CN101536218A - 电化学能量源和电子器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电化学能量源，其包括基底以及至少一个沉积到所述基底上的电池。本发明还涉及电子器件，所述器件包括至少一个依照本发明的电化学能量源以及至少一个电连接到所述电化学能量源的电子部件。

Description

电化学能量源和电子器件

技术领域

本发明涉及电化学能量源。本发明还涉及电子器件，所述器件包括至少一个依照本发明的电化学能量源以及至少一个电连接到所述电化学能量源的电子部件。

背景技术

目前，储备电池组(battery)用来为各种各样的应用提供按需(on-demand)功率。这些电池组中的每一个包括两个分开的电极，电解室存在于所述电极之间，用于容纳外部提供的电解液(electrolyte)。这些电池组的主要优点在于其极长的货架(shelf)寿命，因为电解液仅在使用之前才被加入。可能有利地由这种类型的电池组供电的非常有前景的应用尤其是一次性(disposable)小规模和廉价的电子设备，比如生物传感器。在这些器件中，待检查的介质，尤其是液体(血液、尿、唾液)，可以用作用于储备电池组的电解液。然而，储备电池组的性能取决于单独的电极的表面面积。在已知的储备型电池组结合到小规模电子器件的情况下，电极的尺寸将受限于整个器件的尺寸。因此，只有小规模电极才能用于向小规模电子器件供电，这导致相对较差的电池组性能。

本发明的目的是提供具有提高的性能的储备型电化学能量源。

发明内容

这个目的可以通过提供依照序言的电化学能量源来实现，所述电化学能量源包括：基底；以及至少一个沉积在所述基底上的电池(cell)，该电池包括：第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极由用于容纳外部提供的电解液的电解室分离，其中至少一个电极设有至少一个图案化(patterned)表面。通过图案化或结构化依照本发明的储备型电化学能量源的一个电极以及优选地两个电极，获得了三维表面区域以及因此电极的每覆盖区(footprint)的增加的表面面积和所述至少一个电极与外部提供的电解液之间的每体积的增加的接触表面。接触表面的这种增加导致依照本发明的能量源的提高的额定容量以及因此依照本发明的能量源的提高的性能。通过这种方式，可以最大化并且从而最优化能量源的功率密度。由于这种提高的电池性能的原因，依照本发明的小规模能量源将适于以令人满意的方式向小规模电子器件供电。而且，由于这种提高的性能的原因，将充分地增大要由依照本发明的电化学能量源供电的(小规模)电子部件的选择自由度。所述图案的性质、形状和尺寸确定(dimensioning)可以是各种各样的，这将在下面进行阐述。外部提供的电解液也可以是不同的性质，其中例如基本上为液态的电解液，例如(海)水、血液、尿、唾液可以用来激活依照本发明的能量源。然而，也可以想到向电解室提供基本上为固态的电解液、基于聚合物的电解液和/或凝胶(凝胶状)电解液。依照本发明的电化学能量源的电池优选地为电池组电池。然而，在另一个优选的实施例中，电化学能量源的电池是(生物)燃料电池。通过将生物燃料电池植入有生命人体或动物体内，生物燃料电池将从血液流、从可再生来源中提取容易获得的生物燃料，例如葡萄糖，并且在产生电的同时将其转化成良性副产品。由于生物燃料电池使用了集中的可再生化学能量源，因而生物燃料电池通常具有相对较高的能量密度以及相对较长的寿命，其结果是，生物燃料电池可以被制造成相对较小和较轻，并且因而可以理想地适用于被植入有生命人体或动物体内。在一个特定的优选实施例中，所述电化学能量源可以包括电池组电池和燃料电池，并且因而可以被看作混合能量源，其中通过使用生物燃料电池将化学能转化为电能，所述电能随后可以存储在电池组电池内，从而进一步提高依照本发明的能量源的功率输出。

所述第一电极优选地包括阳极，并且所述第二电极优选地包括阴极。常见的是，在将堆叠(stack)沉积到基底上期间沉积阳极和阴极。在应用电池组电池的情况下，优选地依照本发明的能量源的至少一个电池组电极适于存储以下元素中的至少一种的活性物种(active species)：氢(H)，锂(Li)，铍(Be)，镁(Mg)，铝(Al)，铜(Cu)，银(Ag)，钠(Na)和钾(K)，或者分配给周期表的1族或2族的任何其他适当的元素。因此，依照本发明的能量系统的电化学能量源可以基于各种不同的插层(intercalation)机制并且从而适用于形成不同种类的(储备型)电池组电池，例如Li离子电池组电池、NiMH电池组电池等等。在一个优选的实施例中，至少一个电极，更加地电池组阳极，包括以下材料中的至少一种：C，Sn，Ge，Pb，Zn，Bi，Sb，Li，以及优选地掺杂的Si。这些材料的组合也可以用来形成电极。优选地，n型或p型掺杂的Si用作电极，或者掺杂的与Si有关的化合物，比如SiGe或SiGeC。此外，其他合适的材料可以用作阳极，优选地任何其他被分配到周期表的12-16族之一的合适元素都可以用作阳极，只要电池组电极的材料适于插层和存储上述反应物种(reactive species)。前述材料特别适用于应用到基于锂离子的电池组电池中。在应用基于氢的电池组电池的情况下，所述阳极优选地包括氢化物形成材料，例如AB₅型材料，特别是LaNi₅，并且例如基于镁的合金，特别是Mg_xTi_1-x。

用于基于锂离子的电池组电池的阴极优选地包括至少一种基于金属氧化物的材料，例如LiCoO₂、LiNiO₂、LiMnO₂或者这些的组合，例如Li(NiCoMn)O₂。在基于氢的能量源的情况下，所述阴极优选地包括Ni(OH)₂和/或NiM(OH)₂，其中M由选自例如Cd、Co或Bi的组的一种或多种元素形成。

一般而言，可以以各种方式图案化指向要提供的电解液的电极的接触表面，其中该图案的性质、形状和尺寸确定可以是任意的。但是，优选的是基本上规则地图案化至少一个电极的至少一个表面，并且更加优选地，所应用的图案设有一个或多个腔体，特别是柱状物(pillar)、沟槽、狭缝或孔，可以以相对精确的方式应用所述特定的腔体。通过这种方式，也可以以相对精确的方式预先确定所述电化学能量源的提高的性能。在这种情况下，应当指出的是，所述堆叠沉积于其上的基底的表面可以是基本上平坦的或者可以被图案化(通过弯曲该基底和/或为该基底提供沟槽、孔和/或柱状物)以便帮助产生三维取向的电池组电池和/或生物燃料电池。

优选地，每个电极包括集流器。借助于这些集流器，所述电池可以容易地连接到电子器件。优选地，这些集流器由以下材料中的至少一种制成：Al，Ni，Pt，Au，Ag，Cu，Ta，Ti，TaN以及TiN。其他种类的集流器，例如优选地掺杂的半导体材料(例如Si、GaAs、InP)也可以用来充当集流器。

在一个优选的实施例中，第一电极和第二电极中的至少一个至少部分地被保护层覆盖。更加优选地，两个电极都至少部分地被保护层覆盖。该保护层适于在使用之前保护电极，以便防止电极被损坏、玷污和/或污染或者钝化。在一个特定的优选实施例中，保护层至少部分地由电解材料制成，其在向电解室提供外部供应的电解液时通常将相对高效地激活所述电化学电池。由于诸如特定的固体物质、聚合物或者凝胶之类的电解材料用作保护层，因而所述电池的操作通常将不受保护层的应用的妨碍。在另一个特定的优选实施例中，保护层至少部分地由可溶解的材料，特别是水溶性材料制成，所述材料例如水溶性(单)糖，例如葡萄糖。通过应用液态电解液，特别是体液，保护层将溶解在该电解液中，其后所述电化学电池通常将被激活。

所述电化学能量源优选地包括沉积在基底与至少一个电极之间的至少一个阻挡层，所述阻挡层适于至少基本上阻止所述电池的活性物种扩散到所述基底中。通过这种方式，基底和电化学电池将在化学性质上被分开，其结果是，可以相对长期持久地维持电化学电池的性能。

在一个优选的实施例中，直接将第一电极和第二电极二者沉积在基底上。直接将这些电极沉积在基底上有助于制造依照本发明的电化学能量源。两个电极之间的空间限定了电解室。将两个电极堆叠在彼此之上(其中在两个电极之间留下开放空间)发生相对费力，并且因而不是那么优选的。

在一个优选的实施例中，优选地应用基底，其理想地适用于经受图案化该基底的表面处理，这可以有助于图案化电极。更加优选地，基底由以下材料中的至少一种制成：C，Si，Sn，Ti，Ge，Al，Cu，Ta和Pb。这些材料的组合也可以用来形成基底。优选地，n型或p型掺杂的Si或Ge用作基底，或者掺杂的与Si有关的和/或与Ge有关的化合物，比如SiGe或者SiGeC。应当清楚的是，其他的适当材料也可以用作基底材料。

所述电化学能量源优选地适于生物植入以便监视或者刺激生命体或者最终死亡的躯体中的某些生物过程。依照本发明的电化学能量源可以用于例如向诸如微机电系统(MEMS)之类的可生物植入的微型器件供电以及向诸如心脏起博器、传感器、除颤器(defibrilator)、疼痛缓解刺激器、显微镜无线通信设备之类的可植入生物医疗器件供电。因此，优选的是应用液态电解液，并且更加优选的是应用体液。在一个可替换的优选实施例中，所述电化学能量源适于在体外使用，即在有生命人体或动物体之外使用。在该后一个实施例中，所述能量源优选地用作用于例如感测电解液中特定物种的存在和/或浓度的感测器件，所述电解液特别是取自有生命体的体液。

本发明还涉及设有至少一个依照本发明的电化学能量源以及至少一个连接到所述电化学能量源的电子部件的电子器件。该小型化电子器件可以例如由微机电系统(MEMS)、心脏起搏器、传感器、除颤器、疼痛缓解刺激器以及显微镜通信设备形成。应当清楚的是，这种列举不应当被认为是限制性的。所述至少一个电子部件优选地至少部分地嵌入到所述电化学能量源的基底中。通过这种方式，可以实现系统级封装(System in Package，Sip)。在SiP中，一个或多个电子部件和/或器件，例如集成电路(IC)、致动器、传感器、接收器、发射器等等，至少部分地嵌入到依照本发明的电化学能量源的基底中。所述至少一个电子部件优选地选自包括感测装置、疼痛缓解刺激装置、(无线)通信装置和致动装置的组。同样可能的是，在需要时添加一个或多个电容器以便增强功率输出。所述电子器件可以适于体内用途和/或适于体外用途。

附图说明

本发明通过以下非限制性实例进行说明，其中：

图1示出了常规储备型能量源的示意性截面，

图2示出了依照本发明的电子器件的示意性截面，

图3示出了依照图2的电子器件的细节的示意性截面，以及

图4示出了依照本发明的另一电子器件的透视图。

具体实施方式

图1示出了常规储备型能量源1的示意性截面。能量源1包括平面负电极3和平面正电极4沉积于其上的基底2。在两个平面电极3、4之间提供了电解室5，其填充了液体电解液6，在现有技术的这个实例中例如唾液。第一电极3包括(第一)集流器7以及沉积在集流器7上面的阳极8。第二电极4包括(第二)集流器9以及沉积在集流器9上面的阴极10。在这个实例中，阳极8由锌制成，而阴极10由氧化银制成。通过向电解室5提供电解液6，将在阳极8和阴极10处启动电化学反应，如图所示。由能量源1产生的电能用于向结合到基底2内的电子器件11供电。这种已知的能量源1的主要缺陷在于，能量源1的性能相对较差，其结果是，将相当程度地限制要应用的电子器件的自由度。

图2示出了依照本发明的电子器件12的示意性截面。电子器件12可以是可生物植入的或者可以适于在人体或动物体之外使用，并且包括电化学电池14沉积于其上的基底13。电池14可以是电池组电池或者燃料电池。电池14包括图案化第一电极15以及图案化第二电极16。在两个三维取向的电极15、16之间提供了电解室17，其在电子器件12的操作期间将至少部分地填充电解液(未示出)，例如血液、唾液、水。第一电极15包括(第一)集流器18以及沉积在集流器18上面的阳极19。第二电极16包括(第二)集流器20以及沉积在集流器20上面的阴极21。阳极19和阴极21一起形成配对(couple)。在应用电池组电池14的情况下，电池组电池14优选地包括对应阳极19和阴极21的以下配对之一：Zn-AgO，Al-H₂O₂，Al-NaOCl，Al-AgO，Mg-H₂O₂，Mg-NaOCl，Mg-AgCl，Mg-CuCl。每个配对将具有自身的电池电位以及能量和电荷密度。应当清楚的是，其他的配对也可以用在依照本发明的电子器件12中。可替换地，电池14由(生物)燃料电池形成，其可以代表脱氧葡萄糖(oxyglucose)电池，其可以依赖于一定的电化学过程，在该电化学过程中在操作期间葡萄糖在阴极21处氧化并且分子氧在燃料电池阳极19处还原。由电池14产生的电能将用于向嵌入到基底13中的电子部件22供电。在这个实施例中，两个集流器18、20实际上由电引线18、20形成，借助于所述引线18、20，电池14电耦合到电子部件22。由于电池14包括图案化电极15、16以及特别地分别包括图案化阳极19和阴极21，因而可以显著地增大一方面的两个电极15、16与另一方面的电解液之间的接触表面面积，其结果是，也可以显著地增大电池14的容量，这将有利于依照本发明的电子器件12以及特别是结合到基底13内的电子部件22的设计自由度。

图3示出了依照图2的电子器件12的细节的示意性截面。在该图中，清楚地示出基底13的上表面13a部分地设有腔体23。正电极16沉积在基底13的图案化上表面13a上，其中正电极16的一部分也沉积在腔体23内，其结果是，电极16也将以刷状的方式被图案化，这将导致电极16与电解液之间的接触表面面积的增大以及从而电化学电池14的容量的增大。负电极15通常将以类似的方式被定形。电子器件12可以是一次性的并且因而适于单次使用。然而，也可以想到电子器件12将被多次使用。在该后一种情况下，腔体23的宽度和深度优选地大得足以允许对腔体23进行清洗(冲洗)以便消除电解液对腔体23的污染。因此，腔体23的最佳尺寸通常将取决于要提供给电化学电池14的电解液。

图4示出了依照本发明的另一电子器件24的透视图。依照图4的电子器件24是可生物植入的电子器件24，适于植入有生命(或死亡)躯体内。电子器件24包括两个分开的集流器26、27沉积于其上的基底25，阳极28和阴极29分别沉积于所述集流器26、27的上面。可以使得电解液30与阳极28和阴极29接触以便启动所述电子器件24内的电化学反应。在阴极28与阳极29之间，可以在基底25上面提供生物识别层31，其中该生物识别层31适于选择性地识别电解液30中存在的生物物种32，例如特定的抗原(antigenes)。应当指出的是，所述生物识别层也可以置于不在阳极28和阴极29之间的基底的另一表面区域处，以便防止由于在电子器件24的电化学活性期间在阳极28与阴极29之间存在的电场而引起的对于感测过程的最终干扰。

将多个电子部件33a、33b、33c结合到基底25中以便处理由生物识别层31检测的分析信息并且无线地将该信息发送到外部接收站34。该接收站34可以是设有多个电子设备35a、35b、35c以便存储、处理和/或(实时)可视化该分析信息的特殊计算机。

应当指出的是，上述实施例说明了而不是限制了本发明，并且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应当能够设计出许多可替换的实施例。在权利要求书中，置于括号中的任何附图标记都不应当被视为限制了权利要求。动词“包括”及其变体的使用并没有排除存在权利要求中未声明的元件或步骤。元件之前的冠词“一”并没有排除存在多个这样的元件。在相互不同的从属权利要求中列举了特定的技术措施这一事实并不意味着这些技术措施的组合不可以加以利用。

Claims (25)

1.电化学能量源，包括：

-基底，以及

-至少一个沉积在所述基底上的电池，该电池包括：

-第一电极，和

-第二电极，

所述第一电极和所述第二电极由用于容纳外部提供的电解液的电解室分离，

其中至少一个电极设有至少一个图案化表面。

2.依照权利要求1的电化学能量源，其特征在于，所述阳极和阴极二者都设有至少一个图案化表面。

3.依照权利要求1或2的电化学能量源，其特征在于，所述第一电极包括阳极和/或所述第二电极包括阴极。

4.依照权利要求3的电化学能量源，其特征在于，所述阳极和阴极二者都适于存储以下元素中的至少一种的活性物种：H，Li，Be，Mg，Cu，Ag，Na和K。

5.依照权利要求3或4的电化学能量源，其特征在于，所述电池组阳极和电池组阴极中的至少一个由以下材料中的至少一种制成：C，Sn，Ge，Pb，Zn，Bi，Li，Sb，以及优选地掺杂的Si。

6.依照前述权利要求之一的电化学能量源，其特征在于，所述至少一个电极的所述至少一个图案化表面设有多个腔体。

7.依照权利要求6的电化学能量源，其特征在于，所述腔体的至少一部分形成柱状物、沟槽、狭缝或孔。

8.依照前述权利要求之一的电化学能量源，其特征在于，所述电池由电池组电池形成。

9.依照前述权利要求之一的电化学能量源，其特征在于，所述电池由生物燃料电池形成。

10.依照前述权利要求之一的电化学能量源，其特征在于，所述第一电极和第二电极中的每一个都包括集流器。

11.依照一个权利要求10的电化学能量源，其特征在于，所述至少一个集流器由以下材料中的至少一种制成：Al，Ni，Pt，Au，Ag，Cu，Ta，Ti，TaN以及TiN。

12.依照前述权利要求之一的电化学能量源，其特征在于，所述第一电极和第二电极二者都直接沉积到所述基底上。

13.依照前述权利要求之一的电化学能量源，其特征在于，所述第一电极和第二电极中的至少一个至少部分地被保护层覆盖。

14.依照权利要求13的电化学能量源，其特征在于，所述保护层至少部分地由电解材料制成。

15.依照权利要求13或14的电化学能量源，其特征在于，所述保护层至少部分地由可溶解的材料制成。

16.依照前述权利要求之一的电化学能量源，其特征在于，所述能量源还包括沉积在所述基底与至少一个电极之间的至少一个电子导电阻挡层，所述阻挡层适于至少基本上阻止所述电池的活性物种扩散到所述基底中。

17.依照权利要求16的电化学能量源，其特征在于，所述至少一个阻挡层由以下材料中的至少一种制成：Ta，TaN，Ti以及TiN。

18.依照前述权利要求之一的电化学能量源，其特征在于，所述基底包括Si和/或Ge。

19.依照前述权利要求之一的电化学能量源，其特征在于，所述电化学能量源适于生物植入。

20.适用于生物植入的电子器件，包括至少一个依照权利要求1-19之一的电化学能量源以及至少一个连接到所述电化学能量源的电子部件。

21.依照权利要求20的电子器件，其特征在于，所述至少一个电子部件至少部分地嵌入到所述电化学能量源的基底中。

22.依照权利要求20或21的电子器件，其特征在于，该电子器件适于生物植入。

23.依照权利要求20-22之一的电子器件，其特征在于，该电子器件适于体外使用。

24.依照权利要求20-23之一的电子器件，其特征在于，所述至少一个电子部件选自包括感测装置、疼痛缓解刺激装置、通信装置和致动装置的组。

25.依照权利要求20-24之一的电子器件，其特征在于，所述电子器件和所述电化学能量源形成系统级封装(Sip)。

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