專利名稱：一種全固態(tài)薄膜鋰電池的制備方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬電化學技術(shù)領域，具體涉及一種以氮化鈷為正極的全固態(tài)薄膜鋰 電池的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著動態(tài)隨機儲存器(DRAMS)、微傳感器以及微電機械系統(tǒng)(MEMS)等微 電子器件朝微型化方向的發(fā)展，對支撐電源的體積、功率和工作電流都提出了 特殊的要求，迫切要求有體積小、重量輕、比容量高的微型致密電源與其相匹 配。以無機化合物材料作為電解質(zhì)的全固態(tài)薄膜鋰電池可以很好的滿足這一要 求。全固態(tài)薄膜鋰電池一般是由陰極薄膜、電解質(zhì)薄膜和陽極薄膜三部分組成。 其中部分氮化的磷酸鋰薄膜(LiP0N)由于具有較高的鋰離子電導率、良好的電 化學穩(wěn)定性成為當前應用最為廣泛地無機鋰離子導體薄膜材料。根據(jù)采用陽極 薄膜的不同，可將全固態(tài)薄膜鋰電池分為三類，第一類為傳統(tǒng)意義上的薄膜鋰 電池，以金屬鋰薄膜作陽極；第二類為薄膜鋰離子電池，以氧化物或氮化物薄 膜作陽極；第三類為薄膜"無鋰"(Li-Free)電池，直接以集電極作為"陽極"， 通過首次充電在集電極上形成金屬鋰陽極薄膜。其中，以金屬鋰薄膜作陽極的 全固態(tài)薄膜鋰電池以其循環(huán)性能優(yōu)越受到了普遍關注。然而，當前的全固態(tài)薄 膜鋰電池中的陰極薄膜材料一般采用LiCo02、 LiMnA及LixVA等。該類材料存 在制備工藝較為復雜的問題，而且在制備過程中一般需要高溫退火過程，而該 退火過程將損害電子元器件，從而限制了全固態(tài)薄膜鋰電池在半導體行業(yè)中的 應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種新型的全固態(tài)薄膜鋰電池的制備方法，其解決了 現(xiàn)有全固態(tài)薄膜鋰電池的制備工藝復雜且需要高溫退火過程的技術(shù)問題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
一種全固態(tài)薄膜鋰電池的制備方法，其特殊之處是包括以下步驟 l]在基片表面沉積氮化鈷薄膜
3采用金屬鈷作為靶材，通過射頻磁控濺射的方法沉積氮化鈷薄膜，沉積時基
片溫度小于100°C，直至氮化鈷薄膜的厚度為100rnn 2. 0陶； 2]在氮化鈷薄膜上沉積氮化的磷酸鋰薄膜
采用磷酸鋰作為靶材，通過射頻磁控濺射的方法沉積氮化的磷酸鋰薄膜，直 至氮化的磷酸鋰薄膜的厚度為1. 0 2. 5Mm; 3]在氮化的磷酸鋰薄膜上沉積金屬鋰薄膜
采用真空熱蒸發(fā)沉積，本底壓力為1X10-4pa，基片溫度為室溫，蒸發(fā)速率 500 1000nm/min，直至金屬鋰薄膜的厚度為100nm 3Mm。
上述射頻磁控濺射方法沉積氮化鈷薄膜的濺射條件為本底壓力為 1X10—4Pa，靶到基片的距離為5cm，沉積薄膜前靶材要預先濺射30min，濺射氣 氛為體積比3:1的氬氣和氮氣的混合氣體，流速為20sccm，工作氣壓為1. OPa， 沉積功率為50 80W;沉積時基片溫度小于150°C;
上述射頻磁控濺射方法沉積氮化的磷酸鋰薄膜的濺射條件為本底壓力為 1X10—4Pa，靶到基片的距離為7cm，沉積薄膜前靶材要預先濺射30min，濺射氣 氛為純氮氣，流速為50sccm，工作氣壓為1.5Pa，沉積功率為30 150W，沉積 時基片溫度小于15(TC。
上述基片為不銹鋼片或鍍金屬的硅片。
本發(fā)明的全固態(tài)薄膜鋰電池具有以下優(yōu)點
1、 在制備過程中氮化鈷薄膜、氮化的磷酸鋰薄膜以及金屬鋰薄膜不需要高 溫退火處理等特殊工藝，在常溫下即可完成三種薄膜的制備，結(jié)構(gòu)簡單，制備
過程簡單。
2、 該薄膜鋰電池比容量高。
3、 該薄膜鋰電池的工作電位在0.5V 3.0V之間，充放電循環(huán)性能良好。


圖1是本發(fā)明全固態(tài)薄膜鋰電池循環(huán)伏安曲線；其中A為第一次充電的伏 安曲線，B為第二次充電的伏安曲線，C為第三次充電的伏安曲線，圖中的掃描 速率為0. 2mV/s;
圖2是本發(fā)明全固態(tài)薄膜鋰電池充/放電曲線；
圖3是本發(fā)明全固態(tài)薄膜鋰電池結(jié)構(gòu)示意圖，其中l(wèi)-基片，2-陽極薄膜，3-電解質(zhì)薄膜，4-陰極薄膜。
具體實施例方式
本發(fā)明全固態(tài)薄膜鋰電池(CoNx/LiP0N/Li薄膜電池)采用直徑為50mm的 金屬鈷作為濺射靶材，通過射頻磁控濺射的方法在不銹鋼(SS)基片1上沉積氮 化鈷(CoN》薄膜作為陽極薄膜2，濺射條件為本底壓力為lX10"Pa，耙到基片 l的距離為5cm，沉積薄膜前耙材要預先濺射30min，濺射氣氛為體積比3:1的 氬氣和氮氣的混合氣體，流速為20sccm，工作氣壓為1.0Pa，沉積功率為60W。 沉積速率為300nm/h，連續(xù)沉積2h，即可獲得厚度約為0. 6Mm的氮化鈷薄膜。 采用磁控濺射的方法在已沉積好的氮化鈷薄膜上繼續(xù)沉積磷酸鋰(LiP0N)薄膜 作為電解質(zhì)薄膜3，濺射條件為本底壓力為1X10—4Pa，靶到基片1的距離為 7cm，沉積薄膜前靶材要預先濺射30min，濺射氣氛為純氮氣，流速為50sccm， 工作氣壓為1.5Pa，沉積功率為60W，沉積速率為100nm/h，連續(xù)沉積16h，即 可獲得厚度約為1.6Mm的氮化的磷酸鋰薄膜。在已沉積好的氮化的磷酸鋰薄膜 上繼續(xù)沉積金屬鋰薄膜，采用真空熱蒸發(fā)沉積，本底壓力為lXl(TPa，基片1 溫度為室溫，蒸發(fā)速率約為800nm/min，直至金屬鋰薄膜的厚度為2. 5陶。
本發(fā)明薄膜電池的電化學性能測試在充氬氣的干燥箱內(nèi)通過CHI電化學工 作站進行。測試時金屬鋰薄膜同電化學工作站的正極相連，不銹鋼基片1同負 極相連。本發(fā)明薄膜鋰電池表現(xiàn)出了良好的電化學性能，見圖l。首次放電時， 在0.8V附近出現(xiàn)了不可逆的陰極還原峰，充電時在2.0V附近出現(xiàn)了氧化峰； 隨后循環(huán)則為可逆過程，在2.0V出現(xiàn)氧化峰、在1.3V出現(xiàn)還原峰。圖2的充、 放電循環(huán)性能曲線表明，本發(fā)明薄膜電池具有非常好的循環(huán)性能。
權(quán)利要求
1、一種全固態(tài)薄膜鋰電池的制備方法，其特征在于包括以下步驟1]在基片(1)表面沉積氮化鈷薄膜采用金屬鈷作為靶材，通過射頻磁控濺射的方法沉積氮化鈷薄膜，沉積時基片(1)溫度小于100℃，直至氮化鈷薄膜的厚度為100nm～2.0μm；2]在氮化鈷薄膜上沉積氮化的磷酸鋰薄膜采用磷酸鋰作為靶材，通過射頻磁控濺射的方法沉積氮化的磷酸鋰薄膜，直至氮化的磷酸鋰薄膜的厚度為1.0～2.5μm；3]在氮化的磷酸鋰薄膜上沉積金屬鋰薄膜采用真空熱蒸發(fā)沉積，本底壓力為1×10-4Pa，基片溫度為室溫，蒸發(fā)速率500～1000nm/min，直至金屬鋰薄膜的厚度為100nm～3μm。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全固態(tài)薄膜鋰電池的制備方法，其特征在于-所述射頻磁控濺射方法沉積氮化鈷薄膜的濺射條件為本底壓力為1X10—4Pa，靶到基片(1)的距離為5cm，沉積薄膜前靶材要預先濺射30min， 濺射氣氛為體積比3:1的氬氣和氮氣的混合氣體，流速為20sccm，工作氣壓為 l.OPa，沉積功率為50 80W;沉積時基片(1)溫度小于15(TC;所述射頻磁控濺射方法沉積氮化的磷酸鋰薄膜的濺射條件為本底壓力為 1X10—4Pa，靶到基片(1)的距離為7cm，沉積薄膜前靶材要預先濺射30min， 濺射氣氛為純氮氣，流速為50sccm，工作氣壓為1.5Pa，沉積功率為30 150W， 沉積時基片溫度小于150°C。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的全固態(tài)薄膜鋰電池的制備方法，其特征在于 所述基片(1)為不銹鋼片或鍍金屬的硅片。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種全固態(tài)薄膜鋰電池的制備方法，解決了現(xiàn)有全固態(tài)薄膜鋰電池的制備工藝復雜且需要高溫退火過程的技術(shù)問題。包括以下步驟1.在基片表面沉積氮化鈷薄膜；2.在氮化鈷薄膜上沉積氮化的磷酸鋰薄膜；3.在氮化的磷酸鋰薄膜上沉積金屬鋰薄膜。具有結(jié)構(gòu)簡單，制備過程簡單，比容量高，充放電循環(huán)性能良好的優(yōu)點。
文檔編號C23C14/34GK101527362SQ20081001762
公開日2009年9月9日 申請日期2008年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月6日
發(fā)明者劉文元 申請人:劉文元