用于表征能量存储电极结构的纳米材料的计量方法及设备技术

本文描述的实施例一般涉及到用于形成在能量存储装置中使用的电极结构的方法和设备。更具体地，本文描述的实施例涉及到用于表征在形成用于能量存储装置的高容量电极结构中使用的纳米材料的方法和设备。在一个实施例中，提供用于形成用于能量存储装置的电极结构的工艺。该工艺包括通过扩散限制沉积工艺以第一电流密度在基板上方沉积柱形金属结构，测量柱形金属结构的电容以确定柱形金属结构的表面积，和在柱形金属结构上方以大于第一电流密度的第二电流密度沉积三维多孔金属结构。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本文描述的实施例大体涉及用于形成用在能量存储装置中的电极结构的方法和设备。更特别地，本文描述的实施例涉及用于表征在形成能量存储装置的电极结构中使用的纳米材料的方法和设备。相关技术的说明电能通常可以以两种根本不同的方式存储1)作为可从化学能获得的势能间接存储在电池中，该化学能需要活性物质的氧化和还原，或者2~)使用在电容板上形成的静电荷直接存储。电池组(electric battery)是将化学能转化成电能的装置，通常，由相连的一组电池(electric cell)组成作为直流电源。通常，电池由传导电流的两种不同的物质，正极和负极，以及在电极上进行化学反应的第三种物质，电解质，所组成。两个电极通过外部电路(例如，一根铜线)相连接；电解质用作离子导体在电极之间传导电子。电压或者电动势取决于所用物质的化学性质，而不受电极尺寸或电解质数量的影响。电池组归为干电池型或湿电池型。在干电池中，电解质通常被多孔介质吸收，或者被限制流动。在湿电池中，电解质是液态形式并且可自由流动和移动。电池通常也可以分成两种主要类型一可再充电的和不可再充电的，或者一次性的。一次性电池也称为原电池， 它可以在引起电流供应的化学变化完结前使用。一次性电池最常用在较小的便携装置中， 该电池仅仅是间断地或者远离可替代电源时，或者具有低耗用电流时被使用。可再充电的电池也称为二次电池，其耗尽后可再次使用。这是通过施加外部电流而实现，该外部电流引起与在使用时发生的化学变化相逆反的化学变化。提供合适电流的外部装置称为充电器或再充电器。称为蓄电池组的电池组一般为湿电池型；即，它使用液体电解质并且能多次再充电。蓄电池组由几个串联的电池组成。每个电池含有大量的被液态电解质分离的交替正负极板。电池的正极板相连接形成正极；同样地，负极板形成负极。在充电的过程中，使该电池执行与放电操作相反的操作。即，电流被强制以相反方向通过该电池，产生放电期间通常发生的化学反应的逆反应，这样电能转化为储存的化学能。蓄电池组的最大应用是汽车，用于启动内燃机。电池技术的改进已经导致在车辆中用电池系统代替电子驱动马达供应功率。通常，一般由于普通电容器的尺寸导致它们存储少量电荷并且因此仅储存少量的电能。为了形成能存储足够的电荷以作为独立电源或者补充电源的有效电能存储装置用于广泛的便携式电子设备和电动车，已专利技术了称作电化学电容器的装置。电化学电容器是组合电池组的高能量存储潜力以及电容器的高能量转化率和高再充电能力这几个方面的能量存储装置。术语电化学电容器有时在该领域中描述为超级电容器、双电层电容器、或者超电容器。电化学电容器比常规电容器的能量密度高几百倍并且比电池的能量密度高几千倍。应注意的是，电化学电容器的能量存储可以是感应电流的或非感应电流的。常规电容器中的能量存储通常是非感应电流的，意味着在电极界面上没有电子发生转移，并且电荷和能量的存储是静电的。在感应电流的和非感应电流的电化学电容器中，电容高度依赖于电极和电极材料的特性。理想地，电极材料应该是导电的并且具有大的表面积。为使电池组和电化学电容器成为更加可行的产品，降低生产成本并提高这些类型的装置的效率非常重要。虽然之前的发展使得这些电池组满足了过去的需要，但是必须做出更大的改变来满足未来的需要。更特别地，电荷存储电极(阳极)必须具有更大的能量密度。然而，目前使用的碳阳极实质上已经达到了理论极限。这意味着必须做出极广泛的改变，并且充分利用蓬勃发展的纳米制造业以及阳极研究的最新突破对于满足未来的需要是必不可少的。然而，在纳米(小于Γ6米)级进行分析时，简单的结构和机械学显著改变，导致常规计量不可使用。因此，需要一种计量方法来表征在形成电池组和电化学电容器中使用的纳米材料。
技术实现思路
本文描述的实施例一般涉及到用于形成用在能量存储装置中的电极结构的方法和装置。更特别地，本文描述的实施例涉及到用于表征在形成能量存储装置的电极结构中使用的纳米材料的方法和装置。在本文描述的一个实施中。提供了形成用于能量存储装置的电极结构的工艺。该工艺包括通过限制扩散沉积工艺以第一电流密度在基板上方沉积柱形金属结构，测量柱形金属结构的电容来确定柱形金属结构的表面积，和在柱形金属结构上方以大于第一电流密度的第二电流密度沉积三维多孔金属结构。在本文描述的另一个实施例中提供了表征形成在能量存储装置的电极结构中使用的纳米材料的工艺。该工艺包括通过利用一组电镀参数通过限制扩散沉积工艺以一电流密度在基板上方沉积一金属电极结构和测量金属电极的电容来确定金属电极的表面积。在本文描述的再一实施例中提供了一种基板处理系统。该基板处理系统包括清洁大面积基板种子层的预湿室，在大面积基板种子层上形成第一金属的柱形金属层的第一电镀室，在柱形金属层上方形成多孔层的第二电镀室，和计量室。该计量室包括电解质溶液， 该电解质溶液中的参比电极，在该电解质溶液中的对电极。附图说明为了能详细理解本专利技术上述特征，可通过参考实施例获得对上述简要说明的本专利技术的更具体的描述，一些实施例在附图中示出。但是应当注意，附图仅示出了本专利技术的典型实施例且由于本专利技术允许其他等效实施例，因此不认为其限制本专利技术的范围。图IA是电化学电容器单元的有源区的简化示意图；图IB是锂离子电池单元的简化示意图；图2是根据本文所述实施例形成电极的方法流程图；图3A-3C是示出根据本文所述实施例的阳极形成的截面示意图；图4是与根据本文所述实施例的循环伏安法测试单元的简化示意图；图5A是示出斜坡电压对时间的图表；图5B是示出对于四个不同斜坡电压的电流对电势的图表；图6是示出电流对电压扫描速度的图表；图7A是根据本文所述实施例形成的电极样本以2900x扫描电子显微镜(SEM)拍摄的照片的简化示意图；图7B是示出电流对电压扫描速度的图表；图8A是根据本文所述实施例形成的电极样本以3500x SEM拍摄的照片的简化示意图；图8B是示出电流对电压扫描速度的图表；图9是示出表面积(任意单位)对厚度(ym)的图表；图IOA是根据本文所述实施例形成的电极样本以IOOx SEM拍摄的照片；图IOB是所有可辨识的孔都用白色标记填充的图IOA的SEM照片；图IOC是描述了表示在图IOA和IOB中示出的样本的孔径柱状图的图表；图IOD是根据本文所述实施例形成的电极样本以IOOx拍摄的SEM照片；图IOE是所有可辨识的孔用白色标记填充的图IOD的SEM照片；图IOF是表示在图IOD和IOE中示出的样本的孔径柱状图的图表；图IOG是描述了在同一坐标轴上标准化(按频率)和绘制的图IOC和IOF的柱状图的图表；图IOH是描述了表面积(As)对批量样本孔径(μ m)的图表；和图11示意性示出根据本文所述实施例用于电镀电化学电池或电容器的电极的处理系统；为便于理解，尽可能地使用相同的参考标记来表示各图中共用的相同元件。可预期在一个实施例中公开的元件基本可有益地用在其他实施例中而不需特别说明。具体实施例方式本文描述的实施例一般涉及用于形成用在能量存储装置中的电极结构的方法和装置。更具体地，本文描述的实施例涉及对在形成用于诸如电池和电化学电容器的能量存储装置的电极结构中使用的纳米材料进行表征的方法和装置。对于锂离子电池，重要的是具有大表面积阳极以使能量和功率储本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种在大面积基板上形成多孔电极结构的基板处理系统，包括：第一电镀室，用来通过限制扩散沉积工艺在大面积基板上形成第一金属的柱形层；第二电镀室，用来在柱形层上形成多孔层；和循环伏安室，用来通过测量该多孔金属电极结构的电容来确定多孔金属结构的表面积以表征纳米材料，其包括：电解质溶液；设置在电解质溶液中的参比电极；设置在电解质溶液中的对电极，其中，当设置在电解质溶液中时，其上沉积有多孔层和柱形层的大面积基板用作工作电极；和为工作电极提供斜坡电压的稳压器，其中稳压器和工作电极、参比电极及对电极耦合。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：瑟奇·D·洛帕汀，
申请(专利权)人：应用材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US