JP2019119669A - シリコン含有複合体、その製造方法、それを利用した炭素複合体、それを含んだ電極、該リチウム電池及び該電子素子 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明が解決しようとする課題は、また、前述のシリコン含有複合体と、炭素系材料を含む炭素複合体とを提供することである。
本発明が解決しようとする課題は、また、前記シリコン含有複合体、または前記シリコン含有複合体と、炭素系材料を含む炭素複合体とを含む電極を含むリチウム電池を提供することである。
本発明が解決しようとする課題は、また、前記シリコン含有複合体、または前記シリコン含有複合体と、炭素系材料を含む炭素複合体とを含むバイオセンサを提供することである。
本発明が解決しようとする課題は、また、前記シリコン含有複合体、または前記シリコン含有複合体と、炭素系材料を含む炭素複合体とを含む熱電素子を提供することである。
多孔性シリコン二次粒子を含む多孔性コアと、前記多孔性コアの少なくとも一面上の第2グラフェンを含むシェルと、を含むシリコン含有複合体であり、
前記多孔性シリコン二次粒子は、2以上のシリコン複合体一次粒子の凝集体を含み、
前記シリコン複合体一次粒子は、シリコン、前記シリコンの少なくとも一面上のシリコンサブオキサイド(SiOx)(O<x<2)、及び前記シリコンサブオキサイドの少なくとも一面上の第1グラフェンを含み、
前記第1グラフェン及び前記第2グラフェンのうちから選択された1以上は、窒素(N)、リン(P)及び硫黄(S)のうちから選択された1以上の元素を含むシリコン含有複合体が提供される。
前記第1グラフェン及び前記第2グラフェンは、それぞれ膜、粒子、マトリックスのうちから選択された1以上の状態で存在する。
前記多孔性シリコン二次粒子に炭素供給源ガスを供給し、熱処理を行う段階と、を含むシリコン含有複合体の製造方法が提供される。
前述のシリコン含有複合体と、炭素系材料を含む炭素複合体とが提供される。
さらに他の側面により、前述のシリコン含有複合体と、炭素系材料を含む炭素複合体とを含む電極が提供される。
さらに他の側面は、前記シリコン含有複合体と、炭素系材料を含む炭素複合体とを含む電子素子を提供することである。
前記電子素子は、電界放出素子、バイオセンサ、半導体素子または熱電素子である。
前記多孔性シリコン二次粒子は、2以上のシリコン複合体一次粒子の凝集体を含み、
前記シリコン複合体一次粒子は、シリコン、前記シリコンの少なくとも一面上のシリコンサブオキサイド(SiOx)(O<x<2)、及び前記シリコンサブオキサイドの少なくとも一面上の第1グラフェンを含み、前記第1グラフェン及び前記第2グラフェンのうちから選択された1以上は、窒素(N)、リン(P)及び硫黄(S)のうちから選択された1以上の元素を含むシリコン含有複合体が提供される。
シリコンサブオキサイドは、膜(film)及びマトリックスのうちから選択された1以上の状態で存在し、第1グラフェン及び第2グラフェンは、それぞれ膜、粒子、マトリックスのうちから選択された1以上の状態で存在する。
用語「マトリックス」は、三次元的空間を示し、用語「膜(membrane)」は、マトリックスと比較して二次元的空間を示す。
第1グラフェンは、シリコンサブオキサイドの表面から直成長されたものであり、第2グラフェンは、多孔性シリコン二次粒子の表面から直成長されたものである。
それを参照すれば、シリコン含有複合体11は、多孔性シリコン二次粒子を含むコア1と、コア1の上部に配置された第2グラフェン10bを含むシェル2と、を含む。
図1Bのシリコン含有複合体は、図1Aのシリコン含有複合体の表面に、炭素コーティング膜12がさらに配置された構造を有する。炭素コーティング膜12は、非晶質炭素、結晶質炭素、またはその組み合わせ物を含んでもよい。そして、炭素コーティング膜12は、第1グラフェン及び第2グラフェンと同様に、窒素、硫黄及びリンのうちから選択された1以上を含んでもよい。
一具現例によれば、コアに比べて密度が高い外郭層が存在する。そのような外郭層厚は、制限されるものではないが、例えば、20ないし60nmでもある。
コア及びシェルは、グラファイトをさらに含んでもよい。
シリコンは、形状が制限されるものではなく、例えば、スフィア(sphere)、ナノワイヤ、針状、ロッド状のうちから選択された1以上である。そして、シリコンの平均粒径は、10nmないし30μmであり、例えば、100nmである。
まず、シリコン、及びシリコン上に形成されたシリコンサブオキサイド(SiOx)(O<x<2)を含む構造体を破砕し、破砕されたシリコン一次粒子を得る。
多孔性複合体二次粒子において、気孔度は、例えば、0.1ないし50%であり、気孔のサイズは、10ないし500nmである。
噴霧乾燥前、出発原料を粉砕するような手段により、できる限りシリコン1次粒子31の表面積を大きく増大させる。そのために、破砕されたシリコン一次粒子を出発物質として利用する。
(化学式1)
CnH(2n+2−a)[OH]a
前記化学式1で、nは、1ないし20の整数であり、aは0または1であり、
(化学式2)
CnH(2n)
前記化学式2で、nは、2ないし6の整数であり、
(化学式3)
CxHyOz
前記化学式3で、xは、0または1ないし20の整数であり、yは、0、または1ないし20の整数であり、zは、1または2である。
(化学式1)
CnH(2n+2−a)[OH]a
前記化学式1で、nは、1ないし20の整数、aは0または1であり、
(化学式2)
CnH(2n)
前記化学式2で、nは、2ないし6の整数であり、
(化学式3)
CxHyOz
前記化学式3で、xは、0、または1ないし20の整数であり、yは、0、または1ないし20の整数であり、zは、1または2である。
化学式1で表示される化合物、及び化学式2で表示される化合物が、メタン、エチレン、プロピレン、メタノール、エタノール、プロパノールからなる群から選択された1以上である。
窒素前駆体は、例えば、アンモニアを有することができる。
酸素含有ガスは、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気からなる群から選択された1以上でもある。
CH4:N2混合ガスは、約1:0.20〜0.50のモル比でも提供され、具体的には、約1:0.25〜0.45のモル比でも提供され、さらに具体的には、約1:0.30〜0.40のモル比でも提供される。一具現例による炭素供給源は、窒素のような不活性ガスを含まない。
一具現例によるシリコン含有複合体と炭素系材料とを混合し、それを熱処理する。
前記電極は、負極でもある。
負極は、例えば、負極活物質であるシリコン含有複合体または炭素複合体、導電剤、及び結着剤を含む負極活物質組成物が一定形状に成形されるか、あるいは前述の負極活物質組成物が銅箔などの集電体に塗布される方法によっても製造される。前記組成物において、導電剤は、使用しなくてもよい。
まず、前記負極製造方法によって負極が準備される。
次に、電解質が準備される。
前述のシリコン含有複合体または炭素複合体は、電子発光素子製造時に利用可能である。
一具現例によるシリコン含有複合体または炭素複合体は、バイオセンサ用電極の形成時に利用可能である。
それを参照すれば、一具現例によるバイオセンサ電極は、基板310、基板310上に形成されるシリコン含有複合体または炭素複合体を含む第1層320、及び第1層上に形成される第2層330を具備する。第2層330には、バイオ物質340が多様な方式で担持されるか、あるいは固定される。
前記シリコン含有複合体または炭素複合体は、半導体素子の電極として利用可能である。
さらに他の側面によれば、前記シリコン含有複合体、または前記シリコン含有複合体と、炭素系材料を含む炭素複合体とを含む熱電材料と、それを含む熱電素子とが提供される。
(数式1)
ZT=(S2σT)/k
前記数式1で、ZTは、性能指数、Sは、ゼーベック係数、σは、電気伝導度、Tは、絶対温度、κは、熱伝導度を示す。
以下、実施例及び比較例を介して、さらに詳細に説明する。ただし、該実施例は、例示のためのものであり、それらだけで、本発明の範囲が限定されるものではない。
針状シリコンを粉砕し、シリコンサブオキサイド(SiOx)(0<x<2)膜(厚み:約0.1nm)が表面に形成された長さ(D90)が約150nm、厚みが約40nmである板状及び針状のシリコン粒子を得た。
反応ガスとして、下記表1の組成を有するガス混合物をそれぞれ利用したことを除いては、製造例1と同一に実施し、シリコン含有複合体を得た。
シリコンサブオキサイド(SiOx)(0<x<2)膜(厚み:約0.1nm)が表面に形成された長さ(D90)が約150nm、厚みが約40nmである板状及び針状のシリコン粒子の代わりに、シリコンサブオキサイド(SiOx)(0<x<2)膜(厚み:約0.1nm)が表面に形成された長さ(D90)が約200nm、厚みが約40nmである板状及び針状のシリコン粒子を利用したことを除いては、製造例1と同一方法によって実施し、シリコン含有複合体を得た。
シリコンサブオキサイド(SiOx)(0<x<2)膜(厚み:約0.1nm)が表面に形成された長さ(D90)が約150nm、厚みが約40nmである板状及び針状のシリコン粒子の代わりに、シリコンサブオキサイド(SiOx)(0<x<2)膜(厚み:約0.1nm)が表面に形成された長さ(D90)が約100nm、厚みが約40nmである板状及び針状のシリコン粒子を利用したことを除いては、製造例1と同一方法によって実施し、シリコン含有複合体を得た。
シリコンサブオキサイド(SiOx)(0<x<2)膜(厚み:約0.1nm)が表面に形成された長さ(D90)が約150nm、厚みが約40nmである板状及び針状のシリコン粒子の代わりに、シリコンサブオキサイド(SiOx)(0<x<2)膜(厚み:約0.1nm)が表面に形成された長さ(D90)が約200nm、厚みが約40nmである板状及び針状のシリコン粒子を利用し、反応ガスとして、下記表1の組成を有するガス混合物を利用したことを除いては、製造例1と同一方法によって実施し、シリコン含有複合体を得た。
粒状形態の10μmサイズのシリコン20重量部、ステアリン酸10重量部、イソプロピルアルコール70重量部を含む組成物を、破砕工程を介して、針状シリコン粒子が含有されたスラリーを製造し、噴霧過程を経ずに乾燥させた。
反応ガスとして、CH4を使用し、窒素前駆体として、ピリジンを使用したことを除いては、製造例1と同一方法によって実施し、シリコン含有複合体を製造した。
比較製造例2によって実施すれば、シリコン/シリコンサブオキサイドと第1グラフェンとの密着性、及び/または多孔性シリコン二次粒子と第2グラフェンとの密着性がかなり不良であった。
製造例1によって製造されたシリコン含有複合体、グラファイト、リチウムポリアクリレート(Li−PAA)及び脱イオン水を混合してスラリーを製造した。前記スラリーにおいて、製造例1によって製造されたシリコン含有複合体とグラファイトとの混合物、リチウムポリアクリレートの固形分混合比は、92:8重量比である。製造例1によって製造されたシリコン含有複合体とグラファイトとの混合物において、シリコン含有複合体とグラファイトとの重量比は、1:12重量比である。
電解質として、1.3M LiPF6 EC:DEC:FEC(68:25:7体積比)を使用したことを除いては、実施例1と同一方法によって実施し、コインフルセルを作製した。
製造例1によるシリコン含有複合体の代わりに、製造例2〜8によるシリコン含有複合体を利用したことを除いては、実施例1と同一方法によって実施し、負極及びコインフルセルを製造した。
電解質として、1.3M LiPF6 EC:DEC:FEC(68:25:7体積比)を使用したことを除いては、実施例7と同一方法によって実施し、コインフルセルを作製した。
電解質として1.3M LiPF6 EC:DEC(75:25体積比)を使用したことを除いては、実施例7と同一方法によって実施し、コインフルセルを作製した。
電解質として1.3M LiPF6 EC:DEC:FEC(68:25:7体積比)を使用したことを除いては、実施例8と同一方法によって実施し、コインフルセルを作製した。
製造例1によって製造されたシリコン含有複合体、カーボンブラック(KB600JD)、AST9005(AEKYUNG)、及び溶媒である脱イオン水を混合してスラリーを製造した。前記スラリーにおいて、製造例1によって製造されたシリコン含有複合体、カーボンブラック(KB600JD)、AST9005(AEKYUNG)の固形分混合比は、79:1:20重量比であった。
前記負極、リチウムメタルを対極として利用してコインハーフセルを製造した。
製造例1によるシリコン含有複合体の代わりに、製造例2〜8によるシリコン含有複合体を利用したことを除いては、実施例9と同一方法によって実施し、負極及びコインハーフセルを製造した。
負極の製造時、グラファイトの代わりに、カーボンブラック(KB600JD)を使用したことを除いては、実施例1と同一方法によって実施し、負極及びコインフルセルを製造した。
製造例1によって製造されたシリコン含有複合体とグラファイトとの混合物において、混合比が1:12重量比の代わりに、1:99重量比に変更されたことを除いては、実施例1と同一方法によって実施し、負極及びコインフルセルを製造した。
製造例1によって製造されたシリコン含有複合体とグラファイトとの混合物において、混合比が1:12重量比の代わりに、3:97重量比に変更されたことを除いては、実施例1と同一方法によって実施し、負極及びコインフルセルを製造した。
製造例1によって製造されたシリコン含有複合体とグラファイトとの混合物において、混合比が1:12重量比の代わりに、1:1重量比に変更されたことを除いては、実施例1と同一方法によって実施し、負極及びコインフルセルを製造した。
製造例1によって製造されたシリコン含有複合体の代わりに、比較製造例1によって製造された物質を使用したことを除いては、実施例1と同一方法によって実施し、負極及びコインフルセルを製造した。
製造例1によって製造されたシリコン含有複合体の代わりに、比較製造例1によって製造された物質を使用したことを除いては、実施例9と同一方法によって実施し、負極及びコインハーフセルを製造した。
製造例1によって製造されたシリコン含有複合体の代わりに、比較製造例2によって製造された物質を使用したことを除いては、実施例1と同一方法によって実施し、負極及びコインフルセルを製造した。
製造例1によって製造されたシリコン含有複合体の代わりに、比較製造例2によって製造された物質を使用したことを除いては、実施例9と同一方法によって実施し、負極及びコインハーフセルを製造した。
(1)初期効率、律速性能、クーロン効率及び放電容量の測定
1)実施例1〜8及び比較例1
実施例1〜8及び比較例1によって製造されたフルセルを利用し、それぞれのコインセルに対して、下記方法によって充放電特性評価を実施した。
(充電:1.0C/カットオフ:4.2V−0.01C,放電:1.0C/カットオフ:2.8V)
前記充放電特性評価結果は、下記表2に示されている通りである。
実施例7a,7b,8a及び比較例1によって製造されたコインセルを利用し、それぞれのコインセルに対して、下記方法により、45℃での充放電特性評価を実施した。
(充電:1.0C/カットオフ:4.2V−0.01C、放電:1.0C/カットオフ:2.8V)
前記充放電特性評価結果は、下記表3に示されている通りである。
製造例1のシリコン含有複合体に係わるラマン分析を実施した。該ラマン分析は、Raman 2010 Spectra(NT−MDT Development Co.)(laser system:473,633,785nm、lowest Raman shift:〜50cm−1、空間解像度(spatial resolution):約500nm)を利用して実施した。製造例1のシリコン含有複合体に係わるラマン分析結果は、図4に図示されている通りであり、前記ラマン分析結果に基づいて、Gピーク強度に対するDピーク強度の比を測定し、下記表4に示した。
1)製造例1〜8によって製造されたシリコン含有複合体に対して、XPS分析を実施し、酸素及び炭素の含量を分析し、その分析結果を下記表5に示した。
XPS分析は、Quantum 2000(Physical Electronics Inc.)(加速電圧:0.5〜15keV、300W、エネルギー分解能:約1.0eV、sputter rate:0.1nm/min)を利用した。
製造例1によって製造されたシリコン含有複合体に対するSEM(scanning electron microscope)分析を実施した。製造例1によって製造されたシリコン含有複合体のSEM分析結果を、図9A及び図9Bに示し、参照製造例1によって得られた生成物のSEM分析結果を、図10A及び図10Bに示した。
製造例1及び参照製造例1によって製造されたシリコン含有複合体の熱重量分析を実施した。熱重量分析結果を図5に示した。
図5を参照すれば、製造例1のシリコン含有複合体は、20重量%損失温度が約720℃であり、参照製造例1の場合(20重量%損失温度:708℃)に対して低下し、熱的安定性が改善され、TGA derivativeピーク位置が高い温度側にシフトされるということが分かった。
1)実施例1〜8及び比較例1
実施例1及び比較例1によって製造されたフルセルの、最初サイクル後及び100回目サイクル後の抵抗特性を下記方法によって測定した。
(数式2)
DCIR上昇率={(100回目サイクル後のDCIR)/(最初サイクル後のDCIR)}X100
それを参照すれば、実施例1のフルセルは、比較例1の場合と比較し、DCIR上昇率が低下した。
2)実施例7a,7b,8a及び比較例1
実施例7a,7b,8a及び比較例1によって製造されたフルセルの最初サイクル後及び100回目サイクル後の抵抗特性を下記方法によって測定した。
(数式2)
DCIR上昇率={(100回目サイクル後のDCIR)/(最初サイクル後のDCIR)}X100
それを参照すれば、実施例7a,7b,8aのフルセルは、比較例1の場合と比較し、DCIR上昇率が低下した。
実施例1,7,8及び比較例1によって作製されたフルセルに対して、25℃で0.1C rateの電流で、電圧が4.30V(対Li)に至るまで定電流充電し、次に、定電圧モードで4.30Vを維持しながら、0.05C rateの電流でカットオフした。次に、放電時、電圧が3.0V(対Li)に至るまで0.1C rateの定電流で放電した(最初サイクル、化成サイクル)。
各フルセルの律速性能(rate capability)は、下記数式3によって定義される。
(数式3)
律速特性[%]=(セルに対して、3回目サイクルで1Cの速度で放電させるときの放電容量)/(セルに対して、2回目サイクルで0.2Cの速度で放電させるときの放電容量)X100
各評価結果を表8に示した。
製造例1及び参照製造例1によって製造されたシリコン含有複合体に対して、XPS分析を実施した。
X線光電子分光法(X−ray photo electron spectroscopy)を利用し、各試料の、炭素原子とシリコン原子との定量分析を実施した。一定エネルギーを有する光子(X線)を試料に照射すれば、試料から光電子が放出されるが、該光電子の運動エネルギーを測定すれば、光電子を試料から放出するために必要な結合エネルギー(binding energy)を知ることができる。該結合エネルギーは、原子固有の性質であるために、それを介して、元素分析、及び元素の表面濃度の測定が可能である。それにより、定量分析された炭素原子とシリコン原子との量からC/Si含量を計算する。
結合エネルギーが98ないし105eVのピークを、Si2pに属するものとし、結合エネルギーが282ないし297eVのピークを、C1sに属するものとする。それらピークの積分値の比としてC/Si含量を計算する。XPS分析結果において、C1s、Si2p、N1sに係わるところは、図6、図7及び図8にそれぞれ示し、下記表9には、C/Si含量及び各元素の含量を示した。
製造例1のシリコン含有複合体を、透過電子顕微鏡を利用して分析した。前記TEM分析時に分析機として、FEI社のTitan cubed G260−300を利用した。
製造例1のシリコン含有複合体に対するTEM分析写真は、図11A及び図11Bに図示されている通りである。
2 シェル
10 シリコン一次粒子
10a 第1グラフェン
10b 第2グラフェン
11 シリコン含有複合体
121 リチウム電池
122 負極
123 正極
124 セパレータ
125 電池ケース
126 キャップアセンブリ
Claims (45)
- 多孔性シリコン二次粒子を含む多孔性コアと、前記多孔性コアの少なくとも一面上の第2グラフェンを含むシェルと、を含むシリコン含有複合体であり、
前記多孔性シリコン二次粒子は、2以上のシリコン複合体一次粒子の凝集体を含み、
前記シリコン複合体一次粒子は、シリコン、前記シリコンの少なくとも一面上のシリコンサブオキサイド(SiOx)(O<x<2)、及び前記シリコンサブオキサイドの少なくとも一面上の第1グラフェンを含み、
前記第1グラフェン及び前記第2グラフェンのうちから選択された1以上は、窒素(N)、リン(P)及び硫黄(S)のうちから選択された1以上の元素を含むシリコン含有複合体。 - 前記シリコンサブオキサイドは、膜及びマトリックスのうちから選択された1以上の状態で存在し、
前記第1グラフェン及び前記第2グラフェンは、それぞれ膜、粒子、マトリックスのうちから選択された1以上の状態で存在することを特徴とする請求項1に記載のシリコン含有複合体。 - 前記第1グラフェンは、シリコンサブオキサイドの表面上に直接に配置され、前記第2グラフェンは、多孔性シリコン二次粒子の表面上に直接に配置されたことを特徴とする請求項1または2に記載のシリコン含有複合体。
- 前記シリコン含有複合体に対するXPS(X−ray photoelectron spectroscopy)分析で求められる10nm以下の表面深において、窒素、リン及び硫黄のうちから選択された1以上の含量は、0.2原子%以下であることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のシリコン含有複合体。
- 前記シリコン含有複合体のXPS(X−ray photoelectron spectroscopy)分析によって求められるシリコン(Si)対炭素(C)の元素比(C/Si)は、100ないし200であり、
前記シリコン含有複合体のXPS分析によって求められるシリコン(Si)に対する炭素(C)の元素比(C/Si)は、窒素、リン及び硫黄のうちから選択された1以上を含んでいないシリコン含有複合体のC/Si対比で上昇したことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載のシリコン含有複合体。 - 前記シリコン含有複合体のラマン分析スペクトルによって求められるGピークに対するDピークの強度比(Id/Ig)は、0.8ないし1.5であることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載のシリコン含有複合体。
- 前記シリコン含有複合体の熱重量分析で求められる20%重量損失温度が、窒素、リン及び硫黄のうちから選択された1以上の元素を含んでいないシリコン含有複合体に対する20%重量損失温度を基準にして、7ないし15℃より高いことを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載のシリコン含有複合体。
- 前記コア内の第1グラフェンは、シェルの第2グラフェンと比較し、層数が異なるか、あるいは同一であり、該シェルの第2グラフェンがコアの第1グラフェンに比べて密度が高いことを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載のシリコン含有複合体。
- 前記シリコン含有複合体は、二重コア/シェル構造を有することを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載のシリコン含有複合体。
- 前記シリコン含有複合体は、前記多孔性コアに比べ、密度が高い外郭層をさらに含むことを特徴とする請求項1から9のいずれか一項に記載のシリコン含有複合体。
- 前記第1グラフェン及び前記第2グラフェンの総含量は、シリコン100重量部を基準にして、0.1ないし2,000重量部であることを特徴とする請求項1から10のいずれか一項に記載のシリコン含有複合体。
- 前記シリコン複合体一次粒子において、第1グラフェンは、シリコンサブオキサイド(SiOx)(O<x<2)から10nm以下の距離ほど延長され、1ないし30層のグラフェン層を含み、前記第1グラフェンの総厚は、0.3ないし1,000nmであり、
前記第1グラフェンは、前記シリコンの主軸に対して、0ないし90゜の角に配向されることを特徴とする請求項1に記載のシリコン含有複合体。 - 前記多孔性シリコン二次粒子において、第2グラフェンは、シリコンサブオキサイド(SiOx)(O<x<2)から1,000nm以下の距離ほど延長され、1ないし30層のグラフェン層を含み、前記グラフェンの総厚は、0.6ないし50nmであり、
前記グラフェンは、前記シリコンの主軸に対して、0ないし90゜の角に配向されることを特徴とする請求項1に記載のシリコン含有複合体。 - 前記シリコンサブオキサイド(SiOx)(O<x<2)厚は、30μm以下であることを特徴とする請求項1から13のいずれか一項に記載のシリコン含有複合体。
- 前記シリコンは、スフィア、ナノワイヤ、針状、ロッド状、粒子、ナノチューブ、ナノロッド、ウェーハ及びナノリボンのうちから選択された1以上であることを特徴とする請求項1から14のいずれか一項に記載のシリコン含有複合体。
- 前記多孔性シリコン二次粒子の平均粒径は、1ないし30μmであり、比表面積は、0.1ないし100m2/gであり、密度は、0.1ないし2.57g/ccであることを特徴とする請求項1から15のいずれか一項に記載のシリコン含有複合体。
- 前記シリコンは、平均粒径が10nmないし30μmである粒子であることを特徴とする請求項1から16のいずれか一項に記載のシリコン含有複合体。
- 前記シリコン含有複合体において、酸素含量が、シリコン含有複合体において、酸素、炭素及びシリコン原子の総含量を基準にして、0.01ないし15原子%であることを特徴とする請求項1から17のいずれか一項に記載のシリコン含有複合体。
- 前記シリコン含有複合体の少なくとも一面上に非晶質炭素を含む炭素コーティング膜を含む炭素コーティング膜を含むことを特徴とする請求項1から18のいずれか一項に記載のシリコン含有複合体。
- 前記炭素コーティング膜が、窒素、リン及び硫黄のうちから選択された1以上の元素を含むことを特徴とする請求項19に記載のシリコン含有複合体。
- 前記炭素コーティング膜は、結晶質炭素をさらに含むことを特徴とする請求項19または20に記載のシリコン含有複合体。
- 前記結晶質炭素は、フラーレン、天然黒鉛及び人造黒鉛、グラフェン及びカーボンナノチューブからなる群から選択された1以上であり、
非晶質炭素は、ピッチカーボン、ソフトカーボン、ハードカーボン、メゾ相ピッチ炭化物、焼成されたコークス及び炭素ファイバからなる群から選択された1以上であることを特徴とする請求項21に記載のシリコン含有複合体。 - 前記炭素コーティング膜は、非多孔性連続的なコーティング膜であり、炭素コーティング膜厚は、1ないし5,000nmであることを特徴とする請求項19から22のいずれか一項に記載のシリコン含有複合体。
- シリコン、及び前記シリコン上に形成されたシリコンサブオキサイド(SiOx)(O<x<2)を含む構造体、分散剤及び溶媒を含む組成物から多孔性シリコン二次粒子を得る段階と、
前記多孔性シリコン二次粒子に炭素供給源を供給し、熱処理を行う段階と、を含み、
i)窒素前駆体、リン前駆体及び硫黄前駆体のうちから選択された一つ以上を、前記炭素供給源の供給時、同時に供給するか、あるいは
ii)シリコン含有複合体を窒素前駆体、リン前駆体及び硫黄前駆体のうちから選択された1以上と反応し、請求項1ないし23のうちいずれか1項に記載のシリコン含有複合体を製造するシリコン含有複合体の製造方法。 - 前記溶媒は、アルコール系溶媒であり、前記組成物から多孔性シリコン二次粒子を得る段階は、組成物を噴霧乾燥させて実施されることを特徴とする請求項24に記載のシリコン含有複合体の製造方法。
- 前記分散剤は、ステアリン酸、レゾシノール、ポリビニルアルコール及びカーボンピッチのうちから選択された1以上であることを特徴とする請求項24または25に記載のシリコン含有複合体の製造方法。
- 前記窒素前駆体がアンモニアであることを特徴とする請求項24から26のいずれか一項に記載のシリコン含有複合体の製造方法。
- 前記炭素供給源が下記化学式1で表示される化合物、下記化学式2で表示される化合物、及び下記化学式3で表示される酸素含有化合物からなる群から選択された1以上を含むことを特徴とする請求項24から27のいずれか一項に記載のシリコン含有複合体の製造方法:
(化学式1)
CnH(2n+2−a)[OH]a
前記化学式1で、nは、1ないし20の整数であり、aは0または1であり、
(化学式2)
CnH(2n)
前記化学式2で、nは、2ないし6の整数であり、
(化学式3)
CxHyOz
前記化学式3で、xは、1ないし20の整数であり、yは、0、または1ないし20の整数であり、zは、1または2である。 - 前記炭素供給源が、下記化学式3aで表示される第1酸素含有化合物をさらに含み、下記化学式3aで表示される第1酸素含有化合物は、前記化学式3で表示される酸素含有化合物と異なることを特徴とする請求項28に記載のシリコン含有複合体の製造方法:
(化学式3a)
CxHyOz
前記化学式3aで、xは、0、または1ないし20の整数であり、yは、0、または1ないし20の整数であり、zは、1または2である。 - 前記炭素供給源が、メタン、エチレン、プロピレン、アセチレン、メタノール、エタノール及びプロパノールからなる群から選択された1以上を含むことを特徴とする請求項24から29のいずれか一項に記載のシリコン含有複合体の製造方法。
- 前記窒素前駆体、硫黄前駆体及びリン前駆体のうちから選択された1以上の含量は、炭素供給源ガス、窒素前駆体、硫黄前駆体及びリン前駆体のうちから選択された1以上の総体積を基準にして、20体積%以下であることを特徴とする請求項24から30のいずれか一項に記載のシリコン含有複合体の製造方法。
- 前記熱処理が、750ないし1,100℃で実施されることを特徴とする請求項24から31のいずれか一項に記載のシリコン含有複合体の製造方法。
- 前記シリコン含有複合体、炭素物質及び溶媒を含む組成物を乾式混合する段階をさらに含み、炭素コーティング膜が形成されたシリコン含有複合体を得ることを特徴とする請求項24から32のいずれか一項に記載のシリコン含有複合体の製造方法。
- 前記前記シリコン含有複合体、炭素物質及び溶媒を含む組成物を乾式混合する段階において、窒素前駆体、硫黄前駆体及びリン前駆体のうちから選択された1以上をさらに含むか、あるいは
炭素コーティング膜が形成されたシリコン含有複合体を、窒素前駆体、硫黄前駆体及びリン前駆体のうちから選択された1以上と反応させることを特徴とする請求項33に記載のシリコン含有複合体の製造方法。 - 請求項1ないし23のうちいずれか1項に記載のシリコン含有複合体と、炭素系材料とを含む炭素複合体。
- 前記炭素系材料の含量は、炭素複合体100重量部を基準にして、0.001ないし99重量部であることを特徴とする請求項35に記載の炭素複合体。
- 請求項1ないし23のうちいずれか1項に記載のシリコン含有複合体、または前記シリコン含有複合体と、炭素系材料を含む炭素複合体とを含む電極。
- 前記炭素系材料が、グラフェン、黒鉛、フラーレン、炭素ファイバ及びカーボンナノチューブからなる群から選択された1以上であり、前記炭素系材料の含量は、炭素複合体100重量部を基準にして、0.001ないし99.999重量部であることを特徴とする請求項37に記載の電極。
- 請求項37に記載の電極を含むリチウム電池。
- 請求項1ないし23のうちいずれか1項に記載のシリコン含有複合体、または前記シリコン含有複合体と、炭素系材料を含む炭素複合体とを含む素子。
- 前記素子が、電界放出素子、バイオセンサ、半導体素子または熱電素子であることを特徴とする請求項40に記載の素子。
- 多孔性シリコン二次粒子を含むコアと、前記コアの上部に配置された第2グラフェンを含むシェルと、を含むシリコン含有複合体であり、
前記多孔性シリコン二次粒子は、2以上のシリコン複合体一次粒子の凝集体を含み、
前記シリコン複合体一次粒子は、i)SiOx(0<x<2)、及びii)SiOx(0<x<2)の熱処理生成物のうちから選択された1以上の酸化シリコンと、前記酸化シリコン上部に配置された第1グラフェンとを含み、前記第1グラフェン及び前記第2グラフェンのうちから選択された1以上は、それぞれ窒素、リン及び硫黄のうちから選択された1以上を含むシリコン含有複合体。 - 前記SiOx(0<x<2)の熱処理生成物は、i)炭素供給源ガス、あるいはii)炭素供給源ガスと還元性ガスとを含むガス混合物雰囲気において、SiOx(0<x<2)を熱処理して得た生成物であることを特徴とする請求項42に記載のシリコン含有複合体。
- 前記SiOx(0<x<2)の熱処理生成物は、シリコンサブオキサイド(SiOy)(0<y≦2)マトリックスに、シリコン(Si)が配置された構造体であることを特徴とする請求項42または43に記載のシリコン含有複合体。
- 前記SiOx(0<x<2)の熱処理生成物は、i)シリコン酸化物(SiO2)マトリックスに、シリコン(Si)が配置された構造体、ii)SiO2とSiOy(0<y<2)とを含んだマトリックスに、シリコン(Si)が配置された構造体、あるいはiii)SiOy(0<y<2)マトリックスに、シリコン(Si)が配置された構造体であることを特徴とする請求項42に記載のシリコン含有複合体。
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