JP2017536676A - リチウムイオン電池アノードのための方法および材料 - Google Patents
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Abstract
ケイ素材料と炭素材料との高多孔質の相乗的組合せとともに、そのような材料を含む物品およびその材料を製造する方法が提供される。組成物は、新規な性質を有し、かつ固体電池を含むリチウム電池セル中のアノード材料として使用される場合にクーロン効率、ジリチオ化容量、およびサイクル寿命の顕著な改善をもたらす。
Description
本出願は、米国特許法第119条の下で、2014年11月25日に出願された米国仮特許出願第62/084,084号(その内容に本明細書が依拠し、その全体が参照により本明細書に援用される)の優先権の利益を主張する。
実施形態は、概して、とりわけリチウムイオン電池中のアノード材料として使用するための高多孔質組成物、およびそのような組成物を製造する方法に関する。特に、実施形態は、高エネルギー貯蔵および長いライフサイクルを有するアノードを製造するためのケイ素材料と炭素材料との相乗的組合せ、これらの材料を含むデバイス、およびそれらを製造する方法に関する。
リチウムイオン電池は、放電中にリチウムイオンが負極から正極に移動する再充電可能なエネルギー貯蔵装置の重要な種類の1つである。1972年に最初に提案されてから、リチウムイオン電池は、携帯型消費者用エレクトロニクス中に広く使用されるようになってきており、電気車両にも及んでいる。リチウムイオン電池は、ほとんどの他の蓄電池と比較して軽量であり、高い開路電圧を有し、低い自己放電率を有し、毒性が低く、電池のメモリー効果がないことなどのいくつかの理由で人気が高い。
負荷がかかったリチウム電池では、アノード上に貯蔵されるリチウムイオンがアノードから電解質媒体を介してカソードまで移動することで電流が発生する。充電プロセス中、リチウムイオンが移動してアノード上に戻る。現在ではアノード材料として黒鉛が使用されることが多い。必ずしも最適なアノード材料ではないが、黒鉛の高い有用性および低コストのため、黒鉛は現在魅力的な解決策の1つとなっている。炭素がアノードとして使用され、LiCoO2がカソードとして使用される場合、Liイオンセル上の反応はC+LiCoO2←→LiC6+Li0.5CoO2で表される。各電極における反応は、
カソードでは:LiCoO2−Li+−e−←→Li0.5CoO2⇒143mAh/g
アノードでは:6C+Li++e−←→LiC6⇒372mAh/g
で表される。
カソードでは:LiCoO2−Li+−e−←→Li0.5CoO2⇒143mAh/g
アノードでは:6C+Li++e−←→LiC6⇒372mAh/g
で表される。
アノード材料としての黒鉛の代替品の1つはケイ素である。Li−Siアノード系は、すべての元素で最も高いと予想される重量容量の1つを有する。さらに、炭素系アノード系と異なり、ケイ素では、溶媒コインターカレーション破壊が起こらない。ケイ素は、Li−Si系の化学構造のために、これらの有利な利点を示し、1つのケイ素原子は3.75個のリチウムイオンに結合でき、一方、6個の炭素原子が1つのリチウムイオンを保持するために使用される。アノード材料としてのケイ素を黒鉛状炭素と比較すると、理論容量の大きさが1桁異なる。0〜3.75のxの範囲の場合、純ケイ素理論比容量は3580mAh/gであり、黒鉛状炭素の場合の理論容量の372mAh/gよりもはるかに大きい。全体の反応は、4Si+15Li++15e−←→Li15Si4⇒3580mAh/gと記述される。
前述の性質からケイ素が理想的なアノード材料となると思われるが、ケイ素に富むリチウムイオンの相互作用による結果の1つは、体積膨張の大きい増加(>300%)である。この体積膨張により、ケイ素アノード構造が高い応力レベルにさらされ、機械的破壊が生じる。さらに、分離によってこのアノードが電極と接触しなくなるため、破壊が生じることがあり、その結果、電極にわたって不均一な電流密度が生じる。この破壊は、従来のケイ素アノードが商業化に必要な複数の充電/放電サイクルを行うことができないことを意味する。したがって、実用的なアノード材料としてケイ素を使用するために重要な満たされていない要求の1つは、複数の体積膨張に対して構造的に安定化させる方法を見出すことである。
本明細書に記載の実施形態は、単一および複数の元素の両方を含む粉末およびスート組成物による金属熱還元プロセスを使用して新規生成物を形成すること、およびこのような生成物を形成する方法に関する。
第1の態様は、コア材料と、コア材料の外面の少なくとも一部を覆うコーティング材料とを含む複合材料であって、コア材料が、外面および多孔質コアであって、コア材料の多孔質コアが約50〜約1350Å(約5〜約135nm)の平均細孔径を有する、外面および多孔質コアと;約10m2/g〜約250m2/gの表面積を有する粒子とを含み、粒子が約3重量%〜約40重量%のSiOx(式中、xは1〜2である);約60重量%〜約97重量%の結晶ケイ素を含み、結晶ケイ素:SiOxの比が約1.5:1〜約30:1である複合材料を含む。ある実施形態では、コア材料は、0重量%超〜約25重量%の結晶Mg2SiO4、0重量%超〜約5重量%のMgO、または0重量%超〜約10重量%のMgOをさらに含む。
ある実施形態では、コア材料は、最長軸に沿って約1μm〜約10μmの平均直径を有する粒子の形態である。ある実施形態では、コア材料は、SiOxおよび結晶ケイ素を含むサブ粒子を含む焼結多孔質粒子の形態である。ある実施形態では、サブ粒子は、最長軸に沿って約10nm〜約500nmの平均サイズを有する。
ある実施形態では、コーティング材料は、コア材料の多孔質コアの表面積の30%未満、40%未満、50%未満、60%未満、70%未満、80%未満、または90%未満を覆い、かつコア材料の外面の少なくとも約30%、40%、50%、60%、70%、80%、または90%を覆う。ある実施形態では、コーティング材料は有機材料を含む。ある実施形態では、コーティング材料は、伝導性、半導性、または非伝導性である。ある実施形態では、有機材料は、コア材料に化学結合される有機コーティング、たとえば、PEOエポキシ、PEGエポキシ、またはポリアニリンなどのポリマーを含む。ある実施形態では、有機材料は、活性炭、非晶質炭素、グラフェン、黒鉛、メソポーラス炭素、ダイヤモンド状炭素、ナノ結晶ダイヤモンド、ナノチューブ、フラーレン、ナノバッド、ナノファイバー、ガラス状炭素、およびそれらの組合せの形態の炭素を含む。ある実施形態では、有機コーティング材料は、0重量%超〜約10重量%で存在する無機材料をさらに含むが、典型的には、無機材料は合わせて合計3重量%未満の量で存在する。ある実施形態では、有機コーティング材料は、コーティング材料の接着性を改善するプレコーティング材料をさらに含む。
ある実施形態では、コーティング材料は、無機材料、たとえば、金、銀、アルミニウム、銅、および他の遷移金属、酸化物、たとえばアルミナ、酸化タングステン、酸化アルミニウム亜鉛、インジウムスズ酸化物、および他のTCO、ならびに他の無機材料、たとえばポリシランなどの無機ポリマーを含む。
ある実施形態では、コーティング材料は、約1nm〜約5μmの厚さを有する。ある実施形態では、コーティング層の厚さは、約2nm〜約5μm、約10nm〜約3μm、約10nm〜約1μm、約10nm〜約800nm、約10nm〜約500nm、約5nm〜約5μm、約5nm〜約3μm、約5nm〜約1μm、約5nm〜約800nm、約80nm〜約5μm、約80nm〜約3μm、約80nm〜約1μm、約1μm〜約5μm、約1μm〜約3μm、または約3μm〜約5μmである。ある実施形態では、コア材料対コーティング材料の質量比は、約1000:1〜100:1〜10:1〜1:10、8:1〜1:8、5:1〜1:5、または2:1〜1:2である。
第2の態様は、本明細書に記載のいずれかの複合材料を含むアノードであって、0.2Cの放電率で100サイクル後に初期値の約20%以上の比容量を有するアノードを含む。ある実施形態では、アノードは、0.2Cの放電率で100サイクル後に400mAh/g以上の重量容量を有する。ある実施形態では、アノードは、初期値の45%以上の第1サイクルクーロン効率を有する。ある実施形態では、アノードは炭素をさらに含み、炭素は黒鉛、グラフェン、活性炭、またはカーボンナノチューブの形態であってよい。
第3の実施形態は、本明細書に記載の材料を製造する方法であって、a.シリカ前駆体を金属熱プロセスに供するステップと;b.反応副生成物を除去してSiOx−ケイ素コア材料を得るステップと;c.コア材料にコーティング材料を取り付けるステップとを含み、コーティング材料が伝導性、半導性、または非伝導性である、方法を含む。ある実施形態では、シリカ前駆体を金属熱プロセスに供するステップは、マグネシウムの存在下でシリカ前駆体を400℃超の温度まで2時間超にわたり加熱するステップを含む。ある実施形態では、供するステップは、400℃超の温度まで2時間超にわたり加熱するステップと、続いて600℃超の温度まで2時間超にわたり加熱するステップとを含む。ある実施形態では、シリカ前駆体は、ガラススート、ガラス粉末またはガラス繊維を含む。ある実施形態では、シリカ前駆体は、最長軸に沿って約10nm〜約1μmの平均サイズを有するガラススートまたはガラス粉末を含む。
方法のある実施形態では、コーティング材料は有機材料を含む。ある実施形態では、この有機材料はコア材料に化学結合される。ある実施形態では、コーティング材料は炭素前駆体を含む。ある実施形態では、有機コーティングは、0重量%超〜約10重量%で存在する無機材料をさらに含むが、典型的には、無機材料は合わせて合計3重量%未満の量で存在する。
方法のある実施形態では、方法は、コーティング材料の接着性を改善する材料でコア材料をプレコーティングするステップをさらに含む。
方法のある実施形態では、コーティング材料は、無機材料、たとえば、金、銀、アルミニウム、銅、および他の遷移金属、酸化物、たとえばアルミナ、酸化タングステン、酸化アルミニウム亜鉛、インジウムスズ酸化物、および他のTCO、ならびに他の無機材料、たとえばポリシランなどの無機ポリマーを含む。
方法のある実施形態では、コーティング材料は、約1nm〜約5μmの厚さを有する。ある実施形態では、コーティング層の厚さは、約2nm〜約5μm、約10nm〜約3μm、約10nm〜約1μm、約10nm〜約800nm、約10nm〜約500nm、約5nm〜約5μm、約5nm〜約3μm、約5nm〜約1μm、約5nm〜約800nm、約80nm〜約5μm、約80nm〜約3μm、約80nm〜約1μm、約1μm〜約5μm、約1μm〜約3μm、または約3μm〜約5μmである。ある実施形態では、コア材料対コーティング材料の質量比は、約1000:1〜100:1〜10:1〜1:10、8:1〜1:8、5:1〜1:5、または2:1〜1:2である。
別の一態様は、本明細書に記載の複合材料を製造する方法であって、a.シリカ前駆体およびマグネシウムを約0.5:1〜約2:1の比で混合して混合物を形成するステップと;b.混合物を約650℃超〜1000℃未満の温度まで加熱するステップであって、加熱がコア材料を形成するために約0.5℃/分〜約50℃/分の上昇速度で行われる、ステップと;c.コア材料を炭素前駆体でコーティングし、かつ炭素前駆体を炭化させるのに十分な温度までコア材料および炭素前駆体を加熱するステップとを含む方法を含む。ある実施形態では、方法は、約0.3M以上の濃度を有する有機酸でシリカ−ケイ素ハイブリッドを酸エッチングすることにより、ステップb.の反応副生成物を除去するステップをさらに含む。ある実施形態では、ステップc.における加熱が600℃を超える温度までの加熱を含む。
本開示の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照番号で示される以下の図面と合わせて読むことで最もよく理解できる。
以下の説明は、利用可能にする教示として提供され、以下の詳細な説明、図面、実施例、および請求項、ならびにそれらの前述および後述の説明を参照することによってより容易に理解できる。このために、関連する技術分野の当業者は、本明細書に記載の種々の態様に対する多くの変更形態がなされうる一方、依然として有益な結果を得ることできることを認識し理解するであろう。一部の特徴を選択し別の特徴は利用せずに、本開示の所望の利益の一部を得ることができることも明らかとなるであろう。したがって、当業者は、多くの修正形態および適応形態が実現可能であり、さらに特定の状況では望ましい場合があり、本開示の一部となることを認識するであろう。したがって、以下の説明は、実施形態の例として提供され、それらを限定するものではない。さらに、他に明記されなければ、本開示が開示される特定の組成物、物品、装置、および方法に限定されるものではなく、したがって当然ながら変更が可能であることを理解すべきである。本明細書において使用される用語は、特定の態様の説明のみを目的としており、限定を意図するものではないことも理解すべきである。
開示される方法および組成物に使用できる、それらとともに使用できる、またはそれらの実施形態である材料、化合物、組成物、および構成要素が開示される。これらおよびその他の材料が本明細書において開示され、これらの化合物のそれぞれの種々の個別のおよび集合的な組合せおよび順列の具体的な言及は明示的に開示されていない場合があるが、それぞれが特に本明細書に意図され記載される、これらの材料の組合せ、部分集合、相互作用、群などが開示されることを理解されたい。したがって、ある種類の置換基A、B、およびCが開示され、ある種類の置換基D、E、およびFも開示され、組合せの一実施形態の一例A〜Dが開示される場合、それぞれが個別におよび集合的に考慮される。したがって、この例では、組合せA〜E、A〜F、B〜D、B〜E、B〜F、C〜D、C〜E、およびC〜Fのそれぞれが特に考慮され、それらはA、B、およびC;D、E、およびF;ならびに例の組合せA〜Dの開示から開示されると見なすべきである。同様に、これらの任意の部分集合または組合せも特に考慮および開示される。したがって、たとえば、A、B、およびC;D、E、およびF;および例の組合せA〜Dの開示から、A〜E、B〜F、およびC〜Eの部分群が特に考慮および開示されると見なすべきである。この概念は、限定するものではないが、開示される組成物を製造する方法および使用する方法における組成物およびステップの任意の構成要素など、本開示のあらゆる態様に適用される。したがって、実施可能な種々の追加ステップが存在する場合、これらの追加ステップのそれぞれは、開示される方法の任意の特定の実施形態または実施形態の組合せを用いて実施することができ、これらの組合せのそれぞれが特に考慮および開示されると見なすべきであることを理解されたい。
本明細書およびそれに続く請求項において、以下の意味を有すると定義されるものとする多数の用語が参照される:
「含む(include)」、「含む(includes)」、または同様の用語は、包含を意味するが、包括的および非排他的に限定されるものではない。
「含む(include)」、「含む(includes)」、または同様の用語は、包含を意味するが、包括的および非排他的に限定されるものではない。
「約」という用語は、他の記載がなければ、その範囲内のすべての用語と関連付けられる。たとえば、約1、2、または3は、約1、約2、または約3と均等であり、約1〜3、約1〜2、および約2〜3をさらに含む。組成物、構成要素、成分、添加剤、および同様の態様、ならびにその範囲に対して開示される特定の好ましい値は、単に説明のためであり、それらにより、他の画定された値および画定された範囲内の別の値が排除されるものではない。本開示の組成物および方法は、本明細書に記載のあらゆる値または値のあらゆる組合せ、特定の値、さらなる特定の値、ならびに好ましい値を有する組成物および方法を含む。
本明細書において使用される場合、名詞は、他に明記されていなければ少なくとも1つまたは1つ以上の対象を指す。
本明細書において使用される場合、「多孔度」は、結晶構造中の空隙空間の尺度の1つである。多孔度は、材料の表面積、細孔径、および細孔径分布、ならびにかさ密度を測定するための標準的な方法であるBarrett、Joyner、およびHalenda法(BJH)、ならびにBrunauer、Emmer、およびTeller法(BET)、ならびに水銀ポロシメトリーなどの技術を用いて測定することができる。
本明細書において使用される場合、「金属熱」は、化学反応により、少なくとも1種類の固体酸化物化合物が、少なくとも部分的に基本元素または基本元素を含む別の化合物に変換される気/固置換反応を意味する。ある実施形態では、この反応は、マグネシウムまたはカルシウムを含む気体を用いて気相中で行われる。しかし、ある場合には、金属熱還元は、電子的に媒介される反応によって行われる。
本明細書において使用される場合、「粉末」は、最小寸法に沿って約10nm〜約500μmの平均直径を有する微細分散された固体粒子を意味する。
本明細書において使用される場合、「スート」は、シリカ前駆体の火炎燃焼によって形成されたシリカ含有粒子を意味する。スートは、1)シリカを含み、2)特定のプロセスによって形成され、良好な粒度および形状の均一性、高表面積、および制御可能な組成の配合物などの特有の性質を有する粉末の部分集合である。
材料
本開示は、電気化学的プロセスの構成要素の製造に利用可能な材料の範囲に拡張される。前述のように、蓄電の改善が引き続き必要とされている。現在のリチウムイオン電池(「LIB」)では、アノード材料として炭素が使用される。数十年間、ケイ素が炭素よりも高いエネルギー密度を有するために、ケイ素は炭素に対する魅力的な代替材料として見られている。1つのケイ素原子が、約3.5個のリチウムイオンを獲得することができるが、一方、6個の炭素で1つのリチウムイオンをインターカレートできるのみである。マイクロメートルスケールのケイ素(すなわち非多孔質ケイ素)自体はLIB中で機能しない。ケイ素が機能しない理由は多数存在し、たとえば、(1)体積増加のために(ケイ素の構造体積が約300%だけ膨張する)、リチオ化中にケイ素によって構造破壊または破損が生じる;(2)リチウムイオンにより、固体電解質相間層(SEI)層と呼ばれるアノード表面上に塩析出物が形成され、同時に、リチウムイオンがケイ素表面上から失われる;(3)リチオ化および脱リチオ化によってアノード上のケイ素の機械的膨張および収縮が繰り返されることで電極と接触しなくなり、それによって電池の故障が生じうることである。図1A〜1Bは、リチウム電池用途での従来のケイ素アノード材料に発生することを図で示す。図1Aは、リチオ化され続いて表面上に固体電解質相間層(SEI)を形成する中実ケイ素構造を示す。このSEIは、電解質と電解質中に使用されるLi塩とのSi表面上での反応のために形成される。中実ケイ素粒子はリチオ化によって膨張する。このリチオ化して膨張した状態でSEIの薄層が形成される。脱リチオ化中、ケイ素構造が収縮し、SEIは分離した断片に破壊されて、新しいケイ素表面が電解質に露出しうる。サイクルが繰り返されると、新しく露出したケイ素表面上に新しいSEIが形成され、その結果、非常に厚く不安定なSEI層が中実ケイ素表面の外側に蓄積する。SEI層は、有機および無機のリチウム塩で構成され、これは活性リチウムイオンが減少することを意味する。同様に、図1B中に示されるように、ナノスケールの多孔質ケイ素構造が使用される場合、露出したSi表面のためにケイ素の外側でSEIが成長する。
本開示は、電気化学的プロセスの構成要素の製造に利用可能な材料の範囲に拡張される。前述のように、蓄電の改善が引き続き必要とされている。現在のリチウムイオン電池(「LIB」)では、アノード材料として炭素が使用される。数十年間、ケイ素が炭素よりも高いエネルギー密度を有するために、ケイ素は炭素に対する魅力的な代替材料として見られている。1つのケイ素原子が、約3.5個のリチウムイオンを獲得することができるが、一方、6個の炭素で1つのリチウムイオンをインターカレートできるのみである。マイクロメートルスケールのケイ素(すなわち非多孔質ケイ素)自体はLIB中で機能しない。ケイ素が機能しない理由は多数存在し、たとえば、(1)体積増加のために(ケイ素の構造体積が約300%だけ膨張する)、リチオ化中にケイ素によって構造破壊または破損が生じる;(2)リチウムイオンにより、固体電解質相間層(SEI)層と呼ばれるアノード表面上に塩析出物が形成され、同時に、リチウムイオンがケイ素表面上から失われる;(3)リチオ化および脱リチオ化によってアノード上のケイ素の機械的膨張および収縮が繰り返されることで電極と接触しなくなり、それによって電池の故障が生じうることである。図1A〜1Bは、リチウム電池用途での従来のケイ素アノード材料に発生することを図で示す。図1Aは、リチオ化され続いて表面上に固体電解質相間層(SEI)を形成する中実ケイ素構造を示す。このSEIは、電解質と電解質中に使用されるLi塩とのSi表面上での反応のために形成される。中実ケイ素粒子はリチオ化によって膨張する。このリチオ化して膨張した状態でSEIの薄層が形成される。脱リチオ化中、ケイ素構造が収縮し、SEIは分離した断片に破壊されて、新しいケイ素表面が電解質に露出しうる。サイクルが繰り返されると、新しく露出したケイ素表面上に新しいSEIが形成され、その結果、非常に厚く不安定なSEI層が中実ケイ素表面の外側に蓄積する。SEI層は、有機および無機のリチウム塩で構成され、これは活性リチウムイオンが減少することを意味する。同様に、図1B中に示されるように、ナノスケールの多孔質ケイ素構造が使用される場合、露出したSi表面のためにケイ素の外側でSEIが成長する。
ケイ素の利点のため、材料劣化の問題を克服できるのであれば、現在の黒鉛アノードよりもはるかに良好なケイ素含有アノードが製造される可能性がある。したがって、ケイ素の高いジリチオ化特性を有するが、蓄電池に必要な長期安定性も有する新規のまたは別の構造にケイ素を使用または組み込む方法を見出すことが引き続き要求されている。多くの研究者グループは、ナノスケールケイ素を製造することにより、ケイ素に固有の問題への対処を試みてきた。これらのグループは、非多孔質でマイクロメートルスケールのケイ素よりもナノスケールケイ素を用いることによる改善を見出している。ケイ素のサイズが減少することで性能が改善されるとこれらのグループが考える理由は、より小さいケイ素サイズにより、サイクル中のリチウムイオンと関連するときのケイ素に発生する体積膨張のより十分な管理がしやすくなると考えるからである。しかし、これらのナノスケールケイ素の試みは、有用な商用デバイスを製造するためのアノードに容易に規模を拡大することができない。さらに、上記グループがこの材料を製造する手段は、炭素市場と競合するために、規模を拡大できなかったり費用対効果を得られなかったりすることが多い。
本発明の実施形態は、マイクロメートルスケール構造を有し、容易に規模拡大が可能である安定多孔質ケイ素(「SPS」)材料を含む。多孔質ケイ素材料は、そのサイズがほとんどの実世界の商業用途に理想的なマイクロメートルスケールであり、さらに多孔度のために、膨張を管理でき、電解質の到達が最大限まで容易となるため、ナノスケールケイ素に対する魅力的な代替品となる。本発明者らの以前の研究で、本発明者らは、シリカ粒子の金属熱還元により製造された多孔質ケイ素を、炭素よりもはるかに大きい容量を有するアノード材料として使用できることを示す。それにもかかわらず、ある実施形態では、本発明者らの裸の多孔質ケイ素(これらを本発明者らは安定多孔質ケイ素(または略してSPS))は、マイクロメートルスケールの非多孔質ケイ素よりも良好な性能を示すが、「そのまま」では十分に安定化されない。すなわち、ある実施形態では、SPS粒子は、初期のサイクルの過程中に早く容量が低下する問題が生じる。グラフェンナノプレートレットコーティングをSPS外部でゆるくアニールすることによるSPSの強化を対照とする初期の解決策は不十分であることが分かった。グラフェンナノプレートレットの単純なアニールは、SPSを十分に安定化させるには不十分であることが確認された。図6は、グラフェンナノプレートレットにゆるくアニールされたSPS粒子のエネルギー分散画像を示す。元素マッピングは、薄く覆われた粒子が、実際、ケイ素、酸素、および少量のマグネシウムを含むコアとともに炭素外部を有することを示す。しかし、図7から分かるように、脱リチオ化比容量(mAh/gm)は安定しておらず、サイクル数にわたって急激に減少する。これは、単純な外部の膜では、リチオ化後の膨潤による損傷を十分に安定化することができないことを示す。本明細書に記載の本発明の態様および実施形態は、均一な表面安定化を保証するために、SPS粒子上にコンフォーマルコーティングを直接接着するステップを含む新規な解決策を提供する。
第1の態様は、複合体を形成するためにコーティング層で覆われた多孔質ケイ素を含む構造を含む。この複合体の一般的な構造は、SPSコアの表面の少なくとも一部にコンフォーマルに接着されたコーティングを有するSPSコアである。このような複合体は、安価であり、商業規模で製造することができ、所望のサイクル寿命にわたって安定であり、黒鉛よりも最大で250〜300%高いサイクル効率を示し、ケイ素の安定性の問題が生じない。SPSおよびコーティングの両方に対して可能性のある前駆体は多数存在し、安価である。複合構造を有することの3つの主要な利点は、1)SPSのコンフォーマルコーティングがSPS表面を変性させるSEI層の蓄積を最小限にするのに役立ち、それによって第1クーロン効率(CE)長期サイクル性能が向上すること;2)複合構造により、電気化学的サイクル(リチオ化および脱リチオ化)中のSiの体積膨張が最小限になること;および3)用途によって必要となるアノードの最終比容量の制御が可能となることである。図1Cは、この第1の態様の一実施形態を図で示す。図1C中、多孔質ケイ素構造は、ケイ素表面の少なくとも一部をコーティングするまたは覆うコーティング層と組み合わされる。この拘束層は、リチオ化中のケイ素の膨張を防止し、さらに、裸のSi表面を保護することで、図1Aおよび1B中に示されるようなアノード上のSEIの蓄積の原因となるSEI層が繰り返し形成されることが防止される。
複合体の実施形態は、コーティングを有する多孔質ケイ素コアを含む。多孔質ケイ素コア構造は、本明細書ならびに米国特許出願第62/016,897号明細書(2014年6月25日出願)および米国特許出願第61/197,451号明細書(2014年4月9日出願)(これら両方の全体が参照により本明細書に援用される)に記載されている。ある実施形態では、SPS、すなわち安定多孔質ケイ素は、ケイ素−シリカハイブリッド材料を含む。このハイブリッド材料は、酸化ケイ素SiOx(式中、xは1〜2である)の領域と、ケイ素の領域とを含み、金属熱還元プロセスによって形成することができる。本明細書に開示されるハイブリッド材料は、シリカ前駆体から形成することができる。ハイブリッド材料を形成するためのシリカ前駆体として使用できる材料としては、一般にあらゆるシリカ系組成物が挙げられる。シリカ前駆体は、純シリカを含む場合があり、またはドーパントもしくは不純物をさらに含むシリカ組成物を含む場合もある。特に有用なシリカ前駆体は、シリカ粉末およびシリカスートである。一般に、シリカ前駆体粒子または粉末がナノスケールまたはマイクロスケールのオーダーである場合が有利である。ある実施形態では、SPSは、多孔質ケイ素と別の有機または無機の要素とを含むこともできる。
シリカスート粒子は、最長軸に沿って測定して約10nm〜約1μmの平均サイズを有することができ、たとえば回転楕円体またはフラクタルなどのあらゆる所望の形状を有することができる。シリカスートは、ドーパントまたは不純物をさらに含むことができる。シリカ前駆体中に含まれてよいドーパントまたは不純物の例は、米国特許出願第62/016,897号明細書(2014年6月25日出願)および米国特許出願第61/197,451号明細書(2014年4月9日出願)に示されている。特定の実施形態において有利でありうるドーパントは、たとえば、リチウム、マグネシウム、マンガン、モリブデン、ニオブ、タングステン、タンタル、鉄、銅、チタン、バナジウム、クロム、ニッケル、コバルト、ジルコニウム、スズ、銀、金、インジウム、または銅、ならびにそれらの組合せを含む。このような実施形態では、これらの材料は、0重量%超〜約30重量%で存在することができるが、典型的には、これらは合わせて合計10重量%未満、またはある場合には合わせて合計10重量%未満の量で存在する。
一般に、シリカスートは、シリカ前駆体の火炎燃焼によって製造される。前駆体は、シリカ粒子を消化して、四フッ化ケイ素、四塩化ケイ素、または有機ケイ素前駆体を合成することによって製造することができる。次に、それらの粒子を火炎加水分解することによってシリカスートが生成される。火炎燃焼プロセスでは、核形成および成長(溶融粒子の凝集)、ならびにサイズが制御される。スートの製造において、スート粒子は、凝固を防止するために急冷され、「バッグハウス」中に集められる。火炎燃焼に加えて、誘導スートガン、ゾルゲル、およびプラズマ燃焼などのシリカスートの別の製造も存在する。
シリカスートから形成されたハイブリッド材料の実施形態は、得られるハイブリッド材料全体にわたって酸化ケイ素とケイ素とが比較的均等な間隔で配置される構造を有する。ハイブリッド材料の有利な一態様は、それらの高い多孔度レベルである。何らかの特定の理論によって束縛しようと望むものではないが、ハイブリッド材料の高多孔度レベル(たとえば、表面積、細孔径)と、酸化ケイ素およびケイ素の領域の構造的相互作用との組合せにより、ハイブリッド材料の構造的完全性が向上すると推測される。ハイブリッド材料は、約50Å〜約1350Å(約5nm〜約135nm)の平均細孔径を有することができる。ある実施形態では、平均細孔径は、約50Å〜約1350Å(約5nm〜約135nm)、約50Å〜約1200Å(約5nm〜約120nm)、約50Å〜約1000Å(約5nm〜約100nm)、約50Å〜約800Å(約5nm〜約80Å)、約50Å〜約600Å(約5nm〜約60nm)、約50Å〜約400Å(約5nm〜約40nm)、約50Å〜約200Å(約5nm〜約20nm)、約50Å〜約150Å(約5nm〜約15nm)、約50Å〜約100Å(約5nm〜約10nm)、約100Å〜約1350Å(約10nm〜約135nm)、約100Å〜約1000Å(約10nm〜約100nm)、約100Å〜約800Å(約10nm〜約80nm)、約100Å〜約400Å(約10nm〜約40nm)、約100Å〜約250Å(約10nm〜約25nm)、約100Å〜約200Å(約10nm〜約20nm)、約100Å〜約150Å(約10nm〜約15nm)、約150Å〜約1350Å(約15nm〜約135nm)、約150Å〜約1000Å(約15nm〜約100nm)、約150Å〜約700Å(約15nm〜約70nm)、約150Å〜約250Å(約15nm〜約25nm)、約150Å〜約200Å(約15nm〜約20nm)、約200Å〜約1350Å(約20nm〜約135nm)、約200Å〜約1000Å(約20nm〜約100nm)、約200Å〜約700Å(約20nm〜約70nm)、または約200Å〜約250Å(約20nm〜約25nm)である。
ハイブリッド材料の表面積は、約10m2/g〜約250m2/gの範囲である。実施形態は、約10m2/g〜約250m2/g、10m2/g〜約200m2/g、10m2/g〜約150m2/g、10m2/g〜約100m2/g、10m2/g〜約75m2/g、10m2/g〜約50m2/g、10m2/g〜約25m2/g、25m2/g〜約250m2/g、25m2/g〜約200m2/g、25m2/g〜約150m2/g、25m2/g〜約100m2/g、25m2/g〜約75m2/g、25m2/g〜約50m2/g、50m2/g〜約250m2/g、50m2/g〜約200m2/g、50m2/g〜約150m2/g、50m2/g〜約100m2/g、50m2/g〜約75m2/gの表面積を有するハイブリッド材料を含む。
ナノスケールのスートおよび粉末から形成されるハイブリッド材料は、一般に、それらの最長軸に沿った直径が約1μm〜約10μmである。ある場合には、粒子は、約1μm〜約10μmの直径を有するほぼ球形である。これらの材料は、SiOxおよびケイ素の領域の幾分均一な混合を含む凝集構造を有する傾向にある。凝集体中、これらの凝集体は、約10nm〜約500nmのケイ素およびSiOxから構成されるサブ粒子から構成されてよい。マイクロメートルスケールのハイブリッド生成物の構造は、ナノスケール出発物質の凝集と関連すると推測される。しかし、得られるハイブリッド材料の形状は、出発物質と関連する場合があるが、化学的または機械的に修正することもできる。
本発明のハイブリッド材料は、ケイ素およびSiOx(式中、xは1〜2である)の組合せを含む。ある実施形態では、ケイ素は結晶性である。ハイブリッド材料中の結晶ケイ素の量は、約20重量%〜約97重量%である。ある実施形態では、結晶ケイ素の量は、約20重量%〜約97重量%、約20重量%〜約95重量%、約20重量%〜約90重量%、約20重量%〜約80重量%、約20重量%〜約70重量%、約20重量%〜約60重量%、約20重量%〜約50重量%、約20重量%〜約40重量%、約20重量%〜約30重量%、約30重量%〜約97重量%、約30重量%〜約95重量%、約30重量%〜約90重量%、約30重量%〜約80重量%、約30重量%〜約70重量%、約30重量%〜約60重量%、約30重量%〜約50重量%、約30重量%〜約40重量%、約40重量%〜約97重量%、約40重量%〜約95重量%、約40重量%〜約90重量%、約40重量%〜約80重量%、約40重量%〜約70重量%、約40重量%〜約60重量%、約40重量%〜約50重量%、約50重量%〜約97重量%、約50重量%〜約95重量%、約50重量%〜約90重量%、約50重量%〜約80重量%、約50重量%〜約70重量%、約50重量%〜約60重量%、約60重量%〜約97重量%、約60重量%〜約95重量%、約60重量%〜約90重量%、約60重量%〜約80重量%、約60重量%〜約70重量%、または約70重量%〜約80重量%である。
ある実施形態では、SiOxの量は約3重量%〜約50重量%である。ある実施形態では、SiOxの量は、約3重量%〜約50重量%、約3重量%〜約40重量%、約5重量%〜約30重量%、約5重量%〜約20重量%、約5重量%〜約10重量%、約10重量%〜約50重量%、約10重量%〜約40重量%、約10重量%〜約30重量%、約10重量%〜約20重量%、約20重量%〜約50重量%、約20重量%〜約40重量%、約20重量%〜約30重量%、約30重量%〜約50重量%、約30重量%〜約40重量%、または約40重量%〜約50重量%である。
ある実施形態では、ケイ素対SiOxの比は、リチウム電池中のアノード材料として使用される場合など、複数の体積膨張が生じる場合の材料の安定性にとって重要である。これらの実施形態では、ケイ素:SiOxの比は、約1:1〜約40:1または約1:1〜約35:1である。ある実施形態では、ケイ素:SiOxの比は、約1.5:1〜約35:1、約1.5:1〜約30:1、約1.5:1〜約20:1、約1.5:1〜約10:1、約1.5:1〜約5:1、約2:1〜約35:1、約2:1〜約30:1、約2:1〜約20:1、約2:1〜約20:1、約3:1〜約35:1、約3:1〜約30:1、約3:1〜約20:1、約5:1〜約35:1、約5:1〜約30:1、または約5:1〜約20:1である。
本発明のハイブリッド材料は、材料の性質に対して限定された影響を有するか、有益なまたは相乗的な効果を有しうるかのいずれかである追加の化合物をさらに含むことができる。このようものとしては、ドーパント、不純物、およびハイブリッド材料の形成の副反応生成物が挙げられる。たとえば、ある実施形態は、0重量%超〜約25重量%のフォルステライトとも呼ばれるMg2SiO4を含む。あるいは、ある実施形態は、0重量%超〜約45重量%のMgO、または0重量%超〜約10重量%のMgOを含む。MgOは、たとえば有機酸で生成物を洗浄することによってハイブリッド材料から除去することができるが、残留量が残る場合があり、それらはハイブリッド材料の性能に影響しない。ハイブリッド材料のある実施形態において存在し有利でありうるドーパントおよび/または不純物は、リチウム、マグネシウム、マンガン、モリブデン、ニオブ、タングステン、タンタル、鉄、銅、チタン、バナジウム、クロム、ニッケル、コバルト、ジルコニウム、スズ、銀、インジウム、または銅、ならびにそれらの組合せを含む。このような実施形態では、これらの材料は、0重量%超〜約10重量%で存在しうるが、典型的には、これらは合わせて合計3重量%未満の量で存在する。
コーティング層に注目すると、本発明の実施形態は、SPS材料の少なくとも一部を覆う1つ以上の層をさらに含む。コーティング層は、SPS材料の表面または外部領域の上にのみに存在することができ、または多孔質構造の内部の一部もしくはすべてに挿入されたり、またはそれらを覆ったりすることができる。ある実施形態では、これは、SPS材料中の凝集領域中に挿入されるが、多孔質構造中には挿入されない場合がある。図8は、コンフォーマルコーティングの前(左図)および後(右図)の具体化された多孔質SPS粒子の2D表示を示す。この実施形態では、コンフォーマルコーティングは、SPS粒子の細孔内部および外側の両方で起こっている。
コーティング層は、有機材料もしくは無機材料のいずれか、またはそれらの組合せの1つ以上の層を含むことができる。このような結合構造は、SPS構造を「固定」するのに十分な強さであり、リチオ化および脱リチオ化中の膨張および収縮を防止すると考えられる。コーティング層の構造は、規則的、不規則、非晶質、結晶性、またはそのような構造の組合せを含むことができる。たとえば、コーティング層は、結晶性無機成分が組み込まれた非晶質炭素層を含むことができる。あるいは、コーティング層は、グラフェンシートを含むことができる。ある実施形態では、コーティング層は、SPS材料の外面の少なくとも約30%、40%、50%、60%、70%、80%、または90%を覆う。ある実施形態では、コーティング層は約1nm〜約5μmの厚さを含む。ある実施形態では、コーティング層の厚さは、約2nm〜約5μm、約10nm〜約3μm、約10nm〜約1μm、約10nm〜約800nm、約10nm〜約500nm、約5nm〜約5μm、約5nm〜約3μm、約5nm〜約1μm、約5nm〜約800nm、約80nm〜約5μm、約80nm〜約3μm、約80nm〜約1μm、約1μm〜約5μm、約1μm〜約3μm、または約3μm〜約5μmである。ある実施形態では、SPS対コーティング材料の質量比は、約1000:1〜約1:10、約100:1〜約1:10、約10:1〜約1:10、約8:1〜約1:8、約5:1〜約1:5、または約2:1〜約1:2である。
ある実施形態では、コーティングは、金属、または伝導性酸化物などの1種類以上の伝導性成分を含む。ある実施形態では、コーティング層は複数の層を含み、そのそれぞれの層は、非伝導性(または絶縁性)、半導性、または伝導性であってよい。伝導性または半導性は、コーティング層自体の1つ以上の層、または金属、酸化物、ナノ材料、グラフェンなどの層中の成分に由来しうる。
ある実施形態では、コーティング層は、炭素などの有機材料を含む。炭素系コーティングは、多数の出発物質から安価に製造され、リチウムイオン電池中で十分に機能するという点で有利である。炭素コーティングは、当技術分野において周知の任意の炭素前駆体から形成することができる。前駆体ポリマーの例としては、ポリマー(たとえば、ポリ(ヒドリドカルビン)、ポリアクリロニトリル、複合糖類、フェノール樹脂など)が挙げられる。単糖類の例は、グルコース、フルクトースおよびスクロースなどである。ある実施形態では、炭素は、活性炭、非晶質炭素、グラフェン、黒鉛、メソポーラス炭素、ダイヤモンド状炭素、ナノ結晶ダイヤモンド、ナノチューブ、フラーレン、ナノバッド、ナノファイバー、ガラス状炭素、およびそれらの組合せの形態である。
あるいは、有機コーティングは、SPS材料の表面に化学結合する有機小分子またはポリマーを含むことができる。たとえば、コーティング層は、外部シリカ層の−OH基に化学結合するPEOエポキシ、PEGエポキシ、またはポリアニリンなどのポリマーを含むことができる。銀がドープされるマスターボンド(master bond)10HTSなどの市販の伝導性エポキシ系を使用することもできる。第1のコーティングがシラン接着促進剤であり、SPS上のポリマーコーティングの接着性を向上するため、またはその場重合をさらに促進するために行われる2段階方法である。
前駆体ポリマーとSPSとの間の表面相互作用を向上させるシランなどの初期表面処理を使用することにより、前駆体ポリマーのSPS粒子との相互作用をさらに向上させることができる。プレコーティングシランの一例では、グリシジル3−(トリメトキシシリル)プロピルエーテル(GLYMO)がプレコーティングされる。接着促進コーティング別の市販の例は、Tyzor(登録商標)製品ラインのジルコネートおよびチタネートである。ある実施形態では、コーティング層は、接着促進剤または層の接着性を改善する別の成分を含む。ある実施形態では、接着促進剤は、追加される層の前の第1の層である。ある実施形態では、接着促進剤はシランである。ある実施形態では、共コーティングまたは第1のコーティングのいずれかとしてシランコーティングを使用して、炭素前駆体のSPSに対する接着を促進して、改善された接着性を有する炭素コーティングを形成することができる。
無機コーティングは、本発明のSPSの実施形態とともに機能する任意の数の無機化合物、組成物、または酸化物を含むことができる。例としては、金属、たとえば金、銀、アルミニウム、銅、および他の遷移金属、酸化物、たとえばアルミナ、酸化タングステン、酸化アルミニウム亜鉛、インジウムスズ酸化物、および他のTCO、ならびに他の無機材料、たとえば無機ポリマー、たとえばポリシランが挙げられる。コーティング材料は、それら自体のコーティングを含む場合があり、または有機コーティング材料と併用して「ハイブリッド」コーティングが形成される場合もある。ある実施形態では、有機または炭素コーティングに1種類以上の無機材料が「ドープ」される。このような場合、ドーパントは0重量%超〜約10重量%で存在することができるが、典型的には、それらは合わせて合計3重量%未満の量で存在する。
本発明の複合材料は、電気化学装置、特にリチウム電池装置のアノード中に組み込むことができる。リチウム電池アノード中の複合材料の使用が特に関心が高い。本発明の複合材料がリチウム電池アノード中に使用される場合、他の材料には見られない有利な性質を得ることができる。たとえば、複合材料を含むアノードは、0.2Cの放電率で100サイクル後に約20%以上の比容量を有する。ある実施形態では、ハイブリッド材料を含むアノードの比容量は、0.2Cの放電率で100サイクル後に約30%以上、40%以上、50%以上、60%以上、70%以上、または80%以上である。
ある実施形態では、複合材料を含むアノードは、重量容量の改善を示す。ある実施形態では、複合材料を含むアノードの重量容量は、0.2Cの放電率で100サイクル後に約400mAh/g以上、約500mAh/g以上、または約600mAh/g以上である。さらに、このようなアノードは、第1サイクル後に15%、20%、25%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、または90%を超えるクーロン効率も示しうる。
電気化学的用途では、本発明の複合材料は、炭素またはさらにはポロゲンなどの追加の共材料をさらに組み合わせることができる。ポロゲンは、コンフォーマルコーティング中にドープされる物質であり、後に除去することで最終的なコンフォーマルコーティング中に細孔を形成することができる。ある実施形態では、組み合わされたアノードは、>2〜95%の炭素および>5〜98%の複合材料を含むことができる。ある実施形態では、炭素は、黒鉛、非晶質炭素、ダイヤモンド状炭素、グラフェン、活性炭、カーボンナノチューブ、またはフラーレン、ならびにそれらの組合せである。本発明の複合体はドープされる場合もされない場合もある。
リチウム電池用途に使用される別の成分は、当業者には周知である。複合材料とともに使用できるリチウム化合物は、リチウム金属、酸化物、合金、二元合金などを含む。
リチウム電池のアノード中への使用が特に関心が高いが、本明細書に記載の方法によって製造される複合材料は、分子センシング、触媒反応、モレキュラーシーブ、オプトエレクトロニクス、コンピューティング、エネルギー貯蔵、電池、電界電子輸送(FET)およびn−MOSFETまたはp−MOSFET、薬物送達、抗菌使用、細胞培養、細胞に基づくアッセイ、イオンチャネルアッセイ、有機ハイブリッドポリマー複合体、無機ハイブリッドポリマー複合体、健康管理、医薬用途、セメント、透明導電体、超伝導体、超磁石、圧電用途、焦電用途、マイクロ波合成、抗菌剤、抗がん用途、石油生産および精製、量子もつれ、メタマテリアル、エネルギー、エレクトロニクス、マイクロエレクトロニクス、ナノエレクトロニクス、スピントロニクス、キラル合成、ガス検知、気体分離、浄水、電気分解、電気化学的反応および合成、磁化率、環境ガス浄化、炭素隔離、触媒コンバータ、光ファイバーデバイス、レンズ、イオン交換、RFID、LED、OLED、耐火材料、導体、コンピュータ、量子コンピュータ、集積回路、量子カスケードレーザー、押出セラミック素子、ミサイルカバー、分子分離、照明、爆薬、航空宇宙用途、ヒートシンク、熱電センサ、熱電対、pHメーター、高温屈折器、質量分析用の化学レーザー、UV−Vis光学系、蛍光染料空洞、核反応、変圧器、ソレノイド、非線形光学系、電気モーター、光起電力技術、金属除去、電気化学的反応/合成、界面活性剤、吸着、接着剤、フォノンセンシング、照明、レーザーバイオセンサー、光導波路、光起電力技術、光触媒反応、エレクトロルミネッセンス、表面増強ラマン分光法などの広範囲の用途に使用することもできる。
方法
第2の態様は、そのような構造を製造する方法であって、リチウムイオン電池用の優れた安定多孔質ケイ素アノード材料を得るために本発明者らの以前の方法を利用するプロセスステップと、追加のコーティングステップとの組合せを含む、方法を含む。ある実施形態では、この方法は2段階方法を含む。第1のステップは、1)約0.5〜10マイクロメートルの粉砕多孔質ケイ素粒子を製造するステップと、次に2)粉砕多孔質ケイ素の安定化表面を有するその外部にコンフォーマルにコーティングするステップとを含む。
第2の態様は、そのような構造を製造する方法であって、リチウムイオン電池用の優れた安定多孔質ケイ素アノード材料を得るために本発明者らの以前の方法を利用するプロセスステップと、追加のコーティングステップとの組合せを含む、方法を含む。ある実施形態では、この方法は2段階方法を含む。第1のステップは、1)約0.5〜10マイクロメートルの粉砕多孔質ケイ素粒子を製造するステップと、次に2)粉砕多孔質ケイ素の安定化表面を有するその外部にコンフォーマルにコーティングするステップとを含む。
第1のステップに関して、米国特許出願第62/016,897号明細書(2014年6月25日出願)および米国特許出願第61/197,451号明細書(2014年4月9日出願)(これら両方が参照により本明細書に援用される)には、SPS材料の合成周辺の詳細が記載される。ある実施形態では、SPSは、マグネシウム粉末と、シリカナノ粒子、特にシリカスートとの間の金属熱反応を利用して形成される。前駆体シリカは、シリカスートの蒸気合成から得られるシリカナノスフィアなどの非晶質状態、または一般に砂中に見られるような結晶形態のいずれかであってよい。前駆体材料としての砂の場合、石英粒子をサブマイクロメートルサイズまで粉砕することが必要となりうる。多孔質ケイ素を得る方法は、マグネシウムなどの金属粉末およびシリカ粉末を密閉反応容器中で加熱することを含み、不活性環境(たとえば、アルゴン)下で加熱することで多孔質ケイ素粉末が得られる。次に、非ケイ素汚染物質を除去するために抽出プロセスが行われる。
この反応により、マグネシウムなどの金属ガスによってシリカ前駆体から酸素が抽出されて、金属または半金属の酸化物基材の表面に沿って金属−酸素複合体が形成される。また、ある実施形態では、雰囲気は、ある水素分圧を有することによって還元に有利であるように意図することができる(たとえば、98%のアルゴン、2%のH2)。酸素抽出を促進するために、不活性雰囲気は反応温度Tまで加熱され、多くの粉末またはスート前駆体の場合に約400℃〜約900℃である。たとえば、限定するものではないが、スートの場合、適切な反応温度Tは約660℃であり、約2時間維持することができる。ある実施形態では、反応温度は、約400℃、425℃、450℃、475℃、500℃、525℃、550℃、575℃、600℃、625℃、650℃、675℃、700℃、725℃、750℃、775℃、800℃、825℃、850℃、875℃、または900℃である。ある実施形態では、反応温度は、400℃を超え、425℃を超え、450℃を超え、475℃を超え、500℃を超え、525℃を超え、550℃を超え、575℃を超え、600℃を超え、625℃を超え、650℃を超え、675℃を超え、700℃を超え、725℃を超え、750℃を超え、775℃を超え、800℃を超え、825℃を超え、850℃を超え、875℃を超え、または900℃を超える。低圧反応室の場合、低い反応温度が考慮される。
前駆体成分を反応温度まで加熱する場合の加熱速度により、得られる構造に対して影響が生じる場合がある。一般的な場合、加熱速度が速いと、ハイブリッド材料中に得られる細孔構造がより大きくなる。この結果、プロセスパラメータを単に修正することで、特定のデバイスまたはシステムに対して細孔構造を「調節」することができる。加熱速度は0.5℃/分〜50℃/分超、たとえば1、2、5、10、20、30、40、50、75、または100℃/分に設定することができる。
酸化物の還元に必要なエネルギーに関しては、前駆体中に存在する材料のエリンガムダイアグラムを使用することができる。マグネシウムガスは、たとえば炭素ガスよりもかなり低い温度で一般的な酸化物のほとんどを還元することができる(例外はCaOであるが、これは別の手段によって後にエッチングすることができる)。したがって、通常の場合、多成分酸化物でできた粉末またはスートは、マグネシウムを用いた金属熱還元によって抽出することができる。
本開示の範囲から逸脱せずに、種々の適切な還元ガスが利用可能であることが考慮される。たとえば、限定するものではない、金属還元ガスは、マグネシウム、カルシウム、ナトリウム、ルビジウム、またはそれらの組合せを含むことができることが考慮される。金属ガスがマグネシウムを含む、単純化された幾分理想的な場合、シリカガラス基材との対応する化学量論反応は、
2Mg+SiO2→Si+2MgO
である。同様の還元ガスの場合、類似の反応を特徴とする。このような反応は任意のシリカ表面で起こりうる。しかし、ドープされたシリカ粉末または純シリカ粉末を使用することができる。前駆体粒子がケイ素以外の元素を含有する場合、得られる多孔質材料は、SPS合金またはSPS金属間化合物と呼ばれる。次に、このSPS粒子(純ケイ素または合金もしくは金属間化合物として)が金属熱還元による形成後にコンフォーマルコーティングされると、本発明者らはこれを複合材料と呼ぶ。本発明者らがここでも確認することは、金属熱還元前にシリカに糖などのコンフォーマル前駆体材料を直接含めることで、後のコンフォーマルコーティングの必要性が場合により減少しうることが考慮される。しかし、本明細書に記載のコンフォーマルコーティングは、アルゴンオーブン中の第2の熱処理により行った。
2Mg+SiO2→Si+2MgO
である。同様の還元ガスの場合、類似の反応を特徴とする。このような反応は任意のシリカ表面で起こりうる。しかし、ドープされたシリカ粉末または純シリカ粉末を使用することができる。前駆体粒子がケイ素以外の元素を含有する場合、得られる多孔質材料は、SPS合金またはSPS金属間化合物と呼ばれる。次に、このSPS粒子(純ケイ素または合金もしくは金属間化合物として)が金属熱還元による形成後にコンフォーマルコーティングされると、本発明者らはこれを複合材料と呼ぶ。本発明者らがここでも確認することは、金属熱還元前にシリカに糖などのコンフォーマル前駆体材料を直接含めることで、後のコンフォーマルコーティングの必要性が場合により減少しうることが考慮される。しかし、本明細書に記載のコンフォーマルコーティングは、アルゴンオーブン中の第2の熱処理により行った。
非化学量論またはより複雑な場合、Mg2Siなどの反応副生成物が生成され、前述の還元ステップの次に後述の副生成物除去ステップを行うことができる。一般に、水、アルコール、または極性有機溶媒中の強有機酸を使用して、反応副生成物が除去される。しかし、場合により、ハイブリッド材料に付着した副生成物を除去するために、音波処理または混合力の使用が必要となる場合がある。場合により、副生成物の分離のためにまたは実際の生成物のサイズ分離のために、得られた材料を遠心分離することが有利である。あるいは、副生成物の生成を回避するため、および副生成物除去ステップに対する必要性から、副生成物が十分に生成しない量で金属ガスが供給されるように、還元の化学量論を調節できることが考慮される。しかし、多くの場合、結晶性前駆体の組成物では、さらなる反応副生成物の生成が不可避であり、そのような場合、これらのさらなる副生成物は、エッチングおよび本明細書に記載の熱的な副生成物除去ステップによって除去することができる。
還元を進めるために、金属ガスを到達させながら、粉末またはスート前駆体を対してマイクロ波またはRFにさらすことができる。あらゆる従来の供給源または依然として開発されていない供給源、たとえば、金属ガスの発生を誘導するマイクロ波、プラズマもしくはレーザー昇華、電流、誘導加熱、またはプラズマアークにさらされた金属源から金属ガスを供給することができる。金属ガスが金属源から誘導される場合、さらなる還元を進めるために、金属ガスをシリカと反応させながら、金属源の組成を変更できることも考慮される。
基材表面に電子を照射することにより、金属または半金属基材にさらなる欠陥を形成することができる。この結果得られる欠陥により、金蔵熱還元ガス物質による酸素のより容易で多量の抽出が可能となり、したがって、これは、前述の金属熱還元プロセスの前にガラス基材に電子ビームを照射することによる酸素抽出の向上に使用することができる。考慮される線量としては、限定するものではないが約10kGy〜約75kGy(kGyは千グレイ単位である)の線量が挙げられ、加速電圧は約125KVである。より高い線量および加速電圧が考慮され、有利でありうると考えられる。
形成される金属−酸素複合体を除去して、ハイブリッド構造を得ることができる。最終生成物は、任意選択的な追加のドーパントが存在するケイ素−シリカハイブリッド粒子でありうる。
本開示の種々の実施形態は、特定の除去プロセスに限定されるものではないが、反応後酸エッチングステップを実施することにより、金属または半金属の基材から金属−酸素複合材を除去できることに留意されたい。たとえば、限定するものではないが、反応後酸エッチングは、水およびアルコール中1M〜4MのHCl溶液(HCl(濃):H2O:EtOH(約100%)のモル比=0.66:4.72:8.88)中で少なくとも2時間行うことができる。別のアルコールをエッチングステップに使用することもできる。ガラスの多孔度によるが、ある程度さらなるMgOがガラスの内側に捕捉されることがあり、より長時間のさらなるエッチングが酸性混合物の複数のフラッシングとともに必要となりうる。
ある実施形態では、形成されたハイブリッド材料は200m2/gを超える多孔度を有する。ある実施形態では、形成された材料は、約200〜約1000、約200〜約900、約200〜約800、約200〜約700、約200〜約600、約200〜約500、約200〜約400、約200〜約300、約300〜約1000、約300〜約900、約300〜約800、約300〜約700、約300〜約600、約300〜約500、約300〜約400、約400〜約1000、約400〜約900、約400〜約800、約400〜約700、約400〜約600、約400〜約500、約500〜約1000、約500〜約800、約500〜約600、約600〜約1000、約500〜約800、または約800〜約1000m2/gの多孔度を有する。ある実施形態では、形成された材料は、約200、225、250、275、300、350、400、450、500、550、600、650、700、750、800、900、または1000m2/gの多孔度を有する。
SPS(またはハイブリッド材料)が形成された後、ある種の副生成物、たとえば、種々のMg含有成分、たとえばMg2Siを除去するために処理することができ、次にコーティング層が組み込まれる第2のステップに使用される。SPSのコーティングは、当技術分野において周知の任意の数の方法によって行うことができ、有機または無機のコーティングを形成することができる。
ある実施形態では、コーティング層は、化学結合を介して形成される。たとえば、ポリマー、たとえばPAN、PEG、PEO、エポキシ、シランなどは、残存するシリカ上に見られる外部−OH基との反応によって結合することができる。あるいは、モノマーを溶液中でSPSと混合して、その場で重合させて、SPSを覆うことができる(以下の実施例6)。さらに別の代案は、シランを使用することであり、有機層の接着性を改善するための接着剤として使用することができる。
ある実施形態では、コーティング層は炭素コーティングを含む。ある実施形態では、炭素コーティングは、炭化プロセスによって形成することができる。炭化は、炭素含有前駆体を得るステップと、SPSにコーティングするステップと、次に炭素コーティングを形成するのに十分な時間にわたり高温で組み合わせた材料を熱処理するステップとを含む。ある実施形態では、熱処理ステップは、約400℃〜約1000℃、約400℃〜約800℃、約400℃〜約600℃、約400℃〜約500℃、約500℃〜約1000℃、約500℃〜約800℃、約500℃〜約600℃、約600℃〜約1000℃、約600℃〜約800℃、または約800℃〜約1000℃の温度に加熱するステップを含む。ある実施形態では、反応は不活性(たとえば、アルゴン、窒素)雰囲気下で行われる。反応時間は必要な時間であり、約30分〜約12時間、約1時間〜約8時間、または約3時間〜約6時間であってよい。
あるいは、当技術分野において周知の薄膜またはその他の堆積技術の1つ、たとえばスピンコーティング、めっき、化学溶液堆積、化学蒸着、原子層堆積、熱蒸発、スパッタリング、パルスレーザー堆積、エレクトロスプレーなどにより、炭素またはその他のコーティングを形成することができる。たとえば、化学蒸着(CVD)は、高純度材料を形成するための当技術分野において周知の方法であり、SPS上に炭素または無機材料をコーティングするために使用することができる。
コーティング層の形成に使用できる別の方法としては、電気化学的方法、たとえば電気化学析出、無電解析出、およびゾルゲルの使用が挙げられる。
コーティング層を形成するためのこれらの方法のすべては、同じまたは異なるコーティング材料の複数の層を形成するために複数回繰り返して行うことができ、同じまたは異なるコーティング材料の複数の層を形成するために複数の方法を使用することもできる。複数の方法を互いに使用できること、および得られるコーティング層に悪影響を与えずに実施できる順序は、当業者の範囲内にある。
コーティング層が形成された後、複合体は、任意選択的に精製するか、または他の構成要素と組み合わせてリチウムアノードなどの装置中に組み込むことができる。
実施例1 − 糖を主成分とする炭素前駆体溶液を用いてSPSにコンフォーマルに炭素コーティングする方法
糖を主成分とするコーティング混合物は、水性溶媒系である。コーティングされたSPS複合体中の構成要素としてグラフェンが望ましい配合物では、溶解性を改善するためにグラフェンオキシドがドーパントとして使用される。ベースの糖混合物は、7グラムのグルコースおよび14グラムのスクロースを70gの水中に溶解させることによって調製される。次に、0.76mLの濃硫酸(96.4%(w/w)検定=18.1M)を70gの糖混合物に加えて、0.16Mの最終溶液を調製する。この糖混合物に水中のグラフェンオキシドを加える。グラフェンオキシドの量は必要に応じて変化させることができる。この例では、0.2g/mL懸濁液2mLを70.76mLの糖混合物に加えて、約5mg/mLのコーティングスラリーが調製される。
糖を主成分とするコーティング混合物は、水性溶媒系である。コーティングされたSPS複合体中の構成要素としてグラフェンが望ましい配合物では、溶解性を改善するためにグラフェンオキシドがドーパントとして使用される。ベースの糖混合物は、7グラムのグルコースおよび14グラムのスクロースを70gの水中に溶解させることによって調製される。次に、0.76mLの濃硫酸(96.4%(w/w)検定=18.1M)を70gの糖混合物に加えて、0.16Mの最終溶液を調製する。この糖混合物に水中のグラフェンオキシドを加える。グラフェンオキシドの量は必要に応じて変化させることができる。この例では、0.2g/mL懸濁液2mLを70.76mLの糖混合物に加えて、約5mg/mLのコーティングスラリーが調製される。
SPS粉末(約7g)を30mLの糖スラリーと混合する。その溶液を1時間にわたり音波処理し、5000RPMで30分間にわたり遠心分離し、上澄みのデカンテーションおよび廃棄により、ペレット化したSPS−糖混合物を上澄みから分離する。この手順を繰り返すことで、最終の炭化前にコーティングを複数回行うことができる。コーティング終了後、ペレットを真空オーブンに入れ、80℃で>4時間にわたり乾燥させる。次にペレットを黒鉛またはガラス状炭素のるつぼに移し、閉じた混合物をオーブン中、アルゴン雰囲気下において800℃で約5時間にわたり加熱することにより、炭化のための熱処理を行った。糖前駆体方法によってコンフォーマル炭素コーティングしたSPSのSEM顕微鏡写真を図2Aおよび2Bに示す。同様に、図9A〜9Bおよび12A〜12Bは、多孔質ケイ素(図9A〜9B)および市販の非多孔質ケイ素(図12A〜12B)にスクロース−グルコース−グラフェンオキシド−硫酸溶液を塗布し、次に炭化させる場合に可能なコーティング厚さを示すTEM画像である。
図3は、グラフェンオキシドをドープしたグルコース−スクロース−硫酸前駆体を用いてコンフォーマルに炭素コーティングしたSPS粒子のサイクル数の関数としての脱リチオ化比容量(mAh/gm)およびクーロン効率(CE)(%)のグラフである。
重量による物理的ドーピングにより、多孔質ケイ素粉末に対するドーパントの正確な量および比率を制御することができる。さらに、ベースの糖マトリックスのドーピングにより、加法的または複合的な物理的特性のために2種類以上の物質を組み合わせることもできる。たとえば、グルコース−スクロース−硫酸溶液には、グラフェンオキシドと、高伝導性カーボンナノチューブ(多層または単層)とをドープすることができる。このようにして、多孔質ケイ素に対するドーパントの比を制御することもできる。たとえば、図10A〜Dは、多層カーボンナノチューブおよびグラフェンオキシドが外部にコーティングされる多孔質ケイ素微粒子の顕微鏡写真である。図10Cおよび10Dの倍率において、炭素コーティングおよび多層カーボンナノチューブ(長いワイヤ状構造)が明確に見える。図11は、具体化されたグラフェン−カーボンナノチューブ−非晶質炭素コーティングを有するSPSの電気化学サイクルのデータを示す。
実施例2 − ポリアクリロニトリル(PAN)を主成分とする炭素前駆体溶液を用いてSPSにコンフォーマルに炭素コーティングする方法
DMF中のポリアクリロニトリル(Sigma Aldrich 181315−100G、平均分子量150,000Da)を前駆体溶液として使用する。グラフェンが必要な場合に、ポリマーを溶解させる前に溶媒中にグラフェンを懸濁させる場合、DMF溶媒を使用することができる。7gのSPS粒子を30mLのDMF中2%PAN(w/w)と混合する。PAN溶液には、ある量のグラフェンをドープすることができる(グラフェンは、剥離によってDMF中に容易に導入することができ、簡潔に述べると、1mgの黒鉛をDMFの30mL溶液に加え、6時間にわたり音波処理する。遠心分離によってDMF中のグラフェンが得られる。典型的にはグラフェンは5,000RPMの速度でDMFからペレットとはならず、そのため、より大きいフレークから得られる非グラフェンを分離するためにこの速度の使用が許容される。上澄みがDMF中にグラフェンを含有する)。
DMF中のポリアクリロニトリル(Sigma Aldrich 181315−100G、平均分子量150,000Da)を前駆体溶液として使用する。グラフェンが必要な場合に、ポリマーを溶解させる前に溶媒中にグラフェンを懸濁させる場合、DMF溶媒を使用することができる。7gのSPS粒子を30mLのDMF中2%PAN(w/w)と混合する。PAN溶液には、ある量のグラフェンをドープすることができる(グラフェンは、剥離によってDMF中に容易に導入することができ、簡潔に述べると、1mgの黒鉛をDMFの30mL溶液に加え、6時間にわたり音波処理する。遠心分離によってDMF中のグラフェンが得られる。典型的にはグラフェンは5,000RPMの速度でDMFからペレットとはならず、そのため、より大きいフレークから得られる非グラフェンを分離するためにこの速度の使用が許容される。上澄みがDMF中にグラフェンを含有する)。
2%PAN溶液を混合したSPSを30分間にわたり音波処理する。次に、溶液を5000RPMで30分間にわたり遠心分離する。上澄みを廃棄し、PAN/SPSペレットを真空オーブン中80℃で5時間にわたり乾燥させる。乾燥した粉末を次に黒鉛るつぼに移し、アルゴンオーブン中において800℃で5時間にわたり熱的に炭化させる。2%ポリアクリロニトリル(PAN)前駆体方法によってコンフォーマル炭素コーティングされたSPSを示すSEM顕微鏡写真を図4A〜4Dに示す。
図5は、グラフェンをドープしたポリアクリロニトリル前駆体を用いてコンフォーマルに炭素コーティングしたSPS粒子のサイクル数の関数としての脱リチオ化比容量(mAh/gm)およびクーロン効率(CE)(%)の測定を示すグラフである。
実施例3 − ゾルゲル溶液を用いて無機酸化物膜をSPSにコンフォーマルにコーティングする方法
無機酸化物膜は、有機溶媒系の前駆体溶液を用いて作製される。ゾルゲルは、水:アルコール:触媒(酸または塩基)溶媒系を使用することができ、または純有機溶媒系を使用することができる。純有機系の例は、ジメチルホルムアミド(DMF)またはN−メチルピロリドン(NMP)である。グラフェンが必要な場合、DMFまたはNMPゾルゲル溶媒系が理想的となるが、その理由は、グラフェンはこれらのDMFまたはNMP溶媒中に容易に懸濁するからである。DMF−ゾルゲル系は、多くの金属塩、金属ハロゲン化物塩、有機金属塩、および一般の多くの塩を溶解させることができる。あるいは、極性非プロトン性溶媒系とアルコール溶媒とが混合する性質が存在し、実施可能なゾルゲルコーティング方法と見なすこともできる。さらに、アルコールおよび極性非プロトン性溶媒のブレンドを有するゾルゲル系を使用することができる。本明細書に記載のゾルゲル法により、コンフォーマルな酸化物コーティングを得るための一般的な技術が得られる。換言すると、ほぼあらゆる酸化物をSPS粒子上にコンフォーマルコーティングすることができる。酸化アルミニウム亜鉛または酸化タングステンなどの伝導性酸化物は、SPS粒子の上および内部のコンフォーマルコーティングとして製造することができる。非伝導性酸化物もSPS粒子の上および内部のコンフォーマルコーティングとして製造することができる。例としては、ジルコニア、アルミナ、チタニア、スピネル、シリカなどが挙げられる。ゾルゲルコーティングは、グラフェンまたはカーボンナノチューブなどの構造安定化剤を含みうることにも留意されたい。
無機酸化物膜は、有機溶媒系の前駆体溶液を用いて作製される。ゾルゲルは、水:アルコール:触媒(酸または塩基)溶媒系を使用することができ、または純有機溶媒系を使用することができる。純有機系の例は、ジメチルホルムアミド(DMF)またはN−メチルピロリドン(NMP)である。グラフェンが必要な場合、DMFまたはNMPゾルゲル溶媒系が理想的となるが、その理由は、グラフェンはこれらのDMFまたはNMP溶媒中に容易に懸濁するからである。DMF−ゾルゲル系は、多くの金属塩、金属ハロゲン化物塩、有機金属塩、および一般の多くの塩を溶解させることができる。あるいは、極性非プロトン性溶媒系とアルコール溶媒とが混合する性質が存在し、実施可能なゾルゲルコーティング方法と見なすこともできる。さらに、アルコールおよび極性非プロトン性溶媒のブレンドを有するゾルゲル系を使用することができる。本明細書に記載のゾルゲル法により、コンフォーマルな酸化物コーティングを得るための一般的な技術が得られる。換言すると、ほぼあらゆる酸化物をSPS粒子上にコンフォーマルコーティングすることができる。酸化アルミニウム亜鉛または酸化タングステンなどの伝導性酸化物は、SPS粒子の上および内部のコンフォーマルコーティングとして製造することができる。非伝導性酸化物もSPS粒子の上および内部のコンフォーマルコーティングとして製造することができる。例としては、ジルコニア、アルミナ、チタニア、スピネル、シリカなどが挙げられる。ゾルゲルコーティングは、グラフェンまたはカーボンナノチューブなどの構造安定化剤を含みうることにも留意されたい。
以下の手順により、SPS粉末上に約50nm未満の厚さのコーティングが形成される。7gのSPS粒子を、DMF中の塩化アルミニウム六水和物AlCl3・6H2Oの0.1M〜1Mの溶液30mLと混合する。塩化アルミニウム:DMF溶液中のSPS粉末を少なくとも30分間にわたり音波処理する。再び、グラフェンと酸化アルミニウム(Al2O3)とのコーティングのために、DMFゾルゲル溶液に、ある量のグラフェンをドープすることができるSPSを1Mの塩化アルミニウムゾルゲル溶液と混合し、次に5000RPMで30分間にわたり遠心分離する。塩化アルミニウムDMFの上澄みを廃棄し、塩化アルミニウムゾルゲルSPSペレットを次に真空オーブン中において80℃で約5時間にわたり乾燥させる。乾燥粉末を次にオーブンに移し、アルゴン雰囲気中約500℃でさらに熱処理する。得られたAl2O3コーティングを有するSPS粒子は、電極スラリーの製造のために、任意選択的に粉砕してコーティングされた粒子にすることができる。
代案の1つとして、同じゾルゲル技術を用いて窒化物コーティングを形成するために、尿素のような第1級アミン化合物をDMF金属塩ゾルゲル中に加える。この材料を、次に、窒素中10%アンモニアガスのような窒化雰囲気中において>700℃の温度で熱処理する。
実施例4 − 原子層堆積を用いて無機酸化物膜をSPSにコンフォーマルコーティングする方法(予想)
原子層堆積(ALD)によってSPS上にアルミナをコーティングして、LIB用の薄くコーティングされたアルミナを有するケイ素アノードを得ることができる。ある実施形態では、10サイクル未満のALDを使用して、非常に薄い(厚さ1nm未満)Al2O3膜をSPS上に配置することができる。
原子層堆積(ALD)によってSPS上にアルミナをコーティングして、LIB用の薄くコーティングされたアルミナを有するケイ素アノードを得ることができる。ある実施形態では、10サイクル未満のALDを使用して、非常に薄い(厚さ1nm未満)Al2O3膜をSPS上に配置することができる。
実施例5 − 無電解コーティングを用いて伝導性金属膜をSPSにコンフォーマルコーティングする方法(予想)
SPSの無電解コーティングは、銀または金などの金属を用いて行うことができる。伝導性外部コートを有する非常に安定な粒子を得る方法として、炭化させたSPS粒子上に無電解コーティングを行うことができる。たとえば、0.15mmolのAgNO3をビーカー中の50mLの蒸留水中に溶解させる。無色透明の溶液が得られるまで、アンモニア水(H2O中25.0%)をAgNO3溶液に滴下する。溶液のpHを9.3に調整する。続いて、30分間にわたり激しく撹拌しながら、得られたアンモニア/AgNO3溶液中にSPSケイ素(0.2g)を加える。次に、溶液にホルムアルデヒド(2%、0.12mL)を滴下し、続いて室温で2時間にわたり激しく撹拌する。最後に、試料を蒸留水で洗浄し、真空オーブン中において60℃で12時間にわたり乾燥させる。AgおよびSi粉末の重量比が約8:92となるように調整する。
SPSの無電解コーティングは、銀または金などの金属を用いて行うことができる。伝導性外部コートを有する非常に安定な粒子を得る方法として、炭化させたSPS粒子上に無電解コーティングを行うことができる。たとえば、0.15mmolのAgNO3をビーカー中の50mLの蒸留水中に溶解させる。無色透明の溶液が得られるまで、アンモニア水(H2O中25.0%)をAgNO3溶液に滴下する。溶液のpHを9.3に調整する。続いて、30分間にわたり激しく撹拌しながら、得られたアンモニア/AgNO3溶液中にSPSケイ素(0.2g)を加える。次に、溶液にホルムアルデヒド(2%、0.12mL)を滴下し、続いて室温で2時間にわたり激しく撹拌する。最後に、試料を蒸留水で洗浄し、真空オーブン中において60℃で12時間にわたり乾燥させる。AgおよびSi粉末の重量比が約8:92となるように調整する。
実施例6 − 伝導性ポリアニリン(cPANI)をSPSにコンフォーマルコーティングする方法
200mgのアニリンおよび10mLの硫酸(1M)を含有する溶液に約7グラムのSPSを加える。次に、窒素流下、0℃で激しく撹拌しながら、30mlの水中の0.5グラムの過硫酸アンモニウム(APS)を滴下する。0℃で24時間にわたり撹拌した後、ポリアニリンがコーティングされたSPS粒子を遠心分離によって収集し、真空下で終夜乾燥させる。得られた粒子は、伝導性ポリマーコーティングを有する多孔質ケイ素コアを含む。
200mgのアニリンおよび10mLの硫酸(1M)を含有する溶液に約7グラムのSPSを加える。次に、窒素流下、0℃で激しく撹拌しながら、30mlの水中の0.5グラムの過硫酸アンモニウム(APS)を滴下する。0℃で24時間にわたり撹拌した後、ポリアニリンがコーティングされたSPS粒子を遠心分離によって収集し、真空下で終夜乾燥させる。得られた粒子は、伝導性ポリマーコーティングを有する多孔質ケイ素コアを含む。
実施例7 − 試料のタップ密度測定
表1は、炭化させた糖−酸コーティングを用いて炭素をコーティングする前および後の多孔質ケイ素の3つの異なる調製物の多孔度および密度値を評価するBET、BJH、およびタップ密度のデータを示す。試料ラベル1−S、2−S、および3−Sは、金属熱還元による3つの異なる安定多孔質ケイ素(SPS)調製物を表している。試料ラベル1−CS、2−CS、および3−CSはすべて、コンフォーマル炭素コーティングした多孔質ケイ素調製物を表している。すべての場合において、多孔質ケイ素に非晶質炭素をコーティングしたときに、BET値が減少していることに留意されたい。さらに、3つすべての炭素コーティングした多孔質ケイ素調製物でタップ密度が増加している。
表1は、炭化させた糖−酸コーティングを用いて炭素をコーティングする前および後の多孔質ケイ素の3つの異なる調製物の多孔度および密度値を評価するBET、BJH、およびタップ密度のデータを示す。試料ラベル1−S、2−S、および3−Sは、金属熱還元による3つの異なる安定多孔質ケイ素(SPS)調製物を表している。試料ラベル1−CS、2−CS、および3−CSはすべて、コンフォーマル炭素コーティングした多孔質ケイ素調製物を表している。すべての場合において、多孔質ケイ素に非晶質炭素をコーティングしたときに、BET値が減少していることに留意されたい。さらに、3つすべての炭素コーティングした多孔質ケイ素調製物でタップ密度が増加している。
添付の請求項において規定される本開示の趣旨および範囲から逸脱せずに、本明細書に記載の開示の好ましい実施形態の種々の修正形態が可能であることは当業者に明らかであろう。したがって、添付の請求項およびそれらの均等物の範囲内となるのであれば、本開示はそれらの修正形態および変形形態を含む。
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
実施形態1
コア材料と、前記コア材料の外面の少なくとも一部を覆うコーティング材料とを含む複合材料において、前記コア材料が、
外面および多孔質コアであって、前記コア材料の前記多孔質コアが約50〜約1350Å(約5〜約135nm)の平均細孔径を有する、外面および多孔質コアと;
約10m2/g〜約250m2/gの表面積を有する粒子と
を含み、
前記コア材料が、
約3重量%〜約40重量%のSiOx(式中、xは1〜2である);
約20重量%〜約97重量%の結晶ケイ素
を含み、
結晶ケイ素:SiOxの比が約1:1〜約35:1であることを特徴とする複合材料。
コア材料と、前記コア材料の外面の少なくとも一部を覆うコーティング材料とを含む複合材料において、前記コア材料が、
外面および多孔質コアであって、前記コア材料の前記多孔質コアが約50〜約1350Å(約5〜約135nm)の平均細孔径を有する、外面および多孔質コアと;
約10m2/g〜約250m2/gの表面積を有する粒子と
を含み、
前記コア材料が、
約3重量%〜約40重量%のSiOx(式中、xは1〜2である);
約20重量%〜約97重量%の結晶ケイ素
を含み、
結晶ケイ素:SiOxの比が約1:1〜約35:1であることを特徴とする複合材料。
実施形態2
前記コア材料が0重量%超〜約25重量%の結晶Mg2SiO4をさらに含むことを特徴とする、実施形態1に記載の複合材料。
前記コア材料が0重量%超〜約25重量%の結晶Mg2SiO4をさらに含むことを特徴とする、実施形態1に記載の複合材料。
実施形態3
前記コア材料が0重量%超〜約45重量%のMgOをさらに含むことを特徴とする、実施形態2に記載の複合材料。
前記コア材料が0重量%超〜約45重量%のMgOをさらに含むことを特徴とする、実施形態2に記載の複合材料。
実施形態4
前記コア材料が0重量%超〜約10重量%のMgOをさらに含むことを特徴とする、実施形態3に記載の複合材料。
前記コア材料が0重量%超〜約10重量%のMgOをさらに含むことを特徴とする、実施形態3に記載の複合材料。
実施形態5
前記コア材料の前記粒子が最長軸に沿って約1μm〜約10μmの平均直径を有することを特徴とする、実施形態1〜4のいずれか一項に記載の複合材料。
前記コア材料の前記粒子が最長軸に沿って約1μm〜約10μmの平均直径を有することを特徴とする、実施形態1〜4のいずれか一項に記載の複合材料。
実施形態6
前記コア材料の前記粒子が、SiOxおよび結晶ケイ素を含むサブ粒子を含む焼結多孔質粒子の形態であることを特徴とする、実施形態1〜5のいずれか一項に記載の複合材料。
前記コア材料の前記粒子が、SiOxおよび結晶ケイ素を含むサブ粒子を含む焼結多孔質粒子の形態であることを特徴とする、実施形態1〜5のいずれか一項に記載の複合材料。
実施形態7
前記サブ粒子が最長軸に沿って約10nm〜約500nmの平均サイズを有することを特徴とする、実施形態6に記載の複合材料。
前記サブ粒子が最長軸に沿って約10nm〜約500nmの平均サイズを有することを特徴とする、実施形態6に記載の複合材料。
実施形態8
前記コア材料が0重量%超〜約25重量%の結晶Mg2SiO4、0重量%超〜約10重量%のMgOを含み、および前記コア材料が最長軸に沿って約1μm〜約10μmの平均直径を有する粒子の形態であり、前記コーティング材料が炭素含有材料を含むことを特徴とする、実施形態1〜7のいずれか一項に記載の複合材料。
前記コア材料が0重量%超〜約25重量%の結晶Mg2SiO4、0重量%超〜約10重量%のMgOを含み、および前記コア材料が最長軸に沿って約1μm〜約10μmの平均直径を有する粒子の形態であり、前記コーティング材料が炭素含有材料を含むことを特徴とする、実施形態1〜7のいずれか一項に記載の複合材料。
実施形態9
前記コーティング材料が前記コア材料の多孔質コアの表面積の80%未満を覆い、かつ前記コア材料の前記外面の少なくとも約40%を覆うことを特徴とする、実施形態1〜8のいずれか一項に記載の複合材料。
前記コーティング材料が前記コア材料の多孔質コアの表面積の80%未満を覆い、かつ前記コア材料の前記外面の少なくとも約40%を覆うことを特徴とする、実施形態1〜8のいずれか一項に記載の複合材料。
実施形態10
前記コーティング材料が有機材料を含むことを特徴とする、実施形態1〜9のいずれか一項に記載の複合材料。
前記コーティング材料が有機材料を含むことを特徴とする、実施形態1〜9のいずれか一項に記載の複合材料。
実施形態11
前記有機材料が、前記コア材料に化学結合される有機コーティング、たとえば、PEOエポキシ、PEGエポキシ、またはポリアニリンなどのポリマーを含むことを特徴とする、実施形態10に記載の複合材料。
前記有機材料が、前記コア材料に化学結合される有機コーティング、たとえば、PEOエポキシ、PEGエポキシ、またはポリアニリンなどのポリマーを含むことを特徴とする、実施形態10に記載の複合材料。
実施形態12
前記有機材料が、活性炭、非晶質炭素、グラフェン、黒鉛、メソポーラス炭素、ダイヤモンド状炭素、ナノ結晶ダイヤモンド、単層または多層のナノチューブ、フラーレン、ナノバッド、ナノファイバー、ガラス状炭素、およびそれらの組合せの形態の炭素を含むことを特徴とする、実施形態10に記載の複合材料。
前記有機材料が、活性炭、非晶質炭素、グラフェン、黒鉛、メソポーラス炭素、ダイヤモンド状炭素、ナノ結晶ダイヤモンド、単層または多層のナノチューブ、フラーレン、ナノバッド、ナノファイバー、ガラス状炭素、およびそれらの組合せの形態の炭素を含むことを特徴とする、実施形態10に記載の複合材料。
実施形態13
0重量%超〜約10重量%で存在する無機材料をさらに含むが、典型的には、前記無機材料が合わせて合計3重量%未満の量で存在することを特徴とする、実施形態12に記載の組成物。
0重量%超〜約10重量%で存在する無機材料をさらに含むが、典型的には、前記無機材料が合わせて合計3重量%未満の量で存在することを特徴とする、実施形態12に記載の組成物。
実施形態14
前記コーティング材料の接着性を改善するプレコーティング材料をさらに含むことを特徴とする、実施形態1〜13のいずれか一項に記載の複合材料。
前記コーティング材料の接着性を改善するプレコーティング材料をさらに含むことを特徴とする、実施形態1〜13のいずれか一項に記載の複合材料。
実施形態15
前記コーティング材料が、無機材料、たとえば、金、銀、アルミニウム、銅、および他の遷移金属、酸化物、たとえばアルミナ、酸化タングステン、酸化アルミニウム亜鉛、インジウムスズ酸化物、および他のTCO、ならびに他の無機材料、たとえばポリシランなどの無機ポリマーを含むことを特徴とする、実施形態1〜14のいずれか一項に記載の複合材料。
前記コーティング材料が、無機材料、たとえば、金、銀、アルミニウム、銅、および他の遷移金属、酸化物、たとえばアルミナ、酸化タングステン、酸化アルミニウム亜鉛、インジウムスズ酸化物、および他のTCO、ならびに他の無機材料、たとえばポリシランなどの無機ポリマーを含むことを特徴とする、実施形態1〜14のいずれか一項に記載の複合材料。
実施形態16
前記コーティング材料が約1nm〜約5μmの厚さを有することを特徴とする、実施形態1〜15のいずれか一項に記載の複合材料。
前記コーティング材料が約1nm〜約5μmの厚さを有することを特徴とする、実施形態1〜15のいずれか一項に記載の複合材料。
実施形態17
前記コア材料対前記コーティング材料の質量比が約1000:1〜約1:5であることを特徴とする、実施形態16に記載の複合材料。
前記コア材料対前記コーティング材料の質量比が約1000:1〜約1:5であることを特徴とする、実施形態16に記載の複合材料。
実施形態18
前記コーティング材料が伝導性または半導性であることを特徴とする、実施形態1〜17のいずれか一項に記載の複合材料。
前記コーティング材料が伝導性または半導性であることを特徴とする、実施形態1〜17のいずれか一項に記載の複合材料。
実施形態19
実施形態1〜18のいずれか一項に記載の複合材料を含むアノードにおいて、0.2Cの放電率で100サイクル後に初期値の約20%以上の比容量を有することを特徴とするアノード。
実施形態1〜18のいずれか一項に記載の複合材料を含むアノードにおいて、0.2Cの放電率で100サイクル後に初期値の約20%以上の比容量を有することを特徴とするアノード。
実施形態20
実施形態1〜19のいずれか一項に記載の複合材料を含むアノードにおいて、0.2Cの放電率で100サイクル後に400mAh/g以上の重量容量を有することを特徴とするアノード。
実施形態1〜19のいずれか一項に記載の複合材料を含むアノードにおいて、0.2Cの放電率で100サイクル後に400mAh/g以上の重量容量を有することを特徴とするアノード。
実施形態21
初期値の45%以上の第1サイクルクーロン効率を有することを特徴とする、実施形態20に記載のアノード。
初期値の45%以上の第1サイクルクーロン効率を有することを特徴とする、実施形態20に記載のアノード。
実施形態22
炭素をさらに含むことを特徴とする、実施形態19に記載のアノード。
炭素をさらに含むことを特徴とする、実施形態19に記載のアノード。
実施形態23
前記炭素が黒鉛、活性炭、またはカーボンナノチューブの形態であることを特徴とする、実施形態22に記載のアノード。
前記炭素が黒鉛、活性炭、またはカーボンナノチューブの形態であることを特徴とする、実施形態22に記載のアノード。
実施形態24
実施形態1〜18のいずれか一項に記載の材料を製造する方法において、
a.シリカ前駆体を金属熱プロセスに供するステップと;
b.反応副生成物を除去してSiOx−ケイ素コア材料を得るステップと;
c.前記コア材料にコーティング材料を取り付けるステップと
を含むことを特徴とする方法。
実施形態1〜18のいずれか一項に記載の材料を製造する方法において、
a.シリカ前駆体を金属熱プロセスに供するステップと;
b.反応副生成物を除去してSiOx−ケイ素コア材料を得るステップと;
c.前記コア材料にコーティング材料を取り付けるステップと
を含むことを特徴とする方法。
実施形態25
前記シリカ前駆体を金属熱プロセスに供するステップが、マグネシウムの存在下で前記シリカ前駆体を400℃超の温度まで2時間超にわたり加熱するステップを含むことを特徴とする、実施形態24に記載の方法。
前記シリカ前駆体を金属熱プロセスに供するステップが、マグネシウムの存在下で前記シリカ前駆体を400℃超の温度まで2時間超にわたり加熱するステップを含むことを特徴とする、実施形態24に記載の方法。
実施形態26
前記供するステップが、400℃超の温度まで2時間超にわたり加熱するステップと、続いて600℃超の温度まで2時間超にわたり加熱するステップとを含むことを特徴とする、実施形態25に記載の方法。
前記供するステップが、400℃超の温度まで2時間超にわたり加熱するステップと、続いて600℃超の温度まで2時間超にわたり加熱するステップとを含むことを特徴とする、実施形態25に記載の方法。
実施形態27
前記シリカ前駆体がガラススート、ガラス粉末またはガラス繊維を含むことを特徴とする、実施形態24〜26のいずれか一項に記載の方法。
前記シリカ前駆体がガラススート、ガラス粉末またはガラス繊維を含むことを特徴とする、実施形態24〜26のいずれか一項に記載の方法。
実施形態28
前記シリカ前駆体が、最長軸に沿って約10nm〜約1μmの平均サイズを有するガラススートまたはガラス粉末を含むことを特徴とする、実施形態27に記載の方法。
前記シリカ前駆体が、最長軸に沿って約10nm〜約1μmの平均サイズを有するガラススートまたはガラス粉末を含むことを特徴とする、実施形態27に記載の方法。
実施形態29
前記コーティング材料が有機材料を含むことを特徴とする、実施形態24〜28のいずれか一項に記載の方法。
前記コーティング材料が有機材料を含むことを特徴とする、実施形態24〜28のいずれか一項に記載の方法。
実施形態30
前記有機材料が前記コア材料に化学結合されることを特徴とする、実施形態29に記載の方法。
前記有機材料が前記コア材料に化学結合されることを特徴とする、実施形態29に記載の方法。
実施形態31
前記コーティング材料が炭素前駆体を含むことを特徴とする、実施形態29に記載の方法。
前記コーティング材料が炭素前駆体を含むことを特徴とする、実施形態29に記載の方法。
実施形態32
前記コーティングが0重量%超〜約10重量%で存在する無機材料をさらに含むが、典型的には、前記無機材料が合わせて合計3重量%未満の量で存在することを特徴とする、実施形態29に記載の方法。
前記コーティングが0重量%超〜約10重量%で存在する無機材料をさらに含むが、典型的には、前記無機材料が合わせて合計3重量%未満の量で存在することを特徴とする、実施形態29に記載の方法。
実施形態33
前記コーティング材料の接着性を改善する材料で前記コア材料をプレコーティングするステップをさらに含むことを特徴とする、実施形態29に記載の方法。
前記コーティング材料の接着性を改善する材料で前記コア材料をプレコーティングするステップをさらに含むことを特徴とする、実施形態29に記載の方法。
実施形態34
前記コーティング材料が、無機材料、たとえば、金、銀、アルミニウム、銅、および他の遷移金属、酸化物、たとえばアルミナ、酸化タングステン、酸化アルミニウム亜鉛、インジウムスズ酸化物、および他のTCO、ならびに他の無機材料、たとえばポリシランなどの無機ポリマーを含むことを特徴とする、実施形態24〜33のいずれか一項に記載の方法。
前記コーティング材料が、無機材料、たとえば、金、銀、アルミニウム、銅、および他の遷移金属、酸化物、たとえばアルミナ、酸化タングステン、酸化アルミニウム亜鉛、インジウムスズ酸化物、および他のTCO、ならびに他の無機材料、たとえばポリシランなどの無機ポリマーを含むことを特徴とする、実施形態24〜33のいずれか一項に記載の方法。
実施形態35
前記コーティング材料が約1nm〜約5μmの厚さを有することを特徴とする、実施形態24〜34のいずれか一項に記載の方法。
前記コーティング材料が約1nm〜約5μmの厚さを有することを特徴とする、実施形態24〜34のいずれか一項に記載の方法。
実施形態36
前記コア材料対前記コーティング材料の前記質量比が約1000:1〜約1:2であることを特徴とする、実施形態24〜35のいずれか一項に記載の方法。
前記コア材料対前記コーティング材料の前記質量比が約1000:1〜約1:2であることを特徴とする、実施形態24〜35のいずれか一項に記載の方法。
実施形態37
前記コーティング材料が伝導性または半導性であることを特徴とする、実施形態24〜36のいずれか一項に記載の方法。
前記コーティング材料が伝導性または半導性であることを特徴とする、実施形態24〜36のいずれか一項に記載の方法。
実施形態38
実施形態1〜18のいずれか一項に記載の材料を製造する方法において、
a.シリカ前駆体およびマグネシウムを約0.5:1〜約2:1の比で混合して混合物を形成するステップと;
b.前記混合物を約650℃超〜1000℃未満の温度まで加熱するステップであって、前記加熱がコア材料を形成するために約0.5℃/分〜約50℃/分の上昇速度で行われる、ステップと;
c.前記コア材料を炭素前駆体でコーティングし、かつ前記炭素前駆体を炭化させるのに十分な温度まで前記コア材料および炭素前駆体を加熱するステップと
を含むことを特徴とする方法。
実施形態1〜18のいずれか一項に記載の材料を製造する方法において、
a.シリカ前駆体およびマグネシウムを約0.5:1〜約2:1の比で混合して混合物を形成するステップと;
b.前記混合物を約650℃超〜1000℃未満の温度まで加熱するステップであって、前記加熱がコア材料を形成するために約0.5℃/分〜約50℃/分の上昇速度で行われる、ステップと;
c.前記コア材料を炭素前駆体でコーティングし、かつ前記炭素前駆体を炭化させるのに十分な温度まで前記コア材料および炭素前駆体を加熱するステップと
を含むことを特徴とする方法。
実施形態39
約0.3M以上の濃度を有する有機酸でシリカ−ケイ素ハイブリッドを酸エッチングすることにより、ステップb.の反応副生成物を除去するステップをさらに含むことを特徴とする、実施形態38に記載の方法。
約0.3M以上の濃度を有する有機酸でシリカ−ケイ素ハイブリッドを酸エッチングすることにより、ステップb.の反応副生成物を除去するステップをさらに含むことを特徴とする、実施形態38に記載の方法。
実施形態40
ステップc.における前記加熱が600℃を超える温度までの加熱を含むことを特徴とする、実施形態38に記載の方法。
ステップc.における前記加熱が600℃を超える温度までの加熱を含むことを特徴とする、実施形態38に記載の方法。
実施形態41
前記コア材料の前記多孔質コアが約50〜約250Å(約5〜約25nm)の平均細孔径を有することを特徴とする、実施形態1〜9のいずれか一項に記載の組成物。
前記コア材料の前記多孔質コアが約50〜約250Å(約5〜約25nm)の平均細孔径を有することを特徴とする、実施形態1〜9のいずれか一項に記載の組成物。
実施形態42
前記粒子が約10m2/g〜約200m2/gの表面積を有することを特徴とする、実施形態1〜9のいずれか一項に記載の組成物。
前記粒子が約10m2/g〜約200m2/gの表面積を有することを特徴とする、実施形態1〜9のいずれか一項に記載の組成物。
実施形態43
前記コア材料が、
約3重量%〜約30重量%のSiOx(式中、xは1〜2である)と;
約70重量%〜約97重量%の結晶ケイ素と
を含むことを特徴とする、実施形態1〜9のいずれか一項に記載の組成物。
前記コア材料が、
約3重量%〜約30重量%のSiOx(式中、xは1〜2である)と;
約70重量%〜約97重量%の結晶ケイ素と
を含むことを特徴とする、実施形態1〜9のいずれか一項に記載の組成物。
実施形態44
前記結晶ケイ素:SiOxの比が約2:1〜約35:1であることを特徴とする、実施形態1〜9のいずれか一項に記載の組成物。
前記結晶ケイ素:SiOxの比が約2:1〜約35:1であることを特徴とする、実施形態1〜9のいずれか一項に記載の組成物。
実施形態45
前記コーティング材料が、グラフェンおよびカーボンナノチューブを含む非晶質炭素コーティングを含むことを特徴とする、実施形態1〜10のいずれか一項に記載の組成物。
前記コーティング材料が、グラフェンおよびカーボンナノチューブを含む非晶質炭素コーティングを含むことを特徴とする、実施形態1〜10のいずれか一項に記載の組成物。
Claims (15)
- コア材料と、前記コア材料の外面の少なくとも一部を覆うコーティング材料とを含む複合材料において、前記コア材料が、
外面および多孔質コアであって、前記コア材料の前記多孔質コアが約50〜約1350Å(約5〜約135nm)の平均細孔径を有する、外面および多孔質コアと;
約10m2/g〜約250m2/gの表面積を有する粒子と
を含み、
前記コア材料が、
約3重量%〜約40重量%のSiOx(式中、xは1〜2である);
約20重量%〜約97重量%の結晶ケイ素
を含み、
結晶ケイ素:SiOxの比が約1:1〜約35:1であり、
前記コア材料が0重量%超〜約25重量%の結晶Mg2SiO4をさらに含むことを特徴とする複合材料。 - 前記コア材料が0重量%超〜約45重量%のMgOをさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載の複合材料。
- 前記コア材料の前記粒子が、SiOxおよび結晶ケイ素を含むサブ粒子を含む、最長軸に沿って約1μm〜約10μmの平均直径を有する焼結多孔質粒子の形態であり、および前記サブ粒子が最長軸に沿って約10nm〜約500nmの平均サイズを有することを特徴とする、請求項1または2に記載の複合材料。
- 前記コア材料が0重量%超〜約25重量%の結晶Mg2SiO4、0重量%超〜約10重量%のMgOを含み、および前記コア材料が最長軸に沿って約1μm〜約10μmの平均直径を有する粒子の形態であり、前記コーティング材料が炭素含有材料を含むことを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載の複合材料。
- 前記コーティング材料が前記コア材料の多孔質コアの表面積の80%未満を覆い、かつ前記コア材料の前記外面の少なくとも約40%を覆うことを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の複合材料。
- 前記コーティング材料が有機材料を含むことを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載の複合材料。
- 0重量%超〜約10重量%で存在する無機材料をさらに含むが、典型的には、前記無機材料が合わせて合計3重量%未満の量で存在することを特徴とする、請求項6に記載の組成物。
- 前記コーティング材料の接着性を改善するプレコーティング材料をさらに含むことを特徴とする、請求項1から7のいずれか一項に記載の複合材料。
- 前記コーティング材料が約1nm〜約5μmの厚さを有することを特徴とする、請求項1から8のいずれか一項に記載の複合材料。
- 前記コア材料対前記コーティング材料の質量比が約1000:1〜約1:5であることを特徴とする、請求項9に記載の複合材料。
- 前記コーティング材料が伝導性または半導性であることを特徴とする、請求項1から10のいずれか一項に記載の複合材料。
- 請求項1から11のいずれか一項に記載の複合材料を含むアノードにおいて、
0.2Cの放電率で100サイクル後に初期値の約20%以上の比容量;
0.2Cの放電率で100サイクル後に400mAh/g以上の重量容量;または
初期値の45%以上の第1サイクルクーロン効率
の1つ以上を有することを特徴とするアノード。 - 炭素をさらに含むことを特徴とする、請求項12に記載のアノード。
- 前記コア材料の前記多孔質コアが約50〜約250Å(約5〜約25nm)の平均細孔径を有し、および前記粒子が約10m2/g〜約200m2/gの表面積を有することを特徴とする、請求項1から11のいずれか一項に記載の複合材料。
- 前記コア材料が、
約3重量%〜約30重量%のSiOx(式中、xは1〜2である);
約70重量%〜約97重量%の結晶ケイ素
を含み、および
前記結晶ケイ素:SiOxの比が約2:1〜約35:1であることを特徴とする、請求項1から11のいずれか一項に記載の複合材料。
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