專利名稱：蓄電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種蓄電裝置。注意，蓄電裝置是指具有蓄電功能的所有元件以及裝置。
背景技術(shù)：
近年來，對各種蓄電裝置諸如鋰二次電池、鋰離子電容器以及空氣電池進行了開發(fā)。尤其是，作為高輸出及高能量密度的二次電池，使鋰離子在正電極與負電極之間遷移而進行充放電的鋰二次電池引人注目。用于蓄電裝置的電極通過在集流體的一個表面上形成活性材料層而制造。活性材料層使用能夠嵌入及脫嵌用作載流子的離子的活性材料諸如碳或硅而形成。例如，當使用硅或摻雜有磷的硅形成活性材料層時，其理論容量比使用碳形成的活性材料層的理論容量高，在增加蓄電裝置的容量這一點占優(yōu)勢(如專利文獻I)。但是，已知用作活性材料的硅的體積當硅吸留鋰離子時膨脹，并當硅釋放鋰離子時收縮。因此，例如，伴 隨著電池的充放電，活性材料層成粉末而從集流體脫離等的問題發(fā)生。結(jié)果，電極中的集電性降低，使得充放電循環(huán)特性惡化。作為上述問題的對策，有如下方法:通過將碳、銅或鎳等涂敷在活性材料層表面以抑制硅的粉末化而脫離；但是上述涂敷有時會阻礙鋰與硅之間的反應(yīng)，從而有時會減少充放電容量。[參考文獻][專利文獻][專利文獻I]日本專利申請公開2001-210315號公報

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方式的目的在于:提供一種蓄電裝置，該蓄電裝置具有高充放電容量，并提高了性能諸如高循環(huán)特性。在用于蓄電裝置的電極中，將能夠與鋰合金化的材料用于集流體上的活性材料層，并在該活性材料層上形成包含鈮的層，從而可以增加蓄電裝置的容量，還可提高循環(huán)特性及充放電效率。上述包含鈮的層優(yōu)選使用氧化鈮或氮化鈮形成。另外，上述包含鈮的層也可以包含鈮鋰合金諸如Li2Nb2O5tj另外，上述包含鈮的層可以為非晶體或晶體。Li2Nb2O5通過電池反應(yīng)使Nb2O5與Li起反應(yīng)而形成。在之后進行充放電時既可保持上述Li2Nb2O5,又可從上述Li2Nb2O5脫離Li而形成Nb205。像這樣,形成在活性材料層上的Li2Nb2O5用作穩(wěn)定的無機固體電解質(zhì)界面(SEI)代替有機SEI，由此發(fā)揮電阻的降低、鋰擴散性的提高、活性材料層的體積膨脹的抑制等的效果。作為活性材料，優(yōu)選使用能夠與鋰合金化的材料，例如，可以使用包含硅、錫、鋁或鍺的材料。再者，優(yōu)選將磷或硼添加到上述活性材料中。通過使用這些材料，可以提高蓄電
裝置的容量。上述活性材料的晶體性可以為如下晶體性中的任一種:非晶、微晶、多晶和單晶。再者，例如，在使用硅作為活性材料的情況下，活性材料層可以包含結(jié)晶硅區(qū)域和具有該結(jié)晶硅區(qū)域上的多個突起物的須狀結(jié)晶硅區(qū)域。再者，也可以采用在結(jié)晶硅的周圍存在有非晶硅的結(jié)構(gòu)。須狀結(jié)晶硅區(qū)域也可以包含具有彎曲或分支的部分的突起物。在上述結(jié)構(gòu)中，包括須狀結(jié)晶硅區(qū)域的結(jié)晶硅層可以通過利用含有硅的沉積氣體進行沉積的熱化學(xué)氣相沉積(CVD)法、低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)法或等離子體CVD法而在集流體上形成。像這樣，結(jié)晶硅區(qū)域和具有該結(jié)晶硅區(qū)域上的多個突起物的須狀結(jié)晶硅區(qū)域設(shè)置在活性材料層中，從而活性材料的表面積增大。在蓄電裝置中，當活性材料的表面積增大時，鋰離子等的載體離子在每單位時間被活性材料吸留的每單位質(zhì)量或者載體離子在每單位時間從活性材料釋放的每單位質(zhì)量增高。每單位時間的載體離子的吸留量或每單位時間的載體離子的釋放量增高，而在高電流密度條件下的載體離子的吸留量或釋放量增高，因此，可以提高蓄電裝置的放電容量或充電容量。作為集流體，可以使用高導(dǎo)電性的材料，諸如以鉬、鋁或銅為典型的金屬元素。另夕卜，也可以使用與硅起反應(yīng)而形成硅化物的金屬元素形成集流體。在蓄電裝置中，形成在負電極與相對該負電極的正電極之間的電解質(zhì)層可以使用液體或固體形成，還可以在該電解質(zhì)層中含有鈮。在本發(fā)明的一個方式中可以采用包括集流體、活性材料層、包含鈮的層等的多層結(jié)構(gòu)，由此構(gòu)成集流體、活性材料層以及包含鈮的層的物質(zhì)彼此鍵合而提高結(jié)構(gòu)的強度。因此，不容易發(fā)生由伴隨充放電的活性材料層的體積變化導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞。結(jié)果，因為即使經(jīng)過充放電循環(huán)，上述活性材料層的破壞也被抑制，所以可以抑制電池內(nèi)部的電阻的上升及容量的減少。在本發(fā)明的一個方式中，可以利用涂敷法形成蓄電裝置的電極。例如，通過在集流體上涂敷作為活性材料混合了硅粒子的漿料之后焙燒來形成涂敷電極，并在該涂敷電極上形成包含鈮的層，由此可以形 成具有高容量和優(yōu)良的循環(huán)特性的涂敷電極。在本發(fā)明的一個方式中，可以使用包含鈮的材料作為用于蓄電裝置中的涂敷電極的添加劑。根據(jù)本發(fā)明的一個方式，充放電效率得到改善，而不需要恒壓(CV)充電。因此，充電時間也縮短，也可以改善負電極材料的循環(huán)特性。根據(jù)本發(fā)明的一個方式，可以提供一種電池性能諸如高放電容量或充電容量得到提高的蓄電裝置。也可以提供一種減輕因電極中的活性材料層的剝落等導(dǎo)致的劣化的蓄電
>J-U ρ α裝直。


在附圖中:圖1示出蓄電裝置的電極；圖2Α和2Β示出蓄電裝置的電極的制造工序；圖3示出蓄電裝置的電極；圖4Α和4Β示出蓄電裝置的電極的制造工序；圖5Α和5Β分別是平面圖及截面圖，其中示出蓄電裝置的一個方式；
圖6A至6D是蓄電裝置的應(yīng)用例子的透視圖；圖7示出無線供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的例子；圖8示出無線供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的例子；圖9示出蓄電裝置的制造工序；圖10示出蓄電裝置的電池特性。
具體實施例方式以下，將參照

本發(fā)明的實施方式以及實施例。注意，本發(fā)明不局限于以下的說明，所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以很容易地理解一個事實就是，其方式及詳細內(nèi)容在不脫離本發(fā)明的宗旨及其范圍的情況下可以被變換為各種各樣的形式。因此，本發(fā)明不應(yīng)該被解釋為僅限定在下述實施方式以及實施例所記載的內(nèi)容中。在參照

中，有時在不同的附圖中也共同使用相同的附圖標記來表示相同的部分。另外，有時，相同的陰影線應(yīng)用于相同的部分，而對相同的部分不需要附加附圖標記。實施方式I在本實施方式中，將參照圖1和圖2A及2B說明本發(fā)明的一個方式的蓄電裝置的電極及該電極的制造方法。圖1示出蓄電裝置的電極的一個方式。圖1中的蓄電裝置的電極包括集流體101、設(shè)置在集流體101的一個表面上的活性材料層103以及設(shè)置在活性材料層103上的包含鈮的層109。集流體101使用可以用作負電極集`流體且對后面進行的熱處理具有耐熱性的導(dǎo)電材料而適當?shù)匦纬?。可以用于集流體的導(dǎo)電材料的例子有銅、鉬、鋁、鎳、鎢、鑰、鈦及鐵等，但是不局限于此。注意，在使用鋁作為集流體的情況下，優(yōu)選使用添加有能夠提高耐熱性的元素諸如硅、鈦、釹、鈧、鑰等的鋁合金。另外，也可以使用上述導(dǎo)電材料中的任一種的
I=1-Wl O另外，集流體101可以使用與硅起反應(yīng)而形成硅化物的金屬元素來形成。與硅起反應(yīng)而形成硅化物的金屬元素的例子有鋯、鈦、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鑰、鎢、鈷及鎳。另外，氧化物導(dǎo)電材料可以用于集流體101。氧化物導(dǎo)電材料的典型例子有包含氧化鶴的氧化銦、包含氧化鶴的氧化銦鋅、包含氧化鈦的氧化銦、包含氧化鈦的氧化銦錫、氧化銦錫、氧化銦鋅及添加有氧化硅的氧化銦錫等。注意，集流體101也可以具有箔狀、片狀或網(wǎng)狀。當采用這樣的形狀時，集流體101可以單獨地保持其形狀，由此不需要使用支撐襯底等?；钚圆牧蠈?03優(yōu)選使用能夠與其離子傳送電荷的元素合金化的材料形成。傳送電荷的離子可以為堿金屬諸如鋰、鈉的離子；堿土金屬諸如鈣、鍶、鋇的離子；鈹離子；鎂離子等，優(yōu)選使用鋰。作為可以用于活性材料層103的能夠與鋰合金化的材料的例子，舉出娃、錫、招及錯。在使用硅作為活性材料層的情況下，可以在集流體101上利用等離子體CVD法等形成硅層。在此情況下，在形成硅層時，優(yōu)選源氣體包含盡可能少量的氫。由此，形成在硅中的懸空鍵等缺陷增加，而可以容易引起鋰離子的插入及脫離反應(yīng)。設(shè)置在活性材料層103上的包含鈮的層109可以使用氧化鈮或氮化鈮形成?？梢允褂免C、鉭、鎢、鋯、鑰、鉿、鉻或鈦的氧化物或氮化物代替鈮。再者，包含鈮的層109的晶體性可以為非晶、多晶和單晶中的任一種。接著，參照圖2A和2B說明形成上述電極的方法。首先，如圖2A所示，在集流體101上形成活性材料層103。例如，可以將鈦片用作集流體101，并且可以在集流體101上作為活性材料層103利用等離子體CVD法形成硅層。該硅層也可以包含產(chǎn)生載流子的雜質(zhì)元素諸如磷或硼。例如，為了使硅層中含有磷，可以使源氣體中含有膦。注意，對硅層的晶體性沒有特別的限制。該硅層可以為非晶體或晶體。例如，可以使用非晶硅、微晶硅或多晶硅。這里，可以對硅層進行晶化。在對硅層進行晶化的情況下，在充分減少硅層中的氫濃度后，通過熱處理或激光照射對硅層進行晶化。因為硅的理論容量高于石墨，所以使用硅形成的活性材料層即使使用硅形成的活性材料層的厚度為使用石墨形成的活性材料層的1/10左右，也可以具有與使用石墨形成的活性材料層相同程度的容量。因此，可以減少二次電池的重量及尺寸，但是當活性材料層的厚度過薄時，二次電池的容量減小。由此，活性材料層103形成大于或等于50nm且小于或等于10 μ m的厚度，優(yōu)選大于或等于IOOnm且小于或等于5 μ m。即使活性材料層103不形成為薄，也可以通過使用硅增大二次電池的容量，因此是優(yōu)選的。接著，如圖2B所示，在活性材料層103上形成包含鈮的層109。例如，作為包含鈮的層109可以形成氧化鈮層。氧化鈮層可通過使用Nb2O5靶材利用蒸鍍法等形成。另外，氧化鈮層也可以通過使用鍍法、熱噴涂法、CVD法或濺射法等形成。氧化銀層優(yōu)選形成大于 或等于Inm且小于或等于IOOOnm的厚度,更優(yōu)選大于或等于80nm且小于或等于500nm的厚度。另外，所形成的氧化銀層的組成可以由NbxOy (x及y都為正整數(shù))表示。通過上述工序，可以形成蓄電裝置的電極。實施方式2在本實施方式中，將參照圖3和圖4A及4B說明本發(fā)明的一個方式的蓄電裝置的電極及該電極的制造方法。圖3示出蓄電裝置的電極的一個方式。圖3中的蓄電裝置的電極包括集流體201、設(shè)置在集流體201的一個表面上的活性材料層203以及設(shè)置在活性材料層203上的包含鈮的層209。注意，活性材料層203包括結(jié)晶硅區(qū)域和形成在該結(jié)晶硅區(qū)域上的須狀的結(jié)晶硅區(qū)域。接著，將參照圖4A和4B說明形成上述電極的方法。首先，如圖4A所示，在集流體201上利用LPCVD法作為活性材料層203形成結(jié)晶硅層。優(yōu)選高于或等于550° C且低于或等于LPCVD設(shè)備及集流體201的上限溫度的溫度下，更優(yōu)選在高于或等于580° C且低于或等于650° C的溫度下利用LPCVD法進行結(jié)晶硅的沉積。作為源氣體，可以使用包含硅的沉積氣體。包含硅的沉積氣體的例子有氫化硅、氟化硅或氯化硅等，典型地，有3迅、3切6、31 4、31(:14、312(:16等。注意，也可以將稀有氣體諸如氦、氖、氬及氙、氮以及氫中的一種或多種混合到源氣體中。作為集流體201，可以適當?shù)厥褂米鳛榧黧w101的材料舉出的上述材料中的任一種。注意，在活性材料層203中可作為雜質(zhì)含有氧。這是因為如下緣故:由于在利用LPCVD法作為活性材料層203的結(jié)晶硅層的形成中進行的加熱，氧從LPCVD設(shè)備的石英制處
理室脫離，而氧擴散到結(jié)晶硅層中。注意，還可以對結(jié)晶硅層添加產(chǎn)生載流子的雜質(zhì)元素諸如磷或硼。由于添加有產(chǎn)生載流子的雜質(zhì)元素諸如磷或硼的結(jié)晶硅層具有高導(dǎo)電性，所以可以提高電極的導(dǎo)電性。為此，可以進一步提高放電容量或充電容量?；钚圆牧蠈?03包括結(jié)晶硅區(qū)域203a和形成在該結(jié)晶硅區(qū)域203a上的須狀的結(jié)晶硅區(qū)域203b。注意，結(jié)晶硅區(qū)域203a與須狀的結(jié)晶硅區(qū)域203b之間的界面不明確。因此，將與形成在須狀的結(jié)晶硅區(qū)域203b中的多個突起物之間的谷中最深的谷底相同的平面且與集流體的表面平行的平面看作結(jié)晶硅區(qū)域203a與須狀的結(jié)晶硅區(qū)域203b之間的界面。
結(jié)晶硅區(qū)域203a以覆蓋集流體201的方式設(shè)置。須狀的結(jié)晶硅區(qū)域203b具有在不特定方向上從結(jié)晶硅區(qū)域203a的不特定區(qū)域突出的多個突起物。注意，須狀的結(jié)晶硅區(qū)域203b中的多個突起物可以分別具有柱狀諸如圓柱狀、棱柱狀或者針狀諸如圓錐狀、棱錐狀。突起物的頂部可以為彎曲。多個突起物也可以都包括柱狀突起物和針狀突起物。另外，突起物的表面可以為不平坦。表面的不平坦可以增大活性材料層的表面積。由于在本實施方式中的蓄電裝置的電極中，用作活性材料層203的結(jié)晶硅層包括須狀的結(jié)晶硅區(qū)域203b，所以其表面積增大，而可以提高高電流密度條件下的蓄電裝置的放電容量或充電容量。接著，如圖4B所示，在活性材料層203上形成包含鈮的層209。包含鈮的層209可以與實施方式I中的包含鈮的層109同樣地形成。通過上述工序，可以形成蓄電裝置的電極。實施方式3在本實施方式中，將以下說明本發(fā)明的一個方式的蓄電裝置的電極及該電極的制
造方法。首先，混合活性材料、導(dǎo)電助劑、粘合劑以及溶劑而形成漿料。漿料以如下方法準備，即將導(dǎo)電助劑分散在包含粘合劑的溶劑中，然后將活性材料混合到該溶劑中。此時，為了提高分散性優(yōu)選減少溶劑量而獲得濃膏。然后，追加溶劑，以形成漿料?？梢赃m當?shù)卣{(diào)整活性材料、導(dǎo)電助劑、粘合劑以及溶劑的比率，在導(dǎo)電助劑和粘合劑的比率越高，每個活性材料量的電池性能越高。作為活性材料優(yōu)選使用能夠與鋰合金化的材料，例如，可以使用包含硅、錫、鋁或鍺的材料。在本實施方式中，使用粒狀的硅。注意，當作為活性材料的粒狀的硅的粒徑小時，可以獲得優(yōu)良的容量和循環(huán)特性，從而粒徑優(yōu)選為IOOnm或更小。作為導(dǎo)電助劑，可以使用本身為電子導(dǎo)體且不會與電池裝置中的其他材料引起化學(xué)反應(yīng)的材料。例如，可以使用:碳類材料諸如石墨、碳纖維、炭黑、乙炔黑、科琴黑、VGCF(注冊商標);金屬材料諸如銅 、鎳、鋁及銀；及上述材料的混合物的粉末、纖維等。導(dǎo)電助劑是指促進在活性材料之間的導(dǎo)電的材料，并是指填充在分隔的活性材料之間且實現(xiàn)活性材料之間的導(dǎo)通的材料。作為粘合劑，可以舉出多糖類、熱可塑性樹脂或具有橡膠彈性的聚合物等。上述材料的例子有淀粉、聚酰亞胺、聚乙烯醇、羧甲基纖維素、羥丙基纖維素、再生纖維素、二乙酸纖維素、聚氯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、乙烯丙烯二烴單體(EPDM)、磺化EPDM、丁苯橡膠(SBR)、聚丁橡膠、氟橡膠及聚氧化乙烯。作為溶劑，可以使用水、N甲基-2吡咯烷酮或乳酸酯等。接著，將上述制造的漿料涂敷在集流體上，并使用熱板或烘箱等使它干燥。在使用水類粘合劑諸如SBR的情況下，可以在50° C左右的溫度下進行干燥。在使用PVDF、聚酰亞胺等有機類粘合劑的情況下，優(yōu)選在120° C左右的溫度下進行干燥。然后，穿孔而獲得所希望的形狀，并且進行主干燥。優(yōu)選在170° C的溫度下進行10小時左右的主干燥。例如，作為上述集流體可以使用銅箔、鈦箔或不銹鋼箔等。另外，集流體可以具有箔形狀、板形狀或網(wǎng)形狀等。在通過上述工序而獲得的涂敷電極上形成包含鈮的層。例如，包含鈮的層可通過利用蒸鍍法而形成，并優(yōu)選使用氧化鈮或氮化鈮形成。通過上述工序，可以形成蓄電裝置的電極。實施方式4在本實施方式中，將參照圖5A和5B說明蓄電裝置的結(jié)構(gòu)。首先，下面，將作為蓄電裝置說明二次電池的結(jié)構(gòu)。在此，將說明作為二次電池的典型例子的鋰離子電池的結(jié)構(gòu)。圖5A是蓄電裝置151的平面圖，而圖5B是沿著圖5A中的點劃線A-B的截面圖。在本實施方式中，作為蓄電裝置151示出被封閉的薄型蓄電裝置。圖5A所示的蓄電裝置151在外裝部件153中包括蓄電單元(power storage cell)155。蓄電裝置151還包括與蓄電單元155連接的端子部157、159。作為外裝部件153可以
使用層壓薄膜、高分子薄膜、金屬薄膜、金屬殼、塑料殼等。如圖5B所示，蓄電單元155包括負電極163、正電極165、設(shè)置在負電極163與正電極165之間的分隔件167以及電解質(zhì)169。負電極163包括負電極集流體171及負電極活性材料層173。另外，負電極活性材料層173形成在負電極集流體171的一個或兩個表面上。正電極165包括正電極集流體175及正電極活性材料層177。另外，正電極活性材料層177形成在正電極集流體175的一個或兩個表面上。負電極集流體171與端子部159連接。正電極集流體175與端子部157連接。另夕卜，端子部157、159的一部分分別延伸到外裝部件153的外側(cè)。注意，雖然在本實施方式中作為蓄電裝置151示出被密封的薄型蓄電裝置，但是蓄電裝置可以具有各種結(jié)構(gòu)；例如可以使用扣型蓄電裝置、圓筒型蓄電裝置或方型蓄電裝置。另外，雖然在本實施方式中示出層疊有正電極、負電極和分隔件的結(jié)構(gòu)，但是也可以采用卷繞有正電極、負電極和分隔件的結(jié)構(gòu)。作為負電極集流體171，可以使用實施方式I所示的集流體101。作為負電極活性材料層173，與實施方式I所示的活性材料層103的情況同樣，可以使用摻雜有磷的非晶硅。注意，也可以對硅 進行鋰的預(yù)摻雜。另外，在LPCVD設(shè)備中通過利用框狀的基座(susceptor)支撐負電極集流體171并形成使用娃的活性材料層103,可以在負電極集流體171的兩個表面上同時形成活性材料層103，從而可以減少工序數(shù)量。
再者，與實施方式I同樣，在負電極活性材料層173上形成包含鈮的層179。包含鈮的層179可以使用氧化鈮或氮化鈮形成。作為正電極集流體175，使用鋁、不銹鋼等。正電極集流體175適當?shù)乜梢跃哂胁螤?、片形狀、網(wǎng)形狀、膜形狀等。作為正電極活性材料層177，可以使用吸留并釋放傳送電荷的離子的材料。例如，正電極活性材料層 177 可以使用 LiFe02、LiCo02、LiNi02、LiMn204、LiFeP04、LiCoP04、LiNiP04、LiMn2PO4^ V2O5> Cr2O5> MnO2或其他鋰化合物作為材料而形成。注意，當載體離子是鋰以外的堿金屬離子或堿土金屬離子時，正電極活性材料層177也可以使用堿金屬(例如，鈉或鉀)或堿土金屬(例如，鈣、鍶或鋇)代替上述鋰化合物中的鋰而形成。作為電解質(zhì)169的溶質(zhì)，使用能夠轉(zhuǎn)移作為載體離子的鋰離子且可以使鋰離子穩(wěn)定地存在的材料。電解質(zhì)的溶質(zhì)的典型例子有鋰鹽諸如LiC104、LiAsF6, LiBF4, LiPF6, Li(C2F5SO2)2N0注意，當載體離子是鋰以外的堿金屬離子或堿土金屬離子時，電解質(zhì)169的溶質(zhì)可以適當?shù)厥褂脡A金屬鹽諸如鈉鹽或鉀鹽；堿土金屬鹽諸如鈣鹽、鍶鹽或鋇鹽；鈹鹽；鎂鹽等而形成。作為電解質(zhì)169的溶劑，使用能夠轉(zhuǎn)移鋰離子(或其他的載體離子)的材料。作為電解質(zhì)169的溶劑，優(yōu)選使用非質(zhì)子有機溶劑。非質(zhì)子有機溶劑的典型例子有碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、Y-丁內(nèi)酯、乙腈、二甲氧基乙烷、四氫呋喃等，可以使用它們中的一種或多種。當作為電解質(zhì)169的溶劑使用被膠凝化的高分子材料時，對于漏液性等的安全性得到提高。另外，蓄電裝置151可以薄型化及輕量化。被膠凝化的高分子材料的典型例子有硅凝膠、丙烯凝膠、丙烯腈凝膠、聚氧化乙烯、聚氧化丙烯、氟類聚合物。作為電解質(zhì)169，可以使用固體電解質(zhì)諸如Li3PO415再者，電解質(zhì)169可以含有鈮。電解質(zhì)169也可以含有碳酸亞乙烯酯等。分隔件167使用·絕緣多孔體。分隔件167的典型例子有纖維素(紙)、聚乙烯、聚丙烯及玻璃纖維?？梢圆捎眠@些材料的單層或疊層。鋰離子電池具有小記憶效應(yīng)、高能量密度及高放電容量。另外，鋰離子電池的輸出電壓高。由此，可以減少鋰離子電池的尺寸及重量。另外，鋰離子電池不容易發(fā)生因重復(fù)充放電而導(dǎo)致的劣化，因此可以長時間地使用而可以縮減成本。接著，將作為蓄電裝置說明電容器。電容器的典型例子有雙電層電容器及鋰離子電容器。在蓄電裝置是電容器的情況下，可以使用能夠可逆地吸留鋰離子(或其他的載體離子)和負離子中的至少一種的材料代替圖5B所示的二次電池中的正電極活性材料層177，即可。典型地，正電極活性材料層177可以使用活性炭、導(dǎo)電高分子或多并苯有機半導(dǎo)體(PAS)形成。鋰離子電容器具有充放電的高效率、能夠進行快速充放電的性能及承受重復(fù)利用的長使用壽命。通過使用實施方式I所示的負電極作為負電極163，可以制造具有高放電容量或充電容量且提高了循環(huán)特性的蓄電裝置。另外，通過在蓄電裝置的一個方式的空氣電池的負電極中使用實施方式I所示的集流體及活性材料層，可以制造具有高放電容量或充電容量及提高了循環(huán)特性的蓄電裝置。如上所述，在本發(fā)明的一個方式中可以采用包括集流體層、活性材料層以及包含鈮的層等的多層結(jié)構(gòu)，由此包括在集流體層、活性材料層以及包含鈮的層中的物質(zhì)彼此鍵合而可以提高結(jié)構(gòu)的強度。因此，不容易發(fā)生由伴隨充放電的活性材料層的體積變化導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞。結(jié)果，因為即使在進行充放電循環(huán)之后，上述活性材料層的破壞也被抑制，所以可以抑制電池內(nèi)部的電阻上升及容量減少。實施方式5在本實施方式中，將參照圖6A至6D說明實施方式4所示的蓄電裝置的應(yīng)用例子?？梢詫嵤┓绞? 所示的蓄電裝置用于電子設(shè)備諸如數(shù)碼相機或攝像機等影像拍攝裝置、數(shù)碼相框、移動電話機(也稱為移動電話或移動電話裝置)、便攜式游戲機、掌上電腦及聲音再現(xiàn)裝置。另外，還可以將蓄電裝置用于電力牽引車輛諸如電動汽車、混合動力汽車、鐵路用電動車廂、工作車、卡丁車及輪椅。在此，將說明電力牽引車輛的例子。圖6A示出電力牽引車輛中的一種的四輪汽車300的結(jié)構(gòu)。汽車300是電動汽車或混合動力汽車。汽車300是在底部設(shè)置有蓄電裝置302的例子。為了明確顯示汽車300中的蓄電裝置302的位置，圖6B示出汽車300以及設(shè)置在汽車300的底部的蓄電裝置302的輪廓?？梢詫⒃趯嵤┓绞?中說明的蓄電裝置用于蓄電裝置302。通過利用插件技術(shù)或無線供電系統(tǒng)的外部供應(yīng)電力可以給蓄電裝置302充電。圖6C示出電力牽引車輛中的一種的摩托艇1301的結(jié)構(gòu)。圖6C示出摩托艇1301包括設(shè)置在艇體側(cè)部的蓄電裝置1302的情況?？梢詫嵤┓绞?所述的蓄電裝置用于蓄電裝置1302。通過利用插件技術(shù)或無線供電系統(tǒng)的外部供應(yīng)電力可以給蓄電裝置1302充電。例如，可以將用來進行摩托艇1301的充電(即，蓄電裝置1302的充電)的供電裝置設(shè)置在港灣中的停泊處。圖6D示出電力牽引車輛中的一種的電動輪椅1311的結(jié)構(gòu)。圖6D示出電動輪椅1311包括設(shè)置在底部的蓄電裝置1312的情況。可以將實施方式4所示的蓄電裝置用于蓄電裝置1312。通過利用插件技術(shù)或無線供電系統(tǒng)的外部供應(yīng)電力可以給蓄電裝置1312充電。實施方式6在本實施方式中，將參照圖7及圖8的方框圖說明一個例子，該例子中，在無線電力供應(yīng)系統(tǒng)(以下稱為RF電力供應(yīng)系統(tǒng))中使用二次電池，該二次電池是根據(jù)本發(fā)明的一個方式的蓄電裝置的一個例子。在各方框圖中，獨立的方框圖示出根據(jù)功能分類受電裝置及供電裝置內(nèi)的構(gòu)成要素。但是實際上難以根據(jù)功能將構(gòu)成要素完全分類，一個構(gòu)成要素有時與多個功能有關(guān)。首先，將參照圖7說明RF供電系統(tǒng)。受電裝置600是利用從供電裝置700供應(yīng)的電力驅(qū)動的電子設(shè)備或電力牽引車輛，并可以適當?shù)貞?yīng)用于其他的利用電力驅(qū)動的裝置。電子設(shè)備的典型例子有影像拍攝裝置諸如數(shù)碼相機或攝像機、數(shù)碼相框、移動電話機(也稱為移動電話或移動電話裝置)、便攜式游戲機、掌上電腦、聲音再現(xiàn)裝置、顯示裝置及計算機。電力牽引車輛的典型例子有電動汽車、混合動力汽車、鐵路用電動車廂、工作車、卡丁車及電動輪椅。另外，供電裝置700具有向受電裝置600供應(yīng)電力的功能。
在圖7中，受電裝置600包括受電裝置部601及電源負載部610。受電裝置部601至少包括受電裝置天線電路602、信號處理電路603及二次電池604。供電裝置700至少包括供電裝置天線電路701及信號處理電路702。受電裝置天線電路602具有接收供電裝置天線電路701所發(fā)送的信號或?qū)╇娧b置天線電路701發(fā)送信號的功能。信號處理電路603處理受電裝置天線電路602所接收的信號，并控制二次電池604的充電以及從二次電池604供應(yīng)到電源負載部610的電力。另外，信號處理電路603控制受電裝置天線電路602的工作。也就是說，信號處理電路603可以控制由受電裝置天線電路602發(fā)送的信號的強度、頻率等。電源負載部610是從二次電池604接收電力并驅(qū)動受電裝置600的驅(qū)動部。電源負載部610的典型例子有電動機及驅(qū)動電路?？梢赃m當?shù)厥褂闷渌慕邮针娏眚?qū)動受電裝置的裝置作為電源負載部610。供電裝置天線電路701具有對受電裝置天線電路602發(fā)送信號或接收來自受電裝置天線電路602的信號的功能。信號處理電路702處理供電裝置天線電路701所接收的信號。另外，信號處理電路702控制供電裝置天線電路701的工作。換言之，信號處理電路702可以控制由供電裝置天線電路701發(fā)送的信號的強度、頻率等。根據(jù)本發(fā)明的一個方式的二次電池被用作圖7所示的RF供電系統(tǒng)中的受電裝置600所包括的二次電池604。通過將根據(jù)本發(fā)明的一個方式的二次電池用于RF供電系統(tǒng)，放電容量或充電容量(也稱為蓄電量)可以比現(xiàn)有的二次電池高。因此，可以延長無線供電的時間間隔(可以省去多次供電)。此外，通過在RF電力供應(yīng)系統(tǒng)中使用根據(jù)本發(fā)明的一個方式的二次電池，如果可以驅(qū)動電源負載部610的放電容量或充電容量與現(xiàn)有的二次電池相同，受電裝置600可以形成為小型及輕量。因此，可以縮減總成本。接著，將參照圖8說明RF供電系統(tǒng)的其他例子。在圖8中，受電裝置600包括受電裝置部601及電源負載部610。受電裝置部601至少包括受電裝置天線電路602、信號處理電路603、二次電池604、整流電路605、調(diào)制電路606及電源電路607。另外，供電裝置700至少包括供電裝置天線電路701、信號處理電路702、整流電路703、調(diào)制電路704、解調(diào)電路705及振蕩電路706。受電裝置天線電路602具有接收供電裝置天線電路701所發(fā)送的信號或?qū)╇娧b置天線電路701發(fā)送信號的功能。當受電裝置天線電路602接收供電裝置天線電路701所發(fā)送的信號時，整流電路605具有利用由受電裝置天線電路602所接收的信號生成直流電壓的功能。信號處理電路603具有處理受電裝置天線電路602所接收的信號，并控制二次電池604的充電以及從二次電池604供應(yīng)到電源電路607的電力的功能。電源電路607具有將二次電池604所儲蓄的電壓轉(zhuǎn)換為電源負載部610所需的電壓的功能。當從受電裝置600將某種響應(yīng)發(fā)送到供電裝置700時使用調(diào)制電路606。通過具有電源電路607，可以控制供應(yīng)到電源負載部610的電力。由此，可以抑制施加到電源負載部610的過電壓，并且可以減少受電裝置600的劣化或損壞。另外，通 過具有調(diào)制電路606，可以將信號從受電裝置600發(fā)送到供電裝置700。由此，當判斷受電裝置600中的充電量達到一定量，將信號從受電裝置600發(fā)送到供電裝置700，從而可以停止從供電裝置700對受電裝置600供電。其結(jié)果，二次電池604不完全充電，所以可以增加二次電池604的最大充電循環(huán)次數(shù)。供電裝置天線電路701具有對受電裝置天線電路602發(fā)送信號或從受電裝置天線電路602接收信號的功能。當對受電裝置天線電路602發(fā)送信號時，信號處理電路702生成發(fā)送到受電裝置的信號。振蕩電路706是生成固定頻率的信號的電路。調(diào)制電路704具有根據(jù)信號處理電路702所生成的信號和振蕩電路706所生成的固定頻率的信號對供電裝置天線電路701施加電壓的功能。由此，從供電裝置天線電路701輸出信號。另一方面，當從受電裝置天線電路602接收信號時，整流電路703對所接收的信號進行整流。解調(diào)電路705從由整流電路703進行了整流的信號抽出受電裝置600對供電裝置700發(fā)送的信號。信號處理電路702具有對由解調(diào)電路705抽出的信號進行分析的功能。注意，只要能夠進行RF供電，就可以在電路之間設(shè)置任何電路。例如，也可以在受電裝置600接收信號且整流電路605生成直流電壓之后由設(shè)置在后級的DC-DC轉(zhuǎn)換器或調(diào)整器等的電路生成恒壓。由此，可以抑制受電裝置600內(nèi)部被施加過電壓。根據(jù)本發(fā)明的一個方式的二次電池用于圖8所說明的RF供電系統(tǒng)中的受電裝置600所包括的二次電池604。通過將根據(jù) 本發(fā)明的一個方式的二次電池用于RF供電系統(tǒng)，放電容量或充電容量可以比現(xiàn)有的二次電池高。因此可以延長無線供電的時間間隔(可以省去多次供電)。此外，通過在RF電力供應(yīng)系統(tǒng)中使用根據(jù)本發(fā)明的一個方式的二次電池，如果可以驅(qū)動電源負載部610的放電容量或充電容量與現(xiàn)有的二次電池相同，受電裝置600可以形成為小型及輕量。因此，可以縮減總成本。注意，在將根據(jù)本發(fā)明的一個方式的二次電池用于RF供電系統(tǒng)并將受電裝置天線電路602和二次電池604彼此重疊的情況下，優(yōu)選由于因二次電池604的充放電而導(dǎo)致的二次電池604的變形以及因該變形導(dǎo)致的天線的變形而受電裝置天線電路602的阻抗不變化。當天線的阻抗變化時，有時不能充分供應(yīng)電力。例如，可以將二次電池604裝在使用金屬或陶瓷形成的電池組。注意，此時優(yōu)選受電裝置天線電路602和電池組彼此離開幾十μ m或更大。在本實施方式中，對充電信號的頻率沒有限制，只要是能傳輸電力的頻率，就可以是任何頻帶。例如，充電信號的頻率可以是選自LF帶中的135kHz、HF帶中的13.56MHz、UHF帶中的900MHz至IGHz和SHF帶中的2.45GHz中的一個。信號的傳送方式可以適當?shù)剡x自各種方式，該方式包括電磁稱合方式、電磁感應(yīng)方式、電磁共振方式及微波方式。為了避免含水諸如雨及泥的異物所引起的能量損失，優(yōu)選使用利用低頻帶的電磁感應(yīng)方式或電磁共振方式，尤其是，3kHz至30kHz的VLF、30kHz至300kHz 的 LF 帶、300kHz 至 3MHz 的 MF 或 3MHz 至 30MHz 的 HF。本實施方式可以與上述實施方式中的任一個組合來實施。實施例1在本實施例中，將說明本發(fā)明的一個方式的二次電池。在本實施例中，制造本發(fā)明的一個方式的二次電池及用于對比的二次電池(以下稱為對比二次電池)，并對其電池特性進行比較。(二次電池的電極的制造工序)首先，將說明二次電池的電極的制造工序。
在集流體上形成活性材料層來制造二次電池的電極。作為集流體的材料，使用鈦。作為集流體，使用厚度為100 μ m的片狀的鈦箔(也稱為鈦片)。作為活性材料層，使用摻雜有磷的非晶硅層。利用等離子體CVD法在用作集流體的鈦箔上形成用作活性材料層的摻雜有磷的非晶硅層。在如下條件下利用等離子體CVD法形成摻雜有磷的非晶硅層:使用硅烷和膦作為源氣體；將硅烷和膦分別以60SCCm、110SCCm的流量引入到反應(yīng)室；反應(yīng)室中的壓力為133Pa ;以及作為反應(yīng)室中的溫度，將上部加熱器設(shè)定為400° C，并且將下部加熱器設(shè)定為500。 Co將在上述工序中得到的摻雜有磷的非晶硅層用作二次電池的活性材料層。接著，在所形成的活性材料層上利用蒸鍍法形成氧化鈮層。作為蒸鍍源，使用具有Nb2O5的組成的氧化鈮，而在真空中進行蒸鍍。再者，使用X射線光電子光譜技術(shù)(XPS)測量氧化鈮層的組成。結(jié)果，確認到:所形成的氧化鈮層的組成與蒸鍍源的Nb2O5的組成大致相同。通過上述工序，制造二次電池的電極。(二次電池的制造工序)接著，將說明本實施例的二次電池的制造工序。使用通過上述工序而獲得的電極制造二次電池。在此，制造硬幣型二次電池。以下，將參照圖9說明硬幣型二次電池的制造方法。

如圖9所示，硬幣型二次電池包括電極204、參考電極232、分隔件210、電解液(未圖示)、框體206以及框體244。此外，硬幣型二次電池還包括環(huán)狀絕緣體220、間隔物240及墊圈242。作為電極204使用通過上述工序而獲得的在集流體上設(shè)置有活性材料層及包含鈮的層的電極。在本實施例中，使用鈦箔作為集流體，并且活性材料層具有實施方式I所示的包括摻雜有磷的非晶硅層及氧化鈮層的疊層結(jié)構(gòu)。參考電極232使用鋰金屬(鋰箔)形成。分隔件210使用聚丙烯形成。框體206、框體244、間隔物240及墊圈242分別使用不銹鋼制成?？蝮w206及框體244具有使電極204及參考電極232與外部電連接的功能。將上述電極204、參考電極232及分隔件210浸潰到電解液。并且，如圖9所示，依次層疊框體206、電極204、分隔件210、環(huán)狀絕緣體220、參考電極232、間隔物240、墊圈242、框體244,以框體206位于底部。利用“硬幣單元壓合器(coin-cell crimper)”壓合框體206和框體244。如此制造硬幣型二次電池。作為電解液，使用將LiPF6溶解在碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二乙酯(DEC)的混合溶劑中的電解液。(對比二次電池的電極的制造工序)接下來，將說明對比二次電池的電極的制造工序。對比二次電池的活性材料層的制造工序與本發(fā)明的一個方式的二次電池不同。對比二次電池的其他結(jié)構(gòu)與本發(fā)明的一個方式的二次電池相同，因此省略襯底、集流體等的結(jié)構(gòu)的描述。對比二次電池的活性材料層具有摻雜有磷的非晶硅層的單層結(jié)構(gòu)。(對比二次電池的制造工序)接下來，將說明對比二次電池的制造工序。
通過上述工序在集流體上形成活性材料層，來形成對比二次電池的電極。使用該電極制造對比二次電池。對比二次電池除了電極形成方法以外與上述二次電池相同的方法制造。(本發(fā)明的二次電池與對比二次電池之間的特性比較)使用充放電測量儀對如上所述那樣制造的二次電池與對比二次電池的電池特性進行比較。當測量充放電時，采用恒電流方式，并且只在初次充電中以0.05mA的電流進行，初次充電之后的充電以0.15mA的電流進行充放電。上限電壓為1.0V，并且下限電壓為
0.03V。容量限制為2000 (mAh/g)，并且在室溫下進行測量。表格I及圖10示出其結(jié)果。[表格1]
權(quán)利要求
1.一種蓄電裝置，包括: 電極，該電極包括: 集流體； 形成在所述集流體上且包含能夠與鋰合金化的材料的活性材料層；以及 形成在所述活性材料層上的包含鈮的層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電裝置，其中所述包含鈮的層包含氧化鈮或氮化鈮。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的蓄電裝置，其中所述包含鈮的層還包含鈮鋰合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電裝置，其中所述能夠與鋰合金化的材料是硅、錫、鋁或鍺。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電裝置，其中所述能夠與鋰合金化的材料是包含磷或硼的 硅。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電裝置，其中所述活性材料層包括結(jié)晶硅區(qū)域和所述結(jié)晶硅區(qū)域上的須狀結(jié)晶硅區(qū)域。
7.一種蓄電裝置，包括: 負電極，該負電極包括: 集流體； 形成在所述集流體上且包含能夠與鋰合金化的材料的活性材料層；以及 形成在所述活性材料層上的包含鈮的層； 與所述負電極接觸地形成的電解質(zhì)；以及 與所述負電極相對的正電極，所述電解質(zhì)位于所述正電極與所述負電極之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的蓄電裝置，其中所述包含鈮的層包含氧化鈮或氮化鈮。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的蓄電裝置，其中所述包含鈮的層還包含鈮鋰合金。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的蓄電裝置，其中所述能夠與鋰合金化的材料是硅、錫、鋁或鍺。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的蓄電裝置，其中所述能夠與鋰合金化的材料是包含磷或硼的硅。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的蓄電裝置，其中所述電解質(zhì)包含鈮。
13.—種蓄電裝置的電極，包括: 集流體； 形成在所述集流體上且包含能夠與鋰合金化的材料的活性材料層；以及 形成在所述活性材料層上的包含鈮的層。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的蓄電裝置的電極，其中所述集流體包含選自由銅、鉬、鋁、鎳、鎢、鑰、鈦、鐵、硅、釹、鈧、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鈷、銦、鋅以及錫構(gòu)成的組中的至少一種元素。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的蓄電裝置的電極，其中所述包含鈮的層包含氧化鈮或氮化鈮。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的蓄電裝置的電極，其中所述包含鈮的層還包含鈮鋰合金。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的蓄電裝置的電極，其中所述能夠與鋰合金化的材料是硅、錫、招或鍺。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的蓄電裝置的電極，其中所述能夠與鋰合金化的材料是包含磷或硼的硅。
19.一種蓄電裝置的電極，包括: 集流體； 形成在所述集流體上且包含能夠與鋰合金化的材料的活性材料層；以及 形成在所述活性材料層上的層， 其中，所述形成在所述 活性材料層上的層包含選自由釩、鉭、鎢、鋯、鑰、鉿、鉻以及鈦構(gòu)成的組中的至少一種元素。
全文摘要
本發(fā)明提供一種蓄電裝置，該蓄電裝置具有改善了的性能如高放電容量，并不容易發(fā)生由活性材料層的剝落等導(dǎo)致的劣化。在用于蓄電裝置的電極中，在集流體上的活性材料層中使用摻雜有磷的非晶硅作為能夠與鋰合金化的材料，并且在該活性材料層上作為包含鈮的層形成氧化鈮。從而可以提高蓄電裝置的容量，還可以改善循環(huán)特性及充放電效率。
文檔編號H01M12/08GK103238240SQ20118005864
公開日2013年8月7日 申請日期2011年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月7日
發(fā)明者栗城和貴, 井上信洋, 荻野清文 申請人:株式會社半導(dǎo)體能源研究所