[发明专利]耐用的非晶硅阳极、具有非晶硅阳极的可再充电电池及相关方法

说明书

相关申请

本申请要求代理人案号为P55087、2013年6月28日提交的美国非临时专利申请序号13/931,515的权益，并且由此通过引用并入所述美国非临时专利申请序号13/931,515。

技术领域

本文描述的实施例通常涉及能量储存装置。

背景技术

包含电池和电容器的能量储存装置经常用于各种电子装置中。例如，电池（特别是能够再充电的那些电池）具有广泛的使用范围。当前，石墨普遍在商业上用作可再充电的Li离子电池中的阳极的材料，因为在没有显著的体积（大约10%）和形态改变的情况下Li离子的可逆插入。然而，石墨的相对低的比容量（370mAh/g）是它的主要缺点，这限制Li离子电池的容量。由于与其他材料（例如对于含碳的阳极大约370mAh/g）相比硅的大约4,200mAh/g高理论比容量，硅能够用作各种可再充电电池诸如例如Li离子电池的基于碳的阳极的有前景的替换。在实践中，如果（基于包含插入的锂的总质量）完全锂化成Li₂₂Si₅相，能够获得2,000mAh/g的容量。然而至今，硅仅作为基于碳的阳极的增强添加剂正在被商业化。完全实施基于硅的电极的一个障碍是Li-Si电极在锂化期间经历高度的粉化和剥落（取决于Li-Si合金的相，观察的体积膨胀高达大约400%）的事实。在第一循环中能够立即观察到有源材料从硅阳极的损耗。结果，硅阳极技术遭受显著的容量衰退（在首次初始诉讼之后高达仅仅20%剩余）和受限的电池循环。此外，由于在电池中短接，有源硅材料的分解能够潜在地产生安全问题。

附图说明

图1是根据发明实施例的阳极电极的截面的示意图；

图2是根据另一个发明实施例的非晶硅阳极的结构化表面的截面的示意图；

图3A是根据另一个发明实施例的非晶硅结构的SEM显微照片；

图3B是根据另一个发明实施例的非晶硅结构的SEM显微照片；

图3C是根据另一个发明实施例的非晶硅结构的SEM显微照片；

图3D是根据另一个发明实施例的非晶硅结构的SEM显微照片；以及

图4是根据又一个发明实施例的电池装置的示意图。

具体实施方式

尽管下面的具体描述为了图解的目的含有许多细节，本领域的普通技术人员将领会到对下面的详情的许多变化和变更能够进行并且被认为包含在本文中。

因此，在没有阐述的任何权利要求的任何一般性损失的情况下并且在不对阐述的任何权利要求强加限制的情况下，阐述下面的实施例。还将理解的是本文中使用的术语仅是为了描述特别的实施例的目的，而不旨在限制。除非另外定义，在本文中使用的所有技术的和科学的术语具有与由本公开所属的领域中的普通技术人员普遍理解的相同的含义。

如在本说明书和附加的权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包含复数所指对象，除非上下文清楚地另外指定。因此，例如对“层”的参考包含多个这样的层。

在本公开中，“包括”、“含有”和“具有”等能够具有在美国专利法中归属于它们的含义，并且能够意指“包含”等，并且通常被解释为开放性术语。术语“由…组成”是封闭的术语，并且仅包含与这样的术语结合而具体地列举的部件、结构、步骤等、以及根据美国专利法的内容。“实质上由…组成”具有通常由美国专利法归属于它们的含义。特别地，这样的术语通常是封闭的术语，除了允许包含不在本质上影响连同其使用的（一个或多个）项的基本和新颖的特性或功能的附加的项、材料、部件、步骤或元件之外。例如，存在于合成物中但不影响合成物本质或特性的微量元素将是容许的，如果按照“实质上由…组成”语言存在的话，即使没有确切地叙述在这样的术语后面的项的列表中。当使用开放性术语，像“包括”或“包含”时，理解的是也应该对“实质上由…组成”语言以及“由…组成”语言给予直接的支持，好像明白地声明过一样。

本描述中以及权利要求中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等，如果有的话，用于区别类似的元件而未必用于描述特别顺序的或按时间顺序的次序。要理解的是如此使用的术语在适当的环境下是可交换的，使得本文中描述的实施例例如能够以不同于本文中图解的或另外描述的那些的顺序操作。类似地，如果方法在本文中被描述为包括一系列步骤，如在本文中呈现的这样的步骤的次序未必是在其中可以执行这样的步骤的唯一次序，并且某些声明的步骤可能也许被省略和/或没有在本文中描述的某些其他步骤可能也许被添加到所述方法。