形成薄膜鋰離子電池的系統(tǒng)、方法及裝置的制造方法
【專利說明】形成薄膜鋰離子電池的系統(tǒng)、方法及裝置
[0001]
[0002]
[0003]本發(fā)明涉及一種電源存儲(chǔ)系統(tǒng)，特別是一種形成薄膜電池的薄膜電池系統(tǒng)以及方法。
[0004]現(xiàn)代的生活型態(tài)需要使用越來越多便攜式電子設(shè)備。便攜式電子設(shè)備包括從個(gè)人電子產(chǎn)品(例如:移動(dòng)電話、數(shù)碼相機(jī)、玩具等等)到無繩電動(dòng)工具以及電器到電動(dòng)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。由于便攜式電子設(shè)備的需求增加，對(duì)于便攜式電力儲(chǔ)存系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量和使用壽命的需求也伴隨增加。
[0005]典型的便攜式電力儲(chǔ)存系統(tǒng)，例如各種類型的電池，每單位重量具有的儲(chǔ)存容量相對(duì)較貧乏，以及有著相對(duì)高的成本。諸如無繩電動(dòng)工具、電器和電動(dòng)和混合動(dòng)力電動(dòng)車等需要大量電力的設(shè)備，其性能由于電池的成本和重量而受限制。鑒于上述情況，重量較輕、容量更高以及成本更低的電力存儲(chǔ)系統(tǒng)有其需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]概括地說，本發(fā)明藉由提供一種重量較輕、容量更高以及成本更低的電力存儲(chǔ)系統(tǒng)來滿足這些需求。但應(yīng)所述理解的是，本發(fā)明可以使用多種方式來實(shí)現(xiàn)，包括流程、裝置、系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)或設(shè)備。本發(fā)明的幾個(gè)有創(chuàng)造性的發(fā)明實(shí)施例描述如下。
[0007]本發(fā)明實(shí)施例提供一種薄膜電池，包括:基板；第一集流體形成于所述基板上；含離子的材料層形成于部分所述第一集流體上；電解質(zhì)材料層形成于所述含離子的材料層上；硅-金屬薄膜陽(yáng)極層形成于所述電解質(zhì)材料層上；以及第二集流體電性耦合于所述硅-金屬薄膜陽(yáng)極層。
[0008]所述硅-金屬薄膜陽(yáng)極層可包括多對(duì)的材料交替層，其中，所述成對(duì)的交替層的第一層包含硅，所述成對(duì)的交替層的第二層包含碳、錫、銀、鋁、銦、鈦、鉈或銅或其組合物的至少一種。多個(gè)成對(duì)的交替層中的每一對(duì)的厚度介于2納米至500納米之間。成對(duì)的交替層中的第一層具有介于I納米至499納米之間的厚度。成對(duì)的交替層中的第二層具有介于I納米至499納米之間的厚度。
[0009]所述硅-金屬薄膜陽(yáng)極層包括約1%至約99%之間的第一種材料的成對(duì)的交替層，以及所述硅-金屬薄膜陽(yáng)極層包括約99%至約1%之間的第二種材料的成對(duì)的交替層。第一集流體、含有離子材料的所述陽(yáng)極層、所述電解質(zhì)材料層以及所述硅-金屬薄膜陽(yáng)極層的厚度總和介于10微米至50微米之間。所述娃-金屬薄膜陽(yáng)極層的厚度介于2微米至10微米之間。所述基板可為一撓性基板。
[0010]另一實(shí)施例提供一種形成薄膜電池的方法。所述方法包括:形成第一集流體于基板上；形成含有鋰離子的陰極層于所述第一集流體上；形成電解質(zhì)層于所述含有鋰離子的陰極層；形成硅-金屬薄膜陽(yáng)極層于所述電解質(zhì)層上；以及耦合所述硅-金屬薄膜陽(yáng)極層與第二集流體。
[0011]所述硅-金屬薄膜陽(yáng)極層包括多對(duì)成對(duì)的材料交替層，所述多對(duì)成對(duì)的材料交替層可形成單一加工腔室中，所述單一加工腔室具有至少二個(gè)源和傳輸系統(tǒng)。其中，形成所述材料的所述交替層包括以交替方式橫跨至少兩個(gè)源中的每一個(gè)源傳送所述基板。
[0012]又一實(shí)施例提供一種制作薄膜電池的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括具有至少二個(gè)源的腔室以及能以交替的方式橫跨至少兩個(gè)源中的每一個(gè)源傳送基板的傳送系統(tǒng)。所述腔室更包括氣體簾幕，設(shè)置于每個(gè)所述至少二個(gè)源之間。所述腔室進(jìn)一步包括部分壁，設(shè)置介于每個(gè)所述至少二個(gè)源之間。
[0013]所述系統(tǒng)也可包括一控制器。所述控制器包含存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上的邏輯，用于在基板上形成陰極層于所述第一集流體上；存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上的邏輯，用于在基板上形成含用鋰離子材料的一電解質(zhì)層于所述陰極層陰極層上；存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上的邏輯，用于在基板上形成硅-金屬薄膜陽(yáng)極層于所述電解質(zhì)層上；以及存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上的邏輯，用于耦合所述硅-金屬薄膜陽(yáng)極層與第二集流體。
[0014]本發(fā)明的其它觀點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將從以下詳細(xì)的描述中，配合結(jié)合附圖而變得更為清楚，本發(fā)明的原理將以舉例的方式說明。
【附圖說明】
[0015]藉由下面的詳細(xì)描述并結(jié)合附圖將更為容易地理解本發(fā)明。
[0016]圖1A示出依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的薄膜電池的截面圖。
[0017]圖1B示出依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的另一薄膜電池的截面圖。
[0018]圖1C示出依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的另一薄膜電池的截面圖。
[0019]圖1D示出依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的另一薄膜電池的截面圖。
[0020]圖2A示出依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的硅-金屬薄膜陽(yáng)極層的截面圖。
[0021]圖2B示出依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的陽(yáng)極的AB層的百分比曲線圖。
[0022]圖2C示出依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的陽(yáng)極的復(fù)數(shù)AB層的百分比曲線圖。
[0023]圖2D示出依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的陽(yáng)極與陰極厚度的曲線圖。
[0024]圖3A示出依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的沉積系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖。
[0025]圖3B示出依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制作薄膜電池的生產(chǎn)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖。
[0026]圖4示出依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)沉積系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖。
[0027]圖5示出依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例執(zhí)行操作形成薄膜電池的方法的流程圖。
[0028]圖6示出依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例用于完成處理的示例性計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的框圖。
[0029]圖7示出依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例包含一個(gè)或多個(gè)沉積系統(tǒng)和生產(chǎn)系統(tǒng)的集成系統(tǒng)的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]對(duì)于重量較輕、容量更高以及成本更低的電力存儲(chǔ)系統(tǒng)，以下將以幾個(gè)示例性的實(shí)施例說明。很明顯的，本領(lǐng)域的技術(shù)人員不需要在此提出的一些或全部的具體細(xì)節(jié)來實(shí)施本發(fā)明。
[0031]硅-金屬薄膜陽(yáng)極材料可以用來形成薄膜鋰離子電池。可使用各種方法在薄膜中形成混合硅(Si)-碳(C)或混合硅(Si)-軟金屬(例如:錫(Sn)、銀(Ag)、鋁(Al)、銦(In)、鈦(Ti)、鉈(Tl)或銅(Cu))，所形成的薄膜可用于薄膜鋰離子電池的陰極材料。所述薄膜結(jié)構(gòu)還允許可調(diào)節(jié)的機(jī)械、化學(xué)和電性特性。作為二元連續(xù)沉積系統(tǒng)的薄膜陽(yáng)極材料的新一類的一個(gè)例子，是Si和Sn的反應(yīng)以使用物理氣相沉積(PVD)和/或化學(xué)汽相沉積(CVD)沉積S1-Sn的混合薄膜層。
[0032]圖1A示出依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的薄膜電池100的截面圖。薄膜電池100包括非導(dǎo)電的基底基板102?；?02可以是撓性或是實(shí)質(zhì)上非撓性。舉例來說，基板102可以是由硅、玻璃、陶瓷、撓性聚合物來形成或是能夠支持層104，105，110，120的任何其它合適的基板，以下將更詳細(xì)描述。
[0033]集流體104與106是導(dǎo)電材料，例如是金屬或是任何其他合適的導(dǎo)電材料。舉例來說，第一集流體104和第二集流體160可以是鋁或銅及其組合與合金。第一集流體104和第二集流體160可提供為薄膜電池結(jié)構(gòu)100的電極。集流體104與106的厚度分別為D2與D3，分別為約1000埃或更厚。應(yīng)當(dāng)理解，層102，104，105，110，120，130未依比例繪制。此外，應(yīng)所述理解的是，第一集流體104的厚度D2可以小于或大于第二集流體106的厚度D3o
[0034]含鋰層105形成于集流體104上。含鋰層可包括一或多層的鋰鈷氧化物(LiCoO2)及/或鋰鎳氧化物(LiN12)及/或鋰錳氧化物(LiMnO2)及/或二氧化錳鋰(LiMnO2)及/或錳酸鋰(LiMn2O)及/或其它合適的鋰或類似的離子源材料以及它們的組合。含鋰層105具有介于約8微米至約40微米之間的厚度D4。
[0035]電解質(zhì)層110形成于含鋰層105之上。電解質(zhì)層包括鋰磷氧氮化物(LiPON)。電解質(zhì)層110具有介于約0.5微米至10微米之間的厚度D5。
[0036]娃-金屬薄膜陽(yáng)極層120形成于電解質(zhì)層110上。娃-金屬薄膜陽(yáng)極層120將在以下更詳細(xì)地描述。硅-金屬薄膜陽(yáng)極層120具有介于約2微米至約10微米之間的厚度D6。娃-金屬薄膜陽(yáng)極層120可以具有大于約2微米以及10微米的厚度D6。
[0037]層104，105，110，120的材料堆疊的側(cè)面IlOA形成一絕緣體122。導(dǎo)電層130形成于硅-金屬薄膜陽(yáng)極層120上。絕緣體122將層104，105，110，120的材料層疊的側(cè)面IlOA與導(dǎo)電層130隔離。導(dǎo)電層130具有介于約2微米至5微米的厚度。導(dǎo)電層130將娃-金屬薄膜陽(yáng)極層120的頂層120A電性親合至第二集流體106。導(dǎo)電層130可以只沉積于硅-金屬薄膜陽(yáng)極層120的頂層120A以及透過導(dǎo)線或類似導(dǎo)電結(jié)構(gòu)電性耦合至第二集流體106。
[0038]圖1B示出依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的另一薄膜電池100’的截面圖。另一薄膜電池100’包括另一第二集流體106B結(jié)構(gòu)，形成于導(dǎo)電層130的材料堆疊104、105A、105B、120、110以及基板102頂部的導(dǎo)電層130，從而取消于前述圖1A的描述中，第二集流體106結(jié)構(gòu)的必要性。
[0039]圖1C示出依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的另一薄膜電池100”的截面圖。另一薄膜電池100”包括如前述的第二集流體106結(jié)構(gòu)。電解質(zhì)層110形成于鋰層105上，使得電解質(zhì)層既包括含鋰層105的頂部105A和兩端105B、105C。電解質(zhì)層110不覆蓋第一集流體104的一部分104A。電解質(zhì)層