JP7470043B2 - ケイ素-炭素ナノ材料、その製造方法、及びその使用 - Google Patents
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Description
図8は、異なる電流密度による、ケイ素-炭素アノード材料の定電流サイクリングの結果を示す。セクションA~Fの電流密度はそれぞれ、0.023、0.056、0.113、0.226、及び0.564mA/cm2である。
a)炉(例えば、空気中、5℃/分の速度で700℃まで加熱され、700℃にて6時間保持された炉)内で、ケイ素ナノ粒子(例えば、100~250nmの特徴的寸法を有するケイ素ナノ粒子)を酸化することによって、酸化ケイ素(シリコン酸化物、例えば、シリカ)で被覆されたケイ素ナノ粒子を形成する。前記物質は、酸化の間、能動的に混合されてもよい;
b)炉(例えば、気体(例えば、アセチレンガス)を使用する、900℃まで加熱した炉)内で、前記シリカ被覆ケイ素ナノ粒子を炭素コーティングする(例えば、化学蒸着による炭素コーティング)。前記物質は、このプロセスの間、能動的に混合されてもよい;
c)前記炭素及びシリカ被覆ケイ素を機械的に加圧する(例えば、最大で100MPaの圧力で加圧する);
d)加圧されたペレットを、無酸素炉で焼結する(例えば、無酸素炉で500℃にて少なくとも2時間);
e)焼結されたペレットを粉砕(ミリング)して、平均サイズ10μmのミクロンサイズのクラスターを製造する;
f)任意で、工程b)を繰り返すことによって、前記クラスターに2度目の炭素コーティングを行う;
g)前記クラスターをエッチングして(例えば、HF溶液中でエッチング)、シリカ層を溶解して、最終生成物を形成する。
前記最終生成物は、例えば、ミクロンサイズのケイ素-炭素複合活物質であり、アノード電極を作製するために使用できる。
・SiNP(例えば、直径約100nmのもの)を準備又は形成する
・熱酸化(例えば、空気中で管状炉を使用)により、酸化ケイ素層を成長させ、SiNPコアのサイズを小さくする(例えば、直径<75nmへ)
・加圧(例えば、液圧プレスを使用)によりクラスターを形成する
・焼結によりクラスターを安定化する
・粉砕(例えば、ボールミリング)によりクラスターのサイズを小さくする(例えば、~1-15ミクロンへ)
・CVD炭素コーティング(例えば、管状炉内で、例えばアセチレン使用)
・酸性エッチング(例えば、大きなプラスチック容器内で)により犠牲的酸化ケイ素層を除去する
・SiNP(例えば、直径約100nmのもの)を準備又は形成する
・CVD炭素コーティング(例えば、アセチレン使用)
・加圧(例えば、液圧プレスを使用)によりクラスターを形成
・焼結する
・粉砕(例えば、ボールミリング)によりクラスターのサイズを小さくする(例えば、~1-15ミクロンへ)
・酸性エッチング(例えば、大きなプラスチック容器内で)により犠牲的酸化ケイ素層を除去する
・SiNPの新規合成(例えば、(シラン又はジクロロシランの)レーザー熱分解により、SiNPを製造する)
・別のケイ素源からの(例えば、TEOSを使用)犠牲的酸化ケイ素層の成長
・ろ過/遠心分離→洗浄・乾燥
・加圧(例えば、液圧プレスを使用)によりクラスターを形成
・焼結
・粉砕(例えば、ボールミル)によりクラスターのサイズを小さくする(例えば、~1-15ミクロンへ)
・CVD炭素コーティング(例えば、同じ管状炉内で、例えばアセチレン使用)
・酸性エッチング(例えば、大きなプラスチック容器内で)による犠牲的酸化ケイ素層の除去
1)ケイ素ナノ粒子を、シランを前駆体として使用して、レーザー熱分解リアクタで合成する。ナノ粒子は、25~35nmのサイズである。しかしながら、同様の任意のナノスケールのケイ素を使用することができる。合成ナノ粒子を水素不動態化し、ナノ材料の急速酸化を妨げる。粒子を1時間(あるいは使用する温度に応じた他の適切な時間)、アルゴン(あるいは真空もしくは他の不活性環境)下で、700℃(あるいは400℃~1100℃の範囲内(例えば、400℃~1000℃)(それらの間のすべての0.1℃の値及び範囲を含む)の他の温度も有効である)で熱処理して、表面の水素結合を水酸化結合に置き換える。これは、表面に均一なシリカ層を成長させる助けとなる。塩基性水溶液中で、TEOSを使用して、撹拌時間24時間にて、シリカ犠牲層をケイ素表面に成長させる。シリカ層の大きさは、TEOS濃度、pH、及び攪拌時間を変更することによって調節可能である。その後、シリカ被覆ケイ素粒子を、ろ過又は遠心分離によって溶液から分離し、水で洗浄する。粒子を一晩乾燥する。その後、液圧プレスを使用して粒子を加圧し、粒子を充填してタップ密度を低下させる。ペレットをアルゴン(あるいは真空もしくは他の不活性環境)下で2時間600℃にて焼結する。焼結時間及び温度は、焼結の程度を最適化するために変更可能である。その後、ペレットをボールミリングすることによって、ミクロンサイズのクラスターを形成する。クラスターのサイズは、粉砕時間、速度、ボールの数及び他のパラメーターを変更することによって調節可能である。その後、200sccmのガス流速、1分間、1100℃で、アセチレンを使用する化学蒸着(CVD)によって、粒子を炭素で被覆する。炭素の厚みは、ガス流速及び時間を変更することによって調節可能である。700℃~1500℃(例えば、800℃~1500℃)の範囲の他の温度(その間のすべての0.1℃の値及び範囲を含む)も、適切なコーティング時間及びガス流速と組み合わせることにより有効である。その後、シリカ犠牲層をフッ化水素酸(HF)エッチングによって除去する。必要とされる最大HF濃度は10%w/wであり、最大エッチング時間は1時間でもよい。当然のことながら、HF濃度がより低ければ、より長いエッチング時間が必要となる。その後、粒子を溶液から分離し、エタノールで洗浄し、一晩乾燥する。
2)市場で入手可能なケイ素粒子(例えば、~100nmのケイ素粒子)の表面を、空気中で4時間、700℃(昇温速度:5℃/分)で熱酸化して、犠牲的酸化ケイ素層を形成する。500℃~1000℃(例えば、600℃~1000℃)の他の温度(それらの間のすべての0.1℃の値及び範囲を含む)、及び他の昇温速度も、加熱時間の適切な調節と併せて使用可能である。例えば、周囲の空気とは異なる、水蒸気、亜酸化窒素、又は酸素濃度を有する他の酸化用混合物も使用可能である。酸化ケイ素層の厚みは、炉の温度、昇温速度、等温反応時間、及びガス組成(酸素及び水分含量)を変更することによって調節可能である。その後、液圧プレスを使用して粒子を加圧し、粒子を充填してタップ密度を低下させる。ペレットをアルゴン(あるいは真空もしくは他の不活性雰囲気)下で2時間600℃にて焼結する。500℃~800℃の他の温度(その間のすべての0.1℃の値及び範囲を含む)も、焼結時間の適切な調節と併せて、使用可能である。その後、ペレットをボールミリングすることによって、ミクロンサイズのクラスターを形成する。クラスターのサイズは、粉砕時間、速度、及びボールの数を変更することによって調節可能である。その後、200sccmのガス流速、1分間、1100℃で、アセチレンの化学蒸着(CVD)によって、粒子を炭素で被覆する(例えば、この例の具体的な規模にて)。炭素の厚みは、ガス流速及び時間を変更することによって調節可能である。700℃~1500℃(例えば、800℃~1500℃)の範囲の他の温度(その間のすべての0.1℃の値及び範囲を含む)も、適切なコーティング時間及びガス流速と組み合わせることにより有効である。その後、シリカ犠牲層をHFエッチングによって除去する。必要とされる最大HF濃度は10%w/wであり、最大エッチング時間は1時間でもよい。当然のことながら、HF濃度がより低ければ、より長いエッチング時間が必要となる。その後、粒子を溶液から分離し、エタノールで洗浄し、一晩乾燥する。
3)市場で入手可能なケイ素粒子(例えば、~100nmのケイ素粒子)を、200sccmのガス流速、1分間、1100℃で、アセチレンの化学蒸着(CVD)によって、炭素で被覆する(例えば、この例の具体的な規模にて)。炭素の厚みは、ガス流速及び時間を変更することによって調節可能である。700℃~1500℃(例えば、800℃~1500℃)の範囲の他の温度(その間のすべての0.1℃の値及び範囲を含む)も、適切なコーティング時間及びガス流速と組み合わせることにより有効である。その後、液圧プレスを使用して粒子を加圧し、粒子を充填してタップ密度を低下させる。ペレットをアルゴン(あるいは真空もしくは他の不活性雰囲気)下で2時間600℃にて焼結する。500℃~800℃の他の温度(その間のすべての0.1℃の値及び範囲を含む)も、焼結時間の適切な調節と併せて、使用可能である。その後、ペレットをボールミリングすることによって、ミクロンサイズのクラスターを形成する。クラスターのサイズは、粉砕時間、速度、及びボールの数を変更することによって調節可能である。その後、1モルの水酸化リチウム溶液を使用して、常に撹拌しながら、70℃にて1時間、炭素シェルの内側のケイ素をエッチングし、必要な間隙スペースを形成する。他の水酸化リチウム溶液濃度も、エッチング時間を適切に変更することにより、採用可能である。間隙スペースは、濃度、温度、攪拌時間を変更することによって調節可能である。ケイ素エッチングプロセスは、水酸化リチウムの代わりに、水酸化ナトリウム及び/又は水酸化カリウム溶液を使用して同様に行うことができ、あるいはこれらの混合物又は同様の剤を使用してもよい。この方法により均一な間隙スペースを合成することは、エッチング溶液が、クラスター内に浸透して、すべてのケイ素粒子に到達しなければならず、且つ、このエッチングが異方性であるため(いくつかの結晶学的方向において、他の方向より早く進行する)、酸化による方法よりも困難である。
これらのアプローチそれぞれのバリエーションも可能であり、複合アノード材料の電気伝導性を向上させるために、加圧、焼結、及び粉砕工程の前及び後に、複数の炭素堆積工程を含んでもよい。しかしながら、炭素含量が増加すると、全体的なリチウム貯蔵容量が減少し(ケイ素含量が減少することにより)、且つ、炭素はリチウムイオンを不可逆的に捕捉し得る。それゆえ、炭素コーティング工程を最適化することが望ましい。
・Si含量の増加(例えば、90%まで)
・ナノ材料は、クラッキングなしで大きな圧力に耐えうる
・25~35nmの、酸化物フリーの、水素-不動態化ケイ素ナノ粒子コア
・シェルの破壊又はクラッキングを起こすことなく、膨張と縮小を可能にする間隙スペース(調節可能)
・犠牲的シリカ層の酸性エッチング後に形成される
・炭素シェルが、電解質から活物質を保護し、電子及びイオンの伝導を可能にする。
・CVD時間を変更することによって調節可能
・短い電子及びイオン輸送距離が、レート性能(rate capability)を向上させる
・クラスターを形成し、電解質への暴露を減少させることができる(より少ない表面積)一方、炭素含量も減少させる
・SiNPのより広い表面積は、より多くのSEI層形成を引き起こし、より多いLiイオンを消費する
・酸性エッチング前のクラスター形成は、SEI形成を各クラスターの外側に(それぞれに被包されたSiナノ粒子ではなく)限定することによって、SEI形成のための表面積を低下させる
・調節可能なクラスターサイズ(例えば、ボールミリング時間によって)
陳述1.
ケイ素-炭素ナノ複合材料(例えば、複数のケイ素@間隙@炭素クラスターを含むケイ素-炭素ナノ複合材料)を製造する方法であって、以下の工程を含む方法:
酸化ケイ素(例えば、二酸化ケイ素)-被覆ナノ粒子(例えば、酸化ケイ素で連続的にコーティングされたケイ素ナノ粒子)を提供すること(例えば、酸化雰囲気(例えば、空気、水、酸化性ガス、例えば、オゾン、亜酸化窒素など)中でケイ素ナノ粒子を加熱する(例えば、熱的に酸化する)ことによって、ゾルゲル法、例えば、Stober法などによって、酸化ケイ素(例えば、二酸化ケイ素)-被覆ナノ粒子を形成する)、前記粒子は、例えば、5~500nmの酸化ケイ素厚みを有し、前記数値範囲には、その間のすべてのnmの範囲及び値が含まれる(例えば、1~300nm、250nm未満、又は150nm未満);
酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子のクラスターを形成する(例えば、酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子に圧力をかけることによって(例えば、ダイセット及び液圧プレス、タブレットプレス、スタンププレス、又はローラープレスなどを使用して)、酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子の圧縮された(例えば、凝集した)クラスターを形成し、この酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子の圧縮クラスターを粉砕して(例えば、ボールミリング、ハンマーミリング、ジェットミリング、ローラーミリングなどを使用して)、所望のサイズの(例えば、1~50ミクロン、その間のすべてのミクロン値及び範囲を含む)酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子のクラスターを形成する);
炭素材料(例えば、グラフェン、グラフェン様物質、グラファイト状炭素物質、非晶質炭素、又はそれらの組み合わせなどの炭素材料)で被覆された、酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子のクラスターを形成する(例えば、酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子のクラスターを、気相の炭素前駆体、例えば、アセチレン、エチレン、メタン、エタノール、アセトン、又はそれらの組み合わせなどと、及び任意で、還元ガス、例えば、水素、窒素、及びアンモニアなどと接触させることによって)、前記クラスターは、例えば、0.3~20nm(その間のすべての0.1nm値及び範囲(例えば、0.3~5nm、及び5~10nm)を含む)の炭素材料厚みを有する;及び
ケイ素-炭素ナノ複合材料が形成されるように、すべてあるいは実質的にすべて(例えば、80%以上、85%以上、90%以上、及び95%以上)の酸化ケイ素を、前記炭素材料で被覆された酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子のクラスターから除去する(例えば、酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子の炭素被覆クラスターを、酸、例えばフッ化水素酸水溶液など、塩基、例えば、第I族金属水酸化物、又は溶融水酸化物(fused hydroxide)などと接触させることによって)。
陳述2.
ケイ素粒子の熱酸化;炭素コーティング;加圧及び粉砕によるクラスター形成;第二炭素コーティング;及び酸性エッチングを含む、ケイ素-炭素ナノ複合材料(例えば、複数のケイ素@間隙@炭素クラスターを含むケイ素-炭素ナノ複合材料)の製造方法。
陳述3.
少なくとも2つの炭素コーティング工程があり、前記炭素コーティング工程が、クラスター形成プロセスの前又は後に、あるいは前と後の両方に行われる、前記陳述のいずれか1つに記載の方法。
陳述4.
ケイ素-炭素ナノ複合材料を単離すること(例えば、ろ過プロセス又は遠心分離プロセスを使用して)をさらに含む、前記陳述のいずれか1つに記載の方法。
陳述5.
前記ケイ素-炭素ナノ複合材料を洗浄することをさらに含む(例えば、ケイ素-炭素ナノ複合材料を、溶媒、例えば、エタノールなどで洗浄する。これは、ケイ素ナノ粒子上に酸化物層の形成を防ぐために(及びそれらを、ろ過材からより容易に分離するために)好ましい。前記洗浄工程は繰り返されてもよい)、前記陳述のいずれか1つに記載の方法。
陳述6.
前記ケイ素-炭素ナノ複合材料を乾燥する(例えば、前記クラスターを真空オーブン中で乾燥する)ことをさらに含む、前記陳述のいずれか1つに記載の方法。
陳述7.
前記ケイ素-炭素ナノ複合材料をリチウム化することをさらに含む、前記陳述のいずれか1つに記載の方法。前記リチウム化は、電極作製の前又は後に実施されてもよい。
陳述8.
前記酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子が、酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子のクラスター形成中に焼結される、前記陳述のいずれか1つに記載の方法。
陳述9.
炭素材料で被覆された、酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子を焼結することをさらに含む、前記陳述のいずれか1つに記載の方法。任意で、前記焼結プロセスは、水素を含む雰囲気中で実施され、これは炭素含有層のグラフェン含量を増加させ得る。
陳述10.
前記ケイ素ナノ粒子が、結晶質、多結晶、非晶質、又はそれらの組み合わせである、及び/又は、5~250nm(例えば、5~150nm)(それらの間のすべてのnm範囲及び値を含む(例えば、20~75nm、それらの間のすべての0.1nm値及び範囲を含む)の最長寸法(例えば、直径)を有する、前記陳述のいずれか1つに記載の方法。
陳述11.
前記ケイ素ナノ粒子が、球状、疑似球状、不規則形状、又はそれらの組み合わせである、前記陳述のいずれか1つに記載の方法。他の形状であってもよい。
陳述12.
前記形成工程が、ダイセット及び液圧プレスを使用して、酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子に圧力をかけて(例えば、30~1000MPa(その間のすべてのMPa値及び範囲を含む)の圧力)、酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子の圧縮クラスターを形成すること、及び、前記酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子の圧縮クラスターを粉砕して(例えば、ボールミリング、ハンマーミリング、ジェットミリング、ローラーミリングなど)、酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子のクラスターを形成することを含む、前記陳述のいずれか1つに記載の方法。
陳述13.
導電性炭素材料(例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、又はグラフェン、例えばグラフェンシートなど)が、酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子のクラスターを形成する前に、酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子に添加される、前記陳述のいずれか1つに記載の方法。
陳述14.
酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子に圧力をかけた後であって、圧縮された酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子を粉砕する前に、圧縮された酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子が焼結される(例えば、不活性雰囲気中で600℃にて)、陳述12又は13のいずれか1つに記載の方法。酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子のさらなる酸化をさけるために、焼結環境は高温では不活性であることが望ましい。しかしながら、低温では焼結環境は空気であってもよい。例えば、焼結時間は30分~2時間である(その間のすべての0.1分値及び範囲を含む)。
陳述15.
酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子の炭素材料被覆クラスターの形成が、化学蒸着(例えば、炭素前駆体としてアセチレンを使用する、及び任意で水素を使用する)を使用して実施される、前記陳述のいずれか1つに記載の方法。一例では、炭素前駆体ガス流を停止した後、酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子の炭素材料被覆クラスターを、析出温度であるいはその付近の温度で維持して、さらに炭素材料をパック(pack)し(例えば、炭素材料をよりグラファイト状にする)、及び任意で、このプロセスの間に水素を添加する。
陳述16.
1又は複数の追加的な炭素コーティング工程(例えば、本明細書に記載されているような)をさらに含む、前記陳述のいずれか1つに記載の方法。
陳述17.
ケイ素-炭素ナノ複合材料(例えば、複数のケイ素@間隙@炭素クラスターを含むケイ素-炭素ナノ複合材料)を製造する方法であって、以下の工程を含む方法:
酸化ケイ素(例えば、二酸化ケイ素)-被覆ナノ粒子(例えば、酸化ケイ素の連続的なコーティングを有するケイ素ナノ粒子)を提供すること(例えば、酸化雰囲気(例えば、空気、水、酸化性ガス、例えば、オゾン、亜酸化窒素など)中でケイ素ナノ粒子を加熱する(例えば、熱的に酸化する)ことによって、酸化ケイ素(例えば、二酸化ケイ素)-被覆ナノ粒子を形成する)、前記粒子は、例えば、5~500nmの酸化ケイ素厚みを有し、前記数値範囲には、その間のすべてのnmの範囲及び値が含まれる(例えば、1~300nm、250nm未満、又は150nm未満);
炭素材料(例えば、グラフェン、グラフェン様物質、グラファイト状炭素物質、又はそれらの組み合わせなどの炭素材料)で被覆された、酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子を形成する(例えば、酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子を、気相の炭素前駆体、例えば、アセチレンなどと接触させることによって)、前記粒子は、例えば、0.3~20nm(その間のすべての0.1nm値及び範囲(例えば、0.3~5nm、及び5~10nm)を含む)の炭素材料厚みを有する;及び
炭素材料で被覆された、酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子のクラスターを形成する(例えば、炭素材料で被覆された酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子に圧力をかけることによって(例えば、ダイセット及び液圧プレス、タブレットプレス、スタンププレス、又はローラープレスなどを使用して)、炭素材料で被覆された酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子の圧縮された(例えば、凝集した)クラスターを形成し、この炭素材料で被覆された酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子の圧縮クラスターを粉砕して(例えば、ボールミリング、ハンマーミリング、ジェットミリング、ローラーミリングなど)、炭素-被覆酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子のクラスターを形成する);
ケイ素-炭素ナノ複合材料が形成されるように、すべてあるいは実質的にすべて(例えば、80%以上、85%以上、90%以上、及び95%以上)の酸化ケイ素を、前記炭素材料で被覆された酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子のクラスターから除去する(例えば、炭素材料-被覆酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子を、酸、例えばフッ化水素酸水溶液など、又は塩基、例えば、アルカリ金属水酸化物水溶液などと接触させることによって)。
陳述18.
ケイ素-炭素ナノ複合材料を単離すること(例えば、ろ過プロセス又は遠心分離プロセスを使用して)をさらに含む、陳述17に記載の方法。
陳述19.
前記ケイ素-炭素ナノ複合材料を洗浄することをさらに含む(例えば、ケイ素-炭素ナノ複合材料を、溶媒、例えば、エタノールなどで洗浄する。これは、ケイ素ナノ粒子上に酸化物層の形成を防ぐために、及び/又は、それらをろ過材からより容易に分離するために、好ましい。前記洗浄工程は繰り返されてもよい)、陳述17又は18に記載の方法。
陳述20.
前記ケイ素-炭素ナノ複合材料を乾燥する(例えば、前記クラスターを真空オーブン中で乾燥する)ことをさらに含む、陳述17~19のいずれか1つに記載の方法。
陳述21.
前記ケイ素-炭素ナノ複合材料をリチウム化することをさらに含む、陳述17~20のいずれか1つに記載の方法。前記リチウム化は、アノード材料及び/又はアノードの形成の後に実施されてもよい。
陳述22.
前記炭素材料-被覆酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子が、炭素材料-被覆酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子のクラスター形成中に焼結される、陳述17~21のいずれか1つに記載の方法。
陳述23.
導電性炭素材料(例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、又はグラフェン、例えばグラフェンシートなど)が、酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子のクラスターを形成する前に、炭素材料-被覆酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子に添加される、陳述17~22のいずれか1つに記載の方法。
陳述24.
前記ケイ素ナノ粒子が、結晶質、多結晶、非晶質、又はそれらの組み合わせである、及び/又は、5~250nm(それらの間のすべてのnm値及び範囲を含む(例えば、5~150nm又は20~75nm)の最長寸法(例えば、直径)を有する、陳述17~23のいずれか1つに記載の方法。
陳述25.
前記ケイ素ナノ粒子が、球状、疑似球状、不規則形状、又はそれらの組み合わせである、陳述17~24のいずれか1つに記載の方法。他の形状であってもよい。
陳述26.
前記形成工程が、ダイセット及び液圧プレスを使用して、炭素材料-被覆酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子に圧力をかけて(例えば、30~1000MPa(その間のすべてのMPa値及び範囲を含む)の圧力)、炭素材料-被覆酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子の圧縮クラスターを形成すること、及び、前記炭素材料-被覆酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子の圧縮クラスターを粉砕して(例えば、ボールミリング、ハンマーミリング、ジェットミリング、ローラーミリングなど)、酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子のクラスターを形成することを含む、陳述14~19のいずれか1つに記載の方法。
陳述27.
炭素材料-被覆酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子に圧力をかけた後であって、圧縮された炭素材料-被覆酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子を粉砕する前に、炭素材料-被覆酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子が焼結される(例えば、不活性雰囲気中で600℃にて)、陳述26に記載の方法。酸化による炭素の除去をさけるために、焼結環境は不活性とすべきである。例えば、焼結時間は30分~2時間である(その間のすべての0.1分値及び範囲を含む)。
陳述28.
酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子の炭素材料被覆クラスターの形成が、化学蒸着(例えば、炭素前駆体としてアセチレンを使用する、及び任意で水素を使用する)を使用して実施される、陳述17~27のいずれか1つに記載の方法。一例では、炭素前駆体ガス流を停止した後、酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子の炭素材料被覆クラスターを、析出温度であるいはその付近の温度で維持して、さらに炭素材料をパックし(例えば、炭素材料をよりグラファイト状にする)、及び任意で、このプロセスの間に水素を添加する。
陳述29.
1又は複数の追加的な炭素コーティング工程(例えば、本明細書に記載されているような)をさらに含む、陳述17~28のいずれか1つに記載の方法。
陳述30.
ケイ素-炭素ナノ複合材料(例えば、複数のケイ素@間隙@炭素クラスターを含むケイ素-炭素ナノ複合材料)を製造する方法であって、以下の工程を含む方法:
炭素材料(例えば、グラフェン、グラフェン様物質、グラファイト状炭素物質、又はそれらの組み合わせなどの炭素材料)で被覆された、ケイ素ナノ粒子を形成する(例えば、ケイ素ナノ粒子を、気相の炭素前駆体、例えば、アセチレンなどと接触させることによって)、前記粒子は、例えば、0.3~20nm(その間のすべての0.1nm値及び範囲(例えば、0.3~5nm、及び5~10nm)を含む)の炭素材料厚みを有する;及び
ケイ素-炭素ナノ複合材料が形成されるように、少なくとも一部のケイ素を、前記炭素材料で被覆されたケイ素ナノ粒子から除去する(例えば、炭素材料被覆-ケイ素ナノ粒子を、例えば、第I族金属水酸化物など(例えば、水酸化リチウム、水酸化カリウムなど)のような剤と接触させることによって、炭素材料を除去することなくあるいは実質的に除去することなく、ケイ素ナノ粒子のケイ素を溶解する)。
陳述31.
前記ケイ素ナノ粒子が、結晶質、多結晶、非晶質、又はそれらの組み合わせである、及び/又は、5~250nm(それらの間のすべてのnm値及び範囲を含む(例えば、5~150nm又は20~50nm)の最長寸法(例えば、直径)を有する、陳述30に記載の方法。
陳述32.
前記ケイ素ナノ粒子が、球状、疑似球状、不規則形状、又はそれらの組み合わせである、陳述30又は31に記載の方法。他の形状であってもよい。
陳述33.
酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子の炭素材料被覆クラスターの形成が、化学蒸着(例えば、炭素前駆体としてアセチレンを使用する、及び任意で水素を使用する)を使用して実施される、陳述30~32のいずれか1つに記載の方法。一例では、炭素前駆体ガス流を停止した後、酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子の炭素材料被覆クラスターを、析出温度であるいはその付近の温度で維持して、さらに炭素材料をパックし(例えば、炭素材料をよりグラファイト状にする)、及び任意で、このプロセスの間に水素を添加する。
陳述34.
前記炭素材料-被覆酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子が焼結される、陳述30~33のいずれか1つに記載の方法。
陳述35.
1又は複数の追加的な炭素コーティング工程(例えば、本明細書に記載されているような)をさらに含む、陳述30~34のいずれか1つに記載の方法。
陳述36.
ケイ素ナノ粒子;連続的な炭素シェル;及び炭素シェル内の間隙スペース;を含むケイ素-炭素ナノ複合材料。ここで、前記ケイ素ナノ粒子は、前記連続的な炭素シェルに被包されている。
陳述37.
前記ケイ素-炭素ナノ複合材料が、複数の粒子を含み(例えば、前記複数の粒子は、1つの粒子クラスターあるいは複数の粒子クラスターを形成する)、各粒子が、ケイ素ナノ粒子;連続的な炭素シェル;及び炭素シェル内の間隙スペースを含み、ここで、前記ケイ素ナノ粒子は、前記連続的な炭素シェルに被包されている、陳述36に記載のケイ素-炭素ナノ複合材料。
陳述38.
前記ケイ素-炭素ナノ複合材料が、ケイ素-炭素ナノ複合材料の総重量に基づいて、少なくとも75重量%のケイ素を有する、陳述37に記載のケイ素-炭素ナノ複合材料。
陳述39.
前記ケイ素ナノ粒子が、5~250nm(それらの間のすべてのnm値及び範囲を含む(例えば、5~150nm又は20~50nm))の最長寸法(例えば、直径)を有する、陳述36に記載のケイ素-炭素ナノ複合材料。
陳述40.
前記ケイ素ナノ粒子が、5~250nm(それらの間のすべてのnm値及び範囲を含む(例えば、5~150nm又は20~75nm))の最長寸法(例えば、直径)を有する、陳述37又は38に記載のケイ素-炭素ナノ複合材料。
陳述41.
前記連続的な炭素シェルが、0.3~20nm(それらの間のすべての0.1nm値及び範囲を含む)(例えば、0.3~5nm及び5~10nm)の厚みを有する、陳述36~40のいずれか1つに記載のケイ素-炭素ナノ複合材料。
陳述42.
前記連続的な炭素シェルが、100%非晶質ではない、陳述36~41のいずれか1つに記載のケイ素-炭素ナノ複合材料。
陳述43.
前記連続的な炭素シェルが、欠陥の無いグラフェンではない、陳述36~42のいずれか1つに記載のケイ素-炭素ナノ複合材料。
陳述44.
前記連続的な炭素シェルが、0.7~2のD(sp3炭素)/G(sp2炭素)比のラマンスペクトル(その間のすべての0.1比の値及び範囲を含む)を示す炭素材料を含む、陳述36~43のいずれか1つに記載のケイ素-炭素ナノ複合材料。
陳述45.
前記連続的な炭素シェルが、観察可能なG’ピーク(例えば、ラマンスペクトル中の観察可能なG’ピーク)も示すラマンスペクトルを示す炭素材料を含む、陳述44に記載のケイ素-炭素ナノ複合材料。
陳述46.
前記連続的な炭素シェルが、0.1~0.7のG’/G比も示すラマンスペクトルを示す炭素材料を含む、陳述45に記載のケイ素-炭素ナノ複合材料。
陳述47.
間隙スペースとケイ素ナノ粒子体積の体積比([間隙体積+ケイ素ナノ粒子体積]/ケイ素体積)が、3~5である(その間のすべての範囲及び値を含む(例えば、3.8~4.2))、陳述36~46のいずれか1つに記載のケイ素-炭素材料。
陳述48.
前記ケイ素-炭素材料が、陳述1~35のいずれか1つに記載の方法によって製造される、陳述36~47のいずれか1つに記載のケイ素-炭素材料。
陳述49.
陳述36~47のいずれか1つに記載のケイ素ナノ複合材料、又は陳述1~35のいずれか1つに記載の方法によって製造されたケイ素ナノ複合材料を含む、イオン伝導性バッテリー用のアノード。
陳述50.
1又は複数のバインダー(例えば、ポリマー(例えば、導電性ポリマー)、例えば、PVDF、PAA、CMC、アルギン酸塩、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリ(ビニルアルコール)(PVA)、ポリアニリン(PANI)、ポリ(9,9-ジオクチル-フルオレン-co-フルオレノン)(PFFO)、ポリ(9,9-ジオクチルフルオレン-co-フルオレノン-co-メチル安息香酸)(PFFOMB)、ポリアミド-イミド(PAI)、リチウムポリ(アクリル酸)(PAALi)、及びポリ(アクリル酸)ナトリウム(PAANa)、および同様のものなど、並びにそれらの組み合わせ)をさらに含む、陳述49に記載のアノード。
陳述51.
1又は複数のカーボン添加剤(例えば、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、グラフェン(例えばグラフェンシート)及びそれらの組み合わせ)をさらに含む、陳述49又は50に記載のアノード。
陳述52.
アノードが、3,500mA/gの電流で、少なくとも1,000サイクルの間、少なくとも1,000mAh/gのアノード容量、又は、400mA/gの電流で、少なくとも50サイクルあるいは少なくとも250サイクルの間、少なくとも2,000mAh/gのアノード容量を示す、陳述49~51のいずれか1つに記載のアノード。
陳述53.
陳述36~47のいずれか1つに記載のケイ素ナノ複合材料、又は陳述1~35のいずれか1つに記載の方法によって製造されたケイ素ナノ複合材料を含む(例えば、陳述46~49のいずれか1つに記載のアノード、又は陳述1~35のいずれか1つに記載の方法によって製造されたケイ素ナノ複合材料を含む)、イオン伝導性バッテリー(例えば、リチウムイオン電池)。
陳述54.
バッテリーが、1又は複数の電解質及び/又は1又は複数の集電体及び/又は1又は複数のさらなる構成成分(例えば、バイポーラ板、外装材、及び電気接点/リード(ワイヤを接続するための)など)をさらに含む、陳述53に記載のイオン伝導性バッテリー。
陳述55.
複数のセルを含み、各セルが、陳述49~52のいずれか1つに記載のアノードを1つ又は複数、及び任意で、1又は複数のカソード、電解質、及び集電体を含んでいる、イオン伝導性バッテリー。
陳述56.
バッテリーが、1~500のセル(その間のすべての値のセル及び範囲を含む)を含む、陳述55に記載のイオン伝導性バッテリー。
本実施例は、本開示のケイ素-炭素ナノ材料を製造すること、特性評価すること、及び使用することに関する記述を提供する。
本実施例は、本開示のケイ素-炭素ナノ材料を製造すること、特性評価すること、及び使用することに関する記述を提供する。
Claims (15)
- ケイ素-炭素ナノ複合材料を製造する方法であって、
酸化ケイ素で被覆されたケイ素ナノ粒子(以下、酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子)を準備すること;
炭素材料で被覆された、酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子を形成すること、ここで、炭素材料による被覆は化学蒸着(CVD)を使用して実施され、及び、炭素材料厚みは0.3~20nmである;その後、
炭素材料で被覆された酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子のクラスターを形成すること;及び
すべてあるいは実質的にすべての酸化ケイ素を、炭素材料で被覆された酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子のクラスターから除去して、ケイ素-炭素ナノ複合材料を形成すること
を含む方法。 - ケイ素-炭素ナノ複合材料を単離すること、及び/又は、ケイ素-炭素ナノ複合材料を洗浄すること、及び/又は、ケイ素-炭素ナノ複合材料を乾燥することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- ケイ素-炭素ナノ複合材料をリチウム化することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 炭素材料で被覆された酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子が、炭素材料で被覆された酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子のクラスターを形成する間に焼結される、請求項1に記載の方法。
- 導電性炭素材料が、炭素材料で被覆された酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子のクラスターを形成する前に、炭素材料で被覆された酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子に添加される、請求項1に記載の方法。
- ケイ素-炭素ナノ複合材料のケイ素ナノ粒子が、結晶質、多結晶、非晶質、又はそれらの組み合わせである、及び/又は、5~150nmの最長寸法を有する、請求項1に記載の方法。
- ケイ素ナノ粒子が、球状、疑似球状、不規則形状、又はそれらの組み合わせである、請求項1に記載の方法。
- 前記クラスター形成工程が、ダイセット及び液圧プレスを使用して、炭素材料で被覆された酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子に圧力をかけて、炭素材料で被覆された酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子の圧縮クラスターを形成すること、及び、炭素材料で被覆された酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子の圧縮クラスターを粉砕して、炭素材料で被覆された酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子のクラスターを形成することを含む、請求項1に記載の方法。
- 炭素材料で被覆された酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子に圧力をかけた後であって、圧縮された炭素材料-被覆酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子を粉砕する前に、炭素材料で被覆された酸化ケイ素-被覆ケイ素ナノ粒子が焼結される、請求項8に記載の方法。
- 1又は複数の追加的な炭素コーティング工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- ケイ素-炭素ナノ複合材料を製造する方法であって、
ケイ素ナノ粒子の表面を、炭素材料で被覆して、炭素材料で被覆されたケイ素ナノ粒子を形成すること;
任意で、1つ又は複数の炭素コーティング工程を行うこと、及び
炭素材料被覆層の内側に間隙スペースが形成されるように、一部のケイ素を、前記炭素材料で被覆されたケイ素ナノ粒子から除去して、ケイ素-炭素ナノ複合材料を形成すること
を含む方法。 - ケイ素-炭素ナノ複合材料のケイ素ナノ粒子が、結晶質、多結晶、非晶質、又はそれらの組み合わせである、及び/又は、5~250nmの最長寸法を有する、請求項11に記載の方法。
- ケイ素ナノ粒子が、球状、疑似球状、不規則形状、又はそれらの組み合わせである、請求項11に記載の方法。
- 炭素材料で被覆されたケイ素ナノ粒子の形成が、化学蒸着を使用して実施される、請求項11に記載の方法。
- 炭素材料で被覆されたケイ素ナノ粒子が焼結される、請求項11に記載の方法。
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US20230216030A1 (en) * | 2020-05-22 | 2023-07-06 | Fastcap Systems Corporation | Si-containing composite anode for energy storage devices |
US11066305B1 (en) | 2020-11-13 | 2021-07-20 | ionobell Inc | Porous silicon manufactured from fumed silica |
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CN112645332B (zh) * | 2020-12-08 | 2022-07-12 | 东莞烯事达新材料有限公司 | 一种含sic绒毛的石墨烯纸热界面材料 |
CN115010137B (zh) * | 2021-03-05 | 2023-12-19 | 中国科学院过程工程研究所 | 一种利用切割废硅粉快速制备硅纳米线的方法及应用 |
WO2022251358A1 (en) * | 2021-05-25 | 2022-12-01 | Ionobell, Inc. | Silicon material and method of manufacture |
CN113540422B (zh) * | 2021-07-14 | 2022-09-16 | 路华置富电子(深圳)有限公司 | 硅碳壳壳纳米复合材料、制作方法及锂离子电池电极 |
WO2023064395A1 (en) | 2021-10-12 | 2023-04-20 | Ionobell, Inc | Silicon battery and method for assembly |
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WO2023159327A1 (en) * | 2022-02-25 | 2023-08-31 | Universal Matter Inc. | Graphene and silicon based anodes for lithium-ion batteries |
US20230275230A1 (en) * | 2022-02-25 | 2023-08-31 | Enevate Corporation | Aqueous based polymers for silicon anodes |
CN114361458B (zh) * | 2022-03-10 | 2022-07-15 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 正极材料及其制备方法、正极极片、二次电池、电池模块、电池包和用电装置 |
CN116936750A (zh) * | 2023-09-18 | 2023-10-24 | 季华实验室 | 锂离子电池负极片及其制备方法、负极片浆料、锂离子电池 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20150099187A1 (en) | 2013-10-04 | 2015-04-09 | Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Large-volume-change lithium battery electrodes |
CN106935817A (zh) | 2017-03-07 | 2017-07-07 | 浙江工业大学 | 一种次级团簇结构锂离子电池硅基负极材料的制备方法 |
JP2017526144A (ja) | 2014-08-29 | 2017-09-07 | 日本電気株式会社 | リチウムイオン電池用アノード材料 |
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---|---|---|---|---|
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US8912083B2 (en) * | 2011-01-31 | 2014-12-16 | Nanogram Corporation | Silicon substrates with doped surface contacts formed from doped silicon inks and corresponding processes |
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KR20170013869A (ko) * | 2014-04-18 | 2017-02-07 | 더 리서치 파운데이션 포 더 스테이트 유니버시티 오브 뉴욕 | 복합 나노재료 및 마이크로재료, 이의 막, 및 이의 제조방법 및 용도 |
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US20170222219A1 (en) * | 2016-01-28 | 2017-08-03 | Dong Sun | Ordered nano-porous carbon coating on silicon or silicon/graphene composites as lithium ion battery anode materials |
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Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20150099187A1 (en) | 2013-10-04 | 2015-04-09 | Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Large-volume-change lithium battery electrodes |
JP2017526144A (ja) | 2014-08-29 | 2017-09-07 | 日本電気株式会社 | リチウムイオン電池用アノード材料 |
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Non-Patent Citations (1)
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LIU Nian et al.,A Yolk-Shell Design for Stabilized and Scalable Li-Ion Battery Alloy Anodes,Nano Letters,2012年,Vol.12,pp.3315-3321,https://doi.org/10.1021/nl3014814 |
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