耐用的非晶硅陽極、具有非晶硅陽極的可再充電電池及相關方法
【專利說明】耐用的非晶硅陽極、具有非晶硅陽極的可再充電電池及相關方法
[0001]相關申請本申請要求代理人案號為P55087、2013年6月28日提交的美國非臨時專利申請序號13/931,515的權益，并且由此通過引用并入所述美國非臨時專利申請序號13/931,515。
技術領域
[0002]本文描述的實施例通常涉及能量儲存裝置。
【背景技術】
[0003]包含電池和電容器的能量儲存裝置經常用于各種電子裝置中。例如，電池(特別是能夠再充電的那些電池)具有廣泛的使用范圍。當前，石墨普遍在商業上用作可再充電的Li離子電池中的陽極的材料，因為在沒有顯著的體積(大約10%)和形態改變的情況下Li離子的可逆插入。然而，石墨的相對低的比容量(370 mA h/g)是它的主要缺點，這限制Li離子電池的容量。由于與其他材料(例如對于含碳的陽極大約370mAh/g)相比硅的大約4，200mA h/g高理論比容量，硅能夠用作各種可再充電電池諸如例如Li離子電池的基于碳的陽極的有前景的替換。在實踐中，如果(基于包含插入的鋰的總質量)完全鋰化成Li22Si5相，能夠獲得2，000 mA h/g的容量。然而至今，硅僅作為基于碳的陽極的增強添加劑正在被商業化。完全實施基于硅的電極的一個障礙是L1-Si電極在鋰化期間經歷高度的粉化和剝落(取決于L1-Si合金的相，觀察的體積膨脹高達大約400%)的事實。在第一循環中能夠立即觀察到有源材料從硅陽極的損耗。結果，硅陽極技術遭受顯著的容量衰退(在首次初始訴訟之后高達僅僅20%剩余)和受限的電池循環。此外，由于在電池中短接，有源硅材料的分解能夠潛在地產生安全問題。
【附圖說明】
[0004]圖1是根據發明實施例的陽極電極的截面的示意圖；
圖2是根據另一個發明實施例的非晶硅陽極的結構化表面的截面的示意圖；
圖3A是根據另一個發明實施例的非晶硅結構的SEM顯微照片；
圖3B是根據另一個發明實施例的非晶硅結構的SEM顯微照片；
圖3C是根據另一個發明實施例的非晶硅結構的SEM顯微照片；
圖3D是根據另一個發明實施例的非晶硅結構的SEM顯微照片；以及圖4是根據又一個發明實施例的電池裝置的示意圖。
【具體實施方式】
[0005]盡管下面的具體描述為了圖解的目的含有許多細節，本領域的普通技術人員將領會到對下面的詳情的許多變化和變更能夠進行并且被認為包含在本文中。
[0006]因此，在沒有闡述的任何權利要求的任何一般性損失的情況下并且在不對闡述的任何權利要求強加限制的情況下，闡述下面的實施例。還將理解的是本文中使用的術語僅是為了描述特別的實施例的目的，而不旨在限制。除非另外定義，在本文中使用的所有技術的和科學的術語具有與由本公開所屬的領域中的普通技術人員普遍理解的相同的含義。
[0007]如在本說明書和附加的權利要求中所使用的，單數形式“一”、“一個”和“該”包含復數所指對象，除非上下文清楚地另外指定。因此，例如對“層”的參考包含多個這樣的層。
[0008]在本公開中，“包括”、“含有”和“具有”等能夠具有在美國專利法中歸屬于它們的含義，并且能夠意指“包含”等，并且通常被解釋為開放性術語。術語“由…組成”是封閉的術語，并且僅包含與這樣的術語結合而具體地列舉的部件、結構、步驟等、以及根據美國專利法的內容。“實質上由…組成”具有通常由美國專利法歸屬于它們的含義。特別地，這樣的術語通常是封閉的術語，除了允許包含不在本質上影響連同其使用的(一個或多個)項的基本和新穎的特性或功能的附加的項、材料、部件、步驟或元件之外。例如，存在于合成物中但不影響合成物本質或特性的微量元素將是容許的，如果按照“實質上由…組成”語言存在的話，即使沒有確切地敘述在這樣的術語后面的項的列表中。當使用開放性術語，像“包括”或“包含”時，理解的是也應該對“實質上由…組成”語言以及“由…組成”語言給予直接的支持，好像明白地聲明過一樣。
[0009]本描述中以及權利要求中的術語“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等，如果有的話，
用于區別類似的元件而未必用于描述特別順序的或按時間順序的次序。要理解的是如此使用的術語在適當的環境下是可交換的，使得本文中描述的實施例例如能夠以不同于本文中圖解的或另外描述的那些的順序操作。類似地，如果方法在本文中被描述為包括一系列步驟，如在本文中呈現的這樣的步驟的次序未必是在其中可以執行這樣的步驟的唯一次序，并且某些聲明的步驟可能也許被省略和/或沒有在本文中描述的某些其他步驟可能也許被添加到所述方法。
[0010]描述中和權利要求中的術語“左”、“右”、“前”、“后”、“頂”、“底”、“上”、“下”等，如果有的話，用于描述的目的而未必用于描述永久的相對位置。要理解的是如此使用的術語在適當的環境下是可交換的，使得本文中描述的實施例例如能夠以不同于本文中圖解的或另外描述的那些的方位操作。如在本文中使用的術語“耦合”被定義為以電氣的或非電氣的方式直接或間接連接。本文中描述為互相“鄰近”的物體可以互相物理接觸、互相緊密接近或者互相處于相同的通常區或區域，這視其中使用短語的上下文而定。在本文中短語“在一個實施例中”或“在一方面”的出現未必全部指代相同的實施例或方面。
[0011]如在本文中使用的那樣，術語“基本上”指代完全的或幾乎完全的廣度或程度的動作、特性、性質、狀態、結構、項或結果。例如“基本上”被包圍的物體將意指所述物體被完全包圍或者幾乎完全包圍。偏離絕對完全性的精確的可允許度在一些情況下可以取決于特定的上下文。然而，通常而言，完成的接近度將是使得具有與如果得到絕對的和總的完成時相同的總體結果。當以否定含義用來指代動作、特性、性質、狀態、結構、項或結果的完全或幾乎完全缺少時，“基本上”的使用同樣是可應用的。例如，“基本上沒有”粒子的合成物將完全缺少粒子或者如此幾乎完全缺少粒子以致效果將與如果它完全缺少粒子時相同。換言之，“基本上沒有”成分或元素的合成物可以實際上仍然含有這樣的項，只要沒有其可測量的效果O
[0012]如在本文中使用的，術語“大約”用于通過提供給定值可以“高于端點一點”或“低于端點一點”來給數值范圍端點提供靈活性。
[0013]如在本文中使用的，為了方便，多個項、結構元件、組成元件、和/或材料可以呈現在共同的列表中。然而，這些列表應該被解釋成好像列表中的每個成員被個別地識別為單獨的和獨特的成員。因此，在沒有相反指示的情況下，沒有這樣的列表中的個別成員應該僅僅基于它們在共同的組中的呈現而被解釋為相同列表的任何其他成員的事實上的等同物。
[0014]濃度、量和其他數值數據可以在本文中以范圍格式解釋或呈現。要理解的是:這樣的范圍格式僅僅為了方便和簡潔而使用，并且因此應該被靈活地解釋為不但包含明白地敘述為范圍的限制的數值，而且包含涵蓋在該范圍之內的全部個別的數值或子范圍，好