CN113346044A - 电池材料及其制备方法 - Google Patents

电池材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113346044A
CN113346044A CN202110105060.XA CN202110105060A CN113346044A CN 113346044 A CN113346044 A CN 113346044A CN 202110105060 A CN202110105060 A CN 202110105060A CN 113346044 A CN113346044 A CN 113346044A
Authority
CN
China
Prior art keywords
silicon
conductive substrate
battery
battery material
silicon source
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110105060.XA
Other languages
English (en)
Inventor
林金龙
王长生
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Spheretech Research Corp
Original Assignee
Spheretech Research Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Spheretech Research Corp filed Critical Spheretech Research Corp
Publication of CN113346044A publication Critical patent/CN113346044A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/134—Electrodes based on metals, Si or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402—Methods of deposition of the material
    • H01M4/0421—Methods of deposition of the material involving vapour deposition
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402—Methods of deposition of the material
    • H01M4/0421—Methods of deposition of the material involving vapour deposition
    • H01M4/0428—Chemical vapour deposition
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/133—Electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H01M4/1395—Processes of manufacture of electrodes based on metals, Si or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H01M4/364—Composites as mixtures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/386—Silicon or alloys based on silicon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H01M4/587—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/661—Metal or alloys, e.g. alloy coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/663—Selection of materials containing carbon or carbonaceous materials as conductive part, e.g. graphite, carbon fibres
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021—Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027—Negative electrodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)

Abstract

本发明公开了一种电池材料，包含：导电基材；以及硅材料层，其位于该导电基材的至少一侧，其中，该硅材料层包含：多个硅纤维，且其中至少部分硅纤维聚集成多个硅纤维球。一种上述的电池材料的制备方法，包含：(a)提供导电基材；(b)提供硅基材料，并于该硅基材料的表面沉积由非晶硅或结晶硅所构成的薄膜，借此形成硅源材料；(c)将步骤(b)的硅源材料置于步骤(a)的导电基材的至少一侧，其中该导电基材与该硅源材料的间距小于100mm；以及(d)加热如步骤(c)所述方式设置的导电基材与硅源材料，使该硅源材料释出非晶硅或结晶硅。

Description

电池材料及其制备方法
技术领域
本申请涉及一种电池材料，具体而言，涉及一种包含硅纤维球结构的电池材料。本申请也涉及一种电池材料的制备方法，具体而言，涉及一种包含硅纤维球结构的电池材料的制备方法。
背景技术
储能及动力电池的使用于全球市场的成长及重要性具有非常明显指标性的方向。未来电动汽车、太阳能发电及各样消费性电子的应用，对于高阶的储能电池需求，急需一个技术上的突破。因此，增加单位体积的储电效能，成为刻不容缓的议题。传统上，使用硅碳合金粉末及高分子材料做为锂电池负极材料的选择。
为提升电池材料的储电效能，一些专利文献中所公开的电池材料的制备方法是在高温下于基材上沉积结晶硅或非晶硅，以形成电池材料，并且通过特定的工艺条件以及基材结构，可使所沉积的结晶硅或非晶硅具有特定结构，借此提升储电效能。
TW 201603378公开了一种电极。其中，该电极在电流集电器上形成含有硅作为主成分的层；以及含有硅作为主成分的多个粒子排列于介于多个突出部的空间中且不与电流集电器接触，但只与含有硅作为主成分的层接触。
CN 102969529 A公开了一种蓄电装置。其中，该蓄电装置包括：在钛片上通过LPCVD法形成的活性物质层的薄膜部，以及在钛片上形成的根块及从根块所延伸出的晶须。
US 2013/0164612 A1公开了一种负极包括：集电体，其包括：多个突起部；以及与所述多个突起部连接的基础部；以及所述集电体上的活性物质层，其中，所述多个突起部及所述基础部包含钛，所述多个突起部的每一个的顶面及侧面和所述基础部的顶面被所述活性物质层覆盖，所述活性物质层包括与所述多个突起部中的一个接触的薄膜状部分，以及从所述薄膜状部分延伸的多个晶须，并且所述活性物质层包含非晶硅、微晶硅、多晶硅或它们的组合。
EP 2741350 A1公开了一种负极活性物质，其包括非晶的硅氧化物、结晶硅、碳和金属硅化物成分，其中所述成分的一种或多种包括在球形颗粒和晶须中。
JP 2017137239 A公开一种制造纳米结构体的方法，其在多孔基底(例如：石墨颗粒)上沉积催化剂颗粒(例如：球状铜纳米颗粒)，再由该催化剂颗粒生长纳米结构体，其中，纳米结构体可为多晶硅的纳米晶须。
上述现有技术的电池材料在储电效能方面，仍有值得改善的空间。
发明内容
有鉴于现有技术仍有值得改善的空间，本发明提供一种电池材料及其制备方法，以进一步增强电池材料在提升储电效能方面的功效。
为达上述目的及其他目的，本发明提供一种电池材料，包含：
导电基材；以及
硅材料层，其位于该导电基材的至少一侧，
其中，该硅材料层包含：
多个硅纤维，且其中至少部分硅纤维聚集成多个硅纤维球。
上述的电池材料，其中该导电基材可包含铜或铝。
上述的电池材料，其中该导电基材可为铜箔或铝箔。
上述的电池材料，其中该硅材料层可位于该导电基材的两侧。
上述的电池材料，其中该硅材料层可进一步掺杂硼或磷。
上述的电池材料，其中该等硅纤维球的直径可介于1μm-100μm之间。
上述的电池材料，其中该硅材料层的厚度可介于1μm-400μm之间。
为达上述目的及其他目的，本发明亦提供一种电池材料的制备方法，包含：
(a)提供导电基材；
(b)提供硅基材料，并于该硅基材料的表面沉积由非晶硅或结晶硅所构成的薄膜，借此形成硅源材料；
(c)将步骤(b)的硅源材料置于步骤(a)的导电基材的至少一侧，其中该导电基材与该硅源材料的间距小于100mm；以及
(d)加热如步骤(c)所述方式设置的导电基材与硅源材料，使该硅源材料释出非晶硅或结晶硅，以于该导电基材上沉积硅材料层。
上述的电池材料的制备方法，其中步骤(c)中该导电基材与该硅源材料的间距可介于0.01mm-100mm的间。
上述的电池材料的制备方法，其中可进一步包含：
(e)于加热如步骤(c)所述方式设置的导电基材与硅源材料时，进一步提供硅源气体，以及硼源气体或磷源气体。
上述的电池材料的制备方法，其中该硅源气体可为硅烷(SiH4)，藉以增加该硅材料层的厚度。
上述的电池材料的制备方法，其中该磷源气体可为磷化氢(PH3)，借此增加该电池材料的导电性。
上述的电池材料的制备方法，其中该导电基材可包含铜或铝。
上述的电池材料的制备方法，其中该导电基材可为铜箔或铝箔。
上述的电池材料的制备方法，其中该硅基材料可为硅晶圆或硅薄膜。
上述的电池材料的制备方法，其中步骤(c)可将步骤(b)的硅源材料置于步骤(a)的导电基材的两侧。
上述的电池材料的制备方法，其中步骤(d)可将如步骤(c)所述方式设置的导电基材与硅源材料置于300-700℃的温度中。
上述的电池材料的制备方法，其中步骤(d)所形成的硅材料层可包含：
多个硅纤维，且其中至少部分硅纤维聚集成多个硅纤维球。
上述的电池材料的制备方法，其中步骤(d)所形成的硅材料层中所包含的多个硅纤维球的直径可介于1μm-100μm之间。
上述的电池材料的制备方法，其中步骤(d)所形成的硅材料层的厚度可介于1μm-400μm之间。
本发明的电池材料具有独特的硅纤维球结构，能够突破结晶硅基材的先天性限制，可有效地提升应用该电池材料的电池的效能，有效降低硅与锂离子交换造成充放电循环使用寿命极速下降的问题。甚至于实验中，与商售电池相比，应用本发明的电池材料的电池具有使用寿命更长的优势。此外，本发明的电池材料可大幅增加锂离子与硅的交换面积，有效提升应用该电池材料的电池的电容量及寿命。
附图说明
为了便于描述与清晰，本发明说明书附图中各层的厚度或尺寸被加以放大、省略或概要的描绘。同时，各元件的尺寸并不完全反映其真实尺寸。
图1是本发明的电池材料的示意图；
图2是本发明的电池材料的制备方法的流程图；
图3是本发明的电池材料的制备方法的步骤(c)的示意图；
图4是本发明的实施例所制备的电池材料的硅材料层的扫描式电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)影像；
图5是本发明的实施例所制备的电池材料的硅材料层的扫描式电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)影像；
图6是本发明的实施例所制备的电池材料的硅材料层的示意图；以及
图7是本发明的比较例所制备的电池材料的硅材料层的扫描式电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)影像。
附图标记
10 电池材料
11 导电基材
12 硅材料层
121 硅纤维
122 硅纤维球
S201 步骤
S202 步骤
S203 步骤
S204 步骤
301 导电基材
302 硅源材料
d 间距
501 硅纤维
502 硅纤维球
具体实施方式
1.本发明的电池材料
如图1所示，本发明的电池材料10，包含：导电基材11；以及硅材料层12，其位于该导电基材11的至少一侧，其中，该硅材料层12包含：多个硅纤维121，且其中至少部分硅纤维121聚集成多个硅纤维球122。
在一实施方式中，该导电基材可包含铜或铝，更具体而言，该导电基材可为铜箔或铝箔，但本发明并不限于此，本领域技术人员可依需求选择其他适合的导电材料作为导电基材。
在一实施方式中，该硅材料层可位于该导电基材的两侧，以进一步提升应用该电池材料的电池的效能，但本发明并不限于此，于另一实施方式中，该硅材料层亦可仅位于该导电基材的一侧。
在一实施方式中，该硅材料层可进一步掺杂硼或磷，借此增加该电池材料的导电性，但本发明并不限于此，于另一实施方式中，该硅材料层不包含硼或磷。
在一实施方式中，该等硅纤维球的直径可介于1μm-100μm之间，以及该硅材料层的厚度可介于1μm-400μm之间，但本发明并不限于此，本领域技术人员可根据需要，通过控制工艺条件来获得所需的硅纤维球的直径以及硅材料层的厚度。
2.本发明的电池材料的制备方法
如图2所示，本发明的电池材料的制备方法包含：(a)提供导电基材S201；(b)提供硅基材料，并于该硅基材料的表面沉积由非晶硅或结晶硅所构成的薄膜，借此形成硅源材料S202；(c)将步骤(b)的硅源材料置于步骤(a)的导电基材的至少一侧，其中该导电基材与该硅源材料的间距小于100mm S203；以及(d)加热如步骤(c)所述方式设置的导电基材与硅源材料，使该硅源材料释出非晶硅或结晶硅，以于该导电基材上沉积硅材料层S204。
在上述步骤(a)中，导电基材的选择并无特别限制，本领域技术人员可根据需求选择各种已知的导电基材。在一实施方式中，该导电基材包含铜或铝。在一实施方式中，该导电基材是铜箔或铝箔。优选地，该导电基材是片状或为薄膜状，但本发明并不限于此。
在上述步骤(b)中，硅基材料的选择并无特别限制，本领域技术人员可根据需求选择各种已知的硅基材料。在一实施方式中，该硅基材料是硅晶圆或硅薄膜。优选地，该硅基材料为片状或为薄膜状，但本发明并不限于此。
在上述步骤(c)中，步骤(b)的硅源材料置于步骤(a)的导电基材的至少一侧。在示例性实施方式中，步骤(c)的设置方式如图3所示，其中硅源材料302置于导电基材301的单一侧，导电基材301与硅源材料302之间具有间距d，其中间距d介于0.01mm-100mm之间。如图3所示，优选地，导电基材301与硅源材料302是彼此平行配置的片状或薄膜状材料，但本发明并不限于此。在如图3所示的示例性实施方式中，硅源材料置于导电基材的单一侧，借此，于后续的步骤(d)中，将于该导电基材面向硅源材料的一侧上沉积一硅材料层。于另一优选实施方式中，硅源材料置于导电基材的两侧，借此，于后续的步骤(d)中，将于该导电基材的两侧上各别沉积硅材料层。
在上述步骤(d)中，加热如步骤(c)所述方式设置的导电基材与硅源材料的方式并无特别限制。于一实施方式中，应用已知的低压化学气相沉积(Low Pressure ChemicalVapor Deposition,LPCVD)设备，使硅源材料在300-700℃的温度中释出部分结晶硅或非晶硅，以于该导电基材上沉积硅材料层。在一实施方式中，步骤(d)可进一步包含提供硼源材料或磷源材料，以于沉积该硅材料层的过程中掺杂硼或磷，但本发明并不限于此，本领域技术人员可根据需求提供包含其他元素的材料，以将其他元素掺杂至硅材料层中。
在上述步骤(d)中，通过将表面具有由非晶硅或结晶硅所构成的薄膜的硅源材料与导电基材相邻地配置，可使硅源材料与导电基材产生非键结相互作用力，使硅材料层能够在导电基材上沿力场方向进行成长，以形成硅纤维结构。此外，通过将控制硅源材料与导电基材之间的间距控制在介于0.01mm-100mm之间，可形成硅纤维球结构，借此提升所制得的电池材料的特性，使用应用该电池材料的电池具有较好的寿命及电容量。在一实施方式中，硅纤维球的直径介于1μm-100μm之间；以及硅材料层的厚度介于1μm-400μm之间，但本发明并不限于此，本领域技术人员可根据需要，通过控制工艺条件(例如：步骤(d)的加热过程中的升温速率以及持温时间)来获得所需的硅纤维球的直径以及硅材料层的厚度。
电池材料的制备方法，其中可进一步包含：(e)于加热如步骤(c)所述方式设置的导电基材与硅源材料时，进一步提供硅源气体，以及硼源气体或磷源气体，但本发明并不限于此，于一实施方式中，可省略上述步骤(e)。
在上述步骤(e)中，该硅源气体可为硅烷(SiH4)，藉以增加该硅材料层的厚度，但本发明并不限于此，本领域技术人员可根据需求选择其他适当的硅源气体。在上述步骤(e)中，该磷源气体可为磷化氢(PH3)，借此增加该电池材料的导电性，但本发明并不限于此，本领域技术人员可根据需求提供包含其他元素的气体，以将其他元素掺杂至硅材料层中。
实施例：
实施例是根据上述本发明的电池材料的制备方法制备本发明的电池材料。具体而言，在实施例中，步骤(a)选用铜箔作为导电基材；步骤(b)选用硅晶圆作为硅基材料，并于硅基材料的表面沉积由非晶硅或结晶硅所构成的薄膜，借此形成硅源材料；步骤(c)将步骤(b)的硅源材料置于步骤(a)的导电基材的单一侧，其中导电基材与硅源材料的间距为20mm；步骤(d)应用已知的化学气相沉积设备加热使如步骤(c)所述方式设置的导电基材与硅源材料在600℃的温度下，持温240分钟；以及步骤(e)于持温的240分钟内，通入流速400sccm的硅烷(SiH4)与流速300sccm的磷化氢(PH3)，借此制得实施例的电池材料。
如图4、图5及图6所示，在实施例的电池材料的扫描式电子显微镜(scanningelectron microscope,SEM)影像(图4及图5)以及图6的示意图中可以看到实施例的电池材料的硅材料层包含：多个硅纤维501，且其中至少部分硅纤维聚集成多个硅纤维球502。
比较例：
比较例大致上根据上述本发明的电池材料的制备方法制备电池材料，但于步骤(c)中，导电基材与硅源材料的间距大于100mm。具体而言，在比较例中，步骤(a)选用铜箔作为导电基材；步骤(b)选用硅晶圆作为硅基材料，并于硅基材料的表面沉积由非晶硅或结晶硅所构成的薄膜，借此形成硅源材料；步骤(c)将步骤(b)的硅源材料置于步骤(a)的导电基材的单一侧，其中导电基材与硅源材料的间距为105mm；以及步骤(d)应用已知的化学气相沉积设备加热使如步骤(c)所述方式设置的导电基材与硅源材料在600℃的温度下，持温240分钟；以及步骤(e)于持温的240分钟内，通入流速400sccm的硅烷(SiH4)与流速300sccm的磷化氢(PH3)，借此制得比较例的电池材料。
如图7所示，在比较例的电池材料的扫描式电子显微镜(scanning electronmicroscope,SEM)影像中可以看到比较例的电池材料由于步骤(c)中，导电基材与硅源材料的间距大于100mm，使得硅材料层不存在硅纤维以及硅纤维球结构。
测试例：
在相同的制备及测试条件下，分别使用实施例与比较例的电池材料制作电池，在电容储存量方面，使用实施例的电池材料的电池的放电电容量约为使用比较例的电池材料的电池的10倍。此外，相较于使用市售的松下电器(panasonic)电极材料的电池，在电容储存量方面，实施例的电池材料的电池的放电电容量约为使用市售的松下电器(panasonic)石墨电极材料的电池的399％。
进一步详述制备及测试条件如下：
分别取实施例与比较例的电池材料以及市售的松下电器(panasonic)石墨电极材料作为负极材料，将上述材料分别裁切成1cm×1cm的大小。其中，panasonic石墨电极材料的涂层厚度与实施例与比较例的电池材料的硅材料层的厚度皆各为130-140μm。分别将上述3电池材料依照常规的方法封装于钮扣电池中。
在相同的制备及测试条件下，测试依上述方法制备的钮扣电池。经测试，在仅改变负极材料的情况下，在电容储存量方面，使用实施例的电池材料的电池的放电电容量约为使用比较例的电池材料的电池的10倍。此外，相较于使用市售的panasonic石墨电极材料的电池，在电容储存量方面，使用实施例的电池材料的电池的放电电容量约为使用市售的panasonic石墨电极材料的电池的399％。
由此可见，本发明的电池材料，通过其硅材料层中所包含的硅纤维球结构，可大幅增加锂离子与硅的交换面积，有效提升应用该电池材料的电池的电容量及寿命。
本发明在上文中已以优选实施例公开，但本领域技术人员应理解的是，该实施例仅用于描绘本发明，而不应解读为限制本发明的范围。应注意的是，举凡与该实施例等效的变化与置换，均应设为涵盖于本发明的范畴内。因此，本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种电池材料，其特征在于，包含：
导电基材；以及
硅材料层，其位于该导电基材的至少一侧，
其中，该硅材料层包含：
多个硅纤维，且其中至少部分硅纤维聚集成多个硅纤维球。
2.根据权利要求1所述的电池材料，其特征在于，该导电基材包含铜或铝。
3.根据权利要求2所述的电池材料，其特征在于，该导电基材是铜箔或铝箔。
4.根据权利要求1所述的电池材料，其特征在于，该硅材料层位于该导电基材的两侧。
5.根据权利要求1所述的电池材料，其特征在于，该硅材料层进一步掺杂硼或磷。
6.根据权利要求1所述的电池材料，其特征在于，该等硅纤维球的直径介于1μm-100μm之间。
7.根据权利要求1所述的电池材料，其特征在于，该硅材料层的厚度介于1μm-400μm之间。
8.一种根据权利要求1所述的电池材料的制备方法，其特征在于，包含：
(a)提供导电基材；
(b)提供硅基材料，并于该硅基材料的表面沉积由非晶硅或结晶硅所构成的薄膜，借此形成硅源材料；
(c)将步骤(b)的硅源材料置于步骤(a)的导电基材的至少一侧，其中该导电基材与该硅源材料的间距小于100mm；以及
(d)加热如步骤(c)所述方式设置的导电基材与硅源材料，使该硅源材料释出非晶硅或结晶硅，以于该导电基材上沉积硅材料层。
9.根据权利要求8所述的电池材料的制备方法，其特征在于，进一步包含：
(e)于加热如步骤(c)所述方式设置的导电基材与硅源材料时，进一步提供硅源气体，以及硼源气体或磷源气体。
10.根据权利要求8所述的电池材料的制备方法，其特征在于，步骤(d)将如步骤(c)所述方式设置的导电基材与硅源材料置于300-700℃的温度中。
CN202110105060.XA 2020-03-02 2021-01-26 电池材料及其制备方法 Pending CN113346044A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW109106797 2020-03-02
TW109106797A TWI740400B (zh) 2020-03-02 2020-03-02 電池材料及其製備方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113346044A true CN113346044A (zh) 2021-09-03

Family

ID=71670146

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110105060.XA Pending CN113346044A (zh) 2020-03-02 2021-01-26 电池材料及其制备方法

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20210273214A1 (zh)
EP (1) EP3876311B1 (zh)
JP (1) JP6937875B2 (zh)
KR (1) KR102584630B1 (zh)
CN (1) CN113346044A (zh)
TW (1) TWI740400B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2023034697A (ja) 2021-08-31 2023-03-13 三菱造船株式会社 浮体
NL2030271B1 (en) 2021-12-23 2023-06-29 Leydenjar Tech B V Solid State Lithium-Ion Batteries Comprising a Nanoporous Silicon Anode

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011149958A2 (en) * 2010-05-24 2011-12-01 Amprius, Inc. Multidimensional electrochemically active structures for battery electrodes
WO2012054767A2 (en) * 2010-10-22 2012-04-26 Amprius Inc. Battery electrode structures for high mass loadings of high capacity active materials
CN102969529A (zh) * 2011-08-30 2013-03-13 株式会社半导体能源研究所 蓄电装置
CN103872297A (zh) * 2012-12-10 2014-06-18 三星Sdi株式会社 负极活性物质、其制备方法、和含其的锂二次电池
CN105612277A (zh) * 2013-10-07 2016-05-25 Spi公司 用于大量生产硅纳米线和/或纳米带的方法以及使用所述硅纳米线和/或纳米带的锂电池和阳极

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03199237A (ja) * 1989-12-28 1991-08-30 Mitsui Toatsu Chem Inc 導電性シートの製造方法
JP3199237B2 (ja) 1997-11-06 2001-08-13 船井電機株式会社 監視タイマー処理装置
GB0601319D0 (en) * 2006-01-23 2006-03-01 Imp Innovations Ltd A method of fabricating pillars composed of silicon-based material
US20100285358A1 (en) * 2009-05-07 2010-11-11 Amprius, Inc. Electrode Including Nanostructures for Rechargeable Cells
HUE059099T2 (hu) * 2009-05-19 2022-10-28 Oned Mat Inc Nanoszerkezetû anyagok akkumulátoros alkalmazásokhoz
JP5729298B2 (ja) * 2009-12-28 2015-06-03 東レ株式会社 導電積層体およびそれを用いてなるタッチパネル
US9780365B2 (en) * 2010-03-03 2017-10-03 Amprius, Inc. High-capacity electrodes with active material coatings on multilayered nanostructured templates
US20110294005A1 (en) 2010-05-28 2011-12-01 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Power storage device, electrode, and electric device
CN103608504B (zh) * 2011-06-15 2014-12-24 东丽株式会社 复合纤维
EP4360756A3 (en) 2011-07-26 2024-07-03 OneD Material, Inc. Nanostructured battery active materials and methods of producing same
JP6050106B2 (ja) 2011-12-21 2016-12-21 株式会社半導体エネルギー研究所 非水二次電池用シリコン負極の製造方法
EP2885830B1 (en) * 2012-08-16 2017-10-11 Enovix Corporation Electrode structures for three-dimensional batteries
JP2015125957A (ja) * 2013-12-27 2015-07-06 国立大学法人信州大学 リチウムイオン電池用負極材料
JP6441576B2 (ja) * 2014-02-03 2018-12-19 デクセリアルズ株式会社 透明導電膜及びその製造方法、情報入力装置、並びに、電子機器
KR20150120132A (ko) * 2014-04-17 2015-10-27 한국과학기술연구원 리튬 이차전지용 음극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
WO2018056204A1 (ja) * 2016-09-23 2018-03-29 株式会社豊田自動織機 Ｓｉ粒子結合体及びその製造方法
JP7259792B2 (ja) * 2019-07-26 2023-04-18 トヨタ自動車株式会社 負極活物質、負極活物質の製造方法および電池

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011149958A2 (en) * 2010-05-24 2011-12-01 Amprius, Inc. Multidimensional electrochemically active structures for battery electrodes
WO2012054767A2 (en) * 2010-10-22 2012-04-26 Amprius Inc. Battery electrode structures for high mass loadings of high capacity active materials
CN102969529A (zh) * 2011-08-30 2013-03-13 株式会社半导体能源研究所 蓄电装置
CN103872297A (zh) * 2012-12-10 2014-06-18 三星Sdi株式会社 负极活性物质、其制备方法、和含其的锂二次电池
CN105612277A (zh) * 2013-10-07 2016-05-25 Spi公司 用于大量生产硅纳米线和/或纳米带的方法以及使用所述硅纳米线和/或纳米带的锂电池和阳极

Also Published As

Publication number Publication date
JP2021141040A (ja) 2021-09-16
EP3876311A1 (en) 2021-09-08
US20210273214A1 (en) 2021-09-02
KR20210111682A (ko) 2021-09-13
KR102584630B1 (ko) 2023-10-04
JP6937875B2 (ja) 2021-09-22
TW202134049A (zh) 2021-09-16
EP3876311B1 (en) 2023-01-18
TWI740400B (zh) 2021-09-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10804525B2 (en) Silicon nanostructure active materials for lithium ion batteries and processes, compositions, components, and devices related thereto
US9325014B2 (en) Branched nanostructures for battery electrodes
US9774033B2 (en) Process for producing silicon nanowires directly from silicon particles
US20110183206A1 (en) Apparatus, system, and method for carbon nanotube templated battery electrodes
CN106663786A (zh) 硅在纳米线上的结构受控的沉积
WO2011094642A1 (en) Nano-composite anode for high capacity batteries and methods of forming same
US8591990B2 (en) Microfiber supported metal silicide nanowires
CN113346044A (zh) 电池材料及其制备方法
TWI623130B (zh) 鋰離子電池、具有摻雜之鋰離子電池電極結構及其製造方法
KR20130033251A (ko) 코어 쉘 구조를 갖는 나노 구조체, 이의 제조 방법 및 리튬 이온 전지
CN112789748A (zh) 用于生产锂离子电池的阳极的方法
US10938026B2 (en) Silicon nanowire structure embedded in nickel silicide nanowires for lithium-based battery anodes
CN112086641A (zh) 一种三维结构碳基储能薄膜及制备方法、电极片与应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination