包含玻璃或陶瓷基底的薄膜电池的制作方法
【专利说明】
[0001] 优先权声明
[000引 本申请要求于2012年10月15日提交的序列号为61/714004,题为"THINFILM BATTERIESCOMPRISINGAGLASSSUBSTRATE"的美国临时申请的优先权，该申请的全部内容 均结合于此作为参考。
技术领域
[0003] 该发明设及薄膜固态储能设备领域，更具体地，设及薄膜固态电池的应用构造。
【背景技术】
[0004] 电子器件已经被结合到诸如计算机、移动电话、跟踪系统、扫描仪、助听器、遥感器 等许多便携式设备中。便携式设备的一个缺陷在于需要包括该设备的供电装置。便携式设 备通常使用电池作为供电装置。电池必须有足够的容量来为设备供电，其至少要维持设备 在使用中的时长。足够的电池容量会导致供电装置相对设备本身显得极不协调地笨重和/ 或庞大。因此，期望有更小和更轻的储能器件（即，供电装置）。
[0005] 固态薄膜电池便是该种类型的储能器件。美国专利第5, 314, 765、5, 338, 625、 5, 445, 906、5, 512, 147、5, 561，004、5, 567, 210、5, 569, 520、5, 597, 660、5, 612, 152、 5, 654, 084W及5, 705, 293号中描述了薄膜电池的实例，该些实例均结合于此作为参考。美 国专利第5, 338, 625号描述了一种薄膜电池，具体是一种薄膜微电池，W及制备该薄膜电 池的方法，该薄膜电池可应用为电子设备的备用或第一集成电源。
[0006] 薄膜电池尤喜W娃为基底来制造，至少在某种程度上是由于该种材料的可靠性W 及小机电设备制造商（包括集成电路制造商）对娃晶的熟悉度。对设备尤其是小型设备而 言，仍然需要加快可靠供电装置的供应。
【发明内容】
[0007] 一种薄膜电池，包括：玻璃或陶瓷基底，其热膨胀系数（CT巧为约7ppm/°K至约 lOppm/DK;连续金属或金属氧化物阴极集流体，其厚度约小于3ym，该阴极集流体位于 玻璃或陶瓷基底之上；包含裡过渡金属氧化物的阴极材料层，裡过渡金属氧化物是厚度为 约10ym至约80ym的连续膜，阴极材料层位于阴极集流体之上；位于阴极材料层之上的 LiPON电解质层，其厚度为约0. 5ym至约4ym;W及具有任意阳极材料的阳极集流体。
[000引典型的固态薄膜电池采用很薄的阴极材料层，因为该样的材料更厚的话易于在电 池制造或预期使用周期早期在材料内部形成裂纹，从而导致电池的灾难性故障。惊奇地发 现，当LiCo化阴极材料结合具有约7卵m/DK至约lOppm/DKCTE的玻璃或陶瓷、连续金属 或金属氧化物阴极集流体W及LiPON电解质层使用时，可W采用厚的LiCo02阴极材料层。 上述固态电池结构表现为抵制阴极材料层的破裂，并且，即使出现裂纹，导致灾难性故障的 可能性也要小得多。当不受理论限制时，认为玻璃或陶瓷基底、金属或金属氧化物阴极集流 体和阴极材料层（覆层）间的相互作用可减少初始破裂，而LiPON电解质层则W某种方式 扮演"修复"角色，或当上述环境中的阴极材料层中裂纹发生时，转而减缓或阻止电池的灾 难性故障。
[0009] 防止固态薄膜电池的灾难性故障特别重要。基于薄膜电池在小型设备或具有不容 易替换电池设计的设备中使用时的一些固有性质，固态薄膜电池故障的灾难性效应远超过 电池本身的价值。诸如硬币式或纽扣式电池等传统电池毁坏时可W简易地替换掉。然而， 如上所述的产品中的固态薄膜电池通常是整体固定连接到例如电路板或与一个或多个设 备诸如集成电路、电源、天线、显示设备或多设备的组合整体结合在一起的。当固态薄膜电 池失效时，替换电池通常不是一种商业上可行的选择。整个电池和设备组合产品会因此报 废，意味着损失远远高于固态薄膜电池本身的经济价值。
[0010] 由于所述电池包含厚阴极，使得高能量密度的电池得W提供，该对于在小尺寸和 可靠性都受到高度重视的电子设备中使用而言，是有利的。
【附图说明】
[0011] 结合于本申请并作为本申请的一部分的附图示出了本发明的几个方面，并且结合 几个【具体实施方式】的描述用于解释本发明的原理。W下是对该些附图的简要描述：
[0012] 图1示出了本发明一个实施方式中电池的横截面。
[0013] 图2示出了本发明一个实施方式中双面电池的横截面。
[0014] 图3示出本发明一个实施方式中电池的横截面。
[0015] 图4示出了本发明的一个实施方式，其中，采用单个阳极集流体联合单个玻璃或 陶瓷基底W提供一种双电池。
【具体实施方式】
[0016] 下面所述的本发明的实施方式并不旨在将本发明穷尽或限制为W下详细描述中 所公开的确切形式。更确切的说，所选择和所描述的实施方式的目的在于便于本领域其他 技术人员对本发明的原理和实践了解和理解。
[0017] 参见图1，薄膜电池10包括玻璃或陶瓷基底12;阴极集流体14处于玻璃或陶瓷基 底12之上；阴极16处于阴极集流体14之上；电解质18将阴极16与阳极集流体20隔开；封 装层22盖住了电池，优选为阴极触点24和阳极触点26提供通道的构造。在电池制造中可 选择将阳极（此处未示出）作为电解质18和阳极集流体20之间的一层。在本发明的一个 优选实施方式中，薄膜电池单元起初设计为无阳极，但有阴极层，W作为裡离子源。在对本 实施方式的薄膜电池单元充电时，在电解质和阳极集流体之间金属裡经电锻形成阳极。可 选地，可通过在可容纳层（未示出）中置入阳极材料而形成阳极层，从而形成阳极。在美国 专利第 5, 314, 765、5, 338, 625、5, 445, 906、5, 512, 147、5, 561，004、5, 567, 210、5, 569, 520、 5, 597, 660、5, 612, 152、5, 654, 084、5, 705, 293、6, 906, 436、6, 986, 965、7, 931，989、 7, 776, 478 和 7, 939, 205 号，W及美国公开号 2009/0214899 和 2007/0012244 中描述了薄 膜电池的实例，其均被结合到此处作为参考W达成本发明的所有目的，尤其是设及电池单 元组件的构造方法和材料选择W及包含薄膜电池的设备的实施方式的方面。为本发明之目 的，"电池"或"电池单元"是指材料的建构，该些材料包括阴极集流体、阴极、电解质、阳极和 阳极集流体的所有元素，或者设及包括除阳极W外的其他上述材料的建构，此种情形下，阳 极可在电池充电过程中通过电锻或置入而生成。
[0018] 电池是建构在玻璃或陶瓷基底上，该基底的CTE为约7ppm/。K至约lOppm/。K。 为本发明之目的，热膨胀系数（CT巧根据ASTMC372-94(2012)确定，并在25°C-800°C 的温度范围下测定。在一个实施方式中，玻璃或陶瓷基底的CTE为约7ppm/°K至约 8.5ppm/DK。
[0019] 在一个实施方式中，基底是由具有预期CTE特性的钢巧娃酸盐玻璃和棚娃酸盐玻 璃制得的玻璃基底。在一个优选的实施方式中，所述玻璃是经过钢化（tempered)而提高了 断裂强度的玻璃。如美国专利第4, 218, 230号所述，玻璃可通过任意恰当的方法来钢化，包 括加热和/或加压钢化或化学钢化，本申请将该专利结合于此作为参考。在一个实施方式 中，基底是包含金属氧化物的陶瓷基底，该金属氧化物选自娃、侣、棚、钢、钟、巧、儀、锋、铺 和钻的氧化物。在一个实施方式中，陶瓷基底是无定形陶瓷（amorphousceramic)。在一个 实施方式中，基底是含侣量大于约99%的无定形陶瓷。
[0020] 为本发明之目的，基底被定义为支撑结构，该支撑结构不是电池单元的功能部分， 也不是绝缘保护膜。在一个实施方式中，玻璃或陶瓷基底是电池唯一的基底材料。仅用玻 璃作为基底有利于提供在整个电池中具有兼容CTE特性的电池组件，并且可通过去除不必 要的层而