(57)【要約】  本発明は、非凝集炭素被覆シリコン粒子であって、１〜１５μｍの平均粒径ｄ５０を有し、粒子が炭素被覆シリコン粒子の総重量に対して、≦１０重量％の炭素および≧９０重量％のシリコンを含有する、非凝集炭素被覆シリコン粒子に関する。
2019534537.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非凝集炭素被覆シリコン粒子であって、１〜１５μｍの平均粒径ｄ５０を有し、いずれの場合にも炭素被覆シリコン粒子の総重量に対して、≦１０重量％の炭素および≧９０重量％のシリコンを含有する、非凝集炭素被覆シリコン粒子。
【請求項２】
前記非凝集炭素被覆シリコン粒子が、≦４０％の凝集度（篩分け分析によって決定）を有することを特徴とする、請求項１に記載の非凝集炭素被覆シリコン粒子。
【請求項３】
前記非凝集炭素被覆シリコン粒子の炭素被膜が、１〜１００ｎｍの範囲の平均層厚さ（決定方法：走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ））を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の非凝集炭素被覆シリコン粒子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の炭素被覆シリコン粒子の製造方法であって、
ａ）シリコン粒子および１つ以上の溶融可能炭素前駆体を含んでなる混合物を、前記溶融可能炭素前駆体が完全に溶融するまで、＜４００℃の温度まで加熱し、次いで、このように得られた前記溶融炭素前駆体を炭化する、乾燥法；または
ｂ）シリコン粒子を１つ以上の炭素前駆体を用いて炭素で被覆するＣＶＤ法であって、前記ＣＶＤ法の実施中に前記粒子を撹拌し、かつ前記ＣＶＤ法を、雰囲気の総体積に対して、０．１体積％〜８０体積％の程度まで炭素前駆体を含有する雰囲気中で行う、ＣＶＤ法、
による、方法。
【請求項５】
前記非凝集炭素被覆シリコン粒子の製造用の反応物として使用される前記シリコン粒子が、１μｍ以上かつ１５μｍ未満の直径パーセンタイル値ｄ５０を有する体積基準粒度分布を有することを特徴とする、請求項４に記載の炭素被覆シリコン粒子の製造方法。
【請求項６】
前記非凝集炭素被覆シリコン粒子の体積基準粒度分布ｄ５０と、前記非凝集炭素被覆シリコン粒子の製造用の反応物として使用される前記シリコン粒子の体積基準粒度分布ｄ５０との差が、≦５μｍであることを特徴とする、請求項４または５に記載の炭素被覆シリコン粒子の製造方法。
【請求項７】
１つ以上の炭素前駆体を、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、イソブタン、ヘキサン、エチレン、プロピレン、ブテン、アセチレン、ベンゼン、トルエン、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、ピリジン、アントラセン、およびフェナントレンを含む群から選択されることを特徴とする、請求項４〜６のいずれか一項に記載の炭素被覆シリコン粒子の製造方法。
【請求項８】
前記ＣＶＤ法を、雰囲気の総体積に対して、１体積％〜３０体積％の程度まで炭素前駆体を含有する雰囲気中で行うことを特徴とする、請求項４〜７のいずれか一項に記載の炭素被覆シリコン粒子の製造方法。
【請求項９】
ポリアクリロニトリル、単糖類、二糖類および多糖類、ポリアニリン、ポリスチレン、ピッチならびにタールを含む群から選択される１つ以上の溶融可能炭素前駆体を使用することを特徴とする、請求項４〜６のいずれか一項に記載の炭素被覆シリコン粒子の製造方法。
【請求項１０】
非凝集炭素被覆シリコン粒子であって、１〜１５μｍの平均粒径ｄ５０を有し、いずれの場合にも、請求項４〜９のいずれか一項に記載の方法により得ることができる炭素被覆シリコン粒子の総重量に対して、≦１０重量％の炭素および≧９０重量％のシリコンを含有する、非凝集炭素被覆シリコン粒子。
【請求項１１】
１つ以上のバインダー、必要に応じて黒鉛、必要に応じて１つ以上のさらなる導電性成分および必要に応じて１つ以上の添加剤を含んでなるリチウムイオン電池用アノード材料であって、請求項１〜３または請求項１０のいずれか一項に記載の炭素被覆シリコン粒子が１つ以上存在することを特徴とする、アノード材料。
【請求項１２】
カソード、アノード、セパレータおよび電解液を含んでなるリチウムイオン電池であって、前記アノードが請求項１１に記載のアノード材料をベースとすることを特徴とする、リチウムイオン電池。
【請求項１３】
フル充電された前記リチウムイオン電池の前記アノード材料が部分的にのみリチウム化されていることを特徴とする、請求項１２に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１４】
前記フル充電された電池の前記部分的にリチウム化されたアノード材料中のシリコン原子に対するリチウム原子の比が、≦２．２であることを特徴とする、請求項１３に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１５】
前記リチウムイオン電池の前記アノード材料中のシリコン容量が、シリコンのグラム当たりの最大容量４２００ｍＡｈに対して、≦５０％の程度まで利用することを特徴とする、請求項１３または１４に記載のリチウムイオン電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素被覆マイクロスケールシリコン粒子、その製造方法およびリチウムイオン電池、特にリチウムイオン電池の負電極の製造用電極材の製造のためのその使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学エネルギー貯蔵手段の中で、市販の充電式リチウムイオン電池が現在２５０Ｗｈ／ｋｇ以下の最高の比エネルギーを有する。リチウムイオン電池は、特に、携帯用電子機器の分野、ツール用および輸送手段、例えば、二輪自動車または自動車用に利用されている。しかしながら、特に、自動車用途のため、より広範囲な車両を獲得するために電池のエネルギー密度をさらに際だって増大する必要がある。
【０００３】
実際に使用される負電極材料（「アノード」）は、現在、特に黒鉛状炭素である。黒鉛状炭素は、リチウム一次電池において使用されるリチウム金属と比較して、その安定なサイクル特性およびその比較的高いハンドリング安全性に関して注目に値する。例えば、リチウムのインターカレーションおよびデインターカレーションにおいて、黒鉛状炭素は、例えば、ＬｉＣ６の限定的化学量論に関して１０％の範囲で、ほんの小さな体積変化をする。しかしながら、短所は、理論的に３７２ｍＡｈ／ｇというその比較的低電気化学容量であり、リチウム金属で理論的に達成できる電気化学容量のほんの約１０分の１に相当する。
【０００４】
対照的に、４１９９ｍＡｈ／ｇにおけるシリコンは、リチウムイオンに対して最も高い公知の貯蔵容量を有する。不都合なことに、シリコン含有活性電極材料は、リチウムを用いた充放電時に、約３００％以下の極端な体積変化を欠点とする。この体積変化の結果として、活性材料および電極構造物全体に対してかなりの機械的応力があり、電気化学研磨の結果として、電気接点接続不良、それ故、容量を喪失して電極の破壊を引き起こす。さらに、使用されたシリコンアノード材料表面は電解液成分と反応して、不動態化保護層（固体電解質界面；ＳＥＩ）を継続的に形成し、可動性リチウムの不可逆的損失をもたらす。
【０００５】
このような問題を克服するために、多くの文献がリチウムイオン電池のアノード用活性材料として炭素被覆シリコン粒子を推奨している。例えば、Liu, Journal of The Electrochemical Society, 2005, 152 (9), pages A1719 to A1725は、２７重量％の高炭素含有率を有する炭素被覆シリコン粒子を記載している。２０重量％の炭素で被覆されたシリコン粒子は、Ogumi in the Journal of The Electrochemical Society, 2002, 149 (12), 頁A1598〜A1603に記載されている。特開２００２−１５１０６６号は、炭素被覆シリコン粒子のため、１１重量％〜７０重量％の炭素含有率を記載している。Yoshio, Chemistry Letters, 2001, pages 1186 to 1187の被覆粒子は、２０重量％の炭素および１８μｍの平均粒度を含む。炭素被膜の層厚さは１．２５μｍである。Ｎ．Ｌ．Ｗｕによる刊行物、Electrochemical and Solid-State Letters, 8 (2), 2005, 頁A100〜A103は、２７重量％の炭素含有率を有する炭素被覆シリコン粒子を開示している。
【０００６】
特開２００４−２５９４７５号は、非黒鉛状炭素材料および必要に応じて黒鉛でシリコン粒子を被覆し、その後、炭化する方法であって、被覆および炭化の方法サイクルは数回反復する該方法を教示している。さらに、特開２００４−２５９４７５号は、表面被覆用に懸濁液の形態で非黒鉛状炭素材料およびいずれかの黒鉛を使用することを記載している。知られているように、このようなプロセス手段は、凝集した炭素被覆シリコン粒子をもたらす。同様に、米国特許第８，３９４，５３２号では、炭素被覆シリコン粒子は分散液から製造された。２０重量％の炭素繊維がシリコンをベースとして、出発材料用に記載されている。
【０００７】
欧州特許出願公開第１０２４５４４号は、その表面が炭素層で完全に覆われたシリコン粒子に関する。しかしながら、具体的に開示された全ては、シリコンおよび製品の平均粒径を参照して実施例により例証されたように、凝集した炭素被覆シリコン粒子である。欧州特許第２９１９２９８号は、シリコン粒子および大部分はポリマーを含む混合物を熱分解した後に粉砕することによる複合体の製造方法を教示しており、該粉砕は凝集した粒子を暗示している。米国特許出願公開第２０１６／０１０４８８２号は、多数のシリコン粒子が炭素マトリックス中に埋め込まれたその主題用複合材を有する。したがって、個々の炭素被覆シリコン粒子は凝集体の形態である。
【０００８】
米国特許出願公開第２００９／０２０８８４４号は、導電性弾性炭素材料、詳細には膨張黒鉛を含んでなる炭素被膜を有するシリコン粒子を記載している。したがって、開示されたものは、炭素被覆によって、膨張黒鉛粒子が微粒子の形態で表面に結合しているシリコン粒子である。非凝集炭素被覆シリコン粒子の製造に関して、方法に関連する示唆を米国特許出願公開第２００９／０２０８８４４号から推論することはできない。米国特許出願公開第２０１２／０１００４３８号は、炭素被膜を有する多孔性シリコン粒子を記載しているが、被膜の製造ならびに粒子の炭素およびシリコン含有率に関する具体的詳細は記載されていない。
【０００９】
欧州特許出願公開第１０５４４６２号は、アノードの製造に関して、集電子をシリコン粒子およびバインダーで被覆してから、これを炭化することを教示している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
この背景技術に対して、今なお存在する問題は、リチウムイオン電池のアノード用活性材料としてシリコン粒子を、対応するリチウムイオン電池が高い初期可逆的容量を有し、加えて、その後のサイクルにおいて、最小限に可逆的容量低下（劣化）する安定な電気化学的挙動を有するように改質することであった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、非凝集炭素被覆シリコン粒子であって、１〜１５μｍの平均粒径ｄ５０を有し、いずれの場合にも炭素被覆シリコン粒子の総重量に対して、≦１０重量％の炭素および≧９０重量％のシリコンを含有する、非凝集炭素被覆シリコン粒子を提供する。
【００１２】
本発明は：本発明の前述炭素被覆シリコン粒子の製造方法であって、
ａ）シリコン粒子および１つ以上の溶融可能炭素前駆体を含んでなる混合物を、該溶融可能炭素前駆体が完全に溶融（溶融段階）するまで、＜４００℃の温度まで加熱し、次いで、このように得られた溶融炭素前駆体を炭化する、乾燥法；または
ｂ）シリコン粒子を１つ以上の炭素前駆体を用いて炭素で被覆するＣＶＤ法であって、ＣＶＤ法（化学蒸着法、化学気相成長法）の実施中に粒子を撹拌し、かつＣＶＤ法を、雰囲気の総体積に対して、０．１体積％〜８０体積％の程度まで炭素前駆体を含有する雰囲気中で行う、ＣＶＤ法（化学蒸着、化学気相成長）、
による、方法をさらに提供する。
【００１３】
本発明は、非凝集炭素被覆シリコン粒子であって、１〜１５μｍの平均粒径ｄ５０を有し、いずれの場合にも、前述の方法により得ることができる炭素被覆シリコン粒子の総重量に対して、≦１０重量％の炭素および≧９０重量％のシリコンを含有する、非凝集炭素被覆シリコン粒子をさらに提供する。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の非凝集炭素被覆シリコン粒子を、以後略して炭素被覆シリコン粒子とも呼ぶ。
【００１５】
本発明の炭素被覆シリコン粒子を得ることを可能にするために、乾燥法またはＣＶＤ法に関する本発明の規定に従うことが、本発明にとって絶対必要であることを見出した。さもなければ、例えば、炭素被覆シリコン粒子の凝集体が形成される。
【００１６】
驚くべきことに、凝集しない炭素被覆シリコン粒子を、本発明によって得ることができる。驚くべきことに、異なる粒子の粘着または焼結、それ故、凝集が、たとえあったとしても、少なくとも取るに足らない程度起こるだけであった。溶融可能炭素前駆体の炭化の間、接着剤の役割を果たすことができ、冷却後に粒子の固化をもたらし得る、液体またはペースト状炭素含有化学種がいつもの通り存在するので、このことはますます驚くべきことであった。驚くべきことに、それにもかかわらず、本発明によって非凝集（nonaggregated）炭素被覆シリコン粒子を得た。
【００１７】
好ましくは、炭素被覆シリコン粒子は孤立粒子または緩い集塊物の形態であり、炭素被覆シリコン粒子の凝集体の状態でない。集塊物は、複数の炭素被覆シリコン粒子のクラスターである。凝集体は、炭素被覆シリコン粒子のクラスターである。例えば、混練法または分散法により、集塊物を個々の炭素被覆シリコン粒子に分離することができる。炭素被覆シリコン粒子を破壊しないこの方法で、凝集体を個々の粒子に分離することはできない。しかしながら、それぞれの場合に、本発明の方法で、凝集した炭素被覆シリコン粒子を小さい程度に生成しないとは限らない。
【００１８】
例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）または透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって、凝集体の形態の炭素被覆シリコン粒子の存在を可視化することができる。この目的に特に適しているのは、被覆していないシリコン粒子のＳＥＭ画像またはＴＥＭ画像を、炭素被覆シリコン粒子の対応する画像と比較することである。粒度分布または粒径を決定するための静的光散乱法は、それ自体では、凝集体の存在を確認するのに適していない。しかしながら、その製造のために使用されるシリコン粒子より、炭素被覆シリコン粒子が測定精度の範囲内で著しく大きい粒径を有する場合、静的光散乱法は、凝集した炭素被覆シリコン粒子の存在を示すものとなる。前述の決定方法を組み合わせて使用することが特に好ましい。
【００１９】
炭素被覆シリコン粒子は、好ましくは≦４０％、より好ましくは≦３０％、最も好ましくは≦２０％の凝集度（degree of aggregation）を有する。凝集度を、ふるい分析により決定する。凝集度は、エタノール中で同時に超音波処理と共に分散後、検査されるそれぞれの粒子組成物の体積基準粒度分布の値ｄ９０の２倍のメッシュサイズを有する篩いを通過しない粒子のパーセンテージに対応する。
【００２０】
炭素被覆シリコン粒子の体積基準粒度分布ｄ５０と、反応物として使用されるシリコン粒子の体積基準粒度分布ｄ５０との差は、炭素被覆シリコン粒子が非凝集ことの指標ともなる。炭素被覆シリコン粒子の体積基準粒度分布ｄ５０と、炭素被覆シリコン粒子製造用の反応物として使用されるシリコン粒子の体積基準粒度分布ｄ５０との差は、好ましくは≦５μｍ、より好ましくは≦３μｍ、最も好ましくは≦２μｍである。
【００２１】
炭素被覆シリコン粒子は、好ましくは≧２μｍ、より好ましくは≧３μｍ、最も好ましくは≧４μｍの直径パーセンタイル値ｄ５０を有する体積基準粒度分布を有する。炭素被覆シリコン粒子は、好ましくは≦１０μｍ、より好ましくは≦８μｍ、最も好ましくは≦６μｍのｄ５０値を有する。
【００２２】
炭素被覆シリコン粒子は、好ましくは≦４０μｍのｄ９０値、より好ましくはｄ９０値≦３０μｍ、さらにより好ましくはｄ９０値≦１０μｍを有する体積基準粒度分布を有する。
【００２３】
炭素被覆シリコン粒子は、好ましくは≧０．５μｍのｄ１０値、より好ましくはｄ１０値≧１μｍ、最も好ましくはｄ１０値≧１．５μｍを有する体積基準粒度分布を有する。
【００２４】
炭素被覆シリコン粒子の粒度分布は二峰性であっても多峰性であってもよく、好ましくは単峰性であり、より好ましくは狭いのがよい。炭素被覆シリコン粒子の体積基準粒度分布は、好ましくは３、より好ましくは２．５、特に好ましくは２、最も好ましくは１．５の幅（ｄ９０−ｄ１０）／ｄ５０を有する。
【００２５】
炭素被覆シリコン粒子の体積基準粒度分布を、堀場製作所製ＬＡ９５０測定装置のＭｉｅモデルを使用し、炭素被覆シリコン粒子用分散媒体としてエタノールを用いた静的レーザー散乱により決定した。
【００２６】
炭素被覆シリコン粒子の炭素被膜は、好ましくは１〜１００ｎｍ、より好ましくは１〜５０ｎｍの範囲の平均層厚さを有する（測定方法：走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）および／または透過電子顕微鏡（ＴＥＭ））。
【００２７】
炭素被覆シリコン粒子は、通常、好ましくは０．１〜１０ｍ２／ｇ、より好ましくは０．３〜８ｍ２／ｇ、最も好ましくは０．５〜５ｍ２／ｇのＢＥＴ表面積を有する（窒素を用いてＤＩＮ  ＩＳＯ９２７７：２００３−０５に従って決定）。
【００２８】
炭素被膜は多孔性であってよく、好ましくは非多孔性である。炭素被膜は、好ましくは≦２％、より好ましくは≦１％の多孔性を有する（全孔隙率の決定方法：１−［かさ密度（ＤＩＮ５１９０１に従ってキシレン比重瓶法によって決定）および骨格密度（ＤＩＮ６６１３７−２に従ってＨｅ比重瓶法によって決定）の商］）。
【００２９】
炭素被覆シリコン粒子の炭素被膜は、好ましくは、水性または有機溶媒または溶液、特に水性または有機電解液、酸またはアルカリなどの液体媒体に非透過性である。
【００３０】
概して、シリコン粒子は孔内に存在しない。炭素被膜は、概して、直接シリコン粒子表面上に存在する。
【００３１】
炭素被膜は、概して、薄膜の形態であり、概して、微粒子でも繊維でもない。概して、炭素被膜は、炭素繊維または黒鉛粒子などの粒子も繊維も含有しない。
【００３２】
炭素被覆シリコン粒子では、シリコン粒子は部分的または好ましくは完全に炭素中に埋め込まれている。炭素被覆シリコン粒子の表面は、部分的または好ましくは全体的に炭素から成る。
【００３３】
炭素は、アモルファスの形態で存在してもよく、好ましくは部分的または完全に結晶の形態で炭素被膜中に存在してもよい。
【００３４】
概して、各炭素被覆シリコン粒子は、シリコン粒子を含有する（測定方法：走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）および／または透過電子顕微鏡（ＴＥＭ））。
【００３５】
炭素被覆シリコン粒子は、いずれもの所望の形状を想定してもよく、好ましくは多片状である。
【００３６】
炭素被覆シリコン粒子は、好ましくは、０．１重量％〜８重量％、より好ましくは１重量％〜７重量％、さらにより好ましくは１重量％〜５重量％、特に好ましくは１重量％〜４重量％の炭素を含有する。炭素被覆シリコン粒子は、好ましくは、９２重量％〜９９．９重量％、より好ましくは９３重量％〜９９重量％、さらにより好ましくは９５重量％〜９９重量％、特に好ましくは９６重量％〜９９重量％のシリコン粒子を含有する。重量％の上記数字は、いずれの場合も炭素被覆シリコン粒子の総重量に対するものである。
【００３７】
炭素被膜は、例えば、≦２０重量％、好ましくは≦１０重量％、より好ましくは≦５重量％の酸素含有率を有してよい。炭素被膜中、例えば、０重量％〜１０重量％、好ましくは２重量％〜５重量％の程度の窒素が存在してよい。窒素は、好ましくは、複素環の形態で、例えば、ピリジンまたはピロール単位（Ｎ）として化学結合して炭素被膜中に存在している。言及された主要成分と同様に、さらなる化学元素が、例えば、制御添加の形態または偶然の不純物の形態で存在することも可能である：例えば、Ｌｉ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃａ、Ｋ、Ｎａ、Ｓ、Ｃｌ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｂ、Ｐ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｇｅ、Ｂｉ、希土類など；その含有率は好ましくは≦１重量％、より好ましくは≦１００ｐｐｍである。重量％の上記数字は、いずれの場合も炭素被膜の総重量に対するものである。
【００３８】
加えて、炭素被覆シリコン粒子は、１つ以上の導電性添加物、例えば、黒鉛、導電性ブラック、グラフェン、酸化グラフェン、グラフェンナノプレートレット、カーボンナノチューブまたは銅などの金属粒子を含有してもよい。好ましくは、導電性添加物は存在しない。
【００３９】
シリコン粒子は、好ましくは１μｍ以上１５μｍ未満、より好ましくは２μｍ以上１０μｍ未満、最も好ましくは３μｍ以上８μｍ未満（測定：炭素被覆シリコン粒子のため上記の通り堀場製作所製ＬＡ９５０測定装置を用いて）の直径パーセンタイル値ｄ５０を有する体積基準粒度分布を有する。
【００４０】
シリコン粒子は、好ましくは非凝集物、より好ましくは非集塊物である。「凝集した（aggregated）」とは、例えば、シリコン粒子製造の過程における気相方法において先ず生成された球状または非常に実質的に球状の一次粒子が、気相方法における反応中に後になって結合して凝集体を生成することを意味する。凝集体または一次粒子は、集塊物を生成することもできる。集塊物は、凝集体または一次粒子の緩いクラスターである。集塊物は、通常使用される混練法および分散法により容易に凝集体に再び分割され得る。たとえあったとしても、これらの方法により、凝集体は、部分的に一次粒子に分割され得るのみである。その形成のせいで、凝集体および集塊物は、好ましいシリコン粒子と全く異なる粒形を不可避的に有する。凝集の識別のため、炭素被覆シリコン粒子に関連するこの点についてなされる記載は同様にシリコン粒子に対しても適用することができる。
【００４１】
シリコン粒子は、好ましくは多片状粒形を有する。
【００４２】
シリコン粒子は、元素シリコン、酸化ケイ素または二元、三元または多元シリコン／金属合金（例えば、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｓｎ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｆｅとの合金）からなり得る。特に、有利なことに元素シリコンはリチウムイオンに対して高貯蔵容量を有するので、元素シリコンを使用することが好ましい。
【００４３】
概して、元素シリコンは、少ない割合の外来原子（例えば、Ｂ、Ｐ、Ａｓ）を含む高純度多結晶シリコン、制御された外来原子ドーピング（例えば、Ｂ、Ｐ、Ａｓ）を含むシリコンだけでなく、元素不純物（例えば、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃａ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｃ）を含有し得る冶金処理からのシリコンを意味すると理解される。
【００４４】
シリコン粒子が酸化ケイ素を含有する場合、酸化物ＳｉＯｘの化学量論比は、好ましくは、０＜ｘ＜１．３の範囲である。シリコン粒子がより高い化学量論比を有する酸化ケイ素を含有する場合、表面上のその層厚さは好ましくは１０ｎｍ未満である。
【００４５】
シリコン粒子をアルカリ金属Ｍと合金にする場合、合金ＭｙＳｉの化学量論比は好ましくは０＜ｙ＜５の範囲である。シリコン粒子は必要に応じてプレリチウム化されていてもよい。シリコン粒子をリチウムと合金にする場合、合金ＬｉｚＳｉの化学量論比は好ましくは０＜ｚ＜２．２の範囲である。
【００４６】
≧８０モル％（ｍｏｌ％）のシリコンおよび／または≦２０モル％の外来原子、さらにより好ましくは≦１０モル％の外来原子を含有するシリコン粒子が特に好ましい。
【００４７】
好ましい実施形態では、シリコン粒子は、ある程度、該シリコン粒子の総重量に対して、好ましくは≧９６重量％、より好ましくは≧９８重量％のシリコンから成る。シリコン粒子は、好ましくは、本質的に炭素を含有しない。
【００４８】
シリコン粒子の表面は、必要に応じて、酸化物層または他の無機および有機基により被覆されていてよい。特に好ましいシリコン粒子は、表面上に、Ｓｉ−ＯＨ基もしくはＳｉ−Ｈ基または共有結合した有機基、例えば、アルコールもしくはアルケンを有する。
【００４９】
例えば、粉砕方法、例えば、湿式または好ましくは乾式粉砕方法により、シリコン粒子を製造してよい。この場合、ジェットミル法、例えば、カウンタージェットミル、もしくは衝撃式製粉機、遊星ボールミルまたは撹拌ボールミルを使用することが好ましい。湿式粉砕は、概して、有機または無機分散媒帯を含む懸濁液において影響を受ける。これとの関連で、例えば、独国特許出願公開第１０２０１５２１５４１５．７号に記載されているように確立された方法を使用してもよい。
【００５０】
炭素被覆シリコン粒子製造のための本発明の乾式方法では、シリコン粒子および１つ以上の溶融可能炭素前駆体を含んでなる混合物を製造する。
【００５１】
混合物は、ある程度、該混合物の総重量に対して、好ましくは２０重量％〜９９重量％、より好ましくは３０重量％〜９８重量％、さらにより好ましくは５０重量％〜９７重量％、特に好ましくは７０重量％〜９６重量％、最も好ましくは８０重量％〜９５重量％のシリコン粒子を含有する。
【００５２】
好ましい溶融可能炭素前駆体はポリマーである。好ましいポリマーは、ポリアクリロニトリル；単糖類、二糖類および多糖類などの炭水化物；ポリアニリン、ポリスチレンなどのポリビニル芳香族またはポリ芳香族；ピッチまたはタール、特にメソゲンピッチ、メソフェーズピッチ、石油ピッチ、硬質炭ピッチなどのポリ芳香族炭化水素である。特に好ましいポリマーは、ポリ芳香族炭化水素、ピッチおよびポリアクリロニトリルである。
【００５３】
混合物は、ある程度、該混合物の総重量に対して、好ましくは１重量％〜８０重量％、より好ましくは２重量％〜７０重量％、さらにより好ましくは３重量％〜５０重量％、特に好ましくは４重量％〜３０重量％、最も好ましくは５重量％〜２０重量％の溶融可能炭素前駆体を含有する。
【００５４】
加えて、乾式方法のための混合物は、１つ以上の導電性添加物、例えば、黒鉛、導電性ブラック、グラフェン、酸化グラフェン、グラフェンナノプレートレット、カーボンナノチューブまたは銅などの金属粒子を含有してもよい。好ましくは、導電性添加物は存在しない。
【００５５】
乾式方法では、概して、溶媒を使用しない。概して、乾式方法は、溶媒の非存在下で行う。しかしながら、このことは、例えば、その製造の結果として、使用される反応物がいずれもの溶媒残留含有物を含有することができないことを意味しない。好ましくは、乾式方法のための混合物、特にシリコン粒子および／または溶融可能炭素前駆体は、≦２重量％、より好ましくは≦１重量％、最も好ましくは≦０．５重量％の溶媒を含有する。
【００５６】
溶媒の例は、水などの無機溶媒、または有機溶媒、特に炭化水素類、エーテル類、エステル類、窒素官能性溶媒、硫黄官能性溶媒、エタノールおよびプロパノールなどのアルコール類、ベンゼン、トルエン、ジメチルホルムアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、Ｎ−エチル−２−ピロリドンならびにジメチルスルホキシドである。
【００５７】
シリコン粒子および溶融可能炭素前駆体を、例えば、０〜５０℃、好ましくは１５〜３５℃の温度で、従来の方法で混合することができる。標準的な混合機、例えば、空気圧ミキサー、コンテナミキサーなどのフリーフォールミキサー、コーンミキサー、ドラムローラーミキサー、ジャイロミキサー、タンブルミキサーまたはドラムミキサーおよびスクリューミキサーなどのディスプレイスメントミキサーおよびインペラーミキサーを使用することが可能である。遊星ボールミル、撹拌ボールミルまたはドラムミルなどの目的のために一般によく使用される製粉機を用いて混合を行うこともできる。
【００５８】
シリコン粒子および１つ以上の溶融可能炭素前駆体を含んでなる混合物を、該溶融可能炭素前駆体が完全に溶融する（溶融段階）まで、＜４００℃の温度まで加熱する。それぞれの溶融可能炭素前駆体に関する溶融段階の温度は、その融点または溶融温度範囲により導かれる。概して、溶融段階の間、溶融可能炭素前駆体の炭化は、たとえあったとしても、取るに足らない程度に起こるだけである。溶融段階中に炭化する溶融可能炭素前駆体の割合は、全体的に使用される溶融可能炭素前駆体の総重量に対して、好ましくは≦２０重量％、より好ましくは≦１０重量％、最も好ましくは≦５重量％である。
【００５９】
溶融可能炭素前駆体を、従来の炉、例えば、管状炉、か焼炉、回転窯または流動床反応器内で溶融することができる。
【００６０】
溶融段階の期間は、例えば、融点、溶融物のための個々の場合に選択される温度、および炉により導かれる。溶融段階の期間は、例えば、５分〜２時間、好ましくは１０分〜７０分である。
【００６１】
溶融段階中の加熱速度は、好ましくは１〜２０℃／分、より好ましくは１〜１５℃／分、特に好ましくは１〜１０℃／分である。
【００６２】
溶融可能炭素前駆体は、周知の事実である通り、該溶融可能炭素前駆体が固相から完全にその液相に転移した場合に完全に溶融した。
【００６３】
溶融可能炭素前駆体を完全な溶融後に炭化する。炭化すると、溶融可能炭素前駆体は概して無機炭素に転換する。
【００６４】
好ましくは、炭化を溶融段階のために使用する同じ装置で行う。静的な方法または反応媒体の一定混合で炭化を行うことができる。
【００６５】
好ましくは４００℃超〜１４００℃、より好ましくは７００℃〜１２００℃、最も好ましくは９００℃〜１１００℃の温度で炭化を行う。
【００６６】
炭化中の加熱速度は、好ましくは１〜２０℃／分、より好ましくは１〜１５℃／分、特に好ましくは１〜１０℃／分、最も好ましくは３〜５℃／分である。加えて、異なる中間温度および加熱速度で段階的方法も可能である。目的温度達成後、反応混合物を、通常、特定の時間、温度で保持するかまたはその後早急に冷却する。有利な保持時間は、例えば、３０分〜２４時間、好ましくは１〜１０時間、より好ましくは２〜４時間である。冷却を、能動的または受動的に、一様にまたは段階的に行うことができる。
【００６７】
混合および炭化を有気条件または好ましくは無気条件下で行うことができる。窒素または好ましくはアルゴン雰囲気など不活性ガス雰囲気が特に好ましい。不活性ガス雰囲気は、必要に応じて、付加的に水素などの少しの還元性ガスを含有してもよい。不活性ガス雰囲気は、反応媒体上で滞留してもよく、ガス流の形態で反応混合物上を流動してもよい。
【００６８】
炭素被覆シリコン粒子製造のための本発明のＣＶＤ法では、シリコン粒子を、１つ以上の炭素前駆体を用いて炭素で被覆する。
【００６９】
ＣＶＤ法に適した炭素前駆体は、例えば、１〜１０個の炭素原子、特に１〜４個の炭素原子を有する脂肪族炭化水素などの炭化水素である。これらの例としては、メタン、エタン、プロパン、プロピレン、ブタン、ブテン、ペンタン、イソブタン、ヘキサン；エチレン、アセチレンまたはプロピレンなどの１〜４個の炭素原子を有する不飽和炭化水素；ベンゼン、トルエン、スチレン、エチルベンゼン、ジフェニルメタンまたはナフタレンなどの芳香族炭化水素；フェノール、クレゾール、ニトロベンゼン、クロロベンゼン、ピリジン、アントラセン、フェナントレンなどのさらなる芳香族炭化水素である。
【００７０】
ＣＶＤ法に好ましい炭素前駆体は、メタン、エタン、特に、エチレン、アセチレン、ベンゼンまたはトルエンである。
【００７１】
ＣＶＤ法では、好ましくは、シリコン粒子を雰囲気下、特に１つ以上の一般的ガス状炭素前駆体の気流中で加熱する。ＣＶＤ法に典型的なプロセス条件下、炭素前駆体は従来通り気体状態である。従来通り、炭素前駆体は、炭素のシリコン粒子の熱い表面において炭素を成膜しながら分解する。
【００７２】
雰囲気の総体積に対して、好ましくは０．１体積％〜８０体積％、より好ましくは０．５体積％〜５０体積％、さらにより好ましくは１体積％〜３０体積％、最も好ましくは２体積％〜２５体積％、非常に最も好ましくは５体積％〜２０体積％の程度まで炭素前駆体を含有する雰囲気中、ＣＶＤ法を行う。
【００７３】
雰囲気のさらなる成分、特に残留成分は、好ましくは窒素または好ましくはアルゴンなどの不活性ガス、必要に応じて水素などの還元性ガスである。
【００７４】
雰囲気は、好ましくは、雰囲気の総体積に対して、１０体積％〜９９体積％、より好ましくは２０体積％〜９０体積％、特に好ましくは２５体積％〜８０体積％、最も好ましくは５０体積％〜７５体積％の不活性ガスを含有する。
【００７５】
雰囲気は、好ましくは、雰囲気の総体積に対して、０．０１体積％〜８０体積％、より好ましくは３体積％〜６０体積％、特に好ましくは５体積％〜４０体積％の水素を含有する。
【００７６】
ＣＶＤを行っている間、粒子、特にシリコン粒子および生成された炭素被覆シリコン粒子を撹拌、好ましくは流動化する。
【００７７】
粒子の撹拌または流動化を、例えば、機械的、音響および／または空気圧エネルギー入力、例えば、撹拌、振動または超音波への暴露により行うことができる。粒子の流動化を、気流、特に炭素前駆体および必要に応じてＣＶＤ法の雰囲気のさらなる成分を含んでなる気流により補助することができる。流動化の場合に選択される気流速度は、好ましくは、シリコン粒子が流動状態に転移することができるのに少なくとも充分に大きい。流動状態では、粒子は液体の様な特性を有することが知られている。
【００７８】
周知のように、その流動特性に応じてゲルダート分類Ａ〜Ｄに分類することができる。本発明のＣＶＤ法における粒子は、好ましくは、ゲルダート分類Ｃに属する。ゲルダート分類Ｃに割り当てられた粒子は、概して、極めて小さく、したがって、３０μｍ未満、特に２０μｍ未満の粒径を有する凝集性粒子である。非凝集炭素被覆シリコン粒子を得るために、強力な凝集力のせいで、本発明のＣＶＤ法は、撹拌状態、好ましくは流動状態で行わなければならない。さらに指定された従来の方法で、これらの撹拌および流動化を行うことができる。
【００７９】
ＣＶＤ法における温度は、好ましくは６００℃〜１４００℃、より好ましくは７００℃〜１２００℃、最も好ましくは８００℃〜１１００℃である。
【００８０】
好ましくは、０．５〜２バール（ｂａｒ）の圧でＣＶＤ法を行う。
【００８１】
ＣＶＤ法においてシリコン粒子の処理時間は、好ましくは１〜２４０分、より好ましくは５〜１２０分、最も好ましくは１０〜６０分である。
【００８２】
被覆処理中の気体の総量、特に炭素前駆体の総量を、概して、所望の炭素成膜が達成するように選択する。
【００８３】
さもなければ、従来方法でＣＶＤ法を実行することができる。
【００８４】
好ましくは、乾式法またはＣＶＤ法により単一被覆処理操作によって炭素単独でシリコン粒子を被覆する。好ましくは、炭素被覆シリコン粒子を、乾式法もしくはＣＶＤ法またはいずれかの他の方法によりさらなる炭素被覆処理に付さない。
【００８５】
乾式法またはＣＶＤ法により得られた炭素被覆シリコン粒子を、そのさらなる利用、例えば、電極材製造用に直接送ってもよく、あるいは、分級技術（篩分け（sieving）、篩分け（sifting））により大きいサイズまたは小さいサイズのものを取り除いてもよい。好ましくは、機械的後処理も分級も、特に粉砕も行わない。
【００８６】
例えば、リチウムイオン電池用アノード活性材料のためのシリコンベース活性材料として、炭素被覆シリコン粒子は適している。
【００８７】
本発明は、１つ以上のバインダー、必要に応じて黒鉛、必要に応じて１つ以上のさらなる導電性成分および必要に応じて１つ以上の添加剤を含んでなるリチウムイオン電池用アノード材料であって、本発明の１つ以上の炭素被覆シリコン粒子が存在することを特徴とする、アノード材料をさらに提供する。
【００８８】
リチウムイオン電池のアノード材料のための好ましい配合は、好ましくは５重量％〜９５重量％、特に６０重量％〜８５重量％の本発明の炭素被覆シリコン粒子；０重量％〜４０重量％、特に０重量％〜２０重量％のさらなる導電性成分；０重量％〜８０重量％、特に５重量％〜３０重量％の黒鉛；０重量％〜２５重量％、特に５重量％〜１５重量％のバインダー；および必要に応じて０重量％〜８０重量％、特に０．１重量％〜５重量％の添加剤を含有し、重量％の数字は該アノード材料の総重量に対してであり、該アノード材料の全成分の割合を合計すると１００重量％となる。
【００８９】
アノード材料の好ましい配合では、黒鉛粒子およびさらなる導電性成分の割合は合計で、該アノード材料の総重量に対して少なくとも１０重量％となる。
【００９０】
本発明は、カソード、アノード、セパレータおよび電解液を含んでなるリチウムイオン電池であって、該アノードは前述した本発明のアノード材料をベースとすることを特徴とする、リチウムイオン電池をさらに提供する。
【００９１】
本発明の炭素被覆シリコン粒子だけでなく、本発明のアノード材料およびリチウムイオン電池を、この目的のために一般的に使用される出発材料を用いて製造することができ、この目的のために一般的に使用される方法は、例えば、独国特許出願公開第１０２０１５２１５４１５．７号に記載されているようにアノード材料およびリチウムイオン電池の製造のための使用を見出すことができる。
【００９２】
本発明は、カソード、アノード、セパレータおよび電解液を含んでなるリチウムイオン電池であって、
該アノードは前述した本発明のアノード材料をベースとし；
フル充電されたリチウムイオン電池のアノード材料は部分的にのみリチウム化されていることを特徴とする、
リチウムイオン電池をさらに提供する。
【００９３】
本発明は、カソード、アノード、セパレータおよび電解液を含んでなるリチウムイオン電池の操作方法であって、
該アノードは前述した本発明のアノード材料をベースとし；
該アノードはリチウムイオン電池のフル充電時に部分的にのみリチウム化されていることを特徴とする、
方法をさらに提供する。
【００９４】
本発明は、アノード材料がリチウムイオン電池のフル充電状態において部分的にのみリチウム化されているように構成されているリチウムイオン電池において本発明のアノード材料の使用をさらに提供する。
【００９５】
したがって、アノード材料、特に本発明の炭素被覆シリコン粒子がフル充電されたリチウムイオン電池において部分的にのみリチウム化されていることは好ましい。「フル充電された」は、電池のアノード材料がリチウムの最も高い充電を有する電池の状態を表す。アノード材料の部分的リチウム化は、該アノード材料におけるシリコン粒子の最大リチウム吸収能力が使い尽くされていないことを意味する。シリコン粒子の最大リチウム吸収能力は、概して、式Ｌｉ４．４Ｓｉに対応し、したがって、シリコン原子当たり４．４個のリチウム原子である。これは、シリコンのグラム当たり４２００ｍＡｈの最大比容量に相当する。
【００９６】
リチウムイオン電池のアノードにおけるシリコン原子に対するリチウム原子の比（Ｌｉ／Ｓｉ比）を、例えば、電荷の流れにより調節することができる。アノード材料中に存在するアノード材料またはシリコン粒子のリチウム化度は、流れた電荷に比例する。この変化形では、リチウムイオン電池の充電しているうちに、リチウムに対するアノード材料の容量は完全に使い尽くされてはいない。これは、アノードにおいて部分的リチウム化をもたらす。
【００９７】
代替の好ましい変化形では、リチウムイオン電池のＬｉ／Ｓｉ比を、セルバランスにより調節する。この場合、アノードのリチウム吸収能力が好ましくはカソードのリチウム放出能力より大きくなるようにリチウムイオン電池を設計する。これの効果は、フル充電電池において、アノードのリチウム吸収能力が完全には使い尽くされないことであり、アノード材料は部分的にのみリチウム化されていることを意味する。
【００９８】
本発明の部分的リチウム化の場合、リチウムイオン電池のフル充電状態におけるアノード材料中のＬｉ／Ｓｉ比は、好ましくは≦２．２、より好ましくは≦１．９８、最も好ましくは≦１．７６である。リチウムイオン電池のフル充電状態におけるアノード材料中のＬｉ／Ｓｉ比は、好ましくは≧０．２２、より好ましくは≧０．４４、最も好ましくは≧０．６６である。
【００９９】
リチウムイオン電池のアノード材料中のシリコンの容量を、シリコンのグラム当たりの用量４２００ｍＡｈに対して、好ましくは、≦５０％の程度、より好ましくは≦４５％の程度、最も好ましくは≦４０％の程度まで利用する。
【０１００】
シリコンのリチウム化度またはリチウムに対するシリコンの容量の利用（Ｓｉ容量利用α）を、例えば、独国特許出願公開第１０２０１５２１５４１５．７号、１１頁４行目〜１２頁２５行目に記載されているように、特にＳｉ容量利用αおよび表題「Ｂｅｓｔｉｍｍｕｎｇ  ｄｅｒ  Ｄｅｌｉｔｈｉｉｅｒｕｎｇｓ−Ｋａｐａｚｉｔａｅｔ  β」［脱リチウム化容量βの決定］および「Ｂｅｓｔｉｍｍｕｎｇ  ｄｅｓ  Ｓｉ−Ｇｅｗｉｃｈｔｓａｎｔｅｉｌｓ  ωＳｉ」［Ｓｉの重量比率ωＳｉの決定］下の追加情報に関してそこに示された式を用いて決定することができる（「参照により組み入れられる」）。
【０１０１】
リチウムイオン電池における本発明の炭素被覆シリコン粒子の使用は、驚くべきことに、そのサイクル特性の改良をもたらす。かかるリチウムイオン電池は、最初の充電サイクルにおいて容量の小さな不可逆的損失およびその後のサイクルにおいてほんの僅かな劣化のみで安定な電気化学特性を有する。したがって、本発明の炭素被覆シリコン粒子は、リチウムイオン電池の容量の小さな初期損失および付加的に容量の小さな連続的損失を達成することができる。全体的に、本発明のリチウムイオン電池は、非常に良好な安定性を有する。このことは、多数回のサイクルの場合でさえ、例えば、本発明のアノード材料またはＳＥＩの機械的破壊の結果としてほとんど疲労減少は起こらないことを意味する。
【０１０２】
驚くべきことに、本発明の炭素被覆シリコン粒子を使用して、前述の有利なサイクル特性だけでなく、同時に高容積エネルギー密度も有するリチウムイオン電池を得ることができる。
【０１０３】
高密度化しなくとも、少しの高密度化でさえ、本発明の炭素被覆シリコン粒子を使用して高容積を有するアノードを得ることができる。従来の凝集した炭素被覆シリコン粒子を有するアノードは所望の容積を達成するために高密度化を要するが、これは、電気化学的性能（サイクル安定性）低下と関連する。
【０１０４】
さらに、本発明の炭素被覆シリコン粒子は、有利に高導電性および腐食媒体、例えば、有機溶媒、酸またはアルカリに対する高安定性を有する。リチウムイオン電池の内部電池抵抗を、本発明の炭素被覆シリコン粒子を用いて低下させることもできる。
【０１０５】
さらに、本発明の炭素被覆シリコン粒子は、驚くべきことに、水中、特にリチウムイオン電池のアノード用水性インク処方物中で安定であるので、このような条件下従来のシリコン粒子で起こる水素発生を減少させることが可能である。このことは、水性インク処方物の発泡しない配合および特に均質または気泡のないアノードの製造を可能とする。対照的に、本発明の方法における反応物として使用されるシリコン粒子は、水中に大量の水素を発生させる。
【０１０６】
例えば、溶媒を用いて、または本発明でない乾燥法もしくは本発明でないＣＶＤ法を用いて炭素を含むシリコン粒子の被膜中に得られたような凝集した炭素被覆シリコン粒子は、たとえあったとしても、本発明の程度までのそのような有利な効果を達成することはできない。
【実施例】
【０１０７】
続く実施例は、本発明をさらに明らかにするのに役立つ。
【０１０８】
特に断りがない限り、続く実施例（比較例）を、空気下、大気圧（１０１３ミリバール（ｍｂａｒ））、室温（２３℃）において実施した。続く方法および材料を使用した。
【０１０９】
炭化：
Ｎ型サンプル熱電対を備えている、カスケード制御を用いたＣａｒｂｏｌｉｔｅ  ＧｍｂＨの１２００℃三ゾーン管状炉（ＴＦＺ１２／６５／５５０／Ｅ３０１）を用いて炭化を行った。指定した温度は、熱電対の位置における管状炉の内部温度に基づく。いずれの場合も炭化される出発材料を１つ以上の石英ガラス製燃焼ボード（ＱＣＳ  ＧｍｂＨ）中に量り入れ、石英ガラス製の作業チューブに導入した。炭化に使用される設定および処理パラメーターは、それぞれの実施例中に報告されている。
【０１１０】
ＣＶＤ反応器：
Ｃａｒｂｏｌｉｔｅ  ＧｍｂＨの使用された１０００℃のＣＶＤ反応器（ＨＴＲ１１／１５０）は、温度制御されるセラミックライニングを備える電気加熱された回転窯内にある石英ガラスドラムから成る。反応ゾーンに沿った加熱速度は、１０〜２０Ｋ／分であり；加熱ドラムは反応ゾーン内で均一な温度分布を有する。指定温度は、熱電対の位置におけるドラムの目標内部温度に基づいている。
閉じた炉の蓋で、ガラスドラムを雰囲気から熱的に遮蔽する。処理中、ガラスドラムを回転（３１５°、振動周波数６〜８／分）し、粉体の追加混合を確実にする壁の膨らみを有する。ガス導管を石英ガラスドラムと連結する。この場合、バイパスにより、その温度が熱電対により制御されたバブラー槽が前駆体蒸気の生成のためにスイッチを入れて作動させられるのを可能とする。生成された副産物およびパージガスを反対側のオフガス管中に吸い出す。化学気相蒸着のために使用される設定および処理パラメーターは、使用される前駆体に応じて異なる。
【０１１１】
分級／篩分け：
炭化または化学気相蒸着後に得られたＣ被覆Ｓｉ粉末を、ステンレス鋼製篩いで水を用いてＡＳ  ２００  ｂａｓｉｃ  ｓｉｅｖｉｎｇ  ｍａｃｈｉｎｅ（Ｒｅｔｓｃｈ  ＧｍｂＨ）を用いて、湿式篩い分けにより、＞２０μｍの大きいサイズを取り除いた。超音波（Ｈｉｅｌｓｃｈｅｒ  ＵＩＳ２５０Ｖ；振幅８０％、サイクル：０．７５；時間：３０分）によってエタノール中に、粉状製品を分散（固形含有率２０％）し、篩い（２０μｍ）を用いて篩分け塔に適用した。無限時間プリセレクションおよび５０〜７０％の振幅で、水流を通過させて篩分けを行った。底部に存在するシリコン含有懸濁液を２００ｎｍナイロン膜によりろ過し、ろ過残渣を１００℃および５０〜８０ミリバールにおいて真空乾燥キャビネット内で一定の質量になるまで乾燥した。
【０１１２】
次の分析方法および装置を使用して得られたＣ被覆Ｓｉ粒子を特性決定した。
【０１１３】
走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ／ＥＤＸ）：
Ｚｅｉｓｓ  Ｕｌｔｒａ５５走査型電子顕微鏡およびエネルギー分散型ＩＮＣＡ  Ｘ視野Ｘ線分光計を用いて顕微鏡分析を行った。分析前に、サンプルを、帯電現象を防止するためにＢａｌｔｅｃ  ＳＣＤ５００スパッタ／炭素コーティング装置を用いて炭素蒸着に付した。
【０１１４】
透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）：
層厚さおよび炭素構造の分析を、Ｚｅｉｓｓ  Ｌｉｂｒａ１２０透過電子顕微鏡で行った。樹脂マトリックス中に包埋後のミクロトーム切片または粉末から直接的にサンプルを調製した。超音波によって２ｍＬのイソプロパノール中に各サンプルのスパチュラ先端量を分散し、これを銅グリッドに適用することによりこれを行った。これは、１００℃において１分間ホットプレート上で両側を乾燥した。
【０１１５】
無機分析／元素分析：
Ｃ含有率をＬｅｃｏ  ＣＳ２３０分析計で確定し；ＯおよびＮ含有率を決定するために、Ｌｅｃｏ  ＴＣＨ−６００分析計を使用した。得られた炭素被覆シリコン粒子中の他の元素の定性測定および定量測定を、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）発光分光計（Ｏｐｔｉｍａ７３００ＤＶ、Ｐｅｒｋｉｎ  Ｅｌｍｅｒ社）によって行った。この目的のため、サンプルを、マイクロ波（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ３０００、Ａｎｔｏｎ  Ｐａａｒ社）下で酸消化（ＨＦ／ＨＮＯ３）に付した。ＩＣＰ−ＯＥＳによる決定は、ＩＳＯ１１８８５「水質−誘導結合プラズマ−光学発光による選択元素の決定（ＩＣＰ−ＯＥＳ）（ＩＳＯ  １１８８５：２００７）；ＥＮ  ＩＳＯ  １１８８５：２００９のドイツ版」を手引きとし、これは、酸性水溶液（例えば、酸性化飲用水、廃水、および他の水サンプル、土壌および沈降物の王水抽出物）の分析に使用される。
【０１１６】
粒度決定：
ＩＳＯ１３３２０に従って、堀場製作所製ＬＡ９５０を用いて静的レーザー散乱によって、粒度分布を決定した。サンプルの調製では、個々の粒子よりむしろ集塊物の大きさを測定しないように、測定溶液中の粒子の分散に特に注意を払わなければならない。ここで分析されたＣ被覆Ｓｉ粒子に関して、粒子をエタノール中で分散した。この目的のため、測定前に、必要に応じて、分散液を、ＬＳ２４ｄ５ソノトロードを備えたＨｉｅｌｓｃｈｅｒモデルＵＩＳ２５０ｖ超音波実験室用装置内で２５０Ｗの超音波で４分間処理した。
【０１１７】
ＢＥＴ表面積測定：
材料の比表面積を、ＤＩＮ  ＩＳＯ９２７７：２００３−０５に従ってＢＥＴ法によりＳｏｒｐｔｏｍａｔｉｃ１９９０９０装置（Ｐｏｒｏｔｅｃ社）またはＳＡ−９６０３ＭＰ装置（堀場製作所）を用いて窒素でのガス吸着により測定した。
【０１１８】
液体媒体に対するＳｉ接近容易性：
液体媒体に対するＣ被覆Ｓｉ粒子におけるシリコンの接近容易性の決定を、既知のシリコン含有率（元素分析から）を有する材料に対して次の試験方法により行った。
最初に、０．５〜０．６ｇのＣ被覆シリコンをＮａＯＨ（４Ｍ；Ｈ２Ｏ）およびエタノールの混合物（１：１、体積基準）２０ｍＬを用いて超音波によって分散してから、４０℃で１２０分間撹拌した。粒子を、２００ｎｍナイロン膜によりろ過し、中性ｐＨまで水で洗浄してから、１００℃／５０〜８０ミリバールにおいて乾燥キャビネット内で乾燥した。ＮａＯＨ処理後のシリコン含有率を決定し、試験前のＳｉ含有率と比較した。液密は、アルカリ処理後のサンプルのＳｉ含有率パーセントおよび未処理Ｃ被覆粒子のＳｉ含有率パーセントの商に対応する。
【０１１９】
粉末導電性の決定
Ｃ被覆サンプルの比抵抗を、制御された圧（６０ＭＰａ以下）下、圧力チャンパー（ダイラジアス６ｍｍ）および油圧ユニット（Ｃａｖｅｒ社、米国、モデル３８５１ＣＥ−９；Ｓ／Ｎ：１３０３０６）から成るＫｅｉｔｈｌｅｙ社の測定システム、２６０２システムソースメーターＩＤ２６６４０４において決定した。
【０１２０】
ガス発生の決定：
ａ）ＧＣ測定（ヘッドスペース）による：
シリコン粉末の水素発生を決定するため、５０ｍｇのサンプルをＧＣヘッドスペースバイアル（体積２２ｍＬ）に量り入れ、５ｍＬの酢酸リチウム緩衝液（ｐＨ７；０．１Ｍ）を添加し、このバイアルを密閉し、３０分間撹拌しながらアルミニウムブロック内で８０℃まで加熱した。気相中の水素含有率の決定を、ＧＣ測定によって行った。熱導電性検出により検出した。水素含有率を、気相中の体積パーセントで報告した。検出された気体は酸素、窒素およびアルゴンであった。
【０１２１】
ｂ）閉じた系における圧増大の測定による：
閉じた系における圧増大を決定するため、２００ｍｇのシリコン粉末を約１０バールの圧用に設計された密封可能なガラス管中に導入し、２０ｍＬの酢酸リチウム緩衝液（ｐＨ７；０．１Ｍ）を添加してから、この系を６０分間アルミニウムブロック内で８０℃まで加熱し、圧増大を読み取った。デジタル圧力計によって測定した。シリコン粉末を含まない緩衝液の圧増大（ブランク値）により測定値を補正した。
【０１２２】
実施例１（実１）：被覆していないマイクロＳｉ：
流動床ジェットミルにおけるソーラーシリコン製造からの粗Ｓｉスパル（spall）の粉砕による先行技術に従って、シリコン粉末を製造した（粉砕ガスとして７バールにおいて９０ｍ３／時の窒素を用いたＮｅｔｚｓｃｈ−Ｃｏｎｄｕｘ  ＣＧＳ１６）。
エタノール中高度希釈した懸濁液で粒度を決定した。
図１中の乾燥ＳｉダストのＳＥＭ画像（拡大倍率７５００倍）は、サンプルが個々の非凝集多片状粒子から成ることを示している。
元素組成：Ｓｉ  ≧９８重量％；Ｃ  ０．１０重量％；Ｈ  ＜０．０１重量％；Ｏ  ０．２１重量％。
粒度分布：単峰性；Ｄ１０：２．７７μｍ、Ｄ５０：５．２７μｍ、Ｄ９０：８．７６μｍ；（Ｄ９０−Ｄ１０）／Ｄ５０＝１．１４；（Ｄ９０−Ｄ１０）＝６．０μｍ。
比表面積（ＢＥＴ）：２．２３１ｍ２／ｇ。
Ｓｉ不浸透性：０％
粉末導電率：９５．８９μＳ／ｃｍ。
ガス発生：４．４３体積％の水素（方法ａ）；３．７１バール（方法ｂ）。
【０１２３】
実施例２（実２）：
Ｃ被覆マイクロＳｉ（乾式方法）：
２３８．００ｇの実施例１からのシリコン粉末（ｄ５０＝５．２７μｍ）および１３．００ｇのピッチ（Ｐｅｔｒｏｍａｓｓｅ  ＺＬ  ２５０Ｍ）を８０ｒｐｍで３時間ボールミルローラーベッド（Ｓｉｅｍｅｎｓ／Ｇｒｏｓｃｈｏｐｐ）によって機械的に混合した。
２４８．００ｇのＳｉ／ピッチ混合物を石英ガラスボート（ＱＣＳ  ＧｍｂＨ）中に導入し、不活性ガスとして窒素／Ｈ２を用いてＮ型サンプル熱電対を備えているカスケード制御を用いて三ゾーン管状炉（ＴＦＺ１２／６５／５５０／Ｅ３０１；Ｃａｒｂｏｌｉｔｅ  ＧｍｂＨ）内で炭化した：
第一加熱速度１０℃／分、温度３５０℃、保持時間３０分（ピッチは完全に溶解した）、Ｎ２／Ｈ２流速２００ｍＬ／分；それから、加熱速度３℃／分、温度５５０℃で直接的にさらに；加熱速度１０℃／分、温度１０００℃で直接的にさらに；それから保持時間２時間、Ｎ２／Ｈ２流速２００ｍＬ／分で炭化した。
冷却後、２４２．００ｇの黒色粉末を得て（炭化収率９８％）、これを湿式篩分けによって大きなサイズを取り除いた。Ｄ９９＜２０μｍの粒度を有するＣ被覆Ｓｉ粒子２３９．００ｇを得た。
図２は、得られたＣ被覆Ｓｉ粒子のＳＥＭ画像（拡大倍率７５００倍）を示し、図３は、ＴＥＭ画像（拡大倍率４０，０００倍）を示す。
元素組成：Ｓｉ  ≧９４重量％；Ｃ  ２．８８重量％；Ｈ  ０．０１重量％；Ｏ  ０．４４重量％；Ｎ  ０重量％。
粒度分布：単峰性；Ｄ１０：３．４６μｍ、Ｄ５０：５．５２μｍ、Ｄ９０：８．５９μｍ；（Ｄ９０−Ｄ１０）／Ｄ５０＝０．９３。
比表面積（ＢＥＴ）：１．２０ｍ２／ｇ。
Ｓｉ不浸透性：約１００％
粉末導電率：２０００３．０８μＳ／ｃｍ。
ガス発生：Ｈ２発生はなかった（方法ａ）；圧増大はなかった（方法ｂ）。
【０１２４】
実施例３（実３）：被覆していないマイクロＳｉ：
流動床ジェットミルにおけるソーラーシリコン製造からの粗Ｓｉ破砕片の粉砕による先行技術に従って、シリコン粉末を製造した（粉砕ガスとして７バールにおいて９０ｍ３／時の窒素を用いたＮｅｔｚｓｃｈ−Ｃｏｎｄｕｘ  ＣＧＳ１６）。
エタノール中、高希釈した懸濁液で粒度を決定した。
元素組成：Ｓｉ  ≧９９重量％；Ｃ  ＜０．１重量％；Ｏ  ０．３４重量％；Ｎ  ＜０．１重量％。
粒度分布：単峰性；Ｄ１０：２．２３μｍ、Ｄ５０：４．４５μｍ、Ｄ９０：７．７８μｍ；（Ｄ９０−Ｄ１０）／Ｄ５０＝１．２５；（Ｄ９０−Ｄ１０）＝５．５μｍ。
比表面積（ＢＥＴ）：２．４ｍ２／ｇ。
Ｓｉ不浸透性：０％
粉末導電率：９４．３９μＳ／ｃｍ。
【０１２５】
実施例４（実４）：
Ｃ被覆マイクロＳｉ（乾式方法）：
２７０．００ｇの実施例３からのシリコン粉末（Ｄ５０＝４．４５μｍ）および３０．００ｇのポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を８０ｒｐｍで３時間ボールミルローラーベッド（Ｓｉｅｍｅｎｓ／Ｇｒｏｓｃｈｏｐｐ）によって機械的に混合した。
２９８．００ｇのＳｉ／ＰＡＮ混合物を石英ガラスボート（ＱＣＳ  ＧｍｂＨ）中に導入し、不活性ガスとして窒素／Ｈ２を用いてＮ型サンプル熱電対を備えているカスケード制御を用いて三ゾーン管状炉（ＴＦＺ１２／６５／５５０／Ｅ３０１；Ｃａｒｂｏｌｉｔｅ  ＧｍｂＨ）内で炭化した：
第一加熱速度１０℃／分、温度３００℃、保持時間９０分（ピッチは完全に溶解した）、Ｎ２／Ｈ２流速２００ｍＬ／分；それから、加熱速度１０℃／分、温度１０００℃、保持時間３時間、Ｎ２／Ｈ２流速２００ｍＬ／分で直接的にさらに炭化した。
冷却後、２８０．００ｇの黒色粉末を得て（炭化収率９４％）、これを湿式篩分けによって大きなサイズを取り除いた。Ｄ９９＜２０μｍの粒度を有するＣ被覆Ｓｉ粒子２６７．００ｇを得た。
図４は、得られたＣ被覆Ｓｉ粒子のＳＥＭ画像（拡大倍率７５００倍）を示し、図５は、ＴＥＭ画像（拡大倍率４０，０００倍）を示す。
元素組成：Ｓｉ  ≧９４重量％；Ｃ  ５．０１重量％；Ｏ  ０．６１重量％；Ｎ  ０．３重量％。
粒度分布：単峰性；Ｄ１０：２．３５μｍ、Ｄ５０：４．５１μｍ、Ｄ９０：８．０１μｍ；（Ｄ９０−Ｄ１０）／Ｄ５０＝１．２６。
比表面積（ＢＥＴ）：１．３ｍ２／ｇ。
Ｓｉ不浸透性：約１００％
粉末導電率：５０６７８．７８μＳ／ｃｍ。
ガス発生：Ｈ２発生はなかった（方法ａ）；圧増大はなかった（方法ｂ）。
【０１２６】
実施例５（実５）：
実施例４からのＣ被覆マイクロＳｉを含む本発明のアノード：
２９．７１ｇのポリアクリル酸（一定重量になるまで８５℃で乾燥；Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｗ  約４５０，０００ｇ／モル）および７５６．６０ｇの脱イオン水をポリアクリル酸が完全に溶解するまで２．５時間振盪機（２９０／分）によって撹拌した。水酸化リチウム一水和物（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）を、ｐＨが７．０（ＷＴＷ  ｐＨ  ３４０ｉ  ｐＨメーターおよびＳｅｎＴｉｘ  ＲＪＤプローブにより測定）になるまで小分けして溶液に添加した。その後、溶液をさらに４時間振盪機によって混合した。
７．００ｇの実施例２からの非凝集炭素被覆シリコン粒子を、１２．５０ｇの中和したポリアクリル酸溶液および５．１０ｇの脱イオン水中に、２０℃で冷却しながら、４．５ｍ／ｓ（メートル／秒）の周速度で５分間、１２ｍ／ｓの周速度で３０分間ディソルバーによって分散した。２．５０ｇの黒鉛（Ｉｍｅｒｙｓ、ＫＳ６Ｌ  Ｃ）の添加後、混合物を、１２ｍ／ｓの周速度でさらに３０分間撹拌した。脱気後、ギャップ高さ０．２０ｍｍを有するフィルムアプリケーター（Ｅｒｉｃｈｓｅｎ、モデル３６０）によって分散液を０．０３ｍｍの厚さを有する銅箔（Ｓｃｈｌｅｎｋ  Ｍｅｔａｌｌｆｏｌｉｅｎ、ＳＥ−Ｃｕ５８）に塗布した。それから、このように得られたアノード被膜を、５０℃、空気圧１バールにおいて６０分間乾燥した。
乾燥アノード被膜の平均基本重量は２．９０ｍｇ／ｃｍ２であり、被膜密度は０．８ｇ／ｃｍ３であった。
【０１２７】
実施例６（実６）：
実施例５からのアノードを備える本発明のリチウムイオン電池：
電気化学試験を、二電極配置におけるボタン電池（ＣＲ２０３２型、Ｈｏｈｓｅｎ  Ｃｏｒｐ．）で行った。実施例５からの電極被膜を対電極または負電極（Ｄｍ＝１５ｍｍ）として使用し、９４．０％の含有率および１４．８ｍｇ／ｃｍ２の平均基本重量を有するリチウム−ニッケル−マンガン−コバルト酸化物６：２：２をベースとする被膜（Ｃｕｓｔｏｍ  Ｃｅｌｌｓ社から供給）を作用電極または正電極（Ｄｍ＝１５ｍｍ）として使用した。１２０μＬの電解液で浸漬されたガラス繊維ろ紙（Ｗｈａｔｍａｎ、ＧＤタイプＤ）はセパレータ（Ｄｍ＝１６ｍｍ）としての機能を果たした。使用された電解液は、炭酸フルオロエチレンおよび炭酸エチルメチルの３：７（ｖ／ｖ）混合物中の１．０モル濃度溶液の六フッ化リン酸リチウムから成り、これに、ビニレンカーボネートの２．０重量％を添加した。グローブボックス（＜１ｐｐｍ  Ｈ２Ｏ、Ｏ２）内に電池を作成し；使用された全成分の乾燥物質の含水量は２０ｐｐｍ未満であった。
電気化学試験を２０℃で行った。電流が１．２ｍＡ／ｇ（Ｃ／１００に対応）未満または１５ｍＡ／ｇ（Ｃ／８に対応）になるまで、第一サイクルにおいて５ｍＡ／ｇ（Ｃ／２５に対応）およびその後のサイクルにおける６０ｍＡ／ｇ（Ｃ／２に対応）の定電流ならびに定電圧において４．２Ｖの電圧制限に達成時にｃｃ／ｃｖ法（定電流／定電圧）により電池を充電した。３．０Ｖの電圧制限に達するまで、第一サイクルにおいて５ｍＡ／ｇ（Ｃ／２５に対応）およびその後のサイクルにおける６０ｍＡ／ｇ（Ｃ／２に対応）の定電流でｃｃ法（定電流）により電池を放電した。選択された比電流は、正電極の被膜の重量に基づいていた。
実施例５および６の処方物を基礎として、リチウムイオン電池をアノードの部分的リチウム化されたセルバランスにより作動させた。
【０１２８】
第二サイクルにおけるフル充電された電池は、２．０３ｍＡｈ／ｃｍ２の可逆的初期容量を有し、２２０回の充電／放電サイクル後にそれでもこの最初の容量の８０％を有した。
【０１２９】
比較例７（比７）：
実施例３からの被覆されていないマイクロＳｉを含む本発明でないアノード：
実施例３からのシリコン粒子を実施例５に記載されているように使用してアノードを製造した。
このように製造されたアノード被膜の平均基本重量は２．９４ｍｇ／ｃｍ２であり、被膜密度は０．９ｇ／ｃｍ３であった。
【０１３０】
比較例８（比８）：
比較例７からのアノードを備える本発明でないリチウムイオン電池：
被覆されていないシリコン粒子を含んでなる比較例７からのアノードを、実施例６に記載されているように試験した。
比較例７および８の処方物を基礎として、リチウムイオン電池をアノードの部分的リチウム化されたセルバランスにより作動させた。
【０１３１】
第二サイクルにおけるフル充電された電池は、２．０３ｍＡｈ／ｃｍ２の可逆的初期容量を有し、２０３回の充電／放電サイクル後にそれでもこの最初の容量の８０％を有した。
【０１３２】
実施例９（実９）：Ｃ被覆マイクロＳｉ（ＣＶＤ法）：
２０．００ｇの実施例１からのシリコン粉末（Ｄ５０＝５．２７μｍ）を室温においてＣａｒｂｏｌｉｔｅ  ＧｍｂＨのＣＶＤ反応器（ＨＴＲ１１／１５０）のガラス管に移動した。サンプルの導入後、プロセスガスでパージ処理を行った（１０分  アルゴン  ３ｓｌｍ（標準リットル毎分）；３分  エテンおよびＨ２  各１ｓｌｍ、５分  アルゴン  ３ｓｌｍ）。２０Ｋ／分の加熱速度で、反応ゾーンを９００℃まで加熱した。パージおよび加熱の間でも、管を回転（８／分の振動周波数で３１５°）して粉末を混合した。目標温度に達成時、１０分間保持した。次のガス組成を用いて３．６ｓｌｍの総ガス流速で３０分の反応時間ＣＶＤ被覆を行った：
２モルのエテン、０．３ｓｌｍ、８．３３体積％；アルゴン  ２．４ｓｌｍ、６６．６７体積％；Ｈ２  ０．９ｓｌｍ、２６体積％。
冷却後、１５．００ｇの黒色粉末を得て（収率７５％）、これを湿式篩分けによって大きなサイズを取り除いた。Ｄ９９＜２０μｍの粒度を有するＣ被覆Ｓｉ粒子１４．５０ｇを得た。
図６は、得られたＣ被覆Ｓｉ粒子のＳＥＭ画像（拡大倍率７５００倍）を示し、図７は、ＴＥＭ画像（拡大倍率２０，０００倍）を示す。
元素組成：Ｓｉ  ≧９４重量％；Ｃ  ２．５４重量％；Ｈ  ＜０．０１重量％；Ｏ  ０．１０重量％；Ｎ  ＜０．０１重量％。
粒度分布：単峰性；Ｄ１０：２．７９μｍ、Ｄ５０：５．２６μｍ、Ｄ９０：８．７７μｍ；（Ｄ９０−Ｄ１０）／Ｄ５０＝１．４４。
比表面積（ＢＥＴ）：２．１０ｍ２／ｇ。
Ｓｉ不浸透性：約１００％
粉末導電率：８１８２６７．３７μＳ／ｃｍ。
ガス発生：Ｈ２発生はなかった（方法ａ）；圧増大はなかった（方法ｂ）。
【０１３３】
比較例１０（比１０）：
凝集したＣ被覆マイクロＳｉ（トルエンからピッチベース）：
３．００ｇのピッチ（Ｐｅｔｒｏｍａｓｓｅ  ＺＬ２５０Ｍ）を室温において１００ｍＬのトルエンに溶解し、２４時間撹拌した。７０．００ｇの実施例１からのシリコン粉末（Ｄ５０＝５．２７μｍ）を超音波（Ｈｉｅｌｓｃｈｅｒ  ＵＩＳ２５０Ｖ；振幅８０％、サイクル０．９；時間：６０分）によってこのピッチ溶液中に分散した。溶媒を減圧下で除去した後に、７０．００ｇの黒色粉末を得た。
６９．００ｇのＳｉ／ピッチ粉末を石英ガラスボート（ＱＣＳ  ＧｍｂＨ）中に導入し、不活性ガスとして窒素／Ｈ２を用いてＮ型サンプル熱電対を備えているカスケード制御を用いて三ゾーン管状炉（ＴＦＺ１２／６５／５５０／Ｅ３０１；Ｃａｒｂｏｌｉｔｅ  ＧｍｂＨ）内で炭化した：
第一加熱速度１０℃／分、温度３５０℃、保持時間３０分、Ｎ２／Ｈ２流速２００ｍＬ／分；それから、加熱速度３℃／分、温度５５０℃で直接的にさらに；加熱速度１０℃／分、温度１０００℃で直接的にさらに；それから保持時間２時間、Ｎ２／Ｈ２流速２００ｍＬ／分で炭化した。
冷却後、６８．００ｇの黒色粉末を得て（炭化収率９８％）、これを湿式篩分けによって大きなサイズを取り除いた。Ｄ９９＜２０μｍの粒度を有するＣ被覆Ｓｉ粒子５．００ｇを得た。
図８は、得られたＣ被覆Ｓｉ粒子のＳＥＭ画像（拡大倍率７５００倍）を示す。
元素組成：Ｓｉ  ≧９３重量％；Ｃ  ２．０５重量％；Ｈ  ０．０２重量％；Ｏ  ０．４６重量％；Ｎ  ＜０．０１重量％。
粒度分布：単峰性；Ｄ１０：３．６１μｍ、Ｄ５０：５．８８μｍ、Ｄ９０：９．２９μｍ；（Ｄ９０−Ｄ１０）／Ｄ５０＝０．９７。
比表面積（ＢＥＴ）：１．３３ｍ２／ｇ。
Ｓｉ不浸透性：＜１％。
粉末導電率：３４１３．９７μＳ／ｃｍ。
【０１３４】
比較例１１（比１１）：
凝集したＣ被覆マイクロＳｉ（ＤＭＦからＰＡＮベース）：
５．００ｇのポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を、室温において３３３ｍＬのジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）中に溶解した。８．００ｇの実施例３からのシリコン粉末（Ｄ５０＝４．４５μｍ）を超音波（Ｈｉｅｌｓｃｈｅｒ  ＵＩＳ２５０Ｖ；振幅８０％、サイクル０．９；時間：３０分）によってこのＰＡＮ溶液中に分散した。Ｂ−２９５イナートループおよびＢ−２９６除湿装置（ＢＵＥＣＨＩ  ＧｍｂＨ）を備えたタイプＢ−２９０研究室用噴霧乾燥器（ＢＵＥＣＨＩ  ＧｍｂＨ）を用いて、得られた分散液を散布し乾燥した（ノズルチップ０．７ｍｍ；ノズルキャップ１．４ｍｍ；ノズル温度１３０℃；Ｎ２ガスフ流速３０；アスピレーター１００％；ポンプ２０％）。７．５７ｇの褐色粉末を得た（収率５８％）。
６．８６ｇのＳｉ／ＰＡＮ粉末を石英ガラスボート（ＱＣＳ  ＧｍｂＨ）中に導入し、不活性ガスとして窒素／Ｈ２を用いてＮ型サンプル熱電対を備えているカスケード調整を用いて三ゾーン管状炉（ＴＦＺ１２／６５／５５０／Ｅ３０１；Ｃａｒｂｏｌｉｔｅ  ＧｍｂＨ）内で炭化した：
第一加熱速度１０℃／分、温度３００℃、保持時間９０分、Ｎ２／Ｈ２流速２００ｍＬ／分；それから、加熱速度１０℃／分、温度１０００℃、保持時間３時間、Ｎ２／Ｈ２流速２００ｍＬ／分で直接的にさらに炭化した。
冷却後、４．８６ｇの黒色粉末を得て（炭化収率７１％）、これを湿式篩分けによって大きなサイズを取り除いた。Ｄ９９＜２０μｍの粒度を有するＣ被覆Ｓｉ粒子４．１０ｇを得た。
図９は、得られたＣ被覆Ｓｉ粒子のＳＥＭ画像（拡大倍率７５００倍）を示す。
元素組成：Ｓｉ  ≧７５重量％；Ｃ  １９．９重量％；Ｏ  ３．０８重量％；Ｎ  ０．９７重量％。
粒度分布：単峰性；Ｄ１０：５．６９μｍ、Ｄ５０：８．９８μｍ、Ｄ９０：１４．２μｍ；（Ｄ９０−Ｄ１０）／Ｄ５０＝０．９５。
比表面積（ＢＥＴ）：１０．３ｍ２／ｇ。
Ｓｉ不浸透性：約１００％
粉末導電率：６６７１４．８５μＳ／ｃｍ。
【０１３５】
比較例１２（比１２）：
比較例１１からの凝集したＣ被覆マイクロＳｉを含む本発明でないアノード
比較例１１からの凝集した炭素被覆シリコンマイクロ粒子を実施例５に記載されているように使用してアノードを製造した。
このように製造されたアノード被膜の平均基本重量は３．０ｍｇ／ｃｍ２であり、被膜密度は０．６ｇ／ｃｍ３であった。
【０１３６】
比較例１３（比１３）：
比較例１２からのアノードを備える本発明でないリチウムイオン電池：
比較例１２からの凝集した炭素被覆シリコンマイクロ粒子を含むアノードを、実施例６に記載されているように試験した。
比較例１２および１３の処方物を基礎として、リチウムイオン電池をアノードの部分的リチウム化されたセルバランスにより作動させた。
【０１３７】
第二サイクルにおけるフル充電された電池は、１．８５ｍＡｈ／ｃｍ２だけの可逆的初期容量を有し、２２１回の充電／放電サイクル後にそれでもこの最初の容量の８０％を有した。
【０１３８】
比較例１４（比１４）：
凝集したＣ被覆マイクロＳｉを含んでなる比較例１２からのアノードの高密度化：
比較例１２からの凝集した炭素被覆シリコンマイクロ粒子含むアノードを、一軸実験用成形機（Ｌ．Ｏ．Ｔ．）によって圧縮ダイで高密度化した。
このように製造されたアノード被膜の平均基本重量は３．０ｍｇ／ｃｍ２であり、被膜密度は０．９ｇ／ｃｍ３であった。
【０１３９】
比較例１５（比１５）：
比較例１４からのアノードを備える本発明でないリチウムイオン電池：
凝集した炭素被覆シリコンマイクロ粒子を含んでなる比較例１４からの高密度化アノードを、実施例６に記載されているように試験した。
比較例１４および１５の処方物を基礎として、リチウムイオン電池をアノードの部分的リチウム化されたセルバランスにより作動させた。
【０１４０】
第二サイクルにおけるフル充電された電池は、２．００ｍＡｈ／ｃｍ２の可逆的初期容量を有し、６０回の充電／放電サイクル後にそれでもこの最初の容量の８０％を有した。
【０１４１】
表１は、実施例６および比較例８、１３および１５の試験結果を纏めている。
【０１４２】
実施例６のリチウムイオン電池は、驚くべきことに、比較例８、１３および１５のリチウムイオン電池と比較することにより、高い初期容量およびより安定な電気化学特性の両方を示した。
【０１４３】
【表１】
2019534537.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【０１４４】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１】
2019534537.tif 000004
【図２】
2019534537.tif 000005
【図３】
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【図４】
2019534537.tif 000007
【図５】
2019534537.tif 000008
【図６】
2019534537.tif 000009
【図７】
2019534537.tif 000010
【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年7月24日(2018.7.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非凝集炭素被覆シリコン粒子であって、１〜１５μｍの平均粒径ｄ５０を有し、いずれの場合にも炭素被覆シリコン粒子の総重量に対して、≦１０重量％の炭素および≧９０重量％のシリコンを含有し、前記非凝集炭素被覆シリコン粒子が、≦４０％の凝集度（篩分け分析によって決定）を有する、非凝集炭素被覆シリコン粒子。
【請求項２】
前記非凝集炭素被覆シリコン粒子が、≦３０％の凝集度（篩分け分析によって決定）を有することを特徴とする、請求項１に記載の非凝集炭素被覆シリコン粒子。
【請求項３】
前記非凝集炭素被覆シリコン粒子の炭素被膜が、１〜１００ｎｍの範囲の平均層厚さ（決定方法：走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ））を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の非凝集炭素被覆シリコン粒子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の炭素被覆シリコン粒子の製造方法であって、
ａ）シリコン粒子および１つ以上の溶融可能炭素前駆体を含んでなる混合物を、前記溶融可能炭素前駆体が完全に溶融するまで、＜４００℃の温度まで加熱し、次いで、このように得られた前記溶融炭素前駆体を炭化する、乾燥法；または
ｂ）シリコン粒子を１つ以上の炭素前駆体を用いて炭素で被覆するＣＶＤ法であって、前記ＣＶＤ法の実施中に前記粒子を撹拌し、かつ前記ＣＶＤ法を、雰囲気の総体積に対して、０．１体積％〜８０体積％の程度まで炭素前駆体を含有する雰囲気中で行う、ＣＶＤ法、
による、方法。
【請求項５】
前記非凝集炭素被覆シリコン粒子の製造用の反応物として使用される前記シリコン粒子が、１μｍ以上かつ１５μｍ未満の直径パーセンタイル値ｄ５０を有する体積基準粒度分布を有することを特徴とする、請求項４に記載の炭素被覆シリコン粒子の製造方法。
【請求項６】
前記非凝集炭素被覆シリコン粒子の体積基準粒度分布ｄ５０と、前記非凝集炭素被覆シリコン粒子の製造用の反応物として使用される前記シリコン粒子の体積基準粒度分布ｄ５０との差が、≦５μｍであることを特徴とする、請求項４または５に記載の炭素被覆シリコン粒子の製造方法。
【請求項７】
１つ以上の炭素前駆体を、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、イソブタン、ヘキサン、エチレン、プロピレン、ブテン、アセチレン、ベンゼン、トルエン、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、ピリジン、アントラセン、およびフェナントレンを含む群から選択されることを特徴とする、請求項４〜６のいずれか一項に記載の炭素被覆シリコン粒子の製造方法。
【請求項８】
前記ＣＶＤ法を、雰囲気の総体積に対して、１体積％〜３０体積％の程度まで炭素前駆体を含有する雰囲気中で行うことを特徴とする、請求項４〜７のいずれか一項に記載の炭素被覆シリコン粒子の製造方法。
【請求項９】
ポリアクリロニトリル、単糖類、二糖類および多糖類、ポリアニリン、ポリスチレン、ピッチならびにタールを含む群から選択される１つ以上の溶融可能炭素前駆体を使用することを特徴とする、請求項４〜６のいずれか一項に記載の炭素被覆シリコン粒子の製造方法。
【請求項１０】
１つ以上のバインダー、必要に応じて黒鉛、必要に応じて１つ以上のさらなる導電性成分および必要に応じて１つ以上の添加剤を含んでなるリチウムイオン電池用アノード材料であって、請求項１〜３のいずれか一項に記載の炭素被覆シリコン粒子が１つ以上存在することを特徴とする、アノード材料。
【請求項１１】
カソード、アノード、セパレータおよび電解液を含んでなるリチウムイオン電池であって、前記アノードが請求項１０に記載のアノード材料をベースとすることを特徴とする、リチウムイオン電池。
【請求項１２】
フル充電された前記リチウムイオン電池の前記アノード材料が部分的にのみリチウム化されていることを特徴とする、請求項１１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１３】
前記フル充電された電池の前記部分的にリチウム化されたアノード材料中のシリコン原子に対するリチウム原子の比が、≦２．２であることを特徴とする、請求項１２に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１４】
前記リチウムイオン電池の前記アノード材料中のシリコン容量が、シリコンのグラム当たりの最大容量４２００ｍＡｈに対して、≦５０％の程度まで利用することを特徴とする、請求項１２または１３に記載のリチウムイオン電池。
【国際調査報告】
2019534537.tif 000013
2019534537.tif 000014
2019534537.tif 000015
2019534537.tif 000016