能量装置及其制造方法制造方法及图纸

直接或通过一个底层在一个集流片层上提供的一种负极活性材料薄膜具有多层结构，所述多层结构包括至少两层含有硅作为主要成分的硅薄膜。由此，即使所述负极活性材料薄膜的厚度增加，也可以通过增加硅薄膜的数目而防止一层硅薄膜厚度的增加。因此，在所述硅薄膜中，基本上为倒截锥状的硅颗粒的直径不会增大。因此，在具有主要含有硅来作为负极活性材料的薄膜的能量装置中，即使增加所述负极活性材料层的厚度以获得大的容量，循环特性也不会退化。

【技术实现步骤摘要】
能量装置及其制造方法专利技术背景1、
本专利技术涉及一种能量装置及其制造方法。2、相关技术介绍锂离子二次电池主要组件包括负极集流片、负极活性材料、电解液、隔膜、正极活性材料，和正极集流片。锂离子二次电池作为用于移动通信设备和各种AV设备的能源扮演重要角色。随着设备小型化和性能增强，锂离子二次电池不断小型化且能量密度增加。因此，对改进构成所述电池的每个元件做了大量的努力。例如，日本专利JP8(1996)-78002A揭示出，能量密度可通过使用一种作为正极活性材料的非晶氧化物而增加，该非晶氧化物是通过用加热的方式熔化特殊过渡金属氧化物混合粉末，继之以快速冷却来获得。此外，日本专利JP2000-12092A揭示出，通过使用一种含锂的过渡金属氧化物作为正极活性材料，使用一种含硅原子的化合物作为负极活性材料，并设定所述正极活性材料的分额大于所述负极活性材料的分额而增强电池容量和循环寿命。此外，日本专利JP2002-83594A揭示出，一种非晶硅薄膜被用作负极活性材料。由于使用了所述非晶硅薄膜，与使用碳的情形相比，可以吸附更大量的锂，因此可以得到容量的增加。然而，在所述非晶硅薄膜用作锂离子二次电池负极材料的情形中，虽然所述非晶硅薄膜吸附大量锂，在充电/放电过程中，所述非晶硅薄膜膨胀和收缩的量也很大。因此，产生了保持循环特性的问题。-->所述非晶硅薄膜可通过真空成膜工艺形成，如溅射、气相淀积、或类似工艺。为了增加所述容量，负极活性材料非晶硅薄膜需要厚到和正电极厚度一致的厚度。然而，当所述非晶硅薄膜的厚度设定得较大时，虽然所述电池容量增加，但是循环特性趋于退化。因此，很难使大容量和循环特性都满足。
技术实现思路
本专利技术解决了现有技术的上述问题，并且其目的是提供一种能量装置，该能量装置包括一种主要含硅的薄膜来作为负极活性材料，并且同时满足大容量和循环特性，以及制造该能量装置的方法。为了实现上述目的，本专利技术所述的能量装置包括一个集流片(collector)层和直接或经由一个底层在所述集流片层上提供的一层负极活性材料薄膜，其中所述负极活性材料薄膜具有多层结构，包括至少两层包含硅作为主要成分的硅薄膜。此外，用于制造本专利技术所述的能量装置的方法包括通过真空成膜方法，直接或经由一个底层在所述集流片层上形成一层负极活性材料薄膜的步骤，其中形成所述负极活性材料薄膜的所述步骤包括至少两个在时间上分开的硅淀积步骤。通过阅读并理解下面参考附图的详细介绍，本专利技术的这些和其它的优点对本领域的技术人员将是显而易见的。附图说明图1是示出用于制造本专利技术的能量装置的一种装置的一个实施例的示意性结构的横截面视图；图2A到2D示意地示出比较实例1、以及例1、2和3中负极活性材料薄膜横截面，按此顺序的SEM图；图3是在本专利技术的例1中的负极活性材料薄膜的厚度方向上的元-->素分布图；图4是在本专利技术的例2中的负极活性材料薄膜的厚度方向上的元素分布图；图5是示出用于制造本专利技术的能量装置的装置的另一个实施例的示意性结构的横截面视图；图6A到6C示意地示出比较实例2、以及例4和例5中负极活性材料薄膜横截面，按此顺序的SEM图；图7是在本专利技术的例4中的负极活性材料薄膜的厚度方向上的元素分布图；图8是示出根据本专利技术实施例2的能量装置的主要部分的示例性结构的示意横截面视图；图9是示出根据本专利技术实施例2的能量装置的示例性的产品形式的示意横截面视图；图10是图9中示出的能量装置的产品形式的示意透视图；图11是示出根据本专利技术实施例2的能量装置的另一个示例性的产品形式的示意横截面视图；图12A是示出在本专利技术的能量装置中的熔断器部分的一个例子的平面视图，而图12B是沿图12A中的线12B-12B在箭头方向上看出的横截面视图；图13是示出用于制造本专利技术能量装置的一种装置的另一个实施例的示意结构的横截面视图；图14A和14B示意地示出在例6和例7中的负极活性材料薄膜的横截面按此顺序的SEM图。优选实施例介绍根据本专利技术的能量装置及其制造方法，即使当所述负极活性材料层的厚度依照所述正极活性材料层的厚度而增加，也可以防止循环特-->性退化。根据这种结构，可以实现同时满足大容量和循环特性的能量装置。本专利技术所述的能量装置包括一个集流片层和直接或经由一个底层在所述集流片层上提供的负极活性材料薄膜。所述负极活性材料薄膜具有多层结构，包括至少两层包含硅作为主要成分的硅薄膜。当通过真空成膜方法或类似方法形成硅薄膜，硅通常形成基本是倒截锥(inverse truncated cone)形状的柱状颗粒，且厚度方向为中心轴方向。当增加所述硅薄膜的厚度以增加电池容量时，基本为倒截锥体形状的所述颗粒的高度增加，并且因此其直径增大。当使用所述硅薄膜来作为锂离子二次电池的负极活性材料执行充电/放电时，锂离子在所述硅薄膜中被反复地吸附/脱附，因此硅颗粒反复地膨胀/收缩。当在所述硅薄膜中出现具有增大直径的所述硅颗粒时，所述硅颗粒的膨胀/收缩引起所述硅薄膜和所述负极集流片层之间的界面剥落，以及所述硅颗粒的应力和破坏，这使循环特性退化。根据本专利技术，所述负极活性材料薄膜具有至少两层硅薄膜的多层结构。因此，即使当所述负极活性材料薄膜的厚度增加，也可以通过增加硅薄膜的数量来防止一层硅薄膜厚度的增加。因此，在所述硅薄膜中的所述硅颗粒直径不被放大。因此，即使当所述负极活性材料薄膜的厚度增加，也能防止循环特性的退化。因此，可以实现一种能同时满足大容量和循环特性的能量装置。根据本专利技术，“包含硅作为主要成分”是指硅含量的原子数百分比为50at％或更高。为了增加所述电池容量，硅含量最好为70at％或更高，更理想为80at％或更高，并且最理想为90at％或更高。这是因为，随着硅含量增加，所述电池容量增加得更多。优选所述硅薄膜具有以厚度方向为纵向的柱状颗粒，并且所述柱状颗粒在厚度方向上彼此邻近的所述硅薄膜之间是不连续的。根据这种结构，可以抑制具有增大直径的硅颗粒的形成。因此，即使在反复-->的充电/放电过程中，当所述硅颗粒由于锂离子的吸附/解吸而膨胀/收缩，所述硅薄膜和所述负极集流片层之间的界面剥落、以及所述硅颗粒的应力和破坏也可以被抑制。因此，可以防止循环特性的退化。优选在彼此邻近的所述硅薄膜之间存在一个界面层。根据这种结构，夹住所述界面层的柱状颗粒可以被形成为不连续，以便抑制具有增大直径的硅颗粒的形成。优选在所述界面层中存在一种硅化合物和气态元素。根据这种结构，夹住所述界面层的柱状颗粒可以被更确实地形成为不连续。优选，该化合物是氮化物或氧化物。这样的化合物易于在所述硅薄膜的形成过程中形成，而且，不连续柱状硅颗粒可以确实形成。或者，在彼此邻近的所述硅薄膜之间提供其中硅含量的原子百分比低于50at％的一层中间层。根据这种结构，夹住所述中间层的所述柱状颗粒可形成不连续状，以便抑制具有增大直径的硅颗粒的形成。优选，所述中间层含锂。根据这种结构，所述中间层可以补充锂离子，以便增加所述电池容量。优选，所述中间层是不连续膜或具有岛状。根据这种结构，离子易于移动，从而可以增强循环特性。优选所述中间层含有一种熔点低于硅的熔点的元素。根据这种结构，这使得易于形成不连续膜或具有岛状的中间层。可以优选，包含在所述硅薄膜中的一部分硅是氧化物。这里本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包括集流片层和负极活性材料薄膜的能量装置，其中所述负极活性材料薄膜直接，或通过一个底层在所述集流片层上，其中所述负极活性材料薄膜具有包括至少两层硅薄膜的多层结构，所述硅薄膜含有硅作为主要成分。

【技术特征摘要】
JP 2003-11-28 399753/20031、一种包括集流片层和负极活性材料薄膜的能量装置，其中所述负极活性材料薄膜直接，或通过一个底层在所述集流片层上，其中所述负极活性材料薄膜具有包括至少两层硅薄膜的多层结构，所述硅薄膜含有硅作为主要成分。2、如权利要求1所述的能量装置，其中所述硅薄膜具有柱状颗粒，其厚度方向是其纵向方向，以及所述柱状颗粒在厚度方向上彼此相邻的所述硅薄膜之间是不连续的。3、如权利要求1所述的能量装置，其中在彼此相邻的所述硅薄膜之间存在一个界面层。4、如权利要求3所述的能量装置，其中在所述界面层中存在硅和一种气体元素的化合物。5、如权利要求4所述的能量装置，其中所述化合物是氮化物或氧化物。6、如权利要求1所述的能量装置，其中在彼此邻近的所述硅薄膜之间存在一个硅含量的原子百分数小于50％的中间层。7、如权利要求6所述的能量装置，其中所述中间层含锂。8、如权利要求6所述的能量装置，其中所述中间层是不连续膜。-->9、如权利要求6所述的能量装置，其中所述中间层具有岛状。10、如权利要求6所述的能量装置，其中所述中间层含有熔点比硅的熔点低的元素。11、如权利要求1所述的能量装置，其中包含在所述硅薄膜中的一部分硅是氧化物。12、一种用于制造能量装置的方法，在所述能量装置中，负极活性材料薄膜和正极活性材料薄膜通过一个不导电的层彼此相对，所述方法包括以下步骤：通过真空成膜方法，直接或通过一个底层，在一个集流片层上形成所述负极活性材料薄膜，且形成所述正极...

【专利技术属性】
技术研发人员：本田和义，大石毅一郎，美藤靖彦，中本贵之，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]