用于锂基储能装置的图案化阳极制造方法及图纸

一种用于储能装置的阳极，包括：具有金属层和金属氧化物层的集流器，该金属氧化物层设置为覆盖该金属层的第一图案。所述阳极还包括：图案化的锂储存结构，其具有选择性地覆盖第一金属氧化物图案的至少一部分的连续的多孔锂储存层。一种制造用于储能装置的阳极的方法，包括：提供具有金属层和金属氧化物层的集流器，该金属氧化物层设置为覆盖金属层的第一图案。通过将集流器暴露于至少一种锂储存材料前体气体，通过化学气相沉积选择性地形成连续的多孔锂储存层。的多孔锂储存层。的多孔锂储存层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于锂基储能装置的图案化阳极
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2019年6月27日提交的编号为62/867,513的美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用合并于此。


[0003]本公开涉及锂离子电池和相关的储能装置。

技术介绍

[0004]已提议将硅用于锂离子电池，以取代传统的碳基阳极，后者的储存容量限制在～370mAh/g。硅很容易与锂形成合金，并且具有比碳阳极高得多的理论储存容量(室温下为～3600至4200mAh/g)。然而，在硅基体中插入和提出锂会导致显著的体积膨胀(>300％)和收缩。这会导致硅快速粉碎成小颗粒并与集流器电断开。
[0005]该行业最近已将注意力转向纳米或微米结构的硅以减少粉碎问题，即呈间隔开的纳米或微米线、管、柱、颗粒等形式的硅。理论认为，将所述结构制成纳米尺寸避免了裂纹扩展，并且将它们间隔开可以为体积膨胀提供更多空间，从而使硅(例如与块体硅的大的层面相比)在具有较小的应力并和提高的稳定性的情况下而能够吸收锂。
[0006]尽管对主要基于硅的电池进行了各种研究，但由于问题尚待解决，故其尚未产生大的市场影响。

技术实现思路

[0007]对于诸如锂离子电池之类的锂基储能装置的阳极仍然存在需求，这种装置易于制造、操作稳健、充电容量高并且适合快速充电，例如至少1C。
[0008]根据本公开的实施例，用于储能装置的阳极包括集流器。该集流器包括金属层和金属氧化物层，该金属氧化物层设置为覆盖金属层的第一图案。该阳极还包括图案化的锂储存结构，该结构包括选择性地覆盖所述金属氧化物的第一图案的至少一部分的连续的多孔锂储存层。
[0009]根据本公开的另一实施例，制造用于储能装置的阳极的方法包括：提供具有金属层和金属氧化物层的集流器，该金属氧化物层设置为覆盖金属层的第一图案。通过将集流器暴露于至少一种锂储存材料前体气体，通过化学气相沉积选择性地形成连续的多孔锂储存层。
[0010]本公开提供了用于储能装置的阳极，其相对于常规阳极可以具有至少以下优点中的一个或更多个：在≥1C的强烈充电速率下提高的稳定性；更高的总表面电荷容量(overall areal charge capacity)；每克硅的充电容量更高；提高的物理耐久性；简化的制造工艺；以及更可重复的制造工艺。
附图说明
[0011]图1A
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1C是示出根据本公开的一些实施例的制造图案化阳极的方法的一系列截面图。
[0012]图2是显示根据本公开的一些实施例的形成阳极的步骤的框图。
[0013]图3是显示根据本公开的一些实施例的形成金属氧化物层的第一图案的步骤的框图。
[0014]图4A
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4E是示出根据本公开的一些实施例的用于形成金属氧化物层的第一图案的方法的截面图。
[0015]图5A
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5C是示出根据本公开的一些实施例的用于形成金属氧化物层的第一图案的方法的截面图。
[0016]图6是示出根据本公开的一些实施例的用于形成金属氧化物层的第一图案的步骤的框图。
[0017]图7A
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7D是示出根据本公开的一些实施例的用于形成金属氧化物层的第一图案的方法的截面图。
[0018]图8A
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8C是示出根据本公开的一些实施例的用于形成金属氧化物层的第一图案的方法的截面图。
[0019]图9是示出根据本公开的一些实施例的通过气相沉积形成金属氧化物层的第一图案的方法的截面图。
[0020]图10是包括一些纳米结构的示例的现有技术阳极的截面图。
[0021]图11是根据本公开的一些实施例的连续多孔锂储存层的截面图。
[0022]图12A
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12F是根据本公开的一些实施例的具有各种图案化的锂储存结构的阳极的平面图。
[0023]图13A和13B是示出根据本公开的一些实施例的形成在金属层中具有凹陷部分的阳极的截面图。
[0024]图14A和14B是示出根据本公开的一些实施例的形成在金属层之上具有凸起金属结构的阳极的截面图。
[0025]图15A
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15C是示出根据本公开的一些实施例的形成包括锂储存纳米线的图案化锂储存结构的截面图。
[0026]图16A和16B是显示根据本公开的一些实施例的图案化锂储存结构和功能组合物的截面图。
[0027]图17A是根据本公开的实施例的具有连续多孔锂储存层的阳极2A的SEM顶视图。
[0028]图17B是根据本公开的实施例的图17A的阳极的SEM截面图。
[0029]图18是根据本公开的实施例的具有锂储存纳米线的阳极2B的SEM顶视图。
具体实施方式
[0030]应当理解，附图是为了说明本公开的构思并且可能不是按比例的。
[0031]图1A
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1C是示出根据本公开的一些实施例的制造图案化阳极的方法的一系列截面图。在图1A中，提供集流器前体191，其至少包括具有表面104的导电金属层103。如图1B所示，将金属氧化物层105形成为金属层的表面104之上的第一图案106，从而形成集流器101。
集流器还包括未被金属氧化物的第一图案占据的区域的互补的第二图案109。在一些实施例中，集流器可以具有足够的柔性和强度以缠绕成电池电芯卷(jelly roll)。
[0032]在图1C中，使用一种或更多种适当的锂储存材料前体气体111和条件，通过化学气相沉积(CVD)工艺(包括但不限于，热线CVD或等离子体增强化学气相沉积(PECVD))将第一锂储存材料沉积在集流器上。在一些实施例中，连续的多孔第一锂储存层107选择性地形成在金属氧化物层105的第一图案106上并粘附于其上，但不会形成在未被金属氧化物占据区域的第二图案109上或与之粘附不良。因此，阳极100被设置为具有形成在集流器101之上的图案化的锂储存结构112。图案化的锂储存结构112包括：一个或更多个第一区域113，该第一区域113具有连续的多孔锂储存层107，该连续的多孔锂储存层107包括覆盖第一金属氧化物层105的第一锂储存材料；并且还包括一个或更多个第二区域114，该第二区域114对应于基本上没有连续的多孔第一锂储存层的第二图案109。在一些实施例中，该方法可以可选地进一步包括清洁步骤(擦拭、刷洗、漂洗、超声处理等)以从第二图案去除来自化学气相沉积步骤的粘附不良的沉积材料。
[0033]关于连续的多孔锂储存层，“选择性地形成在
……
上”可以指：i)相对于在第二图案109上的沉积，第一锂储存材料在金属氧化物的第一图案106上的沉积在动力学或热力学上更有利；或ii)相对于粘附于第二图案109，第一锂储存材料优先粘附于金属氧化物的第一图案106；或iii)(i)和(ii)的组合。
[0034]图2是显示根据本公开的一些实施例的形成阳极的一般步骤的框本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于储能装置的阳极，所述阳极包括：a)集流器，包括：i)金属层；和ii)金属氧化物层，其设置为覆盖所述金属层的第一图案；和b)图案化的锂储存结构，其包括选择性地覆盖所述金属氧化物的第一图案的至少一部分的连续的多孔锂储存层。2.根据权利要求1所述的阳极，其中，所述连续的多孔锂储存层具有至少40原子％的硅、锗或其组合的总含量。3.根据权利要求1所述的阳极，其中，所述连续的多孔锂储存层包括小于10原子％的碳。4.根据权利要求1所述的阳极，其中，所述连续的多孔锂储存层基本上不具有纳米结构。5.根据权利要求1所述的阳极，其中，所述金属层包括不锈钢、钛、镍或铜或它们的组合。6.根据权利要求1所述的阳极，其中，所述金属氧化物层包括镍的氧化物、铜的氧化物、钛的氧化物或它们的组合。7.根据权利要求1所述的阳极，其中，所述金属氧化物层具有至少0.02μm的平均厚度。8.根据权利要求1所述的阳极，其中，所述连续的多孔锂储存层包括活性面密度为至少0.2mg/cm2的非晶硅，并且硅的总含量为至少85原子％。9.根据权利要求1所述的阳极，其中，所述连续的多孔锂储存层的平均厚度为约0.5μm至约30μm。10.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：泰伦斯，
申请(专利权)人：格拉芬尼克斯开发公司，
类型：发明
国别省市：