电池及处理其电极的方法技术

揭示一种处理电池的电极以提高其效能的方法。通过将一层多孔碳沉积到所述电极上，可改进所述电极的充电以及放电特性与化学稳定性。所述方法包含：产生包含碳的等离子体；以及例如通过使设置了电极的压板偏压而将所述等离子体朝向所述电极吸引。在一些实施例中，还对所述所沉积的多孔碳执行蚀刻制程，以增大其表面积。还可使所述电极经受亲水性处理以改进其与电解质的相互作用。另外，揭示一种电池，包含根据这个过程而处理的至少一个电极。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术与制造高效能锂离子电池电极有关，且更明确地说，涉及在电极材料上沉 积多孔碳以实现高效能。
技术介绍
在当今环境中，越来越多的装置变成由电池供电，例如，移动电话、计算机乃至汽 车。因此，对于所有这些装置来说，需要较长的电池寿命。延长的电池寿命的一个来源是使 用基于锂离子的电池。 如图1中所见，锂离子电池包括三个主要组件，S卩，阳极10、电解质20以及阴 极30。当前，电池的效能受阴极30限制，这意味着阴极30的质量比容量（gravimetric capacity ;如以毫安时/克为单位来测量）显著低于阳极10的质量比容量。为了使阴极技 术匹配于新的阳极材料（诸如，硅）的容量，阴极30必须具有高容量且能够耐受高循环倍 率（cycle rate)。大量研究正着重于提高阴极30的效能以用于高能量且高功率的应用。 当今锂离子电池中的主要阴极材料为LiCo02、LiMn20 4以及LiFeP04。每一种类的 材料都具有其自身的各种优点和缺点，这使得所述材料各自适用于不同应用。举例来说， LiC〇02已使便携式电子装置（例如，笔记型计算机以及手机）的锂离子电池发生了革命性 的变化，而例如LiMn 204以及LiFeP04的较便宜的材料主宰着电子载具的市场。 商用锂离子电池中的主要阳极材料为石墨化碳（graphitized carbon)。而例如娃 的替代材料提供更高容量，但在能够进行商业化之前必须解决若干问题，例如，体积膨胀以 及不稳定的固体电解质的相间反应（interphase reaction)。 提高阴极或阳极的容量、倍率能力（rate capability)或稳定性的任何改进将随 后提高电池寿命以及循环倍率。因此，增强电极的这些特性的系统与设备将为有益的。
技术实现思路
揭示一种处理电池的电极以增强其效能的方法。通过将一层多孔碳沉积到所述 电极上，可改进所述电极的充电以及放电特性。所述方法包含：使用基于碳的分子（例如， CxHy、CxByHz、C xPyHz、CxNyHz以及其它）来产生等离子体；以及例如通过使设置了电极的压板 偏压而将所述等离子体朝向所述电极吸引。在一些实施例中，还对所沉积的多孔碳执行蚀 刻制程，以增大其表面积。还可使所述电极经受亲水性处理以改进其与电解质的相互作用。 另外，揭示一种电池，包含根据这个过程而处理的至少一个电极。 【附图说明】 为了更好地理解本揭示，参考附图，附图以引用的方式并入本文中。 图1为根据现有技术的锂离子电池的实例。 图2A至图2B分别呈现未经涂布的LiCo02以及经涂布的LiCo02的SEM图像。 图3A至图3B分别显示表示Co溶解度以及充电容量的曲线图。 图4A显示涂碳LiMn204的SEM图像。 图4B为表示针对各种电流密度的裸LiMn204阴极与涂碳LiMn20 4阴极的平均放电 容量的图表。 图5A显示涂碳LiFeP04的SEM图像。 图5B为显示随具有LiFeP04阴极的锂电池的放电速率以及碳的组成百分比而变 的比容量的曲线图。 图6为显示裸膜以及涂硅膜的比容量的曲线图。 图7为等离子体处理设备。 图8为鞘层调整（sheath modification)的实施例的横截面图。 图9A至图9B显示高注入能量与低注入能量之间的拉曼结构（Raman structure) 的差异。 图10显示在阴极或阳极材料上产生多孔碳层的过程。 图11显示代表性曲线图，其显示腔室压力与孔隙度之间的关系。 图12显示不同稀释气体对孔隙尺寸的影响。 图13显示根据一个实施例而产生的多孔碳。 【具体实施方式】 一种提高阴极30的容量以及倍率能力（rate capability)的方法涉及用薄的碳 层对表面进行涂布，这会提高阴极的电导且保护块体阴极材料以免与电解质反应。这种类 型的做法可应用于所有阴极材料（例如，LiC 〇02、LiMn204以及LiFeP04)，并获得有益结果。 LiC〇02是阴极材料中具有最高容量的材料，其容量为230毫安时/克。1^&)0 2还 具有极高电子以及Li+传导率，从而导致极佳的倍率能力。LiC〇02阴极的主要问题中的一 些是LiC 〇02的成本高且与电解质发生不稳定的反应，从而导致Co的溶解以及安全隐患。这 最终导致容量衰减（capacity fade)以及低劣循环性能（cycling behavior)。 图2A显示平均大小为约10微米的基型LiCo02颗粒的SEM图像。图2B显示通过 基于溶液的制程而涂有碳黑的LiC 〇02颗粒的SEM图像。LiC〇02化合物的碳涂层会增强各 种性质。举例来说，可实现接触电阻的降低以及穿过块体阴极的锂离子扩散能力的提高。 LiC〇02阴极的主要问题之一为钴（Co)在高温下溶解到电解质中，从而导致电池膨 胀以及容量衰减。涂碳1^&)0 2阴极展现降低的溶解度，如图3A中所见。具体来说，在85°C 下，裸LiCo02阴极在100小时的存储后经历约lOOOppm的Co溶解度。相比之下，涂碳LiCo02 阴极在同一温度下在同一时间量后经历仅300ppm的Co溶解度。据信，碳涂层可防止电解 质分解以及在阴极/电解质界面处所附随着的气体产生。这项改进的电化学结果显示于图 3B中，其中涂碳样本的放电曲线展现：虽然由于1重量％的碳涂层而添加了质量，但容量增 大了近10%。因此，碳涂层看起来增强了 LiC〇02阴极的效能。 LiMn204为第二电极材料。这种材料由于低廉、可广泛获得且环保而为前景广阔 的。LiMn 204具有极佳的倍率能力与约150毫安时/克的理论容量。然而，这种材料在高温 下（在55°C以上）遭受极大的容量衰减。据信，在高温下，锰（Μη)与电解质反应且腐蚀。 已展现碳涂层能通过减少腐蚀来提高LiMn 204结构的电化学稳定性。 图4A显示涂有碳干凝胶的LiMn204颗粒集块的SEM图像。个别颗粒为约40纳米。 这些颗粒在处理期间粘结，而形成大小为约数十微米的集块（agglomerate)。 图4B显示经涂布的LiMn204以及未经涂布的LiMn 204的50次循环的平均放电容 量。据信，未经涂布的LiMn20 4颗粒与电解质中所含有的痕量HF反应，从而导致容量衰减。 碳涂层可充当针对HF的保护层，因此防止阴极溶解。碳涂层还通过减少氧气从阴极产生来 允许电池在较高电压下操作，而不导致容量衰减。这最终使电池较耐受过度充电以及过度 放电。 第三种阴极材料，即，LiFeP04，具有若干优点，这是因为LiFeP0 4成本低、环保且具 有170毫安时/克的相当容量。LiFeP04还比其它阴极材料耐受过度充电以及过度放电。 然而，低劣电导率阻止这种材料进入高循环倍率市场。LiFeP0 4的电导率为ΚΓ9西门子/厘 米（S/cm)，而LiC〇02为ΚΓ 3西门子/厘米。这种低电导率转化为此化学品的低劣倍率效能 (rate performance)，这是因为需要高电导率以在放电后还原Fe3+。 图5A显示在750°C下使用溶胶-凝胶制程而本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种处理电池的电极的方法，包括：将基于碳的分子用作前驱物气体来产生含有碳的等离子体；以及通过将所述等离子体朝向所述电极吸引，而将碳沉积到所述电极上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.01.25 US 13/357,6471. 一种处理电池的电极的方法，包括： 将基于碳的分子用作前驱物气体来产生含有碳的等离子体；以及 通过将所述等离子体朝向所述电极吸引，而将碳沉积到所述电极上。2. 如权利要求1所述的处理电池的电极的方法，其中所述等离子体是使用小于300瓦 的RF功率位准而产生。3. 如权利要求1所述的处理电池的电极的方法，其中所述电极设置在压板上，且所述 压板被偏压于低于200伏，以沉积所述碳。4. 如权利要求1所述的处理电池的电极的方法，还包括在所述沉积步骤后对所述电极 执行蚀刻制程。5. 如权利要求4所述的处理电池的电极的方法，其中所述蚀刻制程是使用选自由氢 气、氯气以及基于卤素的化合物组成的族群的蚀刻气体来执行的。6. 如权利要求1所述的处理电池的电极的方法，还包括对所述电极执行亲水性处理。7. 如权利要求4所述的处理电池的电极的方法，还包括对所述电极执行亲水性处理。8. 如权利要求1所述的处理电池的电极的方法，还包括与所述前驱物气体一起引入稀 释气体。9. 如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：柏克·L·达比，卢多维克·葛特，陆贤锋，崔斯坦·马，
申请(专利权)人：瓦里安半导体设备公司，
类型：发明
国别省市：美国;US