSi濃度割合は、10%以上であることが好ましく、5%以上であることがより好ましく、1%以上であることがさらに好ましい。SiO2由来のSi濃度割合がこの範囲となることで、過度にシリコン粒子の酸化を防止するための設備やプロセスを準備する必要がなくなり、負極材料の容量を向上させつつ、生産性の低下を抑制できる。
(Si concentration ratio derived from SiO2 )
Furthermore, the ratio of the Si atomic concentration of Si2p derived from SiO2 to the Si atomic concentration of all Si2p in the surface layer of the silicon particle 33 is referred to as the Si concentration ratio derived from SiO2 . The Si concentration ratio derived from SiO2 can be calculated as the ratio of the area of peak waveform P1B to the area of peak waveform P1. The Si concentration ratio derived from SiO2 is preferably 25% or less, more preferably 23% or less, and even more preferably 20% or less. When the Si concentration ratio derived from SiO2 is within this range, the amount of oxide near the surface is reduced, and the capacity of the negative electrode material can be improved. Furthermore, the Si concentration ratio derived from SiO2 is preferably 10% or more, more preferably 5% or more, and even more preferably 1% or more. When the Si concentration ratio derived from SiO2 is within this range, there is no need to prepare equipment or processes to prevent excessive oxidation of the silicon particles, and a decrease in productivity can be suppressed while improving the capacity of the negative electrode material.
(Oの量に対するSiの量の比率)
シリコン粒子33は、X線光電子分光法で測定した場合の、表層のO1sのOの量に対するSi2pのSiの量の比率が、原子濃度基準で、1.2以上であることが好ましく、1.3以上であることがより好ましく、1.4以上であることがさらに好ましい。
O1sのOとは、X線光電子分光法によって1s軌道の電子が飛び出したO原子を指す。
表層におけるO1sのOの量に対するSi2pのSiの量の比率とは、シリコン粒子33の表層(例えば、最表面から、最表面よりもおよそ10オングストローム深い位置まで)における、O1sのO(1s軌道の電子が飛び出したO原子)の原子濃度に対する、シリコン粒子33の表層(例えば、最表面よりもおよそ6オングストローム深い位置まで)における、Si2pのSi(2p軌道の電子が飛び出したSi原子)の原子濃度の比率を指す。シリコン粒子33は、O1sのOの量に対するSi2pのSiの量の比率がこの範囲となることで、表面近傍での酸化物の量が少なくなり、負極材料の容量を向上できる。特に、SiO2以外のシリコン酸化物(例えばSiOなど)も、容量の向上を抑制する因子として作用する可能性があり、そのような場合に、Oの量に対するSiの量の比率が上記範囲となることで、SiO2以外のシリコン酸化物の量も少なくして、容量を適切に向上できる。また、シリコン粒子33は、X線光電子分光法で測定した場合の、表層におけるO1sのOの量に対するSi2pのSiの量の比率が、原子濃度基準で、4以下であることが好ましく、9以下であることがより好ましく、99以下であることがさらに好ましい。シリコン粒子33は、Oの量に対するSiの量の比率がこの範囲となることで、過度に純粋なSiを準備する必要がなくなり、負極材料の容量を向上させつつ、生産性の低下を抑制できる。このように、X線光電子分光法を用いてシリコン粒子33を測定した場合において、表層のO1sのOの量に対するSi2pのSiの比率が、原子濃度基準で、1.2以上4以下であることが好ましく、1.2以上9以下であることがより好ましく、1.2以上99以下であることがさらに好ましい。また、X線光電子分光法を用いてシリコン粒子33を測定した場合において、表層のO1sのOの量に対するSi2pのSiの比率が、原子濃度基準で、1.3以上4以下であることが好ましく、1.3以上9以下であることがより好ましく、1.3以上99以下であることがさらに好ましい。さらに、X線光電子分光法を用いてシリコン粒子33を測定した場合において、表層のO1sのOの量に対するSi2pのSiの比率が、原子濃度基準で、1.4以上4以下であることが好ましく、1.4以上9以下であることがより好ましく、1.4以上99以下であることがさらに好ましい。
なお例えば、O濃度が20at%でSi濃度が80%のとき、表層のO1sのOの量に対するSi2pのSiの比率は、4となり、O濃度が5at%でSi濃度が95%のとき、表層のO1sのOの量に対するSi2pのSiの比率は、19となる。
(Ratio of the amount of Si to the amount of O)
When the silicon particles 33 are measured by X-ray photoelectron spectroscopy, the ratio of the amount of Si in Si2p to the amount of O in O1s in the surface layer is preferably 1.2 or more, more preferably 1.3 or more, and even more preferably 1.4 or more, on an atomic concentration basis.
The O in O1s refers to an O atom from which an electron in the 1s orbital has been ejected as determined by X-ray photoelectron spectroscopy.
The ratio of the amount of Si in Si2p to the amount of O in O1s in the surface layer refers to the ratio of the atomic concentration of O in O1s (O atoms from which electrons in the 1s orbital have been ejected) in the surface layer of silicon particle 33 (e.g., from the outermost surface to a position approximately 10 angstroms deeper than the outermost surface) to the atomic concentration of Si in Si2p (Si atoms from which electrons in the 2p orbital have been ejected) in the surface layer of silicon particle 33 (e.g., from the outermost surface to a position approximately 10 angstroms deeper than the outermost surface). When the ratio of the amount of Si in Si2p to the amount of O in O1s falls within this range, the amount of oxide near the surface of silicon particle 33 is reduced, thereby improving the capacity of the negative electrode material. In particular, silicon oxides other than SiO2 (e.g., SiO, etc.) may also act as a factor inhibiting capacity improvement. In such cases, when the ratio of the amount of Si to the amount of O falls within the above range, the amount of silicon oxides other than SiO2 can also be reduced, thereby appropriately improving capacity. Furthermore, when the silicon particles 33 are measured by X-ray photoelectron spectroscopy, the ratio of the amount of Si in Si2p to the amount of O in O1s in the surface layer is preferably 4 or less, more preferably 9 or less, and even more preferably 99 or less, on an atomic concentration basis. When the ratio of the amount of Si to the amount of O in the silicon particles 33 is within this range, it is not necessary to prepare excessively pure Si, thereby improving the capacity of the negative electrode material and suppressing a decrease in productivity. Thus, when the silicon particles 33 are measured using X-ray photoelectron spectroscopy, the ratio of Si in Si2p to the amount of O in O1s in the surface layer is preferably 1.2 or more and 4 or less, more preferably 1.2 or more and 9 or less, and even more preferably 1.2 or more and 99 or less, on an atomic concentration basis. When the silicon particles 33 are measured using X-ray photoelectron spectroscopy, the ratio of Si in Si2p to the amount of O in O1s in the surface layer is preferably 1.3 or more and 4 or less, more preferably 1.3 or more and 9 or less, and even more preferably 1.3 or more and 99 or less, on an atomic concentration basis. Furthermore, when silicon particles 33 are measured using X-ray photoelectron spectroscopy, the ratio of Si in Si2p to the amount of O in O1s in the surface layer is preferably 1.4 or more and 4 or less, more preferably 1.4 or more and 9 or less, and even more preferably 1.4 or more and 99 or less, based on atomic concentration.
For example, when the O concentration is 20 at % and the Si concentration is 80%, the ratio of Si in Si2p to the amount of O in O1s in the surface layer is 4, and when the O concentration is 5 at % and the Si concentration is 95%, the ratio of Si in Si2p to the amount of O in O1s in the surface layer is 19.
ここで、X線光電子分光法で測定した場合のO1sのOの量に対するSi2pのSiの量の比率の算出方法について説明する。図4のサーベイスペクトルと呼ぶ、定性分析をおこなう。次に、サーベイスペクトルの測定で存在が確認された元素について、各元素ごとに決まっている軌道準位に対応した結合エネルギーのナロースペクトルを測定する。例えば、図5はSi2Pのナロースペクトルを、図7はO1sのナロースペクトルをそれぞれ示す。これ以外に、微量の元素があれば、同様にその元素のナロースペクトルを測定する。各ナロースペクトルのバックグラウンド補正を行い、ピーク面積を求める。このピーク面積に各元素の軌道準位に対応した感度係数をかけて、その元素の濃度とする。一連の濃度計算は、PHI5000 Versa ProbeII に付属している解析ソフト、Multi Packを用いて求めることが出来る。そのようにして求めた結果が、図11のSi濃度(第2Si濃度)とO濃度である。この濃度からSi/Oの比を求めた。
すなわち、上記のように求めたO濃度に対するSi濃度の比率が、濃度比Si/Oとなる。
Here, we will explain how to calculate the ratio of the amount of Si in Si2p to the amount of O in O1s when measured by X-ray photoelectron spectroscopy. A qualitative analysis called a survey spectrum (Figure 4) is performed. Next, for elements whose presence is confirmed in the survey spectrum measurement, narrow spectra of binding energies corresponding to the orbital levels determined for each element are measured. For example, Figure 5 shows the narrow spectrum of Si2P, and Figure 7 shows the narrow spectrum of O1s. If trace amounts of other elements are present, narrow spectra of those elements are measured in the same way. Background correction is performed for each narrow spectrum, and the peak area is calculated. This peak area is multiplied by the sensitivity coefficient corresponding to the orbital level of each element to determine the concentration of that element. This series of concentration calculations can be performed using Multi Pack, the analysis software included with the PHI5000 Versa Probe II. The results obtained in this way are the Si concentration (second Si concentration) and O concentration shown in Figure 11. The Si/O ratio was calculated from these concentrations.
That is, the ratio of the Si concentration to the O concentration obtained as described above is the concentration ratio Si/O.
(Si濃度)
Si濃度は、50at%以上であることが好ましく、55at%以上であることがより好ましく、60at%以上であることがさらに好ましい。Si濃度がこの範囲となることで、表面近傍での酸化物の量が少なくなり、負極材料の容量を向上できる。また、Si濃度は、80at%以下であることが好ましく、90at%以下であることがより好ましく、99at%以下であることがさらに好ましい。Si濃度がこの範囲となることで、過度にシリコン粒子の酸化を防止するための設備やプロセスを準備する必要がなくなり、負極材料の容量を向上させつつ、生産性の低下を抑制できる。
(Si concentration)
The Si concentration is preferably 50 at% or more, more preferably 55 at% or more, and even more preferably 60 at% or more. When the Si concentration is in this range, the amount of oxide near the surface is reduced, and the capacity of the negative electrode material can be improved. Furthermore, the Si concentration is preferably 80 at% or less, more preferably 90 at% or less, and even more preferably 99 at% or less. When the Si concentration is in this range, there is no need to prepare equipment or processes to prevent excessive oxidation of silicon particles, and the capacity of the negative electrode material can be improved while suppressing a decrease in productivity.
(O濃度)
O濃度は、46at%以下であることが好ましく、40at%以下であることがより好ましく、30at%以下であることがさらに好ましい。O濃度がこの範囲となることで、表面近傍での酸化物の量が少なくなり、負極材料の容量を向上できる。また、O濃度は、20at%以上であることが好ましく、10at%以上であることがより好ましく、1at%以上であることがさらに好ましい。O濃度がこの範囲となることで、過度にシリコン粒子の酸化を防止するための設備やプロセスを準備する必要がなくなり、負極材料の容量を向上させつつ、生産性の低下を抑制できる。
(O concentration)
The O concentration is preferably 46 at% or less, more preferably 40 at% or less, and even more preferably 30 at% or less. When the O concentration is in this range, the amount of oxide near the surface is reduced, and the capacity of the negative electrode material can be improved. Furthermore, the O concentration is preferably 20 at% or more, more preferably 10 at% or more, and even more preferably 1 at% or more. When the O concentration is in this range, there is no need to prepare equipment or processes to prevent excessive oxidation of the silicon particles, and a decrease in productivity can be suppressed while improving the capacity of the negative electrode material.
(酸化層の厚み)
シリコン粒子33は、酸化層33Bの厚みが、2.1オングストローム以下であることが好ましく、1.8オングストローム以下であることがより好ましく、1.3オングストローム以下であることがさらに好ましい。酸化層33Bの厚みがこの範囲となることで、表面近傍での酸化物の量が少なくなり、負極材料の容量を向上できる。また、酸化層33Bの厚みは、0.7オングストローム以上であることが好ましく、0.3オングストローム以上であることがより好ましく、0.06オングストローム以上であることがさらに好ましい。酸化層33Bの厚みがこの範囲となることで、過度に純粋なSiを準備する必要がなくなり、負極材料の容量を向上させつつ、生産性の低下を抑制できる。なお、酸化層33Bの厚みは、X線光電子分光法で測定した場合の、表層における、単体シリコン由来のSi2pのSiの量に対するSiO2由来のSi2pのSiの量の比率(SiO2由来のSi2pのSiの量に対する単体シリコン由来のSi2pのSiの量の比率の逆数)に、Si2pのSiの光電子の脱出深さ6オングストロームを乗じることで算出される。
(Oxide layer thickness)
The thickness of the oxide layer 33B of the silicon particles 33 is preferably 2.1 angstroms or less, more preferably 1.8 angstroms or less, and even more preferably 1.3 angstroms or less. Having the thickness of the oxide layer 33B within this range reduces the amount of oxide near the surface, thereby improving the capacity of the negative electrode material. Furthermore, the thickness of the oxide layer 33B is preferably 0.7 angstroms or more, more preferably 0.3 angstroms or more, and even more preferably 0.06 angstroms or more. Having the thickness of the oxide layer 33B within this range eliminates the need to prepare excessively pure Si, thereby improving the capacity of the negative electrode material and suppressing a decrease in productivity. The thickness of the oxide layer 33B is calculated by multiplying the ratio of the amount of Si in Si2p derived from SiO2 to the amount of Si in Si2p derived from elemental silicon in the surface layer, as measured by X-ray photoelectron spectroscopy (the reciprocal of the ratio of the amount of Si in Si2p derived from elemental silicon to the amount of Si in Si2p derived from SiO2), by the escape depth of photoelectrons of Si in Si2p, 6 angstroms.
(体積平均粒径に基づくシリコン粒子の特性)
次に、体積平均粒径に基づくシリコン粒子33の特性について説明する。
(Silicon particle characteristics based on volume average particle size)
Next, the characteristics of the silicon particles 33 based on the volume average particle size will be described.
(体積平均粒子径)
シリコン粒子33の、レーザ回折散乱法によって測定される体積平均粒子径(体積基準の平均粒子径)を、以下、体積平均粒子径と記載する。
(Volume average particle size)
The volume average particle diameter (volume-based average particle diameter) of the silicon particles 33 measured by a laser diffraction scattering method will be referred to as the volume average particle diameter hereinafter.
(体積平均粒径に基づく酸化層の体積比率)
シリコン粒子33を球形と仮定し体積平均粒子径を用いて体積を算出した場合の、シリコン粒子33の全体の体積に対する酸化層33Bの体積の比率を、体積平均粒子径に基づく酸化層33Bの体積比率とする。この場合、体積平均粒子径に基づく酸化層33Bの体積比率は、0.05%以下であることが好ましく、0.04%以下であることがより好ましく、0.035%以下であることがさらに好ましい。体積比率がこの範囲となることで、表面近傍での酸化物の量が少なくなり、負極材料の容量を向上できる。また、体積平均粒子径に基づく酸化層33Bの体積比率は、0.015%以上であることが好ましく、0.01%以上であることがより好ましく、0.001%以上であることがさらに好ましい。体積比率がこの範囲となることで、過度にシリコン粒子の酸化を防止するための設備やプロセスを準備する必要がなくなり、負極材料の容量を向上させつつ、生産性の低下を抑制できる。
(Volume ratio of oxide layer based on volume average particle diameter)
The volume ratio of the oxide layer 33B based on the volume average particle diameter is the ratio of the volume of the oxide layer 33B to the total volume of the silicon particles 33 when the volume is calculated using the volume average particle diameter assuming that the silicon particles 33 are spherical. In this case, the volume ratio of the oxide layer 33B based on the volume average particle diameter is preferably 0.05% or less, more preferably 0.04% or less, and even more preferably 0.035% or less. Having this volume ratio within this range reduces the amount of oxide near the surface, thereby improving the capacity of the negative electrode material. Furthermore, the volume ratio of the oxide layer 33B based on the volume average particle diameter is preferably 0.015% or more, more preferably 0.01% or more, and even more preferably 0.001% or more. Having this volume ratio within this range eliminates the need for equipment or processes to prevent excessive oxidation of the silicon particles, thereby improving the capacity of the negative electrode material while suppressing a decrease in productivity.
体積平均粒子径に基づく酸化層33Bの体積比率は、次のように算出できる。すなわち、シリコン粒子33を球形(真球)と仮定して、体積平均粒子径をシリコン粒子33の径として用いて、シリコン粒子33の体積を算出する。そして、体積平均粒子径から、上記のように算出した酸化層33Bの厚みを差し引いてSi層33Aの径を算出し、Si層33Aを球形(真球)と仮定して、Si層33Aの径を用いてSi層33Aの体積を算出する。このように算出したシリコン粒子33の体積から、Si層33Aの体積を差し引いた値を、酸化層33Bの体積とする。そして、シリコン粒子33の体積に対する、酸化層33Bの体積の比率を、体積平均粒子径に基づく酸化層33Bの体積比率とする。 The volume ratio of the oxide layer 33B based on the volume average particle diameter can be calculated as follows. That is, assuming that the silicon particles 33 are spherical (true spheres), the volume of the silicon particles 33 is calculated using the volume average particle diameter as the diameter of the silicon particles 33. The diameter of the Si layer 33A is calculated by subtracting the thickness of the oxide layer 33B calculated as above from the volume average particle diameter. Then, assuming that the Si layer 33A is spherical (true spheres), the volume of the Si layer 33A is calculated using the diameter of the Si layer 33A. The value obtained by subtracting the volume of the Si layer 33A from the volume of the silicon particles 33 calculated in this way is defined as the volume of the oxide layer 33B. The ratio of the volume of the oxide layer 33B to the volume of the silicon particles 33 is defined as the volume ratio of the oxide layer 33B based on the volume average particle diameter.
(D50に基づくシリコン粒子の特性)
次に、D50に基づくシリコン粒子33の特性について説明する。
(Silicon particle properties based on D50)
Next, the characteristics of the silicon particles 33 based on D50 will be described.
(D50)
レーザ回折散乱法によって測定される体積基準の粒度分布において、累積度数が50体積%の粒子径を、D50とする。
(D50)
In the volume-based particle size distribution measured by a laser diffraction scattering method, the particle diameter at which the cumulative frequency is 50% by volume is defined as D50.
(D50に基づく酸化層の体積比率)
ここで、シリコン粒子33を球形と仮定しD50を用いて体積を算出した場合の、シリコン粒子33の全体の体積に対する酸化層33Bの体積の比率を、D50に基づく酸化層33Bの体積比率とする。この場合、D50に基づく酸化層33Bの体積比率は、0.4%以下であることが好ましく、0.3%以下であることがより好ましく、0.25%以下であることがさらに好ましい。体積比率がこの範囲となることで、表面近傍での酸化物の量が少なくなり、負極材料の容量を向上できる。また、D50に基づく酸化層33Bの体積比率は、0.13%以上であることが好ましく、0.05%以上であることがより好ましく、0.01%以上であることがさらに好ましい。体積比率がこの範囲となることで、過度にシリコン粒子の酸化を防止するための設備やプロセスを準備する必要がなくなり、負極材料の容量を向上させつつ、生産性の低下を抑制できる。
(Volume ratio of oxide layer based on D50)
Here, the ratio of the volume of the oxide layer 33B to the total volume of the silicon particles 33 when the volume is calculated using D50 assuming that the silicon particles 33 are spherical is defined as the volume ratio of the oxide layer 33B based on D50. In this case, the volume ratio of the oxide layer 33B based on D50 is preferably 0.4% or less, more preferably 0.3% or less, and even more preferably 0.25% or less. When the volume ratio is within this range, the amount of oxide near the surface is reduced, thereby improving the capacity of the negative electrode material. Furthermore, the volume ratio of the oxide layer 33B based on D50 is preferably 0.13% or more, more preferably 0.05% or more, and even more preferably 0.01% or more. When the volume ratio is within this range, there is no need to prepare equipment or processes to prevent excessive oxidation of the silicon particles, and it is possible to improve the capacity of the negative electrode material while suppressing a decrease in productivity.
D50に基づく酸化層33Bの体積比率は、次のように算出できる。すなわち、シリコン粒子33を球形(真球)と仮定して、D50をシリコン粒子33の径として用いて、シリコン粒子33の体積を算出する。そして、D50から、上記のように算出した酸化層33Bの厚みを差し引いてSi層33Aの径を算出し、Si層33Aを球形(真球)と仮定して、Si層33Aの径を用いて、Si層33Aの体積を算出する。このように算出したシリコン粒子33の体積から、Si層33Aの体積を差し引いた値を、酸化層33Bの体積とする。そして、シリコン粒子33の体積に対する、酸化層33Bの体積の比率を、D50に基づく酸化層33Bの体積比率とする。 The volume ratio of the oxide layer 33B based on D50 can be calculated as follows. That is, assuming that the silicon particles 33 are spherical (true spheres), D50 is used as the diameter of the silicon particles 33 to calculate the volume of the silicon particles 33. The diameter of the Si layer 33A is then calculated by subtracting the thickness of the oxide layer 33B calculated above from D50. Then, assuming that the Si layer 33A is spherical (true spheres), the diameter of the Si layer 33A is used to calculate the volume of the Si layer 33A. The value obtained by subtracting the volume of the Si layer 33A from the volume of the silicon particles 33 calculated in this way is determined as the volume of the oxide layer 33B. The ratio of the volume of the oxide layer 33B to the volume of the silicon particles 33 is then determined as the volume ratio of the oxide layer 33B based on D50.
(正極)
図1に示す正極16は、集電層と正極材料層とを備える。正極16の集電層は、導電性部材で構成される層であり、ここでの導電性部材としては、例えばアルミニウムが挙げられる。正極材料層は、正極材料の層であり、正極16の集電層の表面に設けられる。正極の集電層の厚みは、例えば、10μm以上30μm以下程度であってよく、正極材料層の厚みは、例えば10μm以上100μm以下程度であってよい。
(positive electrode)
The positive electrode 16 shown in Fig. 1 includes a current collecting layer and a positive electrode material layer. The current collecting layer of the positive electrode 16 is a layer made of a conductive material, such as aluminum. The positive electrode material layer is a layer of a positive electrode material and is provided on the surface of the current collecting layer of the positive electrode 16. The thickness of the positive electrode current collecting layer may be, for example, about 10 µm to 30 µm, and the thickness of the positive electrode material layer may be, for example, about 10 µm to 100 µm.
正極材料層は、正極材料を含む。正極材料は、リチウムを含有する化合物であるリチウム化合物の粒子を含む。リチウム化合物としては、リチウム含有金属酸化物やリチウム含有リン酸塩などであってよい。より詳しくは、リチウム化合物は、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiNiaCobMncO2(ただし、0<a<1、0<b<1、0<c<1、a+b+c=1である)、LiFePO4等が挙げられる。リチウム化合物は、1種類の材料のみを含んでもよいし、2種類以上の材料を含んでもよい。また、正極材料層は、正極材料以外の物質を含んでよく、例えば、バインダを含んでよい。バインダの材料は任意であってよいが、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、PAA等が挙げられる。バインダは1種類のみで使用されてもよいし、2種以上が組み合わされて使用されてもよい。 The positive electrode material layer includes a positive electrode material. The positive electrode material includes particles of a lithium compound, which is a compound containing lithium. The lithium compound may be a lithium-containing metal oxide or a lithium-containing phosphate. More specifically, examples of the lithium compound include LiCoO2 , LiNiO2 , LiMnO2, LiMn2O4 , LiNi a Co b Mn c O2 ( where 0 < a < 1 , 0 < b < 1, 0 < c < 1, and a + b + c = 1), LiFePO4 , and the like. The lithium compound may include only one type of material, or may include two or more types of materials. The positive electrode material layer may also include a substance other than the positive electrode material, such as a binder. The binder may be any material, but examples include polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), and PAA. The binder may be used alone or in combination of two or more kinds.
(セパレータ)
図1に示すセパレータ18は、絶縁性の部材である。本実施形態では、セパレータ18は、例えば、樹脂製の多孔質膜であり、樹脂としては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)などが挙げられる。また、セパレータ18は、異なる材料の膜が積層された構造であってもよい。また、セパレータ18は、耐熱層を有していてもよい。耐熱層は、高融点の物質を含有する層である。耐熱層は、たとえば、アルミナ等の無機材料の粒子を含有してもよい。
(separator)
The separator 18 shown in FIG. 1 is an insulating member. In this embodiment, the separator 18 is, for example, a porous film made of resin, such as polyethylene (PE) or polypropylene (PP). The separator 18 may also have a structure in which films of different materials are laminated. The separator 18 may also have a heat-resistant layer. The heat-resistant layer is a layer containing a substance with a high melting point. The heat-resistant layer may contain particles of an inorganic material such as alumina.
(電解液)
電池1に設けられる電解液は、非水電解液である。電解液は、電極群12内の空隙に含浸されている。電解液は、例えば、リチウム塩および非プロトン性溶媒を含む。リチウム塩は、非プロトン性溶媒に分散、溶解している。リチウム塩としては、たとえば、LiPF6、LiBF4、Li[N(FSO2)2]、Li[N(CF3SO2)2]、Li[B(C2O4)2]、LiPO2F2などが挙げられる。非プロトン性溶媒は、例えば、環状炭酸エステルおよび鎖状炭酸エステルの混合物であってよい。環状炭酸エステルとしては、たとえば、EC、PC、ブチレンカーボネート等が挙げられる。鎖状炭酸エステルとしては、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)等が挙げられる。
(electrolyte)
The electrolyte provided in the battery 1 is a nonaqueous electrolyte. The electrolyte is impregnated into the voids in the electrode group 12. The electrolyte includes, for example, a lithium salt and an aprotic solvent. The lithium salt is dispersed and dissolved in the aprotic solvent. Examples of the lithium salt include LiPF6 , LiBF4 , Li[N( FSO2 ) 2 ], Li[N( CF3SO2 ) 2 ], Li[B( C2O4 ) 2 ], and LiPO2F2 . The aprotic solvent may be, for example, a mixture of a cyclic carbonate and a chain carbonate. Examples of the cyclic carbonate include EC, PC , and butylene carbonate. Examples of the chain carbonate include dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), and diethyl carbonate (DEC).
(電池の製造方法)
次に、本実施形態に係る電池1の製造方法の一例を説明する。本製造方法は、酸素濃度が5%以下の雰囲気下でシリコン原料を準備するステップと、シリコン原料を用いて、カーボンの表面に、三酸化タングステンとシリコン材料とを設けて負極材料を製造するステップと、正極材料を製造するステップとを含む。
(Battery manufacturing method)
Next, an example of a method for manufacturing the battery 1 according to this embodiment will be described. This manufacturing method includes the steps of preparing a silicon raw material in an atmosphere with an oxygen concentration of 5% or less, manufacturing an anode material by providing tungsten trioxide and a silicon material on a carbon surface using the silicon raw material, and manufacturing a cathode material.
(シリコン原料を準備するステップ)
図8は、シリコン原料を準備するステップを説明するフローチャートである。シリコン原料は、シリコン粒子33の原料である。図8に示すように、シリコン原料を準備するステップは、破砕工程S1と、粗粉砕工程S2と、粉砕工程S3と、を含む。
(Step of Preparing Silicon Raw Material)
8 is a flowchart illustrating steps for preparing a silicon raw material. The silicon raw material is a raw material for silicon particles 33. As shown in FIG. 8, the steps for preparing the silicon raw material include a crushing step S1, a coarse crushing step S2, and a crushing step S3.
シリコン原料を準備するステップは、酸素濃度が5%以下の雰囲気下でシリコン母材を粉砕してシリコン原料を準備することが好ましく、酸素濃度は3%以下であることがより好ましく、酸素濃度は1%以下であることがより好ましく、0.1%以下であることがさらに好ましい。酸素濃度がこのように低いことで、破砕後に現れるシリコンの新生面の酸化および破砕前の表面に形成されていた酸化層の厚みがさらに厚くなることを抑制して容量の低下を抑制できる。なお、酸素濃度は、泰榮エンジニアリング株式会社製 酸素モニターOM-25MF01によって、また、酸素濃度が1%より低い場合は、株式会社イチネンジコー製 低濃度酸素モニター JKO-O2LJD3で測定できる。また、粗粉砕工程S2と粉砕工程S3とにおいて、酸素濃度を上記範囲とすることが好ましく、破砕工程S1と粗粉砕工程S2と粉砕工程S3との全ての工程において、酸素濃度を上記範囲とすることがより好ましい。 In the step of preparing the silicon raw material, the silicon base material is preferably prepared by crushing the silicon material in an atmosphere with an oxygen concentration of 5% or less. An oxygen concentration of 3% or less is more preferable, an oxygen concentration of 1% or less is even more preferable, and an oxygen concentration of 0.1% or less is even more preferable. Such a low oxygen concentration suppresses oxidation of the newly formed silicon surface after crushing and further thickening of the oxide layer formed on the surface before crushing, thereby suppressing capacity loss. The oxygen concentration can be measured using an oxygen monitor OM-25MF01 manufactured by Taiei Engineering Co., Ltd., or, when the oxygen concentration is lower than 1%, using a low-concentration oxygen monitor JKO-O2LJD3 manufactured by Ichinenjiko Co., Ltd. Furthermore, it is preferable to maintain the oxygen concentration within the above range in the coarse crushing step S2 and the crushing step S3. It is more preferable to maintain the oxygen concentration within the above range in all steps, including the crushing step S1, the coarse crushing step S2, and the crushing step S3.
(破砕工程)
破砕工程S1は、シリコン塊状物を破砕してシリコン破砕物を得る工程である。シリコン塊状物のサイズは、特に制限はない。シリコン塊状物の形状は、特に制限はなく、例えば、柱状、板状、粒状であってもよい。シリコン塊状物としては、シリコンチャンク、チャンク以外の多結晶シリコン、単結晶シリコンと柱状晶シリコンインゴットの塊、モニター用シリコンウエハ、ダミー用シリコンウエハ、粒状シリコンを用いることができる。
(Crushing process)
The crushing step S1 is a step of crushing silicon blocks to obtain crushed silicon. There are no particular limitations on the size of the silicon blocks. There are no particular limitations on the shape of the silicon blocks, and they may be, for example, columnar, plate-like, or granular. Examples of silicon blocks that can be used include silicon chunks, polycrystalline silicon other than chunks, lumps of single crystal silicon and columnar silicon ingots, monitor silicon wafers, dummy silicon wafers, and granular silicon.
シリコン塊状物を破砕するための破砕装置としては特に制限はなく、例えば、ハンマークラッシャー、ジョークラッシャー、ジャイレクトリークラッシャー、コーンクラッシャー、ロールクラッシャー、インパクトクラッシャーを用いることができる。シリコン塊状物の破砕によって得られるシリコン破砕物のサイズは、最長径が1mmを超え5mm以下の範囲内にあることが好ましい。 There are no particular limitations on the crushing device used to crush the silicon lumps; for example, a hammer crusher, jaw crusher, gyratory crusher, cone crusher, roll crusher, or impact crusher can be used. The size of the crushed silicon particles obtained by crushing the silicon lumps preferably has a longest diameter in the range of more than 1 mm and not more than 5 mm.
(粗粉砕工程)
粗粉砕工程S2は、シリコン破砕物を粗粉砕してシリコン粗粒子を得る工程である。粗粉砕工程S2で得られるシリコン粗粒子は、ふるい法により分別される最大粒子径が1000μm以下であることが好ましい。このため、粗粉砕工程S2は、粗粉砕によって得られた粗粉砕物を目開き1000μmのふるいを用いて分級して、最大粒子径が1000μm以下の粗粒子を回収する工程を含むことが好ましい。シリコン粗粒子のサイズが1000μmを超えると、次の粉砕工程S3でシリコン粗粒子が十分に粉砕されずに、その粒子が混入するおそれがある。シリコン粗粒子の最大粒子径は、500μm以下であることが特に好ましい。
(Coarse crushing process)
The coarse pulverization step S2 is a step in which the crushed silicon material is coarsely pulverized to obtain coarse silicon particles. The coarse silicon particles obtained in the coarse pulverization step S2 preferably have a maximum particle size of 1000 μm or less when separated by a sieve method. Therefore, the coarse pulverization step S2 preferably includes a step of classifying the coarsely pulverized material obtained by coarse pulverization using a sieve with a mesh size of 1000 μm and recovering coarse particles having a maximum particle size of 1000 μm or less. If the size of the coarse silicon particles exceeds 1000 μm, the coarse silicon particles may not be sufficiently pulverized in the subsequent crushing step S3, and these particles may be mixed in. It is particularly preferable that the maximum particle size of the coarse silicon particles is 500 μm or less.
粗粉砕は、乾式及び湿式のうちいずれの方式で行ってもよいが、乾式で行うことが好ましい。シリコン破砕物を粗粉砕するための粉砕装置としては特に制限はなく、例えば、ボールミル(遊星ボールミル、振動ボールミル、転動ボールミル、撹拌ボールミル)、ジェットミル、三次元ボールミルを用いることができる。 Coarse grinding can be performed using either a dry or wet method, but dry grinding is preferred. There are no particular restrictions on the grinding device used to coarsely grind the crushed silicon material; for example, a ball mill (planetary ball mill, vibrating ball mill, tumbling ball mill, stirring ball mill), jet mill, or three-dimensional ball mill can be used.
(粉砕工程)
粉砕工程S3は、シリコン粗粒子を粉砕してシリコン原料(シリコン微粒子)を得る工程である。粉砕工程S3では、例えば、ボールミル(遊星ボールミル、振動ボールミル、転動ボールミル、撹拌ボールミル)、ジェットミル、三次元ボールミルを用いることができる。粉砕装置として、株式会社ナガオシステムの三次元ボールミルを用いることが好ましい。
(Crushing process)
The pulverization step S3 is a step of pulverizing the silicon coarse particles to obtain silicon raw material (silicon fine particles). In the pulverization step S3, for example, a ball mill (planetary ball mill, vibration ball mill, tumbling ball mill, stirring ball mill), a jet mill, or a three-dimensional ball mill can be used. As the pulverization device, it is preferable to use a three-dimensional ball mill manufactured by Nagao System Co., Ltd.
硬質ボールとしては、ジルコニア(ZrO2)ボールやアルミナ(Al2O3)を用いることができる。硬質ボールの粒子径は、0.1mm以上20mm以下の範囲内にあることが好ましい。硬質ボールの粒子径がこの範囲内あると、シリコン粗粒子を効率よく粉砕することができる。硬質ボールの使用量は、シリコン粗粒子100質量部に対する量として500質量部以上2500質量部以下の範囲内にあることが好ましい。硬質ボールの使用量がこの範囲内にあると、シリコン粗粒子を効率よく粉砕することができる。硬質ボールの使用量は1000質量部以上2000質量部以下の範囲内にあることがより好ましく、1100質量部以上1500質量部以下の範囲内にあることが特に好ましい。 As the hard balls, zirconia (ZrO 2 ) balls or alumina (Al 2 O 3 ) can be used. The particle diameter of the hard balls is preferably in the range of 0.1 mm or more and 20 mm or less. When the particle diameter of the hard balls is in this range, the coarse silicon particles can be efficiently pulverized. The amount of the hard balls used is preferably in the range of 500 parts by mass or more and 2500 parts by mass or less, relative to 100 parts by mass of the coarse silicon particles. When the amount of the hard balls used is in this range, the coarse silicon particles can be efficiently pulverized. The amount of the hard balls used is more preferably in the range of 1000 parts by mass or more and 2000 parts by mass or less, and particularly preferably in the range of 1100 parts by mass or more and 1500 parts by mass or less.
三次元ボールミルの容器中のシリコン粗粒子と硬質ボールの充填率は、容器の容量に対するシリコン粗粒子と硬質ボールの合計体積の量として3%以上35%以下の範囲内にあることが好ましい。充填率が少なくなりすぎると粉砕効率が低下して製造コストが高くなるおそれがある。一方、充填率が多くなりすぎると、粉砕が進行しにくくなり、得られるシリコン原料の平均粒子径が大きくなる、もしくはシリコン粗粒子が十分に粉砕されずに、その粒子が残るおそれがある。シリコン粗粒子と硬質ボールの充填率は、15%以上30%以下の範囲内にあることがより好ましく、20%以上30%以下の範囲内にあることが特に好ましい。なお、充填率は、容器の内部が原料とボールで隙間なく充填されているときを100%と仮定した体積である。例えば、球状の容器の半分まで原料と硬質ボールで隙間なく充填されていれば50%、球状の容器の1/2の高さまで原料と硬質ボールで隙間なく充填されていれば15.6%である。但し、ここでいう「隙間なく」とは、マクロ的な隙間であり、複数のボール抜けた状態を意味し、ボールとボールの間に形成される隙間ではない。 The filling rate of the silicon coarse particles and hard balls in the container of a three-dimensional ball mill is preferably in the range of 3% to 35% (the total volume of the silicon coarse particles and hard balls relative to the container's capacity). A filling rate that is too low may reduce milling efficiency and increase production costs. On the other hand, a filling rate that is too high may hinder milling, resulting in a larger average particle size of the resulting silicon raw material, or may result in insufficient milling of the silicon coarse particles, resulting in residual particles. The filling rate of the silicon coarse particles and hard balls is more preferably in the range of 15% to 30%, and even more preferably in the range of 20% to 30%. The filling rate is calculated based on the volume of the container, assuming that the container is completely filled with raw material and hard balls. For example, if the spherical container is completely filled with raw material and hard balls, the filling rate is 50%, and if the spherical container is completely filled with raw material and hard balls, the filling rate is 15.6%. However, "without gaps" here refers to macroscopic gaps, meaning that multiple balls have been removed, and not gaps formed between the balls.
容器は、非酸化性ガスが充填されていることが好ましい。非酸化性ガスが充填された容器を用いることによって、シリコン微粒子の吸湿による粒子の凝集やシリコン微粒子の酸化を抑制することができる。非酸化性ガスとしては、アルゴン、窒素、二酸化炭素を用いることができる。 The container is preferably filled with a non-oxidizing gas. Using a container filled with a non-oxidizing gas can prevent the silicon microparticles from aggregating due to moisture absorption and from oxidizing. Argon, nitrogen, or carbon dioxide can be used as the non-oxidizing gas.
本実施形態のシリコン原料の製造方法は、粗粉砕工程S2において、ふるい法により測定される最大粒子径が1000μm以下であるシリコン粗粒子を用意し、次の粉砕工程S3において、三次元ボールミルを用いて、所定の条件でシリコン粗粒子を粉砕する。このため、微細で、かつ粗大な凝集粒子を形成しにくく、他の原料粒子と混合する際の分散性が高いシリコン原料を工業的に有利に製造することができる。 In the silicon raw material manufacturing method of this embodiment, in the coarse crushing step S2, coarse silicon particles having a maximum particle size of 1000 μm or less as measured by the sieving method are prepared, and in the subsequent crushing step S3, the coarse silicon particles are crushed under specified conditions using a three-dimensional ball mill. This makes it possible to industrially advantageously produce silicon raw material that is fine and does not easily form coarse agglomerates, and has high dispersibility when mixed with other raw material particles.
以上、シリコン原料の製造方法について説明したが、製造方法は以上に限られず任意であってよい。 The above describes a method for producing silicon raw material, but the production method is not limited to the above and can be any method.
(負極材料と正極材料を製造するステップ)
図9は、本実施形態の電池の製造方法の一例を説明するフローチャートである。図9に示すように、本製造方法においては、ステップS10からステップS28の工程で、負極14を形成する。
(Steps for Producing Anode and Cathode Materials)
9 is a flowchart illustrating an example of a method for manufacturing a battery according to this embodiment. As shown in FIG. 9, in this manufacturing method, the negative electrode 14 is formed in steps S10 to S28.
具体的には、溶解用溶液にWO3原料を添加して、WO3原料を溶解用溶液に溶解させる(ステップS10;溶解ステップ)。WO3原料は、負極材料の原料として用いられる三酸化タングステンである。溶解用溶液は、WO3原料、すなわち三酸化タングステンが溶解可能な溶液である。溶解用溶液は、例えばアルカリ性の溶液が用いられ、本実施形態ではアンモニア水溶液が用いられる。溶解用溶液は、溶解用溶液全体に対するアンモニアの濃度が、重量%で、5%以上30%以下であることが好ましい。 Specifically, a WO3 raw material is added to a dissolving solution, and the WO3 raw material is dissolved in the dissolving solution (step S10; dissolving step). The WO3 raw material is tungsten trioxide, which is used as a raw material for a negative electrode material. The dissolving solution is a solution capable of dissolving the WO3 raw material, i.e., tungsten trioxide. The dissolving solution may be, for example, an alkaline solution, and in this embodiment, an aqueous ammonia solution is used. The dissolving solution preferably has an ammonia concentration of 5% or more and 30% or less by weight relative to the total amount of the dissolving solution.
本実施形態において、溶解とは、すべてが溶けている状態に限定されず、一部が残っている状態も含む。また、溶解は、混合して溶解することを含む。 In this embodiment, dissolution is not limited to a state in which everything is dissolved, but also includes a state in which some of the material remains. Dissolution also includes mixing and dissolving.
WO3原料は、例えば、CaWO4を塩酸と反応後、アンモニアで溶解し、結晶化させたパラタングステン酸アンモニウム焼成することで製造されるが、任意の方法で製造されてよい。なお、WO3は、三酸化タングステン、酸化タングステン(VI)、無水タングステン酸である。 The WO3 raw material can be produced by, for example, reacting CaWO4 with hydrochloric acid, dissolving it in ammonia, and calcining the crystallized ammonium paratungstate, but it can also be produced by any method. WO3 is tungsten trioxide, tungsten(VI) oxide, or tungstic anhydride.
ステップS10では、溶解用溶液に含有されるアンモニア量に対するWO3原料の添加量の比率を、モル%で、1%以上10%以下とすることが好ましい。WO3原料の添加量の比率を1%以上とすることで、溶解用溶液内での三酸化タングステンの量を十分にすることができ、WO3原料の添加量の比率を10%以下とすることで、三酸化タングステンが溶解せずに残る量を抑制できる。また、ステップS10では、溶解用溶液にWO3原料を添加して、所定時間撹拌することで、溶解用溶液にWO3原料を溶解させる。ここでの所定時間は、6時間以上24時間以下であることが好ましい。所定時間を6時間以上とすることでWO3原料を溶解用溶液に適切に溶解させ、所定時間を24時間以下とすることで、製造時間が長くなり過ぎることを抑制できる。なお、ステップS10の工程は、後述のステップS12へ進む前に、WO3原料が溶解した溶解用溶液を事前に準備して用意しておく準備工程としてもよい。 In step S10, the ratio of the amount of WO3 raw material added to the amount of ammonia contained in the dissolving solution is preferably set to 1% or more and 10% or less in mole percent. Setting the ratio of the WO3 raw material added to 1% or more ensures a sufficient amount of tungsten trioxide in the dissolving solution, while setting the ratio of the WO3 raw material added to 10% or less reduces the amount of tungsten trioxide remaining undissolved. In step S10, the WO3 raw material is added to the dissolving solution and stirred for a predetermined time to dissolve the WO3 raw material in the dissolving solution. This predetermined time is preferably set to 6 hours or more and 24 hours or less. Setting the predetermined time to 6 hours or more allows the WO3 raw material to be appropriately dissolved in the dissolving solution, while setting the predetermined time to 24 hours or less prevents the production time from becoming too long. Note that step S10 may also be a preparation step in which a dissolving solution containing the WO3 raw material is prepared in advance before proceeding to step S12, described below.
次に、WO3原料が溶解した溶解用溶液(ここではタングステン酸アンモニウム溶液)に、シリコン原料を添加して溶解する(ステップS12;添加ステップ)。 Next, the silicon raw material is added to and dissolved in the dissolving solution (here, ammonium tungstate solution) in which the WO3 raw material is dissolved (step S12; adding step).
ステップS12では、WO3原料が溶解した溶解用溶液を撹拌して、溶解用溶液にシリコン原料を分散させる。また、ステップS12では、シリコン原料とWO3との親和性を向上させるために、シリコン原料とWO3とが分散した溶解用溶液に界面活性剤を添加してもよい。界面活性剤としては、ドデシル硫酸ナトリウム(SDS)を用いてよいし、Naを含有しない界面活性剤を用いてもよい。
Naを含有しない界面活性剤としては、例えば、ポリ(オキシエチレン)アルキルエーテルや、ポリオキシエチレンノニルフェニールエーテルなどを用いてよい。ポリ(オキシエチレン)アルキルエーテルとしては、アルキル基の炭素数が12以上15以下の物を用いることが好ましく、例えば、C12H25O(C2H4)nH(ポリ(オキシエチレン)ドデシルエーテル)、C13H27O(C2H4)nH(ポリ(オキシエチレン)トリデシルエーテル)、C13H27O(C2H4)nH(ポリ(オキシエチレン)イソトリデシルエーテル)、C14H25O(C2H4)nH(ポリ(オキシエチレン)テトラデシルエーテル)、C155H25O(C2H4)nH(ポリ(オキシエチレン)ペンタデシルエーテル)などを用いてよい。ここでnは1以上の整数である。ポリオキシエチレンノニルフェニールエーテルとしては、例えば、C9H19C6(CH2CH2O)8H、C9H19C6(CH2CH2O)10H、C9H19C6(CH2CH2O)12Hなどを用いてよい。
界面活性剤の添加量は、溶解用溶液に対するWO3原料の添加量に対して、重量%で、2%以上8%以下とすることが好ましい。この数値範囲とすることで、シリコン原料とWO3との親和性を適切に向上させる。
In step S12, the dissolving solution in which the WO3 raw material is dissolved is stirred to disperse the silicon raw material in the dissolving solution. In step S12, a surfactant may be added to the dissolving solution in which the silicon raw material and WO3 are dispersed to improve the affinity between the silicon raw material and WO3 . As the surfactant, sodium dodecyl sulfate (SDS) may be used, or a surfactant that does not contain Na may be used.
Examples of surfactants that do not contain sodium include poly(oxyethylene) alkyl ethers and polyoxyethylene nonylphenyl ethers. As the poly(oxyethylene) alkyl ethers, those having an alkyl group with 12 to 15 carbon atoms are preferred, and examples thereof include C12H25O ( C2H4 ) nH (poly( oxyethylene )dodecyl ether), C13H27O ( C2H4 )nH(poly(oxyethylene ) tridecyl ether), C13H27O(C2H4 ) nH ( poly(oxyethylene)isotridecyl ether ) , C14H25O ( C2H4 ) nH (poly(oxyethylene) tetradecyl ether), and C155H25O ( C2H4 ) nH ( poly ( oxyethylene ) pentadecyl ether). Here , n is an integer of 1 or more. Examples of polyoxyethylene nonylphenyl ether that can be used include C9H19C6 ( CH2CH2O ) 8H , C9H19C6 ( CH2CH2O ) 10H , and C9H19C6 ( CH2CH2O ) 12H .
The amount of surfactant added is preferably 2% to 8% by weight of the WO3 raw material added to the dissolving solution, which appropriately improves the affinity between the silicon raw material and WO3 .
次に、溶解用溶液の液体成分を除去することで、一次中間材料を生成する(一次中間材料生成ステップ)。本実施形態では、一次中間材料ステップとして、ステップS14、S16を実行する。具体的には、溶解用溶液を乾燥させて、一次中間物を生成する(ステップS14;乾燥ステップ)。ステップS14においては、大気中あるいは不活性ガス中で溶解用溶液を80℃で12時間乾燥させることで、溶解用溶液に含まれる液体成分を除去、すなわち蒸発させる。不活性ガスを用いることでSiの酸化を抑制することができる。一次中間物は、溶解用溶液の液体成分が除去されて残った固形成分を含むものであるといえる。 Next, the liquid components of the dissolving solution are removed to generate a primary intermediate material (primary intermediate material generation step). In this embodiment, steps S14 and S16 are executed as the primary intermediate material step. Specifically, the dissolving solution is dried to generate a primary intermediate (step S14; drying step). In step S14, the dissolving solution is dried in air or in an inert gas at 80°C for 12 hours to remove, or evaporate, the liquid components contained in the dissolving solution. The use of an inert gas can suppress oxidation of Si. The primary intermediate can be said to contain the solid components remaining after the liquid components of the dissolving solution have been removed.
次に、乾燥させた一次中間物を加熱処理することで、一次中間材料を生成する(ステップS16;加熱ステップ)。一次中間物を加熱することで、シリコン粒子33の表面にWO3粒子32が設けられた一次中間材料が形成される。一次中間物を加熱する温度は、不活性ガス中で500℃以上900℃以下であることが好ましい。一次中間物を加熱する温度をこの範囲とすることで、一次中間材料を適切に形成できる。また、一次中間物を加熱する時間は、1時間以上10時間以下であることが好ましい。一次中間物の加熱時間をこの範囲とすることで、一次中間材料を適切に形成できる。なお、ステップS12からS16の工程は、後述のステップS18へ進む前に、上述の一次中間材料(又は一次中間物)を事前に準備して用意しておく準備工程としてもよい。 Next, the dried primary intermediate is heat-treated to produce a primary intermediate material (step S16; heating step). Heating the primary intermediate forms a primary intermediate material in which WO3 particles 32 are provided on the surfaces of silicon particles 33. The temperature at which the primary intermediate is heated is preferably 500°C or higher and 900°C or lower in an inert gas. By heating the primary intermediate to this temperature range, the primary intermediate material can be properly formed. Furthermore, the heating time for the primary intermediate is preferably 1 hour or higher and 10 hours or lower. By heating the primary intermediate for this time range, the primary intermediate material can be properly formed. Note that steps S12 to S16 may be a preparation step in which the above-mentioned primary intermediate material (or primary intermediate) is prepared in advance before proceeding to step S18, which will be described later.
次に、液体(ここでは水)に、一次中間物及びカーボン原料(ここではハードカーボン)を混合して分散する(ステップS18;添加ステップ)。カーボン原料は、原料として用いられるハードカーボンである。 Next, the primary intermediate and carbon raw material (here, hard carbon) are mixed and dispersed in a liquid (here, water) (step S18; addition step). The carbon raw material is hard carbon used as a raw material.
カーボン原料は、例えば、オイルファーネス法で製造されてよい。オイルファーネス法では、例えば高温雰囲気中に原料油を噴霧して熱分解させた後、急冷することで、粒子状のカーボン原料を製造する。ただし、カーボン原料の製造方法はこれに限られず任意であってよい。 The carbon raw material may be produced, for example, by the oil furnace method. In the oil furnace method, for example, raw material oil is sprayed into a high-temperature atmosphere to cause thermal decomposition, and then rapidly cooled to produce particulate carbon raw material. However, the method for producing the carbon raw material is not limited to this and may be any method.
ここで、溶解用溶液へWO3原料とシリコン原料とカーボン原料とを添加する際の、WO3原料の添加量とシリコン原料の添加量とカーボン原料の添加量との合計量に対する、シリコン原料との添加量の比率を、シリコン原料添加割合とし、WO3原料の添加量の比率を、WO3原料添加割合とする。本製造方法では、シリコン原料添加割合を、1重量%以上10重量%以下、好ましくは2重量%以上8重量%以下、より好ましくは5重量%以上8重量%以下とする。シリコン原料添加割合をこの範囲とすることで、カーボン粒子30の表面にシリコン粒子33を適切に形成して、負極として、電池の容量を高くすることが可能となる。また、本製造方法では、WO3原料添加割合を、1重量%以上10量%以下、好ましくは2重量%以上8重量%以下、より好ましくは5重量%以上8重量%以下とすることがより好ましい。WO3原料添加割合をこの範囲とすることで、カーボン粒子30の表面にWO3粒子32を適切に形成して、負極として、電池の容量を高くすることが可能となる。 Here, when adding a WO3 raw material, a silicon raw material, and a carbon raw material to a dissolving solution, the ratio of the amount of silicon raw material added to the total amount of the WO3 raw material, the silicon raw material added, and the carbon raw material added is referred to as the silicon raw material addition ratio, and the ratio of the amount of WO3 raw material added to the total amount of the WO3 raw material added is referred to as the WO3 raw material addition ratio. In this manufacturing method, the silicon raw material addition ratio is 1 wt% to 10 wt%, preferably 2 wt% to 8 wt%, and more preferably 5 wt% to 8 wt%. By setting the silicon raw material addition ratio within this range, silicon particles 33 can be appropriately formed on the surface of carbon particles 30, which can be used as a negative electrode to increase the battery capacity. Furthermore, in this manufacturing method, it is more preferable to set the WO3 raw material addition ratio to 1 wt% to 10 wt%, preferably 2 wt% to 8 wt%, and more preferably 5 wt% to 8 wt%. By setting the WO3 raw material addition ratio within this range, WO3 particles 32 can be appropriately formed on the surface of the carbon particles 30, and the resulting negative electrode can increase the capacity of the battery.
ステップS18は、液体(ここでは水)を撹拌して、液体中に一次中間材料とカーボン原料を分散させる。また、ステップS18では、カーボン原料とシリコンとWO3との親和性を向上させるために、液体に界面活性剤を添加してもよい。界面活性剤としては、ドデシル硫酸ナトリウム(SDS)を用いてよいし、Naを含有しない界面活性剤を用いてもよい。界面活性剤の添加量は、液体に対するカーボン原料の添加量に対して、重量%で、2%以上8%以下とすることが好ましい。この数値範囲とすることで、カーボン原料とシリコンとWO3との親和性を適切に向上させる。 In step S18, the liquid (here, water) is stirred to disperse the primary intermediate material and the carbon raw material in the liquid. In step S18, a surfactant may be added to the liquid to improve the affinity between the carbon raw material, silicon, and WO3 . The surfactant may be sodium dodecyl sulfate (SDS), or a surfactant that does not contain Na may be used. The amount of surfactant added is preferably 2% to 8% by weight of the amount of carbon raw material added to the liquid. By setting the amount within this range, the affinity between the carbon raw material, silicon, and WO3 is appropriately improved.
次に、液体中に一次中間材料とカーボン原料が分散した溶液の液体成分を除去することで、負極材料を生成する(負極材料生成ステップ)。本実施形態では、負極材料生成ステップとして、ステップS20、S22を実行する。具体的には、溶液を乾燥させて、負極中間物を生成する(ステップS20;乾燥ステップ)。ステップS20においては、大気中あるいは不活性ガス中で溶液を80℃で12時間乾燥させることで、溶液に含まれる液体成分を除去、すなわち蒸発させる。負極中間物は、溶液の液体成分が除去されて残った固形成分を含むものであるといえる。 Next, the liquid components of the solution in which the primary intermediate material and carbon raw material are dispersed are removed to produce the negative electrode material (negative electrode material production step). In this embodiment, steps S20 and S22 are performed as the negative electrode material production step. Specifically, the solution is dried to produce the negative electrode intermediate (step S20; drying step). In step S20, the solution is dried in air or in an inert gas at 80°C for 12 hours to remove, i.e., evaporate, the liquid components contained in the solution. The negative electrode intermediate can be said to contain the solid components remaining after the liquid components of the solution have been removed.
次に、負極中間物を加熱することで、負極材料を生成する(ステップS22;加熱ステップ)。負極中間物を加熱することで、カーボン粒子30の表面にWO3粒子32及びシリコン粒子33が設けられた負極材料が形成される。負極中間物を加熱する温度は、不活性ガス中で500℃以上900℃以下であることが好ましい。負極中間物を加熱する温度をこの範囲とすることで、負極材料を適切に形成できる。また、負極中間物を加熱する時間は、1時間以上10時間以下であることが好ましい。負極中間物の加熱時間をこの範囲とすることで、負極材料を適切に形成できる。 Next, the negative electrode intermediate is heated to produce a negative electrode material (step S22; heating step). By heating the negative electrode intermediate, a negative electrode material is formed in which WO3 particles 32 and silicon particles 33 are provided on the surfaces of carbon particles 30. The temperature at which the negative electrode intermediate is heated is preferably 500°C or higher and 900°C or lower in an inert gas. By heating the negative electrode intermediate to a temperature within this range, the negative electrode material can be properly formed. Furthermore, the heating time for the negative electrode intermediate is preferably 1 hour or higher and 10 hours or lower. By heating the negative electrode intermediate for a time within this range, the negative electrode material can be properly formed.
次に、形成した負極材料を用いて、負極14を形成する(ステップS24)。すなわち、集電層20の表面に、負極材料を含んだ負極材料層22を形成して、負極14を形成する。 Next, the negative electrode 14 is formed using the formed negative electrode material (step S24). That is, a negative electrode material layer 22 containing the negative electrode material is formed on the surface of the current collecting layer 20 to form the negative electrode 14.
また、本製造方法は、正極16を形成する(ステップS26)。ステップS26においては、カーボン原料の代わりに、リチウム化合物であるリチウム化合物原料を用いる点以外は、ステップS10からステップS24と同じ方法で、正極材料を形成する。そして、正極16用の集電層の表面に、正極材料を含んだ正極材料層を形成して、正極16を形成する。 This manufacturing method also forms the positive electrode 16 (step S26). In step S26, the positive electrode material is formed in the same manner as steps S10 to S24, except that a lithium compound raw material, which is a lithium compound, is used instead of a carbon raw material. Then, a positive electrode material layer containing the positive electrode material is formed on the surface of the current collecting layer for the positive electrode 16, thereby forming the positive electrode 16.
負極14と正極16を形成したら、負極14と正極16とを用いて、電池1を製造する(ステップS28)。具体的には、負極14とセパレータ18と正極16とを積層して電極群12を形成して、電極群12と電解液とをケージング10内に収納して、電池1を製造する。 Once the negative electrode 14 and positive electrode 16 are formed, the negative electrode 14 and positive electrode 16 are used to manufacture the battery 1 (step S28). Specifically, the negative electrode 14, separator 18, and positive electrode 16 are stacked to form the electrode group 12, and the electrode group 12 and electrolyte are housed in the casing 10 to manufacture the battery 1.
このように、本実施形態においては、ステップS10からステップS24で示したように、三酸化タングステンを溶解した溶解用溶液にシリコンを添加した後に液体成分を除去して一次中間材料を生成した後に、液体に一次中間材料とハードカーボンとを添加した後に液体成分を除去することにより、負極材料を製造する。このような負極材料の製造方法を、以下、適宜、溶液法と記載する。また、上記の製造方法であって界面活性剤としてSDSを用いた製造方法を第1の製造方法という。 As described above, in this embodiment, as shown in steps S10 to S24, silicon is added to a dissolving solution containing dissolved tungsten trioxide, the liquid component is removed to produce a primary intermediate material, and then the primary intermediate material and hard carbon are added to the liquid, followed by the removal of the liquid component, thereby producing a negative electrode material. Hereinafter, this type of method for producing a negative electrode material will be referred to as the solution method, where appropriate. Furthermore, the above-mentioned method using SDS as a surfactant will be referred to as the first production method.
ステップS18で、カーボン原料とシリコンとWO3との親和性を向上させるために、溶液に界面活性剤を添加してもよい。界面活性剤としては、Naを含有しない界面活性剤を用いてもよい。Naを含有しない界面活性剤を用いて、ステップS10からステップS24で示したように、三酸化タングステンを溶解した溶解用溶液にシリコンを添加した後に液体成分を除去して一次中間材料を生成した後に、液体に一次中間材料とハードカーボンとを添加した後に液体成分を除去することにより、負極材料を製造する。このような負極材料の製造方法を、以下、適宜、溶液法と記載する。また、上記の製造方法を第2の製造方法という。 In step S18, a surfactant may be added to the solution to improve the affinity between the carbon raw material, silicon, and WO3 . A surfactant that does not contain sodium may be used as the surfactant. Using the surfactant, silicon is added to a dissolving solution containing tungsten trioxide, and the liquid component is removed to produce a primary intermediate material, as shown in steps S10 to S24. The primary intermediate material and hard carbon are then added to the liquid, and the liquid component is then removed, thereby producing a negative electrode material. Hereinafter, this method of producing a negative electrode material will be referred to as the solution method, where appropriate. The above-described method of production will also be referred to as the second production method.
(電池の製造方法の変形例)
次に、本実施形態に係る電池1の製造方法の他の例を説明する。図10は、本実施形態の電池の製造方法の一例を説明するフローチャートである。図10に示すように、本製造方法においては、ステップS30からステップS44の工程で、負極14を形成する。ステップS30、ステップS32、ステップS40、ステップS42、ステップS44は、ステップS10、ステップS12、ステップS24、ステップS26、ステップS28と同様の処理を行う。
(Modification of Battery Manufacturing Method)
Next, another example of a method for manufacturing the battery 1 according to this embodiment will be described. Fig. 10 is a flowchart illustrating one example of a method for manufacturing the battery according to this embodiment. As shown in Fig. 10, in this manufacturing method, the negative electrode 14 is formed in steps S30 to S44. Steps S30, S32, S40, S42, and S44 are similar to steps S10, S12, S24, S26, and S28.
次に、WO3原料及びシリコン原料が溶解した溶解用溶液に、カーボン原料を添加して溶解する(ステップS34;添加ステップ)。カーボン原料は、原料として用いられるハードカーボンである。 Next, a carbon raw material is added to the dissolving solution in which the WO3 raw material and the silicon raw material have been dissolved, and dissolved (step S34; adding step). The carbon raw material is hard carbon used as a raw material.
ステップS34は、溶解用溶液を撹拌して、溶液中にWO3原料、シリコン原料及びカーボン原料を混合して分散させる。また、ステップS34では、カーボン原料とシリコンとWO3との親和性を向上させるために、溶液に界面活性剤を添加してもよい。 In step S34, the dissolving solution is stirred to mix and disperse the WO3 raw material, silicon raw material, and carbon raw material in the solution. In step S34, a surfactant may be added to the solution to improve the affinity between the carbon raw material, silicon, and WO3 .
次に、溶解用溶液の液体成分を除去することで、負極材料を生成する(負極材料生成ステップ)。本実施形態では、負極材料生成ステップとして、ステップS36、S38を実行する。具体的には、溶解用溶液を乾燥させて、負極中間物を生成する(ステップS36;乾燥ステップ)。ステップS36においては、大気中あるいは不活性ガス中で溶解用溶液を80℃で12時間乾燥させることで、溶解用溶液に含まれる液体成分を除去、すなわち蒸発させる。負極中間物は、溶解用溶液の液体成分が除去されて残った固形成分を含むものであるといえる。 Next, the liquid components of the dissolving solution are removed to produce the negative electrode material (negative electrode material production step). In this embodiment, steps S36 and S38 are performed as the negative electrode material production step. Specifically, the dissolving solution is dried to produce a negative electrode intermediate (step S36; drying step). In step S36, the dissolving solution is dried in air or in an inert gas at 80°C for 12 hours to remove, i.e., evaporate, the liquid components contained in the dissolving solution. The negative electrode intermediate can be said to contain the solid components remaining after the liquid components of the dissolving solution have been removed.
次に、負極中間物を加熱することで、負極材料を生成する(ステップS38;加熱ステップ)。負極中間物を加熱することで、カーボン粒子30の表面にWO3粒子32及びシリコン粒子33が設けられた負極材料が形成される。負極中間物を加熱する温度は、不活性ガス中で500℃以上900℃以下であることが好ましい。負極中間物を加熱する温度をこの範囲とすることで、負極材料を適切に形成できる。また、負極中間物を加熱する時間は、1時間以上10時間以下であることが好ましい。負極中間物の加熱時間をこの範囲とすることで、負極材料を適切に形成できる。 Next, the negative electrode intermediate is heated to produce a negative electrode material (step S38; heating step). By heating the negative electrode intermediate, a negative electrode material is formed in which WO3 particles 32 and silicon particles 33 are provided on the surfaces of carbon particles 30. The temperature at which the negative electrode intermediate is heated is preferably 500°C or higher and 900°C or lower in an inert gas. By heating the negative electrode intermediate to a temperature within this range, the negative electrode material can be properly formed. Furthermore, the time for which the negative electrode intermediate is heated is preferably 1 hour or higher and 10 hours or lower. By heating the negative electrode intermediate for a time within this range, the negative electrode material can be properly formed.
このように、本実施形態においては、ステップS30からステップS44で示したように、三酸化タングステンを溶解した溶解用溶液にシリコン及びハードカーボンを添加した後に液体成分を除去して負極材料を製造する。このような負極材料の製造方法も、以下、適宜、溶液法と記載する。また、上記の製造方法を第3の製造方法という。 In this embodiment, as shown in steps S30 to S44, the negative electrode material is produced by adding silicon and hard carbon to a dissolving solution containing dissolved tungsten trioxide, and then removing the liquid component. Hereinafter, this type of negative electrode material production method will also be referred to as the solution method, as appropriate. The above production method will also be referred to as the third production method.
以上、負極材料及び正極材料の製造方法について説明したが、製造方法は以上に限られず任意であってよい。 The above describes the manufacturing methods for negative electrode materials and positive electrode materials, but the manufacturing methods are not limited to the above and may be any method.
(効果)
以上説明したように、本実施形態に係る負極材料は、電池の負極材料であって、カーボンと、三酸化タングステンと、シリコンを含むシリコン粒子33と、を含む。シリコン粒子33は、X線光電子分光法で測定した場合の、表層におけるSiO2由来のSi2pのSiの量に対する単体シリコン由来のSi2pのSiの量の比率が、原子濃度基準で、3以上である。
(effect)
As described above, the negative electrode material according to this embodiment is a battery negative electrode material and includes carbon, tungsten trioxide, and silicon particles 33 containing silicon. When measured by X-ray photoelectron spectroscopy, the silicon particles 33 have a surface layer in which the ratio of the amount of Si in Si2p derived from elemental silicon to the amount of Si in Si2p derived from SiO2 is 3 or more on an atomic concentration basis.
ここで、負極材料に三酸化タングステンやSiを設けると、電池の性能を向上できる。しかし、さらなる性能向上が求められており、本発明者は、鋭意研究の結果、Siの酸化物が容量の向上を抑制していることを発見した。それに対し、本実施形態に係る負極材料は、表層におけるSiO2由来のSi2pのSiの量に対する単体シリコン由来のSi2pのSiの量の比率が、原子濃度基準で、3以上である。従って、本実施形態によると、シリコンの酸化物を少なくして、電池の性能を向上させることができる。 Here, the addition of tungsten trioxide or Si to the negative electrode material can improve battery performance. However, further performance improvements are required, and the inventors have discovered through extensive research that Si oxides inhibit capacity improvement. In contrast, in the negative electrode material according to this embodiment, the ratio of the amount of Si in Si2p derived from elemental silicon to the amount of Si in Si2p derived from SiO2 in the surface layer is 3 or more, based on atomic concentration. Therefore, according to this embodiment, the amount of silicon oxide can be reduced, thereby improving battery performance.
また、シリコン粒子33は、X線光電子分光法で測定した場合の、表層におけるO1sのOの量に対するSi2pのSiの量の比率が、原子濃度基準で、1.2以上であることが好ましい。本実施形態に係る負極材料は、シリコン粒子33の、O1sのOの量に対するSi2pのSiの量の比率がこの範囲となることで、表面近傍での酸化物の量が少なくなり、電池の性能を向上させることができる。特に、SiO2以外のシリコン酸化物(例えばSiOなど)も、容量の向上を抑制する因子として作用する可能性があり、そのような場合に、O1sのOの量に対するSi2pのSiの量の比率が上記範囲となることで、SiO2以外のシリコン酸化物の量も少なくして、電池の性能を適切に向上できる。 Furthermore, the silicon particles 33 preferably have a ratio of the amount of Si in Si2p to the amount of O in O1s in the surface layer of 1.2 or more, based on atomic concentration, as measured by X-ray photoelectron spectroscopy. In the negative electrode material according to this embodiment, when the ratio of the amount of Si in Si2p to the amount of O in O1s of the silicon particles 33 falls within this range, the amount of oxide near the surface is reduced, thereby improving battery performance. In particular, silicon oxides other than SiO2 (e.g., SiO) may also act as a factor inhibiting capacity improvement. In such cases, when the ratio of the amount of Si in Si2p to the amount of O in O1s falls within the above range, the amount of silicon oxides other than SiO2 can also be reduced, thereby appropriately improving battery performance.
また、シリコン粒子33は、Siで構成されるSi層33Aと、Si層33Aの表面に形成されてシリコンの酸化物で構成される酸化層33Bと、を含み、シリコン粒子33を球形と仮定し、体積平均粒子径を用いてシリコン粒子33の体積を算出した場合に、酸化層33Bの体積は、シリコン粒子33の全体の体積に対して、0.05%以下であることが好ましい。酸化層33Bの体積比率がこの範囲となることで、表面近傍での酸化物の量が少なくなり、電池の性能を向上させることができる。 Furthermore, the silicon particles 33 include a Si layer 33A made of Si and an oxide layer 33B made of silicon oxide formed on the surface of the Si layer 33A. Assuming that the silicon particles 33 are spherical, and the volume of the silicon particles 33 is calculated using the volume average particle diameter, the volume of the oxide layer 33B is preferably 0.05% or less of the total volume of the silicon particles 33. Having the volume ratio of the oxide layer 33B within this range reduces the amount of oxide near the surface, improving battery performance.
また、シリコン粒子33は、Siで構成されるSi層33Aと、Si層33Aの表面に形成されてシリコンの酸化物で構成される酸化層33Bと、を含み、シリコン粒子33を球形と仮定し、レーザ回折散乱法によって測定される体積基準の粒度分布において累積度数が50体積%の粒子径D50を用いてシリコン粒子33の体積を算出した場合に、酸化層33Bの体積は、シリコン粒子33の全体の体積に対して、0.4%以下であることが好ましい。酸化層33Bの体積比率がこの範囲となることで、表面近傍での酸化物の量が少なくなり、電池の性能を向上させることができる。 Furthermore, the silicon particles 33 include a Si layer 33A made of Si and an oxide layer 33B made of silicon oxide formed on the surface of the Si layer 33A. Assuming that the silicon particles 33 are spherical, and the volume of the silicon particles 33 is calculated using the particle diameter D50 at which the cumulative frequency is 50% by volume in the volume-based particle size distribution measured by laser diffraction scattering, the volume of the oxide layer 33B is preferably 0.4% or less of the total volume of the silicon particles 33. Having the volume ratio of the oxide layer 33B within this range reduces the amount of oxide near the surface, thereby improving battery performance.
また、負極材料は、カーボンと三酸化タングステンとシリコン粒子33との合計含有量を100重量%とした場合に、シリコン粒子33の含有量が1重量%以上10重量%以下であることが好ましい。シリコン粒子33の含有量をこの範囲とすることで、電池の性能を向上させることができる。 Furthermore, when the total content of carbon, tungsten trioxide, and silicon particles 33 in the negative electrode material is taken as 100% by weight, it is preferable that the content of silicon particles 33 be 1% by weight or more and 10% by weight or less. By keeping the content of silicon particles 33 within this range, battery performance can be improved.
本実施形態に係る負極材料の製造方法は、酸素濃度が5%以下の雰囲気下でシリコン原料を準備するステップと、シリコン原料を用いて、カーボンと、三酸化タングステンと、シリコン粒子33とを含む負極材料を生成するステップを含み、シリコン粒子33は、X線光電子分光法で測定した場合の、表層におけるSiO2に起因するSi2pのSiに対する単体シリコンのSi2pのSiの量に対する比率が、原子濃度基準で、3以上であることが好ましい。このように低酸素濃度でシリコン原料を準備することで、シリコンの酸化を抑制して、電池の性能を向上させることができる。 The method for producing an anode material according to this embodiment includes the steps of preparing a silicon raw material in an atmosphere with an oxygen concentration of 5% or less, and using the silicon raw material to produce an anode material containing carbon, tungsten trioxide, and silicon particles 33, wherein the silicon particles 33 preferably have a ratio of the amount of Si2p of elemental silicon to the amount of Si2p of Si resulting from SiO2 in the surface layer, as measured by X-ray photoelectron spectroscopy, of 3 or more, on an atomic concentration basis. Preparing the silicon raw material in this manner at a low oxygen concentration can suppress oxidation of silicon, thereby improving battery performance.
(実施例)
次に、実施例について説明する。
(Example)
Next, an example will be described.
(実施例1)
(シリコン原料の準備)
鱗片状多結晶シリコンチャンク(純度:99.999999999質量%、縦:5~15mm、横:5~15mm、厚さ:2~10mm)を、ハンマーミルを用いて破砕した。次いで、得られた粉砕物を、目開き5mmのふるいを用いて乾式分級して、ふるい下のシリコン破砕物を得た。
得られたシリコン破砕物と、硬質ボール(ジルコニアボール、直径:10mm)と、一方の容器と他方の容器とに分割可能な容器とを、それぞれArガスが充填されたグローブボックスに収容した。グローブボックス内にて、容器の一方にシリコン破砕物30質量部と硬質ボール380質量部とを投入した。次いで、シリコン破砕物と硬質ボールを投入した一方の容器と、他方の容器とを組み合わせ、Arガスが充填されたグローブボックス内で、二つの容器をねじ止めして密封した。二つの容器の合わせ面は、気密が保たれるようにすり合わせ面となっている。容器中のシリコン破砕物と硬質ボールの充填率は28%とした。
シリコン破砕物と硬質ボールとを充填した容器を、グローブボックスから取り出して、三次元ボールミル装置にセットした。そして、第1回転軸の回転速度:300rpm、第2回転軸の回転速度:300rpm、粉砕時間:0.33時間の条件で粗粉砕した。粗粉砕後のシリコン粗粉砕物と硬質ボールとを、目開き1000μmのふるいを用いて乾式分級して、最大粒子径が1000μm以下のシリコン粗粒子を得た。
得られたシリコン粗粒子と、硬質ボール(ジルコニアボール、直径:10mm)と、半球状容器とを、それぞれArガスが充填されたグローブボックスに収容した。次いで、グローブボックス内にて、半球容器の一方にシリコン破砕物15質量部と硬質ボール200質量部とを投入した(シリコン粗粒子100質量部に対する硬質ボールの量は1333質量部)。次いで、球状容器を形成するように、シリコン破砕物と硬質ボールを投入した一方の半球容器と、他方の半球容器とを組み合わせ、Arガスが充填されたグローブボックス内で、二つの容器をねじ止めして密封した。容器中のシリコン破砕物と硬質ボールの充填率は15%であった。
シリコン粗粒子と硬質ボールとを充填した容器を、グローブボックスから取り出して、三次元ボールミル装置にセットした。そして、第1回転軸の回転速度:300rpm、第2回転軸の回転速度:300rpm、粉砕時間:3時間の条件で粉砕して、シリコン原料を得た。
Example 1
(Preparation of silicon raw material)
Scaly polycrystalline silicon chunks (purity: 99.999999999% by mass, length: 5 to 15 mm, width: 5 to 15 mm, thickness: 2 to 10 mm) were crushed using a hammer mill. The crushed material was then dry-classified using a sieve with 5 mm openings to obtain crushed silicon material that fell under the sieve.
The obtained crushed silicon material, hard balls (zirconia balls, diameter: 10 mm), and a container that can be divided into one container and the other container were each placed in a glove box filled with Ar gas. In the glove box, 30 parts by mass of crushed silicon material and 380 parts by mass of hard balls were placed in one of the containers. Next, the container containing the crushed silicon material and hard balls was combined with the other container, and the two containers were screwed together and sealed in the glove box filled with Ar gas. The mating surfaces of the two containers were ground to maintain airtightness. The filling rate of the crushed silicon material and hard balls in the container was 28%.
The container filled with the crushed silicon material and hard balls was removed from the glove box and placed in a three-dimensional ball mill. The material was then coarsely crushed under the following conditions: a rotation speed of the first rotating shaft: 300 rpm, a rotation speed of the second rotating shaft: 300 rpm, and a crushing time: 0.33 hours. The coarsely crushed silicon material and hard balls were then dry-classified using a sieve with a mesh size of 1000 μm to obtain coarse silicon particles with a maximum particle size of 1000 μm or less.
The obtained silicon coarse particles, hard balls (zirconia balls, diameter: 10 mm), and a hemispherical container were each placed in a glove box filled with Ar gas. Next, 15 parts by mass of crushed silicon and 200 parts by mass of hard balls were placed in one of the hemispherical containers in the glove box (the amount of hard balls per 100 parts by mass of silicon coarse particles was 1,333 parts by mass). Next, one hemispherical container containing the crushed silicon and hard balls was combined with the other hemispherical container to form a spherical container, and the two containers were screwed together and sealed in the glove box filled with Ar gas. The filling ratio of the crushed silicon and hard balls in the container was 15%.
The container filled with the silicon coarse particles and hard balls was removed from the glove box and set in a three-dimensional ball mill. The silicon raw material was obtained by milling under the following conditions: a rotation speed of the first rotating shaft: 300 rpm, a rotation speed of the second rotating shaft: 300 rpm, and a milling time: 3 hours.
(負極材料の準備)
実施例1においては、ハードカーボンと三酸化タングステンとシリコンとを用いて、実施形態で説明した溶液法を使用した第1の製造方法で、負極材料を製造した。具体的には、50ml容量のビーカー内に、濃度が28重量%のアンモニア溶液を5mlと、WO3原料を0.05gとを添加して、40℃で12時間撹拌して、アンモニア溶液にWO3原料を溶解させた。さらに、このアンモニア溶液に、WO3原料との重量比が1:1となるように、SDSを0.05g添加して、室温で4時間撹拌して、アンモニア溶液にSDSを溶解させた。そして、このアンモニア溶液に、WO3原料との重量比が1:1となるように、シリコン原料を0.05g添加して、室温で4時間撹拌して、アンモニア溶液にシリコン原料を溶解させた。そして、このアンモニア溶液を撹拌した後、80℃で12時間加熱して乾燥させて、一次中間材料を生成した。そして、この一次中間材料を、管状炉内に導入し、窒素雰囲気下で、室温で2時間、その後、窒素雰囲気下のまま、昇温スピード3℃/minで200℃まで、1℃/minで550℃まで、3℃/minで700℃まで連続加熱して2時間保持して、一次中間材料を生成した。そして、生成された一次中間材料と5mlの純水と0.053gのSDSと0.95gのカーボン原料とを順番に添加した。そして、カーボン原料が純水に分散するまで、この液体を4時間撹拌した後、80℃で12時間加熱して乾燥させて、負極中間物を生成した。そして、この負極中間物を、管状炉内に導入し、窒素雰囲気下で、室温で2時間、その後、窒素雰囲気下のまま、昇温スピード3℃/minで200℃まで、1℃/minで550℃まで、3℃/minで700℃まで連続加熱して2時間保持して、負極材料を製造した。
(Preparation of negative electrode material)
In Example 1, a negative electrode material was produced using hard carbon, tungsten trioxide, and silicon by the first manufacturing method using the solution method described in the embodiment. Specifically, 5 ml of a 28 wt% ammonia solution and 0.05 g of WO3 raw material were added to a 50 ml beaker and stirred at 40 °C for 12 hours to dissolve the WO3 raw material in the ammonia solution. Furthermore, 0.05 g of SDS was added to the ammonia solution so that the weight ratio with respect to the WO3 raw material was 1:1, and the mixture was stirred at room temperature for 4 hours to dissolve the SDS in the ammonia solution. Next, 0.05 g of silicon raw material was added to the ammonia solution so that the weight ratio with respect to the WO3 raw material was 1:1, and the mixture was stirred at room temperature for 4 hours to dissolve the silicon raw material in the ammonia solution. After stirring, the ammonia solution was heated at 80 °C for 12 hours and dried to produce a primary intermediate material. This primary intermediate material was then introduced into a tubular furnace and heated under a nitrogen atmosphere at room temperature for 2 hours. Subsequently, while still in the nitrogen atmosphere, the temperature was increased at a rate of 3°C/min to 200°C, 1°C/min to 550°C, and 3°C/min to 700°C, and held for 2 hours to produce a primary intermediate material. The resulting primary intermediate material was then added in sequence to 5 ml of pure water, 0.053 g of SDS, and 0.95 g of carbon raw material. The liquid was stirred for 4 hours until the carbon raw material was dispersed in the pure water, and then heated and dried at 80°C for 12 hours to produce a negative electrode intermediate. This negative electrode intermediate was then introduced into a tubular furnace and heated under a nitrogen atmosphere at room temperature for 2 hours. Subsequently, while still in the nitrogen atmosphere, the temperature was increased at a rate of 3°C/min to 200°C, 1°C/min to 550°C, and 3°C/min to 700°C, and held for 2 hours to produce a negative electrode material.
実施例1では、シリコン原料割合を、すなわち、カーボン原料の添加量とWO3原料の添加量とシリコン原料の添加量との合計値に対する、シリコン原料の添加量を、重量%で5%とした。実施例1では、WO3原料の添加量を0.05gとし、シリコン原料の添加量を0.05gとし、カーボン原料の添加量を0.95gとした。 In Example 1, the silicon raw material ratio, i.e., the amount of silicon raw material added relative to the total amount of carbon raw material, WO3 raw material, and silicon raw material, was 5% by weight. In Example 1, the amount of WO3 raw material added was 0.05 g, the amount of silicon raw material added was 0.05 g, and the amount of carbon raw material added was 0.95 g.
(実施例2)
実施例2においては、シリコン原料を得る際の最後の粉砕時間を6時間とした以外は、実施例1と同じ方法で、負極材料を製造した。
Example 2
In Example 2, a negative electrode material was produced in the same manner as in Example 1, except that the final crushing time in obtaining the silicon raw material was set to 6 hours.
(実施例3)
実施例3においては、界面活性剤にポリ(オキシエチレン)アルキルエーテル(C12H25O(C2H4)nH(ポリ(オキシエチレン)ドデシルエーテル))を用いて第2の製造方法を用いて作製した。ハードカーボン、三酸化タングステン、シリコン原料の量、界面活性剤の添加剤の量は、実施例1と同じとした。
Example 3
In Example 3, poly( oxyethylene) alkyl ether (C12H25O ( C2H4 ) nH (poly( oxyethylene ) dodecyl ether)) was used as the surfactant, and the second manufacturing method was used. The amounts of hard carbon, tungsten trioxide, silicon raw material, and surfactant additive were the same as in Example 1.
(実施例4)
実施例4においては、界面活性剤にポリオキシエチレンノニルフェニールエーテル(C9H19C6(CH2CH2O)8H)を用いて、シリコン原料を得る際の最後の粉砕時間を6時間とした以外は、実施例3と同じ方法で、負極材料を製造した。
Example 4
In Example 4, a negative electrode material was produced in the same manner as in Example 3 , except that polyoxyethylene nonylphenyl ether ( C9H19C6 ( CH2CH2O ) 8H ) was used as the surfactant and the final grinding time in obtaining the silicon raw material was 6 hours.
(比較例1)
比較例1においては、シリコン原料を得る際に、屋内で空気を充填し、最後の粉砕時間を1時間とした以外は、実施例1と同じ方法で、負極材料を製造した。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, a negative electrode material was produced in the same manner as in Example 1, except that when obtaining the silicon raw material, air was filled indoors and the final crushing time was set to one hour.
(比較例2)
比較例2においては、シリコン原料を得る際に屋内で空気を充填し、最後の粉砕時間を1.5時間とした以外は、実施例1と同じ方法で、負極材料を製造した。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, a negative electrode material was produced in the same manner as in Example 1, except that air was filled indoors when obtaining the silicon raw material and the final crushing time was 1.5 hours.
実施例1乃至4においては、グローブボックス内にアルゴンが充填されて、シリコン原料を得る際の酸素濃度が5%以下となるが、比較例1、2においては、グローブボックス内に空気を充填するため、シリコン原料を得る際の酸素濃度が5%より高くなる。 In Examples 1 to 4, the glove box was filled with argon, and the oxygen concentration when obtaining the silicon raw material was 5% or less. However, in Comparative Examples 1 and 2, the glove box was filled with air, and the oxygen concentration when obtaining the silicon raw material was higher than 5%.
(シリコン粒子の特性)
図11は、各例の製造条件、シリコン粒子の特性、及び評価結果を示す表である。図11に示すように、各例のシリコン粒子について、XPS測定に基づく特性を測定した。図11におけるSi濃度は、本実施形態で説明したSi濃度に相当し、図11におけるO濃度は、本実施形態で説明したO濃度に相当し、図11におけるSiO2由来のSi濃度の割合は、本実施形態で説明したSiO2由来のSi濃度の割合に相当し、図11におけるSi由来のSi割合は、本実施形態で説明したSi由来のSi割合に相当し、図11のSi/SiO2は、本実施形態で説明した、表層におけるSiO2由来のSi2pのSiの量に対する単体シリコン由来のSi2pのSiの量の比率に相当し、図11のSi/Oは、本実施形態で説明した、表層におけるO1sのOの量に対するSi2pのSiの量の比率に相当し、図11の酸化膜厚は、本実施形態で説明した酸化層33Bの厚みに相当する。各例でのX線光電子分光法は、本実施形態で説明した装置及び条件を用いた。
また、図11に示すように、各例のシリコン粒子について、体積平均粒径及びD50に基づく特性を測定した。シリコン粒子を界面活性剤水溶液に投入し、超音波処理によりシリコン微粒子を分散させてシリコン微粒子分散液を調製した。次いで、得られたシリコン微粒子分散液中のシリコン微粒子の粒度分布を、レーザ回折・散乱式粒子径分布測定装置(MT3300EX II、マイクロトラック・ベル株式会社製)を用いて測定した。得られた粒度分布から、体積平均粒径、D50を求めた。図11におけるSiO2体積は、本実施形態での、体積平均粒子径(又はD50)を用いて算出した酸化層33Bの体積に相当し、図11における粒子体積は、本実施形態での、体積平均粒子径(又はD50)を用いて算出したシリコン粒子33の体積に相当し、図11でのSiO2体積/粒子体積は、本実施形態での、体積平均粒子径(又はD50)に基づく酸化層33Bの体積比率に相当する。
(Characteristics of silicon particles)
FIG. 11 is a table showing the manufacturing conditions, silicon particle characteristics, and evaluation results for each example. As shown in FIG. 11 , the characteristics of the silicon particles for each example were measured based on XPS measurement. The Si concentration in FIG. 11 corresponds to the Si concentration described in this embodiment, the O concentration in FIG. 11 corresponds to the O concentration described in this embodiment, the Si concentration ratio derived from SiO 2 in FIG. 11 corresponds to the Si concentration ratio derived from SiO 2 described in this embodiment, the Si ratio derived from Si in FIG. 11 corresponds to the Si ratio derived from Si described in this embodiment, Si/SiO 2 in FIG. 11 corresponds to the ratio of the amount of Si in Si2p derived from elemental silicon to the amount of Si in Si2p derived from SiO 2 in the surface layer described in this embodiment, Si/O in FIG. 11 corresponds to the ratio of the amount of Si in Si2p to the amount of O in O1s in the surface layer described in this embodiment, and the oxide film thickness in FIG. 11 corresponds to the thickness of the oxide layer 33B described in this embodiment. X-ray photoelectron spectroscopy in each example was performed using the apparatus and conditions described in this embodiment.
Furthermore, as shown in FIG. 11 , characteristics based on the volume average particle size and D50 were measured for each silicon particle. Silicon particles were added to a surfactant aqueous solution, and the silicon microparticles were dispersed by ultrasonic treatment to prepare a silicon microparticle dispersion. The particle size distribution of the silicon microparticles in the resulting silicon microparticle dispersion was then measured using a laser diffraction/scattering particle size distribution analyzer (MT3300EX II, manufactured by Microtrac Bell Corporation). The volume average particle size and D50 were calculated from the obtained particle size distribution. The SiO2 volume in FIG. 11 corresponds to the volume of the oxide layer 33B calculated using the volume average particle size (or D50) in this embodiment. The particle volume in FIG. 11 corresponds to the volume of the silicon particles 33 calculated using the volume average particle size (or D50) in this embodiment. The SiO2 volume/particle volume in FIG. 11 corresponds to the volume ratio of the oxide layer 33B based on the volume average particle size (or D50) in this embodiment.
(評価結果)
各例の負極材料の評価として、負極材料を用いた負極の容量を測定した。具体的には、Cレートを0.2とした場合の1g当たりの電流値(mAh/g)と、Cレートを3.2とした場合の1g当たりの電流値(mAh/g)とを測定した。例えばCレートを0.2とした場合の1g当たりの負極の電流値とは、0.2時間で定格容量を消費する電流値を指す。
また、各例の負極材料の評価として、負極のSiにリチウムが流入するか、負極のSiからリチウムが放出されるかについても確認した。負極のSiにリチウムが流入する場合を〇、流入しない場合を×とし、負極のSiからリチウムが放出される場合を〇、放出されない場合を×とした。
図11に評価結果を示す。図11に示すように、Si/SiO2が3以上となる実施例1、2では、シリコンの酸化物が少ないため、Cレート0.2の場合の電流値が十分に保たれ、Cレート3.2の場合の電流値が十分に保たれ、かつ、負極にリチウムが流入し、負極からリチウムが放出されるため、電池の性能を向上できることが分かる。
一方、Si/SiO2が3未満となる比較例1、2では、シリコンの酸化物が多くなるため、Cレート3.2の場合の電流値が低くなり、負極のSiからはリチウムが放出されず、電池の性能を適切に向上できないことが分かる。
(Evaluation results)
To evaluate the negative electrode material of each example, the capacity of the negative electrode using the negative electrode material was measured. Specifically, the current value per 1 g (mAh/g) when the C rate was 0.2 and the current value per 1 g (mAh/g) when the C rate was 3.2 were measured. For example, the current value per 1 g of the negative electrode when the C rate was 0.2 refers to the current value at which the rated capacity is consumed in 0.2 hours.
Furthermore, the negative electrode material of each example was evaluated to see whether lithium flowed into the Si of the negative electrode or whether lithium was released from the Si of the negative electrode. When lithium flowed into the Si of the negative electrode, it was marked with a ◯, and when it did not flow, it was marked with an ×. When lithium was released from the Si of the negative electrode, it was marked with a ◯, and when it was not released, it was marked with an ×.
The evaluation results are shown in Figure 11. As shown in Figure 11, in Examples 1 and 2 where the Si/SiO2 ratio is 3 or more, the amount of silicon oxide is small, so the current value is sufficiently maintained when the C rate is 0.2, and the current value is sufficiently maintained when the C rate is 3.2, and lithium flows into the negative electrode and is released from the negative electrode, which shows that the battery performance can be improved.
On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2 where the Si/SiO2 ratio is less than 3, the amount of silicon oxide increases, so the current value at a C rate of 3.2 decreases, lithium is not released from the Si in the negative electrode, and the battery performance cannot be appropriately improved.
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態の内容により実施形態が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、前述した実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments are not limited to the content of these embodiments. Furthermore, the components described above include those that would be easily imagined by a person skilled in the art, those that are substantially the same, and those that are within the scope of what is known as equivalents. Furthermore, the components described above can be combined as appropriate. Furthermore, various omissions, substitutions, or modifications of the components can be made without departing from the spirit of the embodiments described above.
1 電池
14 負極
22 負極材料層
30 カーボン粒子
32 WO3粒子
33 シリコン粒子
REFERENCE SIGNS LIST 1 Battery 14 Negative electrode 22 Negative electrode material layer 30 Carbon particles 32 WO3 particles 33 Silicon particles
Claims (7)
カーボンと、前記カーボンの表面に設けられる三酸化タングステンと、前記カーボンの表面に設けられてシリコンを含むシリコン材料と、を含み、
前記シリコン材料は、X線光電子分光法で測定した場合の、表層におけるSiO2由来のSi2pのSiの量に対する単体シリコン由来のSi2pのSiの量の比率が、原子濃度基準で、3以上であり、
前記シリコン材料と前記三酸化タングステンと前記カーボンとの合計含有量を100重量%とした場合に、前記シリコン材料の含有量が1重量%以上10重量%以下であり、前記三酸化タングステンの含有量が1重量%以上10重量%以下である、
負極材料。 A battery negative electrode material,
a silicon material provided on the surface of the carbon, the silicon material including silicon, and a carbon material provided on the surface of the carbon ;
the silicon material has a ratio of the amount of Si in Si2p derived from elemental silicon to the amount of Si in Si2p derived from SiO2 in a surface layer, measured by X-ray photoelectron spectroscopy, on an atomic concentration basis, of 3 or more ;
When the total content of the silicon material, the tungsten trioxide, and the carbon is taken as 100% by weight, the content of the silicon material is 1% by weight or more and 10% by weight or less, and the content of the tungsten trioxide is 1% by weight or more and 10% by weight or less.
Anode material.
酸素濃度が5%以下の雰囲気下でシリコン原料を準備するステップと、
前記シリコン原料を用いて、カーボンと、前記カーボンの表面に設けられる三酸化タングステンと、前記カーボンの表面に設けられるシリコン材料とを含み、前記シリコン材料と前記三酸化タングステンと前記カーボンとの合計含有量を100重量%とした場合に、前記シリコン材料の含有量が1重量%以上10重量%以下であり、前記三酸化タングステンの含有量が1重量%以上10重量%以下である、負極材料を生成するステップを含み、
前記シリコン材料は、X線光電子分光法で測定した場合の、表層におけるSiO2由来のSi2pのSiの量に対する単体シリコン由来のSi2pのSiの量に対する比率が、原子濃度基準で、3以上である、
負極材料の製造方法。 A method for producing a negative electrode material for a battery, comprising:
preparing a silicon source material in an atmosphere having an oxygen concentration of 5% or less;
using the silicon raw material to produce an anode material including carbon, tungsten trioxide provided on a surface of the carbon, and a silicon material provided on a surface of the carbon , wherein the content of the silicon material is 1% by weight or more and 10% by weight or less, and the content of the tungsten trioxide is 1% by weight or more and 10% by weight or less, when the total content of the silicon material, the tungsten trioxide, and the carbon is taken as 100% by weight ;
The silicon material has a ratio of the amount of Si of Si2p derived from SiO2 in the surface layer to the amount of Si of Si2p derived from elemental silicon, measured by X-ray photoelectron spectroscopy, on an atomic concentration basis, of 3 or more.
A method for producing anode materials.
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