專利名稱：蓄電裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種蓄電裝置及其制造方法。注意，蓄電裝置是指具有蓄電功能的所有單元及裝置。
背景技術(shù)：
近年來，對(duì)鋰離子二次電池、鋰離子電容器及空氣電池等的蓄電裝置進(jìn)行了開發(fā)。上述蓄電裝置用電極是通過在集電體的一個(gè)表面上提供活性物質(zhì)來制造的。作為活性物質(zhì)，例如使用碳或硅等的能夠存儲(chǔ)并放出成為載流子的離子的材料。例如，硅或摻雜了磷的硅比碳的理論容量大，所以在增大蓄電裝置的容量方面是有利的(例如專利文獻(xiàn)I )?！參考文獻(xiàn)]
[專利文獻(xiàn)]
[專利文獻(xiàn)I]日本專利申請(qǐng)公開2001-210315號(hào)公報(bào)。

發(fā)明內(nèi)容
然而，即使將硅用作負(fù)極活性物質(zhì)，獲得理論容量那樣的高放電容量也是很困難的。另外，在利用硅作為活性物質(zhì)的蓄電裝置中，有可能發(fā)生活性物質(zhì)層的剝落等。于是，本發(fā)明的目的之一在于提供一種具有提高性能(例如更高放電容量)的蓄電裝置及該蓄電裝置的制造方法。另外，本發(fā)明的目的之一在于提供一種不容易發(fā)生因活性物質(zhì)層的剝落等導(dǎo)致的蓄電裝置的劣化的蓄電裝置及該蓄電裝置的制造方法。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式是一種蓄電裝置，包括集電體；形成在集電體上的混合層；形成在混合層上且用作活性物質(zhì)層的晶體硅層。晶體硅層包括晶體硅區(qū)域、具有突出在晶體硅區(qū)域上的多個(gè)突起物的須狀晶體硅區(qū)域。須狀的晶體硅區(qū)域包括具有彎曲或分支的部分的突起物。彎曲或分支的部分的延伸方向(S卩，軸方向)與作為基礎(chǔ)的突起物的延伸方向(即，軸方向)不同。彎曲或分支的部分從作為基礎(chǔ)的突起物的頭端附近或側(cè)面延伸出。也就是說，彎曲或分支的部分的根部(彎曲或分支的部分與作為基礎(chǔ)的突起物之間的界面附近)位于作為基礎(chǔ)的突起物的頭端附近或側(cè)面。具有彎曲或分支的部分的突起物還可以包括從該部分進(jìn)一步彎曲或分支的部分?？梢曰煊芯哂蟹种У牟糠值耐黄鹞锛熬哂袕澢牟糠值耐黄鹞?。另外，具有分支的部分的突起物也可以具有彎曲的部分。須狀的晶體硅區(qū)域中所包括的突起物可以與另一突起物部分接觸或交叉。另外，在突起物彼此接觸或交叉的部分處，突起物也可以相接合。須狀的晶體硅區(qū)域中所包括的具有彎曲或分支的部分的突起物也可以與另一突起物部分接觸或交叉。另外，須狀的晶體硅區(qū)域中所包括的具有彎曲或分支的部分的突起物也可以在彎曲或分支的部分處與另一突起物接觸或交叉。另外，在突起物彼此接觸或交叉的部分處，突起物也可以相接合。在上述結(jié)構(gòu)中，須狀的晶體硅區(qū)域包括具有彎曲或分支的部分的突起物，所以可以突起物彼此容易纏繞、突起物彼此容易接觸或者突起物彼此容易交叉。須狀的晶體硅區(qū)域可以包括沒有彎曲或分支的部分的突起物(這種突起物也簡(jiǎn)稱為突起物)。也可以混有具有彎曲或分支的部分的突起物和沒有彎曲或分支的部分的突起物。在上述結(jié)構(gòu)中，須狀的晶體硅區(qū)域中所包括的多個(gè)突起物的延伸方向(即，軸方向)可以彼此不統(tǒng)一(即，朝向不同的方向)。當(dāng)多個(gè)突起物的延伸方向(即，軸方向)彼此不統(tǒng)一(即，朝向不同的方向)時(shí)，突起物可以彼此容易纏繞、接觸或交叉。備選地，須狀的晶體硅區(qū)域中的多個(gè)突起物的延伸方向(即，軸方向)也可以朝向集電體的法線方向。由于用作活性物質(zhì)層的晶體硅層包括須狀的晶體硅區(qū)域，由此晶體硅層的表面積增大。由于表面積增大，蓄電裝置中的反應(yīng)物質(zhì)(鋰離子等的載流子離子)被晶體硅吸收的速度或者反應(yīng)物質(zhì)從晶體娃放出的速度在每單位質(zhì)量上增高。在反應(yīng)物質(zhì)的吸收或反應(yīng)物 質(zhì)的放出的速度增高時(shí)，在高電流密度條件下的反應(yīng)物質(zhì)的吸收量或放出量增大，因此，可以提高蓄電裝置的放電容量或充電容量。由于須狀的晶體硅區(qū)域包括具有彎曲或分支的部分的突起物，所以突起物可以彼此容易纏繞、接觸或交叉。因此，可以增高突起物的強(qiáng)度(即，更為不易折斷)，而可以抑制因活性物質(zhì)層的剝落等導(dǎo)致的蓄電裝置的劣化。由于須狀的晶體硅區(qū)域包括具有彎曲或分支的部分的突起物，所以可以在須狀的晶體硅區(qū)域中抑制硅密度的減少。尤其是，在須狀的晶體硅區(qū)域中，可以抑制除了突起物的根部(突起物與晶體硅區(qū)域的界面附近)附近以外的區(qū)域中的硅密度的減少。另外，在須狀的晶體硅區(qū)域中，可以增大硅量，并可以增大表面積。在利用具有該須狀的晶體硅區(qū)域的晶體硅層而制造的蓄電裝置中，可以提高蓄電裝置的每單位體積的能量密度。對(duì)于集電體，可以采用以鉬、鋁、銅為代表的金屬元素等導(dǎo)電性高的材料。另外，可以利用與硅起反應(yīng)而形成硅化物的金屬元素形成集電體。混合層包含金屬元素及硅?；旌蠈涌梢园瑢?dǎo)電體中包含的金屬元素及硅。當(dāng)利用與硅起反應(yīng)而形成硅化物的金屬元素形成導(dǎo)電層時(shí)，可以利用硅化物形成混合層。通過在集電體與活性物質(zhì)層之間具有混合層，在集電體與活性物質(zhì)層之間不形成低密度的區(qū)域(粗糙的區(qū)域)，使得可以提高集電體和活性物質(zhì)層之間的界面特性。另外，也可以在混合層與活性物質(zhì)層之間設(shè)置金屬氧化物層?？梢岳眉婓w中包含的金屬元素的金屬氧化物形成金屬氧化物層。另外，也可以利用氧化物半導(dǎo)體形成金屬氧化物層。通過利用氧化物半導(dǎo)體形成金屬氧化物層，與利用絕緣體形成金屬氧化物層的情況相比，可以減小集電體與活性物質(zhì)層之間的電阻，從而可以進(jìn)一步提高放電容量或充電容量。在上述結(jié)構(gòu)中，具有須狀的晶體硅區(qū)域的晶體硅層可以通過利用含有硅的沉積氣體并進(jìn)行加熱的熱化學(xué)蒸鍍(熱CVD :Chemical vapor deposition)法或低壓化學(xué)蒸鍍(LPCVD:Low pressure chemical vapor deposition)法在集電體上形成。通過上述方法形成的須狀的晶體硅區(qū)域包括多個(gè)突起物，多個(gè)突起物包括具有彎曲或分支的部分的突起物。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，可以提供一種放電容量或充電容量增大等其性能提高的蓄電裝置。另外，也可以提供一種抑制因活性物質(zhì)層的剝落等導(dǎo)致的蓄電裝置的劣化的蓄電裝置。


在附圖中
圖IA至圖ID是示出蓄電裝置的電極的截面圖的例子；
圖2是示出蓄電裝置的電極的截面圖的例子；
圖3A和3B分別是示出蓄電裝置的一個(gè)實(shí)施方式的平面圖及截面圖； 圖4A至圖4D是示出蓄電裝置的應(yīng)用例子的透視 圖5是示出無線供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的例子的 圖6是示出無線供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的例子的 圖7是活性物質(zhì)層的平面SEM圖像；
圖8是活性物質(zhì)層的截面TEM圖像；
圖9是集電體與活性物質(zhì)層之間的界面附近的放大圖像；
圖10示出使用EDX的集電體與活性物質(zhì)層之間的界面附近的二維元素分布；
圖11示出二次電池的制造方法的例子；以及 圖12A和12B是活性物質(zhì)層的平面SEM圖像。
具體實(shí)施例方式以下，將參照

本發(fā)明的實(shí)施方式的例子。注意，本發(fā)明不局限于以下說明，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(gè)事實(shí)就是其方式及詳細(xì)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)該被解釋為僅限于下述實(shí)施方式的說明。另外，當(dāng)在說明中參照附圖時(shí)，有時(shí)在不同的附圖中共同使用相同的附圖標(biāo)記來表示相同的部分。另外，有時(shí)使用同樣的陰影圖案應(yīng)用于相同的部分，并且附圖標(biāo)記不一定標(biāo)明類似部分。(實(shí)施方式I)
在本實(shí)施方式中，將說明作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的蓄電裝置的電極及該電極的制造方法。將參照?qǐng)DI及圖2對(duì)蓄電裝置的電極及其制造方法進(jìn)行說明。如圖IA所示，在集電體101上利用熱CVD法，優(yōu)選使用LPCVD法形成晶體硅層作為活性物質(zhì)層103。這樣，形成具有集電體101及活性物質(zhì)層103的電極。集電體101用作電極的集電體。為此，使用箔狀、片狀或網(wǎng)狀的導(dǎo)電材料。可以采用但不限于以鉬、鋁、銅、鈦等為代表的導(dǎo)電性高的金屬元素形成集電體101。注意，在將鋁用于集電體的情況下，優(yōu)選采用添加有硅、鈦、釹、鈧、鑰等提高耐熱性的元素的鋁合金。備選地，可以使用與硅起反應(yīng)而形成硅化物的金屬元素形成集電體101。與硅起反應(yīng)而形成硅化物的金屬元素的例子包括鋯、鈦、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鑰、鎢、鈷、鎳等。通過LPCVD法形成晶體硅層作為活性物質(zhì)層103。執(zhí)行LPCVD法的條件如下以高于550°C且在LPCVD裝置及集電體101可耐受的溫度以下，優(yōu)選在580°C以上且低于650°C的溫度下進(jìn)行加熱，并使用包含硅的沉積氣體作為原料氣體。包含硅的沉積氣體的例子，有氫化硅、氟化硅或氯化硅；典型地，給出SiH4、Si2H6、SiF4、SiCl4、Si2Cl6等。注意，也可以將氦、氖、氬、氙等的稀有氣體和氫中的一種以上混合到原料氣體中。注意，有時(shí)在活性物質(zhì)層103中作為雜質(zhì)含有氧。這是由于如下緣故由于利用LPCVD法形成晶體硅層作為活性物質(zhì)層103時(shí)執(zhí)行加熱，氧從LPCVD裝置的石英制反應(yīng)室發(fā)生脫離并且氧擴(kuò)散到晶體硅層中。注意，還可以對(duì)晶體硅層添加磷、硼等賦予一種導(dǎo)電型的雜質(zhì)元素。由于添加有磷、硼等的賦予一種導(dǎo)電型的雜質(zhì)元素的晶體硅層的導(dǎo)電性變高，由此可以提高電極的導(dǎo)電率。為此，可以進(jìn)一步提高放電容量或充電容量。通過利用LPCVD法形成晶體硅層作為活性物質(zhì)層103，在集電體101和活性物質(zhì)層103之間不形成低密度的區(qū)域，集電體101與晶體硅層之間的界面的電子遷移變得容易，并可以提高粘合性。這可由以下緣故解釋在晶體硅層的形成步驟中，原料氣體的活性種始·終提供給沉積中的晶體硅層，使得，即使硅從晶體硅層擴(kuò)散到集電體101而形成硅不足區(qū)域(粗糙的區(qū)域)，也由于原料氣體的活性種始終提供給該區(qū)域，所以在晶體硅層中不容易形成密度低的區(qū)域。另外，由于利用氣相成長(zhǎng)在集電體101上形成晶體硅層，所以可以提高生產(chǎn)性。在此，圖IB至ID示出在虛線105圍繞部分的集電體101及活性物質(zhì)層103的擴(kuò)大圖的例子。如圖IB所示，在集電體101上形成混合層107?？梢岳眉婓w101中包含的金屬元素及硅來形成混合層107。注意，通過以下方式來形成利用集電體101中包含的金屬元素及硅來形成的混合層107。在利用LPCVD法形成晶體硅層作為活性物質(zhì)層103時(shí)，執(zhí)行加熱，并且晶體硅層中所包含的硅擴(kuò)散到集電體101中，所以形成混合層107。在使用與硅起反應(yīng)而形成硅化物的金屬元素來形成集電體101時(shí)，在混合層107中形成包含形成硅化物的金屬元素和硅的硅化物；典型地，形成硅化鋯、硅化鈦、硅化鉿、硅化釩、硅化鈮、硅化鉭、硅化鉻、硅化鑰、硅化鎢、硅化鈷及硅化鎳中的一種以上。備選地，形成具有形成娃化物的金屬兀素和娃的合金層。注意，有時(shí)在混合層107中作為雜質(zhì)含有氧。這是由于如下緣故由于利用LPCVD法形成晶體硅層作為活性物質(zhì)層103時(shí)執(zhí)行加熱，氧從LPCVD裝置的石英制反應(yīng)室發(fā)生脫離而氧擴(kuò)散到混合層107中。在混合層107上也可以形成有由形成集電體101中包含的金屬元素的氧化物形成的金屬氧化物層109。例如，由于利用LPCVD法形成晶體硅層作為活性物質(zhì)層103時(shí)執(zhí)行加熱，氧從LPCVD裝置的石英制反應(yīng)室發(fā)生脫離而使集電體101氧化而形成金屬氧化物層109。注意，通過在利用LPCVD法形成晶體硅層時(shí)，在反應(yīng)室內(nèi)填充氦、氖、氬和氙等的稀有氣體，可能防止形成該金屬氧化物層109。在使用與硅起反應(yīng)而形成硅化物的金屬元素來形成集電體101時(shí)，作為金屬氧化物層109，形成包含與硅起反應(yīng)而形成硅化物的金屬元素的氧化物的金屬氧化物層。金屬氧化物層109典型地包含氧化鋯、氧化鈦、氧化鉿、氧化釩、氧化鈮、氧化鉭、氧化鉻、氧化鑰、氧化鎢、氧化鈷及氧化鎳等。注意，當(dāng)使用鈦、鋯、鈮、鎢等形成集電體101時(shí)，利用氧化鈦、氧化鋯、氧化鈮、氧化鎢等的氧化物半導(dǎo)體形成金屬氧化物層109，因此，可以降低集電體101與活性物質(zhì)層103之間的電阻，而可以提高電極的導(dǎo)電率。因此，可以進(jìn)
一步提高放電容量或充電容量。由于通過使集電體101與活性物質(zhì)層103之間具有混合層107，可以減小集電體101與活性物質(zhì)層103之間的界面的電阻，所以可以提高電極的導(dǎo)電率。因此，可以進(jìn)一步提高放電容量或充電容量。另外，可以提高集電體101與活性物質(zhì)層103的粘合性，使得可以抑制蓄電裝置的劣化?；钚晕镔|(zhì)層103包括晶體硅區(qū)域103a和形成在晶體硅區(qū)域103a上的須狀的晶體硅區(qū)域103b。注意，晶體硅區(qū)域103a與須狀的晶體硅區(qū)域103b之間的界面不明確。因此，將與形成在須狀的晶體硅區(qū)域103b所具有的多個(gè)突起物之間的谷中最深的谷底在相同水平且與集電體的表面平行的平面視為晶體硅區(qū)域103a和須狀的晶體硅區(qū)域103b之間的界
面。 晶體硅區(qū)域103a以覆蓋集電體101的方式設(shè)置。須狀的晶體硅區(qū)域103b中設(shè)置有多個(gè)須狀的突起物。如圖IB所示，須狀的晶體硅區(qū)域103b包括具有彎曲的部分的突起物114a。備選地,如圖IC所示,須狀的晶體娃區(qū)域103b包括具有分支的部分的突起物114b。在圖IB所示的突起物114a中，彎曲的部分的延伸方向(B卩，軸方向)與作為基礎(chǔ)的突起物的延伸方向(即，軸方向)不同。彎曲的部分從作為基礎(chǔ)的突起物的頭端附近延伸出。也就是說，彎曲的部分的根部(彎曲的部分與作為基礎(chǔ)的突起物之間的界面附近)位于作為基礎(chǔ)的突起物的頭端附近。在圖IC所示的突起物114b中，分支的部分的延伸方向(即，軸方向)與作為基礎(chǔ)的突起物的延伸方向(即，軸方向)不同。分支的部分從作為基礎(chǔ)的突起物的側(cè)面延伸出。也就是說，分支的部分的根部(分支的部分與作為基礎(chǔ)的突起物之間的界面附近)位于作為基礎(chǔ)的突起物的側(cè)面。具有彎曲的部分的突起物114a還可以具有從該彎曲的部分進(jìn)一步彎曲或分支的部分。具有分支的部分的突起物114b還可以具有從該分支的部分進(jìn)一步彎曲或分支的部分。須狀的晶體硅區(qū)域103b中所包括的突起物可以與其它突起物部分接觸或交叉。在與其它突起物接觸或交叉的部分處，兩者也可以相接合。例如，如圖ID所示，須狀的晶體硅區(qū)域103b中所包括的具有彎曲的部分的突起物114c也可以在彎曲的部分處具有與其它突起物部分接觸。另外，在突起物114c與其它突起物接觸的部分處，兩者也可以相接合。也可以混有圖IB所示的具有彎曲的部分的突起物114a、圖IC所示的具有分支的部分的突起物114b、圖ID所示的具有彎曲的部分的突起物114c。如圖IB至ID所示，由于須狀的晶體硅區(qū)域包括具有彎曲或分支的部分的突起物，所以可以突起物彼此容易纏繞、突起物彼此容易接觸或者突起物彼此容易交叉。注意，須狀的晶體硅區(qū)域103b中所包括的多個(gè)突起物可以各為圓柱狀、角柱狀等的柱狀，或圓錐狀、角錐狀等的針狀。突起物的頂部可以彎曲。多個(gè)突起物也可以包括柱狀突起物和針狀突起物兩者。另外，突起物的表面可以是不平坦的。表面不平坦可以增大活性物質(zhì)層的表面積。
在突起物與晶體硅區(qū)域103a之間的界面處，須狀的晶體硅區(qū)域103b中所包括的突起物的直徑為50nm以上10 μ m以下，優(yōu)選為500nm以上3 μ m以下。另外，突起物的軸的長(zhǎng)度為O. 5 μ m以上1000 μ m以下,優(yōu)選為I μ m以上100 μ m以下。注意，突起物的軸的長(zhǎng)度h是指經(jīng)過突起物的頂點(diǎn)或頂面的中心的軸上的突起物的頂點(diǎn)或頂面的中心與晶體硅區(qū)域103a之間的距離。另外，晶體硅層的厚度為晶體硅區(qū)域103a的厚度與從須狀的晶體硅區(qū)域103b中的突起物的頂點(diǎn)或頂面到晶體硅區(qū)域103a之間的法線的長(zhǎng)度(即，突起物的高度)之和。在具有彎曲的部分的突起物114a、具有分支的部分的突起物114b、具有彎曲的部分的突起物114c中，彎曲或分支的部分可以為圓柱狀、角柱狀等的柱狀，或圓錐狀、角錐狀等的針狀。彎曲或分支的部分的頂部可以彎曲。另外，作為基礎(chǔ)的突起物的形狀與彎曲或分支的部分的形狀可以類似或不同。例如，作為基礎(chǔ)的突起物可以為柱狀，而彎曲的部分可以為針狀。
注意，將突起物從晶體硅區(qū)域103a突出的方向稱為長(zhǎng)邊方向(也稱為延伸方向或軸方向)。將沿長(zhǎng)邊方向的截面形狀稱為長(zhǎng)邊截面形狀。另外，將以長(zhǎng)邊方向?yàn)榉ň€方向的面的形狀稱為切片的截面形狀。形成在須狀的晶體硅區(qū)域103b中的多個(gè)突起物的長(zhǎng)邊方向可以是一個(gè)方向(例如，相對(duì)于晶體硅區(qū)域103a表面的法線方向)。在此情況下，突起物的長(zhǎng)邊方向可與相對(duì)于晶體硅區(qū)域103a表面的法線方向大致一致，并且典型地，每個(gè)方向的角之間的差優(yōu)選在5度之內(nèi)。備選地，形成在須狀的晶體硅區(qū)域103b中的多個(gè)突起物的長(zhǎng)邊方向也可以彼此不統(tǒng)一。典型地，須狀的晶體硅區(qū)域103b可以具有其長(zhǎng)邊方向與法線方向大致一致的第一突起物和其長(zhǎng)邊方向與法線方向不同的第二突起物。第二突起物的軸可以比第一突起物的軸長(zhǎng)。當(dāng)突起物的長(zhǎng)邊方向彼此不統(tǒng)一時(shí)，突起物有時(shí)彼此纏結(jié)，因此，突起物在蓄電裝置的充放電時(shí)不容易脫離。圓柱狀或圓錐狀的突起物的切片的截面形狀為圓形。角柱狀或角錐狀的突起物的切片的截面形狀為多角形狀。由于在本實(shí)施方式所述的蓄電裝置的電極中，用作活性物質(zhì)層103的晶體硅層包括須狀的晶體硅區(qū)域103b，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。另外，由于須狀的晶體硅區(qū)域103b包括具有彎曲的部分的突起物114a、具有分支的部分的突起物114b、具有彎曲的部分的突起物114c，所以可以突起物彼此容易纏繞、接觸或交叉。因此，可以增高突起物的強(qiáng)度(即，突起物更為不易折斷)，而可以抑制因活性物質(zhì)層的剝落等導(dǎo)致的蓄電裝置的劣化。另外，由于須狀的晶體硅區(qū)域103b包括具有彎曲的部分的突起物114a、具有分支的部分的突起物114b或具有彎曲的部分的突起物114c，所以可以在須狀的晶體硅區(qū)域103b中抑制硅密度的減少。尤其是，在須狀的晶體硅區(qū)域103b中，可以抑制除了突起物的根部(突起物與晶體硅區(qū)域103a之間的界面附近)附近以外的區(qū)域中的硅密度的減少。另夕卜，在須狀的晶體硅區(qū)域中，可以增大硅量，并可以增大表面積。另外，在利用具有該須狀的晶體硅區(qū)域103b的晶體硅層而制造的蓄電裝置中，可以提高蓄電裝置的每單位體積的能量密度。本實(shí)施方式所述的蓄電裝置的電極在集電體和用作活性物質(zhì)層的晶體硅層之間至少包括混合層。由此，可以降低集電體和晶體硅層之間的界面電阻，并且，由于可以進(jìn)一步提高其之間的粘合性，所以可提高放電容量或充電容量，以及可以抑制蓄電裝置的劣化。注意，雖然圖IA至圖ID示出了利用箔狀、片狀或網(wǎng)狀的導(dǎo)電材料形成集電體101的實(shí)施方式，但是如圖2所示，也可以適當(dāng)?shù)乩脼R射法、蒸鍍法、印刷法、噴墨法、CVD法等在襯底115上形成膜狀的集電體111。根據(jù)本實(shí)施方式，可以提供一種放電容量或充電容量增大等其性能提高的蓄電裝置。另外，也可以提供一種抑制因活性物質(zhì)層的剝落等導(dǎo)致的蓄電裝置的劣化的蓄電裝置。(實(shí)施方式2)· 在本實(shí)施方式中，參照?qǐng)D3A和圖3B對(duì)蓄電裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。首先，下面，作為蓄電裝置，對(duì)二次電池的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。這里，對(duì)二次電池的典型例子的鋰離子電池的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。圖3A是蓄電裝置151的平面圖，而圖3B示出沿著圖3A的鏈?zhǔn)骄€A-B的截面圖。在本實(shí)施方式中，作為蓄電裝置151說明被封閉的薄型蓄電裝置。圖3A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。另外，還設(shè)置與蓄電單元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3B所示，蓄電單元155包括負(fù)極163、正極165、設(shè)置在負(fù)極163與正極165之間的隔離體167、填充在外裝部件153、蓄電單元155及隔離體167中的電解質(zhì)169。負(fù)極163包括負(fù)極集電體171及負(fù)極活性物質(zhì)層173。正極165包括正極集電體175及正極活性物質(zhì)層177。負(fù)極活性物質(zhì)層173形成在負(fù)極集電體171的一方或雙方的面上。正極活性物質(zhì)層177形成在正極集電體175的一方或雙方的面上。負(fù)極集電體171與端子部159連接。正極集電體175與端子部157連接。另外，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，在本實(shí)施方式中，雖然作為蓄電裝置151說明被封閉的薄型蓄電裝置，但是蓄電裝置可以具有各種結(jié)構(gòu)，例如，扣型蓄電裝置、圓筒型蓄電裝置、方型蓄電裝置等。另夕卜，在本實(shí)施方式中，雖然說明層疊有正極、負(fù)極和隔離體的結(jié)構(gòu)，但是也可以采用卷繞有正極、負(fù)極和隔離體的結(jié)構(gòu)。作為負(fù)極集電體171，可以使用實(shí)施方式I所述的集電體101或集電體111。作為負(fù)極活性物質(zhì)層173，可以使用利用實(shí)施方式I所述的晶體硅層形成的活性物質(zhì)層103。注意，也可以對(duì)晶體硅層進(jìn)行鋰的預(yù)摻雜。另外，在LPCVD裝置中，通過利用框狀的基座(susceptor)保持負(fù)極集電體171并形成使用晶體娃層形成的活性物質(zhì)層103,可以在負(fù)極集電體171的兩個(gè)表面上同時(shí)形成活性物質(zhì)層103，從而可以減少步驟數(shù)量。將鋁、不銹鋼等用于正極集電體175。正極集電體175可以適當(dāng)?shù)鼐哂胁瓲睢⑵瑺睢⒕W(wǎng)狀等。可以使用LiFe02、LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiFePO4, LiCoPO4, LiNiPO4, LiMn2PO4,V205、Cr205、Mn02或另一鋰化合物作為材料形成正極活性物質(zhì)層177。注意，當(dāng)載流子離子是鋰離子以外的堿金屬離子或堿土金屬離子時(shí)，也可以在上述鋰化合物中使用堿金屬(例如，鈉、鉀等)或堿土金屬(例如，鈹、鎂、鈣、鍶、鋇等)代替鋰形成正極活性物質(zhì)層177。作為電解質(zhì)169的溶質(zhì)，使用能夠轉(zhuǎn)移作為載流子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，包括LiC104、LiAsF6, LiBF4, LiPF6, Li(C2F5SO2)2N等的鋰鹽。注意，當(dāng)載流子離子是鋰以外的堿金屬離子或堿土金屬離子時(shí)，電解質(zhì)169的溶質(zhì)，可以適當(dāng)?shù)匕ㄢc鹽、鉀鹽等的堿金屬鹽或鈹鹽、鎂鹽、鈣鹽、鍶鹽、鋇鹽等的堿土金屬鹽等。作為電解質(zhì)169的溶劑，使用能夠轉(zhuǎn)移鋰離子(或其他的載流子離子)的材料。作為電解質(zhì)169的溶劑，優(yōu)選使用非質(zhì)子有機(jī)溶劑。非質(zhì)子有機(jī)溶劑的典型例子包括碳酸乙烯酯、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。通過作為電解質(zhì)169的溶劑使用被膠凝化的高分子材料，抗漏液的安全性得到提高。另外，可以實(shí)現(xiàn)蓄電裝置151的薄型化及輕量化。被膠凝化的高分子材料的典型例子，包括硅凝膠、丙烯凝膠、丙烯腈凝膠、聚氧化乙烯、聚氧化丙烯、氟類聚合物等。 作為電解質(zhì)169，可以使用Li3PO4等的固體電解質(zhì)。將絕緣多孔體用于隔離體167。隔離體167的典型例子，包括纖維素(紙)、聚乙烯、
聚丙烯等。鋰離子電池的記憶效應(yīng)小，能量密度高且放電容量大。另外，鋰離子電池的驅(qū)動(dòng)電壓高。由此,可以減小鋰離子電池的大小和重量。另外，因重復(fù)充放電而導(dǎo)致的劣化少，因此鋰離子電池可以長(zhǎng)時(shí)間地使用而可以縮減成本。接著，作為蓄電裝置，對(duì)電容器進(jìn)行說明。電容器的典型例子，包括雙層電容器、鋰離子電容器等。當(dāng)蓄電裝置是電容器時(shí)，可使用能夠可逆地吸收或吸收鋰離子(或其他的載流子離子)及負(fù)離子中的至少一種的材料代替圖3B所示的二次電池的正極活性物質(zhì)層177。典型地，例如可使用活性炭、導(dǎo)電高分子、多并苯有機(jī)半導(dǎo)體(PAS)形成正極活性物質(zhì)層177。鋰離子電容器的充放電的效率高，能夠進(jìn)行快速充放電且重復(fù)利用的使用壽命也長(zhǎng)。通過使用實(shí)施方式I所述的負(fù)極作為負(fù)極163，可以制造放電容量或充電容量高的蓄電裝置。另外，通過使用實(shí)施方式I所述的集電體及活性物質(zhì)層作為蓄電裝置的一個(gè)實(shí)施方式的空氣電池的負(fù)極，可以制造放電容量或充電容量高的蓄電裝置。(實(shí)施方式3)
在本實(shí)施方式中，將參照?qǐng)D4A至圖4D對(duì)在實(shí)施方式2中說明的蓄電裝置的應(yīng)用例子進(jìn)行說明?？梢詫?shí)施方式2所述的蓄電裝置用于數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)等影像拍攝裝置、數(shù)碼相框、移動(dòng)電話(也稱為蜂窩電話、蜂窩電話裝置)、便攜式游戲機(jī)、便攜式信息終端、聲音再現(xiàn)裝置等的電子裝置。另外，還可以將蓄電裝置用于電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、鐵路用電動(dòng)車廂、工作車、卡丁車(cart)、電動(dòng)輪椅等的電力牽引車輛。在此，對(duì)電力牽引車輛的例子進(jìn)行說明。
圖4A示出電力牽引車輛中之一種的四輪汽車300的結(jié)構(gòu)。汽車300是電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力汽車。汽車300是底部設(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4B示出汽車300的輪廓以及設(shè)置在汽車300的底部的蓄電裝置302?？梢詫⒃趯?shí)施方式2中說明的蓄電裝置用作蓄電裝置302。通過利用插件技術(shù)或無線供電系統(tǒng)從外部供給電力來可以給蓄電裝置302充電。圖4C示出電力牽引車輛中之一種的摩托艇1301的結(jié)構(gòu)。圖4C例示摩托艇1301包括在摩托艇的艇體側(cè)部配備的蓄電裝置1302的情況。可以將在實(shí)施方式2中說明的蓄電裝置用作蓄電裝置1302。通過利用插件技術(shù)或無線供電系統(tǒng)從外部供給電力來可以給蓄電裝置1302充電。例如，可以將用來進(jìn)行摩托艇1301的充電(即，蓄電裝置1302的充電)的供電裝置配備在用來在港灣中將船舶拴上的系留設(shè)備。圖4D示出電力牽引車輛中之一種的電動(dòng)輪椅1311的結(jié)構(gòu)。圖4D例示電動(dòng)輪椅1311在底部包括蓄電裝置1312的情況?？梢詫⒃趯?shí)施方式2中說明的蓄電裝置用作蓄電 裝置1312。通過利用插件技術(shù)或無線供電系統(tǒng)從外部供給電力來可以給蓄電裝置1312充電。(實(shí)施方式4)
在本實(shí)施方式中，將參照?qǐng)D5及圖6的方框圖對(duì)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的蓄電裝置的一例的二次電池用于無線供電系統(tǒng)(以下，稱為RF供電系統(tǒng))中的一個(gè)例子進(jìn)行說明。在各方框圖中，獨(dú)立框示出受電裝置及供電裝置內(nèi)的單元，它們根據(jù)其功能進(jìn)行分類。但是實(shí)際上難以根據(jù)單元的功能將單元完全分類，一個(gè)單元有時(shí)可與多個(gè)功能有關(guān)。首先，參照?qǐng)D5對(duì)RF供電系統(tǒng)進(jìn)行說明。受電裝置600是利用從供電裝置700供給的電力驅(qū)動(dòng)的電子裝置或電力牽引車輛，但是可以適當(dāng)?shù)貞?yīng)用于利用電力驅(qū)動(dòng)的另一裝置。電子裝置的典型例子包括數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)等影像拍攝裝置、數(shù)碼相框、移動(dòng)電話(也稱為蜂窩電話、蜂窩電話裝置)、便攜式游戲機(jī)、便攜式信息終端、聲音再現(xiàn)裝置、顯示裝置、計(jì)算機(jī)等。電力牽引車輛的典型例子包括電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、鐵路用電動(dòng)車廂、工作車、卡丁車、電動(dòng)輪椅等。另外，供電裝置700具有向受電裝置600供給電力的功能。在圖5中，受電裝置600包括受電裝置部601和電源負(fù)荷部610。受電裝置部601至少包括受電裝置天線電路602、信號(hào)處理電路603、二次電池604。供電裝置700至少包括供電裝置天線電路701和信號(hào)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(hào)或?qū)╇娧b置天線電路701發(fā)送信號(hào)的功能。信號(hào)處理電路603處理受電裝置天線電路602所接收的信號(hào)，并控制二次電池604的充電以及從二次電池604到電源負(fù)荷部610的電力的供給。另夕卜，信號(hào)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(hào)處理電路603可以控制受電裝置天線電路602發(fā)送的信號(hào)的強(qiáng)度、頻率等。電源負(fù)荷部610是從二次電池604接收電力并驅(qū)動(dòng)受電裝置600的驅(qū)動(dòng)部。電源負(fù)荷部610的典型例子包括電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路等?？梢赃m當(dāng)?shù)厥褂猛ㄟ^接收電力來驅(qū)動(dòng)受電裝置的另一裝置作為電源負(fù)荷部610。供電裝置天線電路701具有對(duì)受電裝置天線電路602發(fā)送信號(hào)或接收來自受電裝置天線電路602的信號(hào)的功能。信號(hào)處理電路702處理供電裝置天線電路701所接收的信號(hào)。另外，信號(hào)處理電路702控制供電裝置天線電路701的工作。換言之，信號(hào)處理電路702可以控制供電裝置天線電路701發(fā)送的信號(hào)的強(qiáng)度、頻率等。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的二次電池被用作圖5所示出的RF供電系統(tǒng)中的受電裝置600中所包括的二次電池604。通過將根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的二次電池用于RF供電系統(tǒng)中，與現(xiàn)有的二次電池相比，可以增加放電容量或充電容量(也稱為蓄電量)。因此，可以延長(zhǎng)無線供電的時(shí)間間隔(可以省去多次供電)。另外，通過將根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的二次電池用于RF供電系統(tǒng)中，如果該二次電池的能夠驅(qū)動(dòng)電源負(fù)荷部610的放電容量或充電容量與現(xiàn)有的二次電池相同，則可以實(shí)現(xiàn)受電裝置600的小型化及輕量化。因此，可以縮減總成本。接著，參照?qǐng)D6對(duì)RF供電系統(tǒng)的另一例子進(jìn)行說明。·在圖6中，受電裝置600包括受電裝置部601和電源負(fù)荷部610。受電裝置部601至少包括受電裝置天線電路602、信號(hào)處理電路603、二次電池604、整流電路605、調(diào)制電路606、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(hào)處理電路702、整流電路703、調(diào)制電路704、解調(diào)電路705、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(hào)或?qū)╇娧b置天線電路701發(fā)送信號(hào)的功能。當(dāng)接收供電裝置天線電路701所發(fā)送的信號(hào)時(shí)，整流電路605具有利用受電裝置天線電路602所接收的信號(hào)生成直流電壓的功能。信號(hào)處理電路603具有處理受電裝置天線電路602所接收的信號(hào)并控制二次電池604的充電以及從二次電池604到電源電路607的電力的供給的功能。電源電路607具有將二次電池604所存儲(chǔ)的電壓轉(zhuǎn)換為電源負(fù)荷部610所需的電壓的功能。當(dāng)從受電裝置600將某種應(yīng)答發(fā)送到供電裝置700時(shí)使用調(diào)制電路606。通過具有電源電路607，可以控制供給到電源負(fù)荷部610的電力。由此，可以抑制施加到電源負(fù)荷部610的過電壓，從而可以抑制受電裝置600的劣化或損壞。另外，通過具有調(diào)制電路606，可以從受電裝置600將信號(hào)發(fā)送到供電裝置700。由此，當(dāng)判斷受電裝置600的充電量達(dá)到一定量時(shí)，從受電裝置600將信號(hào)發(fā)送到供電裝置700，使得停止從供電裝置700對(duì)受電裝置600供電。其結(jié)果，不使二次電池604完全充電，使得可以增加二次電池604的充電次數(shù)。供電裝置天線電路701具有對(duì)受電裝置天線電路602發(fā)送信號(hào)或從受電裝置天線電路602接收信號(hào)的功能。當(dāng)對(duì)受電裝置天線電路602發(fā)送信號(hào)時(shí)，信號(hào)處理電路702生成發(fā)送到受電裝置的信號(hào)。振蕩電路706是生成一定頻率的信號(hào)的電路。調(diào)制電路704具有根據(jù)信號(hào)處理電路702所生成的信號(hào)和振蕩電路706所生成的一定頻率的信號(hào)對(duì)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(hào)。另一方面，當(dāng)從受電裝置天線電路602接收信號(hào)時(shí)，整流電路703具有對(duì)所接收的信號(hào)進(jìn)行整流的功能。解調(diào)電路705從由整流電路703進(jìn)行了整流的信號(hào)抽出從受電裝置600向供電裝置700發(fā)送的信號(hào)。信號(hào)處理電路702具有對(duì)由解調(diào)電路705抽出的信號(hào)進(jìn)行分析的功能。注意，只要能夠進(jìn)行RF供電，就可以在各電路之間設(shè)置任何電路。例如，也可以在受電裝置600接收信號(hào)且整流電路605生成DC電壓之后，利用設(shè)置在后級(jí)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(gè)實(shí)施方式的二次電池被用作圖6所示出的RF供電系統(tǒng)中的受電裝置600中所包括的二次電池604。通過將根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的二次電池用于RF供電系統(tǒng)中，與現(xiàn)有的二次電池相比，可以增加放電容量或充電容量，因此可以延長(zhǎng)無線供電的時(shí)間間隔(可以省去多次供電)。另外，通過將根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的二次電池用于RF供電系統(tǒng)中，如果該二次電池的能夠驅(qū)動(dòng)電源負(fù)荷部610的放電容量或充電容量與現(xiàn)有的二次電池相同，則可以實(shí)現(xiàn)受電裝置600的小型化及輕量化。因此，可以縮減總成本。注意，當(dāng)將根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的二次電池用于RF供電系統(tǒng)中并將受電裝置天線電路602和二次電池604彼此重疊時(shí)，優(yōu)選不使如下情況發(fā)生因二次電池604的充放電而導(dǎo)致二次電池604的變形并且由于因該變形導(dǎo)致的天線變形而使受電裝置天線電路602的阻抗變化。當(dāng)天線的阻抗發(fā)生變化時(shí)則有可能不能充分地進(jìn)行電力供給。例如，可將二次電池604裝在使用金屬或陶瓷形成的電池組。注意，此時(shí)優(yōu)選受電裝置天線電路602和電池組彼此分隔幾十微米以上?！ぴ诒緦?shí)施方式中，對(duì)充電信號(hào)的頻率沒有限制，只要是能夠傳送電力的頻率，就可以是任何帶域的頻率。充電信號(hào)的頻率例如可以是135kHz的LF帶(長(zhǎng)波)、13. 56MHz的HF帶(短波)、900MHz至IGHz的UHF帶(超高頻波)、2. 45GHz的微波帶中的任一個(gè)。信號(hào)傳送方法可從包括電磁耦合方法、電磁感應(yīng)方法、共振方法、微波方法的各種方法中適當(dāng)?shù)剡x擇。然而，為了防止雨、泥等的含水的異物所引起的能量損失，優(yōu)選使用電磁感應(yīng)方法、共振方法，這些方法利用了低頻帶，具體而言，利用短波的3MHz至30MHz、中波的300kHz至3MHz、長(zhǎng)波的30kHz至300kHz及甚低頻波的3kHz至30kHz的頻率。本實(shí)施方式可以與任何上述實(shí)施方式組合而實(shí)現(xiàn)。[例子I]
在本例子中，將參照?qǐng)D7、圖8、圖9、圖10、圖11對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的二次電池進(jìn)行說明。在本實(shí)施例中，制造本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的二次電池及比較用二次電池(下面稱為比較二次電池)，并對(duì)其特性進(jìn)行比較。(二次電池的電極的制造步驟)
首先，說明二次電池的電極的制造步驟。在集電體上形成活性物質(zhì)層，使得制造二次電池的電極。作為集電體的材料利用鈦。作為集電體，使用厚度為100 μ m的片狀的鈦膜(也稱為鈦片)。對(duì)于活性物質(zhì)層，利用晶體硅。在作為集電體的鈦膜上，利用LPCVD法形成作為活性物質(zhì)層的晶體硅層。在利用LPCVD法形成晶體硅層時(shí)，采用如下條件以300SCCm的流量將硅烷作為材料氣體引入引入反應(yīng)室內(nèi)；將反應(yīng)室內(nèi)的壓力設(shè)定為20Pa ;將反應(yīng)室內(nèi)的溫度設(shè)定為600°C。使用的反應(yīng)室是利用石英制造的。在使集電體升溫時(shí)，引入少量的He。將上述步驟中獲得的晶體硅層用作二次電池的活性物質(zhì)層。(二次電池的電極的結(jié)構(gòu))
圖7是上述步驟中獲得的晶體娃層的平面掃描電子顯微鏡(SEM, scanning electronmicroscope)圖像。
如圖7所示，上述步驟中獲得的晶體硅層包括具有多個(gè)柱狀或針狀突起物的須狀晶體硅區(qū)域。如圖7所示，須狀的晶體硅區(qū)域包括具有彎曲的部分的突起物441。突起物441與另一突起物部分交叉。在圖7所示的突起物441中，彎曲的部分的延伸方向(即，軸方向)與作為基礎(chǔ)的突起物的延伸方向(即，軸方向)不同。彎曲的部分從作為基礎(chǔ)的突起物的頭端附近延伸出。也就是說，彎曲的部分的根部(彎曲的部分與作為基礎(chǔ)的突起物之間的界面附近)位于作為基礎(chǔ)的突起物的頭端附近。由于上述步驟中獲得的晶體硅層包括須狀的晶體硅區(qū)域，所以可以增大活性物質(zhì)層的表面積。另外，須狀的晶體硅區(qū)域包括具有彎曲的部分的突起物441。須狀的晶體硅區(qū)域包括其頭端附近或側(cè)面處與另一突起物接觸的突起物。因此，突起物彼此容易纏繞或者突起物彼此接觸。由此，可以抑制活性物質(zhì)層的剝落等的劣化。另外，在須狀的晶體硅區(qū)域 中，可以增大硅量，并可以增大表面積。在須狀的晶體硅區(qū)域中，長(zhǎng)突起物的軸的長(zhǎng)度是15μπι至20μπι左右。另外，不限于具有長(zhǎng)軸的突起物，在具有長(zhǎng)軸的突起物之間存在多個(gè)具有短軸的突起物。一些突起物具有相對(duì)于鈦膜大致垂直的軸，以及有些突起物具有傾斜的軸。一些突起物可具有彎曲的頂部。并且，一些針狀突起物越靠近頭端直徑越小。突起物的軸方向彼此不統(tǒng)一。另外，突起物的根部(突起物與晶體硅區(qū)域之間的界面附近)的直徑為I μ m至2 μ m。可觀察到柱狀突起物和針狀突起物兩者。接著，圖8是上述步驟中獲得的晶體硅的截面透射電子顯微鏡(TEM，Transmission Electron Microscope)圖像。如圖8所示，在作為集電體的鈦膜401上形成作為活性物質(zhì)層的晶體硅層402。根據(jù)圖8，發(fā)現(xiàn)在鈦膜401與晶體硅層402之間的界面附近404沒有形成低密度的區(qū)域。晶體硅層402包括晶體硅區(qū)域及由從晶體硅區(qū)域突出的多個(gè)突起物形成的須狀的晶體硅區(qū)域。另外，須狀的晶體硅區(qū)域在突起物與突起物之間具有空隙403 (即，沒有突起物的區(qū)域)。在晶體硅層中，在晶體硅區(qū)域上設(shè)置多個(gè)突起物?？捎^察到包括突起物的晶體硅層的部分厚度為3. Ομ 左右。形成在多個(gè)突起物之間的谷中的晶體硅區(qū)域的厚度為1.5口111至2.(^111左右。雖然在圖8中未圖示，但是如圖7所示，長(zhǎng)突起物的軸的長(zhǎng)度是15 μ m M 20 μ m圖9是放大圖8的一部分的截面TEM圖像。圖9是圖8所示的鈦膜401與晶體硅層402之間的界面附近404的放大圖像。根據(jù)圖9，發(fā)現(xiàn)在鈦膜401與晶體硅層402之間的界面附近形成有層405。圖10示出鈦膜401與晶體硅層402之間的界面附近的截面的能量彌散X射線探測(cè)器(EDX, energy dispersive X-ray spectrometry)的二維兀素分布的結(jié)果。區(qū)域 411包含鈦?zhàn)鳛橹饕煞?。區(qū)域412包含硅作為主要成分。區(qū)域416包含氧和鈦?zhàn)鳛槌煞?。區(qū)域415包含鈦和硅作為成分。區(qū)域415也包含氧作為雜質(zhì)。根據(jù)圖10，發(fā)現(xiàn)按順序?qū)盈B有如下區(qū)域包含鈦?zhàn)鳛橹饕煞值膮^(qū)域411 ;包含鈦和硅作為成分的區(qū)域415 ;包含氧和鈦?zhàn)鳛槌煞值膮^(qū)域416 ;包含硅作為主要成分的區(qū)域412。區(qū)域411相當(dāng)于鈦膜401，區(qū)域412相當(dāng)于晶體硅層402。區(qū)域415是包含鈦和硅的混合層。區(qū)域416是金屬氧化物層。
根據(jù)圖10所示的使用EDX的二維元素分布的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)圖9所示的層405包括含鈦和硅的混合層及在混合層上的金屬氧化物層。在圖10所示的測(cè)定范圍內(nèi)，以覆蓋混合層上的整個(gè)表面的方式形成有金屬氧化物層。層405中所包括的含鈦和硅的混合層的厚度為65nm至75nm左右。(二次電池的制造步驟)
說明本實(shí)施例的二次電池的制造步驟。通過上述方式在集電體上形成活性物質(zhì)層，使得形成電極。利用獲得的電極制造二次電池。在此，制造硬幣型的二次電池。下面，參照?qǐng)D11說明硬幣型的二次電池的制造方法。如圖11所示，硬幣型的二次電池包括電極204、參考電極232、隔離體210、電解液(未圖示)、框體206以及框體244。此外，硬幣型的二次電池還包括環(huán)狀絕緣體220、間隔物240及墊圈242。作為電極204，利用上述步驟中獲得的在集電體200上設(shè)置有活性物質(zhì)層 202的電極。參考電極232包括參考電極活性物質(zhì)層230。在本實(shí)施例中，利用鈦箔形成集電體，并利用實(shí)施方式I所述的晶體硅層形成活性物質(zhì)層202。另外，使用鋰金屬(鋰箔)形成參考電極活性物質(zhì)層230。使用聚丙烯形成隔離體210。利用各利用不銹鋼(SUS)制造的框體206、框體244、間隔物240及墊圈242。框體206及框體244具有將電極204及參考電極232電連接到外部的功能。將電極204、參考電極232以及隔離體210浸在電解液中。并且，如圖11所示，以電極204、隔離體210、環(huán)狀絕緣體220、參考電極232、間隔物240、墊圈242、框體244的順序?qū)盈B，使得將框體206設(shè)置在底部。并利用“硬幣單元壓合器(coin-cell crimper)”壓合框體206和框體244。因此制造硬幣型二次電池。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。(比較二次電池的電極的制造步驟)
接下來，對(duì)比較二次電池的電極的制造步驟進(jìn)行說明。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的二次電池及比較二次電池的活性物質(zhì)層的制造步驟彼此不同。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的二次電池及比較二次電池的活性物質(zhì)層的的其它結(jié)構(gòu)相同，因此省略襯底、集電體等的說明。使用晶體硅形成比較二次電池的活性物質(zhì)層。通過等離子體CVD法在作為集電體的鈦膜上形成添加有磷的非晶硅，并進(jìn)行熱處理，使得獲得晶體硅。在利用等離子體CVD法沉積非晶硅時(shí)，在如下條件下進(jìn)行處理分別以60sccm和20sccm的流量將硅烷和5vol%磷化氫作為原料氣體引入反應(yīng)室內(nèi)；反應(yīng)室內(nèi)的壓力為133Pa ;襯底溫度為280°C;RF電源頻率為60MHz ；RF電源的脈沖頻率為20kHz ;脈沖的占空比為70% ；RF電源的功率為100W。將非晶硅的厚度設(shè)定為3 μ m。然后，進(jìn)行700°C的熱處理。該熱處理在Ar氣氛中進(jìn)行6小時(shí)。通過該熱處理使非晶硅結(jié)晶化，來形成晶體硅層。將上述步驟中獲得的晶體硅層用作比較二次電池的活性物質(zhì)層。注意，該晶體硅層中添加有磷(賦予η型導(dǎo)電性的雜質(zhì)元素)。該晶體硅層沒形成有須狀的晶體硅區(qū)域。(比較二次電池的制造步驟)
說明比較二次電池的制造步驟。
通過上述方式在集電體上形成活性物質(zhì)層，來形成比較二次電池的電極。通過使用獲得的電極制造比較二次電池。比較二次電池的制造方式與上述二次電池的制造方式類似。(二次電池和比較二次電池的特性)
通過利用充放電測(cè)量?jī)x測(cè)量二次電池和比較二次電池的放電容量。對(duì)于充放電的測(cè)量，采用恒電流方式，用2. OmA的電流進(jìn)行充放電。將上限電壓設(shè)定為I. 0V，將下限電壓設(shè)定為0.03V。所有測(cè)量在室溫下進(jìn)行。表I示出二次電池和比較二次電池的初始特性。表I示出活性物質(zhì)層的每單位體積的放電容量(mAh/cm3)。這里，在如下條件下算出放電容量(mAh/cm3): 二次電池的活性物質(zhì)層的厚度為3. 5 μ m，比較二次電池的活性物質(zhì)層的厚度為3. O μ m。[表 I]__
權(quán)利要求
1.一種蓄電裝置，包括 集電體； 在所述集電體上的包含硅和金屬元素的混合層；以及 在所述混合層上的用作活性物質(zhì)層的晶體硅層， 其中，所述晶體硅層包括 第一晶體硅區(qū)域；以及 在所述第一晶體硅區(qū)域上的包括多個(gè)突起物的須狀的晶體硅區(qū)域，以及 其中，所述多個(gè)突起物中的至少一個(gè)突起物包括彎曲的部分或分支的部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的蓄電裝置， 其中所述多個(gè)突起物中的一個(gè)突起物與所述多個(gè)突起物中的另一個(gè)突起物部分地接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的蓄電裝置， 其中所述彎曲的部分或所述分支的部分與所述多個(gè)突起物中的另一個(gè)突起物接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的蓄電裝置， 其中所述多個(gè)突起物中的一個(gè)突起物的軸方向與所述多個(gè)突起物中的另一個(gè)突起物的軸方向不同。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的蓄電裝置， 其中所述集電體包含與硅起反應(yīng)而形成硅化物的金屬元素。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的蓄電裝置， 其中所述金屬元素是鋯、鈦、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鑰、鎢、鈷及鎳中的一種或多種。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的蓄電裝置， 其中所述金屬元素被包含在所述集電體中。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的蓄電裝置， 其中所述集電體為箔狀、片狀或網(wǎng)狀。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的蓄電裝置， 其中所述集電體在襯底上形成為膜狀。
10.一種蓄電裝置的制造方法，包括以下步驟 通過利用含有硅的沉積氣體作為原料氣體進(jìn)行低壓化學(xué)蒸鍍法在集電體上形成包括須狀的晶體硅區(qū)域的晶體硅層作為活性物質(zhì)層， 其中，所述須狀的晶體硅區(qū)域包括具有彎曲的部分或分支的部分的突起物。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的蓄電裝置的制造方法，其中在高于550°c的溫度下進(jìn)行所述低壓化學(xué)蒸鍍法。
全文摘要
本發(fā)明提供一種提高放電容量等能夠提高性能(如更高放電容量)且不容易發(fā)生因活性物質(zhì)層的剝落等導(dǎo)致的劣化的蓄電裝置及其制造方法。蓄電裝置包括集電體；形成在集電體上的混合層；形成在混合層上且用作活性物質(zhì)層的晶體硅層。晶體硅層包括晶體硅區(qū)域、具有突出在晶體硅區(qū)域上的多個(gè)突起物的須狀的晶體硅區(qū)域。須狀的晶體硅區(qū)域包括具有彎曲或分支的部分的突起物。
文檔編號(hào)H01G11/30GK102906907SQ20118002695
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2011年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月2日
發(fā)明者村上智史, 栗城和貴, 湯川干央 申請(qǐng)人:株式會(huì)社半導(dǎo)體能源研究所