專利名稱：：電化學(xué)能量源以及提供有該電化學(xué)能量源的電子設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的電化學(xué)能量源。本發(fā)明還涉及一種提供有該電化學(xué)能量源的電子設(shè)備。
背景技術(shù)：
：基于固態(tài)電解質(zhì)的電化學(xué)能量源是本領(lǐng)域公知的。這些(平面的)能量源或者"固態(tài)電池"，將化學(xué)能有效地轉(zhuǎn)化為電能，且可以用作便攜式電子設(shè)備的功率源。這種小尺寸的電池可用于供給電能，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(tài)薄膜微型電池直接形成在特定基板上。在制造過程中，第一電極、中間固態(tài)電解質(zhì)和第二電極依次沉積在基板上以形成堆?；蹇赡苁瞧降幕驈澢?，以實現(xiàn)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(fā)明的目的是提供相對有效的電化學(xué)能量源。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的可通過提供根據(jù)前序的電化學(xué)能量源來獲得，該電化學(xué)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(tài)電解質(zhì)和沉積在固態(tài)電解質(zhì)上的第二電極；其中至少固態(tài)電解質(zhì)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(tǒng)的相對平滑的電解質(zhì)接觸表面相比，顯著地增加了電解質(zhì)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(jù)本發(fā)明的電化學(xué)能量源的倍率性能(ratecapability)?？赏ㄟ^各種方法實現(xiàn)電解質(zhì)的面對第二電極的(上)表面的圖案化(并且在沉積第二電極之前)，這些方法包括選擇性濕化學(xué)刻蝕、物理刻蝕(反應(yīng)離子刻蝕)、機械壓印(mechanicalimprinting)以及化學(xué)機械拋光(CMP)。圖案化電解質(zhì)后，將第二電極沉積在圖案化電解質(zhì)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，電池易于與電子設(shè)備連接。優(yōu)選地，集電器由至少一種以下材料制成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(yōu)選摻雜的諸如Si、GaAs、InP的半導(dǎo)體材料。增加電解質(zhì)間接觸表面積的電解質(zhì)圖案可以通過各種方法來成形。優(yōu)選地，電解質(zhì)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(yīng)用。通過此方式，也可相對精確地預(yù)定電化學(xué)能量源性能的提高。本文中應(yīng)注意，己發(fā)現(xiàn)對于增加有效表面積而言，圖案化電解質(zhì)通常比僅僅圖案化電極其中之一更有效和更有益。當(dāng)只有第一電極被圖案化時，預(yù)期只有液態(tài)電解質(zhì)(因而不是固態(tài)電解質(zhì))可以被有效地應(yīng)用。固態(tài)電解質(zhì)的面對第一電極的表面基本上是平的。然而，可以想象，第一電極被圖案化，電解質(zhì)沉積在圖案化的第一電極的頂部上。此沉積步驟之后，在沉積第二電極之前，電解質(zhì)將(進(jìn)一步)被圖案化。因此，為了進(jìn)一步提高電化學(xué)源的倍率性能，將第一電極的面對電解質(zhì)的表面圖案化(在沉積電解質(zhì)前)是有利的。第一電極的圖案化表面優(yōu)選提供有多個凹部，具體的是柱體、溝槽、縫隙或孔。在優(yōu)選實施方式中，陰極由選自LiCo02、LiMn204、LiFeP04、V205、Mo03、W03和LiNi02的至少一種材料制成。已發(fā)現(xiàn)，至少這些材料非常適于應(yīng)用到鋰離子能量源，并且此外，這些材料具有預(yù)定的最佳退火溫度范圍或者溫度范圍(上文括號中所引用的)，基于此溫度范圍，可確定最佳沉積順序?；谫|(zhì)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(gòu)成。清楚的是，其它陰極材料也可用于根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)能量源。陽極優(yōu)選由選自Si、SnOx、Li4Ti5012、SiOx、LiSiON、LiSnON和LiSiSnON的至少一種材料制成，具體的是LixSiSno.870L2oN,.72。作為陰極材料，這些材料適于應(yīng)用到鋰離子電池，且此外，這些材料具有預(yù)定的最佳退火溫度或者溫度范圍(上文括號中所引用的)。固態(tài)電解質(zhì)由選自Li5La3Ta2012(石榴石型類)、LiPON、LiNb03、LiTa03和Li9SiA108的至少一種材料制成。這些固態(tài)電解質(zhì)材料適于應(yīng)用到鋰離子電池，并具有已知的最佳退火溫度(上文括號中所引用的)。其它固態(tài)電解質(zhì)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(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)例如可由TiO(OH)或Zr02Hx形成。優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明能量源的至少一個電極適合于儲存至少一種以下元素的活性物質(zhì)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(jù)本發(fā)明的能量系統(tǒng)的電化學(xué)能量源可基于各種夾層機理，因而適于形成不同類型(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(yōu)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(yōu)選摻雜的Si。這些材料的組合還可以用于形成電極。優(yōu)選地，n型或p型摻雜的Si用作電極，或者摻雜的Si相關(guān)化合物，如SiGe或SiGeC。只要電池電極的材料適合于夾層和儲存上文提及的活性物質(zhì)，則其它合適的材料也可以用作陽極，優(yōu)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于應(yīng)用到基于鋰離子的電池單元。如果使用基于氫的電池單元，陽極優(yōu)選包括氫化物形成材料，例如ABs型材料，具體的LaNi5，以及例如基于鎂的合金，具體的MgJl.x。在優(yōu)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(jié)構(gòu)化一個或優(yōu)選兩個根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)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(zhì)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(jìn)能量源的倍率性能，因而提高根據(jù)本發(fā)明的能量源的性能。以此方式，可以最大化并因此優(yōu)化能量源中的功率密度。由于提高了電池性能，根據(jù)本發(fā)明的小尺寸能量源將適合于給小尺寸電子設(shè)備以令人滿意的方式供電。此外，由于提高了性能，充分提升了由根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)能量源供電的(小尺寸)電子組件的選擇自由性。圖案的特征、形狀和尺寸可以是各種各樣的，如下文所闡述。優(yōu)選地，至少一個電極的至少一個表面被基本上規(guī)則地圖案化，更優(yōu)選地，所應(yīng)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(yīng)用。通過此方式，也可相對精確地預(yù)定電化學(xué)能量源性能的提高。本文中應(yīng)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)，從而便于產(chǎn)生三維取向的電池。電化學(xué)能量源優(yōu)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，該阻擋層適合于至少基本上防止電池的活性物質(zhì)擴散進(jìn)入所述基板。以此方式，基板和電化學(xué)電池將化學(xué)上分離，因而電化學(xué)電池的性能可以相對持久地維持。如果應(yīng)用基于鋰離子的電池，阻擋層優(yōu)選由至少一種下述材料制成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(yōu)選實施方式中，優(yōu)選使用的基板是理想地適于進(jìn)行表面處理以圖案化該基板的基板，這可以便于電極的圖案化?；甯鼉?yōu)選由至少一種下述材料制成C、Si、Sn、Ti、Ge、Al、Cu、Ta和Pb。這些材料的組合也可用于形成基板。優(yōu)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(guān)和/或Ge相關(guān)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于制造基板，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(fā)明還涉及一種電子設(shè)備，該電子設(shè)備配置有至少一個根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)能量源，以及與所述電化學(xué)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(yōu)選至少部分地嵌入電化學(xué)能量源的基板中。以此方式，可實現(xiàn)系統(tǒng)級封裝(SiP)。在SiP中，一個或多個電子組件和/或設(shè)備，例如集成電路(IC)、致動器(actuator)、傳感器、接收器、發(fā)射器等，至少部分地嵌入根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)能量源的基板中。根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)能量源理想地適于給相對小的高功率電子應(yīng)用例如(生物)植入機(implantantable)、助聽器、自主網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及神經(jīng)和肌肉刺激設(shè)備供電，此外，適于給柔性電子設(shè)備例如織物電子設(shè)備(textileelectronics)、可洗電子設(shè)備(washableelectronics)、需要預(yù)成形電池的應(yīng)用、電子紙和便攜式電子應(yīng)用的主機供電。通過以下非限制性示例示出本發(fā)明，其中圖1示出根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)能量源，以及圖2a-2d示出根據(jù)本發(fā)明另一個電化學(xué)能量源的制造。具體實施例方式圖1示出根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)能量源1，該電化學(xué)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(tài)電解質(zhì)4和陽極5，電池堆2沉積在傳導(dǎo)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由摻雜的硅制成，而陽極5由非晶硅(a-Si)制成。陰極3由LiCo02制成，并使用石榴石型電解質(zhì)4。當(dāng)鋰離子離開堆2并進(jìn)入基板6時，影響堆2的性能。此外，這一擴散將嚴(yán)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)，集電器可由鋁制成。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(zhì)4的面對陽極5的上表面以提高電解質(zhì)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(zhì)4可通過例如濕化學(xué)刻蝕(基于酸的)、物理刻蝕(反應(yīng)離子刻蝕)、機械壓印以及化學(xué)機械拋光(CMP)來實現(xiàn)。圖2a-2d示出根據(jù)本發(fā)明另一個電化學(xué)能量源7的制造。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由鉭制成。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(dǎo)鉭層9用作化學(xué)阻擋層，這是由于此層阻礙最初包含在陽極10中的鋰離子(或其它活性物質(zhì))擴散進(jìn)入基板8。接著，在陽極10頂部上沉積固態(tài)電解質(zhì)11(參見圖2b)，隨后電解質(zhì)11由上文陳述的刻蝕技術(shù)來紋理化(圖案化)。電解質(zhì)11紋理化后，在電解質(zhì)11頂部上沉積陰極12和第二集電器(未示出)，以完成電化學(xué)能量源l。應(yīng)注意，上文提及的實施方式說明但不限制本發(fā)明，在不背離所附權(quán)利要求書范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠設(shè)計很多可替換實施方式。在權(quán)利要求中，括號中的附圖標(biāo)記不應(yīng)理解為對權(quán)利要求的限制。使用動詞"包括"及其變形不排除未在權(quán)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(quán)利要求中列舉了某些措施并不表示不能有利地使用這些措施的組合。權(quán)利要求1、一種電化學(xué)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(tài)電解質(zhì)，沉積在該第一電極上，和第二電極，沉積在該固態(tài)電解質(zhì)上；其中至少該固態(tài)電解質(zhì)的面對該第二電極的表面至少部分地被圖案化。2、根據(jù)權(quán)利要求l所述的電化學(xué)能量源，其特征在于，該第一電極包括陰極，和/或該第二電極包括陽極。3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電化學(xué)能量源，其特征在于，該第一電極的面對該電解質(zhì)的至少一個表面提供有至少一個凹部。4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的電化學(xué)能量源，其特征在于，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(jù)上述權(quán)利要求中一項所述的電化學(xué)能量源，其特征在于，該固態(tài)電解質(zhì)的面對該第一電極的表面基本上是平的。6、根據(jù)上述權(quán)利要求中一項所述的電化學(xué)能量源，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求6所述的電化學(xué)能量源，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求7所述的電化學(xué)能量源，其特征在于，該凹部的至少一部分形成柱體、溝槽、縫隙或孔。9、根據(jù)上述權(quán)利要求中一項所述的電化學(xué)能量源，其特征在于，該固態(tài)電解質(zhì)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的至少一種材料制成。10、根據(jù)權(quán)利要求2-9中一項所述的電化學(xué)能量源，其特征在于，該陽極和陰極都適合于儲存至少一種以下元素的活性物質(zhì)H、Li、Be、Mg、Cu、Ag、Na禾nK。11、根據(jù)權(quán)利要求2-10中一項所述的電化學(xué)能量源，其特征在于，該陽極和陰極中的至少一個由至少一種以下材料制成C、Sn、Ge、Pb、Zn、Bi、Li、Sb、以及優(yōu)選摻雜的Si。12、根據(jù)上述權(quán)利要求中一項所述的電化學(xué)能量源，其特征在于，該第一電極和第二電極每個都包括集電器。13、根據(jù)權(quán)利要求12所述的電化學(xué)能量源，其特征在于，至少一個集電器由至少一種以下材料制成Al、M、Pt、Au、Ag、Cu、Ta、Ti、TaN和TiN。14、根據(jù)上述權(quán)利要求中一項所述的電化學(xué)能量源，其特征在于，該電化學(xué)能量源還包括至少一個電子傳導(dǎo)阻擋層，該電子傳導(dǎo)阻擋層沉積在該基板和該至少一個電極之間，該阻擋層適合于至少基本上防止該電池的活性物質(zhì)擴散進(jìn)入所述基板。15、根據(jù)權(quán)利要求14所述的電化學(xué)能量源，其特征在于，該至少一個阻擋層由至少一種下述材料制成Ta、TaN、Ti和TiN。16、根據(jù)上述權(quán)利要求中一項所述的電化學(xué)能量源，其特征在于，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(jù)上述權(quán)利要求中一項所述的電化學(xué)能量源，其特征在于，該基板由柔性材料制成。18、一種電子設(shè)備，包括至少一個根據(jù)權(quán)利要求1-17中一項所述的電化學(xué)能量源，以及連接到所述電化學(xué)能量源的至少一個電子組件。19、根據(jù)權(quán)利要求18所述的電子設(shè)備，其特征在于，該至少一個電子組件至少部分地嵌入在該電化學(xué)能量源的該基板中。20、根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的電子設(shè)備，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求18-20中一項所述的電子設(shè)備，其特征在于，該電子設(shè)備和電化學(xué)能量源形成系統(tǒng)級封裝(SiP)。全文摘要基于固態(tài)電解質(zhì)的電化學(xué)能量源是本領(lǐng)域公知的。這些(平面的)能量源或者固態(tài)電池將化學(xué)能有效地轉(zhuǎn)化為電能，并可以用作便攜式電子設(shè)備的功率源。本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的電化學(xué)能量源。本發(fā)明還涉及一種提供有該電化學(xué)能量源的電子設(shè)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(yōu)先權(quán)日2007年4月2日發(fā)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