JP2020515011A - 3dマイクロバッテリーおよび電極の直接印刷 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2017年3月17日に出願された米国仮特許出願第62/472,889号、名称「METHODS OF DIRECT PRINTING 3−D MICROBATTERIES AND ELECTRODES」の優先権の利益を主張し、その開示は参照することにより全体が本明細書に組み込まれる。
本発明は、米国国立科学財団から授与された助成金番号CMMI−1025020の下で政府援助によりなされた。米国政府は本発明においてある特定の権利を有する。
た格子パターンに垂直に、およびそれに重複して形成される。
して、本発明の様々な実施形態を示す。
の範囲内に含まれる。
基、iso−ブチル基、sec−ブチル基、t−ブチル基、ネオペンチル基、イソペンチル基、および2,2−ジメチルプロピル基を含む。本明細書で使用される場合、「アルキル」という用語は、n−アルキル基、イソアルキル基、およびアンテイソアルキル基、ならびにアルキルの他の分岐鎖形態を包含する。
0nm〜15nm、または約11〜14nm、または約12〜13nmの数平均粒子サイズを有する。様々な実施形態において、金属酸化物ナノ粒子は、約12〜20nm、または約13〜19nm、または約13〜18nm、または約14〜17nm、または約15〜17nmの体積平均粒子サイズを有する。様々な実施形態において、金属酸化物ナノ粒子は、結晶性である。
実施形態において、各格子の高さは、約0.05、0.075、0.1、0.125、0.15、または0.175μmである。様々な実施形態において、各格子の厚さは、約25μm未満、約20μm未満、約15μm未満、約10μm未満、約5μm未満、または約3μm未満である。様々な実施形態において、格子パターンは、アニールされたTiO2ナノ粒子から形成される。
の電極を形成することとを含む。
物である。脱イオン水、エタノール、およびエチレングリコールは、任意の好適な比で、例えば1〜20:1〜20:1〜20の脱イオン水:エタノール:エチレングリコールで存在してもよい。例えば、脱イオン水、エタノール、およびエチレングリコールは、16:8:1のv/v比で存在してもよい。
シリーズポリマー、およびこれらのポリマーの組合せを含む、ASMI Japanから入手可能なSeRMシリーズポリマーであってもよい。ポリマーセパレータは、スピンコーティングまたは別の好適な技術を使用して、本明細書に記載のようにポリ(ドーパミンアクリルアミド)−co−ポリ(エチレングリコール)メチルエーテルメタクリレート(PDMA−c0−PEG500)の溶液でコーティングされ得る。様々な実施形態において、第2のインクは、ポリマーセパレータをコーティングする。
本発明の様々な実施形態は、例示を目的として提供される以下の実施例を参照することによって、より良く理解され得る。本発明は、本明細書に記載の実施例に限定されない。
線格子パターン(線幅約425nm;ピッチ約950nm;高さ約480nm)を用いてPDMSをケイ素または二酸化ケイ素マスター型に対してキャストすることにより、パターン化PDMSスタンプを製作した。PDMSエラストマー混合物(10:1重量比のSylgard 184シリコーンエラストマーベースおよび硬化剤)を混合し、真空炉内で室温で1時間脱気した。次いで、混合物をマスター型に注ぎ、炉内で70℃で5時間静置した。硬化後、マスター型から剥離することによりPDMSスタンプが得られた。
インプリントに好適なインクを作製するためには、ナノ粒子サイズおよび分散、固体濃度、ならびにインク密度が極めて重要な因子である。様々な実施形態において、市販の1,2−プロパンジオール中のTiO2ナノ粒子(アナターゼ型、20wt%)分散液(US Research Nanomaterials, Inc.)から、インプリントインクを作製する。この混合物をさらにボルテックスで混合し、数分間超音波処理すると、安定で良好に分散したインクが得られた。粒子サイズおよび分布を、TEM(JEOL
2000FX)およびMalvern Nano Zetasizerによりチェックした。
Nano Zetasizer)は、溶液中の粒子サイズ分布を示す(図1D)。数平均および体積平均粒子サイズは、それぞれ13.6nmおよび15.7nmであった。D
LSとTEMとの間のサイズの差は、DLSにおける僅かな凝集およびリガンドサイズの包含の両方に起因する。20wt%の分散液を、1,2−プロパンジオールおよびメタノールで1:1:5の重量比で希釈すると、約3wt%のTiO2ナノ粒子インクが得られた。様々な実施形態において、インクは、0.5、1、1.5、2、2.5、3.5、4、4.5、または5wt%のTiO2ナノ粒子を含む。0.45μmのPTFEシリンジフィルタを用いて、使用前により大きな凝集体を濾過した。これらのステップは、インクが均質であり、低い粘度を有することを確実にし、これは物質移動に有利である。図1Cに示されるように、TiO2は、この溶媒混合物中で安定な分散液を形成し、数か月にわたり観察された沈殿は無視できるものであった。図1Cはまた、インクが1.8mPa・sという非常に低い粘度を示すことを示しており、これは溶媒混合物の粘度(25℃で1.37mPa・s)に近い。(101)面の計算d間隔は、高分解能TEM画像(図1B)により確認されるように0.36nmである。
ウッドパイル(多層)電極を製造するための例示的スキームを、図2に示す。図2において、電流コレクタとして機能する二酸化ケイ素ウエハ上に蒸着させた、定義された面積(1.5×1.5cm2)を有するTi/Au(5nm/50nm)の二重層を堆積させることにより作製された金電荷コレクタを、(i)単一層インプリント、金電荷コレクタ上へのTiO2インクスピンコーティング、続いてPDMSスタンプ成形−乾燥−離型プロセスに供し、次いで(ii)架橋性チオール−エンベースアクリレート樹脂による平坦化に供し、次いで(iii)(i)および(ii)を反復することによる多層構造製作に供し、次いで(iv)ウッドパイル電極を得るために焼成(アニール)に供する。
図2は、溶媒補助ソフトNILによる多層TiO2電極の製作プロセスを示す。まず、定義された面積(1.5×1.5cm2)を有するTi/Au(5nm/50nm)の二重層を、電流コレクタとして機能する二酸化ケイ素ウエハ上に蒸着させた。電流コレクタおよび接触パッドを金の薄いトレースにより接続したが、トレースの寸法は、電流コレクタ面積に比べて無視できる。このように、全てのデバイス実装面積は同じである。インプリントは、典型的なスピンコーティング−成形−離型プロセスに従う。ポリ(ジメチルシロキサン)型は、溶媒浸透性であることが示されており、これは、パターン化構造を固めるのを助け、離型プロセス中機械的に安定化させる。
労力は必要ではない。さらに、有機成分の除去に起因して、中程度の寸法収縮が観察された。焼成後、線の高さは210nmから約180nmに減少し、幅は各層において200nmであり、アスペクト比は約1であった(図3A)。2つ、3つ、4つ、および6つ(図示せず)のインプリント層を積層すると、それぞれ2、3、および4のアスペクト比を有するフィーチャが得られた(それぞれ図3C、図3D、および図3F)。方法は、欠陥のないインプリント(図3E)を達成することができ、製造拡張の大きな可能性を示した。
異なる高さのウッドパイル電極の容量を、半電池における定電流充電/放電により試験した。1つ、2つ、3つ、4つおよび6つの層を有する電極を1.5C電流(1C=330mAg−1)で放電させ、容量と構造高さとの間の相関を調査した。同等の空隙率を有する様々な厚さの非パターン化TiO2膜が参照として機能した。
cm−2に増加し、413.4mAhg−1という高い比容量が得られたが、これは335mAhg−1という理論値よりさらに高い。理論に束縛されないが、表面電荷貯蔵メカニズムが関与し得ると考えられる。無作為に配向した微小TiO2結晶子は、追加的なLi+を吸着するナノ空洞を提供し得、これは、非晶質炭素におけるより大きいLi+貯蔵容量を説明するために使用される「不安定構造」モデルに類似している。驚くべきことに、インプリントTiO2ウッドパイル電極は、500〜5000mAg−1の電流密度下で安定にサイクルされ得た(図8B)。
全ての電気化学的測定は、アルゴングローブボックス内で組み立てられ封止されたプラスチックセル内で行われた。様々な実施形態において、LiClO4(1M、EC/DMC=1/1v中)の溶液を液体電解質として使用した。一片のリチウム金属が、対電極および基準電極の両方として機能した。二酸化チタンウッドパイルの電気化学的性能を定量的に比較するために、電流コレクタにより全ての構造の活性実装面積を同じになるように厳密に制御した。電極の充電および放電プロファイルを、1.0〜3.0Vの電圧ウィンドウ内で異なるC速度で定電流試験(Maccor 4304)により測定した。上および下のカットオフ電圧を2.7Vおよび1.0Vに設定した。拡張サイクル試験は、0.
4〜3.0Vの電圧ウィンドウで行った。様々な厚さを有する非パターン化TiO2膜の対照試料を同じ条件下で試験し、比較に使用した。
190mLのテフロン反応チャンバを有するステンレススチール製オートクレーブ内での水熱合成法により、LMO粒子を合成した。テフロンインサートをオートクレーブから取り出し、磁器撹拌器に置いた。LiOH溶液(100mL、0.1M LiOH・H2O(p.a. Bie&Berntsen A/S))をインサートに加え、穏やかな撹拌下でKMnO4(1.217g、p.a. Merck)を溶解した。KMnO4が完全に溶解したら、エタノール(1.2mL)を溶液に添加した。インサートから磁石を取り出し、インサートをオートクレーブ内に封入して、予熱された炉内で180℃で5時間静置した。オートクレーブを一晩自然冷却させた。生成物を水/エタノール混合物中で3回洗浄および遠心分離し、自然乾燥させた。
16/8/1v)中に分散させることにより、LTOインクを作製した。次いで、混合物を30分間超音波浴で処理し、続いてさらに1時間プローブ超音波処理する。次いで、水性ポリマー結合剤ポリビニルピロリドン(Sigma−Aldrich、Mw約58k)を分散液に添加し、続いてさらに1時間ボールミル粉砕した。インク粘度は、m−VROCレオメータにより特性決定した。
エネルギーおよび出力密度の増加にもかかわらず、3Dバッテリー設計は、時折電気化学セル内で不均一な電流分布を有し得る。これは、電極付近での不均一な電子およびイオン濃度をもたらし得る。例えば放電において、陰極で局所的にLiイオンが枯渇した領域が、脱リチウム化の早期終了をもたらすことが考えられる。電流の均一性を定量的に測定するために、無次元数Uが提案される(式1)。
な電極の幅および高さである。変数μおよびσは、それぞれLi+の移動度および電極の電子伝導率であり、Cは、体積エネルギー容量である。小さいUは、均一な電流分布に対応する。より高いアスペクト比(h/w)の電極を使用して、その電子伝導率を増加させることにより、バッテリー内のより均一な電流分布が達成され得る。
々な実施形態において、インクは10%の固体濃度を有し、良好な流動性を有し、粘度は約1.8〜3.2mPa・sの間であり(NMP溶媒の1.6mPa sと比較して)、これは、ナノサイズ粒子安定化および得られる均一分散の容易性によるものであった。電極構造を、窒素フロー下で400℃で熱アニールした。
統合の前に、インプリントマイクロ電極(1cm2の実装面積)の電気化学的性能を、リチウム金属が対電極/基準電極として機能する半電池試験でチェックした。0.5mVs−1〜5mVs−1の走査速度下でのLMOマイクロ電極のサイクリックボルタモグラム(CV)が得られた。0.5mVs−1において、2つの異なるカソードピークが4.13Vおよび4.0Vに観察されるが、これはLiMn2O4マトリックスへのLi+の2段階挿入によく一致している。それに応じて、4.02Vおよび4.15Vのアノード
ピークは、段階的Li+抽出に対応する。非常に明確なピーク分裂は、LMOナノ粒子の良好な結晶性に起因し得る。アノードピーク位置とカソードピーク位置との間の電位差は小さく、走査速度の増加と共に観察されるシフトは極僅かであることが分かる。これらは共に、インプリントカソードにおける良好な可逆性を示している。図5は、PDMS型(501)剥離後に形成されたLMO電極アレイを有するITOコーティングガラス(500)を用いたインプリント3Dバッテリー製作、および逐次的にポリマーセパレータをコーティングしてLTOインクを再充填することによる最終櫛型バッテリーアーキテクチャの概略図である。
図12に示されるアーキテクチャを有するマイクロバッテリーもまた、様々な実施形態による二重層インプリント法により作製され得る。マイクロバッテリーは、電荷コレクタ1205および1203、アノード材料1202、セパレータ材料1201、ならびにカ
ソード材料1204を有する。電荷コレクタは、炭素ナノ粉末等の任意の好適な導電性材料から作製されてもよく、またはそれを含んでもよい。本明細書に記載のアノード、カソード、およびセパレータ材料のいずれも、図12に示されるようなバッテリーを構築するために使用され得る。アノードインクが平坦化に使用されるが、二重層インプリント法はまた、カソード/セパレータ二重層を最初にインプリントすることにより逆に行われてもよい。様々な実施形態において、本明細書に記載のバッテリーまたは電極アセンブリのいずれも、例えば本明細書に記載のLMO/PDMA−co−PEG500マイクロバッテリーは、二重層インプリントを使用して製造され得る。
蒸発するにつれてインクの固体濃度が増加し、フェノール樹脂の若干の架橋が生じて膜の機械的堅牢性を増加させる一方で、まだインプリントのための適度の変形能力が維持される。その後、複合電解質をアニール膜上にキャストする。上部層を濃縮するために、二重層膜をプレート上でさらに5分間加熱する。最後に、膜をNanonexインプリントシステム内に移し、高弾性の型(h−PDMS(h−ポリジメチルシロキサン)またはPTFE(ポリテトラフルオロエチレン))を二重層膜上に置く。インプリントを圧力下で120℃で5分間保持し、続いて離型する。
LiClO4(1M、EC/DMC=1/1v中)の溶液を液体電解質として使用する。半電池および完全電池試験は全て、アルゴン充填雰囲気中で行う。サイクリックボルタンメトリー試験は、市販のCHI660E Electrochemical Systemを使用して行う。0.5mV/sの走査速度を使用した。デバイス充電/放電能力を試験するために、Maccor 440で電気試験を行う。バッテリー性能を調査するために、厚さ100nmのアルミニウム電流コレクタをアノード上に熱蒸着し、その間、堆積面積をシャドーマスクにより正確に制御し、得られるデバイスの実装面積を20mm2に設定した。
なる均等物をも除外する意図はなく、本発明の実施形態の範囲内で様々な修正が可能であることが認識される。したがって、本発明は特定の実施形態および任意選択の特徴により具体的に開示されているが、本明細書において開示される概念の修正および変型が当業者により成されてもよく、またそのような修正および変型は、本発明の実施形態の範囲内とみなされることが理解されるべきである。
以下の例示的実施形態が提供されるが、その付番は重要度を指定するものとして解釈されるべきではない。
パターン化膜は、平行格子パターンを有する。
のいずれか1つに記載の方法を提供する。
の比で存在する、実施形態31〜55のいずれか1つに記載の方法を提供する。
れか1つに記載の方法を提供する。
を提供する。
Claims (20)
- 電極を製作する方法であって、
電気活性ナノ粒子、および任意選択で少なくとも1種の導電性添加剤を含むインクを、電気接点を備える基板上に堆積させて、膜を形成することと、
膜を型でスタンピングして、パターン化膜を形成することと、
パターン化膜をアニールして電極を形成することと
を含む方法。 - インクが、金属酸化物ナノ粒子の分散液を含む、請求項1に記載の方法。
- 金属酸化物ナノ粒子が、約1nm〜約25nmの数平均および体積平均粒子サイズを有する、請求項2に記載の方法。
- 金属酸化物ナノ粒子が、TiO2である、請求項2に記載の方法。
- 金属酸化物ナノ粒子が、結晶性である、請求項2に記載の方法。
- 金属酸化物ナノ粒子が、分散液の約1〜25wt%を構成する、請求項2に記載の方法。
- パターン化膜が、平行格子パターンを含む、請求項1に記載の方法。
- パターン化膜が、蛇行線、平行ジグザグ線、グリッド構造、同心円、正多角形、またはそれらの組合せから選択される形状を含む、請求項1に記載の方法。
- 電極が、パターン化膜の形状を有する、請求項8に記載の方法。
- 架橋性プレポリマーフォトレジストの少なくとも1つの層を電極上に堆積させ、続いて硬化させて平坦化層を形成することにより電極を平坦化することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 堆積、スタンピング、アニーリング、平坦化、および硬化のさらなるサイクルを行うことにより、さらなる電極を形成することをさらに含み、
それぞれの連続するサイクルにおいて、平行格子パターンが以前に堆積された格子パターンに垂直に、およびそれに重複して形成される、請求項10に記載の方法。 - 全部で6つまでの電極層が堆積されて、三次元電極を形成する、請求項11に記載の方法。
- 三次元電極の比容量が、電極層の数に比例する、請求項12に記載の方法。
- 電極を製作する方法であって、
アルコール溶媒中に分散された約1nm〜約25nmの数平均および体積平均粒子サイズを有する約3wt%のTiO2ナノ粒子を含むインクを、二酸化ケイ素基板上に形成された金接点上にスピンコーティングして、膜を形成することと、
膜を型でスタンピングして、平行格子パターンを有する膜を形成することであって、格子パターンは約1μmの間隔を有し、各格子は約0.01μm〜約0.25μmの高さおよび約0.01μm〜約0.25μmの幅を有することと、
パターン化膜をアニールして電極層を形成することと、
架橋性プレポリマーフォトレジストの少なくとも1つの層を電極層上に堆積させ、続いてフォトレジストを硬化させて平坦化層を形成することにより、電極を平坦化することと、スピンコーティング、スタンピング、アニーリング、平坦化、および硬化のさらなるサイクルにより、少なくとも5つのさらなる電極を形成することと
を含み、それぞれの連続するサイクルにおいて、平行格子パターンが以前に堆積された格子パターンに垂直に、およびそれに重複して形成される方法。 - 電極を製作する方法であって、
電気活性ナノ粒子、および任意選択で少なくとも1種の導電性添加剤を含む第1のインクを基板上に堆積させて、膜を形成することと、
膜を型でスタンピングして、スタンピングされた構造を形成することと、
スタンピングされた構造をアニールして、第1の電極を形成することと、
第1の電極上にセパレータの少なくとも1つの層を堆積させることと、
スタンピングされた構造に電気活性ナノ粒子を含む第2のインクを再充填して、第2の電極を形成することと
を含む方法。 - 堆積させることは、スピンコーティングを含む、請求項15に記載の方法。
- 第1のインクが、金属酸化物ナノ粒子の分散液を含む、請求項15に記載の方法。
- 金属酸化物ナノ粒子が、LiMn2O4(LMO)である、請求項17に記載の方法。
- 金属酸化物ナノ粒子が、Li4Ti5O12(LTO)である、請求項17に記載の方法。
- 堆積させることは、第1の電極上にポリマーをグラフトすることを含む、請求項15に記載の方法。
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