MEMS阳极电池制造技术

本申请公开了一种微加工的微米尺寸的电池，其具有优异的性能属性。该电池使用钛阳极，其被蚀刻而在钛阳极上形成多个突起特征。突起特征上共形地涂布有高导电性金属。之后，在高导电性金属上方形成钛层。之后，将该钛层氧化，以进一步提供小尺寸粗糙度。粗糙度提高表面积，其提升阳极对锂离子的吸收。可以将该电池与钛热底板组合，从而通过从电池中除去热量来进一步增强其性能。进一步增强其性能。进一步增强其性能。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】MEMS阳极电池
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本美国非临时专利申请要求2018年12月20日提交的美国临时申请序列号62782367的优先权。该在先申请通过引用全文纳入本文。
[0003]关于联邦资助研究的说明
[0004]无。
[0005]关于缩微胶片附录的声明
[0006]无。

技术介绍

[0007]本专利技术涉及电池技术。
[0008]在目前可用的电源中，用户不得不在功率和能量之间做出选择。对于需要大量功率的应用，如远距离广播无线电信号，电容器可以非常迅速地释放能量，但只能存储少量能量。对于需要大量能量的应用，如长时间播放收音机，燃料电池和电池可以容纳大量能量，但释放或充电缓慢。
[0009]锂离子电池(简称LiB)是便携式电子设备中常见的电池，具有能量密度高、记忆效应小、自放电低等优点。现在普遍存在的锂离子电池是可充电的，是锂离子在放电时从负极移动到正极而充电时又返回的电池。与非充电锂电池中使用的金属锂相比，锂离子电池使用插层锂化合物作为一种电极材料。LIB在军事、电池电动汽车和航空航天应用中也越来越受欢迎。
[0010]商业上最流行的LiB负极是石墨。正极一般是以下三种材料之一：层状氧化物(如锂钴氧化物)、聚阴离子(如磷酸铁锂)或尖晶石(如锂锰氧化物)。最近，石墨烯基电极(基于石墨烯的二维和三维结构)也被用作锂电池的电极。电解质通常是有机碳酸酯的混合物，例如碳酸乙烯酯或碳酸二乙酯，其含有锂离子的配合物。近年来，由于硅具有较大的理论比容量，人们开始研究硅作为负极材料，但是硅具有一些不理想的机械性能。
[0011]化学、性能、成本和安全特性因LIB类型而异。便携式电子设备大多使用基于锂钴氧化物的LiB，其提供高能量密度，但是存在安全风险，特别是在损坏时。
[0012]事实上，锂离子电池可能成为安全隐患，因为它们含有可燃的电解质，并且可能持续被加压。纯锂具有很高的反应性，与水剧烈反应形成氢氧化锂(LiOH)和氢气。因此，通常使用非水电介质，并且用密封容器将水分严格地排出在电池组外。若LiB充电过快、被压坏、或者其承受的电力负荷超过了其安全承受能力，则外部短路可能会触发电池爆炸或引发火灾。
[0013]最后，LiB比NiCd电池更昂贵，但是能在更宽的温度范围内工作，能量密度更高。它们需要保护电路来限制峰值电压。
[0014]因此，商用锂离子电池(LIB)存在许多安全性、成本和可靠性问题。石墨阳极LIB受到过充电、过热和短路的困扰。硅基阳极LiB在充放电过程中会发生较大的体积变化，导致硅的最终破坏和之后的副反应。

技术实现思路

[0015]本申请公开了一种高性能、改进的电池，特别是用于重量较为重要的那些应用。该电池具有出色的性能，具有存储容量更大、充电时间更短、安全性能更好、体积更小等优点。
[0016]本专利技术的一个目的是提供一种相对于锂离子电池具有改进的性能的小形状因子电池的结构。
[0017]本专利技术的另一个目的是提供一种相对于锂离子电池具有更高的安全属性的小形状因子电池的结构。
[0018]本专利技术的另一个目的是提供一种相对于锂离子电池具有改进的再充电性能的小形状因子电池的结构。
[0019]本专利技术的另一个目的是提供一种相对于锂离子电池更便宜、更小且更轻的小形状因子电池的结构。
[0020]本专利技术的另一个目的是提供一种相对于锂离子电池具有更高的电压放电平台容量的小形状因子电池的结构。
[0021]本专利技术的另一个目的是提供一种相对于锂离子电池更加环境友好的小形状因子电池的结构。
[0022]本专利技术的另一个目的是提供一种相对于锂离子电池具有优异的循环稳定性且因此具有更长的寿命的小形状因子电池的结构。
[0023]本文描述的结构中，用钛基材料取代石墨或石墨烯。特别地，用氧化钛(TiO2)代替碳。TiO2本身具有比石墨更高的锂嵌入电位，并且不产生氢气，从而规避了上述问题。基于MEMS的制造技术对阳极形态造成影响。
[0024]本文提出的结构用钛基材料代替石墨阳极。钛基阳极LiB可以规避上述安全性和可靠性问题，但具有相对较低的比能量容量和相对较低的电导率。钛合金，特别是氧化物TiO2，例如，本身具有比石墨更高的锂嵌入电位、以及一系列其他理想的性能属性。
[0025]该结构的重点是LIB阳极，因为它在很大程度上控制能量和功率密度，并且对热稳定性起到重要贡献。考虑到TiO2中的大部分锂离子都是在表面10nm范围内检测到的，而较大的充电/放电容量是由表面几纳米范围内的锂离子驱动的，因此增大阳极表面积会对能量密度产生显著影响。
[0026]为了利用高表面积阳极以及钛的安全性和可靠性的优点，本文描述的结构使用MEMS制造技术，以提供三维(3D)表面积轮廓，这在本文中称为“突起特征”，其突出于或高出于周围表面。3D钛MEMS突起特征可以是纳米结构的柱的形式，提供与平面阳极相比150量级的表面积增加。这反过来提供更多的靠近表面的锂离子嵌入位点，减少内阻并增加能量和功率密度。
[0027]本文描述的结构还通过添加集成导电性网络来解决钛基阳极中常见的电阻问题。低电阻率金属涂层共形地设置在3D阳极表面上方。
[0028]因此，电池使用微加工的电极或端子。电极或端子可以包含钛，并且可以具有远超过标准电极形态的微粗糙度。由于这种粗糙度，端子的表面积比标准端子或电极大得多。Ti阳极在Li离子嵌入/脱嵌过程中可以体现出较小的体积变化(<4％)。Ti阳极还可以具有优异的结构和化学稳定性。
[0029]以往，与Ti阳极相关的另一个问题是电导率低。通过在Ti基高表面积轮廓的顶部
上方沉积高导电性金属薄层，可以解决这一缺点。高导电性金属层可以增强TiO2材料原本相当差的电导率。
[0030]之后可以用另一个Ti基膜覆盖该金属层，其在纳米尺度上被粗糙化。在微粗糙化过程中，该TiO2的外层可能具有小尺度的形貌，这可以将表面积增加到平面石墨阳极上所能达到的表面积的150倍左右。通过这种方式，提供高导电性金网络(即低电阻率/高电导率金属的薄层)，其与NST柱集成在一起，以支持Li
+
离子运输，降低电子(e
‑
)路径的电阻。这实现了更高嵌入率的阳极。因此，该结构还通过添加集成导电性网络来解决钛基阳极中常见的电阻问题。这两个特征可以用于显著提高功率密度。
[0031]因此，本文描述了一种电池，其可以包括：金属阳极，其包含多个微加工的突起特征，其中，微加工的突起特征的纵横比即高度/直径可以为至少1，间距可以为1～50微米。电池还可以包括：第二金属的金属涂层，其与金属阳极和微加工的突起特征共形；以及金属涂层上方的金属氧化物层；其中，金属氧化物层具有至少1nm rms的微加工的粗糙度。在一些实施方式中，金属阳极可以是钛金属阳极，金属氧化物可以是TiO2。
[0032]附图简要说明
[0033]参照以下附图描本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电池，包含：金属阳极，其具有多个微加工的突起特征，其中，微加工的突起特征的纵横比高度/直径为至少1，间距为1
‑
50微米；第二金属的金属涂层，其与金属阳极和微加工的突起特征共形；金属涂层上方的金属氧化物层，其中，金属氧化物层的微加工的微粗糙度为至少1nm rms。2.如权利要求1所述的电池，其中，金属阳极包含钛，金属氧化物涂层包含TiO2，其中，第二金属的金属涂层包含金、银、铂、铜和铝中至少一种，其电阻率小于1欧姆
‑
米。3.如权利要求1所述的电池，其中，金属阳极包含钛合金，金属氧化物层包含钛金属合金的氧化物。4.如权利要求1所述的电池，其进一步包含阴极、阴极与阳极之间的电解质，其中，阴极包含层状锂过渡金属化合物。5.如权利要求1所述的电池，其中，金属氧化物层的微粗糙度为1
‑
1000nm rms。6.如权利要求1所述的电池，其中，电池的总厚度为至少0.2mm。7.如权利要求1所述的电池，其中，电池的横向尺寸小于约10mm。8.如权利要求1所述的电池，其中，电池的比能量密度为至少约600W
‑
hr/kg。9.如权利要求1所述的电池，其中，金属氧化物层的微粗糙度为至少100
‑
300nm rms。10.如权利要求1所述的电池，其中，突起特征包含柱、支柱、沟槽、通道和四面体突起中至少一种。11.如权利要求1所述的电池，其中，突起特征包含直径为0.5
‑
10微米的柱，其中，柱相对于剩余表面高出10
‑
50微米，使得柱的纵横比为至少1。12.如权利要求1所述的电池，其中，突起特征包含直径为1
‑
2μm且高度为10
‑
12μm的柱，中心到中心间距为1.5
‑
2.5μm，使得阳极表面积增加至少2倍。13.如权利要求4所述的电池，其中，阳极、阴极和电解质被密封在钛壳体中。14.如权利要求7所述的电池，其中，电池的厚度小于约0.5mm，使得电池具有挠性，从而在尺寸不规则的受限空间中匹配。15.如权利要求4所述的电池，其中，阴极包含层状Li2MnO
3+
/LiMnO2结构，电解质为碳酸亚乙酯与碳酸二乙酯50/50混合物中的1M LiPF6。16.如权利要求11所述的电池，其中，柱的直径为5微米，其中，柱相对于剩余表面高出20微米，并且纵横比为至少10。17.如权利要求1所述的电池，其中，金属氧化物层进一步包含由氧化钛形成的微粗糙度，rms粗糙度为至少1nm。18.如权利要求4所述的电池，其中，电解质包含固态电解质。19.如权利要求1所述的电池，其中，金属氧化物层包含钛氧化物，...

【专利技术属性】
技术研发人员：P，
申请(专利权)人：皮梅姆斯公司，
类型：发明
国别省市：