JP7779295B2 - Method for manufacturing silicon clathrate electrode active material and method for manufacturing lithium ion battery - Google Patents
Method for manufacturing silicon clathrate electrode active material and method for manufacturing lithium ion batteryInfo
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Description
本開示は、シリコンクラスレート電極活物質の製造方法、及びリチウムイオン電池の製造方法に関する。 This disclosure relates to a method for producing a silicon clathrate electrode active material and a method for producing a lithium-ion battery.
近年、電池の開発が盛んに行われている。例えば、自動車産業界では、電気自動車又はハイブリッド自動車に用いられる電池の開発が進められている。また、電池、特にリチウムイオン電池に用いられる電極活物質として、シリコンが知られている。 In recent years, there has been active development of batteries. For example, in the automotive industry, development of batteries for use in electric vehicles and hybrid vehicles is progressing. Silicon is also known as an electrode active material used in batteries, particularly lithium-ion batteries.
シリコン電極活物質は理論容量が大きく、電池の高エネルギー密度化に有効である。その反面、シリコン電極活物質は、充電時の膨張が大きいという問題を有する。これに対して、シリコン電極活物質としてシリコンクラスレート電極活物質を用いることによって、充電時の膨張を抑制することが知られている。 Silicon electrode active materials have a large theoretical capacity and are effective in increasing the energy density of batteries. However, they have the problem of large expansion during charging. To address this issue, it is known that using silicon clathrate electrode active materials as silicon electrode active materials can suppress expansion during charging.
例えば、特許文献1は、シリコンクラスレートII型の結晶相を有し、NaxSi136(1.98<x<2.54)の組成を有する、シリコンクラスレート電極活物質を開示している。 For example, Patent Document 1 discloses a silicon clathrate electrode active material having a silicon clathrate type II crystalline phase and a composition of Na x Si 136 (1.98<x<2.54).
シリコンクラスレートは、ナトリウムシリコン合金からナトリウムを除去することによって製造することができる。 Silicon clathrates can be produced by removing sodium from sodium-silicon alloys.
得られるシリコンクラスレートの結晶の種類として、I型シリコンクラスレート及びII型シリコンクラスレートなどが存在する。特にII型シリコンクラスレートは、結晶が有するカゴ構造部分にリチウムが効率的に吸蔵されるため、電池の充放電の際の膨張収縮が小さい。 The types of silicon clathrate crystals that can be obtained include type I silicon clathrate and type II silicon clathrate. Type II silicon clathrate in particular efficiently stores lithium in the cage structure of the crystals, resulting in minimal expansion and contraction during battery charging and discharging.
また、上記のナトリウム除去工程において、シリコンクラスレートの他に、ダイヤモンド型シリコン(d-Si)のような副生成物が生成することがある。このような副生成物は電極活物質として機能しないため、II型シリコンクラスレートを電極活物質として用いた場合における、充放電時の膨張収縮の低減効果が制限される可能性がある。 In addition, in the sodium removal process, by-products such as diamond-type silicon (d-Si) may be produced in addition to silicon clathrate. Because these by-products do not function as electrode active materials, the effect of reducing expansion and contraction during charge and discharge when using type II silicon clathrate as an electrode active material may be limited.
このような事情から、ナトリウムシリコン合金からナトリウムを除去する際に、I型シリコンクラスレート、及びダイヤモンド型シリコンのような副生成物の生成を抑制することができる方法の開発が望まれている。 For these reasons, there is a need to develop a method that can suppress the production of by-products such as type I silicon clathrate and diamond-type silicon when removing sodium from sodium-silicon alloys.
本開示は、I型シリコンクラスレート及びダイヤモンド型シリコンのような副生成物の生成を抑制することができるシリコンクラスレート電極活物質の製造方法、及びそのようなシリコンクラスレート電極活物質を製造することを含むリチウムイオン電池の製造方法を提供することを目的とする。 The present disclosure aims to provide a method for producing a silicon clathrate electrode active material that can suppress the production of by-products such as I-type silicon clathrate and diamond-type silicon, and a method for producing a lithium-ion battery that includes producing such a silicon clathrate electrode active material.
本件開示者等は、以下の手段により上記課題を解決することができることを見出した。
〈態様1〉
下記の工程を含む、シリコンクラスレート電極活物質の製造方法:
ナトリウムシリコン合金を提供すること、及び
前記ナトリウムシリコン合金にD10粒径が15.0μm以上であるフッ化アルミニウム粒子を接触させて、前記ナトリウムシリコン合金から少なくとも一部のナトリウムを除去すること。
〈態様2〉
前記フッ化アルミニウム粒子の(D90粒径-D10粒径)/D50粒径の値が、1.10以下である、態様1に記載の方法。
〈態様3〉
前記シリコンクラスレート電極活物質がリチウムイオン電池の負極活物質用である、態様1又は2に記載の方法。
〈態様4〉
態様1~3のいずれか一項に記載の方法によりシリコンクラスレート電極活物質を製造すること、及び
前記シリコンクラスレート電極活物質を含有する電極活物質層を形成すること
を含む、リチウムイオン電池の製造方法。
The present inventors have found that the above problems can be solved by the following means.
<Aspect 1>
A method for producing a silicon clathrate electrode active material, comprising the steps of:
providing a sodium-silicon alloy; and contacting the sodium-silicon alloy with aluminum fluoride particles having a D10 particle size of 15.0 μm or more to remove at least a portion of the sodium from the sodium-silicon alloy.
<Aspect 2>
2. The method of claim 1, wherein the aluminum fluoride particles have a (D90 particle size - D10 particle size)/D50 particle size ratio of 1.10 or less.
<Aspect 3>
3. The method of claim 1 or 2, wherein the silicon clathrate electrode active material is for use as a negative electrode active material in a lithium ion battery.
<Aspect 4>
A method for producing a lithium ion battery, comprising: producing a silicon clathrate electrode active material by the method according to any one of aspects 1 to 3; and forming an electrode active material layer containing the silicon clathrate electrode active material.
本開示によれば、I型シリコンクラスレート、及びダイヤモンド型シリコンのような副生成物の生成を抑制することができるシリコンクラスレート電極活物質の製造方法、及びそのようなシリコンクラスレート電極活物質を製造することを含むリチウムイオン電池の製造方法を提供することができる。 The present disclosure provides a method for producing a silicon clathrate electrode active material that can suppress the production of by-products such as I-type silicon clathrate and diamond-type silicon, and a method for producing a lithium-ion battery that includes producing such a silicon clathrate electrode active material.
以下、本開示の実施の形態について詳述する。なお、本開示は、以下の実施の形態に限定されるのではなく、開示の本旨の範囲内で種々変形して実施できる。 Embodiments of the present disclosure are described in detail below. Note that the present disclosure is not limited to the following embodiments, and various modifications can be made within the scope of the disclosure.
《シリコンクラスレート電極活物質の製造方法》
本開示のシリコンクラスレート電極活物質の製造方法は、ナトリウムシリコン合金を提供すること、及びナトリウムシリコン合金にD10粒径が15.0μm以上であるフッ化アルミニウム(AlF3)粒子を接触させて、ナトリウムシリコン合金から少なくとも一部のナトリウムを除去すること、を含む。
<<Method for producing silicon clathrate electrode active material>>
The method for producing a silicon clathrate electrode active material of the present disclosure includes providing a sodium-silicon alloy and contacting the sodium-silicon alloy with aluminum fluoride (AlF 3 ) particles having a D10 particle size of 15.0 μm or more to remove at least a portion of the sodium from the sodium-silicon alloy.
シリコンクラスレート電極活物質を製造する方法としては、例えば、ナトリウムシリコン(NaSi)合金とナトリウムトラップ剤としてのフッ化アルミニウムとを反応させてNaSi合金からナトリウムを部分的に脱離させてクラスレート化することが考えられる。 One possible method for producing silicon clathrate electrode active material is to react a sodium silicon (NaSi) alloy with aluminum fluoride as a sodium trapping agent to partially desorb sodium from the NaSi alloy and form a clathrate.
しかしながら、この反応では、膨張抑制効果が大きいII型シリコンクラスレートだけでなく、膨張抑制効果が小さいI型シリコンクラスレート、及び膨張抑制効果がないダイヤモンド型シリコンも生成されることがある。 However, this reaction can produce not only type II silicon clathrate, which has a strong expansion-inhibiting effect, but also type I silicon clathrate, which has a weak expansion-inhibiting effect, and diamond-type silicon, which has no expansion-inhibiting effect.
本件開示者等は、上記の反応において、微細なAlF3粒子はNaSi合金と過度に迅速に反応して強く発熱し、それによってI型シリコンクラスレート、及びダイヤモンド型シリコンの生成が促進されることを見出した。 The present inventors have found that in the above reaction, fine AlF3 particles react excessively quickly with the NaSi alloy, generating strong heat, thereby promoting the production of type I silicon clathrate and diamond-type silicon.
そこで、本件開示者等は、AlF3粒子の粒径について検討したところ、微細な粒子が少ないAlF3粒子を用いることによって、I型シリコンクラスレート及びダイヤモンド型シリコンの生成を抑制できることを見出した。理論に束縛されることを意図しないが、このようなAlF3を用いることで、過度に迅速な反応、及びそれに伴う熱暴走を抑制でき、それによってI型シリコンクラスレート及びダイヤモンド型シリコンの生成を抑制できると考えられる。 Therefore, the present inventors have investigated the particle size of AlF3 particles and found that the generation of I-type silicon clathrate and diamond-type silicon can be suppressed by using AlF3 particles with a small number of fine particles. Without intending to be bound by theory, it is believed that the use of such AlF3 can suppress excessively rapid reaction and the accompanying thermal runaway, thereby suppressing the generation of I-type silicon clathrate and diamond-type silicon.
なお、本開示に関して、「電極活物質」は、「正極活物質」としても「負極活物質」としても使用でき、特に「負極活物質」として用いられる。 In the context of this disclosure, the term "electrode active material" can be used as either a "positive electrode active material" or a "negative electrode active material," and is particularly used as a "negative electrode active material."
〈ナトリウムシリコン合金の提供〉
本開示の方法は、NaSi合金を提供することを含む。
<Provision of sodium silicon alloy>
The method of the present disclosure includes providing a NaSi alloy.
NaSi合金は、シリコン(Si)源とナトリウム(Na)源とを反応させることにより、調製することができる。 NaSi alloys can be prepared by reacting a silicon (Si) source with a sodium (Na) source.
Si源としては、市販されている、或いは常法によって調製されたSi粉末を用いることができる。 Commercially available Si powder or Si powder prepared by conventional methods can be used as the Si source.
Na源としては、例えば水素化ナトリウム(NaH)が挙げられるが、これに限定されない。 Examples of sodium sources include, but are not limited to, sodium hydride (NaH).
Si源とNa源のモル比は、1:0.5~1.5、1:0.7~1.3、又は1:0.9~1.1であってよい。 The molar ratio of the Si source to the Na source may be 1:0.5-1.5, 1:0.7-1.3, or 1:0.9-1.1.
Si源とNa源とを反応させる方法としては、これらの反応原料を乾式混合した後に、加熱する方法が例示される。乾式混合には、カッターミルを用いることができる。加熱温度は、300℃~700℃であってよく、加熱時間は、20時間~60時間であってよい。また、加熱はアルゴン等の不活性ガス雰囲気下で行ってもよい。 One example of a method for reacting the Si source and the Na source is to dry-mix these reactant materials and then heat them. A cutter mill can be used for dry mixing. The heating temperature may be 300°C to 700°C, and the heating time may be 20 to 60 hours. Heating may also be performed in an inert gas atmosphere such as argon.
〈ナトリウムの除去〉
本開示の方法は、NaSi合金にAlF3粒子を接触させて、NaSi合金から少なくとも一部のNaを除去することを含む。
<Sodium removal>
The method of the present disclosure includes contacting the NaSi alloy with AlF3 particles to remove at least a portion of the Na from the NaSi alloy.
AlF3粒子のD10粒径は、15μm以上である。また、AlF3粒子のD10粒径は、20μm以上、25μm以上、30μm以上、33μm以上、又は35μm以上であってよく、100μm以下、90μm以下、80μm以下、75μm以下、又は70μm以下であってよい。AlF3粒子のD10粒径が上記範囲内であると、すなわち微細なAlF3粒子が少ないと、I型シリコンクラスレート及びダイヤモンド型シリコンの生成を抑制できる。 The D10 particle size of the AlF3 particles is 15 μm or more. The D10 particle size of the AlF3 particles may be 20 μm or more, 25 μm or more, 30 μm or more, 33 μm or more, or 35 μm or more, and may be 100 μm or less, 90 μm or less, 80 μm or less, 75 μm or less, or 70 μm or less. When the D10 particle size of the AlF3 particles is within the above range, that is, when there are few fine AlF3 particles, the generation of I-type silicon clathrate and diamond-type silicon can be suppressed.
AlF3粒子のD50粒径は、30μm以上、35μm以上、40μm以上、45μm以上、又は50μm以上であってよく、120μm以下、110μm以下、又は100μm以下であってよい。 The D50 particle size of the AlF3 particles may be 30 μm or more, 35 μm or more, 40 μm or more, 45 μm or more, or 50 μm or more, and may be 120 μm or less, 110 μm or less, or 100 μm or less.
AlF3粒子のD90粒径は、50μm以上、60μm以上、65μm以上、70μm以上、又は75μm以上であってよく、160μm以下、150μm以下、又は140μm以下であってよい。 The D90 particle size of the AlF3 particles may be 50 μm or more, 60 μm or more, 65 μm or more, 70 μm or more, or 75 μm or more, and may be 160 μm or less, 150 μm or less, or 140 μm or less.
AlF3粒子の(D90粒径-D10粒径)/D50粒径の値は、1.10以下であってよい。また、この値は、0.40以上、0.50以上、0.60以上、0.65以上、又は0.70以上あってよく、1.00以下、0.90以下、0.95以下、又は0.80以下であってよい。 The value of (D90 particle size - D10 particle size)/D50 particle size of the AlF3 particles may be 1.10 or less, and may be 0.40 or more, 0.50 or more, 0.60 or more, 0.65 or more, or 0.70 or more, and may be 1.00 or less, 0.90 or less, 0.95 or less, or 0.80 or less.
AlF3粒子の粒径、及び粒度分布は、粒度分布測定装置(島津製作所社、Shimadzu SALD-7500)を用いて、屈折率(2.25-0.00i)、内蔵超音波照射時間(10秒)の条件にて測定することができる。 The particle size and particle size distribution of the AlF3 particles can be measured using a particle size distribution measuring device (Shimadzu SALD-7500, Shimadzu Corporation) under the conditions of refractive index (2.25-0.00i) and built-in ultrasonic irradiation time (10 seconds).
本開示のAlF3粒子は、市販されている、或いは常法により調製されたAlF3粒子を用いることができる。 The AlF 3 particles used in the present disclosure may be commercially available or may be AlF 3 particles prepared by a conventional method.
上記のAlF3粒子に対して、D10粒径が本開示の範囲内となるように、粒径を調整するための手段を適用してもよい。粒径を調整するための手段としては、篩掛け等が例示されるが、これに限定されない。 The AlF3 particles may be subjected to a particle size adjustment process so that the D10 particle size falls within the range of the present disclosure. Examples of particle size adjustment processes include, but are not limited to, sieving.
NaSi合金とAlF3粒子のモル比は、1:0.10~0.60、1:0.20~0.50、又は1:0.30~0.40であってよい。 The molar ratio of NaSi alloy to AlF3 particles may be 1:0.10-0.60, 1:0.20-0.50, or 1:0.30-0.40.
NaSi合金に、AlF3粒子を接触させる方法としては、これらの反応原料を乾式混合した後に、加熱する方法が例示される。乾式混合には、カッターミルを用いることができる。加熱温度は、200℃~500℃であってよく、加熱時間は、40時間~80時間であってよい。また、加熱はアルゴン等の不活性ガス雰囲気下で行ってもよい。 An example of a method for contacting AlF3 particles with an NaSi alloy is to dry-mix these reactant materials and then heat them. A cutter mill can be used for the dry mixing. The heating temperature may be 200°C to 500°C, and the heating time may be 40 hours to 80 hours. Heating may also be performed in an inert gas atmosphere such as argon.
〈用途〉
本開示の方法により得られるシリコンクラスレート電極活物質は、リチウムイオン電池の負極活物質用とすることができる。
<Application>
The silicon clathrate electrode active material obtained by the method of the present disclosure can be used as a negative electrode active material for lithium ion batteries.
〈リチウムイオン電池の製造方法〉
リチウムイオン電池を製造する本開示の方法は、シリコンクラスレート電極活物質を製造すること、及びシリコンクラスレート電極活物質を含有する電極活物質層を形成することを含む。
<Lithium-ion battery manufacturing method>
The disclosed method of manufacturing a lithium ion battery includes manufacturing a silicon clathrate electrode active material and forming an electrode active material layer containing the silicon clathrate electrode active material.
シリコンクラスレート電極活物質の製造方法については、本開示のシリコンクラスレート電極活物質の製造方法に関する上記の記載を参照できる。 For information on the method for producing silicon clathrate electrode active material, please refer to the above description of the method for producing silicon clathrate electrode active material of the present disclosure.
電極活物質層を形成する方法は特に限定されず、公知の方法を採用することができる。例えば、電極活物質層を負極活物質層として用いる場合、シリコンクラスレート電極活物質を含有するスラリーを負極集電体に塗工し、乾燥することにより、負極集電体層上に形成された負極活物質層を得ることができる。 The method for forming the electrode active material layer is not particularly limited, and any known method can be used. For example, when the electrode active material layer is used as a negative electrode active material layer, a slurry containing a silicon clathrate electrode active material can be applied to a negative electrode current collector and dried to obtain a negative electrode active material layer formed on the negative electrode current collector layer.
電池を形成する方法は、特に限定されず、公知の方法を採用することができる。以下、電極活物質層を負極活物質層として用いる場合の電池について記載する。 The method for forming the battery is not particularly limited, and any known method can be used. Below, we will describe a battery in which the electrode active material layer is used as the negative electrode active material layer.
本開示における電池の製造方法は、シリコンクラスレート電極活物質を製造すること、及びシリコンクラスレート電極活物質を含有する負極活物質層を形成することの他に、負極集電体層、負極活物質層、電解質層、正極活物質層、及び正極集電体層をこの順に配置すること、を含んでいてもよい。 The battery manufacturing method disclosed herein may include, in addition to manufacturing a silicon clathrate electrode active material and forming a negative electrode active material layer containing the silicon clathrate electrode active material, arranging a negative electrode current collector layer, a negative electrode active material layer, an electrolyte layer, a positive electrode active material layer, and a positive electrode current collector layer in this order.
〈負極集電体層〉
負極集電体層に用いられる材料は、特に限定されず、電池の負極集電体として使用できるものを適宜採用することができ、例えば、銅、銅合金、並びに銅にニッケル、クロム、及び炭素等をめっき又は蒸着したものであってよいが、これらに限定されない。
<Negative electrode current collector layer>
The material used for the negative electrode current collector layer is not particularly limited, and any material that can be used as a negative electrode current collector for a battery can be appropriately adopted. For example, copper, a copper alloy, and copper plated or vapor-deposited with nickel, chromium, carbon, or the like may be used, but is not limited to these.
負極集電体層の形状は、特に限定されず、例えば、箔状、板状、又はメッシュ状等を挙げることができる。これらの中で、箔状が好ましい。 The shape of the negative electrode current collector layer is not particularly limited, and examples include foil, plate, and mesh. Of these, foil is preferred.
〈負極活物質層〉
本開示の負極活物質層は、負極活物質、並びに随意に電解質、導電助剤、及びバインダーを含有している層である。
<Negative electrode active material layer>
The negative electrode active material layer of the present disclosure is a layer containing a negative electrode active material, and optionally an electrolyte, a conductive additive, and a binder.
(負極活物質)
負極活物質は、本開示のシリコンクラスレート電極活物質を含む。
(Negative electrode active material)
The negative electrode active material comprises a silicon clathrate electrode active material of the present disclosure.
(電解質)
固体電解質の材料は、特に限定されず、リチウムイオン電池に用いられる固体電解質として利用可能な材料を用いることができる。例えば、固体電解質は、硫化物固体電解質であってよい。
(electrolyte)
The material of the solid electrolyte is not particularly limited, and any material that can be used as a solid electrolyte for a lithium ion battery can be used. For example, the solid electrolyte may be a sulfide solid electrolyte.
硫化物固体電解質の例として、硫化物非晶質固体電解質、硫化物結晶質固体電解質、又はアルジロダイト型固体電解質等が挙げられるが、これらに限定されない。具体的な硫化物固体電解質の例として、Li2S-P2S5系(Li7P3S11、Li3PS4、Li8P2S9等)、Li2S-SiS2、LiI-Li2S-SiS2、LiI-Li2S-P2S5、LiI-LiBr-Li2S-P2S5、Li2S-P2S5-GeS2(Li13GeP3S16、Li10GeP2S12等)、LiI-Li2S-P2O5、LiI-Li3PO4-P2S5、Li7-xPS6-xClx等;又はこれらの組み合わせを挙げることができるが、これらに限定されない。 Examples of sulfide solid electrolytes include, but are not limited to, sulfide amorphous solid electrolytes, sulfide crystalline solid electrolytes, and argyrodite-type solid electrolytes. Specific examples of sulfide solid electrolytes include Li 2 S—P 2 S 5 systems (Li 7 P 3 S 11 , Li 3 PS 4 , Li 8 P 2 S 9 , etc.), Li 2 S—SiS 2 , LiI—Li 2 S—SiS 2 , LiI—Li 2 S—P 2 S 5 , LiI—LiBr—Li 2 S—P 2 S 5 , Li 2 S—P 2 S 5 —GeS 2 (Li 13 GeP 3 S 16 , Li 10 GeP 2 S 12 , etc.), LiI—Li 2 S—P 2 O 5 , LiI—Li 3 PO 4 —P 2 S 5 , Li 7-x PS 6-x Cl x, etc.; or combinations thereof.
硫化物固体電解質は、ガラスであっても、結晶化ガラス(ガラスセラミック)であってもよい。 The sulfide solid electrolyte may be glass or crystallized glass (glass ceramic).
なお、負極活物質層が固体電解質を含有している場合、負極活物質層中におけるシリコンクラスレート電極活物質と固体電解質との質量比(シリコンクラスレート電極活物質の質量:固体電解質の質量)は、85:15~30:70が好ましく、より好ましくは80:20~40:60である。 When the negative electrode active material layer contains a solid electrolyte, the mass ratio of the silicon clathrate electrode active material to the solid electrolyte in the negative electrode active material layer (mass of silicon clathrate electrode active material: mass of solid electrolyte) is preferably 85:15 to 30:70, and more preferably 80:20 to 40:60.
電解液は、支持塩及び溶媒を含有することが好ましい。 The electrolyte preferably contains a supporting salt and a solvent.
リチウムイオン伝導性を有する電解液の支持塩(リチウム塩)としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6等の無機リチウム塩、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiN(FSO2)2、LiC(CF3SO2)3等の有機リチウム塩が挙げられる。 Examples of supporting salts (lithium salts) for the electrolyte solution having lithium ion conductivity include inorganic lithium salts such as LiPF6 , LiBF4 , LiClO4 , and LiAsF6 , and organic lithium salts such as LiCF3SO3 , LiN( CF3SO2 ) 2 , LiN( C2F5SO2 ) 2 , LiN( FSO2 ) 2 , and LiC( CF3SO2 ) 3 .
電解液に用いられる溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)等の環状エステル(環状カーボネート)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等の鎖状エステル(鎖状カーボネート)が挙げられる。電解液は、2種以上の溶媒を含有することが好ましい。 Examples of solvents used in the electrolyte include cyclic esters (cyclic carbonates) such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), and butylene carbonate (BC), and chain esters (chain carbonates) such as dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and ethyl methyl carbonate (EMC). It is preferable that the electrolyte contain two or more solvents.
(導電助剤)
導電助剤は、特に限定されない。例えば、導電助剤は、VGCF(気相成長法炭素繊維、Vapor Grown Carbon Fiber)及び、アセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック(KB)、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンナノファイバー(CNF)等であってよいが、これらに限定されない。
(Conductive additive)
The conductive additive is not particularly limited, and may be, for example, VGCF (Vapor Grown Carbon Fiber), acetylene black (AB), ketjen black (KB), carbon nanotubes (CNT), carbon nanofibers (CNF), or the like, but is not limited thereto.
(バインダー)
バインダーとしては、特に限定されない。例えば、バインダーは、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ブタジエンゴム(BR)、若しくはスチレンブタジエンゴム(SBR)等の材料、又はこれらの組合せであってよいが、これらに限定されない。
(binder)
The binder is not particularly limited, and may be, for example, a material such as polyvinylidene fluoride (PVdF), butadiene rubber (BR), or styrene butadiene rubber (SBR), or a combination thereof, but is not limited to these.
負極活物質層の厚さは、例えば、0.1~1000μmであってよい。 The thickness of the negative electrode active material layer may be, for example, 0.1 to 1000 μm.
〈電解質層〉
電解質層は、少なくとも電解質を含む。また、電解質層は、電解質以外に、必要に応じてバインダー等を含んでもよい。電解質及びバインダーについては、本開示の負極活物質層に関する上記の記載を参照できる。
<Electrolyte layer>
The electrolyte layer contains at least an electrolyte. In addition to the electrolyte, the electrolyte layer may contain a binder, etc., as necessary. For the electrolyte and the binder, reference can be made to the above description of the negative electrode active material layer of the present disclosure.
電解質層の厚さは、例えば、0.1~300μmであり、0.1~100μmであることが好ましい。 The thickness of the electrolyte layer is, for example, 0.1 to 300 μm, preferably 0.1 to 100 μm.
〈正極活物質層〉
正極活物質層は、正極活物質、並びに随意の電解質、導電助剤、及びバインダー等を含有している層である。
<Cathode active material layer>
The positive electrode active material layer is a layer containing a positive electrode active material, and optionally an electrolyte, a conductive additive, a binder, and the like.
正極活物質の材料は、特に限定されない。例えば、正極活物質は、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2、Li1+xMn2-x-yMyO4(Mは、Al、Mg、Co、Fe、Ni、及びZnから選ばれる1種以上の金属元素)で表される組成の異種元素置換Li-Mnスピネル、チタン酸リチウム(LixTiOy)、リン酸金属リチウム(LiMPO4、MはFe、Mn、Co、及びNiから選ばれる1種以上の金属)等であってよいが、これらに限定されない。 The material of the positive electrode active material is not particularly limited. For example, the positive electrode active material may be, but is not limited to, lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ), LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 , a heteroelement-substituted Li-Mn spinel having a composition represented by Li 1+x Mn 2-x-y MyO 4 (M is one or more metal elements selected from Al, Mg, Co, Fe, Ni, and Zn), lithium titanate (Li x TiO y ), or lithium metal phosphate (LiMPO 4 , M is one or more metals selected from Fe, Mn, Co, and Ni).
正極活物質は、被覆層を有していることができる。被覆層は、リチウムイオン伝導性能を有し、正極活物質や固体電解質との反応性が低く、かつ活物質や固体電解質と接触しても流動しない被覆層の形態を維持し得る物質を含有している層である。被覆層を構成する材料の具体例としては、LiNbO3の他、Li4Ti5O12、Li3PO4等を挙げることができるが、これらに限定されない。 The positive electrode active material may have a coating layer. The coating layer is a layer containing a substance that has lithium ion conductivity, low reactivity with the positive electrode active material and the solid electrolyte, and can maintain the shape of the coating layer without flowing even when in contact with the active material and the solid electrolyte. Specific examples of materials constituting the coating layer include, but are not limited to, LiNbO3 , Li4Ti5O12 , Li3PO4 , etc.
正極活物質の形状としては、例えば、粒子状が挙げられる。正極活物質の平均粒径(D50)は、特に限定されないが、例えば10nm以上であり、100nm以上であってもよい。一方、正極活物質の平均粒径(D50)は、例えば50μm以下であり、20μm以下であってもよい。平均粒径(D50)は、例えば、レーザー回折式粒度分布計、走査型電子顕微鏡(SEM)による測定から算出できる。 The positive electrode active material may be, for example, particulate. The average particle size (D50) of the positive electrode active material is not particularly limited, but may be, for example, 10 nm or more, or 100 nm or more. On the other hand, the average particle size (D50) of the positive electrode active material is, for example, 50 μm or less, or may be 20 μm or less. The average particle size (D50) can be calculated, for example, from measurements using a laser diffraction particle size distribution analyzer or a scanning electron microscope (SEM).
電解質、導電助剤、及びバインダーについては、本開示の負極活物質層に関する上記の記載を参照できる。 For details about the electrolyte, conductive additive, and binder, please refer to the above description regarding the negative electrode active material layer of this disclosure.
なお、正極活物質層が固体電解質を含有している場合、正極活物質層中における正極活物質と固体電解質との質量比(正極活物質の質量:固体電解質の質量)は、85:15~30:70が好ましく、より好ましくは80:20~50:50である。 When the positive electrode active material layer contains a solid electrolyte, the mass ratio of the positive electrode active material to the solid electrolyte in the positive electrode active material layer (mass of positive electrode active material: mass of solid electrolyte) is preferably 85:15 to 30:70, and more preferably 80:20 to 50:50.
正極活物質層の厚さは、例えば、0.1μm~1000μmであり、1μm~100umであることが好ましく、30μm~100μmであることが更に好ましい。 The thickness of the positive electrode active material layer is, for example, 0.1 μm to 1000 μm, preferably 1 μm to 100 μm, and more preferably 30 μm to 100 μm.
〈正極集電体層〉
正極集電体層に用いられる材料は、特に限定されず、電池の正極集電体として使用できるものを適宜採用することができ、例えば、SUS、ニッケル、クロム、金、白金、アルミニウム、鉄、チタン、及び亜鉛等、並びにこれらの金属にニッケル、クロム、炭素等をめっき又は蒸着したものであってよいが、これらに限定されない。
<Positive electrode current collector layer>
The material used for the positive electrode current collector layer is not particularly limited, and any material that can be used as a positive electrode current collector for a battery can be appropriately adopted. Examples of the material include, but are not limited to, SUS, nickel, chromium, gold, platinum, aluminum, iron, titanium, zinc, and the like, as well as metals such as these plated or vapor-deposited with nickel, chromium, carbon, and the like.
正極集電体層の形状は、特に限定されず、例えば、箔状、板状、又はメッシュ状等を挙げることができる。これらの中で、箔状が好ましい。 The shape of the positive electrode current collector layer is not particularly limited, and examples include foil, plate, and mesh. Of these, foil is preferred.
本開示の方法により製造されるリチウムイオン電池は、電解質層として電解液を含有する液系電池であってもよく、電解質層として固体電解質層を有する固体電池であってもよい。なお、本開示に関して、「固体電池」は、電解質として少なくとも固体電解質を用いる電池を意味しており、したがって固体電池は、電解質として、固体電解質と液体電解質との組み合わせを用いていてもよい。また、本開示の固体電池は、全固体電池、すなわち電解質として固体電解質のみを用いる電池であってもよい。 The lithium-ion battery produced by the method of the present disclosure may be a liquid-based battery containing an electrolytic solution as the electrolyte layer, or a solid-state battery having a solid electrolyte layer as the electrolyte layer. In the context of the present disclosure, "solid-state battery" refers to a battery that uses at least a solid electrolyte as the electrolyte; therefore, a solid-state battery may use a combination of a solid electrolyte and a liquid electrolyte as the electrolyte. The solid-state battery of the present disclosure may also be an all-solid-state battery, i.e., a battery that uses only a solid electrolyte as the electrolyte.
本開示の方法により製造されるリチウムイオン電池は、一次電池であってもよく、二次電池であってもよい。 The lithium-ion battery produced by the method disclosed herein may be a primary battery or a secondary battery.
リチウムイオン電池の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型、角型が挙げられる。 Lithium-ion batteries can be shaped, for example, as a coin, laminate, cylindrical, or rectangular battery.
《シリコンクラスレート電極活物質の合成》
〈合金化〉
シリコン(Si)源として、Si粉末(高純度科学、SIEPB32)を準備した。このSi粉末及び金属リチウム(Li)を、Li/Si=4.0のモル比で秤量し、秤量したSi粉末及びLiを、アルゴン雰囲気において乳鉢で混合して、リチウムシリコン(LiSi)合金を得た。得られたLiSi合金を、アルゴン雰囲気においてエタノールと反応させて、フッ化水素(HF)で処理することで、一次粒子の内部に空隙を有するSi粉末、すなわちポーラス構造を有するSi粉末を得た。
<Synthesis of silicon clathrate electrode active material>
<Alloying>
Si powder (Kojundo Kagaku, SIEPB32) was prepared as a silicon (Si) source. This Si powder and metallic lithium (Li) were weighed out at a molar ratio of Li/Si = 4.0, and the weighed Si powder and Li were mixed in a mortar in an argon atmosphere to obtain a lithium silicon (LiSi) alloy. The obtained LiSi alloy was reacted with ethanol in an argon atmosphere and treated with hydrogen fluoride (HF) to obtain a Si powder having voids inside the primary particles, i.e., a Si powder having a porous structure.
ポーラス構造を有するSi粉末及び、ナトリウム(Na)源としての水素化ナトリウム(NaH)を用いて、ナトリウムシリコン(NaSi)合金を製造した。なお、NaHとしては、予めヘキサンで洗浄したものを用いた。NaH及びポーラス構造を有するSi粉末をモル比で1.05:1となるように秤量し、秤量したNaH及びポーラス構造を有するSi粉末を、カッターミルで混合した。得られた混合物を、加熱炉にてアルゴン雰囲気下、500℃、40時間の条件で加熱することにより、粉末状のNaSi合金を得た。 A sodium-silicon (NaSi) alloy was produced using porous Si powder and sodium hydride (NaH) as a sodium (Na) source. The NaH used was previously washed with hexane. NaH and porous Si powder were weighed out in a molar ratio of 1.05:1, and the weighed NaH and porous Si powder were mixed in a cutter mill. The resulting mixture was heated in a heating furnace under an argon atmosphere at 500°C for 40 hours to obtain a powdered NaSi alloy.
〈クラスレート化(ナトリウム除去)〉
(実施例1)
得られたNaSi合金、及びNaトラップ剤としてのフッ化アルミニウム(AlF3)粒子をモル比で1:0.35となるように秤量し、秤量したNaSi合金及びAlF3をカッターミルで混合して、反応原料を得た。得られた粉末状の反応原料をステンレススチール製の反応容器に入れ、加熱炉にてアルゴン雰囲気下、310℃、60時間の条件で加熱して、シリコンクラスレート電極活物質を含む反応生成物を得た。なお、実施例1においては、メッシュサイズ75μmの篩を通過しないAlF3粒子を用いた。
<Clathration (sodium removal)>
Example 1
The obtained NaSi alloy and aluminum fluoride ( AlF3 ) particles as a Na trapping agent were weighed out to a molar ratio of 1:0.35, and the weighed NaSi alloy and AlF3 were mixed using a cutter mill to obtain a reaction raw material. The obtained powdered reaction raw material was placed in a stainless steel reaction vessel and heated in a heating furnace under an argon atmosphere at 310°C for 60 hours to obtain a reaction product containing a silicon clathrate electrode active material. In Example 1, AlF3 particles that did not pass through a sieve with a mesh size of 75 μm were used.
(実施例2)
クラスレート化(ナトリウム除去)において、メッシュサイズ75μmの篩を通過し、メッシュサイズ32μmの篩を通過しないAlF3粒子を用いたこと以外は実施例1と同様にして、実施例2のシリコンクラスレート電極活物質を含む反応生成物を得た。
Example 2
A reaction product containing the silicon clathrate electrode active material of Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1, except that AlF3 particles that passed through a sieve with a mesh size of 75 μm but did not pass through a sieve with a mesh size of 32 μm were used in clathration (sodium removal).
(比較例1)
クラスレート化(ナトリウム除去)において、メッシュサイズ32μmの篩を通過したAlF3粒子を用いたこと以外は実施例1と同様にして、比較例1のシリコンクラスレート電極活物質を含む反応生成物を得た。
(Comparative Example 1)
In the clathration (sodium removal), a reaction product containing a silicon clathrate electrode active material of Comparative Example 1 was obtained in the same manner as in Example 1, except that AlF3 particles passed through a sieve with a mesh size of 32 μm were used.
《評価》
〈粒径及び粒度分布〉
AlF3粒子の粒径、及び粒度分布は、粒度分布測定装置(島津製作所社、Shimadzu SALD-7500)を用いて、屈折率(2.25-0.00i)、内蔵超音波照射時間(10秒)の条件にて測定した。
"evaluation"
<Particle size and particle size distribution>
The particle size and particle size distribution of the AlF3 particles were measured using a particle size distribution measuring device (Shimadzu SALD-7500, Shimadzu Corporation) under the conditions of refractive index (2.25-0.00i) and built-in ultrasonic irradiation time (10 seconds).
〈XRD〉
各例における反応生成物中の含有成分の割合を評価するための指標として、XRD(X線回折法)による測定を実施した。
<XRD>
As an index for evaluating the proportion of components contained in the reaction product in each example, measurement was carried out by XRD (X-ray diffraction method).
《結果》
各例で使用したAlF3の粒度分布の測定結果を表1、及び図1に示し、各例の反応生成物のXRDパターンを図2に示す。
"result"
The measurement results of the particle size distribution of AlF3 used in each example are shown in Table 1 and Figure 1, and the XRD pattern of the reaction product of each example is shown in Figure 2.
表1、並びに図1及び2に示されるように、D10粒径が本開示の範囲内である、すなわち、微細な粒子が少ないAlF3粒子を用いた本開示の方法により製造された実施例の反応生成物は、XRDにおけるI型シリコンクラスレート及びダイヤモンド型シリコン(d-Si)を示すピークが小さかった。 As shown in Table 1 and FIGS. 1 and 2, the reaction products of the examples produced by the method of the present disclosure, which had a D10 particle size within the range of the present disclosure, i.e., which used AlF3 particles with few fine particles, had small peaks in XRD indicating type I silicon clathrate and diamond-type silicon (d-Si).
Claims (4)
ナトリウムシリコン合金を提供すること、及び
前記ナトリウムシリコン合金にD10粒径が15.0μm以上であるフッ化アルミニウム粒子を接触させて、前記ナトリウムシリコン合金から少なくとも一部のナトリウムを除去すること。 A method for producing a silicon clathrate electrode active material, comprising the steps of:
providing a sodium-silicon alloy; and contacting the sodium-silicon alloy with aluminum fluoride particles having a D10 particle size of 15.0 μm or more to remove at least a portion of the sodium from the sodium-silicon alloy.
前記シリコンクラスレート電極活物質を含有する電極活物質層を形成すること
を含む、リチウムイオン電池の製造方法。 A method for producing a lithium ion battery, comprising: producing a silicon clathrate electrode active material by the method according to any one of claims 1 to 3; and forming an electrode active material layer containing the silicon clathrate electrode active material.
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