JP2013511130A - 電極製造用の中間層 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】リチウムイオン電池に使用される新規な電極を提供する。電極は、基板と電気化学的活物質との間に設けられる1つ以上の中間層を含む。中間層は、クロム、チタン、タンタル、タングステン、ニッケル、モリブデン、リチウム、その他の物質、およびそれらの組み合わせから形成してよい。中間層は、基板を保護し、電気化学的活物質の堆積中に触媒の再分配を促進し、活物質と基板とをより良く固着させ、その他の目的も果たす。所定の実施形態では、活物質は、たとえば、シリコン、スズ、ゲルマニウム等の1つ以上の高容量活物質を含む。これらの材料は、サイクリングの間に膨張する傾向があり、基板への機械的および/または電気的な接続が緩む。可撓性の中間層によって、膨張を補償し、固着界面を強固にする。1つ以上の中間層を含む電極の製造する新規な方法も提供する。
【選択図】図3
【選択図】図3
Description
高容量充電池に対する需要は強い。航空宇宙、医療装置、持ち運び可能電子機器、および自動車等の多くの分野において、高重量および/または高容量の電池が求められている。リチウムイオン電池技術は、この点において顕著な発展を表している。しかし、今日までこの技術の応用は、主に黒鉛電極に限られており、黒鉛はリチオ化の間、たった約372mAh/gの理論容量しか有さない。
シリコン、ゲルマニウム、スズ、および多くのその他の材料は、それらの電気化学容量が高いので魅力的な活物質である。たとえば、リチウムイオン電池におけるシリコンの理論容量は、約4200mAh/gと推定されてきている。しかし、これらの材料の多くは、市販の電池には広く採用されてきていない。理由の一つは、サイクリング(cycling)の間にこれらの材料が経る実質的な体積変化である。たとえば、シリコンは、その理論容量(Li4.4Si)レベルもしくはその近傍まで充電されると、400%も膨張する。体積変化がこの程度にまで及ぶと活物質構造に実質的な応力が発生し、破砕および粉砕が生じ、電極内の電気的接続が損なわれ、電池の容量が減衰する。
高容量活物質粒子および高分子バインダーを含有するスラリーを使用した従来の電極製造方法では、通常、サイクル寿命に優れない電気化学セルが製造される。大抵の高分子バインダーは、活物質の膨張に適合できるほど十分な弾性を保有しておらず、放電の際に高分子と活物質粒子とが分離し、活物質粒子と電流コレクターとの電気的接続が損なわれる。
全体として、上記の欠点を最小化する電池電極の高容量活物質の応用を改善する必要性がある。
[関連出願の相互参照]
本願は、2009年11月11日に出願された米国仮出願第61/260,297号(発明の名称「電極製造用の中間層」)の利益を主張し、あらゆる目的において本明細書にその全体を参照として組み込む。
本願は、2009年11月11日に出願された米国仮出願第61/260,297号(発明の名称「電極製造用の中間層」)の利益を主張し、あらゆる目的において本明細書にその全体を参照として組み込む。
リチウムイオン電池に使用される新規な電極を提供する。電極は、基板と電気化学的活物質との間に設けられる1つ以上の中間層を含む。中間層は、クロム、チタン、タンタル、タングステン、ニッケル、モリブデン、リチウム、その他の物質、およびそれらの組み合わせから形成してよい。中間層は、基板を保護し、電気化学的活物質の堆積中に触媒の再分配を促進し、活物質と基板とをより良く固着させ、その他の目的も果たす。所定の実施形態では、活物質は、たとえば、シリコン、スズ、ゲルマニウム等の1つ以上の高容量活物質を含む。これらの材料は、サイクリングの間に膨張する傾向があり、基板への機械的および/または電気的な接続が緩む。可撓性の中間層によって、膨張を補償し、固着界面を強固にする。1つ以上の中間層を含む電極の製造する新規な方法も提供する。
所定の実施形態では、リチウムイオン電池に使用される電極は、基板と、基板上に形成された1つ以上の中間層と、電池サイクリングの間、リチウムイオンを挿入および除去し、1つ以上の中間層上に形成されたナノ構造の形態を有する電気化学的活物質とを備える。電気化学的活物質は、基板と電気的に通じている。所定の実施形態では、基板は、銅、ニッケル、アルミニウム、ステンレス鋼、およびチタンのうち1つ以上を含む。同一もしくは別の実施形態では、活物質は、シリコン、スズ、ゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウムの組み合わせ、酸化スズ、オキシ炭化ケイ素(SiOC)、およびこれらの化合物のうち、1つ以上を含む。より特定的な実施形態では、活物質は、ケイ化物、より特定的には、ケイ化ニッケルを含む。たとえば、活物質は、上部にアモルファスシリコン層が形成されたケイ化ニッケルナノワイヤを含んでよい。所定の実施形態では、活物質ナノ構造は、基板ルーティングされたナノワイヤ(substrate−rooted nanowires)である。
所定の実施形態では、1つ以上の中間層は、クロム、チタン、タンタル、タングステン、ニッケル、モリブデン、鉄、およびリチウムの元素のうち1つ以上を含む。中間層の厚さは、約1ナノメートルと2000ナノメートルとの間であってよい。中間層の単位表面面積当たりの電気抵抗は、約1オーム平方センチメートル未満であってよい。
所定の実施形態では、1つ以上の中間層は、電気化学的活物質の形成中に、基板を保護する拡散障壁層を含む。同一もしくは別の実施形態では、中間層は、電池サイクリングの間、基板と電気化学的活物質との間の機械的接続を維持する固着層を含む。中間層は、活物質の形成中に、触媒層を堆積し、触媒層から触媒アイランドを形成するための表面張力を有してよい。同一もしくは別の実施形態では、1つ以上の中間層は、触媒粒子を分散媒から分離させる。中間層は、触媒を離散した斑点状に分散させることが可能な粗さを有する露出面を有してよい。中間層は、電気化学的活物質の堆積を促す核形成部位を提供する表面条件を有してよい。
リチウムイオン電池で使用される電池電極を製造する方法も提供する。方法は、電池電極用の基板を受け取る段階と、基板上に導電性中間層を形成する段階と、1つ以上の中間層上にナノワイヤを含む電気化学的活物質を堆積する段階とを備える。電気化学的活物質は、電池サイクリングの間に、リチウムイオンを挿入および除去する。電気化学的活物質を堆積する段階は、蒸気−固体−固体(VSS)化学蒸着(CVD)技術を含んでよい。所定の実施形態では、活物質を堆積する段階は、まず、1つ以上の中間層上に触媒を堆積することを含む。2つ以上の中間層を堆積してよい。所定の実施形態では、中間層は、活物質の堆積中に、活物質の核形成を強化する表面条件を有する。
本発明のこれらの観点およびその他の観点を、図面を参照して、以下にさらに記載する。
以下の記載では、本発明の完全な理解を促すべく数多くの特定的詳細事項を述べる。本発明は、これらの特定的詳細事項のいくつかまたは全てがなくても実施され得る。別の例では、本発明を不必要に不明瞭にしないように、周知のプロセス動作は詳細に記載しなかった。本発明を特定の実施形態に関連付けて記載するが、本発明をこれらの実施形態に限定することは意図されていないことは理解されよう。
導入
リチウムイオン電池の製造で従来なされてきたように高分子バインダーを使用して活物質を基板に固着するかわりに、活物質を、その製造中に堆積もしくはその他の方法により(それにより、「成長が根を下ろした(growth rooted)」活物質が生成される)、または、その製造後に(たとえば、焼結もしくは溶融により)、集電基板に直接に取り付けても良い。所定の実施形態では、製造もしくは取り付けプロセスの間、基板の表面を保護する必要がある。保護が必要な理由と、保護を与える技術とを以下に記載する。ここでは、電極基板と活物質との間に設けられる1つ以上の(中間層) により保護が与えられることを理解するべきである。活物質は、以下により詳細に記載する微粒子もしくは「ナノ構造」の形態を有することが多いことも理解するべきである。
リチウムイオン電池の製造で従来なされてきたように高分子バインダーを使用して活物質を基板に固着するかわりに、活物質を、その製造中に堆積もしくはその他の方法により(それにより、「成長が根を下ろした(growth rooted)」活物質が生成される)、または、その製造後に(たとえば、焼結もしくは溶融により)、集電基板に直接に取り付けても良い。所定の実施形態では、製造もしくは取り付けプロセスの間、基板の表面を保護する必要がある。保護が必要な理由と、保護を与える技術とを以下に記載する。ここでは、電極基板と活物質との間に設けられる1つ以上の(中間層) により保護が与えられることを理解するべきである。活物質は、以下により詳細に記載する微粒子もしくは「ナノ構造」の形態を有することが多いことも理解するべきである。
高容量活物質は、セルの電気化学的サイクリングの間に、実質的な体積変化を経ることが一般的である。このような活物質は、基板への電気的かつ機械的な接続が緩んで、セルを劣化させてしまう場合がある。この問題に対処する一つの方法は、ナノ構造の形態を有する場合もある活物質を基板に接着することである。いくつかの場合では、活物質を、「基板発根(基板ルーティング(substrate rooting))」と呼ばれる方法で基板に取り付ける。この構成によって、基板と活物質との間に直接的な機械的支持および電気的連通が提供され、これにより基板と活物質との間に、冶金学的な接続(必ずしも、この接続が格子整合しているという意味ではない)および/または電気的結合(および/または接続)が得られることが多い。基板ルーティングされたナノ構造および対応する製造方法の多様な例が、2009年5月7日に出願された米国特許出願第12/437,529号に記載されており、当該出願の全体を本明細書に、基板ルーティングされたナノ構造を記載する目的で参照として組み込む。
所定の実施形態では、ナノ構造の寸法の1つは、残り2つの寸法より実質的に大きい。当該最大の寸法は、長さである。いくつかのナノ構造、特に、高アスペクト比を有するナノ構造は、湾曲した形状を有する場合がある。このような場合、ナノ構造の長さは、代表的な曲線の長さである。断面は、長さに対して垂直な平面におけるナノ構造の断面と規定する。ナノ構造は、その長さに沿って、多くの断面(横断)寸法を持つ場合がある。さらに、活性層のナノ構造は、形状的にも寸法的にも違った断面(たとえば、テーパー形状のナノ構造)を有する場合がある。ナノ構造の形状の例としては、球状、円錐状、棒状、ワイヤ状、円弧状、鞍状(saddles)、薄片状、楕円状、テープ状等が挙げられる。
断面形状は、一般的に、組成、結晶構造(たとえば、結晶状、多結晶状、アモルファス状)、大きさ、堆積プロセスのパラメーター、およびその他多くの要因によって決まる。形状は、サイクリングの間にも変化する。断面形状が不均一であるので、寸法について特別な定義が必要になる。本願の目的においては、断面寸法は、長さ等の主寸法を横断する断面の外周上の最も離間した2点間の距離と定義される。たとえば、円柱状ナノ棒の円の断面寸法は、円形断面の直径である。いくつかの実施形態では、ナノ構造の断面寸法は、約1ナノメートルと10,000ナノメートルとの間である。より特定的な実施形態では、断面寸法は、約5ナノメートルと1000ナノメートルとの間であり、より特定的には10ナノメートルと400ナノメートルとの間である。通常、これらの寸法は、電極で採用されるナノ構造全体での平均(average)もしくは平均(mean)を表す。
所定の実施形態では、ナノ構造は中空である。ナノ構造を、チューブもしくはチューブ状構造と記載することもある。したがって、中空ナノ構造の断面プロファイルは、環状の固体領域に取り囲まれる空洞領域を含む。空洞領域の固体領域に対する平均比率は、約0.01と100との間であり、より特定的には約0.01と10との間である。中空ナノ構造の断面寸法は、主寸法(たとえば、通常は軸)に沿って実質的に一定であってよい。または、中空ナノ構造は、主寸法に沿ってテーパー形状となってよい。所定の実施形態では、多数の中空ナノ構造によって、多壁ナノチューブに似たコアシェル構造が形成される。中空ナノ構造のさらなる例が、2010年5月10日に出願された米国特許出願第12/787,138号(発明の名称「充電池に使用される高容量活物質を含有する相互連結された中空ナノ構造」)に提示されており、当該出願の全体を本明細書に、中空ナノ構造を記載する目的で参照として組み込む。
所定の実施形態では、「ナノワイヤ」を、アスペクト比が平均で少なくとも約4である構造と定義する。所定の例では、平均アスペクト比は、少なくとも約10、少なくとも約100、または少なくとも約1000である。いくつかの場合では、ナノワイヤの平均アスペクト比は、少なくとも約10,000であり、約100,000となる場合もある。ナノワイヤ状活物質は、活性層の全体構造を破壊することなく実質的な膨張をすることができ、より良好な電気的かつ機械的接続を層に与え、蒸気−液体−固体および蒸気−固体のテンプレート自由成長法、もしくはその他のテンプレート法を用いて容易に実現することができる。
多様な方法を用いて、基板ルーティングされたナノ構造を基板に堆積してよい。方法の一つは、堆積した材料の蒸気−液体−固体(VLS)相変態を用いた化学蒸着(CVD)である。この方法を、本明細書では「VLS」技術と呼ぶ。別の方法としては、本明細書で「VSS」と呼ぶ、蒸気−固体−固体(VSS)相変態によるCVDが挙げられる。
多様な実施形態において、基板と活物質との間に中間層を設けてリチウム負極の製造もしくは使用を容易にする。一例では、中間層は、活物質を堆積するのに使用される反応物質から基板を保護する役割を果たす。このような中間層によっても(もしくは、かわりにこのような中間層によって)、VLSもしくはその他の適切なプロセスによる活物質の形成が容易になる。中間層は、たとえば、基板から拡散する材料によって堆積触媒が汚染されるのを防止したり、もしくは触媒が基板に拡散するのを防止したりすることによって、この目的を達成する。
VLSプロセスの概略的な記載をここで提供し、所定の実施形態に係る電極の中間層およびその他のコンポーネントの所定の機能および構造をより良く理解できるようにする。VLSは、たとえばナノワイヤ等の一寸法構造をCVDにより成長させるためのメカニズムである。VLSプロセスにより、前駆体蒸気を過飽和レベルにまで急速に吸着し、それにより液固界面における結晶成長を促進することができる触媒的な液体合金相が導入される。
図1は、所定の実施形態に係る典型的なVLS堆積プロセスの3つの一般的段階を示す。初期段階100では、基板102の表面に触媒アイランド104が離散的に形成される。表面は、通常、不図示の中間層を有しており、以下により詳細に記載する。
基板は、金属箔、オープン構造の基板(たとえば、メッシュ、発泡体)、構造的かつ導電性の材料を含む複合体、およびその他の形態であってよい。多様なリチウムイオン電池で使用される電極の基板材料としては、銅、および/又は銅デンドライトが塗布された酸化金属、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、ニッケル(拡散障壁としても使用される)、クロム、タングステン、窒化金属、金属炭化物、酸化金属、炭素、炭素繊維、黒鉛、グラフェン、炭素メッシュ、導電性ポリマー、または多層構造を含む上記の物質の組み合わせが挙げられる。材料の選択は、材料の電気化学ポテンシャルによっても決定されることは当業者には理解されよう。基板材料は、箔、膜、メッシュ、ラミネート、ワイヤ、チューブ、粒子、多層構造、もしくはその他の任意の適切な構造に形成されてよい。たとえば、基板102は、約1マイクロメートルと50マイクロメートルとの間の厚さを有するステンレス鋼であってよい。別の実施形態では、基板102は、約5マイクロメートルと50マイクロメートルとの間の厚さを有する銅箔である。基板の所定の例が、2009年5月7日に出願された米国特許出願第12/437,529号、および本明細書とともに提出される代理人整理番号AMPRP005Pの米国特許出願に記載されており、これらの全体を本明細書に、基板を記載する目的で参照として組み込む。
触媒アイランド104は、まず触媒を含有する連続的な層を堆積し、次に層を部分的に除去することにより(たとえば、リソグラフィエッチング、アブレーティングにより)、もしくは熱アニーリングにより連続的な層を分断することにより形成してよい。この除去の際、基板を保護するべく中間層を用いてよい。別の実施形態では、触媒(通常、金等の金属触媒を含有する共晶合金)を含有する連続的もしくは部分的な層を加熱することにより、表面張力により分断された液滴を形成する。基板の表面特性を変化させたり、触媒含有材料の共晶合金を形成したり、触媒が基板へと逸失するのを防止(たとば、銅基板上の金触媒)したり、およびその他の目的で中間層を使用してよい。不連続な触媒アイランドの形成に影響するいくつかの特性としては、表面粗さ、粒状構造および多孔性、帯磁方向、並びに電気的構造が挙げられる。
中間層は、中間層に対してめっき、スパッタ、および/または蒸発(evaporated)された触媒を含有してよい。所定の実施形態では、中間層の材料および触媒は、一緒に堆積させ、次に相分離することでこの組み合わせの層における材料の分布を制御する。中間層の露出面およびその近傍ではナノ結晶および/またはマイクロ結晶が発生する場合がある。結晶の大きさは、堆積プロセスの際に制御してよい。たとえば、スパッタリングの際、電力レベル、チャンバ圧力、および/または温度を制御してよい。材料の堆積にめっきを用いる場合、めっき電流および浴組成を制御することができる。さらに、所定の堆積後処理パラメーター(たとえば、アニーリングの温度および/または継続時間)を制御してよい。これらの実施形態のいくつかでは、表面上で得られた触媒の分布によって、ナノワイヤの密度および大きさが決まる。
所定の実施形態では、中間層の粗さおよび触媒アイランドの形成は、化学エッチングにより確定される。エッチャントは、中間層の堆積後または堆積中(たとえば、堆積終了に近いとき)に導入してよく、エッチャントは中間層と反応してより表面をより粗くし、触媒アイランドを形成する。
さらに、中間層は、化学的もしくは物理的特性(たとえば、極性(polarization)、結合部位、磁性)が互いに異なる部分を有してよく、これらは、触媒粒子を分散させ、もしくは堆積プロセス中にアイランドが形成されるようにするべく利用できる。
所定の実施形態では、触媒含有材料を、最初に連続層を形成せずに、分散した触媒アイランドとして基板上に堆積してよい。たとえば、触媒粒子を含有する、および/または触媒が懸濁(たとえば、コロイド懸濁液)したスラリー溶液を用いて基板の表面をコーティングしてよい。次に、スラリーを乾燥させて触媒アイランドを形成する。これらの実施形態についての所定の詳細事項が、2005年4月12日に出願された米国特許出願第11/103,642号に記載されており、当該出願の全体を本明細書に、触媒アイランドを形成するプロセスの例を記載する目的で組み込む。これらの実施形態では、中間層は、スラリーの流れおよび乾燥にとって所望の表面特性を与え、基板をスラリーから保護するべく用いてよい。別の実施形態では、触媒材料は、中間層に埋め込んで、触媒材料の一部だけが露出するようにする。触媒を堆積するその他の方法としては、無電解析出を実行し、塩前駆体(salt precursor)を触媒元素に混合し、その後、水素の存在下で混合物を加熱もしくはアニールすることが挙げられる。
触媒として適切な材料は、たとえばVLSまたはVSS型の堆積プロセスにおいて、処理ガスと反応して化合物を形成することができる任意の材料であってよい。例としては、金、ニッケル、コバルト、アルミニウム、銅、ガリウム、インジウム、銀、チタン、炭素、炭化物、合金、およびこれらの混合物が挙げられる。触媒は、熱蒸発、スパッタリング、電気めっき、および濾過法を用いて堆積することができる。堆積条件によって、連続的な膜または分散した触媒アイランドが中間層上に形成される。
所定の実施形態では、基板もしくは中間層の粗い表面に触媒を蒸発またはスパッタリングにより堆積することで、陰影効果が生じてクラスター状に堆積される。これによって、触媒アイランドを形成するべく別個に堆積後処理を行う必要がなくなるかもしれない。さらに、粗い表面にめっきを行うと、不均一な電界分布によって、粗い表面構造の延長部先端(extending tips)に偏って堆積されるかもしれない。
所定の実施形態では、所定の触媒材料を所定の表面に(たとえば、金を酸化シリコンおよび/またはシリコン上に)少量堆積することによっては、均質な単一の原子層は形成されず、かわりにクラスター状に堆積される。なんらかの特定の理論に限定せず、表面張力の熱力学的駆動力によってこのような分布がもたらされると考えられる。クラスター化は、温度および堆積速度等の堆積プロセス条件を制御することにより制御してよい。
所定の実施形態では、部分的に酸化した表面または多孔質テンプレート(たとえば、多孔質ポリマー)を上部に有する表面にめっきを施して触媒アイランドを形成する。たとえば、基板または中間層を、環境条件下で加熱することにより、または酸化剤を堆積チャンバに導入することにより部分的に酸化してよい。この方法のかわりに、またはこの方法に加えて、次に、堆積中に、もしくはその後の処理(たとえば加熱)中に、多孔質構造を形成するポリマーにより表面をコーティングしてよい。
所定の実施形態では、触媒をパルスめっきすることにより、方面に触媒アイランドを形成してよい。たとえば、比較的短いパルス持続時間で不連続な膜を形成することができる。パルスの持続時間は、めっき浴構成、めっき電流、めっき浴組成、堆積表面の材料および形状(たとえば、表面粗さ)、およびその他の処理パラメーターで決定される。
所定の実施形態では、触媒層の部分的電気化学的溶解によって金属のアイランドを形成する。たとえば、パルス状電流、テンプレート、および表面の粗面化または酸化により、選択的溶解を確立してよい。
触媒材料を選択する際、多様な基準を考慮してよい。このような基準としては、ナノ構造材料の融点および共晶点、中間層の表面張力等の濡れ特性(溶融に応答して触媒アイランドを形成する目的で)、中間層におけるバルク拡散速度、堆積したナノ構造の電気化学的特性および電気的特性、並びにその他が挙げられる。たとえば、アルミニウムは結晶シリコンにおいて金よりも低い拡散速度を有するが、金よりも高い温度(約577℃)においてではあるがシリコンと共晶混合物を形成する。反対に、銅はシリコン内で非常に迅速に拡散するが、共晶温度はもっと高い(約802℃)。蒸気−固体−固体モードでシリコンナノワイヤを成長させるべく銅を用いてよい。さらに、ガリウムは、シリコンにおいて、金に比べて融点および拡散速度が低い。
VLSプロセスの次の段階では、触媒アイランド104aを有する基板102の表面に1種以上の前駆体ガス106を供給する。これらの前駆体ガスは、分解もしくはその他の反応を示して、後にナノ構造112を形成するシリコン、ゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウム合金(SiGe)、オキシ炭化ケイ素(SiOC)、スズ、酸化スズ、酸化チタン、炭素、多様な金属水酸化物(たとえば、MgH2)、ケイ化物、リン化物、炭化物、および窒化物等の電気化学的に活性な材料を形成することができる。前駆体ガス106は、触媒アイランド104の表面で反応して、アイランド104aに吸着される所定の材料108と、後に環境に放出されるその他の材料119とを放出する。このプロセスは、解離吸着と呼ばれる場合もある。たとえば、シラン(SiH4)は、高温で、もしくはプラズマの補助により分解して、シリコン、シランラジカル、および水素を生成する。次に、堆積したシリコンもしくはシリコン含有材料は、触媒アイランドに拡散し、触媒との合金を形成する。別の例としては、二塩化物、三塩化物、および四塩化物のシラン等の塩化物系シランが挙げられる。クロロシラン(HxSiCl4−x)は、金含有触媒アイランドの表面上で水素(H2)と反応して、アイランドの中にシリコン(Si)を放出し、処理チャンバの環境に塩化水素(HCl)を放出する。
解離吸着プロセスが進行するにともない、触媒アイランド104aは、吸着材料108の濃度が飽和レベルに達するまで上昇する。この時点では、次の段階120に示すように、材料108がさらに吸着されると、当該材料は基板界面で析出し、固体ナノ構造112が形成される。このナノ構造112は、活物質を含有しており、所定の実施形態では、導電性を強化する材料(たとえば、ドーパント)、並びに構造的完全性、基板への固着、およびその他のナノ構造特性を強化する材料等、その他の材料を含有する。ナノ構造は、堆積中もしくは堆積後に、たとえば、リチウムをあらかじめ充填されたその他の材料とコアシェル構造を形成させる等、官能化させてよい。
これら、およびその他の実施形態では、中間層は、VLS型堆積プロセス中および官能化中に、基板102が触媒アイランド104a、並びにナノ構造112、前駆体106、および放出された反応生成物119と相互作用することを防ぐべく用いられてよい。たとえば、金属含有触媒を用いてシリコンナノワイヤを堆積してよい。しかし、銅基板に金を堆積すると、金―銅合金が形成され、触媒作用に否定的な影響を与え、より多くの金を堆積する必要が生じる可能性がある。さらに、銅は、シラン、四塩化ケイ素、もしくはその他のシリコン含有前駆体ガスに暴露されると、ケイ化物を形成する場合がある。ケイ化銅は、機械的特性が低く、望ましくない電気化学的特性を有するので、シリコン系電極では一般的に望ましくない。
中間層を設けることにより、設けなかった場合には前駆体ガス(たとえば、シラン)と反応するか、堆積中もしくは堆積後に堆積した材料との合金を形成する多様な基板材料の使用が可能になる。たとえば、シリコンナノワイヤを銅もしくはニッケルの基板に直接堆積すると、望ましくないケイ化物が形成される可能性がある。中間層は、堆積中に障壁として機能し、基板と前駆体ガスとの接触を防止する。結果として、基板として可能な材料の選択肢の数が大幅に増える。
所定の実施形態では、あらかじめ製造されたナノ構造を、熱および圧力の組み合わせ、またはその他の技術により、基板に接合(たとえば、融合(fused)もしくは焼結)させる。中間層は、これらの技術により形成される接合を補強してよい。別の実施形態では、活物質のバルク層を基板に堆積し、基板ルーティングされたナノ構造を形成する当該層の一部を選択的にエッチングすることにより、基板ルーティングされたナノ構造を形成する。この実施形態では、たとえば、中間障壁層を使用することにより、基板をエッチャントから保護する必要があるかもしれない。
その他の所定の実施形態では、高分子バインダーを使用して基板に高容量材料を固着させてよい。基板に堆積した中間層によって、高容量材料の過度の膨張に順応し、それでいて基板との電気的かつ機械的な連通を十分に保つためのバインダーの使用が可能になる。たとえば、中間層を使用して基板表面粗さを増大させてよい。別の実施形態では、中間層は、高分子が基板により良好に固着するようにする官能基を表面に有する。バインダーを用いる実施形態によっては、通常、基板ルーティングされた構造が提供されないし、基板と活物質ナノ構造との間に金属結合が形成されないことは理解されるべきである。
所定の実施形態では、あらかじめ合成された(たとえば、プリフォームされた)ナノ粒子を基板に堆積し、その後に熱アニーリング工程を実行してナノ粒子と基板との間に金属結合を形成する。この結合形成中または全体プロセスのその他の部分において、中間層を補助として用いてよい。
中間層の構造および材料
中間層は、拡散障壁として用いてよい。たとえば、中間層によって、基板材料が活物質ナノ構造を成長させるのに用いられる触媒に拡散すること(および、それにより触媒の性能を劣化させること)を防止してよい。さらに、いくつかの場合では、中間層によって、基板と活物質前駆体および/または活物質製造中およびその他の処理動作中に使用されるその他の試薬との間の相互作用を防止してよい。さらに、特にナノ構造がサイクリングにより実質的な体積変化をこうむる場合に、活物質の基板への固着を中間層によって強化してよい。さらに、中間層によって、たとえば、(格子不整合に対処し、変形を減らすべく)基板と活物質ナノ構造との間にエピタキシャル接続もしくは化学結合接続を設けてよく、および/または、基板−活物質界面に裂け目を生じさせることなく電極サブアセンブリを処理温度(たとえば、堆積温度、堆積後処理温度等)から室温に移行させて電気的に導通させることを可能にする熱膨張係数を与えてよい。中間層によってナノワイヤの成長が促進もしくは加速され得るのは、表面粗さおよび中間層と触媒アイランドとの間の濡れ性が、異なる堆積プロセスおよび異なる中間層材料を選択することにより最適化され得るからである。圧延(roll)もしくはその他の製造方法の実行中に機械的完全性(mechanical integrity)を促すべく(たとえば、高温および高張力環境による変形を防ぐべく)、中間層を用いてもよい。
中間層は、拡散障壁として用いてよい。たとえば、中間層によって、基板材料が活物質ナノ構造を成長させるのに用いられる触媒に拡散すること(および、それにより触媒の性能を劣化させること)を防止してよい。さらに、いくつかの場合では、中間層によって、基板と活物質前駆体および/または活物質製造中およびその他の処理動作中に使用されるその他の試薬との間の相互作用を防止してよい。さらに、特にナノ構造がサイクリングにより実質的な体積変化をこうむる場合に、活物質の基板への固着を中間層によって強化してよい。さらに、中間層によって、たとえば、(格子不整合に対処し、変形を減らすべく)基板と活物質ナノ構造との間にエピタキシャル接続もしくは化学結合接続を設けてよく、および/または、基板−活物質界面に裂け目を生じさせることなく電極サブアセンブリを処理温度(たとえば、堆積温度、堆積後処理温度等)から室温に移行させて電気的に導通させることを可能にする熱膨張係数を与えてよい。中間層によってナノワイヤの成長が促進もしくは加速され得るのは、表面粗さおよび中間層と触媒アイランドとの間の濡れ性が、異なる堆積プロセスおよび異なる中間層材料を選択することにより最適化され得るからである。圧延(roll)もしくはその他の製造方法の実行中に機械的完全性(mechanical integrity)を促すべく(たとえば、高温および高張力環境による変形を防ぐべく)、中間層を用いてもよい。
中間層の材料の選択は、基板材料、活物質、接触/固着条件、中間層に意図される機能性、およびその他のパラメーターにより決定される。中間層材料の例としては、タングステン、モリブデン、ニオブ、タンタル、レニウム、窒化タングステン、炭化タングステン、チタン、酸化チタン、窒化チタン、炭化チタン、ジルコニウム、窒化ジルコニウム、タンタル、窒化タンタル、コバルト、ルテニウム、酸化インジウム、カドミウム、ハフニウム、テルル、酸化テルル、窒化テルル、クロム、鉄、酸化クロム、チタン−タングステンの組み合わせ、鉄−タングステンの組み合わせ、コバルト−タングステンの組み合わせ、モリブデン、ニッケル、リチウム、およびその他等の耐火金属が挙げられる。中間層の厚さは、約1ナノメートルと5ナノメートルとの間、より特定的には約5ナノメートルと1マイクロメートルとの間、さらに特定的には約25ナノメートルと100ナノメートルとの間であってよい。銅ニッケル、クロム、およびチタン等の所定の材料を層に導入することにより、堆積されたナノ構造の基板表面への固着が向上する。一般的に、厚さは、層に要求される機能性と、層に含まれる材料の対応特性とにより決まる。所定の実施形態では、中間層は、層の単位表面面積当たり、約10オーム平方センチメートル未満、もしくはより特定的な実施形態では、約5オーム平方センチメートル未満の接触抵抗を有する。単位表面面積当たりの抵抗は、中間増材料の抵抗率に層の厚さを乗じたものと定義される。
所定の実施形態では、中間層は、約150ナノメートルと250ナノメートルとの間の暑さを有するタングステンを含む。タングステンは、高容量ナノ構造材料を堆積するための触媒として使用することができる多くの材料との合金を形成しない。別の実施形態では、タングステン含有材料のサブ層(たとえば、約150ナノメートルと250ナノメートルとの間の厚さ)と、チタン含有材料のサブ層(たとえば、約1ナノメートルと50ナノメートルとの間の厚さ)とを含む複合中間層を使用する。チタニウムサブ層は、中間層の基板への固着を補強するべく用いてよい。上記の中間層は、銅およびニッケルの基板に対して使用してよい。
所定の実施形態では、中間層はクロムを含み、厚さは約500ナノメートルと1500ナノメートルとの間である。クロムは金との合金を形成するが(かつ、この種の触媒と一緒に使用することはできないが)、その他の触媒とは一緒に使用することができ、銅、ニッケル、および銀の基板層の上に堆積することができる。
所定の実施形態では、電極は、積層体を形成する多数の中間層を含む。これらの各層は、同一の材料を含んでもよいし、異なる材料を含んでもよい。中間層の積層体は、「障壁システム」と呼んでもよい。たとえば、図2は、基板202と活物質ナノ構造206との間に位置付けられた積層体を有する電極200の概略断面図を示す。図3は、3つの層208、210、および212を含む積層体204を有する電極部分210の拡大図を示す。積層体は、任意の数(たとえば、1、2、3、4、5、または6)の中間層を含んでよいことは理解されるべきである。層の数は、使用される材料、堆積技術、および目標とする機能性により決めてよい。所定の実施形態では、2つの材料によって1つだけの場合よりも良好な拡散障壁が得られる場合(たとえば、相乗的拡散障壁効果)、固着層と拡散障壁との組み合わせとして、拡散障壁と核形成表面層との組み合わせとして、または固着層と、拡散障壁と、核形成表面層との組み合わせとして、複合中間層を使用する。
所定の実施形態では、積層体中の1つの層を、ナノ構造の基板への固着を向上させるべく使用してよい。より特定的な例では、基板の積層体への固着を向上させるべく1つの層(たとえば、図3の層207)を使用し、ナノ構造の積層体への固着を向上させるべく別の層(たとえば、図3の層209)を使用してよい。このような層の材料の例としては、クロム、チタン、タングステン、タンタル、ニッケル、およびモリブデンが挙げられる。固着層としては、基板を実質的に固定させたまま、ナノ構造ベース(nanostructure base)の実質的膨張に順応するようなものを選択してよい。
たとえば図3の層208のような層を、拡散障壁として使用してよい。この層によって基板が触媒アイランド、前駆体、および反応生成物と相互作用することを防止してよい。所定の実施形態では、VLSおよび/またはVSSの堆積プロセス中に触媒アイランドを形成するのを補助するべく中間層(たとえば、図3の層209)を使用してよい。たとえば、触媒アイランドが凝集もしくは集合するように適切な表面張力を与えるべく基板の表面特性を改質するために層を使用してよい。別の実施形態では、リソグラフィエッチング、アブレーション、およびその他の触媒アイランド形成方法の実行中に、基板の損傷を防止するべく層を使用してよい。
所定の実施形態では、中間層もしくは中間層の一部(たとえば、図3の層209等の上部サブ層)は、基板に、もしくはより特定的には、基板の中間層に堆積されたナノ構造の核形成を促進する表面条件を有する。表面条件は、触媒アイランド形成の全体的動作または別の動作の一部として生成されてよい。理解されるように、VLSまたはVSSの堆積方法では、活物質(もしくはその前駆体)を含有する溶液は、溶液中の活物質の濃度が所定の高レベルに達したとき、活物質を含む固相を析出する。この析出の開始は、溶液と接触する中間層の表面特性を制御することにより、ある程度制御することができる。これらの特性の例としては、表面粗さ、表面極性、表面張力、および表面材料の形態(たとえば、結晶、アモルファス、並びに格子の大きさおよび方向)が挙げられる。これらの特性は、中間層(もしくは、その一部)に所定の材料を選択することにより制御することができる。このような材料の例としては、クロム、タングステン、ニッケル、モリブデン、鉄、並びにこれらの材料のうち1つ以上を含む混合物および合金が挙げられる。さらに、これらの特性は、堆積の際に所定の堆積方法を使用し、プロセスパラメーターを制御することにより制御することができる。堆積方法の例としては、スパッタリング、電着(たとえば、無電解析出およびパルスめっき)、蒸発、化学蒸着(CVD)、物理蒸着(PVD)、および原子層堆積(ALD)が挙げられる。所定の実施形態では、中間層の特性をさらに制御するべく、バックプレーティング(back−plating)、電気エッチング、再スパッタリング、CVD、アニーリング、プラズマエッチング、および酸化等の堆積後処理を用いる。核形成を促進するべく選択される特定の表面条件は、中間層、活物質、および触媒(ある場合)の組成により決まるが、一般的に、表面は、少なくとも約0.01μmR、より特定的には少なくとも約0.05mR、または少なくとも約0.1μmRの表面粗さを有する。活物質の特性に適合する表面条件が好まれることが多い。たとえば、中間層と活物質とに、実質的に類似した格子定数、極性、表面張力等が好まれる。
プロセス
図4は、1つ以上の中間層が基板と活物質との間に設けられる基板に活物質を堆積するための一般的プロセス400のフローチャートを示す。プロセス400は、基板を提供すること(ブロック402)から開始される。所定の実施形態では、ロール・ツー・ロール方式で、基板をCVD装置等の処理チャンバに提供してよい。一般的に、基板の堆積領域は、中間層および/または活物質の堆積条件により確定される所定の温度にあらかじめ加熱される。
図4は、1つ以上の中間層が基板と活物質との間に設けられる基板に活物質を堆積するための一般的プロセス400のフローチャートを示す。プロセス400は、基板を提供すること(ブロック402)から開始される。所定の実施形態では、ロール・ツー・ロール方式で、基板をCVD装置等の処理チャンバに提供してよい。一般的に、基板の堆積領域は、中間層および/または活物質の堆積条件により確定される所定の温度にあらかじめ加熱される。
プロセス400は、1つ以上の中間層を堆積すること(ブロック404)により継続する。所定の実施形態では、中間層材料は、物理蒸着、化学蒸着、電着もしくはその他の任意の適切な堆積技術を使用して堆積させる。たとえば、チタンおよび/または窒化チタンの層を、スパッタリングターゲット含有チタンと、蒸発、スパッタリング、めっき、レーザーアブレーション、原子層堆積、および化学蒸着とを用いて堆積させてよい。この堆積工程(ブロック404)の後には、バックプレーティング/電気エッチング、再スパッタリング、CVD処理、アニーリング、プラズマエッチング、および酸化等の1つ以上の堆積後処理工程を行ってよい。たとえば、中間層の表面特性は、活物質堆積工程406の際に触媒アイランドの形成および/または活物質の核形成が可能となるように制御する必要があるかもしれない。所定の実施形態では、中間層堆積工程404および/または堆積後処理を多数回繰り返して、たとえば図4に示すような中間層の積層体を形成してよい。
プロセス400は、活物質を堆積すること(ブロック406)により継続する。この工程のいくつかの実施形態の詳細が、2009年5月7日に出願された米国特許出願第12/437,529号に記載されており、当該出願の全体を本明細書に、活物質を堆積する工程を記載する目的で参照として組み込む。
所定の実施形態、特にVLSまたはVSSプロセスを含む実施形態では、堆積工程406は、触媒アイランドを基板表面に堆積することから開始される。単一材料触媒の実施形態に加えて、触媒アイランドは、2つ以上の材料(たとえば、二成分触媒、三成分触媒等)を含有してよい。触媒機能を改質するのに加えて、触媒を組み合わせることにより共晶特性、レオロジー特性(たとえば、粘性および表面張力)、および上記のその他の特性に変化が生じる。
所定の実施形態では、工程406でVLS以外の堆積プロセスを用いて活物質を堆積してよい。いくつかの例を上に記載している。
上記の工程は、先の工程が終了した直後に工程が実行されるように、単一の装置または連続した装置で実行することができることに注意されたい。たとえば、装置は、中間層および触媒材料を添加するための1つ以上のスパッタリングステーションと、流動的なウェブ(moving web)上に活物質のナノ構造を堆積するための1つ以上のCVDステーションとを備えてよい。別の実施形態では、これらのうち1つ以上に異なる装置を用いてよい。2つの連続する工程の前に、ある期間が経過する場合があり、この場合は、一部が製造された電極を、保護層を追加することにより保管環境から保護する必要があるかもしれない。
サブアセンブリ:セパレーターを有する電極
リチウムイオン電池における電極の配列として一般的な2つの配列は、巻き配列および積層配列である。一つの到達点は、電気的短絡を生じさせずに2つの電極表面の活性層の表面を可能な限り近づけて位置付け配列することである。近くに位置付けることで、リチウムイオンは2つの電極間をより迅速に、より直接的に移動できるようになり、より良好な性能が得られるようになる。
リチウムイオン電池における電極の配列として一般的な2つの配列は、巻き配列および積層配列である。一つの到達点は、電気的短絡を生じさせずに2つの電極表面の活性層の表面を可能な限り近づけて位置付け配列することである。近くに位置付けることで、リチウムイオンは2つの電極間をより迅速に、より直接的に移動できるようになり、より良好な性能が得られるようになる。
図5Aは、正電極502、負電極504、並びに2枚のセパレーター506aおよび506bを含む、所定の実施形態に係る配列された積層体の側面図である。正電極502は、正活性層502aと、正活物質によりコーティングされていない(しかし、中間層コーティングは含んでよい)基板部分502b、つまり非コーティング部とを有してよい。同様に、負電極504は、負活性層504aと、負活物質によりコーティングされていない(しかし、中間層コーティングは含んでよい)負基板部分504b、つまり、非コーティング部とを有してよい。多くの実施形態では、負活性層504aの露出領域は、正活性層502aの露出領域よりも僅かに大きく、正活性層502aから放出されるリチウムイオンが負活性層504aの層間材料(intercalation material)により確実に閉じ込められるようになっている。一実施形態では、負活性層504aは、正活性層502aより、1以上の方向(通常は、全方向)において、少なくとも約0.25から5mm外側にまで広がる。より特定的な実施形態では、負層は、正層より、1以上の方向で、約1から2mm外側にまで広がる。所定の実施形態では、セパレーターシート506aおよび506bの縁は、少なくとも負活性層504aの外縁よりも外側にあり、電極をその他の電池コンポーネントから電気的に絶縁している。正の非コーティング部502bは、正端子に接続するべく用いられてよく、負電極504並びに/またはセパレーターシート506aおよび506bよりも外側にまで広がってよい。同様に、負の非コーティング部504bは、負端子に接続するべく用いられてよく、正電極502並びに/またはセパレーターシート506aおよび506bよりも外側にまで広がってよい。
図5Bは、配列された積層体の上面図を示す。正電極502が、平坦な正電流コレクター502bの両面に設けられた2つの正活性層512aおよび512bにより示されている。同様に、負電極504が、平坦な負電流コレクターの両面に設けられた2つの負活性層514aおよび514bにより示されている。正活性層512a、その対応するセパレーターシート506a、および対応する負活性層514aの間の隙間は、特に電池の第1サイクル後は、通常、最小であるか、または存在しない。電極およびセパレーターは、一緒にゼリーロール状にきっちり巻かれているか、または積層体状に配置されてちょうどの筐体に入れられているかである。電極およびセパレーターは、電解質が導入された後、筐体内で膨張する傾向があり、リチウムイオンが2つの電極を循環しセパレーターを通行する第1のサイクルにより隙間がなくなり、領域が乾燥する。
巻き設計は、一般的な配列である。長短の電極が、2枚のセパレーターも含めて、一緒に、ゼリーロールとも呼ばれるサブアセンブリ状に巻かれ、湾曲した、円柱状である場合が多い筐体の内部寸法にしたがって、成形され、サイズ決めされる。図6Aは、正電極606および負電極604を含むゼリーロールの上面図を示す。電極間の白い空間は、セパレーターシートを表す。ゼリーロールは、筐体602に挿入される。いくつかの実施形態では、ゼリーロールは、最初の巻き径を規定し、内側の巻きが中心の軸領域に侵入するのを防ぐ心棒608が中心に挿入されている。心棒608は、導電性材料で形成されてよく、いくつかの実施形態では、電池端子の一部であってよい。図6Bは、正タブ(positive tab)612および負タブ(negative tab)614が延伸したゼリーロールの斜視図を示す。タブは、電極基板の非コーティング部に溶接してよい。
電極の長さと幅は、電池の全体的寸法と、活性層および電流コレクターの厚さとにより決まる。たとえば、直径18mm、長さ65mmの従来の18650電池は、約300から1000mmの長さの電極を有する。低速でより高容量の用途に対応するより短い電極は、厚さがもっと大きく、巻きの数が少ない。
電極がサイクリングにより膨張して筐体に圧力を付加するので、円柱状の設計はリチウムイオン電池によっては望ましいかもしれない。円形の筐体は、十分に薄く作っても、十分な圧力に耐える。角柱状の電池は同様に巻いても、筐体は内部圧力により長辺に沿って折れるかもしれない。さらに、圧力は、電池のそれぞれの部位で不均一であるかもしれず、さらに、角柱状電池の角が空洞となるかもしれない。電極は、膨張するときにこれらの空洞に不均一に押し込まれ易いので、リチウムイオン電池では、これらの空洞は望ましくない。さらに、電解質が凝集して、空洞内の電極間に乾燥した領域を出現させ、のぞましくない電極間のリチウムイオン移動を生じさせる。それにも拘らず、所定の用途では、たとえば、長方形の要素により規定される用途では、角柱状電池は適当である。いくつかの実施形態では、角柱状電池は、巻き設計の角柱状電池に存在する難点のいくつかを回避するべく、長方形の電極およびセパレーターシートの積層体を採用する。
図7は、巻き設計の角柱状ゼリーロールの上面図を示す。ゼリーロールは、正電極704および負電極706を有する。電極間の白い空間は、セパレーターシートを表す。ゼリーロールは、長方形の角柱状筐体に挿入される。図6Aおよび6Bに示す円柱状のゼリーロールとは異なり、角柱状のゼリーロールは、ゼリーロールの真ん中の平らに広がる部位(flat extended section)から巻き始める。一実施形態では、ゼリーロールは、ゼリーロールの中心に心棒(不図示)を含んでよく、それに対して電極およびセパレーターが巻き付けられる。
図8Aは、正電極および負電極が交互に複数組(801a、801b、および801c)含まれ、電極間にセパレーターが設けられた積層型電池の側面図を示す。積層型電池の一つの利点は、積層体をどのような形状にも成形することができ、角柱状電池には特に適していることである。しかし、このような電池は、通常、複数組の正電極および負電極が必要であり、電極の配列がより複雑になる。通常、電流コレクタータブが、各電極から延伸しており、電池端子につながる電流コレクター本体(overall current collector)に接続されている。
筐体への収容
図9は、一実施形態に係る、巻き型の円柱状電池の断面図を示す。ゼリーロールは、らせん状に巻かれた正電極902、負電極904、および2枚のセパレーター906を含む。ゼリーロールは、電池ケース916に挿入されており、電池を封止するべくキャップ918およびガスケット920が用いられている。いくつかの場合、キャップ912もしくはケース916は、安全装置を備えている。たとえば、電池内で圧力が過剰に高まった場合に、破り開けられる安全通気口もしくは破裂弁を用いてよい。また、正熱係数(PTC)装置をキャップ918の導通経路に組み込んで、電池が短絡した場合に生じるかもしれない損傷を減らしてよい。キャップ918の外面を正端子として用い、電池ケース916の外面を負端子として機能させてよい。別の実施形態では、電池の極性を逆にして、キャップ918の外面を負端子として用い、電池ケース916の外面を正端子として機能させてよい。タブ908および910を用いて、正電極および負電極と対応端子との間を接続してよい。適切な絶縁用ガスケット914および912を挿入して内部短絡の可能性を防止してよい。たとえば、カプトン(商標)膜を内部絶縁のために用いてよい。製造時、電池を封止するべくキャップ918をケース916に圧着(crimp)してよい。しかし、この工程の前に、電解質(不図示)を添加して、ゼリーロールの多孔質の空間を充填する。
図9は、一実施形態に係る、巻き型の円柱状電池の断面図を示す。ゼリーロールは、らせん状に巻かれた正電極902、負電極904、および2枚のセパレーター906を含む。ゼリーロールは、電池ケース916に挿入されており、電池を封止するべくキャップ918およびガスケット920が用いられている。いくつかの場合、キャップ912もしくはケース916は、安全装置を備えている。たとえば、電池内で圧力が過剰に高まった場合に、破り開けられる安全通気口もしくは破裂弁を用いてよい。また、正熱係数(PTC)装置をキャップ918の導通経路に組み込んで、電池が短絡した場合に生じるかもしれない損傷を減らしてよい。キャップ918の外面を正端子として用い、電池ケース916の外面を負端子として機能させてよい。別の実施形態では、電池の極性を逆にして、キャップ918の外面を負端子として用い、電池ケース916の外面を正端子として機能させてよい。タブ908および910を用いて、正電極および負電極と対応端子との間を接続してよい。適切な絶縁用ガスケット914および912を挿入して内部短絡の可能性を防止してよい。たとえば、カプトン(商標)膜を内部絶縁のために用いてよい。製造時、電池を封止するべくキャップ918をケース916に圧着(crimp)してよい。しかし、この工程の前に、電解質(不図示)を添加して、ゼリーロールの多孔質の空間を充填する。
リチウムイオン電池には通常、剛性のケースが必要であり、リチウムポリマー電池は、可撓性の箔(ポリマーラミネート)型のケースに収容される。ケースには多様な材料を選択することができる。リチウムイオン電池では、Ti−6−4、その他のTi合金、Al、Al合金、および300シリーズステンレス鋼が正の導電性ケース部および端部キャップに適切であり、工業用純Ti、Ti合金、Cu、Al、Al合金、Ni、Pb、およびステンレス鋼が負の導電性ケース部および端部キャップに適切である。
最後に
上記の発明は、理解を明確にする目的でいくつかの詳細事項について記載されたが、添付の特許請求の範囲に記載の範囲で所定の変更および改変を実施しうることは明らかであろう。本発明のプロセス、システム、および装置を実施する多くの代替的な方法が存在することに注意されたい。したがって、本実施形態は、限定としてではなく例示として見なされるべきであり、本発明は本明細書に記載された詳細事項に限定されない。
上記の発明は、理解を明確にする目的でいくつかの詳細事項について記載されたが、添付の特許請求の範囲に記載の範囲で所定の変更および改変を実施しうることは明らかであろう。本発明のプロセス、システム、および装置を実施する多くの代替的な方法が存在することに注意されたい。したがって、本実施形態は、限定としてではなく例示として見なされるべきであり、本発明は本明細書に記載された詳細事項に限定されない。
Claims (20)
- リチウムイオン電池に使用される電極であって、
基板と、
前記基板上に形成された1つ以上の中間層と、
前記1つ以上の中間層上に形成されたナノ構造状の、電池サイクリングの間、リチウムイオンを挿入および除去する電気化学的に活性な物質と
を備え、
前記電気化学的に活性な物質は、前記基板と電気的に通じている電極。 - 前記基板は、銅、ニッケル、アルミニウム、ステンレス鋼、およびチタンからなる群から選択される1つ以上の材料を含む請求項1に記載の電極。
- 前記電気化学的に活性な物質は、シリコン、スズ、ゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウムの組み合わせ、酸化スズ、オキシ炭化ケイ素(SiOC)、およびこれらの化合物からなる群から選択される1つ以上の材料を含む請求項1に記載の電極。
- 前記電気化学的に活性な物質は、ケイ化物を含む請求項3に記載の電極。
- 前記電気化学的に活性な物質は、ケイ化ニッケルを含む請求項4に記載の電極。
- 前記1つ以上の中間層のうち少なくとも1つは、クロム、チタン、タンタル、タングステン、ニッケル、モリブデン、鉄、およびリチウムからなる群から選択される1つ以上の元素を含む請求項1に記載の電極。
- 前記1つ以上の中間層の厚さは、約1ナノメートルと2000ナノメートルとの間である請求項1に記載の電極。
- 前記1つ以上の中間層の単位表面面積当たりの電気抵抗は、約1オーム平方センチメートル未満である請求項1に記載の電極。
- 前記ナノ構造は、基板ルーティングされたナノワイヤ(substrate−rooted nanowire)を含む請求項1に記載の電極。
- 前記1つ以上の中間層は、前記電気化学的に活性な物質の形成中に、前記基板を保護する拡散障壁層を含む請求項1に記載の電極。
- 前記1つ以上の中間層は、電池サイクリングの間、前記基板と前記電気化学的に活性な物質との間の機械的接続を維持する固着層を含む請求項1に記載の電極。
- 前記1つ以上の中間層は、前記電気化学的に活性な物質の形成中に、触媒層を堆積し、前記触媒層から触媒アイランドを形成するための表面張力を有する請求項1に記載の電極。
- 前記1つ以上の中間層は、触媒粒子を分散媒から分離させる請求項1に記載の電極。
- 前記1つ以上の中間層は、触媒を離散した斑点状に分散させることが可能な粗さを有する露出面を有する請求項1に記載の電極。
- 前記1つ以上の中間層は、前記電気化学的に活性な物質の堆積を促す核形成部位を提供する表面条件を有する請求項1に記載の電極。
- 電池電極用の基板を受け取る段階と、
前記基板上に1つの導電性中間層を形成する段階と、
前記1つ以上の導電性中間層上にナノワイヤを含み、電池サイクリングの間、リチウムイオンを挿入および除去する電気化学的に活性な物質を堆積する段階と
を備えるリチウムイオン電池で使用される電池電極を製造する方法。 - 前記電気化学的に活性な物質を堆積する段階は、蒸気−固体−固体(VSS)化学蒸着(CVD)プロセスを含む請求項16に記載の方法。
- 前記電気化学的に活性な物質を形成する段階は、前記1つ以上の導電性中間層上に触媒を堆積することを含む請求項16に記載の方法。
- 前記導電性中間層の形成は、少なくとも2つの中間層を堆積することを含む請求項16に記載の方法。
- 前記導電性中間層は、前記電気化学的に活性な物質の堆積中に、前記電気化学的に活性な物質の核形成を強化する表面条件を有する請求項16に記載の方法。
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