專利名稱：一體式結(jié)構(gòu)中的多個(gè)電化學(xué)和聚能組件的制造方法和結(jié)構(gòu)的制作方法
一體式結(jié)構(gòu)中的多個(gè)電化學(xué)和聚能組件的制造方法和結(jié)構(gòu)相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求2008年11月7日提交的名稱為“一體式結(jié)構(gòu)中的多個(gè)電化學(xué)和聚能組件的制造方法和結(jié)構(gòu)”的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/112，707的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容通過引用合并于此以用于各種用途。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供涉及能源裝置的技術(shù)。更具體地，本發(fā)明的實(shí)施例涉及具有一體式結(jié)構(gòu)的多組件能源裝置的設(shè)計(jì)、制造和構(gòu)造方法。單個(gè)組件可包括電化學(xué)電池、光電池、燃料電池、電容器、超級(jí)電容器、熱電元件、壓電元件、微電機(jī)渦輪或能量收集器(energy scavenger)。本文所描述的方法和系統(tǒng)也可以應(yīng)用于各種能源系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供一體化電池組和器件結(jié)構(gòu)的制造方法。所述方法包括提供互相結(jié)合為一體的兩個(gè)或多個(gè)電化學(xué)電池。所述兩個(gè)或多個(gè)電化學(xué)電池包括相關(guān)的兩種或多種電化學(xué)物質(zhì)。所述方法還包括形成與所述兩個(gè)或多個(gè)電化學(xué)電池一體的一個(gè)或多個(gè)器件，以形成一體化電池組和器件結(jié)構(gòu)。利用本發(fā)明可以獲得超過常規(guī)技術(shù)的許多優(yōu)點(diǎn)。例如，與單個(gè)電池相比，本文描述的電化學(xué)電池表現(xiàn)出多種化學(xué)特性以適應(yīng)更寬的電壓和電流范圍。此外，采用能量收集元件來收集能量并將所收集的能量補(bǔ)充到一體式結(jié)構(gòu)中的其它組件。依據(jù)所述實(shí)施例，可以獲得這些優(yōu)點(diǎn)中的一個(gè)或多個(gè)。將在本說明書中，尤其是下文中，更詳細(xì)地描述這些和其它優(yōu)點(diǎn)。通過參照結(jié)合附圖進(jìn)行說明的下述詳細(xì)描述，本發(fā)明的這些和其它目的和特點(diǎn)以及獲得這些和其它目的和特點(diǎn)的方法對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將變得顯而易見，并且可以最佳地理解本發(fā)明本身。


圖1是包括一體化硅(Si)太陽能電池和薄膜電池組的一體式結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化剖視圖；圖2是包括化學(xué)特性不同的兩個(gè)一體化薄膜電池組的一體式結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化剖視圖；圖3是包括一體化氫/氧燃料電池和薄膜電池組的一體式結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化剖視圖；圖4是包括一體化超級(jí)電容器和薄膜電池組的一體式結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化剖視圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)例1包括硅(Si)太陽能電池和薄膜電池組的一體式結(jié)構(gòu)及其制造方法通過利用物理氣相沉積形成電池器件可以實(shí)現(xiàn)如圖1所示的在硅(Si)太陽能電池的后表面上制備堆疊電池。使用傳統(tǒng)的Si晶片構(gòu)造利用P型硅的太陽能電池(提拉法)。 在通過將磷(P)擴(kuò)散到晶片中而形成p-n結(jié)之后，利用物理氣相沉積在硅晶片的P+摻雜區(qū)(下側(cè))形成鋁(Al)背接觸(圖1中的金屬背接觸)。鋁層生長(zhǎng)到1-2 μ m的厚度。在形成背金屬接觸后，利用PVD (physical vapor exposition，物理氣相沉積)在鋁層上制作厚度為3-5 μ m的用于電絕緣和熱傳導(dǎo)的氮化鋁(AlN)隔離層。所述隔離層用于從兩個(gè)元件移除熱量并將熱量傳遞到散熱器。在元件冷卻完畢之后，通過物理氣相沉積(PVD)過程順序地和以保形方式沉積電池組組件，分別為鋁(Al)集電極(current collector)層(1-3 μ m厚)、鋰錳氧化物 (LiMn2O4)陰極層(3-5μπι厚)、鋰磷氮氧(LIPON)陶瓷電解質(zhì)層(l-3ym厚)、鋰(Li)金屬陽極層(3-5μπι厚)以及銅(Cu)集電極層(1-3μπι厚)。實(shí)例2句仆十牛池i目白々一.1^泡力fe如圖2所示，利用物理氣相沉積使電化學(xué)物質(zhì)不同的兩個(gè)堆疊電池形成在彼此上。利用PVD過程在用作陰極集電極的鋁(Al)金屬薄膜上沉積第一電池組組件，分別為磷酸鋰鐵(LiFePO4)陰極層(3-5μπι厚)、鋰磷氮氧(LIPON)陶瓷電解質(zhì)層(1_3 μ m 厚)、鋰(Li)金屬陽極層(3-5μπι厚)以及銅(Cu)集電極層(1-3μπι厚)。在形成銅(Cu)金屬集電極后，利用PVD在銅層上制作厚度為3_5μπι的用于電絕緣和熱傳導(dǎo)的氮化鋁(AlN)隔離層。所述隔離層用于從兩個(gè)元件移除熱量并將熱量傳送到散熱器。在元件冷卻完畢之后，通過PVD過程順序地和以保形方式沉積第二電池組組件， 分別為鋁(Al)集電極層(1-3 μ m厚)、鋰錳氧化物(LiMn2O4)陰極層(3_5 4!11厚)、鋰磷氮氧(LIPON)陶瓷電解質(zhì)層(1-3μπι厚)、鋰(Li)金屬陽極層(3_5 μ m厚)以及銅(Cu)集電極層(l-3ym厚)。實(shí)例3包括燃料電池和薄膜電池組的一體式結(jié)構(gòu)及其制造方法通過利用物理氣相沉積(PVD)形成電池組件可以實(shí)現(xiàn)如圖3所示的在質(zhì)子交換膜 (PEM，proton-exchange membrane)燃料電池的后表面上制備堆疊電池。使用用于制作電極的所述膜和濕漿體(wet slurry)的傳統(tǒng)溶膠凝膠法構(gòu)造采用具有高質(zhì)子傳導(dǎo)性的質(zhì)子交換膜并且利用諸如Nafion 的全氟磺酸鹽(perfluorosulfonate)離聚物電解質(zhì)的PEM 燃料電池。在裝配燃料電池后，利用PVD在燃料電池集電極上制作厚度為3-5 μ m的用于電絕緣和熱傳導(dǎo)的氮化鋁(AlN)隔離層。所述隔離層用于從兩個(gè)元件移除熱量并將熱量傳送到散熱器。在元件冷卻完畢之后，通過PVD過程順序地和以保形方式沉積電池組組件，分別為鋁(Al)集電極層(1-3μπι厚)、鋰錳氧化物(LiMn2O4)陰極層(3_5 μ m厚)、鋰磷氮氧 (LIPON)陶瓷電解質(zhì)層(1-3 μ m厚)、鋰(Li)金屬陽極層(3_5 μ m厚)以及銅(Cu)集電極層(l-3ym厚)。實(shí)例4包括超級(jí)電容器和薄膜電池組的一體式結(jié)構(gòu)及其制造方法通過利用PVD形成電池組件可以實(shí)現(xiàn)如圖3所示的在電化學(xué)雙層電容器(electrochemical double layer capacitor, EDLC)(也被稱作超級(jí)電容器)的后表面上制備堆疊電池。在這種混合系統(tǒng)中，電池組提供高能量密度，同時(shí)EDLC使系統(tǒng)中具有高功
率容量。EDLC描述了一類能量存儲(chǔ)器件，所述能量存儲(chǔ)器件含有包括表面積大的炭(活性炭)、電活性聚合物、過渡金屬氧化物和氮化物的活性材料。隔離材料包括高性能電介質(zhì)、常規(guī)的高性能聚合物電解質(zhì)和離子導(dǎo)電材料?？梢詫?duì)稱或不對(duì)稱地布置電極。在圖4中，示出了器件電極的不對(duì)稱的電極布置?？梢酝ㄟ^諸如活性炭之類的表面積大的材料、諸如金屬氧化物(例如，含水釕氧化物，RuO2 · 0. 5H20)之類的高電容的氧化還原性材料形成電容器的電極，所述金屬氧化物通過溶膠凝膠法來制備且具有高達(dá)700F/g的電容量。使用引起工作電壓增高的不對(duì)稱電極以及不同的陽極和陰極材料可以提高此元件的能量存儲(chǔ)量。在裝配超級(jí)電容器后，利用PVD在電介質(zhì)材料層上制作厚度為3-5 μ m的用于電絕緣和熱傳導(dǎo)的氮化鋁(AlN)隔離層。所述隔離層用于從兩個(gè)元件移除熱量并將熱量傳送到散熱器。在元件冷卻完畢之后，通過PVD過程順序地和以保形方式沉積電池組組件，分別為鋁(Al)集電極層(1-3μπι厚)、鋰錳氧化物(LiMn2O4)陰極層(3_5 μ m厚)、鋰磷氮氧 (LIPON)陶瓷電解質(zhì)層(1-3 μ m厚)、鋰(Li)金屬陽極層(3_5 μ m厚)以及銅(Cu)集電極層(l-3ym厚)。應(yīng)該理解，本文所描述的實(shí)例和實(shí)施例僅為了說明的目的，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以提出依據(jù)本發(fā)明的各種改進(jìn)或變型，并且這些改進(jìn)或變型包括在本申請(qǐng)的精神和范圍以及所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種一體化電池組和器件結(jié)構(gòu)的制造方法，所述方法包括提供互相結(jié)合為一體的兩個(gè)或多個(gè)電化學(xué)電池，所述兩個(gè)或多個(gè)電化學(xué)電池包括相關(guān)的兩種或多種電化學(xué)物質(zhì)； 以及形成與所述兩個(gè)或多個(gè)電化學(xué)電池一體的一個(gè)或多個(gè)器件，以形成所述一體化電池組和器件結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述一個(gè)或多個(gè)電化學(xué)電池以及所述一個(gè)或多個(gè)器件利用一種或多種沉積技術(shù)結(jié)合為一體式結(jié)構(gòu)，所述一種或多種沉積方法選自蒸發(fā)、 物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)、電化學(xué)氣相沉積 (EVD)、電鍍、原子層沉積(ALD)、激光直寫(DLW)、濺射、射頻磁控濺射、微波等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(MPECVD)、脈沖激光沉積(PLD)、納米壓印、離子注入、激光燒蝕、噴射沉積、 噴霧熱分解、噴霧涂布、等離子體噴涂、溶膠/凝膠浸漬紡絲和燒結(jié)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述兩個(gè)或多個(gè)電化學(xué)電池被構(gòu)造為串聯(lián)和/或并聯(lián)地堆疊。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，進(jìn)一步包括設(shè)置在所述兩個(gè)或多個(gè)電化學(xué)電池之間的被構(gòu)造為用于熱傳遞的隔離區(qū)。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，被構(gòu)造為用于熱傳遞的所述隔離區(qū)至少由金剛石 (C)、多晶金剛石(poly-C)、氧化鋁、氮化硼、氮化鋁或碳化硅形成。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述兩種或多種電化學(xué)物質(zhì)至少選自鋰(Li)、鋰離子、鋰金屬聚合物(LiM聚合物)、鋰(Li)-空氣、鉛(Pb)-酸、鎳金屬水合物(Ni/MH)、鎳-鋅 (NiAn)、鋅(Zn)-空氣、熔鹽(Na/NiCl2)、zebra 電池(NaAlCl4)、鎳-鎘(Ni/Cd)、銀-鋅 (Ag/Zn)。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述器件包括微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMQ傳感元件。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述器件包括一個(gè)或多個(gè)燃料電池。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述器件包括一個(gè)或多個(gè)光電池。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述器件包括一個(gè)或多個(gè)電容器。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述器件包括一個(gè)或多個(gè)超級(jí)電容器。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述器件包括一個(gè)或多個(gè)壓電元件。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述器件包括一個(gè)或多個(gè)熱電元件。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述器件包括一個(gè)或多個(gè)微電機(jī)渦輪。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述器件包括單元的混合組合，所述單元選自由電化學(xué)電池、燃料電池、光電池、電容器、超級(jí)電容器、壓電元件、熱電元件、微電機(jī)渦輪和能量收集器所組成的組。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括與所述一個(gè)或多個(gè)器件邏輯聯(lián)系和通信的包含數(shù)據(jù)總線的監(jiān)測(cè)裝置，以及中央計(jì)算和處理單元(CPU)，所述中央計(jì)算和處理單元控制一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的元件。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述監(jiān)測(cè)裝置被構(gòu)造為檢測(cè)溫度T。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述監(jiān)測(cè)裝置被構(gòu)造為檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)組件中的應(yīng)力。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述監(jiān)測(cè)裝置被構(gòu)造為檢測(cè)由所述一個(gè)或多個(gè)電化學(xué)電池或者所述一個(gè)或多個(gè)器件至少之一的工作產(chǎn)物所產(chǎn)生的氣體和氣體反應(yīng)。
20.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述監(jiān)測(cè)裝置被構(gòu)造為檢測(cè)鋰成分和穿過陽極和陰極隔離層的轉(zhuǎn)變。
21.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括使用一個(gè)或多個(gè)監(jiān)測(cè)裝置以保持所述一個(gè)或多個(gè)電化學(xué)電池或者所述一個(gè)或多個(gè)器件的安全工作。
22.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括如果溫度升高為超過設(shè)置的閾值，則啟動(dòng)包括液態(tài)冷卻劑或液化氣體的冷卻系統(tǒng)，與散熱器熱接觸的所述冷卻系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為利用一個(gè)或多個(gè)傳導(dǎo)路徑移除熱量。
23.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述一個(gè)或多個(gè)電化學(xué)電池被構(gòu)造為利用混合原理來優(yōu)化器件架構(gòu)、排列、能量和功率密度以及可充電性和壽命。
全文摘要
本發(fā)明提供具有一體式結(jié)構(gòu)的多組件能源裝置的設(shè)計(jì)、制造和構(gòu)造方法，其中，單個(gè)組件可選自包括電化學(xué)電池、光電池、燃料電池、電容器、超級(jí)電容器、熱電元件、壓電元件、微電機(jī)渦輪和能量收集器的列表中。所述組件被組織成一個(gè)結(jié)構(gòu)，以達(dá)到單個(gè)組件不能單獨(dú)達(dá)到的能量密度、功率密度、電壓范圍和壽命范圍，也就是說，所述單個(gè)組件互補(bǔ)。所述單個(gè)組件形成混合結(jié)構(gòu)，其中，元件之間互相電氣、化學(xué)和熱傳導(dǎo)。與單個(gè)電化學(xué)電池相比，所述電化學(xué)電池表現(xiàn)出多種化學(xué)特性以適應(yīng)更寬的電壓和電流范圍。采用能量收集元件來收集能量并將所收集的能量補(bǔ)充到一體式結(jié)構(gòu)中的其它組件。
文檔編號(hào)H01L25/16GK102210023SQ200980144551
公開日2011年10月5日 申請(qǐng)日期2009年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月7日
發(fā)明者安瑪麗·沙斯特里, 汪家偉, 法比奧·阿爾巴諾 申請(qǐng)人:Sakti3有限公司