JP2014123575A - 多孔性電極活性材料 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】前記ポアのネットワークは、好適には、ポアの三次元配置を含み、粒子全体にわたり、コア開口部が前記粒子の表示全体に2以上の面上に設けられている。本発明の第1の側面の組成物は、電気活性材料であり、リチウムと合金を形成し、リチウム二次電池に使用されるアノードを製造する際に使用され得る。シリコン含有多孔性粒子断片を製造する方法がまた開示される。
【選択図】図1
Description
本発明の第1の側面は、シリコン、スズ、ゲルマニウム、ガリウム、アルミニウム及び鉛からなる群から選択される電気活性材料を含む、複数の電気活性多孔性粒子断片を含む組成物を提供する。好ましくは、前記多孔性粒子断片は、シリコンを含む(以下、シリコン含有多孔性粒子断片を意味するものとする)。用語「多孔性粒子」とは、複数のポア、空隙又はチャンネルを粒子構造内に含み、前記粒子構造内のそれぞれのポア、空隙又はチャンネルは、前記粒子が形成される電気活性材料により定められ、結合され、部分的に結合されるか、又は区切られている、粒子を意味すると理解されるべきである。用語「多孔性粒子」はまた、直線的、分岐又は層状の細長い要素のランダム又は規則的なネットワークを含む粒子状材料を含むものと理解されるべきであり、ここで1以上の離散的又は相互接続された空隙空間又はチャンネルが、前記ネットワークの細長い要素間に定められ;前記細長い要素は適切に、直線的、分岐又は層状のファイバ、チューブ、ワイヤ、ピラーロッド、リボン、又はフレークを含む。
上で示したように、本発明の第1の側面による多孔性粒子断片は、好適には、平均ポア壁又はフラクタル厚さが50nmから2μm、好ましくは100nmから1μm、特には100nmから200nmの範囲である。50nmから2μm、好ましくは100nmから1μm、特に100nmから200nmの範囲のポア壁又はフラクタル厚さを持つ好適な多孔性粒子断片は、本発明の第1の側面の組成物で使用される前記多孔性粒子断片の容積の少なくとも10%を含む。
S=(k/q)*(2.5−ln(p/Nv))を用いて計算され、ここでNv=1.8x1019/cm3、kはボルツマン定数(1.38065x1023J/K)及びqは電子の電荷(1.602176x10−19C)である。前記キャリア密度の計算値を用いて、前記抵抗率は、前記ドーパント密度がキャリア密度に等しいとの前提及び、ASTM標準F723−99に記載された方法の1つを用いて、かつホウ素ドープシリコンについてASTM標準F723−99で与えられた変換ファクタがアルミニウムドープされたシリコンについて使用できるという前提で、推定され得る。ここで与えられる計算のために、ASTMF723−99に記載されたThurberらの「NBS special Publication 400−64 (April 1981)」からの抵抗率−ドーパント密度変換を用いてホウ素ドープシリコンについてグラフを用いた方法が使用される。
本発明の第1の側面の組成物のシリコン含有多孔性粒子断片は、好適には、より大きい多孔性粒子(細長い要素のネットワークを含む多孔性粒子を含む)であって、直径40μmを超え、好ましくは少なくとも60μm、より好ましくは100μmである多孔性粒子から誘導される。1000μm又は1500μmまでの直径を持つ多孔性粒子もまた、本発明の第1の側面の多孔性粒子断片を製造するために使用され得る。好ましくは、前記多孔性粒子断片は、直径40から200μm、好ましくは60から80μm、より好ましくは70から150μm、及び特に好ましくは100から150μmを持つ多孔性粒子(細長い要素のネットワークを含む多孔性粒子を含む)から誘導される。好ましくは、本発明の第1の側面の多孔性粒子断片は、直径60から1500μm、より好ましくは150から1000μmの範囲を持つ多孔性粒子(細長い要素のネットワークを含む多孔性粒子を含む)から製造される。好ましくは、前記断片は、回転楕円状又は非回転楕円状のより大きい多孔性粒子(細長い要素のネットワークを含む多孔性粒子を含む)であって、それ自体、低曲率の1以上の表面を持つ本質的に非回転楕円状形状を持つ多孔性粒子から誘導される。好ましくは、前記断片は、前記最大寸法(通常は長さ)の半分より小さい値である平均最小寸法(ポア壁厚さ又は細長い要素厚さ)を持つ。それ自体前記特定された直径を持つより大きい多孔性粒子から誘導された前記特定されたタイプ及び寸法の粒子断片を用いて製造されたアノードは、バルク及び粉末シリコンアノード及び活性材料として全多孔性粒子を含むアノードと比較して、改善された容量とサイクル特性を持つことが見出された。理論に縛られることなく、本発明の第1の側面による多孔性粒子断片から製造されるアノードノ優れた特性は、全粒子サイズ、表面形態、ポア壁厚さ又は細長い要素厚さ(前記定めた)、形状及びより大きい多孔性粒子から誘導された断片に関連すると考えられる充填密度に部分的により、と考えられる。特に、本発明の第1の側面の多孔性粒子断片は、その非回転楕円形状及び不規則表面形態により、電極構造内での充填密度は、それらが誘導された粒子に比べて断片のより大きく重なるために、それらが誘導された多孔性粒子に比べてより大きくなる、と考えられる。不規則表面形態はまた、電極構造内の前記電気活性及び導電性要素との接続性を、それらが誘導された多孔性粒子に比べて、前記断片の表面上の山や谷構造により生成される追加の接触により、改善すると考えられ、また、前記電極の多孔性に寄与すると考えられる。例えば、40μm未満の平均直径を持つ全多孔性粒子を用いるアノード材料として使用するために好適な多孔性粒子断片を製造することは難しいことが見出された。これは次の理由による:0.2から0.8の範囲の多孔度を持ち40μm未満の直径を持つ全粒子から誘導された多孔性粒子断片については、前記ポアサイズが、電解質を容易に浸透させるには不十分であるか、前記ポア壁厚さが不十分であり、SEI(表面電解質界面)形成により損失を最小化すること、又は前記粒子に、前記電池の充放電サイクルの際にリチウム又は他のイオンのインターネット又は挿入及び放出に伴う応力に耐えるために必要な容量と回復力を与えることができない、からである。多孔度0.2から0.8の範囲で、直径が、40μmを超える、好ましくは60μm、より好ましくは100μm及び特に好ましくは120μm(直径1000μm又は1500μmまで及びを持つ粒子を含む)を超えるより大きい全粒子は、それらのサイズ(それらの直径は、前記電極の厚さよりと同程度か大きい)によりアノード材料として使用するには適切ではないが、それから誘導される断片に関連するポアサイズ及びポア壁厚さは、電解質浸透を容易にし、かつ優れたリチウム貯蔵容量を与える。前記より大きい多孔性粒子内のポアの直径は、40μm未満の直径を持つ全粒子内のそれよりも大きい傾向がある。加えて、前記ポア壁厚さはまたより大きくなる傾向にあり、これはかかるより大きい粒子から誘導される断片は、より小さい粒子に比較して、前記電極構造内でより大きい充填密度、リチウムインターネット又は挿入の容量を持つことを意味し、より回復力を持つ、ということを意味する。容量損失はまた、より厚い断片についてSEI層の形成に利用される単位容積当たりの表面積が減少することにより最小化される。さらに理論にしばられるものではないが、直径が40μmを超える、好ましくは60μm、より好ましくは100μm及び特に好ましくは120μm及び直径1000μm又は1500μmを持つ粒子を含むより粒子から誘導される多孔性粒子断片は、前記全粒子に比べてそのポア内への電解質が浸透するためにより広い開口構造を与え、それらの形状と形が、前記電極複合体での活性粒子のネットワークのよりよい電気接続を促進する、と考えられる。加えて、前記断片の形状と形は、前記電極層のより均一な厚さを与え、より大きい全多孔性粒子から製造される電極に比べてより滑らかな最上部表面を持つ電極を与えることとなる、と考えられる。前記アノード表面を、粒子を破壊することなく巻き取ることがより容易となる(さらに暑さの均一性を改善し、充填密度の制御を可能にする。かかる粒子から誘導された断片から製造される複合電極材料(好適にはアノード材料)は、従って、バルク及び粉末シリコンアノードと比べて改善された容量及びサイクル特性を伴い、かつより大きい回復力を持つ。加えて、活性シリコン体は、実質的に自分自身の容積内に膨張することから(前記ポア含有断片内にポアにより形成された空隙及び前記フラクタルの表面の凹部内に)、個々の粒子は隣接する粒子と衝突することが低減され、電極構造内の応力を低減することとなる。前記説明したリコン含有多孔性粒子断片から製造される複合電極材料(好適にはアノード材料)は、シリコンファイバ含有電極又はアノード材料に比較して電池の寿命にわたり隆起の蓄積がより少なくなり、従ってより長寿命が観察された。
シリコン含有多孔性粒子断片はコーティングを含み得る。前記コーティングは、好適には、本発明の第1の側面による組成物を踏む電池の、導電性、回復性、容量及び電池寿命の1以上を改善する。前記コーティングはまた、前記シリコン含有多孔性粒子断片が電極混合物内に分散し、電極混合物内の他の成分(バインダーなど)と接着することを容易にする。カーボンコーティング及びリチウム塩から形成されるコーティングが好ましい。前記コーティングがカーボンコーティングの場合、コーティングは、グラファイト、電気活性ハードカーボン、導電性カーボン又はカーボンブラックなどのカーボンによるコーティングが好ましい。リチウム塩を含むコーティングは、限定されるものではないが、フッ化リチウム、炭酸リチウム及びリチウムイオンとエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチレンカーボネート及びビニルカーボネートからなる群から選択される環状カーボネートとの反応により得られるリチウム塩からなる群から選択され得る。コーティングは通常、シリコン構造体に、コーティングされたシリコン構造体の5から40重量%の間の厚さで適用される。シリコン粒子及び細長い要素をコーティングする方法は、当業者に知られており、化学蒸着、熱分解及び機械的融合技術をふくむ。化学蒸着技術によりシリコン構造体のカーボンコーティングは、米国特許出願公開第2009/0239151号及び2007/0212538号に開示されている。
本発明の第1の側面のシリコン含有多孔性粒子断片は、好ましくは複合電極材料に形成され、これは好適には集電体上に、接着性物の形で形成され、そこで前記材料の成分の前記短期秩序は、前記複合材料を含む電池の少なくとも100充放電サイクルにわたり実質的に保持される。前記複合電極材料の接着性物は、コーティング又は層として与えられ、そこで前記多孔性粒子断片は、ランダムに又は規則的に配置される。前記コーティングは通常は、集電体に適用されるか、結合される。又は、前記複合電極材料は、シリコン含有多孔性粒子断片及び複合材料中にランダムに配置される電気活性又は導電性種を含むフェルト又はマットの形で提供され得る。前記フェルト又はマットは、通常は、集電体に適用、接着、結合又は接続される。
本発明の第1の側面の組成物の多孔性粒子断片を含む複合電極材料は、ここで説明したシリコン、スズ、ガリウム、ゲルマニウム、アルミニウム又は鉛を含む多孔性粒子断片(第1の電気活性材料)に加えて、バインダー、導電性材料及び場合により第2の電気活性材料を含む。好ましくは、前記第2の電気活性材料の組成及び/又は構造は前記第1の電気活性材料とは異なる。前記第2の電気活性材料の例は、限定されるものではないが、グラファイト、ハードカーボン、シリコン、スズ、ガリウム、ゲルマニウム、アルミニウム及び鉛含有材料である。本発明の第1の側面の第1の好ましい実施態様では、前記組成物は、複数のシリコン含有多孔性粒子断片、バインダー、導電性材料及び場合により非シリコン含有電気活性材料を含む。又は、本発明の第1の側面の第2の好ましい実施態様では、前記組成物はまた、前記第1の実施態様の組成物の成分に加えて、1以上のシリコン含有成分を含み、これは最小又は無視出来る程度の多孔度を持ち、前記成分が、シリコン含有チューブ、ワイヤ、ファイバ、ロッド、シート及びリボン及びシリコン含有ピラー化粒子を含む生のシリコン含有粒子からなる群から選択される。用語「最小又は無視できる程度の多孔度」とは、多孔度が0.2未満であるシリコン構造体を意味するものと理解されるべきである。用語「最小多孔性シリコン含有粒子、ワイヤ、ナノワイヤ、ファイバ、ロッド、シート及びリボン」とは、ワイヤ、ファイバ、ロッド、シート、リボンなどの細長い要素、及びシリコン系コアを持つ粒子、同様に、リコン以外のシリコンコーティングされた粒子、ワイヤ、ファイバ、ロッド、シート、リボンを含み得る。シリコン含有細長い要素及び粒子がシリコンコーティングされた細長い要素、チューブ及び粒子を含む場合には、これらのコーティングされた要素のコアは、カーボン、好ましくはハードカーボン又はグラファイト又は好適な材料などの電気的又はイオン的導電性材料から選択され得る。前記シリコン含有細長い要素、チューブ及び粒子は、シリコン、シリコン合金又はシリコン酸化物材料から形成され得る。前記細長い要素、チューブ及び粒子が、シリコン材料から形成される場合には、それらは好適には、99.99%未満、好ましくは99.95%未満のシリコンを含むシリコン材料から形成されるが、90%を超えるシリコン含有量を持つことが、前記セル内の高濃度の不純物からくる性能の低下を避けるために必要である。それらがシリコン合金である場合、前記合金は好ましくは少なくとも50重量%のシリコンを含み、好ましくは少なくとも75重量%、より好ましくは少なくとも80重量%及び特に好ましくは少なくとも95重量%のシリコンを含む。好適な合金材料は、前記説明されている。アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、鉄、スズ、金及び銀などの金属とシリコンとの合金が好ましい。好ましい合金は、抵抗率が10Ωcm未満、好ましくは1Ωcm未満及び特に好ましくは0.1Ωcm未満である。前記組成物が、前記シリコン含有多孔性粒子断片に加えて1以上のシリコンが成分を含む場合には、好ましくは1以上のこれらの成分は電気活性である。
前記の通り、バインダー、導電性材料、非シリコン含有電気活性材料、粘度調節剤、クロスリンク促進剤、カップング剤及び接着促進剤がまた前記混合物中に存在し得る。これらの非導電性シリコン含有成分は、一般的に、主な成分としてカーボンを含むが、シリコンを主な成分として含むこともできる。前記の通り、前記第1及び第2の実施態様により組成物は、好適には、複合電極の製造に使用され、好ましくは複合アノード電極の製造に使用され、この理由からそれぞれの組成物はまた、電極材料又はアノード材料とそれぞれされている。前記電極又はアノード材料は、好適には、接着性物として提供され、これは集電体へ接続され得る遊離のマットに形成され得るか、集電体に適用され、結合され又は接着され得るマットとして形成され得る。電極を製造するために、前記電極又はアノード材料は、通常は、溶媒と組合せて電極又はアノード混合物を形成し、その後機材(続いて除去可能)上に直接又は集電体上に直接キャストされ、続いて乾燥して溶媒を除去する。前記電極又はアノード混合物は、好ましくは、前記の全多孔性粒子を前記電極又はアノード混合物及び溶媒と組合せてスラリーを形成し、前記スラリーを処理して部分的に全多孔性粒子を破砕し、ここで説明した電極又はアノード混合物を得る。前記スラリーは好適には、ハイシェアミキサー、ボールミルミキサー又は超音波プローブを用いて処理される。前記電極又はアノード材料が、遊離のマット内に形成されるか、又は前記のように集電体上に適用される場合、シリコン含有多孔粒子断片は、前記混合物中の全ての他の成分を介して直接又は間接的にお互いにランダムに接続される。用語、接続される、とは、本発明の組成物又は複合電極材料に関連して、実質的に全てのシリコン含有多孔性粒子断片が、物理的接続か境界を介して、電解質と、及び場合により前記混合物中及び集電体に存在し得る1以上の他の電気活性元素及び/又は1以上の導電性元素と、電気的に接触することを意味するものと理解されるべきである。
前記説明からさらに理解されるべきことは、本発明の第1の側面による組成物から形成されるアノード構造は、前記電極材料の成分に関連する最大充填密度から生じる本来的な多孔度と、多孔性粒子断片を含むシリコンの本来的多孔度を有する。親多孔性粒子の多孔度、それから断片化される程度及び電極材料中の多孔性及び最小多孔性成分(電気活性及び非電気活性)の相対的量の制御により、シリコン含有電極またはアノードのバルク多孔度を制御することが可能である。多孔度のこの制御は、電極の最終的性能が、シリコン材料の膨張を容易にし及び電解質がリチウム化の際に前記空隙に入り易くするために電極構造内に十分な空隙を与えることに依存することから、重要である。
VT = VSi + VB + Vp Si + VC + VG + Vp
ここで、VTはアノード材料の合計容積;VSiは前記アノード材料中の前記最小多孔性電気活性シリコン要素の合計容積;Vp Siは、前記シリコン多孔性粒子断片の容積であり、それの含まれるポアを含む;VBはバインダーの合計容積;VCは導電性材料(存在すれば)の容積;VGは、追加の電気活性材料(存在すればグラファイトなど)の合計容積および、VPは、アノード材料の成分の充填配置により生成されるポア又は空隙で占められる合計容積(前記多孔性粒子断片のポア容積を除く)である。アノード材料の多孔度は、アノード材料中に存在するポア又は空隙の合計容積を用いて、前記アノード材料の合計容積のパーセントとして計算される。このポア容積は、アノード材料の電極構造へのランダム充填の結果形成されるポア又は空隙の容積(VP)、同様に多孔性粒子断片を含むシリコン内に存在するポア又は空隙の容積(VP SiP)からなる。
アノード多孔度=((Vp+Vp Sip)/VT)x100
さらに理解されるべきことは、シリコンは、前記材料が荷電されると約400%まで膨張し、前記電極の多孔度はその結果減少するということである。バインダー、導電性材料及び場合により非シリコン含有電気活性材料などの電極材料の他の成分の膨張は、比較的無視し得る。前記ポア含有多孔性粒子断片のシリコンは、実質的にそのポア構造内に膨張し、フラクタルでは、シリコンは実質的にその表面凹部やくぼみ部分内に膨張すると考えられる。理論にしばられるものではないが、前記荷電状態での電極の合計多孔度は、15%から50%の範囲、より好ましくは25%から50%の範囲であり、電極構造内の電解質浸透が抑制されないことを保証すべきである。
Vu Si − Vu Sig = VG(1−1/α)
ここで、Vu Sigは、最小多孔性シリコン、シリコン含有多孔性粒子断片及びさらに電気活性材料を含む電極材料を含む荷電されていない材料のポアにより占められる容積、Vu Siは、最小多孔性シリコン、シリコン含有多孔性粒子断片のみを含む電気活性材料を含む電極材料を含む荷電されていない材料のポアにより占められる容積、VGは前記追加の電気活性材料の容積、及びαは、シリコン含有電気活性材料の容積膨張因子(言い換えると、シリコン含有電気活性材料の容積Vは、リチウムイオンの挿入に際にて充放電の最後でαVへ増加する)である。この計算は、前記シリコン含有電気活性材料が、それぞれの場合に同じ容積膨張因子を持ち、さらなる電気活性材料の容積膨張は最小であり、無視でき、かつ荷電状態でのそれぞれのアノード材料の多孔性が同じであることが仮定されている。
さらに理論にしばられることなく、リチウムのインターカレーションの際、前記ポア含有多孔性粒子断片はそれ自体のポアに、かつフラクタルはそれ自体の表面凹部内に膨張することから、前記電極構造内のシリコン含有多孔性粒子断片により占められる容積部分は電池の充放電の間には大きくは変化しないと、考えられる。用語「大きく変化しない」とは、シリコン含有多孔性粒子断片の全容積VSi pが、充電サイクルで150%よりも増加しないことを意味するものと理解されるべきである。これは、シリコン含有多孔性粒子断片のみをシリコン含有成分として含むシリコンを含む電極材料の合計容積は、荷電及び非荷電の間では大きくは変化しない、ということを意味する。前記電極材料が、シリコン含有多孔性粒子断片及び最小多孔度を持つシリコン成分を含む混合物を含む場合、非荷電状態の前記電極材料の充填密度は、前記アノード混合物中の最小多孔性シリコン材料の容積に反比例して、リチウムインターカレーション又は挿入の際に前記最小多孔性シリコン構造の膨張を容易とするために前記電極内に十分なポア容積を与えることが必要である、と考えられる。
前記の通り、本発明の第1の側面の組成物はまた、電気活性材料として、細長い要素;原料粒子、ピラー化粒子、基板粒子、足場及び直径50から100nm及び長さ2から5μmを持つナノロッド(それぞれのナノロッドは少なくとも10nmの直径を持つ)の柱の束を含む粒子からなる群から選択される1以上の最小多孔性シリコン含有成分を含み得る。
前記の通り、本発明の第1の側面による前記シリコンが多孔性粒子断片は、当業者に知られる技術を用いて容易に製造され得る。シリコンが多孔性粒子は、通常は、シリコン粒子またはウェハのステインエッチングなどの技術を用いて製造され、又はシリコンとアルミニウムなどのシリコン合金粒子をエッチングすることで製造される。
本発明の第2の側面は、本発明の第1の側面による組成物を製造する方法を提供し、前記方法は、シリコン含有多孔性粒子を製造するステップと、前記粒子を部分的に粉砕してシリコン含有多孔性粒子断片を得るステップを含む。本発明の第2の側面の第1の好ましい実施態様では、直径が10から1500μm、好ましくは10から1000μm、より好ましくは10から200μm、特には10から100μmであり、かつ前記のシリコンアルミニウム合金をエッチングして製造された多孔性粒子が、部分的に粉砕されて、直径が1から40μmの範囲のシリコン含有多孔性粒子断片を与える。前記シリコン含有多孔性粒子断片を製造するために使用されるシリコン含有多孔性粒子は、多孔度が、0.2から0.8の範囲であり、ポア壁厚さが20から200nm、好ましくは50から200nmの範囲である。エッチングされた粒子は、清浄化され、超音波浴中に30と90秒の間置かれて、直径が5から25μmの範囲のシリコン含有多孔性粒子断片を得る。
(a)12から30%シリコンを含む溶融シリコンアルミニウム組成物を準備し;
(b)前記溶融シリコンアルミニウム合金組成物を、102と105K/秒の間で冷却して、直径が40から1500μmの範囲のシリコンアルミニウム粒状材料を形成し;
(c)(b)で形成された前記粒状材料をエッチングして多孔性粒子を形成し;
(d)(c)で形成された前記多孔性粒子を部分的に粉砕して、最大直径が40μm未満である多孔性粒子断片を得る、ステップを含む。
ステップ(c)で使用されるエッチング剤は、当業者に知られており前記列記されている。前記合金がシリコンアルミニウム合金である場合、前記合金から除去され得るアルミニウムの量は、使用されるエッチング条件に依存する。
(a)12と30%の間のシリコンを含む溶融シリコンアルミニウム、組成物を準備し;
(b)前記溶融シリコンアルミニウム合金組成物を、102及び105K/秒の間の冷却速度で冷却して、直径40から1500μmの範囲を持つシリコンアルミニウム粒子を形成し;
(c)(b)で形成された粒状材料をエッチングして多孔性粒子を形成し;
(d)(c)で形成された多孔性粒子を部分的に粉砕して、最大直径が40μm未満である多孔性粒子断片を得るステップを含む。
本発明の第1の側面の電気活性材料は電極を製造するために使用できる。電極は通常はアノードである。電極は好ましくはリチウム二次電池の製造で使用される。本発明の第4の側面は、従って、本発明の第1の側面による組成物と集電体を含む電池を提供することである。好ましくは、本発明の第4の側面による電極は、本発明の第1の側面による組成物、バインダー及び集電体を含む。本発明の第1の側面による電気活性材料は、好適には、電極又はアノード材料として提供され、前記電極又はアノード材料は、前記シリコン含有多孔性粒子断片に加えて、バインダー及び場合により導電性材料及びさらなる電気活性材料からなる群から選択される1以上の成分を含む。好ましくは、前記電極又はアノード材料は、前記のフラクタルを含む。前記アノード材料は、集電体に接続され又は接着され得る得る遊離のマットの形であり得る。又は、前記アノード混合物は、集電体に接着され得るコーティングの形で準備されてよい。前記マットが形成される前記アノード混合物の成分は、通常はアノード構造体にランダムに設けられ、要素間の最大の接続性を与える。本発明の第4の電極は容易に製造され、本発明の第5の側面は、電極の製造方法を提供するものであり、前記方法は、電極又はアノード混合物を形成するステップを含み、前記電極又はアノード混合物は本発明の第1の側面による組成物及び溶媒とを含み(以下、電極混合物とする)、及び前記電極又はアノード混合物を基材上に塗布し、前記生成物を乾燥して溶媒を除去し、前記電極又はアノード材料を基材の上に形成するステップを含む。前記乾燥された生成物(電極材料)は、接着性物の形であり、これは前記基材から取り外され、集電体へ接続されて電極として使用され得る。又は、本発明の第1の側面の組成物が、塗布及びスラリーの乾燥により前記基材に接着性である場合には、得られた接着性物は、集電体に接続又は結合され得る。本発明の第1の側面の好ましくは実施態様では、前記組成物はそれ自体が集電体である基材上に塗布される。導電性材料、年度調節剤、フィラー、クロスリンク促進剤、カップング剤及び接着性促進剤からなる群から選択される1以上の瀬尾文がまた、前記スラリー混合物(電極混合物)に含まれ得る。好適な導電性材料、年度調節剤、フィラー、クロスリンク促進剤、カップング剤及び接着性促進剤の例は、上で与えられている。好適な溶媒は、N−メチルピロリドン及び水を含む。
カソードは、通常、カソード活性材料、導電性材料及びバインダーの混合物をカソード集電体に適用して乾燥することで製造される。本発明のアノード活性材料と共に使用可能なカソード活性材料の例は、限定されるものではないが、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物又は1以上の遷移金属が置換された、リチウムマンガン酸化物、リチウム銅酸化物及びリチウムバナジウム酸化物などが挙げられる。かかる多くの材料は、一般式のLi1+x(NibCocAleMnf)1−xO2で定義され、ここでb、c、e、f及びxは0と1の間の値を持つ。好適なカソード材料の例は、LiCoO2、LiCo0.99Al0.01O2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiCo0.5Ni0.5O2、LiCo0.7Ni0.3O2、LiCo0.8Ni0.2O2、LiCo0.82Ni0.18O2、LiCo0.8Ni0.15Al0.05O2、LiNi0.4Co0.3Mn0.3O2、Li1+x(Ni0.333Co0.333Mn0.333)1−xO2、Li1+x(Ni0.5Co0.2Mn0.3)1−xO2、Li1+x(Ni0.4Co0.2Mn0.4)1−xO2、及びLi1+xNi0.8Co0.15Al0.05O2、LiFePO4などのリン酸塩系カソード、V6O13などの非リチオ化カソード材料及び硫黄/ポリスルフィドカソードが挙げられる。前記カソード集電体は、一般的に、厚さが3と500μmとの間である。カソード集電体として使用され得る材料の例は、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル及び焼成カーボンが挙げられる。
電解質は、好適にはリチオ塩を含む非水性電解質であり、限定されるものではないが、非水性電解質溶液、固体電解質及び無機固体電解質を含む。使用され得る非水電解質溶液の例は、非プロトン性有機溶媒であって、例えば、N−メチルピロリドン、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ガンマブチロラクトン、1、2−ジメトキシエタン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、1、3−ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、ニトロメタン、ギ酸メチル、酢酸メチル、燐酸トリエステル、トリメトキシメタン、スルホラン、メチルスルホラン及び1、3−ジメチル−2−イミダゾリジオンが挙げられる。
シリコン構造体を得るためのアルミニウムシリコン合金のエッチングの概説する一般的ステップ:
1. 12%、27%及び30%シリコンを含むAl−Si合金の粒子は、製造者から、又はO.Uzunらの「Production and Structure of Rapidly Solidified Al−Si Alloys、 Turk J. Phys 25 (2001 )、 455−466」;S.P.Nakanorovらの「Structural and mechanical properties of Al−Si alloys obtained by fast cooling of a levitated melt. Mat. Sci and Eng A 390 (2005) 63−69)」に記載の方法で得られた。かかる合金の製造は、通常工業では、アルミニウム鋳造合金の4xxxグループを製造するために適用される(http://www.msm.cam.ac.uk/phase−trans/abstracts/M7−8.html参照)。一例は市販入手可能な鋳造Al−Si12%合金であり、これは約100°K/秒の冷却速度で冷却されたもので、固体化後熱処理を施されていない。
実施例1aで定めた一般的方法で概説されたステップは以下の通りである。特に:
1. 初期粒子サイズが12から63μmの範囲のアルゴン又は窒素焼成12重量%Ai−Al合金の粒子を含むAl−Siマトリクス材料、が出発原料として使用された。この材料の典型的化学分析値は、11.7%Si、及び3.49%Bi、0.45%Fe、0.28%Mnである。
次の点以外は実施例1a及び1bに従った、(a)エッチング溶液(ステップ2)の濃度:5%濃硝酸;80%濃リン酸;及び5%酢酸;及び(b)負荷レベル(ステップ3)が50mlのエッチング剤に対して1g合金である。エッチングの際の温度は、10から15℃の間上昇が観測された。反応のほとんどは、1から2時間で完了し、温度は室温に戻った。
実施例1bの方法に従ったが、出発材料が、初期粒子サイズが10から90μmのアルゴン又は窒素焼成30%Si−Al合金であった。図2dは、この方法で製造された多孔性粒子の一例を示す。
実施例1bの方法に従ったが、出発原料が、初期粒子サイズが60から90μmのアルゴン又は窒素焼成12%Si−Al合金であった。図2fは、この方法で製造された多孔性粒子断片の一例を示す。
実施例1bの方法に従ったが、出発原料が、初期粒子サイズが90から150μmのアルゴン又は窒素焼成12%Si−Al合金であった。図3a及び3bは、この方法で製造された多孔性粒子断片の一例を示す。
実施例1bの方法に従ったが、出発原料が、初期粒子サイズが90から150μmのアルゴン又は窒素焼成30%Si−Al合金であった。
実施例1aから1cの方法に従ったが、清浄化され及びエッチングされた多孔性粒子が、バインダー及び場合によりグラファイト及び/又は導電性カーボンと共にシラリーとし、前記多孔性粒子を部分的に粉砕処理され、多孔性粒子断片を含むスラリー(場合により電気混合物)を与えた。
2a− 方法1b及び1dを用いて製造された多孔性粒子断片
シリコン含有多孔性粒子断片を製造するための出発材料として使用された使用含有多孔性粒子は、シリコン含有多孔性粒子断片と同様に、走査電子顕微鏡(SEM)を用いて特徴付けられた。
図2fは、60から90μmの12重量%シリコンのAl−Si合金から方法eを用いて製造された本発明の多孔性粒子断片のSEMの画像である。この構造は、方法1bにより製造された断片に比較して少し粗いようであるがなお非常に微細である。この断片のBET値は40m2/gであることが見出された。この材料はまた、ここで説明したXRDを用いて特徴付けられ、111格子空間が3.15589オングストロームと測定され、結晶子サイズが51nmと計算された。
図3aは、方法1f(12重量%シリコンのサイズ90から150μmの合金粒子から)を用いて製造された本発明の多孔性粒子断片のSEM画像である。
10gのエッチングされたSi−Al材料(1%未満のAlを含む)から上で説明したように製造された。
電極片を必要なサイズに切断し、一夜真空オーブン中で120℃で真空乾燥させた。少し標準より小さいリチウムイオンカソード材料を類似の方法で製造した(リチウム酸化物又は混合金属酸化物(MM)、即ちLiNi0.80Co0.15Al0.05O2)のいずれかを活性成分とした)。タグを、2つの電極片上に銅及びアルミニウムの暴露された領域に超音波溶接した。その後、電極を、多孔性ポリエチレンセパレーター(Tonen)の連続層間に包み込み、2つの電極と1つのセパレーター構造とした。アルミニウムラミネート袋内に巻き込み、前記タグを1端部に沿って熱シールした。前記セルに必要な量の電解質を部分的に真空にして充填し、電解質をポア内に浸透させた。得られた袋を真空シールし、前記セルをサイクル試験を開始する前にさらに30分間浸透させた。
実施例5− セルの性能データ
実施例4で製造されたセルは、一定容量充電/放電方法を用いて、Arbin電池サイクルユニットを用いてサイクルさせた。シリコン1g当たり1200mAh/gか1500mAh/gのいずれかに近い放電容量が、100サイクルを超えて維持された。図3c及び3dは、MMOカソードを含み、かつ方法1fを用いて製造された多孔性粒子断片を用いて製造され、及び1200mAh/g(図3c)又は1500mAh/g(図3d)での一定容量で、それぞれ230又は160サイクル後に前記セルが失活するまでのセルの放電容量を示す。図5は、リチウムコバルト酸化物カソードを含み、かつ方法1eを用いて製造された多孔性粒子断片を用いて製造され、及び1200mAh/gの一定容量で、110サイクル後に前記セルが失活を始めるまでのセルの放電容量を示す。BET値が7から20m2/gを持つ方法1fを用いて製造されたより粗い多孔性粒子断片を用いて製造されたセルは、BET値が40m2/gを持つ多孔性粒子断片で製造されたセルの比べてより多くのサイクル数及びより高い容量を持つ。
ガス噴霧技術及びスピニング冷却技術を用いて製造された12重量%又は30重量%シリコンを含む断片サンプルにつき走査電子顕微鏡観察が行われた。溶融スピニングで製造された12重量%Siを含む合金粒子もまた特徴付けられた。
Claims (62)
- シリコン含有電気活性多孔性粒子断片を含む組成物であり、前記組成物が、前記多孔性粒子断片が、ポア含有多孔性粒子断片及びフラクタルを含む群から選択されることを特徴とする、組成物。
- 請求項1に記載の組成物であり、前記多孔性粒子断片が、平均厚さが50nmから2μmの範囲である、組成物。
- 請求項1又は2のいずれか一項に記載の組成物であり、前記シリコン含有多孔性粒子断片が、最大直が40μm未満である、組成物。
- 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の組成物であり、前記シリコン含有多孔性粒子断片が、最大直径1から20μm、好ましくは1から15μm、及び特に1から10μmの範囲である、組成物。
- 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の組成物であり、前記シリコン含有多孔性粒子断片が、アスペクト比(長さ(最大直径)対幅(最小直径))が、2:1から5:1の範囲である、組成物。
- 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の組成物であり、10から100%の対粒子断片が、最大直径が40μm未満である、組成物。
- 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の組成物であり、前記断片がフラクタルであり、前記フラクタル構造が、実質的に不規則形状及び/又は表面形態を含み、これらのフラクタル構造が:
(a)前記フラクタル断片構造が誘導される前記多孔性粒子内の前記ポア又はポアのネットワークを最初に定めるか区切る前記シリコン材料であって、自体はポア、チャンネル又はポア又はチャンネルのネットワークを持たないシリコン材料から誘導されるシリコン材料、又は
(b)前記シリコン材料が最初、ランダムな又は規則的な、直線、分岐又は層状細長い要素のネットワークを定め、1以上の離散的又は相互接続された空隙空間又はチャンネルが前記ネットワークの細長い要素の間に定められる、シリコン材料から誘導される、組成物。 - 請求項7に記載の組成物であり、前記フラクタル構造が、前記表面にわたり少なくとも1つのピーク又は凸部を含む、組成物。
- 請求項7又は8のいずれか一項に記載の組成物であり、前記フラクタル構造がスパイク状外観を有する、組成物。
- 請求項7乃至9のいずれか一項に記載の組成物であり、前記フラクタル構造が凸部外観を持つ、組成物。
- 請求項7乃至10のいずれか一項に記載の組成物であり、ランダム又は規則的ネットワークを含む前記細長い要素の厚さが、0.05から2μm、好ましくは0.1から1μmである、組成物。
- 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の組成物であり、前記ポア含有多孔性粒子断片が、ポア、キャビティ及びチャンネルの三次元ネットワークを含み、前記ポア、チャンネル及びキャビティが分離され、前記粒子構造内でシリコン含有壁で定められている、組成物。
- 請求項12に記載の組成物であり、前記シリコン含有壁の厚さが、0.05から2μm、好ましくは0.1から1μmの範囲である、組成物。
- 請求項1乃至6、又は請求項12又は13のいずれか一項に記載の組成物であり、それぞれのポアが、100nmから10μm、好ましくは150nmから5μmの幅を持つ、組成物。
- 請求項12乃至14のいずれか一項に記載の組成物であり、前記ポア幅対壁厚さの比が、2.5:1より大きく、好ましくは3:1から25:1の範囲である、組成物。
- 請求項12ナンのいずれか一項に記載の組成物であり、前記断片のポアの全容積対前記断片の全容積の比が、0.2から0.9、好ましくは0.2から0.8、より好ましくは0.25から0.75及び特には0.3から0.7である、組成物。
- 請求項1乃至16のいずれか一項に記載の組成物であり、前記粒子断片が、BET表面積が、4m2/gを超える、好ましくは5m2/gを超える、組成物。
- 請求項1乃至17のいずれか一項に記載の組成物であり、前記粒子断片が、BET表面積が、50m2/g未満、好ましくは40m2/g未満、好適には30m2/g未満である、組成物。
- 請求項1乃至18のいずれか一項に記載の組成物であり、前記組成物が電気活性材料である、組成物。
- 請求項1乃至19のいずれか一項に記載の組成物であり、さらに、バインダー、導電性材料及び場合によりグラファイトなどの非シリコン含有電気活性材料から選択される1以上の成分を含む、組成物。
- 請求項1乃至20のいずれか一項に記載の組成物であり、重量で50から90%の電気活性材料を含む、組成物。
- 請求項21に記載の組成物であり、前記電気活性材料が、重量で、10から100%のシリコン含有対粒子断片を含む、組成物。
- 請求項1乃至22のいずれか一項に記載の組成物であり、シリコン含有対粒子断片を含む5から40重量%のシリコン含有電気活性材料及び60から95重量%の電気活性カーボン材料を含む、組成物。
- 請求項23に記載の組成物であり、シリコン含有多孔性粒子断片を20重量%及びグラファイトを80重量%含む、組成物。
- 請求項23又は24のいずれか一項に記載の組成物であり、前記多孔性粒子断片が、10から100%の前記シリコン含有電気活性材料を含む、組成物。
- 請求項1乃至22のいずれか一項に記載の組成物であり、シリコン含有対粒子断片をを60から80重量%及び、特に電気活性カーボン材料を20から40重量%含む、組成物。
- 請求項26に記載の組成物であり、シリコン含有対粒子を70樹%及び電気活性材料を30重量%含む、組成物。
- 請求項20乃至27のいずれか一項に記載の組成物であり、前記バインダーが、ポリアクリル酸、変性ポリアクリル酸、ポリエチレン無水マレイン酸、ポリアクリル酸アルカリ金属塩、変性ポリアクリル酸アルカリ金属塩、ポリエチレン無水マレイン酸アルカリ金属塩及びそれらの混合物からなる群から選択される、組成物。
- 請求項1乃至28のいずれか一項に記載の組成物であり、さらに、最小又は無視できる多孔度の生シリコン含有粒子;シリコン含有ワイヤ、ナノワイヤ、ファイバ、ロッド、チューブ、シート、細長い束、基材粒子、足場、リボン及びシリコン含有ピラー化粒子からなる群から選択される、1以上のさらなるシリコン含有成分を含む、組成物。
- 請求項29に記載の組成物であり、前記さらなるシリコン含有成分が電気活性である、組成物。
- 請求項1乃至30のいずれか一項に記載の組成物であり、前記1以上のシリコン含有束粒子断片、及び1以上のシリコン含有成分がコーティングされている、組成物。
- 請求項31に記載の組成物であり、前記コーティングが、カーボンコーティング又はリチウム塩を含むコーティングである、組成物。
- 請求項1乃至32のいずれか一項に記載の組成物であり、さらに、年度調節剤、クロスリンク促進剤、カップング剤及び接着性促進剤からなる群から選択される1以上の成分を含む、組成物。
- 請求項1乃至33のいずれか一項に記載の組成物であり、前記電極材料がアノード材料である、組成物。
- 請求項1乃至34のいずれか一項に記載の組成物であり、前記組成物が電極材料である、組成物。
- 請求項1乃至35のいずれか一項に記載の組成物であり、前記組成物がマットの形である、組成物。
- 請求項1乃至36のいずれか一項に記載の組成物の製造方法であり、シリコン含有多孔性粒子の部分的粉砕及び前記シリコン含有多孔性粒子断片の分離を含む、方法。
- 請求項37に記載の方法であり、前記シリコン含有断片が、直径が40μm、好ましくは20μmを超えるシリコン含有全多孔性粒子を部分的に粉砕することで得られる、方法。
- 請求項37又は38のいずれか一項に記載の方法であり、前記方法が次のステップ:
(a)溶融シリコンアルミニウム合金組成物を形成し;
(b)前記溶融組成物を冷却して合金粒子を得る;
(c)前記合金粒子をエッチングしてシリコン含有多孔性粒子を得る;
(d)(c)からの前記シリコン含有多孔性粒子断片を部分的に粉砕してシリコン含有多孔性粒子断片を得る、ステップを含む方法。 - 請求項39に記載の方法であり、前記溶融合金組成物が、11から35重量%シリコンを含む、方法。
- 請求項40に記載の方法であり、前記溶融合金組成物が12重量%シリコンを含む、方法。
- 請求項40に記載の方法であり、前記溶融合金組成物が25重量%シリコンを含む、方法。
- 請求項40に記載の方法であり、前記溶融合金組成物が27重量%のシリコンを含む、方法。
- 請求項40に記載の方法であり、前記溶融合金が30重量%のシリコンを含む、方法。
- 請求項39乃至44のいずれか一項に記載の方法であり、前記溶融組成物が、102から105K/秒の冷却速度で冷却される、方法。
- 請求項45に記載の方法であり、前記溶融組成物が、ガス噴霧技術又は溶融スピニング技術により、102から103K/秒で冷却される、方法。
- 請求項39から46のいずれか一項に記載の方法であり、前記冷却粒子が、40から1500μmの直径を持つ、方法。
- 請求項47に記載の方法であり、前記冷却合金粒子が、60から1500μmの直径を持つ、方法。
- 請求項37乃至48のいずれか一項に記載の方法により製造された多孔性粒子断片。
- 集電体と請求項1乃至36のいずれか一項に記載の組成物を含む、電極。
- 請求項50に記載の電極であり、前記電極がアノードである、電極。
- 請求項50から51のいずれか一項に記載の電極であり、前記集電体が、銅箔、アルミニウム、グラファイト及びニッケルからなる群から選択される、電極。
- 請求項50乃至53のいずれか一項に記載の電極であり、前記組成物が、集電体に接続、接着又は適用されるマット又はフェルトの形である、電極。
- 請求項53に記載の電極であり、前記組成物が、集電体が接続される遊離のフェルト又はマットである、電極。
- 請求項50乃至54のいずれか一項に記載の電極であって、前記組成物が、フェルト又はマットの形であり、表面積当たり1mg/cm2から6mg/cm2の間であり、それにより複合電極の厚さが10から100μmである、電極。
- 請求項50から55のいずれか一項に記載の電極の製造方法であって、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の組成物のスラリーを形成するステップ、前記スラリーを集電体に適用するステップ、及び前記生成物を乾燥して前記溶媒を除去するステップ、を含む方法。
- 請求項56に記載の方法であって、前記溶媒が、
N−メチルピロリドン、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、フロロエチレンカーボネート、次フロロエチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ガンマブトロラクトン、1、2−ジメトキシエタン、2−メトルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、1、3−ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、ニトロメタン、ギ酸メチル、酢酸メチル、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、スルホラン、メチルスルホラン及び1、3−ジメチル−2−イミダゾリジンからなる群からなる選択される、方法。 - 請求項1乃至36のいずれか一項に記載の電池であり、カソード、請求項1乃至36のいずれか一項に記載のアノード組成物及び電解質を含む、電池。
- 請求項58に記載の電池であって、前記カソードが、
LiCoO2、LiCo0.99Al0.01O2、LiNiO2、LiMnO2、LiCo0.5Ni0.5O2、LiCo0.7Ni0.3O2、LiCo0.8Ni0.2O2、LiCo0.82Ni0.18O2、LiCo0.8Ni0.15Al0.05O2、LiNi0.4Co0.3Mn0.3O2、Li(Ni0.33Co0.33Mn0.34)O2、からなる群から選択される、電池。 - 請求項58又は59のいずれか一項に記載の電池であって、前記電解質が、非水性電解質溶液、固体電解質及び無機固体電解質からなる群から選択される、電池。
- 請求項60に記載の電池であって、前記電解質がさらに、
LiCl、LiBr、LiI、LiCl04、LiBF4、LiB10C20、LiPF6、LiCF3SO3、LiAsF6、LiSbF6、LiBOB、LiAlCl4、CH3SO3Li及びCF3SO3Liぁらなる群から選択される1以上のリチウム塩を含む、電池。 - 請求項58乃至61のいずれか一項に記載の電池を含む装置。
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