[发明专利]由CVD制备锂基层的方法

说明书

发明领域

本发明涉及具有高功率密度的薄膜电池的制备。

被作为目标的用途尤其涉及芯片卡和智能标签，它们能够借助小型化的植入物循环地测量参数。另一个重要的用途涉及内部时钟的和微系统的电源。这些用途要求，所有对电池操作而言必要的层均通过与微电子学的工业方法相容的技术来制备。

实际上，薄膜电池沉积在3D基板上，以在不改变部件尺寸的情况下增加活性表面积。在这方面，必须使用能够精确控制材料化学组成的保形沉积技术，因为活性层对它们的组成的改变高度敏感。

更具体地，本发明涉及一种CVD方法(“化学气相沉积”)，用于制备含有锂的层，如LiPON(“磷氧氮化锂(Lithium Phosphorous OxyNitride)”)、LiSiPON(“结合有氮的硅磷酸锂(Nitroeen-incorporated Lithium SilicoPhosphate)”)或(Li，La)TiO₃(钛酸镧锂)，涉及在含有溶剂和路易斯碱的液体混合物中所含的前体。

背景

在现有技术中，已经广泛描述了薄膜形式的“全固体”微电池。运作原理依靠碱金属离子或质子在正极的插入和脱出(或者嵌入/脱出)。主要的体系使用锂离子或Li+作为离子物种。所有微电池部件(集流体、正极和负极、电解质、封装)均为通过PVD(“物理气相沉积”)或CVD获得的薄层形式。

叠层的总厚度为大约15μm。

可以使用不同的材料：

-集流体是金属的，且可以例如含有Pt、Cr、Au、Ti、W、Mo。

-正极可以具体地由LiCoO₂、LiNiO₂、LiMn₂O₄、CuS、CuS₂、WO_yS_z、TiO_yS_z、V₂O₅形成。根据所选择的材料，热退火可能是必要的，以增加膜的结晶以及提高它们的插入性能。例如对于氧化锂的情况便是这样。然而，某些非晶态材料无需这样的加工，同时允许锂离子的高度插入。

-电解质必须是优良的离子导体和电子绝缘体。它通常是含有氧化磷、硼、氧化锂或锂盐的玻璃质材料。具有最佳性能的电解质含有磷酸盐，如LiPON(“磷氧氮化锂(Lithium Phosphorous OxyNitride)”)或LiSiPON(“结合有氮的硅磷酸锂(Nitrogen-incorporated Lithium SilicoPhosphate)”)。它们的组成将决定电性能，并且特别是能够提高离子电导率的氮浓度。

-负极可以是通过热蒸发沉积的金属锂、含有锂的金属合金、或者插入化合物(SiTON、SnN_x、InN_x、SnO₂......)。应当注意，也存在没有阳极的微电池(称作“无锂的”)。在这种情况下，将阻隔锂的金属层直接沉积在电解质上。随后锂沉积在该层上。

-封装目的在于保护活性叠层免于受到外部环境特别是受到湿度的影响。可以使用不同的策略：由薄层封装(encapsulation from thin layers)、共层压封装(co-laminated encapsulation)、或者覆盖封装(cover encapsulation)。

在此领域进行的研究目的在于提高微电池的功率密度，并且这以不同的可能方式：

-通过提高材料的性能；和/或

-通过增加厚度；和/或

-通过在3D构造的结构体上进行沉积，这能够提高电池的活性表面积。

此第三种方式是本发明选择的方式，其更加具体地聚焦在电解质沉积上。