形成多孔三维电极微观结构的方法技术

一种形成多孔三维电极微观结构的方法，所述方法包含以下步骤：在镀覆液中定位导电基板；使用电镀工艺在所述导电基板的一个或多个表面上形成三维铜‑锡‑铁多孔导电基体，此步骤包括：以第一电流密度通过扩散受限的沉积工艺在所述导电基板上方沉积圆柱金属层；并且以大于所述第一电流密度的第二电流密度在所述圆柱金属层上方沉积多孔导电树状结构；以及在所述三维铜‑锡‑铁多孔导电基体上方沉积阳极活性材料，其中所述镀覆液包含锡来源、铜来源以及铁来源。

【技术实现步骤摘要】
本申请是申请日为2012年2月28日、申请号为“201280012123.6”、专利技术名称为“高容量柱状锂离子合金阳极的制造”的专利技术专利申请的分案申请。
本专利技术的实施例一般地涉及高容量储能装置和储能装置部件，并且更具体地涉及用于使用形成三维多孔结构的工艺来制造这种高容量储能装置和储能装置部件的系统和方法。
技术介绍
诸如锂(Li)离子电池之类的高容量储能装置正用于越来越多的应用程序，所述应用程序包括便携式电子设备、医药、运输、电网连接的大型储能器、可再生能源存储器和不间断供电电源(UPS)。锂离子电池(LIB)批量制造技术的改变是实现车辆电动化的成功工业化所必需的。需要显著的发展来解决百万度(GWh)规模工厂的技术性能、可靠性、制造成本要求和生产工程。锂离子电池是一种具有许多元件的高度集成装置，所述元件全部都必须制造用于实现设计和生产指标。一般地，锂离子电池单元元件包括阴极电极和阳极电极，在具有触点的封装内，所述阴极和阳极由浸没在液体电解质中的多孔分隔物隔离。所述阴极材料层可以结合到铝(Al)集电极，并且阳极材料层结合到铜(Cu)集电极。由生产运输约束而不是单元电阻分配决定集电极厚度，所述分隔物提供所述阳极和所述阴极的电绝缘，同时防止物理短路，并且具有针对锂离子导电性的充分多孔性。现代的阴极电极材料包括使用聚合物粘合剂结合在一起的锂过渡金属氧化物颗粒，所述聚合物粘合剂具有导电性填料，诸如碳黑。最广泛使用的粘合剂是聚偏二氟乙烯(PVDF)。电极通过使用散布在用于PVDF的最常用有机溶剂(N-甲基吡咯烷酮(NMP))中的活性材料、粘合剂和碳黑的浆料混合物进行狭缝挤压涂布来形成，所述有机溶剂需要使用复杂的挥发性有机化合物(VOC)捕捉设备。接着使用往往是40到70米长的干燥器来干燥电极，这是由于需要缓慢的干燥速率来防止所述电极的破裂。使用压延步骤来挤压所述电极，以增加活性材料、导电性添加剂和集电极之间的电连接，并通过调整多孔性来增加体积能量密度。现代的阳极电极是石墨或者硬碳。类似于所述阴极，所述阳极粘合剂一般地是PVDF，以将所述颗粒结合到一起，并且有时也会将诸如碳黑之类的导电性添加剂添加到所述阳极混合物中，以改善电力性能。尽管石墨基阳极或者碳基阳极已经使自己成为了当代电池中的阳极选择，但是它们无法达到下一代电池的要求。这主要是由于石墨的较低能量密度(375mAh/g)、以及现有石墨已接近石墨的理论极限的事实。因此在行业中存在对探测可替代阳极材料的浓厚兴趣，所述可替代阳极材料将具有更高的能量密度以及增强的安全性，同时保持低成本和长循环寿命。诸如硅和锡之类的高容量合金阳极已经确定为石墨的可能代替物，这是因为所述高容量合金阳极的大的理论能量密度。然而，这些材料尚未转变成大批量制造。三个主要的技术限制阻碍了使用基于传统浆料的方法来采用这些先进的材料。第一，在锂化/去锂化期间这些合金阳极中存在的大体积应力将导致合金阳极颗粒的粉碎，从而引起不良的循环寿命。第二，在所述表面上形成的不良的或者不稳定的固体电解质相间(SEI)层会导致性能的不稳定性以及潜在的安全问题。第三，这些合金阳极中第一循环的不可逆容量损失过高以致于无法用于实际应用。解决这些问题中的一些问题(若非所有问题)的一种方式是设计颗粒以使所述合金阳极包埋在多相混合物中，或者通过粒径设计。这些方法虽然适当成功地减轻了第一循环的损失并且延长了所述循环寿命，但是未能实现期望的重量能量密度和体积能量密度，这是由于各非能动部件的质量分布。能量密度的改良，往往如果不持续进行，就会导致对应的功率密度下降。因此，本领域存在对更快充电、更高容量的储能装置的需要，所述储能装置更小、更轻并且可以更成本有效地制造。
技术实现思路
本专利技术的实施例一般地涉及高容量储能装置和储能装置部件，并且更具体地涉及用于使用形成三维多孔结构的工艺来制造这种高容量储能装置和储能装置部件的系统和方法。在一个实施例中，提供了一种在高容量储能装置中使用的阳极结构，所述阳极结构包含导电性集电极基板、形成在所述导电性集电极基板的一个或多个表面上的三维铜-锡-铁多孔导电基体(matrix)、以及沉积在所述三维铜-锡-铁多孔导电基体上方的阳极活性材料，其中所述三维铜-锡-铁多孔导电基体包含形成在所述导电性集电极上方的多个中孔结构。在某些实施例中，所述三维铜-锡-铁多孔导电基体进一步包含形成在所述导电性集电极上的多个柱状凸出部与形成在所述多个柱状凸出部上的多个中孔结构。在另一实施例中，提供了一种形成高容量储能装置的阳极结构的方法，所述方法包含：使用电镀工艺在导电性集电极基板的一个或多个表面上形成三维铜-锡-铁多孔导电基体；以及在所述三维铜-锡-铁多孔导电基体上方沉积阳极活性材料。在另一实施例中，提供了一种形成电化学电池的多孔三维电极微观结构的方法，所述方法包含：在镀覆液中定位集电极基板；使用电镀工艺在所述导电性集电极基板的一个或多个表面上形成三维铜-锡-铁多孔导电基体；以及在所述三维铜-锡-铁多孔导电基体上方沉积阳极活性材料，其中形成所述三维铜-锡-铁多孔导电基体包含：在第一电流密度处通过扩散受限的沉积工艺在所述基板上方沉积圆柱金属层；以及在大于所述第一电流密度的第二电流密度处在所述圆柱金属层上方沉积多孔导电树状结构，其中所述镀覆液包含锡来源、铜来源以及铁来源。附图说明因此，可详细地理解本专利技术的上述特征结构的方式，即上文简要概述的本专利技术的更具体描述可参照实施例进行，一些实施例图示在附图中。然而，应注意，附图仅图示本专利技术的典型实施例，且因此不应被视为本专利技术范围的限制，因为本专利技术可允许其他等效的实施例。图1A是具有根据本文描述的实施例形成的阳极电极的部分锂离子电池单元双层的示意图；图1B是具有根据本文描述的实施例形成的阳极电极的部分锂离子电池单元的示意图；图2A-2D是根据本文描述的实施例的在各种形成阶段处阳极结构的示意性横截面图；图3图示在根据本文描述的实施例形成的阳极结构上形成分隔物层之后的阳极结构；图4是概述一种用于形成根据本文描述的实施例的阴极结构的方法的一个实施例的工艺流程图；图5A是根据本文描述的实施例的组合层的横截面的扫描电子显微镜(SEM)图像，所述组合层包括在三维镀覆电极结构上沉积有颗粒的三维镀覆电极结构；以及图5B是根据本文描述的实施例的图5A的组合层的横截面的放大部分的SEM图像。为了促进理解，在可能的情况下已使用相同附图标记以指定为诸图所共有的相同元件。应想到在一个实施例中公开的元件也可以有利地在其他实施例中使用，此处不再进行特定详述。具体实施方式本文描述的某些实施例通过在三维高孔隙率导电基体(举例而言，附接到集电极(例如，铜箔)的三维铜-锡-铁(CuSnFe))的中心上沉积硅和/或石墨来增强阳极结构的体积使用效率。相信所述集电极和所述三维CuSnFe导电基体之间的电连接以及所述基体的高导电性增强了所述阳极电极的功率容量。在其中三维CuSnFe是用于硅的基体的某些实施例中，除了提供机械稳定性和电化学稳定性之外，所述三维CuSnFe基体允许使用很高的装载量来存储锂离子。硅是锂离子电池的良好负极候选材料，但是硅的体积膨胀以及与电解质的反应是主要的缺点。虽然可以设计三维Cu来缓冲所述体积膨胀本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成多孔三维电极微观结构的方法，所述方法包含以下步骤：在镀覆液中定位导电基板；使用电镀工艺在所述导电基板的一个或多个表面上形成三维铜‑锡‑铁多孔导电基体，此步骤包括：以第一电流密度通过扩散受限的沉积工艺在所述导电基板上方沉积圆柱金属层；并且以大于所述第一电流密度的第二电流密度在所述圆柱金属层上方沉积多孔导电树状结构；以及在所述三维铜‑锡‑铁多孔导电基体上方沉积阳极活性材料，其中所述镀覆液包含锡来源、铜来源以及铁来源。

【技术特征摘要】
2011.02.28 US 61/447,5911.一种形成多孔三维电极微观结构的方法，所述方法包含以下步骤：在镀覆液中定位导电基板；使用电镀工艺在所述导电基板的一个或多个表面上形成三维铜-锡-铁多孔导电基体，此步骤包括：以第一电流密度通过扩散受限的沉积工艺在所述导电基板上方沉积圆柱金属层；并且以大于所述第一电流密度的第二电流密度在所述圆柱金属层上方沉积多孔导电树状结构；以及在所述三维铜-锡-铁多孔导电基体上方沉积阳极活性材料，其中所述镀覆液包含锡来源、铜来源以及铁来源。2.如权利要求1所述的方法，进一步包含：将所述阳极活性材料压缩到所述多孔的三维铜-锡-铁多孔导电基体中。3.如权利要求2所述的方法，其中压缩所述阳极活性材料的步骤进一步包括将所述三维铜-锡-铁多孔导电基体和阳极活性材料加热到从约100℃到约250℃的温度。4.如权利要求2所述的方法，其中所述镀覆液包含硫酸铜(CuSO4)、硫酸亚锡以及氯化铁。5.如权利要求2所述的方法，其中压缩所述阳极活性材料的步骤将阳极结构的孔隙率从自约40％到约50％的初始孔隙率减少到自约20％到约30％的最后孔隙率。6.如权利要求1所述的方法，其中所述第一电流密度在约0.05A/cm2和约3.0A/cm2之间，并且所述第二电流密度在约0.3A/cm2和约3A/cm2之间。7.如权利要求1所述的方法，其中使用化学气相淀积(CVD)技术、液压喷涂技术、雾化喷涂技术、静电喷涂技术、等离子体喷涂技术，以及热喷涂技术或火焰喷涂技术中的至少一种来沉积所述阳极活性材料。8.如权利要求1所述的方法，其中所述阳极活性材料包含选自包括下述物质的群组中的颗粒：石墨、石墨硬碳、碳黑、碳包覆硅、碳化硅、非晶硅、晶体硅、硅合金、p掺杂硅、这些物质的合成物，以及这些物质的组合。9.如权利要求1所述的方法，其中与由同一材料形成的固态膜相比，所述阳极结构具有在约20％和约30％之间的孔隙率。10.如权利要求1所述的方法，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·D·洛帕丁，D·布雷弗诺弗，E·H·刘，R·Z·巴克拉克，C·P·王，
申请(专利权)人：应用材料公司，
类型：发明
国别省市：美国;US