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Si/C複合材料及びその製造方法並びに電極

国内特許コード P150012460
掲載日 2015年10月21日
出願番号 特願2013-531444
登録番号 特許第6028235号
出願日 平成24年8月31日(2012.8.31)
登録日 平成28年10月28日(2016.10.28)
国際出願番号 JP2012072273
国際公開番号 WO2013031993
国際出願日 平成24年8月31日(2012.8.31)
国際公開日 平成25年3月7日(2013.3.7)
優先権データ
  • 特願2011-190110 (2011.8.31) JP
発明者
  • 京谷 隆
  • 西原 洋知
  • 岩村 振一郎
出願人
  • 国立大学法人東北大学
発明の名称 Si/C複合材料及びその製造方法並びに電極
発明の概要 Siと炭素とを従来にない構造で複合させた複合材料及びその製造方法と、充放電容量が高くサイクル性能の高いLiイオンの負極材料とを提供する。ナノサイズのSi粒子の集合体を加熱して炭素を含む原料ガスによって各Si粒子に炭素層を形成する。この炭素層により、Si粒子11を内包した空間13aとSi粒子11を内包しない空間13bとを画成する壁12が形成される。
従来技術、競合技術の概要


従来、Liイオン二次電池は、正極にLiCoO2を、負極に黒鉛を用いたものが一般的であった。ところが、負極として黒鉛を用いた場合の理論容量は372mAh/g(840mAh/cm3)であるのに対し、Siを用いた場合の理論容量は4200mAh/g(9790mAh/cm3)であり、Siは黒鉛よりも10倍以上の理論容量を有している。このことから、Si材料は次世代の負極材料として注目されている。



しかしながら、第1にSiは導電性が悪く、第2にLiとの反応速度が小さいためレート特性が悪く、第3に充電時に最大で4倍まで体積が膨張することから、電極そのものが破壊されてサイクル性能が悪いという問題がある。特にサイクル性能の悪化が負極材料としての実用化の障害となっている。これらの問題点を解決しSiの有する大きな充放電容量の利用に向けた研究が数多く行われている。



その中でも、近年ではSiの周りに体積膨張を緩衝する役割を担う空間を確保することで高い充放電容量が得られたという報告がある(例えば非特許文献1、非特許文献2)。



このような状況において、本発明者らは、Si周囲にナノ空間を有するSi/C複合体を研究開発するに至った(非特許文献3及び4)。このSi/C複合体は、概ね次の要領で作製される。Siナノ粒子を空気流の下で熱処理することにより表面のSiO2層を増加させ、ペレットに成型した後、ポリ塩化ビニル(PVC)をペレットに載せ、300℃程度で熱処理することでPVCを液化させてペレットに含浸し、900℃程度で熱処理してPVCを炭化する。ペレット外部の炭素を取り除き、HF処理によりSiナノ粒子表面の酸化層を除去してSi/C複合体を得る。

産業上の利用分野


本発明は、Siと炭素の複合材料及びその製造方法並びにこの複合材料を用いた電極に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
ナノサイズの複数のSi粒子が凝縮された凝縮体と、
記凝縮体の面上に均一に形成された伸縮可能な蛇腹状で炭素層からなる壁と、
を含
前記壁が、前記各Si粒子を内包する領域と前記各Si粒子を内包しない領域とを画成する、複合材料。

【請求項2】
前記Si粒子の表面が酸化されている、請求項1に記載の複合材料。

【請求項3】
前記炭素層は0.34乃至30nmの平均厚さを有する、請求項1に記載の複合材料。

【請求項4】
前記Si粒子は1×10乃至1.3×10nmの平均粒径を有する、請求項1に記載の複合材料。

【請求項5】
前記Si粒子の表面には、層状のグラフェン構造からなる前記炭素層が形成されている、請求項1に記載の複合材料。

【請求項6】
前記複合材料を負極材料として用いると、充放電容量が最大2000mAh/g以上である、請求項1に記載の複合材料。

【請求項7】
前記複合材料を負極材料として用いると、充放電容量が最大2500mAh/g以上である、請求項1に記載の複合材料。

【請求項8】
請求項1乃至の何れかに記載の複合材料からなる、Liイオン電池の負極材料。

【請求項9】
請求項に記載のLiイオン電池の負極材料を備えた電極。

【請求項10】
請求項に記載の電極を負極としたときの充放電容量が1.0×10~3.5×10mAh/gである、Liイオン電池の負極材料を備えた電極。

【請求項11】
ナノサイズのSi粒子の集合体を加熱して炭素を含む原料ガスによって各Si粒子に炭素層を形成することにより、各Si粒子を内包した空間と各Si粒子を内包しない空間とを画成する壁が記炭素層で形成され、
その後、記炭素層を形成する際の温度よりも高い温度に維持して熱処理を行う、複合材料の製造方法。

【請求項12】
ナノサイズのSi粒子の集合体を加熱し、パルスCVD法にて炭素を含む原料ガスによって各Si粒子に炭素層を形成することにより、各Si粒子を内包した空間と各Si粒子を内包しない空間とを画成する壁が上記炭素層で形成される、複合材料の製造方法。

【請求項13】
前記集合体の各Si粒子表面に酸化層を形成しておくことにより、該酸化層を介在して記各Si粒子を囲むように前記壁を形成し、
その後、記酸化層を溶解することにより、前記炭素層と記各Si粒子との間の一部に中空を設ける、請求項11又は12に記載の複合材料の製造方法。

【請求項14】
前記炭素層を形成した後、炭素層を形成する際の温度よりも高い温度に維持して熱処理を行う、請求項12に記載の複合材料の製造方法。

【請求項15】
前記壁を形成する前に、前記集合体を圧縮してペレットに成型する、請求項11又は12に記載の複合材料の製造方法。

【請求項16】
前記炭素層は0.34乃至30nmの平均厚さを有する、請求項11又は12に記載の複合材料の製造方法。

【請求項17】
前記各Si粒子は、1×10乃至1.3×10nmの平均粒径を有する、請求項11又は12に記載の複合材料の製造方法。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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出願権利状態 登録
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