JP6786609B2 - シリコンナノ粒子の製造及びその使用における改良 - Google Patents
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Description
太陽電池用途に使用するのに好適な純度を有するシリコンナノ粒子の生産には、Siemensによって開発された技術(すなわち「シーメンス法」)が使用されている。しかしながら、1トンのソーラーグレードのシリコンを生産するために概算でおよそ200MW・Hrの電気が消費されることから、このプロセスは比較的高価であるとともに、環境にやさしくないと認知される。炭素熱還元プロセスが、シーメンス法に対する可能な代替形態として開発されている。しかしながら、炭素に本質的に含まれるホウ素及びリン等の不純物を適切に低いレベルまで(すなわち、百万分率又は十億分率のレベルまで)除去することができないことから、これらのプロセスは、ソーラーグレード品質を有するシリコンナノ粒子を生産するものではない。
現行の商業的方法を利用したシリコンナノ粒子の生産に関連する比較的高いコストは、シリコンナノ粒子を含む太陽電池及びバッテリーデバイスの部品にかかる全製造コストにも寄与し、それ故、この問題に対処する必要性が認知されていることが理解されよう。
しかしながら、完全に充電されると、シリコンは通例、その通常の体積の3倍超まで膨張し、アノード内の電気接点を破壊する傾向にあるとともに、シリコン材料において亀裂が生じ、それを介して湿分がアノードへと滲出して、アノードの運転を更に損なうおそれがある。この問題を軽減させる1つのアプローチは、アノードにおけるシリコンの膨張量を制限するように、単純にバッテリーを全容量の一部までしか充電しないでいることであった。
別のアプローチは、(シリコンナノ粒子による)リチウムイオンの貯蔵容量の改善と、(シリコンよりも膨張の程度がかなり低いグラファイト粒子による)アノード材料全体の膨張量の軽減との間の均衡をとろうとする上で、アノード材料中にグラファイト粒子とシリコン粒子との混合物をもたらすことであった。しかしながら、かかるアプローチは、バッテリーにおけるアノード材料の潜在的な全貯蔵容量の使用を効率の悪いものとする傾向にある。したがって、シリコンアノード材料の優れた貯蔵容量を役立たせるために、バッテリーのアノード材料におけるシリコンナノ粒子の膨張により生じる問題に対処する必要性が認知されている。
(i)シリコン原料を少なくとも1種の合金化用金属と混ぜて合金にする工程と、
(ii)合金を加工処理して、合金ナノ粒子を形成する工程と、
(iii)合金ナノ粒子から合金化用金属を蒸留することによって、シリコンナノ粒子を実質的に製造する工程と、
を含む、方法を提供する。
シリコン原料を少なくとも1種の合金化用金属と混ぜて合金にする装置と、
合金を加工処理して、合金ナノ粒子を形成する装置と、
合金ナノ粒子から合金化用金属を蒸留することによって、シリコンナノ粒子を製造する装置と、
を備える、装置を提供する。
(i)シリコン原料を少なくとも1種の合金化用金属と混ぜて合金インゴット(ingot)にする工程と、
(ii)合金インゴットを蒸留して、多孔質シリコンインゴットを作製する工程と、
(iii)多孔質シリコンインゴットを加工処理して、シリコンナノ粒子を形成する工程と、
を含む、方法を提供する。
シリコン原料を少なくとも1種の合金化用金属と混ぜて合金インゴット(ingot)にする装置と、
合金インゴットを蒸留して、多孔質シリコンインゴットを製造する装置と、
多孔質シリコンインゴットを加工処理して、シリコンナノ粒子を形成する装置と、
を備える、装置を提供する。
n型層がp型層とそれらの間の接合領域で連続的に連結する感光性要素であって、該感光性要素のn型層、及び連続的に連結するp型層は、該感光性要素が太陽エネルギーに曝されることを受けて、該感光性要素によって自由電子を放出することができるように構成される結果、該感光性要素のp層とn層との間に外部電気回路を形成する負荷素子を通る電流の流れがもたらされる、感光性要素を含み、
上記n型層及び上記p型層が、シリコンナノ粒子が少なくとも1つの導電性基材の表面構造上に堆積している少なくとも1つの導電性基材を備える、太陽電池デバイスを提供する。
(i)テキスタイル要素の表面を、負に帯電した高分子電解質で改質することと、
(ii)テキスタイル要素の改質された表面を金属粒子で被覆することと、
によって形成することができる。
シリコンナノ粒子は例えば、金属粒子の皮膜によって形成される導電性テキスタイル要素の表面構造における凹部、ポケット及び欠陥を埋め、及び/又はこれらの内部に捕捉され得る。さらに、導電性布を形成する複数の導電性テキスタイル要素は、例えば複数の導電性テキスタイル要素を編み込むことによって、複合テキスタイル要素(例えば糸、スレッド等)を形成するように構成することができ、布の複合導電性テキスタイル要素上に堆積するシリコンナノ粒子が、各々別個のテキスタイル要素の表面構造のポケット内に収容及び/又は捕捉されていてもよく、また、編み込んだテキスタイル要素の表面構造間に捕捉及び/又は絡んでいてもよい。
例えば、他の実施の形態に記載される所望の表面構造特徴を生じさせるように、天然又は合成のテキスタイル要素上を金属粒子で被覆するとともに、金属粒子の皮膜を適切に加工処理するプロセス中に、導電性(electrically)テキスタイル要素上にかかる表面構造を形成するには、任意の好適な技法及びプロセスを使用することができる。
また好ましくは、シリコンナノ粒子は、導電性布及び/又は該布を形成する導電性テキスタイル要素の少なくとも幾つかを封入し得る皮膜をもたらすように構成することができる。好ましくは、この特定の広範な形態の機能的文脈において、導電性基材はおよそ50ミクロン(microns)未満の厚さを有し得る。
代替的に、他の実施の形態において、導電性基材は、天然又は合成のテキスタイル要素上に金属粒子を堆積させることによって形成される導電性テキスタイル要素を必ずしも含んでいなくてもよく、代わりに、金属塊から細長い金属テキスタイル要素を成形、引き抜き、プリング及び/又は押し出すことによって形成されていてもよいと考えられる。
負荷素子との電気接続用に構成される第1の導電性端子及び第2の導電性端子であって、その結果、該電流が太陽電池から該負荷素子に通じ、該負荷素子に電力を供給することができる、第1の導電性端子及び第2の導電性端子と、
電流発生モジュールであって、該電流発生モジュールが太陽エネルギーに曝されることを受けて、電流の発生用に構成される正孔ドナー要素及び電子ドナー要素を含む、電流発生モジュールと、
を有し、
第1の導電性端子は、正孔ドナー要素として機能するように構成される、シリコンナノ粒子が上に堆積された第1の導電性基材を備え、第2の導電性端子は、電流発生モジュールの電子ドナー要素として機能するように構成される、シリコンナノ粒子が上に堆積された第2の導電性基材を備える、太陽電池デバイスを提供する。
(i)テキスタイル要素の表面を、負に帯電した高分子電解質で改質することと、
(ii)テキスタイル要素の改質された表面を金属粒子で被覆することと、
によって形成されることができる。
シリコンナノ粒子は例えば、金属粒子の皮膜によって形成される導電性テキスタイル要素の表面構造における凹部、ポケット及び欠陥を埋め、及び/又はこれらの内部に捕捉され得る。さらに、導電性布を形成する複数の導電性テキスタイル要素は、例えば複数の導電性テキスタイル要素を編み込むことによって、複合テキスタイル要素(例えば糸、スレッド等)を形成するように構成することができ、布の複合導電性テキスタイル要素上に堆積するシリコンナノ粒子が、各々別個のテキスタイル要素の表面構造のポケット内に収容及び/又は捕捉されていてもよく、また、編み込んだテキスタイル要素の表面構造間に捕捉及び/又は絡んでいてもよい。
例えば、他の実施の形態に記載される所望の表面構造特徴を生じさせるように、天然又は合成のテキスタイル要素上を金属粒子で被覆するとともに、金属粒子の皮膜を適切に加工処理するプロセス中に、導電性(electrically)テキスタイル要素上にかかる表面構造を形成するには、任意の好適な技法及びプロセスを使用することができる。また好ましくは、シリコンナノ粒子は、導電性布及び/又は該布を形成する導電性テキスタイル要素の少なくとも幾つかを封入し得る皮膜をもたらすように構成することができる。好ましくは、この特定の広範な形態の機能的文脈において、導電性(electrically−conductive)基材はおよそ50ミクロン(microns)未満の厚さを有し得る。
代替的に、他の実施の形態において、導電性基材は、天然又は合成のテキスタイル要素上に金属粒子を堆積させることによって形成される導電性テキスタイル要素を必ずしも含んでいなくてもよく、代わりに、金属塊から細長い金属テキスタイル要素を成形、引き抜き、プリング及び/又は押し出すことによって形成されていてもよいと考えられる。
(i)テキスタイル要素の表面を、負に帯電した高分子電解質で改質する工程と、
(ii)テキスタイル要素の改質された表面を金属粒子で被覆する工程と、
を含む、導電性テキスタイル要素を製造する方法を提供する。
テキスタイル要素の表面を、負に帯電した高分子電解質で改質する装置と、
テキスタイル要素の改質された表面を金属粒子で被覆する被覆装置と、
を備える、導電性テキスタイル要素を製造する装置を提供する。
シリコンナノ粒子は例えば、金属粒子の皮膜によって形成される導電性テキスタイル要素の表面構造における凹部、ポケット及び欠陥を埋め、及び/又はこれらの内部に捕捉され得る。さらに、導電性布を形成する複数の導電性テキスタイル要素は、例えば複数の導電性テキスタイル要素を編み込むことによって、複合テキスタイル要素(例えば糸、スレッド等)を形成するように構成することができ、布の複合導電性テキスタイル要素上に堆積するシリコンナノ粒子が、各々別個のテキスタイル要素の表面構造のポケット内に収容及び/又は捕捉されていてもよく、また、編み込んだテキスタイル要素の表面構造間に捕捉及び/又は絡んでいてもよい。
例えば、他の実施の形態に記載される所望の表面構造特徴を生じさせるように、天然又は合成のテキスタイル要素上を金属粒子で被覆するとともに、金属粒子の皮膜を適切に加工処理するプロセス中に、導電性テキスタイル要素上にかかる表面構造を形成するには、任意の好適な技法及びプロセスを使用することができる。また好ましくは、シリコンナノ粒子は、導電性布及び/又は該布を形成する導電性テキスタイル要素の少なくとも幾つかを封入し得る皮膜をもたらすように構成することができる。好ましくは、導電性基材はおよそ100ミクロン未満の厚さを有し得る。
(i)テキスタイル要素の表面を、負に帯電した高分子電解質で改質することと、
(ii)テキスタイル要素の改質された表面を金属粒子で被覆することと、
によって形成することができる。
本織り上げプロセスには問題も欠点も見られない。織った後、布を5cm×15cmの切片に切断し、図7Dに示されるように四辺をかがり縫いし、続いて、以下の洗浄条件下における、試験規格AATCC試験法61−試験番号2A:(家庭及び商業)洗濯に対する色堅牢度:(機械洗浄)促進型(図7E)に従って一連の洗浄サイクルを施す。
したがって、洗浄サイクルを繰り返すと、シート抵抗が増大するにもかかわらず、図9におけるSEM画像は、綿繊維表面上における銅金属粒子の比較的強力な付着を裏づけている。
これに関して、本発明の実施形態に従って作製される、例示的なPAANaを補って銅で被覆された糸は、図11Aにおける(400)によって表され、本発明の実施形態に従って作製される、例示的なPAANaを補ってニッケルで被覆された絹糸は、図11Bにおける(500)によって表され、本発明の実施形態に従って作製される、例示的なPAANaを補って銅で被覆されたナイロン糸は、図12Aにおける(600)によって表され、本発明の実施形態に従って作製される、例示的なPAANaを補って銅で被覆されたナイロン糸から形成されるポリエステル布は、図12Bにおける(700)によって表される。
特に、テキスタイル基材への導電性金属の付着は、負に帯電した高分子電解質PMANa又はPAANaの層のこのような表面改質により大きく改善させることができる。ここで、かかる導電性テキスタイルの電気的性能は、摩擦、伸縮及び洗浄の繰返しサイクルを受けても、より高い信頼性、頑強性及び耐久性を示し得る。また、負に帯電した高分子電解質を調製するのに使用されるin−situフリーラジカル重合法は、強い化学薬品を一切用いることなく周囲条件及び水性条件下で実施することができる。
合金は、およそ53%(原子百分率)のシリコン及び47%のマグネシウムの割合で形成される。合金を形成するのにより低いパーセンテージのシリコンを使用してもよいが、プロセスの効率は、進行するにつれて著しく低くなることが観察される。しかしながら、この比率は、最終的なナノシリコンのサイズを制御するのに使用することができる。他の実施形態では、亜鉛、又はマグネシウムと亜鉛との両者の組合せも、合金化用金属として使用することができる。これは、両状況ともに、これらの合金化金属が蒸留可能であるためである。合金は、形成される際、典型的にインゴット(ingot)の形態をとると考えられる。
このような制御媒体を提供するために、粉砕チャンバは例えば、不活性ガス、油、ディーゼル若しくは灯油、無水エタノール(すなわち、あらゆる有機油/界面活性剤/溶媒)、N−メチル−2−ピロリドン(「NMP」)、他の好適な有機溶媒、又はそれらの組合せで充填することで、起こる酸化のリスクが軽減され得る。純度が相対的にソーラー目的のものである、本実施形態に従って作製されるシリコンナノ粒子が、ソーラーパネル等の用途に使用される場合、粉砕媒体として粉砕チャンバを充填するのに油は使用しないことに留意されたい。代わりに、粉砕媒体は真空か、アルゴンガスで充填されるか、又は無水エタノールで充填される。
好ましくは、粉砕チャンバから蒸留チャンバへの合金ナノ粒子粉末の移行中に、無水エタノールが保護媒体として作用するため、無水エタノールを便宜的に使用することができる。蒸留チャンバでは続いて、合金ナノ粒子が蒸留を受けて、合金ナノ粒子から合金化用金属(複数の場合もある)が除去される。
蒸留プロセスは、合金ナノ粒子を真空炉内へ移送することによって実施される。粉砕チャンバを粉砕媒体として油で充填して、合金インゴットを粉砕チャンバ内でボールミル粉砕した場合、粉砕チャンバから真空炉内へと合金ナノ粒子とともに移送した油が初めにおよそ約460℃の温度で蒸発するか、又は「燃焼」(burnt)する。合金ナノ粒子から合金化用金属を蒸留するために、真空炉内の温度をその後、6Paの真空でおよそ760℃付近まで上げる。真空チャンバ内の温度変化は、得られるナノ粒子の表面積を増大させるのに役立ち得る。該表面積の増大は、太陽電池用途、及びバッテリー用のアノード材料又はカソード材料を提供するのにシリコンナノ粒子を使用する用途の両方において有用であるといえる。
真空炉内燃焼工程を実施した後に得られるシリコンナノ粒子は、マグネシウムとSiとの質量及び重量の差に起因して、およそ直径50nm〜150nmの範囲を有する。或る特定の実施形態では、蒸留に続けて更なる任意の工程を行ってもよく、該工程では、シリコンナノ粒子を制御環境における更なる粉砕プロセスに付して、ナノシリコン粒子によって構成される多孔質構造をばらばらにすることができる。好ましくは、制御環境は、粉砕チャンバを無水エタノールで充填することを含むことができる。或る特定の実施形態では、本工程が、同じサイズになるようにインゴットを加工処理することで、蒸留の質の変動が解消される点で異なる。
蒸留工程は、シリコンナノ粒子内に細孔を有利に作り出し、合金中において種々のパーセンテージのMg又はZn(例として、蒸留可能な金属)を使用することによって、SEM及びBETの画像/データ図によって例示されるように、作製される最終ナノ粒子の多孔度を制御することが可能となる。シリコンナノ粒子の表面におけるこれらの細孔は、バッテリーデバイスのアノード材料又はカソード材料を形成するのにシリコンナノ粒子を使用する用途において特に有用とすることができる。
すなわち、これらの細孔は、バッテリーの充電及び放電中のアノード材料又はカソード材料の膨張を軽減するのに役立ち得る。シリコンナノ粒子の表面上に細孔を制御可能に作製する性能も、かかる細孔の存在が付加的な剛性を、かかるナノ粒子から形成されるアノード構造体又はカソード構造体にもたらす点で有益である。これは、I型鋼が、その構造に起因して鋼の規則性ブロックよりも比較的大きな構造剛性をもたらす手段に類似している。
このプロセスによって、およそ直径約50nm〜150nmの範囲のシリコンナノ粒子が作製され、この粒子を、例えばバッテリーのアノード材料又はカソード材料としての用途において利用することができる。かかるアノード材料又はカソード材料は、シリコンナノ粒子が上を被覆しているか、若しくはそうでなければ、結合している可撓性布を含んでいてもよく、又は従来の炭素系アノードと混合するものであってもよい。
感光性要素のn型層、及び連続的に連結するp型層は、光子(1130)の形態の太陽エネルギーが感光性要素のn型層に当たると、光子のエネルギーによって、より低いp型層において電子が解放され、その後、電子が接合領域をn型層へと横断して、感光性要素のp層とn層との間に外部電気回路を形成する負荷素子を通って流れ得るように構成される。導電性端子(1100、1110)もn型層及びp型層上に配され、これに負荷素子(1120)が連結して、n型層とp型層との間に外部電気回路が形成され得る。或る特定の実施形態では、導電性端子(1100、1110)がアルミニウム層を備えていてもよい。
さらに、シリコンナノ粒子は、導電性テキスタイル要素の表面構造を封入することができる。図19は、導電性繊維(1401)から形成される布層を、布層上に堆積するシリコンナノ粒子の塊(1400)で封入し得る様式の一例を示している。図20は、布層の構造体上に堆積するシリコンナノ粒子を、織り合わせて布層を形成する2つの異なる種類の導電性テキスタイル繊維(1501、1502)の構造内に絡ませ得る様式の一例を更に示している。図21は、2つの異なるテキスタイルスレッド構造体を、螺旋型(helical type)構造を形成するように構成させ得る様式の例を更に示しており、ここで、上に堆積するシリコンナノ粒子は便宜的に、該構造を封入し、及び/又は構造内に絡んでいてもよい。
図22は、互いに巻き付いて第1の複合スレッド(1701)を形成する様々な直径のテキスタイル要素、互いに巻き付いて第2の複合スレッド(1702)を形成する様々な直径のテキスタイル要素、並びに、互いの周りに編み込んで螺旋型の構成を形成するように更に構成される第1の複合スレッド及び第2の複合スレッド(1701、1702)のクローズアップにおいて更なる例を示している。シリコンナノ粒子は便宜的に、個々の複合スレッド(1701、1702)の構造体自体内に絡んでいてもよく若しくはそれを封入するものであってもよく、又は、第1の複合スレッド及び第2の複合スレッド(1701、1702)を含む螺旋型の構成全体内に絡んでいてもよく若しくはそれを封入するものであってもよい。
本例に戻ると、導電性の第1の布層及び第2の布層の導電性糸の銅の皮膜が、樹状構造(例えば、図5のSEM画像「F」で示されるもの等)を含み得ることにより、第1の布層及び第2の布層上に堆積するシリコンナノ粒子は便宜的に樹状構造の「ポケット」内に留まり得る。図24及び図25は、導電性基材(例えば布層)を形成するのに使用することができる導電性テキスタイル要素(例えば繊維又はスレッド)のSEM画像を更に示しており、該導電性テキスタイル要素が「ポケット」をそれぞれ有する樹状型表面及び格子型の銅で被覆された表面構造を含むことが見てとれ、該「ポケット」内で、表面上に堆積するシリコンナノ粒子を捕捉/絡めることができる。
便宜的に、銅で被覆された第1の導電性布層及び第2の導電性布層は、n型層及びp型層(1210、1220)の形成のための可撓性構造を提供するだけでなく、付加的な導電性端子、薄膜又は接点を、n型層及びp型層(1210、1220)上に作製することを必要とすることなく、n型層及びp型層(1210、1220)の導電性端子としての二重機能ももたらし得る。n型層及びp型層(1210、1220)の表面に隣接して保護層を形成することで、これらの層を損傷から保護することができる。
n型層に隣接して形成される保護層が、適切に可撓性の透明材料、例えばエチレン−酢酸ビニル(EVA)型の材料等から形成された結果、これは、光子が感光性要素と接触することを制限しない。n型層又はp型層に隣接して形成される任意の保護層の寸法及び特性は、これらの層に入射し得る光の作用スペクトルを含まないように適切に選択されると考えられる。
本実施形態では、初めに、太陽電池の感光性要素のp型層(1340)を形成するように、布層をソーラーグレード純度のp型シリコンナノ粒子で被覆する。その後、p型層(1340)の第1の表面上に、n型シリコンナノ粒子を印刷又は被覆して、感光性要素のn型層(1330)を形成する。その後、n型層(1330)を、透明な導電性酸化物層(1320)とp型層(1340)との間に挟むように、透明な導電性酸化物層(1320)を、n型層(1330)の表面上に形成する。透明な導電性酸化物層(1320)は、n型層(1330)の導電性端子として作用する一方、導電性布は、p型層(1340)の導電性端子として作用する。
負荷装置(load device)は、これらの2つの導電性端子間に接続される場合に、外部電気回路を形成し、これを通じて、感光性要素に光子が当たると、電流がn型層とp型層(1330、1340)との間に流れ得る。また、EVAから形成される透明な保護層(1310)を、示されるように透明な導電性酸化物層(1320)上に形成することで、酸化物層が損傷から保護される。図18に示されるように保護層(1350)も、p型層(1340)上に同様に形成される。
第1の導電性端子は、正孔ドナー要素として機能するように構成される、シリコンナノ粒子が上に配される導電性基材を備え、第2の導電性端子は、電流発生モジュールの電子ドナー要素として機能するように構成される、シリコンナノ粒子が上に配される導電性基材を備える。太陽エネルギーに曝されることにより励起される場合、シリコンナノ粒子が上に配される第1の導電性端子及び第2の導電性端子がそれぞれ、太陽電池デバイスの電流の発生用の正孔ドナー及び電子ドナーとして適切に機能するように構成される。
銅粒子は、例えば本明細書に記載の実施形態プロセスのいずれかに従って布上に被覆される。銅粒子は、布が形成された後、布を形成する織られたテキスタイル要素上に直接被覆してもよいことが理解されよう。しかしながら、銅粒子は、テキスタイル要素を織ることによって又は任意の他の好適な布形成法によって布に形成される前に、テキスタイル要素(糸、繊維等)上に被覆してもよい。シリコンナノ粒子は、布の導電性テキスタイル要素の表面構造上に堆積する結果、シリコンナノ粒子が布の表面構造を封入し、及び/又は布の糸内に絡みつく。布上へのシリコンナノ粒子の堆積中、布上へのシリコンナノ粒子の堆積を促そうとする上で超音波ビームを利用してもよく、これにより、シリコンナノ粒子が、ポケット又はテキスタイル要素の表面構造に形成される他の凹部内に捕捉される。有益なことに、銅で被覆された布上へのシリコンナノ粒子の堆積のパーセンテージが高いほど、アノード要素のエネルギー貯蔵容量は大きくなる。
また、シリコンナノ粒子が、図22及び図23に示されるように、布基材の導電性テキスタイルの表面構造を封入し、該表面構造内及び/又は該表面構造間に入り込み、絡みつくことから、これは、バッテリーの充電中にシリコンの膨張に起因する損傷を軽減する。例えば、シリコンナノ粒子の皮膜における亀裂が軽減されることにより、湿分が浸透することによるアノードの封入した導電性テキスタイル要素の損傷が起きにくくなる。
(a)既存の技術において現在入手可能な或る特定の技術及びプロセスと比較して、比較的単純で好都合かつ拡張可能なプロセスが、ソーラーグレードシリコンナノ粒子を作製する或る特定の実施形態によって提供され得る;
(b)或る特定の技術と比較して、その結果として、シリコンナノ粒子を含む太陽電池及びバッテリーのアノード材料等のデバイスを製造するコストがそれ故削減され得る、比較的対費用効果が良く、かつ拡張可能なプロセスが、ソーラーグレードシリコンナノ粒子を作製する或る特定の実施形態によって提供され得る;
(c)ナノシリコン粒子を作製する実施形態のプロセスでは、蒸留工程が、プロセス工程を実施する順番に応じて粒子又はインゴット内に細孔を有利に作り出す、すなわち、
シーケンス1
(i)シリコン原料を(蒸留可能な)合金化用金属と混ぜて合金インゴットにする;
(ii)インゴットを加工処理(例えばインゴットをボールミル粉砕)して、約100nm〜150nmの合金ナノ粒子とする;
(iii)合金(alloy)ナノ粒子から合金化用(alloying)金属を蒸留して、シリコンナノ粒子を作製する;及び、
(iv)シリコンナノ粒子を更にボールミル粉砕して、シリコンナノ粒子の表面における多孔質構造をばらばらにする;
又は、
シーケンス2
(i)シリコン原料を少なくとも1種の合金化用金属と混ぜて合金インゴットとする;
(ii)合金インゴットを蒸留して、多孔質シリコンインゴットを作製する;及び、
(iii)多孔質シリコンインゴットを加工処理して、シリコンナノ粒子を作製する。
なお、合金中において種々のパーセンテージのMg又はZn(蒸留可能な金属)を使用することによって、SEM及びBETの画像/データ図によって例示されるように、作製される最終ナノ粒子の多孔度を制御することが可能となる。これらの細孔は、シリコンナノ粒子がバッテリーのアノード材料として使用される場合に、例えばバッテリーの充電及び放電中の膨張を軽減するため、特に有用とすることができる。
シリコンナノ粒子の表面上に細孔を制御可能に作製する性能も、かかる細孔の存在が付加的な剛性を、かかるナノ粒子から形成されるアノード構造体にもたらす点で有益である。これは、I型鋼が、その構造に起因して鋼の規則性ブロックよりも比較的大きな構造剛性をもたらす手段に類似している。
(d)シリコンナノ粒子によって被覆される導電性テキスタイル要素を含む導電性基材は、便宜的に折り畳め、巻き取られ及び/又は積層することができる新規部品の可撓性、小型化及び軽量化に起因して、耐衝撃性、貯蔵、運搬、設置及び交換の容易さを改善し得る太陽電池デバイスにおける新規部品として利用することができる;並びに、
(e)シリコンナノ粒子によって被覆される導電性テキスタイル要素を含む導電性基材は、充電式バッテリーデバイスの新規アノード要素として利用することができる。便宜的に、シリコンナノ粒子は、導電性基材の表面構造のポケット、空間及び欠陥を埋め、これらの内部に捕捉されていてもよく、また、導電性基材の隣接するテキスタイル要素の表面構造間に捕捉されていてもよい。
シリコンナノ粒子が導電性テキスタイル要素の表面構造を埋め、また該表面構造内に捕捉される性能は、より多量のシリコンをアノード要素に供することを可能にすることによって、バッテリーのエネルギー貯蔵容量を改善させる。また、シリコンナノ粒子による導電性テキスタイル要素の封入様式のおかげで、バッテリーの充電中におけるシリコンナノ粒子の膨張に関連する問題(亀裂等)を軽減することができる。アノード要素におけるシリコンの量を低減しようとしておらず、故に、バッテリーの潜在的な貯蔵容量を損なわないことから、この解決策は既存のアプローチとは反対の教示をしており、またこの解決策は、シリコンの膨張を軽減するようにバッテリーを一部までしか充電しないものではなく、故に、バッテリーの潜在的な貯蔵容量の非効率的な使用法を助長することもない。
Claims (3)
- シリコン原料から、リチウムイオン充電式バッテリーのアノード材料の形成に使用する為の多孔質シリコンナノ粒子を製造する方法であって、
(i)前記シリコン原料を、亜鉛及びマグネシウムの少なくとも一方を含む蒸留可能な合金化用金属と混ぜて、合金にする工程と、
(ii)その後、前記合金を粉砕して、100nm〜150nmの直径を有する合金ナノ粒子を形成する工程と、
(iii)その後、多孔質シリコンインゴットが製造されるように、前記合金ナノ粒子から、前記合金化用金属を蒸留する工程と、
(iv)その後、更に、前記多孔質シリコンインゴットを不活性環境において粉砕して、前記多孔質シリコンインゴットをばらばらにして、シリコンナノ粒子を製造する工程とを含み、
前記工程(ii)において前記粉砕は前記合金の酸化を軽減する不活性環境において行われるものであり、
前記工程(iii)において前記蒸留は真空炉内で行われるものであり、
前記製造されるシリコンナノ粒子の多孔度を制御するように、前記合金中の前記合金化用金属の含有量は、制御可能に、種々の含有量である、方法。 - 工程(ii)が、前記合金をボールミル粉砕して、前記合金ナノ粒子を形成することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記不活性環境が粉砕チャンバを含み、そのチャンバ内にて、前記合金が、該粉砕チャンバ内に配される不活性ガス、油、ディーゼル、灯油及び無水エタノール充填剤の少なくとも1種とともにボールミル粉砕される、請求項1又は2に記載の方法。
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