專利名稱：制造薄膜電化學(xué)能源的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造薄膜電化學(xué)能源的方法。本發(fā)明還涉及一種 薄膜電化學(xué)能源。本發(fā)明還涉及一種包括這種薄膜電化學(xué)能源的電氣 裝置。
背景技術(shù)：
根據(jù)本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)，制造薄膜電池包括如下步驟將第一電 極層沉積在襯底上(通常不導(dǎo)電)，將電解質(zhì)層沉積在第一電極上， 并將第二電極層沉積在電解質(zhì)層上，其中第一電極層與第二電極層中
之一是陽極材料而另一電極是陰極材料。這種層堆棧(襯底-陽極-電解質(zhì) 一陰極或者襯底-陰極-電解質(zhì)-陽極)可以重復(fù)，以得到一 系列電池的堆棧。通常，沉積方法包括化學(xué)和物理氣相沉積技術(shù)以及 sol-gel技術(shù)。各層沉積之后，通過施加一段時間的電流使得電池充電， 直到達到預(yù)先確定的電池充電電平。
典型例子是鋰離子電池，其由材料層組成，其中典型的陽極材料 是金屬鋰(Li)，而陰極材料是諸如LiCo02的材料。沉積之后，電池 經(jīng)歷靜電充電過程，在該過程中電池被充電以便使用。對電池充電是 花費時間的過程。電池堆棧中的缺陷在充電之后或者充電過程中可能 變得明顯。沒有所需規(guī)范的電池通常不得不被丟棄。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是克服上述缺點。
本發(fā)明的目標(biāo)通過一種制造薄膜電化學(xué)能源的方法來實現(xiàn)，該方 法包括如下步驟將第一電極層沉積在襯底上，將電解質(zhì)層沉積在第 一電極上，并將笫二電極層沉積在電解質(zhì)層上，其中笫一電極層與第 二電極層中之一是陽極材料而另一電極是陰極材料，其特征在于，陽 極材料和陰極材料被沉積為充電狀態(tài)下的材料，形成充電的電池堆棧。 由于得到的薄膜電池已經(jīng)被充電，所以省略了對電池充電的處理步驟， 因此該方法比現(xiàn)有方法快。除了構(gòu)成功能電池的這些基本層(陽極、 電解質(zhì)、陰極)，其它功能層也可被沉積在這些層之間。該方法的產(chǎn) 品優(yōu)選地提供了被完全充電的電池，但也可以是部分充電的，以便達
4到根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)點。電池的層堆棧序列(襯底-陽極-電解質(zhì)-陰 極或者襯底-陰極-電解質(zhì)-陽極)可以重復(fù)，以得到電池組堆棧。 電池可以是二維或三維的層系統(tǒng)。優(yōu)選地，電化學(xué)能源是可再充電的 電池系統(tǒng)。
優(yōu)選地，在沉積了至少一個電極層之后，所形成層或?qū)佣褩５闹?少一個電特征被測量。電特征通常包括電勢和電阻。這樣，沉積的層 或?qū)佣褩Ｖ械娜毕菘梢栽谥T如應(yīng)用附加層的任何進一步的處理步驟執(zhí) 行之前而被檢測。如果該缺陷被確定為大于預(yù)先確定的閾值，則電池 可以在任何進一步的處理步驟執(zhí)行之前而被丟棄。這樣，可以制造高 質(zhì)量的產(chǎn)品，以及提高工作流程和材料使用的效率。根據(jù)本領(lǐng)域現(xiàn)有 技術(shù)，對于未充電的電極材料，需要外部電源來檢測層的缺陷，這樣 復(fù)雜得多。
優(yōu)選地，本方法被應(yīng)用在裝置制造中，其中該裝置的功能在制造 過程中利用來自裝配好的薄膜電化學(xué)能源的能量而被檢測。這樣，檢 查裝置或裝置各部分的功能并一步一步地監(jiān)視生產(chǎn)相對容易。該方法 使得可以及時校正裝置缺陷，和/或從生產(chǎn)線上提前拆除有缺陷的樣本。 這樣可節(jié)約時間和材料，并獲得更加可靠的裝置。特別是諸如微處理 器的昂貴部分可被節(jié)省下來用在正確工作的裝置，而不是用在制造過 程中被注意到缺陷的裝置中。
在優(yōu)選實施例中，該裝置從包括如下內(nèi)容的組中選擇照明裝置、 可移植裝置、助聽器、傳感器裝置和DC/DC轉(zhuǎn)換器。在這些裝置中， 可靠性是特別重要的。
如果薄膜電化學(xué)能源是鋰離子電池則是有益的，其中陽極被沉積 為富鋰材料，而陰極被沉積為缺鋰材料。鋰離子電池具有相對較高的 能量密度。對鋰離子可重復(fù)充電電池充電會花費大量的時間，通過使 用根據(jù)本發(fā)明的方法可節(jié)省這一時間。富鋰陽極材料或缺鋰陰極材料 的沉積可通過本領(lǐng)域公知的沉積方法來實現(xiàn)。富鋰陽極材料例如可以 是包含預(yù)先確定的鋰濃度的金屬鋰(Li)、鋰鋁合金(Li-Al)或者鋰 錫合金(Li-Sn)。缺鋰陰極材料例如可以是Li(uMn02、 LixM02、 LixV205，其中出現(xiàn)非常低水平的鋰離子，通常x-0.1或更低。電解質(zhì) 層通常包括固體電解質(zhì)，該固體電解質(zhì)中包含移動鋰離子。
優(yōu)選地，富鋰陽極材料是LixSi，其中x從l到4.4。各種沉積方法適用于獲得這種層，然而，最優(yōu)選的方法是在超高真空中蒸發(fā)預(yù)先確 定數(shù)量的金屬鋰和元素硅(電子束沉積)。
如果缺鋰陰極材料是LiyCo02，其中y從0.5到0.6，則是優(yōu)選的。 這種材料也可方便地用各種方法沉積。優(yōu)選方法是濺射具有想要成分 的LiyCo02粉末，優(yōu)選地使用DC或RF磁控賊射。
用LixSi作為富鋰陽極材料和用LiyCo02作為缺鋰陰極材料的組合 是特別有益的。
在另一優(yōu)選實施例中，薄膜電化學(xué)能源是金屬氫化物電池，其中 陽極被沉積為金屬氫化物，而陰極被沉積為金屬氫氧化物。電解質(zhì)通 常包括能夠?qū)渥鳛闅浠镪庪x子或質(zhì)子傳送的固體電解質(zhì)。各種陽 極電極材料適用于例如LaNi5或者MgNi2。滲氬(hydrogen-charged ) 形式的這些材料易于在層的合成之后通過氫化作用獲得，或者在氫-氬 (H2/Ar)氣氛中通過反應(yīng)濺射法獲得。
如果金屬氫化物是鎂鈦氫化物則是優(yōu)選的。鎂鈦氫化物(MgTiHx) 利用例如高真空下金屬鎂和鈦的蒸發(fā)并繼之以氫化作用，或者通過在 氫-氬(H2/Ar)氣氛中進行反應(yīng)濺射法而方便地沉積。
優(yōu)選地，金屬氫氧化物是氫氧化鎳。氫氧化鎳(Ni(OOH))例如通 過sol-gel沉積方法而方《更地沉積。
本發(fā)明還提供通過根據(jù)本發(fā)明的方法獲得的薄膜電化學(xué)能源。這 種電池具有便于在裝配時使用的優(yōu)點。通過層質(zhì)量控制獲得的電池， 如上所述的電特征的槽確定，具有比公知電池改善的可靠性。并且， 由于省略了沒有用的對缺陷部分的進一步處理，根據(jù)本發(fā)明的電池成 本低于^S知電池。
本發(fā)明進一步提供包括根據(jù)本發(fā)明的薄膜電化學(xué)能源的電氣裝 置。由于改善的電池質(zhì)量以及利用預(yù)先充電的電池能量在制造過程中 監(jiān)視裝置的裝配，這種裝置具有勝于已知裝置的可靠性。
這些優(yōu)點對于其中在裝置中集成有薄膜電化學(xué)能源的裝置來說是 最為突出的。
現(xiàn)在將通過下面的非限制例子來進一步闡釋本發(fā)明。


圖la和lb示出了根據(jù)本發(fā)明準(zhǔn)備的薄膜電池。
具體實施方式
圖la示出了二維電池，由陽極層2、電解質(zhì)層3和陰極層4組成。 該電池l通過首先將陰極材料4(Li(K5Co02)沉積在襯底5上，然后沉 積電解質(zhì)層3和由Li4Si構(gòu)成的陽極層(2)來制備。得到的電池在沒 有充電步驟的情況下被準(zhǔn)備好使用。在現(xiàn)有技術(shù)中，鋰離子應(yīng)當(dāng)首先 被電化學(xué)地從包含陰極材料的鋰傳送到陽極(Si)層，得到Li4Si陽極。 根據(jù)本發(fā)明在所述方法中省略了該額外的步驟，導(dǎo)致時間效率提高。 在堆棧頂部，采用集電器6。陽極層2和陰極層4的相對位置是任意的， 并且可以顛倒過來而不會對生產(chǎn)過程造成影響。堆棧層的電特征可以 用已知技術(shù)來測量。
圖lb與圖la相同，利用相對應(yīng)的附圖標(biāo)記，但不同的是堆棧l， 包括幾個串聯(lián)的如圖la所示的重復(fù)單元。生產(chǎn)過程中，可通過測量諸 如電阻的電特征來檢查堆棧l，的缺陷。還可以當(dāng)僅僅部分堆棧層被沉 積時進行電特征的測量，例如在每個電池單元沉積之后。不需要外部 電源用于這些檢查，因為電池本身能夠提供必須的能量。如果電池堆 棧不滿足預(yù)先確定的需要，則可從生產(chǎn)周期取出，以便節(jié)約可能無用 的進一步的處理步驟。這樣，相對于本領(lǐng)域公知的方法來說節(jié)省了時 間，在電池堆棧中的任何缺陷變得明顯之前，全部處理以及耗費時間 的充電步驟都是必需的。
在另一應(yīng)用中，包含充電陽極和陰極材料的完全電池在制造過程 中可被立即用于檢測裝置或裝置組件。這樣，設(shè)備中的缺陷可被及時 檢測，并且缺陷被修補或有缺陷的部分被丟棄。這種方法在其中集成 有電池的裝置中特別有用。
對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，所給出的本發(fā)明的很多變化和應(yīng)用是可 以實現(xiàn)的。
權(quán)利要求
1、一種制造薄膜電化學(xué)能源的方法，包括如下步驟-將第一電極層(4，4’)沉積在襯底上(5)上，-將電解質(zhì)層(3，3’)沉積在第一電極(4，4’)上，和-將第二電極層(2，2’)沉積在電解質(zhì)層(3，3’)上，其中第一電極層(4，4’)與第二電極層(2，2’)中之一是陽極材料而另一電極是陰極材料，其特征在于，陽極材料和陰極材料被沉積為充電狀態(tài)的材料，形成充電的電池堆棧。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其特征在于，在沉積至少一個電極層(2，2，，4，4，)之后，所形成的層或?qū)佣褩?l，l，)的至少一個電特征被測量。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，該方法被應(yīng)用在裝置制造中，其中裝置的功能在制造過程中利用來自裝配好的薄膜電化學(xué)能源的能量而被檢測。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于，該裝置從包括如下內(nèi)容的組中選擇照明裝置、可移植裝置、助聽器、傳感器裝置和DC/DC轉(zhuǎn)換器。
5、 根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，薄膜電化學(xué)能源是鋰離子電池，其中陽極被沉積為富鋰陽極材料，而陰極被沉積為缺鋰陰極材料。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于，富鋰材料是LixSi,其中x從l到4.4。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5或6的方法，其特征在于，缺鋰陰極材料是LiyCo02，其中y從0.5到0.6。
8、 根據(jù)前述權(quán)利要求l-4中任意一項的方法，其特征在于，薄膜電化學(xué)能源是金屬氫化物電池，其中陽極被沉積為金屬氫化物，而陰極被沉積為金屬氫氧化物。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于，金屬氫化物是鎂鈦氫化物。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8或9的方法，其特征在于，金屬氫氧化物是氫氧化鎳。
11、 可通過根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求的方法獲得的薄膜電化學(xué)能源。
12、 包括根據(jù)權(quán)利要求11的薄膜電化學(xué)能源的電氣裝置。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12的電氣裝置，其特征在于，薄膜電化學(xué)能源凈皮集成在該裝置中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制造薄膜電化學(xué)能源的方法。本發(fā)明還涉及一種薄膜電化學(xué)能源。本發(fā)明還涉及一種包括這種薄膜電化學(xué)能源的電氣裝置。本發(fā)明允許能夠更快更高效地制造薄膜電池和包含這種電池的裝置。
文檔編號H01M10/04GK101485031SQ200780025405
公開日2009年7月15日 申請日期2007年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月3日
發(fā)明者F·A·C·M·斯庫夫斯, F·魯澤布姆, P·H·L·諾坦, R·A·H·尼森 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司