[發(fā)明專利]蓄電裝置

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210312716.6
• 申請日: 2012-08-29
• 公開（公告）號: CN102969529A
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 竹內(nèi)敏彥;高橋?qū)?/a>;長多剛;小國哲平;種村和幸
• 申請（專利權(quán)）人: 株式會社半導(dǎo)體能源研究所
• 主分類號: H01M10/0525
• 分類號: H01M10/0525;H01M4/134;H01G9/042
• 代理公司: 上海專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 31100
• 代理人: 馮雅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種蓄電裝置及其制造方法。

這里，蓄電裝置是指具有蓄電功能的所有元件及裝置。

背景技術(shù)

近年來，作為解決能量資源的制約或環(huán)境問題等的一部分，對鋰離子二次電池、鋰離子電容器、及空氣電池等的蓄電裝置積極地進(jìn)行了開發(fā)。

蓄電裝置用的電極是通過在集電體的一個(gè)表面上形成活性物質(zhì)來制造的。作為活性物質(zhì)，例如使用碳或硅等的能夠儲藏和釋放成為載流子的離子的材料。例如，硅或摻雜了磷的硅比碳的理論容量大，所以從蓄電裝置的大容量化的觀點(diǎn)來看是優(yōu)選的（例如專利文獻(xiàn)1）。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

[專利文獻(xiàn)1]日本專利特開2001-210315號公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明所要解決的技術(shù)問題

然而，即使將硅用作負(fù)極活性物質(zhì)，獲得理論容量那樣的高放電容量也是很困難的。于是，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠提高放電容量等蓄電裝置的性能的蓄電裝置及其制造方法。

解決問題所采用的技術(shù)方案

于是，發(fā)明人等制造了將具有須狀硅的硅層作為負(fù)極活性物質(zhì)用在集電體上的蓄電裝置。通過具有這種須狀突起物作為負(fù)極活性物質(zhì)的一部分，活性物質(zhì)層的表面積增大。隨著表面積的增大，按每單位質(zhì)量計(jì)增快蓄電裝置中的鋰離子等反應(yīng)物質(zhì)儲藏在硅層中的速度，或者反應(yīng)物質(zhì)從硅層釋放的速度。通過增快反應(yīng)物質(zhì)的儲藏或釋放的速度而使高電流密度下的反應(yīng)物質(zhì)的儲藏量或釋放量增大，所以可以提高蓄電裝置的放電容量或充電容量。即，通過使用具有須狀硅的硅層作為活性物質(zhì)層，可以提高蓄電裝置的性能。

本發(fā)明的一個(gè)方式是一種蓄電裝置，包括：集電體；以及在集電體上形成的用作活性物質(zhì)層的硅層，其中，硅層包括：薄膜狀部分（以下稱為薄膜部）；以及多個(gè)須狀（須狀、線狀或纖維狀）的部分（以下簡稱為晶須），并且，多個(gè)晶須的根部形成為共有的根塊狀部分（以下簡稱為根塊）。形成在集電體上的多個(gè)晶須在其形成過程中其一部分的根部集合為根塊狀而延伸出。從俯視方向來看多個(gè)根塊散布在薄膜部中，從縱截面方向來看根塊形成在集電體上。換言之，根塊是多個(gè)晶須的束，并且可以解釋為晶須群。作為多個(gè)晶須的根部的集合的根塊，形成在薄膜部中及薄膜部上，并從根塊分支為多個(gè)晶須而突出。但是，硅層中的所有晶須未必是集合地生長的根塊，其一部分可以是獨(dú)立地生長在集電體上的單體晶須。

作為集電體，可以采用以鈦、鉑、鋁、銅為代表的金屬元素等導(dǎo)電性高的材料。另外，可以利用與硅起反應(yīng)而形成硅化物的金屬元素形成集電體。

晶須是具有彎曲或分支的部位的突起物，并從根部在規(guī)定方向上或在任意方向上延伸出。在本發(fā)明中，延伸是指晶須生長而變長。晶須的形狀例如為圓柱狀、棱柱狀等的柱狀或圓錐狀、棱錐狀等的針狀。

通過使用包含硅的沉積性氣體作為原料氣體并利用減壓化學(xué)氣相淀積法（以下也稱為減壓CVD法或LPCVD(Low?Pressure?ChemicalVapor?Deposition)法），形成硅層。將具有包含硅的沉積性氣體的原料氣體供應(yīng)到反應(yīng)空間中，以高于500℃的溫度進(jìn)行LPCVD法。由此，硅層的薄膜部形成在集電體上，并且晶須生長。

在此，當(dāng)為了增大放電容量以彼此靠近的方式形成根塊狀晶須群時(shí)，隨著成為載流子的離子的儲藏，發(fā)生根塊本身的體積膨脹。由此，有可能由于根塊彼此接觸，硅層從集電體剝離。另外，晶須是細(xì)長的須狀、線狀或纖維狀，由此一般而言機(jī)械強(qiáng)度低且不耐物理沖擊。由此，尤其當(dāng)制造使用卷繞機(jī)的卷繞電極體等時(shí)，有可能損壞具有晶須的硅層。

于是，本發(fā)明的一個(gè)方式是一種蓄電裝置，該蓄電裝置具有如下結(jié)構(gòu)：通過使從一個(gè)根塊延伸出的晶須的一部分與從其他根塊延伸出的晶須的一部分結(jié)合，由該結(jié)合的晶須對不同的多個(gè)根塊進(jìn)行架橋。另外，本發(fā)明的一個(gè)方式是一種蓄電裝置，該蓄電裝置具有如下結(jié)構(gòu)：通過使從一個(gè)根塊延伸出的晶須的一部分與從其他根塊延伸出的晶須的一部分結(jié)合并交叉，由該結(jié)合的晶須對不同的多個(gè)根塊進(jìn)行架橋。

優(yōu)選的是，晶須成為軸的芯部分由晶體硅構(gòu)成，其周邊部分的外殼由非晶結(jié)構(gòu)(無定形結(jié)構(gòu))的硅構(gòu)成。晶須隨著芯部分的結(jié)晶生長延伸出，非晶結(jié)構(gòu)的硅以覆蓋芯的方式形成在芯的周邊。

當(dāng)從一個(gè)根塊延伸出的晶須與從其他根塊延伸出的晶須接觸時(shí)，在它們的接觸點(diǎn)上晶須彼此接觸而結(jié)合。然后，各個(gè)晶須有時(shí)會在原來延伸的方向上進(jìn)一步延伸。在此情況下，進(jìn)一步延伸的該晶須有時(shí)也會與其他晶須結(jié)合。如上所述，通過使從其他根塊產(chǎn)生的多個(gè)晶須結(jié)合而形成架橋結(jié)構(gòu)，來提高晶須整體的機(jī)械強(qiáng)度。

發(fā)明的效果