[发明专利]碱金属薄膜元件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及碱金属薄膜元件以及制备碱金属薄膜元件的方法，具体而言，涉及用于锂电池等的锂金属薄膜元件以及制备该锂金属薄膜元件的方法。

背景技术

近年来，发展了许多小巧及轻便的电子设备，从而需要用于电子设备的电源更小巧及轻便。对于这种需求，使用锂金属作为负极的电池实用且引人注目。该电池中，希望降低锂金属的厚度，从而尽可能多地降低电池大小。

例如锂金属箔或薄片通过辊压制备。日本专利特许公开No.10-58007公开了该方法的一个例子，但厚度不小于20μm。此外，锂金属易于与水反应，当曝露于空气时，容易退化。

另一方面，已建议使用锂薄膜的固体二次电池。日本专利特许公开No.62-44960公开了固体二次电池的工艺，其中二硫化钛薄膜作为正极，Li₂O-Al₂O₃薄膜作为电解质，而Li薄膜作为负极，它们在离子群束蒸发系统中依次形成在基底上。此外，日本专利公开No.5-48582公开了用于该固体电池的电解材料。然而，与固体电池有关的这些文献并未提供利用锂单独制备负极的技术。

发明内容

本发明的目的是提供制备应用于电池的锂金属薄膜的技术。

本发明的另一目的是提供明显减薄、均匀形成以及不被空气退化的锂金属薄膜元件。

本发明人已发现20μm或更薄的锂金属薄膜可通过汽相沉积法形成，从而实现本发明。

按照本发明，提供一种碱金属薄膜元件，它包括基底以及通过汽相沉积法形成在基底上的薄膜，薄膜元件由从碱金属和碱金属合金组成的组中选择出的材料制成。

按照本发明的碱金属薄膜元件的厚度为0.1μm-20μm。为防止针孔的形成，优选薄膜的厚度至少0.1μm。优选薄膜厚度范围为0.1μm-20μm，更优选范围为1μm-10μm。

在按照本发明的碱金属薄膜中，平面内薄膜厚度的波动在±30％之内。换句话说，优选在膜的横截面上薄膜厚度的变化在薄膜平均厚度的±30％内。

在按照本发明的碱金属薄膜元件中，优选基底厚度1μm-100μm。基底可由从金属、合金、金属氧化物和碳组成的组中选择出的材料制成。优选基底由从铜、镍、铝、铁、铌、钛、钨、镁、金、银、铂、上述两种或多种金属构成的合金、和不锈钢组成的组中选择出的材料制成。

在本发明中，一般薄膜由从锂和锂合金组成的组中选择出的材料制成。尤其是，本发明涉及用于锂电池的电极元件。

按照本发明，提供制备碱金属薄膜元件的方法，包括通过汽相沉积法在基底上形成薄膜的步骤，薄膜由从碱金属和碱金属合金组成的组中选择出的材料制成。

例如，汽相沉积法是从溅射、真空蒸发、激光烧蚀和离子镀组成的组中选择出的方法的任一种。由于低真空下可发生由水分引起的碱金属薄膜的氧化或退化，汽相沉积法中的环境真空度优选1.33×10^-4Pa(1×10^-6Torr)或更低。在汽相沉积法中，形成薄膜的气氛优选由不与碱金属特别是锂反应的气体组成，包括氦、氖、氩、氪或上述两种或多种的混合气体。构成气氛的气体纯度优选至少99.99％，从而在锂金属薄膜中不发生由水分引起的退化。

例如锂的金属薄膜将沉积其上的基底可以是由金属、合金、金属氧化物如SnO₂、导电碳例如石墨等构成。作为所述金属或合金，可使用铜、镍、铝、铁、铌、钛、钨、铟、钼、镁、金、银、铂、上述两种或多种金属构成的合金、和不锈钢的任何一种。为降低锂电池等的大小，优选基底厚度最大100μm。为改善基底强度，优选基底厚度至少1μm。因此，基底厚度范围为1μm-100μm，为小型化而言，厚度范围可在1μm-20μm。

当用于形成薄膜的作为源材料的碱金属引入薄膜沉积系统时，以及当形成的碱金属薄膜从沉积系统取出时，不希望将源材料或碱金属薄膜曝露给空气，因为这种曝露会由水分导致源材料或薄膜的退化。因此，优选使用密封容器，从而源材料可以从在连接到薄膜沉积系统入口的室中的容器里取出，然后源材料可引入薄膜沉积系统。优选地，形成的碱金属薄膜也转移到在连接到薄膜沉积系统出口的室中的容器中，然后密封容纳膜的容器，从系统中取出，进入空气。