锂二次电池及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种锂二次电池及其制造方法。一种锂二次电池包括由正电极活性材料制成的正电极和直接层叠在所述正电极上的半导体衬底。在所述锂二次电池充电时在所述正电极活性材料中形成的电荷载流子与所述半导体衬底的载流子相同，并且所述半导体衬底被用作集电体。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及锂二次电池及制造该锂二次电池的方法，更具体而言，涉及其中由正电极活性材料构成的正电极直接层叠在作为集电体(collector) 的半导体衬底上的锂二次电池。
技术介绍
随着移动装置的普及，近年来广泛釆用可用作电源的可再充电二次电 池。移动装置的性能和功能的改进还要求二次电池尺寸更小、重量更轻、 厚度更薄并具有更高容量。锂二次电池是满足这样的要求的二次电池。目 前所使用的锂二次电池主要采用锂钴氧化物作为正电极活性材料且采用碳 材料作为负电极活性材料。除了正电极活性材料和负电极活性材料之外， 锂二次电池还包括作为构成要素的电解液和隔离物(s印arator)、或固体 电解质、正电极集电体和负电极集电体。具有这些构成要素的锂二次电池 的存储容量接近极限，并且容量难以显著提高。此外，在用于电子电路的 薄膜电池中，存在对电池体积的限制。结果，必须减小电极层厚度，由此 减小了电池容量。因此，已考虑将各种可选的材料用作正电极活性材料、负电极活性材 料、电解质和隔离物。例如，已提议使用含锂的过渡金属化合物例如锂镍 氧化物或锂锰氧化物作为正电极活性材料，在正电极或负电极与隔离物之 间引入特定的无机材料多孔层，并使用包括特定的电解质的电解液，但没 有大幅超过利用使用锂钴氧化物和碳材料的组合的锂二次电池而获得的性 能水平。因此，已提出了这样一种电极结构，其包括设置在二次电池的正 电极和负电极二者处的金属集电体(日本专利申请公开No.10-284130(JP画A画10画284130),日本专利No,39893S9， Journal of Power Sources, 168(2007)的第493到500页)。JP-A-10-284130描述了半导体衬底安装型二次电池，其中薄膜电极和 固体电解质被安装在半导体衬底上。在特定的实例中，描述了这样的二次 电池，其中布线电极、负电极、固体电解质、正电极以及布线电极被层叠 在p型或n型硅衬底上。日本专利]\0.3989389描述了这样的固体二次电池，其中，将通过表面 改性半导体元素衬底而形成的多孔膜用作负电极活性材料。在特定的实例 中，描述了这样的固体薄膜二次电池，其中，依次层叠Si晶体衬底(半导 体衬底)、多孑L硅层(负电极活性材料)、固体电解质、正电极活性材料 以及集电体电极。Journal of Power Sources, 168 (2007)的第493到500页描述了其中 LiCo02活性材料被外延生长在Nb掺杂的SrTi03衬底上的电极体。LiCo02 活性材料的取向取决于SrTi03衬底，并且通过控制LiCo(V活性材料的取 向来增加电池输出。然而，对于在JP-A-10-284130中描述的二次电池，因为布线电极作为 集电体，获得了其中集电体被层叠在半导体衬底上的结构，二次电池的能 量密度低。在日本专利No.3989389中描述的结构涉及负电极并且不能被直 接应用于正电极。对于在Journal of Power Sources, 168 (2007)的第493到 500页中所描述的结构，因为公知Nb掺杂的SrTi03衬底是n型半导体衬 底，在充电和放电时电子传导方向颠倒的情况下，活性材料和集电体的电 阻会改变。结果，可逆性不足。因此，在充电期间锂二次电池中的半导体 衬底和正电极活性材料的电阻高，不能获得其正电极具有高能量密度的锂 二次电池。
技术实现思路
本专利技术提供一种锂二次电池，其中半导体衬底和正电极活性材料的电 阻低，并且该锂二次电池的正电极具有高能量密度。本专利技术的第 一方面涉及一种锂二次电池。所述锂二次电池包括由正电 极活性材料制成的正电极以及直接层叠在所述正电极上的半导体村底，其 中，在所述锂二次电池充电时在所述正电极活性材料中形成的电荷载流子 与所述半导体衬底的载流子相同，并且所述半导体衬底4皮用作集电体。根据本专利技术的第一方面，可以提供一种锂二次电池，其中半导体衬底 和正电极活性材料的电阻低，并且该锂二次电池的正电极具有高能量密度。在第一方面中，在所述锂二次电池充电时在所述正电极活性材料中形 成的电荷载流子与所述半导体衬底的载流子都为P型，所述正电极活性材料为LiMii204或LiCo02，并且所述半导体衬底为p型珪半导体。此外， 在第一方面中，被层叠的所述正电极活性材料的厚度范围为O.lpm至 lOOjLtm，优选ljnm至50nm。第一方面的所述锂二次电池还包括电解质层，形成在所述正电极的 与所述半导体衬底侧相反的侧上；负电极，形成在所述电解质层的与所述 正电极侧相反的侧上；以及负电极集电体，形成在所述负电极的与所述电 解质层侧相反的侧上。本专利技术的第二方面涉及一种制造锂二次电池的方法。利用该制造方法， 在所述半导体衬底上层叠所述正电极；在所述正电极上层叠电解质层；在 所述电解质层上层叠负电极；以及在所述负电极上层叠负电极集电体。根据第二方面，可以提供一种锂二次电池，其中半导体衬底和正电极 活性材料的电阻低，并且该锂二次电池的正电极具有高能量密度。在第二方面中，通过脉沖激光淀积(PLD)方法在所述半导体衬底上 层叠所述正电极的薄膜，并且在所述半导体衬底上层叠所述正电极的同时 或者在所述半导体衬底上层叠所述正电极之后烧结所述正电极。附图说明在下面的参考附图给出的本专利技术的示例性实施例的详细说明中，描述 本专利技术的特征、优点以及技术和工业重要性，在附图中相同的标号表示相 同的部件，其中图1是示出了通过在本专利技术的实施例的实例1中获得的锂二次电池的恒定电流充放电测量确定的充放电曲线的图2是示出了通过在比较实例1中获得的锂二次电池的恒定电流充放 电测量确定的充放电曲线的图；以及图3是示出了通过在比较实例2中获得的锂二次电池的恒定电流充放 电测量确定的充放电曲线的图。具体实施例方式下面描述本专利技术的示例性实施例。(1) 锂二次电池，其中，在锂二次电池充电时在正电极活性材料中形 成的电荷载流子和半导体衬底的载流子均为p型。(2) 锂二次电池，其中，正电极活性材料为LiMn204，并且半导体 衬底为p型半导体。(3) 锂二次电池，其中，半导体衬底为p型硅村底。根据本专利技术的锂二次电池的实施例包括由正电极活性材料制成的正电 极和直接层叠在该正电极上的半导体衬底，其中在锂二次电池充电时在正 电极活性材料中形成的电荷载流子和半导体衬底的载流子是相同的，并且 半导体衬底被用作集电体。在该实施例中，在锂二次电池充电时在正电极 活性材料中形成的电荷载流子和半导体衬底的载流子为p型或n型。在该 实施例的示例性锂二次电池中，包括正电极活性材料的正电极和半导体衬 底分别是在充电期间为p型的正电极和p型半导体衬底，并且正电极被直 接层叠在p型半导体衬底上。比较而言，通过采用其中在充电期间为p型的正电极活性材料与作为 n型半导体的半导体村底的组合，或采用其中在充电期间为n型的正电极 活性材料与作为p型半导体的半导体衬底的组合，半导体衬底和正电极活 性材料的电阻高，因此不能获得其正电极具有高能量密度的锂二次电池。关于在该实施例中的正电极活性材料与半导体的具体组合，正电极活 性材料可以为例如LiCo02，在充电期间正电极活性材料Li^CoOz为p型，7并且半导体衬底为p型半导体。在正电极活本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂二次电池，包括：　正电极，包括正电极活性材料；以及　半导体衬底，直接层叠在所述正电极上，其中　在所述锂二次电池充电时在所述正电极活性材料中形成的电荷载流子与所述半导体衬底的载流子相同，并且所述半导体衬底被用作集电体。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：水野史教，园山范之，原邦彦，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，株式会社根本研究所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]