JP2013521621A5

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Publication number: JP2013521621A5
Application number: JP2012556203A
Authority: JP
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2014-04-17
Anticipated expiration: 2031-03-02

Claims

リチウムイオン電池で利用される電気化学的に活性な電極材料であって、
金属シリサイドを有するナノ構造テンプレートと、
前記ナノ構造テンプレートをコーティングしている電気化学的に活性な材料の層と
を備え、
前記電気化学的に活性な材料は、前記リチウムイオン電池のサイクル時に、リチウムイオンを取り込み放出し、
前記ナノ構造テンプレートによって、前記電気化学的に活性な材料との間での電流の伝導が円滑化され、前記電気化学的に活性な材料の前記層が支持される電気化学的に活性な電極材料。
前記金属シリサイドは、ニッケルシリサイド、ケイ化コバルト、ケイ化銅、ケイ化銀、ケイ化クロム、ケイ化チタン、ケイ化アルミニウム、ケイ化亜鉛、および、ケイ化鉄から成る群から選択される請求項１に記載の電気化学的に活性な電極材料。
前記金属シリサイドは、Ｎｉ_２Ｓｉ相、ＮｉＳｉ相およびＮｉＳｉ_２相から成る群から選択される少なくとも２つの異なるニッケルシリサイド相を含む請求項２に記載の電気化学的に活性な電極材料。
前記電気化学的に活性な材料は、結晶質シリコン、アモルファスシリコン、シリコン酸化物、シリコン酸窒化物、スズ含有材料、ゲルマニウム含有材料、および、炭素含有材料から成る群から選択される請求項１から３のいずれか一項に記載の電気化学的に活性な電極材料。
前記ナノ構造テンプレートは、シリサイド含有ナノワイヤを有する請求項１から４のいずれか一項に記載の電気化学的に活性な電極材料。
前記シリサイド含有ナノワイヤは、長さが平均で１マイクロメートルと２００マイクロメートルとの間である請求項５に記載の電気化学的に活性な電極材料。
前記シリサイド含有ナノワイヤは、直径が平均で１００ナノメートル未満である請求項５に記載の電気化学的に活性な電極材料。
前記電気化学的に活性な材料の前記層は、厚みが平均で少なくとも１００ナノメートルである請求項１から７のいずれか一項に記載の電気化学的に活性な電極材料。
前記電気化学的に活性な材料の前記テンプレートに対する体積比は少なくとも５である請求項１から８のいずれか一項に記載の電気化学的に活性な電極材料。
前記電気化学的に活性な材料の前記層は、アモルファスシリコンを含み、
前記層は、厚みが平均で少なくとも１００ナノメートルであり、
前記ナノ構造テンプレートは、ニッケルシリサイドナノワイヤを含み、前記ニッケルシリサイドナノワイヤは、長さが平均で１０マイクロメートルと５０マイクロメートルとの間であり、直径が平均で５０ナノメートル未満である請求項１に記載の電気化学的に活性な電極材料。
前記リチウムイオン電池において前記電気化学的に活性な電極材料のサイクルの前に、前記電気化学的に活性な材料の前記層は、リン、ホウ素、ガリウムおよびリチウムのうち１以上によってドープされる請求項１から１０のいずれか一項に記載の電気化学的に活性な電極材料。
前記電気化学的に活性な材料の前記層の上方に形成されているシェルをさらに備え、
前記シェルは、炭素、銅、ポリマー、硫化物、リチウムリン酸窒化物（ＬＩＰＯＮ）、金属酸化物、および、フッ素含有化合物から成る群から選択された１以上の材料を含む
請求項１から１１のいずれか一項に記載の電気化学的に活性な電極材料。
前記電気化学的に活性な材料は、理論上のリチオ化容量が少なくとも５００ｍＡｈ／ｇである請求項１から１２のいずれか一項に記載の電気化学的に活性な電極材料。
リチウムイオン電池で利用されるリチウムイオン電極であって、
電気化学的に活性な電極材料と、
前記電気化学的に活性な電極材料と導通している電流コレクタ基板と
を備え、
前記電気化学的に活性な電極材料は、
金属シリサイドを含むナノ構造テンプレートと、
前記ナノ構造テンプレートをコーティングする電気化学的に活性な材料の層と
を有し、
前記電気化学的に活性な材料は、前記リチウムイオン電池のサイクル時に、リチウムイオンを取り込んで放出し、
前記ナノ構造テンプレートによって、前記電気化学的に活性な材料との間の電流の伝導が円滑化され、
前記電流コレクタ基板は、前記金属シリサイドの金属を含むリチウムイオン電極。
前記ナノ構造テンプレートは、前記基板に根付いているナノワイヤを含み、前記ナノワイヤは、遊離している端部と、前記基板に根付いている端部とを持つ請求項１４に記載のリチウムイオン電極。
前記電気化学的に活性な材料の前記層は、前記ナノワイヤの前記基板に根付いている端部に比べて前記遊離している端部において、厚みが少なくとも２倍である請求項１５に記載のリチウムイオン電極。
前記電気化学的に活性な材料の前記層は、アモルファスシリコンおよびゲルマニウムを含み、
前記層は、前記ナノワイヤの前記基板に根付いている端部に比べて前記遊離している端部において、シリコンがより多く、ゲルマニウムがより少なくなっている請求項１５に記載のリチウムイオン電極。
前記ナノ構造テンプレートと前記電流コレクタ基板との間に位置しており、前記ナノ構造テンプレートと前記電流コレクタ基板との間の金属結合および電子伝導を改善する中間副層をさらに備える請求項１４から１７のいずれか一項に記載のリチウムイオン電極。
前記ナノ構造テンプレートと前記電気化学的に活性な材料の前記層との間に位置しており、前記ナノ構造テンプレートと前記電気化学的に活性な材料の前記層との間の金属結合および電子伝導を改善する中間副層をさらに備える請求項１４から１８のいずれか一項に記載のリチウムイオン電極。
前記ナノ構造テンプレートと前記電気化学的に活性な材料の前記層との間に位置しており、前記ナノ構造テンプレートと前記電気化学的に活性な材料の前記層との間の弾性界面となる中間副層をさらに備える請求項１４から１８のいずれか一項に記載のリチウムイオン電極。
前記ナノ構造テンプレートの表面積の前記基板の表面積に対する比は、少なくとも２０である請求項１４から２０のいずれか一項に記載のリチウムイオン電極。
前記基板は、前記基板に隣接している基部層を有しており、前記基部層は、前記金属シリサイドの金属を略含まない請求項１４から２１のいずれか一項に記載のリチウムイオン電極。
前記基板は、銅、ニッケル、チタン、および、ステンレススチールから成る群から選択される1以上の材料を含む請求項１４から２２のいずれか一項に記載のリチウムイオン電極。
前記リチウムイオン電極は、負極である
請求項１４から２３のいずれか一項に記載のリチウムイオン電極。
前記リチウムイオン電極は、正極である
請求項１４から２３のいずれか一項に記載のリチウムイオン電極。
電気化学的に活性な電極材料と、
前記電気化学的に活性な電極材料と導通している電流コレクタ基板と
を備えるリチウムイオン電池であって、
前記電気化学的に活性な電極材料は、
金属シリサイドを含むナノ構造テンプレートと、
前記ナノ構造テンプレートをコーティングしている電気化学的に活性な材料の層と
を有し、
前記電気化学的に活性な材料は、前記リチウムイオン電池のサイクル時にリチウムイオンを取り込んで放出し、
前記ナノ構造テンプレートは、前記電気化学的に活性な材料との間で電流の伝導を円滑化させ、
前記電流コレクタ基板は、前記金属シリサイドの金属を含むリチウムイオン電池。
リチウムイオン電池で利用されるリチウムイオン電池電極を製造する方法であって、
基板を受け取る段階と、
前記基板の表面上に金属シリサイドを含むナノ構造テンプレートを形成する段階と、
前記ナノ構造テンプレート上に電気化学的に活性な材料の層を形成する段階と
を備え、
前記電気化学的に活性な材料は、前記リチウムイオン電池のサイクル時にリチウムイオンを取り込んで放出し、
前記ナノ構造テンプレートは、前記電気化学的に活性な材料との間で電流の伝導を円滑化させる方法。
前記金属シリサイドを含むナノ構造テンプレートを形成する段階の前に、酸化、アニーリング、還元、粗面化、スパッタリング、エッチング、電気メッキ、反転電気メッキ、化学気相成長、窒化物形成、および、中間層堆積から成る群から選択される１以上の方法を用いて前記基板を処理する段階をさらに備える請求項２７に記載の方法。
前記基板の前記表面上に金属部を形成する段階をさらに備え、
前記金属部の一部分は、前記金属シリサイドを形成する際に消費される請求項２７または２８に記載の方法。
前記ナノ構造テンプレートを形成する段階は、前記基板の前記表面の上方にシリコン含有前駆体を導入する段階を有する請求項２７から２９のいずれか一項に記載の方法。
前記電気化学的に活性な材料の前記層を形成する段階の前に、前記ナノ構造テンプレートの上方にパッシベーション層を選択的に堆積させる段階をさらに備える請求項２７から３０のいずれか一項に記載の方法。
前記電気化学的に活性な材料の前記層を形成する段階は、前記ナノ構造テンプレートの遊離している端部に比べて前記基板の前記表面において、活性材料前駆体の濃度が大幅に低くなるように、物質移動方式で実行される請求項２７から３１のいずれか一項に記載の方法。
前記電気化学的に活性な材料の前記層を形成している段階の実行中、活性材料前駆体の組成を変化させる段階をさらに備える請求項２７から３２のいずれか一項に記載の方法。