拓扑量子框架、包括其的复合负极活性材料、负极、锂电池、半导体和器件、及其制备方法技术

本发明专利技术涉及拓扑量子框架、包括其的复合负极活性材料、负极、锂电池、半导体和器件、及其制备方法。拓扑量子框架包括设置在不同的方向上且彼此连接的多个一维纳米结构体，其中所述多个一维纳米结构体的一维纳米结构体包括包含能够引入和脱出锂的金属的第一成分，和其中所述拓扑量子框架是多孔的。

【技术实现步骤摘要】
拓扑量子框架、包括其的复合负极活性材料、负极、锂电池、半导体和器件、及其制备方法对相关申请的交叉引用本申请要求于2017年8月2日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2017-0098070的优先权和权益、以及由其产生的所有权益，将其内容全部引入本文中作为参考。
本公开内容涉及拓扑量子框架(topologicalquantumframework)，包括拓扑量子框架的复合负极活性材料，包括拓扑量子框架的负极、锂电池、半导体和器件(装置)，以及制备拓扑量子框架的方法。
技术介绍
用于锂电池的负极活性材料的实例为碳质材料例如石墨。石墨具有优异的容量保持力和电位特性。而且，石墨在锂的嵌入/脱嵌期间不经历体积变化，且因而包括石墨的电池的稳定性是高的。石墨的理论容量为约372毫安时/克(mAh/g)，且石墨的不可逆容量可为适宜地小的。作为用于锂电池的负极活性材料，可使用可与锂合金化的金属。可与锂合金化的金属的实例包括Si、Sn和Al。可与锂合金化的金属的电容量可为高的。例如，可与锂合金化的金属的电容量可为石墨的电容量的超过10倍大。然而，由于可与锂合金化的金属在充电/放电过程期间经历大的体积膨胀和收缩，因此在电极中活性材料颗粒可变成隔离的(绝缘的)。所述大的体积膨胀和收缩还可导致增加的表面积，这可导致由于比表面积的增加所致的增加的电解质分解。结果，包括可与锂合金化的金属的电池的寿命特性是差的。因此，提供在具有改善的容量(例如比得上可与锂合金化的金属)的同时能够抑制电池的恶化的材料将是合乎需要的。
技术实现思路
提供具有新型结构的拓扑量子框架。提供通过包括所述拓扑量子框架而具有改善的寿命特性的复合负极活性材料。提供包括所述复合负极活性材料的负极。提供包括所述负极的锂电池。提供通过包括所述拓扑量子框架而能够控制带隙的半导体。提供包括所述半导体的器件。提供制备所述拓扑量子框架的方法。根据一个实施方式的方面，拓扑量子框架包括：设置在不同的方向上且彼此连接的多个一维纳米结构体，其中所述多个一维纳米结构体的一维纳米结构体包括包含能够引入和脱出(deincorporate)锂的金属的第一成分，和其中所述拓扑量子框架是多孔的。根据另一实施方式的方面，复合负极活性材料包括所述拓扑量子框架，其中所述拓扑量子框架包括：设置在不同的方向上且彼此连接的多个一维纳米结构体，其中所述多个一维纳米结构体包括包含能够引入和脱出锂的金属的第一成分，和其中所述拓扑量子框架是多孔的。根据另一实施方式的方面，负极包括所述复合负极活性材料。根据另一实施方式的方面，锂电池包括所述负极。根据另一实施方式的方面，半导体包括所述拓扑量子框架。根据另一实施方式的方面，器件包括所述半导体。根据另一实施方式的方面，制备拓扑量子框架的方法包括：提供包含能够引入和脱出锂的金属的负极；提供锂对电极和将所述负极充电直至所述负极的理论容量的约20％-约60％以制备预锂化的负极；在包括正极和所述预锂化的负极的电池中将所述预锂化的负极充电直至所述负极的理论容量的约100％以制备锂化的负极；和将所述锂化的负极放电以获得包括拓扑量子框架的电极。额外的方面将部分地在随后的描述中阐明且部分地将由所述描述明晰，或者可通过所呈现的实施方式的实践获悉。附图说明本专利或申请文件包含至少一副以彩色制成的图。在请求和支付必要的费用时，具有彩色图的本专利或专利申请公布的副本将由专利局提供。由结合附图考虑的实施方式的以下描述，这些和/或其它方面将变得明晰和更容易理解，其中：图1A为根据一个实施方式的拓扑量子框架的示意图；图1B为图1A的拓扑量子框架的一部分的放大示意图；图1C为图1A的拓扑量子框架的示意性透视二维视图；图1D为根据另一实施方式的拓扑量子框架的示意图；图1E为图1D的拓扑量子框架的一部分的放大示意图；图1F为根据另一实施方式的拓扑量子框架的示意图；图2A为根据实施例1制备的拓扑量子框架的高角环形暗场(HAADF)扫描透射电子显微镜(STEM)图像；图2B为图2A中的拓扑量子框架的透射电子显微镜(TEM)图像；图2C为根据实施例2制备的拓扑量子框架的HAADFSTEM图像；图2D为根据对比例1制备的作为负极活性材料的硅纳米颗粒的HAADFSTEM图像；图3A为图2B中的拓扑量子框架的一部分的放大视图的TEM图像；图3B为与图3A中的放大视图对应的快速傅里叶变换(FFT)衍射图；图4A为拓扑量子框架的黑白HAADFSTEM图像；图4B为显示图4A的元素面扫描图像的彩色图像；图4C为显示图4B中的仅硅的分布的彩色图像；图4D为显示图4B中的仅锂的分布的图像；图4E为显示图4B中的仅碳的分布的图像；图4F为计数(数×103)对电子能量损失(电子伏，eV)的图，其显示关于图4A中的点1的电子能量损失谱法(EELS)分析的结果；图4G为计数(数×103)对电子能量损失(电子伏，eV)的图，其显示关于图4A中的点2的EELS分析的结果；图4H为计数(数×103)对电子能量损失(电子伏，eV)的图，其显示关于图4A中的点3的EELS分析的结果；图5为容量保持力(百分数，％)对循环数的图，其显示对根据实施例3和对比例2制备的锂电池进行的充电/放电测试的结果；和图6为根据实施方式的锂电池的示意图。具体实施方式现在将对实施方式详细地进行介绍，其实例说明于附图中，其中相同的附图标记始终指的是相同的元件。在这点上，本实施方式可具有不同的形式且不应被解释为限于本文中阐明的描述。因此，下面仅通过参考附图描述实施方式以说明方面。如本文中使用的，术语“和/或”包括相关列举项目的一个或多个的任何和全部组合。“或”意味着“和/或”。表述例如“的至少一个(种)”当在要素列表之前或之后时，修饰整个要素列表且不修饰所述列表的单独要素。由于所公开的构思容许多种变化和许多实施方式，因此将在附图中图示且在书面描述中详细地描述具体实施方式。然而，这不意图将本公开内容限于具体的实践模式，且将理解在本专利技术构思中包括不背离精神和技术范围的所有变化、等同物和替代物。本说明书中使用的术语仅用于描述具体实施方式，且不意图限制本专利技术构思。以单数使用的表述涵盖复数表述，除非在上下文中其具有明确不同的含义。在本说明书中，将理解，术语例如“包括”、“具有”和“包含”意图指示在说明书中公开的特征、数量、步骤、动作、部件(组分)、部分(零件)、或其组合的存在，且不意图排除如下可能性：一种或多种另外的特征、数量、步骤、动作、部件(组分)、部分(零件)、或其组合可存在或者可被添加。如本文中使用的，符号“/”可根据上下文被解释为“和”或“或”。为了说明的方便，附图中的元件、层和区域的直径、长度和厚度可被放大或缩小。在整个说明书中，附图中的相同的附图标记表示相同的元件。在整个说明书中，将理解，当一个部件例如层、膜、区域或板被称为“在”另外的部件“上”时，所述部件可直接在所述另外的部件上或者在其上可存在中间部件。相反，当一个元件被称为“直接在”另外的元件“上”时，不存在中间元件。在整个说明书中，尽管像“第一”、“第二”等这样的术语可用于描述各种部件(组分)，但这样的部件(组分)不应限于以上术语。以上术语仅用于将一个部件(组分)区别于另外的部件(组分)。在附图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.拓扑量子框架，包括：设置在不同的方向上且彼此连接的多个一维纳米结构体，其中所述多个一维纳米结构体的一维纳米结构体包括包含能够引入和脱出锂的金属的第一成分，和其中所述拓扑量子框架是多孔的。

【技术特征摘要】
2017.08.02 KR 10-2017-00980701.拓扑量子框架，包括：设置在不同的方向上且彼此连接的多个一维纳米结构体，其中所述多个一维纳米结构体的一维纳米结构体包括包含能够引入和脱出锂的金属的第一成分，和其中所述拓扑量子框架是多孔的。2.如权利要求1所述的拓扑量子框架，其中所述多个一维纳米结构体的一维纳米结构体的直径为5纳米或更小。3.如权利要求1所述的拓扑量子框架，其中所述多个一维纳米结构体的各一维纳米结构体的直径为5纳米或更小。4.如权利要求1所述的拓扑量子框架，其中所述多个一维纳米结构体的一维纳米结构体是线型的。5.如权利要求1所述的拓扑量子框架，其中所述多个一维纳米结构体中的一维纳米结构体的长度方向与在所述拓扑量子框架的表面处的切线方向不同的方向上延伸，其中所述切线方向与在最接近所述一维纳米结构体的表面上的切线对应。6.如权利要求1所述的拓扑量子框架，其中第一一维纳米结构体与第二一维纳米结构体交叉。7.如权利要求1所述的拓扑量子框架，其中所述多个一维纳米结构体的各一维纳米结构体与另外的一维纳米结构体交叉。8.如权利要求1所述的拓扑量子框架，其中所述拓扑量子框架包括由所述多个一维纳米结构体限定的孔，和所述孔的直径为5纳米或更小。9.如权利要求8所述的拓扑量子框架，其中所述孔的横截面具有由设置在第一方向上的第一一维纳米结构体、设置在第二方向上的第二一维纳米结构体、设置在第三方向上的第三一维纳米结构体、和设置在第四方向上的第四一维纳米结构体限定的形状，其中所述第二一维纳米结构体与所述第一一维纳米结构体交叉，所述第三一维纳米结构体与所述第二纳米结构体交叉，且所述第四一维纳米结构体与所述第一一维纳米结构体和所述第三一维纳米结构体交叉。10.如权利要求8所述的拓扑量子框架，其中所述孔的横截面具有包括圆、椭圆形、长方形、三角形、六边形、五边形、或其组合的形状。11.如权利要求8所述的拓扑量子框架，其中所述拓扑量子框架包括所述孔的非周期性的和无序的排列，和其中所述孔的形状是不规则的。12.如权利要求1所述的拓扑量子框架，进一步包括设置在所述多个一维纳米结构体之间的第一二维纳米结构体。13.如权利要求12所述的拓扑量子框架，其中所述第一二维纳米结构体与第二二维纳米结构体交叉。14.如权利要求12所述的拓扑量子框架，其中所述第一二维纳米结构体具有5纳米或更大的厚度和20纳米或更大的长度。15.如权利要求12所述的拓扑量子框架，其中所述第一二维纳米结构体具有与所述多个一维纳米结构体相同的组成。16.如权利要求1所述的拓扑量子框架，其中所述拓扑量子框架具有50％或更大的孔隙率。17.如权利要求1所述的拓扑量子框架，其具有多孔颗粒的形式。18.如权利要求1所述的拓扑量子框架，其中所述拓扑量子框架的孔具有球形笼形状、0.7或更大的球度、和4或更小的纵横比。19.如权利要求1所述的拓扑量子框架，其中所述拓扑量子...

【专利技术属性】
技术研发人员：绪方健，高东秀，全盛湖，武井康一，韩圣洙，李准浩，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国,KR