[發明專利]一種全固態薄膜鋰電池的制備方法

無效

• 申請號: 200810017623.4
• 申請日: 2008-03-06
• 公開（公告）號: CN101527362A
• 公開（公告）日: 2009-09-09
• 發明（設計）人: 劉文元
• 申請（專利權）人: 劉文元
• 主分類號: H01M6/18
• 分類號: H01M6/18;H01M10/38;C23C14/34;C23C14/06;C23C14/24
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司
• 代理人: 王少文

技術領域

本發明屬電化學技術領域，具體涉及一種以氮化鈷為正極的全固態薄膜鋰電池的制備方法。

背景技術

隨著動態隨機儲存器(DRAMS)、微傳感器以及微電機械系統(MEMS)等微電子器件朝微型化方向的發展，對支撐電源的體積、功率和工作電流都提出了特殊的要求，迫切要求有體積小、重量輕、比容量高的微型致密電源與其相匹配。以無機化合物材料作為電解質的全固態薄膜鋰電池可以很好的滿足這一要求。全固態薄膜鋰電池一般是由陰極薄膜、電解質薄膜和陽極薄膜三部分組成。其中部分氮化的磷酸鋰薄膜(LiPON)由于具有較高的鋰離子電導率、良好的電化學穩定性成為當前應用最為廣泛地無機鋰離子導體薄膜材料。根據采用陽極薄膜的不同，可將全固態薄膜鋰電池分為三類，第一類為傳統意義上的薄膜鋰電池，以金屬鋰薄膜作陽極；第二類為薄膜鋰離子電池，以氧化物或氮化物薄膜作陽極；第三類為薄膜“無鋰”(Li-Free)電池，直接以集電極作為“陽極”，通過首次充電在集電極上形成金屬鋰陽極薄膜。其中，以金屬鋰薄膜作陽極的全固態薄膜鋰電池以其循環性能優越受到了普遍關注。然而，當前的全固態薄膜鋰電池中的陰極薄膜材料一般采用LiCoO₂、LiMn₂O₄及Li_xV₂O₅等。該類材料存在制備工藝較為復雜的問題，而且在制備過程中一般需要高溫退火過程，而該退火過程將損害電子元器件，從而限制了全固態薄膜鋰電池在半導體行業中的應用。

發明內容

本發明的目的是提出一種新型的全固態薄膜鋰電池的制備方法，其解決了現有全固態薄膜鋰電池的制備工藝復雜且需要高溫退火過程的技術問題。

本發明的技術解決方案是：

一種全固態薄膜鋰電池的制備方法，其特殊之處是：包括以下步驟：

1]在基片表面沉積氮化鈷薄膜：

采用金屬鈷作為靶材，通過射頻磁控濺射的方法沉積氮化鈷薄膜，沉積時基片溫度小于100℃，直至氮化鈷薄膜的厚度為100nm～2.0μm；

2]在氮化鈷薄膜上沉積氮化的磷酸鋰薄膜：

采用磷酸鋰作為靶材，通過射頻磁控濺射的方法沉積氮化的磷酸鋰薄膜，直至氮化的磷酸鋰薄膜的厚度為1.0～2.5μm；

3]在氮化的磷酸鋰薄膜上沉積金屬鋰薄膜：

采用真空熱蒸發沉積，本底壓力為1×10^-4Pa，基片溫度為室溫，蒸發速率500～1000nm/min，直至金屬鋰薄膜的厚度為100nm～3μm。

上述射頻磁控濺射方法沉積氮化鈷薄膜的濺射條件為：本底壓力為1×10^-4Pa，靶到基片的距離為5cm，沉積薄膜前靶材要預先濺射30min，濺射氣氛為體積比3∶1的氬氣和氮氣的混合氣體，流速為20sccm，工作氣壓為1.0Pa，沉積功率為50～80W；沉積時基片溫度小于150℃；

上述射頻磁控濺射方法沉積氮化的磷酸鋰薄膜的濺射條件為：本底壓力為1×10^-4Pa，靶到基片的距離為7cm，沉積薄膜前靶材要預先濺射30min，濺射氣氛為純氮氣，流速為50sccm，工作氣壓為1.5Pa，沉積功率為30～150W，沉積時基片溫度小于150℃。

上述基片為不銹鋼片或鍍金屬的硅片。

本發明的全固態薄膜鋰電池具有以下優點：

1、在制備過程中氮化鈷薄膜、氮化的磷酸鋰薄膜以及金屬鋰薄膜不需要高溫退火處理等特殊工藝，在常溫下即可完成三種薄膜的制備，結構簡單，制備過程簡單。

2、該薄膜鋰電池比容量高。

3、該薄膜鋰電池的工作電位在0.5V～3.0V之間，充放電循環性能良好。

附圖說明

圖1是本發明全固態薄膜鋰電池循環伏安曲線；其中A為第一次充電的伏安曲線，B為第二次充電的伏安曲線，C為第三次充電的伏安曲線，圖中的掃描速率為0.2mV/s；

圖2是本發明全固態薄膜鋰電池充/放電曲線；

圖3是本發明全固態薄膜鋰電池結構示意圖，其中：1-基片，2-陽極薄膜，3-電解質薄膜，4-陰極薄膜。

具體實施方式