JP2024501825A - 多孔質ケイ素構造体、それを含む多孔質ケイ素炭素複合体、および負極活物質 - Google Patents
多孔質ケイ素構造体、それを含む多孔質ケイ素炭素複合体、および負極活物質 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2024501825A JP2024501825A JP2023538776A JP2023538776A JP2024501825A JP 2024501825 A JP2024501825 A JP 2024501825A JP 2023538776 A JP2023538776 A JP 2023538776A JP 2023538776 A JP2023538776 A JP 2023538776A JP 2024501825 A JP2024501825 A JP 2024501825A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- porous silicon
- carbon
- carbon composite
- silicon
- negative electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical group [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 255
- 229910021426 porous silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 194
- 239000002153 silicon-carbon composite material Substances 0.000 title claims abstract description 158
- 239000007773 negative electrode material Substances 0.000 title claims abstract description 94
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 81
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 80
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 42
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 42
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 42
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 154
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 115
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 66
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 61
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 60
- 239000011856 silicon-based particle Substances 0.000 claims description 58
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 50
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 33
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 31
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 29
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 25
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 22
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 21
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 19
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 17
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 15
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 claims description 14
- PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N Fluorine Chemical compound FF PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 claims description 13
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical class C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 11
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 11
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 claims description 10
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 10
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 10
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 9
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 9
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 8
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 6
- 239000002134 carbon nanofiber Substances 0.000 claims description 6
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 6
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 claims description 6
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 3
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 claims description 3
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 claims description 3
- KRVSOGSZCMJSLX-UHFFFAOYSA-L chromic acid Substances O[Cr](O)(=O)=O KRVSOGSZCMJSLX-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 3
- AWJWCTOOIBYHON-UHFFFAOYSA-N furo[3,4-b]pyrazine-5,7-dione Chemical compound C1=CN=C2C(=O)OC(=O)C2=N1 AWJWCTOOIBYHON-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 150000007524 organic acids Chemical class 0.000 claims description 3
- 235000005985 organic acids Nutrition 0.000 claims description 3
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 claims description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 2
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 abstract description 13
- HMDDXIMCDZRSNE-UHFFFAOYSA-N [C].[Si] Chemical class [C].[Si] HMDDXIMCDZRSNE-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 8
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 61
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 27
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 21
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 18
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 16
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 14
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 11
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 description 10
- -1 silicon oxide compound Chemical class 0.000 description 10
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 9
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 9
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 9
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Chemical compound [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 239000000047 product Substances 0.000 description 8
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 7
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 7
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 6
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 5
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 5
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 5
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 5
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000010924 continuous production Methods 0.000 description 4
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 4
- 239000011267 electrode slurry Substances 0.000 description 4
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 4
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 4
- UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N Benzene Chemical compound C1=CC=CC=C1 UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N Ethylene carbonate Chemical compound O=C1OCCO1 KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 3
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 3
- 239000003125 aqueous solvent Substances 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 3
- 238000007086 side reaction Methods 0.000 description 3
- 239000011871 silicon-based negative electrode active material Substances 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 2
- YNQLUTRBYVCPMQ-UHFFFAOYSA-N Ethylbenzene Chemical compound CCC1=CC=CC=C1 YNQLUTRBYVCPMQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UFWIBTONFRDIAS-UHFFFAOYSA-N Naphthalene Chemical compound C1=CC=CC2=CC=CC=C21 UFWIBTONFRDIAS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N Tetrahydrofuran Chemical compound C1CCOC1 WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 2
- MWPLVEDNUUSJAV-UHFFFAOYSA-N anthracene Chemical compound C1=CC=CC2=CC3=CC=CC=C3C=C21 MWPLVEDNUUSJAV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 235000010354 butylated hydroxytoluene Nutrition 0.000 description 2
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 239000011246 composite particle Substances 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 2
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 2
- LPIQUOYDBNQMRZ-UHFFFAOYSA-N cyclopentene Chemical compound C1CC=CC1 LPIQUOYDBNQMRZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 238000002050 diffraction method Methods 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 238000010332 dry classification Methods 0.000 description 2
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 2
- 239000007770 graphite material Substances 0.000 description 2
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 2
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 2
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 230000002687 intercalation Effects 0.000 description 2
- 238000009830 intercalation Methods 0.000 description 2
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 2
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910003002 lithium salt Inorganic materials 0.000 description 2
- 159000000002 lithium salts Chemical class 0.000 description 2
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 2
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- ZZXUZKXVROWEIF-UHFFFAOYSA-N 1,2-butylene carbonate Chemical compound CCC1COC(=O)O1 ZZXUZKXVROWEIF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- SPSPIUSUWPLVKD-UHFFFAOYSA-N 2,3-dibutyl-6-methylphenol Chemical compound CCCCC1=CC=C(C)C(O)=C1CCCC SPSPIUSUWPLVKD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JWUJQDFVADABEY-UHFFFAOYSA-N 2-methyltetrahydrofuran Chemical compound CC1CCCO1 JWUJQDFVADABEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004438 BET method Methods 0.000 description 1
- 239000006245 Carbon black Super-P Substances 0.000 description 1
- OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N Diethyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OCC OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N Ethane Chemical compound CC OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 1
- 229910013870 LiPF 6 Inorganic materials 0.000 description 1
- XOBKSJJDNFUZPF-UHFFFAOYSA-N Methoxyethane Chemical compound CCOC XOBKSJJDNFUZPF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910017855 NH 4 F Inorganic materials 0.000 description 1
- CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N O-Xylene Chemical compound CC1=CC=CC=C1C CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 241001085205 Prenanthella exigua Species 0.000 description 1
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 1
- 229920002125 Sokalan® Polymers 0.000 description 1
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N alpha-acetylene Natural products C#C HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021383 artificial graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 description 1
- RHDGNLCLDBVESU-UHFFFAOYSA-N but-3-en-4-olide Chemical compound O=C1CC=CO1 RHDGNLCLDBVESU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001273 butane Substances 0.000 description 1
- CDQSJQSWAWPGKG-UHFFFAOYSA-N butane-1,1-diol Chemical compound CCCC(O)O CDQSJQSWAWPGKG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 229910021386 carbon form Inorganic materials 0.000 description 1
- MYWGVEGHKGKUMM-UHFFFAOYSA-N carbonic acid;ethene Chemical compound C=C.C=C.OC(O)=O MYWGVEGHKGKUMM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000005678 chain carbonates Chemical class 0.000 description 1
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000006258 conductive agent Substances 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 150000005676 cyclic carbonates Chemical class 0.000 description 1
- 150000004292 cyclic ethers Chemical class 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N dimethyl carbonate Chemical compound COC(=O)OC IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- KLKFAASOGCDTDT-UHFFFAOYSA-N ethoxymethoxyethane Chemical compound CCOCOCC KLKFAASOGCDTDT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N ethyl methyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OC JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000002534 ethynyl group Chemical group [H]C#C* 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 125000001153 fluoro group Chemical group F* 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 238000010574 gas phase reaction Methods 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 229910021385 hard carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000010297 mechanical methods and process Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000012046 mixed solvent Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 1
- IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N n-butane Chemical compound CCCC IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N n-pentane Natural products CCCCC OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021382 natural graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000620 organic polymer Polymers 0.000 description 1
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 1
- RGSFGYAAUTVSQA-UHFFFAOYSA-N pentamethylene Natural products C1CCCC1 RGSFGYAAUTVSQA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004584 polyacrylic acid Substances 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 238000002459 porosimetry Methods 0.000 description 1
- 239000007774 positive electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N propan-1-ol Chemical compound CCCO BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 1
- ULWHHBHJGPPBCO-UHFFFAOYSA-N propane-1,1-diol Chemical compound CCC(O)O ULWHHBHJGPPBCO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N propylene carbonate Chemical compound CC1COC(=O)O1 RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010298 pulverizing process Methods 0.000 description 1
- 239000002296 pyrolytic carbon Substances 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 230000035936 sexual power Effects 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
- 229910021384 soft carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N tetrahydrofuran Natural products C=1C=COC=1 YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010333 wet classification Methods 0.000 description 1
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 1
- 239000008096 xylene Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
- C01B33/113—Silicon oxides; Hydrates thereof
- C01B33/12—Silica; Hydrates thereof, e.g. lepidoic silicic acid
- C01B33/18—Preparation of finely divided silica neither in sol nor in gel form; After-treatment thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
- H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
- H01M4/134—Electrodes based on metals, Si or alloys
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
- H01M4/139—Processes of manufacture
- H01M4/1395—Processes of manufacture of electrodes based on metals, Si or alloys
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/362—Composites
- H01M4/364—Composites as mixtures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/362—Composites
- H01M4/366—Composites as layered products
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
- H01M4/386—Silicon or alloys based on silicon
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
- H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
- H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
- H01M4/587—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
- H01M4/624—Electric conductive fillers
- H01M4/625—Carbon or graphite
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
- C01P2002/60—Compounds characterised by their crystallite size
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
- C01P2002/70—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2004/00—Particle morphology
- C01P2004/60—Particles characterised by their size
- C01P2004/61—Micrometer sized, i.e. from 1-100 micrometer
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2004/00—Particle morphology
- C01P2004/80—Particles consisting of a mixture of two or more inorganic phases
- C01P2004/82—Particles consisting of a mixture of two or more inorganic phases two phases having the same anion, e.g. both oxidic phases
- C01P2004/84—Particles consisting of a mixture of two or more inorganic phases two phases having the same anion, e.g. both oxidic phases one phase coated with the other
- C01P2004/86—Thin layer coatings, i.e. the coating thickness being less than 0.1 time the particle radius
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
- C01P2006/12—Surface area
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
- C01P2006/14—Pore volume
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
- C01P2006/16—Pore diameter
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
- H01M2004/027—Negative electrodes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
- Silicon Compounds (AREA)
Abstract
本発明の一実施形態は、多孔質ケイ素構造体、それを含む多孔質ケイ素炭素複合体、および負極活物質に関する。多孔質ケイ素構造体および多孔質ケイ素炭素複合体は、酸素(O)原子とケイ素(Si)原子とのモル比(O/Si)が特定の範囲を満たすため、負極活物質に適用した場合に、多孔質ケイ素構造体および多孔質ケイ素炭素複合体は、優れた容量維持率を有し、放電容量および初期効率を著しく向上させることができる。
Description
本発明は、多孔質ケイ素構造体、多孔質ケイ素炭素複合体、およびそれらを含む負極活物質に関する。
近年、情報通信産業の発展に伴う電子機器の小型化、軽量化、薄型化、可搬性の向上に伴い、これら電子機器の電源となる電池の高エネルギー密度の要求が高まっている。この需要に最も応える電池がリチウム二次電池であり、これを用いた小型電池や自動車などの大型電子機器や蓄電システムへの応用研究が盛んに行われている。
このようなリチウム二次電池の負極活物質として炭素材料が広く使用されている。ケイ素系の負極活物質は、電池の容量をさらに高めるために研究されている。ケイ素の理論容量(4,199mAh/g)はグラファイト(372mAh/g)の10倍以上であるため、電池容量の大幅な向上が期待される。
上記の反応スキームによるケイ素系負極活物質では、ケイ素原子当たり最大4.4個のリチウム原子を含有する高容量の合金が形成される。しかし、ほとんどのケイ素系負極活物質では、リチウムのインターカレーションにより最大300%の体積膨張が誘発され、負極が破壊され、高いサイクル特性を示すことが困難となる。
また、この体積変化により負極活物質の表面に亀裂が生じ、負極活物質内にイオン性物質が形成され、それによって負極活物質と集電体が電気的に分離される場合がある。この電気的分離現象により、電池の容量維持率が著しく低下する場合がある。
この問題を解決するために、特許第4393610号には、ケイ素および炭素を機械的に加工して複合体を形成し、化学蒸着(CVD)法を用いてケイ素粒子の表面が炭素層でコーティングされた負極活物質が開示されている。
また、特開2016-502253号公報には、多孔質ケイ素系粒子および炭素粒子を含む負極活物質が開示されており、前記炭素粒子は、平均粒径の異なる微粒子炭素粒子と粗粒炭素粒子とを含む。
しかしながら、これらの先行技術文献はケイ素及び炭素を含む負極活物質に関するものであるが、充放電時の体積膨張や収縮を抑制するには限界がある。したがって、これらの問題を解決するための研究が依然として求められている。
本発明は、従来技術の問題点を解決するために考案された。本発明の目的は、多孔質ケイ素構造体中の酸素(O)原子とケイ素(Si)原子とのモル比(O/Si)が特定の範囲を満たすことにより、負極活物質に適用した場合に、二次電池の性能が向上する多孔質ケイ素構造体を提供することである。
本発明の別の目的は、多孔質ケイ素構造体および炭素を含むことにより、負極活物質に適用した場合に、優れた容量維持率と同様に、大幅に改善された放電容量および初期効率を有する多孔質ケイ素炭素複合体に提供することである。
本発明のさらに別の目的は、多孔質ケイ素構造体および多孔質ケイ素炭素複合体の調製方法を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、多孔質ケイ素炭素複合体を含む負極活物質、および多孔質ケイ素炭素複合体を含むリチウム二次電池を提供することである。
本発明は、ケイ素粒子を含む多孔質ケイ素構造体を提供し、前記多孔質ケイ素構造体中の酸素(O)原子とケイ素(Si)原子とのモル比(O/Si)は0.01~0.35である。
さらに、本発明は、多孔質ケイ素構造体および炭素を含む多孔質ケイ素炭素複合体を提供する。
さらに本発明は、多孔質ケイ素構造体の調製方法を提供し、この方法は、フッ素(F)原子含有化合物を含有するエッチング液を使用してケイ素系原料粉末をエッチングする第1工程;およびエッチングにより得られた生成物をろ過および乾燥して多孔質ケイ素構造体を調製する第2工程を含む。
さらに本発明は、多孔質ケイ素炭素複合体の調製方法を提供し、この方法は、フッ素(F)原子含有化合物を含有するエッチング液を使用してケイ素系原料粉末をエッチングする第1工程;エッチングにより得られた生成物をろ過および乾燥して多孔質ケイ素構造体を調製する第2工程;および化学的熱分解堆積法を使用して多孔質ケイ素構造体の表面に炭素層を形成して多孔質ケイ素炭素複合体を調製する第3工程を含む。
さらに、本発明は、多孔質ケイ素炭素複合体を含むリチウム二次電池用負極活物質を提供する。
さらに、本発明はリチウム二次電池用負極活物質を含むリチウム二次電池を提供する。
本実施形態によれば、多孔質ケイ素構造体は、多孔質ケイ素構造体中の酸素(O)原子とケイ素(Si)原子とのモル比(O/Si)が特定の範囲を満たすため、二次電池の負極活物質としてバインダーおよび導電性材料とともに使用して負極活物質組成物を調製する場合、分散しやすく、強度などの機械的特性に優れ、負極活物質に適用した場合に二次電池の性能を高めることができる。
別の実施形態によれば、多孔質ケイ素構造体および炭素を含む多孔質ケイ素炭素複合体は、負極活物質に適用した場合、放電容量および初期効率が大幅に向上し、優れた容量維持率を有する。
また、本実施形態の方法は、工程数が最小限の連続プロセスにより大量生産が可能であるという利点を有する。
本明細書に添付の以下の図面は、本発明の好適な実施形態を示すものであり、本発明の説明と併せて本発明の技術的思想をさらに理解するのに役立つものである。したがって、本発明は図面に示されたもののみに限定されるものと解釈されるべきではない。
図1は、実施例1で作製した多孔質ケイ素構造体(B1)をイオンビーム走査型電子顕微鏡(FIB-SEM)で分析した倍率10,000倍および30,000倍の写真を示す。
図2は、実施例1で作製した多孔質ケイ素炭素複合体(C1)をイオンビーム走査型電子顕微鏡(FIB-SEM)で分析した倍率10,000倍および30,000倍の写真を示す。
図3は、実施例5で作製した多孔質ケイ素炭素複合体(C5)の表面の透過型電子顕微鏡(TEM)写真を示す。
図4は、実施例1の多孔質ケイ素炭素複合体(C1)のX線回折分析の測定結果を示す。
図5は、実施例1の多孔質ケイ素炭素複合体(C1)のラマン分析の測定結果を示す。
本発明は、以下に開示する内容に限定されるものではない。その他、本発明の要旨を変更しない範囲で種々変形して実施してよい。
本明細書において、ある部分(part)がある要素(element)を「含む」と表現される場合、別段の指示がない限り、その部分は他の要素も同様に含み得ることが理解されるべきである。
さらに、本明細書で使用される成分の量、反応条件などに関連するすべての数値および表現は、別段の指示がない限り、用語「約」によって修飾されるものとして理解されるべきである。
[多孔質ケイ素構造体]
本発明の一実施形態に係る多孔質ケイ素構造体は、ケイ素粒子を含み、多孔質ケイ素構造体における酸素(O)原子とケイ素(Si)原子とのモル比(O/Si)が0.01~0.35である。
本発明の一実施形態に係る多孔質ケイ素構造体は、ケイ素粒子を含み、多孔質ケイ素構造体における酸素(O)原子とケイ素(Si)原子とのモル比(O/Si)が0.01~0.35である。
本発明の一実施形態によれば、多孔質ケイ素構造体の表面に存在する酸素原子の数を低減できる。すなわち、本発明の重要な特徴は、酸素(O)原子とケイ素(Si)原子とのモル比(O/Si)を大幅に低減し得ることにある。多孔質ケイ素構造体を二次電池の負極活物質としてバインダーおよび導電性材料とともに使用して負極活物質組成物を調製する場合、分散しやすく、強度などの機械的特性に優れ、負極活物質に適用すると、二次電池の性能を高めることができる。
具体的には、多孔質ケイ素構造体中の酸素(O)原子とケイ素(Si)原子とのモル比(O/Si)は、好ましくは0.01~0.25、より好ましくは0.01~0.10、さらに好ましくは0.01~0.08であってよい。
具体的には、本発明の一実施形態によれば、多孔質ケイ素構造体に含有される二酸化ケイ素の大部分をエッチングにより除去できる。このような場合、ケイ素粒子の表面には、酸素(O)原子に比べてケイ素(Si)原子が非常に多く含まれる場合がある。すなわち、モル比O/Siが大幅に減少する場合がある。前記多孔質ケイ素構造体を負極活物質として使用することで、優れた放電容量を有する二次電池を好適に得ることができ、二次電池の初期効率を高めることができる。
一般に、ケイ素を含む負極活物質は酸素の割合が低下するほど高い充放電容量が得られるが、充電による体積膨張率は大きくなる場合がある。一方、酸素の割合が増加するほど体積膨張率が抑制されるが、放電容量が低下する場合がある。
本発明の一実施形態によれば、多孔質ケイ素構造体の酸素(O)原子とケイ素(Si)原子とのモル比(O/Si)が0.01以上である場合、充放電による膨張及び収縮が抑制され得る。したがって、多孔質ケイ素構造体を負極活物質として用いた場合、負極集電体からの負極活物質の剥離(delamination)を抑制できる。また、酸素(O)原子とケイ素(Si)原子とのモル比(O/Si)が0.35以下であると、十分な放電容量を確保でき、高い充放電特性を維持できる。
また、多孔質ケイ素構造体は、ケイ素粒子が相互に連結されたケイ素凝集体を含んでもよい。
具体的には、多孔質ケイ素構造体は、2以上のケイ素粒子が相互連結された三次元(3D)構造を有するケイ素凝集体を含んでよい。ケイ素粒子はリチウムを充電するため、ケイ素粒子を使用しないと二次電池の容量が低下する可能性がある。特に、ケイ素粒子が相互に連結したケイ素凝集体を含む場合には、強度等の優れた機械的特性が得られる。また、多孔質ケイ素構造体は、バインダーおよび導電性材料を用いて負極活物質組成物を調製する際に、容易に分散し得る。負極活物質組成物を集電体上に適用する場合、その作業性が優れる。
また、ケイ素凝集体は多孔質ケイ素構造体の内部に均一に分布していてもよく、互いに連結していないケイ素粒子が含まれていてもよい。ケイ素粒子および/またはケイ素凝集体は、多孔質ケイ素構造体の内部に均一に分布していてよい。このような場合、充放電などの優れた電気化学的特性が達成される。
ケイ素粒子は、結晶粒子を含んでもよく、X線回折分析における結晶子サイズ(X線回折分析結果から換算)が1nm~20nmであってもよい。
具体的には、本発明の一実施形態による多孔質ケイ素構造体を陰極ターゲットとして銅を用いたX線回折(Cu-Kα)分析を行い、2θ=47.5゜付近のSi(220)の回折ピークの半値全幅(FWHM)に基づいてシェラー方程式により計算した場合に、ケイ素粒子は、好ましくは1nm~10nm、より好ましくは1nm~6nmの結晶子サイズを有してよい。ケイ素粒子の結晶子サイズが1nm未満であると、多孔質ケイ素構造体内部にミクロ細孔を形成することが困難となり、充電容量と放電容量の比を表すクーロン効率の低下を抑制できず、また、比表面積が大きすぎるため、大気中で取り扱う場合には酸化の問題を防ぐことができない。また、結晶子サイズが20nmを超えると、ミクロ細孔は充放電時に起こるケイ素粒子の体積膨張を十分に抑制できず、充放電を繰り返すことによる充電容量と放電容量の比を表すクーロン効率の低下を抑制できない。
ケイ素粒子の結晶子サイズを上記範囲内で小さくするほど、より密度の高い複合体が得られ、マトリックスの強度を高めることができる。したがって、このような場合には、放電容量、初期効率、サイクル寿命特性などの二次電池の性能をさらに向上させることができる。
さらに、多孔質ケイ素構造体は、アモルファスシリコンまたはこれと類似の相のケイ素をさらに含んでもよい。ケイ素粒子は高い初期効率および電池容量を有するが、電気化学的にリチウム原子を吸蔵、貯蔵、放出することによる非常に複雑な結晶変化を伴う。
一方、多孔質ケイ素構造体は複数の細孔を含んでもよい。
前記ケイ素構造体は多孔質構造であるため、二次電池の充放電時に生じるケイ素粒子の体積膨張を収容でき、体積膨張による問題を効果的に緩和および抑制できる。
多孔質ケイ素構造体は、その内部、その表面、またはその両方に複数の細孔を含んでもよい。ケイ素構造体内で細孔は互いにつながって開放気孔を形成していてもよい。
多孔質ケイ素構造体の表面をガス吸着法(BETプロット法)により測定した場合に、2nm以下のミクロ細孔と、2nmを超え50nm以下のメソ細孔とを含んでもよい。
2nm以下のミクロ細孔の細孔容積は、0.1cm3/g~0.5cm3/gであってよく、好ましくは0.15cm3/g~0.45cm3/g、より好ましくは0.2cm3/g~0.4cm3/gである。
2nm超~50nmのメソ細孔の細孔容積は、0.2cm3/g~0.7cm3/gであってよく、好ましくは0.2cm3/g~0.6cm3/g、より好ましくは0.2cm3/g~0.5cm3/gであってよい。
細孔が前記細孔容積を満たす2nm以下のミクロ細孔と、2nm超~50nmのメソ細孔とを含む場合には、ケイ素構造体中の細孔は均一かつ大量に含まれていてもよい。
さらに、細孔は、50nm超~250nmのマクロ細孔をさらに含んでもよい。50nm超~250nmのマクロ細孔の細孔容積は、0.01cm3/g~0.3cm3/gであってよく、好ましくは0.01cm3/g~0.2cm3/g、より好ましくは0.01cm3/g~0.15cm3/gであってよい。
また、細孔が形成された多孔質ケイ素構造体においては、ケイ素粒子および/またはケイ素粒子同士が連結したケイ素凝集体が多孔質ケイ素構造体の内部に均一に分布していることが好ましい。その結果、多孔質ケイ素構造体は強度などの機械的特性に優れる。また、多孔質構造を有するため、二次電池の充放電時に生じるケイ素粒子の体積膨張を収容(吸収)でき、体積膨張による問題を効果的に緩和および抑制できる。
本発明の一実施形態によれば、多孔質ケイ素構造体は酸化ケイ素化合物をさらに含んでもよい。
酸化ケイ素化合物は、式SiOx(0.5≦x≦2)で表されるケイ素系酸化物であってもよい。酸化ケイ素化合物は、具体的にはSiOx(0.8<x≦1.5)であってもよく、より具体的にはSiOx(0.9<x≦1.1)であってもよい。SiOx式において、xの値が0.5未満であると、二次電池の充放電時の膨張または収縮が大きくなり、寿命特性が低下する場合がある。また、xが2を超えると、不活性酸化物の量が多くなり、二次電池の初期効率が低下するという問題が生じる場合がある。
酸化ケイ素化合物は、多孔質ケイ素構造体の総重量に基づいて0.1モル%~5モル%の量で使用してよい。
酸化ケイ素化合物の含有量が0.1重量%未満であると、二次電池の体積が膨張し、これらの寿命特性が低下する場合がある。一方、酸化ケイ素化合物の含有量が5重量%を超えると、二次電池の初期不可逆反応が増加して初期効率が低下する場合がある。
本明細書において、ケイ素粒子の性質およびそれらの表面の特徴は、本発明の効果を損なわない範囲で、ケイ素凝集体およびケイ素凝集体の表面の性質を包含してもよい。
本発明の一実施形態による多孔質ケイ素構造体は、ケイ素粒子の表面に形成されたケイ素酸化物(SiOx、0.1<x≦2)をさらに含んでよい。ケイ素酸化物(SiOx、0.1<x≦2)は、ケイ素の酸化によって形成されてよい。
多孔質ケイ素構造体における酸素(O)の含有量は、多孔質ケイ素構造体の総重量に基づいて、0.1重量%~15重量%であってよく、好ましくは0.5重量%~10重量%、より好ましくは0.5重量%~5重量%であってよい。多孔質ケイ素構造体の酸素(O)含有量が0.1重量%未満であると、二次電池の充電時の膨張度が大きくなり、サイクル特性が低下するため好ましくない。多孔質ケイ素構造体の酸素(O)含有量が15重量%を超えると、多孔質ケイ素構造体を負極活物質として使用する場合、リチウムとの不可逆反応が増加して初期充放電効率が低下したり、負極集電体から剥離しやすくなったり、充放電サイクル特性が低下したりする問題が生じる場合がある。
多孔質ケイ素構造体の平均粒径(D50)は1μm~15μmであってもよく、好ましくは2μm~10μm、より好ましくは3μm~8μmであってもよい。多孔質ケイ素構造体の平均粒径(D50)が15μmを超えると、リチウムイオンの充電による多孔質ケイ素構造体の膨張が激しくなり、充放電を繰り返すうちに構造体中の粒子間の結合力および粒子と集電体との結合力が低下し、寿命特性が著しく低下する場合がある。また、比表面積の低下による活性の低下が懸念される。多孔質ケイ素構造体の平均粒径(D50)が1μm未満の場合、多孔質ケイ素構造体を用いた負極スラリー(負極活物質組成物)の調製時に、多孔質ケイ素構造体の凝集により分散性が低下することが懸念される。
多孔質ケイ素構造体の比重は1.5g/cm3~2.3g/cm3であってよく、好ましくは1.6g/cm3~2.3g/cm3、より好ましくは1.6g/cm3~2.2g/cm3であってもよい。
ここで、比重は粒子密度、密度、または真密度を指す場合がある。本発明の一実施形態によれば、比重の測定、例えば乾燥密度計による比重の測定には、乾燥密度計として島津製作所製Acupick II1340を使用してよい。使用するパージガスはヘリウムガスであってよく、温度23℃に設定したサンプルホルダー内で200回パージした後に測定を行ってよい。
多孔質ケイ素構造体の比重が1.5g/cm3以上の場合、二次電池のサイクル特性の低下を抑えることができる。比重が2.3g/cm3以下の場合、電解液の含浸性が高くなり、負極活物質の利用率が高まり、初期充放電容量を向上させることができる。
多孔質ケイ素構造体は、100m2/g~1,600m2/g、好ましくは200m2/g~1,400m2/g、より好ましくは300m2/g~1,200m2/gの比表面積(ブルナウアー・エメット・テラー法;BET)を有してよい。多孔質ケイ素構造体の比表面積が100m2/g未満であると、二次電池のレート特性が低下する場合がある。1,600m2/gを超えると、二次電池の負極集電体に適用するのに適した負極スラリーを調製することが困難な場合があり、電解液との接触面積が増加し、電解液の分解反応が促進されたり、二次電池の副反応が引き起こされる場合がある。
多孔質ケイ素構造体の比表面積は、多孔質ケイ素構造体の粒子表面の表面積と、多孔質ケイ素構造体の表面および内部に存在する細孔(ミクロ細孔、マクロ細孔、メソ細孔)の表面積との和から求めることができる。
[多孔質ケイ素炭素複合体]
本発明の実施形態によれば、多孔質ケイ素構造体および炭素を含む多孔質ケイ素炭素複合体が提供される。
本発明の実施形態によれば、多孔質ケイ素構造体および炭素を含む多孔質ケイ素炭素複合体が提供される。
具体的には、多孔質ケイ素炭素複合体は多孔質ケイ素構造体および炭素を含み、多孔質ケイ素構造体はケイ素粒子を含み、多孔質ケイ素構造体中の酸素(O)原子とケイ素(Si)原子とのモル比(O/Si)は0.01~0.35である。
多孔質ケイ素炭素複合体中の酸素(O)原子とケイ素(Si)原子とのモル比(O/Si)は、ケイ素構造体中の酸素(O)原子とシリコン(Si)原子とのモル比(O/Si)と同じであっても、わずかに異なっていてもよい。すなわち、多孔質ケイ素炭素複合体中の酸素(O)原子とケイ素(Si)原子とのモル比(O/Si)は0.01~0.35であってもよい。酸素(O)原子とケイ素(Si)原子とのモル比(O/Si)が上記範囲を満たす多孔質ケイ素炭素複合体を負極活物質に適用すると、優れた容量維持率を維持しながら、放電容量および初期効率を著しく向上できる。
また、多孔質ケイ素炭素複合体は炭素を含むため、多孔質ケイ素炭素複合体の十分な導電性を確保し、比表面積を適切に調整できる。したがって、二次電池の負極活物質として使用した場合、二次電池の性能をさらに向上させることができる。
多孔質ケイ素炭素複合体における酸素(O)原子とケイ素(Si)原子とのモル比(O/Si)は、好ましくは0.01~0.25、より好ましくは0.01~0.10、さらに好ましくは0.01~0.08であってよい。
本発明の一実施形態によれば、多孔質ケイ素炭素複合体中の酸素(O)原子とケイ素(Si)原子とのモル比(O/Si)が0.01以上であると、充放電による膨張および収縮を抑制し得る。したがって、多孔質ケイ素炭素複合体を負極活物質として用いた場合に、負極集電体からの負極活物質の剥離を抑制できる。また、酸素(O)原子とケイ素(Si)原子とのモル比(O/Si)が0.35以下であると、十分な放電容量を確保でき、高い充放電特性を維持できる。
また、多孔質ケイ素炭素複合体とは、複数のケイ素粒子が相互に連結したケイ素凝集体が、構造が単一の塊状、例えば、多面体、球体、または類似の形状を有する複合体中に均一に分布している複合体である。炭素、より具体的には、炭素を含む炭素層が、1以上のケイ素粒子の表面、または2以上のケイ素粒子が凝集して形成される二次ケイ素粒子(ケイ素凝集体)の表面の一部または全部を取り囲む単一構造であってもよい。
多孔質ケイ素炭素複合体では、二次電池の充放電時に生じる体積膨張は、負極活物質の外側部分よりも細孔部分に集中し、これにより、体積膨張を効果的に制御し、リチウム二次電池の寿命特性を向上させる。また、電解液が多孔質構造に浸透しやすくなり、出力特性が向上し、リチウム二次電池の性能をさらに向上させることができる。
本明細書において、細孔はボイドと互換的に使用される場合がある。さらに、細孔は閉気孔を含んでもよい。閉気孔とは、気孔(細孔)の壁がすべて閉鎖構造となっており、他の気孔とつながっていない独立した気孔をいう。さらに、細孔は開気孔をさらに含んでもよい。開気孔は、気孔の壁の少なくとも一部が開いた開放構造で形成されており、他の気孔とつながっていてもよく、つながっていなくてもよい。また、ケイ素構造体の表面に配置されて外部に露出した細孔を指す場合もある。
多孔質ケイ素炭素複合体は、多孔質ケイ素炭素複合体の体積に基づいて0.5体積%~40体積%の気孔率を有してもよい。気孔率は、多孔質ケイ素炭素複合体の閉気孔の気孔率であってもよい。具体的には、多孔質ケイ素炭素複合体の気孔率は、多孔質ケイ素炭素複合体の体積に対して、好ましくは0.5体積%~30体積%、より好ましくは1体積%~15体積%であってよい。
ここで、気孔率とは「(単位質量当たりの細孔容積)/{(比容積+単位質量あたりの細孔容積)}」を指す。それは、水銀圧入法またはブルナウアー・エメット・テラー(BET)測定法によって測定され得る。
本明細書において、比容積は、サンプルの1/(粒子密度)として計算される。BET法により単位質量当たりの細孔容積を測定し、上式から気孔率(%)を算出する。
多孔質ケイ素炭素複合体の気孔率が上記範囲を満たすと、二次電池の負極活物質に適用した場合に、十分な機械的強度を維持しつつ、体積膨張の緩衝効果を得ることができる。これにより、ケイ素粒子の利用による体積膨張の問題を最小限に抑え、大容量化を実現し、寿命特性を高めることができる。多孔質ケイ素炭素複合体の気孔率が0.5体積%未満であると、充放電時における負極活物質の体積膨張を制御することが困難となる場合がある。40体積%を超えると、負極活物質に多数の細孔が存在することにより機械的強度が低下し、二次電池の製造過程、例えば、負極活物質スラリーの混合時や塗工後の圧延工程などにおいて負極活物質が崩壊する懸念がある。
多孔質ケイ素炭素複合体は、複数の細孔を含んでいてもよく、各細孔の直径は互いに同じであっても異なっていてもよい。
多孔質ケイ素炭素複合体において、炭素は、多孔質ケイ素構造体に含まれるケイ素粒子の表面に存在していてもよい。また、炭素は、多孔質ケイ素炭素複合体に含有されるケイ素凝集体の表面に存在していてもよい。
また、炭素がマトリックスとなり、炭素マトリックス中にケイ素粒子および細孔が分散していてもよい。
具体的には、多孔質ケイ素炭素複合体は、ケイ素粒子または閉気孔(v)が島を形成し、炭素が海を形成する海島構造を有していてもよい。細孔には、開気孔と閉気孔とが含まれる。閉気孔は、気孔の内部が炭素で覆われていないものであってもよい。
多孔質ケイ素炭素複合体において、炭素は多孔質ケイ素構造体の表面に存在していてもよいし、開気孔の内部に存在していてもよい。
ケイ素粒子や炭素が均一に分散している状態は、透過型電子顕微鏡(TEM)による暗視野像や明視野像の画像観察により確認される。
また、炭素はケイ素粒子の表面に存在する。炭素はマトリックスとして機能し、ケイ素粒子および細孔は炭素マトリックス中に分散していてもよい。
また、ケイ素粒子の表面に形成されるケイ素酸化物(SiOx、0.1<x≦2)がさらに含有される場合には、炭素はケイ素酸化物(SiOx、0.1<x≦2)の表面に存在していてもよい。
炭素はさらに、多孔質ケイ素構造体の表面に炭素層を形成してもよい。
多孔質ケイ素炭素複合体は炭素層を含むため、これにより、細孔の存在による粒子間の電気的接触の困難が解消され、充放電時に電極が膨張した後でも優れた導電性が得られるため、二次電池の性能をさらに向上させることができる。
さらに、本発明の一実施形態によれば、炭素層の厚さや炭素量を制御することにより、適切な導電性を得るとともに寿命特性の低下を防止し、高容量の負極活物質を得ることができる。
一方、多孔質構造体粒子の表面またはその内部およびその中の細孔は炭素コーティングで覆われているため、多孔質ケイ素炭素複合体の比表面積が大きく変化する場合がある。
多孔質ケイ素炭素複合体は、3m2/g~50m2/g、好ましくは3m2/g~40m2/gの比表面積(ブルナウアー・エメット・テラー法;BET)を有してよい。多孔質ケイ素炭素複合体の比表面積が3m2/g未満であると、二次電池のレート特性が低下する場合がある。50m2/gを超えると、二次電池の負極集電体に適用するのに適した負極スラリーを調製することが困難な場合があり、電解液との接触面積が増加し、電解液の分解反応が促進されたり、二次電池の副反応が引き起こされる場合がある。
多孔質ケイ素炭素複合体の比重は、1.8g/cm3~2.5g/cm3であってよく、好ましくは2.0g/cm3~2.5g/cm3、より好ましくは2.0g/cm3~2.4g/cm3であってもよい。比重は炭素層のコーティング量により変化する場合がある。炭素の量は一定であるが、上記範囲内で比重が大きいほど、複合体の細孔は少なくなる。したがって、負極活物質として使用すると、導電性が向上し、マトリックスの強度が強化され、初期効率やサイクル寿命特性が向上する。このような場合、比重は粒子密度、密度、または真密度を指す場合がある。測定方法は前述の通りである。
多孔質ケイ素炭素複合体の比重が1.8g/cm3以上であると、充放電時における負極活物質粉末の体積膨張および収縮による負極活物質粉末のクラックを最小限に抑えることができ、サイクル劣化を抑制できる。比重が2.5g/cm3以下であると、電解液の含浸性が高くなり、負極活物質の利用率が高くなり、初期充放電容量を高めることができる。
本発明の一実施形態による多孔質ケイ素炭素複合体は、多孔質構造を有するため、電解質が多孔質構造内に浸透しやすく、出力特性が向上する。したがって、多孔質ケイ素炭素複合体は、リチウム二次電池用負極活物質およびそれを含むリチウム二次電池の製造に有利に使用できる。
一方、多孔質ケイ素炭素複合体において、ケイ素(Si)の含有量は、多孔質ケイ素炭素複合体の総重量に基づいて、30重量%~90重量%、30重量%~80重量%、または30重量%~70重量%であってよい。
ケイ素(Si)の含有量が30重量%未満であると、リチウムを吸蔵および放出する活物質の量が少なくなり、リチウム二次電池の充放電容量が低下する場合がある。一方、90重量%を超えると、リチウム二次電池の充放電容量は増大するが、充放電時の電極の膨張および収縮が過度に大きくなり、負極活物質粉末の微粒子化がさらに進み、サイクル特性が低下する場合がある。
炭素(C)の含有量は、多孔質ケイ素炭素複合体の総重量に基づいて、10重量%~90重量%であってよい。具体的には、炭素(C)の含有量は、多孔質ケイ素炭素複合体の総重量に基づいて、10重量%~70重量%、15重量%~60重量%、または20重量%~50重量%であってもよい。
炭素(C)の含有量が10重量%未満であると、導電性を高める効果が十分に期待できず、リチウム二次電池の電極寿命が低下するおそれがある。また、90重量%を超えると、二次電池の放電容量が低下し、嵩密度が低下して、単位体積当たりの充放電容量が低下する場合がある。
炭素層の厚さは1nm~300nmであってもよい。炭素層の厚さは、1nm~40nmであることが好ましく、1nm~30nmであることがより好ましい。炭素層の厚さが1nm以上であると、導電性の向上が達成される場合がある。300nm以下であると、二次電池の容量の低下を抑制できる場合がある。
炭素層の平均厚さは、例えば以下の手順で測定してよい。
まず、負極活物質を透過型電子顕微鏡(TEM)により任意の倍率で観察する。倍率は、例えば肉眼で確認できる程度であることが好ましい。続いて、炭素層の厚さを任意の15点で測定する。このような場合には、測定位置を特定の領域に集中させず、できるだけ広範囲にランダムに選択することが好ましい。最後に、15点の炭素層の厚さの平均値を算出する。
前記炭素層は、グラフェン、還元型酸化グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーおよびグラファイトからなる群から選択される少なくとも1つを含んでよい。具体的には、グラフェンを含んでもよい。グラフェン、還元型酸化グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、及びグラファイトからなる群より選択される少なくとも1つは、多孔質ケイ素構造体の表面に存在する炭素層だけでなく、ケイ素粒子の表面および炭素マトリックス中にも含有されていてよい。
多孔質ケイ素炭素複合体は、2μm~15μmの平均粒径(D50)を有してよい。また、平均粒径(D50)は、レーザー光回折法による粒度分布測定において、累積体積50%のときの直径平均値(D50)(すなわち、粒子径またはメジアン径)として測定される値である。具体的には、平均粒径(D50)は3μm~10μmであることが好ましく、3μm~8μmであることがより好ましい。平均粒径(D50)が2μm未満であると、多孔質ケイ素炭素複合体を用いて負極スラリー(すなわち、負極活物質組成物)を調製する際、多孔質ケイ素炭素複合体粒子の凝集により分散性が低下することが懸念される。一方、D50が15μmを超えると、リチウムイオンの充電による複合粒子の膨張が激しくなり、充放電を繰り返すうちに複合体の粒子間の結合力および粒子と集電体との結合力が低下し、寿命特性が著しく低下する場合がある。また、比表面積の低下により活性が低下するおそれがある。より具体的には、多孔質ケイ素炭素複合体の平均粒径(D50)の最適化による顕著な改善効果を考慮すると、多孔質ケイ素炭素複合体粒子の平均粒径(D50)は3μm~6μmであることが好ましい。
[多孔質ケイ素構造体の調製方法]
本発明の一実施形態に係る多孔質ケイ素構造体の調製方法は、フッ素(F)原子含有化合物を含有するエッチング液を使用してケイ素系原料粉末をエッチングする第1工程;およびエッチングによって得られた生成物をろ過および乾燥して多孔質ケイ素構造体を調製する第2工程を含む。
本発明の一実施形態に係る多孔質ケイ素構造体の調製方法は、フッ素(F)原子含有化合物を含有するエッチング液を使用してケイ素系原料粉末をエッチングする第1工程;およびエッチングによって得られた生成物をろ過および乾燥して多孔質ケイ素構造体を調製する第2工程を含む。
一実施形態に係る方法は、最小限の工程の連続プロセスにより大量生産が可能であるという利点を有する。
具体的には、多孔質ケイ素炭素複合体の調製方法において、第1工程は、フッ素(F)原子含有化合物を含有するエッチング液を用いてケイ素系原料粉末をエッチングする工程を含む。ケイ素系原料粉末としては、リチウムと反応可能なケイ素を含む粉末、例えばケイ素、ケイ素酸化物、二酸化ケイ素のうちの少なくとも2つを含む粉末が挙げられる。
また、前記方法は、化学的熱分解堆積法を利用してケイ素系原料粉末の表面に炭素層を形成する工程をさらに含んでもよい。したがって、ケイ素系原料粉末としては、ケイ素系原料粉末上に炭素層が形成されたものを用いてもよい。
具体的には、ケイ素粒子を含むケイ素系原料粉末の表面に炭素層を形成した後、第1工程のエッチング処理を行ってもよい。この場合、均一なエッチングが可能となり、高い収率が得られるという利点がある。
炭素層を形成する工程は、後述する多孔質ケイ素炭素複合体の調製方法の第3工程における炭素層を形成する工程と同様または同一の工程により行ってよい。
エッチング工程は、ドライエッチングおよびウェットエッチングを含んでもよい。
ドライエッチングを用いると、選択的なエッチングが可能となる場合がある。
エッチング工程により、ケイ素系原料粉末の二酸化ケイ素が溶解および溶出して細孔が形成される。
また、細孔は、以下の反応スキーム2および3によって形成されると考えられる。
上記反応スキームのような反応機構により、二酸化ケイ素がSiF4およびH2SiF6の形で溶解除去されることにより細孔(ボイド)が形成されることがある。
また、エッチングの程度によっては、多孔質ケイ素構造体に含有される二酸化ケイ素が除去され、細孔がその内部に形成される場合がある。
エッチングの程度により細孔の形成の程度が変化する場合がある。
さらに、エッチング時の多孔質ケイ素構造体のO/Si比および比表面積は、それぞれ大きく変化する場合がある。また、炭素コーティング前後に、細孔が形成されたケイ素構造体の比表面積および比重が大きく変化する場合がある。
エッチングにより、多孔質ケイ素構造体粒子の表面、あるいはその表面および内部に複数の細孔が形成された多孔質ケイ素構造体粉末を得ることができる。
ここで、エッチングとは、ケイ素系原料粉末を、フッ素(F)原子含有化合物を含有するエッチング液で処理する工程をいう。
フッ素(F)原子含有化合物を含有するエッチング液としては、本発明の効果を損なわない範囲で、一般に使用されているフッ素原子含有エッチング液を制限なく使用できる。
具体的には、フッ素(F)原子含有化合物は、HF、NH4FおよびHF2からなる群から選択される少なくとも1つを含んでもよい。フッ素(F)原子含有化合物を用いることにより、エッチング工程をより迅速に行うことができる。
エッチング液は、有機酸、硫酸、塩酸、リン酸、硝酸、およびクロム酸からなる群から選択される1つ以上の酸をさらに含んでもよい。
エッチング条件としては、撹拌温度(処理温度)は、例えば10℃~90℃であってよく、好ましくは10℃~80℃、さらに好ましくは20℃~70℃であってよい。
エッチングにより得られる多孔質ケイ素構造体は、多孔質のケイ素粒子を含んでよい。
エッチングにより、多孔質ケイ素構造体の表面、内部、またはその両方に複数の細孔が形成された多孔質ケイ素構造体を得ることができる。ここで、多孔質ケイ素構造体は、2つ以上のケイ素粒子が相互に連結された3次元(3D)構造を有してよい。
また、多孔質ケイ素構造体の平均粒径はエッチングによってほとんど変化しないという特徴がある。
すなわち、エッチング前のケイ素系原料粉末の平均粒径と、エッチングにより得られる多孔質ケイ素構造体の平均粒径は、ほぼ同じである。ケイ素系原料粉末の平均粒径と多孔質ケイ素構造体の平均粒径との差(変化)は5%程度以内であってよい。
さらに、多孔質ケイ素構造体の表面に存在する酸素の数は、エッチングによって減少する場合がある。すなわち、エッチングにより多孔質ケイ素構造体の表面の酸素分率を大幅に低減し、表面抵抗を低減できる。その結果、多孔質ケイ素構造体を負極活物質に適用すると、リチウム二次電池の電気化学特性、特に寿命特性を著しく向上させることができる。
また、選択エッチングにより二酸化ケイ素が大量に除去されるため、ケイ素粒子の表面には酸素(O)に比べてケイ素(Si)が非常に多く含まれる場合がある。すなわち、多孔質ケイ素構造体中に存在する酸素(O)原子とケイ素(Si)原子とのモル比(O/Si)が大幅に減少する場合がある。この場合、優れた容量維持率、ならびに高い放電容量および初期効率を有する二次電池を得ることができる。
さらに、二酸化ケイ素が除去された位置に細孔またはボイド(空隙)が形成され得る。その結果、多孔質ケイ素構造体の比表面積は、エッチング前のケイ素系原料の比表面積に比べて増大する場合がある。
本発明の一実施形態によれば、元素含有量および比表面積などの物理的特性は、エッチング工程の前後で変化する場合がある。すなわち、エッチング工程前のケイ素系原料の元素含有量や比表面積などの物理的特性は、エッチング工程後のケイ素構造体とは異なる場合がある。
多孔質ケイ素構造体の製造方法において、第2工程は、エッチングにより得られた生成物をろ過しおよび乾燥して多孔質ケイ素構造体を得る工程を含んでもよい。ろ過および乾燥工程は常法により行ってよい。
本発明の一実施形態に係る方法は、工程数が最小限の連続プロセスにより大量生産が可能であるという利点を有する。
[多孔質ケイ素炭素複合体の調製方法]
本発明の一実施形態によれば、多孔質ケイ素構造体を用いる多孔質ケイ素炭素複合体の調製方法が提供される。
本発明の一実施形態によれば、多孔質ケイ素構造体を用いる多孔質ケイ素炭素複合体の調製方法が提供される。
本発明の一実施形態による多孔質ケイ素炭素複合体の調製方法は、フッ素(F)原子含有化合物を含有するエッチング液を使用してケイ素系原料粉末をエッチングする第1工程;エッチングにより得られた生成物をろ過および乾燥して多孔質ケイ素構造体を調製する第2工程;および、化学的熱分解堆積法を使用して多孔質ケイ素構造体の表面に炭素層を形成して多孔質ケイ素炭素複合体を調製する第3工程を含む。
多孔質ケイ素炭素複合体の粒子間の電気的接触が炭素層の形成工程によって高まる場合がある。また、充放電を行うことにより、電極が膨張した後でも優れた導電性を付与でき、二次電池の性能をさらに向上させることができる。具体的には、炭素層は、負極活物質の導電性を高めて電池の出力特性やサイクル特性を向上させたり、活物質の体積変化時の応力緩和効果を高めたりできる。
以下、多孔質ケイ素炭素複合体の調製方法について詳細に説明する。
第1工程および第2工程は、多孔質ケイ素構造体の調製方法で説明したものと同じである。
多孔質ケイ素炭素複合体の調製方法において、第3工程は、化学的熱分解堆積法を用いて多孔質ケイ素構造体の表面に炭素層を形成して多孔質ケイ素炭素複合体を調製する工程を含んでもよい。
前記炭素層は、グラフェン、還元型酸化グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、およびグラファイトからなる群から選択される少なくとも1つを含んでよい。
炭素層の形成工程は、下記化学式1~化学式3で表される化合物から選択される少なくとも1つの炭素源ガスを注入し、第3工程で得られた多孔質ケイ素構造体を気体状態、400℃~1,200℃で反応させることによって行ってよい。
[式1]
CNH(2N+2-A)[OH]A
(式1中、Nは1~20の整数であり、Aは0または1である)
[式2]
CNH(2N-B)
(式2中、Nは2~6の整数であり、Bは0~2の整数である)
[式3]
CxHyOz
(式3中、xは1~20の整数であり、yは0~25の整数であり、zは0~5の整数である)
[式1]
CNH(2N+2-A)[OH]A
(式1中、Nは1~20の整数であり、Aは0または1である)
[式2]
CNH(2N-B)
(式2中、Nは2~6の整数であり、Bは0~2の整数である)
[式3]
CxHyOz
(式3中、xは1~20の整数であり、yは0~25の整数であり、zは0~5の整数である)
前記化学式1で示される化合物は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、メタノール、エタノール、プロパノール、プロパンジオール、およびブタンジオールからなる群から選択される少なくとも1つであってよい。前記化学式2で表される化合物は、エチレン、アセチレン、プロピレン、ブチレン、ブタジエン、およびシクロペンテンからなる群から選択される少なくとも1つであってよい。前記化学式3で表される化合物は、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、ナフタレン、アントラセン、およびジブチルヒドロキシトルエン(BHT)からなる群から選択される少なくとも1つであってよい。
また、炭素コーティングは、多孔質ケイ素炭素複合体の内部の細孔の表面に均一に形成されていてもよい。これにより、サイクル寿命がさらに向上するため好ましい。
前記炭素源ガスは、水素、窒素、ヘリウム、アルゴンから選択される少なくとも一つの不活性ガスをさらに含んでよい。
反応は、例えば400℃~1200℃、具体的には500℃~1100℃、より具体的には600℃~1000℃で行ってよい。
反応時間(または熱処理時間)は、熱処理温度、熱処理時の圧力、ガス混合物の組成、所望の炭素コーティング量などに応じて適宜調整すればよい。例えば、反応時間は、10分~100時間、具体的には30分~90時間、さらに具体的には50分~40時間であってもよいが、これに限定されるものではない。
本発明の一実施形態による多孔質ケイ素炭素複合体の調製方法において、炭素源ガスの気相反応により、比較的低温でもケイ素構造体の表面に、グラフェン、還元型酸化グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーおよびグラファイトから選択される少なくとも1つを主成分として含む薄く均一な炭素層を形成できる。また、炭素層における脱離反応は実質的に起こらない。
また、気相反応により多孔質ケイ素構造体の表面全体に均一に炭素層が形成されるため、結晶性の高い炭素膜(炭素層)を形成できる。したがって、多孔質ケイ素炭素複合体を負極活物質として用いた場合、その構造を変えることなく、負極活物質の導電性を高めることができる。
本発明の一実施形態によれば、炭素源ガスと不活性ガスとを含む反応性ガスがケイ素構造体の表面に供給されると、反応性ガスがケイ素構造体の開気孔に浸透し、グラフェン、還元型酸化グラフェンおよび酸化グラフェンから選択される1以上のグラフェン含有材料と、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバーなどの導電性炭素材料がケイ素構造体の表面に成長する。例えば、ケイ素構造体中のケイ素表面に堆積した導電性炭素材料は、反応時間が経過するにつれて徐々に成長し、多孔質ケイ素炭素複合体が得られる。
多孔質ケイ素炭素複合体の比表面積は、炭素コーティングの量に応じて減少する場合がある。
グラフェン含有材料の構造は、層状、ナノシート状、または複数のフレークが混在した構造であってもよい。
グラフェン含有材料を含む炭素層がケイ素構造体の表面全体に均一に形成されると、ケイ素粒子の表面に、導電性が高く体積膨張に柔軟なグラフェン含有材料を直接成長させるため、体積膨張を抑えることができる。さらに、炭素層のコーティングはケイ素が電解質と直接接触する機会を減らし、それによって固体電解質界面(SEI)層の形成を減らす場合がある。
さらに、本発明の一実施形態によれば、第3工程後(第3工程における炭素層の形成後)、1つ以上の多孔質構造体粉末が相互に結合して凝集体を形成していてもよく、この方法は、多孔質ケイ素炭素複合体の平均粒径が2μm~15μmとなるように、多孔質ケイ素炭素複合体を粉砕または圧砕し、分級する工程をさらに含んでもよい。分級は、多孔質ケイ素炭素複合体の粒度分布を調整するために行われ、乾式分級、湿式分級、篩による分級などが挙げられる。乾式分級では、気流を利用して分散、分離、回収(固体と気体の分離)、排出の各工程を順次または同時に行うが、この際、粒子間の干渉、粒子形状、気流の乱れ、流速分布、静電気の影響等によって分級効率が低下しないように、分級前に前処理(水分、分散性、湿度等の調整)を行い、使用する気流中の水分または酸素濃度を調整してよい。また、多孔質ケイ素炭素複合体の粉砕または圧砕および分級を一度に行うことにより、所望の粒度分布を得ることができる。粉砕または圧砕後、分級機や篩などを用いて粗粉部分と粒状部分とに分けることが効果的である。
本発明の方法は、工程数が最小限の連続プロセスにより大量生産が可能であるという利点を有する。
多孔質ケイ素炭素複合体を負極として使用する二次電池は、その容量、容量維持率および初期効率を向上させることができる。
負極活物質
本発明の一実施形態による負極活物質は、多孔質ケイ素構造体を含んでよい。
本発明の一実施形態による負極活物質は、多孔質ケイ素構造体を含んでよい。
また、本発明の一実施形態による負極活物質は、多孔質ケイ素炭素複合体を含んでよい。
また、負極活物質は、炭素系負極材料、具体的には、グラファイト系負極材料をさらに含んでもよい。
負極活物質は、多孔質ケイ素構造体または多孔質ケイ素炭素複合体と炭素系負極材料、例えばグラファイト系負極材料との混合物として使用してよい。この場合、負極活物質の電気抵抗を低減できると同時に、充電時の膨張応力を緩和できる。炭素系負極材料は、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボン、メソカーボン、炭素繊維、カーボンナノチューブ、熱分解炭素、コークス、ガラス炭素繊維、有機高分子化合物焼結体、カーボンブラックからなる群から選択される少なくとも1つを含んでもよい。
炭素系負極材料の含有量は、負極活物質の総重量に基づいて、5重量%~95重量%であってよく、好ましくは10重量%~70重量%、より好ましくは10重量%~60重量%であってもよい。
また、一般に体積膨張が小さいグラファイト系材料に、結晶子サイズが20nm以下のケイ素粒子を混合して使用した場合、ケイ素粒子のみが大きな体積膨張を引き起こすことはない。グラファイト系材料とケイ素粒子との分離(separation)が少ないため、サイクル特性に優れた二次電池が得られる。
二次電池
本発明の一実施形態によれば、本発明は、前記負極活物質を含む負極およびそれを含む二次電池を提供し得る。
本発明の一実施形態によれば、本発明は、前記負極活物質を含む負極およびそれを含む二次電池を提供し得る。
二次電池は、正極、負極、正極と負極との間に挟まれたセパレータ、およびリチウム塩が溶解された非水性液体電解質を含んでよい。負極は、多孔質ケイ素炭素複合体を含む負極活物質を含んでもよい。
負極は、負極混合物のみで構成されていてもよいし、負極集電体とその上に担持された負極混合物層(負極活物質層)とで構成されていてもよい。同様に、正極は正極混合物のみで構成されていてもよいし、正極集電体とその上に担持された正極混合物層(正極活物質層)とで構成されていてもよい。さらに、負極混合物および正極混合物は、導電剤およびバインダーをさらに含んでもよい。
負極集電体を構成する材料および正極集電体を構成する材料としては、当該分野で公知の材料を用いてよい。負極および正極に添加されるバインダーおよび導電性材料としては、当該分野で公知の材料を使用してよい。
負極が集電体およびその上に担持された活物質層からなる場合、負極は、多孔質ケイ素炭素複合体を含む負極活物質組成物を集電体の表面にコーティングし、乾燥させることによって製造してよい。
さらに、二次電池は非水性液体電解質を含み、非水性液体電解質は、非水性溶媒および非水性溶媒に溶解されたリチウム塩を含んでよい。非水性溶媒としては、この分野で常用される溶媒を使用してよい。具体的には、非プロトン性有機溶媒を使用してよい。非プロトン性有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等の環状カーボネート類、フラノン等の環状カルボン酸エステル類、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート等の鎖状カーボネート類、1,2-メトキシエタン、1,2-エトキシエタン、エトキシメトキシエタン等の鎖状エーテル類、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン等の環状エーテル類が挙げられる。これらは単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
二次電池は、非水二次電池を含んでもよい。
多孔質ケイ素構造体または多孔質ケイ素炭素複合体を用いた負極活物質および二次電池は、容量、初期充放電効率および容量維持率を向上させることができる。
発明を実施するための形態
以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。以下の実施例は本発明を例示するものであり、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。
以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。以下の実施例は本発明を例示するものであり、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。
<実施例1>
(1)工程1:ケイ素粉末と二酸化ケイ素粉末を用いて蒸着により調製した下記表1に示す物性を有するケイ素酸化物(SiOx、x=0.9)粉末50gを水に分散させ、300rpmの速度で撹拌し、エッチング液として40重量%のHF水溶液50mlを加え、1時間ケイ素酸化物系原料粉末のエッチングを行った。
(1)工程1:ケイ素粉末と二酸化ケイ素粉末を用いて蒸着により調製した下記表1に示す物性を有するケイ素酸化物(SiOx、x=0.9)粉末50gを水に分散させ、300rpmの速度で撹拌し、エッチング液として40重量%のHF水溶液50mlを加え、1時間ケイ素酸化物系原料粉末のエッチングを行った。
(2)工程2:上記エッチングにより得られた生成物をろ過し、150℃で2時間乾燥させた。
次に、多孔質複合体の粒子サイズを制御するために、乳鉢を用いて平均粒径5.1μmとなるように粉砕し、多孔質ケイ素構造体(B1)を作製した。
次に、多孔質複合体の粒子サイズを制御するために、乳鉢を用いて平均粒径5.1μmとなるように粉砕し、多孔質ケイ素構造体(B1)を作製した。
(3)工程3:多孔質ケイ素構造体10gを管状電気炉内に設置し、アルゴン(Ar)ガスとメタンガスをそれぞれ1リットル/分の流量で流した。900℃で1時間保持した後、室温まで冷却することにより、多孔質ケイ素構造体の表面に炭素が被覆され、下記表3に示す各成分の含有量および物性を有する多孔質ケイ素炭素複合体が作製された。
(4)工程4:多孔質ケイ素炭素複合体の粒子サイズを制御するために、機械的方法により平均粒径5.1μmとなるように粉砕、分級し、多孔質ケイ素炭素複合体(C1)を作製した。
二次電池の製造
負極と、多孔質ケイ素炭素複合体を負極活物質として含む電池(コインセル)を用意した。
負極活物質、導電性材料としてのSuper-Pおよびポリアクリル酸を、重量比80:10:10の割合で水と混合し、固形分45%の負極活物質組成物を調製した。
負極活物質組成物を厚さ18μmの銅箔上に塗布し、乾燥して厚さ70μmの電極を作製した。電極を塗布した銅箔を直径14mmの円形に打ち抜き、コインセル用の負極プレートを作製した。
一方、正極プレートには厚さ0.3mmの金属リチウム箔を使用した。
厚さ25μmの多孔質ポリエチレンシートをセパレーターとして使用した。電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とジエチレンカーボネート(DEC)の体積比1:1の混合溶媒にLiPF6を1Mの濃度で溶解させた液体電解質を用いた。上記の構成要素を使用して、厚さ3.2mm、直径20mmのコインセル(電池)を製造した。
負極と、多孔質ケイ素炭素複合体を負極活物質として含む電池(コインセル)を用意した。
負極活物質、導電性材料としてのSuper-Pおよびポリアクリル酸を、重量比80:10:10の割合で水と混合し、固形分45%の負極活物質組成物を調製した。
負極活物質組成物を厚さ18μmの銅箔上に塗布し、乾燥して厚さ70μmの電極を作製した。電極を塗布した銅箔を直径14mmの円形に打ち抜き、コインセル用の負極プレートを作製した。
一方、正極プレートには厚さ0.3mmの金属リチウム箔を使用した。
厚さ25μmの多孔質ポリエチレンシートをセパレーターとして使用した。電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とジエチレンカーボネート(DEC)の体積比1:1の混合溶媒にLiPF6を1Mの濃度で溶解させた液体電解質を用いた。上記の構成要素を使用して、厚さ3.2mm、直径20mmのコインセル(電池)を製造した。
<実施例2~5>
下記表2に示す元素含有量および物性を有する多孔質ケイ素構造体を使用し、炭素源ガスの種類および量を変更して各成分の含有量および複合体の物性を調整したこと以外は、実施例1と同様にして多孔質ケイ素炭素複合体を作製し、これを用いた二次電池を作製した。
下記表2に示す元素含有量および物性を有する多孔質ケイ素構造体を使用し、炭素源ガスの種類および量を変更して各成分の含有量および複合体の物性を調整したこと以外は、実施例1と同様にして多孔質ケイ素炭素複合体を作製し、これを用いた二次電池を作製した。
<比較例1>
実施例1において、工程(1)のエッチング液を用いたエッチング工程を行わなかったこと以外は、実施例1と同様にして負極活物質およびこれを用いた二次電池を作製した。
実施例1において、工程(1)のエッチング液を用いたエッチング工程を行わなかったこと以外は、実施例1と同様にして負極活物質およびこれを用いた二次電池を作製した。
<比較例2>
HFエッチング液の代わりにNaOHを用い、エッチングを室温で12時間行った以外は実施例1と同様にして負極活物質およびそれを用いた二次電池を製造した。
HFエッチング液の代わりにNaOHを用い、エッチングを室温で12時間行った以外は実施例1と同様にして負極活物質およびそれを用いた二次電池を製造した。
<比較例3>
エッチング液として40重量%HF水溶液35mlを用いた以外は実施例1と同様にして、多孔質ケイ素炭素複合体を製造し、これを用いた二次電池を製造した。
エッチング液として40重量%HF水溶液35mlを用いた以外は実施例1と同様にして、多孔質ケイ素炭素複合体を製造し、これを用いた二次電池を製造した。
試験例
<試験例1>電子顕微鏡分析
図1および図2は、それぞれ、実施例1で作製された多孔質ケイ素構造体(B1)および多孔質ケイ素炭素複合体(C1)のイオンビーム走査型電子顕微鏡(FIB-SEM、[FC-FI20]-FIB II装置)写真を示す。
すなわち、図1および図2は、それぞれ、イオンビーム走査型電子顕微鏡(FIB-SEM)によって分析された、多孔質ケイ素構造体(B1)および多孔質ケイ素炭素複合体(C1)の倍率10,000倍および30,000倍の写真を示す。
また、図3は、実施例5で作製した多孔質ケイ素炭素複合体(C5)の表面のTEM写真を示す。ここで、白く明るい点はSi結晶を示し、暗い点は炭素(C)を示す。図3からわかるように、多孔質ケイ素炭素複合体(C5)粒子の表面には炭素が多く含まれ、粒子内部にはSi成分が多く含まれていた。
<試験例1>電子顕微鏡分析
図1および図2は、それぞれ、実施例1で作製された多孔質ケイ素構造体(B1)および多孔質ケイ素炭素複合体(C1)のイオンビーム走査型電子顕微鏡(FIB-SEM、[FC-FI20]-FIB II装置)写真を示す。
すなわち、図1および図2は、それぞれ、イオンビーム走査型電子顕微鏡(FIB-SEM)によって分析された、多孔質ケイ素構造体(B1)および多孔質ケイ素炭素複合体(C1)の倍率10,000倍および30,000倍の写真を示す。
また、図3は、実施例5で作製した多孔質ケイ素炭素複合体(C5)の表面のTEM写真を示す。ここで、白く明るい点はSi結晶を示し、暗い点は炭素(C)を示す。図3からわかるように、多孔質ケイ素炭素複合体(C5)粒子の表面には炭素が多く含まれ、粒子内部にはSi成分が多く含まれていた。
<試験例2>X線回折分析
実施例で作製した多孔質ケイ素炭素複合体の結晶構造をX線回折装置(Malvern Panalytical、X'Pert3)を用いて分析した。
具体的には、印加電圧は40kV、印加電流は40mAとした。2θの範囲は10°~80°とし、0.05°間隔で走査して測定した。
図4は、実施例1の多孔質ケイ素炭素複合体(C1)のX線回折分析の測定結果を示す。
図4を参照すると、X線回折パターンからわかるように、実施例1の多孔質ケイ素炭素複合体(複合体C1)は、28.1°、47.0°、55.9°、68.6°、76.1°の回折角(2θ)付近にSi結晶に対応するピークを有していた。また、炭素の回折角(2θ)はSi(111)のピークと重なるため確認できなかった。
実施例で作製した多孔質ケイ素炭素複合体の結晶構造をX線回折装置(Malvern Panalytical、X'Pert3)を用いて分析した。
具体的には、印加電圧は40kV、印加電流は40mAとした。2θの範囲は10°~80°とし、0.05°間隔で走査して測定した。
図4は、実施例1の多孔質ケイ素炭素複合体(C1)のX線回折分析の測定結果を示す。
図4を参照すると、X線回折パターンからわかるように、実施例1の多孔質ケイ素炭素複合体(複合体C1)は、28.1°、47.0°、55.9°、68.6°、76.1°の回折角(2θ)付近にSi結晶に対応するピークを有していた。また、炭素の回折角(2θ)はSi(111)のピークと重なるため確認できなかった。
<試験例3>多孔質ケイ素構造体または多孔質ケイ素炭素複合体の構成元素の含有量および比重の分析
実施例および比較例で作製した多孔質ケイ素構造体または多孔質ケイ素炭素複合体中の酸素(O)および炭素(C)の各構成元素の含有量を分析した。
酸素(O)と炭素(C)の含有量は、それぞれ元素分析装置により分析した。ケイ素(Si)の含有量は、酸素(O)の含有量に基づいて算出した値である。
実施例および比較例で作製した多孔質ケイ素構造体または多孔質ケイ素炭素複合体中の酸素(O)および炭素(C)の各構成元素の含有量を分析した。
酸素(O)と炭素(C)の含有量は、それぞれ元素分析装置により分析した。ケイ素(Si)の含有量は、酸素(O)の含有量に基づいて算出した値である。
<試験例4>多孔質ケイ素構造体または多孔質ケイ素炭素複合体の平均粒径の測定
実施例および比較例で作製した複合体粒子の平均粒径(D50)は、レーザー光回折法による粒度分布測定における累積体積50%時の粒子サイズまたはメジアン径である粒径平均値D50として測定した。
実施例および比較例で作製した複合体粒子の平均粒径(D50)は、レーザー光回折法による粒度分布測定における累積体積50%時の粒子サイズまたはメジアン径である粒径平均値D50として測定した。
<試験例5>ラマン分光分析
実施例1で作製した多孔質ケイ素炭素複合体をラマン分光分析に供した。ラマン分析は、マイクロラマン分析装置(Renishaw、RM1000-In Via)を使用して2.41eV(514nm)で実行された。結果を図5に示す。
図5を参照すると、ラマン分光法で得られたラマンスペクトルには、2,600cm-1~2,760cm-1の範囲に2Dバンドのピーク、1,500cm-1~1,660cm-1の範囲にGバンドのピーク、1,300cm-1~1,460cm-1の範囲にDバンドのピークがあった。2Dバンドのピークの強度をI2D、Dバンドのピークの強度をID、Gバンドのピークの強度をIGとすると、ID、I2D、IGはそれぞれ1.0、0.20、0.75であり、(I2D+IG)/IDは0.95であった。
ラマン分光分析の結果から、炭素層はID、I2D、IGが上記の値を有しており、導電性が良好であり、二次電池の特性を向上させることができることが分かる。特に、(I2D+IG)/IDが0.95であるため、充放電時の副反応を抑制し、初期効率の低下を抑制することができた。
したがって、実施例1で作製された多孔質ケイ素炭素複合体は導電性に優れ、リチウム二次電池の性能を著しく向上させることができた。
実施例1で作製した多孔質ケイ素炭素複合体をラマン分光分析に供した。ラマン分析は、マイクロラマン分析装置(Renishaw、RM1000-In Via)を使用して2.41eV(514nm)で実行された。結果を図5に示す。
図5を参照すると、ラマン分光法で得られたラマンスペクトルには、2,600cm-1~2,760cm-1の範囲に2Dバンドのピーク、1,500cm-1~1,660cm-1の範囲にGバンドのピーク、1,300cm-1~1,460cm-1の範囲にDバンドのピークがあった。2Dバンドのピークの強度をI2D、Dバンドのピークの強度をID、Gバンドのピークの強度をIGとすると、ID、I2D、IGはそれぞれ1.0、0.20、0.75であり、(I2D+IG)/IDは0.95であった。
ラマン分光分析の結果から、炭素層はID、I2D、IGが上記の値を有しており、導電性が良好であり、二次電池の特性を向上させることができることが分かる。特に、(I2D+IG)/IDが0.95であるため、充放電時の副反応を抑制し、初期効率の低下を抑制することができた。
したがって、実施例1で作製された多孔質ケイ素炭素複合体は導電性に優れ、リチウム二次電池の性能を著しく向上させることができた。
<試験例6>二次電池の容量、初期効率、容量維持率の測定
実施例および比較例で作製したコインセル(二次電池)を、0.1Cの定電流で電圧が0.005Vに達するまで充電し、0.1Cの定電流で電圧が2.0Vに達するまで放電して充電容量(mAh/g)、放電容量(mAh/g)、初期効率(%)を測定した。結果を以下の表4に示す。
実施例および比較例で作製したコインセル(二次電池)を、0.1Cの定電流で電圧が0.005Vに達するまで充電し、0.1Cの定電流で電圧が2.0Vに達するまで放電して充電容量(mAh/g)、放電容量(mAh/g)、初期効率(%)を測定した。結果を以下の表4に示す。
[式2]
初期効率(%)=放電容量/充電容量×100
初期効率(%)=放電容量/充電容量×100
また、実施例および比較例で作製したコインセルについても、上記と同様に充放電を1回行い、2サイクル目からは、0.5Cの定電流で電圧が0.005Vに達するまで充電し、0.5Cの定電流で電圧が2.0Vに達するまで放電し、サイクル特性(50サイクルの容量維持率、%)を測定した。結果を以下の表4に示す。
[式3] 50サイクル後の容量維持率(%)=51回目の放電容量/2回目の放電容量×100
実施例および比較例のケイ素系原料粉末、多孔質ケイ素構造体または多孔質ケイ素炭素複合体の各元素の含有量および物性を下記表1~3にまとめた。これを用いた二次電池の特性を下記表4にまとめた。
表4から分かるように、本発明の実施例1~5の多孔質ケイ素構造体および多孔質ケイ素炭素複合体では、酸素(O)原子とケイ素(Si)原子とのモル比(O/Si)が特定の範囲を満たす。したがって、これを用いて作製した二次電池は、比較例1~3の二次電池と比較して、放電容量、初期効率および容量維持率の点で性能が大幅に向上した。
具体的には、酸素(O)原子とケイ素(Si)原子とのモル比(O/Si)が0.01~0.2である多孔質ケイ素構造体を用いた実施例1~5の二次電池の放電容量は1,815mAh/g~2,032mAh/g、初期効率は82.0%~87.9%、容量維持率は82.7%~85.4%であり、二次電池の性能が全体的に優れていることを示した。
一方、実施例1の二次電池と、実施例1の工程でエッチングを行わなかった比較例1の二次電池と、実施例1の工程でHFの代わりにNaOHを用いてエッチングを行った比較例2の二次電池とを比較した場合、実施例1の二次電池の放電容量は2,032mAh/g、初期効率は87.9%であった一方、比較例1および2の二次電池は、それぞれ、放電容量が1,720mAh/g、1,640mAh/g、初期効率が75%、74.1%であり、比較例1および2の二次電池は、実施例1の二次電池に比べて、放電容量および初期効率が大幅に低下していることが示された。
また、実施例1の二次電池と、酸素(O)原子とケイ素(Si)原子とのモル比(O/Si)が0.38であった比較例3の二次電池とを比較すると、比較例3の二次電池は、放電容量が1795mAh/g、初期効率が80.4%であり、放電容量が2,032mAh/g、初期効率が87.9%であった実施例1の二次電池と比較して、性能が大幅に低下していることが分かった。
したがって、多孔質ケイ素構造体中の酸素(O)原子とケイ素(Si)原子とのモル比(O/Si)を調整することにより、二次電池の性能を向上させることができることが確認された。
したがって、多孔質ケイ素構造体中の酸素(O)原子とケイ素(Si)原子とのモル比(O/Si)を調整することにより、二次電池の性能を向上させることができることが確認された。
本発明の好ましい態様は、以下を包含する。
[1]
ケイ素粒子を含む多孔質ケイ素構造体であり、多孔質ケイ素構造体中の酸素(O)原子とケイ素(Si)原子とのモル比(O/Si)は0.01~0.35である、多孔質ケイ素構造体。
[2]
多孔質ケイ素構造体は、ケイ素粒子が相互に連結されたケイ素凝集体を含む、[1]
に記載の多孔質ケイ素構造体。
[3]
ケイ素粒子は、X線回折分析における結晶子サイズが1nm~20nmである、[1]
に記載の多孔質ケイ素構造体。
[4]
前記ケイ素粒子の表面に形成されたケイ素酸化物(SiOx、0.1<x≦2)をさらに含む、[1]に記載の多孔質ケイ素構造体。
[5]
多孔質ケイ素構造体中の酸素(O)の含有量が、多孔質ケイ素構造体の総重量に基づいて、0.1重量%~15重量%である、[4]に記載の多孔質ケイ素構造体。
[6]
多孔質ケイ素構造体は、平均粒径(D 50 )が1μm~15μmであり、比重が1.5g/cm 3 ~2.3g/cm 3 である、[1]に記載の多孔質ケイ素構造体。
[7]
多孔質ケイ素構造体が内部に細孔を含み、多孔質ケイ素構造体の表面をガス吸着法(BETプロット法)により測定したときに、細孔容積0.1cm 3 /g~0.5cm 3 /gの2nm以下のミクロ細孔と、細孔容積0.2cm 3 /g~0.7cm 3 /gの2nm超~50nmのメソ細孔とを含み、多孔質ケイ素構造体の比表面積(ブルナウアー・エメット・テラー法;BET)が100m 2 /g~1,600m 2 /gである、[1]に記載の多孔質ケイ素構造体。
[8]
[1]に記載の多孔質ケイ素構造体および炭素を含む、多孔質ケイ素炭素複合体。
[9]
多孔質ケイ素炭素複合体中の酸素(O)原子とケイ素(Si)原子とのモル比(O/Si)は0.01~0.35である、[8]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
[10]
多孔質ケイ素炭素複合体は内部に細孔を有し、多孔質ケイ素炭素複合体の気孔率は、多孔質ケイ素炭素複合体の体積に基づいて0.5体積%~40体積%である、[8]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
[11]
ケイ素(Si)の含有量が、多孔質ケイ素炭素複合体の総重量に基づいて、30重量%~90重量%である、[8]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
[12]
炭素はケイ素粒子の表面に存在する、炭素はマトリックスとして機能し、ケイ素粒子および細孔がカーボンマトリックス中に分散している、または炭素はその両方で存在する、[8]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
[13]
炭素は、多孔質ケイ素構造体の表面に炭素層をさらに形成する、[12]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
[14]
炭素層は、グラフェン、還元型酸化グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーおよびグラファイトからなる群から選択される少なくとも1つを含む、[13]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
[15]
炭素(C)の含有量は、多孔質ケイ素炭素複合体の総重量に基づいて、10重量%~90重量%である、[13]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
[16]
前記炭素層の厚さは、1nm~300nmである、[14]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
[17]
多孔質ケイ素炭素複合体は、平均粒径(D 50 )が2μm~15μmである、[8]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
[18]
多孔質ケイ素炭素複合体は、比重が、1.8g/cm 3 ~2.5g/cm 3 であり、比表面積(ブルナウアー・エメット・テラー法;BET)が3m 2 /g~50m 2 /gである、[8]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
[19]
フッ素(F)原子含有化合物を含有するエッチング液を使用してケイ素系原料粉末をエッチングする第1工程;および
エッチングによって得られた生成物をろ過および乾燥して多孔質ケイ素構造体を調製する第2工程
を含む、[1]に記載の多孔質ケイ素構造体の調製方法。
[20]
フッ素(F)原子含有化合物を含有するエッチング液を使用してケイ素系原料粉末をエッチングする第1工程;
エッチングにより得られた生成物をろ過および乾燥して多孔質ケイ素構造体を調製する第2工程;および
化学的熱分解堆積法を使用して多孔質ケイ素構造体の表面に炭素層を形成して多孔質ケイ素炭素複合体を調製する第3工程
を含む、[8]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体の調製方法。
[21]
第1工程において、エッチング液が、有機酸、硫酸、塩酸、リン酸、硝酸およびクロム酸からなる群から選択される1つ以上の酸をさらに含む、[20]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体の調製方法。
[22]
第3工程の後に、多孔質ケイ素炭素複合体の平均粒径が2μm~15μmとなるように多孔質ケイ素炭素複合体を粉砕または圧砕し、分級する工程をさらに含む、[20]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体の調製方法。
[23]
第3工程における炭素層の形成は、下記式1~3:
[式1]
C N H (2N+2-A) [OH] A
(式1中、Nは1~20の整数、Aは0または1である)
[式2]
C N H (2N-B)
(式2中、Nは2~6の整数であり、Bは0~2の整数である)
[式3]
C x H y O z
(式3中、xは1~20の整数であり、yは0~25の整数であり、zは0~5の整数である)
で表される化合物から選択される少なくとも1つを注入し、400℃~1200℃、気体状態で反応させることにより行われる、[20]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体の調製方法。
[24]
[8]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体を含む、リチウム二次電池用負極活物質。
[25]
負極活物質が炭素系負極材料をさらに含む、[24]に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
[26]
炭素系負極材料の含有量は、負極活物質の総重量に基づいて、5重量%~95重量%である、[25]に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
[27]
[24]に記載のリチウム二次電池用負極活物質を含むリチウム二次電池。
本発明の好ましい態様は、以下を包含する。
[1]
ケイ素粒子を含む多孔質ケイ素構造体であり、多孔質ケイ素構造体中の酸素(O)原子とケイ素(Si)原子とのモル比(O/Si)は0.01~0.35である、多孔質ケイ素構造体。
[2]
多孔質ケイ素構造体は、ケイ素粒子が相互に連結されたケイ素凝集体を含む、[1]
に記載の多孔質ケイ素構造体。
[3]
ケイ素粒子は、X線回折分析における結晶子サイズが1nm~20nmである、[1]
に記載の多孔質ケイ素構造体。
[4]
前記ケイ素粒子の表面に形成されたケイ素酸化物(SiOx、0.1<x≦2)をさらに含む、[1]に記載の多孔質ケイ素構造体。
[5]
多孔質ケイ素構造体中の酸素(O)の含有量が、多孔質ケイ素構造体の総重量に基づいて、0.1重量%~15重量%である、[4]に記載の多孔質ケイ素構造体。
[6]
多孔質ケイ素構造体は、平均粒径(D 50 )が1μm~15μmであり、比重が1.5g/cm 3 ~2.3g/cm 3 である、[1]に記載の多孔質ケイ素構造体。
[7]
多孔質ケイ素構造体が内部に細孔を含み、多孔質ケイ素構造体の表面をガス吸着法(BETプロット法)により測定したときに、細孔容積0.1cm 3 /g~0.5cm 3 /gの2nm以下のミクロ細孔と、細孔容積0.2cm 3 /g~0.7cm 3 /gの2nm超~50nmのメソ細孔とを含み、多孔質ケイ素構造体の比表面積(ブルナウアー・エメット・テラー法;BET)が100m 2 /g~1,600m 2 /gである、[1]に記載の多孔質ケイ素構造体。
[8]
[1]に記載の多孔質ケイ素構造体および炭素を含む、多孔質ケイ素炭素複合体。
[9]
多孔質ケイ素炭素複合体中の酸素(O)原子とケイ素(Si)原子とのモル比(O/Si)は0.01~0.35である、[8]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
[10]
多孔質ケイ素炭素複合体は内部に細孔を有し、多孔質ケイ素炭素複合体の気孔率は、多孔質ケイ素炭素複合体の体積に基づいて0.5体積%~40体積%である、[8]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
[11]
ケイ素(Si)の含有量が、多孔質ケイ素炭素複合体の総重量に基づいて、30重量%~90重量%である、[8]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
[12]
炭素はケイ素粒子の表面に存在する、炭素はマトリックスとして機能し、ケイ素粒子および細孔がカーボンマトリックス中に分散している、または炭素はその両方で存在する、[8]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
[13]
炭素は、多孔質ケイ素構造体の表面に炭素層をさらに形成する、[12]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
[14]
炭素層は、グラフェン、還元型酸化グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーおよびグラファイトからなる群から選択される少なくとも1つを含む、[13]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
[15]
炭素(C)の含有量は、多孔質ケイ素炭素複合体の総重量に基づいて、10重量%~90重量%である、[13]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
[16]
前記炭素層の厚さは、1nm~300nmである、[14]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
[17]
多孔質ケイ素炭素複合体は、平均粒径(D 50 )が2μm~15μmである、[8]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
[18]
多孔質ケイ素炭素複合体は、比重が、1.8g/cm 3 ~2.5g/cm 3 であり、比表面積(ブルナウアー・エメット・テラー法;BET)が3m 2 /g~50m 2 /gである、[8]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
[19]
フッ素(F)原子含有化合物を含有するエッチング液を使用してケイ素系原料粉末をエッチングする第1工程;および
エッチングによって得られた生成物をろ過および乾燥して多孔質ケイ素構造体を調製する第2工程
を含む、[1]に記載の多孔質ケイ素構造体の調製方法。
[20]
フッ素(F)原子含有化合物を含有するエッチング液を使用してケイ素系原料粉末をエッチングする第1工程;
エッチングにより得られた生成物をろ過および乾燥して多孔質ケイ素構造体を調製する第2工程;および
化学的熱分解堆積法を使用して多孔質ケイ素構造体の表面に炭素層を形成して多孔質ケイ素炭素複合体を調製する第3工程
を含む、[8]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体の調製方法。
[21]
第1工程において、エッチング液が、有機酸、硫酸、塩酸、リン酸、硝酸およびクロム酸からなる群から選択される1つ以上の酸をさらに含む、[20]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体の調製方法。
[22]
第3工程の後に、多孔質ケイ素炭素複合体の平均粒径が2μm~15μmとなるように多孔質ケイ素炭素複合体を粉砕または圧砕し、分級する工程をさらに含む、[20]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体の調製方法。
[23]
第3工程における炭素層の形成は、下記式1~3:
[式1]
C N H (2N+2-A) [OH] A
(式1中、Nは1~20の整数、Aは0または1である)
[式2]
C N H (2N-B)
(式2中、Nは2~6の整数であり、Bは0~2の整数である)
[式3]
C x H y O z
(式3中、xは1~20の整数であり、yは0~25の整数であり、zは0~5の整数である)
で表される化合物から選択される少なくとも1つを注入し、400℃~1200℃、気体状態で反応させることにより行われる、[20]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体の調製方法。
[24]
[8]に記載の多孔質ケイ素炭素複合体を含む、リチウム二次電池用負極活物質。
[25]
負極活物質が炭素系負極材料をさらに含む、[24]に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
[26]
炭素系負極材料の含有量は、負極活物質の総重量に基づいて、5重量%~95重量%である、[25]に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
[27]
[24]に記載のリチウム二次電池用負極活物質を含むリチウム二次電池。
Claims (27)
- ケイ素粒子を含む多孔質ケイ素構造体であり、多孔質ケイ素構造体中の酸素(O)原子とケイ素(Si)原子とのモル比(O/Si)は0.01~0.35である、多孔質ケイ素構造体。
- 多孔質ケイ素構造体は、ケイ素粒子が相互に連結されたケイ素凝集体を含む、請求項1に記載の多孔質ケイ素構造体。
- ケイ素粒子は、X線回折分析における結晶子サイズが1nm~20nmである、請求項1に記載の多孔質ケイ素構造体。
- 前記ケイ素粒子の表面に形成されたケイ素酸化物(SiOx、0.1<x≦2)をさらに含む、請求項1に記載の多孔質ケイ素構造体。
- 多孔質ケイ素構造体中の酸素(O)の含有量が、多孔質ケイ素構造体の総重量に基づいて、0.1重量%~15重量%である、請求項4に記載の多孔質ケイ素構造体。
- 多孔質ケイ素構造体は、平均粒径(D50)が1μm~15μmであり、比重が1.5g/cm3~2.3g/cm3である、請求項1に記載の多孔質ケイ素構造体。
- 多孔質ケイ素構造体が内部に細孔を含み、多孔質ケイ素構造体の表面をガス吸着法(BETプロット法)により測定したときに、細孔容積0.1cm3/g~0.5cm3/gの2nm以下のミクロ細孔と、細孔容積0.2cm3/g~0.7cm3/gの2nm超~50nmのメソ細孔とを含み、多孔質ケイ素構造体の比表面積(ブルナウアー・エメット・テラー法;BET)が100m2/g~1,600m2/gである、請求項1に記載の多孔質ケイ素構造体。
- 請求項1に記載の多孔質ケイ素構造体および炭素を含む、多孔質ケイ素炭素複合体。
- 多孔質ケイ素炭素複合体中の酸素(O)原子とケイ素(Si)原子とのモル比(O/Si)は0.01~0.35である、請求項8に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
- 多孔質ケイ素炭素複合体は内部に細孔を有し、多孔質ケイ素炭素複合体の気孔率は、多孔質ケイ素炭素複合体の体積に基づいて0.5体積%~40体積%である、請求項8に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
- ケイ素(Si)の含有量が、多孔質ケイ素炭素複合体の総重量に基づいて、30重量%~90重量%である、請求項8に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
- 炭素はケイ素粒子の表面に存在する、炭素はマトリックスとして機能し、ケイ素粒子および細孔がカーボンマトリックス中に分散している、または炭素はその両方で存在する、請求項8に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
- 炭素は、多孔質ケイ素構造体の表面に炭素層をさらに形成する、請求項12に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
- 炭素層は、グラフェン、還元型酸化グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーおよびグラファイトからなる群から選択される少なくとも1つを含む、請求項13に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
- 炭素(C)の含有量は、多孔質ケイ素炭素複合体の総重量に基づいて、10重量%~90重量%である、請求項13に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
- 前記炭素層の厚さは、1nm~300nmである、請求項14に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
- 多孔質ケイ素炭素複合体は、平均粒径(D50)が2μm~15μmである、請求項8に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
- 多孔質ケイ素炭素複合体は、比重が、1.8g/cm3~2.5g/cm3であり、比表面積(ブルナウアー・エメット・テラー法;BET)が3m2/g~50m2/gである、請求項8に記載の多孔質ケイ素炭素複合体。
- フッ素(F)原子含有化合物を含有するエッチング液を使用してケイ素系原料粉末をエッチングする第1工程;および
エッチングによって得られた生成物をろ過および乾燥して多孔質ケイ素構造体を調製する第2工程
を含む、請求項1に記載の多孔質ケイ素構造体の調製方法。 - フッ素(F)原子含有化合物を含有するエッチング液を使用してケイ素系原料粉末をエッチングする第1工程;
エッチングにより得られた生成物をろ過および乾燥して多孔質ケイ素構造体を調製する第2工程;および
化学的熱分解堆積法を使用して多孔質ケイ素構造体の表面に炭素層を形成して多孔質ケイ素炭素複合体を調製する第3工程
を含む、請求項8に記載の多孔質ケイ素炭素複合体の調製方法。 - 第1工程において、エッチング液が、有機酸、硫酸、塩酸、リン酸、硝酸およびクロム酸からなる群から選択される1つ以上の酸をさらに含む、請求項20に記載の多孔質ケイ素炭素複合体の調製方法。
- 第3工程の後に、多孔質ケイ素炭素複合体の平均粒径が2μm~15μmとなるように多孔質ケイ素炭素複合体を粉砕または圧砕し、分級する工程をさらに含む、請求項20に記載の多孔質ケイ素炭素複合体の調製方法。
- 第3工程における炭素層の形成は、下記式1~3:
[式1]
CNH(2N+2-A)[OH]A
(式1中、Nは1~20の整数、Aは0または1である)
[式2]
CNH(2N-B)
(式2中、Nは2~6の整数であり、Bは0~2の整数である)
[式3]
CxHyOz
(式3中、xは1~20の整数であり、yは0~25の整数であり、zは0~5の整数である)
で表される化合物から選択される少なくとも1つを注入し、400℃~1200℃、気体状態で反応させることにより行われる、請求項20に記載の多孔質ケイ素炭素複合体の調製方法。 - 請求項8に記載の多孔質ケイ素炭素複合体を含む、リチウム二次電池用負極活物質。
- 負極活物質が炭素系負極材料をさらに含む、請求項24に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 炭素系負極材料の含有量は、負極活物質の総重量に基づいて、5重量%~95重量%である、請求項25に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 請求項24に記載のリチウム二次電池用負極活物質を含むリチウム二次電池。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR10-2020-0182257 | 2020-12-23 | ||
KR1020200182257A KR20220091672A (ko) | 2020-12-23 | 2020-12-23 | 다공성 규소 구조체, 이를 포함하는 다공성 규소-탄소 복합체 및 음극 활물질 |
PCT/KR2021/018267 WO2022139243A1 (ko) | 2020-12-23 | 2021-12-03 | 다공성 규소 구조체, 이를 포함하는 다공성 규소-탄소 복합체 및 음극 활물질 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2024501825A true JP2024501825A (ja) | 2024-01-16 |
Family
ID=82159472
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2023538776A Pending JP2024501825A (ja) | 2020-12-23 | 2021-12-03 | 多孔質ケイ素構造体、それを含む多孔質ケイ素炭素複合体、および負極活物質 |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20240047659A1 (ja) |
EP (1) | EP4269341A1 (ja) |
JP (1) | JP2024501825A (ja) |
KR (1) | KR20220091672A (ja) |
CN (1) | CN116867737A (ja) |
WO (1) | WO2022139243A1 (ja) |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4393610B2 (ja) | 1999-01-26 | 2010-01-06 | 日本コークス工業株式会社 | リチウム二次電池用負極材料、リチウム二次電池、及び同二次電池の充電方法 |
WO2012036265A1 (ja) * | 2010-09-17 | 2012-03-22 | 古河電気工業株式会社 | 多孔質シリコン粒子及び多孔質シリコン複合体粒子、並びにこれらの製造方法 |
KR101591571B1 (ko) * | 2012-10-31 | 2016-02-03 | 주식회사 엘지화학 | 다공성 복합체 및 이의 제조방법 |
KR101704103B1 (ko) | 2013-09-17 | 2017-02-07 | 주식회사 엘지화학 | 다공성 실리콘계 음극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 |
JP6430489B2 (ja) * | 2014-03-24 | 2018-11-28 | 株式会社東芝 | 非水電解質電池用負極活物質、非水電解質二次電池用負極、非水電解質二次電池及び電池パック |
JP2017536676A (ja) * | 2014-11-25 | 2017-12-07 | コーニング インコーポレイテッド | リチウムイオン電池アノードのための方法および材料 |
KR101981609B1 (ko) * | 2015-09-24 | 2019-05-24 | 주식회사 엘지화학 | 리튬 이차전지용 음극활물질 및 그 제조방법 |
-
2020
- 2020-12-23 KR KR1020200182257A patent/KR20220091672A/ko unknown
-
2021
- 2021-12-03 WO PCT/KR2021/018267 patent/WO2022139243A1/ko active Application Filing
- 2021-12-03 US US18/258,959 patent/US20240047659A1/en active Pending
- 2021-12-03 JP JP2023538776A patent/JP2024501825A/ja active Pending
- 2021-12-03 EP EP21911310.7A patent/EP4269341A1/en active Pending
- 2021-12-03 CN CN202180094386.5A patent/CN116867737A/zh active Pending
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20220091672A (ko) | 2022-07-01 |
TW202244001A (zh) | 2022-11-16 |
US20240047659A1 (en) | 2024-02-08 |
EP4269341A1 (en) | 2023-11-01 |
CN116867737A (zh) | 2023-10-10 |
WO2022139243A1 (ko) | 2022-06-30 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR102452874B1 (ko) | 리튬 이차전지 음극재용 탄소-규소복합산화물 복합체 및 이의 제조방법 | |
JP2021506059A (ja) | 非水電解質二次電池用負極活物質、及びその製造方法 | |
CN113937258A (zh) | 用于非水电解质可充电电池的负极活性材料及其制备方法和包含其的非水电解质可充电电池 | |
JP7455425B2 (ja) | ケイ素・酸化ケイ素-炭素複合材料、その調製方法、およびそれを含むリチウム二次電池用負極活物質 | |
US20230352665A1 (en) | Porous silicon-based carbon composite, method for preparing same, and negative electrode active material comprising same | |
US20240047660A1 (en) | Porous silicon composite, porous silicon-carbon composite comprising same, and anode active material | |
US20240010503A1 (en) | Porous Silicon-Based Composite, Preparation Method Therefor, And Anode Active Material Comprising Same | |
KR20230083169A (ko) | 다공성 규소-탄소 복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 음극 활물질 | |
KR20180134680A (ko) | 금속/카본 결정 입자 복합체, 이의 제조방법 및 이를 함유하는 에너지 저장소자 | |
JP2024501825A (ja) | 多孔質ケイ素構造体、それを含む多孔質ケイ素炭素複合体、および負極活物質 | |
TWI836309B (zh) | 多孔矽結構、多孔矽碳複合物及包含其之負極活性材料 | |
KR102512804B1 (ko) | 다공성 규소-탄소 복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 음극 활물질 | |
KR20230124502A (ko) | 규소-탄소 복합체, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 음극 활물질 및 리튬 이차전지 | |
KR20230080209A (ko) | 규소-탄소 복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 음극 활물질 | |
KR20230137551A (ko) | 규소-탄소 복합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 음극 활물질 | |
TW202349768A (zh) | 矽-碳混合物、其製備方法及包含其之負極活性材料與鋰二次電池 | |
TW202343855A (zh) | 矽碳混合物、其製備方法以及包含其之負極活性材料與鋰二次電池 | |
KR20230138929A (ko) | 규소-탄소 복합체, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 음극 활물질 및 리튬 이차전지 | |
CN116895747A (zh) | 磷掺杂硅碳复合材料及其制备方法、及二次电池 | |
KR20220093133A (ko) | 난층 탄소 코팅을 포함하는 열적으로 불균등화된 애노드 활물질 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20230821 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20230821 |