JP2015020921A - Silicon nanowire, silicon nanowire structure and method for producing the same, and nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents

Silicon nanowire, silicon nanowire structure and method for producing the same, and nonaqueous electrolyte secondary battery Download PDF

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直之 齋藤
Naoyuki Saito
直之 齋藤
原田 琢也
Takuya Harada
琢也 原田
雅重 渡邊
Masashige Watanabe
雅重 渡邊
宏 池田
Hiroshi Ikeda
宏 池田
三好 一富
Kazutomi Miyoshi
一富 三好
大久保 典雄
Norio Okubo
典雄 大久保
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a silicon nanowire structure having good electrical connection and a high stress relaxation property in a large amount at low cost.SOLUTION: There are used: silicon nanowires which comprises a crystalline silicon core, an amorphous layer for covering the crystalline silicon core and SiOoxide film, where the amorphous layer is composed of amorphous silicon or amorphous SiO(x<2); and a silicon nanowire structure in which the silicon nanowires are connected. There is provided a method for producing the silicon nanowire structure in which an organic silane containing no oxygen is thermally decomposed using the organic silane and an organic solvent containing no oxygen in the molecule including 0.3 to 5.0 wt.% of water or an organic substance containing oxygen in the molecule. In particular, it is preferable that the thermal decomposition is carried out in a reactor pressure vessel, the pressure is 2 MPa or more and 20 MPa or less and the temperature is 350°C or more and 500°C or less.

Description

本発明は、ナノメートルオーダーの寸法を有するシリコンナノワイヤと、複数のシリコンナノワイヤが接合したシリコンナノワイヤ構造体などに関するものである。   The present invention relates to a silicon nanowire having a dimension on the order of nanometers, a silicon nanowire structure in which a plurality of silicon nanowires are joined, and the like.

短軸がナノメートルオーダーの寸法を有する繊維状の構造体は、量子サイズ効果による量子力学的な振る舞いや、比表面積の増大による特異な触媒能、応力緩和性と柔軟性など、特異かつ有用な特性を有する。   Fibrous structures with minor axis dimensions on the order of nanometers are unique and useful, such as quantum mechanical behavior due to quantum size effects, unique catalytic ability due to increased specific surface area, stress relaxation and flexibility Has characteristics.

そのような材料として、シリコンナノワイヤやシリコンナノワイヤが集積した構造体が挙げられる。ナノワイヤは、量子力学的な電子輸送、量子サイズ効果による光輝性、応力緩和性などを示す、1次元、スモールスケール、大表面積のワイヤ様材料であると特徴づけられる。そのような材料は、特定の医学用途、エレクトロニクス用途、リチウムイオン電池用途にとり重要である。   Examples of such materials include silicon nanowires and structures in which silicon nanowires are integrated. Nanowires are characterized as one-dimensional, small scale, high surface area wire-like materials that exhibit quantum mechanical electron transport, glitter due to quantum size effects, stress relaxation, and the like. Such materials are important for certain medical, electronics and lithium ion battery applications.

従来、シリコンナノワイヤの作製には、合金液滴からの過飽和成長を利用したVLS(Vapor−liquid−Solid)法やSFLS(Superfluid−Liquid−Solid)法のほか、シリコン亜酸化物をワイヤ成長の起点とするOAG(Oxide−assisted growth)法によるボトムアップ的手法や、シリコン基板からワイヤ状構造を削りだすフォトリソグラフィー、ウェットエッチング法などのトップダウン的手法が用いられてきた。   Conventionally, for the production of silicon nanowires, the VLS (Vapor-Liquid-Solid) method using supersaturated growth from alloy droplets and the SFLS (Superfluid-Liquid-Solid) method, as well as the silicon suboxide as a starting point for wire growth. A bottom-up method using an OAG (Oxide-Assisted Growth) method, a top-down method such as photolithography for cutting a wire-like structure from a silicon substrate, or a wet etching method has been used.

VLS法においては、金や鉄、ニッケルなどの金属触媒を加熱し、シリコン源を供給すると、金属触媒とシリコンの合金液滴からシリコン結晶が析出し、シリコンナノワイヤを得ることができる。VLS法には、触媒金属を坦持した基板を500℃〜1200℃に加熱してシラン等のシリコン原料ガスを供給する化学気相成長法と、シリコンと金属触媒の混合物や合金にレーザーを照射するレーザーアブレーション法がある。化学気相成長法においては、真空容器など大掛かりな装置が必要であり、単純な寸法の拡大によるスケールアップが困難であるという問題点があった。また、レーザーアブレーション法においては、レーザーの照射を必要とするため、寸法の拡大によるスケールアップが困難で、合成効率が低いという問題点があった。さらに、いずれの方法においても、金属触媒が必要であるため、シリコンナノワイヤ中に金属触媒が不純物として含まれ、さらに低温で液滴合金を作るため触媒に用いられる金は高価であるという問題点もあった。   In the VLS method, when a metal catalyst such as gold, iron, or nickel is heated and a silicon source is supplied, silicon crystals are precipitated from alloy droplets of the metal catalyst and silicon, and silicon nanowires can be obtained. In the VLS method, a chemical vapor deposition method in which a substrate carrying a catalyst metal is heated to 500 ° C. to 1200 ° C. to supply a silicon source gas such as silane, and a mixture and alloy of silicon and a metal catalyst are irradiated with a laser. There is a laser ablation method. In the chemical vapor deposition method, a large-scale apparatus such as a vacuum vessel is required, and there is a problem that it is difficult to scale up by simply expanding dimensions. In addition, the laser ablation method has a problem that since it requires laser irradiation, it is difficult to scale up by enlarging the dimensions and the synthesis efficiency is low. Furthermore, in any of the methods, since a metal catalyst is required, the metal catalyst is contained as an impurity in the silicon nanowire, and gold used for the catalyst to form a droplet alloy at a low temperature is expensive. there were.

OAG法においては、SiとSiOを1:1で混合した材料にレーザーを照射するなどしてSiOのガスを発生させ、880℃〜1150℃で流動状態のシリコン酸化物を形成した後、このシリコン酸化物から析出するシリコンがナノワイヤを形成し、シリコンナノワイヤを得ることができる。OAG法において、金属触媒は使用されない。しかしながら、レーザーを照射するため、スケールアップが困難で、合成効率が低いという問題点があった。 In the OAG method, SiO gas is generated by irradiating a material mixed with Si and SiO 2 at a ratio of 1: 1 to form a silicon oxide in a fluid state at 880 ° C. to 1150 ° C. Silicon deposited from silicon oxide forms nanowires, and silicon nanowires can be obtained. In the OAG method, no metal catalyst is used. However, since laser irradiation is performed, it is difficult to scale up and the synthesis efficiency is low.

SFLS法においては、有機シランを含む液体を、金などの金属触媒とともに400℃〜500℃の超臨界又は亜臨界状態に加熱昇圧することでシリコンナノワイヤを得ることができる。しかしながら、金属触媒が必要であるため、シリコンナノワイヤ中に金属触媒が不純物として含まれ、さらに触媒として用いられる金は高価であるという問題点があった。   In the SFLS method, silicon nanowires can be obtained by heating and pressurizing a liquid containing organosilane to a supercritical or subcritical state of 400 ° C. to 500 ° C. together with a metal catalyst such as gold. However, since a metal catalyst is required, there is a problem that the metal catalyst is contained as an impurity in the silicon nanowire, and gold used as the catalyst is expensive.

また、従来、シリコンナノワイヤ集積構造体には、シリコン源を熱プラズマ中に投入し、結晶シリコン芯を酸化物であるSiOが被覆したナノワイヤが複数絡み合って金属微粒子に配されて形成される電極材料を支持体上に析出させる方法(特許文献1)や、実質的に1方向に配列したシリコンナノワイヤが、ナノワイヤ同士を接続させるシリコンまたはシリコン酸化物からなる層を持つ構造(特許文献2)などがある。 Further, conventionally, in a silicon nanowire integrated structure, an electrode formed by placing a silicon source into thermal plasma and entwining a plurality of nanowires in which a crystalline silicon core is coated with SiO 2 as an oxide is entangled with metal fine particles. A method of depositing a material on a support (Patent Document 1), a structure in which silicon nanowires arranged substantially in one direction have a layer made of silicon or silicon oxide that connects the nanowires (Patent Document 2), etc. There is.

特開2010−192444号公報JP 2010-192444 A 特表2009−523923号公報Special table 2009-523923

しかしながら、前述のとおり、VLS法やSFLS法では高価な触媒金属を使用するほか、触媒金属がコンタミネーションとしてシリコンナノワイヤ内部に取り込まれて欠陥準位を形成するなどの問題があった。また、OAG法によるナノワイヤの作製では、850℃以上の高温を必要とし、アブレーション粒子やガスを原料とすることから高密度合成が困難であり、大量生産に向かないという問題があった。   However, as described above, in the VLS method and the SFLS method, there is a problem that, in addition to using an expensive catalyst metal, the catalyst metal is taken into the silicon nanowire as a contamination to form a defect level. In addition, the production of nanowires by the OAG method requires a high temperature of 850 ° C. or higher, and since ablation particles and gas are used as raw materials, high density synthesis is difficult, and there is a problem that it is not suitable for mass production.

また、特許文献1に記載の構造体に含まれるナノワイヤの電気的接続は、ナノワイヤと金属微粒子の間には良好に保たれているものの、ナノワイヤ同士の接触部には絶縁性の高いSiOが介在し、電気的接続は良好でない。特許文献2に記載の構造体においては、ナノワイヤが1方向に配向しているために、変形による応力を逃がす方向が限定されるなどの問題があった。 In addition, although the electrical connection of the nanowires included in the structure described in Patent Document 1 is well maintained between the nanowires and the metal fine particles, SiO 2 having high insulating properties is formed at the contact portion between the nanowires. Intervening, electrical connection is not good. In the structure described in Patent Document 2, since the nanowires are oriented in one direction, there is a problem that a direction in which stress due to deformation is released is limited.

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたもので、その目的とすることは、電気的接続が良好で応力緩和性の高いシリコンナノワイヤ構造体を提供すること、およびその構造体を低コストで大量に得ることである。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and the object of the present invention is to provide a silicon nanowire structure with good electrical connection and high stress relaxation, and to reduce the cost of the structure. To get in large quantities.

前述した目的を達成するために、本発明は、以下の特徴を有する。
(1)結晶シリコン芯と、前記結晶シリコン芯を覆うアモルファス層と、前記アモルファス層を覆うSiO酸化膜とを有し、前記アモルファス層が、アモルファスシリコン又はアモルファスSiO(x<2)からなることを特徴とするシリコンナノワイヤ。
(2)結晶シリコン芯と、前記結晶シリコン芯を覆うアモルファス層と、前記アモルファス層を覆うSiO酸化膜とを有し、前記アモルファス層が、アモルファスシリコン又はアモルファスSiO(x<2)からなることを特徴とするシリコンナノワイヤを含み、複数の前記シリコンナノワイヤが接続した構造を有するシリコンナノワイヤ構造体。
(3)複数の前記シリコンナノワイヤが、互いの前記アモルファス層を接触させながら接続した構造を有することを特徴とする(2)に記載のシリコンナノワイヤ構造体。
(4)前記シリコンナノワイヤの長さを前記シリコンナノワイヤの直径で除したアスペクト比の平均が10以上であることを特徴とする(2)または(3)に記載のシリコンナノワイヤ構造体。
(5)前記シリコンナノワイヤの前記結晶シリコン芯の直径が1〜50nmであり、前記アモルファス層の厚さが10〜100nmであることを特徴とする(1)に記載のシリコンナノワイヤ。
(6)リチウムイオンを吸蔵および放出可能な正極と、集電体上に活物質層を有する負極と、前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータとを有し、リチウムイオン伝導性を有する電解質中に、前記正極と前記負極と前記セパレータとを設けた非水電解質二次電池であって、前記負極の前記活物質層は、結晶シリコン芯と、前記結晶シリコン芯を覆うアモルファス層と、前記アモルファス層を覆うSiO酸化膜とを有し、前記アモルファス層が、アモルファスシリコン又はアモルファスSiO(x<2)からなることを特徴とするシリコンナノワイヤを含むことを特徴とすることを特徴とする非水電解質二次電池。
(7)酸素を含まない有機シランと、分子内に酸素を含まない有機溶媒を用い、前記有機シランを熱分解する反応において、0.3〜5.0重量%の水または分子内に酸素を有する有機物を添加して熱分解反応を行うことを特徴とするシリコンナノワイヤ構造体の製造方法。
(8)前記熱分解が圧力容器中で行われ、その圧力が2MPa以上20MPa以下、温度が350℃以上500℃以下であることを特徴とする、(7)に記載のシリコンナノワイヤ構造体の製造方法。
(9)前記水または分子内に酸素を有する有機物が水、アルコール、ケトン、カルボン酸、アルデヒド、エーテル、カルボン酸無水物、過カルボン酸、カルボン酸エステルからなる群から選ばれるいずれか1つ以上であることを特徴とする、(7)または(8)に記載のシリコンナノワイヤ構造体の製造方法。
(10)前記水または分子内に酸素を有する有機物が水であることを特徴とする、(9)に記載のシリコンナノワイヤ構造体の製造方法。
(11)前記有機溶媒が、芳香族炭化水素であることを特徴とする、(7)〜(10)のいずれかに記載のシリコンナノワイヤ構造体の製造方法。
(12)前記有機シランが、フェニルシラン、ジフェニルシラン、トリフェニルシラン、テトラフェニルシラン、ジエチルシラン、トリエチルシラン、テトラエチルシラン、テトラメチルシランのいずれか、またはその混合であることを特徴とする、(7)〜(11)のいずれかに記載のシリコンナノワイヤ構造体の製造方法。
(13)シリコンナノワイヤ構造体の製造と同時にナノワイヤの形成を同時に行うことを特徴とする(7)〜(12)のいずれかに記載のシリコンナノワイヤ構造体の製造方法。
In order to achieve the above-described object, the present invention has the following features.
(1) It has a crystalline silicon core, an amorphous layer covering the crystalline silicon core, and a SiO 2 oxide film covering the amorphous layer, and the amorphous layer is made of amorphous silicon or amorphous SiO x (x <2). Silicon nanowires characterized by that.
(2) It has a crystalline silicon core, an amorphous layer covering the crystalline silicon core, and a SiO 2 oxide film covering the amorphous layer, and the amorphous layer is made of amorphous silicon or amorphous SiO x (x <2). A silicon nanowire structure including a silicon nanowire, wherein the silicon nanowire has a structure in which a plurality of the silicon nanowires are connected.
(3) The silicon nanowire structure according to (2), wherein a plurality of the silicon nanowires have a structure in which the amorphous layers are in contact with each other.
(4) The silicon nanowire structure according to (2) or (3), wherein an average aspect ratio obtained by dividing the length of the silicon nanowire by the diameter of the silicon nanowire is 10 or more.
(5) The silicon nanowire according to (1), wherein a diameter of the crystalline silicon core of the silicon nanowire is 1 to 50 nm, and a thickness of the amorphous layer is 10 to 100 nm.
(6) It has a positive electrode capable of inserting and extracting lithium ions, a negative electrode having an active material layer on a current collector, and a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode, and has lithium ion conductivity. A nonaqueous electrolyte secondary battery in which the positive electrode, the negative electrode, and the separator are provided in an electrolyte, wherein the active material layer of the negative electrode includes a crystalline silicon core, and an amorphous layer that covers the crystalline silicon core. A silicon nanowire characterized by comprising an amorphous layer or a SiO 2 oxide film covering the amorphous layer, wherein the amorphous layer is made of amorphous silicon or amorphous SiO x (x <2). A non-aqueous electrolyte secondary battery.
(7) In a reaction of thermally decomposing the organic silane using an organic silane that does not contain oxygen and an organic solvent that does not contain oxygen in the molecule, A method for producing a silicon nanowire structure, comprising adding an organic substance having a thermal decomposition reaction.
(8) The production of the silicon nanowire structure according to (7), wherein the thermal decomposition is performed in a pressure vessel, the pressure is 2 MPa or more and 20 MPa or less, and the temperature is 350 ° C. or more and 500 ° C. or less. Method.
(9) Any one or more selected from the group consisting of water, an organic substance having oxygen in the molecule, water, alcohol, ketone, carboxylic acid, aldehyde, ether, carboxylic anhydride, percarboxylic acid, carboxylic acid ester The method for producing a silicon nanowire structure according to (7) or (8), wherein
(10) The method for producing a silicon nanowire structure according to (9), wherein the water or the organic substance having oxygen in the molecule is water.
(11) The method for producing a silicon nanowire structure according to any one of (7) to (10), wherein the organic solvent is an aromatic hydrocarbon.
(12) The organic silane is any one of phenylsilane, diphenylsilane, triphenylsilane, tetraphenylsilane, diethylsilane, triethylsilane, tetraethylsilane, tetramethylsilane, or a mixture thereof. A method for producing a silicon nanowire structure according to any one of 7) to (11).
(13) The method for producing a silicon nanowire structure according to any one of (7) to (12), wherein the nanowire is formed simultaneously with the production of the silicon nanowire structure.

本発明により、電気的接続が良好で応力緩和性の高いシリコンナノワイヤ構造体を低コストで大量に得ることができる。   According to the present invention, silicon nanowire structures having good electrical connection and high stress relaxation properties can be obtained in large quantities at low cost.

本発明の実施の形態に係るシリコンナノワイヤ1の断面図。Sectional drawing of the silicon nanowire 1 which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るシリコンナノワイヤ構造体11の断面図。Sectional drawing of the silicon nanowire structure 11 which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るシリコンナノワイヤ構造体13の断面図。Sectional drawing of the silicon nanowire structure 13 which concerns on embodiment of this invention. (a)〜(e)本発明の実施の形態に係るシリコンナノワイヤまたはシリコンナノワイヤ構造体の形成過程を示す図。(A)-(e) The figure which shows the formation process of the silicon nanowire or silicon nanowire structure which concerns on embodiment of this invention. 反応系内の有機シラン濃度と水濃度の時間変化を示す図。The figure which shows the time change of the organic silane density | concentration and water density | concentration in a reaction system. (a)、(b)結晶シリコン芯3で接合する枝分かれ構造の形成を説明する図。(A), (b) The figure explaining formation of the branched structure joined by the crystalline silicon core 3. FIG. (a)、(b)アモルファス層5で接合する枝分かれ構造の形成を説明する図。(A), (b) The figure explaining formation of the branched structure joined by the amorphous layer 5. FIG. シリコンナノワイヤ構造体33の構成を説明する図。The figure explaining the structure of the silicon nanowire structure 33. FIG. (a)〜(d)実施例1〜4に係るシリコンナノワイヤ構造体の走査型電子顕微鏡写真。(A)-(d) The scanning electron micrograph of the silicon nanowire structure which concerns on Examples 1-4. (a)〜(d)実施例5〜8に係るシリコンナノワイヤ構造体の走査型電子顕微鏡写真。(A)-(d) The scanning electron micrograph of the silicon nanowire structure which concerns on Examples 5-8. 比較例1に係るシリコンナノワイヤ構造体の走査型電子顕微鏡写真。The scanning electron micrograph of the silicon nanowire structure which concerns on the comparative example 1. 実施例1に係るシリコンナノワイヤの透過型電子顕微鏡写真。1 is a transmission electron micrograph of silicon nanowires according to Example 1. FIG. 実施例1に係るシリコンナノワイヤの元素分析結果。The elemental analysis result of the silicon nanowire which concerns on Example 1. FIG. 実施例3に係るシリコンナノワイヤの透過型電子顕微鏡写真。4 is a transmission electron micrograph of silicon nanowires according to Example 3. FIG. 実施例3に係るシリコンナノワイヤの元素分析結果。The elemental analysis result of the silicon nanowire which concerns on Example 3. FIG. (a)実施例3に係るシリコンナノワイヤの端部の透過型電子顕微鏡写真、(b)端部の拡大図。(A) Transmission electron micrograph of the edge part of the silicon nanowire which concerns on Example 3, (b) The enlarged view of an edge part. 実施例3に係るシリコンナノワイヤ構造体の接合部の透過型電子顕微鏡写真。4 is a transmission electron micrograph of a bonded portion of a silicon nanowire structure according to Example 3. FIG.

(シリコンナノワイヤ1)
以下図面に基づいて、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図1は、本発明の実施の形態に係るシリコンナノワイヤ1の断面図である。シリコンナノワイヤ1は、ワイヤ状、繊維状のシリコンである。シリコンナノワイヤ1は、結晶性のシリコンからなる結晶シリコン芯3を、アモルファスシリコン又はアモルファスSiO(x<2)からなるアモルファス層5が覆い、さらに、アモルファス層5をSiOからなるSiO酸化膜7が覆う構成を有する。
(Silicon nanowire 1)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of a silicon nanowire 1 according to an embodiment of the present invention. The silicon nanowire 1 is wire-like or fiber-like silicon. Silicon nanowires 1, a crystalline silicon core 3 made of crystalline silicon, covering the amorphous layer 5 made of amorphous silicon or amorphous SiO x (x <2), further, SiO 2 oxide film made of amorphous layer 5 of SiO 2 7 has the structure which covers.

後述する通り、シリコンナノワイヤ1は、結晶シリコン芯3が形成された後、その周囲にアモルファス層5が堆積して形成される。その後、外気に触れることで表面のアモルファス層5のシリコンやSiOがSiOに酸化されてSiO酸化膜7が形成される。 As will be described later, the silicon nanowire 1 is formed by depositing an amorphous layer 5 around the crystalline silicon core 3 after the crystalline silicon core 3 is formed. Thereafter, by touching the outside air, silicon or SiO x of the amorphous layer 5 on the surface is oxidized to SiO 2 to form the SiO 2 oxide film 7.

後述するシリコンナノワイヤ構造体を構成する1本のシリコンナノワイヤ1の長さを直径で除したアスペクト比の平均が10以上であることが好ましい。アスペクト比が10未満であると、シリコンナノワイヤ1は粒子又はロッド形状であり、シリコンナノワイヤ構造体を形成することが困難である。そこで、シリコンナノワイヤ構造体を構成するシリコンナノワイヤのアスペクト比の平均は、10以上であることが望ましく、さらに望ましくは、シリコンナノワイヤ構造体を構成する全てのシリコンナノワイヤのアスペクト比が10以上であることが望ましい。また、繊維状のシリコンナノワイヤとして、膨張収縮時に割れを防止することができる。   It is preferable that the average of aspect ratios obtained by dividing the length of one silicon nanowire 1 constituting a silicon nanowire structure described later by the diameter is 10 or more. When the aspect ratio is less than 10, the silicon nanowire 1 is in a particle or rod shape, and it is difficult to form a silicon nanowire structure. Therefore, the average aspect ratio of the silicon nanowires constituting the silicon nanowire structure is desirably 10 or more, and more desirably, the aspect ratio of all the silicon nanowires constituting the silicon nanowire structure is 10 or more. Is desirable. Moreover, it can prevent a crack at the time of expansion / contraction as a fibrous silicon nanowire.

シリコンナノワイヤ1の直径は1μm以下であり、500nm以下であることが好ましく、300nm以下であることがより好ましい。   The diameter of the silicon nanowire 1 is 1 μm or less, preferably 500 nm or less, and more preferably 300 nm or less.

シリコンナノワイヤ1の結晶シリコン芯3の直径が1〜50nmであり、アモルファス層5の厚さが10〜100nmであることが好ましい。   The diameter of the crystalline silicon core 3 of the silicon nanowire 1 is preferably 1 to 50 nm, and the thickness of the amorphous layer 5 is preferably 10 to 100 nm.

(シリコンナノワイヤ構造体)
図2は、本発明の実施の形態に係るシリコンナノワイヤ構造体11の接合部の断面図である。シリコンナノワイヤ構造体11は、2本以上のシリコンナノワイヤ1が、接合して形成されており、複数のシリコンナノワイヤ1によりネットワーク構造が形成されている。図2では、T字型に接合しているが、十字型でも、L字型でもよい。また、図2では、2本のシリコンナノワイヤ1が直角に接合するように図示しているが、直角以外の任意の角度で接合することができる。
(Silicon nanowire structure)
FIG. 2 is a cross-sectional view of the joint portion of the silicon nanowire structure 11 according to the embodiment of the present invention. The silicon nanowire structure 11 is formed by bonding two or more silicon nanowires 1, and a network structure is formed by the plurality of silicon nanowires 1. In FIG. 2, it is joined in a T shape, but it may be a cross shape or an L shape. Further, in FIG. 2, two silicon nanowires 1 are illustrated as being bonded at a right angle, but can be bonded at an arbitrary angle other than a right angle.

また、シリコンナノワイヤ構造体11において、シリコンナノワイヤ1同士は、互いのアモルファス層5を介して接合している。シリコンナノワイヤ1の接合箇所にSiOを介さないため、互いのシリコンナノワイヤ1の間が電気的に良好に接続される。これは、2つの結晶シリコン芯3が十分に近い場合に、アモルファス層5が堆積する途中に、アモルファス層5同士が接合する場合に形成される。シリコンナノワイヤの形成とシリコンナノワイヤ構造体11または13の形成が同時に行われるため、SiO酸化膜7が形成される前にシリコンナノワイヤ同士が接合してネットワーク構造を持つシリコンナノワイヤ構造体を得ることができる。また、アモルファス層5が形成された後にSiO酸化膜7が形成されるため、互いのSiO酸化膜7も接続している。 Further, in the silicon nanowire structure 11, the silicon nanowires 1 are bonded to each other through the amorphous layer 5. Since SiO 2 is not interposed at the bonding location of the silicon nanowires 1, the silicon nanowires 1 are electrically connected to each other. This is formed when the amorphous layers 5 are joined to each other while the amorphous layers 5 are being deposited when the two crystalline silicon cores 3 are sufficiently close. Since the formation of the silicon nanowire and the formation of the silicon nanowire structure 11 or 13 are performed at the same time, it is possible to obtain a silicon nanowire structure having a network structure by bonding the silicon nanowires before the SiO 2 oxide film 7 is formed. it can. Further, since the SiO 2 oxide film 7 is formed after the amorphous layer 5 is formed, the SiO 2 oxide films 7 are also connected.

さらに、図3に示すシリコンナノワイヤ構造体13は、シリコンナノワイヤ1同士がアモルファス層5で接合するだけでなく、結晶シリコン芯3同士も接合している。電気伝導性の良好な結晶シリコン芯3で接合するため、互いのシリコンナノワイヤ1の間は電気的にさらに良好に接続される。シリコンナノワイヤ構造体13は、結晶シリコン芯3の成長途中に、側壁に成長の核が生成し、そこから別の結晶シリコン芯3が成長する場合に形成される。その後、アモルファス層5とSiO酸化膜7が形成される。 Further, in the silicon nanowire structure 13 shown in FIG. 3, not only the silicon nanowires 1 are bonded together by the amorphous layer 5 but also the crystalline silicon cores 3 are bonded together. Since the crystalline silicon cores 3 having good electrical conductivity are joined, the silicon nanowires 1 are electrically connected to each other more satisfactorily. The silicon nanowire structure 13 is formed when a growth nucleus is generated on the side wall during the growth of the crystalline silicon core 3 and another crystalline silicon core 3 grows therefrom. Thereafter, an amorphous layer 5 and a SiO 2 oxide film 7 are formed.

(効果)
シリコンナノワイヤ1は、繊維状構造を持つため、非水電解質二次電池の負極活物質に使用する際に、リチウムイオンの吸蔵・放出時に膨張収縮しても、応力を逃がすことができ、割れることを防ぐことができる。
(effect)
Since the silicon nanowire 1 has a fibrous structure, when used as a negative electrode active material of a non-aqueous electrolyte secondary battery, even if it expands / contracts during insertion / release of lithium ions, stress can be released and cracked. Can be prevented.

シリコンナノワイヤ1は、1次元的な導電パスを持つため、非水電解質二次電池の負極活物質に使用する際に、粒子状の負極活物質に比べて、シリコンナノワイヤ1の全体に導通パスを得ることができる。   Since the silicon nanowire 1 has a one-dimensional conductive path, when used as a negative electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, the silicon nanowire 1 has a conduction path in the entire silicon nanowire 1 as compared to a particulate negative electrode active material. Can be obtained.

シリコンナノワイヤ1は、直径が細いため、量子サイズ効果が得られ、バンドギャップの増大、直接遷移化による発光効率の増大、電子の高移動度などが発現する。   Since the silicon nanowire 1 has a small diameter, a quantum size effect is obtained, and an increase in band gap, an increase in light emission efficiency due to direct transition, a high mobility of electrons, and the like are exhibited.

シリコンナノワイヤ構造体11や13は、シリコンナノワイヤ1同士が、アモルファス層5により接合し、シリコンナノワイヤ1同士の接合箇所に絶縁性の高いSiOが存在しないため、シリコンナノワイヤ1同士が電気的に良好に接続される。 In the silicon nanowire structures 11 and 13, the silicon nanowires 1 are joined together by the amorphous layer 5, and since there is no highly insulating SiO 2 at the joining portion between the silicon nanowires 1, the silicon nanowires 1 are electrically good. Connected to.

(シリコンナノワイヤの製造方法)
シリコンナノワイヤ1またはシリコンナノワイヤ構造体11や13は、分子内に酸素を含まない有機溶媒を用い、前記有機シランを熱分解する反応において、0.3〜5.0重量%の水または分子内に酸素を有する有機物を添加して熱分解反応を行うことで得られる。
(Method for producing silicon nanowires)
The silicon nanowire 1 or the silicon nanowire structures 11 and 13 use 0.3 to 5.0% by weight of water or a molecule in a reaction in which the organic silane is thermally decomposed using an organic solvent that does not contain oxygen in the molecule. It can be obtained by carrying out a thermal decomposition reaction by adding an organic substance having oxygen.

具体的には、有機シランの熱分解は圧力容器中で行われ、その圧力が2MPa以上20MPa以下、温度が350℃以上500℃以下であることが好ましい。この条件下では、十分な速さで有機シランの熱分解が進行し、シリコンが析出するからである。   Specifically, the thermal decomposition of the organosilane is performed in a pressure vessel, and the pressure is preferably 2 MPa or more and 20 MPa or less, and the temperature is 350 ° C. or more and 500 ° C. or less. This is because, under these conditions, the thermal decomposition of the organosilane proceeds at a sufficient rate and silicon is deposited.

前記の水または分子内に酸素を有する有機物が水、アルコール、ケトン、カルボン酸、アルデヒド、エーテル、カルボン酸無水物、過カルボン酸、カルボン酸エステルからなる群から選ばれるいずれか1つ以上であることが好ましい。アルコールとしては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、エチレングリコール、グリセリン、1,2−プロパンジオール等を使用できる。また、ケトンとしては、アセトン、2−ブタノン等が使用でき、カルボン酸としては、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸等を使用できる。アルデヒドとしては、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド等が使用でき、エーテルとしては、ジメチルエーテル、エチルメチルエーテル、ジエチルエーテル、オキセタン、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等が使用でき、カルボン酸無水物としては、無水酢酸、無水安息香酸等が使用でき、過カルボン酸としては過酢酸等が使用でき、カルボン酸エステルとしては酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸フェニル、安息香酸メチル、安息香酸エチル等が使用できる。特に、水または分子内に酸素を有する有機物のうち、水を使用することが好ましい。   The water or the organic substance having oxygen in the molecule is at least one selected from the group consisting of water, alcohol, ketone, carboxylic acid, aldehyde, ether, carboxylic anhydride, percarboxylic acid, and carboxylic acid ester. It is preferable. As the alcohol, methanol, ethanol, propanol, butanol, ethylene glycol, glycerin, 1,2-propanediol and the like can be used. As the ketone, acetone, 2-butanone and the like can be used, and as the carboxylic acid, formic acid, acetic acid, propionic acid, butyric acid and the like can be used. As the aldehyde, formaldehyde, acetaldehyde, propionaldehyde, etc. can be used, as the ether, dimethyl ether, ethyl methyl ether, diethyl ether, oxetane, tetrahydrofuran, tetrahydropyran, etc. can be used, and as the carboxylic acid anhydride, acetic anhydride, anhydrous Benzoic acid or the like can be used, and peracetic acid or the like can be used as the percarboxylic acid, and methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, phenyl acetate, methyl benzoate, ethyl benzoate, or the like can be used as the carboxylic acid ester. In particular, it is preferable to use water among water or an organic substance having oxygen in the molecule.

分子内に酸素を含まない有機溶媒が、芳香族炭化水素であることが好ましい。このような芳香族炭化水素としては、ベンゼン、トルエン、キシレン等を使用できる。有機溶媒があることにより、反応容器内の圧力を高めることができ、熱分解を効率良く進めることができる。   The organic solvent containing no oxygen in the molecule is preferably an aromatic hydrocarbon. As such aromatic hydrocarbon, benzene, toluene, xylene and the like can be used. Due to the presence of the organic solvent, the pressure in the reaction vessel can be increased and the thermal decomposition can proceed efficiently.

酸素を含まない有機シランが、フェニルシラン、ジフェニルシラン、トリフェニルシラン、テトラフェニルシラン、ジエチルシラン、トリエチルシラン、テトラエチルシラン、テトラメチルシランのいずれか、またはその混合であることが好ましい。   The organic silane not containing oxygen is preferably phenylsilane, diphenylsilane, triphenylsilane, tetraphenylsilane, diethylsilane, triethylsilane, tetraethylsilane, tetramethylsilane, or a mixture thereof.

(シリコンナノワイヤ1の形成過程)
図4(a)〜(e)は、シリコンナノワイヤの形成過程を示す図である。図4では、有機シランとしてフェニルシランを用い、水または分子内に酸素を有する有機物として水を使用している。まず、図4(a)に示すように、フェニルシラン21が熱分解され、シラン23が生成する。次に、図4(b)に示すように、シラン23と水25が反応して、SiOx(0<x<2)からなるシリコン酸化物27が生成する。次に、図4(c)に示すように、シラン23からシリコン酸化物27にシリコン原子が供給される。シリコン酸化物27は、安定組成を保つために過剰となったシリコン原子を吐出する。吐出されたシリコン原子は、エネルギー的に安定な位置に配置されるため、結晶性のシリコンを形成し、結晶シリコン芯3が形成される。次に、図4(d)に示すように、結晶シリコン芯3の表面にアモルファスシリコンまたはアモルファスSiOが堆積し、アモルファス層5が形成される。その後、図4(e)に示すように、外気に触れることでアモルファス層5の表面が酸化され、SiO酸化膜7が形成される。
(Formation process of silicon nanowire 1)
4 (a) to 4 (e) are diagrams showing a process of forming silicon nanowires. In FIG. 4, phenylsilane is used as the organic silane, and water is used as water or an organic substance having oxygen in the molecule. First, as shown in FIG. 4A, the phenylsilane 21 is thermally decomposed to produce silane 23. Next, as shown in FIG. 4B, the silane 23 and the water 25 react to produce a silicon oxide 27 made of SiOx (0 <x <2). Next, as shown in FIG. 4C, silicon atoms are supplied from the silane 23 to the silicon oxide 27. The silicon oxide 27 discharges silicon atoms that are excessive to maintain a stable composition. Since the discharged silicon atoms are arranged at a stable position in terms of energy, crystalline silicon is formed, and a crystalline silicon core 3 is formed. Next, as shown in FIG. 4 (d), amorphous silicon or amorphous SiO x is deposited on the surface of the crystalline silicon core 3 to form an amorphous layer 5. Thereafter, as shown in FIG. 4E, the surface of the amorphous layer 5 is oxidized by being exposed to the outside air, and the SiO 2 oxide film 7 is formed.

図5は、反応系内の有機シラン濃度と水濃度の時間変化を示す図である。前記の水または分子内に酸素を有する有機物である水の濃度がある割合より高い場合は、図4(b)のようにシランと水の反応が進んでシリコン酸化物27が生成し、シリコンナノワイヤの核が生成し、結晶シリコン芯3が成長する。一方で、水の濃度がある割合より低い場合は、図4(d)のようにシランからアモルファスシリコンやアモルファスSiOxが生成してランダムに堆積するため、アモルファス層5が形成される。以上の点からすると、本発明の実施の形態に係る反応系では、反応の初期は有機シラン濃度と水濃度の両方が高いため、シリコン酸化物27の生成と結晶シリコン芯3の成長の両方が起きる結晶成長モードとなる。その後、水がシリコン酸化物27の生成に使用されて水濃度が低下すると、アモルファス層5が成長するアモルファス層成長モードとなる。有機シランの濃度が低下すると、反応が停止する。   FIG. 5 is a diagram showing temporal changes in the organic silane concentration and the water concentration in the reaction system. When the concentration of the water or water, which is an organic substance having oxygen in the molecule, is higher than a certain ratio, the reaction of silane and water proceeds as shown in FIG. Nuclei are generated and the crystalline silicon core 3 grows. On the other hand, when the concentration of water is lower than a certain ratio, amorphous silicon or amorphous SiOx is generated from silane and deposited at random as shown in FIG. 4D, so that the amorphous layer 5 is formed. From the above points, in the reaction system according to the embodiment of the present invention, since both the organic silane concentration and the water concentration are high at the initial stage of the reaction, both the generation of the silicon oxide 27 and the growth of the crystalline silicon core 3 occur. This is the crystal growth mode that occurs. Thereafter, when water is used to generate the silicon oxide 27 and the water concentration is lowered, the amorphous layer growth mode in which the amorphous layer 5 grows is set. The reaction stops when the organosilane concentration decreases.

(シリコンナノワイヤ構造体11または13の形成過程)
図4(c)のように結晶シリコン芯3が成長する過程において、図6(a)のように、結晶シリコン芯3の側壁に水が作用して、シリコン酸化物27が生成する場合がある。図6(b)に示すように、側壁上のそのシリコン酸化物27から、結晶シリコン芯3が生成すると、結晶シリコン芯3同士が接合した枝分かれ構造を有するシリコンナノワイヤ構造体29が生成される。このような枝分かれ構造が繰り返し生成してネットワーク構造が形成された後にアモルファス層5が堆積し、さらにSiO酸化膜7が形成されると、シリコンナノワイヤ構造体13が得られる。
(Process of forming silicon nanowire structure 11 or 13)
In the process of growing the crystalline silicon core 3 as shown in FIG. 4C, water may act on the side wall of the crystalline silicon core 3 to form the silicon oxide 27 as shown in FIG. 6A. . As shown in FIG. 6B, when the crystalline silicon core 3 is generated from the silicon oxide 27 on the side wall, a silicon nanowire structure 29 having a branched structure in which the crystalline silicon cores 3 are joined to each other is generated. After such a branched structure is repeatedly generated to form a network structure, the amorphous layer 5 is deposited, and when the SiO 2 oxide film 7 is further formed, a silicon nanowire structure 13 is obtained.

また、図7(a)に示すように、2つの結晶シリコン芯3が互いに近い場合、アモルファス層5が生成する際に、図7(b)に示すように、2つの結晶シリコン芯3のアモルファス層5が接合することがある。この場合、アモルファス層5同士が接合し、アモルファス層5が接合したシリコンナノワイヤ構造体31が得られる。図8に示すように、多数の結晶シリコン芯3が堆積した状態でアモルファス層5が形成されると、多数のシリコンナノワイヤがアモルファス層5で接続されるシリコンナノワイヤ構造体33が得られる。シリコンナノワイヤ構造体31や33の表面にSiO酸化膜7が形成されると、シリコンナノワイヤ構造体11が得られる。 Further, when the two crystalline silicon cores 3 are close to each other as shown in FIG. 7A, when the amorphous layer 5 is formed, as shown in FIG. Layer 5 may join. In this case, the silicon nanowire structure 31 in which the amorphous layers 5 are joined to each other and the amorphous layers 5 are joined is obtained. As shown in FIG. 8, when the amorphous layer 5 is formed in a state where a large number of crystalline silicon cores 3 are deposited, a silicon nanowire structure 33 in which a large number of silicon nanowires are connected by the amorphous layer 5 is obtained. When the SiO 2 oxide film 7 is formed on the surfaces of the silicon nanowire structures 31 and 33, the silicon nanowire structure 11 is obtained.

(実施形態に係る製造方法の効果)
本発明の実施形態に係るシリコンナノワイヤ又はシリコンナノワイヤ構造体の製造方法では、金属触媒を使用せず、水または分子内に酸素を有する有機物を使用するため、シリコンナノワイヤに金属触媒が不純物として混入しない。また、金属触媒を使用しないため、低コストで生産できる。
(Effect of manufacturing method according to embodiment)
In the manufacturing method of the silicon nanowire or the silicon nanowire structure according to the embodiment of the present invention, since the metal catalyst is not used and water or an organic substance having oxygen in the molecule is used, the metal catalyst is not mixed into the silicon nanowire as an impurity. . Moreover, since a metal catalyst is not used, it can be produced at low cost.

有機シランの熱分解反応を利用するため、500℃以下の低温環境下でシリコンナノワイヤなどを形成することができる。   Since the thermal decomposition reaction of organosilane is used, silicon nanowires and the like can be formed in a low temperature environment of 500 ° C. or lower.

液体の有機シランを用いて液相からシリコンナノワイヤを得るため、スケールアップが容易である。また、ガス状の原料を使用する場合に比べて、体積あたりのシリコン量が高密度であるため、得られるシリコンナノワイヤの量も大量である。   Since silicon nanowires are obtained from the liquid phase using liquid organosilane, scale-up is easy. In addition, since the amount of silicon per volume is higher than when a gaseous raw material is used, the amount of silicon nanowires obtained is also large.

また、シリコンナノワイヤの形成と、シリコンナノワイヤ構造体のネットワーク構造の形成が一つの工程で行われるため、シリコンナノワイヤ構造体を容易に得ることができる。   Further, since the formation of the silicon nanowire and the formation of the network structure of the silicon nanowire structure are performed in one step, the silicon nanowire structure can be easily obtained.

(シリコンナノワイヤまたはシリコンナノワイヤ構造体の用途)
シリコンナノワイヤまたはシリコンナノワイヤ構造体を非水電解質二次電池の負極活物質に使用する場合は、銅箔に、シリコンナノワイヤまたはシリコンナノワイヤ構造体、導電助剤、結着剤、増粘剤、溶媒などを混練したスラリーを塗布して、非水電解質二次電池用の負極を形成する。
(Use of silicon nanowire or silicon nanowire structure)
When using silicon nanowires or silicon nanowire structures as negative electrode active materials for non-aqueous electrolyte secondary batteries, copper foil, silicon nanowires or silicon nanowire structures, conductive additives, binders, thickeners, solvents, etc. The slurry kneaded is applied to form a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery.

シリコンナノワイヤまたはシリコンナノワイヤ構造体のスラリー中への分散には、一般的な混練機を用いることができ、ニーダー、撹拌機、分散機、混合機などと呼ばれるスラリーを調製可能な装置を用いることができる。   For dispersion of silicon nanowires or silicon nanowire structures into a slurry, a general kneader can be used, and a device called a kneader, a stirrer, a disperser, a mixer, etc. that can prepare a slurry should be used. it can.

また、スラリーの塗布は、スラリーを銅基板に塗布可能な一般的な塗工装置を用いることができ、例えばロールコーターや、ドクターブレードによるコーター、コンマコーター、ダイコーターである。   The slurry can be applied by using a general coating apparatus capable of applying the slurry to the copper substrate, for example, a roll coater, a coater using a doctor blade, a comma coater, or a die coater.

スラリー中の固形分において、シリコンナノワイヤまたはシリコンナノワイヤ構造体が25〜90重量%、導電助剤が5〜70重量%、結着剤が1〜30重量%、増粘剤が0〜25重量%を含む。   In the solid content of the slurry, the silicon nanowire or silicon nanowire structure is 25 to 90% by weight, the conductive additive is 5 to 70% by weight, the binder is 1 to 30% by weight, and the thickener is 0 to 25% by weight. including.

水系スラリーを調製するときは、結着剤としてスチレン・ブタジエン・ラバー(SBR)等のラテックス(ゴム微粒子の分散体)を使用することができ、増粘剤としてはカルボキシメチルセルロース、メチルセルロース等の多糖類等を1種または2種以上の混合物として用いることが適している。また、有機系スラリーを調製するときは、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)等を使用することができ、溶媒としてN−メチル−2−ピロリドンを用いることができる。   When preparing an aqueous slurry, latex (dispersion of rubber fine particles) such as styrene / butadiene / rubber (SBR) can be used as a binder, and polysaccharides such as carboxymethylcellulose and methylcellulose as thickeners. Etc. are suitably used as one or a mixture of two or more. In preparing an organic slurry, polyvinylidene fluoride (PVdF) or the like can be used as a binder, and N-methyl-2-pyrrolidone can be used as a solvent.

導電助剤は、炭素、銅、スズ、亜鉛、ニッケル、銀からなる群より選ばれた少なくとも1種の導電性物質からなる粉末である。炭素、銅、スズ、亜鉛、ニッケル、銀の単体の粉末でもよいし、それぞれの合金の粉末でもよい。例えば、ファーネスブラックやアセチレンブラックなどの平均粒径1nm〜1μmの一般的なカーボンブラックを使用できる。   The conductive assistant is a powder made of at least one conductive material selected from the group consisting of carbon, copper, tin, zinc, nickel, and silver. A single powder of carbon, copper, tin, zinc, nickel, or silver may be used, or a powder of each alloy may be used. For example, general carbon black having an average particle diameter of 1 nm to 1 μm, such as furnace black or acetylene black, can be used.

導電助剤の平均粒径は一次粒子の平均粒径を指す。アセチレンブラック(AB)のような高度にストラクチャー形状が発達している場合にも、ここでは一次粒径で平均粒径を定義し、SEM写真の画像解析で平均粒径を求めることができる。   The average particle size of the conductive assistant refers to the average particle size of the primary particles. Even when the structure shape is highly developed such as acetylene black (AB), the average particle diameter can be defined by the primary particle diameter here, and the average particle diameter can be obtained by image analysis of the SEM photograph.

結着剤は、樹脂の結着剤であり、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、スチレンブタジエンゴム(SBR)などのフッ素樹脂やゴム系、さらには、ポリイミド(PI)やアクリルなどの有機材料を用いることができる。   The binder is a resin binder, and a fluororesin such as polyvinylidene fluoride (PVdF) and styrene butadiene rubber (SBR) or a rubber system, and an organic material such as polyimide (PI) or acrylic is used. Can do.

また、本発明に係る負極と正極との間にセパレータを配置して、電池素子を形成し、このような電池素子を巻回、または積層して円筒形の電池ケースや角形の電池ケースに入れた後、電解質または電解液を注入して、非水電解質二次電池を作製することができる。   In addition, a separator is disposed between the negative electrode and the positive electrode according to the present invention to form a battery element, and such a battery element is wound or laminated into a cylindrical battery case or a rectangular battery case. Thereafter, an electrolyte or an electrolytic solution can be injected to produce a nonaqueous electrolyte secondary battery.

以下、本発明について実施例および比較例を用いて具体的に説明する。
[実施例1]
(シリコンナノワイヤまたはシリコンナノワイヤ構造体の作製)
フェニルシラン1mlと脱水トルエン19mlと水0.175mlを石英製のるつぼに入れ、混合した。反応液中の水の割合は1質量%である。るつぼをオートクレーブ装置内に配置し、炉内を不活性な窒素ガスで置換後、密閉した。380℃まで昇温した後2時間保持した後、室温まで冷却した。オートクレーブ内の圧力は約5MPaであった。冷却後、石英るつぼを取り出し、黄色粉状の析出物を回収した。
Hereinafter, the present invention will be specifically described using examples and comparative examples.
[Example 1]
(Production of silicon nanowires or silicon nanowire structures)
1 ml of phenylsilane, 19 ml of dehydrated toluene and 0.175 ml of water were placed in a quartz crucible and mixed. The ratio of water in the reaction solution is 1% by mass. The crucible was placed in an autoclave and the inside of the furnace was replaced with inert nitrogen gas and sealed. The temperature was raised to 380 ° C., held for 2 hours, and then cooled to room temperature. The pressure in the autoclave was about 5 MPa. After cooling, the quartz crucible was taken out and a yellow powdery precipitate was collected.

得られた粉末を走査型電子顕微鏡で観察すると、図9(a)のように、直径150nm〜300nm程度の無数のナノワイヤが観察された。   When the obtained powder was observed with a scanning electron microscope, innumerable nanowires having a diameter of about 150 nm to 300 nm were observed as shown in FIG.

[実施例2〜8]
フェニルシランの量、脱水トルエンの量、水の量、加熱温度を変更し、実施例2〜8を行った。
[Examples 2 to 8]
Examples 2 to 8 were performed by changing the amount of phenylsilane, the amount of dehydrated toluene, the amount of water, and the heating temperature.

[比較例1]
水を加えない点以外は、実施例3と同じ条件で合成を行った。実施例1〜8と比較例1のそれぞれの条件を表1に示す。
[Comparative Example 1]
The synthesis was performed under the same conditions as in Example 3 except that water was not added. Table 1 shows the conditions of Examples 1 to 8 and Comparative Example 1.

また、各実施例・比較例の粉末を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図9(a)〜(d)、図10(a)〜(d)、図11に示す。実施例1〜8においては、太さ300nm以下のシリコンナノワイヤが観察された。一方で、比較例1においては粒径3〜10μmの粒子状のシリコンや、厚さ1μm程度の薄片状のシリコンが観察された。   Moreover, the result of having observed the powder of each Example and the comparative example with the scanning electron microscope is shown to FIG. 9 (a)-(d), FIG. 10 (a)-(d), and FIG. In Examples 1 to 8, silicon nanowires having a thickness of 300 nm or less were observed. On the other hand, in Comparative Example 1, particulate silicon having a particle size of 3 to 10 μm and flaky silicon having a thickness of about 1 μm were observed.

実施例1〜3を比べると、実施例1、2、3の順で、加熱温度が450℃に高まるほど、得られたシリコンナノワイヤの直径が細くなっている。   When Examples 1 to 3 are compared, the diameter of the obtained silicon nanowires becomes thinner as the heating temperature increases to 450 ° C. in the order of Examples 1, 2, and 3.

また、実施例3と実施例5と実施例7は、フェニルシランと脱水トルエンの量を変更した以外の条件は同じであるが、フェニルシランの割合を増やすと、シリコンナノワイヤの生成量が減少している。   In Example 3, Example 5 and Example 7, the conditions were the same except that the amounts of phenylsilane and dehydrated toluene were changed. However, when the proportion of phenylsilane was increased, the amount of silicon nanowires produced decreased. ing.

また、実施例3と4を比較すると、水の量を1wt%から3wt%に増やすと、枝分かれが多くなり、シリコンナノワイヤ以外の生成物が増える傾向があった。実施例5と6の比較、実施例7と8の比較でも同様であった。   In addition, when Examples 3 and 4 were compared, when the amount of water was increased from 1 wt% to 3 wt%, branching increased and products other than silicon nanowires tended to increase. The same applies to the comparison between Examples 5 and 6 and the comparison between Examples 7 and 8.

図12は、実施例1に係るシリコンナノワイヤの透過型電子顕微鏡像である。シリコンナノワイヤの直径は約250nmである。また、シリコンナノワイヤの中心部に黒い太さ10nm程度の結晶シリコン芯が観察された。   12 is a transmission electron microscope image of the silicon nanowire according to Example 1. FIG. The diameter of the silicon nanowire is about 250 nm. Further, a black crystalline silicon core having a thickness of about 10 nm was observed at the center of the silicon nanowire.

図13は、同じシリコンナノワイヤの外側の領域1と、中心部の領域2において、EDXにより元素分析を行った結果である。中心部の領域2において、酸素の割合が少なく、中心部は酸化されていない。なお、領域2においても、表面のSiO酸化膜も含んで測定しているため、酸素がある程度検出される。 FIG. 13 shows the result of elemental analysis performed by EDX in the outer region 1 and the central region 2 of the same silicon nanowire. In the central region 2, the proportion of oxygen is small and the central portion is not oxidized. In the region 2 as well, since the measurement includes the SiO 2 oxide film on the surface, oxygen is detected to some extent.

図14は、実施例3に係るシリコンナノワイヤの透過型電子顕微鏡像である。シリコンナノワイヤの直径は約150nmである。また、シリコンナノワイヤの中心部に黒い太さ約30nmの結晶シリコン芯が観察される。結晶シリコン芯の外側には、厚さ約40nmのアモルファス層が形成されている。アモルファス層の外側には厚さ約20nmのSiO酸化膜が形成されている。 FIG. 14 is a transmission electron microscope image of the silicon nanowire according to Example 3. The diameter of the silicon nanowire is about 150 nm. A black crystalline silicon core with a thickness of about 30 nm is observed at the center of the silicon nanowire. An amorphous layer having a thickness of about 40 nm is formed outside the crystalline silicon core. A SiO 2 oxide film having a thickness of about 20 nm is formed outside the amorphous layer.

図15は、同じシリコンナノワイヤの外側の領域1と、中心部の領域2において、EDXにより元素分析を行った結果である。中心部の領域2において、酸素の割合が少なく、中心部は酸化されていない。   FIG. 15 shows the result of elemental analysis performed by EDX in the outer region 1 and the central region 2 of the same silicon nanowire. In the central region 2, the proportion of oxygen is small and the central portion is not oxidized.

図16は、実施例3に係るシリコンナノワイヤの他の領域での透過型電子顕微鏡写真である。図16(a)に示す通り、シリコンナノワイヤの直径は50nm程度であり、図16(b)の拡大図に示す通り、端部には直径5nm程度の結晶シリコン芯が露出している。   FIG. 16 is a transmission electron micrograph of another region of the silicon nanowire according to Example 3. As shown in FIG. 16A, the diameter of the silicon nanowire is about 50 nm, and as shown in the enlarged view of FIG. 16B, a crystalline silicon core having a diameter of about 5 nm is exposed at the end.

図17は、実施例3に係るシリコンナノワイヤ構造体の接合部の透過型電子顕微鏡写真である。シリコンナノワイヤ同士が、アモルファス層5によって接合していることがわかる。   FIG. 17 is a transmission electron micrograph of the bonded portion of the silicon nanowire structure according to Example 3. It can be seen that the silicon nanowires are joined together by the amorphous layer 5.

以上、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しえることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。   The preferred embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to such examples. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the technical idea disclosed in the present application, and these are naturally within the technical scope of the present invention. Understood.

1………シリコンナノワイヤ
3………結晶シリコン芯
5………アモルファス層
7………SiO酸化膜
11………シリコンナノワイヤ構造体
13………シリコンナノワイヤ構造体
21………フェニルシラン
23………シラン
25………水
27………シリコン酸化物
29………シリコンナノワイヤ構造体
31………シリコンナノワイヤ構造体
33………シリコンナノワイヤ構造体
1 ......... silicon nanowire 3 ......... crystal silicon core 5 ......... amorphous layer 7 ......... SiO 2 oxide film 11 ......... silicon nanowire structure 13 ......... silicon nanowire structure 21 ......... phenylsilane 23 ……… Silane 25 ……… Water 27 ……… Silicon oxide 29 ……… Silicon nanowire structure 31 ……… Silicon nanowire structure 33 ……… Silicon nanowire structure

Claims (13)

結晶シリコン芯と、前記結晶シリコン芯を覆うアモルファス層と、前記アモルファス層を覆うSiO酸化膜とを有し、
前記アモルファス層が、アモルファスシリコン又はアモルファスSiO(x<2)からなることを特徴とするシリコンナノワイヤ。
A crystalline silicon core, an amorphous layer covering the crystalline silicon core, and a SiO 2 oxide film covering the amorphous layer,
The silicon nanowire, wherein the amorphous layer is made of amorphous silicon or amorphous SiO x (x <2).
結晶シリコン芯と、前記結晶シリコン芯を覆うアモルファス層と、前記アモルファス層を覆うSiO酸化膜とを有し、前記アモルファス層が、アモルファスシリコン又はアモルファスSiO(x<2)からなることを特徴とするシリコンナノワイヤを含み、
複数の前記シリコンナノワイヤが接続した構造を有するシリコンナノワイヤ構造体。
It has a crystalline silicon core, an amorphous layer covering the crystalline silicon core, and a SiO 2 oxide film covering the amorphous layer, and the amorphous layer is made of amorphous silicon or amorphous SiO x (x <2). Including silicon nanowires,
A silicon nanowire structure having a structure in which a plurality of the silicon nanowires are connected.
複数の前記シリコンナノワイヤが、互いの前記アモルファス層を接触させながら接続した構造を有することを特徴とする請求項2に記載のシリコンナノワイヤ構造体。   The silicon nanowire structure according to claim 2, wherein a plurality of the silicon nanowires have a structure in which the amorphous layers are connected to each other while being in contact with each other. 前記シリコンナノワイヤの長さを前記シリコンナノワイヤの直径で除したアスペクト比の平均が10以上であることを特徴とする請求項2または3に記載のシリコンナノワイヤ構造体。   The silicon nanowire structure according to claim 2 or 3, wherein an average aspect ratio obtained by dividing the length of the silicon nanowire by the diameter of the silicon nanowire is 10 or more. 前記シリコンナノワイヤの前記結晶シリコン芯の直径が1〜50nmであり、前記アモルファス層の厚さが10〜100nmであることを特徴とする請求項1に記載のシリコンナノワイヤ。   2. The silicon nanowire according to claim 1, wherein a diameter of the crystalline silicon core of the silicon nanowire is 1 to 50 nm, and a thickness of the amorphous layer is 10 to 100 nm. リチウムイオンを吸蔵および放出可能な正極と、
集電体上に活物質層を有する負極と、
前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータとを有し、
リチウムイオン伝導性を有する電解質中に、前記正極と前記負極と前記セパレータとを設けた非水電解質二次電池であって、
前記負極の前記活物質層は、結晶シリコン芯と、前記結晶シリコン芯を覆うアモルファス層と、前記アモルファス層を覆うSiO酸化膜とを有し、前記アモルファス層が、アモルファスシリコン又はアモルファスSiO(x<2)からなることを特徴とするシリコンナノワイヤを含むことを特徴とすることを特徴とする非水電解質二次電池。
A positive electrode capable of inserting and extracting lithium ions;
A negative electrode having an active material layer on a current collector;
Having a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode;
A non-aqueous electrolyte secondary battery in which the positive electrode, the negative electrode, and the separator are provided in an electrolyte having lithium ion conductivity,
The active material layer of the negative electrode includes a crystalline silicon core, an amorphous layer that covers the crystalline silicon core, and a SiO 2 oxide film that covers the amorphous layer, and the amorphous layer is amorphous silicon or amorphous SiO x ( A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a silicon nanowire characterized by comprising x <2).
酸素を含まない有機シランと、分子内に酸素を含まない有機溶媒を用い、前記有機シランを熱分解する反応において、0.3〜5.0重量%の水または分子内に酸素を有する有機物を添加して熱分解反応を行うことを特徴とするシリコンナノワイヤ構造体の製造方法。   In a reaction of thermally decomposing the organic silane using an organic silane that does not contain oxygen and an organic solvent that does not contain oxygen in the molecule, 0.3 to 5.0% by weight of water or an organic substance having oxygen in the molecule A method for producing a silicon nanowire structure, comprising adding and performing a thermal decomposition reaction. 前記熱分解が圧力容器中で行われ、その圧力が2MPa以上20MPa以下、温度が350℃以上500℃以下であることを特徴とする、請求項7に記載のシリコンナノワイヤ構造体の製造方法。   The method for producing a silicon nanowire structure according to claim 7, wherein the thermal decomposition is performed in a pressure vessel, the pressure is 2 MPa or more and 20 MPa or less, and the temperature is 350 ° C or more and 500 ° C or less. 前記水または分子内に酸素を有する有機物が水、アルコール、ケトン、カルボン酸、アルデヒド、エーテル、カルボン酸無水物、過カルボン酸、カルボン酸エステルからなる群から選ばれるいずれか1つ以上であることを特徴とする、請求項7または8に記載のシリコンナノワイヤ構造体の製造方法。   The water or the organic substance having oxygen in the molecule is at least one selected from the group consisting of water, alcohol, ketone, carboxylic acid, aldehyde, ether, carboxylic anhydride, percarboxylic acid, and carboxylic ester. The method for producing a silicon nanowire structure according to claim 7 or 8, wherein: 前記水または分子内に酸素を有する有機物が水であることを特徴とする、請求項9に記載のシリコンナノワイヤ構造体の製造方法。   The method for producing a silicon nanowire structure according to claim 9, wherein the water or the organic substance having oxygen in the molecule is water. 前記有機溶媒が、芳香族炭化水素であることを特徴とする、請求項7〜10のいずれか1項に記載のシリコンナノワイヤ構造体の製造方法。   The method for producing a silicon nanowire structure according to any one of claims 7 to 10, wherein the organic solvent is an aromatic hydrocarbon. 前記有機シランが、フェニルシラン、ジフェニルシラン、トリフェニルシラン、テトラフェニルシラン、ジエチルシラン、トリエチルシラン、テトラエチルシラン、テトラメチルシランのいずれか、またはその混合であることを特徴とする、請求項7〜11のいずれか1項に記載のシリコンナノワイヤ構造体の製造方法。   The organic silane is phenyl silane, diphenyl silane, triphenyl silane, tetraphenyl silane, diethyl silane, triethyl silane, tetraethyl silane, tetramethyl silane, or a mixture thereof. 11. The method for producing a silicon nanowire structure according to any one of 11 above. シリコンナノワイヤ構造体の製造と同時にナノワイヤの形成を同時に行うことを特徴とする請求項7〜請求項12のいずれか1項に記載のシリコンナノワイヤ構造体の製造方法。 The method for producing a silicon nanowire structure according to any one of claims 7 to 12, wherein the nanowire is formed simultaneously with the production of the silicon nanowire structure.
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