Способ создания наноструктурированного кремниевого анода Российский патент 2020 года по МПК H01M4/13 B82B3/00 

Изобретение относится к созданию нового поколения литиевых аккумуляторов в виде многослойной структуры рис 3. В способе создания наноструктурированного анода на титановую подложку 3 с двух сторон наносят поликристаллический кремний 2, затем на обе стороны приклеивают тонкую металлическую фольгу 1, размещенную внутри пластика и облучают материал лазерным импульсным излучением надпороговой мощности. В результате воздействия такой мощности лазерный луч делится на пороговую, при этом образуются каналы 5 размер которых контролируется мощностью лазерного излучения, а между каналами пространство заполняется кремниевыми нановискерами 4, покрытые тонкой пленкой углерода, при этом размер и плотность их контролируется параметрами лазерной установки. Упорядоченные нановискеры 4 вырастают также и на стенках каналов 5. Такая обработка сложной гетероструктуры позволяет увеличить в 1000 раз объем анода и его прочность, т.к. кремниевые бездислокационные нановискеры 4 обладют более высокой прочностью и обладают меньшим значением модуля Юнга в сравнении с микрометрическими размерами кремния. Изобретение позволяет создавать как аккумуляторы для питания слабых электронных изделий, так и для мощных транспортных систем

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ.

Развитие вычислительной техники с процессоров на батареи и аккумуляторы. Мощный прожорливый процессор оказывается никому не нужен и выбор падает на более слабый тип с более долгим временем автономной работы. Фирмы Gartner, Locheed Martin, Nexeon считают, что в ближайшее время (два года) произойдет прорыв. Фирма Natural Nanotechnology Stenford создала гранатовую батарею, которая выдерживает 1000 циклов зарядки и сохраняет 97% емкости, а кремний размерами 3 мк, покрытый тонкой пленкой углерода собирается в виде граната. Недостатки предлагаемой технологии следующие: сложная химия по покрытию кремния тонкой пленкой углерода. Сложная сборка устройства (что признают сами авторы), которая не позволяет комерциализировать процесс и сделать его более дешевым.(1) Другим интересным решением является работа в которой использовались вискеры кремния, которые дают интересные результаты в начальной стадии работы аккумулятора, который выдерживает только 50 циклов зарядки, т.к. литий проникает в кремний, увеличивает объем вискеров в 3 раза и анод разрушается. Выращивание вискеров медленный процесс 5 мк\час, такие вискеры не ориентированы и механически имеют невысокую прочность.(Chan/J/Power Sources 2009'V 189. Р 303-306.) В патенте (RU 2325008) вискеры изготавливались при помощи химического травления из кристаллического кремния. Прочность их была невелика, поэтому как и в предыдущем случае изготовленные вискеры разрушались. Таким образом, изготовление кремниевых анодов при помощи кластерных технологий позволяет только частично решать сложные технологические задачи.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.

В основу изобретения поставлена задача снизить трудоемкость изготовления гранатовых аккумуляторов, созданных на основе 3 мк кремния, покрытого углеродом, ввести в изделие более прочные и меньшего размера нановискеры 4 от 40 нм - 1 мк, покрытые углеродом, что позволит значительно увеличить емкость анода, а легирование кремния алюминием увеличит акцепторную проводимость анода, создать внутри кремния нановискеризованные колодцы 5, покрытые углеродом для удержаниия ионов лития, а высокоскоростная кристаллизация в лазерной плазме в диапазоне 3000-4000С и давлениях порядка 100000 атм при скоростях кристаллизации 80-100 м/сек позволит выращивать бездислокационные нановискеры высокой прочности, снизить энергозатраты и создать высокопроизводительный процесс изготовления аккумуляторов нового поколениия с объемным концентрированием лития, при этом пластины анодов, могут достигать 0,5 м2 по площади.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления анода на тонкий металлический электрод 3 с обеих сторон наносится тонкий слой кремния 2, который заклеивается алюминиевой пластифицированной фольгой 1. Изготовленная таким образом структура подвергается воздействию сканирующего импульсного лазерного излучения надпороговой мощности

При таком способе воздействия на структуру, в ней образуются каналы 5, стенки которых покрыты нановискерами кремния 4, при этом диаметр каналов в зависимости от програмного обеспечения работы лазерной установки может изменяться от 1-150 мк, а также плотность расположения каналов.(рис 1)

При таком таком способе воздействия на структуру между каналами вырастают бездислокационные нановискеры кремния 4 с размерами от 40 нм до 1 мк и высотой от 100 нм до 5 мк (рис 2).

При таком способе воздействия на структуру при температурах лазерной плазмы одновременно происходит разрушение пластика с образованием свободного углерода, который покрывает кремниевые нановискеры 4, как в каналах 5, так и на поверхности

При таком способе воздействия на структуру одновременно происходит легирование кремния алюминием, т.е. увеличением акцепторной проводимости.

При таком способе изготовления кремниевого анода создается механически прочная структура, т.к. прочность нановискеров в десятки раз прочнее кристаллического кремния (Справочник по технологии наночастиц, Научный мир, 2013 стр 58-59).

Поскольку нановискеры 4 возникают в нескольких слоях структур начиная с нижнего, создается объемная пространственная конструкция для поглощения и удержания ионов лития, которая приводит к увеличению емкости структуры в десятки раз.

Предлагаемая технология резко упрощает и удешевляет изготовление и стоимость кремниевого анода

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ И ФОТОГРАФИЙ.

Рис 1 Фотография нановискеров на стенках канала выполненная при помощи атомно-силового микроскопа.

Рис 2.Фотография нановискеров на поверхности структуры между каналами.

Рис 3 Чертеж конструкции структуры.

ЛУЧШИЕ ВАРИАНТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ.

Предлагаемый способ изготовления наноструктурированного кремниевого анода при изготовлении аккумуляторов и батарей нового поколения осуществляется следующим образом.

Для изготовления кремниевого анода размещают сканирующий импульсный источник лазерного излучения напротив структуры рис. 3, состоящей из 5 слоев и проводят лазерное облучение надпороговой мощности, при этом образуются как нановискеризованные каналы рис 1, так и нановискеры между каналами рис 2. Такое облучение производится с двух сторон структуры.

Затем производится вырубка анодных пластин, зачистка контактных поверхностей, сушка в вакуумном сушильном шкафу. Нарезка сепараторной ленты и изготовление электродно-сепараторного блока следующая операция. Далее ультразвуковая сварка электродов в стеки и приварка токовыводов. Затем изготовление пакета из ламината, сборка электродно-сепараторного блока в корпус и запайка пакета с трех сторон. Заливка электролита с помощью дозатора и финальная запайка пакета. В качестве катода можно применять феррофосфат лития.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу создания наноструктурированного многослойного кремниевого анода для литиевых аккумуляторов. В предложенном способе на титановую подложку (3) с двух сторон наносят поликристаллический кремний (2), затем на обе стороны приклеивают тонкую металлическую фольгу (1), размещенную внутри пластика, и облучают материал лазерным импульсным излучением надпороговой мощности, при этом образуются каналы (5), размер которых контролируется мощностью лазерного излучения, пространство между каналами заполняется кремниевыми нановискерами (4), покрытыми тонкой пленкой углерода. Упорядоченные нановискеры (4) вырастают также и на стенках каналов (5). Такая обработка сложной гетероструктуры позволяет увеличить в 1000 раз объем анода и его прочность, поскольку кремниевые бездислокационные нановискеры (4) обладают более высокой прочностью и меньшим значением модуля Юнга в сравнении с микрометрическими размерами кремния. Повышение емкости анода является техническим результатом изобретения. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ образования наноразмерных кластеров и создания из них упорядоченных структур на основе кремния, заключающийся в том, что в анодный электрод вводят материалы с заданными электрохимическими параметрами, из которых образуют кластеры и создают из них упорядоченные структуры с управляемыми электрохимическими свойствами, отличающийся тем, что кремниевые слои на металлической подложке, покрытые пластифицированной алюминиевой фольгой, облучают лазерным импульсным сканирующим излучением надпороговой мощности, образуют в зоне сфокусированного излучения нановискеризованные каналы кремния, легированные алюминием и покрытые углеродом, а между каналами - монокристаллические бездислокационные нановискеры кремния, легированные алюминием и покрытые углеродом.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что импульсы лазерного излучения надпороговой мощности разрушают пластиковое покрытие с испарением водорода и кислорода, а оставшийся углерод покрывает нановискеры как внутри каналов, так и на поверхности за счет большой разницы в парциальных давлениях компонентов тонким слоем, обеспечивающим свободное проникновение лития в нановискеры.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что импульсы лазерного излучения надпороговой мощности испаряют алюминий из пластифицированной фольги, который начинает сокристаллизовываться с нановискерами кремния, при этом происходит легирование кремния акцепторной примесью и увеличение проводимости нановискеров.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что импульсы лазерного излучения надпороговой мощности создают на концах нановискеров оборванные химические связи из неспаренных электронов, обладающих повышенной сорбционной способностью, которая приводит к повышенной интеркаляции лития.