TWI536640B

TWI536640B - 用於沈積活性材料之模板電極結構

Info

Publication number: TWI536640B
Application number: TW100120247A
Authority: TW
Inventors: 吉雷Ｅ洛維尼斯; 威廉Ｓ迪哈吉; 雷爾法夏尹; 韓松; 劉祖琴
Original assignee: 安普雷斯公司
Priority date: 2011-03-02
Filing date: 2011-06-09
Publication date: 2016-06-01
Also published as: TW201238125A

Description

用於沈積活性材料之模板電極結構

人們對高容量之可再充電電池之需求係強烈的且每年變得愈加強烈。許多應用(諸如，航空太空、醫療器件、攜帶型電子設備及汽車應用)需要按重量及/或體積計為高容量的電池。鋰離子電極技術在此領域中提供了一定程度的改良。然而，迄今為止，鋰離子電池主要係由石墨製造，其理論容量僅為372 mAh/g。

矽、鍺、錫及許多其他材料由於其高的電氣化學容量而為具吸引力的活性材料。舉例而言，矽之Li_4.4Si相的對應理論容量為約4200 mAh/g。然而，此等材料中之許多材料尚未廣泛用於商業鋰離子電池中。一原因在於，此等材料中的一些材料之體積在循環期間展現大的改變。舉例而言，矽在充電至其理論容量時體積會增大多達400%。此量值之體積改變可引起活性材料結構中的大應力，從而導致破裂及粉碎、電極內之電連接及機械連接損失，以及容量衰退。

習知電極包括用以將活性材料固持於基板上之聚合物黏合劑。大多數聚合物黏合劑並非足夠有彈性的以適應一些高容量材料之大的體積增大。結果，活性材料粒子傾向於彼此分離且與集電器分離。總之，需要電池電極中之高容量活性材料的改良之應用，其將上文所述之缺點減至最少。

提供電氣化學活性電極材料、使用此等材料之電極，及製造此等電極之方法的實例。電氣化學活性電極材料可包括含有一金屬矽化物之一高表面積模板，及沈積於該模板之上的一高容量活性材料層。該模板可充當用於該活性材料之一機械支撐件，及/或在該活性材料與例如一基板之間的一電導體。歸因於該模板之該高表面積，甚至該活性材料之一薄層亦可提供足夠的活性材料負載及相應之每表面積的電極容量。因而，該活性材料層之厚度可維持於其破裂臨限值以下，以在電池循環期間保持其結構完整性。該活性層之厚度及/或組合物亦可經特定輪廓化，以減小在基板界面附近之體積增大且保留此界面連接。

在某些實施例中，一種用於一鋰離子電池中之電氣化學活性電極材料包括：一奈米結構化模板，其含有一金屬矽化物；及一電氣化學活性材料之一層，其塗佈該奈米結構化模板。該電氣化學活性材料經組態以在該鋰離子電池之循環期間接納及釋放鋰離子。此外，該奈米結構化模板可促進電流至及自該電氣化學活性材料之導電。一電氣化學活性電極材料亦可包括形成於該電氣化學活性材料之該層之上的一殼層。該殼層可包括碳、銅、聚合物、硫化物及/或金屬氧化物。

該奈米結構化模板中之一金屬矽化物的實例包括矽化鎳、矽化鈷、矽化銅、矽化銀、矽化鉻、矽化鈦、矽化鋁、矽化鋅及矽化鐵。在一特定實施例中，一金屬矽化物包括在Ni₂Si、NiSi及NiSi₂當中之至少一不同的矽化鎳相。一電氣化學活性材料可為結晶矽、非晶矽、氧化矽、氮氧化矽、含錫材料、含鍺材料及含碳材料。一電氣化學活性材料可具有至少約500 mAh/g，或更特定言之至少約1000 mAh/g之一理論鋰化容量。具有此等容量之活性材料可被稱為「高容量活性材料」。在某些實施例中，一電氣化學活性電極材料可用於製造一正電極。正電氣化學活性材料之實例包括呈LiMO₂形式之各種活性組份，M表示具有平均氧化狀態為3的一或多個離子。此等離子之實例包括釩(V)、錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)及鎳(Ni)。非活性組份可呈Li₂M'O₃形式，M'表示具有平均氧化狀態為4的一或多個離子。此等離子之實例包括錳(Mn)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、釕(Ru)、錸(Re)及鉑(Pt)。其他正活性材料包括硫、矽酸鋰鐵(Li₂FeSiO₄)、六價鐵鈉氧化物(Na₂FeO₄)。

在某些實施例中，該電氣化學活性材料之一層經摻雜以增大該等活性材料之導電性。摻雜物之一些實例包括磷及/或硼。在某些實施例中，一奈米結構化模板包括含矽化物之奈米線。該等奈米線之長度平均而言可介於約1微米與200微米之間，及/或其直徑平均而言小於約100奈米。該電氣化學活性材料之一層之厚度平均而言為至少約20奈米。在此等或其他實施例中，該活性材料對該模板之一質量比為至少約5。

在特定實施例中，該電氣化學活性材料之一層包括非晶矽。此層之厚度平均而言可為至少約20奈米。此外，一奈米結構化模板包括矽化鎳奈米線，其長度平均而言介於約1微米與200微米之間且直徑平均而言小於約100奈米。

亦提供一種用於一鋰離子電池中之鋰離子電極。在某些實施例中，一鋰離子電池電極包括一電氣化學活性電極材料，該電氣化學活性電極材料含有：一奈米結構化模板；及一電氣化學活性材料之一層，其塗佈該奈米結構化模板。該奈米結構化模板可包括一金屬矽化物。該模板可促進電流至及自該電氣化學活性材料之導電。該電氣化學活性材料可經組態以在該鋰離子電池之循環期間接納及釋放鋰離子。該電極亦可包括一集電器基板，該集電器基板與該電氣化學活性電極材料電連通。該基板可包括該金屬矽化物之一金屬。

在某些實施例中，該電極之一奈米結構化模板包括根附至該基板之奈米線。在一些狀況下，該奈米結構化模板之表面積對該基板之表面積的比率為至少約20。該基板可包括：一基底子層，其實質上不含該金屬矽化物之該金屬；及一頂部子層，其含有該金屬矽化物之該金屬。該基板可包括銅、鎳、鈦及/或不鏽鋼。一用於正電極之基板亦可包括鋁。

該電氣化學活性電極材料可包括具有自由末端及根附在基板上之末端的多個結構。此等多個結構中之每一者包括一奈米結構化模板及電氣化學活性材料。在某些實施例中，該電氣化學活性材料塗佈(至少部分地)該等模板。該活性材料層沿著該模板之高度(例如，沿著一奈米線模板之長度)可具有一變化之厚度及/或組合物。在一特定實施例中，該活性材料在該等結構之該等自由末端處的厚度為在該等根附在基板上之末端處之厚度的至少兩倍。在相同或其他實施例中，該電氣化學活性材料包括非晶矽及鍺。該材料在該等結構之該等自由末端處比在該等根附在基板上之末端處可具有更多的矽及更少之鍺。

亦提供一種製造用於一鋰離子電池中之一鋰離子電池電極的方法。在某些實施例中，一方法包括：接收一基板；在該基板之一表面上形成含有一金屬矽化物之一奈米結構化模板；及在該奈米結構化模板上形成一電氣化學活性材料之一層。該電氣化學活性材料經組態以在該鋰離子電池之循環期間接納及釋放鋰離子。該奈米結構化模板經組態以促進電流至及自該電氣化學活性材料之導電。此外，該模板對該電氣化學活性材料提供結構支撐，如下文進一步所述。

在某些實施例中，一方法亦包括在形成該金屬矽化物模板之前處理該基板。此處理可涉及以下技術中之一或多者：氧化、退火、還原、粗糙化、濺鍍、蝕刻、電鍍、反電鍍、化學氣相沈積、氮化物形成，及沈積一中間子層。一方法亦可包括在該基板之該表面上形成一金屬組件，使得該金屬組件之一部分係在形成該金屬矽化物時消耗。

在某些實施例中，形成該奈米結構化模板包括使一含矽前驅體流動於該基板之該表面之上。一方法亦可包括摻雜該等電氣化學活性材料。一方法亦可包括在該電氣化學活性材料之該層之上形成一殼層。該殼層可包括以下材料中之一或多者：碳、銅、聚合物、硫化物、氟化物及金屬氧化物。

在某些實施例中，該方法亦涉及在形成該電氣化學活性材料之該層之前，在該奈米結構化模板之上選擇性地沈積一鈍化材料。該鈍化材料可包括個別結構，該等個別結構形成一層且在此等結構中間具有離散間距。

在某些實施例中，形成該電氣化學活性材料之該層係在一大量輸送狀態(mass transport regime)下執行，使得與該奈米結構化模板之自由末端處相比，一實質上較低濃度之一活性材料前驅體在該基板之該表面處可用。該方法亦可涉及在形成該電氣化學活性材料之該層的同時，改變活性材料前驅體之該組合物。此可允許(例如)上文所述之漸變鍺/矽奈米結構的產生。

下文將參看特定圖式進一步描述此等及其他特徵。

奈米結構(且詳言之奈米線)係針對電池應用的令人激動之新材料。已提出，高容量電極活性材料可部署為奈米結構，且在不犧牲電池效能之情況下使用。甚至是(諸如)藉由矽所觀察到之在鋰化期間的較大之體積增大亦不會使奈米材料之結構完整性惡化(由於其小的大小)。換言之，與習知電極形態相比，奈米結構擁有高的表面積對體積比。另外，高的表面積對體積比提供來自電解質之電氣化學活性離子可直接接近的較大分率之活性材料。

本文參考奈米線描述各種實施例。然而，應理解，除非另外規定，否則本文對奈米線之參考意欲包括其他類型之奈米結構，包括奈米管、奈米粒子、奈米球、奈米棒、奈米鬚，及其類似者。一般而言，術語「奈米結構」指代具有小於約1微米之至少一尺寸的結構。此尺寸可為(例如)奈米結構(例如，矽化物模板奈米線)之直徑、形成於模板之上之殼層的厚度(例如，非晶矽層之厚度)，或某其他奈米結構尺寸。應理解，最終經塗佈之結構之總尺寸(長度及直徑)中之任一者無需處於奈米尺度。舉例而言，最終結構可包括奈米層，該奈米層之厚度為約500奈米且塗佈於直徑為約100奈米且長度為20微米的模板之上。儘管此整體結構之直徑為約1.1微米且長度為20微米，但由於模板及活性材料層之尺寸，其可一般被稱為「奈米結構」。在特定實施例中，術語「奈米線」指代具有位於伸長之模板結構之上的奈米尺度殼層的結構。

奈米線(作為奈米結構之特定狀況)具有大於1、通常至少約2且更常常至少約4之縱橫比。在特定實施例中，奈米線具有至少約10且甚至至少約100之縱橫比。奈米線可使用其一較大的尺寸來連接至其他電極組件(例如，導電基板、其他活性材料結構或導電添加劑)。舉例而言，奈米線可為根附(root)在基板上的，使得奈米線中之大多數奈米線之一末端(或某其他部分)與基板接觸。因為兩個其他尺寸係小的且存在可用於膨脹之鄰近空隙體積，所以在鋰化(例如，位於矽化物模板之上之奈米殼層的膨脹)期間在奈米線中所積累的內部應力亦為小的且不會如在較大結構情況下發生一般分裂奈米線。換言之，奈米線之某些尺寸(例如，總直徑及/或殼層厚度)保持於所使用之活性材料的相應破裂等級以下。奈米線歸因於其伸長之結構(其對應於模板結構之高度)亦准許電極表面之每單位面積的高容量。此係由其相對高之縱橫比及至基板之端子連接引起。

沈積含有高容量材料之奈米結構可為需要昂貴材料(諸如，用於蒸汽-液體-固體(VLS)沈積製程中之金催化劑)的緩慢製程。使用此等製程所產生之電池電極針對某些消費型應用(諸如，攜帶型電子設備及電載具)可為成本極高的。此外，VLS沈積通常產生比非晶結構硬質之結晶結構，且因此，更易裂開及粉碎。最終，VLS沈積之結構的基板連接歸因於兩種不同材料(例如，金屬基板及高容量活性材料)之相異界面而可為脆弱的，該兩種材料中之一者經歷大的體積增大，而另一者保持原樣。在不限於任何特定理論之情況下，據信，此等現象可破壞自此等電極所建置之電池的循環效能。

已發現，一些金屬矽化物奈米結構可在不使用催化劑的情況下直接形成於某些基板上。矽化物結構可形成於含有金屬的表面上，從而構成金屬矽化物。含金屬之基板表面可以各種形式提供，諸如基底子層(例如，箔)或位於基底集電器之上的單獨子層(例如，形成於不鏽鋼或銅箔之表面上的薄鎳層)。在一些實例中，在矽化物結構之形成之前處理含金屬之表面，以便促進矽化物形成製程。舉例而言，可在形成矽化鎳奈米結構之前氧化具有含鎳之表面的表面。如下文進一步解釋，此氧化產生用於矽化鎳形成之長晶點。總之，已發現，氧化允許在模板形成期間之較寬的處理窗。

矽化物奈米結構可充當稍後塗佈有高容量活性材料從而形成「複合」電極的高表面積模板。出於此文件之目的，「模板」一般包括用於支撐電池電極中之活性材料的奈米結構之集合。模板可提供對活性材料之機械支撐及/或活性材料相對於(例如)導電基板之電連通兩者。在某些實施例中，模板配置為鄰近於基板之層且其特徵可為其高度或厚度。此配置可被稱為「模板層」，其應與其他類型之層(諸如，活性材料層)區別。在下文之描述中進一步指出此區別。在一些但非所有實施例中，可呈現鄰近基板。在某些實施例中，塗佈有活性材料之模板可直接連接至電池之其他導電元件(除了導電基板以外)，諸如電導線及電池端子。在特定實施例中，模板可包括一般延伸遠離基板且在一些實施例中在實質上相同方向上延伸的矽化物奈米線的單一層。此模板之高度將一般對應於奈米線之平均長度。然而，應理解，其他矽化物結構配置亦為可能的(例如，多層矽化物模板)。

「模板結構」一般指代係模板之一部分的個別結構。一些模板結構包括矽化物材料，而同一模板中之一些結構可包括其他材料(例如，導電添加劑)。通常，模板結構具有至少一奈米尺度之尺寸(例如，直徑)。因此，此等模板結構可被稱為模板奈米結構。在一些實施例中，模板奈米結構可塑形為具有根附在基板上之末端(或其他部分)的奈米線，該等奈米線與基板形成整體結構。換言之，其可能不具有與矽化物奈米線所附著至之基板表面的清楚界定之形態邊界或界面。結果，(例如)與VLS沈積之結構相比，根附在基板上之奈米線可具有至基板之優良機械黏著及低的電接觸電阻。此外，許多矽化物係良好之電導體，且可在沈積於矽化物奈米線周圍之活性材料與(例如)集電基板之間提供高導電路徑。

金屬矽化物亦可充當活性材料自身且經受鋰化。然而，矽化物一般具有遠低於(例如)矽或錫之容量。因此，矽化物模板可比較少地有助於電極之總容量。當與存在矽化物材料相比存在實質上更多之活性材料時，此貢獻可為特別小的。舉例而言，直徑僅為約10奈米之矽化物奈米線可用以沈積厚度為至少約100奈米，或更特定言之厚度介於約300奈米與500奈米之間的活性層。在此實例中，活性材料體積對矽化物體積之比率為至少約400。因此，此複合電極可在實質上不鋰化矽化物模板之情況下使用。最低程度地鋰化或實質上不鋰化矽化物結構幫助保持其作為模板之完整性及其至基板之連接的完整性。此等特性產生電極內之強且穩固之機械及電連接，及結果，在大量循環內之穩定的循環效能。諸如具有較厚基底之錐形矽化物結構及具有較厚自由末端之錐形(或蕈形)活性材料層的各種其他特徵可用以幫助維持此等連接。此等特徵通常聚焦於使用各種技術減小在基板界面附近的體積增大。

含有奈米線之矽化物模板具有可用於支撐活性材料之大的表面積。在某些實施例中，用作模板之奈米線的直徑介於約10奈米與100奈米之間且長度介於約10微米與100微米之間。該等奈米線可為密集間隔的。緊密間隔之模板結構可共用共同的塗佈殼層，從而有效地形成多核單殼配置。在此等狀況下，模板生長密度未必對應於經塗佈之奈米結構的密度。在某些實施例中，模板結構之間的間距可甚至小於塗層厚度，藉此引起活性材料層的顯著互連。此等互連在基底附近為特別突出的，從而產生聚結或連續薄膜狀結構，此妨礙良好的循環效能。一般而言，需要避免奈米線聚結，具有時被稱為「群聚」或「套筒狀(bush-like)」聚集，參看圖2B進一步描述。

常常，模板具有為大於典型基板之數量級的數量級之表面積。模板可塗佈有活性材料之薄層，且藉此，提供具有大的可逆能量密度之電極。應注意，活性材料層未必需要在整個模板之上且在一些實施例中在基板之上延伸的連續層。在一些實施例中，活性材料層為位於矽化物結構之上之活性材料殼層的集合。此等殼層中之一些殼層可(例如)藉由在基板界面處提供鈍化材料而在基板表面處為分開的。下文描述活性材料層之各種實例。活性材料層之厚度一般係藉由所使用之活性材料的特性來判定，且一般保持於針對特定活性材料之破裂限制以下。

塗佈於模板之上之活性層的厚度應與電池電極之厚度區別。活性層之厚度一般為奈米尺度的，而電池電極之厚度一般至少對應於模板之高度且可為幾十微米。應注意，模板結構(例如，矽化物奈米線)通常並非完全垂直的。因此，模板高度可稍微小於此等結構之長度。一般而言，導電基板亦有助於電極之厚度。在一實例中，沈積於10微米長的奈米線(直徑為10奈米且間隔開500奈米)之上的100奈米厚之矽層可提供比得上實質上較厚之習知石墨負電極之能量密度的能量密度。因而，可使用此等活性材料結構及電極來建構具有改良之重量及體積容量特性的電氣化學電池。

一旦形成模板，則可以相對快速之方式且在無需昂貴催化劑之情況下在此模板之上沈積活性材料作為一層。此外，某些所沈積之活性材料可採取一些更合乎需要之形態形式。舉例而言，在矽化鎳奈米線之上的無催化劑沈積產生非晶矽，而使用VLS自金催化劑島狀物生長矽奈米線產生結晶矽。在不限於任何特定理論之情況下，據信，非晶矽結構具有較少且較弱之原子鍵，此允許此等結構在曝露至在重複之鋰化/去鋰化循環期間所遇到之應力時比更硬質之結晶結構更好地保持其完整性。又，用以形成活性材料層之沈積技術可經特定調節以控制活性材料沿著模板高度之分佈(例如，在活性材料結構之自由末端附近比在基底附近沈積更多的活性材料)，且控制所沈積之材料之其他特性(諸如，組合物、孔隙率及其他特性)。

此外，已提出各種技術來保護奈米線與導電基板之間的電連接。在一類別之技術中，完成奈米線之結構具有「上重」(top heavy)形狀，其中奈米線之附著區域(奈米線接近且接觸基板之區域)與奈米線之遠端區域相比相對較薄。一般而言，遠端區域與附著區域相比將具有實質上更多的活性材料。在另一類別之技術中，模板奈米線之間距受到控制，使得個別線在其至基板之附著中相對均勻地間隔。在特定實施例中，一機構用以防止模板奈米線在其附著區域處在彼此附近群聚。在又一類別中，某些「鈍化」技術及/或材料用以最小化在基板界面處的機械變形及應力，其一般由活性材料之體積增大及收縮引起。

上重形狀之一些實例包括具有自根附在基板上之末端至自由末端逐漸及連續增大之橫截面尺寸(例如，直徑)(類似於圖3B中所示之尺寸)的形狀。在其他實施例中，橫截面尺寸可逐漸地但非連續地增大。其他實例包括突然但連續地增大其橫截面尺寸的形狀。此外，其他實例包括突然且非連續地增大其橫截面尺寸的形狀。整體形狀輪廓可藉由活性材料層之厚度、模板結構之橫截面尺寸，或此等兩個參數之組合來驅策(drive)。舉例而言，模板結構可具有寬於自由末端之基底，而活性材料塗層之分佈可使得整體電極結構具有寬於基底之自由末端。

圖1說明根據某些實施例之製造含有金屬矽化物模板及高容量活性材料之電氣化學活性電極的程序100。該程序可以接收基板(操作102)開始。可將基板材料提供為饋入至在後續操作中之一或多者中所使用的處理裝置中之捲筒、薄片或任何其他形式。通常，基板係由可充當電極集電器之材料製成，但狀況無需如此(如下文所解釋)。合適之裝置的實例包括化學氣相沈積(CVD)裝置(例如，熱CVD或電漿增強型CVD裝置)、物理氣相沈積(PVD)裝置，及適於執行下文所述之操作的其他裝置。在某些實施例中，所述程序之一或多個操作係執行於在以下案中所述之垂直沈積裝置中：Mosso等人在2009年12月14日申請之題為「Apparatus for Deposition on Two Sides of the Web」的美國專利申請案第12/637,727號，該案之全部內容出於描述垂直沈積裝置之目的以引用的方式併入本文中。

基板通常為電極之一部分(例如，集電器基板)。然而，其亦可用作在製造期間支撐模板及活性材料及/或在電極製造期間支撐材料源(例如，在金屬矽化物沈積操作中之金屬源)的暫時載體，且接著在模板電連接至電池之集電器組件時被移除。若基板成為電極之一部分，則其可一般包括適用於此電極中之材料(自機械、電氣及電氣化學觀點而言)。實例包括連續箔薄片、穿孔薄片、膨脹金屬，及發泡體。

在某些實施例中，基板包括含金屬之材料，該金屬被消耗以形成金屬矽化物奈米結構。下文提供合適之含金屬之材料的實例。含金屬之材料可支撐於基底基板子層上，基底基板子層充當對模板及活性材料之機械支撐件。另外或替代地，基底基板子層可充當在矽化物奈米結構(且在較少程度上，活性材料)與電池電端子之間的電流導體。

各種中間子層可提供於基底材料與金屬源中間。舉例而言，含有銅及/或鎳之子層可沈積於基底子層與金屬源子層之間，以改良稍後形成之模板至基底子層的冶金及電子連接。在一特定實施例中，含有導電材料(例如，不鏽鋼)之基底子層塗佈有薄的銅子層，繼之以較厚的鎳子層(例如，在約10奈米與3微米之間)。鎳子層接著用以形成矽化鎳模板，而銅子層充當黏著及導電中間物。

在某些實施例中，相同材料充當集電基底材料及矽化物模板之金屬源兩者。可用作基底材料及矽化物之金屬源兩者的材料之實例包括鎳、銅及鈦，其皆可提供為箔、穿孔薄片、膨脹金屬、發泡體及其類似者。在其他實施例中，基板含有形成相異子層或其他結構(例如，塗佈有薄鎳層之銅基底箔)的兩種材料。在一些狀況下，金屬源材料作為離散小滴、粒子，或遍及基底材料所分佈之規則圖案而存在。通常(但未必)，用以形成矽化物之含金屬之材料位於基底材料表面上，使得其在處理期間直接曝露至處理環境(例如，含矽前驅體氣體)。一般而言，該兩種材料在同一結構內之分佈可為均勻的(在極端狀況下之合金或化合物)，或非均勻的(例如，逐漸分佈，其中更多金屬源材料集中於表面附近)。

基底材料之實例包括銅、塗佈有金屬氧化物之銅、不鏽鋼、鈦、鋁、鎳、鉻、鎢、金屬氮化物、金屬碳化物、碳、碳纖維、石墨、石墨薄膜、碳網格、導電聚合物，或以上各者(包括多層結構)的組合。基底材料可形成為箔、薄膜、網格、發泡體、層板、線、管、粒子、多層結構，或任何其他合適之組態。在某些實施例中，基底材料為厚度介於約1微米與50微米之間，或更特定言之介於約5微米與30微米之間的金屬箔。

含金屬之源材料的實例包括鎳、鈷、銅、銀、鉻、鈦、鐵、鋅、鋁、錫，及其組合。一些合金之實例包括鎳/磷、鎳/鎢、鎳/鉻、鎳/鈷、鎳/鐵、鎳/鈦及鎳/鉬。如所提及，在某些實施例中，含金屬之源材料在基底材料之頂部形成源子層。此源子層之厚度可為至少約10 nm，或更特定言之至少約100 nm。在某些實施例中，源子層之厚度可高達約3微米。在其他實施例中，含金屬之材料在基底材料之表面上形成粒子或某些其他離散結構。此等離散結構可以至少約10奈米厚，或更特定言之介於約10奈米與50微米之間的厚度來提供。一般而言，基板在基板表面附近或基板表面上應具有足夠量之含金屬之材料，以形成矽化物奈米結構。舉例而言，沈積於銅基底子層之上之20奈米厚的鎳子層可足以產生長度為20微米之矽化鎳奈米線的稠密墊。

在某些實施例中，使用PVD或某其他沈積技術來形成遮罩材料之薄的子層。此子層之厚度可介於約1埃與15埃之間。已發現，在此等厚度下之某些材料並不形成連續層，而是形成小的分離島狀物或塊狀物之集合。特定言之，遮罩材料可沈積為小的島狀物，且用於遮蔽下伏之基板以防止在此等區域中沈積含金屬之子層。另外或替代地，遮罩材料可沈積於含金屬之子層之頂部以遮蔽模板生長。

在某些實施例中，含金屬之子層可在此子層之沈積期間圖案化。舉例而言，遮罩子層(例如，網格)可位於基底子層之上，且含金屬之子層形成於此組合之上。基底子層之覆蓋部分將實質上不含金屬，且將不會在稍後操作期間形成矽化物結構。使用位於基板表面之上之金屬網格來進行測試。鈦接著沈積穿過網格中之開放空間，從而形成鈦島狀物。此等島狀物又妨礙此等區域中之矽化物形成，此導致圖案化之模板生長。可使用(例如)奈米壓印微影或一些自組裝技術來製造具有小節距(pitch)的特殊網格，以達成遮罩粒子之所要分佈。

基板可含有可用以進行以下操作之其他材料：增強隨後形成之矽化物奈米結構至基底子層的黏著；在處理及電池循環期間保護基底子層；促進模板結構之長晶；防止活性材料在基板界面處(或附近)的沈積；在矽化物形成期間充當額外矽源；及其他功能。舉例而言，基板可包括中間子層來執行此功能。圖2A為根據某些實施例之三層基板200的示意性表示。子層202為基底子層，子層206為含金屬材料子層，且子層204為中間子層。在某些實施例(圖中未展示)中，中間子層可相對於基底子層(或基板)位於含金屬子層之另一側面上。中間子層之額外實例及細節提供於2009年11月11日申請之頒予DelHagen等人之題為「INTERMEDIATE LAYERS FOR ELECTRODE FABRICATION」的美國臨時專利申請案61/260,297中，該案之全部內容出於描述中間子層之目的以引用的方式併入本文中。再其他材料及子層可提供作為基板之一部分。舉例而言，含金屬之子層可具有金屬氧化物子層或保護性子層。

返回至圖1，在操作102中所接收之基板可具有遮罩子層，該遮罩子層位於含金屬之子層之上。遮罩子層覆蓋含金屬之子層之一部分，而曝露含金屬之區域的某些小之間隔開的區域。在於操作106中形成矽化物結構期間，所曝露之區域更可用以與含矽前驅體(例如，矽烷)反應，藉此導致離散矽化物結構(諸如，與圖2B中所示之矽化物結構叢集相對比之在圖2C中所示的矽化物結構)之形成。特定言之，圖2B為叢集矽化物結構214之示意性表示，叢集矽化物結構214塗佈有在該等矽化物結構之基底附近(亦即，在基板212附近)重疊的活性材料層216，且形成龐大的活性材料聚結。此等聚結之總尺寸(或基板界面附近之活性材料的厚度)可大大地超過針對特定活性材料之臨限值限制，從而導致在電池循環期間在界面附近的破裂及高應力。不僅活性材料可自矽化物結構分層，而且整個矽化物結構可與基板分離，藉此使其不起作用。

沈積遮罩子層可幫助克服此叢集。圖2C為根據某些實施例之經由位於基板222之上之遮罩中間子層225所形成之分離的矽化物結構224之示意性表示。遮罩中間子層225可具有判定形成矽化物結構224之處的開口，其允許基於由遮罩中間子層225所界定之模板來分離且分佈矽化物結構224。模板結構之分佈可為隨機或圖案化的。遮罩子層之實例包括自組裝之氧化鋅粒子及氧化矽粒子，及在含金屬之子層之上形成網格結構的隨機定向之奈米線。自遮罩子層或含金屬之子層形成島狀物的一些相應技術包括蒸鍍、角度沈積、自組裝、微影圖案化及其他技術。

圖2D為塗佈有活性材料層226之分離的矽化物結構224(類似於圖2C中所描繪且在上文所述之矽化物結構224)的示意性表示。活性材料層226並未在矽化物結構224之基底附近重疊以形成聚結。因而，甚至在基板界面處，活性材料層226亦在破裂臨限值內，此導致與(例如)圖2B中所沈積之結構相比較小的機械應力及粉碎。

遮罩子層可保持為電極之一部分或可被移除。可在矽化物結構之形成之前以機械方式移除用以圖案化含金屬之子層的遮罩子層。可以化學方式移除用以在矽化物結構之形成期間覆蓋含金屬之子層的部分之遮罩子層(例如，藉由在不會實質上干擾矽化物結構之情況下選擇性地蝕刻遮罩子層)。特定實例包括酸蝕刻、加熱及蒸發。在其他實施例中，遮罩子層保持為電極之一部分，且可用以(例如)防止活性材料在基板界面處之沈積。下文參看圖2E及圖2F進一步描述此等實例中之一些實例。

應注意，基板材料可彼此交織(例如，在編織、毛氈、網格或相當結構中位於中間子層之粒子當中的含金屬之子層的粒子)。此外，應注意，相異材料可一起提供作為引入至操作102中之程序的基板之一部分，或一或多種此等材料可在稍後之處理操作中沈積或以其他方式與基板整合。

返回至圖1，程序100可視情況繼續進行處理基板表面(操作104)。該處理可用以改質基板表面，以便增強矽化物形成或用於其他目的。此處理之實例包括引入用於金屬矽化物形成中之材料(例如，矽源、金屬源、催化劑及其類似者)、化學改質基板表面(例如，形成氧化物、氮化物、碳化物、初始矽化物結構，及用各種氧化劑及還原劑來處理)、物理改質表面(例如，藉由雷射切除、滾紋、電拋光來增大表面粗糙度(諸如，藉由電鍍及反電鍍來增大表面粗糙度))、改變晶粒定向、退火、用基於氧之電漿來處理以形成氧化物、用基於氬之電漿來處理以改變粗糙度(例如，濺鍍錐形物形成)、音波處理及離子植入。應注意，此等技術中之一些技術可用以控制存在於表面上之各種材料(例如，金屬源材料)的量以及此等材料之物理特性(例如，表面粗糙度)。舉例而言，用還原劑或氧化劑化學改質基板表面可用以按對促進長晶特別有用之尺度來修改粗糙度。丙酮繼之以甲醇及異丙醇沖洗中之音波處理可用以在蝕刻之前清潔金屬箔。其他技術包括氧電漿蝕刻。此外，若摻雜物擴散至矽反應金屬中，則吾人可用該摻雜物來處理表面以增大矽化物結構的導電性。

在某些實施例中，首先氧化在表面上含有鎳塗層或另一矽化物源材料之基板。如上文所提及，基板之本體可由矽化物源材料製成。特定實例包括鎳箔。當鎳子層用於另一基板之頂部時，鎳塗層之厚度針對下文所呈現之處理條件可介於約50奈米與300奈米之間。在氧或其他合適之氧化劑存在的情況下，基板在氧化/處理期間之溫度可維持於約150℃與500℃之間下歷時介於約0.1分鐘與10分鐘之間。在更特定實施例中，氧化係在維持於約50托下之腔室中在存在空氣之情況下執行歷時約1分鐘，而基板保持於約300℃下。氧化/處理可繼續進行歷時約1分鐘至2分鐘之間。在某些實施例中，無特定氧化/處理操作存在，且程序直接繼續進行形成模板結構。據信，存在於沈積腔室中之剩餘水分及氧在程序起始階段及沈積階段期間提供鎳表面的足夠處理。然而，為了達成矽化物模板之更受控制的形成，可能需要特定控制之氧化操作。特定言之，已發現，一定程度上之氧化幫助矽化鎳結構之形成。在不限於任何特定理論之情況下，據信，在氧化期間，平滑之鎳表面轉換為更粗糙之氧化鎳表面。粗糙之氧化物邊緣可在稍後之矽化物形成期間充當長晶位點。此外，氧化物可充當遮罩以允許僅在鎳塗層之微孔處的長晶。此幫助達成矽化物奈米線之更均勻分佈且避免叢集(如上文所述)。

氧化物之另一功能可為調節金屬自源材料子層及至反應位點之擴散速率。已發現，過度氧化對矽化物形成可為有害的。舉例而言，當約200 sccm之乾空氣流以約1%至5%與氬氣混合且用於在400℃下氧化歷時約30秒時，所得表面據信為過度氧化的。替代於形成具有多個長晶位點之粗糙表面，所得之過氧化表面具有金色且引起極少之矽化物奈米線的長晶。以相同方式，氧化不足之表面可能不會提供足夠的長晶位點。因而，氧化條件可針對每一含金屬之材料及含有此等材料之結構而最佳化。

程序100可繼續進行形成矽化物奈米結構(區塊106)。在某些實施例中，將基板引入至CVD腔室中。應注意，諸如處理操作104及/或活性材料形成操作108之其他操作可執行於同一腔室中。含矽前驅體(諸如，矽烷)接著以(例如)介於約10 sccm與300 sccm之間的流動速率流動至腔室中。此等流動速率值係提供用於自英國之Surface Technology Systems購得的STS MESC Multiplex CVD系統，該系統可處理直徑高達約4英吋之基板。然而，一般熟習此項技術者應理解，可使用其他CVD系統。矽烷在載氣中之體積濃度可小於約10%、或更特定言之小於約5%，或甚至小於約1%。在特定實施例中，矽烷之濃度為約1%。處理氣體亦可包括一或多種載氣，諸如氬氣、氮氣、氦氣、氫氣、氧氣(但通常不具有矽烷)、二氧化碳，及甲烷。在矽化物沈積期間，可將基板維持於介於約350℃與500℃之間，或更特定言之介於約385℃與450℃之間的溫度下。腔室壓力可介於約0.1托與大氣壓力之間，或更特定言之介於約50托與300托之間。沈積之持續時間可介於約1分鐘與60分鐘之間，或更特定言之介於約5分鐘與15分鐘之間。

在某些實施例中，處理條件可在同一沈積循環期間變化。舉例而言，最初可以相對高之濃度引入矽烷，以便促進矽化物奈米結構之長晶。當進一步奈米線生長受到自奈米線之根附末端朝向生長尖端之金屬擴散限制時，可接著減小(例如，朝向矽化物沈積操作之末尾)矽烷濃度。此外，基板溫度可最初保持為低且接著升高，以便促進此金屬擴散。總之，可使處理條件變化，以控制模板結構之物理性質(例如，長度、直徑、形狀、定向)。此外，可藉由使處理條件變化來控制模板結構之形態性質，諸如材料沿著模板之高度的化學計量相、結晶/非晶相，及分佈。待考慮之其他處理條件係氣體混合物之組合物、流動速率、流動型樣、腔室壓力、基板溫度及電場特性。在某些實施例中，調整處理條件(例如，溫度、壓力及矽烷濃度)，以促進非晶矽之側壁沈積或矽粒子至矽化物結構(一旦其已長晶)上的沈積。可改變之條件可包括處理溫度、壓力及矽烷濃度。

所選擇之處理條件一般取決於含金屬之材料以及所要結構之大小、形態及組合物。舉例而言，上文所述之沈積條件可用以生長長度平均而言介於約0.5微米與50微米之間且直徑平均而言介於約10奈米與100奈米之間的矽化鎳奈米線。厚度為至少約20奈米之鎳塗層可足以沈積此等矽化鎳結構。

一般而言，矽化物奈米線之直徑可介於約5奈米與100奈米之間(亦即，在沈積活性材料之前)，或更特定言之，介於約10奈米與50奈米之間。此外，奈米線之長度可介於約1微米與100微米之間，或更特定言之長度介於約5微米與50微米之間，且甚至介於約12微米與30微米之間。在不限於任何特定理論之情況下，據信，可藉由金屬自基板至生長尖端之擴散來限制矽化物奈米線長度。已發現，當使用上文所述之處理條件時，矽化鎳奈米線很少生長至長於約20微米至25微米。

儘管此長度可針對活性材料沈積提供足夠的表面積，但某些技術可用以進一步伸長奈米線。在某些實施例中，具有含矽材料之中間子層引入於基底子層與含金屬之子層之間。矽中間子層緊密接近生長之奈米結構的根部而提供替代(或額外)矽源，此可有助於長晶製程。已發現，自沈積於矽晶圓上之鎳所生長的矽化物結構更均勻地長晶且更迅速地生長。在某些實施例中，中間子層包括金屬摻雜物，該金屬摻雜物在矽與金屬反應時擴散且亦增大所得矽化物之導電性。該摻雜物可被沈積或甚至被植入，尤其在係以相對低之數量提供的情況下。在一些狀況下，使用氮來摻雜矽化鎳。

在另一實施例中，在形成初始矽化物模板之後，可引入額外的含金屬之材料(例如，濺鍍於初始模板上)，且重複矽化物形成操作106。換言之，初始矽化物模板成為用於沈積於其之上的另一矽化物模板的新基板等。在此實例中，沈積另一模板可在初始模板中提供額外交聯，藉此有助於機械及電完整性。模板及電極之額外實例及細節提供於2010年5月24日申請之題為「MULTIDIMENSIONAL ELECTROCHEMICALLY ACTIVE STRUCTURES FOR BATTERY ELECTRODE」的美國臨時專利申請案61/347,614，及2010年10月22日申請之題為「BATTERY ELECTRODE STRUCTURES FOR HIGH MASS LOADINGS OF HIGH CAPACITY ACTIVE MATERIALS」的美國臨時專利申請案61/406,047中，該等申請案之全部內容皆出於描述模板及電極之目的以引用的方式併入本文中。

矽化物奈米線由於自提供於基板上之含金屬之材料生長而通常為根附在基板上的。根附在基板上之結構的某些細節描述於2009年5月7日申請之題為「ELECTRODE INCLUDING NANOSTRUCTURES FOR RECHARGEABLE CELLS」的美國專利申請案12/437,529中，該案之全部內容出於描述根附在基板上之結構的目的以引用的方式併入本文中。然而，不同於在該專利申請案中所述之一些VLS生長奈米線，矽化物奈米線可與基板形成更強的機械結合且具有較低的接觸電阻。據信，可變之材料組合物及較寬的根附在基板上之末端有助於此現象。

發現，矽化物奈米線在如本文所述而製造時一般沿著奈米線之長度具有可變的材料組合物。奈米線在根附在基板上之末端附近(在該處更多金屬可用)比在自由(遠端)末端附近具有更高的金屬濃度。取決於金屬類型，此可變性可反映於矽化物之不同的形態及化學計量相中。舉例而言，矽化鎳奈米線可包括矽化鎳之一個、兩個或所有三個相(亦即，Ni₂Si、NiSi及NiSi₂)。據信，較高鎳含量相形成與鎳金屬的較強之結合。因此，此可變性可加強矽化鎳奈米線至基板之黏著且減小接觸電阻。金屬含量可變性亦可引起沿著奈米線之長度的不同的物理性質。

在特定實施例中，具有較高之鎳含量的根附在基板上之末端較寬且具有較高的表面粗糙度。此提供與基板之較大接觸面積、改良黏著，及減小接觸電阻。在基板與奈米線之間的強結合幫助保留此附著，尤其在電池循環期間在沈積至奈米線上之活性材料體積增大及收縮且可在各種方向上推動奈米線時。最終，在某些實施例中，矽化物奈米線在循環期間並不經歷鋰化。

錐形奈米線(如上文所述)可由金屬在奈米線之根附在基板上之末端附近的較大可用性引起。在某些實施例中，在根附在基板上之末端附近的平均直徑為在自由末端附近之平均直徑的至少約兩倍(基於奈米線之每一末端處之兩個區段的比較，其中每一區段係以與奈米線末端相距為總奈米線長度之約10%的距離截取)。換言之，基底可為足夠大的以甚至在基板之表面上彼此觸碰，但由於沿著結構之自基底至尖端之直徑的減小，尖端為自由且隔開的。在更特定實施例中，該兩個直徑之比率為至少約4，或甚至更特定言之至少約10(表示較寬的基底錐形物)。

矽化物奈米線可與其他奈米線互連，例如在一奈米線與另一奈米線在該兩者之生長期間路徑相交時。此外，可在沈積矽化物奈米線之後提供額外交聯。舉例而言，另一模板可沈積於第一模板之上，如上文所述。可在奈米線當中引入導電添加劑(例如，碳黑、金屬粒子)。可(例如)藉由壓縮及/或退火矽化物模板而使奈米線在沈積之後再塑形以在奈米線當中形成更多的接觸點。最終，可在活性材料之沈積期間出現額外互連。舉例而言，兩個緊密間隔之矽化物奈米線可塗佈有活性材料，使得形成於鄰近奈米線上之活性材料層重疊。在一特定實施例中，形成模板係在維持於約50托之壓力下的處理腔室中執行。處理氣體含有約1%之矽烷。將基板保持於約450℃。

應注意，儘管在此文件中一般參考包括奈米線之模板，但模板可包括其他類型之結構。此外，基於線之模板可包括平均直徑大於1微米之線。此等模板可用以沈積高容量活性材料層，使得該層自身具有奈米尺度之尺寸，而不管模板尺寸。然而，由奈米結構(諸如，奈米線)製成之模板一般提供可用於沈積高容量活性材料的較大之表面積。

在形成模板之後但在沈積活性材料之前，模板可另外經處理以遮蔽模板之某些區域，以便防止或最小化活性材料在此等區域中的沈積。如上文所述，應在基板界面附近最小化機械變形(諸如，活性材料體積增大及收縮)，以保持矽化物模板與基板之間的機械及電結合。因而，活性材料在基板界面附近之沈積一般並非合乎需要的，或至少較不合乎需要。下文參考活性材料形成操作108描述在沈積期間輪廓化活性材料層之厚度及/或組合物的一些技術。此外，在模板之形成之後，可在基板界面處沈積額外材料。應注意，除了在模板之形成之前所提供之中間子層(其在上文中被描述)之外或替代於該等子層，亦可沈積此等材料。為了區別該兩種材料，在模板之形成之後所沈積之材料被稱為「鈍化材料」，此係因為其在某些實施例中可用以鈍化基板界面且減少活性材料在此界面處的形成。

圖2E為具有經沈積之鈍化材料235的未塗佈之矽化物結構234的示意性表示。沈積在基板232附近之鈍化材料235塗佈矽化物結構234的根附在基板上之末端，而此等結構之自由末端保持未塗佈。可在單獨操作期間或在活性材料沈積之初始階段期間沈積鈍化材料235。舉例而言，可將自組裝之氧化鋅及氧化矽粒子引入至模板中。鈍化材料235在模板內之分佈可藉由電沈積來提供。

圖2F為矽化物結構234之示意性表示，矽化物結構234塗佈有活性材料236，使得鈍化材料235防止活性材料236在矽化物結構234之基底附近的沈積。因而，在電極之循環期間較小或無機械變形及應力存在於基板232處，且矽化物結構234與基板232之間的連接傾向於更穩固。

在某些實施例中，中間子層沈積於所形成之模板結構之上，但係在電氣化學活性材料之沈積之前進行沈積。此子層位於模板-活性材料界面處。此中間子層可包括鈦、銅、鐵、鎳、鎳鈦、鉻或其他類似材料。可使用電鍍、濺鍍或蒸鍍技術來沈積材料。在不限於任何特定理論之情況下，據信，中間子層在此界面處之存在增大與活性材料之冶金合金化及更好的黏著。此外，此等材料中之一些材料可充當增黏劑及吸氧劑。最終，如鎳鈦、銅-鋅-鋁-鎳及銅-鋁-鎳之合金可用於其彈性性質，以在相對動態之活性材料層(其在循環期間體積增大及收縮)與相對靜態之模板層之間提供界面。

返回至圖1，程序100繼續進行在金屬矽化物模板之上形成高容量電氣化學活性材料(操作108)。電氣化學活性材料之實例包括含矽材料(例如，結晶矽、非晶矽、其他矽化物、氧化矽、次氧化物、氮氧化物)、含錫材料(例如，錫、氧化錫)、鍺、含碳材料、多種金屬氫化物(例如，MgH₂)、矽化物、磷化物及氮化物。其他實例包括：碳-矽組合(例如，碳塗佈之矽、矽塗佈之碳、摻雜有矽之碳、摻雜有碳之矽，及包括碳及矽之合金)、碳-鍺組合(例如，碳塗佈之鍺、鍺塗佈之碳、摻雜有鍺之碳及摻雜有碳之鍺)，及碳-錫組合(例如，碳塗佈之錫、錫塗佈之碳、摻雜有錫之碳及摻雜有碳之錫)。正電氣化學活性材料之實例包括各種鋰金屬氧化物(例如，LiCoO₂、LiFePO₄、LiMnO₂、LiNiO₂、LiMn₂O₄、LiCoPO₄、LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂、LiNi_XCo_YAl_ZO₂、LiFe₂(SO₄)₃、Li₂FeSiO₄、Na₂FeO₄)、氟化碳、諸如氟化鐵(FeF₃)之金屬氟化物、金屬氧化物、硫，及其組合。亦可使用此等正及負活性材料之摻雜及非化學計量變化。摻雜物之實例包括來自週期表之第III族及第V族的元素(例如，硼、鋁、鎵、銦、鉈、磷、砷、銻及鉍)，以及其他適當之摻雜物(例如，硫及硒)。在某些實施例中，高容量活性材料包括非晶矽。舉例而言，非晶矽層可沈積於矽化鎳模板之上。

可在沈積操作期間或之後摻雜高容量活性材料。摻雜物可用以改良活性材料之導電性且執行其他功能。舉例而言，磷化氫(PH₃)可添加至處理氣體，以提供矽或其他活性材料之磷摻雜。在特定實施例(諸如，在處理氣體中使用矽烷之一些實施例)中，磷化氫或另一攜載摻雜物之組份在處理氣體中的濃度可為至少約0.1%(基於其分壓)、或至少約0.5%，或甚至至少約1%。摻雜物亦可在活性材料之沈積之後引入至活性層中(例如，藉由濺鍍、電鍍、離子植入及其他技術)。在某些實施例中，含鋰之化合物沈積至活性材料上。額外之鋰可用於鋰離子電池中以抵消與固體電解質界面(SEI)層形成相關聯的損失及/或甚至在完整的電池放電期間使一些剩餘的鋰存在於負活性材料中。在負電極中保留一些鋰可幫助改良負活性材料導電性及/或避免負活性材料在該循環之放電部分之末尾的某些形態改變。

在某些實施例中，多種不同的活性材料(例如，諸如錫之高容量活性材料)可沈積於模板之上。在一實例中，矽層可進一步塗佈有碳層以形成核殼結構。在此實例中，模板之矽化物奈米結構充當核心，矽層充當中間層或外核心，且碳層充當殼層。其他實例包括如下塗層：包括未必為電氣化學活性材料但經組態以執行電極中之其他功能(諸如，促進穩定SEI層的形成)的材料。此等材料之實例包括碳、銅、聚合物、硫化物及金屬氧化物。

在特定實施例中，活性材料層沈積為鍺及矽之組合。此等兩種材料之分佈沿著模板之高度而變化，使得與自由末端附近相比，更多的鍺沈積於基板界面附近，且針對矽而言，與自由末端附近相比，更少的矽沈積於基板界面附近。鍺之鋰化程度遠小於矽，且結果，鍺展現小得多的體積增大。同時，鍺之形態結構(例如，其晶格)與矽之形態結構良好地匹配。較低之體積增大又幫助保護基板與矽化物結構之間的界面，藉此產生更穩固之電極結構及具有改良之循環效能的電池。

形成可變組合物之活性材料層的CVD製程可以引入含有初始濃度之含鍺前驅體及初始濃度之含矽前驅體的處理氣體開始。含鍺前驅體之濃度接著減小，而含矽前驅體之濃度增大。

可使用CVD技術、電鍍、無電極電鍍或溶液沈積來沈積高容量活性材料。在一些實施例中，高容量活性材料係以類似於用以生長矽化物結構之方式的方式來沈積。矽化物及活性材料兩者可沈積於同一腔室中。更特定言之，同一腔室亦可用於基板處理。

在某些實施例中，可使用電漿增強型化學氣相沈積(PECVD)技術來沈積活性材料。現將參考摻雜有磷之非晶矽層來更詳細地描述此技術。然而，應理解，此技術或類似技術亦可用於其他活性材料。含有矽化物模板(更特定言之，矽化鎳模板)之基板提供於PECVD腔室中。將基板加熱至介於約200℃與400℃之間，或更特定言之介於約250℃與350℃之間。含有含矽前驅體(例如，矽烷)及一或多種載氣(例如，氬氣、氮氣、氦氣、氫氣、氧氣、二氧化碳及甲烷)之處理氣體引入至腔室中。在一特定實例中，矽烷在氦氣中之濃度介於約5%與20%之間，或更特定言之介於約8%與15%之間。處理氣體亦可以介於約1%與5%之間的濃度包括含摻雜物之材料(諸如，磷化氫)。腔室壓力可維持於介於約0.1托至10托之間，或更特定言之介於約0.5托與2托之間。為了增強矽烷分解，在腔室中點燃電漿。

提供以下製程(亦即，射頻(RF)功率及流動速率)參數，以用於可自United Kingdom之Surface Technology Systems購得的STS MESC Multiplex CVD系統，該CVD系統可處理直徑高達約4英吋之基板。一般熟習此項技術者應理解，此等製程參數可針對其他類型之腔室及基板大小而按比例增大或減小。RF功率可維持在介於約10 W與100 W之間，且總的處理氣體流動速率可保持在介於約200 sccm與1000 sccm之間，或更特定言之介於約400 sccm與700 sccm之間。

在一特定實施例中，在維持於約1托之壓力下的處理腔室中執行形成電氣化學活性材料層。處理氣體含有約50 sccm之矽烷及約500 sccm之氦氣。為了摻雜活性材料，可將約50 sccm之15%磷化氫添加至處理氣體。將基板保持於約300℃。將RF功率位準設定為約50 W。在某些實施例中，使用脈衝式PECVD方法。

為了達成活性材料之足夠厚度，可執行沈積歷時介於約0.5分鐘與30分鐘之間。活性材料之厚度可藉由能量密度要求、材料性質(例如，理論容量、應力破裂限制)、模板表面積及其他參數來驅策。在某些實施例中，沈積厚度介於約50奈米與500奈米之間，或更特定言之厚度介於約100奈米與300奈米之間的非晶矽層。應注意，此層沈積於直徑介於約10奈米與100奈米之間的矽化物奈米線上。因此，所得結構(亦即，具有沈積於矽化物奈米線之上之活性材料層的該等矽化物奈米線)之平均直徑可介於約100奈米與1,100奈米之間。其他尺寸亦可為可能的。舉例而言，藉由增大非晶矽層之孔隙率，該層厚於約500奈米為可能的。在某些實施例中，多孔矽層之厚度可介於約500奈米與1000奈米之間，或更特定言之厚度介於約500奈米與750奈米之間。多孔活性材料結構之一些實例及細節提供於2010年10月22日申請之題為「COMPOSITE STRUCTURES CONTAINING HIGH CAPACITY POROUS ACTIVE MATERIALS CONSTRAINED IN SHELLS」的美國臨時專利申請案61/406,049中，該案之全部內容出於描述多孔活性材料結構之目的以引用的方式併入本文中。

已判定，厚度介於約50奈米與500奈米之間的一些活性材料層通常在10分鐘至20分鐘內沈積。特徵化所沈積之活性材料之量的另一方式為相對於下伏模板。在某些實施例中，活性材料體積對金屬矽化物體積之質量比為至少約10，或更特定言之至少約100。如在此文件之其他部分中所述，此比率可沿著模板之高度顯著變化。特定言之，此比率在個別結構之基板界面附近可比在自由末端附近實質上小。

圖3A說明在上文所解釋之總程序之不同階段期間所產生的結構之四個實例。可在初始階段301期間最初提供基板302。如上文所解釋，基板302可包括基底材料及金屬源材料(用以形成矽化物)。上文描述了此等材料之各種實例及組合。可接著處理基板302以形成適於形成矽化物奈米結構之表面304(階段303)。若基板302為箔，則表面304可形成於該箔之兩個側面上(圖中未展示)。在一些實例中，表面304包括用於形成奈米線之特定長晶位點。表面304亦可包括遮罩材料。接著在基板302上形成矽化物奈米結構306(階段305)。在某些實施例中，矽化物奈米結構306具有其根附至基板302之末端。矽化物奈米結構形成用於沈積活性材料之高表面積模板。最終，在矽化物奈米結構306之上沈積活性材料層308(階段307)。矽化物奈米結構306可提供對活性材料308之機械支撐及至基板302的電連接。儘管某程度上之接觸可存在於活性材料與基板之間，但自電池效能觀點而言其可能並非足夠的。

矽化物奈米結構306與活性材料308之組合可被稱為活性層309，其鄰近於基板302。總之，活性層309之特徵可為其高度，該高度通常接近於矽化物模板之高度或製成此模板之奈米線的長度。在某些實施例中，活性層之高度介於約10微米與50微米之間，或更特定言之介於約20微米與40微米之間。具有基板及沈積於該基板之兩個相對側面上之兩個活性層的電極可具有介於約50微米與100微米之間的高度。此外，活性層309之特徵可為其孔隙率(例如，至少約25%、或更特定言之至少約50%，或甚至更特定言之至少約75%)、其每單位面積之容量及其他特性。

此外，塗佈模板之活性材料的量可沿著模板之高度而變化。舉例而言，活性材料層在結構之自由末端附近可比在基板界面附近厚。圖3B說明沈積於在基板302上配置之模板結構306之上的此活性材料層310之一實例。在不限於任何特定理論之情況下，據信，活性材料之此分佈可藉由導致大量輸送限制狀態之某些處理條件達成。此狀態導致活性材料前驅體物質(例如，矽烷)沿著模板之高度的濃度梯度，及在結構之自由末端附近比在基板界面附近高的沈積速率。此活性材料分佈自電氣化學循環觀點而言可為有益的，此係因為結構之根附在基板上的末端將在鋰化期間經歷較小之體積增大及應力，藉此保持結構與基板之間的接觸。

特定言之，可藉由在沈積腔室內部在相對高之壓力位準下執行CVD沈積而達成活性材料的不均勻分佈。在不限於任何特定理論之情況下，據信，較短之平均自由路徑係在較高之壓力位準下達成，此又導致高的較快沈積速率及在結構之自由末端附近之活性材料前驅體的迅速消耗。此有效地在模板之高度方面產生大量輸送限制狀態。舉例而言，可在約50托與760托之間、更特定言之約100托與600托之間，或甚至更特定言之約200托與600托之間下執行沈積。在一特定實例中，在約600托下執行沈積。沈積溫度可介於約400℃與600℃之間，或更特定言之介於約450℃與550℃之間。在一特定實例中，在約500℃下執行沈積。此等溫度範圍係針對熱CVD技術而呈現。若PECVD技術用於沈積，則溫度可在介於約200℃與450℃之間的範圍內。氬氣或氫氣中之矽烷濃度可在介於約0.5%與20%之間、或更特定言之介於約0.5%與10%之間，或甚至更特定言之介於約1%與5%之間的範圍內。

另一方法為在低溫下使用PECVD技術來執行沈積。PECVD產生具有短於熱激發之自由基之壽命的定域自由基。因此，平均自由路徑據信為較短的且沈積變成較不等形的，此提供在模板頂部(在該處，自由基濃度較大)處的更多沈積。又，PECVD允許在較低溫度下之沈積，如上文所提及。較低溫度幫助減少與基板之副反應及不合需要之過量的矽化物(其可變得易碎)在基板界面處的形成。可以介於約1托與50托之間的壓力位準、介於約200℃與450℃之間的溫度範圍，及矽烷在氫氣、氦氣、氮氣、氬氣或其各種組合中之介於約1%與20%之間的濃度來執行PECVD沈積。腔室內部之電漿可被加偏壓以提供反應性物質之更合乎需要的分佈。

此外，遠端電漿產生器可用以自活性材料前驅體(諸如，離子及自由基)產生活化物質。活化物質(例如，^-2SiH₂)與其未活化對應物(例如，SiH₄)相比更具反應性且傾向於在結構之自由末端處更快地消耗，藉此有效地產生大量輸送限制狀態。遠端電漿產生器之一些實例包括ASTRON i Type AX7670、ASTRON e Type AX7680、ASTRON ex Type AX7685、ASTRON hf-s Type AX7645，其皆可自MKS Instruments(Andover,Massachusetts)購得。該產生器通常為使用所供應之活性材料前驅體產生離子化電漿的自含式器件。該產生器亦包括用於將能量供應至電漿中之電子的高功率RF產生器。此能量可接著傳送至中性活性材料前驅體分子(例如，矽烷)，從而使得此等分子之溫度上升至2000 K位準且導致分子的熱解離。該產生器可由於其高的RF能量及使得前驅體吸附大部分此能量的特殊通道幾何形狀而解離大於90%之所供應前驅體分子。該產生器可單獨使用(例如，連同熱CVD腔室)或與PECVD反應器結合使用，此可提供物質(例如，在遞送線路及簇射頭中重新組合的物質)的進一步解離。

圖4A為如自上方檢視之矽化物奈米線的SEM影像。此等奈米線直接沈積於可自Carl Schlenk AG Company(Roth,Germany)購得之硬捲動鎳箔上。首先將該箔在50托之壓力下在含有空氣之處理腔室中於300℃下氧化歷時1分鐘。接著將該箔加熱至450℃，且將含有1體積%之矽烷的處理氣體引入至腔室中歷時10分鐘。所得之矽化物奈米線之直徑為約10奈米至50奈米且長度為約1微米至30微米。奈米線之密度介於約10%至70%之間。如在SEM影像中可見，奈米線形成極高表面積模板。此等模板接著塗佈有非晶矽且用以建構硬幣型電池。

圖4B為塗佈有非晶矽之奈米線的SEM影像。該影像係自與圖4A相同之方向取得。用於沈積矽之初始矽化物模板與圖4A中相同。非晶矽沈積係在300℃及1托下執行歷時10分鐘。處理氣體包括50 sccm之100%矽烷、500 sccm之氦氣，及50 sccm之15體積%的磷化氫。RF功率為50 W。經塗佈之奈米線之平均直徑估計為271奈米至280奈米。圖4A及圖4B兩者之SEM影像係以相同的放大倍率提供，以說明未塗佈之模板奈米線(圖4A中)及在此等奈米線之上所形成之非晶矽結構(圖4B中)的相對大小。如自該兩個SEM影像可見，非晶矽結構實質上厚於未塗佈之矽化物奈米線。

圖4C為含有類似於圖4A中之奈米線的矽塗佈之奈米線的活性層之側視SEM影像。奈米線具有相對高的縱橫比，甚至在塗佈有活性材料之後亦如此。活性層之高度一般係藉由奈米線之長度來界定。此外，活性層具有相對高的孔隙率，此允許奈米線在不會在活性層中產生過量應力且不會彼此破壞的情況下在鋰化期間體積增大。孔隙率亦允許電解質組份自由地遷移穿過活性層。

圖4D說明圖4B中最初呈現之活性層的較高放大倍率SEM影像。黑箭頭指向奈米線之間的接觸點(在本文中有時稱為「互連」)。此等互連可已在沈積矽化鎳奈米線及/或用非晶矽塗佈奈米線期間形成。如上文所指示，此等互連增強活性層之機械強度及導電性。

圖4E為相對於電極之頂部表面成一角度而獲得且說明奈米線在其自由末端處比在其根附在基板上之末端處厚得多的SEM影像。形成此電極之活性材料結構具有比基板界面末端厚得多的自由末端。此等結構示意性地說明於圖3B中且描述於上文中。已估計，圖4E中所示之結構具有直徑為約1微米之自由末端，而根附在基板之末端的直徑為約200奈米。結構之長度估計為約12微米至20微米。

電極通常裝配至堆疊或電極卷(jelly roll)中。圖5A及圖5B說明根據某些實施例的包括正電極502、負電極504及兩個分離器薄片506a及506b之對準堆疊的側視圖及俯視圖。正電極502可具有正活性層502a及正未塗佈之基板部分502b。類似地，負電極504可具有負活性層504a及負未塗佈之基板部分504b。在許多實施例中，負活性層504a之曝露區域稍大於正活性層502a之曝露區域，以確保自正活性層502a所釋放的大多數或所有鋰離子進入至負活性層504a中。在一實施例中，負活性層504a在一或多個方向(通常所有方向)上超越正活性層502a延伸至少介於約0.25 mm與5 mm之間。在一更特定實施例中，該負層在一或多個方向上超越正層延伸介於約1 mm與2 mm之間。在某些實施例中，分離器薄片506a及506b之邊緣延伸超越至少負活性層504a之外邊緣，以提供電極與其他電池組件的電子絕緣。正未塗佈之基板部分502b可用於連接至正端子，且可延伸超越負電極504及/或分離器薄片506a及506b。同樣，負未塗佈之部分504b可用於連接至負端子，且可延伸超越正電極502及/或分離器薄片506a及506b。

正電極502展示為在平坦之正集電器502b之相對側面上具有兩個正活性層512a及512b。類似地，負電極504展示為在平坦之負集電器之相對側面上具有兩個負活性層514a及514b。在正活性層512a、其相應之分離器薄片506a及相應之負活性層514a之間的任何間隙通常為極小的(幾乎不存在)，尤其在電池之第一循環之後。電極及分離器一起緊密地捲繞在電極卷中或位於接著插入至緊密外殼中之堆疊中。電極及分離器傾向於在引入電解質之後在外殼內部體積增大，且隨著鋰離子循環通過該兩個電極且通過分離器，第一循環移除任何間隙或乾燥區域(dry area)。

捲繞設計係常用配置。長且窄之電極與兩個分離器薄片一起捲繞至子總成(有時稱為電極卷)中，該子總成根據彎曲(常常為圓柱形)外殼之內部尺寸而塑形且定大小。圖6A展示包含正電極606及負電極604之電極卷的俯視圖。在該等電極之間的白色空間表示分離器薄片。將電極卷插入至外殼602中。在一些實施例中，電極卷可具有在中心插入之心軸608，心軸608建立初始捲繞直徑且防止內部捲繞佔據中心軸區。心軸608可由導電材料製成，且在一些實施例中，其可為電池端子之一部分。圖6B呈現具有自電極卷延伸之正突片612及負突片614之該電極卷的透視圖。該等突片可焊接至電極基板之未塗佈之部分。

電極之長度及寬度取決於電池之總尺寸及活性層與集電器的高度。舉例而言，具有18 mm之直徑及65 mm之長度的習知18650電池可具有長度介於約300 mm與1000 mm之間的電極。對應於低速率/較高容量應用之較短電極係較厚的且具有較少捲繞。

圓柱形設計針對一些鋰離子電池可為合乎需要的，此係因為電極在循環期間體積增大且對套管施加壓力。圓形套管可被製成為足夠薄的且仍維持足夠壓力。稜柱形電池可類似地捲繞，但其外殼可因內部壓力沿著較長之側面彎曲。此外，壓力在電池之不同部分內可能並非均勻的，且稜柱形電池之隅角可保持為空。空的凹穴在鋰離子電池內可能並非合乎需要的，此係因為電極傾向於在電極體積增大期間不均勻地推入至此等凹穴中。此外，電解質可聚集且在凹穴中於電極之間留下乾燥區域，此不利地影響在電極之間的鋰離子輸送。然而，針對某些應用(諸如，由矩形形狀因數所指示之應用)，稜柱形電池為適當的。在一些實施例中，稜柱形電池使用矩形電極及分離器薄片之堆疊，以避免捲繞式稜柱形電池所遇到之困難中的一些困難。

圖7說明在外殼702中之捲繞式稜柱形電極卷位置的俯視圖。電極卷包含正電極704及負電極706。在該等電極之間的白色空間表示分離器薄片。將電極卷插入至矩形稜柱外殼中。不同於圖6A及圖6B中所示之圓柱形電極卷，稜柱形電極卷之捲繞以在電極卷中間之平坦延伸區段開始。在一實施例中，電極卷可在該電極卷中間包括心軸(圖中未展示)，電極及分離器捲繞至該心軸上。

圖8A說明包括交替之正電極及負電極以及在該等電極之間的分離器之複數個集合(801a、801b及801c)的堆疊電池800的側視圖。堆疊電池可製成為幾乎任何形狀，其尤其適用於稜柱形電池。然而，此電池通常需要正電極及負電極之多個集合，及電極之更複雜對準。集電器突片通常自每一電極延伸且連接至通向電池端子之整體集電器。

一旦電極如上文所述而配置，則電池填充有電解質。鋰離子電池中之電解質可為液體、固體或凝膠。具有固體電解質之鋰離子電池被稱為鋰聚合物電池。

典型之液體電解質包含一或多種溶劑及一或多種鹽，其中至少一者包括鋰。在第一充電循環(有時稱為形成循環)期間，電解質中之有機溶劑可在負電極表面上部分地分解以形成SEI層。相間相一般為電絕緣但離子導電的，藉此允許鋰離子通過。相間相亦防止電解質在稍後之充電子循環中的分解。

適用於一些鋰離子電池之非水溶劑之一些實例包括以下各者：環狀碳酸酯類(例如，碳酸伸乙酯(EC)、碳酸伸丙酯(PC)、碳酸伸丁酯(BC)及碳酸乙烯基乙烯酯(VEC))、碳酸伸乙烯酯(VC)、內酯類(例如，γ-丁內酯(GBL)、γ-戊內酯(GVL)及α-當歸內酯(AGL))、直鏈碳酸酯類(例如，碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(MEC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲丙酯(MPC)、碳酸二丙酯(DPC)、碳酸甲丁酯(NBC)及碳酸二丁酯(DBC))、醚類(例如，四氫呋喃(THF)、2-甲基四氫呋喃、1,4-二噁烷、1,2-二甲氧乙烷(DME)、1,2-二乙氧乙烷及1,2-二丁氧乙烷)、亞硝酸鹽類(例如，乙腈及己二腈)、直鏈酯類(例如，丙酸甲酯、特戊酸甲酯、特戊酸丁酯及特戊酸辛酯)、醯胺類(例如，二甲基甲醯胺)、有機磷酸酯類(例如，磷酸三甲酯及磷酸三辛酯)、含有S=O基之有機化合物(例如，二甲碸及二乙烯碸)，及其組合。

非水性液體溶劑可以組合形式使用。此等組合之實例包括環狀碳酸酯-直鏈碳酸酯、環狀碳酸酯-內酯、環狀碳酸酯-內酯-直鏈碳酸酯、環狀碳酸酯-直鏈碳酸酯-內酯、環狀碳酸酯-直鏈碳酸酯-醚，及環狀碳酸酯-直鏈碳酸酯-直鏈酯的組合。在一實施例中，環狀碳酸酯可與直鏈酯組合。此外，環狀碳酸酯可與內酯及直鏈酯組合。在一特定實施例中，環狀碳酸酯對直鏈酯之體積比介於約1:9至10:0、較佳2:8至7:3之間。

液體電解質之鹽可包括以下各者中之一或多者：LiPF₆、LiBF₄、LiClO₄ LiAsF₆、LiN(CF₃SO₂)₂、LiN(C₂F₅SO₂)₂、LiCF₃SO₃、LiC(CF₃SO₂)₃、LiPF₄(CF₃)₂、LiPF₃(C₂F₅)₃、LiPF₃(CF₃)₃、LiPF₃(異C₃F₇)₃、LiPF₅(異C₃F₇)、具有環烷基之鋰鹽(例如，(CF₂)₂(SO₂)_2xLi及(CF₂)₃(SO₂)_2xLi)，及其組合。常用組合包括LiPF₆與LiBF₄、LiPF₆與LiN(CF₃SO₂)₂、LiBF₄與LiN(CF₃SO₂)₂。

在一實施例中，液體非水溶劑(或溶劑之組合)中之鹽的總濃度為至少約0.3 M；在一更特定實施例中，鹽濃度為至少約0.7 M。濃度上限可由溶解度限制來驅策或可不大於約2.5 M；在一更特定實施例中，其可不超過約1.5 M。

固體電解質通常在無分離器之情況下使用，此係因為其自身充當分離器。固體電解質為電絕緣、離子導電且電氣化學穩定的。在固體電解質組態中，使用含鋰之鹽(其與針對上文所述之液體電解質電池之鹽相同)，但並非將其溶解於有機溶劑中，而是將其保持於固體聚合物複合物中。固體聚合物電解質之實例可為自含有原子之單體所製備的離子導電聚合物，該等原子具有孤電子對，電解質鹽之鋰離子可附著至該孤電子對且在導電期間在該等電子之間移動，該等固體聚合物電解質諸如聚偏二氟乙烯(PVDF)或其衍生物之氯化物或共聚物、聚(三氟氯乙烯)、聚(乙烯-三氟氯-乙烯)、或聚(氟化乙烯-丙烯)、聚氧化乙烯(PEO)及氧亞甲基鍵聯PEO、與三官能胺基甲酸酯交聯之PEO-PPO-PEO、聚(雙(甲氧基-乙氧基-乙醇鹽))-磷氮烯(MEEP)、與雙官能胺基甲酸酯交聯之三醇型PEO、聚((寡聚)氧伸乙基)甲基丙烯酸酯-共-鹼金屬甲基丙烯酸酯、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PNMA)、聚甲基丙烯腈(PMAN)、聚矽氧烷及其共聚物及衍生物、基於丙烯酸酯之聚合物、其他類似的無溶劑聚合物、縮合或交聯以形成不同聚合物之前述聚合物的組合，及前述聚合物中之任一者的物理混合物。可與以上聚合物組合使用以改良薄層疊物之強度的其他較不導電聚合物包括：聚酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚2,6萘二甲酸乙二酯(PEN)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚碳酸酯(PC)、聚苯硫醚(PPS)及聚四氟乙烯(PTFE)。

圖9說明根據一實施例之捲繞式圓柱形電池之橫截面圖。電極卷包含螺旋捲繞之正電極902、負電極904，及兩個分離器薄片906。將電極卷插入至電池外殼916中，且頂蓋918及密封墊920用以密封電池。應注意，在某些實施例中，直至後續操作之後才密封電池。在一些狀況下，頂蓋918或電池外殼916包括安全器件。舉例而言，若過量之壓力積累於電池中，則安全排氣或爆破閥可用以打開。在某些實施例中，包括單向氣體釋放閥，以釋放在正性材料之活化期間已釋放之氧氣。又，可將正熱係數(PTC)器件併入至頂蓋918之導電通路中，以減小在電池遭受短路之情況下可發生之損壞。頂蓋918之外表面可用作正端子，而電池外殼916之外表面可充當負端子。在一替代實施例中，電池之極性顛倒，且頂蓋918之外表面用作負端子，而電池外殼916之外表面充當正端子。突片908及910可用以在正電極及負電極與相應端子之間建立連接。可插入適當之絕緣密封墊914及912以防止內部短接之可能性。舉例而言，Kapton^TM薄膜可用於內部絕緣。在製造期間，頂蓋918可捲曲至電池外殼916，以便密封電池。然而，在此操作之前，添加電解質(圖中未展示)以填充電極卷之多孔空間。

硬質外殼通常用於鋰離子電池，而鋰聚合物電池可包裝至可撓性、箔型(聚合物層疊物)外殼中。可針對外殼選擇多種材料。針對鋰離子電池，Ti-6-4、其他Ti合金、Al、Al合金及300系列不鏽鋼可適用於正導電外殼部分及端帽，且商業上之純Ti、Ti合金、Cu、Al、Al合金、Ni、Pb及不鏽鋼可適用於負導電外殼部分及端帽。

除了上文所述之電池應用之外，金屬矽化物亦可用於燃料電池(例如，用於陽極、陰極及電解質)、異質接面太陽能電池活性材料、各種形式之集電器，及/或吸收塗層中。此等應用中之一些應用可得益於由金屬矽化物結構所提供之高表面積、矽化物材料之高導電性，及快速之不昂貴的沈積技術。

100．．．製造含有金屬矽化物模板及高容量活性材料之電氣化學活性電極的程序

200．．．三層基板

202．．．子層

204．．．子層

206．．．含金屬材料子層

212．．．基板

214．．．叢集矽化物結構

216．．．活性材料層

222．．．基板

224．．．矽化物結構

225．．．遮罩中間子層

226．．．活性材料層

232．．．基板

234．．．矽化物結構

235．．．鈍化材料

236．．．活性材料

301．．．初始階段

302．．．基板

303．．．階段

304．．．表面

305．．．階段

306．．．矽化物奈米結構/模板結構

307．．．階段

308．．．活性材料層/活性材料

309．．．活性層

310．．．活性材料層

502．．．正電極

502a．．．正活性層

502b．．．正未塗佈之基板部分/正集電器

504．．．負電極

504a．．．負活性層

504b．．．負未塗佈之基板部分

506a．．．分離器薄片

506b．．．分離器薄片

512a．．．正活性層

512b．．．正活性層

514a．．．負活性層

514b．．．負活性層

602．．．外殼

604．．．負電極

606．．．正電極

608．．．心軸

612．．．正突片

614．．．負突片

702．．．外殼

704．．．正電極

706．．．負電極

800．．．堆疊電池

801a．．．電極集合

801b．．．電極集合

801c．．．電極集合

902．．．螺旋捲繞之正電極

904．．．負電極

906．．．分離器薄片

908．．．突片

910．．．突片

912．．．絕緣密封墊

914．．．絕緣密封墊

916．．．電池外殼

918．．．頂蓋

920．．．密封墊

圖1說明製造含有金屬矽化物模板及高容量活性材料之電氣化學活性材料的程序實例。

圖2A為三層基板實例之示意性表示。

圖2B為叢集矽化物結構之示意性表示，該等叢集矽化物結構塗佈有在該等矽化物結構之基底附近重疊的活性材料層，從而形成龐大的活性材料聚結。

圖2C為根據某些實施例之經由遮罩中間子層所形成之分離的矽化物結構之示意性表示。

圖2D為分離之矽化物結構的示意性表示，該等矽化物結構塗佈有並未在該等矽化物結構之基底附近重疊的活性材料層。

圖2E及圖2F為具有所沈積之鈍化材料的未塗佈之矽化物結構及經塗佈之矽化物結構的示意性表示，其中該鈍化材料防止活性材料在矽化物結構之基底附近的沈積。

圖3A說明初始、中間及最終電極結構之一實例，其可在於圖1之背景下所述之製造程序的不同階段呈現。

圖3B說明具有高容量活性材料之不均勻分佈之電極結構的一實例。

圖4A為在鎳塗層之上形成高表面積模板之矽化鎳奈米線的自上而下掃描電子顯微鏡(SEM)影像。

圖4B為沈積於類似於圖4A中所示之矽化鎳奈米線之矽化鎳奈米線之上的非晶矽之自上而下SEM影像。

圖4C為含有塗佈有非晶矽之矽化鎳奈米線之電極活性層的側視SEM影像。

圖4D為類似於圖4B中所呈現之影像的高放大倍率SEM影像。

圖4E為相對於電極之頂部表面成一角度而獲得且說明奈米線在其自由末端處比在其根附在基板上之末端處厚得多的SEM影像。

圖5A至圖5B為根據某些實施例之說明性電極配置的俯視示意圖及側視示意圖。

圖6A至圖6B為根據某些實施例之說明性圓形捲繞式電池的俯視示意圖及透視示意圖。

圖7為根據某些實施例之說明性稜柱形捲繞式電池的俯視示意圖。

圖8A至圖8B為根據某些實施例之電極及分離器薄片之說明性堆疊的俯視示意圖及透視示意圖。

圖9為根據實施例之捲繞式電池之一實例的示意性橫截面圖。