JP6028401B2 - ＭｇｘＳｉ系多孔体及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、Ｍｇ_xＳｉ系多孔体及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、熱電材料、Ｌｉ二次電池の負極材料などに使用することが可能なＭｇ_xＳｉ系多孔体及びその製造方法に関する。

金属シリサイドは、Ｓｉを多量に含んでいるため、一般に、耐酸化性や耐食性に優れている。また、金属シリサイドの中には、半導体特性や高温における機械的特性に優れたものも知られている。そのため、金属シリサイドは、熱電材料、発熱体、耐酸化コーティング材料、高温構造材料、半導体などへの応用が期待されている。特に、Ｍｇ₂Ｓｉは、熱電特性やＬｉイオンの吸蔵放出特性に優れているだけでなく、低密度であり、資源が豊富でコストが安く、環境負荷も小さいという特徴がある。

このようなＭｇ₂Ｓｉの製造方法に関しては、従来から種々の提案がなされている。
例えば、非特許文献１には、
（１）ＳｉとＭｇとの反応を抑制するために、−１０℃において、Ｓｉ（１１１）基板上に厚さ６ｎｍのＭｇフィルムを析出させ、
（２）Ｍｇフィルムの酸化を防ぐために、−１０℃において、Ｍｇフィルムの上に厚さ４ｎｍのＭｇＯ層を析出させ、
（３）アニールプロセス中でのＭｇの揮発を防ぐために、−１０℃において、ＭｇＯ層の上に厚さ１００ｎｍのＺｎＯ層を析出させ、
（４）積層膜を、圧力２×１０^-3の酸素ラジカル雰囲気下において、異なる温度（１００、３００、４５０、及び６５０℃）で３０分間アニールする
方法が開示されている。
同文献には、
（ａ）１００℃でアニールすると、Ｍｇフィルムが下地のＳｉと完全に反応し、厚さ４ｎｍのＭｇ₂Ｓｉフィルムが生成する点、及び、
（ｂ）４５０℃でアニールすると、ＭｇＯ層とＳｉ基板との間にアモルファス−ＭｇＯ_xが生成する点
が記載されている。

また、非特許文献２には、
（１）マグネトロンスパッタリングにより、Ｓｉ（１１１）基板上にＭｇフィルムを析出させ、
（２）真空中又はＡｒガス雰囲気中において、７７３Ｋで５時間アニールする
方法が開示されている。
同文献には、
（ａ）真空中でアニールすると、Ｍｇが容易に揮発し、かつ、Ｍｇ₂Ｓｉが容易に分解するために、Ｍｇ₂Ｓｉ相が生成しない点、及び、
（ｂ）Ａｒガス雰囲気中でアニールすると、Ｍｇの揮発ロス及びＭｇ₂Ｓｉの分解が抑制され、Ｍｇ₂Ｓｉ薄膜が生成する点、
が記載されている。

また、非特許文献３には、バルクＳｉ結晶をＭｇ蒸気中において熱処理する方法が開示されている。
同文献には、このような方法により、バルクＳｉの表面に厚いＭｇ₂Ｓｉが成長する点が記載されている。

さらに、特許文献１には、Ｍｇ₂Ｓｉの製造方法ではないが、ＳｉＯとＭｇＯの混合物をＡｒガス雰囲気中において１６５０℃で６０分間保持する方法が開示されている。
同文献には、このような方法により、Ｓｉ塊と、主としてＳｉＯ₂及びＭｇＯからなるガラス状の反応残留物が生成する点が記載されている。

Ｍｇ₂Ｓｉを合成する場合、原料のＭｇが高い蒸気圧を持つため、その蒸発により原料組成が変化し、均一な単相試料を得ることが難しいことが大きな課題とされている。従来の研究は、そのＭｇの蒸発を抑えながら、良質（単相）のＭｇ₂Ｓｉからなるバルク、薄膜、あるいは、微粒子を作製することに研究の焦点が当てられている。
一方、Ｍｇ₂Ｓｉが高温で熱分解することは知られているが、Ｍｇ₂Ｓｉを減圧下で加熱分解させることにより有用な材料を作製することを目的とする研究例は、見当たらない。

特許第４４３６９０４号公報

Chinese Physics B 18(2009)3079 Advanced Materials Research Vols. 129-131(2010)pp290-294 Solid State Phenomena Vol93(2003)pp447-452

本発明が解決しようとする課題は、実質的にＳｉのみ又はＳｉとＭｇ₂Ｓｉとの複合体からなり、かつ、その内部に３次元的に連なった空隙を有する新規なＭｇ_xＳｉ多孔体及びその製造方法を提供することにある。
本発明が解決しようとする他の課題は、特に、Ｌｉ二次電池の負極材料として好適な新規なＭｇ_xＳｉ多孔体及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係るＭｇ_xＳｉ多孔体の製造方法は、
Ｍｇ₂Ｓｉを減圧下で加熱し、Ｍｇを除去することにより、Ｍｇ_xＳｉ系多孔体（０≦ｘ≦１．６）を生成させる加熱工程
を備えていることを要旨とする。
この場合、前記加熱工程の前又は後に、加熱前又は加熱後の材料を酸で洗浄する洗浄工程をさらに備えていても良い。
本発明に係るＭｇ_xＳｉ多孔体は、本発明に係る方法により得られ、内部に３次元的に連なった孔を有するものからなる。

Ｍｇ₂Ｓｉを減圧下で加熱すると、Ｍｇが揮発し、Ｍｇ₂Ｓｉの全部又は一部がＳｉとなる。また、Ｍｇが揮発した後の材料は、Ｍｇの揮発により生成した孔が３次元的に連なっている多孔体となる。
そのため、これを例えばＬｉ二次電池の負極材料に応用すると、充放電に伴う膨張収縮が孔により吸収される。その結果、Ｌｉ二次電池の充電容量が向上するだけでなく、サイクル耐性も向上する。

試料の合成方法を示すフロー図である。 実施例１〜６で合成された粉末のＸ線回折パターンである。 実施例３で合成された粉末のＳＥＭ像（上図：低倍率像、下図：高倍率像）である。 実施例２で合成された粉末のＳＥＭ像（左上図：低倍率像、右上図：中倍率像、左下図：高倍率像）、及び、ＳＥＭ−ＥＤＸの分析結果（右下図）である。 実施例４で合成された粉末のＳＥＭ像（左上図：低倍率像、左中図：中倍率像、左下図：高倍率像）、実施例５で合成された粉末のＳＥＭ像（右上図：低倍率像、右中図：中倍率像、右下図：高倍率像）、実施例４で合成された粉末のＸ線回折パターン（中央の上図）、実施例５で合成された粉末のＸ線回折パターン（中央の中図）、並びに、実施例４及び５で得られた粉末のＳＥＭ−ＥＤＸの分析結果（中央下の左図：実施例４、中央下の右図：実施例５）である。 実施例３、並びに、比較例１、２で得られた材料を負極材料に用いたＬｉ二次電池のサイクル特性を示す図である。

以下に本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． Ｍｇ_xＳｉ多孔体］
本発明に係るＭｇ_xＳｉ多孔体は、後述する方法により得られるものからなる。

［１．１． 組成］
原料であるＭｇ₂Ｓｉを減圧下において加熱すると、Ｍｇの一部又は全部が揮発し、Ｍｇ₂ＳｉからＳｉが生成する。また、Ｍｇが揮発した後の材料には、３次元的に連なった孔が形成される。
加熱条件を最適化すると、０≦ｘ≦１．６であるＭｇ_xＳｉ多孔体が得られる。すなわち、後述する方法を用いると、実質的にＳｉとＭｇ₂Ｓｉからなる多孔体、又は、実質的にＳｉのみからなる多孔体が得られる。

本発明に係るＭｇ_xＳｉ多孔体は、
（ａ）Ｓｉのみからなるもの、又は、
（ｂ）Ｓｉ及びＭｇ₂Ｓｉのみからなるもの
が望ましいが、不可避的不純物が含まれていても良い。
但し、多孔体の特性に悪影響を及ぼす不純物は、少ないほど良い。
多孔体に含まれる不純物としては、例えば、ＭｇＯ、ＳｉＯ₂などがある。

［１．２． 平均粒径］
得られた多孔体の粒径は、出発原料であるＭｇ₂Ｓｉの粒径、及び、加熱条件に依存する。出発原料の粒径及び加熱条件を最適化すると、多孔体の平均粒径は、１０μｍ以上３００μｍ以下となる。多孔体の平均粒径は、さらに好ましくは、１０μｍ以上１００μｍ以下である。
ここで、「平均粒径」とは、レーザー・回折散乱法により測定されるメディアン径（ｄ₅₀）をいう。

［１．３． 孔の平均サイズ］
多孔体には、３次元的に連なった孔が存在する。加熱条件を最適化すると、孔の平均サイズは、１０ｎｍ以上１０μｍ以下となる。
ここで、「孔の平均サイズ」とは、粒子表面のＳＥＭ像を撮影し、ＳＥＭ像から無作為に選んだ１０個以上の孔について測定された孔のサイズ（最大長さ）の平均値をいう。

［１．３． 用途］
本発明に係るＭｇ_xＳｉ多孔体は、種々の用途に使用することができる。本発明に係るＭｇ_xＳｉ多孔体は、特にＬｉイオン二次電池の負極材料として好適である。

［２． Ｍｇ_xＳｉ多孔体の製造方法］
本発明に係るＭｇ_xＳｉ多孔体の製造方法は、加熱工程と、洗浄工程とを備えている。

［２．１． 加熱工程］
加熱工程は、Ｍｇ₂Ｓｉを減圧下で加熱し、Ｍｇを除去することにより、Ｍｇ_xＳｉ系多孔体（０≦ｘ≦１．６）を生成させる工程である。

原料であるＭｇ₂Ｓｉの大きさ（粒径）は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な大きさを選択することができる。
一般に、Ｍｇを揮発させる過程で著しい粒成長は生じないので、Ｍｇ_xＳｉ多孔体の大きさは、原料であるＭｇ₂Ｓｉの大きさにほぼ対応した値となる。
また、Ｍｇの揮発は、表面から生ずるので、Ｍｇ₂Ｓｉの大きさが小さくなるほど、短時間でＭｇを揮発させることができる。

加熱時の雰囲気は、非酸化性の雰囲気であれば良い。加熱雰囲気としては、例えば、
（１）真空中、
（２）Ａｒガスなどの不活性ガス雰囲気中、
などがある。
加熱条件は、多孔体に要求される組成や特性に応じて、最適な条件を選択する。一般に、加熱時の雰囲気圧力が低くなるほど、加熱温度が高くなるほど、又は、加熱時間が長くなるほど、Ｍｇの揮発量が増大する。
加熱温度は、加熱時の雰囲気圧力にもよるが、通常、５００〜８００℃である。加熱時間は、加熱温度にもよるが、通常、１ｈ〜１０日である。

［２．２． 洗浄工程］
洗浄工程は、前記加熱工程の前又は後に、加熱前又は加熱後の材料を酸で洗浄する工程である。
Ｍｇ₂Ｓｉは酸化されやすいので、加熱処理前後においてＭｇ₂Ｓｉが大気に接触すると、表面に酸化物が形成されやすい。洗浄工程は、必ずしも必要ではないが、洗浄を行うと、このような酸化物が除去され、材料の純度が向上する。
洗浄は、加熱処理前の原料又は加熱処理後の多孔体のいずれか一方に対して行っても良く、あるいは、双方に対して行っても良い。

洗浄に使用する酸は、特に限定されるものではなく、Ｍｇ₂Ｓｉの表面に形成される酸化物（主として、ＭｇＯ）を除去可能なものであれば良い。酸としては、例えば、塩酸、硝酸、硫酸などがある。
洗浄に使用する酸水溶液の濃度は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な濃度を選択することができる。一般に、酸の濃度が低すぎると、短時間で酸化物を除去することが困難となる。一方、酸の濃度が高くなりすぎると、Ｍｇ₂Ｓｉが分解される場合がある。好適な酸の濃度は、酸の種類にもよるが、通常、０．０５〜１．０ｍｏｌ／Ｌが好ましい。

［３． 作用］
Ｍｇ₂Ｓｉを減圧下で加熱すると、Ｍｇが揮発し、Ｍｇ₂Ｓｉの全部又は一部がＳｉとなる。また、Ｍｇが揮発した後の材料は、Ｍｇの揮発により生成した孔が３次元的に連なっている多孔体となる。

Ｓｉ及びＭｇ₂Ｓｉは、いずれもＬｉイオン伝導体として機能する。しかしながら、これらは、充放電（Ｌｉイオンの吸蔵放出）に伴い体積変化が生じる。Ｌｉイオン伝導体に体積変化が生じると、Ｌｉイオン伝導体が集電体から崩落し、電池の充電容量を低下させる原因となる。
これに対し、本発明に係るＭｇ_xＳｉ多孔体は、Ｓｉ、又は、ＳｉとＭｇ₂Ｓｉを含んでいるだけでなく、材料内に３次元的に連なった孔を持つ。材料内の孔は、Ｌｉイオンの伝導パスとして機能するだけでなく、充放電に伴う体積変化を緩和する作用がある。そのため、これをＬｉイオン二次電池の負極材料に応用すると、Ｌｉ二次電池の充電容量が向上するだけでなく、サイクル耐性も向上する。

また、真空加熱等によりＭｇ₂ＳｉからＭｇを揮発させると、Ｍｇが酸素ゲッターとして作用し、Ｍｇ₂Ｓｉ粒子表面などに吸着又は化学結合している酸素を引き抜く。そのため、表面酸化層がきわめて少ないＳｉ多孔体又はＳｉ／Ｍｇ₂Ｓｉ多孔体が得られる。そのため、これを例えばＬｉイオン二次電池の負極材料に応用すると、表面酸化層が少ないために、充放電時に酸化Ｌｉとなって充放電に寄与しなくなる部分が少ない。

（実施例１〜６、比較例１〜２）
［１． 試料の作製］
［１．１． 実施例１〜６］
図１に示す手順に従い、粉末を合成した。すなわち、まず、Ｍｇ₂Ｓｉ試薬（株式会社高純度化学研究所製、≦３００μｍ）の一部をＡｒ雰囲気中で粉砕し、平均粒径≦１００μｍの粉末とした。次に、未粉砕のＭｇ₂Ｓｉ又は粉砕したＭｇ₂Ｓｉを減圧下において、所定温度で所定時間加熱した。加熱後、一部の粉末は、そのまま回収した。また、他の一部の粉末は、加熱後に０．５ｍｏｌ／ＬのＨＣｌ水で洗浄した。
［１．２． 比較例２］
市販のＳｉナノ粒子（アルドリッチ社製、＜１００ｎｍ）をそのまま試験に供した。

［２． 試験方法］
［２．１． 蒸発Ｍｇ量］
加熱前後の重量変化を測定した。Ｍｇ₂Ｓｉ中のＭｇのみが蒸発するものとして、蒸発Ｍｇ量を算出した。また、蒸発Ｍｇ量から、合成粉末のＭｇ／Ｓｉ比（モル比）を算出した。
［２．２． ＳＥＭ−ＥＤＸ］
合成された粉末をＳＥＭで観察した。
［２．３． Ｘ線回折］
合成された粉末のＸ線回折を行った。
［２．４． 充電容量］
合成された粉末をＬｉ二次電池の負極に用いて、充電容量を評価した。

［３． 結果］
［３．１． 蒸発Ｍｇ量及びＭｇ／Ｓｉ比］
表１に、蒸発Ｍｇ量及びＭｇ／Ｓｉ比を示す。なお、表１には、合成された試料の履歴も併せて示した。表１より、以下のことがわかる。
（１）出発原料の粒径が小さくなるほど、加熱温度が高くなるほど、又は、加熱時間が長くなるほど、蒸発Ｍｇ量が多くなる（すなわち、Ｍｇ／Ｓｉ比が小さくなる）。
（２）減圧下の加熱により、Ｍｇ_xＳｉ（０．００６≦ｘ≦１．５２８）の組成と考えられる粉末が得られる。

［３．２． Ｘ線回折］
図２に、実施例１〜６で得られた粉末のＸ線回折パターンを示す。図２より、減圧下の加熱により、ほぼＳｉ単相の粉末（実施例３〜６）、又は、Ｍｇ₂ＳｉとＳｉの複合粉末（実施例１、２）が得られていることがわかる。
実施例３、４、６で得られた粉末は、微量のＭｇＯが混在しているＳｉであった。一方、実施例５で得られた粉末は、ＭｇＯのピークが全く認められない。図２より、ＨＣｌ洗浄により、Ｓｉを酸化させることなく微量のＭｇＯを除去できることがわかる。

［３．３． ＳＥＭ］
図３に、実施例３で得られた粉末のＳＥＭ像（上図：低倍率像、下図：高倍率像）を示す。
実施例３で得られた粉末は、多孔体構造をしており、孔のサイズは、数１０ｎｍ〜１０μｍと考えられる。Ｍｇ₂Ｓｉ粒子からＭｇが除去された部分が孔となっていると推定されるため、孔は３次元的に連結されているものと考えられる。

図４に、実施例２で合成された粉末のＳＥＭ像（左上図：低倍率像、右上図：中倍率像、左下図：高倍率像）、及び、ＳＥＭ−ＥＤＸの分析結果（右下図）を示す。
実施例２で合成された粉末は、図２のＸＲＤパターンに示されるように、Ｍｇ₂ＳｉとＳｉの２相を含む。図４は、実施例２で合成された粉末の内、Ｍｇがほとんど無く、酸素も検出されない箇所でのＳＥＭ像である。実施例２においても、粉末は多孔体構造をしていることがわかる。孔のサイズは、数１０ｎｍ〜１０μｍと考えられる。
Ｍｇを揮発させる際に、Ｍｇは、酸素ゲッターとして作用し、Ｍｇ₂Ｓｉ粒子表面の酸化層中などに含まれる酸素を除去する効果もあると推定される。すなわち、Ｍｇを全量除去させる合成条件を選択すれば、酸化層フリーのＳｉ多孔体が合成可能と考えられる。

図５に、
（ａ）実施例４で合成された粉末のＳＥＭ像（左上図：低倍率像、左中図：中倍率像、左下図：高倍率像）、
（ｂ）実施例５で合成された粉末のＳＥＭ像（右上図：低倍率像、右中図：中倍率像、右下図：高倍率像）、
（ｃ）実施例４で合成された粉末のＸ線回折パターン（中央の上図）、
（ｄ）実施例５で合成された粉末のＸ線回折パターン（中央の中図）、並びに、
（ｅ）実施例４及び５で得られた粉末のＳＥＭ−ＥＤＸの分析結果（中央下の左図：実施例４、中央下の右図：実施例５）
を示す。
ＨＣｌ水洗浄前ではＭｇＯが微量観測される（実施例４）。一方、ＨＣｌ水での洗浄後は、ＭｇＯは、ＸＲＤで検出されなくなる（実施例５）。また、ＨＣｌ水での洗浄後のＳｉ粒子は、ほとんど酸化されていない。

［３．４． 充電容量］
図６に、実施例３、並びに、比較例２で得られた材料を負極材料に用いたＬｉ二次電池のサイクル特性を示す。なお、図６には、粗大なＳｉ粒子を負極材料に用いたＬｉ二次電池のサイクル特性（文献値）（比較例１）も併せて示した。
比較例１（粗大粒子：文献値）は、初期は高容量である。しかしながら、サイクル特性が悪く、サイクル回数の増大に伴い、容量が著しく低下する。これは、
（１）Ｌｉの吸蔵・放出の際の体積膨張・収縮により、粒子の割れが生じるため、及び、
（２）これによって、導通が取れなくなったり、集電材から粒子が崩落するため、
と考えられる。

比較例２（Ｓｉナノ粒子、粒径＜１００ｎｍ）は、比較例１よりサイクル特性が良く、サイクル回数に対する充電容量の低下率が低い。しかしながら、サイクル回数の増大により、徐々に容量が低下する。粗大粒子に比べて、膨張収縮によって粒子の割れる頻度が下がるものの、大きな体積変化による集電材からの崩落は防ぎきれないためと考えられる。

これに対し、実施例３は、比較例１及び２よりも、サイクル耐性が改善している。これは、多孔体構造がＬｉの吸蔵・放出の際の粒子の体積膨張・収縮を緩和する効果があり、粒子の割れや集電材からの崩落が抑制されるためと推定される。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

本発明に係るＭｇ₂Ｓｉ系多孔体及びその製造方法は、熱電材料やＬｉ二次電池の負極材料及びその製造方法として使用することができる。

Claims (5)

1. Ｍｇ₂Ｓｉを減圧下で加熱し、Ｍｇを除去することにより、Ｍｇ_xＳｉ系多孔体（０≦ｘ≦１．６）を生成させる加熱工程
   を備えたＭｇ_xＳｉ系多孔体の製造方法。
2. 前記加熱工程の前又は後に、加熱前又は加熱後の材料を酸で洗浄する洗浄工程
   をさらに備えた請求項１に記載のＭｇ_xＳｉ系多孔体の製造方法。
3. 前記Ｍｇ_xＳｉ系多孔体は、Ｌｉ二次電池の負極材料として用いられるものである請求項１又は２に記載のＭｇ_xＳｉ系多孔体の製造方法。
4. 請求項１から３までのいずれかに記載の方法により得られ、内部に３次元的に連なった孔を有するＭｇ_xＳｉ系多孔体。
5. 平均粒径が１０μｍ以上３００μｍ以下であり、
   前記孔の平均サイズが１０ｎｍ以上１０μｍ以下である
   請求項４に記載のＭｇ _x Ｓｉ系多孔体。

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