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技術 接触抵抗、充填密度、流動性および分散性の優れたSi粉末およびその製造方法

出願人 山陽特殊製鋼株式会社
発明者 澤田俊之
出願日 2010年3月30日 (10年3ヶ月経過) 出願番号 2010-076700
公開日 2011年10月20日 (8年8ヶ月経過) 公開番号 2011-207659
状態 特許登録済
技術分野 珪素及び珪素化合物
主要キーワード 上円盤 高圧水アトマイズ法 酸素分析値 供試粉末 クリプトンガス吸着 リチウムイオン電池用負極材料 表面酸化被膜 充填体
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重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2011年10月20日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (3)

課題

接触抵抗充填密度流動性、および分散性の高いSi粉末、特に、高い接触抵抗を必要とする電子部品材料や、媒体中で分散性の高いSi原料として用いられるSi粉末を提供する。

解決手段

酸素分析値比表面積が0.2〜10からなるSi粉末であることを特徴とする接触抵抗、充填密度、流動性および分散性の優れたSi粉末。また、上記Si粉末はアトマイズ法により作製された接触抵抗、充填密度、流動性および分散性の優れたSi粉末、またはその製造方法。

概要

背景

Siは、半導体であり固有抵抗が高いことが大きな特徴であり、FeやNiなどの金属と比較すると、2〜5桁も大きい。また、FeやNiなどの金属と比較すると、塑性変形能が極めて小さいことや、真密度が低いなど、様々な特徴を持った元素である。

また、粉末状のSiは、Si自身の固有抵抗の高さと、これを充填した場合は粉末同士が点接触になることによる、粉末充填体ならではの接触抵抗の高さという特徴を活かし、電流が流れることが好ましくない2つの金属体の間に充填、塗布されるなどして用いられる。

また、軟磁性金属粉末Si粉末を混合、成形し、軟磁性金属粉末同士の接触を避けることで、渦電流損失を低減した圧粉コアなどにも用いられる。さらに、例えば特開2005−60830号公報(特許文献1)に開示されているように、軟磁性金属粉末にSi粉末を混合し、これを焼結した高抵抗軟磁性焼結部材なども提案されている。このような用途においては、Si粉末同士の接触抵抗が高いことが要求される。

また、上記特許文献1のような粉末成形体を製造する用途においては、一般に粉末の充填密度および流動性が高いほうが好ましい。さらに、圧粉コア用の原料粉末として用いられる場合は、様々な樹脂と混錬され成形されるため、樹脂中で原料粉末の分散性が高いほうが好ましい。

また、特開2008−117761号公報(特許文献2)に開示されているように、リチウムイオン電池用負極材料として、Si粉末とその他の粉末を混合、ボールミルアトライタでの処理するメカニカルアロイの場合に通常は原料となる混合粉末水溶性などの溶媒に浸して処理する。この際にも、溶媒中での粉末の分散性が良いほうが好ましい。

このように、接触抵抗、充填密度、流動性、分散性に優れるSi粉末が求められてきたが、しかし、通常のSi粉末はバルク体機械的に粉砕したものであり、これらの特性が十分ではなかった。
特開2005−60830号公報
特開2008−117761号公報

概要

接触抵抗、充填密度、流動性、および分散性の高いSi粉末、特に、高い接触抵抗を必要とする電子部品材料や、媒体中で分散性の高いSi原料として用いられるSi粉末を提供する。酸素分析値比表面積が0.2〜10からなるSi粉末であることを特徴とする接触抵抗、充填密度、流動性および分散性の優れたSi粉末。また、上記Si粉末はアトマイズ法により作製された接触抵抗、充填密度、流動性および分散性の優れたSi粉末、またはその製造方法。

目的

本発明によるSi粉末は、粉砕粉末に比較して表面酸化被膜が厚く、接触抵抗が高く、かつ水溶液中での分散性に優れていることから、接触抵抗、充填密度、流動性および分散性の高いSi粉末を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

比表面積に対する酸素分析値の比が0.2〜10からなるSi粉末であることを特徴とする接触抵抗充填密度流動性および分散性の優れたSi粉末。

請求項2

形状が球状または概ね球状であることを特徴とする請求項1に記載の接触抵抗、充填密度、流動性および分散性の優れたSi粉末。

請求項3

アトマイズ法により作製されたSi粉末を分級し、比表面積に対する酸素分析値の比が0.2〜10としたことを特徴とする接触抵抗、充填密度、流動性および分散性の優れたSi粉末の製造方法。

請求項4

アトマイズ法により作製されたSi粉末を分級し、500〜1000℃で酸化処理し、比表面積に対する酸素分析値の比が0.2〜10としたことを特徴とする接触抵抗、充填密度、流動性および分散性の優れたSi粉末の製造方法。

技術分野

0001

本発明は、接触抵抗充填密度流動性、および分散性の高いSi粉末に関し、特に、高い接触抵抗を必要とする電子部品材料や、媒体中で分散性の高いSi原料として用いられるSi粉末およびその製造方法に関するものである。

背景技術

0002

Siは、半導体であり固有抵抗が高いことが大きな特徴であり、FeやNiなどの金属と比較すると、2〜5桁も大きい。また、FeやNiなどの金属と比較すると、塑性変形能が極めて小さいことや、真密度が低いなど、様々な特徴を持った元素である。

0003

また、粉末状のSiは、Si自身の固有抵抗の高さと、これを充填した場合は粉末同士が点接触になることによる、粉末充填体ならではの接触抵抗の高さという特徴を活かし、電流が流れることが好ましくない2つの金属体の間に充填、塗布されるなどして用いられる。

0004

また、軟磁性金属粉末とSi粉末を混合、成形し、軟磁性金属粉末同士の接触を避けることで、渦電流損失を低減した圧粉コアなどにも用いられる。さらに、例えば特開2005−60830号公報(特許文献1)に開示されているように、軟磁性金属粉末にSi粉末を混合し、これを焼結した高抵抗軟磁性焼結部材なども提案されている。このような用途においては、Si粉末同士の接触抵抗が高いことが要求される。

0005

また、上記特許文献1のような粉末成形体を製造する用途においては、一般に粉末の充填密度および流動性が高いほうが好ましい。さらに、圧粉コア用の原料粉末として用いられる場合は、様々な樹脂と混錬され成形されるため、樹脂中で原料粉末の分散性が高いほうが好ましい。

0006

また、特開2008−117761号公報(特許文献2)に開示されているように、リチウムイオン電池用負極材料として、Si粉末とその他の粉末を混合、ボールミルアトライタでの処理するメカニカルアロイの場合に通常は原料となる混合粉末水溶性などの溶媒に浸して処理する。この際にも、溶媒中での粉末の分散性が良いほうが好ましい。

0007

このように、接触抵抗、充填密度、流動性、分散性に優れるSi粉末が求められてきたが、しかし、通常のSi粉末はバルク体機械的に粉砕したものであり、これらの特性が十分ではなかった。
特開2005−60830号公報
特開2008−117761号公報

発明が解決しようとする課題

0008

上述した通常のSi粉末はバルク体を機械的に粉砕したものであることから、高い接触抵抗を必要とする電子部品材料や、媒体中で分散性の高いSi粉末を求められてきたにも関わらず、これらの特性が十分ではなかったのが実状である。

課題を解決するための手段

0009

上述のような問題を解消するために、発明者らはまず、充填密度および流動性に優れる粉末として、市販されている不定形状の粉砕粉末ではなく、概ね球形状の粉末が作製されるガスアトマイズ法に着目した。そのうえ更に、ガスアトマイズ法にて作製されたSi粉末は、粉砕粉末に比較して表面酸化被膜が厚く、粉末間接抵抗(以下、接触抵抗という)が高く、かつ水溶液中での分散性に優れていることを見出し、本発明に至ったものである。

0010

その発明の要旨とするところは、
(1)比表面積に対する酸素分析値の比(以下、「酸素分析値/比表面積」という。)が0.2〜10からなるSi粉末であることを特徴とする接触抵抗、充填密度、流動性および分散性の優れたSi粉末。
(2)形状が球状または概ね球状であることを特徴とする前記(1)に記載の接触抵抗、充填密度、流動性および分散性の優れたSi粉末。

0011

(3)アトマイズ法により作製されたSi粉末を分級し、酸素分析値/比表面積が0.2〜10としたことを特徴とする接触抵抗、充填密度、流動性および分散性の優れたSi粉末の製造方法。
(4)ガスアトマイズ法にて作製されたSi粉末を分級し、500〜1000℃で酸化処理し、酸素分析値/比表面積が0.2〜10としたことを特徴とする接触抵抗、充填密度、流動性および分散性の優れたSi粉末の製造方法にある。

発明の効果

0012

以上述べたように、本発明によるSi粉末は、粉砕粉末に比較して表面酸化被膜が厚く、接触抵抗が高く、かつ水溶液中での分散性に優れていることから、接触抵抗、充填密度、流動性および分散性の高いSi粉末を提供することを可能とした。

0013

以下、本発明について詳細に説明する。
発明者らはまず、充填密度および流動性に優れる粉末として、市販されている不定形状の粉砕粉末ではなく、概ね球形状の粉末が作製されるアトマイズ法に着目した。アトマイズ法のうち、概ね粒径状の粉末が得られる方法には、ガスアトマイズ法や遠心アトマイズディスクアトマイズ法、ハイブリッドアトマイズ法、高圧水アトマイズ法などが知られている。

0014

本発明は、これら掲示した方法に限定するものではないが、一般的には量産性の点ではガスアトマイズ法が最も適しており、球形状の点では遠心アトマイズやディスクアトマイズ法、ハイブリッドアトマイズ法が適していることが知られており、また、表面酸化の点では高圧水アトマイズ法も考えられる。ここで実際、ガスアトマイズ法で作製したSi粉末は、概ね球状をしており、後述する実施例の通り充填密度、流動性に優れた。これは、一般的にFeやNiなどのガスアトマイズ粉末の特徴と同様である。図1にガスアトマイズ法により作製された純Si粉末、図2にバルク体を粉砕し作製された通常の純Si粉末の外観SEM像を示す。

0015

発明者らは、ガスアトマイズ法で作製したSi粉末は、更に、Siならではの下記、二つの特徴を有していることを見出した。ガスアトマイズ法によるSi粉末と粉砕法によるSi粉末を詳細に調査した結果、ガスアトマイズSi粉末は酸化処理を施さなくても「酸素分析値/比表面積」が粉砕粉末より高いことがわかった。すなわち、ガスアトマイズSi粉末は粉砕粉末より表面の酸化物層が厚いと考えられる。これにより、(1)充填した粉末に圧力を掛けた際の粉末間の接触抵抗が高く、かつ、(2)水などの溶媒中での分散性に優れる特徴が見出された。

0016

上記(1)の効果については、FeやNiのような塑性変形能のある金属粉末では、粉末の充填体に圧力をかけると粉末が変形し、粉末同士の接触部の酸化物破壊されるため、表面の酸化皮膜が接触抵抗を高くする効果があまり大きくないと考えられるが、これに対し、Si粉末は極めて高硬度で塑性変形能もないため、粉末表面の酸化皮膜が破壊されにくく、接触抵抗を高くする効果が高いのではないかと推測される。

0017

次に、(2)の効果の原理については定かでないが、Siはもともと水などの溶媒と濡れ性が悪いのに対し、酸化皮膜を生成するSiO2 が水などの溶媒との濡れ性が良いため、分散性が改善されたのではないかと推測される。また、Siは比重がFeやNiと比較し1/3〜1/4程度と低い。したがって、粉末表面が溶媒との濡れ性が悪い場合は、溶媒中に分散せず、溶媒液面に浮かんでしまうこともある。このようにガスアトマイズ法によるSi粉末は、充填密度および流動性が高いだけでなく、Siならではの(1)(2)の特徴を同時に示すことから、高抵抗軟磁性焼結部材などの電子部品材料やリチウムイオン電池負極活物質の原料粉末などとして好適である。

発明を実施するための最良の形態

0018

以下、本発明に係る発明の限定理由を説明する。
「酸素分析値/比表面積」は粉末表面の酸化物層厚さの指標である。この酸素分析値/比表面積を0.2〜10とした理由は、0.2未満では表面の酸化物層が薄いために接触抵抗が低くなり、かつ溶媒中での分散性も悪くなる。したがって、0.2以上とした。しかし、10を超えるためには、高温での酸化処理が必要で、酸化と同時に焼結が進むため、酸化処理後に粉末を砕くことにより、ガスアトマイズの特徴である球状が損なわれ、充填密度や流動性が劣化することから、その範囲を、0.2〜10とした。好ましくは0.3〜5とする。なお、酸素分析値の単位はmass%、比表面積はBET法による評価で単位はm2 /gである。

0019

また、ガスアトマイズ法により作製したSi粉末を、分級した後、500〜1000℃の温度での酸化処理をした理由は、ガスアトマイズ法により作製したSi粉末は、粉砕粉末に比較して表面酸化被膜が厚く、接触抵抗が高く、かつ水溶液中での分散性に優れているのであるが、しかし、場合によっては、「酸素分析値/比表面積」が0.2未満と表面酸化被膜が薄く、接触抵抗、充填密度、流動性および分散性についての特性が得られない場合には、より表面酸化被膜を形成させて、上記効果をより高めるための処理である。しかし、500℃未満では表面酸化被膜の形成させるに十分でなく、また、1000℃を超える温度は、その効果が飽和することから、その範囲を500〜1000℃とした。好ましくは、600〜800℃とする。

0020

なお、酸化処理時間は10〜600分で行うのが望ましい。10分未満では表面酸化被膜の形成させるに十分な時間ではなく、また、600分を超える程の酸化処理時間は必要でないことから、その時間を10〜600分とした。より好ましくは、30〜90分とする。

0021

以下、本発明について実施例により具体的に説明する。
表1に示す「酸素分析値/比表面積」の異なる数種類のSi粉末を作製するために、ガスアトマイズ法により作製した純Si粉末を、150μm以下に分級し、大気中で500〜1100℃で1時間の酸化処理を行なった。また、市販の粉砕粉末も同様に、150μm以下に分級し、大気中で500〜1100℃で1時間の酸化処理を行なった。これらの酸化処理前後の粉末について、以下の評価を行なった。

0022

比表面積の評価(BET法)は、クリプトンガス吸着法で評価した。また、粉末間接触抵抗の評価としては、直径30mm、厚さ2mmの銅製の円盤を2枚用意し、上下に配置したこの円盤の間に0.5gの各供試粉末を挟み込み、上円盤に100gのおもりを載せた。この状態で上下の銅円盤に端子を接続し、10Vの電圧を掛けたときの電流値が1μA未満であったものを○、1μA以上であったものを×として評価した。

0023

また、充填密度(相対密度)の評価としては、各供試粉末についてタップ密度を測定し、Siの真密度2.33mg/m3 で除して100を乗じた値を相対密度(%)とし、65%以上を○、65%未満を×として評価した。
さらに、流動性の評価としては、各供試粉末についてJIS−Z2502の方法に従い試験した。この試験で、流動したものを○、流動しなかったものを×として評価した。

0024

水中での分散性については、ビーカーに100mlの水を入れ、この中に各供試粉末を5g入れ、ステンレス製サジで5回かき混ぜた。その後、水中での粉末の凝集状態目視で確認した。凝集がほとんど見られないものを○、多くの凝集が見られるものを×として評価した。

0025

表1に供試粉末の製造工程、「酸素分析値/比表面積」、粉末間接触抵抗、充填密度、流動性、分散性の評価結果を示す。また、表1では、150μm以下の粒度を−150μmと記す。

0026

表1に示すように、No.1〜7は本発明例であり、No.8〜13は比較例である。比較例No.8は、「酸素分析値/比表面積」の値が大きいために、充填密度(相対密度)が低く、かつ流動性が悪い。比較例No.9は、市販のバルク体粉砕粉で「酸素分析値/比表面積」の値が小さいために、接触抵抗(粉末間)が小さく、充填密度(相対密度)が低く、流動性が悪く、かつ分散性が悪い。比較例No.10は、比較例No.9と同様に、市販のバルク体粉砕粉で「酸素分析値/比表面積」の値が小さいために、接触抵抗(粉末間)が小さく、充填密度(相対密度)が低く、流動性が悪く、かつ分散性が悪い。

0027

比較例No.11は、比較例No.9、10と同様に、市販のバルク体粉砕粉であることから、充填密度(相対密度)が低く、流動性が悪い。比較例No.12は、比較例No.9〜11と同様に、市販のバルク体粉砕粉であることから、充填密度(相対密度)が低く、流動性が悪い。比較例No.13は、比較例No.9〜12と同様に、市販のバルク体粉砕粉で「酸素分析値/比表面積」の値が大きいために、充填密度(相対密度)が低く、流動性が悪い。

0028

これに対して、本発明例である、No.1〜7は、いずれも本発明の条件を満たしていることから、「酸素分析値/比表面積」、接触抵抗(粉末間)、充填密度、流動性および分散性についての特性の優れていることが分かる。

0029

以上のように、「酸素分析値/比表面積」が0.2未満では、表面酸化被膜が薄く、接触抵抗(粉末間)、充填密度、流動性および分散性についての特性が得られない。また、「酸素分析値/比表面積」が10を超えるまでにするには、高温の酸化処理が必要であり、酸化と同時に焼結が進み、別途、粉砕工程が必要で、そのため球形状が崩れ、充填密度等が下がる結果となる。

図面の簡単な説明

0030

ガスアトマイズ法で作製した純Si粉末の外観SEM像を示す。
粉砕法で作製した純Si粉末の外観SEM像を示す。

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