[发明专利]用于锂离子电池阳极的组成调整的硅涂层

说明书

本文提供了用于锂离子电池电极的纳米结构和制造方法。在一些实施方案中，提供了涂覆有硅基涂层的纳米结构模版。所述硅涂层可以包括非保形的较多孔的富硅SiE_x层和在所述非保形的较多孔层上的保形的较致密的SiE_x层。在一些实施方案中，使用两种不同的沉积工艺：PECVD层以沉积非保形的富硅SiE_x层，和热CVD工艺以沉积保形的层。富硅SiE_x材料可防止硅晶畴生长，限制宏观膨胀，增加锂扩散速率并显著提高锂离子电池充电和放电循环期间的电池寿命。

PCT请求表作为本申请的一部分与本说明书同时提交。本申请要求同时提交的PCT请求表中确定的权益或优先权的各个申请均通过引用整体并入本文并且出于所有目的。

背景技术

发明领域

本发明总体上涉及纳米结构，更具体地涉及可用于电池阳极的多层硅纳米线结构。

已经进行了许多工作来寻找在锂电池阳极中使用硅的方式。硅很有希望，因为它的锂容量是目前使用的石墨的十倍。然而，遗憾的是，在吸收如此多的锂时，硅会膨胀400％，这通常导致硅的破碎以及短的电池寿命。

概述

本公开的一个方面涉及一种用于锂电池的阳极，其包括：基底；根植于所述基底的纳米线阵列，每个纳米线具有表面；涂覆纳米线的大部分或全部表面的第一层，该层包含SiE_x材料；以及在第一层、纳米线的任何暴露表面和基底上方的第二层，该第二层包含硅或SiF_y材料；其中x大于零且小于1；其中y大于零且小于1；并且其中E和F各自独立地选自氮、碳、硼、磷、氧、镁、铝、锗、锡、镍、铜及其组合。在一些实施方案中，其中x在0.01和0.5之间、在0.01和0.3之间、或者在0.01和0.1之间。在一些实施方案中，其中y在0.01和0.5之间、在0.01和0.3之间、或者在0.01和0.1之间。在一些实施方案中可以使用较低的x和/或y值。

在一些实施方案中，E的浓度分布在第一层的厚度上变化和/或F的浓度分布在第二层的厚度上变化。在一些实施方案中，第二层的密度大于第一层的密度。在一些实施方案中，第一层的平均密度小于2.1g/cm³。在一些实施方案中，第二层的平均密度大于2.0g/cm³。在一些实施方案中，第一层的密度在整个第一层中变化。在一些实施方案中，第二层的密度在整个第二层中变化。在一些实施方案中，第一层与纳米线模版(template)非共形。在一些实施方案中，第二层与第一层共形(conformal)。在一些实施方案中，该阳极进一步包括在第二层上方的第三层，该第三层不包含硅。在一些实施方案中，纳米线模版包括硅化物纳米线。在一些实施方案中，第一层在其最大直径处的厚度为约5到20微米。在一些实施方案中，第二层的厚度为5到500纳米。在一些实施方案中，第二层的厚度为5到100纳米。

本公开的另一方面涉及锂电池，其包括：如本文所述的阳极；含锂阴极；以及与阳极和阴极都离子连通的电解质。

本公开的另一方面涉及一种制造用于锂电池的阳极的方法，包括：提供基底；从基底生长纳米线，每个纳米线具有表面；使用PECVD方法沉积第一层以涂覆纳米线的大部分或全部表面，该第一层包含第一富硅SiE_x；使用热CVD方法在第一层、纳米线的任何暴露表面和基底上方沉积第二层，该第二层包含第二富硅SiE_x。

在一些实施方案中，PECVD方法是膨胀热等离子体方法。在一些实施方案中，纳米线是硅化物纳米线。在一些实施方案中，热CVD方法期间的腔室压力小于约2托。

下面参考附图进一步描述本公开的这些和其它方面。

附图简述

当结合附图阅读时，从说明性实施方案的以下描述，本领域技术人员将容易地理解前述方面和其它方面。

图1是纳米线的示意图，其上已经使用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)沉积了硅基材料层。