IVA族官能化粒子及其使用方法技术

本发明专利技术揭示经官能化的IVA族粒子、制备该IVA族粒子的方法、及使用该IVA族粒子的方法。该IVA族粒子可经覆盖该粒子的至少一部分的至少一材料层钝化。该材料层可为一共价键结的非介电材料层。该IVA族粒子可用于各种技术，包括锂离子电池(lithium ion battery)及光伏打电池(photovoltaic cell)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】【优先权声明】 此是2012年8月21日提出申请的非临时美国专利申请案第61/691，641号、2013 年3月6日提出申请的美国专利申请案第61/773,270号及2013年4月24日提出申请的 美国专利申请案第61/815, 654号，所有该等的内容均以引用的方式全部并入本文中。
本专利技术概言之是关于一种官能化IVA族粒子，更特定而言，是关于一种借由一共 价键结的非介电碳氢化合物层钝化的IVA族粒子、制备该IVA族粒子的方法、及使用该IVA 族粒子的方法。本专利技术亦关于多孔共价骨架与共价键结的IVA族粒子的合并、及在电池技 术中使用该多孔共价骨架的方法。
技术介绍
电池是一种电化学能量储存装置。电池可归类为一次（不可再充电）或二次（可 再充电）电池。在任一情形中，完全充电后的电池在其经历一氧化/还原过程时递送电力 且允许电子在该电池的负极与正极之间流动。 锂离子电池可制成二次电池；此意味着其可借由在相反方向上驱动电流并在阳极 处将锂离子还原为Li°进行再充电。图1显示一锂离子电池的一般示意图。所显示的离子 及电子的移动方向代表「充电」。放电循环将显示出在相反方向上移动的离子。迀移至阳极 中的锂离子遇到借助闭合电路朝向该阳极移动的电子，由此将Li +还原为Li° (锂金属）。 Li°的直径实际上远大于Li+，此乃因其捕捉的电子占据其2S轨道。因此，锂金属占据了大 量的空间。现有碳阳极将经还原锂容纳于石墨层之间。石墨可视为6员碳环的2-D阵列， 其形成容易地于彼此之上滑动的「薄片」。完全充电时，一石墨阳极能够容纳该体积的锂，而 不会强加超过石墨薄片的该等薄片之间已存在的固有空间的特别需求。 由于Li+需要极少空间（如同将沙子添加至一桶碎石一样），因此对阴极没有此等 特殊需求。构成阴极的金属氧化物及/或磷酸盐停留于适当位置。但仅有限数量的Li +离 子（通常一或两个）可与各金属氧化物团簇配对。因此，该阴极的更大空间需求限制比充 电容量（电荷/克或电荷/立方毫米）。单就大小及分子质量的观点来看，锂是用于必须小 且轻的电池的理想元素。此外，在所有元素中锂具有最高的氧化还原电位差。 平均阴极组合物（average cathode composition)通常具有较低充电容量，因此 当与最常见的阳极复合物，即石墨匹配时需要更大的尺寸（及重量）。因而，大多数研宄已 致力于开发更好的阴极。 部分研宄者已寻求利用硅基材料来开发用于锂离子电池的替代性阳极。已知硅 (Si)吸引锂的能力远优于传统电池中所用的碳（372毫安培小时/克（mAh/g)，对Si的 4, 212毫安培小时/克]。然而，尚未有使用Si的商业电池成功问世，此乃因尚未找到防止 Si复合物在仅几个再充电循环之后即发生机械失效（mechanical failure)的适宜结构之 故。尤其，硅的有限结构形式，加上锂对硅的强吸引力，在几个充电/再充电循环之后即会 由于体积膨胀而导致机械故障。 因此，业内需要对现有电池技术进行改良的新材料及方法。特定而言，业内需一种 可以提供适宜多孔骨架以满足锂在锂离子电池的阳极处累积的空间需求且具有良好电荷 载子迀移率的材料。 另外还需要可有效并经济地自丰富且易获得的原料制得的纳米粒子材料。尽管粒 径控制已使用诸如电浆增强的化学气相沉积（PECVD)、热丝化学气相沉积（HWCVD)及离子 束沉积（IBD)等方法展现，但使用该等方法的商业生产通常涉及原位膜制造。IVA族纳米粒 子粉末仅在极有限规格范围中是商业上可得的且仅具有介电钝化。该等产品是昂贵的，因 为其生产需要大量的生产设备资金成本及生产中的高能量成本。
技术实现思路
在一方面，揭示一种官能化IVA族粒子。该IVA族粒子可借由覆盖该IVA族粒子 的表面的至少一部分的非介电层钝化。 该非介电层可来源于选自以下群组的化合物：烯烃、炔烃、芳香族化合物、杂芳香 族化合物、环烯烃、醇、二醇、硫醇、二硫化物、胺、酰胺、吡啶、吡咯、呋喃、噻吩、氰酸酯、异 氰酸酯、异硫氰酸酯、酮、羧酸、胺基酸、及醛。该非介电层可来源于选自以下群组的化合 物：甲苯、苯、多环芳香族化合物、富勒稀（fullerene)、金属富勒稀（metallofullerene)、 苯乙稀、环辛四稀（cyclooctatetraene)、原冰片二稀（norbornadiene)、一级烯 径（norbornadiene)、一级炔径（primary alkyne)、饱和或不饱和脂肪酸、肽、蛋 白质、酶、2, 3, 6, 7-四羟基蒽（2, 3, 6, 7-tetrahydroxyanthracene)、及对苯二甲醛 (terephthalaldehyde)。该非介电层可具有能够与其它试剂形成共价键的官能基。 在某些实施态样中，该IVA族粒子在室温下于空气中是对氧化稳定的。 在某些实施态样中，该IVA族粒子是25微米大小或以下、1微米大小或以下、0. 1 微米大小或以下或0. 05微米大小或以下。 在某些实施态样中，该IVA族粒子是共价键结至一多孔共价骨架（porous covalent framework)。该多孔共价骨架可为一共价有机骨架、一金属有机骨架、或一沸石 咪挫醋骨架（zeolitic imidazolate framework)。该多孔共价骨架可为一二维骨架。该多 孔共价骨架可为一三维骨架。 在某些实施态样中，该IVA族粒子包含硅、锗、锡、或其任一组合。该IVA族粒子可 包含一 η型掺杂剂（dopant)或一 p型掺杂剂。该η型掺杂剂可包含氮、磷、砷、或其任一组 合。该P型掺杂剂可包含硼、铝、或其任一组合。该IVA族粒子可包含选自由铝、铁、钙、及 钛组成的群组的杂质。 在某些实施态样中，该IVA族粒子可来源于冶金级硅。该IVA族粒子可来源于一 P型硅晶圆，其中该P型硅晶圆可具有0. 001至100欧姆/平方厘米（ohm/cm2)的测量电阻 率。该IVA族粒子可来源于一 η型硅晶圆。该IVA族粒子可来源于块体MG IVA族晶锭材 料。 在某些实施态样中，该IVA族粒子可为一锂离子电池中的阳极的一部分、一光伏 打（photovoltaic，PV)膜的一部分、一生物感测器（biosensor)的一部分、一能量储存装置 的一部分、一热电膜（thermoelectric film)的一部分或半导体装置的一部分。 在某些实施态样中，该IVA族粒子可借由包含下列步骤的工艺制备：用一质子酸 处理一 IVA族粒子以提供一经氢钝化的IVA族粒子；及用一化合物处理该经氢钝化的IVA 族粒子以提供一经钝化IVA族粒子。在某些实施态样中，该IVA族粒子可借由包含下列步 骤的工艺制备：用一质子酸处理一 IVA族粒子以提供一经氢钝化的IVA族粒子；用苯处理 该经氢钝化的IVA族粒子以获得一经苯钝化的IVA族粒子；及用一化合物处理该经苯钝化 的IVA族粒子以提供一经钝化IVA族粒子。在某些实施态样中，该经钝化IVA族粒子可为 经一非介电层钝化的一粒子，该非介电层覆盖该IVA族粒子的表面的至少一部分。在某些 实施态样中，该经钝化IVA族粒子在室温下于空气中可是对氧化稳定的。用于钝化的化合 物可选自由有机化合物、富勒烯及本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种经一非介电层钝化的IVA族粒子，该非介电层覆盖该IVA族粒子的一表面的至少一部分。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·纽庞德，L·马修斯，J·诺力士，
申请(专利权)人：克雷多斯公司，
类型：发明
国别省市：美国;US