CN102918683B - 电力存储设备、电极和电气设备 - Google Patents

电力存储设备、电极和电气设备 Download PDF

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Abstract

目的在于通过设计活性材料层的形状来改进电力存储设备的特性。可通过提供包括第一电极、第二电极、以及设置在第一电极和第二电极之间的电解质的电力存储设备来改进电力存储设备的特性。第二电极包括活性材料层。活性材料层包括包含活性材料的多个凸部以及包含活性材料的多个颗粒，这些颗粒排列在多个凸部上或者多个凸部之间的空隙中。

Description

电力存储设备、电极和电气设备
技术领域
本发明涉及电力存储设备（存储电池或二次电池）、电气设备等。
注意，电力存储设备是至少具有存储电力的功能的设备。
另外，电气设备是至少具有通过电能驱动的功能的设备。
背景技术
专利文献1公开了使用包括膜形活性材料层的电极的电力存储设备。
[参考文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本公开专利申请No.2001-210315
发明内容
在专利文献1中，根本不设计活性材料层的形状。
鉴于以上内容，第一目的在于提供用于提供设计活性材料层的形状来改进电力存储设备的特性的手段。
第二目的在于提供新颖的电气设备。
注意，在下文中公开的本发明至少实现第一目的或第二目的。
优选使用包括多个凸部的活性材料层，这些凸部包含活性材料。
另外，优选使用包括包含活性材料的多个凸部以及包含活性材料的多个颗粒的活性材料层，这些颗粒排列在多个凸部上或者多个凸部之间的空隙中。
即，有可能提供包括第一电极、第二电极、以及设置在第一电极和第二电极之间的电解质的电力存储设备，其中第二电极包括活性材料层，该活性材料层包括包含活性材料的多个凸部。
在以上电力存储设备中，优选活性材料层包括包含活性材料的多个颗粒，这些颗粒排列在多个凸部上或者多个凸部之间的空隙中。
在以上电力存储设备中，优选多个颗粒中的一些颗粒是通过断裂多个凸部中的一些凸部而形成的颗粒。
在以上电力存储设备中，优选多个凸部和多个颗粒用包含活性材料或金属材料的保护膜覆盖。
在以上电力存储设备中，优选多个凸部的形状不一致。
在以上电力存储设备中，优选多个凸部中的一些凸部局部地断裂。
以上电力存储设备优选包括在多个凸部之间的空隙中包含活性材料的表面。
另外，电力存储设备优选被包括在电气设备中。
另外，有可能提供在电力存储设备中使用且包括活性材料层的电极，该活性材料层包括包含活性材料的多个凸部。
在以上电极中，优选活性材料层包括包含活性材料的多个颗粒，这些颗粒排列在多个凸部上或者多个凸部之间的空隙中。
在以上电极中，优选多个颗粒中的一些颗粒是通过断裂多个凸部中的一些凸部而形成的颗粒。
在以上电极中，优选多个凸部和多个颗粒用包含活性材料或金属材料的保护膜覆盖。
在以上电极中，优选多个凸部的形状是不一致的。
在以上电极中，优选多个凸部中的一些凸部局部地断裂。
以上电极优选包括在多个凸部之间的空隙中包含活性材料的表面。
通过使用包括包含活性材料的多个凸部的活性材料层，可改进电力存储设备的特性。
通过使用包括包含活性材料的多个凸部以及排列在多个凸部上或者多个凸部之间的空隙中的包含活性材料的多个颗粒的活性材料层，可改进电力存储设备的特性。
附图说明
图1A和1B示出电极的示例。
图2A至2C示出用于制造电极的方法的示例。
图3A和3B示出电极的示例。
图4A至4C示出用于制造电极的方法的示例。
图5A和5B示出用于制造电极的方法的示例。
图6A和6B示出用于制造电极的方法的示例。
图7A和7B示出电极的示例。
图8A和8B示出电极的示例。
图9A和9B示出电极的示例。
图10A和10B示出电极的示例。
图11A和11B示出电极的示例。
图12示出用于制造电极的方法的示例。
图13A和13B各自示出用于制造电极的方法的示例。
图14A和14B各自示出用于制造电极的方法的示例。
图15A至15C示出用于制造电极的方法的示例。
图16A和16B示出电力存储设备的示例。
图17示出电极（电子显微图像）的示例。
图18A和18B各自示出电气设备的示例。
图19示出电力存储设备的示例。
图20A和20B各自示出电推进车辆的示例。
具体实施方式
将参考附图详细地描述各个实施例和示例。
本领域技术人员容易理解，各个实施例和示例的模式和细节可以各种方式修改，而不背离本发明的精神和范围。
因此，本发明不应被解释为限于以下实施例中所描述的内容。
在以下给出的结构中，在不同的附图中，相同的部分或者具有类似功能的部分由相同的附图标记表示，并且将不再重复其解释。
以下实施例可适当地彼此组合。
[实施例1]
图1A是电极的立体图，而图1B是图1A的截面图。
在图1A和1B中，在集电器301上形成包含硅作为主要成分的层302，该层302由多个凸部构成。在此，在图1A和1B中，包含硅作为主要成分的层302是活性材料层。
通过形成由多个凸部构成的包含硅作为主要成分的层，在一个凸部和另一凸部之间形成空隙（在多个凸部之间形成空隙），从而可改进循环特性。另外，该空隙具有活性材料层容易地吸收电解质溶液从而使电池反应容易地发生的优点。
碱金属或碱土金属的夹附导致活性材料层的体积膨胀，并且碱金属或碱土金属的释出导致活性材料层的体积收缩。
在此，由反复的体积膨胀和收缩引起的电极的劣化程度被称为循环特性。
在一个凸部和另一凸部之间形成的空隙（在多个凸部之间形成的空隙）可减少体积膨胀和收缩的影响，从而改进循环特性。
接着，参考图2A至2C来描述用于制造图1A和1B所示的电极的方法的示例。
首先，在集电器301上形成具有膜形的包含硅作为主要成分的层302，然后，在包含硅作为主要成分的层302上形成掩模9000（图2A）。
然后，通过使用掩模9000的蚀刻来处理包含硅作为主要成分的膜形层302的一部分，从而形成由多个凸部构成的包含硅作为主要成分的层302（图2B）。
接着，去除掩模9000（图2C）。
按照以上方式，通过使用由多个凸部构成的包含硅作为主要成分的层，可改进电力存储设备的特性。
虽然本实施例中的凸部的形状是圆柱形，但是凸部的形状不限于此。
该形状的示例包括但不限于针形、圆锥形、角锥形、以及柱形（圆柱形或棱柱形）。
多个凸部不必具有相同的长度。
多个凸部不必具有相同的体积。
多个凸部不必具有相同的形状。
多个凸部不必具有相同的倾斜度。
可与任一其他实施例和示例适当组合来实现本实施例。
[实施例2]
将描述用于与实施例1中的表面积相比增加活性材料层的表面积的手段。
“增加活性材料层的表面积”意味着增加其中碱金属或碱土金属可进出的面积。
通过增加其中碱金属或碱土金属可进出的面积，增大夹附和释出碱金属或碱土金属的速率（夹附速率和释出速率）。
具体地，图3A和3B所示的结构是优选的。
图3A是电极的立体图，而图3B是图3A的截面图。
在图3A和3B中，在集电器301上形成包含硅作为主要成分的层302。
在图3A和3B中，包含硅作为主要成分的层302是活性材料层。
在图3A和3B中示出的包含硅作为主要成分的层302包括多个凸部，并且具有在多个凸部之间的空隙中包含硅作为主要成分的表面（包含活性材料的表面）。
换句话说，包含硅作为主要成分的层302在下部中具有片状并且在上部中具有多个凸部。
换句话说，包含硅作为主要成分的层302包括膜形层以及从膜形层的表面凸起的多个凸部。
接着，参考图4A至4C来描述用于制造图3A和3B所示的电极的方法的示例。
首先，在集电器301上形成具有膜形的包含硅作为主要成分的层302，然后在包含硅作为主要成分的层302上形成掩模9000（图4A）。
然后，通过使用掩模9000的蚀刻来处理包含硅作为主要成分的膜形层302的一部分，从而形成包括多个凸部的包含硅作为主要成分的层302（图4B）。
虽然图2B示出其中蚀刻包含硅作为主要成分的膜形层302直至露出集电器的表面的示例，但是图4B示出其中停止蚀刻以使包含硅作为主要成分的层保留在多个凸部之间的空隙中的示例。
接着，去除掩模9000（图4C）。
按照以上方式，通过使包含硅作为主要成分的层保留在多个凸部之间的空隙中，可增加活性材料层的表面积。
例如，由于包含硅作为主要成分的层保留在多个凸部之间的空隙中，因此活性材料层的体积大于包含硅作为主要成分的层不保留的情况下的活性材料层的体积。
此外，还增加活性材料层的总体积，从而可增加电极的充电和放电容量。
虽然本实施例中的凸部的形状是圆柱形，但是凸部的形状不限于此。
该形状的示例包括但不限于针形、圆锥形、角锥形、以及柱形（圆柱形或棱柱形）。
多个凸部不必具有相同的长度。
多个凸部不必具有相同的体积。
多个凸部不必具有相同的形状。
多个凸部不必具有相同的倾斜度。
可与任一其他实施例和示例适当组合来实现本实施例。
[实施例3]
将描述用于增加实施例1或实施例2中的活性材料层的表面积的手段。
通过增加活性材料层的表面积，可增大夹附和释出碱金属或碱土金属的速率（夹附速率和释出速率）。
具体地，可在多个凸部的侧表面上形成凹部。
换句话说，多个凸部可具有悬伸部（overhang）。
例如，在图2B所示的步骤之后，进行各向同性蚀刻以使多个凸部的侧表面凹陷（图5A）。
接着，去除掩模9000（图5B）。
通过使用图5A和5B所示的结构，在多个凸部的侧表面上形成凹部，从而可增加活性材料层的表面积。
注意，蚀刻的类型包括各向异性蚀刻和各向同性蚀刻。
在各向异性蚀刻中，蚀刻在一个方向上进行。
在各向同性蚀刻中，蚀刻在每一方向上进行。
例如，可通过使用等离子体等的干法蚀刻来进行各向异性蚀刻，并且可通过使用蚀刻剂等的湿法蚀刻来进行各向异性蚀刻。
即使在采用干法蚀刻时，也可通过调整蚀刻条件来进行各向同性蚀刻。
即，在进行各向异性蚀刻（图2B）之后，可在掩模9000保留的状态中进行各向同性蚀刻（图5A）。
在下文中描述另一示例。
例如，在图4B所示的步骤之后，进行各向同性蚀刻以使多个凸部的侧表面以及位于多个凸部之间的空隙中的包含硅作为主要成分的表面（包含活性材料的表面）凹陷（图6A）。
接着，去除掩模9000（图6B）。
通过使用图6A和6B所示的结构，在多个凸部的侧表面以及多个凸部之间的空隙中的包含硅作为主要成分的表面（包含活性材料的表面）上形成凹部；由此，可增加活性材料层的表面积。
可与任一其他实施例和示例适当组合来实现本实施例。
[实施例4]
图7A和7B示出其中多个凸部的形状是不一致的（uneven）（不规则）的示例。
注意，“多个凸部的形状是不一致的（不规则）”意味着例如如下的一个或多个。多个凸部具有不同的形状，多个凸部在与集电器的表面垂直的方向上具有不同的倾斜度，多个凸部在与集电器的表面平行的方向上具有不同的倾斜度，多个凸部具有不同的体积等。
在此，图7A是电极的立体图，而图7B是图7A的截面图。
在图7A和7B中，在集电器301上形成包含硅作为主要成分的层302。
在图7A和7B中，包含硅作为主要成分的层302是活性材料层。
在图7A和7B中示出的包含硅作为主要成分的层302包括多个凸部，并且具有在多个凸部之间的空隙中包含硅作为主要成分的表面（包含活性材料的表面）。
换句话说，包含硅作为主要成分的层302在下部中具有片状并且在上部中具有多个凸部。
换句话说，包含硅作为主要成分的层302包括膜形层以及从膜形层的表面凸起的多个凸部。
通过采用图7A和7B所示的结构，如在实施例2中，活性材料层的表面积可大于实施例1中的活性材料层的表面积。
此外，通过采用图7A和7B所示的结构，如在实施例2中，活性材料层的体积可大于实施例1中的活性材料层的体积。
图3A和3B中的多个凸部的长轴方向垂直于集电器的表面，而图7A和7B中的多个凸部的长轴方向与集电器的表面成斜角。
在此，例如当进行检查以查看用于制造产品的工艺是否有问题、某人的产品是否侵犯专利权等时，预定部分的截面有时通过透射电子显微镜（TEM）或扫描透射电子显微镜（STEM）来观察。
当截面通过TEM或STEM来观察时，包含在所观察部分中的元素可通过能量散布型X射线光谱测定法（EDX）确定。
另外，当截面通过TEM或STEM观察时，所观察部分中的晶体结构可通过电子衍射法确定。
因此，检查产品的一部分实现对产品的故障分析。
另外，例如当专利权人具有包含特定元素的活性材料层的专利时，专利权人可通过能量散布型X实现光谱测定法（EDX）观察产品的截面来检查某人的产品是否侵犯专利。
另外，例如当专利权人具有包含特定晶体结构的活性材料层的专利时，专利权人可通过电子衍射法观察产品的截面来检查某人的产品是否侵犯专利。
虽然如上所述可通过TEM或STEM来进行各种检查，但是当截面通过TEM或STEM分析时，样本需要处理到尽可能地薄（小于或等于100nm）。
当如在图1A和1B以及图3A和3B等中多个凸部的长轴方向垂直于集电器的表面（90°）时，存在的问题在于样本难以处理并且样本的处理精度低。
另一方面，当如在图7A和7B中多个凸部的长轴方向与集电器的表面成斜角（大于0°且小于90°）时，样本容易处理并且样本的处理精度高。
随着凸部倾斜更多（随着凸部和集电器的表面形成的角更小），工艺变得更容易。因此，凸部和集电器的表面形成的角优选为小于或等于45°、更优选为小于或等于30°。
接着，描述用于制造图7A和7B所示的结构的方法。
首先，制备钛层、镍层等作为集电器301。
然后，通过热CVD法形成包含硅作为主要成分的层302。
注意，对于热CVD法，在高于或等于550°C且低于或等于1100℃（优选高于或等于600℃且低于或等于800°C）的温度下，包含硅原子的气体优选用作源气。
包含硅原子的气体的示例包括但不限于SiH4、Si2H6、SiF4、SiCl4、以及Si2Cl6。
注意，源气还可包含稀有气体（例如氦气或氩气）、氢气等。
可与任一其他实施例和示例适当组合来实现本实施例。
[实施例5]
将描述用于集电器、包含硅作为主要成分的层、掩模等的材料。
<集电器>
集电器可使用导电材料形成。
导电材料的示例包括但不限于金属、碳、以及导电树脂。
金属的示例包括但不限于钛、镍、铜、锆、铪、钒、钽、铬、钼、钨、钴、以及这些金属中的任一种的合金。
<含硅作为主要成分的层>
包含硅作为主要成分的层可以是只要主要成分是硅的任一层，并且可包含除硅以外的另一元素（例如，磷、砷、碳、氧、氮、锗、或者金属元素）。
包含硅作为主要成分的膜形层可通过热CVD法、等离子体CVD法、溅射法、蒸镀法等形成，但不限于此。
注意，包含硅作为主要成分的层可具有任何结晶度。
注意，由于活性材料层的电导率增大，因此优选将赋予一种导电类型的元素添加到包含硅作为主要成分的层。
赋予一种导电类型的元素的示例包括磷和砷。该元素可通过离子注入法、离子掺杂法、热扩散法等添加，但不限于此。
注意，可使用包含碳作为主要成分的层来代替包含硅作为主要成分的层。
另外，包含碳作为主要成分的层还可包含另一元素。
注意，包含硅作为主要成分的材料、包含碳作为主要成分的材料等是活性材料。
注意，活性材料不限于硅和碳，只要该材料可夹附或释出碱金属或碱土金属即可。
<掩模>
掩模的示例是抗蚀剂掩模，但不限于此。
可与任一其他实施例和示例适当组合来实现本实施例。
[实施例6]
将描述用于增加活性材料层的表面积和体积的手段。
通过增加活性材料层的表面积，可增大夹附和释出碱金属或碱土金属的速率（夹附速率和释出速率）。
另外，还增加活性材料层的总体积，从而可增加电极的充电和放电容量。
图8A和8B示出其中包含硅作为主要成分的多个颗粒303（包含活性材料的多个颗粒303）排列在图1A和1B所示的结构中的示例。
在此，图8A是电极的立体图，而图8B是图8A的截面图。
另外，在图8A和8B中，多个颗粒排列在多个凸部上或者多个凸部之间的空隙中。
此外，在图8A和8B中，由于多个颗粒与集电器301或者包含硅作为主要成分的层302接触，因此多个颗粒用作活性材料层。
即，虽然图1A和1B中的活性材料层只使用包含硅作为主要成分的层302来形成，但是图8A和8B中的活性材料层通过使用硅作为主要成分的层302和多个颗粒303来形成。
由此，图8A和8B中的活性材料层的表面积和体积大于图1A和1B中的活性材料层的表面积和体积。
图9A和9B示出其中包含硅作为主要成分的多个颗粒303（包含活性材料的多个颗粒303）排列在图3A和3B所示的结构中的示例。
另外，图10A和10B示出其中包含硅作为主要成分的多个颗粒303（包含活性材料的多个颗粒303）排列在图7A和7B所示的结构中的示例。
在此，图9A是电极的立体图，而图9B是图9A的截面图。
另外，图10A是电极的立体图，而图10B是图10A的截面图。
另外，在图9A和9B以及图10A和10B中，多个颗粒排列在多个凸部上或者多个凸部之间的空隙中。
此外，在图9A和9B以及图10A和10B中，由于多个颗粒与包含硅作为主要成分的层302接触，因此多个颗粒用作活性材料层。
即，虽然图3A和3B中的活性材料层只使用包含硅作为主要成分的层302来形成，但是图9A和9B中的活性材料层通过使用硅作为主要成分的层302和多个颗粒303来形成。
另外，虽然图7A和7B中的活性材料层只使用包含硅作为主要成分的层302来形成，但是图10A和10B中的活性材料层通过使用硅作为主要成分的层302和多个颗粒303来形成。
由此，图9A和9B中的活性材料层的表面积和体积大于图3A和3B中的活性材料层的表面积和体积。
另外，图10A和10B中的活性材料层的表面积和体积大于图7A和7B中的活性材料层的表面积和体积。
注意，在图8A和8B的示例中，包含硅作为主要成分的多个颗粒303排列在多个凸部之间的空隙中，并且还与集电器301接触。另一方面，在图9A和9B以及图10A和10B的示例中，包含硅作为主要成分的多个颗粒303排列在多个凸部之间的空隙中，并且不与集电器301接触，但只与包含硅作为主要成分的层302接触。
由于相同类型的材料彼此接触，因此包含硅作为主要成分的多个颗粒303与包含硅作为主要成分的层302之间的接触电阻低于包含硅作为主要成分的多个颗粒303与集电器301之间的接触电阻。
即，与图8A和8B的示例相比，图9A和9B以及图10A和10B的示例具有减小接触电阻的作用。
当使用液体电解质制造电力存储设备时，液体电解质最终变得与电极的表面接触，从而对于多个颗粒在液体电解质中散布且不与包含硅作为主要成分的层接触的问题存在顾虑。
然而，通过最后由隔离物固定多个颗粒，可防止多个颗粒在液体电解质中散布。
替换地，通过使用胶状电解质或固体电解质，多个颗粒可由胶状电解质或固体电解质固定。
另一方面，当不设置隔离物时，存在多个颗粒无法由隔离物固定的问题。
另外，即使当多个颗粒由隔离物、胶状电解质、固体电解质等固定时，也存在多个颗粒中的一些颗粒不与包含硅作为主要成分的层接触且在一些情况下用作活性材料层的颗粒的数量减少的另一问题。
在多个凸部的形状一致（规则）的图8A和8B以及图9A和9B的示例中，以上问题的不利影响是显著的。
然而，在多个凸部的形状不一致（不规则）的图10A和10B的示例中，以上问题的不利影响可减少。
即，在图10A和10B的示例中，在倾斜的两个或两个以上凸部下有颗粒。
由此，倾斜的两个或两个以上凸部保留下面的颗粒。
因此，在图10A和10B的示例中，以上问题的不利影响可减少。
注意，当两个或两个以上凸部在一个方向上倾斜时，多个颗粒不可能在这些凸部中缠结；由此，重要的是两个或两个以上凸部在不同的方向上倾斜。
简而言之，其中多个凸部的形状不一致（不规则）的图10A和10B的示例优于其中多个凸部的形状一致（规则）的图8A和8B以及9A和9B的示例，因为多个颗粒更容易在多个凸部中缠结。
虽然图8A和8B、图9A和9B以及图10A和10B中的多个颗粒的形状是圆柱形，但是多个颗粒的形状可以是如图11A和11B中的除圆柱形以外的形状。
毋庸赘言，多个颗粒的形状不限于图8A和8B、图9A和9B、图10A和10B、以及图11A和11B中的形状。
注意，图11A是电极的立体图，而图11B是图11A的截面图。
包含硅作为主要成分的多个颗粒可以是只要主要成分是硅的任一颗粒，并且可包含除硅以外的另一元素（例如，磷、砷、碳、氧、氮、锗、或者金属元素）。
注意，由于电力存储设备的特性相应地得以改进，因此包含硅作为主要成分的多个颗粒可具有任何结晶度，并且优选具有更高的结晶度。
多个颗粒可以是包含碳作为主要成分的多个颗粒。
另外，包含碳作为主要成分的多个颗粒还可包含另一元素。
包含硅作为主要成分的多个颗粒、包含碳作为主要成分的多个颗粒等可称为包含活性材料的多个颗粒。
注意，包含硅作为主要成分的材料、包含碳作为主要成分的材料等是活性材料。
另外，活性材料不限于硅和碳，只要该材料可夹附或释出碱金属或碱土金属即可。
多个颗粒的主要成分和多个凸部的主要成分优选相同，因为多个颗粒和多个凸部之间的接触电阻可减小。
例如，可通过粉碎期望材料（例如，硅或碳）来形成多个颗粒。
替换地，在使用图1A和1B、图2A至2C、图3A和3B、图4A至4C、图5A和5B、图6A和6B、以及图7A和7B所示的任一结构的情况下，可通过在基板上形成多个凸部以形成多个颗粒以及刮削基板的表面以形成多个颗粒来形成多个柱形颗粒。
注意，用于形成多个颗粒的方法不限于以上方法。
注意，优选通过在浆中混合来施加多个颗粒。
浆可以是例如粘合剂、溶剂等的混合物。
可在浆中混合导电添加剂。
粘合剂的示例包括但不限于聚偏二氟乙烯、淀粉、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、羟丙基纤维素、再生纤维素、二乙酰纤维素、聚氯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯-二烯单体（EPDM）、磺化EPDM、丁苯橡胶、丁二烯橡胶、氟橡胶、以及聚环氧乙烷。另外，多种粘合剂可组合使用。
溶剂的示例包括但不限于N-甲基吡咯烷酮（NMP）和乳酸酯。
导电添加剂的示例包括但不限于碳材料和金属材料。
碳材料的示例包括但不限于石墨、碳纤维、碳黑、乙炔黑、以及气相生长碳纤维（VGCF）。
金属材料的示例包括但不限于铜、镍、铝、以及银。
可与任一其他实施例和示例适当组合来实现本实施例。
[实施例7]
虽然多个颗粒单独地形成且排列在实施例6中，但是优选如图12中地通过断裂多个凸部来形成多个颗粒303。
活性材料层的体积在图12的示例中不增加；然而，活性材料层的表面积可增加，因为断裂凸部的截面露出。即，图12中的虚线部露出。
当多个颗粒单独地制备时，成本增加。相反，当多个凸部通过压力断裂时，成本不增加。由此，图12的示例是优选的。
即，在图12的示例中，表面积可增加，而成本不增加。
注意，更优选如在图12中多个凸部通过压力断裂、并且随后排列单独形成的多个颗粒。
即，更优选排列通过断裂多个凸部中的一些凸部形成的多个颗粒以及单独形成的多个颗粒两者。
注意，当将强压施加到所有多个凸部时，断裂所有多个凸部的根部，并且在一些情况下多个凸部丢失。
因此，优选如图13A和13B中地局部地施加压力。
注意，图13A和13B示出其中将压力施加到由虚线包围的位置的示例。
即，图13A是其中在多个点局部地施加压力的示例，而图13B是其中以线性的形式局部地施加压力的示例。
即，在图13A和13B中，可以说局部地断裂多个凸部中的一些凸部。
另外，可以说多个颗粒中的部分或全部颗粒是多个凸部的片段。
毋庸赘言，施加压力的位置不限于图13A和13B中的位置。
虽然描述了多个凸部的形状不一致（不规则）的情况，但是本实施例中的示例可应用于多个凸部的形状一致（规则）的情况。可与任一其他实施例和示例适当组合来实现本实施例。
[实施例8]
为了固定多个颗粒303，在将多个颗粒303排列在多个凸部上或者多个凸部之间的空隙中之后，包含活性材料或金属材料的保护膜304优选在包含硅作为主要成分的层302以及多个颗粒303上形成（图14A和14B）。
即，包含硅作为主要成分的层302和多个颗粒303优选用包含活性材料或金属材料的保护膜304覆盖（图14A和14B）。
注意，图14A是其中在图10A和10B的结构中形成保护膜的示例，而图14B是其中在图11A和11B的结构中形成保护膜的示例。毋庸赘言，可在图8A和8B以及图9A和9B的结构中形成保护膜。
用于包含活性材料的保护膜的材料的示例包括但不限于包含硅作为主要成分的材料以及包含碳作为主要成分的材料。
注意，包含硅作为主要成分的材料、包含碳作为主要成分的材料等是活性材料。
包含硅作为主要成分的材料和包含碳作为主要成分的材料可包含杂质。
注意，包含活性材料的保护膜可通过CVD法、溅射法、蒸镀法等形成。
用于包含金属材料的导电保护膜的材料的示例是其主要成分为锡、铜、镍等的材料，但不限于此。金属材料可包含另一元素。
注意，即使当颗粒和包含活性材料的层彼此不接触时，通过使用包含金属材料的保护膜，颗粒和包含活性材料的层可经由包含金属材料的保护膜彼此电连接。
包含金属材料的保护膜可通过电解沉淀法、溅射法、蒸镀法等形成，但不限于此。
在此，用于保护膜的材料优选不同于用于多个凸部和多个颗粒的材料。
这是因为，通过将不同材料用于保护膜以及多个凸部和多个颗粒，可具有包含硅作为主要成分的活性材料和包含碳作为主要成分的活性材料的优点两者。
例如，包含硅作为主要成分的活性材料具有其容量大于包含碳作为主要成分的活性材料的容量的优点。
另外，包含碳作为主要成分的活性材料具有通过夹附碱金属或碱土金属的其体积膨胀小于包含硅作为主要成分的活性材料的体积膨胀的优点。
考虑到可通过形成多个凸部来减少膨胀，优选包含碳作为主要成分的活性材料用于保护膜，并且包含硅作为主要成分的活性材料用于多个凸部和多个颗粒。
替换地，包含碳作为主要成分的活性材料可用于多个凸部和多个颗粒，并且包含硅作为主要成分的活性材料颗粒可用于保护膜。
保护膜可在多个颗粒未如图1A和1B、图2A至2C、图3A和3B、图4A至4C、图5A和5B、图6A和6B、以及图7A和7B排列的情况下形成。
即使当多个颗粒未排列时，通过形成包含活性材料的保护膜，可增加活性材料的体积。
即使当多个颗粒未排列时，通过形成包含金属材料的保护膜，也可增加电极的电导率。
可与任一其他实施例和示例适当组合来实现本实施例。
[实施例9]
可在集电器301与包含硅作为主要成分的层302之间形成硅化物层。
为了形成硅化物层，集电器可使用诸如钛、镍、钴或钨之类的可形成硅化物的材料形成，并且热处理可在预定温度下进行。
可与任一其他实施例和示例适当组合来实现本实施例。
[实施例10]
将参考图15A至15C来描述用于形成排列在凸部之间的空隙中的活性材料的方法的示例。
图15A的状态与图2C的状态相同。
包含硅作为主要成分的层310通过CVD法、溅射法、蒸镀法等形成，从而可形成排列在凸部之间的空隙中的活性材料（图15B）。用于形成包含硅作为主要成分的层310的方法不限于CVD法、溅射法、蒸镀法等。
注意，当在图15A至15C中示出的包含硅作为主要成分的层302的厚度大时，在一些情况下包含硅作为主要成分的层310无法覆盖包含硅作为主要成分的层302的侧表面（图15C）。
注意，图15B的状态与在图1A和1B的结构中形成实施例8中所描述的保护膜的状态相同。可使用包含碳作为主要成分的层或者金属层来代替包含硅作为主要成分的层310。
可与任一其他实施例和示例适当组合来实现本实施例。
[实施例11]
将描述电力存储设备的结构。
电力存储设备可以是至少包括一对电极以及该对电极之间的电解质的任一电力存储设备。
例如，电力存储设备优选包括该对电极之间的隔离物。
电力存储设备可具有各种类型，诸如硬币类型、正方类型、或圆柱类型，但不限于此。
可采用其中隔离物以及置于该对电极之间的电解质卷起的结构。
图16A和16B示出硬币类型的电力存储设备的示例。
图16A是电力存储设备的立体图，而图16B是图16A的截面图。
在图16A和16B中，在第一电极100上设置隔离物200，在隔离物200上设置第二电极300，在第二电极300上设置间隔物400，并且在间隔物400上设置垫圈500。
注意，在第一电极100和第二电极300之间至少设置电解质。
此外，隔离物200用电解质浸渍。
此外，第一电极100、隔离物200、第二电极300、间隔物400、垫圈500、以及电解质排列在由第一外壳600和第二外壳700包围的区域内部。
另外，第一外壳600和第二外壳700通过绝缘体800彼此电绝缘。
注意，第一电极100和第二电极200的位置在图16A和16B中是可互换的。
图19示出与图16A和16B的示例不同的示例。
在图19中，隔离物200置于第一电极100和第二电极300之间。
另外，第一电极100、隔离物200、以及第二电极300的叠层绕棒999卷绕。
第一电极100经由导线902电连接到第一外壳600。
第二电极300经由导线901电连接到第二外壳700。
另外，第一外壳600和第二外壳700通过绝缘体800彼此电绝缘。
注意，第一电极100和第二电极300的位置在图19中是可互换的。
在下文中描述组件的材料等。
<电解质>
例如，可使用不溶于水的介质以及在不溶于水的介质中溶解的盐（例如碱金属盐或碱土金属盐）作为电解质。
注意，电解质不限于以上电解质，而可以是任何电解质，只要电解质具有使反应材料（例如碱金属离子或碱土金属离子）导电的功能即可。
另外，电解质可具有各种类型，诸如固体类型、液体类型、气体类型、或胶状类型，但不限于此。
<第一电极>
第一电极包括集电器以及包含碱金属或碱土金属的层。包含碱金属或碱土金属的层位于隔离物侧。
集电器可使用导电材料形成。
导电材料的示例包括但不限于金属、碳、以及导电树脂。
金属的示例包括但不限于钛、镍、铜、锆、铪、钒、钽、铬、钼、钨、钴、以及这些金属中的任一种的合金。
例如，包含碱金属或碱土金属的层可使用由通式AxMyPOz（x≥0、y>0、z>0）、通式AxMyOz（x≥0、y>0、z>0）、通式AxMySiOz（x≥0、y>0、z>0）表示的材料形成，但不限于此。
注意，公式中的A表示碱金属或碱土金属。
碱金属的示例包括但不限于锂、钠、以及钾。
碱土金属的示例包括但不限于铍、镁、钙、锶、以及钡。
另外，公式中的M表示过渡金属。
过渡金属的示例包括但不限于铁、镍、锰、以及钴。
注意，M可表示两种或两种以上金属，诸如铁和镍的组合、铁和锰的组合、或者铁、镍和锰的组合，但不限于此。
另外，可将包含碳作为主要成分的导电添加剂添加到包含碱金属或碱土金属的层。
替换地，可使用碱金属膜、碱土金属膜、其中将碱金属或碱土金属添加到硅的膜、其中将碱金属或碱土金属添加到碳的膜等作为包含碱金属或碱土金属的层。
<隔离物>
当电解质是液体时，优选提供绝缘隔离物。
隔离物的示例包括但不限于纸、非纺织纤维、玻璃纤维、以及合成纤维。
合成纤维的示例包括但不限于尼龙、维尼纶、聚丙烯纤维、聚酯、以及丙烯酸纤维。
<第二电极>
可使用实施例1至10中的任一实施例中所描述的电极作为第二电极。
<间隔物、垫圈、第一外壳、第二外壳>
可使用任何导电材料。
具体而言，优选使用SUS（不锈钢）等。
<绝缘体>
可使用任何绝缘材料。
具体而言，优选使用聚丙烯等。
可与任一其他实施例和示例适当组合来实现本实施例。
[实施例12]
将描述包括电力存储设备的电气设备。
在图18A和18B中，电气设备1000至少包括电力负载部1100、电连接到电力负载部1100的电力存储设备1200、以及电连接到电力存储设备1200的包括天线的电路1300。
在图18B中，电力负载部1100以及包括天线的电路1300彼此电连接。
注意，在图18A和18B中，电气设备1000可包括除电力负载部1100、电力存储设备1200、以及包括天线的电路1300以外的组件。
另外，电气设备1000是至少具有通过电能驱动的功能的设备。
电气设备1000的示例包括电气设备和电推进车辆。
电气设备的示例包括但不限于相机、移动电话、移动信息终端、移动游戏机、显示设备、以及计算机。
电推进车辆的示例包括但不限于通过利用电能来推进的汽车（图20A）、通过利用电能来推进的轮椅（图20B）、通过利用电能来推进的电动自行车、以及通过利用电能来推进的火车。
电力负载部1100是例如电气设备1000为电子设备的情况下的驱动电路等、电子设备1000为电推进车辆的情况下的电动机等。
电力存储设备1200可以是至少具有存储电力的功能的任何设备。
注意，特别优选使用任一其他实施例或示例中所描述的电力存储设备作为电力存储设备1200。
包括天线的电路1300至少包括天线。
另外，包括天线的电路1300优选包括处理天线接收到的信号且将该信号传送到电力存储设备1200的信号处理电路。
在此，图18A示出具有进行无线充电的功能的示例，而图18B示出具有除进行无线充电的功能以外的传送和接收数据的功能的示例。
在如图18B中具有传送和接收数据的功能的情况下，包括天线的电路1300优选包括解调电路、调制电路、整流电路等。
注意，在图18A和18B中的每一附图中，在电力存储设备1200和电力负载部1100之间，通过提供将从电力存储设备1200供应的电流或者从电力存储设备1200施加的电压转换成固定电压的电源电路，可防止电力负载部1100中的过电流流动。
另外，为了防止电流回流，优选在电力存储设备1200与包括天线的电路1300之间设置回流防止电路。
例如，可使用二极管等作为回流防止电路。
当二极管被用作回流防止电路时，优选连接二极管，从而在从包括天线的电路1300到电力存储设备1200的方向上施加正向偏压。
可与任一其他实施例和示例适当组合来实现本实施例。
[示例1]
制造各自为具有类似于图16A和16B的结构的电力存储设备的样本1和比较样本。
注意，除了第二电极300的材料以外，样本1和比较样本的条件相同。
<样本1和比较样本的相同条件>
可使用锂电极作为第一电极1000，该锂电极为基准电极。
对于隔离物200，可使用聚丙烯。
可使用其中LiPF6在碳酸乙烯（EC）和碳酸二乙酯（DEC）的混合溶剂（EC:DEC＝1:1）中溶解的电解质作为该电解质。
对于间隔物400、垫圈500、第一外壳600、以及第二外壳700，使用SUS。
<样本1的第二电极300的制造>
可制备钛片（厚度：100μm）作为集电器。
然后，通过热CVD法将晶体硅沉积在钛片上。
热CVD法的条件如下。硅烷（SiH4）用作源气，硅烷的流速为300sccm，用于沉积的压力为20Pa，并且基板的温度（钛片的温度）为600°C。
包括凸部的厚度为3.5μm。
注意，在沉积晶体硅之前，在将小量的氦导入沉积室时基板（钛片）的温度增加。
热CVD装置的沉积室由石英构成。
<比较样本的第二电极300的制造>
可制备钛片（厚度：100μm）作为集电器。
然后，通过等离子体CVD法将非晶硅沉积在钛片上，并且非晶硅结晶以形成晶体硅。
等离子体CVD法的条件如下。用氢（5％的稀释物）稀释的硅烷（SiH4）和磷化氢（PH3）用作源气，硅烷的流速为60sccm，用氢稀释的磷化氢的流速为20sccm，用于沉积的压力为133Pa，并且基板的温度（钛片的温度）为280℃。
非晶硅的厚度为3μm。
接着，非晶硅在氩气气氛中在700℃下加热达六小时，以形成晶体硅。
<样本1的第二电极300的形状和讨论>
图17示出样本1的第二电极300的表面（晶体硅的表面）的扫描电子显微图（SEM照片）。
从图17中可以发现柱形晶体从晶体硅的表面随机地生长，并且形成晶须。
注意，晶须意味着须状凸部。
图7A和7B对应于图17的示意图。
相反，当通过SEM观察到比较样本的第二电极300的表面时，未观察到晶须。
样本1和比较样本彼此不同。比较样本使用等离子体CVD法制造，而样本1使用热CVD法制造。
在石英基板上制造监视器1，并且在硅晶片上制造监视器2。在每一监视器中，在与样本1相同的条件下沉积晶体硅。然而，未观察到晶须。
因此，发现可通过热CVD法在钛上沉积晶体硅来获取图17中的晶体硅。
为了确认可再现性，进行其中在与样本1相同的条件下在钛片上沉积晶体硅的反复实验；由此，再次观察到晶须。
此外，在玻璃基板上形成厚度为1μm的钛膜，并且通过热CVD法在钛膜上沉积晶体硅；由此，再次观察到晶须。
注意，用于在厚度为1μm的钛膜上沉积晶体硅的条件如下。玻璃基板的温度为600℃，硅烷（SiH4）的流速为300sccm，并且用于沉积的压力为20Pa。
作为附加实验，通过热CVD法在镍膜而非钛膜上沉积晶体硅；由此，观察到晶须。
<样本1和比较样本的特性的比较>
使用充电-放电测量仪器来测量样本1和比较样本的容量。
对于充电和放电容量的测量，可使用恒定电流模式。
在测量中，用2.0mA的电流来进行充电和放电。
另外，上限电压为1.0V而下限电压为0.03V。
测量中的温度为室温。
注意，室温意味着这些样本不会有意地加热或冷却。
测量结果示出样本1和比较样本的活性材料层的每单位体积的放电容量的初始特性分别为7300mAh/cm3和4050mAh/cm3。在此，样本1的活性材料层的厚度为3.5μm，比较样本的活性材料层的厚度为3.5μm，并且计算容量。注意，在此给出的每一容量为锂的放电容量。
因此，发现样本1的容量约为比较样本的容量的1.8倍。
附图标记的说明
100：第一电极，200：隔离物，300：第二电极；301：集电器，302：包含硅作为主要成分的层，303：多个颗粒，304：保护膜，310：包含硅作为主要成分的层，400：间隔物，500：垫圈，600：第一外壳，700：第二外壳，800：绝缘体，901：导线，902：导线，999：棒，1000：电气设备，1100：电力负载部，1200：电力存储设备，1300：包括天线的电路，9000：掩模。
本申请基于2010年5月28日向日本专利局提交的日本专利申请S/N.2010-123139，该申请的全部内容通过引用结合于此。

Claims (13)

1.一种电力存储设备，包括：
第一电极；
第二电极；以及
设置在所述第一电极和所述第二电极之间的电解质，
其中所述第二电极包括活性材料层，所述活性材料层包括包含活性材料的多个凸部，且
其中所述多个凸部中的一些凸部局部地断裂。
2.如权利要求1所述的电力存储设备，其特征在于，所述活性材料层包括排列在所述多个凸部上方和之间的包含活性材料的多个颗粒。
3.如权利要求2所述的电力存储设备，其特征在于，所述多个颗粒中的一些颗粒是通过断裂所述多个凸部中的一些凸部而形成的颗粒。
4.如权利要求2所述的电力存储设备，其特征在于，所述多个凸部和所述多个颗粒用包含活性材料或金属材料的保护膜覆盖。
5.如权利要求1所述的电力存储设备，其特征在于，所述多个凸部的形状是不一致的。
6.如权利要求1所述的电力存储设备，其特征在于，还包括包含所述多个凸部之间的活性材料的表面。
7.一种包括如权利要求1所述的电力存储设备的电气设备。
8.一种在电力存储设备中使用的电极，包括：
包括多个凸部的活性材料层，所述多个凸部包含活性材料，
其中所述多个凸部的一些凸部局部地破裂。
9.如权利要求8所述的电极，其特征在于，所述活性材料层包括排列在所述多个凸部上方和之间的包含活性材料的多个颗粒。
10.如权利要求9所述的电极，其特征在于，所述多个颗粒中的一些颗粒是通过断裂所述多个凸部中的一些凸部而形成的颗粒。
11.如权利要求9所述的电极，其特征在于，所述多个凸部和所述多个颗粒用包含活性材料或金属材料的保护膜覆盖。
12.如权利要求8所述的电极，其特征在于，所述多个凸部的形状是不一致的。
13.如权利要求8所述的电极，其特征在于，还包括包含所述多个凸部之间的活性材料的表面。
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