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TWI740400B - 電池材料及其製備方法 - Google Patents

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TWI740400B
TWI740400B TW109106797A TW109106797A TWI740400B TW I740400 B TWI740400 B TW I740400B TW 109106797 A TW109106797 A TW 109106797A TW 109106797 A TW109106797 A TW 109106797A TW I740400 B TWI740400 B TW I740400B
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林金龍
王長生
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力哲科技股份有限公司
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Abstract

一種電池材料，包含：一導電基材；以及一矽材料層，其係位於該導電基材之至少一側，其中，該矽材料層係包含：複數個矽纖維，且其中至少部分矽纖維係聚集成複數個矽纖維球。一種上述之電池材料的製備方法，包含：(a)提供一導電基材；(b)提供一矽基材料，並於該矽基材料之表面沉積一由非晶矽或結晶矽所構成之薄膜，藉此形成一矽源材料；(c)將步驟(b)之矽源材料置於步驟(a)之導電基材之至少一側，其中該導電基材與該矽源材料的間距係小於100mm；以及(d)加熱如步驟(c)所述方式設置之導電基材與矽源材料，使該矽源材料釋出非晶矽或結晶矽。

Description

電池材料及其製備方法
本申請係關於一種電池材料，具體而言，涉及一種包含矽纖維球結構之電池材料。本申請亦關於一種電池材料的製備方法，具體而言，涉及一種包含矽纖維球結構之電池材料的製備方法。
儲能及動力電池的使用於全球市場的成長及重要性具有非常明顯指標性的方向。未來電動汽車、太陽能發電及各樣消費性電子的應用，對於高階的儲能電池需求，急需一個技術上的突破。因此，增加單位體積的儲電效能，成為刻不容緩的議題。傳統上，係使用矽碳合金粉末及高分子材料做為鋰電池負極材料的選擇。
為提升電池材料的儲電效能，一些專利文獻中所揭示之電池材料的製備方法係在高溫下於基材上沉積結晶矽或非晶矽，以形成電池材料，並且透過特定之製程條件以及基材結構，可使所沉積的結晶矽或非晶矽具有特定結構，藉此提升儲電效能。
TW 201603378揭示了一種電極。其中，該電極係在電流集電器上形成含有矽作為主成分的層；以及含有矽作為主成分的多個粒子排列於介於多個突出部之空間中且不與電流集電器接觸，但只與含有矽作為主成分的層接觸。
CN 102969529 A揭示了一種蓄電裝置。其中，該蓄電裝置包括：在鈦片上通過LPCVD法形成的活性物質層的薄膜部，以及在鈦片上形成的根塊及從根塊所延伸出的晶鬚。
US 2013/0164612 A1揭示了一種負極包括：集電體，其包括：多個突起部；以及與所述多個突起部連接的基礎部；以及所述集電體上的活性物質層，其中，所述多個突起部及所述基礎部包含鈦，所述多個突起部的每一個的頂面及側面和所述基礎部的頂面被所述活性物質層覆蓋，所述活性物質層包括與所述多個突起部中的一個接觸的薄膜狀部分，以及從所述薄膜狀部分延伸的多個晶鬚，並且所述活性物質層包含非晶矽、微晶矽、多晶矽或它們的組合。
EP 2741350 A1揭示了一種負極活性物質，其包括非晶的矽氧化物、結晶矽、碳和金屬矽化物成分，其中所述成分的一種或多種包括在球形顆粒和晶鬚中。
JP 2017137239 A揭示一種製造奈米結構體的方法，其係在多孔基底(例如：石墨顆粒)上沉積催化劑顆粒(例如：球狀銅奈米顆粒)，再由該催化劑顆粒生長奈米結構體，其中，奈米結構體可為多晶矽的奈米晶鬚。
上述先前技術之電池材料在儲電效能方面，仍有值得改善之空間。
有鑑於先前技術仍有值得改善之空間，本發明係提供一種電池材料及其製備方法，以進一步增強電池材料在提升儲電效能方面的功效。
為達上述目的及其他目的，本發明係提供一種電池材料，包含：一導電基材；以及一矽材料層，其係位於該導電基材之至少一側，其中，該矽材料層係包含：複數個矽纖維，且其中至少部分矽纖維係聚集成複數個矽纖維球。
上述之電池材料，其中該導電基材可包含銅或鋁。
上述之電池材料，其中該導電基材可為一銅箔或一鋁箔。
上述之電池材料，其中該矽材料層可位於該導電基材之二側。
上述之電池材料，其中該矽材料層可進一步參雜硼或磷。
上述之電池材料，其中該等矽纖維球的直徑可介於1μm-100μm之間。
上述之電池材料，其中該矽材料層的厚度可介於1μm-400μm之間。
為達上述目的及其他目的，本發明亦提供一種電池材料的製備方法，包含：(a)提供一導電基材；(b)提供一矽基材料，並於該矽基材料之表面沉積一由非晶矽或結晶矽所構成之薄膜，藉此形成一矽源材料；(c)將步驟(b)之矽源材料置於步驟(a)之導電基材之至少一側，其中該導電基材與該矽源材料的間距係小於100mm；以及 (d)加熱如步驟(c)所述方式設置之導電基材與矽源材料，使該矽源材料釋出非晶矽或結晶矽，以於該導電基材上沉積一矽材料層。
上述之電池材料的製備方法，其中步驟(c)中該導電基材與該矽源材料的間距可介於0.01mm-100mm之間。
上述之電池材料的製備方法，其中可進一步包含：(c)於加熱如步驟(c)所述方式設置之導電基材與矽源材料時，進一步提供一矽源氣體，以及一硼源氣體或一磷源氣體。
上述之電池材料的製備方法，其中該矽源氣體可為矽烷(SiH4)，藉以增加該矽材料層的厚度。
上述之電池材料的製備方法，其中該磷源氣體可為磷化氫(PH3)，藉此增加該電池材料的導電性。
上述之電池材料的製備方法，其中該導電基材可包含銅或鋁。
上述之電池材料的製備方法，其中該導電基材可為一銅箔或一鋁箔。
上述之電池材料的製備方法，其中該矽基材料可為一矽晶圓或一矽薄膜。
上述之電池材料的製備方法，其中步驟(c)可將步驟(b)之矽源材料置於步驟(a)之導電基材之二側。
上述之電池材料的製備方法，其中步驟(d)可將如步驟(c)所述方式設置之導電基材與矽源材料置於300-700℃的溫度中。
上述之電池材料的製備方法，其中步驟(d)所形成之矽材料層可包含： 複數個矽纖維，且其中至少部分矽纖維係聚集成複數個矽纖維球。
上述之電池材料的製備方法，其中步驟(d)所形成之矽材料層中所包含之複數個矽纖維球的直徑可介於1μm-100μm之間。
上述之電池材料的製備方法，其中步驟(d)所形成之矽材料層的厚度可介於1μm-400μm之間。
本發明之電池材料具有獨特之矽纖維球結構，能夠突破結晶矽基材的先天性限制，可有效地提升應用該電池材料之電池的效能，有效降低矽與鋰離子交換造成充放電循環使用壽命極速下降的問題。甚至於實驗中，與商售電池相比，應用本發明之電池材料的電池具有使用壽命更長的優勢。此外，本發明之電池材料可大幅增加鋰離子與矽的交換面積，有效提升應用該電池材料之電池的電容量及壽命。
10:電池材料
11:導電基材
12:矽材料層
121:矽纖維
122:矽纖維球
S201:步驟
S202:步驟
S203:步驟
S204:步驟
301:導電基材
302:矽源材料
d:間距
501:矽纖維
502:矽纖維球
為了便於描述與清晰，圖式中各層之厚度或尺寸被加以放大、省略或概要的描繪。同時，各元件之尺寸並不完全反映其真實尺寸。
〔圖1〕係為本發明之電池材料的示意圖；〔圖2〕係為本發明之電池材料的製備方法的流程圖；〔圖3〕係為本發明之電池材料的製備方法的步驟(c)的示意圖；〔圖4〕係為本發明之實施例所製備之電池材料的矽材料層的掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)影像；〔圖5〕係為本發明之實施例所製備之電池材料的矽材料層的掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)影像； 〔圖6〕係為本發明之實施例所製備之電池材料的矽材料層的示意圖；以及〔圖7〕係為本發明之比較例所製備之電池材料的矽材料層的掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)影像。
1.本發明之電池材料
如圖1所示，本發明之電池材料10，包含：一導電基材11；以及一矽材料層12，其係位於該導電基材11之至少一側，其中，該矽材料層12係包含：複數個矽纖維121，且其中至少部分矽纖維121係聚集成複數個矽纖維球122。
在一實施方式中，該導電基材可包含銅或鋁，更具體而言，該導電基材可為一銅箔或一鋁箔，但本發明並不限於此，本發明所屬技術領域中具有通常知識者可依需求選擇其他適合之導電材料作為導電基材。
在一實施方式中，該矽材料層可位於該導電基材之二側，以進一步提升應用該電池材料之電池的效能，但本發明並不限於此，於另一實施方式中，該矽材料層亦可僅位於該導電基材之一側。
在一實施方式中，該矽材料層可進一步參雜硼或磷，藉此增加該電池材料的導電性，但本發明並不限於此，於另一實施方式中，該矽材料層係不包含硼或磷。
在一實施方式中，該等矽纖維球的直徑可介於1μm-100μm之間，以及該矽材料層的厚度可介於1μm-400μm之間，但本發明並不限於此， 本發明所屬技術領域中具有通常知識者可根據需要，藉由控制製程條件來獲得所需之矽纖維球的直徑以及矽材料層的厚度。
2.本發明之電池材料的製備方法
如圖2所示，本發明之電池材料的製備方法包含：(a)提供一導電基材S201；(b)提供一矽基材料，並於該矽基材料之表面沉積一由非晶矽或結晶矽所構成之薄膜，藉此形成一矽源材料S202；(c)將步驟(b)之矽源材料置於步驟(a)之導電基材之至少一側，其中該導電基材與該矽源材料的間距係小於100mm S203；以及(d)加熱如步驟(c)所述方式設置之導電基材與矽源材料，使該矽源材料釋出非晶矽或結晶矽，以於該導電基材上沉積一矽材料層S204。
在上述步驟(a)中，導電基材的選擇並無特別限制，本發明所屬技術領域中具有通常知識者可根據需求選擇各種習知之導電基材。在一實施方式中，該導電基材係包含銅或鋁。在一實施方式中，該導電基材係為一銅箔或一鋁箔。較佳地，該導電基材係為片狀或為薄膜狀，但本發明並不限於此。
在上述步驟(b)中，矽基材料的選擇並無特別限制，本發明所屬技術領域中具有通常知識者可根據需求選擇各種習知之矽基材料。在一實施方式中，該矽基材料係為一矽晶圓或一矽薄膜。較佳地，該矽基材料係為片狀或為薄膜狀，但本發明並不限於此。
在上述步驟(c)中，步驟(b)之矽源材料置於步驟(a)之導電基材之至少一側。在一示例性實施方式中，步驟(c)之設置方式係如圖3所示，其中矽源材料302係置於導電基材301之單一側，導電基材301與矽源材料302之間具有一間距d，其中間距d係介於0.01mm-100mm之間。如圖3所示，較佳地，導電基材301與矽源材料302係為彼此平行配置之片狀或薄膜狀材料，但本發明並不 限於此。在如圖3所示的示例性實施方式中，矽源材料係置於導電基材之單一側，藉此，於後續之步驟(d)中，將於該導電基材面向矽源材料的一側上沉積一矽材料層。於另一較佳實施方式中，矽源材料係置於導電基材之二側，藉此，於後續之步驟(d)中，將於該導電基材之二側上各別沉積一矽材料層。
在上述步驟(d)中，加熱如步驟(c)所述方式設置之導電基材與矽源材料的方式並無特別限制。於一實施方式中，係應用習知之低壓化學氣相沉積(Low Pressure Chemical Vapor Deposition,LPCVD)設備，使矽源材料在300-700℃的溫度中釋出部分結晶矽或非晶矽，以於該導電基材上沉積一矽材料層。在一實施方式中，步驟(d)可進一步包含提供一硼源材料或一磷源材料，以於沉積該矽材料層的過程中參雜硼或磷，但本發明並不限於此，本發明所屬技術領域中具有通常知識者可根據需求提供包含其他元素的材料，以將其他元素參雜至矽材料層中。
在上述步驟(d)中，藉由將表面具有由非晶矽或結晶矽所構成之薄膜的矽源材料與導電基材相鄰地配置，可使矽源材料與導電基材產生非鍵結相互作用力，使矽材料層能夠在導電基材上沿力場方向進行成長，以形成矽纖維結構。此外，藉由將控制矽源材料與導電基材之間的間距控制在介於0.01mm-100mm之間，可形成矽纖維球結構，藉此提升所製得之電池材料之特性，使用應用該電池材料之電池具有較佳的壽命及電容量。在一實施方式中，矽纖維球的直徑係介於1μm-100μm之間；以及矽材料層的厚度係介於1μm-400μm之間，但本發明並不限於此，本發明所屬技術領域中具有通常知識者可根據需要，藉由控制製程條件(例如：步驟(d)之加熱過程中的升溫速率以及持溫時間)來獲得所需之矽纖維球的直徑以及矽材料層的厚度。
電池材料的製備方法，其中可進一步包含：(e)於加熱如步驟(c)所述方式設置之導電基材與矽源材料時，進一步提供一矽源氣體，以及一硼源氣體或一磷源氣體，但本發明並不限於此，於一實施方式中，可省略上述步驟(e)。
在上述步驟(e)中，該矽源氣體可為矽烷(SiH4)，藉以增加該矽材料層的厚度，但本發明並不限於此，本發明所屬技術領域中具有通常知識者可根據需求選擇其他適當之矽源氣體。在上述步驟(e)中，該磷源氣體可為磷化氫(PH3)，藉此增加該電池材料的導電性，但本發明並不限於此，本發明所屬技術領域中具有通常知識者可根據需求提供包含其他元素的氣體，以將其他元素參雜至矽材料層中。
實施例：
實施例係根據上述本發明之電池材料的製備方法製備本發明之電池材料。具體而言，在實施例中，步驟(a)係選用銅箔作為導電基材；步驟(b)係選用矽晶圓作為矽基材料，並於矽基材料之表面沉積一由非晶矽或結晶矽所構成之薄膜，藉此形成一矽源材料；步驟(c)係將步驟(b)之矽源材料置於步驟(a)之導電基材之單一側，其中導電基材與矽源材料的間距係為20mm；步驟(d)係應用習知之化學氣相沉積設備加熱使如步驟(c)所述方式設置之導電基材與矽源材料在600℃的溫度下，持溫240分鐘；以及步驟(e)係於持溫的240分鐘內，通入流速400sccm的矽烷(SiH4)與流速300sccm的磷化氫(PH3)，藉此製得實施例之電池材料。
如圖4、圖5及圖6所示，在實施例之電池材料的掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)影像(圖4及圖5)以及圖6之示意圖中可以看 到實施例之電池材料的矽材料層係包含：複數個矽纖維501，且其中至少部分矽纖維係聚集成複數個矽纖維球502。
比較例：
比較例係大致上根據上述本發明之電池材料的製備方法製備電池材料，但於步驟(c)中，導電基材與矽源材料的間距係大於100mm。具體而言，在比較例中，步驟(a)係選用銅箔作為導電基材；步驟(b)係選用矽晶圓作為矽基材料，並於矽基材料之表面沉積一由非晶矽或結晶矽所構成之薄膜，藉此形成一矽源材料；步驟(c)係將步驟(b)之矽源材料置於步驟(a)之導電基材之單一側，其中導電基材與矽源材料的間距係為105mm；以及步驟(d)係應用習知之化學氣相沉積設備加熱使如步驟(c)所述方式設置之導電基材與矽源材料在600℃的溫度下，持溫240分鐘；以及步驟(e)係於持溫的240分鐘內，通入流速400sccm的矽烷(SiH4)與流速300sccm的磷化氫(PH3)，藉此製得比較例之電池材料。
如圖7所示，在比較例之電池材料的掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)影像中可以看到比較例之電池材料由於步驟(c)中，導電基材與矽源材料的間距係大於100mm，使得矽材料層不存在矽纖維以及矽纖維球結構。
測試例：
在相同的製備及測試條件下，分別使用實施例與比較例之電池材料製作電池，在電容儲存量方面，使用實施例之電池材料的電池的放電電容量約使用比較例之電池材料的電池的10倍。此外，相較於使用市售之松下電器 (panasonic)電極材料的電池，在電容儲存量方面，實施例之電池材料的電池的放電電容量約為使用市售之松下電器(panasonic)石墨電極材料的電池的399%。
進一步詳述製備及測試條件如下： 分別取實施例與比較例之電池材料以及市售之松下電器(panasonic)石墨電極材料作為負極材料，將上述材料分別裁切成1cm x 1cm的大小。其中，panasonic石墨電極材料的塗層厚度與實施例與比較例之電池材料之矽材料層的厚度皆各為130-140μm。分別將上述3電池材料依照常規之方法封裝於鈕扣電池中。
在相同的製備及測試條件下，測試依上述方法製備之鈕扣電池。經測試，在僅改變負極材料的情況下，在電容儲存量方面，使用實施例之電池材料的電池的放電電容量約為使用比較例之電池材料的電池的10倍。此外，相較於使用市售之panasonic石墨電極材料的電池，在電容儲存量方面，使用實施例之電池材料的電池的放電電容量約為使用市售之panasonic石墨電極材料的電池的399%。
由此可見，本發明之電池材料，藉由其矽材料層中所包含之矽纖維球結構，可大幅增加鋰離子與矽的交換面積，有效提升應用該電池材料之電池的電容量及壽命。
本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。
10:電池材料
11:導電基材
12:矽材料層
121:矽纖維
122:矽纖維球

Claims (7)

  1. 一種電池材料，包含：一導電基材；以及一矽材料層，其係位於該導電基材之至少一側，其中，該矽材料層係包含：複數個矽纖維，且其中至少部分矽纖維係聚集成複數個矽纖維球，其中該導電基材係為一銅箔，其中該矽材料層的厚度係介於1μm-400μm之間。
  2. 如請求項1所述之電池材料，其中該矽材料層係位於該導電基材之二側。
  3. 如請求項1所述之電池材料，其中該矽材料層係進一步參雜硼或磷。
  4. 如請求項1所述之電池材料，其中該等矽纖維球的直徑係介於1μm-100μm之間。
  5. 一種如請求項1所述之電池材料的製備方法，包含：(a)提供一導電基材；(b)提供一矽基材料，並於該矽基材料之表面沉積一由非晶矽或結晶矽所構成之薄膜，藉此形成一矽源材料；(c)將步驟(b)之矽源材料置於步驟(a)之導電基材之至少一側，其中該導電基材與該矽源材料的間距係介於0.01mm-100mm之間；以及 (d)加熱如步驟(c)所述方式設置之導電基材與矽源材料，使該矽源材料釋出非晶矽或結晶矽，以於該導電基材上沉積一矽材料層。
  6. 如請求項5所述之電池材料的製備方法，其中進一步包含：(e)於加熱如步驟(c)所述方式設置之導電基材與矽源材料時，進一步提供一矽源氣體，以及一硼源氣體或一磷源氣體。
  7. 如請求項5所述之電池材料的製備方法，其中步驟(d)係將如步驟(c)所述方式設置之導電基材與矽源材料置於300-700℃的溫度中。
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