[发明专利]阴极电极包括至少一种非氧化物活性物质的电化学能量源及包括该电化学能量源的电子装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种改进的电化学能量源。本发明还涉及设置有这种电化学能量源的电子装置。

背景技术

基于固态电解质的电化学能量源在本领域是已知的。这些(平面)能量源或者“固态电池”高效地将化学能转换为电能，且可以用作便携电子设备的电源。这些电池可以小规模地用于向例如微电子模块，更具体而言集成电路(IC)供应电能。其一示例披露于国际专利申请WO-A-00/25378，其中固态薄膜微电池直接制作在特定基板上。在该制作工艺期间，第一电极、居间固态电解质和第二电极相继沉积在基板上成为叠层。目前，存在可用于薄膜电池设计的许多种固体电解质。这些固体电解质包括(例如)尖晶石卤化物(Li₂FeCl₄)、岩盐卤化物(LiI，LiBr)、硫化物(Li₂S-P₂S₅)、氮化物(Li₃N)、石榴石型结构(Li₅La₃Ta₂O₁₂)、锂硅酸盐(Li₄SiO₄，Li₉SiAlO₈)、钙钛矿(Li_2/3-3xLa_xTiO₃)以及氮氧磷化锂(LiPON)。

最常规的锂离子电池系统由石墨(C)阳极电极和锂钴氧化物(LiCoO₂)阴极组成，且可以高效地用于类似PDA、笔记本等应用。现在出现了新应用领域，例如可植入装置、小型自动装置、智能卡、集成照明解决方案(OLED)或者助听器。这些低功率且小体积应用要求电池具有大的体积能量/功率密度。由于尺寸小，重量能量/功率密度的价值不高。因此，薄膜全固态电池是对这些应用供电的出色候选。这些薄膜全固态电池通常由锂金属(Li)阳极电极和金属氧化物(MO_x)阴极电极组成。(MO_x)阴极电极在此一般包括一层2D或3D化合物，锂以其离子形式存储于该2D或3D化合物内。

为了获得可能的最高能量/功率密度，两个方面是重要的。首先，如专利申请WO2005/027245A2中所解释，对于刻蚀的基板，表面积/覆盖区(footprint)之间的比例可以最大化。其次，应使用具有高体积电荷密度的电极材料，以得到高的体积能量密度。

象LiCoO₂、LiNiO₂或LiMn₂O₄这样的常用金属氧化物(MO_x)阴极材料占电池总体阻抗的很大部分。从更简单意义上说，与锂插入这些化合物/从这些化合物提取相关联的电阻相当高，导致这成为整体叠层电池(battery stack)的额定性能中的限制因素。该电阻直接关联到若干材料特定参数，例如这些氧化物材料(oxidic material)的半导体性质，该性质尤其在高锂含量时导致不良的电导率。对于常规电池，总电池阻抗约90％与阴极电极有关，而仅10％与阳极电极有关。

发明内容

本发明的目的是提供一种上文所述类型的电池，其中阴极电极的电导率改善，使得电池更适用于将从电池抽取大电流的设备和应用。

该目的是通过一种电化学能量源来实现，包括基板和沉积在所述基板上的至少一个电化学电池，其中该电池包括阳极电极、阴极电极以及分隔所述阳极电极和所述阴极电极的电解质，其中所述阴极电极包括至少一种非氧化物(non-oxidic)成份，所述成份包括活性物质。

这里的活性物质是指在其中发生从电能到化学能转换及其逆转换的物质。通过使用不同类别的阴极材料来替代金属氧化物阴极材料，这些限制得以克服。本文件中披露的本发明描述了由锂合金阳极电极以及由上述这种不同类别材料制成的阴极电极组成的电池如何可以成为包括常用材料的叠层电池的合适备选，特别是在大电流能力很关键的应用中。

此外，注意，这种不同类别的阴极材料的电极电势不同于现有技术阴极材料的电极电势，使得电池电极之间电势更低且因此所得到的电池能量密度更低。然而，特别是在需要大电流能力的应用中，本发明的特征所达到的优点可以很好地弥补较低的能量密度的缺点。