CN101065877A - 能量系统、电子模块、电子器件和制造所述能量系统的方法 - Google Patents

能量系统、电子模块、电子器件和制造所述能量系统的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN101065877A
CN101065877A CNA2005800402583A CN200580040258A CN101065877A CN 101065877 A CN101065877 A CN 101065877A CN A2005800402583 A CNA2005800402583 A CN A2005800402583A CN 200580040258 A CN200580040258 A CN 200580040258A CN 101065877 A CN101065877 A CN 101065877A
Authority
CN
China
Prior art keywords
energy
electrode
energy system
electrically
backing plate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CNA2005800402583A
Other languages
English (en)
Other versions
CN100533849C (zh
Inventor
F·罗泽博姆
P·诺滕
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Koninklijke Philips Electronics NV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Koninklijke Philips Electronics NV filed Critical Koninklijke Philips Electronics NV
Publication of CN101065877A publication Critical patent/CN101065877A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN100533849C publication Critical patent/CN100533849C/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/46—Accumulators structurally combined with charging apparatus
    • H01M10/465—Accumulators structurally combined with charging apparatus with solar battery as charging system
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0436—Small-sized flat cells or batteries for portable equipment
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0561—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of inorganic materials only
    • H01M10/0562—Solid materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00—Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/40—Printed batteries, e.g. thin film batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49108—Electric battery cell making
    • Y10T29/49115—Electric battery cell making including coating or impregnating

Abstract

本发明涉及一种包括电化学能源的能量系统，其中所述电化学能源包括第一电极、第二电极、以及中间固态电解质中的至少一个组件，其中中间固态电解质将所述第一电极和所述第二电极分开。本发明还涉及设有这种能量系统的电子模块。本发明还涉及设有这种能量系统的电子器件。而且，本发明涉及这种能量系统的制造方法。

Description

能量系统、电子模块、电子器件和制造所述能量系统的方法
本发明涉及一种包括电化学能源的能量系统，其中所述电化学能源包括至少一个组件，所述组件包括第一电极、第二电极和将所述第一电极和所述第二电极分隔开的中间固态电解质。本发明还涉及设有这种能量系统的电子模块。本发明进一步涉及设有这种能量系统的电子器件。而且，本发明涉及制造这种能量系统的方法。
基于固态电解质的电化学能源在本领域是已知的。这些(平面型)能源，或者“固态电池”如上所述构成。固态电池将化学能有效地和清洁地直接转换成电能，并且通常用作便携式电子装置的电源。在尺寸较小时，这种电池例如可以用于给微型电子模块、尤其是给集成电路(IC)提供电能。其例子在国际专利申请WO 00/25378中公开，其中固态薄膜微型电池直接制造在特殊基板上。在这种制造工艺期间，第一电极、中间故态电解质和第二电极依次淀积在基板上。尽管与其他固态电池相比，已知微型电池呈现出通常较优异的性能，但是已知微型电池也具有几个缺点。WO 00/25378的已知微型电池的主要缺点在于：其制造工艺相对复杂，因此相对昂贵。已知微型电池的另一缺点是给已知电池充电需要用于使给电池提供电能的极性相反的开关器件。为此，必须将电池连接到市电电源或者任何其他外部电源上，以便能够给电池充电，这就使要被充电的已知电池取决于这些外部能源的可获得性。
本发明的目的是提供一种能以相对简单方式构成和制造的改进的电化学能量系统，其中可以相对有效地对能量系统的电化学能量进行充电。
本发明的目的是通过根据开头部分的能量系统来实现的，其特征在于：所述第一电极包括其上已经淀积了固态电解质和第二电极的第一导电基板，并且该能量系统还包括能量转换装置，该能量转换装置电连接到所述电化学能源，用于将外部能量转换成用于给电化学能源充电的电能。所述第一基板和所述第一电极的至少一部分集成在一起通常得到比本领域已知的电池更简单的(微型)电池结构。而且，根据本发明的制造能源的方式也更简单，因为可以消除至少一个工艺步骤。根据本发明的能量系统的相对简单的制造方法还可明显地节约成本。优选地，固态电解质和第二电极作为薄膜层淀积在第一电极上，厚度大约在0.5和5微米之间。薄膜层导致更高的电流密度和效率，因为该能源中的离子的传输更容易，并且穿过薄膜层比穿过厚膜层更快。通过这种方式，可以使内部能量损失最小化。由于能源的内部电阻相对低，因此当使用可再充电的能源时，可以增加充电速度。根据本发明的能量系统的另一主要优点在于：该能量系统包括用于将电能提供给电化学能源的转换装置。由此这种转换将从该能量系统周围的直接环境吸收的外部能量-不是电能-转换成电能以将(电池)充电电流施加到电化学能源。通过这种方式，可以相对有效地和(更)独立地给电化学能源充电，而不需要分开的相对复杂和昂贵的电(微型)电池充电器，也不需要外部电源。由此通过(独立)能量系统清除和储存能量的这种改进方式导致能量系统的相对高的设计自由度。
在优选实施例中，至少部分地对面对电解质和第二电极的第一电极的至少一部分进行构图。通过这种方式，使两个电极和固态电解质之间的每单位体积的接触表面增加。通常，根据本发明的能源的部件之间的接触表面的这种增加导致能源的比容量(rate capacity)的提高，因此获得更好的电池容量(由于最佳利用能源的层的体积)。通过这种方式，可以使该能源中的功率密度和能量密度最大化，因此使其最优化。该图形的性质、形状和尺寸可以是任意的。一般情况下，可以用各种方式对接触表面进行构图，例如通过给第一电极提供延伸部来进行。优选地，第一电极，特别是基板，设有多个任意形状和尺寸的腔。电解质和第二电极优选设置在所述腔的内表面的至少一部分上。这样做的优点是：电化学能源的电子元件之间的接触表面大大增加，因而电化学能源的功率密度和能量密度也大大增加。在一个实施例中，连接这些腔，通过这些腔在第一基板上形成多个突起柱体，以增加电化学能源内的接触表面。在另一优选实施例中，腔的至少一部分形成狭缝、孔或沟槽，固态电解质和第二电极淀积在其中。第一电极、特别是第一导电基板的图形、更特别是腔，可以例如通过刻蚀来形成。
在另一优选实施例中，连接腔，通过其在基板上形成一个或多个突起元件，特别是柱体，以增加该能量系统的电化学能源内的接触表面。代替使用这些沟槽或细孔，它们涉及用于在基板中形成和填充采用沟槽或细孔形式的孔的加工，因此还可以使用倒置结构。第一电极的柱体优选是通过刻蚀工艺形成的，该刻蚀工艺在第一电极的基板中形成垂直柱体而不是垂直孔。柱体的形状和尺寸可以是各种各样的，并优选取决于根据本发明的能量系统的应用领域。这还允许气体试剂和反应产物更容易地三维扩散，由此在所涉及的工艺中产生更高的反应速度，所涉及的工艺例如为干法刻蚀结构部件和将LPCVD或ALD生长层淀积到上述结构部件上。
如上所述，转换装置适于将(外部)能量(优选持久的能量，并且不是电能)的某个状态转换成电能。外部能量可以经由该能量系统周围的环境来获得。优选地，能量转换装置的能量转换是基于以下能量转换原理中的至少一个：热电转换、光电转换、电磁转换、风电转换和压电转换。热电转换是将热量转换成电能，光电转换是基于将光、特别是(太阳)辐射转换成电能。后一种转换例如可以通过光电转换器、特别是太阳能电池来实现。电能还可以通过转换某种磁感应来获得。转换装置甚至适于将风能、或者至少储存在气流中的能量转换成电能。或者，转换装置适于将某种机械压力转换成电能。在这后一种实施例中，转换装置优选设有压电晶体，以实现这种转换。必须清楚的是，本发明决不限于上述实施例。在所要求保护的权利要求的范围内，本领域技术人员显然可以想出各种其他实施例。
优选地，能量转换装置连接到第一电极和第二电极，由此允许给电化学能源充电。在特别优选的实施例中，能量转换装置与第一电极和第二电极中的至少一个的连接是可断开的。通过这种方式，可以将能量转换装置与能源断开。将转换装置与电化学能源断开在一定的环境下是希望的，例如，在(临时)不使用(充电)电化学能源的情况下。为了将转换装置与电化学能源断开，可以使用可电子控制的(微型)开关或激励器。在另一特别优选实施例中，能量转换装置可拆卸地耦合到电化学能源上，这例如在维修和/或替换转换装置和/电化学能源的情况下是希望的。
根据本发明的能量系统可以设有单一能量转换单元，例如光电池。然而，为了增加电化学能源的充电速度，所述能量转换装置包括多个能量转换单元是有利的。通常，这些电池为相同的类型，其中例如将多个太阳能电池连接到电化学能源。然而，在可选实施例中，使用不同类型的转换单元，其中例如将太阳能电池和压电转换器连接到电化学能源。
在优选实施例中，能量转换装置包括第二导电基板，该第二导电基板优选由(掺杂的)硅构成。在第一导电基板和第二导电基板由相同的基板形成的情况下是有利的，其结果是，可以获得相对简单的、有效的和紧凑的集成能量系统。在另一优选实施例中，电化学能源和能量转换装置基本上叠置在一起，从而形成相对紧凑的叠层能量系统。
在优选实施例中，基板，即第一基板和-如果可行的话-第二基板由以下材料中的至少一种材料构成：C、Si、Sn、Ti、Ge和Pb。这些材料的组合还可用于形成基板。优选地，n型或p型掺杂硅用作基板，或者与掺杂硅相关的化合物，如SiGe或者SiGeC。而且，其他适当的材料也可用作第一基板，只要第一基板的材料适于插入和存储例如在前段中所述的这些原子的离子即可。而且，这些材料优选适合于经受刻蚀工艺，从而在基板的接触表面上施加图形(孔、沟槽、柱体等)。
在一个实施例中，第一电极至少部分地适于(临时)存储以下原子中的至少一种原子的离子：H、Li、Be、Mg、Na和K。因而，根据本发明的能量系统的电化学能源可以基于各种插入机理(intercalation mechanism)，因此适合于形成不同种类的电池，例如Li离子电池、NiMH电池等。
优选地，第一电极还包括淀积到第一导电基板上的插入顶层，其中该插入顶层和第一导电基板通过电子传导阻挡层分开，该电子传导阻挡层适于至少基本上阻止插入离子扩散到所述第一导电基板中。该优选实施例通常是非常有利的，因为占用了根据本发明的能量系统的电化学能源的(再)充电循环的一部分的插入离子经常扩散到第一基板中，使得这些离子不再参与(再)充电循环，导致电化学能源的存储容量减少。通常，采用单晶硅导电基板来承载电子元件，如集成电路、芯片、显示器等。这种晶体硅基板存在以下缺陷：插入离子相对容易地扩散到所述基板中，导致所述能源的容量减少。由于这个原因，将阻挡层施加到所述第一基板上以阻止向基板中的所述不利扩散，这是相当有利的。插入离子的迁移至少基本上被所述阻挡层阻挡，其结果是不再发生这些离子穿过基板的迁移，而电子穿过所述基板的迁移仍然是可能的。根据该实施例，不再需要基板适于存储插入离子。为此，只是顶层用作适于临时存储(和释放)例如锂离子的插入层。因此，还可以使用硅基板以外的其他电子传导基板，例如由金属、导电聚合物等构成的基板。如此形成的所述第一基板、所述阻挡层、和作为插入层的所述顶层的叠层通常例如借助低压化学汽相淀积(LPCVD)-如上所述-通过将阻挡层且随后将插入层叠置(淀积)在所述基板上而形成。然而，在特定实施例中，该叠层还可以通过注入技术来形成，其中例如用钽离子和氮离子轰击例如晶体硅基板，之后充分升高被注入基板的温度，从而形成掩埋在所述原始基板内的物理阻挡层。作为用离子轰击硅基板的结果，通常将破坏原始基板的晶体顶层的晶格，导致非晶顶层形成所述插入层。在优选实施例中，所述插入顶层至少基本上由硅制成，优选由掺杂的非晶硅制成。非晶硅层在存储(和释放)每单位体积的相对大量的插入离子方面具有优异的性能，这导致根据本发明的电化学能源的存储容量的提高。所述阻挡层优选至少基本上由以下化合物中的至少一种构成：钽、氮化钽、和氮化钛。然而阻挡层的材料不限于这些化合物。作为共同的特性，这些化合物具有相对致密的结构，其对于插入离子(其中包括锂离子)而言是不可渗透的。
在根据本发明的能量系统的能源中采用的固态电解质可以基于离子导电机理或非电子导电机理，例如用于H、Li、Be和Mg的离子导体。作为固态电解质的锂导体的例子是锂磷氧氮(LiPON)。其他已知的固态电解质，例如锂硅氧氮(LiSiON)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、原钨酸锂(Li2WO4)和锂锗氧氮(LiGeON)，也可以用作锂传导固态电解质。质子传导电解质例如可以由TiO(OH)来形成。关于质子传导电解质的详细信息在国际申请WO 02/42831中公开了。用于基于锂离子的能源的第二(正)电极可以由金属氧化物基材料制成，例如LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2或者这些材料的组合物，如Li(NiCoMn)O2。在基于质子的能源的情况下的第二(正)电极的例子是Ni(OH)2和NiM(OH)2，其中M是由选自例如包括Cd、Co、或Bi的组的一种或多种元素形成的。
在另一实施例中，固态电解质和第二电极淀积在第一基板的多个侧面上。通过这种方式，使该基板进一步加强用于存储离子，由此增加了根据本发明的电化学能源的电容量。然而，还可以想到，使用第一基板的一个侧面作为转换装置的一部分，而第一基板的另一侧面用作电化学能源的一部分。通过这种方式，可以提供根据本发明的相对复杂的能量系统。
优选地，该电化学能源包括电耦合在一起的多个组件。这些组件可以用串联和/或并联方式耦合在一起，这取决于电化学能源的使用要求。当需要相对高的电流时，几个组件的第一电极和第二电极分别并联电耦合。当需要相对高的电压时，第一组件的第一电极可以电耦合到第二组件的第二电极。第二组件的第一电极可以电耦合到第三组件的第二电极，依此类推。
第一电极和第二电极中的至少一个优选耦合到集流器。在硅基板的情况下，第一电极不需要集流器。然而，对于例如利用LiCoO2电极作为第二电极的锂离子电池，优选采用铝集流器(层)。可替换或添加地，由优选被掺杂的诸如Si、GaAs、InP的半导体制成的集流器如同由诸如铜或镍等金属制成的集流器一样，一般可作为根据本发明的固态能源的集流器。
该基板可以具有主表面，在所述主表面之上或之中形成腔，并且所述主表面限定平面。集流器在该平面上的垂直投影可以至少部分地与腔、优选与所有腔在该平面上的垂直投影重叠。通过这种方式，集流器相对靠近腔，这增加了最大电流。在一个实施例中，集流器延伸到腔中，优选延伸到所有腔中。这进一步增加了比容量。这对于深度为20微米或以上的相对深的腔是特别地有利。
第一基板可以包括第一部分和与第一部分分开的第二部分，其中所述第一部分构成第一电极。第二部分可以包括集成在第二部分中的电子器件。优选地，第一基板包括用于减少并优选基本上防止离子从第一部分扩散到第二部分的阻挡层。当基板适于存储Li离子时，例如通过应用硅晶片，这种阻挡层可以由Si3N4或SiO2形成，从而防止Li离子离开第一电极(晶片)。或者，该基板包括用作转换装置的基本部件的第三部分。通过这种方式，根据本发明的能量系统可以与电子模块或电子器件例如集成电路(IC)相对简单地和紧凑地集成在一起。
优选地，第一基板由支撑结构支撑，以便巩固电化学能源。在特殊情况下，希望采用这种支撑结构。例如，如果使用钛(-相关的)第一基板用于具有根据本发明结构的nigh电池中的氢存储，则支撑结构可以用于增强能源的构造。应该指出的是，钛基板可以通过其上淀积基板的(临时)介质层来制造。在该淀积工艺之后，可以除去介质层。为了进一步支撑钛基板，可以使用非导电支撑结构。有利的是，通过减小其厚度来部分地除去基板，由此提高能源的能量密度。例如，可以将能源从厚度大约为500微米的第一基板转变为厚度大约为1-200微米的第一基板。为了实现第一基板的这一适应性，可采用(已知的)“基板转变技术”。
本发明还涉及一种具有至少一个这种能量系统的电子模块。电子模块可以通过集成电路(IC)、微芯片、显示器等形成。可以通过单片或非单片的方式来构造电子模块和能量系统的组合。在所述组合的单片结构的情况下，优选地，用于离子的阻挡层施加在电子模块和能量系统、特别是其能源之间。在一个实施例中，电子模块和能量系统被封装系统(SiP)所包括。该封装优选是非导电的，并包括用于上述组合的容器。通过这种方式，可以提供独立的即可使用的SiP，其中除了电子模块之外，还设置根据本发明的能量系统。
本发明还涉及设有至少一个这种能量系统或者更优选地设有至少一个这种电子模块的电子器件。这种电子器件的例子是剃须刀，其中电化学能源可以用作例如备用(或一次)电源。通过提供包括根据本发明的能量系统的备用电源而改进的其他应用例如是便携式RF模块(如蜂窝电话、无线电模块等)、(独立)微系统中的传感器和激励器、能量和光管理系统，而且还可以是用于环境智能(ambientintelligence)的独立器件和数字信号处理器。显然这种例子当然可以不被认为是起限制作用的。其中结合了根据本发明的能源的电子器件的其他例子是包含微处理器芯片的所谓的“智能卡”。当前的智能卡需要单独的读卡器来显示存储在卡的芯片中的信息。但是利用优选的柔性微型电池，智能卡可以包括例如卡本身上的相对微小的显示屏，该显示屏允许用户容易访问储存在智能卡中的数据。
而且，本发明涉及一种制造这种能量系统的方法，包括以下步骤：A)将固态电解质淀积到第一导电基板上，B)将第二电极淀积到固态电解质上，以及C)随后将能量转换装置电连接到第一导电基板和第二电极。在施加步骤A)和B)期间，优选使用下列淀积技术中的一种技术：物理汽相淀积(PVD)、化学汽相淀积(CVD)、以及原子汽相淀积(AVD)。PVD的例子是溅射和激光烧蚀，其中激光烧蚀需要通常的腔宽度在≥20微米的数量级上。CVD的例子是LP-CVD和原子层淀积(ALD)。AVD优选在相对低的压力(大约150毫巴或以下)下进行。这些技术对于技术人人员来说是公知的，并允许基板中的孔径在＞0.5微米的数量级上。在步骤C)期间，转换装置可以连接到第一基板，用作第一电极的至少一部分，并通过(已知的)隆起焊盘形成技术(bumping technique)或引线键合技术连接到第二电极。
在优选的实施例中，该方法设有步骤D)，该步骤包括对基板的至少一个接触表面进行构图，其中步骤D)是在步骤A)之前进行。如上所述，对基板表面进行的构图增加了能源的不同部件的每单位体积的接触表面，由此增加了比容量。在一个实施例中，刻蚀技术可以用于构图，如湿法化学刻蚀和干法刻蚀。这些技术的公知例子是反应离子刻蚀(RIE)和聚焦离子束(FIB)。
优选地，该方法设有步骤E)，该步骤包括在第一基板上依次淀积电子传导阻挡层和插入层，其中步骤E)在步骤A)之前进行。本实施例的优点已经在前面进行了全面的说明。
通过以下非限制性的例子对本发明进行说明，其中：
图1示出根据本发明的能量系统的透视图；
图2示出根据本发明的另一能量系统的剖面图；
图3示出根据本发明的封装中的单片系统的示意图；
图4示出在根据本发明的能量系统的电化学能源内使用的第一电极的示意透视图；以及
图5示出在根据本发明的能量系统的电化学能源内使用的另一第一电极的示意顶视图。
图1示出根据本发明的能量系统1的透视图。能量系统1包括锂离子微型电池2、以及连接到所述电池3的太阳能电池板3，用于在接收到光子4时给所述电池3提供充电电流。能源2包括硅基板5，该硅基板5用作电池3的负电极。硅基板5例如可以通过通常用于IC的硅晶片形成。基板5可以具有大于20微米、大于100微米或甚至大于500微米的厚度。在硅基板5的上表面6中，通过现有的刻蚀技术刻蚀几个狭缝7。这些狭缝7的尺寸可以是任意的。优选地，狭缝7的宽度大约在2和10微米之间，并且狭缝7的深度大约在10和100微米之间。在被构图的上表面6上淀积固态电解质层8。电解质层8具有大约1微米的厚度，并优选由锂磷氧氮(LiPON)构成。在LiPON层8上淀积厚度大约为1微米的正电极层9。正电极9优选由LiCoO2构成，并最终混有碳纤维。将电解质8和正电极9淀积到基板5的上表面6上是通过常规的淀积技术进行的，如化学或物理汽相淀积和原子层淀积。通过刻蚀基板5，可以(显著)增加每单位体积的电极5、9和电解质8之间的接触表面，因而提高(最大化)能源2中的比容量和功率密度以及能量密度。铝集流器10耦合到正电极9。所示的能源2的结构是相对有效的和简单的结构，此外制造起来也相对简单。而且，通过使电解质的层厚最小化和使能源2的部件5、8、9之间的相互接触表面最大化，使所示的能源2的性能最优化。太阳能电池板3包括多个太阳能电池11，其中每个电池11适于将(太阳)光转换成用于给电池2充电的电能。如图1所示，太阳能电池板3设置在铝集流器10的顶部，其中太阳能电池板3的电极(未示出)与铝集流器10电接触。太阳能电池板的另一电极(未示出)电连接到电池2的基板5。在所示的例子中，薄膜电池2的能量密度在2.5·10-3C/mm2·μm的数量级上，当与电容器的常规电池相比时，这是比较高的。假设太阳辐射功率密度E为100W/m2，并且太阳能电池效率大约为10％，这将产生1mW/cm2的电功率密度。当电池能量密度大约为10mWh/μm·cm2时，通过其共同集成的太阳能电池板3需要大约10小时来使电池2完全充电。
图2示出根据本发明的另一能量系统12的剖面图。能量系统12包括具有双功能性的硅基板13。基板13的下部分用作电化学能源15的负电极14，其中能源15的实质部分设置在基板13的下面，另一方面，基板13的上部分用作光电池17的正硅(p型)层16。负电极14和正硅层16通过阻挡层18而互相绝缘以防止短路，其中阻挡层18由SiO2构成。对基板13的下表面19和上表面20进行构图，以增加基板13的有效接触表面面积。能源15还包括淀积到基板13的下表面19上的电解质层21。随后在电解质层21的顶部淀积由LiCoO2构成的正电极22。正电极22部分地被集流器23覆盖。基板13的正层16和负电极14设有集流器24、25。在这种能源15中使用的插入机理和材料是基于锂离子的插入。如上所述，对基板13的下表面19进行构图，以提高能源15的能量密度。由于基板13用于储存离子，同时其用作例如芯片载体，因此可以获得能源15的相对有效的结构。光电池17还包括在所述正层16顶部的负层(n型)26，其中在负层26和正层16之间形成用作p/n结的中间层27。负层26暴露在太阳辐射下，特别是暴露在光子(A)下。负层26部分地被集流器28覆盖，而集流器28电连接到能源15的负电极14的集流器25。正电极22的集流器23电连接到光电池17的正层16的集流器24。在该图中示出了电子流，该电子流是在通过电能对能源15进行充电期间产生的，所述电能是由于光电池17进行的光电转换而由该电池17提供的。
图3示出根据本发明的封装中的单片系统(SiP)29的示意图。SiP包括电子模块或器件30以及与其耦合的根据本发明的能量系统31。电子模块或器件30和能量系统31由阻挡层32分开。能量系统31包括可(再)充电的电化学能源33和能量转换器34的叠层，其中能量转换器34用于将诸如风能、机械能、太阳能的外部能量转换成用于给能源33提供充电电流的电能。电子模块或器件30和能量系统31安装在同一单片基板上和/或基于同一单片基板(未示出)。能源33的结构可以是任意的，只要基板用作离子的(临时)存储介质并通过这种方式用作电极即可。电子模块或器件30例如可以由显示器、芯片、控制单元等形成。通过这种方式，可以以相对简单的方式实现大量的独立(即可使用)的器件。
图4示出在根据本发明的能量系统的电化学能源内使用的第一电极35的示意透视图。电极35包括多个棒状柱体36，这些柱体36基本上垂直取向(在所示的方向上)，并且基本上等距设置。第一电极35的柱体36优选通过刻蚀工艺形成。柱体36优选至少部分地被固态电解质(未示出)覆盖，以增加第一电极35和电解质之间的有效接触面积。通过这种方式，可以实现基本等效于根据图1和2的电化学能源2、15的电化学能源，尽管是倒置的。
图5示出在根据本发明的能量系统的电化学能源内使用的另一第一电极37的示意顶视图。第一电极37包括设有多个柱状突起元件39的基板38。突起元件39各自具有基本上为十字形的横截面，从而相对于图4所示的柱体36的外部表面，以预定和控制的方式(进一步)增加每个突起元件39的外部表面和机械强度。在制造电化学能源期间，第一电极37的突起元件39(和基板38)被固态电解质(未示出)覆盖，在所述固态电解质的顶部淀积第二电极(未示出)。通过这种方式，相对于根据图1和2的电化学能源2、15，可以实现电化学能源的有利的倒置结构。
应该指出的是，上述实施例只是示意性的，而非限制本发明，本领域技术人员在不脱离所附权利要求书的范围的情况下可以设计很多可选实施例。在权利要求书中，置于括号内的任何参考标记不应该被认为是对该权利要求的限制。使用动词“包括”及其变形并不排除存在权利要求所述以外的元件或步骤。元件前面的冠词“一个”并不排除存在多个这种元件。在相互不同的从属权利要求中记载的某些手段并不表示这些手段的组合不能有利地使用。

Claims (28)

1、一种包括电化学能源的能量系统，其中所述电化学能源包括下列中的至少一个组件：
-第一电极，
-第二电极，以及
-分开所述第一电极和所述第二电极的中间固态电解质，
其特征在于：所述第一电极包括第一导电基板，在该第一导电基板上已经淀积了所述固态电解质和所述第二电极，并且该能量系统还包括电连接到所述电化学能源的能量转换装置，用于将外部能量转换成用于给所述电化学能源充电的电能。
2、根据权利要求1所述的能量系统，其特征在于：所述第一电极设有多个任意形状的腔，所述电解质和所述第二电极至少施加到所述腔的内表面的至少一部分上。
3、根据权利要求2所述的能量系统，其特征在于：所述腔的至少一部分形成狭缝、柱体或孔。
4、根据前述权利要求中的一项所述的能量系统，其特征在于：所述第一电极设有至少一个突起元件，所述电解质和所述第二电极至少淀积到所述突起元件的至少一部分上。
5、根据权利要求4所述的能量系统，其特征在于：所述至少一个突起元件由柱体形成。
6、根据权利要求5所述的能量系统，其特征在于：所述第一电极设有多个柱体，所述电解质和所述第二电极至少淀积到所述柱体的至少一部分上。
7、根据前述权利要求中的一项所述的能量系统，其特征在于：所述能量转换装置的能量转换是基于以下能量转换原理中的至少一个：热电转换、光电转换、电磁转换、风电转换和压电转换。
8、根据前述权利要求中的一项所述的能量系统，其特征在于：所述能量转换装置适于将持久能量转换成电能。
9、根据前述权利要求中的一项所述的能量系统，其特征在于：所述能量转换装置包括至少一个光电转换器，特别是太阳能电池。
10、根据前述权利要求中的一项所述的能量系统，其特征在于：所述能量转换装置连接到所述第一电极和所述第二电极两者。
11、根据权利要求10所述的能量系统，其特征在于：所述能量转换装置到所述第一电极和所述第二电极中的至少一个的连接是可断开的。
12、根据前述权利要求中的一项所述的能量系统，其特征在于：所述能量转换装置可拆卸地耦合到所述电化学能源。
13、根据前述权利要求中的一项所述的能量系统，其特征在于：所述能量转换装置包括多个能量转换单元。
14、根据前述权利要求中的一项所述的能量系统，其特征在于：所述能量转换装置包括第二导电基板。
15、根据权利要求14所述的能量系统，其特征在于：所述第一导电基板和所述第二导电基板由同一基板形成。
16、根据前述权利要求中的一项所述的能量系统，其特征在于：所述组件和所述能量转换装置基本上叠置在一起。
17、根据前述权利要求中的一项所述的能量系统，其特征在于：所述第一导电基板适于储存以下原子中的至少一种的离子：
H、Li、Be、Mg、Na和K。
18、根据前述权利要求中的一项所述的能量系统，其特征在于：所述第一导电基板由以下材料中的至少一种构成：C、Sn、Ge、Pb，以及优选被掺杂的Si。
19、根据前述权利要求中的一项所述的能量系统，其特征在于：所述固态电解质和所述第二电极淀积在所述第一导电基板的多个侧面上。
20、根据前述权利要求中的一项所述的能量系统，其特征在于：所述第一电极还包括淀积到所述第一导电基板上的插入顶层，其中所述插入顶层和所述第一导电基板通过电子传导阻挡层分开，所述电子传导阻挡层适于至少基本上阻止插入离子扩散到所述第一导电基板中。
21、根据权利要求20所述的能量系统，其特征在于：所述阻挡层至少基本上由以下化合物中的至少一种构成：钽、氮化钽、钛和氮化钛。
22、一种电子模块，其设有至少一个根据权利要求1-21中的一项所述的能量系统。
23、一种电子器件，其设有至少一个根据权利要求1-21中的一项所述的能量系统。
24、根据权利要求23所述的电子器件，其特征在于：所述电子器件由集成电路(IC)形成。
25、根据权利要求23或24所述的电子器件，其特征在于：所述电子器件和所述能量系统形成封装中的系统(SiP)。
26、一种制造根据权利要求1-21中的一项所述的能量系统的方法，包括以下步骤：
-将固态电解质淀积到第一导电基板上，
-将第二电极淀积到所述固态电解质上，以及
-随后将能量转换装置电连接到所述第一导电基板和所述第二电极。
27、根据权利要求26所述的方法，其特征在于：该方法设有步骤D)，该步骤包括对所述第一导电基板的至少一个接触表面进行构图，其中步骤D)在步骤A)之前进行。
28、根据权利要求26或27所述的方法，其特征在于：该方法设有步骤E)，该步骤包括依次将电子传导阻挡层和插入顶层淀积到所述基板上，其中步骤E)在步骤A)之前进行。
CNB2005800402583A 2004-11-26 2005-11-25 能量系统、电子模块、电子器件和制造所述能量系统的方法 Expired - Fee Related CN100533849C (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP04106119 2004-11-26
EP04106119.3 2004-11-26

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101065877A true CN101065877A (zh) 2007-10-31
CN100533849C CN100533849C (zh) 2009-08-26

Family

ID=36388139

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB2005800402583A Expired - Fee Related CN100533849C (zh) 2004-11-26 2005-11-25 能量系统、电子模块、电子器件和制造所述能量系统的方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7772800B2 (zh)
EP (1) EP1820234A2 (zh)
JP (1) JP2008522359A (zh)
CN (1) CN100533849C (zh)
WO (1) WO2006056963A2 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103035876A (zh) * 2011-09-30 2013-04-10 株式会社半导体能源研究所 蓄电装置

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101536218A (zh) * 2006-10-30 2009-09-16 皇家飞利浦电子股份有限公司 电化学能量源和电子器件
WO2009084966A1 (en) 2007-12-28 2009-07-09 Universitetet I Oslo Formation of a lithium comprising structure on a substrate by ald
CN101582655B (zh) * 2008-05-16 2013-05-08 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 具有太阳能电池的便携式电子装置
US20110086246A1 (en) * 2008-06-09 2011-04-14 Nxp B.V. Semiconductor device comprising a solar cell, method of manufacturing a semiconductor device and apparatus comprising a semiconductor device
EP2332199A1 (en) * 2008-09-29 2011-06-15 Nxp B.V. Solid state battery
WO2010038174A1 (en) 2008-09-30 2010-04-08 Nxp B.V. Robust high aspect ratio semiconductor device
CN102197479A (zh) 2008-10-30 2011-09-21 Nxp股份有限公司 具有金属膏的基板贯通过孔和重分布层
KR101819035B1 (ko) * 2009-02-16 2018-01-18 삼성전자주식회사 14족 금속나노튜브를 포함하는 음극, 이를 채용한 리튬전지 및 이의 제조 방법
US8402653B2 (en) * 2009-07-31 2013-03-26 Palo Alto Research Center Incorporated Solar energy converter assembly incorporating display system and method of fabricating the same
US8829329B2 (en) * 2010-08-18 2014-09-09 International Business Machines Corporation Solar cell and battery 3D integration
JP2014500597A (ja) 2010-12-05 2014-01-09 ラモット アット テル アビブ ユニバーシティ， リミテッド 薄膜バッテリの電気泳動堆積
WO2012077225A1 (ja) * 2010-12-10 2012-06-14 トヨタ自動車株式会社 電極体および全固体電池
CN102169393A (zh) * 2011-01-25 2011-08-31 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 光能发电信息输入模组和信息处理装置
US9444398B2 (en) 2013-01-25 2016-09-13 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Semiconductor structure and fabricating process for the same
US9705151B2 (en) * 2014-03-28 2017-07-11 Infineon Technologies Ag Battery, a battery element and a method for forming a battery
US9287701B2 (en) 2014-07-22 2016-03-15 Richard H. Sherratt and Susan B. Sherratt Revocable Trust Fund DC energy transfer apparatus, applications, components, and methods
JP6603116B2 (ja) * 2015-11-27 2019-11-06 京セラ株式会社 光電変換装置

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5963673A (ja) 1982-10-01 1984-04-11 Hitachi Ltd 光電池
US4740431A (en) * 1986-12-22 1988-04-26 Spice Corporation Integrated solar cell and battery
US6197450B1 (en) 1998-10-22 2001-03-06 Ramot University Authority For Applied Research & Industrial Development Ltd. Micro electrochemical energy storage cells
DE19916043A1 (de) * 1999-04-09 2000-10-19 Basf Ag Verbundkörper geeignet zur Verwendung als Lithiumionenbatterie
US7001690B2 (en) * 2000-01-18 2006-02-21 Valence Technology, Inc. Lithium-based active materials and preparation thereof
US6620539B2 (en) * 2000-03-13 2003-09-16 Energy Conversion Devices, Inc. Fuel cell cathodes and their fuel cells
US7131189B2 (en) * 2000-03-24 2006-11-07 Cymbet Corporation Continuous processing of thin-film batteries and like devices
CN1398360A (zh) 2000-11-27 2003-02-19 皇家菲利浦电子有限公司 光转换装置
AU2002330924A1 (en) * 2001-07-27 2003-02-17 A 123 Systems Battery structures, self-organizing structures and related methods
DE602004006883T2 (de) * 2003-09-15 2008-02-14 Koninklijke Philips Electronics N.V. Elektrochemische energiequelle, elektronische einrichtung und verfahren zur herstellung der energiequelle
WO2005036711A2 (en) 2003-10-14 2005-04-21 Tel Aviv University Future Technology Development L.P. Three-dimensional thin-film microbattery

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103035876A (zh) * 2011-09-30 2013-04-10 株式会社半导体能源研究所 蓄电装置
CN103035876B (zh) * 2011-09-30 2018-01-19 株式会社半导体能源研究所 蓄电装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP2008522359A (ja) 2008-06-26
EP1820234A2 (en) 2007-08-22
US7772800B2 (en) 2010-08-10
WO2006056963A2 (en) 2006-06-01
US20090230915A1 (en) 2009-09-17
CN100533849C (zh) 2009-08-26
WO2006056963A3 (en) 2006-08-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100533849C (zh) 能量系统、电子模块、电子器件和制造所述能量系统的方法
EP1665425B1 (en) Electrochemical energy source, electronic device and method of manufacturing said energy source
CN101069310A (zh) 电化学能源、电子模块、电子器件和制造所述能源的方法
US11539070B2 (en) Method for manufacture and structure of multiple electrochemistries and energy gathering components within a unified structure
CN101796654B (zh) 集成电化学和太阳能电池
US9306241B2 (en) Dual layer solid state batteries
JP3531866B2 (ja) 薄膜固体リチウムイオン二次電池
CN101371381B (zh) 制造由硅或者基于硅的材料组成的纤维的方法及其在锂充电电池中的应用
US20100003544A1 (en) Electrochemical energy source, electronic device, and method manufacturing such an electrochemical energy source
CN104094451A (zh) 微结构化电极结构
CN103608953A (zh) 具有可逆地可变形致动基体的电极和关联方法
CN104347837B (zh) 电池单元以及用于制造电池单元的方法
WO2017128751A1 (zh) 电源组件及电子设备
CN100423334C (zh) 电化学能源、电子器件及所述能源的制造方法
CN104944358B (zh) 电池、集成电路和制造电池的方法
KR101383448B1 (ko) 사용자 단말 전력공급용 다층 배터리 및 그 제조방법
WO2008004180A2 (en) Electrochemical energy source, electronic module and electronic device provided with such an electrochemical energy source

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20090826

Termination date: 20101125