[发明专利]制造薄膜电化学能源的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种制造薄膜电化学能源的方法。本发明还涉及一种薄膜电化学能源。本发明还涉及一种包括这种薄膜电化学能源的电气装置。

背景技术

根据本领域的现有技术，制造薄膜电池包括如下步骤：将第一电极层沉积在衬底上(通常不导电)，将电解质层沉积在第一电极上，并将第二电极层沉积在电解质层上，其中第一电极层与第二电极层中之一是阳极材料而另一电极是阴极材料。这种层堆栈(衬底-阳极-电解质-阴极或者衬底-阴极-电解质-阳极)可以重复，以得到一系列电池的堆栈。通常，沉积方法包括化学和物理气相沉积技术以及sol-gel技术。各层沉积之后，通过施加一段时间的电流使得电池充电，直到达到预先确定的电池充电电平。

典型例子是锂离子电池，其由材料层组成，其中典型的阳极材料是金属锂(Li)，而阴极材料是诸如LiCoO₂的材料。沉积之后，电池经历静电充电过程，在该过程中电池被充电以便使用。对电池充电是花费时间的过程。电池堆栈中的缺陷在充电之后或者充电过程中可能变得明显。没有所需规范的电池通常不得不被丢弃。

发明内容

本发明的目标是克服上述缺点。

本发明的目标通过一种制造薄膜电化学能源的方法来实现，该方法包括如下步骤：将第一电极层沉积在衬底上，将电解质层沉积在第一电极上，并将第二电极层沉积在电解质层上，其中第一电极层与第二电极层中之一是阳极材料而另一电极是阴极材料，其特征在于，阳极材料和阴极材料被沉积为充电状态下的材料，形成充电的电池堆栈。由于得到的薄膜电池已经被充电，所以省略了对电池充电的处理步骤，因此该方法比现有方法快。除了构成功能电池的这些基本层(阳极、电解质、阴极)，其它功能层也可被沉积在这些层之间。该方法的产品优选地提供了被完全充电的电池，但也可以是部分充电的，以便达到根据本发明的优点。电池的层堆栈序列(衬底-阳极-电解质-阴极或者衬底-阴极-电解质-阳极)可以重复，以得到电池组堆栈。电池可以是二维或三维的层系统。优选地，电化学能源是可再充电的电池系统。

优选地，在沉积了至少一个电极层之后，所形成层或层堆栈的至少一个电特征被测量。电特征通常包括电势和电阻。这样，沉积的层或层堆栈中的缺陷可以在诸如应用附加层的任何进一步的处理步骤执行之前而被检测。如果该缺陷被确定为大于预先确定的阈值，则电池可以在任何进一步的处理步骤执行之前而被丢弃。这样，可以制造高质量的产品，以及提高工作流程和材料使用的效率。根据本领域现有技术，对于未充电的电极材料，需要外部电源来检测层的缺陷，这样复杂得多。

优选地，本方法被应用在装置制造中，其中该装置的功能在制造过程中利用来自装配好的薄膜电化学能源的能量而被检测。这样，检查装置或装置各部分的功能并一步一步地监视生产相对容易。该方法使得可以及时校正装置缺陷，和/或从生产线上提前拆除有缺陷的样本。这样可节约时间和材料，并获得更加可靠的装置。特别是诸如微处理器的昂贵部分可被节省下来用在正确工作的装置，而不是用在制造过程中被注意到缺陷的装置中。

在优选实施例中，该装置从包括如下内容的组中选择：照明装置、可移植装置、助听器、传感器装置和DC/DC转换器。在这些装置中，可靠性是特别重要的。

如果薄膜电化学能源是锂离子电池则是有益的，其中阳极被沉积为富锂材料，而阴极被沉积为缺锂材料。锂离子电池具有相对较高的能量密度。对锂离子可重复充电电池充电会花费大量的时间，通过使用根据本发明的方法可节省这一时间。富锂阳极材料或缺锂阴极材料的沉积可通过本领域公知的沉积方法来实现。富锂阳极材料例如可以是包含预先确定的锂浓度的金属锂(Li)、锂铝合金(Li-Al)或者锂锡合金(Li-Sn)。缺锂阴极材料例如可以是Li_0.1MnO₂、Li_XNiO₂、LixV₂O₅，其中出现非常低水平的锂离子，通常x＝0.1或更低。电解质层通常包括固体电解质，该固体电解质中包含移动锂离子。

优选地，富锂阳极材料是Li_xSi，其中x从1到4.4。各种沉积方法适用于获得这种层，然而，最优选的方法是在超高真空中蒸发预先确定数量的金属锂和元素硅(电子束沉积)。