JP2002529352A - Metal oxide particles - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】 約500nm以下の平均粒径を有する、酸化マンガン粒子およリチウム酸化マンガン粒子が製造された。これら粒子は、非常に狭い粒径分布を含めて高い均質度を有する。金属前駆体を含むエーロゾルを用いて反応を行うことにより金属酸化物を製造する方法が説明された。特に、これら粒子は、レーザ熱分解により調製された。リチウム酸化マンガン粒子は、酸化マンガンのナノ粒子を熱処理することにより調製できる。あるいはまた、リチウム酸化マンガン粒子は、レーザ熱分解により直接製造することができる。このリチウム酸化マンガン粒子は、リチウムをベースにする電池の陽極中の活性材料として有用である。改良された電池が、均一なナノスケールのリチウム酸化マンガン粒子を使用することにより得られる。 (57) Summary Manganese oxide particles and lithium manganese oxide particles having an average particle size of about 500 nm or less have been produced. These particles have a high degree of homogeneity, including a very narrow particle size distribution. A method for producing a metal oxide by performing a reaction using an aerosol containing a metal precursor has been described. In particular, these particles were prepared by laser pyrolysis. Lithium manganese oxide particles can be prepared by heat treating manganese oxide nanoparticles. Alternatively, lithium manganese oxide particles can be produced directly by laser pyrolysis. The lithium manganese oxide particles are useful as an active material in the anode of a lithium-based battery. An improved battery is obtained by using uniform nanoscale lithium manganese oxide particles.
Description
【0001】 発明の分野 本発明は、金属酸化物に関する。より特定すれば、本発明は、レーザ熱分解に
より製造される酸化マンガン粒子およびリチウム酸化マンガン粒子のようなナノ
スケール金属酸化物粒子に関する。本発明はさらに、レーザ熱分解およびエーロ
ゾルを用いる金属酸化物粉末を製造する方法に関する。さらにまた、本発明は、
レーザ熱分解により、三成分粒子、特に結晶性ナノ粒子を製造する方法に関する
。[0001] The present invention relates to metal oxides. More particularly, the present invention relates to nanoscale metal oxide particles such as manganese oxide particles and lithium manganese oxide particles produced by laser pyrolysis. The invention further relates to a method for producing metal oxide powder using laser pyrolysis and aerosol. Furthermore, the present invention provides
The present invention relates to a method for producing ternary particles, especially crystalline nanoparticles, by laser pyrolysis.
【0002】 発明の背景 様々な分野における進歩により、多くのタイプの新しい材料に対する需要が創
出されている。特に、多様な化学的粉末が、電池の製造のような、多くの異なる
加工関係分野で用いられる。特に、小さい構造物あるいは高表面積材料を含む、
多様な用途に特に有用である超微細あるいはナノスケール粉末の応用で、かなり
の興味が持たれている。超微細化学的粉末に対するこの需要は、これら粉末の製
造のために、レーザ熱分解のような、洗練された技術の発展をもたらした。[0002] Advances in the background various fields of the invention, the demand for many types of new material has been created. In particular, a variety of chemical powders are used in many different processing-related fields, such as the manufacture of batteries. In particular, including small structures or high surface area materials,
There is considerable interest in the application of ultrafine or nanoscale powders, which is particularly useful for a variety of applications. This demand for ultrafine chemical powders has led to the development of sophisticated technologies, such as laser pyrolysis, for the production of these powders.
【0003】 電子部品の超小形化は、小型電話機、ページャー(記憶装置、pagers)
、ビデオカメラ、ファクシミリ装置、携帯式ステレオ音響機器、パーソナルオー
ガナイザーおよびパーソナルコンピューターのような携帯式電子装置の利用にお
いて広範な成長をもたらした。携帯式電子装置の利用の拡大は、このようなデバ
イス用の改良された電源に対する、かってない需要の増大をもたらした。適切な
電池に含まれるのは、一次電池、即ち、単回充電サイクルで使用するように設計
されている電池、および二次電池、即ち、再充電可能なように設計されている電
池である。本来一次電池として設計されている幾つかの電池は、ある程度、再充
電可能である。[0003] The miniaturization of electronic components is achieved by using small telephones, pagers (storage devices, pages).
Has resulted in widespread growth in the use of portable electronic devices such as video cameras, facsimile machines, portable stereo sound equipment, personal organizers and personal computers. The growing use of portable electronic devices has led to an ever-increasing demand for improved power supplies for such devices. Suitable batteries include primary batteries, ie, batteries designed for use in a single charge cycle, and secondary batteries, ie, batteries designed to be rechargeable. Some batteries, which are originally designed as primary batteries, can be recharged to some extent.
【0004】 リチウムをベースにする電池は、重要な開発努力の主題であり、そして商業的
に販売されている。リチウムをベースにする電池は、一般に、リチウムイオンを
含む電解質を使用している。これら電池用の陰極は、リチウム金属または合金(
リチウム電池)でも、あるいは層間にリチウムを含む組成物(リチウムイオン電
池)でもよい。陽極に混和するのに推奨される電気的に活性な材料は、層間にリ
チウムを含む組成物である。陽極に使用するための、層間にリチウムを含むこの
組成物は、普通、その格子中にリチウムイオンを混和し得る金属酸化物のような
カルコゲニド(chalcogenides)である。[0004] Lithium-based batteries are the subject of significant development efforts and are sold commercially. Lithium-based batteries generally use an electrolyte containing lithium ions. Cathodes for these batteries are lithium metal or alloy (
(Lithium battery) or a composition containing lithium between layers (lithium ion battery). A recommended electroactive material for incorporation into the anode is a composition containing lithium between the layers. This composition containing lithium between the layers for use in the anode is usually chalcogenides, such as metal oxides that can incorporate lithium ions in their lattice.
【0005】 マンガンは、様々な酸化状態で存在し得る。それに対応して、様々な化学量論
組成を有する酸化マンガンが存在することが知られている。さらに、特定の化学
量論組成を有する酸化マンガンは、様々な結晶格子を有することが可能であり、
または非晶性であることもある。かくして、酸化マンガンは、極端に豊富な状態
図を示す。[0005] Manganese can exist in various oxidation states. Correspondingly, it is known that manganese oxides having various stoichiometric compositions exist. Further, manganese oxides having a particular stoichiometric composition can have various crystal lattices,
Or it may be amorphous. Thus, manganese oxide exhibits an extremely abundant phase diagram.
【0006】 多様な化学量論組成を有する酸化マンガンおよびリチウム酸化マンガンは、リ
チウム系電池用の陽極中で利用される有望な材料として注目されている。特に、
適した酸化マンガンは、その結晶構造の層間にリチウムイオンを取込んでリチウ
ム酸化マンガンを形成することができる。リチウム酸化マンガンは、リチウム系
二次電池の製造に有用である。リチウム酸化マンガンにおけるこの関心により、
リチウム酸化マンガン粉末を製造するための数種の方法が開発されている。[0006] Manganese oxide and lithium manganese oxide having various stoichiometric compositions have attracted attention as promising materials used in anodes for lithium-based batteries. In particular,
Suitable manganese oxides can incorporate lithium ions between layers of the crystal structure to form lithium manganese oxide. Lithium manganese oxide is useful for manufacturing a lithium secondary battery. Due to this interest in lithium manganese oxide,
Several methods for producing lithium manganese oxide powder have been developed.
【0007】 発明の要約 第1の態様では、本発明は、約500nm以下の平均粒径を有し、非晶質酸化
マンガン、結晶性MnO、結晶性Mn5O8および結晶性Mn2O3からなる群から
選ばれる構造を有する酸化マンガンを含んでなる、粒子の集合体に関する。[0007] In summary first aspect of the invention, the present invention has an average particle size of less than about 500 nm, amorphous manganese oxide, crystalline MnO, crystalline Mn 5 O 8 and crystalline Mn 2 O 3 A manganese oxide having a structure selected from the group consisting of:
【0008】 もう一つの態様では、本発明は、金属酸化物を調製するために、反応チャンバ
ー内でエーロゾルを反応させることを含んでなる方法であって、そのエーロゾル
は金属前駆体を含んでなり、そしてその金属酸化物粒子は約500nm以下の平
均粒径を有する、金属酸化物粉末を製造する方法に関する。In another aspect, the invention is a method comprising reacting an aerosol in a reaction chamber to prepare a metal oxide, wherein the aerosol comprises a metal precursor. And the metal oxide particles have an average particle size of about 500 nm or less.
【0009】 さらなる一つの態様では、本発明は、酸化マンガン粒子を、酸化性雰囲気中で
、約600℃以下の温度で加熱することを含んでなる、酸化マンガン粒子集合体
の化学量論組成を変える方法に関する。[0009] In a further aspect, the present invention provides a method for forming a stoichiometric composition of manganese oxide particles, comprising heating manganese oxide particles in an oxidizing atmosphere at a temperature of about 600 ° C. or less. How to change.
【0010】 もう一つの態様では、本発明は、酸化マンガン粒子を含んでなり、該酸化マン
ガンの粒子が、約250nm以下の平均粒径を有する、陰極を有する電池に関す
る。In another aspect, the invention relates to a battery having a cathode comprising manganese oxide particles, wherein the manganese oxide particles have an average particle size of about 250 nm or less.
【0011】 さらに、本発明は、約1ミクロン以下の平均粒径を有する複合材金属酸化物粒
子の粉末を調製するために、エーロゾルを反応させることを含んでなる方法であ
って、該エーロゾルが、第1金属化合物前駆体と第2金属化合物前駆体を含んで
なる、複合材金属酸化物粒子を製造する方法に関する。Further, the present invention is a method comprising preparing a powder of composite metal oxide particles having an average particle size of about 1 micron or less, comprising reacting an aerosol, wherein the aerosol is And a method for producing composite metal oxide particles comprising a first metal compound precursor and a second metal compound precursor.
【0012】 さらなる一つの態様では、本発明は、反応チャンバー中で反応物流を熱分解す
ることを含んでなるリチウム金属酸化物を製造する方法であって、その反応物流
が、リチウム前駆体、非リチウム金属前駆体、酸化剤および赤外線吸収剤を含ん
でなり、その熱分解は光ビームから吸収された熱により駆動される方法に関する
。[0012] In a further aspect, the invention is a method of producing a lithium metal oxide comprising pyrolyzing a reactant stream in a reaction chamber, wherein the reactant stream comprises a lithium precursor, a non-lithium precursor. It comprises a lithium metal precursor, an oxidizing agent and an infrared absorber, the pyrolysis of which relates to a method driven by heat absorbed from a light beam.
【0013】 もう一つの態様では、本発明は、約250nm以下の平均粒径を有するリチウ
ム酸化マンガンを含んでなる粒子の集合体であって、その粒子の集合体が、その
粒子の少なくとも約95パーセントが、その平均粒径の約40パーセントより大
きく、且つその平均粒径の約160パーセントより小さい直径を有するような粒
径分布を有する、粒子の集合体に関する。In another aspect, the invention is directed to an aggregate of particles comprising lithium manganese oxide having an average particle size of about 250 nm or less, wherein the aggregate of particles comprises at least about 95% of the particles. A collection of particles having a particle size distribution such that percent has a diameter greater than about 40 percent of the average particle size and less than about 160 percent of the average particle size.
【0014】 さらにまた、本発明は、一酸化マンガン(MnO)粒子とリチウム化合物の混
合物を加熱することを含んでなるリチウム酸化マンガン粒子を製造する方法であ
って、その一酸化マンガン粒子が、約250nm以下の平均粒径を有する、方法
に関する。Still further, the present invention is a method of producing lithium manganese oxide particles comprising heating a mixture of manganese monoxide (MnO) particles and a lithium compound, wherein the manganese monoxide particles comprise about A process having an average particle size of 250 nm or less.
【0015】 さらに、本発明は、酸化マンガンの粒子とリチウム化合物の混合物を加熱する
ことを含んでなる、リチウム酸化マンガン粒子を製造する方法であって、その酸
化マンガンの粒子が、約250nm以下の平均粒径を有し、その得られるリチウ
ム酸化マンガン粒子が、その粒子の少なくとも約95パーセントが、その平均粒
径の約40パーセントより大きく、且つその平均粒径の約160パーセントより
小さい直径を有するような粒径分布を有する、方法に関する。Further, the present invention is a method for producing lithium manganese oxide particles, comprising heating a mixture of manganese oxide particles and a lithium compound, wherein the manganese oxide particles have a particle size of about 250 nm or less. The average particle size of the resulting lithium manganese oxide particles is such that at least about 95 percent of the particles have a diameter greater than about 40 percent of the average particle diameter and less than about 160 percent of the average particle diameter. Having such a particle size distribution.
【0016】 さらなる一つの態様では、本発明は、リチウム酸化マンガンの粒子が、約25
0nm以下の平均粒径を有し、そのリチウム酸化マンガン粒子が、その粒子の少
なくとも約95パーセントが、その平均粒径の約40パーセントより大きく、且
つその平均粒径の約160パーセントより小さい直径を有するような粒径分布を
有する、リチウム酸化マンガン粒子を含んでなる電池を特徴とする。In a further aspect, the present invention provides a method wherein the particles of lithium manganese oxide comprise about 25
0 nm or less, wherein the lithium manganese oxide particles have a diameter such that at least about 95 percent of the particles are greater than about 40 percent of the average particle size and less than about 160 percent of the average particle size. A battery comprising lithium manganese oxide particles having a particle size distribution as described above.
【0017】 もう一つの態様では、本発明は、リチウム酸化マンガンを含んでなる電池であ
って、25サイクル後で初期値の約20パーセント以内のサイクリング安定性を
有する4ボルト電圧曲線を有する電池を特徴とする。In another aspect, the present invention is directed to a battery comprising lithium manganese oxide, wherein the battery has a 4 volt voltage curve having cycling stability within about 20 percent of its initial value after 25 cycles. Features.
【0018】 さらに本発明は、リチウム酸化マンガンを含んでなる電池であって、120m
Ah/g以上の初期容量を有する電池を特徴とする。 さらにまた、本発明は、その粒子の集合体が約250nm以下の平均直径を有
し、そのリチウム酸化マンガンがLi2Mn4O9を含んでなる、リチウム酸化マ
ンガンを含んでなる粒子の集合体に関する。Further, the present invention relates to a battery comprising lithium manganese oxide,
A battery having an initial capacity of Ah / g or more is characterized. Still further, the present invention provides an aggregate of particles comprising lithium manganese oxide, wherein the aggregate of particles has an average diameter of about 250 nm or less, and wherein the lithium manganese oxide comprises Li 2 Mn 4 O 9. About.
【0019】 さらなる態様では、本発明は、リチウム酸化マンガンを含んでなる粒子の集合
体であって、その粒子の集合体が約250nm以下の平均直径を有し、そのリチ
ウム酸化マンガンが、8.23オングストローム以下の、軸に沿った格子パラメ
ータを有する、粒子の集合体に関する。In a further aspect, the present invention is directed to an aggregate of particles comprising lithium manganese oxide, wherein the aggregate of particles has an average diameter of about 250 nm or less, and wherein the lithium manganese oxide has a mean diameter of 8. A collection of particles with lattice parameters along the axis of less than or equal to 23 Angstroms.
【0020】 さらにまた、本発明は、その生成物三成分粒子の三種の原子を含んでいる前駆
体を含んでなる反応物流を反応させることを含んでなる結晶性の三成分粒子を製
造する方法であって、その反応物流中の三種の原子の相対量および、その反応条
件が、その結晶性の三成分粒子が生成するように選ばれる、方法に関する。Still further, the present invention provides a method of producing crystalline ternary particles comprising reacting a reactant stream comprising a precursor comprising three atoms of the product ternary particles. Wherein the relative amounts of the three atoms in the reaction stream and the reaction conditions are selected to produce the crystalline ternary particles.
【0021】 もう一つの態様では、本発明は、マンガン前駆体とリチウム前駆体を含んでな
る反応物流を反応させることを含んでなる結晶性リチウム酸化マンガン粒子を製
造する方法であって、その反応が電磁放射線からのエネルギーにより駆動される
方法に関する。In another aspect, the invention is directed to a method of making crystalline lithium manganese oxide particles comprising reacting a reactant stream comprising a manganese precursor and a lithium precursor, the method comprising: Are driven by energy from electromagnetic radiation.
【0022】 さらなる態様では、本発明は、約500nm以下の平均粒径を有する、結晶性
多成分金属酸化物を含んでなる粒子の集合体であって、そのリチウム酸化マンガ
ン粒子が、その粒子の少なくとも約95パーセントが、その平均粒径の約40パ
ーセントより大きく、且つその平均粒径の約160パーセントより小さい直径を
有するような粒径分布を有する、粒子の集合体に関する。[0022] In a further aspect, the invention is an aggregate of particles comprising a crystalline multi-component metal oxide having an average particle size of about 500 nm or less, wherein the lithium manganese oxide particles have an average particle size of about 500 nm or less. At least about 95 percent relates to a collection of particles having a particle size distribution such that they have a diameter that is greater than about 40 percent of the average particle size and less than about 160 percent of the average particle size.
【0023】 推奨される実施態様の詳細な説明 金属酸化物ナノ粒子を製造する数種の方法が説明される。これらの方法は、広
範囲の性質を有する酸化マンガンナノ粒子のような、金属酸化物粒子を製造する
ために提供される。大きい製造速度でナノ粒子を製造するために低コストの前駆
体を利用できる、エーロゾルをベースとする複数の方法が説明される。望ましい
金属粒子の集合体は、ミクロン以下の平均粒径を有し、そして非常に狭い粒径分
布を有する。追加的な加工と組合せて、または単独で用いられるレーザ熱分解は
、広範囲の酸化マンガンの製造のための汎用の方法である。本明細書で説明され
るエーロゾルをベースとする方法は、多くの他の金属酸化物ナノ粒子の製造に用
いられる。DETAILED DESCRIPTION OF THE RECOMMENDED EMBODIMENT Several methods for making metal oxide nanoparticles are described. These methods are provided for producing metal oxide particles, such as manganese oxide nanoparticles having a wide range of properties. Aerosol-based methods are described that can utilize low cost precursors to produce nanoparticles at high production rates. Desirable aggregates of metal particles have a submicron average particle size and a very narrow particle size distribution. Laser pyrolysis, used in combination with additional processing or alone, is a versatile method for the production of a wide range of manganese oxides. The aerosol-based method described herein is used for the production of many other metal oxide nanoparticles.
【0024】 特に、ナノスケールの結晶性三成分粒子の調製のための数種の代替法が見いだ
された。結晶性の三成分粒子は、一つの結晶構造中の特別の格子部位に所在する
三タイプの原子を有している。リチウム酸化マンガンのようなリチウム金属酸化
物の三成分粒子は、それらが電池用途で有用であるので特に関心が大きい。In particular, several alternative methods have been found for the preparation of nanoscale crystalline ternary particles. Crystalline ternary particles have three types of atoms located at particular lattice sites in one crystal structure. Ternary particles of lithium metal oxides, such as lithium manganese oxide, are of particular interest because they are useful in battery applications.
【0025】 第1の方法で、ナノスケール酸化マンガンが、ナノスケールのリチウム酸化マ
ンガンの調製に適した出発材料を提供することが見いだされた。特に、ナノスケ
ール酸化マンガン出発材料を用いる熱的加工法により、スピネル結晶構造を有し
、ミクロン以下の平均粒径を有するリチウム酸化マンガンが調製され得る。この
ナノスケール出発材料の使用は、その加工において非常にマイルドな温度を使用
することを可能にする。得られるナノスケールリチウム酸化マンガンスピネルは
、リチウムをベースにする電池の調製のための素晴らしい材料を提供する。In the first method, it has been found that nanoscale manganese oxide provides a suitable starting material for the preparation of nanoscale lithium manganese oxide. In particular, by thermal processing using nanoscale manganese oxide starting materials, lithium manganese oxide having a spinel crystal structure and an average particle size of submicron can be prepared. The use of this nanoscale starting material makes it possible to use very mild temperatures in its processing. The resulting nanoscale lithium manganese oxide spinel provides an excellent material for the preparation of lithium-based batteries.
【0026】 あるいはまた、リチウム酸化マンガンナノ粒子は、レーザ熱分解により調製で
きる。レーザ熱分解により製造された非晶質のリチウム酸化マンガンは、その粒
子を徐冷熱処理するためにマイルドな条件下で加熱して、スピネル結晶構造を生
成させることができる。さらに結晶性のリチウム酸化マンガン・ナノ粒子は、レ
ーザ熱分解により直接製造することができる。このレーザ熱分解により製造され
たリチウム酸化マンガン粉末は、その粒子の性質を変えるために、そして/また
は、改良するために、熱処理にかけられる。かくして、リチウム酸化マンガンナ
ノ粒子を製造するための有用な代替法が見いだされた。Alternatively, lithium manganese oxide nanoparticles can be prepared by laser pyrolysis. Amorphous lithium manganese oxide produced by laser pyrolysis can be heated under mild conditions to slowly heat-treat the particles to produce a spinel crystal structure. Further, crystalline lithium manganese oxide nanoparticles can be directly produced by laser pyrolysis. The lithium manganese oxide powder produced by this laser pyrolysis is subjected to a heat treatment to change and / or improve the properties of the particles. Thus, useful alternatives for producing lithium manganese oxide nanoparticles have been found.
【0027】 さらに特定すれば、第1の方法において、このリチウム酸化マンガン粒子は、
ナノスケールの酸化マンガン粒子とリチウム化合物の混合物を加熱することによ
り調製される。この加熱工程の間、リチウムは、その酸化マンガン格子の中に取
込まれる。熱的なリチウムの取込みのための酸化マンガン粒子は、多様な化学量
論組成を有することが可能で、驚くべきことに、MnOも含まれる。この加熱は
、酸化性雰囲気下または不活性雰囲気下のいずれかで行われる。酸化マンガン出
発材料のナノスケール特性に因り、その加熱は、驚くほどマイルドな条件下で行
われ得る。これらのマイルドな条件下で、ミクロン以下の平均粒径を有するリチ
ウム酸化マンガン粒子が生成する。More specifically, in a first method, the lithium manganese oxide particles comprise:
It is prepared by heating a mixture of nanoscale manganese oxide particles and a lithium compound. During this heating step, lithium is incorporated into the manganese oxide lattice. The manganese oxide particles for thermal lithium uptake can have a variety of stoichiometric compositions and, surprisingly, also include MnO. This heating is performed under either an oxidizing atmosphere or an inert atmosphere. Due to the nanoscale properties of the manganese oxide starting material, its heating can be performed under surprisingly mild conditions. Under these mild conditions, lithium manganese oxide particles having a submicron average particle size are formed.
【0028】 リチウム化に適したナノスケールの酸化マンガン粒子の調製に推奨される方法
には、レーザ熱分解が含まれる。特に、レーザ熱分解は、狭い平均粒度分布を有
する酸化マンガン粒子および他の金属酸化物粉末を効率的に製造するための素晴
らしい方法である。A recommended method for preparing nanoscale manganese oxide particles suitable for lithiation involves laser pyrolysis. In particular, laser pyrolysis is a great method for efficiently producing manganese oxide particles and other metal oxide powders having a narrow average particle size distribution.
【0029】 金属酸化物ナノ粒子の製造のためにレーザ熱分解をうまく適用するために基本
的に重要な点は、金属前駆体化合物、放射線吸収剤および二次反応物を含む反応
物流の発生である。この二次反応物は酸素源であってもよい。このは反応物流は
強いレーザビームにより熱分解される。この反応物流がレーザビームを離れると
、この粒子は急速に冷却される。A fundamentally important point for successful application of laser pyrolysis for the production of metal oxide nanoparticles is the generation of a reactant stream containing metal precursor compounds, radiation absorbers and secondary reactants. is there. This secondary reactant may be a source of oxygen. The reaction stream is pyrolyzed by a strong laser beam. As the reactant stream leaves the laser beam, the particles are rapidly cooled.
【0030】 レーザ熱分解を行なうために、反応物は蒸気の形で供給される。あるいはまた
、一種またはそれ以上の反応物がエーロゾルとして供給される。エーロゾルを使
用すると、蒸気送達にだけ適している金属前駆体以外のより広い範囲の金属前駆
体にレーザ熱分解を利用できるようになる。かくして、エーロゾル送達法により
、より安価な前駆体を使用することができる。エーロゾルを用いて反応条件を適
切に制御することにより、狭い粒度分布のナノスケール粒子が得られる。リチウ
ム酸化マンガン・ナノ結晶を調製するための酸化マンガンナノ粒子の熱処理およ
びこれらナノ粒子から調製した電池について以下に説明する。To carry out the laser pyrolysis, the reactants are supplied in the form of steam. Alternatively, one or more reactants are provided as an aerosol. The use of aerosols makes laser pyrolysis available to a wider range of metal precursors than those that are only suitable for vapor delivery. Thus, less expensive precursors can be used by the aerosol delivery method. By appropriately controlling the reaction conditions using an aerosol, nanoscale particles with a narrow particle size distribution can be obtained. The heat treatment of manganese oxide nanoparticles for preparing lithium manganese oxide nanocrystals and batteries prepared from these nanoparticles are described below.
【0031】 酸化マンガン粒子の熱加工によるリチウム酸化マンガンナノ粒子を製造するた
めの一つの代替法として、実質的にミクロン以下の直径を有するリチウム酸化マ
ンガン粒子がレーザ熱分解で直接製造される。リチウム/マンガン複合材料の直
接製造のためのレーザ熱分解は、エーロゾルをベースにする反応物送達装置を含
んでいるのが望ましい。この複合材粒子の熱加工の結果、スピネル結晶構造を有
する結晶性リチウム酸化マンガン粒子が得られる。レーザ熱分解によるナノスケ
ール非晶質リチウム酸化マンガンの直接的調製が、さらに下に説明される。As one alternative for producing lithium manganese oxide nanoparticles by thermal processing of manganese oxide particles, lithium manganese oxide particles having substantially submicron diameter are produced directly by laser pyrolysis. Laser pyrolysis for direct production of lithium / manganese composites desirably includes an aerosol-based reactant delivery device. As a result of thermal processing of the composite material particles, crystalline lithium manganese oxide particles having a spinel crystal structure are obtained. The direct preparation of nanoscale amorphous lithium manganese oxide by laser pyrolysis is described further below.
【0032】 下の実施例中に説明されるレーザ熱分解実験の結果、非晶質リチウム酸化マン
ガン・ナノ粒子が得られる。他の実験で、レーザ熱分解合成のパラメータは、レ
ーザ熱分解により結晶性リチウム酸化マンガン・ナノ粒子を直接得るために調整
される。これらは、下の実施例中でも説明される。製造されるべきこれら材料の
状態図は、適切なレーザ熱分解条件選定のための指針となる得る。さらに、これ
らパラメータは、希望の結晶性三成分粒子の製造に適した条件に到達するために
実験的に調整されることもある。特に、スピネルLiMn2O4を製造するために
は、水をベースにするエーロゾルでは、高いチャンバー圧力、大きい酸素流量、
低いレーザ強度によるのが、そして水とイソプロピルアルコールをベースにする
エーロゾルでは、比較的大きいレーザ強度によるのが、望ましい。As a result of the laser pyrolysis experiments described in the examples below, amorphous lithium manganese oxide nanoparticles are obtained. In other experiments, the parameters of laser pyrolysis synthesis are adjusted to directly obtain crystalline lithium manganese oxide nanoparticles by laser pyrolysis. These are also described in the examples below. Phase diagrams of these materials to be manufactured can guide the selection of appropriate laser pyrolysis conditions. In addition, these parameters may be adjusted experimentally to reach conditions suitable for the production of the desired crystalline ternary particles. In particular, to produce spinel LiMn 2 O 4 , water-based aerosols require high chamber pressures, large oxygen flows,
With a low laser intensity, and with aerosols based on water and isopropyl alcohol, a relatively high laser intensity is desirable.
【0033】 レーザ熱分解による、置換金属酸化物Ti1-XVXO2の製造が、本明細書中に
引用参照されている、Musci et al., “Laser synth
esis of vanadium−titanium oxide cata
lyste”(“バナジウム‐チタニウム酸化物触媒のレーザ合成”)J.Ma
ter.Res.Vol.7(10):2846−2852(October
1992)に説明されている。これらの置換金属酸化物中では、バナジウムが、
チタニウム原子のための格子部位に置換している。xの値は、別の酸化バナジウ
ム相が生成する前に、約0.25以下増加し得るだけである。これらの置換され
た金属酸化物は、その金属原子が独自の格子部位に存在していないから、結晶性
の三成分化合物ではない。結晶性三成分化合物では、各原子は、特定の格子部位
に所在し、特定の結晶構造を形成している。Cr2O3中のクロムをチタンで置換
した類似の置換化合物が、本明細書中に引用参照されている米国特許第5,01
3,706号明細書[発明者:Schram達、名称:“金属酸化物粉末または
それらの混合物および、それらの、炭化水素の接触脱水素化での利用”]に記載
されている。The preparation of substituted metal oxides Ti 1-X V X O 2 by laser pyrolysis is described in Musci et al., Cited herein by reference. , “Laser synth
esis of vanadium-titanium oxide data
lyste "(" Laser synthesis of vanadium-titanium oxide catalyst ") J. Ma
ter. Res. Vol. 7 (10): 2846-2852 (October
1992). In these substituted metal oxides, vanadium is
Substituting the lattice site for the titanium atom. The value of x can only increase by about 0.25 or less before another vanadium oxide phase forms. These substituted metal oxides are not crystalline ternary compounds because their metal atoms are not at their own lattice sites. In a crystalline ternary compound, each atom is located at a particular lattice site and forms a particular crystal structure. A similar substituted compound in which chromium in Cr 2 O 3 is replaced by titanium is disclosed in US Pat.
3,706 [Inventor: Schram et al., Entitled "Metal oxide powders or mixtures thereof and their use in catalytic dehydrogenation of hydrocarbons"].
【0034】 上に指摘したように、様々な形の酸化マンガンおよびリチウム酸化マンガンは
、リチウム原子および/またはイオンを可逆的に層間に取込むことができる。こ
れら酸化マンガンおよび/またはリチウム酸化マンガン・ナノ粒子は、高分子な
どのバインダと共に正電極薄膜に混和され得る。この薄膜は、リチウム酸化マン
ガン粒子と共に、バインダで保持されている追加の電気伝導性粒子を含んでいる
のが望ましい。この陽極薄膜は、リチウム電池もしくはリチウムイオン電池中で
用いられる。リチウム電池およびリチウムイオン電池用の電解質はリチウムイオ
ンを含んでいる。As noted above, various forms of manganese oxide and lithium manganese oxide are capable of reversibly incorporating lithium atoms and / or ions between the layers. These manganese oxide and / or lithium manganese oxide nanoparticles can be incorporated into the positive electrode thin film with a binder such as a polymer. The thin film preferably includes additional electrically conductive particles held by a binder, along with the lithium manganese oxide particles. This anode thin film is used in a lithium battery or a lithium ion battery. The electrolyte for lithium and lithium ion batteries contains lithium ions.
【0035】 A.レーザ熱分解を用いる粒子の製造 レーザ熱分解は、ナノスケールの金属酸化物粒子を製造するための、特に、酸
化マンガン粒子をさらに加工してリチウム酸化マンガンにするための、またはリ
チウム酸化マンガン粒子を直接製造のための、有用な手段であることが見いださ
れた。さらに、レーザ熱分解で製造された粒子は、望ましい金属酸化物粒子を製
造するための経路を広げるために、さらに加工するのに好都合な材料である。か
くして、レーザ熱分解を単独もしくは、追加の加工と組合せて用いることにより
、広範囲に多様な金属酸化物粒子を製造することができる。A. Production of particles using laser pyrolysisLaser pyrolysis is used to produce nanoscale metal oxide particles, especially for further processing manganese oxide particles into lithium manganese oxide or lithium manganese oxide particles. It has been found to be a useful tool for direct manufacturing. Furthermore, particles produced by laser pyrolysis are a convenient material for further processing to broaden the path for producing the desired metal oxide particles. Thus, by using laser pyrolysis alone or in combination with additional processing, a wide variety of metal oxide particles can be produced.
【0036】 レーザ熱分解により製造される酸化マンガンナノ粒子は、酸化マンガンナノ粒
子とリチウム化合物を温和に加熱することを含む本明細書に説明したリチウム取
込み法用に望ましい出発材料である。さらにリチウム酸化マンガンナノ粒子は、
レーザ熱分解により直接製造することが可能で、その場合、加熱は、得られる粒
子の特性を変えるために、そして/または改善するために用いられる。このレー
ザ熱分解により調製されたリチウム酸化マンガンナノ粒子は、非晶質である場合
も、結晶性である場合もある。Manganese oxide nanoparticles produced by laser pyrolysis are desirable starting materials for the lithium incorporation method described herein that involves mildly heating the manganese oxide nanoparticles and the lithium compound. In addition, lithium manganese oxide nanoparticles
It can be produced directly by laser pyrolysis, in which case heating is used to change and / or improve the properties of the resulting particles. The lithium manganese oxide nanoparticles prepared by the laser pyrolysis may be amorphous or crystalline.
【0037】 レーザ熱分解で製造される粒子の品質は反応条件で決まる。レーザ熱分解のた
めの反応条件は、希望する性質を有する粒子を製造するために、比較的正確に制
御され得る。一定タイプの粒子を製造するのに適した反応条件は、一般に、特定
装置のデザインに依存する。二つの特定装置中で酸化マンガン粒子を製造するた
めの特定条件、および二つの異なる反応物送達装置を有する第1の特定装置中で
のリチウム酸化マンガンを製造するための特定条件が、下の実施例中で説明され
る。さらにまた、反応条件と得られる粒子の間には、幾つかの一般的な相関関係
関係が見られる。The quality of the particles produced by laser pyrolysis depends on the reaction conditions. The reaction conditions for laser pyrolysis can be controlled relatively accurately to produce particles having the desired properties. Suitable reaction conditions for producing certain types of particles generally depend on the design of the particular device. The specific conditions for producing manganese oxide particles in two specific devices and the specific conditions for producing lithium manganese oxide in a first specific device having two different reactant delivery devices are described in the following examples. Illustrated in the example. Furthermore, there are some general correlations between the reaction conditions and the resulting particles.
【0038】 レーザ出力が増すと、反応領域の反応温度が上昇し、さらにまた急冷速度がよ
り速くなる。急速な急冷速度は、熱的平衡に近い方法では得られないような高エ
ネルギー相の生成に好都合になる傾向がある。同様に、反応チャンバーの圧力が
増しても、より高いエネルギー構造が生成し易くなる傾向がある。また、応物流
中の酸素源として役立つ反応物の濃度が増すと、酸素の量が多い粒子の生成好都
合である。As the laser output increases, the reaction temperature in the reaction zone increases, and the quench rate also increases. Rapid quenching rates tend to favor the creation of high energy phases that cannot be obtained by methods approaching thermal equilibrium. Similarly, increasing the pressure in the reaction chamber tends to create higher energy structures. Also, increasing the concentration of the reactant, which serves as an oxygen source in the reaction stream, favors the production of particles rich in oxygen.
【0039】 反応物ガスの流量(reactant gas flow rate)および
反応物ガス流の速度(velocity of reactant gas s
tream)は、粒径に逆比例する。即ち反応物ガスの流量または速度が増すと
、粒径はより小さくなる傾向がある。さらにまた、粒子の成長の動力学も得られ
る粒子の大きさに有意に影響する。言葉を換えていえば、異なる形の生成物化合
物は、比較的似ている条件下で、他の相とは大きさの異なる粒子が生成する傾向
を有する。レーザ出力も粒径に影響し、レーザ出力が増すと、融点のより低い材
料では、より大きい粒子が生成し易く、そして融点のより高い材料では、より小
さい粒子が生成し易い。The reactant gas flow rate and the velocity of the reactant gas flow (reactant gas flow rate)
stream) is inversely proportional to the particle size. That is, as the flow rate or velocity of the reactant gas increases, the particle size tends to become smaller. Furthermore, the kinetics of particle growth also significantly affects the size of the particles obtained. In other words, different forms of the product compound have a tendency to form particles of a different size than the other phases under relatively similar conditions. Laser power also affects particle size, and as laser power increases, lower melting materials tend to produce larger particles, and higher melting materials tend to produce smaller particles.
【0040】 レーザ熱分解は、一般に、気相反応で行われる。排他的に気相反応を使用する
と、使用することができる前駆体化合物のタイプについてある程度の制約がある
。かくして、レーザ熱分解チャンバーに反応物前駆体を含むエーロゾルを導入す
る複数の技法が開発されている。エーロゾル霧化器は、大雑把に、エーロゾルを
調製するために超音波振動子を使用する超音波霧化器として、またはエーロゾル
を調製するために、一種またはそれ以上の流動している流体(液体、気体または
超臨界流体)それら自身からのエネルギーを使用する機械的霧化器として、分類
される。反応物系用の改良されたエーロゾル送達装置が、(本明細書に引用参照
されている)共通権利人により同時出願されている米国特許出願09/188,
670号[発明者:Gardner達、名称:“反応物送達装置”、出願日:1
998年11月9日]の中にさらに説明されている。[0040] Laser pyrolysis is generally performed in a gas phase reaction. The use of exclusively gas phase reactions places some restrictions on the types of precursor compounds that can be used. Thus, several techniques have been developed to introduce an aerosol containing a reactant precursor into a laser pyrolysis chamber. Aerosol nebulizers are, roughly, as ultrasonic nebulizers that use ultrasonic transducers to prepare aerosols, or to prepare aerosols with one or more flowing fluids (liquids, liquids, etc.). Gases or supercritical fluids) are classified as mechanical atomizers that use energy from themselves. An improved aerosol delivery device for a reactant system is disclosed in co-pending U.S. patent application Ser. No. 09 / 188,092, incorporated by reference herein.
No. 670 [Inventor: Gardner et al., Name: “Reactant delivery device”, Filing date: 1
Nov. 9, 998].
【0041】 エーロゾル送達装置を用いて、固体の前駆体化合物は、溶媒中に化合物を溶解
することにより送達され得る。あるいはまた、粉末化された前駆体化合物は、エ
ーロゾル送達のために液体/溶媒中に分散させられる。液体前駆体化合物は、純
液体からのエーロゾルとして、多成分液体分散物として、または希望によっては
、液体溶液として送達され得る。エーロゾル反応物は、有意量の反応物流量を得
るために用いられる。その溶液の希望の性質を達成するために、もし希望なら溶
媒を選ぶことができる。適した溶媒に含まれるのは、水、メタノール、エタノー
ル、イソプロピルアルコール、他の有機溶媒およびそれらの混合物である。この
溶媒は、得られる粒子が希望の純度水準を持つように、希望の水準の純度を持つ
べきである。レーザ熱分解による複合材金属化合物の製造のためには、その溶液
中に複数の金属化合物を含む場合もある。代替法として、あるいは追加として、
エーロゾルとして送達される金属前駆体に加えて、金属前駆体が蒸気状態で反応
チャンバーに送達される場合もある。Using an aerosol delivery device, a solid precursor compound can be delivered by dissolving the compound in a solvent. Alternatively, the powdered precursor compound is dispersed in a liquid / solvent for aerosol delivery. Liquid precursor compounds can be delivered as aerosols from pure liquids, as multi-component liquid dispersions, or, if desired, as liquid solutions. The aerosol reactant is used to obtain a significant amount of reactant flow. Solvents can be selected, if desired, to achieve the desired properties of the solution. Among the suitable solvents are water, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, other organic solvents and mixtures thereof. The solvent should have the desired level of purity so that the resulting particles have the desired level of purity. For the production of a composite metal compound by laser pyrolysis, the solution may contain a plurality of metal compounds. As an alternative or in addition,
In addition to the metal precursor delivered as an aerosol, the metal precursor may be delivered to the reaction chamber in a vapor state.
【0042】 エーロゾル前駆体が、溶媒共存で調製される場合には、この溶媒は、気相反応
が進行するように反応チャンバー中でレーザビームにより急速に蒸発される。か
くしてレーザ熱分解反応の基本的特徴は変わらない。しかし、その反応条件は、
そのエーロゾルの存在により影響される。以下に、実施例により、二つの異なる
レーザ熱分解反応チャンバーを使用する、気相反応前駆体およびエーロゾル前駆
体を用いる酸化マンガンナノ粒子の製造について説明する。エーロゾルを用いる
これら反応チャンバーの一つの中での、レーザ熱分解によるリチウム酸化マンガ
ンナノ粒子の製造も、実施例中で説明される。かくして、エーロゾル反応物送達
に関連するパラメータは、下の説明を基にして探索される。When the aerosol precursor is prepared in the presence of a solvent, the solvent is rapidly evaporated by the laser beam in the reaction chamber so that the gas phase reaction proceeds. Thus, the basic characteristics of the laser pyrolysis reaction do not change. However, the reaction conditions are
Affected by the presence of the aerosol. The following examples illustrate the production of manganese oxide nanoparticles using a gas phase reaction precursor and an aerosol precursor using two different laser pyrolysis reaction chambers. The production of lithium manganese oxide nanoparticles by laser pyrolysis in one of these reaction chambers using an aerosol is also described in the examples. Thus, the parameters associated with aerosol reactant delivery are searched based on the description below.
【0043】 多くの適した固体のマンガン前駆体化合物が、溶液からのエーロゾルとして送
達される。例えば、塩化マンガン(MnCl2)および水和塩化マンガン(Mn
Cl2・H2O)は、水およびアルコール類に可溶であり、そして硝酸マンガン[
Mn(NO3)2]は、水および一定の有機溶媒に可溶である。また、溶液からの
エーロゾル送達に適したリチウム前駆体に含まれるのは、例えば、水、アルコー
ルおよび数種の他の有機溶媒にある程度溶ける塩化リチウム(LiCl)および
、水とアルコールにある程度溶ける硝酸リチウム(LiNO3)である。さらに
、溶液からのエーロゾル送達に適したバナジウム前駆体に含まれるのは、例えば
無水アルコールに可溶のVOCl2である。[0043] Many suitable solid manganese precursor compounds are delivered as aerosols from solution. For example, manganese chloride (MnCl 2 ) and hydrated manganese chloride (Mn)
Cl 2 .H 2 O) is soluble in water and alcohols and manganese nitrate [
Mn (NO 3 ) 2 ] is soluble in water and certain organic solvents. Also suitable for lithium aerosol delivery from solution include, for example, lithium chloride (LiCl), which is partially soluble in water, alcohols and some other organic solvents, and lithium nitrate, which is partially soluble in water and alcohol. (LiNO 3 ). Additionally, suitable for vanadium precursors for aerosol delivery from solution include, for example, VOCl 2 that is soluble in anhydrous alcohol.
【0044】 これら化合物は、約0.5モル以上の濃度で溶液に溶けるのが望ましい。一般
に、その溶液中の前駆体の濃度が大きい程、反応チャンバーを通り抜ける反応物
流量はより大きい。しかし、この濃度が大きくなると、その溶液は粘ちょうにな
り、そのエーロゾルが希望より大きい液滴を含む可能性がある。かくして、その
溶液濃度の選択には、望ましい溶液濃度の選択における複数の因子のバランスを
含めることができる。Preferably, these compounds are dissolved in solution at a concentration of about 0.5 molar or more. Generally, the higher the concentration of the precursor in the solution, the higher the reactant flow rate through the reaction chamber. However, as this concentration increases, the solution becomes viscous and the aerosol may contain larger droplets than desired. Thus, the choice of the solution concentration can include a balance of factors in the selection of the desired solution concentration.
【0045】 複合材金属粒子の調製では、その溶液中での金属前駆体の相対量が、得られる
粒子中の金属の相対量に影響する。かくして、生成物粒子の希望の組成が、送達
する金属前駆体の相対量の選択に影響する。希望の化学量論組成が、反応チャン
バーに送達される金属の相対量に影響を及ぼすことがある一方で、金属前駆体の
相対量は、異なる材料または混合相材料が生成する可能性があるので、状態図試
料の一部を変える可能性がある。混合相材料が生成する可能性があるので、反応
物流中の金属の相対量が、対応する化学量論組成を有する粒子にそのまま移行す
るるわけではない。In preparing composite metal particles, the relative amount of metal precursor in the solution affects the relative amount of metal in the resulting particles. Thus, the desired composition of the product particles affects the choice of the relative amount of metal precursor to be delivered. While the desired stoichiometry may affect the relative amount of metal delivered to the reaction chamber, the relative amount of metal precursor may be different, as different or mixed phase materials may form. , May change part of the phase diagram sample. Due to the potential for the formation of mixed phase materials, the relative amounts of metals in the reactant stream do not translate directly into particles having the corresponding stoichiometric composition.
【0046】 上で指摘したように、反応条件が、レーザ熱分解で製造される粒子のタイプと
特性を決める。勿論、複合材金属酸化物粒子の製造では、その状況は、対応する
状態図の複雑さが追加されるので、より解り難くなることさえある。この場合、
追加のパラメータ、即ち、その粒子(一種または複数)の得られる性質に影響す
る追加の金属前駆体の量、というパラメータが存在する。状態図は完全には解ら
ないかも知れず、そしてレーザ熱分解における非平衡条件は、追加の不確定性を
生じるかも知れないが、我々は、金属前駆体の相対量の選択において、安定な結
晶形の既知の化学量論組成を指針にすることができる。As pointed out above, the reaction conditions determine the type and properties of the particles produced by laser pyrolysis. Of course, in the production of composite metal oxide particles, the situation may even be more elusive as the corresponding complexity of the phase diagram is added. in this case,
There is an additional parameter, the amount of additional metal precursor that affects the resulting properties of the particle (s). Although the phase diagram may not be completely understood, and the non-equilibrium conditions in laser pyrolysis may give rise to additional uncertainties, we have found that in choosing the relative amounts of metal precursors, The known stoichiometric composition of the form can be a guide.
【0047】 リチウム酸化マンガンの製造では、金属前駆体の組成が、得られるナノ粒子の
結晶度に影響する。特に、金属塩化物前駆体は、非晶質粒子の製造に好都合であ
り、一方金属硝酸塩は、結晶性粒子の製造に好都合である。速度論的原理に基づ
いて、急冷速度がより大きいと、非晶質粒子の生成に好都合であり、一方急冷速
度がよりゆっくりだと、結晶性粒子の生成に好都合である。より速い急冷は、反
応ゾーンを通り抜ける反応物流の速度を大きくすることにより達成される。In the production of lithium manganese oxide, the composition of the metal precursor affects the crystallinity of the resulting nanoparticles. In particular, metal chloride precursors favor the production of amorphous particles, while metal nitrates favor the production of crystalline particles. Based on kinetic principles, a higher quench rate favors the formation of amorphous particles, while a slower quench rate favors the formation of crystalline particles. Faster quenching is achieved by increasing the speed of the reaction stream through the reaction zone.
【0048】 気体送達用に適したマンガン前駆体化合物に含まれるのは、一般的にいって、
合理的な蒸気圧、即ち反応物流中で希望の量の前駆体蒸気を得るのに十分な蒸気
圧を有するマンガン化合物である。液体または固体前駆体化合物を溜めて置く容
器は、希望に応じて、そのマンガン前駆体の蒸気圧を上げるために、加熱するこ
とができる容器である。気体送達のための十分な蒸気圧を有する、適当な固体の
マンガン前駆体に含まれるのは、例えば、マンガン・カルボニル(Mn2(CO
)10)である。図1に、固体前駆体を加熱し、そしてレーザ熱分解装置に送達す
るのに適した容器が示されている。[0048] Suitable manganese precursor compounds for gas delivery include, generally:
A manganese compound having a reasonable vapor pressure, i.e., a vapor pressure sufficient to obtain the desired amount of precursor vapor in the reaction stream. The vessel containing the liquid or solid precursor compound is a vessel that can be heated, if desired, to increase the vapor pressure of the manganese precursor. Suitable solid manganese precursors having sufficient vapor pressure for gas delivery include, for example, manganese carbonyl (Mn 2 (CO 2
) 10 ). FIG. 1 shows a container suitable for heating a solid precursor and delivering it to a laser pyrolyzer.
【0049】 図1を参照して説明すると、蒸気送達用の固体送達装置50は、容器52と蓋
54を含んでいる。容器52と蓋54の間にガスケット56が入れられている。
一つの望ましい態様では、容器52と蓋54はステンレス鋼で造られており、ガ
スケット56は銅で造られている。この態様では、蓋54とガスケット56は、
容器52にボルト締めされている。この固体前駆体装置に加えられる温度および
圧力に適応する、PyrexR(パイレックスR)のような他の不活性な材料が使
用可能である。容器52は、バンドヒータ58で取巻かれており、このヒータは
、この送達装置50の温度を希望の値に設定するために用いられる。適したバン
ドヒータは、Omega Engineering Inc.Stamford
,Conn.から入手できる。このバンドヒータの温度は、前駆体化合物の希望
の蒸気圧を得るように調整することができる。この前駆体送達装置の追加部分は
、前駆体が容器52を離れた後、その前駆体を蒸気状態に維持するために加熱さ
れる場合がある。Referring to FIG. 1, a solid delivery device 50 for vapor delivery includes a container 52 and a lid 54. A gasket 56 is placed between the container 52 and the lid 54.
In one preferred embodiment, container 52 and lid 54 are made of stainless steel, and gasket 56 is made of copper. In this embodiment, the lid 54 and the gasket 56
It is bolted to the container 52. To accommodate the temperature and pressure exerted on the solid precursor device, other inert materials such as Pyrex R (Pyrex R) can be used. The container 52 is surrounded by a band heater 58, which is used to set the temperature of the delivery device 50 to a desired value. Suitable band heaters are available from Omega Engineering Inc. Stamford
, Conn. Available from The temperature of the band heater can be adjusted to obtain a desired vapor pressure of the precursor compound. An additional portion of the precursor delivery device may be heated after the precursor leaves the container 52 to maintain the precursor in a vapor state.
【0050】 熱電対60が、蓋54を通して容器52に挿入されているのが望ましい。熱電
対60は、SwagelokR取付け具62または他の適当な接続器具を用いて
挿入される。配管64は、容器52への担体ガス用流入口を備えている。配管6
4は、シャットオフバルブ(遮断弁)66を含んでいるのが望ましく、そしてS
wagelokR 取付け具68または他の適当な接続器具を用いて、蓋54を通
して挿入される。排出管70もシャットオフバルブ72を含んでいるのが望まし
い。排出管70は、密閉式接続器具74のところで、蓋54を通して容器52に
入るのが望ましい。配管64および70は、ステンレス鋼のような任意の適した
不活性の材料で造られる。固体の前駆体は、容器52の中に直接入れられるか、
または、より小さい開放容器に入れて、容器52の中に置かれることもある。Preferably, a thermocouple 60 is inserted into the container 52 through the lid 54. Thermocouple 60 is inserted using Swagelok R fixture 62 or other suitable connecting hardware. The pipe 64 has an inlet for the carrier gas into the container 52. Piping 6
4 preferably includes a shut-off valve (shutoff valve) 66;
wagelok with R fixture 68 or other suitable connection device is inserted through the lid 54. Preferably, the discharge pipe 70 also includes a shut-off valve 72. The drain 70 preferably enters the container 52 through the lid 54 at the closed connection 74. Piping 64 and 70 are made of any suitable inert material, such as stainless steel. The solid precursor is placed directly into the container 52, or
Alternatively, it may be placed in the container 52 in a smaller open container.
【0051】 酸素源として役立つ望ましい反応物は、例えば、O2、CO、CO2、O3およ
び、それらの混合物である。第2の反応物化合物は、反応ゾーンに入る前に、マ
ンガン前駆体および/または、リチウム前駆体と有意な程反応してはならない。
何故なら、反応すると、普通大きい粒子が生成するからである。Desirable reactants that serve as a source of oxygen are, for example, O 2 , CO, CO 2 , O 3, and mixtures thereof. The second reactant compound must not significantly react with the manganese precursor and / or lithium precursor before entering the reaction zone.
This is because the reaction usually produces large particles.
【0052】 レーザ熱分解は、多様な光学的周波数で行われる。推奨される光源は、電磁ス
ペクトルの赤外部分で作動する。CO2レーザが特に推奨される光源である。分
子流中に含ませる赤外線吸収剤は、例えば、C2H4、NH3、SF6、SiH4お
よびO3である。O3は、赤外線吸収剤と酸素源の両方として作用することができ
る。この赤外線吸収剤のような放射線吸収剤は、放射線ビームからエネルギーを
吸収し、そのエネルギーを、熱分解を駆動するために他の反応物に分配する。Laser pyrolysis is performed at various optical frequencies. The recommended light source operates in the infrared portion of the electromagnetic spectrum. A CO 2 laser is a particularly recommended light source. Infrared absorbers to be included in the molecular stream are, for example, C 2 H 4 , NH 3 , SF 6 , SiH 4 and O 3 . O 3 can act as both an infrared absorber and an oxygen source. Radiation absorbers, such as this infrared absorber, absorb energy from the radiation beam and distribute that energy to other reactants to drive pyrolysis.
【0053】 好ましいことに、その光ビームから吸収されたエネルギーは、制御された条件
下で強く発熱する反応によってエネルギーが生じる場合の速度の何倍も大きい驚
異的な速度で温度を上昇させる。この過程は、一般に、非平衡条件を含んでいる
が、その温度は、その吸収領域でのエネルギーを基にして大体記述できる。この
レーザ熱分解過程は、エネルギー源が反応を開始するがその反応は発熱反応で放
出されるエネルギーによって駆動される燃焼反応器中での過程とは定性的に異な
る。レーザ熱分解は、その化学反応を維持するためにレーザエネルギーを連続的
に送入することが必要である。[0053] Preferably, the energy absorbed from the light beam raises the temperature at an astonishing rate many times greater than the rate at which energy is produced by a strongly exothermic reaction under controlled conditions. This process generally involves non-equilibrium conditions, but the temperature can be approximately described based on the energy in the absorption region. This laser pyrolysis process is qualitatively different from the process in a combustion reactor driven by energy released by an exothermic reaction, where the energy source initiates a reaction. Laser pyrolysis requires the continuous delivery of laser energy to maintain its chemical reaction.
【0054】 反応物チャンバー部材と接触する反応物および生成物分子の量を減らすために
、不活性遮蔽ガスが用いられる。適した遮蔽ガスは、例えばAr、HeおよびN 2 である。To reduce the amount of reactant and product molecules that come into contact with the reactant chamber members
, An inert shielding gas is used. Suitable shielding gases are, for example, Ar, He and N Two It is.
【0055】 適したレーザ熱分解装置は、一般に、周囲の環境から分離された反応チャンバ
ーを含んでいる。反応物供給装置に連結されている反応物導入管が、その反応チ
ャンバーを通る分子流を生成する。レーザ・ビームの経路は、反応ゾーンで分子
流と交差する。この反応物流は、反応ゾーンを通過した後、出口まで続いており
、そこで、この反応物流は反応チャンバーを出て、捕集装置に行く。一般に、レ
ーザ装置は反応チャンバーの外部に置かれ、そしてその光ビームは、適切な窓を
通して反応チャンバーに入ってくる。Suitable laser pyrolysis devices generally include a reaction chamber that is isolated from the surrounding environment. A reactant inlet tube connected to the reactant supply generates a molecular flow through the reaction chamber. The path of the laser beam intersects the molecular flow at the reaction zone. After passing through the reaction zone, the reaction stream continues to an outlet, where it exits the reaction chamber and goes to a collector. Generally, the laser device is located outside the reaction chamber, and the light beam enters the reaction chamber through a suitable window.
【0056】 以下、さらに、二つのレーザ熱分解反応チャンバーが説明される。これらのレ
ーザ熱分解反応チャンバーは、気相反応物および/または、エーロゾル反応物の
送達用に適合できる。Hereinafter, two further laser pyrolysis reaction chambers will be described. These laser pyrolysis reaction chambers can be adapted for delivery of gas phase reactants and / or aerosol reactants.
【0057】 1.第1レーザ熱分解反応チャンバー 図2を参照して説明すると、レーザ熱分解装置の特定態様100は、反応物供
給装置102、反応チャンバー104、捕集装置106、レーザ108および遮
蔽ガス送達装置110を含んでいる。図2の装置で、二つの交互タイプの反応供
給システムが用いられる。第1タイプ反応物供給システムは、専らガス状反応物
を送達するために用いられる。第2タイプ反応物供給システムは、一種またはそ
れ以上の反応物をエーロゾルとして送達するために用いられる。1. First Laser Pyrolysis Reaction Chamber Referring to FIG. 2, a specific embodiment 100 of the laser pyrolysis apparatus includes a reactant supply device 102, a reaction chamber 104, a collection device 106, a laser 108, and a shielding gas delivery device 110. Contains. In the apparatus of FIG. 2, two alternating reaction supply systems are used. The first type reactant delivery system is used exclusively for delivering gaseous reactants. A second type reactant delivery system is used to deliver one or more reactants as an aerosol.
【0058】 図3を参照して説明すると、反応物供給システム102の第1態様112は、
前駆体化合物の貯蔵源120を含んでいる。場合により用いられる第2前駆体源
121は、複合材/三成分粒子の製造のために用いられる。液体または固体前駆
体の場合、一種またはそれ以上の担体ガス源122からの担体ガスが、その前駆
体の蒸気としての送達を容易にするために、前駆体源120および/または12
1に導入される。前駆体源120および/または121は、図1に示されている
ような固体前駆体送達システム50であってもよい。この源122からの担体ガ
スは、赤外線吸収剤か不活性ガスのいずれかであるのが望ましく、そして、その
液状の前駆体化合物を通して吹き込まれるか、または固体前駆体送達システムに
送り込まれるのが望ましい。担体ガスとして用いられる不活性ガスは、反応条件
をゆるやかにすることができる。この反応ゾーン中での前駆体蒸気の量は、担体
ガスの流量に大体比例する。Referring to FIG. 3, a first embodiment 112 of the reactant supply system 102 includes:
A source 120 of precursor compound is included. An optional second precursor source 121 is used for the production of composite / ternary particles. In the case of a liquid or solid precursor, a carrier gas from one or more carrier gas sources 122 may be used to facilitate delivery of the precursor as a vapor to the precursor source 120 and / or 12
Introduced in 1. Precursor source 120 and / or 121 may be a solid precursor delivery system 50 as shown in FIG. The carrier gas from this source 122 is preferably either an infrared absorber or an inert gas, and is preferably blown through the liquid precursor compound or fed into a solid precursor delivery system. . The inert gas used as the carrier gas can moderate the reaction conditions. The amount of precursor vapor in this reaction zone is roughly proportional to the flow rate of the carrier gas.
【0059】 あるいはまた、担体ガスは、適宜、赤外線吸収剤源124または不活性ガス源
126から直接供給されてもよい。この第2反応物は、ガス・シリンダーあるい
は他の適した容器である反応物源128から供給される。前駆体源120、12
1からのガスは、反応物源128、赤外線吸収剤源124および不活性ガス源1
26からのガスと、これらのガスを、配管130の単一部分で一緒にすることに
より混合される。これらのガスは、反応チャンバー104に入る前に、それらの
ガスがよく混合されるように、反応チャンバー104から十分な距離一緒に流さ
れる。Alternatively, the carrier gas may be supplied directly from infrared source 124 or inert gas source 126 as appropriate. This second reactant is supplied from a reactant source 128 which is a gas cylinder or other suitable vessel. Precursor sources 120, 12
1 from the reactant source 128, the infrared absorber source 124 and the inert gas source 1
The gases from 26 are mixed by bringing these gases together in a single section of tubing 130. These gases flow together a sufficient distance from the reaction chamber 104 before entering the reaction chamber 104 so that the gases are well mixed.
【0060】 管130の中で一緒になったガスは、ダクト132を通り抜けて、反応物を反
応チャンバーの方向に向けるための射出ノズルの一部を形成している長方形の流
路134に入る。反応物供給装置112の一部は、その送達装置の壁の上に前駆
体化合物が沈着するのを防ぐために加熱される。The gases combined in tube 130 pass through duct 132 and enter a rectangular channel 134 that forms part of an injection nozzle for directing reactants toward the reaction chamber. A portion of the reactant supply device 112 is heated to prevent deposition of the precursor compound on the walls of the delivery device.
【0061】 図4Aを参照して説明すると、反応物供給システム102の第2態様150は
、エーロゾルをダクト132に供給するために用いられる。ダクト132は、反
応物を反応チャンバーの方向に向けるための射出ノズルの一部を形成している長
方形の流路134に連結している。反応物供給システム150は、ダクト132
に連結されている送達管152を含んでいる。ベンチュリ管154は、エーロゾ
ル源としての送達管152に連結している。ベンチュリ管154は、ガス供給管
156と液供給管158に連結されている。Referring to FIG. 4A, a second embodiment 150 of reactant delivery system 102 is used to deliver aerosol to duct 132. Duct 132 connects to a rectangular flow path 134 that forms part of an injection nozzle for directing reactants toward the reaction chamber. Reactant supply system 150 includes duct 132
And a delivery tube 152 connected to the delivery tube. Venturi tube 154 is connected to delivery tube 152 as an aerosol source. Venturi tube 154 is connected to gas supply tube 156 and liquid supply tube 158.
【0062】 ガス供給管156は、ガス源160に連結されている。ガス源160は、選ん
だ一種ガスまたはガスの混合物をガス供給管156に送達するために連結されて
いる複数のガス容器を含んでいる場合もある。ガス源160からガス供給管15
6へのガスの流れは、一つまたはそれ以上のバルブ162で制御される。液供給
管156は、液供給源164に連結されている。送達管152も、貯蔵容器16
8に流れる排水管166と連結されている。The gas supply pipe 156 is connected to the gas source 160. The gas source 160 may include a plurality of gas containers coupled to deliver a selected gas or mixture of gases to the gas supply tube 156. Gas supply pipe 15 from gas source 160
The gas flow to 6 is controlled by one or more valves 162. The liquid supply pipe 156 is connected to the liquid supply source 164. The delivery tube 152 is also connected to the storage container 16.
8 is connected to a drain pipe 166 flowing to the drain.
【0063】 操業時、ベンチュリ管154を通るガス流は、液供給管158からベンチュリ
管の方へ液を引っ張る吸引作用を生じる。ベンチュリ管154中のガス‐液混合
物は、ベンチュリ管154が、送達管152の方に開いている時に、エーロゾル
を生成する。このエーロゾルは、この系中の圧力差によりダクト132に引き上
げられる。送達管152内に凝縮する任意のエーロゾルは、この閉鎖系の一部で
ある貯蔵容器168内に捕集される。In operation, the gas flow through the Venturi tube 154 creates a suction that pulls liquid from the liquid supply tube 158 toward the Venturi tube. The gas-liquid mixture in Venturi tube 154 creates an aerosol when Venturi tube 154 is open toward delivery tube 152. The aerosol is drawn up to the duct 132 by the pressure difference in the system. Any aerosol that condenses in the delivery tube 152 is collected in a storage container 168 that is part of this closed system.
【0064】 図4Bを参照して説明すると、反応物供給システム102の第3態様170は
、エーロゾルをダクト132に供給するために用いられる。反応物供給システム
170は、エーロゾル発生器172、担体ガス/蒸気供給管174および接合部
176を含んでいる。ダクト132、エーロゾル発生器172および供給管17
4は、接合部176の内区画(interior volume)178内で一
緒になる。供給管174は、担体ガスをダクト132に沿って流れるように配向
されている。エーロゾル発生器172は、ダクト132への開口部と供給管17
4からの出口の間のチャンバーの内区画178の内部で発生するように取付けら
れている。Referring to FIG. 4B, a third embodiment 170 of the reactant supply system 102 is used to supply an aerosol to the duct 132. The reactant supply system 170 includes an aerosol generator 172, a carrier gas / vapor supply tube 174, and a junction 176. Duct 132, aerosol generator 172 and supply pipe 17
4 come together in the interior volume 178 of the joint 176. The supply pipe 174 is oriented to flow carrier gas along the duct 132. The aerosol generator 172 has an opening to the duct 132 and the supply pipe 17.
It is mounted to occur inside the inner compartment 178 of the chamber between the outlets from 4.
【0065】 エーロゾル発生器172は、多様な原理に基づいて操作できる。例えばこのエ
ーロゾルは、超音波ノズルで、静電スプレイ・システムで、圧流式または単一ノ
ズル式(simplex)霧化器で、泡立て式霧化器で、または液体が小さいオ
リフィスを通るように、かなりの圧力で強制されそして衝突するガス流によって
小液滴に剪断されるガス霧化器で、生成させることができる。適した超音波ノズ
ルは、圧電式振動子を含んでいる場合もある。圧電式振動子を含む超音波ノズル
および適切なブロードバンド超音波発生装置は、Sono−Tek Corpo
ration,Milton,NY,からモデル8700−120などとして入
手できる。適したエーロゾル発生装置が、(本明細書に引用参照されている)共
通権利人により同時出願されている米国特許出願09/188,670号(発明
者:Gardner達、名称:“反応物送達装置”)の中にさらに説明されてい
る。追加のエーロゾル発生装置が他のポート(port)182を通して接合部
176に取付けられ、それにより、追加のエーロゾルが内区画178の中で発生
され、反応チャンバーへ送達される場合もある。The aerosol generator 172 can operate on a variety of principles. For example, the aerosol may be applied in an ultrasonic nozzle, in an electrostatic spray system, in a pressurized or single nozzle atomizer, in a whisk atomizer, or as a liquid passes through a small orifice. Can be produced with a gas atomizer that is forced at a pressure of and is sheared into small droplets by an impinging gas stream. Suitable ultrasonic nozzles may include a piezoelectric transducer. Ultrasonic nozzles including piezoelectric transducers and suitable broadband ultrasonic generators are available from Sono-Tek Corpo.
available from Ration, Milton, NY, as Model 8700-120. A suitable aerosol generator is described in commonly-owned U.S. patent application Ser. No. 09 / 188,670 (referenced to Gardner et al., Entitled "Reactant Delivery Device"). "). An additional aerosol generator may be attached to the junction 176 through another port 182 so that additional aerosol is generated in the inner compartment 178 and delivered to the reaction chamber.
【0066】 接合部176は、接合部176の外側から内区画178へのアクセスを提供す
るためのポート182を含んでいる。かくして、ダクト132、エーロゾル発生
装置172および供給管174が、適切に取付けられる。一つの態様では、接合
部176は、6つの円筒状ポート182を有する立方体で、接合部176の各面
から一つのポート182が延びている。接合部176は、ステンレス鋼または他
の耐久性で、耐腐食性の材料で造られる。内区画178を眼で観察できるように
、一つのポート182に窓181が、目張りして取付けられているのが望ましい
。接合部176の底から延びているポート182は、排水管183を含んでいる
のが望ましく、それにより、ダクト132を通って送達されない凝縮したエーロ
ゾルが、接合部176から除去される。The joint 176 includes a port 182 for providing access to the inner compartment 178 from outside the joint 176. Thus, the duct 132, the aerosol generator 172 and the supply pipe 174 are properly mounted. In one aspect, the joint 176 is a cube having six cylindrical ports 182, with one port 182 extending from each side of the joint 176. The joint 176 is made of stainless steel or other durable, corrosion resistant material. A window 181 is preferably attached to one of the ports 182 so that the inner compartment 178 can be visually observed. The port 182 extending from the bottom of the junction 176 desirably includes a drain 183 so that condensed aerosol not delivered through the duct 132 is removed from the junction 176.
【0067】 担体ガス/蒸気供給管174は、ガス源184に連結される。ガス源184は
、選んだ一種のガスまたはガス混合物を供給管174に送達するために連結され
ている複数のガス容器、液体反応物送達装置および/または固体反応物送達装置
を含んでいる。かくして担体ガス/蒸気供給管174は、例えば、レーザ吸収用
ガス、反応物、および/または不活性ガスを含む反応物流内の多様な希望される
ガスおよび/または蒸気を送達するために用いられる。ガス源184から供給管
174へのガスの流れは、一つまたはそれ以上の質量流量制御装置186で調節
されるのが望ましい。液供給管188は、エーロゾル発生装置152に連結され
ている。液供給管188は、液供給源189に連結されている。The carrier gas / steam supply pipe 174 is connected to a gas source 184. The gas source 184 includes a plurality of gas containers, liquid reactant delivery devices, and / or solid reactant delivery devices that are connected to deliver a selected gas or gas mixture to the supply tube 174. Thus, the carrier gas / vapor supply tube 174 is used to deliver a variety of desired gases and / or vapors within the reaction stream, including, for example, laser absorbing gases, reactants, and / or inert gases. The flow of gas from the gas source 184 to the supply tube 174 is preferably regulated by one or more mass flow controllers 186. The liquid supply pipe 188 is connected to the aerosol generator 152. The liquid supply pipe 188 is connected to a liquid supply source 189.
【0068】 リチウム酸化マンガン粒子の製造のために、液供給源189は、リチウム前駆
体とマンガン前駆体の両方を含んでなる液を保留することができる。あるいはま
た、リチウム酸化マンガン粒子の製造のために、液供給源189は、マンガン前
駆体を含んでいる液体を保留し、一方リチウム前駆体は、蒸気供給管174とガ
ス源(一つまたは複数)184により送達される。同様に、希望によっては、液
供給源189は、リチウム前駆体を含んでなる液体を保留し、一方、マンガン前
駆体は、蒸気供給管174とガス源(一つまたは複数)184により送達される
。また、二つの別のエーロゾル発生装置172が、接合区画176内でエーロゾ
ルを発生させるために用いられ、その一つはマンガン前駆体を含むエーロゾルを
製造し、第2の装置はリチウム前駆体を含むエーロゾルを製造する。For the production of lithium manganese oxide particles, liquid source 189 can hold a liquid comprising both a lithium precursor and a manganese precursor. Alternatively, for the production of lithium manganese oxide particles, liquid source 189 holds a liquid containing a manganese precursor, while the lithium precursor is supplied to vapor supply tube 174 and gas source (s). 184. Similarly, if desired, liquid source 189 holds a liquid comprising a lithium precursor, while manganese precursor is delivered by vapor supply tube 174 and gas source (s) 184. . Also, two separate aerosol generators 172 are used to generate aerosols in the junction zone 176, one of which produces an aerosol containing a manganese precursor, and a second device containing a lithium precursor. Produce aerosol.
【0069】 図4Bに示した態様では、エーロゾル発生装置172は、管174からダクト
132への担体ガスの流れに大体垂直なモーメンタム(momentum)でエ
ーロゾルを発生する。かくして供給管174からの担体ガス/蒸気は、エーロゾ
ル発生装置で発生されたエーロゾル前駆体をダクト132の方向に向ける。操業
時には、担体ガス流はチャンバー178内に送達されたエーロゾルをダクト13
2の方に向ける。この方法では、そのエーロゾルの送達速度は、実質的に、その
担体ガスの流速で決まる。In the embodiment shown in FIG. 4B, aerosol generator 172 generates an aerosol with momentum that is substantially perpendicular to the flow of carrier gas from tube 174 to duct 132. Thus, the carrier gas / vapor from the supply tube 174 directs the aerosol precursor generated by the aerosol generator in the direction of the duct 132. In operation, the carrier gas stream causes the aerosol delivered into the chamber 178 to pass through the duct 13.
Turn towards 2. In this way, the rate of delivery of the aerosol is substantially determined by the flow rate of the carrier gas.
【0070】 推奨される代替の態様では、そのエーロゾル発生装置は、そのエーロゾルの前
進モーメンタムの成分がダクト132に沿った方向に向くように、水平方向に対
して上向きの角度で設置される。推奨される一つの態様では、そのエーロゾル発
生装置から直射される放出物は、ダクト132への開口により規定される標準の
方向、即ち供給管174からダクト132への流れの方向、に対して45度の角
度になるように置かれる。In an alternative preferred embodiment, the aerosol generator is positioned at an angle upward with respect to the horizontal so that the component of the advancing momentum of the aerosol points in a direction along duct 132. In one preferred embodiment, the direct effluent from the aerosol generator is 45 ° relative to the standard direction defined by the opening to the duct 132, ie, the direction of flow from the supply line 174 to the duct 132. Placed at an angle of degrees.
【0071】 図4Cを参照して説明すると、反応物供給装置102のもう一つ態様191が
、エーロゾルをダクト132に供給するために用いられる。反応物供給装置19
1は、外側のノズル193と内側のノズル195を含んでいる。外側のノズル1
93は、図4C中の挿入図に示されているように外側のノズル193の最上部に
5/8インチ×1/4インチの長方形の出口199に至る上部チャネル197を
有している。ノズル193は、基底板203内に排水管201を含んでいる。排
水管201は、外側のノズル193から凝縮したエーロゾルを除去するために用
いられる。内側のノズル195は、管継手205で外側のノズル193にしつか
り締め付けられている。Referring to FIG. 4C, another embodiment 191 of reactant supply device 102 is used to supply aerosol to duct 132. Reactant supply device 19
1 includes an outer nozzle 193 and an inner nozzle 195. Outer nozzle 1
93 has an upper channel 197 leading to a 5/8 inch by 1/4 inch rectangular outlet 199 at the top of the outer nozzle 193 as shown in the inset in FIG. 4C. The nozzle 193 includes a drain pipe 201 in the base plate 203. The drain pipe 201 is used for removing condensed aerosol from the outer nozzle 193. The inner nozzle 195 is clamped to the outer nozzle 193 by the fitting 205.
【0072】 内側のノズル195は、Spraying Systems(Wheaton
,IL)からのモデル番号17310−12−1x8jjのようなガス霧化器で
ある。その内側のノズルは、直径約0,5インチで、長さ12.0インチである
。そのノズルの最上部は、ツイン・オリフィス(twin orifice)型
内部混合霧化器207(0.055インチのガスオリフィスと0.005インチ
の液体オリフィス)である。液は、管209を通して霧化器に供給され、そして
その反応チャンバーに導入されるガスは、管211を通して霧化器に供給される
。そのガスとその液との相互作用が小さい液滴の生成を助ける。The inner nozzle 195 is connected to Spraying Systems (Wheaton
, IL) model number 17310-12-1x8jj. The inner nozzle is about 0.5 inch in diameter and 12.0 inches long. At the top of the nozzle is a twin orifice type internal mixing atomizer 207 (0.055 inch gas orifice and 0.005 inch liquid orifice). The liquid is supplied to the atomizer through tube 209 and the gas introduced into the reaction chamber is supplied to the atomizer through tube 211. The interaction of the gas with the liquid helps to create small droplets.
【0073】 外側のノズル193と内側のノズル195は、共心円的に組立てられている。
外側のノズル193は、内側のノズル195で発生されたエーロゾルを、平たい
長方形断面を持つような形状にする。さらに外側のノズル193は、エーロゾル
の速度を均一にし、そして断面に沿ってのエーロゾルの分布を均一にするのを助
ける。外側のノズル193は、異なる反応チャンバーでは構造を変えることがで
きる。放射線/レーザビームに対する外側のノズル193の高さは、希望の性質
の粒子が調製されるようにスプレイ特性を調整することができる。レーザ熱分解
によるリチウム酸化マンガンの製造のためには、外側のノズル193は、そのレ
ーザビームの下に約3インチ離して置かれる。The outer nozzle 193 and the inner nozzle 195 are assembled concentrically.
The outer nozzle 193 shapes the aerosol generated by the inner nozzle 195 to have a flat rectangular cross section. The outer nozzle 193 further equalizes the velocity of the aerosol and helps to equalize the distribution of the aerosol along the cross section. The outer nozzle 193 can change configuration in different reaction chambers. The height of the outer nozzle 193 relative to the radiation / laser beam can adjust the spray characteristics so that particles of the desired properties are prepared. For the production of lithium manganese oxide by laser pyrolysis, the outer nozzle 193 is placed about 3 inches below the laser beam.
【0074】 図2を参照して説明すると、遮蔽ガス送達装置110は、不活性ガスダクト1
92に連結されている不活性ガス源190を含んでいる。不活性ガスダクト19
2は環状チャネル194に流れる。質量流量制御装置196は、不活性ガス・ダ
クト192への不活性ガスの流を制御する。反応物送達装置112が用いられる
場合には、不活性ガス源126は、希望により、ダクト192用の不活性ガス源
としても機能し得る。Referring to FIG. 2, the shielding gas delivery device 110 includes the inert gas duct 1
An inert gas source 190 connected to 92 is included. Inert gas duct 19
2 flows into the annular channel 194. Mass flow controller 196 controls the flow of inert gas into inert gas duct 192. If reactant delivery device 112 is used, inert gas source 126 may also function as an inert gas source for duct 192, if desired.
【0075】 反応チャンバー104は、主チャンバー200を含んでいる。反応物供給装置
102は、射出ノズル202のところで主チャンバー200に連結している。反
応チャンバー104は、その前駆体化合物を蒸気の状態に維持するために加熱さ
れる場合もある。このチャンバーは、その装置内の圧力で、反応物と不活性成分
の混合物の露点以上の表面温度に加熱されるのが望ましい。多くの態様では、こ
のチャンバーは、固体前駆体が用いられる場合には約120℃に加熱される。同
様に多くの態様では、遮蔽用アルゴンガスは、固体前駆体が用いられる場合には
約150℃に加熱される。このチャンバーは、そのチャンバーの上に前駆体が沈
着しないことを保証するために凝縮について考慮されている。The reaction chamber 104 includes a main chamber 200. Reactant supply 102 is connected to main chamber 200 at injection nozzle 202. The reaction chamber 104 may be heated to maintain the precursor compound in a vapor state. The chamber is desirably heated to a surface temperature above the dew point of the mixture of reactants and inert components at the pressure within the apparatus. In many embodiments, the chamber is heated to about 120 ° C. if a solid precursor is used. Similarly, in many embodiments, the shielding argon gas is heated to about 150 ° C. if a solid precursor is used. This chamber is considered for condensation to ensure that no precursors deposit on the chamber.
【0076】 射出ノズル202の端には、遮蔽用不活性ガスの通路用の環状開口204とそ
の反応チャンバー中に反応物流を生成させる反応物の通路を形成するための反応
物の入口206が付いている。反応物入口206は、図2の下の挿入図に示され
ているようなスリットであるのが望ましい。環状開口204は、例えば、直径が
約1.5インチで、ラジアル方向に沿った幅が約1/8から約1/16インチで
ある。環状開口204を通る遮蔽ガスの流れは、反応チャンバー104全体に反
応物ガスおよび生成物粒子が広がるのを防ぐことを助ける。At the end of the injection nozzle 202 is provided an annular opening 204 for the passage of a shielding inert gas and a reactant inlet 206 for forming a reactant passage for producing a reactant flow in the reaction chamber. ing. The reactant inlet 206 is preferably a slit as shown in the inset below FIG. The annular opening 204 is, for example, about 1.5 inches in diameter and about 1/8 to about 1/16 inch in width along the radial direction. The flow of shielding gas through the annular opening 204 helps prevent reactant gas and product particles from spreading throughout the reaction chamber 104.
【0077】 管状セクション(tubular section,)208、210は、射
出ノズル202の両側に所在している。管状セクション208、210は、それ
ぞれ、ZnSe窓212、214を含んでいる。窓212、214の直径は約1
インチである。窓212、214は、望ましくはシリンドリカルレンズ(cyl
indrical lens)で、その焦点距離は、その光ビームを、ノズル口
の中心の丁度下の点に集めるように、そのチャンバーの中心とそのレンズの表面
との間の距離に等しいのが望ましい。窓212、214は、反射防止コーティン
グされているのが望ましい。適したZnSeレンズは、Laser Power
Optics,San Diego,Californiaから入手できる。
管状セクション208、210は、窓212、214が、反応物および/または
生成物により汚染されることがより少なくなるように、窓212、214を主チ
ャンバーから離れるようにずらすことができるようになっている。例えば、窓2
12、214は、主チャンバー200の端から約3cmずらされている。Tubular sections 208, 210 are located on opposite sides of the injection nozzle 202. Tubular sections 208, 210 include ZnSe windows 212, 214, respectively. The diameter of the windows 212 and 214 is about 1
Inches. The windows 212, 214 are preferably cylindrical lenses (cyl)
Preferably, at the focal length, the focal length is equal to the distance between the center of the chamber and the surface of the lens so that the light beam is focused at a point just below the center of the nozzle opening. The windows 212, 214 are preferably provided with an anti-reflective coating. A suitable ZnSe lens is Laser Power
Available from Optics, San Diego, California.
The tubular sections 208, 210 allow the windows 212, 214 to be offset away from the main chamber such that the windows 212, 214 are less contaminated by reactants and / or products. ing. For example, window 2
12, 214 are offset from the end of the main chamber 200 by about 3 cm.
【0078】 窓212、214は、反応チャンバー104の中に周囲の空気が流れるのを防
ぐために、管状セクション208、210に、ゴムのO‐リングでシールされて
いる。窓212、214の汚染を減らすために、管状セクション208、210
への遮蔽用ガスの流入用に、管状吸気口216、218が備えられている。管状
吸気口216、218は、不活性ガス源190または、別の不活性ガス源に連結
されている。いずれの場合にも、吸気口216、218への気流は、質量流量制
御装置220で制御されているのが望ましい。The windows 212, 214 are sealed with rubber O-rings to the tubular sections 208, 210 to prevent ambient air from flowing into the reaction chamber 104. To reduce contamination of the windows 212, 214, the tubular sections 208, 210
Tubular inlets 216, 218 are provided for the inflow of shielding gas into the air. The tubular inlets 216, 218 are connected to an inert gas source 190 or another inert gas source. In any case, it is desirable that the airflow to the air inlets 216 and 218 be controlled by the mass flow controller 220.
【0079】 光源108は、発生する光線222が、窓212を入って窓214を出るよう
に配列されている。窓212、214は、主チャンバー200を通る光路を、反
応ゾーン224で反応物の流れと交差するように規定する。窓214を出た後、
光ビーム222は、ビームダンプ(beam dump)としても作用する電力
計226を直撃する。適した電力計は、Coherent Inc.,Sant
a Clara,CA、から入手できる。光源108は、レーザまたはアークラ
ンプのような、強い常用の光源でもよい。光源108は、赤外線レーザ、特に、
PRC Corp.,Landing,NJ、から入手できる最大出力1800
ワットのレーザのようなCW CO2レーザが特に望ましい。The light source 108 is arranged such that the generated light beam 222 enters the window 212 and exits the window 214. Windows 212, 214 define an optical path through main chamber 200 to intersect the reactant flow at reaction zone 224. After exiting window 214,
Light beam 222 strikes wattmeter 226, which also acts as a beam dump. Suitable power meters are available from Coherent Inc. , Santa
a Available from Clara, CA. Light source 108 may be a strong conventional light source, such as a laser or an arc lamp. The light source 108 is an infrared laser, in particular,
PRC Corp. Output 1800 available from Landing, Landing, NJ
CW CO 2 lasers, such as watt lasers, are particularly desirable.
【0080】 射出ノズル202中の反応物入口206を通り抜けた反応物は、反応物流とな
る。この反応物流は、反応ゾーン224を通り抜け、そこで、金属前駆体化合物
を巻き込んで反応を起こす。反応ゾーン224中でのガスの加熱は極端に速く、
特定条件に依存して、大体105℃/秒の桁である。反応ゾーン224を出ると
、この反応は急速に冷却され、その反応物流の中に、粒子228が生成する。こ
の過程は非平衡反応なので、粒径分布が非常に均一で構造的均質性の高いナノ粒
子の製造が可能になる。The reactant that has passed through the reactant inlet 206 in the injection nozzle 202 becomes a reactant flow. This reaction stream passes through reaction zone 224, where it entrains and reacts with the metal precursor compound. The heating of the gas in the reaction zone 224 is extremely fast,
Depending on the particular conditions, it is on the order of 10 5 ° C / sec. Upon exiting reaction zone 224, the reaction is rapidly cooled and particles 228 are formed in the reaction stream. Since this process is a non-equilibrium reaction, it is possible to produce nanoparticles having a very uniform particle size distribution and high structural homogeneity.
【0081】 分子流の経路は、捕集ノズル230まで続いている。捕集ノズル230は、射
出ノズル202から約2cm離れている。射出ノズル202と捕集ノズル230
の空間距離が小さいことは、反応物および生成物による反応チャンバー104の
汚染を減らす助けになる。捕集ノズル230は、図2の上の挿入図に示されてい
るように、環状の開口232を備えている。環状開口232が、捕集装置106
に送り込む。The path of the molecular flow continues to the collection nozzle 230. The collection nozzle 230 is about 2 cm away from the injection nozzle 202. Injection nozzle 202 and collection nozzle 230
The small clearance distance helps reduce contamination of reaction chamber 104 by reactants and products. The collection nozzle 230 has an annular opening 232, as shown in the upper inset of FIG. An annular opening 232 is provided in the collection device 106.
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【0082】 チャンバーの圧力は、主チャンバーに取付けられた圧力計で監視される。望ま
しい酸化物の製造のために推奨されるこのチャンバーの圧力は、普通、約80T
orrから約650Torrの範囲である。The pressure in the chamber is monitored by a pressure gauge mounted on the main chamber. The recommended pressure in this chamber for the production of the desired oxide is typically about 80 T
orr to about 650 Torr.
【0083】 反応チャンバー104は、図には示されていない二つの追加の管状セクション
を備えている。追加の管状セクションの一つは、図2の断面図の面に向かって延
びており、そして第2の追加の管状セクションは、図2の断面図の面から突き出
ている。上から見た場合、四つの管状セクションは、そのチャンバーの中心の回
りに大体対称的に分布している。これらの追加の管状セクションは、チャンバー
の内部を観察するための窓を備えている。この相対配置の装置では、これら二つ
の追加の管状セクションは、粒子の製造を促進するためには用いられない。The reaction chamber 104 has two additional tubular sections not shown. One of the additional tubular sections extends toward the plane of the cross-sectional view of FIG. 2, and a second additional tubular section protrudes from the plane of the cross-sectional view of FIG. When viewed from above, the four tubular sections are approximately symmetrically distributed around the center of the chamber. These additional tubular sections have windows for viewing the interior of the chamber. In this relative arrangement, these two additional tubular sections are not used to facilitate the production of particles.
【0084】 捕集装置106は、捕集ノズル230に繋がっているカーブした導管270を
含んでいるのが望ましい。この粒子は大きさが小さいので、生成物粒子は、カー
ブの回りをガス流について流れる。捕集装置106は、この生成物粒子を捕集す
るために、ガス流中にフィルター272を含んでいる。区画270はカーブして
いるので、このフィルタは、そのチャンバーの上に直接支持されてはいない。テ
フロン(登録商標)、ガラス繊維および類似の材料などの多様な材料が、不活性 で、その粒子を捕捉するするのに十分微細である限りにおいて、このフィルター 用に用いられる。このフィルター用に推奨される材料は、例えば、ACE Gl ass Inc.,Vineland,NJ、からのガラス繊維フィルターおよ びAF Equipment Co.,Sunnyvale,CA.からの円筒 状Nomex Rフィルターである。The collection device 106 has a curved conduit 270 leading to the collection nozzle 230.
It is desirable to include. Because the particles are small in size, the product particles
Flow about the gas flow. The collecting device 106 collects the product particles.
To this end, a filter 272 is included in the gas stream. Section 270 curves
As such, this filter is not supported directly above the chamber. Te
A variety of materials such as CFCs, glass fibers and similar materials are used for this filter, as long as they are inert and fine enough to capture the particles. Recommended materials for this filter are, for example, ACE Glass Inc. Glass Fiber Filter from AF Equipment Co., Vineland, NJ. Sunnyvale, CA. Cylindrical Nomex from RFilter.
【0085】 捕集装置106を所定の圧力に維持するために、ポンプ274が用いられる。
多様な異なるポンプを使用することができる。ポンプ274として使用するのに
適したポンプは、例えば、Busch,Inc.,Virginia Beac
h,VAからの、約25立方フィート/分(cfm)の排気性能を有するBus
ch Model B0024 ポンプおよび、Leybold Vacuum
Products,Export,PAからの約195cfmの排気性能を有
するLeybold Model SV300ポンプである。このポンプの排気
は、大気中に出る前に、残存している何等かの反応性の化学物質を除去するため
に、スクラバー276を通して流すのが望ましい。全装置100は、換気目的と
安全を考慮して、ヒューム・フード(fume hood)の中に置かれている
。一般に、レーザ装置は、サイズが大きいので、そのヒューム・フードの外側に
置かれている。A pump 274 is used to maintain the collection device 106 at a predetermined pressure.
A variety of different pumps can be used. Pumps suitable for use as pump 274 are described, for example, in Busch, Inc. , Virginia Beac
h, Bus with exhaust performance of about 25 cubic feet / minute (cfm) from VA
ch Model B0024 Pump and Leybold Vacuum
A Leybold Model SV300 pump with about 195 cfm pumping performance from Products, Export, PA. The pump exhaust preferably flows through a scrubber 276 to remove any remaining reactive chemicals before exiting to the atmosphere. All devices 100 are placed in a fume hood for ventilation purposes and safety. Generally, the laser device is located outside its fume hood due to its large size.
【0086】 この装置は、コンピュータで制御されている。一般に、このコンピュータは、
光源を制御し、そして反応チャンバー中の圧力を監視している。このコンピュー
タは、反応物および/または遮蔽用ガスの流れを制御するために用いられる。排
気速度は、ポンプ274とフィルター272の間に挿入されている手動のニード
ル・バルブもしくは自動のスロットル・バルブのいずれかによって制御される。
フィルター272上に粒子が蓄積することにより、チャンバーの圧力が増大する
と、その手動バルブもしくはスロットル・バルブを調節して、排気速度とそれに
対応するチャンバー圧を維持することができる。This device is controlled by a computer. Generally, this computer
The light source is controlled and the pressure in the reaction chamber is monitored. This computer is used to control the flow of reactants and / or shielding gas. Pumping speed is controlled by either a manual needle valve or an automatic throttle valve inserted between pump 274 and filter 272.
As the pressure in the chamber increases due to the accumulation of particles on the filter 272, its manual or throttle valve can be adjusted to maintain the pumping speed and the corresponding chamber pressure.
【0087】 反応は、ポンプ274が、反応チャンバー104内に希望の圧力を最早維持で
きない程十分多くの粒子が、フィルター272上に捕集されるまで続けられる。
反応チャンバー104内の圧力を、最早希望の値に、維持できない場合、反応を
停止し、そしてフィルター272が取外される。この態様では、チャンバー圧が
、最早維持できなくなる前の一回の運転で、約1‐300グラムの粒子が捕集で
きる。一回の運転は、製造される粒子のタイプと使用されるフィルターのタイプ
に依存して、普通、約10時間まで継続される。The reaction continues until enough particles are collected on filter 272 such that pump 274 can no longer maintain the desired pressure in reaction chamber 104.
If the pressure in the reaction chamber 104 can no longer be maintained at the desired value, the reaction is stopped and the filter 272 is removed. In this embodiment, about 1-300 grams of particles can be collected in a single run before the chamber pressure can no longer be maintained. A single run usually lasts up to about 10 hours, depending on the type of particles produced and the type of filter used.
【0088】 この反応条件は比較的正確に制御することができる。特に、質量流量制御装置
は、極めて正確である。このレーザは、一般に約0.5パーセントの出力安定性
を有する。チャンバーの圧力は、手動制御バルブもしくはスロットル・バルブに
より、約1パーセント以内に制御できる。The reaction conditions can be controlled relatively accurately. In particular, mass flow controllers are extremely accurate. This laser typically has a power stability of about 0.5 percent. The pressure in the chamber can be controlled to within about one percent by a manually controlled valve or a throttle valve.
【0089】 反応物供給装置102と捕集装置106の相対的配置は、逆にすることができ
る。この代替配置構造では、反応物は、反応チャンバーの最上部から供給され、
そして生成物粒子が、チャンバーの底部から捕集される。この代替配置構造では
、捕集装置は、その捕集フィルタが、反応チャンバーの下に直接取付けらるよう
に、その捕集装置にカーブした部分を含んでいない。The relative arrangement of the reactant supply device 102 and the collection device 106 can be reversed. In this alternative arrangement, the reactants are supplied from the top of the reaction chamber,
Product particles are then collected from the bottom of the chamber. In this alternative arrangement, the collection device does not include a curved portion of the collection device such that the collection filter is mounted directly below the reaction chamber.
【0090】 2.第2レーザ熱分解反応チャンバー もう一つの他の設計のレーザ熱分解装置が、本明細書に引用参照されている“
化学反応による粒子の効率的な製造”という名称の、米国特許第5,958,3
48号明細書に説明されている。この代替設計は、レーザ熱分解により、商業生
産される量の粒子の製造を容易にすることを意図するものである。この反応チャ
ンバーは、反応物と生成物の処理能力の増加をもたらすために反応物流に垂直な
次元での光ビームに沿って延びている。この装置の元の設計は、純粋にガス状反
応物の導入をベースにしていた。この装置にエーロゾルを導入するための特別な
態様が下に説明される。細長い反応チャンバーに一つまたはそれ以上のエーロゾ
ル発生装置でエーロゾルを導入するための追加の態様が、本明細書に引用参照さ
れている、共通権利人により同時出願されている米国特許出願09/188,6
70号[発明者:Gardner達、名称:“反応物送達装置”、出願日:19
98年11月9日]の中に説明されている。2. Second Laser Pyrolysis Reaction Chamber Another alternative design of a laser pyrolysis apparatus is the "Laser Pyrolysis Apparatus," herein incorporated by reference.
U.S. Pat. No. 5,958,3 entitled "Efficient Production of Particles by Chemical Reaction"
No. 48 describes this. This alternative design is intended to facilitate the production of commercially produced quantities of particles by laser pyrolysis. The reaction chamber extends along a light beam in a dimension perpendicular to the reactant stream to provide increased throughput of reactants and products. The original design of this device was based purely on the introduction of gaseous reactants. A special embodiment for introducing an aerosol into this device is described below. Additional embodiments for introducing an aerosol with one or more aerosol generators into an elongated reaction chamber are described in co-pending US patent application Ser. No. 09 / 188,092, incorporated herein by reference. , 6
No. 70 [Inventor: Gardner et al., Name: "Reactant delivery device", Filing date: 19
Nov. 9, 1998].
【0091】 一般に、この代替熱分解装置は、生産能力を上げて、そして供給原料を有効に
利用するために、チャンバーの器壁の、粒子による汚染を減らすように設計され
ている反応チャンバーを備えている。これらの目的を達成するために、この反応
チャンバーは、そのチャンバーの遊びの空間体積(dead volume:死
空間)が対応して増加することなく、反応物と生成物の大きい処理能力を提供す
る細長い反応チャンバーが用いられる。チャンバーのこの死空間は、未反応の化
合物および/または反応生成物により汚染される可能性がある。Generally, this alternative pyrolysis unit comprises a reaction chamber designed to reduce particulate contamination of the chamber walls to increase production capacity and to make efficient use of feedstock. ing. To achieve these objectives, the reaction chamber is elongated to provide a large throughput of reactants and products without a corresponding increase in the dead volume of the chamber. A reaction chamber is used. This dead space of the chamber can be contaminated by unreacted compounds and / or reaction products.
【0092】 改善された反応チャンバー300の設計が、図5に概略示されている。反応物
の入口302は、主チャンバー304に達している。反応物入口302は、一般
に、主チャンバー304の形状の通りである。例えば、リチウム酸化マンガン粒
子の製造のための反応物入口302を通しての反応物の導入は、図1のレーザ熱
分解装置を用いてのエーロゾルおよび/または気体前駆体の導入に関する上の論
議を適用することにより、その反応物入口が代替構造である場合には適宜適合さ
せて行われる。一般に、この反応物の入口は、1800ワットのCO2レーザを
使用する場合には、約5mmから約1mの長さを有する。The design of an improved reaction chamber 300 is schematically illustrated in FIG. Reactant inlet 302 reaches main chamber 304. Reactant inlet 302 is generally in the shape of main chamber 304. For example, the introduction of reactants through reactant inlet 302 for the production of lithium manganese oxide particles applies the above discussion regarding the introduction of aerosol and / or gaseous precursors using the laser pyrolysis apparatus of FIG. Thus, when the reactant inlet has an alternative structure, it is appropriately adapted. Generally, the reactant inlet has a length of about 5 mm to about 1 m when using a 1800 watt CO 2 laser.
【0093】 主チャンバー304は、微粒子状生成物、任意の未反応ガスおよび不活性ガス
、を除去するための分子流に沿った出口306を含んでいる。遮蔽用ガス流入口
310は、反応物入口302の両側に付いている。遮蔽用ガス流入口は、チャン
バー壁と反応物または生成物との接触を禁止するために、反応物流の側面に不活
性ガスのブランケット(煙幕)を形成させるために用いられる。The main chamber 304 includes an outlet 306 along the molecular stream for removing particulate products, any unreacted gases and inert gases. Shielding gas inlets 310 are provided on both sides of reactant inlet 302. Shielding gas inlets are used to form a blanket of inert gas on the sides of the reactant stream to inhibit contact of the chamber walls with reactants or products.
【0094】 環状セクション320、322が、主チャンバー304から延びている。環状
セクション320、322は、反応チャンバー300を通る光ビームの経路32
8を規定するための窓324、326を把持している。環状セクション320、
322は、環状セクション320、322に不活性ガスを導入するための不活性
ガスの入り口330、332を含んでいる。Annular sections 320, 322 extend from main chamber 304. Annular sections 320, 322 provide a path 32 for the light beam through reaction chamber 300.
8 for holding the windows 324 and 326. Annular section 320,
322 includes inert gas inlets 330, 332 for introducing inert gas into the annular sections 320, 322.
【0095】 図6‐8を参照して説明すると、細長い反応チャンバーを有するレーザ熱分解
反応装置の特定の態様が示されている。この態様では、エーロゾル反応物送達装
置は、この細長い反応チャンバーで使用するのに適するようになっている。レー
ザ熱分解反応装置350は、反応チャンバー352、粒子捕集装置354、レー
ザ356および反応物送達装置(下で説明する)を含んでいる。反応チャンバー
352は、反応チャンバー352の底部に反応物入口364を含んでおり、そこ
で反応物送達装置が反応チャンバー352に連結されている。この態様では、反
応物はその反応チャンバーの底部から送達され、一方生成物は反応チャンバーの
最上部から捕集される。この相対的配置は、希望により逆にして、反応物を最上
部から供給し、生成物を底部から捕集することもできる。Referring to FIGS. 6-8, a particular embodiment of a laser pyrolysis reactor having an elongated reaction chamber is shown. In this aspect, the aerosol reactant delivery device is adapted for use in the elongated reaction chamber. The laser pyrolysis reactor 350 includes a reaction chamber 352, a particle collector 354, a laser 356, and a reactant delivery device (described below). Reaction chamber 352 includes a reactant inlet 364 at the bottom of reaction chamber 352, where a reactant delivery device is coupled to reaction chamber 352. In this embodiment, the reactants are delivered from the bottom of the reaction chamber, while the products are collected from the top of the reaction chamber. This relative arrangement can be reversed, if desired, with reactants fed from the top and products collected at the bottom.
【0096】 遮蔽ガス導入管365は、反応物入口364の前部と背部に位置する。不活性
ガスは、ポート367を通して遮蔽ガス導入管365に送達される。この遮蔽用
ガス導入管は、遮蔽ガスを反応チャンバーの壁に沿うように方向づけて、反応物
ガスまたは生成物が壁と接触するのを禁止する。The shielding gas introduction pipes 365 are located at the front and back of the reactant inlet 364. The inert gas is delivered to the shielding gas introduction pipe 365 through the port 367. The shielding gas introduction tube directs the shielding gas along the walls of the reaction chamber to inhibit reactant gases or products from contacting the walls.
【0097】 反応チャンバー352は、図6に“W”で示した次元に沿って細長く延びてい
る。レーザビーム経路366は、窓368を通って反応チャンバーに入り、主チ
ャンバー372から管370に沿って移動し、そして反応チャンバー352の細
長く延びている方向を通過する。このレーザビームは、管374を通り抜けて窓
376を出る。推奨される一つの態様では、管370と374が、窓368と3
76を主チャンバー372から約11インチずらす。このレーザビームは、ビー
ムダンプ378で終る。操業時には、レーザビームは、反応物入口を通って発生
する反応物流と交差する。The reaction chamber 352 is elongated in the dimension indicated by “W” in FIG. Laser beam path 366 enters the reaction chamber through window 368, travels from main chamber 372 along tube 370, and passes through the elongated direction of reaction chamber 352. This laser beam exits window 376 through tube 374. In one preferred embodiment, tubes 370 and 374 are fitted with windows 368 and 3
76 is offset from main chamber 372 by about 11 inches. The laser beam ends in a beam dump 378. In operation, the laser beam intersects the reactant stream generated through the reactant inlet.
【0098】 主チャンバー372の最上部は、粒子捕集装置354に向って開いている。粒
子捕集装置354は、主チャンバー372からの流れを受け止めるために主チャ
ンバー372の最上部に連結されている出口ダクト380を含んでいる。出口ダ
クト380は、反応物流の面から円筒状フィルタ382ヘ生成物粒子を運ぶ。フ
ィルタ382は、一端にキャップ384が付いている。フィルタ382の他端は
ディスク386に締め付けられている。ベント388は、フィルタ382の中心
へのアクセスを提供するために、ディスク386の中心に、しつかり留められて
いる。ベント388は、ダクトによりポンプに取り付けられている。かくして生
成物粒子は、反応チャンバー352からポンプへの流れることによりフィルタ3
82に捕捉される。適切なポンプは、図2中の第1レーザ熱分解装置に関連して
上に説明された。フィルタとして使用するのに適したフィルタ382に含まれる
のは、例えば、プラスチコール(Plasticol)ワックスを含浸している
、Saab 9000自動車用空気クリーナ・フィルタ(Purilator
part A44−67)またはポリウレタン・エンドキャップ384である。The uppermost part of the main chamber 372 is open to the particle collector 354. The particle trap 354 includes an outlet duct 380 connected to the top of the main chamber 372 to receive flow from the main chamber 372. Outlet duct 380 carries product particles from the face of the reaction stream to cylindrical filter 382. The filter 382 has a cap 384 at one end. The other end of the filter 382 is fastened to the disk 386. Vent 388 is clamped to the center of disk 386 to provide access to the center of filter 382. Vent 388 is attached to the pump by a duct. Thus, the product particles flow from the reaction chamber 352 to the pump and thereby to the filter 3.
82. Suitable pumps have been described above in connection with the first laser pyrolyzer in FIG. Filters 382 suitable for use as filters include, for example, a Saab 9000 automotive air cleaner filter impregnated with Plasticol wax.
part A44-67) or polyurethane end cap 384.
【0099】 図9を参照して説明すると、エーロゾル送達装置480は、マウント484と
キャップ486で支えるられているエーロゾル発生装置482を含んでいる。エ
ーロゾル送達装置480は、図6‐8に示されている主チャンバー372内に延
びていくために反応チャンバー352の反応物入口364にしつかり留められて
いる。マウント484は、基板488に結合されている。基板488は、ボルト
490で反応物入口364に締め付けられている。基板488と反応物入口36
4の間をシールするために適切な形状をした、O‐リングまたは類似物が、ホロ
ー(くぼみ:hollow)492の中に入れられる。Referring to FIG. 9, aerosol delivery device 480 includes an aerosol generator 482 supported by mount 484 and cap 486. The aerosol delivery device 480 is anchored at the reactant inlet 364 of the reaction chamber 352 to extend into the main chamber 372 shown in FIGS. 6-8. Mount 484 is coupled to substrate 488. Substrate 488 is clamped to reactant inlet 364 with bolts 490. Substrate 488 and reactant inlet 36
An O-ring or similar, suitably shaped to seal between the four, is placed in a hollow 492.
【0100】 図10と11を参照して説明すると、マウント484は、一般に、円筒状であ
る。マウント484は、円筒状キャビティ508の内部に延びているリップ(l
ip:シールリップ)506を含んでいる。リップ506は、エーロゾル発生装
置482を支えるのに役立つ。この態様では、リップ506は、エーロゾル発生
装置482の一部がリップ506を通って延びるのを可能にするノッチ510を
含んでいる。マウント484の最上部表面512は、下に説明されるキャップ4
86またはスペーサでシールするために、O‐リングまたは類似物を保持するた
めのホロー(hollow)514を含んでいる。マウント484は、さらに、
外表面520上にスレッド(thread:ネジ山)518を含んでいる。Referring to FIGS. 10 and 11, mount 484 is generally cylindrical. Mount 484 includes a lip (l) extending into cylindrical cavity 508.
ip: seal lip) 506. Lip 506 serves to support aerosol generator 482. In this aspect, lip 506 includes a notch 510 that allows a portion of aerosol generator 482 to extend through lip 506. The top surface 512 of the mount 484 is provided with the cap 4 described below.
It includes a hollow 514 for holding an O-ring or the like for sealing with 86 or spacers. The mount 484 further
The outer surface 520 includes a thread 518.
【0101】 図10と12および13を参照して説明すると、キャップ486は、マウント
484の最上部の上に付いている。キャップ486は、マウント484上のスレ
ッド518と対になっているスレッド528を含んでいる。フランジ530はO
‐リングまたは類似物でシールを形成するために用いられる。表面532は、ホ
ロー534を含んでいる。ホロー534は、下でさらに説明されるように、エー
ロゾル発生装置482または楔を有するシールを形成するために、O‐リングま
たは類似物を保持する。Referring to FIGS. 10, 12 and 13, cap 486 is mounted on the top of mount 484. Cap 486 includes a thread 528 that mates with thread 518 on mount 484. Flange 530 is O
-Used to form a seal with a ring or the like. Surface 532 includes hollow 534. Hollow 534 holds an O-ring or the like to form a seal with aerosol generator 482 or wedge, as described further below.
【0102】 管536は、キャビティ538を有する流体連結橋の中にある。管536は、
キャビティ538へガス流を提供する。キャビティ538は、ポート540に通
じている。複数の管542は、チャネル544を通して、流体流を放射管546
に提供する。この態様では、4個の放射管546が、エーロゾル発生装置482
とポート540から来る流体流に向かって放射する。4個の放射管546は、ポ
ート540の回りに対称的分布されている。希望により、4個より多いかまたは
少ない放射管546が用いられる。ガスは、ステンレス鋼または類似素材の配管
により、基板488(図9)を通して、一つまたはそれ以上のポート547を通
して、管536および管542に供給される。The tube 536 is in a fluid connection bridge having a cavity 538. Tube 536
A gas flow is provided to the cavity 538. Cavity 538 communicates with port 540. A plurality of tubes 542 direct fluid flow through channels 544 to radiant tubes 546.
To provide. In this embodiment, four emission tubes 546 are provided by aerosol generator 482.
And radiate toward the fluid stream coming from port 540. The four emission tubes 546 are symmetrically distributed around port 540. If desired, more or less than four emission tubes 546 are used. Gas is supplied to tube 536 and tube 542 through stainless steel or similar tubing, through substrate 488 (FIG. 9), and through one or more ports 547.
【0103】 放射管546の利用は、エーロゾル発生装置482から離れた反応チャンバー
内で反応物をさらに混合するために特に有用である。放射管546を用いると反
応物ガスおよび/または放射線吸収用ガスなどのガスが、エーロゾル発生装置4
82および/またはポート540からの反応物と反応物チャンバー内部で混合さ
れる。レーザビームの光路548は、放射管546のちょうど上で反応流と交差
する。The use of a radiation tube 546 is particularly useful for further mixing reactants in a reaction chamber remote from the aerosol generator 482. When the radiation tube 546 is used, a gas such as a reactant gas and / or a radiation absorbing gas is supplied to the aerosol generator 4.
The reactants from 82 and / or port 540 are mixed inside the reactant chamber. The optical path 548 of the laser beam intersects the reaction flow just above the emission tube 546.
【0104】 ポート540に対するエーロゾル発生装置482の位置が、生成する反応物流
の性質に影響し、それにより反応生成物の性質に影響し得る。超音波エーロゾル
発生装置を使用する場合、エーロゾル発生装置のチップは、そのキャップ表面の
極く僅か下からキャップ表面の極く僅か上の範囲に位置するのが望ましい。The location of the aerosol generator 482 relative to the port 540 can affect the nature of the resulting reactant stream, and thus the nature of the reaction product. When using an ultrasonic aerosol generator, it is desirable that the tip of the aerosol generator be located just below the cap surface to just above the cap surface.
【0105】 図14に示されているスペーサ550は、ポート540に対するエーロゾル発
生装置482の位置を変えるために、キャップ486とマウント484の間に置
かれる。スペーサ550は、円筒状のピース(piece)で、O‐リングまた
は類似物を保持するために上表面554に沿ってくぼみ(ホロー)が付いている
。最上部表面554は、キャップ486のフランジ530にシールされている。
スペーサ550の下表面556は、マウント484の上表面512にシールされ
ている。図15に示されているように、楔558は、対応して、キャップ486
とエーロゾル発生装置482の間に置かれている。楔558の上表面560は、
くぼみ534の中にO‐リングをはめ込んでいる。エーロゾル発生装置482は
、フランジ562にはめ込まれる。The spacer 550 shown in FIG. 14 is placed between the cap 486 and the mount 484 to change the position of the aerosol generator 482 relative to the port 540. Spacer 550 is a cylindrical piece with a hollow along top surface 554 to hold an O-ring or the like. Top surface 554 is sealed to flange 530 of cap 486.
The lower surface 556 of the spacer 550 is sealed to the upper surface 512 of the mount 484. As shown in FIG. 15, the wedge 558 is correspondingly
And an aerosol generator 482. The upper surface 560 of the wedge 558
An O-ring is fitted into recess 534. Aerosol generator 482 fits over flange 562.
【0106】 主チャンバー372への反応物の流れは、ポート540の開口部におけるキャ
ップ・ブッシングの入れ方によって影響される。より特定すれば、キャップ・ブ
ッシングは、主チャンバー372内に反応物流をより良く閉じ込めるのに役立つ
。キャップ・ブッシングの三つの態様、570、572、574が、それぞれ図
16‐18に示されている。図16を参照して説明すると、キャップ・ブッシン
グ570は、円筒状の通路576を有し、そして平滑な上表面578は、普通、
円筒状通路の中心軸に垂直である。図17を参照して説明すると、キャップ・ブ
ッシング572は、円錐状の通路580を有し、そして平滑な上表面582は、
普通、円錐状通路の対称軸に垂直である。図18を参照して説明すると、キャッ
プ・ブッシング574は、円錐状の通路584および平滑な断面586と円錐状
断面588を有する上表面を有する。望ましい態様のキャップ・ブッシングは、
その内部通路と上表面の間に鋭いエッジを有する。The flow of reactants into the main chamber 372 is affected by the way the cap bushing is placed at the port 540 opening. More specifically, the cap bushing helps to better confine the reaction stream within the main chamber 372. Three aspects of the cap bushing, 570, 572, 574, are shown in FIGS. 16-18, respectively. Referring to FIG. 16, the cap bushing 570 has a cylindrical passage 576 and a smooth upper surface 578 is generally
Perpendicular to the central axis of the cylindrical passage. Referring to FIG. 17, the cap bushing 572 has a conical passage 580 and a smooth upper surface 582
Usually, it is perpendicular to the axis of symmetry of the conical passage. Referring to FIG. 18, the cap bushing 574 has a conical passage 584 and an upper surface having a smooth cross section 586 and a conical cross section 588. A preferred embodiment of the cap bushing is
It has a sharp edge between its internal passage and the upper surface.
【0107】 反応チャンバー352および反応物供給装置480は、ステンレス鋼または他
の耐腐食性の金属からで造られるのが望ましい。O‐リングおよび他のシールは
天然あるいは合成ゴムまたは他の重合体から作られる。The reaction chamber 352 and reactant supply 480 are preferably made of stainless steel or other corrosion resistant metal. O-rings and other seals are made from natural or synthetic rubber or other polymers.
【0108】 図10を参照して説明すると、一つの望ましい態様では、エーロゾル発生装置
482は、超音波ノズル600およびノズル・サプライ(nozzle sup
ply)602を含んでいる。推奨される超音波ノズル600は、Sono−T
ek Corporation Milton,NY、からのモデル8700−
120である。図19‐20を参照して説明すると、超音波ノズル600は、ノ
ズル・チップ604、ノズル・ボデイ606、超音波発生装置に連結するための
コネクタ608および液体貯蔵に直接またはノズル・サプライ602によって連
結するための液体コネクション610を含んでいる。ノズル・チップ604の端
が、霧化表面612である。霧化表面612の大きさと形状は、エーロゾル粒子
の希望される空間的分布を得るように変えられる。Referring to FIG. 10, in one preferred embodiment, the aerosol generator 482 includes an ultrasonic nozzle 600 and a nozzle supply.
ply) 602. The recommended ultrasonic nozzle 600 is a Sono-T
Model 8700 from ek Corporation Milton, NY
120. Referring to FIGS. 19-20, the ultrasonic nozzle 600 is connected directly to the nozzle tip 604, nozzle body 606, connector 608 for connection to an ultrasonic generator, and liquid storage or by a nozzle supply 602. A liquid connection 610 for connection. At the end of the nozzle tip 604 is the atomizing surface 612. The size and shape of the atomization surface 612 can be varied to obtain the desired spatial distribution of the aerosol particles.
【0109】 ノズル・チップ604は、トップ表面614またはその近くで、ノズル・ボデ
イ606に連結される。超音波振動子616は、ノズル・ボデイ606内のノズ
ル・チップ604を振動させるために適した位置に置かれる。一般に、超音波振
動子616は、上表面614に向けて置かれる。推奨される超音波振動子に含ま
れるのは圧電式振動子である。超音波振動子616は、これら二つの振動する圧
電式振動子の振幅が、霧化表面612で付加的な力を創出するために加算される
ように、相内で対になって振動するようになっている、二つまたはそれ以上の圧
電式振動子618を含んでいるのが望ましい。[0109] The nozzle tip 604 is connected to the nozzle body 606 at or near the top surface 614. The ultrasonic transducer 616 is placed at a position suitable for vibrating the nozzle tip 604 in the nozzle body 606. Generally, the ultrasonic transducer 616 is placed toward the upper surface 614. Among the recommended ultrasonic transducers are piezoelectric transducers. The ultrasonic transducer 616 oscillates in phase in phase so that the amplitudes of these two oscillating piezoelectric transducers are added to create additional force at the atomizing surface 612. Preferably, two or more piezoelectric transducers 618 are included.
【0110】 超音波振動子616はコネクタ608により超音波発生器に連結される。この
超音波発生器は、約20kHzから約120kHzの周波数範囲にわたって作動
するブロードバンドの発生器であるのが望ましい。この超音波発生器からの電気
信号は連結器608から超音波振動子616に導線620により伝えられる。The ultrasonic transducer 616 is connected to an ultrasonic generator by a connector 608. Preferably, the ultrasonic generator is a broadband generator operating over a frequency range of about 20 kHz to about 120 kHz. The electric signal from the ultrasonic generator is transmitted from the coupler 608 to the ultrasonic vibrator 616 via the conductor 620.
【0111】 液体は、ノズル・ボデイ606を通っているチャネル622通して液体コネク
ション610から霧化表面612に流れる。図10を参照して説明すると、ノズ
ル・サプライ602は、液体継手630で液体コネクション610に連結されて
いる。ノズル・サプライ602は、空気制御式のニードルバルブを含んでいる。
ノズル・サプライ602は、空気制御式入口632、ニードルバルブ調節奇器6
34および供給用液体貯蔵器入口636を有する。空気制御入口632と供給用
液体貯蔵器入口636は、基板488を通って延びている中央チャネル508を
通って連絡している。The liquid flows from the liquid connection 610 to the atomization surface 612 through a channel 622 through the nozzle body 606. Referring to FIG. 10, the nozzle supply 602 is connected to the liquid connection 610 by a liquid coupling 630. Nozzle supply 602 includes a pneumatically controlled needle valve.
Nozzle supply 602 includes air-controlled inlet 632, needle valve adjustment device 6
34 and a supply liquid reservoir inlet 636. The air control inlet 632 and the supply liquid reservoir inlet 636 communicate through a central channel 508 that extends through the substrate 488.
【0112】 供給用液体貯蔵器入口636は、図21に図式的に示されている液体供給装置
640に連結されている。液体供給装置640は、少なくとも一種の液体源64
2、出口管644およびガス供給管646を含んでいる。管644は、継手64
8で供給用液体貯蔵器入口636に繋がっている。同様に、管644は、直接ま
たは間接的に液体源642に繋がっている。液体源642も、ガス供給管646
に繋がっている。ガス供給管は、ガスシリンダーまたは類似物であるガス源66
6に連結している。ガス源666からガス供給管への流れは、一つまたはそれ以
上のバルブ668で制御される。ガス供給管646からの加圧されているガスは
、液体源642からの液を管644に強制的に押出す。The supply liquid reservoir inlet 636 is connected to a liquid supply 640, shown schematically in FIG. The liquid supply device 640 includes at least one liquid source 64.
2, including an outlet tube 644 and a gas supply tube 646. Tube 644 is connected to fitting 64
At 8 is connected to the supply liquid reservoir inlet 636. Similarly, tube 644 is directly or indirectly connected to liquid source 642. The liquid source 642 also has a gas supply pipe 646.
Is connected to. The gas supply tube is a gas source 66 which is a gas cylinder or the like.
6. The flow from the gas source 666 to the gas supply tube is controlled by one or more valves 668. Pressurized gas from gas supply tube 646 forces liquid from liquid source 642 into tube 644.
【0113】 液体源642の位置を適切にすると、ガス圧の利用に代えて、重力で圧力を供
給するようにできる。他の態様において、管644内に、比較的一定量の圧力を
供給するために、機械ポンプが用いられる。適したポンプに含まれるのは、例え
ば、遠心ポンプおよび逐次的に作動する複数のシリンジポンプである。If the position of the liquid source 642 is properly set, the pressure can be supplied by gravity instead of using the gas pressure. In another aspect, a mechanical pump is used to supply a relatively constant amount of pressure within the tube 644. Suitable pumps include, for example, a centrifugal pump and a plurality of syringe pumps operating sequentially.
【0114】 使用時に、エーロゾル発生装置482は、エーロゾル発生装置482に供給さ
れた液体のエーロゾルを製造する。エーロゾル発生装置482は、そのエーロゾ
ルと共に、ガスを送達することができる。またこのエーロゾルは、管536を通
して供給されるガスと混合することもできる。かくして、エーロゾル発生装置4
82および/または管636から供給されたエーロゾルおよび任意のガスは、キ
ャップ486のポート540の近くの反応チャンバーに向けられる。エーロゾル
発生装置482および/または管536から放射されたエーロゾルおよび任意の
ガスは、さらに、反応チャンバー352内で、放射管546からの追加のガスと
一緒にされることもある。この得られるエーロゾルとガスの混合物が、次いで、
反応チャンバー352内で反応される。In use, the aerosol generator 482 produces a liquid aerosol supplied to the aerosol generator 482. The aerosol generator 482 can deliver gas with the aerosol. The aerosol can also be mixed with the gas supplied through tube 536. Thus, the aerosol generator 4
The aerosol and any gas supplied from 82 and / or tube 636 are directed to a reaction chamber near port 540 of cap 486. The aerosol and any gas emitted from aerosol generator 482 and / or tube 536 may be further combined within reaction chamber 352 with additional gas from emission tube 546. The resulting mixture of aerosol and gas is then
The reaction is performed in the reaction chamber 352.
【0115】 レーザ熱分解をベースにする反応合成を行う場合、そのエーロゾル/ガス混合
物は普通、一種またはそれ以上のエーロゾルの形の反応物、場合により、一種ま
たはそれ以上の追加の反応物ガス、それら反応物および/または溶媒(一種また
は複数)がレーザ放射線を十分吸収しない場合には、レーザ吸収性ガス、および
場合により、不活性ガス、を含んでいる。これらのガスは、加圧シリンダーまた
は他の適した容器から供給される。複数の反応物は、液相中で混合されそしてそ
のエーロゾルとして送達される場合もある。When carrying out a reaction synthesis based on laser pyrolysis, the aerosol / gas mixture is usually one or more aerosol-shaped reactants, optionally one or more additional reactant gases, If the reactants and / or solvent (s) do not adequately absorb the laser radiation, include a laser absorbing gas, and optionally an inert gas. These gases are supplied from pressurized cylinders or other suitable containers. The reactants may be mixed in a liquid phase and delivered as an aerosol thereof.
【0116】 細長い反応チャンバーを有する代替のエーロゾル発生装置が用いられる場合も
ある。さらに、一つまたはそれ以上のエーロゾル発生装置を、様々な方法で、細
長い反応チャンバーに適合させることができる。An alternative aerosol generator having an elongated reaction chamber may be used. Further, one or more aerosol generators can be adapted to the elongated reaction chamber in various ways.
【0117】 B.加熱加工 1.粒子のコンディショニング 上で指摘したように、金属酸化物粒子の性質は、さらなる加工により修飾する
ことができる。この熱処理に適した出発材料に含まれるのは、レーザ熱分解で製
造されたリチウム酸化マンガン粒子のような金属酸化物粒子である。さらに、出
発材料として用いられる粒子は、異なる条件下での一回またはそれ以上の前加熱
工程にかけられる。レーザ熱分解で調製された金属酸化物粒子の加熱加工の場合
、この追加的加熱加工は、その結晶度を改善し、元素炭素のような汚染物を除去
し、そしてできれば、例えば、追加の酸素または他の気体種からの原子の取込み
により、その化学量論組成を変えることができる。十分マイルドな条件、即ち、
その粒子の融点より十分低い温度を使用すると、粒子をより大きい粒子に有意に
焼結させることなしに、その粒子を加工できる。B. Heat processing 1. As noted above in the conditioning of the particles, the properties of the metal oxide particles can be modified by further processing. Suitable starting materials for this heat treatment include metal oxide particles such as lithium manganese oxide particles produced by laser pyrolysis. Furthermore, the particles used as starting material are subjected to one or more preheating steps under different conditions. In the case of heat treatment of metal oxide particles prepared by laser pyrolysis, this additional heat treatment improves its crystallinity, removes contaminants such as elemental carbon, and preferably, for example, additional oxygen Alternatively, its stoichiometry can be altered by the incorporation of atoms from other gaseous species. Mild enough conditions, ie
Using a temperature well below the melting point of the particles allows the particles to be processed without significantly sintering the particles into larger particles.
【0118】 ナノスケールの粒子が推奨される出発材料であるが、その出発材料は、一般に
、任意の大きさと形状の粒子でもよい。このナノスケール粒子は、約1000n
m以下、そして望ましくは約5nmから約500nm、そしてより望ましくは約
5nmから約150nmの平均粒径を有する。適したナノスケール出発材料はレ
ーザ熱分解により製造されている。While nanoscale particles are the recommended starting material, the starting material can generally be particles of any size and shape. This nanoscale particle has a size of about 1000 n.
m, and preferably from about 5 nm to about 500 nm, and more preferably from about 5 nm to about 150 nm. Suitable nanoscale starting materials have been produced by laser pyrolysis.
【0119】 この金属酸化物粒子は、普通、均一な加熱を受けるように、オーブンもしくは
類似の装置の中で加熱されるのが望ましい。その加工条件は、普通有意な量の粒
子の焼結が起きないようなマイルドな条件である。加熱温度は出発材料および生
成物の両方の融点に比べて低いのが望ましい。[0119] The metal oxide particles are usually desirably heated in an oven or similar device so as to receive uniform heating. The processing conditions are usually mild conditions such that sintering of a significant amount of particles does not occur. Desirably, the heating temperature is low relative to the melting points of both the starting material and the product.
【0120】 特定の目標生成物粒子の場合、一度平衡になると、追加して加熱しても、その
粒子組成はそれ以上変わらない。加熱工程での雰囲気は、酸化性雰囲気または不
活性雰囲気である。特に、非晶質粒子の結晶性粒子への転化もしくは、一つの結
晶構造から、基本的に化学量論組成が同じで異なる結晶構造への転化では、その
雰囲気は、一般に不活性雰囲気である。これら粒子上の雰囲気は、静止していて
もよく、または気体がその系を通して流れていてもよい。For a given target product particle, once equilibrated, additional heating does not change the particle composition further. The atmosphere in the heating step is an oxidizing atmosphere or an inert atmosphere. In particular, in the conversion of amorphous particles into crystalline particles or from one crystal structure to a different crystal structure having basically the same stoichiometric composition, the atmosphere is generally an inert atmosphere. The atmosphere above these particles may be stationary or gas may be flowing through the system.
【0121】 適した酸化性ガスは、例えば、O2、O3、CO、CO2および、それらの組合
せである。O2は、空気として供給してもよい。酸化性ガスは、場合により、A
r、HeおよびN2のような不活性ガスと混合されることもある。不活性ガスが
酸化性ガスと混合される場合、そのガス混合物は、約1パーセントの酸化性ガス
から約99パーセントの酸化性ガス、そしてより望ましくは約5パーセントの酸
化性ガスから約99パーセントの酸化性ガスを含んでいてもよい。あるいはまた
、希望により、基本的に純粋な酸化性ガスまたは純粋な不活性ガスのいずれかを
用いることもできる。Suitable oxidizing gases are, for example, O 2 , O 3 , CO, CO 2 and combinations thereof. O 2 may be supplied as air. The oxidizing gas may be A
r, sometimes mixed with an inert gas such as He and N 2. When the inert gas is mixed with the oxidizing gas, the gas mixture may comprise from about 1 percent oxidizing gas to about 99 percent oxidizing gas, and more preferably from about 5 percent oxidizing gas to about 99 percent. An oxidizing gas may be included. Alternatively, if desired, either essentially pure oxidizing gas or pure inert gas can be used.
【0122】 製造される金属酸化物粒子のタイプを変えるために、精密な条件を変更するこ
とができる。例えば、温度、加熱時間、加熱および冷却速度、ガスおよびガスに
対する暴露条件の全てが、希望に応じて変えられる。一般に、酸化性雰囲気下で
加熱する場合、加熱時間が長い程、平衡に達するまでに、その材料に取込まれる
酸素の量が多くなる。一度、平衡条件に到達すると、その総合的条件が粉末の結
晶相を決める。The precise conditions can be changed to change the type of metal oxide particles produced. For example, temperature, heating time, heating and cooling rates, gases and exposure conditions to gases are all varied as desired. Generally, when heating in an oxidizing atmosphere, the longer the heating time, the greater the amount of oxygen incorporated into the material before equilibrium is reached. Once equilibrium conditions are reached, the overall conditions determine the crystalline phase of the powder.
【0123】 この加熱を行うために、多様なオーブンまたは類似の装置が用いられる。この
工程を行う装置660の一例が、図22Aに示されている。ガラスまたは他の不
活性な材料から作られる装置660は、ジャー662を含み、その中に粒子が置
かれる。適したガラス反応器ジャーはAce Glass(Vineland,
NJ)から入手できる。このガラスジャー662の上部は、ジャー662とキャ
ップ664の間のTeflonR(テフロン)ガスケット666でガラスキャッ
プ664にシールされている。キャップ664は、一つまたはそれ以上のクラン
プで押さえられている。キャップ664は、それぞれTeflonRのブッシン
グの付いた、複数のポート668を含んでいる。キャップ664の中心ポート6
68を通して、複数の刃の付いたステンレス鋼の撹拌棒670が挿入されている
のが望ましい。撹拌棒670は、適当なモータに接続されている。A variety of ovens or similar devices are used to perform this heating. An example of an apparatus 660 that performs this step is shown in FIG. 22A. A device 660 made of glass or other inert material includes a jar 662 in which the particles are placed. A suitable glass reactor jar is Ace Glass (Vineland,
NJ). The top of the glass jar 662 is sealed to the glass cap 664 with Teflon R (Teflon) gasket 666 between jar 662 and the cap 664. Cap 664 is held down by one or more clamps. Cap 664, with a bushing of Teflon R respectively include a plurality of ports 668. Center port 6 of cap 664
Preferably, a stainless steel stir bar 670 with a plurality of blades is inserted through 68. The stir bar 670 is connected to a suitable motor.
【0124】 ジャー662にガスを導入するためにポート668を通して、一つまたはそれ
以上の管672が挿入されている。管672は、ステンレス鋼または他の不活性
の材料からで作られる。ジャー662中にガスを分配するために管672のチッ
プにディフューザ(拡散器)674が含まれている。ヒータ/炉676は、普通
、ジャー662の回り置かれている。適切な抵抗ヒータが、Glas−col(
Terre Haute,IN)から入手できる。一つのポートが、一つのT字
連結管678を含んでいるのが望ましい。ジャー662中の温度は、T字連結管
678を通して挿入された熱電対678で測定される。T字連結管678は、さ
らにベント(vent)680に連結される場合もある。ベント680は、ジャ
ー662を通って循環されるガスを出し入れするために備えられている。ベント
680は、ヒューム・フード(fume hood)または代りの換気装置に通
じているのが望ましい。One or more tubes 672 have been inserted through port 668 to introduce gas into jar 662. Tube 672 is made from stainless steel or other inert material. A diffuser 674 is included at the tip of tube 672 to distribute gas into jar 662. Heater / furnace 676 is typically located around jar 662. A suitable resistance heater is Glas-col (
Terre Haute, IN). Preferably, one port includes one T-connection 678. The temperature in the jar 662 is measured with a thermocouple 678 inserted through a tee 678. The T-connection 678 may be further connected to a vent 680. Vent 680 is provided to access gas circulated through jar 662. Vent 680 desirably communicates with a fume hood or alternative ventilator.
【0125】 希望のガスは、ジャー662を通して流されるのが望ましい。管672は、一
般に、酸化性ガス源および/または不活性ガス源に連結されている。希望の雰囲
気を形成させるための酸化性ガス、不活性ガスまたはそれらの組合せは、適した
ガス源(一つまたは複数)からジャー662の中に入れられる。様々な流量を用
いることができる。この流量は、望ましくは、約1標準立法センチ/分(scc
m:標準状態での立法センチ)から約1000sccmの間、そしてより望まし
くは、約10sccmから約500sccmの間である。この流量は、普通、こ
の加工工程の間、一定であるが、ガスの流量と組成は、希望により、加工継続時
間にわたって系統的に変えられる。あるいはまた、静止したガス雰囲気を用いる
ことができる。The desired gas is desirably flowed through jar 662. Tube 672 is generally connected to an oxidizing gas source and / or an inert gas source. An oxidizing gas, an inert gas, or a combination thereof, to form the desired atmosphere, is placed into jar 662 from a suitable gas source (s). Various flow rates can be used. This flow rate is desirably about 1 standard cubic centimeter / minute (scc
m: standard cubic centimeter) to about 1000 seem, and more desirably from about 10 seem to about 500 seem. This flow rate is usually constant during this processing step, but the gas flow rate and composition can be systematically varied over the processing duration, if desired. Alternatively, a stationary gas atmosphere can be used.
【0126】 酸化マンガンおよびリチウム酸化マンガン・ナノ粒子を加工する場合、例えば
、その温度は、望ましくは約50℃と約600℃の間そして、そしてより望まし
くは約50℃と約550℃の間、そして、より望ましくは約60℃と約400℃
の間の場合もある。この加熱は、約5分以上続けるのが望ましく、そして一般に
、約2時間から約120時間、望ましくは約2時間から約25時間続けられる。
希望の物質を得るための適切な条件を作るために、或る程度の経験的な調整が必
要な場合もある。マイルドな条件を使用すると、より大きい粒径になる粒子間の
焼結を避けることになる。平均粒径を幾分大きくするために或る程度高い温度で
、幾分制御して、それら粒子の焼結を行う場合もある。When processing manganese oxide and lithium manganese oxide nanoparticles, for example, the temperature is preferably between about 50 ° C. and about 600 ° C., and more preferably between about 50 ° C. and about 550 ° C. And more desirably, about 60 ° C. and about 400 ° C.
Sometimes between. This heating preferably lasts about 5 minutes or more, and generally lasts from about 2 hours to about 120 hours, preferably from about 2 hours to about 25 hours.
Some empirical adjustment may be required to create the appropriate conditions to obtain the desired material. The use of mild conditions avoids sintering between the larger particles. In some cases, the sintering of the particles may be performed at a somewhat elevated temperature and with some control to somewhat increase the average particle size.
【0127】 結晶性のVO2を斜方晶系のV2O5および2‐D結晶性V2O5へ、そして非晶
性V2O5を斜方晶系のV2O5および2‐D結晶性V2O5へ変換する条件が、本明
細書に引用参照されている“加熱による酸化バナジウム粒子の加工”という名称
の、共通権利人により同時出願されている、米国特許出願08/897,903
号明細書[発明者:Bi(バイ)達)の中に説明されている。Crystalline VO 2 to orthorhombic V 2 O 5 and 2-D crystalline V 2 O 5 , and amorphous V 2 O 5 to orthorhombic V 2 O 5 and 2 -Conditions for converting to crystalline V 2 O 5 are disclosed in US patent application Ser. / 897,903
(Inventor: Bi et al.).
【0128】 2.リチウム酸化マンガンの熱的製造 リチウム酸化マンガンナノ粒子を調製するための代替法で、加熱加工法が、ナ
ノスケールのリチウム酸化マンガンを調製するために利用できることが見いださ
れた。リチウム酸化マンガンの熱的調製のための推奨される方法では、酸化マン
ガンナノ粒子は先ずリチウム化合物の混合物と混合される。得られた混合物は、
オーブン中で、リチウム酸化マンガンを調製するために加熱される。酸化マンガ
ンの格子中にリチウムを組み入れる結果になるこの加熱は、酸化性雰囲気中また
は不活性雰囲気中で行われる。どちらのタイプの雰囲気中でも加熱工程は、一般
に、酸素/マンガン比、リチウム/マンガン比、リチウム/酸素比または、それ
らの組合せを変える結果になる。[0128] 2. Thermal Production of Lithium Manganese Oxide In an alternative method for preparing lithium manganese oxide nanoparticles, it has been found that heat processing methods can be used to prepare nanoscale lithium manganese oxide. In the recommended method for the thermal preparation of lithium manganese oxide, manganese oxide nanoparticles are first mixed with a mixture of lithium compounds. The resulting mixture is
Heated in an oven to prepare lithium manganese oxide. This heating, which results in the incorporation of lithium into the manganese oxide lattice, is performed in an oxidizing or inert atmosphere. The heating step, in either type of atmosphere, generally results in changing the oxygen / manganese ratio, lithium / manganese ratio, lithium / oxygen ratio, or a combination thereof.
【0129】 十分マイルドな条件、即ち、酸化マンガン粒子の融点より十分低い温度を使用
すると、粒子をより大きい粒子に有意に焼結させることなしに、その酸化マンガ
ン粒子にリチウムを組入れる結果になる。リチウム化工程で用いられる酸化マン
ガン粒子はナノスケールの酸化マンガン粒子であるのが望ましい。スピネルリチ
ウム酸化マンガンは、+4以下の酸化状態の酸化マンガンから調製されることが
見いだされた。特に、+2(MnO)から+4(MnO2)の酸化状態の酸化マ
ンガンがリチウム酸化マンガンスピネルの調製に用いられる。適した酸化マンガ
ンナノ粒子は、例えば、MnO、Mn3O4、Mn2O3、Mn5O8、MnO2およ
び対応する混合相材料である。Using mild enough conditions, ie, temperatures sufficiently below the melting point of the manganese oxide particles, results in the incorporation of lithium into the manganese oxide particles without significantly sintering the particles into larger particles. The manganese oxide particles used in the lithiation step are preferably nanoscale manganese oxide particles. Spinel lithium manganese oxide has been found to be prepared from manganese oxide in an oxidation state of +4 or less. In particular, manganese oxide in the oxidation state of +2 (MnO) to +4 (MnO 2 ) is used for preparing a lithium manganese oxide spinel. Suitable manganese oxide nanoparticles, for example, MnO, an Mn 3 O 4, Mn 2 O 3, Mn 5 O 8, MnO 2 and the corresponding mixed phase material.
【0130】 適したリチウム化合物に含まれるのは、例えば硝酸リチウム(LiNO3)、
塩化リチウム(LiCl)、Li2CO3、LiOH、LiOH・H2O、Li2C 2 O4、LiHC2O4、LiHC2O4・H2O、Li3C6H5O7・4H2O、LiC
OOH・H2OおよびLiC2H3O2・H2Oである。これらのリチウム化合物の
幾つかによる酸化マンガンナノ粒子中へのリチウムの組み込みには、加熱工程中
の雰囲気中に酸素を必要とする。適した酸化性ガスに含まれるのは、例えばO2
、O3、CO、CO2およびそれらの組合せである。反応物ガスは、Ar、Heお
よびN2のような不活性ガスで稀釈することができる。例えば空気および/また
はクリーンで乾燥した空気は、酸素源および不活性ガスとして使用できる。ある
いはまた、このガス雰囲気は、他の気体を含まない不活性ガスである場合もある
。リチウム酸化マンガンは、下の実施例中で説明されるように、不活性雰囲気中
または酸化性雰囲気中のいずれかで製造された。Suitable lithium compounds include, for example, lithium nitrate (LiNOThree),
Lithium chloride (LiCl), LiTwoCOThree, LiOH, LiOH.HTwoO, LiTwoC Two OFour, LiHCTwoOFour, LiHCTwoOFour・ HTwoO, LiThreeC6HFiveO7・ 4HTwoO, LiC
OOH ・ HTwoO and LiCTwoHThreeOTwo・ HTwoO. Of these lithium compounds
Incorporation of lithium into manganese oxide nanoparticles by some requires a heating step
Requires oxygen in the atmosphere. Suitable oxidizing gases include, for example, O 2Two
, OThree, CO, COTwoAnd combinations thereof. The reactant gases are Ar, He and
And NTwoCan be diluted with an inert gas such as Eg air and / or
Clean and dry air can be used as oxygen source and inert gas. is there
Alternatively, the gas atmosphere may be an inert gas containing no other gas.
. Lithium manganese oxide is used in an inert atmosphere as described in the Examples below.
Or manufactured in an oxidizing atmosphere.
【0131】 さらに、この熱処理は、結晶格子の改変および/または、その粒子上に吸着さ
れた化合物の除去という結果をもたらし、その粒子の性質を改善する。オーブン
中での金属酸化物ナノ粒子の加工は、本明細書に引用参照されている“加熱によ
る酸化バナジウム粒子の加工”という名称の、共通権利人により同時出願されて
いる、米国特許出願08/897,903号明細書(出願日:1997年7月2
1日)の中でさらに一般的に、考察されている。特に、マイルドな条件下での加
熱加工は、レーザ熱分解で調製されたリチウム酸化マンガンナノ粒子の結晶構造
を変えるために用いられる。特に、非晶質のリチウム酸化マンガンは、徐冷熱処
理により、より大きい粒子に、その粒子を焼結することなしに、結晶性の立方体
スピネル・リチウム酸化マンガンに変えられる。Further, this heat treatment may result in modification of the crystal lattice and / or removal of compounds adsorbed on the particles, improving the properties of the particles. The processing of metal oxide nanoparticles in an oven is described in co-pending U.S. patent application Ser. No. 08 / 88,897, entitled "Processing Vanadium Oxide Particles by Heating", which is hereby incorporated by reference. No. 897,903 (filing date: July 2, 1997)
1) are discussed more generally. In particular, heat processing under mild conditions is used to change the crystal structure of lithium manganese oxide nanoparticles prepared by laser pyrolysis. In particular, amorphous lithium manganese oxide can be converted to crystalline cubic spinel lithium manganese oxide by slow cooling heat treatment into larger particles without sintering the particles.
【0132】 リチウムの組込みおよび/または、試料の徐冷熱処理のための加熱加工を行う
ために多様な装置が用いられる。例えば、上述のような、図22Aに示されてい
る加熱装置が、リチウム組込みのための加熱加工を行うために用いられる。この
加工を行なうためのもう一つに態様の装置700が、図22Bに示されている。
装置700は、管702を含んでおり、それに粒子が入れられる。管702は、
反応物ガス源704および不活性ガス源706に連結されている。希望の雰囲気
を作るために、反応物ガス、不活性ガスあるいは、それらの組合せが、管702
内に入れられる。[0132] Various devices are used to perform heat processing for incorporation of lithium and / or annealing heat treatment of a sample. For example, the heating device shown in FIG. 22A as described above is used to perform a heating process for incorporating lithium. Another embodiment of an apparatus 700 for performing this processing is shown in FIG. 22B.
Apparatus 700 includes a tube 702 into which particles are placed. Tube 702 is
It is connected to a reactant gas source 704 and an inert gas source 706. To create the desired atmosphere, reactant gas, inert gas, or a combination thereof, is added to the tube 702.
Inside.
【0133】 この希望のガスが、管702を通して流されるのが望ましい。管702はオー
ブンあるいは炉708の中に置かれる。オーブン708は、その管の適切な部分
を比較的一定の温度に維持するが、この温度は、希望に応じて、その加工工程中
に、計画的に変えることができる。オーブン708の中の温度は普通、熱電対7
10で測定される。バイアル712は、ガス流による粒子の減損を防ぐ。バイア
ル712は、普通、その開放端をガス流源の方向に向けて置かれる。この加熱工
程中にリチウム酸化マンガンを調製するために、酸化マンガン粒子とリチウム化
合物の粒子の混合物が、バイアル712内の管702中に入れられる。代替の態
様で、レーザ熱分解で製造されたリチウム酸化マンガンは、管702中で加熱す
るためにバイアル712中に入れられる。Preferably, the desired gas is flowed through tube 702. Tube 702 is placed in an oven or furnace 708. Oven 708 maintains a suitable portion of the tube at a relatively constant temperature, which can be varied systematically during the processing if desired. The temperature in the oven 708 is usually
Measured at 10. Vials 712 prevent particles from being depleted by the gas flow. The vial 712 is typically placed with its open end facing the gas flow source. To prepare lithium manganese oxide during this heating step, a mixture of manganese oxide particles and particles of a lithium compound is placed in a tube 702 in a vial 712. In an alternative embodiment, lithium manganese oxide produced by laser pyrolysis is placed in a vial 712 for heating in tube 702.
【0134】 希望するタイプの生成物を製造するために、酸化性ガス(もし存在すれば)の
タイプ、酸化性ガスの濃度、ガスの圧力もしくは流量、温度および加工時間を含
む精密な条件が選定される。温度は一般にマイルド、即ちその材料の融点より有
意に低い温度である。マイルドな条件を用いれば、より大きい粒径になる粒子間
焼結が避けられる。僅かに大きい平均粒径の物を製造するために、オーブン70
8の中で、或る程度高い温度で、或る程度制御して、この粒子の焼結を行うこと
もできる。Precise conditions are selected to produce the desired type of product, including the type of oxidizing gas (if any), the concentration of the oxidizing gas, the pressure or flow rate of the gas, the temperature and the processing time. Is done. The temperature is generally mild, ie, a temperature significantly below the melting point of the material. The use of mild conditions avoids intergranular sintering of larger grain sizes. Oven 70 to produce a slightly larger average particle size.
In FIG. 8, the sintering of the particles can also be carried out at a somewhat higher temperature and with a certain control.
【0135】 酸化マンガンにリチウムを組込むためには、その温度は、望ましくは約60℃
から約600℃の範囲で、そしてより望ましくは、約100℃から約550℃で
ある。この粒子は、望ましくは約5分間から約100時間の間加熱される。レー
ザ熱分解で製造されたリチウム酸化マンガンの加熱加工(徐冷熱処理)のために
は、その温度は、望ましくは約50℃から約600℃の範囲で、そしてより望ま
しくは、約50℃から約550℃である。このリチウム酸化マンガン粒子は、望
ましくは約5分間から約100時間の間加熱される。希望の材料を得るために適
切な条件を生成させるために、或る程度の経験的調整が必要な場合もある。To incorporate lithium into the manganese oxide, the temperature is desirably about 60 ° C.
To about 600 ° C, and more desirably from about 100 ° C to about 550 ° C. The particles are desirably heated for about 5 minutes to about 100 hours. For heat processing (anneal heat treatment) of lithium manganese oxide produced by laser pyrolysis, the temperature is preferably in the range of about 50 ° C. to about 600 ° C., and more preferably about 50 ° C. to about 600 ° C. 550 ° C. The lithium manganese oxide particles are desirably heated for about 5 minutes to about 100 hours. Some empirical adjustments may be required to create the appropriate conditions to obtain the desired material.
【0136】 C.粒子の性質 例えば、酸化マンガンまたはリチウム酸化マンガンのいずれかを含む、問題に
している粒子の集合体は、一般に、約500nm未満、望ましくは約5nmから
約100nm、さらにより望ましくは約5nmから約50nmの一次粒子の平均
粒径を有する。この一次粒子は、普通、大体球形で光沢のある外観を有する。よ
り綿密に調べると、結晶性粒子は、普通、その下に存在する結晶格子に対応する
小面(facets)を有している。それにもかかわらず、結晶性の一次粒子は
、物理的三次元方向に大体等しく成長する傾向があり、光沢のある球状の外観を
示す。望ましい態様では、その一次粒子の95パーセント、そして望ましくは9
9パーセントは、主軸に沿った寸法/非主軸(minor axis)に沿った
寸法の比が約2以下である。非対称軸を有する粒子での直径の測定は、その粒子
の主軸に沿っての測定長の平均に基づく。C. The nature of the particles, for example, the population of particles in question, including either manganese oxide or lithium manganese oxide, is generally less than about 500 nm, preferably from about 5 nm to about 100 nm, and even more desirably from about 5 nm to about 50 nm. Has the average particle size of the primary particles. The primary particles usually have a generally spherical and glossy appearance. Upon closer inspection, crystalline particles usually have facets corresponding to the underlying crystal lattice. Nevertheless, crystalline primary particles tend to grow approximately equally in the physical three-dimensional direction and exhibit a shiny, spherical appearance. In a preferred embodiment, 95 percent of the primary particles, and preferably 9 percent
Nine percent has a ratio of dimension along the major axis / dimension along the minor axis of about 2 or less. The measurement of the diameter for particles having an asymmetric axis is based on the average of the measured lengths along the main axis of the particle.
【0137】 それらの粒径が小さいことにより、この一次粒子は、隣接する粒子の間で、フ
ァンデルワールス力および他の電磁力により、ゆるい集合体を形成する傾向があ
る。にも拘らず、このナノメータ・スケールの一次粒子は、その粒子の透過電子
顕微写真で明瞭に観察できる。この粒子は、普通、その電子顕微写真で観察され
るようなナノメータ・スケールの粒子に対応する表面積を有する。さらに、この
粒子は、その小さいサイズと材料の重量当たりの大きい表面積に因り、ユニーク
な性質を示す。例えば、酸化バナジウムナノ粒子は、本明細書に引用参照されて
いる“電気活性ナノ粒子を含む電池”(“Batteries With El
ectroactive Nanoparticles”)という名称の米国特
許第5,952,125号明細書に説明されているように、一般に、リチウム電
池で驚く程大きいエネルギー密度を示す。Due to their small size, the primary particles tend to form loose aggregates between adjacent particles due to van der Waals forces and other electromagnetic forces. Nevertheless, the nanometer-scale primary particles are clearly observable in transmission electron micrographs of the particles. The particles typically have a surface area corresponding to particles on the nanometer scale as observed in their electron micrographs. In addition, the particles exhibit unique properties due to their small size and high surface area per weight of material. For example, vanadium oxide nanoparticles are described in “Batteries With El.”
Lithium batteries generally exhibit surprisingly high energy densities, as described in U.S. Pat. No. 5,952,125, entitled "Electroactive Nanoparticles").
【0138】 この一次粒子はサイズの均一性が高いのが望ましい。上述のように、レーザ熱
分解は、一般に非常に狭い粒径範囲を有する一次粒子を生じる。さらにまた、マ
イルドな条件下での加熱加工はこの非常に狭い粒径範囲を変えない。エーロゾル
送達法では、その粒径分布は反応条件に特に敏感である。にも拘らず、反応条件
が適切に制御されていれば、上述のようにエーロゾル送達系で非常に狭い粒径範
囲が得られる。透過電子顕微写真の検討から求められるように、この一次粒子は
一般に、その一次粒子の少くとも約95パーセント、そして望ましくは99パー
セントがその平均粒径の約40パーセントより大きく、且つ平均粒径の約160
パーセントより小さい直径を有するような粒径分布を有している。この一次粒子
は、その一次粒子の少くとも約95パーセントが、そして望ましくは99パーセ
ントが、その平均粒径の約60パーセントより大きく、且つ平均粒径の約140
パーセントより小さい直径を有するような粒径分布をしているのが望ましい。The primary particles desirably have high uniformity in size. As mentioned above, laser pyrolysis generally produces primary particles having a very narrow size range. Furthermore, heat processing under mild conditions does not change this very narrow particle size range. In aerosol delivery methods, the particle size distribution is particularly sensitive to reaction conditions. Nevertheless, if the reaction conditions are properly controlled, a very narrow particle size range can be obtained with the aerosol delivery system as described above. As determined from transmission electron microscopy studies, the primary particles generally have at least about 95 percent, and preferably 99 percent, of the primary particles are greater than about 40 percent of the average particle size, and About 160
It has a particle size distribution such that it has a diameter less than a percent. The primary particles have at least about 95 percent, and preferably 99 percent, of the primary particles are greater than about 60 percent of the average particle size and about 140 percent of the average particle size.
Desirably, the particle size distribution has a diameter less than a percent.
【0139】 さらにまた、望ましい態様では、全ての一次粒子が、平均粒径の約4倍、そし
て望ましくは平均粒径の3倍、そしてより望ましくは平均粒径の2倍より大きい
平均粒径を有しない。換言すれば、その粒径分布は、有意により大きい径を有す
る少数の粒子を示すテール(すそ)を事実上持たない。これは、反応領域が小さ
く、それに対応して粒子が急速に冷却される結果である。そのテールでの実質的
なカットオフ(途切れ)は、その平均粒径の上の特定切り捨て値より大きい直径
を有する粒子は、106個の粒子中約1粒子より少ないことを示唆する。この狭
い粒径分布とその分布にテールがないこと、およびその球状の形態構造のために
、多様な用途に利用することができる。Still further, in a preferred embodiment, all primary particles have an average particle size of about four times the average particle size, and preferably three times the average particle size, and more preferably more than twice the average particle size. Do not have. In other words, the particle size distribution has virtually no tail indicating a small number of particles having a significantly larger diameter. This is the result of a small reaction zone and a corresponding rapid cooling of the particles. Substantially cut-off at the tail (broken), the particles having a diameter greater than a particular cutoff value on the average particle size suggests that less than about 1 particle in 10 6 particles. Because of this narrow particle size distribution and its taillessness, and its spherical morphology, it can be used in a variety of applications.
【0140】 さらに、このナノ粒子は、一般に、非常に高水準の純度を有している。上に説
明した方法で製造された結晶性の酸化マンガンおよびリチウム酸化マンガンナノ
粒子は、その結晶形成過程が不純物を結晶格子から排除する傾向があるので、反
応物より、より高い純度を有することが期待される。さらに、レーザ熱分解で製
造された結晶性の酸化マンガン粒子は、高い結晶度を有する。同様に、加熱加工
で製造された結晶性のリチウム酸化マンガンナノ粒子は、高い結晶度を有する。
これら粒子の表面上の不純物は、その粒子を加熱することにより除去され、高い
結晶純度だけでなく、高い総合的純度を達成することができる。In addition, the nanoparticles generally have a very high level of purity. Crystalline manganese oxide and lithium manganese oxide nanoparticles produced by the methods described above may have a higher purity than the reactants, as the crystal formation process tends to exclude impurities from the crystal lattice. Be expected. Furthermore, crystalline manganese oxide particles produced by laser pyrolysis have a high degree of crystallinity. Similarly, crystalline lithium manganese oxide nanoparticles produced by heat processing have high crystallinity.
Impurities on the surface of these particles are removed by heating the particles, so that not only high crystal purity but also high overall purity can be achieved.
【0141】 酸化マンガンは、+2から+4の広い範囲の酸化状態で存在することが知られ
ている。酸化マンガンでの最も普通の化学量論組成に含まれるのは、MnO、M
n3O4、Mn2O3、Mn5O8およびMnO2である。MnOとMn5O8は、ただ
一つの既知の結晶相を有する。特に、MnOは立方晶系構造を有し、一方Mn5
O8は単斜晶系結晶構造を有する。これら酸化マンガンの幾つかは、他の代りの
結晶構造を有する。例えば、Mn3O4は、正方晶系または斜方晶系結晶構造のい
ずれかを有する。Mn2O3は、立方晶系または六方晶系結晶構造のいずれかを有
する。また、MnO2は、立方晶系、斜方晶系または正方晶系結晶構造のいずれ
かを有する。Manganese oxide is known to exist in a wide range of oxidation states from +2 to +4. Among the most common stoichiometric compositions for manganese oxide are MnO, M
n 3 O 4 , Mn 2 O 3 , Mn 5 O 8 and MnO 2 . MnO and Mn 5 O 8 has only one known crystal phases. In particular, MnO has a cubic structure while Mn 5
O 8 has a monoclinic crystal structure. Some of these manganese oxides have other alternative crystal structures. For example, Mn 3 O 4 has either a tetragonal or orthorhombic crystal structure. Mn 2 O 3 has either a cubic or hexagonal crystal structure. MnO 2 has any of a cubic, orthorhombic or tetragonal crystal structure.
【0142】 リチウム酸化マンガンは、その酸化マンガン状態図の複雑さの幾つかを反映し
て複雑な状態図を有する。リチウム酸化マンガンのリチウム含有量の多いスピネ
ル相は,Li1+XMn2-XO4(0≦x≦0.33)の範囲にわたる化学量論組成
を持つことが可能である。さらに、LiMn2O4+y(−0.4 0≦y≦0.5
)の化学量論組成を有する酸素に富んだ(欠損、yが負)欠損スピネル相が存在
する。さらにまた、リチウム酸化マンガンは、Li1+ZMn2O4(0≦z≦0.
2)の化学量論組成に対応してリチウム欠損している場合もある。全体として、
これらスピネルおよび欠損スピネルは、Li1+X-ZMn2-XO4+y(0≦x≦0.
33、0.4≦y≦0.5および、0≦z≦0.2)の化学量論組成にわたる。
Li2MnO3、Li0.33MnO2、Li4Mn5O12、正方晶系LiXMn2O4(1
.8≦x≦2.2)、LiMnO2、およびλ‐MnO2のような、他の状態のリ
チウム酸化マンガンが知られている。λ‐MnO2は、LiMn2O4からリチウ
ムを、例えば1M‐H2SO4またはHNO3のような酸で化学的に抽出すること
により調製できる。λ‐MnO2は、抽出条件に依存して、LiXMn2O4(0.
05≦x≦0.20)の構造を有する。Lithium manganese oxide has a complex phase diagram reflecting some of the complexity of its manganese oxide phase diagram. The lithium-rich spinel phase of lithium manganese oxide can have a stoichiometric composition ranging from Li 1 + X Mn 2-X O 4 (0 ≦ x ≦ 0.33). Further, LiMn 2 O 4 + y (−0.40 ≦ y ≦ 0.5
) There is an oxygen-rich (defective, y is negative) defective spinel phase having a stoichiometric composition of: Furthermore, lithium manganese oxide is Li 1 + Z Mn 2 O 4 (0 ≦ z ≦ 0.
In some cases, lithium is deficient corresponding to the stoichiometric composition of 2). as a whole,
These spinels and defective spinels are composed of Li 1 + XZ Mn 2-X O 4 + y (0 ≦ x ≦ 0.
33, 0.4 ≦ y ≦ 0.5 and 0 ≦ z ≦ 0.2).
Li 2 MnO 3 , Li 0.33 MnO 2 , Li 4 Mn 5 O 12 , tetragonal Li X Mn 2 O 4 (1
. Other states of lithium manganese oxide are known, such as 8 ≦ x ≦ 2.2), LiMnO 2 , and λ-MnO 2 . λ-MnO 2 can be prepared by chemically extracting lithium from LiMn 2 O 4 with an acid such as 1M H 2 SO 4 or HNO 3 . λ-MnO 2 is Li x Mn 2 O 4 (0.
05 ≦ x ≦ 0.20).
【0143】 D.リチウム酸化マンガンの電池への応用 図23を参照して説明すると、電池750は、陰極752、陽極757および
陰極752と陽極754の間のセパレータ756を有する。単一の電池が、多く
の陽極および/または陰極を含んでいる場合もある。電解質は、下でさらに説明
する多様な方法で供給される。電池750は、それぞれ、陰極752および陽極
754に連結した集電体758、760を含んでいるのが望ましい。複数の集電
体は、希望に応じて、各電極に連結されていてもよい。D. Application of Lithium Manganese Oxide to Battery Referring to FIG. 23, the battery 750 has a cathode 752, an anode 757, and a separator 756 between the cathode 752 and the anode 754. A single battery may include many anodes and / or cathodes. The electrolyte is provided in a variety of ways as described further below. Battery 750 preferably includes current collectors 758, 760 connected to cathode 752 and anode 754, respectively. A plurality of current collectors may be connected to each electrode as desired.
【0144】 リチウムは最も軽い金属であり、最も電気陽性度の大きい金属なので、電池中
での還元/酸化反応に用いられてきた。特定の形の酸化マンガンは、その構造中
に、層間挿入もしくは類似のトポ化学的吸収のような機構により追加のリチウム
イオンを取込むことが知られている。適切な形のリチウム化酸化マンガン格子に
リチウムイオンを層間挿入するとLiXMnOYが生成する。Since lithium is the lightest metal and the metal with the highest electropositivity, it has been used for reduction / oxidation reactions in batteries. Certain forms of manganese oxide are known to incorporate additional lithium ions into their structure by mechanisms such as intercalation or similar topochemical absorption. Intercalation of lithium ions into an appropriately shaped lithiated manganese oxide lattice produces Li x MnO Y.
【0145】 リチウム酸化マンガンスピネルの中で、そのリチウムの一部は、正四面体スピ
ネル格子部位に存在する。この格子にリチウムを取込むことによる変化は、その
正四面体部位におけるリチウムの量を、マンガン原子2個当たり約0.1から約
1.0個変動させることもある。リチウム濃度が十分低いと、そのスピネル結晶
構造が壊れる。また一方、一度その正四面体部位が本質的に満たされると、追加
のリチウムはスピネル格子内の八面体層間部位を占有することがある。In the lithium manganese oxide spinel, a part of the lithium is present in a tetrahedral spinel lattice site. Changes due to the incorporation of lithium into the lattice may change the amount of lithium at its tetrahedral sites from about 0.1 to about 1.0 per two manganese atoms. If the lithium concentration is low enough, the spinel crystal structure will be broken. On the other hand, however, once the tetrahedral site is essentially full, additional lithium may occupy the octahedral interlayer site in the spinel lattice.
【0146】 リチウムは、その電池の放電中にリチウム酸化マンガン格子に層間挿入される
。放電時に、その陽極は陰極として作用し、そしてその陰極は陽極として作用す
る。再充電時に、そのリチウムは格子を離れる。即ち、電流が陽極に流れるよう
に電池に電圧を加えると、その電池に外部EMF(起電力)が印加されることに
因り、そのリチウムは格子を離れる。適したリチウム酸化マンガンは、リチウム
またはリチウムイオン電池中の陽極用に有効な電気活性材料である。[0146] Lithium is intercalated into the lithium manganese oxide lattice during discharge of the battery. Upon discharge, the anode acts as a cathode, and the cathode acts as an anode. Upon recharging, the lithium leaves the grid. That is, when a voltage is applied to the battery so that current flows to the anode, the lithium leaves the lattice due to the application of external EMF (electromotive force) to the battery. Suitable lithium manganese oxides are effective electroactive materials for anodes in lithium or lithium ion batteries.
【0147】 リチウムベースの電池内の陽極活性材料として使用するのに適した数種の形の
リチウム酸化マンガンスピネルが存在する。化学量論組成のスピネル、LiMn 2 O4 は、正四面体位置の1/8を占有するリチウムと八面体位置の1/2を占
有するマンガンを含む酸素最密充填格子から成る標準スピネルである。電気化学
的電池内のこの材料からリチウムが除かれると、その電池の電圧は、一般に、約
3.5V以上になり、標準的には3.8V以上で、約4.4Vまたはそれ以上に
なる場合もある。このような電圧曲線(voltage profile)は4
ボルト曲線と呼ばれ、そしてその電池から引出される容量は4ボルト容量と呼ば
れる。評価できる量の4ボルト容量を有する材料を4ボルト材料と呼ぶ。[0147] Several forms of suitable for use as anode active materials in lithium-based batteries are provided.
There is a lithium manganese oxide spinel. Stoichiometric spinel, LiMn Two OFourOccupies one-eighth of the tetrahedral position and one-half of the octahedral position.
A standard spinel consisting of an oxygen close packed lattice containing manganese. Electrochemistry
When lithium is removed from this material in a typical battery, the voltage of the battery will generally be about
3.5V or higher, typically 3.8V or higher, about 4.4V or higher
In some cases. Such a voltage profile is 4
Called the volt curve, and the capacity drawn from the battery is called the 4 volt capacity
It is. A material having an appreciable amount of 4 volt capacity is called a 4 volt material.
【0148】 過剰のリチウムが存在すると、リチウム置換スピネル、Li1+yMn2-yO4が
生成し、その過剰なリチウムは、そのマンガン部位を占拠する。yが約0.33
より小さい値である場合、リチウムは、まだ抽出可能であり、そしてこの材料を
含む電池は、4ボルト曲線を示すに違いない。yが増加してくると、抽出できる
リチウムの量は、付随して起きる4ボルト容量の減少と共に減少する。In the presence of excess lithium, a lithium-substituted spinel, Li 1 + y Mn 2-y O 4, is formed, the excess lithium occupying the manganese site. y is about 0.33
At lower values, lithium is still extractable, and batteries containing this material must exhibit a 4 volt curve. As y increases, the amount of lithium that can be extracted decreases with a concomitant decrease in 4 volt capacity.
【0149】 Li1.33Mn1.67O4またはLi4Mn5O12の化学量論組成を有する、大体0
.33の値である場合、この材料は、僅かな4ボルト容量が残るだけであるから
、3ボルト材料になる。このような曲線は、3ボルト曲線と呼ばれ、そしてこの
電池から引出される容量は、3ボルト容量と呼ばれる。認識できる量の3ボルト
容量を有するこの材料は、3ボルト材料と呼ばれる。[0149] Almost 0 with a stoichiometric composition of Li 1.33 Mn 1.67 O 4 or Li 4 Mn 5 O 12
. At a value of 33, this material is a 3 volt material since only a small 4 volt capacity remains. Such a curve is called a 3 volt curve, and the capacity drawn from the battery is called a 3 volt capacity. This material having a recognizable amount of 3 volt capacity is called 3 volt material.
【0150】 そのスピネル中にカチオン性の空席が存在する場合、一般式:Li1-δMn2- 2 δO4を有する欠損スピネルが生成する。普通の形はz=0.11の欠損スピネ
ルで、Li0.89Mn1.78O4またはLi2Mn4O9を生じる。この材料は主として
3ボルト材料である。さらに、この材料は、普通、酸素に富んだ雰囲気中で合成
される低温材料である。酸素雰囲気中で高温にまで加熱するか、または不活性雰
囲気中で加熱すると、Li2Mn4O9はLiMn2O4に変換される。[0150] As a case where in the spinel there is cationic vacancies, the general formula: defects spinel having Li 1- δMn 2- 2 δO 4 is produced. The common form is a defective spinel with z = 0.11, yielding Li 0.89 Mn 1.78 O 4 or Li 2 Mn 4 O 9 . This material is primarily a three volt material. In addition, this material is a low temperature material that is typically synthesized in an oxygen-rich atmosphere. When heated to a high temperature in an oxygen atmosphere or when heated in an inert atmosphere, Li 2 Mn 4 O 9 is converted to LiMn 2 O 4 .
【0151】 陽極754は、高分子バインダーなどのバインダーで結合されているリチウム
酸化マンガンナノ粒子のような電気活性ナノ粒子を含んでいる。陽極754で用
いられるナノ粒子は、普通、任意の形状を有し、例えば、大体球状のナノ粒子あ
るいは細長いナノ粒子である。リチウム酸化マンガンに加えて、陽極754は、
TiO2ナノ粒子、酸化バナジウムナノ粒子および/または酸化マンガンナノ粒
子のような他の電気活性ナノ粒子を含んでいてもよい。TiO2ナノ粒子の製造
については、本明細書に引用参照されている米国特許第4,705,762号明
細書に説明されている。リチウムをベースにする電池中での酸化バナジウムナノ
粒子の利用は、本明細書に引用参照されている“電気活性ナノ粒子を含む電池”
(“Batteries With Electroactive Nanop
articles)という名称の米国特許第5,952,125号明細書に説明
されている。[0151] The anode 754 includes electroactive nanoparticles, such as lithium manganese oxide nanoparticles, bound with a binder, such as a polymeric binder. The nanoparticles used in the anode 754 typically have any shape, for example, generally spherical nanoparticles or elongated nanoparticles. In addition to lithium manganese oxide, anode 754
Other electroactive nanoparticles such as TiO 2 nanoparticles, vanadium oxide nanoparticles and / or manganese oxide nanoparticles may be included. The preparation of TiO 2 nanoparticles is described in US Pat. No. 4,705,762, which is incorporated herein by reference. The use of vanadium oxide nanoparticles in lithium-based batteries is described in “Batteries Containing Electroactive Nanoparticles”, which is incorporated herein by reference.
("Batteries With Electroactive Nanop
This is described in U.S. Patent No. 5,952,125 entitled "articles".
【0152】 電気活性材料の幾つかは、適度の電気伝導体であるが、陽極は、一般に、この
電気活性ナノ粒子に加えて、電気伝導性の粒子を含んでいる。これらの補助的な
電気伝導性の粒子も、普通、バインダーで保持されている。適した電気伝導性粒
子に含まれるのは、カーボンブラックのような炭素粒子、銀粒子のような金属粒
子および類似の粒子である。[0152] Some of the electroactive materials are modest electrical conductors, but the anode generally includes, in addition to the electroactive nanoparticles, electrically conductive particles. These auxiliary electrically conductive particles are also usually held by a binder. Suitable electrically conductive particles include carbon particles such as carbon black, metal particles such as silver particles, and the like.
【0153】 バインダー中の粒子の装填量は大きくすることが可能である。粒子は、望まし
くは、その陽極の約80重量パーセント以上、そしてより望ましくは約90重量
パーセント以上を構成する。バインダーは、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレ
ンオキシド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポ
リアクリレート、エチレン‐(プロピレン‐ジエン単量体)共重合体(EPDM
)および、それらの混合物およびそれらの共重合体である。The loading of particles in the binder can be large. The particles desirably comprise at least about 80 weight percent of the anode, and more desirably at least about 90 weight percent. The binder is polyvinylidene fluoride, polyethylene oxide, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylate, ethylene- (propylene-diene monomer) copolymer (EPDM
) And their mixtures and their copolymers.
【0154】 陰極752は、リチウムイオン電解質と共に使用するのに適している多様な材
料から構成されている。リチウム電池の場合、この陰極は、箔、グリッドあるい
はバインダー中の金属粒子のいずれかの形状のリチウム金属もしくはリチウム合
金を含んでいる。[0154] Cathode 752 is comprised of a variety of materials suitable for use with lithium ion electrolytes. In the case of a lithium battery, the cathode comprises lithium metal or a lithium alloy in the form of either a foil, grid or metal particles in a binder.
【0155】 リチウムイオン電池は、リチウムを層間挿入できる組成物の粒子を使用する。
この粒子は、陰極中にバインダーで保持されている。適した層間挿入化合物は、
例えば、黒鉛、合成黒鉛、コークス、メゾカーボン、ドープ・カーボン、フラー
レン、五酸化ニオブ、スズ合金、SnO2およびそれらの混合物および複合材料
である。Lithium ion batteries use particles of a composition that can intercalate lithium.
The particles are held in the cathode by a binder. Suitable intercalation compounds are
For example, graphite, synthetic graphite, coke, mesocarbon, doped carbon, fullerene, niobium pentoxide, tin alloys, SnO 2 and mixtures thereof and a composite material.
【0156】 集電体758、760は、電池750からの電気の流れを促進する。集電体7
58、760は、電気伝導性で、一般に、ニッケル、鉄、ステンレス鋼、アルミ
ニウムおよび銅から作られており、そして金属箔また望ましくは、金属グリッド
である。集電体758、760は、それらの関連電極の表面にあってもよく、ま
たはそれらの関連電極の中に埋め込まれていてもよい。Current collectors 758 and 760 facilitate the flow of electricity from battery 750. Current collector 7
58,760 are electrically conductive, generally made of nickel, iron, stainless steel, aluminum and copper, and are metal foils or, preferably, metal grids. Current collectors 758, 760 may be on the surface of their associated electrodes or may be embedded within their associated electrodes.
【0157】 分離板要素756は、電気絶縁性であり、そして、少くとも或る種のタイプの
イオンの通路を提供する。この分離板を通してのイオンの透過は、その電池の異
なる区画中に電気的中性を提供する。この分離板は、一般に、陰極中の電気活性
化合物が陽極中の電気活性化合物と接触するのを防ぐ。The separator element 756 is electrically insulating and provides a path for at least some types of ions. The permeation of ions through the separator provides electrical neutrality in different compartments of the battery. The separator generally prevents the electroactive compound in the cathode from contacting the electroactive compound in the anode.
【0158】 この分離板用には、多様な材料が用いられる。例えば、この分離板は多孔性マ
トリックスを形成するガラス繊維から調製される場合もある。推奨される分離板
は、バインダーとして使用するのに適した重合体のような高分子から調製される
。高分子分離板はイオン伝導性を提供するためにポーラスであるのがよい。或い
はまた、高分子分離板はポリエチレンオキシドのような重合体から調製された固
体の電解質であってもよい。固体の電解質では、液体溶媒を必要としないでイオ
ン伝導性を提供するために、この高分子マトリックスに電解質を混和する。Various materials are used for the separation plate. For example, the separator may be prepared from glass fibers that form a porous matrix. Recommended separators are prepared from polymers such as polymers suitable for use as binders. The polymer separator may be porous to provide ionic conductivity. Alternatively, the polymer separator may be a solid electrolyte prepared from a polymer such as polyethylene oxide. For a solid electrolyte, the electrolyte is incorporated into the polymer matrix to provide ionic conductivity without the need for a liquid solvent.
【0159】 リチウム電池もしくはリチウムイオン電池用電解質に含まれるのは、多様なリ
チウム塩である。推奨されるリチウム塩は、不活性アニオンを有し、そして無毒
性である。適したリチウム塩に含まれるのは、例えば、リチウム・ヘキサフルオ
ロホスフェート、ヘキサフルオロ・ヒ酸リチウム、リチウムビス(トリフルオロ
メチルスルホニルイミド)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、リチウム
トリス(トリフルオロメチルスルホニル)メチド、テトラフルオロ・ホウ酸リチ
ウム、ペル塩素酸リチウム、テトラクロロアルミン酸リチウム、塩化リチウムお
よびリチウム・ペルフルオロブタンである。A variety of lithium salts are included in the electrolyte for a lithium battery or a lithium ion battery. The recommended lithium salts have an inert anion and are non-toxic. Suitable lithium salts include, for example, lithium hexafluorophosphate, lithium hexafluoroarsenate, lithium bis (trifluoromethylsulfonylimide), lithium trifluoromethanesulfonate, lithium tris (trifluoromethylsulfonyl) methide , Lithium tetrafluoroborate, lithium perchlorate, lithium tetrachloroaluminate, lithium chloride and lithium perfluorobutane.
【0160】 電解質を溶解するために、液体溶媒が用いられる場合、その溶媒は、不活性で
電気活性材料を溶解しないことが望ましい。一般に、適した溶媒は、炭酸プロピ
レン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、2‐メチルテトラヒドロフラン、ジオキソ
ラン、テトラヒドロフラン、1,2‐ジメトキシエタン、炭酸エチレン、γ‐ブ
チロラクトン、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、ホルムアミド、ジメチ
ルホルムアミドおよびニトロメタンである。When a liquid solvent is used to dissolve the electrolyte, it is desirable that the solvent be inert and not dissolve the electroactive material. In general, suitable solvents are propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, 2-methyltetrahydrofuran, dioxolane, tetrahydrofuran, 1,2-dimethoxyethane, ethylene carbonate, γ-butyrolactone, dimethyl sulfoxide, acetonitrile, formamide, dimethylformamide and nitromethane It is.
【0161】 電池構成成分の形状は、希望の最終製品、例えば、コイン電池、長方形構造あ
るいは円筒状電池に適合するように調整される。この電池は、一般に、集電体お
よび/または電池の電極と電気的に接触すのに適した部分を有するケーシングを
含んでいる。液状電解質が用いられる場合、このケーシングは、その電解質の漏
れを防がなければならない。このケーシングは、その電池内の抵抗を減らすため
に、電池の素子が、お互いに近接するように維持することを助ける。一つのケー
ス中に多数の電池セルを、直列または並列に連結して、入れることができる。The shape of the battery components is adjusted to suit the desired end product, for example, coin batteries, rectangular or cylindrical batteries. The battery generally includes a casing having portions suitable for making electrical contact with the current collector and / or the electrodes of the battery. If a liquid electrolyte is used, the casing must prevent leakage of the electrolyte. This casing helps keep the battery elements close to each other to reduce the resistance in the battery. A plurality of battery cells can be connected in series or in parallel in one case.
【0162】 粒子合成実施例 実施例1‐酸化マンガン粒子合成.ガス相反応物 この実施例で説明した酸化マンガン粒子の合成はレーザ熱分解で行なわれた。
これら粒子は、基本的に、上に説明した図2のレーザ熱分解装置を用い、図1に
図式的に示した固体前駆体送達システムと共に、図3の反応物送達装置を用いて
製造された。Particle Synthesis Examples Example 1-Manganese Oxide Particle Synthesis. Gas Phase Reactants The synthesis of the manganese oxide particles described in this example was performed by laser pyrolysis.
These particles were produced essentially using the laser pyrolysis apparatus of FIG. 2 described above, using the reactant delivery apparatus of FIG. 3 with the solid precursor delivery system shown schematically in FIG. .
【0163】 マンガン・カルボニル(Stream Cemical,Inc.,Newb
uryport,MA)前駆体蒸気は、Mn2(CO)10を含むその固体前駆体
送達装置を通って流れるArガスにより反応チャンバーに運ばれる。この前駆体
は、表1に示した温度に加熱された。C2H4ガスがレーザ吸収用ガスとして用い
られ、アルゴンが不活性ガスとして用いられた。Mn2(CO)10、Ar、O2お
よびC2H4を含むこの反応ガス混合物が、その反応チャンバーへの射出用の反応
物ガス用ノズルに導入された。この反応物ガスノズル、寸法:5/8インチ×1
/16インチの開口を有する。実施例1の粒子に関係するレーザ熱分解合成の追
加のパラメータが、表1に特定されている。Manganese carbonyl (Stream Chemical, Inc., Newb
(urryport, MA) precursor vapor is carried to the reaction chamber by Ar gas flowing through its solid precursor delivery device containing Mn 2 (CO) 10 . This precursor was heated to the temperature shown in Table 1. C 2 H 4 gas was used as the laser absorbing gas and argon was used as the inert gas. This reaction gas mixture comprising Mn 2 (CO) 10 , Ar, O 2 and C 2 H 4 was introduced into a reactant gas nozzle for injection into the reaction chamber. This reactant gas nozzle, dimensions: 5/8 inch x 1
It has a / 16 inch opening. Additional parameters for laser pyrolysis synthesis relating to the particles of Example 1 are specified in Table 1.
【0164】[0164]
【表1】 sccm=標準状態での立方センチ/分 slm=標準状態でのリットル/分 アルゴン‐窓(Win)=導入管216、218を通るアルゴン流 アルゴン‐遮蔽用(Sld)=環状流路142を通るアルゴン流。[Table 1] sccm = cubic centimeters per minute at standard conditions slm = liters per minute at standard conditions Argon-Window (Win) = Argon flow through inlet tubes 216, 218 Argon-Shielding (Sld) = Argon through annular channel 142 Flow.
【0165】 酸化マンガン粒子の生産速度は、標準的には約1g/時間であった。その原子
配列を評価するために、これら試料を、シーメンス(Siemens)D500
X‐線回折計で、Cu(Ka)放射線を用いてX‐線回折で調べた。表1の三つ
の欄に特定されている条件で製造された試料のX‐線回折図は、それぞれ、図2
4‐26に示されている。表1に特定された一連の条件下で、これら粒子は、緑
マンガン鉱(立方晶系)MnOに対応するX‐線回折図を示した。表1の第3欄
の条件下で製造された粒子は、アルミニウム製試料ホルダーにより生じる65o におけるークを示した。試料ホルダーは、時々、この回折図中に見られる。これ
らの回折図は、それら粒子の上に被膜として形成されることがある少量の非晶質
の炭素の存在を示唆するピークも示す。この非晶質の炭素は、酸素雰囲気中で軽
く加熱することにより除去できる。このような非晶質炭素の被覆については、本
明細書に引用参照されている“酸化アルミニウム粒子”という名称の、共通権利
人により同時出願(発明者:Kumar達)された米国特許出願第09/136
,483号明細書にさらに説明されている。The production rate of manganese oxide particles was typically about 1 g / hour. In order to evaluate the atomic arrangement, these samples were subjected to a Siemens D500
Investigated by X-ray diffraction using X-ray diffractometer with Cu (Ka) radiation. The X-ray diffraction patterns of the samples manufactured under the conditions specified in the three columns of Table 1 are shown in FIG.
4-26. Under the set of conditions specified in Table 1, these particles exhibited an X-ray diffraction pattern corresponding to chlorite (cubic) MnO. Particles produced under the conditions in column 3 of Table 1 exhibited ark at 65 ° caused by the aluminum sample holder. The sample holder is sometimes seen in this diffractogram. These diffractograms also show peaks suggesting the presence of small amounts of amorphous carbon that may form as a coating on the particles. This amorphous carbon can be removed by light heating in an oxygen atmosphere. Such amorphous carbon coatings are described in co-pending U.S. patent application Ser. No. 09 / 93,978, entitled "Aluminum Oxide Particles," herein incorporated by reference. / 136
483, further described.
【0166】 粒径と形態構造を求めるために透過電子顕微鏡(TEM)が用いられた。表1
の第2欄の条件下で製造された粒子のTEMマイクログラフが図27に示されて
いる。このTEMマイクログラフの一部を調べて、約9nmの平均粒径を得た。
対応する粒径分布は図28に示されている。図27のマイクログラフに明瞭に見
られる粒子の粒径を手動で測定し、大体の粒径分布を求めた。そのマイクログラ
フ中での歪んだ領域もしくは焦点が外れている領域を避けるために、明瞭な粒子
境界を有する粒子だけを測定した。このようにして得られた測定結果は、単一の
観察だけでは全ての粒子の明瞭な像を把握できないので、より正確で偏よってい
ないに違いない。これら粒子が、むしろ狭い粒径範囲に分布していることに意味
がある。Transmission electron microscopy (TEM) was used to determine particle size and morphology. Table 1
FIG. 27 shows a TEM micrograph of the particles produced under the conditions in column 2 of FIG. A part of this TEM micrograph was examined and an average particle size of about 9 nm was obtained.
The corresponding particle size distribution is shown in FIG. The particle size of the particles clearly seen in the micrograph of FIG. 27 was manually measured to determine the approximate particle size distribution. To avoid distorted or out-of-focus areas in the micrograph, only particles with distinct grain boundaries were measured. The measurement results obtained in this way must be more accurate and unbiased because a single observation does not give a clear image of all particles. It is significant that these particles are distributed over a rather narrow size range.
【0167】 実施例2‐酸化マンガン粒子合成‐エーロゾル金属前駆体、第1レーザ熱分解 装置 この実施例で説明した酸化マンガン粒子の合成はレーザ熱分解で行なわれた。
これら粒子は、基本的に、上に説明した図2のレーザ熱分解装置を用い、図4A
の反応物送達装置を用いて製造された。 Example 2-Manganese Oxide Particle Synthesis-Aerosol Metal Precursor, First Laser Pyrolysis Device The synthesis of manganese oxide particles described in this example was performed by laser pyrolysis.
These particles were basically obtained using the laser pyrolysis apparatus of FIG.
Manufactured using the reactant delivery device of
【0168】 塩化マンガン(Alfa Aesar Inc.,Ward Hill,MA
)前駆体蒸気は、脱イオン水で調製した水溶液のエーロゾルとして反応チャンバ
ーに送られた。C2H4ガスがレーザ吸収用ガスとして用いられ、アルゴンが不活
性ガスとして用いられた。MnCl2、Ar、O2およびC2H4を含む反応物混合
物が、反応チャンバーへの射出用の反応物ガス用ノズルに導入された。この反応
物ノズルは、寸法:5/8インチ×1/16インチの開口を有する。実施例2の
粒子に関係するレーザ熱分解合成の追加のパラメータが、表2に特定されている
。Manganese chloride (Alfa Aesar Inc., Ward Hill, MA)
) The precursor vapor was sent to the reaction chamber as an aerosol of an aqueous solution prepared with deionized water. C 2 H 4 gas was used as the laser absorbing gas and argon was used as the inert gas. A reactant mixture comprising MnCl 2 , Ar, O 2 and C 2 H 4 was introduced into a reactant gas nozzle for injection into the reaction chamber. The reactant nozzle has an opening with dimensions: 5/8 inch x 1/16 inch. Additional parameters for laser pyrolysis synthesis relating to the particles of Example 2 are identified in Table 2.
【0169】[0169]
【表2】 sccm=標準状態での立方センチ/分 slm=標準状態でのリットル/分 アルゴン‐窓(Win)=導入管216、218を通るアルゴン流 アルゴン‐遮蔽用(Sld)=環状流路142を通るアルゴン流。[Table 2] sccm = cubic centimeters per minute at standard conditions slm = liters per minute at standard conditions Argon-Window (Win) = Argon flow through inlet tubes 216, 218 Argon-Shielding (Sld) = Argon through annular channel 142 Flow.
【0170】 酸化マンガン粒子の生産速度は、標準的には約1g/時間であった。その原子
配列を評価するために、これら試料を、シーメンス500X‐線回折計で、Cu
(Ka)放射線を用いてX‐線回折で調べた。表2に特定されている条件下で製
造された試料のX‐線回折図が図29に示されている。これら粒子はまた、緑マ
ンガン鉱(立方晶系)MnOに対応するX‐線回折図を示したが、そのX‐線回
折図中のピークは、非常に弱く、これら粒子が実質的に、非晶質であることを示
した。これら結果を基に、反応条件を変えれば、非晶質MnOまたはより高い結
晶性のMnOが得られるに違いない。The production rate of manganese oxide particles was typically about 1 g / hour. To evaluate their atomic arrangement, the samples were analyzed on a Siemens 500 X-ray diffractometer with Cu
(Ka) Investigated by X-ray diffraction using radiation. The X-ray diffraction pattern of the sample produced under the conditions specified in Table 2 is shown in FIG. The particles also showed an X-ray diffraction pattern corresponding to manganese ore (cubic) MnO, but the peak in the X-ray diffraction pattern was very weak, indicating that these particles were substantially non- It was shown to be crystalline. On the basis of these results, if the reaction conditions are changed, amorphous MnO or higher crystalline MnO must be obtained.
【0171】 粒径と形態構造を求めるために透過電子顕微鏡(TEM)が用いられた。表2
の条件下で製造された粒子の透過電子顕微鏡写真が、図30に示されている。そ
の対応粒径分布が、図31に示されている。この粒径分布は、実施例1に説明し
た方法に従って得られた。[0171] Transmission electron microscopy (TEM) was used to determine particle size and morphology. Table 2
FIG. 30 shows a transmission electron micrograph of the particles produced under the conditions of (1) and (2). The corresponding particle size distribution is shown in FIG. This particle size distribution was obtained according to the method described in Example 1.
【0172】 実施例3‐酸化マンガン粒子熱処理試料 表1および表2の第2欄で特定された条件に従って、レーザ熱分解で製造され
た酸化マンガンナノ粒子の試料をオーブン中で、酸化性条件下で加熱した。三種
の試料が熱処理された。表2の中の条件で製造されたナノ粒子を出発原料として
別の二種の試料が熱加工された。そのオーブンは、基本的に、上に図5で説明し
た物である。約100と300mgの間のナノ粒子が、そのオーブンを通して差
し込まれた石英管の内部の1ccの開放バイアルの中に置かれた。直径1.0イ
ンチの石英管を通して酸素を流した。加熱加工の他のパラメータは、表3に特定
されている。 Example 3-Manganese Oxide Particle Heat Treated Sample In accordance with the conditions specified in column 2 of Tables 1 and 2, a sample of manganese oxide nanoparticles produced by laser pyrolysis was placed in an oven under oxidizing conditions. And heated. Three samples were heat treated. Another two samples were thermally processed starting from the nanoparticles produced under the conditions in Table 2. The oven is basically the one described above in FIG. Approximately 100 and 300 mg of the nanoparticles were placed in a 1 cc open vial inside a quartz tube inserted through the oven. Oxygen was flowed through a 1.0 inch diameter quartz tube. Other parameters of the heating process are specified in Table 3.
【0173】[0173]
【表3】 試料1‐表1の第2欄のパラメータに従って製造された粒子から調製した試料 試料2Aおよび2B‐表2のパラメータに従って製造された粒子から調製した試
料。[Table 3] Sample 1-Samples prepared from particles made according to the parameters in column 2 of Table 1 Samples 2A and 2B-Samples prepared from particles made according to the parameters in Table 2.
【0174】 この得られた熱処理粒子の結晶構造をX‐線回折で求めた。表3の試料1、2
Aおよび2BのX‐線回折図は、それぞれ、図32‐34に示されている。図3
に示されているX‐線回折図は、試料1中の酸化マンガンが、Mn5O8の化学量
論組成を有する形に変換されたことを示している。図33に示された試料2Aの
X‐線回折図は、極く少量のMn2O3に対応する23oと33oにおけるそのスペ
クトル中の追加のピークと共に、Mn3O4の存在を示している。図34中の試料
2BのX‐線回折図は、酸化マンガンがMn3O4に変換されたことを示している
。このMnO試料が、熱処理で、異なる化学量論組成の酸化マンガンになる理由
は明らかでない。この異なる様々な結果は、その出発原料の性質が異なることと
、加熱時間が異なることに因る可能性がある。The crystal structure of the obtained heat-treated particles was determined by X-ray diffraction. Samples 1 and 2 in Table 3
The X-ray diffractograms of A and 2B are shown in FIGS. 32-34, respectively. FIG.
Shows that the manganese oxide in sample 1 was converted to a form having a stoichiometric composition of Mn 5 O 8 . The X-ray diffractogram of sample 2A shown in FIG. 33 shows the presence of Mn 3 O 4 , with additional peaks in the spectrum at 23 ° and 33 ° corresponding to very small amounts of Mn 2 O 3. ing. The X-ray diffraction diagram of Sample 2B in FIG. 34 shows that manganese oxide was converted to Mn 3 O 4 . It is not clear why this MnO sample becomes manganese oxide of different stoichiometric composition by heat treatment. The different results may be due to different starting material properties and different heating times.
【0175】 実施例4‐酸化マンガン粒子合成‐エーロゾル金属前駆体。第2レーザ熱分解 装置 この実施例で説明した酸化マンガン粒子の合成はレーザ熱分解で行なわれた。
これら粒子は、基本的に、上に説明した図6‐13に示されたようなレーザ熱分
解装置と、基本的に、図6‐13に示されたようなレーザ熱分解装置と、基本的
に、図19‐20に示されたような超音波ノズルを用いて製造された。キャップ
・ブッシングは用いられなかった。大体、そのキャップの最上部まで、超音波ノ
ズルの水準を上げるために、スペーサ550と楔558が用いられた。エーロゾ
ル送達装置により送られる溶液は、495mLの99%イソプロピルアルコール
と5mLの38%HCl水溶液から調製された溶媒中に2モルのMnNO3・H2 O(Strem Chemical,Inc.,Newburyport MA
)を含んでいた。イソプロピルアルコールは、赤外線吸収剤として作用する。酸
素は、管536の中を通って送られることにより、エーロゾルと混合される。図
10の放射管486は存在しない。キャップ486の最上部は、レーザビームの
中心線から約0.85インチは離れている。2回の試験での追加のパラメータが
表4に示されている。 Example 4-Manganese oxide particle synthesis-aerosol metal precursor. Second laser pyrolysis apparatus The synthesis of the manganese oxide particles described in this example was performed by laser pyrolysis.
These particles are basically divided into a laser pyrolyzer as shown in FIGS. 6-13 described above, and a laser pyrolyzer as shown in FIGS. Was manufactured using an ultrasonic nozzle as shown in FIGS. 19-20. No cap bushing was used. Approximately up to the top of the cap, spacers 550 and wedges 558 were used to raise the level of the ultrasonic nozzle. The solution delivered by aerosol delivery devices, 99 percent isopropyl alcohol and 5mL of 38% HCl in a solvent prepared from an aqueous solution 2 moles of MnNO 3 · H 2 O (Strem Chemical of 495 ml, Inc., Newburyport MA
). Isopropyl alcohol acts as an infrared absorber. Oxygen is mixed with the aerosol by being sent through tube 536. The emission tube 486 of FIG. 10 does not exist. The top of cap 486 is approximately 0.85 inches from the centerline of the laser beam. Additional parameters for the two tests are shown in Table 4.
【0176】[0176]
【表4】 sccm=標準状態での立方センチ/分 slm=標準状態でのリットル/分 アルゴン‐窓(Win)=導入管330、332を通るアルゴン流 アルゴン‐遮蔽用(Sld)=遮蔽用ガス導管365を通るアルゴン流 レーザ電力(入力)=反応チャンバーへの入るレーザ電力 レーザ電力(出力)=ビームダンプに向かって反応チャンバーを出るレーザ電力
。[Table 4] sccm = cubic centimeters per minute at standard conditions slm = liters per minute at standard conditions Argon-Window (Win) = Argon flow through inlets 330, 332 Argon-Shielding (Sld) = Through shielding gas conduit 365 Argon flow Laser power (input) = laser power entering the reaction chamber Laser power (output) = laser power exiting the reaction chamber towards the beam dump.
【0177】 酸化マンガン粒子は、大体20g/時間の速度で製造された。表4の1欄に特
定された条件では、褐色の粉末が得られ、一方表4の第2欄に特定されたパラメ
ータでは、黄色の粉末が得られた。The manganese oxide particles were produced at a rate of approximately 20 g / hour. The conditions specified in column 1 of Table 4 resulted in a brown powder, while the parameters specified in column 2 of Table 4 resulted in a yellow powder.
【0178】 その原子配列を評価するために、これら試料を、シーメンスD500X‐線回
折計で、Cu(Ka)放射線を用いてX‐線回折で調べた。表4の1欄および2
欄に特定されている条件で製造された試料のX‐線回折図は、それぞれ、図35
‐36に示されている。表4の欄1および2の条件下で製造された粒子は、緑マ
ンガン鉱(立方晶系)MnOおよび黒マンガン鉱Mn3O4の存在を示す。To evaluate the atomic arrangement, the samples were examined by X-ray diffraction on a Siemens D500 X-ray diffractometer using Cu (Ka) radiation. Columns 1 and 2 in Table 4
The X-ray diffraction patterns of the samples manufactured under the conditions specified in the column are respectively shown in FIG.
-36. Particles produced under the conditions of columns 1 and 2 of Table 4 indicate the presence of chlorite (cubic) MnO and black manganese Mn 3 O 4 .
【0179】 実施例5‐レーザ熱分解によるリチウム酸化マンガン粒子‐エーロゾル金属前 駆体 この実施例で説明した酸化マンガン/リチウム酸化マンガン粒子の合成はレー
ザ熱分解で行なわれた。これら粒子は、基本的に、上に説明した図2のレーザ熱
分解装置を用い、図4Aの反応物送達装置を用いて製造された。[0179] EXAMPLE 5 Lithium manganese oxide particles by laser pyrolysis - Synthesis of aerosol metal before precursor manganese oxide / lithium manganese oxide particles described in this Example was carried out in laser pyrolysis. These particles were produced essentially using the laser pyrolysis apparatus of FIG. 2 described above and the reactant delivery apparatus of FIG. 4A.
【0180】 塩化マンガン(Alfa Aesar Inc.,Ward Hill,MA
)前駆体と塩化リチウム(Alfa Aesar Inc.)前駆体は、脱イオ
ン水に溶解された。この水溶液のLiClの濃度は4モルで、MnCl4の濃度
も4モルであった。この二種の金属前駆体を含む水溶液は、エーロゾルとして反
応チャンバーに送られた。C2H4ガスがレーザ吸収用ガスとして用いられ、アル
ゴンが不活性ガスとして用いられた。O2、ArおよびC2H4が反応物供給装置
の供給管に送達された。MnCl2、LiCl2、Ar、O2およびC2H4を含む
反応物混合物が、反応チャンバーへの射出用の反応物ガス用ノズルに導入された
。この反応物ノズルは、寸法:5/8インチ×1/16インチの開口を有する。
実施例1の粒子に関係するレーザ熱分解合成の追加のパラメータが、表5に特定
されている。Manganese chloride (Alfa Aesar Inc., Ward Hill, MA)
) Precursor and lithium chloride (Alfa Aesar Inc.) precursor were dissolved in deionized water. The concentration of LiCl in this aqueous solution was 4 mol, and the concentration of MnCl 4 was also 4 mol. The aqueous solution containing the two metal precursors was sent to the reaction chamber as an aerosol. C 2 H 4 gas was used as the laser absorbing gas and argon was used as the inert gas. O 2, Ar and C 2 H 4 is delivered to the supply pipe of the reactant supply system. A reactant mixture comprising MnCl 2 , LiCl 2 , Ar, O 2 and C 2 H 4 was introduced into a reactant gas nozzle for injection into the reaction chamber. The reactant nozzle has an opening with dimensions: 5/8 inch x 1/16 inch.
Additional parameters for laser pyrolysis synthesis relating to the particles of Example 1 are identified in Table 5.
【0181】[0181]
【表5】 sccm=標準状態での立方センチ/分 slm=標準状態でのリットル/分 アルゴン‐窓(Win)=導入管216、218を通るアルゴン流 アルゴン‐遮蔽用(Sld)=環状流路142を通るアルゴン流 アルゴン=エーロゾルと直接混合されたアルゴン。[Table 5] sccm = cubic centimeters per minute at standard conditions slm = liters per minute at standard conditions Argon-Window (Win) = Argon flow through inlet tubes 216, 218 Argon-Shielding (Sld) = Argon through annular channel 142 Flow Argon = argon directly mixed with the aerosol.
【0182】 酸化マンガン/リチウム酸化マンガン粒子の生産速度は、標準的には約1g/
時間であった。その原子配列を評価するために、これら試料を、シーメンスD5
00X‐線回折計で、Cu(Ka)放射線を用いてX‐線回折で調べた。表5に
特定されている条件下で製造された試料のX‐線回折図が、図37に示されてい
る。図37に示したX‐線回折図は、その試料が非晶質であることを示す。特に
、約27oから約35oの広いピークは非晶質のリチウム酸化マンガンに対応する
。約15oにおけるシャープなピークは、痕跡量の塩化マンガンの存在に因る。
約53oにおけるシャープなピークは、痕跡量の未同定汚染物に因る。The production rate of manganese oxide / lithium manganese oxide particles is typically about 1 g / g
It was time. In order to evaluate the atomic arrangement, these samples were subjected to Siemens D5
Examined by X-ray diffraction with a 00X-ray diffractometer using Cu (Ka) radiation. The X-ray diffractogram of the sample produced under the conditions specified in Table 5 is shown in FIG. The X-ray diffractogram shown in FIG. 37 shows that the sample is amorphous. In particular, the broad peak from about 27 ° to about 35 ° corresponds to amorphous lithium manganese oxide. The sharp peak at about 15 ° is due to the presence of traces of manganese chloride.
The sharp peak at about 53 ° is due to traces of unidentified contaminants.
【0183】 実施例6‐レーザ熱分解で製造されたリチウム酸化マンガン粒子熱処理 実施例5で特定された条件に従って、レーザ熱分解で製造された酸化マンガン
/リチウム酸化マンガンナノ粒子の試料をオーブン中で、酸化性条件下で加熱し
た。そのオーブンは、基本的に、上に図22で説明した物である。約100と3
00mgの間のナノ粒子が、そのオーブンを通して差し込まれた石英管の内部の
1ccの開放バイアルの中に置かれた。直径1.0インチの石英管を通して酸素
を308/分の流速で流した。このオーブンを400℃に加熱した。これら粒子
は、約16時間の間加熱された。 Example 6 Lithium Manganese Oxide Particles Produced by Laser Pyrolysis Heat Treatment A sample of manganese oxide / lithium manganese oxide nanoparticles produced by laser pyrolysis was placed in an oven according to the conditions specified in Example 5. , Heated under oxidizing conditions. The oven is basically that described above in FIG. About 100 and 3
Between 00 mg of nanoparticles was placed in a 1 cc open vial inside a quartz tube inserted through the oven. Oxygen was flowed through a 1.0 inch diameter quartz tube at a flow rate of 308 / min. The oven was heated to 400C. The particles were heated for about 16 hours.
【0184】 この得られた熱処理粒子の結晶構造をX‐線回折で求めた。加熱試料のX‐線
回折図は、図38に示されている。図38に示されているX‐線回折図は、この
粒子の集合体混合物相材料を含み、主成分:LiMn2O4(約60容量%)とM
n3O4(約30容量%)および少量成分:Mn2O3(約10容量%)である。こ
のLiMn2O4化合物は、立方晶系スピネル結晶構造を有する。この試料は、追
加の非晶性相の材料を含んでいる場合もある。特に、その反応物流に導入された
リチウムの量に基づいて、この試料は、恐らく、この結晶性相中で同定されてい
ない追加のリチウムを含んでいる。The crystal structure of the obtained heat-treated particles was determined by X-ray diffraction. The X-ray diffraction diagram of the heated sample is shown in FIG. The X-ray diffraction diagram shown in FIG. 38 contains the aggregate mixture phase material of this particle, and the main components: LiMn 2 O 4 (about 60% by volume) and M
n 3 O 4 (about 30% by volume) and minor component: Mn 2 O 3 (about 10% by volume). This LiMn 2 O 4 compound has a cubic spinel crystal structure. The sample may include additional amorphous phase material. In particular, based on the amount of lithium introduced into the reaction stream, the sample probably contains additional lithium that has not been identified in the crystalline phase.
【0185】 実施例7‐酸化マンガン粒子へのリチウムの混和 実施例4で説明されたようにして製造した酸化マンガン粒子をさらに処理して
リチウム酸化マンガンを調製した。使用した酸化マンガン粒子は、表4の1およ
び2欄に特定された合成条件で調製された粒子の混合物であった。約2.0gの
ナノ結晶性酸化マンガンが約1.2gの硝酸リチウム、LiNO3(Alfa
Aesar Inc.,Ward Hill,MA)と混合された。この混合物
を純粋なO2 下または純粋なAr下でオーブン中で加熱した。そのオーブンは、
基本的に、上に図22Bで説明した物である。ナノ結晶性酸化マンガンと硝酸リ
チウムの混合物を、そのオーブンを通して差し込まれた石英管の内部のアルミニ
ウム・ボートの中に置かれた。この選ばれたガスを、直径1.0インチの石英管
を通して約40cc/分の速度で流した。このオーブンを約400℃に加熱した
。これら粒子を約16時間の間加熱した。 Example 7 Lithium Incorporation into Manganese Oxide Particles The manganese oxide particles produced as described in Example 4 were further processed to prepare lithium manganese oxide. The manganese oxide particles used were a mixture of particles prepared under the synthesis conditions specified in columns 1 and 2 of Table 4. About 2.0 g of nanocrystalline manganese oxide is about 1.2 g of lithium nitrate, LiNO 3 (Alfa
Aesar Inc. , Ward Hill, MA). The mixture was heated in an oven under pure O 2 or under pure Ar. The oven is
This is basically the one described above with reference to FIG. 22B. The mixture of nanocrystalline manganese oxide and lithium nitrate was placed in an aluminum boat inside a quartz tube inserted through the oven. The selected gas was flowed through a 1.0 inch diameter quartz tube at a rate of about 40 cc / min. The oven was heated to about 400C. The particles were heated for about 16 hours.
【0186】 三種の試料を処理した。第1の試料は、1.84部のナノ結晶性MnO/1部
のLiNO3の重量比を有していた。第2の試料は、1.66部のナノ結晶性M
nO/1部のLiNO3の重量比を有していた。試料1と2を酸素ガス流下で熱
処理した。試料3は、1.63部のナノ結晶性MnO/1部のLiNO3の重量
比を有していた。試料3をアルゴン流下で熱処理した。[0186] Three samples were processed. The first sample had a weight ratio of LiNO 3 nanocrystalline MnO / 1 part of 1.84 parts. The second sample had 1.66 parts of nanocrystalline M
It had a weight ratio of nO / 1 part of LiNO 3 . Samples 1 and 2 were heat-treated under an oxygen gas flow. Sample 3 had a weight ratio of LiNO 3 nanocrystalline MnO / 1 part of 1.63 parts. Sample 3 was heat treated under a flow of argon.
【0187】 熱処理後のこの材料の結晶構造を評価するために、これら試料を、シーメンス
D500X‐線回折計で、Cu(Ka)放射線を用いてX‐線回折で調べた。試
料1‐3でのX‐線回折スペクトルが、図39に描かれている。試料1でのスペ
クトルは、未反応の酸化マンガンに対応するピークを有する。酸化マンガン/硝
酸リチウムの比が、1.84から1.66に低下すると、酸化マンガンの完全な
反応が観測された。試料2のリチウム酸化マンガンは、欠損スピネルLi2Mn4 O9に似た約8.17オングストロームの格子パラメータを有していた。試料3
のリチウム酸化マンガンは、LiMn2O4の格子パラメータに似た約8.23オ
ングストロームの格子パラメータを有していた。To evaluate the crystal structure of this material after heat treatment, the samples were examined by X-ray diffraction on a Siemens D500 X-ray diffractometer using Cu (Ka) radiation. The X-ray diffraction spectrum for Sample 1-3 is depicted in FIG. The spectrum for Sample 1 has a peak corresponding to unreacted manganese oxide. When the ratio of manganese oxide / lithium nitrate was reduced from 1.84 to 1.66, complete reaction of manganese oxide was observed. The lithium manganese oxide of Sample 2 had a lattice parameter of about 8.17 Å, similar to the defective spinel Li 2 Mn 4 O 9 . Sample 3
Had a lattice parameter of about 8.23 angstroms, similar to that of LiMn 2 O 4 .
【0188】 リチウム酸化マンガンおよび酸化マンガン出発材料の粒径と形態構造を求める
ために透過電子顕微鏡(TEM)が用いられた。酸化マンガンナノ粒子出発材料
のTEMマイクログラフが図40に示されている。試料1のリチウム酸化マンガ
ンのTEMマイクログラフが図41に示されている。この加熱中に、その粒径は
、変化するとしても、有意な変化は見られないことに留意すべきである。エーロ
ゾル条件の最適化が欠けているので、図40に示した酸化マンガンの粒子は、上
の実施例1および2での酸化マンガンで見いだされたより、広い粒径分布を有し
ている。酸化マンガンナノ粒子にリチウムを混和しても、粒径は有意に変化しな
いので、上で説明した酸化マンガンナノ粒子を用いて、狭い粒径分布を有するリ
チウム酸化マンガンを調製することができる。A transmission electron microscope (TEM) was used to determine the particle size and morphology of the lithium manganese oxide and manganese oxide starting materials. A TEM micrograph of the manganese oxide nanoparticle starting material is shown in FIG. FIG. 41 shows a TEM micrograph of the lithium manganese oxide of Sample 1. It should be noted that during this heating, the particle size does not change, if at all. Due to the lack of optimization of the aerosol conditions, the manganese oxide particles shown in FIG. 40 have a broader particle size distribution than found in the manganese oxides in Examples 1 and 2 above. Even if lithium is mixed with the manganese oxide nanoparticles, the particle size does not change significantly. Therefore, the manganese oxide nanoparticles described above can be used to prepare lithium manganese oxide having a narrow particle size distribution.
【0189】 実施例8‐エーロゾルを用いる結晶性リチウム酸化マンガンの直接レーザ熱分 解合成 この実施例で説明した結晶性リチウム酸化マンガン粒子の合成はレーザ熱分解
で行なわれた。これら粒子は、基本的に、上に説明した図2のレーザ熱分解装置
を用い、図4Bまたは4Cの反応物送達装置を用いて製造された。[0189] Synthesis of direct laser heat decomposition synthetic crystalline lithium manganese oxide particles described in this example of the crystalline lithium manganese oxide with EXAMPLE 8 Aerosol was conducted by laser pyrolysis. These particles were produced essentially using the laser pyrolysis apparatus of FIG. 2 described above and the reactant delivery apparatus of FIG. 4B or 4C.
【0190】 硝酸マンガン[Mn(NO3)2Alfa Aesar Inc.]前駆体,硝
酸リチウム(Alfa Aesar Inc.)前駆体および尿素(CH4N2O
)を用いて、二種の溶液が調製された。第1の溶液は、表6の試料3の調製に用
いられた。第1の溶液は、3モル濃度のLiNO3と4モル濃度のMn(NO3) 2 を有する水溶液であった。第2溶液用の溶媒は、イソプロピルアルコールと脱
イオン水との50:50重量パーセント比の混合物であった。第2溶液は、2モ
ルのLiNO3、2モルのMn(NO3)2および3.6モルの尿素濃度を有して
いた。この第2溶液は、表6の第1および第2試料の調製に用いられた。Manganese nitrate [Mn (NOThree)TwoAlfa Aesar Inc. ] Precursor, nitrate
Lithium oxide (Alfa Aesar Inc.) precursor and urea (CHFourNTwoO
), Two solutions were prepared. The first solution was used for preparing sample 3 in Table 6.
I was. The first solution contains 3 molar LiNO.ThreeAnd 4 molar Mn (NOThree) Two Was an aqueous solution having The solvent for the second solution was isopropyl alcohol.
It was a 50:50 weight percent mixture with ionic water. The second solution is 2
LiNOThree, 2 moles of Mn (NOThree)TwoAnd with a urea concentration of 3.6 molar
Was. This second solution was used for preparing the first and second samples in Table 6.
【0191】 この二種金属前駆体を含む選ばれた溶液は、エーロゾルとして反応チャンバー
に送られた。C2 H4 ガスがレーザ吸収用ガスとして用いられ、そしてアルゴン
が不活性ガスとして用いられた。O2、ArおよびC2H4が、反応物供給系のガ
ス供給管に送られた。Mn(NO3)2、LiNO3、Ar、O2およびC2H4を含
む反応物混合物が、反応チャンバーへの送達のための反応物ノズルに導入された
。この反応物ノズルは、寸法:5/8インチ×1/4インチの開口を有する。こ
の第1の二つ試料は、基本的に、図4Bに示されているような反応物送達装置で
調製された。第3の試料は、基本的に、図4Cに示されているような反応物送達
装置で調製された。関連するレーザ熱分解合成の追加のパラメータが、表6の最
初の二つの欄に特定されている。The selected solution containing the bimetallic precursor was sent to the reaction chamber as an aerosol. C 2 H 4 gas is used as a laser absorbing gas, and Argon was used as the inert gas. O 2 , Ar and C 2 H 4 were sent to the gas supply pipe of the reactant supply system. Mn (NO 3) 2, LiNO 3, Ar, the reaction mixture containing O 2 and C 2 H 4 was introduced to the reaction nozzles for delivery to the reaction chamber. The reactant nozzle has an opening with dimensions: 5/8 inch x 1/4 inch. The first two samples were prepared essentially with a reactant delivery device as shown in FIG. 4B. A third sample was prepared essentially with a reactant delivery device as shown in FIG. 4C. Relevant additional parameters for laser pyrolysis synthesis are specified in the first two columns of Table 6.
【0192】[0192]
【表6】 slm=標準状態でのリットル/分 アルゴン‐窓(Win)=導入管216、218を通るアルゴン流 アルゴン‐遮蔽用(Sld)=環状流路142を通るアルゴン流 アルゴン=エーロゾルと直接混合されたアルゴン。[Table 6] slm = liters per minute at standard conditions Argon-Window (Win) = Argon flow through inlet tubes 216, 218 Argon-Shielding (Sld) = Argon flow through annular channel 142 Argon = Argon directly mixed with aerosol .
【0193】 その原子配列を評価するために、これら試料を、シーメンスD500X‐線回
折計で、Cu(Ka)放射線を用いてX‐線回折で調べた。表6に特定されてい
る欄1および欄2の条件で製造された試料のX‐線回折図が、図42に示されて
いる。これは代表的な回折図であるが、幾つかの試料はMn3O4汚染物に因る比
較的小さいピークを示した。回折図中に、スピネル・リチウム酸化マンガンに特
性的なX‐線回折ピークが明瞭に見られる。そのスピネル構造中の化学量論組成
における小さい差を、X‐線回折図から明らかにするのは困難である。さらに、
このX‐線回折図のピークはブロードであるが、これは、その小さい粒径または
、混合相材料を含むことあるいは化学量論組成の変動のいずれかに因る不均一な
広帯域化(broading)に因るのかもしれない。にも拘らず、この回折図
は、LiMn2O4およびLi4Mn5O12または中間の化学量論組成の材料の混合
物を含む試料と矛盾しない。これらの結論は、下に説明する電気化学的評価によ
り確かめられる。いずれの場合にも、この結晶性リチウム酸化マンガンは、一つ
の形または他の形である材料を主成分(約50%以上)として含んでいると考え
られる。To evaluate the atomic arrangement, the samples were examined by X-ray diffraction on a Siemens D500 X-ray diffractometer using Cu (Ka) radiation. The X-ray diffractogram of the sample produced under the conditions of columns 1 and 2 specified in Table 6 is shown in FIG. This is a representative diffractogram, but some samples showed relatively small peaks due to Mn 3 O 4 contamination. The X-ray diffraction peak characteristic of spinel lithium manganese oxide is clearly seen in the diffraction diagram. Small differences in stoichiometry in the spinel structure are difficult to clarify from X-ray diffractograms. further,
The peak in the X-ray diffractogram is broad, which is due to its small particle size or non-uniform broadening either due to the inclusion of mixed phase material or stoichiometric variations. It may be due to. Nevertheless, this diffractogram is consistent with samples containing LiMn 2 O 4 and Li 4 Mn 5 O 12 or mixtures of materials of intermediate stoichiometry. These conclusions are confirmed by the electrochemical evaluation described below. In each case, the crystalline lithium manganese oxide is believed to contain the material in one form or another as a major component (about 50% or more).
【0194】 合成されたままの結晶性リチウム酸化マンガンの粒径と形態構造を求めるため
に透過電子顕微鏡(TEM)が用いられた。表6の第2欄の条件下で製造された
リチウム酸化マンガンの試料のTEMマイクログラフが図43に示されている。
その対応する粒径分布が図44に示されている。粒径分布は、実施例1に説明さ
れた方法に従って得られた。この平均粒径は約40nmである。この粒径分布は
、レーザ熱分解で一般的に得られる粒径分布と比べて、比較的広い粒径分布を示
す。図4Cの反応物送達装置による反応物の送達は、図4Aおよび4Bのエーロ
ゾル送達装置に比べて、より大きい反応物処理能力と、対応するより大きい生産
速度を与える。図4Cの装置で製造されたエーロゾルは、明らかに。他の二つの
装置で製造されたエーロゾル程均一でない。図4Cの反応物送達装置を用いた場
合ての粒度分布は、希望の相の生成物を得るために、約200‐300Torr
のより低い圧力を用い、そしてO2の流量を増やすことにより、狭くすることが
できる。Transmission electron microscopy (TEM) was used to determine the particle size and morphology of as-synthesized crystalline lithium manganese oxide. A TEM micrograph of a sample of lithium manganese oxide produced under the conditions in the second column of Table 6 is shown in FIG.
The corresponding particle size distribution is shown in FIG. The particle size distribution was obtained according to the method described in Example 1. This average particle size is about 40 nm. This particle size distribution shows a relatively wide particle size distribution as compared with the particle size distribution generally obtained by laser pyrolysis. Delivery of reactants by the reactant delivery device of FIG. 4C provides greater reactant throughput and a correspondingly higher production rate as compared to the aerosol delivery devices of FIGS. 4A and 4B. The aerosol produced with the device of FIG. 4C is clearly evident. Not as homogeneous as aerosols made with the other two units. The particle size distribution using the reactant delivery device of FIG. 4C is approximately 200-300 Torr to obtain the desired phase product.
Using a pressure lower than the, and by increasing the flow rate of O 2, it can be narrowed.
【0195】 実施例9‐銀酸化バナジウムナノ粒子 この実施例で説明された銀酸化バナジウムナノ粒子の合成は、レーザ熱分解で
行なわれた。これら粒子は、基本的に、上に説明した図2のレーザ熱分解装置を
用い、図4Bまたは4Cの反応物送達システムを用いて製造された。 Example 9-Silver Vanadium Oxide Nanoparticles The synthesis of the silver vanadium oxide nanoparticles described in this example was performed by laser pyrolysis. These particles were produced essentially using the laser pyrolysis apparatus of FIG. 2 described above and using the reactant delivery system of FIG. 4B or 4C.
【0196】 エーロゾルとして反応チャンバーに送るために二種の溶液が調製された。両溶
液は、類似のバナジウム前駆体溶液で製造された。第1バナジウム前駆体溶液を
製造するために、Aldrich Chemical(Milwaukee,W
I)からのバナジウム(III)オキシド(V2O3)10.0gを、120mL
の脱イオン水に懸濁させた。このバナジウム(III)オキシド懸濁液に、激し
く撹拌しながら、硝酸(HNO3)の70%水溶液30mLを滴下した。この反
応は発熱反応であり、NO2であることを疑わせる褐色のガスが遊離してくるか
ら注意を要する。得られるバナジウム前駆体溶液(約150mL)は、暗青色の
溶液であった。第2バナジウム前駆体溶液では、第1前駆体溶液をスケールアッ
プし、全成分を3倍にした。Two solutions were prepared for delivery to the reaction chamber as an aerosol. Both solutions were made with similar vanadium precursor solutions. To prepare the first vanadium precursor solution, Aldrich Chemical (Milwaukee, W.)
10.0 g of vanadium (III) oxide (V 2 O 3 ) from I)
In deionized water. To this vanadium (III) oxide suspension, 30 mL of a 70% aqueous solution of nitric acid (HNO 3 ) was added dropwise with vigorous stirring. This reaction is an exothermic reaction, and caution is required because a brown gas suspected of being NO 2 is released. The resulting vanadium precursor solution (about 150 mL) was a dark blue solution. For the second vanadium precursor solution, the first precursor solution was scaled up to triple all components.
【0197】 第1銀溶液を製造するために、Aldrich Chemical(Milw
aukee,WI)からの炭酸銀(Ag2CO3)の溶液が、100mLの脱イオ
ン水に、9.2gの炭酸銀を懸濁させることにより調製された。激しく撹拌しな
がら、硝酸(HNO3)の70重量%水溶液10mLを滴下した。硝酸の添加が
完了すると無色透明の溶液が得られた。エーロゾル送達用の第1金属混合物溶液
を製造するために、この銀溶液を、第1バナジウム前駆体溶液に、定常的に撹拌
しながら添加した。得られる暗青色の第1金属混合物溶液のバナジウム:銀のモ
ル比は、約2:1であった。To make the first silver solution, Aldrich Chemical (Milw
A solution of silver carbonate (Ag 2 CO 3 ) from Auckee, Wis. was prepared by suspending 9.2 g of silver carbonate in 100 mL of deionized water. With vigorous stirring, 10 mL of a 70% by weight aqueous solution of nitric acid (HNO 3 ) was added dropwise. When the addition of nitric acid was completed, a colorless and transparent solution was obtained. This silver solution was added to the first vanadium precursor solution with constant stirring to produce a first metal mixture solution for aerosol delivery. The resulting dark blue first metal mixture solution had a vanadium: silver molar ratio of about 2: 1.
【0198】 第2銀溶液を製造するために、Aldrich Chemical(Milw
aukee,WI)からの硝酸銀(AgNO3)34.0gを300mLの脱イ
オン水に溶解した。エーロゾル送達用の第2金属混合物溶液を製造するために、
この硝酸銀溶液を、第2バナジウム前駆体溶液に、定速で撹拌しながら添加した
。得られる暗青色の第2金属混合物溶液も、そのバナジウム:銀のモル比は、約
2:1であった。To prepare a second silver solution, Aldrich Chemical (Milw
34.0 g of silver nitrate (AgNO 3 ) from Auake, WI) was dissolved in 300 mL of deionized water. To produce a second metal mixture solution for aerosol delivery,
This silver nitrate solution was added to the second vanadium precursor solution while stirring at a constant speed. The resulting dark blue second metal mixture solution also had a vanadium: silver molar ratio of about 2: 1.
【0199】 このバナジウムおよび銀前駆体を含む選ばれた水溶液は、エーロゾルとして反
応チャンバーに送られた。C2H4ガスがレーザ吸収用ガスとして用いられ、そし
てアルゴンが不活性ガスとして用いられた。O2、ArおよびC2H4が、反応物
供給系のガス供給管に送られた。酸化バナジウム、硝酸銀、Ar、O2およびC2 H4を含む反応物混合物が、反応チャンバーへの送達のための反応物ノズルに導
入された。この反応物ノズルは、寸法:5/8インチ×1/4インチの開口を有
する。この粒子合成に関連するレーザ熱分解合成の追加のパラメータが、表7中
に特定されている。試料1は、、基本的に、図4Bに示されているような反応物
送達装置で調製され、一方、試料2は、基本的に、図4Cに示されているような
反応物送達装置で調製された。The selected aqueous solution containing the vanadium and silver precursor was sent to the reaction chamber as an aerosol. C 2 H 4 gas is used as a laser absorbing gas, and Argon was used as the inert gas. O 2 , Ar and C 2 H 4 were sent to the gas supply pipe of the reactant supply system. Vanadium oxide, silver nitrate, Ar, the reaction mixture containing O 2 and C 2 H 4 was introduced to the reaction nozzles for delivery to the reaction chamber. The reactant nozzle has an opening with dimensions: 5/8 inch x 1/4 inch. Additional parameters for laser pyrolysis synthesis related to this particle synthesis are identified in Table 7. Sample 1 was prepared essentially with a reactant delivery device as shown in FIG. 4B, while Sample 2 was basically prepared with a reactant delivery device as shown in FIG. 4C. Was prepared.
【0200】[0200]
【表7】 slm=標準状態でのリットル/分 アルゴン‐窓=導入管216、218を通るアルゴン流 アルゴン‐遮蔽用=環状流路142を通るアルゴン流 アルゴン=エーロゾルと直接混合されたアルゴン。[Table 7] slm = liters per minute at standard conditions Argon-window = argon flow through inlets 216, 218 Argon-shielding = argon flow through annular channel 142 Argon = argon directly mixed with aerosol.
【0201】 その原子配列を評価するために、これら試料を、シーメンスD500X‐線回
折計で、Cu(Ka)放射線を用いてX‐線回折で調べた。表7に特定されてい
る条件で製造された試料1(下の曲線)および試料2(上の曲線)のX‐線回折
図が、図45に示されている。これらの試料は、VO2、元素銀に対応するピー
クおよび既知の物質に対応しない複数のピークを有する。これらの試料に対応す
る主要な結晶相は、約30‐31o、32o、33oおよび35o、に等しい2θに
ピークを示した。この相は、これまで同定されていない銀酸化バナジウム相であ
ると考えられる。この結晶性銀酸化バナジウム相は、酸化バナジウム・ナノ粒子
と硝酸銀とを混合し、それら試料がAg2V4O11を製造するには不十分な時間加
熱されるような条件下で調製された試料で観測される。コイン電池中で測定した
試料1の比容量は、この解釈と矛盾しない。To evaluate the atomic arrangement, the samples were examined by X-ray diffraction on a Siemens D500 X-ray diffractometer using Cu (Ka) radiation. The X-ray diffraction patterns of Sample 1 (lower curve) and Sample 2 (upper curve) manufactured under the conditions specified in Table 7 are shown in FIG. These samples have peaks corresponding to VO 2 , elemental silver and multiple peaks not corresponding to known substances. The major crystalline phases corresponding to these samples showed peaks at 2θ equal to about 30-31 ° , 32 ° , 33 ° and 35 ° . This phase is believed to be a previously unidentified silver vanadium oxide phase. The crystalline silver vanadium oxide phase was prepared under conditions where the vanadium oxide nanoparticles were mixed with silver nitrate and the samples were heated for an insufficient time to produce Ag 2 V 4 O 11 . Observed in the sample. The specific capacity of Sample 1 measured in the coin battery is consistent with this interpretation.
【0202】 表7に特定された条件下で製造された試料の粉末を透過電子顕微鏡を用いてさ
らに解析した。TEMマイクログラフが図46A(表7の第1欄)および46B
(表7の第2欄)に示されている。このTEMマイクログラフは、異なる粒径分
布に入る粒子を有する。これは、各材料が一般に、非常に狭い粒度分布を有する
レーザ熱分解により製造された混合相材料に特徴的である。この混合相材料中の
銀酸化バナジウムの部分は、酸素流速度の増加、レーザ出力の低下および圧力の
低下により増加するに違いない。レーザ熱分解による銀酸化バナジウム粒子の製
造については、本明細書に引用参照されている、ライツ(Reitz)達の“金
属酸化バナジウム粒子”という名称の米国特許出願09/311,506号にさ
らに説明されている。[0202] The powders of the samples produced under the conditions specified in Table 7 were further analyzed using a transmission electron microscope. TEM micrographs are shown in FIG. 46A (column 1 of Table 7) and 46B.
(Second column of Table 7). This TEM micrograph has particles that fall into different particle size distributions. This is characteristic of mixed phase materials produced by laser pyrolysis, where each material generally has a very narrow particle size distribution. The fraction of silver vanadium oxide in this mixed phase material must increase due to increased oxygen flow rates, reduced laser power and reduced pressure. The production of silver vanadium oxide particles by laser pyrolysis is further described in Reitz et al., US patent application Ser. No. 09 / 311,506, entitled "Metal Vanadium Oxide Particles," which is hereby incorporated by reference. Have been.
【0203】 電池実施例 さらに、リチウム酸化マンガンをベースにする電池の性能が、陽電極中の活性
材料として用いたリチウム酸化マンガン粉末の電荷容量とエネルギー密度を測定
することにより評価された。実施例9‐11で試験された電池は、全て共通の方
法に従って製造された。これらリチウム酸化マンガン粉末(LMO)は、導電性
アセチレンブラック粉末(AB)(Chevron Corp.のカタログ番号
55)と80:10の比率で混合された。この粉末混合物は、粉末を完全に混合
するために乳鉢と乳棒ですり潰された。Battery Examples Further, the performance of the lithium manganese oxide based battery was evaluated by measuring the charge capacity and energy density of the lithium manganese oxide powder used as the active material in the positive electrode. The batteries tested in Examples 9-11 were all manufactured according to a common method. These lithium manganese oxide powders (LMO) were mixed with conductive acetylene black powder (AB) (Chevron Corp. catalog number 55) at a ratio of 80:10. This powder mixture was ground with a mortar and pestle to thoroughly mix the powder.
【0204】 この均質な粉末混合物に二三滴のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の
溶液を添加した。この10パーセントPTFE溶液は、水中に、PTFE(Al
drich Chemical Co.,Milwaukee,WI)溶液を含
んでいた。LMO:AB:PTFEの最終比は、80:10:10であった。こ
の混合物に少量のメチルアルコール(Aldrich Chemical Co
.,Milwaukee,WI)を加えた。さらに、この混合物をカバーするた
めに、イソプロピルアルコール(Aldrich Chemical Co.,
Milwaukee,WI)を加えた。[0204] To this homogeneous powder mixture was added a few drops of a solution of polytetrafluoroethylene (PTFE). This 10% PTFE solution contains PTFE (Al
drich Chemical Co. , Milwaukee, WI) solution. The final ratio of LMO: AB: PTFE was 80:10:10. A small amount of methyl alcohol (Aldrich Chemical Co.)
. , Milwaukee, WI). In addition, isopropyl alcohol (Aldrich Chemical Co.,
Milwaukee, WI) was added.
【0205】 このスラリーを完全に混合するために、ブレンダに入れ、その溶液を真空ろ過
機を通して溶媒を除去した。得られた粉末混合物を徹底的に混合し、そして5ミ
ル(5−mil)の厚さにロール成形した。この混合物の上にアルミニウムのメ
ッシュ(Dekler,Branford CT)を置き、さらにロールをかけ
て、5ミルのメッシュを有する最終の厚さにした。このアルミニウムのメッシュ
を含む混合物を真空オーブン中で2時間、250℃でベーキングして、残留溶媒
を除去しそしてPTFEを融解した。そのオーブンから取出し、そして、16m
mの電極に押抜き、そして5000ポンドの圧力で加圧した。この押抜いた電極
を再び、120℃の真空オーブンに一晩入れ、残留水分を除去した。オーブンか
ら取出した後、直ちに、これらの電極を、アルゴン雰囲気下でグローブ・ボック
ス(Vacuum Atmosphere Co.,Hawthone,CA)
に入れた。このグローブ・ボックスの中で、これら電極を秤量しそして厚さを測
定した。To thoroughly mix the slurry, it was placed in a blender and the solution was filtered through a vacuum filter to remove the solvent. The resulting powder mixture was thoroughly mixed and roll formed to 5 mil (5-mil) thickness. An aluminum mesh (Dekler, Brandford CT) was placed on top of this mixture and rolled further to a final thickness with a 5 mil mesh. The mixture containing the aluminum mesh was baked at 250 ° C. for 2 hours in a vacuum oven to remove residual solvent and melt the PTFE. Take out of the oven and 16m
m electrodes were pressed and pressurized at a pressure of 5000 pounds. The extruded electrode was placed again in a vacuum oven at 120 ° C. overnight to remove residual moisture. Immediately after removal from the oven, the electrodes were placed in a glove box (Vacuum Atmosphere Co., Hawthone, CA) under an argon atmosphere.
Put in. In the glove box, the electrodes were weighed and the thickness was measured.
【0206】 この試料は、図47に示した気密の二電極構造を有する電池800中で試験さ
れた。試料電池用のケーシング802は、Hohsen Co.,Osaka,
Japanから入手された。そのケーシングは上部804と底部806を含んで
おり、4個のねじ808でしっかり留められている。図47に示されていない他
の二つねじは、示されているねじの背後にある。リチウム金属(Alfa/Ae
sar,Ward Hill,MA)が、陰極812として用いられた。陰極8
12は、底部806内に置かれた。分離板814 CelgardR2400(
Hoechst Celanese,Charlotte NC)は、リチウム
金属の上置かれた。テフロンRリング816が、分離板814の上に置かれた。
陽極818は、テフロンRリング816内のメッシュ側に置かれた。アルミニウ
ムペレット820が陽極818上に入れられ、そして電解質が加えられた。EM
工業からの電解質(Hawthorne,NY)からの電解質は1:1エチレン
カーボネート/ジメチルカーボネートに溶かした1M‐LiPF6である。テフ
ロンRO‐リングは、二つの電極を電気的に絶縁するために、上部804と底部
806の間に置かれている。同様に、ねじ808は、上部804および底部80
6から、ねじ808を電気的に絶縁するためにテフロンRスリーブ(sleev
e)の内部に入れられる。電池テスターと電池800の間の電気的接触は、上部
804と底部806によりなされる。This sample was tested in a battery 800 having an airtight two-electrode structure as shown in FIG. The casing 802 for the sample battery is manufactured by Hohsen Co. , Osaka,
Obtained from Japan. The casing includes a top 804 and a bottom 806 and is secured with four screws 808. The other two screws not shown in FIG. 47 are behind the screws shown. Lithium metal (Alfa / Ae
sar, Ward Hill, MA) was used as the cathode 812. Cathode 8
12 was placed in the bottom 806. Separation plate 814 Celgard R 2400 (
Hoechst Celanese, Charlotte NC) was placed over lithium metal. A Teflon R ring 816 was placed on the separator 814.
The anode 818 was placed on the mesh side in a Teflon R ring 816. Aluminum pellets 820 were placed on the anode 818 and the electrolyte was added. EM
Electrolyte from industrial (Hawthorne, NY) electrolyte from 1: 1M-LiPF 6 dissolved in 1 ethylene carbonate / dimethyl carbonate. Teflon R O-rings, in order to electrically insulate the two electrodes are placed between the top 804 and bottom 806. Similarly, the screws 808 are connected to the top 804 and the bottom 80
6, Teflon R sleeve in order to electrically insulate the screw 808 (sleev
e). Electrical contact between the battery tester and the battery 800 is made by the top 804 and the bottom 806.
【0207】 これら試料は、0.5mA/cm2の定電流での放電/充電速度で、そして2
5℃で、2.5Vから4.4Vの間、または2.2Vから3.3Vの間または3
.5Vから4.4Vの間、でサイクルして試験された。この測定はArbin
Instruments,CollegeStation,TX、からのArb
in Battery Testing System,Model BT40
23により制御された。充電/放電曲線を記録し、そしてこの活性材料の容量を
求めた。The samples were tested at a constant discharge / charge rate of 0.5 mA / cm 2 ,
At 5 ° C., between 2.5 V and 4.4 V, or between 2.2 V and 3.3 V or 3
. It was tested by cycling between 5V and 4.4V. This measurement is based on Arbin
Arb from Instruments, CollegeStation, TX
in Battery Testing System, Model BT40
23. The charge / discharge curve was recorded and the capacity of the active material was determined.
【0208】 そのエネルギー密度は、(電圧×電流/活性材料の質量)をその放電時間にわ
たって積分することにより評価した。試験中の電流は、0.5mA/cm2電流
密度に対応する1mA/cm2であった。活性材料の質量は、約30から約50
mgであった。The energy density was evaluated by integrating (voltage × current / mass of active material) over the discharge time. The current during the test was 1 mA / cm 2 , corresponding to a current density of 0.5 mA / cm 2 . The mass of the active material is from about 30 to about 50
mg.
【0209】 実施例10‐4ボルト・サイクリング挙動‐リチウム酸化マンガンの熱的合成 この実施例は、4種の異なるリチウム酸化マンガン材料の4ボルト・サイクリ
ング挙動を調べた。電池は、実施例7の試料2および試料3のようにして製造し
た材料を用いて、上に概略を示した方法に従って、製造された。比較のために、
標準のLiMn2O4とLi2Mn4O9を用いた電池も製造された。市販のLiM
n2O4は、Alfa Aesar,a Johnson Mattey Com
pany,Ward Hill,MA、から購入された。Li2Mn4O9(標準
Li2Mn4O9)は、炭酸マンガンと炭酸リチウムの混合物を、約400℃で、
約60時間加熱することを基礎とする標準法を用いて合成された。その4ボルト
範囲でのサイクリング挙動は、この材料を4.40ボルトに充電し、そしてその
材料を放電させることにより調べた。得られた放電曲線が、図48に示されてい
る。図48では、実施例7のナノ粒子で造られた電池のサイクリング挙動は、適
宜、試料2および試料3と指示されており、市販の、または標準の粉末で造られ
た電池のサイクリング挙動は、“市販の”という表示と共に、それらの化学量論
組成によって指示されている。試料2での電池は、市販のLi2Mn4O9材料に
類似の放電曲線を有しており、そして試料3での電池は、市販のLiMn2O4材
料に類似の放電曲線を有することに留意されたい。 Example 10-4 Volt Cycling Behavior-Thermal Synthesis of Lithium Manganese Oxide This example examined the 4 Volt cycling behavior of four different lithium manganese oxide materials. The battery was manufactured according to the method outlined above using the materials manufactured as in Samples 2 and 3 of Example 7. For comparison,
Batteries using standard LiMn 2 O 4 and Li 2 Mn 4 O 9 were also made. Commercial LiM
n 2 O 4 is available from Alfa Aesar, a Johnson Mattey Com.
pany, Ward Hill, MA. Li 2 Mn 4 O 9 (standard Li 2 Mn 4 O 9 ) is a mixture of manganese carbonate and lithium carbonate at about 400 ° C.
Synthesized using standard methods based on heating for about 60 hours. Its cycling behavior in the 4 volt range was examined by charging the material to 4.40 volts and discharging the material. The obtained discharge curve is shown in FIG. In FIG. 48, the cycling behavior of the battery made with the nanoparticles of Example 7 is designated as Sample 2 and Sample 3, as appropriate, and the cycling behavior of the battery made with commercially available or standard powder is: Indicated by their stoichiometric composition, together with the designation "commercially available". The battery in sample 2 had a similar discharge curve to the commercial Li 2 Mn 4 O 9 material, and the battery in sample 3 had a similar discharge curve to the commercial LiMn 2 O 4 material Please note.
【0210】 実施例11‐3ボルト・サイクリング挙動‐リチウム酸化マンガンの熱的合成 この実施例は、4種の異なるリチウム酸化マンガン材料の3ボルト・サイクリ
ング挙動を調べた。電池は、実施例7の試料2および試料3のようにして製造し
た材料を用いて、上に概略を示した方法に従って製造された。比較のために、市
販のLiMn2O4とLi2Mn4O9を用いた電池も製造された。3ボルト範囲で
のサイクリング挙動は、この材料を3.30ボルトに充電し、そしてその材料を
放電させることにより調べた。得られた放電曲線が、図49に示されている。図
49では、実施例7のナノ粒子で造られた電池のサイクリング挙動は、適宜、試
料2および試料3と指示されており、市販の粉末で造られた電池のサイクリング
挙動は、“市販の”という表示と共に、それらの化学量論組成によって指示され
ている。試料2での電池は、市販のLi2Mn4O9材料に類似の挿入電位を有し
、そして試料3での電池は、市販のLiMn2O4材料に類似の挿入電位を有する
ことに留意されたい。 Example 11-3 Volt Cycling Behavior-Thermal Synthesis of Lithium Manganese Oxide This example examined the 3 Volt cycling behavior of four different lithium manganese oxide materials. The battery was manufactured according to the method outlined above using the materials manufactured as in Samples 2 and 3 of Example 7. For comparison, batteries using commercially available LiMn 2 O 4 and Li 2 Mn 4 O 9 were also manufactured. Cycling behavior in the 3 volt range was examined by charging the material to 3.30 volts and discharging the material. The obtained discharge curve is shown in FIG. In FIG. 49, the cycling behavior of the battery made with the nanoparticles of Example 7 is designated as Sample 2 and Sample 3, as appropriate, and the cycling behavior of the battery made with the commercial powder is “commercial” , And their stoichiometry. Note that the battery in sample 2 has a similar insertion potential to the commercially available Li 2 Mn 4 O 9 material, and the battery in sample 3 has a similar insertion potential to the commercially available LiMn 2 O 4 material. I want to be.
【0211】 実施例12‐サイクリング性質‐リチウム酸化マンガンの熱的合成 さらに4種の異なる陽極材料について、上述のようにして製造した電池のサイ
クリング挙動を調べた。電池は、実施例7の試料2および試料3のようにして製
造した材料を用いて、上に概略を示した方法に従って製造された。比較のために
、市販のLiMn2O4とLi2Mn4O9を用いた電池も製造された。試料2およ
び市販のLiMn2O4からの陽極材料を有する電池が製造され、そして二重試験
された。試料3の材料では、一個の電池だけが製造されたが、市販のLiMn2
O4では3個の電池が製造され、そして試験された。各サイクルで、mAh/g
での容量が評価された。これら電池は、約3.3ボルトと2.0ボルトの間での
サイクルされた。結果を図50にプロットした。 Example 12-Cycling Properties-Thermal Synthesis of Lithium Manganese Oxide The cycling behavior of the battery produced as described above was investigated for four different anode materials. The battery was manufactured according to the method outlined above using the materials manufactured as in Samples 2 and 3 of Example 7. For comparison, batteries using commercially available LiMn 2 O 4 and Li 2 Mn 4 O 9 were also manufactured. Batteries with anode material from Sample 2 and commercial LiMn 2 O 4 were fabricated and tested in duplicate. In the material of sample 3, only one battery was manufactured, but commercially available LiMn 2
In O 4 3 pieces of batteries are manufactured and tested. In each cycle, mAh / g
Was evaluated. These cells were cycled between about 3.3 volts and 2.0 volts. The results are plotted in FIG.
【0212】 このサイクリング試験の結果は、ナノ粒子で製造した電池は、サイクリング安
定性がより大きいことを示している。この向上したサイクリング安定性は、リチ
ウムの挿入と抽出に伴う、体積の繰返し膨張および収縮に対し、構造的により抵
抗性が大きいことに因る。かくして、このデータは、リチウムをベースとする、
再充電可能な電池用活性材料としてのナノスケール・リチウム酸化マンガン粒子
の優位性を示している。[0212] The results of this cycling test show that batteries made with nanoparticles have greater cycling stability. This improved cycling stability is due to its structural resistance to repeated volume expansion and contraction associated with lithium insertion and extraction. Thus, this data is based on lithium,
This demonstrates the superiority of nanoscale lithium manganese oxide particles as an active material for rechargeable batteries.
【0213】 実施例13‐レーザ熱分解合成で直接製造したリチウム酸化マンガンのビーカ ー電池試験 レーザ熱分解合成で直接製造した結晶性リチウム酸化マンガンの性質を、ビー
カー電池試験で調べた。試験用電池は、二種のナノ材料試料で製造された。第1
の試料は、実施例8の表6中の1欄に示した条件で製造され、そして第2の試料
は、表6中の2欄に示した条件で製造された。両試料の主要成分はLiMn2O4 で、少量成分相はMn3O4であった。[0213] The properties of the directly produced crystalline lithium manganese oxide beaker cell test laser pyrolysis synthesis of directly manufacturing the lithium manganese oxide in Example 13 laser pyrolysis synthesis was investigated in a beaker cell test. Test batteries were fabricated with two nanomaterial samples. First
Was prepared under the conditions shown in column 1 of Table 6 of Example 8, and a second sample was prepared under the conditions shown in column 2 of Table 6. The major component in both samples was LiMn 2 O 4 and the minor component phase was Mn 3 O 4 .
【0214】 ビーカー電池試験用の電池を製造するために、リチウム酸化マンガン粉末と導
電性アセチレンブラック粉末(Chevron Corp.のカタログ番号55
)とを60:30の比で混合した。この粉末混合物を、乳鉢と乳棒ですり潰し、
その粉末を完全に混合した。To manufacture batteries for beaker battery testing, lithium manganese oxide powder and conductive acetylene black powder (Chevron Corp. catalog no. 55)
) Were mixed at a ratio of 60:30. This powder mixture is ground with a mortar and pestle,
The powder was mixed thoroughly.
【0215】 この均質な粉末混合物に二三滴のポリフッ化ビニリデン(PVDF)の溶液を
添加した。この10パーセントPVDF溶液は、1−メチル‐2−ピロリジノン
(Aldrich Chemical Co.,Milwaukee,WI)中
に溶解したPVDF(type 714,Elf Atochem North
America,Inc.,Philadelphia,PA)含んでいた。
LiXMnYOZ:AB:PVDFの最終比は、60:30:10であった。得ら
れたスラリーを、予め秤量したアルミニウム金属メッシュの上に広げた。このス
ラリーを含むメッシュを、溶媒と残留水分を除去するために真空オーブン中で1
20℃で一晩ベーキングした。オーブンから取出した後直ちに、これらの電極を
アルゴン雰囲気下でグローブ・ボックス(Vacuum Atmosphere
Co.,Hawthone,CA)に入れ、そして再び秤量した。To this homogeneous powder mixture was added a few drops of a solution of polyvinylidene fluoride (PVDF). This 10 percent PVDF solution was prepared by dissolving PVDF (type 714, Elf Atochem North) dissolved in 1-methyl-2-pyrrolidinone (Aldrich Chemical Co., Milwaukee, Wis.).
America, Inc. , Philadelphia, PA).
Li X Mn Y O Z: AB : final ratio of PVDF is 60: 30: 10. The resulting slurry was spread on a pre-weighed aluminum metal mesh. The mesh containing the slurry is placed in a vacuum oven for 1 hour to remove solvent and residual moisture.
Baking at 20 ° C. overnight. Immediately after removal from the oven, these electrodes were placed in a glove box (Vacuum Atmosphere) under an argon atmosphere.
Co. , Hawthorne, CA) and weighed again.
【0216】 全ての放電/充電実験は、このグローブ・ボックス中で行われた。このグロー
ブ・ボックス中の水と酸素の濃度を測定したところ、それぞれ、1ppm以下お
よび1.5ppm以下であった。これら試料は、図51に示されているような、
三電極構造で試験された。この試験の組立てでは、アルミニウムメッシュ834
上の陰極832を容器836の中に入れた。容器836には液体電解質838が
入れてある。容器836には、対電極840と基準電極842も入れてある。リ
チウム金属は、対電極と基準電極の両方として用いられる。これら電極は、電池
試験系844に接続されている。[0216] All discharge / charge experiments were performed in this glove box. When the concentrations of water and oxygen in this glove box were measured, they were 1 ppm or less and 1.5 ppm or less, respectively. These samples, as shown in FIG.
Tested in a three electrode configuration. In this test assembly, aluminum mesh 834 was used.
The upper cathode 832 was placed in the container 836. The container 836 contains a liquid electrolyte 838. The container 836 also contains a counter electrode 840 and a reference electrode 842. Lithium metal is used as both the counter electrode and the reference electrode. These electrodes are connected to a battery test system 844.
【0217】 この試験での相対配置では、これら電極は物理的に離れているので、分離板は
必要でない。あるいはまた、この液体電解質を分離板とみなすこともできる。こ
の液体電解質(Merck & Co.,Inc.から)は、プロピレンカーボ
ナートに溶かした1M‐LiClO4溶液であった。In the relative configuration of this test, the separators are not needed because the electrodes are physically separated. Alternatively, the liquid electrolyte can be regarded as a separator. The liquid electrolyte (from Merck & Co., Inc.) was a 1M LiClO 4 solution in propylene carbonate.
【0218】 充電および放電実験は、約5mA/g‐その電極中の酸化物、に大体等しい定
電流で行われた。各電極は、約10mgのナノ粒子を含んでいた。かくして、そ
の電流は約0.05mAであった。その材料が純粋なリチウム酸化マンガンであ
るとすると、この充電/放電速度は、C/30の速度(即ち、その陰極が30時
間で十分に放電されるに違いない速度)に対応する。これら電池は、先ず、それ
らの開路電圧から4.4ボルトまで充電され、そして2、0ボルトまで放電され
た。The charge and discharge experiments were performed at a constant current approximately equal to about 5 mA / g-the oxide in the electrode. Each electrode contained approximately 10 mg of the nanoparticles. Thus, the current was about 0.05 mA. Assuming that the material is pure lithium manganese oxide, this charge / discharge rate corresponds to the rate of C / 30 (ie, the rate at which the cathode must be fully discharged in 30 hours). The cells were first charged to 4.4 volts from their open circuit voltage and then discharged to 2.0 volts.
【0219】 この測定は、Arbin Instruments,College Sta
tion,TX、からのArbin BatteryTesting Syst
em,Model BT4023により制御された。充電/放電曲線を記録し、
そしてその比容量を求めた。その比容量は、放電容量/活性材料の質量、として
評価された。またその微分容量(δx/δV)は、電圧に関する放電容量の微分
係数として求められた。それ故、この微分容量は、電圧に対して、充電と放電で
は逆の傾斜を示す。電圧に対する微分容量のプロットにおけるピークは、リチウ
ムがそのホスト材料に入り込む電圧を示す。リチウム金属電池では、その電池電
圧は、そのホスト材料中でのLi+の化学ポテンシャルに大体比例する。それ故
、その微分容量は、その材料とその構造を特性化するため、および/または同定
するために利用することができる。[0219] This measurement was performed using Arbin Instruments, College Sta.
Arbin Battery Testing System from Tion, TX
em, Model BT4023. Record the charge / discharge curve,
And the specific capacity was determined. The specific capacity was evaluated as discharge capacity / mass of active material. The differential capacity (δx / δV) was obtained as a differential coefficient of the discharge capacity with respect to the voltage. Therefore, this differential capacity shows opposite slopes with respect to voltage in charging and discharging. The peak in the plot of differential capacity versus voltage indicates the voltage at which lithium enters the host material. For lithium metal batteries, the battery voltage is roughly proportional to the chemical potential of Li + in the host material. Therefore, the differential capacity can be used to characterize and / or identify the material and its structure.
【0220】 図52に、試料1および2での放電曲線を市販のバルクLiMn2O4での放電
曲線と比較して示してある。レーザ熱分解で合成したリチウム酸化マンガンは、
有意により小さい比容量を有するが、一方、そのナノ粒子はかなり大きい比容量
を有する。図53に示したナノ粒子とバルク/市販材料の微分容量は、類似のピ
ーク位置と形状を示す。これは、三つの材料全ての電気化学的活性相は大体同一
の挿入挙動を有することを示している。かくして、これら三種の材料の結晶構造
は同じであった。そのナノ粒子の比容量がより小さいのは、酸化マンガンとリチ
ウム酸化マンガン中に取込まれなかったとリチウムを含むこの試験では、電気化
学的に活性でない相に帰因する可能性がある。FIG. 52 shows the discharge curves of Samples 1 and 2 in comparison with those of commercially available bulk LiMn 2 O 4 . Lithium manganese oxide synthesized by laser pyrolysis
While having a significantly lower specific capacity, the nanoparticles have a much higher specific capacity. The differential capacities of the nanoparticles and bulk / commercial material shown in FIG. 53 show similar peak positions and shapes. This indicates that the electrochemically active phases of all three materials have approximately the same insertion behavior. Thus, the crystal structures of these three materials were the same. The lower specific capacity of the nanoparticles can be attributed to the electrochemically inactive phase in this test involving lithium not incorporated into manganese oxide and lithium manganese oxide.
【0221】 上に説明した実施態様は、例示的であることを意図するものであり、限定を意
図するものではない。本発明の追加的実施態様は、以下の特許請求の範囲内であ
る。本発明は、推奨される実施態様を引用することにより説明されたが、この技
術分野の習熟者なら、本発明の精神と範囲から逸脱することなしに、形および細
部において、変更がなされ得ることを認めるであろう。[0221] The embodiments described above are intended to be illustrative, not limiting. Additional embodiments of the present invention are within the following claims. Although the present invention has been described by reference to preferred embodiments, those skilled in the art will appreciate that changes may be made in form and detail without departing from the spirit and scope of the invention. Would admit.
【図1】 装置の中心を通る面で切った、固体前駆体送達装置の概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a solid precursor delivery device cut through a plane passing through the center of the device.
【図2】 レーザ熱分解の一つの態様の概略断面図であり、その断面は、そのレーザ放射
線通路の中心を通る面で切られている。上の挿入図は、捕集ノズルの底面図であ
り、そして下の挿入図は、射出ノズルの上面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of one embodiment of laser pyrolysis, the cross section being cut by a plane passing through the center of the laser radiation path. The upper inset is a bottom view of the collection nozzle, and the lower inset is a top view of the injection nozzle.
【図3】 図2のレーザ熱分解装置に気体反応物を送達するための反応物送達装置の概略
側面図である。3 is a schematic side view of a reactant delivery device for delivering a gaseous reactant to the laser pyrolysis device of FIG.
【図4】 図4Aは、図2のレーザ熱分解装置にエーロゾル反応物を送達するための反応
物送達装置の概略側面図である。図4Bは、図2のレーザ熱分解装置にエーロゾ
ル反応物を送達するための反応物送達装置の一つの代替態様の概略側面図である
。図4Cは、図2のレーザ熱分解装置にエーロゾル反応物を送達するための反応
物送達装置のもう一つの代替態様の概略側面図である。FIG. 4A is a schematic side view of a reactant delivery device for delivering an aerosol reactant to the laser pyrolysis device of FIG. 2; FIG. 4B is a schematic side view of one alternative embodiment of a reactant delivery device for delivering an aerosol reactant to the laser pyrolysis device of FIG. FIG. 4C is a schematic side view of another alternative embodiment of a reactant delivery device for delivering an aerosol reactant to the laser pyrolysis device of FIG.
【図5】 レーザ熱分解装置を行うための細長い反応チャンバーの概略透視図であり、反
応チャンバーの構成材料は、内部構造を明らかにするために透明に示されている
。FIG. 5 is a schematic perspective view of an elongated reaction chamber for performing a laser pyrolysis apparatus, wherein the constituent materials of the reaction chamber are shown transparent to reveal the internal structure.
【図6】 レーザ熱分解装置を行うための細長い反応チャンバーの一つの態様の透視図で
ある。FIG. 6 is a perspective view of one embodiment of an elongated reaction chamber for performing a laser pyrolysis apparatus.
【図7】 図6の反応チャンバーの切断側面図である。7 is a cut-away side view of the reaction chamber of FIG.
【図8】 図6の8‐8の線に沿って切られた図6の反応チャンバーの部分切断前面図で
ある。FIG. 8 is a partially cutaway front view of the reaction chamber of FIG. 6 taken along the line 8-8 in FIG. 6;
【図9】 図6の反応チャンバーにエーロゾル反応物を送達するための反応物送達装置の
切断前面図であり、その断面は、その反応物送達装置の中心を通る面で切られて
いる。9 is a cut-away front view of a reactant delivery device for delivering an aerosol reactant to the reaction chamber of FIG. 6, with a cross-section cut through a plane passing through the center of the reactant delivery device.
【図10】 図9の反応物送達装置の最上部分の分解断面前面図である。FIG. 10 is an exploded cross-sectional front view of the top portion of the reactant delivery device of FIG.
【図11】 図9の反応物送達装置のマウント(mount)の上面図である。FIG. 11 is a top view of a mount of the reactant delivery device of FIG. 9;
【図12】 図9のエーロゾル送達装置のキャップの上面図である。FIG. 12 is a top view of the cap of the aerosol delivery device of FIG. 9;
【図13】 13‐13の線に沿って切られた図12のキャップの断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view of the cap of FIG. 12 taken along the line 13-13.
【図14】 図9のエーロゾル送達装置中で用いられているスペーサの断面側面図であり、
その断面は、そのスペーサの中心を通る面で切られている。14 is a cross-sectional side view of a spacer used in the aerosol delivery device of FIG. 9,
The cross section is cut by a plane passing through the center of the spacer.
【図15】 図9のエーロゾル送達装置中で用いられている楔(shim)の断面側面図で
あり、その断面は、その楔の中心を通る面で切られている。FIG. 15 is a cross-sectional side view of a shim used in the aerosol delivery device of FIG. 9, the cross section being cut by a plane passing through the center of the wedge.
【図16】 図9のエーロゾル送達装置中で用いられるブラッシングキャップの一つの態様
の断面側面図であり、その断面は、そのブラッシング・キャップの中心を通る面
で切られている。FIG. 16 is a cross-sectional side view of one embodiment of a brushing cap used in the aerosol delivery device of FIG. 9, with a cross-section cut through a plane passing through the center of the brushing cap.
【図17】 図9のエーロゾル送達装置中で用いられる一つの代替態様のブラッシングキャ
ップの断面側面図であり、その断面は、そのブラッシング・キャップの中心を通
る面で切られている。FIG. 17 is a cross-sectional side view of one alternative embodiment of a brushing cap used in the aerosol delivery device of FIG. 9, with a cross-section cut through a plane passing through the center of the brushing cap.
【図18】 図9のエーロゾル送達装置中で用いられる第2の代替態様のブラッシング・キ
ャップの断面側面図であり、その断面は、そのブラッシング・キャップの中心を
通る面で切られている。FIG. 18 is a cross-sectional side view of a second alternative embodiment of a brushing cap used in the aerosol delivery device of FIG. 9, the cross section being cut by a plane passing through the center of the brushing cap.
【図19】 霧化表面を有する超音波エーロゾル発生装置の側面図である。FIG. 19 is a side view of an ultrasonic aerosol generator having an atomized surface.
【図20】 図19の超音波エーロゾル発生装置の断面側面図であり、その断面は、その装
置の中心を通る面で切られている。20 is a cross-sectional side view of the ultrasonic aerosol generator of FIG. 19, the cross section of which is cut by a plane passing through the center of the device.
【図21】 図19および20のエーロゾル発生装置に液を供給するための液体供給装置の
概略側面図である。FIG. 21 is a schematic side view of a liquid supply device for supplying a liquid to the aerosol generator of FIGS. 19 and 20.
【図22】 図22Aは、ナノ粒子を熱処理するための装置の概略断面図であり、その断面
は、その装置の中心を通る面で切られている。図22Bは、ナノ粒子を熱処理す
るためのオーブンの概略断面図であり、その断面は、石英管の中心を通る面で切
られている。FIG. 22A is a schematic cross-sectional view of an apparatus for heat treating nanoparticles, the cross section being cut by a plane passing through the center of the apparatus. FIG. 22B is a schematic cross-sectional view of an oven for heat-treating the nanoparticles, the cross section being cut by a plane passing through the center of the quartz tube.
【図23】 本発明の電池の概略透視図である。FIG. 23 is a schematic perspective view of the battery of the present invention.
【図24】 表1の欄1で特定されたパラメータに従うガス状反応物を用いて、レーザ熱分
解で製造された酸化マンガン・ナノ粒子のX‐線回折図である。FIG. 24 is an X-ray diffraction pattern of manganese oxide nanoparticles produced by laser pyrolysis using a gaseous reactant according to the parameters specified in column 1 of Table 1.
【図25】 表1の欄2で特定されたパラメータに従うガス状反応物を用いて、レーザ熱分
解で製造された酸化マンガン・ナノ粒子のX‐線回折図である。FIG. 25 is an X-ray diffractogram of manganese oxide nanoparticles produced by laser pyrolysis using a gaseous reactant according to the parameters specified in column 2 of Table 1.
【図26】 表1の欄3で特定されたパラメータに従うガス状反応物を用いて、レーザ熱分
解で製造された酸化マンガン・ナノ粒子のX‐線回折図である。FIG. 26 is an X-ray diffractogram of manganese oxide nanoparticles produced by laser pyrolysis using a gaseous reactant according to the parameters specified in column 3 of Table 1.
【図27】 表1の欄2で特定されたパラメータに従うガス状反応物を用いて、レーザ熱分
解で製造された酸化マンガン・ナノ粒子の透過電子顕微鏡写真(マイクログラム
)である。FIG. 27 is a transmission electron micrograph (micrograms) of manganese oxide nanoparticles produced by laser pyrolysis using a gaseous reactant according to the parameters specified in column 2 of Table 1.
【図28】 図27に示された透過電子顕微鏡マイクログラムに示された粒子の粒径分布の
プロットである。FIG. 28 is a plot of the particle size distribution of the particles shown in the transmission electron microscopy micrograms shown in FIG. 27.
【図29】 表2に特定されたパラメータに従って、エーロゾル・マンガン前駆体を用いて
レーザ熱分解で製造された酸化マンガン・ナノ粒子のX‐線回折図である。FIG. 29 is an X-ray diffractogram of manganese oxide nanoparticles produced by laser pyrolysis using an aerosol manganese precursor according to the parameters specified in Table 2.
【図30】 表2に特定されたパラメータに従って、エーロゾル・マンガン前駆体を用いて
レーザ熱分解で製造された酸化マンガン・ナノ粒子の透過電子顕微マイクログラ
ムである。FIG. 30 is a transmission electron microgram of manganese oxide nanoparticles produced by laser pyrolysis using an aerosol manganese precursor according to the parameters specified in Table 2.
【図31】 図30の透過電子顕微鏡マイクログラムに示された粒子の粒径分布のプロット
である。31 is a plot of the particle size distribution of the particles shown in the transmission electron microscopy microgram of FIG. 30.
【図32】 レーザ熱分解で製造された粒子の熱処理後の酸化マンガンナノ粒子、表3の試
料1、のX‐線回折図である。FIG. 32 is an X-ray diffraction diagram of manganese oxide nanoparticles after heat treatment of particles produced by laser pyrolysis, Sample 1 in Table 3.
【図33】 レーザ熱分解で製造された粒子の熱処理後の酸化マンガンナノ粒子、表3の試
料2A、のX‐線回折図である。FIG. 33 is an X-ray diffraction diagram of manganese oxide nanoparticles after heat treatment of particles produced by laser pyrolysis, Sample 2A of Table 3.
【図34】 レーザ熱分解で製造された粒子の熱処理後の酸化マンガンナノ粒子、表3の試
料2B、のX‐線回折図である。FIG. 34 is an X-ray diffraction diagram of manganese oxide nanoparticles after heat treatment of particles produced by laser pyrolysis, Sample 2B of Table 3.
【図35】 表4の欄1で特定されたパラメータに従って、エーロゾル反応物を用いて、レ
ーザ熱分解で製造された酸化マンガン・ナノ粒子のX‐線回折図である。FIG. 35 is an X-ray diffraction pattern of manganese oxide nanoparticles produced by laser pyrolysis using an aerosol reactant according to the parameters specified in column 1 of Table 4.
【図36】 表4の欄2で特定されたパラメータに従って、エーロゾル反応物を用いて、レ
ーザ熱分解で製造された酸化マンガン・ナノ粒子のX‐線回折図である。FIG. 36 is an X-ray diffraction diagram of manganese oxide nanoparticles produced by laser pyrolysis using an aerosol reactant according to the parameters specified in column 2 of Table 4.
【図37】 エーロゾルを用いて、反応物流のレーザ熱分解で製造されたリチウム酸化マン
ガンのナノ粒子のX‐線回折図である。FIG. 37 is an X-ray diffraction diagram of lithium manganese oxide nanoparticles produced by laser pyrolysis of a reactant stream using an aerosol.
【図38】 レーザ熱分解に続くオーブン中での加熱により製造されたリチウム酸化マンガ
ンのナノ粒子のX‐線回折図である。FIG. 38 is an X-ray diffraction pattern of lithium manganese oxide nanoparticles produced by laser pyrolysis followed by heating in an oven.
【図39】 ナノ結晶性酸化マンガンと硝酸リチウムの混合物の熱処理で製造された三種の
試料の三つのX‐線回折図のプロットである。FIG. 39 is a plot of three X-ray diffraction diagrams of three samples prepared by heat treatment of a mixture of nanocrystalline manganese oxide and lithium nitrate.
【図40】 リチウム酸化マンガンへのさらなる加熱加工に用いられる酸化マンガンナノ粒
子の透過電子顕微鏡マイクログラムである。FIG. 40 is a transmission electron microscope microgram of manganese oxide nanoparticles used for further heating to lithium manganese oxide.
【図41】 試料1のリチウム酸化マンガンのナノ粒子の透過電子顕微鏡マイクログラムで
ある。41 is a transmission electron microscope microgram of lithium manganese oxide nanoparticles of Sample 1. FIG.
【図42】 レーザ熱分解により直接製造されたリチウム酸化マンガンの粒子のX‐線回折
図である。FIG. 42 is an X-ray diffraction diagram of lithium manganese oxide particles directly produced by laser pyrolysis.
【図43】 図42のX‐線回折図に対応するリチウム酸化マンガン粒子の 透過電子顕微鏡マイクログラムである。FIG. 43 is a transmission electron microscope microgram of lithium manganese oxide particles corresponding to the X-ray diffraction pattern of FIG. 42.
【図44】 レーザ熱分解により直接製造された銀酸化バナジウムナノ粒子を含む混合相材
料の二つのX‐線回折図のプロットであり、各プロットは僅かに異なる条件下で
製造された材料で得られる。FIG. 44 is a plot of two X-ray diffractograms of a mixed phase material containing silver vanadium oxide nanoparticles directly produced by laser pyrolysis, each plot obtained with a material produced under slightly different conditions. Can be
【図45】 図45Aは、図44の上の回折図に対応する試料からの材料の透過電子顕微鏡
マイクログラムである。図45Bは、図44の下の回折図に対応する試料からの
材料の透過電子顕微鏡マイクログラムである。FIG. 45A is a transmission electron micrograph of a material from a sample corresponding to the upper diffraction pattern of FIG. 44. FIG. 45B is a transmission electron microscope microgram of material from the sample corresponding to the diffractogram below FIG.
【図46】 図45の透過電子顕微鏡マイクログラムに示された粒子での粒度分布のプロッ
トである。FIG. 46 is a plot of particle size distribution for the particles shown in the transmission electron microscopy microgram of FIG. 45.
【図47】 実施例中に用いられた二つの電極配置の概略透視図である。FIG. 47 is a schematic perspective view of a two-electrode arrangement used in the examples.
【図48】 4種の異なる陽極極活性材料での4ボルトの範囲での電池電圧のプロットであ
る。FIG. 48 is a plot of battery voltage over a range of 4 volts for four different anode active materials.
【図49】 4種の異なる陽極活性材料での3ボルトの範囲での電池電圧のプロットである
。FIG. 49 is a plot of battery voltage over a range of 3 volts for four different anode active materials.
【図50】 4種の異なる陽極活性材料を用いて製造した8個の異なる電池でのサイクル数
の関数としての容量のプロットである。FIG. 50 is a plot of capacity as a function of cycle number for eight different cells made with four different anode active materials.
【図51】 以下の試験に用いられる三種の電極配置の概略透視図である。FIG. 51 is a schematic perspective view of three types of electrode arrangements used in the following tests.
【図52】 二種のナノスケール試料と市販のリチウム酸化マンガンでの比容量の関数とし
ての電圧のプロットである。FIG. 52 is a plot of voltage as a function of specific capacity for two nanoscale samples and commercial lithium manganese oxide.
【図53】 図52に用いられた試料での微分容量のプロットである。FIG. 53 is a plot of differential capacity for the sample used in FIG. 52.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 09/203,414 (32)優先日 平成10年12月2日(1998.12.2) (33)優先権主張国 米国(US) (31)優先権主張番号 09/334,203 (32)優先日 平成11年6月16日(1999.6.16) (33)優先権主張国 米国(US) (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),CA,CN,J P,KR (72)発明者 ホーン,クレイグ・アール アメリカ合衆国カリフォルニア州94110, サンフランシスコ,トゥエンティエス・ス トリート 3924 (72)発明者 ハリクリア,ドリス・レイツ アメリカ合衆国カリフォルニア州95050, サンタ・クララ,ニューホール・ストリー ト 2147,ナンバー 212 (72)発明者 ガードナー,ジェームズ・ティー アメリカ合衆国カリフォルニア州95014, クーパーチノ,タンタウ・アベニュー 10251 (72)発明者 モッソ,ロナルド・ジェイ アメリカ合衆国カリフォルニア州94539, フレモント,チャパラル・ドライブ 46553 (72)発明者 カンベ,ノブユキ アメリカ合衆国カリフォルニア州94025, メンロ・パーク,ホバート・ストリート 840 Fターム(参考) 4G048 AA02 AA04 AB01 AB05 AC06 AD04 AD06 AE05 5H029 AJ03 AJ05 AK03 AL02 AL06 AM03 AM04 AM07 AM16 DJ16 DJ17 HJ02 HJ05 HJ13 HJ19 5H050 AA07 AA08 BA17 CA05 CA09 CB02 CB07 FA17 FA19 HA02 HA05 HA13 HA19 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (31) Priority claim number 09 / 203,414 (32) Priority date December 2, 1998 (1998.12.2) (33) Priority claim country United States (US) ( 31) Priority claim number 09 / 334,203 (32) Priority date June 16, 1999 (June 16, 1999) (33) Priority claim country United States (US) (81) Designated country EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE), CA, CN, JP, KR (72) Inventor Horn , Craig Earl, 94110, California, United States of America, Twenty-Street, San Francisco 3924 (72) Inventor Haliclear, Doris Reates 95050, California, United States of America Santa Clara, New Hall Street 2147, Number 212 (72) Inventor Gardner, James T. Tantau Avenue, Calif., 95501, California, USA 10251 (72) Inventor Mosso, Ronald Jay, 94439, Fremont, California, United States , Chaparral Drive 46553 (72) Inventor Kanbe, Nobuyuki 94025, Menlo Park, Hobart Street, Menlo Park 940F, California 840 F term (reference) 4G048 AA02 AA04 AB01 AB05 AC06 AD04 AD06 AE05 5H029 AJ03 AJ05 AK03 AL02 AL06 AM03 AM04 AM07 AM16 AM16 DJ16 DJ17 HJ02 HJ05 HJ13 HJ19 5H050 AA07 AA08 BA17 CA05 CA09 CB02 CB07 FA17 FA19 HA02 HA05 HA13 HA19
Claims (75)
は約500nm以下の平均粒径を有し、酸化マンガンは、非晶質酸化マンガン、
結晶性MnO、結晶性Mn5O8および結晶性Mn2O3からなる群から選ばれる構
造を有する、粒子の集合体。Claims: 1. An aggregate of particles comprising manganese oxide, wherein the aggregate of particles has an average particle size of about 500 nm or less;
Crystalline MnO, has a structure selected from the group consisting of crystalline Mn 5 O 8 and crystalline Mn 2 O 3, aggregation of particles.
請求項1に記載の粒子の集合体。2. The aggregate of particles has an average particle size from about 5 nm to about 250 nm.
An aggregate of the particles according to claim 1.
請求項1に記載の粒子の集合体。3. The aggregate of particles has an average particle size of about 5 nm to about 100 nm.
An aggregate of the particles according to claim 1.
求項1に記載の粒子の集合体。4. The collection of particles according to claim 1, wherein the collection of particles has an average particle size of about 5 nm to about 50 nm.
体。5. The aggregate of particles according to claim 1, wherein the particles comprise crystalline MnO.
子の集合体。6. The aggregate of particles according to claim 1, wherein the particles comprise crystalline crystalline Mn 2 O 3 .
合体。7. The aggregate of particles according to claim 1, wherein the particles comprise crystalline Mn 5 O 8 .
実質的に含んでいない、請求項1に記載の粒子の集合体。8. The collection of particles according to claim 1, wherein the collection of particles is substantially free of particles having a diameter greater than about four times the average particle size of the collection of particles.
均粒径の約40パーセントより大きく、且つその平均粒径の約160パーセント
より小さいような粒径分布を有する、請求項1に記載の粒子の集合体。9. The aggregate of particles has a particle size distribution such that at least about 95 percent of the particles are greater than about 40 percent of the average particle size and less than about 160 percent of the average particle size. Item 2. An aggregate of the particles according to Item 1.
ルを反応させることを含んでなる方法であって、エーロゾルは金属前駆体を含ん
でなり、そして金属酸化物粒子は約500nm以下の平均粒径を有する、金属酸
化物粉末を製造する方法。10. A method comprising reacting an aerosol in a reaction chamber to prepare metal oxide particles, wherein the aerosol comprises a metal precursor and the metal oxide particles have a particle size of about 500 nm. A method for producing a metal oxide powder having the following average particle size.
方法。11. The method according to claim 10, wherein the metal oxide comprises manganese oxide.
る化合物を含んでいる、請求項10に記載の方法。12. The method according to claim 10, wherein the metal precursor comprises a compound selected from the group consisting of MnCl 2 and MnNO 3 .
項10に記載の方法。13. The method according to claim 10, wherein the reaction is driven by heat absorbed from the laser beam.
その断面は小さい方の軸に沿った寸法の約2倍より大きい主軸に沿った寸法を有
する、請求項10に記載の方法。14. The reaction chamber has a cross section along a direction perpendicular to the reaction stream,
The method of claim 10, wherein the cross-section has a dimension along a major axis that is greater than about twice the dimension along a minor axis.
求項10に記載の方法。15. The method of claim 10, wherein the aerosol is generated by an ultrasonic aerosol generator.
、請求項10に記載の方法。16. The method of claim 10, wherein the aerosol is generated by a mechanically atomized aerosol generator.
加熱することを含んでなる、酸化マンガン粒子集合体の化学量論組成を変える方
法。18. A method for altering the stoichiometry of a manganese oxide particle assembly, comprising heating the manganese oxide particles in an oxidizing atmosphere at a temperature of about 600 ° C. or less.
粒径を有する、請求項18に記載の粒子の集合体。19. The collection of particles according to claim 18, wherein the collection of manganese oxide particles has an average particle size of about 5 nm to about 500 nm.
子は約250nm以下の平均粒径を有する、電池。20. A battery having a cathode comprising manganese oxide particles, wherein the manganese oxide particles have an average particle size of about 250 nm or less.
粉末を調製するためにエーロゾルを反応させることを含んでなる方法であって、
該エーロゾルが第1金属化合物前駆体と第2金属化合物前駆体を含んでいる、複
合材金属酸化物粒子を製造する方法。21. A method comprising reacting an aerosol to prepare a powder of composite metal oxide particles having an average particle size of less than about 1 micron,
A method for producing composite metal oxide particles, wherein the aerosol includes a first metal compound precursor and a second metal compound precursor.
項21に記載の方法。22. The method of claim 21, wherein the composite metal oxide comprises lithiated manganese oxide.
求項21に記載の方法。23. The method of claim 21, wherein the composite metal oxide comprises lithiated vanadium oxide.
る化合物を含んでいる、請求項21に記載の方法。24. The method according to claim 21, wherein the metal precursor comprises a compound selected from the group consisting of MnCl 2 and MnNO 3 .
る化合物を含んでなる、請求項21に記載の方法。25. The method according to claim 21, wherein the metal precursor comprises a compound selected from the group consisting of LiCl and LiNO 3 .
法。26. The method according to claim 21, wherein the metal precursor comprises VOCl 2 .
1に記載の方法。27. The reaction according to claim 2, wherein the reaction is driven by heat absorbed from the light beam.
2. The method according to 1.
記載の方法。28. The method according to claim 27, wherein the laser beam is generated by an infrared laser.
方法。29. The method of claim 21, wherein the precursor comprises a third metal precursor.
チウム金属酸化物を製造する方法であって、反応物流がリチウム前駆体、非リチ
ウム金属前駆体、酸化剤および赤外線吸収剤を含んでなり、熱分解が光ビームか
ら吸収された熱により駆動される、方法。31. A method for producing a lithium metal oxide comprising pyrolyzing a reactant stream in a reaction chamber, the reactant stream comprising a lithium precursor, a non-lithium metal precursor, an oxidizing agent and an infrared absorber. A method comprising the agent, wherein the pyrolysis is driven by heat absorbed from the light beam.
。32. The method of claim 31, wherein the reactant stream comprises an aerosol.
なる、請求項32に記載の方法。33. The method of claim 32, wherein the aerosol comprises a solution comprising a metal compound and a lithium compound.
の方法。34. The method of claim 33, wherein the metal compound comprises a manganese compound.
を含んでなる粒子の集合体であって、粒子の集合体が、その粒子の少なくとも約
95パーセントが、その平均粒径の約40パーセントより大きく、且つその平均
粒径の約160パーセントより小さい直径を有するような粒径分布を有する、粒
子の集合体。35. An aggregate of particles comprising lithium manganese oxide having an average particle size of about 250 nm or less, wherein at least about 95 percent of the particles have at least about 95 percent of the average particle size. An aggregate of particles having a particle size distribution such that the particles have a diameter greater than about 40 percent and less than about 160 percent of the average particle size.
請求項35に記載の粒子の集合体。36. The aggregate of particles has an average particle size from about 5 nm to about 25 nm.
An aggregate of particles according to claim 35.
)の化学量論組成を有する、請求項35に記載の粒子の集合体。37. The lithium manganese oxide is substantially LiMn 2 O x (where x ≧ 3.8
36. The aggregate of particles according to claim 35, having a stoichiometric composition of).
請求項35に記載の粒子の集合体。38. The lithium manganese oxide has a cubic spinel crystal structure.
An aggregate of particles according to claim 35.
その平均粒径の約60パーセントより大きく、且つその平均粒径の約140パー
セントより小さい直径を有するような粒径分布を有する、請求項35に記載の粒
子の集合体。39. The assembly of particles, wherein at least about 95 percent of the particles are:
36. The aggregate of particles according to claim 35, having a particle size distribution such that the particles have a diameter greater than about 60 percent of the average particle size and less than about 140 percent of the average particle size.
熱することを含んでなるリチウム酸化マンガン粒子を製造する方法であって、一
酸化マンガン(MnO)粒子が約250nm以下の平均粒径を有する、方法。40. A method of producing lithium manganese oxide particles comprising heating a mixture of manganese monoxide (MnO) particles and a lithium compound, wherein the manganese monoxide (MnO) particles have an average particle size of about 250 nm or less. Having a particle size.
の方法。41. The method of claim 40, wherein the lithium compound comprises LiNO 3 .
に記載の方法。42. The method according to claim 40, wherein the heating is performed at a temperature of about 200 to about 600 ° C.
The method described in.
載の方法。43. The method of claim 40, wherein the heating is performed under an atmosphere comprising O 2 .
求項40に記載の方法。44. The method of claim 40, wherein the lithium manganese oxide has a cubic pinel crystal structure.
を含んでなるリチウム酸化マンガン粒子を製造する方法であって、酸化マンガン
の粒子が約250nm以下の平均粒径を有し、得られるリチウム酸化マンガン粒
子が、その粒子の少なくとも約95パーセントがその平均粒径の約40パーセン
トより大きく、且つその平均粒径の約160パーセントより小さい直径を有する
ような粒径分布を有する、方法。45. A method of producing lithium manganese oxide particles comprising heating a mixture of manganese oxide particles and a lithium compound, wherein the manganese oxide particles have an average particle size of about 250 nm or less; The method wherein the resulting lithium manganese oxide particles have a particle size distribution such that at least about 95 percent of the particles have a diameter greater than about 40 percent of the average particle size and less than about 160 percent of the average particle size. .
に記載の方法。46. The method according to claim 45, wherein the heating is performed at a temperature of about 200 to about 500 ° C.
The method described in.
有する酸化マンガンを含んでなる、請求項45に記載の方法。47. The method of claim 45, wherein the manganese compound comprises manganese oxide having manganese in the +2 to +4 oxidation state.
ム酸化マンガンの粒子が約250nm以下の平均粒径を有し、その粒子の少なく
とも約95パーセントがその平均粒径の約40パーセントより大きく、且つその
平均粒径の約160パーセントより小さい直径を有するような粒径分布を有する
、電池。48. A battery comprising lithium manganese oxide particles, wherein the particles of lithium manganese oxide have an average particle size of about 250 nm or less, wherein at least about 95 percent of the particles have a mean particle size of about 40 nm. A battery having a particle size distribution such that it has a diameter greater than percent and less than about 160 percent of its average particle size.
有する、請求項48に記載の電池。49. The battery of claim 48, wherein the lithium manganese oxide particles have an average particle size of about 100 nm or less.
ル後に初期値の約20パーセント以内のサイクリング安定性を有する4ボルト電
圧曲線を有する、電池。50. A battery comprising lithium manganese oxide having a 4 volt voltage curve having cycling stability within about 20 percent of its initial value after 25 cycles.
h/g以上の初期容量を有する、電池。51. A battery comprising lithium manganese oxide, comprising: 120 mA
A battery having an initial capacity of at least h / g.
に記載の電池。52. The battery according to claim 51, wherein the battery has an initial capacity of 125 mAh / g or more.
The battery according to 1.
酸化マンガンがLi2Mn4O9を含んでなる、リチウム酸化マンガンを含んでな
る粒子の集合体。53. An aggregate of particles comprising lithium manganese oxide, wherein the aggregate of particles has an average diameter of about 250 nm or less, and wherein the lithium manganese oxide comprises Li 2 Mn 4 O 9 .
の平均粒径の約40パーセントより大きく、且つその平均粒径の約160パーセ
ントより小さい直径を有するような粒径分布を有する、請求項53に記載の粒子
の集合体。54. The aggregate of particles has a particle size distribution such that at least about 95 percent of the particles have a diameter greater than about 40 percent of the average particle size and less than about 160 percent of the average particle size. 54. An aggregate of particles according to claim 53 comprising
子の集合体が約250nm以下の平均直径を有し、リチウム酸化マンガンが、8
.23オングストローム以下の、軸に沿った格子パラメータを有する、粒子の集
合体。55. An aggregate of particles comprising lithium manganese oxide, wherein the aggregate of particles has an average diameter of about 250 nm or less, and wherein the lithium manganese oxide has an average diameter of 8 nm.
. A collection of particles having an on-axis lattice parameter of 23 Angstroms or less.
る反応物流を反応させることを含んでなる結晶性の三成分粒子を製造する方法で
あって、反応物流中の三種の原子の相対量および反応条件が、結晶性の三成分粒
子が生成するように選ばれる、方法。56. A process for producing crystalline ternary particles comprising reacting a reactant stream comprising a precursor containing three atoms of a product ternary particle, the method comprising reacting a reactant stream. The method wherein the relative amounts of the three atoms therein and the reaction conditions are selected to produce crystalline ternary particles.
を構成する、請求項56に記載の方法。57. The method of claim 56, wherein the crystalline ternary particles make up about 25 weight percent of the product particles.
を構成する、請求項56に記載の方法。58. The method of claim 56, wherein the crystalline ternary particles make up at least about 40 weight percent of the product particles.
を構成する、請求項56に記載の方法。59. The method of claim 56, wherein the crystalline ternary particles make up at least about 50 weight percent of the product particles.
る、請求項56に記載の方法。60. The method of claim 56, wherein the crystalline ternary particles comprise a metal oxide comprising two metals.
記載の方法。61. The method of claim 60, wherein the metal oxide comprises a lithium metal oxide.
求項61に記載の方法。62. The method of claim 61, wherein the lithium metal oxide comprises lithium manganese oxide.
。63. The method of claim 56, wherein the reactant stream comprises an aerosol.
方法。64. The method of claim 63, wherein the aerosol comprises two metal species.
。65. The method of claim 56, wherein the reactant stream comprises molecular oxygen.
させることを含んでなる結晶性リチウム酸化マンガン粒子を製造する方法であっ
て、反応が電磁放射線からのエネルギーにより駆動される、方法。66. A method of producing crystalline lithium manganese oxide particles comprising reacting a reactant stream comprising a manganese precursor and a lithium precursor, wherein the reaction is driven by energy from electromagnetic radiation. How.
。67. The method of claim 66, wherein the reactant stream comprises an aerosol.
を通るガスで方向づけられる、請求項67に記載の方法。68. The method of claim 67, wherein the aerosol is directed with gas through an elongated inlet for delivery to the reaction chamber.
6に記載の方法。69. The reaction stream of claim 6, further comprising a radiation absorbing gas.
7. The method according to 6.
法。70. The method of claim 66, wherein the pyrolysis is performed with a carbon dioxide laser.
物を含んでなる粒子の集合体であって、そのリチウム酸化マンガン粒子が、その
粒子の少なくとも約95パーセントが、その平均粒径の約40パーセントより大
きく、且つその平均粒径の約160パーセントより小さい直径を有するような粒
径分布を有する、粒子の集合体。71. An aggregate of particles comprising a crystalline multi-component metal oxide having an average particle size of about 500 nm or less, wherein the lithium manganese oxide particles comprise at least about 95 percent of the particles. An aggregate of particles having a particle size distribution such that they have a diameter greater than about 40 percent of the average particle size and less than about 160 percent of the average particle size.
71に記載の粒子の集合体。72. The aggregate of particles according to claim 71, wherein the aggregate of particles has an average particle size of about 100 nm or less.
1に記載の粒子の集合体。73. The aggregate of particles has an average particle size of about 50 nm or less.
An aggregate of the particles according to 1.
を実質的に含んでいない、請求項71に記載の粒子の集合体。74. The collection of particles according to claim 71, wherein the collection of particles is substantially free of particles having a diameter greater than about three times the average particle size of the collection of particles.
分粒子を含んでいる、請求項71に記載の粒子の集合体。75. The aggregate of particles according to claim 71, wherein the aggregate of particles comprises at least about 40 weight percent of the crystalline ternary particles.
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