[發明專利]鋰離子薄膜微電池及其制造方法

在審

• 申請號: 201780046957.1
• 申請日: 2017-07-28
• 公開（公告）號: CN110462889A
• 公開（公告）日: 2019-11-15
• 發明（設計）人: 達妮埃萊·佩雷戈;拉賈莫利·奧馬姆普利約爾·蘇瓦米納丹;黃家寶;邵陽;蔡維強;卡爾·韋內特·湯普森三世
• 申請（專利權）人: 麻省理工學院;新加坡國立大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/42;H01M4/02;H01M4/44;H01M4/58;H01M4/38;H01M4/48
• 代理公司: 44414 深圳中一聯合知識產權代理有限公司
• 代理人: 李艷麗<國際申請>=PCT/US2017

鋰離子薄膜微電池、微電池陣列、鋰離子薄膜微電池的制造方法和微電池陣列的制造方法。鋰離子薄膜微電池包括包含過渡金屬氧化物薄膜的無鋰陰極；包含鋰化的鍺或硅薄膜的陽極；以及設于所述陰極與陽極之間的電解質膜；其中，所述鋰離子薄膜微電池的鋰源由所述鋰化的鍺或硅薄膜提供。

對相關申請的交叉引用

本申請要求2016年7月29日提交的美國臨時申請No.62/368,231的優先權，其內容通過引用完全結合于本申請中用于各種用途。

技術領域

本發明大體上涉及鋰離子薄膜微電池及其制造方法，以及微電池陣列及其制造方法。

背景技術

微電子技術的進步降低了電子電路和微電機系統的功率要求，使得片上鋰離子薄膜微電池能夠用于環境傳感[1,2]、RFID[3]、智能卡[4]、物聯網(IoT)[5]、甚至是微型航天器[6]。當微電池直接與電子電路集成而不是單獨放置在印刷電路板(PCB)上時，可以實現更多的應用。

可以使用通常用于制造其它微系統的薄膜技術來制造微電池[7,8]。鋰離子薄膜微電池(TFM)通常包括含有含鋰過渡金屬氧化物等的陰極、通常由鋰金屬制成的陽極和由LiPON制成的固態電解質。

為了滿足對容量和性能的日益增長的需求，需要可以以簡單方式制造的鋰離子微電池的新概念。迄今為止，阻礙鋰離子微電池大規模商業化利用的關鍵問題有：(i)含鋰陰極材料的容量相對較低；(ii)使用純鋰金屬作為陽極時的安全問題；(iii)使用高容量陽極(Si)時可靠性降低；(iv)與CMOS工藝和平臺的可集成性。

本發明的實施例試圖解決上述需求中的一個或多個。

發明內容

根據本發明的第一方面，提供一種鋰離子薄膜微電池，包括：包含過渡金屬氧化物薄膜的無鋰陰極；包含鋰化的鍺或硅薄膜的陽極；以及設于所述陰極與陽極之間的電解質膜；其中，所述鋰離子薄膜微電池的鋰源由所述鋰化的鍺或硅薄膜提供。

根據本發明的第二方面，提供了一種微電池陣列，包括兩個以上的第一方面的鋰離子薄膜微電池。

根據本發明的第三方面，提供了一種制造鋰離子薄膜微電池的方法，包括：提供包含過渡金屬氧化物薄膜的無鋰陰極；提供包含鋰化的鍺或硅薄膜的陽極；以及提供設于所述陰極和所述陽極之間的電解質膜；其中，所述鋰離子薄膜微電池的鋰源由所述鋰化的鍺或硅薄膜提供。

根據本發明的第四方面，提供了一種制造微電池陣列的方法，包括使用第三方面的方法制造兩個以上鋰離子薄膜微電池。

附圖說明

參考詳細描述并結合考慮非限制性示例和附圖，將更好地理解本發明，其中：

圖1示出在Ar和O₂等離子體環境中沉積的用于示例性實施例中的RuO₂薄膜的輸出電壓與體積比容量。

圖2示出用于一示例性實施例中的Ge與Si的面積比容量的比較。

圖3(a)示出用于一示例性實施例中的使用純O₂等離子體濺射沉積的沉積態RuO_x薄膜的場發射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)頂視圖和截面(插入)圖像。

圖3(b)示出用于一示例性實施例中的使用純O₂等離子體沉積的RuO_x薄膜中(插入)的透射電子顯微鏡(TEM)亮視場橫截面圖像和選定區域電子衍射圖案(SAEDP)。