TWI695538B - 鋰電池負極及其製作方法 - Google Patents

Abstract

鋰電池負極包含導電基材以及孔洞層。孔洞層配置於導電基材上，孔洞層由矽所構成，矽包含非晶矽，孔洞層包含一摻雜區，摻雜區配置於孔洞層相對於該導電基材的第一側。

Description

鋰電池負極及其製作方法

本發明係關於鋰電池負極及其製作方法。

矽負極以較高的理論比電容量(4200mAh/g)引起了研究者們的廣泛關注。但是，基於矽的負極在充放電過程中容易造成高達300%的體積變化，因此容易導致電極裂開以及結構崩壞，進而導致電極的電容量迅速衰減。此外，矽的電子導電能力較差，影響活性物質電容量的發揮和電極的放電性能。因此，需要一種改善上述的問題的解決方案。

根據本揭露的一態樣，係提供一種鋰電池負極，包含導電基材以及孔洞層。孔洞層配置於導電基材上，孔洞層由矽所構成，矽包含非晶矽，孔洞層包含一摻雜區，摻雜區配置於孔洞層相對於該導電基材的第一側。

根據本發明一或多個實施方式，孔洞層的孔隙率為0.1%-90%。

根據本發明一或多個實施方式，摻雜區包含磷或硼。

根據本發明一或多個實施方式，摻雜區自孔洞層的第一側延伸至相對於第一側的一第二側。

根據本發明一或多個實施方式，孔洞層的矽更包含結晶矽。

根據本揭露的一態樣，係提供一種鋰電池負極的製作方法，包含：提供一導電基材；藉由化學氣相沉積技術形成一孔洞層於導電基材上，孔洞層包含非晶矽；以及形成一摻雜區於孔洞層中。

根據本發明一或多個實施方式，形成摻雜區於孔洞層中包含執行一摻雜製程。

根據本發明一或多個實施方式，鋰電池負極的製作方法更包含將孔洞層的部分的非晶矽轉化為結晶矽。

根據本發明一或多個實施方式，將孔洞層的部分的非晶矽轉化為結晶矽包含執行一退火製程。

根據本發明一或多個實施方式，化學氣相沉積技術為低壓化學氣相沉積、電漿化學氣相沉積、金屬有機物化學氣相沉積或常壓化學氣相沉積。

100‧‧‧鋰電池負極

110‧‧‧導電基材

120‧‧‧孔洞層

121‧‧‧第一側

122‧‧‧第二側

125‧‧‧摻雜區

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施方式能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下： 第1圖繪示根據本發明一些實施例的鋰電池負極100的剖面示意圖。

第2圖繪示根據本發明一實施例的鋰電池負極的製造方法的各個製程階段之一的剖面示意圖。

第3圖繪示根據本發明一實施例的鋰電池負極的製造方法的各個製程階段之一的剖面示意圖。

第4圖繪示根據本發明一實施例的鋰電池負極的製造方法的各個製程階段之一的剖面示意圖。

以下揭露提供許多不同實施例，或示例，以建置所提供之標的物的不同特徵。以下敘述之成份和排列方式的特定示例是為了簡化本公開。這些當然僅是做為示例，其目的不在構成限制。舉例而言，元件的尺寸不被揭露之範圍或數值所限制，但可以取決於元件之製程條件與/或所需的特性。

除非內容中有其他清楚的指稱，本文所使用的單數詞包含複數的指稱對象。透過參考「一實施例」這樣特定的指稱，在至少其中之一的本揭露的實施例中，表示一種特定的特徵、結構或特色，因此在各處的「在一實施例」，這樣的片語透過特別的指稱出現時，並不需要參考相同的實施方式，更進一步，在一或多實施方式中，這些特別的特徵、結構、或特色可以依合適的情況相互組合。

請參考第1圖，其繪示根據本發明一些實施例的 鋰電池負極100的剖面示意圖。鋰電池負極100包含導電基材110以及孔洞層120。

在一些實施例中，導電基材110可以為金屬導電基材，例如銅箔。

孔洞層120配置於導電基材110上。孔洞層120包含非晶矽，非晶矽可以作為鋰電池負極100的活性材料。由於矽具有較高的理論比電容量，在一些實施例中，鋰電池負極100可以用於高能量密度的鋰離子電池。在一些實施例中，孔洞層120的孔隙率為0.1%-90%，例如0.5%、1%、5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%或80%。由於孔洞層120包含多個孔洞，因此在充放電過程中，這些孔洞可以作為非晶矽的體積變化的緩衝，避免孔洞層120因為非晶矽的膨脹而破碎。因此，充放電過程中，孔洞層120整體的膨脹幅度大幅減小。此外，在某些實施例中，孔洞層120更包含結晶矽，例如單晶矽或多晶矽。

在某些實施例中，孔洞層120包含摻雜區125。摻雜區125配置於孔洞層120的相對於導電基材110的第一側121。在一些實施例中，摻雜區125自孔洞層120的第一側121延伸至孔洞層120的第二側122，其中第一側121與第二側122相對。摻雜區125可以提昇孔洞層120的導電性，使得孔洞層120的電阻降低。

在一些實施例中，摻雜區125包含P型摻雜物或N型摻雜物。P型摻雜物例如可為硼(boron,B)，N型摻雜物例如可為磷(phosphorus,P)。

值得注意的是，本發明的孔洞層120與導電基材110之間不須配置黏著層。孔洞層120係直接形成於導電基材110上。而且，孔洞層120亦不包含黏著劑(如聚偏二氟乙烯)。詳細的製作方法請參考以下說明。

本發明亦提供一種鋰電池負極的製作方法。第2-4圖繪示根據本發明一實施例的鋰電池負極的製造方法的各個製程階段的剖面示意圖。請先參考第2圖，提供導電基材110。如上所述，導電基材110可以為金屬導電基材，例如銅箔，但不以此為限。此外，在一些實施例中，導電基材110可以配置於絕緣基材上。

請參考第3圖，藉由化學氣相沉積技術(chemical vapor deposition,CVD)形成孔洞層120於導電基材110上。在一些實施例中，孔洞層120包含非晶矽。在一些實施例中，孔洞層120的孔隙率為0.1%-90%，例如0.5%、1%、5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%或80%。在某些實施例中，化學氣相沉積技術可以為低壓化學氣相沉積(low-pressure chemical vapor deposition,LPCVD)、電漿化學氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)、金屬有機物化學氣相沉積(metal organic chemical vapor deposition,MOCVD)或常壓化學氣相沉積(atmospheric pressure chemical vapor deposition,APCVD)。在一些實施例中，化學氣相沉積技術所使用的反應氣體至少包含一種含矽前驅物氣體，例如矽烷(SiH₄)。

詳細而言，化學氣相沉積技術係先將導電基材110置於反應腔室內，將導電基材110加熱至反應溫度，並通入上述的反應氣體。在某些實施例中，反應溫度可以為200℃至700℃，例如200℃、300℃、400℃、500℃或700℃。此外，可以藉由控制執行化學氣相沉積的時間來精準調整孔洞層120的厚度。

需了解的是，在一些實施例中，可以在形成孔洞層120之後，再執行退火製程，使得部分的非晶矽轉化為結晶矽，例如單晶矽或多晶矽。可以依照需求調整非晶矽與單晶矽或多晶矽之間的比例，使得鋰電池負極具有預期的電性。因此，在某些實施例中，孔洞層120包含非晶矽、單晶矽及多晶矽。

本發明提供的鋰電池負極的製作方法不需要混漿、塗布及烘乾。而且，由於使用化學氣相沉積形成孔洞層120，孔洞層120的厚度及孔隙率可以精準控制。詳細而言，可以藉由調整化學氣相沉積的溫度以及壓力來控制孔洞層120的孔隙率，亦可以藉由化學氣相沉積的執行時間來控制孔洞層120的厚度。

請參考第4圖，形成摻雜區125於孔洞層120中。在一些實施例中，可以使用摻雜製程來形成摻雜區125，例如離子佈植(ion implantation)。在此步驟中，可以將欲摻雜的原子利用電漿反應器產生高能離子與孔洞層120反應，以摻雜原子至孔洞層120的表面，並形成摻雜區125。摻雜區125可以提昇孔洞層的電化學特性，例如降低 介面阻抗以及提昇庫倫轉換效率。在一些實施例中，摻雜的原子可以為P型摻雜物或N型摻雜物。P型摻雜物例如可為硼(boron,B)，N型摻雜物例如可為磷(phosphorus,P)。

可以藉由調整離子佈植的執行時間來控制摻雜區125的厚度。在另一些實施例中，摻雜區125自孔洞層120的第一側121延伸至孔洞層120的第二側122。如同前述，摻雜區125可以增加孔洞層120的導電性。因此，本發明的鋰電池負極不需要導電助劑(例如導電碳材)，即可具有良好的導電性。

需了解的是，在某些實施例中，可以在形成孔洞層120的期間形成摻雜區125於孔洞層120中，亦可以在形成孔洞層120之後再形成摻雜區125於孔洞層120中。此外，在一些實施例中，形成摻雜區125的方式亦可以藉由高溫擴散爐管、離子佈植機或化學膠料塗佈來摻雜。

綜上，本發明不僅製程簡單，可以大幅降低製作成本，亦改善了矽電極在多次循環後的劣化。此外，相較於傳統的塗布製程，本發明的製造方法可以更精準的控制矽層的孔隙率以及厚度，減少矽電極在充放電中的膨脹幅度，藉以提高電池電性以及良率。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技術者，在不脫離本發明之精神與範圍內，當可作各種更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧鋰電池負極

110‧‧‧導電基材

120‧‧‧孔洞層

121‧‧‧第一側

122‧‧‧第二側

125‧‧‧摻雜區

Claims (8)

1. 一種鋰電池負極，包含：一導電基材；以及一孔洞層，配置於該導電基材上，該孔洞層由矽所構成，該矽包含非晶矽和結晶矽，該孔洞層包含一摻雜區，該摻雜區配置於該孔洞層相對於該導電基材的一第一側。
2. 如請求項1所述之鋰電池負極，其中該孔洞層的孔隙率為0.1%-90%。
3. 如請求項1所述之鋰電池負極，其中該摻雜區包含磷或硼。
4. 如請求項1所述之鋰電池負極，其中該摻雜區自該孔洞層的該第一側延伸至相對於該第一側的一第二側。
5. 一種鋰電池負極的製作方法，包含：提供一導電基材；藉由化學氣相沉積技術形成一孔洞層於該導電基材上，該孔洞層包含非晶矽；將該孔洞層的部分的該非晶矽轉化為結晶矽；以及形成一摻雜區於該孔洞層中。
6. 如請求項5所述之鋰電池負極的製作方法， 其中形成該摻雜區於該孔洞層中包含執行一摻雜製程。
7. 如請求項5所述之鋰電池負極的製作方法，其中將該孔洞層的部分的該非晶矽轉化為結晶矽包含執行一退火製程。
8. 如請求項5所述之鋰電池負極的製作方法，其中該化學氣相沉積技術為低壓化學氣相沉積、電漿化學氣相沉積、金屬有機物化學氣相沉積或常壓化學氣相沉積。

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