复合纳米架构单元、多层复合物和复合纳米架构单元的制造方法技术

公开了一种复合纳米架构单元。该单元包括在另一层上方生长的柱状膜，其中柱在顶部彼此接触而形成具有优化的特性的拱形。这种称为纳米拱形的纳米架构单元在强且可变的应力作用下实现膜的高机械稳定性。下实现膜的高机械稳定性。下实现膜的高机械稳定性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】复合纳米架构单元、多层复合物和复合纳米架构单元的制造方法


[0001]本专利技术涉及LIB和其它材料的Si阳极以及表面力学起关键作用的应用。

技术介绍

[0002]合金化阳极材料是高能LIB中石墨的一种很有前途的替代材料，因为其高达10倍的理论容量增加。然而，锂化期间的巨大体积变化阻碍稳定的固体电解质界面(SEI)的形成，并且导致电极破裂。具有Si阳极的LIB的机械稳定性低是其商业化的障碍，但是包含Si添加剂的复合阳极已经在市场上销售。然而，Si的机械稳定性是限制复合阳极中Si的粒度和分数的主要参数。因此，增加阳极中Si的量，同时保持令人满意的机械稳定性，仍然是高能LIB技术的挑战。

技术实现思路

[0003]专利技术要解决的问题
[0004]主要的机械问题在于，在锂化期间产生压缩应力，随后在脱锂期间释放。当该压缩应力超过屈服强度时，电极变形以适应体积变化。因此，调整Si阳极的弹性模量E至关重要。E量化当施加应力(单位面积的力，σ)时材料中的应变(变形定义为位移除以参考长度，ε)(E＝σ/ε)。
[0005]因此，具有低E值的Si电极允许材料容易变形，以降低机械稳定性为代价使阳极的容量最大化。这个问题可以通过使用壳来密封纳米结构Si，同时保持电极的完整性并允许形成稳定的SEI来解决；然而，这导致LIB能量密度的降低。提高Si系阳极的机械稳定性的另一种策略是通过使用新的硅复合物用粘结剂或通过物理约束体积膨胀来提高阳极的弹性模量。同样，这些方法限制LIB能量密度。
[0006]用于解决问题的方案
[0007]本专利技术是鉴于上述情况而作出的。为了解决上述问题，本专利技术的第一方面旨在提供一种复合纳米架构单元(composite nanoarchitecture unit)，其包括在另一层上方生长的柱状膜(columnar film)，其中柱在顶部彼此接触而形成具有优化的特性的拱形。
[0008]本专利技术的第二方面旨在提供第一方面的复合纳米架构单元，其中柱状膜是处于退火状态的无定形Si膜。
[0009]本专利技术的第三方面旨在提供第一方面的复合纳米架构单元，其中柱状膜生长在金属纳米颗粒的层的上方。
[0010]本专利技术的第四方面旨在提供第一方面的复合纳米架构单元，其中优化的特性包括在Li离子电池中形成固体电解质界面期间的低锂消耗、高库仑效率和与膜的表面处于强且可变的应力作用下的任何应用相关的高机械稳定性中的至少一种。
[0011]本专利技术的第五方面旨在提供包括第一方面的复合纳米架构单元的至少两次纵向重复的多层复合物。
[0012]本专利技术的第六方面旨在提供第五方面的多层复合物，其中与单层结构相比，优化的特性包括锂离子电池的高库仑效率和膜的机械稳定性，这表明拱形作用增强。
[0013]本专利技术的第七方面旨在提供一种复合纳米架构单元的制造方法。该方法包括以下步骤：a)从气相在基材上沉积纳米颗粒；和b)在纳米颗粒层上生长柱状膜。柱状膜的柱直径随着厚度而增加，直到柱顶部彼此接触，通过在步骤b)中形成拱形结构而封闭表面。
[0014]本专利技术的第八方面旨在提供第七方面的制造方法，其中在步骤b)中形成拱形之后尽快停止柱状膜的生长。
[0015]本专利技术的第九方面旨在提供第七方面的制造方法，其进一步包括c)将柱状膜热退火的步骤。
[0016]本专利技术的第十方面旨在提供第七方面的制造方法，其中柱状膜是无定形Si膜。
[0017]本专利技术的第十一方面旨在提供第七方面的制造方法，其中纳米颗粒是金属纳米颗粒。
[0018]专利技术的效果
[0019]这项工作利用称为拱形结构的特定柱状薄膜结构(一种使用纳米颗粒合成的新型纳米架构)解决了这一挑战。该名称暗示了土木工程对支承在柱上的多拱形结构的定义，其特征在于，高弹性模量。根据本专利技术的第一至第十一方面，使用纳米颗粒作为支架来生长纳米拱形结构单元，使得复合物能够在多层中纵向重复，这增强在单层中观察到的优化的特性。因此，具有拱形结构的Si阳极在SEI形成期间同时表现出高机械稳定性和低锂消耗，解决了Si阳极商业化的两个主要挑战。这种优化的电化学性能与确切地在单个Si柱合并形成封闭的拱形时(但不超过该点，在顶部进一步生长无定形Si膜)的机械行为的明显转变有关。拱形结构和拱形作用的引入为电池、而且也为表面受到强且可变的应力作用的其它应用的新材料的设计带来了许多新的可能性。
[0020]新策略：
[0021]无粘结剂
[0022]无溶剂
[0023]设计的灵活性
[0024]高度控制
[0025]纳米结构单元：
[0026]已知土木工程建筑的纳米结构
[0027]可在Z轴上再现
[0028]改进的性质
[0029]优化的性质：
[0030]内部空隙
[0031]密封表面
[0032]高机械稳定性
[0033]在Li离子电池中的应用：
[0034]高容量
[0035]快速充电/放电速率
[0036]高库仑效率
附图说明
[0037][图1A]图1A是Si无定形薄膜的柱状生长过程的示意图；
[0038][图1B]图1B是Si无定形薄膜的柱状生长过程的示意图；
[0039][图1C]图1C是Si无定形薄膜的柱状生长过程的示意图；
[0040][图1D]图1D是示出Si无定形膜的柱状结构对纳米压头力的机械响应的示意图；
[0041][图1E]图1E是示出Si无定形膜的拱形结构对纳米压头力的机械响应的示意图；
[0042][图1F]图1F是示出Si无定形膜的沉积结构对纳米压头力的机械响应的示意图；
[0043][图2A]图2A是样品54
V
的TEM薄片图像；
[0044][图2B]图2B是样品216
S
的TEM薄片图像；
[0045][图2C]图2C是样品54
V
的SEM俯视图图像；
[0046][图2D]图2D是样品216
S
的SEM俯视图图像；
[0047][图2E]图2E是样品54
V
的SEM截面图像；
[0048][图2F]图2F是样品216
S
的SEM截面图像；
[0049][图3A]图3A示出样品25
C
的形貌和弹性模量；
[0050][图3B]图3B示出样品54
V
的形貌和弹性模量；
[0051][图3C]图3C示出样品155
S
的形貌和弹性模量；
[0052][图3D]图3D示出几个指定样品的E直方图；
[0053][图3E]图3E示出对所有样品的膜厚度h绘制的直方图中权重最高的E值；
[0054][图4A]图4A示出沿(110)方向观察的沉积在纳米颗粒上的Si的生长模拟的切片；
[00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】1.一种复合纳米架构单元，其包括：在另一层上方生长的柱状膜，其中柱在顶部彼此接触而形成具有优化的特性的拱形。2.根据权利要求1所述的复合纳米架构单元，其中所述柱状膜是处于退火状态的无定形Si膜。3.根据权利要求1所述的复合纳米架构单元，其中所述柱状膜生长在金属纳米颗粒的层的上方。4.根据权利要求1所述的复合纳米架构单元，其中所述优化的特性包括在Li离子电池中形成固体电解质界面期间的低锂消耗、高库仑效率和与所述膜的表面处于强且可变的应力作用下的任何应用相关的高机械稳定性中的至少一种。5.一种多层复合物，其包括权利要求1所述的复合纳米架构单元的至少两次纵向重复。6.根据权利要求5所述的多层复合物，其中与单层结构相比，所述优化...

【专利技术属性】
技术研发人员：P，
申请(专利权)人：学校法人冲绳科学技术大学院大学学园，
类型：发明
国别省市：