JP2012525502A5

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Publication number: JP2012525502A5
Application number: JP2012508481A
Authority: JP
Filing date: 2010-04-29
Publication date: 2015-07-02
Anticipated expiration: 2030-04-29

Description

図１を参照する。例示的な一態様で、ターゲット元素材料であるシリコンを、原料化合物である二酸化シリコンから直接的に製造するために構成された電解採取システム１０が、アノード２０、カソード３０、及び原料化合物が溶解している介在する液体電解質４０を含む。アノード２０は、イオン伝導性の膜４５によって電解質４０から分離されている。電解質４０は、蓋部６２によって覆われた容器６０によって収容されている。外部回路６５は、システム１０の操作の際に、電子をアノード２０から受容して電子をカソード３０へ運搬するように構成されている。電解質４０並びに電極２０及び３０は、シリコンの融点（１４１４℃）未満の操作温度、例えば約９００℃〜１３００℃に維持されていてよい。

外部回路６５は、カソード３０とアノード２０との間にＤＣ電圧を付与し、それにより、電解質４０中の二酸化シリコンの電解を誘導するように操作される。酸素アニオンは、膜４５を通ってアノード２０へと拡散し、そこで気体酸素が形成され、電子が放出され、当該電子は外部回路６５へと移動する。気体酸素は、チューブの開いた端部７４を通って容器６０を出て行く。同時に、電子は、カソード３０へと、そして当該カソード３０を通って電解質４０との界面へと運搬される。図２を参照すると、電解質４０中の種がそれにより還元されて、固体材料９２、つまりシリコンを含む生成物が、カソード３０の表面３３にわたって、移動する生成物−電解質界面９３の後ろに堆積している。堆積した固体材料９２はその後、カソード３０の一部として機能する。

生成回路２６５が開いている場合には、予備回路２７５は、電子を予備カソード２５０へ提供して電子をアノード２２０から抽出するように操作され、それにより、電解質２４０中の１つ以上の化合物、例えば構成成分酸化物が電気分解される。化合物が含有している不純物元素材料が、予備カソード２５０上に堆積する（ステップ３０２）。同時に、電解質２４０からの種がアノード２２０で酸化される。図１０を参照すると、電解質２４０中の、不純物を含有する種が予備カソード２５０で還元されると、固体材料２８２が、表面２５３にわたって、前進するカソード／電解質界面２８３の後ろに得られ、その後、予備カソード２５０の一部として機能する。

生成回路２６５は、電子をアノード２２０から抽出し、電子を生成カソード２３０に供給するよう操作され、それにより、電解質２４０中の原料化合物が電気分解される。ターゲット元素材料が、生成カソード２３０上に堆積する（ステップ３０４）。図１１を参照すると、固体材料２９２、つまりターゲット元素材料を含む生成物が、生成カソード２３０の表面２３３にわたり、前進するカソード／電解質界面２９３の後ろに得られ、その後、生成カソード２３０の一部として機能する。固体材料２９２は、ターゲット元素材料を所望の高い純度で含む。例示的には、ターゲット元素材料は、固体材料２９２の少なくとも９９重量％、９９．９重量％、９９．９９重量％、９９．９９９重量％又は９９．９９９９重量％を成す。ターゲット元素材料の堆積は、例えば、蓄積された固体材料２９２が十分な質量となるまで、ターゲット元素材料より電気陰性の小さい不純物が生成カソード２３０上に、許容できない速度で共堆積し始めるまで、又は電解質２４０が原料化合物を望ましくない低い濃度で含むまで、続けることができる。

Claims

化合物から元素材料を電解採取する方法であって、
前記化合物が溶解している液体電解質を提供し、
前記電解質と電気的に接触する第１のカソードを提供し、
前記電解質と電気的に接触するアノード電解質を提供し、
電子を前記アノードから抽出して電子を前記第１のカソードに供給し、それにより、前記電解質からの不純物を含む固体材料を前記第１のカソード上へ堆積させ、それにより、前記不純物の前記電解質を消費させ、
前記電解質と電気的に接触する第２のカソードを提供し、
電子を前記アノードから抽出して電子を前記第２のカソードへ供給し、それにより、少なくとも９９％が前記元素材料である固体生成物を、前記消費された電解質から前記第２のカソード上へ堆積させることを含む、方法。
前記固体生成物を前記第２のカソード上へ堆積する際に、前記アノードと前記電解質との間に介在した膜が、アニオンを前記電解質から前記アノードへ運び、
さらに、電子を前記第２のカソードから抽出して電子を前記液体電解質と接触している対向カソードに提供する際に、前記アノードを電気的に隔離することを含み、それにより、前記堆積させた固体生成物の一部を前記第２のカソードから電気溶解し、前記元素材料を含む固体材料が対向カソード上にめっきすることを含む、請求項１に記載の方法。
前記固体生成物が前記第２のカソード上へ堆積する前に、前記第１のカソード上への堆積を停止し、
物質が前記第１のカソードから溶解又は前記第１のカソード上に堆積しないように、前記第１のカソードと前記アノードとの間で電位を加えることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記固体生成物を前記第２のカソード上に堆積させる前に、前記第１のカソードを前記電解質から取り除くことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記元素材料が、ニオブ、銅、タンタル、ネオジム及びプラセオジムのうちの１つである、請求項１に記載の方法。
前記元素材料がシリコンである、請求項１に記載の方法。
不純物を含む前記固体材料が、前記第１のカソード上に、所定の組成を有する表面にわたり堆積され、
前記固体生成物が、前記第２のカソード上に、所定の組成を有する表面にわたり堆積され、
前記第２のカソードの前記表面の前記組成が、前記第１のカソードの表面の前記組成と異なる、請求項１に記載の方法。
前記元素材料が、不純物を含む前記固体材料が堆積される表面で、前記第１のカソードの５０％未満を構成する、請求項１に記載の方法。
前記第１及び第２のカソード上への各堆積の際に、前記アノードと前記電解質との間に介在する膜が、アニオンを前記電解質から前記アノードへと運ぶ、請求項１に記載の方法。
前記固体生成物を前記第２のカソード上に堆積させた後、
前記第２のカソード上への堆積を停止し、
前記電解質中の前記化合物の増分を溶解し、
不純物を含む固体材料の、前記第１のカソード上への堆積を再開することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
二酸化シリコンからシリコンを電解採取する方法であって、
少なくとも２つの金属フッ化物の液体電解質を提供し、当該金属フッ化物が、前記液体電解質、二酸化シリコン及びアルミニウム酸化物の少なくとも６０重量％を構成し、
カソードを前記液体電解質中に配置し、
酸素アニオンを誘導可能な膜によって前記液体電解質から分離したアノードを提供し、
電子を前記アノードから抽出して電子を前記カソードへ供給し、それにより、固体材料を前記電解質から前記カソード上へ堆積させ、シリコンが前記固体材料の５０重量％を超える量を成す、方法。
二酸化シリコンが、前記液体電解質の５重量％〜１５％を構成する、請求項１１に記載の方法。
アルミニウム酸化物が、前記液体電解質の１０重量％を超える量を成す、請求項１１に記載の方法。
前記カソードが予備カソードであり、前記固体材料が、シリコンより電気陰性の大きい不純物を含み、
前記予備カソード上への堆積を停止し、
生成カソードを前記液体電解質内に配置し、
電子を前記アノードから抽出して電子を前記生成カソードへ供給し、それにより、前記生成カソード上に前記固体生成物を形成し、シリコンが、前記固体生成物の少なくとも９９．９９９重量％を成すことをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
前記液体電解質が構成成分酸化物を含み、前記固体材料の前記電解質からの前記予備カソード上への堆積において、前記構成成分酸化物の約１％までが電気分解される、請求項１４に記載の方法。
前記固体材料が、前記予備カソード上に５０％以下のシリコンの組成を有する表面にわたり堆積され、前記固体生成物が、前記生成カソード上に、前記予備カソードの前記表面の前記組成とは異なる組成を有する表面にわたり堆積されている、請求項１４に記載の方法。
不活性気体を前記電解質に通過させ、ホウ素化合物が、前記不活性気体により前記電解質を出て行き、ホウ素が、前記固体材料の０．００１重量％未満を成すことをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
前記膜が、前記電解質から前記アノードへイオンを運び、
電子を前記カソードから抽出して電子を前記液体電解質と接触している対向カソードに供給する間、前記アノードを電気的に隔離し、それにより、前記堆積させた固体材料の一部を前記カソードから電気溶解し、シリコンを前記対向カソード上にめっきすることをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
化合物から元素材料を電解採取する方法であって、
前記化合物が溶解している液体電解質を提供し、
前記液体電解質と接触するカソードを提供し、
イオンを前記電解質から誘導する膜によって前記液体電解質から隔離されているアノードを提供し、
堆積−溶解サイクルを実施することを含み、当該堆積−溶解サイクルが、
第１のインターバルの際に、電子を前記アノードから抽出して電子を前記カソードへ供給し、それにより、固体生成物を堆積させ、前記元素材料が、前記カソード上に堆積させた前記固体生成物の少なくとも９９％を構成し、
第２のインターバルの際、電子を前記カソードから抽出して電子を前記液体電解質と接触している対向カソードへ供給する際に、前記アノードを電気的に隔離しており、それにより、前記堆積させた固体生成物の一部を前記カソードから電気溶解し、前記元素材料を前記対向カソード上に含む固体材料をめっきすることを含む、方法。
前記第２のインターバルの際に、樹状突起が、前記カソード上に堆積させた前記固体生成物から除去される、請求項１９に記載の方法。
前記対向カソードが、前記カソードと前記膜との間に介在している、請求項１９に記載の方法。
追加的な堆積−溶解サイクルを実施することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
前記追加的な堆積−溶解サイクルを実施する前に、前記対向カソードを、前記液体電解質との接触から取り除くことをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
前記堆積−溶解サイクルが、前記第２のインターバル後、前記カソードと前記対向カソードとの間に印加された前記電位差の前記極性を逆にし、それにより、めっきされた固体材料を前記対向カソードから電気溶解することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
前記第１のインターバルの長さが、前記第２のインターバルの長さの２〜２００倍である、請求項１９に記載の方法。
化合物から元素材料を電解採取する方法であって、
前記化合物が溶解している液体電解質を提供し、
軸線及び電解質と電気的に接触している表面を有するアノードを提供し、
複数のカソードを前記アノードの周りに、等しい角度間隔で且つそれぞれ前記アノードから等しい距離で配置し、この場合、
前記カソードが、各軸線及び電解質と電気的に接触している各表面を有し、
前記カソードの前記表面の前記各面積の合計が、前記アノードの前記表面の前記面積の少なくとも４倍であり、
前記アノード及びカソードがゾーンを画定しており、
前記液体電解質を前記各カソードの周りで同時に撹拌し、同時に電子を前記アノードから抽出して電子を前記カソードに提供し、それにより、前記元素材料を含む固体材料を各カソードの前記表面上に堆積させることを含む、方法。
前記液体電解質を撹拌することが、前記カソードを、その各軸線の周りで回転させることによって達成される、請求項２６に記載の方法。
前記カソードが、それらの各軸線の周りを同時に毎秒１〜２０回転する、請求項２７に記載の方法。
前記液体電解質を撹拌することが、前記カソードの周りで不活性気体を発泡させることによって達成される、請求項２６に記載の方法。
前記アノードと前記カソードとの間に複数の対向カソードを堆積し、前記対向カソードが、前記アノードの周りに等しい角度間隔で且つ前記アノードからのそれぞれ等しい距離で配置されており、
前記固体材料を前記カソード上に堆積させた後、電子を前記カソードから抽出して電子を前記対向カソードに供給する際に、前記アノードを電気的に隔離し、それにより、堆積させた物質を前記カソードから電気溶解させることをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
前記液体電解質を撹拌することが、前記アノードの前記軸線に平行なＤＣ磁界によって達成される、請求項２６に記載の方法。
前記元素材料が、第２のカソード上に堆積させた前記固体生成物の少なくとも９９．９９％を構成する、請求項１に記載の方法。
前記電解質が、導電性の容器内に収容されており、前記第２のカソード上への堆積の際に、前記アノードと前記容器との間に電位を付与することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記金属フッ化物が、フッ化アルカリ土類金属である、請求項１１に記載の方法。
前記電解質が、前記液体電解質及び二酸化シリコンの少なくとも６０重量％を構成する少なくとも２つの金属ハロゲン化物を含み、前記アノードが、前記電解質から、酸素アニオンを誘導することができる膜によって隔離されている、請求項６に記載の方法。
電子を前記アノードから抽出して電子を前記第１のカソードに提供することが、外部回路内において前記アノード及び前記第１のカソードを接続するＤＣ定電流源によって達成される、請求項１に記載の方法。
電子を前記第１のカソードに供給すると共に電子を前記アノードから抽出することが、外部回路における前記アノード及び前記第１のカソードを接続するＤＣ定電圧源によって達成される、請求項１に記載の方法。
前記電解質に溶解している前記化合物の少なくとも約９０％が、固体生成物を前記生成物カソード上に堆積させる際に電気分解される、請求項３２に記載の方法。
前記第１のカソードでの、その上での堆積の際の第１の電流密度が、前記第２のカソードでの、その上での堆積の際の第２の電流密度の２５％以下である、請求項１に記載の方法。
前記第１のカソードが、スパイン及び当該スパインから前記液体電解質内へ延びる羽根を有する、請求項１に記載の方法。
前記固体生成物がエピタキシャル堆積物を形成する、請求項３２に記載の方法。