[发明专利]包含玻璃或陶瓷基底的薄膜电池

说明书

优先权声明

本申请要求于2012年10月15日提交的序列号为61/714004，题为“THIN FILM BATTERIES COMPRISING A GLASS SUBSTRATE”的美国临时申请的优先权，该申请的全部内容均结合于此作为参考。

技术领域

该发明涉及薄膜固态储能设备领域，更具体地，涉及薄膜固态电池的应用构造。

背景技术

电子器件已经被结合到诸如计算机、移动电话、跟踪系统、扫描仪、助听器、遥感器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。电池必须有足够的容量来为设备供电，其至少要维持设备在使用中的时长。足够的电池容量会导致供电装置相对设备本身显得极不协调地笨重和/或庞大。因此，期望有更小和更轻的储能器件(即，供电装置)。

固态薄膜电池便是这种类型的储能器件。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，这些实例均结合于此作为参考。美国专利第5,338,625号描述了一种薄膜电池，具体是一种薄膜微电池，以及制备该薄膜电池的方法，该薄膜电池可应用为电子设备的备用或第一集成电源。

薄膜电池尤喜以硅为基底来制造，至少在某种程度上是由于这种材料的可靠性以及小机电设备制造商(包括集成电路制造商)对硅晶的熟悉度。对设备尤其是小型设备而言，仍然需要加快可靠供电装置的供应。

发明内容

一种薄膜电池，包括：玻璃或陶瓷基底，其热膨胀系数(CTE)为约7ppm/°K至约10ppm/°K；连续金属或金属氧化物阴极集流体，其厚度约小于3μm，该阴极集流体位于玻璃或陶瓷基底之上；包含锂过渡金属氧化物的阴极材料层，锂过渡金属氧化物是厚度为约10μm至约80μm的连续膜，阴极材料层位于阴极集流体之上；位于阴极材料层之上的LiPON电解质层，其厚度为约0.5μm至约4μm；以及具有任意阳极材料的阳极集流体。

典型的固态薄膜电池采用很薄的阴极材料层，因为这样的材料更厚的话易于在电池制造或预期使用周期早期在材料内部形成裂纹，从而导致电池的灾难性故障。惊奇地发现，当LiCoO₂阴极材料结合具有约7ppm/°K至约10ppm/°K CTE的玻璃或陶瓷、连续金属或金属氧化物阴极集流体以及LiPON电解质层使用时，可以采用厚的LiCoO₂阴极材料层。上述固态电池结构表现为抵制阴极材料层的破裂，并且，即使出现裂纹，导致灾难性故障的可能性也要小得多。当不受理论限制时，认为玻璃或陶瓷基底、金属或金属氧化物阴极集流体和阴极材料层(覆层)间的相互作用可减少初始破裂，而LiPON电解质层则以某种方式扮演“修复”角色，或当上述环境中的阴极材料层中裂纹发生时，转而减缓或阻止电池的灾难性故障。

防止固态薄膜电池的灾难性故障特别重要。基于薄膜电池在小型设备或具有不容易替换电池设计的设备中使用时的一些固有性质，固态薄膜电池故障的灾难性效应远超过电池本身的价值。诸如硬币式或纽扣式电池等传统电池毁坏时可以简易地替换掉。然而，如上所述的产品中的固态薄膜电池通常是整体固定连接到例如电路板或与一个或多个设备诸如集成电路、电源、天线、显示设备或多设备的组合整体结合在一起的。当固态薄膜电池失效时，替换电池通常不是一种商业上可行的选择。整个电池和设备组合产品会因此报废，意味着损失远远高于固态薄膜电池本身的经济价值。

由于所述电池包含厚阴极，使得高能量密度的电池得以提供，这对于在小尺寸和可靠性都受到高度重视的电子设备中使用而言，是有利的。

附图说明

结合于本申请并作为本申请的一部分的附图示出了本发明的几个方面，并且结合几个具体实施方式的描述用于解释本发明的原理。以下是对这些附图的简要描述：

图1示出了本发明一个实施方式中电池的横截面。

图2示出了本发明一个实施方式中双面电池的横截面。

图3示出本发明一个实施方式中电池的横截面。

图4示出了本发明的一个实施方式，其中，采用单个阳极集流体联合单个玻璃或陶瓷基底以提供一种双电池。

具体实施方式