[發(fā)明專利]LiCoO2的沉積

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200580042305.8
• 申請日: 2005-12-07
• 公開（公告）號: CN101073171A
• 公開（公告）日: 2007-11-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張紅梅;理查德·E·德馬雷;邵梅
• 申請（專利權(quán)）人: 希莫菲克斯公司
• 主分類號: H01M6/40
• 分類號: H01M6/40;H01M6/12;H01M4/48
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司
• 代理人: 王旭

相關(guān)申請

本發(fā)明要求下列臨時(shí)申請的優(yōu)先權(quán)：2005年2月8日由Hongmei?Zhang和Richard?E.Demaray提交的臨時(shí)申請60/651,363；和2004年12月8日由相同的發(fā)明人提交的臨時(shí)申請60/634,818，每一份臨時(shí)申請的全部內(nèi)容都通過引用結(jié)合在此。

發(fā)明背景

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及薄膜固態(tài)電池，具體而言，涉及用于電池制造的LiCoO₂膜和層的沉積。

相關(guān)技術(shù)的論述

固態(tài)薄膜電池典型地通過將薄膜層疊在襯底上使得所述膜協(xié)同產(chǎn)生電壓而形成。所述薄膜典型地包含集電極、陰極、陽極和電解質(zhì)。可以使用包括濺射和電鍍的多種沉積方法沉積所述薄膜。適于這種應(yīng)用的襯底常規(guī)上是能夠在空氣中經(jīng)受至少一次高達(dá)約2小時(shí)的至少700℃的高溫退火處理，以使LiCoO₂膜結(jié)晶的高溫材料。這種襯底可以是具有合適結(jié)構(gòu)和材料性能的任何適合的材料，例如在LiCoO₂的存在下經(jīng)受后續(xù)高溫處理的半導(dǎo)體晶片、金屬片(例如鈦或鋯)、陶瓷如氧化鋁或其它材料，所述LiCoO₂可以在這些溫度循環(huán)過程中與用于電池的大多數(shù)材料經(jīng)受顯著的界面反應(yīng)。

人們已經(jīng)將除LiCoO₂以外的其它含鋰的混合金屬氧化物評價(jià)為結(jié)晶能儲存陰極材料，其包含Ni、Nb、Mn、V并且有時(shí)還包含Co，而且包含其它過渡金屬氧化物。典型地，以非晶態(tài)形式沉積所述陰極材料，然后在退火處理中加熱所述材料以形成結(jié)晶材料。在LiCoO₂中，例如，在700℃以上的退火將沉積的非晶膜轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)。然而，這種高溫退火嚴(yán)重限制了可以用作襯底的材料，誘導(dǎo)與含鋰陰極材料的破壞性反應(yīng)，并且通常需要使用昂貴的貴金屬如金。這些高熱預(yù)算的方法(即，長時(shí)間周期的高溫)與半導(dǎo)體或MEM器件加工不相容，并且限制了襯底材料的選擇，增加成本并且降低這些電池的產(chǎn)量。

已知可以實(shí)現(xiàn)非晶LiCoO₂在貴金屬上的結(jié)晶。在Kim等中論述了這種結(jié)晶的一個(gè)實(shí)例，其中如x射線衍射數(shù)據(jù)顯示，在貴金屬上的LiCoO₂非晶層在700℃的20分鐘常規(guī)爐退火實(shí)現(xiàn)了LiCoO₂材料的結(jié)晶。Kim，Han-Ki和Yoon，Young?Soo，″Characteristics?of?rapid-thermal-annealed?LiCoO₂，cathodefilm?for?an?all-solid-state?thin?film?microbattery，″J.Vac.Sci.Techn.A22(4)，2004年7月/8月。在Kim等中，在沉積于高溫MgO/Si襯底上的鉑膜上沉積LiCoO₂膜。在Kim等中表明，這些結(jié)晶膜能夠構(gòu)成功能性全固態(tài)Li⁺離子電池的含Li⁺離子陰極層。

有很多參考文獻(xiàn)都公開了一種能夠提供LiCoO₂膜的離子束輔助方法，所述LiCoO₂膜通過小角x射線衍射(XRD)顯示出一些可觀察到的結(jié)晶組成。在美國專利申請09/815,983(公布號US2002/001747)、09/815,621(公布號US2001/0032666)和09/815,919(公布號US2002/0001746)中找到了這些膜的一些實(shí)例。這些參考文獻(xiàn)公開與沉積源并行使用第二前側(cè)離子束或其它離子源以在襯底表面獲得離子通量與LiCoO₂蒸氣通量的交迭區(qū)。這些參考文獻(xiàn)沒有一份公開了在沉積過程中的膜溫度數(shù)據(jù)或膜的其它溫度數(shù)據(jù)以支持低溫處理的主張。

很難通過濺射材料層或通過使用離子通量的轟擊形成均勻的沉積。使用來自相對于襯底占據(jù)不相同的位置和范圍的兩種源的兩種均勻的同步分布，極大地增加在實(shí)現(xiàn)均勻的材料沉積中所涉及的困難。這些參考文獻(xiàn)沒有公開薄膜電池的可靠制造所需的均勻的材料沉積。人們對有利于電池產(chǎn)品的材料均勻性的良好認(rèn)識的規(guī)定是5％的1-∑(one-sigma)的材料均勻性是在薄膜制備中的標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)現(xiàn)約86％具有這種均勻性的膜對于電池制造是可接受的。

還更困難的是按襯底比例來制造如200mm或300mm的尺度。實(shí)際上，在使用濺射沉積以及離子束沉積的上述討論的參考文獻(xiàn)中，只公開了小面積的靶和小面積的襯底。這些參考文獻(xiàn)公開了唯一的可行性結(jié)果。在這些參考文獻(xiàn)中沒有公開由兩種獨(dú)立的前側(cè)源(front?side?source)實(shí)現(xiàn)均勻的分布的方法。