JP2021529414A - Rechargeable lithium-ion battery with anode structure including porous region - Google Patents

Rechargeable lithium-ion battery with anode structure including porous region Download PDF

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Abstract

高容量を有する充電式リチウムイオン電池が提供される。このリチウムイオン電池は、単一構成でありかつ非多孔性領域および多孔性領域を含むアノード構造を含み、この多孔性領域は、第1の厚さおよび第1の空隙率を有する頂部多孔性層(多孔性領域1)と、頂部多孔性層の下に位置して非多孔性領域との界面を形成する底部多孔性層(多孔性領域2)とを含む。非多孔性領域の少なくとも上側部分と、多孔性領域の全体とはシリコンで構成されており、底部多孔性層は第1の厚さよりも大きい第2の厚さと、第1の空隙率よりも大きい第2の空隙率とを有する。A rechargeable lithium ion battery having a high capacity is provided. The lithium ion battery has a single configuration and includes an anode structure that includes a non-porous region and a porous region, which is a top porous layer having a first thickness and a first porosity. It includes (porous region 1) and a bottom porous layer (porous region 2) that is located below the top porous layer and forms an interface with the non-porous region. At least the upper portion of the non-porous region and the entire porous region are made of silicon, and the bottom porous layer has a second thickness greater than the first thickness and greater than the first porosity. It has a second porosity.

Description

本出願は充電式電池に関する。より具体的には、本出願は、2つの異なる空隙率を有する多孔性半導体領域と、多孔性半導体領域の下に位置する非多孔性半導体領域とを含む基板で構成されたアノード構造を含む高容量の充電式リチウムイオン電池に関する。 This application relates to rechargeable batteries. More specifically, the present application comprises an anode structure composed of a substrate comprising a porous semiconductor region having two different porosities and a non-porous semiconductor region located below the porous semiconductor region. Regarding capacity rechargeable lithium-ion batteries.

近年、たとえばコンピュータ、携帯電話、追跡システム、スキャナ、医療用デバイス、スマート・ウォッチ、電動ツール、リモート・システムおよびセンサ、電気車両、インターネット・オブ・シングス(IOT:internet of things)、ならびにフィットネス・デバイスなどの電子デバイスに対する要求が増加している。こうした電子デバイスの欠点の1つは、デバイス自体の中に電源を含む必要があることである。通常は、こうした電子デバイスの電源として電池が用いられる。電池は、少なくともデバイスが使用されている間電子デバイスに電力供給するために十分な容量を有する必要がある。十分な電池容量の結果として、電子デバイスの残りの部分と比べてかなり重いか、もしくは大きいか、またはその両方である電源がもたらされ得る。このため、十分なエネルギ貯蔵量を有するより小型かつより軽量の電源が望まれる。こうした電源は、より小さく軽量の電子デバイスと、電荷担体として作用するリチウムイオン材料との組み合わせにおいて実現され得る。リチウムは元素周期表において最も軽くかつ最も電気陽性の電荷担体イオンであるため、リチウムイオン電池およびコンデンサは、より小さくよりエネルギ密度の高いエネルギ貯蔵デバイスに対して最適であると考えられる。 In recent years, for example, computers, cell phones, tracking systems, scanners, medical devices, smart watches, power tools, remote systems and sensors, electric vehicles, Internet of Things (IOT), and fitness devices. The demand for electronic devices such as is increasing. One of the drawbacks of these electronic devices is that they need to include a power source within the device itself. Usually, a battery is used as a power source for such an electronic device. The battery must have sufficient capacity to power the electronic device at least while the device is in use. Sufficient battery capacity can result in a power source that is significantly heavier, / or larger than the rest of the electronic device. Therefore, a smaller and lighter power source with sufficient energy storage is desired. Such a power source can be realized in combination with a smaller and lighter electronic device and a lithium ion material acting as a charge carrier. Lithium-ion batteries and capacitors are considered to be optimal for smaller, more energy-dense energy storage devices, as lithium is the lightest and most electrically positive charge carrier ion in the Periodic Table of the Elements.

高いエネルギ密度(高容量)をもたらす軽量エネルギ貯蔵デバイスに対する要求に加えて、より速い充電速度(すなわち高速充電動力学)に対する要求も消費者市場における現在の要求である。次世代の電池に対して、たとえば電気車両、ポータブル遠隔通信、IOT、およびセンサなどの市場における消費者の要求を満たすために、もし電池を10分以内に満充電できれば望ましいだろう。電気車両の場合、もし消費者が彼/彼女の車両を充電するために10分よりも長く待つ必要があれば、その電池動力の電気車両はユーザのスケジュールおよび結果的に彼らの移動範囲に制限を加えるおそれがある。よって、電気車両市場において速い充電速度の電池を用いることは、ガソリン動力の自動車と競合しておそらくはそれに置き換わる実現可能な電気車両市場の創造を助けるだろう。 In addition to the demand for lightweight energy storage devices that provide high energy density (high capacity), the demand for faster charging speeds (ie, faster charging kinetics) is also a current demand in the consumer market. For next-generation batteries, it would be desirable if the batteries could be fully charged within 10 minutes to meet consumer demands in markets such as electric vehicles, portable telecommunications, IOT, and sensors. In the case of electric vehicles, if the consumer has to wait longer than 10 minutes to charge his / her vehicle, the battery-powered electric vehicle will limit the user's schedule and, as a result, their range of travel. May be added. Therefore, the use of fast charging speed batteries in the electric vehicle market will help create a feasible electric vehicle market that will compete with and perhaps replace gasoline-powered vehicles.

従来の電池の別の欠点は、電池の中には引火性および毒性の可能性のある材料を含有するものがあり、その材料が漏洩して安全性の危機および費用のかかる製品リコールをもたらすおそれがあることである。結果として、これらの電池は政府の規制を受けて、製品の評判を損なうおそれがある。電池漏洩のリスクは、これらの電池内に亀裂が形成されることによって増加し得る。これらの亀裂は、おそらくは電池の充電/放電サイクルによる内部応力によってもたらされるだろう。 Another drawback of traditional batteries is that some batteries contain potentially flammable and toxic materials that can leak, resulting in safety hazards and costly product recalls. There is. As a result, these batteries are subject to government regulation and can damage the product's reputation. The risk of battery leakage can be increased by the formation of cracks in these batteries. These cracks are probably caused by internal stresses from the battery charge / discharge cycle.

加えて、固体電解質を含有する電池の場合は、これらの電池内のデンドライト形成によって電池寿命性能が低下することが証明されている。デンドライトのサイズは電池の寿命にわたって増加し、おそらくは電池の充電/放電サイクル数にも関係しているだろう。デンドライトが電池内で形成されて経時的に大きく成長するとき、デンドライトは電池の内部構成要素を電気的に短絡させて電池の故障をもたらしやすい。 In addition, in the case of batteries containing solid electrolytes, it has been demonstrated that the formation of dendrites in these batteries reduces battery life performance. The size of the dendrite increases over the life of the battery and is probably related to the number of charge / discharge cycles of the battery. When dendrites are formed in the battery and grow large over time, the dendrites are prone to electrical shorting of the internal components of the battery, leading to battery failure.

リチウム金属の安定した充電ホストを提供し、かつリチウムイオンからリチウム金属へ、およびその逆の可逆的イオン化機構を促進するリチウム金属充電ホスト電極の出現によって、持続可能な全固体または半固体リチウムイオン電池の消費者市場における大量生産が達成できる。リチウム金属は3850mAh/gの理論的エネルギ容量を維持するのに対し、シリコンベースのリチウムホスト電極材料は4200mA/gの理論的容量を維持する。たとえば、アノードとして作用するこれらの材料はどちらも、従来の黒鉛アノード材料の理論的容量(372mAh/g)の10倍よりも大きい。しかし、これらの電池は割れ、漏洩、および内部デンドライト障害のリスクをなおも有する。 Sustainable all-solid or semi-solid lithium-ion batteries with the advent of lithium metal charging host electrodes that provide a stable charging host for lithium metals and promote reversible ionization mechanisms from lithium ions to lithium metals and vice versa. Mass production in the consumer market can be achieved. Lithium metal maintains a theoretical energy capacity of 3850 mAh / g, whereas silicon-based lithium host electrode materials maintain a theoretical capacity of 4200 mA / g. For example, both of these materials acting as anodes are greater than 10 times the theoretical capacity (372 mAh / g) of conventional graphite anode materials. However, these batteries still carry the risk of cracking, leaking, and internal dendrite failure.

よって、低減した充電時間を有し、より高い貯蔵容量を有し、かつ多数の充電/放電ライフ・サイクルにわたって安全に再充電可能であるとともに、割れ、漏洩、および電池内のデンドライト成長による障害のリスクを低減させた、電力供給を提供するための改善されたリチウムイオン電池が必要とされている。 Thus, it has reduced charge time, higher storage capacity, can be safely recharged over multiple charge / discharge life cycles, and is susceptible to cracking, leakage, and dendrite growth in the battery. There is a need for improved lithium-ion batteries to provide power supply with reduced risk.

高容量(すなわち、100mAh/g以上の容量)を維持する充電式リチウムイオン電池が提供される。いくつかの実施形態において、本出願の充電式リチウムイオン電池は、寿命の増加、充電/放電サイクル数の増加、充電時間の低減(すなわち速い充電速度)、サイクル中の体積の膨張もしくは変形またはその両方の低減、デンドライトおよび亀裂形成の低減、あるいは割れによる電池漏洩の低減、あるいはその組み合わせも示し得る。 A rechargeable lithium-ion battery that maintains a high capacity (ie, a capacity of 100 mAh / g or more) is provided. In some embodiments, the rechargeable lithium-ion batteries of the present application have increased life, increased number of charge / discharge cycles, reduced charging time (ie fast charging speed), volume expansion or deformation during the cycle or the like thereof. Reduction of both, reduction of dendrite and crack formation, reduction of battery leakage due to cracking, or a combination thereof can also be shown.

本出願の充電式リチウムイオン電池は、リチウム含有カソード材料層とアノード構造との間に位置する電解質領域を含む。アノード構造は単一構成(すなわちモノリス構造)であり、非多孔性領域と多孔性領域とを含む。多孔性領域は、第1の厚さおよび第1の空隙率を有する頂部多孔性層(多孔性領域1)と、第1の空隙率よりも大きい第2の空隙率および第1の厚さよりも大きい第2の厚さを有する底部多孔性層(多孔性領域2)とを含む。底部多孔性層(すなわち多孔性領域2)は、頂部多孔性層(すなわち多孔性領域1)の下に位置して非多孔性領域との界面を形成する。加えて、非多孔性領域の少なくとも上側部分と、多孔性領域の全体とがシリコンで構成される。 The rechargeable lithium-ion battery of the present application includes an electrolyte region located between the lithium-containing cathode material layer and the anode structure. The anode structure is a single structure (ie, a monolithic structure) and includes a non-porous region and a porous region. The porous region is larger than the top porous layer (porous region 1) having a first thickness and a first porosity and a second porosity and a first thickness greater than the first porosity. Includes a bottom porous layer (porous region 2) with a large second thickness. The bottom porous layer (ie, porous region 2) is located below the top porous layer (ie, porous region 1) and forms an interface with the non-porous region. In addition, at least the upper portion of the non-porous region and the entire porous region are made of silicon.

本出願の別の態様において、充電式リチウムイオン電池に対する前述のアノード構造を作製する方法が提供される。この方法は、pドープ・シリコンで構成される少なくとも上側領域を含む基板をアノード・エッチングするステップを含む。一実施形態において、多孔性領域1および2を含むアノード構造の相対的深さ、細孔構造、および表面積は、本出願の方法の適用条件を通じて制御される。 In another aspect of the application, there is provided a method of making the aforementioned anode structure for a rechargeable lithium ion battery. The method comprises the step of anode etching a substrate containing at least the upper region composed of p-doped silicon. In one embodiment, the relative depth, pore structure, and surface area of the anode structure, including the porous regions 1 and 2, are controlled through the applicable conditions of the methods of the present application.

本出願の別の態様は、電池の充電および放電サイクル中の充電式電池に対するアノード構造に対する動作の変更を示す。本出願のアノード構造および電池構造は、内部応力の低減および電池寿命にわたるデンドライト成長の低減を示す独特のやり方で充電する。任意の理論に結び付けられることは望まないが、本出願の充電動作は、内部電池応力のレベル低減およびアノード構造の割れ発生の低減に寄与するものと考えられる。 Another aspect of the application shows a change in behavior with respect to the anode structure for a rechargeable battery during a battery charge and discharge cycle. The anode structure and battery structure of the present application are charged in a unique manner that exhibits reduced internal stress and reduced dendrite growth over battery life. Although not desired to be tied to any theory, the charging operation of the present application is believed to contribute to reducing the level of internal battery stress and reducing the occurrence of cracks in the anode structure.

本出願のさらに別の態様において、特定の粒子サイズおよび粒子境界の密度または円柱状の微細構造を含むカソード材料と、本アノード構造との組み合わせが用いられる。本出願のアノード構造は、さまざまな寸法および質量のそれぞれのカソード材料から供給されるリチウム材料を持続可能にめっきできる。特に、本出願のアノード構造は充電の際の見かけのリチウムめっきと、放電の際のリチウム剥離とを促進するため、高容量電池セルが容易に製作され得る。 In yet another aspect of the application, a combination of the present anode structure with a cathode material comprising a particular particle size and particle boundary density or columnar ultrastructure is used. The anode structure of the present application is capable of sustainably plating lithium materials supplied from the respective cathode materials of various dimensions and masses. In particular, since the anode structure of the present application promotes apparent lithium plating during charging and lithium peeling during discharging, a high-capacity battery cell can be easily manufactured.

本出願の第1の実施形態による例示的な充電式リチウムイオン電池を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the exemplary rechargeable lithium ion battery by 1st Embodiment of this application. 本出願の第2の実施形態による別の例示的な充電式リチウムイオン電池を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing another exemplary rechargeable lithium-ion battery according to a second embodiment of the present application. 本出願の第3の実施形態による例示的な充電式リチウムイオン電池を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing an exemplary rechargeable lithium-ion battery according to a third embodiment of the present application. 本出願の第4の実施形態による例示的な充電式リチウムイオン電池を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing an exemplary rechargeable lithium-ion battery according to a fourth embodiment of the present application. 本出願の第5の実施形態による例示的な充電式リチウムイオン電池を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing an exemplary rechargeable lithium-ion battery according to a fifth embodiment of the present application. 本出願の第6の実施形態による例示的な充電式リチウムイオン電池を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing an exemplary rechargeable lithium-ion battery according to a sixth embodiment of the present application. 本出願の第6の実施形態による例示的な充電式リチウムイオン電池を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing an exemplary rechargeable lithium-ion battery according to a sixth embodiment of the present application. 陽極酸化前のp型結晶シリコン基板から始まる本出願のアノード構造を形成する方法、および陽極酸化後のアノード構造を示す概略図である。It is the schematic which shows the method of forming the anode structure of this application starting from the p-type crystalline silicon substrate before anodizing, and the anode structure after anodizing. 陽極酸化の際の2つの別個の多孔性領域を表す多孔性シリコン・アノード構造を示す断面の透過型電子顕微鏡図(TEM:transmission electron micrograph)である。FIG. 3 is a transmission electron microscope (TEM) of a cross section showing a porous silicon anode structure representing two separate porous regions during anodic oxidation. (A)は、多孔性領域1の厚さを示す多孔性シリコン・アノード構造の高分解能透過型電子顕微鏡図(HRTEM:high resolution transmission electron micrograph)である。(B)は、多孔性領域1に対応する多孔性シリコン・アノード構造の最初の約30nmと、多孔性領域2に対応する同じシリコン・アノード構造の最初の約90nmとの二次イオン質量分析(SIMS:secondary ion mass spectrometry)スペクトルを示す図である。(A) is a high resolution transmission electron microscope (HRTEM: high resolution transmission electron microscope) of a porous silicon anode structure showing the thickness of the porous region 1. (B) is a secondary ion mass spectrometry of the first about 30 nm of the porous silicon anode structure corresponding to the porous region 1 and the first about 90 nm of the same silicon anode structure corresponding to the porous region 2. SIMS: secondary ion mass spectrometry) It is a figure which shows the spectrum. (A)は、動作的使用前のアノード構造を示す、流れ図の一部を表す図である。(B)は、動作的使用の際のアノード構造を示す、流れ図の一部を表す図であり、ここでは充電サイクル中にシード層が形成している。(C)は、動作的使用の際のアノード構造を示す、流れ図の一部を表す図であり、ここでは継続的充電の後にリチウムめっきが生じている。(A) is a diagram showing a part of a flow chart showing an anode structure before operational use. (B) is a diagram showing a part of a flow chart showing an anode structure during operational use, in which a seed layer is formed during a charging cycle. (C) is a diagram showing a part of a flow chart showing an anode structure during operational use, in which lithium plating occurs after continuous charging. 液体電解質を使用したときの5サイクル後の多孔性シリコン・アノード構造のSEM画像を示す図である。It is a figure which shows the SEM image of the porous silicon anode structure after 5 cycles when a liquid electrolyte was used. (A)は、動作的使用の際のアノード構造を示す、流れ図の一部を表す図であり、ここでは放電の際にリチウム剥離が起こっている。(B)は、液体電解質を使用したときの約250サイクル後の多孔性シリコン・アノード構造の別のSEM画像を示す図である。(A) is a diagram showing a part of a flow chart showing an anode structure during operational use, in which lithium peeling occurs during discharge. (B) is a diagram showing another SEM image of the porous silicon anode structure after about 250 cycles when using a liquid electrolyte. 電解質領域が固体材料である図1に示されるものと類似の構造を含む本出願による全固体リチウムイオン電池に対するSEM画像を示す図であり、図10Aは定電流または定電位誘導の充電または放電前の構造を示すSEMである。FIG. 10A shows an SEM image of an all-solid-state lithium-ion battery according to the present application containing a structure similar to that shown in FIG. 1 where the electrolyte region is a solid material, FIG. 10A is before charging or discharging with constant current or constant potential induction. It is an SEM showing the structure of. 電解質領域が固体材料である図1に示されるものと類似の構造を含む本出願による全固体リチウムイオン電池に対するSEM画像を示す図であり、図10Bは6の充電および放電サイクル後の構造を示す別のSEMである。FIG. 10B shows an SEM image of an all-solid-state lithium-ion battery according to the present application containing a structure similar to that shown in FIG. 1 where the electrolyte region is a solid material, FIG. 10B shows the structure after the charge and discharge cycle of 6. Another SEM. 電解質領域が固体材料である図1に示されるものと類似の構造を含む本出願による全固体リチウムイオン電池に対するSEM画像を示す図であり、図10Cは67の充電および放電サイクル後の構造を示すさらに別のSEM画像である。FIG. 10C shows an SEM image of an all-solid-state lithium-ion battery according to the present application containing a structure similar to that shown in FIG. 1 where the electrolyte region is a solid material, FIG. 10C shows the structure after 67 charge and discharge cycles. Yet another SEM image. 本出願のアノード構造を作製するための一実施形態を示すフロー・チャートである。It is a flow chart which shows one Embodiment for making the anode structure of this application.

ここで本出願に付随する以下の考察および図面を参照して、本出願をより詳細に説明することとする。なお、本出願の図面は例示の目的のためのみに提供されたものであるため、図面は縮尺どおりに描かれていない。加えて、類似および対応する構成要素は類似の参照番号によって示されていることを注記する。 The application will now be described in more detail with reference to the following considerations and drawings that accompany the application. The drawings of this application are provided for illustrative purposes only and are not drawn to scale. In addition, note that similar and corresponding components are indicated by similar reference numbers.

以下の説明においては、本出願のさまざまな実施形態の理解を提供するために、たとえば特定の構造、構成要素、材料、寸法、処理ステップ、および技術などの多数の特定的な詳細が示されている。しかし、この開示を与えられると、さらなる特定的詳細を提供することなく実施され得る本出願のさまざまな代替的実施形態が存在することを当業者は認識するだろう。他の場合には、周知の構造または処理ステップが本発明の概念との組み合わせで、もしくは本発明の概念を用いて、またはその両方で用いられ得る。本出願を曖昧にすることを避けるために、これらの構造およびステップは詳細に説明されていない。 In the following description, a number of specific details such as specific structures, components, materials, dimensions, processing steps, and techniques are provided to provide an understanding of the various embodiments of the present application. There is. However, given this disclosure, one of ordinary skill in the art will recognize that there are various alternative embodiments of the application that can be implemented without providing further specific details. In other cases, well-known structures or processing steps may be used in combination with or with the concepts of the invention. To avoid obscuring the application, these structures and steps are not described in detail.

層、領域、または基板としての構成要素が別の構成要素の「上(on)」または「上(over)」にあると言われるとき、その構成要素は他方の構成要素の上に直接存在してもよいし、介在構成要素も存在してもよいことが理解されるだろう。これに対し、ある構成要素が別の構成要素の「直接上(directly on)」または「直接上(directly over)」にあると言われるとき、介在構成要素は存在しない。加えて、ある構成要素が別の構成要素の「下(beneath)」または「下(under)」にあると言われるとき、その構成要素は他方の構成要素の下(beneath)または下(under)に直接存在してもよいし、介在構成要素が存在してもよいことが理解されるだろう。これに対し、ある構成要素が別の構成要素の「直接下(directly beneath)」または「直接下(directly under)」にあると言われるとき、介在構成要素は存在しない。 When a component as a layer, region, or substrate is said to be "on" or "over" of another component, that component is directly above the other component. It will be understood that there may be intervening components as well. On the other hand, when one component is said to be "directly on" or "directly over" another component, there are no intervening components. In addition, when one component is said to be "beneath" or "under" of another component, that component is said to be below or under the other component. It will be understood that it may be present directly in or there may be intervening components. On the other hand, when one component is said to be "directly beneath" or "directly under" another component, there are no intervening components.

上述のとおり、高容量(すなわち、100mAh/g以上の容量)を有する充電式リチウムイオン電池が提供される。いくつかの実施形態において、本出願の充電式リチウムイオン電池は、寿命の増加、またはより速い充電速度、または充電/放電サイクル中の体積の膨張もしくは変形またはその両方の低減、あるいはその組み合わせも示してもよい。本出願の充電式リチウムイオン電池は、(本出願のアノード構造を有さない従来のリチウムイオン電池と比べて)電池の容量および場合によっては充電速度をも増加させるように設計されたアノード構造を含む。 As described above, a rechargeable lithium ion battery having a high capacity (that is, a capacity of 100 mAh / g or more) is provided. In some embodiments, the rechargeable lithium-ion batteries of the present application also exhibit increased life, faster charging rates, and / or reduced volume expansion and / or deformation during charge / discharge cycles, or a combination thereof. You may. The rechargeable lithium-ion battery of the present application has an anode structure designed to increase the capacity and possibly the charging speed of the battery (compared to the conventional lithium-ion battery which does not have the anode structure of the present application). include.

本出願の1つの態様において、単一構成のアノード構造を含む充電式リチウムイオン電池が提供される。特に、アノード構造は非多孔性領域と多孔性領域とを含み、多孔性領域は第1の厚さおよび第1の空隙率を有する頂部多孔性層(多孔性領域1)と、第1の厚さよりも大きい第2の厚さおよび第1の空隙率よりも大きい第2の空隙率を有する底部多孔性層(多孔性領域2)とを含む。底部多孔性層(多孔性領域2)は、頂部多孔性層(多孔性領域1)の下に位置して非多孔性領域との界面を形成する。本出願のアノード構造において、非多孔性領域の少なくとも上側部分と、(多孔性領域1および2を含む)多孔性領域の全体とがシリコンで構成される。 In one aspect of the application, a rechargeable lithium ion battery comprising a single anodic structure is provided. In particular, the anode structure comprises a non-porous region and a porous region, the porous region having a top porous layer (porous region 1) having a first thickness and a first porosity, and a first thickness. Includes a bottom porous layer (porous region 2) having a second thickness greater than that and a second porosity greater than the first porosity. The bottom porous layer (porous region 2) is located below the top porous layer (porous region 1) and forms an interface with the non-porous region. In the anode structure of the present application, at least the upper portion of the non-porous region and the entire porous region (including the porous regions 1 and 2) are composed of silicon.

電池を作製する方法、電池を使用する方法、使用中の電池の構造的特徴、および速い充電速度を可能にするカソードを有する電池構造も提供される。本出願のアノード構造は、さまざまな従来の2次元および3次元電池構成内の構成要素として用いられ得る。 A method of making a battery, a method of using the battery, structural features of the battery in use, and a battery structure with a cathode that allows for high charging speeds are also provided. The anode structure of the present application can be used as a component in various conventional 2D and 3D battery configurations.

多孔性領域1は多孔性領域2と比べて平均してより小さい細孔サイズを含むため、本出願のアノード構造は先行技術のものよりも強いと考えられる。いくつかの実施形態において、多孔性領域1および多孔性領域2とともにより大きい非多孔性領域を含むアノード構造は、機械的、電気的、および化学的に同じ半導体材料でできている(すなわち、アノード構造はモノリス構成である)。よって、特に結晶の構成のシリコン基板に対して、原子レベルで全体的に相互接続された機械的により強いアノード構造が提供される。 Since the porous region 1 contains an average smaller pore size than the porous region 2, the anode structure of the present application is considered to be stronger than that of the prior art. In some embodiments, the anode structure containing the larger non-porous region along with the porous region 1 and the porous region 2 is made of the same mechanically, electrically, and chemically the same semiconductor material (ie, the anode). The structure is a monolithic structure). Thus, a mechanically stronger anode structure that is totally interconnected at the atomic level is provided, especially for silicon substrates of crystalline composition.

加えて、本出願のアノード構造の最初のリチオ化の際に、多孔性領域2の上側部分は部分的にリチウム含有となり、多孔性領域2の下側部分は実質的にリチウムを欠くと考えられる。このプロセスの間に薄いシード層が形成し始め、このシード層の構成はリチウム・リッチ材料とシリコン材料とで構成され、結果的に多孔性領域1の頂部に平面状のリチウム金属稠密層が形成される。このシード層は、リチウムイオンがアノード構造の多孔性領域2の中により深く移動することを顕著に低減する(かつ多孔性領域2内のリチウムイオン濃度を低減する)。よって、多孔性領域1の上/中に薄いシード層が形成されることによって、多孔性領域2のさらなるリチオ化が妨げられ、結果的に多孔性領域2および非多孔性領域のより深くへのさらなるリチオ化の抑制によって、電極全体の機械的応力が最小化される。 In addition, it is believed that upon initial lithiolysis of the anode structure of the present application, the upper portion of the porous region 2 is partially lithium-containing and the lower portion of the porous region 2 is substantially lacking lithium. .. During this process, a thin seed layer begins to form, which is composed of a lithium-rich material and a silicon material, resulting in a planar lithium metal dense layer at the top of the porous region 1. Will be done. This seed layer significantly reduces the migration of lithium ions deeper into the porous region 2 of the anode structure (and reduces the concentration of lithium ions in the porous region 2). Thus, the formation of a thin seed layer above / in the porous region 1 prevents further lithiolysis of the porous region 2, resulting in a deeper depth of the porous region 2 and the non-porous region 2. Further suppression of lithiolysis minimizes the mechanical stress of the entire electrode.

アノード構造内にリチウムが移動するとき、リチウムとアノード構造のシリコンとが結合するところの体積領域が膨張する。この体積は、元のアノード構造体積の最大400パーセントまで膨張し得る。したがって本出願のアノード構造は、充電式リチウムイオン電池の寿命(充電/放電サイクル全体)の間の体積の膨張の低減を可能にし、結果として電池の使用全体にわたる内部応力の低減をもたらす。 When lithium moves into the anode structure, the volumetric region where lithium and the silicon of the anode structure combine expands. This volume can expand up to 400 percent of the original anode structure volume. Thus, the anode structure of the present application allows for reduced volume expansion during the life of the rechargeable lithium-ion battery (entire charge / discharge cycle), resulting in a reduction in internal stress throughout the use of the battery.

リチウムは多孔性領域1および2のシリコンと結合するため、これらの多孔性領域内の空間はアノード構造のこれらの部分における体積の増加に適応し、充電および放電の機械的応力をさらに低減する。 Since lithium binds to the silicon in the porous regions 1 and 2, the space within these porous regions adapts to the increase in volume in these parts of the anode structure, further reducing the mechanical stresses of charging and discharging.

加えて、電池が電池寿命全体にわたって充電/放電する際に、リチウムはアノード構造の多孔性領域に存在するシリコン原子と組み合わされたリチウムのシード層を維持する。このシード層は、以後リチウム含有シード層と呼ばれることがある。シード層形成の際に、リチウムのわずかな部分(理論容量の10%未満)が多孔性領域1に進入および貫通し、部分的に多孔性領域2を貫通する。このプロセスは電気化学的に誘導されないときは比較的低速であり、このプロセスは定電流または定電位で誘導されるときはより高速である。リチウムは多孔性領域1の上/中の過去に堆積されたリチウム含有シード層の上に蓄積するため、リチウムは多孔性領域1の頂部に金属リチウムの薄層をさらに形成し、多孔性領域1内の体積を膨張させて、多孔性領域1内の細孔を物理的に閉じ、かつシード層および金属層のリチウム濃度が本出願のアノード構造へのリチウムのさらなる進入に対する静電バリアを提供することによって、リチウムが本出願のアノード構造のより深くにさらに移動することを最小化する。 In addition, lithium maintains a seed layer of lithium combined with silicon atoms present in the porous region of the anode structure as the battery charges / discharges over the entire battery life. This seed layer may be hereinafter referred to as a lithium-containing seed layer. During seed layer formation, a small portion of lithium (less than 10% of theoretical volume) enters and penetrates the porous region 1 and partially penetrates the porous region 2. This process is relatively slow when not electrochemically induced, and faster when induced at a constant current or potential. Since lithium accumulates on / in the previously deposited lithium-containing seed layer in the porous region 1, lithium further forms a thin layer of metallic lithium on top of the porous region 1 and the porous region 1 The volume inside is expanded to physically close the pores in the porous region 1, and the lithium concentration of the seed and metal layers provides an electrostatic barrier against further entry of lithium into the anode structure of the present application. This minimizes the further migration of lithium deeper into the anode structure of the present application.

完全に形成されたシード層は、電池の以後の充電/放電サイクル中にアノード構造にさらにリチウムが移動することを最小化し、よって電池の寿命の大半にわたって充電/放電サイクル中の体積の膨張および収縮の周期的な機械的応力を低減し、それに応じて電池の寿命にわたるアノード構造の応力を低減させる。 The fully formed seed layer minimizes the further transfer of lithium to the anode structure during subsequent charge / discharge cycles of the battery, thus allowing volume expansion and contraction during the charge / discharge cycle for most of the battery life. Reduces the periodic mechanical stress of the anode structure and thereby reduces the stress of the anode structure over the life of the battery.

完全に形成されたシード層はアノード構造へのリチウムイオンの移動を妨げるため、以下が観察される。(i)充電サイクル中に電池のカソードおよび電解質領域からアノード構造に向かって移動するリチウムイオンが、シード層の上のリチウム金属層の厚さを増加させること、および(ii)放電サイクル中に電池のカソードおよび電解質領域からアノード構造から遠ざかって移動するリチウムイオンが、シード層の上のリチウム金属層の厚さを減少させること。しかし先行技術とは反対に、電池の以後の充電/放電サイクル中には、完全に形成されたシード層によってリチウム拡散が最小化される。本出願のアノード構造の結果として、リチウムは主に(たとえばイオンめっきを介して)シード層上に堆積し、多孔性領域2内はかなり低減された量であり、しかしアノード構造の非多孔性領域内には何ら有意な量がみられない。結果として、アノード構造の非常に大きい体積、すなわちアノード構造の非多孔性領域は充電/放電サイクル中に実質的にリチウムを吸収せず、したがって本出願のアノード構造を含まない電池において観察されるような割れおよび起こり得る漏洩をもたらす顕著な体積の膨張および収縮を起こさない。 The fully formed seed layer impedes the transfer of lithium ions to the anode structure, so the following is observed: (I) Lithium ions moving from the cathode and electrolyte regions of the battery towards the anode structure during the charge cycle increase the thickness of the lithium metal layer above the seed layer, and (ii) the battery during the discharge cycle. Lithium ions moving away from the anode structure from the cathode and electrolyte regions of the battery reduce the thickness of the lithium metal layer above the seed layer. However, contrary to the prior art, the fully formed seed layer minimizes lithium diffusion during subsequent charge / discharge cycles of the battery. As a result of the anode structure of the present application, lithium is deposited mainly on the seed layer (eg via ion plating) and the amount within the porous region 2 is significantly reduced, but the non-porous region of the anode structure. No significant amount is found inside. As a result, the very large volume of the anode structure, i.e. the non-porous region of the anode structure, does not substantially absorb lithium during the charge / discharge cycle and is therefore observed in batteries that do not contain the anode structure of the present application. Does not cause significant volume expansion and contraction resulting in cracking and possible leakage.

一旦形成された薄いシード層は、電池の充電/放電サイクル中に大きく変化しないことが推測される。シード層形成の際にリチウムとの化学結合によるアノード構造の頂部多孔性層の体積の膨張が多孔性領域1に過度の応力をもたらさないように、多孔性領域1の空隙率が選択される。 It is speculated that the thin seed layer once formed does not change significantly during the battery charge / discharge cycle. The porosity of the porous region 1 is selected so that the volume expansion of the top porous layer of the anode structure due to chemical bonding with lithium during seed layer formation does not cause excessive stress in the porous region 1.

シード層は平滑な平面状の表面を形成し、そこに動作の充電(放電)サイクル中にリチウムイオンを付加(および除去)することによって金属リチウム金属層の厚さが増大(縮小)する一方で、電池の寿命にわたって比較的平滑な平面状の表面が維持されて、デンドライト成長の抑制の可能性が高くなることを示す実験的証拠を出願人は有している。 The seed layer forms a smooth, planar surface on which the thickness of the metallic lithium metal layer increases (reduces) by adding (and removing) lithium ions during the charge (discharge) cycle of operation. Applicants have experimental evidence that a relatively smooth, planar surface is maintained over the life of the battery, increasing the likelihood of suppression of dendrite growth.

ここで図1を参照すると、本出願の第1の実施形態による例示的な充電式リチウムイオン電池が示されている。図1に示される例示的な充電式リチウムイオン電池は、アノード電流コレクタ10と、アノード構造12と、電解質領域18と、リチウム含有カソード材料層20と、カソード電流コレクタ22との電池材料スタックを含む。本出願はリチウムイオン電池の最底部の材料層としてアノード電流コレクタ10を示しているが、本出願はカソード電流コレクタ22が本出願のリチウムイオン電池の最底部の材料層を表すような実施形態も想定している。リチウムイオン電池に対するその他の向きも可能であり、本出願から除外されない。 Here, with reference to FIG. 1, an exemplary rechargeable lithium-ion battery according to a first embodiment of the present application is shown. An exemplary rechargeable lithium-ion battery shown in FIG. 1 includes a battery material stack of an anode current collector 10, an anode structure 12, an electrolyte region 18, a lithium-containing cathode material layer 20, and a cathode current collector 22. .. Although the present application shows the anode current collector 10 as the bottom material layer of the lithium ion battery, the present application also has an embodiment in which the cathode current collector 22 represents the bottom material layer of the lithium ion battery of the present application. I'm assuming. Other orientations for lithium-ion batteries are also possible and are not excluded from this application.

いくつかの実施形態において、本出願の充電式リチウムイオン電池はベース基板(図示せず)の上に形成されてもよい。存在するとき、ベース基板はリチウムイオン電池に対する基板として用いられる任意の従来の材料を含んでもよい。一実施形態において、ベース基板は、シリコン含有材料もしくは半導体特性を有する任意のその他の材料、またはその両方を含んでもよい。「シリコン含有材料」という用語は、シリコンを含んで半導体特性を有する材料を示すために、本出願全体にわたって用いられる。充電式リチウムイオン電池に対するベース基板として使用され得るシリコン含有材料の例はシリコン(Si)、シリコンゲルマニウム合金(SiGe)、または炭素ドープ・シリコンベース合金を含む。一実施形態において、充電式リチウムイオン電池に対するベース基板は、バルク半導体基板である。「バルク」とは、ベース基板が少なくとも1つの半導体材料で全体的に構成されていることを意味する。一例において、ベース基板は、単結晶であってもよいシリコンで全体的に構成されてもよい。いくつかの実施形態において、バルク半導体基板は、少なくとも2つの異なる半導体材料を含む多層半導体材料スタックを含んでもよい。一例において、多層半導体材料スタックは、Siおよびシリコンゲルマニウム合金のスタックを任意の順序で含んでもよい。別の実施形態において、多層半導体材料は、Siと、たとえばシリコンゲルマニウムまたは炭素ドープ・シリコンベース合金などの単一または複数のシリコンベース合金とのスタックを任意の順序で含んでもよい。 In some embodiments, the rechargeable lithium-ion battery of the present application may be formed on a base substrate (not shown). When present, the base substrate may contain any conventional material used as a substrate for a lithium ion battery. In one embodiment, the base substrate may include a silicon-containing material and / or any other material having semiconductor properties. The term "silicon-containing material" is used throughout this application to refer to a material that contains silicon and has semiconducting properties. Examples of silicon-containing materials that can be used as base substrates for rechargeable lithium-ion batteries include silicon (Si), silicon-germanium alloys (SiGe), or carbon-doped silicon-based alloys. In one embodiment, the base substrate for a rechargeable lithium-ion battery is a bulk semiconductor substrate. By "bulk" is meant that the base substrate is entirely composed of at least one semiconductor material. In one example, the base substrate may be entirely composed of silicon, which may be single crystal. In some embodiments, the bulk semiconductor substrate may include a multilayer semiconductor material stack containing at least two different semiconductor materials. In one example, the multilayer semiconductor material stack may include stacks of Si and silicon germanium alloys in any order. In another embodiment, the multilayer semiconductor material may include a stack of Si and one or more silicon-based alloys, such as silicon germanium or carbon-doped silicon-based alloys, in any order.

他の実施形態において、リチウムイオン電池に対するベース基板は、たとえばアルミニウム(Al)、アルミニウム合金、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、またはモリブデン(Mo)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、プラチナ(Pt)、またはこれらの材料の任意の合金などの電流コレクタであってもよい。 In other embodiments, the base substrate for a lithium ion battery is, for example, aluminum (Al), aluminum alloy, titanium (Ti), tantalum (Ta), tungsten (W), or molybdenum (Mo), copper (Cu), nickel. It may be a current collector such as (Ni), platinum (Pt), or any alloy of these materials.

いくつかの実施形態において、ベース基板は非テクスチャ加工(平坦または平面状の)表面を有してもよい。「非テクスチャ加工表面」という用語は、平滑であって、形状測定または原子間力顕微鏡法によって測定されたときに100nm二乗平均平方根未満のオーダの表面粗度を有する表面を示す。さらに別の実施形態において、ベース基板はテクスチャ加工表面を有してもよい。こうした実施形態において、テクスチャ加工基板の表面粗度は、同様に形状測定または原子間力顕微鏡法によって測定されたときに100nm二乗平均平方根から100μm二乗平均平方根の範囲であり得る。テクスチャリングは、非テクスチャ加工基板の表面上に複数のエッチング・マスク(例、金属、絶縁体、またはポリマー)を形成し、その複数のマスクをエッチング・マスクとして使用して非テクスチャ加工基板をエッチングし、基板の非テクスチャ加工表面からエッチング・マスクを除去することによって行われ得る。いくつかの実施形態において、ベース基板のテクスチャ加工表面は、複数の高表面積3次元特徴で構成される。いくつかの実施形態において、複数の金属マスクが用いられ、これらの金属マスクは、金属材料の層を堆積させてからアニールを行うことによって形成されてもよい。アニールの際に金属材料の層が融解してボールアップすることによって、ベース基板の表面のディウェッティングが起こる。 In some embodiments, the base substrate may have a non-textured (flat or flat) surface. The term "non-textured surface" refers to a surface that is smooth and has a surface roughness on the order of less than 100 nm root mean square when measured by shape measurement or atomic force microscopy. In yet another embodiment, the base substrate may have a textured surface. In these embodiments, the surface roughness of the textured substrate can range from 100 nm root mean square to 100 μm root mean square when also measured by shape measurement or atomic force microscopy. Textured etches a non-textured substrate by forming multiple etching masks (eg, metal, insulator, or polymer) on the surface of the non-textured substrate and using the multiple masks as etching masks. It can be done by removing the etching mask from the untextured surface of the substrate. In some embodiments, the textured surface of the base substrate is composed of a plurality of high surface area 3D features. In some embodiments, multiple metal masks are used, and these metal masks may be formed by depositing layers of metal material and then annealing. Dewetting of the surface of the base substrate occurs when the layer of metal material melts and balls up during annealing.

図1の参照に戻ると、本出願において使用され得るアノード電流コレクタ10は、たとえばチタン(Ti)、プラチナ(Pt)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、または窒化チタン(TiN)などの任意の金属アノード側電極材料を含む。アノード・コレクタ10は、金属アノード側電極材料の層か、または少なくとも2つの異なる金属アノード側電極材料の材料スタックを含んでもよい。一例において、アノード電流コレクタ10は、底部から頂部にニッケル(Ni)と銅(Cu)とのスタックを含む。アノード電流コレクタ10は、10nmから50□mの厚さを有してもよい。前述の厚さの値よりも小さいか、または大きいその他の厚さもアノード電流コレクタ10に対して用いられてもよい。アノード電流コレクタ10は、たとえば化学蒸着(CVD:chemical vapor deposition)、プラズマ強化化学蒸着(PECVD:plasma enhanced chemical vapor deposition)、蒸発、スパッタリング、めっき、または機械的に付着された金属箔などを含む堆積プロセスを使用して形成され得る。接触抵抗の改善のために、金属アノード側電極材料と半導体材料ベースとを合金化することが好ましいだろう。半導体産業において公知であるとおり、合金化はケイ素化プロセスを行うことによって達成されてもよい。 Returning to the reference of FIG. 1, the anode current collector 10 that can be used in this application is, for example, titanium (Ti), platinum (Pt), nickel (Ni), copper (Cu), aluminum (Al), or titanium nitride (Al). Includes any metal anode-side electrode material such as TiN). The anode collector 10 may include a layer of metal anode side electrode material or a material stack of at least two different metal anode side electrode materials. In one example, the anode current collector 10 includes a stack of nickel (Ni) and copper (Cu) from bottom to top. The anode current collector 10 may have a thickness of 10 nm to 50 □ m. Other thicknesses that are less than or greater than the thickness values described above may also be used for the anode current collector 10. The anode current collector 10 includes, for example, chemical vapor deposition (CVD), plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), evaporation, sputtering, plating, or deposition including mechanically adhered metal foil. It can be formed using a process. It would be preferable to alloy the metal anode side electrode material with the semiconductor material base to improve contact resistance. As is known in the semiconductor industry, alloying may be achieved by performing a siliconization process.

アノード構造12は、アノード電流コレクタ10の表面に提供される。アノード構造12は非多孔性領域14と、非多孔性領域14の上に位置する異なる空隙率および厚さを有する2つの層を有する多孔性領域(16、17)とを含む。アノード構造の多孔性領域は、底部多孔性層16(すなわち多孔性領域2)と、頂部多孔性層17(すなわち多孔性領域1)とを含む。非多孔性領域14と多孔性領域(16、17)とは単一構成である。一実施形態において、非多孔性領域14は、多孔性領域2(すなわち底部多孔性層16)の表面と直接物理的に接触する第1の表面と、第1の表面とは反対側の、アノード電流コレクタ10と直接物理的に接触する第2の表面とを有する。非多孔性領域14は、アノード構造12の体積の最大部分である。いくつかの実施形態において、アノード構造12の非多孔性領域14は、5μmから700μmの厚さを有してもよい。 The anode structure 12 is provided on the surface of the anode current collector 10. The anode structure 12 includes a non-porous region 14 and a porous region (16, 17) having two layers with different porosities and thicknesses located above the non-porous region 14. The porous region of the anode structure includes a bottom porous layer 16 (ie, porous region 2) and a top porous layer 17 (ie, porous region 1). The non-porous region 14 and the porous region (16, 17) have a single configuration. In one embodiment, the non-porous region 14 has a first surface that is in direct physical contact with the surface of the porous region 2 (ie, the bottom porous layer 16) and an anode that is opposite the first surface. It has a second surface that is in direct physical contact with the current collector 10. The non-porous region 14 is the largest part of the volume of the anode structure 12. In some embodiments, the non-porous region 14 of the anode structure 12 may have a thickness of 5 μm to 700 μm.

多孔性領域1(すなわち頂部多孔性層17)は第1の空隙率および第1の厚さを有し、多孔性領域2(すなわち底部多孔性層16)は第2の空隙率および第2の厚さを有する。充電および放電の際の体積変化に適応するために、第2の空隙率および第2の厚さがそれぞれ第1の空隙率および第1の厚さよりも大きくなるようにして多孔性領域(16、17)が設計される。一実施形態において、第2の空隙率は3nmよりも大きい平均細孔開口部を有し、かつ第2の厚さは0.1μmから20μmであるのに対し、第1の空隙率は3nm未満の平均細孔開口部を有し、かつ第1の厚さは50nm以下である。任意の理論に結び付けられることは望まないが、多孔性領域1に比較的小さい直径の細孔が含まれることによって、平坦化リチウム含有シード層の形成が促進されると考えられる(本明細書の以下により詳細に説明される)。 The porous region 1 (ie, the top porous layer 17) has a first porosity and a first thickness, and the porous region 2 (ie, the bottom porous layer 16) has a second porosity and a second porosity. Has a thickness. Porous regions (16, 17) is designed. In one embodiment, the second porosity has an average porosity greater than 3 nm and the second thickness is 0.1 μm to 20 μm, whereas the first porosity is less than 3 nm. It has an average porosity of 50 nm or less and has a first thickness of 50 nm or less. Although not desired to be tied to any theory, it is believed that the inclusion of relatively small diameter pores in the porous region 1 facilitates the formation of a flattened lithium-containing seed layer (as described herein). It will be explained in detail below).

本出願において、空隙率は、多孔性領域(16、17)の合計体積で割った細孔(シリコン内の空間領域)の体積パーセンテージの尺度であり得る。空隙率は、たとえばSEM、RBS、X線回折(XRD:X−ray Diffraction)、核磁気共鳴(NMR:Nuclear Magnetic Resonance)、ラマン分光法、固体上の気体吸着(ポロシメトリ)、水銀空間充填ポロシメトリ、密度関数理論(DFT:density functional theory)、またはブルナウアー−エメット−テラー(BET:Brunauer−Emmett−Teller)などを含む当業者に周知の技術を用いて測定されてもよい。 In this application, porosity can be a measure of the volume percentage of pores (spatial regions within silicon) divided by the total volume of porous regions (16, 17). Void ratios are, for example, SEM, RBS, X-ray Diffraction (XRD), Nuclear Magnetic Resonance (NMR), Raman spectroscopy, gas adsorption on solids (porosistri), mercury space-filled porosometry, It may be measured using techniques well known to those skilled in the art, such as density function theory (DFT), or Brunauer-Emmett-Teller (BET).

なお本出願は、先行技術のとおり脆い傾向があって使用中に割れるおそれがあるために電池故障を起こし得る30%以上の空隙率を有する多孔性領域(16、17)を避けている。 It should be noted that the present application avoids the porosity (16, 17) having a porosity of 30% or more, which tends to be brittle and may crack during use as in the prior art, which may cause battery failure.

任意の理論に結び付けられることは望まないが、多孔性領域(16、17)は、多孔性領域1(すなわち頂部多孔性層17)およびより低い程度の多孔性領域2(すなわち底部多孔性層16)の両方の体積の膨張(すなわち増大)もしくは変形またはその両方に適応するために十分な開放空間が多孔性領域(16、17)内に存在するような空隙率を有することが推測される。このことは、充電式リチウムイオン電池の初期動作での多孔性領域1(すなわち頂部多孔性層17)における、本明細書の以下により詳細に説明されるリチウム含有シード層の形成において、特に当てはまる。 Although not desired to be tied to any theory, the porous regions (16, 17) are the porous region 1 (ie, top porous layer 17) and the lower degree of porous region 2 (ie, bottom porous layer 16). ) Sufficiently open space to accommodate expansion (ie, increase) and / or deformation of both volumes is presumed to have a porosity such that there is in the porous region (16, 17). This is particularly true in the formation of the lithium-containing seed layer described in more detail below herein in the porous region 1 (ie, the top porous layer 17) in the initial operation of the rechargeable lithium-ion battery.

本出願のアノード構造12の多孔性領域2(すなわち底部多孔性層16)は、0.02パーセントから0.035パーセントの圧縮応力を有する。圧縮応力は、X線回折またはその他の光学もしくは分光技術によって定められ得る。 The porous region 2 (ie, the bottom porous layer 16) of the anode structure 12 of the present application has a compressive stress of 0.02% to 0.035%. The compressive stress can be determined by X-ray diffraction or other optical or spectroscopic techniques.

上述のとおり、アノード構造12の多孔性領域1(すなわち頂部多孔性層17)、多孔性領域2(すなわち底部多孔性層16)、および非多孔性領域14は単一構成である。よって非多孔性領域14および多孔性領域(16、17)は、電気的、化学的、および機械的に同じアノード構造の一部である。いくつかの実施形態において、多孔性領域1(すなわち頂部多孔性層17)、多孔性領域2(底部多孔性層16)、および非多孔性領域14はシリコンで全体的に構成される。この実施形態において、アノード構造12は効率的な方法ステップによって作製される。加えて、アノード構造12全体が同じ半導体材料(すなわちSi)でできている実施形態においては、異なる材料の間の界面によってもたらされ得るアノード構造12内の機械的応力または付加的な電気抵抗が存在しない。一例において、非多孔性領域14および多孔性領域(16、17)を含むアノード構造12は、p型結晶シリコン材料で構成された3次元(3D:three−dimensional)格子骨格を有する。「p型」という用語は、原子価電子の欠乏を生じる固有シリコン材料への不純物の添加を示す。シリコン含有シリコン材料におけるp型ドーパント、すなわち不純物の例は、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、およびインジウムを含むが、それに限定されない。 As described above, the porous region 1 (that is, the top porous layer 17), the porous region 2 (that is, the bottom porous layer 16), and the non-porous region 14 of the anode structure 12 have a single configuration. Thus, the non-porous regions 14 and the porous regions (16, 17) are electrically, chemically, and mechanically part of the same anode structure. In some embodiments, the porous region 1 (ie, the top porous layer 17), the porous region 2 (bottom porous layer 16), and the non-porous region 14 are entirely composed of silicon. In this embodiment, the anode structure 12 is made by an efficient method step. In addition, in embodiments where the entire anode structure 12 is made of the same semiconductor material (ie Si), there is mechanical stress or additional electrical resistance within the anode structure 12 that can be brought about by the interfaces between the different materials. not exist. In one example, the anode structure 12 including the non-porous regions 14 and the porous regions (16, 17) has a three-dimensional (3D) lattice skeleton composed of a p-type crystalline silicon material. The term "p-type" refers to the addition of impurities to an intrinsic silicon material that results in a deficiency of valence electrons. Examples of p-type dopants, or impurities, in silicon-containing silicon materials include, but are not limited to, boron, aluminum, gallium, and indium.

いくつかの実施形態において、多孔性領域2(すなわち底部多孔性層16)との界面を形成するアノード構造12の非多孔性領域14の少なくとも上側部分と、多孔性領域(16、17)全体とが、たとえばp型ドープ・シリコン材料などの同じ材料で構成されるのに対して、非多孔性領域14の下側部分は、多孔性領域2(すなわち底部多孔性層16)との界面を形成するアノード構造12の非多孔性領域14の上側部分および多孔性領域(16、17)全体とは異なる半導体材料で構成されてもよい。たとえば、多孔性領域(16、17)の下に存在する非多孔性領域14の下側部分は、アノード構造12を提供するために用いられる元のp型ドープ・シリコンとは異なるドーパント濃度を有するドープ・シリコンか、または10原子パーセント未満のゲルマニウムを含有するシリコンゲルマニウム合金を含んでもよい。 In some embodiments, at least the upper portion of the non-porous region 14 of the anode structure 12 forming an interface with the porous region 2 (ie, the bottom porous layer 16) and the entire porous region (16, 17). Is composed of the same material, for example a p-type doped silicon material, whereas the lower portion of the non-porous region 14 forms an interface with the porous region 2 (ie, the bottom porous layer 16). The upper portion of the non-porous region 14 of the anode structure 12 and the entire porous region (16, 17) may be made of a different semiconductor material. For example, the lower portion of the non-porous region 14 existing beneath the porous regions (16, 17) has a dopant concentration different from the original p-type doped silicon used to provide the anode structure 12. It may contain doped silicon or a silicon-germanium alloy containing less than 10 atomic percent germanium.

いくつかの実施形態においては、単結晶材料の単純さおよび製造可能性から、多孔性領域2(すなわち底部多孔性層16)との界面を形成するアノード構造12の非多孔性領域14の少なくとも上側部分および多孔性領域(16、17)全体を提供するシリコン材料は、単結晶である。いくつかの実施形態においては、より低級のシリコンを用いること、およびシリコンの厚さを調節して結晶成長技術を簡略化すること(ソーラー産業において観察される場合と同様)によって、プロセスのコストを低減および制御できる。 In some embodiments, due to the simplicity and manufacturability of the single crystal material, at least above the non-porous region 14 of the anode structure 12 forming an interface with the porous region 2 (ie, the bottom porous layer 16). The silicon material that provides the portion and the entire porous region (16, 17) is a single crystal. In some embodiments, the cost of the process is reduced by using lower grade silicon and by adjusting the thickness of the silicon to simplify the crystal growth technique (as observed in the solar industry). Can be reduced and controlled.

本出願のアノード構造12は、本明細書の以下により詳細に定義されるアノード・エッチング・プロセスを使用して形成できる(たとえば図11などを参照)。 The anode structure 12 of the present application can be formed using an anode etching process as defined in more detail below herein (see, eg, FIG. 11).

電解質領域18に存在し得る電解質は、充電式リチウムイオン電池に用いられ得る任意の従来の電解質を含んでもよい。電解質は液体電解質、固体電解質、ゲル・タイプ電解質、ポリマー電解質、半固体電解質、元は液体であるが、後にその相を固体または半固体に転換させる条件にされる電解質、またはその任意の組み合わせ、たとえば液体電解質と固体電解質との組み合わせなどであってもよい。いくつかの実施形態において、電解質領域18は全体的に固体電解質で構成される。他の実施形態において、電解質領域18は固体電解質と液体電解質とを含んでもよい。電解質は、多孔性領域1(すなわち頂部多孔性層17)とリチウム含有カソード材料層20との間にある。 The electrolyte that may be present in the electrolyte region 18 may include any conventional electrolyte that can be used in rechargeable lithium-ion batteries. Electrolytes are liquid electrolytes, solid electrolytes, gel-type electrolytes, polymer electrolytes, semi-solid electrolytes, electrolytes that are originally liquid but are later conditioned to convert their phase to solid or semi-solid, or any combination thereof. For example, it may be a combination of a liquid electrolyte and a solid electrolyte. In some embodiments, the electrolyte region 18 is entirely composed of solid electrolyte. In other embodiments, the electrolyte region 18 may include a solid electrolyte and a liquid electrolyte. The electrolyte is between the porous region 1 (ie, the top porous layer 17) and the lithium-containing cathode material layer 20.

いくつかの実施形態において、電解質領域18は、ポリマーベースの材料または無機材料で構成される固体電解質である。他の実施形態において、電解質領域18は、リチウムイオンの伝導を可能にする材料を含む固体電解質である。こうした材料は、電気絶縁性かつイオン伝導性であってもよい。固体電解質として使用され得る材料の例は、リチウムリン酸窒化物(LiPON)またはリチウムホスホシリカート酸窒化物(LiSiPON)、チオ−LiSiCoN電解質(例、任意の比率のLiS−P)、Li10SnP12、LiSiCoN様電解質(例、Li10GeP12)、アルジロダイト電解質(例、LiPSBr)、ガーネット電解質(例、Li6.55LaZrGa0.1512)、NaSiCoN様電解質(例、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO)、Li窒化物電解質(例、LiN)、Li水素化物電解質(例、LiNH)、またはペロブスカイト電解質(例、Li0.34La0.51TiO2.94)を含むが、それに限定されない。 In some embodiments, the electrolyte region 18 is a solid electrolyte composed of a polymer-based material or an inorganic material. In another embodiment, the electrolyte region 18 is a solid electrolyte containing a material that allows the conduction of lithium ions. Such materials may be electrically insulating and ionic conductive. Examples of materials that can be used as solid electrolytes are lithium phosphate nitride (LiPON) or lithium phosphosilite acid nitride (LiSiPON), thio-LiSiCoN electrolytes (eg, any ratio of Li 2 SP 2 S 5). ), Li 10 SnP 2 S 12 , LiSiCoN-like electrolyte (eg, Li 10 GeP 2 S 12 ), algyrodite electrolyte (eg, Li 6 PS 5 Br), garnet electrolyte (eg, Li 6.55 La 3 Zr 2 Ga 0). .15 O 12 ), NaSiCoN-like electrolyte (eg, Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 ), Li nitride electrolyte (eg, Li 3 N), Li hydride electrolyte (eg, Li hydride) Includes, but is not limited to, Li 2 NH), or perovskite electrolytes (eg, Li 0.34 La 0.51 TiO 2.94).

電解質領域18に液体電解質が使用されている実施形態においては、図示されないセパレータが用いられてもよい。電解質領域18に2つの異なる電解質が存在する実施形態においても、セパレータが用いられてもよい。セパレータが使用されるとき、セパレータは可撓性の多孔性材料、ゲル、またはセルロース、セロファン、ポリビニルアセテート(PVA:polyvinyl acetate)、PVA/セルロース混合物、ポリエチレン(PE:polyethylene)、ポリプロピレン(PP:polypropylene)、もしくはPEとPPとの混合物で構成されるシートの1つ以上を含んでもよい。加えてセパレータは、無機絶縁性ナノ/マイクロ粒子で構成されてもよい。 In the embodiment in which the liquid electrolyte is used in the electrolyte region 18, a separator (not shown) may be used. Separators may also be used in embodiments where two different electrolytes are present in the electrolyte region 18. When a separator is used, the separator is a flexible porous material, gel, or cellulose, cellophane, polyvinyl acetate (PVA), PVA / cellulose mixture, polyethylene (PE: polyethylene), polypropylene (PP: polypolylone). ), Or may contain one or more sheets composed of a mixture of PE and PP. In addition, the separator may be composed of inorganic insulating nano / micro particles.

電解質領域18として固体電解質層が使用されている実施形態において、固体電解質は、たとえばスパッタリング、溶液堆積、熱間プレス、冷間プレス、スラリー鋳造に続く制御された温度および圧力条件、またはめっきなどの堆積プロセスを使用して形成されてもよい。一実施形態において、固体電解質は、任意の従来の標的ソース材料を反応性または不活性ガスとともに使用したスパッタリングによって形成される。たとえば、LiPON電解質の形成においては、少なくとも窒素含有環境の存在下でスパッタリングが行われてもよい。いくつかの実施形態において、窒素含有環境はそのまま、すなわち希釈せずに用いられる。他の実施形態において、窒素含有環境は、たとえばヘリウム(He)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、およびその混合物などの不活性ガスで希釈され得る。使用される窒素含有環境内の窒素(N)の含有量は、通常は10%から100%であり、環境内の50%から100%の窒素含有量がより典型的である。 In embodiments where a solid electrolyte layer is used as the electrolyte region 18, the solid electrolyte can be such as, for example, sputtering, solution deposition, hot pressing, cold pressing, controlled temperature and pressure conditions following slurry casting, or plating. It may be formed using a deposition process. In one embodiment, the solid electrolyte is formed by sputtering using any conventional target source material with a reactive or inert gas. For example, in the formation of the LiPON electrolyte, sputtering may be performed at least in the presence of a nitrogen-containing environment. In some embodiments, the nitrogen-containing environment is used as is, i.e. undiluted. In other embodiments, the nitrogen-containing environment can be diluted with an inert gas such as, for example, helium (He), neon (Ne), argon (Ar), and mixtures thereof. The nitrogen (N 2 ) content in the nitrogen-containing environment used is typically 10% to 100%, with a more typical nitrogen content of 50% to 100% in the environment.

リチウム含有カソード材料層20は、たとえばリチウムベースの混合酸化物などのリチウム含有材料を含んでもよい。リチウム含有カソード材料層20として使用され得るリチウムベースの混合酸化物の例は、リチウムコバルト酸化物(LiCoO)、リチウムニッケル酸化物(LiNiO)、リチウムマンガン酸化物(LiMn)、リチウムバナジウム五酸化物(LiV)、リチウムニッケルマンガンコバルト(NMC)、ニッケルコバルトアルミニウム酸化物(NCA)、硫黄ベースの材料とリチウムおよびたとえば鉄などのその他の構造支持元素との任意の組み合わせ、またはリチウム鉄リン酸塩(LiFePO)を含むが、これに限定されない。リチウム含有カソード材料層20は、10nmから50μmの厚さを有してもよい。前述の厚さの値よりも小さいか、または大きいその他の厚さもリチウム含有カソード材料層20に対して用いられてもよい。 The lithium-containing cathode material layer 20 may contain a lithium-containing material such as a lithium-based mixed oxide. Examples of lithium-based mixed oxides that can be used as the lithium-containing cathode material layer 20 are lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ), lithium. Any combination of vanadium pentaoxide (LiV 2 O 5 ), lithium nickel manganese cobalt (NMC), nickel cobalt aluminum oxide (NCA), sulfur-based materials with lithium and other structural support elements such as iron, for example, Alternatively, it includes, but is not limited to, lithium iron phosphate (LiFePO 4). The lithium-containing cathode material layer 20 may have a thickness of 10 nm to 50 μm. Other thicknesses that are less than or greater than the thickness values described above may also be used for the lithium-containing cathode material layer 20.

いくつかの実施形態において、リチウム含有カソード材料層20は、たとえばスパッタリング、スラリー鋳造、またはめっきなどの堆積プロセスを使用して形成されてもよい。一実施形態において、リチウム含有カソード材料層20は、任意の従来の前駆物質ソース材料または複数の前駆物質ソース材料の組み合わせを使用したスパッタリングによって形成される。一例においては、リチウムコバルト混合酸化物の形成において、リチウム前駆物質ソース材料とコバルト前駆物質ソース材料とが使用される。不活性ガスと酸素との混合物中でスパッタリングが行われてもよい。こうした実施形態において、不活性ガス/酸素混合物の酸素含有量は0.1原子パーセントから70原子パーセントであってもよく、混合物の残余部分は不活性ガスを含む。酸素とともに用いられ得る不活性ガスの例はアルゴン、ヘリウム、ネオン、窒素、またはその任意の組み合わせを含む。 In some embodiments, the lithium-containing cathode material layer 20 may be formed using a deposition process such as sputtering, slurry casting, or plating. In one embodiment, the lithium-containing cathode material layer 20 is formed by sputtering using any conventional precursor source material or a combination of multiple precursor source materials. In one example, a lithium precursor source material and a cobalt precursor source material are used in the formation of the lithium cobalt mixed oxide. Sputtering may be carried out in a mixture of the inert gas and oxygen. In these embodiments, the oxygen content of the inert gas / oxygen mixture may be from 0.1 to 70 percent percent, with the remainder of the mixture containing the inert gas. Examples of the inert gas that can be used with oxygen include argon, helium, neon, nitrogen, or any combination thereof.

いくつかの実施形態において、リチウム含有カソード材料層20はスラリー鋳造によって形成されてもよく、それは電気化学的に活性[カソード材料、電子伝導性材料(例、炭素ベースの材料)]および不活性(結合剤材料)の構成要素の混合物を含んでもよい。こうした層の厚さは、5μmから500μmの範囲であり得る。これらのスラリーは、リチウムベースの塩(単数または複数)とともに混合物中に電解質構成要素も有してもよい。 In some embodiments, the lithium-containing cathode material layer 20 may be formed by slurry casting, which is electrochemically active [cathode material, electron conductive material (eg, carbon-based material)] and inert (eg, carbon-based material). It may contain a mixture of the components of the binder material). The thickness of these layers can range from 5 μm to 500 μm. These slurries may also have electrolyte components in the mixture along with lithium-based salts (s).

カソード電流コレクタ(すなわちカソード側電極)22は、たとえばチタン(Ti)、プラチナ(Pt)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、または窒化チタン(TiN)などの任意の金属カソード側電極材料を含んでもよい。カソード電流コレクタ22は、金属カソード側電極材料の単一層か、または少なくとも2つの異なる金属カソード側電極材料を含む材料スタックを含んでもよい。一例において、カソード電流コレクタ22は、底部から頂部にチタン(Ti)、プラチナ(Pt)、およびチタン(Ti)のスタックを含む。一実施形態において、カソード電流コレクタ22を提供する金属電極材料は、アノード電流コレクタ10を提供する金属電極材料と同じであってもよい。別の実施形態において、カソード電流コレクタ22を提供する金属電極材料は、アノード電流コレクタ10を提供する金属電極材料と異なっていてもよい。カソード電流コレクタ22は、アノード電流コレクタ10に対して上述された範囲内の厚さを有してもよい。カソード電流コレクタ22は、アノード電流コレクタ10の形成に対して上述された堆積プロセスの1つを使用して形成されてもよい。スラリーベースのカソード材料に対しては、鋳造プロセスの際に金属箔が使用されてもよい。 The cathode current collector (ie, cathode side electrode) 22 comprises any metal cathode side electrode material such as titanium (Ti), platinum (Pt), nickel (Ni), aluminum (Al), or titanium nitride (TiN). But it may be. The cathode current collector 22 may include a single layer of metal cathode side electrode material or a material stack containing at least two different metal cathode side electrode materials. In one example, the cathode current collector 22 includes a stack of titanium (Ti), platinum (Pt), and titanium (Ti) from bottom to top. In one embodiment, the metal electrode material that provides the cathode current collector 22 may be the same as the metal electrode material that provides the anode current collector 10. In another embodiment, the metal electrode material that provides the cathode current collector 22 may differ from the metal electrode material that provides the anode current collector 10. The cathode current collector 22 may have a thickness within the range described above with respect to the anode current collector 10. The cathode current collector 22 may be formed using one of the deposition processes described above for the formation of the anode current collector 10. For slurry-based cathode materials, metal foil may be used during the casting process.

ここで図2を参照すると、本出願の第2の実施形態による別の例示的な充電式リチウムイオン電池が示されている。図2に示される例示的リチウムイオン電池は、アノード構造12の多孔性領域1(すなわち頂部多孔性層17)と電解質領域18との間に界面添加剤材料層24が配置されていることを除いては、図1に示される充電式リチウムイオン電池スタックと類似のものである。具体的には、図2に示される例示的充電式リチウムイオン電池は、上記に定義されたアノード電流コレクタ10と、上記に定義されたアノード構造12と、本明細書の以下においてより詳細に定義される界面添加剤材料層24と、上記に定義された電解質領域18と、上記に定義されたリチウム含有カソード材料層20と、上記に定義されたカソード電流コレクタ22との電池材料スタックを含む。図2に示される電池材料スタックは、図2に示されるものに加えてその他の向きを有してもよい。たとえば、電池材料スタックは180°反転されてもよい。 Here, with reference to FIG. 2, another exemplary rechargeable lithium-ion battery according to a second embodiment of the present application is shown. In the exemplary lithium-ion battery shown in FIG. 2, the interface additive material layer 24 is arranged between the porous region 1 (that is, the top porous layer 17) of the anode structure 12 and the electrolyte region 18. Is similar to the rechargeable lithium-ion battery stack shown in FIG. Specifically, the exemplary rechargeable lithium-ion battery shown in FIG. 2 is defined in more detail below with the anode current collector 10 defined above, the anode structure 12 defined above, and the following herein. Includes a battery material stack of the interfacial additive material layer 24 defined above, the electrolyte region 18 defined above, the lithium-containing cathode material layer 20 defined above, and the cathode current collector 22 defined above. The battery material stack shown in FIG. 2 may have other orientations in addition to those shown in FIG. For example, the battery material stack may be flipped 180 °.

界面添加剤(たとえば誘電材料など)層24は、アノード構造12の多孔性領域1(すなわち頂部多孔性層17)の露出表面上に存在する。層24は単一層構造であっても、多層構造であってもよい。界面添加剤材料層24は、たとえば炭素ベースの材料、または金もしくは誘電材料の酸化物、たとえば酸化アルミニウムなどの任意の界面添加剤材料層を含んでもよい。界面添加剤材料は、電気絶縁性およびLiイオンのイオン伝導性構成要素、たとえばLiNbO、LiZrO、LiSiO、またはLiPOなどであるがこれに限定されない構成要素の任意の組み合わせとの混合物であってもよい。界面添加剤材料層24は、1nmから50nmの厚さを有してもよい。界面添加剤材料層24は、たとえば化学蒸着、プラズマ強化化学蒸着、または原子層堆積などを含む堆積プロセスを使用して形成されてもよい。界面添加剤材料層24は、繰り返される電気化学的コンディショニング下での電解質と電極層との高度の化学的および物理的相互接続性を可能にできる。界面添加剤材料層24は界面の重なりに対する構造的剛性を維持できることによって、高いイオン伝導性を可能にし、かつセルの内部抵抗を低減させる。加えて、界面添加剤材料層24は当該界面における電気的絶縁を提供でき、電池内の電気伝導性構成要素の空間的制御を通じてセルの漏洩または短絡を防ぐ。上述の界面添加剤材料層24は、連続的であるか、またはパターン形成され得る。 The interface additive (eg, dielectric material) layer 24 is present on the exposed surface of the porous region 1 (ie, the top porous layer 17) of the anode structure 12. The layer 24 may have a single layer structure or a multi-layer structure. The interfacial additive material layer 24 may include any interfacial additive material layer, such as carbon-based materials, or oxides of gold or dielectric materials, such as aluminum oxide. The interfacial additive material is any combination of electrically insulating and ionic conductive components of Li ions, such as, but not limited to , LiNbO 3 , LiZrO 2 , Li 4 SiO 4 , or Li 3 PO 4. It may be a mixture with. The interface additive material layer 24 may have a thickness of 1 nm to 50 nm. The interfacial additive material layer 24 may be formed using a deposition process that includes, for example, chemical vapor deposition, plasma-enhanced chemical vapor deposition, or atomic layer deposition. The interfacial additive material layer 24 can allow a high degree of chemical and physical interoperability between the electrolyte and the electrode layer under repeated electrochemical conditioning. The interface additive material layer 24 can maintain structural rigidity against overlapping interfaces, thereby enabling high ionic conductivity and reducing the internal resistance of the cell. In addition, the interface additive material layer 24 can provide electrical insulation at the interface, preventing cell leakage or short circuits through spatial control of the electrically conductive components within the battery. The interface additive material layer 24 described above can be continuous or patterned.

ここで図3を参照すると、本出願の第3の実施形態による別の例示的な充電式リチウムイオン電池が示されている。図3に示される例示的充電式リチウムイオン電池は、電解質領域18とリチウム含有カソード材料層20との間に界面添加剤材料層26が配置されていることを除いては、図1に示される充電式リチウムイオン電池スタックと類似のものである。具体的には、図3に示される例示的充電式リチウムイオン電池は、上記に定義されたアノード電流コレクタ10と、上記に定義されたアノード構造12と、上記に定義された電解質領域18と、本明細書の以下においてより詳細に定義される界面添加剤材料層26と、上記に定義されたリチウム含有カソード材料層20と、上記に定義されたカソード電流コレクタ22との電池材料スタックを含む。図3に示される電池材料スタックは、図3に示されるものに加えてその他の向きを有してもよい。たとえば、電池材料スタックは180°反転されてもよい。 Here, with reference to FIG. 3, another exemplary rechargeable lithium-ion battery according to a third embodiment of the present application is shown. The exemplary rechargeable lithium-ion battery shown in FIG. 3 is shown in FIG. 1, except that the interfacial additive material layer 26 is located between the electrolyte region 18 and the lithium-containing cathode material layer 20. It is similar to a rechargeable lithium-ion battery stack. Specifically, the exemplary rechargeable lithium-ion battery shown in FIG. 3 comprises an anode current collector 10 as defined above, an anode structure 12 as defined above, and an electrolyte region 18 as defined above. Includes a battery material stack of a surfactant material layer 26 as defined in more detail below, a lithium-containing cathode material layer 20 as defined above, and a cathode current collector 22 as defined above. The battery material stack shown in FIG. 3 may have other orientations in addition to those shown in FIG. For example, the battery material stack may be flipped 180 °.

界面添加剤材料層26は、界面添加剤材料層24に対して上述された界面添加剤材料のいずれかを含んでもよい。界面添加剤材料層26は、セル内部抵抗の増加を最小化するために1nmから20nmの厚さを有してもよい。界面添加剤材料層26は、たとえば化学蒸着、プラズマ強化化学蒸着、または原子層堆積などを含む堆積プロセスを使用して形成されてもよい。界面添加剤材料層26は界面の重なりに対する構造的剛性を維持できることによって、高いイオン伝導性を可能にし、かつセルの内部抵抗を低減させる。加えて、界面添加剤材料層26は当該界面における電気的絶縁を提供でき、電池内の電気伝導性構成要素の空間的制御を通じてセルの漏洩または短絡を防ぐ。 The interface additive material layer 26 may contain any of the above-mentioned interface additive materials with respect to the interface additive material layer 24. The interface additive material layer 26 may have a thickness of 1 nm to 20 nm in order to minimize the increase in cell internal resistance. The interfacial additive material layer 26 may be formed using a deposition process that includes, for example, chemical vapor deposition, plasma-enhanced chemical vapor deposition, or atomic layer deposition. The interface additive material layer 26 can maintain structural rigidity against overlapping interfaces, thereby enabling high ionic conductivity and reducing the internal resistance of the cell. In addition, the interface additive material layer 26 can provide electrical insulation at the interface, preventing cell leakage or short circuits through spatial control of the electrically conductive components within the battery.

ここで図4を参照すると、本出願の第4の実施形態による例示的な充電式リチウムイオン電池が示されている。図4に示される例示的充電式リチウムイオン電池は、アノード構造12の多孔性領域1(すなわち頂部多孔性層17)と電解質領域18との間に界面添加剤材料層24が配置され、かつ電解質領域18とリチウム含有カソード材料層20との間に別の界面添加剤材料層26が配置されていることを除いては、図1に示される充電式リチウムイオン電池スタックと類似のものである。具体的には、図4に示される例示的充電式リチウムイオン電池は、上記に定義されたアノード電流コレクタ10と、上記に定義されたアノード構造12と、上記に定義された界面誘電材料層24と、上記に定義された電解質領域18と、上記に定義された界面誘電材料層26と、上記に定義されたリチウム含有カソード材料層20と、上記に定義されたカソード電流コレクタ22との電池材料スタックを含む。図4に示される電池材料スタックは、図4に示されるものに加えてその他の向きを有してもよい。たとえば、電池材料スタックは180°反転されてもよい。 Here, with reference to FIG. 4, an exemplary rechargeable lithium-ion battery according to a fourth embodiment of the present application is shown. In the exemplary rechargeable lithium-ion battery shown in FIG. 4, the interface additive material layer 24 is arranged between the porous region 1 (that is, the top porous layer 17) and the electrolyte region 18 of the anode structure 12, and the electrolyte. It is similar to the rechargeable lithium-ion battery stack shown in FIG. 1, except that another interfacial additive material layer 26 is disposed between the region 18 and the lithium-containing cathode material layer 20. Specifically, the exemplary rechargeable lithium-ion battery shown in FIG. 4 has an anode current collector 10 as defined above, an anode structure 12 as defined above, and an interfacial dielectric material layer 24 as defined above. The battery material of the electrolyte region 18 defined above, the interfacial dielectric material layer 26 defined above, the lithium-containing cathode material layer 20 defined above, and the cathode current collector 22 defined above. Includes stack. The battery material stack shown in FIG. 4 may have other orientations in addition to those shown in FIG. For example, the battery material stack may be flipped 180 °.

ここで図5を参照すると、本出願の第5の実施形態による例示的な充電式リチウムイオン電池が示されている。図5に示される例示的充電式リチウムイオン電池は、アノード構造12の多孔性領域(多孔性領域1および多孔性領域2を含む)がパターン形成されていることを除いては、図1に示される充電式リチウムイオン電池スタックと類似のものである。多孔性領域1および2(個別に示されていない)の両方を含むパターン形成された多孔性領域は、本出願の図5においてエレメント16Pと示される。具体的には、図5に示される例示的リチウムイオン電池は、上記に定義されたアノード電流コレクタ10と、上記に定義され、かつパターン形成多孔性領域16P(多孔性領域1および2を含む)を有するアノード構造12と、上記に定義された電解質領域18と、上記に定義されたリチウム含有カソード材料層20と、上記に定義されたカソード電流コレクタ22との電池材料スタックを含む。図5に示される電池材料スタックは、図5に示されるものに加えてその他の向きを有してもよい。たとえば、電池材料スタックは180°反転されてもよい。 Here, with reference to FIG. 5, an exemplary rechargeable lithium-ion battery according to a fifth embodiment of the present application is shown. The exemplary rechargeable lithium-ion battery shown in FIG. 5 is shown in FIG. 1 except that the porous region of the anode structure 12 (including the porous region 1 and the porous region 2) is patterned. It is similar to the rechargeable lithium-ion battery stack. A patterned porous region containing both porous regions 1 and 2 (not shown individually) is designated element 16P in FIG. 5 of the present application. Specifically, the exemplary lithium-ion battery shown in FIG. 5 has the anodic current collector 10 defined above and the pattern forming porous region 16P (including porous regions 1 and 2) defined above. Includes a battery material stack of an anode structure 12 having the above, an electrolyte region 18 as defined above, a lithium-containing cathode material layer 20 as defined above, and a cathode current collector 22 as defined above. The battery material stack shown in FIG. 5 may have other orientations in addition to those shown in FIG. For example, the battery material stack may be flipped 180 °.

パターン形成多孔性領域16Pと電解質領域18との間に界面添加剤材料層24が形成されてもよく、もしくは電解質領域18とリチウム含有カソード材料層20との間に界面添加剤材料層26が形成されてもよく、またはその両方であってもよい。多孔性領域(多孔性領域1および2を含む)のパターン形成は、たとえばリソグラフィおよびエッチング、おそらくは機械的研削/研磨との併用、およびドープなどを含む従来のパターン形成技術を使用して行われてもよい。いくつかの実施形態において、多孔性領域(16、17)のパターン形成は、たとえばイオン注入、エピ、または熱ドープなどによるシリコンの単純な選択的ドープによって行われてもよい。パターン形成多孔性領域16P(多孔性領域1および2を集合的に含む)は、本出願のアノード構造12の容量および動力学的(電力)能力をさらに増加させるための手段を提供してもよい。パターン形成多孔性領域16P(多孔性領域1および2を集合的に含む)は、より速い充電速度も提供してもよい。 The interface additive material layer 24 may be formed between the pattern-forming porous region 16P and the electrolyte region 18, or the interface additive material layer 26 is formed between the electrolyte region 18 and the lithium-containing cathode material layer 20. It may be, or both. Patterning of porous regions (including porous regions 1 and 2) is performed using conventional patterning techniques, including, for example, lithography and etching, perhaps in combination with mechanical grinding / polishing, and doping. May be good. In some embodiments, patterning of the porous regions (16, 17) may be performed by simple selective doping of silicon, for example by ion implantation, epi, or thermal doping. The pattern-forming porous region 16P, which collectively includes the porous regions 1 and 2, may provide a means for further increasing the capacitance and kinetic (power) capacity of the anode structure 12 of the present application. .. The pattern-forming porous region 16P, which collectively includes the porous regions 1 and 2, may also provide a faster charging rate.

ここで図6A〜6Bを参照すると、本出願の第6の実施形態による例示的な充電式リチウムイオン電池が示されている。図6Aおよび図6Bに示される例示的充電式リチウムイオン電池は、アノード構造12の多孔性領域(多孔性領域1および多孔性領域2を含む)がパターン形成されており、かつリチウム含有カソード材料層20もパターン形成されていることを除いては、図1に示されるリチウムイオン電池スタックと類似のものである。パターン形成された多孔性領域(多孔性領域1および2を含む)は、本出願の図6A〜6Bにおいてエレメント16Pと示され、かつパターン形成されたリチウム含有カソード材料層は、本出願の図6A〜6Bにおいてエレメント20Pと示される。具体的には、図6A〜6Bに示される例示的リチウムイオン電池は、上記に定義されたアノード電流コレクタ10と、上記に定義され、かつパターン形成多孔性領域16P(多孔性領域1および2を含む)を有するアノード構造12と、上記に定義された電解質領域18と、上記に定義されたパターン形成リチウム含有カソード材料層20Pと、上記に定義されたカソード電流コレクタ22との電池材料スタックを含む。図6A〜6Bに示される電池材料スタックは、図6A〜6Bに示されるものに加えてその他の向きを有してもよい。たとえば、電池材料スタックは180°反転されてもよい。 Here, with reference to FIGS. 6A-6B, an exemplary rechargeable lithium-ion battery according to a sixth embodiment of the present application is shown. In the exemplary rechargeable lithium-ion battery shown in FIGS. 6A and 6B, the porous region (including the porous region 1 and the porous region 2) of the anode structure 12 is patterned, and the lithium-containing cathode material layer is formed. 20 is similar to the lithium-ion battery stack shown in FIG. 1, except that it is also patterned. The patterned porous region (including the porous regions 1 and 2) is shown as element 16P in FIGS. 6A-6B of the present application, and the patterned lithium-containing cathode material layer is shown in FIGS. 6A of the present application. In ~ 6B, it is shown as element 20P. Specifically, the exemplary lithium-ion batteries shown in FIGS. 6A-6B have an anode current collector 10 as defined above and a patterning porous region 16P (porous regions 1 and 2) as defined above. Includes a battery material stack of an anode structure 12 having (including), an electrolyte region 18 as defined above, a pattern-forming lithium-containing cathode material layer 20P as defined above, and a cathode current collector 22 as defined above. .. The battery material stacks shown in FIGS. 6A-6B may have other orientations in addition to those shown in FIGS. 6A-6B. For example, the battery material stack may be flipped 180 °.

一実施形態においては、図6Aに示されるとおり、パターン形成電池材料スタック構成要素16Pおよび20Pは互いに対向しており、たとえば各構成要素のより高い領域(より低い領域)は、非相補的方式で電池の同じ側方位置において互いに面している。代替的に、パターン形成電池材料スタック構成要素16Pおよび20Pは、図6Bに示されるとおりに鍵穴および鍵のように嵌合する相補的形状であってもよい。この実施形態において、電解質の厚さ(電解質は電池構成要素16Pおよび20Pの間のすべての空間を充填する)に加えて、パターン形成電極の互いに関する近さは、対向電極を互いに関する特定の近さで整列させることによって制御され得る。パターン形成領域16P(多孔性領域1および2を集合的に含む)と電解質領域18との間に界面添加剤材料層24が形成されてもよく、もしくは電解質領域18とパターン形成リチウム含有カソード材料層20Pとの間に界面添加剤材料層26が形成されてもよく、またはその両方であってもよい。 In one embodiment, as shown in FIG. 6A, the pattern-forming battery material stack components 16P and 20P face each other, eg, the higher (lower) regions of each component are in a non-complementary manner. The batteries face each other in the same lateral position. Alternatively, the pattern-forming battery material stack components 16P and 20P may have a complementary shape that fits like a keyway and a key as shown in FIG. 6B. In this embodiment, in addition to the thickness of the electrolyte (the electrolyte fills all the space between the battery components 16P and 20P), the relative proximity of the patterning electrodes to each other makes the counter electrodes specific close to each other. It can be controlled by aligning with the electrodes. The interface additive material layer 24 may be formed between the pattern-forming region 16P (collectively containing the porous regions 1 and 2) and the electrolyte region 18, or the electrolyte region 18 and the pattern-forming lithium-containing cathode material layer may be formed. The interface additive material layer 26 may be formed between the 20P and 20P, or both.

リチウム含有カソード材料層20Pのパターン形成は、たとえばリソグラフィおよびエッチングなどを含む従来のパターン形成技術を使用するか、またはリフトオフ・プロセスを使用して行われてもよい。パターン形成リチウム含有カソード材料層20Pは、パターン形成多孔性領域16Pに関して相補的または非相補的であってもよい。パターン形成リチウム含有カソード材料層20Pは、本出願のリチウムイオン電池の容量および動力学的充電/放電能力のさらなる増加を提供してもよい。集合的に、パターン形成多孔性領域16P(多孔性領域1および2を集合的に含む)およびパターン形成リチウム含有カソード材料層20Pは、最大化した電池容量を提供し、かつおそらくは電池の充電速度を増加させてもよく、これはパターン寸法が、パターン形成多孔性領域16P(多孔性領域1および2を集合的に含む)とパターン形成リチウム含有カソード材料層20Pとの間の空間体積の最終的に固定された近さとともに、電解質領域18の厚さ、密度、およびその他の物理的特性に影響してそれらを定め得ることによって、電池スタック全体にわたるイオン電子移動特性に直接影響し得たためである。 Patterning of the lithium-containing cathode material layer 20P may be performed using conventional patterning techniques, including, for example, lithography and etching, or by using a lift-off process. The pattern-forming lithium-containing cathode material layer 20P may be complementary or non-complementary with respect to the pattern-forming porous region 16P. The pattern-forming lithium-containing cathode material layer 20P may provide a further increase in the capacity and kinetic charge / discharge capacity of the lithium-ion batteries of the present application. Collectively, the pattern-forming porous regions 16P (collectively containing the porous regions 1 and 2) and the pattern-forming lithium-containing cathode material layer 20P provide maximized battery capacity and possibly battery charging speed. It may be increased, which means that the pattern size is finally the volume of space between the pattern-forming porous region 16P (collectively containing the porous regions 1 and 2) and the pattern-forming lithium-containing cathode material layer 20P. By being able to influence and determine the thickness, density, and other physical properties of the electrolyte region 18, as well as the fixed proximity, it could directly affect the ion-electron transfer properties throughout the battery stack.

ここで図7Aを参照すると、本明細書に記載されるアノード・エッチング法のために結晶p型シリコン材料50を使用するプロセス全体を示す概略図が示されている。特に、このプロセスは結晶p型シリコン材料50を提供するステップによって始まり、次いでアノード・エッチングが行われることによって、多孔性領域1(PR1:Porous Region 1)(すなわち頂部多孔性層17)および多孔性領域2(PR2)(すなわち底部多孔性層16)とともに、この2つの多孔性領域の下に存在する元の結晶p型シリコン基板の非エッチング部分を含むアノード構造が提供される。元の基板の非エッチング部分は、シリコン基板の非多孔性領域14を定める。この図面において、非多孔性領域14はエレメント50Sとも示されている。非多孔性領域50Sは、上述の非多孔性領域14と同じ特徴を有することを注記する。 Here, with reference to FIG. 7A, a schematic diagram showing the entire process of using the crystalline p-type silicon material 50 for the anode etching method described herein is shown. In particular, this process begins with the step of providing the crystalline p-type silicon material 50, followed by anode etching to result in porous region 1 (PR1: Porous Region 1) (ie, top porous layer 17) and porosity. An anode structure is provided that includes the region 2 (PR2) (ie, the bottom porous layer 16) as well as the non-etched portion of the original crystalline p-type silicon substrate that lies beneath the two porous regions. The non-etched portion of the original substrate defines the non-porous region 14 of the silicon substrate. In this drawing, the non-porous region 14 is also shown as element 50S. Note that the non-porous region 50S has the same characteristics as the non-porous region 14 described above.

図7Bは、たとえば図7Aに示されるものなどの実験的に製作された多孔性シリコン基板の透過型電子顕微鏡図(TEM)(断面図による)である。このTEM顕微鏡図は、図7Aに示される2つの多孔性領域PR1(すなわち頂部多孔性層17)およびPR2(すなわち底部多孔性層16)を明瞭に示しており、ここで多孔性領域1は約30nmのオーダの厚さを有し、多孔性領域2は多孔性領域1よりもかなり厚い。 FIG. 7B is a transmission electron microscope (TEM) (cross-sectional view) of an experimentally produced porous silicon substrate, such as that shown in FIG. 7A. This TEM microscopic view clearly shows the two porous regions PR1 (ie, top porous layer 17) and PR2 (ie, bottom porous layer 16) shown in FIG. 7A, where the porous region 1 is about. It has an order thickness of 30 nm, and the porous region 2 is considerably thicker than the porous region 1.

図8(A)は、本明細書の図7Aに示される多孔性シリコン材料の一実施形態の高分解能透過型電子顕微鏡図である。この図面におけるスケール線は、多孔性領域1の合計厚さが約29nmであることを示している。図8(B)は、図8(A)に示される多孔性シリコン材料の二次イオン質量分析(SIMS)プロファイルである。このSIMSプロファイルは、多孔性シリコン材料の最初の30nmにおける炭素、酸素、およびフッ素元素の濃度が比較的低いことを示しており、これは多孔性領域1に直接関連する(両側矢印によって結ばれた図8(A)および図8(B)の点線ボックスによって示されるとおり)。 FIG. 8A is a high resolution transmission electron microscope view of an embodiment of the porous silicon material shown in FIG. 7A of the present specification. The scale lines in this drawing indicate that the total thickness of the porous region 1 is about 29 nm. FIG. 8B is a secondary ion mass spectrometry (SIMS) profile of the porous silicone material shown in FIG. 8A. This SIMS profile shows that the concentrations of carbon, oxygen, and fluorine elements in the first 30 nm of the porous silicon material are relatively low, which is directly related to the porous region 1 (tied by double-sided arrows). (As indicated by the dotted boxes in FIGS. 8 (A) and 8 (B)).

ここで図9A〜9Cを参照すると、流れ図として一連のステップが示されており、多孔性シリコン電極(すなわち非多孔性領域50Sと、多孔性領域2(PR2)と、多孔性領域1(PR1)とを含むアノード構造)と、液体ベースの電解質が用いられるときの電極材料を介した電荷貯蔵の動作とが、充電および放電サイクル中のシード層52とともに示されており、加えて5サイクル(図9B)および約250サイクル(図9C(B))における多孔性シリコン電極のSEM画像が示されている。特に図9A(A)は、電気化学的エネルギ貯蔵セルに組み込まれる前の図7Aに記載されて示された多孔性シリコン電極を示している。多孔性シリコン電極は非多孔性領域50Sと、多孔性領域2(PR2)と、多孔性領域1(PR1)とを含む。図9A(B)は、Liイオン電気化学的エネルギ貯蔵セルに組み込まれたときの多孔性シリコン電極の最初のリチオ化プロセスを示している。リチウムイオン含有電解質への多孔性シリコン電極の最初の露出のとき、もしくは多孔性シリコン電極を電気化学的にリチオ化する最初の期間中、もしくは多孔性シリコン電極の最初の充電中、またはその組み合わせにおいて、平面状のリチウム含有シード層52形成が起こる。示されるとおり、リチウム含有シード層52は多孔性領域1の上に位置し、いくつかの実施形態においては、シード層52の一部分が多孔性領域2の上側部分の中に延在することがある。シード層52の最頂部の表面は通常は平坦、すなわち平面状である。図9A(C)は、充電プロセスの間に起こる平面状リチウムめっきの概略図である。図9A(C)において、エレメント54は、この動作ステップの間に形成される平面状リチウム層を示す。なお、電池が満充電に達するとき、シード層52上のめっきリチウム金属54の厚さは、作業電圧範囲によって定められる、リチウム含有カソード材料層からデインターカレートされて電解質から移されたリチウムの量に比例する。 Here, referring to FIGS. 9A to 9C, a series of steps are shown as a flow chart, and the porous silicon electrode (that is, the non-porous region 50S, the porous region 2 (PR2), and the porous region 1 (PR1)) is shown. The operation of charge storage through the electrode material when a liquid-based electrolyte is used is shown with the seed layer 52 during the charge and discharge cycles, plus 5 cycles (Figure). SEM images of porous silicon electrodes at 9B) and about 250 cycles (FIG. 9C (B)) are shown. In particular, FIG. 9A (A) shows the porous silicon electrode shown and shown in FIG. 7A prior to incorporation into the electrochemical energy storage cell. The porous silicon electrode includes a non-porous region 50S, a porous region 2 (PR2), and a porous region 1 (PR1). FIG. 9A (B) shows the initial lithiolysis process of a porous silicon electrode when incorporated into a Li-ion electrochemical energy storage cell. During the initial exposure of the porous silicon electrode to the lithium ion-containing electrolyte, or during the first period of electrochemical lithiolysis of the porous silicon electrode, or during the initial charging of the porous silicon electrode, or a combination thereof. , The formation of a planar lithium-containing seed layer 52 occurs. As shown, the lithium-containing seed layer 52 is located above the porous region 1, and in some embodiments, a portion of the seed layer 52 may extend into the upper portion of the porous region 2. .. The surface of the top of the seed layer 52 is usually flat, that is, flat. FIG. 9A (C) is a schematic view of planar lithium plating that occurs during the charging process. In FIG. 9A (C), element 54 shows a planar lithium layer formed during this operating step. When the battery reaches full charge, the thickness of the plated lithium metal 54 on the seed layer 52 is determined by the working voltage range of lithium deintercalated from the lithium-containing cathode material layer and transferred from the electrolyte. It is proportional to the amount.

図9Bは、図9A(C)に示されためっき現象を示す多孔性シリコン電極の走査型電子顕微鏡断面図であり、ここでは約250の充電/放電サイクル後の充電状態において電極の断面画像が撮られている。充電状態においてリチウム進入は多孔性領域1を貫通しているが、多孔性領域2の頂部部分のみで観察され、それが多孔性領域2の上側部分にいくらかの亀裂をもたらしている。図9C(A)は、放電プロセス中に起こるリチウム脱めっきを示す図であり、ここではシード層52の頂部に不可逆的にめっきされたリチウム金属54の一部分が残っている。放電によって、めっきリチウム金属54の残余部分の厚さは、図9A(C)に示される充電状態で形成された平面状リチウム層54の厚さよりも実質的に薄くなっている。なお、作業電圧範囲によって定められるとおり、電池が持続可能な放電状態に近づくとき、リチウム金属の層の厚さは相対的に減少する。図9C(B)は、図9C(A)に対応する5回充電および放電された放電状態の多孔性シリコン電極の走査型電子顕微鏡断面図である。一実施形態において、作業電圧範囲は4.2Vから3.0Vである。一実施形態において、リチウム含有カソード材料層はリチウムコバルト酸化物である。充電中に起こる上記のシード層形成およびリチウム金属めっきと、その後の放電中に起こるリチウム金属の脱めっきとは、固体電解質または液体電解質、または本明細書において言及される任意のその他のタイプの電解質を含むリチウムイオン電池に対して観察される。 FIG. 9B is a scanning electron microscope cross-sectional view of the porous silicon electrode showing the plating phenomenon shown in FIG. 9A (C), in which a cross-sectional image of the electrode is shown in a charged state after about 250 charge / discharge cycles. It is being taken. In the charged state, the lithium ingress penetrates the porous region 1, but is observed only at the top of the porous region 2, which causes some cracks in the upper portion of the porous region 2. FIG. 9C (A) is a diagram showing lithium deplating that occurs during the discharge process, where a portion of the irreversibly plated lithium metal 54 remains on the top of the seed layer 52. Due to the electric discharge, the thickness of the remaining portion of the plated lithium metal 54 is substantially thinner than the thickness of the planar lithium layer 54 formed in the charged state shown in FIG. 9A (C). It should be noted that the thickness of the lithium metal layer decreases relatively as the battery approaches a sustainable discharge state, as determined by the working voltage range. 9C (B) is a scanning electron microscope cross-sectional view of the discharged state porous silicon electrode corresponding to FIG. 9C (A), which is charged and discharged five times. In one embodiment, the working voltage range is 4.2V to 3.0V. In one embodiment, the lithium-containing cathode material layer is a lithium cobalt oxide. The seed layer formation and lithium metal plating that occurs during charging and the lithium metal deplating that occurs during subsequent discharge are solid or liquid electrolytes, or any other type of electrolyte referred to herein. Observed for lithium-ion batteries containing.

いくつかの実施形態において、本出願の充電式リチウムイオン電池は、たとえば上述のものなどの持続可能な作業電圧を使用したときに、200サイクルより多く充電および放電され得る。200の充電および放電サイクルの後、めっきリチウム金属の表面は、平均して名目上連続的に平面状である。 In some embodiments, the rechargeable lithium-ion batteries of the present application can be charged and discharged more than 200 cycles when using sustainable working voltages such as those described above. After 200 charge and discharge cycles, the surface of the plated lithium metal is nominally continuously planar on average.

ここで図10A〜10Cを参照すると、本出願による図1に示されるものと類似の構造を含む全固体リチウムイオン電池に対する実際のSEM画像が示されており、ここで電解質領域18はたとえばLiPONなどの固体材料である。この構造は、図1または図9A(A)に示されるアノード構造12も含む。特に、図10Aは定電流または定電位誘導の充電または放電前の構造のSEMであり、図10Bは6の充電および放電サイクル後の構造の別のSEMであり、図10Cは67の充電および放電サイクル後の構造のさらに別のSEM画像である。 Here, with reference to FIGS. 10A-10C, an actual SEM image for an all-solid-state lithium-ion battery containing a structure similar to that shown in FIG. 1 according to the present application is shown, where the electrolyte region 18 is, for example, LiPON. It is a solid material of. This structure also includes the anode structure 12 shown in FIG. 1 or FIG. 9A (A). In particular, FIG. 10A is an SEM of the structure before charge or discharge of constant current or constant potential induction, FIG. 10B is another SEM of the structure after the charge and discharge cycle of 6, and FIG. 10C is the charge and discharge of 67. Yet another SEM image of the post-cycle structure.

図10AのSEMは、定電流または定電位で誘導する電気化学的充電または放電前の全固体電池の断面SEM画像であって、多孔性シリコン電極(すなわち、非多孔性領域(図示せず)と多孔性領域2(PR2)と平面状多孔性領域1(PR1)とを含むアノード構造)を示しており、ここでは多孔性領域1(PR1)の上に固体電解質領域18が存在する。図10Bは、6の定電流誘導充電および放電サイクル後の図10Aに示される全固体セルの断面SEM画像であり、ここでは底部から頂部に多孔性領域2(PR2)、リチウム含有シード層52を含む多孔性領域1(PR1)が観察される。特に、多孔性領域1(PR1)/固体電解質領域18界面から生じたオフホワイトの特徴が明瞭に観察され、この特徴は、リチウム含有シード層52を構成するか、もしくは6の充電/放電サイクル中に形成されたリチウム含有シード層52上に存在するめっきリチウム金属を構成するか、またはその両方であるリチウム・リッチ材料と、空気との反応を表すと考えられる。図10Cは、67の定電流誘導充電および放電サイクル後の図10Aに示される全固体セルの断面SEM画像であり、ここでは底部から頂部に実質的に元の多孔性領域2(PR2)と、部分的にリチオ化された多孔性領域2(PR2)と、多孔性領域1(PR1)における固体電解質材料と混合されたリチウム金属含有デンドライト特徴の平面状の形成と、電解質領域18とが観察される。リチウムイオン含有電解質への多孔性シリコン電極の最初の露出のとき、もしくは多孔性シリコン電極を電気化学的にリチオ化する最初の期間中、もしくは多孔性シリコン電極の最初の充電中、またはその組み合わせにおいて、平面状のリチウム含有シード層52形成が起こる。示されるとおり、リチウム含有シード層52は多孔性領域1区域内に位置し、シード層52の一部分が多孔性領域2の上側部分の中に延在することもある。図10Aおよび図10Bにおいて観察されるとおり、シード層52の最頂部の表面は通常は平坦、すなわち平面状であり、サイクルの前に、PR1およびシード層52は電解質領域18と平面状に密接して接触している。この平面状のリチウム金属含有シード層は、以後の充電/放電サイクル中にそれぞれリチウム金属の以後のめっき/剥離に対するホストまたは核形成部位として作用すると考えられる。6の充電/放電サイクルの後、シード層もしくはリチウム金属めっきシード層またはその両方を形成するリチウム・リッチ材料は、図10BのSEM画像を得るためのセルの破壊および切断の際に、自身の固定された平面状態から変化する。このそれぞれのリチウム金属含有層は、ここで周囲空気の化学物質と反応してオフホワイトの特徴を形成し、それがPR1/固体電解質領域18界面領域から出現/発生することが観察される。図10Cにおいて、56の充電/放電サイクルの後に、実質的に元の多孔性領域2(PR2)区域が観察され、その上に部分的にリチオ化された多孔性領域2が観察され(PR2)、その上の多孔性領域1(PR1)区域内に約183nmのリチウム・リッチ・デンドライト・タイプの平面層の形成が観察され、その上にLiPON電解質区域が観察される。特に、多孔性領域1(PR1)領域の中/上にリチウム・リッチ・デンドライト特徴が平面状に形成し、67の充電/放電サイクル後のセルの破壊および切断の際にも安定したままであり、固体電解質領域18と多孔性領域1(PR1)区域の中/上のリチウム金属リッチ・デンドライト特徴との間に密接した連続的な接触があることの観察は、図9A〜9Cに示される液体電解質を含有する安定したリチウム金属ホスト多孔性シリコン・アノード含有電池に加えて、全固体電池における安定したリチウム金属ホスト多孔性シリコン・アノードとしての本発明の高い有効性を示している。 The SEM of FIG. 10A is a cross-sectional SEM image of an all-solid-state battery before electrochemical charging or discharging induced at a constant current or potential, with a porous silicon electrode (ie, a non-porous region (not shown)). The anode structure including the porous region 2 (PR2) and the planar porous region 1 (PR1)) is shown, and here, the solid electrolyte region 18 exists on the porous region 1 (PR1). FIG. 10B is a cross-sectional SEM image of the all-solid-state cell shown in FIG. 10A after the constant current induced charging and discharging cycle of 6, in which the porous region 2 (PR2) and the lithium-containing seed layer 52 are formed from the bottom to the top. A porous region 1 (PR1) containing is observed. In particular, the off-white feature originating from the porous region 1 (PR1) / solid electrolyte region 18 interface is clearly observed, which constitutes the lithium-containing seed layer 52 or during the charge / discharge cycle of 6. It is believed to represent the reaction of air with a lithium-rich material that constitutes or both of the plated lithium metal present on the lithium-containing seed layer 52 formed in. FIG. 10C is a cross-sectional SEM image of the all-solid-state cell shown in FIG. 10A after the constant current induced charge and discharge cycle of 67, here with substantially the original porous region 2 (PR2) from the bottom to the top. Partially lithiated porous region 2 (PR2), planar formation of lithium metal-containing dendrite features mixed with solid electrolyte material in porous region 1 (PR1), and electrolyte region 18 were observed. NS. During the initial exposure of the porous silicon electrode to the lithium ion-containing electrolyte, or during the first period of electrochemical lithiolysis of the porous silicon electrode, or during the initial charging of the porous silicon electrode, or a combination thereof. , The formation of a planar lithium-containing seed layer 52 occurs. As shown, the lithium-containing seed layer 52 is located within the porous region 1 area, and a portion of the seed layer 52 may extend into the upper portion of the porous region 2. As observed in FIGS. 10A and 10B, the top surface of the seed layer 52 is usually flat, i.e. planar, and prior to the cycle, PR1 and the seed layer 52 are in close planar contact with the electrolyte region 18. Are in contact. This planar lithium metal-containing seed layer is believed to act as a host or nucleation site for subsequent plating / exfoliation of the lithium metal, respectively, during subsequent charge / discharge cycles. After the charge / discharge cycle of 6, the lithium-rich material forming the seed layer and / or the lithium metal-plated seed layer fixes itself during destruction and cutting of the cell to obtain the SEM image of FIG. 10B. It changes from the flat state. It is observed that each of these lithium metal-containing layers reacts here with chemicals in the ambient air to form off-white features, which emerge / generate from the PR1 / solid electrolyte region 18 interface region. In FIG. 10C, after 56 charge / discharge cycles, a substantially original porous region 2 (PR2) region is observed, on which a partially lithium-rich porous region 2 is observed (PR2). , The formation of a lithium rich dendrite type planar layer of about 183 nm is observed in the porous region 1 (PR1) region above it, and the LiPON electrolyte region is observed on it. In particular, the lithium-rich dendrite feature forms planarly in / above the porous region 1 (PR1) region and remains stable during cell destruction and cutting after 67 charge / discharge cycles. The observation that there is close continuous contact between the solid electrolyte region 18 and the lithium metal rich dendrite features in / above the porous region 1 (PR1) region is the liquid shown in FIGS. 9A-9C. It demonstrates the high effectiveness of the present invention as a stable lithium metal host porous silicon anode in an all-solid-state battery, in addition to a stable lithium metal host porous silicon anode-containing battery containing an electrolyte.

いくつかの実施形態において、複数の充電/放電サイクルの際に、リチウム金属/電解質界面におけるデンドライト形成に加えて、底部多孔性層/頂部多孔性層界面における(111)結晶シリコン面の上/沿いに、独特のデンドライト形成が起こる。 In some embodiments, during multiple charge / discharge cycles, in addition to dendrite formation at the lithium metal / electrolyte interface, above / along the (111) crystalline silicon surface at the bottom porous layer / top porous layer interface. In addition, a unique dendrite formation occurs.

図1〜5、図6A、および図6Bに示される充電式リチウムイオン電池は、任意のサイズもしくは形状またはその両方を有してもよい。範囲の一例は、10μmから1mm未満(小さい方)および大きい方は1mmより上の任意の値を含む。一例において、充電式リチウムイオン電池のサイズは、100μm×100μm×100μmであってもよい。別の例において、充電式リチウムイオン電池のサイズは、50mm×50mm×5mmであってもよい。半導体ベース基板が存在するいくつかの実施形態において、図1〜5、図6Aおよび図6Bに示される充電式リチウムイオン電池は、たとえばトランジスタ、コンデンサ、ダイオード、レーザー・ダイオード、発光デバイス、光起電デバイス、中央処理ユニット、シリコンベースのデバイス構造などを含む半導体デバイスと統合されてもよい。半導体デバイスに電力供給する電池は、半導体基板の同じ側または反対側のどちらにあってもよい。 The rechargeable lithium-ion batteries shown in FIGS. 1-5, 6A, and 6B may have any size and / or shape. An example of the range includes any value from 10 μm to less than 1 mm (smaller) and larger than 1 mm. In one example, the size of the rechargeable lithium-ion battery may be 100 μm × 100 μm × 100 μm. In another example, the size of the rechargeable lithium-ion battery may be 50 mm x 50 mm x 5 mm. In some embodiments where a semiconductor-based substrate is present, the rechargeable lithium-ion batteries shown in FIGS. 1-5, 6A and 6B are, for example, transistors, capacitors, diodes, laser diodes, light emitting devices, photovoltaics. It may be integrated with semiconductor devices including devices, central processing units, silicon-based device structures and the like. The batteries that power the semiconductor device may be on either the same side or the opposite side of the semiconductor substrate.

統合は、次の2つのやり方で行われてもよい。1)従来どおり、陽極酸化および多孔性半導体領域の作製の前の半導体基板の予備的なパターン形成、リソグラフィ、エッチングによるもの、または2)たとえばイオン注入などの選択的ドープと、その後のたとえば炉またはランプまたはレーザー・アニールなどの熱アニールとによるもの、または選択的エピタキシャル成長などによるもの。デバイスは同じ元の半導体基板上に置かれてもよいし、同じ元の半導体基板と統合されてもよいし、所与の作業近接部内の隣接半導体基板上に置かれてもよい(電池の同じ側も反対側も可能である)。 The integration may be done in two ways: 1) as before, by preliminary patterning, lithography, etching of the semiconductor substrate prior to anodization and fabrication of the porous semiconductor region, or 2) selective doping, such as ion implantation, followed by, for example, a furnace or By thermal annealing such as lamp or laser annealing, or by selective epitaxial growth. The device may be placed on the same original semiconductor substrate, integrated with the same original semiconductor substrate, or placed on an adjacent semiconductor substrate within a given working proximity (same battery). It can be on the other side or the other side).

ここで、本出願のアノード構造12を製作する方法をより詳細に考察する。本出願の方法は以下を提供する。1)非多孔性半導体領域(たとえば単結晶シリコン材料など)に接続された多孔性半導体領域の「成長」または生成またはエッチングであり、次いでこれを他のシリコンベース技術に/と統合できる。2)液体、固体、および半固体電解質の統合および使用の成功、ならびに充電式電池におけるそれらの高機能能力(任意の電解質によって多用途である)。加えて、3)出発シリコン基板の鏡面状の平滑な表面によって固体電解質の厚さをnmの領域で制御できることによって、電池性能、充電速度、イオン移動性の高度の制御が可能になり、かつ物理的に堆積された電解質に適合する。 Here, the method of manufacturing the anode structure 12 of the present application will be considered in more detail. The method of this application provides: 1) The "growth" or formation or etching of a porous semiconductor region connected to a non-porous semiconductor region (eg, single crystal silicon material), which can then be integrated with / into other silicon-based technologies. 2) Successful integration and use of liquid, solid and semi-solid electrolytes, and their high performance in rechargeable batteries (universal by any electrolyte). In addition, 3) the mirror-like smooth surface of the starting silicon substrate allows the thickness of the solid electrolyte to be controlled in the nm region, which enables a high degree of control of battery performance, charging speed, and ion mobility, and also allows physical control. Suitable for deposited electrolytes.

特に、本出願のアノード構造12は陽極酸化プロセスを用いて作製でき、この陽極酸化プロセスにおいては、p型シリコン材料の少なくとも上側領域を含む基板を濃縮HFの溶液(49%)に浸漬しながら、アノードとしてのプラチナおよびカソードとしての基板によって電流を印加する。陽極酸化プロセスは、0.05mA/cmから150mA/cmの電流密度で動作する定電流源を使用して行われ、ここでmAはミリアンペアである。いくつかの例において、電流密度は1mA/cm、2mA/cm、5mA/cm、50mA/cm、または100mA/cmである。好ましい実施形態において、電流密度は1mA/cmから10mA/cmである。電流密度は1秒間から5時間加えられてもよい。いくつかの例において、電流密度は5秒間、30秒間、20分間、1時間、または3時間加えられてもよい。ある実施形態において、範囲1019cmの範囲のドープ・レベルに対して特定的に、電流密度が10秒間から1200秒間加えられてもよい。陽極酸化プロセスは通常、公称室温(20℃から30℃)または室温からわずかに上昇させた温度において行われる。陽極酸化プロセスに続いて、図7Bに示される構造は通常、脱イオン水でリンスされ、次いで乾燥される。 In particular, the anodic structure 12 of the present application can be prepared using an anodizing process, in which the substrate containing at least the upper region of the p-type silicon material is immersed in a concentrated HF solution (49%). Current is applied by platinum as the anode and substrate as the cathode. The anodizing process is carried out using a constant current source operating at a current density of 0.05 mA / cm 2 to 150 mA / cm 2, where mA is milliamperes. In some examples, the current densities are 1 mA / cm 2 , 2 mA / cm 2 , 5 mA / cm 2 , 50 mA / cm 2 , or 100 mA / cm 2 . In a preferred embodiment, the current density is 1 mA / cm 2 to 10 mA / cm 2 . The current density may be applied for 1 second to 5 hours. In some examples, the current density may be applied for 5 seconds, 30 seconds, 20 minutes, 1 hour, or 3 hours. In certain embodiments, the current densities may be applied specifically for a dope level in the range 10 19 cm 3 for 10 to 1200 seconds. The anodizing process is usually carried out at nominal room temperature (20 ° C to 30 ° C) or at a temperature slightly above room temperature. Following the anodizing process, the structure shown in FIG. 7B is usually rinsed with deionized water and then dried.

いくつかの実施形態において、陽極酸化の後、アノード構造12は使用される前に所望の寸法に切断されてもよい。いくつかの実施形態において、アノード構造12は上記に定義されたアノード電流コレクタ10の上に置かれて、任意にはそこに結合されてもよく、その後リチウムイオン電池のさまざまな他の構成要素が形成されてもよい。他の実施形態において、アノード構造12は、リチウム含有カソード材料層20およびカソード電流コレクタ22を含むカソード領域も含む予め作製された電池材料スタックの電解質領域18の上に置かれて、任意にはそこに結合されてもよい。 In some embodiments, after anodizing, the anodic structure 12 may be cut to the desired dimensions before use. In some embodiments, the anode structure 12 may be placed on and optionally coupled to the anode current collector 10 as defined above, followed by various other components of the lithium ion battery. It may be formed. In another embodiment, the anode structure 12 is placed on, optionally there, an electrolyte region 18 of a prefabricated battery material stack that also includes a cathode region including a lithium-containing cathode material layer 20 and a cathode current collector 22. May be combined with.

ここで図11を参照すると、本出願のアノード構造12を作製するための一実施形態を示すフロー・チャートが示されている。特に、上で考察された多孔性領域1および多孔性領域2および非多孔性領域14(または50S)を含むアノード構造12は、図11に示される処理ステップを使用して形成され得る。一実施形態において、基板12はp型ドープ結晶シリコン材料で全体的に構成されてもよく、一方で他の実施形態においては、p型ドープ・シリコン材料の下に他のシリコン材料またはゲルマニウム(ドープまたは非ドープのどちらも)が存在してもよい。この方法は第1のステップ、すなわちpドープ・シリコン基板を水酸化アンモニウムと、脱イオン水と、過酸化水素との混合物(5:1:1 v/v)によって、60℃から80℃にて約10分間洗浄するステップ1(70)を含んでもよい。次にステップ2(72)において、洗浄されたpドープ・シリコン基板は49%のフッ化水素酸に浸漬され、その後それに電流が印加されて電気化学的陽極酸化(すなわち陽極酸化エッチング)が開始される。一実施形態において、印加される電流は、1mA/cmから10mA/cmの範囲の定電流である。ステップ3(74)において、以下の電気化学的陽極酸化条件を用いて陽極酸化エッチングが継続される。公称室温(20℃から30℃)および5mA/cm以下にて10sから2000s。エッチングの後、ステップ4(76)において、エッチングされたシリコン基板は脱イオン水でリンスされ、次いで乾燥される。ステップ3において定義される陽極酸化プロセスは、pドープ・シリコンを含む基板の上側部分を多孔性領域1および多孔性領域2に転換し、下にある基板は陽極酸化プロセスに影響されずに上述の非多孔性領域14(または50S)を形成する。 With reference to FIG. 11, a flow chart showing an embodiment for making the anode structure 12 of the present application is shown. In particular, the anode structure 12 including the porous region 1 and the porous region 2 and the non-porous region 14 (or 50S) discussed above can be formed using the processing steps shown in FIG. In one embodiment, the substrate 12 may be entirely composed of a p-type doped crystalline silicon material, while in other embodiments, another silicon material or germanium (doped) underneath the p-type doped silicon material. Or both non-doped) may be present. This method is the first step, i.e. a p-doped silicon substrate with a mixture of ammonium hydroxide, deionized water and hydrogen peroxide (5: 1: 1 v / v) at 60 ° C to 80 ° C. It may include step 1 (70) of washing for about 10 minutes. Then, in step 2 (72), the washed p-doped silicon substrate is immersed in 49% hydrofluoric acid, after which an electric current is applied to initiate electrochemical anodic oxidation (ie, anodic etching). NS. In one embodiment, the applied current is a constant current in the range of 1 mA / cm 2 to 10 mA / cm 2. In step 3 (74), anodizing etching is continued using the following electrochemical anodizing conditions. 10s to 2000s at nominal room temperature (20 ° C to 30 ° C) and 5mA / cm 2 or less. After etching, in step 4 (76), the etched silicon substrate is rinsed with deionized water and then dried. The anodizing process defined in step 3 converts the upper portion of the substrate containing the p-doped silicon into a porous region 1 and a porous region 2, and the underlying substrate is unaffected by the anodizing process described above. A non-porous region 14 (or 50S) is formed.

図1〜5、図6A、および図6Bに示されるとおりの上述の実施形態のいずれにおいても、リチウム含有カソード材料層20は、100nm未満の粒子サイズと、1010cm−2以上の粒子境界の密度とを有する粒子を含んでもよい。いくつかの実施形態において、リチウム含有カソード材料層20を構成する個々の粒子の粒子サイズは、1nmから100nm未満である。いくつかの実施形態において、境界の密度は1010cm−2から1014cm−2であり得る。本明細書において「粒子境界」という用語は、材料の2つの粒子間の界面と定義される。粒子境界は、リチウム含有カソード材料層20内に幾分ランダムな向きで存在する。粒子境界のいくつかは、粒子境界の一方の端部がカソード材料の最底部の表面に存在し、粒子境界の別の端部がカソード材料の最頂部に位置するように、カソード材料を完全に通過して延在してもよい。この実施形態において、粒子境界はリチウム含有カソード材料層20の最頂部および最底部の表面に対して垂直に向けられていない。 In any of the above embodiments as shown in FIGS. 1-5, 6A, and 6B, the lithium-containing cathode material layer 20 has a particle size of less than 100 nm and a particle boundary of 10 10 cm- 2 or more. It may contain particles having a density. In some embodiments, the particle size of the individual particles constituting the lithium-containing cathode material layer 20 is from 1 nm to less than 100 nm. In some embodiments, the boundary density can range from 10 10 cm- 2 to 10 14 cm- 2 . As used herein, the term "particle boundary" is defined as the interface between two particles of a material. Particle boundaries are present in the lithium-containing cathode material layer 20 in a somewhat random orientation. Some of the particle boundaries completely make the cathode material so that one end of the particle boundary is on the surface of the bottom of the cathode material and the other end of the particle boundary is at the top of the cathode material. It may pass and extend. In this embodiment, the particle boundaries are not oriented perpendicular to the top and bottom surfaces of the lithium-containing cathode material layer 20.

図1〜5、図6A、および図6Bに示されるとおりの上述の実施形態のいずれにおいても、リチウム含有カソード材料層20は、円柱状の粒子境界を有する円柱状の微細構造を有してもよい。円柱状の粒子境界は、リチウム含有カソード材料層20の最頂部の表面および最底部の表面に対して垂直に向けられる。こうした実施形態において、リチウム含有カソード材料層20は、カソード材料内に複数のフィン様構造を有する。円柱状の微細構造を有するリチウム含有カソード材料層20は、100nm未満の粒子サイズと、1010cm−2以上の円柱状粒子境界の密度とを有する。いくつかの実施形態において、リチウム含有カソード材料層20を構成する個々の粒子の粒子サイズは、1nmから100nm未満である。いくつかの実施形態において、円柱状粒子境界の密度は1010〜1014cm−2であり得る。一実施形態において、電気伝導性のカソード材料は、上記に定義されたリチウム含有材料である。 In any of the above embodiments as shown in FIGS. 1-5, 6A, and 6B, the lithium-containing cathode material layer 20 may have a columnar microstructure with columnar particle boundaries. good. The columnar particle boundaries are oriented perpendicular to the top and bottom surfaces of the lithium-containing cathode material layer 20. In such an embodiment, the lithium-containing cathode material layer 20 has a plurality of fin-like structures in the cathode material. The lithium-containing cathode material layer 20 having a columnar fine structure has a particle size of less than 100 nm and a density of columnar particle boundaries of 10 10 cm- 2 or more. In some embodiments, the particle size of the individual particles constituting the lithium-containing cathode material layer 20 is from 1 nm to less than 100 nm. In some embodiments, the density of columnar particle boundaries can be 10 10 to 10 14 cm- 2 . In one embodiment, the electrically conductive cathode material is the lithium-containing material as defined above.

たとえば本出願の図1〜5、図6A、および図6Bなどに示される充電式電池材料スタックにおいて、本出願のアノード構造12とともに、100nm未満の粒子サイズおよび1010cm−2以上の粒子境界の密度を有する粒子を含有するリチウム含有カソード材料層20か、または円柱状の微細構造を有するリチウム含有カソード材料層20が存在することによって、高速かつ実質的または全体的に鉛直のイオンすなわちLiイオンの輸送が促進され、それは高速充電電池をもたらし得る。 For example, in the rechargeable battery material stacks shown in FIGS. 1-5, 6A, 6B, etc. of the present application, together with the anode structure 12 of the present application, a particle size of less than 100 nm and a particle boundary of 10 10 cm- 2 or more. The presence of a lithium-containing cathode material layer 20 containing dense particles or a lithium-containing cathode material layer 20 having a columnar microstructure allows for high-speed, substantially or totally vertical ions or Li ions. Transport is facilitated, which can result in fast rechargeable batteries.

アノード構造12と、100nm未満の粒子サイズおよび1010cm−2以上の粒子境界の密度を有する粒子を含有するリチウム含有カソード材料層20か、または円柱状の微細構造を有するリチウム含有カソード材料層20とを含む充電式電池は、5C以上の充電速度を示してもよく、ここでCは1時間当りの合計電池容量である。いくつかの実施形態において、アノード構造12と、100nm未満の粒子サイズおよび1010cm−2以上の粒子境界の密度を有する粒子を含有するリチウム含有カソード材料層20か、または円柱状の微細構造を有するリチウム含有カソード材料層20とを含む電池の充電速度は、5Cから1000C以上であり得る。加えて、アノード構造12と、100nm未満の粒子サイズおよび1010cm−2以上の粒子境界の密度を有する粒子を含有するリチウム含有カソード材料層20か、または円柱状の微細構造を有するリチウム含有カソード材料層20とを含む充電式電池は、100mAh/gmカソード材料以上の容量を有してもよい。 A lithium-containing cathode material layer 20 containing an anode structure 12 and particles having a particle size of less than 100 nm and a particle boundary density of 10 10 cm- 2 or more, or a lithium-containing cathode material layer 20 having a columnar microstructure. The rechargeable battery including the above may indicate a charging speed of 5C or more, where C is the total battery capacity per hour. In some embodiments, a lithium-containing cathode material layer 20 containing an anode structure 12 and particles having a particle size of less than 100 nm and a particle boundary density of 10 10 cm- 2 or greater, or a columnar microstructure. The charging speed of the battery including the lithium-containing cathode material layer 20 having the same can be 5C to 1000C or more. In addition, a lithium-containing cathode material layer 20 containing an anode structure 12 and particles having a particle size of less than 100 nm and a particle boundary density of 10 10 cm- 2 or more, or a lithium-containing cathode having a columnar microstructure. The rechargeable battery including the material layer 20 may have a capacity of 100 mAh / gm cathode material or more.

100nm未満の粒子サイズおよび1010cm−2以上の粒子境界の密度を有する粒子を含有するリチウム含有カソード材料層20か、または円柱状の微細構造を有するリチウム含有カソード材料層20は、スパッタリング・プロセスを使用して形成されてもよい。いくつかの実施形態において、カソード材料のスパッタリングの後に、後続アニールは行われない。アニールなしでスパッタリングされたカソード材料は、100nm未満の粒子サイズおよび1010cm−2以上の粒子境界の密度を有する粒子を含有するリチウム含有カソード材料層20を提供する。他の実施形態においては、カソード材料のスパッタリングの後にアニールが行われて、円柱状の微細構造を有するリチウム含有カソード材料層20が提供されてもよい。5Cより大きい充電速度を保存するために、アニールは300℃未満の温度で行われる。一実施形態において、スパッタリングは、任意の前駆物質ソース材料または複数の前駆物質ソース材料の組み合わせの使用を含んでもよい。一例においては、リチウムコバルト混合酸化物の形成において、リチウム前駆物質ソース材料とコバルト前駆物質ソース材料とが使用される。不活性ガスと酸素との混合物中でスパッタリングが行われてもよい。こうした実施形態において、不活性ガス/酸素混合物の酸素含有量は0.1原子パーセントから70原子パーセントであってもよく、混合物の残余部分は不活性ガスを含む。用いられ得る不活性ガスの例はアルゴン、ヘリウム、ネオン、窒素、またはその任意の組み合わせを含む。 The lithium-containing cathode material layer 20 containing particles having a particle size of less than 100 nm and a particle boundary density of 10 10 cm- 2 or more, or the lithium-containing cathode material layer 20 having a columnar microstructure, is a sputtering process. May be formed using. In some embodiments, no subsequent annealing is performed after sputtering of the cathode material. The cathode material sputtered without annealing provides a lithium-containing cathode material layer 20 containing particles having a particle size of less than 100 nm and a particle boundary density of 10 10 cm- 2 or greater. In another embodiment, the cathode material may be sputtered followed by annealing to provide a lithium-containing cathode material layer 20 having a columnar microstructure. Annealing is performed at a temperature below 300 ° C. to preserve charging rates greater than 5C. In one embodiment, sputtering may include the use of any precursor source material or a combination of multiple precursor source materials. In one example, a lithium precursor source material and a cobalt precursor source material are used in the formation of the lithium cobalt mixed oxide. Sputtering may be carried out in a mixture of the inert gas and oxygen. In these embodiments, the oxygen content of the inert gas / oxygen mixture may be from 0.1 to 70 percent percent, with the remainder of the mixture containing the inert gas. Examples of the inert gas that can be used include argon, helium, neon, nitrogen, or any combination thereof.

100nm未満の粒子サイズおよび1010cm−2以上の粒子境界の密度を有する粒子を含有するリチウム含有カソード材料層20か、または円柱状の微細構造を有するリチウム含有カソード材料層20は、10nmから20μmの厚さを有してもよい。100nm未満の粒子サイズおよび1010cm−2以上の粒子境界の密度を有する粒子を含有するリチウム含有カソード材料層20か、または円柱状の微細構造を有するリチウム含有カソード材料層20に対して、前述の厚さの値よりも小さいか、または大きいその他の厚さも用いられてもよい。100nm未満の粒子サイズおよび1010cm−2以上の粒子境界の密度を有する粒子を含有する厚いリチウム含有カソード材料層20か、または円柱状の微細構造を有するリチウム含有カソード材料層20は、電池の電荷を貯蔵するための区域すなわち体積が大きくなるために、向上した電池容量を提供できる。 The lithium-containing cathode material layer 20 containing particles having a particle size of less than 100 nm and a particle boundary density of 10 10 cm- 2 or more, or the lithium-containing cathode material layer 20 having a columnar microstructure, is 10 nm to 20 μm. May have a thickness of. For a lithium-containing cathode material layer 20 containing particles having a particle size of less than 100 nm and a particle boundary density of 10 10 cm- 2 or more, or a lithium-containing cathode material layer 20 having a columnar microstructure, as described above. Other thicknesses that are less than or greater than the thickness value of are also used. A thick lithium-containing cathode material layer 20 containing particles having a particle size of less than 100 nm and a particle boundary density of 10 10 cm- 2 or more, or a lithium-containing cathode material layer 20 having a columnar microstructure is a battery. Increased battery capacity can be provided due to the increased area or volume for storing charges.

本出願をその好ましい実施形態に関して特定的に示して説明したが、本出願の思想および範囲から逸脱することなく形および詳細の前述およびその他の変更が行われてもよいことが当業者に理解されるだろう。したがって、本出願は記載および図示された正確な形および詳細に限定されることなく、添付の請求項の範囲内にあることが意図される。 Although the present application has been specifically shown and described with respect to its preferred embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that the aforementioned and other modifications of form and detail may be made without departing from the ideas and scope of the present application. Will be. Accordingly, this application is intended to be within the appended claims, without limitation to the exact form and details described and illustrated.

Claims (45)

リチウム含有カソード材料層と、
単一構成でありかつ非多孔性領域および多孔性領域を含むアノード構造であって、前記多孔性領域は、第1の厚さおよび第1の空隙率を有する頂部多孔性層と、前記頂部多孔性層の下に位置して前記非多孔性領域との界面を形成する底部多孔性層とを含み、前記非多孔性領域の少なくとも上側部分と、前記多孔性領域の全体とはシリコンで構成されており、前記底部多孔性層は前記第1の厚さよりも大きい第2の厚さと、前記第1の空隙率よりも大きい第2の空隙率とを有する、前記アノード構造と、
前記アノード構造の前記頂部多孔性層と前記リチウム含有カソード材料層との間に位置する電解質領域と
を含む、電池。
Lithium-containing cathode material layer and
It is a single structure and has an anode structure including a non-porous region and a porous region, and the porous region has a top porous layer having a first thickness and a first porosity, and the top porous region. It includes a bottom porous layer that is located below the sex layer and forms an interface with the non-porous region, and at least the upper portion of the non-porous region and the entire porous region are made of silicon. With the anode structure, the bottom porous layer has a second thickness greater than the first thickness and a second porosity greater than the first porosity.
A battery comprising an electrolyte region located between the top porous layer of the anode structure and the lithium-containing cathode material layer.
前記頂部多孔性層、前記底部多孔性層、および前記非多孔性領域はシリコンで全体的に構成される、請求項1に記載の電池。 The battery according to claim 1, wherein the top porous layer, the bottom porous layer, and the non-porous region are entirely composed of silicon. 前記シリコンは単結晶である、請求項2に記載の電池。 The battery according to claim 2, wherein the silicon is a single crystal. 前記非多孔性領域の下側部分は、ドープ・シリコンまたは10原子パーセント未満のゲルマニウム含有量を有するドープ・シリコンゲルマニウム合金で構成される、請求項1に記載の電池。 The battery according to claim 1, wherein the lower portion of the non-porous region is composed of a doped silicon or a doped silicon-germanium alloy having a germanium content of less than 10 atomic percent. 前記頂部多孔性層の前記第1の空隙率は3nm未満の平均細孔開口部を有し、前記底部多孔性層の前記第2の空隙率は3nmよりも大きい平均細孔開口部を有する、請求項1に記載の電池。 The first porosity of the top porous layer has an average porosity of less than 3 nm, and the second porosity of the bottom porous layer has an average porosity greater than 3 nm. The battery according to claim 1. 前記頂部多孔性層の前記第1の厚さは50nm以下である、請求項1に記載の電池。 The battery according to claim 1, wherein the first thickness of the top porous layer is 50 nm or less. 前記底部多孔性層の前記第2の厚さは0.1μmから20μmである、請求項1に記載の電池。 The battery according to claim 1, wherein the second thickness of the bottom porous layer is 0.1 μm to 20 μm. 前記非多孔性領域は、単結晶であるpドープ・シリコンで構成される、請求項1に記載の電池。 The battery according to claim 1, wherein the non-porous region is composed of p-doped silicon which is a single crystal. 前記非多孔性領域および前記多孔性領域は、p型ドープ・シリコンで全体的に構成される、請求項1に記載の電池。 The battery according to claim 1, wherein the non-porous region and the porous region are entirely composed of p-type doped silicon. 前記シリコンは、1019cm−3の範囲のp型ドーパント濃度を有するpドープ・シリコンである、請求項1に記載の電池。 The battery according to claim 1, wherein the silicon is p-doped silicon having a p-type dopant concentration in the range of 10 19 cm -3. 前記シリコンはホウ素ドープ・シリコンである、請求項1に記載の電池。 The battery according to claim 1, wherein the silicon is boron-doped silicon. 前記アノード構造の前記非多孔性領域の表面に接触するアノード電流コレクタをさらに含む、請求項1に記載の電池。 The battery according to claim 1, further comprising an anode current collector in contact with the surface of the non-porous region of the anode structure. 前記リチウム含有カソード材料層の表面に接触するカソード電流コレクタ電極をさらに含む、請求項1に記載の電池。 The battery according to claim 1, further comprising a cathode current collector electrode that contacts the surface of the lithium-containing cathode material layer. 前記電解質領域は固体電解質、液体電解質、半固体電解質、元は液体で固体になる電解質、ゲル電解質、ポリマー含有電解質、複合カソード/電解質の組み合わせ、またはその任意の組み合わせで構成される、請求項1に記載の電池。 The electrolyte region is composed of a solid electrolyte, a liquid electrolyte, a semi-solid electrolyte, an electrolyte that is originally a liquid and becomes a solid, a gel electrolyte, a polymer-containing electrolyte, a composite cathode / electrolyte combination, or any combination thereof. Batteries listed in. 前記電解質領域は、固体電解質で全体的に構成される、請求項1に記載の電池。 The battery according to claim 1, wherein the electrolyte region is entirely composed of a solid electrolyte. 前記アノード構造の前記頂部多孔性層と、前記電解質領域との間に位置する界面添加剤材料層をさらに含む、請求項1に記載の電池。 The battery according to claim 1, further comprising an interface additive material layer located between the top porous layer of the anode structure and the electrolyte region. 前記電解質と、前記リチウム含有カソード材料層との間に位置する界面添加剤材料層をさらに含む、請求項1に記載の電池。 The battery according to claim 1, further comprising an interface additive material layer located between the electrolyte and the lithium-containing cathode material layer. 前記アノード構造の前記頂部多孔性層と前記電解質領域との間に位置する第1の界面添加剤材料層と、前記電解質と前記リチウム含有カソード材料層との間に位置する第2の界面添加剤材料層とをさらに含む、請求項1に記載の電池。 A first interfacial additive material layer located between the top porous layer of the anode structure and the electrolyte region, and a second interfacial additive located between the electrolyte and the lithium-containing cathode material layer. The battery according to claim 1, further comprising a material layer. 前記頂部および底部多孔性層を含む前記多孔性領域はパターン形成される、請求項1に記載の電池。 The battery according to claim 1, wherein the porous region including the top and bottom porous layers is patterned. 前記リチウム含有カソード材料層はパターン形成される、請求項19に記載の電池。 The battery according to claim 19, wherein the lithium-containing cathode material layer is patterned. 前記多孔性領域は、任意の3次元構造の頂部、底部、または側部に位置する、請求項1に記載の電池。 The battery according to claim 1, wherein the porous region is located at the top, bottom, or side of any three-dimensional structure. 前記リチウム含有カソード材料層は、100nm未満の粒子サイズおよび1010cm−2以上の粒子境界の密度を有する粒子を含有するリチウム含有材料か、または円柱状の微細構造を有するリチウム含有材料から選択される、請求項1に記載の電池。 The lithium-containing cathode material layer is selected from a lithium-containing material containing particles having a particle size of less than 100 nm and a particle boundary density of 10 10 cm- 2 or more, or a lithium-containing material having a columnar microstructure. The battery according to claim 1. 前記電池は、前記アノード構造の前記頂部多孔性層の表面上に位置するシード層をさらに含み、前記シード層は平面状の共形リチウム含有材料である、請求項15に記載の電池。 15. The battery of claim 15, wherein the battery further comprises a seed layer located on the surface of the top porous layer of the anode structure, the seed layer being a planar conformal lithium-containing material. リチウム電池アノード構造を作製する方法であって、前記方法は、
pドープ・シリコンで構成された少なくとも上側部分を含む基板を、陽極酸化装備を使用しながら濃縮フッ化水素に浸漬するステップと、
前記陽極酸化装備に電流を印加するステップと、
前記基板を電気化学的に陽極酸化するステップと
を含み、前記陽極酸化するステップは、単一構成でありかつ非多孔性領域および多孔性領域を含む構造を提供し、前記多孔性領域は、第1の厚さおよび第1の空隙率を有する頂部多孔性層と、前記頂部多孔性層の下に位置して前記非多孔性領域との界面を形成する底部多孔性層とを含み、前記非多孔性領域の少なくとも上側部分と、前記多孔性領域の全体とはシリコンで構成されており、前記底部多孔性層は前記第1の厚さよりも大きい第2の厚さと、前記第1の空隙率よりも大きい第2の空隙率とを有する、方法。
A method for producing a lithium battery anode structure, wherein the method is
A step of immersing a substrate including at least the upper portion composed of p-doped silicon in concentrated hydrogen fluoride using anodizing equipment, and
The step of applying an electric current to the anodizing equipment and
The anodizing step comprises a step of electrochemically anodizing the substrate, the step of anodizing provides a structure having a single configuration and including a non-porous region and a porous region, wherein the porous region is a first. A top porous layer having a thickness of 1 and a first porosity and a bottom porous layer located below the top porous layer and forming an interface with the non-porous region, said non-porous. At least the upper portion of the porous region and the entire porous region are made of silicon, and the bottom porous layer has a second thickness larger than the first thickness and the first porosity. A method having a second porosity greater than.
前記浸漬するステップの前に、前記基板を洗浄するステップをさらに含む、請求項24に記載の方法。 24. The method of claim 24, further comprising cleaning the substrate prior to the dipping step. 前記陽極酸化するステップの後に、前記構造を脱イオン水でリンスして乾燥するステップをさらに含む、請求項24に記載の方法。 24. The method of claim 24, further comprising rinsing the structure with deionized water and drying after the anodizing step. 前記基板の全体がpドープ・シリコンで構成されている、請求項24に記載の方法。 24. The method of claim 24, wherein the entire substrate is made of p-doped silicon. 前記pドープ・シリコンは単結晶である、請求項27に記載の方法。 27. The method of claim 27, wherein the p-doped silicon is a single crystal. 前記洗浄するステップは、脱イオン水と、水酸化アンモニウムと、過酸化水素との混合物(体積比5:1:1)を、60℃から80℃の温度にて5分から30分の範囲の期間用いた後に、脱イオン水でリンスするステップによって行われる、請求項25に記載の方法。 The washing step involves mixing a mixture of deionized water, ammonium hydroxide and hydrogen peroxide (volume ratio 5: 1: 1) at a temperature of 60 ° C to 80 ° C for a period of 5 to 30 minutes. 25. The method of claim 25, which is performed by the step of rinsing with deionized water after use. 前記濃縮フッ化水素は49%のフッ化水素酸溶液である、請求項24に記載の方法。 24. The method of claim 24, wherein the concentrated hydrogen fluoride is a 49% hydrofluoric acid solution. 前記電流は1mA/cmから10mA/cmの範囲の定電流である、請求項24に記載の方法。 24. The method of claim 24, wherein the current is a constant current in the range of 1 mA / cm 2 to 10 mA / cm 2. 前記基板を前記陽極酸化するステップは20℃から30℃の温度にて行われる、請求項24に記載の方法。 24. The method of claim 24, wherein the step of anodizing the substrate is performed at a temperature of 20 ° C to 30 ° C. 前記基板を前記陽極酸化するステップは、5mA/cm以下の電流にて10秒間から2000秒間行われる、請求項32に記載の方法。 32. The method of claim 32, wherein the step of anodizing the substrate is performed at a current of 5 mA / cm 2 or less for 10 to 2000 seconds. 前記頂部多孔性層、前記底部多孔性層、および前記非多孔性領域はシリコンで全体的に構成される、請求項24に記載の方法。 24. The method of claim 24, wherein the top porous layer, the bottom porous layer, and the non-porous region are entirely composed of silicon. 前記シリコンは単結晶である、請求項34に記載の方法。 34. The method of claim 34, wherein the silicon is a single crystal. 前記非多孔性領域の下側部分は、ドープ・シリコンまたは10原子パーセント未満のゲルマニウム含有量を有するドープ・シリコンゲルマニウム合金で構成される、請求項24に記載の方法。 24. The method of claim 24, wherein the lower portion of the non-porous region is composed of a doped silicon or a doped silicon-germanium alloy having a germanium content of less than 10 atomic percent. 前記頂部多孔性層の前記第1の空隙率は3nm未満の平均細孔開口部を有し、前記底部多孔性層の前記第2の空隙率は3nmよりも大きい平均細孔開口部を有する、請求項24に記載の方法。 The first porosity of the top porous layer has an average porosity of less than 3 nm, and the second porosity of the bottom porous layer has an average porosity greater than 3 nm. The method according to claim 24. 前記頂部多孔性層の前記第1の厚さは50nm以下である、請求項24に記載の方法。 24. The method of claim 24, wherein the first thickness of the top porous layer is 50 nm or less. 前記底部多孔性層の前記第2の厚さは0.1μmから20μmである、請求項24に記載の方法。 24. The method of claim 24, wherein the second thickness of the bottom porous layer is 0.1 μm to 20 μm. 前記非多孔性領域は、単結晶であるpドープ・シリコンで構成される、請求項24に記載の方法。 24. The method of claim 24, wherein the non-porous region is composed of p-doped silicon, which is a single crystal. 前記非多孔性領域および前記多孔性領域は、p型ドープ・シリコンで全体的に構成される、請求項24に記載の方法。 24. The method of claim 24, wherein the non-porous region and the porous region are entirely composed of p-type doped silicone. 前記シリコンは、1019cm−3の範囲のp型ドーパント濃度を有するpドープ・シリコンである、請求項24に記載の方法。 24. The method of claim 24, wherein the silicon is a p-doped silicon having a p-type dopant concentration in the range of 10 19 cm -3. 前記シリコンはホウ素ドープ・シリコンである、請求項24に記載の方法。 24. The method of claim 24, wherein the silicon is boron-doped silicon. 前記頂部および底部多孔性層を含む前記多孔性領域をパターン形成するステップをさらに含む、請求項24に記載の方法。 24. The method of claim 24, further comprising the step of patterning the porous region, including the top and bottom porous layers. 前記多孔性領域は、任意の3次元構造の頂部、底部、または側部に形成される、請求項24に記載の方法。 24. The method of claim 24, wherein the porous region is formed at the top, bottom, or side of any three-dimensional structure.
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