JP2021506707A - シリコン粒子の熱処理 - Google Patents

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Abstract

本発明の主題は、１）シリコンを粉砕してシリコン粒子を形成し、粉砕は酸化性雰囲気又は酸化性媒体中で行われるか、及び／又は粉砕により得られたシリコン粒子を酸化性雰囲気に曝露させ、２）ステップ１）で得られたシリコン粒子を、３００℃〜１１００℃の温度で不活性ガス雰囲気下又は減圧下で熱処理することによって、１．０μｍ〜１０．０μｍの直径パーセンタイルｄ５０を有する体積加重粒径分布及びシリコン粒子の総重量に基づいて０．１〜５重量％の酸素含有率を有するシリコン粒子を製造する方法である。

Description

本発明は、シリコン粒子の熱処理のための方法、このようにして得ることができるシリコン粒子、及び水性インク配合物及びリチウムイオン電池用のアノードを製造するためのその使用に関する。
再充電可能なリチウムイオン電池は、最も高い質量エネルギー密度を有する、現在最も実用的な電気化学エネルギー貯蔵器である。シリコンは、特に高い理論材料容量（４２００ｍＡｈ／ｇ）を有するため、リチウムイオン電池のアノードのための活物質として特に適している。アノードは、アノード材料の個々の成分が溶媒に分散されているアノードインクによって製造される。工業規模では、経済的及び環境保護の理由から、通常、水がアノードインクの溶媒として使用される。シリコンは水に対して非常に反応性が高く、水と接触すると酸化されて酸化シリコン及び水素を形成する。水素の遊離により、アノードインクの処理はかなり困難なものとなる。例えば、このようなインクは、含まれる気泡のために不均一な電極コーティングを生じる可能性がある。また、水素の生成により、複雑な安全対策が必要となる。アノードインク中のシリコンの望ましくない酸化は、最終的に、アノード中のシリコンの比率の減少にもつながり、これは、リチウムイオン電池の容量を減少させる。
シリコン粒子を含有するアノード材料を有するリチウムイオン電池が、例えばＤＥ１０２０１５２１５４１５号から知られている。ＤＥ１０２０１５２１５４１５号は、この目的のために、ｄ１０≧０．２μｍ及びｄ９０≦２０．０μｍ、及び幅ｄ９０―ｄ１０≦１５μｍの体積加重粒径分布を有するシリコン粒子を記載している。他方、ＥＰ１３１３１５８号は、１００〜５００ｎｍの平均粒径を有し、粉砕し、続いて８０〜４５０℃の酸素含有ガスで、又は８０〜９００℃の比較的低い酸素含有量を有する不活性ガス中で酸化処理することによって製造されたシリコン粒子を、このような目的のために推奨している。ＥＰ１３１３１５８号によれば、より大きな粒径は、対応する電池のクーロン効率にとって不利である。
シリコン粒子の水性処理におけるガス発生とそれに伴う処理中の問題を低減するために、例えば、ＫＲ１０２０１５００３４５６３号に記載されているように、シリコン粒子の表面を酸化することがしばしば推奨されている。ＷＯ２０１８／０７７３８９号では、粒子を水性媒体に対しより耐性にするために、酸素含有ガスによるシリコン粒子の酸化処理を８０〜９００℃で実施することを推奨している。ＥＰ１１０２３４０号は、希薄空気中で粉砕することにより、リチウムイオン電池用のシリコン粒子を製造することを教示する。
Ｔｏｕｉｄｊｉｎｅ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ、２０１５、１６２、Ａ１４６６〜Ａ１４７５頁は、粉砕したシリコン粒子の水との接触による水素生成の低減に関する。この目的のために、Ｔｏｕｉｄｊｉｎｅは水を用いて又は、高温の空気中でシリコン粒子を部分的に酸化することを教示する。酸化に用いたシリコン粒子は、いずれの場合もシリコン粒子の総重量に基づいて、９重量％のＳｉＯ２含有率を有し、空気酸化の後は１１重量％のＳｉＯ２含有率を有する。シリコン粒子は１５０ｎｍの平均粒径を有し、強凝集体の形で存在する。酸化に用いたシリコン粒子は１４ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有し、これはＴｏｕｉｄｊｉｎｅによって提案されたように空気による酸化の過程で減少する。Ｔｏｕｉｄｊｉｎｅは、リチウムイオン電池のアノード用の水性アノードインクの製造にこのような部分的に酸化されたシリコン粒子の使用を推奨している。
Ｔｉｃｈａｐｏｎｄｗａ、Ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｓ、Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ、Ｐｙｒｏｔｅｃｈｎｉｃｓ、２０１３、３８、４８〜５５頁は、遅延発火点火体の前駆体として水性シリコン分散液を考察している。シリコン粒子と水との接触での水素形成を抑制するために、Ｔｉｃｈａｐｏｎｄｗａは、空気中の高温での酸化により、シリコン粒子の表面に保護的な酸化シリコン層を提供することを推奨する。酸化に供したシリコン粒子は２．０６μｍという平均粒径、９．６８ｍ２／ｇというＢＥＴ比表面積を有し、シリコンに基づいて１３％程度酸化され、強凝集形態で存在する。超音波処理の有無にかかわらず、レーザ光散乱で示されるように、Ｔｉｃｈａｐｏｎｄｗａの酸化シリコン粒子も強凝集している。しかし、Ｔｉｃｈａｐｏｎｄｗａの論文の図１から、酸化され、強凝集したこれらのシリコン粒子は、酸化物の割合が非常に高いにもかかわらず、水中で未だかなりの量の水素を遊離させることがわかる。
シリコン粒子がリチウムイオン電池に使用される場合、この粒子の酸化処理は、一般に、容量の減少をもたらし、また、リチウムの初期消費又はシリコン粒子の絶縁をもたらし得る。さらに、酸素によるケイ素粒子の酸化では、制御されない過酸化又は粉塵爆発など、特別な安全対策が必要となる、方法の工学的問題が発生する可能性がある。
形成されるあらゆる天然酸化物層は、例えば、シリコン粒子の粉砕又は貯蔵中に、水性媒体中、特にリチウムイオン電池用のアノードインク中のシリコン粒子の処理中に水素の形成が抑制されるのに十分なほどシリコン粒子を不動態化しないことがある。シリコン粒子を製造するための粉砕方法については、例えば、ＷＯ２０１８／０８２７８９号及びＷＯ２０１８／０８２７９４号に記載されている。
このような背景から、水性媒体中のシリコン粒子の処理、特に電極を形成する材料の処理において生じる問題を解決し、同時に、容量の減少又は厚い絶縁層の蓄積を防止することができる措置を提供する必要性が引き続き存在する。この方法は、特に、安全かつ制御された方法で実施可能であるべきである。
独国特許出願公開第１０２０１５２１５４１５号明細書 欧州特許出願公開第１３１３１５８号明細書 韓国公開特許第１０―２０１５―００３４５６３号公報 国際公開第２０１８／０７７３８９号 欧州特許出願公開第１１０２３４０号明細書 国際公開第２０１８／０８２７８９号 国際公開第２０１８／０８２７９４号
Ｔｏｕｉｄｊｉｎｅ， ＪＯｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ、２０１５、１６２、Ａ１４６６〜Ａ１４７５頁 Ｔｉｃｈａｐｏｎｄｗａ、Ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｓ、Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ、Ｐｙｒｏｔｅｃｈｎｉｃｓ、２０１３、３８、４８〜５５頁
本発明は、１．０μｍ〜１０．０μｍの直径パーセンタイルｄ５０を有する体積加重粒径分布及びシリコン粒子の総重量に基づいて０．１〜５重量％の酸素含有率を有するシリコン粒子を製造する方法であって、
１）シリコンを粉砕してシリコン粒子を形成し、粉砕は酸化性雰囲気又は酸化性媒体中で行われる、及び／又は
粉砕により得られたシリコン粒子を酸化性雰囲気に曝露させ、並びに
２）ステップ１）で得られたシリコン粒子を、３００℃〜１１００℃の温度で不活性ガス雰囲気下又は減圧下で熱処理する
方法を提供する。
本発明は、さらに、本発明の方法によって得ることができる、１．０μｍ〜１０．０μｍの直径パーセンタイルｄ５０を有する体積加重粒径分布及びシリコン粒子の総重量に基づいて、０．１〜５重量％の酸素含有率を有するシリコン粒子を提供する。
本発明はさらに、ＳｉＯ２の負の対数反射信号の最大値（特に１１５０ｃｍ−１〜１２５０ｃｍ−１の範囲）に対するＳｉＯＨの負の対数反射信号の最大値（特に３３００ｃｍ−１〜３５００ｃｍ−１の範囲）の比が０．００２〜０．２の範囲にある（決定方法：ＤＲＩＦＴ分光法（拡散反射率赤外フーリエ変換分光法）ことを特徴とする、１．０μｍ〜１０．０μｍの直径パーセンタイルｄ５０を有する体積加重粒径分布及びシリコン粒子の総重量に基づいて０．１〜５重量％の酸素含有率を有するシリコン粒子を提供する。
本発明は、さらに、本発明による方法の生成物及び１つ以上のバインダーが水と混合されることを特徴とする、水性インク配合物を製造する方法を提供する。
本発明はさらに、リチウムイオン電池用のアノードを製造するための本発明による方法の生成物の使用を提供する。
比較例１の生成物のＤＲＩＦＴスペクトルを示す。 実施例２ｅの生成物のＤＲＩＦＴスペクトルを示す。
本発明によるそれらの製造により、ステップ２）からのシリコン粒子は、熱処理の出発材料として使用されるステップ１）からのシリコン粒子と構造的に異なる。これは、例えば、ステップ２）からのシリコン粒子が、室温での水の存在下で、一般的に、ステップ１）からのシリコン粒子と比較して水素の発生が全くないか、又は水素の発生が少なくともはるかに少ない、及び／又は遅延するため、発泡を伴わないか、又はほとんど発泡を伴わない水性インク配合物中での処理を可能にし、したがって、少なくともより均質なアノードコーティングの製造を可能にするという事実から明らかである。
ステップ２）におけるシリコン粒子の熱処理のための温度は、好ましくは４００℃〜１０８０℃、より好ましくは５００℃〜１０６０℃、特に好ましくは６００℃〜１０４０℃、さらにより好ましくは７００℃〜１０３０℃、最も好ましくは７５０℃〜１０２０℃である。
不活性ガス雰囲気は、例えば、不活性ガスとして、窒素、又はヘリウム、ネオン、アルゴン又はキセノンのような希ガス、特に窒素又はアルゴンを含むことができる。不活性ガス雰囲気は、不活性ガスの総体積に基づいて、好ましくは≧９５体積％、特に好ましくは≧９９体積％、より好ましくは≧９９．５体積％、さらにより好ましくは≧９９．９体積％、最も好ましくは≧９９．９９体積％の不活性ガスを含む。
さらなる構成要素として、不活性ガス雰囲気は、例えば、還元性ガス、例えば、水素若しくはヒドラジン、又は市販の工業用ガス中に慣例的に存在する他の構成要素を含むことができる。還元性ガスの割合は、好ましくは≦５体積％、特に好ましくは≦１体積％、最も好ましくは≦０．１体積％である。
酸素及び／又は水は、好ましくは≦１体積％、特に好ましくは≦０．１体積％、さらにより好ましくは≦０．０１体積％、最も好ましくは≦０．００１体積％の量で不活性ガス雰囲気中に存在する。酸素をまったく含んでおらず、水をまったく含んでいない不活性ガス雰囲気が最も好ましい。ＣＶＤ（化学蒸着）法において通常使用されるようなガス又は炭素前駆体、特に脂肪族の不飽和又は芳香族炭化水素であって、好ましくは１〜１０個の炭素原子を有するもの、例えば、メタン、エタン、プロパン、エチレン、アセチレン、ベンゼン、トルエン、スチレン、エチルベンゼンの割合は、好ましくは≦１体積％、特に好ましくは≦０．１体積％、さらにより好ましくは≦０．０１体積％である。最も好ましくは、不活性ガス雰囲気はいかなる炭素前駆体も含有しない。重量パーセントにおける数値は不活性ガスの総体積に基づく。
ステップ２）における不活性ガス雰囲気中での熱処理における圧力は、例えば、０．５〜２ｂａｒ、好ましくは０．８〜１．５ｂａｒ、より好ましくは１気圧とすることができる。周囲圧力での操作が特に好ましい。
代替として、ステップ２）の熱処理を減圧下で行うこともできる。この実施形態では、圧力は好ましくは≦０．５ｂａｒ、より好ましくは≦０．１ｂａｒ、特に好ましくは≦２０ｍｂａｒである。ここで、任意の気相は、好ましくは上記の不活性ガス雰囲気からなる。
ステップ２）における熱処理は、一般に溶媒、例えば、水又はメタノール若しくはエタノールのようなアルコールの非存在下で行われる。一般に、熱処理では液相は存在しない。
ステップ１）からのシリコン粒子は、粉砕によって製造された直後、及び任意選択的に、特に事前に化学反応することなく、その後の貯蔵を経て、ステップ２）において熱処理に供されることが好ましい。
シリコン粒子は、一般的にステップ２）における熱処理前又は熱処理中に炭素又はポリマーで被覆されない。したがって、一般的にポリマー又は炭素前駆体、特に上記の炭素前駆体のような炭素含有化合物は、ステップ２）に存在しない。よって、一般的に、ステップ２）の実施前又は実施中には、シリコン粒子と炭素含有化合物との反応は起こらない。ステップ２）におけるシリコン粒子の割合は、シリコン粒子及び任意の炭素含有化合物の総重量に基づいて、好ましくは≧９０重量％、特に好ましくは≧９５重量％、最も好ましくは≧９９重量％である。
ステップ２）における熱処理は、シリコン粒子のみ、任意選択的に不活性ガス雰囲気の存在下で行うことが好ましい。
一般に、ステップ２）ではシリコン粒子の粉砕を行わない。
ステップ２）における熱処理の間、不活性ガス雰囲気は、シリコン粒子上に静止させることができ、又は熱処理が行われる反応器を通過させることができる。
ステップ２）における熱処理の持続時間は、広い範囲にわたって変化することができ、熱処理のために選択される温度にも依存する。個々の事例において目的を果たす熱処理の温度及び持続時間は、数件の定位実験を活用して当業者によって容易に決定することができる。熱処理の持続時間又は反応器内のシリコン粒子の平均滞留時間は、好ましくは１分〜１６時間、特に好ましくは３分〜６時間、最も好ましくは１０分〜２時間である。
熱処理は、従来の、静的又は動的な反応器、例えば、管状炉、回転管状炉、流動床反応器又は移動床反応器において実施することができる。特にか焼炉及び回転管状炉が好ましい。
この方法は連続的又は不連続的に作動させることができる。
ステップ２）で使用されるシリコン粒子は、好ましくは１．０〜８．０μｍ、特に好ましくは２．０〜７．０μｍ、最も好ましくは３．０〜６．０μｍの直径パーセンタイルｄ５０を有する体積加重粒径分布を有する。
ステップ１）からのシリコン粒子の体積加重粒径分布は、好ましくは０．５μｍ〜１０μｍ、特に好ましくは０．５μｍ〜５．０μｍ、最も好ましくは０．５μｍ〜３．０μｍの直径パーセンタイルｄ１０を有する。
ステップ１）からのシリコン粒子の体積加重粒径分布は、好ましくは２．０μm〜２０．０μｍ、特に好ましくは３．０〜１５．０μｍ、最も好ましくは５．０μｍ〜１０．０μｍの直径パーセンタイルｄ９０を有する。
ステップ１）からのシリコン粒子の体積加重粒径分布は、好ましくは≦２０．０μｍ、より好ましくは≦１５．０μｍ、さらにより好ましくは≦１２．０μｍ、特に好ましくは≦１０．０μｍ、最も好ましくは≦７．０μｍの幅ｄ９０―ｄ１０を有する。
シリコン粒子の体積加重粒径分布は、Ｍｉｅモデル及び測定機器Ｈｏｒｉｂａ ＬＡ ９５０を用いて、シリコン粒子の分散媒としてアルコール、例えば、エタノール若しくはイソプロパノール、又は好ましくは水を用いて、静的レーザ光散乱によって決定することができる。
ステップ１）からのシリコン粒子は、元素状シリコンをベースとすることが好ましい。本発明の目的のために、元素状シリコンは、高純度であり、異種原子（例えば、Ｂ、Ｐ、Ａｓ）の割合が少ない多結晶シリコン、異種原子（例えば、Ｂ、Ｐ、Ａｓ）を意図的にドープしたシリコン、例えば、ソーラーシリコンだけでなく、元素汚染（例えば、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃａ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃ）を有することができる冶金的処理からのシリコンである。
ステップ１）からのシリコン粒子は、好ましくは≧９５重量％、より好ましくは≧９８重量％、特に好ましくは≧９９重量％、最も好ましくは≧９９．９重量％のシリコンを含有する。重量パーセントにおける数値は、ステップ１）ｋａらのシリコン粒子の総重量、特にステップ１）からのシリコン粒子の総重量からその酸素含有量を引いた値に基づく。ステップ１）からのシリコン粒子中のシリコンの本発明による割合は、Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ製測定機器Ｏｐｔｉｍａ ７３００ ＤＶを用いて、ＥＮ ＩＳＯ １１８８５：２００９に従ったＩＣＰ（誘導結合プラズマ）発光分光分析法によって決定することができる。
ステップ１）からのシリコン粒子は、一般に、酸化シリコンを含有する。酸化シリコンは、シリコン粒子の表面に存在することが好ましい。酸化物層は、シリコン粒子の表面を完全に又は部分的に覆うことができる。酸化シリコン、特に酸化物層の形態の酸化シリコンは、一般に、酸化性雰囲気中又は酸化性媒体中でのシリコンの粉砕中に形成され得るか、又は例えば、シリコン粒子の貯蔵中に粉砕によって得られたシリコン粒子と酸化性雰囲気との接触時に形成され得る。このような酸化物層は、天然酸化物層とも呼ばれる。
ステップ１）からのシリコン粒子は、一般に、好ましくは０．５〜３０ｎｍ、特に好ましくは１〜１０ｎｍ、最も好ましくは１〜５ｎｍの厚さを有する酸化物層、特に酸化シリコン層をそれらの表面に有する（決定方法：例えば、ＨＲ−ＴＥＭ（高分解能透過型電子顕微鏡））。
ステップ１）からのシリコン粒子は、ステップ１）からのシリコン粒子の総重量に基づいて、好ましくは０．１〜５．０重量％、より好ましくは０．１〜２重量％、特に好ましくは０．１〜１．５重量％、最も好ましくは０．２〜０．８重量％の酸素を含有する（Ｌｅｃｏ ＴＣＨ−６００分析器を用いて測定）。
ステップ１）からのシリコン粒子は強凝集（ａｇｇｒｅｇａｔｅ）しないことが好ましく、特に弱凝集（ａｇｇｌｏｍｅｒａｔｅ）しないことが好ましい。
強凝集するとは、例えば、シリコン粒子の製造における気相過程で最初に形成された球形又は大部分が球形の一次粒子が、一緒に成長して強凝集体を形成することを意味し、例えば、共有結合によって連結される。一次粒子又は強凝集体は弱凝集体を形成しうる。弱凝集体は強凝集体又は一次粒子の緩い集合体である。弱凝集体は、例えば、混練又は分散処理によって、一次粒子又は強凝集体に再び容易に分解する。これらの方法では、強凝集体を一次粒子に分解することはできないか、ごくわずかにしか分解できない。強凝集体及び弱凝集体は、一般に好ましいシリコン粒子とは全く異なる球形度及び粒子形状を有し、一般に球形ではない。強凝集体又は弱凝集体の形態のシリコン粒子の存在は、例えば、従来の走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）によって可視化することができる。他方、シリコン粒子の粒径分布又は粒子直径を決定するための静的光散乱法では、強凝集体と弱凝集体を区別することができない。
ステップ１）からのシリコン粒子のＢＥＴ比表面積は、好ましくは０．２〜８．０ｍ２／ｇ、特に好ましくは０．５〜５．０ｍ２／ｇ、最も好ましくは１．０〜５．０ｍ２／ｇである（ＤＩＮ ６６１３１（窒素を用いる）に従った決定）。
ステップ１）からのシリコン粒子は、好ましくは０．３≦Ψ≦０．９、特に好ましくは０．５≦Ψ≦０．８５、最も好ましくは０．６５≦Ψ≦０．８５の球形度を有する。このような球形度を有するシリコン粒子は、特に、粉砕方法によって得ることができる。球形度Ψは、物体の実際の表面積に対する体積が同じ球体の表面積の比（Ｗａｄｅｌｌの定義）である。例えば、球形度は、従来のＳＥＭ画像から決定することができる。
ステップ１）からのシリコン粒子は、好ましくは縁の鋭い破断面を有するか、又はスプリッター形であることが好ましい。
ステップ１）からのシリコン粒子はシリコンの粉砕により得ることができる。粉砕は、例えば、湿式粉砕処理によって、又は特に乾式粉砕処理によって実施することができる。遊星ボールミル、撹拌ボールミル、又は特にジェットミル、例えば、対向ジェットミル又はインパクトミルを使用することが好ましい。
粉砕方法は一般に強凝集していないシリコン粒子を生じる。一方、気相法、例えば、蒸着によるシリコン粒子の製造は、強凝集したシリコン粒子をもたらすことが知られている。
シリコンの粉砕は酸化性雰囲気中で行うことができる。特に乾式粉砕方法は、酸化性雰囲気中で行われる。酸化性雰囲気は、酸化性ガスとして、例えば、二酸化炭素、酸化窒素、二酸化硫黄、オゾン、過酸化物、特に酸素又は水蒸気を含有することができる。酸化性雰囲気は、酸化性ガスを好ましくは１〜１００体積％、特に好ましくは５〜８０体積％、さらにより好ましくは１０〜５０体積％の量で含有する。酸化性雰囲気はまた、不活性ガス、例えば、窒素、希ガス又は他の不活性ガスを含むことができる。不活性ガスは、好ましくは≦９９体積％、特に好ましくは２０〜９５体積％、最も好ましくは５０〜９０体積％の量で存在する。酸化性雰囲気はまた、不純物又は他のガス状成分を、好ましくは≦１０体積％、特に好ましくは≦５体積％、最も好ましくは≦１体積％の量で含有することができる。体積％における数値は、いずれの場合も酸化性雰囲気の総体積に基づく。酸化性雰囲気は最も好ましくは空気を含む。酸化性雰囲気は、好ましくは０．３〜２００ｂａｒ、より好ましくは０．５〜１００ｂａｒ、特に好ましくは０．４〜１０ｂａｒ、最も好ましくは０．６〜４ｂａｒの分圧を有する酸化性ガスを含む。酸化性雰囲気は、好ましくは０．７〜２００ｂａｒ、特に好ましくは１〜４０ｂａｒ、最も好ましくは１．５〜１０ｂａｒの圧力を有する。対応する方法は、例えば、ＷＯ２０１８／０８２７９４号又はＷＯ２０１８／０８２７９４号に記載されている。
代替として、シリコンの粉砕は酸化性媒体中で行うこともできる。特に湿式粉砕方法は酸化性媒体中で行われる。ここで、シリコンは酸化性媒体中に懸濁されることが好ましい。酸化性媒体の例は、水のような無機液体又は脂肪族若しくは芳香族炭化水素、エステル若しくは特にアルコールのような有機液体である。アルコールの例は、メタノール、ブタノール、特にエタノール及びプロパノールである。有機液体は、好ましくは５重量％未満の水、特に好ましくは１重量％未満の水を含む。対応する方法は、例えば、ＷＯ２０１７／０２５３４６号に記載されている。
粉砕によって得られたシリコン粒子は、ステップ１）、例えば、シリコン粒子の貯蔵中に酸化性雰囲気にさらすこともできる。ここで、酸化性雰囲気は上記のような組成を有することができる。好ましい酸化性ガスは、二酸化炭素、酸化窒素、オゾン、特に酸素又は水蒸気である。酸化性雰囲気は最も好ましくは空気を含む。ここでの酸化性雰囲気は、好ましくは０．７〜２ｂａｒ、特に好ましくは１気圧又は周囲圧の圧力を有する。代替として、不活性ガス雰囲気下、特に上記の不活性ガス雰囲気下で貯蔵を行うこともできる。シリコン粒子の貯蔵は、好ましくは０℃〜５０℃、特に好ましくは１０℃〜４０℃、最も好ましくは１５℃〜３０℃の温度で行われる。シリコン粒子は、例えば、数時間、１日以上、１週間以上、又は１年以上まで貯蔵することができる。
ステップ２）で得られたシリコン粒子は、好ましくは、ステップ１）からのシリコン粒子について上述したように、体積加重粒径分布ｄ５０、ｄ１０、ｄ９０及びｄ９０−ｄ１０、球形度、ＢＥＴ比表面積、シリコンの重量割合及び／又は酸素又は任意のその他の成分の重量割合、及び酸化物層の厚さを有する。これは、示された粒子形状、例えば、強凝集していない粒子、又縁の鋭い破断面を有する粒子、又はスプリンター形状の粒子にも当てはまる。
ステップ２）で得られたシリコン粒子及びその製造に用いられるステップ１）からのシリコン粒子は、酸素及び／又はシリコンの含有率について、シリコン粒子の総重量に基づいて、好ましくは≦０．２重量％、特に好ましくは≦０．１重量％、最も好ましくは≦０．０５重量％異なる（シリコン含有率の決定：上記のＩＣＰによる；酸素含有率の決定：この見出しの下で以下にさらに述べる）。
理論に結びつけたいと思わないが、ステップ２）の本発明による熱処理の過程でシリコン粒子の表面構造が変化することが想定できる。これは、例えば、シリコン粒子の酸化物層の構成において明らかである。ＤＲＩＦＴスペクトル（拡散反射率赤外フーリエ変換分光法）を用いて確立することができるように、このように、ステップ２）で得られたシリコン粒子のＳｉＯＨ基の数、特にステップ２）からのシリコン粒子の表面の単位面積当たりのＳｉＯＨ基の数（ＳｉＯＨ基密度）は、ステップ１）からのシリコン粒子のＳｉＯＨ基密度よりも小さいことが好ましい。したがって、ステップ２）からのシリコン粒子のＤＲＩＦＴスペクトルにおける特に１１５０ｃｍ−１〜１２５０ｃｍ−１の範囲のＳｉＯ２の負の対数反射信号の最大値に対する特に３３００ｃｍ−１〜３５００ｃｍ−１の範囲のＳｉＯＨの負の対数反射信号の最大値の比は、好ましくは≦０．２、特に好ましくは≦０．１５、さらにより好ましくは≦０．１であり、最も好ましくは＜０．０８である（決定方法：「ＤＲＩＦＴスペクトルの測定及び評価」の見出しの下で以下にさらに参照）。上記の比は、好ましくは≧０．００１、特に≧０．０１、最も好ましくは≧０．０３である。水中のシリコン粒子の安定性は、このパラメータの発明に従った値を忠実に守ると改善することができる。
インク配合物は、好ましくは、ステップ２）から本発明に従って製造されたシリコン粒子、1種以上のバインダー、任意に黒鉛、任意に１種以上のさらなる導電性成分、及び任意に１種以上の添加剤を含む混合物をベースとする。
好ましいバインダーは、ポリアクリル酸若しくはそれらのアルカリ金属、特にリチウム若しくはナトリウム塩、ポリビニルアルコール、セルロース若しくはセルロース誘導体、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリオレフィン、ポリイミド、特にポリアミドイミド、又は熱可塑性エラストマー、特にエチレン−プロピレン−ジエンターポリマーである。ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸又はセルロース誘導体、特にポリアクリル酸、又はそのリチウム若しくはナトリウム塩が特に好ましい。
黒鉛としては、一般に天然又は合成黒鉛を使用することが可能である。黒鉛粒子は、直径パーセンタイルｄ１０＞０．２μｍ及びｄ９０＜２００μｍの間の体積荷重粒径分布を有することが好ましい。
好ましいさらなる導電性成分は、導電性カーボンブラック、カーボンナノチューブ又は金属粒子、例えば、銅である。
添加剤の例は、孔形成剤、分散剤、レベリング剤又はドーパント、例えば、元素リチウムである。
リチウムイオン電池のインク配合物の好ましい組成物は、好ましくは５〜９５重量％、特に６０〜８５重量％の、ステップ２）から本発明により製造されるシリコン粒子、０〜４０重量％、特に０〜２０重量％のさらなる導電性成分、０〜８０重量％、特に５〜３０重量％の黒鉛、０〜２５重量％、特に５〜１５重量％のバインダー、及び任意に０〜８０重量％、特に０．１〜５重量％の添加剤を含み、ここで、％重量における数値はインク配合物の総重量に基づいており、インク配合物の全成分の割合は合計で１００重量％になる。
アノードインク又はペーストを生じるためのインク配合物の成分の処理は、水中又は水性溶媒中で行うことが好ましい。水性溶媒は、一般に水及び１種以上の有機溶媒を含む。有機溶媒の例は、テトラヒドロフラン、Ｎ−メチルピロリドン、Ｎ−エチルピロリドン、アセトン、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド又はエタノールである。有機溶媒の割合は、水性溶媒の総体積に基づいて、好ましくは≦５０体積％、より好ましくは≦２０体積％、特に好ましくは≦１０体積％である。水は有機溶媒を含まないことが最も望ましい。
インク配合物を製造するために、従来の装置、例えば、ロータ−ステータ機、高速ミキサー、高エネルギーミル、遊星ミキサー、混練機、撹拌ボールミル、振動台又は超音波装置を使用することが可能である。
インク配合物は、好ましくは２〜９、特に好ましくは５〜８、最も好ましくは６．５〜７．５のｐＨを有する（例えば、ＳｅｎＴｉｘ ＲＪＤ電極を有するｐＨメーターモデルＷＴＷ ｐＨ３４０ｉを用いて２０℃で決定）。
リチウムイオン電池用のアノードを製造するために、インク配合物は、例えば、ドクターブレードコーティングによって銅箔又は別の電流コレクターに塗布することができる。他のコーティング方法、例えば、スピンコーティング、ローラーコーティング、浸漬コーティング又はスリットノズルコーティング、コーティング又は噴霧も同様に使用できる。
アノードコーティングの層厚、すなわち乾燥層厚は、好ましくは２μｍ〜５００μｍ、特に好ましくは１０μｍ〜３００μｍである。
アノード材料は、一般に恒量になるように乾燥させる。乾燥温度は、好ましくは２０℃〜３００℃、特に好ましくは５０℃〜１５０℃の温度範囲である。
リチウムイオン電池は、一般に、カソードとしての第一電極、アノードとしての第二電極、これら２つの電極の間に配置されたセパレータとしての膜、電極への２つの導電性接続部、前記部品を収容するハウジング、及びリチウムイオンを含み、かつ、セパレータ及び２つの電極を含浸させた電解質を備え、第二の電極の一部は本発明のアノード材料を含む。
上記のように、本発明によるリチウムイオン電池を製造するために使用される全ての物質及び材料は既知である。本発明の電池の部品の製造及び本発明の電池を得るためのその組み立ては、電池製造の分野で既知の方法、例えば、出願番号ＤＥ１０２０１５２１５４１５．７を有する特許出願に記載されている方法によって行うことができる。
本発明は、さらに、本発明によるアノード材料の、このアノード材料がリチウムイオン電池の完全に充電された状態で部分的にのみリチオ化されるように構成されたリチウムイオン電池における使用を提供する。
このように、部分的にしかリチオ化されない完全に充電されたリチウムイオン電池における、前記アノード材料、特にシリコン粒子が好ましい。現在の目的のために、完全に充電されたとは、電池のアノード材料にリチウムが最も多く有する電池の状態を指す。アノード材料の部分的リチオ化は、アノード材料中のシリコン粒子のリチウムの最大取り込み能力が使い果たされないことを意味する。シリコン粒子のリチウム最大取り込み能力は、一般に式Ｌｉ４．４Ｓｉに対応し、つまりシリコン原子１個当たり４．４個のリチウム原子である。これはシリコン１ｇ当たり４２００ｍＡｈの最大比容量に相当する。
リチウムイオン電池のアノード中のシリコン原子に対するリチウム原子の比（Ｌｉ／Ｓｉ比）は、例えば、電荷流量により設定することができる。アノード材料又はアノード材料中に存在するシリコン粒子のリチオ化の程度は、アノード材料又はシリコン粒子を流れた電荷に比例する。この変形例では、リチウムイオン電池の充電中に、リチウムのためのアノード材料の容量が完全に使い果たされることはない。この結果、アノードが部分的にリチオ化される。
代替の好ましい変形例において、リチウムイオン電池のＬｉ／Ｓｉ比は、セルバランシングによって設定される。ここで、リチウムイオン電池は、アノードのリチウム取り込み能力が、好ましくはカソードのリチウム放出能力よりも大きいように設計される。これは、アノードのリチウム取り込み能力が完全に使い果たされていないこと、すなわち、アノード材料が完全に充電された電池において部分的にのみリチオ化されていることにつながる。
本発明による部分リチオ化では、リチウムイオン電池の完全充電状態におけるアノード材料中のＬｉ／Ｓｉ比は好ましくは≦２．２、特に好ましくは≦１．９８、最も好ましくは≦１．７６である。リチウムイオン電池の完全充電状態におけるアノード材料中のＬｉ／Ｓｉ比は好ましくは≧０．２２、特に好ましくは≧０．４４であり、最も好ましくは≧０．６６である。
リチウムイオン電池のアノード材料のシリコンの容量は、シリコン１グラム当たり４２００ｍＡｈの容量に基づいて、好ましくは≦５０％、特に好ましくは≦４５％、最も好ましくは≦４０％の範囲で利用される。
アノードは、好ましくは、アノードの質量に基づいて≦１５００ｍＡｈ／g、特に好ましくは≦１４００ｍＡｈ／ｇ、最も好ましくは≦１３００ｍＡｈ／ｇで充電される。アノードは、アノードの質量に基づいて、好ましくは少なくとも６００ｍＡｈ／ｇ、特に好ましくは≧７００ｍＡｈ／ｇ、最も好ましくは≧８００ｍＡｈ／ｇで充電される。これらの数値は、好ましくは、完全に充電されたリチウムイオン電池に関する。
シリコンのリチオ化の程度又はシリコンのリチウムに対する能力の利用度（Ｓｉ容量利用度α）は、例えば、出願番号ＤＥ１０２０１５２１５４１５．７号を有する特許出願の１１頁４行〜１２頁２５行に記載されているように、特に、この出願でＳｉ容量利用度αについて与えられた式及び「Ｂｅｓｔｉｍｍｕｎｇ ｄｅｒ Ｄｅｌｉｔｈｉｉｅｒｕｎｇｓ−Ｋａｐａｚｉｔａｅｔ β」及び「Ｂｅｓｔｉｍｍｕｎｇ ｄｅｓ Ｓｉ−Ｇｅｗｉｃｈｔｓａｎｔｅｉｌｓ ωＳｉ」という見出しの下の補足情報（「参照により援用する」）を用いて決定することができる。
水性インク配合物の調製における本発明に従って製造されたシリコン粒子の使用は、驚くべきことに、特にステップ１）からのシリコン粒子と比較して、水素のより低い及び／又は遅延した生成をもたらす。これは、ステップ１）からのシリコン粒子とステップ２）からのシリコン粒子が同一又は本質的に同一の酸素含有量を有し得るため、いっそう驚くべきことである。このように、ｐＨ７及び６０℃の水中でステップ２）からのシリコン粒子を分散させた後の圧力上昇は、好ましくは≧４５分、特に好ましくは≧６０分後に始まる。ステップ２）からのシリコン粒子をｐＨ７及び６０℃の水中に分散させた場合、上昇開始３０分後の圧力上昇は、好ましくは≦１ｂａｒ、特に好ましくは≦０．８ｂａｒ、最も好ましくは≦０．６ｂａｒである。圧力上昇の測定は、１気圧又は１ｂａｒで行うことが望ましい。これらのパラメータを決定する方法については、「シリコン粉末の水性分散液を用いたガス発生の決定」という見出しの下でさらに詳しく述べる。
さらに、本発明の方法により、強凝集していないシリコン粒子を得ることができる。異なるシリコン粒子の一緒の凝結は、本発明の方法によって防止することができる。他の好ましくない二次反応、例えば、亜酸化シリコン又は窒化ケイ素のような他の副生成物の生成は、本発明による方法の条件によって防止することができる。
本発明の方法は、簡単な方法で安全に行うことができ、爆発のリスクを示す混合物の形成を回避することができる。均質な気泡のないアノードコーティングが得られる。
以下の実施例は、本発明をさらに説明するのに役立つ。
＜酸素含有率（Ｏ含有率）の決定＞：
酸素含有率の決定はＬｅｃｏ ＴＣＨ―６００分析器を用いて行った。この分析は不活性ガス雰囲気下で試料を黒鉛るつぼ中で融解して行った。検出は赤外線検出（３測定セル）により行った。
＜粒径の決定＞：
粒子分布の測定は、ＭｉｅモデルとＨｏｒｉｂａ ＬＡ ９５０を用い、水中でかなり希釈した懸濁液中での静的レーザ光散乱により行った。決定した粒径分布は体積荷重である。
＜ＤＲＩＦＴスペクトルの測定及び評価＞：
３５ｍｇの各Ｓｉ粉末を５００ｍｇのＫＢｒと混合し、Ｈａｒｒｉｃｋ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ社のカマキリミラーシステムを搭載したＢｒｕｋｅｒ Ｏｐｔｉｃｓ社製の機器（ＸＳＡユニットと結合したＶｅｒｔｅｘ ７０）を用いて、この混合物のＤＲＩＦＴスペクトル（拡散反射率赤外フーリエ変換分光法）（固体を強く吸収又は散乱することを調べるための赤外分光法における慣例的な方法である）を記録した。「反射率」の負の十進法対数を波数の関数として測定した。
このようにして得られたＤＲＩＦＴスペクトルを評価するために、ＳｉＯ２信号の最大値及びＳｉＯＨ信号の最大値を使用した。負の対数反射信号の最大値は、ＳｉＯＨの場合は通常３３００ｃｍ−１〜３５００ｃｍ−１の範囲であり、ＳｉＯ２の場合は通常１１５０ｃｍ−１〜１２５０ｃｍ−１の範囲である。
ＤＲＩＦＴパラメータは、ＳｉＯ２の負の対数反射信号の最大値に対するＳｉＯＨの負の対数反射信号の最大値の比である。
＜シリコン粉末の水性分散液を用いたガス発生の決定＞：
４００ｍｇの各Ｓｉ粉末を２０ｇのＬｉポリアクリル酸溶液（Ｓｏｋａｌａｎ ＰＡ１１０Ｓ、ｐＨ７．０、４重量％濃度）中に分散させ、デジタル圧力センサを備えた不透過性で圧力安定性のあるガラス瓶（Ａｎｄｒｅｗｓ Ｇｌａｓｓ Ｃｏ．製の耐圧反応容器、総容量８７ｍｌに相当する３ｏｚ）に移した。その後、ガラス瓶を６０℃に加熱した加熱ジャケットに導入し、ガス瓶内の圧力を測定した。このようにして得られた測定値は６０℃での圧力に対する溶媒の寄与率によって補正した。
＜アノードインクを用いたガス発生の決定＞：
決定は、上記の「シリコン粉末の水性分散液を用いたガス発生の決定」と類似の方法で行った。２０ｇの各アノードインクを圧力安定性のあるガラス容器に導入し、予め５０℃に加熱したアルミニウム製の加熱ブロックに導入した。このようにして得られた測定値は、５０℃での圧力に対する溶媒の寄与率によって補正した。
［比較例１（ＣＥｘ．１）］：
粉砕によるＳｉ粒子の製造：
流動床ジェットミル（７ｂａｒ及び３００℃の流入温度で９０ｍ3／時の、粉砕ガスとしての空気を含むＮｅｔｚｓｃｈ―Ｃｏｎｄｕｘ ＣＧＳ１６）でソーラーシリコンの製造から粗い破砕Ｓｉを粉砕することにより、Ｓｉ粒子を通常の方法で製造した。このようにして得られたＳｉ粒子を粉砕直後に空気中で包装し、２０℃で３か月間貯蔵した。空気中でＳｉ粒子を取り出した後、表１に報告した分析データを得た。比較例１の生成物のＤＲＩＦＴスペクトルを図１に示す。
［実施例２（Ｅｘ．２）］：
Ｓｉ粒子の熱処理：
比較例１で粉砕して生成したＳｉ粒子１０ｇを舟形皿に秤量し、溶融シリカ管に入れて管状炉ＭＴＦ１２／３８／４００（Ｃａｒｂｏｌｉｔｅの商品名）に移した。溶融シリカ管をアルゴン（グレード４．８；酸素３ｐｐｍ、水５ｐｐｍ）で１０分間フラッシュし、不活性ガス雰囲気を作った。続いて、この炉を表１に示す特定の温度に加熱し、この温度で４時間維持した。その後、管状炉を不活性ガス雰囲気下で室温に冷却し、生成物を取り出した。生成物について、酸素含有率及び粒径分布を調べ、ＤＲＩＦＴ分光法によっても調べた。実施例２ｅの生成物のＤＲＩＦＴスペクトルを図２に示す。
Figure 2021506707
本発明による熱処理は、比較例１及び実施例２の粒径の比較が示すように、Ｓｉ粒子の強凝集をもたらさず、またＳｉ粒子の酸素含有率の有意な増加ももたらさない。
比較例２ｆの場合、１２００℃での熱処理でＳｉＯ２とＳｉの反応が起こり、ガス状ＳｉＯが形成され、このガス状ＳｉＯが不活性ガス流で生成物から運び去られ、Ｓｉ粒子の酸素含有率の低下につながった。
＜水性分散液中のＳｉ粒子の反応性の試験＞：
各（比較）例からのＳｉ粒子４００ｍｇを秤量して、Ｆｉｓｃｈｅｒ−Ｐｏｒｔｅｒ容器（圧力安定性のあるガラス容器、Ａｎｄｒｅｗｓ Ｇｌａｓｓ Ｃｏ．製の耐圧反応容器、総容積８７ｍｌに相当する３ｏｚ）に入れ、ｐＨ７．０でＬｉポリアクリル酸水溶液（４重量％濃度）２０ｇと混合し、超音波処理を１分間行った後、耐圧容器を閉じ、その後、予熱されたアルミニウム加熱ブロック内で、６０℃で加熱した。
試験結果を表２に報告する。
ガス発生の開始は、Ｓｉ粒子を添加せずに蓄積する圧力の解放後に反応容器内の圧力が上昇し始める時点である。
３０分後の圧力上昇は、水素発生開始３０分後に確立された圧力である。
表２に報告した値は、２回の測定の平均値である。複数の測定値における精度は、ガス発生開始に対し±２〜４分、圧力増加に対し±０．１ｂａｒである。
Figure 2021506707
熱処理されていない比較例１のＳｉ粒子の水性分散液は、水素形成の迅速な開始を示す。
本発明による熱処理によって得られた実施例２ｂ〜２ｅの生成物は、比較例１の酸素含有率と実質的に同一の酸素含有率にもかかわらず、水素発生の開始が遅延し、水性懸濁液中の水素発生速度も低下する。より高い圧力上昇から分かるように、本発明による温度範囲以上の熱処理（比較例２ｆ）ですら、熱処理されていない比較例１のＳｉ粒子に比べて不利であることが証明された。
＜水性インク配合物におけるガス発生の試験＞：
８５℃で恒量に乾燥したポリアクリル酸２９．７１ｇ及び脱イオン水７５６．６０ｇをシェーカー（２９０Ｌ／分）によりポリアクリル酸が完全に溶解するまで２．５時間撹拌した。水酸化リチウム一水和物を、ｐＨが７．０（ｐＨ計ＷＴＷ ｐＨ ３４０ｉ及びＳｅｎＴｉｘ ＲＪＤ電極を用いて測定）になるまで、溶液に少量ずつ加えた。続いて、この溶液をシェーカーによってさらに４時間混合した。
各（比較）例のＳｉ粒子７．００ｇを中和されたポリアクリル酸溶液１２．５０ｇ、脱イオン水５．１０ｇに高速ミキサーを用いて５分間４．５ｍ／秒の回転速度、２０℃で３０分間１２ｍ／秒の回転速度で分散させた。黒鉛（Ｉｍｅｒｙｓ、ＫＳ６Ｌ Ｃ）２．５０ｇを添加した後、１２ｍ／秒の回転速度でさらに３０分間混合物を攪拌した。
このようにして得られたアノードインクからのガス発生は、上記のように、圧力の蓄積を測定することによって、その製造直後に決定した。アノードインクについて圧力の蓄積を１６時間観察した。試験結果を表３に報告する。
Figure 2021506707
本発明によるインク配合物は、数時間後でも均一な電極コーティングを生じるように処理することができる。
比較例１のＳｉ粒子を含むアノードインクは、強い水素発生のために長期間後に発泡する傾向があり、均一な電極被覆を生じるように処理することができなかった。

Claims (12)

  1. １．０μｍ〜１０．０μｍの直径パーセンタイルｄ５０を有する体積加重粒径分布及びシリコン粒子の総重量に基づいて０．１〜５重量％の酸素含有率を有するシリコン粒子を製造する方法であって、
    １）シリコンを粉砕してシリコン粒子を形成し、粉砕は酸化性雰囲気又は酸化性媒体中で行われる、及び／又は
    粉砕により得られたシリコン粒子を酸化性雰囲気に曝露させ、並びに
    ２）ステップ１）で得られたシリコン粒子を、３００℃〜１１００℃の温度で不活性ガス雰囲気下又は減圧下で熱処理する
    方法。
  2. 前記不活性ガス雰囲気が、窒素、及びヘリウム、ネオン、アルゴン又はキセノンのような希ガスからなる群から選択される１種以上の不活性ガスを含むことを特徴とする、請求項１に記載のシリコン粒子の製造方法。
  3. 前記不活性ガス雰囲気が、不活性ガス雰囲気の総体積に基づいて≧９５体積％の不活性ガスを含むことを特徴とする、請求項２に記載のシリコン粒子の製造方法。
  4. 前記酸化性雰囲気が、二酸化炭素、酸化窒素、二酸化硫黄、オゾン、過酸化物、酸素及び水蒸気からなる群から選択される１種以上の酸化性ガスを含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のシリコン粒子の製造方法。
  5. 前記酸化性媒体が、水、脂肪族又は芳香族炭化水素、エステル及びアルコールからなる群から選択される１種以上の液体を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のシリコン粒子の製造方法。
  6. ステップ２）で得られた前記シリコン粒子が、その表面に２〜５０ｎｍの層厚を有する酸化物層を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のシリコン粒子の製造方法。
  7. ステップ２）で得られた前記シリコン粒子及びステップ１）で得られた前記シリコン粒子が、それらの酸素又はシリコンの含有率がシリコン粒子の総重量に基づいて０．２重量％以下の差である点で異なることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のシリコン粒子の製造方法。
  8. １．０μｍ〜１０．０μｍの直径パーセンタイルｄ５０を有する体積加重粒径分布、及びシリコン粒子の総重量に基づいて０．１〜５重量％の酸素含有率を有し、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法によって得ることができるシリコン粒子。
  9. １．０μｍ〜１０．０μｍの直径パーセンタイルｄ５０を有する体積加重粒径分布、及びシリコン粒子の総重量に基づいて０．１〜５重量％の酸素含有率を有するシリコン粒子であって、ＳｉＯ２の負の対数反射信号の最大値に対するＳｉＯＨの負の対数反射信号の最大値の比が０．００２〜０．２の範囲（決定方法：ＤＲＩＦＴ分光法）であることを特徴とする、シリコン粒子。
  10. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法の生成物及び１種以上のバインダーが水と混合されることを特徴とする、水性インク配合物を製造する方法。
  11. リチウムイオン電池用アノードを製造するための請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法の生成物の使用。
  12. 完全に充電されたリチウムイオン電池において、アノード材料が部分的にしかリチオ化されないことを特徴とする、請求項１１に記載の方法の生成物の使用。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013534899A (ja) * 2010-06-29 2013-09-09 ユミコア 低酸素含量のサブミクロンサイズのシリコン粉末
WO2018082880A1 (de) * 2016-11-07 2018-05-11 Wacker Chemie Ag Kohlenstoff-beschichtete siliciumpartikel für lithiumionen-batterien

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4126715B2 (ja) 1999-11-22 2008-07-30 ソニー株式会社 負極材料の製造方法および二次電池の製造方法
US6638491B2 (en) * 2001-09-21 2003-10-28 Neptec Optical Solutions, Inc. Method of producing silicon metal particulates of reduced average particle size
EP1313158A3 (en) * 2001-11-20 2004-09-08 Canon Kabushiki Kaisha Electrode material for rechargeable lithium battery, electrode comprising said electrode material, rechargeable lithium battery having said electrode , and process for the production thereof
WO2005090234A1 (ja) * 2004-03-17 2005-09-29 Denki Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha シリコン粒子、シリコン粒子超格子及びこれらの製造方法
JP4396858B2 (ja) 2005-09-16 2010-01-13 信越化学工業株式会社 オルガノハロシラン製造用金属珪素粒子の選定方法
KR101451801B1 (ko) * 2007-02-14 2014-10-17 삼성에스디아이 주식회사 음극 활물질, 그 제조 방법 및 이를 채용한 음극과 리튬전지
KR101161210B1 (ko) * 2009-04-30 2012-07-02 주식회사 효성 태양전지의 에미터 형성방법
WO2011099883A1 (ru) * 2010-02-10 2011-08-18 Shishov Sergey Vladimirovich Способ получения кремния
KR101939270B1 (ko) * 2012-12-27 2019-01-16 삼성전자주식회사 이차전지용 음극활물질, 이차전지용 도전성 조성물, 이를 포함하는 음극재료, 이를 포함하는 음극구조체 및 이차전지, 및 이들의 제조방법
CN103400971B (zh) * 2013-07-29 2016-07-06 宁德新能源科技有限公司 硅基复合材料及其制备方法以及其应用
DE102013014627A1 (de) * 2013-08-30 2015-03-05 Volkswagen Aktiengesellschaft Pre-lithiierung von Siliziumpartikeln
KR101676086B1 (ko) 2013-09-26 2016-11-14 주식회사 엘지화학 실리콘계 음극 활물질, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
GB2520946A (en) * 2013-12-03 2015-06-10 Nexeon Ltd Electrodes for Metal-Ion Batteries
JP6281306B2 (ja) * 2014-02-06 2018-02-21 信越化学工業株式会社 リチウムイオン二次電池用負極材、その製造方法、負極及びリチウムイオン二次電池
DE102014210086A1 (de) * 2014-05-27 2015-12-03 Robert Bosch Gmbh Siliciumpartikel mit mikroorganismusförmigem Hohlraum
KR102592237B1 (ko) * 2015-03-02 2023-10-20 이오셀 리미티드 실리콘:실리콘 규산리튬 복합체 기질에 매립된 나노 실리콘 입자를 가지는 실리콘-실리콘 산화물-리튬 복합체 재료와 이의 제조 방법
DE102015215415A1 (de) 2015-08-12 2017-02-16 Wacker Chemie Ag Siliciumpartikel enthaltende Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien
JP6844014B2 (ja) 2016-10-25 2021-03-17 ワッカー ケミー アクチエンゲゼルシャフトＷａｃｋｅｒ Ｃｈｅｍｉｅ ＡＧ ケイ素粒子の改質方法
KR102149323B1 (ko) 2016-11-07 2020-08-31 와커 헤미 아게 실리콘을 함유하는 고형물을 분쇄하는 방법
KR102224765B1 (ko) 2016-11-07 2021-03-08 와커 헤미 아게 실리콘 함유 고체를 분쇄하는 방법
CN106328909B (zh) * 2016-11-18 2020-01-24 深圳市贝特瑞新能源材料股份有限公司 纳米二氧化硅-硅基复合材料、制备方法及包含该复合材料的锂离子电池

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013534899A (ja) * 2010-06-29 2013-09-09 ユミコア 低酸素含量のサブミクロンサイズのシリコン粉末
WO2018082880A1 (de) * 2016-11-07 2018-05-11 Wacker Chemie Ag Kohlenstoff-beschichtete siliciumpartikel für lithiumionen-batterien

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