JP2015222727A - 蓄電装置及び蓄電装置の作製方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1の電極と、第2の電極と、前記第1の電極と前記第2の電極との間に設
けられた電解質と、を有し、前記第2の電極は活物質層を有し、前記活物質層は、活物質
を含む複数の突起部と、前記複数の突起部上又は前記複数の突起部の隙間に配置された活
物質を含む複数の粒子と、を有する蓄電装置を提供することによって、蓄電装置の特性を
向上させることができる。
【選択図】図10
Description
。
第1の課題とする。
良い。
れた活物質を含む複数の粒子と、を有する活物質層を用いると好ましい。
られた電解質と、を有し、前記第2の電極は活物質を含む複数の突起部を有する活物質層
を有する蓄電装置を提供することができる。
起部の隙間に配置された活物質を含む複数の粒子を有すると好ましい。
形成された粒子が含まれていると好ましい。
属材料を含む保護膜に被覆されていると好ましい。
好ましい。
有する電極を提供することができる。
の隙間に配置された活物質を含む複数の粒子を有すると好ましい。
された粒子が含まれていると好ましい。
料を含む保護膜に被覆されていると好ましい。
しい。
向上させることができる。
物質を含む複数の粒子と、を有する活物質層を用いることによって、蓄電装置の特性を向
上させることができる。
当業者であれば容易に理解される。
ない。
符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。
図1(A)は電極の斜視図であり、図1(B)は図1(A)の断面図である。
02が形成されている。ここで、図1ではシリコンを主成分とする層302が活物質層で
ある。
と他の突起部との間に隙間(複数の突起部の隙間)ができるので、サイクル特性を向上さ
せることができる。また、隙間ができるので電解液が活物質層に染みこみやすくなり、電
池反応が生じやすくなるという利点もある。
ルカリ金属又はアルカリ土類金属を放出することにより体積が収縮する。
と呼ぶ。
って、体積の膨張及び体積の収縮の影響を緩和することができるようになるので、サイク
ル特性が向上するのである。
主成分とする層302上にマスク9000を形成する(図2(A))。
ング加工することにより、複数の突起部からなるシリコンを主成分とする層302を形成
する(図2(B))。
電装置の特性を向上させることができる。
限定されない。
が限定されない。
とが可能である。
実施の形態1と比較して活物質層の表面積を大きくする手段について説明する。
入りできる領域の面積を大きくするということである。
リ金属又はアルカリ土類金属の吸蔵速度(吸蔵レート)及び放出速度(放出レート)が向
上する。
。
隙間にシリコンを主成分とする表面(活物質を含む表面)を有する。
が複数の突起部となっているともいえる。
の層の表面から突出する複数の突起部を有しているともいえる。
主成分とする層302上にマスク9000を形成する(図4(A))。
ング加工することにより、複数の突起部を有するシリコンを主成分とする層302を形成
する(図4(B))。
302をエッチングしたが、図4(B)ではエッチングを途中で止めて複数の突起部の隙
間にシリコンを主成分とする層を残存させている。
って、活物質層の表面積を大きくすることができる。
層の体積は残存させない時に比べて大きくなる。
限定されない。
。
とが可能である。
実施の形態1又は実施の形態2において、活物質層の表面積を大きくする手段について
述べる。
蔵速度(吸蔵レート)及び放出速度(放出レート)を向上させることができる。
面を後退させる(図5(A))。
層の表面積を大きくすることができる。
、等方性エッチングは例えばエッチング溶液を用いたウェットエッチング等により行うこ
とができる。
ッチングを行うことが可能である。
で等方性エッチングを行えば良いということである(図5(A))。
側面及び複数の突起部の隙間に位置するシリコンを主成分とする表面(活物質を含む表面
)を後退させる(図6(A))。
コンを主成分とする表面(活物質を含む表面)に凹部が形成されるので活物質層の表面積
を大きくすることができる。
とが可能である。
複数の突起部の形状が不規則(不揃い)である例を図7に示す。
数の形状を有すること、複数の突起部が集電体の表面に対して垂直方向に複数の傾きを有
すること、複数の突起部が集電体の表面に対して平行方向に複数の傾きを有すること、又
は、複数の突起部が複数の体積を有すること等のいずれか一又は二以上の状態を有するこ
とをいう。
。
隙間にシリコンを主成分とする表面(活物質を含む表面)を有する。
が複数の突起部となっているともいえる。
の表面から突出する複数の突起部を有しているともいえる。
層の表面積を大きくすることができる。
活物質層の体積を大きくすることができる。
が、図7では長軸方向が集電体の表面に対して斜め方向を向いている突起部を有すること
を特徴としている。
が特許権を侵害していないかどうかの調査を行うとき等に、透過型電子顕微鏡(TEM)
又は走査透過型電子顕微鏡(STEM)を用いて所定の箇所の断面を観察する場合がある
。
X)を用いれば観察した箇所に含まれる元素を特定できる。
した箇所の結晶構造を特定できる。
に、他者の製品の断面をエネルギー分散型X線分光法(EDX)を用いて観察すれば他者
の製品が特許権を侵害しているかどうか特定することができる。
、他者の製品の断面を観察して電子線回折法を用いれば他者の製品が特許権を侵害してい
るかどうか特定することができる。
TEM又はSTEMで断面分析を行う際には試料をできるだけ薄く(100nm以下)に
加工する必要がある。
方向(90度)を向いていると、試料の加工が難しくなり、試料の加工精度が落ちてしま
う問題がある。
を向いている突起部を有することによって、試料の加工が容易になり、試料の加工精度を
上げることができる。
加工がし易くなるので、角度は好ましくは45度以下、より好ましくは30度以下が良い
。
上800℃以下)で、原料ガスとしてシリコン原子を含むガスを用いることが好ましい。
i2Cl6等を用いることができるが限定されない。
とが可能である。
集電体、シリコンを主成分とする層、マスク等の材料について述べる。
集電体は導電性を有している材料を用いることができる。
れない。
ム、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、コバルト、又はこれらの合金等を用
いることができるが限定されない。
シリコンを主成分とする層は、主成分がシリコンであればよく、シリコンに他の元素(
例えばリン、砒素、炭素、酸素、窒素、ゲルマニウム、金属元素等)が含まれていても良
い。
タ法、蒸着法等を用いて形成することができるが限定されない。
質層の導電性が向上するので好ましい。
としては、例えば、イオン注入法、イオンドーピング法、熱拡散法等があるが限定されな
い。
シリコン、炭素に限定されない。
マスクは例えばフォトレジストマスク等を用いることができるが限定されない。
とが可能である。
活物質層の表面積及び体積を増加させる手段について述べる。
蔵速度(吸蔵レート)及び放出速度(放出レート)を向上させることができる。
子303)を配置した例である。
れている。
02に接するので活物質層として機能する。
たが、図8において活物質層はシリコンを主成分とする層302及び複数の粒子303か
ら構成されている。
子303)を配置した例である。
複数の粒子303)を配置した例である。
る。
に配置されている。
するので活物質層として機能する。
たが、図9において活物質層はシリコンを主成分とする層302及び複数の粒子303か
ら構成されている。
たが、図10において活物質層はシリコンを主成分とする層302及び複数の粒子303
から構成されている。
子303が集電体301とも接しているのに対して、図9、図10の例では複数の突起部
の隙間に配置されたシリコンを主成分とする複数の粒子303は集電体301と接してお
らずシリコンを主成分とする層302のみと接している。
と、シリコンを主成分とする複数の粒子303とシリコンを主成分とする層302が接し
ている箇所と、を比較すると同一種類の材料同士が接触している後者の方が接触抵抗が低
い。
の電解質が接触するので、複数の粒子が液状の電解質に分散してしまってシリコンを主成
分とする層に接触しなくなる問題が懸念される。
解質に分散することを防止することができる。
粒子を押さえることができる。
という問題がある。
、複数の粒子の一部がシリコンを主成分とする層に接触せず、活物質層として機能する粒
子の数が減ってしまう場合もあり得るという問題がある。
きい。
の影響を低減することができる。
在することになる。
。
以上の突起部に引っかかりにくくなるので、斜め方向に傾いている2以上の突起部が異な
る方向に傾いていることが重要である。
、複数の突起部の形状が不規則(不揃い)な図10の例の方が、複数の粒子が複数の突起
部に絡みやすくなるので好ましいということである。
ように円柱状ではない形状にしても良い。
る。
の元素(例えば、リン、砒素、炭素、酸素、窒素、ゲルマニウム、金属元素等)が含まれ
ていても良い。
性が高いほど蓄電装置の特性が向上するので好ましい。
複数の粒子と呼んでも良い。
シリコン、炭素に限定されない。
起部の接触抵抗が低減できるので好ましい。
ることができる。
数の粒子形成用基板の表面を削りとることによって柱状の複数の粒子を形成することがで
きる。
ルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ジアセチ
ルセルロース、ポリビニルクロリド、ポリビニルピロリドン、ポリテトラフルオロエチレ
ン、ポリエチレン、ポリプロピレン、EPDM(Ethylene Propylene
Diene Monomer)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエンゴム、ブタ
ジエンゴム、フッ素ゴム、ポリエチレンオキシド等を用いることができるが限定されない
。また、複数種類のバインダを組み合わせて用いても良い。
ことができるが限定されない。
い。
、VGCF(気相成長カーボンファイバー)等を用いることができるが限定されない。
が限定されない。
とが可能である。
実施の形態6では別途作製した複数の粒子を配置したが、図12のように複数の突起部
を折ることによって複数の粒子303を作製すると好ましい。
表面積を増加させることができる。即ち、図12の破線部が露出する。
に圧力をかけて折るだけなのでコストが増加しないので好ましい。
子を配置するとより好ましい。
と、の双方が配置された状態とするとより好ましい。
てしまい、複数の突起部が消失してしまう場合がある。
状に局所的に圧力をかけた例である。
則的な(揃っている)場合でも本実施の形態の例は適用可能である。本実施の形態は、他
の全ての実施の形態及び他の実施例と適宜組み合わせて実施することが可能である。
複数の粒子303を固定するために、複数の突起部上又は複数の突起部の隙間に複数の
粒子303を配置した後に、シリコンを主成分とする層302上及び複数の粒子303上
に活物質又は金属材料を含む保護膜304を形成することが好ましい(図14)。
含む保護膜304で被覆することが好ましい(図14)。
1において保護膜を形成した例であるが、もちろん図8、図9において保護膜を形成して
も良い。
素を主成分とする材料等があるが限定されない。
い。
。
とする材料があるが限定されない。金属材料には他の元素が含まれていても良い。
膜を用いれば、金属材料を含む保護膜を介して粒子と活物質を含む層とを電気的に接続す
ることができる。
限定されない。
を主成分とする活物質のメリットと、炭素を主成分とする活物質のメリットと、の双方を
利用できるからである。
いというメリットがある。
シリコンを主成分とする活物質よりも膨張が少ないというメリットがある。
突起部及び複数の粒子をシリコンを主成分とし、保護膜を炭素を主成分とすることが好ま
しい。
しても良い。
物質の体積を増加させることができる。
電極の導電性を向上することができる。
とが可能である。
集電体301とシリコンを主成分とする層302との間にシリサイド層を形成しても良
い。
タングステン等のシリサイドを形成できる材料を用いて所定の温度で加熱処理を行えば良
い。
とが可能である。
突起部の隙間に配置された活物質の形成方法の一例を図15を用いて説明する。
成膜することによって突起部の隙間に配置された活物質を形成することができる(図15
(B))。シリコンを主成分とする層310の形成方法はCVD法、スパッタ法、蒸着法
等に限定されない。
を主成分とする層310が、シリコンを主成分とする層302の側壁を被覆できない場合
がある(図15(C))。
するので、シリコンを主成分とする層310にかえて炭素を主成分とする層又は金属層を
用いても良い。
とが可能である。
蓄電装置の構造について説明する。
ようなものでも良い。
。
。
タ200上に第2の電極300が設けられており、第2の電極300上にスペーサ400
が設けられており、スペーサ400上にワッシャー500が設けられている。
いる。
ワッシャー500、及び電解質は、第1の筐体600及び第2の筐体700で囲まれた領
域の内部に配置されている。
ている。
良い。
まれている。
99に捲回されている。
れている。
れている。
ている。
良い。
電解質としては、例えば、非水溶媒体と該非水溶媒体に溶解する塩(アルカリ金属塩又
はアルカリ土類金属塩等)を用いれば良い。
属イオン等)を伝導する機能を有すればどのようなものでもよい。
第1の電極は集電体とアルカリ金属又はアルカリ土類金属を含む層とを有し、アルカリ
金属又はアルカリ土類金属を含む層がセパレータ側に位置している。
れない。
ム、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、コバルト、又はこれらの合金等を用
いることができるが限定されない。
(x≧0、y>0、z>0)、一般式AxMyOz(x≧0、y>0、z>0)、一般式
AxMySiOz(x≧0、y>0、z>0)等で表される材料を用いることができるが
限定されない。
ない。
ンチウム、バリウム等があるが限定されない。
ガン、鉄とニッケルとマンガンとの組み合わせ等があるが限定されない。
加しても良い。
土類金属膜、シリコンにアルカリ金属又はアルカリ土類金属を添加した膜、炭素にアルカ
リ金属又はアルカリ土類金属を添加した膜等を用いても良い。
電解質が液体の場合、絶縁性のセパレータを設けると好ましい。
きるが限定されない。
クリル等があるが限定されない。
第2の電極としては実施の形態1乃至10に記載した電極を用いることができる。
導電性材料であればどのようなものでも用いることができる。
絶縁性材料であればどのようなものでも用いることができる。
とが可能である。
蓄電装置を備えた電気装置について説明する。
部1100と、電源負荷部1100と電気的に接続された蓄電装置1200と、蓄電装置
1200に電気的に接続されたアンテナを有する回路1300と、を有する。
とが電気的に接続されている。
00、蓄電装置1200、アンテナを有する回路1300以外の構成を有していても良い
。
ある。
装置、コンピュータ等があるが限定されない。
A))、電気エネルギーを利用して推進する車椅子(図20(B))、電気エネルギーを
利用して推進するバイク、電気エネルギーを利用して推進する列車等があるが限定されな
い。
り、電気装置1000が電気推進車両の場合はモーター等である。
。
ると特に好適である。
1200に伝える信号処理回路を有していると好ましい。
)は無線充電を行う機能及び情報の送受信を行う機能を有する例を示してある。
する回路1300が復調回路、変調回路、整流回路等を有していると好ましい。
0との間に、蓄電装置1200から供給される電流、又は、蓄電装置1200から印加さ
れる電圧を一定電圧に変換する電源回路を設けることによって、電源負荷部1100に過
電流が流れることを防止することができる。
1300との間に逆流防止回路を設けると好ましい。
装置1200に向かってダイオードを順バイアス接続することが好ましい。
とが可能である。
条件は共通している。
第1の電極100として参照用電極であるリチウム電極を用いた。
媒(EC:DEC=1:1)にLiPF6を溶解させたものを用いた。
を用いた。
集電体としてチタンシート(厚さ100μm)を用意した。
300sccmとし、成膜圧力を20Pa、基板温度(チタンシートの温度)を600℃
とした。
ート)の昇温を行った。
集電体としてチタンシート(厚さ100μm)を用意した。
質シリコンを結晶化して結晶性シリコンを形成した。
%希釈)のホスフィン(PH3)とを用い、シラン流量を60sccmとし、水素希釈の
ホスフィン流量を20sccmとし、成膜圧力を133Pa、基板温度(チタンシートの
温度)を280℃とした。
成した。
サンプル1の第2の電極300表面(結晶質シリコンの表面)の走査型電子顕微鏡写真
(SEM写真)を図17に示す。
ていることが分かる。
れなかった。
いているがサンプル1は熱CVD法を用いている点で相違する。
シリコンウェハにサンプル1と同様の条件で結晶性シリコンを成膜したモニター2と、を
形成したがウィスカーは確認されなかった。
シリコンが得られることが分かった。
性シリコンを形成する再現実験を行ったところ、やはりウィスカーが確認された。
結晶性シリコンを成膜した結果、やはりウィスカーが確認された。
を600℃、シラン(SiH4)流量を300sccm、成膜圧力を20Paとして行っ
た。
を成膜した結果、ウィスカーが確認された。
充放電測定器を用いて、サンプル1の容量と比較サンプルの容量を測定した。
300mAh/cm3であり、比較サンプルの活物質層の単位体積あたりの放電容量の初
期特性が4050mAh/cm3であった。ここでは、サンプル1の活物質層の厚さは3
.5μm、比較サンプルの活物質層の厚さは3.5μmとして容量を算出した。なお、こ
こに示す容量は、リチウムの放電時の容量である。
わかった。
200 セパレータ
300 第2の電極
301 集電体
302 シリコンを主成分とする層
303 複数の粒子
304 保護膜
310 シリコンを主成分とする層
400 スペーサ
500 ワッシャー
600 第1の筐体
700 第2の筐体
800 絶縁物
901 リード線
902 リード線
999 棒
1000 電気装置
1100 電源負荷部
1200 蓄電装置
1300 アンテナを有する回路
9000 マスク
Claims (2)
- 第1の電極と、
第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間の、電解質と、を有し、
前記第1の電極又は前記第2の電極は、
集電体と、
前記集電体上の、活物質層と、を有し、
前記活物質層は、シリコンを主成分とし、
前記活物質層は、
第1の突起部と、
第2の突起部と、
粒子と、を有し、
前記第1の突起部の表面、前記第2の突起部の表面、及び前記粒子の表面を覆う保護膜を有し、
前記保護膜は、炭素を主成分とすることを特徴とする蓄電装置。 - 第1の電極と、
第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間の、電解質と、を有し、
前記第1の電極又は前記第2の電極は、
集電体と、
前記集電体上の、活物質層と、を有し、
前記活物質層は、シリコンを主成分とし、
前記活物質層は、
第1の突起部と、
第2の突起部と、
粒子と、を有し、
前記第1の突起部の表面、前記第2の突起部の表面、及び前記粒子の表面を覆う保護膜を有し、
前記保護膜は、炭素を主成分とし、
前記活物質層を熱CVD法により形成することを特徴とする蓄電装置の作製方法。
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