專利名稱：混雜薄膜電池組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域涉及電化學(xué)設(shè)備及其制造方法，尤其涉及固態(tài)薄膜二次 (secondary)和一次(primary)電化學(xué)設(shè)備(包括電池組)的組成、沉積和制造方法。
背景
厚型正陰極(positive cathode)有利于產(chǎn)生高能薄膜電池組。厚型正陰極可 以明顯提高每單位面積活性陰極物質(zhì)的量。不幸的是，使用典型的真空氣相方 法生成這類陰極會遇到很多麻煩。使用典型的真空氣相方法制得的陰極具有許多局限性。例如，真空氣相沉 積的材料通常如圖l所示以圓柱的形式生長。該圖是截面圖，示意性地顯示了 通過真空氣相沉積方法生長的電化學(xué)設(shè)備的正陰極層的三個微觀柱體。隨著在 沉積過程中柱體生長，這些柱體的基底保持固定在基板表面上，在柱體的高度 生長時，這些基底的截面積實(shí)際上保持不變。隨著柱體的高度增加，縱橫比(柱 高度/柱寬度)增加，由這些柱體組成的陰極膜和整個設(shè)備變得在機(jī)械意義上不 穩(wěn)定，通常在縱橫比為15附近。因此，對于用真空沉積方法生長的柱體的高 度以及厚度有限制。對于高度的限制直接對應(yīng)于使用真空氣相沉積方法能產(chǎn)生 的陰極的厚度以及每單位面積電化學(xué)設(shè)備的能量。此外，使用真空氣相方法時， 厚型陰極的生長需要花費(fèi)較長的時間，因此非常昂貴。例如，以真空氣相沉積
方法生長的厚度大于約3微米的LiCo02正陰極由于沉積時間較長而過份昂貴。
因此，需要一類電化學(xué)設(shè)備，該電化學(xué)設(shè)備的陰極可以較厚且可靠的方式 生產(chǎn)，并且該陰極的生產(chǎn)迅速且花費(fèi)低。此外，希望使用許多眾所周知的非氣 相沉積技術(shù)和方法中的任何方法實(shí)現(xiàn)這些要求，這些非氣相沉積技術(shù)例如漿料 涂布、邁耳RMeyer)棒涂布、直接(direct)和逆轉(zhuǎn)(reverse)輥涂、刮涂、旋涂、電 泳沉積、溶膠-凝膠沉積、噴涂、浸涂和噴墨印刷等。
沉積較厚的陰極以提高電化學(xué)設(shè)備每單位面積的能量，結(jié)果增加了設(shè)備的 總厚度。因?yàn)楹撩住⑽⒚谆蚣{米級設(shè)備總厚度的增加通常是不希望發(fā)生的，因 此設(shè)備制造者必須研究如何補(bǔ)償或彌補(bǔ)這種厚度增加的措施。通常可行且適宜 的方法是最大程度地減小電化學(xué)設(shè)備中所有不提供能量的部件的厚度和體積。
諸多措施中的一種是減少電化學(xué)設(shè)備的不提供能量的包裝物。封裝物和基 板是包裝物固有的通常較大的組成部分。
例如，將封裝物的厚度從層壓封裝典型的厚度100微米減小到實(shí)際薄膜封 裝的1-10微米厚度，將使得電化學(xué)設(shè)備制造者可以將載能陰極的厚度增加幾 乎100微米，而不會產(chǎn)生任何可分辨的設(shè)備總厚度的變化。該設(shè)計方法能夠明 顯提高電化學(xué)設(shè)備的能量、容量和功率的容積量。因?yàn)閷τ诖蟛糠趾撩?、微?或納米級電化學(xué)設(shè)備，這些表現(xiàn)物理性能的數(shù)量需要在體積盡可能小的情況下 獲得，因此縮減電化學(xué)設(shè)備內(nèi)不提供能量的部件對于該設(shè)備被市場接受來說非 常重要。另一種措施是在盡可能薄的基板上制造電化學(xué)設(shè)備，作為獨(dú)立的設(shè)備使 用、流通或出售。這不同于非獨(dú)立的情況，在該非獨(dú)立的情況中設(shè)備制造者可 以利用電子設(shè)備中已有的自由表面(芯片表面、印刷電路板表面等)，然后直接 在該自由表面上整合、制造或沉積電化學(xué)設(shè)備。該表面隨后也用作電化學(xué)設(shè)備 的基板?？梢哉J(rèn)為這種電化學(xué)設(shè)備的構(gòu)造中基板的厚度為零，因?yàn)橥ㄟ^該電化 學(xué)設(shè)備沒有將額外的基板厚度引入最終的電子設(shè)備中。但是，在更普通的獨(dú)立 情況中，當(dāng)基板不能提供足夠的化學(xué)和物理(主要是機(jī)械)保護(hù)或功能以支持電 化學(xué)設(shè)備時，基板達(dá)到最薄的限度。因?yàn)榇蟛糠终婵粘练e的陰極材料需要進(jìn)行 高溫處理以完全獲得它們的物理性質(zhì)，進(jìn)而產(chǎn)生傳遞到基板中的膜應(yīng)力，這些 真空氣相沉積的陰極材料的機(jī)械性質(zhì)可根據(jù)機(jī)械變形情況用于任何基板。
與高溫處理聯(lián)合的真空氣相沉積的膜的典型結(jié)果是基板發(fā)生彎曲、翹曲或 普遍的變形，因此影響整個電化學(xué)設(shè)備。如果該情況發(fā)生，則很難完成電化學(xué) 設(shè)備的制造，另外變形的電化學(xué)設(shè)備也不適合用于設(shè)備整合。相反，非氣相沉 積的陰極材料的大部分甚至全部重要的物理性質(zhì)在沉積時就已經(jīng)獲得，因此任 何高溫處理都變得多余。因此，非氣相沉積的陰極材料和電化學(xué)設(shè)備的其它組 件在基板中產(chǎn)生較小的應(yīng)力，因而可以使用較薄的基板，而沒有基板顯著變形 的風(fēng)險。
因此，還需要表現(xiàn)出較佳的高溫性質(zhì)的封裝層。
因此，需要一種電化學(xué)設(shè)備，該電化學(xué)設(shè)備具有以下特征(i)其陰極可以 較厚，且可以迅速、廉價且可靠地制造；(ii)其基板的厚度可以盡可能地薄，同 時不會由于電化學(xué)設(shè)備的組件層而變形；(iii)其封裝層盡可能地薄，同時仍然 提供足夠的保護(hù)，以避免受到這些設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的影響；和/或(iv)其封裝層由 高溫材料組成，使整個電化學(xué)設(shè)備具有更高的熱彈性。
發(fā)明概述
通過以下例子更詳細(xì)描述的本發(fā)明的各個方面以及實(shí)施方式解決了背 景技術(shù)的某些欠缺以及相關(guān)工業(yè)中產(chǎn)生的需求。
本發(fā)明的一個方面是一種電化學(xué)設(shè)備，該電化學(xué)設(shè)備包括厚度大于約 0.5微米且小于約200微米的正陰極；厚度小于約IO微米的薄電解質(zhì)；和厚度小于約30微米的陽極。該設(shè)備還包括基板、集電器、端子、防濕層和封裝層。 在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，陰極的厚度可以大于約5微米且小于約100微米。陰極的厚度還可以大于約30微米且小于約80微米。本發(fā)明的另一方面是一種電化學(xué)設(shè)備，該設(shè)備包括非氣相沉積的陰極、 陽極和厚度小于IO微米的電解質(zhì)。在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，陰極的厚度 可以大于約0.5微米且小于約200微米，陽極的厚度可以小于約30微米。依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的一個方面的陰極可以是非氣相沉積的。該陰極可 以通過以下方法中的任一種進(jìn)行沉積漿液涂布、邁耶棒涂布、直接和逆轉(zhuǎn)輥 涂、刮涂、旋涂、電泳沉積或噴墨印刷。陰極可包括LiCo02、 LiMn204、 LiMn02、 LiNi02、 LiFeP04、 LiV02和 它們的任何混合物或化學(xué)衍生物?；蛘?，這些陰極材料中可摻混有元素周期表 第1-17族的元素。在一個實(shí)施方式中，電解質(zhì)可包括鋰磷氧氮化物(LiPON)。電解質(zhì)可包括 薄膜電解質(zhì)。電解質(zhì)可通過真空氣相生長方法或非氣相方法沉積。陽極可包括鋰、鋰合金或可與鋰形成固溶體或化學(xué)化合物(chemical compound)的金屬，或者適合用作鋰基電池組中的負(fù)陽極(negative anode)材料的所謂鋰離子化合物，例如Li4TisCh2。在本發(fā)明實(shí)施方式的另一方面，還可以用選自以下的封裝方法封裝電化學(xué) 設(shè)備真空氣相生長的薄膜封裝，如Snyder等在美國專利第6,916,679號中所 述的加壓-加熱層疊(該文獻(xiàn)的內(nèi)容通過參考全文結(jié)合于此)、金屬箔附著和金屬 罐裝。所述設(shè)備還可包括陰極集電器和任選的陽極集電器，它們位于薄電解質(zhì)層 的上方或下方。如果封裝層具有開口使得任選的陽極集電器可以與潮濕環(huán)境直 接接觸的話，則直接位于任選的陽極集電器下方的電解質(zhì)可以用防濕層(例如 ZrO》保護(hù)。依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的一方面，可以使用非氣相制造方法形成正陰極， 該陰極與電化學(xué)設(shè)備中全部或部分地通過真空氣相方法制造的單元部件組合。 使用這類不同方法的組合的示例性實(shí)施方式被視為混雜制造方法，所得的設(shè)備 被稱為例如"混雜薄膜電池組"。18依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的另一方面，非氣相制造正陰極的方法不需要高溫 制造步驟，從而限制了電化學(xué)設(shè)備的部件疊層結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力產(chǎn)生。從而允許使 用較薄的基板。盡管較薄的基板在給定量級的應(yīng)力下容易發(fā)生不利的形變，但 是使用薄基板獲得的益處包括可以使用較薄的電化學(xué)設(shè)備實(shí)現(xiàn)給定的能量、容 量和功率性能。換句話說，使用較薄的基板可以獲得電化學(xué)設(shè)備能量、容量和 功率的容積量的增加。另一方面，陰極可以是真空氣相生長的，或者通過非氣相方法制造的，然 后可以通過機(jī)械壓印或其它方法形成這樣的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在相同的之前涂布 的足跡內(nèi)增加了其表面積，但是得到增加的最大厚度和減小的最小厚度。該結(jié) 構(gòu)或架構(gòu)最大程度地減小了陰極內(nèi)任何體積元件相對于鄰近的固態(tài)薄膜電解 質(zhì)層的平均距離，該固態(tài)薄膜電解質(zhì)層不同于具有凝膠或液體類型的電解質(zhì)的 電化學(xué)設(shè)備，通常不會直接滲透陰極體相。因此，最大程度地減小陰極內(nèi)任何 體積元件相對于固態(tài)薄膜電解質(zhì)的平均距離可以減少電化學(xué)設(shè)備運(yùn)行過程中 離子擴(kuò)散的長度，從而提高電化學(xué)設(shè)備的功率容量。本發(fā)明的實(shí)施方式的另一方面涉及將導(dǎo)電材料(例如碳)混入經(jīng)過壓印或 其它增加表面的操作的陰極結(jié)構(gòu)中，以最大程度地減小陰極體相中電子擴(kuò)散長 度，從而提高電化學(xué)設(shè)備的功率容量。在本發(fā)明的實(shí)施方式的另一方面，電化學(xué)設(shè)備包括由表現(xiàn)出極佳的高溫特 性的無機(jī)材料組成或構(gòu)成的薄膜封裝層。在本發(fā)明的實(shí)施方式的另一方面，使用薄膜封裝層最大程度地減小封裝層 對電化學(xué)設(shè)備的總厚度的厚度貢獻(xiàn)。另一方面，薄封裝(例如薄膜封裝)可以過度補(bǔ)償或至少完全或部分地補(bǔ)償 陰極相對于電化學(xué)設(shè)備的總厚度的任何厚度增加。另外，與例如加壓-加熱層 壓比較，使用較薄的封裝層可以直接增加給定電化學(xué)設(shè)備的能量、容量和功率 的容積量。在本發(fā)明的實(shí)施方式的另一方面，薄膜封裝層由多個無機(jī)層構(gòu)成，這些無 機(jī)層都表現(xiàn)出固有的高溫穩(wěn)定性，該特性使整個電化學(xué)設(shè)備的溫度穩(wěn)定性和彈 性提高至一定程度。附圖簡要說明
為了進(jìn)一步理解本發(fā)明作為本說明書的一部分的


了本發(fā)明的示 例性實(shí)施方式，以及用于解釋本發(fā)明原理的敘述。在附圖中
圖1示意性地顯示了具有依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中使用的方法生長的柱體的陰極。 圖2顯示了依據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的混雜薄膜電化學(xué)設(shè)備。
圖3顯示了依據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，通過漿液涂布沉積復(fù)合LiCo02 陰極，然后再涂布LiPON薄膜電解質(zhì)得到的結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微攝像的截面圖。
圖4顯示了依據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，使用圖3的復(fù)合LiCo02陰極 和LiPON薄膜的電化學(xué)設(shè)備的電化學(xué)循環(huán)行為。
圖5顯示了依據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，通過電泳沉積制造的9微米厚 的完全晶體化的LiCo02正陰極膜的掃描電子顯微照片。
圖6顯示了具有依據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式通過電泳沉積制造的 LiCo02正陰極的薄膜電化學(xué)設(shè)備的電流-放電電壓性能。
圖7顯示了具有依據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式通過電泳沉積制造的 LiCo02正陰極的薄膜電化學(xué)設(shè)備的可逆放電容量與循環(huán)次數(shù)的函數(shù)關(guān)系。
圖8顯示了依據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，通過噴墨印刷制造的15微米 厚的完全晶體化的LiCo02正陰極膜的掃描電子顯微照片。
圖9顯示了依據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的無基板的混雜薄膜電化學(xué)設(shè)備。
圖10顯示了依據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的用于封裝電化學(xué)設(shè)備的多層 薄膜。
圖ll顯示了依據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的包括調(diào)節(jié)(modulating )LiPON 層和多層薄膜封裝層的圖2所示的電化學(xué)設(shè)備。
圖12顯示了依據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的反向薄膜電池組構(gòu)造。 圖13顯示了反向薄膜電池組的示例性實(shí)施方式。 圖14顯示了經(jīng)過壓印的陰極層的示例性實(shí)施方式。
發(fā)明詳述圖1顯示了在基板100上的金屬集電器101上制造的典型陰極層120的截 面示意圖。在通過真空氣相沉積方法生產(chǎn)的電化學(xué)設(shè)備中，陰極可例如以柱體 120生長，具有內(nèi)柱狀空隙空間111。圖1還顯示了在薄膜電化學(xué)設(shè)備的制造 過程序列中的下一層，電解質(zhì)110以及內(nèi)柱狀空隙空間111上方的典型的橋結(jié) 構(gòu)。
圖2顯示了依據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，具有沒有使用真空氣相方法沉 積的陰極210的混雜薄膜電化學(xué)設(shè)備。在該實(shí)施方式中，陰極210直接沉積在 基板200上。如果是金屬性導(dǎo)電的，則該實(shí)施方式中的基板200還可用作陰極 集電器。否則，可以在基板200和陰極210之間設(shè)置金屬性導(dǎo)電的集電器(未 示出)。陰極210例如可包括LiCo02、 LiMn204、 LiMn02、 LiNi02、 LiFeP04、 LiV02或它們的任何混合物或化學(xué)衍生物。例如，在一個實(shí)施方式中，陰極210 的厚度可以約為0.5微米至200微米。在一個優(yōu)選的實(shí)施方式中，例如，陰極 210的厚度約為5微米至100微米。在最優(yōu)選的實(shí)施方式中，例如，陰極210 的厚度約為30微米至80微米。
如圖2所示，電解質(zhì)層220可沉積在陰極層210的上表面上。電解質(zhì)層可 例如包括鋰磷氧氮化物(LiPON)或如美國專利第4,367,267號中所述的其它固 態(tài)薄膜電解質(zhì)如LiAlF4，或者如Yamamura等在美國專利第5,217,826號中所 討論的Li3P04摻雜的Li4SiS4。這些專利的內(nèi)容都通過參考全文結(jié)合于此。該 電解質(zhì)層220的厚度可以例如小于約10微米。
當(dāng)與電解質(zhì)220、基板200和電解質(zhì)220上形成的陽極230的相對尺寸比 較時，陰極210是較厚的。在其它實(shí)施方式中，與陽極集電器240和薄膜封裝 層250相比，陰極210的相對尺寸也是較厚的。
可以使用各種方法將電解質(zhì)220沉積在陰極210上。這些方法可包括例如 真空氣相生長法或非氣相方法。真空氣相方法可包括例如反應(yīng)性或非反應(yīng)性 RF磁控濺射、反應(yīng)性或非反應(yīng)性DC二極管濺射、反應(yīng)性或非反應(yīng)性熱(電阻) 蒸發(fā)、反應(yīng)性或非反應(yīng)性電子束蒸發(fā)、離子束輔助沉積、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣 相沉積等。非氣相方法可包括例如旋涂、噴墨印刷、熱噴涂沉積或浸涂。例如， Stetter等在美國專利第4,795,543號、Venkatasetty在美國專利第4,948,490號 或Schmidt等在美國專利第6,005,705號中討論了旋涂。Delnick在美國專利第5,865,860號中揭示了一種這樣的噴墨印刷方法。Inda在美國專利公開第 2004/0106046號中揭示了熱噴涂沉積方法。Kejha在美國專利第5,443,602號和 美國專利第6,134,773號中討論了浸涂方法。上述專利和專利公開文本的內(nèi)容 都通過參考全文結(jié)合于此。
如圖2所示，在電解質(zhì)上緊接的一層是薄的負(fù)陽極層230。薄陽極230可
包括例如鋰、鋰合金、可與鋰形成固溶體或化學(xué)化合物的金屬、或可用作鋰基 電池組的負(fù)陽極材料的所謂鋰離子化合物例如Li4Ti5012。該薄陽極層230的厚 度例如可小于約30微米。該薄陽極可與陽極集電器240接觸，可通過封裝層 250中的開口 260實(shí)現(xiàn)電接觸。在一個實(shí)施方式中，陽極集電器的厚度小于約 2微米。例如，薄膜封裝層250在某些區(qū)域可以是導(dǎo)電性的，因此在某些實(shí)施 方式中可用作陽極集電器。在這類實(shí)施方式中，單獨(dú)沉積的陽極集電器240可 能不是必需的。薄膜封裝層250的厚度可以例如小于約250微米。
可以使用各種沉積方法將圖2中的陰極210沉積在基板200上。在一個特 定的實(shí)施方式中，使用非氣相沉積方法沉積陰極材料210。非氣相沉積方法不 在真空環(huán)境下進(jìn)行。許多非氣相沉積方法在本領(lǐng)域是已知的。 一些示例性的方 法包括漿液涂布、邁耶棒涂布、直接和逆轉(zhuǎn)輥涂、刮涂、旋涂、電泳沉積、溶 膠-凝膠沉積、噴涂、浸涂和噴墨印刷等?？梢允褂萌魏纹渌菤庀喑练e方法 或不需要在真空下沉積的方法，而不背離本發(fā)明的精神、范圍或?qū)嵤┓绞?。這 些非氣相、非真空沉積方法可產(chǎn)生單相陰極或復(fù)合陰極。復(fù)合陰極可以納米、 微米或毫米規(guī)格沉積，可由有機(jī)和/或無機(jī)物質(zhì)組成，這些物質(zhì)還可以是聚合的， 例如聚(乙烯基吡咯烷酮)，氮化硫(SN、，碳納米管或乙炔黑。
文中所述的所有沉積方法之后都可以例如進(jìn)行如下步驟溫度低于約150 。C的干燥步驟，和/或低溫干燥和溫度在約15(TC-40(rC之間的增強(qiáng)粘附的步驟， 和/或在約400"C-100(TC之間的高溫退火步驟。這些步驟可以有助于例如干燥、 增強(qiáng)粘附、形成正確的膜相、和/或結(jié)晶。陰極沉積材料可以純凈形式或與粘合 劑材料，任選的碳類、金屬類或合金類導(dǎo)電增強(qiáng)劑混合的形式使用。當(dāng)陰極材 料包括混合形式而不是純凈形式時，這類陰極材料是復(fù)合陰極材料。
漿液涂布的方法已經(jīng)用于電池組制造中，例如Hikaru等在美國專利第 6,114,062號或Kinsman等在美國專利第4,125,686號中所述的，這些專利文獻(xiàn)的內(nèi)容通過參考結(jié)合于此。漿液涂布可以導(dǎo)致復(fù)合電極的沉積，所述復(fù)合電極 由電化學(xué)活性材料和一些形式的導(dǎo)電增強(qiáng)劑(例如碳黑等)組成，所述電化學(xué)活 性材料的形式為使用聚合物粘合劑粘合在一起的細(xì)分散粉末顆粒。此外，所述 漿液含有在膜沉積后必須蒸發(fā)和/或熱解的溶劑。
依據(jù)示例性實(shí)施方式，復(fù)合電極可以由包括以下組分或由以下組分構(gòu)成的 漿液沉積完全結(jié)晶的LiCo02粉末，聚酰亞胺粘合劑和石墨導(dǎo)電增強(qiáng)劑?？?br> 以將該漿液涂布在Al箔基板上，在低于約150'C的溫度下的環(huán)境空氣中干燥小 于約2天。然后，在此實(shí)施方式中，例如，可以在陰極上涂布約2微米的LiPON 薄膜電解質(zhì)、約3微米厚的Li負(fù)陽極和約0.3微米厚的Cu陽極集電器。最后， 向電化學(xué)設(shè)備上施加約100微米厚的熱壓敏感性金屬聚合物疊層，用于封裝電 化學(xué)設(shè)備，這樣可以在環(huán)境條件下測試設(shè)備的電化學(xué)性能。
在另一個示例性實(shí)施方式中，如上所述，干燥的漿液涂層可能需要額外的 在最高達(dá)約1000'C的溫度下進(jìn)行的干燥、粘合、成形和/或結(jié)晶步驟，以最終 形成陰極或復(fù)合陰極的結(jié)構(gòu)。該方法是迅速且簡單的，可以在不使用真空氣相 方法的情況下生產(chǎn)厚型陰極。此外，所得的陰極不象用真空氣相沉積方法生產(chǎn) 的陰極一樣具有機(jī)械不穩(wěn)定性。
可以通過機(jī)械置換或去除工藝(包括壓印、沖壓、研磨、刮擦、成形等)如 圖14所示改進(jìn)圖2所示的陰極210。這種層改良工藝可以在濕陰極或完全干燥 的陰極上進(jìn)行。這種陰極表面改良工藝可以提高陰極體相和薄膜電解質(zhì)(例如， 由LiPON層構(gòu)成(未示出))之間的離子遷移效率，因而提高電化學(xué)設(shè)備的功率 性能。
當(dāng)陰極210包含一種復(fù)合材料時，可以實(shí)現(xiàn)功率容量的改進(jìn)，該復(fù)合材料 至少包括以下組分或至少由以下組分構(gòu)成電化學(xué)活性陰極材料例如LiCo02， 和含碳的電子傳導(dǎo)增強(qiáng)劑，用于最大程度地減小復(fù)合陰極體相內(nèi)的電子擴(kuò) 散長度。
圖3顯示了一種示例性的涂布了 LiPON的復(fù)合陰極的掃描電子顯微攝像 的截面圖。在左圖中最左側(cè)的尺寸標(biāo)桿的長度約為9微米；在右側(cè)插圖中的尺 寸標(biāo)桿的長度約為3微米。
依據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的電化學(xué)設(shè)備的電化學(xué)循環(huán)性能示于圖4中。
依據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，如Principe等在美國專利第6,079,352號 中所述的，可以通過邁耶棒涂布含有例如LiCo02粉末的粘性懸浮液或溶液來 沉積復(fù)合陰極，該專利文獻(xiàn)的全部內(nèi)容通過參考結(jié)合于此。或者，可以將 聚合物粘合劑(例如聚酰亞胺)和/或?qū)щ娫鰪?qiáng)劑(例如石墨)混合。然后位于基 板(例如鋁箔基板)上的涂料可以在低于例如約150'C的溫度下的空氣中干燥
約2天不到的時間。然后，在此實(shí)施方式中，可以例如在陰極上涂布約2 微米的LiPON薄膜電解質(zhì)、約3微米厚的Li負(fù)陽極和約0.3微米厚的Cu 陽極集電器。最后，可以在電化學(xué)設(shè)備上施加約100微米厚的熱壓敏感性 金屬聚合物疊層，用于封裝電化學(xué)設(shè)備，這樣可以在環(huán)境條件下測試設(shè)備 的電化學(xué)性能。
在一個示例性實(shí)施方式中，如上所述，干燥的邁耶棒涂層可能需要額外的 在高達(dá)約100(TC的溫度下進(jìn)行的干燥、粘合、成形和/或結(jié)晶步驟，以最終形 成陰極或復(fù)合陰極的結(jié)構(gòu)。該方法是迅速且簡單的，可以在不使用真空氣相方 法的情況下生產(chǎn)厚型陰極。此外，所得的陰極不象用真空氣相沉積方法生產(chǎn)的 陰極一樣具有機(jī)械不穩(wěn)定性。
依據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，如Davis等在美國專利第3,535,295號中 所述的，可以通過直接輥涂和/或逆轉(zhuǎn)輥涂含有例如LiCo02粉末的粘性懸浮液 或溶液來沉積復(fù)合陰極，該專利文獻(xiàn)的全部內(nèi)容通過參考結(jié)合于此?；蛘撸?可以將聚合物粘合劑(例如聚酰亞胺)和/或?qū)щ娫鰪?qiáng)劑(例如石墨)混合。然后 位于基板(例如鋁箔基板)上的涂料可以在低于約15(TC的溫度下的環(huán)境空氣 中干燥約2天不到的時間。然后，在此實(shí)施方式中，可以例如在陰極上涂 布約2微米的LiPON薄膜電解質(zhì)、約3微米厚的Li負(fù)陽極和約0.3微米厚 的Cu陽極集電器。最后，可以在電化學(xué)設(shè)備上施加約100微米厚的熱壓敏 感性金屬聚合物疊層，用于封裝電化學(xué)設(shè)備，這樣可以在環(huán)境條件下測試 設(shè)備的電化學(xué)性能。
在一個示例性實(shí)施方式中，如上所述，干燥的直接輥涂或逆轉(zhuǎn)輥涂的沉積 層可能需要額外的在高達(dá)約100(TC的溫度下進(jìn)行的干燥、粘合、成形和/或結(jié) 晶步驟，以最終形成陰極或復(fù)合陰極的結(jié)構(gòu)。該方法是迅速且簡單的，可以在不使用真空氣相方法的情況下生產(chǎn)厚型陰極。此外，所得的陰極不象用真空氣 相沉積方法生產(chǎn)的陰極一樣具有機(jī)械不穩(wěn)定性。
依據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，如Brown在英國專利第947518號中所述 的，可以通過刮涂技術(shù)在基板上沉積厚陰極，該專利文獻(xiàn)的全部內(nèi)容通過參考 結(jié)合于此。該沉積方法與鋪展黃油相似。因此，例如，將細(xì)刀片切入一些由電 化學(xué)活性材料(前體或最終形式)與溶劑、粘合劑和潛在的導(dǎo)電增強(qiáng)材料混合形 成的陰極材料糊液中，然后將陰極材料糊液以一定的厚度直接鋪展到基板上。 根據(jù)陰極材料糊液的配方，可能如上所述需要額外的在高達(dá)約iooo'c的溫度下 進(jìn)行的干燥、粘合、成形和/或結(jié)晶步驟，以用于形成最終的陰極或復(fù)合陰極。 該方法是迅速且簡單的，可以在不使用真空氣相方法的情況下生產(chǎn)厚型陰極。 此外，所得的陰極不象用真空氣相沉積方法生產(chǎn)的陰極一樣具有機(jī)械不穩(wěn)定 性。
在薄膜涂料工業(yè)中使用了旋涂，該操作使用許多眾所周知的制造商提供的 各種標(biāo)準(zhǔn)旋涂機(jī)進(jìn)行，例如，日本專利第1320728號中揭示的日立公司(Hitachi) 提供的旋涂機(jī)，該專利文獻(xiàn)的全部內(nèi)容通過參考結(jié)合于此。使用旋涂技術(shù)，將 陰極粉末懸浮或分散在低沸點(diǎn)(高揮發(fā)性)溶劑中，這些溶劑例如是水、低分子 量醇、低分子量醚、低分子量酮、低分子量酯、低分子量烴等。然后可使懸浮 液掉落到快速旋轉(zhuǎn)(通常約1000-3000rpm)的基板上，由于施加在液滴上的高離 心力迅速地在基板上鋪展為薄膜。因此每單位面積的物質(zhì)質(zhì)量或體積量極低， 薄膜中的揮發(fā)性溶劑迅速蒸發(fā)，留下溶質(zhì)或懸浮的或分散的物質(zhì)沉淀在基板 上。旋涂方法可以多次重復(fù)，以增加給定膜的厚度。為了進(jìn)一步促進(jìn)溶劑的蒸 發(fā)和溶質(zhì)或懸浮的或分散的物質(zhì)的沉淀，旋轉(zhuǎn)的基板可以進(jìn)行加熱。或者，用 于旋涂的懸浮液還可以含有粘合劑材料或粘合劑前體材料，以及導(dǎo)電增強(qiáng)材 料。所有這些材料都不會也不需要在旋涂過程中蒸發(fā)，無論旋涂是在環(huán)境條件 下還是在如上所述的升溫和/或真空條件下進(jìn)行。根據(jù)旋涂懸浮液的配方，可能 如上所述需要額外的在高達(dá)約IOO(TC的溫度下進(jìn)行的干燥、粘合、成形和/或 結(jié)晶步驟，以用于形成最終的陰極或復(fù)合陰極。
依據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，如Kanamura等在3 Electrochem. Solid State Letters 259-62 (2000)或Lusk在英國專利第1298746號中所討論的，使用電泳沉積形成非氣相LiC002陰極膜，這些專利文獻(xiàn)的全部內(nèi)容通過參考結(jié)
合于此。例如，微米尺寸的完全結(jié)晶的LiCo02顆?？梢詰腋≡诒?、異丙 醇和/或碘的溶液中，并且可以在不銹鋼基板上電泳沉積例如約9微米厚的 完全結(jié)晶的LiCo02陰極膜，而沒有任何柱狀結(jié)構(gòu)。該工藝過程可以在室溫 下、在小于約120伏的直流電下、在約30分鐘內(nèi)進(jìn)行。
圖5顯示了通過電泳沉積方法沉積的示例性正陰極膜的電子掃描攝像 的截面圖。圖中顯示的膜的潛在碘雜質(zhì)濃度低于使用的能量分散x射線光 譜法的檢測限(<1重量％)。還可以通過例如在由約200毫升丙酮、約23毫克 12、約38毫克碳黑和約53毫克聚(四氟乙烯)(PTFE)組成的懸浮有約1克完全 結(jié)晶的LiCo02顆粒粉末的溶液中使用電泳沉積制造具有較薄LiCo02復(fù)合陰 極的電化學(xué)電池。在這種實(shí)施方式中，可以對此電泳沉積施加50伏DC的 驅(qū)動電壓，施加時間例如約為30秒。在此之后，如此沉積的LiCo02復(fù)合 膜可以在約377r的空氣中退火約4小時，以提高對導(dǎo)電基板的粘附性。然 后，可以通過以下操作完成電化學(xué)設(shè)備的制造使用RF磁控濺射機(jī)在 LiCo02復(fù)合陰極上沉積約2微米厚的LiPON電解質(zhì)，然后通過電子束蒸發(fā) 制備約0.3微米厚的Cu陽極集電器膜，然后通過熱(電阻)真空沉積方法沉積約 3微米厚的金屬Li陽極。這種電化學(xué)設(shè)備的電流-放電電壓性能示于圖6中， 而其電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性示于圖7中。根據(jù)電泳懸浮液的配方，可能如上所述需 要額外的在高達(dá)約100(TC的溫度下進(jìn)行的干燥、粘合、成形和/或結(jié)晶步驟， 以用于形成最終的陰極或復(fù)合陰極。
依據(jù)示例性實(shí)施方式，可以使用溶膠-凝膠方法沉積厚型陰極。在此實(shí)施 方式中，例如，要沉積的氧化性陰極膜材料以前體狀態(tài)提供，例如是用抗衡陰 離子或螯合物進(jìn)行電平衡的鋰離子和鈷離子的含水或含醇的溶膠或凝膠。這些 抗衡陰離子或螯合物可包括例如硝酸根、乙醇酸根、氫氧根、檸檬酸、羧酸根、 草酸根、乙醇化物(alcoholate)或乙酰丙酮根。這類制劑可以浸涂或噴涂到基板 上，然后在升高的溫度下干燥較長的時間，例如小于2天的時間。另外，這樣 制得的膜可以進(jìn)行高溫?zé)峤?，從而使抗衡陰離子或螯合物定量地轉(zhuǎn)化為純氧化 物。該方法的討論見Bemd J. Neudecker的博士論文，Stuttgart,德國(1994); Plichta等，刊于139 J. Electrochem. Soc. 1509-13 (1992);和Nazri,美國專利第5,604,057號?；蛘?，溶膠-凝膠還可含有粘合劑材料或粘合劑前體材料，以及 導(dǎo)電增強(qiáng)材料。所有這些添加劑不會也不需要在干燥過程中蒸發(fā)，無論干燥過 程是在環(huán)境條件下，還是如上所述在升高的溫度下和/或真空下進(jìn)行。根據(jù)這些 溶膠-凝膠的配方，可能如上所述需要額外的在高達(dá)約1000'C的溫度下進(jìn)行的 干燥、粘合、成形和/或結(jié)晶步驟，以用于形成最終的陰極或復(fù)合陰極。
在本發(fā)明的一個示例性實(shí)施方式中，可以使用噴墨印刷方法沉積厚型陰 極。噴墨印刷氧化物膜電極的討論見Watanabe Kyoichi等在JP 2005011656， Speakman在美國專利第6,713,389號和Hopkins等在美國專利第6,780,208號 中的描述，這些文獻(xiàn)的全部內(nèi)容通過參考結(jié)合于此。在本發(fā)明的一個實(shí)施方式 中，可以將完全結(jié)晶的LiCoO2粉末研磨至平均粒度約為0.55微米，然后分 散在約0.05%體積異辛醇、約5體積％異丙醇、約10體積％乙二醇單丁醚 和約10體積％乙二醇的水溶液中。然后，可對該溶液超聲處理約1小時， 形成合適的噴墨印刷溶液。然后可通過印刷頭和濕陶瓷(如約250微米厚的 Al203薄片)和不銹鋼基板孔(well)沉積LiCo02膜，如約50微米的箔。在印 刷之后，這樣沉積的LiCoO2膜可以在約200'C的空氣中干燥約2小時，以 驅(qū)除過量的溶劑，提高LiCo02膜對基板的粘附性。通過印刷頭在相同基板 區(qū)域上通過10次可以獲得約15微米厚度的干燥L(fēng)iCo02膜。這種LiCo02 膜的截面掃描電子顯微圖示于圖8中?；蛘?，噴墨印刷溶液或懸浮液可含 有粘合劑材料、粘合劑前體材料和/或?qū)щ娫鰪?qiáng)材料。如果使用這些材料， 則這些材料中的每一種都不會也不需要在干燥過程中蒸發(fā)，無論干燥過程 是在環(huán)境條件下，還是在如上所述的升溫和/或真空情況下進(jìn)行。根據(jù)這些 噴墨印刷溶液或懸浮液的配方，可能如上所述需要額外的在高達(dá)約IOOO'C的溫 度下進(jìn)行的干燥、粘合、成形和/或結(jié)晶步驟，以用于形成最終的陰極或復(fù)合陰 極。
依據(jù)示例性實(shí)施方式，可以在通過非氣相沉積方法制備的陰極上涂布例如 惰性的金屬導(dǎo)電層，例如金，所述陰極可以處于已經(jīng)完成或未完成的狀態(tài)。然 后，已經(jīng)完成或未完成的陰極和惰性金屬導(dǎo)電涂層可以例如一起加熱以進(jìn)一步 干燥、粘合、成形和/或結(jié)晶，在此過程中，惰性金屬導(dǎo)電涂層可以充分地吸收 到陰極的孔洞、空穴和隙縫中，從而提高陰極的導(dǎo)電性?？梢允褂酶鞣N方法沉積上述示例性實(shí)施方式中的陽極。例如，可以使用真 空氣相生長方法或非氣相生長方法如噴墨印刷或浸涂方法來沉積陽極材料。
本發(fā)明的示例性實(shí)施方式包括通過真空氣相生長方法沉積負(fù)陽極材料。用
于負(fù)陽極的典型的真空氣相生長方法包括但不限于反應(yīng)性或非反應(yīng)性RF磁控 濺射、反應(yīng)性或非反應(yīng)性DC 二極管濺射、反應(yīng)性或非反應(yīng)性熱(電阻)蒸發(fā)、 反應(yīng)性或非反應(yīng)性電子束蒸發(fā)、離子束輔助沉積或等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 等。負(fù)陽極可以是例如金屬鋰、鋰合金、或能與鋰形成固溶體或化學(xué)化合物的 金屬。
其它示例性實(shí)施方式可包括用于沉積負(fù)陽極的非氣相生長方法。例如，噴 墨印刷金屬鋰粉末混合物之類的非氣相生長方法可用于沉積負(fù)陽極。這些方法 的描述見Nelson等的美國專利公開第2005/0239917號。同樣，例如，可以在 保護(hù)氣氛下，簡單地將樣品浸漬到熔融的鋰中，使樣品上形成的膜冷卻，固化。 類似地，可以通過以下步驟制備鋰離子陽極如金屬錫在空氣氣氛下將樣品浸 漬到熔融的錫中，或者將熔化的或熱的錫轉(zhuǎn)移到例如棒的平坦面上，然后將錫 壓涂到樣品上。
通過溶膠-凝膠途徑的浸涂技術(shù)可以類似地用于沉積負(fù)陽極材料，例如 Patrusheva等在RU專利第2241281C2中所描述的，該專利文獻(xiàn)的全部內(nèi)容通 過參考結(jié)合于此。例如，使用由合適的醇鹽的陰離子制劑得到的Sn02基鋰離 子陽極，例如TokiMotoyuki在美國專利第6,235,260號中所描述的，該專利文 獻(xiàn)的全部內(nèi)容通過參考結(jié)合于此。
圖9顯示了依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，在沒有基板的情況下制造的示例性混 雜薄膜電化學(xué)設(shè)備。該設(shè)備類似于圖2所示的設(shè)備，但是沒有基板。該設(shè)備是 使用可用作例如集電器和電終端的薄金屬層300進(jìn)行空間終止。除了該薄金屬 層300外，圖9所示的設(shè)備包括至少一個陰極310、電解質(zhì)320和陽極330。
上述實(shí)施方式可使用封裝層350進(jìn)行封裝，所述封裝層350選自真空氣相 生長的薄膜封裝層、加壓-加熱層疊的保護(hù)性聚合物復(fù)合層(例如Snyder等在美 國專利第6,916,679號中所述的)、加壓-加熱層疊的涂布了壓熱敏感性粘合劑表 面的金屬箔、和金屬罐裝。
陽極集電器340(例如Zr)可以位于電解質(zhì)320、陽極330和封裝層350之頁
間。此外，可以在陽極集電器340和下層的濕敏性電解質(zhì)320之間設(shè)置防濕層， 以進(jìn)行保護(hù)避免之后的環(huán)境影響。具有防濕性質(zhì)的材料可選自a)金屬、半金 屬、合金、硼化物、碳化物、金剛石、金剛石類碳、硅化物、氮化物、磷化物、 氧化物、氟化物、氯化物、溴化物、碘化物；b)任何由硼化物、碳化物、硅化 物、氮化物、磷化物、氧化物、氟化物、氯化物、溴化物和碘化物組成的多元 化合物(multinary compound);或c)高溫穩(wěn)定的有機(jī)聚合物和高溫穩(wěn)定的硅酮。 該防濕層例如可包含Zr02或ZrN，可以是根據(jù)其氧化物或氮化物含量分梯度 的陽極集電器340的一部分，從而在接近電解質(zhì)的界面處實(shí)現(xiàn)Zr02或ZrN的 化學(xué)計量比。
圖IO顯示了具有多層薄膜封裝材料的電化學(xué)設(shè)備的實(shí)施方式。多層薄膜 封裝層400可由例如多個強(qiáng)金屬吸氣層410與無定形或玻璃狀的其氧化物或氮 化物層420交替設(shè)置而形成。強(qiáng)金屬吸氣層410根據(jù)它們對H20和02的優(yōu)越 的吸收能力，用于保護(hù)設(shè)備避免受到水分和氧氣的影響。強(qiáng)金屬吸氣層可例如 由Zr、 Y、 Ti、 Cr、 Al或它們的任意合金組成。玻璃狀或無定形層420可以是 用于吸氣層中的一種或多種金屬的氧化物或氮化物，例如Zr02、 ZrN、 Y203、 YN、 Ti02、 TiN、 Cr203、 CrN、 A1203、 A1N或它們的任何多元素化合物?；?本上不含顆粒邊界的機(jī)械致密的玻璃狀或無定形層可以例如有效地阻斷任何 水分或氧氣擴(kuò)散通過所述氧化物或氮化物。因此，多層薄膜封裝層可有效地保 護(hù)底下的空氣敏感性金屬陽極。
在另一個示例性實(shí)施方式中，例如，多層薄膜封裝層由無機(jī)高溫穩(wěn)定或彈 性材料組成。與在其封裝層中使用聚合物組分的電化學(xué)設(shè)備相比，使用這種封 裝層可以提高電化學(xué)設(shè)備的高溫穩(wěn)定性，封裝層中使用聚合物組分的情況例如 Snyder等在美國專利第6，916，679號中描述的加壓-加熱層壓封裝中的情況。
無機(jī)高溫穩(wěn)定或彈性材料的另一個示例性實(shí)施方式可包括包含真空氣相 沉積的交替層的多層薄膜封裝層。例如，薄膜封裝層可以包括30個交替的 1000A厚度的以序列Zr02 /Zr / Zr02 / Zr /...或ZrN / Zr / ZrN / Zr /…排列的層， 但是應(yīng)理解可以使用不同尺寸的厚度、周期和材料。例如，這些交替層可以在 從環(huán)境壓力開始抽氣至低壓的真空室中以小于約10(TC的基板溫度進(jìn)行沉積。 這種示例性30層的多層薄膜封裝層可例如僅有約3微米厚，并且對于約300
29'C以上的溫度具有高溫穩(wěn)定性。
如本領(lǐng)域技術(shù)人員意識到的，與使用加壓-加熱層壓封裝層的電化學(xué)設(shè)備 相比，這種薄膜封裝層極薄的厚度直接提高了給定電化學(xué)設(shè)備的每單位體積的 能量、容量和功率(體積能量、體積容量和體積功率)，所述加壓-加熱層壓封裝 層通常比本發(fā)明的約3微米厚的薄膜封裝層厚至少1個數(shù)量級。例如，對于總
封裝厚度為150微米的給定電化學(xué)設(shè)備，其包括例如IO微米厚度的實(shí)際電化 學(xué)電池、例如35微米厚度的基板和例如IOO微米厚度的加壓加熱疊層，當(dāng)用 例如厚度為3微米的薄膜封裝層替代該封裝層，使電化學(xué)設(shè)備的總厚度為48 微米時，能量、容量和功率的體積數(shù)值可以增加三倍，
圖11顯示了依據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的電化學(xué)設(shè)備。除了導(dǎo)電基板 500、正陰極510、電解質(zhì)膜520、負(fù)陽極530、陽極集電器540和電絕緣層550 外，該實(shí)施方式包括封裝層570。該封裝層可以是例如上述圖IO所示的多層封 裝層。在封裝層570和陽極530之間可以設(shè)置例如第二 LiPON層560?？梢栽?包括金屬鋰的陽極530上制造封裝層570。陽極530材料的柔軟性可能導(dǎo)致封 裝層570由于軟質(zhì)陽極530提供的機(jī)械薄弱基礎(chǔ)和/或陽極530和封裝層570 的界面處的應(yīng)力不平衡而產(chǎn)生裂紋。 一旦開裂，封裝層570可能導(dǎo)致敏感的陽 極530暴露于環(huán)境中，從而破壞陽極。例如使用玻璃狀LiPON(或衍生物)調(diào)節(jié) 層560，可以從機(jī)械上穩(wěn)定軟質(zhì)陽極表面，同時對其進(jìn)行化學(xué)包封。
在圖11中，與電解質(zhì)520、基板500(在某些實(shí)施方式中是陰極集電器)、 陽極530、陽極集電器540、電絕緣層550、調(diào)節(jié)LiPON層560和薄膜封裝層 570的相對尺寸相比，陰極510比較厚。
下方的LiPON電解質(zhì)層520和上方的LiPON調(diào)節(jié)層560限定了置于它們 之間的陽極530，同時不僅在機(jī)械上而且也在化學(xué)上保護(hù)了陽極530。在這種 構(gòu)造中，在加熱到約181。C的熔點(diǎn)以上時，金屬陽極530(例如金屬鋰)熔化。由 于其空間限制、化學(xué)保護(hù)和在鋰熔點(diǎn)以上對LiPON的惰性，則金屬鋰陽極530 保持固定在所在位置，并且保持完整作為所述電化學(xué)設(shè)備內(nèi)的負(fù)陽極材料。該 工程設(shè)計還可以使所述電化學(xué)設(shè)備能夠用于焊接回流工藝或倒裝晶片工藝。
有許多材料可用作陽極，例如銅鋰合金或固溶體，例如LixCu、LixZr、LixV、 LixW、 LixBe、 LixBeyCu等。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到可用于陽極的這些和其它材料。與軟金屬鋰相比，這些鋰的合金或固溶體可賦予更強(qiáng)的機(jī)械性質(zhì)，因
此可以直接沉積多層薄膜封裝層570，而不需要使用上述位于軟質(zhì)負(fù)金屬陽極 503和多層薄膜封裝層570之間的LiPON調(diào)節(jié)層560。在這種情況中，UPON 調(diào)節(jié)層560可能是多余的。
在圖11所示的示例性實(shí)施方式中，可以通過例如以下步驟制造電化學(xué)設(shè) 備在厚度為25微米的25.4毫米X25.4毫米的大的鋁基板(500)上涂布80微 米X3.3厘米2的大的LiCo02復(fù)合正陰極(510)，該陰極包含62體積％的 LiCo02粉末，其余的體積余量是聚合物粘合劑和導(dǎo)電碳黑粉末，然后再涂 布1.5微米的固態(tài)LiPON電解質(zhì)薄膜(520)， 10微米厚的金屬鋰負(fù)陽極(530)， 0.5微米厚的鎳陽極集電器(540)、 0.5微米厚的Zr02電絕緣層(550)、 0.5微米厚 的LiPON調(diào)節(jié)層(560)和3微米厚的多層薄膜封裝層(570)，該封裝層由15個 1000A厚的Zr / 1000A厚的ZrO2雙疊層(bi-stacks)組成。在此實(shí)施例中，電化 學(xué)設(shè)備截面最厚處的厚度為120微米，在平均電壓為4.0伏的4.2-3.0伏電壓范 圍內(nèi)提供10mAh的連續(xù)容量，因而完全封裝的電化學(xué)設(shè)備的體積能量為 520Wh/升。當(dāng)使用10微米而不是25微米厚的鋁基板時，該設(shè)備的體積能量從 520Wh/升增加到590Wh/升。
在另一個示例性實(shí)施方式中，可以包括阻擋層。該阻擋層可以沉積在基板 (例如金屬箔基板)上，其中阻擋層在化學(xué)意義上將電池組部分(即電化學(xué)活性電 池)與電化學(xué)設(shè)備的基板部分隔開。阻擋層可以在電池組制造及電池組運(yùn)行和 儲存過程中，防止任何污染物從基板擴(kuò)散進(jìn)入電池組中，并且可以例如阻擋離 子從電池組中逃逸，擴(kuò)散進(jìn)入基板中。可能適合用于阻擋層的某些材料包括弱 離子傳導(dǎo)材料，例如硼化物、碳化物、金剛石、金剛石類碳、硅化物、氮化物、 磷化物、氧化物、氟化物、氯化物、溴化物、碘化物和它們的任何多元化合物。 在這些化合物中，電絕緣材料可進(jìn)一步防止基板和電池組層之間發(fā)生任何可能 的反應(yīng)。例如，如果可能的化學(xué)反應(yīng)包括離子和電子的擴(kuò)散，則絕緣阻擋層將 提供阻斷電子的途徑，從而防止任何此類化學(xué)反應(yīng)。但是，阻擋層也可包括導(dǎo) 電材料，只要它們不傳導(dǎo)任何基板或電池組層材料的離子即可。例如，ZrN是 防止離子傳導(dǎo)的有效的導(dǎo)電層。在一些情況中，根據(jù)在電池組制造過程中的退 火溫度和使用的基板材料，金屬、合金和/或半金屬可用作足夠的阻擋層。擴(kuò)散阻擋層可以例如是單相或多相的、晶體、玻璃狀、無定形或它們的任意混合物， 但是在某些應(yīng)用中優(yōu)選使用玻璃狀和無定形結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)沒有顆粒 邊界，這些顆粒界面原本是不希望發(fā)生的離子和電子傳導(dǎo)增強(qiáng)的位置。
如圖10和ll所示的薄膜封裝層可以例如遮蓋整個設(shè)備。因此，例如，可 以使用撓性封裝層，以允許設(shè)備膨脹和收縮。上述玻璃-金屬多層封裝層具有 合適的撓性性質(zhì)，該性質(zhì)可以通過例如改變?yōu)R射機(jī)的沉積參數(shù)進(jìn)而改變玻璃和 /或金屬的密度來進(jìn)行調(diào)節(jié)。另一種調(diào)節(jié)薄膜封裝層的組分進(jìn)而調(diào)節(jié)薄膜封裝層 本身的機(jī)械性質(zhì)的方法可包括改變薄膜封裝層的一種或多種組分的化學(xué)計量
比。例如，可以將ZrN更換為Zr2N，相當(dāng)于剝奪該層氮化物的特定組成。或 者，可以改變疊層中的金屬。例如，不使用Zr、 ZrN、 Zr、 ZrN疊層，而是制 造由Zr、 A1N、 Cr、 TiN組成的多層薄膜封裝層。
以上一些實(shí)施方式討論了廉價且可靠的厚型正陰極。該厚型正陰極還可與 薄電解質(zhì)、薄陽極和薄封裝層配套使用，從而最大程度地增加了所得電化學(xué)設(shè) 備的容量、能量和功率的體積密度。
圖12顯示了本發(fā)明的另一個實(shí)施方式，該實(shí)施方式說明了圖2所示的電 化學(xué)設(shè)備的另一種構(gòu)造形式，稱為反轉(zhuǎn)薄膜電池組構(gòu)造。負(fù)陽極610選自與圖 2中所述相同的材料，并根據(jù)圖2所述相同的方法制造，當(dāng)負(fù)陽極直接沉積在 基板600(例如，Cu箔)上時，因而基板是導(dǎo)電且對陽極610呈化學(xué)惰性的。在 此特定的構(gòu)造中，基板還用作電池組的陽極集電器和負(fù)終端。如果基板600是 電絕緣的，則可以在所述基板600和負(fù)陽極610之間設(shè)置由例如Cu或Ni組成 的額外的陽極集電器(未示出)。例如，可通過將陽極集電器延伸到封裝層650 的邊緣之外或者在基板600中提供開口來實(shí)現(xiàn)到達(dá)該陽極集電器的電接觸。然 后，可用導(dǎo)電材料(例如Cu糊料)以某種方式填充基板中的開口，使得該導(dǎo)電 材料與陽極集電器電接觸。使用與圖2中電解質(zhì)相同的材料和方法，將電解質(zhì) 620沉積在陽極610上。使用與圖2中正陰極相同的材料和方法，將正陰極630 沉積在電解質(zhì)620上。為了實(shí)現(xiàn)到達(dá)正陰極630的電接觸，在正陰極630上制 造陰極集電器640(例如Al或Au)。如果在電化學(xué)設(shè)備上使用封裝層650，則可 以在封裝層650中設(shè)置開口 660，從而實(shí)現(xiàn)到達(dá)正陰極630的電接觸。
類似地，可以使用圖11所描述的元件、材料和方法，以反轉(zhuǎn)薄膜電池組構(gòu)造制造電化學(xué)設(shè)備。這種電化學(xué)設(shè)備例如示于圖13中。首先，將負(fù)陽極710 直接沉積在化學(xué)惰性基板700上。為了避免電化學(xué)設(shè)備短路，可以制造電絕緣 層750，該電絕緣層可以部分地涂布了電解質(zhì)720,可完全遮蓋陽極710。在沉 積電解質(zhì)720后，可以沉積正陰極730，然后沉積陰極集電器740。為了在電 化學(xué)設(shè)備制造工序中在己存在的層上使用薄膜封裝層770，可以例如將機(jī)械和 化學(xué)調(diào)節(jié)層760主要施加在由陰極限定的電化學(xué)設(shè)備的電池組部分的區(qū)域上。 本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到本發(fā)明覆蓋其它的反轉(zhuǎn)構(gòu)造，這些其它構(gòu)造可通過將 上述非反轉(zhuǎn)電池組的組成部件組合得到。
在另一個實(shí)施方式中，如2005年8月23日提交的題為"具有受阻擋層保 護(hù)的基板的電化學(xué)設(shè)備(Electrochemical Apparatus with Barrier Layer Protected Substrate)"的美國專利申請序列第11/209,536號所述，在電化學(xué)設(shè)備的基板和 電池組部分之間制造阻擋層，該專利文獻(xiàn)的全部內(nèi)容通過參考結(jié)合于此。根據(jù) 阻擋層的材料和構(gòu)造，可以在阻擋層上制造一個或多個額外的集電器，由此改 善與正陰極、負(fù)陽極、或正陰極和負(fù)陽極這兩者的電接觸。
上述實(shí)施方式僅僅是示例性的。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以認(rèn)識到文中具體描述 的實(shí)施方式的變化形式，它們旨在落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。這樣，本發(fā)明僅僅由 所附權(quán)利要求限定。因此，本發(fā)明旨在覆蓋所述內(nèi)容的修改，只要它們落在所 附權(quán)利要求及其等同物的范圍內(nèi)。此外，依據(jù)本發(fā)明的關(guān)于電化學(xué)設(shè)備的形成 或性能的具體解釋或理論僅僅是解釋性的，不考慮限定本發(fā)明揭示內(nèi)容或權(quán)利 要求的范圍。
權(quán)利要求
1.一種電化學(xué)設(shè)備，其包括厚度大于約4微米且小于約200微米的正陰極；厚度小于約10微米的電解質(zhì)；厚度小于約30微米的負(fù)陽極。
2. —種電化學(xué)設(shè)備，其包括厚度大于約0.5微米且小于約200微米的正陰極；厚度小于約IO微米的電解質(zhì)；厚度小于約30微米的負(fù)陽極；其中，所述正陰極是通過非氣相沉積法制造的。
3. 如權(quán)利要求2所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，還包括基板。
4. 如權(quán)利要求3所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極與所述基板相鄰。
5. 如權(quán)利要求1所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，還包括基板，所述陰極 與所述基板相鄰。
6. 如權(quán)利要求3所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，還包括厚度最大約50 微米的所述基板。
7. 如權(quán)利要求3所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，還包括厚度最大約10 微米的所述基板。
8. 如權(quán)利要求3所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述基板選自鋁和鋁合金。
9. 如權(quán)利要求3所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述基板包括集電器。
10. 如權(quán)利要求3所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，還包括在所述基板上 的阻擋層。
11. 如權(quán)利要求10所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述阻擋層適合于防 止電子在所述基板與所述陽極或陰極之間遷移。
12. 如權(quán)利要求IO所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述阻擋層適合于防 止離子在所述基板與所述陽極或陰極之間遷移。
13. 如權(quán)利要求2所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，還包括集電器。
14. 如權(quán)利要求2所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極的厚度大于 約5微米且小于約100微米。
15. 如權(quán)利要求2所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極的厚度大于 約30微米且小于約80微米。
16. 如權(quán)利要求2所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述電解質(zhì)是薄膜電 解質(zhì)。
17. 如權(quán)利要求2所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極是通過漿液 涂布陰極粉末材料、粘合劑材料和導(dǎo)電增強(qiáng)材料而沉積的。
18. 如權(quán)利要求2所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極是使用邁耶 棒涂布技術(shù)沉積的。
19. 如權(quán)利要求2所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極是使用直接 輥涂技術(shù)沉積的。
20. 如權(quán)利要求2所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極是使用逆轉(zhuǎn) 輥涂技術(shù)沉積的。
21. 如權(quán)利要求2所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極是使用刮涂 技術(shù)沉積的。
22. 如權(quán)利要求2所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極是通過旋涂 沉積的。
23. 如權(quán)利要求2所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極是通過電泳 沉積技術(shù)沉積的。
24. 如權(quán)利要求2所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極是通過噴墨 印刷法沉積的。
25. 如權(quán)利要求2所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極充分吸收了 選自以下的材料惰性金屬、惰性合金、和含碳材料。
26. 如權(quán)利要求2所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極包含LiCo02 或其衍生物。
27. 如權(quán)利要求26所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述LiCoCb或其衍 生物摻雜了選自元素周期表第l-17族的元素。
28. 如權(quán)利要求26所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極包含選自以 下的材料LiCo02、 LiMn204、 LiMn02、 LiNi02、 LiFeP04、 LiV02和它們的任意混合物。
29. 如權(quán)利要求2所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極形成具有多 個縱向結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。
30. 如權(quán)利要求29所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述多個縱向結(jié)構(gòu)使 用機(jī)械方法形成。
31. 如權(quán)利要求29所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述縱向結(jié)構(gòu)的高度 小于陰極材料的最大厚度。
32. 如權(quán)利要求29所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述多個縱向結(jié)構(gòu)的 設(shè)置可以減小所述陰極內(nèi)任何體積元件和與所述陰極相對的所述電解質(zhì)層的 最接近體積元件之間的平均距離。
33. 如權(quán)利要求2所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極是還包含至 少一種含碳材料的復(fù)合陰極。
34. 如權(quán)利要求33所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述復(fù)合陰極具有包 括多個縱向結(jié)構(gòu)的形狀。
35. 如權(quán)利要求34所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述多個縱向結(jié)構(gòu)的 設(shè)置可以減小所述陰極內(nèi)任何體積元件和與所述陰極相對的所述電解質(zhì)層的 最接近體積元件之間的平均距離。
36. 如權(quán)利要求2所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述電解質(zhì)包含鋰磷 氧氮化物(LiPON)。
37. 如權(quán)利要求2所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陽極選自鋰、鋰 合金、可與鋰形成固溶體或化學(xué)化合物的金屬、和可用作負(fù)陽極的任何鋰離子 化合物。
38. 如權(quán)利要求2所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述電解質(zhì)是通過真 空氣相生長方法沉積的。
39. 如權(quán)利要求2所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述電解質(zhì)是通過非 氣相方法沉積的。
40. 如權(quán)利要求2所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，還包括通過選自以下的封裝方法形成的封裝層真空氣相生長的薄膜封裝法、保護(hù)性聚合物復(fù)合結(jié) 構(gòu)的加壓-加熱層疊法、涂布了壓熱敏感性粘合劑表面的金屬箔的加壓-加熱層 疊法、和金屬罐裝法。
41. 如權(quán)利要求2所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，還包括通過真空氣相 方法生長的封裝層。
42. 如權(quán)利要求41所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述封裝層由無機(jī)化 合物和金屬的多層堆疊結(jié)構(gòu)構(gòu)成。
43. 如權(quán)利要求41所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述封裝層的厚度小 于約IO微米。
44. 如權(quán)利要求41所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述封裝層通過在該 封裝層與負(fù)陽極之間的調(diào)節(jié)層而與該負(fù)陽極隔開。
45. 如權(quán)利要求44所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述調(diào)節(jié)層包含 LiPON。
46. 如權(quán)利要求44所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述調(diào)節(jié)層由LiPON組成。
47. 如權(quán)利要求2所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，還包括陽極集電器。
48. 如權(quán)利要求47所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，在所述陽極集電器和 所述電解質(zhì)之間有防濕層。
49. 如權(quán)利要求48所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述防濕層包含具有 防濕性質(zhì)的材料，其選自金屬、半金屬、合金、硼化物、碳化物、金剛石、金 剛石類碳、硅化物、氮化物、磷化物、氧化物、氟化物、氯化物、溴化物和碘 化物。
50. 如權(quán)利要求48所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述防濕層包含具有 防濕性質(zhì)的材料，其選自由硼化物、碳化物、硅化物、氮化物、磷化物、氧化 物、氟化物、氯化物、溴化物和碘化物組成的任何多元化合物。
51. 如權(quán)利要求48所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述防濕層包含具有 防濕性質(zhì)的材料，其選自高溫穩(wěn)定的有機(jī)聚合物和高溫穩(wěn)定的硅酮。
52. —種電化學(xué)設(shè)備，其包括 非氣相沉積的陰極；陽極；厚度小于約10微米的電解質(zhì)。
53. 如權(quán)利要求52所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極的厚度大于 約0.5微米且小于約200微米。
54. 如權(quán)利要求52所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極的厚度大于 約IO微米且小于約100微米。
55. 如權(quán)利要求52所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極的厚度大于 約30微米且小于約80微米。
56. 如權(quán)利要求52所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陽極的厚度小于 約30微米。
57. 如權(quán)利要求52所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，還包括基板。
58. 如權(quán)利要求57所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述基板的厚度最大 約為50微米。
59. 如權(quán)利要求57所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述基板的厚度最大 約為IO微米。
60. 如權(quán)利要求57所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述基板選自鋁和鋁 n五o
61. 如權(quán)利要求52所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述電解質(zhì)是薄膜電 解質(zhì)。
62. 如權(quán)利要求52所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極是通過漿液 涂布陰極粉末材料、粘合劑、含碳材料、碳類材料和電子增強(qiáng)劑而沉積的。
63. 如權(quán)利要求52所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極是使用邁耶 棒涂布技術(shù)沉積的。
64. 如權(quán)利要求52所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極是使用直接 輥涂技術(shù)沉積的。
65. 如權(quán)利要求52所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極是使用逆轉(zhuǎn) 輥涂技術(shù)沉積的。
66. 如權(quán)利要求52所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極是使用刮涂 技術(shù)沉積的。
67. 如權(quán)利要求52所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極是通過旋涂 沉積的。
68. 如權(quán)利要求52所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極是通過電泳 沉積技術(shù)沉積的。
69. 如權(quán)利要求52所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極是通過噴墨 印刷法沉積的。
70. 如權(quán)利要求52所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極充分吸收了 選自以下的材料惰性金屬、惰性合金和含碳材料。
71. 如權(quán)利要求52所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極包含LiCo02。
72. 如權(quán)利要求52所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極包含選自以 下的材料LiCo02、 LiMn204、 LiMn02、 LiNi02、 LiFeP04、 LiV02和它們的 任何混合物。
73. 如權(quán)利要求52所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極通過機(jī)械方 法形成具有多個較小的縱向結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。
74. 如權(quán)利要求73所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述多個較小的縱向 結(jié)構(gòu)減小了所述陰極內(nèi)任何體積元件和與所述陰極相對的所述電解質(zhì)層的最 接近體積元件之間的平均距離。
75. 如權(quán)利要求52所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陰極是還包含至 少一種含碳材料的復(fù)合陰極。
76. 如權(quán)利要求75所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述復(fù)合陰極包括多 個縱向結(jié)構(gòu)。
77. 如權(quán)利要求76所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述多個縱向結(jié)構(gòu)減 小了所述陰極內(nèi)任何體積元件和與所述陰極相對的所述電解質(zhì)層的最接近體 積元件之間的平均距離。
78. 如權(quán)利要求52所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述電解質(zhì)包含鋰磷 氧氮化物(LiPON)。
79. 如權(quán)利要求52所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陽極選自鋰、鋰 合金、可與鋰形成固溶體或化學(xué)化合物的金屬、和可用作負(fù)陽極的任何鋰離子 化合物。
80. 如權(quán)利要求52所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述電解質(zhì)是通過氣 相生長方法沉積的。
81. 如權(quán)利要求52所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述電解質(zhì)是通過非 氣相方法沉積的。
82. 如權(quán)利要求52所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述電化學(xué)設(shè)備通過 選自以下的封裝方法進(jìn)行封裝真空氣相生長的薄膜封裝法、保護(hù)性聚合物復(fù) 合結(jié)構(gòu)的加壓-加熱層疊法、涂布了壓熱敏感性粘合劑表面的金屬箔的加壓-加 熱層疊法、和金屬罐裝法。
83. 如權(quán)利要求52所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述電化學(xué)設(shè)備用通 過真空氣相方法生長的封裝層進(jìn)行封裝。
84. 如權(quán)利要求83所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述封裝層由無機(jī)化 合物和金屬的多層堆疊結(jié)構(gòu)構(gòu)成。
85. 如權(quán)利要求83所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述封裝層的厚度小 于IO微米。
86. 如權(quán)利要求83所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述封裝層通過在該 封裝層與負(fù)陽極之間的調(diào)節(jié)層而與該負(fù)陽極隔開。
87. 如權(quán)利要求86所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述調(diào)節(jié)層包含 LiPON。
88. 如權(quán)利要求86所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述調(diào)節(jié)層由LiPON組成。
89. 如權(quán)利要求52所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，還包括陰極集電器。
90. 如權(quán)利要求52所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，還包括陽極集電器。
91. 如權(quán)利要求90所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述陽極集電器至少 部分地被防濕層覆蓋。
92. 如權(quán)利要求91所述的電化學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述防濕層包含Zr02。
93. —種制造電化學(xué)設(shè)備的方法，其包括 沉積厚度大于約0.5微米且小于約200微米的正陰極； 沉積厚度小于約IO微米的電解質(zhì)； 沉積厚度小于約30微米的負(fù)陽極；和通過非氣相沉積方法沉積所述正陰極。
94. 如權(quán)利要求93所述的方法，其特征在于，在基板上沉積所述陰極。
95. 如權(quán)利要求94所述的方法，其特征在于，還包括在厚度等于或小于約 50微米的所述基板上沉積所述陰極。
96. 如權(quán)利要求94所述的方法，其特征在于，還包括在厚度等于或小于約 10微米的所述基板上沉積所述陰極。
97. 如權(quán)利要求94所述的方法，其特征在于，還包括在所述基板上沉積所 述陰極，所述基板選自鋁和鋁合金。
98. 如權(quán)利要求94所述的方法，其特征在于，所述基板包括集電器。
99. 如權(quán)利要求93所述的方法，其特征在于，還包括沉積阻擋層。
100. 如權(quán)利要求93所述的方法，其特征在于，所述陰極的厚度大于約5 微米且小于約100微米。
101. 如權(quán)利要求93所述的方法，其特征在于，所述陰極的厚度大于約30 微米且小于約80微米。
102. 如權(quán)利要求93所述的方法，其特征在于，所述電解質(zhì)是薄膜電解質(zhì)。
103. 權(quán)利要求93所述的方法，其特征在于，所述沉積陰極的步驟包括漿 液涂布陰極粉末材料、粘合劑材料和導(dǎo)電增強(qiáng)材料。
104. 如權(quán)利要求93所述的方法，其特征在于，所述沉積陰極的步驟包括 邁耶棒涂布技術(shù)。
105. 如權(quán)利要求93所述的方法，其特征在于，所述沉積陰極的步驟包括 直接輥涂技術(shù)。
106. 如權(quán)利要求93所述的方法，其特征在于，所述沉積陰極的步驟包括 逆轉(zhuǎn)輥涂技術(shù)。
107. 如權(quán)利要求93所述的方法，其特征在于，所述沉積陰極的步驟包括 刮涂技術(shù)。
108. 如權(quán)利要求93所述的方法，其特征在于，所述沉積陰極的步驟包括 旋涂。
109. 如權(quán)利要求93所述的方法，其特征在于，所述沉積陰極的步驟包括 電泳沉積。
110. 如權(quán)利要求93所述的方法，其特征在于，所述沉積陰極的步驟包括 噴墨印刷。
111. 如權(quán)利要求93所述的方法，其特征在于，所述沉積陰極的步驟包括 a)在已經(jīng)完成或未完成的所述陰極上涂布選自惰性金屬和合金的材料；b)施加 足夠的熱量以使所述材料充分吸收到所述陰極中。
112. 如權(quán)利要求93所述的方法，其特征在于，所述陰極包含LiCo02和摻 雜的其衍生物，其中摻雜的元素選自元素周期表第l-17族的元素。
113. 如權(quán)利要求93所述的方法，其特征在于，所述陰極包含選自以下的 材料LiCo02、 LiMn204、 LiMn02、 LiNi02、 LiFeP04、 LiV02和它們的任何 混合物。
114. 如權(quán)利要求93所述的方法，其特征在于，所述陰極通過機(jī)械方法形 成具有多個縱向結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。
115. 如權(quán)利要求114所述的方法，其特征在于，所述多個縱向結(jié)構(gòu)減小了 所述陰極內(nèi)任何體積元件和與所述陰極相對的所述電解質(zhì)層的最接近體積元 件之間的平均距離。
116. 如權(quán)利要求U4所述的方法，其特征在于，所述多個縱向結(jié)構(gòu)的高度 小于所述陰極的最大厚度。
117. 如權(quán)利要求93所述的方法，其特征在于，所述陰極作為還包含至少 一種含碳材料的復(fù)合陰極形成。
118. 如權(quán)利要求117所述的方法，其特征在于，所述復(fù)合陰極被制造為具 有多個縱向結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。
119. 如權(quán)利要求118所述的方法，其特征在于，所述多個縱向結(jié)構(gòu)減小了 所述陰極內(nèi)任何體積元件和與所述陰極相對的所述電解質(zhì)層的最接近體積元 件之間的平均距離。
120. 如權(quán)利要求93所述的方法，其特征在于，所述電解質(zhì)包含鋰磷氧氮 化物(LiPON)。
121. 如權(quán)利要求93所述的方法，其特征在于，所述陽極包含選自以下的 材料鋰、鋰合金、可與鋰形成固溶體或化學(xué)化合物的金屬、和可用作負(fù)陽極 的任何鋰離子化合物。
122. 如權(quán)利要求93所述的方法，其特征在于，所述沉積電解質(zhì)的步驟包 括真空氣相生長方法。
123. 如權(quán)利要求93所述的方法，其特征在于，所述沉積電解質(zhì)的步驟包 括非氣相方法。
124. 如權(quán)利要求93所述的方法，其特征在于，還包括使用選自以下的封 裝方法對所述電化學(xué)設(shè)備進(jìn)行封裝真空氣相生長的薄膜封裝法、保護(hù)性聚合 物復(fù)合結(jié)構(gòu)的加壓-加熱層疊法、涂布了壓熱敏感性粘合劑表面的金屬箔的加 壓-加熱層疊法、和金屬罐裝法。
125. 如權(quán)利要求93所述的方法，其特征在于，所述電化學(xué)設(shè)備用通過真 空氣相方法生長的封裝層進(jìn)行封裝。
126. 如權(quán)利要求125所述的方法，其特征在于，還包括作為無機(jī)化合物和 金屬的多層堆疊結(jié)構(gòu)沉積所述封裝層。
127. 如權(quán)利要求125所述的方法，其特征在于，還包括沉積厚度小于約10 微米的封裝層。
128. 如權(quán)利要求125所述的方法，其特征在于，還包括通過在所述封裝層 與負(fù)陽極之間的調(diào)節(jié)層將該封裝層與該負(fù)陽極隔開。
129. 如權(quán)利要求128所述的方法，其特征在于，還包括沉積作為LiPON 的所述調(diào)節(jié)層。
130. 如權(quán)利要求93所述的方法，其特征在于，還包括沉積陰極集電器。
131. 如權(quán)利要求93所述的方法，其特征在于，還包括沉積陽極集電器。
132. 如權(quán)利要求131所述的方法，其特征在于，還包括在所述陽極集電器 和所述電解質(zhì)之間沉積防濕層。
133. 如權(quán)利要求132所述的方法，其特征在于，所述防濕層包含具有防濕 性質(zhì)的材料，其選自金屬、半金屬、合金、硼化物、碳化物、金剛石、金剛石 類碳、硅化物、氮化物、磷化物、氧化物、氟化物、氯化物、溴化物和碘化物。
134. 如權(quán)利要求132所述的方法，其特征在于，所述防濕層包含具有防濕 性質(zhì)的材料，其選自由硼化物、碳化物、硅化物、氮化物、磷化物、氧化物、 氟化物、氯化物、溴化物和碘化物組成的任何多元化合物。
135. 如權(quán)利要求132所述的方法，其特征在于，所述防濕層包含具有防濕性質(zhì)的材料，其選自高溫穩(wěn)定的有機(jī)聚合物和高溫穩(wěn)定的硅酮。
136. —種制造電化學(xué)設(shè)備的方法，其包括 使用非氣相沉積方法沉積陰極； 沉積厚度小于約IO微米的電解質(zhì)；和 沉積陽極。
137. 如權(quán)利要求136所述的方法，其特征在于，所述陰極的厚度大于約0.5 微米且小于約200微米。
138. 如權(quán)利要求136所述的方法，其特征在于，所述陰極的厚度大于約10 微米且小于約100微米。
139. 如權(quán)利要求136所述的方法，其特征在于，所述陰極的厚度大于約30 微米且小于約80微米。
140. 如權(quán)利要求136所述的方法，其特征在于，所述陽極的厚度小于約30微米。
141. 如權(quán)利要求136所述的方法，其特征在于，還包括提供基板。
142. 如權(quán)利要求141所述的方法，其特征在于，還包括厚度最大為50微 米的所述基板。
143. 如權(quán)利要求141所述的方法，其特征在于，還包括厚度最大為10微 米的所述基板。
144. 如權(quán)利要求141所述的方法，其特征在于，所述基板選自鋁和鋁合金。
145. 如權(quán)利要求136所述的方法，其特征在于，所述電解質(zhì)是薄膜電解質(zhì)。
146. 權(quán)利要求136所述的方法，其特征在于，所述非氣相沉積方法包括漿 液涂布陰極粉末材料、粘合劑和導(dǎo)電增強(qiáng)材料。
147. 如權(quán)利要求136所述的方法，其特征在于，所述非氣相沉積方法包括 邁耶棒涂布技術(shù)。
148. 如權(quán)利要求136所述的方法，其特征在于，所述非氣相沉積方法包括 直接輥涂技術(shù)。
149. 如權(quán)利要求136所述的方法，其特征在于，所述非氣相沉積方法包括 逆轉(zhuǎn)輥涂技術(shù)。
150. 如權(quán)利要求136所述的方法，其特征在于，所述非氣相沉積方法包括刮刀施涂技術(shù)。
151. 如權(quán)利要求136所述的方法，其特征在于，所述非氣相沉積方法包括 旋涂。
152. 如權(quán)利要求136所述的方法，其特征在于，所述非氣相沉積方法包括 電泳沉積。
153. 如權(quán)利要求136所述的方法，其特征在于，所述非氣相沉積方法包括 噴墨印刷。
154. 如權(quán)利要求136所述的方法，其特征在于，所述沉積陰極的步驟包括 a)在己經(jīng)完成或未完成的所述陰極上涂布選自惰性金屬和合金的材料；b)施加 足夠的熱量以使所述材料充分吸收到所述陰極中。
155. 如權(quán)利要求B6所述的方法，其特征在于，所述陰極包含LiCo02。
156. 如權(quán)利要求136所述的方法，其特征在于，所述陰極包含選自以下的 材料LiCo02、 LiMn204、 LiMn02、 LiNi02、 LiFeP04、 LiV02和它們的任何 混合物。
157. 如權(quán)利要求136所述的方法，其特征在于，還包括通過機(jī)械方法將所 述陰極形成具有多個較小的縱向結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。
158. 如權(quán)利要求157所述的方法，其特征在于，所述多個較小的縱向結(jié)構(gòu) 減小了所述陰極內(nèi)任何體積元件和與所述陰極相對的所述電解質(zhì)層的最接近 體積元件之間的平均距離。
159. 如權(quán)利要求136所述的方法，其特征在于，所述陰極作為還包含至少 一種含碳材料的復(fù)合陰極形成。
160. 如權(quán)利要求159所述的方法，其特征在于，所述復(fù)合陰極被制造為具 有多個較小的縱向結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。
161. 如權(quán)利要求160所述的方法，其特征在于，所述多個縱向結(jié)構(gòu)減小了 所述陰極內(nèi)任何體積元件和與所述陰極相對的所述電解質(zhì)層的最接近體積元 件之間的平均距離。
162. 如權(quán)利要求136所述的方法，其特征在于，所述電解質(zhì)包含鋰磷氧氮 化物(LiPON)。
163. 如權(quán)利要求136所述的方法，其特征在于，所述陽極選自鋰、鋰合金、可與鋰形成固溶體或化學(xué)化合物的金屬、和可用作負(fù)陽極的任何鋰離子化合 物。
164. 如權(quán)利要求136所述的方法，其特征在于，所述沉積電解質(zhì)的步驟包 括氣相生長方法。
165. 如權(quán)利要求136所述的方法，其特征在于，所述沉積電解質(zhì)的步驟包 括非氣相方法。
166. 如權(quán)利要求136所述的方法，其特征在于，還包括使用選自以下的封 裝方法對所述電化學(xué)設(shè)備進(jìn)行封裝真空氣相生長的薄膜封裝法、保護(hù)性聚合 物復(fù)合結(jié)構(gòu)的加壓-加熱層疊法、涂布了壓熱敏感性粘合劑表面的金屬箔的加 壓-加熱層疊法、和金屬罐裝法。
167. 如權(quán)利要求136所述的方法，其特征在于，還包括用通過真空氣相方 法生長的封裝層對所述電化學(xué)設(shè)備進(jìn)行封裝。
168. 如權(quán)利要求167所述的方法，其特征在于，還包括通過無機(jī)化合物和 金屬的多層堆疊制造所述封裝層。
169. 如權(quán)利要求167所述的方法，其特征在于，所述封裝層的沉積厚度小 于IO微米。
170. 如權(quán)利要求167所述的方法，其特征在于，還包括通過在所述封裝層 與負(fù)陽極之間的調(diào)節(jié)層將該封裝層與該負(fù)陽極隔開。
171. 如權(quán)利要求170所述的方法，其特征在于，所述調(diào)節(jié)層由LiPON構(gòu)成。
172. 如權(quán)利要求136所述的方法，其特征在于，還包括沉積陰極集電器。
173. 如權(quán)利要求136所述的方法，其特征在于，還包括在薄電解質(zhì)層上沉 積陽極集電器。
174. 如權(quán)利要求173所述的方法，其特征在于，還包括在所述薄電解質(zhì)層 和所述陽極集電器之間沉積防濕層。
175. 如權(quán)利要求174所述的方法，其特征在于，所述防濕層包含Zr02。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種電化學(xué)設(shè)備，其中某些實(shí)施方式具有厚度大于約4微米且小于約200微米的陰極；厚度小于約10微米的薄電解質(zhì)；厚度小于約30微米的陽極。本發(fā)明還揭示了一種電化學(xué)設(shè)備，該電化學(xué)設(shè)備包括厚度大于約0.5微米且小于約200微米的陰極；厚度小于約10微米的薄電解質(zhì)；厚度小于約30微米的陽極，其中陰極是通過非氣相沉積方法制造的。該電化學(xué)設(shè)備還可包括基板、集電器、陽極集電器、封裝層和調(diào)節(jié)層。
文檔編號H01M4/82GK101310400SQ200680042789
公開日2008年11月19日 申請日期2006年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月17日
發(fā)明者B·J·紐德克爾, S·W·斯奈德 申請人:無窮動力解決方案股份有限公司