JP7299924B2 - A rechargeable lithium ion battery having an anode structure containing a porous region - Google Patents
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Description
本出願は充電式電池に関する。より具体的には、本出願は、2つの異なる空隙率を有する多孔性半導体領域と、多孔性半導体領域の下に位置する非多孔性半導体領域とを含む基板で構成されたアノード構造を含む高容量の充電式リチウムイオン電池に関する。 This application relates to rechargeable batteries. More specifically, the present application includes an anode structure composed of a substrate that includes a porous semiconductor region having two different porosities and a non-porous semiconductor region underlying the porous semiconductor region. It relates to a capacity rechargeable lithium ion battery.
近年、たとえばコンピュータ、携帯電話、追跡システム、スキャナ、医療用デバイス、スマート・ウォッチ、電動ツール、リモート・システムおよびセンサ、電気車両、インターネット・オブ・シングス(IOT:internet of things)、ならびにフィットネス・デバイスなどの電子デバイスに対する要求が増加している。こうした電子デバイスの欠点の1つは、デバイス自体の中に電源を含む必要があることである。通常は、こうした電子デバイスの電源として電池が用いられる。電池は、少なくともデバイスが使用されている間電子デバイスに電力供給するために十分な容量を有する必要がある。十分な電池容量の結果として、電子デバイスの残りの部分と比べてかなり重いか、もしくは大きいか、またはその両方である電源がもたらされ得る。このため、十分なエネルギ貯蔵量を有するより小型かつより軽量の電源が望まれる。こうした電源は、より小さく軽量の電子デバイスと、電荷担体として作用するリチウムイオン材料との組み合わせにおいて実現され得る。リチウムは元素周期表において最も軽くかつ最も電気陽性の電荷担体イオンであるため、リチウムイオン電池およびコンデンサは、より小さくよりエネルギ密度の高いエネルギ貯蔵デバイスに対して最適であると考えられる。 In recent years, for example, computers, mobile phones, tracking systems, scanners, medical devices, smart watches, power tools, remote systems and sensors, electric vehicles, internet of things (IOT), and fitness devices. There is an increasing demand for electronic devices such as One of the drawbacks of such electronic devices is the need to include a power source within the device itself. Batteries are typically used as power sources for such electronic devices. The battery should have sufficient capacity to power the electronic device at least for as long as the device is in use. Sufficient battery capacity can result in a power source that is significantly heavier and/or larger than the rest of the electronic device. Therefore, a smaller and lighter power source with sufficient energy storage is desired. Such power sources can be realized in a combination of smaller and lighter electronic devices with lithium-ion materials acting as charge carriers. Since lithium is the lightest and most electropositive charge carrier ion in the periodic table of elements, lithium ion batteries and capacitors are considered optimal for smaller, higher energy density energy storage devices.
高いエネルギ密度(高容量)をもたらす軽量エネルギ貯蔵デバイスに対する要求に加えて、より速い充電速度(すなわち高速充電動力学)に対する要求も消費者市場における現在の要求である。次世代の電池に対して、たとえば電気車両、ポータブル遠隔通信、IOT、およびセンサなどの市場における消費者の要求を満たすために、もし電池を10分以内に満充電できれば望ましいだろう。電気車両の場合、もし消費者が彼/彼女の車両を充電するために10分よりも長く待つ必要があれば、その電池動力の電気車両はユーザのスケジュールおよび結果的に彼らの移動範囲に制限を加えるおそれがある。よって、電気車両市場において速い充電速度の電池を用いることは、ガソリン動力の自動車と競合しておそらくはそれに置き換わる実現可能な電気車両市場の創造を助けるだろう。 In addition to the demand for lightweight energy storage devices that provide high energy density (high capacity), the demand for faster charging speeds (ie fast charging kinetics) is also a current demand in the consumer market. For the next generation of batteries, it would be desirable if a battery could be fully charged in 10 minutes or less, in order to meet consumer demand in markets such as electric vehicles, portable telecommunications, IOT, and sensors. In the case of electric vehicles, if a consumer has to wait longer than 10 minutes to charge his/her vehicle, the battery-powered electric vehicle is limited to the user's schedule and consequently their range of travel. may be added. Thus, the use of fast charge rate batteries in the electric vehicle market will help create a viable electric vehicle market to compete with and possibly replace gasoline-powered automobiles.
従来の電池の別の欠点は、電池の中には引火性および毒性の可能性のある材料を含有するものがあり、その材料が漏洩して安全性の危機および費用のかかる製品リコールをもたらすおそれがあることである。結果として、これらの電池は政府の規制を受けて、製品の評判を損なうおそれがある。電池漏洩のリスクは、これらの電池内に亀裂が形成されることによって増加し得る。これらの亀裂は、おそらくは電池の充電/放電サイクルによる内部応力によってもたらされるだろう。 Another drawback of conventional batteries is that some batteries contain potentially flammable and toxic materials that can leak, resulting in safety hazards and costly product recalls. There is As a result, these batteries are subject to government regulation, which can damage the product's reputation. The risk of battery leakage can be increased by the formation of cracks within these batteries. These cracks are probably caused by internal stresses due to charge/discharge cycling of the battery.
加えて、固体電解質を含有する電池の場合は、これらの電池内のデンドライト形成によって電池寿命性能が低下することが証明されている。デンドライトのサイズは電池の寿命にわたって増加し、おそらくは電池の充電/放電サイクル数にも関係しているだろう。デンドライトが電池内で形成されて経時的に大きく成長するとき、デンドライトは電池の内部構成要素を電気的に短絡させて電池の故障をもたらしやすい。 In addition, for batteries containing solid electrolytes, dendrite formation in these batteries has been shown to reduce battery life performance. Dendrite size increases over the life of the battery, possibly related to the number of charge/discharge cycles of the battery. When dendrites form within a battery and grow larger over time, the dendrites tend to electrically short the internal components of the battery, resulting in battery failure.
リチウム金属の安定した充電ホストを提供し、かつリチウムイオンからリチウム金属へ、およびその逆の可逆的イオン化機構を促進するリチウム金属充電ホスト電極の出現によって、持続可能な全固体または半固体リチウムイオン電池の消費者市場における大量生産が達成できる。リチウム金属は3850mAh/gの理論的エネルギ容量を維持するのに対し、シリコンベースのリチウムホスト電極材料は4200mA/gの理論的容量を維持する。たとえば、アノードとして作用するこれらの材料はどちらも、従来の黒鉛アノード材料の理論的容量(372mAh/g)の10倍よりも大きい。しかし、これらの電池は割れ、漏洩、および内部デンドライト障害のリスクをなおも有する。 Sustainable all-solid-state or semi-solid-state lithium ion batteries with the advent of lithium metal charge host electrodes that provide a stable charge host for lithium metal and promote a reversible ionization mechanism of lithium ions to lithium metal and vice versa. mass production in the consumer market can be achieved. Lithium metal maintains a theoretical energy capacity of 3850 mAh/g, while silicon-based lithium host electrode materials maintain a theoretical capacity of 4200 mA/g. For example, both of these materials acting as anodes have more than ten times the theoretical capacity of conventional graphite anode materials (372 mAh/g). However, these batteries still have the risk of cracking, leakage, and internal dendrite failure.
よって、低減した充電時間を有し、より高い貯蔵容量を有し、かつ多数の充電/放電ライフ・サイクルにわたって安全に再充電可能であるとともに、割れ、漏洩、および電池内のデンドライト成長による障害のリスクを低減させた、電力供給を提供するための改善されたリチウムイオン電池が必要とされている。 Thus, it has reduced charge time, higher storage capacity, and can be safely recharged over many charge/discharge life cycles while being less susceptible to cracking, leakage, and failure due to dendrite growth within the battery. There is a need for improved lithium-ion batteries for providing power supplies with reduced risk.
高容量(すなわち、100mAh/g以上の容量)を維持する充電式リチウムイオン電池が提供される。いくつかの実施形態において、本出願の充電式リチウムイオン電池は、寿命の増加、充電/放電サイクル数の増加、充電時間の低減(すなわち速い充電速度)、サイクル中の体積の膨張もしくは変形またはその両方の低減、デンドライトおよび亀裂形成の低減、あるいは割れによる電池漏洩の低減、あるいはその組み合わせも示し得る。 A rechargeable lithium-ion battery is provided that maintains a high capacity (ie, a capacity of 100 mAh/g or greater). In some embodiments, the rechargeable lithium ion batteries of the present application exhibit increased lifespan, increased number of charge/discharge cycles, reduced charge time (i.e., faster charge rate), volume expansion or deformation during cycling, or A reduction in both, a reduction in dendrite and crack formation, or a reduction in cell leakage due to cracking, or a combination thereof may also be exhibited.
本出願の充電式リチウムイオン電池は、リチウム含有カソード材料層とアノード構造との間に位置する電解質領域を含む。アノード構造は単一構成(すなわちモノリス構造)であり、非多孔性領域と多孔性領域とを含む。多孔性領域は、第1の厚さおよび第1の空隙率を有する頂部多孔性層(多孔性領域1)と、第1の空隙率よりも大きい第2の空隙率および第1の厚さよりも大きい第2の厚さを有する底部多孔性層(多孔性領域2)とを含む。底部多孔性層(すなわち多孔性領域2)は、頂部多孔性層(すなわち多孔性領域1)の下に位置して非多孔性領域との界面を形成する。加えて、非多孔性領域の少なくとも上側部分と、多孔性領域の全体とがシリコンで構成される。 A rechargeable lithium ion battery of the present application includes an electrolyte region located between a lithium-containing cathode material layer and an anode structure. The anode structure is of unitary construction (ie, monolithic structure) and includes non-porous regions and porous regions. The porous region comprises a top porous layer (Porous Region 1) having a first thickness and a first porosity and a second porosity greater than the first porosity and a thickness less than the first thickness. and a bottom porous layer (porous region 2) having a large second thickness. The bottom porous layer (ie porous region 2) underlies the top porous layer (ie porous region 1) and forms an interface with the non-porous region. Additionally, at least the upper portion of the non-porous region and the entire porous region are composed of silicon.
本出願の別の態様において、充電式リチウムイオン電池に対する前述のアノード構造を作製する方法が提供される。この方法は、pドープ・シリコンで構成される少なくとも上側領域を含む基板をアノード・エッチングするステップを含む。一実施形態において、多孔性領域1および2を含むアノード構造の相対的深さ、細孔構造、および表面積は、本出願の方法の適用条件を通じて制御される。 In another aspect of the present application, methods are provided for making the aforementioned anode structures for rechargeable lithium ion batteries. The method includes anodically etching a substrate including at least an upper region composed of p-doped silicon. In one embodiment, the relative depth, pore structure, and surface area of the anode structure, including porous regions 1 and 2, are controlled through the application conditions of the methods of the present application.
本出願の別の態様は、電池の充電および放電サイクル中の充電式電池に対するアノード構造に対する動作の変更を示す。本出願のアノード構造および電池構造は、内部応力の低減および電池寿命にわたるデンドライト成長の低減を示す独特のやり方で充電する。任意の理論に結び付けられることは望まないが、本出願の充電動作は、内部電池応力のレベル低減およびアノード構造の割れ発生の低減に寄与するものと考えられる。 Another aspect of the present application presents a change in behavior to the anode structure for rechargeable batteries during the charge and discharge cycles of the battery. The anode and cell structures of the present application charge in a unique manner that exhibits reduced internal stress and reduced dendrite growth over cell life. While not wishing to be bound by any theory, it is believed that the charging operation of the present application contributes to reduced levels of internal cell stress and reduced cracking of the anode structure.
本出願のさらに別の態様において、特定の粒子サイズおよび粒子境界の密度または円柱状の微細構造を含むカソード材料と、本アノード構造との組み合わせが用いられる。本出願のアノード構造は、さまざまな寸法および質量のそれぞれのカソード材料から供給されるリチウム材料を持続可能にめっきできる。特に、本出願のアノード構造は充電の際の見かけのリチウムめっきと、放電の際のリチウム剥離とを促進するため、高容量電池セルが容易に製作され得る。 In yet another aspect of the present application, a combination of a cathode material comprising a particular grain size and grain boundary density or columnar microstructure and the present anode structure is used. The anode structures of the present application can sustainably plate lithium materials supplied from respective cathode materials of various sizes and masses. In particular, high capacity battery cells can be easily fabricated because the anode structure of the present application promotes apparent lithium plating during charging and lithium exfoliation during discharging.
ここで本出願に付随する以下の考察および図面を参照して、本出願をより詳細に説明することとする。なお、本出願の図面は例示の目的のためのみに提供されたものであるため、図面は縮尺どおりに描かれていない。加えて、類似および対応する構成要素は類似の参照番号によって示されていることを注記する。 The present application will now be described in more detail with reference to the following discussion and drawings that accompany this application. It should be noted that the drawings of the present application are provided for illustrative purposes only and, as such, the drawings are not drawn to scale. Additionally, note that similar and corresponding components are indicated by similar reference numerals.
以下の説明においては、本出願のさまざまな実施形態の理解を提供するために、たとえば特定の構造、構成要素、材料、寸法、処理ステップ、および技術などの多数の特定的な詳細が示されている。しかし、この開示を与えられると、さらなる特定的詳細を提供することなく実施され得る本出願のさまざまな代替的実施形態が存在することを当業者は認識するだろう。他の場合には、周知の構造または処理ステップが本発明の概念との組み合わせで、もしくは本発明の概念を用いて、またはその両方で用いられ得る。本出願を曖昧にすることを避けるために、これらの構造およびステップは詳細に説明されていない。 In the following description, numerous specific details are set forth, such as specific structures, components, materials, dimensions, processing steps, and techniques, in order to provide an understanding of various embodiments of the present application. there is However, given this disclosure, one skilled in the art will recognize that there are various alternative embodiments of this application that may be practiced without providing further specific details. In other cases, well-known structures or process steps may be used in combination with and/or with the inventive concepts. These structures and steps have not been described in detail to avoid obscuring the present application.
層、領域、または基板としての構成要素が別の構成要素の「上(on)」または「上(over)」にあると言われるとき、その構成要素は他方の構成要素の上に直接存在してもよいし、介在構成要素も存在してもよいことが理解されるだろう。これに対し、ある構成要素が別の構成要素の「直接上(directly on)」または「直接上(directly over)」にあると言われるとき、介在構成要素は存在しない。加えて、ある構成要素が別の構成要素の「下(beneath)」または「下(under)」にあると言われるとき、その構成要素は他方の構成要素の下(beneath)または下(under)に直接存在してもよいし、介在構成要素が存在してもよいことが理解されるだろう。これに対し、ある構成要素が別の構成要素の「直接下(directly beneath)」または「直接下(directly under)」にあると言われるとき、介在構成要素は存在しない。 When a component, such as a layer, region, or substrate, is said to be “on” or “over” another component, that component is directly on top of the other component. and that there may be intervening components. In contrast, when a component is said to be "directly on" or "directly over" another component, there are no intervening components present. In addition, when a component is said to be “beneath” or “under” another component, that component is said to be “beneath” or “under” the other component. It will be understood that there may be directly present in the , or there may be intervening elements. In contrast, when a component is said to be "directly beneath" or "directly under" another component, there are no intervening components.
上述のとおり、高容量(すなわち、100mAh/g以上の容量)を有する充電式リチウムイオン電池が提供される。いくつかの実施形態において、本出願の充電式リチウムイオン電池は、寿命の増加、またはより速い充電速度、または充電/放電サイクル中の体積の膨張もしくは変形またはその両方の低減、あるいはその組み合わせも示してもよい。本出願の充電式リチウムイオン電池は、(本出願のアノード構造を有さない従来のリチウムイオン電池と比べて)電池の容量および場合によっては充電速度をも増加させるように設計されたアノード構造を含む。 As described above, rechargeable lithium-ion batteries are provided that have high capacity (ie, capacities of 100 mAh/g or greater). In some embodiments, the rechargeable lithium ion batteries of the present application also exhibit increased longevity, or faster charging rates, or reduced volume expansion and/or deformation during charge/discharge cycling, or a combination thereof. may The rechargeable lithium ion batteries of the present application have an anode structure designed to increase the capacity and possibly also the charging rate of the battery (compared to conventional lithium ion batteries without the anode structure of the present application). include.
本出願の1つの態様において、単一構成のアノード構造を含む充電式リチウムイオン電池が提供される。特に、アノード構造は非多孔性領域と多孔性領域とを含み、多孔性領域は第1の厚さおよび第1の空隙率を有する頂部多孔性層(多孔性領域1)と、第1の厚さよりも大きい第2の厚さおよび第1の空隙率よりも大きい第2の空隙率を有する底部多孔性層(多孔性領域2)とを含む。底部多孔性層(多孔性領域2)は、頂部多孔性層(多孔性領域1)の下に位置して非多孔性領域との界面を形成する。本出願のアノード構造において、非多孔性領域の少なくとも上側部分と、(多孔性領域1および2を含む)多孔性領域の全体とがシリコンで構成される。 In one aspect of the present application, a rechargeable lithium ion battery is provided that includes a single-component anode structure. In particular, the anode structure includes a non-porous region and a porous region, the porous region comprising a top porous layer (Porous Region 1) having a first thickness and a first porosity, and a porous region having a first thickness. a bottom porous layer (porous region 2) having a second thickness greater than the thickness and a second porosity greater than the first porosity. The bottom porous layer (porous region 2) underlies the top porous layer (porous region 1) and forms an interface with the non-porous region. In the anode structure of the present application, at least the upper portion of the non-porous region and the entire porous region (including porous regions 1 and 2) are composed of silicon.
電池を作製する方法、電池を使用する方法、使用中の電池の構造的特徴、および速い充電速度を可能にするカソードを有する電池構造も提供される。本出願のアノード構造は、さまざまな従来の2次元および3次元電池構成内の構成要素として用いられ得る。 Also provided are methods of making the batteries, methods of using the batteries, structural features of the batteries in use, and battery structures having cathodes that enable fast charging rates. The anode structures of the present application can be used as components within a variety of conventional two-dimensional and three-dimensional battery configurations.
多孔性領域1は多孔性領域2と比べて平均してより小さい細孔サイズを含むため、本出願のアノード構造は先行技術のものよりも強いと考えられる。いくつかの実施形態において、多孔性領域1および多孔性領域2とともにより大きい非多孔性領域を含むアノード構造は、機械的、電気的、および化学的に同じ半導体材料でできている(すなわち、アノード構造はモノリス構成である)。よって、特に結晶の構成のシリコン基板に対して、原子レベルで全体的に相互接続された機械的により強いアノード構造が提供される。 It is believed that the anode structure of the present application is stronger than those of the prior art because porous region 1 contains smaller pore sizes on average as compared to porous region 2 . In some embodiments, the anode structure comprising porous region 1 and porous region 2 as well as the larger non-porous region are mechanically, electrically, and chemically made of the same semiconducting material (i.e., anode The structure is a monolithic configuration). Thus, a mechanically stronger anode structure that is totally interconnected at the atomic level is provided, especially for silicon substrates in a crystalline configuration.
加えて、本出願のアノード構造の最初のリチオ化の際に、多孔性領域2の上側部分は部分的にリチウム含有となり、多孔性領域2の下側部分は実質的にリチウムを欠くと考えられる。このプロセスの間に薄いシード層が形成し始め、このシード層の構成はリチウム・リッチ材料とシリコン材料とで構成され、結果的に多孔性領域1の頂部に平面状のリチウム金属稠密層が形成される。このシード層は、リチウムイオンがアノード構造の多孔性領域2の中により深く移動することを顕著に低減する(かつ多孔性領域2内のリチウムイオン濃度を低減する)。よって、多孔性領域1の上/中に薄いシード層が形成されることによって、多孔性領域2のさらなるリチオ化が妨げられ、結果的に多孔性領域2および非多孔性領域のより深くへのさらなるリチオ化の抑制によって、電極全体の機械的応力が最小化される。 Additionally, it is believed that upon initial lithiation of the anode structure of the present application, the upper portion of porous region 2 becomes partially lithium-containing and the lower portion of porous region 2 is substantially devoid of lithium. . During this process a thin seed layer begins to form, the composition of this seed layer being composed of lithium rich material and silicon material, resulting in the formation of a planar lithium metal dense layer on top of the porous region 1. be done. This seed layer significantly reduces the migration of lithium ions deeper into the porous region 2 of the anode structure (and reduces the lithium ion concentration within the porous region 2). Thus, the formation of a thin seed layer on/in porous region 1 prevents further lithiation of porous region 2, resulting in deeper penetration of porous region 2 and non-porous regions. Suppression of further lithiation minimizes mechanical stress across the electrode.
アノード構造内にリチウムが移動するとき、リチウムとアノード構造のシリコンとが結合するところの体積領域が膨張する。この体積は、元のアノード構造体積の最大400パーセントまで膨張し得る。したがって本出願のアノード構造は、充電式リチウムイオン電池の寿命(充電/放電サイクル全体)の間の体積の膨張の低減を可能にし、結果として電池の使用全体にわたる内部応力の低減をもたらす。 As lithium migrates into the anode structure, the volumetric region where lithium and silicon of the anode structure combine expands. This volume can expand up to 400 percent of the original anode structure volume. Thus, the anode structure of the present application allows for reduced volume expansion during the lifetime (over charge/discharge cycles) of a rechargeable lithium-ion battery, resulting in reduced internal stresses throughout use of the battery.
リチウムは多孔性領域1および2のシリコンと結合するため、これらの多孔性領域内の空間はアノード構造のこれらの部分における体積の増加に適応し、充電および放電の機械的応力をさらに低減する。 Since lithium bonds with silicon in porous regions 1 and 2, the space within these porous regions accommodates the volume increase in these portions of the anode structure, further reducing mechanical stresses of charge and discharge.
加えて、電池が電池寿命全体にわたって充電/放電する際に、リチウムはアノード構造の多孔性領域に存在するシリコン原子と組み合わされたリチウムのシード層を維持する。このシード層は、以後リチウム含有シード層と呼ばれることがある。シード層形成の際に、リチウムのわずかな部分(理論容量の10%未満)が多孔性領域1に進入および貫通し、部分的に多孔性領域2を貫通する。このプロセスは電気化学的に誘導されないときは比較的低速であり、このプロセスは定電流または定電位で誘導されるときはより高速である。リチウムは多孔性領域1の上/中の過去に堆積されたリチウム含有シード層の上に蓄積するため、リチウムは多孔性領域1の頂部に金属リチウムの薄層をさらに形成し、多孔性領域1内の体積を膨張させて、多孔性領域1内の細孔を物理的に閉じ、かつシード層および金属層のリチウム濃度が本出願のアノード構造へのリチウムのさらなる進入に対する静電バリアを提供することによって、リチウムが本出願のアノード構造のより深くにさらに移動することを最小化する。 In addition, as the battery charges/discharges over the life of the battery, the lithium maintains a seed layer of lithium combined with the silicon atoms present in the porous regions of the anode structure. This seed layer is sometimes referred to hereinafter as the lithium-containing seed layer. A small portion of lithium (less than 10% of the theoretical capacity) enters and penetrates porous region 1 and partially penetrates porous region 2 during seed layer formation. This process is relatively slow when not electrochemically induced, and the process is faster when induced at constant current or constant potential. As lithium accumulates on a previously deposited lithium-containing seed layer on/in the porous region 1, the lithium further forms a thin layer of metallic lithium on top of the porous region 1, The internal volume expands to physically close the pores within the porous region 1, and the lithium concentrations in the seed layer and metal layer provide an electrostatic barrier to further ingress of lithium into the anode structure of the present application. This minimizes the further migration of lithium deeper into the anode structure of the present application.
完全に形成されたシード層は、電池の以後の充電/放電サイクル中にアノード構造にさらにリチウムが移動することを最小化し、よって電池の寿命の大半にわたって充電/放電サイクル中の体積の膨張および収縮の周期的な機械的応力を低減し、それに応じて電池の寿命にわたるアノード構造の応力を低減させる。 A fully formed seed layer minimizes additional lithium migration to the anode structure during subsequent charge/discharge cycles of the battery, thus volumetric expansion and contraction during charge/discharge cycles over most of the battery's life. and correspondingly reduce stress in the anode structure over the life of the cell.
完全に形成されたシード層はアノード構造へのリチウムイオンの移動を妨げるため、以下が観察される。(i)充電サイクル中に電池のカソードおよび電解質領域からアノード構造に向かって移動するリチウムイオンが、シード層の上のリチウム金属層の厚さを増加させること、および(ii)放電サイクル中に電池のカソードおよび電解質領域からアノード構造から遠ざかって移動するリチウムイオンが、シード層の上のリチウム金属層の厚さを減少させること。しかし先行技術とは反対に、電池の以後の充電/放電サイクル中には、完全に形成されたシード層によってリチウム拡散が最小化される。本出願のアノード構造の結果として、リチウムは主に(たとえばイオンめっきを介して)シード層上に堆積し、多孔性領域2内はかなり低減された量であり、しかしアノード構造の非多孔性領域内には何ら有意な量がみられない。結果として、アノード構造の非常に大きい体積、すなわちアノード構造の非多孔性領域は充電/放電サイクル中に実質的にリチウムを吸収せず、したがって本出願のアノード構造を含まない電池において観察されるような割れおよび起こり得る漏洩をもたらす顕著な体積の膨張および収縮を起こさない。 Since a fully formed seed layer impedes migration of lithium ions to the anode structure, the following is observed. (i) lithium ions migrating from the cathode and electrolyte regions of the battery toward the anode structure during charge cycles increase the thickness of the lithium metal layer above the seed layer; Lithium ions migrating away from the anode structure from the cathode and electrolyte regions of the seed layer reduce the thickness of the lithium metal layer above the seed layer. Contrary to the prior art, however, the fully formed seed layer minimizes lithium diffusion during subsequent charge/discharge cycles of the battery. As a result of the anode structure of the present application, lithium is deposited primarily (e.g., via ion plating) on the seed layer, in a much reduced amount within the porous region 2, but in the non-porous regions of the anode structure. No significant amount is found in As a result, the very large volume of the anode structure, i.e., the non-porous regions of the anode structure, do not substantially absorb lithium during charge/discharge cycling and thus are observed in batteries not containing the anode structure of the present application. Does not undergo significant volumetric expansion and contraction leading to severe cracking and possible leaks.
一旦形成された薄いシード層は、電池の充電/放電サイクル中に大きく変化しないことが推測される。シード層形成の際にリチウムとの化学結合によるアノード構造の頂部多孔性層の体積の膨張が多孔性領域1に過度の応力をもたらさないように、多孔性領域1の空隙率が選択される。 It is assumed that the thin seed layer, once formed, does not change significantly during the charge/discharge cycles of the battery. The porosity of the porous region 1 is selected such that volumetric expansion of the top porous layer of the anode structure due to chemical bonding with lithium during seed layer formation does not lead to excessive stress in the porous region 1 .
シード層は平滑な平面状の表面を形成し、そこに動作の充電(放電)サイクル中にリチウムイオンを付加(および除去)することによって金属リチウム金属層の厚さが増大(縮小)する一方で、電池の寿命にわたって比較的平滑な平面状の表面が維持されて、デンドライト成長の抑制の可能性が高くなることを示す実験的証拠を出願人は有している。 The seed layer forms a smooth planar surface to which lithium ions are added (and removed) during the charge (discharge) cycles of operation while the thickness of the metallic lithium metal layer increases (decreases). Applicants have experimental evidence that a relatively smooth planar surface is maintained over the life of the cell, increasing the likelihood of inhibition of dendrite growth.
ここで図1を参照すると、本出願の第1の実施形態による例示的な充電式リチウムイオン電池が示されている。図1に示される例示的な充電式リチウムイオン電池は、アノード電流コレクタ10と、アノード構造12と、電解質領域18と、リチウム含有カソード材料層20と、カソード電流コレクタ22との電池材料スタックを含む。本出願はリチウムイオン電池の最底部の材料層としてアノード電流コレクタ10を示しているが、本出願はカソード電流コレクタ22が本出願のリチウムイオン電池の最底部の材料層を表すような実施形態も想定している。リチウムイオン電池に対するその他の向きも可能であり、本出願から除外されない。
Referring now to FIG. 1, there is shown an exemplary rechargeable lithium ion battery according to the first embodiment of the present application. The exemplary rechargeable lithium-ion battery shown in FIG. 1 includes a battery material stack of anode
いくつかの実施形態において、本出願の充電式リチウムイオン電池はベース基板(図示せず)の上に形成されてもよい。存在するとき、ベース基板はリチウムイオン電池に対する基板として用いられる任意の従来の材料を含んでもよい。一実施形態において、ベース基板は、シリコン含有材料もしくは半導体特性を有する任意のその他の材料、またはその両方を含んでもよい。「シリコン含有材料」という用語は、シリコンを含んで半導体特性を有する材料を示すために、本出願全体にわたって用いられる。充電式リチウムイオン電池に対するベース基板として使用され得るシリコン含有材料の例はシリコン(Si)、シリコンゲルマニウム合金(SiGe)、または炭素ドープ・シリコンベース合金を含む。一実施形態において、充電式リチウムイオン電池に対するベース基板は、バルク半導体基板である。「バルク」とは、ベース基板が少なくとも1つの半導体材料で全体的に構成されていることを意味する。一例において、ベース基板は、単結晶であってもよいシリコンで全体的に構成されてもよい。いくつかの実施形態において、バルク半導体基板は、少なくとも2つの異なる半導体材料を含む多層半導体材料スタックを含んでもよい。一例において、多層半導体材料スタックは、Siおよびシリコンゲルマニウム合金のスタックを任意の順序で含んでもよい。別の実施形態において、多層半導体材料は、Siと、たとえばシリコンゲルマニウムまたは炭素ドープ・シリコンベース合金などの単一または複数のシリコンベース合金とのスタックを任意の順序で含んでもよい。 In some embodiments, the rechargeable lithium ion batteries of the present application may be formed over a base substrate (not shown). When present, the base substrate may comprise any conventional material used as substrates for lithium ion batteries. In one embodiment, the base substrate may comprise a silicon-containing material or any other material with semiconductor properties, or both. The term "silicon-containing material" is used throughout this application to denote a material that contains silicon and has semiconducting properties. Examples of silicon-containing materials that can be used as base substrates for rechargeable lithium-ion batteries include silicon (Si), silicon-germanium alloys (SiGe), or carbon-doped silicon-based alloys. In one embodiment, the base substrate for rechargeable lithium-ion batteries is a bulk semiconductor substrate. By "bulk" is meant that the base substrate is composed entirely of at least one semiconductor material. In one example, the base substrate may be composed entirely of silicon, which may be monocrystalline. In some embodiments, the bulk semiconductor substrate may comprise a multi-layer semiconductor material stack comprising at least two different semiconductor materials. In one example, a multilayer semiconductor material stack may include a stack of Si and a silicon-germanium alloy in any order. In another embodiment, the multilayer semiconductor material may comprise stacks of Si and one or more silicon-based alloys, such as silicon-germanium or carbon-doped silicon-based alloys, in any order.
他の実施形態において、リチウムイオン電池に対するベース基板は、たとえばアルミニウム(Al)、アルミニウム合金、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、またはモリブデン(Mo)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、プラチナ(Pt)、またはこれらの材料の任意の合金などの電流コレクタであってもよい。 In other embodiments, base substrates for lithium ion batteries are, for example, aluminum (Al), aluminum alloys, titanium (Ti), tantalum (Ta), tungsten (W), or molybdenum (Mo), copper (Cu), nickel (Ni), platinum (Pt), or any alloy of these materials.
いくつかの実施形態において、ベース基板は非テクスチャ加工(平坦または平面状の)表面を有してもよい。「非テクスチャ加工表面」という用語は、平滑であって、形状測定または原子間力顕微鏡法によって測定されたときに100nm二乗平均平方根未満のオーダの表面粗度を有する表面を示す。さらに別の実施形態において、ベース基板はテクスチャ加工表面を有してもよい。こうした実施形態において、テクスチャ加工基板の表面粗度は、同様に形状測定または原子間力顕微鏡法によって測定されたときに100nm二乗平均平方根から100μm二乗平均平方根の範囲であり得る。テクスチャリングは、非テクスチャ加工基板の表面上に複数のエッチング・マスク(例、金属、絶縁体、またはポリマー)を形成し、その複数のマスクをエッチング・マスクとして使用して非テクスチャ加工基板をエッチングし、基板の非テクスチャ加工表面からエッチング・マスクを除去することによって行われ得る。いくつかの実施形態において、ベース基板のテクスチャ加工表面は、複数の高表面積3次元特徴で構成される。いくつかの実施形態において、複数の金属マスクが用いられ、これらの金属マスクは、金属材料の層を堆積させてからアニールを行うことによって形成されてもよい。アニールの際に金属材料の層が融解してボールアップすることによって、ベース基板の表面のディウェッティングが起こる。 In some embodiments, the base substrate may have a non-textured (flat or planar) surface. The term "untextured surface" refers to a surface that is smooth and has a surface roughness on the order of less than 100 nm root mean square as measured by profilometry or atomic force microscopy. In yet another embodiment, the base substrate may have a textured surface. In such embodiments, the surface roughness of the textured substrate can range from 100 nm root mean square to 100 μm root mean square, also as determined by profilometry or atomic force microscopy. Texturing involves forming multiple etch masks (e.g., metals, insulators, or polymers) on the surface of an untextured substrate and using the multiple masks as etch masks to etch the untextured substrate. and removing the etch mask from the non-textured surface of the substrate. In some embodiments, the textured surface of the base substrate is composed of a plurality of high surface area three-dimensional features. In some embodiments, multiple metal masks are used, and these metal masks may be formed by depositing layers of metal material followed by annealing. Dewetting of the surface of the base substrate occurs by melting and balling up the layer of metal material during annealing.
図1の参照に戻ると、本出願において使用され得るアノード電流コレクタ10は、たとえばチタン(Ti)、プラチナ(Pt)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、または窒化チタン(TiN)などの任意の金属アノード側電極材料を含む。アノード・コレクタ10は、金属アノード側電極材料の層か、または少なくとも2つの異なる金属アノード側電極材料の材料スタックを含んでもよい。一例において、アノード電流コレクタ10は、底部から頂部にニッケル(Ni)と銅(Cu)とのスタックを含む。アノード電流コレクタ10は、10nmから50□mの厚さを有してもよい。前述の厚さの値よりも小さいか、または大きいその他の厚さもアノード電流コレクタ10に対して用いられてもよい。アノード電流コレクタ10は、たとえば化学蒸着(CVD:chemical vapor deposition)、プラズマ強化化学蒸着(PECVD:plasma enhanced chemical vapor deposition)、蒸発、スパッタリング、めっき、または機械的に付着された金属箔などを含む堆積プロセスを使用して形成され得る。接触抵抗の改善のために、金属アノード側電極材料と半導体材料ベースとを合金化することが好ましいだろう。半導体産業において公知であるとおり、合金化はケイ素化プロセスを行うことによって達成されてもよい。
Returning to FIG. 1, the anode
アノード構造12は、アノード電流コレクタ10の表面に提供される。アノード構造12は非多孔性領域14と、非多孔性領域14の上に位置する異なる空隙率および厚さを有する2つの層を有する多孔性領域(16、17)とを含む。アノード構造の多孔性領域は、底部多孔性層16(すなわち多孔性領域2)と、頂部多孔性層17(すなわち多孔性領域1)とを含む。非多孔性領域14と多孔性領域(16、17)とは単一構成である。一実施形態において、非多孔性領域14は、多孔性領域2(すなわち底部多孔性層16)の表面と直接物理的に接触する第1の表面と、第1の表面とは反対側の、アノード電流コレクタ10と直接物理的に接触する第2の表面とを有する。非多孔性領域14は、アノード構造12の体積の最大部分である。いくつかの実施形態において、アノード構造12の非多孔性領域14は、5μmから700μmの厚さを有してもよい。
An
多孔性領域1(すなわち頂部多孔性層17)は第1の空隙率および第1の厚さを有し、多孔性領域2(すなわち底部多孔性層16)は第2の空隙率および第2の厚さを有する。充電および放電の際の体積変化に適応するために、第2の空隙率および第2の厚さがそれぞれ第1の空隙率および第1の厚さよりも大きくなるようにして多孔性領域(16、17)が設計される。一実施形態において、第2の空隙率は3nmよりも大きい平均細孔開口部を有し、かつ第2の厚さは0.1μmから20μmであるのに対し、第1の空隙率は3nm未満の平均細孔開口部を有し、かつ第1の厚さは50nm以下である。任意の理論に結び付けられることは望まないが、多孔性領域1に比較的小さい直径の細孔が含まれることによって、平坦化リチウム含有シード層の形成が促進されると考えられる(本明細書の以下により詳細に説明される)。 Porous region 1 (ie, top porous layer 17) has a first porosity and a first thickness, and porous region 2 (ie, bottom porous layer 16) has a second porosity and a second thickness. have a thickness; The porous region (16, 17) is designed. In one embodiment, the second porosity has an average pore opening greater than 3 nm and the second thickness is between 0.1 μm and 20 μm, while the first porosity is less than 3 nm. and the first thickness is 50 nm or less. While not wishing to be bound by any theory, it is believed that the inclusion of relatively small diameter pores in the porous region 1 facilitates the formation of a planarizing lithium-containing seed layer (see described in more detail below).
本出願において、空隙率は、多孔性領域(16、17)の合計体積で割った細孔(シリコン内の空間領域)の体積パーセンテージの尺度であり得る。空隙率は、たとえばSEM、RBS、X線回折(XRD:X-ray Diffraction)、核磁気共鳴(NMR:Nuclear Magnetic Resonance)、ラマン分光法、固体上の気体吸着(ポロシメトリ)、水銀空間充填ポロシメトリ、密度関数理論(DFT:density functional theory)、またはブルナウアー-エメット-テラー(BET:Brunauer-Emmett-Teller)などを含む当業者に周知の技術を用いて測定されてもよい。 In this application, porosity may be a measure of the volume percentage of pores (the void space within the silicon) divided by the total volume of the porous regions (16, 17). Porosity can be measured, for example, by SEM, RBS, X-ray diffraction (XRD), nuclear magnetic resonance (NMR), Raman spectroscopy, gas adsorption on solids (porosimetry), mercury space-filling porosimetry, It may be measured using techniques well known to those skilled in the art, including density functional theory (DFT), or Brunauer-Emmett-Teller (BET), and the like.
なお本出願は、先行技術のとおり脆い傾向があって使用中に割れるおそれがあるために電池故障を起こし得る30%以上の空隙率を有する多孔性領域(16、17)を避けている。 It should be noted that the present application avoids porous regions (16, 17) with a porosity greater than 30% which, as in the prior art, tend to be brittle and may crack during use, thus causing battery failure.
任意の理論に結び付けられることは望まないが、多孔性領域(16、17)は、多孔性領域1(すなわち頂部多孔性層17)およびより低い程度の多孔性領域2(すなわち底部多孔性層16)の両方の体積の膨張(すなわち増大)もしくは変形またはその両方に適応するために十分な開放空間が多孔性領域(16、17)内に存在するような空隙率を有することが推測される。このことは、充電式リチウムイオン電池の初期動作での多孔性領域1(すなわち頂部多孔性層17)における、本明細書の以下により詳細に説明されるリチウム含有シード層の形成において、特に当てはまる。
While not wishing to be bound by any theory, the porous regions (16, 17) are divided into porous region 1 (i.e. top porous layer 17) and less porous region 2 (i.e. bottom
本出願のアノード構造12の多孔性領域2(すなわち底部多孔性層16)は、0.02パーセントから0.035パーセントの圧縮応力を有する。圧縮応力は、X線回折またはその他の光学もしくは分光技術によって定められ得る。
Porous region 2 (ie, bottom porous layer 16) of
上述のとおり、アノード構造12の多孔性領域1(すなわち頂部多孔性層17)、多孔性領域2(すなわち底部多孔性層16)、および非多孔性領域14は単一構成である。よって非多孔性領域14および多孔性領域(16、17)は、電気的、化学的、および機械的に同じアノード構造の一部である。いくつかの実施形態において、多孔性領域1(すなわち頂部多孔性層17)、多孔性領域2(底部多孔性層16)、および非多孔性領域14はシリコンで全体的に構成される。この実施形態において、アノード構造12は効率的な方法ステップによって作製される。加えて、アノード構造12全体が同じ半導体材料(すなわちSi)でできている実施形態においては、異なる材料の間の界面によってもたらされ得るアノード構造12内の機械的応力または付加的な電気抵抗が存在しない。一例において、非多孔性領域14および多孔性領域(16、17)を含むアノード構造12は、p型結晶シリコン材料で構成された3次元(3D:three-dimensional)格子骨格を有する。「p型」という用語は、原子価電子の欠乏を生じる固有シリコン材料への不純物の添加を示す。シリコン含有シリコン材料におけるp型ドーパント、すなわち不純物の例は、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、およびインジウムを含むが、それに限定されない。
As described above, porous region 1 (ie, top porous layer 17), porous region 2 (ie, bottom porous layer 16), and
いくつかの実施形態において、多孔性領域2(すなわち底部多孔性層16)との界面を形成するアノード構造12の非多孔性領域14の少なくとも上側部分と、多孔性領域(16、17)全体とが、たとえばp型ドープ・シリコン材料などの同じ材料で構成されるのに対して、非多孔性領域14の下側部分は、多孔性領域2(すなわち底部多孔性層16)との界面を形成するアノード構造12の非多孔性領域14の上側部分および多孔性領域(16、17)全体とは異なる半導体材料で構成されてもよい。たとえば、多孔性領域(16、17)の下に存在する非多孔性領域14の下側部分は、アノード構造12を提供するために用いられる元のp型ドープ・シリコンとは異なるドーパント濃度を有するドープ・シリコンか、または10原子パーセント未満のゲルマニウムを含有するシリコンゲルマニウム合金を含んでもよい。
In some embodiments, at least the upper portion of the
いくつかの実施形態においては、単結晶材料の単純さおよび製造可能性から、多孔性領域2(すなわち底部多孔性層16)との界面を形成するアノード構造12の非多孔性領域14の少なくとも上側部分および多孔性領域(16、17)全体を提供するシリコン材料は、単結晶である。いくつかの実施形態においては、より低級のシリコンを用いること、およびシリコンの厚さを調節して結晶成長技術を簡略化すること(ソーラー産業において観察される場合と同様)によって、プロセスのコストを低減および制御できる。
In some embodiments, due to the simplicity and manufacturability of single crystal materials, at least the upper side of the
本出願のアノード構造12は、本明細書の以下により詳細に定義されるアノード・エッチング・プロセスを使用して形成できる(たとえば図11などを参照)。
The
電解質領域18に存在し得る電解質は、充電式リチウムイオン電池に用いられ得る任意の従来の電解質を含んでもよい。電解質は液体電解質、固体電解質、ゲル・タイプ電解質、ポリマー電解質、半固体電解質、元は液体であるが、後にその相を固体または半固体に転換させる条件にされる電解質、またはその任意の組み合わせ、たとえば液体電解質と固体電解質との組み合わせなどであってもよい。いくつかの実施形態において、電解質領域18は全体的に固体電解質で構成される。他の実施形態において、電解質領域18は固体電解質と液体電解質とを含んでもよい。電解質は、多孔性領域1(すなわち頂部多孔性層17)とリチウム含有カソード材料層20との間にある。
The electrolyte that may be present in
いくつかの実施形態において、電解質領域18は、ポリマーベースの材料または無機材料で構成される固体電解質である。他の実施形態において、電解質領域18は、リチウムイオンの伝導を可能にする材料を含む固体電解質である。こうした材料は、電気絶縁性かつイオン伝導性であってもよい。固体電解質として使用され得る材料の例は、リチウムリン酸窒化物(LiPON)またはリチウムホスホシリカート酸窒化物(LiSiPON)、チオ-LiSiCoN電解質(例、任意の比率のLi2S-P2S5)、Li10SnP2S12、LiSiCoN様電解質(例、Li10GeP2S12)、アルジロダイト電解質(例、Li6PS5Br)、ガーネット電解質(例、Li6.55La3Zr2Ga0.15O12)、NaSiCoN様電解質(例、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3)、Li窒化物電解質(例、Li3N)、Li水素化物電解質(例、Li2NH)、またはペロブスカイト電解質(例、Li0.34La0.51TiO2.94)を含むが、それに限定されない。
In some embodiments,
電解質領域18に液体電解質が使用されている実施形態においては、図示されないセパレータが用いられてもよい。電解質領域18に2つの異なる電解質が存在する実施形態においても、セパレータが用いられてもよい。セパレータが使用されるとき、セパレータは可撓性の多孔性材料、ゲル、またはセルロース、セロファン、ポリビニルアセテート(PVA:polyvinyl acetate)、PVA/セルロース混合物、ポリエチレン(PE:polyethylene)、ポリプロピレン(PP:polypropylene)、もしくはPEとPPとの混合物で構成されるシートの1つ以上を含んでもよい。加えてセパレータは、無機絶縁性ナノ/マイクロ粒子で構成されてもよい。
In embodiments in which a liquid electrolyte is used in
電解質領域18として固体電解質層が使用されている実施形態において、固体電解質は、たとえばスパッタリング、溶液堆積、熱間プレス、冷間プレス、スラリー鋳造に続く制御された温度および圧力条件、またはめっきなどの堆積プロセスを使用して形成されてもよい。一実施形態において、固体電解質は、任意の従来の標的ソース材料を反応性または不活性ガスとともに使用したスパッタリングによって形成される。たとえば、LiPON電解質の形成においては、少なくとも窒素含有環境の存在下でスパッタリングが行われてもよい。いくつかの実施形態において、窒素含有環境はそのまま、すなわち希釈せずに用いられる。他の実施形態において、窒素含有環境は、たとえばヘリウム(He)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、およびその混合物などの不活性ガスで希釈され得る。使用される窒素含有環境内の窒素(N2)の含有量は、通常は10%から100%であり、環境内の50%から100%の窒素含有量がより典型的である。
In embodiments in which a solid electrolyte layer is used as the
リチウム含有カソード材料層20は、たとえばリチウムベースの混合酸化物などのリチウム含有材料を含んでもよい。リチウム含有カソード材料層20として使用され得るリチウムベースの混合酸化物の例は、リチウムコバルト酸化物(LiCoO2)、リチウムニッケル酸化物(LiNiO2)、リチウムマンガン酸化物(LiMn2O4)、リチウムバナジウム五酸化物(LiV2O5)、リチウムニッケルマンガンコバルト(NMC)、ニッケルコバルトアルミニウム酸化物(NCA)、硫黄ベースの材料とリチウムおよびたとえば鉄などのその他の構造支持元素との任意の組み合わせ、またはリチウム鉄リン酸塩(LiFePO4)を含むが、これに限定されない。リチウム含有カソード材料層20は、10nmから50μmの厚さを有してもよい。前述の厚さの値よりも小さいか、または大きいその他の厚さもリチウム含有カソード材料層20に対して用いられてもよい。
Lithium-containing
いくつかの実施形態において、リチウム含有カソード材料層20は、たとえばスパッタリング、スラリー鋳造、またはめっきなどの堆積プロセスを使用して形成されてもよい。一実施形態において、リチウム含有カソード材料層20は、任意の従来の前駆物質ソース材料または複数の前駆物質ソース材料の組み合わせを使用したスパッタリングによって形成される。一例においては、リチウムコバルト混合酸化物の形成において、リチウム前駆物質ソース材料とコバルト前駆物質ソース材料とが使用される。不活性ガスと酸素との混合物中でスパッタリングが行われてもよい。こうした実施形態において、不活性ガス/酸素混合物の酸素含有量は0.1原子パーセントから70原子パーセントであってもよく、混合物の残余部分は不活性ガスを含む。酸素とともに用いられ得る不活性ガスの例はアルゴン、ヘリウム、ネオン、窒素、またはその任意の組み合わせを含む。
In some embodiments, lithium-containing
いくつかの実施形態において、リチウム含有カソード材料層20はスラリー鋳造によって形成されてもよく、それは電気化学的に活性[カソード材料、電子伝導性材料(例、炭素ベースの材料)]および不活性(結合剤材料)の構成要素の混合物を含んでもよい。こうした層の厚さは、5μmから500μmの範囲であり得る。これらのスラリーは、リチウムベースの塩(単数または複数)とともに混合物中に電解質構成要素も有してもよい。
In some embodiments, the lithium-containing
カソード電流コレクタ(すなわちカソード側電極)22は、たとえばチタン(Ti)、プラチナ(Pt)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、または窒化チタン(TiN)などの任意の金属カソード側電極材料を含んでもよい。カソード電流コレクタ22は、金属カソード側電極材料の単一層か、または少なくとも2つの異なる金属カソード側電極材料を含む材料スタックを含んでもよい。一例において、カソード電流コレクタ22は、底部から頂部にチタン(Ti)、プラチナ(Pt)、およびチタン(Ti)のスタックを含む。一実施形態において、カソード電流コレクタ22を提供する金属電極材料は、アノード電流コレクタ10を提供する金属電極材料と同じであってもよい。別の実施形態において、カソード電流コレクタ22を提供する金属電極材料は、アノード電流コレクタ10を提供する金属電極材料と異なっていてもよい。カソード電流コレクタ22は、アノード電流コレクタ10に対して上述された範囲内の厚さを有してもよい。カソード電流コレクタ22は、アノード電流コレクタ10の形成に対して上述された堆積プロセスの1つを使用して形成されてもよい。スラリーベースのカソード材料に対しては、鋳造プロセスの際に金属箔が使用されてもよい。
Cathode current collector (or cathode side electrode) 22 comprises any metal cathode side electrode material such as, for example, titanium (Ti), platinum (Pt), nickel (Ni), aluminum (Al), or titanium nitride (TiN). It's okay. Cathode
ここで図2を参照すると、本出願の第2の実施形態による別の例示的な充電式リチウムイオン電池が示されている。図2に示される例示的リチウムイオン電池は、アノード構造12の多孔性領域1(すなわち頂部多孔性層17)と電解質領域18との間に界面添加剤材料層24が配置されていることを除いては、図1に示される充電式リチウムイオン電池スタックと類似のものである。具体的には、図2に示される例示的充電式リチウムイオン電池は、上記に定義されたアノード電流コレクタ10と、上記に定義されたアノード構造12と、本明細書の以下においてより詳細に定義される界面添加剤材料層24と、上記に定義された電解質領域18と、上記に定義されたリチウム含有カソード材料層20と、上記に定義されたカソード電流コレクタ22との電池材料スタックを含む。図2に示される電池材料スタックは、図2に示されるものに加えてその他の向きを有してもよい。たとえば、電池材料スタックは180°反転されてもよい。
Referring now to Figure 2, there is shown another exemplary rechargeable lithium-ion battery according to the second embodiment of the present application. The exemplary lithium-ion battery shown in FIG. It is similar to the rechargeable lithium-ion battery stack shown in FIG. Specifically, the exemplary rechargeable lithium-ion battery shown in FIG. 2 includes the anode
界面添加剤(たとえば誘電材料など)層24は、アノード構造12の多孔性領域1(すなわち頂部多孔性層17)の露出表面上に存在する。層24は単一層構造であっても、多層構造であってもよい。界面添加剤材料層24は、たとえば炭素ベースの材料、または金もしくは誘電材料の酸化物、たとえば酸化アルミニウムなどの任意の界面添加剤材料層を含んでもよい。界面添加剤材料は、電気絶縁性およびLiイオンのイオン伝導性構成要素、たとえばLiNbO3、LiZrO2、Li4SiO4、またはLi3PO4などであるがこれに限定されない構成要素の任意の組み合わせとの混合物であってもよい。界面添加剤材料層24は、1nmから50nmの厚さを有してもよい。界面添加剤材料層24は、たとえば化学蒸着、プラズマ強化化学蒸着、または原子層堆積などを含む堆積プロセスを使用して形成されてもよい。界面添加剤材料層24は、繰り返される電気化学的コンディショニング下での電解質と電極層との高度の化学的および物理的相互接続性を可能にできる。界面添加剤材料層24は界面の重なりに対する構造的剛性を維持できることによって、高いイオン伝導性を可能にし、かつセルの内部抵抗を低減させる。加えて、界面添加剤材料層24は当該界面における電気的絶縁を提供でき、電池内の電気伝導性構成要素の空間的制御を通じてセルの漏洩または短絡を防ぐ。上述の界面添加剤材料層24は、連続的であるか、またはパターン形成され得る。
An interfacial additive (eg, dielectric material, etc.)
ここで図3を参照すると、本出願の第3の実施形態による別の例示的な充電式リチウムイオン電池が示されている。図3に示される例示的充電式リチウムイオン電池は、電解質領域18とリチウム含有カソード材料層20との間に界面添加剤材料層26が配置されていることを除いては、図1に示される充電式リチウムイオン電池スタックと類似のものである。具体的には、図3に示される例示的充電式リチウムイオン電池は、上記に定義されたアノード電流コレクタ10と、上記に定義されたアノード構造12と、上記に定義された電解質領域18と、本明細書の以下においてより詳細に定義される界面添加剤材料層26と、上記に定義されたリチウム含有カソード材料層20と、上記に定義されたカソード電流コレクタ22との電池材料スタックを含む。図3に示される電池材料スタックは、図3に示されるものに加えてその他の向きを有してもよい。たとえば、電池材料スタックは180°反転されてもよい。
Referring now to Figure 3, there is shown another exemplary rechargeable lithium-ion battery according to the third embodiment of the present application. The exemplary rechargeable lithium ion battery shown in FIG. 3 is shown in FIG. 1, except that interfacial
界面添加剤材料層26は、界面添加剤材料層24に対して上述された界面添加剤材料のいずれかを含んでもよい。界面添加剤材料層26は、セル内部抵抗の増加を最小化するために1nmから20nmの厚さを有してもよい。界面添加剤材料層26は、たとえば化学蒸着、プラズマ強化化学蒸着、または原子層堆積などを含む堆積プロセスを使用して形成されてもよい。界面添加剤材料層26は界面の重なりに対する構造的剛性を維持できることによって、高いイオン伝導性を可能にし、かつセルの内部抵抗を低減させる。加えて、界面添加剤材料層26は当該界面における電気的絶縁を提供でき、電池内の電気伝導性構成要素の空間的制御を通じてセルの漏洩または短絡を防ぐ。
Interface
ここで図4を参照すると、本出願の第4の実施形態による例示的な充電式リチウムイオン電池が示されている。図4に示される例示的充電式リチウムイオン電池は、アノード構造12の多孔性領域1(すなわち頂部多孔性層17)と電解質領域18との間に界面添加剤材料層24が配置され、かつ電解質領域18とリチウム含有カソード材料層20との間に別の界面添加剤材料層26が配置されていることを除いては、図1に示される充電式リチウムイオン電池スタックと類似のものである。具体的には、図4に示される例示的充電式リチウムイオン電池は、上記に定義されたアノード電流コレクタ10と、上記に定義されたアノード構造12と、上記に定義された界面誘電材料層24と、上記に定義された電解質領域18と、上記に定義された界面誘電材料層26と、上記に定義されたリチウム含有カソード材料層20と、上記に定義されたカソード電流コレクタ22との電池材料スタックを含む。図4に示される電池材料スタックは、図4に示されるものに加えてその他の向きを有してもよい。たとえば、電池材料スタックは180°反転されてもよい。
Referring now to Figure 4, an exemplary rechargeable lithium ion battery according to a fourth embodiment of the present application is shown. The exemplary rechargeable lithium ion battery shown in FIG. 4 has an interfacial
ここで図5を参照すると、本出願の第5の実施形態による例示的な充電式リチウムイオン電池が示されている。図5に示される例示的充電式リチウムイオン電池は、アノード構造12の多孔性領域(多孔性領域1および多孔性領域2を含む)がパターン形成されていることを除いては、図1に示される充電式リチウムイオン電池スタックと類似のものである。多孔性領域1および2(個別に示されていない)の両方を含むパターン形成された多孔性領域は、本出願の図5においてエレメント16Pと示される。具体的には、図5に示される例示的リチウムイオン電池は、上記に定義されたアノード電流コレクタ10と、上記に定義され、かつパターン形成多孔性領域16P(多孔性領域1および2を含む)を有するアノード構造12と、上記に定義された電解質領域18と、上記に定義されたリチウム含有カソード材料層20と、上記に定義されたカソード電流コレクタ22との電池材料スタックを含む。図5に示される電池材料スタックは、図5に示されるものに加えてその他の向きを有してもよい。たとえば、電池材料スタックは180°反転されてもよい。
Referring now to FIG. 5, there is shown an exemplary rechargeable lithium ion battery according to the fifth embodiment of the present application. The exemplary rechargeable lithium ion battery shown in FIG. 5 is shown in FIG. 1, except that the porous regions of anode structure 12 (including porous region 1 and porous region 2) are patterned. It is similar to the rechargeable lithium-ion battery stack that is commonly used. A patterned porous region that includes both porous regions 1 and 2 (not individually shown) is designated as
パターン形成多孔性領域16Pと電解質領域18との間に界面添加剤材料層24が形成されてもよく、もしくは電解質領域18とリチウム含有カソード材料層20との間に界面添加剤材料層26が形成されてもよく、またはその両方であってもよい。多孔性領域(多孔性領域1および2を含む)のパターン形成は、たとえばリソグラフィおよびエッチング、おそらくは機械的研削/研磨との併用、およびドープなどを含む従来のパターン形成技術を使用して行われてもよい。いくつかの実施形態において、多孔性領域(16、17)のパターン形成は、たとえばイオン注入、エピ、または熱ドープなどによるシリコンの単純な選択的ドープによって行われてもよい。パターン形成多孔性領域16P(多孔性領域1および2を集合的に含む)は、本出願のアノード構造12の容量および動力学的(電力)能力をさらに増加させるための手段を提供してもよい。パターン形成多孔性領域16P(多孔性領域1および2を集合的に含む)は、より速い充電速度も提供してもよい。
Interfacial
ここで図6A~6Bを参照すると、本出願の第6の実施形態による例示的な充電式リチウムイオン電池が示されている。図6Aおよび図6Bに示される例示的充電式リチウムイオン電池は、アノード構造12の多孔性領域(多孔性領域1および多孔性領域2を含む)がパターン形成されており、かつリチウム含有カソード材料層20もパターン形成されていることを除いては、図1に示されるリチウムイオン電池スタックと類似のものである。パターン形成された多孔性領域(多孔性領域1および2を含む)は、本出願の図6A~6Bにおいてエレメント16Pと示され、かつパターン形成されたリチウム含有カソード材料層は、本出願の図6A~6Bにおいてエレメント20Pと示される。具体的には、図6A~6Bに示される例示的リチウムイオン電池は、上記に定義されたアノード電流コレクタ10と、上記に定義され、かつパターン形成多孔性領域16P(多孔性領域1および2を含む)を有するアノード構造12と、上記に定義された電解質領域18と、上記に定義されたパターン形成リチウム含有カソード材料層20Pと、上記に定義されたカソード電流コレクタ22との電池材料スタックを含む。図6A~6Bに示される電池材料スタックは、図6A~6Bに示されるものに加えてその他の向きを有してもよい。たとえば、電池材料スタックは180°反転されてもよい。
6A-6B, an exemplary rechargeable lithium ion battery according to a sixth embodiment of the present application is shown. The exemplary rechargeable lithium-ion battery shown in FIGS. 6A and 6B has the porous regions of anode structure 12 (including porous region 1 and porous region 2) patterned and a layer of lithium-containing cathode material. Similar to the lithium-ion battery stack shown in FIG. 1, except that 20 is also patterned. The patterned porous regions (including porous regions 1 and 2) are designated
一実施形態においては、図6Aに示されるとおり、パターン形成電池材料スタック構成要素16Pおよび20Pは互いに対向しており、たとえば各構成要素のより高い領域(より低い領域)は、非相補的方式で電池の同じ側方位置において互いに面している。代替的に、パターン形成電池材料スタック構成要素16Pおよび20Pは、図6Bに示されるとおりに鍵穴および鍵のように嵌合する相補的形状であってもよい。この実施形態において、電解質の厚さ(電解質は電池構成要素16Pおよび20Pの間のすべての空間を充填する)に加えて、パターン形成電極の互いに関する近さは、対向電極を互いに関する特定の近さで整列させることによって制御され得る。パターン形成領域16P(多孔性領域1および2を集合的に含む)と電解質領域18との間に界面添加剤材料層24が形成されてもよく、もしくは電解質領域18とパターン形成リチウム含有カソード材料層20Pとの間に界面添加剤材料層26が形成されてもよく、またはその両方であってもよい。
In one embodiment, as shown in FIG. 6A, patterned battery
リチウム含有カソード材料層20Pのパターン形成は、たとえばリソグラフィおよびエッチングなどを含む従来のパターン形成技術を使用するか、またはリフトオフ・プロセスを使用して行われてもよい。パターン形成リチウム含有カソード材料層20Pは、パターン形成多孔性領域16Pに関して相補的または非相補的であってもよい。パターン形成リチウム含有カソード材料層20Pは、本出願のリチウムイオン電池の容量および動力学的充電/放電能力のさらなる増加を提供してもよい。集合的に、パターン形成多孔性領域16P(多孔性領域1および2を集合的に含む)およびパターン形成リチウム含有カソード材料層20Pは、最大化した電池容量を提供し、かつおそらくは電池の充電速度を増加させてもよく、これはパターン寸法が、パターン形成多孔性領域16P(多孔性領域1および2を集合的に含む)とパターン形成リチウム含有カソード材料層20Pとの間の空間体積の最終的に固定された近さとともに、電解質領域18の厚さ、密度、およびその他の物理的特性に影響してそれらを定め得ることによって、電池スタック全体にわたるイオン電子移動特性に直接影響し得たためである。
Patterning of the lithium-containing
ここで図7Aを参照すると、本明細書に記載されるアノード・エッチング法のために結晶p型シリコン材料50を使用するプロセス全体を示す概略図が示されている。特に、このプロセスは結晶p型シリコン材料50を提供するステップによって始まり、次いでアノード・エッチングが行われることによって、多孔性領域1(PR1:Porous Region 1)(すなわち頂部多孔性層17)および多孔性領域2(PR2)(すなわち底部多孔性層16)とともに、この2つの多孔性領域の下に存在する元の結晶p型シリコン基板の非エッチング部分を含むアノード構造が提供される。元の基板の非エッチング部分は、シリコン基板の非多孔性領域14を定める。この図面において、非多孔性領域14はエレメント50Sとも示されている。非多孔性領域50Sは、上述の非多孔性領域14と同じ特徴を有することを注記する。
Referring now to FIG. 7A, there is shown a schematic diagram illustrating the overall process of using crystalline p-
図7Bは、たとえば図7Aに示されるものなどの実験的に製作された多孔性シリコン基板の透過型電子顕微鏡図(TEM)(断面図による)である。このTEM顕微鏡図は、図7Aに示される2つの多孔性領域PR1(すなわち頂部多孔性層17)およびPR2(すなわち底部多孔性層16)を明瞭に示しており、ここで多孔性領域1は約30nmのオーダの厚さを有し、多孔性領域2は多孔性領域1よりもかなり厚い。 FIG. 7B is a transmission electron micrograph (TEM) (by cross-section) of an experimentally fabricated porous silicon substrate such as that shown in FIG. 7A. This TEM micrograph clearly shows the two porous regions PR1 (ie, top porous layer 17) and PR2 (ie, bottom porous layer 16) shown in FIG. 7A, where porous region 1 is about Porous region 2 is considerably thicker than porous region 1, having a thickness of the order of 30 nm.
図8(A)は、本明細書の図7Aに示される多孔性シリコン材料の一実施形態の高分解能透過型電子顕微鏡図である。この図面におけるスケール線は、多孔性領域1の合計厚さが約29nmであることを示している。図8(B)は、図8(A)に示される多孔性シリコン材料の二次イオン質量分析(SIMS)プロファイルである。このSIMSプロファイルは、多孔性シリコン材料の最初の30nmにおける炭素、酸素、およびフッ素元素の濃度が比較的低いことを示しており、これは多孔性領域1に直接関連する(両側矢印によって結ばれた図8(A)および図8(B)の点線ボックスによって示されるとおり)。 FIG. 8(A) is a high resolution transmission electron micrograph of one embodiment of the porous silicon material shown in FIG. 7A herein. The scale line in this figure indicates that the total thickness of porous region 1 is about 29 nm. FIG. 8(B) is a secondary ion mass spectrometry (SIMS) profile of the porous silicon material shown in FIG. 8(A). This SIMS profile shows relatively low concentrations of carbon, oxygen, and fluorine elements in the first 30 nm of the porous silicon material, which is directly related to porous region 1 (connected by double-headed arrows 8(A) and 8(B)).
ここで図9A~9Cを参照すると、流れ図として一連のステップが示されており、多孔性シリコン電極(すなわち非多孔性領域50Sと、多孔性領域2(PR2)と、多孔性領域1(PR1)とを含むアノード構造)と、液体ベースの電解質が用いられるときの電極材料を介した電荷貯蔵の動作とが、充電および放電サイクル中のシード層52とともに示されており、加えて5サイクル(図9B)および約250サイクル(図9C(B))における多孔性シリコン電極のSEM画像が示されている。特に図9A(A)は、電気化学的エネルギ貯蔵セルに組み込まれる前の図7Aに記載されて示された多孔性シリコン電極を示している。多孔性シリコン電極は非多孔性領域50Sと、多孔性領域2(PR2)と、多孔性領域1(PR1)とを含む。図9A(B)は、Liイオン電気化学的エネルギ貯蔵セルに組み込まれたときの多孔性シリコン電極の最初のリチオ化プロセスを示している。リチウムイオン含有電解質への多孔性シリコン電極の最初の露出のとき、もしくは多孔性シリコン電極を電気化学的にリチオ化する最初の期間中、もしくは多孔性シリコン電極の最初の充電中、またはその組み合わせにおいて、平面状のリチウム含有シード層52形成が起こる。示されるとおり、リチウム含有シード層52は多孔性領域1の上に位置し、いくつかの実施形態においては、シード層52の一部分が多孔性領域2の上側部分の中に延在することがある。シード層52の最頂部の表面は通常は平坦、すなわち平面状である。図9A(C)は、充電プロセスの間に起こる平面状リチウムめっきの概略図である。図9A(C)において、エレメント54は、この動作ステップの間に形成される平面状リチウム層を示す。なお、電池が満充電に達するとき、シード層52上のめっきリチウム金属54の厚さは、作業電圧範囲によって定められる、リチウム含有カソード材料層からデインターカレートされて電解質から移されたリチウムの量に比例する。
9A-9C, a sequence of steps is shown as a flow chart to prepare porous silicon electrodes (ie,
図9Bは、図9A(C)に示されためっき現象を示す多孔性シリコン電極の走査型電子顕微鏡断面図であり、ここでは約250の充電/放電サイクル後の充電状態において電極の断面画像が撮られている。充電状態においてリチウム進入は多孔性領域1を貫通しているが、多孔性領域2の頂部部分のみで観察され、それが多孔性領域2の上側部分にいくらかの亀裂をもたらしている。図9C(A)は、放電プロセス中に起こるリチウム脱めっきを示す図であり、ここではシード層52の頂部に不可逆的にめっきされたリチウム金属54の一部分が残っている。放電によって、めっきリチウム金属54の残余部分の厚さは、図9A(C)に示される充電状態で形成された平面状リチウム層54の厚さよりも実質的に薄くなっている。なお、作業電圧範囲によって定められるとおり、電池が持続可能な放電状態に近づくとき、リチウム金属の層の厚さは相対的に減少する。図9C(B)は、図9C(A)に対応する5回充電および放電された放電状態の多孔性シリコン電極の走査型電子顕微鏡断面図である。一実施形態において、作業電圧範囲は4.2Vから3.0Vである。一実施形態において、リチウム含有カソード材料層はリチウムコバルト酸化物である。充電中に起こる上記のシード層形成およびリチウム金属めっきと、その後の放電中に起こるリチウム金属の脱めっきとは、固体電解質または液体電解質、または本明細書において言及される任意のその他のタイプの電解質を含むリチウムイオン電池に対して観察される。
FIG. 9B is a scanning electron microscope cross-sectional view of the porous silicon electrode showing the plating phenomenon shown in FIG. being filmed. In the charged state, lithium ingress penetrates through porous region 1, but is observed only in the top portion of porous region 2, which causes some cracking in the upper portion of porous region 2. FIG. 9C(A) illustrates the lithium deplating that occurs during the discharge process, where a portion of the
いくつかの実施形態において、本出願の充電式リチウムイオン電池は、たとえば上述のものなどの持続可能な作業電圧を使用したときに、200サイクルより多く充電および放電され得る。200の充電および放電サイクルの後、めっきリチウム金属の表面は、平均して名目上連続的に平面状である。 In some embodiments, the rechargeable lithium ion batteries of the present application can be charged and discharged for more than 200 cycles when using sustainable working voltages such as those described above. After 200 charge and discharge cycles, the surface of the plated lithium metal is nominally continuously planar on average.
ここで図10A~10Cを参照すると、本出願による図1に示されるものと類似の構造を含む全固体リチウムイオン電池に対する実際のSEM画像が示されており、ここで電解質領域18はたとえばLiPONなどの固体材料である。この構造は、図1または図9A(A)に示されるアノード構造12も含む。特に、図10Aは定電流または定電位誘導の充電または放電前の構造のSEMであり、図10Bは6の充電および放電サイクル後の構造の別のSEMであり、図10Cは67の充電および放電サイクル後の構造のさらに別のSEM画像である。
10A-10C, actual SEM images are shown for an all-solid-state lithium-ion battery comprising a structure similar to that shown in FIG. 1 according to the present application, where
図10AのSEMは、定電流または定電位で誘導する電気化学的充電または放電前の全固体電池の断面SEM画像であって、多孔性シリコン電極(すなわち、非多孔性領域(図示せず)と多孔性領域2(PR2)と平面状多孔性領域1(PR1)とを含むアノード構造)を示しており、ここでは多孔性領域1(PR1)の上に固体電解質領域18が存在する。図10Bは、6の定電流誘導充電および放電サイクル後の図10Aに示される全固体セルの断面SEM画像であり、ここでは底部から頂部に多孔性領域2(PR2)、リチウム含有シード層52を含む多孔性領域1(PR1)が観察される。特に、多孔性領域1(PR1)/固体電解質領域18界面から生じたオフホワイトの特徴が明瞭に観察され、この特徴は、リチウム含有シード層52を構成するか、もしくは6の充電/放電サイクル中に形成されたリチウム含有シード層52上に存在するめっきリチウム金属を構成するか、またはその両方であるリチウム・リッチ材料と、空気との反応を表すと考えられる。図10Cは、67の定電流誘導充電および放電サイクル後の図10Aに示される全固体セルの断面SEM画像であり、ここでは底部から頂部に実質的に元の多孔性領域2(PR2)と、部分的にリチオ化された多孔性領域2(PR2)と、多孔性領域1(PR1)における固体電解質材料と混合されたリチウム金属含有デンドライト特徴の平面状の形成と、電解質領域18とが観察される。リチウムイオン含有電解質への多孔性シリコン電極の最初の露出のとき、もしくは多孔性シリコン電極を電気化学的にリチオ化する最初の期間中、もしくは多孔性シリコン電極の最初の充電中、またはその組み合わせにおいて、平面状のリチウム含有シード層52形成が起こる。示されるとおり、リチウム含有シード層52は多孔性領域1区域内に位置し、シード層52の一部分が多孔性領域2の上側部分の中に延在することもある。図10Aおよび図10Bにおいて観察されるとおり、シード層52の最頂部の表面は通常は平坦、すなわち平面状であり、サイクルの前に、PR1およびシード層52は電解質領域18と平面状に密接して接触している。この平面状のリチウム金属含有シード層は、以後の充電/放電サイクル中にそれぞれリチウム金属の以後のめっき/剥離に対するホストまたは核形成部位として作用すると考えられる。6の充電/放電サイクルの後、シード層もしくはリチウム金属めっきシード層またはその両方を形成するリチウム・リッチ材料は、図10BのSEM画像を得るためのセルの破壊および切断の際に、自身の固定された平面状態から変化する。このそれぞれのリチウム金属含有層は、ここで周囲空気の化学物質と反応してオフホワイトの特徴を形成し、それがPR1/固体電解質領域18界面領域から出現/発生することが観察される。図10Cにおいて、56の充電/放電サイクルの後に、実質的に元の多孔性領域2(PR2)区域が観察され、その上に部分的にリチオ化された多孔性領域2が観察され(PR2)、その上の多孔性領域1(PR1)区域内に約183nmのリチウム・リッチ・デンドライト・タイプの平面層の形成が観察され、その上にLiPON電解質区域が観察される。特に、多孔性領域1(PR1)領域の中/上にリチウム・リッチ・デンドライト特徴が平面状に形成し、67の充電/放電サイクル後のセルの破壊および切断の際にも安定したままであり、固体電解質領域18と多孔性領域1(PR1)区域の中/上のリチウム金属リッチ・デンドライト特徴との間に密接した連続的な接触があることの観察は、図9A~9Cに示される液体電解質を含有する安定したリチウム金属ホスト多孔性シリコン・アノード含有電池に加えて、全固体電池における安定したリチウム金属ホスト多孔性シリコン・アノードとしての本発明の高い有効性を示している。
The SEM of FIG. 10A is a cross-sectional SEM image of an all-solid-state battery prior to galvanostatic or potentiostatic induced electrochemical charging or discharging, showing porous silicon electrodes (i.e., non-porous regions (not shown) and An anode structure comprising porous region 2 (PR2) and planar porous region 1 (PR1)) is shown, where
いくつかの実施形態において、複数の充電/放電サイクルの際に、リチウム金属/電解質界面におけるデンドライト形成に加えて、底部多孔性層/頂部多孔性層界面における(111)結晶シリコン面の上/沿いに、独特のデンドライト形成が起こる。 In some embodiments, during multiple charge/discharge cycles, in addition to dendrite formation at the lithium metal/electrolyte interface, , a unique dendrite formation occurs.
図1~5、図6A、および図6Bに示される充電式リチウムイオン電池は、任意のサイズもしくは形状またはその両方を有してもよい。範囲の一例は、10μmから1mm未満(小さい方)および大きい方は1mmより上の任意の値を含む。一例において、充電式リチウムイオン電池のサイズは、100μm×100μm×100μmであってもよい。別の例において、充電式リチウムイオン電池のサイズは、50mm×50mm×5mmであってもよい。半導体ベース基板が存在するいくつかの実施形態において、図1~5、図6Aおよび図6Bに示される充電式リチウムイオン電池は、たとえばトランジスタ、コンデンサ、ダイオード、レーザー・ダイオード、発光デバイス、光起電デバイス、中央処理ユニット、シリコンベースのデバイス構造などを含む半導体デバイスと統合されてもよい。半導体デバイスに電力供給する電池は、半導体基板の同じ側または反対側のどちらにあってもよい。 The rechargeable lithium-ion batteries shown in FIGS. 1-5, 6A, and 6B may have any size and/or shape. An example range includes any value from 10 μm to less than 1 mm (lesser) and greater than 1 mm. In one example, the size of a rechargeable lithium-ion battery may be 100 μm×100 μm×100 μm. In another example, the size of a rechargeable lithium-ion battery may be 50mm x 50mm x 5mm. In some embodiments where a semiconductor-based substrate is present, the rechargeable lithium-ion batteries shown in FIGS. It may be integrated with semiconductor devices, including devices, central processing units, silicon-based device structures, and the like. The batteries that power the semiconductor devices may be on either the same side or the opposite side of the semiconductor substrate.
統合は、次の2つのやり方で行われてもよい。1)従来どおり、陽極酸化および多孔性半導体領域の作製の前の半導体基板の予備的なパターン形成、リソグラフィ、エッチングによるもの、または2)たとえばイオン注入などの選択的ドープと、その後のたとえば炉またはランプまたはレーザー・アニールなどの熱アニールとによるもの、または選択的エピタキシャル成長などによるもの。デバイスは同じ元の半導体基板上に置かれてもよいし、同じ元の半導体基板と統合されてもよいし、所与の作業近接部内の隣接半導体基板上に置かれてもよい(電池の同じ側も反対側も可能である)。 Integration may be done in two ways. 1) conventionally by preliminary patterning, lithography, etching of the semiconductor substrate prior to anodization and fabrication of the porous semiconductor regions, or 2) selective doping, e.g. ion implantation, followed by e.g. By thermal annealing such as lamp or laser annealing, or by selective epitaxial growth or the like. The devices may be on the same original semiconductor substrate, integrated with the same original semiconductor substrate, or on adjacent semiconductor substrates within a given working proximity (same both sides are possible).
ここで、本出願のアノード構造12を製作する方法をより詳細に考察する。本出願の方法は以下を提供する。1)非多孔性半導体領域(たとえば単結晶シリコン材料など)に接続された多孔性半導体領域の「成長」または生成またはエッチングであり、次いでこれを他のシリコンベース技術に/と統合できる。2)液体、固体、および半固体電解質の統合および使用の成功、ならびに充電式電池におけるそれらの高機能能力(任意の電解質によって多用途である)。加えて、3)出発シリコン基板の鏡面状の平滑な表面によって固体電解質の厚さをnmの領域で制御できることによって、電池性能、充電速度、イオン移動性の高度の制御が可能になり、かつ物理的に堆積された電解質に適合する。
The method of fabricating the
特に、本出願のアノード構造12は陽極酸化プロセスを用いて作製でき、この陽極酸化プロセスにおいては、p型シリコン材料の少なくとも上側領域を含む基板を濃縮HFの溶液(49%)に浸漬しながら、アノードとしてのプラチナおよびカソードとしての基板によって電流を印加する。陽極酸化プロセスは、0.05mA/cm2から150mA/cm2の電流密度で動作する定電流源を使用して行われ、ここでmAはミリアンペアである。いくつかの例において、電流密度は1mA/cm2、2mA/cm2、5mA/cm2、50mA/cm2、または100mA/cm2である。好ましい実施形態において、電流密度は1mA/cm2から10mA/cm2である。電流密度は1秒間から5時間加えられてもよい。いくつかの例において、電流密度は5秒間、30秒間、20分間、1時間、または3時間加えられてもよい。ある実施形態において、範囲1019cm3の範囲のドープ・レベルに対して特定的に、電流密度が10秒間から1200秒間加えられてもよい。陽極酸化プロセスは通常、公称室温(20℃から30℃)または室温からわずかに上昇させた温度において行われる。陽極酸化プロセスに続いて、図7Bに示される構造は通常、脱イオン水でリンスされ、次いで乾燥される。
In particular, the
いくつかの実施形態において、陽極酸化の後、アノード構造12は使用される前に所望の寸法に切断されてもよい。いくつかの実施形態において、アノード構造12は上記に定義されたアノード電流コレクタ10の上に置かれて、任意にはそこに結合されてもよく、その後リチウムイオン電池のさまざまな他の構成要素が形成されてもよい。他の実施形態において、アノード構造12は、リチウム含有カソード材料層20およびカソード電流コレクタ22を含むカソード領域も含む予め作製された電池材料スタックの電解質領域18の上に置かれて、任意にはそこに結合されてもよい。
In some embodiments, after anodization,
ここで図11を参照すると、本出願のアノード構造12を作製するための一実施形態を示すフロー・チャートが示されている。特に、上で考察された多孔性領域1および多孔性領域2および非多孔性領域14(または50S)を含むアノード構造12は、図11に示される処理ステップを使用して形成され得る。一実施形態において、基板12はp型ドープ結晶シリコン材料で全体的に構成されてもよく、一方で他の実施形態においては、p型ドープ・シリコン材料の下に他のシリコン材料またはゲルマニウム(ドープまたは非ドープのどちらも)が存在してもよい。この方法は第1のステップ、すなわちpドープ・シリコン基板を水酸化アンモニウムと、脱イオン水と、過酸化水素との混合物(5:1:1 v/v)によって、60℃から80℃にて約10分間洗浄するステップ1(70)を含んでもよい。次にステップ2(72)において、洗浄されたpドープ・シリコン基板は49%のフッ化水素酸に浸漬され、その後それに電流が印加されて電気化学的陽極酸化(すなわち陽極酸化エッチング)が開始される。一実施形態において、印加される電流は、1mA/cm2から10mA/cm2の範囲の定電流である。ステップ3(74)において、以下の電気化学的陽極酸化条件を用いて陽極酸化エッチングが継続される。公称室温(20℃から30℃)および5mA/cm2以下にて10sから2000s。エッチングの後、ステップ4(76)において、エッチングされたシリコン基板は脱イオン水でリンスされ、次いで乾燥される。ステップ3において定義される陽極酸化プロセスは、pドープ・シリコンを含む基板の上側部分を多孔性領域1および多孔性領域2に転換し、下にある基板は陽極酸化プロセスに影響されずに上述の非多孔性領域14(または50S)を形成する。
Referring now to Figure 11, a flow chart illustrating one embodiment for fabricating the
図1~5、図6A、および図6Bに示されるとおりの上述の実施形態のいずれにおいても、リチウム含有カソード材料層20は、100nm未満の粒子サイズと、1010cm-2以上の粒子境界の密度とを有する粒子を含んでもよい。いくつかの実施形態において、リチウム含有カソード材料層20を構成する個々の粒子の粒子サイズは、1nmから100nm未満である。いくつかの実施形態において、境界の密度は1010cm-2から1014cm-2であり得る。本明細書において「粒子境界」という用語は、材料の2つの粒子間の界面と定義される。粒子境界は、リチウム含有カソード材料層20内に幾分ランダムな向きで存在する。粒子境界のいくつかは、粒子境界の一方の端部がカソード材料の最底部の表面に存在し、粒子境界の別の端部がカソード材料の最頂部に位置するように、カソード材料を完全に通過して延在してもよい。この実施形態において、粒子境界はリチウム含有カソード材料層20の最頂部および最底部の表面に対して垂直に向けられていない。
In any of the above-described embodiments, as shown in FIGS. 1-5, 6A, and 6B, the lithium-containing
図1~5、図6A、および図6Bに示されるとおりの上述の実施形態のいずれにおいても、リチウム含有カソード材料層20は、円柱状の粒子境界を有する円柱状の微細構造を有してもよい。円柱状の粒子境界は、リチウム含有カソード材料層20の最頂部の表面および最底部の表面に対して垂直に向けられる。こうした実施形態において、リチウム含有カソード材料層20は、カソード材料内に複数のフィン様構造を有する。円柱状の微細構造を有するリチウム含有カソード材料層20は、100nm未満の粒子サイズと、1010cm-2以上の円柱状粒子境界の密度とを有する。いくつかの実施形態において、リチウム含有カソード材料層20を構成する個々の粒子の粒子サイズは、1nmから100nm未満である。いくつかの実施形態において、円柱状粒子境界の密度は1010~1014cm-2であり得る。一実施形態において、電気伝導性のカソード材料は、上記に定義されたリチウム含有材料である。
In any of the above-described embodiments as shown in FIGS. 1-5, 6A, and 6B, the lithium-containing
たとえば本出願の図1~5、図6A、および図6Bなどに示される充電式電池材料スタックにおいて、本出願のアノード構造12とともに、100nm未満の粒子サイズおよび1010cm-2以上の粒子境界の密度を有する粒子を含有するリチウム含有カソード材料層20か、または円柱状の微細構造を有するリチウム含有カソード材料層20が存在することによって、高速かつ実質的または全体的に鉛直のイオンすなわちLiイオンの輸送が促進され、それは高速充電電池をもたらし得る。
For example, in rechargeable battery material stacks such as those shown in FIGS. The presence of the lithium-containing
アノード構造12と、100nm未満の粒子サイズおよび1010cm-2以上の粒子境界の密度を有する粒子を含有するリチウム含有カソード材料層20か、または円柱状の微細構造を有するリチウム含有カソード材料層20とを含む充電式電池は、5C以上の充電速度を示してもよく、ここでCは1時間当りの合計電池容量である。いくつかの実施形態において、アノード構造12と、100nm未満の粒子サイズおよび1010cm-2以上の粒子境界の密度を有する粒子を含有するリチウム含有カソード材料層20か、または円柱状の微細構造を有するリチウム含有カソード材料層20とを含む電池の充電速度は、5Cから1000C以上であり得る。加えて、アノード構造12と、100nm未満の粒子サイズおよび1010cm-2以上の粒子境界の密度を有する粒子を含有するリチウム含有カソード材料層20か、または円柱状の微細構造を有するリチウム含有カソード材料層20とを含む充電式電池は、100mAh/gmカソード材料以上の容量を有してもよい。
An
100nm未満の粒子サイズおよび1010cm-2以上の粒子境界の密度を有する粒子を含有するリチウム含有カソード材料層20か、または円柱状の微細構造を有するリチウム含有カソード材料層20は、スパッタリング・プロセスを使用して形成されてもよい。いくつかの実施形態において、カソード材料のスパッタリングの後に、後続アニールは行われない。アニールなしでスパッタリングされたカソード材料は、100nm未満の粒子サイズおよび1010cm-2以上の粒子境界の密度を有する粒子を含有するリチウム含有カソード材料層20を提供する。他の実施形態においては、カソード材料のスパッタリングの後にアニールが行われて、円柱状の微細構造を有するリチウム含有カソード材料層20が提供されてもよい。5Cより大きい充電速度を保存するために、アニールは300℃未満の温度で行われる。一実施形態において、スパッタリングは、任意の前駆物質ソース材料または複数の前駆物質ソース材料の組み合わせの使用を含んでもよい。一例においては、リチウムコバルト混合酸化物の形成において、リチウム前駆物質ソース材料とコバルト前駆物質ソース材料とが使用される。不活性ガスと酸素との混合物中でスパッタリングが行われてもよい。こうした実施形態において、不活性ガス/酸素混合物の酸素含有量は0.1原子パーセントから70原子パーセントであってもよく、混合物の残余部分は不活性ガスを含む。用いられ得る不活性ガスの例はアルゴン、ヘリウム、ネオン、窒素、またはその任意の組み合わせを含む。
The lithium-containing
100nm未満の粒子サイズおよび1010cm-2以上の粒子境界の密度を有する粒子を含有するリチウム含有カソード材料層20か、または円柱状の微細構造を有するリチウム含有カソード材料層20は、10nmから20μmの厚さを有してもよい。100nm未満の粒子サイズおよび1010cm-2以上の粒子境界の密度を有する粒子を含有するリチウム含有カソード材料層20か、または円柱状の微細構造を有するリチウム含有カソード材料層20に対して、前述の厚さの値よりも小さいか、または大きいその他の厚さも用いられてもよい。100nm未満の粒子サイズおよび1010cm-2以上の粒子境界の密度を有する粒子を含有する厚いリチウム含有カソード材料層20か、または円柱状の微細構造を有するリチウム含有カソード材料層20は、電池の電荷を貯蔵するための区域すなわち体積が大きくなるために、向上した電池容量を提供できる。
The lithium-containing
本出願をその好ましい実施形態に関して特定的に示して説明したが、本出願の思想および範囲から逸脱することなく形および詳細の前述およびその他の変更が行われてもよいことが当業者に理解されるだろう。したがって、本出願は記載および図示された正確な形および詳細に限定されることなく、添付の請求項の範囲内にあることが意図される。 Although the present application has been particularly shown and described with respect to its preferred embodiments, it will be understood by those skilled in the art that the foregoing and other changes in form and detail may be made without departing from the spirit and scope of the present application. would It is therefore intended that the present application be not limited to the precise forms and details described and illustrated, but fall within the scope of the appended claims.
Claims (45)
非多孔性領域および多孔性領域を含むアノード構造であって、前記多孔性領域は、第1の厚さおよび第1の空隙率を有する頂部多孔性層と、前記頂部多孔性層の下に位置して前記非多孔性領域との界面を形成する底部多孔性層とを含み、前記非多孔性領域の少なくとも上側部分と、前記多孔性領域の全体とは単一構成でありかつシリコンで構成されており、前記底部多孔性層は前記第1の厚さよりも大きい第2の厚さと、前記第1の空隙率よりも大きい第2の空隙率とを有する、前記アノード構造と、
前記アノード構造の前記頂部多孔性層と前記リチウム含有カソード材料層との間に位置する電解質領域と
を含む、電池。 a lithium-containing cathode material layer;
An anode structure comprising a non -porous region and a porous region, wherein the porous region is positioned below the top porous layer having a first thickness and a first porosity. and a bottom porous layer forming an interface with said non-porous region, wherein at least an upper portion of said non-porous region and the entirety of said porous region are of unitary construction and composed of silicon. wherein said bottom porous layer has a second thickness greater than said first thickness and a second porosity greater than said first porosity;
A battery comprising an electrolyte region located between said top porous layer of said anode structure and said lithium-containing cathode material layer.
pドープ・シリコンで構成された少なくとも上側部分を含む基板を、陽極酸化装備を使用しながら濃縮フッ化水素に浸漬するステップと、
前記陽極酸化装備に電流を印加するステップと、
前記基板を電気化学的に陽極酸化するステップと
を含み、前記陽極酸化するステップは、非多孔性領域および多孔性領域を含む構造を提供し、前記多孔性領域は、第1の厚さおよび第1の空隙率を有する頂部多孔性層と、前記頂部多孔性層の下に位置して前記非多孔性領域との界面を形成する底部多孔性層とを含み、前記非多孔性領域の少なくとも上側部分と、前記多孔性領域の全体とは単一構成でありかつシリコンで構成されており、前記底部多孔性層は前記第1の厚さよりも大きい第2の厚さと、前記第1の空隙率よりも大きい第2の空隙率とを有する、方法。 A method of making a lithium battery anode structure, the method comprising:
immersing a substrate, including at least an upper portion composed of p-doped silicon, in concentrated hydrogen fluoride using anodization equipment;
applying a current to the anodizing equipment;
and electrochemically anodizing the substrate, wherein the anodizing step provides a structure including a non- porous region and a porous region, the porous region having a first thickness and a first thickness. a top porous layer having a porosity of 1 and a bottom porous layer underlying said top porous layer and forming an interface with said non-porous region, at least above said non-porous region The portion and the entirety of the porous region are of unitary construction and are composed of silicon, and the bottom porous layer has a second thickness greater than the first thickness and the first porosity. and a second porosity greater than.
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