硅基电极及其制作工艺制造技术

本发明专利技术揭露一种硅电极的制作工艺，其步骤包括:提供导电基板；于导电基板上形成硅层；以及对硅层的表面执行等离子体改质步骤，其中等离子体改质步骤是将多个原子掺杂于硅层的表面，且于表面形成原子掺杂层。本发明专利技术还揭露一种硅电极，包括导电基板、于导电基板上设置表面具有原子掺杂层的硅层、以及设置在原子掺杂层上的有机保护膜层，其中在硅层的表面的原子掺杂层中的原子为氮、磷、硼或者上述任意组合。硅层由硅基材料、黏着剂及助导剂所组成，藉由在硅层表面的原子掺杂层，可以抑制界面反应层的形成，藉此可以提升硅电极的电容量以及循环寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术有关于一种硅基电极，特别是一种硅基电极的制作工艺。
技术介绍
近数十年来，由于智能型手机、电动车等电子产品急剧发展，电池续航力以及充放电速度成为锂电池储能装置的技术发展的主要课题。换句话说，高能量密度以及快速充放电性能的电极材料为目前主要发展方向，其中具有高能量密度的负极电极材料为硅基底。然而，若欲使用硅作为锂离子电池负极材料，仍有几项需要克服的问题:(1)充电时，锂离子与硅形成锂合金时，致使硅在充电过程中，体积将膨胀至原有体积的三到四倍，此剧烈的体积膨胀易造成负极电极板崩解，从而降低锂离子电池的循环使用寿命。(2)于充放电过程中，电解液与电极片之间因化学反应产生固体电解质界面膜(SEI,Solid Electrolyte Interface)，进而造成电性的不可逆以及循环寿命减低。一般来说，若欲抑制硅基电池的体积膨胀系数，大多以纳米维度的硅颗粒并混入不同种类或是不同形貌的碳源，例如沥青、各种醣类或是石墨烯或是纳米碳管等。而若欲抑制固体电解质界面膜的产生则是于电解液中加入电解液添加剂或于电极片上涂布、镀制保护膜来达到隔绝、抑制反应与减低界面阻抗的效果。以台湾专利技术专利公开第201340449号为例，其披露一种锂电池负极架构设计，包括集电体及涂布于该集电体上的负极活性材料层，并于负极活性材料层上包覆有有机保护膜层。其有机保护膜层由无机颗粒组成，这些无机颗粒可以是金属、硅、金属氧化物、硅氧化物或是上述材料的混合物的组成。其中金属可以是银(Ag)、铜(Cu)、锡(Sn)、铝(Al)或是钨(W)；硅氧化物可以是氧化硅(SiOx,0<x≦2)、二氧化硅-石墨(SiO2-graphite,0<x≦2)或是氧化硅-碳(SiOx-carbon,0<x≦2)等。保护膜有抑制固体电解质界面膜生成的
功能，且可以防止电池在高温环境下，因电解液分解造成负极材料的结构受到破坏，进而延长电池的寿命。以台湾专利技术专利公开第201340450号为例，其专利技术揭示了一种锂电池正极架构，其包括集电体及涂布于集电体上的正极活性材料层，并且于正极活性材料层上包覆有有机保护膜层，此有机保护膜层由无机颗粒组成，如金属氧化物例如ZrO2、Mg(OH)2、MgO、TiO2、Al2O3、La2O3或ZnO等或是上述各金属氧化物组合成的混合物。此有机保护膜层可以防止正极活性材料直接与电解液接触，从而防止电池在高电压或是过充电的情况下，电解液因接触正极而氧化分解，破坏正极材料的结构稳定性和产生气体的现象，进而影响到其电池的电性，造成电池使用寿命减短。另外要说明的是，台湾专利技术专利公开第201340449号及台湾专利技术专利公开第201340450号皆是披露以蒸镀、溅镀、炉式溅镀或是卷绕式等真空镀膜的方式来进行无机颗粒的镀覆，其形成有机保护膜层的厚度皆小于100nm。然而，前述的两件文献对于正负极保护膜分别披露用于正负电极材料的金属或其氧化物颗粒，但是其工艺设备小至涂布系统大至真空系统，又或其金属与其氧化物的粉末靶材皆于成本的考虑上并不符合经济效益，且于环境友善考虑上为多余的资源耗费。另外，再以台湾专利技术专利公告第256166号为例，有关于一种含脂族腈(aliphatic nitrile)化合物的电极，其中脂族腈化合物涂覆于阴极电极的表面，或是结合于阴极电极的活性材料中，制作工艺包含涂布、压印涂覆(die coating)、滚式涂布或刮刀式涂布等或是上述各工艺的组合。公告第256166号揭示含有此化合物的电极所制作出的锂二次电池具有优异的安全性，并可避免电解液与电极片的反应，以及因过度充电而发生的电极片结构破坏，所导致的热散发，进而使电池内部温度升高而引发电池内部电路短路，造成灼烧与爆炸。然而，以工业化降低成本的考虑，脂族腈类等化合物为高单价化学药品且制作工艺较为繁复，若使用其为添加物，极为不妥。再以环境保护的观点来审视，此有机添加剂易造成环境污染以及难以回收的问题。因此，较低成本以及较环境友善的技术开发，有其必要存在性。最后，再以台湾专利技术专利公开第201421781号为例，其披露了一种石墨
烯电极及其制作工艺，其利用干式表面改质处理，于低温下对石墨烯表面进行异原子掺杂，可以提升石墨烯电极的电容量以及降低不可逆电容。于此公开第201421781号所披露的干式表面处理可以是等离子体改质工艺。此外，在此等离子体改质制程中，通入反应气体，使得异原子掺入石墨烯层中。公开第201421781号所述的等离子体改质技术所使用的反应器可为低压(low pressure)操作的等离子体反应器或是常压(atmospheric pressure)操作的电浆反应器。然而，在公开第201421781号虽然指出其使用电极石墨烯仅管效能优异，但相较于硅基电极来说，除了制作不易、成本较高外，其电容量亦没有硅基电池来得优异。
技术实现思路
有鉴于习知技术的硅基锂电池于充放电过程中，电解液与电极片之间因化学反应产生固体电解质界面膜(SEI,Solid Electrolyte Interface)，因此本专利技术的主要目的是抑制此化学反应，而减少电性的不可逆以及增加硅基锂电池的循环寿命。本专利技术的另一目的是藉由表面改质处理技术，在室温下对硅层的表面进行等离子体处理，将高能等离子体原子掺杂至硅层的表面，以抑制界面反应层的形成，藉此可以提升硅层做为硅电极片的电容量以及循环寿命。根据上述目的，本专利技术揭露一种硅基电极的制作工艺，其步骤包括:提供导电基板；于导电基板上形成硅层；以及对硅层的表面执行等离子体改质步骤，其中等离子体改质步骤是将多个原子掺杂于硅层的表面，且于表面形成原子掺杂层。根据上述目的，本专利技术还揭露一种硅基电极，包括导电基板、于导电基板上设置表面具有原子掺杂层的硅层、以及设置在原子掺杂层上的有机保护膜层，其中在硅层的表面的原子掺杂层中的原子为氮、磷、硼或者上述任意组合。硅层由硅基材料、黏着剂及助导剂所组成，藉由在硅层表面的原子掺杂层，可以抑制界面反应层的形成，藉此可以提升硅基电极的电容量以及循环寿命。附图说明图1至图3根据本专利技术所揭露的技术，表示硅电极的制作工艺各步骤示
意图。图4根据本专利技术所揭露的技术，表示硅基电极应用于储能装置的示意图。图5根据本专利技术所揭露的技术，表示以X射线光电子能谱仪(X-ray Photoelectron Spectrometer、XPS)对经改质的硅层的表面进行分析，以确认于硅层的表面所掺杂的氮原子的强度，进而计算出其多寡。图6根据本专利技术所揭露的技术，表示充放电曲线及循环寿命曲线图。图7根据本专利技术所揭露的技术，表示在不同实施例的电容量、圈数与库仑转换效率的曲线图。【主要组件符号说明】10 硅基电极 11 导电基板12 硅层 122 原子掺杂层13 等离子体改质步骤 14 有机保护膜层30 储能装置 32 含锂金属的氧化物基板34 隔离膜 36 电解液38 壳体具体实施方式请参考图1至图3，表示硅基电极的制作工艺各步骤示意图。如图1所示，先提供导电基板11，然后在导电基板11上形成硅层12。其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅基电极的制作工艺，其特征在于，包括:提供导电基板；形成硅层于所述导电基板上；以及对所述硅层的表面执行等离子体改质步骤，所述等离子体改质步骤是将多个原子掺杂于所述硅层的所述表面，且于所述表面形成原子掺杂层。

【技术特征摘要】
1.一种硅基电极的制作工艺，其特征在于，包括:提供导电基板；形成硅层于所述导电基板上；以及对所述硅层的表面执行等离子体改质步骤，所述等离子体改质步骤是将多个原子掺杂于所述硅层的所述表面，且于所述表面形成原子掺杂层。2.如权利要求1所述的制作工艺，其特征在于，形成所述硅层于所述导电基板上的手段为涂布法。3.如权利要求2所述的制作工艺，其特征在于，所述涂布法包括网印(screen printing)、旋转涂布法(spin coating)、棒状涂布法(bar coating)、刮刀涂布法(blade coating)、滚筒涂布法(roller coating)或者浸渍涂布法(dip coating)。4.如权利要求1所述的制作工艺，其特征在于，所述等离子改质步骤的处理功率范围在10-1000瓦(W)之间、处理次数范围在一次至数百次之间、与电浆反应器之间的距离范围在0.3公分至1公分之间及处理时间范围在1秒到1小时之...

【专利技术属性】
技术研发人员：石东益，杜正恭，刘伟仁，陈秉宏，庄上毅，
申请(专利权)人：石东益，杜正恭，陈秉宏，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71