DE102014110839A1

DE102014110839A1 - Batteriezelle und Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle

Info

Publication number: DE102014110839A1
Application number: DE102014110839.6A
Authority: DE
Inventors: Magdalena Forster; Bernhard Goller; Katharina Schmut; Michael Sorger
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2014-07-31
Publication date: 2015-02-05
Also published as: US9627670B2; CN104347837B; CN104347837A; US20150037685A1

Abstract

Ausführungsformen stellen eine Batteriezelle bereit, die eine poröse Membran aufweist, wobei die poröse Membran ein umgewandeltes Halbleitermaterial umfasst. Die poröse Membran trennt eine erste Halbzelle von einer zweiten Halbzelle der Batteriezelle. Die poröse Membran umfasst Kanäle, die zulassen, dass sich Ionen und/oder ein Elektrolyt zwischen der ersten Halbzelle und der zweiten Halbzelle bewegen.

Description

Hintergrund
Aufgrund des verstärkten Einsatzes von tragbaren elektronischen Vorrichtungen wie z. B. Notebooks, tragbaren Telefonen, Kameras und dergleichen sowie aufgrund des verstärkten Einsatzes von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen ist sekundären oder wiederaufladbaren Batterien mit hoher Energiedichte steigende Aufmerksamkeit als Stromquelle für diese Vorrichtungen gewidmet worden. Beispiele für derartige wiederaufladbare Batterien sind wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien.
Ferner werden zunehmend integrierte Schaltungen oder elektronische Vorrichtungen, die eine relativ geringe Menge elektrischer Energie benötigen, in vielen Anwendungen verwendet. Daher wäre es wünschenswert, miniaturisierte Batterien bereitzustellen, die diese integrierten Schaltungen oder elektronischen Vorrichtungen mit Energie versorgen können.
Zusammenfassung
Es gibt eine Nachfrage nach einem verbesserten Konzept für eine Batteriezelle. Eine derartige Nachfrage kann durch die folgenden Aspekte befriedigt werden.
Gemäß einem ersten Aspekt sehen Ausführungsformen ein Verfahren zum Bereitstellen oder Herstellen einer Batteriezelle vor. Das Verfahren umfasst ein Ausbilden eines porösen Abschnitts eines Halbleitersubstrats. Der poröse Abschnitt stellt eine Membran zum Trennen einer ersten Halbzelle von einer zweiten Halbzelle der Batteriezelle bereit oder fungiert als diese Membran. Die Membran umfasst Kanäle, um zuzulassen, dass Ionen und/oder ein Elektrolyt sich zwischen der ersten Halbzelle und der zweiten Halbzelle bewegen.
Gemäß einem weiteren Aspekt sehen Ausführungsformen ein Verfahren zum Bereitstellen einer Batteriezelle in einem Stapel aus mehreren separaten Substratschichten vor. Das Verfahren umfasst ein Ausbilden mindestens eines Teils eines ersten Hohlraums, der einer ersten Halbzelle entspricht, in einer ersten Oberfläche einer ersten Halbleitersubstratschicht, so dass ein Boden des ersten Hohlraums durch Substratmaterial unter der ersten Oberfläche definiert ist. Ein poröser Halbleitermaterialabschnitt wird in dem Boden des ersten Hohlraums gebildet, so dass der Boden des ersten Hohlraums durch den porösen Halbleitermaterialabschnitt bereitgestellt wird. mindestens ein Teil eines zweiten Hohlraums, der einer zweiten Halbzelle entspricht, wird in einer zweiten Oberfläche der ersten Substratschicht ausgebildet, die der ersten Oberfläche gegenüberliegt, so dass ein Boden des zweiten Hohlraums durch den porösen Halbleitermaterialabschnitt bereitgestellt wird. Der poröse Halbleitermaterialabschnitt stellt eine Membran zur Trennung der ersten Halbzelle von der zweiten Halbzelle der Batteriezelle bereit. Die Membran umfasst Kanäle, die zulassen, dass sich Ionen und/oder ein Elektrolyt zwischen dem ersten Hohlraum und dem zweiten Hohlraum bewegen. Weitere Teile der ersten Halbzelle und/oder der zweiten Halbzelle werden in mindestens einer weiteren separaten Halbleitersubstratschicht ausgebildet. Die erste Halbleitersubstratschicht und die mindestens eine weitere separate Halbleitersubstratschicht werden gestapelt, um die Batteriezelle oder mindestens Teile davon zu erhalten.
Gemäß einem weiteren Aspekt beziehen sich Ausführungsformen auf eine Batteriezelle. Die Batteriezelle umfasst einen porösen Abschnitt eines Halbleitersubstrats. Der poröse Abschnitt stellt eine Membran zum Abtrennen einer ersten Halbzelle von einer zweiten Halbzelle der Batteriezelle bereit oder fungiert als diese Membran. Die Membran umfasst Kanäle, die zulassen, dass sich Ionen und/oder ein Elektrolyt zwischen der ersten Halbzelle und der zweiten Halbzelle bewegen.
Gemäß einem weiteren Aspekt beziehen sich Ausführungsformen auf ein Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle, das ein Umwandeln eines Halbleitermaterials in eine poröse Membran umfasst. Die poröse Membran ist dazu ausgelegt, eine erste Halbzelle von einer zweiten Halbzelle der Batteriezelle zu trennen und umfasst Kanäle, die zulassen, dass sich Ionen und/oder ein Elektrolyt zwischen der ersten Halbzelle und der zweiten Halbzelle bewegen.
Gemäß einem weiteren Aspekt beziehen sich Ausführungsformen auf ein Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle, das ein Bilden der porösen Membran umfasst, was eine Erhöhung der Porosität eines Halbleitermaterials einschließt. Nach der Erhöhung der Porosität umfasst das Verfahren ferner ein Oxidieren des Halbleitermaterials.
Gemäß einem weiteren Aspekt beziehen sich Ausführungsformen auf eine Batteriezelle, die eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und eine poröse Membran zwischen der positiven und der negativen Elektrode umfasst. Die poröse Membran umfasst hauptsächlich ein oxidiertes Halbleitermaterial. Ferner steht ein Elektrolyt mit der positiven Elektrode, der negativen Elektrode und der porösen Membran in Kontakt.
Gemäß einem weiteren Aspekt beziehen sich Ausführungsformen auf ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle, das ein Umwandeln eines Halbleitermaterials in eine poröse Membran umfasst, wobei die poröse Membran dazu ausgelegt ist, eine erste Halbzelle von einer zweiten Halbzelle der elektrochemischen Zelle zu trennen. Die poröse Membran umfasst Kanäle, die zulassen, dass sich Ionen und/oder ein Elektrolyt zwischen der ersten Halbzelle und der zweiten Halbzelle bewegen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die elektrochemische Zelle eine Batteriezelle sein. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die elektrochemische Zelle eine Brennstoffzelle sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt beziehen sich Ausführungsformen auf ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle, das ein Bilden der porösen Membran umfasst, was eine Erhöhung der Porosität eines Halbleitermaterials einschließt. Nach der Erhöhung der Porosität umfasst das Verfahren ferner ein Oxidieren des Halbleitermaterials. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die elektrochemische Zelle eine Batteriezelle sein. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die elektrochemische Zelle eine Brennstoffzelle sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt beziehen sich Ausführungsformen auf eine elektrochemische Zelle, die eine Anode, eine Kathode und eine poröse Membran zwischen der Anode und der Kathode umfasst. Die poröse Membran umfasst hauptsächlich ein oxidiertes Halbleitermaterial. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die elektrochemische Zelle eine Batteriezelle sein. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die elektrochemische Zelle eine Brennstoffzelle sein. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann im Wesentlichen die gesamte poröse Membran aus einem oxidierten Halbleitermaterial bestehen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das oxidierte Halbleitermaterial Siliciumglas sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt beziehen sich Ausführungsformen auf eine elektrochemische Zelle, die eine Anode, eine Kathode und eine poröse Membran zwischen der Anode und der Kathode umfasst. Die poröse Membran umfasst hauptsächlich Siliciumglas. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann im Wesentlichen die gesamte poröse Membran aus Siliciumglas bestehen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die elektrochemische Zelle eine Batteriezelle sein. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die elektrochemische Zelle eine Brennstoffzelle sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt beziehen sich Ausführungsformen auf eine Batteriezelle, die eine poröse Membran aufweist, wobei die poröse Membran ein umgewandeltes Halbleitermaterial umfasst. Der poröse Abschnitt trennt eine erste Halbzelle von einer zweiten Halbzelle der Batteriezelle. Die poröse Membran umfasst Kanäle, die zulassen, dass sich Ionen und/oder ein Elektrolyt der ersten Halbzelle und der zweiten Halbzelle bewegen. Das umgewandelte Halbleitermaterial kann im Wesentlichen inert gegenüber Angriffen durch die Ionen und/oder den Elektrolyt sein.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Einige Ausführungsformen der Vorrichtungen und/oder Verfahren werden im Folgenden anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben, wobei
1 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Bilden einer Batteriezelle und die resultierende Batteriezelle zeigt;
2a, 2b und 2c eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden einer Batteriezelle und die resultierende Batteriezelle darstellen;
3 eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden einer porösen Trennmembran in einem ersten Substrat zeigt;
4 eine Ausführungsform einer in einen Stapel von separaten Halbleiterschichten integrierten Batteriezelle zeigt; und
5 eine Batteriezelle zeigt, die mit einer elektrischen Schaltung gekoppelt ist, die in mindestens eine der separaten Schichten des Stapels, der die Batteriezelle bildet, integriert ist.
6 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer Brennstoffzelle.
Genaue Beschreibung
Verschiedene beispielhafte Ausführungsformen werden nun vollständiger mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen einige beispielhafte Ausführungsformen veranschaulicht sind. In den Figuren können die Dicken von Linien, Schichten und/oder Bereichen der Klarheit halber übertrieben dargestellt sein.
Dementsprechend werden, obwohl beispielhafte Ausführungsformen verschiedene Abwandlungen und alternative Formen aufweisen können, Ausführungsformen davon beispielhaft in den Figuren gezeigt und hier im Einzelnen beschrieben. Es ist jedoch selbstverständlich, dass es nicht beabsichtigt ist, Ausführungsformen auf die offenbarten Formen zu beschränken, sondern beispielhafte Ausführungsformen sollen im Gegenteil alle Abwandlungen, Äquivalente und Alternativen, die in den Umfang der Offenbarung fallen, abdecken. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich in der Beschreibung der Figuren durchweg auf gleiche oder ähnliche Elemente.
Es ist selbstverständlich, dass, wenn ein Element als "verbunden" oder "gekoppelt" mit einem anderen Element bezeichnet wird, es direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder dazwischen liegende Elemente vorhanden sein können. Im Gegensatz dazu sind, wenn ein Element als "direkt verbunden" oder "direkt gekoppelt" mit einem anderen Element bezeichnet wird, keine dazwischen liegenden Elemente vorhanden. Andere Worte, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen den Elementen zu beschreiben, (z. B. "zwischen" versus "direkt zwischen", "benachbart" versus "direkt benachbart" usw.) sollten in einer ähnlichen Art und Weise interpretiert werden.
Die hier verwendete Terminologie dient nur dem Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und ist nicht dazu gedacht, für die Ausführungsformen einschränkend zu sein. Wie hier verwendet, sollen die Singularformen "ein", "eine" und "der", "die", "das" auch die Pluralformen umfassen, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes anzeigt. Es wird ferner darauf hingewiesen, dass die Begriffe "umfassen", "umfassend", "aufweisen" und/oder "aufweisend", wenn sie hier verwendet werden, die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, ganzen Zahlen, Schritte, Vorgänge, Elemente und/oder Komponenten spezifizieren, aber nicht die Anwesenheit oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen.
Wenn nicht anders definiert, haben alle hier verwendeten Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) die gleiche Bedeutung, wie sie allgemein von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem die Ausführungsformen gehören, verstanden wird. Es versteht sich ferner, dass Begriffe, wie z. B. diejenigen, die in allgemein verwendeten Wörterbüchern definiert sind, so interpretiert werden sollten, dass sie eine Bedeutung besitzen, die mit ihrer Bedeutung im Kontext des Standes der Technik konsistent ist, und nicht in einem idealisierten oder übermäßig formalen Sinn interpretiert werden sollten, es sei denn, sie sind hier ausdrücklich so definiert.
Die Begriffe "Träger" oder "Halbleiterträger", die in der folgenden Beschreibung verwendet werden, können jede Struktur auf Halbleiterbasis, die eine Halbleiteroberfläche besitzt, umfassen. Träger und Struktur sind so zu verstehen, dass sie Silicium (Si), Silicium-auf-Isolator (SOI), Silicium-auf-Saphir (SoS), dotierte und undotierte Halbleiter, Epitaxialschichten aus Silicium, die durch eine Basishalbleitergrundlage getragen werden, und andere Halbleiterstrukturen einschließen. Ferner umfasst der Begriff "Träger" oder "Halbleiterträger" jede Art von Halbleiterschicht, die kristallin, polykristallin oder amorph sein kann, die auf einem geeigneten Substratmaterial gebildet ist. Zusätzlich kann der Träger einen Isolator umfassen. Spezielle Beispiele umfassen Glas, z. B. Quarzglas (z. B. SiO₂), Keramiken oder Polymere. Ferner kann der Begriff "Substrat" jede Struktur auf Halbleiterbasis, die eine Halbleiteroberfläche aufweist, umfassen. Der Halbleiter muss nicht siliciumbasiert sein. Der Halbleiter könnte beispielsweise auch Siliciumcarbid, Silicium-Germanium, Germanium, Germanium, Galliumnitrid oder Galliumarsenid sein. Das Substrat kann einen Halbleiter oder einen Isolator umfassen. Spezifische Beispiele umfassen Glas (z. B. Siliciumoxid, SiO_x), Keramiken oder Polymere.
Die Begriffe "verbunden" oder "Verbund", wie sie im Kontext der vorliegenden Beschreibung verwendet werden, bedeuten, dass die jeweiligen Komponenten miteinander in Signalverbindung stehen können. Zum Beispiel können weitere Elemente zwischen den Bauteilen angeordnet sein. Ferner müssen die jeweiligen Komponenten nicht physikalisch verbunden sein, solange Signale zwischen ihnen ausgetauscht werden können. Darüber hinaus beinhalten die Begriffe "verbunden" und "Verbund" auch den Fall, in dem beispielsweise keine Spannung angelegt ist.
Batterien umfassen eine oder mehrere Batteriezellen. In einem Beispiel kann eine Batterie eine einzelne Batteriezelle sein. In einem weiteren Beispiel kann eine Batterie mehrere Batteriezellen aufweisen. Die Batteriezellen können miteinander gekoppelt (z. B. elektrisch miteinander gekoppelt) sein. Die Batteriezellen können elektrisch miteinander in Reihe und/oder parallel geschaltet sein. Eine Batteriezelle kann eine Primärbatteriezelle sein, die nicht wiederaufladbar ist. Eine Batteriezelle kann eine Sekundärbatteriezelle sein, die eine wiederaufladbare Batteriezelle ist. Eine Batterie kann eine Primärbatterie sein, die eine oder mehrere Primärbatteriezellen umfasst, die nicht wiederaufladbar sind. Eine Batterie kann eine Sekundärbatterie sein, die eine oder mehrere Sekundärbatteriezellen umfasst, die wiederaufladbar sind. Eine Batteriezelle kann auch als galvanische Zelle bezeichnet werden.
Eine Batterie (z. B. eine Batteriezelle) kann elektrische Energie aus einer spontanen Redox-Reaktion, die innerhalb der Zelle stattfindet, beziehen. Eine Batteriezelle ist ein Beispiel für eine elektrochemische Zelle.
Ein weiteres Beispiel einer elektrochemischen Zelle ist eine Brennstoffzelle. Im Gegensatz zu einer Batteriezelle kann eine Brennstoffzelle nicht entladen werden oder eine Aufladung benötigen. Sie kann so lange arbeiten, wie der Brennstoff und ein Oxidationsmittel kontinuierlich von außerhalb der Zelle zugeführt werden. Eine Brennstoffzelle kann die chemische Energie eines Brennstoffs durch eine chemische Reaktion mit Sauerstoff oder einem anderen Oxidationsmittel in Elektrizität umwandeln. Wasserstoff ist ein Beispiel eines Brennstoffs. Kohlenwasserstoffe wie Erdgas und Alkohole wie Methanol können ebenfalls verwendet werden. Brennstoffzellen benötigen eine ständige Quelle von Brennstoff und Sauerstoff/Luft, um die chemische Reaktion aufrechtzuerhalten. Sie können Strom erzeugen, solange diese Eingangsstoffe zugeführt werden. Es versteht sich, dass die hier präsentierten Ideen, obwohl sie in Bezug auf Batteriezellen erörtert werden, auch auf andere Formen von elektrochemischen Zellen, wie z. B. Brennstoffzellen, anwendbar sind.
Eine Batteriezelle kann zwei verschiedene Metalle umfassen, die durch eine Salzbrücke verbunden sind. Eine Batteriezelle kann einzelne Halbzellen umfassen, die durch eine poröse Membran voneinander getrennt sind. Jede der Halbzellen kann mindestens eine leitende Elektrode und einen Elektrolyt umfassen. Der Elektrolyt kann in der Lage sein, Ionen zu transportieren. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Elektrolyt jeder Halbzelle unterschiedlich sein. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Elektrolyt der Halbzellen der gleiche Elektrolyt sein. Eine Halbzelle kann als eine Teilzelle einer Batteriezelle verstanden werden.
Somit kann eine Batteriezelle eine erste Halbzelle und eine zweite Halbzelle umfassen. Die erste Halbzelle und die zweite Halbzelle können durch eine poröse Membran getrennt sein. Die erste Halbzelle kann eine positive Elektrode umfassen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die positive Elektrode für eine wiederaufladbare Batteriezelle als eine Kathode während des Entladens und als eine Anode während des Wiederaufladens fungieren. Für eine wiederaufladbare Batteriezelle kann die negative Elektrode als eine Anode während des Entladens und als eine Kathode während des Wiederaufladens fungieren.
Der Elektrolyt für eine wiederaufladbare Batteriezelle kann beispielsweise einen Feststoff, eine Flüssigkeit und/oder ein Gel umfassen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Elektrolyt einen nicht-festen Elektrolyten umfassen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Elektrolyt einen flüssigen Elektrolyten und/oder einen Gel-Elektrolyten umfassen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Elektrolyt einen flüssigen Elektrolyten umfassen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Elektrolyt einen Gel-Elektrolyten umfassen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Gel-Elektrolyt ein Polymermaterial umfassen.
Als ein Beispiel kann eine wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batteriezelle eine positive Elektrode, die beispielsweise ein Lithium enthaltendes Übergangsmetalloxid oder dergleichen umfasst, eine negative Elektrode, die beispielsweise ein Kohlenstoffmaterial umfasst, und einen nicht-wässrigen Elektrolyten sowie eine Trennmembran, die zwischen der positiven und der negativen Elektrode angeordnet ist, umfassen.
1 veranschaulicht schematisch ein Flussdiagramm eines beispielhaften Herstellungsverfahrens 1 oder eines Prozesses zur Bereitstellung (z. B. Bildung) einer Batterie (z. B. einer Batteriezelle) gemäß einer Ausführungsform.
Das im Folgenden beschriebene Verfahren 1 kann mehrere Verfahren oder Vorgänge verwenden, die in der Halbleitertechnik gut bekannt sind. Dementsprechend kann jede der bezüglich der Herstellung der Batteriezelle vorgenommenen Handlungen auch für die Verarbeitung einer integrierten Schaltung, die auf dem gleichen Chip gebildet werden kann, verwendet werden. Die in den beiliegenden Figuren gezeigten Beispiele veranschaulichen nur beispielhafte Vorgänge bei der Herstellung von Batteriezellenelementen. Nichtsdestotrotz ist es selbstverständlich, dass die verwendeten Prozesse oder ein Teil von ihnen auch für die Verarbeitung der in der Batteriezelle integrierten Schaltungselemente verwendet werden können, obwohl das nicht explizit in den Figuren gezeigt ist.
Gemäß Ausführungsformen umfasst das Verfahren 1 zur Bereitstellung (z. B. Bildung) der Batteriezelle einen Vorgang S10 zum Ausbilden einer porösen Membran aus einem Abschnitt eines Halbleitersubstrats. Die poröse Membran kann zur Abtrennung einer ersten Halbzelle von einer zweiten Halbzelle einer Batteriezelle dienen. In einigen Ausführungsformen kann das Halbleitersubstrat beispielsweise ein Halbleiterwafer sein. Die poröse Membran kann Kanäle aufweisen, die zulassen, dass sich Ionen, z. B. Li-Ionen, und/oder der Elektrolyt selbst zwischen der ersten Halbzelle und der zweiten Halbzelle bewegen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Elektrolyt beispielsweise für jede der Halbzellen ein Gel-Elektrolyt (wie etwa ein Polymer-Gel-Elektrolyt) sein. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Elektrolyt für jede der Halbzellen ein flüssiger Elektrolyt sein. In einigen Ausführungsformen kann der Elektrolyt für jede der Halbzellen ein beliebiger nicht-fester Elektrolyt sein. Die poröse Membran kann eine (semipermeable) Membran sein, die zulässt, dass bestimmte Moleküle oder Ionen, z. B. Lithium-Ionen im Falle der Li-Ionen-Batterien, durch sie hindurchtreten (etwa durch Migration oder Diffusion).
Wie später erläutert wird, kann die poröse Membran auch resistent oder inert gegen Angriffe durch den Elektrolyten und/oder durch die Ionen (z. B. Lithium-Ionen), die von dem Elektrolyten transportiert werden, sein.
Ferner kann das Verfahren 1 einen weiteren optionalen Vorgang S20 des Bereitstellens (z. B. durch Bilden) einer ersten Halbzelle und/oder einer zweiten Halbzelle umfassen. Die erste und die zweite Halbzelle sind oben beschrieben worden. Wie oben erwähnt, können die erste Halbzelle und die zweite Halbzelle jeweils eine Elektrode sowie ein Elektrolyt aufweisen. Die Elektrode der ersten Halbzelle kann beispielsweise eine positive Elektrode (beispielsweise eine Anode) oder eine negative Elektrode (beispielsweise eine Kathode) sein. Ebenso kann die Elektrode der zweiten Halbzelle eine negative Elektrode oder eine positive Elektrode sein (daher kann die Elektrode der zweiten Halbzelle eine entgegengesetzte Elektrode der ersten Halbzelle sein).
Die Elektrode der ersten Halbzelle und/oder die Elektrode der zweiten Halbzelle können jeweils in einer Schicht (z. B. einer Halbleiterschicht) angeordnet sein, die von der porösen Membran getrennt ist. Die Elektrode der ersten Halbzelle kann beispielsweise in einem Halbleitersubstrat (z. B. einem Halbleiterwafer) ausgebildet werden, das anders ist als das Halbleitersubstrat, das für die poröse Membran verwendet wird. Ebenso kann die Elektrode für die zweite Halbzelle beispielsweise in einem Halbleitersubstrat (z. B. einem Halbleiterwafer) ausgebildet werden, das sich von dem Halbleiterwafer der porösen Membran unterscheidet. In einigen Ausführungsformen kann die Elektrode der ersten Halbzelle eine leitfähige Schicht (z. B. eine metallische Schicht) umfassen. Die leitfähige Schicht kann eine Folie sein. Ebenso kann die Elektrode der zweiten Halbzelle in einigen Ausführungsformen eine leitfähige Schicht (z. B. eine metallische Schicht) umfassen. Die leitfähige Schicht kann eine Folie sein.
Daher kann die Batteriezelle zwei oder mehr getrennte Schichten aufweisen. Die einzelnen Schichten können beispielsweise zwei oder mehr getrennte Halbleitersubstrate umfassen. Die getrennten Schichten können eine oder mehrere Halbleiterschichten sowie eine oder mehrere leitfähige Schichten (wie etwa Folien, z. B. Beutelfolien) umfassen.
Bei einem weiteren optionalen Vorgang S30 des Verfahrens 1 können das erste Halbleitersubstrat und die mindestens eine weitere separate Schicht gestapelt oder aufgeschichtet werden, um die Batterie (z. B. die Batteriezelle) zu bilden. In einer oder mehreren Ausführungsformen können die getrennten Schichten während des Vorgangs S30 zusammengefügt werden.
Daher schlagen einige Ausführungsformen vor, eine oder mehrere Batteriezellen einer Batterie (z. B. einer sekundären oder wiederaufladbaren Batterie) wie etwa einer wiederaufladbaren oder sekundären Li-Ionen-Batterie herzustellen oder zu erzeugen, indem Strukturen der Batterie (z. B. eine Batteriezelle) in einem Stapel (einer Aufschichtung) von mindestens zwei getrennten Schichten, die übereinander gestapelt sind, bereitgestellt werden. In Ausführungsformen wird mindestens die poröse Trennmembran zu einer Halbleitersubstratschicht geformt, indem das Substratmaterial porös gemacht wird. In einigen Ausführungsformen werden die weiteren Strukturen wie Hohlräume und/oder Elektroden der ersten Halbzelle und/oder der zweiten Halbzelle durch weitere getrennte Halbleitersubstratschichten geformt oder bereitgestellt. Dies ermöglicht die Verwendung von bekannten Halbleiterverfahrenstechnologien und/oder die Anordnung der Batterie (z. B. der Batteriezelle) in nächster Nähe von integrierten Schaltungen, die in die gleichen Halbleitersubstratschichten wie die Batterie (z. B. die Batteriezelle) integriert werden können. Daher können Abmessungen von elektronischen Vorrichtungen weiter verringert werden.
Es wird nun mit Hinblick auf 2a, 2b und 2c eine beispielhafte Ausführungsform des Verfahrens 1 beschrieben, bei der eine Batterie (z. B. eine Batteriezelle) 20 durch Stapeln von drei Schichten bereitgestellt (z. B. gebildet) wird. In einem Beispiel können mindestens zwei der Schichten, Schicht 10 und Schicht 12, als separate, z. B. verschiedene, Halbleiterwafer vorgesehen sein. Die einzelnen Wafer 10, 12 können jeweils Wafer sein, die üblicherweise bei der Herstellung von integrierten Schaltungen und anderen Mikrovorrichtungen verwendet werden. Somit können die getrennten Substrate oder Wafer 10, 12 jedes der oben beschriebenen Materialien umfassen. Beispielsweise können die getrennten Substrate Siliciummaterial umfassen, das monokristallin, polykristallin oder amorph sein kann. Das Siliciummaterial kann mit einem beliebigen Dotierungsmittel dotiert werden, das üblicherweise verwendet wird, wie etwa Bor (B), Arsen (As), Phosphor (P) oder Antimon (Sb). Die dritte Schicht wird in diesem Ausführungsbeispiel durch eine flexible, leitfähige Schicht, z. B. eine Folie, bereitgestellt.
2a, auf die sich zuerst bezogen wird, zeigt die Verarbeitungsvorgänge S10 des Ausbildens einer porösen Membran 16. In einigen Ausführungsformen können die Vorgänge S10 des Ausbildens einer porösen Membran 16 aus mindestens einem Teil einer ersten Schicht bzw. eines ersten Substrats 10 (z. B. einer ersten Halbleiterschicht oder eines ersten Halbleitersubstrats) ein Umwandeln des Abschnitts der Schicht bzw. des Substrats 10 in die poröse Membran 16 umfassen. Die Umwandlung kann beispielsweise eine chemische Umwandlung sein, die durch Auftragen einer Chemikalie auf die Schicht bzw. das Substrat 10 erreicht werden kann. In einigen Ausführungsformen kann die Umwandlung auf andere Weise erreicht werden, wie etwa durch Anwendung von Wärme oder elektromagnetischer Strahlung. Die Vorgänge S10 können somit den Vorgang der Umwandlung (z. B. eine chemische Umwandlung) eines Halbleitermaterials in eine poröse Membran umfassen.
2a, auf die sich nun bezogen wird, zeigt eine Folge von Verarbeitungsvorgängen S10, die die Vorgänge S11, S12 und S13 umfasst. Mit Bezug auf den Verarbeitungsvorgang S11 wird eine Halbleiterschicht bzw. ein Halbleitersubstrat 10 bereitgestellt. Die Schicht bzw. das Substrat 10 kann z. B. ein Halbleiterwafer sein. Der Vorgang S12, auf den nun Bezug genommen wird, zeigt, dass Maskierungsschichten 14 über beiden Seiten der ersten Schicht oder des ersten Substrats 10 bereitgestellt (z. B. gebildet) werden. Der Vorgang S12 zeigt auch, dass jede der Maskierungsschichten 14 durch Entfernen von Abschnitten der Schichten 14 strukturiert wird. Lithographische Verfahren zum Definieren einer Position bestimmter Strukturen und Ätzverfahren können typischerweise bei der Mikrofabrikation verwendet werden, um während der Herstellung Schichten von einer Oberfläche der Schichten bzw. der Substrate 10 chemisch zu entfernen.
Der Vorgang S12, auf den nun Bezug genommen wird, zeigt, dass die erste Schicht bzw. das erste Substrat 10 dann durch eine oder mehrere Ätzmittel 15 geätzt werden kann, um Hohlräume 17-1 und 17-2 auf beiden Seiten der Schicht bzw. des Substrats 10 zu bilden. Die Hohlräume 17-1 und 17-2 können beispielsweise Furchen oder Löcher sein. Im Allgemeinen können sie jede laterale Querschnittsform aufweisen.
Das Ätzen, um die Hohlräume 17-1 und 17-2 zu bilden, kann durch herkömmliche nasse und/oder trockene (Plasma-)Ätzverfahren unter Verwendung jeweiliger Ätzmittel 15 wie etwa ("nassen") Flüssigphasen- oder ("trockenen") Plasmaphasenätzmitteln durchgeführt werden. Es wird beobachtet, dass bei der dargestellten Ausführungsform die Öffnungen 17-1 und 17-2 nicht durch die gesamte Schicht bzw. das gesamte Substrat 10 reichen.
Wie weiter aus der Prozessübersicht von 2a ersichtlich ist, kann das Bilden der porösen Membran 16 aus mindestens einem Teil der ersten Schicht bzw. des ersten Substrats 10 (S10) auch das Bilden (z. B. Ätzen) mindestens eines Teils eines ersten Hohlraums 17-1 für eine erste Halbzelle 26-1 in einer ersten (z. B. oberen) Oberfläche des ersten Substrats 10 umfassen, so dass ein Boden des ersten Hohlraums 17-1 durch Substratmaterial unterhalb der ersten Oberfläche definiert ist oder daraus besteht (siehe S13). Das heißt, dass der erste Hohlraum 17-1 nicht durch das ganze Substrat 10 reichen kann. Stattdessen kann seine Tiefe geringer als die Substratdicke sein, die beispielsweise im Bereich von 100 μm bis 200 μm liegen kann. Ferner kann mindestens ein Teil eines zweiten Hohlraums 17-2, der einer zweiten Halbzellen 26-2 entspricht, in einer zweiten (z. B. unteren) Oberfläche des ersten Substrats 10 gegenüber der ersten Oberfläche gebildet (geätzt) werden, so dass ein Boden des zweiten Hohlraums 17-2 von einer Schicht 16 aus Substratmaterial, die den ersten Hohlraum 17-1 von dem zweiten Hohlraum 17-2 trennt, bereitgestellt wird. Wieder kann der zweite Hohlraum 17-2 nicht durch das ganze Substrat 10 reichen. Stattdessen kann die Tiefe auch kleiner als die Dicke des Substrats sein. Ein Volumen des ersten und/oder des zweiten Hohlraums 17-1, 17-2 kann von der angestrebten Batteriekapazität(z. B. Batteriezellenkapazität) abhängig sein.
Der Vorgang S13, auf den nun Bezug genommen wird, zeigt die Bildung der porösen Membran 16. Die Porosität von mindestens einem Teil der Schicht bzw. des Substrats 10 wird erhöht. In einigen Ausführungsformen kann der Vorgang S13 durch Erhöhen der Porosität eines Halbleitermaterials erreicht werden.
In einigen Ausführungsformen kann die Porosität durch elektrochemisches Ätzen der Schicht bzw. des Substrats 10 erhöht werden. Je nach Art des Ätzens und der Art und/oder der Konzentration eines Dotierungsmittels in dem Halbleiter können poröse Schichten mit unterschiedlicher Dicke, unterschiedlicher Porosität und unterschiedlichen Strukturabmessungen (z. B. Poren mit Durchmessern von einigen nm bis zu einigen μm) erhalten werden. Zum Beispiel kann eine poröse Siliciumschicht durch Anodisieren von Siliciumwafern in Fluorwasserstoffsäure/Ethanol/Wasser-(HF/EtOH/H₂O) und Fluorwasserstoffsäure/Tensid/Wasser-(HF/Decon/H₂O) Elektrolyten hergestellt werden. Physikalische Parameter wie Dicke und Porosität des gebildeten porösen Siliciums können als eine Funktion der jeweiligen Konzentrationen von HF, EtOH, Decon bestimmt werden. Zum Beispiel kann eine höhere HF-Konzentration die Porosität verringern, während eine höhere EtOH-Konzentration die Porosität erhöhen kann und dabei helfen kann, sowohl eine einheitliche Anodisierung als auch poröse Siliciumschichten zu erzeugen. Natürlich sind auch andere Verfahren möglich, um poröses Silicium zu erhalten.
Während eines optionalen weiteren Verarbeitungsvorgangs kann mindestens ein Oberflächenabschnitt der porösen Membran 16 oxidiert werden. In einigen Ausführungsformen kann die Oxidation der porösen Membran mindestens einen Abschnitt des porösen Materials oxidieren (z. B. kann mindestens ein Teil des Hauptmaterials oxidiert sein). In einigen Ausführungsformen kann im Wesentlichen das gesamte Material der porösen Membran 16 vollständig oxidiert werden. In einigen Ausführungsformen können mindestens 25 % (z. B. des Volumens) des Materials der porösen Membran 16 oxidiert werden. In einigen Ausführungsformen können mindestens 50% (z. B. des Volumens) des Materials der porösen Membran 16 oxidiert werden. In einigen Ausführungsformen können mehr als 50% (z. B. des Volumens) des Materials der porösen Membran 16 oxidiert werden. In einigen Ausführungsformen können mindestens 75% (z. B. des Volumens) des Materials der porösen Membran 16 oxidiert werden. In einigen Ausführungsformen können mindestens 90% des Materials der porösen Membran 16 oxidiert werden. In einigen Ausführungsformen kann im Wesentlichen das gesamte Material der porösen Membran 16 oxidiert werden.
Die Oxidation kann mindestens teilweise dabei helfen, eine Einlagerung von Ionen (z. B. Lithium-Ionen) in die poröse Membran 16 zu verhindern. Das heißt, dass durch die Oxidation der porösen Membran 16 die poröse Membran 16 chemisch inert gemacht wird. In dem Fall, in dem die Schicht bzw. das Substrat 10 Si umfasst, kann die Oxidation der porösen Membran 16 das Si in ein Glas (z. B. Siliciumglas) umwandeln. Das Siliciumglas kann beispielsweise Siliciumdioxid sein. Das Glas kann beispielsweise SiO_x umfassen. Das SiO_x kann beispielsweise SiO₂ umfassen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die poröse Membran 16 Si umfassen. Die Oxidation der porösen Membran 16 kann das Si in SiO_x umwandeln. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das SiO_x SiO₂ umfassen.
Aufgrund der Oxidation der porösen Membran 16 kann auch die verbleibende erste Schicht bzw. das erste Substrat 10 durch eine dünne Schicht aus Oxid bedeckt sein. Das heißt, dass das Verfahren zum Bilden der Batterie (z. B. der Batteriezelle) 20 eine Oxidation mindestens einer Materialoberfläche der porösen Membran 16 umfassen kann. Die Oxidation kann eine thermische Oxidation umfassen.
In einer Ausführungsform kann die Oxidation der porösen Membran 16 zu der Oxidation von nur einer Materialoberfläche der porösen Membran 16 führen. In einigen Ausführungsformen kann die Oxidation der porösen Membran zu der Oxidation des Hauptteils der porösen Membran führen. In einigen Ausführungsformen kann ein überwiegender Teil des Materials der porösen Membran oxidiert werden. In einigen Ausführungsformen kann im Wesentlichen die gesamte poröse Membran oxidiert werden. In einigen Ausführungsformen können mindestens 25% der porösen Membran oxidiert werden. In einigen Ausführungsformen können mindestens 50% der porösen Membran oxidiert werden. In einigen Ausführungsformen können mehr als 50% der porösen Membran oxidiert werden. In einigen Ausführungsformen können mindestens 75% der porösen Membran oxidiert werden. In einigen Ausführungsformen können mindestens 90% der porösen Membran oxidiert werden. In einigen Ausführungsformen beziehen sich die angegebenen Prozentsätze auf das Volumen der porösen Membran (z. B. das Volumen des Materials der porösen Membran).
Die Oxidation der porösen Membran kann auf verschiedene Arten erreicht werden. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Oxidation ein nasses Oxidationsverfahren umfassen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Oxidationsverfahren die Anwendung von einer oder mehreren Chemikalien umfassen. Beispielsweise kann die Oxidation unter Verwendung von HCl und Ethanol erzielt werden. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Oxidationsverfahren ein trockenes Oxidationsverfahren umfassen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Oxidationsverfahren ein thermisches Verfahren umfassen. Beispielsweise kann die Oxidation durch Erhitzen des Materials der porösen Membran erzielt werden. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Oxidationsverfahren ein Plasmaverfahren (z. B. Plasma-Oxidation) umfassen. Die Plasma-Oxidation kann in einem Sauerstoffplasma auftreten.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Oxidationsprozess eine nasse und/oder eine trockene Oxidation umfassen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Oxidationsverfahren nur ein oder mehrere nasse Verfahren umfasst. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Oxidationsverfahren nur ein oder mehrere trockene Verfahren umfassen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Oxidationsverfahren ein chemisches Verfahren und/oder ein thermisches Verfahren und/oder ein Plasmaverfahren umfassen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Oxidationsverfahren ein thermisches Verfahren und/oder ein Plasmaverfahren umfassen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Oxidationsverfahren ein thermisches Verfahren umfassen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann es möglich sein, dass die Verwendung nur eines chemischen Verfahrens, um die poröse Membran zu oxidieren, nicht ausreicht ist, um eine ausreichende Oxidation zu erreichen, um die poröse Membran vor ihrer Umgebung (z. B. vor ihrer chemischen Umgebung) zu schützen.
Es ist zu beachten, dass das Oxidationsverfahren die poröse Membran inert gegenüber Angriffen bestimmter Ionen und/oder bestimmter Elektrolyte machen kann. Beispielsweise kann es dazu beitragen, die poröse Membran inert für einen Angriff durch Li-Ionen zu machen. Es kann auch dabei helfen, die poröse Membran inert gegenüber einem Angriff durch Na-Ionen zu machen.
Es ist zu beachten, dass es andere Möglichkeiten gibt, um die poröse Membran inert gegenüber Angriffen von Ionen (z. B. Li-Ionen und/oder anderen Ionen, wie Na-Ionen) und/oder Angriffen durch den Elektrolyten zu machen.
3 stellt einige beispielhafte Herstellungsvorgänge zum Bilden (S10) der porösen Membran 16 dar.
Während eines ersten Herstellungsvorgangs a), der in 3 gezeigt ist, kann ein erster Hohlraum 17-1 in eine vordere Fläche des Si-Wafers 10 geätzt werden, um etwas Raum für den Elektrolyten zu erhalten. Während eines weiteren Herstellungsvorgangs b), der in 3 gezeigt ist, kann ein poröser Abschnitt bzw. eine poröse Schicht 16 in den ersten Hohlraum 17-1 oder den Boden davon (elektrochemisch) geätzt werden. Während eines weiteren Herstellungsvorgangs c), der in 3 gezeigt ist, kann die poröse Schicht 16 vollständig oder mindestens zu einem großen Teil oxidiert werden, um eine spätere Einlagerung von Ionen (z. B. Lithium-Ionen) in der porösen Schicht oder Membran 16 zu vermeiden. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Oxidieren der porösen Schicht 16 sie chemisch inert machen. Im Fall eines Silicium-Wafers 10 kann die Oxidation der porösen Si-Schicht 16 beispielsweise zu einer porösen Schicht aus SiO_x, z. B. porösem Glas, wie etwa SiO₂, führen. Aufgrund der Oxidation der porösen Schicht 16 kann auch der restliche Wafer mit einer dünnen Oxidschicht bedeckt sein. Das heißt, dass das Verfahren zur Bereitstellung der Batterie (z. B. der Batteriezelle) 20 während oder nach der Bereitstellung der porösen Membran 16 innerhalb des ersten Substrats 10 ein Oxidieren einer Materialoberfläche des gebildeten porösen Abschnitts bzw. der gebildeten porösen Schicht 16 umfassen kann, so dass mindestens eine Oberfläche der porösen Membran 16 ein oxidiertes Halbleitermaterial umfasst. Der Oxidationsvorgang c), der in 3 gezeigt ist, kann gemäß einigen Ausführungsformen eine thermische Oxidation des Substratmaterials umfassen.
Gemäß dem Herstellungsvorgang d), der in 3 gezeigt ist, kann ein zweiter Hohlraum 17-2 in die Rückseite des Wafers 10 geätzt werden, um einen Raum für den Elektrolyten in der zweiten Halbzelle zu schaffen, um die poröse Schicht 16 zu offenbaren, und um die Schicht 16 als die poröse Membran beizubehalten. Ein Ätzmittel wie beispielsweise Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH), das mindestens für den Vorgang d) von 3 verwendet wird, kann Si selektiv entfernen und das Glas (SiO_x) der Schicht 16 erhalten.
Die poröse Membran 16 kann zwischen den beiden Öffnungen 17-1, 17-2, die auf gegenüberliegenden Seiten der Schicht 10 liegen, angeordnet sein. Die poröse Schicht 16 zwischen den zwei benachbarten Hohlräumen 17-1, 17-2, die eine kleinere Höhe oder Dicke als das erste Substrat 10 besitzt, entspricht einem Materialbereich, in dem die poröse Membran 16 als ein Trennelement zwischen der ersten und der zweiten Halbzelle 26-1, 26-2 der galvanischen Zelle oder Batterie 20 gebildet wird (wie in 4 gezeigt). Während das erste Substrat 10 eine Gesamtdicke von beispielsweise etwa 150 μm aufweisen kann, kann die poröse Membran 16 eine Dicke von etwa 50 μm aufweisen. Daher kann der erste und/oder der zweite Hohlraum 17-1, 17-2 auch jeweils eine Tiefe von etwa 50 μm besitzen. Größere oder kleinere Abmessungen sind möglich. Die poröse Trennmembran 16 kann in dem Boden des ersten und/oder des zweiten Hohlraums 17-1, 17-2 jeweils so ausgebildet werden, dass der Boden des ersten und/oder des zweiten Hohlraums 17-1, 17-2 durch die poröse Membran 16 bereitgestellt oder gebildet wird. Mit anderen Worten grenzt oder trennt die poröse Trennmembran 16 die erste Halbzelle 26-1 von der zweiten Halbzelle 26-2 ab.
Mit Bezug auf 2b kann gemäß einigen Ausführungsformen der optionale Vorgang S20 des Bereitstellens weiterer Teile der ersten Halbzelle und/oder der zweiten Halbzelle ein Bilden mindestens einer Elektrodenstruktur 18 für mindestens eine der Halbzellen 26-1, 26-2 in der mindestens einen separaten zweiten Schicht bzw. in dem mindestens einen separaten zweiten Substrat 12 umfassen. Dies ist schematisch durch optionale Herstellungsvorgänge S21 bis S23 von 2b veranschaulicht.
Für das Bereitstellen der Elektrodenstruktur 18 kann ein Hohlraum 19 in der Oberfläche des Substrats 12 gebildet werden (S22). Der Hohlraum 19 kann durch allgemein bekannte Ätzverfahren, die bei der Halbleiterherstellung verwendet werden, gebildet werden, beispielsweise durch nasschemisches Ätzen unter Verwendung von Kaliumhydroxid (KOH), um geneigte Seitenflächen des Hohlraums 19 in Abhängigkeit von der Kristallrichtung bereitzustellen, wenn ein Substrat oder ein Träger 12 aus monokristallinem Silicium verwendet wird. Dennoch ist es selbstverständlich, dass alternative Ätzverfahren (z. B. trockenes Ätzen) eingesetzt werden können.
Die Tiefe des Hohlraums 19 kann so gewählt werden, dass beispielsweise eine gewünschte Speicherkapazität der Batteriezelle erreicht wird. Der Boden des Hohlraums 19 kann eine aktive Siliciumoberfläche bilden.
Ferner kann eine Passivierungsschicht (nicht gezeigt), die die Funktion einer Diffusionssperre besitzt, über der Oberfläche des Substrats 12 gebildet oder bereitgestellt werden, während die Unterseite des Hohlraums 19 unbedeckt gelassen wird. Die Passivierungsschicht kann Siliciumoxid (SiO₂) und/oder Siliciumnitrid (Si₃N₄), Polymere, Imide, Spin-on-Glas (SOG), Polyethylen oder eine beliebige Kombination dieser Materialien umfassen. Weitere Beispiele umfassen Metalle oder Kombinationen von Metallen und den oben erwähnten Materialien. Während der Abscheidung der Passivierungsschicht kann die Unterseite des Hohlraums 19 in dem zweiten Substrat 12 durch ein geeignetes Material maskiert werden, um die Abscheidung der Passivierungsschicht zu verhindern.
Dann kann wahlweise und in 2b nicht im Einzelnen dargestellt eine Verarbeitung, um eine dreidimensionale Struktur 21, z. B. eine Furchenstruktur, zu bilden, in der aktiven Fläche auf der Unterseite des Hohlraums 19 so durchgeführt werden, dass seine Oberfläche vergrößert wird. Diese Verarbeitung kann lithographische Verfahren, ein Strukturieren durch Ätzprozesse, eine Durchführung elektrochemischer Prozesse, nasschemische Verfahren und ein Bilden einer nativen Hochtemperaturstruktur unter Verwendung eines geeigneten Abscheidungsprozesses umfassen. Dadurch wird die Einlagerung von Li-Ionen erleichtert und eine mechanische Ausdehnung eines Elektrodenmaterials aufgrund einer Einlagerung von Lithium kann kompensiert werden. Zum Beispiel können Furchen, Pyramiden, Säulen und andere Formen auf der Unterseite des Hohlraums 19 gebildet werden. Beispielsweise können diese Vorgänge unter Verwendung der Passivierungsschicht als Maske durchgeführt werden.
Danach kann eine dünne Metallschicht über dem freiliegenden Siliciummaterial gebildet oder bereitgestellt werden, die die Elektrode, z. B. eine Anode, bildet. Zum Beispiel kann die Metallschicht eine Dicke von etwa 10 bis 100 nm aufweisen. Das Material kann Metalle wie etwa Ag, Al, Au, Pd oder Pt umfassen, die eine Legierung mit Lithium bilden können. Weitere Beispiele umfassen Zn, Cd, Hg, B, Ga, En, Th, C, Si, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Be, Se und Te. Beispielsweise kann die Metallschicht durch Sputtern oder durch jedes andere Abscheidungsverfahren, das allgemein bekannt ist, gebildet werden. Ag bildet beispielsweise eine Legierung mit Lithium bei einer Spannung von etwa 500 mV, während Si eine Legierung bei einer Spannung von etwa 330 mV bildet. Daher wird, wenn eine Ag-Metallschicht eingesetzt wird, eine Ag-Li-Legierung auf der Oberfläche der Anode 18 gebildet, bevor das Si-Material mit Lithium beladen wird, so dass die Li-Ionen sich in einer homogenen Weise zu der Si-Anode bewegen. Ferner wird aufgrund der Legierungsschicht die Bildung der nativen SiO₂-Schicht auf der Anodenoberfläche verhindert, so dass der Transport der Ionen weiter verstärkt wird. Darüber hinaus wird das Einlagern von Li-Atomen in der Si-Anode auf eine homogenere Art und Weise erreicht, so dass das Leistungsvermögen der Lithium-Batterie (z. B. der Batteriezelle) verbessert wird. Außerdem wird durch die Anwesenheit der dünnen Metallschicht die mechanische Stabilität der Elektrode beim Laden und Entladen verbessert. Das heißt, dass die Anodenstruktur 18 ferner eine Schicht umfassen kann, die ein Metall umfasst, das auf einer Seite der Anode, die dem Elektrolyt zugewandt ist, angeordnet ist, wobei die Anode eine Komponente, die aus Silicium hergestellt ist, umfassen kann.
Es wurde beobachtet, dass die Ladezeit während eines ersten Ladezyklus erhöht sein wird. Dies kann aufgrund der dünnen Metallschicht, die auf der Oberfläche der Anodenstruktur 18 vorhanden ist, so sein. Dennoch wird nach einer Anzahl von Ladezyklen die Ladegeschwindigkeit genauso groß sein wie in dem Fall, in dem eine Anode ohne eine Metallschicht verwendet wird.
Nachdem die poröse Membran 16 und die weiteren Strukturen 18, 19, 21 in den unterschiedlichen Schichten bzw. Substraten 10, 12 gebildet oder bereitgestellt worden sind, können die Substrate 10, 12 übereinander gestapelt werden, um die Batterie (z. B. die Batteriezelle) 20 oder mindestens Teile davon durch entsprechende Strukturen in den gestapelten Substraten 10, 12 zu bilden. Dies wird durch Vorgang S30 in 2c dargestellt. Daher kann das Stapeln des ersten Substrats 10 und des mindestens einen weiteren separaten Substrats 12 ein Verbinden des ersten und des mindestens einen weiteren separaten Substrats beispielsweise durch Bonden und/oder Kleben (siehe Bezugszeichen 24) der getrennten Substrate 10, 12 umfassen, wie es von herkömmlichen Halbleiterherstellungsverfahren bekannt ist. In dem Beispiel von 2c ist ersichtlich, dass der zweite Hohlraum 17-2 in dem Substrat 10 und der Hohlraum 19 in dem Substrat 12 zusammen einen Hohlraum oder ein Volumen für einen Elektrolyten der zweiten Halbzelle 26-2 bilden. Der erste Hohlraum 17-1 in dem Substrat 10 bildet einen Hohlraum oder ein Volumen für den Elektrolyten der ersten Halbzelle 26-1.
In dem Beispiel von 2c kann die erste Halbzelle 26-1 durch eine weitere Elektrodenstruktur 22 bedeckt werden, um beispielsweise eine Kathode bereitzustellen oder zu bilden. Für die Kathode können beispielsweise allgemein bekannte elektrische Materialien, die in Lithiumionen-Batterien verwendet werden können, eingesetzt werden. Beispiele umfassen LiCoO₂, LiNiO₂, LiNi_1-xCo_xO₂, LiNi_0,85Co_0,1Al_0,05O₂, LiNi_0,33Co_0,33Mn_0,33O₂, LiMn₂O₄, Spinell und LiFePO₄. Diese Elektrodenstruktur 22 kann in einer weiteren separaten Halbleitersubstratschicht ausgebildet sein oder beispielsweise mittels einer leitfähigen Folie wie etwa einem Folienbeutel bereitgestellt werden.
Nach der Fertigung der Strukturen der Batteriezelle 20 kann ein Elektrolyt in die erste Halbzelle und/oder die zweite Halbzelle 26-1, 26-2 gefüllt werden. Der Elektrolyt kann Elektrolyte, die im Allgemeinen für Lithiumbatterien verwendet werden, wie etwa Salze wie LiPF₆, LiBF₄ in wasserfreien aprotischen Lösungsmitteln wie Propylencarbonat, Dimethylcarbonat oder 1,2-Dimethoxymethan, Ethylencarbonat, Diethylcarbonat und anderen Polymeren wie z. B. Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropen (PVDF-HFP) oder anderen Polymeren, Li₃PO₄N und anderen umfassen. Zu diesem Zweck kann, wie in der beispielhaften schematischen Querschnittsansicht von 4 ersichtlich, mindestens eine Öffnung 31 zu mindestens einem Hohlraum 17-1, 17-2 der ersten Halbzelle und/oder der zweiten Halbzelle 26-1, 26-2 in dem mindestens einen weiteren separaten Substrat bereitgestellt werden. Dann kann der Elektrolyt in den mindestens einen Hohlraum 17-1, 17-2 durch die mindestens eine Öffnung 31 gefüllt werden. Nach dem Einfüllen des Elektrolyts in den mindestens einen Hohlraum kann die mindestens eine Öffnung 31 wieder verschlossen werden.
Somit können Ausführungsformen des beschriebenen Verfahrens S1 eine Batteriezelle 20 ergeben, die einen porösen Bereich 16 eines Halbleitersubstrats 10 umfasst, wobei der poröse Abschnitt 16 als Membran zur Trennung einer ersten Halbzelle 26-1 von einer zweiten Halbzelle 26-2 der Batteriezelle 20 fungiert oder eine solche Membran bereitstellt, wobei die Membran 16 Kanäle umfasst, die zulassen, dass sich Ionen und/oder ein Elektrolyt zwischen der ersten Halbzelle und der zweiten Halbzelle 26-1, 26-2 bewegen.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Batteriezelle 20 einen Stapel von mehreren getrennten Substratschichten 10, 12 umfassen, wobei die poröse Membran 16 in einer ersten Halbleitersubstratschicht 10 des Stapels bereitgestellt wird. Weitere Teile der ersten Halbzelle 26-1 und/oder der zweiten Halbzelle 26-2 wie etwa Hohlräume und/oder Elektroden können in mindestens einer weiteren separaten Schicht 12 des Stapels bereitgestellt oder gebildet werden. Die mindestens eine weitere separate Schicht 12, 22 kann durch weitere separate Halbleiterwafer und/oder flexible Folien, die Beutelfolien umfassen, zum Verschließen des mindestens einen Hohlraums 17-1, 17-2 der ersten Halbzelle und/oder der zweiten Halbzelle 26-1, 26-2 und zum Bereitstellen mindestens einer Elektrode realisiert werden.
Materialien der Elektrodenstruktur 22 können die oben erwähnten Beispiele umfassen. Zudem kann die Elektrodenstruktur 22 beispielsweise durch Metallfolien bereitgestellt werden oder sie kann in einem dritten Halbleitersubstrat durch ein ähnliches Verfahren hergestellt werden, wie es mit Bezug auf das zweite Halbleitersubstrat 12 und seine Elektrode 18 beschrieben worden ist. Das heißt, dass das Verfahren 1 zum Bereitstellen der Batteriezelle 20 auch ein Bereitstellen einer zweiten Elektrode 22 für die zweite Halbzelle in einem separaten dritten Halbleitersubstrat 32 umfassen kann, wie es in dem Beispiel von 4 dargestellt ist. Das erste Halbleitersubstrat 10 kann zwischen dem zweiten Halbleitersubstrat 12 und dem dritten Halbleitersubstrat 32 angeordnet werden, um den geschichteten Substratstapel zu erhalten, der eine dreidimensionale Struktur der Batteriezelle 20 umfasst, wobei die Struktur die erste Halbzelle 26-1 mit ihrer Elektrode 22, die zweite Halbzelle 26-2 mit ihrer Elektrode 18 und die poröse Membran 16 zwischen der ersten Halbzelle und der zweiten Halbzelle 26-1, 26-2 umfasst. Eine Ausführungsform einer resultierenden gestapelten Batteriezelle 20 ist schematisch in 4 dargestellt.
Wie durch die Querschnittansicht von 4 gezeigt, umfasst die Batteriezelle 20 eine erste Elektrode 22 für die erste Halbzelle 26-1, die in einer separaten zweiten (Halbleiter-)Substratschicht 32 gebildet wird. Eine zweite Elektrode 18 für die zweite Halbzelle 26-2 wird in einer separaten dritten (Halbleiter-)Substratschicht 12 gebildet. Die erste (Halbleiter-)Substratschicht 10 ist zwischen der zweiten und der dritten Substratschicht 12-1, 12-2 angeordnet, um den Stapel mit zu erhalten, der eine einer Struktur der Batteriezelle 20 umfasst, wobei die Struktur die erste Halbzelle 26-1 mit der ersten Elektrode 22, die zweite Halbzelle 26-2 mit der zweiten Elektrode 18 und die porösen Membran 16 zwischen der ersten Halbzelle 26-1 und der zweiten Halbzelle 26-2 umfasst.
5 zeigt eine Querschnittsansicht einer integrierten Schaltung (IC) 40, die mit einer Batteriezelle 20 gekoppelt ist.
In 5 kann die Batteriezelle 20 eine Struktur besitzen, die der oben erläuterten und erwähnten Struktur ähnlich ist. Hier werden beide Elektroden 18, 22 in einem Beispiel von zwei getrennten Schichten aus flexiblen leitfähigen Folien bereitgestellt, die jeweils die erste Halbzelle 26-1 und die zweite Halbzellen 26-2 verschließen. Die Elektroden 18, 22 sind mit der integrierten Schaltung 40 gekoppelt, um sie mit elektrischer Energie zu versorgen. Ferner können Schaltungselemente 41 bis 44 der integrierten Schaltung 40 in oder auf dem gleichen Halbleitersubstrat 10 wie die poröse Membran 16 der Batteriezelle 20 bereitgestellt werden. Beispielsweise können die Schaltungselemente 41 bis 44 Transistoren, Widerstände, Kondensatoren, MEMS-Vorrichtungen (Vorrichtungen mit mikroelektromechanischen Systemen), Sensoren, Energie-Sammler wie z. B. Vorrichtungen, die Energie aus externen Quellen (z. B. Solarenergie, Wärmeenergie, Windenergie, Salzgradienten und kinetischer Energie) ableiten, eine Vorrichtung zum Empfang von Energie, eine Vorrichtung zum Umwandeln von Energie wie beispielsweise eine Solarzelle, eine Vorrichtung zur Energieabgabe wie RFID (Funkfrequenz-Identifizierungsvorrichtungen), eine Anzeigevorrichtung, ein Videogerät oder ein Audiogerät, ein Musik-Abspielgerät, eine Signalverarbeitungsschaltung, eine Informationsverarbeitungsschaltung, eine Informationsspeicherschaltung, oder Komponenten von jeder dieser Vorrichtungen und dergleichen umfassen. Weitere Beispiele der Schaltungselemente 41 bis 44 umfassen Schaltungen, die einen Lade- oder Entladevorgang für die Batteriezelle 20 steuern. Beispielsweise können die Schaltungselemente 41 bis 44 dazu konfiguriert sein, das Laden der Batteriezelle 20 zu steuern, so dass der Ladevorgang gestoppt wird, bevor ihre komplette Speicherkapazität erreicht ist. Die Schaltungselemente 41 bis 44 können in dem Halbleitersubstrat 10 ausgebildet werden oder sie können in separaten Schichten gebildet werden, die über dem Halbleitersubstrat 10 angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen können die getrennten Schichten auch getrennte Halbleitersubstrate 12, 32 sein, wie bereits mit Bezug auf 4 erläutert worden ist. Dadurch können die getrennten Halbleitersubstrate 12, 32 zusätzliche dreidimensionale Strukturen der Batteriezelle 20 wie etwa weitere Hohlräume, Rillen, Vertiefungen und/oder Elektroden umfassen.
Die Batteriezelle 20 kann in dem gleichen Halbleitersubstrat 10 wie die IC 40 ausgebildet werden. Alternativ können mindestens Teile der Batteriezelle 20 in einer Schicht, die über dem Halbleitersubstrat 10 angeordnet ist, gebildet werden. Ein Element-Trenngraben 50 kann zwischen die Batteriezelle 20 und der IC 40 gebildet werden, um die Diffusion von Lithiumatomen in die integrierte Schaltung 40 zu verhindern. Der Element-Trenngraben 50 kann mit Materialien (z. B. Siliciumoxid und/oder Siliciumnitrid) einer Passivierungsschicht, die weiter oben erwähnt worden ist, gefüllt werden. Abhängig von dem verwendeten Herstellungsverfahren können die Passivierungsschicht und der Element-Trenngraben 50 der integrierten Schaltung 40 aus den gleichen Schichten hergestellt werden.
Gemäß Ausführungsformen können alle Elemente einer Batteriezelle, mindestens jedoch die Trennmembran, auf einem Wafer hergestellt werden und gestapelt und miteinander gekoppelt werden. Die erforderlichen Hohlräume und Strukturen können in die jeweilige Substratschicht, z. B. Si und/oder Glas, geätzt werden. Dann können Feststoffe, die für die Batteriezelle erforderlich sind, in oder auf den Substraten (z. B. Elektroden, Anschlüsse, Barrieren etc.) bereitgestellt werden. Die vorgefertigten Substratschichten können dann beispielsweise durch Bonden oder durch Kleben verbunden werden. Nach den letzten Hochtemperatur-Herstellungsvorgängen kann ein Elektrolyt über Öffnungen, die anschließend wieder verschlossen werden können, in die Hohlräume oder Volumina geliefert werden.
Es ist zu beachten, dass alle Ausführungsformen, die hier enthalten sind, für alle Arten von elektrochemischen Zellen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Batteriezellen sowie Brennstoffzellen, anwendbar sein können. 6 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer Brennstoffzelle 60. Eine Brennstoffzelle 60 kann eine Anode 62, eine Kathode 64 und ein Elektrolyt 66 zwischen der Anode 62 und der Kathode 64 aufweisen. In bestimmten Brennstoffzellen kann eine poröse Membran (wie die hier beschriebene poröse Membran) zwischen der Anode 62 und der Kathode 64 entweder anstelle des Elektrolyten 66 oder gegebenenfalls zusätzlich zu dem Elektrolyten 66 angeordnet sein. Die poröse Membran kann auch dazu dienen, Ionen (z. B. Wasserstoffionen) zwischen der Anode 62 und der Kathode 64 zu leiten. Ein Brennstoff wie etwa Wasserstoffgas H₂ kann der Anode 62 zugeführt werden, während ein Oxidationsmittel wie etwa Sauerstoff O₂ oder Luft der Kathode 64 zugeführt werden kann. Der Brennstoff kann an der Anode 62 oxidiert werden, so dass er Elektronen e^– (mit der möglichen Hilfe eines Katalysators) freigibt. Die Elektronen können von der Anode 62 zu der Kathode 64 extern durch den Verbraucher 68 geleitet werden. An der Kathode 64 kann das Oxidationsmittel reduziert werden und die Elektronen können (auch mit der möglichen Hilfe eines Katalysators) verbraucht werden.
Zusammenfassend beziehen sich einige Ausführungsformen auf ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle, das das Umwandeln eines Halbleitermaterials in eine poröse Membran umfasst. Die poröse Membran kann eine erste Halbzelle von einer zweiten Halbzelle der Batteriezelle trennen. Die poröse Membran umfasst Kanäle, die zulassen, dass sich Ionen und/oder ein Elektrolyt zwischen der ersten Halbzelle und der zweiten Halbzelle bewegen.
Wahlweise umfasst das Umwandeln des Halbleitermaterials ein chemisches Verfahren.
Ferner umfasst das Umwandeln des Halbleitermaterials wahlweise ein thermisches Verfahren.
Wahlweise umfasst das Umwandeln des Halbleitermaterials ein Erhöhen der Porosität des Halbleitermaterials.
Ferner umfasst das Umwandeln des Halbleitermaterials wahlweise eine Umwandlung des Materials in ein Material, das inert gegenüber den Ionen und/oder dem Elektrolyten ist.
Wahlweise umfasst das Umwandeln des Halbleitermaterials ein Oxidieren des Halbleitermaterials.
Ferner umfasst das Umwandeln des Halbleitermaterials wahlweise eine Umwandlung eines Abschnitts des Halbleitermaterials und umfasst ein Oxidieren im Wesentlichen des gesamten Abschnitts des Halbleitermaterials.
Wahlweise umfasst das Oxidieren des Halbleitermaterials ein Erhitzen des Halbleitermaterials.
Ferner umfasst das Oxidieren des Halbleitermaterials wahlweise ein Oxidieren von mindestens 50 % des Volumens des Halbleitermaterials.
Wahlweise ist der Elektrolyt ein nicht-fester Elektrolyt.
Ferner umfasst der Elektrolyt wahlweise einen Gel-Elektrolyten.
Wahlweise umfasst das Halbleitermaterial Silicium.
Ferner ist die Batteriezelle wahlweise eine wiederaufladbare Batteriezelle.
Wahlweise ist die Batteriezelle eine Lithium-Ionen-Batteriezelle und die poröse Membran lässt zu, dass Lithium-Ionen sich in dem Elektrolyten zwischen der ersten Halbzelle und der zweiten Halbzelle der Lithium-Ionen-Batteriezelle bewegen.
Ferner bildet das Halbleitermaterial wahlweise mindestens einen Abschnitt eines Halbleitersubstrats.
Einige Ausführungsformen beziehen sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle, das das Bilden einer porösen Membran einschließlich eines Erhöhens der Porosität eines Halbleitermaterials und eines Oxidierens des Halbleitermaterials nach dem Erhöhen der Porosität umfasst.
Wahlweise ist die Oxidation eine thermische Oxidation.
Ferner umfasst die Oxidation wahlweise eine Oxidation von mindestens 50 % des porösen Halbleitermaterials.
Wahlweise umfasst die Oxidation eine Oxidation von im Wesentlichen dem gesamten Halbleitermaterial.
Ferner umfasst das Verfahren wahlweise das Bereitstellen einer ersten Halbzelle und einer zweiten Halbzelle, wobei die poröse Membran zwischen der ersten Halbzelle und der zweiten Halbzelle liegt.
Wahlweise weisen die erste Halbzelle und die zweite Halbzelle einen Elektrolyten auf, wobei der Elektrolyt ein Gel oder eine Flüssigkeit umfasst.
Ferner umfasst das Halbleitermaterial wahlweise Silicium und das Oxidieren wandelt das Silicium in Siliciumglas um.
Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Batteriezelle, die Folgendes umfasst: eine positive Elektrode; eine negative Elektrode; eine poröse Membran zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode, wobei die poröse Membran überwiegend ein oxidiertes Halbleitermaterial umfasst; und einen Elektrolyten, der mit der positiven Elektrode, der negativen Elektrode und der porösen Membran in Kontakt steht.
Wahlweise besteht im Wesentlichen die gesamte poröse Membran aus dem oxidierten Halbleitermaterial.
Ferner umfasst das oxidierte Halbleitermaterial wahlweise ein Siliciumglas.
Wahlweise ist der Elektrolyt ein nicht-fester Elektrolyt.
Ferner ist der Elektrolyt wahlweise ein Gel-Elektrolyt.
Wahlweise ist die Batteriezelle eine wiederaufladbare Batteriezelle.
Ferner ist die Batteriezelle wahlweise eine Lithium-Ionen-Batteriezelle.
Die Beschreibung und die Zeichnungen veranschaulichen lediglich die Prinzipien der Offenbarung. Es versteht sich somit, dass Fachleute auf dem Gebiet in der Lage sein werden, verschiedene Anordnungen zu ersinnen, die, obwohl sie nicht explizit beschrieben oder gezeigt sind, die Prinzipien der Offenbarung verkörpern und innerhalb ihres Erfindungsgedankens und Umfangs enthalten sind. Darüber hinaus sind alle hier genannten Beispiele hauptsächlich und ausdrücklich nur für pädagogische Zwecke vorgesehen, um dem Leser beim Verständnis der Prinzipien der Offenbarung und der Konzepte, die von den Erfindern zur Weiterentwicklung des Standes der Technik beigetragen werden, zu unterstützen, und sollen so ausgelegt werden, dass sie keine Beschränkung auf solche speziell angeführten Beispiele und Bedingungen darstellen. Darüber hinaus sollen alle Aussagen hier, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsformen der Offenbarung sowie spezifische Beispiele davon aufzeigen, Äquivalente davon umfassen.
Funktionsblöcke sollen als Blöcke verstanden werden, die eine Schaltungsanordnung umfassen, die dazu konfiguriert ist, jeweils eine bestimmte Funktion auszuführen. Daher können "Mittel für etwas" auch als "Mittel, die für etwas konfiguriert oder geeignet sind" verstanden werden. Mittel, die dazu konfiguriert sind, eine bestimmte Funktion auszuführen, implizieren daher nicht, dass solche Mittel notwendigerweise die Funktion (zu einem gegebenen Zeitpunkt) ausführen.
Funktionen der verschiedenen in den Figuren gezeigten Elemente einschließlich jeglicher Funktionsblöcke können durch die Verwendung von dedizierter Hardware sowie von Hardware, die in Verbindung mit geeigneter Software in der Lage ist, Software auszuführen, bereitgestellt werden. Außerdem kann jedes hier als "Mittel" beschriebene Objekt "einem oder mehreren Modulen", "einer oder mehreren Vorrichtungen", "einer oder mehreren Einheiten" usw. entsprechen oder derart implementiert werden. Wenn sie von einem Prozessor zur Verfügung gestellt werden, können die Funktionen von einem einzigen dedizierten Prozessor, durch einen einzigen gemeinsamen Prozessor oder durch mehrere einzelne Prozessoren, von denen einige gemeinsam genutzt werden, bereitgestellt werden. Darüber hinaus sollte die explizite Verwendung des Begriffs "Prozessor" oder "Steuerung" nicht so ausgelegt werden, dass er sich ausschließlich auf Hardware, die Software ausführen kann, bezieht und kann implizit ohne Einschränkung Digitalsignalprozessor-Hardware (DSP-Hardware), einen Netzprozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine feldprogrammierbare Gate-Anordnung (FPGA), einen Festwertspeicher (ROM) zum Speichern von Software, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) und einen nichtflüchtigen Speicher umfassen. Andere herkömmliche und/oder kundenspezifische Hardware kann ebenfalls beinhaltet sein.
Es sollte für den Fachmann klar sein, dass alle Blockdiagramme hier Konzeptansichten einer veranschaulichenden Schaltung darstellen, die die Prinzipien der Offenbarung verkörpert. Ebenso versteht es sich, dass jegliche Ablaufdiagramme, Flussdiagramme, Zustandsübergangsdiagramme, Pseudocode und dergleichen verschiedene Prozesse darstellen, die im Wesentlichen in einem computerlesbaren Medium dargestellt werden können und so von einem Computer oder Prozessor ausgeführt werden können, egal ob ein solcher Computer oder Prozessor explizit gezeigt ist oder nicht.
Darüber hinaus werden die folgenden Ansprüche hiermit in die genaue Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch von sich aus als separate Ausführungsform Bestand hat. Obwohl jeder Anspruch allein von sich aus als eine separate Ausführungsform Bestand hat, ist zu beachten, dass – obwohl ein Unteranspruch in den Ansprüchen sich auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren weiteren Ansprüche bezieht – andere Ausführungsformen auch eine Kombination des Unteranspruchs mit der Materie von jedem anderen Unteranspruch oder Nebenanspruch umfassen kann. Solche Kombinationen werden hier vorgeschlagen, es sei denn es wird festgestellt, dass eine bestimmte Kombination nicht vorgesehen ist. Darüber hinaus ist es auch beabsichtigt, dass Merkmale eines Anspruchs bei jeglichem anderen unabhängigen Anspruch enthalten sind, auch wenn dieser Anspruch nicht direkt von dem unabhängigen Anspruch abhängig gemacht ist.
Es ist ferner zu beachten, dass in der Beschreibung oder in den Ansprüchen offenbarte Verfahren durch eine Vorrichtung implementiert werden können, die Mittel zum Ausführen jedes der entsprechenden Vorgänge dieser Verfahren aufweist.
Ferner versteht es sich, dass die Offenbarung mehrerer Vorgänge oder Funktionen, die in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbart sind, nicht so ausgelegt werden sollte, dass sie in einer bestimmten Reihenfolge stehen. Daher beschränkt die Offenbarung von mehreren Vorgängen oder Funktionen diese nicht auf eine bestimmte Reihenfolge, es sei denn, diese Vorgänge oder Funktionen sind aus technischen Gründen nicht austauschbar. Weiterhin kann ein einzelner Vorgang in einigen Ausführungsformen in mehrere Teilvorgänge zerlegt sein oder mehrere Teilvorgänge umfassen. Derartige Teilvorgänge können in diesem einzelnen Vorgang enthalten sein und Teil der Offenbarung dieses einzigen Vorgangs sein, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist.

Claims

Verfahren (1) zum Herstellen einer Batteriezelle (20), das Folgendes umfasst: Umwandeln (S10) eines Halbleitermaterials in eine poröse Membran (16), wobei die poröse Membran dazu in der Lage ist, eine erste Halbzelle (26-1) von einer zweiten Halbzelle (26-2) der Batteriezelle (20) zu trennen, wobei die poröse Membran (16) Kanäle umfasst, die zulassen, dass sich Ionen und/oder ein Elektrolyt zwischen der ersten Halbzelle (26-1) und der zweiten Halbzelle (26-2) bewegen.
Verfahren (1) nach Anspruch 1, wobei das Umwandeln des Halbleitermaterials ein chemisches Verfahren aufweist.
Verfahren (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Umwandeln des Halbleitermaterials ein thermisches Verfahren aufweist.
Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Umwandeln des Halbleitermaterials ein Erhöhen der Porosität des Halbleitermaterials aufweist.
Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Umwandeln des Halbleitermaterials ein Umwandeln des Materials in ein Material, das inert in Bezug auf die Ionen und/oder den Elektrolyten ist, aufweist.
Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Umwandeln des Halbleitermaterials ein Oxidieren des Halbleitermaterials aufweist.
Verfahren (1) nach Anspruch 6, wobei das Umwandeln des Halbleitermaterials ein Umwandeln eines Abschnitts des Halbleitermaterials umfasst und ein Oxidieren im Wesentlichen des gesamten Abschnitts des Halbleitermaterials aufweist.
Verfahren (1) nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Oxidieren des Halbleitermaterials ein Erhitzen des Halbleitermaterials aufweist.
Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Oxidieren des Halbleitermaterials ein Oxidieren von mindestens 50 Vol.-% des Halbleitermaterials aufweist.
Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elektrolyt ein nicht-fester Elektrolyt ist, der insbesondere einen Gel-Elektrolyten aufweist.
Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitermaterial Silicium umfasst.
Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriezelle (20) eine wiederaufladbare Batteriezelle (20) ist.
Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriezelle (20) eine Lithium-Ionen-Batteriezelle ist und die poröse Membran (16) zulässt, dass sich Lithium-Ionen in dem Elektrolyten zwischen der ersten Halbzelle und der zweiten Halbzelle der Lithium-Ionen-Batteriezelle bewegen.
Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitermaterial mindestens einen Abschnitt eines Halbleitersubstrats (10, 12) bildet.
Batteriezelle (20), die Folgendes umfasst: eine positive Elektrode; eine negative Elektrode; eine poröse Membran (16) zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode, wobei die poröse Membran (16) überwiegend ein oxidiertes Halbleitermaterial umfasst; und einen Elektrolyten, der mit der positiven Elektrode, der negativen Elektrode und der porösen Membran (16) in Kontakt steht.
Batteriezelle (20) nach Anspruch 15, wobei im Wesentlichen die gesamte poröse Membran (16) das oxidierte Halbleitermaterial ist.
Batteriezelle (20) nach Anspruch 15 oder 16, wobei das oxidierte Halbleitermaterial ein Siliciumglas umfasst.
Batteriezelle (20) nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei der Elektrolyt ein nicht-fester Elektrolyt, insbesondere ein Gel-Elektrolyt, ist.
Batteriezelle (20) nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die Batteriezelle eine wiederaufladbare Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, ist.