特許 7592589 金属イオン電池用電気活性材料

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-22

(45)【発行日】2024-12-02

(54)【発明の名称】金属イオン電池用電気活性材料

(51)【国際特許分類】

   H01M 4/38 20060101AFI20241125BHJP

   H01M 4/133 20100101ALI20241125BHJP

   H01M 4/134 20100101ALI20241125BHJP

   H01M 4/36 20060101ALI20241125BHJP

   H01M 4/46 20060101ALI20241125BHJP

   H01M 4/62 20060101ALI20241125BHJP

   H01M 10/052 20100101ALI20241125BHJP

【ＦＩ】

H01M4/38 Z

H01M4/133

H01M4/134

H01M4/36 A

H01M4/36 E

H01M4/46

H01M4/62 Z

H01M10/052

【請求項の数】 45

(21)【出願番号】P 2021524986

(86)(22)【出願日】2019-11-08

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-01-17

(86)【国際出願番号】 GB2019053175

(87)【国際公開番号】W WO2020095066

(87)【国際公開日】2020-05-14

【審査請求日】2022-06-15

(31)【優先権主張番号】1818235.2

(32)【優先日】2018-11-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(31)【優先権主張番号】1820742.3

(32)【優先日】2018-12-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(31)【優先権主張番号】16/274,185

(32)【優先日】2019-02-12

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】1912992.3

(32)【優先日】2019-09-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(73)【特許権者】

【識別番号】517050282

【氏名又は名称】ネクシオン リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110000796

【氏名又は名称】弁理士法人三枝国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】メイソン チャールズ エー．

(72)【発明者】

【氏名】テイラー リチャード グレゴリー

(72)【発明者】

【氏名】ファレル ジェームズ

(72)【発明者】

【氏名】マックリン ウィリアム ジェームズ

(72)【発明者】

【氏名】フレンド クリストファー マイケル

【審査官】村岡 一磨

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／０４０２９９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２７２５９２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１６－１３２６０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１０／０３８６０９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ４／００－４／６２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の複合粒子を含む粒子状材料であって、該複合粒子が、
（ａ）ミクロ細孔及び／又はメソ細孔を含む多孔質炭素骨格であって、
該ミクロ細孔及びメソ細孔は、ガス吸着により測定した全細孔容積がＰ^１ｃｍ^３／ｇであり、ここで、Ｐ^１は、少なくとも０．６の値を有する無次元の数を表し、
ガス吸着により測定したＰＤ_５０細孔径が２ｎｍ以下である、多孔質炭素骨格と、
（ｂ）前記多孔質炭素骨格の前記ミクロ細孔及び／又はメソ細孔内に位置し、シリコン、スズ、ゲルマニウム、及びアルミニウム、並びにこれらの混合物から選択される電気活性材料と、
を含み、
前記複合粒子が、１０μｍ以下のＤ_９０粒子径を有する、粒子状材料。

【請求項2】

Ｐ^１が、少なくとも０．６５、又は少なくとも０．７、又は０．７５、又は少なくとも０．８、又は少なくとも０．８５、又は少なくとも０．９、又は少なくとも０．９５、又は少なくとも、又は少なくとも１．０５、又は少なくとも１．１、又は少なくとも１．１５、又は少なくとも１．２の値を有する、請求項１に記載の粒子状材料。

【請求項3】

Ｐ^１が、２．４以下、又は２．２以下、又は２以下、又は１．８以下、又は１．６以下、又は１．５以下、又は１．４以下、又は１．３以下、又は１．２以下、又は１．１以下、又は１．０以下、又は０．９以下の値を有する、請求項１又は２に記載の粒子状材料。

【請求項4】

前記多孔質炭素骨格のＰＤ_５０細孔径が、１．８ｎｍ以下、又は１．６ｎｍ以下、又は１．４ｎｍ以下、又は１．２ｎｍ以下、又は１ｎｍ以下である、請求項１～３のいずれか一項に記載の粒子状材料。

【請求項5】

前記多孔質炭素骨格のＰＤ_６０細孔径が、３ｎｍ以下、又は２．５ｎｍ以下、又は２ｎｍ以下、又は１．８ｎｍ以下、又は１．６ｎｍ以下、又は１．４ｎｍ以下、又は１．２ｎｍ以下である、請求項１～４のいずれか一項に記載の粒子状材料。

【請求項6】

前記多孔質炭素骨格のＰＤ_７０細孔径が、３．５ｎｍ以下、又は３ｎｍ以下、又は２．５ｎｍ以下、又は２．２ｎｍ以下、又は２ｎｍ以下、又は２．５ｎｍ以下、又は２ｎｍ以下、又は１．８ｎｍ以下、又は１．６ｎｍ以下、又は１．４ｎｍ以下である、請求項１～５のいずれか一項に記載の粒子状材料。

【請求項7】

前記多孔質炭素骨格のＰＤ_８０細孔径が、５ｎｍ以下、又は４．５ｎｍ以下、４ｎｍ以下、又は３．５ｎｍ以下、又は３ｎｍ以下、又は２．５ｎｍ以下、又は２．２ｎｍ以下、又は２ｎｍ以下、又は１．８ｎｍ以下、又は１．６ｎｍ以下である、請求項１～６のいずれか一項に記載の粒子状材料。

【請求項8】

前記多孔質炭素骨格のＰＤ_９０細孔径が、１０ｎｍ以下、又は８ｎｍ以下、又は６ｎｍ以下、又は５ｎｍ以下、又は４ｎｍ以下、又は３ｎｍ以下、又は２．５ｎｍ以下、又は２ｎｍ以下である、請求項１～７のいずれか一項に記載の粒子状材料。

【請求項9】

前記多孔質炭素骨格のＰＤ_９５細孔径が、１５ｎｍ以下、又は１２ｎｍ以下、又は１０ｎｍ以下である、請求項１～８のいずれか一項に記載の粒子状材料。

【請求項10】

前記多孔質炭素骨格が、単峰性の細孔径分布を有する、請求項１～９のいずれか一項に記載の粒子状材料。

【請求項11】

前記多孔質炭素骨格が、二峰性又は多峰性の細孔径分布を有する、請求項１～９のいずれか一項に記載の粒子状材料。

【請求項12】

前記多孔質炭素骨格が、２ｎｍ未満に少なくとも１つのピークを有し、かつ、２．５ｎｍ～２０ｎｍの範囲に少なくとも１つのピークを有する二峰性又は多峰性の細孔径分布を有する、請求項１１に記載の粒子状材料。

【請求項13】

前記多孔質炭素骨格が、２ｎｍ未満に少なくとも１つのピークを有し、かつ、２．５ｎｍ～１５ｎｍの範囲に少なくとも１つのピークを有する二峰性又は多峰性の細孔径分布を有する、請求項１２に記載の粒子状材料。

【請求項14】

前記多孔質炭素骨格が、５０ｎｍ超～１００ｎｍの範囲の直径を有し、水銀圧入法により測定した全容積がＰ^２ｃｍ^３／ｇであるマクロ細孔を含み、ここで、Ｐ^２は、０．２×Ｐ^１以下、又は０．１×Ｐ^１以下、又は０．０５×Ｐ^１以下、又は０．０２×Ｐ^１以下、又は０．０１×Ｐ^１以下、又は０．００５×Ｐ^１以下である、請求項１～１３のいずれか一項に記載の粒子状材料。

【請求項15】

前記ミクロ細孔及び／又はメソ細孔の少なくとも一部が、電気活性材料によって完全に包囲された空隙を含む、請求項１～１４のいずれか一項に記載の粒子状材料。

【請求項16】

前記複合粒子が、９．５μｍ以下、又は９μｍ以下、又は８．５μｍ以下、又は８μｍ以下、又は７．５μｍ以下、又は７μｍ以下、又は６．５μｍ以下、又は６μｍ以下、又は５．５μｍ以下、又は５μｍ以下、又は４．５μｍ以下、又は４μｍ以下のＤ_９０粒子径を有する、請求項１～１５のいずれか一項に記載の粒子状材料。

【請求項17】

前記複合粒子が、０．５μｍ～７μｍの範囲のＤ_５０粒子径を有する、請求項１～１６のいずれか一項に記載の粒子状材料。

【請求項18】

前記複合粒子が、少なくとも１μｍ、又は少なくとも１．５μｍ、又は少なくとも２μｍ、又は少なくとも２．５μｍ、又は少なくとも３μｍのＤ_５０粒子径を有する、請求項１７に記載の粒子状材料。

【請求項19】

前記複合粒子が、６．５μｍ以下、又は６μｍ以下、又は５．５μｍ以下、又は５μｍ以下、又は４．５μｍ以下、又は４μｍ以下、又は３．５μｍ以下のＤ_５０粒子径を有する、請求項１７又は１８に記載の粒子状材料。

【請求項20】

前記複合粒子が、少なくとも０．２μｍ、又は少なくとも０．５μｍ、又は少なくとも０．８μｍ、又は少なくとも１μｍ、又は少なくとも１．５μｍ、又は少なくとも２μｍのＤ_１０粒子径を有する、請求項１～１９のいずれか一項に記載の粒子状材料。

【請求項21】

前記複合粒子が、２５μｍ以下、又は２０μｍ以下、又は１８μｍ以下、又は１５μｍ以下、又は１２μｍ以下、又は１０μｍ以下、又は９μｍ以下、又は８μｍ以下、又は７μｍ以下、又は６μｍ以下、又は５μｍ以下のＤ_９９粒子径を有する、請求項１～２０のいずれか一項に記載の粒子状材料。

【請求項22】

体積ベースの粒度分布が正の歪みを有する、請求項１～２１のいずれか一項に記載の粒子状材料。

【請求項23】

前記複合粒子が、少なくとも０．７０の平均球形度Ｓ_ａｖを有する回転楕円状粒子である、請求項１～２２のいずれか一項に記載の粒子状材料。

【請求項24】

前記多孔質炭素骨格における前記電気活性材料の充填率が、５５％以下である、請求項１～２３のいずれか一項に記載の粒子状材料。

【請求項25】

前記電気活性材料がシリコンであり、かつ、炭素に対するシリコンの重量比が、［０．５×Ｐ^１～１．７×Ｐ^１］：１の範囲である、請求項１～２４のいずれか一項に記載の粒子状材料。

【請求項26】

前記電気活性材料がシリコンであり、かつ、炭素に対するシリコンの重量比が、［０．５×Ｐ^１～１．３×Ｐ^１］：１の範囲、又は［０．５５×Ｐ^１～１．１×Ｐ^１］：１の範囲、又は［０．６×Ｐ^１～１．１×Ｐ^１］：１の範囲、又は［０．６×Ｐ^１～１×Ｐ^１］：１の範囲、又は［０．６×Ｐ^１～０．９５×Ｐ^１］：１の範囲、又は［０．６×Ｐ^１～０．９×Ｐ^１］：１の範囲、又は［０．６５×Ｐ^１～０．９×Ｐ^１］：１の範囲、又は［０．６５×Ｐ^１～０．８５×Ｐ^１］：１の範囲、又は［０．６５×Ｐ^１～０．８×Ｐ^１］：１の範囲、又は［０．７×Ｐ^１～０．８×Ｐ^１］：１の範囲である、請求項２５に記載の粒子状材料。

【請求項27】

前記電気活性材料がシリコンであり、かつ、炭素に対するシリコンの重量比が、［１×Ｐ^１～１．７×Ｐ^１］：１の範囲、又は［１．１×Ｐ^１～１．７×Ｐ^１］：１の範囲、又は［１．１×Ｐ^１～１．６５×Ｐ^１］：１の範囲、又は［１．１×Ｐ^１～１．６×Ｐ^１］：１の範囲、又は［１．１５×Ｐ^１～１．６×Ｐ^１］：１の範囲、又は［１．１５×Ｐ^１～１．５５×Ｐ^１］：１の範囲、又は［１．１５×Ｐ^１～１．５×Ｐ^１］：１の範囲、又は［１．２×Ｐ^１～１．５×Ｐ^１］：１の範囲、又は［１．２５×Ｐ^１～１．５×Ｐ^１］：１の範囲、又は［１．３×Ｐ^１～１．５×Ｐ^１］：１の範囲である、請求項２５に記載の粒子状材料。

【請求項28】

前記電気活性材料がシリコンであり、かつ、前記複合粒子におけるシリコン質量の少なくとも９０重量％が前記多孔質炭素骨格の内部細孔容積中に位置する、請求項１～２７のいずれか一項に記載の粒子状材料。

【請求項29】

前記電気活性材料がシリコンであり、かつ、粒子状材料を、空気中において１０℃／分の温度上昇速度でＴＧＡにより分析する場合に、該粒子状材料のシリコン含有量の１０％以下が８００℃で未酸化である、請求項１～２８のいずれか一項に記載の粒子状材料。

【請求項30】

前記複合粒子のミクロ細孔及びメソ細孔の窒素ガス吸着により測定した容積が、０．１５×Ｐ^１以下、又は０．１０×Ｐ^１以下、又は０．０５×Ｐ^１以下、又は０．０２×Ｐ^１以下である、請求項１～２９のいずれか一項に記載の粒子状材料。

【請求項31】

前記複合粒子が、１５０ｍ^２／ｇ以下、又は１００ｍ^２／ｇ以下、又は８０ｍ^２／ｇ以下、又は６０ｍ^２／ｇ以下、又は４０ｍ^２／ｇ以下、又は３０ｍ^２／ｇ以下、又は２５ｍ^２／ｇ以下、又は２０ｍ^２／ｇ以下、又は１５ｍ^２／ｇ以下のＢＥＴ表面積を有する、請求項１～３０のいずれか一項に記載の粒子状材料。

【請求項32】

前記複合粒子が、少なくとも０．１ｍ^２／ｇ、又は少なくとも１ｍ^２／ｇ、又は少なくとも２ｍ^２／ｇ、又は少なくとも５ｍ^２／ｇのＢＥＴ表面積を有する、請求項１～３１のいずれか一項に記載の粒子状材料。

【請求項33】

リチウム化した際の比容量が、１２００ｍＡｈ／ｇ～２３４０ｍＡｈ／ｇである、請求項１～３２のいずれか一項に記載の粒子状材料。

【請求項34】

請求項１～３３のいずれか一項に記載の粒子状材料と、少なくとも１つの他の成分とを含む組成物。

【請求項35】

組成物の総乾燥重量に対して、請求項１～３３のいずれか一項に記載の粒子状材料を、少なくとも５０重量％、又は少なくとも５５重量％、又は少なくとも６０重量％、又は少なくとも６５重量％、又は少なくとも７０重量％、又は少なくとも７５重量％、又は少なくとも８０重量％、又は少なくとも８５重量％、又は少なくとも９０重量％、又は少なくとも９５重量％含む、請求項３４に記載の組成物。

【請求項36】

請求項１～３３のいずれか一項に記載の粒子状材料と、（ｉ）バインダー、（ｉｉ）導電性添加剤、及び（ｉｉｉ）追加の粒子状電気活性材料から選択される少なくとも１つの他の成分とを含む、請求項３４又は３５に記載の組成物。

【請求項37】

少なくとも１つの追加の粒子状電気活性材料を含む、請求項３６に記載の組成物。

【請求項38】

前記少なくとも１つの追加の粒子状電気活性材料が、黒鉛、硬質炭素、シリコン、スズ、ゲルマニウム、ガリウム、アルミニウム、及び鉛から選択される、請求項３７に記載の組成物。

【請求項39】

組成物の総乾燥重量に対して、バインダーを、任意で、０．５重量％～２０重量％、又は１重量％～１５重量％、又は２重量％～１０重量％の量で含む、請求項３６～３８のいずれか一項に記載の組成物。

【請求項40】

組成物の総乾燥重量に対して、１つ以上の導電性添加剤を、任意で、０．５重量％～２０重量％、又は１重量％～１５重量％、又は２重量％～１０重量％の総量で含む、請求項３６～３９のいずれか一項に記載の組成物。

【請求項41】

集電体と電気的に接触した請求項１～３３のいずれか一項に記載の粒子状材料を含む電極。

【請求項42】

前記粒子状材料が、請求項３４～４０のいずれか一項に記載の組成物の形態を有する、請求項４１に記載の電極。

【請求項43】

（ｉ）請求項４１又は４２に記載の電極を含むアノードと、
（ｉｉ）金属イオンを放出及び再吸収することができるカソード活物質を含むカソードと、
（ｉｉｉ）前記アノードと前記カソードとの間の電解質と、
を含む充電式金属イオン電池。

【請求項44】

アノード活物質としての、請求項１～３３のいずれか一項に記載の粒子状材料の使用。

【請求項45】

前記粒子状材料が、請求項３４～４０のいずれか一項に記載の組成物の形態を有する、請求項４４に記載の使用。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、概して、充電式金属イオン電池用電極における使用に好適な電気活性材料に関し、より詳細には、充電式金属イオン電池におけるアノード活物質としての使用に好適な高電気化学容量を伴う高機械的強度を有する粒子状材料に関する。

【背景技術】

【0002】

充電式金属イオン電池は、携帯電話及びノート型パソコン等の携帯型電子機器において広く使用されており、電気自動車又はハイブリッド車における適用が増加している。充電式金属イオン電池は、一般的に、アノード層、カソード層、アノード層とカソード層との間で金属イオンを輸送する電解質、及びアノードとカソードとの間に配置された電気絶縁性多孔質セパレータを含む。カソードは、典型的には、金属酸化物系複合材料を含有する金属イオンの層を備えた金属集電体を含み、アノードは、典型的には、本明細書で、電池の充電中及び放電中に金属イオンの挿入及び放出が可能な材料として定義される電気活性材料の層を備えた金属集電体を含む。誤解を避けるために、本明細書では、「カソード」及び「アノード」という用語は、カソードが正極となり、アノードが負極となるように、電池に負荷がかけられるという意味で使用される。金属イオン電池を充電すると、金属イオンは金属イオン含有カソード層から電解質を介してアノードに輸送され、アノード材料に挿入される。本明細書では、「電池」という用語は、単一のアノード及び単一のカソードを含有するデバイス、並びに複数のアノード及び／又は複数のカソードを含有するデバイスの両方を指して使用される。

【0003】

充電式金属イオン電池の重量容量及び／又は体積容量を改善することに対して関心がある。リチウムイオン電池の使用により、他の電池技術と比較して、既にかなりの改善がもたらされたが、更なる開発の余地がある。これまで、市販のリチウムイオン電池は、主に、アノード活物質としての黒鉛の使用に限定されてきた。黒鉛アノードを充電すると、リチウムが黒鉛層間に挿入され、実験式Ｌｉ_ｘＣ_６（ここで、ｘは、０超、かつ、１以下）の材料を形成する。その結果、黒鉛は、リチウムイオン電池において、３７２ｍＡｈ／ｇの最大理論容量を有し、実用上の容量はそれよりもやや低くなる（約３４０ｍＡｈ／ｇ～３６０ｍＡｈ／ｇ）。シリコン、スズ、及びゲルマニウム等の他の材料は、黒鉛よりも大幅に高い容量でリチウムを挿入することができるが、多数回の充放電サイクルにわたって十分な容量を維持することが難しいため、まだ広く商業的には使用されていない。

【0004】

特に、シリコンは、リチウムに対する容量が非常に高いため、高い重量容量及び体積容量を有する充電式金属イオン電池の製造において、黒鉛の有望な代替物として認識されてきた（例えば、非特許文献１を参照）。シリコンは、室温で、リチウムイオン電池における理論上の最大比容量が約３６００ｍＡｈ／ｇ（Ｌｉ_１５Ｓｉ_４に基づく）である。しかしながら、充電及び放電の際の体積変化が大きいため、アノード材料としてのシリコンの使用は、複雑である。

【0005】

リチウムがバルクシリコンに挿入されると、シリコン材料の体積が大幅に増加し、シリコンがその最大容量までリチウム化されると、元の体積の４００％にまで増加する。そして、充放電サイクルが繰り返されると、シリコン材料に大きな機械的応力が発生し、シリコンアノード材料の破壊と層間剥離をもたらす。脱リチウム化の際のシリコン粒子の体積の収縮は、アノード材料と集電体との間の電気的接触の損失をもたらす可能性がある。更に困難なのは、シリコン表面に形成される固体電解質界面（ＳＥＩ）層が、シリコンの膨張及び収縮に適応するのに十分な機械的耐久性を有さないことである。その結果、新たに露出したシリコン表面によって、電解質が更に分解し、ＳＥＩ層の厚さが増加し、かつ、リチウムが不可逆的に消費されることになる。これらの欠陥メカニズムは集合的に、連続した充放電サイクルにわたる許容できない電気化学容量の損失をもたらす。

【0006】

シリコン含有アノードを充電する際に観察される体積変化と関連する問題を克服するために、数多くの取り組みが提案されてきた。シリコン含有アノードの不可逆容量損失に対処するための最も普及している取り組みは、何らかの形態で微細構造化されたシリコンを電気活性材料として使用することである。シリコン膜及びシリコンナノ粒子等の、断面が約１５０ｎｍ未満の微細シリコン構造体は、ミクロンサイズの範囲のシリコン粒子と比較して、充電及び放電の際の体積変化に対してより耐久性があることが報告されてきた。しかしながら、これらはいずれも、形態を変更せずに商業規模で適用するには特に適していない。ナノスケールの粒子は製造及び取り扱いが難しく、シリコン膜は十分なバルク容量を提供しない。例えば、ナノスケールの粒子は、凝集体を形成する傾向があり、それにより、アノード材料マトリックス内で粒子を有効に分散させることが困難となる。また、ナノスケールの粒子の凝集体の形成は、繰り返しの充放電サイクルにおいて許容できない容量損失をもたらす。

【0007】

Oharaら（非特許文献２）は、ニッケル箔集電体上にシリコンを薄膜として蒸着させること、及びこの構造体をリチウムイオン電池のアノードとして使用することを記載した。この取り組みによると、良好な容量保持率が得られるが、薄膜構造体は単位面積当たりの容量が有用な量ではなく、膜厚が増加すると、いかなる改善も排除されてしまう。

【0008】

特許文献１には、アスペクト比、すなわち、粒子の最小寸法に対する最大寸法の比が高いシリコン粒子を使用することによって、容量保持率が改善され得ることが開示されている。

【0009】

シリコン等の電気活性材料が、活性炭材料等の多孔質担体材料の細孔内に堆積され得ることも一般的に知られている。これらの複合材料は、ナノ粒子の取り扱いの難しさを回避しながら、ナノスケールのシリコン粒子の有益な充放電特性の幾つかを提供する。例えば、Guoら（非特許文献３）は、多孔質炭素基材が、基材の細孔構造内に均一に分布して堆積したシリコンナノ粒子を備えた導電性骨格を提供するシリコン－炭素複合材料を開示している。初回の充電サイクルでのＳＥＩの形成は、残りのシリコンが後続の充電サイクルで電解質に露出しないように、残りの細孔容積に限局している。この複合材料によって、複数回の充電サイクルにわたる容量保持率が改善したが、複合材料のｍＡｈ／ｇでの初期容量は、シリコンナノ粒子に対する容量よりも大幅に低いことが示されている。

【0010】

特許文献２には、少数のより大きな細孔から分岐した小さな細孔を有する炭素系スキャホールド（scaffold）を含む活物質が開示されている。電気活性材料（例えば、シリコン）は、大きな細孔及び小さな細孔の両方の壁、並びに炭素系スキャホールドの外表面に無作為に位置している。

【0011】

これまでの努力にもかかわらず、リチウムイオン電池の電気化学的貯蔵容量の改善に対する継続的な必要性がある。特に、その細孔構造に電気活性材料が堆積した多孔質担体材料に依存する複合材料は、商業的に使用するには不十分な構造強度を有することが多い。従来の電極作製プロセスは、典型的には、電極層を高密度化し、電池設計内のスペース利用を最適化するために、集電体への電極材料のカレンダリング処理に依存している。高多孔質材料は、電極作製中に破損しやすく、電気化学的性能の低下につながる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【文献】国際公開第２００７／０８３１５５号

【文献】特開第２００３－１００２８４号

【非特許文献】

【0013】

【文献】Insertion Electrode Materials for Rechargeable Lithium Batteries, Winter, M. et al. in Adv. Mater. 1998, 10, No. 10

【文献】Journal of Power Sources 136 (2004) 303-306

【文献】Journal of Materials Chemistry A, 2013, pp. 14075-14079

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

本発明は、多孔質炭素骨格と、多孔質炭素骨格内に位置する電気活性材料とを含む複合粒子の機械的性能は、特定の細孔構造を有すると同時に、慎重に制御された細孔径分布を有する多孔質炭素骨格を用いることによって最適化することができるという知見に基づいている。

【課題を解決するための手段】

【0015】

第１の態様では、本発明は、複数の複合粒子を含む粒子状材料であって、該複合粒子が、
（ａ）ミクロ細孔及び／又はメソ細孔を含む多孔質炭素骨格であって、
該ミクロ細孔及びメソ細孔は、ガス吸着により測定した全細孔容積がＰ^１ｃｍ^３／ｇであり、ここで、Ｐ^１は、少なくとも０．６の値を有し、
ガス吸着により測定したＰＤ_５０細孔径が２ｎｍ以下である、多孔質炭素骨格と、
（ｂ）前記多孔質炭素骨格の前記ミクロ細孔及び／又はメソ細孔内に位置する電気活性材料と、
を含み、
前記複合粒子が、１０μｍ以下のＤ_９０粒子径を有する、粒子状材料を提供する。

【0016】

したがって、本発明は、多孔質炭素骨格が、ミクロ細孔及びメソ細孔の比較的高い全容積を有し、２ｎｍ以下の直径を有する細孔が、全細孔容積の少なくとも５０％を構成すると共に、粒度分布が直径１０μｍ以下の粒子に対して大きく偏った、粒子状材料に関する。誤解を避けるために、本明細書での多孔質炭素骨格の細孔容積に関する言及（反対の明記がない限り）は、単独で、すなわち、多孔質炭素骨格の細孔を占める電気活性材料（又は他の材料）がない状態で測定した場合の多孔質炭素骨格の細孔容積に関する。

【0017】

小粒子径と高度に分割された細孔容積との組合せにより、電極製造中の機械的劣化に対する抵抗の高い電気活性材料が提供されることが分かった。多孔質炭素骨格の高度に微細な細孔構造は、非常に微細な細孔壁をもたらす。理論に縛られるものではないが、これらの非常に微細な細孔壁は、低破壊率で弾性変形することができ、圧縮応力下での骨格の破壊抵抗が非常に高くなると考えられる。細孔径分布の制御は、粒子強度に追加的に寄与するだけでなく、電極活性層における複合粒子の最密充填の改善を可能にし、それにより、過剰なカレンダ圧力の必要性を低減する。

【0018】

本発明の粒子状材料の更なる利点は、高微多孔質炭素骨格が高い引張破壊強度を有するため、破壊することなく、電気活性材料の膨張の少なくとも一部に対して細孔容積内で適応することができることである。電気活性材料が完全にリチウム化すると、複合粒子全体がいくらか外部膨張し得るが、外部膨張の量は、内部で適応する膨張によって制限される。材料が外側に膨張するまで、高微多孔質炭素骨格は、破壊することなく変形することができる。多孔質炭素骨格が高い全空隙率を有することは、電気活性材料の高体積充填を提供するだけでなく、多孔質炭素骨格が、複数回の充放電サイクルにわたる繰り返しの体積変化に耐えるのに十分な弾力性を有することを保証する。

【0019】

高微多孔質炭素骨格は、電気活性材料が、数ナノメートル以下のオーダーの寸法を有する小ドメインの形態で、ミクロ細孔ネットワーク内に位置するという更なる利点を提供する。これらの微細な電気活性構造体は、より大きな電気活性構造体よりも、弾性変形に対する抵抗がより低く、破壊抵抗がより高いため、過剰な構造的ストレスなくリチウム化及び脱リチウム化することができる。したがって、多孔質炭素骨格の高微多孔質性は、粒子の機械的強度の改善を提供するだけでなく、電気活性材料が、大幅な容量損失なく、複数回の充放電サイクルにわたる繰り返しの体積変化に耐えるのに十分な弾力性を有することを保証する。

【0020】

本発明の粒子状材料の並外れた性能における更に別の要因は、ＳＥＩの形成が最小限に抑えられることである。上述のように、電気活性材料が小さなメソ細孔及び／又はミクロ細孔内に位置することにより、電気活性材料表面の小面積のみが電解質にアクセス可能となるため、ＳＥＩの形成が制限される。後続の充放電サイクルにおける電気活性材料の追加的な露出は、ＳＥＩの形成が容量損失につながる可能性のある重大な欠陥メカニズムとはならないように、実質的に防止される。これは、例えばGuoによって開示された材料の特徴である過剰で制約のないＳＥＩの形成とは明らかに対照的である（上記を参照）。

【0021】

多孔質炭素骨格は、好適には、ミクロ細孔及び／又はメソ細孔、及び任意で少量のマクロ細孔の組合せを含む３次元的に相互接続した開孔ネットワークを含む。従来のＩＵＰＡＣ用語に従うと、本明細書では、「ミクロ細孔」という用語は、直径２ｎｍ未満の細孔を指して使用され、本明細書では、「メソ細孔」という用語は、直径２ｎｍ～５０ｎｍの細孔を指して使用され、「マクロ細孔」という用語は、直径５０ｎｍ超の細孔を指して使用される。

【0022】

本明細書における多孔質炭素骨格内のミクロ細孔、メソ細孔、及びマクロ細孔の容積への言及、並びに多孔質炭素骨格内の細孔容積分布へのいかなる言及も、単独（すなわち、細孔容積の一部又は全部を占める電気活性材料又は他の材料がない状態）での多孔質炭素骨格の内部細孔容積を指す。

【0023】

多孔質炭素骨格は、ミクロ細孔及び／又はメソ細孔の形態での高い細孔容積を特徴とする。本明細書では、ミクロ細孔及びメソ細孔の全容積（すなわち、０ｎｍ～５０ｎｍの範囲の全細孔容積）は、Ｐ^１ｃｍ^３／ｇと称され、ここで、Ｐ^１は、少なくとも０．６の値を有する無次元の自然数を表す。より好ましくは、Ｐ^１の値は、少なくとも０．６５、又は少なくとも０．７、又は少なくとも０．７５、又は少なくとも０．８、又は少なくとも０．８５である。任意で、Ｐ^１の値は、少なくとも０．９、又は少なくとも０．９５、又は少なくとも１、又は少なくとも１．０５、又は少なくとも１．１、又は少なくとも１．１５、又は少なくとも１．２とすることができる。

【0024】

高空隙率の炭素骨格の使用は、より多量の電気活性材料を細孔構造内に収容することができるため有利であり、その一方で、細孔容積を微細なメソ細孔及びミクロ細孔に分割することによって、複合粒子が、従来の電極製造プロセスで用いる圧縮応力に対して十分な抵抗を有することが保証される。

【0025】

多孔質炭素骨格の内部細孔容積は、好適には、多孔質炭素骨格の脆弱性の増加が、より多量の電気活性材料を収容する細孔容積の増加の利点を上回る値で制限される。通常、Ｐ^１の値は、２．５以下とすることができる。しかしながら、より好ましくは、Ｐ^１の値は、２．４以下、又は２．２以下、又は２以下、又は１．８以下、又は１．６以下、又は１．５以下、又は１．４以下、又は１．３以下、又は１．２以下、又は１．１以下、又は１．０以下、又は０．９以下とすることができる。より好ましくは、Ｐ^１の値は、１．２以下、又は１．１以下、又は１．０以下、又は０．９以下である。

【0026】

本発明によれば、Ｐ^１の値は、例えば、０．８～２．２の範囲、又は０．８５～２．２の範囲、又は０．９～２．２の範囲、又は０．９５～２．２の範囲、又は１～２．２の範囲、又は１．０５～２．２の範囲、又は１．１～２．２の範囲、又は０．８～２の範囲、又は０．８５～２の範囲、又は０．９～２の範囲、又は０．９５～２の範囲、又は１～２の範囲、又は１．０５～２の範囲、又は１．１～２の範囲、又は０．８～１．９の範囲、又は０．８５～１．９の範囲、又は０．９～１．９の範囲、又は０．９５～１．９の範囲、又は１～１．９の範囲、又は１．０５～１．９の範囲、又は１．１～１．９の範囲、又は０．８～１．８の範囲、又は０．８５～１．８の範囲、又は０．９～１．８の範囲、又は０．９５～１．８の範囲、又は１～１．８の範囲、又は１．０５～１．８の範囲、又は１．１～１．８の範囲、又は０．８～１．７の範囲、又は０．８５～１．７の範囲、又は０．９～１．７の範囲、又は０．９５～１．７の範囲、又は１～１．７の範囲、又は１．０５～１．７の範囲、又は１．１～１．７の範囲、又は０．８～１．６の範囲、又は０．８５～１．６の範囲、又は０．９～１．６の範囲、又は０．９５～１．６の範囲、又は１～１．６の範囲、又は１．０５～１．６の範囲、又は１．１～１．６の範囲とすることができる。

【0027】

好ましくは、Ｐ^１の値は、例えば、０．６～１．４の範囲、又は０．６５～１．４の範囲、又は０．７～１．４の範囲、又は０．７５～１．４の範囲、又は０．７～１．３の範囲、又は０．７５～１．３の範囲、又は０．７～１．２の範囲、又は０．７５～１．２の範囲、又は０．７～１の範囲、又は０．７５～１の範囲、又は０．７～０．９の範囲、又は０．７５～０．９の範囲とすることができる。

【0028】

多孔質炭素骨格のＰＤ_５０細孔径は、２ｎｍ以下である。本明細書で使用される「ＰＤ_５０細孔径」という用語は、ミクロ細孔及びメソ細孔の全容積に基づいた、体積ベースでの中央細孔径を指す（すなわち、その細孔径未満に、Ｐ^１によって表される全ミクロ細孔及びメソ細孔容積の５０％が存在する細孔径）。したがって、本発明によれば、ミクロ細孔及びメソ細孔の全容積の少なくとも５０％は、直径２ｎｍ以下の細孔の形態を有する。

【0029】

本明細書で使用される「ＰＤ_ｎ細孔径」という一般用語は、ミクロ細孔及びメソ細孔の全容積に基づいた、体積ベースのｎパーセンタイルの細孔径を指す。例えば、本明細書で使用される「Ｄ_９０細孔径」という用語は、その細孔径未満に、Ｐ^１によって表される全ミクロ細孔及びメソ細孔容積の９０％が存在する細孔径を指す）。

【0030】

誤解を避けるために、いかなるマクロ細孔容積（５０ｎｍ超の細孔径）も、ＰＤ_ｎ値を求める目的では考慮しない。

【0031】

本発明によれば、多孔質炭素骨格のＰＤ_５０細孔径は、好ましくは、１．８ｎｍ以下、又は１．６ｎｍ以下、又は１．４ｎｍ以下、又は１．２ｎｍ以下、又は１ｎｍ以下である。好ましくは、多孔質炭素骨格のＰＤ_８０細孔径は、少なくとも０．８ｎｍ、又は少なくとも１ｎｍ、又は少なくとも１．２ｎｍである。

【0032】

より好ましくは、多孔質炭素骨格の全ミクロ細孔及びメソ細孔容積の少なくとも６０％が、直径３ｎｍ以下の細孔の形態を有する。したがって、多孔質炭素骨格のＰＤ_６０細孔径は、好ましくは、３ｎｍ以下、又は２．５ｎｍ以下、又は２ｎｍ以下、又は１．８ｎｍ以下、又は１．６ｎｍ以下、又は１．４ｎｍ以下、又は１．２ｎｍ以下である。

【0033】

より好ましくは、多孔質炭素骨格の全ミクロ細孔及びメソ細孔容積の少なくとも７０％が、直径３．５ｎｍ以下の細孔の形態を有する。したがって、多孔質炭素骨格のＰＤ_７０細孔径は、好ましくは、３．５ｎｍ以下、又は３ｎｍ以下、又は２．５ｎｍ以下、又は２．２ｎｍ以下、又は２ｎｍ以下、又は２．５ｎｍ以下、又は２ｎｍ以下、又は１．８ｎｍ以下、又は１．６ｎｍ以下、又は１．４ｎｍ以下である。

【0034】

より好ましくは、多孔質炭素骨格の全ミクロ細孔及びメソ細孔容積の少なくとも８０％が、直径５ｎｍ以下の細孔の形態を有する。したがって、多孔質炭素骨格のＰＤ_８０細孔径は、好ましくは、５ｎｍ以下、又は４．５ｎｍ以下、又は４ｎｍ以下、又は３．５ｎｍ以下、又は３ｎｍ以下、又は２．５ｎｍ以下、又は２．２ｎｍ以下、又は２ｎｍ以下、又は１．８ｎｍ以下、又は１．６ｎｍ以下である。

【0035】

多孔質炭素骨格におけるより大きなメソ細孔の容積は、好ましくは、ＰＤ_９０細孔径が１０ｎｍ以下、又は８ｎｍ以下、又は６ｎｍ以下、又は５ｎｍ以下、又は４ｎｍ以下、又は３ｎｍ以下、又は２．５ｎｍ以下、又は２ｎｍ以下となるように制限される。

【0036】

好ましくは、ＰＤ_９５細孔径は、１５ｎｍ以下、又は１２ｎｍ以下、又は１０ｎｍ以下である。

【0037】

本発明によれば、多孔質炭素骨格は、ＰＤ_５０が２ｎｍ以下であり、かつ、ＰＤ_９０が１０ｎｍ以下であるもの、又はＰＤ_５０が２ｎｍ以下であり、かつ、ＰＤ_９０が８ｎｍ以下であるもの、又はＰＤ_５０が２ｎｍ以下であり、かつ、ＰＤ_９０が６ｎｍ以下であるもの、又はＰＤ_５０が１．８ｎｍ以下であり、かつ、ＰＤ_９０が８ｎｍ以下であるもの、又はＰＤ_５０が１．８ｎｍ以下であり、かつ、ＰＤ_９０が６ｎｍ以下であるもの、又はＰＤ_５０が１．６ｎｍ以下であり、かつ、ＰＤ_９０が６ｎｍ以下であるもの、又はＰＤ_５０が１．２ｎｍ以下であり、かつ、ＰＤ_９０が５ｎｍ以下であるもの、又はＰＤ_５０が１ｎｍ以下であり、かつ、ＰＤ_９０が４ｎｍ以下であるもの、又はＰＤ_５０が１ｎｍ以下であり、かつ、ＰＤ_９０が３ｎｍ以下であるもの、又はＰＤ_５０が１ｎｍ以下であり、かつ、ＰＤ_９０が２．５ｎｍ以下であるもの、又はＰＤ_５０が１ｎｍ以下であり、かつ、ＰＤ_９０が２ｎｍ以下であるものとすることができる。

【0038】

より好ましくは、多孔質炭素骨格は、ＰＤ_５０が１ｎｍ～２ｎｍであり、かつ、ＰＤ_９０が３ｎｍ～１０ｎｍであるもの、又はＰＤ_５０が１ｎｍ～２ｎｍであり、かつ、ＰＤ_９０が３ｎｍ～８ｎｍであるもの、又はＰＤ_５０が１ｎｍ～２ｎｍであり、かつ、ＰＤ_９０が３ｎｍ～６ｎｍであるもの、又はＰＤ_５０が１ｎｍ～１．８ｎｍであり、かつ、ＰＤ_９０が３ｎｍ～８ｎｍであるもの、又はＰＤ_５０が１ｎｍ～１．８ｎｍであり、かつ、ＰＤ_９０が３ｎｍ～６ｎｍであるもの、又はＰＤ_５０が１ｎｍ～１．６ｎｍであり、かつ、ＰＤ_９０が３ｎｍ～６ｎｍであるものとすることができる。

【0039】

より大きなメソ細孔の範囲の直径を有する細孔画分は、電気活性材料への電解質のアクセスを容易にするため、有利となり得る。したがって、５ｎｍ～５０ｎｍの範囲の直径を有する細孔（すなわち、より大きなメソ細孔）は、任意で、多孔質炭素骨格の全ミクロ細孔及びメソ細孔容積の少なくとも１％、少なくとも２％、少なくとも５％、又は少なくとも１０％を構成することができる。

【0040】

多孔質炭素骨格におけるメソ細孔に対するミクロ細孔の体積比は、原則として、１００：０～５０：５０の範囲とすることができる。好ましくは、メソ細孔に対するミクロ細孔の体積比は、９０：１０～５５：４５、又は９０：１０～６０：４０、又は８５：１５～６５：３５である。

【0041】

多孔質炭素骨格の細孔径分布は、単峰性、二峰性、又は多峰性とすることができる。本明細書で使用される「細孔径分布」という用語は、多孔質炭素骨格の累積全内部細孔容積に対する細孔径の分布に関する。最大５ｎｍの直径の細孔と、より大きい直径の細孔との近接性によって、多孔質ネットワークを介してイオンが電気活性材料へと効率的に輸送されるという利点が提供されるため、二峰性又は多峰性の細孔径分布が好ましい場合がある。したがって、粒子状材料は高いイオン拡散性を有するため、レート性能が改善される。

【0042】

任意で、多孔質炭素骨格は、２ｎｍ未満に少なくとも１つのピークを有し、かつ、２．５ｎｍ～２０ｎｍの範囲に少なくとも１つのピークを有し、好ましくは細孔径分布における極小値が２ｎｍ～５０ｎｍの範囲である二峰性又は多峰性の細孔径分布を有する。より好ましくは、多孔質炭素骨格は、２ｎｍ未満に少なくとも１つのピークを有し、かつ、２．５ｎｍ～１５ｎｍの範囲に少なくとも１つのピークを有し、好ましくは細孔径分布における極小値が２ｎｍ～５ｎｍの範囲である二峰性又は多峰性の細孔径分布を有する。

【0043】

好適には、二峰性又は多峰性の細孔径分布は、互いに５倍～２０倍、より好ましくは約１０倍異なる、ミクロ細孔の範囲のピーク細孔径と、メソ細孔径の範囲のピーク細孔径とを含む。例えば、多孔質炭素骨格は、細孔径１．２ｎｍにピークを有し、かつ、細孔径１２ｎｍにピークを有する二峰性の細孔径分布を有することができる。

【0044】

ミクロ細孔及びメソ細孔の全容積、並びにミクロ細孔及びメソ細孔の細孔径分布は、ＩＳＯ １５９０１－２及びＩＳＯ １５９０１－３に規定された標準的な方法論に従って、急冷固体密度汎関数法（ＱＳＤＦＴ）を使用して、７７Ｋで１０^－６の相対圧力ｐ／ｐ_０までの窒素ガス吸着を使用して決定する。窒素ガス吸着は、ガスを固体の細孔内で凝縮させることにより、材料の空隙率及び細孔径分布を特徴付ける手法である。圧力を上昇させると、ガスは、最初は最小の直径を有する細孔内で凝縮し、全ての細孔が液体で満たされる飽和点に達するまで圧力を上昇させる。次いで、窒素ガス圧力を段階的に下げて、液体を系から蒸発させる。吸着等温線及び脱着等温線、並びにそれらの間のヒステリシスの分析により、細孔容積及び細孔径分布を決定することができる。窒素ガス吸着による細孔容積及び細孔径分布の測定に好適な装置としては、米国のMicromeritics Instrument Corporationから入手可能なＴｒｉＳｔａｒ ＩＩ空隙率分析装置及びＴｒｉＳｔａｒ ＩＩ Ｐｌｕｓ空隙率分析装置、並びにQuantachrome Instrumentsから入手可能なＡｕｔｏｓｏｒｂ ＩＱ空隙率分析装置が挙げられる。

【0045】

窒素ガス吸着は、最大５０ｎｍの直径を有する細孔の細孔容積及び細孔径分布の測定に効果的だが、はるかに大きな直径の細孔に対しては信頼性が低くなる。したがって、本発明の目的のために、最大５０ｎｍ以下の直径を有する細孔のみの細孔容積及び細孔径分布を決定するために窒素吸着を使用する。上述のように、Ｐ^１の値は、最大５０ｎｍ以下の直径の細孔のみ（すなわち、ミクロ細孔及びメソ細孔のみ）を考慮して決定され、同様に、ＰＤ_ｎの値は、ミクロ細孔及びメソ細孔のみの全容積に対して決定される。

【0046】

利用可能な分析手法の限界に鑑みると、単一の手法を使用して、ミクロ細孔、メソ細孔、及びマクロ細孔の全範囲にわたる細孔容積及び細孔径分布を測定することは不可能である。多孔質炭素骨格がマクロ細孔を含む場合、５０ｎｍ超、かつ、最大１００ｎｍの範囲の細孔の容積は、本明細書ではＰ^２ｃｍ^３／ｇの値で特定され、水銀圧入法により測定される。上述のように、Ｐ^２の値は、単独（すなわち、細孔容積の一部又は全部を占める電気活性材料又は他の材料がない状態）での多孔質炭素骨格の細孔容積に関する。

【0047】

誤解を避けるために、Ｐ^２の値は、５０ｎｍ超、最大１００ｎｍ以下の直径を有する細孔のみを考慮する。すなわち、Ｐ^２の値は、最大１００ｎｍの直径のマクロ細孔の容積のみを含む。水銀圧入法によって５０ｎｍ以下の細孔径で測定されたいかなる細孔容積も、Ｐ^２の値を決定する目的では無視する（上述のように、メソ細孔及びミクロ細孔を特徴付けるために窒素吸着を代わりに使用する）。水銀圧入法によって１００ｎｍ超で測定された細孔容積は、本発明の目的のために粒子間空隙率であると想定され、Ｐ^２の値を決定する際にはこの細孔容積も考慮しない。

【0048】

水銀圧入法は、水銀に浸漬した材料の試料に対して、様々なレベルの圧力をかけることにより、材料の空隙率及び細孔径分布を特徴付ける手法である。試料の細孔に水銀を侵入させるのに必要な圧力は、細孔径に反比例する。本明細書で報告する水銀圧入法によって得られる値は、室温での水銀の表面張力γを４８０ｍＮ／ｍ、接触角φを１４０°として、ＡＳＴＭ ＵＯＰ５７８－１１に従って得られたものである。室温での水銀の密度は、１３．５４６２ｇ／ｃｍ^３とする。米国のMicromeritics Instrument Corporationから入手可能な自動水銀圧入計ＡｕｔｏＰｏｒｅ ＩＶシリーズ等、多くの高精度水銀圧入装置が市販されている。水銀圧入法の完全な報告についてP.A. Webb及びC. Orrによる「Analytical Methods in Fine Particle Technology, 1997, Micromeritics Instrument Corporation」（ＩＳＢＮ ０－９６５６７８３－０）を参照することができる。

【0049】

マクロ細孔の容積は、好ましくは、ミクロ細孔及びメソ細孔の容積と比較して小さい。マクロ細孔の一部は、細孔ネットワークへの電解質のアクセスを容易にするのに有用である可能性があるが、本発明の利点は、実質的に、主にミクロ細孔及びより小さなメソ細孔に細孔容積を適応させることによって得られる。

【0050】

よって、本発明によれば、多孔質炭素骨格におけるマクロ細孔の全容積は、水銀圧入法により測定するＰ^２ｃｍ^３／ｇであり、ここで、Ｐ^２は、好ましくは、０．２×Ｐ^１以下、又は０．１×Ｐ^１以下、又は０．０５×Ｐ^１以下、又は０．０２×Ｐ^１以下、又は０．０１×Ｐ^１以下、又は０．００５×Ｐ^１以下の値を有する。

【0051】

好ましい実施の形態においては、Ｐ^２は、０．３以下、又は０．２５以下、又は０．２０以下、又は０．１５以下、又は０．１以下、又は０．０５以下の値を有する。より大きなメソ細孔に関連して上で論じたように、マクロ細孔の範囲の小細孔容積率（fraction）は、電気活性材料への電解質のアクセスを容易にするのに有利である可能性がある。

【0052】

開孔ネットワークは、任意で、階層的細孔構造、すなわち、より小さな細孔がより大きな細孔から分岐し、細孔径が或る程度の順序を有する細孔構造を含む。

【0053】

ガス吸着及び水銀圧入法等の侵入手法は、多孔質炭素骨格の外部から窒素又は水銀がアクセス可能な細孔の細孔容積を決定するためだけに有効であることが理解されるだろう。本明細書で規定する空隙率の値（Ｐ^１及びＰ^２）は、開孔、すなわち、多孔質炭素骨格の外部から流体がアクセス可能な細孔の容積を指すものとして理解されるべきである。窒素吸着又は水銀圧入法によって特定することができない完全に包囲された細孔は、本明細書では空隙率の値を規定する際に考慮しないものとする。同様に、窒素吸着による検出限界を下回るほど小さい細孔内に位置するいかなる細孔容積も、Ｐ^１の値の決定において考慮しない。

【0054】

本明細書で使用される「粒子径」という用語は、球相当径（ｅｓｄ）、すなわち、或る粒子と同じ体積を有する球の直径を指し、ここで、粒子の体積は、粒子内の細孔の体積を含むと理解される。本明細書で使用される「Ｄ_５０」及び「Ｄ_５０粒子径」という用語は、体積ベースでの中央粒子径、すなわち、その粒子径未満に、粒子集団の５０体積％が存在する直径を指す。本明細書で使用される「Ｄ_１０」及び「Ｄ_１０粒子径」という用語は、体積ベースの１０パーセンタイルの中央粒子径、すなわち、その粒子径未満に、粒子集団の１０体積％が存在する直径を指す。本明細書で使用される「Ｄ_９０」及び「Ｄ_９０粒子径」という用語は、体積ベースの９０パーセンタイルの中央粒子径、すなわち、その粒子径未満に、粒子集団の９０体積％が存在する直径を指す。

【0055】

粒度分布を規定するために本明細書で使用される「Ｄ_ｎ」という用語は、上述のように、細孔径分布を規定するために本明細書で使用される「ＰＤ_ｎ」という用語とは区別されるべきである。

【0056】

粒子径及び粒度分布は、ＩＳＯ １３３２０：２００９に従って、通常のレーザー回折手法によって決定することができる。レーザー回折は、粒子が、粒子のサイズに応じて変化する角度で光を散乱し、粒子の集まりが、粒度分布に相関し得る強度及び角度によって規定される散乱光パターンを生成するという原理に基づいている。粒度分布を迅速かつ確実に決定するために、多くのレーザー回折装置が市販されている。特に明記しない限り、本明細書で規定又は報告する粒度分布測定値は、Malvern Instruments製の従来のＭａｌｖｅｒｎ Ｍａｓｔｅｒｓｉｚｅｒ（商標）３０００粒度分析装置により測定されたものである。このＭａｌｖｅｒｎ Ｍａｓｔｅｒｓｉｚｅｒ（商標）３０００粒度分析装置は、水溶液に懸濁した対象粒子を含有する透明セルを通してヘリウムネオンガスレーザービームを投射することによって動作する。粒子に当たる光線は、粒子径に反比例する角度で散乱され、光検出器アレイによって、所定の幾つかの角度で光の強度を測定し、様々な角度で測定した強度を、標準的な理論原理を使用してコンピューターによって処理し、粒度分布を決定する。本明細書で報告されるレーザー回折値は、蒸留水中の粒子の湿式分散体を使用して得られる。粒子の屈折率は３．５０であり、かつ、分散剤の屈折率は１．３３０であるとする。粒度分布は、ミー散乱モデルを使用して計算する。

【0057】

複合粒子のＤ_９０粒子径は、好ましくは、９．５μｍ以下、又は９μｍ以下、又は８．５μｍ以下、又は８μｍ以下、又は７．５μｍ以下、又は７μｍ以下、又は６．５μｍ以下、又は６μｍ以下、又は５．５μｍ以下、又は５μｍ以下、又は４．５μｍ以下、又は４μｍ以下である。

【0058】

複合粒子は、０．５μｍ～７μｍの範囲のＤ_５０粒子径を有することができる。任意で、複合粒子のＤ_５０粒子径は、少なくとも１μｍ、又は少なくとも１．５μｍ、又は少なくとも２μｍ、又は少なくとも２．５μｍ、又は少なくとも３μｍとすることができる。

【0059】

任意で、複合粒子のＤ_５０粒子径は、６．５μｍ以下、又は６μｍ以下、又は５．５μｍ以下、又は５μｍ以下、又は４．５μｍ以下、又は４μｍ以下、又は３．５μｍ以下とすることができる。

【0060】

例えば、複合粒子は、１μｍ～６．５μｍ、又は１．５μｍ～６μｍ、又は２μｍ～５．５μｍ、又は２．５μｍ～５μｍ、又は３μｍ～４．５μｍの範囲のＤ_５０粒子径を有することができる。これらのサイズ範囲内であり、本明細書に記載の空隙率及び細孔径分布を有する粒子は、スラリー中で分散性を有し、構造的堅牢性を有し、繰り返しの充放電サイクルにわたって容量保持し、かつ、均一な厚さを有する緻密な電極層を構造的に劣化することなく形成するのに適しているため、金属イオン電池用アノードにおける使用に理想的に適している。

【0061】

複合粒子のＤ_１０粒子径は、好ましくは、少なくとも０．２μｍ、又は少なくとも０．５μｍ、又は少なくとも０．８μｍ、又は少なくとも１μｍ、又は少なくとも１．５μｍ、又は少なくとも２μｍである。Ｄ_１０粒子径を０．２μｍ以上に維持することによって、サブミクロンサイズの粒子の望ましくない凝集の可能性が低下して、粒子状材料の分散性が改善され、容量保持率が改善される。

【0062】

複合粒子のＤ_９９粒子径は、好ましくは、２５μｍ以下、又は２０μｍ以下、又は１８μｍ以下、又は１５μｍ以下、又は１２μｍ以下、又は１０μｍ以下、又は９μｍ以下、又は８μｍ以下、又は７μｍ以下、又は６μｍ以下、又は５μｍ以下である。

【0063】

粒子径は、好ましくは、体積ベースの分布において正の歪みを有する、すなわち、体積ベースの分布は、右側により長い尾（tail）を有し、非対称である。体積ベースの粒度分布における正の歪みは、全ての粒子が同じサイズの場合よりも自然充填率が高くなるため、より高密度の電極が得られ、それにより、カレンダリング処理又は他の物理的な高密度化プロセスの必要性が低減するため、有利である。

【0064】

複合粒子は、好ましくは、狭い粒度分布スパンを有する。例えば、粒度分布スパン（（Ｄ_９０－Ｄ_１０）／Ｄ_５０として規定される）は、好ましくは８以下であり、任意で、５以下、又は４以下、又は３以下とすることができる。好ましくは、粒度分布スパンは、少なくとも１であり、任意で、少なくとも１．５、又は少なくとも２とすることができる。

【0065】

複合粒子は、好ましくは、回転楕円状（spheroidal）の形状を有する。本明細書で規定する回転楕円状粒子は、球状粒子及び楕円状粒子の両方を含むことができ、本発明の複合粒子の形状は、好適には、本発明の粒子の球形度及びアスペクト比を参照することによって規定することができる。回転楕円状粒子は、凝集体を形成することなく、スラリーへの分散に特に適していることが分かった。また、多孔質回転楕円状粒子の使用は、驚くべきことに、不規則な形状の多孔質粒子及び多孔質粒子フラグメントと比較した場合に、強度の更なる向上を提供することが分かった。

【0066】

物体の球形度は、従来、この物体の表面積に対する球の表面積の比として定義され、ここで、物体と球とは同じ体積を有する。しかしながら、実用上は、ミクロンスケールの個々の粒子の表面積及び体積を測定することは困難である。しかしながら、走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）、及び粒子によって投影された影を、デジタルカメラを使用して記録する動的画像分析によって、ミクロンスケールの粒子の高精度な２次元投影像を得ることができる。本明細書で使用される「球形度」という用語は、円の面積に対する粒子投影像の面積の比として理解されるものとし、ここで、粒子投影像と円とは同一の円周を有する。よって、個々の粒子に対して、球形度Ｓは以下のように定義され得る：

【数1】

（式中、Ａ_ｍは、粒子投影像に対して測定した面積であり、Ｃ_ｍは、粒子投影像に対して測定した円周である）。本明細書で使用される粒子集団の平均球形度Ｓ_ａｖは以下のように定義される：

【数2】

（式中、ｎは集団中の粒子の数を表す）。

【0067】

本明細書で、本発明の複合粒子に適用して使用される「回転楕円状」という用語は、少なくとも０．７０の平均球形度を有する材料を指すと理解されるものとする。本発明の多孔質粒子は、好ましくは、少なくとも０．８５、又は少なくとも０．９０、又は少なくとも０．９２、又は少なくとも０．９３、又は少なくとも０．９４、又は少なくとも０．９５の平均球形度を有する。多孔質回転楕円状粒子は、任意で、少なくとも０．９６、又は少なくとも０．９７、又は少なくとも０．９８、又は少なくとも０．９９の平均球形度を有することができる。

【0068】

例えばカレンダリング処理による物理的な高密度化の必要性を低減しつつ、粒子を高密度の電極層へと最適に充填するために、これらの好ましい範囲内の球形度を、体積ベースの粒度分布における正の歪みと組み合わせることが好ましい。

【0069】

２次元粒子投影像の円周及び面積は、完全に回転楕円状ではない任意の粒子の場合、粒子の配向に依存することが理解されるだろう。しかしながら、粒子配向の影響は、球形度及びアスペクト比を、ランダム配向を有する複数の粒子から得られた平均値として報告することによって相殺することができる。多くのＳＥＭ装置及び動的画像分析装置が市販されており、粒子状材料の球形度及びアスペクト比を迅速かつ確実に決定することができる。特に明記しない限り、本明細書で規定又は報告する球形度の値は、Retsch Technology GmbH製のＣａｍＳｉｚｅｒ ＸＴ粒子分析装置により測定されたものである。このＣａｍＳｉｚｅｒ ＸＴは、１００ｍｇ～１００ｇの試料体積の粒子状材料のサイズ及び形状の高精度な分布を得ることができる動的画像分析装置であり、平均球形度及びアスペクト比等の特性をこの装置で直接計算することができる。

【0070】

多孔質炭素骨格は、結晶質炭素若しくは非晶質炭素、又は非晶質炭素及び結晶質炭素の混合物を含むことができる。多孔質炭素骨格は、硬質炭素骨格又は軟質炭素骨格のいずれであってもよく、好適には、ポリマーの熱分解を含む既知の手順によって得ることができる。

【0071】

本明細書で使用される「硬質炭素」という用語は、炭素原子が、主に、ナノスケールの多環芳香族ドメインでｓｐ^２混成状態（三方結合）をとる無秩序な炭素マトリックスを指す。この多環芳香族ドメインは、化学結合、例えば、Ｃ－Ｏ－Ｃ結合によって架橋している。多環芳香族ドメイン同士が化学的に架橋しているため、高温において、硬質炭素は黒鉛に変換することはできない。ラマンスペクトルにおける高Ｇバンド（約１６００ｃｍ^－１）によって明らかなように、硬質炭素は黒鉛のような特性を有している。しかしながら、ラマンスペクトルにおける高Ｄバンド（約１３５０ｃｍ^－１）によって明らかなように、炭素は完全に黒鉛のようではない。

【0072】

本明細書で使用される「軟質炭素」という用語も、炭素原子が、主に、５ｎｍ～２００ｎｍの範囲の寸法を有する多環芳香族ドメインでｓｐ^２混成状態（三方結合）をとる無秩序な炭素マトリックスを指す。硬質炭素とは対照的に、軟質炭素中の多環芳香族ドメインは、化学結合によって架橋せずに、分子間力によって結合している。すなわち、高温において、軟質炭素は黒鉛化し得る。多孔質炭素骨格は、好ましくは、ＸＰＳにより測定した場合に、少なくとも５０％のｓｐ^２混成炭素を含む。例えば、多孔質炭素骨格は、好適には、５０％～９８％のｓｐ^２混成炭素、５５％～９５％のｓｐ^２混成炭素、６０％～９０％のｓｐ^２混成炭素、又は７０％～８５％のｓｐ^２混成炭素を含むことができる。

【0073】

好適な多孔質炭素骨格を作製するために、様々な異なる材料を使用することができる。使用することができる有機材料の例としては、リグノセルロース系材料（ココナッツ殻、籾殻、木材等）を含む植物バイオマス、及び石炭等の化石炭素源が挙げられる。熱分解により多孔質炭素骨格を形成する高分子材料の例としては、フェノール樹脂、ノボラック樹脂、ピッチ、メラミン、ポリアクリレート、ポリスチレン、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、並びにアクリレート、スチレン、α－オレフィン、ビニルピロリドン、及び他のエチレン性不飽和モノマーのモノマー単位を含む様々なコポリマーが挙げられる。出発物質及び熱分解プロセスの条件に応じて、様々な異なる硬質炭素材料が当該技術分野で利用可能である。

【0074】

メソ細孔及びミクロ細孔の容積を増加させるために、多孔質炭素骨格に対して化学的活性化プロセス又はガス活性化プロセスを行うことができる。好適な活性化プロセスは、熱分解した炭素を、６００℃～１０００℃の範囲の温度で、酸素、スチーム、ＣＯ、ＣＯ_２、及びＫＯＨの１つ以上と接触させることを含む。

【0075】

メソ細孔は、熱分解又は活性化後に熱的手段又は化学的手段によって除去することができる、ＭｇＯ及び他のコロイド状テンプレート又はポリマーテンプレート等の抽出可能な細孔形成剤を使用する既知のテンプレートプロセス（templating processes）によっても得ることができる。

【0076】

多孔質炭素骨格は、好ましくは、少なくとも７５０ｍ^２／ｇ、又は少なくとも１０００ｍ^２／ｇ、又は少なくとも１２５０ｍ^２／ｇ、又は少なくとも１５００ｍ^２／ｇのＢＥＴ表面積を有する。本明細書で使用される「ＢＥＴ表面積」という用語は、ＩＳＯ ９２７７に従ってブルナウアー・エメット・テラー理論を用いた、固体表面上へのガス分子の物理吸着の測定から計算された単位質量当たりの表面積を指すと解釈されるべきである。好ましくは、導電性多孔質粒子骨格のＢＥＴ表面積は、４０００ｍ^２／ｇ以下、又は３５００ｍ^２／ｇ以下、又は３２５０ｍ^２／ｇ以下、又は３０００ｍ^２／ｇ以下である。幾つかの場合では、本発明の粒子状材料は、完全に包囲された空隙が、この空隙へ電解質がアクセスしないように、電気活性材料によって覆われた細孔を含むことができる。

【0077】

電気活性材料は、好適には、シリコン、スズ、ゲルマニウム、及びアルミニウム、並びにこれらの混合物から選択される。好ましい電気活性材料はシリコンである。電気活性材料は、任意で、１つ以上のドーパントを少量含むことができる。好適なドーパントには、ホウ素及びリン、他のｎ型若しくはｐ型ドーパント、又は窒素が含まれる。好ましくは、ドーパントは、電気活性材料（例えば、シリコン）及びドーパント（複数の場合もある）の総量に対して、２重量％以下の総量で存在する。

【0078】

本発明の複合粒子中の電気活性材料の量は、好ましくは、電気活性材料が多孔質炭素骨格の内部細孔容積の約５５％以下を（未充電状態で）占めるように選択する。これは、本明細書では、多孔質炭素骨格内の電気活性材料の「充填率」を指す。電気活性材料は、好ましくは多孔質炭素骨格の内部細孔容積の約２５％～約４５％、より好ましくは多孔質炭素骨格の内部細孔容積の約２５％～４０％を占める。これらの好ましい範囲内であれば、多孔質炭素骨格の細孔容積は、充放電の際の電気活性材料の膨張に適応するのに効果的となり、粒子状材料の体積容量に寄与しない過剰な細孔容積は回避される。しかしながら、電気活性材料の量はまた、リチウム化に対する機械的抵抗をもたらす不十分な金属イオン拡散速度又は不十分な膨張体積のために効果的なリチウム化を妨げるほど多くはない。

【0079】

多孔質炭素骨格に対する電気活性材料の重量比は、元素分析によって決定することができる。元素分析は、複合粒子中の電気活性材料及び炭素の両方の重量割合を決定するために使用される。任意で、水素、窒素、及び酸素の量も、元素分析によって決定することができる。好ましくは、元素分析は、多孔質炭素骨格のみにおける炭素（並びに任意で、水素、窒素、及び酸素）の重量割合を決定するためにも使用される。多孔質炭素骨格のみにおける炭素の重量割合を決定することによって、この多孔質炭素骨格がその分子骨格内に少量のヘテロ原子を含む可能性を考慮する。両方の測定を一緒に行うことで、多孔質炭素骨格全体に対する電気活性材料の重量割合を確実に決定することができる。

【0080】

電気活性材料（例えば、シリコン、ゲルマニウム、スズ、及びアルミニウム）の重量割合は、好ましくは、ＩＣＰ－ＯＥＳ（誘導結合プラズマ発光分光分析）によって決定される。ThermoFisher Scientificから入手可能なＩＣＰ－ＯＥＳ分析装置のｉＣＡＰ（商標）７０００シリーズ等、多くのＩＣＰ－ＯＥＳ装置が市販されている。複合粒子及び多孔質炭素骨格のみにおける炭素の含有量（並びに必要に応じて、水素、窒素、及び酸素の含有量）は、好ましくは、ＩＲ吸収によって決定される。炭素、水素、窒素、及び酸素の含有量を決定するのに好適な装置は、Leco Corporationから入手可能なＴｒｕＳｐｅｃ（商標）Ｍｉｃｒｏ元素分析装置である。

【0081】

多孔質炭素骨格に対する電気活性材料の重量比は、有効細孔容積、必要な充填率、及び電気活性材料の密度の関数である。

【0082】

電気活性材料がシリコンである場合、多孔質炭素骨格に対するシリコンの重量比は、好ましくは、［０．５×Ｐ^１～１．７×Ｐ^１］：１であり、ここで、Ｐ^１は、ｃｍ^３／ｇで測定した全ミクロ細孔／メソ細孔容積の値を表す。Ｐ^１の値に基づいてシリコンの重量比を規定することによって、シリコンによる細孔容積の体積占有率を特定の限度内に制御する。言い換えると、多孔質炭素骨格に対するシリコンの重量比が［０．５×Ｐ^１～１．７×Ｐ^１］：１の範囲にある場合、複合粒子中のシリコンの体積は、多孔質炭素骨格の全ミクロ細孔／メソ細孔容積の約２０％～５５％に相当する。

【0083】

任意で、多孔質炭素骨格に対するシリコンの重量比は、［０．５×Ｐ^１～１．３×Ｐ^１］：１の範囲とすることができる。より好ましくは、多孔質炭素骨格に対するシリコンの重量比は、［０．５５×Ｐ^１～１．１×Ｐ^１］：１の範囲、又は［０．６×Ｐ^１～１．１×Ｐ^１］：１の範囲、又は［０．６×Ｐ^１～１×Ｐ^１］：１の範囲、又は［０．６×Ｐ^１～０．９５×Ｐ^１］：１の範囲、又は［０．６×Ｐ^１～０．９×Ｐ^１］：１の範囲、又は［０．６５×Ｐ^１～０．９×Ｐ^１］：１の範囲、又は［０．６５×Ｐ^１～０．８５×Ｐ^１］：１の範囲、又は［０．６５×Ｐ^１～０．８×Ｐ^１］：１の範囲、又は［０．７×Ｐ^１～０．８×Ｐ^１］：１の範囲である。

【0084】

任意で、多孔質炭素骨格に対するシリコンの重量比は、［１×Ｐ^１～１．７×Ｐ^１］：１の範囲とすることができる。より好ましくは、多孔質炭素骨格に対するシリコンの重量比は、［１．１×Ｐ^１～１．７×Ｐ^１］：１の範囲、又は［１．１×Ｐ^１～１．６５×Ｐ^１］：１の範囲、又は［１．１×Ｐ^１～１．６×Ｐ^１］：１の範囲、又は［１．１５×Ｐ^１～１．６×Ｐ^１］：１の範囲、又は［１．１５×Ｐ^１～１．５５×Ｐ^１］：１の範囲、又は［１．１５×Ｐ^１～１．５×Ｐ^１］：１の範囲、又は［１．２×Ｐ^１～１．５×Ｐ^１］：１の範囲、又は［１．２５×Ｐ^１～１．５×Ｐ^１］：１の範囲、又は［１．３×Ｐ^１～１．５×Ｐ^１］：１の範囲である。

【0085】

複合粒子の外表面上に位置する電気活性材料がないか又はほとんどないように、複合粒子における電気活性材料質量の好ましくは少なくとも９０重量％、より好ましくは少なくとも９５重量％、更に好ましくは少なくとも９８重量％が、多孔質炭素骨格の内部細孔容積内に位置する。

【0086】

本発明の粒子状材料は、空気中での熱重量分析（ＴＧＡ）による性能によって更に特徴付けることができる。粒子状材料を、空気中において１０℃／分の温度上昇速度でＴＧＡにより分析する場合に、粒子状材料のシリコン含有量の好ましくは１０％以下、より好ましくは５％以下、より好ましくは２％以下が８００℃で未酸化である。

【0087】

未酸化シリコンの量は、これらの材料特有のＴＧＡトレースからの導出により決定される。約３００℃～５００℃での質量増加は、シリコンのＳｉＯ_２への初期酸化に対応し、それに続いて、炭素がＣＯ_２ガスに酸化されるため、約５００℃～６００℃で質量が減少する。約６００℃超では、シリコンのＳｉＯ_２への継続的な変換に対応する更なる質量増加があり、シリコンの酸化が完了するにつれて、１０００℃超で漸近値に向かって増加する。

【0088】

この分析の目的のために、８００℃超でのいかなる質量増加も、シリコンのＳｉＯ_２への酸化に対応しており、酸化完了時の総質量はＳｉＯ_２であると想定される。これにより、８００℃での未酸化シリコンの割合を、シリコンの総量に対する割合として、以下の式に従って決定することができる：
Ｚ＝１．８７５×［（Ｍ_ｆ－Ｍ_８００）／Ｍ_ｆ］×１００％
（式中、Ｚは、８００℃での未酸化シリコンの割合であり、Ｍ_ｆは、酸化完了時の試料の質量であり、Ｍ_８００は、８００℃での試料の質量である）。

【0089】

理論に縛られるものではないが、酸化物層を通る酸素原子の拡散は熱的に活性化されるため、シリコンがＴＧＡ下で酸化される温度は、シリコン上での酸化物被膜の長さスケールに概ね対応することが理解される。シリコンナノ構造体のサイズとその位置によって、酸化物被膜厚さの長さスケールが制限される。したがって、ミクロ細孔及びメソ細孔に堆積したシリコンは、これらの構造体上に存在する酸化物被膜が必然的により薄くなるため、粒子表面上のシリコン堆積物よりも低い温度で酸化することが理解される。したがって、本発明による好ましい材料は、ミクロ細孔及びより小さなメソ細孔に位置するシリコンナノ構造体が小さな長さスケールを有することと一致して、低温でシリコンの実質的に完全な酸化を示す。本発明の目的のために、８００℃でのシリコンの酸化は、多孔質炭素骨格の外表面上のシリコンであると想定される。

【0090】

シリコンは、好ましくは非晶質シリコンである。非晶質シリコンは、電気活性材料としてより良好な性能を有すると考えられる。シリコンの形態は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）を使用した既知の手順によって決定することができる。

【0091】

窒素ガス吸着により測定した、複合粒子の（すなわち、電気活性材料の存在下での）ミクロ細孔及びメソ細孔の容積は、好ましくは、０．１５×Ｐ^１以下、又は０．１０×Ｐ^１以下、又は０．０５×Ｐ^１以下、又は０．０２×Ｐ^１以下である。

【0092】

複合粒子は、好ましくは、酸素の総含有量が低い。酸素は、複合粒子において、例えば、多孔質炭素骨格の一部として、又は任意の露出した電気活性材料表面上の酸化物層として存在し得る。複合粒子の酸素の総含有量は、好ましくは１５重量％未満、より好ましくは１０重量％未満、より好ましくは５重量％未満、例えば、２重量％未満、又は１重量％未満、又は０．５重量％未満である。

【0093】

本発明の粒子状材料は、好ましくは、３００ｍ^２／ｇ以下、又は２５０ｍ^２／ｇ以下、又は２００ｍ^２／ｇ以下、又は１５０ｍ^２／ｇ以下、又は１００ｍ^２／ｇ以下、又は８０ｍ^２／ｇ以下、又は６０ｍ^２／ｇ以下、又は４０ｍ^２／ｇ以下、又は３０ｍ^２／ｇ以下、又は２５ｍ^２／ｇ以下、又は２０ｍ^２／ｇ以下、又は１５ｍ^２／ｇ以下、又は１０ｍ^２／ｇ以下のＢＥＴ表面積を有する。通常、本発明の粒子状材料を含むアノードの初回の充放電サイクル中に、複合粒子の表面における固体電解質界面（ＳＥＩ）層の形成を最小限にするために、ＢＥＴ表面積は小さいことが好ましい。しかしながら、ＢＥＴ表面積が過剰に小さいと、周囲の電解質中の金属イオンが電気活性材料の大部分にアクセスできなくなるために、許容できないほど低い充電レート及び容量につながる。例えば、ＢＥＴ表面積は、好ましくは、少なくとも０．１ｍ^２／ｇ、又は少なくとも１ｍ^２／ｇ、又は少なくとも２ｍ^２／ｇ、又は少なくとも５ｍ^２／ｇである。例えば、ＢＥＴ表面積は、１ｍ^２／ｇ～２５ｍ^２／ｇの範囲、より好ましくは２ｍ^２／ｇ～１５ｍ^２／ｇの範囲とすることができる。

【0094】

本発明の粒子状材料は、典型的には、初回のリチウム化の際に、１２００ｍＡｈ／ｇ～２３４０ｍＡｈ／ｇの比充電容量を有する。好ましくは、本発明の粒子状材料は、初回のリチウム化の際に、少なくとも１４００ｍＡｈ／ｇの比充電容量を有する。

【0095】

本発明の複合粒子は、好適には、多孔質炭素骨格の細孔構造へのシリコン含有前駆体の化学気相浸透（ＣＶＩ）によって作製する。本明細書で使用されるＣＶＩは、ガス状のシリコン含有前駆体が表面上で熱分解されて、表面に元素状シリコン及びガス状の副生成物が形成されるプロセスを指す。

【0096】

好適なガス状のシリコン含有前駆体としては、シラン（ＳｉＨ_４）、シラン誘導体（例えば、ジシラン、トリシラン、及びテトラシラン）、及びトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）が挙げられる。シリコン含有前駆体は、純粋な形態で、又はより一般的には、窒素若しくはアルゴン等の不活性キャリアガスとの希釈混合物として使用することができる。例えば、シリコン含有前駆体は、このシリコン含有前駆体と不活性キャリアガスとの総体積に対して、０．５体積％～２０体積％、又は１体積％～１０体積％、又は１体積％～５体積％の範囲の量で使用することができる。ＣＶＩプロセスは、好適には、全圧１０１．３ｋＰａ（すなわち、１ａｔｍ）で、シリコン前駆体の分圧を低くして行い、残りの分圧は、水素、窒素、又はアルゴン等の不活性パディングガス（padding gas）を使用して大気圧になる。４００℃～７００℃、例えば、４００℃～５５０℃、又は４００℃～５００℃、又は４００℃～４５０℃、又は４５０℃～５００℃の範囲の堆積温度を使用する。ＣＶＩプロセスは、好適には、固定床反応器、流動床反応器（噴流床反応器を含む）、又はロータリーキルンで行うことができる。

【0097】

固定床反応器法の例として、１．８ｇの粒子状多孔質骨格を、ステンレス鋼プレート上に、その長さに沿って１ｍｍの一定厚さで配置した。次いで、プレートを外径６０ｍｍのステンレス鋼管の内部に配置し、ガスの入口ライン及び出口ラインをレトルト炉のホットゾーンに配置した。炉管を室温で３０分間、窒素ガスでパージした後、試料温度を４５０℃～５００℃に上昇させた。窒素ガスの流量を、炉管内で少なくとも９０秒のガス滞留時間が確保されるように調節し、その速度で３０分間維持する。次いで、ガス供給を窒素から、濃度１．２５体積％の窒素中のモノシランの混合物に切り替える。モノシランの投入を、反応器圧力を１０１．３ｋＰａ（１ａｔｍ）に維持して、５時間にわたって行う。投入が完了した後、窒素を使用してシランを炉からパージする間、ガス流量を一定に保つ。炉を窒素下で３０分間パージした後、数時間かけて室温まで冷却する。次いで、ガス流を窒素から圧縮空気供給からの空気に切り替えることにより、雰囲気を２時間かけて徐々に空気に切り替える。

【0098】

本発明の粒子状材料は、任意で、導電性炭素被膜を含むことができる。好適には、導電性炭素被膜は、化学蒸着（ＣＶＤ）法によって得ることができる。ＣＶＤは当該技術分野において既知の方法論であり、粒子状材料の表面での揮発性炭素含有ガス（例えば、エチレン）の熱分解を含む。代替的には、炭素被膜は、炭素含有化合物の溶液を粒子状材料の表面に堆積させ、続いて熱分解することによって形成することができる。導電性炭素被膜は、複合粒子のレート性能を低下させないように、過剰な抵抗なく、複合粒子の内部にリチウムがアクセスするのに十分な透過性を有する。例えば、炭素被膜の厚さは、好適には、２ｎｍ～３０ｎｍの範囲とすることができる。炭素被膜は、任意で、多孔質であってもよく、及び／又は、複合粒子の表面を部分的にのみ覆ってもよい。

【0099】

炭素被膜は、任意の表面欠陥を滑らかにし、表面の残りの微細構造（microporosity）を埋めることによって、粒子状材料のＢＥＴ表面積を更に小さくし、それにより、初回のサイクル損失を更に低減するという利点を有する。また、炭素被膜は、複合粒子の表面の導電性を改善して、電極組成物における導電性添加剤の必要性を減らし、また、安定したＳＥＩ層の形成に最適な表面を形成して、サイクル時の容量保持率を改善する。

【0100】

本発明の第１の態様によれば、以下の態様１－１～態様１－１６による粒子状材料が更に提供される。

【0101】

態様１－１：
（ｉ）Ｐ^１が０．６～１．４の範囲であり、
（ｉｉ）ＰＤ_５０細孔径が０．８ｎｍ～２ｎｍの範囲であり、
（ｉｉｉ）多孔質炭素骨格のＤ_５０粒子径が１μｍ～１８μｍの範囲である、
本発明の第１の態様による粒子状材料。

【0102】

態様１－２：
（ｉ）Ｐ^１が０．６～１．４の範囲であり、
（ｉｉ）ＰＤ_５０細孔径が０．８ｎｍ～２ｎｍの範囲であり、
（ｉｉｉ）多孔質炭素骨格のＤ_５０粒子径が１μｍ～１２μｍの範囲である、
本発明の第１の態様による粒子状材料。

【0103】

態様１－３：
（ｉ）Ｐ^１が０．６～１．４の範囲であり、
（ｉｉ）ＰＤ_５０細孔径が０．８ｎｍ～２ｎｍの範囲であり、
（ｉｉｉ）多孔質炭素骨格のＤ_５０粒子径が２μｍ～８μｍの範囲である、
本発明の第１の態様による粒子状材料。

【0104】

態様１－４：
（ｉ）Ｐ^１が０．６～１．４の範囲であり、
（ｉｉ）ＰＤ_５０細孔径が０．８ｎｍ～２ｎｍの範囲であり、
（ｉｉｉ）多孔質炭素骨格のＤ_５０粒子径が３μｍ～６μｍの範囲である、
本発明の第１の態様による粒子状材料。

【0105】

態様１－５：
（ｉ）Ｐ^１が０．７～１．２の範囲であり、
（ｉｉ）ＰＤ_５０細孔径が１ｎｍ～２ｎｍの範囲であり、
（ｉｉｉ）多孔質炭素骨格のＤ_５０粒子径が１μｍ～１８μｍの範囲である、
本発明の第１の態様による粒子状材料。

【0106】

態様１－６：
（ｉ）Ｐ^１が０．７～１．２の範囲であり、
（ｉｉ）ＰＤ_５０細孔径が１ｎｍ～２ｎｍの範囲であり、
（ｉｉｉ）多孔質炭素骨格のＤ_５０粒子径が１μｍ～１２μｍの範囲である、
本発明の第１の態様による粒子状材料。

【0107】

態様１－７：
（ｉ）Ｐ^１が０．７～１．２の範囲であり、
（ｉｉ）ＰＤ_５０細孔径が１ｎｍ～２ｎｍの範囲であり、
（ｉｉｉ）多孔質炭素骨格のＤ_５０粒子径が２μｍ～８μｍの範囲である、
本発明の第１の態様による粒子状材料。

【0108】

態様１－８：
（ｉ）Ｐ^１が０．７～１．２の範囲であり、
（ｉｉ）ＰＤ_５０細孔径が１ｎｍ～２ｎｍの範囲であり、
（ｉｉｉ）多孔質炭素骨格のＤ_５０粒子径が３μｍ～６μｍの範囲である、
本発明の第１の態様による粒子状材料。

【0109】

態様１－９：
（ｉ）Ｐ^１が０．７～１の範囲であり、
（ｉｉ）ＰＤ_５０細孔径が１．２ｎｍ～２ｎｍの範囲であり、
（ｉｉｉ）多孔質炭素骨格のＤ_５０粒子径が１μｍ～１８μｍの範囲である、
本発明の第１の態様による粒子状材料。

【0110】

態様１－１０：
（ｉ）Ｐ^１が０．７～１の範囲であり、
（ｉｉ）ＰＤ_５０細孔径が１．２ｎｍ～２ｎｍの範囲であり、
（ｉｉｉ）多孔質炭素骨格のＤ_５０粒子径が１μｍ～１２μｍの範囲である、
本発明の第１の態様による粒子状材料。

【0111】

態様１－１１：
（ｉ）Ｐ^１が０．７～１の範囲であり、
（ｉｉ）ＰＤ_５０細孔径が１．２ｎｍ～２ｎｍの範囲であり、
（ｉｉｉ）多孔質炭素骨格のＤ_５０粒子径が２μｍ～８μｍの範囲である、
本発明の第１の態様による粒子状材料。

【0112】

態様１－１２：
（ｉ）Ｐ^１が０．７～１の範囲であり、
（ｉｉ）ＰＤ_５０細孔径が１．２ｎｍ～２ｎｍの範囲であり、
（ｉｉｉ）多孔質炭素骨格のＤ_５０粒子径が３μｍ～６μｍの範囲である、
本発明の第１の態様による粒子状材料。

【0113】

態様１－１３：
（ｉ）Ｐ^１が０．７～１の範囲であり、
（ｉｉ）ＰＤ_５０細孔径が１．２ｎｍ～１．８ｎｍの範囲であり、
（ｉｉｉ）多孔質炭素骨格のＤ_５０粒子径が１μｍ～１８μｍの範囲である、
本発明の第１の態様による粒子状材料。

【0114】

態様１－１４：
（ｉ）Ｐ^１が０．７～１の範囲であり、
（ｉｉ）ＰＤ_５０細孔径が１．２ｎｍ～１．８ｎｍの範囲であり、
（ｉｉｉ）多孔質炭素骨格のＤ_５０粒子径が１μｍ～１２μｍの範囲である、
本発明の第１の態様による粒子状材料。

【0115】

態様１－１５：
（ｉ）Ｐ^１が０．７～１の範囲であり、
（ｉｉ）ＰＤ_５０細孔径が１．２ｎｍ～１．８ｎｍの範囲であり、
（ｉｉｉ）多孔質炭素骨格のＤ_５０粒子径が２μｍ～８μｍの範囲である、
本発明の第１の態様による粒子状材料。

【0116】

態様１－１６：
（ｉ）Ｐ^１が０．７～１の範囲であり、
（ｉｉ）ＰＤ_５０細孔径が１．２ｎｍ～１．８ｎｍの範囲であり、
（ｉｉｉ）多孔質炭素骨格のＤ_５０粒子径が３μｍ～６μｍの範囲である、
本発明の第１の態様による粒子状材料。

【0117】

本発明によれば、上述の態様１－１～態様１－１６の範囲内にある、本発明の第１の態様に関して本明細書で開示した好ましい／任意の特徴は、態様１－１～態様１－１６の好ましい／任意の特徴でもあるとみなされるべきであるということが理解されるべきである。同様に、上述の態様１－１～態様１－１６の範囲内にある従属項のいかなる特徴も、それらの請求項が態様１－１～態様１－１６に従属しているように解釈されるべきである。

【0118】

本発明の第２の態様では、本発明の第１の態様による粒子状材料と、少なくとも１つの他の成分とを含む組成物が提供される。本発明の第２の態様の組成物を作製するために使用される粒子状材料は、本発明の第１の態様に関して好ましい又は任意であると記載された特徴のいずれかを有することができ、態様１－１～態様１－１６のいずれかによる粒子状材料とすることができる。特に、本発明の第１の態様の粒子状材料は、電極組成物の成分として使用することができる。

【0119】

よって、本発明の第１の態様による粒子状材料と、（ｉ）バインダー、（ｉｉ）導電性添加剤、及び（ｉｉｉ）追加の粒子状電気活性材料から選択される少なくとも１つの他の成分とを含む組成物が提供される。本発明の組成物は、電極組成物として有用であり、よって、電極上に活性層を形成するのに使用することができる。

【0120】

電極組成物は、任意で、本発明の第１の態様による粒子状材料と、少なくとも１つの追加の粒子状電気活性材料とを含むハイブリッド電極組成物とすることができる。追加の粒子状電気活性材料の例としては、黒鉛、硬質炭素、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム、アルミニウム、及び鉛が挙げられる。少なくとも１つの追加の粒子状電気活性材料は、好ましくは、黒鉛及び硬質炭素から選択される。少なくとも１つの追加の粒子状電気活性材料は、最も好ましくは、黒鉛である。

【0121】

本発明の粒子状材料は、電極組成物の総乾燥重量（すなわち、本発明の粒子状材料と、任意の追加の粒子状電気活性材料、バインダー及び／又は導電性添加剤との総乾燥重量）の０．５重量％～９９．５重量％を構成することができる。より好ましくは、電極組成物は、本発明の粒子状材料の高充填を含む。例えば、本発明の粒子状材料は、好ましくは電極組成物の総乾燥重量の少なくとも５０重量％、又は少なくとも５５重量％、又は少なくとも６０重量％、又は少なくとも６５重量％、又は少なくとも７０重量％、又は少なくとも７５重量％、又は少なくとも８０重量％、又は少なくとも８５重量％、又は少なくとも９０重量％、又は少なくとも９５重量％を構成することができる。

【0122】

電極組成物は、任意で、バインダーを含むことができる。バインダーは、電極組成物を集電体に接着させ、かつ、電極組成物の一体性を維持するように機能する。本発明に従って使用することができるバインダーの例としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）及びそのアルカリ金属塩、変性ポリアクリル酸（ｍＰＡＡ）及びそのアルカリ金属塩、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、変性カルボキシメチルセルロース（ｍＣＭＣ）、ナトリウムカルボキシメチルセルロース（Ｎａ－ＣＭＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、アルギン酸塩及びそのアルカリ金属塩、スチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、並びにポリイミドが挙げられる。電極組成物は、バインダーの混合物を含むことができる。好ましくは、バインダーは、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）及びそのアルカリ金属塩、並びに変性ポリアクリル酸（ｍＰＡＡ）及びそのアルカリ金属塩、ＳＢＲ、並びにＣＭＣから選択されるポリマーを含む。

【0123】

バインダーは、好適には、電極組成物の総乾燥重量に対して、０．５重量％～２０重量％、好ましくは１重量％～１５重量％、最も好ましくは２重量％～１０重量％の量で存在することができる。

【0124】

バインダーは、任意で、架橋促進剤、カップリング剤、及び／又は接着促進剤等、バインダーの特性を変更する１つ以上の添加剤と組み合わせて存在することができる。

【0125】

電極組成物は、任意で、１つ以上の導電性添加剤を含むことができる。好ましい導電性添加剤は、電極組成物の電気活性成分間、及び電極組成物の電気活性成分と集電体との間の導電性を改善するように含まれる非電気活性材料である。導電性添加剤は、好適には、カーボンブラック、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、グラフェン、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、金属繊維、金属粉末、及び導電性金属酸化物から選択することができる。好ましい導電性添加剤としては、カーボンブラック及びカーボンナノチューブが挙げられる。

【0126】

１つ以上の導電性添加剤は、好適には、電極組成物の総乾燥重量に対して、０．５重量％～２０重量％、好ましくは１重量％～１５重量％、最も好ましくは２重量％～１０重量％の総量で存在することができる。

【0127】

第３の態様では、本発明は、集電体と電気的に接触した、本発明の第１の態様を参照して規定された粒子状材料を含む電極を提供する。本発明の第３の態様の電極を作製するのに使用される粒子状材料は、本発明の第１の態様に関して好ましい又は任意であると記載された特徴のいずれかを有することができ、態様１－１～態様１－１６のいずれかによる粒子状材料とすることができる。

【0128】

本明細書で使用される集電体という用語は、電極組成物中の電気活性粒子へと、また該電気活性粒子から電流を流すことができる任意の導電性基板を指す。集電体として使用することができる材料の例としては、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、チタン、及び焼結炭素が挙げられる。銅が好ましい材料である。集電体は、典型的には、３μｍ～５００μｍの厚さを有する箔又はメッシュの形態を有する。本発明の粒子状材料は、集電体の片面又は両面に、好ましくは１０μｍ～１ｍｍ、例えば、２０μｍ～５００μｍ、又は５０μｍ～２００μｍの範囲の厚さで適用することができる。

【0129】

好ましくは、電極は、集電体と電気的に接触した、本発明の第２の態様を参照して規定された電極組成物を含む。電極組成物は、本発明の第２の態様に関して好ましい又は任意であると記載された特徴のいずれかを有することができる。

【0130】

本発明の第３の態様の電極は、好適には、本発明の粒子状材料（任意で、本発明の電極組成物の形態を有する）を、溶媒及び任意で１つ以上の粘度調整添加剤と組み合わせてスラリーを形成することによって作製することができる。次いで、スラリーを集電体の表面にキャストし、溶媒を除去することによって、集電体の表面に電極層を形成する。任意のバインダーを硬化させる熱処理及び／又は電極層のカレンダリング処理等の更なる工程を、適宜、行うことができる。電極層は、好適には、２０μｍ～２ｍｍ、好ましくは２０μｍ～１ｍｍ、好ましくは２０μｍ～５００μｍ、好ましくは２０μｍ～２００μｍ、好ましくは２０μｍ～１００μｍ、好ましくは２０μｍ～５０μｍの範囲の厚さを有する。

【0131】

代替的には、例えば、スラリーを好適なキャストテンプレートにキャストし、溶媒を除去し、次いでキャストテンプレートを除去することによって、スラリーを本発明の粒子状材料を含む自立型フィルム又はマットに成形することができる。得られたフィルム又はマットは、自立型凝集塊の形態を有しており、次いで、既知の方法によって集電体に接着することができる。

【0132】

本発明の第３の態様の電極は、金属イオン電池のアノードとして使用することができる。よって、第４の態様では、本発明は、上述のような電極を含むアノードと、金属イオンを放出及び再吸収することができるカソード活物質を含むカソードと、アノードとカソードとの間の電解質とを含む充電式金属イオン電池を提供する。本発明の第４の態様の電池を作製するのに使用される粒子状材料は、本発明の第１の態様に関して好ましい又は任意であると記載された特徴のいずれかを有することができ、態様１－１～態様１－１６のいずれかによる粒子状材料とすることができる。

【0133】

金属イオンは、好ましくはリチウムイオンである。より好ましくは、本発明の充電式金属イオン電池はリチウムイオン電池であり、カソード活物質はリチウムイオンを放出することができる。

【0134】

カソード活物質は、好ましくは金属酸化物系複合材料である。好適なカソード活物質の例としては、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＣｏ_０．９９Ａｌ_０．０１Ｏ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＭｎＯ_２、ＬｉＣｏ_０．５Ｎｉ_０．５Ｏ_２、ＬｉＣｏ_０．７Ｎｉ_０．３Ｏ_２、ＬｉＣｏ_０．８Ｎｉ_０．２Ｏ_２、ＬｉＣｏ_０．８２Ｎｉ_０．１８Ｏ_２、ＬｉＣｏ_０．８Ｎｉ_０．１５Ａｌ_０．０５Ｏ_２、ＬｉＮｉ_０．４Ｃｏ_０．３Ｍｎ_０．３Ｏ_２、及びＬｉＮｉ_０．３３Ｃｏ_０．３３Ｍｎ_０．３４Ｏ_２が挙げられる。カソード集電体は、通常、３μｍ～５００μｍの厚さを有する。カソード集電体として使用することができる材料の例としては、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、チタン、及び焼結炭素が挙げられる。

【0135】

電解質は、好適には、金属塩、例えばリチウム塩を含有する非水性電解質であり、非水性電解液、固体電解質、及び無機固体電解質を含むことができるが、これらに限定されるものではない。使用することができる非水性電解液の例としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ガンマブチロラクトン、１，２－ジメトキシエタン、２－メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、１，３－ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、ニトロメタン、ギ酸メチル、酢酸メチル、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、スルホラン、メチルスルホラン、及び１，３－ジメチル－２－イミダゾリジノン等の非プロトン性有機溶媒が挙げられる。

【0136】

有機固体電解質の例としては、ポリエチレン誘導体、ポリエチレンオキサイド誘導体、ポリプロピレンオキサイド誘導体、リン酸エステルポリマー、ポリエステルスルフィド、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデン、及びイオン性解離基を含有するポリマーが挙げられる。

【0137】

無機固体電解質の例としては、Ｌｉ_５ＮＩ_２、Ｌｉ_３Ｎ、ＬｉＩ、ＬｉＳｉＯ_４、Ｌｉ_２ＳｉＳ_３、Ｌｉ_４ＳｉＯ_４、ＬｉＯＨ、及びＬｉ_３ＰＯ_４等のリチウム塩の窒化物、ハロゲン化物、硫化物が挙げられる。

【0138】

リチウム塩は、好適には、選択した溶媒又は溶媒の混合物に可溶である。好適なリチウム塩の例としては、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＢＣ_４Ｏ_８、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＳｂＦ_６、ＬｉＡｌＣｌ_４、ＣＨ_３ＳＯ_３Ｌｉ、及びＣＦ_３ＳＯ_３Ｌｉが挙げられる。

【0139】

電解質が非水性有機溶液である場合、金属イオン電池は、好ましくは、アノードとカソードとの間に挿入されたセパレータを備える。セパレータは、典型的には、高いイオン透過性及び高い機械的強度を有する絶縁材料で形成されている。セパレータは、典型的には、０．０１μｍ～１００μｍの細孔径を有し、５μｍ～３００μｍの厚さを有する。好適な電極セパレータの例としては、マイクロポーラスポリエチレンフィルムが挙げられる。

【0140】

セパレータは、高分子電解質材料で置き換えることができ、そのような場合、高分子電解質材料は、複合アノード層及び複合カソード層の両方中に存在する。高分子電解質材料は、固体高分子電解質又はゲル型高分子電解質とすることができる。

【0141】

第５の態様では、本発明は、本発明の第１の態様を参照して規定された粒子状材料のアノード活物質としての使用を提供する。好ましくは、粒子状材料は、本発明の第２の態様を参照して規定される電極組成物の形態を有し、最も好ましくは、電極組成物は、上記で規定される１つ以上の追加の粒子状電気活性材料を含む。本発明の第５の態様に従って使用される粒子状材料は、本発明の第１の態様に関して好ましい又は任意であると記載された特徴のいずれかを有することができ、態様１－１～態様１－１６のいずれかによる粒子状材料とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0142】

【図1】実施例の図である。

【発明を実施するための形態】

【実施例】

【0143】

実施例１
表１に示す特性を有する多孔質炭素骨格粒子（活性炭素粒子）を準備した。

【0144】

【表1】

【0145】

本明細書で記載するように、４７５℃で固定床反応器においてモノシランガスを用いて表１の多孔質炭素骨格粒子の細孔内にシリコンを堆積させることによって、シリコン－炭素複合粒子を作製した。

【0146】

実施例２－圧縮試験
本発明の粒子状材料の機械的劣化に対する抵抗を、直径５０μｍの平面圧子、９．８ｍＮ～４９０３ｍＮの試験力、及び７．７５ｍＮ・ｓ^－１の負荷速度を備えた高精度微小圧縮試験機（島津製作所（商標）モデルＭＣＴ－５１０）を用いて、単一粒子に圧縮試験を行うことにより分析した。

【0147】

様々な複合粒子試料から様々な大きさの粒子を選択した（試料Ａ１～試料Ａ４は骨格Ａから得て、試料Ｂ１及び試料Ｃ１は、各々、骨格Ｂ及び骨格Ｃから得た）。対象とする各粒子径に対して、対象の粒子径に近い粒子径を有する少なくとも５つの粒子を分析した。粒子径は、（光学顕微鏡で得た）上からの画像を使用して、試料の幾何平均径と長さとの平均を使用するモデルＭＣＴ－５１０の試料寸法測定機能により測定した。９．８ｍＮ～４９００ｍＮの試験力を試料に加えて、上記負荷速度で荷重を増加させる前に、平面圧子とその下の圧力板との間に各粒子を固定した。変位の急な上昇は、その粒子に破壊が起こったことを示す。最初の破壊時に加えた力を、粒子破砕力とする。破砕圧力は、加えた破砕力を圧子面に投影された粒子面積で割ることにより計算する。各複合材料に対する、様々な粒子径を有する複数の試料の平均破砕圧力を、最終破砕圧力とした。結果を表２に示す。

【0148】

【表2】

【0149】

個々の粒子の破砕圧力は、個々の粒子間の予測できない違い（例えば、欠陥の存在、圧子と接触する粒子の形状）のために、大きく変動しやすいことが理解されるだろう。この固有の変動性を相殺するために、本出願人は、０．６９～１．２１のＰ^１、０．５４～０．７８のミクロ細孔率、及び４５％～５９％のシリコン重量％を有する様々な粒子から得られた平均破砕圧力も計算した。約３μｍ、５μｍ、８μｍ、１２μｍ、及び１５μｍの粒子径で、複数の実験から集めた結果を表３に示し、複合粒子の粒度分布と堅牢性との関係を明確に示す。表２及び表３から、本明細書に記載の微小圧縮試験機によって測定した場合に、８μｍ以下の粒子径を有する本発明の粒子は、５つの粒子で平均した破砕圧力が少なくとも２５０ＭＰａであることが示される。

【0150】

【表3】

【0151】

実施例３－電気化学的試験
テストコインセルを、上述のように作製した、１０μｍ超及び１０μｍ未満両方のＤ_９０粒子径を有するシリコン－炭素粒子状材料を含む負極を用いて作製した。Ｃａｒｂｏｎ Ｓｕｐｅｒ Ｐ（導電性炭素）のＣＭＣバインダー分散液をＴｈｉｎｋｙ（商標）ミキサーで混合した。この導電性分散液にシリコン－炭素粒子状材料を添加し、Ｔｈｉｎｋｙ（商標）ミキサーで３０分間混合した。次いで、ＳＢＲバインダーを添加してＣＭＣ：ＳＢＲ比を１：１とし、粒子状シリコン－炭素：ＣＭＣ／ＳＢＲバインダー：導電性炭素の重量比が７０：１６：１４であるスラリーを得た。スラリーをＴｈｉｎｋｙ（商標）ミキサーで更に３０分間混合し、次いで、厚さ１０μｍの銅基板（集電体）に被覆させ、５０℃で１０分間乾燥させた後、１２０℃～１８０℃で１２時間更に乾燥させることにより、銅基板上に活性層を備えた電極を形成した。

【0152】

フルセルの製造
フルコインセルを、多孔質ポリエチレンセパレータ及びニッケルマンガンコバルト（ＮＭＣ５３２）正極と共に、この電極から切り出した半径０．８ｃｍの円形負極を使用して作製した。正極及び負極は、これらの電極の目標容量比が約０．９（正：負）となるように、バランスの良いペアを形成するように設計した。次いで、３重量％のビニレンカーボネートを含有する７：３のＥＭＣ／ＦＥＣ（エチレンメチルカーボネート／フルオロエチレンカーボネート）溶液中に、１ＭのＬｉＰＦ_６を含む電解質を、密封前にセルに添加した。

【0153】

フルコインセルを、以下のようにサイクルさせた。４．３Ｖのカットオフ電圧でＣ／２５のレートで定電流を印加してアノードをリチウム化した。カットオフ電圧に達したら、Ｃ／１００のカットオフ電流に達するまで、４．３Ｖの定電圧を印加する。次いで、セルをリチウム化状態で１０分間休止させた。次いで、２．７５Ｖのカットオフ電圧で、Ｃ／２５の定電流でアノードを脱リチウム化する。次いで、セルを１０分間休止させた。この初回のサイクルの後、４．３Ｖのカットオフ電圧でＣ／２の定電流を印加してアノードをリチウム化し、続いて、Ｃ／４０のカットオフ電流で４．３Ｖの定電圧を印加し、休止時間５分とした。次いで、２．７５Ｖのカットオフ電圧でＣ／２の定電流でアノードを脱リチウム化した。次いで、これを所望のサイクル回数繰り返した。３つのテストセルに対するｍＡｈ／ｇでの（シリコン－炭素複合粒子１グラム当たりの）放電容量を、図１にプロットする。

【0154】

負極で使用した３つ全てのシリコン－炭素材料は、類似のシリコンの重量％を有しており、したがって、類似の初期放電容量を有する。また、各材料は、本明細書で記載したようにＴＧＡにより分析した場合に、８００℃で未酸化のシリコン含有量が１０％未満である。試料Ｘ及び試料Ｙは、１０μｍ未満のＤ_９０粒子径（及び、各々、３．２μｍ及び４．１μｍのＤ_５０粒子径）を有し、本発明の範囲内の良好な容量保持率を示す。試料Ｚは、６．５μｍのＤ_５０粒子径、及び本発明の範囲外のＤ_９０粒子径を有し、容量損失率の増加を示す。理論に縛られるものではないが、上で実証したように、これらの結果は、本発明の粒子が小粒子径及び高微多孔質性を有することにより、圧縮応力だけでなく、複数回のサイクルにわたるシリコンの膨張による応力に対してより良好に適応することができるという仮説と一致することが分かる。

【図1】