[发明专利]电池硅材及其制法

说明书

技术领域

本发明是有关于一种电池材料及其制法，且特别是有关于一种用于锂离子二次电池的电极材料及其制法。

背景技术

近年来随着高科技3C电子产品发展的脚步，轻便易携的高能量能源电池已受到相当重视。高能量能源电池中现以锂离子二次电池的发展最为成熟，目前已经大量应用在可携式电子产品之上。以手机的发展为例，智能手机除了迈向大尺寸的彩色屏幕发展外，还附加了相机拍照功能及音乐播放器等复杂的功能。然而这些产品对于电力供应来源也就更加要求，所以如何提高锂离子电池电容量与稳定的循环寿命，是目前相当重要的课题。

目前在离锂子二次电池的负极材料应用上，是以石墨碳材为主，石墨碳材在充放电时具有优秀的电容量、平滑的放电曲线，而且石墨碳材不会有树枝状结构的产生，因此有较佳的安全性。但是由于石墨为片状结构，在重复的充放电循环下，锂离子会重复的插入与脱插，造成石墨的结构破坏，影响锂离子二次电池电性和循环寿命，加上石墨的理论电容量约为372mAh/g，使得电容量的发展受到限制。

目前已有诸多研究进行锂离子二次电池负极材料的改良，近期已有用硅材混入锂离子二次电池负极材料的技术出现。然而，虽然硅材料的理论电容量为最高(4200mAh/g)。但是由于锂离子插入与锂离子脱插反应会造成硅材相变化(phase change)而有体积膨胀的现象，其体积膨胀的改变是非常大的，使硅材混入锂离子二次电池负极材料的循环稳定性和不可逆性(irreversibility)受到严重影响。

目前已知的解决方法中，常见硅材尺寸极小化处理技术，市面上硅材尺寸有采用10-300nm范围内,其价格昂贵。经由纳米级硅来控制大尺寸硅的体积膨胀是现在常见的作法,但纳米级颗粒状硅材的大表面积会引入大的不可逆容量。重要的是，相同形状尺寸的纳米级硅材倾向于聚结团聚(Aggregation)成较大粒子，此使得均匀混合制成电极的过程更为困难。

现有TW201201434号专利案，前案中提出采用柱状硅材解决硅材体积膨胀问题，而柱状硅材实验及限定的粒径在10μm至800μm范围内，但此前案采用蚀刻后成核的化学制造方法来提供含硅的柱状硅材，此蚀刻后成核及之后将柱状硅材自基材移除的方法成本高，而且制造速度较慢。此外，已知柱状硅材的尺寸不但被化学制造方法限制，而且已知柱状硅材形状尺寸上的一致性更强化了纳米粉体(柱状硅材)自身的团聚特性，致使常用纳米粉体在下一阶段的应用前，仍要进行纳米粉体的分散工艺。

有鉴于此，如何进一步改良出较低廉且环保的纳米硅材料，且在解决硅材体积膨胀问题的前提下，再将上述研究的材料形状、尺寸改良成新的纳米结构；前述问题已是业界全力发展突破中的锂离子二次电池负极材料议题。

发明内容

本发明的一目的是提供一种电池硅材制法，其可提供形状变异且尺寸纳米化的薄片状硅材，而且有效降低工艺成本与降低工艺环境污染。

本发明的另一目的是提供一种锂离子二次电池硅负电极，其不仅解决硅材体积膨胀问题，更能有效提升电容量及产品寿命。

依据本发明的一方法态样的一实施方式是在提供一种多个薄片状硅材的制法，其包含以下步骤：以一固定磨粒加工具接触一硅基材；以及通过固定磨粒加工具与硅基材以一相对位移路径进行刮刨，产生粒径不均等的多个薄片状硅材。

依据本发明的一方法态样的另一实施方式是在提供一种锂离子二次电池硅负电极的制法，其包含以下步骤：以一固定磨粒加工具接触一硅基材。通过固定磨粒加工具与硅基材以一相对位移路径进行刮刨作业，产生粒径不均等的多个薄片状硅材。以及，结合定型大量薄片状硅材而形成该锂离子二次电池硅负电极。由此，本发明不仅运用成本低廉的机械式加工产生纳米级的硅材，而且刮刨作业后会产生粒径不均等的薄片状硅材，从而较佳地解决硅材体积膨胀问题。此外，薄片状硅材形状尺寸上的不一致性更降低了自身的团聚特性。

依据前述的锂离子二次电池硅负电极的制法，其中固定磨粒加工具与硅基材的相对位移路径可以为直线或弧线。而前述固定磨粒加工具可以是具备多个磨粒的一线锯、一带锯或一研磨盘。另外，固定磨粒加工具与硅基材于相对位移路径上可以进行往复或单向刮刨作业。固定磨粒可为天然钻石，人造钻石，立方氮化硼、碳化硅、三氧化二铝及氧化铈等超硬磨粒中的一者。

依据本发明的一物态样的一实施方式是在提供一种应用前述本发明制法所获得的锂离子二次电池硅负电极，其实质上由多个薄片状硅材构成，大量薄片状硅材的粒径不均等，且各薄片状硅材的粒径尺寸为50纳米(nm)至9微米(μm)。