结合全金属边缘密封的电池设计

摘要

电池包括一个阳极集流体，另一个是阴极集流体，阴极材料位于阴极集流体上；电解质层具有周界，电解质将阴极材料与阳极集流体分开；绝缘层具有周界，该绝缘层与电解质层一起将阳极集流体与阴极材料和阴极集流体分开。第一钝化层(46)通常至少覆盖在阴极材料的周界、电解质的周界以及绝缘层的周界之上，第一钝化层(46)电耦接至第一集流体并且围绕第一集流体的限定区域形成连续的金属对金属密封，第一钝化层(46)具有通孔开口(50)。第二钝化层(53)通过第一钝化层(46)的通孔开口(50)电耦接至第二集流体。

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求于2008年2月27日提交的题为“BATTERYLAYOUT INCORPORATING FULL METAL EDGE SEAL”的第61/067,288号美国临时申请的优先权，该申请全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及薄膜固态储能器件领域，更具体地，涉及薄膜固态电池的结构和设计。

背景技术

电子器件已经结合在诸如计算机、移动电话、跟踪系统、扫描仪等许多便携式设备中。便携式设备的一个缺陷在于需要包括该设备的供电装置。便携式设备通常使用电池作为供电装置。电池必须具有足够的容量，以至少在该设备被使用的时间长度内对该设备进行供电。足够的电池容量会导致供电装置与该设备的其余部分相比非常的重和/或非常的大。因此，期望具有足够能量存储的更小且更轻的电池(即，供电装置)。诸如超级电容器(supercapacitor)的其他储能器件和诸如光电池和燃料电池的能量转换器件替代电池来用作便携式电子设备和非便携式电力应用中的供电装置。

传统电池的另一缺陷在于一些电池由可能泄露并受政府规章控制的潜在有毒的材料制成的事实。因此，期望提供一种安全的、固态的、并且在多次充电/放电的使用周期(life cycles)期间是可再充电的电力能源(electrical power source)。

一种类型的储能器件是固态薄膜电池。在美国专利第5,314,765、5,338,625、5,445,906、5,512,147、5,561,004、5,567,210、5,569,520、5,597,660、5,612,152、5,654,084以及5,705,293号中描述了薄膜电池的实例，其中每一个均结合在本文中作为参考。美国专利第5,338,625号中描述了一种薄膜电池(具体是一种薄膜微电池)以及一种制造该薄膜电池的方法，该薄膜电池具有作为电子设备的备用或第一集成供电装置的应用。美国专利第5,445,906号描述了一种用于制造薄膜电池结构的方法和系统，该薄膜电池结构以利用多个镀膜机(deposition station)的方法形成，在该镀膜机处，当网状基板自动通过该镀膜机时，在该基板上依次形成薄的电池组件膜。

美国专利申请公开第2005/0147877号描述了一种薄膜电池，诸如包括连接至电子电路的锂或锂化合物的一种薄膜电池。将环境阻挡层(environmental barrier)沉积为交替层(alternating layer)，层中至少之一提供光滑的、平坦的和/或水平物理结构功能，而至少另一层提供扩散阻挡层功能。

需要一种可靠、具有长存储寿命、造价低且适于大量生产的电池。还进一步需要具有充足能量存储的更小且更轻的电池(即，供电装置)，该电池能够用电子技术进行封装以完成至少一种功能。还需要提高敏感元件对环境的有害暴露的保护。

发明内容

本发明提供了一种薄膜电池，包括：基板，具有第一表面；在基板的第一表面上的第一集流体和具有第一表面和周界的第二集流体。第一集流体和第二集流体中的一个是阳极集流体，而另一个是阴极集流体。该电池还包括具有周界的阴极材料，该阴极材料位于阴极集流体之上；具有周界的电解质层，该电解质将阴极材料与阳极集流体分开；具有周界的绝缘层，该绝缘层与电解质层一起将阳极集流体与阴极材料和阴极集流体分开。第一钝化层通常至少覆盖在阴极材料的周界、电解质的周界以及绝缘层的周界之上，第一钝化层电耦接至第一集流体并且围绕第一集流体的限定区域形成连续的金属对金属密封。第一钝化层具有通孔开口。第二钝化层通过第一钝化层的通孔开口电耦接至第二集流体。在该薄膜电池结构的优选实施方式中，所述第一集流体是阴极集流体，而第二集流体是阳极集流体。

在本发明的另一实施方式中，薄膜电池包括具有第一表面的基板；以及在基板的第一表面上的第一集流体。第一钝化层电耦接至第一集流体并且围绕第一集流体的限定区域形成连续的金属对金属密封，第一钝化层具有通孔开口。第一钝化层和第一集流体限定一通常封闭区域。该电池还包括阴极材料和第二集流体，其中，第一集流体和第二集流体中的一个是阳极集流体，而另一个是阴极集流体。设置电解质层以将阴极材料与阳极集流体分开。还设置绝缘层以使该绝缘层与电解质层一起将阳极集流体与阴极材料和阴极集流体分开。阴极材料、第二集流体、电解质层以及绝缘层设置在由第一钝化层和第一集流体限定的封闭区域内。该电池还包括通过第一钝化层的通孔开口电耦接至第二集流体的第二钝化层。

薄膜电池的这种独特的结构通过围绕整个电池周界提供完全的金属对金属边界密封而提供了(尤其)对电池侧面的特殊覆盖和保护。这种设计防止了相邻的金属层和非金属层的边缘(其将提供沿着金属/非金属界面至电池结构的敏感组件的直接横向路径)暴露于有害环境。

附图说明

结合于本申请中构成本申请一部分的附图示出了本发明的几个方面，并且与实施方式的描述一起用来说明本发明的原理。附图的简要描述如下：

图1示出了本发明实施方式的电池的截面图。

具体实施方式

下面所述的本发明的实施方式并不旨在是详尽的或将本发明限制为以下详细描述中所公开的确切形式。更确切的是，所选择和所描述的实施方式的目的在于使本领域其他技术人员对本发明的原理和实践了解和理解。

术语

在此描述中，术语“金属”既应用于基本纯的单一金属元素，又应用于合金或两种以上元素(其中至少一种是金属元素)的结合。

术语“基板”或“芯板(core)”通常指的是作为基础加工件(basework piece)的物理结构，该基础加工件通过多种工艺操作转变成期望的微电子构造。在一些实施方式中，基板包括导电材料(诸如铜、不锈钢、铝等)、绝缘材料(诸如，蓝宝石、陶瓷或塑料/聚合物绝缘体等)、半导体材料(诸如硅)、非半导体材料，或者半导体材料与非半导体材料的结合。在一些其他的实施方式中，基板包括层状结构，诸如，由于其热膨胀系数(CTE)更接近匹配于邻近结构(如，硅处理器芯片)的CTE而选择的材料(诸如铁镍合金等)的芯板或片。在一些这种实施方式中，这样的芯板被层压至由于其导电性和/或导热性而选择的材料板(诸如，铜、铝合金等)，该材料板又被由于电绝缘性、稳定性以及模压加工特性而选择的塑料层所覆盖。

电解质是通过允许离子(例如，具有正电荷的锂离子)运动而不传导电子来传导电流的材料。电池(electrical cell or battery)是具有由电解质分开的阳极和阴极的器件。电介质是不传导电流的材料，诸如，以塑料、陶瓷或玻璃为例。在一些实施方式中，诸如LiPON的材料在锂的源和接收器(sink)与LiPON层相邻时可用作电解质，而在置于诸如铜或铝的两个金属层之间时还可用作电介质，而这两金属层不形成可穿过LiPON的离子。在一些实施方式中，器件包括绝缘塑料/聚合物层(电介质)，其具有水平承载信号和电功率的线路轨迹、以及在轨迹的层之间垂直地承载信号和电功率的通孔。

如本文中所使用的术语“通孔开口”被定义为包括所有的开口，包括形成在本电池器件的层中的沟槽、通孔和接触开口。因此，本发明不局限于传统的通孔结构。

术语“垂直”被定义为表示基本垂直于基板的主表面。高度和深度指的是在垂直于基板的主表面的方向上的距离。

术语“包含锂化化合物的层”被定义为表示包含任何形式锂的层，包括金属锂、锂合金以及含锂化合物(lithium containingcompound)。包含锂化化合物的层的实例包括阳极(尤其是在金属锂的情况下)、电解质(尤其是在LiPON的情况下)以及阴极(尤其是在阴极层是诸如LiCoO₂(可用作锂离子源)的材料的情况下)。在优选的实施方式中，阳极、电解质和阴极都是锂化化合物。

如本文中所使用的，LiPON通常指的是锂磷氧氮化物材料。一个实例是Li₃PO₄N。为了提高锂离子穿过电解质的迁移率，其他实例结合更高比例的氮。

在优选实施方式中，包含锂化化合物的层是阴极材料或是电解质。在本发明的实施方式中，薄膜电池被最初构建为没有阳极，而具有可用作锂离子源的阴极层。一旦对此实施方式的薄膜电池进行充电，就会在电解质与阳极集流体之间电镀金属锂，从而形成阳极。

应当理解，在本发明的一个方面中，以层方式构造的电池为“自底向上”的结构，由此，基板依次设置有阴极集流体、阴极、固体电解质、阳极(在如上所述的结构状态中是可选的)、阳极集流体以及一种或多种封装材料。可选地，阴极和阳极可以设置为并排或其他构造。可选地，可以以与上面所讨论相反的顺序来构造电池，从而阳极集流体位于电池的底部(与基板相邻)。在进行充电时形成阳极的实施方式中，这种构造是不利的，因为在某些实施方式中，这种阳极形成需要电池的多数层的移动来适应阳极的形成。可选地，这些层可以分开形成并且可通过现在易于被本领域中的操作者可想到的层压工艺来结合。

现参见附图，其中相同的参考标号表示相同的部件，图1示出了为本发明实施方式的电池10的截面图。应当注意，本文中所使用的图不是按比例确定的：所描述的薄膜电池的垂直厚度相比于器件的横向宽度(例如，在一些实施方式中，为1000微米(＝1mm)～10,000微米(＝10mm)，而在其他的实施方式中，达到几个厘米)，是非常薄的(例如，在一些实施方式中，小于约10微米，而在其他的实施方式中，甚至小于4微米)。此外，本发明的一些实施方式中的沟槽的宽度为约10微米以下。所述的实施方式示出了位于基板上的阴极集流体。如上所指出的，特别构思薄膜电池的反向构造，这是可被已经参照本公开的操作者所理解的。

电池10包括具有第一表面22的基板20。在一些实施方式中，基板20的厚度为约500微米(或更薄)至约1000微米(或更厚)(例如，在一些实施方式中，525微米或625微米的硅晶片)。在其他的实施方式中，基板20包括可以为25微米薄或更薄的聚合物层(例如，聚酰亚胺薄膜(Kapton))。

阴极集流体24位于基板20的第一表面22之上，由导电材料(诸如铜、铝、镍、铁、金、银、铂、钼、锰、金属合金、导电陶瓷、诸如重掺杂多晶硅的导电半导体等)制成，并且被选择使得其不会迁移到阴极中。在本发明的实施方式中，阴极集流体24具有约5微米～3微米的厚度。

阴极材料26(诸如，钴酸锂、LiCoO₂、锰酸锂、磷酸铁锂、钒酸锂、锂镍氧化物等)位于阴极集流体24之上，并且具有周界28。诸如锂镍钴氧化物的混合金属氧化物(例如，那些含有上述金属的组合)也可用于制造阴极。在本发明的实施方式中，阴极材料26具有约1微米～3微米的厚度。

还设置具有第一表面32、第二表面33以及周界34的阳极集流体30。阳极集流体30由诸如铜、铝、镍、铁、金、银、铂、钼、钛、锰、金属合金、导电陶瓷、诸如重掺杂多晶硅的导电半导体等的导电材料制成。在本发明的实施方式中，阳极集流体30具有约0.1微米～1微米的厚度，或优选地约为0.5微米。

阳极36位于阳极集流体30的第二表面33上。该阳极可由诸如(例如)铜、镍或铝和/或锂及其合金制成。在本发明的实施方式中，阳极36具有约1微米～3微米的厚度。在本发明的实施方式中，在制造时，最初并未将阳极36设置为电池结构的一部分。在该实施方式中，阴极材料26可以例如包括含锂化合物，在电池组装之后，例如通过对电池进行第一次充电，阳极36形成为活性阳极(其是锂金属层)。在其他实施方式中，锂离子被置入到为诸如石墨的材料的阳极结构中。

电解质层38将阴极材料26与阳极集流体30(以及阳极36(在其存在时))分开。电解质38具有周界40。在本发明的实施方式中，电解质层38具有约0.1微米～约10微米的厚度。在本发明的实施方式中，电解质层38具有约1微米～约5微米的厚度。电解质层38与阴极组件和阳极组件物理接触以允许离子在其间移动。电解质不传导电子。电解质可以是液体。电解质还可以是离子可穿过的固体、半固体或易穿过的固体与液体的混合。在一些实施方式中，电解质对于一种离子或多种离子以及用于产生电池(battery or cell)内的电流的电极材料基本上是化学惰性的或非反应的。电解质层38可由任何电解质材料制成，诸如LiPON等，其可以沉积为玻璃膜或层，如果设置有锂离子源和锂离子的目的地，则锂离子可穿过该玻璃膜或层。特别构思电解质层38可以包括一种或多种电解质材料，这一种或多种电解质材料是混合的或是在两个以上不同的层中。在题为“THIN-FILM BATTERIES WITH SOFT AND HARDELECTROLYTE LAYERS AND METHORD”的美国专利申请11/458,091中描述了优选的多层电解质结构的实例，为了所有目的将其全部内容结合于此作为参考。

绝缘层42被设置并且具有周界44。在本发明的实施方式中，绝缘层42具有约1微米～约10微米的厚度。绝缘层42由电绝缘材料制成，例如光致抗蚀剂(例如，Shipley 220光致抗蚀剂；来自HD微系统的各种聚酰亚胺，如包括2727、2723、2729的2720系列；包括2770和2772的2770系列；包括2731和2737的2730系列；包括PIX-1400、PIX-3476、PIX-S200、PIX-6400的PIX系列；包括2525、2555、2575以及2556的2500系列；以及其它各种聚合材料，诸如来自Dow化学公司的Cyclotene产品号3022-35、3022-46、3022-57以及3022-63；来自Dow化学公司的诸如WL-5351和WL-3010的可光降解的硅；以及来自Dymax公司的诸如9001的UV可固化环氧树脂等)。在一些实施方式中，绝缘层42包括一种或多种材料，诸如二氧化硅、LiPON、氧化铝、聚合物、氮化硅、氮氧化硅、氮化硼、陶瓷、金属陶瓷、或其他金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物、金属溴氧化物、和/或金属氮氧化物，其中该金属是铝、铟、锡、铟-锡(indium-tin)、锆、铌、钽或其它适合的金属，或其他适合的电绝缘材料。绝缘层42与电解质层38一起将电池10的阴极组件(阴极材料26和阴极集流体24)与阳极组件(阳极集流体30和阳极36(在其存在时))分开。

第一钝化层46通常至少覆盖在阴极材料周界28、电解质周界40以及绝缘层周界44之上。本文中所描述的钝化层由导电金属制成，例如由诸如铜、铝、镍、铁、金、银、铂、钼、锰、金属合金、导电陶瓷、诸如重掺杂多晶硅的导电半导体等的导电材料制成。在本发明的实施方式中，钝化层具有约0.11微米～5微米的厚度。第一钝化层46电耦接至阴极集流体24并且围绕阴极集流体24的限定区域形成连续的金属对金属密封(meal to meal seal)48。在本发明的实施方式中，第一钝化层46和阴极集流体24(或本发明的可选实施方式中的阳极集流体)用宽度为约20微米～约30微米的金属对金属焊接来密封。第一钝化层46具有通孔开口50。

第二钝化层52经由第一钝化层46的通孔开口50电耦接至阳极集流体30。

在优选实施方式中，阳极集流体30的第一表面32基本上平行于基板20的第一表面22。第二钝化层52直接地或者通过中间钝化层53在阳极集流体的第一表面32上电耦接至阳极集流体30。中间钝化层53可通过在绝缘层42和阳极集流体30的顶部上形成单个金属层，随后将因此形成的金属层分开为第一钝化层46和中间钝化层53来方便地设置。

优选地，电池10进一步设置有第二钝化层52上的胶囊封装材料54以及电池的其它组件。为了使电池材料免于暴露在水蒸气、氧和其它环境污染物下，胶囊封装是必要的。锂尤其易于与其他元素和化合物进行反应。因为薄膜电池组件对暴露于的环境元素敏感，所以在电池生产之后，电池结构应与外界隔绝。由本电池的结构以及尤其与胶囊密封结合所提供的额外保护是非常有利的。最后的胶囊封装材料优选是为硅树脂、聚酰亚胺、环氧树脂或诸如上述的其他聚合物的有机材料。在本发明的实施方式中，胶囊封装材料54的厚度为约8微米～10微米。在本发明的实施方式中，最后的外层是厚度约为0.5微米～1微米的氮化硅，其提供额外的密封保护并且与集成电路封装材料兼容。该最后层在一定程度上还用作对磨损或搬运损坏的物理阻挡层。

暴露的正极接触点56通过第一钝化层46电连接至阴极集流体24，以将一根或多根电导线附接至阴极集流体。暴露的负极接触点58通过第二钝化层52和中间钝化层53电连接至阳极集流体30，以将一根或多根电导线附接至阳极集流体。

在本发明的实施方式中，阴极集流体24的区域限定电池的横向边界60，并且正极接触点56和负极接触点58在所限定的横向边界60之上或之内。优选地，正极接触点56和负极接触点58实际上位于阴极、阳极以及电解质材料上方的区域之外(即，并不位于这些材料的上方)。这是因为附接电导线的工艺会伴随有能够损坏附接点下面的材料的物理力。

在一些实施方式中，本发明的电池包括吸气剂层(未示出)。吸气剂层在美国专利第5,654,084号中进行了主要描述，并且是用来与环境中的有害物质的至少一种成分进行反应或将其吸收以有助于防止阻挡层被有害物质穿透的层。例如，包含钛、钽、磷、钡、铒、铷、锆化钛合金、钴氧化物、碳、肼、亚硫酸钠等的层可用于减少水或氧穿过电池的保护层的输运。

正如可看到的，薄膜电池的这种独特的结构提供了(尤其)对电池侧面的保护，这是因为第一钝化层46围绕阴极集流体24的限定区域被密封并且在阴极材料周界28、电解质周界40以及绝缘层周界44上方形成保护侧翼。这种构造防止了相邻的金属层和非金属层的边缘暴露于有害环境，而相邻金属和非金属层的边缘将提供沿金属/非金属界面至电池结构的敏感组件的直接横向路径。

图1中所示的电池可以以另一种方式进行描述，其中，将薄膜电池设置为包括：

a)基板20，具有第一表面22；

b)阴极集流体24，在基板20的第一表面22上；

c)第一钝化层46，电耦接至阴极集流体24并且围绕阴极集流体的限定区域形成连续的金属对金属密封48，第一钝化层46具有通孔开口50；

其中，第一钝化层46和阴极集流体24限定一个通常封闭的区域。电池10另外包括：

d)阴极材料26；

e)阳极集流体30；

f)阳极36；

g)电解质层38，电解质层38将阴极材料26与阳极集流体30分开；以及

h)绝缘层42，绝缘层42与电解质层38一起将阳极集流体30与阴极材料26和阴极集流体24分开。阴极材料26、阳极集流体30、电解质层38以及绝缘层42设置在由第一钝化层46和阴极集流体24限定的封闭区域内。

正如上面所指出的，阳极36位于第二表面33上。在本发明的实施方式中，在制造时，最初并未设置阳极36作为电池结构的一部分。在此实施方式中，阴极材料26可(例如)包括含锂化合物，在电池组装之后，通过对电池进行充电，阳极36形成为是锂金属层的活性阳极。

电池10另外包括通过第一钝化层46的通孔开口50电耦接至阳极集流体30的第二钝化层52。

如上面所指出的，暴露的正极接触点56和暴露的负极接触点58分别电连接至阴极组件和阳极组件，使得电池可以电连接至需电池供电的设备。在一些实施方式中，需要电池供电的设备是电路。电路可任选地包括处理器、存储器、输入设备、输出设备以及天线中的一个或多个。

接触点通过任何适合的连接系统(诸如，引线接合、焊接、利用可导电环氧树脂的连接等)附接至电导线。在本发明的实施方式中，装置被设置为包括电子设备；如本文中所述的薄膜电池；以及容纳该电子设备的壳体，其中电池在该壳体之内并对该电子设备供电。

制备根据本说明书的电池，并且在未放电的状态下将该电池存放在温度为85℃和湿度为85％的腔室中一周。该电池不象这种电池传统上所需要的存放在密封封装中。在存放之后，对电池进行充电，可发现其是完全可起作用的。

本文中所使用的所有百分比和比例是重量百分比和比例，除非另有说明。如同通常的单独结合，本文所引用的所有专利、专利申请(包括临时申请)以及出版物为了所有的目的而结合于此作为参考。已在前面的描述中阐述了意指由此文件所描述的本发明的许多特性和优点。然而，应当理解，尽管已示出了本发明的特定形式或实施方式，但是在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以进行各种修改，包括形状的修改以及部件的设置等。