专利名称：一种全固态薄膜锂离子电池的封装方法，其用封装材料以及该封装材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及全固态薄膜锂离子电池的封装技术，具体涉及全固态薄膜锂离子电池方法，该方法采用的封装材料以及封装材料的制备方法。
背景技术：
随着电子工业的发展，目前很多微电子设备需要可集成低电流输出的微型电源，例如，微型移植医学设备(心律调节器、神经刺激器及药剂输送系统)、基于CMOS的集成电路、银行防盗跟踪系统、电子防盗保护、微型气体传感器、微型库仑计、“智能”安全卡、平坦曲线无线资产跟踪标识、电子记录跟踪系统以及其它微型设备均需要超薄、轻便、高能量电 源。全固态薄膜锂离子电池是锂离子电池发展的最新领域，其厚度可达毫米甚至微米级，除了有重量轻、容量密度高、寿命长、抗震、耐冲撞和体积小等优点外，还具有以下优点
(I)可根据产品的要求设计成任意形状；(2)可组装在不同材料的基底上；(3)可用标准的沉积条件实现薄膜电池的制备；(4)工作温度窗口宽(-15 150°C ); (5)没有固液接触界面，减小了固液界面电阻；(6)电池工作时没有气体产物，安全系数高。全固态薄膜锂离子电池所具有的上述优点使其成为微电子器件的理想电源。在全固态薄膜锂离子电池的生产中，封装是决定电池成品率和寿命的重要步骤，在封装时，需保证电池在数微米的薄膜上充分控制水蒸气和氧分子透过量的性能。现有技术对于全固态薄膜锂离子电池的封装方法是在电池表面涂一层高分子胶，所得封装层的致密度小，封装性能不够理想，且稳定性差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种新的全固态薄膜锂离子电池的封装方法，所得封装层的致密度高、环境稳定性好。本发明同时还要提供一种致密度高、环境稳定性好的全固态薄膜锂离子电池用封装材料。本发明同时还要提供一种全固态薄膜锂离子电池用封装材料的制备方法，由其所得封装材料致密度高、环境稳定性好。为解决以上技术问题，本发明采取的一种技术方案是
一种全固态薄膜锂离子电池的封装方法，该封装方法是以待封装的全固态薄膜锂离子电池为衬底，通过射频磁控溅射方法在其外表面依次形成厚度为3(T500nm的硅氮化合物层和厚度为3(T500nm的硅氧化合物层。根据本发明的进一步和优选方案所述的封装方法具体包括如下步骤
①、以纯度大于等于99. 999%的高纯硅作为靶材，以待封装的全固态薄膜锂离子电池为衬底，安装好靶材和基片后，关闭溅射室，将溅射室抽真空至I. OX 10_4Pa或以下，充入I个大气压的由氦气与氮气按体积比O. 2 1:1构成的混合气体，再将室内气体压强抽至O. I 3Pa ；
②、预溅射，以清理靶材表面的氧化层和杂质；
③、设定溅射功率范围为lW/cnT6W/cm2，靶基距离为40mnTl00mm，溅射时间为2 10小时，形成薄膜状的所述硅氮化合物层；
④、将溅射室抽真空至1.0X10_4Pa或以下，充入I个大气压的氦气与氧气按体积比O. 2^1:1构成的混合气体，再将室内气体压强抽至O. Γ3Ρβ ；
⑤、预溅射，以清理靶材表面的氧化层和杂质；
⑥、设定溅射功率范围为lW/cnT6W/cm2，靶基距离为40mnTl00mm，溅射时间为2 10小时，形成薄膜状的所述硅氧化合物层。优选地，在溅射过程中，控制衬底的温度为12(T350°C。将衬底控制在该温度下，可 以获得良好的硅氮化合物层和硅氧化合物层，提高微电池的可靠性。 优选地，步骤①中，所述高纯硅由粉末冶金方法制得。优选地，步骤①中，所述高纯硅的晶粒度为1(Γ 5μπι，相对密度大于等于99%，直径为55 65mm。本发明采取的又一技术方案是一种全固态薄膜锂离子电池用封装材料，其为硅氮化合物层和形成在硅氮化合物层上的硅氧化合物层构成的薄膜硅氮化合物层和硅氧化合物层均通过射频磁控溅射方法形成，二者的厚度独立地为3(T500nm。进一步地，所述封装材料通过如下步骤制备得到
①、以纯度大于等于99.999%的高纯硅作为靶材，以待封装的全固态薄膜锂离子电池为衬底，安装好靶材和基片后，关闭溅射室，将溅射室抽真空至I. OX 10_4Pa或以下，充入I个大气压的由氦气与氮气按体积比O. 2 1:1构成的混合气体，再将室内气体压强抽至O. I 3Pa ；
②、预溅射，以清理靶材表面的氧化层和杂质；
③、设定溅射功率范围为lW/cnT6W/cm2，靶基距离为40mnTl00mm，溅射时间为2 10小时，形成薄膜状的所述硅氮化合物层；
④、将溅射室抽真空至1.0X10_4Pa或以下，充入I个大气压的氦气与氧气按体积比
O.2^1:1构成的混合气体，再将室内气体压强抽至O. Γ3Ρβ ；
⑤、预溅射，以清理靶材表面的氧化层和杂质；
⑥、设定溅射功率范围为lW/cnT6W/cm2，靶基距离为40mnTl00mm，溅射时间为2 10小时，形成薄膜状的所述硅氧化合物层。优选地，步骤①中，所述高纯硅由粉末冶金方法制得。优选地，步骤①中，所述高纯硅的晶粒度为1(Γ 5μπι，相对密度大于等于99%。本发明采取的又一技术方案是一种上述的全固态薄膜锂离子电池用封装材料的制备方法，其包括如下步骤
①、以纯度大于等于99. 999%的高纯硅作为靶材，以待封装的全固态薄膜锂离子电池为衬底，安装好靶材和基片后，关闭溅射室，将溅射室抽真空至I. OX KT4Pa或以下，充入I个大气压的由氦气与氮气按体积比O. 2 1:1构成的混合气体，再将室内气体压强抽至
O.I 3Pa ；②、预溅射，以清理靶材表面的氧化层和杂质；
③、设定溅射功率范围为lW/cnT6W/cm2，靶基距离为40mnTl00mm，溅射时间为2 10小时，形成薄膜状的所述硅氮化合物层；
④、将溅射室抽真空至1.0X10_4Pa或以下，充入I个大气压的氦气与氧气按体积比
O.2^1:1构成的混合气体，再将室内气体压强抽至O. Γ3Ρβ ；
⑤、预溅射，以清理靶材表面的氧化层和杂质；
⑥、设定溅射功率范围为lW/cnT6W/cm2，靶基距离为40mnTl00mm，溅射时间为2 10小时，形成薄膜状的所述硅氧化合物层。优选地，步骤①中，所述高纯硅由粉末冶金方法制得。
优选地，步骤①中，所述高纯硅的晶粒度为1(Γ 5μπι，相对密度大于等于99%。优选地，在溅射过程中，控制衬底的温度为12(T350°C。将衬底控制在该温度下，可以获得良好的硅氮化合物层和硅氧化合物层，提高微电池的可靠性。由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果
本发明提供的封装方法操作简单、方便，所形成的封装层与电池表面之间结合力强，封装层本身致密度高、环境稳定性好，有助于提高全固态薄膜锂离子电池的使用可靠性和延长其寿命。本发明提供的封装材料能够确保电池在反复充放电的过程中，无水分透过封装层，且封装层不出现结合力小、剥落等现象，是一种理想的全固态薄膜锂离子电池理想的封装层材料。本发明提供的封装材料的制备方法，是直接在全固态薄膜锂离子电池上形成封装层，也即完成封装的方法，具有操作简单，方便以及所得封装材料致密度高、环境稳定性好等优势。
图I为实施例I所形成的硅氮化合物层表面的扫描电镜 图2为实施例I所形成的硅氮化合物层在厚度方向上的扫描电镜 图3为实施例I所形成的硅氧化合物层的扫描电镜 图4为实施例I所获得封装材料在厚度方向的扫描电镜图。
具体实施例方式以下结合附图和具体的实施例，对本发明做进一步详细的说明，但本发明不限于以下实施例。实施例I
本实施例提供一种全固态薄膜锂离子电池的封装方法(或全固态薄膜锂离子电池用封装材料的制备方法)，它具体包括如下步骤
①、以高纯硅(采用粉末冶金的方法制得，晶粒度1(Γ15微米，相对密度大于99%，纯度大于99. 999%,直径为60mm)作为祀材，以待封装的全固态薄膜锂离子电池为衬底，安装好靶材和基片后,关闭溅射室,将溅射室抽真空至I. 0Xl(T4Pa，充入I个大气压的由氦气与氮气按体积比O. 3:1构成的混合气体，再将室内气体压强抽至O. 5Pa ；②、预溅射15min，以清理靶材表面的氧化层和杂质；
③、设定溅射功率范围为3W/cm2，靶基距离为60mm，溅射时间为5小时，形成薄膜状的硅氮化合物层(SiNx)；
④、将溅射室抽真空至I.0Xl(T4Pa，充入I个大气压的氦气与氧气按体积比O. 4:1构成的混合气体，再将室内气体压强抽至I. 2Pa ；
⑤、预派射15min,以清理祀材表面的氧化层和杂质；
⑥、设定溅射功率范围为3W/cm2，靶基距离为60mm，溅射时间为5小时，形成薄膜状的硅氧化合物层(SiOx)；
⑦关闭溅射设备，待基片冷却至室温，将基片取出，测量。参见图I至图4，可见，本实施例所制备在全固态薄膜锂离子电池表面形成的封 装材料(封装层)是SiNx/SiOx结构的双层薄膜，SiNx层和SiOx层的厚度分别约315nm和267nm。SiNx层和SiOx层表面的致密度非常高，可有效控制水蒸气和氧分子的透过量。此夕卜，与已有的涂高分子胶所形成的封装层的相比，本发明所形成的封装层环境稳定性具有显著优势。实施例2
本实施例提供一种全固态薄膜锂离子电池的封装方法(或全固态薄膜锂离子电池用封装材料的制备方法)，它具体包括如下步骤 ①、以高纯硅(采用粉末冶金的方法制得，晶粒度1(Γ15微米，相对密度大于99%，纯度大于99. 999%,直径为60mm)作为祀材，以待封装的全固态薄膜锂离子电池为衬底，安装好靶材和基片后,关闭溅射室,将溅射室抽真空至I. 0Xl(T4Pa，充入I个大气压的由氦气与氮气按体积比I: I构成的混合气体，再将室内气体压强抽至O. 5Pa ；
②、预溅射15min，以清理靶材表面的氧化层和杂质；
③、设定溅射功率范围为I.5W/cm2，靶基距离为50mm，溅射时间为3小时，形成薄膜状的硅氮化合物层(SiNx)；
④、将溅射室抽真空至I.OX 10_4Pa，充入I个大气压的氦气与氧气按体积比O. 2:1构成的混合气体，再将室内气体压强抽至I. 2Pa ；
⑤、预派射15min,以清理祀材表面的氧化层和杂质；
⑥、设定溅射功率范围为I.5W/cm2，靶基距离为50mm，溅射时间为3小时，形成薄膜状的硅氧化合物层(SiOx)；
⑦关闭溅射设备，待基片冷却至室温，将基片取出，测量。同样，用扫描电子显微镜(SEM)观察和测量封装材料的厚度和观察表面致密性。结果表明，本实施例制备的封装层是SiNx/SiOx结构的双层薄膜，SiNx层和SiOx层的厚度分别约6Inm和47nm。SiNx层和SiOx层表面的致密度非常高。实施例3
本实施例提供一种全固态薄膜锂离子电池的封装方法(或全固态薄膜锂离子电池用封装材料的制备方法)，它具体包括如下步骤
①、以高纯硅(采用粉末冶金的方法制得，晶粒度1(Γ15微米，相对密度大于99%，纯度大于99. 999%,直径为60mm)作为祀材，以待封装的全固态薄膜锂离子电池为衬底，安装好靶材和基片后,关闭溅射室,将溅射室抽真空至I. 0Xl(T4Pa，充入I个大气压的由氦气与氮气按体积比O. 5:1构成的混合气体，再将室内气体压强抽至O. 5Pa ；
②、预溅射15min，以清理靶材表面的氧化层和杂质；
③、设定溅射功率范围为5W/cm2，靶基距离为80mm，溅射时间为6小时，形成薄膜状的硅氮化合物层(SiNx)；
④、将溅射室抽真空至I.0X10_4Pa，充入I个大气压的氦气与氧气按体积比1:1构成的混合气体，再将室内气体压强抽至I. 2Pa ；
⑤、预派射15min,以清理祀材表面的氧化层和杂质；
⑥、设定溅射功率范围为5W/cm2，靶基距离为80mm，溅射时间为6小时，形成薄膜状的硅氧化合物层(SiOx)；
⑦关闭溅射设备，待基片冷却至室温，将基片取出，测量。同样，用扫描电子显微镜(SEM)观察和测量封装材料的厚度和观察表面致密 性。结果表明，本实施例制备的封装层是SiNx/SiOx结构的双层薄膜，SiNx层和SiOx层的厚度分别约419nm和388nm。SiNx层和SiOx层表面的致密度非常高。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种全固态薄膜锂离子电池的封装方法，其特征在于所述封装方法是以待封装的全固态薄膜锂离子电池为衬底，通过射频磁控溅射方法在其外表面依次形成厚度为3(T500nm的硅氮化合物层和厚度为3(T500nm的硅氧化合物层。
2.根据权利要求I所述的全固态薄膜锂离子电池的封装方法，其特征在于所述的封装方法具体包括如下步骤 ①、以纯度大于等于99.999%的高纯硅作为靶材，以待封装的全固态薄膜锂离子电池为衬底，安装好靶材和基片后，关闭溅射室，将溅射室抽真空至I. OX KT4Pa或以下，充入I个大气压的由氦气与氮气按体积比O. 2 1:1构成的混合气体，再将室内气体压强抽至O. I 3Pa ； ②、预溅射，以清理靶材表面的氧化层和杂质；③、设定溅射功率范围为lW/cnT6W/cm2，靶基距离为40mnTl00mm，溅射时间为2 10小时，形成薄膜状的所述硅氮化合物层； ④、将溅射室抽真空至1.0X10_4Pa或以下，充入I个大气压的氦气与氧气按体积比O. 2^1:1构成的混合气体，再将室内气体压强抽至O. Γ3Ρβ ； ⑤、预溅射，以清理靶材表面的氧化层和杂质； ⑥、设定溅射功率范围为lW/cnT6W/cm2，靶基距离为40mnTl00mm，溅射时间为2 10小时，形成薄膜状的所述硅氧化合物层。
3.根据权利要求2所述的全固态薄膜锂离子电池的封装方法，其特征在于在溅射过程中，控制衬底的温度为12(T350°C。
4.一种全固态薄膜锂离子电池用封装材料，其特征在于所述封装材料为硅氮化合物层和形成在所述硅氮化合物层上的硅氧化合物层构成的薄膜，所述硅氮化合物层和所述硅氧化合物层均通过射频磁控溅射方法形成，二者的厚度独立地为3(T500nm。
5.根据权利要求4所述的全固态薄膜锂离子电池用封装材料，其特征在于所述封装材料通过如下步骤制备得到 ①、以纯度大于等于99.999%的高纯硅作为靶材，以待封装的全固态薄膜锂离子电池为衬底，安装好靶材和基片后，关闭溅射室，将溅射室抽真空至I. OX KT4Pa或以下，充入I个大气压的由氦气与氮气按体积比O. 2 1:1构成的混合气体，再将室内气体压强抽至O. I 3Pa ； ②、预溅射，以清理靶材表面的氧化层和杂质； ③、设定溅射功率范围为lW/cnT6W/cm2，靶基距离为40mnTl00mm，溅射时间为2 10小时，形成薄膜状的所述硅氮化合物层； ④、将溅射室抽真空至1.0X10_4Pa或以下，充入I个大气压的氦气与氧气按体积比O. 2^1:1构成的混合气体，再将室内气体压强抽至O. Γ3Ρβ ； ⑤、预溅射，以清理靶材表面的氧化层和杂质； ⑥、设定溅射功率范围为lW/cnT6W/cm2，靶基距离为40mnTl00mm，溅射时间为2 10小时，形成薄膜状的所述硅氧化合物层。
6.根据权利要求5所述的全固态薄膜锂离子电池用封装材料，其特征在于步骤①中，所述高纯硅由粉末冶金方法制得。
7.根据权利要求5或6所述的全固态薄膜锂离子电池用封装材料，其特征在于步骤①中，所述高纯硅的晶粒度为1(Γ15 μ m,相对密度大于等于99%。
8.—种如权利要求4所述的全固态薄膜锂离子电池用封装材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤 ①、以纯度大于等于99.999%的高纯硅作为靶材，以待封装的全固态薄膜锂离子电池为衬底，安装好靶材和基片后，关闭溅射室，将溅射室抽真空至I. OX 10_4Pa或以下，充入I个大气压的由氦气与氮气按体积比O. 2 1:1构成的混合气体，再将室内气体压强抽至O. I 3Pa ； ②、预溅射，以清理靶材表面的氧化层和杂质； ③、设定溅射功率范围为lW/cnT6W/cm2，靶基距离为40mnTl00mm，溅射时间为2 10小时，形成薄膜状的所述硅氮化合物层； ④、将溅射室抽真空至1.0X10_4Pa或以下，充入I个大气压的氦气与氧气按体积比O. 2^1:1构成的混合气体，再将室内气体压强抽至O. Γ3Ρβ ； ⑤、预溅射，以清理靶材表面的氧化层和杂质； ⑥、设定溅射功率范围为lW/cnT6W/cm2，靶基距离为40mnTl00mm，溅射时间为2 10小时，形成薄膜状的所述硅氧化合物层。
9.根据权利要求8所述的全固态薄膜锂离子电池用封装材料的制备方法，其特征在于步骤①中，所述高纯硅的晶粒度为1(Γ 5μπι，相对密度大于等于99%。
10.根据权利要求8所述的全固态薄膜锂离子电池用封装材料的制备方法，其特征在于在溅射过程中，控制衬底的温度为12(T350°C。
全文摘要
本发明涉及一种全固态薄膜锂离子电池的封装方法，其用封装材料及封装材料的制备方法，该封装方法是以待封装的全固态薄膜锂离子电池为衬底，通过射频磁控溅射方法在其外表面依次形成厚度为30~500nm的硅氮化合物层和厚度为30~500nm的硅氧化合物层。封装材料即为厚度为30~500nm的硅氮化合物层和厚度为30~500nm的硅氧化合物层构成的薄膜；封装材料的制备方法同电池的封装方法。本发明解决了现有技术中全固态薄膜锂离子电池的封装层致密度低，环境稳定性差等不足。
文档编号H01M2/08GK102832412SQ20121033837
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月13日 优先权日2012年9月13日
发明者钟小亮, 王广欣, 王树森 申请人:苏州晶纯新材料有限公司