混杂薄膜电池组制造技术

本发明专利技术揭示了一种电化学设备，其中某些实施方式具有厚度大于约４微米且小于约２００微米的阴极；厚度小于约１０微米的薄电解质；厚度小于约３０微米的阳极。本发明专利技术还揭示了一种电化学设备，该电化学设备包括厚度大于约０．５微米且小于约２００微米的阴极；厚度小于约１０微米的薄电解质；厚度小于约３０微米的阳极，其中阴极是通过非气相沉积方法制造的。该电化学设备还可包括基板、集电器、阳极集电器、封装层和调节层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的领域涉及电化学设备及其制造方法，尤其涉及固态薄膜二次 (secondary)和一次(primary)电化学设备(包括电池组)的组成、沉积和制造方法。背景厚型正阴极(positive cathode)有利于产生高能薄膜电池组。厚型正阴极可 以明显提高每单位面积活性阴极物质的量。不幸的是，使用典型的真空气相方 法生成这类阴极会遇到很多麻烦。使用典型的真空气相方法制得的阴极具有许多局限性。例如，真空气相沉 积的材料通常如图l所示以圆柱的形式生长。该图是截面图，示意性地显示了 通过真空气相沉积方法生长的电化学设备的正阴极层的三个微观柱体。随着在 沉积过程中柱体生长，这些柱体的基底保持固定在基板表面上，在柱体的高度 生长时，这些基底的截面积实际上保持不变。随着柱体的高度增加，纵横比(柱 高度/柱宽度)增加，由这些柱体组成的阴极膜和整个设备变得在机械意义上不 稳定，通常在纵横比为15附近。因此，对于用真空沉积方法生长的柱体的高 度以及厚度有限制。对于高度的限制直接对应于使用真空气相沉积方法能产生 的阴极的厚度以及每单位面积电化学设备的能量。此外，使用真空气相方法时， 厚型阴极的生长需要花费较长的时间，因此非常昂贵。例如，以真空气相沉积方法生长的厚度大于约3微米的LiCo02正阴极由于沉积时间较长而过份昂贵。因此，需要一类电化学设备，该电化学设备的阴极可以较厚且可靠的方式 生产，并且该阴极的生产迅速且花费低。此外，希望使用许多众所周知的非气 相沉积技术和方法中的任何方法实现这些要求，这些非气相沉积技术例如浆料 涂布、迈耳RMeyer)棒涂布、直接(direct)和逆转(reverse)辊涂、刮涂、旋涂、电 泳沉积、溶胶-凝胶沉积、喷涂、浸涂和喷墨印刷等。沉积较厚的阴极以提高电化学设备每单位面积的能量，结果增加了设备的 总厚度。因为毫米、微米或纳米级设备总厚度的增加通常是不希望发生的，因 此设备制造者必须研究如何补偿或弥补这种厚度增加的措施。通常可行且适宜 的方法是最大程度地减小电化学设备中所有不提供能量的部件的厚度和体积。诸多措施中的一种是减少电化学设备的不提供能量的包装物。封装物和基 板是包装物固有的通常较大的组成部分。例如，将封装物的厚度从层压封装典型的厚度100微米减小到实际薄膜封 装的1-10微米厚度，将使得电化学设备制造者可以将载能阴极的厚度增加几 乎100微米，而不会产生任何可分辨的设备总厚度的变化。该设计方法能够明 显提高电化学设备的能量、容量和功率的容积量。因为对于大部分毫米、微米 或纳米级电化学设备，这些表现物理性能的数量需要在体积尽可能小的情况下 获得，因此縮减电化学设备内不提供能量的部件对于该设备被市场接受来说非 常重要。另一种措施是在尽可能薄的基板上制造电化学设备，作为独立的设备使 用、流通或出售。这不同于非独立的情况，在该非独立的情况中设备制造者可 以利用电子设备中已有的自由表面(芯片表面、印刷电路板表面等)，然后直接 在该自由表面上整合、制造或沉积电化学设备。该表面随后也用作电化学设备 的基板。可以认为这种电化学设备的构造中基板的厚度为零，因为通过该电化 学设备没有将额外的基板厚度引入最终的电子设备中。但是，在更普通的独立 情况中，当基板不能提供足够的化学和物理(主要是机械)保护或功能以支持电 化学设备时，基板达到最薄的限度。因为大部分真空沉积的阴极材料需要进行 高温处理以完全获得它们的物理性质，进而产生传递到基板中的膜应力，这些 真空气相沉积的阴极材料的机械性质可根据机械变形情况用于任何基板。与高温处理联合的真空气相沉积的膜的典型结果是基板发生弯曲、翘曲或 普遍的变形，因此影响整个电化学设备。如果该情况发生，则很难完成电化学 设备的制造，另外变形的电化学设备也不适合用于设备整合。相反，非气相沉 积的阴极材料的大部分甚至全部重要的物理性质在沉积时就已经获得，因此任 何高温处理都变得多余。因此，非气相沉积的阴极材料和电化学设备的其它组 件在基板中产生较小的应力，因而可以使用较薄的基板，而没有基板显著变形 的风险。因此，还需要表现出较佳的高温性质的封装层。因此，需要一种电化学设备，该电化学设备具有以下特征(i)其阴极可以 较厚，且可以迅速、廉价且可靠地制造；(ii)其基板的厚度可以尽可能地薄，同 时不会由于电化学设备的组件层而变形；(iii)其封装层尽可能地薄，同时仍然 提供足够的保护，以避免受到这些设备运行环境的影响；和/或(iv)其封装层由 高温材料组成，使整个电化学设备具有更高的热弹性。专利技术概述通过以下例子更详细描述的本专利技术的各个方面以及实施方式解决了背 景技术的某些欠缺以及相关工业中产生的需求。本专利技术的一个方面是一种电化学设备，该电化学设备包括厚度大于约 0.5微米且小于约200微米的正阴极；厚度小于约IO微米的薄电解质；和厚度小于约30微米的阳极。该设备还包括基板、集电器、端子、防湿层和封装层。 在本专利技术的一个实施方式中，阴极的厚度可以大于约5微米且小于约100微米。阴极的厚度还可以大于约30微米且小于约80微米。本专利技术的另一方面是一种电化学设备，该设备包括非气相沉积的阴极、 阳极和厚度小于IO微米的电解质。在本专利技术的一个实施方式中，阴极的厚度 可以大于约0.5微米且小于约200微米，阳极的厚度可以小于约30微米。依据本专利技术的实施方式的一个方面的阴极可以是非气相沉积的。该阴极可 以通过以下方法中的任一种进行沉积浆液涂布、迈耶棒涂布、直接和逆转辊 涂、刮涂、旋涂、电泳沉积或喷墨印刷。阴极可包括LiCo02、 LiMn204、 LiMn02、 LiNi02、 LiFeP04、 LiV02和 它们的任何混合物或化学衍生物。或者，这些阴极材料中可掺混有元素周期表 第1-17族的元素。在一个实施方式中，电解质可包括锂磷氧氮化物(LiPON)。电解质可包括 薄膜电解质。电解质可通过真空气相生长方法或非气相方法沉积。阳极可包括锂、锂合金或可与锂形成固溶体或化学化合物(chemical compound)的金属，或者适合用作锂基电池组中的负阳极(negative anode)材料的所谓锂离子化合物，例如Li4TisCh2。在本专利技术实施方式的另一方面，还可以用选自以下的封装方法封装电化学 设备真空气相生长的薄膜封装，如Snyder等在美国专利第6,916,679号中所 述的加压-加热层叠(该文献的内容通过参考全文结合于此)、金属箔附着和金属 罐装。所述设备还可包括阴极集电器和任选的阳极集电器，它们位于薄电解质层 的上方或下方。如果封装层具有开口使得任选的阳极集电器可以与潮湿环境直 接接触的话，则直接位于任选的阳极集电器下方的电解质可以用防湿层(例如 ZrO》保护。依据本专利技术的实施方式的一方面，可以使用非气相制造方法形成正阴极， 该阴极与电化学设备中全部或部分地通过真空气相方法制造的单元部件组合。 使用这类不同方法的组合的示例性实施方式被视为混杂制造方法，所得的设备 被称为例如"混杂薄膜电池组"。18依据本专利技术的实施方式的另一方面，非气相制造正阴极的方法不需要高温 制造步骤，从而限制了电化学设备的部件叠层结构内的应力产生。从而允许使 用较薄的基板。尽管较薄的基板在给定量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电化学设备，其包括：　　　　厚度大于约４微米且小于约２００微米的正阴极；　　　　厚度小于约１０微米的电解质；　　　　厚度小于约３０微米的负阳极。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：BJ纽德克尔，SW斯奈德，
申请(专利权)人：无穷动力解决方案股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]