Solid-State Synthesis of Mg2Si Fine Powder from Waste Silicon

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K06845
• Research Institution: Tokai University
• Principal Investigator: 佐藤 正志 東海大学, 工学部, 教授 (20459449)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: マグネシウム / シリサイド / 水素 / 低温合成 / 熱電変換 / リチウムイオン二次電池

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、半導体シリコン産業において大量に廃棄されているシリコンスラッジの再利用法として、Liイオン2次電池の負極材料や熱電変換半導体材料として注目されているMg2Si粒子に着目し、環境や経済的負荷の低減に繋がる有効利用方法を提示することを目的としている。
平成30年度は、前年度における結果を受け、シリコンスラッジを原料としたMg2Siの合成について、つぎの2通りのアプローチで研究を行う予定であった。

1. Siの粒度分布と得られたMg2Si微粉末の粒度との相関性： 実用的な材料としてMg2Siを供給することを視野に入れると、一定の粒子サイズと粒度分布を持つものが好適であると考えられる。本年度は、科研費課題「エネルギー変換・貯蔵用Mg-14族系合金粉末の低温固相合成法の開発」（課題番号：26420728）において得られていた定性的な粒度に関する知見を発展させ、シリコンスラッジと合成されたMg2Siとの粒度分布に相関があることが明らかとなった。

2. フィラー原料としての供給可能性について： 制御された粒度分布を持つMg2Si微粒子は、マグネシウムやアルミニウムをベースとする高剛性軽金属基複合材料のフィラーとして用いることが提案されている。本年度の結果から、シリコンスラッジより合成されるMg2Siには、原料スラッジ粒度との間に相関性があることから、粒度の視点からはフィラーとしての利用可能性があるものと判断された。一方、化学的な視点においては、今後の課題として残った。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究実績の概要に記載して通り、本研究課題は前年度から引き続き、概ね順調に進展していると考えられる。廃棄シリコンの粒径は、その履歴によって分布が大きく異なることが知られているものの、本課題における低温での微粒子合成法においては、合成後のMg2Si微粒子径と原料粒径との間に相関がみられることが明らかとなっており、予め原料の粒径を計測してあるならば、粒径がある一定の制御された微粉末として得られることが工業的な指針として活用できるの成果であると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

該当手法により圧倒的な低温条件で合金化が進行するが、シリコンスラッジは比表面積が大きいことから、原料Mgとの接触面積が大きく異なるため、合金形成反応の活性化エネルギーに大きな変化を伴うことが予想される。今後の研究については、合金形成の反応速度を測定し、アレニウスプロットから活性化エネルギーを算出し、合金化に関わる反応速度論的な知見を得る予定である。

Causes of Carryover

当該未使用額については、消耗品として計上した真空部品類の予定価格の変動に起因して発生をしたものである。次年度に予定している真空消耗品等においても、価格変動が懸念されるため、前年度未使用額を適宜割り当てながら遅延のない研究遂行に活用する予定である。