[发明专利]电化学能源及制作该电化学能源的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电化学能源，包括：衬底以及沉积在所述衬底上的至少一个叠层，该叠层至少包括有源层：阳极、阴极以及分隔所述阳极和所述阴极的中间固态电解质。本发明还涉及设置有根据本发明的电化学能源的电子器件。本发明进一步涉及用于制作根据本发明的电化学能源的方法，包括步骤：A)沉积至少一个叠层，该叠层沉积在衬底上，该叠层至少包括下述有源层：阳极、阴极以及分隔所述阳极和所述阴极的中间固态电解质。

背景技术

基于固态电解质的电化学能源在本领域中是已知的。这些(平面)能源或者“固态电池”有效地将化学能转变为电能且可以用作便携电子器件的电源。这些电池可以小规模地用于向例如微电子模块，更具体地集成电路(IC)供应电能。这种电池的例子披露于国际专利申请WO2005/027245，其中固态薄膜电池，特别是锂离子电池，直接制作在设置有多个缝或槽的结构化硅衬底上，其中电子传导阻挡层以及硅阳极、固态电解质和阴极的叠层作为有源层连续地沉积。该缝或槽设置于衬底内以增加该叠层的不同部件之间的接触表面面积，从而改善电池的额定容量。该结构化衬底可包括一个或多个电子部件以形成所谓的系统上芯片(system-on-chip)。阻挡层用于抵制向所述衬底插入(intercalating)锂的扩散，该扩散将引起该电化学能源的存储容量显著减小。尽管与传统固态电池相比这种已知电池通常呈现优异的性能，不过这种已知电池存在诸多缺点。已经发现这种已知电池的主要缺点为，由于叠层的有源层的沉积顺序和/或层材料的非最优选择，叠层的有源层通常容易退化。一个或多个有源层的这种退化可表现为，这些有源层可能分解，可能与相邻有源层反应而形成具有不良性能的界面层和/或可能(再)结晶而形成具有不希望性能的相。

本发明的目的是提供一种相对稳定的电化学能源。

发明内容

该目的可以通过提供根据导言的电化学能源来实现，其特征在于，在该叠层的后成有源层之前沉积的该叠层的各有源层具有比该后成有源层的退火温度高的退火温度。已经发现，从现有技术已知的传统能源中有源层的退化经常是在有源层沉积尤其是在较高退火温度下进行的退火(也称为固化)过程中引起的，该较高退火温度容易使已经沉积在衬底上且在较低退火温度下退火的相邻有源层过热并因此退化。较早沉积的该叠层的有源层的这种过热会导致这些层的分解，使得这些层与其他相邻层反应而形成具有不良性能的有害界面层，和/或使得这些层(再)结晶而形成具有不期望性能的相。通过调整不同有源层的退火温度，并因此同样将有源层调整为连续顺序，可以以较有效的方式防止这些有源层的退化。根据本发明，根据本发明的电化学能源的叠层的不同有源层的沉积顺序是由有源层的连续退火温度或者温度范围的顺序来决定，以获得具有较可靠性能的相对稳定的电化学能源，且该电化学能源可以通过较可靠的方式来制作。在根据本发明的电化学能源的制作过程中，这通常意味着，首先沉积的有源层可以在任意温度(只要衬底可承受该温度)沉积和/或退火。该叠层的后成有源层应在比该第一有源层低的温度，且优选地比该第一有源层显著低(约50℃)的温度沉积/退火，且依次类推。这本质地意味着，该叠层的最后有源层应在最低温度沉积。通常，退火工艺被视为有源层的沉积工艺的(最后)部分，其中各有源层具有其最优退火温度或者退火温度范围，该有源层藉此获得在电池叠层中正常工作所需的特定材料性能。除了应用于本发明的电化学能源的关键沉积顺序之外，优选地，不同有源层的材料相互之间在化学方面是稳定和兼容的。优选地应在任意(退火)温度避免两种化学不兼容材料之间的反应，以保证根据本发明的电化学能源的耐久且适当的工作。

在优选实施例中，该固态电解质沉积在该阴极的顶部上，且该阳极沉积在该固态电解质的顶部上。根据该实施例，叠层被应用，其中阴极、固态电解质和阳极连续地沉积在衬底上。应用该特定沉积顺序的原因为，通常阴极的退火温度高于固态电解质的退火温度，固态电解质的退火温度高于阳极的退火温度。尽管预期该沉积顺序通常可适用于根据本发明的大多数电化学能源，但本发明不限于该特定沉积顺序。本领域技术人员也可以想到下述相反叠层，阳极、沉积于阳极的顶部上的电解质、沉积于电解质的顶部上的阴极。这种相反叠层可能应用于这样的情形，其中阳极的退火温度高于电解质的退火温度，电解质的退火温度高于阴极的退火温度。