用于能量储存装置的稳健多孔电极的制作方法
【专利说明】用于能量储存装置的稳健多孔电极
[0001]相关申请
[0002]本申请要求2013年6月28日提交的律师文档号P53160的美国非临时专利申请N0.13/929,972的权益，该申请通过引用结合于此。
技术领域
[0003]此处所描述的各实施例一般涉及能量储存装置，更具体而言，涉及电池和电容器。
【背景技术】
[0004]能量储存装置，包括电池和电容器，用于电子设备以及操作中。具体而言，各种类型的电容器频繁地用于诸如电路、电力输送，电压调节和电池替换之类的设备和应用中。通过正在进行的开发，涌现了多种电容器类型。例如，也称为超级电容器的电气双层电容器(EDLC)的特点是能量存储和功率密度高、尺寸小，以及重量轻。如此，这样的设备已经成为用于包括可再充电电池的多种应用的有前途的候选。
[0005]诸如多孔碳以及硅之类的多孔材料，由于它们能够提供大表面面积，被考虑用作能量储存装置中的电极衬底。这些材料能够保留诸如锂之类的载荷子。希望某些导电材料能够与这样的多孔衬底一起使用。然而，在很多情况下，向衬底添加选择的材料以便实现某些优点也可能会带来若干个缺点。例如，诸如锂之类的某些材料可以提供高荷质比容量以及能量密度，但是，也可能会导致衬底的不稳定性。如此，对能量储存装置以及相关的材料的研究工作在继续。
[0006]附图简述
[0007]通过下文结合作为示例示出了本发明的特征的各个附图进行的比较详细的描述，所公开的各实施例将变得显而易见，其特征在于:
[0008]图1是根据某些发明实施例的各种系统的电压与阳极和阴极容量的曲线图；
[0009]图2是根据各种发明实施例的电极的截面图；
[0010]图3示出了根据各种发明实施例的不同的孔隙形状；
[0011]图4是根据附加发明实施例的能量储存装置的截面图；
[0012]图5是根据附加发明实施例的能量储存装置的截面图；
[0013]图6A-D是根据某些发明实施例的多孔硅(A)断面以及在截面的增大的深度处，(B-D)的扫描电子显微镜(SEM)图像；
[0014]图7是示出了根据发明实施例的用于制造能量储存装置的方法的流程图。
[0015]现在将参考所示出的示例性实施例，并使用特定语言来对其进行描述。然而，应该理解，这并不作为限制。
【具体实施方式】
[0016]虽然为了说明，下列详细描述包含许多细节，但是，那些精通本技术的普通人员将理解，对下列细节的许多变体和替换方案都落在此处所公开的各实施例的范围内。
[0017]相应地，阐述下列各实施例，而不会丧失此处所阐述的任何权利要求的通用性，也不会对权利要求强加限制。在比较详细地描述发明实施例之前，可以理解，本公开不限于所描述的特定实施例。还应该理解，此处所使用的术语只是为了描述特定实施例，而不作为限制。除非另外定义，否则此处所使用的所有技术和科学术语都与本公开所属领域的技术人员通常所理解的具有相同含义。
[0018]如在说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一(a、an)”以及“该”也包括多个涉及的对象，除非上下文明确地特别指出。如此，例如，对“结构材料”的引用包括多个这样的材料。
[0019]在本公开中，“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”等等可以具有在美国专利法中规定的含义，表示“包括”、“包含”等等，被一般性地解释为开放式术语。术语“由...构成”是封闭式术语，根据美国专利法，只包括具体地列出的组件、结构、步骤等等。“基本上由...构成”等等，当应用于方法和成份时，是指类似于此处所公开的那些的成份，但是，可以包含附加结构组、成份组分或方法步骤。然而，这样的附加结构组、成份组分或方法步骤等等与此处所公开的对应的成份或方法的那些特征相比，不会实质上影响成份或方法的基本的并且新颖的特征。更详细地，“基本上由...构成”等等，当应用于由本公开包含的方法和成份时，具有在美国专利法中规定的含义，该术语是开放式的，允许所列举物质之外的物质存在(例如，痕量染污物、与多孔硅衬底不起反应的成份等等)，只要叙述的物质的基本的或新颖的特征不被所叙述物质之外的物质的存在改变，但是，排除现有技术的实施例。当使用开放式术语时，诸如“包括”或“包含”，应该理解，也应该同样直接支持“基本上由...构成”表述，如同明确地如此阐述一样。
[0020]在说明书中以及在权利要求中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等等，如果有的话，用于区别类似的元件，而不一定用于描述特定顺序或时间顺序。可以理解，在合适的情况下，如此使用的术语是可互换的，以便此处所描述的各实施例，例如，能够按除所示出的或此处以别的方式描述的那些顺序以外的顺序进行操作。类似地，如果方法此处被描述为包括一系列步骤，则诸如此处所呈现的步骤的顺序不一定是可以执行这样的步骤的唯一顺序，可能可以省略某些所阐述的步骤，和/或可能可以向方法中添加此处没有描述的某些其他步骤。进一步地，术语“包括”、“包含”、“具有”或其任何其他变体，用于涵盖非排他性的包含，使得包括元件列表的过程、方法、产品或设备不一定仅限于那些元件，而是可以包括没有明确地列出的其他元件或这样的过程、方法、产品或装置固有的其他元件。
[0021]在说明书中以及在权利要求中，术语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“在...上方”、“在...下方”等等，如果有的话，用于描述性的目的，而不是一定用于描述永久性的相对位置。可以理解，在合适的情况下，如此使用的术语是可互换的，使得此处所描述的各实施例，例如，能够按除所示出的或此处以别的方式描述的那些朝向之外的朝向进行操作。术语“耦合”，如此处所使用的，被定义为以电的或非电的方式直接或间接地连接。此处被描述为彼此“邻近”的对象可以彼此物理接触，彼此紧靠，或彼此在相同的一般区域或面积中，视使用该短语的上下文情况而定。此处，短语“在一个实施例中”的出现不一定都是指同一个实施例。
[0022]如此处所使用的，为方便，可以在一共同的列表中呈现多个项、结构元件、组成元素、和/或材料。然而，这些列表应该被解释为，好像列表的每一成员都分别地标识为单独的并且唯一的成员。如此，在没有明确的指示的情况下，这样的列表的单个成员不应该只基于它们存在于共同组中而被解释为同一列表的任何其他成员的事实上的等价物。另外，此处各实施例以及示例可以与各种成份的替代方案一起被引用。应该理解，这样的实施例、示例、以及替代方案将不被解释为彼此的事实上等价物，而是将被视为单独的并且自主的。
[0023]如此处所使用的，“电解质”和“包含离子的电解质”可以可互换地使用，并包括固体电解质和液体电解质溶液，除非另作说明。
[0024]如此处所使用的，“结构材料”是指可以沉积在多孔衬底的通道、开口、或孔隙内以便为多孔衬底提供结构支撑的材料。在某些方面，这样的材料可以允许电解质扩散到多孔材料，并在与电解质发生反应时在多孔材料膨胀或收缩的情况下，提供结构支撑。在其他方面，结构材料可以具有比多孔材料更高的相对于电解质的扩散速率。在一个示例中，结构材料可以是具有比多孔硅的锂扩散速率更高的锂扩散速率的材料。
[0025]如此处所使用的，“基本上”，当用于引用材料的量或其特定的特征时，是指足以提供该材料或特征计划提供的效果的量。在某些情况下，允许的准确的偏差度可以取决于特定的上下文。类似地，“基本上无…”等等是指在成份中缺乏所标识的元素或试剂。具体而言，被标识为“基本上无…”的元素是成份中完全没有，或者其含量足够小以致对成份没有可测量的影响。
[0026]在本说明书中“示例”意味着，参考示例所描述的特定功能、结构或特征被包括在至少一个实施例中。如此，在整个说明书中的不同位置出现用短语“在一个示例中”不一定都是指同一个实施例。
[0027]示例实施例
[0028]下面提供了技术实施例的总览，然后，更详细地描述特定的技术实施例。此概述旨在帮助读者更快地理解技术，但不打算标识技术的关键或基本特点，它也不打算限制所要求保护的主题的范围。
[0029]已经认识到，使用传统材料的能量储存装置，例如，可再充电的电池，会具有各种局限性或缺点，诸如低能量密度、低电荷容量、低功率密度、低结构完整性、安全问题以及毒性。例如，带有金属锂阳极的锂电池会带来安全问题。结果，开发了锂离子电池，其中