[发明专利]电化学设备以及阻挡层保护的基板

说明书

相关申请

本申请是2005年6月15日提交的、尚未转让的美国临时专利申请序列第60/690697号的部分后续申请，并根据35U.S.C.§120要求该申请的优选权；本申请涉及2005年8月23日提交的美国申请序列第11/209536号，并根据35U.S.C.§120要求该申请的优选权；这两份申请都通过参考结合于此。

发明领域

本发明涉及锂基固态薄膜二次电池组和原电池组的设备、组合物和制造领域，所述电池组具有提高的容量密度(capacity density)、能量密度以及功率密度，并且优选具有灵活的形状因数和晶体LiCoO₂、LiNiO₂、LiMn₂O₄阴极与衍生材料。

发明背景

以下段落描述薄膜电池组领域中主题技术的需求和进展。

可以通过在给定基板上例如按照以下顺序真空沉积分层的电池组组分来制造薄膜电池组：正阴极(positive cathode)集电极、正阴极、负阳极(negativeanode)集电极、电解质层(分隔层)、负阳极和包封层。可以采用层叠工艺来代替沉积工艺步骤(例如参见美国专利6916679，Wang等人的143J.Electrochem.Soc.3203-13(1996)或美国专利5561004)。薄膜电池组的两个末端可以任选地不仅包括正性和负性集电层极的延伸部分，还可以沉积有与对应的集电极电接触的末端触点。正阴极材料在沉积阶段的结晶度可能不够充分，从而表现出不充分的电化学性质(例如参见上述Wang等人的文献)。因此，可以在电池组制造过程中通过沉积后的高温(退火)工艺使正阴极发生结晶(例如参见上述Wang等人的文献，或者Bates等人，“Thin-Film LithiumBatteries”，New Trends in Electrochemical Technology：Energy StorageSystems for Electronics(T.Osaka & M.Datta编，Gordon and Breach，2000))。在正阴极沉积之后立刻进行的退火工艺可能对用于基板和正阴极集电层的材料选择造成限制，从而限制了薄膜电池组在单位体积和单位重量意义上的容量密度、能量密度和功率密度。以下进一步详细说明基板对这三个量的影响。

锂基固态薄膜二次电池组(可再充电的)和原电池组(不可再充电的)固有(即没有基板和包封层)的容量、能量和功率的体积和重量密度由正阴极材料的电容量、能量和功率的体积和重量密度决定。考虑到整体(非薄膜型)和薄膜电池组的容量、能量、功率的体积和重量密度以及可循环性，对于二次电池组的情况，还有晶体LiMn₂O₄、晶体LiMnO₂和晶体LiNiO₂的衍生物，晶体LiCoO₂是一种可供选择的正阴极材料的例子。已经发现，使用其他过渡金属(形成衍生物)例如Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、La、Hf、Ta、W和Re以及选自第1、2、13、14、15、16和17族的主族元素对这些主要的原始正阴极材料进行掺杂时，会改变LiCoO₂、LiMn₂O₄、LiMnO₂和LiNiO₂的性质，但是从整体上说，即使有改进也非常小。

根据美国专利6280875，Ti基板上的原生氧化钛的惰性尚不足以防止Ti基板和电池组组分之间发生有害反应。因为基板材料的选择限于能够在正阴极的退火步骤中形成原生表面氧化物的材料，所以这种途径受到严重的限制。除了本发明以外，尚未成功地将包括不会形成原生表面氧化物的挠性箔的金属基板用作薄膜电池组的基板。通过例如将高温阴极材料直接沉积到金属基板(包括挠性箔，除Zr以外)上，然后在例如700℃高温、在空气中退火1小时，来制造固态薄膜二次电池组，可能会导致正阴极和基板材料发生的有害反应达到使得正阴极失去作用的程度。而且，纯Ti和Zr基板也比较昂贵。

现有技术的薄膜电池组没有揭示在基板和电池组之间使用有效的阻挡层，以及从而提供潜在的相反观察资料。本发明的目的是，利用本发明具有亚层的阻挡层来克服现有技术薄膜电池组的某些困难问题。

发明概述

通过以下例子更详细描述的本发明的各个方面以及实施方式涉及提出了背景技术的某些欠缺以及相关工业中产生的需求。