電化學能量源以及提供有該電化學能量源的電子設備的製作方法

2023-04-26 20:42:16 1

專利名稱：：電化學能量源以及提供有該電化學能量源的電子設備的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種改進的電化學能量源。本發明還涉及一種提供有該電化學能量源的電子設備。
背景技術：
：基於固態電解質的電化學能量源是本領域公知的。這些(平面的)能量源或者"固態電池"，將化學能有效地轉化為電能，且可以用作可攜式電子設備的功率源。這種小尺寸的電池可用於供給電能，例如為微電子模塊供給電能，更具體的，為集成電路(ic)供給電能。國際專利申請WO00/25378中公開了其一種示例，其中固態薄膜微型電池直接形成在特定基板上。在製造過程中，第一電極、中間固態電解質和第二電極依次沉積在基板上以形成堆。基板可能是平的或彎曲的，以實現二維或三維的電池堆。己知電池的主要缺陷是體積能量密度，因而已知電池的性能相對不良。本發明的目的是提供相對有效的電化學能量源。
發明內容本發明的目的可通過提供根據前序的電化學能量源來獲得，該電化學能量源包括沉積在基板上的至少一個電池，每個電池包括第一電極、沉積在第一電極上的固態電解質和沉積在固態電解質上的第二電極；其中至少固態電解質的面對第二電極的表面至少部分地被圖案化。通過此方式，和傳統的相對平滑的電解質接觸表面相比，顯著地增加了電解質和第二電極之間的有效接觸表面積，從而成比例地提高根據本發明的電化學能量源的倍率性能(ratecapability)。可通過各種方法實現電解質的面對第二電極的(上)表面的圖案化(並且在沉積第二電極之前)，這些方法包括選擇性溼化學刻蝕、物理刻蝕(反應離子刻蝕)、機械壓印(mechanicalimprinting)以及化學機械拋光(CMP)。圖案化電解質後，將第二電極沉積在圖案化電解質頂部上。第一電極通常包括陰極，第二電極通常包括陽極(或者反之亦然)。每個電極通常還包括集電器。通過集電器，電池易於與電子設備連接。優選地，集電器由至少一種以下材料製成Al、Ni、Pt、Au、Ag、Cu、Ta、Ti、TaN禾卩TiN。也可使用其它類型的集電器，例如優選摻雜的諸如Si、GaAs、InP的半導體材料。增加電解質間接觸表面積的電解質圖案可以通過各種方法來成形。優選地，電解質的圖案化表面提供有多個凹部(cavity),具體的是柱體、溝槽、縫隙或孔，這些具體的凹部可通過相對精確的方式被應用。通過此方式，也可相對精確地預定電化學能量源性能的提高。本文中應注意，己發現對於增加有效表面積而言，圖案化電解質通常比僅僅圖案化電極其中之一更有效和更有益。當只有第一電極被圖案化時，預期只有液態電解質(因而不是固態電解質)可以被有效地應用。固態電解質的面對第一電極的表面基本上是平的。然而，可以想像，第一電極被圖案化，電解質沉積在圖案化的第一電極的頂部上。此沉積步驟之後，在沉積第二電極之前，電解質將(進一步)被圖案化。因此，為了進一步提高電化學源的倍率性能，將第一電極的面對電解質的表面圖案化(在沉積電解質前)是有利的。第一電極的圖案化表面優選提供有多個凹部，具體的是柱體、溝槽、縫隙或孔。在優選實施方式中，陰極由選自LiCo02、LiMn204、LiFeP04、V205、Mo03、W03和LiNi02的至少一種材料製成。已發現，至少這些材料非常適於應用到鋰離子能量源，並且此外，這些材料具有預定的最佳退火溫度範圍或者溫度範圍(上文括號中所引用的)，基於此溫度範圍，可確定最佳沉積順序。基於質子的能量源中陰極的示例為Ni(OH)2和NiM(OH)2，其中M由選自諸如Cd、Co或Bi的一種或多種元素構成。清楚的是，其它陰極材料也可用於根據本發明的電化學能量源。陽極優選由選自Si、SnOx、Li4Ti5012、SiOx、LiSiON、LiSnON和LiSiSnON的至少一種材料製成，具體的是LixSiSno.870L2oN,.72。作為陰極材料，這些材料適於應用到鋰離子電池，且此外，這些材料具有預定的最佳退火溫度或者溫度範圍(上文括號中所引用的)。固態電解質由選自Li5La3Ta2012(石榴石型類)、LiPON、LiNb03、LiTa03和Li9SiA108的至少一種材料製成。這些固態電解質材料適於應用到鋰離子電池，並具有已知的最佳退火溫度(上文括號中所引用的)。其它固態電解質材料是原鎢酸鋰(Li2W04)、氧氮化鋰鍺(LiGeON)、Li14ZnGe406(lisicon)、Li3N、卩-氧化鋁或LiL3TiL7Al。.3(P04)3(nasicoii型)。質子傳導電解質例如可由TiO(OH)或Zr02Hx形成。優選地，根據本發明能量源的至少一個電極適合於儲存至少一種以下元素的活性物質氫(H)、鋰(LO、鈹(Be)、鎂(Mg)、鋁(AD、銅(Cu)、銀(Ag)、鈉(Na)和鉀(K)，或者指定為周期表中第一族或第二族的任何其它合適的元素。因此，根據本發明的能量系統的電化學能量源可基於各種夾層機理，因而適於形成不同類型(儲備型)的電池單元(batterycell),例如鋰離子電池單元、NiMH電池單元等。在優選實施方式中，至少一個電極，更具體的為電池陽極，包括至少一種以下材料C、Sn、Ge、Pb、Zn、Bi、Sb、Li以及優選摻雜的Si。這些材料的組合還可以用於形成電極。優選地，n型或p型摻雜的Si用作電極，或者摻雜的Si相關化合物，如SiGe或SiGeC。只要電池電極的材料適合於夾層和儲存上文提及的活性物質，則其它合適的材料也可以用作陽極，優選指定為周期表中12-16族之一的任何其它合適的元素。上文提及的材料特別適於應用到基於鋰離子的電池單元。如果使用基於氫的電池單元，陽極優選包括氫化物形成材料，例如ABs型材料，具體的LaNi5，以及例如基於鎂的合金，具體的MgJl.x。在優選實施方式中，第一電極和第二電極中的至少一個電極至少部分地被圖案化。通過圖案化或結構化一個或優選兩個根據本發明的電化學能量源的電極，獲得三維表面積，因而獲得每一電極足印表面積的增加以及至少一個電極和電解質堆之間每一體積的接觸表面的增加。接觸表面的這種增加改進能量源的倍率性能，因而提高根據本發明的能量源的性能。以此方式，可以最大化並因此優化能量源中的功率密度。由於提高了電池性能，根據本發明的小尺寸能量源將適合於給小尺寸電子設備以令人滿意的方式供電。此外，由於提高了性能，充分提升了由根據本發明的電化學能量源供電的(小尺寸)電子組件的選擇自由性。圖案的特徵、形狀和尺寸可以是各種各樣的，如下文所闡述。優選地，至少一個電極的至少一個表面被基本上規則地圖案化，更優選地，所應用的圖案提供有一個或多個凹部，具體的是柱體、溝槽、縫隙或孔，這些具體的凹部可通過相對精確的方式被應用。通過此方式，也可相對精確地預定電化學能量源性能的提高。本文中應注意，其上沉積堆的基板的表面可以是基本平的或者可以被圖案化(通過彎曲基板和/或在基板上提供溝槽、孔和/或柱體)，從而便於產生三維取向的電池。電化學能量源優選包括至少一個阻擋層，該阻擋層沉積在基板和至少一個電極之間，該阻擋層適合於至少基本上防止電池的活性物質擴散進入所述基板。以此方式，基板和電化學電池將化學上分離，因而電化學電池的性能可以相對持久地維持。如果應用基於鋰離子的電池，阻擋層優選由至少一種下述材料製成Ta、TaN、Ti和TiN。清楚的是，其它合適的材料也可以用作阻擋層。在優選實施方式中，優選使用的基板是理想地適於進行表面處理以圖案化該基板的基板，這可以便於電極的圖案化。基板更優選由至少一種下述材料製成C、Si、Sn、Ti、Ge、Al、Cu、Ta和Pb。這些材料的組合也可用於形成基板。優選地，n型或p型摻雜的Si或Ge用作基板，或者摻雜的Si相關和/或Ge相關化合物，如SiGe或SiGeC。如上文所提及的，除了相對剛硬的材料，基本上柔性的材料也可用於製造基板，例如諸如K叩ton⑧箔之類的箔。清楚的是，其它合適的材料也可用作基板材料。本發明還涉及一種電子設備，該電子設備配置有至少一個根據本發明的電化學能量源，以及與所述電化學能量源連接的至少一個電子組件。所述至少一個電子組件優選至少部分地嵌入電化學能量源的基板中。以此方式，可實現系統級封裝(SiP)。在SiP中，一個或多個電子組件和/或設備，例如集成電路(IC)、致動器(actuator)、傳感器、接收器、發射器等，至少部分地嵌入根據本發明的電化學能量源的基板中。根據本發明的電化學能量源理想地適於給相對小的高功率電子應用例如(生物)植入機(implantantable)、助聽器、自主網絡設備以及神經和肌肉刺激設備供電，此外，適於給柔性電子設備例如織物電子設備(textileelectronics)、可洗電子設備(washableelectronics)、需要預成形電池的應用、電子紙和可攜式電子應用的主機供電。通過以下非限制性示例示出本發明，其中圖1示出根據本發明的電化學能量源，以及圖2a-2d示出根據本發明另一個電化學能量源的製造。具體實施例方式圖1示出根據本發明的電化學能量源1，該電化學能量源包括鋰離子電池堆2，鋰離子電池堆2包括陰極3、固態電解質4和陽極5，電池堆2沉積在傳導基板6上，基板6中可嵌入一個或多個電子組件。在本示例中，基板6由摻雜的矽製成，而陽極5由非晶矽(a-Si)製成。陰極3由LiCo02製成，並使用石榴石型電解質4。當鋰離子離開堆2並進入基板6時，影響堆2的性能。此外，這一擴散將嚴重影響嵌入在基板6中的電子組件。在本示例中，陰極3和陽極5提供有集電器(未示出)，集電器可由鋁製成。為了提高體積能量密度以及從而提高能量源1的性能，在沉積陽極5之前，通過圖案化電解質4的面對陽極5的上表面以提高電解質4和陽極5之間的接觸表面積。各個層3、4、5的沉積可通過例如CVD、濺射、電子束沉積或溶膠-凝膠沉積的方法來獲得。圖案化電解質4可通過例如溼化學刻蝕(基於酸的)、物理刻蝕(反應離子刻蝕)、機械壓印以及化學機械拋光(CMP)來實現。圖2a-2d示出根據本發明另一個電化學能量源7的製造。能量源7包括基板8，鋰阻擋層9沉積在基板S頂部上。在本示例中，鋰擴散阻擋層9由鉭製成。在阻擋層9的頂部上沉積陽極10(參見圖2a)和第一集電器(未示出)。傳導鉭層9用作化學阻擋層，這是由於此層阻礙最初包含在陽極10中的鋰離子(或其它活性物質)擴散進入基板8。接著，在陽極10頂部上沉積固態電解質11(參見圖2b)，隨後電解質11由上文陳述的刻蝕技術來紋理化(圖案化)。電解質11紋理化後，在電解質11頂部上沉積陰極12和第二集電器(未示出)，以完成電化學能量源l。應注意，上文提及的實施方式說明但不限制本發明，在不背離所附權利要求書範圍的情況下，本領域技術人員能夠設計很多可替換實施方式。在權利要求中，括號中的附圖標記不應理解為對權利要求的限制。使用動詞"包括"及其變形不排除未在權利要求中列出的元素或步驟的存在。元件前的冠詞"一"和"一個"不排除多個這種元件的存在。在互不相同的從屬權利要求中列舉了某些措施並不表示不能有利地使用這些措施的組合。權利要求1、一種電化學能量源，包括至少一個電池，沉積在基板上，每個電池包括第一電極，固態電解質，沉積在該第一電極上，和第二電極，沉積在該固態電解質上；其中至少該固態電解質的面對該第二電極的表面至少部分地被圖案化。2、根據權利要求l所述的電化學能量源，其特徵在於，該第一電極包括陰極，和/或該第二電極包括陽極。3、根據權利要求1或2所述的電化學能量源，其特徵在於，該第一電極的面對該電解質的至少一個表面提供有至少一個凹部。4、根據權利要求3所述的電化學能量源，其特徵在於，該至少一個凹部的至少一部分形成柱體、溝槽、縫隙或孔。5、根據上述權利要求中一項所述的電化學能量源，其特徵在於，該固態電解質的面對該第一電極的表面基本上是平的。6、根據上述權利要求中一項所述的電化學能量源，其特徵在於，該電池的至少一個電極提供有至少一個圖案化表面。7、根據權利要求6所述的電化學能量源，其特徵在於，該至少一個電極的至少一個圖案化表面提供有多個凹部。8、根據權利要求7所述的電化學能量源，其特徵在於，該凹部的至少一部分形成柱體、溝槽、縫隙或孔。9、根據上述權利要求中一項所述的電化學能量源，其特徵在於，該固態電解質由選自Li5La3Ta2012(石榴石型類)、LiPON、LiNb03、LiTa03和Li9SiA108、Li2W04、LiGeON、Li14ZnGe4016(lisicon)、Li3N、beta-鋁酸鹽、LiL3Ti!.7Al。.3(P04)3(nasicon型)、TiO(OH)和Zr02Hx的至少一種材料製成。10、根據權利要求2-9中一項所述的電化學能量源，其特徵在於，該陽極和陰極都適合於儲存至少一種以下元素的活性物質H、Li、Be、Mg、Cu、Ag、Na禾nK。11、根據權利要求2-10中一項所述的電化學能量源，其特徵在於，該陽極和陰極中的至少一個由至少一種以下材料製成C、Sn、Ge、Pb、Zn、Bi、Li、Sb、以及優選摻雜的Si。12、根據上述權利要求中一項所述的電化學能量源，其特徵在於，該第一電極和第二電極每個都包括集電器。13、根據權利要求12所述的電化學能量源，其特徵在於，至少一個集電器由至少一種以下材料製成Al、M、Pt、Au、Ag、Cu、Ta、Ti、TaN和TiN。14、根據上述權利要求中一項所述的電化學能量源，其特徵在於，該電化學能量源還包括至少一個電子傳導阻擋層，該電子傳導阻擋層沉積在該基板和該至少一個電極之間，該阻擋層適合於至少基本上防止該電池的活性物質擴散進入所述基板。15、根據權利要求14所述的電化學能量源，其特徵在於，該至少一個阻擋層由至少一種下述材料製成Ta、TaN、Ti和TiN。16、根據上述權利要求中一項所述的電化學能量源，其特徵在於，該基板包括至少一種以下材料C、Si、Sn、Ti、Ge、Al、Cu、Ta和Pb。17、根據上述權利要求中一項所述的電化學能量源，其特徵在於，該基板由柔性材料製成。18、一種電子設備，包括至少一個根據權利要求1-17中一項所述的電化學能量源，以及連接到所述電化學能量源的至少一個電子組件。19、根據權利要求18所述的電子設備，其特徵在於，該至少一個電子組件至少部分地嵌入在該電化學能量源的該基板中。20、根據權利要求18或19所述的電子設備，其特徵在於，該至少一個電子組件選自傳感裝置、疼痛緩解剌激裝置、通信裝置和致動裝置。21、根據權利要求18-20中一項所述的電子設備，其特徵在於，該電子設備和電化學能量源形成系統級封裝(SiP)。全文摘要基於固態電解質的電化學能量源是本領域公知的。這些(平面的)能量源或者固態電池將化學能有效地轉化為電能，並可以用作可攜式電子設備的功率源。本發明涉及一種改進的電化學能量源。本發明還涉及一種提供有該電化學能量源的電子設備。文檔編號H01M10/04GK101657929SQ200880010990公開日2010年2月24日申請日期2008年3月27日優先權日2007年4月2日發明者R·A·H·尼森,R·H·L·諾滕申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司