JP7842782B2 - リンドープシリコン系の複合負極材料の作製方法及びその製品と使用 - Google Patents

リンドープシリコン系の複合負極材料の作製方法及びその製品と使用

Info

Publication number
JP7842782B2
JP7842782B2 JP2023565235A JP2023565235A JP7842782B2 JP 7842782 B2 JP7842782 B2 JP 7842782B2 JP 2023565235 A JP2023565235 A JP 2023565235A JP 2023565235 A JP2023565235 A JP 2023565235A JP 7842782 B2 JP7842782 B2 JP 7842782B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
phosphorus
anode material
doped silicon
composite anode
source gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2023565235A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2025522226A (ja
Inventor
寧 杜
振 王
天成 叶
寧 孫
翠翠 叶
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carbon One New Energy Group Co Ltd
Carbon One New Energy Hangzhou Co Ltd
Zhejiang Lichen New Material Technology Co Ltd
Original Assignee
Carbon One New Energy Group Co Ltd
Carbon One New Energy Hangzhou Co Ltd
Zhejiang Lichen New Material Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carbon One New Energy Group Co Ltd, Carbon One New Energy Hangzhou Co Ltd, Zhejiang Lichen New Material Technology Co Ltd filed Critical Carbon One New Energy Group Co Ltd
Publication of JP2025522226A publication Critical patent/JP2025522226A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7842782B2 publication Critical patent/JP7842782B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/02Silicon
    • C01B33/021Preparation
    • C01B33/027Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material
    • C01B33/035Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds in the presence of heated filaments of silicon, carbon or a refractory metal, e.g. tantalum or tungsten, or in the presence of heated silicon rods on which the formed silicon is deposited, a silicon rod being obtained, e.g. Siemens process
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362Composites
    • H01M4/366Composites as layered products
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/386Silicon or alloys based on silicon
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/483Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides for non-aqueous cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H01M4/587Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624Electric conductive fillers
    • H01M4/625Carbon or graphite
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/628Inhibitors, e.g. gassing inhibitors, corrosion inhibitors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027Negative electrodes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Description

本発明は、リチウム電池の負極材料の技術分野に関し、特にリンドープシリコン系の複合負極材料の作製方法及びその製品と使用に関するものである。
シリコンはグラファイトを置き換える最も有望な候補と考えられている。これは地殻で2番目に豊富な元素であり、環境に優しく、超高い理論容量(4200mAh/g)を持っている。しかし、リチウムの嵌入/脱出過程での急激な体積変化は重大な悪影響を及ぼし、その結果、サイクル安定性が非常に低くなってしまう。一酸化シリコン材料は、リチウム嵌入過程での体積膨張がシリコン単体よりも大幅に低くなるとともに比較的に高い理論比容量(>2000mAh/g)も同様に有するが、一酸化シリコンの初回クーロン効率は低すぎる(76%よりも低い)ため、それのより幅広い用途が制限される。一方、市販のシリコンカーボン製品は、一酸化シリコンと比べて、高い初期効率・容量の特性を有するが、そのサイクル性能が一酸化シリコンよりも大幅に低い。したがって、高容量、高初期効率及び高サイクル性能のシリコン系の負極材料を作製するのは、解決すべき緊急の課題である。
出願公開番号がCN107623118Aである中国特許文献には、「初回クーロン効率が向上されたリンドープ多孔質炭素の負極材料の製造方法」が開示されている。赤リンの単体をリン源とし、有機炭素源を水に分散させることによりスラリーを形成し、さらに赤リンと均一に混合させ、乾燥した後、保護雰囲気で満たされた密閉タンクに入れて焼成し、そして、不活性雰囲気の管状炉内でさらに焼成することにより、リンドープ多孔質炭素の負極材料を作製する。この技術案では、リンをドーピング元素とし、炭素材料の可逆比容量を向上させ、材料の初回クーロン効率を顕著的に向上させることができると主張している。この技術案に開示される作製方法は簡単であるが、液相と固相との混合を採用すると、ドーピングの均一性を保証できないため、作製方法の一致性に影響してしまう。且つ、この方法で得られた材料の最高の初回クーロン効率は71%のみであり、市場の需要を満たさない。
出願公開番号がCN113809311Aである中国特許文献には、「リンドープ軟質炭素で被覆されたシリコン系のリチウムイオン負極材料及びその作製方法と使用」が開示されている。リン含有ガス源または高沸点リン含有化合物をドーピング材料とし、ドーピング材料の蒸気と予熱したシリコン源の蒸気を1200~1700℃で1~24h気相混合反応させることにより、リンドープ一酸化シリコン材料を得る。だだし、シリコン源の蒸気は、シリコンの蒸気と酸化シリコンの蒸気との混合ガスである。リンドープ一酸化シリコン材料を室温まで冷却して排出し、粉砕して篩い分け、篩い分けられた材料を分析・測定し、ドープ均一性が予定条件を満たす材料を炭素で被覆することにより、リンドープシリコン系のリチウムイオン負極材料を得る。この技術案では、リン含有物質とシリコンの蒸気及び酸化シリコンの蒸気とを気相混合反応させ、反応物質を十分に接触させることにより、バルク相のドーピングが均一であるリチウムイオン電池の負極材料を得る。得られた材料は、サイクル安定性がより高く、また、材料の一致性もより優れる。しかし、この方法で得られたリンドープシリコン負極材料は、最高の初回クーロン効率が80.6%のみであり、明らかな製品利点を有さない。なお、この技術案のエネルギー消費量は非常に高い。シリコンと酸化シリコンを予熱して蒸気を形成するには、少なくとも1350°Cに達する温度が必要とし、気相混合反応も1200~1200℃の高温で行われ、また、その後の炭素被覆も800~1000℃の高温で行われる。したがって、この技術案は大規模な工業化生産に適されない。
本発明には、従来技術に既存の上記問題に対し、生産用エネルギーの消費量が低く、生産された製品の均一性が高いリンドープシリコン系の複合負極材料の製造方法が開示されている。なお、作製された負極材料を組立て得られたリチウムイオン電池は、優れたサイクル安定性有するとともに、高い可逆比容量・初回クーロン効率を併有する。
具体的な技術案は、以下の通りである。
リンドープシリコン系の複合負極材料の作製方法であって、
不活性雰囲気でリン源のガス、炭素源のガスをシリコン源のガスと室温で十分に混合して混合ガスを得、
ただし、前記混合ガスにおいて、総体積を100%として、リン源のガスの体積割合が0.1~3.0%であり、炭素源のガスの体積割合が15~28%であり、残りがシリコン源のガスであるステップ(1)と、
基材が置かられた堆積炉に前記混合ガスを流し、熱堆積を経った後、中間生成物を得るステップ(2)と、
前記中間生成物に対して炭素被覆処理を行ってから、後処理を経って前記リンドープシリコン系の複合負極材料を得るステップ(3)と、を備えるリンドープシリコン系の複合負極材料の作製方法。
本発明には、室温でガス状態のホスフィンをシリコン源とし、別途にガス状態の炭素源を導入して室温でガス状態のシリコン源と混合させることにより混合ガスを得、気相堆積反応過程で炭素及びリンをそれぞれにシリコン源の材料と結合させ、熱分解により脱水素化させ、最後に、炭素被覆処理によりリンドープシリコン系の複合負極材料を作製する、リンドープシリコン系の複合負極材料の作製方法が開示されている。
試験から分かるように、本作製方法では、リン原子のドーピングによりシリコンの初晶粒子の平均粒径を顕著に低減できる。ガス状態の炭素源の導入によりドーピングされたリン原子と互に協働して、リン源のガスの分解に役立ち、リン源のドーピングを促進する。両者を同時にシリコン源のガスと混合させて上記の一連の工程を経って最終的に作製されたリンドープシリコン系の複合負極材料は、優れたサイクル安定性、可逆比容量及び初回クーロン効率を併有する。
試験から分かるように、リン源のガスとシリコン源のガスとの組み合わせのみ、あるいは、炭素源のガスとシリコン源のガスとの組み合わせのみを採用すると、いずれも上記協働効果を得られない。
さらなる試験から分かるように、リン源のガス、炭素源のガス及びシリコン源という3つのガスの組み合わせを採用しても、それらの体積比が上記の限定範囲内にない場合に、優れたサイクル安定性、高い可逆的比容量及び初回クーロン効率を併有するリチウムイオン電池を作製できない。
ステップ(1)において、
前記リン源のガスは、ホスフィンから選択され、
前記炭素源のガスは、400~800℃で分解できるアルカンガスから選択され、好ましくは、エチレン、プロピレン、アセチレンなどから選択される。
前記シリコン源のガスは、シラン、ジクロロシラン、トリクロロシラン及び四塩化シリコンのうちの1種または複数種から選択される。
ステップ(2)において、
前記混合ガスの総流速は、0.1~50L/min、好ましくは20~50L/min、さらに好ましくは25~30L/minである。
前記基材は、ハードカーボン、導電性カーボンブラック、カーボンナノ管、グラフェンののうちの1種または複数種から選択され、添加される基材の質量は、最終生成物の総質量の0.1~20.0wt%を占める。
好ましくは、前記基材のD50は、200nm未満である。
前記熱堆積の温度は400~800℃である。
ステップ(3)において、
前記中間生成物は、粉砕、分級及び脱磁処理を経った後、さらに炭素被覆処理が行われる。
好ましくは、粉砕、分級及び脱磁処理を経った中間生成物は、粒度集中度(SPAN値)≦1.5、平均粒径≦10μmであり、さらに好ましくは、SPAN値≦1.2である。
ステップ(3)において、
前記炭素被覆処理は、気相炭素被覆、液相炭素被覆及び固相炭素被覆のうちの1種または複数種から選択される。
前記気相炭素被覆に採用される炭素源はは、エチレン、プロピレン、アセチレンなどの炭化水素ガスであり、具体的な炭素被覆工程では、本分野の通常技術手段が採用される。
前記液相炭素被覆に採用される炭素源は、液状態のエポキシ樹脂、石油スラグ油、液状態のアスファルトなどの炭素含有高分子ポリマーであり、具体的な炭素被覆工程では、本分野の通常技術手段が採用される。
前記固相炭素被覆に採用される炭素源はアスファルトであり、具体的な炭素被覆工程では、本分野の通常技術手段が採用される。
前記炭素被覆処理の温度は、600~1000℃から選択され、採用される炭素源の種類に応じて適応的に調整される。
ステップ(3)において、
前記後処理は、分散、篩い分けを備え、具体的な操作は、いずれも本分野の通常技術手段である。分散方式としては、例えば、スパイラル式分散が採用される。
好ましくは、前記篩い分けに採用されるメッシュ数は、100~800メッシュである。
上記工程及び原材料に基づき、好ましくは、
ステップ(3)において、前記混合ガスにおいて、リン源のガスの体積割合は0.5~3.0%であり、炭素源のガスの体積割合は15~25%であり、残りはシリコン源のガスである。
さらに好ましくは、
前記混合ガスにおいて、リン源のガスの体積割合は0.5~1.5%であり、炭素源のガスの体積割合は15~25%であり、残りはシリコン源のガスである。
より好ましくは、前記混合ガスにおいて、リン源のガス、炭素源のガス及びシリコン源のガスは、1.5:25:73.5の体積比で室温で十分に混合される。
最も好ましくは、前記シリコン源はトリクロロシランから選択される。試験から分かるように、上記さらに好ましい体積割合でさらにトリクロロシランをシリコン源として最終に作製されたリンドープシリコン系の複合負極材料を組立て得られたリチウムイオン電池は、そのサイクル安定性、可逆比容量及び初回クーロン効率が、いずれも最適に達する。
本発明には、上記方法に従って作製されるリンドープシリコン系の複合負極材料がさらに開示されている。
本発明には、リチウムイオン電池における上記方法に従って作製されるリンドープシリコン系の複合負極材料の使用がさらに開示されている。試験から分かるように、この負極材料を組立て得られたリチウムイオン電池は、優れたサイクル安定性を有するとともに、高い可逆比容量及び初回クーロン効率を併有する。
本発明は、従来技術と比べて、以下のような有益効果を有する。
本発明には、リン源のガス、炭素源のガス及びシリコン源のガスを原料とし、製造過程の簡単で制御可能であり、エネルギー消費量の低く、工業化生産に適する、リンドープシリコン系の複合負極材料の製造方法が開示されている。
本発明で作製されたリンドープシリコン系の複合負極材料を組立て得られたリチウムイオン電池は、優れたサイクル安定性を有し、100サイクル後の容量維持率が80%以上、最大88%に達し、500サイクル後の容量維持率が70%以上、最大75.5%に達し、且つ、高い可逆比容量(1800mAh/gよりも高い)及び初回クーロン効率(90%以上)を併有する。
実施例1で作製される中間生成物のSEM図である。 図1の画像範囲内のSi元素、C元素及びP元素の分布図である。 図1の画像範囲内のSi元素、C元素及びP元素の分布図である。 図1の画像範囲内のSi元素、C元素及びP元素の分布図である。 実施例1で作製されるリンドープシリコン系の複合負極材料のSEM図である。 実施例1で作製されるリンドープシリコン系の複合負極材料のTEM図である。
以下、本発明の具体的な実施方法を実施例を挙げてさらに説明するが、ここで説明する具体的な実施方法は、本発明を説明や解釈するためのものに過ぎず、本発明を限定するものではない。
実施例1
(1)アルゴン雰囲気で、ホスフィン、エチレン、モノシランを1.5:25:73.5の体積比で室温で十分に混合することにより、混合ガスを得る。
(2)総ガス量が25L/minである流速で、約100nmのD50及び100gのハードカーボン微小球が置かられるとともに温度が500°Cに設定される堆積炉に混合ガスを流し、ハードカーボン微小球の顆粒表面が連続的に核生成・成長してリンドープシリコン炭素堆積層が堆積・形成されるまで連続的に通気し、通気時間を10h維持する。
(3)堆積炉を冷却・降温し、炉から取り出された材料を粉砕、分級処理を経って、D50が5μm未満でありSPAN値が1.2未満である均一な顆粒を得、さらに磁気処理を経って中間生成物を得る。
(4)アルゴン雰囲気で、中間生成物を化学気相堆積炉に投入し、5℃/minで800℃まで昇温し、アセチレンガスを1L/minの流速で流して気相分解、堆積及び炭素被覆を行い、最終生成物の総質量に占める炭素被覆の炭素含有量を4wt%に制御し、堆積終了後、室温まで降温し、材料を取り出し、分散及び篩い分けを行うことにより、最終的に、リンドープシリコン系の複合負極材料を得る。
図1は、本実施例のステップ(3)で作製される中間生成物のMapping画像である。図2~4は、この画像範囲内のSi元素(図2)、C元素(図3)及びP元素(図4)の分布図である。図2~4を観察して分かるように、本実施例で作製される中間生成物には、C、Pという2種類の元素がうまくドープされており、且つ、2種類の元素が中間生成物中に均一に分散されている。
図5は、本実施例で作製される最終生成物のSEM図である。この図を観察して分かるように、本実施例で作製される最終生成物は、規則的な球形状になり、粒径分布が比較的均一である。
図6は、本実施例で作製される最終生成物のTEM図である。この図を観察して分かるように、本実施例で作製される負極材料の表面には、均一的な炭素層が被覆されている。
実施例2
作製工程は実施例1と大体同じであるが、これらの相違点は、ステップ(1)においてホスフィン、エチレン及びモノシランの体積比を3:15:82に置き換えることにある。
実施例3
作製工程は実施例1と大体同じであるが、これらの相違点は、ステップ(1)においてホスフィン、エチレン及びモノシランの体積比を0.5:25:74.5に置き換えることにある。
比較例1
作製工程は実施例1と大体同じであるが、これらの相違点は、ステップ(1)においてホスフィン、エチレン及びモノシランの体積比を5:25:70に置き換えることにある。
比較例2
作製工程は実施例1と大体同じであるが、これらの相違点は、ステップ(1)において体積比が25:75であるエチレン及びモノシランのみを添加・混合することにより混合ガスを得ることにある。
比較例3
作製工程は実施例1と大体同じであるが、これらの相違点は、ステップ(1)においてホスフィン、エチレン及びモノシランの体積比を2:30:68に置き換えることにある。
比較例4
作製工程は実施例1と大体同じであるが、これらの相違点は、ステップ(1)においてホスフィン、エチレン及びモノシランの体積比を2:13:85に置き換えることにある。
比較例5
作製工程は実施例1と大体同じであるが、これらの相違点は、ステップ(1)において体積比が2:98であるホスフィン及びモノシランのみを添加・混合することにより混合ガスを得ることにある。
実施例4
(1)アルゴン雰囲気で、ホスフィン、プロピレン、ジクロロシランを1.5:25:73.5の体積比で室温で十分に混合することにより、混合ガスを得る。
(2)総ガス量が30L/minである流速で、約100nmのD50及び100gのグラフェン微小球が置かられるとともに温度が400°Cに設定される堆積炉に混合ガスを流し、グラフェン微小球の顆粒表面が連続的に核生成・成長してリンドープシリコン炭素堆積層が堆積・形成されるまで連続的に通気し、通気時間を13h維持する。
ステップ(3)~(4)は、実施例1と全く同じである。
実施例5
(1)アルゴン雰囲気で、ホスフィン、アセチレン、トリクロロシランを1.5:25:73.5の体積比で室温で十分に混合することにより、混合ガスを得る。
(2)総ガス量3が0L/minである流速で、約100nmのD50及び100gの導電性カーボンブラック微小球が置かられるとともに温度が800°Cに設定される堆積炉に混合ガスを流し、導電性カーボンブラック微小球の顆粒表面が連続的に核生成・成長してリンドープシリコン炭素堆積層が堆積・形成されるまで連続的に通気し、通気時間を5h維持する。
ステップ(3)~(4)は、実施例1と全く同じである。
使用例
各実施例及び各比較例で作製された負極材料をそれぞれ電池に組み立てる。
窒素保護雰囲気でで、導電剤SuperP及びカルボキシメチルセルロースナトリウムCMCを脱イオン水と十分に混合して分散させ、そして、負極材料を添加し、2000rpmで10min撹拌し、さらに水性接着剤AONE(深セン市研一新材料株式会社から購入)を添加し、2000rpmで10min撹拌することにより、負極スラリーを得る。ただし、負極材料、導電剤SuperP、カルボキシメチルセルロースナトリウムCMC及び接着剤AONE(乾燥重量)の質量比は70:15:5:10であり、スラリーの固体含有量は15wt%である。
上記負極スラリーを集電体銅箔上に塗布し、-0.1MPaの相対真空度で、80℃で30min乾燥した後、室温で圧延し、面密度を9.1mg/cm2としてパンチングを行い、直径が14mmである円板に切ることにより、電極極片を作成する。
電極は、リチウムシートCR2016(深セン市永興業装備科技株式会社から購入)を採用し、その直径を16mmとする。
アルゴン保護雰囲気で、グローブボックス内においてボタン電池の組み立てを行い、グローブボックス内の水分値及び酸素値をいずれも 0.01ppm 未満とする。「負極ケース - ガスケット - リチウムシート - 電解液 - セパレータ - 電解液 - 電極極片 - 正極ケース」の順に組み立てる。ただし、この電解液は、エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)及びジエチルカーボネート(DEC)で構成され (EC:EMC:DECの体積比=1:1:1)、1.0M のLiPF を含む。
ただし、電極極片の直径は14mmであり、リチウムシートの直径は16mmであり、セパレータの直径は19mmであり、電池ケース(正極ケース及び負極ケース)のサイズは20mmである。セパレータは、12μmの厚さのセラミック被覆セパレータ(上海恩捷新材料科技株式会社から購入)である。組み立てられたボタン電池を油圧式シール機(深セン市科晶知達科技株式会社から購入)の金型溝に置いてロックし、500kg/cmよりも大きい圧力を印加し、その後、ロックを解除し、シールされたボタン電池を取り出す。
電池の組立て時、1セットの試験毎に5つのボタン電池を作製し、合計5セットのデータを測定し、最終性能については、5セットのデータの平均値を採用する。
性能測定:
ブルック社のXRD-D2PHASERを採用して相分析・検出を行い、シェラー式(Scherrer formula)により計算を行い、シリコンの初晶粒子の粒径を測定する。
米国のサーモフィシャーのPhenom Generation 5で形態測定を行う。
ドイツのエルテの高周波赤外線炭素硫黄分析計で炭素含有量を測定する。
ドイツのイーライ・モンタの有機元素分析計でリン含有量を測定する。
青電電池測定システムCT2001A設備で電池のサイクル性能を測定する。具体的には、
25℃で、上記青電測定キャビネットでにより上記ボタン電池の充放電サイクル特性を検出する。まず、0.1Cで0.005Vまで放電し、次に0.08Cで0.001Vまで放電し、0.05Cで0.001Vまで放電し、0.02Cで0.001Vまで放電し、10min放置し、そして、0.1Cで1.5Vまで充電し、10min放置し、初回サイクル後の充放電容量を記録し、初回クーロン効率を計算する。上記方式に従って100サイクルを行い、100サイクル後の充放電容量を記録し、100サイクル後の容量維持率を計算する。500サイクル後の容量維持率の測定や計算過程は同様に実行される。測定の結果は、下表1に示される。
表1
1.は各実施例または各比較例でそれぞれに作製された中間生成物におけるリン元素の質量含有量であり、
2.は各実施例または各比較例でそれぞれに作製された中間生成物における炭素元素の質量含有量であり、
3.は各実施例または各比較例でそれぞれに作製された中間生成物のシリコンの初晶粒子の平均粒径である。
表1におけるリン含有量及び炭素含有量の変化を比べて分かるように、本発明に開示される方法は、生成物におけるリン含有量及び炭素含有量を制御可能に作製することができる。実施例1と比較例2及び3のシリコンの初晶粒子の平均粒径を比べて分かるように、リン元素の導入によりシリコンの初晶粒子の平均粒径を効果的に低減することができる。
上記実施例に従って、本発明をよく実施することができる。なお、上記設計に基づき、同じような課題を解決するために、本発明の上に本質ではない変更や修飾を実施してからなる技術案の本質は、依然として本発明と同じであるため、それも本発明の保護範囲内にあるはずである。

Claims (10)

  1. リンドープシリコン系の複合負極材料の作製方法であって、
    不活性雰囲気で、リン源のガス、炭素源のガス及びシリコン源のガスを室温で混合して混合ガスを得るステップであって、前記混合ガスの総体積を100%として、リン源のガスの体積は0.1~3.0%で、炭素源のガスの体積は15~28%であり、残りがシリコン源のガスであるステップ(1)と、
    基材を設置した堆積炉に前記混合ガスを流入し、熱堆積により、中間生成物を得るステップ(2)と、
    前記中間生成物に炭素被覆処理を行ってから、後処理を行いリンドープシリコン系の複合負極材料を得るステップ(3)と、を備える、
    ことを特徴とするリンドープシリコン系の複合負極材料の作製方法。
  2. ステップ(1)において、
    前記リン源のガスは、ホスフィンであり、
    前記炭素源のガスは、400~800℃で分解可能なアルカンガスから選択され、
    前記シリコン源のガスは、シラン、ジクロロシラン、トリクロロシラン及び四塩化シリコンのうちの1種または複数種から選択される、
    ことを特徴とする請求項1に記載のリンドープシリコン系の複合負極材料の作製方法。
  3. ステップ(2)において、
    前記混合ガス流入時の総流速は、0.1~50L/minであり、
    前記基材は、ハードカーボン、導電性カーボンブラック、カーボンナノ管、及びグラフェンのうちの1種または複数種から選択され、
    前記熱堆積の温度は400~800℃である、
    ことを特徴とする請求項1に記載のリンドープシリコン系の複合負極材料の作製方法。
  4. ステップ(3)において、
    前記中間生成物を、粉砕、分級及び脱磁処理した後、さらに炭素被覆処理を行い、
    粉砕、分級及び脱磁処理した後の中間生成物は、粒度分布指数(SPAN値)≦1.5で、平均粒径≦10μmである、
    ことを特徴とする請求項1に記載のリンドープシリコン系の複合負極材料の作製方法。
  5. ステップ(3)において、
    前記炭素被覆処理は、気相炭素被覆、液相炭素被覆及び固相炭素被覆のうちの1種または複数種から選択され、
    前記炭素被覆処理の温度は、600~1000℃である、
    ことを特徴とする請求項1に記載のリンドープシリコン系の複合負極材料の作製方法。
  6. ステップ(3)において、
    前記後処理は、分散及び篩い分けを含む、
    ことを特徴とする請求項1に記載のリンドープシリコン系の複合負極材料の作製方法。
  7. ステップ(1)において、前記混合ガスの、リン源のガスの体積は0.5~3.0%であり、炭素源のガスの体積は15~25%であり、残りはシリコン源のガスであり、
    ステップ(2)において、混合ガス流入時の総流速は、20~50L/minである、
    ことを特徴とする請求項に記載のリンドープシリコン系の複合負極材料の作製方法。
  8. 前記混合ガスの混合時のリン源のガス、炭素源のガス及びシリコン源のガスの体積比は、1.5:25:73.5であり
    前記シリコン源のガスは、トリクロロシランである、
    ことを特徴とする請求項7に記載のリンドープシリコン系の複合負極材料の作製方法。
  9. 請求項1~8の何れか1項に記載の方法により作製されたリンドープシリコン系の複合負極材料。
  10. リチウムイオン電池における請求項9に記載のリンドープシリコン系の複合負極材料の使用。
JP2023565235A 2023-04-25 2023-08-09 リンドープシリコン系の複合負極材料の作製方法及びその製品と使用 Active JP7842782B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310456019.6A CN116544413B (zh) 2023-04-25 2023-04-25 一种磷掺杂硅基复合负极材料的制备方法及其产品和应用
CN202310456019.6 2023-04-25
PCT/CN2023/111898 WO2024221639A1 (zh) 2023-04-25 2023-08-09 一种磷掺杂硅基复合负极材料的制备方法及其产品和应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2025522226A JP2025522226A (ja) 2025-07-14
JP7842782B2 true JP7842782B2 (ja) 2026-04-08

Family

ID=87453500

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2023565235A Active JP7842782B2 (ja) 2023-04-25 2023-08-09 リンドープシリコン系の複合負極材料の作製方法及びその製品と使用

Country Status (4)

Country Link
JP (1) JP7842782B2 (ja)
KR (1) KR20240158768A (ja)
CN (1) CN116544413B (ja)
WO (1) WO2024221639A1 (ja)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116544413B (zh) * 2023-04-25 2026-02-17 浙江锂宸新材料科技有限公司 一种磷掺杂硅基复合负极材料的制备方法及其产品和应用
CN117403203B (zh) * 2023-09-26 2025-11-07 碳一新能源(杭州)有限责任公司 一种高效气相沉积工艺及其产品和应用
CN118954517B (zh) * 2024-10-12 2025-09-16 北京壹金新能源科技有限公司 一种磷硅共掺杂的硅碳复合负极材料及其制备方法
CN119591083A (zh) * 2024-12-06 2025-03-11 广东凯金新能源科技股份有限公司 生物质基硬炭负极材料及其制备方法与钠离子电池

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001210315A (ja) 2000-01-25 2001-08-03 Sanyo Electric Co Ltd リチウム二次電池用電極及びこれを用いたリチウム二次電池
CN113809311A (zh) 2020-06-15 2021-12-17 溧阳天目先导电池材料科技有限公司 磷掺杂软碳包覆硅基锂离子负极材料及其制备方法和应用
CN114843480A (zh) 2022-05-23 2022-08-02 常州烯源谷新材料科技有限公司 一种硅磷共掺杂硬碳复合材料及其制备方法和应用

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101522963B1 (ko) * 2007-11-12 2015-05-26 산요덴키가부시키가이샤 비수 전해질 2차전지 부극재, 비수 전해질 2차전지용 부극 및 비수 전해질 2차전지, 및 비수 전해질 2차전지 부극재의 활물질용 다결정 규소 입자의 제조방법
CN107623118B (zh) * 2017-09-30 2020-07-07 三峡大学 一种首次库伦效率提高的磷掺杂多孔碳负极材料的制备方法
CN108172775A (zh) * 2017-11-23 2018-06-15 合肥国轩高科动力能源有限公司 一种锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料及其制备方法
GB2587328B (en) * 2019-09-10 2021-12-22 Nexeon Ltd Composite materials and methods
CN114467198B (zh) * 2019-10-09 2024-08-30 中国石油化工股份有限公司 负极材料及其制备方法和应用以及锂离子电池
CN116544413B (zh) * 2023-04-25 2026-02-17 浙江锂宸新材料科技有限公司 一种磷掺杂硅基复合负极材料的制备方法及其产品和应用

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001210315A (ja) 2000-01-25 2001-08-03 Sanyo Electric Co Ltd リチウム二次電池用電極及びこれを用いたリチウム二次電池
CN113809311A (zh) 2020-06-15 2021-12-17 溧阳天目先导电池材料科技有限公司 磷掺杂软碳包覆硅基锂离子负极材料及其制备方法和应用
CN114843480A (zh) 2022-05-23 2022-08-02 常州烯源谷新材料科技有限公司 一种硅磷共掺杂硬碳复合材料及其制备方法和应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN116544413B (zh) 2026-02-17
CN116544413A (zh) 2023-08-04
JP2025522226A (ja) 2025-07-14
WO2024221639A1 (zh) 2024-10-31
KR20240158768A (ko) 2024-11-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7842782B2 (ja) リンドープシリコン系の複合負極材料の作製方法及びその製品と使用
KR101866004B1 (ko) 리튬 이온 전지용 나노 실리콘 복합 음극 활성 재료의 제조 방법 및 리튬 이온 전지
JP4450192B2 (ja) 珪素複合体及びその製造方法並びに非水電解質二次電池用負極材
TWI504562B (zh) 非水電解質二次電池負極用碳質材料及其製造方法
Park et al. Enhancing the rate performance of graphite anodes through addition of natural graphite/carbon nanofibers in lithium-ion batteries
CN115064667A (zh) 一种基于低结晶纤维素含量的生物质硬碳及其制备方法和应用
US20040227264A1 (en) Methods for fabricating improved graphite granules
CN113851627A (zh) 一种多孔硅碳负极材料及其制备方法
CN111048770A (zh) 一种三元掺杂的硅基复合材料及其制备方法和应用
WO2012126338A1 (zh) 一种锂离子电池硅碳复合负极材料及其制备方法
JP2025537581A (ja) 多孔性カーボンおよびその製造方法、シリコンカーボン負極材料、並びにシリコンカーボン負極材料の製造方法
CN118763211B (zh) 一种石墨烯掺杂硅碳材料的制备方法
CN114551871A (zh) 一种球形硬碳复合材料及其制备方法和应用
WO2023116943A1 (zh) 一种限域二氧化硅/多壁碳纳米管复合材料及其制备方法和应用
JP2018170246A (ja) リチウム二次電池用複合活物質およびその製造方法
CN116895747B (zh) 磷掺杂硅碳复合材料及其制备方法、及二次电池
CN109360962B (zh) 一种锂电池用高稳定性硅碳负极材料及其制备方法
JP2026512914A (ja) 負極材料及びその製造方法、リチウムイオン電池
JP2017134937A (ja) リチウム二次電池用複合活物質およびその製造方法
CN118495536B (zh) 一种煤沥青基硅碳复合前驱体材料以及由其制备的硅碳负极材料和它们的制备方法
CN118299538A (zh) 低膨胀硅碳负极材料及其制备方法、负极片和扣电电池
CN115663131A (zh) 一种碳纳米管/硅/碳复合负极材料及其制备方法
CN118367128A (zh) 一种制备球形硅纳米线/碳复合材料的方法及应用
CN114824199B (zh) 一种碳化硅-硅-石墨复合材料及其制备方法和应用
CN113942991A (zh) 硅碳-石墨复合负极材料及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20231020

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20250623

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20251107

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20251112

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20251121

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20260304

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20260327

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7842782

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150