[發明專利]具有可配置電輸出的儲電和/或發電元件堆疊的架構及制作這種架構的方法

有效

• 申請號: 201280032801.5
• 申請日: 2012-05-11
• 公開（公告）號: CN103650207A
• 公開（公告）日: 2014-03-19
• 發明（設計）人: S·奧卡西;R·薩洛特
• 申請（專利權）人: 原子能和替代能源委員會
• 主分類號: H01M2/20
• 分類號: H01M2/20;H01M2/26;H01M10/04;H01M10/052;H01M10/0585
• 代理公司: 北京派特恩知識產權代理事務所(普通合伙) 11270
• 代理人: 武晨燕;張穎玲

技術領域

本發明涉及電池（被稱為全固態電池）領域，尤其涉及由通過真空沉積技術所獲得的堆疊的薄膜或層組成的微電池。

背景技術

依照該領域慣用意義，將根據本發明的微電池定義為可再充電的全固態電化學發電機，該全固態電化學發電機為數十微米厚（通常為10到25μm），面積在幾平方毫米到幾平方厘米的范圍內，且均由多薄層堆疊而成，其中，一層為正極層，一層為負極層，一層為介于正極層和負極層之間的電解質層，其他層作為匯流條、保護性電絕緣體和封裝層。

除智能卡和被稱為射頻識別（RFID）的智能標簽之外，微電池的目標應用還包括在電子元件和微系統（特別地，當所述微系統具有機械性時，被稱作微機電系統（MEMS））內部時鐘的電源。

這些應用要求使用與在微電子領域中所用的工業方法兼容的技術來制作微電池操作所需的所有薄層。

微電池的許多應用要求其電氣特性得到改善，尤其在增大容量和輸出電壓方面。

在這點上，本發明具體涉及儲能器件和/或用于使用儲能元件來發電的器件和/或具有可配置的電輸出的發電器件。

更為具體地，根據本發明的儲電和/或發電元件為微電池，每個微電池在電絕緣支撐體上制成。

盡管針對微電池進行了詳細描述，但本發明還適用于由電池組成的儲電和發電元件和由盡量堆疊（尤其出于緊湊性的原因）的電池組成的發電元件，其中每個電池具有正極和負極。

現有技術：

目前已知的是堆疊的薄膜形式的“全固態”微電池。其工作原理是基于堿性金屬離子或質子在正極的插入和脫插（或嵌入/脫嵌）。主要的微電池系統使用鋰Li⁺離子作為其離子種類，該鋰Li⁺離子來自由金屬鋰制成的電極。微電池的所有部件，即匯流條、正負極、電解質和封裝，采用通過物理氣相沉積（PVD）或化學氣相沉積（CVD）而獲得的薄層的形式。堆的總厚度為數十微米，通常大約為15微米。

不同材料可用于以下部件：

-匯流條為金屬的，例如可以由Pt、Cr、Au、Ti、W或Mo制成，

-正極具體地可由LiCoO₂、LiNiO₂、LiMn₂O₄、CuS、CuS₂、WO_yS_z、TiO_yS_z或or?V₂O₅組成。根據所選擇的材料，可需要熱退火以提高薄膜的結晶及其插入特性。鋰氧化物（lithiated?oxide）尤其如此。但某些非晶態材料，尤其是氧硫化鈦，本質上允許鋰離子在無需這種熱退火處理的情況下進行高濃度插入，

-電解質必須為良好的離子導體和電子絕緣體，通常為由氧化硼、氧化鋰或鋰鹽制成的玻璃質（vitrous）材料。最為有效的電解質由磷酸鹽制成，如LiPON或LiSiPON，

-負極可為通過熱蒸發沉積得到的金屬鋰、含鋰的金屬合金又或者是插入化合物（SiTON、SnN_x、InN_x、SnO₂等）。也存在不含金屬鋰的微電池，其被稱為“無鋰”微電池。在這種情況下，沉積一阻擋鋰的金屬層。然后將鋰電鍍在該層上。

-封裝的作用在于保護有源堆隔離于外部環境，特別是濕氣。使用不同技術來進行封裝：使用薄層的封裝、使用共層壓（colaminates）（即同時對兩層進行層壓）方式封裝或由外殼來封裝。

此外，已知的是，微電池的電氣特性與構成材料的特性直接相關：

-由微電池傳送的電壓取決于正負極的材料以及在所述材料的晶體結構中插入鋰離子所用的技術。通常，由V₂O₅/Li制成的正/負極對提供1.5V到3.8V的電壓；由TiOS/Li制成的正/負極對提供1V到3V的電壓；由LiCoO₂/Li制成的正/負極對提供3V到4.2V的電壓，

-微電池中存儲的容量取決于插入電極材料的性質和數量。通常，對于由LiCoO₂制成的電極，體積容量為69μAh/cm².μm^-1；對于由TiOS制成的電極，體積容量為80μAh/cm².μm^-1。此外，材料的數量（即，本質上為給定恒定區域的厚度）與存儲容量之間的比例關系通常是非線性的。