專利名稱：微型電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括一電解膜和幾個(gè)電流收集極的微型電池制作方法，所述電解膜設(shè)置在第一和第二電極之間，所述電流收集極設(shè)置在第一和第二電極的每一側(cè)。
背景技術(shù)：
厚度為7μm到30μm之間(最好約為15μm)的薄膜型微型鋰電池通常通過化學(xué)蒸鍍(CVD)或物理蒸鍍(PVD)形成。例如，在專利文件WO-A-9848467中就公開了這樣一種微型電池。
微型電池的工作原理基于在微型電池的正電極中嵌入或脫嵌堿金屬離子或質(zhì)子，最好是源自金屬鋰電極的鋰離子Li+。這類微型電池通過一組用CVD或PVD得到的薄層疊置而成，這些薄層分別構(gòu)成兩個(gè)電流收集極、一正電極、一電解質(zhì)、一負(fù)電極以及可能時(shí)還有一個(gè)密封件。
所述微型電池的各元件可以用不同的材料制成—金屬電流收集極3a和3b例如可以是鉑(Pt)、鉻(Cr)、金(Au)或鈦(Ti)基。
—正電極可以由LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、CuS、CuS2、WOySz、TiOySz、V2O5或V3O8和這些釩氧化物及金屬硫化物的鋰化形成物構(gòu)成。
—作為優(yōu)良離子導(dǎo)體和電絕緣體的電解質(zhì)可以由以氧化硼、氧化鋰或鋰鹽為基的玻璃材料形成。
—負(fù)電極可以由經(jīng)加熱蒸發(fā)沉積的金屬鋰、以鋰為基的金屬合金或由SiTON，SnNx，InNx，SnO2等嵌入的化合物形式。
—可能時(shí)采用密封件的目的是為了保護(hù)活性疊層免受外部環(huán)境侵蝕，更具體地說，避免其受潮。這種密封件可以用陶瓷、聚合物(六甲雙硅氧烷、聚對(duì)亞苯基二甲基、環(huán)氧樹脂)、金屬或這些不同材料的重疊層形成。
美國(guó)專利US5582623描述了用一種沉積在一個(gè)基底上的漿料形成一層薄膜而構(gòu)成鋰電池的正電極的成形過程。所述基底
—或是一金屬電流收集極；—或是一防粘基底，例如由Teflon構(gòu)成的基底，然后，在電極固定到電流收集極上以前進(jìn)行干燥后將該電極與基底分開。
根據(jù)所用的材料，微型電池的工作電壓為2V和4V之間，單位面積的容量約為100μAh/cm2。微型電池的再充電過程只需要幾分鐘充電時(shí)間。采用的所述制造工藝可以獲得任何所需要的形狀和面積。
原則上，通過增加這些電極的厚度或通過疊置多個(gè)并聯(lián)連接的微型電池就可以增加微型電池的容量。但是這些改進(jìn)難以實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，用蒸鍍法很難得到厚度大于10μm且保持其初始特性的薄層。此外，當(dāng)對(duì)微型電池進(jìn)行疊置時(shí)，由于鋰的擴(kuò)散而在不同薄層中引起的體積變化將產(chǎn)生應(yīng)力很大的問題。
另外，目前市售的用涂覆技術(shù)制造的小型電池厚度在300μm-650μm之間，單位面積的容量約為幾mAh/cm2，也就是說，其厚度要比微型電池的厚度大許多。目前的小型電池的厚度太厚，故不能將它們?cè)O(shè)置在一集成電路上，尤其不能設(shè)置在最大厚度小于0.76mm的靈活卡(smart card)中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是要提高能夠裝在一個(gè)集成電路上的能源的單位面積的容量。
根據(jù)本發(fā)明，解決所述問題的措施是，在一第一金屬帶上通過表面涂覆形成第一電極，然后冷卻壓縮，在形成電流收集極以前將所述第一金屬帶除去。
根據(jù)本發(fā)明的第一種改進(jìn)措施，在一第二金屬帶上通過表面涂覆形成第二電極，然后冷卻壓縮，在形成電流收集極以前將所述第二金屬帶除去。
根據(jù)本發(fā)明的第二種改進(jìn)措施，通過在電解膜上進(jìn)行表面涂覆形成所述第二電極。
在除去一個(gè)或多個(gè)金屬帶以前通過熱壓將所述電極和電解膜組裝在一起。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)特征，所述電流收集極是利用物理蒸鍍?cè)谒龆鄠€(gè)電極上形成的薄膜構(gòu)成的。


從下面對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的描述將能更加清楚地理解其它優(yōu)點(diǎn)和特征，這些實(shí)施方式僅作為描述的例子，而且體現(xiàn)在附圖中，其中圖1-5表示本發(fā)明的制作方法的具體實(shí)施方式
的先后步驟；圖6表示本發(fā)明方法的前幾個(gè)步驟的另一實(shí)施方式。
具體實(shí)施例方式
在第一步驟中，制作負(fù)電極1。例如通過用下面四種組分的混合物構(gòu)成一種印膠·SPG6TM石墨和中碳珠，這些珠構(gòu)成導(dǎo)致嵌入鋰的活性材料；·PVDF聚合物，其作用是為電極提供機(jī)械結(jié)合；·炭黑，它用于提高電極的電導(dǎo)率。這樣，將形成的印膠涂敷到一個(gè)由銅制成的第一金屬帶2上，對(duì)其施加2tonnes/cm2的壓力。在一個(gè)步驟或多個(gè)步驟中進(jìn)行冷壓可以得到所需要的電極1的厚度，并能夠使電極附著到用作其支撐的金屬帶2上。
在第二步驟中，用錳的氧化物(LiMn2O4)、PVDF和炭黑制備印膠狀正電極3，將該正電極涂覆在一個(gè)由鋁制成的第二金屬帶4上，并對(duì)其施加2tonnes/cm2的壓力。
在第三步驟中，制備一個(gè)由PVDF/HFP共聚物構(gòu)成的電解膜5。在活化以后，該膜成為電絕緣和離子傳導(dǎo)膜。利用轉(zhuǎn)相法形成該膜，這種方法可以得到一種微孔可以受到控制的膜。這種方法包括下面三個(gè)步驟·在一個(gè)玻璃載體的表面涂覆一種二元或三元混合物，這類混合物包括所述共聚物、一種溶劑(該溶劑在被除去以前在聚合物中產(chǎn)生孔)以及可能的話還有一種非溶劑；·通過浸泡在非溶劑相中或有選擇地進(jìn)行干燥除去溶劑；·最終對(duì)膜進(jìn)行干燥。
在第四步驟中，將分別由金屬帶2和4支撐的電極1和3與膜5組裝在一起。將所述膜5設(shè)置在面對(duì)面的兩個(gè)電極之間。利用熱壓法(0.5 tonnes/cm2，120℃)使正電極/膜/負(fù)電極的組裝件結(jié)合并控制其厚度，這樣就能得到圖1所示的厚度為50μm-100μm的組裝件。
在第五步驟中，除去金屬帶2和4，最好用機(jī)械分離法除去金屬帶。在除去金屬帶2和4以后得到的組裝件在圖2中示出。選擇上面各步驟的表面涂覆和加壓的最佳條件，從而在第五步驟能很方便地用機(jī)械方法除去所述金屬帶。
在圖3所示的第六步驟中，用物理蒸鍍法在電極上形成用作連接接頭的幾個(gè)薄膜型電流收集極。在負(fù)電極1上沉積由厚度為0.2μm的銅層構(gòu)成的第一電流收集極6。在正電極3上沉積由厚度為0.2μm的鋁層構(gòu)成的第二電流收集極7。
在圖4所示的第七步驟中，將所述微型電池集成到一個(gè)集成電路8上。這可以通過微電子領(lǐng)域中任何合適的公知技術(shù)(倒焊晶片、粘結(jié)、直接封焊或陽極封焊)完成。最好利用由低溫熔解材料制成的連接珠9通過結(jié)合完成這種集成，連接珠既使微型電池和集成電路之間實(shí)現(xiàn)機(jī)械連接，又使其中一個(gè)電流收集極(圖4中的6)和集成電路之間實(shí)現(xiàn)電連接。這種連接珠9最好用銦制成。這是一種熔解溫度(157℃)與微型電池的部件相適應(yīng)的材料。
在圖5所示的第八步驟，將沒有用連接珠9與集成電路8進(jìn)行電連接的電流收集極7通過至少一根導(dǎo)線10連接到所述集成電路上，該導(dǎo)線的一端軟焊到電流收集極7上，而其另一端軟焊到集成電路8上。
在最后一個(gè)步驟中，通過在真空中加注由鋰鹽形成的電解質(zhì)對(duì)微電池進(jìn)行活化。然后就可以封裝該微型電池，例如用一個(gè)硅保護(hù)套進(jìn)行封裝。
因此，上述制作方法所用的一部分技術(shù)與傳統(tǒng)上用于制作小型電池的技術(shù)(用電極和電解膜構(gòu)成的活性疊置表面涂覆層)相類似。但是，除去金屬帶可以使所述疊置層的厚度盡可能減小，所述疊置過程可利用微電子領(lǐng)域中標(biāo)準(zhǔn)操作的PVD技術(shù)，通過沉積電流收集極完成。
這樣可以制作例如表面積為25mm2、厚度為50μm、單位面積容量約為500μAh/cm2(即125μAh)的微型電池，也就是說，這種微型電池的單位面積容量要比常規(guī)微型電池的單位面積容量大五倍?？梢詫⑦@種微型電池設(shè)置在一個(gè)集成電路上，而該集成電路控制所述微型電池的充電和放電。這樣得到的微型電池既有小型電池的優(yōu)點(diǎn)(特別是大的單位面積容量)，又有微型電池的優(yōu)點(diǎn)(能夠集成到一個(gè)集成電路上)。具體地說，這種微型電池可以用于提高靈巧卡的安全性，也可用于靈巧標(biāo)識(shí)中。
在另一個(gè)如圖6所示的實(shí)施例中，僅用了一個(gè)金屬帶。就像上面所述的那樣，其中的一個(gè)電極，例如負(fù)電極1形成在金屬帶2上，然后將電解膜5沉積在負(fù)電極1上，通過在電解膜5上直接涂層形成另一個(gè)電極(正電極3)。在對(duì)組裝件熱壓以后，除去金屬帶2。因此形成的組裝件與圖2所示的類似，而且制作的先后順序不變。
權(quán)利要求
1.一種包括一個(gè)電解膜(5)和幾個(gè)電流收集極(6，7)的微型電池的制作方法，所述電解膜設(shè)置在第一和第二電極(1，3)之間，電流收集極設(shè)置在第一和第二電極的每一側(cè)，該方法的特征在于在一第一金屬帶(2)上通過表面涂覆形成第一電極(1)，然后冷卻壓縮，在形成電流收集極(6，7)以前除去該第一金屬帶(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在一第二金屬帶(4)上通過表面涂覆形成所述第二電極(3)，然后冷卻壓縮，在形成所述電流收集極(6，7)以前除去該第二金屬帶(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2之一所述的方法，其特征在于在除去所述金屬帶以前，利用熱壓將所述電極和電解膜組裝在一起。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于通過在電解膜(5)上進(jìn)行表面涂覆形成所述第二電極(3)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于在除去所述第一金屬帶以前通過熱壓將所述電極和電解膜組裝在一起。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的方法，其特征在于用機(jī)械分離法除去所述金屬帶(2，4)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的方法，其特征在于利用物理蒸鍍方法在所述電極(1，2)上形成薄膜而構(gòu)成所述電流收集極(6，7)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7之一所述的方法，其特征在于利用由低溫熔解材料制成的連接珠(9)將微型電池結(jié)合到一個(gè)集成電路(8)上，連接珠既使微型電池和該集成電路之間機(jī)械連接，又使其中一個(gè)電流收集極和該集成電路之間電連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述連接珠(9)用銦制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求8和9之一所述的方法，其特征在于利用至少一根導(dǎo)線(10)將所述另一個(gè)電流收集極與所述集成電路電連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微型電池的制作方法，通過在金屬帶(2，4)上進(jìn)行表面涂覆和冷壓形成電極(1，3)。然后通過熱壓將電極與電解膜(5)組合在一起。優(yōu)選再用機(jī)械分離法除去金屬帶(2，4)。然后利用微電子領(lǐng)域中常用的PVD技術(shù)，將電流收集極形成在所述電極的每一側(cè)。由此可以將所得到的單位面積容量高的微型電池集成到一個(gè)集成電路中，具體地說利用銦連接珠進(jìn)行結(jié)合而將該微型電池集成到集成電路中。
文檔編號(hào)H01M4/04GK1496591SQ02806122
公開日2004年5月12日 申請(qǐng)日期2002年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月22日
發(fā)明者拉斐爾·薩洛特, 拉斐爾 薩洛特, 塞巴斯蒂安·馬蒂內(nèi)特, 蒂安 馬蒂內(nèi)特, 讓·布龍, 龍, 波龐, 吉勒斯·波龐 申請(qǐng)人:原子能委員會(huì)