-
HINTERGRUND
-
Durch
SiO dargestelltes Siliciumoxid ist ein allgemein bekanntes Material.
Indem dessen chemische Aktivität
vorteilhaft angewandt wird, wird es beispielsweise zur Synthese
von gewerblich geeigneten Alkylhalogensilanen (Gary N. Bokerman
et al., US-Patent 5.051.247) und zur direkten Synthese von Siloxanen
(Peter L. Timms und William N. Rowlands, EPA 0406000A2, "Polysiloxane oils
and process for their preparation") verwendet. Es wurde auch berichtet,
dass Magnesiumsilicid durch Umsetzung von Siliciumoxid mit Magnesium bei
niedrigen Temperaturen (E. Fuglein und U. Schubert, Chem. Mater.
11, 865–866
(1999)) hergestellt wird.
-
Die
der EP-840386A entsprechende JP-A 9-7638 offenbart indessen, dass
die Verwendung von SiOx als aktives Material der negativen Elektrode
in Lithiumionen-Sekundärzellen
den Einschluss und die Freisetzung von Lithiumionen vereinfacht.
Es wird folglich erwartet, dass Siliciumoxid als zusätzliche
Anwendung als aktives Material der negativen Elektrode in Lithiumionen-Sekundärbatterien
Gebrauch findet.
-
Die
Verwendung von Siliciumoxid- (SiOx-) Pulver als negatives Elektrodenmaterial
in Lithiumionen-Sekundärzellen
führt zu
einer stark erhöhten
Anfangskapazität
wie auch einer schwachen Zyklusleistung.
-
Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Siliciumoxidpulvers,
das als negatives Elektrodenmaterial für eine Lithiumionen-Sekundärzelle verwendet
werden kann, die fähig
ist, eine hohe Kapazität
mit zufrieden stellender Zyklusleistung aufrechtzuerhalten. Andere
Ziele beinhalten die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung
des Siliciumoxidpulvers sowie die Verwendung wie beschrieben.
-
Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass,
wenn ein Siliciumoxidpulver der Formel SiOx, worin x einen Wert
innerhalb eines bestimmten Bereichs aufweist, mit einer bestimmten
spezifischen Oberfläche
als das negative Elektrodenmaterial in einer Lithiumionen-Sekundärzelle verwendet
wird, die Zelle hohe Kapazität
und ausgezeichnete Zyklusleistung aufweist. Die Bedingungen, unter
denen ein Siliciumoxidpulver einer spezifischen Zusammensetzung
mit physikalischen Eigenschaften im gewünschten Bereich hergestellt
werden kann, sind empirisch ermittelt worden.
-
Die
vorliegende Erfindung stellt ein Siliciumoxidpulver bereit, das
durch die Formel SiOx, worin x = 1,05 bis 1,5 ist, dargestellt ist
und eine spezifische Oberfläche
nach dem BET-Verfahren von 5 bis 300 m2/g aufweist.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Siliciumoxidpulver
folgendermaßen
hergestellt: durch Erhitzen eines Rohmaterial-Pulvergemischs, das
zumindest ein Siliciumdioxidpulver umfasst, in einer Inertgasatmosphäre oder
im Vakuum bei einer Temperatur von 1.100 bis 1.600 °C, um SiO-Gas
zu erzeugen, durch kontinuierliches oder diskontinuierliches Zuführen von
Sauerstoffgas zum SiO-Gas,
um ein Gasgemisch zu bilden, und durch Kontaktieren des Gasgemischs
mit einer Oberfläche
eines gekühlten
Substrats, um Siliciumoxidpulver abzuscheiden.
-
Ein
weiterer Aspekt umfasst die Verwendung in einer Lithiumionen-Sekundärzelle eines
solchen Siliciumoxidpulvers als negatives Elektrodenmaterial.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
-
Die
einzige Zeichnung 1 stellt einen schematischen
Querschnitt einer Vorrichtung zur Herstellung von Siliciumoxid gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung dar.
-
BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
-
Das
Siliciumoxidpulver der vorliegenden Erfindung wird durch die Formel
SiOx dargestellt, worin x eine Zahl von 1,05 bis 1,5 ist (d.h. 1,05 ≤ x ≤ 1,5), und
weist eine mittels BET-Adsorptionsverfahren gemessene spezifische
Oberfläche
von 5 bis 300 m2/g auf.
-
Wenn
ein Siliciumoxidpulver der Formel SiOx, worin x weniger als 1,05
ist, als negatives Elektrodenmaterial in einer Lithiumionen-Sekundärzelle verwendet
wird, erhöht
sich die Anfangskapazität
der Zelle zum Nachteil der Zyklusleistung. Wenn x mehr als 1,5 ist,
verbessert sich die Zyklusleistung, was sich nachteilig auf die
Lade/Entlade-Kapazität
auswirkt. Vorzugsweise liegt x in einem Bereich zwischen 1,1 und
1,3.
-
Es
ist nicht gänzlich
klar, warum sich die Leistung einer Lithiumionen-Sekundärzelle mit
dem Wert von x in der Formel SiOx, die das Siliciumoxidpulver darstellt, ändert. Es
wird angenommen, dass mit der Zunahme des x-Werts, der die Menge
atomar dispergierten Sauerstoffs darstellt, das Siliciumoxid hinsichtlich
Volumenausdehnungsprozent bei Einschluss von Lithiumionen reduziert
wird. Dies schränkt
den Zerfall und das Verpulvern des negativen Elektrodenmaterials
durch Wiederholung der Lade/Entlade-Zyklen ein. Dadurch wird die Zyklusleistung
verbessert.
-
Eine
spezifische Oberfläche
nach dem BET-Verfahren von weniger als 5 m2/g
deutet darauf hin, dass Siliciumoxidteilchen eine geringerer Oberflächenaktivität aufweisen.
Wenn dieses Siliciumoxidpulver als negatives Elektrodenmaterial
in einer Lithiumionen-Sekundärzelle
verwendet wird, wird die Menge an Lithiumionen, die in das sowie
aus dem Siliciumoxidpulver wandert, reduziert und in der Folge die
Lade/Entlade-Kapazität verringert.
Wenn die BET-Oberfläche
mehr als 300 m2/g beträgt, sind die Siliciumoxidteilchen
so empfänglich gegenüber Oberflächenoxidation,
dass der SiO2-Anteil und folglich der x-Wert zunimmt,
was zu einer Verminderung der Lade/Entlade-Kapazität führt. Der
bevorzugte Bereich der spezifischen Oberfläche nach dem BET-Verfahren
beträgt
10 bis 200 m2/g.
-
Das
oben definierte Siliciumoxidpulver wird folgendermaßen hergestellt:
durch Erhitzen eines Rohmaterial-Pulvergemischs, das zumindest Siliciumdioxidpulver
umfasst, in einer Inertgasatmosphäre oder im Vakuum bei einer
Temperatur von 1.100 bis 1.600 °C,
um SiO-Gas zu erzeugen, durch kontinuierliches oder diskontinuierliches
Zuführen
von Sauerstoffgas zum SiO-Gas, um ein Gasgemisch zu bilden, und
durch Kontaktieren des Gasgemischs mit einer Oberfläche eines
gekühlten
Substrats, um Siliciumoxidteilchen abzuscheiden.
-
Das
ein Siliciumdioxidpulver enthaltende Rohmaterial-Pulvergemisch ist üblicherweise
ein Gemisch aus Siliciumdioxid und einem Pulver, das fähig ist,
das Siliciumdioxid zu reduzieren. Veranschaulichende Beispiele für das reduzierende
Pulver umfassen metallische Siliciumpulver sowie kohlenstoffhältige Pulver.
Davon wird metallisches Silicium aufgrund der erhöhten Reaktivität und Ausbeuten
bevorzugt. Das hierin verwendete metallische Silicium ist nicht
entscheidend, wobei metallische Siliciumspezies mit hoher Reinheit,
wie z.B. von Halbleiterreinheit, Si von Keramikreinheit oder chemischer
Reinheit, aufgrund der erhöhten
Reinheit des resultierenden Siliciumoxidpulver bevorzugt werden.
Die Mischungsverhältnisse
von Siliciumdioxid und eines reduzierenden Pulvers werden entsprechend
ermittelt, solange eine vollständige
Reduktion gewährleistet
ist.
-
In
einem Ofen wird das Gemisch aus Siliciumdioxid und einem reduzierenden
Pulver erhitzt und bei einer Temperatur von 1.100 bis 1.600 °C, vorzugsweise
1.200 bis 1.500 °C,
gehalten, wodurch SiO-Gas erzeugt wird. Eine Erhitzungstemperatur
von weniger als 1.100 °C
erschwert den Reaktionsablauf und führt zu einer geringeren Produktivität. Wenn
das Rohmaterial-Pulvergemisch auf über 1.600 °C erhitzt wird, schmilzt das
Gemisch und verliert an Reaktivität, und die Wahl der Ofenmaterials
wird zum Problem. Die Atmosphäre im
Inneren des Ofens kann entweder Inertgas oder Vakuum sein, wobei
die Reaktion im Vakuum von Vorteil ist, da die Reaktivität aufgrund
der Thermodynamik höher
ausfällt,
sodass die Reaktion bei geringeren Temperaturen erfolgen kann.
-
Das
durch Erhitzen des Rohmaterial-Pulvergemischs erzeugte SiO-Gas wird
anschließend
zur Abscheidung des Siliciumoxidpulvers über eine Zufuhrleitung in eine
Abscheidungskammer geleitet. Die Zufuhrleitung wird vorzugsweise
erhitzt und bei einer Temperatur von 1.000 bis 1.300 °C, noch bevorzugter
1.100 bis 1.200 °C,
gehalten. Wenn die Temperatur der Zufuhrleitung unter 1.000 °C liegt,
kann sich das SiO-Gas abscheiden und auf der Innenwand der Zufuhrleitung
ansammeln, was eine Betriebsbehinderung darstellt, die schließlich den
stabilen kontinuierlichen Betrieb verlangsamt. Das Erhitzen der
Zufuhrleitung über
1.300 °C führt zu keinen
zusätzlichen
Wirkungen und kann den Energieverbrauch erhöhen.
-
Während das
SiO-Gas zur Abscheidungskammer geleitet wird, wird Sauerstoffgas
dazu zugeführt. Das
Sauerstoffgas kann als solches zugeführt werden, oder es kann ein
Sauerstoffgas enthaltendes Inertgas zugeführt werden. Durch Regelung
des Strömungsgeschwindigkeit
und der Zufuhrzeit des Sauerstoffgases kann der x-Wert im resultierenden
Siliciumoxidpulver (SiOx) eingestellt werden. Es ist nicht entscheidend,
wie das Sauerstoffgas zugeführt
wird, und das Sauerstoffgas kann kontinuierlich oder diskontinuierlich
oder andersartig zugeleitet werden. Es kann jedes beliebige geeignete
Verfahren zur Sauerstoffgaszufuhr gemäß dem jeweiligen Zweck ausgewählt werden.
Wenn Sauerstoffgas SiO-Gas zugeführt
und damit vermischt wird, beträgt
die Temperatur vorzugsweise 800 bis 1.200 °C, insbesondere 900 bis 1.100 °C.
-
Ein
Gasgemisch, das durch Zufuhr von Sauerstoffgas zu SiO-Gas erhalten
wird, wird mit einer Oberfläche
eines Substrats kontaktiert, das im Inneren der Abscheidungskammer
angeordnet ist und mit einem Kühlmittel
gekühlt
ist, wodurch ein Siliciumoxidpulver (SiOx) mit einem vorgegebenen
x-Wert auf dem Substrat abgeschieden wird. Die Temperatur des Substrats
an der Oberfläche
beträgt,
jedoch nicht entscheidend, vorzugsweise 200 bis 400 °C. Bei einer
Substratoberflächentemperatur
unter 200 °C
kann das resultierende Siliciumoxidpulver eine spezifische Oberfläche nach
dem BET-Verfahren von mehr als 300 m2/g
und eine geringere Reinheit aufweisen. Bei einer Substratoberflächentemperatur
von über
400 °C kann
das resultie rende Siliciumoxidpulver hingegen eine spezifische Oberfläche nach
dem BET-Verfahren
von weniger als 5 m2/g und eine geringere
Aktivität
aufweisen.
-
Das
Kühlmittel
zum Kühlen
des Substrats wird, jedoch nicht entscheidend, aus Flüssigkeiten,
wie z.B. Wasser, sowie Wärmeübertragungsmedien
und Gasen, wie z.B. Luft und Stickstoffgas, ausgewählt. Der
Substrattyp ist nicht entscheidend, wobei die Verwendung hochschmelzender
Metalle, wie z.B. Edelstahl, Molybdän und Wolfram, aufgrund der
einfachen Verarbeitung bevorzugt wird.
-
Es
ist nicht gänzlich
klar, warum sich die spezifische BET-Oberfläche des Siliciumoxidpulvers
mit der Substratoberflächentemperatur ändert. Mit
steigender Substratoberflächentemperatur
werden die Oberflächen der
Abscheidungen ausreichend aktiv, damit diese zur Konsolidierung
miteinander verschmolzen werden, was zu einer Verringerung der spezifischen
Oberfläche
nach dem BET-Verfahren führt.
-
Das
so auf dem Substrat abgeschiedene Siliciumoxidpulver wird durch
geeignete Mittel, wie z.B. mittels Schaber, gewonnen. Nach der Gewinnung
wird das Siliciumoxidpulver bei Bedarf in einer geeigneten Vorrichtung,
wie z.B. einer Kugelmühle,
auf eine gewünschte
Teilchengröße pulverisiert.
-
Im
Folgenden wird eine Vorrichtung zur Verwendung in der Praxis des
erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Herstellung eines Siliciumoxidpulvers beschrieben. Bezugnehmend
auf 1 wird eine Vorrichtung, die allgemein als 1 bezeichnet
wird, gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung veranschaulicht. Die Vorrichtung 1 umfasst
einen Reaktionsofen 10 und eine Abscheidungskammer 20,
die über
eine Überführungsleitung 30, die über ein
darin eingebautes Heizelement 31 verfügt, verbunden sind. Im Reaktionsofen 10 ist
eine Muffel 11 angeordnet, die von einem Heizelement 12 umgeben
ist. Ein Wärmeisolator 13 ist
um das Heizelement 12 angeordnet.
-
Die
Muffel 11 definiert eine darin vorliegende Reaktionskammer 14.
Im Inneren der Reaktionskammer 14 ist ein Behälter 16 zur
Aufnahme eines Rohmaterial-Pulver gemischs 15 angeordnet,
das ein Siliciumdioxidpulver enthält. Das Heizelement 12 dient
dazu, das Rohmaterial-Pulvergemisch 15 im Behälter 16 auf
eine vorgegebene Temperatur zu erhitzen, wodurch ein Siliciumoxidgas
erzeugt wird, das anschließend
in die Abscheidungskammer 20 über eine mit der Muffe 11 verbundene Überführungsleitung 30 zugeführt wird.
-
In
der Abscheidungskammer 20 sind ein Substrat 21 und
ein Heizelement 22 zum Erhitzen des Inneren der Kammer 20 angeordnet.
An die Abscheidungskammer 20 sind ein Gaseinlassrohr 23 zum
Zuführen von
Sauerstoffgas in die Kammer 20 und eine Vakuumpumpe 24 zur
Evakuierung und Aufrechterhaltung des Vakuums im Inneren des Geräts angeschlossen.
-
Das
Substrat 21 ist in seinem Inneren mit Kühlungskanälen (nicht angeführt) bereitgestellt,
woran ein Kühlmitteleinlassrohr 25 und
ein Kühlmittelauslassrohr 26 angeschlossen
sind.
-
Das über eine
Zufuhrleitung 30 in die Abscheidungskammer 20 zugeführte Siliciumoxidgas
wird mit Sauerstoffgas aus dem Einlassrohr 23 vermischt
und mit der Oberfläche
des gekühlten
Substrats 21 kontaktiert, wodurch es gekühlt und
als Siliciumoxidteilchen abgeschieden wird.
-
BEISPIELE
-
Im
Folgenden sind Beispiele der Erfindung zur Veranschaulichung und
nicht als Einschränkung
angeführt.
-
Beispiel 1
-
Unter
Verwendung der in 1 angeführten Vorrichtung 1 wurde
ein Siliciumoxid(SiOx-) Pulver hergestellt. Das verwendete Rohmaterial-Pulvergemisch 15 war
ein äquimolares
Gemisch aus einem Siliciumdioxidpulver (BET-Oberfläche 200
m2/g) und einem metallischen Siliciumpulver
von keramischer Reinheit (BET-Oberfläche 4 m2/g).
-
Zuerst
wurden 200 g des Rohmaterial-Pulvergemischs 15 in den Reaktionsofen 10 platziert,
dessen Muffel 11 ein Volumen von 6.000 cm3 aufwies.
Die Vakuumpumpe 24 wurde betrieben, um den Reaktionsofen 10 auf
ein Vakuum von 0,1 Torr oder darunter zu evakuieren. Das Heizelement 12 wurde
in Betrieb gesetzt, um den Behälter
auf eine Temperatur von 1.350 °C
zu erhitzen und dabei zu halten. Mit eingeschaltetem Heizelement 31 wurde
die Zufuhrleitung 30 auf eine Temperatur von 1.100 °C erhitzt
und dabei gehalten. Das Heizelement 22 in der Abscheidungskammer 20 wurde
sodann betrieben, um die Kammer 20 auf eine Temperatur von
900 °C zu
erhitzen. Gleichzeitig wurde Wasser mit einer Geschwindigkeit von
5,0 NL/min durch die Kanäle im
Edelstahlsubstrat 21 mit einer Oberfläche von 200 cm2 fließen gelassen,
um die Substratoberfläche
bei einer Temperatur von etwa 280 °C zu halten. Ein 20 % Sauerstoffgas
enthaltendes Argongas wurde mit einer Geschwindigkeit von 50 cm3/min aus dem Gaseinlassrohr 23 kontinuierlich
in die Abscheidungskammer 20 zugeführt.
-
Unter
diesen Bedingungen wurde der Betrieb 5 Stunden lang fortgesetzt,
wonach 160 g SiOx in Form einer schwarzen Masse auf die Oberfläche des
Substrats 21 abgeschieden wurden. Die abgeschiedene Masse
wurde gewonnen und 5 Stunden lang in einer Kugelmühle pulverisiert,
um ein Siliciumoxidpulver zu erhalten. Dieses Siliciumoxidpulver
war ein amorphes Pulver mit einer spezifischen Oberfläche nach
dem BET-Verfahren von 210 m2/g und wurde
durch die Formel SiOx dargestellt, worin x 1,22 ist.
-
Als
Nächstes
wurden 100 Gewichtsteile des so erhaltenen Siliciumoxidpulvers,
90 Gewichtsteile Graphit als Leitmittel und 20 Gewichtsteile Polyvinylidenfluorid
als Bindemittel zusammengeknetet (in N-Methylpyrrolidon als Lösungsmittel).
Ein Teil dieser Verbindung wurde auf ein Edelstahlnetz aufgebracht,
unter Druck daran gebunden und bei 120 °C über Nacht in einem Vakuumtrockner
getrocknet, wodurch eine Elekt rode, die Siliciumoxid enthielt, erhalten
wurde. Die Herstellungsbedingungen und die physikalischen Eigenschaften
des Siliciumoxids sind in Tabelle 1 angeführt.
-
Die
Lade/Entlade-Leistung der Elektrode wurde untersucht. Eine Lithiumionen-Sekundärzelle zur
Bewertung der Elektrode wurde unter Verwendung einer Lithiumfolie
als Gegenelektrode gebaut. Der verwendete nichtwässrige Elektrolyt war eine
nichtwässrige
Elektrolytlösung
von Lithiumphosphorhexafluorid in einem 1:1-Gemisch aus Ethylencarbonat und 1,2-Dimethoxyethan
in einer Konzentration von 1 mol/l. Der verwendete Separator war
ein 30 μm
dicker mikroporöser
Polyethylenfilm.
-
Die
so aufgebaute Lithiumionen-Sekundärzelle wurde über Nacht
bei Raumtemperatur stehen gelassen. Mit einem Sekundärzellen-Lade/Entlade-Tester
(Nagano K.K.) wurde in 10 Zyklen ein Lade/Entlade-Test auf der Zelle
durchgeführt,
wobei die Bedingungen folgende waren: konstante Stromdichte 0,5
mA/cm2, Entladeendspannung 0,003V und Ladeendspannung
1,800V. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angeführt.
-
Beispiele 2 bis 4
-
Siliciumoxidpulver
der Formel SiOx wurden wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme,
dass die Temperatur im Inneren der Abscheidungskammer 20,
die Strömungsgeschwindigkeit
von Wasser durch das Substrat 21 und die Strömungsgeschwindigkeit
von 20 % Sauerstoff enthaltendem Argongas wie in Tabelle 1 verändert wurden.
-
Unter
Verwendung der so erhaltenen Siliciumoxidpulver wurde ein Lade/Entlade-Test
wie in Beispiel 1 durchgeführt.
Die Ergebnisse des Lade/Entlade-Tests sind in Tabelle 2 angeführt.
-
Vergleichsbeispiele 1
bis 4
-
Siliciumoxidpulver
der Formel SiOx wurden wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme,
dass die Temperatur im Inneren der Abscheidungskammer 20,
die Strö mungsgeschwindigkeit
von Wasser durch das Substrat 21 und die Strömungsgeschwindigkeit
von 20 % Sauerstoff enthaltendem Argongas wie in Tabelle 1 verändert wurden.
-
Unter
Verwendung der so erhaltenen Siliciumoxidpulver wurde ein Lade/Entlade-Test
wie in Beispiel 1 durchgeführt.
Die Ergebnisse des Lade/Entlade-Tests sind in Tabelle 2 angeführt.
-
-
-
Es
ist ein Siliciumoxidpulver mit der Formel SiOx, worin x in einem
spezifischen Bereich gehalten wird, beschrieben worden, das als
negatives Elektrodenmaterial ver wendet wird, um eine Lithiumionen-Sekundärzelle mit
hoher Kapazität
und verbesserter Zyklusleistung zu konstruieren. Das Siliciumoxidpulver
kann in industriell akzeptablem Maßstab hergestellt werden.
-
Die
japanische Patentanmeldung 2001-053903 ist hierin durch Verweis
aufgenommen.
-
Obwohl
einige bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben wurden, sind viele Modifizierungen und Variationen im
Lichte der obigen Lehren möglich.
Es versteht sich daher, dass die Erfindung auch anders als spezifisch
in den Beispielen beschrieben in die Praxis umgesetzt werden kann.