耐用的非晶硅阳极、具有非晶硅阳极的可再充电电池及相关方法技术

提供了用于具有增强的结构稳定性的可再充电电池的非晶硅阳极电极和装置。非晶硅阳极能够包含导电衬底和沉积在衬底上的电极层，其中电极层由一个或多个非晶硅结构组成，并且非晶硅结构具有小于或等于大约500nm的至少一个尺寸。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请本申请要求代理人案号为P55087、2013年6月28日提交的美国非临时专利申请序号13/931,515的权益，并且由此通过引用并入所述美国非临时专利申请序号13/931,515。
本文描述的实施例通常涉及能量储存装置。
技术介绍
包含电池和电容器的能量储存装置经常用于各种电子装置中。例如，电池（特别是能够再充电的那些电池）具有广泛的使用范围。当前，石墨普遍在商业上用作可再充电的Li离子电池中的阳极的材料，因为在没有显著的体积（大约10%）和形态改变的情况下Li离子的可逆插入。然而，石墨的相对低的比容量（370mAh/g）是它的主要缺点，这限制Li离子电池的容量。由于与其他材料（例如对于含碳的阳极大约370mAh/g）相比硅的大约4,200mAh/g高理论比容量，硅能够用作各种可再充电电池诸如例如Li离子电池的基于碳的阳极的有前景的替换。在实践中，如果（基于包含插入的锂的总质量）完全锂化成Li22Si5相，能够获得2,000mAh/g的容量。然而至今，硅仅作为基于碳的阳极的增强添加剂正在被商业化。完全实施基于硅的电极的一个障碍是Li-Si电极在锂化期间经历高度的粉化和剥落（取决于Li-Si合金的相，观察的体积膨胀高达大约400%）的事实。在第一循环中能够立即观察到有源材料从硅阳极的损耗。结果，硅阳极技术遭受显著的容量衰退（在首次初始诉讼之后高达仅仅20%剩余）和受限的电池循环。此外，由于在电池中短接，有源硅材料的分解能够潜在地产生安全问题。附图说明图1是根据专利技术实施例的阳极电极的截面的示意图；图2是根据另一个专利技术实施例的非晶硅阳极的结构化表面的截面的示意图；图3A是根据另一个专利技术实施例的非晶硅结构的SEM显微照片；图3B是根据另一个专利技术实施例的非晶硅结构的SEM显微照片；图3C是根据另一个专利技术实施例的非晶硅结构的SEM显微照片；图3D是根据另一个专利技术实施例的非晶硅结构的SEM显微照片；以及图4是根据又一个专利技术实施例的电池装置的示意图。具体实施方式尽管下面的具体描述为了图解的目的含有许多细节，本领域的普通技术人员将领会到对下面的详情的许多变化和变更能够进行并且被认为包含在本文中。因此，在没有阐述的任何权利要求的任何一般性损失的情况下并且在不对阐述的任何权利要求强加限制的情况下，阐述下面的实施例。还将理解的是本文中使用的术语仅是为了描述特别的实施例的目的，而不旨在限制。除非另外定义，在本文中使用的所有技术的和科学的术语具有与由本公开所属的领域中的普通技术人员普遍理解的相同的含义。如在本说明书和附加的权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包含复数所指对象，除非上下文清楚地另外指定。因此，例如对“层”的参考包含多个这样的层。在本公开中，“包括”、“含有”和“具有”等能够具有在美国专利法中归属于它们的含义，并且能够意指“包含”等，并且通常被解释为开放性术语。术语“由…组成”是封闭的术语，并且仅包含与这样的术语结合而具体地列举的部件、结构、步骤等、以及根据美国专利法的内容。“实质上由…组成”具有通常由美国专利法归属于它们的含义。特别地，这样的术语通常是封闭的术语，除了允许包含不在本质上影响连同其使用的（一个或多个）项的基本和新颖的特性或功能的附加的项、材料、部件、步骤或元件之外。例如，存在于合成物中但不影响合成物本质或特性的微量元素将是容许的，如果按照“实质上由…组成”语言存在的话，即使没有确切地叙述在这样的术语后面的项的列表中。当使用开放性术语，像“包括”或“包含”时，理解的是也应该对“实质上由…组成”语言以及“由…组成”语言给予直接的支持，好像明白地声明过一样。本描述中以及权利要求中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等，如果有的话，用于区别类似的元件而未必用于描述特别顺序的或按时间顺序的次序。要理解的是如此使用的术语在适当的环境下是可交换的，使得本文中描述的实施例例如能够以不同于本文中图解的或另外描述的那些的顺序操作。类似地，如果方法在本文中被描述为包括一系列步骤，如在本文中呈现的这样的步骤的次序未必是在其中可以执行这样的步骤的唯一次序，并且某些声明的步骤可能也许被省略和/或没有在本文中描述的某些其他步骤可能也许被添加到所述方法。描述中和权利要求中的术语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“上”、“下”等，如果有的话，用于描述的目的而未必用于描述永久的相对位置。要理解的是如此使用的术语在适当的环境下是可交换的，使得本文中描述的实施例例如能够以不同于本文中图解的或另外描述的那些的方位操作。如在本文中使用的术语“耦合”被定义为以电气的或非电气的方式直接或间接连接。本文中描述为互相“邻近”的物体可以互相物理接触、互相紧密接近或者互相处于相同的通常区或区域，这视其中使用短语的上下文而定。在本文中短语“在一个实施例中”或“在一方面”的出现未必全部指代相同的实施例或方面。如在本文中使用的那样，术语“基本上”指代完全的或几乎完全的广度或程度的动作、特性、性质、状态、结构、项或结果。例如“基本上”被包围的物体将意指所述物体被完全包围或者几乎完全包围。偏离绝对完全性的精确的可允许度在一些情况下可以取决于特定的上下文。然而，通常而言，完成的接近度将是使得具有与如果得到绝对的和总的完成时相同的总体结果。当以否定含义用来指代动作、特性、性质、状态、结构、项或结果的完全或几乎完全缺少时，“基本上”的使用同样是可应用的。例如，“基本上没有”粒子的合成物将完全缺少粒子或者如此几乎完全缺少粒子以致效果将与如果它完全缺少粒子时相同。换言之，“基本上没有”成分或元素的合成物可以实际上仍然含有这样的项，只要没有其可测量的效果。如在本文中使用的，术语“大约”用于通过提供给定值可以“高于端点一点”或“低于端点一点”来给数值范围端点提供灵活性。如在本文中使用的，为了方便，多个项、结构元件、组成元件、和/或材料可以呈现在共同的列表中。然而，这些列表应该被解释成好像列表中的每个成员被个别地识别为单独的和独特的成员。因此，在没有相反指示的情况下，没有这样的列表中的个别成员应该仅仅基于它们在共同的组中的呈现而被解释为相同列表的任何其他成员的事实上的等同物。浓度、量和其他数值数据可以在本文中以范围格式解释或呈现。要理解的是：这样的范围格式仅仅为了方便和简洁而使用，并且因此应该被灵活地解释为不但包含明白地叙述为范围的限制的数值，而且包含涵盖在该范围之内的全部个别的数值或子范围，好像每个数值和子范围被明白地叙述。作为说明，“大约1至大约5”的数值范围应该被解释为不但包含大约1至大约5的明白地叙述的值，而且包含在指示的范围之内的个别值和子范围。因此，包含在这个数值范围中的是个别值诸如2、3和4，以及子范围诸如从1-3、从2-4和从3-5等，以及个别是1、2、3、4和5。这个相同的原则适用于叙述仅一个数值作为最小值或最大值的范围。此外，这样的解释应该适用，不管被描述的特性或范围的广度。贯穿本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于具有增强的结构稳定性的可再充电电池的阳极装置，包括导电衬底；沉积在衬底上的电极层，电极层由一个或多个非晶硅结构组成，非晶硅结构具有小于或等于大约500 nm的至少一个尺寸。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.06.28 US 13/931,5151.一种用于具有增强的结构稳定性的可再充电电池的阳极装置，包括
导电衬底；
沉积在衬底上的电极层，电极层由一个或多个非晶硅结构组成，非晶硅结构具有小于或等于大约500nm的至少一个尺寸。
2.根据权利要求1所述的装置，其中一个或多个非晶硅结构包含从由以下各项组成的组选择的成员：柱子、锥体、管子、沟槽、棱锥、多孔结构、海绵结构、连续的层、纳米线、纳米颗粒压块以及其组合。
3.根据权利要求1所述的装置，其中一个或多个非晶硅结构是纳米颗粒。
4.根据权利要求3所述的装置，其中纳米颗粒通过导电基体被保持在一起。
5.根据权利要求1所述的装置，其中至少一个尺寸小于或等于大约300nm。
6.根据权利要求1所述的装置，其中导电衬底包含从由以下各项组成的组选择的成员：半导体、金属、金属合金、导电聚合物以及其组合。
7.根据权利要求1所述的装置，其中导电衬底包含从由以下各项组成的组选择的成员：单晶硅、多晶硅、非晶硅、其他半导体材料、碳以及其组合。
8.根据权利要求1所述的装置，其中导电衬底是足够柔性的以允许卷到它本身上。
9.根据权利要求1所述的装置，其中一个或多个非晶硅结构进一步包含掺杂剂。
10.根据权利要求9所述的装置，其中掺杂剂是金属。
11.根据权利要求9所述的装置，其中掺杂剂包含从由以下各项组成的组选择的成员：C、H、Li、Ti、Ni以及其组合。
12.一种具有增强的再充电稳定性的可再充电电池，包括：
权利要求1的阳极；
阴极，被定位成以足以形成电解质空间的间距面向阳极的一个或多个非晶硅结构；
电解质，被设置在电解质空间中；以及
分离器，被设置在电解质空间中，分离器能操作以将阳极和阴极电子地分离并且允许电解质离子经过那里。
13.一种最小化在重复的锂化之后可再充电电池的阳极材料的剥落的方法，包...

【专利技术属性】
技术研发人员：Z陈，DS加纳，BK蒙，Y刘，
申请(专利权)人：英特尔公司，
类型：发明
国别省市：美国;US