CN102958835A - 具有低氧含量的亚微米级的硅粉末 - Google Patents

具有低氧含量的亚微米级的硅粉末 Download PDF

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Abstract

一种具有在20nm和200nm之间的平均一次粒径的亚微米级的Si基粉末，其中该粉末具有一个包括SiOx的表面层，其中0<x<2，该表面层具有的平均厚度在0.5nm与10nm之间，并且其中该粉末在室温下具有的总氧含量是等于或小于按重量计3%。用于制备该粉末的方法包括以下一个步骤，其中将Si前体在高温下在一个气体流中蒸发，这之后将该气体流急冷以获得Si颗粒，并且将这些Si颗粒在低温下在含氧的气体中急冷。

Description

具有低氧含量的亚微米级的硅粉末
技术领域
本发明涉及具有低氧含量的亚微米级的硅基粉末以及使用气相技术来合成这种粉末。
背景技术
硅粉末目前正在发展并且用在广泛的应用中，包括锂离子电池、印刷电子器件以及太阳能应用中。这些应用要求具有低的氧含量的超细微的粉末。
锂离子电池是最广泛使用的用于便携式电子装置的二次系统。与水性可充电电池（如镍-镉以及镍金属氢化物）相比，锂离子电池具有更高的能量密度、更高的工作电压、更低的自放电以及低的维护要求。这些特性使得锂离子电池成为可获得的表现最高的二次电池。
世界范围的能量需求的增加已驱使锂离子电池工业寻求新一代的具有高能量密度的电极材料。途径之一是通过另一种表现更好的活性材料来代替常规的碳石墨负极材料，这种活性材料是金属、类金属、或基于硅（Si）、锡（Sn）、或铝（Al）的金属合金。与石墨相比，这些材料能够提供高得多的比容量以及体积容量。除负极材料的特定组成之外，这些颗粒的表面特性在所产生的锂离子电池的电化学行为中起重要作用。因此，至关重要的是能够将那些参数最佳化以提高负极的电化学性能。
复合电极要求具有离子锂以及电子两者的混合的导电性。此种复杂的介质总体上通过将活性材料颗粒与不同的添加剂（例如一种非常精细的碳黑粉末和一种聚合物粘结剂）混合在一起而获得。该粘结剂添加剂具有复杂的作用，因为它不仅给予该复合电极机械强度而其还允许在电极层和集电体之间的良好粘合，并且它给予了该复合电极足够的液体电解质摄取量以提供内部离子渗透。
如所提及的Si基负极材料应该显著地增强商用锂离子电池的能量密度。硅具有符合以下反应：15Li+4Si→Li15Si4的最大的理论重量容量（3579mAh/g）以及大的体积容量（2200mAh/cm3）。然而，当锂离子嵌入时，这些材料的微观结构以及它们巨大的体积膨胀决不允许达到它们用于可充电电池的可接受的寿命特征。亚微米尺度的材料的合成允许克服这些材料的主要缺点并且使它们是用于代替碳的适合的候选物。制备亚微米粉末的一种有意义的方法是等离子体技术，如在WO 2008/064741A1中所披露的。
不幸的是，这些亚微米硅粉末当暴露到空气中时迅速氧化。这种亚微米级的硅粉末的不受控制的氧化作用最终会导致氧含量大于10wt%。这种高的氧水平将会对这些锂离子电池中的Si基粉末的电化学行为具有不利的影响，从而在第一循环（所谓的不可逆容量）过程中由于这个层减少而产生高的容量损失。
本发明的一个目的是改进或甚至克服这些问题，并且提供可以通过一种简单并且经济的方法制造的更好的负极材料。
发明内容
从一个第一方面来说，本发明可以提供一种具有在20nm与200nm之间的平均一次粒径的亚微米级的Si基粉末，其中该粉末具有一个包括SiOx的表面层，其中0<x<2，该表面层具有的平均厚度在0.5nm与10nm之间，并且其中该粉末在室温下具有的总氧含量是等于或小于按重量计3%。该表面层还可以仅由SiOx（其中0<x<2）构成。在一个实施方案中，该表面层薄于5nm，以避免在第一循环过程中大的不可逆容量，并且在另一实施方案中，它厚于0.5nm，以具有当暴露于空气或氧化气体中时不会进一步氧化的一种稳定的钝化的粉末。在此被氧化的层的厚度表示为透射电子显微术（TEM）照片上测量的层的平均厚度。Si基粉末可以由纯Si组成。Si基粉末还可以是纳米级的，即，具有在20nm与200nm之间的平均一次粒径。
在一个实施方案中，该亚微米级的Si基粉末具有经氧化的包括SiOx的表面层，其中1≤x<2。在另一个实施方案中，该粉末具有至少98原子%的Si的纯度。Si基粉末还可以由纯Si组成。在另一个实施方案中，在大气条件下并且在空气中在500°C下老化1小时之后，该亚微米级的Si基粉末具有的总的氧含量是小于按重量计4%。在又一个实施方案中，在大气条件下并且在空气中在700°C下老化1小时之后，该亚微米级的Si基粉末具有的总的氧含量是小于按重量计5%。这些条件确保了Si基粉末的钝化层是稳定的并且不会发生进一步的氧化作用。
以上所述的亚微米级的Si基粉末可以进一步包括一种选自下组的元素M，该组由以下各项组成：过渡金属类、类金属类、第IIIa族元素以及碳。在一个实施方案中，M包括一个亦或多个以下组的元素，该组由以下各项组成：镍、铜、铁、锡、铝、以及钴。
从一个第二方面看，本发明可以提供亚微米级的Si基粉末作为锂离子二次电池中的负极材料的用途。
从一个第三方面看，本发明可以提供一种用于制造以上描述的Si基粉末的方法，该方法包括以下步骤：
提供一种Si基前体，
提供一种在至少1727°C（等于2000K）的温度下的气体流，
将该Si基前体注入该气体流中，由此蒸发该Si前体，
将携带蒸发的Si前体的气体流急冷到1327°C（等于1600K）的温度以下，由此获得亚微米级的Si颗粒，
将这些亚微米级的Si颗粒在一种含氧的气体中在低于700°C、并且优选地低于450°C的温度下钝化，并且
从该气体流中分离出这些Si颗粒。
这样的一个过程通过受控的钝化步骤（与其他过程步骤结合）产生了一种亚微米级的Si基粉末，该粉末具有一个包含Si低价氧化物（SiOx，其中x<2）的混合物的表面层。
在一个实施方案中，该钝化步骤在室温与100°C之间的温度下进行。在另一个实施方案中，该气体流通过气体燃烧器、氢气燃烧器、RF等离子体、或DC电弧等离子体之一来提供。在又一个实施方案中，该钝化步骤在一种进一步包含一种二次气体的含氧的气体中进行，该二次气体由一种亦或多种下组的气体组成，该组由以下各项组成：Ar、N2、H2、CO以及CO2。在又一个实施方案中，该含氧的气体是一种具有按重量计小于1%氧的氧气与氮气的混合物。在一个进一步的实施方案中，该钝化步骤可以进行小于60分钟、并且优选地小于10分钟的时段。在另一个进一步的实施方案中，在一个射频电感耦合等离子体中提供该气体流，并且该气体流包括氩气。
在表面上具有受控的氧水平的亚微米级的硅基粉末当用作锂离子二次电池中的负极材料时，由于该粉末的小的粒径以及其相应的大的表面积（结合了一种低的氧含量），可以限制这种负极的第一不可逆容量同时保持一个高的可逆容量。该粉末可以由覆盖有一个非常薄的均匀的经氧化的材料层的硅颗粒组成，这些颗粒在室温下具有的总氧含量小于3wt%。
在一个实施方案中，该硅亚微米粉末具有的平均一次粒径是在20nm和200nm之间，其中该平均一次粒径（dav）是根据以下公式按比表面积计算的，假定球形颗粒是等大小的：
d av = 6 &rho; &times; BET ,
其中ρ是指该粉末的理论密度（2.33g/cm3）并且BET是指通过布鲁尼尔-埃密特-特勒（BET技术）的N2吸附法所测定的比表面积（m2/g）。
本发明还可以提供一种用于生产这种Si基粉末的方法，由此提供一种Si基前体，提供一种在至少1727°C的温度下的气体流，将该Si基前体注入到该气体流中，由此将该Si前体蒸发，将该气体流冷却到1327°C温度以下，由此获得最终在一种氧化气体中在低于700°C的温度下钝化的亚微米级的Si颗粒。该气体流可以由一个射频电感耦合等离子体提供并且该气体流可以包括氩气。
附图说明
图1：TEM图片（低放大倍率（A）以及高放大倍率（B）），示出了在Si亚微米颗粒的表面上存在的薄的非晶相的SiOx层。
图2：具有2.8wt%（实线）以及25.0wt%（虚线）的氧水平的Si粉末的放锂曲线，对比Li的电压（V）相对于容量（mAh/g）
图3：Si亚微米粉末的氧水平（按wt%计-左侧轴-实线）以及BET值（m2/g-右侧轴-虚线）随老化温度（°C）的变化。
图4：在空气中在室温下Si亚微米粉末的氧水平（按wt%计）随存储时间（按天数#计）的变化。
具体实施方式
本发明可以例如通过以下描述的不同实例实施。
实例1
提供一种微米级的Si粉末作为Si前体。施加一个60kW的射频（RF）电感耦合等离子体（ICP），使用具有2.5Nm3/h的氩气的氩等离子体。以220g/h的速率将固体硅前体注入到该等离子体中，从而导致了高于2000K的占主导的（即，在反应区内）温度。在这个第一处理步骤中，该Si前体完全蒸发接着成核为亚微米级的Si粉末。使用具有10Nm3/h的氩气流作为直接在该反应区下游的急冷气体以便将气体温度降低到1600K之下。以此方式，将会形成金属核。最后，在100°C的温度下在5分钟的时间通过加入100L/h的含有0.15摩尔%氧的一种N2/O2混合物而进行一个钝化步骤。
该亚微米级的Si粉末具有立方晶相以及40±2m2/g的比表面积（如通过BET技术测量的），这对应约60nm的平均一次粒径。化学分析显示出氧含量是2.8wt%，同时TEM表征显示出存在具有1-2nm厚度的薄的非晶相SiOx表面层，如图1中所示。
通过将所获得的硅粉末加入到2%的Na-CMC水基的溶液中而制备一种糊剂。随后加入乙炔黑。最后将具有50/25/25的硅/CMC/乙炔黑比例的最终糊剂球磨30分钟。通过刮刀刮涂覆而将具有20与30μm之间厚度的涂层沉积在一个铜箔上。该糊剂的第一干燥使用一个常规的热空气加热炉来完成但是还可以在室温下或者通过以下方式来完成：使用真空烘箱、输送式加热炉、在一个加热的表面上干燥、使用红外线辐射干燥、使用远红外辐射干燥、使用感应系统干燥、涂覆在一个经加热的电极上、在惰性气氛中干燥。该干燥方法、温度以及顺序影响在所干燥电极中的糊剂的稳定性、内应力以及可能的开裂。最后在一个手套箱中使用Li箔作为对电极来制备纽扣电池型电池。电池试验在电极上在以下条件下进行：以C/20的速率在0.01与1.0V之间循环，其中C被定义为每小时3572mAh/g速率的充电/放电。
表1给出了第一放锂步骤容量的概括。表中的数值是3个纽扣电池的平均值。测量了3700mAh/g硅的容量，并且在第一循环之后获得了非常低的小于8%的不可逆容量（表1和图2）。
对照实例CE 2
硅粉末在如实例1中所描述的60kW的射频（RF）电感耦合等离子体（ICP）中生产。然而急冷之后，在500°C的温度下在5分钟时间通过加入150L/h的含有0.15摩尔%氧的一种N2/O2混合物而施加一个修改的钝化步骤。
该粉末具有立方晶相以及40±2m2/g的比表面积（如通过BET技术测量的），这对应约60nm的平均一次粒径。化学分析示出了氧含量是6.8wt%，同时TEM表征示出了存在具有2-5nm厚度的薄的非晶相SiOx表面层。
如实例1中所描述的，制备一种糊剂并且制造纽扣电池并且进行试验。测量了3500mAh/g硅的放锂容量，在第一循环（参见表1）之后获得了573mAh/g（14%）的不可逆容量，这被认为过高。
对照实例CE 3-4
购买两种可商购的硅样品，并且氧含量分别是19.3wt%（对照实例3从Kaier,CN获得，具有20m2/g的BET值以及130nm的评估的平均一次粒径）以及25wt%（对照实例4从Aldrich,US获得，具有34m2/g的BET值以及75nm的评估的平均一次粒径）。对照实例3的表面层的平均厚度是15nm（表面层厚度以及氧含量彼此相关）。如实例1中所描述的，制备一种糊剂并且制造纽扣电池并且进行试验。这产生了分别是2800和1500mAh/g硅（参见表1）的低的放锂容量。此外，在第一循环之后获得了600mAh/g（17%）（对照实例3）以及644mAh/g（30%）（对照实例4）的高可逆容量值，这高于实例1。
表1纽扣电池试验结果概述
Figure BDA00002654928500081
图2示出了对于第一循环在实例1以及对照实例4的纽扣电池的电极中硅的容量（mAh/g）。
实例5
在稳定性实验中对粉末随时间以及温度变化的稳定性进行检查。将实例1中获得的粉末在空气中在不同的温度下退火1小时并且通过化学分析测量产生的粉末的氧含量。图3中展示了在空气中高达700°C下氧水平仍然是稳定的，这之后发生了高达50wt%的氧的剧烈增加。图3中，氧水平（实线）是在左侧按wt%计，同时对应的BET值（按m2/g计-虚线）显示在右侧，两者均随着按°C计的温度而变化。
如在图4中所展示的，在室温下，没有观察到氧水平随着时间变化的显著增加，其中氧水平（按wt%计）对于按天数计的时间示出。
虽然为了说明本发明的这些原理的应用，以上已经对本发明的具体的实施方案和/或详细内容进行了展示和描述，应当理解的是在不偏离这些原理下，本发明应该如在权利要求书中的更完全的描述或如在其他方面本领域的普通技术人员的所知的（包括任何和所有的等效物）来体现。

Claims (16)

1.一种具有在20nm与200nm之间的平均一次粒径的亚微米级的Si基粉末，其中该粉末具有一个包括SiOx的表面层，其中0<x<2，该表面层具有的平均厚度在0.5nm和10nm之间，并且其中该粉末在室温下具有的总氧含量是等于或小于按重量计3%。
2.如权利要求1所述的亚微米级的Si基粉末，其中该表面层具有的厚度在0.5nm与5nm之间。
3.如权利要求1所述的亚微米级的Si基粉末，该粉末具有一个经氧化的包含SiOx的表面层，其中1≤x<2。
4.如权利要求1至3中任一项所述的亚微米级的Si基粉末，该粉末具有至少98原子%的Si的纯度。
5.如权利要求1至4中任一项所述的亚微米级的Si基粉末，该粉末在大气条件下并且在空气中在500°C下老化1小时之后具有的总氧含量是小于按重量计4%。
6.如权利要求1至5中任一项所述的亚微米级的Si基粉末，该粉末在大气条件下并且在空气中在700°C老化1小时之后具有的总氧含量是小于按重量计5%。
7.如权利要求1至6中任一项所述的亚微米级的Si基粉末，进一步包括一种选自下组的元素M，该组由以下各项组成：过渡金属类、类金属类、第IIIa族元素、以及碳。
8.如权利要求7所述的亚微米级的Si基粉末，其中M包括一种亦或多种下组中的元素，该组由以下各项组成：镍、铜、铁、锡、铝、以及钴。
9.如权利要求1至8中任一项所述的亚微米级的Si基粉末在锂离子二次电池中作为负极材料的用途。
10.一种用于制造根据权利要求1至8中任一项所述的Si基粉末的方法，该方法包括以下步骤：
提供一种Si基前体，
提供一种在至少1727°C的温度下的气体流，
将该Si基前体注入该气体流中，由此蒸发该Si前体，
将携带该蒸发的Si前体的气体流急冷到1327°C的温度之下，由此获得亚微米级的Si颗粒，
将这些亚微米级的Si颗粒在一种含氧的气体中在低于700°C、优选低于450°C的温度下钝化，并且
从该气体流中分离出这些Si颗粒。
11.根据权利要求10所述的方法，其中该钝化步骤在室温与100°C之间的温度下进行。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中该气体流通过气体燃烧器、氢气燃烧器、RF等离子体或DC电弧等离子体之一来提供。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中该钝化步骤是在一种含氧的气体中进行的，该含氧的气体包括除氧气之外的下组中的一种亦或多种，该组由以下各项组成：Ar、N2、H2、CO、以及CO2。
14.根据权利要求13所述的方法，其中该含氧的气体是具有按重量计小于1%的氧的一种氧气与氮气的混合物。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，其中该钝化步骤进行了小于60分钟、并且优选地小于10分钟的时段。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其中在一个射频电感耦合等离子体中提供该气体流，并且其中该气体流包括氩气。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105453314A (zh) * 2013-08-05 2016-03-30 昭和电工株式会社 锂离子电池用负极材料和其用途
CN105474437A (zh) * 2013-08-05 2016-04-06 昭和电工株式会社 复合体的制造方法和锂离子电池用负极材料
CN105900269A (zh) * 2014-01-09 2016-08-24 昭和电工株式会社 锂离子二次电池用负极活性物质
CN109843799A (zh) * 2016-08-23 2019-06-04 奈克松有限公司 二次电池用硅类活性物质粒子及其制备方法
CN109994717A (zh) * 2018-01-03 2019-07-09 三星电子株式会社 含硅复合物及其制备方法、各自包括其的碳复合物、电极、锂电池和设备
CN115053364A (zh) * 2020-02-21 2022-09-13 尤米科尔公司 在蓄电池的负电极中使用的粉末、用于制备此类粉末的方法以及包含此类粉末的蓄电池

Families Citing this family (40)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5776888B2 (ja) * 2011-05-25 2015-09-09 日産自動車株式会社 電気デバイス用負極活物質
GB2492167C (en) 2011-06-24 2018-12-05 Nexeon Ltd Structured particles
WO2013006065A1 (en) 2011-07-01 2013-01-10 Fisher & Paykel Healthcare Limited Nasal mask interface assembly
CA2752844A1 (en) 2011-09-19 2013-03-19 Hydro-Quebec Method for preparing a particulate of si or siox-based anode material, and material thus obtained
EP2792002A1 (en) 2011-12-14 2014-10-22 Umicore Positively charged silicon for lithium-ion batteries
KR20140133529A (ko) 2012-01-30 2014-11-19 넥세온 엘티디 에스아이／씨 전기활성 물질의 조성물
EP2690689A1 (en) * 2012-07-25 2014-01-29 Umicore Low cost Si-based negative electrodes with enhanced cycling performance
BR112015003794A2 (pt) 2012-08-21 2017-07-04 Kratos LLC partículas funcionalizadas do grupo iva e métodos de uso destas
US9461309B2 (en) * 2012-08-21 2016-10-04 Kratos LLC Group IVA functionalized particles and methods of use thereof
JP6010429B2 (ja) * 2012-11-08 2016-10-19 信越化学工業株式会社 非水電解質二次電池用負極活物質用の珪素含有粒子の製造方法、非水電解質二次電池用負極材の製造方法、及び非水電解質二次電池の製造方法
KR101944154B1 (ko) 2012-12-20 2019-01-30 유미코아 재충전식 배터리용 음극 재료 및 이의 제조 방법
DE102014200088A1 (de) * 2014-01-08 2015-07-09 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Anodenmaterial für Lithiumionenbatterien
JP6202106B2 (ja) 2014-01-24 2017-09-27 日産自動車株式会社 電気デバイス
WO2015111187A1 (ja) 2014-01-24 2015-07-30 日産自動車株式会社 電気デバイス
KR101898359B1 (ko) * 2014-02-04 2018-09-12 미쓰이 가가쿠 가부시키가이샤 리튬이온 이차 전지용 음극, 리튬이온 이차 전지, 리튬이온 이차 전지용 음극용 합재 페이스트 및 리튬이온 이차 전지용 음극의 제조 방법
KR101567203B1 (ko) 2014-04-09 2015-11-09 (주)오렌지파워 이차 전지용 음극 활물질 및 이의 방법
KR101604352B1 (ko) 2014-04-22 2016-03-18 (주)오렌지파워 음극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
EP2966710A1 (en) 2014-07-08 2016-01-13 Umicore SA A plurality of silicon domains and the use thereof, a composite particle made thereof, and an electrode for a battery
EP2966037A1 (en) 2014-07-08 2016-01-13 Umicore SA A composite particle comprising a carbon-based matrix and silicon particles embedded therein, a powder consisting of such composite particles, use of such composite particles and an electrode for a battery
GB2533161C (en) 2014-12-12 2019-07-24 Nexeon Ltd Electrodes for metal-ion batteries
KR101614016B1 (ko) 2014-12-31 2016-04-20 (주)오렌지파워 실리콘계 음극 활물질 및 이의 제조 방법
JP6459700B2 (ja) * 2015-03-26 2019-01-30 株式会社豊田自動織機 アモルファス含有Ｓｉ粉末を含む負極及び二次電池、並びにこれらの製造方法
EP3133690A1 (en) 2015-07-20 2017-02-22 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Silicon-carbon composite particulate material
US10953469B2 (en) 2016-04-21 2021-03-23 Tokuyama Corporation Method of producing metal powder
WO2018009484A1 (en) 2016-07-05 2018-01-11 Kratos LLC Passivated pre-lithiated micron and sub-micron group iva particles and methods of preparation thereof
KR101918815B1 (ko) 2016-08-23 2018-11-15 넥시온 엘티디. 이차 전지용 음극 활물질 및 이의 제조 방법
CN109843798A (zh) 2016-10-25 2019-06-04 瓦克化学股份公司 硅颗粒的改性方法
CN110121800A (zh) 2016-11-11 2019-08-13 昭和电工株式会社 负极材料及锂离子电池
EP3589438A4 (en) * 2017-03-03 2020-09-30 Hydro-Québec NANOPARTICLE WITH A CORE COATED WITH A PASSIVATION LAYER, METHOD OF MANUFACTURING AND USES THEREOF
US11637280B2 (en) 2017-03-31 2023-04-25 Kratos LLC Precharged negative electrode material for secondary battery
KR102487626B1 (ko) 2017-07-12 2023-01-12 삼성에스디아이 주식회사 리튬 이차 전지용 음극 활물질, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
JPWO2019031597A1 (ja) 2017-08-10 2020-02-27 昭和電工株式会社 リチウムイオン二次電池用負極材料およびリチウムイオン二次電池
WO2019069668A1 (ja) 2017-10-05 2019-04-11 昭和電工株式会社 リチウムイオン二次電池用負極材料、その製造方法、負極用ペースト、負極シート及びリチウムイオン二次電池
WO2019154787A1 (en) * 2018-02-07 2019-08-15 Umicore Silicon-based powder, electrode and battery comprising such a powder
AU2019263820A1 (en) * 2018-04-29 2020-11-26 Bosquet Silicon Corp. Composite composition
JP7030970B2 (ja) * 2018-07-25 2022-03-07 ワッカー ケミー アクチエンゲゼルシャフト シリコン粒子の熱処理
CN111668466A (zh) * 2020-06-16 2020-09-15 清华大学深圳国际研究生院 可控硅包覆重量的硅碳负极材料及其制造方法
KR20230117427A (ko) * 2020-12-10 2023-08-08 자미르 이자코비치 벡보에브 다공성 나노실리콘의 생산 방법
EP4079687A1 (en) * 2021-04-21 2022-10-26 Cenate AS Monolayer coating of silicon nano particles
EP4345940A1 (en) 2022-09-27 2024-04-03 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Negative electrode for li-ion battery

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004331480A (ja) * 2003-05-12 2004-11-25 Denki Kagaku Kogyo Kk ＳｉＯｘ粒子、その製造方法及び用途
CN1615271A (zh) * 2002-01-10 2005-05-11 电气化学工业株式会社 高纯度·超微粉SiOx粉及其制造方法
WO2006009881A2 (en) * 2004-06-18 2006-01-26 Innovalight, Inc. Process and apparatus for forming nanoparticles using radiofrequency plasmas
CN1761086A (zh) * 2004-11-11 2006-04-19 松下电器产业株式会社 用于锂离子二次电池的负极、其制造方法以及包含所述负极的锂离子二次电池
CN1787253A (zh) * 2004-12-16 2006-06-14 松下电器产业株式会社 用于锂离子二次电池的负电极、其制造方法及含有该负电极的锂离子二次电池
JP2008221034A (ja) * 2007-03-08 2008-09-25 Konica Minolta Medical & Graphic Inc 半導体ナノ粒子の製造方法および半導体ナノ粒子
EP1978072A1 (en) * 2006-01-27 2008-10-08 Konica Minolta Medical & Graphic, Inc. Semiconductor nanoparticle having core/shell structure and process for producing the same

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4217334A (en) * 1972-02-26 1980-08-12 Deutsche Gold- Und Silber-Scheideanstalt Vormals Roessler Process for the production of chlorosilanes
US4868013A (en) * 1987-08-21 1989-09-19 Ethyl Corporation Fluidized bed process
EP1313158A3 (en) * 2001-11-20 2004-09-08 Canon Kabushiki Kaisha Electrode material for rechargeable lithium battery, electrode comprising said electrode material, rechargeable lithium battery having said electrode , and process for the production thereof
EP2086671B1 (en) 2006-12-01 2010-03-17 Umicore Process for the manufacture of nano-sized powders
WO2009050639A1 (en) * 2007-10-16 2009-04-23 Nxp B.V. Particle comprising core and shell and applications thereof
DE102007061618A1 (de) * 2007-12-18 2009-06-25 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Silizium/SiOx/Kohlenstoff-Komposit für Lithiumionenbatterien
WO2009151489A2 (en) * 2008-02-25 2009-12-17 Corning Incorporated Nanomaterial and method for generating nanomaterial
US7851336B2 (en) * 2008-03-13 2010-12-14 Innovalight, Inc. Method of forming a passivated densified nanoparticle thin film on a substrate
JPWO2010016289A1 (ja) 2008-08-06 2012-01-19 コニカミノルタエムジー株式会社 量子ドットを含有する蛍光標識剤
EP2332164A1 (en) * 2008-09-03 2011-06-15 Dow Corning Corporation Low pressure high frequency pulsed plasma reactor for producing nanoparticles
JP2012524022A (ja) * 2009-04-20 2012-10-11 エーイー ポリシリコン コーポレーション 高純度ポリシリコンの製造方法及び装置
KR101906973B1 (ko) * 2012-12-05 2018-12-07 삼성전자주식회사 표면 개질된 음극 활물질용 실리콘 나노입자 및 그 제조방법

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1615271A (zh) * 2002-01-10 2005-05-11 电气化学工业株式会社 高纯度·超微粉SiOx粉及其制造方法
JP2004331480A (ja) * 2003-05-12 2004-11-25 Denki Kagaku Kogyo Kk ＳｉＯｘ粒子、その製造方法及び用途
WO2006009881A2 (en) * 2004-06-18 2006-01-26 Innovalight, Inc. Process and apparatus for forming nanoparticles using radiofrequency plasmas
CN1761086A (zh) * 2004-11-11 2006-04-19 松下电器产业株式会社 用于锂离子二次电池的负极、其制造方法以及包含所述负极的锂离子二次电池
CN1787253A (zh) * 2004-12-16 2006-06-14 松下电器产业株式会社 用于锂离子二次电池的负电极、其制造方法及含有该负电极的锂离子二次电池
EP1978072A1 (en) * 2006-01-27 2008-10-08 Konica Minolta Medical & Graphic, Inc. Semiconductor nanoparticle having core/shell structure and process for producing the same
JP2008221034A (ja) * 2007-03-08 2008-09-25 Konica Minolta Medical & Graphic Inc 半導体ナノ粒子の製造方法および半導体ナノ粒子

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LI-FENG CUI等: "Crystalline-Amorphous Core−Shell Silicon Nanowires for High Capacity and High Current Battery Electrodes", 《NANO LETTERS》, vol. 9, no. 1, 23 December 2008 (2008-12-23), pages 491 - 495, XP007913274, DOI: doi:10.1021/nl8036323 *

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10693135B2 (en) 2013-08-05 2020-06-23 Showa Denko K.K. Method for producing composite, and negative electrode material for lithium ion battery
CN110098399A (zh) * 2013-08-05 2019-08-06 优美科公司 复合体的制造方法和锂离子电池用负极材料
CN105453314A (zh) * 2013-08-05 2016-03-30 昭和电工株式会社 锂离子电池用负极材料和其用途
CN105453314B (zh) * 2013-08-05 2017-10-20 昭和电工株式会社 锂离子电池用负极材料和其用途
US10109848B2 (en) 2013-08-05 2018-10-23 Showa Denko K.K. Negative electrode material for lithium ion batteries and use thereof
CN110098399B (zh) * 2013-08-05 2022-08-23 优美科公司 复合体的制造方法和锂离子电池用负极材料
CN105474437A (zh) * 2013-08-05 2016-04-06 昭和电工株式会社 复合体的制造方法和锂离子电池用负极材料
CN105900269B (zh) * 2014-01-09 2019-03-29 昭和电工株式会社 锂离子二次电池用负极活性物质
CN105900269A (zh) * 2014-01-09 2016-08-24 昭和电工株式会社 锂离子二次电池用负极活性物质
CN109843799A (zh) * 2016-08-23 2019-06-04 奈克松有限公司 二次电池用硅类活性物质粒子及其制备方法
CN109843799B (zh) * 2016-08-23 2022-10-14 奈克松有限公司 二次电池用硅类活性物质粒子及其制备方法
CN109994717A (zh) * 2018-01-03 2019-07-09 三星电子株式会社 含硅复合物及其制备方法、各自包括其的碳复合物、电极、锂电池和设备
CN115053364A (zh) * 2020-02-21 2022-09-13 尤米科尔公司 在蓄电池的负电极中使用的粉末、用于制备此类粉末的方法以及包含此类粉末的蓄电池
CN115053364B (zh) * 2020-02-21 2024-01-30 尤米科尔公司 在蓄电池的负电极中使用的粉末、用于制备此类粉末的方法以及包含此类粉末的蓄电池

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Publication number Publication date
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KR101439726B1 (ko) 2014-09-12
US10181600B2 (en) 2019-01-15
EP2588409A1 (en) 2013-05-08

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