專利名稱：一種全固態(tài)薄膜鋰電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬電化學技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以氮化鈷為正極的全固態(tài)薄膜鋰 電池。
背景技術(shù)：
隨著動態(tài)隨機儲存器(DRAMS)、微傳感器以及微電機械系統(tǒng)(MEMS)等微 電子器件朝微型化方向的發(fā)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(zhì)的全固態(tài)薄膜鋰電池可以很好的滿足這一要 求。全固態(tài)薄膜鋰電池一般是由陰極薄膜、電解質(zhì)薄膜和陽極薄膜三部分組成。 其中部分氮化的磷酸鋰薄膜(LiP0N)由于具有較高的鋰離子電導(dǎo)率、良好的電 化學穩(wěn)定性成為當前應(yīng)用最為廣泛地無機鋰離子導(dǎo)體薄膜材料。根據(jù)采用陽極 薄膜的不同，可將全固態(tài)薄膜鋰電池分為三類，第一類為傳統(tǒng)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(tài)薄膜鋰電池以其循環(huán)性能優(yōu)越受到了普遍關(guān)注。然而，當前的全固態(tài)薄 膜鋰電池中的陰極薄膜材料一般采用LiCo02、 LiMnA及LixVA等。該類材料存 在制備工藝較為復(fù)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(tài)薄膜鋰電池在半導(dǎo)體行業(yè)中的 應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種新型的全固態(tài)薄膜鋰電池，其解決了現(xiàn)有全固態(tài) 薄膜鋰電池的比容量低、制備成本高的技術(shù)問題。 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是-
一種全固態(tài)薄膜鋰電池，包括基片、設(shè)置在基片上的陽極薄膜、設(shè)置在陽
極薄膜上的電解質(zhì)薄膜以及設(shè)置在電解質(zhì)薄膜上的陰極薄膜，其特殊之處是所述陽極薄膜為氮化鈷薄膜，所述電解質(zhì)薄膜為氮化的磷酸鋰薄膜，所述陰極 薄膜為金屬鋰薄膜。
上述基片為不銹鋼片或鍍金屬的硅片。
上述陽極薄膜為射頻磁控濺射法制備的氮化鈷薄膜；所述電解質(zhì)薄膜為射 頻磁控濺射法制備的氮化的磷酸鋰薄膜。
上述陽極薄膜的厚度為100nm 2. 0Wn，所述電解質(zhì)薄膜的厚度為1. 0 2. 5to。
上述陽極薄膜的厚度為0. 6Mm，所述電解質(zhì)薄膜的厚度為1. 6Mm。 上述陰極薄膜的厚度為2. 5Mm。 本發(fā)明的全固態(tài)薄膜鋰電池具有以下優(yōu)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(jié)構(gòu)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(huán)性能良好。


圖1是本發(fā)明全固態(tài)薄膜鋰電池循環(huán)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(fā)明全固態(tài)薄膜鋰電池充/放電曲線；
圖3是本發(fā)明全固態(tài)薄膜鋰電池結(jié)構(gòu)示意圖，其中卜基片，2-陽極薄膜， 3-電解質(zhì)薄膜，4-陰極薄膜。
具體實施例方式
本發(fā)明全固態(tài)薄膜鋰電池(C0Nx/LiPON/Li薄膜電池)采用直徑為50mm的 金屬鈷作為濺射靶材，通過射頻磁控濺射的方法在不銹鋼(SS)基片1上沉積氮 化鈷(CoNx)薄膜作為陽極薄膜2，濺射條件為本底壓力為1X10—4Pa,耙到基片 l的距離為5cm，沉積薄膜前靶材要預(yù)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60W。 沉積速率為300nm/h，連續(xù)沉積2h，即可獲得厚度約為0. 6Wn的氮化鈷薄膜。采用磁控濺射的方法在已沉積好的氮化鈷薄膜上繼續(xù)沉積磷酸鋰(LiPON)薄膜 作為電解質(zhì)薄膜3，濺射條件為本底壓力為1X10—4Pa，靶到基片1的距離為 7cm，沉積薄膜前靶材要預(yù)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60W，沉積速率為100nm/h，連續(xù)沉積16h，即 可獲得厚度約為1.6Mm的氮化的磷酸鋰薄膜。在已沉積好的氮化的磷酸鋰薄膜 上繼續(xù)沉積金屬鋰薄膜，采用真空熱蒸發(fā)沉積，本底壓力為1X10—4Pa，基片溫 度為室溫，蒸發(fā)速率約為800nm/min，直至金屬鋰薄膜的厚度為2. 5Mm。
本發(fā)明薄膜電池的電化學性能測試在充氬氣的干燥箱內(nèi)通過CHI電化學工 作站進行。測試時金屬鋰薄膜同電化學工作站的正極相連，不銹鋼基片1同負 極相連。本發(fā)明薄膜鋰電池表現(xiàn)出了良好的電化學性能，見圖l。首次放電時， 在0. 8V附近出現(xiàn)了不可逆的陰極還原峰，充電時在2. OV附近出現(xiàn)了氧化峰； 隨后循環(huán)則為可逆過程，在2.0V出現(xiàn)氧化峰、在1.3V出現(xiàn)還原峰。圖2的充、 放電循環(huán)性能曲線表明，本發(fā)明薄膜電池具有非常好的循環(huán)性能。
權(quán)利要求
1、一種全固態(tài)薄膜鋰電池，包括基片(1)、設(shè)置在基片(1)上的陽極薄膜(2)、設(shè)置在陽極薄膜(2)上的電解質(zhì)薄膜(3)以及設(shè)置在電解質(zhì)薄膜(3)上的陰極薄膜(4)，其特征在于所述陽極薄膜(2)為氮化鈷薄膜，所述電解質(zhì)薄膜(3)為氮化的磷酸鋰薄膜，所述陰極薄膜(4)為金屬鋰薄膜。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的全固態(tài)薄膜鋰電池，其特征在于所述基片(1) 為不銹鋼片或鍍金屬的硅片。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的全固態(tài)薄膜鋰電池，其特征在于所述陽極薄膜(2)為射頻磁控濺射法制備的氮化鈷薄膜；所述電解質(zhì)薄膜(3)為射頻磁控濺射法制備的氮化的磷酸鋰薄膜。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的全固態(tài)薄膜鋰電池，其特征在于所述陽極薄膜 (2)的厚度為100nm 2. 0Mm，所述電解質(zhì)薄膜(3)的厚度為1. 0 2. 5Mm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的全固態(tài)薄膜鋰電池，其特征在于所述陽極薄膜 (2)的厚度為0.6Mm，所述電解質(zhì)薄膜(3)的厚度為1. 6Pm。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的全固態(tài)薄膜鋰電池，其特征在于所述陰極 薄膜(4)的厚度為2.5剛。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種全固態(tài)薄膜鋰電池，解決了現(xiàn)有全固態(tài)薄膜鋰電池的比容量低、制備成本高的技術(shù)問題。包括基片、設(shè)置在基片上的陽極薄膜、設(shè)置在陽極薄膜上的電解質(zhì)薄膜以及設(shè)置在電解質(zhì)薄膜上的陰極薄膜，陽極薄膜為氮化鈷薄膜，電解質(zhì)薄膜為氮化的磷酸鋰薄膜，陰極薄膜為金屬鋰薄膜。具有結(jié)構(gòu)簡單，制備過程簡單，比容量高，充放電循環(huán)性能良好的優(yōu)點。
文檔編號H01M10/38GK101527361SQ20081001762
公開日2009年9月9日 申請日期2008年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月6日
發(fā)明者劉文元 申請人:劉文元