CN114424377A - 高容量紧凑型锂薄膜电池 - Google Patents

Abstract

一种形成薄膜电池的方法，可以包括：在衬底中形成沟槽；在所述衬底的顶表面上沉积模板，其中所述模板与所述沟槽对准；在所述沟槽中沉积阴极层，其中所述阴极层与所述模板直接接触；以及将所述阴极层压缩到所述沟槽中以减小所述阴极层的厚度。将所述阴极层压缩到所述沟槽中可以包括使用压头将等静压力施加到所述阴极层上。该方法还可包括在所述阴极层的顶部上沉积电解质层，在所述电解质层的顶部上沉积阳极层，以及在所述阳极层的顶部上沉积阳极集电体层。

Description

高容量紧凑型锂薄膜电池

技术领域

本发明一般涉及薄膜电池，更具体地，涉及用于形成高容量紧凑锂薄膜电池的方法和结构。

背景技术

典型的薄膜锂电池包括不同的材料层，包括但不限于阴极、隔板和阳极。这种电池的容量通常受到阴极层厚度和结构的限制。因此，厚阴极层可转化为具有高容量的电池，而薄阴极层可转化为具有低容量的电池。此外，使用薄膜真空沉积技术，例如溅射或等离子体增强化学气相沉积，来沉积这些层。

发明内容

根据本发明的一个实施例，提供了一种形成薄膜电池的方法。该方法可以包括在衬底中形成沟槽，在所述衬底的顶表面上沉积模板(stencil)，其中所述模板与所述沟槽对准，在所述沟槽中沉积阴极层，其中所述阴极层与所述模板直接接触，以及将所述阴极层压缩到所述沟槽中以减小所述阴极层的厚度。将所述阴极层压缩到所述沟槽中可以包括使用压头来将等静压力施加到阴极层上。所述模板可以由高温聚合物或低温聚合物制成。所述方法可以包括沿着所述沟槽的侧壁和底部而沉积阴极集电体层，在所述沟槽中沉积阴极层，以及将所述阴极层压缩到所述沟槽中以减小所述阴极层的厚度。该方法还可包括在所述阴极层的顶部上沉积电解质层，在所述电解质层的顶部上沉积阳极层，以及在所述阳极层的顶部上沉积阳极集电体层。

根据本发明的另一实施例，提供一种形成多个薄膜电池的方法。该方法可以包括在衬底中形成多个沟槽，在所述衬底中形成多个切割通道，其中所述多个切割通道中的每一个位于多个沟槽中的每一个之间，在所述衬底的顶表面上沉积模板，其中所述模板与所述沟槽对准，在所述多个沟槽中沉积阴极层，其中所述阴极层与所述模板直接接触，以及将所述阴极层压缩到所述多个沟槽中以减小所述阴极层的厚度。

根据本发明的另一实施例，提供了一种结构。该结构可以包括沿衬底而设置的阴极集电体层和掩埋在所述衬底中的阴极层，其中所述阴极层的顶表面基本上与所述阴极集电体层的顶表面齐平。该结构可以包括位于电解质层顶部的阳极层、位于所述阳极层顶部的阳极集电体层和位于所述阳极集电体层顶部的绝缘体层，其中所述电解质层将所述阴极层与所述阳极层分开。

附图说明

结合附图，将最好地理解以下详细描述，其通过示例给出并且不意图将本发明仅限于此，在附图中：

图1是示出根据示例性实施例的在衬底中创建的沟槽的截面图；

图2是示出根据示例性实施例的沉积阴极的截面图；

图3是示出根据示例性实施例的阴极顶部上的对准的压头的截面图；

图4是示出根据示例性实施例的抛光阴极层的截面图；

图5是示出根据示例性实施例的在抛光阴极层的顶部上沉积附加层的截面图；

图6是示出根据示例性实施例的在沉积层的顶部上的盖的横截面图

图7是示出根据示例性实施例的多个电池的横截面图；以及

图8A和8B是示出根据示例性实施例的基板上的多个电池的横截面图。

附图不一定是按比例的。附图仅仅是示意性表示，而不是要描绘本发明的特定参数。附图旨在仅描述本发明的典型实施例。在附图中，相同的标号表示相同的元件。

具体实施方式

本文公开了所要求保护的结构和方法的详细实施例；然而，可以理解，所公开的实施例仅仅是对可以以各种形式实施的所要求保护的结构和方法的说明。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为限于这里阐述的示例性实施例。相反，提供这些示例性实施例是为了使本公开透彻和完整，并将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。在描述中，可以省略公知的特征和技术的细节，以避免不必要地模糊所呈现的实施例。

为了下文描述的目的，术语“上”、“下”、“右”、“左”、“竖直”、“水平”、“顶部”、“底部”及其派生词应涉及所公开的结构和方法，如附图中所定向的。术语“覆盖”、“在顶部上”、“位于”或“位于顶部”表示第一元件例如第一结构存在于第二元件例如第二结构上，其中中间元件例如界面结构可存在于第一元件和第二元件之间。术语“直接接触”是指第一元件(例如第一结构)和第二元件(例如第二结构)在两个元件的界面处没有任何中间导电、绝缘或半导体层的情况下连接。

为了不模糊本发明的实施例的呈现，在以下详细描述中，本领域已知的一些处理步骤或操作可以被组合在一起以用于呈现和用于说明目的，并且在一些实例中可能没有被详细描述。在其它情况下，可能根本不描述本领域已知的一些处理步骤或操作。应当理解，下面的描述更集中于本发明的各种实施例的区别特征或元件。

本发明的实施例总体上涉及一种高容量紧凑型锂薄膜电池，更具体地讲，涉及一种形成具有小密封表面积的高容量锂薄膜电池的结构和方法。

通常，薄膜锂电池由不同的材料制成，其中每种材料彼此层叠。这样的层可以包括，但不限于，阴极集电体层、阴极层、电解质层、阳极层、阳极集电体层和绝缘层。此外，常规薄膜锂电池的容量通常受到阴极层厚度和结构的限制。因此，厚阴极层可转化为具有高容量的电池，而薄阴极层可转化为具有低容量的电池。

通常，这些层使用不同的真空沉积技术，例如溅射来沉积。然而，这些真空沉积技术受到它们的沉积速率的限制。因此，使用溅射沉积技术来制造薄膜锂电池是耗时且昂贵的。当生产高容量电池时，这甚至更耗时和昂贵，因为这种电池需要厚的阴极层，这意味着沉积这种厚的阴极需要更长的溅射时间。此外，由于锂是高反应性的，这种电池需要大的密封以保护锂层不受水或氧气等污染物的影响。结果，所生产的电池在物理上也是大的，具有10mm2至1000mm2之间的表面积，其中密封本身的表面积为至少1mm2。

随着技术进步，新出现的物联网传感器和智能设备可能需要具有小于10mm2的表面积的电池来为这些传感器和智能设备供电。因此，需要开发一种薄膜锂电池，其具有高容量并具有小于10mm2、优选约1mm2的总表面积，包括密封。此外，需要将处理成本降低到远低于使用当前薄膜技术所能实现的水平。因此，本发明的实施方式提供了一种生产高容量电池的结构和方法，该电池具有小于10mm2的总表面积，同时减少了处理时间和成本。

现在参考图1，示出了根据实施例的结构100。结构100可以包括衬底102、阴极集电体层104、模板106和沟槽108。衬底102可以包括硅基材料。适用于衬底102的硅基材料的说明性示例可以包括但不限于硅、硅锗碳、硅碳及其多层。在实施例中，衬底102可以是允许背面电极接触的退化掺杂硅。

可以使用已知的光刻技术来图案化衬底102，以产生沟槽108。衬底102也可被蚀刻以产生沟槽108。例如，反应离子蚀刻可用于在衬底102中蚀刻沟槽108。一旦形成沟槽108，阴极集电体层104就共形地沉积在衬底102的顶表面上并沿着沟槽108的侧壁和底部。阴极集电体层104可以使用不同的沉积工艺来沉积，例如蒸发、化学气相沉积、原子层沉积、溅射或其它合适的沉积工艺。

阴极集电体层104可以由非活性金属制成，例如铜、银、金、铂或任何其它合适的非活性金属。阴极集电体层104是导电的，并且作为阻挡层。除了提供到阴极(110)的电流路径之外，阴极集电体层104还可防止在衬底102和环境中发现的杂质进入可能沉积在阴极集电体层104的顶表面的顶部上的其它层。

使用上述已知的合适的沉积技术将模板106沉积在阴极集电体层104的顶表面上。在一个实施例中，模板106沉积在阴极集电体层104的顶表面上和沟槽108的侧壁和底部上。一旦模板106被沉积，就可以使用已知技术图案化模板106，以去除先前沉积在沟槽108中的模板106。结果，沟槽108衬有阴极集电体层104并且其中没有任何模板106。模板106仅保留在阴极集电体层104的顶表面上，该顶表面位于衬底102的顶表面的顶部上。

模板106进一步限定了在衬底102中图案化的沟槽108。模板106使沟槽108的侧壁在阴极集电体层104和衬底102的顶表面上方延伸，因为模板106仅保留在阴极集电体层104的顶表面上。结果，模板106的最靠近沟槽108的侧壁与沟槽108的侧壁基本上对准。模板106还保护阴极集电体层104在电池制造的后续处理步骤中不变坏。

模板106也是可移除的，并且可以由不同的聚合物制成。例如，如果随后使用低温压制步骤来形成阴极层，则模板106由高温可压缩聚合物制成。然而，如果随后使用高温压制步骤来形成阴极层，则模板由低温聚合物制成。

现在参考图2，在模板106沉积在阴极集电体层104的顶表面上之后，阴极层110沉积到沟槽108中。阴极层110可以由含锂材料制成，例如LiCO2、LiMn2O4、LiFePO4或其它合适的阴极材料(例如金属氧化物)。一旦沉积，阴极层110就延伸到阴极集电体层104的顶表面之上，但是延伸到模板106的顶表面之下。这样，阴极层110被包含在沟槽108中，在由模板106产生的侧壁内，并且与模板106的侧壁的部分直接接触。在一个实施例中，阴极层110在阴极集电体层104的顶表面上方延伸，使得在进一步处理之后，在此参考图3-4描述的，阴极集电体层104可以与沿衬底102的顶表面延伸的阴极集电体层104的顶表面基本齐平，这考虑了阴极层110的初始密度和阴极层110的最终期望密度。

现在参考图3，压头112直接位于阴极层110上方。压力头112可由与基底102相同的材料制成，例如硅或任何其它合适的材料。通过在阴极层110的顶表面上方延伸的模板106的侧壁来辅助压头112的定位。结果，压头112配合在由模板106产生的区域之间，直接在阴极层110上方。

一旦压头112就位，压头112就用于将阴极层110向下等静压到在衬底102中图案化的沟槽中。当阴极层110首先沉积到沟槽108中时，阴极层110填充沟槽108并且在阴极集电体层104的顶表面上方但在模板106的顶表面下方延伸。结果，沉积了比仅填充沟槽108所需的更多的阴极层110。这样做使得阴极层110可以被向下压入到在衬底102中被图案化的沟槽中，从而减小其厚度。

阴极层110的等静压可以在低温或高温下进行。在一个实施例中，阴极层110可以在与模板106相容的低温下被等静压压缩或压紧。一旦阴极层110被压缩，就可以移除模板106，并且阴极层110可以被进一步压缩和加热。在等静压压制期间，压头112在所有方向上施加相等的压力，并且向下推动到阴极层110上，从而使阴极层110冷凝。

通常，当使用诸如溅射的沉积工艺沉积阴极时，在将附加层沉积在阴极的顶部上之前可能需要机械抛光步骤。溅射沉积步骤可能将杂质引入阴极。使用压头112来压缩阴极层110产生了不含杂质的致密阴极层110。在使用压头112压缩阴极层110之后，其具有可随后被图案化和密封的干净界面。

另外，与常规溅射沉积工艺不同，使用压头112压缩阴极层110允许控制阴极层110的孔隙率。阴极层110的孔隙率可由所沉积的阴极层110的性质控制。例如，阴极层110的性质可以指构成阴极层110的颗粒的形状。

阴极层110的孔隙率也可通过由压头112施加到阴极层110的压力的量来控制。例如，在两种情况下沉积相同厚度的阴极层110。在第一种情况下，如果压头112向阴极层110施加更大的压力，则阴极层110可以被更致密地压实。然而，如果在第二种情况下，压头112施加的压力较小，则阴极层110可以被压实，但是其密度较小并且孔隙度较大。

阴极层110的孔隙率可通过阴极层110的压缩持续时间来控制。例如，由压头112压缩阴极层110的持续时间可产生不同密度的阴极层110。例如，沉积相同厚度的阴极层110。如果压缩的持续时间短，则与压缩的持续时间较长时阴极层110的密度相比，阴极层110的密度可以较小。

阴极层110的孔隙率也可通过阴极层110被压缩的温度来控制。在烧结过程中，阴极层110可以被压缩。这导致构成阴极层110的颗粒彼此粘附并结合，从而形成比首先沉积到沟槽(108)中的阴极层110更多孔的阴极层110。

此外，阴极层110可以与添加剂结合以提高电池的效率。在一个实施例中，阴极层110可与低蒸气压离子液体电解质组合以提高阴极层110的性能。在另一实施例中，阴极层110可与导电碳组合，这也可通过增加其电子导电性来增加阴极层110的性能。在一个实施例中，如果使用热压来压缩阴极层110，则可通过使离子液体电解质经由毛细管力流入经压缩的阴极层110中来将离子液体电解质添加到阴极层110。在一个替代实施例中，如果使用冷压来压缩阴极层110，则可在用压头112压缩阴极层之前将离子液体电解质掺入阴极层110中。

现在参考图4，阴极层110被压缩，使得阴极层110的顶面基本上与沿衬底102的顶面延伸的阴极集电体层104的顶面齐平。为了确保沉积足够的阴极层110，使得当被压头112压缩时，阴极层110基本上与阴极集电体层104的上表面齐平。通常，当制造锂电池时，使用沉积工艺，例如溅射，将阴极层沉积在阴极集电体层104的顶部上。如上所述，阴极层110越厚，电池的容量越高。因此，制造具有厚阴极层110的电池是有利的。然而，传统的沉积工艺耗时且昂贵。利用压头112将阴极层110热压或冷压到沟槽108(图1)中，产生了与使用常规技术沉积的情况相比具有期望厚度和密度的阴极层110，进一步增加了电池的容量。

将阴极层110埋入衬底102中也减小了电池的密封面积。如上所述，当制造常规电池时，阴极层沉积在阴极集电体层的顶部上，阴极集电体层沉积在衬底的顶部上。结果，传统的电池具有需要被密封的层的堆叠。密封件需要较厚以适应阴极的外形。这又需要更大的密封面积。此外，为了制造高效电池，阴极层的厚度增加。这转化为更大的密封面积，因为附加的层堆叠更高。对于更高的层堆叠，密封面积增加以保护这些层免受环境污染源的影响。

在一个实施例中，阴极层110不再位于衬底102的顶表面上。相反，阴极层110埋入衬底102中，并且阴极层110的顶表面与阴极集电体层104的顶表面基本齐平。由于阴极层110不再沉积在衬底102的顶部上，因此当制造其中阴极层沉积在衬底的顶部上的常规电池时，额外的层堆叠不如层堆叠那样高。较短的层堆叠转化为较小的密封区域。此外，制造具有较厚阴极层110的电池不增加堆叠的高度，因为阴极层110可进一步掩埋在衬底102中，使得阴极层110不延伸到阴极集电体层104的顶表面上方。

在一个实施例中，一旦阴极层110被均衡地压缩，则表面平坦化处理可以用于使阴极层110的顶表面平滑并且使其为进一步处理做准备。

现在参考图5，一旦阴极层110被压缩，则附加层被沉积到阴极层110和阴极集电体层104的顶表面上。可以使用标准技术来实现附加层的沉积。附加层可包括但不限于电解质层114、阳极层116、阳极集流体层118和绝缘体层120。

电解质层114可以包括固态电解质，以提供没有空气中断的原位处理。在一个实施例中，电解质层114可包括薄固体膜，例如LiPON或旋涂溶胶，但也可采用其它材料。电解质层可以通过蒸发、化学气相沉积、溅射或其它合适的沉积工艺来沉积。电解质层114可沉积在阴极层110的顶表面上，在阴极层110和阳极层116之间，分离层110和116。电解质层114可以在阴极层110和阳极层116之间提供离子传导。

阳极层116可沉积在电解质层114的顶表面上。阳极层116可由锂、锂合金或任何其它合适的材料制成。阳极层116可以通过蒸发、化学气相沉积、溅射或其它合适的沉积工艺来沉积。

阳极集电体层118可以沉积在阳极层116的顶表面上。阳极集电体层118用作阳极层116的电流路径。阳极集电体层118可以由非反应性金属制成，例如铜、银、金、铂或任何其他合适的材料。阳极集电体层118可以通过蒸发、化学气相沉积、溅射或其他合适的沉积工艺来沉积。在一个实施例中，阳极集电体层118可以与衬底102直接接触以形成密封。在一个实施例中，阳极集电体层118和阴极集电体层104都离开密封件，但彼此不直接接触。

绝缘体层120可以沉积在阳极集电体层118的顶表面上。绝缘层120可以由导电材料制成，例如铝或任何其它合适的材料。绝缘层120可以保持结构100与外部环境电绝缘。

现在参考图6，帽层122被沉积到绝缘层120的顶表面上。盖层122可由与构成衬底102的材料相同的硅基材料制成，例如硅、硅锗碳、硅碳及其多层。覆盖层122也可由对氧、水和其它损害电池的物质表现出低渗透性的材料的任何组合制成。这种材料的说明性示例可以包括但不限于金属膜、多层金属膜、绝缘膜、多层绝缘膜、或多层金属和绝缘膜。可以通过化学气相沉积、溅射、蒸发或任何其它合适的沉积工艺来形成盖层122。

盖层122覆盖阴极集电体层104、阴极层110、电解质层114、阳极层116、阳极集电体层118和绝缘体层120。盖层122保护这些层不暴露于环境元素、腐蚀或其它损坏。在一个实施例中，帽层122沉积在绝缘体层120的顶部上。在替代实施例中，覆盖层122不沉积在绝缘层120上。相反，绝缘体层120是结构100中的最顶层。然而，使帽层122覆盖包括绝缘层120的其它层是更有益的，因为帽层122比绝缘层120更好地保护结构100免受环境元素的影响，从而增加结构100的保存期限。

在常规电池中，为了接近阴极或阳极，通常穿过任何绝缘体或隔离层来图案化隔离的通孔。此外，通常在电池的阳极侧上形成接触。在实施例中，例如，可以通过图案化穿过绝缘体层120的隔离通孔来制作阳极接触。然而，阴极接触可以使用导电阴极衬底制成，例如退化掺杂硅。当使用导电阴极衬底时，阴极集电体层104可以与衬底102形成欧姆接触，允许背面欧姆金属接触被图案化。当与常规阳极侧(或前侧)接触方案相比时，背侧接触占据较少的面积，从而允许更多的面积用于电化学材料。

现在参考图7，示出了结构200。结构200代表在单个晶片上并排制造的多个结构100或电池。尽管仅示出了两个结构100，但是本发明的实施例考虑了在单个衬底102上制造的多个结构100，如本文中参照图1-6所述。

现在参考图8A和8B，其均示出了具有多于两个电池(100)的结构200.图A表示使用传统溅射工艺制造的结构200，图8B表示根据本发明制造的结构200。结构200可包括多个电池，每个电池包括阴极层110。应注意，为了清楚和理解，图8A和8B中省略了电池(100)的其它部件。在形成电池(100)之后，可以沿着线124切割或切片结构200，以产生多个单独的电池。如上所述，使用常规溅射工艺制造电池，由于需要密封和保护免受环境污染物影响的层的堆叠，产生相对于其阴极层110的面积具有更大密封面积的电池。此外，当分离成单个电池时，在切割结构200期间，也需要大的密封区域来保护各层的完整性。因此，与根据本发明制造的电池相比，常规方法产生具有相对小的阴极层110和相对大的密封区域的电池。

如上文参照图1-6所述，以及如图8B所示，通过将阴极层110埋入衬底102中，可以增大阴极110的尺寸，并且可以减小/减小密封区域，同时保持相同的切割覆盖区。由于阴极层110不再延伸到衬底102之上，因此存在较少的层堆叠，从而减小密封宽度，同时维持个别电池结构(100)的功能和物理完整性。由于密封区域/宽度的尺寸减小，阴极层110可以增大(宽度/长度)，从而增大电池的容量。

此外，在衬底102中蚀刻沟槽期间(图1)，切割沟道126也可同时蚀刻到衬底102中。切割通道126可以位于每个结构100之间(图7)并限定每个结构100的边缘。切割通道126是衬底102中的小通道，其有助于切割衬底以形成单个结构100。

本发明的实施例结合了切割通道126，以减小当结构200被切割成单个电池(结构100)时所施加的应力。切割通道126允许每个电池保持其密封完整性。此外，由于不再需要大的密封区域，因此可以将每个阴极层110制造得更大。因此，在包括切割通道126以及将阴极层110埋入衬底102中的情况下，本发明的实施例提供了一种电池，与常规电池的密封件与阴极层之间的比率相比，该电池的密封件与阴极层110之间的比率减小。因此，电池的总表面积也比常规电池的总表面积减小。

已经出于说明的目的给出了本发明的各种实施例的描述，但是其不旨在是穷尽的或限于所公开的实施例。在不背离所描述的实施例的范围的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。选择本文所使用的术语是为了最好地解释实施例的原理、实际应用或对市场上存在的技术改进，或为了使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所公开的实施例。

Claims (12)

1.一种形成薄膜电池的方法，所述方法包括：

在衬底中形成沟槽；

在所述基板的顶表面上沉积模板，其中所述模板与所述沟槽对准；

在所述沟槽中沉积阴极层，其中所述阴极层与所述模板直接接触；以及

将所述阴极层压缩到所述沟槽中，以减小所述阴极层的厚度。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

沿着所述沟槽的侧壁和底部沉积阴极集电体层；

在所述沟槽中沉积所述阴极层；以及

将所述阴极层压缩到所述沟槽中，以减小所述阴极层的厚度。

3.根据权利要求1所述的方法，其中在所述沟槽中沉积所述阴极层进一步包括：

沿着所述模板的侧壁的一部分，沉积所述阴极层。

4.根据权利要求1所述的方法，其中将所述阴极层压缩到所述沟槽中进一步包括：

使用压头将等静压力施加到所述阴极层上。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在所述阴极层的顶部上沉积电解质层；

在所述电解质层的顶部上沉积阳极层；以及

在所述阳极层的顶部上沉积阳极集电体层。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述模板由高温聚合物或低温聚合物制成。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括：

向所述阴极层添加离子液体电解质。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底是退化掺杂硅，并且其中由于所述衬底是所述退化掺杂硅，因此将所述衬底中的背侧阴极接触构图。

9.一种形成多个薄膜电池的方法，所述方法包括：

在衬底中形成多个沟槽，每个沟槽对应于所述电池中的不同的一个；

在所述衬底中形成多个切割通道，其中所述多个切割通道中的每一个位于所述多个沟槽中的每一个之间；以及，

根据前述权利要求中任一项所述的方法形成所述电池中的每一个。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，使用反应离子蚀刻在所述衬底中形成所述多个切割通道。

11.一种结构，包括：

阴极集电体层，其沿衬底而定位；以及

阴极层，其掩埋在所述衬底中，其中所述阴极层的顶表面与所述阴极集电体层的顶表面基本齐平。

12.根据权利要求18所述的结构，还包括：

阳极层，其位于电解质层的顶部上，其中所述电解质层将所述阴极层与所述阳极层间隔开；

阳极集电体层，其位于所述阳极层的顶部；以及

绝缘体层，其位于所述阳极集电体层的顶部上。

Images