JP2017531276A5

JP2017531276A5 - 粒子材料、粒子材料を作製する方法、組成物、電極組成物、電極、および再充電式金属イオンバッテリー

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Publication number: JP2017531276A5
Application number: JP2016575390A
Authority: JP
Filing date: 2015-08-18
Publication date: 2018-09-27

Claims

シリコン、ゲルマニウム、またはその混合物から選択した電気活性材料を含む複数の多孔質粒子からなる粒子材料であって、
前記多孔質粒子のＤ_５０粒子径は５μｍ超〜２５μｍの範囲にあり、粒子内空隙率は３０％〜９０％の範囲にあり、水銀ポロシメトリーにより測定した細孔径分布は５０ｎｍ〜４００ｎｍ未満の範囲において少なくとも１つのピークを有する、粒子材料。
（Ａ）前記粒子材料における電気活性材料の含有量は、少なくとも６０重量％、好ましくは少なくとも７０重量％、より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％、および最も好ましくは８５重量％である、
および／または、
（Ｂ）前記電気活性材料におけるシリコン含有量は、少なくとも９０重量％、好ましくは少なくとも９５重量％、より好ましくは少なくとも９８重量％、より好ましくは少なくとも９９重量％である、
請求項１に記載の粒子材料。
前記粒子材料は、アルミニウム、アンチモン、銅、マグネシウム、亜鉛、マンガン、クロム、コバルト、モリブデン、ニッケル、ベリリウム、ジルコニウム、鉄、ナトリウム、ストロンチウム、リン、錫、ルテニウム、金、銀、およびそれらの酸化物から選択した１つ以上の追加的な成分を少量含み、
任意に、
（Ａ）前記粒子材料は、シリコンを少なくとも６０重量％およびアルミニウムを４０重量％以下、好ましくはシリコンを少なくとも７０重量％およびアルミニウムを３０重量％以下、より好ましくはシリコンを少なくとも７５重量％およびアルミニウムを２５重量％以下、より好ましくはシリコンを少なくとも８０重量％およびアルミニウムを２０重量％以下、より好ましくはシリコンを少なくとも８５重量％およびアルミニウムを１５重量％以下、より好ましくはシリコンを少なくとも９０重量％およびアルミニウムを１０重量％以下、最も好ましくはシリコンを少なくとも９５重量％およびアルミニウムを５重量％以下含む、
および／または、
（Ｂ）前記粒子材料は、アルミニウムを少なくとも０．０１重量％、アルミニウムを少なくとも０．１重量％、アルミニウムを少なくとも０．５重量％、アルミニウムを少なくとも１重量％、またはアルミニウムを少なくとも２重量％、またはアルミニウムを少なくとも３重量％含む、
請求項１または２に記載の粒子材料。
（Ａ）前記多孔質粒子のＤ_５０粒子径は、少なくとも６μｍ、少なくとも７μｍ、少なくとも８μｍ、または少なくとも１０μｍである、
および／または、
（Ｂ）前記多孔質粒子のＤ _５０粒子径は、２０μｍ以下、１８μｍ以下、１５μｍ以下、または１２μｍ以下である、
および／または、
（Ｃ）前記多孔質粒子のＤ _１０粒子径は、少なくとも１μｍ、好ましくは少なくとも２μｍ、より好ましくは少なくとも３μｍである、
および／または、
（Ｄ）前記多孔質粒子のＤ _９０粒子径は、４０μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下、より好ましくは２５μｍ以下、および最も好ましくは２０μｍ以下である、
および／または、
（Ｅ）前記多孔質粒子のＤ _９９粒子径は、５０μｍ以下、より好ましくは４０μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下、および最も好ましくは２５μｍである、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の粒子材料。
（Ａ）前記多孔質粒子の粒子径分布幅は、５以下、好ましくは４以下、より好ましくは３以下、より好ましくは２以下、および最も好ましくは１．５以下である、
および／または、
（Ｂ）前記多孔質粒子は球状粒子であり、その平均球度Ｓ _ａｖが、少なくとも０．７０、好ましくは少なくとも０．８５、より好ましくは０．９０、好ましくは少なくとも０．９２、より好ましくは少なくとも０．９３、より好ましくは少なくとも０．９４、より好ましくは少なくとも０．９５、より好ましくは少なくとも０．９６、より好ましくは少なくとも０．９７、より好ましくは少なくとも０．９８、および最も好ましくは少なくとも０．９９である、
および／または、
（Ｃ）前記多孔質粒子の平均アスペクト比が３：１未満、好ましくは２．５：１以下、より好ましくは２：１以下、好ましくは１．８：１以下、より好ましくは１．６：１以下、より好ましくは１．４：１以下、および最も好ましくは１．２：１以下である、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の粒子材料。
（Ａ）前記多孔質粒子の粒子内空隙率は、少なくとも４０％、好ましくは少なくとも５０％、より好ましくは少なくとも６０％である、
および／または、
（Ｂ）前記多孔質粒子の粒子内空隙率は、８７％以下、好ましくは８６％以下、およびより好ましくは８５％以下、より好ましくは８０％以下、および最も好ましくは７５％以下である、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の粒子材料。
（Ａ）前記粒子材料の細孔径分布は、水銀ポロシメトリーにより測定した、３５０ｎｍ未満、好ましくは３６０ｎｍ未満、およびより好ましくは３５０ｎｍ未満の孔径に少なくとも１つのピークを有する、
および／または、
（Ｂ）前記多孔質粒子の細孔径分布は、水銀ポロシメトリーにより測定した、６０ｎｍ超、好ましくは８０ｎｍ超、およびより好ましくは１００ｎｍ超の孔径に少なくとも１つのピークを有する、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の粒子材料。
（Ａ）前記粒子材料のＢＥＴ表面積が、３００ｍ^２／ｇ未満、好ましくは２５０ｍ^２／ｇ未満、より好ましくは２００ｍ^２／ｇ未満、より好ましくは１５０ｍ^２／ｇ未満、およびより好ましくは１２０ｍ^２／ｇ未満である、
および／または、
（Ｂ）前記粒子材料のＢＥＴ表面積が、少なくとも１０ｍ ^２／ｇ、少なくとも１５ｍ ^２／ｇ、少なくとも２０ｍ ^２／ｇ、または少なくとも５０ｍ ^２／ｇである、
請求項１〜７のいずれか一項に記載の粒子材料。
前記多孔質粒子は、相互に接続された不規則な長尺の構造体要素のネットワークを含み、好ましくは、各粒子の構造体要素のアスペクト比が少なくとも２：１、およびより好ましくは５：１であり、
任意に、
（Ａ）前記多孔質粒子は構造体要素を含み、各構造体要素の最小寸法は３００ｎｍ未満、好ましくは２００ｎｍ未満、より好ましくは１５０ｎｍ未満であり、最大寸法は少なくとも２倍、および好ましくは少なくとも５倍である、
および／または、
（Ｂ）前記多孔質粒子は構造体要素を含み、各構造体要素の最小寸法は少なくとも１０ｎｍ、好ましくは少なくとも２０ｎｍ、好ましくは少なくとも３０ｎｍである、
請求項１〜８のいずれか一項に記載の粒子材料。
電気活性材料を含む複数の多孔質粒子からなる粒子材料を作製する方法であって、
（ａ）溶融合金を冷却することにより得た複数の合金粒子を提供するステップであって、
該溶融合金は、
（ｉ）シリコン、ゲルマニウム、およびその混合物から選択した電気活性材料成分を１１重量％〜４５重量％と、
（ｉｉ）マトリックス金属成分
とを含み、前記合金粒子のＤ_５０粒子径が５μｍ超〜２５μｍの範囲にあり、前記合金粒子は、該マトリックス金属成分中に分散した構造体を含有する離散的な電気活性材料を含むものであるステップと、
（ｂ）前記ステップ（ａ）で得た前記合金粒子を浸出させて、前記マトリックス金属成分の少なくとも一部を除去し、構造体を含有する前記電気活性材料を少なくとも部分的に露出させるステップと、を含み、
前記多孔質粒子における前記マトリックス金属成分の含有量は４０重量％以下であり、
前記粒子材料が、請求項１〜９のいずれか一項に記載の粒子材料である、
粒子材料を作製する方法。
（Ａ）前記合金粒子の前記電気活性材料成分は、シリコンを少なくとも９０重量％、好ましくは少なくとも９５重量％、より好ましくは少なくとも９８重量％、より好ましくは少なくとも９９重量％含む、
および／または、
（Ｂ）前記合金粒子は、電気活性材料成分を少なくとも１１．２重量％、より好ましくは少なくとも１１．５重量％、より好ましくは少なくとも１１．８重量％、より好ましくは少なくとも１２重量％、および最も好ましくは少なくとも１２．２重量％含む、
および／または、
（Ｃ）前記合金粒子は、前記電気活性材料成分を４０重量％未満、好ましくは３５重量％未満、好ましくは３０重量％未満、より好ましくは２５重量％未満、より好ましくは２０重量％未満、および最も好ましくは１８重量％未満含む、
請求項１０に記載の方法。
前記合金粒子の前記マトリックス金属成分は、アルミニウム、アンチモン、銅、マグネシウム亜鉛、マンガン、クロム、コバルト、モリブデン、ニッケル、ベリリウム、ジルコニウム、鉄、錫、ルテニウム、銀、金、およびその組み合わせから選択される、請求項１０または１１に記載の方法。
前記ステップ（ａ）における前記合金粒子は、少なくとも５×１０^４Ｋ／ｓまたは少なくとも１×１０^５Ｋ／ｓの冷却速度で液体状態から固体状態へと溶融合金を冷却することにより得られる、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の方法。
請求項１〜９のいずれか一項に記載の粒子材料および少なくとも１つの他の成分を含む、組成物。
請求項１〜９のいずれか一項に記載の粒子材料と、（ｉ）バインダー、（ｉｉ）導電性添加物、および（ｉｉｉ）付加的な粒子状電気活性材料から選択した少なくとも１つの他の成分とを含む電極組成物であり、
任意に、前記粒子材料は、電極組成物の総重量の少なくとも６０重量％、より好ましくは少なくとも７０受領％、および最も好ましくは８０重量％、例えば、少なくとも８５重量％、少なくとも９０重量％、または少なくとも９５重量％を構成する、
請求項１４に記載の組成物。
（Ａ）少なくとも１つの付加的な粒子状電気活性材料であって、任意に、前記少なくとも１つの付加的な粒子状電気活性材料は、グラファイト、硬質炭素、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム、アルミニウム、および鉛から選択される、粒子状電気活性材料、
および／または、
（Ｂ）前記電極組成物の総重量に対し、０．５重量％〜２０重量％、より好ましくは１重量％〜１５重量％および最も好ましくは２重量％〜１０重量％の量のバインダー、
および／または、
（Ｃ）前記電極組成物の総重量に対する総量で、０．５重量％〜２０重量％、より好ましくは１重量％〜１５重量％、最も好ましくは２重量％〜１０重量％である１つ以上の導電性添加物、
を含む、請求項１５に記載の電極組成物。
請求項１〜９のいずれか一項に記載の粒子材料を含み、集電体と電気的に接触しており、
任意に、前記粒子材料は、請求項１５または１６に記載の電極組成物の形態である、
電極。
（ｉ）請求項１７に記載の電極を含むアノードと、（ｉｉ）金属イオンを放出／再吸収可能なカソード活物質を含むカソードと、および（ｉｉｉ）前記アノードと前記カソードとの間の電解質と、を備える、再充電式金属イオンバッテリー。