碱金属薄膜元件及其制造方法技术

提供具有锂金属薄膜的元件，该元件极薄、均匀，并且不被空气退化。该元件包括基底和利用汽相沉积法形成在基底上的锂金属薄膜。薄膜厚度一般０．１μｍ－２０μｍ。基底一般由金属、合金、金属氧化物或碳组成。基底厚度一般１μｍ－１００μｍ。该元件用作锂电池的电极元件。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及碱金属薄膜元件以及制备碱金属薄膜元件的方法，具体而言，涉及用于锂电池等的锂金属薄膜元件以及制备该锂金属薄膜元件的方法。
技术介绍
近年来，发展了许多小巧及轻便的电子设备，从而需要用于电子设备的电源更小巧及轻便。对于这种需求，使用锂金属作为负极的电池实用且引人注目。该电池中，希望降低锂金属的厚度，从而尽可能多地降低电池大小。例如锂金属箔或薄片通过辊压制备。日本专利特许公开No.10-58007公开了该方法的一个例子，但厚度不小于20μm。此外，锂金属易于与水反应，当曝露于空气时，容易退化。另一方面，已建议使用锂薄膜的固体二次电池。日本专利特许公开No.62-44960公开了固体二次电池的工艺，其中二硫化钛薄膜作为正极，Li2O-Al2O3薄膜作为电解质，而Li薄膜作为负极，它们在离子群束蒸发系统中依次形成在基底上。此外，日本专利公开No.5-48582公开了用于该固体电池的电解材料。然而，与固体电池有关的这些文献并未提供利用锂单独制备负极的技术。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供制备应用于电池的锂金属薄膜的技术。本专利技术的另一目的是提供明显减薄、均匀形成以及不被空气退化的锂金属薄膜元件。本专利技术人已发现20μm或更薄的锂金属薄膜可通过汽相沉积法形成，从而实现本专利技术。按照本专利技术，提供一种碱金属薄膜元件，它包括基底以及通过汽相沉积法形成在基底上的薄膜，薄膜元件由从碱金属和碱金属合金组成的组中选择出的材料制成。按照本专利技术的碱金属薄膜元件的厚度为0.1μm-20μm。为防止针孔的形成，优选薄膜的厚度至少0.1μm。优选薄膜厚度范围为0.1μm-20μm，更优选范围为1μm-10μm。在按照本专利技术的碱金属薄膜中，平面内薄膜厚度的波动在±30％之内。换句话说，优选在膜的横截面上薄膜厚度的变化在薄膜平均厚度的±30％内。在按照本专利技术的碱金属薄膜元件中，优选基底厚度1μm-100μm。基底可由从金属、合金、金属氧化物和碳组成的组中选择出的材料制成。优选基底由从铜、镍、铝、铁、铌、钛、钨、镁、金、银、铂、上述两种或多种金属构成的合金、和不锈钢组成的组中选择出的材料制成。在本专利技术中，一般薄膜由从锂和锂合金组成的组中选择出的材料制成。尤其是，本专利技术涉及用于锂电池的电极元件。按照本专利技术，提供制备碱金属薄膜元件的方法，包括通过汽相沉积法在基底上形成薄膜的步骤，薄膜由从碱金属和碱金属合金组成的组中选择出的材料制成。例如，汽相沉积法是从溅射、真空蒸发、激光烧蚀和离子镀组成的组中选择出的方法的任一种。由于低真空下可发生由水分引起的碱金属薄膜的氧化或退化，汽相沉积法中的环境真空度优选1.33×10-4Pa(1×10-6Torr)或更低。在汽相沉积法中，形成薄膜的气氛优选由不与碱金属特别是锂反应的气体组成，包括氦、氖、氩、氪或上述两种或多种的混合气体。构成气氛的气体纯度优选至少99.99％，从而在锂金属薄膜中不发生由水分引起的退化。例如锂的金属薄膜将沉积其上的基底可以是由金属、合金、金属氧化物如SnO2、导电碳例如石墨等构成。作为所述金属或合金，可使用铜、镍、铝、铁、铌、钛、钨、铟、钼、镁、金、银、铂、上述两种或多种金属构成的合金、和不锈钢的任何一种。为降低锂电池等的大小，优选基底厚度最大100μm。为改善基底强度，优选基底厚度至少1μm。因此，基底厚度范围为1μm-100μm，为小型化而言，厚度范围可在1μm-20μm。当用于形成薄膜的作为源材料的碱金属引入薄膜沉积系统时，以及当形成的碱金属薄膜从沉积系统取出时，不希望将源材料或碱金属薄膜曝露给空气，因为这种曝露会由水分导致源材料或薄膜的退化。因此，优选使用密封容器，从而源材料可以从在连接到薄膜沉积系统入口的室中的容器里取出，然后源材料可引入薄膜沉积系统。优选地，形成的碱金属薄膜也转移到在连接到薄膜沉积系统出口的室中的容器中，然后密封容纳膜的容器，从系统中取出，进入空气。在优选实施例中，按照本专利技术的方法还包括如下步骤在室空间里从密封容器中取出由碱金属和碱金属合金组成的组中选择出的材料，室空间基本上不与碱金属反应并与空气隔离，并与用于形成薄膜的装置相邻设置；将该材料从室空间转移到该装置中，而材料不曝露给空气。转移到该装置中的材料用于形成薄膜。在优选实施例中，按照本专利技术的方法还包括如下步骤把其中形成薄膜的元件从形成薄膜的装置转移到室空间，室空间基本上不与碱金属反应并与空气隔离，并与用于形成薄膜的装置相邻设置；并且将转移的元件在室空间放入密封容器中。与薄膜沉积系统入口相连的室空间、与薄膜沉积系统出口相连的室空间以及薄膜沉积系统自身可充有氦、氮、氖、氩或氪的气体，或上述两种或多种的混合气体。优选这些气体的纯度至少99.99％。另一方面，露点-50℃或更低的干空气可用于替代该非活性气体。优选在取出源材料以转移到沉积系统或当制备好的薄膜元件转移到室空间以放入密封容器中时，薄膜沉积系统以及与此相邻的室空间充满上述气体。按照本专利技术的方法可应用于制备锂电池的电极元件，尤其是锂二次电池的负极元件。在这种情况下，从锂和锂合金组成的组中选择出的材料的薄膜通过汽相沉积法形成在基底上。在这种情况下，优选薄膜厚度20μm或更小。在制备好的锂电池的负极元件上，可利用适当方法例如汽相沉积法来形成无机固体电解质的薄膜，得到锂二次电池的负极。因此，按照本专利技术，还提供制备用于锂电池的负极元件的方法。该方法包括如下步骤在上述工艺得到的锂电池负极元件中由锂和锂合金组成的组中选择出的材料制成的薄膜上形成由无机固体电解质组成的薄膜。由无机固体电解质组成的薄膜含有如下成分A-CA锂，其含量范围为30-65％的原子百分比；B从磷、硅、硼、锗和镓组成的组中选择出的一种或多种元素；和C硫由无机固体电解质制成的薄膜至少还含有氧和氮的一种。元素B的含量范围一般为0.1％-30％原子百分比。元素C的含量范围一般为20％-60％原子百分比。氧和氮的一种或两种的含量范围一般为0.1％-10％。在按照本专利技术制备锂电池的负极元件的方法中，25℃下无机固体电解质制成的薄膜的离子传导性(传导率)可至少为1×10-4S/cm。结合附图，通过本专利技术的如下详述，对本专利技术的上述和其它目的、特征以及优点更为清楚。附图说明图1是表示用于本专利技术方法的整个装置的示意图。图2示意表示按照本专利技术的元件例子的横截面图。在图中，薄膜沉积系统用标号1表示，薄膜沉积系统的入口用2表示，薄膜沉积系统的出口用3表示，室用4和5表示，锂金属薄膜元件用10表示，而锂金属薄膜用12表示。实施本专利技术的最佳方式例子1用锂作为例子如下进一步描述本专利技术。如下所示的方法中，锂金属的源材料引入薄膜沉积系统，取出形成的锂金属薄膜。图1表示用于制备薄膜的整个装置。首先，容纳在玻璃、塑料等的密封容器中的锂金属源材料放置在与薄膜沉积系统1的入口相连的室4中。然后将空气从室4抽空。之后，室4充满纯度99.99％的氩气。薄膜沉积系统1也充满纯度99.99％的氩气。室4备有手套，从而手带上手套在室4内完成操作。密封容器在室4中打开，取出锂金属源材料。然后，打开薄膜沉积系统1的入口2处的门，在薄膜沉积系统1内部放置锂金属源材料，关闭入口2的门。以这种方式，锂金属源材料放置在薄膜沉积系统1中而不曝露给空气。本文档来自技高网...

【技术保护点】
碱金属薄膜元件，包括基底；和在所述的基底上通过汽相沉积法形成的薄膜，该薄膜由碱金属和碱金属合金组成的组中选择出的材料制成。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：久贝裕一，太田进启，山中正策，
申请(专利权)人：住友电气工业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]