JP7828956B2 - 電気化学的特性を向上させたシリコン－カーボン複合材料 - Google Patents

電気化学的特性を向上させたシリコン－カーボン複合材料

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Description

本発明の実施形態は一般に、多孔質カーボン内に取り込まれた、アモルファスなナノサイズシリコンの提供に関する課題を解決する、シリコン－カーボン複合材料の電気化学的特性および性能を向上させることに関する。上記シリコン－カーボン複合体は、化学気相浸透により、多孔質スキャフォールドの孔内に、アモルファスなナノサイズシリコンを含侵させて製造される。適切な多孔質スキャフォールドは、特に限定されないが、例えば多孔質カーボンスキャフォールドを含み、例えばミクロ細孔（２ｎｍ未満）、メソ細孔（２～５０ｎｍ）、及び／又はマクロ孔（５０ｎｍ超）を含む細孔容積を有するカーボンが挙げられる。適切なカーボンスキャフォールド用の前駆体は、特に限定されないが、例えば糖及びポリオール、有機酸、フェノール化合物、架橋剤、及びアミン化合物を含む。適切な複合材料は、特に限定されないが、例えばシリコン材料を含む。シリコンの前駆体は、特に限定されないが、シリコン含有ガス、例えばシラン、高次シラン（ジ－、トリ－、及び／又はテトラシラン等）、及び／又はクロロシラン（モノ－、ジ－、トリ－、及びテトラクロロシラン等）、及びこれらの混合物、等を含む。多孔質スキャフォールド材料の細孔へのシリコンの化学気相浸透（ＣＶＩ）は、上記多孔質スキャフォールドを、シリコン含有ガス（例えばシラン）に高温で曝露することで達成される。多孔質カーボンスキャフォールドは、粒子状の多孔質カーボンであり得る。
この点に関する重要な成果は、シリコンの所望の形態を、所望の形態、即ち、アモルファスなナノサイズのシリコンにおいて達成することである。更に、その他の重要な成果は、多孔質カーボンの細孔内へのシリコンの含侵を達成することである。更に、その他の重要な成果は、シリコン－カーボン複合材料の電気化学的特性の向上を達成することである。かかる向上は、黒鉛性（graphitic nature）、及び／又はカーボンスキャフォールドの導電性を増大させることを含む。ここで上記導電性は、電子導電性、及び／又はイオン導電性を含む。かかる電気化学的特性が高められたシリコン－カーボン複合材料は、エネルギー貯蔵デバイス、例えばリチウムイオンバッテリー用のアノード材料としての有用性を有する。また、電気化学的特性が高められたシリコン－カーボン複合材料の調製に関する製造プロセスも、本明細書に開示される。
関連分野の説明
ＣＶＩは、ガス状基質が多孔質スキャフォールド材料内で反応するプロセスである。このアプローチは、複合材料（例えばシリコン－カーボン複合体）を製造するために使用され得るアプローチであって、シリコン含有ガスを、高温の多孔質カーボンスキャフォールド内で分解させるアプローチである。このアプローチは、様々な複合材料の製造に使用することが可能で、特にシリコン－カーボン（Ｓｉ－Ｃ）複合材料において関心が集められている。かかるＳｉ－Ｃ複合材料は、例えばエネルギー貯蔵材料（例えばリチウムイオンバッテリー（ＬＩＢ）内のアノード材料）としての有用性を有する。ＬＩＢｓは、今日使用されている多数のアプリケーション（電気自動車、家電、及びグリッドストレージ等）のデバイスに取って代わる可能性を有する。例えば、今日の自動車向け鉛蓄電池は、放電中に不可逆的かつ安定な硫酸物を形成するため、次世代の完全電気自動車、及びハイブリッド電気自動車用としては適切でない。リチウムイオンバッテリーは、そのキャパシティ、及びその他考慮事項のために、今日使用されている鉛ベースシステムにとって代わる可能性がある。
この目的を達成するために、新しいＬＩＢアノード材料、特にシリコン（これは従来のグラファイトと比して１０倍大きな重量容量を有する）の開発に強い関心が集められ続けている。しかしながら、シリコンは、サイクル中に大きな体積変化を示し、その結果、電極の劣化、及び固体電解質界面（ＳＥＩ）の不安定化をもたらす。最も一般的な改善アプローチは、シリコンの粒子径を、個別の粒子として、又はマトリックス内で減少させること（例えばＤＶ，５０＜１５０ｎｍ、例えばＤＶ，５０＜１００ｎｍ、例えばＤＶ，５０＜５０ｎｍ、例えばＤＶ，５０＜２０ｎｍ、例えばＤＶ，５０＜１０ｎｍ、例えばＤＶ，５０＜５ｎｍ、例えばＤＶ，５０＜２ｎｍ）である。これまで、ナノスケールシリコンの製造技術は、酸化ケイ素の高温還元、広範囲の粒子縮小、複数工程のトキシックエッチング、及び／又はその他の高コストなプロセスを含む。同様に、一般的なマトリックスアプローチは、グラフェン又はナノグラファイト等の高価な材料を含み、及び／又は複雑なプロセス及びコーティングを要求する。
黒鉛化できない（ハード）カーボンは、ＬＩＢアノード材料として有益であることが、科学文献から知られている（Liu Y, Xue, JS, Zheng T, Dahn, JR. Carbon 1996, 34:193-200; Wu, YP, Fang, SB, Jiang, YY. 1998, 75:201-206; Buiel E, Dahn JR. Electrochim Acta 1999 45:121-130）。この性能改善の基礎は、グラフェン層の無秩序な性質、即ち、Ｌｉイオンをグラフェンの両面にインターカレートさせ、結晶性グラファイトに対するＬｉイオンの化学量論含有量を、理論的には２倍にできること、に由来する。さらに、積層グラフェン平面に対して平行でのみリチオ化が進行するグラファイトとは対照的に、Ｌｉイオンを等方的にインターカレートさせることで、無秩序な構造が、材料の定格容量を高める。これらの望ましい電気化学的特性にもかかわらず、アモルファスカーボンは、主に低いＦＣＥ、及び低いバルク密度（＜１ｇ／ｃｃ）のために、商業的なＬｉイオンバッテリーにおいて、広範囲にわたる展開は見られない。その代わり、アモルファスカーボンは、導電率を向上させ、かつ表面側の反応を抑制させるために、バッテリーのその他の活物質成分用の、低質量の添加剤及びコーティングとして、より一般的に使用されている。
近年、ＬＩＢバッテリー材料としてのアモルファスカーボンが、シリコンアノード材料用のコーティングとして、大きな注目を集めている。かかるシリコン－カーボンのコア－シェル構造は、導電性を向上させるだけでなく、シリコンがリチオ化する際の膨張を緩和し得る能力を有し、かくしてサイクル安定性を安定化させ、かつ粒子の微粉化、分離、及びＳＥＩ完全性に関する問題を最小化し得る能力を有する（Jung, Y, Lee K, Oh, S. Electrochim Acta 2007 52:7061-7067; Zuo P, Yin G, Ma Y.. Electrochim Acta 2007 52:4878-4883; Ng SH, Wang J, Wexler D, Chew SY, Liu HK. J Phys Chem C 2007 111:11131-11138）。この方法に関連する問題には、コーティングプロセスに適した適切なシリコン出発材料の不足、及びリチオ化中のシリコンの膨張に順応するための、カーボンでコートされたシリコンのコア－シェル複合粒子内の、工学的空隙の内在的な不足、が含まれる。これは必然的に、コア－シェル構造及びＳＥＩ層の破壊による、サイクル安定性の欠如をもたらす。（Beattie SD, Larcher D, Morcrette M, Simon B, Tarascon, J-M. J Electrochem Soc 2008 155:A158-A163）.
米国特許出願７７２３２６２号明細書 米国特許出願８２９３８１８号明細書 米国特許出願８４０４３８４号明細書 米国特許出願８６５４５０７号明細書 米国特許出願８９１６２９６号明細書 米国特許出願９２６９５０２号明細書 米国特許出願１０５９０２７７号明細書 米国特許出願公開第２０１６／７４５１９７号明細書 米国仮出願番号６３／０８３６１４号
Liu Y, Xue, JS, Zheng T, Dahn, JR. Carbon 1996, 34:193-200; Wu, YP, Fang, SB, Jiang, YY. 1998, 75:201-206 Buiel E, Dahn JR. Electrochim Acta 1999 45:121-130 Jung, Y, Lee K, Oh, S. Electrochim Acta 2007 52:7061-7067 Zuo P, Yin G, Ma Y.. Electrochim Acta 2007 52:4878-4883 Ng SH, Wang J, Wexler D, Chew SY, Liu HK. J Phys Chem C 2007 111:11131-11138 Beattie SD, Larcher D, Morcrette M, Simon B, Tarascon, J-M. J Electrochem Soc 2008 155:A158-A163 The Chemistry and Applications of Metal-Organic Frameworks, Hiroyasu Furukawa et al. Science 341, (2013); DOI: 10.1126/science.1230444 J.A. Menendez, A. Arenillas, B. Fidalgo, Y. Fernandez, L. Zubizarreta, E.G. Calvo, J.M. Bermudez, "Microwave heating processes involving carbon materials", Fuel Processing Technology, 2010, 91 (1), 1-8 M. N. Obrovac et al. Structural Changes in Silicon Anodes during Lithium Insertion /Extraction, Electrochemical and Solid-State Letters, 7 (5) A93-A96 (2004) Ogata, K. et al. Revealing lithium-silicide phase transformations in nano-structured silicon-based lithium ion batteries via in situ NMR spectroscopy. Nat. Commun. 5:3217 Loveridge, M. J. et al. Towards High Capacity Li-Ion Batteries Based on Silicon-Graphene Composite Anodes and Sub-micron V-doped LiFePO4 Cathodes. Sci. Rep. 6, 37787; doi: 10.1038/srep37787 (2016) M. N. Obrovac et al. Li15Si4Formation in Silicon Thin Film Negative Electrodes, Journal of The Electrochemical Society,163 (2) A255-A261 (2016) Q.Pan et al. Improved electrochemical performance of micro-sized SiO-based composite anode by prelithiation of stabilized lithium metal powder, Journal of Power Sources 347 (2017) 170-177
コア－シェル構造の代替構造は、アモルファスなナノサイズのシリコンが、多孔質カーボンスキャフォールドの空隙内に、均一に分布した構造である。多孔質カーボンは、望ましい特性：
（ｉ）カーボンの多孔性が、空隙容積を与え、リチオ化中のシリコンの膨張に順応し、かくして、電極レベルでの、正味の複合粒子の膨張を低減させる；
（ｉｉ）無秩序なグラフェンネットワークが、シリコンへの電気伝導性を高め、かくして、充電／放電速度の高速化を可能にする；及び、
（ｉｉｉ）ナノ－多孔質構造が、シリコンの合成の鋳型として機能し、かくして、その大きさ、分布、及びモルフォロジーを規定する、
を与える。
この目的のために、所望の逆階層構造は、ＣＶＩを使用することにより達成できる。ここで、シリコン含有ガスは、完全にナノ多孔質カーボンに浸透し、そこでナノサイズシリコンに分解され得る。ＣＶＩアプローチは、シリコン構造の点でいくつかの利点をもたらす。利点の１つは、ナノ多孔質カーボンが、最大の粒子形状と粒子径を規定しながら、シリコンの成長に関する核形成部位を与えることである。ナノ多孔質構造内のシリコンの成長を制限することは、クラッキング又は微粉化に対する感受性を低下させ、かつ膨張によって生じる接触を減少させる。さらに、この構造は、ナノサイズのシリコンをアモルファス相に留めることを促す。この特性は、特に導電性カーボンスキャフォールド内のシリコン近傍との組み合わせにおいて、高い充電／放電速度の機会を与える。このシステムは、高速対応の、固体形態リチウムの拡散経路を提供し、これは直接的に、ナノスケールのシリコン界面にリチウムイオンを供給する。カーボンスキャフォールド内のＣＶＩによって提供されたシリコンのその他の利点は、望ましくない結晶化Ｌｉ１５Ｓｉ４層の形成の阻害である。更なるその他の利点は、ＣＶＩプロセスが、粒子内部に空隙を与えることである。
導入したシリコン－カーボン複合体を含むシリコンの割合を定量するために、熱重量分析（ＴＧＡ）を使用してもよい。この目的のために、シリコン－複合体を、２５℃から１１００℃まで加熱する。理論に束縛されるものではないが、当該温度において、全てのカーボンが燃焼し、全てのシリコンが酸化してＳｉＯ２になる。かくして、シリコン－カーボン複合体を含むシリコンの割合（％）は、以下の式：
％Ｓｉ＝１００×［［Ｍ１１００×（２８／（２８＋（１６×２）））］／Ｍ°］
［式中、シリコン－カーボン複合体を、大気下で、約２５℃から約１１００℃まで加熱する場合において、Ｍ１１００は、１１００℃におけるシリコン－カーボン複合体の質量、Ｍ°は、３０℃～２００℃におけるシリコン－カーボン複合体の最小の質量であり、これらの質量は熱重量分析によって求められる。］
から計算される。
多孔質カーボンの細孔に含侵したシリコンの相対量を測定するために、熱重量分析（ＴＧＡ）を使用してもよい。ＴＧＡは、存在する全シリコン、即ち、細孔内及び粒子表面上のシリコンの合計に対する、多孔質カーボンの細孔内に存在するシリコンの割合を評価するために使用でき得る。シリコン－カーボン複合体を空気下で過熱すると、サンプルは３００℃～５００℃で質量増大を示すが、これはシリコンのＳｉＯ２への酸化の開始を反映する。続いてサンプルは、カーボンが燃焼するにつれて質量減少を示す。続いてサンプルは、シリコンのＳｉＯ２への変換の再開を反映する質量増大を示し、これはシリコンの酸化が完了するまで、即ち１１００℃という漸近値に向かって増大する。この分析の目的に関して、８００℃から１１００℃に加熱されたサンプルについて記録された最小質量は、炭素の燃焼が完了するポイントを表すと推定される。このポイントを超える更なる質量増大は、シリコンのＳｉＯ２への酸化に対応し、酸化完了時点の合計質量は、ＳｉＯ２である。かくして、シリコンの総重量に対する、カーボン燃焼後の、酸化していないシリコンの割合は、以下の式：
Ｚ＝１．８７５×［（Ｍ１１００－Ｍ）／Ｍ１１００］×１００％
［式中、Ｍ１１００は、１１００℃において酸化が完了したサンプルの質量、及びＭは、８００℃から１１００℃まで加熱したサンプルについて記録された最小の質量である。］
によって求めることができる。
理論に束縛されるものではないが、シリコンがＴＧＡ条件下で酸化する温度は、酸化物層を通る酸素原子の拡散による、シリコン上の酸化物コーティングの長さスケールと関連する。かくして、カーボン細孔内に存在するシリコンは、粒子表面のコーティングが必然的により薄いために、粒子表面上のシリコンの堆積物よりも低い温度で酸化するだろう。このように、Ｚの計算は、多孔質カーボンスキャフォールドの細孔内に含侵していないシリコンのフラクションを定量的に評価するために使用される。
炭素の黒鉛性ｖｓアモルファス性は、当該技術分野で公知の様々な方法によって調べることができる。かかる方法は、特に限定されないが、例えば高解像度透過型電子顕微鏡（ＨＲＴＥＭ）、Ｘ線回折（ＸＲＤ）、及びラマン分光法、等を含む。後者２つの方法は、相関物(Z. Zhang and Q. Wang, Crystals 2017, 7(1):5)と同様に、定量に適していることが示されている。
ＸＲＤに関して、様々なミラー指数に対応する様々な２θにおけるピーク強度をモニタリングすることで、カーボン材料の黒鉛性を評価できる。理論に束縛されるものではないが、主に構造中の強い異方性のため、黒鉛の回折ラインは、様々なグループに分類され、例えば００ｌ、ｈｋ０、及びｈｋｌ指数、等に分類される。かかる種類の１つが「００２」で、黒鉛の基底面に一致し、２θの約２６°に位置する；このピークは、非常に黒鉛性の高いカーボン材料において顕著である。黒鉛性の程度がより低いカーボン材料は、積層度の低さに起因する非常にブロードな「００ｌ」線（例えば００２）及びシフト（例えば２θの約２３°）、並びに非対称なｈｋ線（例えば２θの約４３°に対応する「１０」）によって特徴付けられ得る。
ラマン分光法に関して、先行文献で報告されているように、この方法もカーボンの黒鉛性を評価するために使用できる（L. Bokobza J.-L. Bruneel and M. Couzi, Carbon 2015, 1:77-94）。この目的のために、カーボン材料の黒鉛性は、Ｇバンド（約１５５０～１６５０ｃｍ－１）に対するＤバンド（約１３００～１４００ｃｍ－１）のピーク強度の比をモニタリングすることで評価できる。かくして、ＩＤ／ＩＧはカーボンの黒鉛性の尺度であり、ダイレクトピーク強度から測定されるか、又はデコンボリューション（deconvolution）によって測定される。後者の場合は、付加的なデコンボリュートされたピーク（additional deconvoluted peak）は、Ｄ４（約１０００～１２００ｃｍ－１）、及びＤ３（約１４５０～１５５０ｃｍ－１）を含んでも良い。理論に束縛されるものではないが、上記Ｄ４及び／又はＤ３バンドは、カーボンブラックのような欠陥の多いカーボンに存在し、アモルファスカーボン、及び／又は炭化水素、及び／又は黒鉛の基本構造単位に結合した脂肪族部位に関連する。
簡単な要約
多孔質カーボン内に取り込まれたアモルファスなナノサイズシリコンの提供に関する課題を解決する、電気化学的特性及び性能が高められたシリコン－カーボン複合材料、及びそれらに関連する方法を開示する。先行技術に記載された、その他の劣る材料及び方法と比較すると、本明細書に開示した材料及び方法は、エネルギー貯蔵デバイス（例えばリチウムイオンバッテリー等）を含む様々なアプリケーションにおいて、優れた有用性が見出された。
様々なシリコン－カーボン複合材料における、Ｚと平均クーロン効率との関係。 ハーフセルを使用した第２サイクルにおける、シリコン－カーボン複合体３の微分容量ｖｓ電圧プロット。 ハーフセルを使用した第２サイクル～第５サイクルにおける、シリコン－カーボン複合体３の微分容量ｖｓ電圧プロット。 様々なシリコン－カーボン複合材料における、ｄＱ／ｄＶ ｖｓ Ｖプロット。 シリコン－カーボン複合体３における、φの計算例。 様々なシリコン－カーボン複合材料における、Ｚ ｖｓ φプロット。 カーボンスキャフォールドサンプル１１及びサンプル１５のラマンスペクトル。 カーボンスキャフォールドサンプル１２及びサンプル１０のラマンスペクトル。 カーボンスキャフォールドサンプル１３及びサンプル１４のラマンスペクトル。 様々な温度での加熱処理前後の、カーボンスキャフォールドサンプルの表面積。
詳細な説明
以下の記載では、様々な実施形態の十分な理解を提供するために、ある特定の詳細を説明する。しかしながら当業者は、本発明はこれらの詳細が無くとも実施でき得ることを理解するだろう。その他の例では、実施形態の説明を不必要に不明瞭にすることを避けるために、公知の構造は詳細に示していない、又は記載していない。特記がない限り、以下の明細書及び特許請求の範囲では、用語「含む（comprise）」、及びその派生形、例えば「comprises」、及び「comprising」等は、開かれた包括的な意味で、即ち、「含むが、それに限定されない（including, but not limited to）」と解釈される。さらに、本明細書に記載の見出し（headings）は、便宜的なものでしかなく、請求項に係る発明の範囲又は意味を解釈するものではない。
本明細書全体を通して、「一の実施形態（one embodiment）」又は「an embodiment」への言及は、その実施形態に関連して記述された特定の特徴、構造、又は特性が、少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書全体を通して様々な場所に現れる「一の実施形態において（in one embodiment）」、又は「in an embodiment」というフレーズは、必ずしも全てが同じ実施形態を意味するとは限らない。更に、特定の特徴、構造、または特性は、１つ以上の実施形態においていずれかの適切な方法によって組み合わせることができる。また、本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用されているように、単数形「a」，「an」，及び「the」は、特記がない限り、複数の参照を含む。また、特記がない限り、用語「又は（or）」は一般に、「及び／又は（and/or）」を含む意味で使用されることに注意されたい。
Ａ． 多孔質スキャフォールド材料
本発明の実施形態の目的について、シリコンを含侵させた多孔質スキャフォールドを使用してもよい。本態様では、多孔質スキャフォールドは様々な材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、多孔質スキャフォールドは主に炭素、例えばハードカーボンを含む。その他の炭素の同素体、例えばグラファイト、アモルファスカーボン、ダイアモンド、Ｃ６０、カーボンナノチューブ（例えば単層及び／又は複層）、グラフェン、及び／又はカーボンファイバーも、他の実施形態で想定される。カーボン材料への細孔の導入は、様々な手法によって達成できる。例えば、カーボン材料中の細孔は、ポリマー前駆体の調製（modulation）、及び／又は上記多孔質カーボン材料を作製する際の処理条件によって達成可能であり、以下のセクションで詳細に記載する。
その他の実施形態では、多孔質スキャフォールドはポリマー材料を含む。この目的のために、様々な実施形態において、実用性を有する広範のポリマー（特に限定されないが、例えば無機ポリマー、有機ポリマー、及び付加ポリマーが挙げられる）が想定される。本発明における無機ポリマーは、特に限定されないが、シリコン－シリコンのホモ鎖ポリマー、例えばポリシラン、シリコンカーバイド、ポリゲルマン、及びポリスタンナン等を含む。無機ポリマーの更なる例は、特に限定されないが、ヘテロ鎖ポリマー、例えばポリボラジレン（polyborazylenes）、並びにポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリメチルヒドロシロキサン（ＰＭＨＳ）、及びポリジフェニルシロキサン等のポリシロキサン、並びにペルヒドリドポリシラザン（perhydridopolysilazane（PHPS））、ポリフォスファゼン、及びポリ（ジクロロホスファゼン）等のポリシラザン（polysilazanes）、並びにポリホスフェート（polyphosphate）、ポリチアジル（polythiazyls）、及びポリスルフィド等を含む。有機ポリマーの例は、特に限定されないが、例えば低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ナイロン、ナイロン６、ナイロン６，６、テフロン（ポリテトラフルオロエチレン）、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）、ポリ尿素、ポリ乳酸、ポリグリコライド、及びこれらの組み合わせ、フェノール樹脂、ポリアミド、ポリアラミド（ｐｏｌｙａｒａｍｉｄｓ）、ポリエチレンテレフタレート、ポリクロロプレン、ポリアクリロニトリル、ポリアニリン、ポリイミド、ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）ポリスチレンスルホン酸（ＰＤＯＴ：ＰＳＳ）、及び当該技術分野において公知のその他の有機ポリマー等を含む。有機ポリマーは、合成物でも天然物でもよい。いくつかの実施形態では、ポリマーは多糖であり、例えばデンプン、セルロース、セロビオース、アミロース、アミロペクチン、アラビアガム、リグニン等を含む。いくつかの実施形態では、多糖は、単糖又はオリゴ糖（例えばフルクトース、グルコース、スクロース、マルトース、及びラフィノース等）のキャラメル化に由来する。
特定の実施形態においては、多孔質スキャフォールドポリマー材料は、配位高分子を含む。本態様における配位高分子は、特に限定されないが、例えば金属有機構造体（ＭＯＦｓ）を含む。ＭＯＦｓの製造技術は、模範的なＭＯＦ種と同様に、当該技術分野において公知であり、下記文献に記載される（The Chemistry and Applications of Metal-Organic Frameworks, Hiroyasu Furukawa et al. Science 341, (2013); DOI: 0.1126/science.1230444）.本発明におけるＭＯＦｓは、特に限定されないが、例えばＢａｓｏｌｉｔｅ（商標）材料、及びゼオライトイミダゾレートフレームワーク（zeolitic imidazolate frameworks（ZIFs））等を含む。
多孔質基質を提供する可能性を有すると想定される非常に多数のポリマーに伴い、様々な処理アプローチが、上記の細孔を達成するための様々な実施形態において想定されている。本態様では、様々な材料に細孔を付与する一般的な方法は無数に存在し、当該技術分野において公知の方法（例えば乳化、ミセル形成、ガス化、溶解後の溶媒除去（例えば凍結乾燥）、軸方向圧迫（axial compaction）及び焼結（sintering）、重力焼結、粉末圧延（powder rolling）及び焼結、金属溶射、金属コーティング及び焼結、金属インジェクション成型（metal injection molding）及び焼結等）を含む。多孔質ポリマー材料を作製するその他のアプローチも想定されており、例えば、フリーズドライゲル及びエアロゲル等の多孔質ゲルの作製、が挙げられる。
特定の実施形態においては、多孔質スキャフォールド材料は、多孔質セラミック材料を含む。特定の実施形態においては、多孔質スキャフォールド材料は、多孔質セラミックフォームを含む。本態様においては、セラミック材料に細孔を付与する一般的な方法は様々であり、特に限定されないが、当該技術分野において公知のように、例えば多孔質の作製を含む。本態様では、多孔質セラミックを含有することに関して適切な一般的な方法及び材料は、特に限定されないが、例えば多孔質酸化アルミニウム、多孔質ジルコニア強化アルミナ、多孔質部分安定化ジルコニア、多孔質アルミナ、多孔質焼結炭化シリコン、焼結窒化シリコン、多孔質コーディエライト、多孔質酸化ジルコニウム、及び粘度結合炭化ケイ素等を含む。
特定の実施形態においては、多孔質スキャフォールドは、多孔質シリカ、又はその他の酸素含有シリコン材料を含む。ゾルゲル、及びその他多孔質シリカ材料を含むシリコンゲルの作製は、当該技術分野において公知である。
特定の実施形態においては、多孔質材料は、多孔質金属を含む。この点に関して適した金属は、特に限定されないが、例えば多孔質アルミニウム、多孔質鋼、多孔質ニッケル、多孔質インコンセル（Inconcel）、多孔質ハステロイ（Hasteloy）、多孔質チタン、多孔質銅、多孔質黄銅、多孔質金、多孔質銀、多孔質ゲルマニウム、及び当該技術分野において公知の、多孔質構造を形成し得るその他の金属、等を含む。いくつかの実施形態においては、多孔質スキャフォールド材料は、多孔質金属フォームを含む。上記に関連する金属の種類及び製造方法は、当該技術分野において公知である。かかる方法は、特に限定されないが、例えば鋳造（発泡、浸透、及びロストフォーム鋳造（lost-foam casting）を含む）、凝華（化学的及び物理的）、ガス共晶の形成、粉末冶金技術（粉末焼結、起泡剤存在下での圧縮、及び繊維冶金技術等）等を含む。
Ｂ． 多孔質カーボンスキャフォールド
ポリマー前駆体から多孔質カーボン材料を調製する方法は、当該技術分野において公知である。例えば、カーボン材料を調製する方法は、米国特許出願７７２３２６２号明細書、米国特許出願８２９３８１８号明細書、米国特許出願８４０４３８４号明細書、米国特許出願８６５４５０７号明細書、米国特許出願８９１６２９６号明細書、米国特許出願９２６９５０２号明細書、米国特許出願１０５９０２７７号明細書、及び米国特許出願公開第２０１６／７４５１９７号明細書、に記載されており、これら全ての開示は、全ての目的について、参照により本明細書全体に援用する。
従って、一の実施形態において、本開示は、上記に記載したいずれかのカーボン材料、又はポリマーゲルを調製する方法を提供する。カーボン材料は、いずれかの単一の前駆体、例えば糖類材料（スクロース、フルクトース、グルコース、デキストリン、マルトデキストリン、デンプン、アミロペクチン、アミロース、リグニン、アラビアガム、及び当該技術分野において公知のその他の糖類、及びこれらの組み合わせ）の熱分解によって合成してもよい。別法として、カーボン材料は、複合樹脂の熱分解によって合成してもよい。当該複合樹脂は、例えばポリマー前駆体を、適切な溶媒中で架橋剤と共に使用するゾル－ゲル法によって形成される。上記ポリマー前駆体は、例えばフェノール、レゾルシノール、ビスフェノールＡ、尿素、メラミン、及び当該技術分野において公知のその他の適切な化合物、及び上記の組み合わせ等を含む。上記適切な溶媒は、例えば水、エタノール、メタノール、及び当該技術分野において公知のその他の溶媒、及びこれらの組み合わせ等を含む。上記架橋剤は、例えばホルムアルデヒド、ヘキサメチレンテトラミン、フルフラール、及び当該技術分野において公知のその他の架橋剤、及びこれらの組み合わせ等を含む。上記樹脂は、酸性又は塩基性でもよく、また触媒を含んでもよい。上記触媒は、揮発性でも非揮発性でもよい。熱分解温度及び反応時間は、当該技術分野で公知のように、様々であってよい。
いくつかの実施形態では、本発明の方法は、ゾルゲルプロセスによるポリマーゲルの調製、縮合プロセス又は架橋プロセス（ここで、当該プロセスは、モノマー前駆体及び架橋剤、系中の２つのポリマー及び架橋剤、又は単一のポリマー及び架橋剤、を含む）、それに続くポリマーゲルの熱分解、を含む。ポリマーゲルは、熱分解の前に乾燥（例えば凍結乾燥）されていてもよい；しかしながら、乾燥は必ずしも必要でない。
重合反応が、必要な炭素主鎖を伴って樹脂／ポリマーを生成する場合、対象のカーボン特性は、様々な高分子の化学的性質から由来し得る。様々なポリマー種は、ノボラック、レゾール、アクリレート、スチレン、ウレタン（ureathanes）、ゴム（ネオプレン、スチレン－ブタジエン等）、ナイロン等を含む。上記いずれのポリマー樹脂の調製は、重合及び架橋プロセスに関する様々なプロセス（例えばゾルゲル、乳化／懸濁、固体状態、液体状態、融解状態、等を含む）によって生じ得る。
いくつかの実施形態においては、電気化学的修飾剤が、ポリマーとして材料に導入される。例えば、有機又は炭素含有ポリマー（例えばＲＦ）は、ポリマーと共重合しており、電気化学的修飾剤を含む。一の実施形態において、電気化学的修飾剤含有ポリマーは、シリコンを含む。一の実施形態において、高分子は、テトラエチルオルトシラン（tetraethylorthosilane, ＴＥＯＳ）である。一の実施形態においては、重合前、又は重合中にＴＥＯＳ溶液をＲＦ溶液に添加する。その他の実施形態においては、ポリマーは、側基を有するポリシランである。いくつかの例では、これらの側基はメチル基であり、その他の例では、これらの側基はフェニル基である。いくつかの例では、側鎖は１４族元素（ケイ素、ゲルマニウム、スズ又は鉛）を含む。その他の例では、側鎖は１３族元素（ホウ素、アルミニウム、ホウ素、ガリウム、インジウム）を含む。その他の例では、側鎖は１５族元素（窒素、リン、ヒ素）を含む。その他の例では、側鎖は１６族元素（酸素、硫黄、セレン）を含む。
その他の実施形態においては、電気化学的修飾剤は、シロールを含む。いくつかの例では、それはフェノールシロール（phenol-silole）又はシラフルオレン（silafluorene）である。その他の例では、それはポリシロール（poly-silole）又はポリシラフルオレン（poly-silafluorene）である。いくつかの例では、シリコンは、ゲルマニウム（ゲルモール（germole）又はゲルマフルオレン（germafluorene））、スズ（スタノール（stannole）又はスタンナフルオレン（stannafluorene））、窒素（カルバゾール）又はリン（ホスホール（phosphole）、ホスファフルオレン（phosphafluorene））に置き換えられる。全ての例において、ヘテロ原子含有材料は、小分子、オリゴマー、又はポリマーであり得る。リン原子は酸素と結合していてもよいし、結合していなくてもよい。
いくつかの実施形態では、反応剤（reactant）はリンを含む。その他の特定の実施形態においては、リンはリン酸の形態である。その他の特定の実施形態においてリンは、塩の形態であって、その塩のアニオンが１つ以上のリン酸、亜リン酸、リン化物、リン酸水素、リン酸二水素、ヘキサフルオロリン酸、次亜リン酸、ポリリン酸、又はピロリン酸イオンを含む塩、またはこれらの組み合わせ、の形態であり得る。その他の実施形態においてリンは、塩の形態であって、その塩のカチオンが１つ以上のホスホニウムイオンを含む塩の形態であり得る。上記実施形態のいずれかのアニオン又はカチオン対を含む非リン酸塩は、当該技術分野において公知、及び記載されているものに関して選択できる。本態様において、リン酸含有アニオンとペアを形成する典型的なカチオンは、特に限定されないが、例えばアンモニウム、テトラエチルアンモニウム、及びテトラメチルアンモニウムイオンが挙げられる。本態様において、リン酸含有カチオンとペアを形成する典型的なアニオンは、特に限定されないが、例えば炭酸、二炭酸、及び酢酸イオンが挙げられる。
いくつかの実施形態では、触媒は揮発性塩基触媒を含む。例えば一の実施形態において、揮発性塩基触媒は、炭酸アンモニウム、二炭酸アンモニウム、酢酸アンモニウム、水酸化アンモニウム、又はこれらの組み合わせを含む。更に一の実施形態においては、揮発性塩基触媒は、炭酸アンモニウムである。その他の実施形態においては、揮発性塩基触媒は、酢酸アンモニウムである。
更にその他の実施形態では、本発明の方法は酸の混合を含む。特定の実施形態において、酸は、室温かつ室圧において固体である。いくつかの実施形態において、酸は、室温かつ室圧において液体である。いくつかの実施形態において、酸は、室温かつ室圧において液体であり、１つ以上のその他のポリマー前駆体を溶解しない。
酸は、重合プロセスに適した多くの酸から選択されてもよい。例えば、いくつかの実施形態においては、酸は酢酸であり、その他の実施形態においては、酸はシュウ酸である。更なる実施形態においては、酸は第１又は第２の溶媒を、溶媒に対する酸の割合が９９：１、９０：１０、７５：２５、５０：５０、２５：７５、２０：８０、１０：９０、又は１：９９になるよう混合される。その他の実施形態においては、酸は酢酸であり、第１又は第２の溶媒は水である。その他の実施形態においては、固体の酸の添加によって酸性とする。
混合物中の酸の合計含有量を変更して、最終生産物の特性を変えることができる。いくつかの実施形態において、酸は混合物中に、重量比で約１％～約５０％存在する。その他の実施形態においては、酸は重量比で約５％～約２５％存在する。その他の実施形態においては、酸は重量比で約１０％～約２０％（例えば約１０％、約１５％、約２０％）存在する。
特定の実施形態においては、ポリマー前駆体成分は同時にブレンドされ、続いて重合が完了するために十分な時間と温度で保持される。１つ以上のポリマー前駆体成分は、２０ｍｍ未満の粒子径（例えば１０ｍｍ未満、例えば７ｍｍ未満、例えば５ｍｍ未満、例えば２ｍｍ未満、例えば１ｍｍ未満、例えば１００ミクロン未満、例えば１０ミクロン未満）を有し得る。いくつかの実施形態においては、１つ以上のポリマー前駆体成分の粒子径は、ブレンドプロセス中に減少する。
無溶媒中での１つ以上のポリマー前駆体成分のブレンドは、当該技術分野に記載の方法（例えばボールミル（ball milling）、ジェットミル（jet milling）、フリッチュミル（Fritsch milling）、遊星式撹拌（planetary mixing）、及びプロセス条件（例えば温度）を制御しながら固体粒子を混合又はブレンドすることに関するその他の混合法）によって達成できる。混合又はブレンドプロセスは、反応温度でのインキュベーション前、中、及び／又は後（又はこれらの組み合わせ）に達成可能である。
反応パラメータは、ブレンド混合物を、室温で、１つ以上のポリマー前駆体が互いに反応し、ポリマーを形成するために十分な時間、エイジングすることを含む。この点に関して、適切なエイジング温度は、おおよそ室温から、１つ以上のポリマー前駆体の融点かそれ付近の温度までの範囲である。いくつかの実施形態においては、適切なエイジング温度は、おおよそ室温から、１つ以上のポリマー前駆体のガラス転移温度かそれ付近の温度までの範囲である。例えば、いくつかの実施形態では、無溶媒混合物を約２０℃～約６００℃（例えば約２０℃～約５００℃、例えば約２０℃～約４００℃、例えば約２０℃～約３００℃、例えば約２０℃～約２００℃）でエイジングする。特定の実施形態においては、無溶媒混合物を約５０℃～約２５０℃でエイジングする。
反応時間は一般に、ポリマー前駆体が反応し、ポリマーを生成し得るのに十分な時間であり、例えば混合物は、任意のタイミングで１時間～４８時間、又は所望の結果に応じてそれ以上かそれ以下の時間、エイジングされる。典型的な実施形態は、約２時間～約４８時間の範囲のエイジングを含み、例えばいくつかの実施形態においては約１２時間、その他の実施形態においては約４～８時間（例えば６時間）のエイジングを含む。
特定の実施形態においては、電気化学的修飾剤が、上記に記載の重合プロセス中に導入される。例えば、いくつかの実施形態では、金属粒子、金属ペースト、金属塩、金属酸化物、又は溶融金属の形態である電気化学的修飾剤は、ゲル樹脂が生成する混合物中に溶解、又は懸濁され得る。
複合材料を生成する典型的な電気化学的修飾剤は、１つ以上の化学的分類に該当し得る。いくつかの実施形態においては、電気化学的修飾剤はリチウム塩であり、特に限定されないが、例えばフッ化リチウム、塩化リチウム、炭酸リチウム、水酸化リチウム、安息香酸リチウム、臭化リチウム、ギ酸リチウム、ヘキサフルオロリン酸リチウム、ヨウ素酸リチウム、ヨウ化リチウム、過塩素酸リチウム、リン酸リチウム、硫酸リチウム、四ホウ酸リチウム、テトラフルオロホウ酸リチウム、及びこれらの組み合わせ等を含む。
特定の実施形態においては、電気化学的修飾剤は金属を含み、典型的な種は、特に限定されないが、例えばアルミニウムイソプロポキシド（aluminum isoproproxide）、酢酸マンガン、酢酸ニッケル、酢酸鉄、塩化スズ、塩化ケイ素、及びこれらの組み合わせ等を含む。特定の実施形態においては、電気化学的修飾剤はリン酸化合物であり、特に限定されないが、例えばフィチン酸、リン酸、リン酸二水素アンモニウム、及びこれらの組み合わせ等を含む。特定の実施形態においては、電気化学的修飾剤はシリコンを含み、典型的な種は、特に限定されないが、例えばシリコン粉末、シリコンナノチューブ、多結晶シリコン、ナノ結晶シリコン、アモルファスシリコン、多孔質シリコン、ナノサイズシリコン、ナノフィーチャーシリコン（nano-featured silicon）、ナノサイズかつナノフィーチャーシリコン（nano-sized and nano-featured silicon）、シリシン（silicyne）、及びブラックシリコン、及びこれらの組み合わせ等を含む。
電気化学的修飾剤は、潜在的（又は副次的）なポリマー官能基との物理的混合又は化学反応のいずれかによって、様々なポリマーシステムと結合でき得る。潜在的なポリマー官能基の例は、特に限定されないが、例えばエポキシド群、不飽和（二重又は三重結合）、酸群、アルコール群、塩基群等を含む。潜在的官能基との架橋は、ヘテロ原子との反応（例えば硫黄との加硫反応、及びリン酸との酸／塩基／開環反応）、（上記に記載の）有機酸又は塩基との反応、遷移金属（例えばチタン、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、銀、金等。ただしこれらに限定されない）への配位、（ロタキサン、スピロ化合物等の）開環又は閉環反応、によって生じ得る。
また、電気化学的修飾剤は、物理的ブレンディングによってポリマーシステムに添加できる。物理的ブレンディングは、特に限定されないが、例えば、ポリマー及び／又はコポリマーのメルトブレンディング、離散粒子の包含、電気化学的修飾剤の気相化学成長、並びに電気化学的修飾剤及び主ポリマー材料の共沈、を含み得る。
いくつかの例では、電気化学的修飾剤は、金属塩の固体、溶液又は懸濁液を介して添加され得る。金属塩固体、溶液又は懸濁液は、金属塩の溶解性を高めるために、酸及び／又はアルコールを含んでもよい。その他の更なるバリエーションにおいて、（任意の乾燥工程の前又は後のいずれかの）ポリマーゲルは、電気化学的修飾剤を含むペーストに接触する。更なるその他のバリエーションにおいて、（任意の乾燥工程の前又は後のいずれかの）ポリマーゲルは、所望の電気化学的修飾剤を含む金属又は金属酸化物に接触する。
上記に例示した電気化学的修飾剤に加えて、複合材料は、１つ以上の炭素の追加の形態（即ち同素体）を含んでもよい。この点について、炭素の種々の同素体（グラファイト、アモルファスカーボン、導電性カーボン、カーボンブラック、ダイアモンド、Ｃ６０、カーボンナノチューブ（例えば単層及び／又は複層）、グラフェン、及び／又はカーボンファイバー等）の複合材料への含有は、複合材料の電気化学的性能を最適化するために効果的であることが見出された。炭素の様々な同素体は、本明細書に記載した調製プロセスのいずれの段階においても（例えば、溶解フェーズ中、ゲル化フェーズ中、硬化フェーズ中、熱分解フェーズ中、ミルフェーズ中、又はミル後）、カーボン材料へ導入できる。いくつかの実施形態においては、第２のカーボンフォームは、本明細書により詳細に示すように、ポリマーゲルの重合中又は重合前に、第２のカーボンフォームを添加することによって複合材料へ導入される。第２のカーボンフォームを含む重合ポリマーゲルは、本明細書に記載した一般的な方法に従って処理され、炭素の第２の同素体を含むカーボン材料を得る。
好ましい実施形態において、カーボンは、処理に必要な溶媒が僅かである、又は無溶媒（溶媒フリー）である前駆体から生成される。少溶媒、又は本質的に溶媒フリーな反応混合物中での使用に適したポリマー前駆体の構造は、特に制限されない。ただし、上記ポリマー前駆体は、他のポリマー前駆体、又は第２のポリマー前駆体と反応し、ポリマーを生成することが可能である。ポリマー前駆体は、アミン含有化合物、アルコール含有化合物、及びカルボニル含有化合物を含み、例えばいくつかの実施形態において、ポリマー前駆体は、アルコール、フェノール、ポリアルコール、糖、アルキルアミン、芳香族アミン、アルデヒド、ケトン、カルボン酸、エステル、尿素、酸ハロゲン化物、及びイソシアネートから選択される。
少溶媒、又は本質的に溶媒フリーな反応混合物を使用する一の実施形態において、その方法は、第１及び第２のポリマー前駆体の使用を含み、及びいくつかの実施形態においては、第１又は第２のポリマー前駆体の一方がカルボニル含有化合物であり、もう一方がアルコール含有化合物である。いくつかの実施形態においては、第１のポリマー前駆体はフェノール化合物であり、かつ第２のポリマー前駆体はアルデヒド化合物（例えばホルムアルデヒド）である。一の実施形態においては、上記方法のフェノール化合物は、フェノール、レゾルシノール、カテコール、ヒドロキノン、フロログルシノール、又はこれらの組み合わせであり；かつアルデヒド化合物は、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド、ブチルアルデヒド、ベンズアルデヒド、シンナムアルデヒド、又はこれらの組み合わせである。更なる一の実施形態においては、フェノール化合物はレゾルシノール、フェノール、又はこれらの組み合わせであり、アルデヒド化合物はホルムアルデヒドである。更なる実施形態においては、フェノール化合物はレゾルシノールであり、アルデヒド化合物はホルムアルデヒドである。いくつかの実施形態においては、ポリマー前駆体はアルコール及びカルボニル化合物（例えばレゾルシノール及びアルデヒド）であり、かつそれらはそれぞれ約０．５：１．０の比で存在する。
本明細書に記載した、少溶媒、又は本質的に溶媒フリーな反応混合物に適したポリマー前駆体材料は、（ａ）アルコール、フェノール化合物、及びその他のモノ－又はポリヒドロキシ化合物、並びに（ｂ）アルデヒド、ケトン、及びこれらの組み合わせ、を含む。本態様における代表的なアルコールは、直鎖及び分岐鎖の、飽和及び不飽和アルコールを含む。適切なフェノール化合物は、ポリヒドロキシベンゼン（ジヒドロキシ又はトリヒドロキシベンゼン等）を含む。代表的なポリヒドロキシベンゼンは、レゾルシノール（即ち、１，３－ジヒドロキシベンゼン）、カテコール、ヒドロキノン、及びフロログルシノールを含む。これに関するその他の適切な化合物は、ビスフェノール（例えばビスフェノールＡ）である。２つ以上のポリヒドロキシベンゼンの混合物も使用できる。フェノール（モノヒドロキシベンゼン）も使用できる。代表的なポリヒドロキシ化合物は、糖（例えばグルコース、スクロース、フルクトース、キチン、及びマンニトール等のその他のポリオール等）を含む。本態様におけるアルデヒドは、以下：
直鎖の飽和アルデヒド、例えばメタナール（ホルムアルデヒド）、エタナール（アセトアルデヒド）、プロパナール（プロピオンアルデヒド）、及びブタナール（ブチルアルデヒド）等；
直鎖の不飽和アルデヒド、例えばエテノン及びその他ケテン、並びに２－プロペナール（アクリルアルデヒド）、２－ブテナール（クロトンアルデヒド）、及び３－ブテナール等；
分岐鎖の飽和及び不飽和アルデヒド；及び
芳香族型のアルデヒド、例えばベンズアルデヒド、サリチルアルデヒド、ヒドロシンナムアルデヒド（hydrocinnamaldehyde）等
を含む。適切なケトンは、以下：
直鎖の飽和ケトン、例えばプロパノン、及び２－ブタノン等；
直鎖の不飽和ケトン、例えばプロペノン、２－ブテノン、及び３－ブテノン（メチルビニルケトン）等；
分岐鎖の飽和及び不飽和ケトン；及び
芳香族型のケトン、例えばメチルベンジルケトン（フェニルアセトン）、及びエチルベンジルケトン等
を含む。ポリマー前駆体材料は、上記に記載した前駆体の組み合わせであってもよい。
いくつかの実施形態において、少溶媒、又は本質的に溶媒フリーな反応混合物中のポリマー前駆体は、アルコール含有種であり、その他のポリマー前駆体は、カルボニル含有種である。カルボニル含有種（例えばアルデヒド、ケトン、又はこれらの組み合わせ）と反応するアルコール含有種（例えばアルコール、フェノール化合物、及びモノ－又はポリ－ヒドロキシ化合物、又はこれらの組み合わせ）の相対量は、実質的に変化し得る。いくつかの実施形態において、アルコール含有種とアルデヒド種の比率は、アルコール含有種中の反応性アルコール基の合計モルが、アルデヒド含有種中の反応性カルボニル基の合計モルと、おおよそ等しくなるように選択される。同様に、アルコール含有種とケトン種の比率は、アルコール含有種中の反応性アルコール基の合計モルが、ケトン含有種中の反応性カルボニル基の合計モルとおおよそ等しくなるように選択してよい。カルボニル含有種が、アルデヒド種及びケトン種の組み合わせを含む場合も、同様の一般的な１：１のモル比は正しく維持される。
その他の実施形態において、少溶媒、又は本質的に溶媒フリーな反応混合物中のポリマー前駆体は、尿素又はアミン含有化合物である。例えば、いくつかの実施形態において、ポリマー前駆体は、尿素、メラミン、ヘキサメチレンテトラミン（ＨＭＴ）、又はこれらの組み合わせである。その他の実施形態は、イソシアネート、又はその他の活性化カルボニル化合物（例えば酸ハロゲン化物等）から選択されるポリマー前駆体を含む。
開示された方法のいくつかの実施形態は、電気化学的修飾剤を含む、少溶媒、又は溶媒フリーなポリマーゲル（及びカーボン材料）の調製を含む。かかる電気化学的修飾剤は、特に限定されないが、例えば窒素、シリコン、及び硫黄を含む。その他の実施形態において、電気化学的修飾剤は、フッ素、鉄、スズ、シリコン、ニッケル、アルミニウム、亜鉛、又はマンガンを含む。電気化学的修飾剤は、調製操作中のいずれかの工程で含有され得る。例えば、いくつかの電気化学的修飾剤は、混合物、ポリマーフェーズ、又はそれに続くフェーズと混合される。
無溶媒下での１つ以上のポリマー前駆体成分のブレンディングは、当該技術分野に記載された方法、例えばボールミル（ball milling）、ジェットミル（jet milling）、フリッチュミル（Fritsch milling）、遊星式撹拌（planetary mixing）、及びプロセス条件（例えば温度）を制御しながら固体粒子を混合又はブレンドすることに関するその他の混合法によって達成できる。混合又はブレンディングプロセスは、反応温度でのインキュベーション前、中、及び／又は後（又はこれらの組み合わせ）に達成可能である。
反応パラメータは、１つ以上のポリマー前駆体が互いに反応し、かつポリマーを形成するために十分な温度及び時間でのブレンド混合物のエイジングを含む。この点において、適切なエイジング温度は、おおよそ室温から、１つ以上のポリマー前駆体の融点、又はその付近の温度までの範囲である。いくつかの実施形態においては、適切なエイジング温度は、おおよそ室温から、１つ以上のポリマー前駆体のガラス転移温度、又はその付近の温度までの範囲である。例えば、いくつかの実施形態において溶媒フリー混合物は、約２０℃から約６００℃でエイジングされ、例えば約２０℃～約５００℃、例えば約２０℃～約４００℃、例えば約２０℃～約３００℃、例えば約２０℃～約２００℃でエイジングされる。特定の実施形態においては、溶媒フリー混合物は約５０℃～２５０℃でエイジングされる。
多孔質カーボン材料は、上記に記載した前駆体材料から生成されたポリマーの熱分解によって達成され得る。いくつかの実施形態においては、多孔質カーボン材料は、アモルファスな活性化カーボンを含み、これは単一処理工程、又は連続処理工程のいずれかにおける、熱分解、物理的又は化学的活性化、又はこれらの組み合わせによって生成される。
熱分解の温度及び処理時間は様々であってよく、例えば処理時間は、１分～１０分、１０分～３０分、３０分～１時間、１時間～２時間、２時間～４時間、４時間～２４時間、等を含む。温度は様々であってよく、例えば熱分解温度は、２００℃～３００℃、２５０℃～３５０℃、３５０℃～４５０℃、４５０℃～５５０℃、５４０℃～６５０℃、６５０℃～７５０℃、７５０℃～８５０℃、８５０℃～９５０℃、９５０℃～１０５０℃、１０５０℃～１１５０℃、１１５０℃～１２５０℃、等を含む。いくつかの実施形態においては、熱分解温度は６５０℃～１１００℃と様々である。熱分解は、不活性ガス（例えば窒素やアルゴン）中で達成可能である。
いくつかの実施形態においては、代替のガスが使用され、更なるカーボンの活性化が実現される。特定の実施形態においては、熱分解と活性化を同時に行った。カーボンの活性化を達成するための適切な気体は、特に限定されないが、例えば二酸化炭素、一酸化炭素、水（水蒸気）、大気、酸素、及びこれらの更なる組み合わせを含む。活性化の温度及び処理時間は様々であってよく、例えば処理時間は、１分～１０分、１０分～３０分、３０分～１時間、１時間～２時間、２時間～４時間、４時間～２４時間、等を含む。温度は様々であってよく、例えば熱分解温度は、２００℃～３００℃、２５０℃～３５０℃、３５０℃～４５０℃、４５０℃～５５０℃、５４０℃～６５０℃、６５０℃～７５０℃、７５０℃～８５０℃、８５０℃～９５０℃、９５０℃～１０５０℃、１０５０℃～１１５０℃、１１５０℃～１２５０℃、等を含む。いくつかの実施形態においては、熱分解及び活性化は、６５０℃～１１００℃と様々である。
いくつかの実施形態において、熱分解と活性化を同時に行い、多孔質カーボンスキャフォールドを調製した。かかる実施形態において、プロセスガスはプロセス中も同じままでよく、又はプロセスガスの組成はプロセス中に変化してもよい。いくつかの実施形態において、活性ガス（例えばＣＯ２、蒸気、又はこれらの組み合わせ等）の添加は、固体状のカーボン前駆体が熱分解するのに十分な温度および時間に続いて、プロセスガスに添加される。
カーボンの活性化を達成するための適切な気体は、特に限定されないが、例えば二酸化炭素、一酸化炭素、水（蒸気）、大気、酸素、及びこれらの更なる組み合わせを含む。活性化の温度及び処理時間は様々であってよく、例えば処理時間は、１分～１０分、１０分～３０分、３０分～１時間、１時間～２時間、２時間～４時間、４時間～２４時間、等を含む。温度は様々であってよく、例えば熱分解温度は、２００℃～３００℃、２５０℃～３５０℃、３５０℃～４５０℃、４５０℃～５５０℃、５４０℃～６５０℃、６５０℃～７５０℃、７５０℃～８５０℃、８５０℃～９５０℃、９５０℃～１０５０℃、１０５０℃～１１５０℃、１１５０℃～１２５０℃、等を含む。いくつかの実施形態において、熱分解及び活性化は、６５０℃～１１００℃と様々である。
熱分解前、及び／又は熱分解後、及び／又は活性化後、カーボンの粒子径を低下させてもよい。粒子径の低下は、当該技術分野において公知の様々な方法、例えば、様々な気体の存在下でのジェットミルによって達成可能であり、当該気体は、例えば大気、窒素、アルゴン、ヘリウム、超臨界蒸気、及び当該技術分野において公知のその他の気体、が挙げられる。その他の粒子径の低下法は、研削、ボールミル、ジェットミル、ウォータージェットミル、及び当該技術分野において公知のその他のアプローチ等が考えられる。
多孔質カーボンスキャフォールドは、粒子の形態であってよい。粒子径、及び粒度分布は、当該技術分野において公知の様々な方法によって測定可能で、かつ体積分率に基づいて表現され得る。この点について、カーボンスキャフォールドのＤｖ，５０は、１０ｎｍ～１０ｍｍであってよく、例えば１００ｎｍ～１ｍｍ、例えば１μｍ～１００μｍ、例えば２μｍ～５０μｍ、例えば３μｍ～３０μｍ、例えば４μｍ～２０μｍ、例えば５μｍ～１０μｍ、等を含む。特定の実施形態においては、Ｄｖ，５０は１ｍｍ未満であり、例えば１００μｍ未満、例えば５０μｍ未満、例えば３０μｍ未満、例えば２０μｍ未満、例えば１０μｍ未満、例えば８μｍ未満、例えば５μｍ未満、例えば３μｍ未満、例えば１μｍ未満、等を含む。特定の実施形態においては、Ｄｖ，１００は１ｍｍ未満であり、例えば１００μｍ未満、例えば５０μｍ未満、例えば３０μｍ未満、例えば２０μｍ未満、例えば１０μｍ未満、例えば８μｍ未満、例えば５μｍ未満、例えば３μｍ未満、例えば１μｍ未満、等を含む。特定の実施形態においては、Ｄｖ，９９は１ｍｍ未満であり、例えば１００μｍ未満、例えば５０μｍ未満、例えば３０μｍ未満、例えば２０μｍ未満、例えば１０μｍ未満、例えば８μｍ未満、例えば５μｍ未満、例えば３μｍ未満、例えば１μｍ未満、等を含む。特定の実施形態においては、Ｄｖ，９０は１ｍｍ未満であり、例えば１００μｍ未満、例えば５０μｍ未満、例えば３０μｍ未満、例えば２０μｍ未満、例えば１０μｍ未満、例えば８μｍ未満、例えば５μｍ未満、例えば３μｍ未満、例えば１μｍ未満、等を含む。特定の実施形態においては、Ｄｖ，０は１０ｎｍ超であり、例えば１００ｎｍ超、例えば５００ｎｍ超、例えば１μｍ超、例えば２μｍ超、例えば５μｍ超、例えば１０μｍ超、等を含む。特定の実施形態においては、Ｄｖ，１は１０ｎｍ超であり、例えば１００ｎｍ超、例えば５００ｎｍ超、例えば１μｍ超、例えば２μｍ超、例えば５μｍ超、例えば１０μｍ超、等を含む。特定の実施形態においては、Ｄｖ，１０は１０ｎｍ超であり、例えば１００ｎｍ超、例えば５００ｎｍ超、例えば１μｍ超、例えば２μｍ超、例えば５μｍ超、例えば１０μｍ超、等を含む。
いくつかの実施形態において、多孔質カーボンスキャフォールドは、４００ｍ２／ｇ超の表面積を含むことが可能で、例えば５００ｍ２／ｇ超、例えば７５０ｍ２／ｇ超、例えば１０００ｍ２／ｇ超、例えば１２５０ｍ２／ｇ超、例えば１５００ｍ２／ｇ超、例えば１７５０ｍ２／ｇ超、例えば２０００ｍ２／ｇ超、例えば２５００ｍ２／ｇ超、例えば３０００ｍ２／ｇ超、等を含む。その他の実施形態において、多孔質カーボンスキャフォールドの表面積は、５００ｍ２／ｇ未満であり得る。いくつかの実施形態において、多孔質カーボンスキャフォールドの表面積は、２００ｍ２／ｇ～５００ｍ２／ｇである。いくつかの実施形態において、多孔質カーボンスキャフォールドの表面積は、１００ｍ２／ｇ～２００ｍ２／ｇである。いくつかの実施形態において、多孔質カーボンスキャフォールドの表面積は、５０ｍ２／ｇ～１００ｍ２／ｇである。いくつかの実施形態において、多孔質カーボンスキャフォールドの表面積は、１０ｍ２／ｇ～５０ｍ２／ｇである。いくつかの実施形態において、多孔質カーボンスキャフォールドの表面積は、１０ｍ２／ｇ未満であり得る。
いくつかの実施形態において、多孔質カーボンスキャフォールドの細孔容積は、０．４ｃｍ３／ｇ超であり、例えば０．５ｃｍ３／ｇ超、例えば０．６ｃｍ３／ｇ超、例えば０．７ｃｍ３／ｇ超、例えば０．８ｃｍ３／ｇ超、例えば０．９ｃｍ３／ｇ超、例えば１．０ｃｍ３／ｇ超、例えば１．１ｃｍ３／ｇ超、例えば１．２ｃｍ３／ｇ超、例えば１．４ｃｍ３／ｇ超、例えば１．６ｃｍ３／ｇ超、例えば１．８ｃｍ３／ｇ超、例えば２．０ｃｍ３／ｇ超、等を含む。その他の実施形態において、多孔質シリコンスキャフォールドの細孔容積は、０．５ｃｍ３未満であり、例えば０．１ｃｍ３／ｇ～０．５ｃｍ３／ｇである。特定の実施形態においては、多孔質シリコンスキャフォールドの細孔容積は、０．０１ｃｍ３／ｇ～０．１ｃｍ３／ｇである。
いくつかの実施形態において、多孔質カーボンスキャフォールドは、アモルファスな活性化カーボンであり、その細孔容積は０．２～２．０ｃｍ３／ｇである。特定の実施形態においては、カーボンは、アモルファスな活性化カーボンであり、その細孔容積は０．４～１．５ｃｍ３／ｇである。特定の実施形態においては、カーボンは、アモルファスな活性化カーボンであり、その細孔容積は０．５～１．２ｃｍ３／ｇである。特定の実施形態においては、カーボンは、アモルファスな活性化カーボンであり、その細孔容積は０．６～１．０ｃｍ３／ｇである。
その他の実施形態において、多孔質カーボンスキャフォールドは、１．０ｇ／ｃｍ３未満のタップ密度を含み、例えば０．８ｇ／ｃｍ３未満、例えば０．６ｇ／ｃｍ３未満、例えば０．５ｇ／ｃｍ３未満、例えば０．４ｇ／ｃｍ３未満、例えば０．３ｇ／ｃｍ３未満、例えば０．２ｇ／ｃｍ３未満、例えば０．１ｇ／ｃｍ３未満、等を含む。
多孔質カーボンスキャフォールドの表面の機能性は様々であり得る。表面の機能性を予測でき得る一の性質は、多孔質カーボンスキャフォールドのｐＨである。本明細書に開示した多孔質カーボンスキャフォールドは、１未満～約１４の範囲のｐＨ値を含み、例えば５未満、５～８、又は８超、等を含む。いくつかの実施形態においては、多孔質カーボンのｐＨは、４未満、３未満、２未満、又は１未満である。その他の実施形態においては、多孔質カーボンのｐＨは、約５～６の間、約６～７、約７～８、８～９、又は９～１０である。更にその他の実施形態においては、多孔質カーボンのｐＨは高く、８超、９超、１０超、１１超、１２超、又は１３超、である。
多孔質カーボンスキャフォールドの細孔容積分布は様々であり得る。例えば、ミクロ細孔％は、３０％未満を含むことができ、例えば２０％未満、例えば１０％未満、例えば５％未満、例えば４％未満、例えば３％未満、例えば２％未満、例えば１％未満、例えば０．５％未満、例えば０．２％未満、例えば０．１％未満、等を含み得る。特定の実施形態においては、多孔質カーボンスキャフォールド中に、探知可能なミクロ細孔容積は存在しない。
多孔質カーボンスキャフォールドに含まれるメソ細孔は様々であり得る。例えば、メソ細孔％は３０％未満を含むことができ、例えば２０％未満、例えば１０％未満、例えば５％未満、例えば４％未満、例えば３％未満、例えば２％未満、例えば１％未満、例えば０．５％未満、例えば０．２％未満、例えば０．１％未満、等を含み得る。特定の実施形態においては、多孔質カーボンスキャフォールド中に、探知可能なメソ細孔容積は存在しない。
いくつかの実施形態においては、多孔質カーボンスキャフォールドの細孔容積分布は、５０％超のマクロ孔を含み、例えば６０％超のマクロ孔、例えば７０％超のマクロ孔、例えば８０％超のマクロ孔、例えば９０％超のマクロ孔、例えば９５％超のマクロ孔、例えば９８％超のマクロ孔、例えば９９％超のマクロ孔、例えば９９．５％超のマクロ孔、例えば９９．９％超のマクロ孔、等を含む。
特定の好ましい実施形態においては、多孔質カーボンスキャフォールドの細孔容積は、ミクロ細孔、メソ細孔、及びマクロ孔のブレンドを含む。従って、特定の実施形態においては、多孔質カーボンスキャフォールドは、０～２０％のミクロ細孔、３０～７０％のメソ細孔、及び１０％未満のマクロ孔を含む。その他の特定の実施形態においては、多孔質カーボンスキャフォールドは、０～２０％のミクロ細孔、０～２０％のメソ細孔、及び７０～９５％のマクロ孔を含む。その他の特定の実施形態においては、多孔質カーボンスキャフォールドは、２０～５０％のミクロ細孔、５０～８０％のメソ細孔、及び０～１０％のマクロ孔を含む。その他の特定の実施形態においては、多孔質カーボンスキャフォールドは、４０～６０％のミクロ細孔、４０～６０％のメソ細孔、及び０～１０％のマクロ孔を含む。その他の特定の実施形態においては、多孔質カーボンスキャフォールドは、８０～９５％のミクロ細孔、０～１０％のメソ細孔、及び０～１０％のマクロ孔を含む。その他の特定の実施形態においては、多孔質カーボンスキャフォールドは、０～１０％のミクロ細孔、３０～５０％のメソ細孔、及び５０～７０％のマクロ孔を含む。その他の特定の実施形態においては、多孔質カーボンスキャフォールドは、０～１０％のミクロ細孔、７０～８０％のメソ細孔、及び０～２０％のマクロ孔を含む。その他の特定の実施形態においては、多孔質カーボンスキャフォールドは、０～２０％のミクロ細孔、７０～９５％のメソ細孔、及び０～１０％のマクロ孔を含む。その他の特定の実施形態においては、多孔質カーボンスキャフォールドは、０～１０％のミクロ細孔、７０～９５％のメソ細孔、及び０～２０％のマクロ孔を含む。
特定の実施形態においては、多孔質カーボンスキャフォールド中の、１００～１０００Ａ（１０～１００ｎｍ）の細孔を表す細孔容積の％は、全細孔容積のうち３０％超を含み、例えば全細孔容積の４０％超、例えば全細孔容積の５０％超、例えば全細孔容積の６０％超、例えば全細孔容積の７０％超、例えば全細孔容積の８０％超、例えば全細孔容積の９０％超、例えば全細孔容積の９５％超、例えば全細孔容積の９８％超、例えば全細孔容積の９９％超、例えば全細孔容積の９９．５％超、例えば全細孔容積の９９．９％超を含む。
特定の実施形態においては、多孔質カーボンスキャフォールドのピクノメトリー密度（pycnometry density）は、約１ｇ／ｃｃ～約３ｇ／ｃｃの範囲であり、例えば約１．５ｇ／ｃｃ～約２．３ｇ／ｃｃの範囲である。その他の実施形態においては、骨格密度は約１．５ｇ／ｃｃ～約１．６ｇ／ｃｃ、約１．６ｇ／ｃｃ～約１．７ｇ／ｃｃ、約１．７ｇ／ｃｃ～約１．８ｇ／ｃｃ、約１．８ｇ／ｃｃ～約１．９ｇ／ｃｃ、約１．９ｇ／ｃｃ～約２．０ｇ／ｃｃ、約２．０ｇ／ｃｃ～約２．１ｇ／ｃｃ、約２．１ｇ／ｃｃ～約２．２ｇ／ｃｃ、約２．２ｇ／ｃｃ～約２．３ｇ／ｃｃ、約２．３ｇ／ｃｃ～約２．４ｇ／ｃｃ、約２．４ｇ／ｃｃ～約２．５ｇ／ｃｃ、の範囲である。
Ｃ． 化学気相浸透（ＣＶＩ）によるシリコンの製造
化学気相成長（ＣＶＤ）は、基質が複合体の第１成分を含む固体表面を提供し、かつ第１成分の固体表面上で気体が熱的に分解し、複合体の第２成分を提供する方法である。かかるＣＶＤアプローチは、例えば、シリコンがシリコン粒子の外表面にコーティングされた、Ｓｉ－Ｃ複合材料を製造するために使用でき得る。別法として、化学気相浸透（ＣＶＩ）は、基質が複合体の第１成分を含む多孔質スキャフォールドを提供し、かつ気体が多孔質スキャフォールド材料のポロシティ内（細孔内）で熱的に分解し、複合体の第２成分を提供する方法である。
一の実施形態においてシリコンは、シリコン含有ガスをシリコンに分解するために、高温、かつ好ましくはシランであるシリコン含有ガスの存在下で、多孔質カーボン粒子をシリコン含有前駆体ガスに曝すことで、多孔質カーボンスキャフォールドの細孔内に作製される。いくつかの実施形態において、シリコン含有ガスは、高次シラン（ジ－、トリ－、及び／又はテトラシラン等）、クロロシラン（モノ－、ジ－、トリ－、及びテトラクロロシラン等）、又はこれらの混合物を含んでも良い。
シリコン含有前駆体ガスは、その他の不活性ガス、例えば窒素ガス、水素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、又はこれらの組み合わせ、等と混合され得る。処理の温度及び時間は様々であってもよく、例えば温度は２００℃～９００℃、例えば２００℃～２５０℃、例えば２５０℃～３００℃、例えば３００℃～３５０℃、例えば３００℃～４００℃、例えば３５０℃～４５０℃、例えば３５０℃～４００℃、例えば４００℃～５００℃、例えば５００℃～６００℃、例えば６００℃～７００℃、例えば７００℃～８００℃、例えば８００～９００℃、例えば６００℃～１１００℃、等であり得る。
ガスの混合物は、０．１～１％のシラン、及び残存不活性ガスを含み得る。別として、ガスの混合物は、１～１０％のシラン、及び残存不活性ガスを含み得る。別として、ガスの混合物は、１０～２０％のシラン、及び残存不活性ガスを含み得る。別として、ガスの混合物は、２０～５０％のシラン、及び残存不活性ガスを含み得る。別として、ガスの混合物は、５０％超のシラン、及び残存不活性ガスを含み得る。別として、ガスは本質的に１００％のシランガスを含み得る。適切な不活性ガスは、水素、窒素、アルゴン、及びこれらの組み合わせを含むが、上記に限定されない。
ＣＶＩプロセスにおける気圧は様々であり得る。いくつかの実施形態においては、気圧は大気圧である。いくつかの実施形態においては、気圧は大気圧よりも低い。いくつかの実施形態においては、気圧は大気圧よりも高い。
Ｄ． シリコン－カーボン複合体の物理化学的、及び電気化学的特性
理論に束縛されることを望むものではないが、ナノサイズのシリコンは、多孔質炭素スキャフォールドの、所望の細孔体積構造（例えば、５ｎｍ～１０００ｎｍの範囲のシリコン充填細孔、または本明細書のいずれかの箇所で開示されているその他の範囲のシリコン充填細孔）に充填した結果生じ、これは、複合材料のその他の成分の有利な特性（低表面積、低ピクノメトリー密度を含む）を伴い、複合体が、リチウムイオンエネルギー貯蔵デバイスのアノードを含む場合は、様々な有利な特性（例えば電気化学的性能）を有する複合材料が得られると考えられる。
特定の実施形態においては、複合体内に埋め込まれたシリコン粒子は、ナノサイズ特性を有する。ナノサイズ特性は、好ましくは１μｍ未満の特徴的な長さスケール、好ましくは３００ｎｍ未満の特徴的な長さスケール、好ましくは１５０ｎｍ未満の特徴的な長さスケール、好ましくは１００ｎｍ未満の特徴的な長さスケール、好ましくは５０ｎｍ未満の特徴的な長さスケール、好ましくは３０ｎｍ未満の特徴的な長さスケール、好ましくは１５ｎｍ未満の特徴的な長さスケール、好ましくは１０ｎｍ未満の特徴的な長さスケール、好ましくは５ｎｍ未満の特徴的な長さスケール、を有し得る。
特定の実施形態においては、複合体内に埋め込まれたシリコンの形状は、球状である。その他の特定の実施形態においては、多孔質シリコン粒子は非球状であり、例えばロッド状、又は繊維状の構造である。いくつかの実施形態においてシリコンは、多孔質カーボンスキャフォールド内の細孔の、内側をコートする層として存在する。このシリコン層の深さは様々であってよく、例えば上記深さは５ｎｍ～１０ｎｍ、例えば５ｎｍ～２０ｎｍ、例えば５ｎｍ～３０ｎｍ、例えば５ｎｍ～３３ｎｍ、例えば１０ｎｍ～３０ｎｍ、例えば１０ｎｍ～５０ｎｍ、例えば１０ｎｍ～１００ｎｍ、例えば１０ｎｍ～１５０ｎｍ、例えば５０ｎｍ～１５０ｎｍ、例えば１００ｎｍ～３００ｎｍ、例えば３００ｎｍ～１０００ｎｍ、等であってよい。
いくつかの実施形態においては、複合体内に埋め込まれたシリコンは、ナノサイズ化され、多孔質カーボンスキャフォールドの細孔内に存在する。例えば、埋め込まれたシリコンは、ＣＶＩ、またはその他の適切なプロセスによって、多孔質カーボン粒子内の細孔に含侵、堆積され得る（ここで、上記細孔の径は、５～１０００ｎｍであり、例えば１０～５００ｎｍ、例えば１０～２００ｎｍ、例えば１０～１００ｎｍ、例えば３３～１５０ｎｍ、例えば２０～１００ｎｍ、等を含む）。断片的な細孔容積に関するカーボン細孔サイズのその他の範囲は、ミクロ細孔、メソ細孔、又はマクロ孔のいずれであるかに関わらず、同様に想定される。
本明細書に開示した、非常に耐久性の高いリチウムのインターカレーションを伴う複合体の実施形態は、電気エネルギー貯蔵デバイス、例えばリチウムイオンバッテリーの多数の特性を向上させる。いくつかの実施形態においては、本明細書に開示したシリコン－カーボン複合体は、１０未満のＺを示し、例えば５未満のＺ、例えば４未満のＺ、例えば３未満のＺ、例えば２未満のＺ、例えば１未満のＺ、例えば０．１未満のＺ、例えば０．０１未満のＺ、例えば０．００１未満のＺ、等を示す。特定の実施形態においては、Ｚは０である。
特定の好ましい実施形態においては、シリコン－カーボン複合体は、望ましくは低いＺと、その他の所望の物理化学的及び／又は電気化学的特性との組み合わせ、又はその他の複数の所望の物理化学的及び／又は電気化学的特性との組み合わせを含む。シリコン－カーボン複合体の特性の組み合わせに関する、特定の実施形態の説明を、以下の表１に示す。
シリコン－カーボン複合体の実施形態における具体的な特性
表１によると、シリコン－カーボン複合体は、様々な特性の組み合わせを含み得る。例えばシリコン－カーボン複合体は、１０未満のＺ、１００ｍ２／ｇ未満の表面積、８０％超の第１サイクル効率、及び１３００ｍＡｈ／ｇ以上の可逆容量を含み得る。例えば、シリコン－カーボン複合体は、１０未満のＺ、１００ｍ２／ｇ未満の表面積、８０％超の第１サイクル効率、及び１６００ｍＡｈ／ｇ以上の可逆容量を含み得る。例えば、シリコン－カーボン複合体は、１０未満のＺ、２０ｍ２／ｇ未満の表面積、８５％超の第１サイクル効率、及び１６００ｍＡｈ／ｇ以上の可逆容量を含み得る。例えば、シリコン－カーボン複合体は、１０未満のＺ、１０ｍ２／ｇ未満の表面積、８５％超の第１サイクル効率、及び１６００ｍＡｈ／ｇ以上の可逆容量を含み得る。例えば、シリコン－カーボン複合体は、１０未満のＺ、１０ｍ２／ｇ未満の表面積、９０％超の第１サイクル効率、及び１６００ｍＡｈ／ｇ以上の可逆容量を含み得る。例えば、シリコン－カーボン複合体は、１０未満のＺ、１０ｍ２／ｇ未満の表面積、９０％超の第１サイクル効率、及び１８００ｍＡｈ／ｇ以上の可逆容量を含み得る。
シリコン－カーボン複合体は、上記の特性の組み合わせを含むことが可能で、更にカーボンスキャフォールドは、同様に本明細書に記載された特性を含み得る。従って、シリコン－カーボン複合体の物性値の組み合わせについての特定の実施形態の説明を、以下の表２に示す。
シリコン－カーボン複合体の実施形態における具体的な特性
本明細書で使用されている、割合「ミクロポロシティ（microporosity）」、「メソポロシティ（mesoporosity）」、及び「マクロポロシティ（macroporosity）」はそれぞれ、ミクロ細孔、メソ細孔、及びマクロ孔の、全細孔容積に対する割合を意味する。例えば、９０％のミクロポロシティを有するカーボンスキャフォールドは、カーボンスキャフォールドの合計細孔容積の９０％がミクロ細孔で形成された、カーボンスキャフォールドである。
表２によると、シリコン－カーボン複合体は、様々な物性値の組み合わせを含み得る。例えば、シリコン－カーボン複合体は、０．７以下のＩＤ／ＩＧ、１０未満のＺ、１００ｍ２／ｇ未満の表面積、８０％超の第一サイクル効率、１６００ｍＡｈ／ｇ以上の可逆容量、１５％～８５％のシリコン含有量、及び０．２～１．２ｃｍ３／ｇのカーボンスキャフォールドの合計細孔容積（ここで当該細孔容積は、８０％超のミクロ細孔、２０％未満のメソ細孔、及び１０％未満のマクロ孔を含む）を含んでもよい。例えば、シリコン－カーボン複合体は、０．７以下のＩＤ／ＩＧ、１０未満のＺ、２０ｍ２／ｇ未満の表面積、８５％超の第一サイクル効率、１６００ｍＡｈ／ｇ以上の可逆容量、１５％～８５％のシリコン含有量、及び０．２～１．２ｃｍ３／ｇのカーボンスキャフォールドの合計細孔容積（ここで、当該スキャフォールドの細孔容積は８０％超のミクロ細孔、２０％未満のメソ細孔、及び１０％未満のマクロ孔を含む）を含んでもよい。例えば、シリコン－カーボン複合体は、０．７以下のＩＤ／ＩＧ、１０未満のＺ、１０ｍ２／ｇ未満の表面積、８５％超の第一サイクル効率、１６００ｍＡｈ／ｇ以上の可逆容量、１５～８５％のシリコン含有量、及び０．２～１．２ｃｍ３／ｇのカーボンスキャフォールドの合計細孔容積（ここで、当該スキャフォールドの細孔容積は８０％超のミクロ細孔、２０％未満のメソ細孔、及び１０％未満のマクロ孔を含む）を含んでもよい。例えば、シリコン－カーボン複合体は、０．７以下のＩＤ／ＩＧ、１０未満のＺ、１０ｍ２／ｇ未満の表面積、９０％超の第一サイクル効率、１６００ｍＡｈ／ｇ以上の可逆容量、１５％～８５％のシリコン含有量、及び０．２～１．２ｃｍ３／ｇのカーボンスキャフォールドの合計細孔容積（ここで、当該スキャフォールドの細孔容積は８０％超のミクロ細孔、２０％未満のメソ細孔、及び１０％未満のマクロ孔を含む）を含んでもよい。例えば、シリコン－カーボン複合体は、０．７以下のＩＤ／ＩＧ、１０未満のＺ、１０ｍ２／ｇ未満の表面積、９０％超の第一サイクル効率、１８００ｍＡｈ／ｇ以上の可逆容量、１５％～８５％のシリコン含有量、及び０．２～１．２ｃｍ３／ｇのカーボンスキャフォールドの合計細孔容積（ここで、当該スキャフォールドの細孔容積は８０％超のミクロ細孔、２０％未満のメソ細孔、及び１０％未満のマクロ孔を含む）を含み得る。
理論に束縛されるものではないが、多孔質カーボンの細孔内へのシリコンの充填は、多孔質カーボンスキャフォールド粒子内に細孔をトラップし、アクセス不可能な体積、例えば窒素ガスがアクセス不可能な体積を生じる。従って、シリコン－カーボン複合材料は、２．１ｇ／ｃｍ３未満のピクノメトリー密度を示し、例えば２．０ｇ／ｃｍ３未満、例えば１．９ｇ／ｃｍ３未満、例えば１．８ｇ／ｃｍ３未満、例えば１．７ｇ／ｃｍ３未満、例えば１．６ｇ／ｃｍ３未満、例えば１．４ｇ／ｃｍ３未満、例えば１．２ｇ／ｃｍ３未満、例えば１．０ｇ／ｃｍ３未満、等を示す。
いくつかの実施形態においては、シリコン－カーボン複合材料は、１．７ｇ／ｃｍ３～２．１ｇ／ｃｍ３のピクノメトリー密度を示してもよく、例えば１．７ｇ／ｃｍ３～１．８ｇ／ｃｍ３、例えば１．８ｇ／ｃｍ３～１．９ｇ／ｃｍ３、例えば１．９ｇ／ｃｍ３～２．０ｇ／ｃｍ３、例えば２．０ｇ／ｃｍ３～２．１ｇ／ｃｍ３、等を示してもよい。いくつかの実施形態においては、シリコン－カーボン複合材料は、１．８ｇ／ｃｍ３～２．１ｇ／ｃｍ３のピクノメトリー密度を示し得る。いくつかの実施形態においては、シリコン－カーボン複合材料は、１．８ｇ／ｃｍ３～２．０ｇ／ｃｍ３のピクノメトリー密度を示し得る。いくつかの実施形態においては、シリコン－カーボン複合材料は、１．９ｇ／ｃｍ３～２．１ｇ／ｃｍ３のピクノメトリー密度を示し得る。
非常に耐久性の高いリチウムのインターカレーションを示す複合材料の細孔容積は、０．０１ｃｍ３／ｇ～０．２ｃｍ３／ｇであり得る。特定の実施形態においては、複合材料の細孔容積は、０．０１ｃｍ３／ｇ～０．１５ｃｍ３／ｇの範囲であってよく、例えば０．０１ｃｍ３／ｇ～０．１ｃｍ３／ｇ、例えば０．０１ｃｍ３／ｇ～０．０５ｃｍ３／ｇ、等であってよい。
非常に耐久性の高いリチウムのインターカレーションを示す複合材料の粒度分布は、電力性能と体積容量のいずれも同様に重要である。パッキングの向上に伴い、体積容量も増大してよい。一の実施形態において分布は、鋭い１つのピークを伴うガウス分布、バイモーダル（bimodal)、又はポリモーダル（２つ超の識別可能なピーク、例えばトリモーダル）のいずれかである。複合体の粒子径の物性値は、Ｄｖ０（分布内で最小の粒子）、Ｄｖ５０（平均粒子径）、Ｄｖ１００（最も大きい粒子の最大サイズ）によって記載でき得る。粒子パッキング及び性能の最適な組み合わせは、以下のサイズ範囲の組み合わせである。かかる実施形態における粒子径の低下は、当該技術分野において公知のように、例えば様々なガスの存在下で、ジェットミルによって行うことが可能である。当該ガスは、例えば空気、窒素、アルゴン、ヘリウム、超臨界蒸気、及び当該技術分野において公知のその他のガスを含む。
一の実施形態において、複合材料のＤｖ０は、１ｎｍ～５μｍの範囲であり得る。その他の実施形態において、複合体のＤｖ０は、５ｎｍ～１μｍの範囲であり、例えば５～５００ｎｍ、例えば５～１００ｎｍ、例えば１０～５０ｎｍである。その他の実施形態において、複合体のＤｖ０は、５００ｎｍ～２μｍの範囲であり、例えば７５０ｎｍ～１μｍ、または１～２μｍである。その他の実施形態においては、複合体のＤｖ０は、２～５μｍ、または５μｍ超である。
いくつかの実施形態において、複合材料のＤｖ５０は、５ｎｍ～２０μｍの範囲である。その他の実施形態において、複合体のＤｖ５０は、５ｎｍ～１μｍの範囲であり、例えば５～５００ｎｍ、例えば５～１００ｎｍ、例えば１０～５０ｎｍである。その他の実施形態において、複合体のＤｖ５０は、５００ｎｍ～２μｍ、７５０ｎｍ～１μｍ、又は１～２μｍの範囲である。その他の更なる実施形態において、複合体のＤｖ５０は、１～１０００μｍの範囲であり、例えば１～１００μｍ、例えば１～１０μｍ、例えば２～２０μｍ、例えば３～１５μｍ、例えば４～８μｍである。特定の実施形態において、Ｄｖ５０は２０μｍ超であり、例えば５０μｍ超、例えば１００μｍ超である。
以下の式で表されるスパン：
（Ｄｖ５０）／（Ｄｖ９０－Ｄｖ１０）
［ここで、Ｄｖ１０，Ｄｖ５０，及びＤｖ９０はそれぞれ、容積分布の１０％、５０％、及び９０％における粒子径を表す］
は、例えば１００～１０、１０～５、５～２、２～１と様々であり得る。いくつかの実施形態において、スパンは１未満であり得る。特定の実施形態においては、カーボン及び多孔質シリコン材料を含む複合体の粒度分布は、マルチモーダル（例えばバイモーダル、又はトリモーダル）であり得る。
本明細書に開示した、非常に耐久性の高いリチウムのインターカレーションを示す複合材料の表面機能性は、所望の電気化学的特性を得るために改変されてもよい。粒子上の複合材料に関して、かかる特性には、複合材料の内部に対する複合材料表面の原子種の濃度がある。粒子状複合材料の原子種濃度の表面ｖｓ内部におけるかかる差異は、当該技術分野で公知のように、例えばＸ光電子分光法（ＸＰＳ）によって測定することができる。
表面機能性を予測できるその他の特性は、複合材料のｐＨである。本明細書に開示した複合材料は、１未満～約１４の範囲のｐＨを含み、例えば５未満、５～８、または８超、等を含む。いくつかの実施形態において、複合材料のｐＨは、４未満、３未満、２未満、または１未満である。その他の実施形態においは、複合材料のｐＨは、約５～６、約６～７、約７～８、８～９、又は９～１０である。その他の更なる実施形態において、複合材料のｐＨは高く、ｐＨは８超、９超、１０超、１１超、１２超、または１３超である。
シリコン－カーボン複合材料は、様々な量のカーボン、酸素、水素、及び窒素を含むことが可能で、ガスクロマトグラフィーのＣＨＮＯ分析により測定できる。一の実施形態において、複合体のカーボン含有量は、ＣＨＮＯ分析による測定が９８重量％超、または９９．９重量％超である。その他の一の実施形態においては、シリコン－カーボン複合体のカーボン含有量は、１０～９０重量％の範囲であり、例えば２０～８０重量％、例えば３０～７０重量％、例えば４０～６０重量％、等を含む。
いくつかの実施形態において、シリコン－カーボン複合材料は、窒素含有量が０～９０％の範囲であり、例えば０．１～１％、例えば１～３％、例えば１～５％、例えば１～１０％、例えば１０～２０％、例えば２０～３０％、例えば３０～９０％、である。
いくつかの実施形態においては、酸素含有量は０～９０％の範囲であり、例えば０．１～１％、例えば１～３％、例えば１～５％、例えば１～１０％、例えば１０～２０％、例えば２０～３０％、例えば３０～９０％、等の範囲である。
シリコン－カーボン複合材料は、未変性の複合体の電気化学的性能を最適化するために選ばれた、電気化学的修飾剤を組み込んでもよい。電気化学的修飾剤は、多孔質カーボンスキャフォールドの細孔構造、及び／又は表面上、埋め込まれたシリコン内、又はカーボンの最後の層内、又は導電性ポリマー、コーティング、又は多数のその他方法により導入されてもよい。例えば、いくつかの実施形態において、複合材料は、カーボン材料の表面に電気化学的修飾剤（例えばシリコン、又はＡｌ２Ｏ３）のコーティングを含む。いくつかの実施形態において、複合材料は、約１００ｐｐｍ超の電気化学的修飾剤を含む。特定の実施形態において、電気化学的修飾剤は、鉄、スズ、シリコン、ニッケル、アルミニウム、及びマンガンから選択される。
特定の実施形態において、電気化学的修飾剤は、リチウム金属に対して、３～０Ｖでリチオ化する能力を有する元素（例えばケイ素、スズ、硫黄）を含む。その他の実施形態において、電気化学的修飾剤は、リチウム金属に対して、３～０Ｖでリチオ化する能力を有する金属酸化物（例えば酸化鉄、酸化モリブデン、酸化チタン）を含む。その他の更なる実施形態において、電気化学的修飾剤は、リチウム金属に対して３～０Ｖでリチオ化しない元素（例えばアルミニウム、マンガン、ニッケル、金属リン酸塩）を含む。その他の更なる実施形態において、電気化学的修飾剤は、非金属元素（例えばフッ素、窒素、水素）を含む。その他の更なる実施形態において、電気化学的修飾剤は、上記のいずれかの電気化学的修飾剤、又はこれらのいずれかの組み合わせ（例えばスズ－シリコン、ニッケル－酸化チタン）を含む。
電気化学的修飾剤は、多数の形態で与えられてもよい。例えば、いくつかの実施形態において、電気化学的修飾剤は、塩を含む。その他の実施形態において、電気化学的修飾剤は、１つ以上の元素形態の元素、例えば鉄、スズ、ケイ素、ニッケル、又はマンガン元素を含む。その他の実施形態において、電気化学的修飾剤は、１つ以上の酸化物形態の元素、例えば酸化鉄、酸化スズ、酸化ケイ素、酸化ニッケル、酸化アルミニウム、又は酸化マンガンを含む。
複合材料の電気化学的特性は、材料中の電気化学的修飾剤の量によって、少なくとも部分的に改変できる。ここで、上記の電気化学的修飾剤は、シリコン、スズ、インジウム、アルミニウム、ゲルマニウム、又はガリウム等の合金材料である。従って、いくつかの実施形態において、複合材料は、０．１０％以上、０．２５％以上、０．５０％以上、１．０％以上、５．０％以上、１０％以上、２５％以上、５０％以上、７５％以上、９０％以上、９５％以上、９９％以上、又は９９．５％以上の電気化学的修飾剤を含む。
複合材料の粒子径は、未リチオ化状態と比較して、リチオ化によって膨張してもよい。例えば、膨張係数は、リチオ化時の多孔質シリコン材料を含む複合材料の平均粒子径を、非リチオ化条件下の平均粒子径で割った比として定義される。当該技術分野に記載のように、上記膨張係数は、既知の、最適でないシリコン含有材料については比較的大きく、例えば約４Ｘ（リチオ化時の４００％の体積膨張に対応する）である。本発明者は、より低い膨張、例えば、３．５～４．０、３．０～３．５、２．５～３．０、２．０～２．５、１．５～２．０、１．０～１．５と様々であり得る膨張係数を示し得る、多孔質シリコン材料を含む複合材料を見出した。
特定の実施形態における複合材料は、トラップされた細孔容積の一部、即ち、窒素ガスにアクセスできない空隙容積の一部を含むことが想定される。ここで、上記空隙容積は、窒素ガス吸着測定により測定できる。理論に束縛されるものではないが、このトラップされた細孔容積は、リチオ化時にシリコンが膨張できる容積を提供するという点で重要である。
特定の実施形態においては、トラップされた空隙容積と、複合粒子を含むシリコン容積との割合は、０．１：１～１０：１である。例えば、トラップされた空隙容積と、複合粒子を含むシリコン容積との割合は、１：１～５：１、又は５：１～１０：１、である。いくつかの実施形態においては、トラップされた空隙容積と、複合粒子を含むシリコン容積との割合は、２：１～５：１の間、又は約３：１であり、リチオ化時のシリコンの膨張の最大値を効率的に収容できる。
特定の実施形態において、本明細書に開示した複合体の電気化学的性能は、ハーフセルにおいて試験する；別として、本明細書に開示した、非常に耐久性が高いリチウムのインターカレーションを有する複合体の性能は、フルセル（例えばフルセルコインセル（a full cell coin cell）、フルセルパウチセル（a full cell pouch cell）、角柱電池（a prismatic cell）、又は当該技術分野において公知のバッテリー構成、等）において試験する。本明細書に開示した、非常に耐久性が高いリチウムのインターカレーションを有する複合体のアノード構成は、当該技術分野において公知のように、様々な種を含む。更なるフォーミュレーション成分は、特に限定されないが、導電性添加剤を含み、例えば導電性カーボン（例えばＳｕｐｅｒ Ｃ４５、Ｓｕｐｅｒ Ｐ、及びケッチェンブラックカーボン等）、導電性ポリマー等、及びバインダー（例えばスチレンブタジエンゴム－ナトリウム－カルボキシメチルセルロース(styrene-butadiene rubber sodium carboxymethylcellulose)（ＳＢＲ－Ｎａ－ＣＭＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリイミド（ＰＩ）、及びポリアクリル酸（ＰＡＡ）等）、及びこれらの組み合わせ、等を含む。特定の実施形態において、バインダーは、カウンターイオンとしてリチウムイオンを含み得る。
電極を含むその他の種は、当該技術分野において公知である。電極中の活性材料の重量％は様々であってよく、例えば１～５重量％、例えば５～１５重量％、例えば１５～２５重量％、例えば２５～３５重量％、例えば３５～４５重量％、例えば４５～５５重量％、例えば５５～６５重量％、例えば６５～７５重量％、例えば７５～８５重量％、例えば８５～９５重量％等、様々であってよい。いくつかの実施形態において、活性材料は、電極中に８０～９５％含まれる。特定の実施形態においては、電極中の導電性添加剤の量は様々であってよく、例えば１～５重量％、例えば５～１５重量％、例えば１５～２５重量％、例えば２５～３５重量％等、様々であってよい。いくつかの実施形態においては、電極中の導電性添加剤の量は、５～２５重量％である。特定の実施形態においては、バインダーの量は様々であってよく、例えば１～５重量％、例えば５～１５重量％、例えば１５～２５重量％、例えば２５～３５重量％等、様々であってよい。特定の実施形態においては、電極中の導電性添加剤の量は、５～２５重量％である。
シリコン－カーボン複合材料は、当該技術分野において公知のように、予めリチオ化される。特定の実施形態においては、事前のリチオ化は電気化学的に達成され、例えばフルセルリチウムイオンバッテリー中に多孔質シリコン材料を含む、リチオ化アノードの構築に先立って、ハーフセル中で達成される。特定の実施形態においては、事前のリチオ化はリチウム含有化合物（例えばリチウム含有塩）でカソードをドープすることによって達成される。本態様における適切なリチウム塩は、特に限定されないが、例えばテトラブロモニッケル（ＩＩ）酸二リチウム、テトラクロロ銅（ＩＩ）酸二リチウム、リチウムアジド、安息香酸リチウム、臭化リチウム、炭酸リチウム、塩化リチウム、リチウムシクロヘキサンブチレート、フッ化リチウム、ギ酸リチウム、ヘキサフルオロヒ（Ｖ）酸リチウム、ヘキサフルオロリン酸リチウム、水酸化リチウム、ヨウ素酸リチウム、メタホウ酸リチウム、過塩素酸リチウム、リン酸リチウム、硫酸リチウム、四ホウ酸リチウム、テトラクロロアルミン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、チオシアン酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、及びこれらの組み合わせ、等を含む。
シリコン－カーボン複合材料を含むアノードは、様々なカソード材料と対をなし、フルセルリチウムイオンバッテリーを生じる事ができる。適切なカソード材料の例は、当該技術分野において公知である。かかるカソード材料は、特に限定されないが、例えばＬｉＣｏＯ２（ＬＣＯ）、ＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．１５Ａｌ０．０５Ｏ２（ＮＣＡ）、ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２（ＮＭＣ）、ＬｉＭｎ２Ｏ４及びその変異体（ＬＭＯ）、及びＬｉＦｅＰＯ４（ＬＦＰ）、等を含む。
シリコン－カーボン複合材料を更に含むアノードを含むフルセルリチウムイオンバッテリーに関して、カソードとアノードの対は、様々であり得る。例えば、カソードとアノードの容量の比は、０．７～１．３と様々であり得る。特定の実施形態において、カソードとアノードの容量の比は、０．７～１．０と様々であり、例えば０．８～１．０、例えば０．８５～１．０、例えば０．９～１．０、例えば０．９５～１．０と様々であり得る。その他の実施形態において、カソードとアノードの容量の比は、１．０～１．３と様々であってよく、例えば１．０～１．２、例えば１．０～１．１５、例えば１．０～１．１まで、例えば１．０～１．０５と様々であり得る。更なる他の実施形態においては、カソードとアノードの容量の比率は、０．８～１．２と様々であってよく、例えば０．９～１．１、例えば０．９５～１．０５と様々であり得る。
シリコン－カーボン複合材料を更に含むアノードを含むフルセルリチウムイオンバッテリーに関して、充電及び放電における電圧ウィンドウは様々であり得る。この点について、電圧ウィンドウは、当該技術分野において公知のように、リチウムイオンバッテリーの様々な特性に応じて様々であり得る。例えば、当該技術分野において公知のように、カソードの選択は、選択された電圧ウィンドウにおいて役割を果たす。電圧ウィンドウは様々であり、例えばＬｉ／Ｌｉ＋に対するポテンシャルについては２．０Ｖ～５．０Ｖであり、例えば２．５Ｖ～４．５Ｖ、２．５Ｖ～４．２Ｖと様々である。
シリコン－カーボン複合材料を更に含むアノードを含むフルセルリチウムイオンバッテリーに関して、セルのコンディショニング方法は、当該技術分野において公知のように、様々であり得る。例えばコンディショニングは、複数の充電および放電サイクルを、様々なレートで、例えば所望のサイクルレートよりも遅いレートで行うことで達成され得る。当該技術分野において公知のように、コンディショニングプロセスは、リチウムイオンバッテリーの開放、コンディショニングプロセス中に発生する全てのガスの排出、それに続くリチウムイオンバッテリーの再密封、の工程を更に含んでもよい。
シリコン－カーボン複合材料を更に含むアノードを含むフルセルリチウムイオンバッテリーに関して、サイクルレートは、当該技術分野において公知のように、様々であってよく、例えばレートは、Ｃ／２０～２０Ｃ、例えばＣ／１０～１０Ｃ、例えばＣ／５～５Ｃ等、様々であってよい。特定の実施形態においては、サイクルレートはＣ／１０である。特定の実施形態においては、サイクルレートはＣ／５である。特定の実施形態においては、サイクルレートはＣ／２である。特定の実施形態においては、サイクルレートは１Ｃである。特定の実施形態においては、サイクルレートは１Ｃであり、より遅いレートへの周期的な減少（例えば、２０サイクルごとにＣ／１０レートの減少を適用）を伴う。特定の実施形態においては、サイクルレートは２Ｃである。特定の実施形態においては、サイクルレートは４Ｃである。特定の実施形態においては、サイクルレートは５Ｃである。特定の実施形態においては、サイクルレ－トは１０Ｃである。特定の実施形態においては、サイクルレートは２０Ｃである。
本明細書に開示した、非常に耐久性が高いリチウムのインターカレーションを伴う複合体の第１サイクル効率は、事前のリチオ化に先立って、第１サイクル中にアノードに挿入されたリチウムと、第１サイクル中にアノードから抽出されたリチウムとの比較によって測定した。挿入と抽出が等しい場合、効率は１００％である。当該技術分野において公知のように、アノード材料は、ハーフセル中で試験可能である。ここで、ハーフセルの対極はリチウム金属であり、電解質は、１ＭのＬｉＰＦ６、及び１：１のエチレンカーボネート：ジエチルカーボネート（ＥＣ：ＤＥＣ）であり、市販のポリプロピレンセパレータを使用する、ハーフセル中で試験可能である。特定の実施形態において電解質は、性能を向上させることで知られる様々な添加剤を含むことができ、例えば炭酸フルオロエチレン（ＦＥＣ）若しくはその他関連する炭酸フッ素化化合物、又はエステル共溶媒（例えばブタン酸メチル、炭酸ビニレン等）、及びシリコン含有アノード材料の電気化学的性能を向上させることで知られるその他の添加剤、等を含む。
クーロン効率は、平均化されることができ、例えばハーフセルでの試験においては、サイクル７～サイクル２５にわたって平均化され得る。クーロン効率は、平均化されることができ、例えばハーフセルでの試験においては、サイクル７～サイクル２０にわたって平均化され得る。特定の実施形態においては、非常に耐久性の高いリチウムのインターカレーションを有する複合体の平均効率は、０．９超、又は９０％超である。特定の実施形態においては、平均効率は０．９５超、又は９５％超である。特定の実施形態においては、平均効率は０．９９以上であり、例えば０．９９１以上、例えば０．９９２以上、例えば０．９９３以上、例えば０．９９４以上、例えば０．９９５以上、例えば０．９９６以上、例えば０．９９７以上、例えば０．９９８以上、例えば０．９９９以上、例えば０．９９９１以上、例えば０．９９９２以上、例えば０．９９９３以上、例えば０．９９９４以上、例えば０．９９９５以上、例えば０．９９９６以上、例えば０．９９９７以上、例えば０．９９９８以上、例えば０．９９９９以上、等を含む。
更なるその他の実施形態において、本明細書の開示は、非常に耐久性の高いリチウムのインターカレーションを示す複合材料を提供する。ここで、当該複合材料は、リチウムベースのエネルギー貯蔵デバイスの電極に導入される場合、グラファイト電極を含むリチウムベースのエネルギー貯蔵デバイスの電極に導入される場合よりも、１０％以上高い体積容量を有する。いくつかの実施形態においては、リチウムベースのエネルギー貯蔵デバイスは、リチウムイオンバッテリーである。いくつかの実施形態においては、複合材料は、リチウムベースのエネルギー貯蔵デバイス中に体積容量を有し、当該体積容量は、グラファイト電極を有する同様の電気エネルギー貯蔵デバイスよりも、５％以上、１０％以上、又は１５％以上高かった。更なるその他の実施形態においては、複合材料は、リチウムベースのエネルギー貯蔵デバイス中に体積容量を有し、当該体積容量は、グラファイト電極を有する同様の電気エネルギー貯蔵デバイスよりも、２０％以上、３０％以上、４０％以上、５０％以上、２００％以上、１００％以上、１５０％以上、又は２００％以上高かった。
複合材料は、当該技術分野において公知のように、事前にリチオ化されてもよい。これらのリチウム原子は、炭素から分離できてもよく、できなくてもよい。６つの炭素原子に対するリチウム原子の数は、当業者に公知の方法である、以下の式：
＃Ｌｉ＝Ｑ×３．６×ＭＭ／（Ｃ％×Ｆ）
［ここで、Ｑは、リチウム金属に対して、５ｍＶ～２．０Ｖの電圧で測定されたリチウム抽出容量（ｍＡｈ／ｇ）であり、ＭＭは、７２、又は６つのカーボンの分子質量であり、Ｆは、ファラデー定数（９６５００）であり、Ｃ％は、ＣＨＮＯ又はＸＰＳで測定される、構造中に存在する炭素の重量パーセントである。］
によって計算できる。
複合材料は、リチウム原子とカーボン原子の比（Ｌｉ：Ｃ）によって特徴付けることが可能で、これは約０：６～２：６であってよい。いくつかの実施形態において、Ｌｉ：Ｃは、約０．０５：６、及び１．９：６である。その他の実施形態においては、リチウムはイオン形態であり、かつ金属形態ではなく、最大のＬｉ：Ｃ比は２．２：６である。その他の特定の実施形態において、Ｌｉ：Ｃ比は、約１．２：６～約２：６、約１．３：６～約１．９：６、約１．４：６～約１．９：６、約１．６：６～約１．８：６、又は約１．７：６～約１．８：６、である。その他の実施形態において、Ｌｉ：Ｃ比は、１：６超、１．２：６超、１．４：６超、１．６：６超、又は１．８：６超である。更なるその他の実施形態において、Ｌｉ：Ｃ比は、約１．４：６、約１．５：６、約１．６：６、約１．７：６、約１．８：６、又は約２：６である。特定の実施形態においては、Ｌｉ：Ｃ比は、約１．７８：６である。
特定の実施形態においては、複合材料は、約１：６～約２．５：６、約１．４：６～約２．２：６、又は約１．４：６～約２：６の範囲のＬｉ：Ｃ比を含む。更なるその他の実施形態においては、複合材料は必ずしもリチウムを含まなくてもよいが、代わりにリチウム取込容量、即ち、ある一定量のリチウムを吸収する能力を、例えば２つの電圧条件間の材料のサイクル中に（リチウムイオンハーフセルの場合、典型的な電圧ウィンドウは０～３Ｖであり、例えば０．００５～２．７Ｖ、例えば０．００５～１Ｖ、例えば０．００５～０．８Ｖ、等を含む）有する。理論に束縛されることを望むものではないが、複合材料のリチウム取込容量は、リチウムベースのエネルギー貯蔵デバイスにおける優れた性能に寄与する。リチウム取込容量は、複合体に取って代わられるリチウム原子の比として表現される。その他の特定の実施形態においては、非常に耐久性の高いリチウムのインターカレーションを示す複合材料は、約１：６～約２．５：６、約１．４：６～約２．２：６、又は約１．４：６～約２：６、等の範囲のリチウム取込容量を含む。
特定のその他の実施形態において、リチウム取込容量は、約１．２：６～約２：６、約１．３：６～約１．９：６、約１．４：６～約１．９：６、約１．６：６～約１．８：６、又は約１．７：６～約１．８：６、等の範囲をとる。その他の実施形態において、リチウム取込容量は、１：６超、１．２：６超、１．４：６超、１．６：６超、又は１．８：６超である。更なるその他の実施形態において、Ｌｉ：Ｃ比は、約１．４：６、約１．５：６、約１．６：６、約１．６：６、約１．７：６、約１．８：６、又は約２：６である。特定の一の実施形態においては、Ｌｉ：Ｃ比は約１．７８：６である。
Ｄ． 多孔質カーボンスキャフォールドの黒鉛性の向上
特定の実施形態において、カーボンスキャフォールドの電気化学的特性を高めることにより、シリコン－カーボン材料の電気化学的特性が高められてもよい。いくつかの実施形態においては、カーボンスキャフォールドの黒鉛性の向上は、導電性（イオン導電性、及び／又は電子導電性）の増大、及び／又はＬＩＢ中に存在する様々なその他の成分（電解質成分など）との接触時の反応性の低下、及び／又はＬＩＢ中で形成されるより安定なＳＥＩといったその他の有益な特性、等をもたらす。
カーボンスキャフォールドの黒鉛性は、多孔質カーボンスキャフォールドの加熱処理によって高めてもよく、アモルファスから黒鉛への、カーボン構造の部分的な変化が生じる。この目的のために、加熱処理の温度は９００℃以上であることが可能で、例えば１０００℃以上、１１００℃以上、１２００℃以上、１３００℃以上、１４００℃以上、１５００℃以上、１６００℃以上、１７００℃以上、１８００℃以上、２０００℃以上、又は３０００℃以上、であり得る。いくつかの実施形態において、加熱処理温度は１０００℃～３０００℃であり、例えば１０００℃～２７００℃、例えば１０００℃～２５００℃、例えば１０００℃～２３００℃、例えば１０００℃～２０００℃、例えば１１００℃～３０００℃、例えば１１００℃～２７００℃、例えば１１００℃～２５００℃、例えば１１００℃～２０００℃、例えば１２００℃～２０００℃、例えば１１００℃～１７００℃、である。
いくつかの実施形態においては、加熱処理中の気圧を、大気圧未満にすることができる。その他の特定の実施形態においては、加熱処理中の大気圧を、大気圧超にすることができる。好ましい実施形態においては、多孔質カーボンスキャフォールドの加熱中の気圧を、大気圧にすることができる。加熱処理の時間は様々であってよく、例えば１分～２４ｈである。いくつかの実施形態においては、加熱処理を２４ｈ超行ってもよい。いくつかの実施形態においては、多孔質カーボンにおける合計細孔容積、及び細孔容積分布への加熱処理による影響を最小化するために、比較的急速な加熱、比較的短い処理時間、及び比較的急速な冷却が好ましい。いくつかの実施形態においては、処理時間は１ｈ～２４ｈであり、例えば１ｈ～２ｈ、２ｈ～４ｈ、４ｈ～８ｈ、８ｈ～２４ｈ、等を含む。
いくつかの実施形態においては、マイクロ波エネルギーを用いて、カーボンスキャフォールドの黒鉛性を、加熱及び／又はその他の方法で向上させることができる。理論に束縛されるものではないが、カーボン粒子は効率的なマイクロ波吸収物であり、シリコン含有ガスを導入して上記粒子に堆積させるシリコン含有ガスを導入する前に、上記粒子にマイクロ波を受けさせて加熱する反応装置が想定され得る。
温度は、材料中の原子又は分子の平均運動エネルギー（動きのエネルギー）に関係するため、分子を攪拌することで材料の温度は上がる。かくして、双極子回転は、電磁放射線の形態のエネルギーが、物体の温度を上げ得るメカニズムである。双極子回転は通常、誘電加熱と呼ばれるメカニズムであり、マイクロ波オーブンにおいて最も広範に見られる。それは液体の水に対して最も効果的であるが、脂肪や糖、及びその他のカーボン含有材料に対してはあまり効果的ではない。
誘電加熱は、誘電損失による電気絶縁材料の加熱を含む。材料全体の電場の変化は、電場の連続的な変化に伴い分子が整列しようとする際に、エネルギーを散逸させる。この電場の変化は、電磁波が自由空間（マイクロ波オーブン中のような）へ伝播することによって生じ得るか、又はコンデンサ内の電場が急速に変化することによって生じ得る。後者の場合、自由に伝播する電磁波は存在せず、電場の変化は、アンテナ近傍界の電気部品に類似しているように見えるだろう。この場合、ラジオ波（ＲＦ）周波数において、容量キャビティ内の電場の変化によって加熱が達成されるにも関わらず、実際ラジオ波は発生も吸収もされない。この意味では、上記効果は、磁気誘導加熱の直接的な電気的アナログであり、これも近傍界効果である（従ってラジオ波を含まない）。
非常に高い周波数において、電磁場の波長は、加熱キャビティの金属壁間の距離よりも、又は壁自身の寸法よりも小さくなる。これは、マイクロ波オーブン内部の場合である。かかる場合、従来の遠方場電磁波は（キャビティはもはや純粋なコンデンサとしては機能せず、むしろアンテナとして機能する）を形成し、吸収され熱を発生するが、熱蒸着の双極子回転メカニズムは変わらない。しかしながらマイクロ波は、イオンドラッグによって生じるような、分子のより遅い運動に依存する低周波数場の加熱効果を引き起こすことには効率的ではない。
マイクロ波加熱は、１００ＭＨｚ超の周波数における誘電加熱のサブカテゴリーである。この周波数において、小寸法のエミッタから、空間を通過して目標物に電磁波を照射することができる。最新のマイクロ波オーブンは、ＲＦヒーターと比して、非常に大きな周波数及び短い波長の電場を伴う電磁波を使用する。典型的な家庭用マイクロ波オーブンは、２．４５ＧＨｚで動作するが、９１５ＭＨｚのオーブンも存在する。これは、マイクロ波加熱で使用される波長は、１２ｃｍ又は３３ｃｍ（４．７インチ又は１３．０インチ）であることを意味する。これは非常に効率的であるが、浸透性、誘電加熱性は低い。コンデンサのようなプレートのセットを、マイクロ波周波数において使用できるが、それらは必要ではない。マイクロ波は、遠方場タイプの電磁放射線として既に存在し、それらの吸収は、ＲＦ加熱のように小さなアンテナに近接する必要がないためである。従って、加熱される（非金属）材料を、波の経路に単純に配置することができ、かつ加熱は非接触法で行われる。
かくして、マイクロ波吸収材料は、電磁波を熱エネルギーに変換することで、電磁波を散逸させることができる。理論に束縛されるものではないが、材料のマイクロ波吸収能力は、主にその比誘電率、比透磁率、電磁気インピーダンス整合、及び材料のミクロ構造（例えばそのポロシティ、及び／又はナノ構造、若しくはミクロ構造）によって決まる。マイクロ波ビームがマイクロ波吸収材料の表面に照射される際、電磁気インピーダンスにおける適切な整合条件は、入射マイクロ波の反射率をほぼ０にし、最終的に吸収材料へ熱エネルギーを伝達できる。
ここから
カーボン材料は、マイクロ波を吸収することができる、即ち、マイクロ波放射（即ち、電磁スペクトルの領域における赤外線及びラジオ波）によって容易に加熱される。より明確には、それらは０．００１～１ｍの波長（これは３００～０．３ＧＨｚの周波数に対応する）を有する波として定義される。マイクロ波場中に存在するカーボンの加熱されやすさは、誘電正接：ｔａｎδ＝ε’’／ε’によって定義される。誘電正接は２つのパラメータから成り、それは誘電率（dielectric constant）（又は実部の誘電率（permittivity））ε’、及び誘電損失係数（又は虚部の誘電率）ε’’である；即ち、ε＝ε’－ｉε’’（式中、εは複素誘電率）である。誘電率（ε’）は、入射エネルギーがどれくらい反射されるか、及びどれくらい吸収されるかを決める。また誘電損失係数（ε’’）は、材料中の熱形態での電気エネルギーの散逸の尺度となる。最適なマイクロ波エネルギーカップリングのためには、中程度のε’値と、高いε’’値（及び非常に高いｔａｎδ値）を組み合わせ、マイクロ波エネルギーを熱エネルギーに変換する必要がある。かくして、いくつかの材料は、誘電加熱をする上で十分に高い損失係数をもたない（マイクロ波が透過する）が、その他の材料、例えばいくつかの無機酸化物や殆どのカーボン材料は、非常に良好なマイクロ波の吸収材である。一方、導電性材料はマイクロ波を反射する。例えば、黒鉛、及び高黒鉛性カーボンは、マイクロ波照射の大部分を反射し得る。非局在化したπ電子が比較的広い領域を自由に移動するカーボンの場合は、追加の、非常に興味深い現象が起こり得る。いくつかの電子の運動エネルギーが増大すると、電子が材料から飛び出すことがあり、その結果、周囲の大気をイオン化させ得る。巨視的なレベルでは、この現象はスパーク、又はアーク放電の形成とみなされる。しかし微視的なレベルでは、実際にはこれらのホットスポットはプラズマである。殆どの時間、これらのプラズマは、空間及び時間の両方の点から、マイクロプラズマとみなすことができる。それらは空間のごく小さな領域に閉じ込められ、わずかな時間しか持続しないためである。かかるマイクロプラズマの集中的な発生は、関連する方法に関して重要な示唆を含む可能性がある。
理論に束縛されるものではないが、マイクロ波加熱によるカーボン材料の加熱は、従来の加熱に対して、以下に示すような利点をもたらす：ｉ）非接触加熱；ｉｉ）熱伝達ではなくエネルギー伝達；ｉｉｉ）高速な加熱；ｉｖ）選択的な材料加熱；ｖ）大容量の加熱；ｖｉ）開始と停止の速さ；ｖｉｉ）材料内部からの加熱；及び、ｖｉｉｉ）より高いレベルの安全性及び自動化。マイクロ波エネルギーの吸収、及び熱への変換のためのカーボン材料の高いキャパシティを、表３に示す（J.A. Menendez, A. Arenillas, B. Fidalgo, Y. Fernandez, L. Zubizarreta, E.G. Calvo, J.M. Bermudez, “Microwave heating processes involving carbon materials”, Fuel Processing Technology, 2010, 91 (1), 1-8から引用）。表３には、様々なカーボンにおける誘電正接の例を示した。見ての通り、殆どのカーボン（石炭を除く）の誘電正接は、蒸留水よりも高い（２．４５ＧＨｚかつ室温における蒸留水のｔａｎδ＝０．１１８）。
周波数２．４５ＧＨｚかつ室温における、様々なカーボン材料の誘電正接の例。
従来の加熱処理であろうがマイクロ波処理であろうが、多孔質カーボンスキャフォールドの黒鉛性を向上させるために、合計細孔容積、及び細孔容積分布への影響を考慮することが重要である。この目的のために、多孔質カーボンスキャフォールドの合計細孔容積、及び細孔容積分布は、当該技術分野で公知のように、ガス吸着分析、例えば窒素及び／又は二酸化炭素のガス吸着分析によって測定可能である。この方法において、細孔容積及び細孔容積分布は、黒鉛性向上処理の前、及び後で測定可能である。いくつかの実施形態において、処理後の多孔質カーボンスキャフォールドの表面積は少なくとも３０ｍ２／ｇ減少し、例えば少なくとも５０ｍ２／ｇ、例えば少なくとも１００ｍ２／ｇ、例えば少なくとも２００ｍ２／ｇ、例えば少なくとも３００ｍ２／ｇ、例えば少なくとも５００ｍ２／ｇ、減少する。いくつかの実施形態において、処理後の多孔質カーボンスキャフォールドの細孔容積は少なくとも０．０１ｃｍ３／ｇ減少し、例えば少なくとも０．０５ｃｍ３／ｇ、例えば少なくとも０．１ｃｍ３／ｇ、例えば少なくとも０．２ｃｍ３／ｇ、例えば少なくとも０．３ｃｍ３／ｇ、例えば少なくとも０．５ｃｍ３／ｇ、減少する。
いくつかの実施形態において、処理後の多孔質カーボンスキャフォールドの表面積は少なくとも３０ｍ２／ｇ増大し、例えば少なくとも５０ｍ２／ｇ、例えば少なくとも１００ｍ２／ｇ、例えば少なくとも２００ｍ２／ｇ、例えば少なくとも３００ｍ２／ｇ、例えば少なくとも５００ｍ２／ｇ、増大する。いくつかの実施形態において、処理後の多孔質カーボンスキャフォールドの細孔容積は少なくとも０．０１ｃｍ３／ｇ増大し、例えば少なくとも０．０５ｃｍ３／ｇ、例えば少なくとも０．１ｃｍ３／ｇ、例えば少なくとも０．２ｃｍ３／ｇ、例えば少なくとも０．３ｃｍ３／ｇ、例えば少なくとも０．５ｃｍ３／ｇ、増大する。処理後に多孔質カーボンスキャフォールドの表面積が増大する、及び／又は処理後に多孔質カーボンスキャフォールドの細孔容積が増大する特定の実施形態において、多孔質カーボンスキャフォールドは、黒鉛化触媒として作用する電気化学的修飾剤を含み、例えばＡｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｏ、又はＷ、又はこれらの組み合わせ、等を含む。
理論に束縛されるものではないが、黒鉛化触媒を含む多孔質カーボンスキャフォールドの黒鉛化は、黒鉛化触媒を含まない多孔質カーボンスキャフォールドの黒鉛化と比較すると、非常に温和な条件、例えばより短い時間、及び／又はより低い温度条件で起こる。黒鉛化触媒は、シリコン－カーボン複合体を調製する方法の様々な段階において導入することができる。例えば、熱分解及びそれに続く活性化に先立って、黒鉛化触媒を固体状の前駆体材料に加え、黒鉛化触媒を含む多孔質カーボンスキャフォールドを得ることができる。一の実施形態においては、同時に行われる熱分解と活性化に先立って、黒鉛化触媒を固体状の前駆体材料に加え、黒鉛化触媒を含む多孔質カーボンスキャフォールドを得ることができる。その他の一の実施形態においては、活性化に先立って、黒鉛化触媒を熱分解された多孔質カーボン材料に加え、黒鉛化触媒を含む多孔質カーボンスキャフォールドを得ることができる。その他の一の実施形態においては、黒鉛化触媒を活性化された多孔質カーボン材料に加え、黒鉛化触媒を含む多孔質カーボンスキャフォールドを得ることができる。
黒鉛化は、シリコン－カーボン複合体を調製する方法の様々な段階において達成可能である。例えば、熱分解された多孔質カーボン材料は、活性化及びそれに続くＣＶＩ処理に先立って黒鉛化され、シリコン－カーボン複合材料を得ることができる。一の実施形態において、活性化された多孔質カーボン材料は、ＣＶＩ処理に先立って黒鉛化され、シリコン－カーボン複合材料を得ることができる。
粒子径を減少させるための粉砕を、シリコン－カーボン複合材料を調製する方法の様々な段階において行うことができる。例えば、熱分解された多孔質カーボン材料は、黒鉛化並びにそれに続く活性化及びＣＶＩ処理に先立って粉砕され、シリコン－カーボン複合粒子を得ることができる。その他の一の実施形態において、熱分解及び黒鉛化された多孔質カーボン材料は、活性化及びそれに続くＣＶＩ処理に先立って粉砕され、シリコン－カーボン複合粒子を得ることができる。その他の一の実施形態において、活性化された多孔質カーボン材料は、黒鉛化およびそれに続くＣＶＩ処理に先立って粉砕され、シリコン－カーボン複合粒子を得ることができる。その他の一の実施形態において、活性化及び黒鉛化された多孔質カーボン材料は、ＣＶＩ処理に先立って粉砕され、シリコン－カーボン複合粒子を得ることができる。
上記の実施形態に関して、カーボンの黒鉛性の程度は、カーボン粒子表面とカーボン粒子内の細孔表面との間で異なってもよい。いくつかの実施形態において、カーボンの黒鉛性の程度は、カーボン粒子内の細孔表面に比して、カーボン粒子表面の方が大きい。理論に束縛されるものではないが、かかる実施形態は、粒子表面の電気伝導性、及び／又はイオン伝導性を向上させ、その結果、シリコン－カーボン複合粒子がリチウムバッテリーのアノードとして使用される場合に電気化学的な利点を与える（例えば定格容量を増大させる、充電及び／又は放電を速くする、より安定なＳＥＩ、及びより低いカーボン表面の反応性によってもたらされる高い温度での安定性及び／又はカレンダーライフの向上、等を含む）。
いくつかの実施形態において、シリコン－カーボン複合材料は粒度分布を含み、かつカーボン粒子の黒鉛性の程度はカーボン粒子の粒子径によって異なる。このキャラクタリゼーションのために、シリコン－カーボン複合粒子をサイズ分画し（当該技術分野で公知のように）、材料の２つ以上のフラクションを得ることができる。ここで、各フラクションのＤｖ５０は異なる。例えばシリコン－カーボン複合粒子を、１μｍ未満のＤｖ５０を含む一のフラクションと、１μｍ超のＤｖ５０を含む別のフラクションに分画することができる。上記２つのフラクションの黒鉛度の差を比較することができ、例えばラマン分光法により測定したＩＤ／ＩＧによって比較できる。従って、上記２つのフラクションの黒鉛度の差は、以下の式：
ΔＩＤ／ＩＧ＝（［ＩＤ／ＩＧ］Ｄｖ，５０＞１－［ＩＤ／ＩＧ］Ｄｖ，５０＜１）
［式中、［ＩＤ／ＩＧ］Ｄｖ，５０＞１は、１超のＤｖ５０を備える粒子のフラクションにおけるＩＤ／ＩＧ、［ＩＤ／ＩＧ］Ｄｖ，５０＜１は、１未満のＤｖ５０を備える粒子のフラクションにおけるＩＤ／ＩＧである。］
で表すことができる。従って、ΔＩＤ／ＩＧは０～２であることが可能で、例えば０～１、例えば０．０１～０．８、例えば０．０１～０．７、例えば０．０１～０．６、例えば０．０１～０．５、例えば０．０１～０．４、例えば０．０１～０．３、例えば０．０１～０．２、例えば０．０１～０．１、例えば０．１～０．８、例えば０．１～０．７、例えば０．１～０．６、例えば０．１～０．５、例えば０．１～０．４、例えば０．１～０．３、例えば０．１～０．２、例えば０．１～０．７、例えば０．２～０．６、例えば０．３～０．５、等を含む。
いくつかの実施形態において、多孔質カーボンスキャフォールド及び／又はシリコン－カーボン複合体の電気化学的特性は、導電性カーボン添加剤粒子の添加によって高めることができる。導電性カーボン添加剤粒子は特に限定されないが、例えば黒鉛粒子、Ｓｕｐｅｒ Ｃ４５粒子、Ｓｕｐｅｒ Ｐ粒子、カーボンブラック粒子、ナノスケールカーボン粒子（例えばカーボンナノチューブ、又はその他カーボンナノ構造体、等）、及びこれらの組み合わせ、等を含む。かかる実施形態において、導電性カーボン添加剤の添加は、電気伝導性、パッキング密度（packing density）、及び／又はドープされた多孔質カーボンスキャフォールド及び／又はそこから製造されたシリコン－カーボン複合体の電気化学的効率性の向上を容易にする。
この目的のために、導電性カーボン添加剤粒子の添加は、シリコン－カーボン複合体の調製の様々な段階において行うことができる。一の実施形態において、導電性カーボン添加剤粒子は、多孔質カーボンスキャフォールドの製造に使用されるカーボン前駆体に添加され、続いて熱分解させ、多孔質カーボンスキャフォールドを活性化及び黒鉛化させ、それに続くＣＶＩ処理によってシリコン－カーボン複合体を製造する。その他の一の実施形態において、導電性カーボン添加剤粒子は、多孔質カーボンスキャフォールドの製造に使用されるカーボン前駆体に添加され、続いて多孔質カーボンスキャフォールドを熱分解、黒鉛化、及び活性化させ、それに続くＣＶＩ処理によってシリコン－カーボン複合体を製造する。その他の一の実施形態において、導電性カーボン添加剤粒子は、多孔質カーボンスキャフォールドの製造に使用されるカーボン前駆体に添加され、続いて多孔質カーボンスキャフォールドを熱分解、活性化、及び黒鉛化させ、それに続くＣＶＩ処理によってシリコン－カーボン複合体を製造する。
かかる実施形態において、導電性カーボン添加剤の添加は、多孔質カーボンスキャフォールドの黒鉛化のための黒鉛化触媒として機能する。その他の実施形態において、導電性カーボン添加剤の添加は、電気伝導性、パッキング密度（packing density）、及び／又はドープされた多孔質カーボンスキャフォールド及び／又はそこから作製されたシリコン－カーボン複合体の電気化学的効率性の向上を容易にする。
更なるその他の実施形態において、黒鉛化及びそれに続く活性化よりも前に、熱分解された多孔質カーボンスキャフォールドに導電性カーボン添加剤粒子を添加し、続いてＣＶＩ処理によってシリコン－カーボン複合体を調製することで、多孔質カーボンスキャフォールド、及び／又はシリコン－カーボン複合体の電気化学的特性を高めることができる。更なるその他の実施形態において、黒鉛化およびそれに続く活性化よりも前に、活性化された多孔質カーボンスキャフォールドに導電性カーボン添加剤粒子を添加し、続いてＣＶＩ処理によってシリコン－カーボン複合体を調製することで、多孔質カーボンスキャフォールド、及び／又はシリコン－カーボン複合体の電気化学的特性を高めることができる。
多孔質カーボンの合計質量に対する割合としての導電性カーボン添加剤の存在比は様々であることが可能で、例えば導電性カーボン添加剤は、多孔質カーボンスキャフォールドの合計質量に対して０．１％～９０％含むことができ、例えば１％～５０％、例えば１％～４０％、例えば１％～３０％、例えば１％～２０％、例えば１％～１０％、例えば１％～５％、例えば５％～１０％、例えば１０％～２０％、例えば２０％～３０％、例えば３０％～４０％、例えば４０％～５０％、等を含むことができる。
例
実施例１．ＣＶＩによるシリコン－カーボン複合材料の製造。シリコン－カーボン複合体の製造に使用した、カーボンスキャフォールド（カーボンスキャフォールド１）の物性値を、以下の表３に示す。カーボンスキャフォールド１を使用して、シリコン－カーボン複合体（シリコン－カーボン複合体１）を、ＣＶＩによって、以下のように製造した。０．２グラムの質量のアモルファス多孔質カーボンを、２インチ×２インチのセラミックるつぼに入れ、水平の管状炉の中央に配置した。炉を密封し、１分あたり５００立方センチメートル（ｃｃｍ）で窒素ガスパージした。炉の温度は、１分あたり２０℃で、ピーク温度４５０℃まで上げ、３０分間維持した。ここで、窒素を遮断し、続いてシラン及び水素を、それぞれ５０ｃｃｍ及び４５０ｃｃｍのフローレートで、計３０分間にわたって導入した。その後、シラン及び窒素を遮断し、窒素を再び炉に導入し、内部の空気をパージした。同時に、炉の加熱を停止し、周囲温度まで冷却した。完成したＳｉ－Ｃ材料は、その後炉から除去した。
実施例１で使用したカーボンスキャフォールドの説明。
実施例２．様々なシリコン－複合材料の分析。様々なカーボンスキャフォールド材料を使用したカーボンスキャフォールド材料を、窒素吸着ガス分析によって特徴付け、特定の表面積、合計細孔容積、並びにミクロ細孔、メソ細孔、及びマクロ孔を含む細孔容積の比率、を測定した。カーボンスキャフォールド材料のキャラクタリゼーションデータ、すなわち、カーボンスキャフォールドの表面積、細孔容積、及び細孔容積分布（ミクロ細孔の割合、メソ細孔の割合、及びマクロ孔の割合）のデータ（いずれも窒素吸着分析によって測定した）を、表５に示す。
様々なカーボンスキャフォールド材料の物性値
表５に記載したカーボンスキャフォールドサンプルを使用し、様々なシリコン－カーボン複合材料を、実施例１に一般的に記載した静的層構築(static bed configuration)におけるＣＶＩ法によって製造した。これらのシリコン－カーボンサンプルは、プロセス条件を、以下の範囲：シラン濃度が１．２５％～１００％；希釈ガスが窒素又は水素；及びカーボンスキャフォールドの出発質量が０．２ｇ～７００ｇ、で使用した。
シリコン－カーボン複合体の表面積を測定した。また、ＴＧＡ分析によって、シリコン－カーボン複合体のシリコン含有量及びＺを測定した。また、シリコン－カーボン複合体の試験は、ハーフセルコインセルにて行った。ハーフセルコインセルのアノードは、６０～９０％のシリコン－カーボン複合体、５～２０％のＮａ－ＣＭＣ（バインダーとして）、及び５～２０％のＳｕｐｅｒ Ｃ４５（導電性向上剤として）を含むことが可能で、かつ電解質は、２：１のエチレンカーボネート：ジエチレンカーボネート、１ＭのＬｉＰＦ６、及び１０％のフルオロエチレンカーボネートを含むことが可能である。ハーフセルコインセルは、２５℃、Ｃ／５のレートで、５サイクルにわたってサイクルさせ、その後Ｃ／１０のレートでサイクルさせることが可能である。電圧は、０Ｖ～０．８Ｖでサイクルさせることが可能、あるいは、電圧は、０Ｖ～１．５Ｖでサイクルさせることが可能である。ハーフセルコインセルのデータから、最大容量を測定可能で、サイクル７～サイクル２０にかけての平均クーロン効率（ＣＥ）も同様に測定可能である。様々なシリコン－カーボン複合材料における物理化学的、及び電気化学的物性値を、表６に示す。
様々なシリコン－カーボン複合材料の物性値
Ｚの関数としての平均クーロン効率のプロットを、図１に示す。見ての通り、低いＺを有するシリコン－カーボンサンプルについての平均クーロン効率は、劇的に増大した。特に、Ｚが１０．０未満の全てのシリコン－カーボンサンプルは、０．９９４１以上の平均クーロン効率を示し、Ｚが１０超の全てのシリコン－カーボンサンプル（シリコン－カーボン複合体サンプル１２～シリコン－カーボン複合体サンプル１６）は、０．９９０９以下の平均クーロン効率を有することが観察された。理論に束縛されるものではないが、Ｚが１０未満のシリコン－カーボンサンプルについてのより高いクーロン効率は、フルセルリチウムイオンバッテリーにおいて優れたサイクル安定性をもたらす。表の更なる調査により、Ｚが１０未満のシリコン－カーボン複合体サンプルと、６９．１超のミクロポロシティを有するカーボンスキャフォールドを更に含むシリコン－カーボン複合体サンプルとの組み合わせは、０．９９６９以上の平均クーロン効率を示すという、驚くべき、かつ予期せぬ結果が明らかになった。
従って、より好ましい一の実施形態において、シリコン－カーボン複合材料は、１０未満のＺを含み、例えば５未満のＺ、例えば３未満のＺ、例えば２未満のＺ、例えば１未満のＺ、例えば０．５未満のＺ、例えば０．１未満のＺ、又は０のＺを含む。
特定の好ましい実施形態においては、シリコン－カーボン複合材料は、１０未満のＺ、及び７０％超のミクロポロシティを有するカーボンスキャフォールドを含み、例えば１０未満のＺ及び８０％超のミクロポロシティ、例えば１０未満のＺ及び９０％超のミクロポロシティ、例えば１０未満のＺ及び９５％超のミクロポロシティ、例えば５未満のＺ及び７０％超のミクロポロシティ、例えば５未満のＺ及び８０％超のミクロポロシティ、例えば５未満のＺ及び９０％超のミクロポロシティ、例えば５未満のＺ及び９５％超のミクロポロシティ、例えば３未満のＺ及び７０％超のミクロポロシティ、例えば３未満のＺ及び８０％超のミクロポロシティ、例えば３未満のＺ及び９０％超のミクロポロシティ、例えば３未満のＺ及び９５％超のミクロポロシティ、例えば２未満のＺ及び７０％超のミクロポロシティ、例えば２未満のＺ及び８０％超のミクロポロシティ、例えば２未満のＺ及び９０％超のミクロポロシティ、例えば２未満のＺ及び９５％超のミクロポロシティ、例えば１未満のＺ及び７０％超のミクロポロシティ、例えば１未満のＺ及び８０％超のミクロポロシティ、例えば１未満のＺ及び９０％超のミクロポロシティ、例えば１未満のＺ及び９５％超のミクロポロシティ、例えば０．５未満のＺ及び７０％超のミクロポロシティ、例えば０．５未満のＺ及び８０％超のミクロポロシティ、例えば０．５未満のＺ及び９０％超のミクロポロシティ、例えば０．５未満のＺ及び９５％超のミクロポロシティ、例えば０．１未満のＺ及び７０％超のミクロポロシティ、例えば０．１未満のＺ及び８０％超のミクロポロシティ、例えば０．１未満のＺ及び９０％超のミクロポロシティ、例えば０．１未満のＺ及び９５％超のミクロポロシティ、例えば０のＺ及び７０％超のミクロポロシティ、例えば０のＺ及び８０％超のミクロポロシティ、例えば０のＺ及び９０％超のミクロポロシティ、例えば０のＺ及び９５％超のミクロポロシティ、等を含む。
特定の好ましい実施形態においては、シリコン－カーボン複合材料は、１０未満のＺ、７０％超のミクロポロシティ、１５％～８５％のシリコン、及び１００ｍ２／ｇ未満の表面積を含み、例えば１０未満のＺ、７０％超のミクロポロシティ、１５％～８５％のシリコン、及び５０ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、７０％超のミクロポロシティ、１５％～８５％のシリコン、及び３０ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、７０％超のミクロポロシティ、１５％～８５％のシリコン、及び１０ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、７０％超のミクロポロシティ、１５％～８５％のシリコン、及び５ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、８０％超のミクロポロシティ、１５％～８５％のシリコン、及び５０ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、８０％超のミクロポロシティ、１５％～８５％のシリコン、及び３０ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、８０％超のミクロポロシティ、１５％～８５％のシリコン、及び１０ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、８０％超のミクロポロシティ、１５％～８５％のシリコン、及び５ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、９０％超のミクロポロシティ、１５％～８５％のシリコン、及び５０ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、９０％超のミクロポロシティ、１５％～８５％のシリコン、及び３０ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、９０％超のミクロポロシティ、１５％～８５％のシリコン、及び１０ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、９０％超のミクロポロシティ、１５％～８５％のシリコン、及び５ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、９５％超のミクロポロシティ、１５％～８５％のシリコン、及び５０ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、９５％超のミクロポロシティ、１５％～８５％のシリコン、及び３０ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、９５％超のミクロポロシティ、１５％～８５％のシリコン、及び１０ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、９５％超のミクロポロシティ、１５％～８５％のシリコン、及び５ｍ２／ｇ未満の表面積、等を含む。
特定の好ましい実施形態においては、シリコン－カーボン複合材料は、１０未満のＺ、７０％超のミクロポロシティ、３０％～６０％のシリコン、及び１００ｍ２／ｇ未満の表面積を含み、例えば１０未満のＺ、７０％超のミクロポロシティ、３０％～６０％のシリコン、及び５０ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、７０％超のミクロポロシティ、３０％～６０％のシリコン、及び３０ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、７０％超のミクロポロシティ、３０％～６０％のシリコン、及び１０ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、７０％超のミクロポロシティ、３０％～６０％のシリコン、及び５ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、８０％超のミクロポロシティ、３０％～６０％のシリコン、及び５０ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、８０％超のミクロポロシティ、３０％～６０％のシリコン、及び３０ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、８０％超のミクロポロシティ、３０％～６０％のシリコン、及び１０ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、８０％超のミクロポロシティ、３０％～６０％のシリコン、及び５ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、９０％超のミクロポロシティ、３０％～６０％のシリコン、及び５０ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、９０％超のミクロポロシティ、３０％～６０％のシリコン、及び３０ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、９０％超のミクロポロシティ、３０％～６０％のシリコン、及び１０ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、９０％超のミクロポロシティ、３０％～６０％のシリコン、及び５ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、９５％超のミクロポロシティ、３０％～６０％のシリコン、及び５０ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、９５％超のミクロポロシティ、３０％～６０％のシリコン、及び３０ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、９５％超のミクロポロシティ、３０％～６０％のシリコン、及び１０ｍ２／ｇ未満の表面積、例えば１０未満のＺ、９５％超のミクロポロシティ、３０％～６０％のシリコン、及び５ｍ２／ｇ未満の表面積、等を含む。
実施例３．シリコン－カーボン複合材料におけるｄＶ／ｄＱ。微分容量曲線（ｄＱ／ｄｖ ｖｓ 電圧）は、リチウムバッテリー電極における電圧の関数として、相転移を理解するための非破壊的ツールとしてよく使用される（M. N. Obrovac et al. Structural Changes in Silicon Anodes during Lithium Insertion /Extraction, Electrochemical and Solid-State Letters, 7 （5） A93-A96 （2004）; Ogata, K. et al. Revealing lithium-silicide phase transformations in nano-structured silicon-based lithium ion batteries via in situ NMR spectroscopy. Nat. Commun. 5:3217）。本明細書に示した微分容量プロットは、２５℃のハーフセルコインセルにおいて、０．１Ｃレート、５ｍＶ～０．８Ｖでのガルバノスタティックサイクリング（galvanostatic cycling）によって得られたデータから計算された。シリコンベース材料における、ハーフセルｖｓリチウムの典型的な微分容量曲線は、多くの参照文献から見出され得る（Loveridge, M. J. et al. Towards High Capacity Li-Ion Batteries Based on Silicon-Graphene Composite Anodes and Sub-micron V-doped LiFePO4 Cathodes. Sci. Rep. 6, 37787; doi: 10.1038/srep37787 (2016); M. N. Obrovac et al. Li15Si4Formation in Silicon Thin Film Negative Electrodes, Journal of The Electrochemical Society,163 (2) A255-A261 (2016); Q.Pan et al. Improved electrochemical performance of micro-sized SiO-based composite anode by prelithiation of stabilized lithium metal powder, Journal of Power Sources 347 (2017) 170-177)。第１サイクルにおけるリチオ化挙動は、いくつかの要素の中で、シリコンの結晶性及び酸素の含有量に依存する。
第１サイクル後、当該技術分野における先のアモルファスなシリコン材料は、リチオ化に関するｄＱ／ｄＶ ｖｓ Ｖプロットにおいて、特異的な２つの相転移ピークを示し、かつ同様に、脱リチオ化に関するｄＱ／ｄＶ ｖｓ Ｖプロットにおいて、特異的な２つの相転移ピークを示す。リチオ化に関して、一方のピークは、０．２～０．４Ｖで生じる貧リチウムＬｉ－Ｓｉアロイ相に対応し、もう一方のピークは、０．１５Ｖ未満で生じるリチウムリッチＬｉ－Ｓｉアロイ相に対応する。脱リチオ化に関して、一方の脱リチオ化ピークは、０．４Ｖ未満で生じるリチウムの抽出に対応し、もう一方の脱リチオ化ピークは、０．４Ｖ～０．５５Ｖで生じるリチウムの抽出に対応する。リチオ化中にＬｉ１５Ｓｉ４相が形成される場合、それは約０．４５Ｖにおいて脱リチオ化され、非常に狭く鋭いピークが現れる。
実施例１のシリコン－カーボン複合体３に一致するシリコン－カーボン複合材料における、サイクル２についてのｄＱ／ｄＶ ｖｓ 電圧曲線を、図２に示す。シリコン－カーボン複合体３は、０．６のＺを含む。識別を容易にするために、プロットを、レジームＩ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ、及びＶＩに分けた。レジームＩ（０．８Ｖ～０．４Ｖ）、ＩＩ（０．４Ｖ～０．１５Ｖ）、ＩＩＩ（０．１５Ｖ～０Ｖ）はリチオ化ポテンシャルを含み、レジームＩＶ（０Ｖ～０．４Ｖ）、Ｖ（０．４Ｖ～０．５５Ｖ）、ＶＩ（０．５５Ｖ～０．８Ｖ）は脱リチオ化ポテンシャルを含む。上記に記載のように、当該技術分野における先のアモルファスなシリコンベース材料は、２つのレジーム（レジームＩＩ及びレジームＩＩＩ）において、リチオ化ポテンシャルにおける相転移ピークを示し、かつ２つのレジーム（レジームＩＶ及びレジームＶ）において、脱リチオ化ポテンシャルにおける相転移ピークを示した。
図２から理解されるように、ｄＱ／ｄＶ ｖｓ 電圧曲線は、０．６のＺを含むシリコン－カーボン複合体３が、ｄＱ／ｄＶ ｖｓ Ｖ曲線、すなわち、リチオ化ポテンシャルにおけるレジーム１、及び脱リチオ化ポテンシャルにおけるレジームＶＩにおいて、更にもう２つのピークを含むという、驚くべきかつ予期せぬ結果を明らかにした。図３に示すように、６つの全てのピークは、可逆的であり、続くサイクルにおいても同様に観察される。
理論に束縛されるものではないが、上記のｄＱ／ｄＶ ｖｓ Ｖ曲線についてのトリモーダル挙動は、新規のものであり、同様にシリコンの新規の形態を反映している。
とりわけ、レジームＩ及びレジームＶＩで観察された新規のピークは、特定のスキャフォールドマトリックスにおいてはより明瞭であり、先行技術であることを示すその他のサンプル（Ｚが１０超であるシリコン－カーボン複合サンプル、下記の説明およびテーブルを参照されたい）においては完全に欠如している。
レジームＩ及びレジームＶＩにおける新規のピークが明瞭である、シリコン－カーボン複合体３のｄＱ／ｄＶ ｖｓ Ｖ曲線を図４に示した。また、対照的に、レジームＩ及びレジームＶＩにおいていずれのピークも欠如している、シリコン－カーボン複合体１５、シリコン－カーボン複合体１６、及びシリコン－カーボン複合体１４（これら３つのサンプルは全て、１０超のＺを含む）のｄＱ／ｄＶ ｖｓ Ｖ曲線も図４に示した。
理論に束縛されるものではないが、レジームＩ及びレジームＶＩで観察されたこれらの新規のピークは、多孔質カーボンスキャフォールドに浸透したシリコンの特性に関連する、即ち、多孔質カーボンスキャフォールド、ＣＶＩによって多孔質カーボンスキャフォールドに浸透したシリコン、及びリチウムの間の相互作用及び特性に関連する。定量的な分析を提供するために、発明者らは、ピークＩＩＩに関して正規化されたピークＩとして、以下の式：
φ＝（レジームＩ中の最大ピーク高さｄＱ／ｄＶ）／（レジームＩＩＩ中の最大ピーク高さｄＱ／ｄＶ）
［ここで、ｄＱ／ｄＶは、ハーフセルコインセル中で測定し、レジーム１は０．８Ｖ～０．４Ｖ、及びレジームＩＩＩは０．１５Ｖ～０Ｖであり；ハーフセルコインセルは、当該技術分野において公知の通りに作製した。］
で計算されるパラメータφを定義した。Ｓｉ－Ｃサンプルが、微分曲線のレジームＩＩＩにおけるグラファイトに関連するピークを示した場合、係数Ｄの計算に関するＬｉ－Ｓｉ関連の相転移ピークを優先して、前者のピークは除去される。この実施例では、ハーフセルコインセルは、６０～９０％のシリコン－カーボン複合体、５～２０％のＳＢＲ－Ｎａ－ＣＭＣ、及び５～２０％のＳｕｐｅｒ Ｃ４５を含むアノードを含む。シリコン－カーボン複合体３に関するφの計算の例を、図５に示した。この実施例では、レジームＩにおける最大ピーク高さは－２．３９であり、０．５３Ｖにおいて見出された。同様に、レジームＩＩＩにおける最大ピーク高さは、０．０４Ｖにおいて、－９．７１だった。この実施例では、φは上記の式によって求めることが可能で、φ＝－２．３９／－９．７１＝０．２５が得られた。φの値は、実施例２に示した、様々なシリコン－カーボン複合体についてのハーフセルコインセルデータから求めた。これらのデータを、表７にまとめた。
様々なシリコン－カーボン材料の物性値
表７のデータは、減少するＺと、増加するφの間の予期せぬ関係を明らかにした。Ｚが１０未満の全てのシリコン－カーボン複合体は、０．１３以上のφを有し、Ｚが１０超の全てのシリコン－カーボン複合体は、０．１３未満のφを有する。それどころか、Ｚが１０超の全てのシリコン－カーボン複合体のφは０だった。この関係は、図６においても明示される。理論に束縛されるものではないが、０．１０以上のφを含むシリコン材料（例えば０．１３以上のφ）は、シリコンの新規の形態に対応する。別として、０超のφを含むシリコン材料は、シリコンの新規の形態に対応する。理論に束縛されるものではないが、０超のφを含むシリコン材料は、アモルファスな、ナノサイズの、細孔中に（例えば多孔質カーボンスキャフォールドの細孔中に）捕捉されたシリコンである、シリコン材料に特徴的である。０．１０以上のφ（例えば０．１３以上のφ）を含むシリコンを含むシリコン－カーボン複合材料は、新規のシリコン－カーボン複合材料に対応する。別として、０超のφを含むシリコン－カーボン複合材料は、新規のシリコン－カーボン複合材料に対応する。
特定の実施形態においては、シリコン－カーボン複合体は、０．１以上のφ、０．１１以上のφ、０．１２以上のφ、０．１３以上のφ、０．１４以上のφ、０．１５以上のφ、０．１６以上のφ、０．１７以上のφ、０．１８以上のφ、０．１９以上のφ、０．２０以上のφ、０．２４以上のφ、０．２５以上のφ、０．３０以上のφ、又は０．３５以上のφを含む。いくつかの実施形態においては、φは０超である。いくつかの実施形態においては、φは０．００１以上、φは０．０１以上、φは０．０２以上、φは０．０５以上、φは０．１以上、φは０．１１以上、又はφは０．１２以上、である。
特定の実施形態においては、シリコン－カーボン複合材料は、１０未満のＺ、ミクロポロシティが７０％超であるカーボンスキャフォールド、３０～６０％のシリコン、１００ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφを含み、例えば１０未満のＺ、７０％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、５０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、例えば１０未満のＺ、７０％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、３０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、例えば１０未満のＺ、７０％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、１０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、例えば１０未満のＺ、７０％超のミクロポロシティ、５ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、等を含む。
特定の実施形態においては、シリコン－カーボン複合材料は、１０未満のＺ、ミクロポロシティが７０％超であるカーボンスキャフォールド、４０～６０％のシリコン、１００ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφを含み、例えば１０未満のＺ、７０％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、５０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、例えば１０未満のＺ、７０％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、３０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、例えば１０未満のＺ、７０％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、１０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、例えば１０未満のＺ、７０％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、５ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、等を含む。
特定の実施形態においては、シリコン－カーボン複合材料は、１０未満のＺ、ミクロポロシティが７０％超であるカーボンスキャフォールド、３０～６０％のシリコン、１００ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφを含み、例えば１０未満のＺ、７０％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、５０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφ、例えば１０未満のＺ、７０％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、３０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφ、例えば１０未満のＺ、７０％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、１０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφ、例えば１０未満のＺ、７０％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、５ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφ、等を含む。
特定の実施形態においては、シリコン－カーボン複合材料は、１０未満のＺ、ミクロポロシティが７０％超であるカーボンスキャフォールド、４０～６０％のシリコン、１００ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφを含み、例えば１０未満のＺ、７０％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、５０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφ、例えば１０未満のＺ、７０％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、３０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφ、例えば１０未満のＺ、７０％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、１０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφ、例えば１０未満のＺ、７０％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、５ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφ、等を含む。
特定の実施形態においては、シリコン－カーボン複合材料は、１０未満のＺ、ミクロポロシティが８０％超であるカーボンスキャフォールド、３０～６０％のシリコン、１００ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφを含み、例えば１０未満のＺ、８０％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、５０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、例えば１０未満のＺ、８０％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、３０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、例えば１０未満のＺ、８０％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、１０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、例えば１０未満のＺ、８０％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、５ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、等を含む。
特定の実施形態においては、シリコン－カーボン複合材料は、１０未満のＺ、ミクロポロシティが８０％超であるカーボンスキャフォールド、４０～６０％のシリコン、１００ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφを含み、例えば１０未満のＺ、８０％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、５０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、例えば１０未満のＺ、８０％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、３０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、例えば１０未満のＺ、８０％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、１０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、例えば１０未満のＺ、８０％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、５ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、等を含む。
特定の実施形態においては、シリコン－カーボン複合材料は、１０未満のＺ、ミクロポロシティが８０％超であるカーボンスキャフォールド、３０～６０％のシリコン、１００ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφを含み、例えば１０未満のＺ、８０％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、５０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφ、例えば１０未満のＺ、８０％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、３０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφ、例えば１０未満のＺ、８０％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、１０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφ、例えば１０未満のＺ、８０％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、５ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφ、等を含む。
特定の実施形態においては、シリコン－カーボン複合材料は、１０未満のＺ、ミクロポロシティが８０％超であるカーボンスキャフォールド、４０～６０％のシリコン、１００ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφを含み、例えば１０未満のＺ、８０％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、５０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφ、例えば１０未満のＺ、８０％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、３０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφ、例えば１０未満のＺ、８０％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、１０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφ、例えば１０未満のＺ、８０％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、５ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφ、等を含む。
特定の実施形態においては、シリコン－カーボン複合材料は、１０未満のＺ、ミクロポロシティが９０％超であるカーボンスキャフォールド、３０～６０％のシリコン、１００ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφを含み、例えば１０未満のＺ、９０％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、５０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、例えば１０未満のＺ、９０％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、３０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、例えば１０未満のＺ、９０％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、１０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、例えば１０未満のＺ、９０％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、５ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、等を含む。
特定の実施形態においては、シリコン－カーボン複合材料は、１０未満のＺ、ミクロポロシティが９０％超であるカーボンスキャフォールド、４０～６０％のシリコン、１００ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφを含み、例えば１０未満のＺ、９０％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、５０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、例えば１０未満のＺ、９０％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、３０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、例えば１０未満のＺ、９０％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、１０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、例えば１０未満のＺ、９０％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、５ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、等を含む。
特定の実施形態においては、シリコン－カーボン複合材料は、１０未満のＺ、ミクロポロシティが９０％超であるカーボンスキャフォールド、３０～６０％のシリコン、１００ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφを含み、例えば１０未満のＺ、９０％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、５０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφ、例えば１０未満のＺ、９０％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、３０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφ、例えば１０未満のＺ、９０％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、１０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφ、例えば１０未満のＺ、９０％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、５ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφ、等を含む。
特定の実施形態においては、シリコン－カーボン複合材料は、１０未満のＺ、ミクロポロシティが９０％超であるカーボンスキャフォールド、４０～６０％のシリコン、１００ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφを含み、例えば１０未満のＺ、９０％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、５０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφ、例えば１０未満のＺ、９０％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、３０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφ、例えば１０未満のＺ、９０％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、１０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφ、例えば１０未満のＺ、９０％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、５ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφ、等を含む。
特定の実施形態においては、シリコン－カーボン複合材料は、１０未満のＺ、ミクロポロシティが９５％超であるカーボンスキャフォールド、３０～６０％のシリコン、１００ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφを含み、例えば１０未満のＺ、９５％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、５０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、例えば５未満のＺ、９５％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、３０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、例えば１０未満のＺ、９５％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、１０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、例えば１０未満のＺ、９５％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、５ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、等を含む。
特定の実施形態においては、シリコン－カーボン複合材料は、１０未満のＺ、ミクロポロシティが９５％超であるカーボンスキャフォールド、４０～６０％のシリコン、１００ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφを含み、例えば１０未満のＺ、９５％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、５０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、例えば１０未満のＺ、９５％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、３０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、例えば１０未満のＺ、９５％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、１０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、例えば１０未満のＺ、９５％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、５ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、等を含む。
特定の実施形態においては、シリコン－カーボン複合材料は、１０未満のＺ、ミクロポロシティが９５％超であるカーボンスキャフォールド、３０～６０％のシリコン、１００ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφを含み、例えば１０未満のＺ、９５％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、５０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、例えば１０未満のＺ、９５％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、３０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、例えば１０未満のＺ、９５％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、１０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、例えば１０未満のＺ、９５％超のミクロポロシティ、３０～６０％のシリコン、５ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０．１以上のφ、等を含む。
特定の実施形態においては、シリコン－カーボン複合材料は、１０未満のＺ、ミクロポロシティが９５％超であるカーボンスキャフォールド、４０～６０％のシリコン、１００ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφを含み、例えば１０未満のＺ、９５％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、５０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφ、例えば１０未満のＺ、９５％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、３０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφ、例えば１０未満のＺ、９５％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、１０ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφ、例えば１０未満のＺ、９５％超のミクロポロシティ、４０～６０％のシリコン、５ｍ２／ｇ未満の表面積、及び０超のφ、等を含む。
実施例４．様々なカーボンスキャフォールド材料の粒度分布。様々なカーボンスキャフォールド材料の粒度分布を、当該技術分野において公知の、レーザー回折式粒径測定装置によって測定した。特にＤｖ１、Ｄｖ１０、Ｄｖ５０、Ｄｖ９０、及びＤｖ１００のデータを、表８に示す。
様々なカーボンスキャフォールド材料の物性値
実施例５．ラマン分光法による多孔質カーボンスキャフォールドの黒鉛性の測定。固体状のカーボン前駆体であるビスフェノールＡ（ＢＰＡ）とヘキサメチレンテトラミン（ＨＭＴ）とを混合し、窒素、二酸化炭素、蒸気、又はこれらの組み合わせを含むプロセスガスを使用し、６５０～１１００℃まで加熱し、１ｈ～６ｈ維持することによる溶媒フリー処理によって、様々な多孔質カーボンスキャフォールドサンプルを製造した。これらの多孔質カーボンスキャフォールドの特性（無溶媒処理において使用した前駆体ＢＰＡ：ＨＭＴの重量比、製造した多孔質カーボンスキャフォールドにおける、窒素ガス吸着分析により測定した表面積及び細孔容積、並びにラマン分光法により測定したＩＤ／ＩＧ）を、以下の表９に示す。カーボンスキャフォールドサンプル１４の調製に関しては、カーボン前駆体を、炭化に先立って、１５０℃～２５０℃で数時間加熱することで重合した。
様々なカーボンスキャフォールド材料の物性値
カーボンスキャフォールドサンプル１１及びカーボンスキャフォールドサンプル１５のラマンスペクトル分析の比較を、図７に示す。これらのサンプルにおいて、前駆体であるＢＰＡとＨＭＴとの重量比は、２．４４：１～３：１の範囲であり、かつプロセスガスは異なり、具体的には、カーボンスキャフォールドサンプル１１の処理におけるプロセスガスはＣＯ２が含まれ、カーボンスキャフォールドサンプル１５の処理におけるプロセスガスは蒸気が含まれた。これら２つのサンプルにおいて、測定されたＩＤ／ＩＧは同等であり（０．７９～０．８０の範囲）、かくしてこれら２つのサンプルは、同等の黒鉛性を含む。
カーボンスキャフォールドサンプル１２及びカーボンスキャフォールドサンプル１０のラマンスペクトル分析の比較を、図８に示す。これらのサンプルにおいて、前駆体であるＢＰＡとＨＭＴとの重量比は異なり、９：１（カーボンスキャフォールドサンプル１２）、及び１：３（カーボンスキャフォールドサンプル１０）であり、かつプロセスガスはどちらのサンプルも蒸気が含まれた。カーボンスキャフォールドサンプル１２のＩＤ／ＩＧ（０．７９）は、カーボンスキャフォールドサンプル１０のＩＤ／ＩＧ（０．８５）よりも低かった。かくして、カーボンスキャフォールドサンプル１２は、カーボンスキャフォールドサンプル１０に比して、より高い黒鉛度を含む。
カーボンスキャフォールドサンプル１３及びカーボンスキャフォールドサンプル１４のラマンスペクトル分析の比較を、図９に示す。これらのサンプルにおいて、前駆体であるＢＰＡとＨＭＴとの重量比は、２．４４：１～３：１の範囲であり、プロセスガスは異なり、具体的には、カーボンスキャフォールドサンプル１３の調製におけるプロセスガスにはＣＯ２が含まれ、カーボンスキャフォールドサンプル１４の調製におけるプロセスガスには蒸気が含まれ、かつカーボンスキャフォールドサンプル１４の調製において、炭化を行う前にポリマーステップ（polymer step）を行った。見ての通り、カーボンスキャフォールドサンプル１３のＩＤ／ＩＧ（０．７８）は、カーボンスキャフォールドサンプル１４のＩＤ／ＩＧ（０．８８）よりも低かった。かくして、カーボンスキャフォールドサンプル１３は、カーボンスキャフォールドサンプル１４に比して、より高い黒鉛度を有する。理論に束縛されるものではないが、カーボンスキャフォールドサンプル１４の調製における、炭化よりも前に行われる重合段階は、ポリマー核形成に関連するポリマー成長の度合いをより大きくする。かくして、ポリマー構造中の欠陥をより少なくさせ、かつ製造した多孔質カーボンスキャフォールドのカーボン構造中の欠陥をより少なくさせる。従って、カーボンスキャフォールドサンプル１３におけるカーボン構造中の欠陥の程度は、比較的高い。理論に束縛されるものではないが、カーボンスキャフォールドサンプル１３におけるカーボン構造中の大きな欠陥の程度が、このサンプルをより黒鉛化させやすくしており、このサンプルについて測定されたＩＤ／ＩＧが低いことと一致する。
シリコン－カーボン複合粒子は、様々なプロセス段階の様々な順序で、様々な実施形態に従って、固体状のカーボン前駆体材料の混合物から調製することができる。かかる実施形態の例を、表１０に示す。なお、各プロセスシーケンスは、カーボン前駆体の混合物を処理するために行われるが、その重合は熱分解の進行前の別の段階として実行されるか、又は熱分解段階中に行われることに注意されたい。
様々なプロセス段階の様々な順序でシリコン－複合粒子を調製する、様々な実施形態
上記の全てのプロセスシーケンスに関して、多孔質カーボンスキャフォールドの黒鉛性は、ラマンスペクトルからＩＤ／ＩＧを計算することで決定した。いくつかの実施形態において、シリコン－カーボン複合体は、０．９未満のＩＤ／ＩＧを有する多孔質カーボンスキャフォールドを含み、例えば０．８未満のＩＤ／ＩＧ、例えば０．７未満のＩＤ／ＩＧ、例えば０．６未満のＩＤ／ＩＧ、例えば０．５未満のＩＤ／ＩＧ、例えば０．４未満のＩＤ／ＩＧ、例えば０．３未満のＩＤ／ＩＧ、例えば０．２未満のＩＤ／ＩＧ、例えば０．１未満のＩＤ／ＩＧ、例えば０．０１未満のＩＤ／ＩＧ、例えば０．００１未満のＩＤ／ＩＧ、等を含む。
実施例６．黒鉛化処理によって生じる、カーボンの特定表面積（specific surface area）及び合計細孔容積の減少のデモンストレーション。５００～２０００ｍ２／ｇの範囲で特定の出発表面積を有する、熱分解及び活性化された様々なカーボンを、１０００℃～２８５０℃で１ｈ～６ｈ、不活性ガス（例えば窒素又はアルゴン）下で処理した。図１０に示すように、処理温度の上昇に伴い、（カーボンの黒鉛化と一致して）特定表面積の減少が見られた。
いくつかの熱分解されたカーボン材料（熱分解及び活性化されたカーボン材料も含む）に関する代表的なデータを、表１１に示す。これらのカーボン材料は、上記のように加熱処理を受けた。加熱処理後の材料のデータを表１２に示す。
様々なカーボン材料
ＮＡは、データが無いことを意味する。
黒鉛化処理後の様々なカーボン材料
ＮＡは、データが無いことを意味する。
表１２中、当該技術分野で公知のように、ＩＤ／ＩＧのデータはラマンスペクトルから計算し、黒鉛結晶サイズ（Ｌａ）のデータはＸＲＤによって計算した。処理温度の上昇に伴う細孔容積の減少は、メソ細孔及びマクロ孔の保持には有利であったが、ミクロ細孔の割合は減少した。ＩＤ／ＩＧ比は処理温度の上昇に伴い増加したが、これはアモルファスなカーボンの黒鉛性への移行と一致する。ＸＲＤから計算した黒鉛結晶のサイズは処理温度の上昇に伴い増加したが、これもアモルファスカーボンの黒鉛性への移行を示唆する。
カーボンスキャフォールド１７及びカーボンスキャフォールド１８のシート抵抗を、シート抵抗法に従って測定した。シート抵抗法は、カーボンスキャフォールドのスラリー、高分子バインダー、及び脱イオン水を調製し、薄いフィルムとしてキャストすることを含む。続いて、４探針を使用し、外側の２探針にＤＣ電流を流すことでシート抵抗を測定し、内側の２探針で電圧降下を測定した。続いてシート抵抗を、以下の式：
によって測定した。カーボンスキャフォールド１７及びカーボンスキャフォールド１８のシート抵抗は、それぞれ４１１オーム／ｃｍ２、及び２２０オーム／ｃｍ２だった。対照的に、処理済のカーボンスキャフォールドはシート抵抗率の低下が見られ、これはカーボンのグラファイトカーボン性と一致していた。例えば処理済のカーボンスキャフォールド８のシート抵抗率は、わずか２６オーム／ｃｍ２だった。
処理済のカーボンスキャフォールド６、処理済のカーボンスキャフォールド７、及び処理済のカーボンスキャフォールド８のピクノメトリー密度は、それぞれ１．６７ｇ／ｃｍ３、１．５２ｇ／ｃｍ３、及び１．７５ｇ／ｃｍ３だった。驚くべきことに、これらのデータは黒鉛の理論値よりも遥かに低かった。理論に束縛されるものではないが、かかる低いピクノメトリー密度は、グラファイトカーボン内の多孔性（porosity）を反映している。いくつかの実施形態において、処理済のカーボンスキャフォールドは２．０ｇ／ｃｍ３未満のピクノメトリー密度を示し、例えば１．９ｇ／ｃｍ３未満、例えば１．８ｇ／ｃｍ３未満、例えば１．７ｇ／ｃｍ３未満、例えば１．６ｇ／ｃｍ３未満、例えば１．５ｇ／ｃｍ３未満、例えば１．４ｇ／ｃｍ３未満、等が示す。
実施例７．多孔質カーボンスキャフォールド材料からのシリコン－カーボン複合体の製造。本明細書に一般に示したように、シランガスの存在下で、高温で多孔質カーボンスキャフォールドを処理することで、様々なシリコン－カーボン複合体を製造した。表１０に示したように、様々なプロセスシーケンスを使用した。これらのシリコン－カーボン複合材料における物理化学的、及び電気化学的キャラクタリゼーションデータを、それぞれ表１３及び表１４に示す。
様々なシリコン－カーボン材料の物理化学的特性
様々なシリコン－カーボン材料の電気化学的特性
実施例８．様々な細孔容積を有するカーボンにおける、黒鉛化後の活性化の比較。この実施例に関して、発明者らは、ここで製造したカーボンスキャフォールドの特徴付けによって、２つの異なるプロセスシーケンスを比較した。この目的のために、発明者らは処理済のカーボンスキャフォールド１及び処理済のカーボンスキャフォールド２（両サンプルは、カーボンの前駆体を加工し、重合、熱分解、活性化、粉砕、熱処理を経て黒鉛化を達成することで製造した）と、処理済のカーボンスキャフォールド８（カーボンの前駆体を加工し、重合、熱分解、粉砕、熱処理を経て黒鉛化を達成することで製造した）とを比較調査した。処理済のカーボンスキャフォールド１及び処理済のカーボンスキャフォールド２は、活性化できなかった、すなわち、活性ガス（上記及び／又は二酸化炭素）の存在下で、９００～９５０℃で４～６時間処理した後の表面積及び細孔容積は、それぞれ僅か１３ｍ２／ｇ及び０．０２０６ｃｍ３／ｇ、並びに１．８６ｍ２／ｇ及び０．００２４ｃｍ３／ｇであることが観察された。どちらの場合も、表面積及び細孔容積は、上昇するよりもむしろ大きく減少した。一方、処理済のカーボンスキャフォールド８が同様の条件下で表面積及び細孔容積の増加を達成したことは、驚くべきかつ予期せぬ結果であった。具体的には、表面積及び細孔容積の最終的な値は、４０．５ｍ２／ｇ及び０．０５３９ｃｍ３／ｇであった。理論に束縛されるものではないが、熱分解されたカーボンの黒鉛化は、その後の活性化により、高い表面積及び細孔容積に変換され得るカーボンをもたらし、例えば４０ｍ２／ｇ超及び０．０５ｃｍ３／ｇ超、例えば８０ｍ２／ｇ超及び０．１ｃｍ３／ｇ超、例えば４００ｍ２／ｇ超及び０．５ｃｍ３／ｇ超、例えば５００ｍ２／ｇ超及び０．６ｃｍ３／ｇ超、例えば１０００ｍ２／ｇ超及び０．５ｃｍ３／ｇ超、例えば１５００ｍ２／ｇ超及び０．６ｃｍ３／ｇ超、等をもたらす。
実施形態の説明
実施形態１．シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法であって、以下：
ａ．固体状のカーボン前駆体材料の混合物を提供すること；
ｂ．上記混合物を、不活性ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で熱分解させること；
ｃ．熱分解されたカーボン材料を、活性ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で活性化させること；
ｄ．活性化されたカーボン材料を粉砕すること；
ｅ．多孔質カーボンスキャフォールド粒子を、不活性ガスの存在下で、１２００℃～３０００℃で黒鉛化させること；
ｆ．上記多孔質カーボンスキャフォールド粒子を、シランガスの存在下で、４００℃～５２５℃で加熱すること；及び
ｇ．以下を含む、シリコン－カーボン複合体：
ｉ．０．９以下のＩＤ／ＩＧ、及び７０％超のミクロポロシティを有する細孔容積を含むカーボンスキャフォールド。
を含む、製造方法；
実施形態２．シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法であって、以下：
ａ．固体状のカーボン前駆体材料の混合物を提供すること；
ｂ．上記混合物を、不活性ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で熱分解させること；
ｃ．熱分解されたカーボン材料を、活性ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で活性化させること；
ｄ．活性化されたカーボン材料を、不活性ガスの存在下で、１２００℃～３０００℃で粉砕すること；
ｅ．多孔質カーボンスキャフォールド粒子を黒鉛化させること；
ｆ．上記多孔質カーボンスキャフォールド粒子を、シランガスの存在下で、３５０℃～５５０℃で加熱すること；及び
ｇ．以下を含む、シリコン－カーボン複合体：
ｉ．０．９以下のＩＤ／ＩＧ、及び７０％超のミクロポロシティを有する細孔容積を含むカーボンスキャフォールド；及び
ｉｉ．０．１以上のφ。ここでφは、φ＝（レジームＩにおける最大ピーク高さｄＱ／ｄＶ）／（レジームＩＩＩにおける最大ピーク高さｄＱ／ｄＶ）［式中、ｄＱ／ｄＶはハーフセルコインセル中で測定し、レジームＩは０．８Ｖ～０．４Ｖ、レジームＩＩＩは０．１５Ｖ～０Ｖである。］で表される。
を含む、製造方法；
実施形態３．シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法であって、以下：
ａ．固体状のカーボン前駆体材料の混合物を提供すること；
ｂ．上記混合物を、不活性ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で熱分解させること；
ｃ．熱分解されたカーボン材料を、活性ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で活性化させること；
ｄ．活性化されたカーボン材料を粉砕すること；
ｅ．多孔質カーボンスキャフォールド粒子を、不活性ガスの存在下で、１２００℃～３０００℃で黒鉛化させること；
ｆ．上記多孔質カーボンスキャフォールド粒子を、シランガスの存在下で、３５０℃～５５０℃で加熱すること；及び
ｇ．以下を含む、シリコン－カーボン複合体：
ｉ．０．９以下のＩＤ／ＩＧ、及び５０％超のミクロポロシティを有する細孔容積を含むカーボンスキャフォールド；及び
ｉｉ．１０未満のＺ。ここでＺは、Ｚ＝１．８７５×（（Ｍ１１００－Ｍ）／Ｍ１１００）×１００％［式中、シリコン－カーボン複合体を、大気下で２５℃～約１１００℃まで加熱する場合において、Ｍ１１００は、１１００℃におけるシリコン－カーボン複合体の質量、Ｍは、８００℃～１１００℃におけるシリコン－カーボン複合体の最小の質量で、熱重量分析によって測定される。］で表される。
を含む、製造方法；
実施形態４．シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法であって、以下：
ａ．固体状のカーボン前駆体材料の混合物を提供すること；
ｂ．上記混合物を、不活性ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で熱分解させること；
ｃ．熱分解されたカーボン材料を、活性ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で活性化させること；
ｄ．活性化されたカーボン材料を粉砕すること；
ｅ．多孔質カーボンスキャフォールド粒子を、不活性ガスの存在下で、１２００℃～３０００℃で黒鉛化させること；
ｆ．上記多孔質カーボンスキャフォールド粒子を、シランガスの存在下で、３５０℃～５５０℃で加熱すること；及び
ｇ．以下を含む、シリコン－カーボン複合体：
ｉ．０．９未満のＩＤ／ＩＧ、及び７０％超のミクロポロシティを有する細孔容積を含むカーボンスキャフォールド；
ｉｉ．３０重量％～６０重量％のシリコン含有量；
ｉｉｉ．１０未満のＺ。ここでＺは、Ｚ＝１．８７５×（（Ｍ１１００－Ｍ）／Ｍ１１００）×１００％［式中、シリコン－カーボン複合体を、大気下で２５℃～約１１００℃まで加熱する場合において、Ｍ１１００は、１１００℃におけるシリコン－カーボン複合体の質量、Ｍは、８００℃～１１００℃におけるシリコン－カーボン複合体の最小の質量で、熱重量分析によって測定される。］で表される；
ｉｖ．３０ｍ２／ｇ未満の表面積；及び
ｖ．０．１以上のφ。ここでφは、φ＝（レジームＩにおける最大ピーク高さｄＱ／ｄＶ）／（レジームＩＩＩにおける最大ピーク高さｄＱ／ｄＶ）［式中、ｄＱ／ｄＶはハーフセルコインセル中で測定し、レジームＩは０．８Ｖ～０．４Ｖ、レジームＩＩＩは０．１５Ｖ～０Ｖである。］で表される。
を含む、製造方法；
実施形態５．シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法であって、以下：
ａ．固体状のカーボン前駆体材料の混合物を提供すること；
ｂ．上記混合物を、不活性ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で熱分解させること；
ｃ．熱分解されたカーボン材料を、活性ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で活性化させること；
ｄ．活性化されたカーボン材料を、不活性ガスの存在下で、１２００℃～３０００℃で黒鉛化させること；
ｅ．多孔質カーボンスキャフォールドを粉砕すること；
ｆ．上記多孔質カーボンスキャフォールドの粒子を、シランガスの存在下で、３５０℃～５５０で加熱すること；及び
ｇ．以下を含む、シリコン－カーボン複合体：
ｉ．０．９未満のＩＤ／ＩＧ、及び７０％超のミクロポロシティを有する細孔容積を含むカーボンスキャフォールド。
を含む、製造方法；
実施形態６．シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法であって、以下：
ａ．固体状のカーボン前駆体材料の混合物を提供すること；
ｂ．上記混合物を、不活性ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で熱分解させること；
ｃ．熱分解されたカーボン材料を、活性ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で活性化させること；
ｄ．活性化されたカーボン材料を、不活性ガスの存在下で、１２００℃～３０００℃で黒鉛化させること；
ｅ．多孔質カーボンスキャフォールドを粉砕すること；
ｆ．多孔質カーボンスキャフォールドの粒子を、シランガスの存在下で、３５０℃～５５０℃で加熱すること；及び
ｇ．以下を含む、シリコン－カーボン複合体：
ｉ．０．９未満のＩＤ／ＩＧ、及び７０％超のミクロポロシティを有する細孔容積を含むカーボンスキャフォールド；及び
ｉｉ．０．１以上のφ。ここでφは、φ＝（レジームＩにおける最大ピーク高さｄＱ／ｄＶ）／（レジームＩＩＩにおける最大ピーク高さｄＱ／ｄＶ）［式中、ｄＱ／ｄＶはハーフセルコインセル中で測定し、レジームＩは０．８Ｖ～０．４Ｖ、レジームＩＩＩは０．１５Ｖ～０Ｖである。］で表される。
を含む、製造方法；
実施形態７．シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法であって、以下：
ａ．固体状のカーボン前駆体材料の混合物を提供すること；
ｂ．上記混合物を、不活性ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で熱分解させること；
ｃ．熱分解されたカーボン材料を、活性ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で活性化させること；
ｄ．活性化されたカーボン材料を、不活性ガスの存在下で、１２００℃～３０００℃で黒鉛化させること；
ｅ．多孔質カーボンスキャフォールドを粉砕すること；
ｆ．多孔質カーボンスキャフォールド粒子を、シランガスの存在下で、３５０℃～５５０℃で加熱すること；及び
ｇ．以下を含む、シリコン－カーボン複合体：
ｉ．０．９未満のＩＤ／ＩＧ、及び７０％超のミクロポロシティを有する細孔容積を含むカーボンスキャフォールド；及び
ｉｉ．１０未満のＺ。ここでＺは、Ｚ＝１．８７５×（（Ｍ１１００－Ｍ）／Ｍ１１００）×１００％［式中、シリコン－カーボン複合体を、大気下で２５℃～約１１００℃まで加熱する場合において、Ｍ１１００は、１１００℃におけるシリコン－カーボン複合体の質量、Ｍは、８００℃～１１００℃におけるシリコン－カーボン複合体の最小の質量で、熱重量分析によって測定される。］で表される。
を含む、製造方法；
実施形態８．シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法であって、以下：
ａ．固体状のカーボン前駆体材料の混合物を提供すること；
ｂ．上記混合物を、不活性ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で熱分解させること；
ｃ．熱分解されたカーボン材料を、活性ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で活性化させること；
ｄ．活性化されたカーボン材料を、不活性ガスの存在下で、１２００℃～３０００℃で黒鉛化させること；
ｅ．多孔質カーボンスキャフォールドを粉砕すること；
ｆ．多孔質カーボンスキャフォールド粒子を、シランガスの存在下で、３５０℃～５５０℃で加熱すること；及び
ｇ．以下を含む、シリコン－カーボン複合体：
ｉ．０．９未満のＩＤ／ＩＧ、及び５０％超のミクロポロシティを有する細孔容積を含むカーボンスキャフォールド；
ｉｉ．３０重量％～６０重量％のシリコン含有量；
ｉｉｉ．１０未満のＺ。ここでＺは、Ｚ＝１．８７５×（（Ｍ１１００－Ｍ）／Ｍ１１００）×１００％［式中、シリコン－カーボン複合体を、大気下で２５℃～約１１００℃まで加熱する場合において、Ｍ１１００は、１１００℃におけるシリコン－カーボン複合体の質量、Ｍは、８００℃～１１００℃におけるシリコン－カーボン複合体の最小の質量で、熱重量分析によって測定される。］で表される；
ｉｖ．３０ｍ２／ｇ未満の表面積；及び
ｖ．０．１以上のφ。ここでφは、φ＝（レジームＩにおける最大ピーク高さｄＱ／ｄＶ）／（レジームＩＩＩにおける最大ピーク高さｄＱ／ｄＶ）［式中、ｄＱ／ｄＶはハーフセルコインセル中で測定し、レジームＩは０．８Ｖ～０．４Ｖ、レジームＩＩＩは０．１５Ｖ～０Ｖである。］で表される。
を含む、製造方法；
実施形態９．細孔容積が８０％超のミクロポロシティを有する、実施形態１～実施形態８のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法。
実施形態１０．細孔容積が９０％超のミクロポロシティを有する、実施形態１～実施形態９のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法。
実施形態１１．細孔容積が９５％超のミクロポロシティを有する、実施形態１～実施形態１０のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法。
実施形態１２．多孔質カーボンスキャフォールド粒子を、シランガスの存在下で４００℃～５２５℃で過熱させる、実施形態１～実施形態１１のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法。
実施形態１３．シリコン－カーボン複合体のシリコン含有量が４０～６０％である、実施形態１～実施形態１２のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法。
実施形態１４．シリコン－カーボン複合体が５未満のＺを含む、実施形態１～実施形態１３のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法。
実施形態１５．シリコン－カーボン複合体が１０ｍ２／ｇ未満の表面積を含む、実施形態１～実施形態１４のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法。
実施形態１６．シリコン－カーボン複合体が０．２以上のφを含む、実施形態１～実施形態１５のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法。ここでφは、φ＝（レジームＩにおける最大ピーク高さｄＱ／ｄＶ）／（レジームＩＩＩにおける最大ピーク高さｄＱ／ｄＶ）［式中、ｄＱ／ｄＶはハーフセルコインセル中で測定し、レジームＩは０．８Ｖ～０．４Ｖ、レジームＩＩＩは０．１５Ｖ～０Ｖである。］で表される。
実施形態１７．シリコン－カーボン複合体が０．３以上のφを含む、実施形態１～実施形態１６のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法。ここでφは、φ＝（レジームＩにおける最大ピーク高さｄＱ／ｄＶ）／（レジームＩＩＩにおける最大ピーク高さｄＱ／ｄＶ）［式中、ｄＱ／ｄＶはハーフセルコインセル中で測定し、レジームＩは０．８Ｖ～０．４Ｖ、レジームＩＩＩは０．１５Ｖ～０Ｖである。］で表される。
実施形態１８．シリコン－カーボン複合体が５ｎｍ～２０ミクロンのＤｖ５０を含む、実施形態１～実施形態１７のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法。
実施形態１９．シリコン－カーボン複合体が９００ｍＡ／ｇ超のキャパシティを含む、実施形態１～実施形態１８のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法。
実施形態２０．シリコン－カーボン複合体が１３００ｍＡ／ｇ超のキャパシティを含む、実施形態１～実施形態１９のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法。
実施形態２１．シリコン－カーボン複合体が１６００ｍＡ／ｇ超のキャパシティを含む、実施形態１～実施形態２０のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法。
実施形態２２．多孔質カーボンスキャフォールドが０．８未満のＩＤ／ＩＧを含む、実施形態１～実施形態２１のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法。
実施形態２３．多孔質カーボンスキャフォールドが０．７未満のＩＤ／ＩＧを含む、実施形態１～実施形態２２のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法。
実施形態２４．多孔質カーボンスキャフォールドが０．６未満のＩＤ／ＩＧを含む、実施形態１～実施形態２３のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法。
実施形態２５．多孔質カーボンスキャフォールドが０．５未満のＩＤ／ＩＧを含む、実施形態１～実施形態２４のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法。
実施形態２６．多孔質カーボンスキャフォールドが０．４未満のＩＤ／ＩＧを含む、実施形態１～実施形態２５のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法。
実施形態２７．多孔質カーボンスキャフォールドが０．３未満のＩＤ／ＩＧを含む、実施形態１～実施形態２６のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法。
実施形態２８．多孔質カーボンスキャフォールドが０．２未満のＩＤ／ＩＧを含む、実施形態１～実施形態２７のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法。
実施形態２９．多孔質カーボンスキャフォールドが０．１未満のＩＤ／ＩＧを含む、実施形態１～実施形態２８のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法。
実施形態３０．多孔質カーボンスキャフォールドが０．０１未満のＩＤ／ＩＧを含む、実施形態１～実施形態２９のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法。
実施形態３１．多孔質カーボンスキャフォールドが０．００１未満のＩＤ／ＩＧを含む、実施形態１～実施形態３０のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法。
実施形態３２．実施形態１～実施形態３１のいずれか１つに記載のシリコン－カーボン複合粒子を製造する方法であって、黒鉛化が、不活性ガスの存在下で、カーボンを１１００℃～３０００℃に加熱することによって達成される、製造方法。
実施形態３３．実施形態１～実施形態３２のいずれか１つに記載のシリコン－カーボン複合粒子を製造する方法であって、黒鉛化が、マイクロ波照射によってカーボンを加熱することによって達成される、製造方法。
実施形態３４．多孔質カーボンスキャフォールドが、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｏ、又はＷ、又はこれらの組み合わせを含む、実施形態１～実施形態３３のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法。
実施形態３５．多孔質カーボンスキャフォールドが、導電性カーボン添加剤粒子を含む、実施形態１～実施形態３４のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法。
実施形態３６．導電性カーボン添加剤粒子が、黒鉛粒子、Ｓｕｐｅｒ Ｃ４５粒子、Ｓｕｐｅｒ Ｐ粒子、カーボンブラック粒子、ナノスケールカーボン粒子（カーボンナノチューブ、又はその他のカーボンナノ構造体等）、又はこれらの組み合わせを含む、実施形態３５に記載の、シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法。
実施形態３７．不活性ガスが窒素ガスである、実施形態１～実施形態３６のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法。
実施形態３８．活性ガスが二酸化炭素、蒸気、又はこれらの組み合わせである、実施形態１～実施形態３６のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法。
実施形態３９．シリコン－カーボン複合体であって、以下：
ａ．０．９未満のＩＤ／ＩＧ、及び７０％超のミクロポロシティを有する細孔容積を含むカーボンスキャフォールド。
ｂ．３０重量％～６０重量％のシリコン含有量；
ｃ．１０未満のＺ。ここでＺは、Ｚ＝１．８７５×（（Ｍ１１００－Ｍ）／Ｍ１１００）×１００％［式中、シリコン－カーボン複合体を、大気下で２５℃～約１１００℃まで加熱する場合において、Ｍ１１００は、１１００℃におけるシリコン－カーボン複合体の質量、Ｍは、８００℃～１１００℃におけるシリコン－カーボン複合体の最小の質量で、熱重量分析によって測定される。］で表される；
ｄ．３０ｍ２／ｇ未満の表面積；及び
ｅ．０．１以上のφ。ここでφは、φ＝（レジームＩにおける最大ピーク高さｄＱ／ｄＶ）／（レジームＩＩＩにおける最大ピーク高さｄＱ／ｄＶ）［式中、ｄＱ／ｄＶはハーフセルコインセル中で測定し、レジームＩは０．８Ｖ～０．４Ｖ、レジームＩＩＩは０．１５Ｖ～０Ｖである。］で表される。
を含む、シリコン－カーボン複合体。
実施形態４０．多孔質カーボンスキャフォールドが、４０重量％～６０重量％のシリコンを含む、実施形態３９に記載の、シリコン－カーボン複合体。
実施形態４１．シリコン－カーボン複合体が５未満のＺを含む、実施形態３９～実施形態４０のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合体。
実施形態４２．シリコン－カーボン複合体が１０ｍ２／ｇ未満の表面積を含む、実施形態３９～実施形態４１のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合体。
実施形態４３．シリコン－カーボン複合体が０．２以上のφを含む、実施形態３９～実施形態４２のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合体。
実施形態４４．シリコン－カーボン複合体が０．３以上のφを含む、実施形態３９～実施形態４３のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合体。
実施形態４５．シリコン－カーボン複合体が５ｎｍ～２０ミクロンのＤｖ５０を含む、実施形態３９～実施形態４４のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合体。
実施形態４６．シリコン－カーボン複合体が９００ｍＡ／ｇ超のキャパシティを含む、実施形態３９～実施形態４５のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合体。
実施形態４７．シリコン－カーボン複合体が１３００ｍＡ／ｇ超のキャパシティを含む、実施形態３９～実施形態４６のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合体。
実施形態４８．シリコン－カーボン複合体が１６００ｍＡ／ｇ超のキャパシティを含む、実施形態３９～実施形態４７のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合体。
実施形態４９．多孔質カーボンスキャフォールドが０．８未満のＩＤ／ＩＧを含む、実施形態３９～実施形態４８のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合体。
実施形態５０．多孔質カーボンスキャフォールドが０．７未満のＩＤ／ＩＧを含む、実施形態３９～実施形態４９のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合体。
実施形態５１．多孔質カーボンスキャフォールドが０．６未満のＩＤ／ＩＧを含む、実施形態３９～実施形態５０のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合体。
実施形態５２．多孔質カーボンスキャフォールドが０．５未満のＩＤ／ＩＧを含む、実施形態３９～実施形態５１のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合体。
実施形態５３．多孔質カーボンスキャフォールドが０．４未満のＩＤ／ＩＧを含む、実施形態３９～実施形態５２のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合体。
実施形態５４．多孔質カーボンスキャフォールドが０．３未満のＩＤ／ＩＧを含む、実施形態３９～実施形態５３のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合体。
実施形態５５．多孔質カーボンスキャフォールドが０．２未満のＩＤ／ＩＧを含む、実施形態３９～実施形態５４のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合体。
実施形態５６．多孔質カーボンスキャフォールドが０．１未満のＩＤ／ＩＧを含む、実施形態３９～実施形態５５のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合体。
実施形態５７．多孔質カーボンスキャフォールドが０．０１未満のＩＤ／ＩＧを含む、実施形態３９～実施形態５６のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合体。
実施形態５８．多孔質カーボンスキャフォールドが０．００１未満のＩＤ／ＩＧを含む、実施形態３９～実施形態５７のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合体。
実施形態５９．多孔質カーボンスキャフォールドが、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｏ、又はＷ、又はこれらの組み合わせを含む、実施形態３９～実施形態５８のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合体。
実施形態６０．多孔質カーボンスキャフォールドが、導電性カーボン添加剤粒子（例えば黒鉛粒子、Ｓｕｐｅｒ Ｃ４５粒子、Ｓｕｐｅｒ Ｐ粒子、カーボンブラック粒子、ナノスケールカーボン粒子（カーボンナノチューブ、又はその他のカーボンナノ構造体等）、又はこれらの組み合わせ、等を含む）を含む、実施形態３９～実施形態５９のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合体。
実施形態６１．シリコン－カーボン複合体が、５ｎｍ～２０ミクロンのＤｖ５０を含む、実施形態３９～実施形態６０のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合体。
実施形態６２．シリコン－カーボン複合体が０．１～０．７のΔＩＤ／ＩＧを含む、実施形態３９～実施形態６１のいずれか１つに記載の、シリコン－カーボン複合体。ここで、ΔＩＤ／ＩＧは、以下の式：
ΔＩＤ／ＩＧ＝（（ＩＤ／ＩＧ）Ｄｖ，５０＞１－（ＩＤ／ＩＧ）Ｄｖ，５０＜１）
［式中、（ＩＤ／ＩＧ）Ｄｖ，５０＞１は、Ｄｖ５０が１超である粒子のフラクションにおけるＩＤ／ＩＧ、及び（ＩＤ／ＩＧ）Ｄｖ，５０＜１は、Ｄｖ５０が１未満である粒子のフラクションにおけるＩＤ／ＩＧである。］
で表される。
実施形態６３．０．１～０．７のΔＩＤ／ＩＧを含む、シリコン－カーボン複合体。ここで、ΔＩＤ／ＩＧは、以下の式：
ΔＩＤ／ＩＧ＝（（ＩＤ／ＩＧ）Ｄｖ，５０＞１－（ＩＤ／ＩＧ）Ｄｖ，５０＜１）
［式中、（ＩＤ／ＩＧ）Ｄｖ，５０＞１は、Ｄｖ５０が１超である粒子のフラクションにおけるＩＤ／ＩＧ、及び（ＩＤ／ＩＧ）Ｄｖ，５０＜１は、Ｄｖ５０が１未満である粒子のフラクションにおけるＩＤ／ＩＧである。］
で表される。
実施形態６４．シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法であって、以下：
ａ．固体状のカーボン前駆体材料の混合物を提供すること；
ｂ．上記混合物を、不活性ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で熱分解させること；
ｃ．熱分解されたカーボン材料を、活性ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で活性化させること；
ｄ．活性化されたカーボン材料を、不活性ガスの存在下で、１２００℃～３０００℃で黒鉛化させること；
ｅ．多孔質カーボンスキャフォールドを粉砕すること；
ｆ．多孔質カーボンスキャフォールド粒子を、シランガスの存在下で、３５０℃～５５０℃で加熱すること；及び
ｇ．以下を含む、シリコン－カーボン複合体：
ｉ．０．９未満のＩＤ／ＩＧ、及び７０％超のミクロポロシティを有する細孔容積を含むカーボンスキャフォールド；
ｉｉ．３０重量％～６０重量％のシリコン含有量；
ｉｉｉ．１０未満のＺ。ここでＺは、Ｚ＝１．８７５×（（Ｍ１１００－Ｍ）／Ｍ１１００）×１００％［式中、シリコン－カーボン複合体を、大気下で２５℃～約１１００℃まで加熱する場合において、Ｍ１１００は、１１００℃におけるシリコン－カーボン複合体の質量、Ｍは、８００℃～１１００℃におけるシリコン－カーボン複合体の最小の質量で、熱重量分析によって測定される。］で表される；
ｉｖ．３０ｍ２／ｇ未満の表面積；
ｖ．０．１以上のφ。ここでφは、φ＝（レジームＩにおける最大ピーク高さｄＱ／ｄＶ）／（レジームＩＩＩにおける最大ピーク高さｄＱ／ｄＶ）［式中、ｄＱ／ｄＶはハーフセルコインセル中で測定し、レジームＩは０．８Ｖ～０．４Ｖ、レジームＩＩＩは０．１５Ｖ～０Ｖである。］で表される；
ｖｉ．７５％以上の第一サイクル効率；
ｖｉｉ．０．９９８以上の平均クーロン効率；及び
ｖｉｉｉ．１０００ｍＡｈ／ｇ以上のキャパシティ、
を含む、製造方法；
実施形態６５．シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法であって、以下：
ａ．固体状のカーボン前駆体材料の混合物を提供すること；
ｂ．上記混合物を、不活性ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で熱分解させること；
ｃ．熱分解されたカーボン材料を、活性ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で活性化させること；
ｄ．活性化されたカーボン材料を、不活性ガスの存在下で、１２００℃～３０００℃で黒鉛化させること；
ｅ．多孔質カーボンスキャフォールドを粉砕すること；
ｆ．多孔質カーボンスキャフォールド粒子を、シランガスの存在下で、３５０℃～５５０℃で加熱すること；及び
ｇ．以下を含む、シリコン－カーボン複合体：
ｉ．０．９未満のＩＤ／ＩＧ、及び７０％超のミクロポロシティを有する細孔容積を含むカーボンスキャフォールド；
ｉｉ．３０重量％～６０重量％のシリコン含有量；
ｉｉｉ．１０未満のＺ。ここでＺは、Ｚ＝１．８７５×（（Ｍ１１００－Ｍ）／Ｍ１１００）×１００％［式中、シリコン－カーボン複合体を、大気下で２５℃～約１１００℃まで加熱する場合において、Ｍ１１００は、１１００℃におけるシリコン－カーボン複合体の質量、Ｍは、８００℃～１１００℃におけるシリコン－カーボン複合体の最小の質量で、熱重量分析によって測定される。］で表される；
ｉｖ．３０ｍ２／ｇ未満の表面積；
ｖ．０．２以上のφ。ここでφは、φ＝（レジームＩにおける最大ピーク高さｄＱ／ｄＶ）／（レジームＩＩＩにおける最大ピーク高さｄＱ／ｄＶ）［式中、ｄＱ／ｄＶはハーフセルコインセル中で測定し、レジームＩは０．８Ｖ～０．４Ｖ、レジームＩＩＩは０．１５Ｖ～０Ｖである。］で表される；
ｖｉ．９０％以上の第一サイクル効率；
ｖｉｉ．０．９９９以上の平均クーロン効率；及び
ｖｉｉｉ．１４００ｍＡｈ／ｇ以上のキャパシティ、
を含む、製造方法；
実施形態６６．黒鉛化された活性化カーボン粒子を製造する方法であって、以下：
ａ．固体状のカーボン前駆体材料の混合物を提供すること；
ｂ．上記混合物を、不活性ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で熱分解させること；
ｃ．熱分解された多孔質カーボンスキャフォールドを粉砕すること；
ｄ．活性化されたカーボン材料を、不活性ガスの存在下で、１２００℃～３０００℃で黒鉛化させること；及び
ｅ．熱分解されたカーボン材料を、活性ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で活性化させること、
を含む、製造方法。
実施形態６７．黒鉛化された活性化カーボン粒子を含む材料であって、以下：
ａ．４０ｍ２／ｇ以上の表面積；
ｂ．０．０５ｃｍ３／ｇ以上の細孔容積；
ｃ．５Ａ以上のＬａ；及び
ｄ．０．８以下のＩＤ／ＩＧ
を含む、材料。
実施形態６８．黒鉛化された活性化カーボン粒子を含む材料であって、以下：
ａ．４００ｍ２／ｇ以上の表面積；
ｂ．０．５ｃｍ３／ｇ以上の細孔容積；
ｃ．５Ａ以上のＬａ；及び
ｄ．０．８以下のＩＤ／ＩＧ
を含む、材料。
実施形態６９．黒鉛化された活性化カーボン粒子を含む材料であって、以下：
ａ．１０００ｍ２／ｇ以上の表面積；
ｂ．０．６ｃｍ３／ｇ以上の細孔容積；
ｃ．５Ａ以上のＬａ；及び
ｄ．０．８以下のＩＤ／ＩＧ
を含む、材料。
上記より、本発明の特定の実施形態は、開示の目的のために本明細書に記載してきたが、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な修正を加えてもよいことが理解されるだろう。従って本発明は、添付の特許請求の範囲による場合を除き、限定されない。
本出願は、米国仮出願番号６３／０８３，６１４号（出願日、２０２０年９月２５日）の優先権の利益を主張し、当該開示は参照により本明細書に完全に援用する。

Claims (29)

  1. シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法であって、以下：
    ａ．固体状のカーボン前駆体材料の混合物を提供すること；
    ｂ．前記混合物を、窒素ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で熱分解させ、熱分解されたカーボン材料を得ること；
    ｃ．前記熱分解されたカーボン材料を、二酸化炭素ガス、蒸気、又はこれらの組み合わせの存在下で、６５０℃～１１００℃で活性化させ、活性化されたカーボン材料を得ること；
    ｄ．前記活性化されたカーボン材料を粉砕し、多孔質カーボンスキャフォールド粒子を得ること；
    ｅ．前記多孔質カーボンスキャフォールド粒子を、窒素の存在下で、１１００℃～３０００℃で加熱し、黒鉛化された多孔質カーボンスキャフォールド粒子を得ること；及び
    ｆ．前記黒鉛化された多孔質カーボンスキャフォールド粒子を、シランガスの存在下で、４００℃～５２５℃で加熱し、シリコン－カーボン複合粒子を得ること、
    ここで：
    前記シリコン－カーボン複合粒子のＩ Ｄ ／Ｉ Ｇ は０．８未満であり；及び
    前記シリコン－カーボン複合粒子の細孔容積は７０％超のミクロポロシティを有する、
    を含む、製造方法。
  2. 前記固体状のカーボン前駆体材料が、ビスフェノールＡ及びヘキサメチレンテトラミンを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記シリコン－カーボン複合粒子の細孔容積が、８０％超のミクロポロシティを有する、請求項１に記載の方法。
  4. 前記シリコン－カーボン複合粒子の細孔容積が、９０％超のミクロポロシティを有する、請求項１に記載の方法。
  5. 前記シリコン－カーボン複合粒子の細孔容積が、９５％超のミクロポロシティを有する、請求項１に記載の方法。
  6. 前記シリコン－カーボン複合粒子のＩ Ｄ ／ＩＧが０．７未満である、請求項１に記載の方法。
  7. 前記シリコン－カーボン複合粒子のＩ Ｄ ／ＩＧが０．６未満である、請求項１に記載の方法。
  8. シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法であって、以下：
    ａ．固体状のカーボン前駆体材料の混合物を提供すること；
    ｂ．前記混合物を、窒素ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で熱分解させ、熱分解されたカーボン材料を得ること；
    ｃ．前記熱分解されたカーボン材料を、二酸化炭素ガス、蒸気、又はこれらの組み合わせの存在下で、６５０℃～１１００℃で活性化させ、活性化されたカーボン材料を得ること；
    ｄ．前記活性化されたカーボン材料を粉砕し、多孔質カーボンスキャフォールド粒子を得ること；
    ｅ．前記多孔質カーボンスキャフォールド粒子を、窒素の存在下で、１１００℃～３０００℃で加熱し、黒鉛化された多孔質カーボンスキャフォールド粒子を得ること；及び
    ｆ．前記黒鉛化された多孔質カーボンスキャフォールド粒子を、シランガスの存在下で、４００℃～５２５℃で加熱し、シリコン－カーボン複合粒子を得ること、
    ここで：
    前記シリコン－カーボン複合粒子のＩ Ｄ ／Ｉ Ｇ は０．８未満であり；
    前記シリコン－カーボン複合粒子の細孔容積は７０％超のミクロポロシティを有し；
    前記シリコン－カーボン複合粒子のシリコン含有量は４０重量％～６０重量％であり；
    前記シリコン－カーボン複合粒子のＺは１０未満であり、ここでＺは、以下の式：
    Ｚ＝１．８７５×（（Ｍ１１００－Ｍ）／Ｍ１１００）×１００
    ［式中、シリコン－カーボン複合粒子を、大気下で約２５℃から約１１００℃まで加熱する場合において、Ｍ１１００は、１１００℃におけるシリコン－カーボン複合粒子の質量であり、Ｍは、８００℃～１１００℃におけるシリコン－カーボン複合粒子の最小の質量であり、熱重量分析によって測定される。］
    で表され；
    前記シリコン－カーボン複合粒子の表面積は３０ｍ ２ ／ｇ未満であり；及び
    前記シリコン－カーボン複合粒子のφは０．１以上であり、ここでφは、以下の式：
    φ＝（レジームＩにおける最大ピーク高さｄＱ／ｄＶ）／（レジームＩＩＩにおける最大ピーク高さｄＱ／ｄＶ）
    ［式中、ｄＱ／ｄＶはハーフセルコインセル中で測定し、レジームＩは０．８Ｖ～０．４Ｖ、レジームＩＩＩは０．１５Ｖ～０Ｖである。］
    で表される、
    を含む、製造方法。
  9. 前記固体状のカーボン前駆体材料が、ビスフェノールＡ及びヘキサメチレンテトラミンを含む、請求項８に記載の方法。
  10. 前記シリコン－カーボン複合粒子の細孔容積が、８０％超のミクロポロシティを有する、請求項８に記載の方法。
  11. 前記シリコン－カーボン複合粒子のＩ Ｄ ／ＩＧが０．７未満である、請求項８に記載の方法。
  12. 前記シリコン－カーボン複合粒子のＺが５未満である、請求項８に記載の方法。
  13. 前記シリコン－カーボン複合粒子の表面積が、１０ｍ２／ｇ未満である、請求項８に記載の方法。
  14. 前記シリコン－カーボン複合粒子のφが０．２以上である、請求項８に記載の方法。
  15. シリコン－カーボン複合体であって、以下：
    ａ．０．８未満のＩＤ／ＩＧ、及び７０％超のミクロポロシティを有する細孔容積を含むカーボンスキャフォールド；
    ｂ．４０重量％～６０重量％のシリコン含有量；
    ｃ．１０未満のＺ。ここでＺは、以下の式：
    Ｚ＝１．８７５×（（Ｍ１１００－Ｍ）／Ｍ１１００）×１００
    ［式中、シリコン－カーボン複合体を、大気下で２５℃～約１１００℃まで加熱する場合において、Ｍ１１００は、１１００℃におけるシリコン－カーボン複合体の質量、Ｍは、８００℃～１１００℃におけるシリコン－カーボン複合体の最小の質量で、熱重量分析によって測定される。］
    で表される；
    ｄ．３０ｍ２／ｇ未満の表面積；及び
    ｅ．０．１以上のφ。ここでφは、以下の式：
    φ＝（レジームＩにおける最大ピーク高さｄＱ／ｄＶ）／（レジームＩＩＩにおける最大ピーク高さｄＱ／ｄＶ）
    ［式中、ｄＱ／ｄＶはハーフセルコインセル中で測定し、レジームＩは０．８Ｖ～０．４Ｖ、レジームＩＩＩは０．１５Ｖ～０Ｖである。］
    で表される、
    を含む、シリコン－カーボン複合体。
  16. 細孔容積が、８０％超のミクロポロシティを有する、請求項１５に記載のシリコン－カーボン複合体。
  17. 前記シリコン－カーボン複合体のＩＤ／ＩＧが０．７未満である、請求項１５に記載のシリコン－カーボン複合体。
  18. Ｚが５未満である、請求項１５に記載のシリコン－カーボン複合体。
  19. 表面積が１０ｍ２／ｇ未満である、請求項１５に記載のシリコン－カーボン複合体。
  20. φが０．２以上である、請求項１５に記載のシリコン－カーボン複合体。
  21. Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｏ、又はＷ、又はこれらの組み合わせを更に含む、請求項１５に記載のシリコン－カーボン複合体。
  22. Ｎｉを更に含む、請求項１５に記載のシリコン－カーボン複合体。
  23. 導電性カーボン添加剤粒子を更に含む、請求項１５に記載のシリコン－カーボン複合体。
  24. 黒鉛粒子、カーボンブラック粒子、ナノスケールカーボン粒子、又はこれらの組み合わせを更に含む、請求項１５に記載のシリコン－カーボン複合体。
  25. 導電性カーボン添加剤粒子を更に含む、請求項１５に記載のシリコン－カーボン複合体。
  26. ５ｎｍ～２０ミクロンのＤｖ５０を含む、請求項１５に記載のシリコン－カーボン複合体。
  27. シリコン－カーボン複合粒子を製造する方法であって、以下：
    ａ．固体状のカーボン前駆体材料の混合物を提供すること；
    ｂ．前記混合物を、不活性ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で熱分解させ、熱分解されたカーボン材料を得ること；
    ｃ．前記熱分解されたカーボン材料を、活性ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で活性化させ、活性化されたカーボン材料を得ること；
    ｄ．前記活性化されたカーボン材料を、不活性ガスの存在下で、１２００℃～３０００℃で黒鉛化させ、黒鉛化された多孔質カーボンスキャフォールドを得ること；
    ｅ．前記黒鉛化された多孔質カーボンスキャフォールドを粉砕し、多孔質カーボンスキャフォールド粒子を得ること；及び
    ｆ．前記多孔質カーボンスキャフォールド粒子を、シランガスの存在下で、３５０℃～５５０℃で加熱し、シリコン－カーボン複合粒子を得ること、
    ここで：
    前記シリコン－カーボン複合粒子のＩ Ｄ ／Ｉ Ｇ は０．９未満であり；
    前記シリコン－カーボン複合粒子の細孔容積は７０％超のミクロポロシティを有し；
    前記シリコン－カーボン複合粒子のシリコン含有量は３０重量％～６０重量％であり；
    前記シリコン－カーボン複合粒子のＺは１０未満であり、ここでＺは、以下の式：
    Ｚ＝１．８７５×（（Ｍ１１００－Ｍ）／Ｍ１１００）×１００
    ［式中、シリコン－カーボン複合粒子を、大気下で約２５℃から約１１００℃まで加熱する場合において、Ｍ１１００は、１１００℃におけるシリコン－カーボン複合粒子の質量であり、Ｍは、８００℃～１１００℃におけるシリコン－カーボン複合粒子の最小の質量であり、熱重量分析によって測定される。］
    で表され；
    前記シリコン－カーボン複合粒子の表面積は３０ｍ ２ ／ｇ未満であり；並びに
    前記シリコン－カーボン複合粒子のφは０．２以上であり、ここでφは、以下の式：
    φ＝（レジームＩにおける最大ピーク高さｄＱ／ｄＶ）／（レジームＩＩＩにおける最大ピーク高さｄＱ／ｄＶ）
    ［式中、ｄＱ／ｄＶはハーフセルコインセル中で測定し、レジームＩは０．８Ｖ～０．４Ｖ、レジームＩＩＩは０．１５Ｖ～０Ｖである。］
    で表され；
    前記シリコン－カーボン複合粒子の第一サイクル効率は９０％以上であり；
    前記シリコン－カーボン複合粒子の平均クーロン効率は０．９９９以上であり；及び
    前記シリコン－カーボン複合粒子のキャパシティは１４００ｍＡｈ／ｇ以上である、
    を含む、製造方法。
  28. 黒鉛化された活性化カーボン粒子を製造する方法であって、以下：
    ａ．固体状のカーボン前駆体材料の混合物を提供すること；
    ｂ．前記混合物を、不活性ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で熱分解させ、熱分解された多孔質カーボンスキャフォールドを得ること；
    ｃ．前記熱分解された多孔質カーボンスキャフォールドを粉砕し、多孔質カーボンスキャフォールド粒子を得ること；
    ｄ．前記多孔質カーボンスキャフォールド粒子を、活性ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で活性化させ、活性化されたカーボン粒子を得ること；及び
    ｅ．前記活性化されたカーボン粒子を、不活性ガスの存在下で、１２００℃～３０００℃で黒鉛化させ、黒鉛化された活性化カーボン粒子を得ること、
    を含む、製造方法。
  29. 黒鉛化された活性化カーボン粒子を製造する方法であって、以下：
    ａ．固体状のカーボン前駆体材料の混合物を提供すること；
    ｂ．前記混合物を、不活性ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で熱分解させ、熱分解された多孔質カーボンスキャフォールドを得ること；
    ｃ．前記熱分解された多孔質カーボンスキャフォールドを、活性ガスの存在下で、６５０℃～１１００℃で活性化させ、活性化された多孔質カーボンスキャフォールドを得ること；
    ｄ．前記多孔質カーボンスキャフォールドを、不活性ガスの存在下で、１２００℃～３０００℃で黒鉛化させ、黒鉛化された活性化カーボンスキャフォールドを得ること；及び
    ｅ．前記黒鉛化された活性化カーボンスキャフォールドを粉砕し、黒鉛化された活性化カーボン粒子を得ること、
    を含む、製造方法。
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