形成阴极层的方法，形成电池组半电池的方法技术

提供了一种形成阴极层的方法。该方法包括：远离一个或多个溅射靶产生等离子体；使用等离子体从一个或多个靶溅射出材料；以及在已经施加了偏压的基板上沉积溅射材料，从而形成阴极层。阴极层。阴极层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】形成阴极层的方法，形成电池组半电池的方法


[0001]本专利技术涉及形成阴极层的方法，例如用于固态电池组电池的阴极层。
[0002]本专利技术涉及形成阴极层的方法。更具体地，但不排他地，本专利技术涉及在基板上形成阴极层的方法、形成固态电池组的(结晶)阴极层的方法、形成固态电池组半电池的方法、形成固态电池组电池的方法和形成固态电池组的方法。本专利技术还涉及一种确定描述材料阴极层结晶度的函数的方法，一种确定描述材料阴极层相位分布的函数的方法，以及一种确定高能量晶体结构将存在于材料阴极层中的电压偏置的方法。本专利技术还涉及根据这些方法制造的固态电池组半电池、固态电池组电池和固态电池组。

技术介绍

[0003]固态电池组包含阴极材料。这种材料通常是高能量晶体结构，并且通常是含锂离子的材料，例如LiCoO2。这些高能量晶体结构可以使用等离子体沉积技术来沉积，但是通常需要退火以产生用作阴极材料的晶体材料。退火工艺通常包括将高能量晶体结构(可选的含锂材料)加热到大约400℃的温度，并且在一些高能量晶体结构的情况下，加热到600℃。这需要大量的能量，并且将与高能量晶体结构相关的任何其他材料，例如下面的基板，暴露于这样的温度，这可能是不希望的。
[0004]本专利技术寻求缓解上述问题。替代地或附加地，本专利技术寻求提供一种在基板上形成阴极层的改进方法。

技术实现思路

[0005]根据本专利技术的第一方面，提供了一种在基板上形成阴极层的方法，可选地用于固态电池组，该方法包括：
[0006]远离一个或多个溅射靶产生等离子体，
[0007]使用等离子体从一个或多个靶溅射材料，以及
[0008]在已经施加了偏压的基板上沉积溅射材料，从而形成阴极层。
[0009]申请人已经发现可以将阴极材料的膜直接形成在基板上。“直接”是指该膜在基本上没有退火步骤的情况下形成膜。该方法已被证明适用于广泛的基板材料。申请人发现该方法对于沉积晶体碱金属和碱土金属基阴极材料，例如锂基阴极层特别有效。
[0010]阴极层可选地是结晶的。
[0011]申请人已经发现，有可能以晶体形式在基板上沉积固态薄膜器件的阴极层，而不必在沉积后对该层进行退火。此外，退火可能涉及加热到一些基板(例如聚合物基板)不能容忍的温度，其结构完整性可能会因加热到退火温度而受到损害。
[0012]等离子体远离等离子体靶产生。在传统的等离子体沉积中，需要靶来产生和维持等离子体。
[0013]固态薄膜器件可以是固态电池组。
[0014]如本专利技术背景中所述，可以使用等离子体沉积技术沉积高能量晶体结构，但是通
常需要退火以产生用作阴极材料的晶体材料。在某些含锂材料中，退火工艺通常包括将含锂材料加热到大约400℃的温度，在一些高能量晶体结构的情况下，加热到600℃。这需要大量的能量，并且将与高能量晶体结构相关的任何其他材料，例如下面的基板，暴露在可能不期望的温度下。
[0015]申请人已经发现，可以将固态电池组的阴极层以晶体形式沉积到基板上，而不必在沉积后对阴极层进行退火。申请人还发现，向基板施加偏置电压可以改善沉积层的结晶度。偏置电压可以直接施加到基板。
[0016]申请人已经发现，向基板施加偏压可能有利于沉积晶体材料，而不需要对如此沉积的材料进行退火。该方法可以在基本上不需要退火以形成高能量晶体结构的情况下进行。电压可以直接施加到基板上，例如通过将基板与来自RF发电装置的连接接触。可选地，电压偏置可以间接地施加到基板，例如在基板的区域中，使得RF能量传播到基板材料，导致电压偏置被施加到基板。通过将电压偏置施加到基板所放置的平台上，可以间接地将电压偏置施加到基板上。通过将电压偏置施加到放置在基板附近的带电元件或板上，可以间接地将电压偏置施加到基板上。
[0017]对基板的电压偏置可选地带负电。不希望受理论约束，相信施加到基板的电压偏置导致带正电荷的溅射材料被吸引到基板，使得材料以高“ad atom”能量到达基板。这导致在材料沉积到基板中的过程中有更多的能量用于产生结晶。
[0018]对基板的电压偏置可选地由射频(RF)发生器提供。RF发生器的使用有助于防止电荷在基板表面积聚，这将阻碍材料沉积到基板上。为了避免疑问，术语“已经施加了偏置电压”还包括将偏置电压施加到基板所在的支撑件上的情况。这种布置产生将离子吸引到基板的电场。
[0019]典型地，功率被定义为用于产生偏置电压的输出功率。本领域技术人员将知道并接受的是，用于产生偏置电压的输出功率可以取决于产生所述电压的器件的效率。因此，本领域技术人员将知道，本文描述的功率、功率密度或电压的值假设具有平均发电效率的器件，并且如果使用特别有效或低效的器件来在基板上产生电压偏置，则应当相应地调整此处的值。
[0020]功率密度通过将用于产生偏置电压的输出功率除以基板的表面积来定义。
[0021]与基板的电压偏置相关联的功率密度可以大于N*XWcm
‑2，其中N是根据该方法的一个或多个工艺参数选择的标准化因子，并且X是功率密度的值，可选地从1Wcm
‑2到4Wcm
‑2。与基板上的电压偏置相关联的功率密度可以是标准化的功率密度。标准化功率密度已经应用了标准化因子。
[0022]与基板的电压偏置相关联的(可选地标准化的)功率密度可以是至少0.1Wcm
‑2，可选地至少0.2Wcm
‑2，可选地至少0.3Wcm
‑2，以及可选地至少0.5Wcm
‑2。已经意外地发现，与没有向基板施加偏压的情况下沉积的阴极层的结晶度相比，向基板施加偏压，可选地以至少0.5Wcm
‑2的(可选地标准化的)功率密度，意外地导致沉积的阴极层的结晶度增加。已经表明，至少对于一些材料，样品的结晶度随着施加到基板上的电压偏置而增加。结晶度可以随着施加到基板上的电压偏置而线性增加。可选地，与基板的电压偏置相关联的(可选地标准化的)功率密度是至少0.5Wcm
‑2，可选地至少1.0Wcm
‑2，可选地至少1.5Wcm
‑2以及可选地至少1.9Wcm
‑2。
[0023]可选地，与所施加的电压偏置相关联的(可选地标准化的)功率可选地为至少100W、可选地为至少150W、可选地为至少300W以及可选地为至少350W。
[0024]与基板的电压偏置相关联的(可选地标准化的)功率密度可以是至少1.0Wcm
‑2；已经意外地发现，以至少1.0Wcm
‑2在基板上施加与电压偏置相关联的(可选地标准化的)功率密度可以促进在沉积的阴极层中形成更高能量相。已经表明，当足够大的偏压施加到基板时，至少一些阴极材料层从低能量晶体结构转变为高能量晶体结构。存在于阴极层中的高能量晶体结构的量可以在某个(或临界)功率密度值以上突然增加。可选地，与基板的电压偏置相关联的(可选地标准化的)功率密度可选地为至少1.0Wcm
‑2，可选地为至少1.9Wcm
‑2，可选地为至少2.3Wcm...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种在基板上形成可选地用于固态电池组的阴极层的方法，所述方法包括：远离一个或多个溅射靶产生等离子体，使用等离子体从所述一个或多个靶溅射出材料，以及在已经施加了偏置电压的基板上沉积溅射材料，从而形成阴极层。2.根据权利要求1所述的方法，其中，电压偏置为负。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述电压偏置由RF功率发生器提供。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，与所述基板的电压偏置相关联的功率密度为至少0.2Wcm
‑2，可选地为至少0.5Wcm
‑2以及可选地为至少1.5Wcm
‑2。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，与所述基板的电压偏置相关联的功率密度不超过3.5Wcm
‑2。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述阴极层包括碱金属基(可选锂基)或碱土金属基材料。7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述阴极层包括至少一种过渡金属和反离子。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述阴极层选自：LiCoO2,LiNiO2,LiNbO2,LiVO2,LiMnO2,LiMn2O4,Li2MnO3,LiFePO4,LiNiCoAlO2和Li4Ti5O
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构成的组。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所形成的阴极层包括沉积材料，所述沉积材料能够以较低能量晶体结构和较高能量晶体结构存在，所述阴极层包括处于较高能量晶体结构的沉积材料。10.根据权利要求9所述的方法，其中，所形成的阴极层包括较高能量晶体结构的体积分数，并且可选地包括较低能量晶体结构的体积分数，其中，所述阴极层中存在的较高能量晶体结构的体积分数高于较低能量晶体结构的体积分数。11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，较高能量晶体结构具有特征性的第一X射线衍射图案，并且较低能量晶体结构具有特征性的第二X射线衍射图案，其中，所述第一X射线衍射图案包括指示较高能量晶体结构的存在的第一特征峰，并且所述第二X射线衍射图案包括指示较低能量晶体结构的存在的第二特征峰。12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一特征峰下的面积高于所述第二特征峰下的面积。13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述阴极层具有特征性的X射线衍射图案，其中，所述X射线衍射图案可选地包括至少一个峰，所述至少一个峰具有半值全宽(FWHM)值，并且其中，所述FWHM为0.05至0.2度。14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，用于产生等离子体的功率与关联于靶上的偏置的功率的比率大于1∶1。15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述基板包括柔性基板。16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述基板的温度不超过200℃。17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述靶与所述基板之间的工作距离在所述系统的理论平均自由程的+/
‑
50％内。18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，过程发生在沉积室内，并且工作压力被定义为点燃远程等离子体之前的室压，所述工作压力在整个沉积过程中处于基本恒定的值，所述值在0.00065mBar和1e
‑
2mBar之间。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述溅射是至少部分地由溅射气体的离子轰击引起的，并且其中，所述溅射气体进入室的流速在整个沉积过程中处于基本恒定的值，所述值在5sccm和200sccm之间。20.一种在基板上形成可选地用于固态电池组的阴极层的方法，所述阴极层包括沉积材料，所述沉积材料能够以较低能量晶体结构和较高能量晶体结构存在，所述方法包括：远离一个或多个溅射靶产生等离子体，使用等离子体从所述一个或多个靶溅射出材料，以及将溅射材料沉积在已经施加了偏置电压的基板上，从而形成阴极层，所述阴极层包括处于较高能量晶体结构的沉积材料。21.一种形成固态电池组半电池的方法，所述方法包括：根据前述权利要求中任一项所述的形成阴极层的方法形成阴极层；和在所述阴极层上沉积适用于固态电池组电池的电解质材料。22.一种形成固态电池组电池的方法，所述方法包括：根据权利要求21形成固态电池组半电池；和在电解质材料上接触适用于固态电池组电池的阳极材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：S，
申请(专利权)人：戴森技术有限公司，
类型：发明
国别省市：