CN106463692A - 制造高深宽比结构的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于制造电子装置的方法，电子装置具有高的特定电荷收集区域和功率的集电器，且该方法可以使用简单快速的技术来实现，并产生了一种可以弯曲且能够在大规模的工艺流程中制造的鲁棒性设计。为此，该电子装置包括装备有由金属基板形成的集电器的电子电路，该金属基板具有形成最小间距大于600nm的柱体的高深宽比结构的面。通过在金属基板上形成高深宽比结构，形成了新的结构，该新的结构与宏观曲率共形或者该新的结构可以被缠绕或卷曲并具有鲁棒性设计。

Description

制造高深宽比结构的装置及方法
技术领域
本发明涉及制造高深宽比结构的方法。本发明进一步涉及通过该方法制造的高深宽比结构，尤其涉及包括装备有诸如电化学或光电(electro-optical)装置之类类型的集电器的电子电路的电子装置。
背景技术
在电子装置中，电子电路可以装备有诸如电化学装置或光电装置之类类型的集电器。例如，电化学装置为诸如具有非平面设计的集电器的可充电的锂离子固态电池之类的电池。光电装置的另一个示例为集光器，其中来自光伏反应的电流被收集在3D电极中。电池是存储并提供电能作为化学反应的产物的电化学电池，或者反之生成光。
例如在WO2010032159(通过引用将其内容包括于此)中公开了已知类型的薄膜电池结构，其中，例如全固态复合物被沉积在3D微图案化的结构上。在这方面，早期的电池结构利用液体电解质，全固态复合物利用固态类型的电解质，这些电解质在使用中本质上更安全。例如，正如在US 20110117417中所公开的，在这些结构中使用了各种各样的材料并且这些材料已经用于各自的电极。在放电电池模式中，阳极为“负电极”，正向电流从阴极(为“正电极”)流到“负电极”。在充电期间这些功能是逆向的。不考虑充电模式，电化学关系可以由负电极材料和正电极材料之间的电荷交换来表征，负电极材料具有比正电极材料低的功函数或者氧化还原能力。
例如，已知的负电极(阳极)材料为Li4Ti6O12(钛酸盐)、LiC6(石墨)、Li4.4Si(硅)和Li4.4Ge(锗)，已知的正电极(阴极)材料为LiCOO2(LCO)、LiCoPO4、(掺杂的)LiMn2O4(LMO)、LiMnPO4、LiFePO4(LFP，磷酸锂铁)、LiFePO4F(LFPF，锂磷铝石)或LiCO1/3Ni1/3Mn1/3O2(LCNMO)。
已知的(固态)电解质可能包括碘化锂(LiI)、磷酸锂(Li3PO4)和锂磷氧氮(LiPON)。此外，诸如在有机溶剂里的LiPF6、LiBF4或LiClO4之类的锂盐，诸如碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯之类的锂盐是已知的在室温(RT，Room Temperature)下具有约为10mS/cm的典型电导率。溶剂在初始充电时分解，并且形成被称作固体电解质界面膜(SEI)的固体层。
固体聚合物隔膜也可以包括在内，如在现有技术中知道的那样，这种聚合物往往是由于具有其中所沉积的锂盐而具有输送能力。特别地，在一些示例中，已经进行了对锂和卤化物材料的研究，诸如四氟化铝锂(LiAlF4)的四卤化锂铝。
类似地，在光伏装置中，在当前的集电器上可以提供共形功能的涂层，这有助于将光转化为电能，反之亦然。
在所提及的类型中，集电器结构(即电极)的高比表面积能够使大电流从这些电池流出。此外，集电器结构的高比表面积还会使这些电池能够进行快速充电。在已知的装置中，在硅晶片中刻蚀了诸如柱体、槽或洞之类的高深宽比结构。为了使制作这些电池的成本低、效能高，希望在廉价的基板(例如，金属/塑料箔)上采用廉价的大面积加工工艺来生产这些电池。
一旦在可弯曲的金属箔上制造这种结构，它们就能够在大规模加工工艺中进行制造，即卷对卷加工工艺，在卷对卷加工工艺中，可以进行如下：1)缠绕、卷曲或堆叠这种结构以增加单位体积的能量或功率密度，2)在如柔性的显示器、标牌等柔性装置上集成这种结构。
虽然能够在纳米尺度内制造高深宽比结构，但是这些高深宽比结构的高度或者深度需要在微米范围内用于给电池传递足够的充电容量。柱体结构优选的原因是：当与类似的高深宽比或者类似的尺寸的多孔或穿孔结构相比时，柱体结构的整个表面易于操作。在现有技术中，生产这些结构的许多方法是非经济的(例如，涉及到硅微加工和长时间电沉积)。此外，进行任何一项上述这些方法，堆叠的设计需要优化，因为不优化的话，当卷曲或者弯曲时，柱体结构会损坏而抑制装置的适当的电化学行为。
仍然存在以简单可靠地方式来生产这些高深宽比结构的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于生产具有集电器的电子装置的方法，该电子装置不仅具有高的特定的电荷收集面积和功率，还可以使用简单且快速的技术来实现，而且还具有可以可选择性地弯曲的鲁棒性设计。
为此，根据一个方面，提供了一种用于对具有在金属基板上形成的柱体的高深宽比结构的集电器进行制造的方法，其中，该方法包括：在金属基板的面上形成细长的纳米孔结构；使用所布置的用以形成最小间距大于600nm的柱体的微图案掩模对经阳极氧化的金属面进行掩模；以及致使柱体电气导电。特别地，以这种方式制造的电子装置包括：装备有集电器的电子电路，集电器由具有形成柱体的高深宽比结构的面的整体金属基板形成，柱体的高深宽比结构具有大于600nm的最小间距。通过在金属基板中形成高深宽比结构，能够形成新的结构，该新的结构与宏观曲率共形或者该新的结构能够被缠绕或卷曲或堆叠并具有鲁棒性设计。因此，提出了一种在金属/塑料箔上用于紧密包装结构的方案。
在整个申请中，术语“高深宽比结构”表示在具有竖直于基底的柱体的基板上的3D结构，即嵌入基板面或从基板面突出，其中，基底与基板表面共面。该柱体更特别地相对于基底表面的法线在20度以内，并且具有由在相邻柱体间存在间距的基底隔开的高度尺寸，即沿基底共面的壁的法线的长度尺寸，其中，高度尺寸和长度尺寸的比率相对较高，即，高于50或者甚至高于80或者甚至超过100。在典型的布置中，柱体可以有高度尺寸，即从平面隔开基底平面约25-200微米的高度，优选地，50-100微米。根据独立权利要求，其中长度尺寸(即隔开对立的柱体的长度)的最小间距大于600nm，而且长度尺寸可以约为1-10微米，优选地，2-4微米。对于这种结构，目前所公开的基板是随着集电器的表面积的显著增加而电气导电的基板，这增强了集电器的电荷收集能力。此外，对于这种结构，可以应用共形涂层而不影响多层涂层的功能。这种功能的示例可以是诸如电池多层或光伏多层或单层涂层之类的多层。表面增强涂层的示例是提供诸如石墨涂层之类的“有毛的”层，例如，用于获取并储存能量，如储氢。其它示例可以包括通过原始的柱体结构加上或者减去处理增加了表面粗糙度的柱体。
此外，根据本发明的一个方面，对于这种高深宽比结构，最佳的电流收集性能可以以包括铝或钛的共形涂覆的柱体的金属基板的形式提供，其中高深宽比结构包括曲率半径大于50nm的金属柱体。所改进的性能的方面是通过要求更小节距和围绕的共形涂层的高深宽比结构的密度发现的一个权衡(trade-off)。在这个方面，在电池多层上的电极厚度可以不同，并且该多层上的电极厚度是相关联的以在充电和/或放电时与它们的锂离子容积的存储容量相匹配。已知的匹配关系由在现有技术中已知的充电率(C-rate)的值来控制。充电率是如下速率的衡量，电池以该速率而相对于它的最大容量放电。例如，电极层在特定充电率处的容量通过控制层的厚度和材料组成来匹配。这些结构的另一个方面是，对于具有共形涂层的电荷集电器，例如，电池多层或光伏(PV)多层，仍然能够在所共形涂覆的高深宽比结构之间提供例如50nm的最小间隙。该间隙可以用填料材料，例如通过沉积工艺(ECD、PVD、CVD)提供的导电属性(金属，例如，铜、导电胶)，来填充。
填料能够导电，从而有助于在电流收集中具备粘接特性，粘接特性有助于堆叠并且能够作为防护材料以保护堆叠物防止水或氧气的侵蚀。
本发明的另一个方面是：‘共形涂层’是可以包括对高深宽比结构的柱体至少进行共形涂覆的多个层的涂层。
在US2009214956中值得注意的是，提出了一种结构，其中，电解质材料被共形涂覆到导体纳米线上，并且其中，与第二导电材料电气连接的阴极材料贯穿在被电解质涂覆的纳米线之间。相比之下，本公开的共形涂层特别涉及包括电解质并且在相邻层之间提供了最小间隙的共形多层。在说明书中，根据上下文，功能层可以不与其它功能结构直接接触，但是在它们之间可以有可以增强功能的中间层或结构。在该方面，本领域的技术人员将理解所描述的，例如，负电极层与电荷集电器‘接触’，这可以解释为‘电气接触’，可能的锂扩散阻挡层、电流收集层、过程保护层等也不例外。这对与负电极层和正电极层‘接触’的电解质层同等重要。
发明人还惊奇地发现，对于所关注的结构，高深宽比结构的曲率半径大于200nm以改善共形层质量。
根据本发明的另一方面，可以在由平面区域的网格分离的高深宽比集群中形成金属柱体。这种结构增强了高深宽比集群的柔性和鲁棒性，这种结构可以基本上是平面的，同时网格将用于共形的自由度提供给诸如汽车、移动电话的壳体之类的为非平面的宏观形式。
将参照附图更加详细描述本发明的以上方面以及其他方面。在附图中，类似的附图标记指代类似的元件。应该理解的是所呈现的附图用于说明性目的且不可以用于限制所附权利要求的范围。
附图说明
图1示出了根据第一实施例的后续的步骤；
图2示出了根据第二实施例的后续的步骤；
图3示出了根据第三实施例的后续的步骤；
图4示意地示出了根据本发明的实施例的高深宽比结构；
图5示出了高深宽比结构被卷曲或堆叠的方面；
图6示出了使用高深宽比结构进行包装或覆盖的示例；
图7示出了柱体形式的高深宽比结构的示例性的透视示意图。
具体实施方式
在图1中示出了根据本发明的第一实施例。该方法首先开始于引导刻蚀，例如，使用紫外(UV)制导能够将纳米孔刻蚀在经掺杂的硅中，或者替换地，如下所示，通过铝箔的对准的多孔阳极氧化来将纳米孔刻蚀在经掺杂的硅中，这可以可选择性地在纳米压印步骤之前进行以在铝表面上创建均匀间隔开(等间距)的凹槽。该凹槽有助于控制对阳极氧化期间所形成的竖直孔进行排列。可选择性地，由沉积在另一金属箔(例如，铜或铁)上的铝层组成的多层箔来代替铝箔10，或者可以按照堆叠的形式来施加例如在塑料箔上。
更特别地，在第一步骤S1中，在铝基板10中通过阳极氧化来形成自对准的纳米孔12，例如深100μm，直径80nm。在阳极氧化之后，经阳极氧化的箔上表面13可以被覆盖有点图案掩模14(例如，光致抗蚀剂)，点图案掩模14具有所期望的最终的微柱体的横向尺寸。自对准是自发进行的过程，其中，通过所施加的电压或电流来控制自组装。
接下来，在第二步骤S2中，进行具有微点掩模图案14的抗蚀剂的光刻工艺，具有微点掩模图案14的抗蚀剂采用被布置以形成柱体11的微图案点掩模对经阳极氧化的金属面进行掩模。例如，点直径可以是2μm，节距(pitch)可以是4μm，例如，形成壁之间最小间距为2μm或大于600nm的柱体。
在后续的步骤S3中，进行氧化物纳米孔结构的刻蚀工艺，例如，通过适当的等离子体刻蚀、气相氟化(HF)刻蚀或湿法刻蚀。刻蚀剂将会渗入不存在掩模的氧化物孔。虽然，刻蚀剂也会在掩模下面尝试钻蚀，但是这可以通过控制快速刻蚀未受保护的氧化铝的时间而被最小化。这在本技术领域被称为扩孔蚀刻，上述过程一直继续直到刻蚀完所有未被掩模的孔壁。然后必须用水快速冲洗基板以使钻蚀最小化。该方法取决于如下理念：刻蚀剂能易于渗入未被掩模的孔并在钻蚀开始影响之前开始迅速溶解周围的一切；因而形成微柱体结构100。因此，通过引导刻蚀来提供纳米孔柱体结构，例如，通过在阳极氧化工艺中的自然对准，或者可以通过在经掺杂的硅中使用UV制导来刻蚀纳米孔的其它引导工艺来提供纳米孔柱体结构。
接下来，步骤S4将使这样形成的柱体导电。这可以通过先剥去点的掩模抗蚀剂，然后进行镀(例如，化学镀)，即电化学沉积(ECD)来实现，或者在竖直的微柱体1上喷射导电/金属层5，使用这些结构将足够作为3D电池的集电基板。
在图2示出的另一实施例中，同样地，如前面在步骤S1和S2中所述的那样形成基板。特别地，在阳极氧化之后，经阳极氧化的箔的上表面被覆盖有具有所期望的最终微柱体1的横向尺寸的图案化洞掩模(例如，光致抗蚀剂)。
接下来，在步骤S3中公开了基底金属箔上的经阳极氧化的氧化铝的、可选择地与电镀或电化学镀结合的选择性的各向异性的电还原工艺。也就是说，在掩模开放处的孔壁至少部分地被还原成铝10’，例如，通过化学或电化学还原，形成由剩余的被掩模的铝氧化物所围绕的铝或者铝-氧化铝复合物柱体。这可(可选择地)与电镀步骤结合以产生固体铝或者氧化铝/铝柱体或者复合金属结构(例如，Cu/AI或者Ni/AI结构)的柱体。
然后，在步骤S4中可以刻蚀或者剥离剩余的氧化物。剩余的柱体将成为多孔铝柱体。可选择地，多孔铝柱体1还可以被覆盖有如图1所示的导电层以形成混合多孔铝柱体。
在图3示出的另一个实施例中，同样地，如前面在步骤S1和S2中描述的那样形成基板。然后，在步骤S3中，对金属箔基底上的经阳极氧化的氧化铝进行选择性的镀工艺。也就是说，在掩模开放处的孔通过镀来填充，例如，采用离子液体50来填充。可替换地，可以进行底部氧化去除，而且电镀工艺是从底部箔开始的。
然后，在步骤S4中可以刻蚀或者剥离剩余的氧化物。将装置100’上剩余的柱体1镀成以多孔纳米线结构形成的微柱体。
类似于图1，可以施加额外的金属涂层以致使壁导电，例如，通过喷射或化学镀的方法来实现。图1的结构的优点在于纳米线可以有更多的导电性，以使得能够施加更薄的涂层。
在上述提到的工艺制备方法中，
-最终的微柱体的形状不需要是圆的(可以具有任何的几何截面)，并且能够选择宽范围的节距和布置。
-可以选择在箔的两个面上进行阳极氧化工艺。这种两个面的阳极氧化可以使得在氧化铝被阳极氧化成多孔铝期间造成的体积膨胀压力得以平衡。
导电柱体的形成可以使用模板(例如，经阳极氧化的氧化铝或二氧化硅)来形成。纳米柱体/线被电沉积在这些柱体中，然后去除/溶解模板。优选地，经阳极氧化的模板是微结构的且用作用于电池的微柱体的材料，使得不牺牲模板。
然而在下文中，集电器结构以单独的形式示出，本领域的技术人员应当理解，这些集电器将形成为了特殊的目的而设计的电子装置的整体元件。例如，电荷收集是电池结构或光电装置如太阳能电池的关键部分。例如，在本发明的实施例中，具有高深宽比结构的电子装置能够被覆盖有产生较高的光伏(PV)发电区域效率的PV多层。例如，在另一个实施例中，电子装置可以具有沉积在已经涂覆有电池多层的高深宽比结构上的PV多层。在另一个示例中，电子装置可以具有在已经包含电池多层的基板的反面上形成的高深宽比结构上沉积的PV多层。提供包括电池功能的光伏箔装置是个引人注意的概念，该电池功能共享当前公开的高深宽比结构的形式的公共电极。
在其最简单的概念化中，电池装置有两个电极：一个电极凭借在该电极处发生的氧化过程来提供电子，第二电极凭借在该电极(术语称阴极)处发生的还原过程来消耗电子。在电池放电模式，阳极为“负电极”，正向电流从被称为“正电极”的阴极流入负电极。在充电期间，这些功能逆向进行。不考虑充电模式，电化学关系可以由负电极材料和正电极材料之间的电荷交换来表征，负电极材料的功函数或氧化还原电位比正电极材料的功函数或氧化还原电位低。
例如，已知的负电极(电池放电期间的阳极)材料为：Li4Ti5O12(钛酸锂尖晶石或LTO)、LiC6(石墨)、Li4.4Si(硅)和Li4.4Ge(锗)，已知的正电极(阴极)材料为：LiCoO2(锂钴氧化物或LCO)、LiCoPO4、(掺杂的)LiMn2O4(锂锰氧化物尖晶石或LMO)、LiMnPO4、LiFePO4(LFP)、LiFePO4F(LFPF)或LiCO1/3Ni1/3Mn1/3O2(LCNMO)。
已知的(固态)电解质可能包括：碘化锂(LiI)、磷酸锂(Li3PO4)和锂磷氧氮(LiPON)。此外，诸如碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯，碳酸丙烯酯之类有机溶剂中的锂盐(诸如LiPF6、LiBF4或LiClO4)是已知的在室温具有典型的约为10mS/cm的电导率。该溶剂在初始充电时分解，并形成被称为固体电解质界面(SEI)的固体层。
包括那些薄膜固态锂离子类型的薄膜离子电池能够从多种沉积技术中制取以制造负电极、正电极和电解质材料，将它们结合在一起以形成电池。这种技术可以典型地包括：使用真空沉积或者其它得到类似薄膜的技术对这种材料的薄膜进行沉积，以产生“薄膜”电池。薄膜电池常常被用在可以优选地保留空间和重量以及可以期望特别长的使用寿命的应用中。
在下面的示例中，本发明的更加详细的方面将以电化学装置的形式来示出，更特别地是电池装置(例如锂离子类型的电池装置)更特别地具有3D集电器结构以用于增强对集电器的特定区域的电荷收集，即与电池多层电气接触，特别地与电池多层的负电极层电气接触。
图4示意地示出了根据本发明的实施例的高深宽比结构。在图中，柱体1形成为例如在铝中形成的高深宽比结构。可替换地，可采用类似的结果来使用钛。电子装置100包括装备有集电器10的电子电路，集电器10由具有形成柱体11的高深宽比结构1的面的单片金属基板形成。壁具有大于600nm的间距d、以及例如大于10或者甚至大于50的高深宽比。由于柱体结构能够设置在经阳极氧化的铝中，所以铝结构适用于以上所述的情况，经阳极氧化的铝由于氧化物的侵入而具有自然的纳米孔结构。纳米孔能够通过微图案进行掩模，使得通过添加或者去除技术形成混合多孔铝微柱体，特别是刻蚀、镀氧化还原或者沉积，例如通过电化学沉积(ECD)或物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)或化学溶液沉积(CSD)技术。在说明书中，术语柱体或者微柱体用于区别于纳米线，例如在WO20130226892中描述的类型的纳米线，纳米线是直径尺寸小于300nm、或者甚至小于50nm或10nm并且间距d小于约数百nm(例如，在50-300nm范围内)的细长的线，这聚集得太紧密了而没有足够的间隙用于共形地涂覆的多层堆叠在这些纳米线上。
柱体可以有大于100nm的长度、任意伸长的形状和直径至少大于所述10nm，典型地大于100nm，并且在这个方面典型地有资格作为高深宽比结构。
在US2009214956中提出了一种结构，其中电解质材料被共形地涂覆到导电的纳米线上，并且其中，与第二导电材料电气连接的阴极材料在电解质涂覆的纳米线之间穿插。相比之下，当前所公开的微柱体基本上具有更大的间距，即间距大于600nm。柱体1被多层或者适当的复合物的堆叠5所覆盖，下面进一步作详细地描述。恰当地，通过填料材料4对集电器平整化，导电材料例如导电胶、或者与多层的阴极电气接触的所镀的材料，以形成相反的电极20。装置100中的每一个层的压缩性和延伸性、层5、10和20之间的粘接以及堆叠的总体弯曲刚度将决定在卷曲或者弯曲时最大所允许的曲率半径(在无损坏的情况下)。
填充间隔件4可以是任何有机或者无机材料。填充间隔件4例如可以有某一其它额外的诸如集电器之类的功能，并且可以可选择地在电池组的活性层被沉积之后，填充间隔件4被电镀在柱体上方。此外，填充件能够被用作使高深宽比结构10平整化的平整化填料。
图4B、C和D更详细地示出了集群的柱体形式10-1的弯曲形式的顶视图、侧视图以示出集电器10如何卷曲或弯曲。为了使得能够易于弯曲，代替使柱体遍布在基板箔上方，柱体集群10-1的孤立部分能够在金属箔中被图案化以形成它的整体部分。基板箔在没有柱体的位置(即平面区域10-2的网格)的较低的刚度使得3D电池箔10例如如图4中所示的那样易于弯曲或卷起。微柱体的高深宽比集群10-1可以可选择地通过在图4A中所公开类型的高深宽比集群之间填充间隔材料来进一步得到加固。在示例中，高深宽比集群可以跨度小于104平方微米的区域；且平面区域可以形成为具有大于50微米的宽度的带，尽管其它范围可以适用于相同的使得易于弯曲的集群的效果。
图5示出了高深宽比结构可以如何卷曲(图5A)或者堆叠(图5B)。当卷曲时，为了避免对柱体的损坏，将柱体朝外放置使得形成高深宽比结构的面是凸面。卷曲的堆叠或者是同心的(如图所示)或者像连续的螺旋一样，在图中，像尖朝外的锥形柱体、椎体或棱锥。为了避免由于卷曲时而导致的拉紧所引起的活性层断裂，可以可选择地在进行卷曲之后进行(至少一些)活性层的沉积。
由于当弯曲或者卷曲时在柱体之间活性层断裂的可能性是最大的，所以可以可选择地仅在柱体上(而不是在柱体之间)沉积活性层。此外，这同时还避免了当在电池充电/放电期间发生电极层的体积膨胀或收缩时柱体周围的基底拐角处的断裂。
一般来说，为了避免活性层在弯曲时或者在电池操作时的活性层断裂，3D电池结构的拐角被设计成圆形，即曲率半径大于200nm，或者甚至大于1微米。
图5B示出了增加3D电池的每单位容量的能量或功率密度的另一种方式，例如通过将分离的电池箔10堆叠在彼此的顶部。这种在3D电池情形下的堆叠能够通过可选择地使用导电胶4(如果箔是串联连接的)来完成。这种导电胶4还可以是填料材料以将每个箔上的柱体稳固化。因此，可以提供多个集电器，使用电池多层交替堆叠。
可选地，可以在金属箔的两个面上建立3D柱体。在实施例中，这可以在一个面上和光伏层结合，在另一个面上或者在同一个面上和电池层结合。在另一个实施例中，这可以用来为每个箔10提供两个电池堆叠层。在这种情况中，基板箔(以金属为例)在堆叠时将起到公共电极的作用。不同电池箔需要根据充电和放电时所期望的电压在电路中连接到彼此。
为了使这种电池成本低、效率高，将这种技术传递到大面积的金属箔上(例如，用于卷对卷工艺)是很有益处的。
图6示出了将装置/机器/设备的包装或覆盖层或框架用作3D薄膜电池的基板的示例。目前，由于产品越来越紧凑，对小而更紧凑的电池(提供同样的所需的功能或容量)的需求逐渐增长。本专利中包含的信息提到的理念是：对这些在使用这些电池的装置的包装或覆盖层上的3D微柱体结构进行制造。已经研究的领域之一是将电池集成到装置的包装/覆盖层中。电池装置可以和移动电话300一样小，也可以和电动汽车200一样大。例如在汽车中，诸如侧面板230、车顶板210、车前盖220等之类的铝或者铝盖可以用于在大片区域上提供电池结构。或者，在移动电话400中，具有目前所公开的高深宽比结构的镀铝后盖300可以形成电池，或者可以被提供作为用于额外电源的可开关盖。
作为基底技术，3D结构基板可以包含通过阳极氧化所实现的柱体结构或对准的多孔结构。
例如，由于3D电池结构能够通过对汽车车体框架进行阳极氧化而直接形成，所以框架的材料可以是涂覆有一层阳极氧化所需的铝层的铁。接下来的电镀及氧化刻蚀步骤能够在汽车车体上(优选地，内部)建立3D柱体结构。
因此，具有高深宽比结构的金属基板可以被整体地形成为壳体结构。还有其它具有由铝制成的盖的装置，其中就应用了这个概念。可替换地，金属基板可以被堆叠在有机(即，包含烃内容物的)箔上，例如，聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等或者塑料模具结构。如今即使大多数装置的包装/盖是由塑料模压的，仍然有10微米的铝可以通过离子液体化学镀在塑料上以在包装/盖上或在包装/盖内创建电池。
图7示出了被覆盖有在图7A中所示的共形电池多层的柱体1形式的高深宽比结构的示例性的透视示意图，图中给出了沿I-I的剖面示意图。所公开的高深宽比结构由在基板10上几何排列的微柱体1形成，该基板10具有与表面s共形的基底b，但是，可替换地，可以是沟槽、脊、锥形结构并形成平面s。在实施例中，金属柱体1具有曲率半径大于50纳米的柱体11。最小间距d大于600nm以容纳约300nm厚的共形涂层。实际间距可以约为2-3微米。金属柱体可以具有25微米或者更高的高度h，例如50或100微米，从而金属柱体可以使用3-12微米范围内的节距形成。特别地，在采用缓冲或间隔材料对电池堆的活动多层5进行沉积之后，优选地填充柱体1之间的间隙g，以在3D电池堆弯曲或扭曲时避免柱体1之间的接触。相邻共形电池涂层5之间的间隙可以约为100-500nm。该间隙可以完全用导电材料填充。
在示例中，优选地，电池多层5包括：与柱体1电气接触的负电极层5-1、正电极层5-3以及介入负电极层5-1和正电极层5-3之间的固态电解质层5-2。可以发现电池多层优选地包括涂覆在高深宽比结构上的第一电极层5-1，且对于给定的充电率，厚度与通过电极层5-2从第一电极层分离的第二电极层5-3的有效容积的存储容量相匹配。在这种方式中，电池多层中的电极厚度可以不同，而且对于给定的用于锂离子在充电和/或放电时的充电率，电极厚度与它们的有效容积的存储容量相匹配，与此同时，因为存在曲率从而增强了工艺制造性。因为具有较高的理论密度，所以负电极层的厚度可以典型地小于正电极层。对于LixTiO2和/或LixMnO2，密度和厚度是类似的。例如，第一层5-1可以是范围在80nm和300nm之间的负电极层；第二层5-2可以是范围在60nm和200nm之间的正电极层。正电极层5-3可以范围在30nm和200nm之间。电池堆叠可以集成到任何其它的装置(例如，PV)基板中，这然后可以进一步集成到其它的结构中。
代替与高深宽比结构共形而形成的电池层，当和所形成的用来使高深宽比结构—即非共形层平整化的负电极层结合时，这种结构可以用作电荷集电器结构。例如，这种负电极层可以和固态类型或者可以与液体形式的电解质层接触。
本发明的其它方面的特征在于以下几项：
电子装置包括装备有集电器的电子电路，集电器由具有形成柱体的高深宽比结构的面的金属基板形成，集电器壁间具有大于600nm的最小间距。
如上所述的电子装置，其中，高深宽比结构由沟道或者几何排列的微柱体形成。
如上所述的电子装置，其中，金属基板包括铝或者钛，并且其中，高深宽比结构包括具有曲率半径大于50纳米的柱体。
如上所述的电子装置，其中，柱体高于25微米。
如上所述的电子装置，其中，柱体在通过平面区域的网格分离的高深宽比集群中形成。
如上所述的电子装置，其中，高深宽比集群跨度小于104平方微米的面积；并且其中，平面区域形成为具有宽度大于50微米的宽度的带。
如上所述的电子装置，其中，形成高深宽比结构的面是凸面。
如上所述的电子装置，其中，基板是具有两个形成高深宽比结构的面的箔。
如上所述的电子装置，其中，高深宽比结构和金属基板是整体形成的。
如上所述的电子装置，其中，高深宽比结构被覆盖有与高深宽比结构共形的柱体的涂层。
如上所述的电子装置，其中，涂层是电池多层或者PV多层或者两者。
如上所述的电子装置，其中，电池多层包括固态电解质层。
如上所述的电子装置，其中，电池多层包括第一电极层，第一电极层被涂覆在在高深宽比结构上，并且在电池充电率大于10C时有与第二电极层的有效容积的存储容量相匹配的厚度。
如上所述的电子装置，其中，第一层是范围在80nm和300nm之间的负电极层；其中，第二层是范围在60nm和200nm之间的电解质层；并且其中，正电极层范围在30nm和200nm之间。
如上所述的电子装置，具有多个交替堆叠的集电器。
如上所述的电子装置，其中，多层结构被覆盖有使高深宽比结构平整化的平整化填料。
如上所述的电子装置，其中，填料是形成电极部分的金属。
如上所述的电子装置，其中，填料为用来堆叠集电器同时使高深宽比结构稳固化的导电胶，
如上所述的电子装置，其中，金属基板被堆叠在有机箔上。
如上所述的电子装置，其中，金属基板整体上形成壳体结构。所述电池堆叠能够集成到任何其它的装置(例如，PV)基板中，其然后进一步地可以集成到其它的结构中。
可以理解的是，以上已经描述了本发明的特定实施例，本发明可以用与上述所述的方法不同的其它方法来实践。此外，可以将参照不同附图讨论的单个特征进行组合。

Claims (27)

1.一种用于制造集电器的方法，所述集电器具有在金属基板上形成的柱体的高深宽比结构，其中，所述方法包括：在所述金属基板的面上整体形成细长且对准的纳米孔结构；使用所布置的用以形成最小间距大于600nm的所述纳米孔结构的柱体的微图案掩模对所述纳米孔结构进行掩模；以及致使所述柱体电气导电；其中，通过去除所述微图案中的纳米孔材料从而形成纳米孔微柱体结构来形成所述高深宽比结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在去除纳米孔材料之前，通过对处于洞图案中的未被掩模的纳米孔结构进行镀从而形成镀后的纳米孔柱体结构而致使所述高深宽比柱体结构电气导电。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述镀是化学镀或者电镀。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，通过去除在点图案中的未被掩模的纳米孔材料从而形成具有竖直壁的被掩模的纳米孔柱体结构来形成所述高深宽比柱体结构，并且其中，通过用导电层覆盖所述柱体壁而致使所述柱体电气导电。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，通过电化学沉积(ECD)或物理气相沉积或化学气相沉积或原子层沉积、化学溶液沉积进行覆盖。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，通过电还原未被掩模的纳米孔结构而致使所述柱体电气导电。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述金属基板为铝或者钛。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述柱体被覆盖有后续的层以形成与所述柱体共形的涂层。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述涂层是电池多层或者光伏多层。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述多层包括固态电解质层。
11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：使用使所述高深宽比结构平整化的平整化填料来覆盖所述多层结构。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述金属基板在有机箔上堆叠。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述集电器以卷对卷工艺来制造。
14.一种包括集电器的电子装置，所述集电器具有在金属基板中形成的柱体的高深宽比结构，所述柱体的高深宽比结构：由在所述金属基板的面上的细长且对准的纳米孔柱体结构形成；并且具有大于600nm的最小间距；所述纳米孔柱体是电气导电的。
15.根据权利要求14所述的电子装置，其中，所述金属基板包括铝或钛，并且其中，所述高深宽比结构包括曲率半径大于50纳米的柱体。
16.根据权利要求15所述的电子装置，其中，所述柱体高于10微米。
17.根据前述权利要求14-16中任一项所述的电子装置，其中，所述柱体被形成在由平面区域的网格分隔开的高深宽比集群中。
18.根据前述权利要求14-17中任一项所述的电子装置，其中，所述基板为具有两个形成高深宽比结构的面的金属箔。
19.根据前述权利要求14-18中任一项所述的电子装置，其中，所述高深宽比结构被覆盖有与所述高深宽比结构的柱体共形的涂层；其中，在所共形涂覆的高深宽比结构之间设置了间隙。
20.根据权利要求19所述的电子装置，其中，所述涂层是电池多层或者光伏多层或者两者。
21.根据权利要求20所述的电子装置，其中，所述电池多层包括固态电解质层。
22.根据权利要求20或21所述的电子装置，其中，所述电池多层包括第一电极层，所述第一电极层被涂覆在所述高深宽比结构上，并且所述第一电极层在电池充电率大于10C处具有与第二电极层的有效容积的存储容量相匹配的厚度。
23.根据权利要求19-22所述的电子装置，所述电子装置具有多个交替堆叠的集电器。
24.根据权利要求19-23所述的电子装置，其中，所述间隙被填充有使所述高深宽比结构平整化且在机械上稳固化的平整化填料。
25.根据权利要求24所述的电子装置，其中，所述填料为形成电极部分的金属。
26.根据权利要求24或25所述的电子装置，其中，所述填料为用来堆叠所述集电器同时使所述高深宽比结构稳固化的导电胶。
27.根据前述权利要求中任一项所述的电子装置，其中，所述金属基板被堆叠在有机箔上。
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