[发明专利]具有低流体含量和提高的使用寿命的薄膜电池

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜电池，特别是锂基的薄膜电池，该薄膜电池具有低的流体含量以及由此造成的提高的使用寿命。

背景技术

用于电能的微电子构件、特别是小型化的存储元件越来越重要，例如用于所谓的智能卡。

特别是锂基的薄膜电池在此具有一系列特别优选的特性，例如低的重量和高的功率密度。但是在其使用寿命、循环稳定性(即可以用其充电和放电循环的次数)方面或者说一般在其使用寿命方面总是具有明显的困难。对此的原因在于，锂能够以元素的形式存在，例如存在于阳极充电的锂基的电池或蓄电池中，其具有非常低的还原电势。锂基电池或锂基蓄电池的其他的活性电池材料也非常易于降解反应。因此通常不使用元素的或金属的锂作为用于电能的锂基存储单元中的阳极材料，而是使用在其稳定性方面改善的材料，例如石墨，锂可以作为元素的材料、即以氧化阶段为0嵌入在石墨中。但是这种材料也具有高的反应性。此外，其他的锂基电池材料具有高的收湿性，即容易吸引在水上。

由于存在多种能够嵌入锂的化合物，所以通过含锂的材料与流体的接触会很容易形成不期望的化合物，这些化合物不再能够用于进行循环的电能存储或释放并且相应地降低了锂基电池或锂基蓄电池的存储能力。在此例如可能涉及碳酸锂Li₂CO₃、氢氧化锂、LiOH或者其它难溶的化合物，在这些化合物中固定地结合有锂离子或原子并且因此不再能够用于电荷迁移。另外，这些锂化合物中的多数具有结合流体、例如H₂O、CO₂、N₂的特性，从而通过与流体的干扰性反应不仅降低了蓄电池或电池的存储能力，而且还结合其他的流体，这些流体同样导致与剩余锂的消耗并且因此总体上引起一种自我增强的过程。

减少、必要时甚至完全避免这种不期望的反应的问题在此是对于制造改善的锂基电能存储元件来说的核心问题，因而在文献中对此讨论了一系列的解决方案。

例如US 2004/0018424 A1描述了一种可反复充电的锂基薄膜电池，其具有由聚酰亚胺构成的衬底。该聚酰亚胺衬底经专门干燥，对此首先将聚酰亚胺置于丙酮中，其中置换了至少一部分结合在聚酰亚胺中的或者吸收在聚酰亚胺上的水。随后进行热学的干燥过程。另外该薄膜电池还具有由聚对二甲苯构成的外涂层(Topcoat)，其作用为渗透阻挡并且应当保护电池材料以免降解。但是由此获得的衬底材料仍未完全去除水，而是仅降低了水含量。另外，聚合物的包覆材料大多相对于流体仅具有不充分的阻挡效果，特别是对于特别敏感的应用来说。

US 2004/0029311 A1描述了一种经包覆的电化学存储单元，其中将电化学存储单元的多个功能层压制成一个多层层压物。该多层层压物在此能够包含有一个金属层。另外，与存储电池的下面的层接触的层由粘性的材料构成，从而确保在层压物和下层结构之间的持久接触。但是这种层压物通常容易分层，即各个层分离。另外具有这样的危险，即，有机的粘性材料本身有腐蚀性地作用在电芯的功能材料上。

US 2006/0216589 A1还描述了一种薄膜电池，其中在衬底上施加不同的功能层。此外，该薄膜电池包括一个遮盖层，其与功能层的表面以一定间距施加，使得在遮盖层的表面和功能层的表面之间形成缝隙。另外，通过在衬底和遮盖层之间的基于有机聚合物的密封层或包覆层而保护电池免受周围环境影响。在此缝隙用于补偿电池功能层的厚度波动或热膨胀，在电池的各个充电和放电循环中可能产生这些厚度波动或热膨胀。这里的缺陷在于，这种缝隙必然是流体填充的并且因此可能进行流体和电池材料之间的反应。此外，聚合物的包覆材料通常对于流体、例如水具有大约1g/m²·d的渗透速率。这虽然对于这种包覆的聚合物的大多数应用来说是足够的，但是在大功率领域的应用中，例如用于小型化的电子构件、如基于薄膜的锂离子电池或锂离子蓄电池中时，这就触及功率的临界。

另外，US 2008/0003492 A1描述了一种用于锂离子电池的密封包覆。该包覆在此可以由施加在衬底和以覆盖的方式涂敷在衬底上的衬顶之间的包覆层组成，即例如相当于密封层；或者呈现具有阻挡特性的多层层压物的形式。这里在产生了前面已经详细讨论过的问题，即一方面过高的有机密封材料的渗透速率以及另一方面与功能材料接触的多层材料的分层的危险。