[發明專利]蓄電裝置

有效

• 申請號: 201210368578.3
• 申請日: 2012-09-28
• 公開（公告）號: CN103035880B
• 公開（公告）日: 2016-11-09
• 發明（設計）人: 長多剛;田島亮太;小國哲平;山崎舜平
• 申請（專利權）人: 株式會社半導體能源研究所
• 主分類號: H01M4/134
• 分類號: H01M4/134;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 何欣亭;朱海煜

技術領域

本發明涉及一種蓄電裝置用負極、使用該負極的蓄電裝置及其制造方法。

背景技術

近年來，已對鋰二次電池、鋰離子電容器、空氣電池等蓄電裝置進行了開發。

蓄電裝置具有兩種電極,即正極和負極。蓄電裝置用負極通過在集電體的一個表面形成活性物質而制造。作為負極活性物質，例如使用碳或硅等能夠進行用作載流子的離子（以下，表示為載流子離子（carrier?ion））的吸留和釋放的材料。例如，由于硅或摻雜有磷的硅和碳相比能夠吸留大約四倍的載流子離子，所以其理論容量大，在蓄電裝置的大容量化這一點上占優勢。

但是，當載流子離子的吸留量增大時，產生如下問題：充放電循環中的伴隨載流子離子的吸留和釋放的體積變化大，集電體與硅的緊貼性降低，而充放電導致電池特性的劣化。于是，通過在集電體上形成由硅構成的層且在該由硅構成的層上設置由石墨（graphite）構成的層，降低由硅構成的層的膨脹收縮所導致的電池特性的劣化（參照專利文獻1）。

另外，硅的導電性比碳低，因此通過使用石墨烯（graphene）覆蓋硅粒子的表面并將該包括硅粒子的活性物質層形成在集電體上，制造降低了活性物質層的電阻率的負極。

另一方面，近年來，提出了在半導體裝置中作為具有導電性的電子構件使用石墨烯的技術。石墨烯是指具有sp²鍵的1原子層的碳分子薄片。

由于石墨烯具有化學穩定性和良好的電特性，所以期待將石墨烯應用于半導體裝置的晶體管的溝道區、導通孔（via）、布線等。此外，為了提高鋰離子電池用電極材料的導電性，使用石墨或石墨烯覆蓋粒子狀的活性物質（參照專利文獻2）。

另外，在通過使用設置有多個突起的正極及負極來實現大容量化的蓄電裝置中，為了降低因充放電所導致的電極的體積膨脹而施加到設置在電極之間的隔板（separator）的壓力，在正極及負極的每個突起的頭端分別設置絕緣體（參照專利文獻3至5）。

專利文獻1：日本專利申請公開2001-283834號公報；

專利文獻2：日本專利申請公開2011-29184號公報；

專利文獻3：日本專利申請公開2010-219030號公報；

專利文獻4：日本專利申請公開2010-239122號公報；

專利文獻5：日本專利申請公開2010-219392號公報。

發明內容

但是，當使用由石墨構成的層覆蓋設置在集電體上的由硅構成的層時，由石墨構成的層的厚度從亞微米變厚至微米，而使電解質和由硅構成的層之間的載流子離子的遷移量降低。另一方面，在包含由石墨覆蓋的硅粒子的活性物質層中，包含在活性物質層中的硅的含量降低。其結果是，硅與載流子離子的反應量減少，而這會導致充放電容量的降低，且難以對蓄電裝置進行急速充放電。

此外，即使使用石墨烯覆蓋粒子狀的活性物質，也難以抑制由于反復充放電而產生的體積的膨脹及其帶來的粒子狀的活性物質的微粉化。

于是，本發明的一個方式提供一種充放電容量大，能夠進行急速充放電且充放電所導致的電池特性的劣化少，即所謂的充放電特性得到了提高的蓄電裝置用負極和使用該負極的蓄電裝置。

本發明的一個方式是蓄電裝置用負極，該蓄電裝置用負極包括：集電體；以及設置在集電體上的、設置有多個在表面開口的空洞的活性物質層。

本發明的一個方式是蓄電裝置用負極，該蓄電裝置用負極包括集電體及活性物質層，其中活性物質層包括共通部、突出部及多個空洞，共通部設置在集電體上，并且突出部具有從共通部突出的形狀。

本發明的一個方式是負極的制造方法，該負極的制造方法包括如下步驟：在活性物質層上形成掩模；然后對活性物質層的一部分進行蝕刻來至少形成突出部及多個空洞；以及在活性物質層上形成石墨烯。

本發明的一個方式是負極的制造方法，該負極的制造方法包括如下步驟：在硅襯底上形成掩模；然后對硅襯底的一部分進行蝕刻形成共通部、突出部及多個空洞；以及在共通部及突出部上形成石墨烯。

本發明的一個方式是使用上述負極形成的蓄電裝置。

當從活性物質層一側看時，作為本發明的一個方式的負極具有空洞由突出部圍繞的形狀。換言之，在作為本發明的一個方式的負極的俯視圖中，該負極具有空洞由活性物質層圍繞的形狀。