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公開番号2025135799
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-09-19
出願番号2024033773
出願日2024-03-06
発明の名称多孔質シリコン材料、蓄電デバイス及び多孔質シリコン材料の製造方法
出願人株式会社豊田中央研究所
代理人弁理士法人アイテック国際特許事務所
主分類C01B 33/02 20060101AFI20250911BHJP(無機化学)
要約【課題】多孔質シリコン材料の充放電特性をより向上する。
【解決手段】本開示の多孔質シリコン材料は、SiとAlと遷移金属元素Mとを含み、窒素吸着による比表面積が30cm²/g以下であり、粒子状であり表面に炭素被覆層を有するものである。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
ＳｉとＡｌと遷移金属元素Ｍとを含み、
窒素吸着による比表面積が３０ｃｍ
2
／ｇ以下であり、
粒子状であり表面に炭素被覆層を有する、
多孔質シリコン材料。
続きを表示（約 1,000 文字）【請求項２】
前記炭素被覆層は、厚さが１ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲である、請求項１に記載の多孔質シリコン材料。
【請求項３】
前記炭素被覆層は、シリコン粒子の外周面に形成されている、請求項１又は２に記載の多孔質シリコン材料。
【請求項４】
前記遷移金属元素Ｍは、Ｃｒであり、
ＣｒＳｉ
2
、Ｃｒ（Ｓｉ，Ａｌ）
2
及びＡｌ
13
Ｃｒ
4
Ｓｉ
4
のうち１以上を含む、請求項１又は２に記載の多孔質シリコン材料。
【請求項５】
前記炭素被覆層は、黒鉛を含む、請求項１又は２に記載の多孔質シリコン材料。
【請求項６】
正極活物質を含む正極と、
請求項１又は２に記載の多孔質シリコン材料を負極活物質として含む負極と、
前記正極と前記負極との間に介在しリチウムイオンを伝導するイオン伝導媒体と、
を備えた蓄電デバイス。
【請求項７】
基本組成式をＡｌ
100-x-y
Ｓｉ
x
Ｍ
y
（但し、１０≦ｘ≦４０、０＜ｙ≦５、０＜ｘ／ｙ≦０．２を満たす）とする母合金溶湯を急冷することでＳｉと、Ａｌと、遷移金属シリサイドと遷移金属アルミニウムとアルミニウム遷移金属シリサイドのうち１以上を含む導電相に相分離させ、Ａｌ成分を選択除去することにより多孔質前駆体を作製する多孔体工程と、
前記多孔質前駆体と炭化水素ガスとを共存し、室温から６５０℃以上８５０℃以下の温度範囲へ加熱して熱ＣＶＤを行い前記多孔質前駆体の外表面に炭素被覆層を形成する形成工程と、
を含む多孔質シリコン材料の製造方法。
【請求項８】
前記形成工程では、黒鉛を含む前記炭素被覆層を形成する、請求項７に記載の多孔質シリコン材料の製造方法。
【請求項９】
前記形成工程では、厚さが１ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲の前記炭素被覆層を形成する、請求項７又は８に記載の多孔質シリコン材料の製造方法。
【請求項１０】
前記形成工程では、多孔質シリコン材料の全体に対しての炭素量が０．１質量％以上２０質量％以下の範囲の前記炭素被覆層を形成する、請求項７又は８に記載の多孔質シリコン材料の製造方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本明細書では、多孔質シリコン材料、蓄電デバイス及び多孔質シリコン材料の製造方法を開示する。
続きを表示（約 1,800 文字）【背景技術】
【０００２】
従来、蓄電デバイスに用いられる多孔質シリコン材料としては、ＳｉとＡｌとＣｒとの全体を１００ａｔ％としたときに、Ｃｒを１ａｔ％以上２０ａｔ％以下の範囲で含み、Ａｌを４０ａｔ％以上９０ａｔ％以下の範囲で含み、残部をＳｉとする原料を溶融し急冷凝固させシリコン合金の前駆体を得る前駆体工程と、シリコン合金に含まれるＡｌ成分を除去して多孔質シリコン材料を得る多孔化工程とを含む製造方法によって作製されたものが挙げられる（例えば、特許文献１など参照）。この多孔質シリコン材料では、Ｓｉを含むものにおいて、充放電特性の低下をより抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２０２３－９２８６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
シリコン負極は、現在実用化されている黒鉛負極と比べて１０倍以上の理論容量を持つが、充放電時の膨張収縮が大きいためサイクル特性に劣るという欠点がある。特許文献１の多孔質シリコン材料では、ＡｌやＣｒなどを含むものとして、その強度を高め、充放電特性の低下をより抑制することができるが、まだ十分でなく更なる改良が望まれていた。
【０００５】
本開示は、このような課題に鑑みなされたものであり、多孔質シリコン材料の充放電特性をより向上することができる多孔質シリコン材料、蓄電デバイス及び多孔質シリコン材料の製造方法を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、ＡｌとＳｉと遷移金属元素Ｍとを含む多孔質材料において、比表面積をより低減しつつ、その外表面に炭素被覆層を設けるものとすることによって、粒子状の多孔質シリコン材料の充放電特性をより向上することができることを見いだし、本開示の多孔質シリコン材料、蓄電デバイス及び多孔質シリコン材料の製造方法を完成するに至った。
【０００７】
即ち、本開示の多孔質シリコン材料は、
ＳｉとＡｌと遷移金属元素Ｍとを含み、
窒素吸着による比表面積が３０ｃｍ
2
／ｇ以下であり、
粒子状であり表面に炭素被覆層を有するものである。
【０００８】
本開示の蓄電デバイスは、
正極活物質を含む正極と、
上述した多孔質シリコン材料を負極活物質として含む負極と、
前記正極と前記負極との間に介在しリチウムイオンを伝導するイオン伝導媒体と、
を備えたものである。
【０００９】
本開示の多孔質シリコン材料の製造方法は、
基本組成式をＡｌ
100-x-y
Ｓｉ
x
Ｍ
y
（但し、１０≦ｘ≦４０、０＜ｙ≦５、０＜ｘ／ｙ≦０．２を満たす）とする母合金溶湯を急冷することでＳｉと、Ａｌと、遷移金属シリサイドと遷移金属アルミニウムとアルミニウム遷移金属シリサイドのうち１以上を含む導電相に相分離させ、Ａｌ成分を選択除去することにより多孔質前駆体を作製する多孔体工程と、
前記多孔質前駆体と炭化水素ガスとを共存し、室温から６５０℃以上８５０℃以下の温度範囲へ加熱して熱ＣＶＤを行い前記多孔質前駆体の外表面に炭素被覆層を形成する形成工程と、
を含むものである。
【発明の効果】
【００１０】
本開示は、多孔質シリコン材料の充放電特性をより向上することができる。このような効果が得られる理由は以下のように推察される。例えば、Ｓｉを活物質とする電極では、黒鉛電極に比してより大きな容量を得ることができる一方、充放電時のＳｉの体積変化によって、レート特性や容量維持率が低下することがある。これに対して、多孔体粒子の外表面に炭素被覆層を設け、比表面積をより適切に低減させると、粒子の形状変化をより抑制することができ、更にＳｉ粒子の抵抗値が低くなるので、サイクル特性に加えてレート特性も改善することができる。このため、充放電時の膨張収縮を緩和し、例えば、充放電サイクルの容量維持率や充放電効率などの充放電特性をより向上することができるものと推察される。
【図面の簡単な説明】
（【００１１】以降は省略されています）

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