包含玻璃或陶瓷基底的薄膜電池的制作方法
【專利說明】
[0001] 優(yōu)先權聲明
[000引 本申請要求于2012年10月15日提交的序列號為61/714004,題為"THINFILM BATTERIESCOMPRISINGAGLASSSUBSTRATE"的美國臨時申請的優(yōu)先權，該申請的全部內(nèi)容 均結合于此作為參考。
技術領域
[0003] 該發(fā)明設及薄膜固態(tài)儲能設備領域，更具體地，設及薄膜固態(tài)電池的應用構造。
【背景技術】
[0004] 電子器件已經(jīng)被結合到諸如計算機、移動電話、跟蹤系統(tǒng)、掃描儀、助聽器、遙感器 等許多便攜式設備中。便攜式設備的一個缺陷在于需要包括該設備的供電裝置。便攜式設 備通常使用電池作為供電裝置。電池必須有足夠的容量來為設備供電，其至少要維持設備 在使用中的時長。足夠的電池容量會導致供電裝置相對設備本身顯得極不協(xié)調(diào)地笨重和/ 或龐大。因此，期望有更小和更輕的儲能器件（即，供電裝置）。
[0005] 固態(tài)薄膜電池便是該種類型的儲能器件。美國專利第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號中描述了薄膜電池的實例，該些實例均結合于此作為參考。美 國專利第5, 338, 625號描述了一種薄膜電池，具體是一種薄膜微電池，W及制備該薄膜電 池的方法，該薄膜電池可應用為電子設備的備用或第一集成電源。
[0006] 薄膜電池尤喜W娃為基底來制造，至少在某種程度上是由于該種材料的可靠性W 及小機電設備制造商（包括集成電路制造商）對娃晶的熟悉度。對設備尤其是小型設備而 言，仍然需要加快可靠供電裝置的供應。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 一種薄膜電池，包括：玻璃或陶瓷基底，其熱膨脹系數(shù)（CT巧為約7ppm/°K至約 lOppm/DK;連續(xù)金屬或金屬氧化物陰極集流體，其厚度約小于3ym，該陰極集流體位于 玻璃或陶瓷基底之上；包含裡過渡金屬氧化物的陰極材料層，裡過渡金屬氧化物是厚度為 約10ym至約80ym的連續(xù)膜，陰極材料層位于陰極集流體之上；位于陰極材料層之上的 LiPON電解質(zhì)層，其厚度為約0. 5ym至約4ym;W及具有任意陽極材料的陽極集流體。
[000引典型的固態(tài)薄膜電池采用很薄的陰極材料層，因為該樣的材料更厚的話易于在電 池制造或預期使用周期早期在材料內(nèi)部形成裂紋，從而導致電池的災難性故障。驚奇地發(fā) 現(xiàn)，當LiCo化陰極材料結合具有約7卵m/DK至約lOppm/DKCTE的玻璃或陶瓷、連續(xù)金屬 或金屬氧化物陰極集流體W及LiPON電解質(zhì)層使用時，可W采用厚的LiCo02陰極材料層。 上述固態(tài)電池結構表現(xiàn)為抵制陰極材料層的破裂，并且，即使出現(xiàn)裂紋，導致災難性故障的 可能性也要小得多。當不受理論限制時，認為玻璃或陶瓷基底、金屬或金屬氧化物陰極集流 體和陰極材料層（覆層）間的相互作用可減少初始破裂，而LiPON電解質(zhì)層則W某種方式 扮演"修復"角色，或當上述環(huán)境中的陰極材料層中裂紋發(fā)生時，轉而減緩或阻止電池的災 難性故障。
[0009] 防止固態(tài)薄膜電池的災難性故障特別重要。基于薄膜電池在小型設備或具有不容 易替換電池設計的設備中使用時的一些固有性質(zhì)，固態(tài)薄膜電池故障的災難性效應遠超過 電池本身的價值。諸如硬幣式或紐扣式電池等傳統(tǒng)電池毀壞時可W簡易地替換掉。然而， 如上所述的產(chǎn)品中的固態(tài)薄膜電池通常是整體固定連接到例如電路板或與一個或多個設 備諸如集成電路、電源、天線、顯示設備或多設備的組合整體結合在一起的。當固態(tài)薄膜電 池失效時，替換電池通常不是一種商業(yè)上可行的選擇。整個電池和設備組合產(chǎn)品會因此報 廢，意味著損失遠遠高于固態(tài)薄膜電池本身的經(jīng)濟價值。
[0010] 由于所述電池包含厚陰極，使得高能量密度的電池得W提供，該對于在小尺寸和 可靠性都受到高度重視的電子設備中使用而言，是有利的。
【附圖說明】
[0011] 結合于本申請并作為本申請的一部分的附圖示出了本發(fā)明的幾個方面，并且結合 幾個【具體實施方式】的描述用于解釋本發(fā)明的原理。W下是對該些附圖的簡要描述：
[0012] 圖1示出了本發(fā)明一個實施方式中電池的橫截面。
[0013] 圖2示出了本發(fā)明一個實施方式中雙面電池的橫截面。
[0014] 圖3示出本發(fā)明一個實施方式中電池的橫截面。
[0015] 圖4示出了本發(fā)明的一個實施方式，其中，采用單個陽極集流體聯(lián)合單個玻璃或 陶瓷基底W提供一種雙電池。
【具體實施方式】
[0016] 下面所述的本發(fā)明的實施方式并不旨在將本發(fā)明窮盡或限制為W下詳細描述中 所公開的確切形式。更確切的說，所選擇和所描述的實施方式的目的在于便于本領域其他 技術人員對本發(fā)明的原理和實踐了解和理解。
[0017] 參見圖1，薄膜電池10包括玻璃或陶瓷基底12;陰極集流體14處于玻璃或陶瓷基 底12之上；陰極16處于陰極集流體14之上；電解質(zhì)18將陰極16與陽極集流體20隔開；封 裝層22蓋住了電池，優(yōu)選為陰極觸點24和陽極觸點26提供通道的構造。在電池制造中可 選擇將陽極（此處未示出）作為電解質(zhì)18和陽極集流體20之間的一層。在本發(fā)明的一個 優(yōu)選實施方式中，薄膜電池單元起初設計為無陽極，但有陰極層，W作為裡離子源。在對本 實施方式的薄膜電池單元充電時，在電解質(zhì)和陽極集流體之間金屬裡經(jīng)電鍛形成陽極。可 選地，可通過在可容納層（未示出）中置入陽極材料而形成陽極層，從而形成陽極。在美國 專利第 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 號，W及美國公開號 2009/0214899 和 2007/0012244 中描述了薄 膜電池的實例，其均被結合到此處作為參考W達成本發(fā)明的所有目的，尤其是設及電池單 元組件的構造方法和材料選擇W及包含薄膜電池的設備的實施方式的方面。為本發(fā)明之目 的，"電池"或"電池單元"是指材料的建構，該些材料包括陰極集流體、陰極、電解質(zhì)、陽極和 陽極集流體的所有元素，或者設及包括除陽極W外的其他上述材料的建構，此種情形下，陽 極可在電池充電過程中通過電鍛或置入而生成。
[0018] 電池是建構在玻璃或陶瓷基底上，該基底的CTE為約7ppm/。K至約lOppm/。K。 為本發(fā)明之目的，熱膨脹系數(shù)（CT巧根據(jù)ASTMC372-94(2012)確定，并在25°C-800°C 的溫度范圍下測定。在一個實施方式中，玻璃或陶瓷基底的CTE為約7ppm/°K至約 8.5ppm/DK。
[0019] 在一個實施方式中，基底是由具有預期CTE特性的鋼巧娃酸鹽玻璃和棚娃酸鹽玻 璃制得的玻璃基底。在一個優(yōu)選的實施方式中，所述玻璃是經(jīng)過鋼化（tempered)而提高了 斷裂強度的玻璃。如美國專利第4, 218, 230號所述，玻璃可通過任意恰當?shù)姆椒▉礓摶?括加熱和/或加壓鋼化或化學鋼化，本申請將該專利結合于此作為參考。在一個實施方式 中，基底是包含金屬氧化物的陶瓷基底，該金屬氧化物選自娃、侶、棚、鋼、鐘、巧、儀、鋒、鋪 和鉆的氧化物。在一個實施方式中，陶瓷基底是無定形陶瓷（amorphousceramic)。在一個 實施方式中，基底是含侶量大于約99%的無定形陶瓷。
[0020] 為本發(fā)明之目的，基底被定義為支撐結構，該支撐結構不是電池單元的功能部分， 也不是絕緣保護膜。在一個實施方式中，玻璃或陶瓷基底是電池唯一的基底材料。僅用玻 璃作為基底有利于提供在整個電池中具有兼容CTE特性的電池組件，并且可通過去除不必 要的層而