高能量密度鋰離子電池的復合陽極結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電池裝置，特別是改善容量和性能的電池的復合結構。
【背景技術】
[0002]諸如移動電話和膝上計算機的便攜式電子裝置在過去十年當中的指數式增長在提供高能量密度的緊湊、重量輕的電池上已經產生巨大興趣。日益增長的環境關注正推動用于電動車或裝置的先進電池的發展。鋰離子電池與其它可充電電池(例如為鉛-酸、鎳-鎘和鎳-金屬氫化物電池)相比提供較高的能量密度。商業化的鋰離子(L1-1on)電池采用石墨作為陽極。石墨顯示最大容量為C = 372mAh/g。也可采用其它材料例如碳納米管、Ge納米線、同軸MnO/碳納米管陣列等。
[0003]鋰離子電池的作為陽極的硅具有最高容量C = 4212mAh/g。與硅使用相關的一個問題是在Li+插入后硅體積增加400%。體積增加導致硅的粉碎，并且因此導致活性材料和集流體之間的電接觸損耗。因此，硅電極導致電池在初始的充電/放電周期具有高容量，然后容量下降，并且電池顯示低的壽命。

【發明內容】

[0004]—種電極包括導電基板和提供可壓縮材料基體的多個導電結構。活性材料形成為與多個導電結構接觸。活性材料包括在離子擴散期間膨脹的體積膨脹材料，使得多個導電結構為活性材料提供支撐且補償活性材料的體積膨脹以防止損壞活性材料。
[0005]—種形成電池電極的方法包括:在導電基板上形成導電結構，導電結構由可壓縮材料基體形成；在導電結構上沉積基底材料；處理基底材料以在導電結構上形成活性材料使得基底材料經受體積膨脹；以及采用由導電結構提供的可壓縮材料基體補償體積膨脹。
[0006]形成電池電極的另一種方法包括:在導電基板上形成導電層，導電層由可壓縮材料基體形成；在導電層上沉積基底材料；處理基底材料以在導電層上形成活性材料使得基底材料經受體積膨脹；以及采用由導電層提供的可壓縮材料基體補償體積膨脹。
[0007]這些和其它的特征和優點從其示例性實施例的下面的結合附圖閱讀的詳細描述變得明顯易懂。
【附圖說明】
[0008]本公開將參考下面的附圖在下面的優選實施例的描述中提供細節，附圖中:
[0009]圖1是根據本發明原理的部分制造的電池陽極的截面示意圖，其包括形成在導電結構(柱)上方的基底材料；
[0010]圖2是根據本發明原理的碳納米管陣列的掃描電子顯微鏡圖像，單一納米管的進一步放大圖示出線結構的束；
[0011]圖3是根據本發明原理的部分制造的電池陽極的截面示意圖，示出處理的基底材料因此增加了其體積，該體積增加由導電結構(柱)補償；
[0012]圖4是根據本發明原理的部分制造的電池陽極的截面示意圖，包括形成在導電層上方的基底材料；
[0013]圖5是根據本發明原理的部分制造的電池陽極的截面示意圖，示出處理的基底材料因此增加了其體積，該體積增加由導電層補償；以及
[0014]圖6是根據示例性實施例的方塊/流程圖，示出用于形成電池陽極的方法。
【具體實施方式】
[0015]根據本發明的原理，基于復合物提供高容量的材料。本實施例例如避免Li+嵌入之后由于體積增加而引起諸如具有硅的材料的破裂和粉碎。另外，提供用于材料優化的方法，其僅使用所希望量的材料(例如，Si)以獲得最高的理論容量且避免僅僅增加電池的重量的材料的無用量，且因此降低表觀的mAh/g。
[0016]在一個特別有用的實施例中，可控量的含硅薄膜(例如，非晶硅)沉積在導電柱上，該導電柱在導電基板上生長或圖案化。柱優選地構造為釋放鋰插入后硅膜體積增加導致的應變(strain)。柱可包含例如Cu或其它金屬納米線、碳納米管等的束。柱提供傳導以允許到導電基板的高效電流流動。由于較大的表面面積，柱也可實現電解質中的鋰和硅之間的高表面接觸。非晶硅和/或其它含硅活性材料沉積用于系統中的鋰離子電池陽極，該系統通過添加另一材料到系統中以提供高的體積彈性壓縮而可實現對于鋰化后的體積增加的平衡。該特征可以以垂直柱或層疊層(堆疊)實施。
[0017]在一個實施例中，通過沉積薄膜形式的控制量的非晶硅或其它含硅材料以覆蓋生長在導電基板上的柱的微結構或納米結構而實現垂直柱結構。每個柱可以是“海綿狀的”以平衡鋰插入后的硅體積增加，其在電解質的壓力下具有減少的增加。在層疊結構中，需要海綿層以容納體積變化。在另一個實施例中，層疊的層用于構建非晶硅(a-Si)和碳納米管(CNT)的堆疊多層系統，其也通過壓縮CNT層而平衡鋰插入后的硅體積增加。CNT可承受非常高的彈性壓縮。海綿材料的示例包括例如多孔硅、多孔金屬(例如，銅)、石墨/多孔石墨、單壁/多壁碳納米管等。
[0018]應理解，本發明根據用于高密度電池中的給定示例性構造進行描述；然而，其它的構造、結構、基板材料和工藝特征和步驟可在本發明的范圍內變化。
[0019]還應理解，當諸如層、區域或基板的元件被稱為在另一個元件“上”或“上方”時，它可直接在該另一個元件上，或者也可存在插入元件。相反，當元件被稱為“直接在另一個元件上”或“直接在另一個元件上方”時，不存在插入元件。還應理解，當元件被稱為“連接”或“耦合”到另一個元件時，它可直接連接或耦合到該另一個元件，或者可存在插入元件。相反，當元件稱為“直接連接”或“直接耦合”到另一個元件時，不存在插入元件。
[0020]用于電池裝置的設計可形成為用于集成電路集成，用于電子裝置中，或者與印刷電路板上的部件組合。包括電池的電路板可實施在圖形計算機程序語言中，并且存儲在計算機存儲介質(例如，光盤、磁帶、物理硬驅動器或諸如在存儲訪問網絡中的虛擬硬驅動器)中。設計者可通過物理裝置(例如，通過提供存儲設計的存儲介質的副本)或者電子地(例如，通過互聯網)直接或間接地傳輸得到的設計。存儲的設計然后轉換成適當的格式(例如，GDSII)用于裝置的制造或者相關掩模的制造，該掩模例如為用于限定要蝕刻或另外處理的區域的光刻掩模。
[0021]如這里所描述的方法可用于制造電池裝置和/或具有電池裝置的集成電路。得到的裝置可固定到母板或者其它更高級的載體或者放置在單個或多芯片封裝中。在任何情況下，該裝置隨后與其它芯片、離散電路元件和/或其它信號處理裝置集成，作為(a)中間產品，例如母板，或者(b)終端產品的任何一個的一部分。終端產品可為包括集成電路芯片的任何產品，范圍為玩具、能量收集器、太陽能裝置和包括具有顯示器、鍵盤或其它輸入裝置和中央處理器的計算機產品或裝置的其它應用。
[0022]現在參考附圖，其中相同的附圖標記表示相同或類似的元件，并且從圖1開始，根據特別有用的實施例描述電極結構100。電極結構100包括基板或基板層102。基板或基板層102優選地包括導電材料，其上形成有柱104。柱104可包括生長或圖案化的納米管的束、單個管(例如，納米管)、或固體導體(具有空洞)。可生長在硅基板上的硅納米線會增加無用的硅重量(僅表面和小厚度的硅是鋰離子可擴散的，可被采用)。在減少硅的嘗試中，通過蝕刻去除基板或部分的基板僅僅是浪費材料和增加費用。
[0023]根據本發明的原理，低成本的柱104形成在任意低成本的導電基板(例如，A1或Cu)上，然后在一個示例中通過外層106覆蓋柱104，外層106例如可包括可與鋰反應