[發明專利]激光圖案化的薄膜電池

在審

• 申請號: 201580055121.9
• 申請日: 2015-09-04
• 公開（公告）號: CN106797056A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 秉·圣·利奧·郭;宋道英
• 申請（專利權）人: 應用材料公司
• 主分類號: H01M10/0585
• 分類號: H01M10/0585;H01M10/04;H01M4/04;H01M4/64
• 代理公司: 北京律誠同業知識產權代理有限公司11006
• 代理人: 徐金國,趙靜

相關申請案的交叉引用

本申請主張于2014年9月4日提交申請的第62/046,051號美國臨時申請案的權益。

技術領域

本公開內容的實施方式一般涉及電化學器件和制造電化學器件的方法，具體而言，但不排他的，本公開內容的實施方式涉及激光圖案化的薄膜電池。

背景技術

薄膜電池(thin film battery；TFB)可包含多層的薄膜堆疊，所述多層的薄膜堆疊包括集電體、陰極(正電極)、固態電解質和陽極(負電極)。具有卓越性能的TFB已經預計將在未來幾年主導μ能源(μ-energy)應用空間。然而，仍有需要克服的挑戰以允許TFB的具有成本效益的大批量制造(high volume manufacturing；HVM)。最關鍵的是，需要對在器件層沉積期間使用的當前最先進的TFB器件圖案化技術(即蔭罩(shadow mask))進行替換。存在與在HVM中使用的蔭罩工藝相關聯的顯著復雜性和成本：(1)在設備中需要顯著的資本投資用于管理、精確對準和清洗掩膜，尤其用于大面積基板；(2)由于不得不在蔭罩的邊緣下容納沉積，因此存在基板面積的不良使用；以及(3)對PVD(Physical Vapor Deposition；物理氣相沉積)工藝存在約束(低功率和溫度)，以便避免熱膨脹引起的對準問題。

替換蔭罩的常見方法之一是使用光刻技術，但是此技術不僅顯著增加成本，而且對TFB制造流程帶來不良的濕式化學品，以及從TFB層材料與光刻化學品、濕式化學品，蝕刻和干灰工藝之間的化學和物理相互作用帶來的電位層與器件效能的劣化。

顯然，需要一種TFB結構和制造方法，從而可通過實現簡化的、與HVM更加相容的TFB工藝技術以顯著降低TFB的HVM的成本。

發明內容

本公開內容的一些實施方式關于諸如薄膜電池(thin film battery；TFB)的電化學器件、制造電化學器件的方法和被構造以用于實施這些方法的工具。

根據一些實施方式，薄膜電池可包含：基板；基板上的陰極集電體層和陽極集電體層，所述陰極集電體層與所述陽極集電體層彼此電氣隔離；陰極集電體層上的陰極層，其中陰極集電體層的接觸區域未被陰極層覆蓋；電解質層，完全覆蓋陰極層的頂表面并覆蓋陽極集電體層的一部分，其中陽極集電體的未被覆蓋的部分為陽極集電體的接觸區域；電解質層和陽極集電體上的陽極層，其中陽極集電體的陽極接觸區域的一部分未被陽極層覆蓋，且其中電解質層中的電氣絕緣緩沖區域未被陽極層覆蓋，所述電氣絕緣緩沖區域位于陰極集電體層的接觸區域與陽極層之間，用于使鄰近于陰極集電體的接觸區域的陰極層的邊緣與陽極層的邊緣電氣隔離。

根據一些實施方式，制造薄膜電池的方法可包含：在基板上毯覆沉積(blanket deposition)集電體層和陰極層；激光晶粒圖案化(laser die patterning)集電體層和陰極層以形成陰極集電體和陽極集電體，并激光剝蝕陰極層的多個部分以露出陰極集電體的接觸區域并暴露全部的陽極集電體，以形成第一圖案化堆疊；在第一圖案化堆疊上方毯覆沉積電解質層；激光剝蝕電解質層的一部分以暴露陽極集電體的接觸區域，以形成第二圖案化堆疊；在第二圖案化堆疊上方毯覆沉積陽極層和初始保護層；在集電體層和陰極層的激光晶粒圖案化的晶粒圖案內激光晶粒圖案化電解質層、陽極層和初始保護層；激光剝蝕初始保護層、陽極層和電解質層的多個部分以露出陰極集電體的接觸區域，并激光剝蝕初始保護層、陽極層和電解質層的厚度的一部分以在電解質層中形成電氣絕緣緩沖區域，以使鄰近于陰極集電體的接觸區域的陰極層的激光切割邊緣與圖案化陽極的激光切割邊緣電氣隔離，和激光剝蝕初始保護層和電解質層的一部分以露出陽極集電體的接觸區域，以形成第三器件堆疊。