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JP2015125826A - Negative electrode active material for nonaqueous electrolyte secondary battery and method for producing the same - Google Patents

Negative electrode active material for nonaqueous electrolyte secondary battery and method for producing the same Download PDF

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JP2015125826A JP2013267703A JP2013267703A JP2015125826A JP 2015125826 A JP2015125826 A JP 2015125826A JP 2013267703 A JP2013267703 A JP 2013267703A JP 2013267703 A JP2013267703 A JP 2013267703A JP 2015125826 A JP2015125826 A JP 2015125826A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a negative electrode active material for a nonaqueous electrolyte secondary battery, with which a negative electrode of a nonaqueous electrolyte secondary battery that has low volume resistance and lower irreversible capacity can be manufactured.SOLUTION: A negative electrode active material for a nonaqueous electrolyte secondary battery is represented by an elemental composition formula: Met-Si-O-C-H (where, Metrepresents one of alkali earth metal elements or a mixture thereof.), and contains silicate comprising a silicon based inorganic compound and the alkali earth metal.

Description

本発明は、非水電解質二次電池用負極活物質及びその製造方法に関する。また、本発明は、その負極活物質を用いた非水電解質二次電池用負極、及びその負極を用いた非水電解質二次電池に関する。   The present invention relates to a negative electrode active material for a nonaqueous electrolyte secondary battery and a method for producing the same. The present invention also relates to a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery using the negative electrode active material, and a non-aqueous electrolyte secondary battery using the negative electrode.

近年、携帯型の電子機器、通信機器等の著しい発展に伴い、経済性と機器の小型化、軽量化の観点から、高エネルギー密度の非水電解質二次電池が強く要望されている。従来、この種の非水電解質二次電池の高容量化策として、例えば、負極材料にB、Ti、V、Mn、Co、Fe、Ni、Cr、Nb、Moなどの酸化物及びそれらの複合酸化物を用いる方法(例えば、特許文献1、特許文献2参照)、熔湯急冷したM100−xSi(x≧50at%、M=Ni、Fe、Co、Mn)を負極材として適用する方法(特許文献3)、負極材料に酸化珪素を用いる方法(特許文献4)、負極材料にSiO、GeO及びSnOを用いる方法(特許文献5)等が知られている。 In recent years, with the remarkable development of portable electronic devices, communication devices, etc., there is a strong demand for non-aqueous electrolyte secondary batteries with high energy density from the viewpoints of economy and downsizing and weight reduction of devices. Conventionally, as a measure for increasing the capacity of this type of non-aqueous electrolyte secondary battery, for example, negative electrode materials such as oxides such as B, Ti, V, Mn, Co, Fe, Ni, Cr, Nb, and Mo and composites thereof A method using an oxide (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2), M 100-x Si x (x ≧ 50 at%, M = Ni, Fe, Co, Mn) quenched with molten metal is applied as a negative electrode material. A method (Patent Document 3), a method using silicon oxide as a negative electrode material (Patent Document 4), a method using Si 2 N 2 O, Ge 2 N 2 O, and Sn 2 N 2 O as a negative electrode material (Patent Document 5), etc. It has been known.

珪素は現在実用化されている炭素材料の理論容量372mAh/gより遙かに高い理論容量3580mAh/gを示すことから、電池の小型化と高容量化において最も期待される材料である。珪素はその製法により結晶構造の異なった種々の形態が知られている。例えば、特許文献6では単結晶珪素を負極活物質の支持体として使用したリチウムイオン二次電池を開示しており、特許文献7では単結晶珪素、多結晶珪素及び非晶質珪素のLiSi(ただしxは0〜5)なるリチウム合金を使用したリチウムイオン二次電池を開示しており、特に非晶質珪素を用いたLiSiが好ましく、シランガスをプラズマ分解した非晶質珪素で被覆した結晶性珪素の粉砕物が例示されている。 Since silicon shows a theoretical capacity of 3580 mAh / g, which is much higher than the theoretical capacity of 372 mAh / g of carbon materials currently in practical use, it is the most promising material for reducing the size and increasing the capacity of batteries. Various forms of silicon having different crystal structures are known depending on the production method. For example, Patent Document 6 discloses a lithium ion secondary battery using single crystal silicon as a negative electrode active material support, and Patent Document 7 discloses Li x Si of single crystal silicon, polycrystalline silicon, and amorphous silicon. A lithium ion secondary battery using a lithium alloy (where x is 0 to 5) is disclosed, and Li x Si using amorphous silicon is particularly preferable, and silane gas is coated with amorphous silicon obtained by plasma decomposition. The pulverized crystalline silicon is exemplified.

また、負極材に導電性を付与する目的として、酸化珪素を例とする金属酸化物と黒鉛とをメカニカルアロイング後、炭化処理する方法(特許文献8)、Si粒子表面を化学蒸着法により炭素層で被覆する方法(特許文献9)、酸化珪素粒子表面を化学蒸着法により炭素層で被覆する方法(特許文献10)がある。これらの方法では、粒子表面に炭素層を設けることによって導電性を改善することはできるが、珪素負極の克服すべき課題である充放電に伴う大きな体積変化の緩和、これに伴う集電性の劣化とサイクル性低下を防止することはできなかった。   In addition, for the purpose of imparting conductivity to the negative electrode material, a method in which a metal oxide such as silicon oxide and graphite are mechanically alloyed and then carbonized (Patent Document 8), and the surface of Si particles is carbonized by chemical vapor deposition. There are a method of coating with a layer (Patent Document 9) and a method of coating the surface of silicon oxide particles with a carbon layer by a chemical vapor deposition method (Patent Document 10). In these methods, the conductivity can be improved by providing a carbon layer on the particle surface, but the large volume change accompanying charging / discharging, which is a problem to be overcome by the silicon negative electrode, is reduced. Degradation and cycle deterioration could not be prevented.

このため近年では、珪素の電池容量利用率を制限して体積膨張を抑制する方法(特許文献9、11〜13)、又は多結晶粒子の粒界を体積変化の緩衝帯とする方法として、アルミナを添加した珪素融液を急冷する方法(特許文献14)、α、β―FeSiの混相多結晶体からなる多結晶粒子を利用した方法(特許文献15)、単結晶珪素インゴットの高温塑性加工(特許文献16)が開示されている。 Therefore, in recent years, as a method for suppressing the volume expansion by limiting the battery capacity utilization rate of silicon (Patent Documents 9, 11 to 13), or a method using a grain boundary of polycrystalline particles as a buffer zone for volume change, alumina is used. Method of rapidly cooling a silicon melt added with Pt (Patent Document 14), a method using polycrystalline particles made of a mixed phase polycrystal of α, β-FeSi 2 (Patent Document 15), high-temperature plastic working of a single crystal silicon ingot (Patent Document 16) is disclosed.

珪素活物質の積層構造を工夫することで体積膨張を緩和する方法も開示されており、例えば珪素負極を2層に配置する方法(特許文献17)、炭素や他金属及び酸化物で被覆又はカプセル化して粒子の崩落を抑制する方法(特許文献18〜24)などが開示されている。また、集電体に直接珪素を気相成長させる方法において、成長方向を制御することで体積膨張によるサイクル特性の低下を抑制する方法も開示されている(特許文献25)。   A method of reducing volume expansion by devising a laminated structure of a silicon active material is also disclosed. For example, a method of disposing a silicon negative electrode in two layers (Patent Document 17), coating or capsules with carbon, other metals, and oxides And a method for suppressing particle collapse (Patent Documents 18 to 24) is disclosed. In addition, in a method of directly vapor-phase-growing silicon on a current collector, a method of suppressing deterioration of cycle characteristics due to volume expansion by controlling the growth direction is also disclosed (Patent Document 25).

以上のように、負極活物質として珪素、珪素合金、及び珪素酸化物が検討されてきた。しかしながら、Liの吸蔵、放出に伴う体積変化が十分に抑制されており、粒子の割れによる微粉化や集電体からの剥離による導電性の低下を緩和することが可能であり、かつ、大量生産が可能で、コスト的有利であって、実用に耐える負極活物質は未だ提案されていない。   As described above, silicon, silicon alloys, and silicon oxides have been studied as negative electrode active materials. However, volume change due to insertion and extraction of Li is sufficiently suppressed, and it is possible to mitigate the decrease in conductivity due to pulverization due to particle cracking and peeling from the current collector, and mass production. However, a negative electrode active material that is possible and cost-effective and can be used practically has not been proposed yet.

一方、シラン、シリコーンオイル又はシリコーンレジンなどのメチルシロキサン類を高温で焼結させて生成するSiOCの元素からなる複合酸化物が充放電容量を持つことが開示されている(特許文献26〜29)。これらの放電容量は500mAh/g程度であるがサイクル特性が良好である。しかしながら不可逆容量が著しく高く、放電曲線が直線的に変化することからエネルギー密度が向上しないという欠点があった。このため、上記複合酸化物に、金属Liを添加して化学的に反応させることで不可逆容量を解消する方法や、不可逆容量の低い金属珪素を添加して電池容量を上げることで重量あたりの容量効率を向上させることが提案されている(特許文献30、31)。しかしながら、これらの方法であっても実用化に供せられるほど十分な特性を発揮することができなかった。   On the other hand, it is disclosed that a composite oxide composed of an element of SiOC produced by sintering methylsiloxanes such as silane, silicone oil or silicone resin at a high temperature has a charge / discharge capacity (Patent Documents 26 to 29). . These discharge capacities are about 500 mAh / g, but the cycle characteristics are good. However, the irreversible capacity is remarkably high and the discharge curve changes linearly, so that the energy density is not improved. For this reason, a method for eliminating irreversible capacity by adding metal Li to the complex oxide and causing it to react chemically, or by adding metal silicon having a low irreversible capacity to increase battery capacity, capacity per weight. It has been proposed to improve efficiency (Patent Documents 30 and 31). However, even these methods have not been able to exhibit sufficient characteristics to be put to practical use.

特許第3008228号公報Japanese Patent No. 3008228 特許第3242751号公報Japanese Patent No. 3242751 特許第3846661号公報Japanese Patent No. 3846661 特許第2997741号公報Japanese Patent No. 2999741 特許第3918311号公報Japanese Patent No. 3918311 特許第2964732号公報Japanese Patent No. 2964732 特許第3079343号公報Japanese Patent No. 3079343 特開2000−243396号公報JP 2000-243396 A 特開2000−215887号公報JP 2000-215887 A 特開2002−42806号公報JP 2002-42806 A 特開2000−173596号公報JP 2000-173596 A 特許第3291260号公報Japanese Patent No. 3291260 特開2005−317309号公報JP 2005-317309 A 特開2003−109590号公報JP 2003-109590 A 特開2004−185991号公報JP 2004-185991 A 特開2004−303593号公報JP 2004-303593 A 特開2005−190902号公報JP 2005-190902 A 特開2005−235589号公報JP 2005-235589 A 特開2006−216374号公報JP 2006-216374 A 特開2006−236684号公報JP 2006-236684 A 特開2006−339092号公報JP 2006-339092 A 特許第3622629号公報Japanese Patent No. 3622629 特開2002−75351号公報JP 2002-75351 A 特許第3622631号公報Japanese Patent No. 3622631 特開2006−338996号公報JP 2006-338996 A 特開平8−40716号公報JP-A-8-40716 特開平8−259213号公報JP-A-8-259213 特開平10−74506号公報JP-A-10-74506 特開平10−74520号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-74520 特許第4623283号公報Japanese Patent No. 4623283 特許第5003877号公報Japanese Patent No. 5003877

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、体積抵抗率が低く不可逆容量が小さい非水電解質二次電池の負極とする非水電解質二次電池用負極活物質を提供すること、そのような負極活物質を負極材として用いた非水電解質二次電池を提供すること、及び、そのような負極活物質を製造することができる負極活物質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 view of the above circumstances, and provides a negative electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery as a negative electrode of a non-aqueous electrolyte secondary battery having a low volume resistivity and a small irreversible capacity, such as An object of the present invention is to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery using a negative electrode active material as a negative electrode material, and to provide a method for producing a negative electrode active material capable of producing such a negative electrode active material.

上記課題を解決するため、本発明は、元素組成式Met−Si−O−C−H(式中、Metはアルカリ土類金属元素の1種又は混合物である。)で表わされる非水電解質二次電池用負極活物質であって、珪素系無機化合物と前記アルカリ土類金属とからなる珪酸塩を含むものであることを特徴とする非水電解質二次電池用負極活物質を提供する。 In order to solve the above problems, the present invention provides non-water represented by the elemental composition formula Met 1 -Si—O—C—H (wherein Met 1 is one or a mixture of alkaline earth metal elements). There is provided a negative electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, characterized in that it is a negative electrode active material for an electrolyte secondary battery and contains a silicate composed of a silicon-based inorganic compound and the alkaline earth metal.

このような負極活物質は、非水電解質二次電池用負極材として用いられることによって、体積抵抗率が低く不可逆容量が小さいものとすることができる。また、この負極活物質は、電極を作製するための電極ペーストの状態にした際の保存安定性が高いものとすることができる。   By using such a negative electrode active material as a negative electrode material for a nonaqueous electrolyte secondary battery, the volume resistivity is low and the irreversible capacity can be small. In addition, the negative electrode active material can have high storage stability when it is in the state of an electrode paste for producing an electrode.

この場合、前記アルカリ土類金属元素がMg又はCaであることが好ましい。   In this case, the alkaline earth metal element is preferably Mg or Ca.

このようにアルカリ土類金属元素としてMg又はCaを用いることにより、負極活物質を非水電解質二次電池用負極材として用いた際に、より不可逆容量が小さいものとすることができる。   Thus, by using Mg or Ca as the alkaline earth metal element, when the negative electrode active material is used as the negative electrode material for a nonaqueous electrolyte secondary battery, the irreversible capacity can be further reduced.

また、珪素、珪素合金又は珪素酸化物からなる微粒子が前記珪酸塩内に分散しているものであることが好ましい。   Further, it is preferable that fine particles made of silicon, silicon alloy or silicon oxide are dispersed in the silicate.

このように、珪素、珪素合金又は珪素酸化物からなる微粒子を珪酸塩内に分散させることにより、より高容量であり、エネルギー密度の高い負極活物質とすることができる。   Thus, by dispersing fine particles made of silicon, a silicon alloy, or silicon oxide in a silicate, a negative electrode active material having a higher capacity and a higher energy density can be obtained.

また、前記珪酸塩がさらに3族〜13族金属を含むことが好ましい。この場合、前記3族〜13族金属が第1遷移金属又は第2遷移金属であることが好ましい。   In addition, it is preferable that the silicate further contains a Group 3 to Group 13 metal. In this case, the Group 3 to Group 13 metal is preferably the first transition metal or the second transition metal.

このように、アルカリ土類金属とともにさらに3族〜13族金属、特に第1遷移金属又は第2遷移金属を添加することにより、負極活物質の不可逆容量を効果的に低下させることができる。   Thus, the irreversible capacity | capacitance of a negative electrode active material can be reduced effectively by adding a group 3-13 metal, especially a 1st transition metal or a 2nd transition metal with an alkaline-earth metal further.

また、前記珪酸塩内に、炭素粒子が分散しているものとすることができる。   In addition, carbon particles may be dispersed in the silicate.

このように、炭素粒子が分散しているものとすることにより、負極活物質を非水電解質二次電池用負極材として用いた際に、体積抵抗率をより低くすることができる。   Thus, when the carbon particles are dispersed, the volume resistivity can be further lowered when the negative electrode active material is used as a negative electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery.

また、本発明は、上記のいずれかの非水電解質二次電池用負極活物質を用いたものであることを特徴とする非水電解質二次電池用負極を提供する。   Moreover, this invention provides the negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries characterized by using any of the negative electrode active materials for nonaqueous electrolyte secondary batteries described above.

また、本発明は、上記の非水電解質二次電池用負極を用いたものであることを特徴とする非水電解質二次電池を提供する。   The present invention also provides a nonaqueous electrolyte secondary battery using the above negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery.

このような、本発明の負極活物質を用いた非水電解質二次電池用負極及び非水電解質二次電池は、体積抵抗率が低く不可逆容量が小さいものとすることができる。   Such a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery and a non-aqueous electrolyte secondary battery using the negative electrode active material of the present invention can have a low volume resistivity and a small irreversible capacity.

また、本発明は、アルカリ土類金属化合物と、硬化性有機珪素化合物を含有する組成物とを混合して原料混合物とする工程と、前記硬化性有機珪素化合物を硬化して前記原料混合物を硬化する工程と、前記硬化した原料混合物を焼成して前記硬化性有機珪素化合物を無機化する工程とを有することを特徴とする非水電解質二次電池用負極活物質の製造方法を提供する。   The present invention also includes a step of mixing an alkaline earth metal compound and a composition containing a curable organic silicon compound to form a raw material mixture, and curing the curable organic silicon compound to cure the raw material mixture. There is provided a method for producing a negative electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, comprising: a step of performing and a step of firing the cured raw material mixture to mineralize the curable organosilicon compound.

このように、予め各原料を混合し、該混合物を硬化、焼成することにより負極活物質を製造することにより、珪素系無機化合物とアルカリ土類金属とからなる珪酸塩を含む負極活物質を製造することができる。このような負極活物質は、非水電解質二次電池用負極材として用いられることによって、体積抵抗率が低く不可逆容量が小さいものとすることができる。また、この負極活物質は、電極を作製するための電極ペーストの状態にした際の保存安定性が高いものとすることができる。   In this way, a negative electrode active material containing a silicate composed of a silicon-based inorganic compound and an alkaline earth metal is manufactured by mixing each raw material in advance and manufacturing the negative electrode active material by curing and firing the mixture. can do. By using such a negative electrode active material as a negative electrode material for a nonaqueous electrolyte secondary battery, the volume resistivity is low and the irreversible capacity can be small. In addition, the negative electrode active material can have high storage stability when it is in the state of an electrode paste for producing an electrode.

この場合、前記原料混合物を、さらに、珪素、珪素合金又は珪素酸化物からなる微粒子を混合したものとすることが好ましい。   In this case, it is preferable that the raw material mixture is further mixed with fine particles made of silicon, a silicon alloy or silicon oxide.

このように、原料混合物に珪素、珪素合金又は珪素酸化物からなる微粒子を混合することにより、製造する負極活物質にこれらの微粒子を分散させることができる。   Thus, these fine particles can be dispersed in the negative electrode active material to be produced by mixing fine particles made of silicon, a silicon alloy or silicon oxide into the raw material mixture.

また、前記原料混合物をさらに3族〜13族金属化合物を混合したものとすることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the raw material mixture is further mixed with a Group 3 to Group 13 metal compound.

このように原料混合物に3族〜13族金属化合物を混合することにより、製造する負極活物質の珪酸塩に均一に3族〜13族金属を含ませることができる。   Thus, by mixing a Group 3-13 metal compound with a raw material mixture, the Group 3-13 metal can be uniformly contained in the silicate of the negative electrode active material to manufacture.

また、前記原料混合物を、さらに、炭素粒子を混合したものとすることが好ましい。この場合、前記炭素粒子を天然黒鉛、合成黒鉛、炭素繊維のいずれかからなるものとすることができる。   Moreover, it is preferable that the raw material mixture is further mixed with carbon particles. In this case, the carbon particles can be made of natural graphite, synthetic graphite, or carbon fiber.

このように原料混合物に炭素粒子を混合することにより、製造する負極活物質に炭素粒子を分散させることができる。   Thus, carbon particles can be dispersed in the negative electrode active material to be produced by mixing carbon particles with the raw material mixture.

本発明の非水電解質二次電池用負極活物質は、非水電解質二次電池用負極材として用いられることによって、体積抵抗率が低く不可逆容量が小さいものとすることができる。また、本発明の負極活物質は、電解液の分解ガスの発生が少ないものであり、また、体積膨張による電極の崩壊が緩和されているため、良好なサイクル性を与えることが可能である。また、本発明の負極活物質は、電極を作製するための電極ペーストの状態にした際の保存安定性が高いものとすることができる。   The negative electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention can be used as a negative electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, so that the volume resistivity is low and the irreversible capacity is small. In addition, the negative electrode active material of the present invention generates little decomposition gas of the electrolytic solution, and since the collapse of the electrode due to volume expansion is mitigated, it is possible to give good cycle characteristics. Moreover, the negative electrode active material of the present invention can have high storage stability when it is in the state of an electrode paste for producing an electrode.

また、本発明の非水電解質二次電池用負極活物質の製造方法により、上記構成を有する負極活物質を製造することができる。   Moreover, the negative electrode active material which has the said structure can be manufactured with the manufacturing method of the negative electrode active material for nonaqueous electrolyte secondary batteries of this invention.

実施例3及び実施例11で得られた粒子の粉末X線回折スペクトルである。4 is a powder X-ray diffraction spectrum of the particles obtained in Example 3 and Example 11. FIG. 実施例3及び実施例11で得られた粒子の粒子表面のラマン分光スペクトルである。It is a Raman spectrum of the particle surface of the particles obtained in Example 3 and Example 11. 実施例10で得られた粒子の断面走査型電子顕微鏡像であり、図中左上の「+」印を付けた箇所は金属珪素粒子を指し示している。It is a cross-sectional scanning electron microscope image of the particle | grains obtained in Example 10, The location which attached the "+" mark on the upper left in the figure has shown the metal silicon particle. 実施例13、14、23、24及び比較例7のサイクル特性の評価を行ったグラフである。It is the graph which evaluated the cycle characteristic of Example 13, 14, 23, 24 and the comparative example 7. FIG.

上記のように、SiOCの元素からなる複合酸化物は、負極活物質として、不可逆容量が著しく高いという欠点があった。また、SiOCの元素からなる複合酸化物は、放電曲線が直線的に変化することからエネルギー密度が向上しないという問題もあった。   As described above, composite oxides composed of SiOC elements have a drawback that their irreversible capacity is extremely high as a negative electrode active material. In addition, the composite oxide composed of the element of SiOC has a problem that the energy density is not improved because the discharge curve changes linearly.

本発明者らは、この問題を解決するため鋭意検討を行った。その結果、公知の材料であるSi−O−C材料に金属珪素を添加することによって電池容量の向上及び初回効率を高める手法では、不可逆容量を相対的に低めるために大量の金属珪素の添加が必要であり、従って金属珪素の欠点である体積膨張が顕著に発現し実用に適さないことを知見した。一方、金属リチウムの添加による初回効率を高める手法では、発火性のある金属リチウムの取り扱いが問題であり、また金属リチウムの添加量を増やすことでSi−O−Cが元来有する電池容量を低下せしめるだけでなく、放電曲線に見て取れるように平均電位が低くエネルギー密度は低いままであることも知見した。   The present inventors have intensively studied to solve this problem. As a result, in the method of improving the battery capacity and increasing the initial efficiency by adding metal silicon to a known material Si—O—C material, a large amount of metal silicon is added to relatively reduce the irreversible capacity. Therefore, it was found that volume expansion, which is a defect of metallic silicon, was remarkably exhibited and not suitable for practical use. On the other hand, in the method of increasing the initial efficiency by adding metallic lithium, handling of ignitable metallic lithium is a problem, and by increasing the amount of metallic lithium added, the battery capacity inherent in Si—O—C is reduced. It was also found that the average potential is low and the energy density remains low as shown in the discharge curve.

本発明者らは、以上の知見に基づいてさらに検討を行い、より不可逆容量が小さく、エネルギー密度の高い、かつ珪素系負極活物質での課題であった充放電時の体積変化の低減効果のある非水電解質二次電池負極用の活剤として有効な珪素複合体とするために、電池容量を損なうことなく、かつエネルギー密度を高める手段として、本発明の負極活物質及びその製造方法を見出した。   The present inventors have further studied based on the above knowledge, and the effect of reducing the volume change at the time of charge and discharge, which is a problem with a silicon-based negative electrode active material, which has a smaller irreversible capacity, a higher energy density, and In order to obtain an effective silicon composite as an active agent for a nonaqueous electrolyte secondary battery negative electrode, the negative electrode active material of the present invention and a method for producing the same are found as means for increasing the energy density without impairing the battery capacity. It was.

本発明は、非水電解質二次電池用負極活物質として、充放電容量が現在主流であるグラファイト系のものと比較して、その数倍の容量であることから期待されている反面、繰り返しの充放電による性能低下が大きなボトルネックとなっている珪素系負極材のサイクル性及び充放電効率を改善した珪素複合体からなる負極活物質を提供するものである。   Although the present invention is expected as a negative electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, its charge / discharge capacity is several times that of the current mainstream graphite-based materials, while it is repetitive. The present invention provides a negative electrode active material comprising a silicon composite in which the cycle performance and charge / discharge efficiency of a silicon-based negative electrode material, which has become a major bottleneck in performance deterioration due to charge / discharge, are provided.

以下、本発明につきさらに詳しく説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

本発明の非水電解質二次電池用負極活物質は、元素組成式Met−Si−O−C−Hで表わされる。元素組成式中のMetはアルカリ土類金属元素の1種又は混合物である。この負極活物質は、珪素系無機化合物と前記アルカリ土類金属とからなる珪酸塩を含むものである。ここで用いるアルカリ土類金属元素は、Mg又はCaであることが好ましい。また、本発明の負極活物質においては、珪酸塩がさらに3族〜13族金属を含むことが好ましい。この3族〜13族金属は、第1遷移金属又は第2遷移金属とすることがより好ましい。本発明の負極活物質においては、さらに、珪酸塩内に、炭素粒子が分散しているものとすることができる。 The negative electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is represented by an elemental composition formula Met 1 -Si—O—C—H. Met 1 in the elemental composition formula is one or a mixture of alkaline earth metal elements. The negative electrode active material includes a silicate composed of a silicon-based inorganic compound and the alkaline earth metal. The alkaline earth metal element used here is preferably Mg or Ca. Moreover, in the negative electrode active material of this invention, it is preferable that a silicate contains a Group 3-13 metal further. The Group 3 to Group 13 metal is more preferably a first transition metal or a second transition metal. In the negative electrode active material of the present invention, carbon particles can be further dispersed in the silicate.

本発明の負極活物質において、珪素系無機化合物はアルカリ土類金属(又は、アルカリ土類金属及び3族〜13族元素)と珪酸塩を形成している。このような構成により、体積抵抗率が低く不可逆容量が低いSiOC系負極活物質を提供することができる。   In the negative electrode active material of the present invention, the silicon-based inorganic compound forms a silicate with an alkaline earth metal (or alkaline earth metal and group 3 to group 13 element). With such a configuration, it is possible to provide a SiOC-based negative electrode active material having a low volume resistivity and a low irreversible capacity.

また、この負極活物質は、電極を作製するための電極ペーストの状態にした際の保存安定性が高く、実用性が高いものである。本発明者らの知見によると、本発明のようにアルカリ土類金属を添加した負極活物質に比べ、Liを添加したSi−O−C複合体は電極ペーストとしたときの保存安定性が劣る。本発明で用いるアルカリ土類金属は、2族元素であればいずれも本発明の効果を得ることができるが、特にMg又はCaが好ましい。   Moreover, this negative electrode active material has high storage stability when it is in the state of an electrode paste for producing an electrode, and is highly practical. According to the knowledge of the present inventors, the Si—O—C composite added with Li is inferior in storage stability when used as an electrode paste as compared with the negative electrode active material added with alkaline earth metal as in the present invention. . As long as the alkaline earth metal used in the present invention is a group 2 element, the effects of the present invention can be obtained, but Mg or Ca is particularly preferable.

本発明の負極活物質においては、珪素、珪素合金又は珪素酸化物からなる微粒子(以下、総称して単に「珪素系微粒子」とも称する)が珪酸塩内に分散しているものであることが好ましい。この場合、本発明の負極活物質(珪素複合体)では、珪素系微粒子が活物質として機能するとともに、珪素系微粒子がその内部に分散している珪酸塩も活物質として機能する。このように、珪素系微粒子を珪酸塩中に分散させた構造とすることにより、電池容量が大きく、放電曲線も平坦なことからエネルギー密度が高い負極活物質とすることができる。   In the negative electrode active material of the present invention, it is preferable that fine particles made of silicon, a silicon alloy or silicon oxide (hereinafter collectively referred to simply as “silicon fine particles”) are dispersed in the silicate. . In this case, in the negative electrode active material (silicon complex) of the present invention, the silicon-based fine particles function as an active material, and the silicate in which the silicon-based fine particles are dispersed also functions as the active material. In this way, by adopting a structure in which silicon-based fine particles are dispersed in silicate, the battery capacity is large and the discharge curve is flat, so that a negative electrode active material having a high energy density can be obtained.

本発明の負極活物質は、一次粒子の体積平均粒子径が0.1〜30μmの粒子状のものとすることが好ましい。   The negative electrode active material of the present invention is preferably in the form of particles whose primary particles have a volume average particle diameter of 0.1 to 30 μm.

このような本発明の負極活物質は、アルカリ土類金属化合物と、硬化性有機珪素化合物を含有する組成物とを混合して焼結することによって得ることができる。   Such a negative electrode active material of the present invention can be obtained by mixing and sintering an alkaline earth metal compound and a composition containing a curable organosilicon compound.

具体的には、本発明の負極活物質の製造方法は、少なくとも以下の工程(a)〜(c)のプロセスを経る。
(a)アルカリ土類金属化合物と、硬化性有機珪素化合物を含有する組成物とを混合して原料混合物とする。
(b)硬化性有機珪素化合物を硬化して原料混合物を硬化する。
(c)硬化した原料混合物を焼成して硬化性有機珪素化合物を無機化する。
Specifically, the method for producing a negative electrode active material of the present invention undergoes at least the following processes (a) to (c).
(A) An alkaline earth metal compound and a composition containing a curable organosilicon compound are mixed to obtain a raw material mixture.
(B) The curable organosilicon compound is cured to cure the raw material mixture.
(C) Firing the cured raw material mixture to mineralize the curable organosilicon compound.

本発明で用いる硬化性有機珪素化合物は、架橋性基を有する反応性有機珪素化合物の組成物である硬化性シリコーン組成物を用いることが好ましい。硬化性シリコーン組成物の種類は特に制限されず、公知の硬化性シリコーン組成物を使用することができる。その具体例としては有機過酸化物硬化性、放射線硬化性反応性、付加硬化反性型、縮合硬化性のシリコーン組成物等が挙げられる。焼成・無機化により得られる珪素系無機化合物を高純度にする点では、有機過酸化物硬化性及び放射線硬化性反応性のシリコーン組成物が有利であり、これらを選択することにより、得られる珪素系無機化合物粉末中の不純物元素の合計含有量を1ppm以下、好ましくは0.5ppm以下、さらに好ましくは0.1ppm以下に抑制することができる。不純物元素としては、特にFe、Cr、Ni、Al、Ti、Cu、Na、Zn、Ca、Zr、Mg、及びBが挙げられ、これらの合計含有量を上記のように抑制することができる。Ca、Mg等のアルカリ土類金属元素については、上記のように原料混合物に混合されるものであるが、硬化性有機珪素化合物中のアルカリ土類金属元素以外の不純物を抑制するために、上記のように硬化性有機珪素化合物を高純度とすることが好ましい。言い換えれば、硬化性有機珪素酸化物からアルカリ土類金属元素以外の不純物のみを低減することは困難である。   The curable organosilicon compound used in the present invention is preferably a curable silicone composition that is a composition of a reactive organosilicon compound having a crosslinkable group. The kind in particular of curable silicone composition is not restrict | limited, A well-known curable silicone composition can be used. Specific examples thereof include organic peroxide curable, radiation curable reactivity, addition curable reactive type, and condensation curable silicone compositions. In terms of making the silicon-based inorganic compound obtained by firing and mineralization high purity, organic peroxide-curable and radiation-curable reactive silicone compositions are advantageous. The total content of impurity elements in the inorganic inorganic compound powder can be suppressed to 1 ppm or less, preferably 0.5 ppm or less, and more preferably 0.1 ppm or less. Examples of the impurity element include Fe, Cr, Ni, Al, Ti, Cu, Na, Zn, Ca, Zr, Mg, and B, and the total content thereof can be suppressed as described above. About alkaline earth metal elements such as Ca, Mg, etc. are mixed in the raw material mixture as described above, but in order to suppress impurities other than alkaline earth metal elements in the curable organosilicon compound, the above Thus, it is preferable that the curable organosilicon compound has a high purity. In other words, it is difficult to reduce only impurities other than the alkaline earth metal element from the curable organic silicon oxide.

有機過酸化物硬化性シリコーン組成物としては、例えば、分子鎖末端部分(片末端又は両末端)及び分子鎖非末端部分のどちらか一方又はその両方にビニル基等のアルケニル基を有する直鎖状オルガノポリシロキサンを有機過酸化物存在下でラジカル重合させることによって硬化するシリコーン組成物を挙げることができる。   Examples of the organic peroxide curable silicone composition include a linear chain having an alkenyl group such as a vinyl group at one or both of a molecular chain terminal part (one terminal or both terminal) and a molecular chain non-terminal part. A silicone composition that cures by radical polymerization of an organopolysiloxane in the presence of an organic peroxide can be given.

放射線硬化性シリコーン組成物としては、紫外線硬化性シリコーン組成物及び電子線硬化性シリコーン組成物を挙げられる。   Examples of the radiation curable silicone composition include an ultraviolet curable silicone composition and an electron beam curable silicone composition.

紫外線硬化性シリコーン組成物としては、例えば、波長200〜400nmの紫外線のエネルギーにより硬化するシリコーン組成物が挙げられる。この場合、硬化機構には特に制限はない。その具体例としては、アクリロイル基又はメタクリロイル基を有するオルガノポリシロキサンと光重合開始剤とを含有するアクリルシリコーン系シリコーン組成物、メルカプト基含有オルガノポリシロキサンとビニル基等のアルケニル基を有するオルガノポリシロキサンと光重合開始剤とを含有するメルカプト−ビニル付加重合系シリコーン組成物、熱硬化性の付加反応型と同じ白金族金属系触媒を用いた付加反応系シリコーン組成物、エポキシ基を含有するオルガノポリシロキサンとオニウム塩触媒とを含有するカチオン重合系シリコーン組成物などが挙げられ、いずれも紫外線硬化性シリコーン組成物として使用することができる。   As an ultraviolet curable silicone composition, the silicone composition hardened | cured with the energy of the ultraviolet-ray with a wavelength of 200-400 nm is mentioned, for example. In this case, the curing mechanism is not particularly limited. Specific examples thereof include an acrylic silicone composition containing an organopolysiloxane having an acryloyl group or a methacryloyl group and a photopolymerization initiator, a mercapto group-containing organopolysiloxane and an organopolysiloxane having an alkenyl group such as a vinyl group. And a photopolymerization initiator containing a mercapto-vinyl addition polymerization silicone composition, an addition reaction silicone composition using the same platinum group metal catalyst as a thermosetting addition reaction type, and an epoxy group-containing organopoly A cationically polymerizable silicone composition containing siloxane and an onium salt catalyst can be used, and any of them can be used as an ultraviolet curable silicone composition.

電子線硬化性シリコーン組成物としては、ラジカル重合性基を有するオルガノポリシロキサンに電子線を照射することで開始するラジカル重合により硬化するいずれのシリコーン組成物も使用することができる。   As the electron beam curable silicone composition, any silicone composition that is cured by radical polymerization that starts by irradiating an electron beam to an organopolysiloxane having a radical polymerizable group can be used.

付加硬化性シリコーン組成物としては、例えば、上記のアルケニル基を有する直鎖状オルガノポリシロキサンとオルガノハイドロジェンポリシロキサンと白金族金属系触媒の存在下で反応(ヒドロシリル化付加反応)させることにより硬化するシリコーン組成物を挙げることができる。   For example, the addition-curable silicone composition is cured by a reaction (hydrosilylation addition reaction) in the presence of the above-described linear organopolysiloxane having an alkenyl group, an organohydrogenpolysiloxane, and a platinum group metal catalyst. The silicone composition to be mentioned can be mentioned.

縮合硬化性シリコーン組成物としては、例えば、両末端シラノール封鎖オルガノポリシロキサンとオルガノハイドロジェンポリシロキサン又はテトラアルコキシシラン、オルガノトリアルコキシシラン等の加水分解性シラン及び/もしくはその部分加水分解縮合物とを有機錫系触媒等の縮合反応触媒の存在下で反応させることにより硬化するシリコーン組成物、又は両末端がトリアルコキシ基、ジアルコキシオルガノ基、トリアルコキシシロキシエチル基、ジアルコキシオルガノシロキシエチル基等で封鎖されたオルガノポリシロキサンを有機錫触媒等の縮合反応存在下で反応させることにより硬化するシリコーン組成物などを挙げることができる。   As the condensation curable silicone composition, for example, a silanol-blocked organopolysiloxane at both ends and an organohydrogenpolysiloxane or a hydrolyzable silane such as tetraalkoxysilane or organotrialkoxysilane and / or a partially hydrolyzed condensate thereof are used. Silicone compositions that are cured by reacting in the presence of a condensation reaction catalyst such as an organotin catalyst, or both ends are trialkoxy groups, dialkoxyorgano groups, trialkoxysiloxyethyl groups, dialkoxyorganosiloxyethyl groups, etc. Examples thereof include a silicone composition that is cured by reacting the blocked organopolysiloxane in the presence of a condensation reaction such as an organotin catalyst.

ただし、不純物元素の混入を極力避ける観点から、放射線硬化性シリコーン組成物及び有機過酸化物硬化性シリコーン組成物が望ましい。   However, a radiation curable silicone composition and an organic peroxide curable silicone composition are desirable from the viewpoint of avoiding mixing of impurity elements as much as possible.

工程(b)の、硬化性有機珪素化合物の組成物を硬化する段階より前、すなわち、工程(a)の段階でアルカリ土類金属の金属化合物を添加することによって効果的に不可逆容量を低下させることができる。この際、さらに3族〜13族金属等の金属化合物を添加すると不可逆容量の低下をさらに効果的にすることができる。添加するアルカリ土類金属化合物としては、硬化性シリコーン組成物との反応性からアルカリ土類金属の水酸化物、酸化物、炭酸塩、シュウ酸塩等の金属化合物が好ましく用いられる。特にMgあるいはCa等の炭酸塩あるいはシュウ酸塩などを使用すると珪素複合体を形成する温度にて効果的に反応することが可能であり好ましい。これらのアルカリ土類金属化合物は金属単体を用いる場合に比較して取り扱いが容易である。3族〜13族金属としてはTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga等の第1遷移金属とAl等の金属化合物を配合することで導入できる。同様にZrやNb、Mo等の第2遷移金属であっても良い。金属化合物としては同様に種々選択できるが、反応性の点から水酸化物、酸化物やエステル化物等が好ましい。   The irreversible capacity is effectively reduced by adding an alkaline earth metal compound in the step (b) before the step of curing the composition of the curable organosilicon compound, that is, in the step (a). be able to. At this time, the addition of a metal compound such as a Group 3 to Group 13 metal can further reduce the irreversible capacity. As the alkaline earth metal compound to be added, a metal compound such as an alkaline earth metal hydroxide, oxide, carbonate, or oxalate is preferably used because of its reactivity with the curable silicone composition. In particular, use of carbonate or oxalate such as Mg or Ca is preferable because it can effectively react at the temperature at which the silicon composite is formed. These alkaline earth metal compounds are easier to handle than when a single metal is used. The Group 3 to Group 13 metal can be introduced by blending a first transition metal such as Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, and Ga with a metal compound such as Al. Similarly, a second transition metal such as Zr, Nb, or Mo may be used. Various metal compounds can be selected in the same manner, but hydroxides, oxides, esterified products and the like are preferable from the viewpoint of reactivity.

また、アルカリ土類金属化合物、又は、アルカリ土類金属化合物及び3族〜13族金属化合物の合計の配合量としては硬化性有機珪素化合物の組成物150質量部に対して10〜100質量部であることが好ましい。この配合量は、不可逆容量低減効果と経済性の点から、20〜80質量部であることがより好ましく、30〜60質量部であることが特に好ましい。   The total amount of the alkaline earth metal compound or the alkaline earth metal compound and the group 3 to group 13 metal compound is 10 to 100 parts by mass with respect to 150 parts by mass of the curable organosilicon compound composition. Preferably there is. The blending amount is more preferably 20 to 80 parts by mass, and particularly preferably 30 to 60 parts by mass, from the viewpoint of irreversible capacity reduction effect and economy.

工程(b)の、硬化性有機珪素化合物の組成物を硬化する段階より前、すなわち、工程(a)の段階で、さらに、珪素、珪素合金又は珪素酸化物からなる微粒子を混合することが好ましい。このように原料混合物に珪素系微粒子を混合して工程(b)において焼成することにより、珪酸塩内に珪素系微粒子を分散させることができ、より高容量の珪素複合体を得ることができる。   In the step (b), before the step of curing the composition of the curable organosilicon compound, that is, in the step (a), it is preferable to further mix fine particles made of silicon, a silicon alloy or silicon oxide. . Thus, by mixing silicon-based fine particles with the raw material mixture and firing in step (b), the silicon-based fine particles can be dispersed in the silicate, and a higher-capacity silicon composite can be obtained.

ここで用いることができる珪素としては、純度が95%以上(即ち、95〜100%)、特に99.0%以上(即ち、99.0〜100%)である工業用金属珪素、半導体用又は太陽電池用多結晶珪素、単結晶珪素が挙げられる。また、このような珪素にAl、Ti、Co、Fe等の典型元素、遷移金属が添加された珪素合金も本発明において使用できる。また、珪素酸化物としては、一般式SiOx(1≦x<1.6)で表され、アモルファス状のものから不活性ガス雰囲気下で熱処理を施して珪素と二酸化珪素に不均化することによって得られる珪素酸化物を用いることもできる。また、珪素粒子、珪素合金粒子又は珪素酸化物粒子の表面を、アルコキシメチルシランやアルコキシビニルシランによる撥水処理を行ったものとしてもよく、炭素によって被覆したものであっても良い。   As silicon which can be used here, industrial metallic silicon having a purity of 95% or more (ie, 95 to 100%), particularly 99.0% or more (ie, 99.0 to 100%), for semiconductors or Examples thereof include polycrystalline silicon for solar cells and single crystal silicon. In addition, a silicon alloy in which typical elements such as Al, Ti, Co, Fe, and transition metals are added to such silicon can also be used in the present invention. The silicon oxide is represented by the general formula SiOx (1 ≦ x <1.6), and is heat-treated in an inert gas atmosphere from an amorphous material to disproportionate into silicon and silicon dioxide. The resulting silicon oxide can also be used. Further, the surface of silicon particles, silicon alloy particles, or silicon oxide particles may be subjected to water repellency treatment with alkoxymethylsilane or alkoxyvinylsilane, or may be coated with carbon.

これら珪素、珪素合金、珪素酸化物の一次粒子の大きさは、レーザー光回折法による粒度分布測定法で体積平均粒子径(例えば累積体積が50%となる粒子径D50又はメジアン径)が100nm〜10μmであることが好ましい。この粒子径は、100nm〜7μmがより好ましく、100nm〜1μmがさらに好ましい。特に粒子径が均一であることが好ましい。 These silicon, silicon alloys, the size of the primary particles of silicon oxide, the volume average particle diameter in particle size distribution measurement method by laser diffraction method (e.g., particle diameter D 50 or median size of which cumulative volume is 50%) is 100nm It is preferable that it is 10-10 micrometers. The particle diameter is more preferably from 100 nm to 7 μm, further preferably from 100 nm to 1 μm. In particular, the particle diameter is preferably uniform.

珪素、珪素合金又は珪素酸化物と硬化性有機珪素化合物の組成物との配合割合は、硬化性有機珪素化合物の組成物150質量部に対して珪素、珪素合金又は珪素酸化物が5質量部以上であることが好ましく、さらに好ましくは10質量部以上である。一方、上限としては硬化性有機珪素化合物の組成物100質量部に対して珪素、珪素合金又は珪素酸化物が200質量部以下であることが好ましく、100質量部以下であることがさらに好ましく、50質量部以下であることが特に好ましい。これらの好ましい上限の値は、硬化性有機珪素化合物として特に硬化性シリコーンを用いた場合、焼結後の加熱減量が30質量%程度であることを勘案したものである。   The blending ratio of silicon, silicon alloy or silicon oxide and the composition of the curable organic silicon compound is 5 parts by mass or more of silicon, silicon alloy or silicon oxide with respect to 150 parts by mass of the composition of the curable organic silicon compound. Preferably, it is 10 parts by mass or more. On the other hand, as an upper limit, it is preferable that silicon, a silicon alloy, or a silicon oxide is 200 mass parts or less with respect to 100 mass parts of a composition of a curable organosilicon compound, It is more preferable that it is 100 mass parts or less, 50 It is particularly preferable that the amount is not more than part by mass. These preferable upper limit values take into consideration that when curable silicone is used as the curable organosilicon compound, the loss on heating after sintering is about 30% by mass.

工程(b)の、硬化性有機珪素化合物の組成物を硬化する段階より前、すなわち、工程(a)の段階でさらに炭素粒子を添加しても良い。添加する炭素粒子は黒鉛やアセチレンブラックなどの導電助剤であればよい。特に、天然黒鉛、合成黒鉛、炭素繊維のいずれかからなるものとすることが好ましい。配合割合としては、硬化性有機珪素化合物の組成物150質量部に対して1質量部以上であることが好ましく、さらに好ましくは5質量部以上である。この範囲であれば焼成後の珪素複合体の体積抵抗率を効果的に低下させることが可能であり、活物質のレート特性を向上させることが可能である。   Carbon particles may be further added before the step of curing the composition of the curable organosilicon compound in the step (b), that is, at the step of the step (a). The carbon particles to be added may be a conductive aid such as graphite or acetylene black. In particular, it is preferably made of any one of natural graphite, synthetic graphite, and carbon fiber. As a mixture ratio, it is preferable that it is 1 mass part or more with respect to 150 mass parts of compositions of a curable organosilicon compound, More preferably, it is 5 mass parts or more. Within this range, the volume resistivity of the fired silicon composite can be effectively reduced, and the rate characteristics of the active material can be improved.

上記混合して得られた原料混合物を硬化させる(工程(b))。硬化条件は、上記のように用いた硬化性有機珪素化合物に従い、その硬化性有機珪素化合物が硬化する条件で行えばよい。工程(b)の硬化が終了した後、工程(c)の焼成の前に硬化物を粉砕することが好ましい。   The raw material mixture obtained by mixing is cured (step (b)). The curing conditions may be performed under the conditions for curing the curable organosilicon compound according to the curable organosilicon compound used as described above. After the curing in step (b) is completed, the cured product is preferably pulverized before firing in step (c).

工程(a)、(b)によりアルカリ土類金属化合物と、硬化性有機珪素化合物を含有する組成物とを混合し、硬化した後、硬化した原料混合物を焼成して硬化性有機珪素化合物を無機化する(工程(c))。この焼成温度は600〜1200℃の温度とすることが好ましい。反応が600℃程度で急激に進行し、1000℃近辺で殆ど終了することから、焼成温度は600〜1000℃に設定することがより好ましい。また、抵抗成分となる炭化珪素を生成させないため、焼成温度は1200℃以下とすることが好ましい。加熱装置としては特に限定されるものではないが、マッフル炉やロータリーキルンなどの不活性ガス雰囲気下で加熱することができるものであればよい。なお、反応中に水素ガスや炭酸ガス、一酸化炭素ガスなどが発生することから、これらの除外装置を付属したものであることが好ましい。反応時間としては仕込み量、反応装置によってまちまちであるが、1000℃では約1時間で完結することができる。   After the alkaline earth metal compound and the composition containing the curable organosilicon compound are mixed and cured in steps (a) and (b), the cured raw material mixture is baked to make the curable organosilicon compound inorganic. (Step (c)). The firing temperature is preferably 600 to 1200 ° C. Since the reaction proceeds rapidly at about 600 ° C. and almost completes at around 1000 ° C., the firing temperature is more preferably set to 600 to 1000 ° C. In addition, the firing temperature is preferably 1200 ° C. or lower in order not to generate silicon carbide as a resistance component. Although it does not specifically limit as a heating apparatus, What is necessary is just to be able to heat in inert gas atmosphere, such as a muffle furnace and a rotary kiln. In addition, since hydrogen gas, a carbon dioxide gas, carbon monoxide gas, etc. generate | occur | produce during reaction, it is preferable to attach these exclusion apparatuses. The reaction time varies depending on the charged amount and the reaction apparatus, but can be completed in about 1 hour at 1000 ° C.

焼成を行った後、負極活物質として適切な粒径となるように、焼成物を粉砕して調整することが好ましい。   After firing, it is preferable that the fired product is pulverized and adjusted so as to have an appropriate particle size as the negative electrode active material.

上記配合により得られた珪素複合体を元素組成式で表すとMet−Si−O−C−H(式中、Metはアルカリ土類金属元素の1種又は混合物である。)となる。各元素の組成比はMet −Si−O−C−Hとすると、Met(アルカリ土類金属元素)は必須成分であることからkは0より大きいことが必須であり、好ましくは0<k<1、0.3<l<2.5、0.5<m<2.5、0<n<0.5である。特に0.5<m<1.8であることが好ましい。 When the silicon composite obtained by the above blending is represented by an elemental composition formula, Met 1 —Si—O—C—H (where Met 1 is one or a mixture of alkaline earth metal elements) is obtained. The composition ratio of each element when the Met 1 k -Si-O l -C m -H n, Met 1 ( alkaline earth metal) is k because it is an essential component is essential that greater than 0, Preferably, 0 <k <1, 0.3 <l <2.5, 0.5 <m <2.5, and 0 <n <0.5. It is particularly preferable that 0.5 <m <1.8.

本発明で得られた負極活物質(珪素複合体粒子)を負極に用いることにより、高容量で、かつ不可逆容量が小さい非水電解質二次電池、特に、リチウムイオン二次電池を製造することができる。珪素系微粒子を分散させた負極活物質であれば、特にエネルギー密度の優れた非水電解質二次電池とすることができる。本発明の負極活物質は、電解液の分解ガスの発生が少ないものであり、また、体積膨張による電極の崩壊が緩和されているため、良好なサイクル性を与えることが可能である。   By using the negative electrode active material (silicon composite particles) obtained in the present invention for a negative electrode, a non-aqueous electrolyte secondary battery, particularly a lithium ion secondary battery, having a high capacity and a small irreversible capacity can be produced. it can. If it is a negative electrode active material in which silicon-based fine particles are dispersed, a non-aqueous electrolyte secondary battery having particularly excellent energy density can be obtained. The negative electrode active material of the present invention generates little decomposition gas of the electrolytic solution, and since the collapse of the electrode due to volume expansion is mitigated, it can provide good cycle characteristics.

この場合、得られた非水電解質二次電池(特にリチウムイオン二次電池)は、上記珪素複合体粒子からなる負極活物質を用いる点に特徴を有し、その他の正極、電解質、セパレータなどの材料及び電池形状などは限定されない。例えば、正極活物質としてはLiCoO、LiNiO、LiMn、V、MnO、TiS、MoSなどの遷移金属の酸化物及びカルコゲン化合物などが用いられる。電解質としては、例えば、過塩素酸リチウムなどのリチウム塩を含む非水溶液が用いられ、非水溶媒としてはプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメトキシエタン、γ−ブチロラクトン、2−メチルテトラヒドロフランなどの単体又は2種類以上を組み合わせて用いられる。また、それ以外の種々の非水系電解質や固体電解質も使用できる。二次電池の形状も角形、円筒型、コイン型等とすることができる。 In this case, the obtained nonaqueous electrolyte secondary battery (especially lithium ion secondary battery) is characterized in that it uses a negative electrode active material composed of the silicon composite particles, and includes other positive electrodes, electrolytes, separators, and the like. The material and battery shape are not limited. For example, as the positive electrode active material, oxides of transition metals such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , V 2 O 6 , MnO 2 , TiS 2 , and MoS 2 , chalcogen compounds, and the like are used. As the electrolyte, for example, a non-aqueous solution containing a lithium salt such as lithium perchlorate is used, and as the non-aqueous solvent, propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethoxyethane, γ-butyrolactone, 2-methyltetrahydrofuran or the like alone or in two types The above is used in combination. Various other non-aqueous electrolytes and solid electrolytes can also be used. The shape of the secondary battery can also be a square shape, a cylindrical shape, a coin shape, or the like.

なお、上記負極活物質(珪素複合体粒子)を用いて負極を作製する場合、珪素複合体粒子に黒鉛等の活物質又は導電剤を添加することができる。この場合においても黒鉛活物質又は導電剤の種類は特に限定されず、構成された電池において、分解や変質を起こさない電子伝導性の材料であればよく、具体的にはAl、Ti、Fe、Ni、Cu、Zn、Ag、Sn、Si等の金属粉末や金属繊維、又は天然黒鉛、人造黒鉛、各種のコークス粉末、メソフェーズ炭素、気相成長炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、PAN系炭素繊維、各種の樹脂焼成体等の黒鉛を用いることができる。その他、結着材を添加することもできる。   In addition, when producing a negative electrode using the said negative electrode active material (silicon composite particle), active materials or conductive agents, such as graphite, can be added to a silicon composite particle. Also in this case, the type of the graphite active material or the conductive agent is not particularly limited, and may be any electron conductive material that does not cause decomposition or alteration in the configured battery. Specifically, Al, Ti, Fe, Metal powder and metal fiber such as Ni, Cu, Zn, Ag, Sn, Si, or natural graphite, artificial graphite, various coke powders, mesophase carbon, vapor grown carbon fiber, pitch carbon fiber, PAN carbon fiber, Graphite such as various resin fired bodies can be used. In addition, a binder can also be added.

負極を作製する際には公知の方法を用いることができ、特に作製方法は限定されない。例えば、本発明の負極活物質と、炭素系活物質、導電剤、結着剤等を混合し、混合物を電解銅箔などに塗布して乾燥・あるいは焼成し、必要によってプレスすることにより負極を作製することができる。混合物中の炭素系活物質及び導電剤は、例えば合計して1〜90質量%とすることができ、混合物中の結着剤は、例えば1〜20質量%とすることができる。   A known method can be used for producing the negative electrode, and the production method is not particularly limited. For example, the negative electrode active material of the present invention is mixed with a carbon-based active material, a conductive agent, a binder, etc., and the mixture is applied to an electrolytic copper foil and dried or fired, and the negative electrode is pressed by pressing as necessary. Can be produced. The carbon-based active material and the conductive agent in the mixture can be, for example, 1 to 90% by mass in total, and the binder in the mixture can be, for example, 1 to 20% by mass.

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are shown and this invention is demonstrated more concretely, this invention is not limited to these.

なお、下記の例において体積平均粒子径(累積体積50%径D50)はレーザー光回折式粒度分布測定機(日機装株式会社製MT3300EX II)により湿式法にて測定した。体積抵抗率は四探針式体積抵抗率計(三菱化学株式会社製MCP−PD51)により測定し、12kN荷重時の値を示した。また、X線回折装置としては、BRUKER AXS社製のD8 ADVANCEを使用した。ラマン分光装置は株式会社堀場製作所製HR−800にて測定を行った。 In the following examples, the volume average particle diameter (cumulative volume 50% diameter D 50 ) was measured by a wet method using a laser diffraction type particle size distribution analyzer (MT3300EX II manufactured by Nikkiso Co., Ltd.). The volume resistivity was measured with a four-probe type volume resistivity meter (MCP-PD51 manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), and a value at a load of 12 kN was shown. As an X-ray diffractometer, D8 ADVANCE manufactured by BRUKER AXS was used. The Raman spectrometer was measured with HR-800 manufactured by Horiba, Ltd.

(実施例1)
2軸遊星方式混練機の1L容器に、下記化学式(1)で示される粘度6万cpのメチルビニルシロキサン150g、及び炭酸カルシウム10gを仕込み、30rpmの回転速度で1時間練り混みを行った。加硫剤として、2,5−ジメチル−2,5ビス(t−ブチルパーオキシ)−ヘキサンを80質量%含有する信越化学工業(株)製シリコーンゴムコンパウンド用加硫剤(商品名:C−8A)0.8gを添加し、150℃、1時間にて硬化反応を行った。冷却後得られた硬化物は無色樹脂状であり、収率は98.7%であった。次に、得られた硬化物を直径1mm程度に粉砕した後、内容積280mLのアルミナ製坩堝に100gを仕込み、アルゴンガス雰囲気下においてマッフル炉にて1000℃、1時間の条件にて焼成を行った。得られた焼成物は黒色のガラス状物質であり、大気下においても発熱、発火又は潮解などの変質は見られなかった。なお、1000℃焼成後の収率は76.5%であった。焼成物をジェットミルにて粉砕し、平均粒径5.8μmの黒色粉末を得た。
Example 1
A 1 L container of a biaxial planetary kneader was charged with 150 g of methylvinylsiloxane having a viscosity of 60,000 cp represented by the following chemical formula (1) and 10 g of calcium carbonate, and kneaded for 1 hour at a rotation speed of 30 rpm. As a vulcanizing agent, a vulcanizing agent for silicone rubber compound (trade name: C-) manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. containing 80% by mass of 2,5-dimethyl-2,5-bis (t-butylperoxy) -hexane. 8A) 0.8 g was added, and a curing reaction was performed at 150 ° C. for 1 hour. The cured product obtained after cooling was a colorless resin, and the yield was 98.7%. Next, after the obtained cured product was pulverized to a diameter of about 1 mm, 100 g was charged into an alumina crucible having an internal volume of 280 mL, and baked at 1000 ° C. for 1 hour in a muffle furnace under an argon gas atmosphere. It was. The obtained fired product was a black glassy substance, and no alteration such as heat generation, ignition or deliquescence was observed even in the atmosphere. The yield after firing at 1000 ° C. was 76.5%. The fired product was pulverized with a jet mill to obtain a black powder having an average particle size of 5.8 μm.

メチルビニルシロキサン Methyl vinyl siloxane

実施例1の粉末の製造条件及び測定結果を表1に示した。   The production conditions and measurement results of the powder of Example 1 are shown in Table 1.

(実施例2〜4)
実施例1から炭酸カルシウムの配合量を変え、その他の条件は実施例1と同様にして実施例2〜4を行った。実施例2〜4の粉末の製造条件及び測定結果を表1に示した。
(Examples 2 to 4)
Examples 2 to 4 were carried out in the same manner as in Example 1 except that the amount of calcium carbonate was changed from Example 1. The production conditions and measurement results of the powders of Examples 2 to 4 are shown in Table 1.

(実施例5)
2軸遊星方式混練機の1L容器に平均粒径0.2μmの多結晶金属珪素粒子10gと上記化学式(1)で示される粘度6万cpのメチルビニルシロキサン150g、及び炭酸カルシウム10gを仕込み、30rpmの回転速度で1時間練り混みを行った。加硫剤として、2,5−ジメチル−2,5ビス(t−ブチルパーオキシ)−ヘキサンを80質量%含有する信越化学工業(株)製シリコーンゴムコンパウンド用加硫剤(商品名:C−8A)0.8gを添加し、150℃、1時間にて硬化反応を行った。冷却後得られた硬化物は灰褐色樹脂状であり、収率は99.0%であった。次に、得られた硬化物を直径1mm程度に粉砕した後、内容積280mLのアルミナ製坩堝に100gを仕込み、アルゴンガス雰囲気下においてマッフル炉にて1000℃、1時間の条件にて焼成を行った。得られた焼成物は黒色のガラス状物質であり、大気下においても発熱、発火又は潮解などの変質は見られなかった。なお、1000℃焼成後の収率は83.7%であった。焼成物をジェットミルにて粉砕し、平均粒径5.7μmの黒色粉末を得た。
(Example 5)
A 1-L container of a biaxial planetary kneader is charged with 10 g of polycrystalline metal silicon particles having an average particle diameter of 0.2 μm, 150 g of methylvinylsiloxane having a viscosity of 60,000 cp represented by the above chemical formula (1), and 10 g of calcium carbonate, and 30 rpm The mixture was kneaded for 1 hour at a rotational speed of. As a vulcanizing agent, a vulcanizing agent for silicone rubber compound (trade name: C-) manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. containing 80% by mass of 2,5-dimethyl-2,5-bis (t-butylperoxy) -hexane. 8A) 0.8 g was added, and a curing reaction was performed at 150 ° C. for 1 hour. The cured product obtained after cooling was a grey-brown resin, and the yield was 99.0%. Next, after the obtained cured product was pulverized to a diameter of about 1 mm, 100 g was charged into an alumina crucible having an internal volume of 280 mL, and baked at 1000 ° C. for 1 hour in a muffle furnace under an argon gas atmosphere. It was. The obtained fired product was a black glassy substance, and no alteration such as heat generation, ignition or deliquescence was observed even in the atmosphere. The yield after firing at 1000 ° C. was 83.7%. The fired product was pulverized with a jet mill to obtain a black powder having an average particle size of 5.7 μm.

実施例5の粉末の製造条件及び測定結果を表2に示した。   The production conditions and measurement results of the powder of Example 5 are shown in Table 2.

(実施例6〜12)
実施例5から金属珪素及び炭酸カルシウムの配合量を変え、その他の条件は実施例5と同様にして実施例6〜12を行った。実施例6〜12の粉末の製造条件及び測定結果を表2に示した。
(Examples 6 to 12)
Examples 6 to 12 were carried out in the same manner as in Example 5 except that the amounts of metallic silicon and calcium carbonate were changed from Example 5. The production conditions and measurement results of the powders of Examples 6 to 12 are shown in Table 2.

(比較例1)
2軸遊星方式混練機の1L容器に上記化学式(1)で示される粘度6万cpのメチルビニルシロキサン150gを仕込み、30rpmの回転速度で1時間練り混みを行った。加硫剤として、2,5−ジメチル−2,5ビス(t−ブチルパーオキシ)−ヘキサンを80質量%含有する信越化学工業(株)製シリコーンゴムコンパウンド用加硫剤(商品名:C−8A)0.8gを添加し、150℃、1時間にて硬化反応を行った。冷却後得られた硬化物は灰褐色樹脂状であり、収率は96.0%であった。次に、得られた硬化物を直径1mm程度に粉砕した後、内容積280mLのアルミナ製坩堝に100gを仕込み、アルゴンガス雰囲気下においてマッフル炉にて、1000℃、1時間の条件にて焼成を行った。得られた焼成物は黒色のガラス状物質であった。なお、1000℃焼成後の収率は76.9%であった。焼成物をジェットミルにて粉砕し、平均粒径5.9μmの黒色粉末を得た。
(Comparative Example 1)
150 g of methylvinylsiloxane having a viscosity of 60,000 cp represented by the above chemical formula (1) was charged in a 1 L container of a biaxial planetary kneader and kneaded for 1 hour at a rotation speed of 30 rpm. As a vulcanizing agent, a vulcanizing agent for silicone rubber compound (trade name: C-) manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. containing 80% by mass of 2,5-dimethyl-2,5-bis (t-butylperoxy) -hexane. 8A) 0.8 g was added, and a curing reaction was performed at 150 ° C. for 1 hour. The cured product obtained after cooling was a grey-brown resin, and the yield was 96.0%. Next, after the obtained cured product is pulverized to a diameter of about 1 mm, 100 g is charged into an alumina crucible having an internal volume of 280 mL, and baked in a muffle furnace under an argon gas atmosphere at 1000 ° C. for 1 hour. went. The obtained fired product was a black glassy substance. The yield after firing at 1000 ° C. was 76.9%. The fired product was pulverized with a jet mill to obtain a black powder having an average particle size of 5.9 μm.

比較例1の粉末の製造条件及び測定結果を表3に示した。   The production conditions and measurement results of the powder of Comparative Example 1 are shown in Table 3.

(比較例2)
2軸遊星方式混練機の1L容器に上記化学式(1)で示される粘度6万cpのメチルビニルシロキサン150g、及び炭酸リチウム10gを仕込み、30rpmの回転速度で1時間練り混みを行った。加硫剤として、2,5−ジメチル−2,5ビス(t−ブチルパーオキシ)−ヘキサンを80質量%含有する信越化学工業(株)製シリコーンゴムコンパウンド用加硫剤(商品名:C−8A)0.8gを添加し、150℃、1時間にて硬化反応を行った。冷却後得られた硬化物は無色樹脂状であり、収率は98.2%であった。次に、得られた硬化物を直径1mm程度に粉砕した後、内容積280mLのアルミナ製坩堝に100gを仕込み、アルゴンガス雰囲気下においてマッフル炉にて、1000℃、1時間の条件にて焼成を行った。得られた焼成物は黒色のガラス状物質であり、大気下においても発熱、発火又は潮解などの変質は見られなかった。なお、1000℃焼成後の収率は71.5%であった。焼成物をジェットミルにて粉砕し、平均粒径6.1μmの黒色粉末を得た。
(Comparative Example 2)
150 g of methyl vinyl siloxane having a viscosity of 60,000 cp represented by the above chemical formula (1) and 10 g of lithium carbonate were charged in a 1 L container of a biaxial planetary kneader and kneaded for 1 hour at a rotation speed of 30 rpm. As a vulcanizing agent, a vulcanizing agent for silicone rubber compound (trade name: C-) manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. containing 80% by mass of 2,5-dimethyl-2,5-bis (t-butylperoxy) -hexane. 8A) 0.8 g was added, and a curing reaction was performed at 150 ° C. for 1 hour. The cured product obtained after cooling was a colorless resin, and the yield was 98.2%. Next, after the obtained cured product is pulverized to a diameter of about 1 mm, 100 g is charged into an alumina crucible having an internal volume of 280 mL, and baked in a muffle furnace under an argon gas atmosphere at 1000 ° C. for 1 hour. went. The obtained fired product was a black glassy substance, and no alteration such as heat generation, ignition or deliquescence was observed even in the atmosphere. The yield after firing at 1000 ° C. was 71.5%. The fired product was pulverized with a jet mill to obtain a black powder having an average particle size of 6.1 μm.

比較例2の粉末の製造条件及び測定結果を表3に示した。   The production conditions and measurement results of the powder of Comparative Example 2 are shown in Table 3.

(比較例3、4)
比較例2から炭酸リチウムの配合量を変え、その他の条件は比較例2と同様にして比較例3、4を行った。比較例3、4の粉末の製造条件及び測定結果を表3に示した。
(Comparative Examples 3 and 4)
Comparative Examples 3 and 4 were carried out in the same manner as in Comparative Example 2 except that the blending amount of lithium carbonate was changed from Comparative Example 2. The production conditions and measurement results of the powders of Comparative Examples 3 and 4 are shown in Table 3.

実施例3及び実施例11で製造した粉末粒子のX線回折スペクトルを図1に、ラマン分光スペクトルを図2に示した。また、実施例10の黒色粉末の断面走査型電子顕微鏡像を図3に示した。   The X-ray diffraction spectrum of the powder particles produced in Example 3 and Example 11 is shown in FIG. 1, and the Raman spectrum is shown in FIG. A cross-sectional scanning electron microscope image of the black powder of Example 10 is shown in FIG.

実施例3のX線回折スペクトルでは15−25°付近にCaSiOに帰属されるシグナルが観測され、SiOC材料とCaが反応していることが確認された。一方、実施例11のX線回折スペクトルでは28.4°付近にSi(111)に由来する鋭いシグナルが観測され、15−25°付近にはブロードなシグナルを観測した。 In the X-ray diffraction spectrum of Example 3, a signal attributed to CaSiO 3 was observed around 15-25 °, and it was confirmed that the SiOC material and Ca were reacting. On the other hand, in the X-ray diffraction spectrum of Example 11, a sharp signal derived from Si (111) was observed around 28.4 °, and a broad signal was observed around 15-25 °.

ラマン分光スペクトルでは、実施例3及び実施例11ともに1340cm−1及び1600cm−1付近にそれぞれダイヤモンド構造及びグラファイト構造炭素に起因するシグナルを観測したが、実施例3のスペクトルには珪素によるシグナルは観測されなかった。従って、実施例3のCaSiOC材料には結晶性の珪素が含有されていないことが示唆される。一方、珪素を添加した実施例11の粉末からは520cm−1付近に珪素のシグナルを観測した。従って、実施例11の複合材料は結晶珪素とSiOC材料の複合物であることが確認された。 In the Raman spectroscopic spectrum, in both Example 3 and Example 11, signals due to diamond structure and graphite structure carbon were observed in the vicinity of 1340 cm −1 and 1600 cm −1 , respectively, but in the spectrum of Example 3, signals due to silicon were observed. Was not. Therefore, it is suggested that the CaSiOC material of Example 3 does not contain crystalline silicon. On the other hand, a silicon signal was observed in the vicinity of 520 cm −1 from the powder of Example 11 to which silicon was added. Therefore, it was confirmed that the composite material of Example 11 was a composite of crystalline silicon and SiOC material.

さらに実施例10の粉末の粒子断面をSEM観察するとCaSiOC材料中にSiが分散していることが確認された(図3)。   Further, SEM observation of the particle cross section of the powder of Example 10 confirmed that Si was dispersed in the CaSiOC material (FIG. 3).

また、表3の比較例1に示すように、SiOCは体積抵抗率が高く導電性の乏しい材料であるが、Caを導入することで導電性が改良されることが確認された。さらに表1及び表2に示した実施例1−12の体積抵抗率は、金属珪素を添加していない場合とともに、金属珪素を添加した場合でも、Li又はCaを添加していない比較例1よりも低い値を示し、電池材料として有効であることが確認された。   In addition, as shown in Comparative Example 1 in Table 3, SiOC is a material having a high volume resistivity and poor conductivity, but it was confirmed that the conductivity was improved by introducing Ca. Furthermore, the volume resistivity of Example 1-12 shown in Table 1 and Table 2 is compared with Comparative Example 1 in which Li or Ca is not added even when metallic silicon is added, as well as when metallic silicon is not added. Also, it was confirmed that it was effective as a battery material.

<電池特性の評価>
実施例1−12、比較例1−4で得られた粒子について、負極活物質としての有用性を確認するため、電池特性の評価を行った。実施例13−24、比較例5−8は、それぞれ、実施例1−12、比較例1−4で得られた粒子を用いた例である。
<Evaluation of battery characteristics>
About the particle | grains obtained in Example 1-12 and Comparative Example 1-4, in order to confirm the usefulness as a negative electrode active material, the battery characteristic was evaluated. Examples 13-24 and Comparative Example 5-8 are examples using the particles obtained in Example 1-12 and Comparative Example 1-4, respectively.

負極活物質として実施例1−12、比較例1−4の粒子を85%と、導電剤として人造黒鉛(平均粒子径D50=3μm)を2.5%と、アセチレンブラックのN−メチルピロリドン分散物(固形分17.5%)を固形分換算で2.5%とからなる混合物を、N−メチルピロリドンで希釈した。これに結着剤として、宇部興産(株)製ポリイミド樹脂(商標名:U−ワニス−11D025、固形分31%)を固形分換算で10%を加え、スラリーとした。 85% of the particles of Example 1-12 and Comparative Example 1-4 as the negative electrode active material, 2.5% of artificial graphite (average particle diameter D 50 = 3 μm) as the conductive agent, N-methylpyrrolidone of acetylene black A mixture comprising the dispersion (solid content: 17.5%) and 2.5% in terms of solid content was diluted with N-methylpyrrolidone. As a binder, 10% of Ube Industries, Ltd. polyimide resin (trade name: U-Varnish-11D025, solid content 31%) in terms of solid content was added to obtain a slurry.

このスラリーを厚さ12μmの銅箔に50μmのドクターブレードを使用して塗布し、予備乾燥後60℃のローラープレスにより電極を加圧成形し、300℃で2時間乾燥後、2cmに打ち抜き、負極成型体とした。 This slurry was applied to a copper foil having a thickness of 12 μm using a 50 μm doctor blade, and after preliminary drying, an electrode was pressure-formed by a roller press at 60 ° C., dried at 300 ° C. for 2 hours, and then punched to 2 cm 2 . A negative electrode molded body was obtained.

得られた負極成型体を用いて、対極にリチウム箔を使用し、非水電解質としてリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドをエチレンカーボネートとジエチルカーボネートの1/1(体積比)混合液に1mol/Lの濃度で溶解した非水電解質溶液を用い、セパレータに厚さ30μmのポリエチレン製微多孔質フィルムを用いた評価用リチウムイオン二次電池を各4個作製した。   Using the obtained molded negative electrode, a lithium foil was used as a counter electrode, and lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide was used as a non-aqueous electrolyte in a 1/1 (volume ratio) mixture of ethylene carbonate and diethyl carbonate at 1 mol / L. Four lithium ion secondary batteries for evaluation each using a non-aqueous electrolyte solution dissolved at a concentration of 30 μm and a polyethylene microporous film having a thickness of 30 μm were prepared.

そして作製したリチウムイオン二次電池を一晩室温でエージングし、この内2個を解体して、負極の厚み測定を行った。   The produced lithium ion secondary battery was aged overnight at room temperature, two of them were disassembled, and the thickness of the negative electrode was measured.

また、その他の2個について、二次電池充放電試験装置((株)ナガノ製)を用い、テストセルの電圧が0Vに達するまで0.15cの定電流で充電を行い、0Vに達した後は、セル電圧を0Vに保つように電流を減少させて充電を行った。そして、電流値が0.02cを下回った時点で充電を終了し、充電容量を算出した。なお、cは負極の理論容量を1時間で充電する電流値である。同様にこの2個を解体して、負極の厚み測定を行うことで体積変化率を計算した。その結果を表4〜6に示す。   Further, for the other two, using a secondary battery charge / discharge tester (manufactured by Nagano Co., Ltd.), after charging with a constant current of 0.15c until the voltage of the test cell reaches 0V, after reaching 0V Were charged by decreasing the current so as to keep the cell voltage at 0V. And charging was complete | finished when the electric current value fell below 0.02c, and charge capacity was computed. Note that c is a current value for charging the theoretical capacity of the negative electrode in one hour. Similarly, the two were disassembled, and the volume change rate was calculated by measuring the thickness of the negative electrode. The results are shown in Tables 4-6.

表4〜6から以下のことがわかる。実施例1〜3の活物質を用いた実施例13〜15と、比較例2〜4の活物質を用いた比較例6〜8の比較から、同じ質量部の添加では炭酸リチウムと炭酸カルシウムの分子量差及びイオン価数の差により不可逆容量の低減効果は炭酸リチウムの方が優れていることがわかる。しかしながら、炭酸リチウムを添加した活物質(比較例2〜4)を用いた比較例6−8の電極では電極ペーストがいずれもゲル化する現象が見られ、保存安定性が悪いことが確認された。一方、炭酸カルシウムを用いた実施例13〜24はゲル化や粘度変化は見られず、実用的に優れていることが判明した。   The following can be seen from Tables 4-6. From the comparison of Examples 13 to 15 using the active materials of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 6 to 8 using the active materials of Comparative Examples 2 to 4, the addition of the same parts by mass indicates that lithium carbonate and calcium carbonate It can be seen that lithium carbonate is superior in reducing the irreversible capacity due to the difference in molecular weight and difference in ionic valence. However, in the electrodes of Comparative Examples 6-8 using the active material to which lithium carbonate was added (Comparative Examples 2 to 4), the phenomenon that the electrode paste gelled was observed, and it was confirmed that the storage stability was poor. . On the other hand, Examples 13 to 24 using calcium carbonate were found to be practically excellent without gelation or viscosity change.

また、比較例5と比較すると、実施例13〜24はいずれも不可逆容量の減少が見られる。これらの実施例に使用した活物質は、炭酸カルシウム(又は、炭酸カルシウム及び金属珪素)の添加により、不可逆容量が低下するとともに、放電容量が金属珪素の添加により増加する傾向を示すことから、初回効率が増加するとともに、不可逆容量分のロスが少ない活物質であることがわかった。また体積変化倍率は高容量活物質であるにもかかわらず、一般的な酸化珪素と同等であった。   Moreover, when compared with Comparative Example 5, Examples 13 to 24 all show a decrease in irreversible capacity. The active materials used in these examples show that the irreversible capacity decreases with the addition of calcium carbonate (or calcium carbonate and metallic silicon), and the discharge capacity tends to increase with the addition of metallic silicon. It was found that the active material has an increased efficiency and a small loss of irreversible capacity. In addition, the volume change magnification was equivalent to that of general silicon oxide in spite of being a high capacity active material.

<サイクル特性の評価>
得られた負極成型体のサイクル特性を評価するために、実施例13、14、23、24、比較例7の負極成型体を使用し、対極にリチウム箔を使用し、非水電解質としてリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドをエチレンカーボネートとジエチルカーボネートの1/1(体積比)混合液に1mol/Lの濃度で溶解した非水電解質溶液を用い、セパレータに厚さ30μmのポリエチレン製微多孔質フィルムを用いたコイン型リチウムイオン二次電池を作製した。
<Evaluation of cycle characteristics>
In order to evaluate the cycle characteristics of the obtained molded negative electrode, the negative electrode molded bodies of Examples 13, 14, 23, and 24 and Comparative Example 7 were used, lithium foil was used for the counter electrode, and lithium bismuth was used as the nonaqueous electrolyte. Using a non-aqueous electrolyte solution prepared by dissolving (trifluoromethanesulfonyl) imide in a 1/1 (volume ratio) mixture of ethylene carbonate and diethyl carbonate at a concentration of 1 mol / L, a microporous polyethylene film having a thickness of 30 μm is used as a separator. A coin-type lithium ion secondary battery using was manufactured.

作製したコイン型リチウムイオン二次電池を、二晩室温で放置した後、二次電池充放電試験装置((株)ナガノ製)を用い、テストセルの電圧が5mVに達するまで0.5mA(負極基準にて0.3C)の定電流で充電を行い、5mVに達した後は、セル電圧を5mVに保つように電流を減少させて充電を行った。そして、電流値が0.1mAを下回った時点で充電を終了した。放電は0.5mAの定電流で行い、セル電圧が2000mVに達した時点で放電を終了し、放電容量を求めた。これを50サイクル継続した。その結果を図4に示す。比較例7と比較していずれの実施例も放電容量が高くサイクル安定性も高いことがわかる。   The produced coin-type lithium ion secondary battery was allowed to stand at room temperature for two nights, and then charged with a secondary battery charge / discharge test apparatus (manufactured by Nagano Co., Ltd.) until the test cell voltage reached 5 mV (negative electrode). Charging was performed at a constant current of 0.3 C) by reference, and after reaching 5 mV, charging was performed by decreasing the current so as to keep the cell voltage at 5 mV. Then, the charging was terminated when the current value fell below 0.1 mA. Discharging was performed at a constant current of 0.5 mA, and when the cell voltage reached 2000 mV, the discharging was terminated and the discharge capacity was determined. This was continued for 50 cycles. The result is shown in FIG. Compared to Comparative Example 7, it can be seen that all of the Examples have a high discharge capacity and a high cycle stability.

なお、上記実施例では負極活物質にCaを添加した例を示したが、Mgを添加した例においても、同様の結果が得られた。   In addition, although the example which added Ca to the negative electrode active material was shown in the said Example, the same result was obtained also in the example which added Mg.

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。   The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has any configuration that has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention and that exhibits the same effects. Are included in the technical scope.

Claims (13)

元素組成式Met−Si−O−C−H(式中、Metはアルカリ土類金属元素の1種又は混合物である。)で表わされる非水電解質二次電池用負極活物質であって、
珪素系無機化合物と前記アルカリ土類金属とからなる珪酸塩を含むものであることを特徴とする非水電解質二次電池用負極活物質。
A negative electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery represented by an elemental composition formula Met 1 —Si—O—C—H (where Met 1 is one or a mixture of alkaline earth metal elements) ,
A negative electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, comprising a silicate composed of a silicon-based inorganic compound and the alkaline earth metal.
前記アルカリ土類金属元素がMg又はCaであることを特徴とする請求項1に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。   The negative electrode active material for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the alkaline earth metal element is Mg or Ca. 珪素、珪素合金又は珪素酸化物からなる微粒子が前記珪酸塩内に分散しているものであることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。   3. The negative electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein fine particles made of silicon, a silicon alloy, or a silicon oxide are dispersed in the silicate. 4. 前記珪酸塩がさらに3族〜13族金属を含むことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。   The negative electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the silicate further contains a Group 3 to Group 13 metal. 前記3族〜13族金属が第1遷移金属又は第2遷移金属であることを特徴とする請求項4に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。   The negative electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 4, wherein the Group 3 to Group 13 metal is a first transition metal or a second transition metal. 前記珪酸塩内に、炭素粒子が分散しているものであることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。   The negative electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 5, wherein carbon particles are dispersed in the silicate. 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極活物質を用いたものであることを特徴とする非水電解質二次電池用負極。   A negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the negative electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 6 is used. 請求項7に記載の非水電解質二次電池用負極を用いたものであることを特徴とする非水電解質二次電池。   A non-aqueous electrolyte secondary battery using the negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 7. アルカリ土類金属化合物と、硬化性有機珪素化合物を含有する組成物とを混合して原料混合物とする工程と、
前記硬化性有機珪素化合物を硬化して前記原料混合物を硬化する工程と、
前記硬化した原料混合物を焼成して前記硬化性有機珪素化合物を無機化する工程と
を有することを特徴とする非水電解質二次電池用負極活物質の製造方法。
Mixing an alkaline earth metal compound and a composition containing a curable organosilicon compound to form a raw material mixture;
Curing the curable organosilicon compound to cure the raw material mixture;
A method for producing a negative electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, comprising: firing the cured raw material mixture to mineralize the curable organosilicon compound.
前記原料混合物を、さらに、珪素、珪素合金又は珪素酸化物からなる微粒子を混合したものとすることを特徴とする請求項9に記載の非水電解質二次電池用負極活物質の製造方法。   The method for producing a negative electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 9, wherein the raw material mixture is further mixed with fine particles made of silicon, a silicon alloy, or silicon oxide. 前記原料混合物をさらに3族〜13族金属化合物を混合したものとすることを特徴とする請求項9又は請求項10に記載の非水電解質二次電池用負極活物質の製造方法。   The method for producing a negative electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 9 or 10, wherein the raw material mixture is further mixed with a Group 3 to Group 13 metal compound. 前記原料混合物を、さらに、炭素粒子を混合したものとすることを特徴とする請求項9から請求項11のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極活物質の製造方法。   The method for producing a negative electrode active material for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 9 to 11, wherein the raw material mixture is further mixed with carbon particles. 前記炭素粒子を天然黒鉛、合成黒鉛、炭素繊維のいずれかからなるものとすることを特徴とする請求項12に記載の非水電解質二次電池用負極活物質の製造方法。   The method for producing a negative electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 12, wherein the carbon particles are made of natural graphite, synthetic graphite, or carbon fiber.
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