KR20230029836A

KR20230029836A - 마이크로복합 합금 구조

Info

Publication number: KR20230029836A
Application number: KR1020237002406A
Authority: KR
Inventors: 리차드 케이. 홀만; 리어 내이션
Original assignee: 6케이 인크.
Priority date: 2020-06-25
Filing date: 2021-06-22
Publication date: 2023-03-03
Also published as: EP4173060A1; CA3180426A1; AU2021297476A1; US20240088369A1; US11855278B2; CN116034496A; WO2021263273A1; JP2023532457A; US20210408533A1; TW202204258A

Abstract

본원은 연신 내성 입자, 상기 구조를 제조하는 방법, 및 상기 구조를 형성하기 위한 공급원료의 실시양태를 개시한다. 일부 실시양태에서, 구조는 에너지 저장 구조 및 보강 구조의 교번 영역을 포함할 수 있다. 유리하게는, 연신 내성 입자가 리튬 이온 전지의 애노드 내에 사용될 때, 보강 구조는 입자에 기계적 안정성을 제공할 수 있으며, 따라서 사이클 수명을 증가시킬 수 있다.

Description

마이크로복합 합금 구조

관련 분야의 설명

Si, Si 합금, SiO, 및 Sn 합금을 포함하는 합금-형 애노드 물질은 20 년 이상 동안 치열한 연구 분야였다. 이 클래스의 물질에 대한 이점은 탄소(주로 흑연)를 기초로 한 종래의 애노드 물질에 비해 리튬(Li) 저장 용량, 또는 단순 용량에서의 큰 증가이며, 통상적인 상업용 흑연 애노드와 비교하여 Si의 경우에 10x 만큼 크다. 그러나, 흑연에 대한 완전 대체로서 이의 채택은 매우 열악한 사이클 수명에 의해 지연되어 왔다. 실리콘(Si)은 완전 리튬화시 300% 부피 증가, 및 후속 탈리튬화시 300% 감소를 겪는다. 이 대규모 부피 사이클링은 Si 입자에 대한 기계적 손상을 야기하고, 이는 재료 단선, 신선 표면을 야기하며, 이는 전해질과 반응하고 리튬을 소모하는 한편, 부동화시키고, 따라서 최악의 경우에 약간의 사이클만에 용량 손실 및 임피던스 성장을 야기한다. 결과적으로, 합금 애노드는 일반적으로 총 활성 물질의 < 10%에서 매우 미세한 합금 입자와 흑연의 혼합으로 상업적으로 제한되어 왔다.

본원은 적어도 하나의 원소를 포함하고, 이온을 저장하도록 구성되는 에너지 저장 구조(또는 상), 및 에너지 저장 상으로부터 상 분리되는 하나 이상의 원소를 포함하는 보강 구조(또는 상)를 포함하는 복합 구조를 포함하는 연신 내성 입자의 실시양태를 개시한다. 이 상 분리는 공정 또는 공석 반응을 통한 것일 수 있으며, 보강 구조는 에너지 저장 구조에 기계적 지지를 제공한다.

일부 실시양태에서, 에너지 저장 구조는 실리콘 및/또는 주석을 포함한다. 일부 실시양태에서, 보강 구조는 니켈, 구리, 철, 알루미늄, 마그네슘, 망간, 코발트, 몰리브덴, 지르코늄, 바나듐, 티타늄, 크롬, 비스무트, 안티모니, 게르마늄, 붕소, 인, 탄소, 황, 질소, 및/또는 산소를 포함한다. 일부 실시양태에서, 에너지 저장 구조는 실리콘을 포함하고 보강 구조는 니켈 및 실리콘을 포함한 금속간 화합물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 금속간 화합물은 NiSi₂ 및 NiSi를 포함한다. 일부 실시양태에서, 보강 구조는 에너지 저장 구조의 니켈 함량에 비해 높은 니켈 함량을 포함한다.

일부 실시양태에서, 복합 구조는 약 0.56 이상의 실리콘 몰분율을 포함한다. 일부 실시양태에서, 복합 구조는 약 0.7 이상의 실리콘 몰분율을 포함한다.

일부 실시양태에서, 에너지 저장 구조는 실리콘을 포함하고 보강 구조는 구리 및 실리콘을 포함한 금속간 화합물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 금속간 화합물은 Cu₁₉Si₆을 포함한다. 일부 실시양태에서, 보강 구조는 에너지 저장 구조의 구리 함량에 비해 높은 구리 함량을 포함한다.

일부 실시양태에서, 복합 구조는 복수의 에너지 저장 구조 및 복수의 에너지 저장 구조에 결합하는 복수의 보강 구조를 포함한다.

일부 실시양태에서, 복합 구조는 약 0.24 이상의 실리콘 몰분율을 포함한다. 일부 실시양태에서, 복합 구조는 약 0.32 이상의 실리콘 몰분율을 포함한다.

또한, 본원은 공정 또는 공석 반응에 의해 2 이상의 상으로 상 분리되는 특정 비의 구성 원소를 갖는 미세하게 분할된 액적 또는 입자를 포함하는 공급원료를 제조하는 단계, 공급원료를 마이크로파 플라즈마 토치의 플라즈마 또는 플라즈마 배기가스 내로 도입시켜, 공급원료를 용융시키는 단계, 및 공급원료를 신속하지만 제어된 방식으로 냉각시켜, 에너지 저장 구조 및 에너지 저장 구조에 기계적 지지를 제공하는 보강 구조를 포함하는 복합 구조를 생성하는 하나 이상의 상 분리를 야기하는 공정 또는 공석 전이를 촉발시키는 단계를 포함하는, 연신 내성 입자를 제조하는 방법의 실시양태를 개시한다.

일부 실시양태에서, 공급원료는 구리, 니켈 또는 철 중 적어도 하나 및 실리콘을 포함한다. 일부 실시양태에서, 공급원료는 구리를 포함하고 약 0.24 이상의 실리콘 몰분율을 포함한다. 일부 실시양태에서, 공급원료는 구리를 포함하고 약 0.32 이상의 실리콘 몰분율을 포함한다. 일부 실시양태에서, 공급원료는 니켈을 포함하고 약 0.56 이상의 실리콘 몰분율을 포함한다. 일부 실시양태에서, 공급원료는 니켈을 포함하고 약 0.7 이상의 실리콘 몰분율을 포함한다.

또한, 본원은 복수의 에너지 저장 구조 및 보강 구조를 포함하는 제자리(in-situ) 형성된 복합 구조를 포함하는 복수의 연신 내성 입자를 포함하고, 에너지 저장 상이 실질적으로 실리콘을 포함하고, 보강 구조가 공정 또는 공석 반응에 의해 실리콘을 갖는 2 이상의 상으로 상 분리되는 원소 또는 원소들을 포함하는, 리튬 이온 전지의 애노드의 실시양태를 개시한다.

일부 실시양태에서, 원소는 니켈, 구리 또는 철 중 적어도 하나를 포함한다.

또한, 본원은 적어도 하나의 원소를 포함하고, 이온을 저장하도록 구성되는 에너지 저장 상, 및 하나 이상의 원소를 포함하는 보강 상을 포함하는 복합 구조를 포함하고, 용융물로부터 냉각시, 공정 또는 공석 전이가 발생하여 2 이상의 별개 상으로의 상 분리를 야기하고, 이중 적어도 하나가 에너지 저장 상이고, 이중 적어도 하나가 보강 상이고, 입자 수준의 제자리 성장 복합 마이크로구조를 야기하고, 보강 상 또는 상들이 에너지 저장 상 또는 상들에 기계적 지지를 제공하는, 연신 내성 입자의 실시양태를 개시한다.

추가 실시양태는 본원에 개시된 바와 같은 입자에 관한 것이다.

추가 실시양태는 본원에 개시된 바와 같은 분말에 관한 것이다.

추가 실시양태는 본원에 개시된 바와 같은 입자를 제조하는 방법에 관한 것이다.

도 1a는 본 발명에 따른 예시적 연신 내성 입자의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이다.
도 1b는 도 1a의 입자의 고농도의 실리콘(Si)의 영역을 나타내는 에너지-분산 X-선 분광법(EDS) 원소 조성 맵이다.
도 1c는 도 1a의 입자의 고농도의 니켈(Ni)의 영역을 나타내는 EDS 원소 조성 맵이다.
도 2a는 실리콘 및 니켈의 공정 또는 공석 조성으로 구성된 예시적 연신 내성 입자의 이미지이다.
도 2b는 실리콘 및 니켈의 공정 또는 공석 조성으로 구성된 예시적 연신 내성 입자의 이미지이다.
도 3은 실리콘 및 구리의 과공정 조성으로 구성된 예시적 연신 내성 입자의 이미지이다.
도 4는 본 발명에 따른 연신 내성 입자를 사용하는 리튬 이온 전지의 예시적 애노드의 용량 대 전압의 차트이다.
도 5는 본 발명에 따른 분말을 생산하는 방법의 예시적 실시양태를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시양태에 따른 분말의 생산에 사용될 수 있는 마이크로파 플라즈마 토치의 실시양태를 나타낸다.
도 7a-7b는 본 발명의 측면 공급 호퍼 실시양태에 따른 분말의 생산에 사용될 수 있는 마이크로파 플라즈마 토치의 실시양태를 나타낸다.

본원은 연신 내성 물질을 형성하기 위한 방법, 분말/입자, 구조, 공급원료, 및 전구체, 및 상기 물질을 혼입하는 장치의 실시양태를 개시한다. 물질은 연신-내성 합금-형 애노드를 위한 특정 입자 수준 복합 구조의 분말일 수 있다. 연신-내성 합금-형 애노드는 연신 내성 입자를 포함할 수 있으며, 이는 에너지 저장으로부터 생성된 연신을 견딜 수 있는 구조를 포함할 수 있으며, 따라서 입자가 파손되는 것을 예방할 수 있다.

일부 실시양태에서, 입자 수준 복합 구조는 에너지 저장 구조(예를 들어, 상, 화학물질, 제형, 구성, 프레임워크) 및 보강 구조(예를 들어, 상, 화학물질, 제형, 구성, 프레임워크) 둘 다를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 입자는 에너지 저장 구조 및 보강 구조의 교번 영역을 포함할 수 있다. 보강 상은 일부 에너지 저장 용량을 가질 수 있다.

복합 구조의 특징 크기는 미크론 규모 내지 나노-규모의 단위일 수 있다. 본원에 개시된 바와 같이, 분말은 특정 공급원료 물질을 마이크로파 플라즈마 토치에서 가공함으로써, 또는 다른 가공 방법에 의해 형성될 수 있다. 가공은 공급원료를 마이크로파 플라즈마 토치, 마이크로파 플라즈마 토치의 플라즈마 플룸(plume), 및/또는 마이크로파 플라즈마 토치의 배기가스 내로 공급하는 단계를 포함할 수 있다. 위치는 사용되는 공급원료의 유형에 따라 달라질 수 있다. 또한, 공급원료는 상이한 요건에 기초하여 생산되거나 선택될 수 있다. 요건의 예는 종횡비, 입자 크기 분포(PSD), 화학물질, 밀도, 직경, 구형도, 산소화, 및 공극 크기이다. 가공은 제어된 냉각 속도를 통해 가공된 공급원료를 냉각시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 높은 냉각 속도는 미세한 구조를 야기한다는 것이 발견되었다.

예시적 분말의 입자의 예가 도 1a-1c에 나타나 있다. 도 1a는 입자의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 나타낸다. 도 1b는 도 1a의 입자의 고농도의 실리콘(Si)의 영역을 나타내기 위해 특정 영상화 공급원을 사용한 에너지-분산 X-선 분광법(EDS) 원소 조성 맵을 나타낸다. 도 1c는 고농도의 니켈(Ni)의 영역을 나타내기 위해 특정 영상화 공급원을 사용한 EDS 원소 조성 맵을 나타낸다. 입자는 제자리 형성된 복합 합금 구조를 함유한다. 전지에서 사용될 때, 고농도의 Si 영역은 에너지 저장 구조를 이루는 한편, 고농도의 Ni 영역은 보강 구조를 이룬다.

에너지 저장 구조는 하전된 이온을 저장하는 한편, 보강 구조는 주로 에너지를 저장할 때 에너지 저장 구조의 큰 팽창으로 인한 입자 파손을 예방하기 위한 고강도 구조 멤버로서 기능한다. 보강 구조(1004)는 또한 희석제 상으로서 작용함으로써 팽창에 대한 저항을 제공하며, 이는 제어된 방식으로 입자의 전체 팽창을 감소시킨다. 보강 구조(1004)는 전기 전도체로서 추가로 작용하여, 전자가 입자에 들어가고 나가기 위한 낮은 저항 경로를 제공한다. 나타낸 바와 같이, 에너지 저장 구조(1002) 및 보강 구조(1004)의 교번 영역이 있다.

일부 실시양태에서, 에너지 저장 구조(1002)는 Si, Si 합금, 예컨대 실리콘 옥사이드(SiO), 주석(Sn), 또는 Sn 합금, 예컨대 주석 옥사이드(SnO)를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 에너지 저장 구조는 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 은(Ag), 아연(Zn), 안티모니(Sb), 비스무트(Bi), 및/또는 납(Pb)의 임의의 조합을 포함할 수 있다.

일부 실시양태에서, 보강 구조(1004)는 에너지 저장 구조(1002)의 원소 및 니켈(Ni), 구리(Cu), 철(Fe), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 비스무트(Bi), 안티모니(Sb), 게르마늄(Ge), 붕소(B), 인(P), 탄소(C), 황(S), 질소(N), 및/또는 산소(O)의 조합을 포함할 수 있다.

일부 실시양태에서, 보강 구조는 에너지 저장 용량의 적어도 일부 수준, 예컨대 0 내지 에너지 저장 상에 비해 적은 값을 나타낼 수 있다. 보강 구조(1004)의 에너지 저장 용량은 에너지 저장 구조(1002)의 에너지 저장 용량에 비해 적을 수 있다. 에너지 저장 구조(1002) 및 보강 구조(1004)에 포함된 원소(들)는 예를 들어, 공정 또는 공석 반응을 통해 2 이상의 상으로 상 분리되는 2 이상의 원소를 포함하도록 선택될 수 있다. 2 이상의 상은 안정 상 및/또는 평형 준안정 상일 수 있다.

예시적 상 분리 시스템은 Ni-Si 시스템을 포함하며, 이는 화학양론 및 냉각 속도에 따라 NiSi, NiSi₂, Ni₂Si, 및 Si와 같은 Ni 및 Si의 화합물의 다중상 복합 구조를 생산한다. 다른 예시적 상 분리 시스템은 Cu-Si 시스템이며, 이는 Cu₁₉Si₆, Cu₁₅Si₄, Cu₃₃Si₇, Cu₉Si₂, 및 Si와 같은 Cu 및 Si의 화합물의 다중상 복합 구조를 생산한다. 다른 예시적 상 분리 시스템은 Fe-Si 시스템을 포함하며, 이는 FeSi₂, FeSi, 및 Si와 같은 Fe 및 Si의 화합물의 다중상 복합 구조를 생산한다. 일부 실시양태에서, 상 분리 시스템은 Ni, Cu, 및/또는 Fe 및 Si의 조합을 포함할 수 있다. 상 분리를 통해 생성된 상 중 적어도 하나는 에너지 저장 구조(1002)이고 상 중 적어도 하나는 보강 구조(1004)이다.

일 예에서, 분말은 X의 Ni 및 1-X(또는 100%-X)의 Si를 포함하며, 이때 X는 15% 내지 44%(또는 약 15% 내지 약 44%)이다. 일부 구현예에서, X는 또한 0% 근접 내지 40%(또는 약 0% 내지 약 40%) 또는 10% 내지 33%(또는 약 10% 내지 약 33%)일 수 있다. 다른 예에서, 분말은 Y의 Cu 및 1-Y(또는 100%-Y)의 Si를 포함하며, 이때 Y는 0% 근접 내지 76%(또는 약 0% 내지 약 76%) 또는 10% 내지 68%(또는 약 10% 내지 약 68%)이다. 다른 예에서, 분말은 Z의 Fe 및 1-Z(또는 100%-Z)의 Si를 포함하며, 이때 Z는 0% 내지 44%(또는 약 0% 내지 약 44%) 또는 10% 내지 30%(또는 약 10% 내지 약 30%)이다. 일부 실시양태에서, Si의 비율은 낮은 한편(25% 약간 초과 또는 약 25% 약간 초과), 여전히 에너지 저장 구조를 유지할 수 있다. 이들 실시양태에서, 비-평형 구조 또는 비정질 상이 생산되며, 이는 에너지 저장 구조일 수 있다. 비-평형 상은 에너지 저장, 보강, 또는 둘 다일 수 있다.

분말이 리튬 이온(Li-이온) 전지의 애노드에서 사용될 때, 에너지 저장 구조(1002)는 Li-이온 전지의 애노드 내의 리튬(Li) 저장을 제공한다. 그러나, 이전에 기재된 바와 같이, Li-이온 전지 내에서의 부피 사이클링은 애노드 구조 상에서 연신을 야기한다. 리튬 이온 전지를 안정화시키기 위해, 에너지 저장 구조(1002) 및 보강 구조(1004) 둘 다를 포함하는 복합 구조를 포함하는 것은 연신 내성을 제공하며, 이는 보강 구조(1004)가 연신을 효과적으로 흡수하고, 따라서 분말의 사이클 수명을 연장시킬 수 있기 때문이다. 특정 이론에 의해 제한됨 없이, 보강 구조(1004)는 요구되지 않더라도 연성일 수 있으며, 따라서 에너지 저장 구조(1002)로서 기계적으로 안정적일 수 있다. 보강 구조(1004) 및 에너지 저장 구조(1002)는 미크론 또는 서브미크론 규모에서 밀접하게 혼합되고, 따라서 에너지 저장 구조(1002)는 보강 구조(1004)에 의해 지지되고 강화된다. 나타낸 바와 같이, 에너지 저장 구조(1002) 및 보강 구조(1004)는 함께 결합된다. 결합은 화학적 및/또는 물리적 결합 둘 다일 수 있고 주로 화학적 결합일 수 있다.

에너지 저장 구조(1002) 및 보강 상(1004)의 강도 및 강직도 둘 다는 구조 사이의 결합의 강도를 기초로 하여 증가될 수 있다. 연신을 효과적으로 흡수하고 분말 물질의 사이클 수명을 연장시키는 능력은 에너지 저장 구조(1002) 및 보강 구조(1004) 둘 다의 크기 규모를 기초로 할 것이다. 미세한 마이크로구조는 연신을 흡수하는 높은 능력, 및 이에 따른 연장된 사이클 수명을 산출할 수 있다. 일부 실시양태에서, 마이크로구조는 1 μm 미만(또는 약 1 μm 미만)의 크기, 500 nm 미만(또는 약 500 nm 미만)의 크기, 또는 100 nm 미만(또는 약 100 nm 미만)의 크기일 수 있다.

특히, 에너지 저장 구조(1002)에서 미세한 마이크로구조는 장치의 작동 동안 부피 팽창으로 인해 기계적 응력을 생성하는 상의 형성을 억제할 수 있다. 예를 들어, Li-이온 전지에서 사용되고 에너지 저장 구조(1002)가 Si를 포함할 때, Li 및 Si는 조합되어, Li₁₅Si₄를 생성할 수 있으며, 이는 큰 부피 팽창으로 인한 기계적 응력을 생성한다. 미세한 마이크로구조를 갖는 복합 구조는 부피 팽창에 저항함으로써 Li₁₅Si₄의 생성을 억제할 수 있다. 에너지 저장 구조(1002) 및 보강 구조(1004)의 전체 마이크로구조 및 크기 규모는 가공 후 입자의 냉각 속도를 기초로 하여 맞춤화될 수 있다. 일부 실시양태에서, 냉각 속도는 초당 1000℃ 초과(또는 초당 약 1000℃ 초과)일 수 있으나, 특정 냉각 속도가 제한되지는 않는다.

또한, 분말의 작은 입자 크기는 개선된 강도를 제공할 수 있으며, 이는 균열 전파를 중단시킴으로써 구조적 온전함의 손실 없이 분말이 더욱 손상 내성이 되게 하며, 적어도 부분적으로 3 차원 연신을 효과적으로 2 차원 연신 또는 1 차원 연신으로 감소시킬 수 있다. 연신의 차원의 감소는 증가된 손상 내성을 야기한다. 분말의 작은 입자 크기는 또한 미세한 규모(예를 들어, 미크론, 나노미터 규모)에서 보강 구조(1004) 상의 팽창 및/또는 수축 응력을 분산시키며, 따라서 전체 보강 구조(1004) 상의 응력을 더욱 분산시킨다.

일부 실시양태에서, 보강 구조(1004)는 전도성 또는 반-전도성이어서, 전자가 구조에 들어가고 나가기 위한 낮은 저항 경로를 제공할 수 있으며, 이는 전지 구조 내의 덜 전도성인 첨가제의 사용을 야기할 수 있다. 또한, 보강 구조(1004)가 전도성 또는 반-전도성일 때, 분말의 입자의 폭에 걸친 전압 강하가 감소한다. 분말이 전지에서 사용될 때, 이는 분말의 입자 내의 충전의 상태에서 낮은 임피던스, 개선된 레이트 용량, 및 낮은 변형을 생성한다.

보강 구조(1004)의 전도성은 열악한 전도성 에너지 저장 구조(1002)를 완화시킬 수 있다. 보강 구조(1004)는 이온 전도체일 수 있다. 보강 구조(1004)는 에너지 저장 구조(1002)의 큰 팽창으로 인한 입자 파손을 예방하기 위해 고강도 구조 멤버일 수 있다. 보강 구조(1004)는 에너지 저장 동안 입자의 팽창에 대한 저항을 제공할 수 있다. 보강 구조(1004)는 희석제 구조일 수 있으며, 이는 제어된 방식으로 입자의 전체 팽창을 감소시킬 수 있다. 일부 실시양태에서, 에너지 저장 구조(1002) 및 보강 구조(1004)의 양은 전지 용량과 연장된 사이클 수명 사이의 교환을 위해 조정될 수 있다. 일부 실시양태에서, 낮은 양의 에너지 저장 구조(1002)는 낮은 에너지 저장으로 인해 팽창 및 수축의 양을 낮추며, 이는 분말의 사이클 수명 연장에 도움을 줄 수 있다.

도 2a는 실리콘 및 니켈의 공정 또는 공석 조성으로 구성된 예시적 연신 내성 입자(1200a)의 SEM 이미지이다. 입자(1200a)는 0.56(또는 약 0.56)의 실리콘 몰분율 및 0.44(또는 약 0.44)의 니켈 몰분율을 포함한다. 입자(1200a)는 복수의 NiSi 영역(1204) 및 복수의 NiSi₂ 영역(1202)을 포함한 복합 구조를 포함한다. NiSi 영역(1204)은 에너지 저장 구조를 이루고 NiSi₂ 영역(1202)은 보강 구조를 이룬다.

도 2b는 실리콘 및 니켈의 공정 또는 공석 조성으로 구성된 예시적 연신 내성 입자(1200b)의 SEM 이미지이다. 입자(1200b)는 0.56(또는 약 0.56)의 실리콘 몰분율 및 0.44(또는 약 0.44)의 니켈 몰분율을 포함한다. 입자(1200b)는 복수의 NiSi 영역 및 복수의 NiSi₂ 영역을 포함한 복합 구조를 포함한다. 어두운 영역은 NiSi₂ 영역이고 밝은 영역은 NiSi 영역이다. NiSi 영역은 에너지 저장 구조를 이룰 수 있고 NiSi₂ 영역은 보강 구조를 이룰 수 있다.

도 3은 실리콘 및 구리의 과공정 조성으로 구성된 예시적 연신 내성 입자(1300)의 SEM 이미지이다. 입자(1300)는 0.68(또는 약 0.68)의 실리콘 몰분율 및 0.32(또는 약 0.32)의 구리 몰분율을 포함한다. 입자(1300)는 복수의 일차 Si 영역(1302) 및 Si 및 Cu-Si 금속간 화합물로 구성된 복수의 공정 구조 영역(1304)을 포함한 복합 구조를 포함한다. 금속간 화합물은 Cu₁₉Si₆로 구성될 수 있다.

일부 실시양태에서, 일차로 용융에서 온 "일차" Si의 영역이 있을 수 있고, 그 다음, 물질이 용융 영역의 바닥 아래로 냉각될 때, 나머지 액체가 Si 및 Cu₁₉Si₆의 영역으로 구성된 공정 구조로 전환된다.

Si 영역(1304)은 에너지 저장 구조를 이룰 수 있고 Cu₁₉Si₆ 영역(1302)은 보강 구조를 이룰 수 있다.

도 4는 Si 및 Ni를 포함한 연신 내성 입자를 사용하는 예시적 전지의 용량 대 전압을 나타내는 차트이다. 이 실시예에서, 입자는 85(또는 약 85) 몰% Si 및 15(또는 약 15) 몰% Ni를 함유한다. 나타낸 바와 같이, 수직 축은 전압(V 대 Li/Li+, 전압 대 리튬)을 나타내고 수평 축은 용량을 나타낸다. 차트는 2220 mAh/g 초과(또는 약 2220 mAh/g 초과)의 제1 충전 용량(2002)을 나타낸다. 나타낸 바와 같이, 용량은 약 0.1 V에서 감소하는 형상으로 전압이 증가할수록 감소한다. 일부 실시양태에서, Si 및 Ni를 포함한 연신 내성 입자를 사용하여 제조된 전지는 500 mAh/g 내지 3600 mAh/g(또는 약 500 mAh/g 내지 약 3600 mAh/g) 또는 1000 mAh/g 내지 3000 mAh/g(또는 약 1000 mAh/g 내지 약 3000 mAh/g)일 수 있다.

공급원료

본원은 연신-내성 고 에너지 저장 물질 구조로서 사용될 수 있는, 제자리 형성된 복합 합금 구조를 함유한 입자를 제조하기 위해 사용될 수 있는 공급원료 물질, 또는 공급원료 물질의 클래스를 개시한다. 상기 구조는 특히 충전 및 방전 동안 큰 사이클 부피 변화를 겪는 애노드 화학물질에 적용가능한 분말 형태, 예를 들어 Si-기반 합금, SiO, 및 Sn-기반 합금일 수 있다. 언급된 바와 같이, 연신 내성 분말은 교번하는 에너지 저장 구조 및 보강 구조로 구성될 수 있다. 에너지 저장 구조는 입자가 리튬 이온 전지의 애노드에서 사용될 때, 리튬 이온 입자를 저장할 수 있는 일차 에너지 저장 구조로서 사용될 수 있다.

상술한 입자를 생산하기 위한 예시적 공급원료는 사전결정된 비의 구성 원소를 갖는 미세하게 분할된 공급원료이다. 일부 실시양태에서, 공급원료는 사전결정된 비의 구성 원소를 갖는 혼합물의 분무 건조를 통해 생산된다. 이 실시양태에서, 사전결정된 비의 구성 원소의 혼합물이 생산될 수 있다. 이 혼합물은 결합제를 함유할 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 결합제는 폴리아크릴산, 폴리비닐 아세테이트, 카복시메틸셀룰로오스, 스티렌-부타디엔 고무 라텍스, 폴리비닐 알코올, 폴리에틸렌 글리콜, 전분, 및/또는 다른 적합한 결합제일 수 있다. 혼합물은 가스의 가열된 칼럼 내로 분무되어, 담체 용매를 제거하여, 정확한 평균 조성의 과립 공급원료를 생산할 수 있다. 이 공정은 분무 건조로 지칭될 수 있다. 과립 공급원료는 작은 입자 크기를 갖는 미세 입자 물질일 수 있다. 일부 실시양태에서, 분무 건조된 공급원료는 100 μm 미만(또는 약 100 μm 미만), 25 μm 미만(또는 약 25 μm 미만), 또는 10 μm 미만(또는 약 10 μm 미만), 또는 5 μm 미만(또는 약 5 μm 미만)의 입자 크기를 가질 수 있다.

일부 실시양태에서, 미세하게 분할된 공급원료는 대량 물질 또는 굵은 분말을 밀링하거나 그라인딩하여, 일반적으로 균일한 분말을 생산함으로써 제조될 수 있다. 일반적으로 균일한 분말은 작은 입자 크기를 갖는 미세 입자 물질일 수 있다. 일반적으로 균일한 분말은 100 μm 미만(또는 약 100 μm 미만), 25 μm 미만(또는 약 25 μm 미만), 또는 10 μm 미만(또는 약 10 μm 미만), 또는 5 μm 미만(또는 약 5 μm 미만)의 입자 크기를 가질 수 있다. 이 실시양태에서, 대량 물질 또는 굵은 분말은 사전결정된 비의 구성 원소를 함유할 수 있다. 그 다음에, 이 대량 물질 또는 굵은 분말은 밀링되어, 미세하게 분할된 공급원료를 생산한다. 일부 실시양태에서, 표적 구성 원소로 구성된 별도 대량 물질 또는 굵은 분말이 밀링되거나 그라인딩되어, 다중 구성요소의 미세 분말을 생산할 수 있으며, 생성된 미세하게 분할된 공급원료는 적절한 비로 조합되고 분무 건조되거나, 기계적으로 합금되거나, 이와 달리 조합되어, 적절한 사전결정된 비의 구성 원소를 갖는 균일한 분말을 생성할 수 있다. 기계적 합금은 기계적 밀링, 예컨대 볼 밀링에 의해 수행될 수 있다.

일부 실시양태에서, 미세하게 분할된 공급원료는 코어 상에 하나 이상의 구성 원소를 코팅함으로써 제조될 수 있다. 코팅은 전기증착에 의해 수행될 수 있으나, 코팅 방법은 제한되지 않는다. 이 실시양태에서, 사전결정된 원소 중 하나를 포함하는 코어가 제공된다. 코팅 공정은 코어 상에서 수행되며, 이는 하나 이상의 구성 원소로 코어를 코팅하여, 코팅된 코어가 사전결정된 비의 구성 원소를 포함한다. 코팅된 코어는 미세하게 분할된 공급원료를 이룬다. 따라서, 코팅 및 코어는 일부 실시양태에서 용융되고 균일하게 혼합될 수 있다.

사전결정된 비의 구성 원소는 에너지 저장 물질, 예컨대 Si, Sn, Mg, Ag, Zn, Al, Pb, Sb, Bi, 및 이의 합금 및/또는 화합물 및 하나 이상의 추가 합금 원소를 포함한다. 합금 원소는 용융물로부터 냉각시 에너지 저장 물질 및 하나 이상의 합금 원소가 공정 또는 공석 반응을 통해 복합 구조를 형성하는 하나 이상의 에너지 저장 상 및 하나 이상의 보강 상으로 상 분리될 수 있는 시스템을 형성하도록 선택될 수 있다. 유리한 복합 구조를 생산하기 위한 합금 원소는, 비제한적으로, Ni, Cu, Fe, Al, Mg, Co, Mo, Zn, Zr, V, Ti, Cr, Bi, Sb, Ge, B, P, C, S, N, 및 O를 포함한다. 특정 비율의 원소가 예컨대, 공정 또는 공석 상 분리를 제공하기 위해 선택될 수 있다. 에너지 저장 물질 및 하나 초과의 합금 원소가 추가 상 및/또는 보강을 갖는 더욱 복잡한 구조를 생산하기 위해 사용될 수 있다.

구체적인 예는 에너지 저장 구조로서 Si 및 보강 구조로서 Cu₁₉Si₆을 포함하는 2 상 공정 구조를 생성하기 위해 Si가 에너지 저장 물질이고 Cu가 합금 원소인 Si-Cu 공정 시스템을 포함한다. Si-Cu 시스템에서, Si 및 Cu₁₉Si₆을 포함하는 평형 2-상 영역은 Si가 조성 중 0.24 내지 1.0(또는 약 0.24 내지 약 1.0) 원자 분율을 구성할 때 존재하고, Si가 조성 중 0.32(또는 약 0.32) 원자 분율을 구성할 때 공정 조성을 갖는다. Si가 조성 중 0.32 내지 1(또는 약 0.32 내지 약 1) 원자 분율을 구성할 때 평형으로 존재하는 유일한 분자 구조는 Si 및 Cu₁₉Si₆이다.

아공정 조성은 Si가 조성 중 0.24 내지 0.32(또는 약 0.24 내지 약 0.32) 원자 분율을 구성할 때 발생한다. 아공정 조성에서, 존재하는 분자 구조는 공정 Si/Cu₁₆Si₆ 구조 및 과잉의 Cu₁₉Si₆ 구조이다. 공정 조성은 Si가 조성 중 약 0.32(또는 약 0.32) 원자 분율을 구성할 때 발생한다. 공정 조성에서, 유일한 공정 Si/Cu₁₉Si₆ 구조가 존재할 것이다. 과공정 조성은 Si가 조성 중 0.32 내지 1.0(또는 약 0.32 내지 약 1.0) 원자 분율을 구성할 때 발생하며, 이는 공정 Si/Cu₁₉Si₆ 구조 + 과잉의 Si 구조를 포함한다. 과잉의 Si 구조의 크기는 조성 및 냉각 속도에 의해 결정된다. 따라서, Si-Cu 시스템에서, 0.32(또는 약 0.32) 초과의 Si의 몰분율은 Si/Cu₁₉Si₆의 공정 구조 및 공정 구조에 분산된 일차 알갱이로서 존재하는 과잉의 Si를 함유하는 공급원료가 용융된 다음에, 재형성될 때 공정 상 분리를 생성할 것이다.

일부 실시양태에서, 공급원료는 x 몰분율의 Si 및 1-x 몰분율의 Cu를 포함하고, 이때 x는 0.24 초과(또는 약 0.24 초과) 또는 0.32 초과(또는 약 0.32 초과)이다. 일부 실시양태에서, x는 0.4 내지 0.95(또는 약 0.4 내지 약 0.95) 또는 0.5 내지 0.9(또는 약 0.5 내지 약 0.9)일 수 있다. Si의 몰분율이 높을수록 에너지 저장 용량이 크지만, 적은 보강 구조가 존재한다. 보강 구조는 사이클링 동안 부피 팽창 및 수축을 예방하며, 따라서 많은 양의 보강 상은 높은 사이클 수명을 야기한다.

일부 실시양태에서, Si의 중량%는 12% 초과(또는 약 12% 초과)일 수 있으며, 이는 0.24 초과(또는 약 0.24 초과) 원자 또는 몰분율과 동등하다. 일부 실시양태에서, Si의 중량%는 17% 초과(또는 약 17% 초과)일 수 있으며, 이는 0.32 초과(또는 약 0.32 초과) 원자 또는 몰분율과 동등하다. 일부 실시양태에서, Si의 중량%는 23% 초과(또는 약 23% 초과)일 수 있으며, 이는 0.4 초과(또는 약 0.4 초과) 원자 또는 몰분율과 동등하다. 일부 실시양태에서, Si의 중량%는 31% 초과(또는 약 31% 초과)일 수 있으며, 이는 0.5 초과(또는 약 0.5 초과) 원자 또는 몰분율과 동등하다. 일부 실시양태에서, Si의 중량%는 80% 초과(또는 약 80% 초과)일 수 있으며, 이는 0.9 초과(또는 약 0.9 초과) 원자 또는 몰분율과 동등하다. 일부 실시양태에서, Si의 중량%는 89% 초과(또는 약 89% 초과)일 수 있으며, 이는 0.95 초과(또는 약 0.95 초과) 원자 또는 몰분율과 동등하다.

다른 구체적인 예는 Si-Ni 금속간 보강 구조를 생성하기 위해 에너지 저장 물질로서 Si 및 합금 원소로서 Ni를 갖는 Si-Ni 시스템을 포함한다. Si-Ni 시스템에서, 공정 조성은 56(또는 약) 원자 또는 몰% Si로 존재한다. 평형에서 Si가 50 내지 67(또는 약 50 내지 약 67) 원자 또는 몰%인 조성에서, NiSi 및 NiSi₂로 구성된 공정 마이크로구조가 발생한다. 높은 냉각 속도에서, 비-평형 Si는 Si가 60 초과(또는 약 60 초과) 원자%인 경우 존재하며, 이는 고체 상태에서 운동 제한으로 인한 것일 수 있다.

Si가 67 초과(또는 약 67 초과) 원자%일 때, 평형에서 Si 구조 및 NiSi₂ 구조로 구성되는 복합 구조가 발생한다. Si 구조는 에너지 저장 구조일 수 있는 한편, NiSi₂는 보강 구조일 수 있다. 높은 냉각 속도에서, NiSi 구조가 또한 생산될 수 있다. 일부 실시양태에서, 공급원료는 0.85(또는 약 0.85) 원자 분율의 Si 및 0.15(또는 약 0.15) 원자 분율의 Ni를 포함한다.

일부 실시양태에서, 공급원료는 y 원자 분율의 Si 및 1-y 원자 분율의 Ni를 포함하며, 이때 y는 0.56(또는 약 0.56) 초과이다. 일부 실시양태에서, y는 0.6 내지 0.95(또는 약 0.6 내지 약 0.95) 또는 0.7 내지 0.9(또는 약 0.7 내지 약 0.9)일 수 있다. Si의 몰분율이 높을수록 에너지 저장 용량이 크지만, 적은 보강 구조가 존재한다. 보강 구조는 사이클링시 부피 팽창 및 수축을 제한할 수 있다. 따라서, 증가된 양의 보강 구조는 증가된 사이클 수명을 야기할 수 있다.

일부 실시양태에서, Si의 중량%는 38% 초과(또는 약 38% 초과)일 수 있으며, 이는 0.56 초과(또는 약 0.56 초과) 원자 또는 몰분율과 동등하다. 일부 실시양태에서, Si의 중량%는 42% 초과(또는 약 42% 초과)일 수 있으며, 이는 0.6 초과(또는 약 0.6 초과) 원자 또는 몰분율과 동등하다. 일부 실시양태에서, Si의 중량%는 53% 초과(또는 약 53% 초과)일 수 있으며, 이는 0.7 초과(또는 약 0.7 초과) 원자 또는 몰분율과 동등하다. 일부 실시양태에서, Si의 중량%는 81% 초과(또는 약 81% 초과)일 수 있으며, 이는 0.9 초과(또는 약 0.9 초과) 원자 또는 몰분율과 동등하다. 일부 실시양태에서, Si의 중량%는 90% 초과(또는 약 90% 초과)일 수 있으며, 이는 0.95 초과(또는 약 0.95 초과) 원자 또는 몰분율과 동등하다.

구성 원소의 특정 사전결정된 비의 마이크로파 플라즈마 가공 공급원료는 입자 수준의 복합 구조를 포함하는 교번하는 에너지 저장 구조 및 보강 구조의 입자를 고유하게 생산할 수 있다. 마이크로파 플라즈마 가공 후 냉각 동안, 특정 사전결정된 비의 구성 원소는 에너지 저장 구조 및 보강 구조로 구성된 복합 구조로 상 분리된다. 에너지 저장 구조의 특징적 크기는 5 μm 미만(또는 약 5 μm 미만), 1 μm 미만(또는 약 1 μm 미만), 500 nm 미만(또는 약 500 nm 미만), 또는 100 nm 미만(또는 약 100 nm 미만)일 수 있다. 에너지 저장 물질 및 합금 원소(들) 상 분리의 예상치 못한 결과가 공정 또는 공석 반응을 통해 발생하여, 보강된 제자리 성장 복합 구조를 형성한다는 것이 발견되었다.

최종 물질

최종 물질은 교번하는 에너지 저장 구조 및 보강 구조를 포함하는 제자리 형성된 복합 구조를 갖는 분말을 포함한다. 일부 실시양태에서, 에너지 저장 구조 또는 보강 구조 중 적어도 하나는 막대 또는 판상체 형상일 수 있다. 일부 실시양태에서, 에너지 저장 구조 또는 보강 구조 중 적어도 하나는 상호침투성 결정질 또는 비정질 상일 수 있다. 일부 실시양태에서, 에너지 저장 구조 및 보강 구조는 서로 교번한다.

보강 구조는 주로 에너지를 저장할 때, 저장 구조의 큰 팽창으로 인한 입자 파손을 예방하기 위한 고강도 구조 멤버로서 기능한다. 이전에 논의된 바와 같이, 완전 리튬화 동안, 리튬 이온 전지의 애노드는 부피에서 최대 300%(또는 최대 약 300%) 증가를 경험할 수 있으며, 이는 입자 상에 큰 연신을 발생시키고, 이는 입자가 파손되도록 야기할 수 있다. 입자 파손을 예방함으로써, 복합 마이크로구조의 보강 구조는 이 클래스의 고-에너지 애노드 물질을 사용하여 리튬 이온 전지의 연장된 사이클 수명의 오래 느껴진, 해결되지 않은 필요성을 충족시키기 위해 리튬 이온 전지의 사이클 수명을 연장시킬 수 있다. 복합 마이크로구조의 보강 구조는 추가로 팽창에 대한 저항을 제공할 수 있다. 보강 구조는 희석제 구조로서 제공될 수 있으며, 이는 입자의 전체 팽창을 제어하고, 예를 들어 입자의 전체 팽창을 감소시킬 수 있다. 보강 구조는 그렇지 않으면 존재할 에너지 저장 구조를 대체하며, 따라서 팽창 관리를 돕는다.

또한, 보강 구조는 에너지 저장 구조 및 보강 구조의 크기 규모가 작을 때, 에너지 저장 구조가 팽창될 수 있는 양을 제한할 수 있다. 보강 구조는 또한 입자가 겪는 전체 연신을 제한함으로써 팽창의 연신에 대한 저항을 제공할 수 있다. 보강 구조는 전기 전도체로서 추가로 제공되어, 전자가 구조에 들어가고 나가기 위한 낮은 저항 경로를 제공할 수 있다. 에너지 저장 구조는 그 자체가 열악한 전도체일 수 있으며, 따라서 보강 구조가 충전 및 방전 동안 입자의 내부 및 외부로의 전자에 대한 낮은 저항 경로를 제공할 수 있다. 낮은 저항 경로가 없는 경우, 전압 강하가 높을 것이고 저항은 클 것이며, 이는 입자의 전도 능력을 제한할 수 있다. 보강 구조는 이온 전도체일 수 있다. 보강 구조는 또한 에너지 저장 특성을 가질 수 있다.

연신을 효과적으로 흡수하고, 이에 따라 에너지 저장 구조 및 보강 구조를 갖는 입자의 사이클 수명을 연장하는 능력은 에너지 저장 구조 및 보강 구조 둘 다의 크기 및 규모, 에너지 저장 구조 및 보강 구조의 강도 및 강직도, 복합 구조의 형태학, 에너지 저장 구조 및 보강 구조의 상대 분율, 및 에너지 저장 구조와 보강 구조 사이의 결합의 강도와 관련될 것이다. 일부 실시양태에서, 복합 구조의 형태학은 판상체, 막대, 또는 구체 침전물일 수 있다.

또한, 플라즈마 가공 후 높은 냉각 속도를 사용하는 것은 복합 구조에서 미세한 크기 규모를 생산한다. 복합 구조의 미세한 크기 규모는 기계적 손상에 대한 저항을 최대화한다. 일부 실시양태에서, 냉각 속도는 초당 1000℃ 초과(또는 약 1000℃ 초과), 초당 900℃ 초과(또는 약 900℃ 초과), 초당 800℃ 초과(또는 약 800℃ 초과), 또는 초당 700℃ 초과(또는 약 700℃ 초과)일 수 있다. 또한, 높은 냉각 속도는 비-평형 상을 유지시킬 수 있으며, 이는 단지 평형 상으로 존재할 것에 비해 큰 분율의 에너지 저장 구조를 야기할 수 있다. 일부 실시양태에서, 추가 냉각시, 물질은 단일 상 고체 용액이 이의 용해도 제한 미만으로 하락하고 추가 상 분리될 때, 2 이상의 상 분리 영역(예를 들어, 2 또는 3 개 상 분리 영역)을 통과할 수 있다. 일부 실시양태에서, 물질은 냉각되어, 비-평형 구조를 유지할 수 있다. 일부 실시양태에서, 추가 가열이 수행되어, 상 분리를 유도할 수 있다. 추가 상 분리는 소망하는 미세 특징 크기를 생성할 수 있다.

일부 실시양태에서, 입자는 0.5 μm 내지 100 μm(또는 약 0.5 μm 내지 약 100 μm) 범위의 크기를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 입자는 20 μm(또는 약 20 μm) 미만의 크기를 가질 수 있다. 또한, 입자는 10 μm 내지 40 μm(또는 약 10 μm 내지 약 40 μm), 15 μm 내지 30 μm(또는 약 15 μm 내지 약 30 μm), 또는 17 μm 내지 25 μm(또는 약 17 μm 내지 약 25 μm)의 크기를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 입자는 1 μm 내지 5 μm(또는 약 1 μm 내지 약 5 μm) 또는 0.5 μm 내지 10 μm(또는 약 0.5 μm 내지 약 10 μm)의 크기를 가질 수 있다. 입자의 크기는 플라즈마 가공되는 공급원료의 크기에 의해 결정될 수 있다. 또한, 출발 공급원료 내의 원소의 비는 입자 내의 원소의 비를 결정할 수 있다. 따라서, 0.85(또는 약 0.85) 몰분율의 실리콘 및 0.15(또는 약 0.15) 몰분율의 니켈을 갖는 공급원료를 사용함으로써, 생성된 입자의 몰분율은 실질적으로 0.85(또는 약 0.85) 몰분율의 실리콘 및 0.15(또는 약 0.15) 몰분율의 니켈일 수 있다.

일부 실시양태에서, 에너지 저장 구조는 80%(또는 약 80%)의 입자를 포함할 수 있는 한편, 보강 구조는 20%(또는 약 20%)의 입자를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 에너지 저장 구조는 5% 초과(또는 약 5% 초과) 또는 10% 초과(또는 약 10% 초과)의 입자의 중량%를 갖는다. 일부 실시양태에서, 에너지 저장 구조는 20% 내지 80%(또는 약 20% 내지 약 80%) 또는 30% 내지 60%(또는 약 30% 내지 약 60%) 또는 20% 내지 95%(또는 약 20% 내지 약 95%)의 입자의 중량%를 갖는다.

구형도

일부 실시양태에서, 가공에 의해 달성된 최종 입자는 구체 또는 회전타원체일 수 있으며, 상기 용어는 상호교환적으로 사용될 수 있다.

본 발명의 실시양태는 실질적으로 구체 또는 회전타원체이거나 상당한 구상화를 겪은 입자를 생산하는 것에 관한 것이다. 일부 실시양태에서, 구체, 회전타원체 또는 구상화된 입자는 특정 임계 초과의 구형도를 갖는 입자를 지칭한다. 입자 구형도는 다음 식을 사용하여 입자의 것에 매칭되는 부피, V로 구의 표면적 A_s,이상을 계산하고:

그 다음에, 이상화된 표면적을 입자의 측정된 표면적, A_s,실제과 비교함으로써 계산될 수 있다:

.

일부 실시양태에서, 입자는 0.5, 0.6, 0.7, 0.75, 0.8, 0.9, 0.91, 0.95, 또는 0.99 초과(또는 약 0.5, 약 0.6, 약 0.7, 약 0.75, 약 0.8, 약 0.8, 약 0.91, 약 0.95, 또는 약 0.99 초과)의 구형도를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 입자는 0.75 이상 또는 0.91 이상(또는 약 0.75 이상 또는 약 0.91 이상)의 구형도를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 입자는 0.5, 0.6, 0.7, 0.75, 0.8, 0.9, 0.91, 0.95, 또는 0.99 미만(또는 약 0.5, 약 0.6, 약 0.7, 약 0.75, 약 0.8, 약 0.8, 약 0.91, 약 0.95, 또는 약 0.99 미만)의 구형도를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 입자는 상술한 구형도 값 중 임의의 것 이상의 구형도를 가질 경우, 구체, 회전타원체 또는 구상화된 것으로 고려되며, 일부 바람직한 실시양태에서, 입자는 이의 구형도가 0.75 또는 약 0.75 이상 또는 0.91 또는 약 0.91 이상인 경우, 구체인 것으로 고려된다.

일부 실시양태에서, 주어진 분말 내의 모든 입자의 중간 구형도는 0.5, 0.6, 0.7, 0.75, 0.8, 0.9, 0.91, 0.95, 또는 0.99 초과(또는 약 0.5, 약 0.6, 약 0.7, 약 0.75, 약 0.8, 약 0.8, 약 0.91, 약 0.95, 또는 약 0.99 초과)일 수 있다. 일부 실시양태에서, 주어진 분말 내의 모든 입자의 중간 구형도는 0.5, 0.6, 0.7, 0.75, 0.8, 0.9, 0.91, 0.95, 또는 0.99 미만(또는 약 0.5, 약 0.6, 약 0.7, 약 0.75, 약 0.8, 약 0.8, 약 0.91, 약 0.95, 또는 약 0.99 미만)일 수 있다. 일부 실시양태에서, 분말은 주어진 분말에 대해 측정된 입자의 전부 또는 임계 비율(하기 분율 중 임의의 것에 의해 기재된 바와 같음)이 상술한 구형도 값 중 임의의 것 이상의 중간 구형도를 가질 경우, 구상화된 것으로 고려되며, 일부 바람직한 실시양태에서, 분말은 입자의 전부 또는 임계 비율이 0.75 또는 약 0.75 이상 또는 0.91 또는 약 0.91 이상의 중간 구형도를 가질 경우, 구상화된 것으로 고려된다.

일부 실시양태에서, 상기 기재된 바와 같은 상기 주어진 구형도 임계일 수 있는 분말 내의 입자의 분율은 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 또는 99% 초과(또는 약 50%, 약 60%, 약 70%, 약 80%, 약 90%, 약 95%, 또는 약 99% 초과)일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 기재된 바와 같은 상기 주어진 구형도 임계일 수 있는 분말 내의 입자의 분율은 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 또는 99% 미만(또는 약 50%, 약 60%, 약 70%, 약 80%, 약 90%, 약 95%, 또는 약 99% 미만)일 수 있다.

입자 크기 분포 및 구형도는 임의의 적합한 알려진 기술에 의해, 예컨대 SEM, 광학 현미경, 동적 광 산란, 레이저 회절, 예를 들어 동일한 물질 박편 또는 샘플의 적어도 3 개 이미지에 대한 이미지 당 약 15-30 개 측정치로부터 이미지 분석 소프트웨어를 사용한 치수의 수동 측정, 및 임의의 다른 기술에 의해 결정될 수 있다.

개시된 공정의 실시양태는 분말 밀도, 가스 흐름 및 체류 시간이 제어되는 마이크로파 생성된 플라즈마 내로 분말 공급기를 사용하여 분말을 공급하는 단계를 포함할 수 있다. 공정 파라미터, 예컨대 분말 밀도, 플라즈마에서 분말의 유속 및 체류 시간은 분말 물질의 물리적 특징, 예컨대 용융점 및 열 전도성에 의존할 수 있다. 분말 밀도는 20 W/cm³ 내지 500 W/cm³(또는 약 20 W/cm³ 내지 약 500 W/cm³)의 범위일 수 있다. 총 가스 흐름은 0.1 cfm 내지 50 cfm(또는 약 0.1 cfm 내지 약 50 cfm)의 범위일 수 있고, 체류 시간은 1 ms 내지 10 초(또는 약 1 ms 내지 약 10 초)로 조정될 수 있다. 이 범위의 공정 파라미터는 광범위한 용융점 및 열 전도성을 갖는 물질에 대해 요구되는 가공 파라미터를 커버할 것이다.

상이한 환경 가스가 상이한 적용을 위해 사용될 수 있다.

플라즈마 가공

상기 개시된 입자/구조/분말/전구체는 다수의 상이한 가공 절차에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 분무/화염 열분해, 무선주파수 플라즈마 가공, 및 고온 분무 건조기가 전부 사용될 수 있다. 다음 개시내용은 마이크로파 플라즈마 가공에 대한 것이지만, 발명은 이에 제한되지 않는다.

일부 경우에, 공급원료는 액적 제조 장치를 통해 공급될 수 있는 액체 담체 배지에 현탁된 구성 고체 물질을 함유한 잘 혼합된 슬러리를 포함할 수 있다. 액적 제조 장치의 일부 실시양태는 네뷸라이저 및 분무기를 포함한다. 액적 제조기는 대략 1 um - 200 um 범위의 직경을 갖는 용액 전구체 액적을 생산할 수 있다. 액적은 마이크로파 플라즈마 토치, 마이크로파 플라즈마 토치의 플라즈마 플룸, 및/또는 마이크로파 플라즈마 토치의 배기가스 내로 공급될 수 있다. 각각의 액적은 마이크로파 플라즈마 토치에 의해 생성된 플라즈마 고온 영역 내에서 가열되기 때문에, 담체 액체는 제거되고 나머지 건조 구성요소는 용융되어, 구성 원소를 함유하는 용융된 액적을 형성한다. 플라즈마 가스는 아르곤, 질소, 헬륨 수소 또는 이의 혼합물일 수 있다.

일부 실시양태에서, 액적 제조 장치는 마이크로파 플라즈마 토치의 측면에 있을 수 있다. 공급원료 물질은 마이크로파 플라즈마 토치의 측면으로부터 액적 제조 장치에 의해 공급될 수 있다. 액적은 마이크로파 생성된 플라즈마 내로 임의의 방향으로부터 공급될 수 있다.

비정질 물질은 전구체가 소망하는 물질로 가공된 다음에, 원자가 결정 상태에 도달하는 것을 예방하기에 충분한 속도로 냉각된 후 생산될 수 있다. 냉각 속도는 물질을 고속 가스 흐름에서의 가공 0.05 - 2 초 이내에 켄칭함으로써 달성될 수 있다. 고속 가스 흐름 온도는 -200℃ - 40℃의 범위 내 일 수 있다.

대안적으로, 결정질 물질은 플라즈마 길이 및 반응기 온도가, 원자가 이의 열역학적으로 선호되는 결정학적 위치로 확산되기 위해 필요한 시간 및 온도를 갖는 입자를 제공하기에 충분할 때 생산될 수 있다. 플라즈마의 길이 및 반응기 온도는 파라미터, 예컨대 전력(2 - 120kW), 토치 직경(0.5 - 4"), 반응기 길이(0.5 - 30'), 가스 유속(1 - 20 CFM), 가스 흐름 특징(층류 또는 난류), 및 토치 유형(층류 또는 난류)으로 조정될 수 있다. 올바른 온도에서 긴 시간은 더욱 결정도를 야기한다.

공정 파라미터는 공급원료 초기 조건에 따라 최대 구상화를 얻기 위해 최적화될 수 있다. 각각의 공급원료 특징에 대해, 공정 파라미터는 특정 결과를 위해 최적화될 수 있다. 미국 특허 공보 제2018/0297122호, US 8748785 B2호, 및 US 9932673 B2호는 특히 마이크로파 플라즈마 가공을 위해 개시된 공정에서 사용될 수 있는 특정 가공 기술을 개시한다. 따라서, 미국 특허 공보 제2018/0297122호, US 8748785 B2호, 및 US 9932673 B2호는 그 전체가 참고로 포함되며 상기 기재된 기술은 본원에 기재된 공급원료에 적용가능한 것으로 고려되어야 한다.

본 발명의 일 양태는 마이크로파 생성된 플라즈마를 사용한 구상화의 공정을 포함한다. 분말 공급원료는 가스 환경에 비말동반되고 마이크로파 플라즈마 환경 내로 주입된다. 고온 플라즈마(또는 플라즈마 플룸 또는 배기가스) 내로 주입시, 공급원료는 구상화되고 가스가 채워진 챔버 내로 방출되고 저장되는 드럼 내로 지시된다. 이 공정은 부분 진공 하의 대기압에서, 또는 대기압에 비해 높은 압력에서 수행될 수 있다. 대안적 실시양태에서, 공정은 저, 중간, 또는 고 진공 환경에서 수행될 수 있다. 공정은 연속적으로 진행될 수 있고 드럼은 이들이 구상화된 압자로 채워짐에 따라 교체된다.

유리하게도, 최종 입자의 특징적 마이크로구조를 변경하기 위한 다양한 냉각 가공 파라미터가 발견되었다. 높은 냉각 속도는 미세한 구조를 야기한다. 비-평형 구조는 높은 냉각 속도를 통해 달성될 수 있다.

냉각 가공 파라미터는, 비제한적으로, 냉각 가스 유속, 고온 영역에서 구상화된 입자의 체류 시간, 및 냉각 가스의 조성 또는 제조를 포함한다. 예를 들어, 입자의 냉각 속도 또는 켄칭 속도는 냉각 가스의 흐름의 속도가 증가함으로써 증가될 수 있다. 빠른 냉각 가스는 플라즈마를 빠져나가는 구상화된 입자를 지나 흐르고, 이에 의해 높은 켄칭 속도는 특정 소망하는 마이크로구조가 고정되게 한다. 플라즈마의 고온 영역 내의 입자의 체류 시간은 또한 생성된 마이크로구조에 대한 제어를 제공하기 위해 조정될 수 있다. 체류 시간은 고온 영역 내의 입자 주입 속도 및 유속(및 조건, 예컨대 층류 흐름 또는 난류 흐름)과 같은 작동 변수를 조정함으로써 조정될 수 있다. 장비 변화가 또한 사용되어, 체류 시간을 조정할 수 있다. 예를 들어, 체류 시간은 고온 영역의 단면적을 변화시킴으로써 조정될 수 있다.

달라지거나 제어될 수 있는 다른 냉각 가공 파라미터는 냉각 가스의 조성이다. 특정 냉각 가스는 다른 것들에 비해 더욱 열 전도성이다. 예를 들어, 헬륨은 고도의 열 전도성 가스인 것으로 고려된다. 냉각 가스의 열 전도성이 높을수록, 구상화된 입자가 신속하게 냉각/켄칭될 수 있다. 냉각 가스의 조성을 제어(예를 들어, 적은 열 전도성 가스에 대한 높은 열 전도성 가스의 정량 또는 비를 제어)함으로써, 냉각 속도가 제어될 수 있다.

일 예시적 실시양태에서, 불활성 가스가 연속적으로 제거되어, 분말-공급 호퍼 내의 산소를 제거한다. 그 다음에, 연속 부피의 분말 공급이 불활성 가스 내에 비말동반되고 마이크로파 생성된 플라즈마 내로 공급되어, 물질의 과잉 산화를 예방한다. 일 예에서, 마이크로파 생성된 플라즈마는 각각 그 전체가 본원에 참고로 포함되는 미국 특허 제8,748,785호, 제9,023,259호, 제9,206,085호, 제9,242,224호, 및 제10,477,665호에 기재된 바와 같이 마이크로파 플라즈마 토치를 사용하여 생성될 수 있다.

일부 실시양태에서, 입자는 마이크로파 생성된 플라즈마 내에서 4,000 내지 8,000 K의 균일한(또는 비-균일한) 온도 프로파일에 노출된다. 일부 실시양태에서, 입자는 마이크로파 생성된 플라즈마 내에서 3,000 내지 8,000 K의 균일한 온도 프로파일에 노출된다. 플라즈마 토치 내에서, 분말 입자는 신속하게 가열되고 용융된다. 공정 내의 입자는 가스, 예컨대 아르곤 내에 비말동반되기 때문에, 일반적으로 입자 사이의 접촉은 최소이고, 입자 응집의 발생은 크게 감소한다. 따라서, 공정후 체질에 대한 필요성은 크게 감소되거나 제거되고, 생성된 입자 크기 분포는 사실상 투입 공급 물질의 입자 크기 분포와 동일하다. 예시적 실시양태에서, 공급 물질의 입자 크기 분포는 최종 생산물에서 유지된다.

플라즈마, 플라즈마 플룸, 또는 배기가스 내에서, 용융된 물질은 액체 표면 장력으로 인해 내재적으로 구상화된다. 마이크로파 생성된 플라즈마는 실질적으로 균일한 온도 프로파일을 나타내기 때문에, 입자의 90% 초과 구상화가 달성될 수 있다(예를 들어, 91%, 93%, 95%, 97%, 99%, 100%). 플라즈마를 빠져나간 후, 입자는 수집 통에 들어가기 전에 냉각된다. 수집 통이 채워질 때, 이들은 공정을 멈추지 않고 필요에 따라 제거되고 빈 통으로 교체될 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시양태에 따라 구체 분말을 생산하기 위한 예시적 방법(250)을 나타내는 흐름도이다. 이 실시양태에서, 공정(250)은 공급 물질을 플라즈마 토치(255) 내로 도입함으로써 개시된다. 일부 실시양태에서, 플라즈마 토치는 마이크로파 생성된 플라즈마 토치 또는 RF 플라즈마 토치이다. 플라즈마 토치 내에서, 공급 물질은 상기 기재된 바와 같이 물질이 용융되도록 야기시키는 플라즈마에 노출된다(260). 용융된 물질은 상기 논의된 바와 같이 표면 장력에 의해 구상화된다(260b). 플라즈마를 빠져나간 후, 생산물은 냉각되고 고체화되고, 구체 형상으로 고정된 다음에 수집된다(265).

일부 실시양태에서, 통의 환경 및/또는 실링 요건은 신중하게 제어된다. 즉, 분말의 오염 또는 잠재적 산화를 예방하기 위해, 통의 환경 및/또는 실링은 응용물에 맞춤화된다. 일 실시양태에서, 통은 진공 하에 있다. 일 실시양태에서, 통은 본 기술에 따라 생성된 분말로 채워진 후 밀폐 실링된다. 일 실시양태에서, 통은 예를 들어 아르곤과 같은 불활성 가스로 다시 채워진다. 공정의 연속적인 성질 때문에, 통이 채워지면, 이는 플라즈마 공정을 멈추지 않고 필요에 따라 제거되고 빈 통으로 교체될 수 있다.

본 발명에 따른 방법 및 공정이 사용되어, 분말, 예컨대 구체 분말을 제조할 수 있다.

일부 실시양태에서, 본원에 논의된 가공, 예컨대 마이크로파 플라즈마 가공은 특정 원소가 용융 동안 공급원료를 빠져나가는 것을 예방하고/하거나 최소화하기 위해 제어될 수 있으며, 이는 소망하는 조성/마이크로구조를 유지할 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시양태에 따른 분말의 생산에 사용될 수 있는 예시적 마이크로파 플라즈마 토치를 나타낸다. 상기 논의된 바와 같이, 공급 물질(9, 10)은 마이크로파 생성된 플라즈마(11)를 유지하는 마이크로파 플라즈마 토치(3) 내로 도입될 수 있다. 일 예시적 실시양태에서, 비말동반 가스 흐름 및 피복 흐름(하향 화살표)은 유입구(5)를 통해 주입되어, 마이크로파 방사 공급원(1)을 통한 플라즈마(11)의 점화 전에 플라즈마 토치 내에 흐름 조건을 생성할 수 있다.

일부 실시양태에서, 비말동반 흐름 및 피복 흐름은 둘 다 축-대칭 및 층류인 한편, 다른 실시양태에서, 가스 흐름은 소용돌이이다. 공급 물질(9)은 마이크로파 플라즈마 토치 내로 축 방향으로 도입되고, 이때 이들은 플라즈마를 향해 물질을 지시하는 가스 흐름에 의해 비말동반된다. 마이크로파 생성된 플라즈마 내에서, 공급 물질은 물질을 구상화시키기 위해 용융된다. 유입구(5)가 사용되어, 공정 가스를 도입하여, 플라즈마(11)를 향한 축(12)을 따라 입자(9, 10)를 비말동반시키고 가속시킬 수 있다. 첫번째로, 입자(9)는 플라즈마 토치 내의 고리형 갭을 통해 생성된 코어 층류 가스 흐름(상부 화살표 세트)을 사용한 비말동반에 의해 가속된다. 제2 층류 흐름(하부 화살표 세트)은 제2 고리형 갭을 통해 생성되어, 유전체 토치(3)의 내벽에 대한 층류 외피를 제공하여, 플라즈마(11)로부터의 열 복사로 인한 용융으로부터 이를 보호할 수 있다. 예시적 실시양태에서, 층류 흐름은 축(12)에 가능한한 인접한 경로를 따라 플라즈마(11)를 향해 입자(9, 10)를 지시하며, 이들을 플라즈마 내에서 실질적으로 균일한 온도에 노출시킨다.

일부 실시양태에서, 플라즈마 부착이 발생할 수 있는, 플라즈마 토치(3)의 내벽에 입자(10)가 도달하는 것을 예방하기 위해 적합한 흐름 조건이 존재한다. 입자(9, 10)는 마이크로파 플라즈마(11)를 향한 가스 흐름에 의해 안내되며, 이때 각각은 균질 열 처치를 겪는다. 마이크로파 생성된 플라즈마의 다양한 파라미터뿐 아니라, 입자 파라미터는 소망하는 결과를 달성하기 위해 조정될 수 있다. 이들 파라미터는 마이크로파 전력, 공급 물질 크기, 공급 물질 삽입 속도, 가스 흐름 속도, 플라즈마 온도, 체류 시간 및 냉각 속도를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 냉각 또는 켄칭 속도는 플라즈마(11)를 빠져나갈 시 10⁺³ ℃/초 이상이다. 상기 논의된 바와 같이, 이 특별한 실시양태에서, 가스 흐름은 층류이지만; 대안적 실시양태에서, 소용돌이 흐름 또는 난류 흐름이 사용되어, 플라즈마를 향해 공급 물질을 지시할 수 있다.

도 7a-b는 도 6의 실시양태에 나타낸 상부 공급 호퍼 이외에 측면 공급 호퍼를 포함하며, 따라서 하류 공급을 허용하는 예시적 마이크로파 플라즈마 토치를 나타낸다. 따라서, 이 구현예에서, 공급원료는 마이크로파 플라즈마 토치의 "플룸" 또는 "배기가스"에서 가공을 위한 마이크로파 플라즈마 토치 살포기 이후 주입된다. 따라서, 마이크로파 플라즈마 토치의 플라즈마는 플라즈마 토치의 출구 단부에서 결속되어, 도 6에 대해 논의된 상부-공급(또는 상류 공급)과 반대로 공급원료의 하류 공급을 허용한다. 이 하류 공급은 토치의 수명을 유리하게 연장시킬 수 있으며, 이는 고온 영역이 고온 라이너의 벽 상의 임의의 물질 증착으로부터 무기한으로 보존되기 때문이다. 또한, 이는 온도 수준 및 체류 시간의 정확한 표적화를 통해 분말의 최적 용융에 적합한 온도에서 플라즈마 플룸 하류를 결속시킨다. 예를 들어, 플라즈마 플룸을 함유하는 켄칭 용기에서 마이크로파 분말, 가스 흐름, 및 압력을 사용하여 플룸의 길이를 조정하는 능력이 있다.

일반적으로, 하류 구상화 방법은 2 개의 주요 하드웨어 구성을 이용하여, 안정적인 플라즈마 플룸을 수립할 수 있으며, 이는 미국 특허 공보 제2018/0297122호에 기재된 바와 같은 고리형 토치, 또는 US 8748785 B2호 및 US 9932673 B2호에 기재된 소용돌이 토치이다. 도 7a 및 도 7b 둘 다는 고리형 토치 또는 소용돌이 토치로 구현될 수 있는 방법의 실시양태를 나타낸다. 플라즈마 토치의 출구에서 플라즈마 플룸과 인접-결합된 공급 시스템이 사용되어, 분말을 축대칭으로 공급하여, 공정 균질성을 보존한다.

다른 공급 구성은 플라즈마 플룸을 둘러싼 하나 또는 몇몇 개별 공급 노즐을 포함할 수 있다. 공급원료 분말은 임의의 방향으로부터의 지점에서 플라즈마로 들어갈 수 있고 플라즈마 내의 지점 내로 플라즈마 주변의 임의의 방향, 360°로부터 공급될 수 있다. 공급원료 분말은 플라즈마 플룸의 길이를 따라 특정 위치에서 플라즈마에 들어갈 수 있으며, 이때 입자의 충분한 용융을 위해 구체적 온도가 측정되고 체류 시간이 수립된다. 용융된 입자는 실링된 챔버 내로 플라즈마를 빠져나가며, 이때 이들은 켄칭된 다음에 수집된다.

공급 물질(314)은 마이크로파 플라즈마 토치(302) 내로 도입될 수 있다. 호퍼(306)가 사용되어, 마이크로파 플라즈마 토치(302), 플룸, 또는 배기가스 내로 공급 물질(314)을 공급하기 전에 공급 물질(314)을 저장할 수 있다. 공급 물질(314)은 플라즈마 토치(302)의 길이 방향에 대해 임의의 각에서 주입될 수 있다. 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 또는 55 도. 일부 실시양태에서, 공급원료는 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 또는 55 도 초과의 각에서 주입될 수 있다. 일부 실시양태에서, 공급원료는 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 또는 55 도 미만의 각에서 주입될 수 있다. 대안적 실시양태에서, 공급원료는 플라즈마 토치의 길이 축을 따라 주입될 수 있다.

마이크로파 방사는 도파관(304)을 통해 플라즈마 토치 내로 운반될 수 있다. 공급 물질(314)은 플라즈마 챔버(310) 내로 공급되고 플라즈마 토치(302)에 의해 생성된 플라즈마와 접촉하여 위치된다. 플라즈마, 플라즈마 플룸, 또는 플라즈마 배기가스와 접촉할 때, 공급 물질은 용융된다. 여전히 플라즈마 챔버(310) 내에 있는 동안, 공급 물질(314)은 용기(312) 내로 수집되기 전에 냉각되고 고체화된다. 대안적으로, 공급 물질(314)은 여전히 용융된 상에 있는 동안 플라즈마 챔버(310)를 빠져나가고 플라즈마 챔버의 외부에서 냉각되고 고체화될 수 있다. 일부 실시양태에서, 켄칭 챔버가 사용될 수 있으며, 이는 양압을 사용할 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 도 6과 별도로 기재된 한편, 도 7a-7b의 실시양태는 도 6의 실시양태와 유사한 특징 및 조건을 사용하는 것으로 이해된다.

일부 실시양태에서, 하류 주입 방법의 구현예는 하류 소용돌이, 연장된 구상화, 또는 켄칭을 사용할 수 있다. 하류 소용돌이는 튜브의 벽으로부터 분말을 유지하기 위해 플라즈마 토치로부터 하류로 도입될 수 있는 추가 소용돌이 구성요소를 지칭한다. 연장된 구상화는 분말에 긴 체류 시간을 제공하기 위한 연장된 플라즈마 챔버를 지칭한다. 일부 구현예에서, 이는 하류 소용돌이, 연장된 구상화, 또는 켄칭을 사용하지 않을 수 있다. 일부 실시양태에서, 이는 하류 소용돌이, 연장된 구상화, 또는 켄칭 중 하나를 사용할 수 있다. 일부 실시양태에서, 이는 하류 소용돌이, 연장된 구상화, 또는 켄칭 중 2 개를 사용할 수 있다.

하부로부터 분말의 주입은 마이크로파 영역에서 플라즈마-튜브 코팅의 감소 또는 제거를 야기할 수 있다. 코팅이 지나치게 상당해질 때, 마이크로파 에너지는 플라즈마 고온 영역으로 들어가는 것이 방지되고 플라즈마 결합은 감소된다. 때때로, 플라즈마는 더욱 진화되고 불안정해질 수 있다. 플라즈마 강도의 감소는 분말의 구상화 수준에서의 감소를 의미한다. 따라서, 마이크로파 영역 하부에서 공급원료를 공급하고 플라즈마 토치의 출구에 플라즈마 플룸을 결속함으로써, 이 영역에서의 코팅은 제거되고 플라즈마가 결합한 마이크로파 분말은 적절한 구상화를 허용하는 공정을 통해 일정하게 유지된다.

따라서, 유리하게는, 하류 접근법은 방법이 긴 기간 동안 작동하게 할 수 있으며, 이는 코팅 문제가 감소되기 때문이다. 또한, 하류 접근법은 더욱 분말을 주입하는 능력을 허용하며, 이는 코팅을 최소화할 필요가 없기 때문이다.

상술한 기재로부터, 독창적인 가공 방법, 전구체, 애노드, 및 분말이 개시된다는 것이 인식될 것이다. 몇몇 구성요소, 기술 및 양태가 특정 정도의 특수성으로 기재된 한편, 많은 변화가 본 발명의 의의 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 기재된 상기 본원의 특정 설계, 구성 및 방법론에서 이루어질 수 있다는 것이 나타나 있다.

별도의 구현예의 맥락에서 본 발명에 기재되는 특정 특징은 또한 단일 구현예에서 조합되어 구현될 수 있다. 반대로, 단일 구현예의 맥락에서 기재되는 다양한 특징은 또한 다중 구현예에서 별도로 또는 임의의 적합한 하위구현예에서 구현될 수 있다. 또한, 특징은 특정 조합으로 작용하는 바와 같이 상기 기재될 수 있으나, 청구된 조합으로부터 하나 이상의 특징은 일부 경우에 조합으로부터 행사될 수 있으며, 조합은 임의의 하위조합 또는 임의의 하위조합의 변형으로서 청구될 수 있다.

또한, 방법은 특정 순서로 도면에 도시되거나 명세서에 기재될 수 있는 한편, 이러한 방법은 나타낸 특정 순서 또는 순차적 순서로 수행될 필요가 없으며, 모든 방법이 바람직한 결과를 달성하기 위해 수행될 필요는 없다. 도시되거나 기재되지 않는 다른 방법이 실시예 방법 및 공정에 포함될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 추가 방법이 기재된 방법 중 임의의 것 전에, 후에, 동시에 또는 그 사이에 수행될 수 있다. 또한, 방법은 다른 구현예에서 재배열되거나 재순서화될 수 있다. 또한, 상기 기재된 구현예에서 다양한 시스템 구성요소의 분리는 모든 구현예에서 이러한 분리가 요구되는 것으로 이해되어서는 안되며, 기재된 구성요소 및 시스템은 일반적으로 단일 생산물로 함께 통합되거나 다중 생산물로 패키징될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 다른 구현예가 본 발명의 범위 내에 있다.

조건적 언어, 예컨대 "할 수 있다(can)", "할 수 있었다(could)", "할 수 있었다(might)", 또는 "할 수 있다(may)"는 달리 구체적으로 나타내지 않는 경우, 또는 사용된 바와 같은 맥락 내에서 달리 이해되지 않는 경우, 일반적으로 특정 실시양태가 특정 특징, 원소, 및/또는 단계를 포함하거나 포함하지 않는다는 것을 전달하는 것으로 의도된다. 따라서, 이러한 조건적 언어는 일반적으로 특징, 원소, 및/또는 단계가 하나 이상의 실시양태를 위해 요구되는 임의의 방식 내에 있다는 것을 의미하는 것으로 의도되지 않는다.

결합적 언어, 예컨대 어구 "X, Y, 및 Z 중 적어도 하나"는 달리 구체적으로 나타내지 않는 경우, 아이템, 용어 등이 X, Y, 또는 Z일 수 있다는 것을 전달하기 위해 일반적으로 사용되는 바와 같은 맥락으로 달리 이해되지 않는다. 따라서, 이러한 결합적 언어는 일반적으로 특정 실시양태가 적어도 하나의 X, 적어도 하나의 Y, 및 적어도 하나의 Z의 존재를 요구한다는 것을 의미하는 것으로 의도되지 않는다.

본원에 사용된 정도의 언어, 예컨대 본원에 사용된 바와 같은 용어 "대략", "약", "일반적으로", 및 "실질적으로"는 여전히 소망하는 기능을 수행하거나 소망하는 결과를 달성하는 나타낸 값, 양, 또는 특징에 인접한 값, 양, 또는 특징을 나타낸다. 예를 들어, 용어 "대략", "약", "일반적으로", 및 "실질적으로"는 나타낸 양의 10% 이하 이내, 5% 이하 이내, 1% 이하 이내, 0.1% 이하 이내, 및 0.01% 이하 이내에 있는 양을 지칭할 수 있다. 나타낸 양이 0(없거나, 갖지 않는) 경우, 상기 원용된 범위는 값의 특정 범위이고, 특정 % 이내가 아닐 수 있다. 예를 들어, 나타낸 양의 10 중량/부피% 이하 이내, 5 중량/부피% 이하 이내, 1 중량/부피% 이하 이내, 0.1 중량/부피% 이하 이내, 및 0.01 중량/부피% 이하 이내.

다양한 실시양태와 결합하여 본원에 개시된 임의의 특정 특징, 양태, 방법, 특성, 특징, 질, 속성, 원소 등은 본원에 기재된 모든 다른 실시양태에서 사용될 수 있다. 또한, 본원에 기재된 임의의 방법은 원용된 단계를 수행하기에 적합한 임의의 장치를 사용하여 실행될 수 있다.

다수의 실시양태 및 이의 변형이 상세하게 기재된 한편, 다른 변형 및 이를 사용하는 방법은 통상의 기술자에게 명확할 것이다. 따라서, 다양한 응용, 변형, 물질, 및 치환이 본원의 고유하고 독창적인 발명 또는 청구항의 범위로부터 벗어나지 벗어나지 않으면서 동등하게 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

Claims

적어도 하나의 원소를 포함하고, 이온을 저장하도록 구성되는 에너지 저장 구조; 및
공정 또는 공석 반응을 통해 에너지 저장 상으로부터 상 분리되는 하나 이상의 원소를 포함하고, 에너지 저장 구조에 대한 기계적 지지를 제공하는 보강 구조
를 포함하는 복합 구조를 포함하는, 연신 내성 입자.
제1항에 있어서,
에너지 저장 구조가 실리콘 및/또는 주석을 포함하는, 연신 내성 입자.
제1항에 있어서,
보강 구조가 니켈, 구리, 철, 알루미늄, 마그네슘, 망간, 코발트, 몰리브덴, 지르코늄, 바나듐, 티타늄, 크롬, 비스무트, 안티모니, 게르마늄, 붕소, 인, 탄소, 황, 질소 및/또는 산소를 포함하는, 연신 내성 입자.
제1항에 있어서,
에너지 저장 구조가 실리콘을 포함하고 보강 구조가 니켈 및 실리콘을 포함한 금속간 화합물을 포함하는, 연신 내성 입자.
제4항에 있어서,
금속간 화합물이 NiSi₂ 및 NiSi를 포함하는, 연신 내성 입자.
제4항에 있어서,
보강 구조가 에너지 저장 구조의 니켈 함량에 비해 높은 니켈 함량을 포함하는, 연신 내성 입자.
제4항에 있어서,
복합 구조가 약 0.56 이상의 실리콘 몰분율을 포함하는, 연신 내성 입자.
제4항에 있어서,
복합 구조가 약 0.7 이상의 실리콘 몰분율을 포함하는, 연신 내성 입자.
제1항에 있어서,
에너지 저장 구조가 실리콘을 포함하고 보강 구조가 구리 및 실리콘을 포함한 금속간 화합물을 포함하는, 연신 내성 입자.
제9항에 있어서,
금속간 화합물이 Cu₁₉Si₆을 포함하는, 연신 내성 입자.
제9항에 있어서,
보강 구조가 에너지 저장 구조의 구리 함량에 비해 높은 구리 함량을 포함하는, 연신 내성 입자.
제1항에 있어서,
복합 구조가 복수의 에너지 저장 구조 및 복수의 에너지 저장 구조에 결합하는 복수의 보강 구조를 포함하는, 연신 내성 입자.
제9항에 있어서,
복합 구조가 약 0.24 이상의 실리콘 몰분율을 포함하는, 연신 내성 입자.
제9항에 있어서,
복합 구조가 약 0.32 이상의 실리콘 몰분율을 포함하는, 연신 내성 입자.
공정 또는 공석 반응에 의해 2 이상의 상으로 상 분리되는 특정 비의 구성 원소를 갖는 미세하게 분할된 액적 또는 입자를 포함하는 공급원료를 제조하는 단계;
공급원료를 마이크로파 플라즈마 토치의 플라즈마 또는 플라즈마 배기가스 내로 도입시켜, 공급원료를 용융시키는 단계; 및
공급원료를 신속하지만 제어된 방식으로 냉각시켜, 에너지 저장 구조 및 에너지 저장 구조에 기계적 지지를 제공하는 보강 구조를 포함하는 복합 구조를 생성하는 하나 이상의 상 분리를 야기하는 공정 또는 공석 전이를 촉발시키는 단계
를 포함하는, 연신 내성 입자를 제조하는 방법.
제15항에 있어서,
공급원료가 구리, 니켈 또는 철 중 적어도 하나 및 실리콘을 포함하는 것인, 방법.
제16항에 있어서,
공급원료가 구리를 포함하고 약 0.24 이상의 실리콘 몰분율을 포함하는 것인, 방법.
제16항에 있어서,
공급원료가 구리를 포함하고 약 0.32 이상의 실리콘 몰분율을 포함하는 것인, 방법.
제16항에 있어서,
공급원료가 니켈을 포함하고 약 0.56 이상의 실리콘 몰분율을 포함하는 것인, 방법.
제16항에 있어서,
공급원료가 니켈을 포함하고 약 0.7 이상의 실리콘 몰분율을 포함하는 것인, 방법.
복수의 에너지 저장 구조 및 보강 구조를 포함하는 제자리(in-situ) 형성된 복합 구조를 포함하는 복수의 연신 내성 입자를 포함하고;
에너지 저장 구조가 실질적으로 실리콘을 포함하고;
보강 구조가 공정 또는 공석 반응에 의해 실리콘을 갖는 2 이상의 상으로 상 분리되는 원소 또는 원소들을 포함하는,
리튬 이온 전지의 애노드.
제21항에 있어서,
원소가 니켈, 구리 또는 철 중 적어도 하나를 포함하는, 리튬 이온 전지의 애노드.
적어도 하나의 원소를 포함하고, 이온을 저장하도록 구성되는 에너지 저장 상; 및
하나 이상의 원소를 포함하는 보강 상
을 포함하는 복합 구조를 포함하고;
용융물로부터 복합 구조를 냉각시, 공정 또는 공석 전이가 발생하여 2 이상의 별개 상으로의 복합 구조의 상 분리를 야기하고, 이중 적어도 하나의 상이 에너지 저장 상이고, 이중 적어도 하나의 상이 보강 상이고, 입자 수준의 제자리 성장 복합 마이크로구조를 야기하고, 보강 상이 에너지 저장 상에 기계적 지지를 제공하는,
연신 내성 입자.