CN101622743A - 电化学能量源以及配备有这样的电化学能量源的电子设备 - Google Patents

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Abstract

固态电池将化学能高效地转换为电能，并且可以被用作便携电子设备的能量源。本发明涉及改进的电化学能量源。本发明还涉及配备有这样的电化学能量源的电子设备。所述能量源包括通过至少一个柔性元件互连的至少两个单元。此易弯曲元件可以包括导电聚合物或导电橡胶。电极可以配备有空腔(柱、沟道、裂缝、或者孔)。可以将阻挡层淀积在电极与它们的衬底之间。可以在“系统封装”中使用所述能量源。

Description

电化学能量源以及配备有这样的电化学能量源的电子设备
技术领域
本发明涉及改进的电化学能量源。本发明还涉及配备有这样的电化学能量源的电子设备。
背景技术
本领域中已知基于固态电解质的电化学能量源。这些(平面)能量源、或者“固态电池”将化学能高效地转换为电能，并且可以被用作便携电子设备的电源。可以使用小尺寸的这样的电池以将电能供应给例如微电子模块、特别是供应给集成电路(IC)。在国际专利申请WO00/25378中公开了其示例，其中直接在特定的衬底上制造固态薄膜微电池。在此制造工艺期间，随后将第一电极、中间固态电解质、以及第二电极作为叠层(stack)淀积(deposit)在衬底上。该衬底可以是平的或者是弯曲的，以实现二维或三维电池叠层。已知电池的主要缺陷是该电池基本上是刚性的，这在很大程度上限制了已知电池的适用性。然而，存在对于可伸展且柔性的电源的增长的需要，用于以高效的方式不仅对诸如可植入设备和家用电器之类的刚性电子设备、而且对诸如纺织电子设备之类的柔性电子设备供电。
本发明的目的是提供相对柔性的电化学能量源。
发明内容
可以通过提供根据前序部分的电化学能量源来实现此目的，所述电化学能量源包括：多个电化学单元，其中将每个单元淀积在衬底上，每个单元包括第一电极、第二电极、以及分离所述第一电极和所述第二电极的电解质；其中通过至少一个柔性元件来互连至少两个单元。将该柔性元件视为用于相互连接多个单元的柔性互连元件或桥。由于实际上将电化学能量源分割为通过一个或多个柔性元件相互耦接的基本刚性的单元的阵列，因此所有部分(由各单元形成)能够彼此独立地移动或者移位，由此产生可伸展并且相对柔性的能量源。因此，通过由一个或多个柔性元件来互连多个(基本上刚性的)电化学单元，可以获得柔性的单元的组件，可以将该组件有利地应用于很多种应用。这些可伸展电池的应用领域是其中需要高度柔韧性的应用(并且由此电源也一样)的应用。满足这些需要的应用是例如纺织电子设备、可洗的电子设备、需要预成型的电池的应用、电子纸以及便携电子应用的主机。
应注意：第一电极一般包括阳极，第二电极包括阴极。每个电极一般还包括集电器。通过集电器，可以将单元容易地连接到电子设备。优选地，集电器由以下材料中的至少一种制成：Al、Ni、Pt、Au、Ag、Cu、Ta、Ti、TaN和TiN。还可以应用诸如优选地掺杂的诸如例如Si、GaAs、InP之类的半导体材料之类的其它类型的集电器。
在优选实施例中，通过至少一个柔性元件将每个单元连接到至少一个其它单元。以此方式，可以由单个柔性组件形成电化学能量源。可以以(线性的或者非线性的)线、由此以一维的方式来排列各单元。然而，本领域技术人员还可想到二维地例如根据矩阵来定向各单元。此外，可想到根据三维结构来一起定向各单元。因此，通过至少一个柔性元件将一个或多个单元同时连接到多个其它单元通常是优选的。
每个柔性元件可以具有被动特性，其意味着柔性元件仅仅适于相互连接两个(或更多个)电化学单元。然而，优选的是：为至少一个柔性元件提供附加功能、特别是位置选择导通功能。为此目的，至少一个柔性元件包括至少一个柔性导体，用于连接相邻单元的相应电极。更优选地，每个柔性元件包括多个柔性导体，用于连接相邻单元的相应电极。以此方式，可以相对高效的方式来互连所有单元的阳极。这同样适用于所有单元的阴极。可以将导体嵌入在柔性元件内。互连的其他部分优选地由电绝缘材料制成，以防止阳极和阴极的短路。导体优选地由柔性材料制成，以保证互连的柔性特性。在特定的优选实施例中，至少一个柔性导体包括导电聚合物或者导电橡胶。如今，很多可能的导电聚合物和橡胶可用，可以将其适当地用于互连各电池部分。预混合热塑性塑料例如制造具有“受控电阻”等级的导电热塑性塑料化合物。由导电尼龙或者导电的聚酯型聚氨酯组成的这些材料可以制造为具有从1欧姆-厘米到1·10-11欧姆-厘米范围内的实际上任何电阻率。导电橡胶是例如由
Figure G2008800071283D00021
制造的。这些材料是有效的纳米复合材料，其以维持矩阵的机械属性、同时还利用填料(filler)的导电属性的方式有效地组合矩阵和填料。结果是在弹性聚合物主干(backbone)中包含适当量的金属的纳米复合材料，这使得该纳米复合材料能够伸展到其尺寸的百分之三百并且然后恢复其原来的形状和导电率。可以清楚的是：也可以将其它材料用于充当柔性导体。互连的最终的绝缘部件优选地由绝缘聚合物或者绝缘橡胶制成。
在可替代的优选实施例中，通过至少一个柔性元件互连的多个单元淀积在单个衬底上。为了保证能量源的足够的柔性，所使用的衬底优选地也由柔性材料(例如杜邦
Figure G2008800071283D00031
聚酰亚胺膜或者其它聚合物膜)制成。在将每个单元淀积在独立的衬底上的情况下，还可以使用刚性材料。
优选地，将根据本发明的能量源的至少一个电极适用于存储下面的元素中的至少一种或者被分配给周期表的组1和组2的任何其它适合的元素的活性种类：氢(H)、锂(Li)、铍(Be)、镁(Mg)、铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、钠(Na)和钾(K)。因此，根据本发明的能量系统的电化学能量源可以基于各种插层机制，并且因此适用于形成不同种类的(储备型)电池单元，例如锂离子电池单元、镍氢电池单元等等。在优选实施例中，至少一个电极，更具体地电池阳极包括下面的材料中的至少一种：C、Sn、Ge、Pb、Zn、Bi、Sb、Li、以及优选地掺杂的Si。还可以将这些材料的组合用于形成电极。优选地，将n型或者p型掺杂的Si用作电极，或者像SiGe或SiGeC那样的掺杂的Si相关的化合物。还可以将其它的适合的材料用作阳极，优选的是被分配给周期表的组12-16之一的任何其它适合的元素，假如电池电极的材料适用于插层并且存储上述活性种类。上述材料特别适合应用于基于锂离子的电池单元。在应用基于氢化物的电池单元的情况下，阳极优选地包括诸如AB5型的材料、特别是LaNi5以及诸如镁基合金、特别是MgxTi1-x之类的氢化物形成材料。基于锂离子的单元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或者它们的组合(例如Li(NiCoMn)O2)。在基于氢化物的能量源的情况下，阴极优选地包括Ni(OH)2和/或NiM(OH)2，其中M由从例如Cd、Co、或Bi的组中选择的一个或多个元素形成。
在优选实施例中，将第一电极和第二电极中的至少一个电极至少部分地形成图案(pattern)。通过将根据本发明的电化学能量源的一个电极、优选地是两个电极形成图案或者对其进行构造，获得三维表面区域，并且由此获得电极的每占位面积(footprint)增大的表面区域，并且获得至少一个电极与电解质叠层之间的每体积增大的接触表面。此接触表面的增大导致能量源的增加的额定容量(rate capacity)，并且因此导致根据本发明的能量的增加的性能。以此方式，可以最大化并且由此优化能量源中的功率密度。由于此增加的单元性能，根据本发明的小尺寸的能量源将适于以令人满意的方式为小尺寸的电子设备供电。此外，由于此增加的性能，将基本增大选择要由根据本发明的电化学能量源供电的(小尺寸)电子组件的自由。所述图案的性质、形状以及尺寸可以是各种各样的，如将在下面阐明。优选的是：将至少一个电极的至少一个表面基本上规则地形成图案，并且更优选的是：所应用的图案配备有一个或多个空腔(cavity)，特别是柱(pillar)、沟道(trench)、裂缝(slit)、或者孔(hole)，可以以相对精确的方式应用这些特定空腔。以此方式，也可以以相对精确的方式预先确定电化学能量源的增加的性能。在此上下文中，应注意：在其上淀积叠层的衬底的表面可以是基本上平的或者可以(通过使衬底弯曲和/或为衬底配备沟道、孔和/或柱)被形成图案，以便于生成三维定向的单元。
电化学能量源优选地包括淀积在衬底与至少一个电极之间的至少一个阻挡层，该阻挡层适于至少基本阻止单元的活性种类扩散到所述衬底中。以此方式，将化学地分离衬底和电化学单元，其结果是，可以相对长效地维持电化学单元的性能。在应用基于锂离子的单元的情况下，阻挡层优选地由以下材料中的至少一种制成：Ta、TaN、Ti以及TiN。可以清楚的是：也可以将其它合适的材料用于充当阻挡层。
在优选实施例中，优选地应用衬底，所述衬底理想地适用于经受表面处理，以使所述衬底形成图案，这可以便于使电极形成图案。衬底更优选地由以下材料中的至少一种制成：C、Si、Sn、Ti、Ge、Al、Cu、Ta以及Pb。还可以将这些材料的组合用于形成衬底。优选地，将n型或p型掺杂的Si或Ge用作衬底，或掺杂的Si相关的和/或Ge相关的化合物，比如SiGe或SiGeC。如上所述，除了相对刚性的材料之外，还可以将诸如像
Figure G2008800071283D00041
箔(foil)那样的箔之类的基本柔性的材料用于制造衬底。可以清楚的是：也可以将其它合适的材料用作衬底材料。
本发明还涉及配备有根据本发明的至少一个电化学能量源的电子设备、以及连接到所述电化学能量源的至少一个电子组件。优选地将该至少一个电子组件至少部分地嵌入电化学能量源的衬底中。以此方式，可以实现系统封装(Sip)。在SiP中，将诸如集成电路(IC)、致动器、传感器、接收器、发射器等等之类的一个或多个电子组件和/或设备至少部分地嵌入在根据本发明的电化学能量源的衬底中。根据本发明的电化学能量源理想地适用于为诸如(生物)可植入设备、助听器、自治网络设备、以及神经和肌肉刺激设备之类的相对较小的高功率电子设备供电，此外，还为诸如纺织电子设备、可洗的电子设备、需要预成型的电池的应用、电子纸以及便携电子应用的主机之类的柔性电子设备供电。
附图说明
通过下面的非限制性示例来说明本发明，其中：
图1示出了根据现有技术的电化学能量源的示意性截面图，
图2示出了根据本发明的柔性电化学能量源的示意性截面图，以及
图3示出了根据本发明的另一电化学能量源的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据现有技术的电化学能量源的示意性截面图。已知的电化学能量源1包括衬底2，在该衬底2的顶部淀积电化学单元3。单元3包括第一电极4、电解质5、以及第二电极6。在此示例中，第一电极4由第一集电器7以及在第一集电器7的顶部淀积的阴极8组成，而第二电极6由阳极9以及在阳极9的顶部淀积的第二集电器10组成。在此示例中，衬底2由硅制成，可以将一个或多个电子组件11嵌入到硅中，其中集电器7、10共同电连接到电子组件11。可选地，可以应用相反的叠层，其中第一电极包括阳极，第二电极包括阴极。
图2示出了根据本发明的电化学能量源12的示意性截面图。电化学能量源12包括多个锂离子单元13a、13b，每个单元包括淀积在硅衬底15a、15b上的第一集电器14a、14b和淀积在第一集电器14a、14b的顶部上的阳极16a、16b、淀积在阳极16a、16b的顶部上的固态电解质层17a、17b、淀积在电解质层17a、17b的顶部上的阴极18a、18b、以及淀积在阴极18a、18b的顶部上的第二集电器19a、19b的叠层。第一集电器14a、14b还充当用于阻止活性种类(锂离子)进入硅衬底15a、15b中的锂离子阻挡层。单元13a、13b同样是相对刚性的。通过至少部分由橡胶和/或聚合物制成的柔性互连元件20相互耦接单元13a、13b。将柔性阳极导体21以及柔性阴极导体22嵌入互连元件20的绝缘部分。导体优选地由导电聚合物、导电橡胶、和/或金属层制成。还示出了同样还利用柔性涂层23覆盖单元13a、13b。通常将互连元件20和柔性涂层23相互集成以提供相对稳定的柔性能量源12。由于实际上将电化学能量源12分割为通过柔性互连元件20相互耦接的基本刚性的单元13a、13b的阵列，因此单元13a、13b能够彼此独立地移动和移位，由此产生可伸展并且相对柔性的能量源，可以将该能量源例如应用于柔性电子设备中。
图3示出了根据本发明的另一电化学能量源24的示意图。能量源24包括通过柔性桥26相互耦接的多个电化学单元25，其结果将为电化学能量源24提供柔性特性。因此，电化学能量源24在两个方向(参见箭头)上是可伸展的。可以如图2所示地构造单元25。优选地通过被嵌入柔性桥26中的导电层(未示出)来相互电连接各单元。以此方式，可以以相对高效和有效的方式提供相对大功率并且柔性的能量源24。
应注意：上述实施例说明而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不偏离权利要求的范围的情况下设计许多可替代的实施例。在权利要求中，置于括号中的任何附图标记不应被解释为限制该权利要求。动词“包括”以及其动词变化的使用不排除权利要求书中所述的元件或步骤之外的元件或步骤的存在。元件前的冠词“一”不排除多个这样的元件的存在。在彼此不同的从属权利要求中叙述特定措施的纯粹的事实不表示不能将这些措施的组合用于获得益处。

Claims (23)

1.一种电化学能量源，包括：
多个电化学单元，其中将每个单元淀积在衬底上，每个单元包括：
第一电极，
第二电极，以及
分离所述第一电极和所述第二电极的电解质；
其中，通过至少一个柔性元件互连至少两个单元。
2.根据权利要求1所述的电化学能量源，其特征在于：第一电极包括阳极，和/或第二电极包括阴极。
3.根据权利要求2所述的电化学能量源，其特征在于：每个单元通过至少一个柔性元件连接到至少一个其它单元。
4.根据上述权利要求之一所述的电化学能量源，其特征在于：至少一个单元通过至少一个柔性元件连接到多个其它单元。
5.根据上述权利要求之一所述的电化学能量源，其特征在于：所述至少一个柔性元件包括用于连接相邻单元的相应电极的至少一个柔性导体。
6.根据权利要求4所述的电化学能量源，其特征在于：所述至少一个柔性元件包括用于连接相邻单元的相应电极的多个柔性导体。
7.根据权利要求4或5所述的电化学能量源，其特征在于：至少一个柔性导体包括导电聚合物或导电橡胶。
8.根据上述权利要求之一所述的电化学能量源，其特征在于：将通过至少一个柔性元件互连的多个单元淀积在单个衬底上。
9.根据权利要求2至8之一所述的电化学能量源，其特征在于：所述阳极和所述阴极适于存储下列元素中的至少一种的活性种类：H、Li、Be、Mg、Cu、Ag、Na以及K。
10.根据权利要求2至9之一所述的电化学能量源，其特征在于：所述阳极和所述阴极中的至少一个由下列材料中的至少一种制成：C、Sn、Ge、Pb、Zn、Bi、Li、Sb、以及优选地是掺杂的Si。
11.根据上述权利要求之一所述的电化学能量源，其特征在于：至少一个单元的至少一个电极配备有至少一个形成图案的表面。
12.根据权利要求11所述的电化学能量源，其特征在于：所述至少一个电极的至少一个形成图案的表面配备有多个空腔。
13.根据权利要求12所述的电化学能量源，其特征在于：所述空腔的至少一部分形成柱、沟道、裂缝、或者孔。
14.根据上述权利要求之一所述的电化学能量源，其特征在于：所述第一电极和第二电极中每个都包括集电器。
15.根据权利要求14所述的电化学能量源，其特征在于：所述至少一个集电器由下列材料中的至少一种制成：Al、Ni、Pt、Au、Ag、Cu、Ta、Ti、TaN和TiN。
16.根据上述权利要求之一所述的电化学能量源，其特征在于：所述能量源还包括在所述衬底与至少一个电极之间淀积的至少一个电子传导阻挡层，该阻挡层适于至少基本上阻止单元的活性种类扩散到所述衬底中。
17.根据权利要求16所述的电化学能量源，其特征在于：所述至少一个阻挡层由下列材料中的至少一种制成：Ta、TaN、Ti以及TiN。
18.根据上述权利要求之一所述的电化学能量源，其特征在于：所述衬底包括下列材料中的至少一种：C、Si、Sn、Ti、Ge、Al、Cu、Ta以及Pb。
19.根据上述权利要求之一所述的电化学能量源，其特征在于：所述衬底由柔性材料制成。
20.一种电子设备，包括至少一个根据权利要求1至19之一所述的电化学能量源，以及连接到所述电化学能量源的至少一个电子组件。
21.根据权利要求20所述的电子设备，其特征在于：所述至少一个电子组件至少部分嵌入到所述电化学能量源的衬底中。
22.根据权利要求20或21所述的电子设备，其特征在于：所述至少一个电子组件是从由传感部件、止痛刺激部件、通信部件、以及致动部件组成的组中选择的。
23.根据权利要求20至22之一所述的电子设备，其特征在于：所述电子设备和所述电化学能量源形成系统封装(SiP)。
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