[发明专利]具有高离子导电性的无针孔固态电解质

说明书

相关申请的交叉引用

本申请请求于2012年4月18日提交的美国临时申请第61/635,215号和2013年1月4日提交的美国临时申请第61/749,191号的权益，两个申请案之全文皆以引用之方式并入本文中。

技术领域

本发明的实施方式大体涉及包括薄膜电池和电致变色装置的电化学装置中的固态电解质，更具体地，本发明的实施方式涉及高离子导电性固态电解质和具有高离子导电性的无针孔固态电解质。

背景技术

固态电解质许多年来由于它们在许多类型的固态电化学装置中的广泛应用而已引起关注。固态电解质锂磷氧氮(LiPON)除了具有在固态电解质中的优良Li离子导电性之外，亦通常具有极佳的化学和物理稳定性，且更重要地，在与阴极和阳极的界面处具有所述稳定性。然而，由于与液态电解质相比，LiPON的不良离子导电性，固态电解质的使用受到很大限制。已进行许多尝试通过(1)最佳化沉积条件和(2)改变固体的化学组成来改良固态电解质的离子导电性。然而，到目前为止，改良尚不显著，例如，常用LiPON的离子导电性仍小于数个μS/cm。

在薄膜电池(TFB)和电致变色装置中，固态电解质膜中的针孔会危害装置的功能。举例而言，固态电解质膜中的针孔会降低装置的击穿电压，或甚至更糟地导致导电层之间的短路，并使得装置不可用。

图1示出典型的薄膜电池(TFB)的截面图。TFB装置结构100具有形成于基板110上的阳极集电器160和阴极集电器120，随后形成阴极130、电解质140和阳极150；但亦可使阴极、电解质和阳极呈相反顺序来制造装置。此外，可单独地沉积阴极集电器(CCC)和阳极集电器(ACC)。举例而言，CCC可在阴极之前被沉积，且ACC可在电解质之后被沉积。装置可被封装层170覆盖以保护环境敏感层免受氧化剂影响。例如，参见N.J.Dudney,Materials Science and Engineering B 1 16,(2005)245-249。注意，在图1所示的TFB装置中，部件层未按比例绘制。

在诸如图1所示的典型的TFB装置结构中，电解质(诸如锂磷氧氮(LiPON)的介电材料)夹于两个电极(阳极与阴极)之间。用以沉积LiPON的传统方法为在N₂周围环境中对Li₃PO₄靶材进行物理气相沉积(PVD)射频(RF)溅射。然而，此沉积工艺会由于LiPON膜中的针孔而导致非常显著的产率损失，且针孔密度随着溅射期间施加的RF功率增大而增大。使针孔最少化的一种方法涉及沉积较厚的LiPON膜(通常一微米至两微米厚)，且当阴极具有不良表面形态时，LiPON的厚度可能需要更大。然而，此方法在移除针孔方面仍并非完全有效，且由于较低产量和在所消耗材料方面的更昂贵的额外负担而导致工艺步骤的成本增加。

关于TFB的类似考虑因素亦适用于其他电化学装置，诸如图2所示的电致变色装置。

显然，需要改良的固态电解质膜和沉积工艺及装备，所述工艺及装备能够以低成本提供具有较高离子导电性和较低针孔密度的这些固态电解质膜。

发明内容

本发明大体涉及在电化学装置中具有高离子导电性的固态电解质层，以及用于制造所述电解质层的方法和工具。此外，这些高离子导电性固态电解质层可以是无针孔的。本发明大体适用于真空沉积的电解质薄膜，且无需知晓所使用的特定真空沉积技术。本发明的实施方式可应用于范围广泛的电化学装置中的固态电解质，这些电化学装置包括薄膜电池、电致变色装置和超级电容器。

根据本发明的方面，电化学装置可包括并入有过渡金属氧化物、硅、氧化硅和/或将引起电解质堆叠的离子导电性增加的其他适当材料(例如，能够插入锂的材料)或其混合物的薄层和/或颗粒的固态电解质。预期固态电解质的离子导电性的提高与所并入的层的数目或电解质内颗粒的分布均匀性和密度的函数成比例。

根据本发明的一些实施方式，一种沉积固态电解质膜的方法可包括：在基板上沉积电解质的薄层；停止沉积电解质层，且在需要时改变腔室中的气体；在基板附近诱导并维持等离子体以提供对所沉积的电解质层的离子轰击；在电解质的薄层上沉积过渡金属氧化物、硅、氧化硅或将诱导电解质堆叠的离子导电性增加的其他适当材料(例如，能够插入锂的材料)或其混合物的薄层；重复第一沉积、停止、诱导和第二沉积步骤，以形成电解质堆叠；和在所述电解质堆叠上沉积电解质的薄层。此外，所述电解质可为LiPON。