JP7062691B2 - ヨーク-シェル構造の粒子、その製造方法、及びこれを含むリチウム二次電池 - Google Patents
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Description
現在適用されている二次電池の中で、1990年代初に開発されたリチウム二次電池は、水溶液電解液を使うNi-MH、Ni-Cd、硫酸-鉛電池などの在来式電池に比べて作動電圧が高く、エネルギー密度が遥かに高いという長所で脚光を浴びている。
ヨーク-シェル構造の粒子
本発明のヨーク-シェル構造の粒子は、炭素シェル;及び上記炭素シェルの内部に備えられたシリコン(Si)コアを含む。
本発明のヨーク-シェル構造の粒子は、(a)シリカ(SiO2)に炭素シェルを形成してシリカ-炭素コア-シェル粒子を製造する段階;(b)上記(a)段階で形成された粒子の炭素シェルの気孔の大きさを小さくする段階;(c)上記(b)段階で気孔大きさが小さくなった粒子内部のシリカ(SiO2)を部分エッチングする段階;及び(d)マグネシウム熱還元(Magnesiothermic reduction)処理を通して、ヨーク-シェル構造の粒子を製造する段階;を通して製造され、これは図1で模式化されてもよい。
(dSiO2:2.2g/cm3、dSi:2.33g/cm3、MSiO2:60g/mol、MSi:28g/mol)
本発明で示すヨーク-シェル構造の粒子は、リチウム二次電池用負極の負極材として好ましく使用可能である。
本発明の一実施例として、リチウム二次電池は、上述した負極;正極;及び電解質;を含むことができる。
シリコン-炭素複合体の製造
[実施例1]
段階1:SiO2@C合成
ストーバー法(stober method)を利用して、粒子平均大きさが140nmであるSiO2を合成した後、140nmのSiO2を300nmまで成長させた。上記製造された300nmのSiO2を走査電子顕微鏡(SEM)で撮影し、これを図3に示す。
上記製造されたSiO2@Cコア-シェル(core-shell)の炭素気孔の大きさを小さくするためのポアブロッキング(pore blocking)過程を進めた。
充放電時に必要な余裕空間確保するために、SiO2を部分エッチング(partial etching)した。
上記段階3で製造されたSiO2@Cコア-シェル(core-shell)をw24×L32×h17mm大きさの蓋があるアルミナ反応器で気体-固体反応(gas solid reaction)を通じてマグネシウムを気化させた後、SiO2@C core-shellと反応させる方法でマグネシウム熱還元処理をした。この時投入されたMgの当量は1.5、2.0、2.5で、投入されたSiO2@Cの量は、30、40、50mgである。
上記段階4で製造されたSi@C構造のヨーク-シェル物質にAr雰囲気で5℃/minの昇温速度で昇温し、800℃に達した後、24時間反応させた。
段階1:SiO2@C合成
粒子平均大きさが140nmであるSiO2の代わりに、粒子平均大きさが600nmであるSiO2を使用して、1μmまで成長したことを除いて、実施例1と同様の方法で製造した。上記製造された1μmのSiO2を走査電子顕微鏡(SEM)で撮影し、これを図12に示す。
実施例1と同様の方法で製造した。
実施例1と同様の方法で製造した。
投入されたSiO2の量を50、100、110mgにしたことを除いて、実施例1と同様の方法で製造した。
上記段階4で製造されたSi@C構造のヨーク-シェル物質にAr雰囲気で5℃/minの昇温速度で昇温し、1000℃に達した後、24時間反応を進めた。
段階1ないし段階3
上記実施例と同様に140nmのSiO2を合成した後、成長(growth)方を通して200nmのSiO2を合成した。以後、108gのEtOHと224gの脱イオン水(DI water)を混合した溶液にSiO2 3gを超音波分散した後、1.11g CTABをさらに入れて溶かした。これを10分間攪拌(stirring)した後、3gのアンモニアと2gのTEOSを入れて16時間反応を通じて既存のSiO2表面に2nmのメソポアを有するシェル(shell)をさらに合成した。反応後、EtOHを利用して精製し、物質を乾燥させた後でボックス型加熱炉(box furnace)700℃、5時間の焼成(calcination)を通じて気孔内のCTABを取り除いた。合成した物質に炭素の前駆体となる高分子を取り入れるために、SiO2@mSiO2 2g当たり2gのAlCl36H2O 2gを脱イオン水(DI water)とEtOHそれぞれ20mL混合溶液に2時間、超音波分散を通じて分散させた。この時、SiO2@mSiO2の気孔にAlがドーピングされ、これを触媒点で活用して高分子反応を進めた。合成したAl-SiO2@mSiO2 200mg当たり95mgのフェノール、100mgのパラホルムアルデヒドを使用した。Al-SiO2@mSiO2物質を封止できる容器に広げて入れた後、フェノールとパラホルムアルデヒドをそれぞれ小さいプラスチックまたはアルミニウム容器に入れてAl-SiO2@mSiO2が入っている容器に入れた。容器を封止した後、100℃のオーブンで12時間反応した後、窒素雰囲気で800℃、3時間炭化させた。フェノールとパラホルムアルデヒドは、80℃以上の温度で気化され、Al触媒点で位置選択的高分子と反応を起こし、気孔内部に選択的高分子合成が可能であった。以後、実施例1と同様の方法を通じて部分エッチング(partial etching)過程を進め、SiO2@mC物質を合成した。
段階5を経ていないことを除いて、実施例1と同様の方法で進めた。
段階5を経ていないことを除いて、実施例2と同様の方法で進行した。
(気孔構造比較)
実施例1で製造されたSiO2@Cと、比較例1で製造されたSiO2@mC(2-3nmのメソポアを持つヨーク-シェル(yolk-shell)構造)の気孔構造をBEL社のBEL mini窒素吸着装備を利用して測定して図12に示し、実施例1で製造されたSi@C(SiO2@Cを利用して合成したヨーク-シェル(yolk-shell)構造)の気孔構造も図13に示す。
(シリコン-炭素複合体を使った電池の製造)
先ず、実施例1及び比較例1で製造されたSi@C複合体を負極活物質で使って電池を製造した。
(実施例1の容量特性実験及び律速特性実験方法)
容量特性実験は、安定的なSEI層(layer)生成のために第1サイクルで0.01-1.5V 0.1C、第2サイクルで0.01-1.0V 0.1C条件で実験を行い、以後第3サイクルから0.01-1.0V 0.5C条件で行った。この時、全てのサイクルで0.02Cカットオフ(cut off)電流を用いた。
従来の技術、「J.Phys.Chem.C2015、119、10255」に開示された内容で容量特性実験及び律速特性実験を行った。
(シリコン-炭素複合体を用いた電池の製造)
実施例1ないし実施例2及び比較例2ないし比較例3で製造されたSi@C複合体を負極活物質で使用して電池を製造した。
1)容量特性実験は、安定的なSEI層(layer)を生成するために、第1サイクルで0.01-1.5V 0.1C、第2サイクルで0.01-1.0V 0.1C条件で実験を行い、以後第3サイクルから0.01-1.0V0.5Cの条件で行った。この時、全てのサイクルで0.02Cカットオフ(cut off)電流を利用した。
Claims (7)
- (a)シリカ(SiO2)に炭素シェルを形成してシリカ-炭素コア-シェル粒子を製造する段階;
(b)前記(a)段階で形成された粒子の炭素シェルの気孔の大きさを小さくする段階;
(c)前記(b)段階で気孔の大きさが小さくなった粒子内部のシリカ(SiO2)を部分エッチングする段階;及び
(d)マグネシウム熱還元(Magnesiothermic reduction)処理し、ヨーク-シェル構造の粒子を製造する段階;を含む、ヨーク-シェル構造粒子の製造方法。 - (e)前記(d)段階でマグネシウム熱還元(Magnesiothermic reduction)処理されたヨーク-シェル構造の粒子に熱処理してコア内のシリコン(Si)粒子の大きさを成長させる段階;をさらに含む、請求項1に記載のヨーク-シェル構造粒子の製造方法。
- 前記(a)段階でシリカ(SiO2)の大きさは、100ないし1,500nmである、請求項1又は2に記載のヨーク-シェル構造粒子の製造方法。
- 前記(b)段階は、前記シリカ-炭素コア-シェル粒子にフェノールを溶浸した後で炭化させる、請求項1から3の何れか一項に記載のヨーク-シェル構造粒子の製造方法。
- 前記(c)段階は、前記シリカ-炭素コア-シェル粒子に水酸化ナトリウムを反応させ、一部のSiO2を取り除く、請求項1から4の何れか一項に記載のヨーク-シェル構造粒子の製造方法。
- 前記(d)段階は、前記シリカ-炭素コア-シェル粒子の内部のSiO2にMgを反応させ、Si及びMgOを生成させる、請求項1から5の何れか一項に記載のヨーク-シェル構造粒子の製造方法。
- 前記(e)段階は、2ないし10℃/分の昇温温度で昇温し、700ないし1200℃の温度で12時間ないし36時間熱処理してシリコン(Si)粒子の大きさを成長させる、請求項2に記載のヨーク-シェル構造粒子の製造方法。
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