(57)【要約】  体積変化補償型のシリコン：酸化シリコン：リチウム複合（ＳＳＬＣ）材料を生成するための方法が開示される。方法は、最初に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成することと；最初に前リチウム化された材料を脱リチウム化して、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成することと；体積変化補償プロセスの少なくとも１つの繰り返しを行うこととを含み、体積変化補償プロセスが：（ａ）脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料を再び前リチウム化して、再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成すること；及び（ｂ）（ａ）で生成された再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を脱リチウム化することを伴い、（ｉ）体積変化補償プロセスの少なくとも１つの繰り返しを行う前に、最初に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料が、本質的に完全にリチウム化されていること；及び（ｉｉ）体積変化補償プロセスの少なくとも１つの繰り返しが、本質的に完全に前リチウム化された再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成することのうちの少なくとも一方が満たされる。体積変化補償プロセスの最後の繰り返しにおいて、（ａ）で生成された再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を脱リチウム化することが、再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を完全に脱リチウム化して、体積変化補償型のＳＳＬＣ材料を生成することを含む。上記のプロセスは、生成された体積変化補償型のＳＳＬＣ材料を含有するアノードの製作の前に行われ、又は生成された体積変化補償型のＳＳＬＣ材料を含有するアノードの製作に対して原位置外で行われる。【選択図】  図１
2019533878.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
体積変化補償型のシリコン−酸化シリコン−リチウム複合（ＳＳＬＣ）材料を生成するための方法であって：
最初に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成すること；
前記最初に前リチウム化された材料を脱リチウム化して、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成すること；及び
体積変化補償プロセスの少なくとも１つの繰り返しを行うことを含み、前記体積変化補償プロセスが：
（ａ）前記脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料を再び前リチウム化して、再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成すること、及び
（ｂ）（ａ）で生成された前記再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を脱リチウム化することを含み、
（ｉ）前記体積変化補償プロセスの前記少なくとも１つの繰り返しを行う前に、前記最初に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料が完全にリチウム化されていること；及び
（ｉｉ）前記体積変化補償プロセスの前記少なくとも１つの繰り返しが、完全に前リチウム化された再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成することのうちの少なくとも一方が満たされ、
前記体積変化補償プロセスの最後の繰り返しにおいて、（ａ）で生成された前記再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を脱リチウム化することが、前記再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を完全に脱リチウム化して、前記体積変化補償型のＳＳＬＣ材料を生成することを含み、
前記体積変化補償型のＳＳＬＣ材料が、前記生成された体積変化補償型のＳＳＬＣ材料を含有するアノードの製作に対して原位置外で生成される、方法。
【請求項２】
前記体積変化補償型のＳＳＬＣ材料が、シリコンナノ粒子が内部に埋め込まれた多孔性の塑性変形可能なＳｉ：ケイ酸リチウム複合（Ｓｉ：ＬＳＣ）基質を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記最初に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料と、前記体積変化補償プロセスの各繰り返し中に生成された前記再び前リチウム化された材料が、スラリ状に生成される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記体積変化補償プロセスが３〜１２回繰り返される、請求項１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記体積変化補償プロセスの各繰り返しにおいて、前記再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料が、完全に前リチウム化される、請求項１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記体積変化補償プロセスの選択された繰り返しにおいて、前記再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料が、前記体積変化補償プロセスの別の繰り返しにおけるよりも多くのリチウムを含有する、請求項１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料の各脱リチウム化が、前記再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を完全に脱リチウム化する、請求項１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記最初に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を脱リチウム化すること、及び前記再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を脱リチウム化することがそれぞれ、カルボン酸、スルホン酸、及びアルコールのうちの少なくとも１つを含む脱リチウム化剤に、前記最初に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料をさらすこと、及び前記再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料をさらすことを含む、請求項１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記脱リチウム化剤が：蟻酸（メタン酸）、ＨＣＯＯＨ（ｐＫａ＝３．８）；酢酸（エタン酸）、ＣＨ３ＣＯＯＨ（ｐＫａ＝４．７）；プロピオン酸（プロパン酸）、ＣＨ３ＣＨ２ＣＯＯＨ（ｐＫａ＝４．９）；酪酸（ブタン酸）、ＣＨ３ＣＨ２ＣＨ２ＣＯＯＨ（ｐＫａ＝４．８）；吉草酸（ペンタン酸）、ＣＨ３ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＣＯＯＨ（ｐＫａ＝４．８）；カプロン酸（ヘキサン酸）、ＣＨ３ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＣＯＯＨ（ｐＫａ＝４．９）；シュウ酸（エタン二酸）、（ＣＯＯＨ）（ＣＯＯＨ）（ｐＫａ＝１．２）；乳酸（２−ヒドロキシプロピオン酸）、ＣＨ３ＣＨＯＨＣＯＯＨ（ｐＫａ＝３．９）；リンゴ酸（２−ヒドロキシブタン二酸）、（ＣＯＯＨ）ＣＨ２ＣＨＯＨ（ＣＯＯＨ）（ｐＫａ＝３．４）；クエン酸（２−ヒドロキシプロパン−１，２，３−トリカルボン酸）、ＣＨ２（ＣＯＯＨ）ＣＯＨ（ＣＯＯＨ）ＣＨ２（ＣＯＯＨ）（ｐＫａ＝３．１）；安息香酸（ベンゼンカルボン酸［ＩＵＰＡＣ］又はフェニルメタン酸、非ＩＵＰＡＣ）、Ｃ６Ｈ５ＣＯＯＨ（ｐＫａ＝４．２）；炭酸（ヒドロキシメタン酸、非ＩＵＰＡＣ名称）、ＯＨＣＯＯＨ又はＨ２ＣＯ３（ｐＫａ＝３．６）；フェノール（石炭酸又はヒドロキシベンゼン、非ＩＵＰＡＣ名称）、Ｃ６Ｈ５ＯＨ（ｐＫａ＝９．９）；尿酸（７，９−ジヒドロ−１Ｈ−プリン−２，６，８（３Ｈ）−トリオン）、Ｃ５Ｈ４Ｎ４Ｏ３（ｐＫａ＝−１．１）；タウリン（２−アミノエタンスルホン酸）、Ｃ２Ｈ７ＮＯ３Ｓ（ｐＫａ＝９．０）；ｐ−トルエンスルホン酸（４−メチルベンゼンスルホン酸）、ＣＨ３Ｃ６Ｈ４ＳＯ３Ｈ（ｐＫａ＝−２．８）；及びトリフルオロメタンスルホン酸、ＣＦ３ＳＯ３Ｈ（ｐｋａ＝−１２）のうちの少なくとも１つを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記脱リチウム化剤が：
（ａ）メタノール、ＣＨ３ＯＨ；エタノール、Ｃ２Ｈ５ＯＨ；プロパン−２−オール、Ｃ３Ｈ７ＯＨ；ブタン−１−オール、Ｃ４Ｈ９ＯＨ；ペンタン−１−オール、Ｃ５Ｈ１１ＯＨ；及びヘキサデカン−１−オール、Ｃ１６Ｈ３３ＯＨ；から選択される一価アルコール、
（ｂ）エタン−１，２−ジオール、Ｃ２Ｈ４（ＯＨ）２；プロパン−１，２−ジオール、Ｃ３Ｈ６（ＯＨ）２；プロパン−１，２，３−トリオール、Ｃ３Ｈ５（ＯＨ）３；ブタン−１，２，３，４−テトラオール、Ｃ４Ｈ６（ＯＨ）４；ペンタン−１，２，３，４，５−ペントール、Ｃ５Ｈ７（ＯＨ）５；ヘキサン−１，２，３，４，５，６−ヘキソール、Ｃ６Ｈ８（ＯＨ）６；及びへプタン−１，２，３，４，５，６，７−へプトール、Ｃ７Ｈ９（ＯＨ）７；から選択される多価アルコール、
（ｃ）プロパ−２−エン−１−オール、Ｃ３Ｈ５ＯＨ；３，７−ジメチルオクタ−２，６−ジエン−１−オール、Ｃ１０Ｈ１７ＯＨ；及びプロパ−２−イン−１−オール、Ｃ３Ｈ３ＯＨ；から選択される不飽和脂肪族アルコール、
（ｄ）シクロヘキサン−１，２，３，４，５，６−ヘキソール、Ｃ６Ｈ６（ＯＨ）６；及び２−（２−プロピル）−５−メチル−シクロヘキサン−１−オール、Ｃ１０Ｈ１９ＯＨ；から選択される脂環式アルコール、並びに
（ｅ）ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）［ＣＨ２ＣＨ（ＯＨ）］ｎのうちの少なくとも１つを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
リチウムイオン電池用のアノードを製作するための方法であって：
最初に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成すること；
前記最初に前リチウム化された材料を脱リチウム化して、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成すること；及び
体積変化補償プロセスの少なくとも１つの繰り返しを行うことによって、
体積変化補償型のシリコン：酸化シリコン：リチウム複合（ＳＳＬＣ）材料を生成することを含み、前記体積変化補償プロセスが：
（ａ）前記脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料を再びリチウム化して、再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成すること、及び
（ｂ）（ａ）で生成された前記再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を脱リチウム化すること；を含み、
（ｉ）前記体積変化補償プロセスの前記少なくとも１つの繰り返しを行う前に、前記最初に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料が完全にリチウム化されていること；及び
（ｉｉ）前記体積変化補償プロセスの少なくとも１つの繰り返しが、完全に前リチウム化された再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成することのうちの少なくとも一方が満たされ、
前記体積変化補償プロセスの最後の繰り返しにおいて、（ａ）で生成された前記再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を脱リチウム化することが、前記再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を完全に脱リチウム化して、前記体積変化補償型のＳＳＬＣ材料を生成することを含み、
前記方法が、前記体積変化補償型のＳＳＬＣ材料を生成した後に、生成された前記体積変化補償型のＳＳＬＣ材料を含有するアノード構造を製作することを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１６年９月２日に出願された「Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｘｉｄｅ−Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｈａｖｉｎｇ  Ｎａｎｏ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ  Ｅｍｂｅｄｄｅｄ  Ｉｎ  Ａ  Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｍａｔｒｉｘ，Ａｎｄ  Ｒｅｌａｔｅｄ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ（シリコン：シリコンケイ酸リチウム複合基質にシリコンナノ粒子が埋め込まれたシリコン−酸化シリコン‐リチウム複合材料、ならびにそれに関連する製造プロセス）」と題する米国仮出願第６２／３８３，３７２号、及び２０１７年３月２９日に出願された「Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｘｉｄｅ−Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｈａｖｉｎｇ  Ｎａｎｏ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ  Ｅｍｂｅｄｄｅｄ  Ｉｎ  Ａ  Ｓｉｌｉｃｏｎ：Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｍａｔｒｉｘ，Ａｎｄ  Ｒｅｌａｔｅｄ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ（シリコン：シリコンケイ酸複合基質にシリコンナノ粒子が埋め込まれたシリコン‐酸化シリコン‐リチウム複合材料、ならびにそれに関連する製造プロセス）」と題する米国仮出願第６２／４７８，５３５号の優先権を主張する。
【０００２】
本開示の態様は、シリコン：ケイ酸リチウム複合（Ｓｉ：ＬＳＣ）基質にシリコンナノ粒子が埋め込まれたシリコン−酸化シリコン−リチウム複合（ＳＳＬＣ）系材料、同材料を調製するためのプロセス、及び反復的な原位置外製造プロセスを含む同材料に関する製造プロセスに関する。ＳＳＬＣ系材料は、リチウムイオン電池セルなどの非水電解質電池セル用の負極活物質（負極は、従来、電池放電中の電池又は電池セルの負極端子に相当する）として有用である。
【背景技術】
【０００３】
モバイル機器及び電気自動車の急速な発展及び市場成長は、リチウムイオン電池などの低コスト、小型、軽量、高エネルギー密度の二次電池に対する高い需要をもたらしてきた。高エネルギー密度の二次電池の開発において、カソード材料技術は、カソード材料がアノード材料よりも低い容量を示すことにより、よく認識されたボトルネックである。例えば、カソード材料の改良は漸進的であったが、カソード材料の容量は数倍で改良されてきた。特に、カソード材料の改良は、従来のグラファイトアノード材料から非炭素系アノード材料に移ることによって促進されてきた。その結果、高容量アノード材料を生成するために多大な開発努力がなされてきた。これは、所与のタイプの市販のカソード材料の技術を使用して電池が製作されるときに、より高容量のアノードが、市販の二次電池のエネルギー密度を顕著に、例えば、最大で２５％増加させることができるためである。
【０００４】
シリコン（Ｓｉ）は、リチウムイオン（Ｌｉ＋）電池用のアノード材料として研究されてきた。これは、それが、電池セルアノード材料として高い理論比容量又は容量（例えば、最大で３７５０〜４２００ｍＡｈ／ｇの比容量）を示し、半導体産業における広範な使用により容易に入手できる豊富で安価な元素であるためである。シリコンの電気化学的なリチウム化及び脱リチウム化は、概ね以下のように表すことができる：
ｘＬｉ＋＋Ｓｉ＋ｘｅ−←→ＬｉｘＳｉ    （１）
【０００５】
アノード材料としてのシリコンの使用に関して、この高い理論容量は、グラファイトアノード材料と比べて、セルのエネルギー密度及び比エネルギーの顕著な理論的な増加をもたらす。
【０００６】
純粋なシリコンアノードは、ナノＳｉ薄膜が伝導性グラファイト／炭素にコーティングされるとき、又はナノサイズのＳｉがナノ特徴の金属集電体と複合化されるとき、優れたサイクル性能を示す。シリコンナノワイヤ及びシリコンナノ粒子も、併用される各種の高分子バインダの特性に応じて良好なサイクル性能を示す。しかし、これらナノ構造のシリコンアノードは、実装密度が非常に低いときのみ良好に機能する。電池セルのエネルギー密度を増加させるために、アノードの実装密度が増加する。このことは、アノードが、リチウムイオンセル内の不活性成分に対してより高い重量比の活物質で充填されることを意味する。しかし、実装密度が増加すると、電極は、初期サイクルの後に崩壊し、サイクル性能が低下する。
【０００７】
残念なことに、シリコンアノードは、第１のサイクルでの大きな容量ロス、サイクル中の副反応、及び電池セルの充電−放電中又はリチウム化−脱リチウム化サイクル中の非常に大きな（例えば、最大で３００〜４００％の）体積変化も示す。この体積変化に関して、リチウムイオン電池のサイクル中、Ｓｉアノードは、Ｓｉ原子当り４．４のＬｉ原子のインターカレーション（すなわち、可逆挿入）によってリチウム化される。非常に大きな体積変化は、機械的な損傷又は容量漸減をもたらす。また、シリコンアノードを有する製作時電池について、電池パッケージの構造又は容器は、シリコンアノード材料によって示された最大体積膨張を内部に吸収するのに十分に大きくなければならず、このことは、目標又は実現可能な電池容量に関して、所望されるよりも大きい電池パッケージの構造又は容器をもたらす。
【０００８】
酸化シリコン（ＳｉＯｘ）も、リチウムイオン電池用のアノード材料としての使用のために研究されてきた。これは、特に、この材料が、純粋なシリコンアノード材料と比べて、第１のサイクル後に非常に小さな体積変化を示すためである。ＳｉＯｘは、非特許文献１に記述されるように、元のＳｉＯｘ材料のエネルギー処理時に形成される、ナノサイズのＳｉ及びＳｉＯ２相の均一な混合物とみなされる。ＳｉＯ２に対するＳｉのモル比が１であるとき、その体積比は０．５である。このことは、ＳｉＯｘ材料構造のＳｉＯ２基質にシリコンナノ粒子が埋め込まれることを示す。
【０００９】
ＳｉＯｘの導電率は低く、ＳｉＯｘがリチウム化されると、その導電率は低下する。この劣った導電率は、サイクル中のＳｉＯｘの利用率の低下に寄与する。ＳｉＯｘの導電率は、特許文献１に記述されるように、高エネルギー機械式ミルを使用してＳｉＯｘ（０．８＜ｘ＜１．５）をグラファイトと共に機械的にミル加工することによって；又は、特許文献２に記述されるように、熱化学蒸着（ＣＶＤ）を使用してＳｉＯｘ粒子を均一な炭素層でコーティングすることによって改良することができる。これらの技術は、充放電容量を成功裏に高めるが、十分なサイクル性能をもたらさず、よって、高エネルギー密度電池に対する商業的な要求を満たさない。したがって、そのような技術は、サイクル性能の更なる改良が必須であるため、市販製品を市場で生成するために成功裏に利用されてこなかった。
【００１０】
ＳｉＯｘ系アノードの別の問題となる電気化学特性は、特許文献３に記述されるように、実用レベルを満たさない第１の充電／放電サイクルに関する高い不可逆容量ロスである。特許文献４に示されるように、ＳｉＯｘ系アノード材料の不可逆容量ロスは、ＳｉＯｘ材料を前リチウム化すること（すなわち、ＳｉＯｘ系アノード材料からアノードを製造する前に、アノードを製作できるリチウム担持ＳｉＯｘ系アノード材料を生成するために、従前にリチウム化されていないソースＳｉＯｘ材料にリチウムを導入すること）によって抑制することができる。
【００１１】
特許文献４及び特許文献５はそれぞれ、リチウムとＳｉＯとの間の以下の反応を示している：
４Ｌｉ＋４ＳｉＯ→Ｌｉ４ＳｉＯ４＋３Ｓｉ    （２）
化学反応は主に、ケイ酸リチウム（Ｌｉ４ＳｉＯ４）及びシリコンを形成する。ＳｉＯｘ中のナノサイズのＳｉ及び基質ＳｉＯ２から成る上記の混合物をふまえると、リチウムとＳｉＯ２基質の間の反応は、以下のように表すことができる：
４Ｌｉ＋２ＳｉＯ２→Ｌｉ４ＳｉＯ４＋Ｓｉ→Ｓｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４（Ｓｉ：ＬＳＣ基質）    （３）
【００１２】
反応条件に応じて、一部の研究グループは、ケイ酸リチウムがＬｉ４ＳｉＯ４、Ｌｉ２Ｏ、及びＬｉ２ＳｉＯ３から成ることを示してきた。主成分はＬｉ４ＳｉＯ４である。ＳｉＯｘ構造におけるＬｉとＳｉＯ２基質との不可逆的な化学反応は、ケイ酸リチウム及びケイ化リチウム（ＬｉｙＳｉ）混合物の基質も形成する。
【００１３】
ＳｉＯｘ系アノードは概して、純粋なＳｉ系アノードと比べて、双方ともにミクロンサイズであるという条件下で、第１のサイクルの後に非常に良好なサイクル性能を示す。加えて、リチウム化−脱リチウム化サイクル中、ＳｉＯｘ系アノード材料は、シリコンアノード材料と比べて非常に小さな体積変化を示す。特に、ＳｉＯの第１のリチウム化中、ＳｉＯ２相基質がＬｉ４ＳｉＯ４及びＬｉｙＳｉの混合物に不可逆的に変化するときに、体積は２倍に増加する。脱リチウム化中、Ｌｉ４ＳｉＯ４はそのままであり、ＬｉｙＳｉはシリコンになる。結果として、Ｓｉ：ＬＳＣ（Ｓｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４）基質は多孔性となり、Ｌｉ４ＳｉＯ４基質の塑性変形により、ＬｉｙＳｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４からＳｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４への体積変化を最小化することができる。その結果、ＳｉＯｘ系アノード粒子の体積変化は、純粋なシリコンアノード粒子の場合よりも、第１のサイクルの後に非常に小さくなる。それにもかかわらず、ＳｉＯｘ系アノードを有する製作時リチウムイオン電池において、リチウム化−脱リチウム化又は電池セルの充電−放電サイクルによるアノードの体積変化を、（例えば、体積膨張を更に抑制することによって）更に最小化することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第６，６３８，６６２号明細書
【特許文献２】特開２００２−０４２８０６号公報
【特許文献３】米国特許第５，３９５，８１１号明細書
【特許文献４】米国特許第７，７７６，４７３号明細書
【特許文献５】米国特許第８，２３１，８１０号明細書
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Ｋ．Ｓｃｈｕｌｍｅｉｓｔｅｒ及びＷ．Ｍａｄｅｒによる「ＴＥＭ  ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ  ｏｎ  ｔｈｅ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｏｆ  ａｍｐｏｒｐｈｏｕｓ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｍｏｎｏｘｉｄｅ（アモルファス一酸化ケイ素の構造におけるＴＥＭ調査）」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｓｏｌｉｄｓ  ３２０（２００３）、１４３〜１５０頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
特許文献４は、高エネルギーボールミル加工プロセスによってＳｉＯｘ粉末を活性リチウム粉末と共にミル加工することによるＳｉＯｘの前リチウム化を教示している。この前リチウム化は、不可逆容量ロスを３５％から１５％に成功裏に抑制する。しかし、特許文献４は、この前リチウム化プロセスにより、可逆容量が僅か８００〜９００ｍＡｈ／ｇとなり、１４００〜１７００ｍＡｈ／ｇの可逆容量を有する、グラファイトでコーティングされた大部分のＳｉＯｘアノードよりも非常に低かったことも示している。残念なことに、特許文献４のプロセスによって得られた結果は、市販のアノード材料に要求される特徴を満たすには十分でない。第１のサイクルのより低い不可逆容量ロス及び改良されたサイクル性能が依然として要求されている。
【００１７】
上記に加えて、アノード材料の前リチウム化は、不可逆容量ロスを抑制することができるが、前リチウム化されたアノード材料は、反応性が高く、化学的に不安定なリチウムが内部に存在することに起因して、望ましくない高い化学反応性を有する。この高い化学反応性は、従来の電池製造プロセス中の、前リチウム化されたアノード材料の取り扱い及び加工を困難にしたり、前リチウム化されたアノード材料を従来の電池製造プロセスに不適合としたりすることがある。例えば、前リチウム化されたアノード材料は、電池製造プロセスにおいて一般に見られる溶媒、バインダ、熱処理条件、及び／又は周囲環境に不適合となり得る。この問題を克服する必要性も存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本開示のある態様によれば、体積変化補償型のシリコン−酸化シリコン−リチウム複合（ＳＳＬＣ）材料を生成するためのプロセスであって：最初に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成することと；最初に前リチウム化された材料を脱リチウム化して、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成することと；体積変化補償プロセスの少なくとも１つの繰り返しを行うこととを含み、体積変化補償プロセスが：（ａ）脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料を再び前リチウム化して、再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成すること；及び（ｂ）（ａ）で生成された再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を脱リチウム化することを伴い、（ｉ）体積変化補償プロセスの少なくとも１つの繰り返しを行う前に、最初に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料が本質的に完全にリチウム化されていること；及び（ｉｉ）体積変化補償プロセスの少なくとも１つの繰り返しが、本質的に完全に前リチウム化された再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成することのうちの少なくとも一方が満たされ、体積変化補償プロセスの最後の繰り返しにおいて、（ａ）で生成された再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を脱リチウム化することが、再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を完全に脱リチウム化して、体積変化補償型のＳＳＬＣ材料を生成することを含み、体積変化補償型のＳＳＬＣ材料が、生成された体積変化補償型のＳＳＬＣ材料を含有するアノードの製作の前に生成され、又は生成された体積変化補償型のＳＳＬＣ材料を含有するアノードの製作に対して原位置外で生成される、プロセス。
【００１９】
各種の実施形態において、体積変化補償型のＳＳＬＣ材料は、シリコンナノ粒子が埋め込まれた多孔性の塑性変形可能なＳｉ：ケイ酸リチウム複合（Ｓｉ：ＬＳＣ）基質を含むか又はそのものである。最初に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料と、体積変化補償プロセスの各繰り返し中に生成された再び前リチウム化された材料は、スラリ状に生成することができる。
【００２０】
複数の実施形態において、体積変化補償プロセスは、３〜１２回繰り返されるが、特定の実施形態において、３回よりも少なく又は１２回よりも多く繰り返すことができる。
【００２１】
一部の実施形態において、体積変化補償プロセスの各繰り返しにおいて、再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料は、本質的に完全に前リチウム化される。
【００２２】
一部の実施形態において、体積変化補償プロセスの選択された繰り返しにおいて、再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料は、体積変化補償プロセスの別の繰り返しにおけるよりも多くのリチウムを含有する。
【００２３】
複数の実施形態において、再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料の各脱リチウム化は、再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を本質的に完全に脱リチウム化する。
【００２４】
各種の実施形態において、最初に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を脱リチウム化すること、及び再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を脱リチウム化することはそれぞれ、カルボン酸、スルホン酸、及びアルコールのうちの少なくとも１つを含む脱リチウム化剤に、最初に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料をさらすこと、及び再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料をさらすことを含む。
【００２５】
例えば、多数の実施形態において、脱リチウム化剤は：蟻酸（メタン酸）、ＨＣＯＯＨ（ｐＫａ＝３．８）；酢酸（エタン酸）、ＣＨ３ＣＯＯＨ（ｐＫａ＝４．７）；プロピオン酸（プロパン酸）、ＣＨ３ＣＨ２ＣＯＯＨ（ｐＫａ＝４．９）；酪酸（ブタン酸）、ＣＨ３ＣＨ２ＣＨ２ＣＯＯＨ（ｐＫａ＝４．８）；吉草酸（ペンタン酸）、ＣＨ３ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＣＯＯＨ（ｐＫａ＝４．８）；カプロン酸（ヘキサン酸）、ＣＨ３ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＣＯＯＨ（ｐＫａ＝４．９）；シュウ酸（エタン二酸）、（ＣＯＯＨ）（ＣＯＯＨ）（ｐＫａ＝１．２）；乳酸（２−ヒドロキシプロピオン酸）、ＣＨ３ＣＨＯＨＣＯＯＨ（ｐＫａ＝３．９）；リンゴ酸（２−ヒドロキシブタン二酸）、（ＣＯＯＨ）ＣＨ２ＣＨＯＨ（ＣＯＯＨ）（ｐＫａ＝３．４）；クエン酸（２−ヒドロキシプロパン−１，２，３−トリカルボン酸）、ＣＨ２（ＣＯＯＨ）ＣＯＨ（ＣＯＯＨ）ＣＨ２（ＣＯＯＨ）（ｐＫａ＝３．１）；安息香酸（ベンゼンカルボン酸［ＩＵＰＡＣ］又はフェニルメタン酸、非ＩＵＰＡＣ）、Ｃ６Ｈ５ＣＯＯＨ（ｐＫａ＝４．２）；炭酸（ヒドロキシメタン酸、非ＩＵＰＡＣ名称）、ＯＨＣＯＯＨ又はＨ２ＣＯ３（ｐＫａ＝３．６）；フェノール（石炭酸又はヒドロキシベンゼン、非ＩＵＰＡＣ名称）、Ｃ６Ｈ５ＯＨ（ｐＫａ＝９．９）；尿酸（７，９−ジヒドロ−１Ｈ−プリン−２，６，８（３Ｈ）−トリオン）、Ｃ５Ｈ４Ｎ４Ｏ３（ｐＫａ＝−１．１）；タウリン（２−アミノエタンスルホン酸）、Ｃ２Ｈ７ＮＯ３Ｓ（ｐＫａ＝９．０）；ｐ−トルエンスルホン酸（４−メチルベンゼンスルホン酸）、ＣＨ３Ｃ６Ｈ４ＳＯ３Ｈ（ｐＫａ＝−２．８）；及びトリフルオロメタンスルホン酸、ＣＦ３ＳＯ３Ｈ（ｐｋａ＝−１２）のうちの少なくとも１つを含むことができる。
【００２６】
多数の実施形態において、脱リチウム化剤は：（ａ）メタノール、ＣＨ３ＯＨ；エタノール、Ｃ２Ｈ５ＯＨ；プロパン−２−オール、Ｃ３Ｈ７ＯＨ；ブタン−１−オール、Ｃ４Ｈ９ＯＨ；ペンタン−１−オール、Ｃ５Ｈ１１ＯＨ；及びヘキサデカン−１−オール、Ｃ１６Ｈ３３ＯＨ；から選択される一価アルコール、（ｂ）エタン−１，２−ジオール、Ｃ２Ｈ４（ＯＨ）２；プロパン−１，２−ジオール、Ｃ３Ｈ６（ＯＨ）２；プロパン−１，２，３−トリオール、Ｃ３Ｈ５（ＯＨ）３；ブタン−１，２，３，４−テトラオール、Ｃ４Ｈ６（ＯＨ）４；ペンタン−１，２，３，４，５−ペントール、Ｃ５Ｈ７（ＯＨ）５；ヘキサン−１，２，３，４，５，６−ヘキソール、Ｃ６Ｈ８（ＯＨ）６；及びへプタン−１，２，３，４，５，６，７−へプトール、Ｃ７Ｈ９（ＯＨ）７；から選択される多価アルコール、（ｃ）プロパ−２−エン−１−オール、Ｃ３Ｈ５ＯＨ；３，７−ジメチルオクタ−２，６−ジエン−１−オール、Ｃ１０Ｈ１７ＯＨ；及びプロパ−２−イン−１−オール、Ｃ３Ｈ３ＯＨ；から選択される不飽和脂肪族アルコール、（ｄ）シクロヘキサン−１，２，３，４，５，６−ヘキソール、Ｃ６Ｈ６（ＯＨ）６；及び２−（２−プロピル）−５−メチル−シクロヘキサン−１−オール、Ｃ１０Ｈ１９ＯＨ；から選択される脂環式アルコール、（ｅ）ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）［ＣＨ２ＣＨ（ＯＨ）］ｎのうちの少なくとも１つを含むことができる。
【００２７】
本開示の更なる態様によれば、リチウムイオン電池用のアノード又はアノード構造を製作するためのプロセスであって：最初に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成すること；最初に前リチウム化された材料を脱リチウム化して、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成すること；及び体積変化補償プロセスの少なくとも１つの繰り返しを行うことによって、体積変化補償型のシリコン：酸化シリコン：リチウム複合（ＳＳＬＣ）材料を生成することを含み、体積変化補償プロセスが：（ａ）脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料を再びリチウム化して、再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成すること；及び（ｂ）（ａ）で生成された再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を脱リチウム化することを含み、（ｉ）体積変化補償プロセスの少なくとも１つの繰り返しを行う前に、最初に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料が本質的に完全にリチウム化されていること；及び（ｉｉ）体積変化補償プロセスの少なくとも１つの繰り返しが、本質的に完全に前リチウム化された再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成することのうちの少なくとも一方が満たされ、体積変化補償プロセスの最後の繰り返しにおいて、（ａ）で生成された再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を脱リチウム化することが、再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を完全に脱リチウム化して、体積変化補償型のＳＳＬＣ材料を生成することを含み、プロセスが、体積変化補償型のＳＳＬＣ材料を生成した後に、生成された体積変化補償型のＳＳＬＣ材料を含有するアノード構造を製作することを含む、プロセス。
【００２８】
本開示において、特定の図又は対応する説明資料中の図の参照における所与の要素の説明又は特定の要素番号の検討若しくは使用は、別の図又はそれに関連する説明資料において特定される同じ、等価な、又は類似の要素又は要素番号を包含することがある。図又は関連文章における「／」の使用は、特に断らない限り、「及び／又は」を意味するものと理解される。本明細書における特定の数値又は値範囲の記載は、例えば、想定される特定の数値又は値範囲の＋／−１０％、＋／−５％、＋／−２．５％、又は＋／−１％以内のような、おおよそその数値又は値範囲の記載を含むか又はそのものであると理解される。
【００２９】
上で示したように、高容量酸化シリコン系アノードは、純粋なシリコン系アノードと比べてより高い実装密度で優れたサイクル性能を有するが、酸化シリコン系アノードは、低い初期効率に悩まされる。特許文献４によって開示されるやり方で不可逆容量ロスを抑制できるが、本願の発明者等は、固体状態の材料（すなわち、固体酸化シリコン粉末及び金属リチウム粉末）をボールミル加工することによって行われる、特許文献４の教示によるＳｉＯｘの前リチウム化（すなわち、アノード製作における使用又はアノード材料としての使用の前のＳｉＯｘにリチウムを導入すること）が、不完全で不均一なリチウム化をもたらすことを見出した。つまり、特許文献４によって開示されるやり方で固体状態材料をボールミル加工することによるＳｉＯｘの完全で均一な前リチウム化を達成することは困難である。
【００３０】
特許文献４は、固体ＳｉＯｘ中への金属リチウムの拡散速度が低く、金属リチウムがＳｉＯｘ中へ均一に進入することを困難にすることを開示している。更に、場合によってはＳｉＯｘ中への拡散のために使用可能なリチウムの濃度を高めるためにより多量の金属リチウム粉末をボールミル加工中に使用することは、反応性が高いリチウムの性質による安全性への懸念と、ボールミル加工プロセス中に分解生成物を除去する必要性とをふまえると実現不可能である。特許文献４は、リチウムの追加量が酸素に対するリチウムの２以下の原子比（すなわち、Ｌｉ／Ｏ≦２）をもたらすような制御された少量のリチウム粉末を使用することを教示する。特許文献４は、ボールミル加工による金属リチウムとＳｉＯｘとの反応の後、リチウム不足を補償又は補足するために有機リチウム化合物（例えば、アルキルリチウム又はアリルリチウム）を加えることができることを更に教示する。それにもかかわらず、有機リチウム化合物（ブチルリチウム）のそのような追加を伴っても、特許文献４によって教示される前リチウム化プロセスは、１４００〜１７００ｍＡｈ／ｇの可逆容量を示す従来の炭素コーティングされたＳｉＯｘアノードとは対照的に、８００〜９００ｍＡｈ／ｇの低い可逆容量をもたらす。
【００３１】
特許文献４に開示される前リチウム化プロセスは、ケイ化リチウムの形成を避けることができない。特許文献４のプロセスによって得られる、８００〜９００ｍＡｈ／ｇの低い可逆容量は、このプロセスが行われた後に、ケイ化リチウム中のリチウムが、粒子が空気にさらされるときに生成された粒子表面で酸化し、よって伝導率を抑制し得ることを示す。加えて、ケイ化リチウムは、高分子バインダ又はＮ−メチル−ピロリドン（ＮＭＰ）との反応によって電極スラリ混合物のゲル化を生じさせる。
【００３２】
上でも示したように、前リチウム化されたアノード材料は、内部に含有するリチウムに起因する望ましくない高い化学反応性を有し、このことは、前リチウム化されたアノード材料が従来の電池製造プロセスに使用されるときに、取り扱い困難性又は不適合性の問題をもたらすことがある。
【００３３】
上記に加えて、特許文献４は、電池の充電−放電サイクルにより製作時電池においてＳｉＯｘ系アノードが経験する体積膨張を更に抑制又は最小化するいかなるやり方も考慮していない。
【００３４】
本開示による実施形態は、多孔性の塑性変形可能なシリコン：ケイ酸リチウム複合（Ｓｉ：ＬＳＣ）基質を含む、１つ以上の材料の多孔性基質に非晶質及び／又は結晶質シリコンナノ粒子が埋め込まれた十分に脱リチウム化されたシリコン−酸化シリコン−リチウム複合（ＳＳＬＣ）微粒子材料又はＳＳＬＣ系微粒子材料を対象とする。各種の実施形態において、このＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料は、約１〜１０μｍの平均粒子サイズを有し；Ｓｉ：ＬＳＣ基質は、１０〜２００ｎｍのシリコン粒子又は粒サイズを有し；内部に埋め込まれたシリコンナノ粒子は、約０．５〜１５０ｎｍ（例えば、０．５〜８０ｎｍ又は０．５〜５０ｎｍ）の粒子又は粒サイズを有する。
【００３５】
本開示による実施形態は、それに応じて、そのようなＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料を生成又は製造するためのプロセスを対象とし、プロセスは、ＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料を使用してアノードを製作する前に、ＳｉＯｘ材料及び／又は中間の若しくは生成されたＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料などのソース材料を使用して行われる前リチウム化−脱リチウム化シーケンスを含む。よって、ＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料から作られる製作時アノード又は電池セルに関して、ＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料を使用するアノード製作の前に、前リチウム化−脱リチウム化シーケンスが原位置外で行われ、よって、前リチウム化−脱リチウム化シーケンスは、ＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料を使用して製作されたアノードに関して行われる原位置での電池セルのリチウム化−脱リチウム化サイクル又は電池セルの放電−充電サイクルとは別であり、又はその一部ではない。更に、本開示の実施形態によれば、想定している所与のＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料の生成に関連して、本明細書で使用されるときの用語「前リチウム化」又は「前リチウム化された」中の接頭辞「前」は、想定しているＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料を非水電解質二次電池の負極（アノード）材料として使用する前に、例えば、生成された想定しているＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料を採用するアノード又は電池セルを製作する前に、成立又は存在する原位置外の環境又は状況、したがって、生成されたＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料を使用してアノード又は電池セルが既に形成された原位置の環境又は状況の前に成立又は存在した環境又は状況に対応し、それを指定又は暗示する。関連する技術分野の通常の知識を有する者は、当該技術分野の基礎知識及び本明細書中の説明をふまえて、前リチウム化されたＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料が、少なくともいくらかのリチウムを内部に含有するが、完全又は十分に脱リチウム化されておらず、完全又は十分な脱リチウム化の前に、アノード又は電池セルを直接製作するべきソース材料としての使用が推奨されない又は予定されていない、特定のＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料であることを認識するであろう。
【００３６】
各種の実施形態において、原位置外前リチウム化−脱リチウム化シーケンスは、ＳｉＯｘの完全又は本質的に完全かつ均一な前リチウム化及び内部に均一に分散したケイ化リチウムを有するＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料の生成を伴う少なくとも１つのプロセス部分（例えば、第１のプロセス部分又は第１の前リチウム化プロセス部分）と；続いて、ＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料の完全な脱リチウム化を伴う相対するプロセス部分（例えば、第２のプロセス部分又は最後の脱リチウム化プロセス部分）とを含む。
【００３７】
本開示によるいくつかの実施形態は、体積変化補償型又は体積変化安定型のＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料が生成される、ＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料の反復的な原位置外前リチウム化−脱リチウム化を対象とする。そのような実施形態において、反復的な原位置外前リチウム化−脱リチウム化シーケンスは、ＳｉＯｘ及び／又は少なくとも部分的に脱リチウム化されたＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料の少なくとも部分的な前リチウム化を伴う複数の前リチウム化プロセス部分であって、前リチウム化プロセス部分の少なくとも１つが、ＳｉＯｘ及び／又は脱リチウム化されたＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料の完全又は本質的に完全な前リチウム化を伴う、複数の前リチウム化プロセス部分と；ＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料の脱リチウム化を伴う、各前リチウム化プロセス部分に対応又は相対する脱リチウム化プロセス部分であって、少なくとも最後の脱リチウム化プロセス部分が、ＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料の完全な脱リチウム化を伴う、相対する脱リチウム化プロセス部分とを含む。
【００３８】
反復的な原位置外前リチウム化−脱リチウム化シーケンスを対象としたそのような実施形態によれば、ＳｉＯｘ及び／又はＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系ソース材料が、（ａ）少なくとも部分的な前リチウム化に１回以上付されることにより、少なくとも部分的に前リチウム化されたＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料を生成し、完全又は本質的に完全な前リチウム化に少なくとも１回付されることにより、完全又は本質的に完全に前リチウム化されたＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料を生成し；（ｂ）ＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料が付されたそのような各前リチウム化（部分的なものか完全な／本質的に完全なものであるかにかかわらず）について、ＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料は、少なくとも１つの最後の完全な脱リチウム化を含む脱リチウム化に更に付される。
【００３９】
少なくとも１つの完全な前リチウム化及び少なくとも１つの完全な脱リチウム化を含む、（例えば、複数の相対する前リチウム化−脱リチウム化サイクルによる）原位置外前リチウム化及び脱リチウム化に複数回付される結果として、本開示の特定の実施形態により生成された完全又は十分に脱リチウム化された体積変化補償型又は体積変化安定型のＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料は、例えば、「Ｉｎ−ｓｉｔｕ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ  Ｃｈａｎｇｅ  ｄｕｒｉｎｇ  Ｃｈａｒｇｅ  ａｎｄ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  ｏｆ  ａ  Ｌａｒｇｅ  Ｃａｐａｃｉｔｙ  ＳｉＯ  Ａｎｏｄｅ（高容量ＳｉＯアノードの充放電中における電極厚み変化の原位置内方法）」、Ｔａｋｕｈｉｒｏ  Ｍｉｙｕｋｉ  ｅｔ  ａｌ．、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｊａｐａｎ）、８０．４０５、４０５〜４０８頁；及び「Ｎａｎｏ−ｐｏｒｏｕｓ  ＳｉＯ／Ｃａｒｂｏｎ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  ｆｏｒ  Ｌｉｔｈｉｕｍ−Ｉｏｎ  Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ（リチウムイオン電池用のナノ多孔性ＳｉＯ／炭素複合材料）」、Ｗｅｉ−Ｒｅｎ  Ｌｉｕ  ｅｔ  ａｌ．、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、Ｖｏｌ．３９、Ｉｓｓｕｅ  ９、１６４３〜１６４９頁に記述されるものと概ね関連する、同様の、又は類似のやり方で、電池セル内での原位置リチウム化中に更に抑制された最小限又は最小の体積膨張を示す。
【００４０】
本開示の実施形態により生成された完全又は十分に脱リチウム化されたＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料（例えば、本開示のある実施形態による複数の原位置外前リチウム化−脱リチウム化サイクルによって生成されたＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料）は、内部にリチウムがない結果として電池製造プロセス（例えば、従来の電池製造プロセス）での使用に好適である。本開示による実施形態は、電池セル又は電池の生成又は製造における脱リチウム化されたＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料の使用に；また脱リチウム化されたＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料で作られた電池セルアノードを更に対象とする。
【００４１】
そのようなＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料は、リチウムイオン電池セルなどの非水電解質電池セル用の負極活物質として使用されるときに、多くの利点を有する。ＳＳＬＣ又はＳＳＬＣ系材料が内部に存在する（１又は複数の）材料の多孔性の基質は、多孔性の既に塑性変形可能なＳｉ：ＬＳＣ基質を含めて、電池セルの充放電プロセス中のＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料のリチウム化／脱リチウム化に関連する任意の体積変化を大幅に抑制又は最小化する。リチウムイオン電池セル内の負極活物質として使用されるとき、本開示のある実施形態によるＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料は、リチウム化（放電）と脱リチウム化（充電）との間で約７〜３５％以下（例えば、平均して約１５〜３５％以下又は約１０〜２０％以下）の体積変化を示すことができる。このことは、リチウム化中にアノードが許容不能なほど大きな、例えば、最大で２００％の体積変化を受けることになる、ＳｉＯ２中のＳｉをアノードとしてより早期に使用することと比べて非常に望ましい。
【００４２】
上記をふまえて、本質的に十分又は十分に前リチウム化されたＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料が本開示のある実施形態により生成されるとき、そのような前リチウム化されたＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料は、原位置外の形態で最大化された、本質的に最大、又は最大の体積（又はそれに応じて、最高程度の体積膨張）を示すか又は占める。この本質的に十分又は十分に前リチウム化されたＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料が次いで本質的に十分又は十分に脱リチウム化される（リチウムイオン電池、電池セル、又はアノード製造プロセスにおける使用の前に行われる）とき、それは、最小化された、本質的に最小、又は最小の体積（又はそれに応じて、最高程度の体積収縮）を示すか又は占める。
【００４３】
そのような本質的に十分又は十分に脱リチウム化されたＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料が、アノード活物質のリチウム化及び脱リチウム化にそれぞれよる電池セルの（再）充電及び放電に関連して後に電池セル内の原位置でアノード活物質として使用されるとき、ＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系アノード活物質の体積変化は凡そ、例えば、前リチウム化されたＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料の最大体積、及び脱リチウム化されたＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料の最小体積である、上記の体積極値間に及ぶか又は極値間で遷移する。さらに、そのような体積極値間の体積変化の大きさ、すなわち、十分に充電された電池セルの状態に対応する原位置で十分にリチウム化されたときのＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料の最大体積と、十分に放電された電池セルの状態に対応する原位置で十分に脱リチウム化されたときのＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料の最小体積との差は、予測可能であり、安定したままであり、概ね安定したままであり、又は、初期の電池セルの充電−放電状態の遷移から時間を通じた連続的な電池セルの（再）充電−放電状態の遷移、変化、又はサイクルによって時間と共に最小限でのみ変化する。
【００４４】
リチウムイオン電池セル内のＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系活性アノード材料の最高程度の体積変化、遷移、移行、又は変動が、２００％などの非常又は劇的に大きな体積変化ではなく１０〜３５％以下に限定されるので、このことは、（ａ）所与の、目標の、又は所定のサイズのアノードについて、電池セル製造におけるＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料の使用が、顕著又は非常に高いエネルギー密度／容量を有する電池セルをもたらすことができること；又は（ｂ）電池セル製造プロセスにおいて顕著又は非常に少量のＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料を使用して、所与のエネルギー密度／容量を有するアノードを生成し、非常に小さい又は薄いアノード、よって、より高いエネルギー密度／容量を有する顕著又は非常に小さい又は薄い電池セルをもたらすことができることのいずれかを意味する。例えば、本開示のある実施形態によるＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料は、従来のグラファイト材料よりも約３００％高いエネルギー密度を示すことができる。したがって、リチウムイオン電池セル内のアノード活物質としてのＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料の使用は、（ｉ）所与の、目標の、又は所定のサイズの電池セルアノードについて、電池セルが、体積エネルギー密度を約２５〜３０％増加できること；又は（ｉｉ）所与の、目標の、又は所定の容量の電池セルについて、電池セルアノードのサイズを、従来のグラファイト材料を活性アノード材料として使用する電池セルアノードの凡そ又は約１／３にできることを意味する。
【００４５】
上記に加えて、関連する技術分野の通常の知識を有する者は、（再）充放電による電池セル全体の体積変化の程度又は範囲が、電池セルアノードの体積変化の程度よりも小さいことを認識するであろう。特に、電池セル全体の体積変化の程度は、電池セルのカソードの厚さに対する電池セルのアノードの厚さに依存し；アノードは、通常又は典型的にカソードよりも顕著又は非常に薄い（例えば、アノードは、カソードの約１／３のみの厚さであり得る）。また、カソード活物質は、電池セルの（再）充放電に関連してより小さい又は非常に小さい体積変化を通常示す。その結果、本開示のある実施形態によるＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料を活性アノード材料として使用する電池セル全体の体積変化、すなわち体積の膨張及び収縮の程度は、約３〜１０％（例えば、約５％〜８％）とすることができる。
【００４６】
加えて、本開示のある実施形態によるＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系アノード材料を含むリチウムイオン電池セルは、先行技術と比べて顕著に抑制された不可逆容量ロスであり、商業的な要求を満たす、１５％未満（例えば、１２％未満若しくは１０％未満、又は約８％〜１２％の範囲内）の不可逆容量ロスを示すことができる。さらに、そのようなリチウムイオン電池セルは、約１１００ｍＡｈ／ｇ（例えば、１２００ｍＡｈ／ｇ以上）よりも大きい可逆容量を示すことができる。
【００４７】
最後に、アノード製造プロセスにおける使用を促進するために、本開示のある実施形態による原位置外プロセスによって得られたＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料は、原位置外プロセス中に脱リチウム化され、よって、アノード製造プロセス用のソース材料として使用する前に、得られたＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料は、活性リチウムを内部に含有しておらず、よって、電池製造プロセスに関する取り扱い又は不適合性の問題を生じさせない。言い換えれば、本開示による原位置外生成プロセスによって得られた最終的なＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料については、最終的なＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料は、原位置外生成プロセス中に脱リチウム化されている。その結果、活性ケイ化リチウム由来のリチウムは、アノード製造プロセスにおいて最終的なＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料をソース材料として使用する前に、原位置外ＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料生成プロセスによって得られた最終材料から除去されている。
【００４８】
本明細書の開示において、ＳＳＬＣ系材料は、前リチウム化の前に又は前リチウム化に関連してＳｉＯｘの伝導率が向上したＳＳＬＣ材料として定義することができる。例えば、ＳＳＬＣ系材料は、以下で更に詳述するように、前リチウム化の前に又は前リチウム化に関連してグラファイト及び／又は１つ以上のタイプの炭素又は炭素系ナノ粒子／ナノ構造などの炭素系材料でＳｉＯｘを処理又はそれと化合することによってＳｉＯｘの導電率が向上された、シリコン−酸化シリコン−リチウム−炭素又はシリコン−酸化シリコン−リチウム−炭素系複合（ＳＳＬＣＣ）材料とすることができる。簡潔性及び簡略化を目的として、以下の説明において、用語「ＳＳＬＣ材料」は、ＳＳＬＣＣ材料などのＳＳＬＣ系材料を包含するか又は含む。
【００４９】
本開示のある態様によれば、シリコン−酸化シリコン−リチウム複合（ＳＳＬＣ）材料を生成するためのプロセスは、前リチウム化プロセス及び脱リチウム化プロセスを行うことを含む。前リチウム化プロセスは、前リチウム化された材料の生成をもたらし、酸化シリコン粉末及びリチウム粉末のミル加工を含む機械的混合工程によって、部分的に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成することと；部分的に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料の基質材料を圧縮し；未反応リチウムが消失して、リチウム拡散によってＳＳＬＣ材料中のケイ化リチウムの均一な組成が達成されるまで、圧縮された部分的に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料をリチウム系電解質にさらすことを含む自発的なリチウム化工程によって、更に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成することとを含み、自発的なリチウム化工程は、部分的に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料中の未反応リチウムとＳｉＯｘとの反応を完了させる。脱リチウム化プロセスは、前リチウム化プロセスに続き、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料の生成をもたらす。脱リチウム化プロセスは、圧縮された更に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を液体分散媒中に分散させることにより、分散した前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成することと；分散した前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を、分散した前リチウム化されたＳＳＬＣ材料中のケイ化リチウムと反応し、かつ分散した前リチウム化されたＳＳＬＣ材料からリチウムを抽出できる大量の１つ以上の化学物質又は化合物（例えば、１つ以上の有機酸及び／又はアルコール）に、分散した前リチウム化されたＳＳＬＣ材料中のケイ化リチウムと１つ以上の化学物質又は化合物との反応が止むか又は効果的に最終レベルに達するまでさらすこととを含み、大量の１つ以上の化学物質又は化合物は、分散した前リチウム化されたＳＳＬＣ材料中のケイ化リチウムとの反応に関するリザーバとして機能し、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料は、シリコンナノ粒子が埋め込まれた多孔性の塑性変形可能なＳｉ：ケイ酸リチウム複合（Ｓｉ：ＬＳＣ）基質を含む。簡潔性及び明確性を目的として、以下の本開示では、分散した前リチウム化されたＳＳＬＣ材料中のケイ化リチウムと反応でき、そこからリチウムを抽出できる化学物質又は化合物を脱リチウム化剤と呼ぶ。
【００５０】
脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料は、０．５重量％未満のケイ化リチウムを含有することができる。脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料は、１〜１０μｍの粒子サイズを有することができ、Ｓｉ：ＬＳＣ基質は、１０〜２００ｎｍの粒サイズを示すことができ、シリコンナノ粒子は、５〜１５０ｎｍ（例えば、５〜８０ｎｍ又は５〜５０ｎｍ）の粒子サイズを有することができる。各種の実施形態において、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料は、３０％〜６０重量％のシリコン、２５％〜４０重量％の酸素、及び１０％〜２０重量％のリチウムを含有する。脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料は、約３７重量％のシリコン、約１８重量％のリチウム、及び約４３重量％の酸素から成る組成を有することができる。
【００５１】
液体分散媒は、非プロトン性溶媒、例えば、ヘキサンを含む。それは、ケイ化リチウムと反応しないが、脱リチウム化速度を制御できるように、リチウム化されたＳＳＬＣ粉末の分散を助ける。特に、ＣｎＨｎ＋２（nが概ね３よりも大きい）などのアルカン化合物が、他の非プロトン性溶媒よりも望ましい。
【００５２】
１つ以上の脱リチウム化剤は、有機酸（例えば、カルボン酸、スルホン酸、又は別のタイプの酸）及び／又は短鎖、中鎖又は長鎖アルコール（例えば、１〜３の炭素から成るアルキル鎖を有するアルコールを短鎖アルコールと定義でき、４〜７の炭素から成るアルキル鎖を有するアルコールを中鎖アルコールと定義でき、７よりも多い炭素から成るアルキル鎖を有するアルコールを長鎖アルコールと定義できる）などの、酸及び／又はアルコールを含むか又はそのものとすることができる。（１又は複数の）脱リチウム化剤は、脱リチウム化反応を適切に進めながら、反応変動性を抑制又は最小化するために、リチウムとの制御された又は制御可能な反応性をもたらすように選択される。非限定的な代表的な脱リチウム化剤としては、以下のものが挙げられる：
脱リチウム化剤として好適な代表的な酸の非網羅的リスト
蟻酸（メタン酸）、ＨＣＯＯＨ（ｐＫａ＝３．８）；酢酸（エタン酸）、ＣＨ３ＣＯＯＨ（ｐＫａ＝４．７）；プロピオン酸（プロパン酸）、ＣＨ３ＣＨ２ＣＯＯＨ（ｐＫａ＝４．９）；酪酸（ブタン酸）、ＣＨ３ＣＨ２ＣＨ２ＣＯＯＨ（ｐＫａ＝４．８）；吉草酸（ペンタン酸）、ＣＨ３ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＣＯＯＨ（ｐＫａ＝４．８）；カプロン酸（ヘキサン酸）、ＣＨ３ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＣＯＯＨ（ｐＫａ＝４．９）；シュウ酸（エタン二酸）、（ＣＯＯＨ）（ＣＯＯＨ）（ｐＫａ＝１．２）；乳酸（２−ヒドロキシプロピオン酸）、ＣＨ３ＣＨＯＨＣＯＯＨ（ｐＫａ＝３．９）；リンゴ酸（２−ヒドロキシブタン二酸）、（ＣＯＯＨ）ＣＨ２ＣＨＯＨ（ＣＯＯＨ）（ｐＫａ＝３．４）；クエン酸（２−ヒドロキシプロパン−１，２，３−トリカルボン酸）、ＣＨ２（ＣＯＯＨ）ＣＯＨ（ＣＯＯＨ）ＣＨ２（ＣＯＯＨ）（ｐＫａ＝３．１）；安息香酸（ベンゼンカルボン酸［ＩＵＰＡＣ］又はフェニルメタン酸、非ＩＵＰＡＣ）、Ｃ６Ｈ５ＣＯＯＨ（ｐＫａ＝４．２）；炭酸（ヒドロキシメタン酸、非ＩＵＰＡＣ名称）、ＯＨＣＯＯＨ又はＨ２ＣＯ３（ｐＫａ＝３．６）；フェノール（石炭酸又はヒドロキシベンゼン、非ＩＵＰＡＣ名称）、Ｃ６Ｈ５ＯＨ（ｐＫａ＝９．９）；尿酸（７，９−ジヒドロ−１Ｈ−プリン−２，６，８（３Ｈ）−トリオン）、Ｃ５Ｈ４Ｎ４Ｏ３（ｐＫａ＝−１．１）；タウリン（２−アミノエタンスルホン酸）、Ｃ２Ｈ７ＮＯ３Ｓ（ｐＫａ＝９．０）；ｐ−トルエンスルホン酸（４−メチルベンゼンスルホン酸）、ＣＨ３Ｃ６Ｈ４ＳＯ３Ｈ（ｐＫａ＝−２．８）；及びトリフルオロメタンスルホン酸（トリフリン酸としても知られる）、ＣＦ３ＳＯ３Ｈ（ｐｋａ＝−１２）。
脱リチウム化剤として好適な代表的なアルコールの非網羅的リスト
（ａ）一価アルコール：メタノール、ＣＨ３ＯＨ；エタノール、Ｃ２Ｈ５ＯＨ；プロパン−２−オール、Ｃ３Ｈ７ＯＨ；ブタン−１−オール、Ｃ４Ｈ９ＯＨ；ペンタン−１−オール、Ｃ５Ｈ１１ＯＨ；及びヘキサデカン−１−オール、Ｃ１６Ｈ３３ＯＨ、
（ｂ）多価アルコール：エタン−１，２−ジオール、Ｃ２Ｈ４（ＯＨ）２；プロパン−１，２−ジオール、Ｃ３Ｈ６（ＯＨ）２；プロパン−１，２，３−トリオール、Ｃ３Ｈ５（ＯＨ）３；ブタン−１，２，３，４−テトラオール、Ｃ４Ｈ６（ＯＨ）４；ペンタン−１，２，３，４，５−ペントール、Ｃ５Ｈ７（ＯＨ）５；ヘキサン−１，２，３，４，５，６−ヘキソール、Ｃ６Ｈ８（ＯＨ）６；及びへプタン−１，２，３，４，５，６，７−へプトール、Ｃ７Ｈ９（ＯＨ）７、
（ｃ）不飽和脂肪族アルコール：プロパ−２−エン−１−オール、Ｃ３Ｈ５ＯＨ；３，７−ジメチルオクタ−２，６−ジエン−１−オール、Ｃ１０Ｈ１７ＯＨ；及びプロパ−２−イン−１−オール、Ｃ３Ｈ３ＯＨ、
（ｄ）脂環式アルコール：シクロヘキサン−１，２，３，４，５，６−ヘキソール、Ｃ６Ｈ６（ＯＨ）６；及び２−（２−プロピル）−５−メチル−シクロヘキサン−１−オール、Ｃ１０Ｈ１９ＯＨ、
（ｅ）高分子アルコール：ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）［ＣＨ２ＣＨ（ＯＨ）］ｎ。
【００５３】
酸化シリコン粉末は、ＳｉＯｘ（０．８＜ｘ＜１．６）と記述でき、機械的混合工程は、酸化シリコン粉末をリチウム粉末と共にボールミル加工することを含むことができ、リチウム粉末は、ＳＬＭＰ（登録商標）を含むか又はそのものとすることができる。
【００５４】
プロセスは、前リチウム化プロセスの前に第１の導電率向上プロセスを行うことを含むことができ、第１の導電率向上プロセスは、酸化シリコン粉末を炭素系材料などの導電性材料と共にボールミル加工すること、及び／又は酸化シリコン粉末を炭素系材料などの導電性材料でコーティングすることのうちの少なくとも一方を含む。加えて又は代わりに、プロセスは、脱リチウム化プロセスの後に第２の導電率向上プロセスを行うことを含むことができ、第２の導電率向上プロセスは、酸化シリコン粉末を炭素系材料などの導電性材料と共にボールミル加工すること、及び／又は酸化シリコン粉末を炭素系材料などの導電性材料でコーティングすることのうちの少なくとも一方を含む。実施形態の詳細に応じて、炭素系材料は、グラファイト、カーボンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンメガチューブ、及びカーボンナノバッドのうちの少なくとも１つを含むことができる。
【００５５】
本開示のある態様によれば、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料は、上で述べたプロセスによって生成され、０．５重量％未満のケイ化リチウムを含有する。
【００５６】
本開示のある態様によれば、上で述べたプロセスによって生成され、０．５重量％未満のケイ化リチウムを含有する脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料は、電池セルの負極製造プロセスにおいて使用される。
【００５７】
本開示のある態様によれば、リチウムイオン電池セルは、その負極活物質としてＳＳＬＣ材料を有し、１５％未満（例えば、１２％未満又は１０％未満）の不可逆容量ロスを示す。ＳＳＬＣ活物質は、上で述べたプロセスによって生成することができる。リチウムイオン電池セルのアノードが、リチウムイオン電池セルの充放電に関連して１０〜３５％の体積変化（例えば、１５〜２５％の平均体積変化又は２０％の平均体積変化）を示すことができる。
【発明の効果】
【００５８】
本開示のある実施形態によるＳＳＬＣ材料生成プロセスは、商業的な要求を満たす負極材料として有用かつ使用可能であるＳＳＬＣ材料を生成できる、簡単であり、健全であり、商業的に適応性があり、費用対効果が高いプロセスを提供する。本開示のある実施形態によるＳＳＬＣ材料生成プロセスによって得られたＳＳＬＣ材料は、均一性又は改良された均一性を示し、リチウム化及び脱リチウム化による体積変化を大幅に抑制又は最小化し、従前のＳｉＯｘ系アノードと比べて顕著又は大幅に抑制又は最小化された不可逆容量ロスを有する、リチウムイオン電池のアノードを生成するための負極材料として使用することができる。電池セル又は電池製造プロセスにおける使用を促進するために、ＳＳＬＣ材料は、電池セル又は電池製造プロセスにおける使用の前に完全に脱リチウム化され、よって、ＳＳＬＣ材料は、典型的な電池製造プロセスに関連する溶媒、バインダ、熱処理条件、及び／又は周囲環境に適合する。加えて、本開示のある実施形態により生成されたＳＳＬＣ材料を含有する電極スラリは、比較的多量のリチウムがＳｉＯｘ粒子の前リチウム化に使用されたときでも、有害なゲルの形成を伴わずに良好な積層電極構造を形成する。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本開示のある実施形態によるシリコン−酸化シリコン−リチウム複合（ＳＳＬＣ）材料構造又は組成物を生成又は製造するための代表的なプロセスのフロー図である。
【図２】本開示のある実施形態による代表的な脱リチウム化反応器の模式説明図である。
【図３】Ａは、ＳｉＯｘ（ｘ＝１）の代表的な微細構造特徴の説明図であり、Ｂは、本開示のある実施形態により生成された前リチウム化されたＳＳＬＣの代表的な微細構造特徴の説明図であり、Ｃは、本開示のある実施形態により生成された脱リチウム化されたＳＳＬＣの代表的な微細構造特徴の説明図である。
【図４】本開示のある実施形態による反復的な原位置外前リチウム化−脱リチウム化シーケンスを用いてＳＳＬＣ材料、材料構造、又は組成物を生成又は製造するための代表的なプロセスのフロー図である。
【図５Ａ】本開示のある実施形態による体積変化補償型又は体積変化安定型のＳＳＬＣ材料、材料構造、又は組成物の生成中又は製造中に、体積変化又は膨張が抑制、補償、又は安定化される、代表的な予想又は期待されるメカニズムの説明図である。
【図５Ｂ】本開示のある実施形態による体積変化補償型又は体積変化安定型のＳＳＬＣ材料、材料構造、又は組成物の生成中又は製造中に、体積変化又は膨張が抑制、補償、又は安定化される、代表的な予想又は期待されるメカニズムの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００６０】
上記をふまえると、一部の実施形態において、原位置外前リチウム化−脱リチウム化シーケンスは、完全又は本質的に完全に前リチウム化されたＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料の生成をもたらす単一の前リチウム化プロセスと、完全又は本質的に完全に脱リチウム化されたＳＳＬＣ／ＳＳＬＣ系材料の生成をもたらす単一の対応又は相対する脱リチウム化プロセスとを伴う。他の実施形態において、反復的な原位置外前リチウム化−脱リチウム化シーケンスは、少なくとも１つの完全な前リチウム化プロセス及び最後の完全な脱リチウム化プロセスを含む、複数の前リチウム化プロセス及び複数の相対する脱リチウム化プロセスを伴う。
【００６１】
簡略化するため及び理解を助けるために、単一の完全／十分な前リチウム化プロセス及びそれに続く単一の相対する完全／十分な脱リチウム化プロセスを含む、本開示による代表的な実施形態の態様が、直後の詳細な説明において詳しく述べられ、反復的な原位置外前リチウム化−脱リチウム化シーケンスの代表的な実施形態の態様が、その後に説明される。
【００６２】
代表的なＳＳＬＣ材料生成プロセスの態様
代表的な非反復的な原位置外前リチウム化−脱リチウム化シーケンスの態様
【００６３】
図１は、本開示のある実施形態による非反復的な原位置外前リチウム化−脱リチウム化シーケンスによってＳＳＬＣ材料、材料構造、又は組成物を生成又は製造するための代表的なプロセス１００のフロー図である。各種の代表的な実施形態において、そのようなＳＳＬＣ材料生成プロセス１００は、前リチウム化されたＳＳＬＣ材料が生成される第１のプロセス部分１１０と；この前リチウム化されたＳＳＬＣ材料が脱リチウム化される第２のプロセス部分１２０と；脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料がろ過、洗浄、及び乾燥される第３のプロセス部分１３０と；場合によっては、機械的又は構造的な完全性又は安定性を向上させる目的で、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料が１つ以上の材料でコーティングされる第４のプロセス部分１４０と；典型的に、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料又は機械的に安定化されたＳＳＬＣ材料が、導電率を向上させるために炭素又は炭素系材料でコーティングされ又はそれと化合される第５のプロセス部分１５０とを含む。ＳＳＬＣ材料生成プロセス１００の態様が以後で詳細に説明される。
【００６４】
第１のプロセス部分１１０は、第１又は最初の前リチウム化工程１１２、それに続く第２又は後続の前リチウム化工程１１４によって、前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成する。第１の前リチウム化工程１１２は、部分的に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成し、その後に、第２の前リチウム化工程１１４は、先行技術と比べて顕著に向上した実質的に完全又は完全な程度の前リチウム化を示すＳＳＬＣ材料を生成する。特に、第１の前リチウム化工程において、粉末状のＳｉＯｘ及び／又は伝導率が向上したＳｉＯｘを、安定化リチウム粉末（例えば、ＦＭＣ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、Ｃｈａｒｌｏｔｔｅ、ＮＣ  ＵＳＡ、ｗｗｗ．ｆｍｃｌｉｔｈｉｕｍ．ｃｏｍ製のＳＬＭＰ（登録商標））などの金属リチウムと混合して、化合して、及び／又は反応させて、部分的に前リチウム化された粉末状のＳＳＬＣ材料を生成することができる。第１又は最初の前リチウム化工程１１２は、参照により本明細書に組み込まれる特許文献４に開示されるものと同様、概ね類似、類似、実質的に同一、本質的に同一、又は同一とすることができる。関連する技術分野の通常の知識を有する者によって容易に理解されるような従来のやり方で、例えば、炭素、又はグラファイト、カーボンブラック、グラフェン、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンメガチューブ、カーボンナノリング、及び／又はカーボンナノバッドなどの炭素系材料のような１つ以上の導電性材料でＳｉＯｘを処理、コーティング、又はそれと化合することにより、第１の前リチウム化工程１１２で使用するために又は同工程の一部として、伝導率が向上したＳｉＯｘを生成することができる。一部の実施形態において、ＳｉＯｘを１つ以上の炭素又は炭素系材料と共にボールミル加工し、炭素又は炭素系粒子をボールミル加工中に生成された凝集したＳｉＯｘ粒子に進入させ得るか又はその一部にし得ることにより、伝導率が向上したＳｉＯｘが生成される。そのようなボールミル加工は、また参照により本明細書に組み込まれる特許文献１に記述されるような、グラファイトとＳｉＯｘ粉末とのボールミル加工と同様、概ね類似、類似、実質的に同一、本質的に同一、又は同一の工程によって行うことができる。加えて又は代わりに、炭素又は炭素系材料などの導電性材料がリチウム粉末との反応前のＳｉＯｘ粉末上に堆積される熱ＣＶＤなどの別の技術によって、第１の前リチウム化工程１１２で使用するために伝導率が向上したＳｉＯｘを生成することができる。
【００６５】
ＳｉＯｘ及び／又は伝導率が向上したＳｉＯｘ粉末と安定化リチウム粉末との反応は、不活性雰囲気ガス（例えば、アルゴン雰囲気又はヘリウム含有雰囲気）中で高いせん断応力を加え、反応中に発生した熱の効果的な放散をもたらす、温度制御された混合／反応デバイスを用いて実施することができる。そのような反応デバイスは、例えば、特許文献４に記述されるものなどの遊星ボールミルなど、ＳｉＯｘ及び／又は伝導率が向上したＳｉＯｘ粉末と安定化リチウム粉末とが混合される、熱調節された又は熱伝導性の反応容器、器、又は広口瓶を有するボールミルとすることができる。部分的にリチウム化されたＳＳＬＣ材料の特徴に影響を与える又は決定し得る、混合／反応デバイスの関連パラメータとしては、反応中の放熱、伝熱、及びせん断応力が挙げられ、部分的に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料の特徴は、当該技術分野の通常の知識を有する者によって容易に理解されるやり方で、投入量、回転速度、及び／又は粉砕時間によって変化させることができる。
【００６６】
導電率が向上したＳｉＯｘが第１のプロセス部分１１０で使用されるとき、導電率の向上により、（例えば、導電率が向上したＳｉＯｘが、グラファイトと反応又はグラファイトでコーティングされたＳｉＯｘを含むか又はそのものであるとき）熱伝導率が顕著に改良されたＳｉＯｘをもたらすことができ、このことは、以下で更に詳述するように、ボールミル加工中の熱放散及び熱調節を助けることができる。
【００６７】
第１のプロセス部分１１０は、部分的に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を第２の前リチウム化工程１１４に付すことを更に含み、同工程では、部分的に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料が、圧縮され（例えば、ペレットに圧縮され、又は従来のペレット化機器（すなわち、ペレタイザ）若しくはプレス機又は直接圧縮タブレット化機器によるなどの従来のやり方でペレット化され）、部分的に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料中の未反応リチウムとＳｉＯｘとの反応を完了させるために、全ての未反応リチウムが消失し、かつリチウム拡散によってＳＳＬＣ材料中のケイ化リチウムの向上した均一性又は均一な組成が達成されるまで、リチウム系電解質溶液（例えば、リチウム塩系電解質溶液又は同等のもの）に浸漬される。加えて又は代わりに、部分的に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料は、関連する技術分野の通常の知識を有する者によって理解されるやり方で、例えば、エステル、炭酸塩、又はＬｉイオン電池の電解質溶媒に使用される溶媒などの別のタイプの化学溶液に浸漬することができる。
【００６８】
第２の前リチウム化工程１１４は、第１の前リチウム化工程１１２よりも十分に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成するか又は生じさせる。つまり、第２の前リチウム化工程により、第１の前リチウム化工程１１２によって得られた部分的に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料のリチウム化の程度が、向上、顕著に向上、又は大幅に向上することにより、本質的に完全／十分又は完全／十分に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料が生成される。第２の前リチウム化工程１１４により、ＳＳＬＣ材料は、例えば、（例えば、ボールミル加工単独と比べて）より短い又は顕著若しくは大幅に短縮された時間にわたり、より一層均一又は均一な前リチウム化と、特許文献４の教示によって達成される前リチウム化の程度よりも高い、顕著に高い、又は一層高い前リチウム化の程度とを示す。複数の実施形態において、第１のプロセス部分１１０（すなわち、第２の前リチウム化工程１１４と組み合わせた第１の前リチウム化工程１１２）は、ケイ化リチウムが均一又は概ね均一に内部に分布した、ＳＳＬＣ材料の実質的に完全、本質的に完全又完全な前リチウム化をもたらす。
【００６９】
よって、第２の前リチウム化工程１１４は更に、場合によっては、均一又は非常に均一なやり方でＳＳＬＣ材料を完全に前リチウム化し、このことは、ＳＳＬＣ材料が、ＳＳＬＣ中の自由Ｓｉナノ粒子の大部分がケイ化リチウムを形成するように、最大の体積塑性変形を達成することを可能にする。第２の前リチウム化工程１１４が実施されない場合、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料がアノード活物質としての実際の使用中に充電されるときに、ＳＳＬＣ材料が更に又は大幅に膨張する可能性があり、このことは、不要な体積膨張を生じさせる。加えて、第２の前リチウム化工程１１４によってＳＳＬＣ材料がより十分又は完全に前リチウム化される場合、非晶質であり後に脱リチウム化されるＳＳＬＣ材料中のＳｉナノ粒子が、ＳＳＬＣ材料の体積の過剰な増加を伴わずにリチウムイオンを受けるより大きな容量を有するように、ＳＳＬＣ材料のエネルギー密度及び容量を向上させるか又は最大化／最適化することができる。各種の実施形態において、第１のプロセス部分１１０の後（すなわち、第１及び第２の前リチウム化工程１１２、１１４の完了時）、ＳＳＬＣ材料の前リチウム化の程度は、約２５％〜７５％又は約２５％〜１００％の範囲とすることができる。
【００７０】
第１のプロセス部分１１０に続いて（すなわち、第１及び第２の前リチウム化工程１１２、１１４が行われた後）、各種の実施形態において、ＳＳＬＣ材料生成プロセス１００は、前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を少なくとも１つの脱リチウム化剤が存在する脱リチウム化反応器内で脱リチウム化することにより、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成することを伴う第２のプロセス部分１２０を更に含み、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料には、Ｓｉ：ＬＳＣ基質に非晶質及び／又は結晶質シリコンナノ粒子が埋め込まれ、この基質にはいかなる未反応リチウム及び活性ケイ化リチウムも残らない。第２のプロセス部分１２０は、前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を有機溶媒中又は有機溶媒混合物中に分散させ、分散したリチウム化されたＳＳＬＣ材料を（１又は複数の）脱リチウム化剤と制御可能に反応させることを伴い、脱リチウム化剤は、前リチウム化されたＳＳＬＣ材料がリチウムを喪失することにより、本質的に完全又は完全に（十分に）脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料となるような制御可能なやり方でケイ化リチウムと反応する酸及び／又はアルコールなどである。
【００７１】
（１又は複数の）脱リチウム化剤は、有機酸及び／又は短鎖、中鎖若しくは長鎖アルコールなどの酸及び／又はアルコールを含むことができ、又はそのものとすることができる。（１又は複数の）脱リチウム化剤並びに（１又は複数の）脱リチウム化反応温度範囲及び（１又は複数の）温度は、反応変動性を管理、抑制、又は最小化しながら、リチウムとの制御された又は制御可能な反応性で脱リチウム化反応を進めるように選択される。各種の実施形態において、好適な脱リチウム化剤は、カルボン酸若しくはスルホン酸又は有機アルコールを含むこと又はそのものとすることができる。本開示の特定の実施形態での使用に好適な非限定的な代表的な脱リチウム化剤としては、以下のものが挙げられる：
脱リチウム化剤としての使用に好適な代表的な酸の非網羅的リスト
蟻酸（メタン酸）、ＨＣＯＯＨ（ｐＫａ＝３．８）；酢酸（エタン酸）、ＣＨ３ＣＯＯＨ（ｐＫａ＝４．７）；プロピオン酸（プロパン酸）、ＣＨ３ＣＨ２ＣＯＯＨ（ｐＫａ＝４．９）；酪酸（ブタン酸）、ＣＨ３ＣＨ２ＣＨ２ＣＯＯＨ（ｐＫａ＝４．８）；吉草酸（ペンタン酸）、ＣＨ３ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＣＯＯＨ（ｐＫａ＝４．８）；カプロン酸（ヘキサン酸）、ＣＨ３ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＣＯＯＨ（ｐＫａ＝４．９）；シュウ酸（エタン二酸）、（ＣＯＯＨ）（ＣＯＯＨ）（ｐＫａ＝１．２）；乳酸（２−ヒドロキシプロピオン酸）、ＣＨ３ＣＨＯＨＣＯＯＨ（ｐＫａ＝３．９）；リンゴ酸（２−ヒドロキシブタン二酸）、（ＣＯＯＨ）ＣＨ２ＣＨＯＨ（ＣＯＯＨ）（ｐＫａ＝３．４）；クエン酸（２−ヒドロキシプロパン−１，２，３−トリカルボン酸）、ＣＨ２（ＣＯＯＨ）ＣＯＨ（ＣＯＯＨ）ＣＨ２（ＣＯＯＨ）（ｐＫａ＝３．１）；安息香酸（ベンゼンカルボン酸［ＩＵＰＡＣ］又はフェニルメタン酸、非ＩＵＰＡＣ）、Ｃ６Ｈ５ＣＯＯＨ（ｐＫａ＝４．２）；炭酸（ヒドロキシメタン酸、非ＩＵＰＡＣ名称）、ＯＨＣＯＯＨ又はＨ２ＣＯ３（ｐＫａ＝３．６）；フェノール（石炭酸又はヒドロキシベンゼン、非ＩＵＰＡＣ名称）、Ｃ６Ｈ５ＯＨ（ｐＫａ＝９．９）；尿酸（７，９−ジヒドロ−１Ｈ−プリン−２，６，８（３Ｈ）−トリオン）、Ｃ５Ｈ４Ｎ４Ｏ３（ｐＫａ＝−１．１）；タウリン（２−アミノエタンスルホン酸）、Ｃ２Ｈ７ＮＯ３Ｓ（ｐＫａ＝９．０）；ｐ−トルエンスルホン酸（４−メチルベンゼンスルホン酸）、ＣＨ３Ｃ６Ｈ４ＳＯ３Ｈ（ｐＫａ＝−２．８）；及びトリフルオロメタンスルホン酸（トリフリン酸としても知られる）、ＣＦ３ＳＯ３Ｈ（ｐｋａ＝−１２）。
脱リチウム化剤としての使用に好適な代表的なアルコールの非網羅的リスト
（ａ）一価アルコール：メタノール、ＣＨ３ＯＨ；エタノール、Ｃ２Ｈ５ＯＨ；プロパン−２−オール、Ｃ３Ｈ７ＯＨ；ブタン−１−オール、Ｃ４Ｈ９ＯＨ；ペンタン−１−オール、Ｃ５Ｈ１１ＯＨ；及びヘキサデカン−１−オール、Ｃ１６Ｈ３３ＯＨ、
（ｂ）多価アルコール：エタン−１，２−ジオール、Ｃ２Ｈ４（ＯＨ）２；プロパン−１，２−ジオール、Ｃ３Ｈ６（ＯＨ）２；プロパン−１，２，３−トリオール、Ｃ３Ｈ５（ＯＨ）３；ブタン−１，２，３，４−テトラオール、Ｃ４Ｈ６（ＯＨ）４；ペンタン−１，２，３，４，５−ペントール、Ｃ５Ｈ７（ＯＨ）５；ヘキサン−１，２，３，４，５，６−ヘキソール、Ｃ６Ｈ８（ＯＨ）６；及びへプタン−１，２，３，４，５，６，７−へプトール、Ｃ７Ｈ９（ＯＨ）７、
（ｃ）不飽和脂肪族アルコール：プロパ−２−エン−１−オール、Ｃ３Ｈ５ＯＨ；３，７−ジメチルオクタ−２，６−ジエン−１−オール、Ｃ１０Ｈ１７ＯＨ；及びプロパ−２−イン−１−オール、Ｃ３Ｈ３ＯＨ、
（ｄ）脂環式アルコール：シクロヘキサン−１，２，３，４，５，６−ヘキソール、Ｃ６Ｈ６（ＯＨ）６；及び２−（２−プロピル）−５−メチル−シクロヘキサン−１−オール、Ｃ１０Ｈ１９ＯＨ、
（ｅ）高分子アルコール：ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）［ＣＨ２ＣＨ（ＯＨ）］ｎ。
【００７２】
第２のプロセス部分１２０の後、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料は、約０．５重量％未満のケイ化リチウムを含有することができる。各種の実施形態において、第２のプロセス部分１２０は、不活性環境雰囲気（例えば、アルゴン及び／又は窒素ガス）下で行われ、関連する技術分野の通常の知識を有する者によって容易に理解されるやり方で、脱リチウム化を促進するために攪拌することを伴う。
【００７３】
図２は、本開示のある実施形態による代表的な脱リチウム化反応器２００の模式説明図である。ある実施形態において、脱リチウム化反応器２００は、反応槽２１０；反応槽２１０への管路又は供給路を有する少なくとも１つの脱リチウム化剤ソース又は供給部２１２；反応槽２１０への管路又は供給路を有する不活性ガス供給部（例えば、アルゴンガス供給部）２１４；反応槽２１０からつながる管路又は排気路を有するガス排気部２１５；及び反応槽２１０内に配置された温度検知デバイス（例えば、熱電対）を有する第１の温度プローブ２１６を含む。反応槽２１０は、冷却槽２２０内に配置され、冷却槽は、温度検知デバイス（例えば、熱電対）が内部に配置された第２の温度プローブ２２６に関連付けられるか又は同温度プローブを含む。
【００７４】
図３Ａ〜図３Ｃは、ＳｉＯｘ（ｘ＝１）の代表的な微細構造特徴；本開示のある実施形態により生成された前リチウム化されたＳＳＬＣ材料（例えば、本質的に十分又は完全に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料）の代表的な微細構造特徴；及び本開示のある実施形態により生成された脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料（例えば、本質的に十分又は完全に脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料）の代表的な微細構造特徴をそれぞれ示す説明図である。図１及び図３Ａ〜図３Ｃをふまえると、第１のプロセス部分１１０は、ＳｉＯｘ粉末をリチウム粉末と反応させて、ＳｉＯｘ粉末を顕著、実質的に完全、又は完全に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料に不可逆的に変態又は塑性変形させ；その後に、前リチウム化されたＳＳＬＣ材料は、完全に脱リチウム化されて、非晶質及び／又は結晶質シリコンナノ粒子を担持する多孔性の塑性変形可能なＳｉ：ＬＳＣ基質を生成し、同基質は、当該技術分野の通常の知識を有する者によって容易に理解されるやり方で後に可逆的にリチウム化及び脱リチウム化され得る。よって、本開示のある実施形態による原位置外ＳＳＬＣ材料生成プロセスによって生成された脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料は、リチウムイオン電池のアノード材料として原位置で後に使用されるとき、Ｓｉ：ＬＳＣ基質によって担持されたこれらのシリコンナノ粒子が、アノード材料のリチウム化中及び脱リチウム化中にリチウムインターカレーション位置（又はリチウム「レセプタ位置」及び「ドナー位置」のそれぞれと類似的に）として機能することができる。
【００７５】
本開示の実施形態により生成された脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料において、シリコンナノ粒子を担持するケイ酸リチウムの基質は、ＳＳＬＣ材料の体積変化を大幅又は劇的に抑制又は最小化しながら、リチウムイオンをシリコンナノ粒子（中）へ運ぶ固体電解質と同様又は類似のやり方で挙動する。このことは、本明細書で説明される前リチウム化及び脱リチウム化プロセスによって、及びシリコンナノ粒子の均一な分布及びＳｉ：ＬＳＣ基質の孔隙をアノード材料製造プロセス中に緻密に制御することによって達成される。
【００７６】
図１を再び参照すると、第３のプロセス部分１３０は、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料を従来のやり方でろ過、洗浄、場合によっては乾燥すること、例えば、空気中で乾燥すること、場合によっては負圧下又は真空下で乾燥することなどを伴い、そのような乾燥は、１００〜１２０Ｃの温度で（例えば、オーブン内で）行うことができる。第４のプロセス部分１４０において、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料は、ＬｉＡｌＯ３、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＡｌＦ３、及びＬｉＦのうちの１つ以上などの１つ以上のタイプの材料で従来のやり方でコーティングすることによって、機械的に安定化又は構造的に補強することができる。最後に、第５のプロセス部分１５０において、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料又は機械的に安定化された脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料は、１つ以上の炭素、及び／又はグラファイト、カーボンブラック、グラフェン、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンメガチューブ、カーボンナノリング、及び／又はカーボンナノバッドなどの炭素系材料で従来のやり方で処理、コーティング、又はそれと化合される。いくつかの実施形態において、第５のプロセス部分１５０は、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料又は機械的に安定化された脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料を、炭素系材料を脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料と部分的に融合するＣＶＤによって、炭素系材料（例えば、グラファイト）でコーティングすることを伴う。当該技術分野の通常の知識を有する者は、実施形態の詳細に応じて第５のプロセス部分１５０を第４のプロセス部分１４０の前及び／又は後に行うことができることを認識するであろう。
【００７７】
第５のプロセス部分１５０に続いて、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料は、非水電解質二次電池の負極（アノード）材料として使用することができる。
【００７８】
代表的なＳＳＬＣ材料生成プロセスの更なる態様
上記をふまえると、本開示のある実施形態による微粒子状の脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料を粉末状に生成することができ、同材料は、原子レベルの非晶質及び／又は結晶質シリコンがナノシリコン粒としてそのＳｉ：ＬＳＣ基質中に分散した微細構造を有する。ナノシリコン粒のサイズは典型的に、０．５〜８０ｎｍの範囲であり、Ｓｉ：ＬＳＣ基質は典型的に、１０〜２００ｎｍの粒サイズを示す。ＳＳＬＣ材料粒子、すなわちＳＳＬＣ粉末微粒子は典型的に、１〜１０μｍの平均粒子サイズを有する。各種の実施形態において、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料、すなわち、未反応リチウム又はケイ化リチウムを内部に有していないか又は本質的に有していないＳＳＬＣ材料は、３０〜６０重量％のシリコン；２５〜４０重量％の酸素；及び１０〜２０重量％のリチウムを含有する。
【００７９】
複数の実施形態において、十分に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料は、約３１重量％のシリコン、約３２重量％のリチウム、及び約３５重量％の酸素から成る組成を有し；十分に脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料は、約３７重量％のシリコン、約１８重量％のリチウム、及び約４３重量％の酸素から成る組成を有することができる。
【００８０】
脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料は、ＳｉＯｘ（０．８＜ｘ＜１．６）と典型的に記述される酸化シリコン粉末を金属リチウム粉末と制御された温度で反応させることによって調製することができる。導電率の向上がなければ、ＳＳＬＣ材料は、低い導電率を有する。よって、ＳｉＯｘ及び／又は脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料の表面に炭素又は炭素系材料などの１つ以上のタイプの導電性材料で処理又は反応を施して、それらの導電率を向上させることが推奨される。グラファイトの熱ＣＶＤなどの熱ＣＶＤによって、炭素コーティングを容易に形成することができ、このことは、伝導率を高いレベルに改良する。加えて又は代わりに、グラファイト粉末又はカーボンブラック粉末などの電子伝導性材料と共にＳｉＯｘ粉末をプレミル加工することによって伝導性の高い表面を得ることができる。ＳＳＬＣ粉末中に存在する又はＳＳＬＣ粉末にコーティングされる炭素の量は典型的に、ＳＳＬＣ材料粉末の重量に基づいて３〜２０重量％である。炭素コーティング層は、ＳＳＬＣ材料の表面との化学結合を維持し、大きな体積膨張後でも表面に残ることができる。
【実施例１】
【００８１】
アルゴン保護雰囲気下でヘキサンを分散媒として使用して高エネルギーボールミルマシン内で酸化シリコン粉末（ＳｉＯｘ、０．８＜ｘ＜１．６、Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈ）及び／又は酸化シリコン系粉末をリチウム粉末と共にミル加工した。閉鎖された容器又は小瓶内で不活性ガス（アルゴン）雰囲気下で、関連する技術分野の通常の知識を有する者によって理解される、５、１０、１５及び２０重量％の増分で酸化シリコン及び／又は酸化シリコン系粉末を安定化リチウム粉末ＳＬＭＰ（登録商標）（ＦＭＣ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）と予め混合した（例えば、６ｇのＳｉＯｘを３．８ｇのＳＬＭＰ（登録商標）と予め混合した）。金属リチウムは、粉末状、箔状又は塊状で概ね入手できるが、安定化リチウム粉末ＳＬＭＰ（登録商標）（ＦＭＣ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）の使用が典型的に好ましい。
【００８２】
金属リチウムと予め混合した酸化シリコン及び／又は酸化シリコン系材料をボールミル加工用の容器、器、又は広口瓶（例えば、５０ｍｌ以上の容器）に移し；次いで、効果的な熱放散性能を有するボールミルマシン内でリチウムと反応させるためにボールミル加工した、すなわち機械的に混合した。反応容器は、冷却制御用に設計されたゴム製リングで不活性ガス雰囲気下で完全に密閉されるべきであり、高せん断応力下で混合できるものであるべきである。高エネルギー遊星ボールミルマシンが、そのようなミル加工プロセス用のボールミルマシンの良好な代表例である。例えば、ステンレス鋼製又は酸化ジルコニウム製の所定数のミル加工用ボールを収容する、Ｒｅｔｓｃｈ  ＧｍｂＨ製の遊星ボールミルマシンを使用することができる。ミルは、密閉蓋、ボールの潜在熱放散性、及び高いせん断応力を有する。代表的な実施形態において、ボールミル加工用容器を内部制御温度（例えば、４０〜１５０Ｃ）を維持しながら、順方向及び逆方向それぞれに１０分間回転させた。
【００８３】
ボールミル加工の後、例えば室温まで容器を冷まし、その後に、部分的に前リチウム化されシリコン−酸化シリコン−リチウム複合物（すなわち、部分的にリチウム化されたＳＳＬＣ材料）を容器から取り出した。前リチウム化の程度及び均一性を向上させる又は最大化するために、この部分的に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を、ろ過又は蒸発によるヘキサン除去によって、従来のやり方で後にペレットに圧縮した。ＳｉＯｘ粉末と未反応リチウムとの反応を完了させるために、均一性の向上又は均一な前リチウム化を示す更に実質的に完全又は完全に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成するために、次いでペレットを器内又は容器内に配置し、電解質中又は電解質混合物中に浸漬した。ＳｉＯｘと未反応リチウムとの激しい反応を防止するように温度を制御した。
【００８４】
特に、ＳｉＯｘ粉末などの固体ケイ質材料と金属リチウムとの固体状態での反応において、固体ケイ質材料中へのリチウムの拡散速度は概ね低い。金属リチウムを固体ＳｉＯｘ粉末と均一に反応させることは困難であり、結果として、未反応リチウム、未反応ＳｉＯ２、及び各種のケイ化リチウム及びケイ酸リチウムなどの各種の化学組成物が生成されることがある。このリチウム不足を補償する効果的な一手法は、前リチウム化された粉末をペレットに圧縮し、圧縮したペレットを電解質中又は電解質混合物中に浸漬することである。激しい反応を避けるために、５℃〜室温の温度から始まるように温度を制御した。
【００８５】
向上した実質的に完全又は完全かつ均一に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料のペレットをろ過後に続けてすり鉢内で粉砕し、脱リチウム化反応器２００内でヘキサン中に分散させ、不活性ガス雰囲気（例えば、アルゴンガス）下でパージし、同雰囲気中に維持した。脱リチウム化反応器２００内のこの新たに調製したスラリに、（例えば、脱リチウム化反応器２００内に設けられた自動攪拌器によって）スラリを攪拌しながら、実施例１ではエタノールである脱リチウム化剤を徐々に加えた。ケイ化リチウムがエタノールと反応し、前リチウム化されたＳＳＬＣ材料はリチウムを喪失した。泡の形成が止み、完全に脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料が生成されたことを示すまで、エタノールを加えた。完全に脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料を従来のやり方で後でろ過及び洗浄した。ろ過及び洗浄の後、粉末は、機械的安定化のためにＬｉＡｌＯ３、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＡｌＦ３、ＬｉＦ、及び／又は（１又は複数の）他の材料で（例えば、約２０〜５０ｎｍ又は約３０ｎｍのコーティング厚さで）コーティングすること、及び／又は乾燥され、ＣＶＤによって炭素（例えば、グラファイト）でコーティングすることができる。
【００８６】
前リチウム化されたＳＳＬＣ材料の生成を再び参照すると、ソース酸化シリコン（ＳｉＯｘ、０．８＜ｘ＜１．６）及び／又は酸化シリコン系材料を、所定又は所望のサイズ分布に達するまで高エネルギーボールミル加工によってミル加工した。その結果、それは、不活性ガス雰囲気中でのボールミル加工プロセスによって金属リチウム粉末と反応した。反応は激しい発熱を伴うので、それは、容易に発火し、Ｓｉ及びＳｉＯ２の顕著な粒子成長及び不均化反応時の電気化学活性のロスをもたらすことがある。未反応ＳｉＯ２相の成長を制御するために、反応容器の温度は、１５０℃未満に制御されるべきである。
【００８７】
ＳｉＯｘ（ｘ＝１）は、ナノスケールではＳｉ及びＳｉＯ２の混合物である。内部の結晶Ｓｉの体積が３３％であるので、ＳｉＯｘは、ナノ結晶Ｓｉ粒子がＳｉＯ２の基質に埋め込まれた構造を有する。
【００８８】
２ＳｉＯ２は、（４＋ｙ）Ｌｉと反応するときに、以下のようにＬｉｙＳｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４複合物を形成する：
４ＳｉＯ＋（４＋３ｙ）Ｌｉ→２ＬｉｙＳｉ＋ＬｉｙＳｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４  リチウム化中    （４）
ここで、ＬｉｙＳｉはナノ粒子の形態であり、ＬｉｙＳｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４は、ＬｉｙＳｉナノ粒子を担持する基質の形態である。脱リチウム化が行われるとき、
２ＬｉｙＳｉ＋ＬｉｙＳｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４→２Ｓｉ＋Ｓｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４  脱リチウム化中    （５）
ここで、Ｓｉはナノ粒子の形態であり、Ｓｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４は、Ｓｉナノ粒子を担持する基質の形態である。
【００８９】
リチウム化中／脱リチウム化中、ＬｉｙＳｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４及びＳｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４は、特定のリチウム化レベル（例えば、最大で約５０％の限度）で基質として存在することができる。反応が発火状態に進む場合、基質由来のケイ化リチウム（ＬｉｙＳｉ）は、ケイ化リチウムナノ粒子に凝集することができる。結果として、ケイ化リチウム粒子は成長することができる。これは、ＬｉｙＳｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４の基質が、ケイ化リチウム粒子へとケイ化リチウムを喪失するためである。このことは、リチウム化中及び脱リチウム化中に大きなシリコン粒子に起因する大きな体積変化を生じさせ、サイクル性能を低下させる。したがって、１５０Ｃを超えない温度でＳｉＯｘとのリチウムの反応を行うことが重要である。
【００９０】
ＳＬＭＰ（登録商標）とのボールミル加工の前に、熱伝導率を向上させる材料で前処理又は前コーティングされたＳｉＯｘを使用することにより、ボールミル加工中のボールミル加工用容器内での熱放散及び温度制御を改良することができる。例えば、ＳｉＯｘは、炭素又はグラファイトなどの炭素系材料で（例えば、上で述べたようなボールミル加工及び／又はＣＶＤによって）前処理又は前コーティングすることができ、このことは同時に、ＳｉＯｘの導電率及び熱伝導率を高める。更に、改良された熱放散及び良好な温度制御によって、制御されていない加熱及びＳｉＯ粉末の凝集の有害な効果を伴わずに、所与の量のそのような前処理／前コーティングされたＳｉＯｘと共に、より多量のリチウム粉末をボールミル加工することができる。例えば、ＳｉＯｘが炭素又はグラファイトなどの炭素系材料で前処理又は前コーティングされるとき、ＳＬＭＰ（登録商標）を１０％増分追加する代わりに、ＳＬＭＰを約２５％増分追加することができる。
【００９１】
ＳｉＯｘアノードのリチウム化中、ＬｉｙＳｉ相の体積増加は、ＬｉｙＳｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４の基質中のＬｉ４ＳｉＯ４相を塑性変形させる。基質中のＬｉ４ＳｉＯ４に対するＬｉ４．４Ｓｉの体積比が１であるので、Ｌｉ４ＳｉＯ４相は、ｙが４．４に近いときに基質として存在し得ない。脱リチウム化中、ＬｉｙＳｉはリチウムを喪失し、その体積は急速に減少する。しかし、塑性変形したＬｉ４ＳｉＯ４は、実質的又は本質的に変化しないままであるか、特定のレベルで同じに留まり、非常に多孔性になる。このことは、脱リチウム化の前後の体積変化が、Ｌｉ４ＳｉＯ４相の塑性変形によってどのように最小化されるかを説明する。上の反応（４）は、２ＬｉｙＳｉナノ粒子がＬｉｙＳｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４の基質に埋め込まれることを示す。ｙが４．４に近いと、ＬｉｙＳｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４に対する２ＬｉｙＳｉの体積比が１となり、２ＬｉｙＳｉの体積増加は、ＬｉｙＳｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４相の大きな塑性変形にも寄与し、より大きな恒久的欠陥を基質中に残す。このメカニズムは、リチウム化されたＳｉＯｘアノードの体積変化が、リチウム化／脱リチウム化中に顕著に抑制又は最小化できることを示す。結果として、双方ともに伝導性炭素で良好にコーティングされるときに、ミクロンサイズのＳｉＯｘアノードが概して、ミクロンサイズのシリコンアノードよりも非常に良好なサイクル性能を示す。
【００９２】
塑性変形したＬｉｙＳｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４は、脆弱であることがあり、多くのサイクルにわたるリチウム化／脱リチウム化サイクルにより崩壊することがある。サイクル中の基質の機械的特性を向上させるために、ＬｉＡｌＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＡｌＦ３、ＬｉＦ、ＳｉＯ２、及び／又は１つ以上の他の種類の金属酸化物などの（１又は複数の）ナノ膜で、ＬｉｙＳｉの脱リチウム化後に脱リチウム化されたＳＳＬＣ粉末をコーティングすることができる。コーティング層は、脱リチウム化されたＳＳＬＣアノードの表面の欠陥を満たし、それらの機械的安定性をサポートすることができる。また、コーティング層は、形成を助け、場合によっては、リチウムイオン電池セル内のアノード−電解質界面に形成される固体電極相間（ＳＥＩ）層の安定性を向上させることができる。更にまた、コーティング層は、本開示のある実施形態による脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料を使用して作られたＬｉイオン電池セルアノードが、時間の経過と共に行われる多くの充電／放電又はリチウム化／脱リチウム化サイクル（又はそれに応じた膨張／収縮サイクル）を通じて、十分に導電性のままである可能性を高める。
【００９３】
脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料の伝導率を改良又は更に改良するために、熱ＣＶＤによって、具体的には、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料が存在するＣＶＤチャンバを６００〜９００℃の温度に加熱し、有機物のガス又は蒸気をＣＶＤチャンバ内に供給することによって、（１又は複数の）炭素及び／又は炭素系材料を脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料粒子に適用することができる。伝導性炭素は、８００℃未満で複合物粒子の表面に不十分に融合することがある。しかし、特定の温度を超えると、ＳｉＯｘ構造のＳｉＯ２の基質に埋め込まれた結晶Ｓｉ粒子がＳｉ：Ｌｉ４ＳｉＯ４基質由来のシリコン相と共に凝集することがあり、次いで結晶質シリコンが成長することがある。このことは、サイクル性能を低下させる。結果として、ＣＶＤチャンバの温度は、８００〜９５０℃の範囲に留めるべきである。
【００９４】
ＣＶＤによって炭素をコーティングするために使用される有機材料は、不活性雰囲気下の上記の温度範囲で熱分解することによって炭素（グラファイト）を形成できる材料から選択することができる。そのような炭素を形成できる炭化水素の例としては、非限定的に、メタン、エタン、エチレン、アセチレン、プロパン、ブタン、ブテン、ペンタン、イソブタン、及びヘキサン単独又はそれらの混合物；アルコール、及びベンゼン、トルエン、キシレン、スチレン、エチルベンゼン、ジフェニルメタン、ナフタレン、フェノール、クレゾール、ニトロベンゼン、クロロベンゼン、インデン、クマロン、ピリジン、アントラセン、及びフェナントレン単独又はそれらの混合物などの単環〜三環の芳香族炭化水素、コールタール又はその副生成物、蔗糖、デンプン又はそれらの派生物が挙げられる。大きな炭化水素側鎖を有する有機高分子又は高分子若しくはオリゴマーシロキサンを炭素源として代わりに使用することができる。
【００９５】
脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料粉末は、高容量、良好なサイクル性能及び第１のサイクルからの低い不可逆容量を有する非水電解質二次電池、特にリチウムイオン二次電池を構成するために、負極材料として使用することができる。正極活物質は、ＬｉＣｏＯ２、リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物（ＮＣＭ）、リチウム過剰ＮＣＭ、アルミニウムでドープされたリチウムニッケルコバルト酸化物、及びスピネル型リチウムマンガン酸化物などの市販のカソードから選択することができる。ここで使用される電解質は、非水溶液状の過塩素酸リチウム、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ６、及びＬＩＴＦＳＩ（リチウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド）のうちの１つ以上などのリチウム塩とすることができる。非水溶媒の例としては、単独又は混合物での、プロピレン炭酸塩、エチレン炭酸塩、ジメトキシエタン、ガンマ−ブチロラクトン及び２−メチルテトラヒドロフランが挙げられる。
【実施例２】
【００９６】
第２の実施例が以後で説明され、同実施例は、本明細書中の説明をふまえて関連する技術分野の通常の知識を有する者によって容易に理解されるやり方で、実施例１について上で説明したのと類似又は実質的に同一のやり方で行われる。
【００９７】
ＳｉＯｘ粉末（ＳｉＯｘ、０．８＜ｘ＜１．６、Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈ）をエタノール溶媒中で最大で５時間ボールミル加工した。ＳｉＯｘ粒子サイズが〜６ｕｍに低減した後、エタノールを蒸発させ、平均粒子サイズ（Ｄ５０）が２３μｍであるＭａｇｅ３グラファイト粉末（Ｈｉｔａｃｈｉ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏ．Ｌｔｄ．、Ｔｏｋｙｏ、Ｊａｐａｎ）などのグラファイト粉末を加えた。ＳｉＯｘ粒子及びグラファイト粉末を更に２時間ボールミル加工し、よって、ＳｉＯｘ系粉末、すなわち、本開示のある実施形態による前リチウム化が予定されるＳｉＯｘ／グラファイト粉末を生成した。次に、ＳＬＭＰ（登録商標）粉末（ＦＭＣ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）をボールミル加工用容器に加え、更に３０分間のボールミル加工により、元のＳｉＯｘ／グラファイト粉末の部分的な前リチウム化及び部分的に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料の生成がもたらされた。部分的に前リチウム化されたＳｉＯｘ／グラファイト粉末を次に、ろ過又は蒸発によるヘキサン除去によって従来のやり方でペレットに圧縮した。ＳｉＯｘ粉末と未反応リチウムとの反応を完了させることにより、均一、本質的に均一、又は実質的に均一な分布のケイ化リチウムを内部に有する、向上した実質的に完全又は完全に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成するために、次いでペレットを器内又は容器内の電解質中又は電解質混合物中に浸漬した。
【００９８】
完全に脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料粉末を生成するために上で述べたやり方で脱リチウム化反応器２００内で脱リチウム化を行った。最初に遠心分離、続いて周囲空気の流れを使用してエタノール／粉末スラリを乾燥させた。乾燥した脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料粉末をＮＭＰ溶媒中でカーボンブラック及びバインダと混合し、Ｌｉイオン電池用の負極として使用するためにＣｕ箔上に投じ、後に真空オーブン内で２５０℃で乾燥させた。
【００９９】
代表的な反復的な原位置外前リチウム化−脱リチウム化シーケンスの態様
図４は、本開示のある実施形態による反復的な原位置外前リチウム化−脱リチウム化シーケンスを用いて体積変化補償型又は体積変化安定型のＳＳＬＣ材料、材料構造、又は組成物を生成又は製造するための代表的なプロセス１０１のフロー図である。図４において図１と関連する参照番号は、関連する技術分野の通常の知識を有する者によって容易に理解されるやり方での、同じ、類似、又は同様の材料を伴う、同じ、類似、又は同様のプロセス部分／工程を示し、図１に対して図４に対応するプロセス部分／工程及び／又は材料の特定の違いについて以下で述べる。
【０１００】
各種の代表的な実施形態において、反復的な原位置外ＳＳＬＣ材料生成プロセス１０１は、前リチウム化されたＳＳＬＣ材料が生成される第１のプロセス部分１１０と；この前リチウム化されたＳＳＬＣ材料が脱リチウム化される第２のプロセス部分１２０と；（第１のプロセス部分１１０及び第２のプロセス部分１２０による）ＳＳＬＣ材料の前リチウム化及び脱リチウム化の反復的な繰り返しが、選択され又は選択可能であり、制御可能に繰り返される反復制御部分１７０と；脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料がろ過、洗浄、及び乾燥される第３のプロセス部分１３０と；場合によっては、機械的又は構造的な完全性又は安定性を向上させる目的で、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料が１つ以上の材料でコーティングされる第４のプロセス部分１４０と；典型的に、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料又は機械的に安定化されたＳＳＬＣ材料が、導電率を向上させるために１つ以上の炭素又は炭素系材料などの１つ以上の導電性材料でコーティング又はそれと化合される第５のプロセス部分１５０とを含む。
【０１０１】
第１のプロセス部分１１０は、第１又は最初の前リチウム化工程１１２、場合によって、選択的又は典型的に、それに続く第２又は後続の前リチウム化工程１１４によって、前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成する。第１の前リチウム化工程１１２は、部分的に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成する。中間工程１１３が、第１の前リチウム化工程１１２で生成された部分的に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を、更に又は十分／完全に前リチウム化するかどうかを判定する。中間工程１１３は、実施形態の詳細に応じて自動化、半自動化、又は手動化することができる。自動化又は半自動化された実施形態において、中間工程１１３は、当該技術分野の通常の知識を有する者によって容易に理解されるやり方で、例えば、メモリなどのコンピュータ可読媒体に記憶されたプログラム命令によって、規定又は制御することができ、処理ユニット（例えば、マイクロプロセッサ若しくはマイクロコントローラ、又は同等若しくは類似のもの）を有するコンピュータ又はコントローラによって実行することができる。第１の前リチウム化工程１１２で生成されたＳＳＬＣ材料が更に／完全に前リチウム化される場合、第２の前リチウム化工程１１４は、先行技術と比べて、より高い顕著に向上した実質的に完全又は完全な程度の前リチウム化を示すＳＳＬＣ材料を生成する。そうでなければ、第２の前リチウム化工程１１４は、以下で更に詳述するように、反復的な原位置外前リチウム化−脱リチウム化シーケンスの一部として少なくとも１回行われていれば、省略することができる。
【０１０２】
第１の前リチウム化工程１１２において、粉末状のＳｉＯｘ、伝導率が向上したＳｉＯｘ、及び／又は従前に生成された脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料を、安定化リチウム粉末（例えば、ＦＭＣ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、Ｃｈａｒｌｏｔｔｅ、ＮＣ  ＵＳＡ、ｗｗｗ．ｆｍｃｌｉｔｈｉｕｍ．ｃｏｍ製のＳＬＭＰ（登録商標））などの金属リチウムと混合して、化合して、及び／又は反応させて、粉末状の部分的に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成することができる。第１の前リチウム化工程１１２は、上で説明したものと同様、概ね類似、類似、実質的に同一、本質的に同一、又は同一とすることができる。関連する技術分野の通常の知識を有する者によって容易に理解されるような従来の方法で、例えば、炭素、又はグラファイト、カーボンブラック、グラフェン、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンメガチューブ、カーボンナノリング、及び／又はカーボンナノバッドなどの炭素系材料のような１つ以上の導電性材料でＳｉＯｘ粉末及び／又はＳＳＬＣ材料を処理、コーティング、又はそれと化合することにより、第１の前リチウム化工程１１２で使用するために、又は同工程の一部として、伝導率が向上したＳｉＯｘ、伝導率が向上したＳＳＬＣ材料、及び／又は更に伝導率が向上したＳＳＬＣ材料を生成することができる。一部の実施形態において、１つ以上の炭素又は炭素系材料と共にＳｉＯｘ及び／又はＳＳＬＣ材料をボールミル加工することにより、炭素又は炭素系粒子を、ボールミル加工中に生成された凝集したＳｉＯｘ粒子及び／又はＳＳＬＣ材料に進入させ得る又はその一部にし得ることで、伝導率が向上したＳｉＯｘ及び／又は伝導率が向上した若しくは更に伝導率が向上したＳＳＬＣ材料が生成される。そのようなボールミル加工は、上で示したボールミル加工と同様、概ね類似、類似、実質的に同一、本質的に同一、又は同一の工程によって行うことができる。加えて又は代わりに、炭素又は炭素系材料とリチウム粉末との反応の前にＳｉＯｘ粉末上及び／又はＳＳＬＣ材料粉末上に堆積させる、熱ＣＶＤなどの別の技術によって、第１の前リチウム化工程１１２で使用するために伝導率が向上したＳｉＯｘ、及び／又は伝導率が向上したＳＳＬＣ材料若しくは更に伝導率が向上したＳＳＬＣ材料を生成することができる。
【０１０３】
ＳｉＯｘ、伝導率が向上したＳｉＯｘ粉末、ＳＳＬＣ材料、伝導率が向上したＳＳＬＣ材料、及び／又は更に伝導率が向上したＳＳＬＣ材料と安定化リチウム粉末との反応は、不活性ガス雰囲気（例えば、アルゴン雰囲気又はヘリウム含有雰囲気）で高いせん断応力を加え、反応中に発生した熱の効果的な放散をもたらす、温度制御された混合／反応デバイスを用いて実施することができる。そのような反応デバイスは、粉末状の１つ以上の材料（例えば、ＳｉＯｘ及び／又はＳＳＬＣ系材料）が安定化リチウム粉末と混合される、熱調節された又は熱伝導性の反応容器、器、又は広口瓶を有する、上で示したようなボールミルとすることができる。部分的にリチウム化されたＳＳＬＣ材料の特徴を左右又は決定し得る、混合／反応デバイスの関連パラメータとしては、反応中の放熱、伝熱、及びせん断応力が挙げられ、部分的にリチウム化されたＳＳＬＣ材料の特徴は、当該技術分野の通常の知識を有する者によって容易に理解されるやり方で、投入量、回転速度、及び／又は粉砕時間によって変化させることができる。
【０１０４】
導電率が向上したＳｉＯｘ及び／又は導電率が向上したＳＳＬＣ材料が第１のプロセス部分１１０で使用されるとき、導電率の向上は、上で説明したのと本質的に同一又は類似のやり方でボールミル加工中の熱放散及び熱調節を助けることができる、熱伝導率が顕著に改良された材料をもたらすことができる。
【０１０５】
第２の前リチウム化工程１１４において、部分的に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料が、圧縮され（例えば、ペレットに圧縮され、又は従来のペレット化機器（すなわち、ペレタイザ）若しくはプレス機又は直接圧縮タブレット化機器によるなどの従来の方法でペレット化され）、部分的にリチウム化されたＳＳＬＣ材料中の未反応リチウムとＳｉＯｘとの反応を完了させるために、全ての未反応リチウムが消失し、かつリチウム拡散によってＳＳＬＣ材料中のケイ化リチウムの向上した均一性又は均一な組成が達成されるまで、リチウム系電解質溶液（例えば、リチウム塩系電解質溶液又は同等のもの）に浸漬される。部分的に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料は代わりに、関連する技術分野の通常の知識を有する者によって理解されるやり方で、例えば、エステル、炭酸塩、又はＬｉイオン電池の電解質溶媒に使用される溶媒などの別のタイプの化学溶液に浸漬することができる。
【０１０６】
第２の前リチウム化工程１１４の後、得られたＳＳＬＣ材料は、例えば、（例えば、ボールミル加工単独と比べて）より短い、又は大幅若しくは顕著に短縮された時間にわたり、より一層均一又は均一な前リチウム化と、特許文献４の教示によって達成される前リチウム化の程度よりも高い、顕著に高い、又は一層高い前リチウム化の程度とを示す。複数の実施形態において、完全な第１のプロセス部分１１０（すなわち、第２の前リチウム化工程１１４と組み合わせた第１の前リチウム化工程１１２）は、ケイ化リチウムが均一又は概ね均一に内部に分布したＳＳＬＣ材料の実質的に完全、本質的に完全又は完全な前リチウム化をもたらす。
【０１０７】
第２の前リチウム化工程１１４は更に、場合によっては、均一又は非常に均一なやり方でＳＳＬＣ材料を完全に前リチウム化し、このことは、ＳＳＬＣ中の自由Ｓｉナノ粒子の大部分がケイ化リチウムを形成するように、ＳＳＬＣがＳＳＬＣ材料の最大の体積塑性変形を達成することを可能にする。第２の前リチウム化工程１１４が反復的な原位置外前リチウム化−脱リチウム化シーケンス中に少なくとも１回実施されない場合、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料がアノード活物質としての実際の使用中に充電されるときに、ＳＳＬＣ材料が更に又は大幅に膨張する可能性があり、このことは、不要な体積膨張を生じさせる。加えて、第２の前リチウム化工程１１４によってＳＳＬＣ材料がより十分又は完全にリチウム化される場合、非晶質の脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料中のＳｉナノ粒子が、ＳＳＬＣ材料の体積の過剰な増加を伴わずにリチウムイオンを受けるためのより大きな容量を有するように、ＳＳＬＣ材料のエネルギー密度及び容量を向上させる又は最大化／最適化することができる。各種の実施形態において、第１のプロセス部分１１０の後（すなわち、第１及び第２の前リチウム化工程１１２、１１４の完了時）、ＳＳＬＣ材料の前リチウム化の程度は、約２５％〜７５％又は約２５％〜１００％の範囲とすることができる。
【０１０８】
ＳＳＬＣ材料生成プロセス１０１は、前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を脱リチウム化反応器２００内で脱リチウム化することにより、Ｓｉ：ＬＳＣ基質に非晶質及び／又は結晶質シリコンナノ粒子が埋め込まれ、いかなる未反応リチウム及び活性ケイ化リチウムも残っていない脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成することを伴う、第２のプロセス部分１２０を更に含む。各種の実施形態において、第２のプロセス部分１２０は、リチウム化されたＳＳＬＣ材料を有機溶媒中又は有機溶媒混合物中に分散させ、この分散したリチウム化されたＳＳＬＣ材料を、前リチウム化されたＳＳＬＣ材料がリチウムを喪失することにより、本質的に完全、完全、又は十分に脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料となるようなやり方で、ケイ化リチウムと反応する少なくとも１つの脱リチウム化剤（例えば、上で示したような酸及び／又はアルコールなど）と制御可能に反応させることを伴う。例えば、第２のプロセス部分１２０の後、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料は、約０．５重量％未満のケイ化リチウムを含有することができる。各種の実施形態において、第２のプロセス部分１２０は、（１又は複数の）脱リチウム化剤が加えられるときに分散したＳＳＬＣ材料を攪拌しながら、前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を不活性雰囲気（例えば、アルゴンガス）下で脱リチウム化することを伴う。
【０１０９】
第２のプロセス部分１２０に続いて（すなわち、第１及び第２の前リチウム化工程１１２，１１４が行われ、ＳＳＬＣ材料が脱リチウム化された後に）、反復制御部分１７０は、直前又は従前に生成されたＳＳＬＣ材料の前リチウム化及び脱リチウム化を繰り返すかどうか、すなわち、場合によっては、ＳｉＯｘ粉末の更なる追加と関連するか又は組み合わせて、（第１及び第２のプロセス部分１１０、１２０によって）ＳＳＬＣ材料の別の前リチウム化−脱リチウム化の繰り返しを行うかどうかを判定する。特に、第１のプロセス部分１１０が繰り返されるかどうかを第１の制御工程１７２が判定することができる。そうであれば、プロセス１０１は、第１のプロセス部分１１０（例えば、第１の前リチウム化工程１１２）に戻る。そうでなければ、完全／十分又は本質的に完全／十分にリチウム化されたＳＳＬＣ材料が少なくとも一度は生成されたかどうかを第２の制御工程１７４が判定し、例えば、第２の制御工程１７４は、第１の前リチウム化工程１１２の後に少なくとも１回、第２の前リチウム化工程１１４が行われたかどうかを判定する。そうでない場合、プロセス１０１は、第２の前リチウム化工程１１４が行われ得るように、第１のプロセス部分１１０に（例えば、第１の前リチウム化工程１１２に）戻り；そうでなければ、プロセス１０１は、第３のプロセス部分１３０に進むことができる。反復制御部分１７０の態様は、実施形態の詳細に応じて自動化、半自動化、又は手動化することができる。関連する技術分野の通常の知識を有する者によって容易に理解されるやり方で、反復制御部分１７０の自動化された態様を、メモリなどのコンピュータ可読媒体に記憶されたプログラム命令セットによって規定又は確立することができ、処理ユニット（例えば、マイクロプロセッサ若しくはマイクロコントローラ、又は同等若しくは類似のもの）を有するコンピュータ又はコントローラによって実行可能とする／実行することができる。
【０１１０】
実施形態の詳細に応じて、反復的な前リチウム化−脱リチウム化による体積変化補償型又は体積変化安定型のＳＳＬＣ材料又は反復的な原位置外ＳＳＬＣ材料生成プロセス１０１によるＳＳＬＣ材料の生成は、全体プロセス１０１の少なくとも１つのサイクル繰り返しが、完全又は本質的に完全にリチウム化されたＳＳＬＣ材料を生成する限り、第１のサイクル繰り返し若しくは各サイクル繰り返しにより完全又は本質的に完全に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料の形成、又は１つ以上のサイクル繰り返しにより部分的にのみ前リチウム化されたＳＳＬＣ材料の生成を伴うことができる。また、一部の実施形態において、反復的な原位置外ＳＳＬＣ材料生成プロセス１０１によるＳＳＬＣ材料の反復的な前リチウム化−脱リチウム化により、１つの反復的な繰り返しから次の繰り返しへと漸進的に高まる前リチウム化を有する（１又は複数の）ＳＳＬＣ材料を（例えば、逐次又は連続的に）生成することができる。一般的に、本開示による反復的な原位置外ＳＳＬＣ材料生成プロセス１０１の実施形態は、１つの反復的な繰り返しから次の繰り返しへと同一の又は異なる程度の前リチウム化を有する（１又は複数の）ＳＳＬＣ材料を生成することができる。例えば、連続的に生成される前リチウム化されたＳＳＬＣ材料は、反復的な原位置外前リチウム化−脱リチウム化プロセスの１つの繰り返しから後の繰り返し又は連続的な繰り返しへと連続的に高まる前リチウム化を示すことができる。
【０１１１】
本開示の実施形態による、ＳＳＬＣ材料の繰り返される又は反復的な原位置外前リチウム化−脱リチウム化は、そのような前リチウム化−脱リチウム化（例えば、各繰り返しについて漸進的なやり方で）に付されるＳＳＬＣ材料の細孔又は空隙を含む部分の全体的な体積減少又は体積収縮をもたらすことができ、それにより、非体積変化補償型若しくは非体積変化安定型のＳＳＬＣ材料又は原位置外前リチウム化−脱リチウム化の複数の繰り返しに付されなかった（１又は複数の）他の材料を使用して製作されたアノードと比べて、体積変化補償型又は体積変化安定型のＳＳＬＣ材料が製作時アノードに採用されるときに、製作時アノードが、初期又は最初の電池セルの充電−放電サイクル中に抑制された又は最小限の／最小化された体積変化を示すことができるようになっている。
【０１１２】
その結果、アノード製作の前に原位置外前リチウム化−脱リチウム化の複数の繰り返しに付された、本開示のある実施形態による体積変化補償型又は体積変化安定型のＳＳＬＣ材料で製作されたアノードは、所期又は目標の容量に対して抑制された若しくは最小のサイズ若しくは体積、又は所期若しくは目標の製作時アノードのサイズに対して向上した容量を示すことができる。それに応じて、本開示のある実施形態による原位置外前リチウム化−脱リチウム化の複数の繰り返しに付された、体積変化補償型又は体積変化安定型のＳＳＬＣ材料で作られた製作時アノードを内部に有する電池セル又は電池は、所期若しくは目標の容量に対して抑制された若しくは最小のパッケージサイズ若しくは体積、又は所期若しくは目標の電池パッケージ若しくは容器サイズ若しくは体積に対して向上した容量を示すことができる。
【０１１３】
代表的な実施形態において、体積変化補償型又は体積変化安定型のＳＳＬＣ材料の生成プロセス１０１は、３〜１２（例えば、３〜１０又は４〜８）の前リチウム化−脱リチウム化の繰り返しを含むことができる。
【０１１４】
本開示のある実施形態により生成された非体積変化補償型又は非体積変化安定型のＳＳＬＣ材料と比べて、本開示のある実施形態により生成された体積変化補償型又は体積変化安定型のＳＳＬＣ材料が、５〜５０％以上、例えば、１５％〜４５％、２０％〜４０％、又は２５％〜３５％の体積変化の減少を示すことができる。一部の実施形態において、リチウムイオン電池セル内の負極活物質として原位置で使用されるとき、本開示のある実施形態により生成された体積変化補償型又は体積変化安定型のＳＳＬＣ材料は、リチウム化（充電）と脱リチウム化（放電）との間で約３．５〜３０％以下（例えば、平均して約１０〜２５％以下又は約７．５〜２０％以下）の体積変化を示すことができる。
【０１１５】
第３のプロセス部分１３０は、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料を従来のやり方でろ過、洗浄、場合によっては乾燥すること、例えば、空気中で乾燥すること、場合によっては負圧下又は真空下で乾燥することなどを伴い、そのような乾燥は、１００〜１２０Ｃの温度で（例えば、オーブン内で）行うことができる。第４のプロセス部分１４０において、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料は、１つ以上のＬｉＡｌＯ３、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＡｌＦ３、及びＬｉＦのうちの１つ以上のタイプの材料で従来のやり方でコーティングすることによって、機械的に安定化又は構造的に補強することができる。最後に、第５のプロセス部分１５０において、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料又は機械的に安定化された脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料は、１つ以上の炭素、及び／又はグラファイト、カーボンブラック、グラフェン、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンメガチューブ、カーボンナノリング、及び／又はカーボンナノバッドなどの炭素系材料で、従来のやり方で処理、コーティング、又はそれと化合される。いくつかの実施形態において、第５のプロセス部分１５０は、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料又は機械的に安定化された脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料をＣＶＤによって炭素系材料（例えば、グラファイト）でコーティングすることを伴い、このことは、炭素系材料を脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料と部分的に融合する。当該技術分野の通常の知識を有する者は、実施形態の詳細に応じて第５のプロセス部分１５０を第４のプロセス部分１４０の前及び／又は後に行うことができることを認識するであろう。
第５のプロセス部分１５０に続いて、脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料は、例えば、アノード製作又は製造プロセスに関連して、非水電解質二次電池の負極（アノード）材料として使用することができる。
【０１１６】
上記をふまえると、いくつかの実施形態において、本開示のいくつかの実施形態による反復的な原位置外前リチウム化−脱リチウム化プロセスは：例えば、ＳｉＯｘソース材料を安定化金属リチウム粉末と反応させることによって、最初に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料をＳｉＯｘソース材料から供給又は生成することと；続いて、この最初に前リチウム化されたＳＳＬＣ材料を脱リチウム化することと；続いて、場合によっては、追加のＳｉＯｘソース材料の前リチウム化及び／又は他の従前に脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料の再度の前リチウム化の存在下で、又はそのような前リチウム化及び／又は再度の前リチウム化と組み合わせて、この直前に脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料を再び前リチウム化すること（すなわち、この直前に脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料にリチウムを再び導入すること、又はこの直前に脱リチウム化されたＳＳＬＣ材料を再び少なくとも部分的に前リチウム化すること）と；続いて、この直前に生成された再び前リチウム化されたＳＳＬＣ材料及び新たに前リチウム化された任意のＳＳＬＣ材料を脱リチウム化することと；場合によっては、更に続いて、上記の前リチウム化−脱リチウム化繰り返しのうちの１つ以上とを伴う。反復的な原位置外前リチウム化−脱リチウム化プロセス中、プロセスは、十分、完全、又は本質的に完全に（ａ）想定している（１又は複数の）全てのＳＳＬＣ材料を少なくとも１回前リチウム化し；（ｂ）想定している全てのＳＳＬＣ材料をプロセスの最終的な脱リチウム化部分中に脱リチウム化して、場合によっては、更に伝導率を向上させ得る；場合によっては、物理的又は構造的に機械的に補強又は安定化され得る；アノード製造プロセス中にアノードの一部を形成するために後に使用され得る、最終的な体積安定型又は体積補償型のＳＳＬＣ材料を生成する。
【０１１７】
図５Ａ〜図５Ｂは、本開示のある実施形態による体積変化補償型又は体積変化安定型のＳＳＬＣ材料の生成中又は製造中に体積変化又は膨張が抑制、補償、又は安定化される、予想又は期待される代表的なメカニズムの説明図である。図５Ａ〜図５Ｂに示され、本明細書中の関連文章に記載される予想又は期待されるメカニズムは、説明の目的で及び理解を助けるために提示されるものであり、本開示の態様を限定するもの又は本開示の態様に結びつけるものと解釈されるべきではない。
【０１１８】
図５Ａに示されるように、前リチウム化−脱リチウム化の複数の繰り返しによるか又はその結果として、多孔性のケイ酸リチウム基質の孔隙が増加し、多孔性基質中の前リチウム化された粒子と、脱リチウム化された粒子との間の平均サイズ比又は平均サイズ差が減少する。さらに、多孔性基質中の孔隙の分布は、説明の目的で同じ又は本質的に同じ全体的な多孔性条件下で、例えば、図５Ｂに示される代表的なやり方で、変化することがある。小さい（より小さい）細孔が核を成すことができ、表面積を減少させるために、より大きな細孔を発生させるように、一部のより小さい細孔を消費又は集積させることができる。ケイ化リチウムは、リチウム化されるときに「柔らかく」かつ圧縮下にあるので、多孔性基質中において、より大きな細孔が、より小さな細孔と比べて、より多くの割合又は数でＬｉＳｉ粒子によって占められることで、材料応力が解放される（例えば、優先的にＬｉＳｉが、より大きな細孔中に自発的に移動することにより、多孔性基質にかかる圧力を解放する）。
【０１１９】
更に上記の説明をふまえて、本開示のある実施形態による原位置外ＳＳＬＣ材料製作プロセス（例えば、図４のプロセス１０１）によって、ＳＳＬＣ材料の体積塑性変形の程度、度合い又は尺度が、前リチウム化−脱リチウム化プロセス部分の複数の繰り返しを通じて、ＳＳＬＣ材料の最高程度の体積塑性変形から、ＳＳＬＣ材料のより低い／抑制された又は最小／最小の達成可能な程度の体積塑性変形へ漸進的に低下することがある。
【０１２０】
よって、従来のＳＳＬＣ材料を採用するアノード構造若しくはアノード、又は（例えば、図１のプロセス１００による）単一の完全な前リチウム化プロセス部分及び単一の完全な脱リチウム化プロセス部分によって原位置外で（すなわち、アノード構造又はアノードに採用する又は使用する前に）生成されたＳＳＬＣ材料を採用するアノード構造若しくはアノードと比べて、（例えば、図４のプロセス１０１による）前リチウム化−脱リチウム化プロセス部分の複数の繰り返しを伴う反復的な前リチウム化−脱リチウム化によって原位置外で（すなわち、アノード構造又はアノードに採用する又は使用する前に）生成されたＳＳＬＣ材料を採用するアノード構造又はアノードは、アノードに関連するリチウム化及び脱リチウム化又は電池の充放電サイクルにより生じる、より安定した、より小さい、変形可能性の低い、又はより劇的ではない程度の体積変形（例えば、体積の膨張及び収縮）を示すことができる。
【０１２１】
本開示の特定の実施形態の態様は、既存のＳｉＯｘ系アノード材料、組成物、又は構造；ＳｉＯｘアノード材料、組成物、又は構造を調製するためのプロセス；及びＳｉＯｘ系アノードに関連する少なくとも１つの態様、問題、制限、及び／又は欠点に対処する。特定の実施形態に関連する特徴、態様、及び／又は利点が本開示において説明されてきたが、他の実施形態も、そのような特徴、態様、及び／又は利点を示すことがあり、全ての実施形態が、本開示及び以下で述べる請求項の範囲に属するために、そのような特徴、態様、及び／又は利点を必ずしも示す必要がないことがある。上に開示したシステム、コンポーネント、プロセス、又はそれらの代替物のうちのいくつかは、他の異なるシステム、コンポーネント、プロセス、及び／又は用途に望ましいように組み合わされてもよいことが、当該技術分野の通常の知識を有する者によって理解されるであろう。加えて、関連する技術分野の通常の知識を有する者は、本開示及び以下で述べる請求項の範囲に留まる各種の変更、改変、及び／又は改良を本明細書に開示される各種の実施形態に行うことができる。
【図１】
2019533878.tif 000003
【図２】
2019533878.tif 000004
【図３】
2019533878.tif 000005
【図４】
2019533878.tif 000006
【図５Ａ】
2019533878.tif 000007
【図５Ｂ】
2019533878.tif 000008
【国際調査報告】
2019533878.tif 000009
2019533878.tif 000010
2019533878.tif 000011