CN203503745U - 单片集成薄膜固态锂电池设备 - Google Patents

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Abstract

一种单片集成薄膜固态锂电池设备，用于向移动通信设备供电。所述电池设备包括在大于两层至小于一百万层范围内的多层锂电化学电池单元。所述锂电化学电池单元并联或串联连接，以符合空间体积。所述多个层被配置为形成利用自终止或后终止连接器构造并联布置或串联布置的多个电化学电池单元。

Description

单片集成薄膜固态锂电池设备
技术领域
本实用新型涉及一种单片集成薄膜固态锂电池设备。更具体地，涉及一种单片集成薄膜固态锂电池设备，其包括层叠构造的范围在二至一百万层的多层锂电化学电池单元，用于汽车、蜂窝电话、智能手机、便携式电子产品或其它应用。 
背景技术
一般的电化学电池单元通常使用液体电解质。这类电池单元通常用于许多常规应用。制造电化学电池单元的替代技术包括固态电池单元。这种固态电池单元主要出于试验阶段，难以制造并且未能成功大规模生产。尽管有前途，但是由于电池单元结构和制造技术的限制未能实现固态电池单元。在整个说明书中尤其是下文中描述了这些和其它限制。 
实用新型内容
在优选实施例中，本方法和电池使用特定的过程和设计参数。可以通过数值技术利用选择的上下界确定参数，以获得对于一些应用的期望结果。作为例子，这类数值技术包括2011年5月17日公布的美国专利No.7,945,344中描述的在先方法中描述的那些。在优选实施例中，本电池结构使用来自在前述美国专利中所描述的技术的信息。 
在特定的实施例中，本发明提供一种单片集成薄膜固态锂电池设备，包括层叠构造的范围在二至一百万层的多层锂电化学电池单元，其用于汽车、蜂窝电话、智能手机、便携式电子产品或其它应用。所述设备具有：衬底，提供用于多个沉积的固态电化学电池单元组件的基础；导电层，被配置为阴极集流体，该阴极集流体放置为覆盖所述衬底；阴极电极材料，包括覆盖所述导电层的基于钒的氧化物；电解质材料，被配置为覆盖所述阴极电极材料的电解质。所述电解质材料能够使锂离子在充电过程和放电过程中往复移动。 所述设备具有负电极材料的固态层，被配置为在充电过程和放电过程中能够进行电化学插入或离子电镀的阳极；导电层，被配置为阳极集流体，其被放置被覆盖负电极材料的所述固态层；以及第二阻挡层，提供更好的附接并且防止负电极材料氧化。 
在优选实施例中，所述多层锂电化学电池单元被配置有后终止或自终止集流体，该后终止或自终止集流体的体积比500瓦特·小时/公升的体积能量密度增加至少20%，并且其中，所述设备设置在移动电话或移动装置中。 
在优选实施例中，所述单片集成薄膜固态锂电池设备具有通过在1瓦特的操作功率以下的总操作能量除以所述设备的总体积来提供的体积能量密度。 
在优选实施例中，通过按下述顺序进行物理气相沉积并重复执行100次以上但少于3000次来提供所述多层锂电化学电池单元，该顺序为阻挡层、阴极集流体、阴极、电解质、阳极、阳极集流体、阳极阻挡层。 
在优选实施例中，通过在衬底层之上按下述顺序进行物理气相沉积并按该顺序重复执行2次以上来提供所述多层锂电化学电池单元，以减少衬底层数并增加所述固态锂电池的体积能量密度，所述顺序为阴极集流体、阴极、电解质、阳极、阳极集流体、阳极、电解质、阴极、阴极集流体。 
根据本发明的另一实施例，提供一种单片集成薄膜固态锂电池设备，用于向移动通信设备供电，所述电池设备包括在大于两层至小于一百万层范围内的多层锂电化学电池单元，所述锂电化学电池单元并联或串联连接，以符合空间体积。所述空间体积为50立方厘米及更小，用于智能手机、平板电脑和便携式电子产品，其中，所述多个层被配置为形成利用自终止或后终止连接器构造并联布置或串联布置的多个锂电化学电池单元。 
在优选实施例中，所述的设备进一步包括衬底，所述多层锂电化学电池单元被布置为覆盖所述衬底，其中，所述覆盖的多个层没有任何中间衬底构件，其中，所述多个层被配置为形成利用自终止或后终止连接器构造并联布置或串联布置的多个锂电化学电池单元，并且具有500瓦特·小时/公升及更大的能量密度。 
在优选实施例中，本发明提供一种方法和设备，该设备利用具有后终止集流体或自终止集流体的棱柱多层结构，其可行的体积符合能量密度比常规 电池技术所涉及的280瓦特·小时/千克增加大于20%的。如在此使用的，虽然可能有些许变化，但是术语棱柱与本领域技术人员已知的定义一致。在特定实施例中，所述方法和设备包括由大于100且小于3000个并联电池单元组成的多层结构，符合能量密度优化运算。图1中示出此构造的一些结果，包括在离子和电子电导率范围内的阴极厚度对能量密度的曲线图。在特定实施例中，多层结构包括具有厚度在约0.2和约2.0之间的层的阴极层，例如符合7.2cm×3.2cm×0.5cm的棱柱袋电池单元。当然，可以有其它变型、改进和替换。 
在优选实施例中，单个锂电化学电池单元包括通过按顺序的物理气相沉积过程沉积的覆盖衬底的多个层，该顺序为阴极阻挡层、阴极集流体、阴极、电解质、阳极、阳极集流体和阳极阻挡层。在特定实施例中，薄膜固态电化学电池单元设备中的衬底层为随后层提供机械支撑。因此，它必须具有能够承受由随后沉积在其上的层所引起的重量和应力的硬度。在一个实施例中，薄的聚合物尤其是诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的那些聚合物被用作衬底，该衬底的厚度小于10微米。在另一实施例中，金属化PET，其是在PET之上涂布很薄的铜层（例如，0.1微米），被用于防止氧气和水分从衬底扩散到阴极和阴极集流体中。PET上的金属化金属的厚度为埃米量级。 
在优选实施例中，在电化学电池单元设备的衬底和阴极集流体之间的阴极阻挡层用于抑制锂与衬底内的水分反应。金属的氧化物、氮化物或磷酸盐优选用于此层。该金属的种类来自周期表中的4、10、11、13和14族。此层的厚度为0.1微米量级或更小量级。在另一优选实施例中，磷酸锂（LixPOy，其中x+y<=7）可以作为阴极阻挡层。 
在另一优选实施例中，在电化学电池设备中阴极集流体和阳极集流体是从阴极收集电流并将电流传输到外部负载所必需的。电导率在107S/m或更高量级。所述阴极集流体和所述阳极集流体由选自周期表的10、11和13族的导电金属制成，或者其中，所述阴极集流体和所述阳极集流体由电导率高于107S/m的铜材料制成。阴极和阳极集流体需要在它们的工作电压下化学稳定。在一个实施例中，集流体的厚度在约0.1和约2微米之间。 
在优选实施例中，阴极电极材料包括非晶或晶体锂化过渡金属氧化物和锂化过渡金属磷酸盐，其中，金属来自周期表的3至12族。优选地，阴极电极材料包括导电率在10-6至10-2S/m（优选小于10-3S/m）范围内并且离子扩 散率在1×10-16至1×10-14m2/s范围内的非晶锂化的基于钒的氧化物。基于钒的氧化物覆盖导电层，阴极集流体材料特征是具有厚度在约0.2和约2微米之间的层。通过过程条件可以调整电导率。 
在特定实施例中，此电化学电池设备的固态玻璃电解质包括离子电导率在10-5至10-4S/m范围内的非晶锂磷氧氮。通过氮浓度和蒸发过程条件可以调整玻璃电解质的离子电导率。此玻璃电解质材料被配置为覆盖阴极电极材料的电解质。此玻璃电解质材料能够在充电过程和放电过程期间使锂离子往复移动，玻璃电极材料的特征是具有厚度在约0.1和约1微米之间的层。 
在特定实施例中，在充电过程和放电过程期间，在此设备中被配置为阳极的负电极材料固态层能够将锂电化学地插入主晶格中或电镀Li离子。此固态阳极层的层厚度在约0.2和约3微米之间。阳极的层厚度可以是阴极层厚度大小的若干倍，从而可以确保足够的锂浓度以便在阴极和阳极之间通过电解质往复移动。 
在优选实施例中，此设备中的阳极阻挡层覆盖阳极集流体。此阳极阻挡层用于抑制锂与外部空气中的水分反应。金属的氧化物、氮化物或磷酸盐优选用于此层。这种金属来自周期表中的4、10、11、13和14族。这些金属氧化物、金属氮化物或金属磷酸盐容易蒸发和沉积。在此方法和结构中，该层的厚度在0.1微米量级或更小量级。在一个优选实施例中，磷酸锂（LixPOy，其中x+y<=7）用作阳极阻挡层。 
相比常规技术实现的益处。根据具体实施例，可以实现这些益处中的一个或多个。优选地，本电池设备具有以下特征： 
比常规电池的高至少1.5倍的比/体积能量密度； 
热量散失的机会减少； 
不产生气体； 
不需要担心液体泄漏；以及 
对于目标应用，具有最佳的电池容量利用率。 
根据所述实施例，可以实现这些益处的一个或多个。 
附图说明
图1是与iPhone4（2011年的）电池相比的薄膜固态锂电池性能的简化 图； 
图2A是在棱柱袋状封装（prismatic pouch package）中的薄膜固态电池的简化图，图2B是图2A的薄膜固态电池的剖视图； 
图2C是在棱柱金属封装（prismatic metallic package）中的薄膜固态电池的简化图，图2D是图2C的薄膜固态电池的剖视图； 
图3A是根据本发明实施例的电化学电池单元的剖视图的简化图； 
图3B是根据本发明实施例的电化学电池单元的透视图的简化图； 
图3C是根据本发明实施例的电化学电池单元的透视图的简化图； 
图4A至4C是薄膜固态电池设备的简化流程图； 
图5是图示根据本发明实施例的电化学电池单元的剖面的简化图； 
图6A是图示常规（例如2011年的）智能手机的重量和体积的简化图； 
图6B是与在实施例之一中使用的电池设备相比用于常规智能手机中的电池的体积能量密度的简化图； 
图6C是与在实施例之一中使用的电池设备相比用于常规智能手机中的电池的重量能量密度的简化图； 
图7是在本发明的实施例中描述的电化学电池单元设备的扫描电子显微图像；以及 
图8是根据本发明实施例的电池单元设备的电池放电曲线的简化图。 
具体实施方式
根据本发明，提供涉及电化学电池单元制造的技术。更具体地，本发明提供用于制造固态薄膜电池设备的设备和方法。仅通过举例方式，已经使用基于锂的电池单元提供本发明，但是应该认识到诸如锌、银、铜和镍的其它材料可以设计为相同或相似形式。此外，这种电池可以用于各种应用，诸如便携式电子产品（蜂窝电话、个人数字助手、音乐播放器、摄影机等）、电动工具、军事用途（通信、照明、成像等）的电源、航空应用（卫星的电力）的电源以及车辆应用（混合电动车辆、插电式混合电动车辆以及全电动车辆）的电源。这种电池设计也可应用于电池不是系统中的唯一电源的情形，其中通过燃料电池单元、其它电池、IC发动机或其它燃烧设备、电容器、太阳能电池单元等提供额外的电力。 
随着智能电话和便携式电子设备功能能力的增加，对具有长寿命的电源 的需要也随之增加。固态锂电池是向智能电话或其它类似的便携式电子设备供给能量的有前途的候选。根据用途需要，固态锂电池包括多层串联或并联连接的锂电化学电池单元的更小单元。锂离子电池目前的缺点是它们的寿命周期短，这是由形成在电池单元内的锂枝晶（dendrite lithium）的副反应使电极的正极和负极短路导致的。在极度恶劣的环境中，该副反应会导致热量散失并导致人身伤害。因而，锂离子电池的目前发展趋势是开发固态电解质（诸如聚合物电解质）来替代液体电解质，以降低充电和放电过程中锂枝晶生长的可能性，或使用专用分离器（proprietary separator）来抑制枝晶使正负电极短路。 
然而，薄膜固态锂电池由于固态层的高硬度而具有防止枝晶生长的优点。此外，由于它的薄膜空间维度，薄膜固态锂电池也具有高的倍率性能。第二点是，如果用于诸如智能电话和便携式电子设备的应用，需要具有更长的操作时间、更小的体积尺寸和更轻的重量。这些要求需要较高的单位体积和单位质量的能量密度。常规商用锂离子电池包括多孔电极以及液体或聚合物电解质。由于它的多孔电极和电解质特性，常规商用锂离子电池在进一步减小其尺寸和重量方面能力受限。此外，常规锂离子电池需要对电池的总能量无贡献的若干额外材料，诸如分离器和电解质，这增加了整个电池的体积和质量。此外，那些组件的自重和净体积降低了锂离子电池的比能和体积能量密度。另一方面，在此发明中，我们提出一种薄膜固态锂电池，其利用几乎所有可用空间体积并且还降低材料的净重和净体积，以便进一步增加电池的总能量。 
在实验环境中已经证明固态电池相比利用液体电解质的常规电池具有若干优点。安全性最重要的一个。固态电池本质上比基于液体电解质的电池更稳定，因为它不含有会导致不良反应（会使得热量散失，最坏的情形是爆炸）的液体。与常规电池相比，固态电池在相同体积或相同质量情况下可以存储更多能量。也已经报道过良好的循环性能（大于10,000循环）和良好的高温稳定性。 
尽管固态电池具有这些杰出的性能，但是未来在市场上获得这类电池仍有挑战。为了开发小型性和高能量密度，应该提高这种电池的封装。为了用于不同于现有应用（射频识别（RFID））的各种应用，诸如消费性电子产品或 电动车辆，应该以低成本发展、大面积和快速的薄膜沉积技术。本技术克服了常规技术的这些和其它限制。 
图1是与iPhone4现有电池相比的薄膜固态锂电池性能的简化图。 
图2A-2B和2C-2D是分别以棱柱袋状封装和棱柱金属封装的薄膜固态电池的简化图。在具体实施例中，单片集成薄膜固态锂电池设备包括多层锂电化学电池单元。锂电化学电池单元是可以提供电子能量的薄膜固态锂电池中的最小单元，并且特征在于小于100平方厘米的空间区域。在图2A和2C中，设备100和设备110图示Sakti3薄膜固态电池的两种棱柱封装，在图2B和2D中设备101和设备111分别描绘设备100和110的剖视图。在图2A中，设备100是以棱柱袋状封装的电池。另一方面，在图2C中，设备110是封装在棱柱金属壳或塑料壳中的电池。将长（L）和宽（W）乘积的横截面积限制在小于100平方厘米，稍大于锂电化学电池的空间面积。 
薄膜固态锂电池中的此最小单元包括按图3所示顺序的衬底201、阴极阻挡层202、阴极集流体203、阴极204、电解质205、阳极206、阳极集流体207、阳极阻挡层208。阴极阻挡层202、阴极集流体203、阴极204、电解质205、阳极206、阳极集流体207和阳极阻挡层208通过使用物理气相沉积技术沉积在衬底层201之上。 
物理气相沉积（PVD）过程（通常被称作薄膜过程）是原子沉积过程，其中，材料从固体或液体原材料被蒸发为原子或分子形式，以蒸汽形式通过真空或低压气体等离子体腔被传送到衬底，在衬底上凝固以形成膜层材料。这里，术语“薄膜”应用为厚度为几微米或更小量级的层。PVD过程可以用于利用反应沉积过程沉积元素、合金以及化合物的膜。产生的膜的范围可以是单晶到非晶、全致密到小于全致密、纯的到不纯的以及薄的到厚的。在特定实施例中，为了最大化电池设备的能量密度，用数学模型来进行帮助。图4A至4C示出过程流程图。使用数学模型。利用这些工具，减少了实验室中进行的反复试验，并缩短公司将他们的产品投入商用的时间表。下面详细描述最终结果。 
薄膜固态电化学电池单元中的衬底层201为随后的层提供机械支撑。因此，它必须具有能够承受由随后沉积在其上的层所引起的重量和应力的硬度。因此，典型的衬底是厚且硬的材料。然而，在此设备中，我们选择薄聚合物， 尤其是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），作为我们的衬底，其中该衬底的厚度小于10微米。有时，为了防止氧气和水分从衬底扩散到阴极和阴极集流体中，因此发明金属化的PET，其是在PET之上涂布很薄的铜层，该金属化的PET可以减少阴极的杂质并延长其寿命。PET上的金属化金属的厚度为埃米量级。 
在特定实施例中，在设备的衬底和阴极集流体之间的阴极阻挡层202用于抑制锂与衬底内的水分反应。有机材料可以用于此功能。金属的氧化物、氮化物或磷酸盐优选用于此层。所述金属来自周期表中的4、10、11、13和14族。这些金属氧化物、金属氮化物或金属磷酸盐容易蒸发和沉积。在特定实施例中，此层的厚度为0.1微米量级或更小量级。一种可能的候选是磷酸锂（LixPOy，其中x+y<=7）。 
在此设备中阴极集流体203和阳极集流体207是从阴极收集电流并将电流传输到外部负载所必须的。因而，其需要具有在107S/m或更高量级的高电导率。阴极和阳极集流体需要在它们的工作电压下化学稳定。对于锂，阴极集流体需要在1.5至5V的范围内稳定，对于锂，阳极集流体需要在0至1V的范围内稳定。尽管集流体是在电化学电池单元中传送电子所必须的，但是它对电池单元的电能没有贡献。因而需要集流体很薄以减小体积和质量，然而，它不能过薄。薄膜的电压降依赖于薄膜厚度， 
&phi; ( x = L ) = iL 2 2 &sigma;H
其中，L是膜长度，H是膜厚度，σ是膜的电导率。因此，该厚度不能小于特定值，以最小化横跨膜的电压降。在特定实施例中，集流体的厚度在约0.1和约2微米之间。 
在此设备中，阴极204的电极材料包括非晶或晶体锂化过渡金属氧化物和锂化过渡金属磷酸盐，其中，该金属来自周期表的3至12族，优选是电导率在10-6至10-2S/m（优选小于10-3S/m）范围内并且离子扩散率在1×10-16至1×10-14m2/s范围内的非晶锂化的基于钒的氧化物。基于钒的氧化物覆盖导电层，阴极电极材料的特征是具有厚度在约0.2和约2微米之间的层。在特定实施例中，可以通过过程条件调整电导率。 
此设备固态玻璃电解质205包括离子电导率在10-5至10-4S/m范围内的非晶锂磷氧氮。通过氮浓度和蒸发过程条件可以调整玻璃电解质的离子电导率。 此玻璃电解质材料被配置为覆盖阴极电极材料的电解质，玻璃电解质材料能够在充电过程和放电过程期间使锂离子往复移动，玻璃电极材料的特征是具有厚度在约0.1和约1微米之间的层。 
在充电过程和放电过程期间，在此设备中被配置为阳极206的负极材料固态层能够电化学地将锂插入主晶格中或电镀Li离子。该固态阳极层的层厚度在约0.2和约3微米之间，其是阴极容量的若干倍，从而可以确保足够的锂浓度以便在阴极和阳极之间通过电解质往复移动。 
在此设备中覆盖阳极集流体的阳极阻挡层208用于抑制锂与外部空气中的水分反应。有机材料可以用于此功能。金属的氧化物、氮化物或磷酸盐优选用于此层。该金属来自周期表中的4、10、11、13和14族。这些金属氧化物、金属氮化物或金属磷酸盐容易蒸发和沉积。在特定实施例中，此层的厚度为0.1微米量级或更小量级。一种可能的候选是磷酸锂（LixPOy，其中x+y<=7）。 
在特定实施例中，通过物理气相沉积技术如下所述地在衬底层之上形成电化学电池单元，即按阻挡层、阴极集流体、阴极、电解质、阳极、阳极集流体、阳极阻挡层的顺序进行沉积，重复100次以上但少于3000次，以及按阴极集流体、阴极、电解质、阳极、阳极集流体、阳极、电解质、阴极、阴极集流体的顺序进行沉积，此顺序重复大于2次，以减少衬底层数并且增加固态锂电池的体积能量密度。图4A至4C示出物理气相沉积过程的流程图。一种向移动通信设备供能的单片集成薄膜固态锂电池设备，该电池设备包括在多于100层至少于20,000层范围内的多层锂电化学电池单元。锂电化学电池单元并联或串联连接以符合空间体积。特定实施例的锂电池设备进一步包括衬底和重叠的多层，其中，重叠的多层没有任何中间衬底构件，其中，所述多个层被配置为形成利用自终止（self terminated）或后终止（post terminated）连接器构造而并联布置或串联布置的多个电化学电池单元。特定实施例的所述设备具有500瓦特·小时/公升及更大的能量密度。 
为了在这里示出实施例的一些益处的例子，在以下例子中进行一些实验。当然，这些例子仅是说明性的，不应该不适当地限制本文的权利要求的范围。本领域技术人员应该意识到其它变型、改进和替换。 
例子1。iPhone4在2010和2011年很受欢迎。它支持超过425000个应 用，通常称作“App”，这些应用能够购买和下载。然而，众所周知，与其它品牌的智能手机相比iPhone4的不足是其电池可用时间和寿命缺点。为了延长电池可用时间，苹果公司淘汰使用Adobe Flash来降低电能消耗。 
在此例子中，我们展示了当前设计的薄膜固态锂电池可以胜过iPhone4目前的电池，从而可以进一步扩展iPhone4的性能。常规iPhone4电池标称5.25瓦特·小时（Wh），并且其空间体积为11.5立方厘米。因而，其体积能量密度为约4.60×105Wh/m3（=460Wh/L）。在此例子中，我们设计了尺寸为7.2×3.2×0.5(cm3)的薄膜固态电池。基于锂钒的氧化物用作阴极材料，基于锂磷氧氮作为电解质和阻挡层，锂金属作为阳极，镍金属作为集流体，并且聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）作为衬底。如图5所示按两种不同方式层叠电化学电池单元，图5示出根据本发明实施例的电化学电池单元的剖面的简化图。在设计400中，按阴极集流体、阴极、电解质、阳极、阳极集流体、阳极、电解质、阴极、阴极集流体、阻挡层的顺序覆盖在一个衬底上来层叠电池单元，重复所述顺序几千次。 
在此例子中，表1中列出假设情况。指定两个设计变量：阴极厚度（在0.2至2μm范围内）和阴极电导率（在10-6至10-5S/m范围内），如表2所示。 
表1 
参数 值
电池单元几何特性 7.2cm×3.2cm×0.5cm
阴极化学计量 基于锂的氧化钒
阴极质量密度 3360kg/m3
阴极离子扩散率 2.5×10-16m2/s
电解质 LIPON
电解质质量密度 2500km/m3
电解质离子电导率 3.3×10-4S/m
电解质离子扩散率 3.2×10-15m2/s
阳极化学计量 Li
阳极质量密度 500kg/m3
阳极电导率 1.17×107S/m
封装材料 聚合物
封装材料质量密度 1400kg/m3
封装厚度 100μm
阴极集流体材料 Ni
阴极集流体质量密度 8900kg/m3
阴极集流体电导率 1.62×107S/m
阳极阻挡层材料 Li3PO4
阳极集流体质量密度 2500kg/m3
阴极集流体厚度 0.1μm
阳极厚度 1.2×阴极容量
t2(喷雾)材料 Ni
t2(喷雾)质量密度 8900kg/m3
t2(喷雾)厚度 100μm
阳极阻挡层厚度 0.1μm
t2厚度 0.5mm
表2 
参数 值
阴极厚度 [0.2,2.0]μm
阴极电导率 [10-6,10-2]S/m
图1显示结果。通过改变阴极的厚度及其电导率经由数学模型推导出结果，该数学模型是我们设计的数学方法。此图中示出的四条曲线示出在阴极厚度设计范围（0.2至2μm）内它们都具有一个峰值。更具体的，这四条曲线 的最大体积能量密度在0.8至1.6μm阴极厚度之间。排列不利影响因素，阴极厚度高于衬底总厚度，衬底厚度高于电解质厚度。电解质和Ni-Cu喷雾之间的阻挡层距离的影响最小。在此实例中，清晰地展示了减小衬底总厚度的重要性。一旦可以实现，总体积能量密度将在850Wh/L以上，这比目前的iPhone4的体积能量密度（460Wh/L）增加约86%。 
例子2。在此例子中，我们展示特定实施例中设计的电池设计与用于常规智能手机和移动计算设备的目前现有电池的对比。这些常规智能手机和移动计算设备是HTC Thunderbolt、HTC Inspire4G、HTC EVO4G、T-Mobile myTouch4G、Motorola Droid X2、T-Mobile G2X、iPhone4、Motorola Atrix4G以及Samsung Nexus S4G。图6A示出在那些设备中使用的电池的重量和体积，简化图图示常规（例如2011年的）智能手机的重量和体积。 
在特定实施例中，此电池的体积与iPhone4的相同，并且其重量根据设计在0.02至0.03Kg范围内。该设计基于数值方法。智能手机和移动计算设备以恒定电流速率放电。图6B和6C示出这些电子设备的体积和质量能量密度，分别是与一个实施例中的电池设备相比的用于常规智能手机的电池的体积能量密度和质量能量密度的简化图。基于恒定电流速率下来自电池的总输出电能除以具有和没有封装材料的电池的体积和质量，来计算体积能量密度。显然，展示了特定实施例中的电池设备显著优于所测试的常规智能手机和移动计算设备。对于特定能量密度，优选实施例中的电池设备是用于智能手机和移动计算设备的常规电池的约2倍。对于体积能量密度，优选实施例中的电池设备是用于这些电子产品的常规电池之一的约1.8倍。 
图7是在本发明实施例中描述的电化学电池单元设备的扫描电子显微图像。此图像示出在电子显微扫描图像下的优选实施例之一的电化学电池单元的剖面。利用此扫描电子显微图像，可以容易地对每层的厚度分级。作为例子，阴极、电解质和阳极的厚度分别为1.0、0.6和0.7微米。 
图8是根据本发明实施例的电池设备的电池单元放电曲线的简化图。此图示出精确基于优选实施例中的设计的实际电池单元的放电曲线。此电池单元以恒定电流速率放电。该曲线示出电池单元的电压对输出比容量。此曲线清楚展示本电池设备达到了理论容量26.8Ah*2.4（锂的摩尔数）/（阴极或阳极的分子量）=160Ah/Kg。 

Claims (7)

1.一种单片集成薄膜固态锂电池设备，包括层叠构造的范围在二至一百万层的多层锂电化学电池单元，其用于汽车、蜂窝电话、智能手机、便携式电子产品，所述锂电化学电池单元的特征是空间区域，包括： 
衬底，提供用于多个沉积的固态电化学电池单元组件的基础； 
导电层，被配置为阴极集流体，该阴极集流体放置为覆盖所述衬底； 
阴极电极材料，包括覆盖所述导电层的基于钒的氧化物； 
电解质材料，被配置为覆盖所述阴极电极材料的电解质，所述电解质材料能够使锂离子在充电过程和放电过程中往复移动； 
负电极材料的固态层，被配置为在充电过程和放电过程中能够进行电化学插入或离子电镀的阳极； 
导电层，被配置为阳极集流体，其被放置为覆盖负电极材料的所述固态层；以及 
第二阻挡层，提供更好的附接并且防止负电极材料氧化。 
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多层锂电化学电池单元被配置有后终止或自终止集流体，该后终止或自终止集流体的体积比500瓦特·小时/公升的体积能量密度增加至少20%， 
并且其中，所述设备设置在移动电话或移动装置中。 
3.根据权利要求1所述的设备，其中，通过按下述顺序进行物理气相沉积并重复执行100次以上但少于3000次来提供所述多层锂电化学电池单元，该顺序为阻挡层、阴极集流体、阴极、电解质、阳极、阳极集流体、阳极阻挡层。 
4.根据权利要求1所述的设备，其中，通过在衬底层之上按下述顺序进行物理气相沉积并按该顺序重复执行2次以上来提供所述多层锂电化学电池单元，以减少衬底层数并增加所述固态锂电池的体积能量密度，所述顺序为阴极集流体、阴极、电解质、阳极、阳极集流体、阳极、电解质、阴极、阴极集流体。 
5.一种单片集成薄膜固态锂电池设备，用于向移动通信设备供电，所述电池设备包括在大于两层至小于一百万层范围内的多层锂电化学电池单元， 所述锂电化学电池单元并联或串联连接，以符合空间体积。 
6.根据权利要求5所述的设备，进一步包括衬底， 
所述多层锂电化学电池单元被布置为覆盖所述衬底， 
其中，所述覆盖的多个层没有任何中间衬底构件， 
其中，所述多个层被配置为形成利用自终止或后终止连接器构造并联布置或串联布置的多个锂电化学电池单元， 
并且具有500瓦特·小时/公升及更大的能量密度。 
7.根据权利要求5所述的设备，其中，所述空间体积为50立方厘米及更小，用于智能手机、平板电脑和便携式电子产品， 
其中，所述多个层被配置为形成利用自终止或后终止连接器构造并联布置或串联布置的多个锂电化学电池单元。 
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