[发明专利]固态锂基薄膜电池的阳极结构

说明书

提供一种固态锂基电池，其中在充电/再充电循环期间锂岛(即，团块)的形成减少或甚至消除。通过在锂基固态电解质层和固态锂基电池的顶部电极之间形成锂成核增强衬垫，可以提供锂岛(即，团块)的减少或消除。

背景技术

本发明涉及全固态薄膜电池及其形成方法。更具体地，本申请涉及一种在充电/再充电循环期间锂块形成减少的固态锂基薄膜电池，以及形成这种薄膜电池的方法。

近年来，对诸如计算机，移动电话，跟踪系统，扫描仪，医疗设备，智能手表和健身设备之类的便携式电子设备的需求增加。便携式电子设备的一个缺点是需要在设备本身内包括电源。通常，电池用作这种便携式电子设备的电源。电池必须具有足够的容量来为便携式电子设备供电至少该设备被使用的长度。与便携式电子设备的其余部分相比，足够的电池容量可导致非常重和/或大的电源。因此，需要具有足够能量存储的更小尺寸和更轻重量的电源。这种电源可以在更小和更轻的便携式电子设备中实现。

传统电池的另一个缺点是一些电池包含可能易燃且有毒的材料，这些材料可能泄漏并且可能受到政府法规的约束。因此，期望提供一种安全、固态并且在许多充电/放电寿命周期内可再充电的电源。

一种类型的小型且重量轻，包含无毒材料并且可以在许多充电/放电循环中再充电的能量存储装置是固态锂基电池。锂基电池是可充电电池，其包括两个实现锂的两个电极。传统的固态锂基电池面临的一些挑战包括，例如，由于可用的锂损失，在循环期间的体积膨胀和/或变形，和/或薄膜电池中的机械故障。

此外，在传统的固态锂基电池中，金属锂和顶部电极之间可存在高界面能。而且，局部锂岛(即，团块)可以聚集而不是连续且均匀的锂层，这可以促进电极和固态电解质层的变形，并且最终可以导致薄膜电池内的裂缝形成。因此，需要提供一种固态锂基电池，其在金属锂和顶部电极之间具有低界面能并且可以减少，并且在一些情况下甚至消除局部锂岛的形成(即，团块)。

发明内容

根据本发明，提供一种固态锂基电池，其中在充电/再充电循环期间锂岛(即，团块)的形成减少或甚至消除。体现本发明的固态锂基电池是小而轻的薄膜电池。术语“薄膜电池”用于表示厚度为100μm或更小的电池。通过在锂基固态电解质层(lithium-basedsolid-state electrolyte layer)和固态锂基电池(solid-state lithium basedbattery)的顶部电极之间形成锂成核增强衬垫(lithium nucleation enhancementliner)，可以提供锂岛(即，团块)的减少或消除。

在本发明的一个方面，提供了一种固态锂基电池。固态锂基电池可包括底部电极。电池材料叠层位于底部电极的表面上。电池材料叠层包括锂化阴极材料层，位于所述锂化阴极材料层上的锂基固态电解质层，以及位于所述锂基固态电解质层上的锂成核增强衬垫。顶部电极位于所述电池材料叠层的所述锂成核增强衬垫上。在充电/再充电期间，锂聚集区形成在所述锂成核增强衬垫的至少一个表面上。

在本发明的另一方面，提供了一种形成固态锂基电池的方法。在一个实施例中，该方法可以包括在底部电极的表面上形成图案化的牺牲材料，其中所述图案化的牺牲材料包含物理地暴露底部电极的一部分表面的开口。接下来，在所述图案化的牺牲材料上和在所述开口中的底部电极的表面的物理暴露部分上形成锂化阴极材料层。然后在所述锂化阴极材料层上形成锂基固态电解质层，然后在所述锂基固态电解质层上形成所述锂成核增强衬垫，并在所述锂成核增强衬垫上形成顶部电极。接下来，执行剥离工艺以从所述底部电极移除所述图案化的牺牲材料和在所述图案化的牺牲材料上形成的材料，同时在所述底部电极的表面的物理暴露部分上保持材料叠层。所述材料叠层包括所述锂化阴极材料层、所述锂基固态电解质层、所述锂成核增强衬垫和所述顶部电极中每个的其余部分。在充电/再充电过程期间，锂聚集区形成在所述锂成核增强衬垫的至少一个表面上。

附图说明

图1是根据本发明实施例的包括位于可以使用的基板表面上的底部电极的示例性结构的横截面图。