[发明专利]锂磷氧氮硫化合物电解质薄膜

说明书

本发明涉及电化学，具体涉及一种可应用于薄膜电池的锂磷氧氮硫化合物电解质薄膜。

锂及锂离子薄膜电池之所以具有高性能，主要是因为含有玻璃质的电解质-锂磷氧氮化合物或称Lipon(锂、磷、氧、氮四种元素符号的组合)。这种原料是由射频磁控管在氮气(N₂)中喷镀Li₃PO₄后沉积而成，其典型组分是Li_3.3PO_3.6N_0.4。在室内温度条件下，Lipon的锂离子(Li⁺)电导率为2×10^-6S/cm(2μS/cm)，并具有迁移数的一致性。该电子电导率可忽略不计，其估计电阻率大于10¹³欧姆-厘米。更重要的是，在电位为0V到接近5.5V之间，与金属锂接触的Lipon是稳定的。正是这种异常的电化学稳定性使薄膜电池发展得具有长存放期和循环寿命。此前对于Lipon的研究工作已在公开文献(参考文献：1、J.B.Bates，G.R.Gruzalski，N.J.Dudney，C.F.Luck，“新非晶体状锂电解质薄膜与可重复充电的微电池”，在“第35届国际能源讨论会论文集”中第337页，国际电气和电子工程师协会；2、J.B.Bates，G.R.Gruzalski，N.J.Dudney，C.F.Luck，X.Yu，“可重复充电的锂薄膜电池”；3、X.Yu，J.B.Bates，G.E.Jellison，Jr，F.X.Hart，“稳定的锂电解质薄膜：锂磷氧氮化合物”。)和两个已公告的专利(参考文献：1、J.B.Bates，N.J.Dudney，美国1996年4月专利5,512,147，“一种制造用于电化学电池的电解质的方法”；2、J.B.Bates，N.J.Dudney，美国1997年1月专利5,597,660，“电化学电池的电解质”。)中有所讨论。在先的研究工作已指出Lipon独特的电化学稳定性归功于在Li₃PO₄玻璃质结构中加入了氮(N)原子。

Lipon的电导率适用于带有LiMn₂O₄、V₂O₅、以及X-射线非晶体状LiCoO₂阴极的电池。然而，锂通过结晶体LiCoO₂阴极薄膜的扩散可以足够地高，直到阴极的厚度达到3.5um(参考文献：J.B.Bates，N.J.Dudney，B.J.Neudecker，F.X.Hart，H.P.Jun，S.A.Hackney，“多晶体LiCoO₂薄膜的优选定向”。)以前，电解质都是影响电池电阻的主要因素。如果增加电解质的电导率，将会相应地增强带有结晶体LiCoO₂阴极的薄膜电池的放电性能。这些电池将会成为大多数薄膜电池应用中的优先选择。