KR20230107556A - Improved energy generation or energy storage systems - Google Patents

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KR20230107556A
KR20230107556A KR1020237014873A KR20237014873A KR20230107556A KR 20230107556 A KR20230107556 A KR 20230107556A KR 1020237014873 A KR1020237014873 A KR 1020237014873A KR 20237014873 A KR20237014873 A KR 20237014873A KR 20230107556 A KR20230107556 A KR 20230107556A
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라이언 레드포드
다니엘 캐로더스
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Abstract

다공성 실리콘 웨이퍼로 형성된 다공성 막 엘리먼트를 포함하는 양성자 교환막 연료 전지(PEMFC)가 개시되었으며, 이 다공성은 적어도 부분적으로 귀금속으로 코팅되어 있다. 또는 다공성 실리콘 웨이퍼를 종이, 탄소 또는 귀금속이 함침된 흑연 시트 사이에 끼워 넣을 수도 있다. 세퍼레이터는 MEMS 기술을 사용하여 구성된다. 또한, 캐소드 전극; 다공성 실리콘 기판으로 형성되고, 다공성 실리콘 기판의 세공 표면이 적어도 부분적으로 금속 규화물로 코팅된 애노드 전극; 캐소드와 애노드 사이에 배치된 세퍼레이터 엘리먼트; 및 전해질을 갖는 리튬 이온 배터리가 개시된다.A proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is disclosed that includes a porous membrane element formed from a porous silicon wafer, the porosity of which is at least partially coated with a noble metal. Alternatively, porous silicon wafers may be sandwiched between graphite sheets impregnated with paper, carbon or precious metals. The separator is constructed using MEMS technology. In addition, a cathode electrode; an anode electrode formed of a porous silicon substrate, wherein the surface of the pores of the porous silicon substrate is at least partially coated with a metal silicide; a separator element disposed between the cathode and the anode; and a lithium ion battery having an electrolyte.

Figure P1020237014873
Figure P1020237014873

Description

개선된 에너지 생성 또는 에너지 저장 시스템Improved energy generation or energy storage systems

일 측면에 있어서 본 개시는 양성자 교환막 연료 전지(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC) 및 연료 전지의 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다공성 실리콘 물질(porous silicon material)로 형성된 새로운 막을 포함하는 양성자 교환막 연료 전지 및 양성자 교환막 연료 전지에 사용하기 위한 새로운 다공성 실리콘 막(porous silicon membrane)을 형성하는 방법에 관한 것이다. 다른 측면에 있어서, 본 개시는 적어도 부분적으로 금속 규화물(metal silicide)로 코팅된 다공성 실리콘 기판(porous silicon substrate)으로 형성된 양극 전극을 갖는 리튬 이온 이차전지(lithium ion rechargeable battery)에 관한 것이다.In one aspect, the present disclosure relates to a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) and a method of forming the fuel cell, and more particularly, to a proton exchange membrane including a new membrane formed of a porous silicon material. Methods of forming new porous silicon membranes for use in fuel cells and proton exchange membrane fuel cells. In another aspect, the present disclosure relates to a lithium ion rechargeable battery having a positive electrode formed of a porous silicon substrate at least partially coated with a metal silicide.

연료 전지, 특히 양성자 교환막 연료 전지(PEMFCs)는 높은 이론적 효율과 반응 부산물의 무공해 특성으로 인해 매력적이다.Fuel cells, especially proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs), are attractive due to their high theoretical efficiency and non-polluting nature of reaction by-products.

또한, PEMFC는 전력 범위가 넓어 전기 발전을 위한 고출력 설비(high-power installation)와 같은 고정식 애플리케이션(stationary application)은 물론 전기 자동차 또는 자율 전원(autonomous power source)이 필요한 기타 장치(예: 전기 발전 장치, 휴대용 전자 장치 등)에 적합하다.In addition, PEMFCs have a wide power range, so they can be used in stationary applications such as high-power installations for electricity generation, as well as electric vehicles or other devices that require an autonomous power source (e.g., electricity generation devices). , portable electronic devices, etc.).

일반적으로 PEMFC는 애노드(anode)에서 연료(예: 수소 또는 메탄올)가 산화되고 양성자 교환막을 통해 애노드에서 캐소드(cathode)로 양성자가 이동하는 방식으로 작동한다. 산화 반응으로 생성된 전자는 외부 회로를 통해 캐소드로 다시 전달되어 화학 에너지가 전기 에너지와 열로 변환된다.In general, PEMFCs work by oxidizing a fuel (such as hydrogen or methanol) at the anode and moving protons from the anode to the cathode through a proton exchange membrane. Electrons generated by the oxidation reaction are transferred back to the cathode through an external circuit, whereby chemical energy is converted into electrical energy and heat.

PEMFC는 이산화탄소에 대한 민감도가 낮고, 작동 온도가 상대적으로 낮아 빠른 시동이 가능하며, 사용 및 열 관리의 유연성, 전극 부식 문제 감소, 전해질(elelectrolyte) 누출이 낮은점과 같은 많은 장점을 가지고 있다.PEMFCs have many advantages, such as low sensitivity to carbon dioxide, fast start-up with relatively low operating temperature, flexibility in use and thermal management, reduced electrode corrosion problems, and low electrolyte leakage.

하지만 PEMFC는 또한 일산화탄소에 대한 높은 민감도, 상대적으로 낮은 작동 온도(100°C 미만)로 인해 발생된 열을 효과적으로 사용할 수 없다는 점, 값비싼 귀금속 촉매(일반적으로 백금에 기반)와 같은 단점도 있다.However, PEMFCs also have disadvantages, such as high sensitivity to carbon monoxide, inability to effectively use the generated heat due to relatively low operating temperatures (less than 100 °C), and expensive noble metal catalysts (usually based on platinum).

PEMFC에 유용한 막(membrane)은 가스에 대한 불투과성이어야 하고, 우수한 기계적 특성 및 높은 양성자 전도도를 가져야 한다. 또한, PEMFC에 유용한 막은 일반적으로 두께가 수 미크론(micron)으로 얇아야 한다. 마지막으로 막은 전기적, 화학적으로 안정적인 물질로 만들어져야 한다.A membrane useful for a PEMFC must be impermeable to gases and must have good mechanical properties and high proton conductivity. In addition, films useful for PEMFCs must be thin, typically several microns in thickness. Finally, the membrane must be made of a material that is electrically and chemically stable.

현재 PEMFC용 막은 듀폰의 나피온(Dupont's Nafion®) 및 솔베이 스페셜티 폴리머스의 아쿠이비온(Solvay Specialty Polymers' Aquivion®Aquivion®)과 같은 퍼플루오로술포네이트 타입 아이오노머(perfluorosulfonate type ionomers, PFSA)로 형성된다. 이러한 퍼플루오로술포네이트 타입 아이오노머에서 막의 양성자 전도성은 -SO3H 그룹(술폰산 기능(sulfonic acid function))에 의해 보장된다.Currently, membranes for PEMFCs are formed from perfluorosulfonate type ionomers (PFSA) such as Dupont's Nafion® and Solvay Specialty Polymers' Aquivion® Aquivion®. do. In this perfluorosulfonate-type ionomer, proton conductivity of the membrane is ensured by -SO3H groups (sulfonic acid function).

그러나 이러한 막은 메탄올과 수소에 대한 투과성으로 인해 단점이 있다. 또한 최적의 작동 온도(80°C.)를 넘어서면 막의 기계적 특성이 저하된다. 예를 들어, 이러한 단점은 자동차 분야에서 특히 제약이 된다. 실제로 이러한 유형의 애플리케이션(application)에는 -30~120°C에서 약간 습한 가스(상대 습도 0~50%)가 있는 상태에서 작동하는 PEMFC가 필요하다.However, these membranes have disadvantages due to their permeability to methanol and hydrogen. In addition, the mechanical properties of the membrane deteriorate when the optimal operating temperature (80 °C.) is exceeded. For example, this disadvantage is particularly limiting in the automotive field. In practice, this type of application requires a PEMFC to operate at -30 to 120°C in the presence of slightly moist gas (0 to 50% relative humidity).

PEMFC의 성능은 다음과 같은 다른 문제와도 관련이 있다:The performance of PEMFCs is also related to other issues such as:

일산화탄소(CO)의 존재는 일반적으로 촉매의 포이즈닝(poisoning)을 유발한다. 수소(연료)를 개질(reforming)하여 얻은 수소에는 일반적으로 미량의 일산화탄소가 포함되어 있다. CO가 존재하면 CO를 흡착하는 백금 기반 촉매의 효율이 낮아진다. 따라서 PEMFC의 성능이 저하된다. 반면에, 백금 기반 촉매에 대한 CO 흡착은 저온에서 선호되지만 흡착 반응의 음의 엔트로피(entropy)로 인해 고온에서 영향을 받는다. 따라서 CO에 대한 내성은 온도에 따라 증가한다. 따라서 CO 중독으로 인한 PEMFC의 성능 저하가 고온(약 140°C)에서 현저히 약화될 수 있다. The presence of carbon monoxide (CO) generally causes poisoning of the catalyst. Hydrogen obtained by reforming hydrogen (fuel) generally contains trace amounts of carbon monoxide. The presence of CO lowers the efficiency of platinum-based catalysts to adsorb CO. Therefore, the performance of the PEMFC is degraded. On the other hand, CO adsorption on platinum-based catalysts is favored at low temperatures but is affected at high temperatures due to the negative entropy of the adsorption reaction. Thus, resistance to CO increases with temperature. Therefore, the performance degradation of PEMFCs due to CO poisoning can be significantly attenuated at high temperatures (approximately 140 °C).

일반적인 PEMFC는 에너지의 40~50%를 열의 형태로 생성하는 점을 고려하면, PEMFC의 열 관리는 저온에서 더 복잡하다. 따라서 전지(cell)가 저온에서 작동될 때, 많은 양의 에너지가 소모되야 한다. 반대로 전지가 120~140°C 범위의 온도에서 작동할 때, 전지에서 발생된 열은 시스템 온도를 유지하는 것을 가능하게 하고 더 작은 냉각 시스템을 필요로 한다. 이 점은 자동차 산업의 애플리케이션에서 특히 중요하다. 또한 100°C 이상의 온도에서, 발생된 열은 다른 용도(예: 열병합 발전 모드(cogeneration mode)에서의 난방)로 사용될 수도 있다.Considering that typical PEMFCs generate 40-50% of their energy in the form of heat, the thermal management of PEMFCs is more complex at low temperatures. Therefore, when a cell is operated at a low temperature, a large amount of energy must be consumed. Conversely, when the cell operates at temperatures ranging from 120 to 140 °C, the heat generated by the cell makes it possible to maintain the system temperature and requires a smaller cooling system. This is particularly important for applications in the automotive industry. Also, at temperatures above 100 °C, the heat generated can be used for other purposes, such as heating in cogeneration mode.

기존의 PFSA 타입 막은 지속적으로 수분을 공급해야 하기 때문에, 막의 가습은 저온에서 필수적이다. 가습에 필요한 첨가제는 시스템의 신뢰성을 감소시키고 복잡하게 한다. 막의 양성자 전도성은 폴리머 매트릭스(polymer matrix)에 포함된 물의 양에 따라 증가하고, 막 외부의 물의 양(상대 습도)에 따라 증가한다는 점을 고려할 때 가습은 필요하다. 이러한 가습은 달성 및 관리가 더욱 복잡하고 온도가 높을수록 더 많은 에너지를 필요로 한다.Since conventional PFSA-type membranes need to continuously supply moisture, humidification of the membrane is essential at low temperatures. Additives required for humidification reduce reliability and complicate the system. Humidification is necessary given that the proton conductivity of a membrane increases with the amount of water contained in the polymer matrix and with the amount of water outside the membrane (relative humidity). Such humidification is more complex to achieve and maintain, and requires more energy at higher temperatures.

따라서, 수분 함량이 낮은(상대습도 50% 미만) 가스를 사용하여 고온뿐만 아니라 저온에서도 사용될 수 있는 PEMFC 막을 개발해야할 필요성이 존재한다.Therefore, there is a need to develop a PEMFC membrane that can be used not only at high temperatures but also at low temperatures using gases with low moisture content (relative humidity less than 50%).

또한 고용량 이차전지에 대한 수요는 강세이고 매년 증가하고 있다. 항공우주, 의료 기기, 휴대용 전자기기, 자동차 애플리케이션과 같은 많은 애플리케이션들은 높은 중량 측정 및/또는 용적 용량의 전지를 필요로 한다. 리튬 이온 전극 기술은 이 분야에서 중요한 애플리케이션을 발견한다. 그러나, 현재까지, 흑연 전극을 사용(employing)하는 리튬 이온 전지들은 이론상 비 에너지 밀도(theoretical specific enercy density)가 372mAh/g에 불과한 한계가 있다.In addition, demand for high-capacity secondary batteries is strong and increasing every year. Many applications, such as aerospace, medical devices, portable electronics, and automotive applications, require high gravimetric and/or volumetric capacity batteries. Lithium ion electrode technology finds important applications in this field. However, to date, lithium ion batteries employing graphite electrodes have a theoretical specific energy density of only 372 mAh/g.

실리콘은 높은 전기 화학적 용량으로 인해 리튬 이온 배터리 소재에 사용하기에 매력적인 활성 전극(active electrode)이다. 실리콘은 약 4200mAh/g의 이론적 용량을 가지며, 이는 Li4.4Si상에 해당한다. 하지만 실리콘은 상업용 리튬 이온 이차전지(rechargeable lithium ion battery)에는 널리 사용되지 않는다. 한 가지 이유는 실리콘이 충전 및 방전 사이클 동안 부피가 크게 변하기 때문이다. 예를 들어 실리콘은 실리콘의 이론적 용량까지 충전하면 400%까지 부풀어 오를 수 있다. 이 정도의 부피 변화는 활성 물질 구조에 상당한 응력(stress)을 유발하여 파단(fracture) 및 파쇄(pulverization), 전극 내 전기적 및 기계적 연결 손실, 및 용량 저하를 초래할 수 있다.Silicon is an attractive active electrode for use in lithium-ion battery materials due to its high electrochemical capacity. Silicon has a theoretical capacity of about 4200 mAh/g, which corresponds to Li 4.4 Si phase. However, silicon is not widely used in commercial rechargeable lithium ion batteries. One reason is that silicon changes greatly in volume during charge and discharge cycles. For example, silicon can swell up to 400% when charged to its theoretical capacity. Volume changes of this magnitude can cause significant stress in the active material structure, resulting in fracture and pulverization, loss of electrical and mechanical connections within the electrodes, and capacity degradation.

기존의 리튬 이온 이차전지 전극에는 일반적으로 탄소 또는 흑연 기판에 활성 물질을 고정하는 데 사용되는 폴리머 바인더(polymer binder)가 포함되어 있다. Conventional lithium ion secondary battery electrodes generally include a polymer binder used to fix an active material to a carbon or graphite substrate.

그러나 대부분의 폴리머 바인더는 일부 고용량 물질의 큰 팽창을 수용하기에 충분히 탄력적이지 않다. 그 결과 활성 물질 입자들은 서로 및 집전체(current collector)로부터 분리되는 경향이 있다. 전반적으로 위에서 설명한 단점을 최소화하는 고용량 활성 물질을 리튬 이온 이차전지 전극에 개선하여 적용해야 할 필요성이 있다.However, most polymeric binders are not elastic enough to accommodate the large expansion of some high volume materials. As a result, the active material particles tend to separate from each other and from the current collector. Overall, there is a need to improve and apply a high-capacity active material that minimizes the above-described disadvantages to a lithium ion secondary battery electrode.

U.S. 특허번호 8,257,866 및 8,450,012는 금속 규화물을 포함하는 고표면적 템플릿(high surface area template)과 템플릿 위에 증착된 고용량 활성 물질 층을 포함하는 전기 화학적 활성 전극 물질을 제공함으로써 종래 기술의 리튬 이온 이차전지 전극 물질의 탄성 및 팽창 문제를 해결할 것을 제안한다. 템플릿은 활성 물질에 대한 기계적 지지대 및/또는 활성 물질과 기판 사이의 전기 도체 역할을 하는 것으로 알려져 있다. '866 및 '012 특허의 발명자들에 따르면, 템플릿의 고표면적 덕분에 얇은 활성 물질 층으로도 충분한 활성 물질 로딩(loading)과 표면적당 전극 용량을 제공할 수 있다. 따라서 이론적으로 활성 물질 층의 두께는 배터리 사이클링(battery cycling) 중에 구조적 무결성(structural integrity)을 유지하기 위해 파단 임계값(fracture threshold) 이하로 충분히 작게 유지될 수 있다. 활성층의 두께 및/또는 조성은 또한 기판 인터페이스(interface) 근처의 팽창을 줄이고 인터페이스 연결을 보존하기 위해 특별히 프로파일(profile)될 수 있다.U.S. Patent Nos. 8,257,866 and 8,450,012 provide an electrochemically active electrode material comprising a high surface area template containing a metal silicide and a high capacity active material layer deposited on the template, thereby improving the conventional lithium ion secondary battery electrode material. We propose to solve the elasticity and swelling problem. It is known that the template serves as a mechanical support for the active material and/or as an electrical conductor between the active material and the substrate. According to the inventors of the '866 and '012 patents, the high surface area of the template allows even a thin active material layer to provide sufficient active material loading and electrode capacitance per surface area. Thus, in theory, the thickness of the active material layer can be kept small enough below the fracture threshold to maintain structural integrity during battery cycling. The thickness and/or composition of the active layer may also be specifically profiled to reduce swelling near the substrate interface and preserve interface connectivity.

일 측면에 있어서 본 개시는 넓은 온도 범위 및 넓은 상대 습도 범위에서 사용될 수 있는 PEMFC 막을 제공한다.In one aspect, the present disclosure provides a PEMFC membrane that can be used over a wide temperature range and over a wide relative humidity range.

보다 구체적으로 본 개시는 새로운 다공성 실리콘 웨이퍼 기판 물질 및 새로운 다공성 실리콘 웨이퍼 기판 물질을 형성하는 방법 및 새로운 다공성 실리콘 웨이퍼 기판 물질을 PEMFC 막으로 사용하는 방법을 제공한다. 보다 구체적으로, 본 개시는 미세 전자 기계 시스템(microelectromechanical system, MEMES) 기술을 사용하여 PEMFC 막 세퍼레이터(membrane separator)로 사용하기 위한 새로운 다공성 실리콘 웨이퍼를 형성하는 방법을 제공한다. 본 개시에 따라, 실리콘 웨이퍼는 레지스트 증착 및 포토리소그래피 기술들(photolithography techniques)을 사용하여 선택적으로 마스크(mask)되고, 웨이퍼의 선택된 부분은 실리콘 웨이퍼를 통해 연장되는 세공 또는 채널을 형성하기 위해 전기화학적 에칭이 수행된다. 채널들 또는 세공들은 실질적으로 원통형이고, 비교적 높은 길이 대 단면 직경 종횡비(length to cross section diameter aspect ratio)(예: 25:1, 바람직하게는 35:1, 더 바람직하게는 50:1 이상)를 갖는 것이 바람직하다.More specifically, the present disclosure provides new porous silicon wafer substrate materials and methods of forming the new porous silicon wafer substrate materials and methods of using the new porous silicon wafer substrate materials as PEMFC films. More specifically, the present disclosure provides a method of forming a new porous silicon wafer for use as a PEMFC membrane separator using microelectromechanical system (MEMES) technology. In accordance with the present disclosure, a silicon wafer is selectively masked using resist deposition and photolithography techniques, and a selected portion of the wafer is subjected to an electrochemical process to form a pore or channel extending through the silicon wafer. Etching is performed. The channels or pores are substantially cylindrical and exhibit a relatively high length to cross section diameter aspect ratio (eg, 25:1, preferably 35:1, more preferably 50:1 or greater). it is desirable to have

일 실시예에 있어서, 세공 크기, 막 선택성 및 이온 전도성은 막이 PEMFC에서 분리 장벽으로 사용될 때 양전하를 띤 이온만 막을 통해 캐소드(cathode)로 통과할 수 있도록 허용하기위해 실리콘 웨이퍼의 인올가닉 도핑(inorganic doping)에 의해 "조정"된다.In one embodiment, the pore size, membrane selectivity, and ionic conductivity of the silicon wafer can be determined by inorganic doping ( It is "adjusted" by inorganic doping.

본 개시는 또한 새로운 다공성 실리콘 웨이퍼가 막 물질로 사용되는 PEMFC를 제공한다. 보다 구체적으로, 본 개시는 다공성 실리콘 웨이퍼로 형성된 세퍼레이터 막 엘리먼트(separator membrane element)를 포함하는 PEMFC를 제공한다.The present disclosure also provides a PEMFC in which a novel porous silicon wafer is used as a membrane material. More specifically, the present disclosure provides a PEMFC including a separator membrane element formed of a porous silicon wafer.

일 실시예에서, 다공성 실리콘 웨이퍼의 세공은 실질적으로 원통형 쓰루 홀(substantially cylindrical through hole)이다. 바람직하게는, 원통형 쓰루 홀은 25:1, 바람직하게는 35:1, 더 바람직하게는 50:1 이상의 길이 대 직경 종횡비(length to diameter aspect ratio)를 갖는다.In one embodiment, the pores of the porous silicon wafer are substantially cylindrical through holes. Preferably, the cylindrical through hole has a length to diameter aspect ratio of 25:1, preferably 35:1, more preferably 50:1 or greater.

다른 실시예에서, 다공성 실리콘 웨이퍼의 세공 표면은 표면 이온 전도성을 향상시키기 위해 처리된다. 예를 들어, 세공들의 표면은 귀금속 촉매, 바람직하게는 백금의 증착에 의해 변형될 수 있다.In another embodiment, the porous surface of the porous silicon wafer is treated to enhance surface ionic conductivity. For example, the surface of the pores can be modified by deposition of a noble metal catalyst, preferably platinum.

본 개시는 또한 연료 전지에 각각 위치한 캐소드(양극) 및 애노드(anode)(음극) 전극을 포함하는 전기 어셈블리(electrical assembly)를 포함하고, 두 개의 귀금속 촉매로 코팅된 다공성 시트 사이에 끼여(sandwich)있는 다공성 실리콘 웨이퍼로 형성된 양성자 교환막을 포함하는 PEMFC를 제공한다.The present disclosure also includes an electrical assembly comprising a cathode (anode) and an anode (cathode) electrode, each located in a fuel cell, sandwiched between two noble metal catalyst coated porous sheets. Provided is a PEMFC including a proton exchange membrane formed of a porous silicon wafer.

PEMFC의 일 실시예에 있어서, 촉매는 귀금속, 바람직하게는 백금을 포함한다.In one embodiment of the PEMFC, the catalyst comprises a noble metal, preferably platinum.

또한, 리튬 이온 이차전지의 경우, 전술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 극복하기 위해, 리튬 이온 이차전지용 애노드 전극을 형성하기 위한 고표면적 다공성 실리콘 기판 물질을 제공한다. 보다 구체적으로, 본 개시에 따르면, 실리콘 기판 물질은 상호 연결된 나노 구조 또는 실리콘 기판 물질을 통한 쓰루 홀 또는 세공을 형성하기 위해 전기 화학적 에칭(electrochemical etching)을 받는다. 그 후, 티타늄 또는 텅스텐 또는 코발트와 같은 적절한 금속을 다공성 실리콘 기판 물질에 증착함으로써 실리콘 기판 물질의 세공 표면에 금속 규화물(metal silicide)과 같은 전기 화학적 활성 물질이 형성되고, 예를 들어, 화학 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD), 플라즈마 강화 화학 기상 증착(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD), 열 기상 증착(thermal CVD), 전기 도금(electroplating), 무전해 도금(electroless plating) 및/또는 용액 증착 기술을 포함하되 이에 한정되지 않는 다양한 증착 기술을 제공하고, 다공성 실리콘 기판 물질상의 금속 코팅은 가열에 의해 대응하는 금속 규화물로 변환된다.In addition, in the case of a lithium ion secondary battery, in order to overcome the problems of the prior art as described above, a high surface area porous silicon substrate material for forming an anode electrode for a lithium ion secondary battery is provided. More specifically, according to the present disclosure, the silicon substrate material is subjected to electrochemical etching to form interconnected nanostructures or through holes or pores through the silicon substrate material. Thereafter, an electrochemically active material such as a metal silicide is formed on the pore surface of the silicon substrate material by depositing a suitable metal such as titanium or tungsten or cobalt on the porous silicon substrate material, for example by chemical vapor deposition. (chemical vapor deposition, CVD), plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD), thermal CVD, electroplating, electroless plating and/or solution deposition A metal coating on a porous silicon substrate material is converted by heating to a corresponding metal silicide.

생성된 기판은 다공성 구조의 벽에 금속 규화물의 야금 결합된 표면 층(metallurgically bonded surface layer)을 포함하는 다공성 실리콘 기판으로, 리튬 이온 이차전지에서 전극으로 유리하게 사용될 수 있다.The resulting substrate is a porous silicon substrate comprising a metallurgically bonded surface layer of metal silicide on the walls of the porous structure, which can advantageously be used as an electrode in a lithium ion secondary battery.

생성된 다공성 기판 물질은 리튬 이온 이차전지에 사용되는 기존의 탄소 또는 흑연 기반 전극보다 충전량당 효율이 다소 떨어질 수 있지만, 다공성 구조는 몇 가지 중요한 이점을 제공한다. 우선, 다공성 구조는 양성자가 전극 매트릭스(electrode matrix)를 통해 더 많은 시간을 이동할 수 있도록 허용한다. 그 결과 충전 주기 동안 팽창이 현저히 줄어든다. 따라서, 기판은 충전 주기 동안 덴드라이트(dendrite)나 파단을 형성할 가능성이 적다. 또한 애노드로 사용할 경우 애노드를 캐소드보다 훨씬 크게 만들어 전체 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.Although the resulting porous substrate material may be slightly less efficient per charge than conventional carbon- or graphite-based electrodes used in lithium-ion secondary batteries, the porous structure offers several important advantages. First, the porous structure allows protons to travel more time through the electrode matrix. As a result, expansion during the charging cycle is significantly reduced. Thus, the substrate is less likely to form dendrites or fractures during the charging cycle. Also, when used as an anode, the overall performance can be further improved by making the anode much larger than the cathode.

본 개시는 또한 캐소드 전극; 다공성 실리콘 기판의 세공 표면이 적어도 부분적으로 금속 규화물로 코팅된 다공성 실리콘 기판으로 형성된 애노드 전극; 캐소드와 애노드 사이에 배치된 세퍼레이터 엘리먼트(separator element); 및 전해질(electrolyte)을 포함하는 리튬 이온 배터리를 제공한다. 실리콘 기판은 단결정 실리콘, 다결정 실리콘 또는 비정질 실리콘을 포함할 수 있다. 세공은 25:1, 바람직하게는 35:1, 더 바람직하게는 50:1 이상의 길이 대 직경 종횡비를 갖는 것이 바람직하고, 전해질은 예시적으로 주어진 비닐렌 탄산염(vinylene carbonate), 1,3-프로판 술톤(1,3-Propane sultone), 2-프로필메탄설페이트(2-Propylmethanesulfate), 시클로헥실벤젠(Cyclohexylbenzene), t-아밀벤젠(t-Amylbenzene) 또는 아디포니트리드(Adiponitride)와 같은 유기 용매에 리튬 헥사플루오로인산(LiPF6) 또는 리튬 테트라플루오로보레이트(LiBF4) 와 같은 기존의 리튬 염 전해질(lithium salt electrolyte)을 포함한다.The present disclosure also includes a cathode electrode; an anode electrode formed of a porous silicon substrate in which a surface of pores of the porous silicon substrate is at least partially coated with a metal silicide; a separator element disposed between the cathode and the anode; and an electrolyte. The silicon substrate may include monocrystalline silicon, polycrystalline silicon or amorphous silicon. It is preferred that the pores have a length-to-diameter aspect ratio of at least 25:1, preferably 35:1, more preferably 50:1, and the electrolyte may be vinylene carbonate, 1,3-propane, given by way of example. In organic solvents such as sultone (1,3-propane sultone), 2-propylmethanesulfate, cyclohexylbenzene, t-amylbenzene or adiponitride These include conventional lithium salt electrolytes such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) or lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ).

일 실시예에서, 금속 규화물 코팅은 예시적으로 주어진 티타늄 규화물(TiSi2), 코발트 규화물(CoSi2)및 텅스텐 규화물(WSi2)로 이루어진 군으로부터 선택된다.In one embodiment, the metal silicide coating is selected from the group consisting of illustratively given titanium silicide (TiSi2), cobalt silicide (CoSi2) and tungsten silicide (WSi2).

또한, 본 개시는 애노드 전극이 세공의 표면 영역이 적어도 부분적으로 금속 규화물로 코팅된 다공성 실리콘으로 형성된 기판을 포함하는 리튬 이온 배터리용 전극을 제공한다. 실리콘 기판은 단결정 실리콘, 다결정 실리콘 또는 비정질 실리콘을 포함할 수 있고, 세공은 길이 대 직경 종횡비가 25:1, 바람직하게는 35:1, 더 바람직하게는 50:1 이상이고, 금속 규화물은 예시적으로 주어진 티타늄 규화물(TiSi2), 코발트 규화물(CoSi2)및 텅스텐 규화물(WSi2)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.Further, the present disclosure provides an electrode for a lithium ion battery, wherein the anode electrode includes a substrate formed of porous silicon in which a surface region of pores is at least partially coated with a metal silicide. The silicon substrate may include monocrystalline silicon, polycrystalline silicon, or amorphous silicon, wherein the pores have a length-to-diameter aspect ratio of 25:1, preferably 35:1, more preferably 50:1 or greater, and metal silicides are exemplary. It is preferably selected from the group consisting of titanium silicide (TiSi2), cobalt silicide (CoSi2) and tungsten silicide (WSi2) given by

도 1은 본 개시의 일실시예에 따라 PEMFC에서 막으로 유용한 다공성 실리콘 웨이퍼의 형성을 도시하는 개략적인 흐름도이다.
도 2a 내지 도 2h는 도 1의 공정의 다양한 단계의 실리콘 웨이퍼를 보여주는 단면도이다.
도 3은 도 1과 유사하게, 본 개시의 제2 실시예에 따른 PEMFC에서 다공성 막으로서 유용한 다공성 실리콘 웨이퍼의 형성을 도시하는 사시도이다.
도 4a 내지 도 4k는 도 3의 공정의 다양한 단계에 있는 실리콘 웨이퍼를 보여주는 단면도이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 개시의 다른 실시예에 따라 생성된 다공성 실리콘 웨이퍼의 형성을 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 6은 본 개시에 따른 PEMFC의 개략도이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 전극 물질을 생성하는 공정을 도시한 개략적인 블록도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 개시에 따른 다양한 생산 단계에서의 전극 물질의 단면도이다.
도 9는 본 개시의 다른 실시예에 따른 전극 물질을 생산하는 공정의 개략적인 블록도이다.
도 10은 본 개시에 따른 전극 물질을 제조하는 또 다른 공정의 개략적인 블록도이다.
도 11은 본 개시에 따라 만들어진 이차전지의 단면도이다.
도 12는 본 개시에 따른 전극 물질을 생산하는 또 다른 공정의 개략적인 블록도이다.
도 13은 본 개시에 따른 이차전지지의 단면도이다.
도 14는 본 개시에 따라 만들어진 배터리의 사시도이다.
1 is a schematic flow diagram illustrating the formation of a porous silicon wafer useful as a film in a PEMFC according to one embodiment of the present disclosure.
2A to 2H are cross-sectional views showing a silicon wafer at various stages of the process of FIG. 1 .
FIG. 3 is a perspective view showing formation of a porous silicon wafer useful as a porous film in a PEMFC according to a second embodiment of the present disclosure, similar to FIG. 1 .
4A-4K are cross-sectional views showing a silicon wafer at various stages of the process of FIG. 3 .
5A to 5D are schematic cross-sectional views illustrating the formation of a porous silicon wafer produced according to another embodiment of the present disclosure.
6 is a schematic diagram of a PEMFC according to the present disclosure.
7 is a schematic block diagram illustrating a process of producing an electrode material according to an embodiment of the present disclosure.
8A and 8B are cross-sectional views of electrode material at various production stages according to the present disclosure.
9 is a schematic block diagram of a process for producing an electrode material according to another embodiment of the present disclosure.
10 is a schematic block diagram of another process for making an electrode material according to the present disclosure.
11 is a cross-sectional view of a secondary battery made according to the present disclosure.
12 is a schematic block diagram of another process for producing an electrode material according to the present disclosure.
13 is a cross-sectional view of a secondary battery support according to the present disclosure.
14 is a perspective view of a battery made in accordance with the present disclosure.

본 개시의 추가 특징 및 이점은 다음의 상세한 설명으로부터 알 수 있을 것이며, 여기서 유사한 번호는 유사한 부분을 나타내고, 여기서 '상단'과 '하단', '왼쪽'과 '오른쪽'이라는 용어는 설명을 용이하게 하고 엘리먼트들의 상대적 위치를 설명하기 위해 절대적인 의미가 아닌 상대적인 의미로 사용된다. 용어들은 서로 바꾸어 사용될 수 있다.Additional features and advantages of the present disclosure will become apparent from the detailed description that follows, wherein like numbers indicate like parts, and wherein the terms 'top' and 'bottom', 'left' and 'right' are used to facilitate explanation. and is used in a relative sense rather than an absolute sense to describe the relative position of elements. The terms may be used interchangeably.

본 개시를 실시하기 위한 모드는 도면을 참조하여 이하에서 상세히 설명될 것이다.A mode for carrying out the present disclosure will be described in detail below with reference to the drawings.

첫 번째 실시 예first embodiment

도 1 및 도 2a 내지 도 2h는 본 개시의 일 실시예에 따른 다공성 실리콘 웨이퍼의 제조 단계를 도시하는 개략도 및 단면도이다. 도면에서는 도면 그림의 수평 방향으로 세공의 단면 치수가 명확성을 위해 확대되어 도시된다.1 and 2a to 2h are schematic and cross-sectional views illustrating manufacturing steps of a porous silicon wafer according to an embodiment of the present disclosure. In the drawings, the cross-sectional dimensions of the pores in the horizontal direction of the drawings are shown enlarged for clarity.

도 1 및 도 2a 내지 도 2h를 참조하면, 도 2a에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(10)로부터 시작하여, 유전체 물질은 웨이퍼(10)의 전면 및 후면에 하드 마스크(hard mask)를 형성하기 위해 단계 100에서 증착된다. 이 경우 웨이퍼의 각 면에는 먼저 50nm 층(12a, 12b)의 SiO2가 증착된 후 300nm 층(14a, 14b)의 SiNx가 증착된다.1 and 2A to 2H, as shown in FIG. 2A, starting from a silicon wafer 10, a dielectric material is applied to form a hard mask on the front and rear surfaces of the wafer 10. deposited in step 100 for In this case, 50nm layers 12a and 12b of SiO2 are first deposited on each side of the wafer, and then SiNx of 300nm layers 14a and 14b is deposited.

다음으로, 단계 102에서, 전면 마스크(14a)는 웨이퍼의 전면에 회전되어 패턴(pattern)화되는 포토레지스트(photoresist)(16)로 패턴화되고, 폴리머 물질(polymer material)(18)은 웨이퍼의 후면에 회전된다. 패턴(16)은 딥 이방성 에치(deep anisotropic etch)에 사용되는 하드 마스크 에치를 정의한다. 후속 후면 에치를 위한 정렬 엘리먼트(도시되지 않음)도 이 단계(102)에서 형성된다.Next, in step 102, the front mask 14a is patterned with a photoresist 16 that is rotated and patterned on the front side of the wafer, and a polymer material 18 is applied to the front surface of the wafer. rotated on the back Pattern 16 defines a hard mask etch used for a deep anisotropic etch. Alignment elements (not shown) for the subsequent backside etch are also formed in this step 102 .

도 2c는 패드 하드마스크 에치(단계 104) 후 웨이퍼의 단면을 도시한다. 여기서 건식 에치(플라즈마(plasma))는 하드마스크의 가장자리를 제어하여 KOH 에치 중에 균일한 가장자리 침식(erosion)을 보장하기위해 사용된다.2C shows a cross-section of the wafer after pad hardmask etch (step 104). Here a dry etch (plasma) is used to control the edges of the hardmask to ensure uniform edge erosion during the KOH etch.

도 2d에 도시된 바와 같이, 웨이퍼의 앞면은 단계 108에서 뒷면의 패드 구조가 22에 패턴화되는 동안 단계 106에서 앞면의 패턴을 보호하기위해 폴리머(20)로 회전된다. 또는, 앞면의 패터닝 후에 뒷면 하드 마스크는 증착될 수도 있다. 후면 패턴(22)은 웨이퍼의 전면에 형성된 표시들(도시되지 않음)이 정렬된것을 확인하기 위해 웨이퍼의 전면에 형성된 표시들에 정렬된다.As shown in FIG. 2D, the front side of the wafer is rotated with polymer 20 to protect the pattern on the front side in step 106 while the pad structure on the back side is patterned on 22 in step 108. Alternatively, the back hard mask may be deposited after patterning the front side. The rear surface pattern 22 is aligned with the marks formed on the front surface of the wafer to ensure that the marks formed on the front surface of the wafer (not shown) are aligned.

단계 108에서 후면 패드 구조를 패터닝한 후 단계 110에서 건식 에치(플라즈마)는 가장자리 모양을 제어하면서 유전체를 에치하기 위해 사용된다. 이는 도 2e에 도시되어 있다.After patterning the backside pad structure at step 108, at step 110 a dry etch (plasma) is used to etch the dielectric with controlled edge shape. This is shown in Figure 2e.

도 2e는 전면 패턴에 정렬된 후면 패드 구조의 질화물(nitride)(PAD) 에치를 도시한다. 이 단계에 이어 레지스트 스트립(resist strip)과 웨이퍼 세정 단계(112)가 특징(feature)의 습식 에치를 준비한다.Figure 2e shows a nitride (PAD) etch of a back pad structure aligned to a front surface pattern. Following this step, a resist strip and wafer cleaning step 112 prepares the wet etch of the features.

도 2f는 레지스트 스트립 후와 단계 114에서 수산화 칼륨(KOH) 또는 기타 이방성 에치 전 웨이퍼의 구성을 도시한다. 양면에 동일한 에치 깊이를 보장하기 위해 양면이 동시에 에치될 수 있도록 습식 에치를 사용하는 것을 선호한다. 그러나 플라즈마 에치는 각 면을 독립적으로 에치하기 위해 사용될 수 있다. 유전체의 에칭에 의해 묘사된 개방 영역(24)은 웨이퍼의 각 면에 도시된다.Figure 2f shows the configuration of the wafer after resist stripping and before potassium hydroxide (KOH) or other anisotropic etch at step 114. We prefer to use a wet etch so that both sides can be etched simultaneously to ensure equal etch depth on both sides. However, a plasma etch can be used to etch each side independently. An open area 24 delineated by etching of the dielectric is shown on each side of the wafer.

다음 단계 116은 후술하는 후속 단계 118에서, 다공성 실리콘 물질의 형성을 위한 더 얇은 실리콘 영역을 정의하기 위한 영역(26)을 생성하기위해 실리콘을 국부적으로 에치하는 것이다. 이 단계는 툴 에치(tool etch)를 사용할 수도 있지만, 간단한 오픈 배스 에치(simple open bath etch)을 사용하여 수행되는 것이 바람직하다. 도 2g는 이방성 습식 에치(116) 후 웨이퍼를 도시한다.A next step 116, in a subsequent step 118 described below, is to locally etch the silicon to create a region 26 to define a thinner silicon region for the formation of a porous silicon material. This step may be performed using a tool etch, but is preferably performed using a simple open bath etch. 2G shows the wafer after an anisotropic wet etch 116.

그런 다음, 단계 116에서 얇아지거나 윤곽이 형성된 실리콘 웨이퍼는 도 2h에 도시된 것과 같이 얇아진 섹션(section)(26)을 통해 쓰루 홀 또는 세공(28)을 형성하기 위해서, 전기 화학적 에칭 단계 118에서 전기 화학적 침지 전지(electrochemical immersion cell)에 웨이퍼를 디메틸포름아미드(dimethylformamide, DMF)/디메틸설폭사이드(dimethylsulfoxide, DMSO)/HF 에천트(etchant)와 같은 에천트에 웨이퍼를 침지하면서 웨이퍼 전체에 균일한 전기장을 가하여 전기 화학적 에칭된다. 정의가 명확한 원통형 미세 세공 또는 쓰루 홀의 성장은 에칭 조건, 즉 에칭 전류 밀도, 에천트 농도, 온도, 실리콘 도핑 등을 제어하여 제어될 수 있으며, 이 내용은 Santos et al., Electrochemically Engineered Nanoporous Material, Springer Series in Materials Science 220 (2015), 1장을 참조하여 여기에 통합되어 있다.The silicon wafer thinned or contoured in step 116 is then subjected to electrochemical etching in step 118 to form through holes or pores 28 through the thinned section 26 as shown in FIG. 2H. A uniform electric field across the entire wafer while immersing the wafer in an etchant such as dimethylformamide (DMF)/dimethylsulfoxide (DMSO)/HF etchant in an electrochemical immersion cell is applied and electrochemically etched. The growth of well-defined cylindrical micropores or through-holes can be controlled by controlling the etching conditions, i.e., etching current density, etchant concentration, temperature, silicon doping, etc., as described in Santos et al., Electrochemically Engineered Nanoporous Material, Springer. Series in Materials Science 220 (2015), chapter 1 incorporated herein by reference.

생성된 세공은 높은 길이 대 단면 직경의 종횡비를 가지며, 일반적으로 길이 대 직경 종횡비는 25:1, 바람직하게는 35:1, 더 바람직하게는 50:1 이상이다. 도 2h에 도시된 결과 구조는, 예를 들어, 길이가 180㎛이고 직경이 1.6㎛인, 즉 종횡비가 112.5:1인 실질적으로 원통형의 쓰루 홀 또는 세공(28)을 갖는 다공성 실리콘 웨이퍼(30)를 포함하며, 이는 아래에 설명될 PEMFC에서 막으로서 사용하기에 매우 효과적이다. 그런 다음, 생성된 다공성 실리콘 웨이퍼(30)의 표면은 단계(120)에서 귀금속으로 코팅될 수 있고, 생성된 귀금속 코팅 다공성 웨이퍼(30)는 아래에 설명될 바와 같이 PEMFC의 막으로 통합될 수 있다.The resulting pores have a high length to cross section diameter aspect ratio, typically a length to diameter aspect ratio of at least 25:1, preferably 35:1, more preferably 50:1 or greater. The resulting structure shown in FIG. 2H is, for example, a porous silicon wafer 30 having substantially cylindrical through holes or pores 28 that are 180 μm long and 1.6 μm in diameter, i.e., with an aspect ratio of 112.5:1. , which is very effective for use as a membrane in a PEMFC described below. The surface of the resulting porous silicon wafer 30 may then be coated with a noble metal in step 120, and the resulting noble metal coated porous wafer 30 may be incorporated into the film of the PEMFC as will be described below. .

두 번째 실시 예second embodiment

도 3 및 도4는 본 개시의 두 번째 실시예를 나타낸다. 도 3의 공정 단계 200 내지 단계 216 및 도 4a 내지 도4g의 단면도는 위에서 설명한 도 1의 공정 단계100 내지 단계 116 및 도 2a 내지 도 2g의 단면도와 동일하다.3 and 4 show a second embodiment of the present disclosure. The cross-sectional views of process steps 200 to 216 of FIG. 3 and FIGS. 4A to 4G are the same as the cross-sectional views of process steps 100 to 116 and FIGS. 2A to 2G of FIG. 1 described above.

그러나, 도 4h를 참조하면, 윤곽 에칭 단계(216)가 완료되면 윤곽 웨이퍼의 전면에 포토리소그래핑 레지스트 단계(photolithographing resist step)(220)에 이어서 단계 218에서 스퍼터링(sputtering)에 의해 윤곽 웨이퍼의 후면에 얇은 금속 층(40)을 배치한다. 웨이퍼 후면의 금속층(40)은 웨이퍼에 대한 전기적 접촉을 개선하는 한편, 포토리소그래피 단계 220에서 적용된 레지스트(resist)(42)는 아래에 설명된 다음 에칭 단계에서 실리콘의 박막 영역(thinned region)(26)에 다공성 실리콘 형성을 제한한다.However, with reference to FIG. 4H, once the contour etching step 216 is complete, the front surface of the contour wafer is photolithographed resist step 220 followed by sputtering in step 218. Place a thin metal layer 40 on the back side. The metal layer 40 on the back side of the wafer improves electrical contact to the wafer, while the resist 42 applied in the photolithography step 220 forms a thinned region of silicon 26 in the next etching step described below. ) to limit the formation of porous silicon.

도 4i에 도시된 바와 같이, 전기 화학적 에칭(단계 222)은 레지스트(42)에 의해 보호되지 않는 영역 내에 다공성 실리콘(44)을 형성하는 데 사용된다.As shown in FIG. 4I , an electrochemical etch (step 222 ) is used to form porous silicon 44 in areas not protected by resist 42 .

다공성 실리콘 형성(단계 222) 후, 단계 224에서 전면은 포토레지스트(46)를 회전시켜 보호되고(도 4j 참조), 습식 에치(단계 226)가 후면에서 얇은 금속(40)을 제거하는데 사용된다. 그런 다음 전면 레지스트(46)는 레지스트 스트리핑 단계(resist stripping step)(228)에서 스트립(strip)된다. 도 4k는 금속 에치 및 포토레지스트 스트립(photoresist strip) 후의 구성을 도시한다. 그런 다음 단계 230에서 세공들이 귀금속으로 코팅될 수 있다. 선택적으로, 원자 층 증착과 같은 부가적적 공정이 스트리핑 단계(stripping step)(228) 전에 세공의 표면 또는 세공 직경을 귀금속으로 코팅하는 데 사용될 수 있다. 그 결과 생성된 다공성 실리콘 웨이퍼는 아래에서 설명하는 바와 같이 PEMFC의 막으로 통합될 수 있다.After porous silicon formation (step 222), the front surface is protected by spinning photoresist 46 in step 224 (see FIG. 4j), and a wet etch (step 226) is used to remove thin metal 40 from the back surface. The front side resist 46 is then stripped in a resist stripping step 228. Figure 4K shows the configuration after metal etch and photoresist strip. Then in step 230 the pores may be coated with a noble metal. Optionally, an additional process such as atomic layer deposition may be used to coat the surface or pore diameter of the pore with a noble metal prior to the stripping step 228 . The resulting porous silicon wafer can be incorporated into the membrane of a PEMFC as described below.

세 번째 실시 예third embodiment

도 5, 및 도 6은 본 개시의 세 번째 실시예를 나타낸다. 이 공정은 실리콘 웨이퍼(400)의 한쪽 면을 레지스트 층(402)으로 덮고 반대쪽 면을, 예를 들어, 백금과 같은 귀금속으로 형성된 희생 금속 층(sacrificial metal layer)(404)으로 덮는 것으로 시작된다(도 5a 단계 참조). 레지스트 층(402)은 단계(502)에서 패터닝되고, 단계(504)에서 웨이퍼(400)의 한쪽 면에 선택된 표면(406)을 노출시키기 위해 에칭된다(도 5b). 그런 다음, 레지스트가 덮이고 패턴화된 웨이퍼는 단계(506)에서 웨이퍼가 HF 및 과산화 수소(H2O2)와 같은 에천트를 포함하는 전기화학적 전지에 침지될 때 금속층(404) 및 기판 웨이퍼(400)에 걸쳐 균일한 전기장을 가하여 전기 화학적 에칭을 수행함으로써, 기판(400)의 노출된 부분을 통해 금속층(404)에 실질적으로 균일한 세공(408)을 생성한다(도 5c). 이전과 마찬가지로, 에칭 조건, 즉 에칭 전류 밀도, 에칭 농도, 온도, 실리콘 도핑 등을 제어하여 두 개의 구멍이 있는 정의가 명확한 원통형 미세 세공의 성장이 제어될 수 있으며, 다시 산토스(santos) 등의 교시를 따른다. 또는, 실리콘 웨이퍼의 선택된 부분을 나노 다공성 양극 알루미나 마스크(nanoporous anodic alumina mask)로 덮어 미세 세공 또는 쓰루 홀 형성이 제어될 수 있다. 자체 주문 나노 다공성 애노딕 알루미나(self-ordered nano porous anodic alumina)는 기본적으로 육각형으로 배열된 전지들의 밀집된 배열을 특징으로 하는 알루미나 기반의 나노 다공성 매트릭스(nanoporous matrix)로, 그 중심에는 원통형 나노 세공이 기본 알루미늄 기판에 수직으로 성장한다. 나노 다공성 애노딕 알루미나는 알루미늄의 전기 화학적 양극 산화 처리(electrochemical anodization)에 의해 생산될 수 있으며, 이 역시 산토스(santos) 등의 교시에 따르며, 그 교시는 본 문서에 참조용으로 통합되어 있다. 레지스트 층(402) 및 희생 금속 층(404)은 단계(508)에서 제거되어 실질적으로 원통형 쓰루 홀 또는 세공(408)을 갖는 섹션(405)을 갖는 다공성 실리콘 웨이퍼를 남길 수 있고(도 5), 그 다음 귀금속 촉매 코팅으로 코팅될 수 있으며, 그 결과 다공성 실리콘 기판은 아래에 설명될 것처럼 PEMFC의 막으로서 통합될 수 있다.5 and 6 show a third embodiment of the present disclosure. The process begins by covering one side of a silicon wafer 400 with a resist layer 402 and covering the opposite side with a sacrificial metal layer 404 formed of a noble metal, for example platinum ( See Figure 5a step). The resist layer 402 is patterned in step 502 and etched in step 504 to expose selected surfaces 406 on one side of the wafer 400 (FIG. 5B). The resist covered and patterned wafer is then immersed in step 506 in an electrochemical cell comprising HF and an etchant such as hydrogen peroxide (H2O2) to metal layer 404 and substrate wafer 400. The electrochemical etching is performed by applying a uniform electric field across the substrate 400 to create substantially uniform pores 408 in the metal layer 404 through the exposed portions of the substrate 400 (FIG. 5C). As before, the growth of well-defined cylindrical micropores with two pores can be controlled by controlling the etching conditions, i.e., etching current density, etching concentration, temperature, silicon doping, etc., again in the teachings of Santos et al. Follow Alternatively, microporous or through-hole formation can be controlled by covering selected portions of the silicon wafer with a nanoporous anodic alumina mask. Self-ordered nano porous anodic alumina is an alumina-based nanoporous matrix characterized by a dense array of basically hexagonally arranged cells, at the center of which is a cylindrical nanopore. Grow perpendicular to the underlying aluminum substrate. Nanoporous anodic alumina can be produced by electrochemical anodization of aluminum, also according to the teachings of Santos et al., the teachings of which are incorporated herein by reference. The resist layer 402 and the sacrificial metal layer 404 can be removed in step 508 leaving a porous silicon wafer having sections 405 with substantially cylindrical through holes or pores 408 (FIG. 5); It can then be coated with a noble metal catalyst coating, so that the porous silicon substrate can be incorporated as the membrane of a PEMFC as will be described below.

귀금속 촉매는 백금 블랙(platinum black), 백금 온 카본(platinum-on-carbon) 및/또는 기타 복합 귀금속 물질(예: 은, 금, 로듐(rhodium), 이리듐(iridium), 팔라듐(palladium), 루테늄(ruthenium) 및 오스뮴(osmium))일 수 있다.Noble metal catalysts are platinum black, platinum-on-carbon and/or other complex noble metal materials such as silver, gold, rhodium, iridium, palladium, ruthenium. (ruthenium) and osmium).

이제 도 6을 참조하면 다음과 같이 PEMFC가 조립된다:Referring now to Figure 6, the PEMFC is assembled as follows:

상기와 같이 형성된 다공성 실리콘 막은 도 6에 개략적으로 나타낸 바와 같이 PEMFC 모듈(700)에 통합될 수 있다. PEMFC 모듈(700)은 상기와 같이 형성된 다공성 실리콘 막(702)을 포함하며, 애노드 또는 음극(704)과 캐소드 또는 양극(706) 사이에 끼여 있다. 애노드/막/캐소드 샌드위치는 차례로 애노드 측의 수소 가스 흐름 채널(hydrogen gas flow channel) 또는 플레이트 어셈블리(plate assembly)(708)와 캐소드 측의 흐름 채널 또는 플레이트 어셈블리()(710)의 산화제(산소 또는 공기) 사이에 끼여있다. 어셈블리는 산소 수소 기체 및 산화물을 흐르게 하는 피팅(fitting), 수소 기체 및 산화물의 반응에 의해 형성되는 물을 배출하기 위한 섬프 및 드레인(도시되지 않음), 페이로드/소스(718)에 걸쳐 결합된 전극(714, 716)을 포함하는 전기 회로(712)를 포함하는 케이스(도시되지 않음)에 함께 고정된다.The porous silicon film thus formed may be incorporated into a PEMFC module 700 as schematically shown in FIG. 6 . The PEMFC module 700 includes a porous silicon film 702 formed as above, sandwiched between an anode or cathode 704 and a cathode or anode 706. The anode/membrane/cathode sandwich, in turn, consists of an anode-side hydrogen gas flow channel or plate assembly 708 and a cathode-side flow channel or plate assembly 710 of an oxidizing agent (oxygen or air) is sandwiched between The assembly is coupled across a fitting to flow oxyhydrogen gas and oxides, a sump and drain (not shown) to discharge water formed by the reaction of hydrogen gas and oxides, and payload/source 718. Electrodes 714 and 716 are secured together in a case (not shown) containing an electrical circuit 712 .

작동 시, 기체 수소 연료는 수소 가스 흐름 어셈블리(hydrogen gas flow assembly)(708)를 통해 연료 전지의 애노드 측으로 전달되고, 산소 가스(산소 또는 공기)는 산화제 가스 흐름 어셈블리(oxidant gas flow assembly)(710)를 통해 전지의 캐소드드 측으로 전달됩니다. 애노드(704)에서, 백금 촉매는 수소를 양의 수소 이온(양성자)과 음전하를 띤 전자로 분리시킨다. 다공성 실리콘 막(702)은 양전하를 띤 이온만 캐소드로 통과할 수 있도록 한다. 캐소드(706)에서 전자와 양전하를 띤 수소 이온은 산소와 결합하여 물을 형성한 다음 전지 바닥에 모였다가 제거됩니다.In operation, gaseous hydrogen fuel is delivered to the anode side of the fuel cell through a hydrogen gas flow assembly 708 and oxygen gas (oxygen or air) is delivered to the oxidant gas flow assembly 710 ) to the cathode side of the cell. At anode 704, a platinum catalyst splits hydrogen into positive hydrogen ions (protons) and negatively charged electrons. The porous silicon film 702 allows only positively charged ions to pass through to the cathode. At the cathode 706, electrons and positively charged hydrogen ions combine with oxygen to form water, which then collects at the bottom of the cell and is removed.

위 개시에는 다양한 변경 사항이 있을 수 있습니다. 예를 들어, 위에서 언급한 바와 같이, 귀금속 촉매는 다공성 실리콘 기판 막의 세공들에 직접 코팅되거나, 다공성 실리콘 기판 막은 다공성 종이 또는 귀금속이 함침된 탄소 또는 흑연 시트 사이에 끼여 있을 수 있다. 또한 메탄올 및 화학 수소화합물과 같은 다른 수소 연료 공급원을 사용할 수도 있습니다.The above disclosure is subject to various changes. For example, as mentioned above, the noble metal catalyst may be directly coated into the pores of the porous silicon substrate film, or the porous silicon substrate film may be sandwiched between porous paper or noble metal impregnated carbon or graphite sheets. Other hydrogen fuel sources such as methanol and chemical hydrogen compounds can also be used.

이제 도 7 내지 도 14를 참조하면, 본 개시에 따른 개량된 리튬 이온 이차전지는 다음과 같이 형성된다.Referring now to FIGS. 7 to 14 , an improved lithium ion secondary battery according to the present disclosure is formed as follows.

특히 도 7을 참조하면, 일반적으로 50~200밀리 두께의 얇은 단결정 실리콘 웨이퍼(10)로부터 시작하여, 웨이퍼(1010)는 전기 화학적 에칭 단계(1012)에서 전기 화학적 침지 전지에서 디메틸 포름 아마이드(DMF)/디메틸 설폭사이드(DMSO)/플루오린화 수소(HF) 에천트와 같은 에천트에 웨이퍼를 침지하면서 웨이퍼 전체에 균일한 전기장을 가하여 전기 화학적 에칭을 수행하여, 도 8a에서 도시된 것 같이 웨이퍼에 미크론(micron) 크기의 쓰루 홀 또는 세공(1016)을 형성한다. 정의가 명확한 원통형 미세 세공 또는 쓰루 홀의 성장은 에칭 조건, 즉 에칭 전류 밀도, 에천트 농도, 온도, 실리콘 도핑 등을 제어하여 제어될 수 있으며, 이 내용은 Santos et al., Electrochemically Engineered Nanoporous Material, Springer Series in Materials Science 220 (2015), 1장을 참조하여 여기에 통합되어 있다. 정의가 명확한 원통형 미세 세공 또는 쓰루 홀의 성장은 에칭 조건, 즉 에칭 전류 밀도, 에천트 농도, 온도, 실리콘 도핑 등을 제어하여 제어될 수 있으며, 이 내용은 Santos et al., Electrochemically Engineered Nanoporous Material, Springer Series in Materials Science 220 (2015), 1장을 참조하여 여기에 통합되어 있다.Referring in particular to FIG. 7 , starting from a thin monocrystalline silicon wafer 10, typically 50 to 200 millimeters thick, the wafer 1010 is subjected to dimethyl formamide (DMF) in an electrochemical immersion cell in an electrochemical etching step 1012. /Dimethyl sulfoxide (DMSO)/hydrogen fluoride (HF) etchant, etc. while immersing the wafer in an etchant while applying a uniform electric field across the wafer to perform electrochemical etching, as shown in FIG. (micron) size through holes or pores 1016 are formed. The growth of well-defined cylindrical micropores or through-holes can be controlled by controlling the etching conditions, i.e., etching current density, etchant concentration, temperature, silicon doping, etc., as described in Santos et al., Electrochemically Engineered Nanoporous Material, Springer. Series in Materials Science 220 (2015), chapter 1 incorporated herein by reference. The growth of well-defined cylindrical micropores or through-holes can be controlled by controlling the etching conditions, i.e., etching current density, etchant concentration, temperature, silicon doping, etc., as described in Santos et al., Electrochemically Engineered Nanoporous Material, Springer. Series in Materials Science 220 (2015), chapter 1 incorporated herein by reference.

생성된 세공은 높은 길이 대 단면 직경의 종횡비를 가지며, 일반적으로 길이 대 직경 종횡비는 25:1, 바람직하게는 35:1, 더 바람직하게는 50:1이상이다. 도 8a에 도시된 결과 구조는, 예를 들어, 길이가 180㎛이고 직경이 1.6㎛인, 즉 종횡비가 112.5:1인, 리튬 이온 배터리에서 전극으로 사용하기에 매우 효과적인 실질적으로 원통형의 쓰루 홀 또는 세공(1016)을 갖는 다공성 실리콘 웨이퍼(1018)를 포함하며, 이하에서 설명될 바와 같이 리튬 이온 배터리에서 전극으로 사용하기에 매우 효과적이다. 그 후, 생성된 다공성 실리콘 웨이퍼(1018)의 벽은 1020 단계에서 티타늄, 텅스텐 또는 코발트와 같은 금속으로 코팅되고, 금속으로 코팅된 다공성 실리콘 웨이퍼는 열처리 단계(1022)에서 증착된 금속을 해당 금속 규화물(1025)로 변환하기 위해 열처리 단계(1022)에서 열처리가 수행된다. 그 결과, 물질의 세공들의 벽면이 금속 규화물 물질(1026)의 얇은 층으로 코팅된 다공성 실리콘 기판 물질(1024)이 생성됩니다(도 8a).The resulting pores have a high length to cross section diameter aspect ratio, typically a length to diameter aspect ratio of at least 25:1, preferably 35:1, more preferably 50:1 or greater. The resulting structure, shown in FIG. 8A , is a substantially cylindrical through-hole or, for example, 180 μm long and 1.6 μm diameter, i.e. aspect ratio of 112.5:1, highly effective for use as an electrode in a lithium ion battery. It includes a porous silicon wafer 1018 having pores 1016 and is very effective for use as an electrode in a lithium ion battery as will be described below. Thereafter, the wall of the resulting porous silicon wafer 1018 is coated with a metal such as titanium, tungsten or cobalt in step 1020, and the metal-coated porous silicon wafer is heat-treated in step 1022 to convert the deposited metal to the corresponding metal silicide. Heat treatment is performed in heat treatment step 1022 to convert to (1025). The result is a porous silicon substrate material 1024 in which the walls of the pores of the material are coated with a thin layer of metal silicide material 1026 (FIG. 8A).

도 9는 본 개시의 대안적인 실시예를 나타낸다. 공정은 실리콘 웨이퍼(1030)로 시작되며, 웨이퍼(1030)의 후면에 얇은 금속 층(1032)이 예를 들어, 단계(1034)에서 스퍼터링에 의해 도포된다. 웨이퍼 뒷면의 금속층(1032)은 웨이퍼와의 전기적 접촉을 개선한다. 전기 화학적 에칭(단계 1036)은 실리콘 웨이퍼(1030)를 통해 세공(1037)을 형성하는 데 사용된다. 다공성 실리콘 형성 후, 습식 에칭(단계 1038)을 사용하여 후면에서 얇은 금속(1032)을 제거한다. 그런 다음, 도 8a에 도시된 다공성 실리콘 기판과 유사한 다공성 실리콘 웨이퍼가 단계 1040에서 금속으로 코팅되고, 금속은 제1 실시예와 유사한 가열 단계(1042)에서 규화물로 전환된다. 그 결과, 세공의 벽면 표면이 그림 8B에 표시된 다공성 실리콘 기판과 유사한 금속 규화물로 코팅된 다공성 실리콘 기판이 생성된다.9 shows an alternative embodiment of the present disclosure. The process begins with a silicon wafer 1030, and a thin metal layer 1032 is applied to the back side of the wafer 1030, for example by sputtering in step 1034. A metal layer 1032 on the back side of the wafer improves electrical contact with the wafer. An electrochemical etch (step 1036) is used to form pores 1037 through the silicon wafer 1030. After porous silicon formation, wet etching (step 1038) is used to remove the thin metal 1032 from the back side. Then, a porous silicon wafer similar to the porous silicon substrate shown in FIG. 8A is coated with a metal in step 1040, and the metal is converted to a silicide in a heating step 1042 similar to the first embodiment. The result is a porous silicon substrate in which the wall surfaces of the pores are coated with a metal silicide similar to the porous silicon substrate shown in Figure 8B.

도 10은 본 개시의 세 번째 실시예를 나타낸 도면이다. 이 공정은 예를 들어 백금과 같은 귀금속으로 형성된 희생 금속 층(1054)으로 1052단계에서 실리콘 웨이퍼(1050)의 일측을 덮는 것으로 시작된다. 이어서, 실리콘 웨이퍼(1050)는 1056 단계에서 웨이퍼가 플루오린화 수소(HF) 및 과산화 수소(H2O2)와 같은 에천트를 포함하는 전기 화학 전지에 침지될 때 금속층(1054) 및 기판 웨이퍼(1050)에 걸쳐 균일한 전기장을 인가함으로써 전기 화학 에칭이 수행되고, 이로써 실리콘 웨이퍼 기판(1050)의 노출된 부분을 통해 금속층(1054)에 실질적으로 균일한 세공(1058)이 생성된다. 이전과 마찬가지로 에칭 조건(에칭 전류 밀도, 에칭 농도, 온도, 실리콘 도핑 등)을 제어하여 정의가 명확한 원통형 미세 세공 또는 쓰루 홀의 성장을 제어할 수 있으며, 다시 산토스(santos) 등의 교시를 따릅니다. 또는, 실리콘 웨이퍼의 선택된 부분을 나노 다공성 양극 알루미나 마스크로 덮어 미세 세공 또는 쓰루 홀 형성이 제어될 수 있다. 자체 주문 나노 다공성 애노딕 알루미나(self-ordered nano porous anodic alumina)는 기본적으로 육각형으로 배열된 전지들의 밀집된 배열을 특징으로 하는 알루미나 기반의 나노 다공성 매트릭스(nanoporous matrix)로, 그 중심에는 원통형 나노 세공이 기본 알루미늄 기판에 수직으로 성장한다. 희생 금속층(54)은 이어서 길이 대 직경 종횡비가 25:1, 바람직하게는 35:1, 더 바람직하게는 50:1이상인 실질적으로 원통형 쓰루 홀 또는 세공을 갖는, 즉 도 8a에 도시된 다공성 실리콘 기판과 유사한 다공성 실리콘 웨이퍼를 남기는 단계(58)에서 제거될 수 있다. 이어서, 다공성 실리콘 기판은 단계 1058에서 금속으로 코팅되고, 단계 1060에서 금속을 금속 규화물로 변환시키기 위해 가열되며, 이에 따라, 세공의 벽면이 도 8b와 유사한 금속 규화물로 코팅된 다공성 실리콘 기판이 생성된다.10 is a diagram showing a third embodiment of the present disclosure. The process begins by covering one side of the silicon wafer 1050 in step 1052 with a sacrificial metal layer 1054 formed of a noble metal, for example platinum. The silicon wafer 1050 then forms a metal layer 1054 and a substrate wafer ( 1056 ) when the wafer is immersed in an electrochemical cell comprising an etchant such as hydrogen fluoride (HF) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). Electrochemical etching is performed by applying a uniform electric field across 1050 , thereby creating substantially uniform pores 1058 in metal layer 1054 through exposed portions of silicon wafer substrate 1050 . As before, the growth of well-defined cylindrical micropores or through-holes can be controlled by controlling the etching conditions (etching current density, etch concentration, temperature, silicon doping, etc.), again following the teachings of santos et al. Alternatively, microporous or through-hole formation can be controlled by covering selected portions of the silicon wafer with a nanoporous anodic alumina mask. Self-ordered nano porous anodic alumina is an alumina-based nanoporous matrix characterized by a dense array of basically hexagonally arranged cells, at the center of which is a cylindrical nanopore. Grow perpendicular to the underlying aluminum substrate. The sacrificial metal layer 54 is then a porous silicon substrate having substantially cylindrical through holes or pores having a length-to-diameter aspect ratio of 25:1, preferably 35:1, more preferably 50:1 or greater, i.e., the porous silicon substrate shown in FIG. 8A. can be removed in step 58 leaving a porous silicon wafer similar to The porous silicon substrate is then coated with a metal in step 1058 and heated in step 1060 to convert the metal to a metal silicide, resulting in a porous silicon substrate with the walls of the pores coated with a metal silicide similar to FIG. 8B. .

위에서 생산된 다공성 실리콘 웨이퍼는 아래에서 설명하는 대로 리튬 이온 배터리로 조립된다.The porous silicon wafer produced above is assembled into a lithium ion battery as described below.

도 11은 본 개시에 따른 리튬 이온 배터리(1060)를 도시한다. 배터리(1060)는 케이스(1062), 전술한 바와 같이 형성된 금속 규화물 코팅 다공성 실리콘 기판으로 형성된 애노드(1064) 및 막 또는 세퍼레이터(1068)에 의해 분리된 예를 들어 흑연으로 형성된 캐소드(66)를 포함한다.11 shows a lithium ion battery 1060 according to the present disclosure. The battery 1060 includes a case 1062, an anode 1064 formed of a metal silicide coated porous silicon substrate formed as described above, and a cathode 66 formed of, for example, graphite, separated by a membrane or separator 1068. do.

애노드(1064) 및 캐소드(1066)은 각각 외부 탭(1070, 1072)에 연결됩니다. 리튬 함유 전해질(1074), 예를 들어, 리튬 코발트 산화물은 배터리(1060) 내에 포함된다. 애노드와 캐소드 모두 각각 삽입(인터칼레이션(intercalation)) 또는 추출(디인터칼레이션((deintercalation)))이라는 과정을 통해 리튬 이온이 구조 안팎으로 이동할 수 있다. 방전 시 양이온은 음극(애노드)에서 양극(캐소드)으로 이동하여 전해질을 통해 리튬 화합물을 형성하고, 전극은 같은 방향으로 외부 회로를 통해 흐르면서 리튬 화합물을 형성한다. 전지가 충전 중일 때는 그 반대의 현상이 발생하여 리튬 이온과 전극이 음극으로 다시 이동하여 에너지 지분이 더 높은 음극으로 이동한다.Anode 1064 and cathode 1066 are connected to external taps 1070 and 1072, respectively. A lithium-containing electrolyte 1074, for example lithium cobalt oxide, is included in battery 1060. Both the anode and cathode allow lithium ions to move into and out of the structure through a process called intercalation (intercalation) or extraction (deintercalation), respectively. During discharge, positive ions move from the negative electrode (anode) to the positive electrode (cathode) to form a lithium compound through the electrolyte, and the electrode flows through an external circuit in the same direction to form a lithium compound. When the cell is charging, the opposite occurs, with lithium ions and the electrode moving back to the negative electrode, which has a higher energy share.

본 개시의 장점은 애노드가 캐소드보다 물리적으로 더 크게, 즉 더 두껍게 만들어질 수 있다는 점이다. 애노드의 두께가 증가된 다공성 구조는 양성자가 전극 매트릭스(electrode matrix)로 이동하는 데 더 많은 시간을 허용한다. 또한 유사한 에너지 저장을 위해 필요한 리튬 전해질의 양이 적다. 또한 양성자가 양극으로 더 느리게 이동하기 때문에 전극이 파단되거나 파쇄될 위험 없이 더 빠른 충전 및 방전 속도를 구현할 수 있다.위의 개시의 취지와 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 변경이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 애노드 생산은 단결정 실리콘 웨이퍼로 형성되는 것으로 설명되었지만, 단결정 실리콘 리본(monocrystalline silicon ribbon)이 애노드를 형성하는 데 유리하게 사용될 수 있습니다. 도 12를 참조하면, 실리콘 리본(1080)을 사용하면, 리본이 전기 화학 에칭 욕조(1082)를 통과하여 리본을 통해 세공을 형성한 다음, 거기에 금속 코팅 스테이션(metal coating station)(1084)을 통과하고 거기에 열처리 스테이션(heat treating station)(1086)을 통과하여 세공 벽의 표면에 금속 규화물을 형성하는 연속 공정이 허용된다. 그 결과 다공성 실리콘 금속 규화물 코팅 리본은 표준 롤 제조 기술을 사용하여 리튬 이온 배터리를 형성하는 데 사용할 수 있다. 예를 들어, 도 13을 참조하면, 실리사이드 코팅된 다공성 실리콘 리본 애노드 전극(1084)은 세퍼레이터 시트(separator sheet)(1088) 사이에 캐소드 전극(86)과 함께 스택으로 조립될 수 있다. 전극(1084, 1086) 및 세퍼레이터 시트(88)는 젤리 롤(jelly roll)에 함께 감긴 다음, 포지티브 탭(positive tab)(1092) 및 네거티브 탭(negative tab)(1094)이 젤리 롤로부터 연장된 케이스(1090)에 삽입된다. 그런 다음 탭은 전극(1084, 1086)의 노출된 부분, 전해질로 채워진 케이스(1090) 및 밀봉된 케이스(1090)에 용접될 수 있습니다. 그 결과 애노드 물질이 부작용 없이 충전과 방전을 반복할 수 있는 다공성 실리콘 리본으로 코팅된 다공성 금속 규화물을 포함하는 고용량 리튬 이온 이차전지를 생성한다.An advantage of the present disclosure is that the anode can be made physically larger, ie thicker, than the cathode. The porous structure with increased thickness of the anode allows more time for protons to migrate into the electrode matrix. Also, the amount of lithium electrolyte required for similar energy storage is small. In addition, since protons move more slowly to the anode, faster charge and discharge rates can be achieved without risk of breakage or crushing of the electrode. Changes may be made without departing from the spirit and scope of the above disclosure. For example, although anode production has been described as being formed from monocrystalline silicon wafers, a monocrystalline silicon ribbon may advantageously be used to form the anode. Referring to FIG. 12, if a silicon ribbon 1080 is used, the ribbon passes through an electrochemical etching bath 1082 to form pores through the ribbon, and then a metal coating station 1084 is applied thereto. A continuous process is allowed to form a metal silicide on the surface of the pore wall by passing through and thereto a heat treating station 1086. The resulting porous silicon metal silicide coated ribbon can be used to form lithium ion batteries using standard roll manufacturing techniques. For example, referring to FIG. 13 , a silicide-coated porous silicon ribbon anode electrode 1084 may be assembled in a stack with a cathode electrode 86 between separator sheets 1088. Electrodes 1084, 1086 and separator sheet 88 are wound together into a jelly roll, then positive tab 1092 and negative tab 1094 are extended from the jelly roll case (1090) is inserted. The tabs may then be welded to the exposed portions of electrodes 1084 and 1086, electrolyte filled case 1090 and sealed case 1090. As a result, a high-capacity lithium-ion secondary battery including a porous metal silicide coated with a porous silicon ribbon in which an anode material can be repeatedly charged and discharged without side effects is created.

다른 변경 사항도 가능하다. 예를 들어, 단결정 실리콘 칩이나 단결정 실리콘 리본 대신 다결정 실리콘 또는 비정질 실리콘을 사용할 수 있습니다. 또한, 텅스텐, 코발트 및 티타늄이 금속 규화물을 형성하는 데 바람직한 금속으로 설명되었지만, 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), Zn, Cd, Hg, B, Ga, In, Th, C, Si, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Se 및 Te를 포함하여 통상적으로 금속 규화물을 형성하는데 사용되는 다른 금속이 바람직하게 사용될 수 있다. 또한 리튬 헥사플루오로인산(LiPF6) 과 리튬 테트라플루오로보레이트(LiBF4)가 유용한 전해질로 설명되었지만, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2)을 포함하되 이에 국한되지 않는 다른 전해질도 리튬 이온 배터리에 통상적으로 사용된다.Other changes are also possible. For example, polycrystalline or amorphous silicon can be used instead of monocrystalline silicon chips or monocrystalline silicon ribbons. Additionally, while tungsten, cobalt, and titanium have been described as preferred metals for forming metal silicides, silver (Ag), aluminum (Al), gold (Au), palladium (Pd), platinum (Pt), Zn, Cd, Hg , B, Ga, In, Th, C, Si, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Se and Te, other metals commonly used to form metal silicides can be preferably used. Additionally, although lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) and lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ) have been described as useful electrolytes, other electrolytes are also commonly used in lithium ion batteries, including but not limited to lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ). do.

Claims (15)

양성자 교환막 연료 전지(proton exchange membrane fuel cell)에 있어서,
다공성 실리콘 웨이퍼(porous silicon wafer)로 형성된 세퍼레이터 막 엘리먼트(separator membrane element)
를 포함하는, 양성자 교환막 연료 전지.
In a proton exchange membrane fuel cell,
A separator membrane element formed of a porous silicon wafer
A proton exchange membrane fuel cell comprising a.
제1항에 있어서,
상기 다공성 실리콘 웨이퍼의 세공들(pores)은,
실질적으로 원통형 쓰루 홀(substantially cylindrical through hole) 이고, 및/또는
상기 원통형 쓰루 홀은,
25:1, 35:1, 및 50:1중 어느 하나 이상의 길이 대 직경 종횡비(diameter aspect ratio)를 갖는 것인,
양성자 교환막 연료 전지.
According to claim 1,
The pores of the porous silicon wafer are
is a substantially cylindrical through hole, and/or
The cylindrical through hole,
having a length to diameter aspect ratio of at least one of 25:1, 35:1, and 50:1;
Proton Exchange Membrane Fuel Cell.
제1항에 있어서,
상기 다공성 실리콘 웨이퍼의 세공들의 표면은,
적어도 부분적으로는 은, 금, 백금, 로듐(rhodium), 이리듐(iridium), 팔라듐(palladium), 루테늄(ruthenium), 및 오스뮴(osmium)으로 이루어진 군으로부터 선택된 귀금속(noble metal)으로 코팅되고, 및/또는
상기 다공성 실리콘 웨이퍼는,
은, 금, 백금, 로듐, 이리듐, 팔라듐, 루테늄, 및 오스뮴으로 이루어진 군으로부터 선택된 귀금속이 함침(impregnate)된 종이, 탄소 또는 흑연 시트(graphite sheet) 사이에 끼여(sandwich) 있는,
양성자 교환막 연료 전지.
According to claim 1,
The surface of the pores of the porous silicon wafer,
at least partially coated with a noble metal selected from the group consisting of silver, gold, platinum, rhodium, iridium, palladium, ruthenium, and osmium; and /or
The porous silicon wafer,
sandwiched between sheets of paper, carbon or graphite impregnated with a precious metal selected from the group consisting of silver, gold, platinum, rhodium, iridium, palladium, ruthenium, and osmium,
Proton Exchange Membrane Fuel Cell.
양성자 교환막 연료 전지로서,
다공성 막에 의해 분리된 양극 및 음극을 포함하는 전기 어셈블리(electrical assembly)를 포함하고,
상기 다공성 막은,
다공성 실리콘 웨이퍼
를 포함하는, 양성자 교환막 연료 전지.
As a proton exchange membrane fuel cell,
An electrical assembly comprising an anode and a cathode separated by a porous membrane;
The porous membrane,
porous silicon wafer
A proton exchange membrane fuel cell comprising a.
제4항에 있어서,
상기 다공성 실리콘 웨이퍼의 세공들은,
실질적으로 원통형 쓰루 홀이고, 및/또는 25:1, 35:1, 및 50:1중 어느 하나 이상의 길이 대 직경 종횡비를 갖는 것인,
양성자 교환막 연료 전지.
According to claim 4,
The pores of the porous silicon wafer are
a substantially cylindrical through hole, and/or having a length to diameter aspect ratio of at least one of 25:1, 35:1, and 50:1;
Proton Exchange Membrane Fuel Cell.
제4항에 있어서,
상기 다공성 막의 세공들은,
적어도 부분적으로는 은, 금, 백금, 로듐, 이리듐, 팔라듐, 루테늄, 및 오스뮴으로 이루어진 군으로부터 선택된 귀금속 촉매로 코팅되고, 및/또는
상기 다공성 실리콘 웨이퍼는,
은, 금, 백금, 로듐, 이리듐, 팔라듐, 루테늄, 및 오스뮴으로 이루어진 군으로부터 선택된 귀금속이 함침(impregnate)된 종이, 탄소 또는 흑연 시트(graphite sheet) 사이에 끼여(sandwich) 있는,
양성자 교환막 연료 전지.
According to claim 4,
The pores of the porous membrane are
at least partially coated with a noble metal catalyst selected from the group consisting of silver, gold, platinum, rhodium, iridium, palladium, ruthenium, and osmium, and/or
The porous silicon wafer,
sandwiched between sheets of paper, carbon or graphite impregnated with a noble metal selected from the group consisting of silver, gold, platinum, rhodium, iridium, palladium, ruthenium, and osmium,
Proton Exchange Membrane Fuel Cell.
연료 전지용 막 형성 방법에 있어서,
실리콘 웨이퍼를 제공하는 단계;
적어도 웨이퍼의 일부를 관통하는 쓰루 홀을 에칭(etching)하는 단계 - 상기 쓰루 홀은 25:1, 35:1, 및 50:1중 어느 하나 이상의 길이 대 직경 종횡비를 갖는 것임 -; 및
상기 홀의 표면을 적어도 부분적으로 귀금속으로 코팅하는 단계 또는 상기 귀금속이 함침된 종이, 탄소 또는 흑연 시트 사이에 에칭된 실리콘 웨이퍼를 끼우는 단계
를 포함하고,
양성자 교환막 연료 전지용 막 형성 방법.
A method for forming a membrane for a fuel cell,
providing a silicon wafer;
etching a through hole through at least a portion of the wafer, the through hole having a length to diameter aspect ratio of at least one of 25:1, 35:1, and 50:1; and
coating the surface of the hole at least partially with a noble metal or sandwiching an etched silicon wafer between sheets of paper, carbon or graphite impregnated with the noble metal;
including,
A method for forming a membrane for a proton exchange membrane fuel cell.
리튬 이온 배터리로서,
캐소드(cathode) 전극;
다공성 실리콘 기판(porous silicon substrate)으로 형성된 애노드(anode) 전극;
캐소드와 애노드 사이에 배치된 세퍼레이터 엘리먼트(separator element); 및
전해질(electrolyte)
을 포함하고,
상기 다공성 실리콘 기판의 세공들의 표면은,
적어도 부분적으로 금속 규화물(metal silicide)로 코팅된 것인,
리튬 이온 배터리
As a lithium ion battery,
a cathode electrode;
an anode electrode formed of a porous silicon substrate;
a separator element disposed between the cathode and the anode; and
electrolyte
including,
The surface of the pores of the porous silicon substrate,
At least partially coated with a metal silicide,
lithium ion battery
제8항에 있어서,
상기 실리콘 기판은,
단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 또는 비정질 실리콘을 포함하고, 및/또는
상기 금속 규화물 코팅은,
티타늄 규화물(TiSi2), 코발트 규화물(CoSi2)및 텅스텐 규화물(WSi2) 로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 규화물 코팅인,
리튬 이온 배터리.
According to claim 8,
The silicon substrate,
contains monocrystalline silicon, polycrystalline silicon, or amorphous silicon; and/or
The metal silicide coating,
a metal silicide coating selected from the group consisting of titanium silicide (TiSi 2 ), cobalt silicide (CoSi 2 ) and tungsten silicide (WSi 2 );
lithium ion battery.
제8항에 있어서,
상기 세공들은,
25:1, 35:1, 및 50:1중 어느 하나 이상의 길이 대 직경 종횡비를 갖는 것인,
리튬 이온 배터리.
According to claim 8,
The pores are
having a length to diameter aspect ratio of at least one of 25:1, 35:1, and 50:1;
lithium ion battery.
제8항에 있어서,
상기 전해질은,
리튬 헥사플루오로인산(LiPF6), 리튬 테트라플루오로보레이트(LiBF4) 및 리튬 코발트산화물(LiCoO2)로 이루어진 군으로부터 선택된 것인,
리튬 이온 배터리.
According to claim 8,
The electrolyte is
It is selected from the group consisting of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ) and lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ),
lithium ion battery.
리튬 이온 배터리용 전극에 있어서,
애노드 전극은
세공들의 표면이 적어도 부분적으로 금속 규화물로 코팅된 다공성 실리콘으로 형성된 기판
을 포함하는, 리튬 이온 배터리용 전극
In the electrode for a lithium ion battery,
the anode electrode is
A substrate formed of porous silicon in which the surfaces of the pores are at least partially coated with a metal silicide.
Electrode for a lithium ion battery comprising a
제12항에 있어서,
상기 실리콘 기판은,
단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 또는 비정질 실리콘
을 포함하는,
리튬 이온 배터리용 전극.
According to claim 12,
The silicon substrate,
Monocrystalline silicon, polycrystalline silicon, or amorphous silicon
including,
Electrodes for lithium ion batteries.
제12항에 있어서,
상기 세공들은,
25:1, 35:1, 및 50:1중 어느 하나 이상의 길이 대 직경 종횡비를 갖는 것인,
리튬 이온 배터리용 전극.
According to claim 12,
The pores are
having a length to diameter aspect ratio of at least one of 25:1, 35:1, and 50:1;
Electrodes for lithium ion batteries.
제12항에 있어서,
상기 금속 규화물은
티타늄 규화물(TiSi2), 코발트 규화물(CoSi2)및 텅스텐 규화물(WSi2)로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 규화물인,
리튬 이온 배터리용 전극.
According to claim 12,
The metal silicide is
A metal silicide selected from the group consisting of titanium silicide (TiSi 2 ), cobalt silicide (CoSi 2 ) and tungsten silicide (WSi 2 ),
Electrodes for lithium ion batteries.
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