DE102017111463B4

DE102017111463B4 - Aufgerollte energiespeicherbauelemente und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE102017111463B4
Application number: DE102017111463.7A
Authority: DE
Inventors: Oliver G. Schmidt
Original assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Current assignee: Technische Universitaet Chemnitz Koerperscha De
Priority date: 2017-05-24
Filing date: 2017-05-24
Publication date: 2022-11-17
Anticipated expiration: 2037-05-25
Also published as: DE102017111463A1; US11069944B2; US20180342725A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von aufgerollten Energiespeicherbauelementen, bei dem mindestens ein Schichtstapel differentiell verspannt auf ein Substrat oder eine Opferschicht auf einem Substrat aufgebracht wird, wobei der Schichtstapel- aus mindestens zwei Schichten besteht, die innerhalb einer Schichtebene mindestens teilweise bedeckend angeordnet sind, und im Schichtstapel die Materialien von mindestens zwei Schichten mindestens teilweise elektrisch leitfähig sind und- entweder eine weitere Schicht vorhanden ist, die aus einem nicht flüssigen Elektrolytmaterial besteht,- oder mindestens vor und/oder während und/oder nach dem Aufrollen des Schichtstapels ein Bereich hergestellt wird, der mit einen flüssigen Elektrolyten füllbar ist, und nach der Herstellung des Schichtstapels und vor oder während oder nach dem Aufrollen des Schichtstapels der flüssige Elektrolyt in den Bereich gefüllt wird, und- das Material mindestens einer der Schichten, die mindestens teilweise elektrisch leitfähig sind, mindestens teilweise ein magnetisches Material ist oder eine weitere Schicht aus einem magnetischen Material vorhanden ist, und nachfolgend das selbstständige Aufrollen des Schichtstapels ausgelöst wird und mindestens zeitweise während des Aufrollens des Schichtstapels der Schichtstapel einem externen Magnetfeld ausgesetzt wird, dessen Feldstärke mindestens größer ist als die Feldstärke des Erdmagnetfeldes.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Energietechnik und betrifft aufgerollte Energiespeicherbauelemente, wie sie insbesondere als Batterien oder Superkondensatoren zum Einsatz kommen können, und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Die Bereitstellung von Energie für autonome elektrische und elektronische Systeme stellt eine der größten Herausforderungen der heutigen Zeit dar. Dabei stellen die Anforderungen der elektrischen und elektronischen Systeme, die mit Energie versorgt werden soll, die speziellen Herausforderungen, beispielsweise hinsichtlich der Abmessungen oder der Art und Menge an zu bereitzustellender Energie, dar. Ein weit verfolgter Ansatz, um solche Energiespeicherbauelemente herzustellen, sind elektrochemische Batterien herzustellen und anzupassen.
Eine Möglichkeit der Ausführung solcher Energiespeicherbauelemente sind unter Anderem aufgerollte Schichtsysteme. Dabei werden die energiespeichernden Schichtsysteme auf ein dünnes flexibles Bahnmaterial aufgetragen und anschließend zusammen mit dem Bahnmaterial durch externe mechanische Kräfte in die Form einer kompakten zylindrischen Geometrie mit vielen Windungen aufgerollt [ US5445906 A ].
Diese aufgerollten Schichtsysteme haben einen Innendurchmesser im Millimeterbereich und beinhalten eine aufgerollte Schicht aus Bahnmaterial, dessen Schichtdicke im Mikrometerbereich liegt. Aus diesen Gründen kann ein hinreichend großer Anteil an Volumen nicht effizient für die Energiespeicherung genutzt werden, so dass diese aufgerollten Schichtsysteme für viele Anwendungen nicht ausreichend hohe Energiedichten erreichen können.
Selbstaufrollende Schichten, die kein Bahnmaterial enthalten, sind bekannt und können benutzt werden, um ultrakompakte zylindrische Kondensatoren im Mikrometerbereich herzustellen [ EP 2 023 357 B1 ].
Gemäß der DE 11 2015 003 602 T5 ist eine Sekundärbatterie bekannt, die einen Elektrodenkörper und einen nichtwässrigen Elektrolyten und ein Batteriegehäuse umfasst, wobei der Elektrodenkörper aus einer positiven und negativen Elektrode und dazwischen angeordnetem Separator besteht.
Nachteilig bei den bekannten Lösungen des Standes der Technik ist jedoch, dass ein gerades und selbstständiges Aufrollen der Schichtstapel über lange Distanzen nicht ausreichend reproduzierbar und zuverlässig gewährleistet werden kann, und dadurch die nutzbare Aufrolllänge und die Anzahl der Windungen von selbstaufgerollten Energiespeichern begrenzt ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe von aufgerollten Energiespeicherbauelementen, die hohe Energiedichten und die eine große Anzahl von selbstaufgerollten Windungen und im Wesentlichen vollständig parallele Außenkanten der jeweiligen Schichten des aufgerollten Schichtstapels aufweisen, und weiterhin in der Angabe eines kostengünstigen, umweltfreundlichen und zeitsparenden Verfahrens zur Herstellung der aufgerollten Energiespeicherbauelemente mit vielen Windungen.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von aufgerollten Energiespeicherbauelementen wird mindestens ein Schichtstapel differentiell verspannt auf ein Substrat oder eine Opferschicht auf einem Substrat aufgebracht wird, wobei der Schichtstapel

- aus mindestens zwei Schichten besteht, die innerhalb einer Schichtebene mindestens teilweise bedeckend angeordnet sind, und im Schichtstapel die Materialien von mindestens zwei Schichten mindestens teilweise elektrisch leitfähig sind und
- - entweder eine weitere Schicht vorhanden ist, die aus einem nicht flüssigen Elektrolytmaterial besteht,
- - oder mindestens vor und/oder während und/oder nach dem Aufrollen des Schichtstapels ein Bereich hergestellt wird, der mit einen flüssigen Elektrolyten füllbar ist, und nach der Herstellung des Schichtstapels und vor oder während oder nach dem Aufrollen des Schichtstapels der flüssige Elektrolyt in den Bereich gefüllt wird,
und
- das Material mindestens einer der Schichten, die mindestens teilweise elektrisch leitfähig sind, mindestens teilweise ein magnetisches Material ist oder eine weitere Schicht aus einem magnetischen Material vorhanden ist, und nachfolgend das selbstständige Aufrollen des Schichtstapels ausgelöst wird und mindestens zeitweise während des Aufrollens des Schichtstapels der Schichtstapel einem externen Magnetfeld ausgesetzt wird, dessen Feldstärke mindestens größer ist als die Feldstärke des Erdmagnetfeldes.

Vorteilhafterweise wird ein externes Magnetfeld angelegt, bei dem die auf den noch nicht aufgerollten Schichtstapel projizierten magnetischen Feldlinien annähernd senkrecht oder exakt senkrecht zur Rollrichtung des Schichtstapels ausgerichtet sind.
Ebenfalls vorteilhafterweise werden mindestens zwei oder eine Vielzahl der Schichtstapel mit einem magnetischen Material in genau eine Rollrichtung selbstaufgerollt.
Weiterhin vorteilhafterweise wird mindestens eine der Schichten aus einem elektrisch leitenden Material im Wesentlichen quer zur Aufrollrichtung auf einer Seite über die Breite des Schichtstapels hinausreichend angeordnet, und mindestens eine zweite der Schichten aus einem elektrisch leitfähigen Material wird im Wesentlichen quer zur Aufrollrichtung auf der anderen Seite über die Breite des Schichtstapels hinausreichend angeordnet.
Und auch vorteilhafterweise werden mindestens zwei oder eine Vielzahl der Schichtstapel mit einem magnetischen Material differentiell verspannt angeordnet, wobei mindestens ein Schichtstapel in einer und mindestens ein Schichtstapel in einer anderen Richtung selbstaufgerollt wird, und zuerst mindestens zeitweise während des selbstständigen Aufrollens der oder die Schichtstapel mit der ersten Rollrichtung einem externen Magnetfeld ausgesetzt werden, dessen Feldstärke mindestens größer ist als die Feldstärke des Erdmagnetfeldes und dessen auf den noch nicht aufgerollten Schichtstapel projizierte magnetische Feldlinien annähernd senkrecht oder exakt senkrecht zu dieser ersten Rollrichtung des Schichtstapels ausgerichtet sind, und nachfolgend mindestens zeitweise während des selbstständigen Aufrollens der oder die Schichtstapel mit einer anderen Rollrichtung einem externen Magnetfeld ausgesetzt werden, dessen Feldstärke mindestens größer ist als die Feldstärke des Erdmagnetfeldes und dessen auf den noch nicht aufgerollten Schichtstapel projizierte magnetische Feldlinien annähernd senkrecht oder exakt senkrecht zu dieser anderen Rollrichtung des Schichtstapels ausgerichtet sind, und dieser Verfahrensablauf für jede Rollrichtung von Schichtstapeln nachfolgend hintereinander durchgeführt wird.
Vorteilhaft ist es auch, wenn ein externes Magnetfeld mit Flussdichten zwischen 1 mT und 1 T und/oder variierender Flussdichte eingesetzt wird.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn der oder die Schichtstapel während der gesamten Zeit des Aufrollens dem externen Magnetfeld ausgesetzt werden.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die aufgerollten Energiespeicherbauelemente von der Substratoberfläche mittels Anwendung mindestens eines magnetischen Feldes entfernt werden.
Weiterhin liegt erfindungsgemäß ein Verfahren zur Integration von erfindungsgemäß hergestellten aufgerollten Energiespeicherbauelementen vor, bei dem die aufgerollten Energiespeicherbauelemente unter Zuhilfenahme eines pick-and-place Prozesses in elektrischen Schaltkreisen integriert werden, wobei die aufgerollten Energiespeicherbauelemente während des pick-and-place Prozesses mindestens zeitweise einem externen Magnetfeld ausgesetzt werden.
Von Vorteil ist es auch, wenn zwei oder mehrere Schichten innerhalb einer Schichtebene nur teilweise die darunter und/oder darüber angeordneten Schichten bedeckend angeordnet werden.
Die erfindungsgemäß hergestellten aufgerollten Energiespeicherbauelemente bestehen jeweils aus einem aufgerollten Schichtstapel aus Schichten, die innerhalb einer Schichtebene mindestens teilweise bedeckend angeordnet sind, und im Schichtstapel

- mindestens zwei Schichten, die mindestens teilweise elektrisch leitfähig sind, und
- - mindestens eine Schicht aus einem nicht flüssigen Elektrolytmaterial
- - oder mindestens ein Bereich zwischen mindestens zwei Schichten des aufgerollten Schichtstapels, der einen flüssigen Elektrolyten aufweist,

Vorteilhafterweise beträgt die Anzahl der aufgerollten Windungen mindestens 10, noch vorteilhafterweise 20 bis 400 vollständig aufgerollte Windungen, im aufgerollten Schichtstapel.
Weiterhin vorteilhafterweise beträgt die Schichtdicke des gesamten Schichtstapels maximal 1 mm.
Ebenfalls vorteilhafterweise ist kein Bahnmaterial eingerollt.
Und auch vorteilhafterweise weist der Schichtstapel weiterhin mindestens zwei mindestens teilweise elektrisch leitfähige Schichten auf, die innerhalb einer Schichtebene mindestens teilweise bedeckend angeordnet sind, zwischen denen, auch innerhalb einer Schichtebene, mindestens eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet ist.
Von Vorteil ist es, wenn die oberste Schicht des Schichtstapels aus einem mindestens teilweise elektrisch isolierenden Material besteht.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn alle äußeren Oberflächen, mit Ausnahme eines Teils der elektrisch leitfähigen Schichten, mit einer elektrisch isolierenden Schicht bedeckt sind.
Weiterhin von Vorteil ist es, wenn die oberste Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material und die darunter liegende Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material besteht.
Und auch von Vorteil ist es, wenn der Schichtstapel aus zwei elektrisch leitfähigen Schichten besteht, zwischen denen eine Schicht aus einem Kathodenmaterial und eine Schicht aus einem Anodenmaterial angeordnet ist, zwischen denen wiederum eine Schicht aus einem Elektrolytmaterial angeordnet ist und auf der oberen elektrisch leitfähigen Schicht eine elektrisch isolierenden Schicht angeordnet ist, wobei mindestens eine der elektrisch leitfähigen Schichten aus einem magnetischen Material besteht.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Schichten oder der Teil einer Schicht aus dem magnetischen Material aus Co, Fe, Nd, Ni, oder aus Co-, Fe-, Nd- oder Ni-Basislegierungen oder aus Legierungen dieser Materialien bestehen.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Schicht aus dem Elektrolytmaterial ein Festkörperelektrolytmaterial ist und noch vorteilhafterweise aus LiPON besteht.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die Schicht aus dem Kathodenmaterial aus mindestens einem Metalloxid besteht.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn mindestens zwei Schichten aus elektrisch leitfähigem Material an den beiden spiralförmigen Stirnseiten des aufgerollten Schichtstapels mit elektrisch leitfähigen Kontaktelektroden versehen sind.
Erfindungsgemäß erfolgt die Verwendung der erfindungsgemäßen aufgerollten Energiespeicherbauelemente, die erfindungsgemäß hergestellt worden sind, in elektrischen oder elektronischen Schaltkreisen.
Mit der vorliegenden Erfindung wird es erstmals möglich, aufgerollte Energiespeicherbauelemente anzugeben, die hohe Energiedichten und eine große Anzahl von selbstaufgerollten Windungen und im Wesentlichen parallele Außenkanten der jeweiligen Schichten des aufgerollten Schichtstapels aufweisen und weiterhin in der Angabe eines kostengünstigen, umweltfreundlichen und zeitsparenden Verfahrens zur Herstellung der aufgerollten Energiespeicherbauelemente mit hoher Energiedichte und vielen Windungen.
Erreicht wird dies durch erfindungsgemäß hergestellte aufgerollte Energiespeicherbauelemente, die aus einem aufgerollten Schichtsystem bestehen, wobei die Materialien von mindestens zwei Schichten mindestens teilweise elektrisch leitfähig sind, und das Material mindestens einer Schicht ein nicht flüssiges Elektrolytmaterial ist oder mindestens ein Bereich zwischen mindestens zwei Schichten des aufgerollten Schichtstapels vorhanden ist, der mit einen flüssigen Elektrolyten gefüllt ist. Durch diesen Schichtaufbau kann Energie elektrochemisch gespeichert werden. Weiter ist erfindungsgemäß entweder das Material mindestens einer Schicht aus dem elektrisch leitfähigen Material mindestens teilweise ein magnetisches Material, oder eine weitere Schicht, die mindestens teilweise aus einem magnetischen Material besteht, ist vorhanden.
Dabei kann ein Schichtaufbau hergestellt werden, bei dem zwei oder mehrere Schichten innerhalb einer Schichtebene die darunter und/oder darüber angeordneten Schichten nicht vollständig bedecken. Dies kann beispielsweise durch Ausbildung von Schichten sein, die mäanderförmig oder fingerförmig zueinander angeordnet sind.
Vorteilhafterweise ist die Schicht aus Elektrolytmaterial zwischen den beiden Schichten aus elektrisch leitfähigen Materialien angeordnet, und eine der Schichten aus dem elektrisch leitfähigen Material ist gleichzeitig ein magnetisches Material. Bei einem solchen Schichtaufbau wird als oberste Schicht eine Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material aufgebracht.
Das nicht flüssige Elektrolytmaterial kann gelartig, polymerartig oder festkörperartig sein, und ist vorteilhafterweise ein Festkörperelektrolytmaterial, wie beispielsweise LiPON.
Es ist aber auch möglich flüssige Elektrolyte einzusetzen. Dazu wird ein Bereich zwischen zwei Schichten vor und/oder während und/oder nach dem Aufrollen des Schichtstapels hergestellt, der mit einem Elektrolyten füllbar ist, und in den vor oder während oder nach dem Aufrollen des Schichtstapels ein flüssiger Elektrolyt eingefüllt wird.
Das erfindungsgemäß notwendige magnetische Material ist eine Schicht oder ein Teil einer Schicht und besteht vorteilhafterweise aus Co, Fe, Nd, Ni, oder aus Co-, Fe-, Nd- oder Ni-Basislegierungen oder aus Legierungen dieser Materialien.
Die mindestens zwei oder mehreren Schichten aus einem elektrisch leitfähigen Material können aus Metallen oder Metalllegierungen oder aus 2D Materialien oder aus Kombinationen dieser Materialien bestehen.
Erfindungsgemäß können mindestens die zwei Schichten aus einem elektrisch leitfähigen Material als Elektroden eingesetzt werden. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn mindestens eine Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material im Wesentlichen quer zur Aufrollrichtung auf einer Seite über die Breite des Schichtstapels hinausreichend angeordnet wird, und eine mindestens zweite Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material im Wesentlichen quer zur Aufrollrichtung auf der anderen Seite über die Breite des Schichtstapels hinausreichend angeordnet wird und an den beiden spiralförmigen Stirnseiten mit zwei elektrisch nicht verbundenen Elektroden kontaktiert werden.
Ebenfalls erfindungsgemäß können die mindestens zwei Schichten aus einem elektrisch leitfähigen Material eingesetzt werden, die gleichzeitig als Anode und Kathode dienen und mit der dazwischen angeordneten Schicht aus einem Elektrolytmaterial, vorteilhafterweise ein Festelektrolytmaterial, als elektrochemische Zelle wirken.
Weiterhin erfindungsgemäß wird dabei mindestens eine der beiden Schichten aus einem elektrisch leitfähigen Material eingesetzt, die gleichzeitig mindestens teilweise aus einem magnetischen Material besteht.
Für den Fall, dass die äußeren Oberflächen der selbstaufgerollten Schichten aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen, ist es vorteilhaft, wenn diese äußeren Oberflächen, mit Ausnahme mindestens eines Teils der elektrisch leitfähigen Schichten, die als Kontaktelektroden dienen, mit einer elektrisch isolierenden Schicht bedeckt sind.
Weiterhin sind vorteilhafterweise die erfindungsgemäß hergestellten aufgerollten Energiespeicherbauelemente einzeln verpackt.
Die erfindungsgemäß hergestellten aufgerollten Energiespeicherbauelemente können besonders vorteilhaft als Mikrobatterien oder Superkondensatoren eingesetzt werden, die auch Gesamtabmessungen im Mikro- Milli- und Zentimeterbereich aufweisen können.
Die Lösungen des Standes der Technik weisen oft Abmessungen der Innendurchmesser des aufgerollten Schichtstapels von mehr als 1 mm Durchmesser auf. Bei der erfindungsgemäßen Lösung können aufgerollte Energiespeicherbauelemente mit Innendurchmesser von beispielsweise auch 0,1 bis 100 µm kostengünstig, umweltfreundlich und energiesparend hergestellt werden.
Trotz der geringen Abmessungen können aber die erfindungsgemäß hergestellten Energiespeicherbauelemente eine hohe Anzahl an Windungen, beispielsweise von 10 bis zu 400 Windungen oder mehr aufweisen.
Durch die möglichen geringen Schichtdicken des Schichtstapels und das nachfolgende selbstständige Aufrollen des Schichtstapels werden erfindungsgemäß aufgerollte Energiespeicherbauelemente erfindungsgemäß hergestellt, die auf geringem Raum eine hohe Energiedichte realisieren.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung der erfindungsgemäß aufgerollten Energiespeicherbauelemente besteht darin, dass sie auf Substraten hergestellt werden können, die auch, im Gegensatz zu den Lösungen des Standes der Technik, bei vergleichsweise hohen Temperaturen (> 200 °C) problemlos überstehen. Danach kann das erfindungsgemäß hergestellte Energiespeicherbauelement auf andere Substrate überführt werden.
Erfindungsgemäß hergestellt werden die aufgerollten Energiespeicherbauelemente, indem mindestens ein Schichtstapel differentiell verspannt auf ein Substrat oder eine Opferschicht aufgebracht wird. Die Opferschicht befindet sich dabei ebenfalls auf einem Substrat.
Dabei werden die Schichten des Schichtstapels differentiell verspannt übereinander aufgebracht, wobei ein Verspannungsgradient über die Höhe des Schichtstapels aufgebaut wird.
Zum Auslösen des selbstständigen Aufrollens wird dann die Verspannung gelöst. Dies kann beispielsweise im Falle des Vorhandenseins einer Opferschicht durch teilweises oder vollständiges Entfernen der Opferschicht erfolgen.
Unter Opferschicht soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Schicht verstanden werden, die teilweise oder vollständig vom Substrat und/oder dem aufgerollten Schichtstapel entfernt wird und/oder die derart modifiziert wird, dass diese Modifizierung das Aufrollen des Schichtstapels bewirkt. Die Modifizierung kann beispielsweise durch Änderung von Temperatur oder Druck oder durch Auslösen einer chemischen Reaktion realisiert werden.
Es wird erfindungsgemäß ein Schichtstapel hergestellt, der aus mindestens drei Schichten besteht, von denen die Materialien von mindestens zwei Schichten mindestens teilweise elektrisch leitfähig sind. In dem Fall ist das Material der mindestens einen weiteren Schicht ein nicht flüssiges Elektrolytmaterial.
Der erfindungsgemäße aufgerollte Schichtstapel kann aber ebenso aus mindestens zwei Schichten bestehen, von denen die Materialien mindestens teilweise elektrisch leitfähig sind und mindestens ein Bereich zwischen mindestens zwei Schichten des aufgerollten Schichtstapels vorhanden ist, der vor oder während oder nach dem Aufrollen mit einem flüssigen Elektrolyten gefüllt werden kann.
Der Bereich selbst kann vor und/oder während und/oder nach dem Aufrollen des Schichtstapels hergestellt werden.
Weiter ist erfindungsgemäß das Material mindestens einer der Schichten, die mindestens teilweise elektrisch leitfähig sind, mindestens teilweise ein magnetisches Material oder eine weitere Schicht aus einem magnetischen Material wird aufgebracht.
Erfindungswesentlich ist, dass nach dem Herstellen des Schichtstapels das selbstständige Aufrollen des Schichtstapels ausgelöst wird und mindestens zeitweise während des Selbstaufrollens des Schichtstapels der Schichtstapel einem externen Magnetfeld ausgesetzt wird. Dieses externe Magnetfeld weist eine Feldstärke auf, die mindestens größer ist als die Feldstärke des Erdmagnetfeldes, vorteilhafterweise zwischen 1 mT und 1 T und kann auch mit variierender, beispielsweise gepulster Feldstärke oder Feldrichtung eingesetzt werden.
Weiterhin ist von besonderer Bedeutung, dass die auf den noch nicht aufgerollten Schichtstapel projizierten magnetische Feldlinien des externen Magnetfeldes annähernd senkrecht oder vorteilhafterweise exakt senkrecht zur Rollrichtung des Schichtstapels ausgerichtet sind.
Der oder die Schichtstapel sollen vorteilhafterweise während des gesamten Aufrollens dem externen Magnetfeld ausgesetzt sein.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können vorteilhafterweise mindestens zwei oder eine Vielzahl der Schichtstapel mit einem magnetischen Material selbstaufgerollt werden. Dadurch ist die gleichzeitige Herstellung einer Vielzahl von aufgerollten Energiespeicherbauelementen möglich, die nach ihrer Herstellung verpackt und an ihren Einsatzort transportiert werden können.
Das externe Magnetfeld kann durch einen Elektromagneten oder Permanentmagneten oder durch eine Kombination von beiden erzeugt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein nahezu exakt gerades oder exakt gerades Aufrollen der Schichtstapel realisiert werden, und gleichzeitig können die selbstaufgerollten magnetischen Energiespeicher mit sehr viel kleineren Schichtdicken hergestellt und eingesetzt werden, als dies bisher der Fall war. Auch kann durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Massenproduktion derartiger selbstaufgerollter Energiespeicher durchgeführt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Beispiel
Zunächst wird eine wasserlösliche Opferschicht aus Germaniumoxid auf die Oberfläche eines Siliziumsubstrats aufgebracht. Danach wird eine 1 µm dicke ferromagnetische Nickelschicht als erste elektrisch leitfähige Schicht auf die Oberfläche der Opferschicht aufgebracht, gefolgt von einer Schicht aus LiCoO₂ als Kathode mit einer Dicke von 1 µm. Eine Festkörperelektrolytschicht aus LIPON wird anschließend mit einer Dicke von 10 µm auf die Oberfläche der Kathodenschicht aufgetragen. Darauf folgt eine Schicht aus Si als Anode mit einer Dicke von 1µm. Abgeschlossen wird der Schichtstapel mit der oberen zweiten elektrisch leitenden Schicht aus Nickel mit einer Dicke von 1 µm gefolgt von einer 500 nm dicken Cr Schicht, die eine starke Dehnungsverspannung erzeugt und einer 100nm dicken elektrisch isolierenden Schicht aus Al₂O₃. Die beiden elektrisch leitenden Schichten dienen als elektrische Stromkollektoren des aufgerollten Schichtstapels.
In der Ebene ist der Schichtstapel durch fotolithografische Methoden strukturiert, wodurch der Schichtstapel eine Breite von 1 cm und eine Länge von 20 cm aufweist, und die beiden elektrisch leitenden Stromkollektorschichten über die langen Seiten des Schichtstapels um 200 µm hinausragen. An einem der kurzen Seiten wird mittels reaktiven Ionenätzens ein Streifen des Schichtstapels entfernt, wodurch die Opferschicht wieder sichtbar wird und von dieser Position aus aufgelöst werden kann. Anschließend wird das Substrat mit dem Schichtstapel in Wasser gelegt. Die Opferschicht löst sich auf, und der Schichtstapel rollt sich aufgrund der differenziell eingebauten Verspannung und unter Anlegen eines externen Magnetfeldes mit einer Flussdichte von 500 mT, dessen Feldlinien senkrecht zur Rollrichtung und Schichtdicke zeigen, von selbst gerade ausgerichtet und kompakt zu einer eng gewickelten Mikrobatterie mit 400 Windungen auf.
Die auf dem Substrat befindliche Mikrobatterie wird danach vom Substrat abgehoben, an den beiden spiralförmigen Stirnseiten mit Elektrodenmaterial kontaktiert und an der weiter verbleibenden gesamten Oberfläche elektrisch isoliert. Danach wird die Mikrobatterie verpackt an ihren Einsatzort transportiert und als diskretes stromversorgendes Energiespeicherbauelement in einem elektrischen oder elektronischen Schaltkreis verwendet.

Claims

Verfahren zur Herstellung von aufgerollten Energiespeicherbauelementen, bei dem mindestens ein Schichtstapel differentiell verspannt auf ein Substrat oder eine Opferschicht auf einem Substrat aufgebracht wird, wobei der Schichtstapel - aus mindestens zwei Schichten besteht, die innerhalb einer Schichtebene mindestens teilweise bedeckend angeordnet sind, und im Schichtstapel die Materialien von mindestens zwei Schichten mindestens teilweise elektrisch leitfähig sind und - entweder eine weitere Schicht vorhanden ist, die aus einem nicht flüssigen Elektrolytmaterial besteht, - oder mindestens vor und/oder während und/oder nach dem Aufrollen des Schichtstapels ein Bereich hergestellt wird, der mit einen flüssigen Elektrolyten füllbar ist, und nach der Herstellung des Schichtstapels und vor oder während oder nach dem Aufrollen des Schichtstapels der flüssige Elektrolyt in den Bereich gefüllt wird, und - das Material mindestens einer der Schichten, die mindestens teilweise elektrisch leitfähig sind, mindestens teilweise ein magnetisches Material ist oder eine weitere Schicht aus einem magnetischen Material vorhanden ist, und nachfolgend das selbstständige Aufrollen des Schichtstapels ausgelöst wird und mindestens zeitweise während des Aufrollens des Schichtstapels der Schichtstapel einem externen Magnetfeld ausgesetzt wird, dessen Feldstärke mindestens größer ist als die Feldstärke des Erdmagnetfeldes.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein externes Magnetfeld angelegt wird, bei dem die auf den noch nicht aufgerollten Schichtstapel projizierten magnetischen Feldlinien annähernd senkrecht oder exakt senkrecht zur Rollrichtung des Schichtstapels ausgerichtet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mindestens zwei oder eine Vielzahl der Schichtstapel mit einem magnetischen Material in genau eine Rollrichtung selbstaufgerollt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mindestens eine der Schichten aus einem elektrisch leitenden Material im Wesentlichen quer zur Aufrollrichtung auf einer Seite über die Breite des Schichtstapels hinausreichend angeordnet wird, und mindestens eine zweite der Schichten aus einem elektrisch leitfähigen Material im Wesentlichen quer zur Aufrollrichtung auf der anderen Seite über die Breite des Schichtstapels hinausreichend angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mindestens zwei oder eine Vielzahl der Schichtstapel mit einem magnetischen Material differentiell verspannt angeordnet werden, wobei mindestens ein Schichtstapel in einer und mindestens ein Schichtstapel in einer anderen Richtung selbstaufgerollt wird, und zuerst mindestens zeitweise während des selbstständigen Aufrollens der oder die Schichtstapel mit der ersten Rollrichtung einem externen Magnetfeld ausgesetzt werden, dessen Feldstärke mindestens größer ist als die Feldstärke des Erdmagnetfeldes und dessen auf den noch nicht aufgerollten Schichtstapel projizierte magnetische Feldlinien annähernd senkrecht oder exakt senkrecht zu dieser ersten Rollrichtung des Schichtstapels ausgerichtet sind, und nachfolgend mindestens zeitweise während des selbstständigen Aufrollens der oder die Schichtstapel mit einer anderen Rollrichtung einem externen Magnetfeld ausgesetzt werden, dessen Feldstärke mindestens größer ist als die Feldstärke des Erdmagnetfeldes und dessen auf den noch nicht aufgerollten Schichtstapel projizierte magnetische Feldlinien annähernd senkrecht oder exakt senkrecht zu dieser anderen Rollrichtung des Schichtstapels ausgerichtet sind, und dieser Verfahrensablauf für jede Rollrichtung von Schichtstapeln nachfolgend hintereinander durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein externes Magnetfeld mit Flussdichten zwischen 1 mT und 1 T und/oder variierender Flussdichte eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der oder die Schichtstapel während der gesamten Zeit des Aufrollens dem externen Magnetfeld ausgesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die aufgerollten Energiespeicherbauelemente von der Substratoberfläche mittels Anwendung mindestens eines magnetischen Feldes entfernt werden.
Verfahren zur Integration von aufgerollten Energiespeicherbauelementen, hergestellt nach einem Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die aufgerollten Energiespeicherbauelemente unter Zuhilfenahme eines pick-and-place Prozesses in elektrischen Schaltkreisen integriert werden, wobei die aufgerollten Energiespeicherbauelemente während des pick-and-place Prozesses mindestens zeitweise einem externen Magnetfeld ausgesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zwei oder mehrere Schichten innerhalb einer Schichtebene nur teilweise die darunter und/oder darüber angeordneten Schichten bedeckend angeordnet werden.
Aufgerollte Energiespeicherbauelemente, hergestellt nach Anspruch 1, jeweils bestehend aus einem aufgerollten Schichtstapel aus Schichten, die innerhalb einer Schichtebene mindestens teilweise bedeckend angeordnet sind, und im Schichtstapel - mindestens zwei Schichten, die mindestens teilweise elektrisch leitfähig sind, und - mindestens eine Schicht aus einem nicht flüssigen Elektrolytmaterial - oder mindestens ein Bereich zwischen mindestens zwei Schichten des aufgerollten Schichtstapels, der einen flüssigen Elektrolyten aufweist, vorhanden sind, wobei entweder mindestens eine der Schichten, die mindestens teilweise elektrisch leitfähig sind, mindestens teilweise aus einem magnetischen Material besteht, oder eine weitere Schicht, die mindestens teilweise aus einem magnetischen Material besteht, im Schichtstapel vorhanden ist.
Aufgerollte Energiespeicherbauelemente nach Anspruch 11, bei denen die Anzahl der aufgerollten Windungen mindestens 10, vorteilhafterweise 20 bis 400 vollständig aufgerollte Windungen, im aufgerollten Schichtstapel beträgt.
Aufgerollte Energiespeicherbauelemente nach Anspruch 11, bei denen die Schichtdicke des gesamten Schichtstapels maximal 1 mm beträgt.
Aufgerollte Energiespeicherbauelemente nach Anspruch 11, bei denen kein Bahnmaterial eingerollt ist.
Aufgerollte Energiespeicherbauelemente nach Anspruch 11, bei denen der Schichtstapel weiterhin mindestens zwei mindestens teilweise elektrisch leitfähige Schichten aufweist, die innerhalb einer Schichtebene mindestens teilweise bedeckend angeordnet sind, zwischen denen, auch innerhalb einer Schichtebene, mindestens eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet ist.
Aufgerollte Energiespeicherbauelemente nach Anspruch 11, bei denen die oberste Schicht des Schichtstapels aus einem mindestens teilweise elektrisch isolierenden Material besteht.
Aufgerollte Energiespeicherbauelemente nach Anspruch 11, bei denen alle äußeren Oberflächen, mit Ausnahme eines Teils der elektrisch leitfähigen Schichten, mit einer elektrisch isolierenden Schicht bedeckt sind.
Aufgerollte Energiespeicherbauelemente nach Anspruch 11, bei denen die oberste Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material und die darunter liegende Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material besteht.
Aufgerollte Energiespeicherbauelemente nach Anspruch 11, bei denen der Schichtstapel aus zwei elektrisch leitfähigen Schichten besteht, zwischen denen eine Schicht aus einem Kathodenmaterial und eine Schicht aus einem Anodenmaterial angeordnet ist, zwischen denen wiederum eine Schicht aus einem Elektrolytmaterial angeordnet ist und auf der oberen elektrisch leitfähigen Schicht eine elektrisch isolierenden Schicht angeordnet ist, wobei mindestens eine der elektrisch leitfähigen Schichten aus einem magnetischen Material besteht.
Aufgerollte Energiespeicherbauelemente nach Anspruch 11, bei denen die Schichten oder der Teil einer Schicht aus dem magnetischen Material aus Co, Fe, Nd, Ni, oder aus Co-, Fe-, Nd- oder Ni-Basislegierungen oder aus Legierungen dieser Materialien bestehen.
Aufgerollte Energiespeicherbauelemente nach Anspruch 11, bei denen die Schicht aus dem Elektrolytmaterial ein Festkörperelektrolytmaterial ist und vorteilhafterweise aus LiPON besteht.
Aufgerollte Energiespeicherbauelemente nach Anspruch 19, bei denen die Schicht aus dem Kathodenmaterial aus mindestens einem Metalloxid besteht.
Aufgerollte Energiespeicherbauelemente nach Anspruch 11, bei denen mindestens zwei Schichten aus elektrisch leitfähigem Material an den beiden spiralförmigen Stirnseiten des aufgerollten Schichtstapels mit elektrisch leitfähigen Kontaktelektroden versehen sind.
Verwendung von aufgerollten Energiespeicherbauelementen nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 23 und hergestellt nach einem Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8 und 10 in elektrischen oder elektronischen Schaltkreisen.