CN101069310A - 电化学能源、电子模块、电子器件和制造所述能源的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种包括下列中的至少一个组件的电化学能源：第一电极、第二电极和分开所述第一电极和所述第二电极的中间固态电解质。本发明还涉及设有这种电化学能源的电子模块。本发明还涉及设有这种电化学能源的电子器件。而且，本发明涉及一种制造这种电化学能源的方法。
Description
本发明涉及一种电化学能源，该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电化学能源的电子模块。本发明进一步涉及设有这种电化学能源的电子器件。而且，本发明涉及制造这种电化学能源的方法。
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。
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源，同时能保持已知电化学能源的优点。
本发明的目的是通过根据开头部分的电化学能源来实现的，其特征在于：所述第一电极包括导电基板和施加在所述基板上的导电顶层，其中所述顶层至少部分地具有多个表面增加晶粒，在该顶层上淀积固态电解质和第二电极。通过这种方式，导电基板还用作第一电极的至少一部分。所述基板和所述第一电极的至少一部分的集成通常产生比本领域已知的电池更简单的微型电池结构。而且，根据本发明的能源制造方法也较简单，因为可以消除至少一个工艺步骤。根据本发明的固态能源的相对简单的制造方法还明显节省了成本。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。根据本发明的能源的另一主要优点是施加多个(纳米)晶粒导致第一电极、特别是面向电解质的顶层的一部分的某种“纹理化”或粗糙化，从而增加其有效表面面积。通过这种方式，有效表面面积可以相对于常规的第一电极的相对平滑接触表面增加大约2到2.5倍，导致该电化学能源的能量密度和功率密度成比例增加。例如通过低压化学汽相淀积(LPCVD)可以将顶层作为分离层淀积到基板上，其中基板和顶层实际上形成第一电极。在另一实施例中，顶层可以通过注入技术形成，其中用离子轰击基板的外侧部分，从而改变、特别是损坏该外侧部分的晶体结构，并形成顶层，其结果是第一电极也可以由具有不同结构的多个可识别层形成。
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进一步增加。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。顶层淀积到所述基板上，并通常在所述腔内覆盖所述基板，其中电解质和第二电极设置在所述腔的内表面的至少一部分上。这样做的优点是：可以以相对简单的方式制造被构图的接触表面。在优选实施例中，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、特别是导电基板的图形、更特别是腔，可以例如通过刻蚀来形成。在特别优选的实施例中，第一电极的腔的内表面至少基本上被表面增加晶粒覆盖。通过这种方式，可以使第一电极的有效表面面积加倍，导致能量密度和功率密度增加并且是具有平面(内部)几何形状的常规电化学能源的能量密度和功率密度的大约20-25倍。
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电化学能源的应用领域。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。
顶层的晶粒的尺寸可以变化。这些晶粒通常被称为半球形晶粒硅(hemispherical grain silicon)，还被称为HSG。通常，对顶层进行表面改性处理，以产生表面增加晶粒。在该处理期间，大部分晶粒、特别是这些晶粒的边界通常将轻微地熔化，从而形成具有相对高的有效表面面积的多孔结构(texture)。然而，在这种结构中，晶粒通常是独立的，其中表面增加晶粒的直径优选基本上在10和200纳米之间，优选在10和60纳米之间。很显然，在多个晶粒结合的情况下，所述直径可以超过这个范围。两个相邻晶粒之间的相互距离(间距)优选在几纳米到大约20纳米之间。
在优选实施例中，基板由以下材料中的至少一种材料构成：C、Si、Sn、Ti、Al、Ge和Pb。这些材料的组合还可用于形成(多孔)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基板，只要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，根据本发明的电化学能源可以基于各种插入机理(intercalationmechanism)，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，基板和顶层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磷锂氧氮(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顶层上，所述顶层施加到基板的多个侧面上。通过这种方式，使该基板更有效地和更彻底地用于存储离子，由此增加了根据本发明的电化学能源的电容量。
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。
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，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)。
优选地，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)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微米的基板转变为厚度大约为1-200微米的基板。为了实现基板的这一适应性，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电化学能源的电子模块。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电化学能源的组合。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源之间。在一个实施例中，电子模块和电化学能源形成封装中的系统(SiP)。该封装优选是非导电的，并形成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源。
本发明还涉及设有至少一个这种电化学能源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电化学能源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电化学能源的方法，包括以下步骤：A)在导电基板上施加导电顶层，其中所述顶层具有多个表面增加晶粒，B)在顶层的至少一部分上淀积固态电解质，以及C)随后在电解质的至少一部分上淀积第二电极。在施加步骤B)和C)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，其中激光烧蚀通常需要沟槽宽度在≥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微米的数量级上以及完全阶梯保形层(very step-conformal layer)具有均匀的厚度。在步骤C)之后，优选通过单独的导电平坦层对第二电极进行平坦化。优选地，根据步骤A)将顶层淀积在基板上是通过以下步骤来实现的：D)将优选被掺杂的非晶硅的顶层施加到所述基板上；E)优选利用干法和/或各向异性刻蚀技术，例如溅射刻蚀，对所述顶层进行构图；以及F)使表面增加晶粒，特别是半球形硅晶粒(HSG)，选择性地生长在被构图的顶层上。优选在不使用掩模的情况下进行根据步骤E)的刻蚀处理。通过这种方式，根据步骤F)的HSG形成通常按照自对准的方式进行。相信由于HSG形成而引起的有效表面面积粗糙化是由硅原子在洁净的硅表面上的高迁移引起的，导致或多或少的半球形晶粒表面结构。以前，在(破裂的)SiH4的常规低压化学汽相淀积(LPCVD)过程中，据报道在1.33毫巴和0.3毫巴下进行的处理产生2.1到2.5倍的有效面积增加。在这些实验中，仅在狭窄(＜10℃)的以550℃为中心的淀积温度窗口中获得实质的硅表面粗糙度和容量增加。由于这是非晶硅和多晶硅生长之间的边界，因此粗糙化机制看起来与表面淀积/生长和表面扩散之间的动力学的精确平衡有关。后来，报道了通过在相对低温(600℃)和低压(＜1毫巴)下在SiO2表面上进行SiH4生长(未稀释的)，在较宽的温度范围(＞100℃)内进行粗糙Si膜的直接CVD生长。在这些条件下，通过成核控制的初始生长(在SiO2上)和对通过表面反应(气相)进行的生长的控制的组合，实现了用于粗糙Si膜结构的宽温度窗口。优选地，根据步骤D)将优选被掺杂的非晶硅的顶层施加到所述基板上是在515和525摄氏度之间的温度下进行的。然而，在所述层上形成硅晶粒的晶核，和根据步骤F)允许对顶层进行退火以形成所希望的表面增加(半球形)硅晶粒，优选是在545和610摄氏度之间的温度下进行的。在更高的温度下，通常将产生多晶的微碎片，导致不希望的相对低的有效表面面积。
在优选实施例中，该方法设有步骤G)，其包括对基板的至少一个接触表面进行构图，其中步骤G)在步骤A)之前进行。如上所述，通过施加腔，例如沟槽、孔、柱体、套管(sleeve)、或其他种类的小孔，对基板表面进行的构图进一步增加了能源的不同部件的每单位体积的接触表面，由此进一步增加了比容量。在一个实施例中，刻蚀技术可以用于进行构图，如湿法化学刻蚀和干法刻蚀。这些技术的公知例子是RIE和聚焦离子束(FIB)。优选地，在步骤B)期间刻蚀上(基本上平坦的)表面上的非晶掺杂硅，而不刻蚀腔内的非晶硅。随后，将晶粒形成在非晶硅顶层上，其基本上只存在于腔的内侧壁上。
在优选实施例中，该方法设有步骤H)，其包括将电子传导阻挡层淀积到基板上，其中步骤H)在步骤A)之前进行，并且在步骤A)期间，将顶层淀积到所述阻挡层上。该具体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示出根据本发明的电化学能源的透视图；
图2示出根据本发明的另一电化学能源的剖面图；
图3示出根据本发明的另一电化学能源的放大细节图；
图4示出在根据本发明的电化学能源的电极的细节图；
图5示出在根据本发明的封装中的单片系统的示意图；
图6示出在根据本发明的电化学能源内使用的第一电极的示意透视图；以及
图7示出在根据本发明的电化学能源内使用的另一第一电极的示意顶视图。
图1示出根据本发明的电化学能源1、特别是根据本发明的锂离子微型电池的透视图。能源1包括晶体硅基板2，其用作能源1的负电极的一部分。硅基板2例如可以由通常用于IC的硅晶片形成。基板2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2的上表面3中，通过现有刻蚀技术刻蚀几个狭缝4。这些狭缝4的尺寸可以是任意的。优选地，狭缝4的宽度大约在2和10微米之间，并且狭缝4的深度大约在10和100微米之间。在狭缝4中，将掺杂的非晶硅顶层5淀积到基板2上。在所示的实施例中，对层5进行表面处理，其结果是顶层5具有多个表面增加晶粒，这些晶粒由波浪线表示。基板2和顶层5形成能源1的第一电极。在顶层5的顶部淀积固态电解质层6。电解质层5具有大约1微米的厚度，并优选由锂磷氧氮(LiPON)构成。在LiPON层5上淀积厚度大约为1微米的正电极层7。正电极7优选由LiCoO2构成，并最终混有碳纤维。将电解质6和正电极7淀积到基板2的上表面3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。由于基板2在一侧上具有多个狭缝4，并且第一电极的顶层5在另一侧上具有多个表面增加晶粒，因此(显著地)增加了每单位体积的电极2、5、7和电解质6之间的接触表面，导致能源1中的比容量和功率密度以及能量密度的提高(最大化)。铝集流器8耦合到正电极6，而基板2耦合到另一集流器9。所示的能源1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1的部件2、5、6、7之间的相互接触表面最大化，使所示的能源1的性能最优化，其中所述接触表面的最大化是通过在一侧上在基板2中设置狭缝4以及在另一侧上在顶层5之中或之上形成施加的(纳米)晶粒实现的。
图2示出根据本发明的另一电化学能源10的剖面图。能源10包括基板11，其用作能源10的负电极。通过常规刻蚀技术使基板11的上表面12和下表面13设有腔14、15。而且，基板双侧设有顶层16、17，其中每个顶层16、17由非晶硅构成，并具有或多或少的半球形硅晶粒18、19。在该图中示意性地示出晶粒18、19。晶粒18、19分别设置在基板11的上表面12和下表面13上，因此不仅仅设置在腔14、15内。在上表面12和下表面13上淀积电解质层20、21。施加晶粒18、19导致顶层16、17和相应的电解质层20、21之间的有效接触表面的显著增加(大约2到2.5倍)，因此基本上等效地增加了能源10的功率密度和能量密度。随后在每个电解质层20、21的顶部淀积正电极22、23。正电极22、23各自(至少)部分地被集流器24、25所覆盖。集流器24、25互相耦合在一起(未示出)。基板11还设有分开的集流器26。在该能源10中使用的插入机理和材料可以是各种各样的。所示的能源10例如可以形成锂离子(微型)电池。如上所述，对基板11的表面12、13进行构图，以提高能源7的能量密度和功率密度。通过晶粒18、19还使这些密度进一步增加2到2.5倍。由于可以同时用作例如芯片载体的基板11和顶层16、17用于储存离子，因此可以获得相对有效的能源10的结构。实际上，必须通过导电平坦层使正电极22、23与基板11相反的表面平坦化和/或光滑。然而，由于简洁的原因，在该图中未示出该平坦层。应该指出的是，图1和2不是按比例绘制的。为此，在能源1、7中使用的不同层的相对厚度可以变化。
图3示出根据本发明的另一电化学能源27、特别是锂离子(微型)电池的放大细节图。在图3中，示出能源27包括由晶体硅构成的导电基板28，在其顶部淀积用于离子的阻挡层29。在阻挡层29上施加顶层30，其中顶层30由非晶(α-)硅构成。顶层30具有多个晶粒31，其中每个晶粒31由原子硅32的晶核形成。晶粒31可以直接施加到阻挡层29上，或者可以至少部分地由顶层30支撑。施加晶粒31导致顶层30的有效表面面积的显著增加。在所示的能源27中，基板28、阻挡层29和顶层30(包括晶粒31)一起形成能源27的第一(负)电极32。在该第一电极27的顶部，特别是在顶层30的顶部，设置电解质层33，例如LiPON。与顶层30相反的所述电解质层33的上表面相应地还具有被构图(波浪形)的几何形状，在其上淀积第二电极34，特别是由LiCoO2构成的第二电极。实际上，通过大约2毫米的铝层使第二电极34平坦化，通过常规溅射技术将所述铝层淀积到所述电极34上。由于电解质层33的波纹状的上表面，而使电解质层33和第二电极34之间的接触表面面积显著增加，与常规电池的功率密度和能量密度相比，这可以导致功率密度和能量密度的显著增加。应该指出的是，顶层30适于(临时)储存和释放锂离子，因此用作插入层。通过阻挡层29可以防止锂离子穿过基板28的扩散，而阻挡层29只是可以让电子透过。
图4示出根据本发明的电化学能源的电极35的细节图。电极35特别适合于用作锂离子电池中的电极。电极35包括硅基板36和淀积到所述基板36上的由掺杂非晶硅构成的顶层37。在原位工艺期间，可以将或多或少的半球形晶粒硅(HSG)38淀积到所述顶层37上，由此导致有效接触表面面积至少加倍，这相应地可以增加能源的功率密度和能量密度。在所示的实施例中，将晶粒硅38施加在基板36的腔39中。在基板中施加腔39导致进一步增加有效表面面积，因此进一步增加能源的功率密度和能量密度。然而，还可以想到，在这些腔39外部或甚至在没有这些腔39的情况下施加晶粒硅。
图5示出根据本发明的封装中的单片系统(SiP)40的示意图。SiP40包括电子模块或器件41以及与其耦合的根据本发明的电化学能源42。电子模块或器件41和能源42由阻挡层43分开。电子模块或器件41和能源42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42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，并且该同一电极具有多个表面增加颗粒、特别是半球形晶粒硅(HSG)即可。电子模块或器件41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6示出在根据本发明的电化学能源内使用的第一电极44的示意透视图。电极44包括多个棒状柱体45，这些柱体45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44的柱体45优选通过刻蚀工艺形成。柱体45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44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1-3的电化学能源1、10、27的电化学能源，尽管是倒置的。
图7示出在根据本发明的电化学能源内使用的另一第一电极46的示意顶视图。第一电极46包括设有多个柱状突起元件48的基板47。突起元件48各自具有基本上为十字形的横截面，从而相对于图6所示的柱体45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48的外部表面和机械强度。在制造电化学能源期间，第一电极46的突起元件48(和基板47)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1-3的电化学能源1、10、27，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 (24)
1、一种电化学能源(1、7、22)，包括下列中的至少一个组件：
-第一电极(2、8)，
-第二电极(6、15、16)，以及
-分开所述第一电极(2、8)和所述第二电极(6、15、16)的中间固态电解质(5、13、14)，
其特征在于：所述第一电极(2、8)包括导电基板(2、8)和施加在所述基板上的导电顶层，其中所述顶层至少部分地具有多个表面增加晶粒，在该顶层上淀积所述固态电解质(5、13、14)和所述第二电极(6、15、16)。
2、根据权利要求1所述的电化学能源(1、7、22)，其特征在于：所述第一电极设有多个任意形状的腔(4、11、12)，所述电解质(5、13、14)和所述第二电极(6、15、16)至少施加到所述腔(4、11、12)的内表面的至少一部分上。
3、根据权利要求2所述的电化学能源(1、7、22)，其特征在于：所述腔(4、11、12)的至少一部分形成狭缝、柱体或孔。
4、根据权利要求2或3中的一项所述的电化学能源(1、7、22)，其特征在于：所述第一电极的所述腔的所述内表面至少基本上被表面增加晶粒覆盖。
5、根据前述权利要求中的一项所述的电化学能源(1、7、22)，其特征在于：所述第一电极(2、8)设有至少一个突起元件，所述电解质(5、13、14)和所述第二电极(6、15、16)至少淀积到所述突起元件的至少一部分上。
6、根据权利要求5所述的电化学能源(1、7、22)，其特征在于：所述至少一个突起元件由柱体形成。
7、根据权利要求6所述的电化学能源(1、7、22)，其特征在于：所述第一电极(2、8)设有多个柱体，所述电解质(5、13、14)和所述第二电极(6、15、16)至少淀积到所述柱体的至少一部分上。
8、根据前述权利要求中的一项所述的电化学能源(1、7、22)，其特征在于：所述表面增加晶粒的直径基本上在10和200纳米之间，优选在10和60纳米之间。
9、根据前述权利要求中的一项所述的电化学能源(1、7、22)，其特征在于：所述第一电极(2、8)至少部分地适于储存以下原子中的至少一种的离子：H、Li、Be、Mg、Na和K。
10、根据前述权利要求中的一项所述的电化学能源(1、7、22)，其特征在于：所述基板(2、8)由以下材料中的至少一种构成：C、Sn、Ge、Pb、Al、以及优选被掺杂的Si。
11、根据前述权利要求中的一项所述的电化学能源(1、7、22)，其特征在于：所述顶层基本上由非晶硅构成。
12、根据前述权利要求中的一项所述的电化学能源(1、7、22)，其特征在于：所述固态电解质(5、13、14)和所述第二电极(6、15、16)淀积到所述基板(2、8)的多个侧面(9、10)上。
13、根据前述权利要求中的一项所述的电化学能源(1、7、22)，其特征在于：所述基板和所述顶层由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防止插入离子扩散到所述基板(2、8)中。
14、根据权利要求13所述的电化学能源(1、7、22)，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。
15、一种电子模块，其设有至少一个根据权利要求1-14中的一项所述的电化学能源。
16、一种电子器件(21)，其设有至少一个根据权利要求1-14中的一项所述的电化学能源(1、7、22)。
17、根据权利要求16所述的电子器件(21)，其特征在于：所述电子器件由集成电路(IC)形成。
18、根据权利要求16或17所述的电子器件(21)，其特征在于：所述电子器件和所述电化学能源(1、7、22)形成封装中的系统(SiP)(20)。
19、一种制造根据权利要求1-14中的一项所述的电化学能源(1、7、22)的方法，包括以下步骤：
-将导电顶层施加在导电基板上，其中所述顶层具有多个表面增加晶粒，
-将所述固态电解质(5、13、14)淀积在所述顶层的至少一部分上，以及
-随后将所述第二电极(6、15、16)淀积在所述电解质的至少一部分上。
20、根据权利要求19所述的方法，其特征在于：根据步骤A)将所述顶层淀积到所述基板上是通过以下步骤实现的：
-将非晶硅的顶层施加到所述基板上，
-利用刻蚀技术对所述顶层进行构图，以及
-使表面增加晶粒选择性地生长到被构图的顶层上。
21、根据权利要求20所述的方法，其特征在于：步骤D)在515和525摄氏度之间的温度下进行。
22、根据权利要求20或21所述的方法，其特征在于：步骤E)和步骤F)在545和610摄氏度之间的温度下进行。
23、根据权利要求19-22中的一项所述的方法，其特征在于：该方法设有步骤G)，其包括对所述基板(2、8)的至少一个接触表面(3、9、10)进行构图，其中步骤G)在步骤A)之前进行。
24、根据权利要求19-23中的一项所述的方法，其特征在于：该方法设有步骤H)，其包括将电子传导阻挡层淀积到所述基板上，其中步骤H)在步骤A)之前进行，并且其中在步骤A)期间，将所述顶层淀积到所述阻挡层上。
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