JP7797481B2 - Silicon-carbon composites containing very low Z - Google Patents
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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ついての課題を克服する特性を有する、シリコン-カーボン複合材料に関する。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生産される。適切な多孔質スキャフォールドとしては、特に限定されないが、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。シリコン用の前駆体は、特に限定されないが、シリコン含有ガスを含み、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が挙げられる。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、微粒子状の多孔質カーボンであり得る。 Embodiments of the present invention generally relate to silicon-carbon composites with properties that overcome the challenges of providing amorphous nano-sized silicon incorporated within porous carbon. The silicon-carbon composites are produced by impregnating amorphous nano-sized silicon into the pores of a porous scaffold via chemical vapor infiltration. Suitable porous scaffolds include, but are not limited to, porous carbon scaffolds, such as carbons having a pore volume containing micropores (less than 2 nm), mesopores (2-50 nm), and/or macropores (greater than 50 nm). Precursors for suitable carbon scaffolds include, but are not limited to, sugars and polyols, organic acids, phenolic compounds, crosslinkers, and amine compounds. Suitable composite materials include, but are not limited to, silicon materials. Precursors for silicon include, but are not limited to, silicon-containing gases, such as silane, higher silanes (such as di-, tri-, and/or tetrasilane), and/or chlorosilanes (such as mono-, di-, tri-, and tetrachlorosilane), and mixtures thereof. Chemical vapor infiltration (CVI) of silicon into the pores of the porous scaffold material is achieved by exposing the porous scaffold to a silicon-containing gas (e.g., silane) at elevated temperatures. The porous carbon scaffold can be particulate porous carbon.
この点に関する重要な成果は、所望の形態のシリコン、即ち、アモルファスナノサイズシリコンを実現することである。更に、この点に関する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実現することである。かかる材料、例えばシリコン-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。 A key achievement in this regard is achieving the desired morphology of silicon, i.e., amorphous nanosized silicon. Furthermore, another key achievement in this regard is achieving the impregnation of silicon into the pores of porous carbon. Such materials, such as silicon-carbon composites, have utility as anode materials for energy storage devices (e.g., lithium-ion batteries).
関連分野の説明
CVIは、ガス状基質を多孔質スキャフォールド材料内で反応させるプロセスである。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)を生産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、高温で、多孔質カーボンスキャフォールド内で分解す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。LIBは、今日使用されている多数のアプリケーション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、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取って代わり得る。
2. Description of the Related Art: CVI is a process in which a gaseous substrate is reacted within a porous scaffold material. This approach, which can be used to produce composite materials (e.g., silicon-carbon composites), involves decomposing a silicon-containing gas within a porous carbon scaffold at high temperatures. This approach can be used to manufacture a variety of composite materials, with particular interest in silicon-carbon (Si-C) composites. Such Si-C composites have utility, for example, as energy storage materials (e.g., anode materials in lithium-ion batteries (LIBs)). LIBs have the potential to replace many applications used today. For example, today's automotive lead-acid batteries are unsuitable for next-generation all-electric and hybrid electric vehicles due to the irreversible and stable formation of sulfates during discharge. Lithium-ion batteries could replace today's lead-based systems due to their capacity and other considerations.
この目的を達成するために、新しいLIBアノード材料の開発に強い関心が集められ続けており、特にシリコンは、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。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。 To this end, there has been strong interest in developing new LIB anode materials, especially silicon, which has a gravimetric capacity ten times greater than that of conventional graphite. However, silicon exhibits large volume changes during cycling, resulting in electrode degradation and destabilization of the solid-electrolyte interface (SEI). The most common improvement approach is to reduce the grain size of silicon, either as individual particles or within the matrix (e.g., D V < 150 nm, e.g., D V < 100 nm, e.g., D V < 50 nm, e.g., D V < 20 nm, e.g., D V < 10 nm, e.g., D V < 5 nm, e.g., D V < 2 nm). To date, nanoscale silicon fabrication techniques have involved high-temperature reduction of silicon oxide, extensive grain reduction, multiple toxic etching steps, and/or other costly processes. Similarly, common matrix approaches involve expensive materials such as graphene or nanographite and/or require complex processes and coatings.
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。 Non-graphitizable (hard) carbons are known from the scientific literature to be useful as LIB anode materials (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). The basis for this improved performance stems from the disordered nature of the graphene layers, which allows Li ions to intercalate on both sides of the graphene, theoretically doubling the stoichiometric Li content relative to crystalline graphite. Furthermore, in contrast to graphite, where lithiation proceeds only parallel to the graphene stack plane, the disordered structure allows Li ions to intercalate isotropically, thereby increasing the rated capacity of the material. Despite these desirable electrochemical properties, amorphous carbon has not seen widespread deployment in commercial Li-ion batteries, primarily due to its low FCE and low bulk density (<1 g/cc). Instead, amorphous carbon is more commonly used as a low-mass additive and coating for the battery's other active material components to improve electrical conductivity and inhibit surface-side reactions.
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). In recent years, amorphous carbon as a LIB battery material has attracted considerable attention as a coating for silicon anode materials. This silicon-carbon core-shell structure not only improves electrical conductivity but also mitigates expansion during silicon lithiation, thereby stabilizing cycling stability and minimizing problems related to particle pulverization, segregation, and SEI integrity (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). Problems associated with this method include the lack of suitable silicon starting materials suitable for the coating process and the inherent lack of engineered voids within the carbon-coated silicon core-shell composite particles to accommodate the expansion of silicon during lithiation. This inevitably leads to a lack of cycling stability due to the destruction of the core-shell structure and SEI layer. (Beattie SD, Larcher D, Morcrette M, Simon B, Tarascon J-M. J Electrochem Soc 2008 155:A158-A163)
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させる;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。
An alternative to the core-shell structure is one in which amorphous nano-sized silicon is uniformly distributed within the void spaces of a porous carbon scaffold. Porous carbon has desirable properties:
(i) the porosity of the carbon provides void volume to accommodate the expansion of silicon during lithiation, thus reducing the net composite particle expansion at the electrode level;
(ii) the disordered graphene network enhances electrical conductivity to silicon, thus enabling faster charge/discharge rates; and
(iii) the nano-porous structure acts as a template for the synthesis of silicon, thus defining its size, distribution, and morphology;
Give.
この目的に関して、望ましい逆階層構造は、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、シリコンを成長させるための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のままにすることを促進する。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、リチウムイオンを、高速対応の、固体形態リチウムの拡散経路を与え、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。 To this end, the desired inverse hierarchical structure can be achieved by using CVI, where silicon-containing gases can fully infiltrate the nanoporous carbon and decompose into nanosized silicon there. The CVI approach offers several advantages in terms of silicon structure. One advantage is that the nanoporous carbon provides nucleation sites for silicon growth while defining maximum particle shape and size. Confining silicon growth within the nanoporous structure reduces susceptibility to cracking or pulverization and reduces contacts caused by expansion. Furthermore, this structure promotes nanosized silicon to remain in the amorphous phase. This property, especially in combination with the proximity of silicon within the conductive carbon scaffold, offers the opportunity for high charge/discharge rates. This system provides a fast-acting, solid-state lithium diffusion pathway for lithium ions, which directly delivers lithium ions to the nanoscale silicon interface. Another advantage of silicon provided by CVI within the carbon scaffold is the inhibition of the formation of the undesired crystallized Li 15 Si 4 layer. Yet another advantage is that the CVI process provides voids within the particles.
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フラクション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している。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、部分的に又は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℃~1100℃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。
Thermogravimetric analysis (TGA) may be used to measure the relative amount of silicon impregnated into the pores of porous carbon. TGA can be used to assess the fraction of silicon present within the pores of the porous carbon relative to the total silicon present, i.e., the sum of silicon within the pores and on the particle surface. When a silicon-carbon composite is heated under air, the sample exhibits a mass increase between 300°C and 500°C, reflecting the onset of oxidation of silicon to SiO2 . The sample then exhibits a mass loss as the carbon burns out. The sample then exhibits a mass increase, reflecting the resumption of the conversion of silicon to SiO2 , which increases until silicon oxidation is complete, i.e., toward an asymptotic value of 1100°C. For the purposes of this analysis, the minimum mass recorded for the sample heated from 800°C to 1100°C is assumed to represent the point at which carbon combustion is complete. Any further mass increase beyond this point corresponds to the oxidation of silicon to SiO2 , and the total mass at the end of oxidation is SiO2 . Thus, the percentage of partially or non-oxidized silicon after carbon burnout relative to the total weight of silicon is calculated using the following formula:
Z=1.875×[(M1100-M)/M1100]×100%
where M is the mass of the sample after oxidation is complete at 1100°C, and M is the minimum mass recorded for the sample heated between 800°C and 1100°C.
It can be calculated by:
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、粒子表面にある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。 Without being bound by theory, the temperature at which silicon oxidizes under TGA conditions is related to the length scale of the oxide coating on the silicon due to the diffusion of oxygen atoms through the oxide layer. Thus, silicon present within the carbon pores will oxidize at a lower temperature than silicon deposits on the particle surface, due to the necessarily thinner coating at the particle surface. Thus, the calculation of Z can be used to quantitatively assess the fraction of silicon not impregnated within the pores of a porous carbon scaffold.
簡単な要約
多孔質カーボン内に含侵させる、アモルファスなナノサイズの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、及び関連するプロセスを開示する。先行文献に記載されている、その他の劣る材料及びプロセスと比較すると、本明細書に開示した材料及びプロセスは、様々なアプリケーション(例えば、リチウムイオンバッテリー等のエネルギー貯蔵デバイスが挙げられる)における有用性が見出された。
BRIEF SUMMARY Silicon-carbon composite materials and related processes are disclosed that solve the problem of providing amorphous nanosized silicon impregnated within porous carbon. Compared to other inferior materials and processes described in the prior art, the materials and processes disclosed herein find utility in a variety of applications, including energy storage devices such as lithium-ion batteries.
実施形態は、ケイ素及び炭素等の14族元素を含む複合体であって、好ましいモード:アモルファス、ナノサイズ、かつ多孔質カーボン内に取り込まれたシリコン;
を含む、複合体を含む、リチウム-シリコンバッテリー(例えば、シリコン及びカーボン等の14族元素を含む複合体が挙げられる)用に構成された、新規のアノード材料を提供する。ここで、上記複合体は、好ましいモードの(アモルファス、ナノサイズ、かつ多孔質カーボン内に取り込まれた)シリコンを含む、リチウム-シリコンバッテリー用のアノードの提供に関する課題を解決する、新規の性能を有する。上記シリコン-カーボン複合体は、化学気相浸透(CVI)により、アモルファスなナノサイズシリコンを、多孔質スキャフォールドの細孔内に含侵させて生産される。適切な多孔質スキャフォールドは、特に限定されないが、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)の細孔容積を有する。カーボンスキャフォールド用の適切な前駆体は、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。シリコン向けの前駆体は、特に限定されないが、シリコン含有ガスを含み、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、等が挙げられる。多孔質スキャフォールド材料の細孔内にシリコンを生成させるCVIは、上記多孔質スキャフォールドを、高温で、シリコン含有ガス(例えばシラン)に曝露させ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、微粒子状の多孔質炭素であり得る。
An embodiment is a composite containing group 14 elements such as silicon and carbon, with the preferred mode: silicon incorporated within amorphous, nano-sized, and porous carbon;
The present invention provides novel anode materials for lithium-silicon batteries (including composites containing Group 14 elements such as silicon and carbon), comprising a composite comprising: (a) a silicon-carbon composite (a) containing a group 14 element (e.g., silicon-carbon composite) (B) (c) (d) (e) (e) (f) (g) (g) (h) (i) (i) (i) (i) (i) (ii) (ii) (iii) (iii) (iv) (v ... Precursors for silicon include, but are not limited to, silicon-containing gases, such as silane, higher silanes (such as di-, tri-, and/or tetrasilane), and/or chlorosilanes (such as mono-, di-, tri-, and tetrachlorosilane), and mixtures thereof. CVI, which produces silicon within the pores of a porous scaffold material, is achieved by exposing the porous scaffold to a silicon-containing gas (e.g., silane) at elevated temperatures. The porous carbon scaffold can be particulate porous carbon.
この点に関する重要な成果は、シリコンの目的の形態、即ち、アモルファスなナノサイズシリコンを実現することである。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実現することである。かかる材料、例えばシリコン-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実用性を有する。 A key achievement in this regard is achieving the desired morphology of silicon, i.e., amorphous nanosized silicon. Yet another key achievement is achieving silicon impregnation into the pores of porous carbon. Such materials, such as silicon-carbon composites, have utility as anode materials for energy storage devices (e.g., lithium-ion batteries).
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、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。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。
DETAILED DESCRIPTION In the following description, specific details are set forth to provide a thorough understanding of various embodiments. However, those skilled in the art will understand that the present invention may be practiced without these details. In other instances, well-known structures have not been shown or described in detail to avoid unnecessarily obscuring the description of the embodiments. Unless otherwise noted, in the following specification and claims, the term "comprise" and its derivatives, such as "comprises" and "comprising," are to be interpreted in an open and inclusive sense, i.e., "including, but not limited to." Furthermore, headings provided herein are for convenience only and do not interpret the scope or meaning of the claimed invention.
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任意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。 Throughout this specification, a reference to "one embodiment" or "an embodiment" means that a particular feature, structure, or characteristic described in connection with that embodiment is included in at least one embodiment. Thus, the appearances of the phrases "in one embodiment" or "in an embodiment" in various places throughout this specification do not necessarily all refer to the same embodiment. Moreover, particular features, structures, or characteristics may be combined in any suitable manner in one or more embodiments. Also, as used in this specification and the appended claims, the singular forms "a," "an," and "the" include plural references unless otherwise indicated. Please also note that the term "or" is generally used to include "and/or" unless otherwise indicated.
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を含み、例えばハードカーボンが挙げられる。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。
A. Porous Scaffold Materials
For purposes of embodiments of the present invention, a porous scaffold impregnated with silicon may be used. In this aspect, the porous scaffold can comprise a variety of materials. In some embodiments, the porous scaffold comprises primarily carbon, such as hard carbon. Other carbon allotropes, such as graphite, amorphous carbon, diamond, C60, carbon nanotubes (e.g., single-walled and/or multi-walled), graphene, and/or carbon fibers, are also contemplated in other embodiments. The introduction of pores into carbon materials can be achieved by various techniques. For example, pores in carbon materials can be achieved by the modulation of polymer precursors and/or processing conditions during the fabrication of the porous carbon materials, as described in more detail in the following sections.
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。この目的に関して、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を含み、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が挙げられる。無機ポリマーの更なる例は、特に限定されないが、ヘテロ鎖ポリマーを含み、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が挙げられる。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(amylpectin)、アラビアガム、リグニン等が挙げられる。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が挙げられる)のキャラメル化に由来する。 In other embodiments, the porous scaffold comprises a polymeric material. For this purpose, various embodiments contemplate a wide range of polymers having utility, including, but not limited to, inorganic polymers, organic polymers, and addition polymers. Inorganic polymers of the present invention include, but are not limited to, silicon-silicon homochain polymers, such as polysilanes, silicon carbides, polygermanes, and polystannanes. Further examples of inorganic polymers include, but are not limited to, heterochain polymers, such as polyborazylenes, polysiloxanes, such as polydimethylsiloxane (PDMS), polymethylhydrosiloxane (PMHS), and polydiphenylsiloxane, polysilazanes, such as perhydridopolysilazane (PHPS), polyphosphazenes, and poly(dichlorophosphazenes), polyphosphates, polythiazyls, and polysulfides. Examples of organic polymers include, but are not limited to, low-density polyethylene (LDPE), high-density polyethylene (HDPE), polypropylene (PP), polyvinyl chloride (PVC), polystyrene (PS), nylon, nylon 6, nylon 6,6, Teflon (polytetrafluoroethylene), thermoplastic polyurethane (TPU), polyurea, polylactic acid, polyglycolide, and combinations thereof, phenolic resins, polyamides, polyaramids, polyethylene terephthalate, polychloroprene, polyacrylonitrile, polyaniline, polyimides, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PDOT:PSS), and other organic polymers known in the art. Organic polymers can be synthetic or natural. In some embodiments, the polymer is a polysaccharide, such as starch, cellulose, cellobiose, amylose, amylopectin, gum arabic, lignin, and the like. In some embodiments, the polysaccharides are derived from the caramelization of monosaccharides or oligosaccharides, such as fructose, glucose, sucrose, maltose, and raffinose.
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: 10.1126/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))が挙げられる。 In certain embodiments, the porous scaffold polymer material includes a coordination polymer. Coordination polymers in this embodiment include, but are not limited to, metal-organic frameworks (MOFs). Techniques for producing MOFs, as well as exemplary MOF species, are known in the art and are described in the following literature (The Chemistry and Applications of Metal-Organic Frameworks, Hiroyasu Furukawa et al. Science 341, (2013); DOI: 10.1126/science.1230444). Examples of MOFs in the present invention include, but are not limited to, Basolite™ materials and zeolitic imidazolate frameworks (ZIFs).
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。 With the vast number of polymers envisioned as having the potential to provide porous matrices, various processing approaches are envisioned in various embodiments for achieving the above-mentioned pores. In this regard, numerous general methods exist for imparting pores to various materials, including those known in the art (e.g., emulsification, micelle formation, gasification, dissolution followed by solvent removal (e.g., freeze-drying), axial compaction and sintering, gravity sintering, powder rolling and sintering, metal spraying, metal coating and sintering, metal injection molding and sintering, etc.). Other approaches to creating porous polymeric materials are also envisioned, including, for example, the creation of porous gels, such as freeze-dried gels and aerogels.
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が挙げられる。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が挙げられる。 In certain embodiments, the porous scaffold material comprises a porous ceramic material. In certain embodiments, the porous scaffold material comprises a porous ceramic foam. In this aspect, general methods for imparting pores to ceramic materials are varied and include, but are not limited to, fabrication of pores as known in the art. In this aspect, general methods and materials suitable for containing porous ceramic include, but are not limited to, porous aluminum oxide, porous zirconia-toughened alumina, porous partially stabilized zirconia, porous alumina, porous sintered silicon carbide, sintered silicon nitride, porous cordierite, porous zirconium oxide, and clay-bonded silicon carbide.
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。 In certain embodiments, the porous scaffold comprises porous silica or other oxygen-containing silicon materials. The preparation of sol-gels and other silicon gels, including porous silica materials, is known in the art.
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、等が挙げられる。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)等が挙げられる。 In certain embodiments, the porous material comprises a porous metal. Suitable metals in this regard include, but are not limited to, porous aluminum, porous steel, porous nickel, porous Inconcel, porous Hastelloy, porous titanium, porous copper, porous brass, porous gold, porous silver, porous germanium, and other metals known in the art that can form porous structures. In some embodiments, the porous scaffold material comprises a porous metal foam. Relevant metal types and manufacturing methods are known in the art. Such methods include, but are not limited to, casting (including foaming, infiltration, and lost-foam casting), sublimation (chemical and physical), gas eutectic formation, powder metallurgy techniques (such as powder sintering, compaction in the presence of foaming agents, and fiber metallurgy).
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。
B. Porous Carbon Scaffolds Methods for preparing porous carbon materials from polymer precursors are known in the art. For example, methods for preparing carbon materials are described in U.S. Patent Application Nos. 7,723,262, 8,293,818, 8,404,384, 8,654,507, 8,916,296, 9,269,502, 10,590,277, and U.S. Patent Application Publication No. 2016/745197, the disclosures of all of which are incorporated herein by reference in their entireties for all purposes.
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が挙げられる。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が挙げられる。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が挙げられる。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。 Therefore, in one embodiment, the present disclosure provides a method for preparing any of the carbon materials or polymer gels described above. The carbon material may be synthesized by pyrolysis of any single precursor, such as a sugar material (sucrose, fructose, glucose, dextrin, maltodextrin, starch, amylopectin, amylose, lignin, gum arabic, and other sugars known in the art, and combinations thereof). Alternatively, the carbon material may be synthesized by pyrolysis of a composite resin. The composite resin is formed, for example, by a sol-gel process using a polymer precursor in a suitable solvent with a crosslinker. The polymer precursor may be, for example, phenol, resorcinol, bisphenol A, urea, melamine, and other suitable compounds known in the art, and combinations thereof. The suitable solvent may be, for example, water, ethanol, methanol, and other solvents known in the art, and combinations thereof. Examples of crosslinking agents include formaldehyde, hexamethylenetetramine, furfural, and other crosslinking agents known in the art, as well as combinations thereof. The resins may be acidic or basic and may contain a catalyst. The catalyst may be volatile or nonvolatile. Pyrolysis temperatures and reaction times may vary as known in the art.
いくつかの実施形態では、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。 In some embodiments, the method involves preparing a polymer gel by a sol-gel process, a condensation process, or a crosslinking process (where the process involves a monomer precursor and a crosslinker, two polymers in a system and a crosslinker, or a single polymer and a crosslinker), followed by pyrolysis of the polymer gel. The polymer gel may be dried (e.g., lyophilized) prior to pyrolysis; however, drying is not necessary.
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は、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、等が挙げられる)によって生じ得る。 Where the polymerization reaction produces a resin/polymer with the required carbon backbone, the carbon properties of interest can be derived from a variety of polymer chemistries. Various polymer species include novolacs, resoles, acrylates, styrenes, urethanes, rubbers (neoprene, styrene-butadiene, etc.), nylons, etc. Preparation of any of the above polymer resins can occur through a variety of processes (e.g., sol-gel, emulsion/suspension, solid-state, liquid-state, melt-state, etc.) involving polymerization and crosslinking processes.
いくつかの実施形態では、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。 In some embodiments, the electrochemical modifier is introduced into the material as a polymer. For example, an organic or carbon-containing polymer (e.g., RF) is copolymerized with the polymer and contains the electrochemical modifier. In one embodiment, the electrochemical modifier-containing polymer contains silicon. In one embodiment, the polymer is tetraethylorthosilane (TEOS). In one embodiment, a TEOS solution is added to the RF solution before or during polymerization. In other embodiments, the polymer is a polysilane having side groups. In some examples, these side groups are methyl groups, and in other examples, these side groups are phenyl groups. In some examples, the side chains contain a Group 14 element (silicon, germanium, tin, or lead). In other examples, the side chains contain a Group 13 element (boron, aluminum, boron, gallium, indium). In other examples, the side chains contain a Group 15 element (nitrogen, phosphorus, arsenic). In other examples, the side chains contain a Group 16 element (oxygen, sulfur, selenium).
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。 In other embodiments, the electrochemical modifier comprises a silole. In some examples, it is a phenol-silole or a silafluorene. In other examples, it is a poly-silole or a poly-silafluorene. In some examples, the silicon is replaced with germanium (germole or germafluorene), tin (stannole or stannafluorene), nitrogen (carbazole), or phosphorus (phosphole, phosphafluorene). In all examples, the heteroatom-containing material can be a small molecule, oligomer, or polymer. The phosphorus atom may or may not be bonded to oxygen.
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。 In some embodiments, the reactant comprises phosphorus. In certain other embodiments, the phosphorus is in the form of phosphate. In certain other embodiments, the phosphorus can be in the form of a salt, the anion of which comprises one or more phosphate, phosphorous, phosphide, hydrogen phosphate, dihydrogen phosphate, hexafluorophosphate, hypophosphorous acid, polyphosphate, or pyrophosphate ions, or a combination thereof. In other embodiments, the phosphorus can be in the form of a salt, the cation of which comprises one or more phosphonium ions. Non-phosphate salts comprising any of the anions or cation pairs of the above embodiments can be selected from those known and described in the art. In this aspect, exemplary cations that pair with the phosphate-containing anions include, but are not limited to, ammonium, tetraethylammonium, and tetramethylammonium ions. In this aspect, exemplary anions that pair with the phosphate-containing cations include, but are not limited to, carbonate, dicarbonate, and acetate ions.
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。 In some embodiments, the catalyst comprises a volatile base catalyst. For example, in one embodiment, the volatile base catalyst comprises ammonium carbonate, ammonium bicarbonate, ammonium acetate, ammonium hydroxide, or a combination thereof. In yet another embodiment, the volatile base catalyst is ammonium carbonate. In another embodiment, the volatile base catalyst is ammonium acetate.
更にその他の実施形態では、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させない。 In yet other embodiments, the method includes mixing an acid. In certain embodiments, the acid is a solid at room temperature and pressure. In some embodiments, the acid is a liquid at room temperature and pressure. In some embodiments, the acid is a liquid at room temperature and pressure and does not dissolve one or more other polymer precursors.
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1:90になるよう混合された。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。 The acid may be selected from a number of acids suitable for the polymerization process. For example, in some embodiments, the acid is acetic acid, and in other embodiments, the acid is oxalic acid. In further embodiments, the acid is mixed with the first or second solvent in an acid to solvent ratio of 99:1, 90:10, 75:25, 50:50, 25:75, 20:80, 10:90, or 1:90. In other embodiments, the acid is acetic acid and the first or second solvent is water. In other embodiments, the acidification is achieved by the addition of a solid acid.
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。 The total amount of acid in the mixture can be varied to alter the properties of the final product. In some embodiments, the acid is present in the mixture at about 1% to about 50% by weight. In other embodiments, the acid is present at about 5% to about 25% by weight. In other embodiments, the acid is present at about 10% to about 20% by weight (e.g., about 10%, about 15%, about 20%).
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た。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。 In certain embodiments, the polymer precursor components are blended together and then maintained at a temperature and time sufficient to complete polymerization. One or more of the polymer precursor components may have a particle size of less than 20 mm (e.g., less than 10 mm, e.g., less than 7 mm, e.g., less than 5 mm, e.g., less than 2 mm, e.g., less than 1 mm, e.g., less than 100 microns, e.g., less than 10 microns). In some embodiments, the particle size of one or more of the polymer precursor components decreases during the blending process.
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。 Blending of one or more polymer precursor components in the absence of a solvent can be accomplished by methods known in the art, such as ball milling, jet milling, Fritsch milling, planetary mixing, and other mixing methods involving mixing or blending solid particles while controlling process conditions (e.g., temperature). The mixing or blending process can be accomplished before, during, and/or after (or a combination of these) incubation at the reaction temperature.
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。 Reaction parameters include aging the blended mixture at room temperature for a time sufficient to allow the one or more polymer precursors to react with each other and form a polymer. In this regard, suitable aging temperatures range from about room temperature to a temperature at or near the melting point of the one or more polymer precursors. In some embodiments, suitable aging temperatures range from about room temperature to a temperature at or near the glass transition temperature of the one or more polymer precursors. For example, in some embodiments, the solvent-free mixture is aged at about 20°C to about 600°C (e.g., about 20°C to about 500°C, e.g., about 20°C to about 400°C, e.g., about 20°C to about 300°C, e.g., about 20°C to about 200°C). In certain embodiments, the solvent-free mixture is aged at about 50°C to about 250°C.
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。 The reaction time is generally sufficient to allow the polymer precursors to react and produce the polymer; for example, the mixture may be aged anywhere from 1 hour to 48 hours, or more or less depending on the desired results. Typical embodiments include aging for about 2 hours to about 48 hours, such as about 12 hours in some embodiments, and about 4 to 8 hours (e.g., 6 hours) in other embodiments.
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た。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。 In certain embodiments, an electrochemical modifier is introduced during the polymerization process described above. For example, in some embodiments, an electrochemical modifier in the form of metal particles, metal paste, metal salt, metal oxide, or molten metal may be dissolved or suspended in the mixture from which the gel resin is formed.
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が挙げられる。 Exemplary electrochemical modifiers for producing composite materials may fall into one or more chemical classes. In some embodiments, the electrochemical modifier is a lithium salt, including, but not limited to, lithium fluoride, lithium chloride, lithium carbonate, lithium hydroxide, lithium benzoate, lithium bromide, lithium formate, lithium hexafluorophosphate, lithium iodate, lithium iodide, lithium perchlorate, lithium phosphate, lithium sulfate, lithium tetraborate, lithium tetrafluoroborate, and combinations thereof.
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。 In certain embodiments, the electrochemical modifier comprises a metal, and typical species include, but are not limited to, aluminum isopropoxide, manganese acetate, nickel acetate, iron acetate, tin chloride, silicon chloride, and combinations thereof. In certain embodiments, the electrochemical modifier is a phosphate compound, and typical species include, but are not limited to, phytic acid, phosphoric acid, ammonium dihydrogen phosphate, and combinations thereof. In certain embodiments, the electrochemical modifier comprises silicon, and typical species include, but are not limited to, silicon powder, silicon nanotubes, polycrystalline silicon, nanocrystalline silicon, amorphous silicon, porous silicon, nanosized silicon, nanofeatured silicon, nanosized and nanofeatured silicon, silicyne, black silicon, and combinations thereof.
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、塩基群等が挙げられる。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。 Electrochemical modifiers can be coupled to various polymer systems either by physical mixing or chemical reaction with latent (or secondary) polymer functional groups. Examples of latent polymer functional groups include, but are not limited to, epoxide groups, unsaturation (double or triple bonds), acid groups, alcohol groups, and base groups. Crosslinking with latent functional groups can occur through reaction with heteroatoms (e.g., vulcanization reactions with sulfur and acid/base/ring-opening reactions with phosphoric acid), reaction with organic acids or bases (as described above), coordination to transition metals (e.g., titanium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, zirconium, niobium, molybdenum, silver, gold, etc.), or ring-opening or ring-closing reactions (e.g., rotaxanes, spiro compounds, etc.).
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。 Electrochemical modifiers can also be added to polymer systems by physical blending. Physical blending can include, but is not limited to, melt blending of polymers and/or copolymers, inclusion of discrete particles, vapor-phase chemical deposition of the electrochemical modifier, and co-precipitation of the electrochemical modifier and the base polymer material.
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。 In some examples, the electrochemical modifier may be added via a metal salt solid, solution, or suspension. The metal salt solid, solution, or suspension may contain an acid and/or alcohol to enhance the solubility of the metal salt. In other further variations, the polymer gel (either before or after any drying step) is contacted with a paste containing the electrochemical modifier. In yet other variations, the polymer gel (either before or after any drying step) is contacted with a metal or metal oxide containing the desired electrochemical modifier.
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。 In addition to the electrochemical modifiers exemplified above, the composite material may also include one or more additional forms (i.e., allotropes) of carbon. In this regard, the inclusion of various allotropes of carbon (e.g., graphite, amorphous carbon, conductive carbon, carbon black, diamond, C60, carbon nanotubes (e.g., single-walled and/or multi-walled), graphene, and/or carbon fiber, etc.) in the composite material has been found to be effective for optimizing the electrochemical performance of the composite material. Various allotropes of carbon can be introduced into the carbon material at any stage of the preparation process described herein (e.g., during the dissolution phase, gelation phase, curing phase, pyrolysis phase, milling phase, or post-milling). In some embodiments, a second carbon foam is introduced into the composite material by adding the second carbon foam during or before polymerization of the polymer gel, as described in more detail herein. The polymerized polymer gel containing the second carbon foam is processed according to the general methods described herein to obtain a carbon material containing the second allotrope of carbon.
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。 In a preferred embodiment, carbon is produced from precursors that require little or no solvent for processing. The structure of polymer precursors suitable for use in low-solvent or essentially solvent-free reaction mixtures is not particularly limited, provided that the polymer precursors can be reacted with other polymer precursors or a second polymer precursor to produce a polymer. Polymer precursors include amine-containing compounds, alcohol-containing compounds, and carbonyl-containing compounds. For example, in some embodiments, the polymer precursor is selected from alcohols, phenols, polyalcohols, sugars, alkylamines, aromatic amines, aldehydes, ketones, carboxylic acids, esters, ureas, acid halides, and isocyanates.
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。 In one embodiment using a low-solvent or essentially solvent-free reaction mixture, the method includes the use of first and second polymer precursors, and in some embodiments, one of the first or second polymer precursors is a carbonyl-containing compound and the other is an alcohol-containing compound. In some embodiments, the first polymer precursor is a phenolic compound and the second polymer precursor is an aldehyde compound (e.g., formaldehyde). In one embodiment, the phenolic compound of the method is phenol, resorcinol, catechol, hydroquinone, phloroglucinol, or a combination thereof; and the aldehyde compound is formaldehyde, acetaldehyde, propionaldehyde, butyraldehyde, benzaldehyde, cinnamaldehyde, or a combination thereof. In a further embodiment, the phenolic compound is resorcinol, phenol, or a combination thereof, and the aldehyde compound is formaldehyde. In further embodiments, the phenolic compound is resorcinol and the aldehyde compound is formaldehyde. In some embodiments, the polymer precursors are an alcohol and a carbonyl compound (e.g., resorcinol and an aldehyde), which are present in a ratio of about 0.5:1.0, respectively.
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)、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。
Suitable polymer precursor materials for the low-solvent or essentially solvent-free reaction mixtures described herein include (a) alcohols, phenolic compounds, and other mono- or polyhydroxy compounds, and (b) aldehydes, ketones, and combinations thereof. Exemplary alcohols in this embodiment include linear and branched, saturated, and unsaturated alcohols. Suitable phenolic compounds include polyhydroxybenzenes (such as dihydroxy or trihydroxybenzenes). Exemplary polyhydroxybenzenes include resorcinol (i.e., 1,3-dihydroxybenzene), catechol, hydroquinone, and phloroglucinol. Other suitable compounds in this regard are bisphenols (e.g., bisphenol A). Mixtures of two or more polyhydroxybenzenes can also be used. Phenols (monohydroxybenzenes) can also be used. Exemplary polyhydroxy compounds include sugars (e.g., glucose, sucrose, fructose, chitin, and other polyols such as mannitol). Aldehydes in this embodiment include the following:
straight-chain saturated aldehydes, such as methanal (formaldehyde), ethanal (acetaldehyde), propanal (propionaldehyde), butanal (butyraldehyde), etc.;
Straight-chain unsaturated aldehydes, such as ethenone and other ketenes, as well as 2-propenal (acrylaldehyde), 2-butenal (crotonaldehyde), and 3-butenal;
Branched-chain saturated and unsaturated aldehydes; and aromatic type aldehydes such as benzaldehyde, salicylic aldehyde, hydrocinnamaldehyde, etc. Suitable ketones include:
linear saturated ketones, such as propanone and 2-butanone;
straight-chain unsaturated ketones, such as propenone, 2-butenone, and 3-butenone (methyl vinyl ketone);
branched chain saturated and unsaturated ketones; and aromatic type ketones, such as methyl benzyl ketone (phenylacetone), ethyl benzyl ketone, etc. The polymer precursor material may also be a combination of the precursors listed above.
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。 In some embodiments, one polymer precursor in the solvent-poor or essentially solvent-free reaction mixture is an alcohol-containing species, and the other polymer precursor is a carbonyl-containing species. The relative amounts of alcohol-containing species (e.g., alcohols, phenolic compounds, and mono- or poly-hydroxy compounds, or combinations thereof) reacted with the carbonyl-containing species (e.g., aldehydes, ketones, or combinations thereof) can vary substantially. In some embodiments, the ratio of alcohol-containing species to aldehyde species is selected so that the total moles of reactive alcohol groups in the alcohol-containing species are approximately equal to the total moles of reactive carbonyl groups in the aldehyde-containing species. Similarly, the ratio of alcohol-containing species to ketone species may be selected so that the total moles of reactive alcohol groups in the alcohol-containing species are approximately equal to the total moles of reactive carbonyl groups in the ketone-containing species. The same general 1:1 molar ratio remains true when the carbonyl-containing species includes a combination of aldehyde and ketone species.
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。 In other embodiments, the polymer precursor in the low-solvent or essentially solvent-free reaction mixture is a urea or amine-containing compound. For example, in some embodiments, the polymer precursor is urea, melamine, hexamethylenetetramine (HMT), or a combination thereof. Other embodiments include polymer precursors selected from isocyanates or other activated carbonyl compounds (e.g., acid halides, etc.).
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。 Some embodiments of the disclosed method involve the preparation of solvent-poor or solvent-free polymer gels (and carbon materials) containing electrochemical modifiers. Examples of such electrochemical modifiers include, but are not limited to, nitrogen, silicon, and sulfur. In other embodiments, the electrochemical modifiers include fluorine, iron, tin, silicon, nickel, aluminum, zinc, or manganese. The electrochemical modifiers can be included at any stage during the preparation process. For example, some electrochemical modifiers are mixed with the mixture, the polymer phase, or a subsequent phase.
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。 Blending of one or more polymer precursor components in the absence of a solvent can be accomplished by methods described in the art, such as ball milling, jet milling, Fritsch milling, planetary mixing, and other mixing methods involving mixing or blending solid particles while controlling process conditions (e.g., temperature). The mixing or blending process can be accomplished before, during, and/or after (or a combination of these) incubation at the reaction temperature.
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℃でエイジングされた。特定の実施形態においては、溶媒フリー混合物は約50℃~250℃でエイジングされた。 Reaction parameters include aging the blend mixture at a temperature and for a time sufficient to cause one or more polymer precursors to react with one another and form a polymer. In this regard, suitable aging temperatures range from about room temperature to a temperature at or near the melting point of one or more polymer precursors. In some embodiments, suitable aging temperatures range from about room temperature to a temperature at or near the glass transition temperature of one or more polymer precursors. For example, in some embodiments, the solvent-free mixture is aged at about 20°C to about 600°C, e.g., about 20°C to about 500°C, e.g., about 20°C to about 400°C, e.g., about 20°C to about 300°C, e.g., about 20°C to about 200°C. In certain embodiments, the solvent-free mixture is aged at about 50°C to 250°C.
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できる。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た。 Porous carbon materials can be achieved by pyrolysis of polymers produced from the precursor materials described above. In some embodiments, the porous carbon material comprises amorphous activated carbon, which is produced by pyrolysis, physical or chemical activation, or a combination thereof, either in a single process step or in a series of process steps.
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、等が挙げられる。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℃、等が挙げられる。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。 The pyrolysis temperature and treatment time can vary, for example, from 1 minute to 10 minutes, 10 minutes to 30 minutes, 30 minutes to 1 hour, 1 hour to 2 hours, 2 hours to 4 hours, 4 hours to 24 hours, etc. The temperature can also vary, for example, pyrolysis temperatures can be from 200°C to 300°C, 250°C to 350°C, 350°C to 450°C, 450°C to 550°C, 540°C to 650°C, 650°C to 750°C, 750°C to 850°C, 850°C to 950°C, 950°C to 1050°C, 1050°C to 1150°C, 1150°C to 1250°C, etc. Pyrolysis can be accomplished in an inert gas (e.g., nitrogen or argon).
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た。特定の実施形態において、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ことに関する適切な気体は、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、等が挙げられる。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℃、等が挙げられる。 In some embodiments, alternative gases are used to achieve further carbon activation. In certain embodiments, pyrolysis and activation are performed simultaneously. Suitable gases for achieving carbon activation include, but are not limited to, carbon dioxide, carbon monoxide, water (water vapor), air, oxygen, and further combinations thereof. Activation temperatures and treatment times can vary, including, for example, treatment times of 1 minute to 10 minutes, 10 minutes to 30 minutes, 30 minutes to 1 hour, 1 hour to 2 hours, 2 hours to 4 hours, 4 hours to 24 hours, etc. The temperature can vary, for example, pyrolysis temperatures can be 200°C to 300°C, 250°C to 350°C, 350°C to 450°C, 450°C to 550°C, 540°C to 650°C, 650°C to 750°C, 750°C to 850°C, 850°C to 950°C, 950°C to 1050°C, 1050°C to 1150°C, 1150°C to 1250°C, etc.
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。その他の粒子径の減少法は、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。 The particle size of the carbon may be reduced before pyrolysis, and/or after pyrolysis, and/or after activation. Particle size reduction can be achieved by various methods known in the art, such as jet milling in the presence of various gases, including air, nitrogen, argon, helium, supercritical steam, and other gases known in the art. Other particle size reduction methods are contemplated, including grinding, ball milling, jet milling, water jet milling, and other approaches known in the art.
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、等が挙げられる。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、等が挙げられる。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、等が挙げられる。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、等が挙げられる。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、等が挙げられる。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、等が挙げられる。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、等が挙げられる。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、等が挙げられる。 The porous carbon scaffold may be in the form of particles. Particle size and particle size distribution can be measured by various methods known in the art and expressed based on volume fraction. In this regard, the Dv,50 of the carbon scaffold may be between 10 nm and 10 mm, e.g., between 100 nm and 1 mm, e.g., between 1 μm and 100 μm, e.g., between 2 μm and 50 μm, e.g., between 3 μm and 30 μm, e.g., between 4 μm and 20 μm, e.g., between 5 μm and 10 μm, etc. In certain embodiments, the Dv,50 is less than 1 mm, e.g., less than 100 μm, e.g., less than 50 μm, e.g., less than 30 μm, e.g., less than 20 μm, e.g., less than 10 μm, e.g., less than 8 μm, e.g., less than 5 μm, e.g., less than 3 μm, e.g., less than 1 μm, etc. In certain embodiments, Dv,100 is less than 1 mm, such as less than 100 μm, for example less than 50 μm, for example less than 30 μm, for example less than 20 μm, for example less than 10 μm, for example less than 8 μm, for example less than 5 μm, for example less than 3 μm, for example less than 1 μm, etc. In certain embodiments, Dv,99 is less than 1 mm, such as less than 100 μm, for example less than 50 μm, for example less than 30 μm, for example less than 20 μm, for example less than 10 μm, for example less than 8 μm, for example less than 5 μm, for example less than 3 μm, for example less than 1 μm, etc. In certain embodiments, Dv,90 is less than 1 mm, such as less than 100 μm, for example less than 50 μm, for example less than 30 μm, for example less than 20 μm, for example less than 10 μm, for example less than 8 μm, for example less than 5 μm, for example less than 3 μm, for example less than 1 μm, etc. In certain embodiments, Dv,0 is greater than 10 nm, such as greater than 100 nm, such as greater than 500 nm, such as greater than 1 μm, such as greater than 2 μm, such as greater than 5 μm, such as greater than 10 μm. In certain embodiments, Dv,1 is greater than 10 nm, such as greater than 100 nm, such as greater than 500 nm, such as greater than 1 μm, such as greater than 2 μm, such as greater than 5 μm, such as greater than 10 μm. In certain embodiments, Dv,10 is greater than 10 nm, such as greater than 100 nm, such as greater than 500 nm, such as greater than 1 μm, such as greater than 2 μm, such as greater than 5 μm, such as greater than 10 μm.
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、等が挙げられる。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。 In some embodiments, the porous carbon scaffold can include a surface area of greater than 400 m 2 /g, such as greater than 500 m 2 /g, such as greater than 750 m 2 /g, such as greater than 1000 m 2 /g, such as greater than 1250 m 2 /g, such as greater than 1500 m 2 /g, such as greater than 1750 m 2 / g, such as greater than 2000 m 2 /g, such as greater than 2500 m 2 /g, such as greater than 3000 m 2 /g, etc. In other embodiments, the surface area of the porous carbon scaffold can be less than 500 m 2 /g. In some embodiments, the surface area of the porous carbon scaffold is between 200 m 2 /g and 500 m 2 /g. In some embodiments, the surface area of the porous carbon scaffold is between 100 m 2 /g and 200 m 2 /g. In some embodiments, the surface area of the porous carbon scaffold is between 50 m 2 /g and 100 m 2 /g. In some embodiments, the surface area of the porous carbon scaffold is between 10 m 2 /g and 50 m 2 /g. In some embodiments, the surface area of the porous carbon scaffold can be less than 10 m 2 /g.
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、等が挙げられる。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。 In some embodiments, the pore volume of the porous carbon scaffold is greater than 0.4 cm 3 /g, such as greater than 0.5 cm 3 /g, for example greater than 0.6 cm 3 /g, for example greater than 0.7 cm 3 /g, for example greater than 0.8 cm 3 /g, for example greater than 0.9 cm 3 /g, for example greater than 1.0 cm 3 /g, for example greater than 1.1 cm 3 /g, for example greater than 1.2 cm 3 /g, for example greater than 1.4 cm 3 /g, for example greater than 1.6 cm 3 /g, for example greater than 1.8 cm 3 /g, for example greater than 2.0 cm 3 /g, etc. In other embodiments, the pore volume of the porous silicon scaffold is less than 0.5 cm 3 , for example between 0.1 cm 3 /g and 0.5 cm 3 /g. In certain embodiments, the pore volume of the porous silicon scaffold is between 0.01 cm 3 /g and 0.1 cm 3 /g.
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。 In some embodiments, the porous carbon scaffold is an amorphous activated carbon having a pore volume of 0.2-2.0 cm 3 /g. In certain embodiments, the carbon is an amorphous activated carbon having a pore volume of 0.4-1.5 cm 3 /g. In certain embodiments, the carbon is an amorphous activated carbon having a pore volume of 0.5-1.2 cm 3 /g. In certain embodiments, the carbon is an amorphous activated carbon having a pore volume of 0.6-1.0 cm 3 /g.
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、等が挙げられる。 In other embodiments, the porous carbon scaffold comprises a tap density of less than 1.0 g/ cm3 , such as less than 0.8 g/ cm3 , such as less than 0.6 g/ cm3 , such as less than 0.5 g/ cm3 , such as less than 0.4 g/ cm3 , such as less than 0.3 g/ cm3 , such as less than 0.2 g/ cm3 , such as less than 0.1 g/ cm3 , etc.
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、等が挙げられる。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。 The surface functionality of porous carbon scaffolds can vary. One property that can predict surface functionality is the pH of the porous carbon scaffold. The porous carbon scaffolds disclosed herein include pH values ranging from less than 1 to about 14, such as less than 5, 5-8, or greater than 8. In some embodiments, the pH of the porous carbon is less than 4, less than 3, less than 2, or less than 1. In other embodiments, the pH of the porous carbon is between about 5-6, about 6-7, about 7-8, 8-9, or 9-10. In still other embodiments, the pH of the porous carbon is high, such as greater than 8, greater than 9, greater than 10, greater than 11, greater than 12, or greater than 13.
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、等が挙げられる。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かった。 The pore volume distribution of the porous carbon scaffold can vary. For example, the micropore percentage can include less than 30%, such as less than 20%, such as less than 10%, such as less than 5%, such as less than 4%, such as less than 3%, such as less than 2%, such as less than 1%, such as less than 0.5%, such as less than 0.2%, such as less than 0.1%, etc. In certain embodiments, there is no detectable micropore volume in the porous carbon scaffold.
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、等が挙げられる。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かった。 The mesopores contained in the porous carbon scaffold can vary. For example, the mesopore percentage can be less than 30%, such as less than 20%, such as less than 10%, such as less than 5%, such as less than 4%, such as less than 3%, such as less than 2%, such as less than 1%, such as less than 0.5%, such as less than 0.2%, such as less than 0.1%, etc. In certain embodiments, there is no detectable mesopore volume in the porous carbon scaffold.
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、等が挙げられる。 In some embodiments, the pore volume distribution of the porous carbon scaffold comprises greater than 50% macropores, such as greater than 60% macropores, such as greater than 70% macropores, such as greater than 80% macropores, such as greater than 90% macropores, such as greater than 95% macropores, such as greater than 98% macropores, such as greater than 99% macropores, such as greater than 99.5% macropores, such as greater than 99.9% macropores, etc.
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。 In certain preferred embodiments, the pore volume of the porous carbon scaffold comprises a blend of micropores, mesopores, and macropores. Thus, in certain embodiments, the porous carbon scaffold comprises 0-20% micropores, 30-70% mesopores, and less than 10% macropores. In other specific embodiments, the porous carbon scaffold comprises 0-20% micropores, 0-20% mesopores, and 70-95% macropores. In other specific embodiments, the porous carbon scaffold comprises 20-50% micropores, 50-80% mesopores, and 0-10% macropores. In other specific embodiments, the porous carbon scaffold comprises 40-60% micropores, 40-60% mesopores, and 0-10% macropores. In certain other embodiments, the porous carbon scaffold comprises 80-95% micropores, 0-10% mesopores, and 0-10% macropores. In certain other embodiments, the porous carbon scaffold comprises 0-10% micropores, 30-50% mesopores, and 50-70% macropores. In certain other embodiments, the porous carbon scaffold comprises 0-10% micropores, 70-80% mesopores, and 0-20% macropores. In certain other embodiments, the porous carbon scaffold comprises 0-20% micropores, 70-95% mesopores, and 0-10% macropores. In certain other embodiments, the porous carbon scaffold comprises 0-10% micropores, 70-95% mesopores, and 0-20% macropores.
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。 In certain embodiments, the percentage of pore volume representing 100-1000 A (10-100 nm) pores in the porous carbon scaffold comprises more than 30% of the total pore volume, such as more than 40% of the total pore volume, such as more than 50% of the total pore volume, such as more than 60% of the total pore volume, such as more than 70% of the total pore volume, such as more than 80% of the total pore volume, such as more than 90% of the total pore volume, such as more than 95% of the total pore volume, such as more than 98% of the total pore volume, such as more than 99% of the total pore volume, such as more than 99.5% of the total pore volume, for example more than 99.9% of the total pore volume.
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。 In certain embodiments, the pycnometry density of the porous carbon scaffold ranges from about 1 g/cc to about 3 g/cc, for example, from about 1.5 g/cc to about 2.3 g/cc. In other embodiments, the skeletal density is in the range of about 1.5 g/cc to about 1.6 g/cc, about 1.6 g/cc to about 1.7 g/cc, about 1.7 g/cc to about 1.8 g/cc, about 1.8 g/cc to about 1.9 g/cc, about 1.9 g/cc to about 2.0 g/cc, about 2.0 g/cc to about 2.1 g/cc, about 2.1 g/cc to about 2.2 g/cc, about 2.2 g/cc to about 2.3 g/cc, about 2.3 g/cc to about 2.4 g/cc, or about 2.4 g/cc to about 2.5 g/cc.
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成分を提供するプロセスである。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複合材料を作製するために使用でき得る。別として、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成分を提供するプロセスである。
C. Fabrication of Silicon by Chemical Vapor Infiltration (CVI) Chemical vapor deposition (CVD) is a process in which a substrate provides a first component of a composite, and a gas thermally decomposes on the solid surface of the first component to provide a second component of the composite. Such a CVD approach may be used, for example, to create Si—C composite materials in which silicon is coated on the outer surfaces of silicon particles. Alternatively, chemical vapor infiltration (CVI) is a process in which a substrate provides a porous scaffold containing a first component of a composite, and a gas thermally decomposes within the porosity of the porous scaffold material to provide a second component of the composite.
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。シリコン含有前駆体ガスを、その他の不活性ガス、例えば窒素ガスと混合してもよい。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℃、等が挙げられる。 In one embodiment, silicon is produced within the pores of the porous carbon scaffold by exposing the porous carbon particles to a silicon-containing precursor gas, preferably silane, at an elevated temperature in the presence of a silicon-containing gas to decompose the silicon-containing gas into silicon. The silicon-containing precursor gas may be mixed with other inert gases, such as nitrogen gas. The treatment temperature and time may vary, for example, from 200°C to 900°C, e.g., from 200°C to 250°C, e.g., from 250°C to 300°C, e.g., from 300°C to 350°C, e.g., from 300°C to 400°C, e.g., from 350°C to 450°C, e.g., from 350°C to 400°C, e.g., from 400°C to 500°C, e.g., from 500°C to 600°C, e.g., from 600°C to 700°C, e.g., from 700°C to 800°C, e.g., from 800°C to 900°C, e.g., from 600°C to 1100°C, etc.
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。 The gas mixture may include 0.1-1% silane and the remaining inert gas. Alternatively, the gas mixture may include 1-10% silane and the remaining inert gas. Alternatively, the gas mixture may include 10-20% silane and the remaining inert gas. Alternatively, the gas mixture may include 20-50% silane and the remaining inert gas. Alternatively, the gas mixture may include more than 50% silane and the remaining inert gas. Alternatively, the gas may include essentially 100% silane gas. Suitable inert gases include, but are not limited to, hydrogen, nitrogen, argon, and combinations thereof.
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。 The pressure in the CVI process can vary. In some embodiments, the pressure is atmospheric. In some embodiments, the pressure is less than atmospheric. In some embodiments, the pressure is greater than atmospheric.
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。
D. Physicochemical and Electrochemical Properties of Silicon-Carbon Composites Without wishing to be bound by theory, it is believed that the nanosized silicon results from loading the porous carbon scaffold with the desired pore volume structure (e.g., silicon-filled pores in the range of 5 nm to 1000 nm, or other ranges disclosed elsewhere herein), which, along with the advantageous properties of the other components of the composite (including low surface area, low pycnometric density), results in a composite with a variety of advantageous properties (e.g., electrochemical performance) when the composite comprises an anode for a lithium ion energy storage device.
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。 In certain embodiments, the silicon particles embedded within the composite have nanosized features. Nanosized features may have a characteristic length scale of preferably less than 1 μm, preferably less than 300 nm, preferably less than 150 nm, preferably less than 100 nm, preferably less than 50 nm, preferably less than 30 nm, preferably less than 15 nm, preferably less than 10 nm, and preferably less than 5 nm.
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、等が挙げられる。 In certain embodiments, the silicon embedded within the composite is spherical in shape. In other specific embodiments, the porous silicon particles are non-spherical, e.g., rod-like or fibrous in structure. In some embodiments, the silicon is present as a layer coating the inside of the pores within the porous carbon scaffold. The depth of this silicon layer can vary, for example, from 5 nm to 10 nm, e.g., from 5 nm to 20 nm, e.g., from 5 nm to 30 nm, e.g., from 5 nm to 33 nm, e.g., from 10 nm to 30 nm, e.g., from 10 nm to 50 nm, e.g., from 10 nm to 100 nm, e.g., from 10 nm to 150 nm, e.g., from 50 nm to 150 nm, e.g., from 100 nm to 300 nm, e.g., from 300 nm to 1000 nm, etc.
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、等が挙げられる)。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。 In some embodiments, the embedded silicon in the composite is nanosized and resides within the pores of a porous carbon scaffold. For example, the embedded silicon can be impregnated and deposited by CVI or other suitable process into pores within porous carbon particles (wherein the pores have diameters of 5-1000 nm, e.g., 10-500 nm, e.g., 10-200 nm, e.g., 10-100 nm, e.g., 33-150 nm, e.g., 20-100 nm, etc.). Other ranges of carbon pore size in terms of fractional pore volume are similarly contemplated, whether micropores, mesopores, or macropores.
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細孔容積分布は、当該技術分野で公知の、ガス吸着分析(例えば窒素ガス吸着分析)に基づいて求めた、細孔の数、又は細孔の容積分布として記載できる。いくつかの実施形態においては、細孔サイズの分布は、合計細孔容積のうちの一定割合以下の細孔が存在する細孔サイズ、という意味で表現できる。例えば、10%以下の細孔が存在する細孔サイズは、DPv10で表現できる。 In some embodiments, the pore volume distribution of a carbon scaffold can be described as the number of pores or the volume distribution of pores, as determined by gas adsorption analysis (e.g., nitrogen gas adsorption analysis) as known in the art. In some embodiments, the pore size distribution can be expressed in terms of the pore size at which pores account for less than a certain percentage of the total pore volume. For example, the pore size at which 10% or less pores are present can be expressed as DPv10.
多孔質カーボンスキャフォールドのDPv10は様々であってよく、例えばDPv10は0.01nm~100nm、例えば0.1nm~100nm、例えば1nm~100nm、例えば1nm~50nm、例えば1nm~40nm、例えば1nm~30nm、例えば1nm~10nm、例えば1nm~5nm、等が挙げられる。 The DPv10 of the porous carbon scaffold may vary, for example, the DPv10 may be 0.01 nm to 100 nm, such as 0.1 nm to 100 nm, such as 1 nm to 100 nm, such as 1 nm to 50 nm, such as 1 nm to 40 nm, such as 1 nm to 30 nm, such as 1 nm to 10 nm, such as 1 nm to 5 nm, etc.
多孔質カーボンスキャフォールドのDPv50は様々であってよく、例えばDPv50は0.01nm~100nm、例えば0.1nm~100nm、例えば1nm~100nm、例えば1nm~50nm、例えば1nm~40nm、例えば1nm~30nm、例えば1nm~10nm、例えば1nm~5nm、等が挙げられる。 その他の実施形態においては、DPv50は2~100、例えば2~50、例えば2~30、例えば2~20、例えば2~15、例えば2~10、等が挙げられる。 The DPv50 of the porous carbon scaffold may vary, for example, the DPv50 may be 0.01 nm to 100 nm, such as 0.1 nm to 100 nm, for example, 1 nm to 100 nm, for example, 1 nm to 50 nm, for example, 1 nm to 40 nm, for example, 1 nm to 30 nm, for example, 1 nm to 10 nm, for example, 1 nm to 5 nm, etc. In other embodiments, the DPv50 may be 2 to 100, for example, 2 to 50, for example, 2 to 30, for example, 2 to 20, for example, 2 to 15, for example, 2 to 10, etc.
多孔質カーボンスキャフォールドのDPv90は様々であってよく、例えばDPv90は0.01nm~100nm、例えば0.1nm~100nm、例えば1nm~100nm、例えば1nm~50nm、例えば1nm~50nm、例えば1nm~40nm、例えば1nm~30nm、例えば1nm~10nm、例えば1nm~5nm、等が挙げられる。その他の実施形態においては、DPv50は2nm~100nm、例えば2nm~50nm、例えば2nm~30nm、例えば2nm~20nm、例えば2nm~15nm、例えば2nm~10nm、等が挙げられる。 The DPv90 of the porous carbon scaffold may vary, for example, the DPv90 may be 0.01 nm to 100 nm, such as 0.1 nm to 100 nm, for example, 1 nm to 100 nm, for example, 1 nm to 50 nm, for example, 1 nm to 50 nm, for example, 1 nm to 40 nm, for example, 1 nm to 30 nm, for example, 1 nm to 10 nm, for example, 1 nm to 5 nm, etc. In other embodiments, the DPv50 may be 2 nm to 100 nm, for example, 2 nm to 50 nm, for example, 2 nm to 30 nm, for example, 2 nm to 20 nm, for example, 2 nm to 15 nm, for example, 2 nm to 10 nm, etc.
いくつかの実施形態においては、DPv90は100nm未満であり、例えば50nm未満、例えば40nm未満、例えば30nm未満、例えば20nm未満、例えば15nm未満、例えば10nm未満、等が挙げられる。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は70%超のミクロ細孔、及び100nm未満のDPv90を含み、例えば50nm未満のDPv90、例えば40nm未満のDPv90、例えば30nm未満のDPv90、例えば20nm未満のDPv90、例えば15nm未満のDPv90、例えば10nm未満のDPv90、例えば5nm未満のDPv90、例えば4nm未満のDPv90、例えば3nm未満のDPv90、等が挙げられる。 In some embodiments, the DPv90 is less than 100 nm, such as less than 50 nm, such as less than 40 nm, such as less than 30 nm, such as less than 20 nm, such as less than 15 nm, such as less than 10 nm. In some embodiments, the carbon scaffold comprises more than 70% micropores and a DPv90 less than 100 nm, such as a DPv90 less than 50 nm, such as a DPv90 less than 40 nm, such as a DPv90 less than 30 nm, such as a DPv90 less than 20 nm, such as a DPv90 less than 15 nm, such as a DPv90 less than 10 nm, such as a DPv90 less than 5 nm, such as a DPv90 less than 4 nm, such as a DPv90 less than 3 nm, etc.
多孔質カーボンスキャフォールドのDPv99は様々であってよく、例えばDPv99は0.01nm~1000nm、例えば0.1nm~1000nm、例えば1nm~500nm、例えば1nm~200nm、例えば1nm~150nm、例えば1nm~100nm、例えば1nm~50nm、例えば1nm~20nm、等が挙げられる。その他の実施形態においては、DPv99は2nm~500nmであり、例えば2nm~200nm、例えば2nm~150nm、例えば2nm~100nm、例えば2nm~50nm、例えば2nm~20nm、例えば2nm~15nm、例えば2nm~10nm、等が挙げられる。 The DPv99 of the porous carbon scaffold may vary, for example, the DPv99 may be 0.01 nm to 1000 nm, such as 0.1 nm to 1000 nm, for example, 1 nm to 500 nm, for example, 1 nm to 200 nm, for example, 1 nm to 150 nm, for example, 1 nm to 100 nm, for example, 1 nm to 50 nm, for example, 1 nm to 20 nm, etc. In other embodiments, the DPv99 may be 2 nm to 500 nm, for example, 2 nm to 200 nm, for example, 2 nm to 150 nm, for example, 2 nm to 100 nm, for example, 2 nm to 50 nm, for example, 2 nm to 20 nm, for example, 2 nm to 15 nm, for example, 2 nm to 10 nm, etc.
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、等が挙げられる。特定の実施形態においては、Zは0である。 Embodiments of the highly durable lithium intercalation composites disclosed herein improve numerous properties of electrical energy storage devices, such as lithium-ion batteries. In some embodiments, the silicon-carbon composites disclosed herein exhibit a Z of less than 10, e.g., a Z of less than 5, e.g., a Z of less than 4, e.g., a Z of less than 3, e.g., a Z of less than 2, e.g., a Z of less than 1, e.g., a Z of less than 0.1, e.g., a Z of less than 0.01, e.g., a Z of less than 0.001, etc. In certain embodiments, Z is 0.
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、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、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。表1は、可逆容量を含む、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である。表面積は、当該技術分野において公知のように、例えば窒素ガス吸着分析によって測定できる。シリコン含有量は、当該技術分野において公知のように、例えばTGAによって測定できる。特性値Zは、本開示に従ってTGAにより求められる。第1サイクル効率は、当該技術分野において公知のように、例えばフルセル又はハーフセルにおける、第1サイクルの充電および放電容量に基づく計算により求められる。例えば、第1サイクル効率は、5mV~0.8V、別として、5mV~1.5Vの電圧ウィンドウ用のハーフセルにおいて測定できる。可逆容量は、最大可逆容量、又は最大容量として記載可能で、当該技術分野において公知のように、例えば5mV~0.8V、別として、5mV~1.5Vの電圧ウィンドウ用のハーフセルにおいて測定できる。 In certain preferred embodiments, the silicon-carbon composites comprise a combination of a desirably low Z and multiple desired physicochemical and/or electrochemical properties, or multiple other desired physicochemical and/or electrochemical properties. Table 1 describes certain embodiments of silicon-carbon composite property combinations, including reversible capacity. Surface area can be measured, for example, by nitrogen gas adsorption analysis, as known in the art. Silicon content can be measured, for example, by TGA, as known in the art. The property value Z is determined by TGA in accordance with the present disclosure. First cycle efficiency can be determined, for example, by calculation based on the first cycle charge and discharge capacity of a full cell or half cell, as known in the art. For example, first cycle efficiency can be measured in a half cell for a voltage window of 5 mV to 0.8 V, or alternatively, 5 mV to 1.5 V. Reversible capacity can be described as maximum reversible capacity or maximum capacity and can be measured in a half cell for a voltage window of, for example, 5 mV to 0.8 V, alternatively, 5 mV to 1.5 V, as known in the art.
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値
表1によると、シリコン-カーボン複合体は、様々な特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、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。 According to Table 1, silicon-carbon composites can include various combinations of properties. For example, a silicon-carbon composite can include a Z of less than 10, a surface area of less than 100 m 2 /g, a first cycle efficiency of greater than 80%, and a reversible capacity of 1300 mAh/g or greater. For example, a silicon-carbon composite can include a Z of less than 10, a surface area of less than 100 m 2 /g, a first cycle efficiency of greater than 80%, and a reversible capacity of 1600 mAh/g or greater. For example, a silicon-carbon composite can include a Z of less than 10, a surface area of less than 20 m 2 /g, a first cycle efficiency of greater than 85%, and a reversible capacity of 1600 mAh/g or greater. For example, a silicon-carbon composite can include a Z of less than 10, a surface area of less than 10 m 2 /g, a first cycle efficiency of greater than 85%, and a reversible capacity of 1600 mAh/g or greater. For example, the silicon-carbon composite may include a Z less than 10, a surface area less than 10 m 2 /g, a first cycle efficiency greater than 90%, and a reversible capacity greater than or equal to 1600 mAh/g. For example, the silicon-carbon composite may include a Z less than 10, a surface area less than 10 m 2 /g, a first cycle efficiency greater than 90%, and a reversible capacity greater than or equal to 1800 mAh/g.
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-カーボン複合体の特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。 The silicon-carbon composite can include a combination of the above properties, and the carbon scaffold can also include properties described herein. Accordingly, a description of specific embodiments of combinations of property values for silicon-carbon composites is provided in Table 2 below.
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値
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。 As used herein, the percentages "microporosity," "mesoporosity," and "macroporosity" refer to the percentage of micropores, mesopores, and macropores, respectively, relative to the total pore volume. For example, a carbon scaffold having 90% microporosity is a carbon scaffold in which 90% of the total pore volume of the carbon scaffold is formed by micropores.
表2によると、シリコン-カーボン複合体は、様々な特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、10未満のZ、100m2/g未満の表面積、80%超の第1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、合計細孔容積が0.2~1.2cm3/gのカーボンスキャフォールドを含んでもよく、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。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、1600mAh/g以上の可逆容量、15%~85%のシリコン含有量、合計細孔容積が0.2~1.2cm3/gのカーボンスキャフォールドを含んでもよく、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。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、1600mAh/g以上の可逆容量、15%~85%のシリコン含有量、合計細孔容積が0.2~1.2cm3/gのカーボンスキャフォールドを含んでもよく、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。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、1600mAh/g以上の可逆容量、15%~85%のシリコン含有量、合計細孔容積が0.2~1.2cm3/gのカーボンスキャフォールドを含んでもよく、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。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、1800mAh/g以上の可逆容量、15%~85%のシリコン含有量、合計細孔容積が0.2~1.2cm3/gのカーボンスキャフォールドを含んでもよく、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。 According to Table 2, silicon-carbon composites can include various combinations of properties. For example, a silicon-carbon composite may include a Z less than 10, a surface area less than 100 m 2 /g, a first cycle efficiency greater than 80%, a reversible capacity equal to or greater than 1600 mAh/g, a silicon content between 15% and 85%, and a carbon scaffold with a total pore volume of 0.2-1.2 cm 3 /g, where the pore volume of the scaffold includes greater than 80% micropores, less than 20% mesopores, and less than 10% macropores. For example, a silicon-carbon composite may include a carbon scaffold having a Z less than 10, a surface area less than 20 m /g, a first cycle efficiency greater than 85%, a reversible capacity equal to or greater than 1600 mAh/g, a silicon content of 15% to 85%, and a total pore volume of 0.2-1.2 cm /g, wherein the pore volume of the scaffold is greater than 80% micropores, less than 20% mesopores, and less than 10% macropores. For example, a silicon-carbon composite may include a carbon scaffold having a Z less than 10, a surface area less than 10 m /g, a first cycle efficiency greater than 85%, a reversible capacity equal to or greater than 1600 mAh/g, a silicon content of 15% to 85%, and a total pore volume of 0.2-1.2 cm /g, wherein the pore volume of the scaffold is greater than 80% micropores, less than 20% mesopores, and less than 10% macropores. For example, a silicon-carbon composite may comprise a carbon scaffold with a Z less than 10, a surface area less than 10 m 2 /g, a first cycle efficiency greater than 90%, a reversible capacity equal to or greater than 1600 mAh/g, a silicon content between 15% and 85%, and a total pore volume of 0.2-1.2 cm 3 /g, the pore volume of the scaffold comprising greater than 80% micropores, less than 20% mesopores, and less than 10% macropores. For example, a silicon-carbon composite may comprise a carbon scaffold with a Z less than 10, a surface area less than 10 m 2 /g, a first cycle efficiency greater than 90%, a reversible capacity equal to or greater than 1800 mAh/g, a silicon content between 15% and 85%, and a total pore volume of 0.2-1.2 cm 3 /g, wherein the pore volume of the scaffold comprises greater than 80% micropores, less than 20% mesopores, and less than 10% macropores.
また、表2によると、シリコン-カーボン複合体は、80%超のミクロ細孔、30~60%のシリコン含有量、0.9969以上の平均クーロン効率、及び10未満のZであるカーボンスキャフォールドを含み得る。例えば、シリコン-カーボン複合体は、80%超のミクロ細孔、30~60%のシリコン含有量、0.9970以上の平均クーロン効率、及び10未満のZであるカーボンスキャフォールドを含み得る。例えば、シリコン-カーボン複合体は、80%超のミクロ細孔、30~60%のシリコン含有量、0.9970以上の平均クーロン効率、及び10未満のZであるカーボンスキャフォールドを含み得る。例えば、シリコン-カーボン複合体は、80%超のミクロ細孔、30~60%のシリコン含有量、0.9975以上の平均クーロン効率、及び10未満のZであるカーボンスキャフォールドを含み得る。例えば、シリコン-カーボン複合体は、80%超のミクロ細孔、30~60%のシリコン含有量、0.9980以上の平均クーロン効率、及び10未満のZであるカーボンスキャフォールドを含み得る。例えば、シリコン-カーボン複合体は、80%超のミクロ細孔、30~60%のシリコン含有量、0.9985以上の平均クーロン効率、及び10未満のZであるカーボンスキャフォールドを含み得る。例えば、シリコン-カーボン複合体は、80%超のミクロ細孔、30~60%のシリコン含有量、0.9990以上の平均クーロン効率、及び10未満のZであるカーボンスキャフォールドを含み得る。例えば、シリコン-カーボン複合体は、80%超のミクロ細孔、30~60%のシリコン含有量、0.9995以上の平均クーロン効率、及び10未満のZであるカーボンスキャフォールドを含み得る。例えば、シリコン-カーボン複合体は、80%超のミクロ細孔、30~60%のシリコン含有量、0.9970以上の平均クーロン効率、及び10未満のZであるカーボンスキャフォールドを含み得る。例えば、シリコン-カーボン複合体は、80%超のミクロ細孔、30~60%のシリコン含有量、0.9999以上の平均クーロン効率、及び10未満のZであるカーボンスキャフォールドを含み得る。 Also, according to Table 2, the silicon-carbon composite may comprise a carbon scaffold with greater than 80% micropores, a silicon content of 30-60%, an average Coulombic efficiency of 0.9969 or greater, and a Z of less than 10. For example, the silicon-carbon composite may comprise a carbon scaffold with greater than 80% micropores, a silicon content of 30-60%, an average Coulombic efficiency of 0.9970 or greater, and a Z of less than 10. For example, the silicon-carbon composite may comprise a carbon scaffold with greater than 80% micropores, a silicon content of 30-60%, an average Coulombic efficiency of 0.9970 or greater, and a Z of less than 10. For example, the silicon-carbon composite may comprise a carbon scaffold with greater than 80% micropores, a silicon content of 30-60%, an average Coulombic efficiency of 0.9975 or greater, and a Z of less than 10. For example, a silicon-carbon composite can comprise a carbon scaffold with greater than 80% micropores, a silicon content of 30-60%, an average Coulombic efficiency of 0.9980 or greater, and a Z of less than 10. For example, a silicon-carbon composite can comprise a carbon scaffold with greater than 80% micropores, a silicon content of 30-60%, an average Coulombic efficiency of 0.9985 or greater, and a Z of less than 10. For example, a silicon-carbon composite can comprise a carbon scaffold with greater than 80% micropores, a silicon content of 30-60%, an average Coulombic efficiency of 0.9990 or greater, and a Z of less than 10. For example, a silicon-carbon composite can comprise a carbon scaffold with greater than 80% micropores, a silicon content of 30-60%, an average Coulombic efficiency of 0.9995 or greater, and a Z of less than 10. For example, a silicon-carbon composite may comprise a carbon scaffold with greater than 80% micropores, a silicon content of 30-60%, an average Coulombic efficiency of 0.9970 or greater, and a Z of less than 10. For example, a silicon-carbon composite may comprise a carbon scaffold with greater than 80% micropores, a silicon content of 30-60%, an average Coulombic efficiency of 0.9999 or greater, and a Z of less than 10.
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、等が挙げられる。 Without being bound by theory, it is believed that the loading of silicon into the pores of the porous carbon traps the pores within the porous carbon scaffold particles, creating inaccessible volumes, such as volumes that are inaccessible to nitrogen gas. Thus, the silicon-carbon composite exhibits a pycnometric density of less than 2.1 g/cm 3 , such as less than 2.0 g/cm 3 , for example, less than 1.9 g/cm 3 , for example, less than 1.8 g/cm 3 , for example, less than 1.7 g/cm 3 , for example, less than 1.6 g/cm 3 , for example, less than 1.4 g/cm 3 , for example, less than 1.2 g/cm 3 , for example, less than 1.0 g/cm 3 .
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、等が挙げられる。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/cm3~2.1g/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。 In some embodiments, the silicon-carbon composite material may exhibit a pycnometric density of 1.7 g/cm to 2.1 g/ cm , such as 1.7 g/cm to 1.8 g/ cm , such as 1.8 g/ cm to 1.9 g/ cm , such as 1.9 g/cm to 2.0 g/ cm , such as 2.0 g/cm to 2.1 g/cm, etc. In some embodiments, the silicon-carbon composite material may exhibit a pycnometric density of 1.8 g/cm to 2.1 g/ cm . In some embodiments, the silicon-carbon composite material may exhibit a pycnometric density of 1.8 g /cm to 2.0 g/ cm . In some embodiments, the silicon-carbon composite material may exhibit a pycnometric density of 1.9 g/cm to 2.1 g/cm.
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、等が挙げられる。 The pore volume of composite materials that exhibit very durable lithium intercalation can be from 0.01 cm 3 /g to 0.2 cm 3 /g. In certain embodiments, the pore volume of the composite material can range from 0.01 cm 3 /g to 0.15 cm 3 /g, such as from 0.01 cm 3 /g to 0.1 cm 3 /g, for example, from 0.01 cm 3 /g to 0.05 cm 3 /g.
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もよい。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。複合体の粒子径の特性値は、D0(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ろう。かかる実施形態における粒子径の低減は、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。 The particle size distribution of composites exhibiting very durable lithium intercalation is equally important for both power performance and volumetric capacity. Increased packing may also increase volumetric capacity. In one embodiment, the distribution is either Gaussian with a sharp peak, bimodal, or polymodal (more than two distinct peaks, e.g., trimodal). The particle size characteristics of the composite may be described by D0 (smallest particle in the distribution), Dv50 (average particle size), and Dv100 (maximum size of the largest particle). The optimal combination of particle packing and performance may be a combination of the following size ranges: Particle size reduction in such embodiments can be achieved, for example, by jet milling in the presence of various gases, as known in the art. Examples of such gases include air, nitrogen, argon, helium, supercritical steam, and others known in the art.
一の実施形態においては、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は、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は、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。 In one embodiment, the Dv0 of the composite material may be in the range of 1 nm to 5 μm. In other embodiments, the Dv0 of the composite is in the range of 5 nm to 1 μm, e.g., 5 to 500 nm, e.g., 5 to 100 nm, e.g., 10 to 50 nm. In other embodiments, the Dv0 of the composite is in the range of 500 nm to 2 μm, e.g., 750 nm to 1 μm, or 1 to 2 μm. In other embodiments, the Dv0 of the composite is 2 to 5 μm, or greater than 5 μm.
一の実施形態においては、複合材料のDv1は、1nm~5μmの範囲であり得る。その他の実施形態においては、複合体のDv1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は、複合体のDv1は、100nm~10μm、200nm~5μm、500nm~2μm、750nm~1μm、または1~2μmの範囲である。その他の実施形態においては、複合体のDv1は2~5μm、または5μm超である。 In one embodiment, the Dv1 of the composite material may be in the range of 1 nm to 5 μm. In other embodiments, the Dv1 of the composite is in the range of 5 nm to 1 μm, e.g., 5 to 500 nm, e.g., 5 to 100 nm, e.g., 10 to 50 nm. In other embodiments, the Dv1 of the composite is in the range of 100 nm to 10 μm, 200 nm to 5 μm, 500 nm to 2 μm, 750 nm to 1 μm, or 1 to 2 μm. In other embodiments, the Dv1 of the composite is 2 to 5 μm, or greater than 5 μm.
一の実施形態においては、複合材料のDv10は、1nm~10μmの範囲であり得る。その他の一の実施形態においては、複合体のDv10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。その他の一の実施形態においては、複合体のDv10は、100nm~10μm、500nm~10μm、500nm~5μm、750nm~1μm、または1~2μmの範囲である。その他の実施形態においては、複合体のDv10は、2~5μm、または5μm超である。 In one embodiment, the Dv10 of the composite material may be in the range of 1 nm to 10 μm. In another embodiment, the Dv10 of the composite is in the range of 5 nm to 1 μm, e.g., 5 to 500 nm, e.g., 5 to 100 nm, e.g., 10 to 50 nm. In another embodiment, the Dv10 of the composite is in the range of 100 nm to 10 μm, 500 nm to 10 μm, 500 nm to 5 μm, 750 nm to 1 μm, or 1 to 2 μm. In other embodiments, the Dv10 of the composite is 2 to 5 μm, or greater than 5 μm.
いくつかの実施形態においては、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は、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は、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は、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は、Dv50は20μm超であり、例えば50μm超、例えば100μm超である。 In some embodiments, the Dv50 of the composite material is in the range of 5 nm to 20 μm. In other embodiments, the Dv50 of the composite is in the range of 5 nm to 1 μm, e.g., 5 to 500 nm, e.g., 5 to 100 nm, e.g., 10 to 50 nm. In other embodiments, the Dv50 of the composite is in the range of 500 nm to 2 μm, 750 nm to 1 μm, or 1 to 2 μm. In further embodiments, the Dv50 of the composite is in the range of 1 to 1000 μm, e.g., 1 to 100 μm, e.g., 1 to 10 μm, e.g., 2 to 20 μm, e.g., 3 to 15 μm, e.g., 4 to 8 μm. In certain embodiments, the Dv50 is greater than 20 μm, e.g., greater than 50 μm, e.g., greater than 100 μm.
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。
The span is given by:
(Dv50)/(Dv90-Dv10)
[where Dv10, Dv50, and Dv90 represent particle sizes at 10%, 50%, and 90% of the volume distribution, respectively]
The span can vary, for example, from 100 to 10, from 10 to 5, from 5 to 2, or from 2 to 1. In some embodiments, the span can be less than 1. In certain embodiments, the particle size distribution of the composite comprising carbon and porous silicon materials can be multimodal (e.g., bimodal, or trimodal).
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することができる。表面機能性を予測でき得る一の特性は、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、等が挙げられる。いくつかの実施形態においては、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ては、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は、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。 The surface functionality of the composite materials disclosed herein, which exhibit highly durable lithium intercalation, can be modified to achieve desired electrochemical properties. One property that can predict surface functionality is the pH of the composite material. The composite materials disclosed herein include pHs ranging from less than 1 to about 14, such as less than 5, 5-8, or greater than 8. In some embodiments, the pH of the composite material is less than 4, less than 3, less than 2, or less than 1. In other embodiments, the pH of the composite material is about 5-6, about 6-7, about 7-8, 8-9, or 9-10. In still further embodiments, the pH of the composite material is high, such as greater than 8, greater than 9, greater than 10, greater than 11, greater than 12, or greater than 13.
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は、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%、等が挙げられる。 Silicon-carbon composites can contain varying amounts of carbon, oxygen, hydrogen, and nitrogen, as determined by gas chromatography CHNO analysis. In one embodiment, the carbon content of the composite is greater than 98% by weight, or greater than 99.9% by weight, as determined by CHNO analysis. In another embodiment, the carbon content of the silicon-carbon composite ranges from 10 to 90% by weight, such as 20 to 80% by weight, such as 30 to 70% by weight, or 40 to 60% by weight.
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、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。 In some embodiments, the silicon-carbon composite material has a nitrogen content in the range of 0-90%, e.g., 0.1-1%, e.g., 1-3%, e.g., 1-5%, e.g., 1-10%, e.g., 10-20%, e.g., 20-30%, e.g., 30-90%.
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%、等が挙げられる。 In some embodiments, the oxygen content ranges from 0 to 90%, for example, 0.1 to 1%, for example, 1 to 3%, for example, 1 to 5%, for example, 1 to 10%, for example, 10 to 20%, for example, 20 to 30%, for example, 30 to 90%, etc.
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してもよい。例えば、いくつかの実施形態においては、複合材料は、カーボン材料の表面上の、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は、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は、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た。 Silicon-carbon composites may incorporate electrochemical modifiers selected to optimize the electrochemical performance of the native composite. The electrochemical modifiers may be introduced into the pore structure and/or on the surface of the porous carbon scaffold, into embedded silicon, into the final layer of carbon, or via a conductive polymer, coating, or any number of other methods. For example, in some embodiments, the composite comprises a coating of an electrochemical modifier (e.g., silicon or Al 2 O 3 ) on the surface of the carbon material. In some embodiments, the composite comprises greater than about 100 ppm of the electrochemical modifier. In certain embodiments, the electrochemical modifier is selected from iron, tin, silicon, nickel, aluminum, and manganese.
特定の実施形態においては、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は、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は、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は、電気化学的修飾剤は、非金属元素(例えばフッ素、窒素、水素、ホウ素、リン)を含む。その他の更なる実施形態においては、電気化学的修飾剤は、上記のいずれの電気化学的修飾剤、又はこれらの任意の組み合わせ(例えばスズ-シリコン、ニッケル-酸化チタン)を含む。 In certain embodiments, the electrochemical modifier includes an element capable of lithiation between 3 and 0 V relative to lithium metal (e.g., silicon, tin, sulfur). In other embodiments, the electrochemical modifier includes a metal oxide capable of lithiation between 3 and 0 V relative to lithium metal (e.g., iron oxide, molybdenum oxide, titanium oxide). In still further embodiments, the electrochemical modifier includes an element that does not lithiate between 3 and 0 V relative to lithium metal (e.g., aluminum, manganese, nickel, metal phosphates). In still further embodiments, the electrochemical modifier includes a non-metal element (e.g., fluorine, nitrogen, hydrogen, boron, phosphorus). In still further embodiments, the electrochemical modifier includes any of the electrochemical modifiers described above, or any combination thereof (e.g., tin-silicon, nickel-titanium oxide).
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は、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は、電気化学的修飾剤は、1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は、電気化学的修飾剤は、1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。 The electrochemical modifier may be provided in a number of forms. For example, in some embodiments, the electrochemical modifier comprises a salt. In other embodiments, the electrochemical modifier comprises one or more elements in elemental form, such as iron, tin, silicon, nickel, or manganese. In other embodiments, the electrochemical modifier comprises one or more elements in oxide form, such as iron oxide, tin oxide, silicon oxide, nickel oxide, aluminum oxide, or manganese oxide.
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は、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。 The electrochemical properties of the composite material can be modified, at least in part, by the amount of electrochemical modifier in the material, where the electrochemical modifier is an alloy material such as silicon, tin, indium, aluminum, germanium, or gallium. Thus, in some embodiments, the composite material comprises 0.10% or more, 0.25% or more, 0.50% or more, 1.0% or more, 5.0% or more, 10% or more, 25% or more, 50% or more, 75% or more, 90% or more, 95% or more, 99% or more, or 99.5% or more of the electrochemical modifier.
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。 The particle size of the composite material may expand upon lithiation compared to the unlithiated state. For example, the expansion coefficient is defined as the ratio of the average particle size of the composite material containing the porous silicon material upon lithiation divided by the average particle size under non-lithiated conditions. As described in the art, the expansion coefficient is relatively large for known, non-optimal silicon-containing materials, e.g., about 4X (corresponding to a 400% volume expansion upon lithiation). The inventors have discovered composite materials containing porous silicon material that can exhibit lower expansion coefficients, e.g., expansion coefficients that can vary from 3.5 to 4.0, 3.0 to 3.5, 2.5 to 3.0, 2.0 to 2.5, 1.5 to 2.0, or 1.0 to 1.5.
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する容積を与えるという点で重要である。 In certain embodiments, the composite material is contemplated to include a portion of trapped pore volume, i.e., a portion of void volume that is inaccessible to nitrogen gas, where the void volume can be measured by nitrogen gas adsorption measurements. Without being bound by theory, this trapped pore volume is important in that it provides a volume into which silicon expands upon lithiation.
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。 In certain embodiments, the ratio of trapped void volume to silicon volume containing the composite particles is between 0.1:1 and 10:1. For example, the ratio of trapped void volume to silicon volume containing the composite particles is between 1:1 and 5:1, or between 5:1 and 10:1. In some embodiments, the ratio of trapped void volume to silicon volume containing the composite particles is between 2:1 and 5:1, or about 3:1, which can efficiently accommodate the maximum expansion of silicon upon lithiation.
特定の実施形態においては、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電池(a full cell coin cell)、フルセルパウチ電池(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、等が挙げられる)において試験する。更に、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)、ポリアクリル酸(PAA)、ポリアクリロニトリル(PAN)、及びポリアミドイミド(PAI)等)、及びこれらの組み合わせ、等が挙げられる。特定の実施形態においては、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。 In certain embodiments, the electrochemical performance of the composites disclosed herein is tested in half cells; alternatively, the performance of the highly durable lithium intercalation composites disclosed herein is tested in full cells (e.g., a full cell coin cell, a full cell pouch cell, a prismatic cell, or other battery configurations known in the art). Additionally, anode configurations of the highly durable lithium intercalation composites disclosed herein may include various species, as known in the art. Additional formulation components include, but are not limited to, conductive additives, such as conductive carbon (e.g., Super C45, Super P, and Ketjenblack carbon), conductive polymers, and binders (e.g., styrene-butadiene rubber sodium carboxymethylcellulose (SBR-Na-CMC), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyimide (PI), polyacrylic acid (PAA), polyacrylonitrile (PAN), and polyamideimide (PAI)), and combinations thereof. In certain embodiments, the binder may include lithium ions as counterions.
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%、等が挙げられる。いくつかの実施形態においては、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%、等が挙げられる。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%、等が挙げられる。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、5~25重量%である。 Other species, including electrodes, are known in the art. The weight percent of active material in the electrode can vary, such as 1-5 wt %, such as 5-15 wt %, such as 15-25 wt %, such as 25-35 wt %, such as 35-45 wt %, such as 45-55 wt %, such as 55-65 wt %, such as 65-75 wt %, such as 75-85 wt %, such as 85-95 wt %, etc. In some embodiments, the active material comprises 80-95% of the electrode. In certain embodiments, the amount of conductive additive in the electrode can vary, such as 1-5 wt %, such as 5-15 wt %, such as 15-25 wt %, such as 25-35 wt %, etc. In certain embodiments, the amount of binder can vary, such as 1-5 wt %, such as 5-15 wt %, such as 15-25 wt %, such as 25-35 wt %, etc. In certain embodiments, the amount of conductive additive in the electrode is 5 to 25% by weight.
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た。特定の実施形態においては、事前のリチオ化は、カソードをリチウム含有化合物(例えばリチウム含有塩)でドープすることによって達成された。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、等が挙げられる。 The silicon-carbon composite material is pre-lithiated as known in the art. In certain embodiments, pre-lithiation is accomplished electrochemically, e.g., in a half-cell prior to construction of a lithiated anode comprising the porous silicon material in a full-cell lithium-ion battery. In certain embodiments, pre-lithiation is achieved by doping the cathode with a lithium-containing compound (e.g., a lithium-containing salt). Suitable lithium salts in this embodiment include, but are not limited to, dilithium tetrabromonickel(II), dilithium tetrachlorocuprate(II), lithium azide, lithium benzoate, lithium bromide, lithium carbonate, lithium chloride, lithium cyclohexanebutyrate, lithium fluoride, lithium formate, lithium hexafluoroarsenate(V), lithium hexafluorophosphate, lithium hydroxide, lithium iodate, lithium metaborate, lithium perchlorate, lithium phosphate, lithium sulfate, lithium tetraborate, lithium tetrachloroaluminate, lithium tetrafluoroborate, lithium thiocyanate, lithium trifluoromethanesulfonate, and combinations thereof.
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)、等が挙げられる。 Anodes comprising silicon-carbon composites can be paired with a variety of cathode materials to produce full-cell lithium-ion batteries. Examples of suitable cathode materials are known in the art, including , but not limited to, LiCoO2 (LCO), LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 (NCA), LiNi1 / 3Co1 /3Mn1/ 3O2 ( NMC ), LiMn2O4 and its variants ( LMO ), and LiFePO4 (LFP).
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まで変化し得る。特定の実施形態においては、カソードとアノードの容量の比は、0.7~1.0まで変化してよく、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と変化し得る。その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は、1.0~1.3まで変化してもよく、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等、変化し得る。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まで変化してもよく、例えば0.9~1.1、例えば0.95~1.05等、変化し得る。 For full-cell lithium-ion batteries including an anode further comprising a silicon-carbon composite material, the cathode and anode pairing may vary. For example, the cathode to anode capacity ratio may vary from 0.7 to 1.3. In certain embodiments, the cathode to anode capacity ratio may vary from 0.7 to 1.0, such as from 0.8 to 1.0, such as from 0.85 to 1.0, such as from 0.9 to 1.0, such as from 0.95 to 1.0. In other embodiments, the cathode to anode capacity ratio may vary from 1.0 to 1.3, such as from 1.0 to 1.2, such as from 1.0 to 1.15, such as from 1.0 to 1.1, such as from 1.0 to 1.05, etc. In yet other embodiments, the ratio of the cathode to anode capacities may vary from 0.8 to 1.2, such as from 0.9 to 1.1, e.g., from 0.95 to 1.05.
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、等が挙げられる。 For full-cell lithium-ion batteries including an anode further comprising a silicon-carbon composite material, the voltage window for charging and discharging can vary. In this regard, the voltage window can vary depending on various characteristics of the lithium-ion battery, as is known in the art. For example, as is known in the art, the selection of the cathode plays a role in the selected voltage window. The voltage window can vary, for example, from 2.0 V to 5.0 V relative to the potential of Li/Li+, including, for example, 2.5 V to 4.5 V, 2.5 V to 4.2 V, etc.
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、電池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。 For full-cell lithium-ion batteries that include an anode further comprising a silicon-carbon composite material, methods for conditioning the battery can vary, as is known in the art. For example, conditioning can be achieved by performing multiple charge and discharge cycles at various rates, e.g., at a rate slower than the desired cycle rate. As is known in the art, the conditioning process may further include opening the lithium-ion battery, venting any gases generated during the conditioning process, and then resealing the lithium-ion battery.
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、等が挙げられる。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)を伴わせた。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。 For full-cell lithium-ion batteries including an anode further comprising a silicon-carbon composite material, the cycle rate may vary as known in the art, for example, the rate may be C/20 to 20C, e.g., C/10 to 10C, e.g., C/5 to 5C, etc. In certain embodiments, the cycle rate is C/10. In certain embodiments, the cycle rate is C/5. In certain embodiments, the cycle rate is C/2. In certain embodiments, the cycle rate is 1C. In certain embodiments, the cycle rate is 1C, with periodic reductions to slower rates (e.g., applying a C/10 rate reduction every 20 cycles). In certain embodiments, the cycle rate is 2C. In certain embodiments, the cycle rate is 4C. In certain embodiments, the cycle rate is 5C. In certain embodiments, the cycle rate is 10C. In certain embodiments, the cycle rate is 20C.
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する。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、等が挙げられる。特定の実施形態においては、ハーフセルの第1サイクル効率は、5mv~0.8Vの電圧ウィンドウにわたって測定できる。その他の実施形態においては、ハーフセルの第1サイクル効率は、5mV~1.0Vの電圧ウィンドウにわたって測定できる。その他の実施形態においては、ハーフセルの第1サイクル効率は、5mV~1.5Vの電圧ウィンドウにわたって測定できる。その他の実施形態においては、ハーフセルの第1サイクル効率は、5mV~2.0Vの電圧ウィンドウにわたって測定できる。その他の実施形態においては、第1サイクル効率はフルセルバッテリーで測定され、例えば2.0V~4.5V、2.3V~4.5V、2.5V~4.2V、又は3.0V~4.2V、等の電圧ウィンドウにわたって測定された。 The first cycle efficiency of the highly durable lithium intercalation composites disclosed herein is measured by comparing the lithium inserted into the anode during the first cycle, prior to prior lithiation, with the lithium extracted from the anode during the first cycle. When insertion and extraction are equal, the efficiency is 100%. As is known in the art, anode materials can be tested in half-cells, where the counter electrode is lithium metal, the electrolyte is 1 M LiPF 6 , and 1:1 ethylene carbonate:diethyl carbonate (EC:DEC), and a commercially available polypropylene separator is used. In certain embodiments, the electrolyte can contain various additives known to enhance performance, such as fluoroethylene carbonate (FEC) or other related fluorinated carbonate compounds, or ester cosolvents (e.g., methyl butanoate, vinylene carbonate, etc.), and other additives known to enhance the electrochemical performance of silicon-containing anode materials. In certain embodiments, the first cycle efficiency of the half-cell can be measured over a voltage window of 5 mV to 0.8 V. In other embodiments, the first cycle efficiency of the half-cell can be measured over a voltage window of 5 mV to 1.0 V. In other embodiments, the first cycle efficiency of the half-cell can be measured over a voltage window of 5 mV to 1.5 V. In other embodiments, the first cycle efficiency of the half-cell can be measured over a voltage window of 5 mV to 2.0 V. In other embodiments, the first cycle efficiency was measured on a full-cell battery, for example, over a voltage window of 2.0 V to 4.5 V, 2.3 V to 4.5 V, 2.5 V to 4.2 V, or 3.0 V to 4.2 V, etc.
クーロン効率は、平均化することができ、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、等が挙げられる。 The coulombic efficiency can be averaged, for example, over cycles 7 through 25 in half-cell testing. The coulombic efficiency can be averaged, for example, over cycles 7 through 20 in half-cell testing. In certain embodiments, composites with highly durable lithium intercalation have an average efficiency greater than 0.9%, or greater than 90%. In certain embodiments, the average efficiency is greater than 0.95%, or greater than 95%. In certain embodiments, the average efficiency is 0.99 or greater, such as 0.991 or greater, such as 0.992 or greater, such as 0.993 or greater, such as 0.994 or greater, such as 0.995 or greater, such as 0.996 or greater, such as 0.997 or greater, such as 0.998 or greater, such as 0.999 or greater, such as 0.9991 or greater, such as 0.9992 or greater, such as 0.9993 or greater, such as 0.9994 or greater, such as 0.9995 or greater, such as 0.9996 or greater, such as 0.9997 or greater, such as 0.9998 or greater, such as 0.9999 or greater, etc.
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。 In yet other embodiments, the present disclosure provides composite materials that exhibit highly durable lithium intercalation, wherein the composite materials, when incorporated into an electrode of a lithium-based energy storage device, have a volumetric capacity that is at least 10% higher than when incorporated into an electrode of a lithium-based energy storage device that includes a graphite electrode. In some embodiments, the lithium-based energy storage device is a lithium-ion battery. In some embodiments, the composite materials have a volumetric capacity in a lithium-based energy storage device that is at least 5%, at least 10%, or at least 15% higher than a similar electrical energy storage device with a graphite electrode. In still other embodiments, the composite materials have a volumetric capacity in a lithium-based energy storage device that is at least 20%, at least 30%, at least 40%, at least 50%, at least 200%, at least 100%, at least 150%, or at least 200% higher than a similar electrical energy storage device with a graphite electrode.
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いてもよい。これらのリチウム原子は、炭素から分離されていてもよく、されていなくてもよい。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で測定した、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。
The composite material may be pre-lithiated as known in the art. The lithium atoms may or may not be separated from the carbon. The number of lithium atoms per six carbon atoms is determined by the following formula, which is a method known to those skilled in the art:
#Li=Q×3.6×MM/(C%×F)
[where Q is the lithium extraction capacity (mAh/g) measured at voltages between 5 mV and 2.0 V versus lithium metal, M is the molecular mass of 72 or 6 carbon, F is Faraday's constant (96500), and C% is the weight percent of carbon present in the structure as measured by CHNO or XPS.]
It can be calculated by:
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は、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は、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は、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は、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。 The composite material can be characterized by the ratio of lithium atoms to carbon atoms (Li:C), which can be between about 0:6 and 2:6. In some embodiments, the Li:C is between about 0.05:6 and 1.9:6. In other embodiments, the lithium is in ionic and not metallic form, and the maximum Li:C ratio is 2.2:6. In certain other embodiments, the Li:C ratio is between about 1.2:6 and about 2:6, between about 1.3:6 and about 1.9:6, between about 1.4:6 and about 1.9:6, between about 1.6:6 and about 1.8:6, or between about 1.7:6 and about 1.8:6. In other embodiments, the Li:C ratio is greater than 1:6, greater than 1.2:6, greater than 1.4:6, greater than 1.6:6, or greater than 1.8:6. In still other embodiments, the Li:C ratio is about 1.4:6, about 1.5:6, about 1.6:6, about 1.7:6, about 1.8:6, or about 2:6. In certain embodiments, the Li:C ratio is about 1.78:6.
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有する(この場合、リチウムイオンハーフセル、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、等が挙げられる)。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。 In certain embodiments, the composite material comprises a Li:C ratio ranging from about 1:6 to about 2.5:6, from about 1.4:6 to about 2.2:6, or from about 1.4:6 to about 2:6. In yet other embodiments, the composite material does not necessarily contain lithium, but instead possesses lithium uptake capacity, i.e., the ability to absorb a certain amount of lithium, for example, during cycling of the material between two voltage conditions (in this case, a lithium-ion half cell, a typical voltage window is 0-3 V, e.g., 0.005-2.7 V, e.g., 0.005-1 V, e.g., 0.005-0.8 V, etc.). Without wishing to be bound by theory, the lithium uptake capacity of the composite material contributes to its superior performance in lithium-based energy storage devices. Lithium uptake capacity is expressed as the ratio of lithium atoms replaced by the composite. In other specific embodiments, composite materials exhibiting highly durable lithium intercalation include lithium uptake capacities ranging from about 1:6 to about 2.5:6, from about 1.4:6 to about 2.2:6, or from about 1.4:6 to about 2:6, etc.
特定のその他の実施形態においては、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は、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は、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。 In certain other embodiments, the lithium uptake capacity ranges from about 1.2:6 to about 2:6, from about 1.3:6 to about 1.9:6, from about 1.4:6 to about 1.9:6, from about 1.6:6 to about 1.8:6, or from about 1.7:6 to about 1.8:6, etc. In other embodiments, the lithium uptake capacity is greater than 1:6, greater than 1.2:6, greater than 1.4:6, greater than 1.6:6, or greater than 1.8:6. In still other embodiments, the Li:C ratio is about 1.4:6, about 1.5:6, about 1.6:6, about 1.6:6, about 1.7:6, about 1.8:6, or about 2:6. In one particular embodiment, the Li:C ratio is about 1.78:6.
実施例
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)の特性値を、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。
EXAMPLES Example 1. Fabrication of Silicon-Carbon Composite by CVI. The properties of the carbon scaffold (Carbon Scaffold 1) used to fabricate the silicon-carbon composite are shown in Table 3 below. A silicon-carbon composite (Silicon-Carbon Composite 1) was fabricated by CVI using Carbon Scaffold 1 as follows: A 0.2 gram mass of amorphous porous carbon was placed in a 2-inch by 2-inch ceramic crucible and placed in the center of a horizontal tube furnace. The furnace was sealed and purged with nitrogen gas at 500 cubic centimeters per minute (ccm). The furnace temperature was increased at 20°C per minute to a peak temperature of 450°C and maintained for 30 minutes. At this point, the nitrogen was turned off, and subsequently silane and hydrogen were introduced at flow rates of 50 ccm and 450 ccm, respectively, for a total of 30 minutes. The silane and nitrogen were then turned off, nitrogen was again introduced into the furnace, and the air inside was purged. At the same time, the furnace was turned off and allowed to cool to ambient temperature, and the finished Si—C material was then removed from the furnace.
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4に示す。 Example 2. Analysis of Various Silicon-Composite Materials. Carbon scaffold materials using various carbon scaffold materials were characterized by nitrogen adsorption gas analysis to measure the specific surface area, total pore volume, and the percentage of pore volume including micropores, mesopores, and macropores. The characterization data for the carbon scaffold materials, i.e., the surface area, pore volume, and pore volume distribution (percentage of micropores, mesopores, and macropores) of the carbon scaffold (all measured by nitrogen adsorption analysis), are shown in Table 4.
様々なカーボンスキャフォールド材料の特性値
表4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。 Using the carbon scaffold samples listed in Table 4, various silicon-carbon composites were fabricated by the CVI method in a static bed configuration as generally described in Example 1. These silicon-carbon samples were fabricated using the following range of process conditions: silane concentration from 1.25% to 100%; diluent gas from nitrogen or hydrogen; and starting carbon scaffold mass from 0.2 g to 700 g.
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、及び電気化学的特性値を、表5に示す。 The surface area of the silicon-carbon composite was measured. The silicon content and Z of the silicon-carbon composite were also measured by TGA analysis. The silicon-carbon composite was also tested in a half-cell coin cell. The anode of the half-cell coin cell can contain 60-90% silicon-carbon composite, 5-20% Na-CMC (as a binder), and 5-20% Super C45 (as a conductivity enhancer), and the electrolyte can contain 2:1 ethylene carbonate:diethylene carbonate, 1 M LiPF 6 , and 10% fluoroethylene carbonate. The half-cell coin cell can be cycled at 25°C at a C/5 rate for five cycles, followed by a C/10 rate. The voltage can be cycled from 0 V to 0.8 V, or alternatively, the voltage can be cycled from 0 V to 1.5 V. From the half-cell and coin cell data, the maximum capacity can be determined, as well as the average coulombic efficiency (CE) from cycle 7 to cycle 20. The physicochemical and electrochemical properties of various silicon-carbon composites are shown in Table 5.
様々なシリコン-カーボン複合材料の特性値
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提供する。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、70超のミクロポロシティを含む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、0.9950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。 A plot of the average coulombic efficiency as a function of Z is shown in Figure 1. As can be seen, the average coulombic efficiency for silicon-carbon samples with low Z increased dramatically. In particular, all silicon-carbon samples with Z less than 10.0 exhibited average coulombic efficiencies of 0.9941 or greater, while all silicon-carbon samples with Z greater than 10 (silicon-carbon composite sample 12 to silicon-carbon composite sample 16) were observed to have average coulombic efficiencies of 0.9909 or less. Without being bound by theory, the higher coulombic efficiencies for silicon-carbon samples with Z less than 10 provide superior cycling stability in full-cell lithium-ion batteries. Further examination of the table revealed the surprising and unexpected result that the combination of silicon-carbon composite samples with Z less than 10 and silicon-carbon composite samples further comprising a carbon scaffold with greater than 70 microporosity exhibited average coulombic efficiencies of 0.9950 or greater.
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。 Thus, in a more preferred embodiment, the silicon-carbon composite material has a Z of less than 10, such as a Z of less than 5, such as a Z of less than 3, such as a Z of less than 2, such as a Z of less than 1, such as a Z of less than 0.5, such as a Z of less than 0.1, or a Z of 0.
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、等が挙げられる。 In certain preferred embodiments, the silicon-carbon composite material comprises a carbon scaffold having a Z of less than 10 and a microporosity of greater than 70%, for example, a Z of less than 10 and a microporosity of greater than 80%, for example, a Z of less than 10 and a microporosity of greater than 90%, for example, a Z of less than 10 and a microporosity of greater than 95%, for example, a Z of less than 5 and a microporosity of greater than 70%, for example, a Z of less than 5 and a microporosity of greater than 80%, for example, a Z of less than 5 and a microporosity of greater than 90%, for example, a Z of less than 5 and a microporosity of greater than 95%, for example, a Z of less than 3 and a microporosity of greater than 70%, for example, a Z of less than 3 and a microporosity of greater than 80%, for example, a Z of less than 3 and a microporosity of greater than 90%, for example, a Z of less than 3 and a microporosity of greater than 95%, for example, a Z of less than 2 and a microporosity of greater than 70%, for example, a Z of less than 2 and a microporosity of greater than 80%, for example, a Z of less than 2 and a microporosity of greater than 90%, for example, a Z of less than 2 and a microporosity of more than 95%, for example a Z of less than 1 and a microporosity of more than 70%, for example a Z of less than 1 and a microporosity of more than 80%, for example a Z of less than 1 and a microporosity of more than 90%, for example a Z of less than 1 and a microporosity of more than 95%, for example a Z of less than 0.5 and a microporosity of more than 70%, for example a Z of less than 0.5 and a microporosity of more than 80%, for example a Z of less than 0.5 and a microporosity of more than 90%, for example a Z of less than 0.5 and a microporosity of more than 95% microporosity, for example, a Z of less than 0.1 and a microporosity of more than 70%, for example, a Z of less than 0.1 and a microporosity of more than 80%, for example, a Z of less than 0.1 and a microporosity of more than 90%, for example, a Z of less than 0.1 and a microporosity of more than 95%, for example, a Z of 0 and a microporosity of more than 70%, for example, a Z of 0 and a microporosity of more than 80%, for example, a Z of 0 and a microporosity of more than 90%, for example, a Z of 0 and a microporosity of more than 95%, etc.
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、等が挙げられる。 In certain preferred embodiments, the silicon-carbon composite comprises a Z of less than 10, greater than 70% microporosity, 15% to 85% silicon, and a surface area less than 100 m 2 /g, for example, a Z of less than 10, greater than 70% microporosity, 15% to 85% silicon, and a surface area less than 50 m 2 /g, for example, a Z of less than 10, greater than 70% microporosity, 15% to 85% silicon, and a surface area less than 30 m 2 /g, for example, a Z of less than 10, greater than 70% microporosity, 15% to 85% silicon, and a surface area less than 10 m 2 /g, for example, a Z of less than 10, greater than 70% microporosity, 15% to 85% silicon, and a surface area less than 5 m 2 /g, for example, a Z of less than 10, greater than 80% microporosity, 15% to 85% silicon, and a surface area less than 50 m 2 /g. /g surface area, for example Z less than 10, greater than 80% microporosity, 15% to 85% silicon, and less than 30 m 2 /g surface area, for example Z less than 10, greater than 80% microporosity, 15% to 85% silicon, and less than 10 m 2 /g surface area, for example Z less than 10, greater than 80% microporosity, 15% to 85% silicon, and less than 5 m 2 /g surface area, for example Z less than 10, greater than 90% microporosity, 15% to 85% silicon, and less than 50 m 2 /g surface area, for example Z less than 10, greater than 90% microporosity, 15% to 85% silicon, and less than 30 ...30 m 2 /g surface area, for example Z less than 10, greater than 90% microporosity, 15% to 85% silicon, and less than 30 m 2 /g surface area. /g surface area, for example, Z less than 10, greater than 90% microporosity, 15% to 85% silicon, and less than 5 m 2 /g surface area, for example, Z less than 10, greater than 95% microporosity, 15% to 85% silicon, and less than 50 m 2 /g surface area, for example, Z less than 10, greater than 95% microporosity, 15% to 85% silicon, and less than 30 m 2 /g surface area, for example, Z less than 10, greater than 95% microporosity, 15% to 85% silicon, and less than 10 m 2 /g surface area, for example, Z less than 10, greater than 95% microporosity, 15% to 85% silicon, and less than 5 m 2 /g surface area.
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、等が挙げられる。 In certain preferred embodiments, the silicon-carbon composite comprises a Z of less than 10, greater than 70% microporosity, 30% to 60% silicon, and a surface area less than 100 m 2 /g, for example a Z of less than 10, greater than 70% microporosity, 30% to 60% silicon, and a surface area less than 50 m 2 /g, for example a Z of less than 10, greater than 70% microporosity, 30% to 60% silicon, and a surface area less than 30 m 2 /g, for example a Z of less than 10, greater than 70% microporosity, 30% to 60% silicon, and a surface area less than 10 m 2 /g, for example a Z of less than 10, greater than 70% microporosity, 30% to 60% silicon, and a surface area less than 5 m 2 /g, for example a Z of less than 10, greater than 80% microporosity, 30% to 60% silicon, and a surface area less than 5 m 2 /g. /g surface area, for example Z less than 10, greater than 80% microporosity, 30% to 60% silicon, and less than 30m 2 /g surface area, for example Z less than 10, greater than 80% microporosity, 30% to 60% silicon, and less than 10m 2 /g surface area, for example Z less than 10, greater than 80% microporosity, 30% to 60% silicon, and less than 5m 2 /g surface area, for example Z less than 10, greater than 90% microporosity, 30% to 60% silicon, and less than 50m 2 /g surface area, for example Z less than 10, greater than 90% microporosity, 30% to 60% silicon, and less than 30m 2 /g surface area, for example Z less than 10, greater than 90% microporosity, 30% to 60% silicon, and less than 10m 2 /g surface area, for example, Z less than 10, greater than 90% microporosity, 30% to 60% silicon, and less than 5m 2 /g surface area, for example, Z less than 10, greater than 95% microporosity, 30% to 60% silicon, and less than 50m 2 /g surface area, for example, Z less than 10, greater than 95% microporosity, 30% to 60% silicon, and less than 30m 2 /g surface area, for example, Z less than 10, greater than 95% microporosity, 30% to 60% silicon, and less than 10m 2 /g surface area, for example, Z less than 10, greater than 95% microporosity, 30% to 60% silicon, and less than 5m 2 /g surface area.
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、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0.9969以上の平均クーロン効率、を含む。例えば、シリコン-カーボン複合材料は、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0.9970以上の平均クーロン効率、を含む。例えば、シリコン-カーボン複合材料は、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0.9975以上の平均クーロン効率、を含む。例えば、シリコン-カーボン複合材料は、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0.9980以上の平均クーロン効率、を含む。例えば、シリコン-カーボン複合材料は、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0.9985以上の平均クーロン効率、を含む。例えば、シリコン-カーボン複合材料は、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0.9990以上の平均クーロン効率、を含む。例えば、シリコン-カーボン複合材料は、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0.9995以上の平均クーロン効率、を含む。例えば、シリコン-カーボン複合材料は、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0.9999以上の平均クーロン効率、を含む。 In certain preferred embodiments, the silicon-carbon composite comprises a Z of less than 10, a microporosity of greater than 80%, a silicon content of 30% to 60% silicon, a surface area of less than 30 m 2 /g, and an average coulombic efficiency of 0.9969 or greater. For example, the silicon-carbon composite comprises a Z of less than 10, a microporosity of greater than 80%, a silicon content of 30% to 60% silicon, a surface area of less than 30 m 2 /g, and an average coulombic efficiency of 0.9970 or greater. For example, the silicon-carbon composite comprises a Z of less than 10, a microporosity of greater than 80%, a silicon content of 30% to 60% silicon, a surface area of less than 30 m 2 /g, and an average coulombic efficiency of 0.9975 or greater. For example, the silicon-carbon composite comprises a Z of less than 10, a microporosity of greater than 80%, a silicon content of 30% to 60% silicon, a surface area of less than 30 m 2 /g, and an average coulombic efficiency of 0.9980 or greater. For example, a silicon-carbon composite material may have a Z of less than 10, a microporosity of greater than 80%, a silicon content of 30% to 60% silicon, a surface area of less than 30 m 2 /g, and an average coulombic efficiency of 0.9985 or greater. For example, a silicon-carbon composite material may have a Z of less than 10, a microporosity of greater than 80%, a silicon content of 30% to 60% silicon, a surface area of less than 30 m 2 /g, and an average coulombic efficiency of 0.9990 or greater. For example, a silicon-carbon composite material may have a Z of less than 10, a microporosity of greater than 80%, a silicon content of 30% to 60% silicon, a surface area of less than 30 m 2 /g, and an average coulombic efficiency of 0.9995 or greater. For example, a silicon-carbon composite material may have a Z of less than 10, a microporosity of greater than 80%, a silicon content of 30% to 60% silicon, a surface area of less than 30 m 2 /g, and an average coulombic efficiency of 0.9999 or greater.
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)。dQ/dV vs 電圧プロッティングの代替的手法として、同様の分析を行う方法は、dQ vs Vのプロットである。例えば、微分容量プロット(dQ/dv vs 電圧)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。ハーフセル中のシリコンベース材料vsリチウムについての典型的な微分容量曲線は、多数の参考文献が見出され得る(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サイクルのリチオ化挙動は、いくつかの要因の中で、シリコンの結晶性、及び酸素の含有量に依存する。 Example 3. dV/dQ in Silicon-Carbon Composites. Differential capacity curves (dQ/dV vs. voltage) are frequently used as a nondestructive tool to understand phase transformations as a function of voltage in lithium battery electrodes (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). An alternative approach to plotting dQ/dV vs. voltage, but which performs a similar analysis, is plotting dQ vs. V. For example, differential capacity plots (dQ/dv vs. voltage) were calculated from data obtained by galvanostatic cycling from 5 mV to 0.8 V at a 0.1 C rate in half-cell coin cells at 25°C. Typical differential capacity curves for silicon-based materials versus lithium in half-cells can be found in numerous references (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. Li15Si4 Formation 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 SiO2-based composite anode by prelithiation of stabilized lithium metal powder, Journal of Power Sources 347 (2017) 170-177). The first-cycle lithiation behavior depends on the crystallinity of the silicon and the oxygen content, among other factors.
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。 After the first cycle, prior amorphous silicon materials in the art exhibit two distinct phase transition peaks in a dQ/dV vs. V plot for lithiation, and similarly, two distinct phase transition peaks in a dQ/dV vs. V plot for delithiation. For lithiation, one peak corresponds to a lithium-poor Li—Si alloy phase occurring between 0.2 and 0.4 V, and the other peak corresponds to a lithium-rich Li—Si alloy phase occurring below 0.15 V. For delithiation, one delithiation peak corresponds to lithium extraction occurring below 0.4 V, and the other delithiation peak corresponds to lithium extraction occurring between 0.4 and 0.55 V. If the Li 15 Si 4 phase is formed during lithiation, it will be delithiated at about 0.45 V, resulting in a very narrow, sharp peak.
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。 The dQ/dV vs. voltage curve for cycle 2 for a silicon-carbon composite corresponding to Silicon-Carbon Composite 3 of Example 1 is shown in Figure 2. Silicon-Carbon Composite 3 contains a Z of 0.6. For ease of identification, the plot is divided into regimes I, II, III, IV, V, and VI. Regimes I (0.8 V - 0.4 V), II (0.4 V - 0.15 V), and III (0.15 V - 0 V) contain the lithiation potential, while regimes IV (0 V - 0.4 V), V (0.4 V - 0.55 V), and VI (0.55 V - 0.8 V) contain the delithiation potential. As described above, previous amorphous silicon-based materials in the art have exhibited phase transition peaks at the lithiation potential in two regimes (Regime II and Regime III) and at the delithiation potential in two regimes (Regime IV and Regime V).
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。 As can be seen from Figure 2, the dQ/dV vs. voltage curves reveal a surprising and unexpected result: silicon-carbon composite 3 with a Z of 0.6 contains two additional peaks in the dQ/dV vs. V curve: Regime 1 at the lithiation potential and Regime VI at the delithiation potential. As shown in Figure 3, all six peaks are reversible and are observed upon subsequent cycles as well.
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。 Without being bound by theory, the trimodal behavior of the dQ/dV vs. V curves shown above is novel and also reflects a novel morphology of silicon.
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。 Notably, the novel peaks observed in Regimes I and VI are more pronounced in certain scaffold matrices and are completely absent in other samples (silicon-carbon composite samples with Z greater than 10, see description and table below) that represent prior art.
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。 Figure 4 shows the dQ/dV vs. V curve for silicon-carbon composite 3, in which the new peaks in regime I and regime VI are clearly evident. Also shown in Figure 4 are the dQ/dV vs. V curves for silicon-carbon composite 15, silicon-carbon composite 16, and silicon-carbon composite 14 (all three samples with Z greater than 10), in contrast, in which the peaks in regime I and regime VI are both absent.
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、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6にまとめた。また表6は、5mV~0.8Vでサイクルさせたハーフセルコインセルにおいて測定した、第1サイクル効率のデータも含む。
Without being bound by theory, these new peaks observed in Regime I and Regime VI are related to the properties of silicon infiltrated into the porous carbon scaffold, i.e., the interactions and properties between the porous carbon scaffold, silicon infiltrated into the porous carbon scaffold by CVI, and lithium. To provide a quantitative analysis, the inventors calculated the peak I normalized with respect to Peak III using the following formula:
φ=(maximum peak height in regime I dQ/dV)/(maximum peak height in regime III dQ/dV)
[where dQ/dV is measured in half-cell co-in cells, with regime 1 being 0.8 V to 0.4 V and regime III being 0.15 V to 0 V; half-cell co-in cells were fabricated as known in the art.]
We defined a parameter φ, calculated as follows: If a Si—C sample exhibits a graphite-related peak in regime III of the derivative curve, the former peak is removed in favor of the Li—Si-related phase transition peak for the calculation of coefficient D. In this example, the half-cell co-in cell contains an anode containing 60-90% silicon-carbon composite, 5-20% SBR-Na-CMC, and 5-20% Super C45. An example of the calculation of φ for silicon-carbon composite 3 is shown in FIG. 5. In this example, the maximum peak height in regime I was −2.39 and was found at 0.53 V. Similarly, the maximum peak height in regime III was −9.71 at 0.04 V. In this example, φ can be calculated using the above formula, yielding φ = −2.39/−9.71 = 0.25. The value of φ was determined from half-cell data for various silicon-carbon composites, as shown in Example 2. These data are summarized in Table 6. Table 6 also includes first cycle efficiency data measured in half-cell coin cells cycled from 5 mV to 0.8 V.
様々なシリコン-カーボン材料の特性値
表6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、例えば0.15以上のφ、例えば0.20以上のφ、例えば0.25以上のφ、例えば0.30以上のφ、等が挙げられる)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。0.10以上のφ(例えば0.13以上のφ、例えば0.15以上のφ、例えば0.20以上のφ、例えば0.25以上のφ、例えば0.30以上の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。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。 The data in Table 6 reveal an unexpected relationship between decreasing Z and increasing φ. All silicon-carbon composites with Z less than 10 have a φ greater than or equal to 0.13, and all silicon-carbon composites with Z greater than 10 have a φ less than 0.13. In fact, all silicon-carbon composites with Z greater than 10 have a φ of 0. This relationship is also evident in Figure 6. Without being bound by theory, silicon materials with a φ greater than or equal to 0.10 (e.g., a φ greater than or equal to 0.13, e.g., a φ greater than or equal to 0.15, e.g., a φ greater than or equal to 0.20, e.g., a φ greater than or equal to 0.25, e.g., a φ greater than or equal to 0.30, etc.) correspond to novel forms of silicon. Alternatively, silicon materials with a φ greater than 0 correspond to novel forms of silicon. Silicon-carbon composite materials having a φ of 0.10 or greater (e.g., a φ of 0.13 or greater, e.g., a φ of 0.15 or greater, e.g., a φ of 0.20 or greater, e.g., a φ of 0.25 or greater, e.g., a φ of 0.30 or greater) correspond to novel silicon-carbon composite materials. Separately, silicon-carbon composite materials having a φ of greater than 0 correspond to novel silicon-carbon composite materials.
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、0.24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。 In certain embodiments, the silicon-carbon composite comprises a φ of 0.1 or greater, a φ of 0.11 or greater, a φ of 0.12 or greater, a φ of 0.13 or greater, a φ of 0.14 or greater, a φ of 0.15 or greater, a φ of 0.16 or greater, a φ of 0.17 or greater, a φ of 0.18 or greater, a φ of 0.19 or greater, a φ of 0.20 or greater, a φ of 0.24 or greater, a φ of 0.24 or greater, a φ of 0.25 or greater, a φ of 0.30 or greater, or a φ of 0.35 or greater. In some embodiments, φ is greater than 0. In some embodiments, φ is 0.001 or greater, φ is 0.01 or greater, φ is 0.02 or greater, φ is 0.05 or greater, φ is 0.1 or greater, φ is 0.11 or greater, or φ is 0.12 or greater.
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、等が挙げられる。 In certain embodiments, the silicon-carbon composite comprises a Z less than 10, a carbon scaffold with greater than 70% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 100 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, such as a Z less than 10, greater than 70% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 50 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, for example, a Z less than 10, greater than 70% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 30 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, for example, a Z less than 10, greater than 70% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 10 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, for example, a Z less than 10, greater than 70% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 10 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1.
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、等が挙げられる。 In certain embodiments, the silicon-carbon composite comprises a Z less than 10, a carbon scaffold with greater than 70% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 100 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, such as a Z less than 10, greater than 70% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 50 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, for example, a Z less than 10, greater than 70% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 30 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, for example, a Z less than 10, greater than 70% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 10 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, for example, a Z less than 10, greater than 70% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 5 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1.
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、等が挙げられる。 In certain embodiments, the silicon-carbon composite comprises a Z less than 10, a carbon scaffold with greater than 70% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 100 m 2 /g, and a φ greater than 0, such as a Z less than 10, greater than 70% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 50 m 2 /g, and a φ greater than 0, such as a Z less than 10, greater than 70% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 30 m 2 /g, and a φ greater than 0, such as a Z less than 10, greater than 70% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 10 m 2 /g, and a φ greater than 0, such as a Z less than 10, greater than 70% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 5 m 2 /g, and a φ greater than 0.
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、等が挙げられる。 In certain embodiments, the silicon-carbon composite comprises a Z less than 10, a carbon scaffold with greater than 70% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 100 m 2 /g, and a φ greater than 0, such as a Z less than 10, greater than 70% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 50 m 2 /g, and a φ greater than 0, such as a Z less than 10, greater than 70% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 30 m 2 /g, and a φ greater than 0, such as a Z less than 10, greater than 70% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 10 m 2 /g, and a φ greater than 0, such as a Z less than 10, greater than 70% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 5 m 2 /g, and a φ greater than 0.
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、等が挙げられる。 In certain embodiments, the silicon-carbon composite comprises a Z less than 10, a carbon scaffold with greater than 80% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 100 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, such as a Z less than 10, greater than 80% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 50 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, for example, a Z less than 10, greater than 80% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 30 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, such as a Z less than 10, greater than 80% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 10 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, for example, a Z less than 10, greater than 80% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 5 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1.
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、等が挙げられる。 In certain embodiments, the silicon-carbon composite comprises a Z less than 10, a carbon scaffold with greater than 80% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 100 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, such as a Z less than 10, greater than 80% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 50 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, for example, a Z less than 10, greater than 80% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 30 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, such as a Z less than 10, greater than 80% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 10 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, for example, a Z less than 10, greater than 80% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 5 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1.
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、等が挙げられる。 In certain embodiments, the silicon-carbon composite comprises a Z less than 10, a carbon scaffold with greater than 80% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 100 m 2 /g, and a φ greater than 0, such as a Z less than 10, greater than 80% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 50 m 2 /g, and a φ greater than 0, such as a Z less than 10, greater than 80% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 30 m 2 /g, and a φ greater than 0, such as a Z less than 10, greater than 80% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 10 m 2 /g, and a φ greater than 0, such as a Z less than 10, greater than 80% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 5 m 2 /g, and a φ greater than 0.
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、等が挙げられる。 In certain embodiments, the silicon-carbon composite comprises a Z less than 10, a carbon scaffold with greater than 80% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 100 m 2 /g, and a φ greater than 0, such as a Z less than 10, greater than 80% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 50 m 2 /g, and a φ greater than 0, such as a Z less than 10, greater than 80% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 30 m 2 /g, and a φ greater than 0, such as a Z less than 10, greater than 80% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 10 m 2 /g, and a φ greater than 0, such as a Z less than 10, greater than 80% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 5 m 2 /g, and a φ greater than 0.
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、等が挙げられる。 In certain embodiments, the silicon-carbon composite comprises a Z less than 10, a carbon scaffold with greater than 90% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 100 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, such as a Z less than 10, greater than 90% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 50 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, for example, a Z less than 10, greater than 90% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 30 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, such as a Z less than 10, greater than 90% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 10 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, for example, a Z less than 10, greater than 90% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 5 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1.
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、等が挙げられる。 In certain embodiments, the silicon-carbon composite comprises a Z less than 10, a carbon scaffold with greater than 90% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 100 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, such as a Z less than 10, greater than 90% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 50 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, for example, a Z less than 10, greater than 90% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 30 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, for example, a Z less than 10, greater than 90% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 10 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, for example, a Z less than 10, greater than 90% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 5 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1.
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、等が挙げられる。 In certain embodiments, the silicon-carbon composite comprises a Z less than 10, a carbon scaffold with greater than 90% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 100 m 2 /g, and a φ greater than 0, such as a Z less than 10, greater than 90% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 50 m 2 /g, and a φ greater than 0, such as a Z less than 10, greater than 90% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 30 m 2 /g, and a φ greater than 0, such as a Z less than 10, greater than 90% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 10 m 2 /g, and a φ greater than 0, such as a Z less than 10, greater than 90% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 5 m 2 /g, and a φ greater than 0.
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、等が挙げられる。 In certain embodiments, the silicon-carbon composite comprises a Z less than 10, a carbon scaffold with greater than 90% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 100 m 2 /g, and a φ greater than 0, such as a Z less than 10, greater than 90% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 50 m 2 /g, and a φ greater than 0, such as a Z less than 10, greater than 90% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 30 m 2 /g, and a φ greater than 0, such as a Z less than 10, greater than 90% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 10 m 2 /g, and a φ greater than 0, such as a Z less than 10, greater than 90% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 5 m 2 /g, and a φ greater than 0.
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、等が挙げられる。 In certain embodiments, the silicon-carbon composite comprises a Z less than 10, a carbon scaffold with greater than 95% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 100 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, such as a Z less than 10, greater than 95% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 50 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, for example, a Z less than 10, greater than 95% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 30 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, such as a Z less than 10, greater than 95% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 10 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, for example, a Z less than 10, greater than 95% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 5 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1.
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、等が挙げられる。 In certain embodiments, the silicon-carbon composite comprises a Z less than 10, a carbon scaffold with greater than 95% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 100 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, such as a Z less than 10, greater than 95% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 50 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, for example, a Z less than 10, greater than 95% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 30 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, for example, a Z less than 10, greater than 95% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 10 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, for example, a Z less than 10, greater than 95% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 5 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1.
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、等が挙げられる。 In certain embodiments, the silicon-carbon composite comprises a Z less than 10, a carbon scaffold with greater than 95% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 100 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, such as a Z less than 10, greater than 95% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 50 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, for example, a Z less than 10, greater than 95% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 30 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, such as a Z less than 10, greater than 95% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 10 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1, for example, a Z less than 10, greater than 95% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 5 m 2 /g, and a φ greater than or equal to 0.1.
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、等が挙げられる。 In certain embodiments, the silicon-carbon composite comprises a Z less than 10, a carbon scaffold with greater than 95% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 100 m 2 /g, and a φ greater than 0, such as a Z less than 10, greater than 95% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 50 m 2 /g, and a φ greater than 0, such as a Z less than 10, greater than 95% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 30 m 2 /g, and a φ greater than 0, such as a Z less than 10, greater than 95% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 10 m 2 /g, and a φ greater than 0, such as a Z less than 10, greater than 95% microporosity, 40-60% silicon, a surface area less than 5 m 2 /g, and a φ greater than 0.
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、30m2/g未満の表面積、0.15以上のφ、及び0.9969以上の平均クーロン効率を含み、例えば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、30m2/g未満の表面積、0.15以上のφ、及び0.9970以上の平均クーロン効率、例えば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、30m2/g未満の表面積、0.15以上のφ、及び0.9975以上の平均クーロン効率、例えば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、30m2/g未満の表面積、0.15以上のφ、及び0.9980以上の平均クーロン効率、例えば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、30m2/g未満の表面積、0.15以上のφ、及び0.9985以上の平均クーロン効率、例えば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、30m2/g未満の表面積、0.15以上のφ、及び0.9990以上の平均クーロン効率、例えば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、30m2/g未満の表面積、0.15以上のφ、及び0.9995以上の平均クーロン効率、例えば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、30m2/g未満の表面積、0.15以上のφ、及び0.9999以上の平均クーロン効率、等が挙げられる。 In certain embodiments, the silicon-carbon composite comprises a Z less than 10, a carbon scaffold with greater than 80% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 30 m 2 /g, a φ equal to or greater than 0.15, and an average coulombic efficiency equal to or greater than 0.9969, for example, a Z less than 10, a carbon scaffold with greater than 80% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 30 m 2 /g, a φ equal to or greater than 0.15, and an average coulombic efficiency equal to or greater than 0.9970, for example, a Z less than 10, a carbon scaffold with greater than 80% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 30 m 2 /g, a φ equal to or greater than 0.15, and an average coulombic efficiency equal to or greater than 0.9975 ... A carbon scaffold having a microporosity of greater than 80%, a surface area less than 30m 2 /g, a φ equal to or greater than 0.15, and an average coulombic efficiency equal to or greater than 0.9980, e.g., Z less than 10, a carbon scaffold having a microporosity of greater than 80%, 30-60% silicon, a surface area less than 30m 2 /g, a φ equal to or greater than 0.15, and an average coulombic efficiency equal to or greater than 0.9985, e.g., Z less than 10, a carbon scaffold having a microporosity of greater than 80%, 30-60% silicon, a surface area less than 30m 2 /g, a φ equal to or greater than 0.15, and an average coulombic efficiency equal to or greater than 0.9990, e.g., Z less than 10, a carbon scaffold having a microporosity of greater than 80%, 30-60% silicon, a surface area less than 30m 2 /g, a φ equal to or greater than 0.15, and an average coulombic efficiency equal to or greater than 0.9995, e.g., Z less than 10, a carbon scaffold having a microporosity of greater than 80%, 30-60% silicon, 2 /g, a φ of 0.15 or greater, and an average coulombic efficiency of 0.9999 or greater.
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、30m2/g未満の表面積、0.20以上のφ、及び0.9969以上の平均クーロン効率を含み、例えば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、30m2/g未満の表面積、0.20以上のφ、及び0.9970以上の平均クーロン効率、例えば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、30m2/g未満の表面積、0.20以上のφ、及び0.9975以上の平均クーロン効率、例えば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、30m2/g未満の表面積、0.20以上のφ、及び0.9980以上の平均クーロン効率、例えば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、30m2/g未満の表面積、0.20以上のφ、及び0.9985以上の平均クーロン効率、例えば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、30m2/g未満の表面積、0.20以上のφ、及び0.9990以上の平均クーロン効率、例えば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、30m2/g未満の表面積、0.20以上のφ、及び0.9995以上の平均クーロン効率、例えば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、30m2/g未満の表面積、0.20以上のφ、及び0.9999以上の平均クーロン効率、等が挙げられる。 In certain embodiments, the silicon-carbon composite comprises a Z less than 10, a carbon scaffold with greater than 80% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 30 m 2 /g, a φ equal to or greater than 0.20, and an average Coulombic efficiency equal to or greater than 0.9969, for example, a Z less than 10, a carbon scaffold with greater than 80% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 30 m 2 /g, a φ equal to or greater than 0.20, and an average Coulombic efficiency equal to or greater than 0.9970, for example, a Z less than 10, a carbon scaffold with greater than 80% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 30 m 2 /g, a φ equal to or greater than 0.20, and an average Coulombic efficiency equal to or greater than 0.9975 .... a carbon scaffold with a surface area less than 30m 2 /g, a φ of 0.20 or greater, and an average coulombic efficiency of 0.9980 or greater, e.g., Z less than 10, a carbon scaffold with a microporosity of greater than 80%, 30-60% silicon, a surface area less than 30m 2 /g, a φ of 0.20 or greater, and an average coulombic efficiency of 0.9985 or greater, e.g., Z less than 10, a carbon scaffold with a microporosity of greater than 80%, 30-60% silicon, a surface area less than 30m 2 /g, a φ of 0.20 or greater, and an average coulombic efficiency of 0.9990 or greater, e.g., Z less than 10, a carbon scaffold with a microporosity of greater than 80%, 30-60% silicon, a surface area less than 30m 2 /g, a φ of 0.20 or greater, and an average coulombic efficiency of 0.9995 or greater, e.g., Z less than 10, a carbon scaffold with a microporosity of greater than 80%, 30-60% silicon, 2 /g, a φ of 0.20 or greater, and an average coulombic efficiency of 0.9999 or greater.
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、30m2/g未満の表面積、0.25以上のφ、及び0.9969以上の平均クーロン効率を含み、例えば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、30m2/g未満の表面積、0.25以上のφ、及び0.9970以上の平均クーロン効率、例えば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、30m2/g未満の表面積、0.25以上のφ、及び0.9975以上の平均クーロン効率、例えば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、30m2/g未満の表面積、0.25以上のφ、及び0.9980以上の平均クーロン効率、例えば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、30m2/g未満の表面積、0.25以上のφ、及び0.9985以上の平均クーロン効率、例えば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、30m2/g未満の表面積、0.25以上のφ、及び0.9990以上の平均クーロン効率、例えば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、30m2/g未満の表面積、0.25以上のφ、及び0.9995以上の平均クーロン効率、例えば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、30m2/g未満の表面積、0.25以上のφ、及び0.9999以上の平均クーロン効率、等が挙げられる。 In certain embodiments, the silicon-carbon composite comprises a Z less than 10, a carbon scaffold with greater than 80% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 30 m 2 /g, a φ equal to or greater than 0.25, and an average coulombic efficiency equal to or greater than 0.9969, for example, a Z less than 10, a carbon scaffold with greater than 80% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 30 m 2 /g, a φ equal to or greater than 0.25, and an average coulombic efficiency equal to or greater than 0.9970, for example, a Z less than 10, a carbon scaffold with greater than 80% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 30 m 2 /g, a φ equal to or greater than 0.25, and an average coulombic efficiency equal to or greater than 0.9975 ... A carbon scaffold having a microporosity of greater than 80%, a surface area less than 30m 2 /g, a φ equal to or greater than 0.25, and an average coulombic efficiency equal to or greater than 0.9980, e.g., Z less than 10, a carbon scaffold having a microporosity of greater than 80%, 30-60% silicon, a surface area less than 30m 2 /g, a φ equal to or greater than 0.25, and an average coulombic efficiency equal to or greater than 0.9985, e.g., Z less than 10, a carbon scaffold having a microporosity of greater than 80%, 30-60% silicon, a surface area less than 30m 2 /g, a φ equal to or greater than 0.25, and an average coulombic efficiency equal to or greater than 0.9990, e.g., Z less than 10, a carbon scaffold having a microporosity of greater than 80%, 30-60% silicon, a surface area less than 30m 2 /g, a φ equal to or greater than 0.25, and an average coulombic efficiency equal to or greater than 0.9995, e.g., Z less than 10, a carbon scaffold having a microporosity of greater than 80%, 30-60% silicon, 2 /g, a φ of 0.25 or greater, and an average coulombic efficiency of 0.9999 or greater.
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、30m2/g未満の表面積、0.3以上のφ、及び0.9969以上の平均クーロン効率を含み、例えば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、30m2/g未満の表面積、0.3以上のφ、及び0.9970以上の平均クーロン効率、例えば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、30m2/g未満の表面積、0.3以上のφ、及び0.9975以上の平均クーロン効率、例えば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、30m2/g未満の表面積、0.3以上のφ、及び0.9980以上の平均クーロン効率、例えば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、30m2/g未満の表面積、0.3以上のφ、及び0.9985以上の平均クーロン効率、例えば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、30m2/g未満の表面積、0.3以上のφ、及び0.9990以上の平均クーロン効率、例えば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、30m2/g未満の表面積、0.3以上のφ、及び0.9995以上の平均クーロン効率、例えば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、30m2/g未満の表面積、0.3以上のφ、及び0.9999以上の平均クーロン効率、等が挙げられる。 In certain embodiments, the silicon-carbon composite comprises a Z less than 10, a carbon scaffold with greater than 80% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 30 m 2 /g, a φ greater than or equal to 0.3, and an average Coulombic efficiency greater than or equal to 0.9969, for example, a Z less than 10, a carbon scaffold with greater than 80% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 30 m 2 /g, a φ greater than or equal to 0.3, and an average Coulombic efficiency greater than or equal to 0.9970, for example, a Z less than 10, a carbon scaffold with greater than 80% microporosity, 30-60% silicon, a surface area less than 30 m 2 /g, a φ greater than or equal to 0.3, and an average Coulombic efficiency greater than or equal to 0.9975 .... a carbon scaffold with a microporosity of greater than 80%, 30-60% silicon, a surface area less than 30m 2 /g, a φ equal to or greater than 0.3, and an average coulombic efficiency equal to or greater than 0.9985, for example, a Z less than 10; a carbon scaffold with a microporosity of greater than 80%, 30-60% silicon, a surface area less than 30m 2 / g, a φ equal to or greater than 0.3, and an average coulombic efficiency equal to or greater than 0.9990, for example, a Z less than 10; a carbon scaffold with a microporosity of greater than 80%, 30-60% silicon, a surface area less than 30m 2 /g, a φ equal to or greater than 0.3, and an average coulombic efficiency equal to or greater than 0.9995, for example, a Z less than 10; a carbon scaffold with a microporosity of greater than 80%, 30-60% silicon, a surface area less than 30m 2 /g, a φ equal to or greater than 0.3, and an average coulombic efficiency equal to or greater than 0.9995, for example, a Z less than 10; /g, a φ of 0.3 or greater, and an average coulombic efficiency of 0.9999 or greater.
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は、当該技術分野において公知のレーザー回折式粒子径アナライザによって測定した。表7には、特にDv1、Dv10、Dv50、Dv90、及びDv100のデータを示す。 Example 4. Particle size distribution of various carbon scaffold materials. The particle size distribution of various carbon scaffold materials was measured using a laser diffraction particle size analyzer known in the art. Table 7 provides data specifically for Dv1, Dv10, Dv50, Dv90, and Dv100.
様々なカーボンスキャフォールド材料の特性値
実施例5.14族元素である、シリコン及びカーボン含有複合体を含むアノードを含むリチウム-シリコンバッテリー。14族元素である、シリコン及びカーボンを含む新規の複合体は、リチウム-シリコンバッテリーの性能を劇的に改善させるための有用性を有する。当該技術分野で公知のように、リチウム-シリコンバッテリーは、この実施例で説明されているように、様々なその他の特性を含む。 Example 5. Lithium-silicon battery with an anode comprising a composite containing silicon and carbon, both Group 14 elements. Novel composites containing silicon and carbon, both Group 14 elements, have utility for dramatically improving the performance of lithium-silicon batteries. As known in the art, lithium-silicon batteries include a variety of other properties, as illustrated in this example.
上記リチウム-シリコンバッテリーは、14族元素であるシリコン及びカーボン含有複合体を含むアノードを含む。14族元素であるシリコン及びカーボンを含む複合体の、アノード中の乾燥重量での濃度は、様々であってよく、例えば1~90%、例えば5%~95%、例えば10%~70%、等が挙げられる。特定の実施形態においては、14族元素であるシリコン及びカーボンを含む複合体の、アノード中の乾燥重量での濃度は、5%~25%、25%~35%、35%~50%、50%~70%、又は70%超である。 The lithium-silicon battery includes an anode containing a composite containing silicon, a Group 14 element, and carbon. The concentration of the composite containing silicon, a Group 14 element, and carbon in the anode by dry weight can vary, for example, from 1 to 90%, for example, from 5% to 95%, for example, from 10% to 70%, etc. In certain embodiments, the concentration of the composite containing silicon, a Group 14 element, and carbon in the anode by dry weight is 5% to 25%, 25% to 35%, 35% to 50%, 50% to 70%, or greater than 70%.
上記アノードは、更にその他の成分を含んでもよい。当該その他の成分は、グラファイト、導電性カーボン添加剤、バインダー、及びこれらの組み合わせを含む。 The anode may further include other components, such as graphite, conductive carbon additives, binders, and combinations thereof.
いくつかの実施形態においては、リチウム-シリコンバッテリーは、グラファイト、又はこれらの組み合わせを含むアノードを含む。これに関して、典型液なグラファイトは、特に限定されないが、例えば天然グラファイト、合成グラファイト、ナノグラファイト、又はこれらの組み合わせ、等が挙げられる。アノード中のグラファイトの乾燥重量での濃度は様々であってよく、例えば5%~95%、例えば10%~70%、例えば20%~60%、例えば30%~50%、等が挙げられる。特定の実施形態においては、リチウム-シリコンバッテリーは、グラファイトを含まないアノードを含む。 In some embodiments, the lithium-silicon battery includes an anode comprising graphite, or a combination thereof. In this regard, exemplary graphites include, but are not limited to, natural graphite, synthetic graphite, nanographite, or a combination thereof. The concentration of graphite in the anode by dry weight can vary, for example, from 5% to 95%, for example, from 10% to 70%, for example, from 20% to 60%, for example, from 30% to 50%, etc. In certain embodiments, the lithium-silicon battery includes an anode that does not include graphite.
好ましい実施形態においては、リチウム-シリコンバッテリーは、導電性カーボン添加剤、又はその組み合わせを含むアノードを含む。典型的な導電性カーボン添加剤は、特に限定されないが、例えばカーボンブラック、導電性カーボンブラック、スーパー導電性(superconductive)カーボンブラック、エクストラ導電性(extraconductive)カーボンブラック、ウルトラ導電性(ultraconductive)カーボンブラック、Super C、Super P、Super[C45又はC65]、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、フラーレン(fullerine)、グラフェン、カーボンファイバー、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、又はこれらの組み合わせ、等が挙げられる。アノード中の導電性カーボン添加剤の、乾燥重量での濃度は様々であってよく、例えば0.1%~20%、例えば1%~10%、例えば2%~8%、例えば3%~6%、等が挙げられる。特定の実施形態、例えばアノードがグラファイトを含まない場合においては、導電性カーボン添加剤の乾燥重量での濃度は、5%~20%の範囲であってよく、例えば10%~20%、例えば14%~16%、等が挙げられる。 In a preferred embodiment, the lithium-silicon battery includes an anode containing a conductive carbon additive, or a combination thereof. Typical conductive carbon additives include, but are not limited to, carbon black, conductive carbon black, superconductive carbon black, extraconductive carbon black, ultraconductive carbon black, Super C, Super P, Super [C45 or C65], Ketjen black, acetylene black, fullerene, graphene, carbon fiber, carbon nanofiber, carbon nanotube, or a combination thereof. The dry weight concentration of the conductive carbon additive in the anode can vary, for example, from 0.1% to 20%, such as from 1% to 10%, from 2% to 8%, or from 3% to 6%, for example. In certain embodiments, such as when the anode does not contain graphite, the concentration of the conductive carbon additive by dry weight may range from 5% to 20%, such as from 10% to 20%, for example, from 14% to 16%, etc.
好ましい実施形態においては、リチウム-シリコンバッテリーは、バインダー、又はその組み合わせを含むアノードを含む。典型的なバインダーは、特に限定されないが、例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ナトリウムカルボキシメチルセルロース(Na-CMC)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリアクリル酸ラテックス、ポリアクリル酸(PAA)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリイミド(PI)、及びこれらの組み合わせ、等が挙げられる。特定の実施形態においては、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。アノード中のバインダーの乾燥重量での濃度は様々であってよく、例えば0.1%~20%、例えば1%~10%、例えば2%~8%、例えば3%~6%、等が挙げられる。特定の実施形態、例えばアノードがグラファイトを含まない場合においては、バインダーの乾燥重量での濃度は、5%~20%の範囲をとってよく、例えば10%~20%、例えば14%~16%、等が挙げられる。 In a preferred embodiment, the lithium-silicon battery includes an anode containing a binder, or a combination thereof. Typical binders include, but are not limited to, polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene butadiene rubber (SBR), sodium carboxymethyl cellulose (Na-CMC), polyacrylonitrile (PAN), polyacrylic acid latex, polyacrylic acid (PAA), polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene glycol (PEG), polyamideimide (PAI), polyimide (PI), and combinations thereof. In certain embodiments, the binder may include lithium ions as counterions. The concentration of the binder in the anode by dry weight may vary, for example, from 0.1% to 20%, for example, from 1% to 10%, for example, from 2% to 8%, for example, from 3% to 6%, etc. In certain embodiments, such as when the anode does not contain graphite, the concentration of the binder by dry weight may range from 5% to 20%, such as from 10% to 20%, for example, from 14% to 16%, etc.
リチウム-シリコンバッテリーのアノードは、14族元素であるシリコン及びカーボンを含む複合体を含み、更に上記アノードは、乾燥状態において細孔(porosity)を含む。乾燥アノードのポロシティは、例えば10%~90%、例えば20%~80%、例えば30%~70%、例えば40%~60%である。特定の好ましい実施形態においては、乾燥アノードのポロシティは、30%~50%である。特定の好ましい実施形態においては、乾燥アノードのポロシティは、10%~50%である。 The anode of a lithium-silicon battery comprises a composite containing silicon, a Group 14 element, and carbon, and further comprises porosity in a dry state. The porosity of the dry anode is, for example, 10% to 90%, for example, 20% to 80%, for example, 30% to 70%, for example, 40% to 60%. In certain preferred embodiments, the porosity of the dry anode is 30% to 50%. In certain preferred embodiments, the porosity of the dry anode is 10% to 50%.
リチウム-シリコンバッテリーは、14族元素であるシリコン及びカーボン含有複合体を含むアノードを含み、更に当該リチウム-シリコンバッテリーは、カソードを含む。典型的なカソードは、特に限定されないが、例えばコバルト酸リチウム(LiCoO2)(LCO)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)(LMO)、リン酸鉄リチウム(LiFePo4)(LFP)、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物(LiNiCoAlO2)(NCA)、チタン酸リチウム(Li2TiO3)(LTO)、又はリチウムニッケルマンガンコバルト酸化物(LiNixMnyCozO2)(NMC、ここで、x+y+z=1であり、x:y:z=3:3:3(NMC333)、4:3:3(NMC433)、5:3:2(NMC532)、6:1:1(NMC611)、6:2:2(NMC622)、又は8:1:1(NMC811)である)、等が挙げられる。特定の好ましい実施形態においては、カソードはNMC811である。 The lithium-silicon battery includes an anode containing a composite containing silicon, a Group 14 element, and carbon, and further includes a cathode. Typical cathodes include, but are not limited to, lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) (LCO), lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ) (LMO), lithium iron phosphate (LiFePo 4 ) (LFP), lithium nickel cobalt aluminum oxide (LiNiCoAlO 2 ) (NCA), lithium titanate (Li 2 TiO 3 ) (LTO), or lithium nickel manganese cobalt oxide (LiNi x Mn y Co z O 2 ). ) (NMC, where x+y+z=1 and x:y:z=3:3:3 (NMC333), 4:3:3 (NMC433), 5:3:2 (NMC532), 6:1:1 (NMC611), 6:2:2 (NMC622), or 8:1:1 (NMC811)). In certain preferred embodiments, the cathode is NMC811.
リチウム-シリコンバッテリーは、バッテリー電池中のアノード電極とカソード電極間の容量比を表す、N/P比として知られる比を含む。N/Pは、リチウム-シリコンバッテリーのエネルギー密度を求めることにおいて重要である。理論に束縛されるものではないが、より低いN/P比は、過剰アノードをわずかにしか与えない、ゆえに、リチウム-シリコンバッテリーのより高いエネルギー密度を与える。シリコン-カーボンアノードの平均放電ポテンシャルは、グラファイトアノードよりも高い。理論に束縛されるものではないが、アノード中のφの存在が、電池のメッキを回避するために必要な過剰アノードを減少させる。従って、理論に束縛されるものではないが、本明細書に開示した、0超のφ(例えば0.15以上のφ、例えば0.2以上のφ、例えば0.25以上のφ、例えば0.3以上のφ、等が挙げられる)を含む新規のアノード材料は、N/P比をより低下させ、それにより、リチウム-シリコンバッテリーのより高いエネルギー密度を与える。特定の実施形態においては、N/P比は1.1超であり、例えばN/P比は1.2超、例えばN/P比は1.3超、例えばN/P比は1.4超、例えばN/P比は1.5超、例えばN/P比は2.0超、等が挙げられる。特定の好ましい実施形態においては、N/P比は2.0以下であり、例えばN/P比は1.5以下、例えばN/P比は1.4以下、例えばN/P比は1.3以下、例えばN/P比は1.2以下、例えばN/P比は1.1以下、例えばN/P比は1.0以下、例えばN/P比は0.9以下、例えばN/P比は0.8以下、等が挙げられる。 Lithium-silicon batteries contain a ratio known as the N/P ratio, which represents the capacity ratio between the anode and cathode electrodes in the battery cell. N/P is important in determining the energy density of a lithium-silicon battery. Without being bound by theory, a lower N/P ratio provides less excess anode, and therefore a higher energy density of the lithium-silicon battery. The average discharge potential of a silicon-carbon anode is higher than that of a graphite anode. Without being bound by theory, the presence of φ in the anode reduces the excess anode required to prevent plating of the battery. Thus, without being bound by theory, the novel anode materials disclosed herein that include a φ greater than 0 (e.g., a φ of 0.15 or greater, e.g., a φ of 0.2 or greater, e.g., a φ of 0.25 or greater, e.g., a φ of 0.3 or greater, etc.) allow for a lower N/P ratio, thereby providing a higher energy density of the lithium-silicon battery. In certain embodiments, the N/P ratio is greater than 1.1, for example, an N/P ratio greater than 1.2, for example, an N/P ratio greater than 1.3, for example, an N/P ratio greater than 1.4, for example, an N/P ratio greater than 1.5, for example, an N/P ratio greater than 2.0, etc. In certain preferred embodiments, the N/P ratio is 2.0 or less, for example, an N/P ratio of 1.5 or less, for example, an N/P ratio of 1.4 or less, for example, an N/P ratio of 1.3 or less, for example, an N/P ratio of 1.2 or less, for example, an N/P ratio of 1.1 or less, for example, an N/P ratio of 1.0 or less, for example, an N/P ratio of 0.9 or less, for example, an N/P ratio of 0.8 or less, etc.
リチウム-シリコンバッテリーは、電解質を含み、当該電解質は、溶媒、溶媒添加剤、及び電解質イオンを含む、様々な成分を含む。典型的な電解質成分は、特に限定されないが、例えばエチレンカーボネート(EC)、ジエチレンカーボネート(DEC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、エチルプロピルエーテル(EPE),フッ素化環状炭酸エステル(F-AEC)、フッ素化直鎖状炭酸エステル(F-EMC)、ジメチルアクリルアミド(DMAA)、無水コハク酸(SA)、トリス(トリメチルシリル)ボラート(TTMB)、リン酸トリス(トリメチルシリル)(TTSP)、1,3-プロパンスルトン(PS)、フッ素化エーテル(F-EPE)、性能向上有機シリコン電解質材料炭酸フルオロエチレン(FEC)、及び性能向上有機シリコン電解質材料(例えばOS3)、炭酸ビニレン(VC)、LiPF6、LiBF4、LiBOB、LiTFSI、LiFSI、LiClO4、及びこれらの組み合わせ、等が挙げられる。特定の実施形態においては、電解質塩の濃度は1.0M超であり、例えば電解質塩の濃度は1.2M超、例えば電解質塩の濃度は1.3M超、例えば電解質塩の濃度は1.4M超、例えば電解質塩の濃度は1.5M超、例えば電解質塩の濃度は2.0M超、である。特定の好ましい実施形態においては、電解質塩の濃度は2.0M未満であり、例えば電解質塩の濃度は1.5M未満、例えば電解質塩の濃度は1.4M未満、例えば電解質塩の濃度は1.3M未満、例えば電解質塩の濃度は1.2M未満、例えば電解質塩の濃度は1.1M未満、例えば電解質塩の濃度は1.0M未満、例えば電解質塩の濃度は0.9M未満、である。 Lithium-silicon batteries contain an electrolyte, which in turn contains various components, including a solvent, a solvent additive, and electrolyte ions. Typical electrolyte components include, but are not limited to, ethylene carbonate (EC), diethylene carbonate (DEC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), ethyl propyl ether (EPE), fluorinated cyclic carbonate (F-AEC), fluorinated linear carbonate (F-EMC), dimethylacrylamide (DMAA), succinic anhydride (SA), tris(trimethylsilyl)borate (TTMB), tris(trimethylsilyl)phosphate (TTSP), 1,3-propane sultone (PS), fluorinated ethers (F-EPE), enhanced organosilicon electrolyte materials fluoroethylene carbonate (FEC), and enhanced organosilicon electrolyte materials (e.g., OS3), vinylene carbonate (VC), LiPF 6 , LiBF 4 , LiBOB, LiTFSI, LiFSI, LiClO 4 , and combinations thereof. In certain embodiments, the concentration of the electrolyte salt is greater than 1.0 M, such as greater than 1.2 M, such as greater than 1.3 M, such as greater than 1.4 M, such as greater than 1.5 M, for example greater than 2.0 M. In certain preferred embodiments, the concentration of the electrolyte salt is less than 2.0 M, such as less than 1.5 M, such as less than 1.4 M, such as less than 1.3 M, such as less than 1.2 M, such as less than 1.1 M, such as less than 1.0 M, for example less than 0.9 M.
14族元素であるシリコン及びカーボン含有複合体を含むリチウム-シリコンバッテリーは、アノード及びカソードの分離を維持するセパレータを含む。セパレータは、一層若しくは複層のポリマー材料から作製されてもよく、又はアラミド、セラミック、若しくはフッ化物材料でコートされてもよい。典型的なセパレータ材料は、特に限定されないが、例えば不織布(綿、ナイロン、ポリエステル、ガラス)、ポリマーフィルム(ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ(テトラフルオロエチレン)、ポリ塩化ビニル)、セラミック、及び天然物(ゴム、アスベスト、木材)、等が挙げられる。特定の好ましい実施形態においては、セパレータは、特に限定されないが、典型的なポリマーを含み、例えば半結晶性構造を有するポリオレフィンベース材料であるポリエチレン、ポリプロピレン、及びグラフトポリマー(ミクロ細孔グラフト化ポリメタクリル酸メチル、及びポリエチレングラフト化シロキサンを含む)、ポリフッ化ビニリデンナノファイバーウェブ、及びポリトリフェニルアミン(PTPA)、等が挙げられる。 Lithium-silicon batteries containing a Group 14 silicon and carbon-containing composite include a separator that maintains separation between the anode and cathode. The separator may be made of one or more layers of polymeric material, or may be coated with aramid, ceramic, or fluoride material. Typical separator materials include, but are not limited to, nonwoven fabrics (cotton, nylon, polyester, glass), polymer films (polyethylene, polypropylene, poly(tetrafluoroethylene), polyvinyl chloride), ceramics, and natural products (rubber, asbestos, wood). In certain preferred embodiments, the separator includes, but is not limited to, typical polymers, such as semi-crystalline polyolefin-based materials such as polyethylene and polypropylene, and graft polymers (including microporous grafted polymethyl methacrylate and polyethylene-grafted siloxane), polyvinylidene fluoride nanofiber webs, and polytriphenylamine (PTPA).
14族元素であるシリコン及びカーボン含有複合体を含むリチウム-シリコンバッテリーは、バッテリー使用中、リチウム-シリコンバッテリーの動作電圧ウィンドウの下限と上限間でサイクルされる。理論に束縛されるものではないが、動作電圧ウィンドウの下限の低下は、リチウム-シリコンバッテリーのより高いエネルギー密度を与える。従って、理論に束縛されるものではないが、本明細書に開示した、0超のφ(例えば0.15以上のφ、例えば0.2以上のφ、例えば0.25以上のφ、例えば0.3以上のφ)を含む、新規のアノード材料は、電圧ウィンドウの下限を低下させ、それによってリチウム-シリコンバッテリーのエネルギー密度をより高める。特定の実施形態においては、電圧ウィンドウの下限は3.0V以下(例えば2.9V以下、例えば2.8V以下、例えば2.7V以下、例えば2.6V以下、例えば2.5V以下、例えば2.4V以下、例えば2.3V以下)、である。リチウム-シリコンバッテリーのサイクル中の電圧ウィンドウの上限は、様々であってよい。例えば、電圧ウィンドウの上限は、例えば4.0V以上(例えば4.0V、4.1V、4.2V、4.3V、4.4V、4.5V、4.6V、4.7V、4.8V、4.9V、又は5.0V)等、様々であり得る。 Lithium-silicon batteries containing a composite containing silicon, a Group 14 element, and carbon are cycled between the lower and upper limits of the lithium-silicon battery's operating voltage window during use. Without being bound by theory, lowering the lower limit of the operating voltage window provides a higher energy density for the lithium-silicon battery. Therefore, without being bound by theory, the novel anode materials disclosed herein, including a φ greater than 0 (e.g., a φ of 0.15 or greater, e.g., a φ of 0.2 or greater, e.g., a φ of 0.25 or greater, e.g., a φ of 0.3 or greater), lower the lower limit of the voltage window, thereby increasing the energy density of the lithium-silicon battery. In certain embodiments, the lower limit of the voltage window is 3.0 V or less (e.g., 2.9 V or less, e.g., 2.8 V or less, e.g., 2.7 V or less, e.g., 2.6 V or less, e.g., 2.5 V or less, e.g., 2.4 V or less, e.g., 2.3 V or less). The upper limit of the voltage window during cycling of a lithium-silicon battery may vary. For example, the upper limit of the voltage window can vary, such as 4.0V or higher (e.g., 4.0V, 4.1V, 4.2V, 4.3V, 4.4V, 4.5V, 4.6V, 4.7V, 4.8V, 4.9V, or 5.0V).
実施形態の説明 Description of implementation
実施形態1.数4で計算されるφが0超を示す、材料。 Embodiment 1. A material in which φ, calculated by Equation 4, is greater than 0.
実施形態2.数4で計算されるφが0.1以上を示す、材料。 Embodiment 2. A material in which φ, calculated using equation 4, is 0.1 or greater.
実施形態3.数4で計算されるφが0超を示す、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 3. A silicon-carbon composite material in which φ, calculated by Equation 4, is greater than 0.
実施形態4.数4で計算されるφが0.1以上を示す、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 4. A silicon-carbon composite material in which φ, calculated using Equation 4, is 0.1 or greater.
実施形態5.10未満のZ、及び数4で計算されるφが0超、を含む、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 5: A silicon-carbon composite material having Z less than 10 and φ calculated by equation 4 greater than 0.
実施形態6.10未満のZ、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含む、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 6: A silicon-carbon composite material having Z less than 10 and φ calculated by equation 4 being 0.1 or greater.
実施形態7.10未満のZ、100m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含む、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 7. A silicon-carbon composite material comprising a Z less than 10, a surface area less than 100 m 2 /g, and a φ calculated by Equation 4 greater than 0.
実施形態8.10未満のZ、100m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含む、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 8. A silicon-carbon composite material comprising a Z of less than 10, a surface area of less than 100 m 2 /g, and a φ, calculated by Equation 4, of 0.1 or greater.
実施形態9.10未満のZ、50m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含む、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 9. A silicon-carbon composite material comprising a Z less than 10, a surface area less than 50 m 2 /g, and a φ calculated by Equation 4 greater than 0.
実施形態10.10未満のZ、50m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含む、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 10. A silicon-carbon composite material having a Z of less than 10, a surface area of less than 50 m 2 /g, and a φ, calculated by Equation 4, of 0.1 or greater.
実施形態11.10未満のZ、30m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含む、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 11. A silicon-carbon composite material comprising a Z less than 10, a surface area less than 30 m 2 /g, and a φ calculated by Equation 4 greater than 0.
実施形態12.10未満のZ、30m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含む、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 12. A silicon-carbon composite material having a Z of less than 10, a surface area of less than 30 m 2 /g, and a φ, calculated by Equation 4, of 0.1 or greater.
実施形態13.10未満のZ、10m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含む、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 13. A silicon-carbon composite material comprising a Z less than 10, a surface area less than 10 m 2 /g, and a φ calculated by Equation 4 greater than 0.
実施形態14.10未満のZ、10m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含む、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 14. A silicon-carbon composite material having a Z of less than 10, a surface area of less than 10 m 2 /g, and a φ, calculated by Equation 4, of 0.1 or greater.
実施形態15.10未満のZ、5m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含む、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 15. A silicon-carbon composite material comprising a Z less than 10, a surface area less than 5 m 2 /g, and a φ calculated by Equation 4 greater than 0.
実施形態16.10未満のZ、5m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含む、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 16. A silicon-carbon composite material having a Z of less than 10, a surface area of less than 5 m 2 /g, and a φ, calculated by Equation 4, of 0.1 or greater.
実施形態17.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、50m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 17. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 50 m 2 /g, and φ, calculated by equation 4, greater than 0.
実施形態18.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、50m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 18. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 50 m 2 /g, and φ, as calculated by equation 4, greater than or equal to 0.1.
実施形態19.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、30m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 19. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 30 m 2 /g, and φ, as calculated by equation 4, greater than 0.
実施形態20.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、30m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 20. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 30 m 2 /g, and φ, as calculated by Equation 4, greater than or equal to 0.1.
実施形態21.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、10m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 21. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 10 m 2 /g, and φ, as calculated by equation 4, greater than 0.
実施形態22.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、10m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 22. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 10 m 2 /g, and φ, calculated by equation 4, greater than or equal to 0.1.
実施形態23.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、5m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 23. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 5 m 2 /g, and φ, calculated by equation 4, greater than 0.
実施形態24.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、5m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 24. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 5 m 2 /g, and φ, as calculated by equation 4, greater than or equal to 0.1.
実施形態25.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、50m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が70%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 25. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 50 m 2 /g, and φ, calculated by equation 4, greater than 0, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 70% microporosity.
実施形態26.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、50m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が70%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 26. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 50 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than or equal to 0.1, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 70% microporosity.
実施形態27.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、30m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が70%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 27. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 30 m 2 /g, and φ, calculated by equation 4, greater than 0, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 70% microporosity.
実施形態28.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、30m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が70%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 28. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 30 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than or equal to 0.1, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 70% microporosity.
実施形態29.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、10m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が70%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 29. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 10 m 2 /g, and φ, calculated by equation 4, greater than 0, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 70% microporosity.
実施形態30.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、10m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が70%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 30. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 10 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than or equal to 0.1, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 70% microporosity.
実施形態31.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、5m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が70%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 31. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 5 m 2 /g, and φ, calculated by equation 4, greater than 0, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 70% microporosity.
実施形態32.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、5m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が70%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 32. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 5 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than or equal to 0.1, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 70% microporosity.
実施形態33.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、30m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が80%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 33. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 30 m 2 /g, and φ, calculated by equation 4, greater than 0, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 80% microporosity.
実施形態34.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、30m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が80%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 34. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 30 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than or equal to 0.1, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 80% microporosity.
実施形態35.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、10m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が80%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 35. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 10 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than 0, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 80% microporosity.
実施形態36.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、10m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.12以上、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が80%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 36. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 10 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than or equal to 0.12, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 80% microporosity.
実施形態37.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、5m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が80%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 37. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 5 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than 0, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 80% microporosity.
実施形態38.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、5m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が80%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 38. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 5 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than or equal to 0.1, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 80% microporosity.
実施形態39.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、30m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が90%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 39. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 30 m 2 /g, and φ, calculated by equation 4, greater than 0, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 90% microporosity.
実施形態40.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、30m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が90%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 40. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 30 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than or equal to 0.1, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 90% microporosity.
実施形態41.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、10m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が90%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 41. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 10 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than 0, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 90% microporosity.
実施形態42.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、10m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が90%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 42. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 10 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than or equal to 0.1, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 90% microporosity.
実施形態43.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、5m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が90%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 43. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 5 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than 0, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 90% microporosity.
実施形態44.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、5m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が90%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 44. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 5 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than or equal to 0.1, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 90% microporosity.
実施形態45.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、30m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が95%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 45. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 30 m 2 /g, and φ, calculated by equation 4, greater than 0, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 95% microporosity.
実施形態46.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、30m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が95%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 46. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 30 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than or equal to 0.1, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 95% microporosity.
実施形態47.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、10m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が95%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 47. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 10 m 2 /g, and φ, calculated by equation 4, greater than 0, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 95% microporosity.
実施形態48.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、10m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が95%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 48. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 10 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than or equal to 0.1, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 95% microporosity.
実施形態49.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、5m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が95%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 49. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 5 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than 0, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 95% microporosity.
実施形態50.重量比で30%~60%のシリコン、10未満のZ、5m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が95%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合材料。 Embodiment 50. A silicon-carbon composite comprising 30% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 5 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than or equal to 0.1, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 95% microporosity.
実施形態51.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1~50のいずれか1つに記載のシリコン-カーボン複合体。 Embodiment 51. A silicon-carbon composite according to any one of embodiments 1 to 50, wherein the silicon-carbon composite has a Dv50 of 5 nm to 20 microns.
実施形態52.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1~51のいずれか1つに記載のシリコン-カーボン複合体。 Embodiment 52. The silicon-carbon composite of any one of embodiments 1 to 51, wherein the silicon-carbon composite has a capacity greater than 900 mA/g.
実施形態53.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1~51のいずれか1つに記載のシリコン-カーボン複合体。 Embodiment 53. The silicon-carbon composite of any one of embodiments 1 to 51, wherein the silicon-carbon composite has a capacity greater than 1300 mA/g.
実施形態54.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1~51のいずれか1つに記載のシリコン-カーボン複合体。 Embodiment 54. The silicon-carbon composite of any one of embodiments 1 to 51, wherein the silicon-carbon composite has a capacity greater than 1600 mA/g.
実施形態55.実施形態1~53のいずれか1つに記載のシリコン-カーボン複合体を含む、エネルギー貯蔵デバイス。 Embodiment 55. An energy storage device comprising the silicon-carbon composite described in any one of embodiments 1 to 53.
実施形態56.実施形態1~53のいずれか1つに記載のシリコン-カーボン複合体を含む、リチウムイオンバッテリー。 Embodiment 56. A lithium ion battery comprising the silicon-carbon composite of any one of embodiments 1 to 53.
実施形態57.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、50m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 57. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 50 m 2 /g, and φ, as calculated by Equation 4, greater than or equal to 0.1.
実施形態58.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、30m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 58. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 30 m 2 /g, and φ, as calculated by equation 4, greater than 0.
実施形態59.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、30m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 59. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 30 m 2 /g, and φ, as calculated by equation 4, greater than or equal to 0.1.
実施形態60.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、10m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 60. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 10 m 2 /g, and φ, as calculated by equation 4, greater than 0.
実施形態61.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、10m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 61. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 10 m 2 /g, and φ, as calculated by equation 4, greater than or equal to 0.1.
実施形態62.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、5m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 62. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 5 m 2 /g, and φ, as calculated by equation 4, greater than 0.
実施形態63.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、5m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 63. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 5 m 2 /g, and φ, as calculated by equation 4, greater than or equal to 0.1.
実施形態64.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、50m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が70%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 64. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 50 m 2 /g, and φ, calculated by equation 4, greater than 0, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 70% microporosity.
実施形態65.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、50m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が70%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 65. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 50 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than or equal to 0.1, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 70% microporosity.
実施形態66.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、30m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が70%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 66. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 30 m 2 /g, and φ, calculated by equation 4, greater than 0, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 70% microporosity.
実施形態67.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、30m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が70%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 67. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 30 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than or equal to 0.1, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 70% microporosity.
実施形態68.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、10m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が70%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 68. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 10 m 2 /g, and φ, calculated by equation 4, greater than 0, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 70% microporosity.
実施形態69.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、10m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が70%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 69. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 10 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than or equal to 0.1, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 70% microporosity.
実施形態70.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、5m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が70%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 70. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 5 m 2 /g, and φ, calculated by equation 4, greater than 0, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 70% microporosity.
実施形態71.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、5m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が70%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 71. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 5 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than or equal to 0.1, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 70% microporosity.
実施形態72.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、30m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が80%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 72. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 30 m 2 /g, and φ, calculated by equation 4, greater than 0, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 80% microporosity.
実施形態73.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、30m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が80%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 73. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 30 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than or equal to 0.1, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 80% microporosity.
実施形態74.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、10m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が80%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 74. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 10 m 2 /g, and φ, calculated by equation 4, greater than 0, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 80% microporosity.
実施形態75.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、10m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が80%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 75. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 10 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than or equal to 0.1, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 80% microporosity.
実施形態76.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、5m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が80%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 76. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 5 m 2 /g, and φ, calculated by equation 4, greater than 0, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 80% microporosity.
実施形態77.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、5m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が80%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 77. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 5 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than or equal to 0.1, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 80% microporosity.
実施形態78.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、30m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が90%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 78. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 30 m 2 /g, and φ, calculated by equation 4, greater than 0, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 90% microporosity.
実施形態79.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、30m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が90%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 79. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 30 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than or equal to 0.1, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 90% microporosity.
実施形態80.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、10m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が90%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 80. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 10 m 2 /g, and φ, calculated by equation 4, greater than 0, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 90% microporosity.
実施形態81.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、10m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が90%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 81. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 10 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than or equal to 0.1, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 90% microporosity.
実施形態82.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、5m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が90%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 82. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 5 m 2 /g, and φ, calculated by equation 4, greater than 0, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 90% microporosity.
実施形態83.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、5m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が90%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 83. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 5 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than or equal to 0.1, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 90% microporosity.
実施形態84.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、30m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が95%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 84. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 30 m 2 /g, and φ, calculated by equation 4, greater than 0, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 95% microporosity.
実施形態85.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、30m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が95%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 85. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 30 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than or equal to 0.1, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 95% microporosity.
実施形態86.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、10m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が95%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 86. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 10 m 2 /g, and φ, calculated by equation 4, greater than 0, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 95% microporosity.
実施形態87.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、10m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が95%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 87. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 10 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than or equal to 0.1, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 95% microporosity.
実施形態88.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、5m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0超、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が95%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 88. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 5 m 2 /g, and φ, calculated by equation 4, greater than 0, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 95% microporosity.
実施形態89.重量比で40%~60%のシリコン、10未満のZ、5m2/g未満の表面積、及び数4で計算されるφが0.1以上、を含み、かつカーボンスキャフォールドが、細孔容積を含み、当該細孔容積が95%超のミクロポロシティを含む、シリコン-カーボン複合体。 Embodiment 89. A silicon-carbon composite comprising 40% to 60% silicon by weight, Z less than 10, a surface area less than 5 m 2 /g, and a φ calculated by equation 4 greater than or equal to 0.1, and a carbon scaffold comprising a pore volume, the pore volume comprising greater than 95% microporosity.
実施形態90.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57~89のいずれか1つに記載のシリコン-カーボン複合体。 Embodiment 90. A silicon-carbon composite according to any one of embodiments 57 to 89, wherein the silicon-carbon composite has a Dv50 of 5 nm to 20 microns.
実施形態91.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57~89のいずれか1つに記載のシリコン-カーボン複合体。 Embodiment 91. The silicon-carbon composite of any one of embodiments 57 to 89, wherein the silicon-carbon composite has a capacity greater than 900 mA/g.
実施形態92.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57~89のいずれか1つに記載のシリコン-カーボン複合体。 Embodiment 92. The silicon-carbon composite of any one of embodiments 57 to 89, wherein the silicon-carbon composite has a capacity greater than 1300 mA/g.
実施形態93.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57~89のいずれか1つに記載のシリコン-カーボン複合体。 Embodiment 93. The silicon-carbon composite of any one of embodiments 57 to 89, wherein the silicon-carbon composite has a capacity greater than 1600 mA/g.
実施形態94.実施形態57~89のいずれか1つに記載のシリコン-カーボン複合体を含む、エネルギー貯蔵デバイス。 Embodiment 94. An energy storage device comprising the silicon-carbon composite described in any one of embodiments 57 to 89.
実施形態95.実施形態57~89のいずれか1つに記載のシリコン-カーボン複合体を含む、リチウムイオンバッテリー。 Embodiment 95. A lithium ion battery comprising the silicon-carbon composite of any one of embodiments 57 to 89.
実施形態96.φが0.11以上である、実施形態1~95のいずれか1つの実施形態。 Embodiment 96. Any one of embodiments 1 to 95, in which φ is 0.11 or greater.
実施形態97.φが0.12以上である、実施形態1~95のいずれか1つの実施形態。 Embodiment 97. Any one of embodiments 1 to 95, in which φ is 0.12 or greater.
実施形態98.φが0.13以上である、実施形態1~95のいずれか1つの実施形態。 Embodiment 98. Any one of embodiments 1 to 95, in which φ is 0.13 or greater.
実施形態99.φが0.14以上である、実施形態1~95のいずれか1つの実施形態。 Embodiment 99. Any one of embodiments 1 to 95, in which φ is 0.14 or greater.
実施形態100.φが0.15以上である、実施形態1~95のいずれか1つの実施形態。 Embodiment 100. Any one of embodiments 1 to 95, in which φ is 0.15 or greater.
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、様々な修正を加え得ることが理解される。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。 From the foregoing, it will be understood that, while specific embodiments of the invention have been described herein for purposes of disclosure, various modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the invention is not limited except as by the appended claims.
本明細書で言及し、及び/又はアプリケーションデータシートに記載した(U.S. Application Serial No. 16/996,694 filed August 18, 2020, U.S. Provisional Patent Application Serial No. 63/075,566, filed September 8, 2020, U.S. Patent Application Serial No. 17/336,104 filed June 1, 2021; 及びU.S. Patent Application Serial No. 17/336,085 filed June 1, 2021,を含むが、上記に限定されない)全ての米国特許、米国特許公開広報、及び米国特許出願、その他の国の特許及び特許出願、並びに非特許文献は、参照により本明細書に完全に援用する。 All U.S. patents, U.S. patent publications, and U.S. patent applications, patents and applications of other countries, and non-patent literature referenced herein and/or listed in the Application Data Sheets (including, but not limited to, U.S. Application Serial No. 16/996,694 filed August 18, 2020, U.S. Provisional Patent Application Serial No. 63/075,566 filed September 8, 2020, U.S. Patent Application Serial No. 17/336,104 filed June 1, 2021; and U.S. Patent Application Serial No. 17/336,085 filed June 1, 2021) are hereby incorporated by reference in their entirety.
Claims (24)
a. 細孔容積を含むカーボンスキャフォールドであって、前記細孔容積が、70%超のミクロポロシティ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. 5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、約25℃から約1100℃まで空気下で加熱した場合において、M1100は、1100℃におけるシリコン-カーボン複合体の質量、及び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あり、これらの質量は、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;および
e. 0.1以上のφ、ここで、φは以下の式:
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)
[式中、dQ/dVは、ハーフセルコインセルにおいて測定され、レジームIは0.8V~0.4Vであり、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。 1. A silicon-carbon composite comprising:
a. a carbon scaffold comprising a pore volume, wherein the pore volume comprises greater than 70% microporosity;
b. a silicon content of 40% to 60% by weight;
c. Z less than 5 , where Z has the formula:
Z=1.875×[(M1100-M)/M1100]×100
[wherein, when a silicon-carbon composite is heated in air from about 25°C to about 1100°C, M is the mass of the silicon-carbon composite at 1100°C, and M is the minimum mass of the silicon-carbon composite from 800°C to 1100°C, and these masses are measured by thermogravimetric analysis.]
Represented by:
d. a surface area of less than 30 m 2 /g; and e. φ greater than or equal to 0.1, where φ is defined by the following formula:
φ=(maximum peak height in regime I dQ/dV)/(maximum peak height in regime III dQ/dV)
[where dQ/dV is measured in a half-cell coin cell, regime I is 0.8 V to 0.4 V, and regime III is 0.15 V to 0 V]
It is expressed as:
A silicon-carbon composite comprising:
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Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018170247A (en) | 2017-03-30 | 2018-11-01 | 東ソー株式会社 | Composite active material for lithium secondary battery and method for producing the same |
| JP2018534720A (en) | 2015-08-28 | 2018-11-22 | エナジーツー・テクノロジーズ・インコーポレイテッドEnerg2 Technologies, Inc. | Novel material with very durable insertion of lithium and method for its production |
| JP2019511982A (en) | 2017-02-28 | 2019-05-09 | コリア アドバンスト インスティチュート オブ サイエンス アンド テクノロジー | Flexible carbon pocket composite structure, method of manufacturing the same, electrode including the same, and energy storage device including the electrode |
| WO2020095067A1 (en) | 2018-11-08 | 2020-05-14 | Nexeon Limited | Electroactive materials for metal-ion batteries |
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| JP2020514231A (en) | 2017-03-09 | 2020-05-21 | グループ14・テクノロジーズ・インコーポレイテッドGroup14 Technologies, Inc. | Decomposition of silicon-containing precursors on porous scaffold materials |
| CN111328320A (en) | 2017-11-07 | 2020-06-23 | 于利奇研究中心有限公司 | Method for preparing hydrogenated amorphous silica-containing body and/or composite colloid and encapsulating substance with hydrogenated amorphous silica-containing composite colloid, and hydrogenated amorphous silica-containing body and/or composite colloid and substance encapsulated with silicon-containing composite layer and its use |
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Family Cites Families (12)
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| DE102014211012A1 (en) * | 2014-06-10 | 2015-12-17 | Robert Bosch Gmbh | Manufacturing method for a silicon-carbon composite |
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