[发明专利]封装的锂电化学装置

说明书

技术领域

本发明涉及锂电化学装置领域，更具体涉及通过利用真空沉积技术 沉积薄膜获得的锂微电池。

这些微电池被广泛应用，特别是用于芯片卡、智能标签(通过微型 植入体重复参数测量)、内部时钟供电和微机电系统(或MEMS)。

背景技术

锂微电池在今天已是众所周知。它们通常包括基板、在该基板上沉 积的堆叠结构，该堆叠结构依次包括阴极、含锂的电解质、以及通常由 金属锂制成的阳极，利用保护外壳覆盖如此形成的单元以防止来自外部 的任何污染。

因此，利用微电子技术以薄膜形式实现的这些微电池是利用基于锂 的材料来实现的，所述材料对外部环境、尤其是湿气、以及环境空气中 存在的氧和氮特别敏感。对它们进行保护以耐受这些不同的介质对它们 的耐久性而言是决定性因素。

这些电池的运行原理取决于碱金属(通常是锂离子)从正电极进入 和放出(或介入-释放)。主要的微电池系统利用来自金属锂电极的锂离 子Li⁺作为离子物质。这种微电池的不同元件(无论是集电体、正电极 或负电极、电解质或也称为封装层的保护层)以通过物理气相沉积 (PVD)或化学气相沉积(CVD)获得的薄层形式呈现。堆叠结构的总 厚度通常为约15μm。

这些不同的元件可以具有如下性质：

-集电体：它们具有金属性质，例如由铂、铬、金、钛、钨或钼构 成。

-正电极：它可以由LiCoO₂、LiNiO₂、LiMn₂O₄、CuS、CuS₂、 WO_yS_z、TiO_yS_z、V₂O₅制成。根据所选择的材料，可以证实热退火操作 是用以改善膜结晶作用以及它们在堆叠结构内的插入性能所必需的。这 对氧化锂而言尤其如此。但是，一些非晶材料特别是氧硫化钛(TiO_yS_z) 不需要以这种方式处理，但同时允许高水平的锂离子Li⁺插入。

-电解质：其必须是良好的离子导体而不是电子绝缘体。通常，使 用基于氧化硼、氧化锂或锂盐的玻璃质材料。最有效的电解质是基于磷 酸盐、尤其是LIPON(基于磷锂氧氮的锂化合物)或LISIPON(基于 锂磷和氧氮化硅的锂化合物)；

-负电极：其必须是由通过热蒸发沉积的金属锂或锂基金属合金或 还有插入化合物(insertion compound)(SiTON、SnN_x、InN_x、SnO₂等)。

-封装层：如上所述，其目的在于保护构成微电池的活性堆叠结构 免受外部环境、特别是湿气的影响。

这种封装可以是两种不同技术的产物：

在第一种技术中，基于薄层实现这种封装。通常采用不同层垂直交 替的叠层，以使单元的阻挡性能最优化。最常采用的策略包括利用相对 于锂为惰性的层来沉积预封装并平坦化。常规使用的材料是聚合物，在 此适用的是聚对二甲苯。可以通过沉积其它层特别是金属或有机硅来增 强阻挡功能。

这种技术遇到的问题是耐久性有限。实际上，由于气体渗透通过如 此实现的封装以及在微电池的电化学循环过程中该封装所承受的机械 应力(体积变化)，使得锂受到影响，结果导致其很快氧化。

在第二种技术中，通过覆盖来实现封装，即在待保护的元件边缘上 沉积环氧树脂层。这允许通过暴露于紫外辐射来接合玻璃盖。盖对基板 的密封可以利用多种方法来实现并且可以包括利用不同材料，例如金属 或电介质。

因此，可以看出，这种技术需要沉积密封层以将所述盖锚定在基板 上。但是这种层通常在阻挡性能方面不是最优的，特别是对于湿气以及 氧和氮的阻挡性能。而且，密封在使用中遇到涉及集电体的从包括微电 池的腔室流出的问题。实际上，至少在集电体的附近必须使用非金属密 封，以防止短路。但是，金属材料已经被证明是具有最佳阻挡效果的材 料，因此可以容易地推测出所导致的问题，即必需设法应付不令人满意 的阻挡性能。实际上，在垂直连接微电池(换言之，通过基板的背表面 连接)的情况下，使用金属密封仅仅是一种可能。但是这种技术方案需 要附加的技术步骤，这些技术步骤的应用高度复杂并由此增加了实施费 用。