TW469661B - Electrode material and compositions including same - Google Patents
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Description
*^6 96 6 _案號88111524_年彡月日 修正_ 五、發明說明(1) ^ 發明背景: , 本發明有關適用於鋰蓄電池之電極材料。 已提出兩種材料作為鋰蓄電池之陽極。其中一種包括可 以夾雜鋰之材料,諸如石墨或碳。雖然該夾雜陽極通常顯 示出良好週期壽命與庫侖效率,其容量低。第二種包括與 鋰金屬合金化之金屬。雖然此等合金型陽極通常顯示比夾 ' 雜陽極更高之容量,但是其週期壽命與庫侖效率差。 . 本發明提出電極材料與以此等材料為底質之電極組合 物,其適用於鋰蓄電池。該電極材料顯示高度初始比容量 與體積容量,即使於重複循環後仍可保留此等性質,以及 顯示高度庫侖效率。亦容易製造該電極材料與結合此等材 「 料之電池。 為了達到此等目的,本發明第一方面特徵係一種電極組 合物,其包括實質上由多種電化學活性金屬元素組成之電 極材料。該組合物可能另外包括其他材料,諸如碳、石墨 · 以及其組合物。該電極材料具有一種微結構,其包括呈混 合物形式之化學活性金屬元素,其中實質上無大於約1000 ‘ 埃晶疇(不大於約5 0 0埃為佳,不大於約1 0 0埃更佳,不大 於約20埃更佳)^至少50體積%(至少80體積%更佳)之電極 材料係此混合物形式為佳。該混合物不會顯示出微結晶之 可辨視電子繞射或是X射線繞射圖型特性。 p 「電化學活性金屬元素」係一種在链蓄電池中充電與放 電通常遭遇條件下與鋰反應之元件。該金屬元素呈元素金 屬為佳。 本申請案中所使用N金屬元素”係指金屬以及諸如矽與鍺
O:\59\59067.ptc 第4頁 4 6 9 6 6 1 _案號88111524_年今月^>曰 修正_ 五、發明說明(2) 等準金屬。 「晶疇」係實質上包括單一電化學活性金屬元素之區 域》該晶疇可為結晶(即其引起一種結晶材料之可辨視繞 射或是X射線繞射圖型特性)或是非結晶。該晶疇大小意指 該晶疇之最長尺寸。 用於一鋰蓄電池時,該電極組合物顯示(i ) 3 0次完全充 放電循環之至少1 0 0 毫安培小時/克之比容量以及(i i )進 行該組合物約1 0 0 毫安培小時/克之循環時,有3 0次完全 充放電循環至少9 9%之庫侖效率(至少9 9 . 5%為佳,至少 9 9 . 9 %更佳)。此性能水準可以達到5 0 0次循環為佳,1 0 0 0 次循環更佳。 其他較佳具體實例中,用於一鋰蓄電池時,該電極組合 物顯示(i)30次完全充放電循環之至少500 毫安培小時/克 之比容量以及(i i )進行該組合物約5 0 0 毫安培小時/克之 循環時,至少9 9 %之庫侖效率(至少9 9 · 5 %為佳,至少9 9, 9 % 更佳)。此性能水準可以達到2 0 0次循環為佳,5 0 0次循環 更佳。 在其他具體實例中,用於一鋰蓄電池時,該電極組合物 顯示(i ) 3 0次完全充放電循環之至少1 0 0 0 毫安培小時/克 之比容量以及(i i )進行該組合物約1 0 0 0 毫安培小時/克之 循環時,至少99%之庫侖效率(至少99. 5%為佳,至少99. 9% 更佳)。此性能水準可以達到1 0 0次循環為佳,3 0 0次循環 更佳。 該電極組合物可能呈粉末或是薄膜形式。較佳電化學活 性金屬元素實例包括鋁、矽、錫、銻、鉛、鍺、鎂、鋅、
O:\59\59067.ptc 第5頁 4 6 9 6 6 1 _案號88111524_年3招二D日 修正_ 五、發明說明(3) 鎘、鉍與銦。特佳之電極組合物特徵係(a )鋁與矽或是(b ) 錫與矽之組合物。 第二方面,本發明特徵係上述電極組合物之製備方法, 其包括連續濺鍍沉積電化學活性金屬元素來源,形成呈薄 膜形式之電極組合物。 圖式簡單說明 由下列敘述與其較佳具體實例以及由後請專利範圍可以 明白本發明其他特徵與優點。 圖1 a顯示實施例1所述濺鍍沉積鋁矽電極之循環性能, 其以可逆比容量表示。 圖1 b顯示實施例1所述濺鍍沉積鋁矽電極之循環性能, 其以庫命效率表示。 圖2 a顯示以全電池可逆比容量表示之循環性能,其表示 實施例1所述之濺鍍沉積鋁矽電極以及一種含L i C 〇 02陰極 之特徵。 圖2 b顯示以全電池庫侖效率表示之循環性能,其表示實 施例1所述之濺鍍沉積鋁矽電極以及一種含L i C〇02陰極之 特徵。 圖3 a顯示實施例2所述濺鍍沉積鋁矽電極之循環性能, 其以可逆比容量表示。 圖3 b顯示實施例2所述濺鍍沉積鋁矽電極之循環性能, 其以庫侖效率表示。 圖4 a顯示實施例3所述濺鍍沉積鋁矽電極之循環性能, 其以可逆比容量表示。 圖4 b顯示實施例3所述濺鍍沉積鋁矽電極之循環性能,
O:\59\59067.ptc 第6頁 469661 〇 _案號88111524_办年^月二c日 修正_ 五、發明說明(4) 其以庫侖效率表示。 圖5 a顯示以全電池可逆比容量表示之循環性能,其表示 實施例3所述之濺鍍沉積鋁矽電極以及一種含L i Co02陰極 之特徵。 圖5 b顯示以全電池庫侖效率表示之循環性能,其表示實 施例3所述之該濺鍍沉積鋁矽電極以及一種含L i C 〇 02陰極 之特徵。 圖6 a顯示實施例4所述濺鍍沉積鋁矽電極之循環性能, 其以可逆比容量表示。 圖6 b顯示實施例4所述濺鍍沉積鋁矽電極之循環性能, 其以庫余效率表示。 圖7 a顯示實施例5所述濺鍍沉積鋁矽電極之循環性能, 其以可逆比容量表示。 圖7 b顯示實施例5所述濺鍍沉積鋁矽電極之循環性能, 其以庫命效率表示。 圖8 a顯示實施例6所述濺鍍沉積錫矽電極之循環性能, 其以可逆比容量表示。 圖8 b顯示實施例6所述濺鍍沉積錫矽電極之循環性能, 其以庫俞效率表示。 圖9 a顯示實施例7所述濺鍍沉積錫矽電極之循環性能, 其以可逆比容量表示。 圖9 b顯示實施例7所述濺鍍沉積錫矽電極之循環性能, 其以庫命效率表示。 圖1 0 a顯示實施例8所述以濺鍍沉積錫矽電極之循環性 能,其以可逆比容量表示。
O:\59\59067.ptc 第7頁 __案號 88111521--&年 3 月〕〇 乱--fe----- 五、發明說明(5) 圖1 〇 b顯示實施例8所述濺鍍沉積减石夕電極之循環性能, 其以庫侖效率表示。 圖11 a顯示以全電池可逆比容量表示之循環性能,其表 示實施例8所述之濺嫉沉積錫矽電極以及—種含L丨c〇 〇2陰 極之特徵》 圖1 lb顯示以全電池庫命效率表示之循環性能,其表示 . 實施例8所述之濺鍍沉積錫矽電極以及一種含Li C〇02陰極 之特徵。 ' 圖1 2a顯示實施例9所述職鍍沉積錫石夕電極之循環性能, 其以可逆比容量表系。 圖1 2b顯示實施例9所述以濺鍍沉積錫5夕電極之循環性 p 能,其以庫侖效率表示。 圖 13(a)、l3(b)、l3(c)、13(d)與 13(e)分別為實施例 1 - 5所述鋁矽薄膜循環前之X射線繞射輪廓。 圖H(a)、i4(b) '14(c)與14(d)分別為實施例6_9 錫矽薄膜循環前之X射線繞射輪廓。 ^ 圖1 5 a係實施例1所述濺鍍沉積鋁矽電極之充電/電壓曲 , 之差分電壓。 之充電/電壓曲 之差分電壓。 叫丄-。I施例1所地㈣观沉檟鋁矽 圖1 6 a係實施例7所述濺鍍沉積錫矽 線。 圖1 6 b係實施例7所述濺鍍沉積錫矽 發明詳細說曰月 本發明福寫電極材料與包括 尤其適於作為 電極組合物,其 4電極材料具有二種以上
4 6 9G G 案號 88111524 和年彡月上0曰 修正 五、發明說明(6) 電化學金屬元素,而且其特徵係一種微結構,其中之此等 元素呈混合物形式。該混合物不會產生一種可辨視X射線 或電子繞射圖型,而且實質上沒有大型晶疇(例如規格為 1 0 0 0埃或以上者)。通常,該晶疇大小愈小,該材料之電 化學性該愈佳。 適用之電化學活性金屬元素實例描述於上述發明總結 中。特佳者係U)元素鋁與元素矽以及(b )元素錫與元素矽 之組合。 較製備該電極材料之較佳方法係濺鍍作用,其中將此等 電化學活性元素連續濺鍍塗覆於一基板(例如一銅基板) 上,形成呈薄膜形式之電極材料。該電極包括此等元素之 一的濺鍍沉積前層以及此等元素之一的濺鍍沉積覆蓋層為 佳。通常,將該基板置於接近額定25英吋直徑轉盤邊緣, 其於兩個6英吋直徑連續操作之磁控管濺鍍源下連續旋 轉。當該基板通過第一濺鍍源下時沉積一層材料,當該基 板通過第二濺鍍源下時,沉積一層第二種材料。 該電極材料特別適於作為鋰蓄電池之陽極。可以使用該 電極材料或是與其他材料例如碳、石墨、聚合物黏合劑、 低電壓氧化物、氮化物等併用形成電極組合物◊該電極材 料或是組合物與一種電解質以及一個陰極(該對電極)結合 製備一個電池。該電解質可為一種固態或是液態電解質。 固態電解質實例包括聚合電解質,諸如聚氧化乙烯、氧化 乙稀-氧化丙稀共聚合物、含氟共聚合物以及其組合物。 液態電解質實例包括碳酸次乙酯、碳酸二乙烯酯、碳酸丙 烯以及其組合物。該電解質具有一種鋰電解質鹽。適用鹽
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五、發明說明(7) 類=實例包括UPF6、LiBF4#Licl〇4。 、uf態if.解質電池用之適用陰極組合物實例包括LiCo〇 2ffl h k〇”Nlu〇2與1^"71^1·93〜。含固態電解質電池用之適 合物實例包括 Liv308、Liv2 05、Liv301^LiMn02。 實施g將u下列實施例方式進一步敘述本發明。 濺鍍製程 連二 3 i f 良1"61^111-511"161' Randex 24 0 0 _8SA 型錢鍵系統 Λ a t e '又製備薄膜形式之電極材料。以加州聖地牙哥之 巷周Science所銷售的6英吋直徑dc磁控鈉濺鍍源代 f i i t、/寸直徑Γ f濺鍍源。使用以恒流模式操作之直流 ^ ^ ^ 供應器Advanced Energy MDX~ 1 0型對於濺鍍源 .. °以—個步進馬達代替Randex系統之轉盤驅動元 二整=二良旋轉速度範圍與控制力β以一個有支架習用旋 轉,輪泵^撐之無制止油擴散泵泵唧該系統。 30毫托耳範圍之氬壓力下進行濺鍍作用。藉由控制 =^流以及置於該擴散泵上之百葉窗型電導限制器保持該 、使用雙面黏合膠帶(3M Brand Υ9415,由ΜΝ聖保羅之3Μ 公司所售)將一張銅箔(厚度為〇. 〇〇1英吋)黏合於Randex系 統之水冷式基板轉盤。關閉該系統,並泵唧至通常低於1 ί 1〇5托耳基本壓力(沉積前之基本壓力並不嚴苛)。某些 實例中’於沉積前使用R a n d e χ系統之,,濺鍍蝕刻”模式蝕刻 該樣本’其係於濺鍍室中對該基板轉盤提供13.56百萬赫 功率以及8毫托耳之氬壓力。此製程使得可以適量能量氬
_案號88111524_年$月日 修正_ 五、發明說明(8) 離子(100-150 eV)撞擊該銅箔表面,進一步清潔該銅並確 使該濺鍍薄膜與該銅箔表面之良好黏合性。代表性清潔循 環係1 5 0瓦3 0分鐘,於該循環期間使該基板檯旋轉。 蝕刻之後,使用位於濺鍍源與銅基板間之機械性閘板啟 動濺鍍源。此方式消除來自該濺鍍源表面之污染物,使彼 不會沉積於基板表面。其次,於該基板上沉積由習知相同 單一材料製得之”前層"。其次,以預定電流水準啟動兩個 濺鍍源,並且開始沉積。適當沉積時間之後,關閉一或兩 個濺鍍源。然後沉積習知相同之單一材料”後層",之後使 該系統通風並移開該樣本。 根據上述製程製備九種薄膜(相當於實施例1 - 9 )。濺鍍 條件總結於下表I。表I中,"電流"係指個別濺鍍源之電流 水準,以安培計。"壓力M係指濺鍍室中之氬壓力,後毫托 耳計。"進行時間”係指沉積(前層與後層除外)所需之時 間。
O:\59\59067.ptc 第11頁 案號 88111524 曰 修正 五、發明說明(9)
表1 實施 例 材料 電流 A 旋轉 RPM 壓力 毫托耳 進行時 間分鐘 前層 時間 分鐘 後層 時間 分鐘 蝕刻 時間 1 A1 1,5 38 15 100 A1 1 30 Si 1.5 Si 2.5 2 A1 3 38 15 50 A1 0.5 30 Si 3 Si 1 3 A1 3 38 15 50 A1 0.5 30 Si 2.5 Si 1.5 4 A1 3 3 8 15 50 A1 0.5 30 Si 2.0 Si 2 5 A1 3 38 15 45 AI 0.5 30 Si 1.5 Si 2.5 6 Sn 0.2 38 15 80 無 30 si 1 Si 5 7 Sn 0.4 38 15 60 無 30 Si 1 Si 5 實施 材料 電流 旋轉 壓力 進行時 前層 時間 後層 時間 蝕刻 例 A RPM 毫托耳 間分鐘 分鐘 分鐘 時間 8 Sn 0.55 38 15 60 無 30 Si 1 Si 5 9 Sn 0.75 38 15 45 無 30 Si 1 Si 5 第12頁 O:\59\59067.ptc 469661
微結構以及此等薄膜 之循環 案號 88111524 五、發明說明(10) 下文進一步描述該組合物 表現。 化學組成 成使:Ϊ ί Ϊ正實ί測得以重W或是體積%計之化〜 ^ ^亥實驗中以一種固定電流操 匕干組 度。以假設任何-種:f量所形成樣本之厚 Ά Μ料之總厚度輿沉稽雷# ^ 間呈線性比例之校正實驗&且 、 ;,L 及沉積時 使 膜之微 j : j =::值自該體積。計算重3量;值本之體積X。使 用透射電子顯微鏡(ιιΤϋ)[|,,、ικ. , ^ 微結構。此技術使用)檢視循環前該濺鍍電極薄 或厚度之空間變化所構、化學組成及/ 構影像。si為用以形成此箄^ η: f化產生該微結 ^ _ 战此荨影像之輻射係由極短油且a ^ 犯電子組成,在兩解析度電子顯微鏡(HREM)影 2 以獲得原子規格之資料。此外,此等電子與該樣ζ ί ,用產生有關結晶結構(電子繞射)與局部化學組成㈠射線 微分析)之資料’其可以補充該影像中所含之資料。 循環之前’以該薄膜之徑向方向(即沿藉該薄膜徑向方 向進行切片)或是垂直方向(即沿藉該薄膜切向方向切片) 裁切該薄膜’自該濺鍍薄臈製備樣本◊然後將該經裁切木^ 本包於3Μ ScotchcastTM電樹脂#5(由ΜΝ聖保羅之3站公^戶 售)並超薄切片,製得薄度足以TEM檢視之薄切片。額定切 片厚度為24毫微米。 用以求得微結構資料之TEM儀器係日立H 9 0 0 0 -NAK透射
O:\59\59067.ptc 第13頁 4 6 96 6 _案號 88111524__年 9 月 日_^___ 五、發明說明(11) 子顯微鏡,其以3 0 0仟伏之加速電壓操作。其可以達到 1 . 7 5埃之點對點解析度以及1 6埃之X射線微分析用微探針 解析度。該微分析儀係由NOR AN VOYAGER I I I組成。以一 種GAT AN慢速掃描0(:1)(電荷偶合裝置)照相機進行直接數位 影像探測以及定量長度測量。使用具有成像與1 · 4埃微分 析作用二者解析度限制之JEOL 2010-F場致放射TEM/STEM 產生Z對比影像° 循環表現 厂·' 以一個直徑為7.1毫米(1225硬幣式電池)或是16毫米 (2 3 2 5硬幣式電池)之模自該濺鍍薄膜裁切電極。然後製備 兩種試驗用電池。第一種(一種半電池)中’該濺鍍薄膜形 成陽極,而且鋰箔(約30微米厚,由WI密瓦耳基之Aldrich Chemical Co.所售)形成1225硬幣式電池之陰極。第二種 (一種全電池)中,該錢鍵薄膜形成該陽極’而含L i C 〇 02組 合物形成2 3 2 5硬幣式電池之陰極。該含L i C〇02組合物係混 合 83 重量% LiCo02(由 Nippon Chemical Cellseed所售’ 命名為,,C-10")、7重量%氟聚合物黏合劑(由Atochem 所售,命名為"Kynar 461")、7·5 重量 %KS-6 碳(由 Timcal 所售)以及2.5重量%Super P碳(由MMM Carbon所售)製得》 這兩種電池係由5 0微米厚之聚乙烯隔板製得。所有電池 中之電解質係1莫耳之L i PF6 ’其係碳酸次乙酯與碳酸二乙 酯之1 : 1體積/體積混合物。隔板係用以作為電流收集器以 及裝填該電池中之凹陷區。該半電池中使用銅或不銹鋼隔 板,而該全電池中使用鋁隔板。 使用MACC0R循環器測量此等電池之電化學性能。恒定電
O:\59\59067.ptc 第14頁 Λ 6 9 6 6 1 ___案-號_ 881U524_fo牟今月-曰_修正_ 五、發明說明(12) 流充電與放電用之循環條件通常設為C / 3速率(0 . 5毫安培/ 平方厘米)’其代表性斷路電壓為〇 5毫伏與14伏。該陽 極係一種鐘箔時,將電荷回復性或去鋰化能力除以鋰化能 力’是為該庠侖效率。該陽極係濺鍍薄膜時,以該放電容 量相對於充電容量之比率測量庫命效率。 X射線繞射 使用Siemens D5000繞射儀以及Siemens的 Kristall〇flex 805 D500繞射儀收集繞射圖型,二者均備 有銅標的X射線繞射管以及繞射光束單色儀。將約2平方厘 米之薄膜安裝於該樣本支架上。收集散射角度介於10度與 8 0度間之資料β 將所有濺鍍沉積樣本置於一個銅基板上,在特定凝散射 角度下該基板產生一連串可確認散射尖峰。尤其是,該銅 基板產生分別相對於Cu( 1 1 1 )、Cu( 2 0 0 )以及Cu( 2 2 0 )之43. 30度、50. 43度以及74. 13度散射角度之尖峰。 現在描述製備方法以及特定濺鍍電極薄膜之特性。 實施例1 在表I所示條件下,藉由濺鍍沉積製備含6 4重量%鋁以及 3 6重量%矽之薄獏。以3 2 0埃/分鐘之速率濺鍍沉積該鋁, 並以2 1 0埃/分鐘之速率濺鍍沉積矽。該薄膜包含6 0體積% 鋁與4 0體積%矽,其係以此等濺鍍速率為基準計算。該薄 膜厚度為4. 7微米,而該薄膜密度約2.5克/立方厘米:該 薄膜具有約5 3 0埃厚之純矽前層以及約3 1 0埃厚之純鋁後 層。 該濺鍍薄膜之循環前X射線繞射圖型示於圖1 3 ( a )。該圖
O:\59\59067.pic 第15 I 案號 88111524 %年彡月m a .......... 瞧·Ι .1^.__·*** 五、發明說明(13) 修正-
型顯不沒有^ =狀矽之訊號,以及—個於38· 5度之 晶鋁訊號。平均鋁顆粒大小約為80埃,係由38 5度 寬度計算得到》沒有相當於含鋁與含矽化合物之尖穴峰 該薄膜循環前之TEM與電子繞射分析揭露出該微結 括11. 1體積%之結晶铭粒子以及88, 9體積%之铭與砂原子i 該結晶鋁粒子之平均大小為1 4_ 0毫微米乘l 6毫微米',平° 均縱橫比為1 4 2。該結晶|g粒子優先朝該薄膜平面定向。 電子繞射圖型表示存在兩相微結構《其中一相係由妹: 鋁組成,如環形圖型中之明顯斑點所示,其表示2. 3 4、f 0 2、1 _ 4 3與1. 2 2埃之鋁間距,其依序分別相當於鋁之面心 立方結晶結構(111)、( 20 0 )、( 22 0 )與(3 11)晶格間距。$ 二相具有極小鋁與矽晶疇之混合物,其特徵係寬廣之擴 環形圖型,暗示沒有有序結晶材料。該晶疇大小不大於2 〇 埃。 、 如上述’使用特徵係一種鋰箔陽極以及濺鍍薄膜作 極(半電池排列)之1 2 2 5硬幣式電池試驗該電極薄膜之彳盾環 表現。該電池第一次放電係以0 ‘ 5毫安培/平方厘米之恒定 電流放電至5毫伏’然後以彳旦定電壓(5毫伏)放電至電流落 至50微安培/平方厘米。初始放電(鋰化作用)比容量約爪 2 1 0 0毫安培小時/克。為作對照,以該薄膜重量%為基準, 並假設紹與1個Li/Al原子反應,而梦與4.4個Li/Si原子反 應,計算該電池理論比容量為2 1 6 〇毫安培小時/克。 然後將該電池置於使用〇 5毫安培/平方厘米電流與5毫 伏與0.9伏之斷路電壓之充電與放電循環條件下。該電池 之可逆比容量與庫侖效率示於圖1。結果顯示該電極薄膜
Ά a 修正 案號 88111524 五、發明說明(14) 以大於7 0 0毫安培小時/克可读描傅s r Γ 率大於99.0%。 兄了逆痛環至少500次,其庫侖效 循環5次至循環75次之充雷/仿 曲線示於圖1 5。該資料顯示循環 垄曲線以及差分電壓 顯改變’而且其容量適用於廣泛化學表現並無明 使用一種濺鍍薄膜作為陽極 為陰極構成上述全電池。ί =二3二=含“。〇2組>合物作 同,但是濺鍍作用總共進行2 25"^ 、\θ上述濺鍍薄膜相士 膜。以該陰極L ic〇02部分之重》刀里付·1 〇 7微米厚之薄 計算,該全電池之鍍薄膜之重量為基準 培/平方厘米之恒定充電與放電電士。’以〇,5毫安 環。 妈狄電電流在1 . 8與4 · 2伏之間循 該電池之比容量與庫侖效率示 電容量係148毫安培小時/古品拉f , C 〇2第充 I二昙命克。第一循该之不可逆容量為24%。該鋁矽陽極之 1 了ϊ . rj吏用經^為陽極上述硬幣式電池所獲得結果相 ‘合』J i,比容量保持100毫安培小時/克,其係此材料 該結果顯示鋁矽組合物可作為電化學電池之陽極,並與 一種通常用於鋰離子電池之陰極材料(11(:〇02)併用。該電 士保持約99. 0%之庫侖效率而且容量衰減極小(約〇. 1%/循 裱)狀態保持至少1 2 〇次循環β 實施例2 在表I所示條件下,藉由濺鍍沉積製備含64重量%鋁以及 36重量矽之薄膜。以640埃/分鐘之速率濺鍍沉積該鋁,並
O:\59\59067.ptc 第17頁 η 修正 a 案號 88111. 五、發明說明(15) = 42 0埃/分鐘之速率濺鍍沉積矽。該薄膜包含6〇體積% 與4 0體積%矽,其係以此等濺鍍速率為基準計算。該 厚度為5.2微米’而該薄膜密度約2. 6克/立方厘米。玆 臈具有約4 2 0埃厚之純矽前層以及約3 2 〇埃厚之純鋁後\'。 該賤鍵薄膜之循環前χ射線繞射圖型示於圖丨3 ( b ) β ^ ,顯示無結晶狀矽之訊號,以及於38. 5度之廣泛結晶g 號。平均鋁顆粒大小約為8 0埃,係由3 8 5度之尖峰寬户: 算得到。無相當於含鋁與含矽化合物之尖峰β此外,^十 型與實施例1所獲得圖型間並無明顯差異。 如上述,使用特徵為一種鋰箔陽極以及濺鍍薄骐作 極(半電池排列)之1 2 2 5硬幣式電池試驗該電極薄膜之彳盾; 表現。該電池第一次放電係以〇 . 5毫安培/平方厘米之 電流放電至5毫伏,然後以恒定電壓(5毫伏)放電至 , 至5 0微安培/平方厘米。初始放電(鋰化作用)比容量約/,L洛 2 1 0 0毫安培小時/克β為作對照,以該薄膜重量%為基 並假s史巧與1個L i / A 1原子反應,而矽與4 _ 4個[丨/ s丨原 應,計算該電池理論比容量為2160毫安培小時/克β 、然後將該電池置於使用0.5毫安培/平方厘米電流與5 伏與1.0伏之斷路電壓之充電與放電循環條件下。該 之可逆比容量與庫侖效率示於圖3β 他 實方包存1J 3 在表I所示條件下,藉由濺鍍沉積製備含68重量% 3 2重直矽之薄膜。以6 4 〇埃/分鐘之速率濺鍍沉積該鋁 = 3 5 0埃/分鐘之速率濺鍍沉積矽β該薄膜包含65體’並 與35體積%矽,其係以此等濺鍍速率為基準計算。該積=鋁
J號 88l〗1R9d 五、發明說明(16) 2年今月 曰 厚度為5.1微米,而該薄膜密度約"克/立 膜:有約5?0埃厚之純矽前層以及約32〇埃厚之純鋁:層。 i濺鍍薄膜之循環前x射線繞射圖型示 卩 ^ Ϊ顯之訊號,以及於38_5度之=晶= 號千均銘顆粒大小約為8 0埃,係由3 8 . 5度之尘痊官声舛 算得到。無相當於含鋁與含矽化合物之尖峰。 Α β 如上述,使用特徵為一種鋰箔陽極以及 ;見二排Λ)之122J硬幣式電池試驗該 表現。泫電池第一次放電係以〇 . 5毫安培/平方厘 電流放電至5毫伏,然後以恒定電壓(5毫伏)放電^電&落 至50微安培/平方厘米。初始放電(鋰化作用)比容量約 2100毫安培小時/克。為作對照,以該薄膜重量%為基 並假設鋁與1個Li/Al原子反應,而矽與 應,計算該電池理論比容量為2丨6 〇毫安培小時/克。 然後將該電池置於使用〇. 5毫安培/平方厘米電流與5 伏與0 · 9伏之斷路電壓之充電與放電循環條件下。該電池 之可逆比容量與庫侖效率示於圖4。此等結果與實施 述薄臈實例獲得之結果類似。 " 循環5至循環7 5之充電/放電電六曲線以及差分電塵曲 示於圖1 5 ^該資料顯示循環期間之電化學表現並無明顯改 變’而且其容量適用於廣泛電壓範圍。 ’ 使用一種濺鍍薄膜作為陽極以及一種含L i c〇〇2组合物作 為陰極構成上述全電池。該濺鍍薄膜與上述濺鍍薄膜相 同’但疋藏鍵作用總共進行90分鐘製得9. 6微米厚之薄 膜》以該陰極LiC 〇02部分之重量與濺鍍薄膜之重量為基準
O:\59\59067.ptc 第 19 頁 46 ^BSi ~88111524 ^ 和年 5 月二0 曰 修正 發明說明(Π) 「該全電池之質量平衡係7.1:1。然後,以0.5毫安培 環。厘米之恒定充電與放電電流在丨· 8與4· 2伏之間循 =,池之比容量與庫侖效率示於圖5。1^(:〇〇2之第一充 =了 =係160毫安培小時/克,而陽極魅矽材料為12〇〇毫安 二i t克。第一/環之不可逆容量為20%。該紹破陽極之 令置與使用鋰珀作為陽極上述硬幣式電池所獲得結果相 /lCo〇2之比容量保持11〇毫安培小時/克,其係此 夂合理容量。 一该結果顯示紹矽組合物可作為電化學電池之陽極,並俶 二^通常用於鋰離子電池之陰極材料(Lic〇〇2)併用β該電' '、持約9 9 _ 0 %之庫侖效率而且容量衰減極小(約〇 . 1 %/循 壤)狀態保持至少1 0 0次循環。 在表I所示條件下,藉由濺鍍沉積製備含7 3重量%鋁以及 7重量矽之薄膜。以640埃/分鐘之速率濺鑛沉積該鋁,並 以280埃/分鐘之速率濺鍍沉積矽。該薄膜包含7〇體積%鋁 與3 0體積%矽,其係以此等濺鍍迷率為基準計算。該薄膜 厚度為4. 7微米’而έ玄薄膜密度約2.6克/立方厘来。該薄 膜具有約5 6 0埃厚之純妙前層以及約3 2 0埃厚之純鋁後層。 該濺鍍薄膜之循環前X射線繞射圖型示於圖1 3 ( d )。該圖 型顯示無結晶狀矽之訊號’以及於3 8 . 5 (相當於A 1 ( I I I)) 度與44, 7度(相點於Al( 20 0 ))之廣泛結晶鋁訊號》平均鋁 顆粒大小約為1 0 0埃,係由3 8 · 5度之尖峰寬度計算得到。 無相當於含鋁與含矽化合物之尖峰。
O:\59\59067.ptc 第20頁 469661 銮號 88111524_%年·^月日_修正 _ ------- ---*.......... ..— 五、發明說明(18) 如上述,使用特徵為—種鋰箔陽極以及濺鍍薄膜作為陰 極(半電池排列)之1 2 2 5硬幣式電池試驗該電極薄膜之循王衷 表現β該電池第一次放電係以〇·5毫安培/平方厘米之愷定 電流放電至5毫伏,然後以恒定電壓(5毫伏)放電至電流落 至50微安培/平方厘米。初始放電(鋰化作用)比容量約 1 9 5 0毫安培小時/克。為作對照,以該薄膜重量%為基準, 並假設鋁與1個Li/Al原子反應,而矽與4,4個Li/Si原子反 應,計算該電池理論比容量為1 8 7 5毫安培小時/克。 然後將該電池置於使用〇 _ 5毫安培/平方厘米電流與5亳 伏與0.9伏之斷路電壓之充電與放電循環條件下。該電池 之可逆比容量與庫侖效率示於圖6。此等結果顯示該薄膜 至7 0次循環時提供良好容量保存性,7 0次循環之後容量開 始衰減,而且庫侖效率降至9 9%以下。 實施例5 在表I所示條件下,藉由濺鍍沉積製備含7 8重量%鋁以及 22重量矽之薄膜。以640埃/分鐘之速率濺鍍沉積該鋁,並 以210埃/分鐘之速率濺鍍沉積矽。該薄膜包含75體積%在呂 與25體積%矽,其係以此等濺鍍速率為基準計算。該薄膜 厚度為3·9微米,而該薄膜密度約2.6克/立方厘米《該薄 膜具有約5 5 0埃厚之純矽前層以及約3 2 0埃厚之純鋁後層。 該濺鍍薄膜之循環前X射線繞射圖型示於圖1 3 ( e )。該圖 型顯示無結晶狀矽之訊號,以及於3 8 · 5度(相當於A 1 (111))與44_7度(相當於(人1 ( 20 0 ))之廣泛結晶鋁訊號。平 均鋁顆粒大小約為1 8 0埃,係由38 . 5度之尖峰寬度計算得 到。無相當於含鋁與含梦化合物之尖峰。
O:\59\59067.ptc 第21頁 _案號88111524_年妥月上0日 修正_ 五、發明說明(19) 該薄膜循環前之TEM與電子繞射分析揭露出該微結構包 括1 7 . 8體積?ή之結晶鋁粒子以及8 2 · 2體積%之鋁與矽原子。 該結晶鋁粒子之平均大小為1 9. 5毫微米乘11 . 5毫微米,平 均縱橫比為1. 6 4。該結晶鋁粒子優先朝向該薄膜平面定 向。 電子繞射圖型表示存在兩相微結構。其中一相係由結晶 鋁組成,如環形圖型中之明顯斑點所示,其顯示2. 3 4、2. 0 2、1, 4 3與1. 2 2埃之鋁間距,其依序分別相當於鋁之面心 立方結晶結構(11 1)、( 2 0 0 )、( 2 2 0 )與(3 1 1 )晶格間距。第 二相具有極小鋁與矽晶疇之混合物,其特徵係寬廣之擴散 環形圖型’暗不沒有有序結晶材料。該晶嘴大小不大於20 埃。X射線分散光譜揭露整體薄膜毫微規模水準之不均勻 度。 如上述,使用特徵為一種鋰箔陽極以及濺鍍薄膜作為陰 極(半電池排列)之1 2 2 5硬幣式電池試驗該電極薄膜之循環 表現。該電池第一次放電係以0 . 5毫安培/平方厘米之恒定 電流放電至5毫伏,然後以恒定電壓(5毫伏)放電至電流落 至5 0微安培/平方厘米。初始放電(鋰化)比容量約1 7 0 0毫 安培小時/克。為作對照,以該薄膜重量%為基準,並假設 鋁與1個L i / A 1原子反應,而矽與4. 4個L i / S i原子反應,計 算該電池理論比容量為1 6 5 0毫安培小時/克。 然後將該電池置於使用0. 5毫安培/平方厘米電流與5毫 伏與1.0伏之斷路電壓之充電與放電循環條件下。該電池 之可逆比容量與庫侖效率示於圖7。此等結果顯示至65次 循環時該薄膜提供良好容量保持性,6 5次循環之後該容量
O:\59\59067.ptc 第22頁 -塞莖一组111524 _ 年多月日 修正 五、發明說明(20) ~~ " ---— 開始衰減而且庫侖效率降至9 9 %以下。 實施例6 在^ 1所示*條件下,藉由濺鍍沉積製備含7 2重量%錫以及 28重量梦之薄臈。以丨40埃/分鐘之速率濺鍍沉積該錫,並 以1 10埃/分鐘之迷率濺鍍沉積矽。該薄膜包含45體 與5 5體積%碎,其係以此等濺鍍速率為基準計算。該薄膜 厚度為1 · 5微米,而該薄膜密度約4. 5克/立方厘米。該薄 膜具有約1 5 0埃厚之純發前層。其無後層。 該漱鍍薄膜之循環前X射線繞射圖型示於圖丨4 ( a )。該圖 型顯示無結晶錫、結晶矽或是含此等元素化合物之訊號。 如上述,使用特徵為一種鋰箔陽極以及濺鍍薄膜作為陰 極(半電池排列)之1 2 2 5硬幣式電池試驗該電極薄臈之循環 表現。該電池第一次放電係以〇 . 2 5毫安培/平方厘米之恒( 定電流放電至5毫伏,然後以恒定電壓(5毫伏)放電至電流 落至50微安培/平方厘米*初始放電(鐘化作用)比容量約 1 3 5 0毫安培小時/克。為作對照’以該薄膜重量%為基準, 並假設錫與4.4個Li/Sn原子反應,而;g夕與4.4個Li/Si原子 反應,計算該電池理論比容量為1 9 00毫安培小時/克。 然後將該電池置於使用0. 2 5毫安培/平方厘米電流與5毫 伏與1.4伏之斷路電、壓之充電與放電循環條件下。該電池 之可逆比容量與庫命效率示於圖8。此等結果顯示該薄膜 提供良好容量保存性以及高度庫侖效率高至少70次循環。 實施例7 在表I所示條件下’藉由濺鍍沉積製備含83重量%錫以及 17重量矽之薄媒。以225埃/分鐘之速率濺鍍沉積該錫,並
_案號88111524_ft>年今月上〇曰 修正_ 五、發明說明(21) 以1 4 0埃/分鐘之速率濺鍍沉積矽。該薄膜包含6 2體積%錫 與3 8體積%矽,其係以此等濺鍍速率為基準計算。該薄膜 厚度為1.9微米,而該薄膜密度約5.4克/立方厘米。該薄 膜具有約1 5 0埃厚之純矽前層。其無後層。 該濺鍍薄膜之循環前X射線繞射圖型示於圖1 4 ( b )。該圖 型顯示無結晶錫、結晶石夕或包含此等元素化合物之訊號。 該薄膜循環前之T E Μ與電子繞射分析揭露出該微結構包 括極小之錫與矽晶疇混合物。該微結構其他特徵係其無1 0 埃或以下規格之有序結晶材料。Ζ對比影像顯示與該薄膜 平面垂直之毫微米規格組成之對比標示變化。 如上述,使用特徵為一種鋰箔陽極以及濺鍍薄膜作為陰 極(半電池排列)之1 2 2 5硬幣式電池試驗該電極薄膜之循環 表現。該電池第一次放電係以0.5毫安培/平方厘米之恒定 電流放電至5毫伏,然後以恒定電壓(5毫伏)放電至電流落 至5 0微安培/平方厘米。初始放電(鋰化作用)比容量約 1 2 5 0毫安培小時/克。為作對照,以該薄膜重量%為基準, 並假設錫與4. 4個Li/Sn原子反應,而矽與4. 4個Li/Si原子 反應,計算該電池理論比容量為1 5 2 5毫安培小時/克。 然後將該電池置於使用0 . 5毫安培/平方厘米電流與5毫 伏與1 . 4伏之斷路電壓之充電與放電循環條件下。該電池 之可逆比容量與庫侖效率示於圖9。此等結果顯示該薄膜 提供良好容量保持性以及高度庫俞效率至少6 0次循環。 循環5次至循環7 5次之充電/放電電壓曲線以及差分電壓 曲線示於圖1 6。該資料顯示循環期間之電化學表現並無明 顯改變,而且其容量適用於廣泛電壓範圍。
O:\59\59067.ptc 第24頁 469661 案號88111524_ft年今月 修正 五、發明說明(22) 實施例8 在表I所示條件下,藉由濺鍍沉積製備含 13重量石夕之薄膜。以310埃/分鐘之迷率濺鍍沉重積該以及 以140埃/分鐘之速率濺鍍沉積矽β該薄 ^踢’並 與3 1體積%矽,其係以此等濺鍍速率為基準3 積^踢 厚度為2.3微米’而該薄膜密度約5.8克/立方厘米^薄膜 膜具有約1 5 0埃厚之純矽前層。其無後層。 °該薄 該濺鍍薄膜之循環前X射線繞射圖型^於圖丨4 ( c ^ 型顯示無結晶矽訊號以及於3 1度之結晶錫廣泛訊號[該圖 如上述,使用特徵為一種鋰箔陽極以及濺 °蹬^ f (半電池排列)之1 2 2 5硬幣式電池試驗該電‘薄膜:^ 表現。該電池第一次放電係以〇. 5毫安培/平方厘 =環 電流放電至5毫伏,然後以恒定電壓(5毫 ^ = 至50微安培/平方厘米。初始放電(趣化作用)比容量電机洛 0宅安培小時/克。&作對肖’以該薄膜重 基 設^,4.4個Li/SU子反應,而石夕與44個u/SiJ子 反應,計异該電池理論比容量為1 4〇〇毫安培小時/克。 广 1後將該電池置於使用〇. 5毫安培/平方^米電流與5毫 伏與1.4伏之斷路電壓之充電與放電循環條件下。該電池 ^可,比容量與庫侖效率示於圖1〇。此等結果顯示該薄膜 提供良好容量保存性以及高度庫侖效率高至少?〇次循環。 使用一種濺鍍薄膜作為陽極以及—種含uc〇〇2組合物作 為陰極構成上述全電池。該濺鍍薄臈與上述濺鍍薄膜相 同,但是濺鍍作用總共進行110分鐘製得5·3微米厚之薄 膜。以該陰極Li C〇02部分之重量與濺鍍薄膜之重量為基準
1 46 96 五 索號 88111524 、發明如月(23) 月二b曰 修正 計算 該全電池之質量平衝係6_ 環 平方厘米之恒定充 然後,以0 . 5毫安培 電與放電電流在1_ 8與4. 2伏之間循 電ίϊ池之比容量與庠侖效率示於圖11。Li Co〇之第一充 培小時/克。第一循if ? / 而刼極錫矽材料為100〇毫安 比容量ΛΛΛΛΙ可逆容量為4%。該錫…之 似。LiCo〇2之比容ί上^硬幣^電池所獲得結果相 之合理容^。 保持1 30毫安培小時/克’其係此材料 物可作為電化學電池之陽極,並與 ,^常用於鋰離子電池之陰極材料(LiCo〇2)併用。該電 ί) 效率而且容量衰減極小(約〇·1%/循 環)狀態保持至少6 0次循環^ 卿 實施你 ,^ I所示條件下濺鍍沉積製備含9〇重量%錫以及ι〇重量 =之薄膜。以4 20埃/分鐘之速率濺鍍沉積該錫,並以14〇 =/为鐘之速率濺鍍沉積矽,該薄膜包含75體積%錫與25體 積X矽,其係以此等濺鍍速率為基準計算。該薄膜厚度為 2. 1微米,而該薄膜密度約6. 〇克/立方厘米β該薄膜具有 約1 5 0埃厚之純矽前層。其無後層。 、 該濺鑛薄膜之循環前X射線繞射圖型示於圖14(d)。該圖 型顯示無結晶矽訊號以及於3 〇 . 6度(相當於(s η ( 2 0 0 )、 32·0 度(相當於 Sn(101)、43_9 度(相當於311(;220)以及 44.9 度(相當於Sn(211))之結晶錫訊號β無相當於含錫與含石夕 化合物之尖_峰。
O:\59\59067.ptc 第26胃 469661 修正 _案號 88111524 五、發明說明(24) 如上述,使用特徵為一種鋰箔陽極以及濺鍍薄膜作為陰 極(半電池排列)之1 2 2 5硬幣式電池試驗該電極薄膜之循環 表現β該電池第一次放電係以0 . 5毫安培/平方厘米之恒定 電流放電至5毫伏,然後以恒定電壓(5毫伏)放電至電流落 至50微安培/平方厘米。初始放電(鋰化作用)比容量約 1 1 5 0毫安培小時/克。為作對照,以該薄膜重量%為基準, 並假設錫與4. 4個L i / S η原子反應,而矽與4 . 4個L i / S i原子 反應,計算該電池理論比容量為1 3 0 0毫安培小時/克。 然後將該電池置於使用0 . 5毫安培/平方厘米電流與5毫 伏與1.4伏之斷路電壓之充電與放電循環條件下。該電池 之可逆比容量與庫侖效率示於圖12。此等結果顯示該薄膜 提供良好容量保存性以及高度庫侖效率高至少3 0次循環。 其他具體實例在申請專利範圍内。
O:\59\59067.ptc 第27頁 469661 _案號88111524 y。年夕月^日 修正 圖式簡單說明 第28頁 O:\59\59067.ptc
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- 469661 案號88111524 扣年汐月^>曰 修正
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