一种微型电池的制作方法

文档序号:6938745阅读:219来源:国知局
专利名称:一种微型电池的制作方法
技术领域
本发明涉及一种锂电池,具体地说,本发明涉及一种微型电池。所述微型电池是一 种全新的储能体系,除具有高比能量、长存储寿命和循环寿命、平稳的工作电压等优良的电 化学性能之外,其厚度仅数微米至数十微米,可以极大地缩小甚至不需要电池放置空间。
背景技术
微型电池的用途包括钟表,便携式电子设备,微型传感器,实验室芯片,火箭发射 及导航系统,石油及天然气探明与钻探,等等。在半导体领域,现在,虽然FLASH存储器用在了许多电子装置上,但它还有它的 局限性。它需要额外安装电池来保证突然断电时数据不会遗失。nvSRAM(non-volatile Static Random Access Memory)在通讯和网络占到了 80%的份额。虽然现在,一次性纽 扣电池可用在nvSRAM上,但它必须人工加载上去,这就需要更多的人工以及预留空间。 nvSRAM制造工艺须经过^KTC焊接及随后的水洗过程,上述第二类全固态薄膜电池符合这 一要求。可充式微型电池和锂离子电池最早有美国橡树岭国家实验室开始研制。此后, 有人采用TK2或Mc^2作为靶材,在有氧存在的气氛下,沉积出TiOa2Su或MoOuSU薄膜 作为正极,然后沉积玻璃态氧化物电解质,最后真空蒸镀金属锂负极,最外面采用疏水性聚 合物包装。整个薄膜电池芯厚度小于ΙΟμπι,最终产品(包括封装膜)厚度小于0.1mm。 电池表面积为2cm2,平均输出电压2. 0V,最大电流密度为200μΑ· cm2,电池容量控制在 5-300 μ Ah · cnT2,循环寿命超过10000次。专利申请号为“03804888. 4”的中国专利申请技术公开了一种可充电薄膜锂电池, 所述电池包括至少部分由壳体(36)封装的电池单元。这种电池单元包括在衬底(12)上 的阴极(18)和阴极集电体(16)以及可渗透的阳极集电体04),阴极(18)和阴极集电体 (16)彼此电耦合并且电耦合到电解质(20),可渗透的阳极集电体04)具有电耦合到电解 质的第一表面和相对的第二表面。可渗透的阳极集电体04)厚度小于约0.1微米(μπι)。 在通常的阳极集电体的相对的第二表面上的覆层被省略了。正极端子和负极端子(34,32) 被电连接到该电池单元。但该可充电薄膜电池存在与本发明较大的差别,其制作方法与本 发明不同,制作成本明显偏高,制作过程不稳定。专利申请号为“200510(^8^8. X”的中国专利公开了一种“原位”沉积微型电池的
设备,以及采用该设备制备微型电池的方法。该设备由四个沉积薄膜腔室和一个手套箱串 联组成,不同薄膜分别在四个不同的腔室中制备直流磁控溅射室制备电子集流体薄膜、直 流或射频磁控溅射室制备阴极薄膜、射频磁控溅射室制备电解质薄膜以及真空热蒸发室制 备金属锂阳极薄膜。本发明在不破坏真空的条件下实现了各种薄膜的“原位”沉积,避免了 薄膜间界面被尘埃、水分和其他污染物沾污。采用该设备制备的微型电池具有较小的界面 电阻和电荷转移电阻,在充放电循环中表现出较小的容量衰减性能。但该申请专利未对微 型电池有任何揭示,也未对金属锂的保护及其后续包装有任何表述。

发明内容
本发明要解决的技术问题是鉴于上述,本发明的目的在于提供一种微型电池,所述微型电池可作成厚度分别 在小于8微米、5-8微米、8-15微米及15微米以上-50微米的柔性薄膜电池。根据本发明的微型电池,所述微型电池由正极薄膜、位于正极薄膜、负极薄膜之间 的固态电解质薄膜、分别与正、负极连接的集电体薄膜及包装材料膜作密封包装构成,所述 与正、负极连接的集电体薄膜为金属薄层,所述包装材料为金属/高分子材料的复合多层 膜。较好的是,根据本发明的微型电池,作为所述包装材料的金属/高分子材料的复 合多层膜为铝/聚乙烯多层复合物或铝/聚丙烯多层复合物。较好的是,根据本发明的微型电池,不包括基底在内的薄膜锂电池总厚度5-8微米。较好的是,根据本发明的微型电池,不包括基底在内的薄膜锂电池总厚度为8-15 微米。较好的是,根据本发明的微型电池,不包括基底在内的薄膜锂电池总厚度在15-50 微米。较好的是,根据本发明的微型电池,所述负极的薄膜层厚度在2-8微米。较好的是,根据本发明的微型电池,所述正极的金属氧化物厚度在0. 05-5微米。较好的是,根据本发明的微型电池,所述电解质层厚度在1-2微米。较好的是,根据本发明的微型电池,所述集电体厚度在0. 1-0. 5微米。根据本发明,作为电解液隔离薄膜的厚度取1-2微米,作为负极的金属锂或 Sn3N4薄层厚度为2-8微米,作为正极的锂钴氧化物或锂锰氧化物或氧化钒(LiCo02、V205、 LiMn204)的薄膜的厚度取0. 05_5微米,作为所述包装薄膜的金属/高分子材料的复合多层 膜薄膜的厚度取2-50微米,所述集电体厚度在0. 1-0. 5微米。由此,可组合本发明的全固 态薄膜锂电池各薄膜层厚度,形成其电池(不包括基底层)厚度分别为小于8微米、5-8微 米、8-15微米及15微米以上-50微米的柔性全固态薄膜锂电池,所述具有不同厚度的全固 态薄膜锂电池分别具有柔性好或容量大等特征。


图1所示为本发明的微型电池的结构示意图。图2所示为本发明的微型电池一例的循环性能图。图3所示为本发明的微型电池一例的循环性能图。图4所示为本发明的微型电池一例在25度时充放电曲线图。图5所示为本发明的微型电池一例在150度时充放电曲线图。图6所示为本发明的微型电池一例在150度时充放电与循环数的关系图。图7所示为本发明的微型电池一例的外观图。图中,1为正极集电体,2为正极,3为电解质,4为负极集电体,5为负极,6为基底。
具体实施例方式以下用实施例结合附图对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最 佳实施方式的描述,并不对本发明的范围有任何限制。实施例1见图1。所述微型电池由正极2薄膜、位于正极2薄膜、负极5薄膜之间的固态电 解质3薄膜、分别与正、负极连接的集电体1,4薄膜及包装材料膜(未图示)作密封包装构 成,所述正极2的材料为LiCoO2,所述负极5的材料为SnNx,所述固态电解质3为LiPON,所 述与正、负极连接的集电体1,4薄膜为金薄层,作为所述包装材料的金属/高分子材料的复 合多层膜为铝/聚乙烯多层复合物或铝/聚丙烯多层复合物。首先,进行基底的清洗。对高 分子材料基底(12-75微米)用IM的HCl进行清洗,然后用蒸馏水清洗3次,烘干。然后, 直流溅射制作正极集电体,金靶,制得正极集电体厚度约0. 1-0. 2微米。接着,在10_3-10_5!^的真空度下,在氧气气氛中,以LiCoA为靶,射频磁控溅射 沉积正极,磁控溅射功率为100-200W,磁控溅射速率为0. 2-1微米/小时,流动速度为 10-20sCCm,溅射沉积的金属氧化物薄膜厚度在2-5微米。然后,在氮气氛中,LiPON无机电解液由射频溅射Li3PO4靶子沉积在正极薄膜上, 厚度1-2微米。在KT3-IO-5I^a的真空度下,在氩气气氛中,真空蒸镀法加热SnNx源,在LiPON电解 质层上沉积SnNx薄膜层作为负极。另外,正负极集电体的添加通过焊接或金属溶胶将金属 镍等金属层与正负极连接进行。负极集电体的金属薄层为镍,厚度0. 5-1微米。作为封装金属/高分子材料的复合多层膜,将铝/聚乙烯多层复合物或铝/聚丙 烯多层复合物通过热压密封。由此,制得本发明的微型电池。所述微型电池如图4所示。其 不包括基底在内的电池总厚度在6微米。如图3所示,本实施例的微型电池,如果正极的厚度为2微米,电池循环已超过2 千次,还保持8 5%左右的容量。实施例2除了下述不同之外,其他如同实施例1。所述负极材料为金属锂,基底采用陶瓷。对陶瓷材料基底用IM的HCl进行清洗,然后用蒸馏水清洗5次,烘干。然后,直流 溅射制作正极集电体,金靶,制得正极集电体厚度约0. 3-0. 5微米。接着,在10_3-10’a的真空度下,在氧气气氛中,以LiCoA为靶,射频磁控溅射 沉积正极,磁控溅射功率为200-300W,磁控溅射速率为0. 8-2微米/小时,流动速度为 20-30sCCm,溅射沉积的正极金属氧化物薄膜厚度在2-5微米。然后,在氮气氛中,LiPON无机电解液由射频溅射Li3PO4靶子沉积在正极薄膜上, 厚度1-2微米。 在KT3-IO-5Pa的真空度下,在氩气气氛中,真空蒸镀法加热金属锂源,在LiPON电 解质层上沉积金属锂薄层作为负极。厚度2-3微米。负极集电体的金属薄层为镍,厚度0. 3-0. 5微米。作为封装金属/高分子材料的复合多层膜,将铝/聚乙烯多层复合物或铝/聚丙 烯多层复合物通过热压密封.厚度5微米。
由此,制得本发明的微型电池。所述微型电池如图8所示。其不包括基底在内的 电池总厚度在15微米。实施例3除了下述不同之外,其他如同实施例1。正极材料为LiMn2O4,所述负极材料为金属锂,基底采用陶瓷。对陶瓷材料基底用IM的HCl进行清洗,然后用蒸馏水清洗5次,烘干。然后,直流 溅射制作正极集电体,钼靶,制得正极集电体厚度约0. 1-0. 5微米。接着,在KT3-IO-5Pa的真空度下,在氧气气氛中,以LiMn2O4为靶,射频磁控溅射 沉积正极,磁控溅射功率为300-400W,磁控溅射速率为0. 8-2微米/小时,流动速度为 30-40SCCm,溅射沉积的LiMn2O4薄膜厚度在2_5微米。然后,在氮气氛中,LiPON无机电解液由射频溅射Li3PO4靶子沉积在正极薄膜上, 厚度1-2微米。 在10_3-10_5Pa的真空度下,在氩气气氛中,真空蒸镀法加热金属锂源,在LiPON电 解质层上沉积金属锂薄层作为负极。厚度2-3微米。负极集电体的金属薄层为钼,厚度0. 5-0. 8微米。在所述负极材料的金属锂薄层外蒸发覆盖有一聚对二甲苯(Parylene)保护层。 作为封装金属/高分子材料的复合多层膜,将铝/聚乙烯多层复合物或铝/聚丙烯多层复 合物通过热压密封.厚度5微米。由此,制得本发明的微型电池。所述微型电池如图8所示。其不包括基底在内的 电池总厚度在18微米。实施例4除了下述不同之外,其他如同实施例1。所述负极材料为金属锂,基底采用金属。对金属材料基底用IM的HCl进行清洗,然后用蒸馏水清洗5次,烘干。然后,直流 溅射制作正极集电体,铜靶,制得正极集电体厚度约0. 3-0. 5微米。接着,在10_3-10’a的真空度下,在氧气气氛中,以LiCoA为靶,射频磁控溅射沉 积正极,磁控溅射功率为300-500W,磁控溅射速率为1-1. 5微米/小时,气体流动速度为 35-4kccm,溅射沉积的金属氧化物薄膜厚度在2-5微米。然后,在氮气氛中,LiPON无机电解液由射频溅射Li3PO4靶子沉积在正极薄膜上, 厚度2微米。 在10_3-10_5Pa的真空度下,在氩气气氛中,真空蒸镀法加热金属锂源,在LiPON电 解质层上沉积金属锂薄层作为负极。厚度5-8微米。在所述负极材料的金属锂薄层外蒸发覆盖有一聚对二甲苯(Parylene)保护层。 作为封装金属/高分子材料的复合多层膜,将铝/聚乙烯多层复合物或铝/聚丙烯多层复 合物通过热压密封.厚度15微米。由此,制得本发明的微型电池。所述微型电池如图8所示。其不包括基底在内的 电池总厚度在36微米。实施例5除了下述不同之外,其他如同实施例1。
所述正极材料为V2O5,所述负极材料为金属锂,基底采用金属。对金属材料基底用IM的HCl进行清洗,然后用蒸馏水清洗3次,烘干。然后,直流 溅射制作正极集电体,镍靶,制得正极集电体厚度约0. 3-0. 5微米。接着,在10_3-10_5Pa的真空度下,在氧气气氛中,以V2O5为靴,射频磁控溅射 沉积正极,磁控溅射功率为300-500W,磁控溅射速率为1-1. 5微米/小时,流动速度为 35-4kccm,溅射沉积的V2O5薄膜厚度在2_5微米。然后,在氮气氛中,LiPON无机电解液由射频溅射Li3PO4靶子沉积在正极薄膜上, 厚度2微米。在10_3-10_5Pa的真空度下,在氩气气氛中,真空蒸镀法加热金属锂源,在LiPON电 解质层上沉积金属锂薄层作为负极。厚度5-8微米。负极集电体的金属薄层为金,厚度 0. 1-0. 4 微米。在所述负极材料的金属锂薄层外蒸发覆盖有一聚对二甲苯(Parylene)保护层。 作为封装金属/高分子材料的复合多层膜,将铝/聚乙烯多层复合物或铝/聚丙烯多层复 合物通过热压密封.厚度15微米。由此,制得本发明的微型电池。所述微型电池如图8所示。其不包括基底在内的 电池总厚度在26微米。实施例6除了下述不同之外,其他如同实施例1。所述负极材料为金属锂。对基底用IM的HCl进行清洗,然后用蒸馏水清洗5次,烘干。然后,直流溅射制作 正极集电体,金靶,制得正极集电体厚度约0. 1-0. 3微米。接着,在KT3-IOla的真空度下,在氧气气氛中,以LiCoA为靶,射频磁控溅射沉 积正极,磁控溅射功率为200-300W,磁控溅射速率为0. 8-2微米/小时,气体流动速度为 20-30sCCm,溅射沉积的正极金属氧化物薄膜厚度在0. 05-0. 1微米。然后,在氮气氛中,LiPON无机电解液由射频溅射Li3PO4靶子沉积在正极薄膜上, 厚度1-2微米。在10_3-10_5Pa的真空度下,在氩气气氛中,真空蒸镀法加热金属锂源,在LiPON电 解质层上沉积金属锂薄层作为负极。厚度2-3微米。负极集电体的金属薄层为钴,厚度 0. 3-0. 5 微米。作为封装金属/高分子材料的复合多层膜,将铝/聚乙烯多层复合物或铝/聚丙 烯多层复合物通过热压密封厚度1-2微米。由此,制得本发明的微型电池。所述微型电池如图8所示。其不包括基底在内的 电池总厚度在5微米。根据上述,由于采用无机固态电解液,本发明的全固态薄膜电池能耐比普通电池 高得多的温度。如果使用金属锂作为负极,最高温可达170°C。如果使用锂的嵌合物如氮 化锡做为负极,最高温可达300°C。有了这么好的温度特性,在电子器件的制备过程中,就 可以把电子元件与电池合二为一了。全固态薄膜电池的储存与工作温度有很广的范围,可 从-55-300"C。根据上述,本发明提供一种微型电池的制造方法,所述微型电池的电解质和电极的界面稳定、不易结晶、机械性能强。本发明的微型电池可作成厚度分别在小于8微米、5-8 微米、8-15微米及15微米以上-50微米的柔性薄膜电池。
权利要求
1.一种微型电池,所述微型电池由正极薄膜、负极薄膜、位于正极薄膜、负极薄膜之间 的固态电解质薄膜、分别与正、负极连接的集电体薄膜及包装材料膜作密封包装构成,其特 征在于,所述与正、负极连接的集电体薄膜为金属薄层,所述包装材料为金属/高分子材料的复合多层膜。
2.如权利要求1所述的微型电池,其特征在于,所述包装材料的金属/高分子材料的复 合多层膜为铝/聚乙烯多层复合物或铝/聚丙烯多层复合物。
3.如权利要求1所述的微型电池,其特征在于,所述不包括基底在内的薄膜锂电池总 厚度为5-8微米。
4.如权利要求1所述的微型电池,其特征在于,所述不包括基底在内的薄膜锂电池总 厚度为8-15微米。
5.如权利要求1所述的微型电池,其特征在于,所述不包括基底在内的薄膜锂电池总 厚度在15-50微米。
6.如权利要求1所述的微型电池,其特征在于,所述负极的薄膜层厚度在2-8微米,所 述正极的金属氧化物厚度在0. 05-5微米,所述电解质层厚度在1-2微米,所述集电体厚度 在0. 1-0. 5微米。
全文摘要
本发明涉及一种微型电池,所述微型电池由正极薄膜、位于正、负极薄膜之间的固态电解质薄膜、集电体薄膜及包装材料膜作密封包装构成。本发明的微型电池可作成厚度分别在5-8微米、8-15微米及15微米以上的柔性薄膜电池。另外,所述微型电池的电解质和电极的界面稳定、不易结晶、机械性能强。能够在经受高温,高压的挤压成型的同时,保持电池的高容量与循环性能。
文档编号H01M10/00GK102074721SQ20091019910
公开日2011年5月25日 申请日期2009年11月20日 优先权日2009年11月20日
发明者柴中南 申请人:柴中南
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