用于电池装置的非晶阴极材料制造方法及图纸

一种多层薄膜固态电池装置。在一示例中，方法步骤包括但不限于形成以下各层：基底构件、阻挡材料、第一电极材料、一厚度的阴极材料、电解质、阳极材料和第二电极材料。阻挡材料的形成包括形成聚合物材料，其配置为基本上阻挡活性金属物质向基底构件的迁移，并且其特征在于阻挡降解温度。阴极材料的形成可以包括形成具有非晶特性的阴极材料，同时保持约‑40摄氏度至不大于500摄氏度的温度，使得空间体积的特征在于阴极材料的外部边界区域。该方法然后可以包括转移所得的薄膜固态电池装置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电池装置的非晶阴极材料
本专利技术总体上涉及制造薄膜电化学能量存储装置或固态电池装置。特别地，其中，本专利技术提供了用于改进的阴极材料的技术。更具体地，本专利技术提供了使用多个活性层和中间层来制造固态电池装置的技术。
技术介绍
常见的电化学电池常常使用液体电解质。这样的电池通常用于许多常规应用中。用于制造电化学电池的替代技术包括固态电池。这样的固态电池通常处于实验状态，难以制造，并未成功大规模生产。虽然有希望，由于电池结构和制造技术的限制，固态电池尚未实现。在本说明书中更详细地描述了这些和其它限制。从上述可以看出，改进固态电池的制造的技术是非常需要的。
技术实现思路
根据本专利技术，包括了用于制造薄膜电化学能量存储装置或固态电池装置的技术。特别地，其中，本专利技术提供了用于改进的阴极材料的技术。更具体地，本专利技术提供一种用于制造薄膜电化学能量存储装置或全固态装置的方法，以通过使用多个活性和中间薄膜层来实现更好的性能和更长的循环寿命，这些层可用作应力减轻器件、热控制器件、离子扩散防止器件、离子扩散增强器件、增强电传导器件、电绝缘器件、粘合器件或用于后续层的最重要的平面化器件。这些装置的性能可以是电化学转换效率、光电转换效率、导电性、电绝缘性或高/低温操作能力。本专利技术的方法可以应用到的薄膜能量存储装置以及全固态装置可用于各种应用，例如太阳能板、消费电子装置、交通工具或电网；其中，消费电子装置包括但不限于：显示装置、MP3播放器、智能电话、平板电脑、膝上型计算机、智能手表、活动跟踪器和其他可穿戴装置；其中，交通工具包括但不限于：混合电动公共汽车、电动公共汽车、混合电动车、电动汽车、电动自行车、电动摩托车、电动滑板车、电动高尔夫球车、火车、船舶、飞机、电动飞机、直升机、无人空中车辆、电动无人驾驶飞行器、无人机、其他航空器、空间站、航天飞机、航天飞机、卫星、无人飞船、其他航天器和其它混合动力电动汽车、插电式混合动力电动汽车和电动汽车；并且其中，电网包括但不限于用于住宅、商业建筑物和社区的独立微电网以及集中式电网。此外，这样的能量存储装置可以用于电信系统、手机和天线塔、数据中心和不间断电源。在一示例中，可以沉积阴极材料以产生可观察到的不连续性，采取多分散广义锥体的任何组合的形式，其可以随着锥形表面相对于基底的倾斜的变化而不同地是薄片、锥体、倒锥体或正圆柱体，表面不连续性不同地表现为裂缝，连续或不连续的多面体元件，孔，裂纹或其他缺陷，添加剂，沉积层，任何上述几何形状，与三维、不规则沉积的多边形结构等组合。当然，可以存在其他的变化，修改和替代。在一示例中，本专利技术可以提供制造多层薄膜固态电池装置的方法。该方法涉及的步骤包括但不限于以下：提供基底构件，形成阻挡材料，形成第一电极材料，形成一厚度的阴极材料，形成电解质，形成阳极材料，形成第二电极材料，以及转移薄膜固态电池装置。在一示例中，基底构件可以包括表面区域，并且其特征可以在于熔点温度。阻挡材料可以形成在基底构件的表面区域上。该阻挡材料可以包括聚合物材料，并且可以配置为基本上阻挡活性金属物质向基底构件的迁移。此外，阻挡材料的特征可以在于阻挡降解温度。第一电极材料也可以形成在表面区域上。在一示例中，该厚度的阴极材料可以具有非晶特性。可以在维持范围从-40摄氏度到不高于500摄氏度的温度的同时执行该阴极材料的形成。此外，阴极材料的形成可以使得空间体积的特征在于阴极材料的外部边界区域，该厚度的阴极材料特征在于具有范围从1.E-18m2/s至1.E-4m2/s的值的有效扩散率，并且阴极材料的特征在于空隙区域为空间体积的0.001％至80％。在具体示例中，该厚度的阴极材料可以包括第一厚度的非晶材料和第二厚度的材料。阴极材料的第一厚度可以大于第二厚度，并且第一厚度的非晶材料在结构上可以与第二厚度的材料不同。阴极材料还可以包括表面形态。在具体示例中，有效扩散率包括第一厚度的第一扩散率和第二厚度的第二扩散率。在具体示例中，阴极材料包括锂物质，锂物质选自以下中的至少一个：LiSON,LixLa1-xZrO3,LixLa1-xTiO3,LiAlGePO4,LiAlTiPO4,LiSiCON,Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3,0.5LiTaO3+0.5SrTiO3,Li0.34La0.51TiO2.94,LiAlCl4,Li7SiPO8,Li9AlSiO8,Li3PO4,Li3SP4,LiPON,Li7La3Zr2O12,Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3,Li6PS5Cl,orLi5Na3Nb2O12.阴极材料的特征可以在于电导率范围从1.E-12S/m至1.E6S/m，在于充电率范围从C/100至100C，在于XRD峰与总体的比为0％至0％的结晶度，以及在于空间区域中配置的平均微晶尺寸范围从0.1nm至100nm。在一示例中，电解质可以配置为覆盖阴极材料。阳极材料可以形成在电解质上，并且第二电极材料可以形成在阳极材料上。然后，该方法可以包括转移特征在于能量密度范围从50瓦特-小时/升到3000瓦特-小时/升的所得到的薄膜固态电池装置。与常规技术相比，实现益处。根据具体实施例，可以实现这些益处中的一个或多个。在优选实施例中，本专利技术提供了包括阻挡区域的合适的固态电池结构。优选地，阴极材料配置为为电化学电池提供改进的功率密度。本阴极材料可以使用常规的工艺技术制造。当然，可以存在其他的变化，修改和替代。本专利技术在已知工艺技术的背景下实现了这些益处和其他益处。然而，通过参考说明书的后面部分和附图，可以进一步理解本专利技术的性质和优点。附图说明为了更全面地理解本专利技术，参考附图。认识到这些附图不被认为是本专利技术范围的限制，通过使用附图，通过附加的细节来描述本专利技术的当前描述的实施例和当前理解的最佳模式，在附图中：图1A是根据本专利技术的实施例的薄膜电化学能量存储电池的简化横截面图。图1B是根据本专利技术的实施例的在电解质和阳极层之间的桥接区域上具有附加扩散阻挡层的改性薄膜电化学电池的简化横截面图。图2A是根据本专利技术的实施例的薄膜电化学能量存储电池的简化横截面图。图2B是根据本专利技术的实施例的薄膜电化学能量存储电池的照片。图2C是根据本专利技术的实施例的与图2A所示的示意图相同的区域的显微视图。图2D和2E是根据本专利技术的实施例的与图2A的示意图相同的区域的显微视图，其中从样品的底部照射光。图2F是根据本专利技术的实施例的图2C所示的“桥”区域的扫描电子显微镜图。图3A是根据本专利技术的实施例的具有三个区域带有沉积在桥接区域上的附加扩散阻挡层的薄膜电化学能量存储单元的简化横截面视图。图3B是示出根据本专利技术的实施例的如图3A所示的跨越所有三个区域的原始阳极表面的曲线图。图4A-4F示出了根据本专利技术的实施例形成的电化学电池层的每个工艺步骤的简化横截面图。图5A是根据本专利技术的实施例的阴极材料的示意图的简化横截面图。图5B是根据本专利技术的实施例的非晶阴极材料的示意图的简化横截面图。图6是根据本专利技术的实施例的阴极材料的示意图的简化横截面图。图7是根据本专利技术的实施例的阴极材料的示意图的简化横截面图。图8是根据本专利技术的实施例的阴极材料的示意图的简化横截面图。图9是示出根据本专利技术的示例中的各种电池装置的阴极特性的表格。图10是示出根据本专利技术的示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造薄膜固态电池装置的方法，所述方法包括：提供基底构件，所述基底构件包括表面区域，所述基底构件具有熔点温度；形成包括覆盖该表面区域的聚合物材料的阻挡材料，所述阻挡材料配置为基本上阻挡活性金属物质向所述基底构件的迁移，并且其特征在于阻挡降解温度；形成覆盖所述表面区域的第一电极材料；形成具有非晶特性的一厚度的阴极材料，同时保持约‑40摄氏度至不大于500摄氏度的温度，使得空间体积的特征在于所述阴极材料的外部边界区域，有效扩散率表征该厚度的阴极材料，并且具有从0.005μm至1000μm的值，空隙区域表征该厚度的阴极材料；形成配置为覆盖该厚度的阴极材料的电解质；形成覆盖所述电解质的阳极材料；形成覆盖所述阳极材料的第二电极材料；以及转移薄膜固态电池装置，薄膜固态电池装置的特征在于能量密度从50瓦特‑小时/升到3000瓦特‑小时/升。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.15 US 14/514,7791.一种制造薄膜固态电池装置的方法，所述方法包括：提供基底构件，所述基底构件包括表面区域，所述基底构件具有熔点温度；形成包括覆盖该表面区域的聚合物材料的阻挡材料，所述阻挡材料配置为基本上阻挡活性金属物质向所述基底构件的迁移，并且其特征在于阻挡降解温度；形成覆盖所述表面区域的第一电极材料；形成具有非晶特性的一厚度的阴极材料，同时保持约-40摄氏度至不大于500摄氏度的温度，使得空间体积的特征在于所述阴极材料的外部边界区域，有效扩散率表征该厚度的阴极材料，并且具有从0.005μm至1000μm的值，空隙区域表征该厚度的阴极材料；形成配置为覆盖该厚度的阴极材料的电解质；形成覆盖所述电解质的阳极材料；形成覆盖所述阳极材料的第二电极材料；以及转移薄膜固态电池装置，薄膜固态电池装置的特征在于能量密度从50瓦特-小时/升到3000瓦特-小时/升。2.根据权利要求1所述的方法，其中，该厚度的阴极材料包括第一厚度的非晶材料和第二厚度的材料，所述第一厚度大于所述第二厚度，第一厚度的非晶材料在结构上与第二厚度的材料不同；所述空隙区域是所述空间体积的0.001％至20％；其中，所述电池装置是多层的。3.根据权利要求1所述的方法，其中，该厚度的阴极材料包括第一厚度的非晶材料和第二厚度的材料，所述第一厚度大于所述第二厚度，第一厚度的非晶材料在结构上与第二厚度的材料不同；于是有效扩散率包括所述第一厚度的第一扩散率和所述第二厚度的第二扩散率。4.根据权利要求1所述的方法，其中，该厚度的阴极材料包括多个柱状结构，每个柱状结构沿着该厚度的方向延伸，并且基本上正交于材料厚度的平面和所述表面区域。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阻挡材料包括聚合物材料，所述聚合物材料的厚度从0.001μm至1μm，以补偿第一电极构件和所述表面区域之间的应变；其中，温度低于900摄氏度。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阴极材料包括锂物质，所述锂物质选自以下中的至少一个：LiSON，LixLai_xZr03，LixLai_xTi03，LiAlGeP04，LiAlTiP04，LiSiCON，LiL3Al0.3Tii.7(P04)3，0.5LiTaO3+0.5SrTiO3，Lio.34La0.5iTi02.94，LiAlCl4，Li7SiP08，Li9AlSi08，Li3P04，Li3SP4，LiPON，Li7La3Zr20i2，Lii.5Al0.5Gei.5(PO4)3，Li6PS5Cl，orLi5Na3Nb20i2。7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阴极材料的特征在于电导率从1.E-6S/m至1.E5S/m。8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阴极材料的特征在于充电率范围从C/100至100C。9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阴极材料的特征在于XRD峰与总体的比为0％至50％的结晶度。10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阴极材料的特征在于空间区域中配置的平均微晶尺寸范围从0.1nm至100nm。11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阴极材料包括表面形态。12.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述阴极材料包括使源材料经受保持在真空环境中的能量源，以经由蒸发分解源材料，以引起阴极材料的沉积。13.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述阴极材料包括多个柱状结构，每个柱状结构具有基部区域和上区域，每个柱状结构包括多个较小的颗粒状结构，每个较小的颗粒状结构配置在每个柱状结构内。14.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述阴极材料包括多个柱状结构，每个柱状结构具有基部区域和上区域，每个柱状结构包括多个颗粒状结构，每个颗粒状结构配置在每个柱状结构内，每对柱状结构具有设置在每对柱状结构之间的多个不规则形状的多面体结构。15.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述阴极材料包括形成多个第一锥形结构和多个第二锥形结构，使得所述多个第一锥形结构与所述多个第二锥形结构相互交错。16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阴极材料包括多个不连续部分，其通常布置在从所述阴极材料的第一面到所述阴极材料的第二面的方向上。17.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述阴极材料包括多个纳米管结构，每个纳米管结构具有基部区域和上区域，并且基本上布置在正交于所述阴极材料的上表面区域和下表面区域的方向上。18.一种多层薄膜固态电池装置，所述装置包括：包括表面区域的基底构件，所述基底构件具有熔点温度；覆盖所述表面区域的电极材料；阴极材料，配置为平均颗粒尺寸范围从0.05μm至100μm的非晶结构；空间体积，特征在于所述阴极材料的外部边界区域；扩散率，表征所述阴极材料，并具有范围从1.E...

【专利技术属性】
技术研发人员：安玛丽沙斯特里，汪家伟，陈彦宏，金贤哲，张香春，郑明途，
申请(专利权)人：Sakti三有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US