JP6970617B2 - ケイ素：ケイ酸リチウムの複合材母材中にナノケイ素粒子を埋込んだケイ素−酸化ケイ素−リチウムの複合材料、及びその製造工程、及びバッテリ二次セル負電極製造工程でのその使用、及びリチウムイオンバッテリセル - Google Patents

ケイ素：ケイ酸リチウムの複合材母材中にナノケイ素粒子を埋込んだケイ素−酸化ケイ素−リチウムの複合材料、及びその製造工程、及びバッテリ二次セル負電極製造工程でのその使用、及びリチウムイオンバッテリセル Download PDF

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本開示の態様は、ケイ素：ケイ酸リチウムの複合材(Ｓｉ：ＬＳＣ）母材中にナノケイ素粒子を埋込んだケイ素−酸化ケイ素−ケイ酸リチウムの複合材(ＳＳＬＣ）系材料、及びその調製工程に関する。このＳＳＬＣ系材料は、リチウムイオンバッテリセル等の非水電解質バッテリセル用の負電極(負電極は従来、バッテリ放電中にバッテリまたはバッテリセルの負端子に対応）の活性材料として有用である。
モバイル機器及び電気自動車の急速な開発及び市場成長により、リチウムイオンバッテリ等の低コストで小型、軽量、高エネルギー密度の二次バッテリに対する強い需要がもたらされた。高エネルギー密度の二次バッテリ開発では、陰極材料が陽極材料よりも呈する容量が低いことから、陰極材料技術がよく認識された障害となっている。しかし、陰極材料の容量改良は漸進的だが、陽極容量は従来の黒鉛から非炭素系陽極材料に移行することによりしばしば改良可能である。このため、所与の種類の市販陰極材料の技術を用いてバッテリを作製したとき、より高容量の陽極が市販二次バッテリのエネルギー密度を顕著に、例えば最大２５％だけ、増大可能であることから、高容量陽極の材料の生成に甚大な開発努力がなされてきた。
ケイ素(Ｓｉ）は、バッテリセル陽極材料として高い理論容量(例えば、最大３７５０〜４２００ｍＡｈ／ｇ）を呈し、かつ半導体産業でのその広範な用途の結果として容易に入手可能な豊富で安価な元素であるため、リチウムイオン(Ｌｉ＋）バッテリ用の陽極材料として研究されてきた。ケイ素の電気化学的リチウム化及び脱リチウムは一般に以下のように表し得る。
Figure 0006970617
陽極材料としてのケイ素の使用に関して、この高い理論容量は黒鉛陽極材料と比較してセルのエネルギー密度及び特有のエネルギーの顕著な理論的増大をもたらす。
純粋ケイ素陽極は、ナノ薄Ｓｉ膜を導電性黒鉛／炭素上に被覆したとき、またはナノサイズＳｉをナノ特徴の金属製電流コレクタで複合化したとき、優れたサイクル性能を示す。ケイ素製ナノワイヤ及びケイ素ナノ粒子もまた、共に使用した種々の高分子結合剤の特質に応じて良好なサイクル性能を示す。しかし、これらのナノ構造のケイ素陽極は極低荷電密度でも良好に機能する。バッテリセルのエネルギー密度を増大させるためには、陽極の荷電密度を増大させる。このことは、リチウムイオンセル中の不活性成分に対するより高い重量比の活性材料を用いて陽極を含浸させること意味する。しかし、荷電密度の増大に伴い、初期サイクル後に電極が崩壊してサイクル性能は劣化する。
あいにく、ケイ素陽極もまた、大きい第１サイクル容量の損失、サイクル中の副反応、及びバッテリセル充電−放電またはリチウム化−脱リチウムのサイクル中の極めて大きい体積変化(例えば、最大３００〜４００％）を呈する。この体積変化に関して、リチウムイオンバッテリサイクル中に、Ｓｉ陽極はＳｉ原子当たり４．４Ｌｉ原子のインタカレーション(即ち、可逆挿入）によりリチウム化される。この極めて大きい体積変化は力学的破損及び容量衰退をもたらすことになる。
酸化ケイ素(ＳｉＯｘ）は、特にこの材料が純粋ケイ素の陽極材料と比較して第１サイクル後にはるかに少ない体積変化しか示さないことから、リチウムイオンバッテリ用の陽極材料としての使用に研究されてきた。ＳｉＯｘは、非特許文献１に記載されているように、元のＳｉＯｘ材料のエネルギー処理時に形成されるナノサイズのＳｉ相及びＳｉＯ２相の均一混合物と考えられる。ＳｉＯ２に対するＳｉのモル比が１であるとき、その体積比は０．５である。このことは、ＳｉＯｘ材料組織ではナノケイ素粒子がＳｉＯ２母材中に埋込まれていることを示唆している。
ＳｉＯｘの導電率は低く、ＳｉＯｘのリチウム化時にこの導電率は減少する。この乏しい導電率はサイクル中のＳｉＯｘの利用減少に貢献する。ＳｉＯｘの導電率は、特許文献１に記載されているように、高エネルギー式力学的粉砕を使用して黒鉛でＳｉＯｘ(０．８＜ｘ＜１．５）を力学的に粉砕することにより；または特許文献２に記載されているように、熱化学蒸着法(ＣＶＤ）を使用してＳｉＯｘ粒子を均一炭素層で被覆することにより向上可能である。これらの技法では、充電−放電の容量を首尾よく増大させるが十分なサイクル性能を提供し得ないため、高エネルギー密度のバッテリに対する市場要件に合致しない。したがって、そのような技法は、サイクル性能の更なる改良が不可欠であり、市場での市販製品の生産には成功裏に利用されてない。
ＳｉＯｘ系陽極の別の電気化学特質上の問題は、特許文献３に記載されているように、第１充電／放電サイクル時の不可逆容量の実務的レベルを下まわる高損失である。特許文献４に示されているように、ＳｉＯｘ陽極材料の不可逆容量の損失はＳｉＯｘ材料の前期リチウム化によって低減させ得る。
特許文献４及び特許文献５は、以下のリチウム及びＳｉＯの間の反応をそれぞれ示している：
Figure 0006970617
この化学反応はケイ酸リチウム(Ｌｉ４ＳｉＯ４）及びケイ素を主に形成している。前述のＳｉＯｘ内のナノサイズのＳｉ及びＳｉＯ２の混合物に鑑みて、リチウム及びＳｉＯｘの間の反応は以下のように表し得る：
Figure 0006970617
一部の研究グループは、ケイ酸リチウムが反応条件に応じてＬｉ４ＳｉＯ４、Ｌｉ２Ｏ、及びＬｉ２ＳｉＯ３からなることを示唆する。主要成分はＬｉ４ＳｉＯ４であり得る。ＳｉＯｘ構造中のＬｉ及びＳｉＯ２母材の不可逆的化学反応はまた、ある特定の量のリチウムシリサイド(ＬｉｙＳｉ）を形成する。
ＳｉＯの初回のリチウム化中、ＳｉＯ２相はＬｉ４ＳｉＯ４及びＬｉｙＳｉの混合物に不可逆的に変化したときその体積が２倍に増大する。脱リチウム中、Ｌｉ４ＳｉＯ４は相変わらずＬｉ４ＳｉＯ４のままであるがＬｉｙＳｉはケイ素になる。結果として、Ｓｉ：ＬＳＣ(Ｓｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４）は多孔質となり、Ｌｉ４ＳｉＯ４の塑性変形によりＬｉｙＳｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４からＳｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４への体積変化は最小化され得る。このため、ＳｉＯｘ系陽極粒子の体積変化は初回のサイクル後は純粋ケイ素の陽極粒子のものよりはるかに小さい。加えて、ＳｉＯｘ系陽極は一般に、両者が微小サイズである条件下で、初回のサイクル後は純粋Ｓｉ系陽極と比較してはるかに良好なサイクル性能を示す。
特許文献４は、高エネルギー式ボールミル粉砕工程によって活性リチウム粉末を用いたＳｉＯｘ粉末の粉砕によるＳｉＯｘの前期リチウム化を教示する。この前期リチウム化では不可逆容量の損失を３５％から１５％に首尾よく低減し得る。しかし、特許文献４はまた、この前期リチウム化工程の結果として可逆容量が８００〜９００ｍＡｈ／ｇに過ぎないが、黒鉛で被覆したほとんどのＳｉＯｘ陽極は1４００〜７００ｍＡｈ／ｇの可逆容量を示すことを示唆している。あいにく、特許文献４の工程により得られる結果は、市販の陽極材料に必要な特性を満たすには十分でない。初回サイクルでのより低い不可逆容量損失及び向上させたサイクル性能が依然として必要とされている。
米国特許第６６３８６６２号明細書 特開２００２−０４２８０６号明細書 米国特許第５３９５８１１号明細書 米国特許第７７７６４７３号明細書 米国特許第８２３１８１０号明細書
Ｋ．Ｓｃｈｕｌｍｅｉｓｔｅｒ ａｎｄ Ｗ．Ｍａｄｅｒ、「ＴＥＭ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆ ａｍｐｏｒｐｈｏｕｓ ｓｉｌｉｃｏｎ ｍｏｎｏｘｉｄｅ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｏｌｉｄｓ ３２０（２００３）、ｐｐ．１４３−１５０。
前述に加えて、陽極材料の前期リチウム化は不可逆的容量の損失を低減可能であるが、前期リチウム化陽極材料はその中の高反応性で化学的に不安定なリチウムの存在のために不必要に高い化学反応性を有する。この高い化学反応性は、従来型のバッテリ製造工程中での前期リチウム化陽極材料の取扱い及び処理を困難にするか、または前期リチウム化陽極材料を従来型のバッテリ製造工程に対応し得なくし得る。例えば、前期リチウム化陽極材料がバッテリ製造工程で通常出会う溶媒、結合剤、熱処理条件及び／または周囲環境に対応し得ない可能性もある。この問題を克服する必要性もまた存在する。
本開示では、特定の図またはそれに対応する記載事項のその言及内容の中の所与の元素または特定の元素番号の検討または使用の表現は、別の図またはそれと関連付けられた記載事項の中で特定される同一、均等、もしくは類似の元素または元素番号を包含し得る。図中の「／」の使用またはそれに関連した本文説明は、他に示唆しない限り「及び／または」を意味するように理解するものとする。本明細書中の特定の数値または数値範囲の詳述は、概算の数値または数値範囲、例えば、検討下の特定の数値または数値範囲の＋／−１０％、＋／−５％、＋／−２５％、または＋／−１％以内等、を含むかまたはその詳述であるように理解するものとする。
上述のように、高容量の酸化ケイ素系陽極は純粋ケイ素系陽極と比較してより高い荷電密度で優れたサイクル性能を提供するが、酸化ケイ素系陽極は初期効率が低い難点がある。不可逆的容量の損失は特許文献４の開示による方法で低減し得るが、本願の発明者等は、固体材料(即ち、固体酸化ケイ素粉末及び金属リチウム粉末）をボールミル粉砕することにより遂行する特許文献４の教示による前期リチウム化では、不完全で不均一なリチウム化しかもたらされないことを見出した。即ち、特許文献４の開示による方法での固体材料のボールミル粉砕ではＳｉＯｘの完全で均一な前期リチウム化は達成困難である。
特許文献４は、固体ＳｉＯｘ中への金属リチウムの拡散速度が低いためにＳｉＯｘ中への金属リチウムの均一な進入が困難になることを開示している。更に、ＳｉＯｘ中への拡散に利用可能なより高い濃度のリチウムを場合によって提供するためのボールミル粉砕中のより多量の金属リチウム粉末の使用は、ボールミル粉砕工程中の分解物除去の必要性と共に、高反応性のリチウムによる安全性懸念の観点から実現可能ではない。特許文献４は、追加量のリチウムが酸素に対するリチウムの２以下の原子比(即ち、Ｌｉ／Ｏ＜２）を提供するように、少制御量のリチウム粉末の使用を教示する。特許文献４は更に、ボールミル粉砕によるＳｉＯｘの金属リチウムとの反応後に、有機リチウム化合物(例えば、アルキルリチウムまたはアリルリチウム）を追加してリチウム不足を補償し得ることを教示している。しかしながら、有機リチウム化合物(ブチルリチウム）のそうした追加の場合にも、特許文献４による教示の前期リチウム化工程は、1４００〜１７００ｍＡｈ／ｇの可逆容量を呈する従来型炭素被覆ＳｉＯｘ陽極とは対照的に、商業的に受容不能な８００〜９００ｍＡｈ／ｇの低い可逆容量しかもたらさない。
特許文献４に開示された前期リチウム化工程ではリチウムシリサイドの形成を回避し得ない。特許文献４の工程により得られる８００〜９００ｍＡｈ／ｇの低い可逆容量は、この工程の遂行後にリチウムシリサイドが生成粒子表面に残存して粒子が空気に曝されると酸化して導電率を低下させ得ることを示唆する。加えて、粒子表面に残存するリチウムシリサイドは、高分子結合剤またはＮ−メチルピロリドン(ＮＭＰ）との反応により電極用スラリ混合物のゲル化を生じることにもなる。
上述のように、前期リチウム化陽極材料はその中に含有するリチウムにより不必要に高い化学反応性を有するため、前期リチウム化陽極材料を従来型のバッテリ製造工程に使用したとき取扱い上の困難さまたは対応不能性の問題をもたらし得る。
本開示による実施形態は、多孔質で塑性変形可能な、ケイ素：ケイ酸リチウムの複合材(Ｓｉ：ＬＳＣ）母材中に非晶質及び／または結晶質ナノケイ素粒子を埋込んだ完全脱リチウム型のケイ素−酸化ケイ素−リチウムの複合材(ＳＳＬＣ）微粒子状材料またはＳＳＬＣ系微粒子状材料を対象とする。種々の実施形態中、ＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料は約１〜１０μｍの平均粒径を有し；Ｓｉ：ＬＳＣ母材は１０〜２００ｎｍの粒子または粒径を有し；かつその母材中に埋込んだナノケイ素粒子は約０．５〜１５０ｎｍ(例えば、０．５〜８０ｎｍ、または０．５〜５０ｎｍ）の粒子または粒径を有する。
本開示による実施形態は、ＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料の生成または製造工程を同様に対象とし、この生成または製造工程は、ＳｉＯｘの完全または本質的に完全で均一な前期リチウム化及びその中に均一に分布したリチウムシリサイドを有するＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料の生成を含む第１の部分工程；ならびにこれに続くＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料の完全または本質的に完全な脱リチウムを含む第２の部分工程を含む。脱リチウム型ＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料は、その中のリチウム欠如の結果としてバッテリ製造工程(例えば、従来型のバッテリ製造工程）での使用に好適である。本開示による実施形態は、バッテリセルまたはバッテリの生産または製造での脱リチウム型ＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料の使用；及び脱リチウム型ＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料で作製されたバッテリセル陽極をも更に対象とする。
そのようなＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料は、リチウムイオンバッテリセル等の非水電解質バッテリセル用の負電極活性材料として使用したときに多数の利点を有する。多孔質で既に塑性変形可能なＳｉ：ＬＳＣ母材は、充電及び放電工程中にＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料のリチウム化／脱リチウムと関連付けられた如何なる体積変化も大幅に低減させるかまたは最小化する。リチウムイオンバッテリセルに負電極活性材料として使用したとき、本開示の実施形態によるＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料は、リチウム化(充電）及び脱リチウム(放電）の間に約７〜３５％(例えば、平均で約１５〜３５％、または約１０〜２０％）の体積変化を呈し得る。これは極めて好都合なことに、リチウム化中に陽極が許容不能な程大きい、例えば最大２００％の、体積変化を受ける、陽極としてのＳｉＯ２中のＳｉの従来の使用に匹敵する。
前述に鑑みれば、本開示の実施形態に従って本質的に完全にまたは完全に前期リチウム化させたＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料を生成したとき、そのような前期リチウム化ＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料は最大化した、本質的に最大、または最大の体積(またはこれに対応して、最大限の体積膨張）を呈するかまたは占有することになる。この本質的に完全にまたは完全に予リチウム化させたＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料をその後本質的に完全にまたは完全に(リチウムイオンバッテリ、バッテリセル、または陽極の製造工程中にその使用に先だって生じる）脱リチウムすると、最小化した、本質的に最小の、または最小の体積(またはこれに対応して、最大限の体積収縮）を呈するかまたは占有することになる。そのような本質的に完全にまたは完全に脱リチウムさせたＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料を陽極活性材料のリチウム化及び脱リチウムによってそれぞれバッテリセルの(再）充電及び放電に関してバッテリセル中の陽極活性材料として引き続き使用すると、ＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系陽極活性材料の体積変化は、前述の体積極値、例えば、前期リチウム化ＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料の最大体積及び脱リチウム型ＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料の最小体積、の間で概ね変動または推移することになる。
リチウムイオンバッテリセル中のＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系活性陽極材料の最大限の体積変化、推移、転換、または、揺らぎは、２００％等のはるかにまたは劇的により大きい体積変化というよりもむしろ１０〜３５％に制限されるため、このことは、（ａ）所与の目標または所定の大きさの陽極に対して、バッテリセル製造でのＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料の使用は顕著にまたははるかに大きいエネルギー密度／容量を有するバッテリセルをもたらし得ること；または（ｂ）顕著にまたははるかに少量のＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料をバッテリセル製造工程に使用して所与のエネルギー密度／容量用の陽極を生成してより高いエネルギー密度／容量のはるかに小型または薄型の陽極、したがって顕著にまたははるかに小型または薄型のバッテリセル、をもたらし得ること、のいずれかを意味する。例えば、本開示の実施形態によるＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料は、従来の黒鉛材料のものよりも大きい、約３００％のエネルギー密度を呈し得る。したがって、リチウムイオンバッテリセル中の陽極活性材料としてのＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料の使用は、（ｉ）所与の目標または所定サイズのバッテリセル陽極に対して、バッテリセルはその活性陽極材料として従来の黒鉛材料を使用したバッテリセルよりも概ねまたは約３００％大きい容量を有し得ること、もしくは(ｉｉ）所与の目標または所定の容量のバッテリセルに対して、バッテリセル陽極の大きさをその活性陽極材料として従来の黒鉛材料を使用したバッテリセル陽極のものに対して概ねまたは約１／３にし得ること、を意味する。
前述に加えて、当業者であれば、（再）充電及び放電の結果としてのバッテリセル全体の体積変化の程度または範囲がバッテリセル陽極の体積変化の程度よりも小さくなることを理解するであろう。特に、バッテリセル体積変化の全体的な程度はバッテリセル陰極厚さに対するバッテリセル陽極厚さに依存し；かつ陽極は陰極よりも通常または一般に顕著にまたははるかに薄厚である(例えば、陽極は陰極の約１／３程度の厚さであり得る）。しかも、陰極活性材料は通常、バッテリセルの（再）充電及び放電に関してより小さいまたははるかにより小さい体積変化しか呈さない。このため、本開示の実施形態によるＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料をその活性陽極材料として使用したバッテリセルの体積変化または体積の膨張及び収縮の全体的な程度は、約３％〜１０％(例えば、約５％〜８％）となり得る。
加えて、本開示の実施形態によるＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系陽極材料を含むリチウムイオンバッテリセルは、先行技術と比較して不可逆容量の損失が顕著に低減されて商業的要件に合致した、１５％未満(例えば,１２％未満、または１０％未満、または約８％〜１２％の範囲内）の可逆容量の損失を呈し得る。しかも、そのようなリチウムイオンバッテリセルは約１１００ｍＡｈ／ｇより大きい(例えば、１２００ｍＡｈ／ｇ以上の）可逆容量を呈し得る。最後に、陽極または陽極セルの製造工程でのその使用を容易にするために、ＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料は製造工程でのその使用に先だって脱リチウムされるのでその中に活性リチウムを含有しない(即ち、活性リチウムシリサイドからのリチウムが最終の生成時のＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料から取出されたようにＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料が脱リチウムされていたであろう）ため、バッテリ製造工程関連の取扱い上の問題または対応し得ない問題を引き起こすことがない。
本明細書中の開示中、ＳＳＬＣ系材料は、ＳｉＯｘを前期リチウム化に先だってまたはそれに関して導電率増強させたＳＳＬＣ材料と定義し得る。例えば、ＳＳＬＣ系材料は、以下に更に詳述するように、ＳｉＯｘの導電率を前期リチウム化に先だってまたはそれに関して黒鉛等の炭素系材料でＳｉＯｘを処理するかまたはこれと化合させることにより増強させた、ケイ素−酸化ケイ素−リチウム−炭素系またはケイ素−酸化ケイ素−リチウム−炭素系の複合材(ＳＳＬＣＣ）材料であり得る。簡潔化及び簡素化のために、以下の説明では、用語「ＳＳＬＣ材料」はＳＳＬＣＣ材料等のＳＳＬＣ系材料を包含するかまたはそれらを含むものとする。
本開示の態様によれば、ケイ素：酸化ケイ素：リチウムの複合材(ＳＳＬＣ）材料の生成工程は、前期リチウム化工程及び脱リチウム工程の遂行を含む。前期リチウム化工程は、前期リチウム化材料の生成をもたらし、かつ酸化ケイ素粉末及びリチウム粉末の粉砕を含む機械的混合手順によって部分的リチウム化ＳＳＬＣ材料を生成すること；及び自発的リチウム化手順によって更なる前期リチウム化ＳＳＬＣ材料を生成すること、を含み、自発的リチウム化手順は：部分的リチウム化ＳＳＬＣ材料の母材材料を圧縮すること；及び未反応リチウムが消失して均一なリチウムシリサイド組成がリチウムの拡散によりＳＳＬＣ材料中に達成されるまで、圧縮した部分的リチウム化ＳＳＬＣ材料をリチウム系電解質に曝すこと、自発的リチウム化手順では未反応リチウム及びＳｉＯｘの反応は部分的リチウム化ＳＳＬＣ材料中で完了する；を含む。脱リチウム工程は、前期リチウム化工程に続くもので、脱リチウム型ＳＳＬＣ材料生成をもたらす。脱リチウム工程は、圧縮した更なる前期リチウム化ＳＳＬＣ材料を液体担体媒体中で分散させることにより分散状前期リチウム化ＳＳＬＣ材料を生成すること；及び分散状前期リチウム化ＳＳＬＣ材料内のリチウムシリサイドの１種類以上の有機溶媒との反応が途絶えるまで、分散状前期リチウム化ＳＳＬＣ材料を大量の１種類以上の有機溶媒に曝すことにより分散状前期リチウム化ＳＳＬＣ材料内のリチウムシリサイドを１種類以上の有機溶媒と反応させて分散状前期リチウム化ＳＳＬＣ材料からリチウムを抽出すること、大量の１種類以上の有機溶媒は分散状前期リチウム化ＳＳＬＣ材料内のリチウムシリサイドとの反応に関してリザーバとして作用する、を含み、脱リチウム型ＳＳＬＣ材料は、その中にナノケイ素粒子を埋込んだ多孔質で塑性変形可能なＳｉ：ケイ酸リチウムの複合材(Ｓｉ：ＬＳＣ）母材を含む。
脱リチウム型ＳＳＬＣ材料は０．５重量％未満のリチウムシリサイド含有量を有し得る。脱リチウム型ＳＳＬＣ材料は1〜１０μｍの粒径を有し得、Ｓｉ：ＬＳＣ母材は１０〜２００ｎｍの粒径を呈し得、かつナノケイ素粒子は５〜１５０ｎｍ(例えば、５〜８０ｎｍ、または５〜５０ｎｍ）の粒径を有し得る。種々の実施形態で、脱リチウム型ＳＳＬＣ材料は３０％〜６０重量％のケイ素含有量、２５％〜４０重量％の酸素含有量、及び１０〜２０重量％のリチウム含有量を有する。脱リチウム型ＳＳＬＣ材料は約３７重量％のケイ素、約１８重量％のリチウム、及び約４３重量％の酸素の組成を有し得る。
液体担体媒体は非プロトン性溶媒を含み、１種類以上の有機溶媒はアルコールを含む。例えば、液体担体媒体はヘキサンを含み得、１種類以上の有機溶媒はエタノール、グリセロール、及び／またはポリビニルアルコール(ＰＶＡ）を含み得る。
酸化ケイ素粉末はＳｉＯｘ(０．８＜ｘ＜１．６）として特徴づけられ得る。機械的混合手順はリチウム粉末による酸化ケイ素粉末のボールミル粉砕を含み得、リチウム粉末はＳＬＭＰ（登録商標）を含み得る。
上記工程は前期リチウム化工程に先だって第１の導電率増強工程を遂行することを含み得る。第１の導電率増強工程は、炭素系材料で酸化ケイ素粉末をボールミル粉砕すること及び炭素系材料で酸化ケイ素粉末を被覆することの少なくとも一方を含む。これに加えてまたは替えて、上記工程は脱リチウム工程後に第２の導電率増強工程を遂行することを含み得る。第２の導電率増強工程は、炭素系材料で酸化ケイ素粉末をボールミル粉砕すること、及び炭素系材料で酸化ケイ素粉末を被覆することの少なくとも一方を含む。炭素系材料には、黒鉛、カーボンブラック、バッキーボール、炭素ナノチューブ、カーボンメガチューブ、及びカーボンナノバッズのうちの少なくとも１つを含み得る。
本開示の態様によれば、脱リチウム型ＳＳＬＣ材料は上述の工程により生成され、０．５重量％未満のリチウムシリサイド含有量を有する。
本開示の態様によれば、上述の工程により生成された０．５重量％未満のリチウムシリサイド含有量を有する脱リチウム型ＳＳＬＣ材料は、バッテリセル負電極製造工程に使用される。
本開示の態様によれば、リチウムイオンバッテリセルはその負電極活性材料としてＳＳＬＣ材料を有し、１５％未満(例えば、１２％未満、または１０％未満）の不可逆容量の損失を呈する。ＳＳＬＣ活性材料は上述の工程により生成され得る。リチウムイオンバッテリセルの陽極は、リチウムイオンバッテリセルの充電及び放電に関して１０〜３５％(例えば、１５〜２５％の平均体積変化、または２０％の平均体積変化）の体積変化を呈し得る。
本開示の実施形態によるＳＳＬＣ材料生成工程は簡素かつ確実な、商業的に拡張可能で費用効果的な工程を提供し、この工程より市場要件を満たす負電極材料として有用なＳＳＬＣ材料を生成し得る。ＳＳＬＣ材料は、リチウム化及び脱リチウムの結果としてより均一または均一ではるかに低減されたまたは最小の体積変化を呈しかつ従来型のＳｉＯｘ系陽極と比較して顕著にまたははるかに低減された不可逆容量損失を有するリチウムイオンバッテリ陽極を生成するために、負電極材料として使用し得る。ＳＳＬＣ材料はバッテリ製造工程でのその使用を容易にするために完全に脱リチウムされるため、ＳＳＬＣ材料は一般のバッテリ製造工程に関連した溶媒、結合剤、熱処理条件、及び／または周囲環境に対しても対応可能である。加えて、本開示の実施形態によって生成されたＳＳＬＣ材料を含有する電極スラリは、比較的多量のリチウムを使用してＳｉＯｘ粒子を前期リチウム化したときにも、有害なゲルを形成することなく良好な積層電極構造を形成し得る。
図１は本開示の実施形態によるケイ素−酸化ケイ素−リチウムの複合材(ＳＳＬＣ）材料組織、または組成物の代表的な生成または製造工程のフロー図である。 図２は本開示の実施形態による代表的な脱リチウム反応器の概略図である。 図３ＡはＳｉＯｘ(ｘ＝１）の代表的な微細構造特性の説明図であり、図３Ｂは本開示の実施形態により生成された前期リチウム化ＳＳＬＣの代表的な微細構造特性の説明図であり、図３Ｃは本開示の実施形態により生成された前期リチウム化ＳＳＬＣの代表的な微細構造特性の説明図である。
ＳＳＬＣ材料の代表的生成工程の概要
図１は、本開示の実施形態によりＳＳＬＣ材料、材料組織、または組成物の代表的な生成または製造工程１００のフロー図である。種々の代表的な実施形態では、ＳＳＬＣ材料生成工程１００は、前期リチウム化したＳＳＬＣ材料を生成する第１の部分工程１１０；この前期リチウム化したＳＳＬＣ材料を脱リチウムする第２の部分工程１２０；脱リチウム型ＳＳＬＣ材料を濾過、洗浄、及び乾燥する第３の部分工程１３０；場合によって、力学的または構造的な完全性または安定性を高めるために脱リチウム型ＳＳＬＣ材料を１種類以上の材料で被覆する第４の部分工程１４０；及び一般に、脱リチウム型ＳＳＬＣ材料または力学的安定化ＳＳＬＣ材料を炭素または炭素系材料で被覆またはこれと化合させて導電率を増強する第５の部分工程１５０を含む。ＳＳＬＣ材料生成工程１００の態様を以下に詳細に説明する。
第１の部分工程１１０では、第１のまたは最初の前期リチウム化手順１１２によって前期リチウム化ＳＳＬＣ材料を生成し、これに第２のまたは後続の前期リチウム化手順１１４が続く。第１の前期リチウム化手順１１２では、部分的にリチウム化したＳＳＬＣ材料を生成し、その後第２の前期リチウム化手順１１４で、先行技術と比較して顕著に増強された、実質上完全な、または完全な程度のリチウム化を呈するＳＳＬＣ材料を生成する。特に、第１の前期リチウム化手順では、粉末状ＳｉＯｘ及び／または導電率増強型ＳｉＯｘを金属リチウム、例えば安定化リチウム粉末(例えば、ＳＬＭＰ（登録商標）、ＦＭＣ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、Ｃｈａｒｌｏｔｔｅ、ＮＣ ＵＳＡ、ｗｗｗ．ｆｍｃｌｉｔｈｉｕｍ．ｃｏｍ）、と混合し、化合し、及び／または反応させて、粉末状の部分的にリチウム化したＳＳＬＣ材料を生成し得る。第１のまたは最初の前期リチウム化手順１１２は、本明細書に援用される特許文献４中の開示と同様、概ね類似、類似、実質上同一、本質的に同一、または同一であり得る。導電率増強型ＳｉＯｘは、当業者が容易に理解するように、従来の方法で１種類以上の炭素または炭素系材料、例えば黒鉛、カーボンブラック、グラフェン、バッキーボール、炭素ナノチューブ、カーボンメガチューブ、及び／またはカーボンナノバッズ等、でＳｉＯｘを処理し、被覆し、または化合させることによって第１の前期リチウム化手順１１２でのまたはその一部としての使用のために生成し得る。一部の実施形態では、導電率増強型ＳｉＯｘは１種類以上の炭素または炭素系材料でＳｉＯｘをボールミル粉砕することにより生成されるが、この導電率増強型ＳｉＯｘは炭素または炭素系粒子をもたらしてボールミル粉砕中に生成された凝集体ＳｉＯｘ粒子に入り込むかまたはその一部になり得る。そのようなボールミル粉砕は、やはり本明細書に援用される特許文献１に記載されているように黒鉛を用いたＳｉＯｘ粉末のボールミル粉砕と同様、概ね類似、類似、実質上同一、本質的に同一、または同一の手順によって行い得る。これに加えてまたは替えて、導電率増強型ＳｉＯｘは別の技法、例えばリチウム粉末とのその反応に先だってＳｉＯｘ粉末上に炭素または炭素系材料を堆積させる熱ＣＶＤ等、によって第１の前期リチウム化手順１１２での使用のために生成可能である。
ＳｉＯｘ及び／または導電率増強型ＳｉＯｘ粉末の安定化リチウム粉末との反応は、温度制御型混合／反応装置を使用して実行し得るが、この温度制御型混合／反応装置では高剪断応力が不活性ガス雰囲気(例えば、アルゴン雰囲気、またはヘリウム含有雰囲気）中で加えられ、かつ反応中に発生された熱の効果的放散が提供される。このような反応装置は、ＳｉＯｘ及び／または導電率増強型ＳｉＯｘ粉末を安定化リチウム粉末と混合する熱調整型または熱導電型の反応容器、ベセル、または瓶を有した、例えば、特許文献４に記載されているようなプラネタリ型ボールミル等のボールミルであり得る。混合／反応装置関連のパラメータは、部分的リチウム化ＳＳＬＣ材料の特性に影響を及ぼすかまたはこれらを決定するものであり、反応中の熱放出、熱伝達、及び剪断応力が含まれる。部分的リチウム化ＳＳＬＣ材料の特性は当業者が容易に理解するように、充電、回転速度、及び／または粉砕時間に伴って変動し得る。
導電率増強型ＳｉＯｘを第１の部分工程１１０で使用したとき(例えば、導電率増強型ＳｉＯｘが黒鉛で反応させたかまたはこれで被覆したＳｉＯｘであるかまたはこれを含むとき）、導電率増強は顕著に増強した熱導電率を有するＳｉＯｘをもたらし得るため、以下に記載するようにボールミル粉砕中に熱放散及び熱調整が促進され得る。
第１の部分工程１１０は、部分的リチウム化ＳＳＬＣ材料を第２の前期リチウム化手順１１４の対象にすることを更に含む。この第２の前期リチウム化手順１１４では、部分的リチウム化ＳＳＬＣ材料中の未反応リチウム及びＳｉＯｘの反応を完了させるために、未反応リチウムの全てが消失してリチウムの拡散によりＳＳＬＣ材料中に均一性の増強がされたかまたは均一組成のリチウムシリサイドが達成されるまで、部分的リチウム化ＳＳＬＣ材料を圧縮(例えば、従来型の造粒設備(即ち、造粒機）または造粒プレス、もしくは直接圧縮タブレット成形設備による等、従来法でペレットに圧縮またはペレット化）してリチウム系電解質溶液(例えば、リチウム塩系電解質溶液、またはそれと均等物）中に浸漬する。部分的リチウム化ＳＳＬＣ材料はこれに替えて、当業者が理解する方法で、別の種類の化学溶液、例えば、Ｌｉイオンバッテリの電解質溶媒に使用されるエステル、炭酸塩、または溶媒等、中に浸漬してもよい。
第２の前期リチウム化手順１１４の結果として、ＳＳＬＣ材料は、特許文献４の教示により達成される前期リチウム化の程度よりも大きい、顕著に大きい、またははるかに大きい程度の前期リチウム化と共に、(例えば、ボールミル粉砕のみと比較して）例えばより短いまたはより長いもしくは顕著に短縮された期間にわたって、はるかにより均一なまたは均一なリチウム化を呈する。複数の実施形態では、第１の部分工程１１０(即ち、第２の前期リチウム化手順１１４と組合せた第１の前期リチウム化手順１１２）により、その内部に均一にまたは概ね均一に分布したリチウムシリサイドを含んだＳＳＬＣ材料の実質上完全、本質的に完全、または完全なリチウム化がもたらされる。
第２の前期リチウム化手順１１４では更に、ことによれば、ＳＳＬＣ材料を均一にまたはより均一に完全にリチウム化する。これにより、ＳＳＬＣは、ＳＳＬＣ中の大部分の自由Ｓｉナノ粒子がリチウムシリサイドを形成するようにＳＳＬＣ材料の最大体積の塑性変形を達成するのが可能になる。第２の前期リチウム化手順１１４を実行しない場合には、脱リチウム型ＳＳＬＣ材料を陽極活性材料として実際の使用中に充電したときＳＳＬＣ材料が更にまたはより大きく拡大し得る機会が存在し、それにより不要な体積膨張が引き起こされることになる。加えて、ＳＳＬＣ材料を第２の前期リチウム化手順１１４によってより十分にまたは完全にリチウム化した場合には、ＳＳＬＣ材料のエネルギー密度及び容量は、非晶質脱リチウム型ＳＳＬＣ材料中のＳｉナノ粒子がより大きいリチウムイオン受容容量を有するように、その体積の過度の増大なく増強または最大化／最適化が可能である。種々の実施形態では、第１の部分工程１１０後(即ち、第１及び第２の前期リチウム化手順１１２、１１４の完了時）には、ＳＳＬＣ材料の前期リチウム化の程度は約２５％〜７５％、または約２５％〜１００％の範囲にあり得る。
第１の部分工程１１０後(即ち、第１及び第２の前期リチウム化手順１１２、１１４の遂行後）は、種々の実施形態で、ＳＳＬＣ材料生成工程１００は第２の部分工程１２０を更に含む。この第２の部分工程１２０は、脱リチウム反応器中での前期リチウム化ＳＳＬＣ材料の脱リチウムを含み、これにより非晶質及び／または微結晶ケイ素ナノ粒子がＳｉ：ＬＳＣ母材中に埋込まれかつ未反応リチウム及び活性リチウムシリサイドが何ら残存しない脱リチウム型ＳＳＬＣ材料が生成される。第２の部分工程１２０は、有機溶媒または有機溶媒混合物中にリチウム化ＳＳＬＣ材料を分散させること、及びリチウム化ＳＳＬＣ材料がリチウムを喪失するようにこの分散リチウム化ＳＳＬＣ材料をリチウムシリサイドと反応するアルコールと制御可能に反応させることを含み、これにより本質的に完全に、完全に、または完全脱リチウム型のＳＳＬＣ材料になる。例えば、第２の部分工程１２０後には、脱リチウム型ＳＳＬＣ材料は約０．５重量％未満のリチウムシリサイド含有量を有し得る。
図２は、本開示の実施形態による代表的な脱リチウム反応器２００の概略図である。実施形態では、脱リチウム反応器は、反応槽２１０；反応槽２１０中への導管または供給ラインを有するアルコールソースまたは供給源２１２；反応槽２１０中への導管または供給ラインを有する不活性ガス供給源(例えば、アルゴンガス供給源）２１４；反応槽２１０から引出された導管または排気ラインを有するガス排出口２１５；及び反応槽２１０中に配設された温度検知装置(例えば、熱電対）を有する第１の温度プローブ２１６を含む。反応槽２１０は、その中に配設された温度検知装置(例えば、熱電対）を有する第２の温度プローブ２２６と関連付けられるかまたはこれを含む冷却槽２２０中に配設される。
図３Ａ〜図３Ｃは、ＳｉＯｘ(ｘ＝１）の代表的な微細構造特性；本開示の実施形態により生成された前期リチウム化ＳＳＬＣの代表的な微細構造特性；及び本開示の実施形態により生成された脱リチウムＳＳＬＣの代表的な微細構造特性をそれぞれ示す説明図である。図１及び図３Ａ〜図３Ｃに関して、第１の部分工程１１０では、ＳｉＯｘ粉末をリチウム粉末と反応させて、ＳｉＯｘ粉末を顕著、実質上完全、または完全に前期リチウム化させたＳＳＬＣ材料に不可逆的に変容または塑性変形し；その後前期リチウム化ＳＳＬＣ材料を完全に脱リチウムして、当業者が容易に理解する仕方で可逆的にリチウム化及び脱リチウム可能である、非晶質及び／または結晶質ナノケイ素粒子を保持する、多孔質で塑性変形可能なＳｉ：ＬＳＣ母材を生成する。したがって、脱リチウム型ＳＳＬＣ材料をリチウムイオンバッテリ陽極材料として使用したとき、Ｓｉ：ＬＳＣ母材により保持されたこれらのナノケイ素粒子は陽極材料のリチウム化及び脱リチウム中にリチウムインターカレーションサイト(または類似的には、リチウム「レセプタサイト」及び「ドナーサイト」それぞれ）として作用し得る。
本開示の実施形態により生成された脱リチウム型ＳＳＬＣ材料では、ケイ素ナノ粒子保持するケイ酸リチウム母材は、体積変化を大きくまたは劇的に減少または最小化させながらケイ素ナノ粒子（中）にリチウムイオン移送する固体電解質と同様のまたは類似した仕方で挙動する。このことは、陽極材料製造工程中のケイ素ナノ粒子の均一分布及びＳｉ：ＬＳＣ母材の多孔性に対する厳密な制御により達成される。
図１を再び参照して、第３の部分工程１３０は、従来の方法で脱リチウム型ＳＳＬＣ材料を濾過、洗浄、及び場合によって乾燥、例えば空中乾燥及び場合によって負圧または真空下で乾燥、させることを含む。このような乾燥は(例えば、炉内で）１００〜１２０℃の温度で起こり得る。第４の部分工程１４０では、脱リチウム型ＳＳＬＣ材料は、従来の方法でＬｉＡｌＯ３、ＡＬ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＡｌＦ３及びＬｉＦのうちの１つ以上等の、１種類以上の材料で被覆することによって力学的に安定化されるかまたは構造的に補強され得る。最後に、第５の部分工程１５０では、脱リチウム型ＳＳＬＣ材料または力学的に安定化させた脱リチウム型ＳＳＬＣ材料は、従来の方法で、黒鉛、カーボンブラック、グラフェン、バッキーボール、カーボンナノチューブ、カーボンメガチューブ、及び／またはカーボンナノバッズ等の、１種類以上の炭素及び／または炭素系材料で処理、被覆されるかまたはこれらと化合される。いくつかの実施形態では、第５の部分工程１５０は、ＣＶＤによって炭素系材料(例えば、黒鉛）での脱リチウム型ＳＳＬＣ材料または力学的に安定化させた脱リチウム型ＳＳＬＣ材料の被覆を含む。この工程によって炭素系材料を脱リチウム型ＳＳＬＣ材料に部分的に融合させる。
第５の部分工程１５０後、脱リチウム型ＳＳＬＣ材料は非水電解質二次セルの負電極(陽極）材料として使用可能になる。
代表的ＳＳＬＣ材料生成工程の更なる態様
前述に関して、本開示の実施形態による微粒子状脱リチウム型ＳＳＬＣ材料は、原子レベルの非晶質及び／または結晶質ケイ素がそのＳｉ：ＬＳＣ母材中にナノケイ素粒状物として分散した微細構造を有する、粉末状形態で生成可能である。ナノケイ素粒状物の大きさは概ね０．５〜８０ｎｍの範囲にあり、Ｓｉ：ＬＳＣ母材は概ね１０〜２００ｎｍの粒径を呈する。ＳＳＬＣ材料粒子、即ちＳＳＬＣ粉末微粒子、は概ね１〜１０μｍの平均粒径を有する。種々の実施形態で、脱リチウム型ＳＳＬＣ材料、即ちその中に未反応リチウムまたはリチウムシリサイドを有さないＳＳＬＣ材料、は３０〜６０重量％のケイ素含有量、２５〜４０重量％の酸素含有量、及び１０〜２０重量％のリチウム含有量を有する。
複数の実施形態で、完全前期リチウム化ＳＳＬＣ材料は、約３１重量％のケイ素、約３２重量％のリチウム、及び約３５重量％の酸素の組成を有し；完全前期リチウム化ＳＳＬＣ材料は、約３７重量％のケイ素、約１８重量％のリチウム、及び約４３重量％の酸素の組成を有し得る。
脱リチウム型ＳＳＬＣ材料は、ＳｉＯｘ(０．８＜ｘ＜１．６）として一般に特徴づけられる酸化ケイ素粉末を金属リチウム粉末と制御温度で反応させることにより調製可能である。導電率増強を行わない場合には、ＳＳＬＣ材料は低い導電率しか有さない。したがって、ＳｉＯｘ及び／または脱リチウム型ＳＳＬＣ材料表面に炭素または炭素系材料を用いた処理または反応を適用してその導電率を高めることが推奨される。炭素被覆は黒鉛の熱ＣＶＤ等の、熱ＣＶＤによって容易に形成可能であり、それにより導電率を高レベルに増強し得る。これに加えてまたは替えて、高導電性表面は、黒鉛粉末またはカーボンブラック粉末等の電子導電材料でＳｉＯｘ粉末を予粉砕することにより取得可能である。ＳＳＬＣ粉末中に存在するかまたはその上に被覆された炭素の量は、ＳＳＬＣ材料粉末の重量に基づけば概ね３〜２０重量％である。炭素被覆層はＳＳＬＣ材料の表面に対する化学結合を維持して大きい体積膨張後にも表面に残存し得る。
実施例１
酸化ケイ素粉末(ＳｉＯｘ、０．８＜x＜１．６、Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ）及び／または酸化ケイ素系粉末を、保護用のアルゴン雰囲気下でヘキサンを分散媒体として使用して高エネルギーボールミル機中でリチウム粉末により粉砕する。酸化ケイ素及び／または酸化ケイ素系粉末を、閉鎖容器またはガラス瓶中で不活性ガス(アルゴン）雰囲気下で５、１０、１５、及び２０重量％増分(例えば、６ｇのＳｉＯｘを３．８ｇのＳＬＭＰ（登録商標）と予混合）で安定化リチウム粉末ＳＬＭＰ（登録商標）(ＦＭＣ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）と予混合して、当業者により容易に理解されている仕方で約６ｇのＳｉＯｘ及び０．６ｇのリチウムを有するサンプル、即ち約１０重量％のサンプル、を調製する。金属リチウムは一般に粉末、箔、または塊の形態で利用可能であるが、安定化リチウム粉末ＳＬＭＰ（登録商標）(ＦＭＣ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）を使用するのが通常は好ましい。
金属リチウムと予混合した酸化ケイ素及び／または酸化ケイ素系材料をボールミル粉砕容器、槽、または瓶(例えば、５０ｍｌ以上の容器）中に移動して；その後ボールミル粉砕、即ち、効果的な熱放散容量を有するボールミル機中でリチウムと機械的に混合して反応、させる。反応容器を、冷却制御用に設計されて高剪断応力下での混合が可能な不活性ガス雰囲気の下でゴム輪により気密に密閉する。プラネタリ型高エネルギー式ボールミル機は、そのような粉砕工程に好適なボールミル機例である。例えば、所定数のステンレス鋼または酸化ジルコニウムのボールを含む、Ｒｅｔｓｃｈ ＧｍｂＨ製のプラネタリ型ボールミル機を使用可能である。ミル機は密閉性、ボールの保有熱の放散性、及び高い剪断応力を有する。反応容器温度は４０〜１５０℃の範囲に制御する。
代表的な実施形態では、内部制御温度を維持(例えば、４０〜１５０℃）しながら順方向及び逆方向に各々１０分間ボールミル粉砕容器を回転させる。ボールミル粉砕後、容器を、例えば室温に冷却させた後、部分的に前期リチウム化させたケイ素−酸化ケイ素−リチウムの複合材(即ち、部分的リチウム化ＳＳＬＣ材料）を容器から取り出す。前期リチウム化の程度及び均一性を増強または最大化するために、この部分的に前期リチウム化させたＳＳＬＣ材料を引き続き、濾過または気化によりヘキサン除去を行って従来の方法でペレットに圧縮する。未反応リチウムのＳｉＯｘ粉末との反応を完了させるために、ペレットをその後槽または容器中に配置して電解質または電解質混合物中に浸漬することにより、増強型均一性または均一な前期リチウム化を呈する、更に、実質上完全に、または完全に前期リチウム化させたＳＳＬＣ材料が生成される。未反応リチウムのＳｉＯｘとの極度の反応を防止するために温度を制御する。
特に、ＳｉＯｘ粉末等の固体ケイ質材料及び金属リチウムの間の固体状態反応では、固体ケイ質材料中へのリチウム拡散の速度は一般に低い。金属リチウムが固体ＳｉＯｘ粉末と均一に反応するのは困難であり、結果として、種々の化学的組成物、例えば、未反応リチウム、未反応のＳｉＯ２、ならびに種々の種類のリチウムシサイド及びケイ酸リチウム等、が生成され得る。このリチウム不足を補充する効果的な一手法では、前期リチウム化粉末をペレットに圧縮して、圧縮したペレットを電解質または電解質混合物中に浸漬する。極度の反応を回避するために、５℃と室温の間の温度から温度制御を開始する。
増強型の、実質上完全にまたは完全に均一に前期リチウム化させたＳＳＬＣ材料ペレットを引き続き、濾過後すり鉢中で粉砕して再びヘキサン中に分散させる。この新たに調製したスラリにエタノールをゆっくり加える。リチウムシリサイドはエタノールと反応して前期リチウム化したＳＳＬＣ材料はそれによりリチウムを喪失する。気泡の形成が止んで完全脱リチウム型ＳＳＬＣ材料が生成されたことが示されるまでアルコールを加える。濾過及び洗浄後、粉末はＣＶＤにより力学的安定化のためにＬｉＡｌ２Ｏ３、 ＡＬ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＡｌＦ３、ＬｉF、及び／または(例えば、約２０〜５０ｎｍ、または約３０ｎｍの被覆厚の）他の材料で被覆し、かつ／または乾燥させて炭素(例えば、黒鉛）で被覆をし得る。
酸化ケイ素(ＳｉＯｘ、０．８＜ｘ＜１．６）及び／または酸化ケイ素系材料を、所定のまたは所望の粒度分布に達するまで高エネルギーのボールミル粉砕により粉砕する。その結果、不活性ガス雰囲気中でのボールミル粉砕の工程を介して金属リチウム粉末と反応する。この反応は極めて発熱性であることから、容易に発火してＳｉ及びＳｉＯ２の顕著な粒子成長及び不均化時の電気化学的活動度損失を招く。未反応のＳｉＯ２相を制御するために、反応容器温度を１５０℃未満に制御しなければならない。
ＳｉＯｘ(ｘ≡１）はナノスケールのＳｉ及びＳｉＯ２の混合物である。その中の結晶質Ｓｉ量が３３％であるため、ＳｉＯｘはナノ結晶質Ｓｉ粒子がＳｉＯ２母材中に埋込まれた構造を有する。
２ＳｉＯ２が(４＋ｙ）Ｌｉと反応するとき、ＬｉｙＳｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４の複合材が以下の通りに形成される：
Figure 0006970617
式中ＬｉｙＳｉはナノ粒子の形態であり、ＬｉｙＳｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４はＬｉｙＳｉナノ粒子を保持する母材の形態である。脱リチウムが生じるとき、
Figure 0006970617
式中Ｓｉはナノ粒子形態であり、Ｓｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４はＳｉナノ粒子を保持する母材の形態である。
リチウム化／脱リチウム中に、ＬｉｙＳｉ：Ｌｉ４ＳＯ４及びＳｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４はある特定のリチウム化レベル(例えば、約５０％の限度未満）で母材として存在し得る。反応が発火状態に進行する場合、母材からのリチウムシリサイド(ＬｉｙＳｉ）はナノリチウムシリサイド粒子に凝集し得る。結果として、リチウムシリサイド粒子は成長し得、ＬｉｙＳｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４母材がリチウムシリサイド粒子にリチウムシリサイドを喪失するに従って、リチウムシリサイドは母材の一部になる。これがリチウム化及び脱リチウム中に大きい体積変化を引き起してサイクル性能を劣化させることになる。したがって、１５０℃を超過しない温度でリチウムのＳｉＯｘとの反応を遂行することが重要である。
ＳＬＭＰ（登録商標）を用いたボールミル粉砕に先だってその熱導電率を増強する材料で前処理または事前被覆したＳｉＯｘの使用は、ボールミル粉砕中のボールミル粉砕容器内の熱放散及び温度制御を向上させ得る。例えば、ＳｉＯｘは(例えば、上述のようにボールミル粉砕及び／またはＣＶＤによって）黒鉛等の炭素または炭素系材料を用いて前処理または事前被覆が可能であり、それによりＳｉＯｘの導電率及び熱導電率は共に増大される。更に、熱放散の向上及びより良好な温度制御により、より多量のリチウム粉末を所与の量のそうした前処理／事前被覆ＳｉＯｘを用いて、無制御加熱及びＳｉＯ粉末凝集による有害な影響を受けることなく、ボールミル粉砕し得る。例えば、ＳｉＯｘを黒鉛等の炭素または炭素系材料で前処理または事前被覆したときには、約２５％増分のＳＬＭＰ（登録商標）追加が１０％増分のＳＬＭＰ追加に代えて可能になる。
ＳｉＯｘ陽極のリチウム化中に、ＬｉｙＳｉ相の体積増大によりＬｉｙＳｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４母材中でＬｉ４ＳｉＯ４相が塑性変形される。母材中のＬｉ４ＳｉＯ４に対するＬｉ４．４Ｓｉの体積比が１であるため、ｙが４．４に近似するときＬｉ４ＳｉＯ４相は母材として存在し得ない。脱リチウム中には、ＬｉｙＳｉはリチウムを喪失してその体積は急速に減少する。しかし、塑性変形したＬ４ＳｉＯ４は実質上または本質的に変化しないままであるかまたはある特定レベルに同一に留まり、極めて多孔質になる。このことは、脱リチウム前後の体積変化がＬｉ４ＳｉＯ４相の塑性的変形により如何に最小化されるのかの説明となり得る。上記の反応(４）は、２ＬｉｙＳｉナノ粒子がＬｉｙＳｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４母材中に埋込まれていることを示す。ｙが４．４に近似するとき、ＬｉｙＳｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４に対する２ＬｉｙＳｉの体積比は１であるので、２ＬｉｙＳｉの体積増大はまたＬｉｙＳｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４相の大きい塑性変形に寄与して母材中により大きい永久欠陥を残す。このメカニズムは、リチウム化／脱リチウム中にリチウム化ＳｉＯｘ陽極の体積変化が顕著に最小化され得ることを示唆する。結果として、微小サイズのＳｉＯｘ陽極は一般に、微小サイズのケイ素陽極よりもはるかに良好なサイクル性能を、両者を導電性炭素で良好に被覆した場合に、示すことになる。
塑性変形したＬｉｙＳｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４は多数のサイクルにわたるリチウム化／脱リチウムサイクルの結果として脆弱となって崩壊し得る。サイクル中の母材の力学的特質を高めるために、ＬｉＡｌＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＡＬＦ３、ＬｉＦ、ＳｉＯ２及び／または１種類以上の他の種類の金属酸化物等のナノ薄膜によってＬｉｙＳｉの脱リチウム後にＳｉＯｘ陽極を被覆し得る。被覆層はＳｉＯｘ陽極表面の欠陥を充填してそれら陽極の力学的安定性を支援する。しかも、被覆層は、リチウムイオンバッテリセル中の陽極と電解質との界面に形成された固体電極中間相(ＳＥＩ）層の形成を促進し、場合によってその安定性も高め得る。更に、被覆層は、本開示の実施形態に従って脱リチウム型ＳＳＬＣ材料を使用して作製したＬｉイオンバッテリセル陽極が長期間の多数回の充電／放電またはリチウム化／脱リチウムサイクル(またはこれに対応して、膨張／収縮サイクル）にわたって導電性を十分に維持し得る可能性を増大させ得る。
脱リチウム型ＳＳＬＣ材料の導電率の増強または更なる増強のために、炭素及び／または炭素系材料を、熱ＣＶＤ、特にＣＶＤ室を加熱することにより、脱リチウム型ＳＳＬＣ材料粒子に塗布可能であるが、この場合脱リチウム型ＳＳＬＣ材料は６００〜９００℃の温度及びＣＶＤ室中への有機物ガスまたは蒸気の供給を受ける。導電性炭素は８００℃未満では複合材粒子表面に不十分にしか融着し得ない。しかし、ある特定の温度を超えると、ＳｉＯｘ構造のＳｉＯ２母材中に埋込まれた結晶質Ｓｉ粒子はＳｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４母材からのケイ素相と共に凝集してその後結晶質ケイ素が成長し得る。このことは、ケイ素粒子量をＬｉ４ＳｉＯ４量よりも多く増大させてＬｉ４ＳｉＯ４構造体に埋込まれたナノＳｉ粒子を破壊し、最終的にはサイクル性能を劣化させることになる。結果として、ＣＶＤ室温度を８００〜９５０℃の範囲に維持する必要がある。
ＣＶＤを介した炭素被覆に使用可能な有機材料は、不活性雰囲気下で上記温度範囲での熱分解によって炭素(黒鉛）を形成可能な材料から選択し得る。そのような炭素を形成可能な炭化水素の例には、メタン、エタン、エチレン、アセチレン、プロパン、ブタン、ブテン、ペンタン、イソブタン、及びヘキサンが単独にまたはそれらの混合状態で；ならびに単環系ないし三環系の芳香族炭化水素、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン、スチレン、エチルベンゼン、ディフェニルメタン、ナフタリン、フェノール、クレゾール、ニトロベンゼン、クロロベンゼン、インデン、マロン、ピリジン、アントラセン、及びフェナントレンが単独にまたはそれらの混合状態で、含まれるがこれらに限定はされない。大型の炭化水素側鎖を有する有機高分子化合物または高分子化合物もしくは低重量体のシロキサンをこれらに替えて炭素ソースとして使用可能である。
脱リチウム型ＳＳＬＣ材料粉末は、高容量、良好なサイクル性能、及び第１のサイクルからの低い不可逆容量を有する非水電解質二次セル、特にリチウムイオン二次セル、の構築に負電極材料として使用可能である。正電極活性材料は、市販の陰極、例えば、ＬｉＣｏＯ２、リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物(ＮＣＭ）、リチウムリッチＮＣＭ、アルミニウムをドープしたリチウムニッケルコバルト酸化物、及びスピネルリチウムマンガン酸化物等、から選択可能である。本明細書で使用する電解質は、リチウム塩、例えば、リチウム過塩素酸塩、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ６、及び非水溶液形態のＬＩＴＦＳＩ(リチウムビス(トリフルオロメタンスルフォニル）イミド）のうちの１種類以上等、であり得る。非水溶媒の例には、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメトキシエタン、ガンマブチロラクトン、及び２メチルテトラヒドロフランが単独でまたはこれらの混合状態で含まれる。
実施例２
第２の実施例を以下に説明する。第２の実施例は、本明細書中の説明に鑑みて当業者が容易に理解する仕方で、実施例１で上に説明したものと類似するかまたは実質上同一に遂行される。
ＳｉＯｘ粉末(ＳｉＯｘ、０．８＜x＜１、６、Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ）をエタノール溶媒中で最大５時間ボールミル粉砕する。６μｍ以下までＳｉＯｘ粒径を低減後、エタノールを蒸発させて平均粒径２３μｍを有するＭａｇｅ３黒鉛粉末等の、黒鉛粉末(Ｄ５０）(Ｈｉｔａｃｈｉ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ． Ｌｔｄ．、Ｔｏｋｙｏ、Ｊａｐａｎ）を加える。ＳｉＯｘ粒子及び黒鉛粉末を追加の２時間ボールミル粉砕して、ＳｉＯｘ系粉末、即ち本開示の実施形態に従って前期リチウム化を意図したＳｉＯｘ／黒鉛粉末、を生成する。次に、ＳＬＭＰ（登録商標）粉末(ＦＭＣ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）をボールミル容器に加えて、追加の３０分間のボールミル粉砕により元のＳｉＯｘ／黒鉛粉末の部分的前期リチウム化、及び部分的に前期リチウム化させたＳＳＬＣ材料の生成がもたらされる。部分的に前期リチウム化させたＳｉＯｘ／黒鉛粉末を次に従来の方法で濾過または気化によりヘキサン除去してペレットに圧縮する。未反応リチウムのＳｉＯｘ粉末との反応を完了させるために、ペレットをその後ベセルまたは容器中の電解質または電解質混合物中に浸漬することにより、均一な、本質的に均一な、または実質上均一な分布をその中に有する増強型の、実質上完全に、または完全に前期リチウム化させたＳＳＬＣ材料を生成する。
ＳＳＬＣ材料粉末を完全に脱リチウムするために脱リチウム反応器２００中で脱リチウムを上述の方法で行った。エタノール／粉末スラリをまず遠心分離機を使用して乾燥させた後、周囲空気流により乾燥させる。乾燥させた脱リチウム型ＳＳＬＣ材料粉末をＮＭＰ溶媒中でカーボンブラック及び結合剤と混合してＣｕ箔上で成型して、Ｌｉイオンバッテリ用負電極としての使用のためにその後真空炉中２５０℃で乾燥させる。
本開示の特定の実施形態の態様は、現存のＳｉＯｘ系陽極材料、組成物、または構造体；ＳｉＯｘ陽極材料、組成物、または構造体の調製工程；及びＳｉＯｘ系陽極、と関連付けられた少なくとも１つの態様、課題、制限及び／または不都合さを対象としている。ある特定の実施形態と関連付けられた特徴、態様、及び／または利点を本開示中に説明したが、他の実施形態もそのような特徴、態様、及び／または利点を呈し得るが、すべての実施形態が必ずしもそのような特徴、態様、及び／または利点を呈して本開示及びそれと共に含まれる請求項の適用範囲内に収まるとは限らない。当業者であれば以上に開示したシステム、成分、工程、またはその代替物のうちのいくつかを他の異なるシステム、成分、工程、及び／または用途に所望に組合せることが可能であることを認識するであろう。加えて、当業者であれば本明細書に開示した種々の実施形態に種々の修正、改変、及び／または改良を行い得るが、それらも依然として本開示及び請求項の適用範囲内に収まることになる。

Claims (17)

  1. ケイ素：酸化ケイ素：リチウムの複合材（ＳＳＬＣ）材料の生成方法であって、該方法は：
    前期リチウム化工程を遂行して前期リチウム化ＳＳＬＣ材料を生成すること、
    該前期リチウム化工程は：
    酸化ケイ素粉末及びリチウム粉末の粉砕を含む機械的混合手順によって部分的リチウム化ＳＳＬＣ材料を生成すること；及び
    自発的リチウム化手順によって更なる前期リチウム化ＳＳＬＣ材料を生成すること、
    を含み、
    該自発的リチウム化手順は：
    前記部分的リチウム化ＳＳＬＣ材料の母材材料を圧縮すること；及び
    未反応リチウムが消失して均一なリチウムシリサイド組成がリチウムの拡散によりＳＳＬＣ材料中に達成されるまで、前記圧縮した部分的リチウム化ＳＳＬＣ材料をリチウム系電解質に曝すこと、前記自発的リチウム化手順では未反応リチウム及びＳｉＯｘの反応は前記部分的リチウム化ＳＳＬＣ材料中で完了する；
    を含み、
    前記前期リチウム化工程後に脱リチウム工程を遂行して脱リチウム型ＳＳＬＣ材料を生成すること、
    該脱リチウム工程は：
    前記圧縮した更なる前期リチウム化ＳＳＬＣ材料を液体担体媒体中で分散させることにより分散状前期リチウム化ＳＳＬＣ材料を生成すること；及び
    前記分散状前期リチウム化ＳＳＬＣ材料内のリチウムシリサイドの１種類以上の有機溶媒との反応が途絶えるまで、前記分散状前期リチウム化ＳＳＬＣ材料を大量の前記１種類以上の有機溶媒に曝すことにより前記分散状前期リチウム化ＳＳＬＣ材料内のリチウムシリサイドを前記１種類以上の有機溶媒と反応させて前記分散状前期リチウム化ＳＳＬＣ材料からリチウムを抽出すること、前記大量の前記１種類以上の有機溶媒は前記分散状前期リチウム化ＳＳＬＣ材料内のリチウムシリサイドとの反応に関してリザーバとして作用する、
    を含み、
    を含み、
    前記脱リチウム型ＳＳＬＣ材料は、その中にナノケイ素粒子を埋込んだ多孔質で塑性変形可能なＳｉ：ケイ酸リチウムの複合材(Ｓｉ：ＬＳＣ）母材を含む、
    方法。
  2. 前記脱リチウム型ＳＳＬＣ材料は０．５重量％未満のリチウムシリサイド含有量を呈する、請求項１に記載の方法。
  3. 前記脱リチウム型ＳＳＬＣ材料は１〜１０μｍの粒径を有し、Ｓｉ：ＬＳＣ母材は１０〜２００ｎｍの粒径を呈し、前記ナノケイ素粒子は５〜８０ｎｍの粒径を有する、請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記脱リチウム型ＳＳＬＣ材料は３０〜６０重量％のケイ素含有量、２５％〜４０重量％の酸素含有量、及び１０〜２０重量％のリチウム含有量を有する、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記脱リチウム型ＳＳＬＣ材料は約３７重量％のケイ素、約１８重量％のリチウム、及び約４３重量％の酸素の組成を有する、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記液体担体媒体は非プロトン性溶媒からなり、前記１種類以上の有機溶媒はアルコールからなる、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記液体担体媒体はヘキサンからなり、前記１種類以上の有機溶媒はエタノール、グリセロール、及び／またはポリビニルアルコール(ＰＶＡ）からなる、請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の方法。
  8. 酸化ケイ素粉末はＳｉＯｘ(０．８＜ｘ＜１．６）として特徴づけられ、前記機械的混合手順はリチウム粉末で酸化ケイ素粉末をボールミル粉砕することを含み、リチウム粉末はＳＬＭＰ（登録商標）である、請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記前期リチウム化工程に先だって第１の導電率増強工程を遂行することを更に含み、前記第１の導電率増強工程は炭素系材料で酸化ケイ素粉末をボールミル粉砕すること、及び炭素系材料で酸化ケイ素粉末を被覆することの少なくとも一方を含む、請求項１〜８のうちいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記脱リチウム工程の後に第２の導電率増強工程を遂行することを更に含み、前記第２の導電率増強工程は炭素系材料で酸化ケイ素粉末をボールミル粉砕すること、及び炭素系材料で酸化ケイ素粉末を被覆することの少なくとも一方を含む、請求項１〜９のうちいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記炭素系材料は黒鉛、カーボンブラック、バッキーボール、カーボンナノチューブ、カーボンメガチューブ、及びカーボンナノバッズのうちの少なくとも１つを含む、請求項９または１０に記載の方法。
  12. バッテリ二次セル負電極製造工程での、脱リチウムさせたケイ素：酸化ケイ素：リチウムの複合材(ＳＳＬＣ）材料は、その中にナノケイ素粒子を埋込んだ多孔質で塑性変形可能なＳｉ：ケイ酸リチウムの複合材（Ｓｉ：ＬＳＣ）母材を含み、かつ０．５重量％未満のリチウムシリサイド含有量を有する、脱リチウムさせたケイ素：酸化ケイ素：リチウムの複合材(ＳＳＬＣ）材料の使用。
  13. 脱リチウムさせたケイ素：酸化ケイ素：リチウムの複合材（ＳＳＬＣ）材料は、その中にナノケイ素粒子を埋込んだ多孔質で塑性変形可能なＳｉ：ケイ酸リチウムの複合材（Ｓｉ：ＬＳＣ）母材を含み、前記ＳＳＬＣ材料は、３０〜６０重量％のケイ素含有量、１０〜２０重量％のリチウム含有量、２５％〜４０重量％の酸素含有量、及びその中に均一に分布した０．５重量％未満のリチウムシリサイド含有量を有し、前記ＳＳＬＣ材料は１〜１０μｍの粒径を有し、前記Ｓｉ：ＬＳＣ母材は１０〜２００ｎｍの粒径を呈し、かつ前記ナノケイ素粒子は５〜１５０ｎｍの粒径を有する、リチウムイオンバッテリ二次セル負電極として使用するための、脱リチウムさせたケイ素：酸化ケイ素：リチウムの複合材（ＳＳＬＣ）材料。
  14. 請求項１３に記載のケイ素：酸化ケイ素：リチウム複合材(ＳＳＬＣ）負電極活性材料を有するリチウムイオンバッテリセルであって、前記リチウムイオンバッテリセルは１５％未満の不可逆容量の損失を呈する、リチウムイオンバッテリセル。
  15. 前記リチウムイオンバッテリセルは１２％未満または１０％未満の不可逆容量の損失を呈する、請求項１４に記載のリチウムイオンバッテリセル。
  16. その陽極はリチウムイオンバッテリセルの充電及び放電に関して１０〜３５％の体積変化を呈する、請求項１４または１５に記載のリチウムイオンバッテリセル。
  17. 前記陽極はリチウムイオンバッテリセルの充電及び放電に関して２０％の平均体積変化を呈する、請求項１６に記載のリチウムイオンバッテリセル。
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