[发明专利]用于电子元件和电池的封装系统

说明书

本发明涉及一种用于封装物体(1000)的系统(30)，所述物体如电子元件或电化学元件，如电池。该系统的特征在于，该系统由三个连续的层形成，该三个连续的层包括：(i)第一覆盖层(31、31')，其由通过原子层沉积而沉积的电绝缘材料构成，该第一覆盖层至少部分地覆盖物体；(ii)第二覆盖层(32、32')，其包含聚对二甲苯和/或聚酰亚胺，该第二覆盖层设置在第一覆盖层上；(iii)第三覆盖层(33、33')，其沉积在第二覆盖层上，以保护第二封装层，特别是使其耐氧气并延长物体的使用寿命。

技术领域

本发明涉及用于封装诸如微电子元件和电池之类的物体的系统。 本发明更具体地涉及能够以这种方式封装的电池的领域，即锂离子电 池的领域。本发明还涉及一种用于制造薄膜锂离子电池的新方法， 这些薄膜锂离子电池具有新的结构和封装，从而赋予它们特别低的自 放电和延长的使用寿命。

背景技术

为了耐用，必须对微电子元件和电池、特别是薄膜电池进行封 装，因为氧气和湿气会使它们劣化。特别地，锂离子电池对湿气非常 敏感，因而需要封装以使其具有超过10年的使用寿命。随着便携式 电子设备和自主传感器网络的普及，对具有高能量密度和高功率密度 的可再充电电池的需求已经显著增长。薄膜锂离子电池具有高能量密 度和高功率密度、可再充电并且没有记忆效应：薄膜锂离子电池能够 满足这一需求，但是其可靠性及其使用寿命仍然是关键因素。

薄膜锂离子电池包括完全为固体的电极和电解质，也就是说没 有液体。形成薄膜锂离子电池的各层的厚度通常不超过10μm，并且 通常在1μm和4μm之间。可以看出，这些薄膜电池(如多层电池) 对自放电敏感。根据电极的布置，即多层电池的电极边缘的接近程度和切口的清洁度，在端部会出现漏电流，这会导致爬电短路，从而降 低电池的性能。如果电解质的膜非常薄，则该现象会加剧。

这些全固态薄膜锂离子电池最经常使用包括金属锂层的负极。 可以看出，在电池的充电和放电循环期间，负极材料的体积变化很大。 实际上，在充电和放电循环期间，一部分的金属锂转化为锂离子，这 些锂离子自身嵌入正极材料的结构中，这伴随着负极体积的减小。这 种体积的循环变化会使电极层和电解质层之间的机械接触和电接触 劣化。这会使电池在其寿命期间的性能下降。

负极材料的体积的循环变化还引起了电池单元的体积的循环变 化。因此，电池在封装系统上产生循环应力，该循环应力能够引起裂 纹，裂纹是造成封装系统的密封性(甚至完整性)丧失的原因。这种 现象是使电池在其寿命期间性能下降的另一个原因。

实际上，锂离子电池的活性材料对空气、特别是对湿气非常敏 感。移动的锂离子自发地与微量的水反应形成LiOH，从而导致电池 的日历老化(calendar aging)。并非所有用于嵌入锂离子的材料和传 导锂离子的电解质在与湿气接触时都具有反应性。例如，Li₄Ti₅O₁₂在与大气或与微量的水接触时不会劣化。相反地，一旦Li₄Ti₅O₁₂填 充有锂从而成为Li_4+xTi₅O₁₂(x＞0)的形式，则对于所嵌入的多余的 锂(x)，其对大气敏感，并自发地与微量的水反应以形成LiOH。 因此，已经反应的锂不再可用于储存电力，从而引起电池容量的损失。

为了避免锂离子电池的活性材料暴露于空气和水并防止这种类 型的老化，必须通过封装系统对其进行保护。文献中描述了许多用于 薄膜电池的封装系统。

文献US 2002/0071989描述了一种用于封装全固态薄膜电池的 系统，该系统包括第一介电材料层、第二介电材料层和密封层的堆叠， 第一介电材料层选自氧化铝(Al₂O₃)、二氧化硅(SiO₂)、氮化硅 (Si₃N₄)、碳化硅(SiC)、氧化钽(Ta₂O₅)和无定形碳，密封层 设置在第二层上并覆盖整个电池。