DE10332795A1 - Elektrochemischer Energiespeicher und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

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Abstract

Solche Energiespeicher bestehen üblicherweise aus Kathode und Anode mit dazwischen angeordnetem Elektrolyten. Gemäß der Erfindung erfolgt ein Aufbau als Element in Dünnschichttechnik, wobei das Element direkt in ein Gehäuse oder an eine Gehäuseinnenseite eines zu versorgenden Gerätes (1) angebracht ist. Dabei kann die Dicke der Elektroden 5 bis 500 mum betragen, wobei sich für die Gesamtdicke des Elementes Dicken von < 1 mm ergeben.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemischen Energiespeicher mit Kathode und Anode und dazwischen angeordnetem Elektrolyten. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf zugehörige Verfahren zur Herstellung derartiger Energiespeicher.
  • Die Größe und das Volumen von Batterien als elektrochemische Energiespeicher sollen im Allgemeinen möglichst gering sein, wobei sie tatsächlich von der Speicherkapazität abhängig sind. Häufig werden zusätzliche Energiespeicher neben den vorhandenen Batterien nur zur vorübergehenden Versorgung („Back-up") der elektrischen Energie benötigenden Geräte gebraucht, wobei Kompromisse an die Form, insbesondere die Dicke, notwendig sind.
  • Batterien mit Dicken unter 1 mm sind in vielerlei Ausbildung bekannt. Ziel dieser besonderen Geometrie sind Anwendungen beispielsweise bei Smartcards im Scheckkartenformat, die eine aufgrund ihrer Form besonders flach ausgebildete Energieversorgung benötigen.
  • Beispielsweise in Linden/Reddy „Handbook of Batteries" (McGraw-Rill 2002 – ISBN 0-07-135978-8), p. 14.1 ff. werden Primär-Lithiumbatterien in planarer Einelektrodenpaar-Anordnung beschrieben. Nachteilig an diesen Systemen sind die hohen Material- und Herstellungskosten.
  • Aus letzterer Monographie, p. 8.37 ff. sind auch bereits „low-cost"-Primärbatterien auf der Basis von Zn/MnO2 (s. auch www.powerpaper.com) bekannt, die in Dünnschichttechnik hergestellt werden. Bei diesen Systemen handelt es sich aber um eigenständige isolierte Systeme, die in einem Gehäuse verkapselt sind.
  • Die bekannten Dünnschichtbatterien sind insbesondere nicht geeignet als „in-line"-Speicher für die SMD-Technologie, für Disposable-Anwendungen in der Medizintechnik oder für solche Systeme, die eine besonders effiziente Raumnutzung bzw. Raumanpassung erfordern.
    •
  • Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, verbesserte elektrochemische Dünnschichtbatterien zu schaffen und zugehörige Herstellungsverfahren anzugeben.
  • Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Zugehörige Herstellungsverfahren für einen solchen Batterie- bzw. Energiespeicher sind in den Ansprüchen 16, 17 und 19 angegeben. Weiterbildungen der Dünnschichtbatterie bzw. des zugehörigen Herstellungsverfahrens sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
  • Der erfindungsgemäße Energiespeicher ist als Element in Dünnschichttechnik aufgebaut, wobei das Element direkt in ein Gehäuse oder an eine Gehäuseinnenseite eines zu versorgenden Gerätes angebracht ist. Eine eigene Kapselung ist für das Element unnötig.
  • Insbesondere dadurch, dass keine eigene Kapselung notwendig ist, werden die Nachteile von bekannten Dünnschichtbatterien vermieden. Durch die spezifische Struktur der Elektroden und deren Anordnung ist ein besonders platzsparender Aufbau möglich. Aufgrund des einfachen Aufbaus der erfindungsgemäßen Dünnschichtbatterie sind kostengünstige Methoden zu deren Herstellung geeignet. Diese Herstellungsmethoden ermöglichen eine rationelle Produktion als Massenprodukt, wie sie insbesondere für sogenannte Disposable-Anwendungen Voraussetzung sind.
    •
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren Unteransprüchen. Es zeigen
  • 1 einen elektrochemischen Energiespeicher in Dünnschichttechnik, der in ein Gehäuse eines zu versorgenden Gerätes eingebracht ist,
  • 2 einen Energiespeicher entsprechend 1, der unmittelbar in die Gehäusewandung eines Gerätes integriert ist,
  • 3 einen Energiespeicher in zweizelligem, bipolarem Aufbau, die
  • 4 und 5 Alternativen für die Kontaktierung bzw. Stromableiter,
  • 6 die Seitenansicht eines Energiespeichers in gestufter Anordnung,
  • 7 die formangepasste Anordnung eines Energiespeichers in einer Handyschale mit einem Wandausschnitt 7A und
  • 8 ein „ID-tag" mit Energiespeicher zur Stromversorgung.
  • Gleichwirkende Einheiten haben in den Figuren gleiche Bezugszeichen. Die Figuren werden nachfolgend teilweise gemeinsam beschrieben.
  • In den 1 und 2 bedeutet 1 ein vorhandenes Gerätegehäuse. Ein solches Gehäuse kann beispielsweise eine Handyschale, das Gehäuse eines tragbaren elektronischen Gerätes, wie PDA (= Personal Digital Assistant), eine Scheckkarte oder dergleichen sein. Im Gehäuse 1 sind in geschichteter Anordnung zwischen zwei Stromkollektoren 2, 2' eine Kathode 3, ein Elektrolyt 4 und eine Anode 5 angeordnet.
  • Der Elektrolyt in den 1 und 2 kann zusätzlich einen in den Figuren nicht dargestellten Separator aufweisen.
  • In der 1 befindet sich der so beschriebene Energiespeicher im Gehäuse 1. In 2 ist dagegen der Energiespeicher bündig in der Fläche des vorhandenen Gehäuses 1 angebracht und mit einer Deckfolie oder dergleichen versiegelt.
  • Bei der Anordnung gemäß den 1 oder 2 sind die Elektroden 3 und 5 als dünne Schichten, beispielsweise mit einer Dicke von 50 μm, ausgebildet. Die Dicke sollte im Allgemeinen zwischen 10 und 100 μm betragen. Als weitestgehender Bereich kommen Dicken von 5 bis 500 μm in Frage. Die Dicke des Elektrolyten kann dabei entsprechend angepasst sein.
  • Mit letzterer Dimensionierung werden elektrochemische Dünnschichtbatterien gebildet, bei denen die Dicke des gesamten Bauteils kleiner als 1 mm und vorzugsweise zwischen 70 und 700 μm beträgt.
  • Durch den dünnen bis ultradünnen Aufbau der Dünnschichtbatterie ist nur ein geringer Materialeinsatz für die Elektroden und den Elektrolyt notwendig. Aufgrund des einfachen Aufbaus ergibt sich eine einfache und kostengünstige Herstellung. Derartig hergestellte Dünnschichtbatterien eignen sich für Disposable-Anwendungen.
  • Mit der anhand der 1 und 2 beschriebenen Dünnschichtbatterie kann eine Smartcart realisiert werden, bei der der Energiespeicher zur Dauerstromversorgung dient. Es ist auch eine Anordnung des Energiespeichers mit einem sogenannten ID-tag möglich, bei dem eine solche Batterie ebenfalls als Stromquelle dient.
  • Zur Funktionsweise des elektrochemischen Energiespeichers muss der Elektrolyt 4 bestimmte Bedingungen erfüllen. Vorzugsweise kann der Elektrolyt 4 aprotische Eigenschaften besitzen. Der Elektrolyt 4 kann aber auch protische Eigenschaften haben. In letzterem Fall ist der Elektrolyt 4 üblicherweise wässrig.
  • In der 3 ist eine Anordnung dargestellt, die einen bipolaren Aufbau mit zwei Zellen entsprechend den 1 oder 2 hat. Ausgehend von einem mittleren Stromkollektor 2 ist auf der einen Seite eine Kathode 3 und auf der anderen Seite eine Anode 5 aufgebracht. Darauf befindet sich wieder schichtweise der Elektrolyt und darauf jeweils die Gegenelektrode, d.h. die Kathode 3 oder die Anode 5. Abgeschlossen wird die Schichtstruktur wiederum von Stromkollektoren 2' und 2''.
  • Durch die bipolare Anordnung entsprechend 3 ergibt sich die Möglichkeit einer Reihenschaltung von Dünnschichtbatterien. Dabei kann die Anzahl n der Zellen eine beliebige Zahl n ≥ 2 sein.
  • In den 4 und 5 ist jeweils die Schichtstruktur perspektivisch dargestellt, wobei sich aus den Stromkollektoren 2, 2' Kathode 3 und Anode 5 mit dem Elektrolyten 4 der entsprechende Schichtverbund ergibt. An den gegenüberliegenden Kanten ist in diagonaler Anordnung eine Kontaktierung 7 mit Stromableiter angebracht. Dabei können entsprechend 5 die Stromableiter über die gesamte Breite des Stromkollektors 2 bzw. Elektrode 3, 5 angebracht sein oder aber nur an deren gegenüberliegenden Ecken. Es ist auch möglich, die Stromableiter 7 unmittelbar an die Elektroden, d.h. Kathode 3 und Anode 5, zu kontaktieren.
  • In 6 ist eine Dünnschichtbatterie gezeigt, die aus einzelnen Elementen entsprechend den 1 oder 2 besteht, wobei die Elektroden jedoch streifenförmig in einer Ebene aneinandergereiht sind. Dadurch ergibt sich bereichsweise ein bipolarer Aufbau. Insgesamt wird durch eine solche Anordnung für eine zweizeilige Anordnung gemäß 3 oder aber eine Anordnung mit wesentlich mehr Zellen eine verringerte Gesamtdicke als bei einem konventionellen Aufbau erreicht.
  • Es ist auch möglich, das elektrochemische Element mit Dünnschichtbatterie unmittelbar auf eine Leiterplatte zu platzieren.
  • In 7 ist ein Handy 10 mit einer Handyschale 11 dargestellt, das zur Enegieversorgung bekanntermaßen eine wiederaufladbare Batterie (Akku) besitzt. Beim Austausch des in 7 nicht dargestellten Akkus muss eine „Back up"-Stromversorgung gewährleistet sein. Dazu ist in der Handyschale 11 ein ultradünner elektrochemischer Energiespeicher 12 entsprechend dem vorstehend im Einzelnen beschriebenen Aufbau eingebracht. Vorteilhafterweise bildet der Energiespeicher dabei einen Doppelschichtkondensator. Da der beschriebene Energiespeicher hinsichtlich seiner Form variabel und anpassbar ist, kann die vorhandene Fläche der Gehäusewandung optimal genutzt werden, ohne dass die Form des erfindungsgemäßen Energiespeichers geändert werden muss. Gleiches gilt beispielsweise für Energiespeicher von Hörgeräten od. dgl..
  • In 8 ist ein „ID-tag" 20 dargestellt, wie es als Banderole bei der Gepäckidentifizierung für Reisen, insbesondere im Flugbetrieb, verwendet wird. Die beispielsweise von Rollen abziehbaren Banderolen sind flexibel und werden an den Handgriffen von Koffern od. dgl. befestigt. In die Banderole 20 ist ein ultradünner Energiespeicher 22 der vorstehend beschriebenen Art als Stromquelle eingebracht. Der Energiespeicher beeinflusst die Handhabbarkeit nicht.
  • Bei den beschriebenen Dünnschichtbatterien können die Elektroden, d.h. Anode und/oder Kathode, aus dem gleichen Material bestehen. Werden die Elektroden beide aus Kohlenstoff hergestellt, ist ein Doppelschichtkondensator realisiert, wie es insbesondere bei 7 der Fall ist. Ansonsten bestehen die Anode und/oder die Kathode aus Materialien zur Realisierung einer Primärbatterie. Dafür besteht die Anode z.B. aus Mangandioxid (MnO2) und die Kathode z.B. aus Zink (Zn).
  • In gleicher Weise können derartige Energiespeicher für sog. Smart-Cards eingesetzt werden. Dabei ist für eine längerfristige Stromversorgung eine Batteriefunktion erforderlich, wo die gesamte Fläche der Karteninnenseite als Gehäusewandlung genutzt werden kann.
  • Die Anode und/oder die Kathode können aber auch aus Materialien zur Realisierung einer Sekundärbatterie bestehen. Insbesondere besteht in diesem Fall die Anode aus Silberoxid (AgO) und die Kathode aus Zink (Zn).
  • Zur Herstellung der beschriebenen Dünnschichtbatterien können die Elektroden und/oder die Stromkollektoren und/oder der Elektrolyt in einem Siebdruckverfahren erzeugt bzw. auf die Unterlage – wie einem Gehäuse, Platine oder dergleichen – aufgebracht werden. Es ist auch möglich, die Elektroden und/oder die Stromkollektoren und/oder den Elektrolyten in einem Sprühverfahren herzustellen. Dies kann gegebenenfalls auch mit einem angepassten Ink-Jet-Drucker durchgeführt werden.
  • Weiterhin ist es möglich, die Elektroden und/oder die Stromkollektoren und/oder den Elektrolyten durch Druckverfahren, wie Tampondruck oder dergleichen, durch Tauchverfahren oder Schlickergießen zu erzeugen. Alle vorbezeichneten Verfahren zeichnen sich durch die Möglichkeit einer billigen Massenfertigung aus. Damit ergeben sich insgesamt Energiespeicher in ultradünnem Aufbau mit geringem Materialeinsatz. Solche Dünnschicht-Energiespeicher eignen sich für Disposable-Anwendungen insbesondere in der medizinischen Diagnostik oder bei sog. ID-tag's oder dergleichen.
  • Mit dem beschriebenen Verfahren ergibt sich auch eine Inline-Erzeugung von Energiespeicher bei der SMD-Technik. Es lassen sich so in vorgegebenen Gehäusen platzsparend Energiespeicher zur Stromversorgung integrieren.

Claims (20)

  1. Elektrochemische Energiespeicher mit Kathode und Anode und dazwischen angeordnetem Elektrolyten, gekennzeichnet durch einen Aufbau als Element in Dünnschichttechnik, wobei das Element (3 bis 5) ohne eigene Verkapselung direkt in ein Gehäuse (1) oder an eine Gehäuseinnenseite eines zu versorgenden Gerätes angebracht ist.
  2. Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Elektroden (3, 5) bis 500 μm, vorzugsweise zwischen 10 und 100 μm, beträgt.
  3. Energiespeicher nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des gesamten aus Kathode und Anode und dazwischen angeordnetem Elektrolyten gebildeten Elementes (3 bis 5) kleiner als 1 mm, vorzugsweise zwischen 70 und 700 μm, beträgt.
  4. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Anode (5) und/oder Kathode (3) im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehen und einen Doppelschichtkondensator realisieren.
  5. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (5) und/oder die Kathode (3) aus Materialien zur Realisierung einer Primärbatterie bestehen.
  6. Energiespeicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode aus Mangandioxid (MnO2) besteht und dass die Kathode aus Zink (Zn) besteht.
  7. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (5) und/oder die Kathode aus Materialien zur Realisierung einer Sekundärbatterie bestehen.
  8. Energiespeicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (5) aus Mangandioxid (MnO) oder Silberoxid (AgO) und die Kathode aus Zink (Zn) besteht.
  9. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine bipolare Anordnung mit n-Zellen, wobei gilt: n ≥ 2.
  10. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dünnschichtspeicher Teil einer sog. Smart-Card ist und zu deren Stromversorgung dient.
  11. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Dünnschichtspeicher Teil eines sog. ID-tag's ist und zu dessen Stromversorgung dient.
  12. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Dünnschichtspeicher Teil eines Handys ist und zur „Back-up"-Stromversorgung oder zur Leistungspufferung dient.
  13. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Elektroden (3, 5) Stromkollektoren (6) diagonal kontaktiert sind.
  14. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (3, 5) ohne Stromkollektoren direkt kontaktiert sind.
  15. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (3, 5) streifenförmig in einer Ebene aneinandergereiht sind.
  16. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische Element (3, 5) direkt auf einer Leiterplatine platziert ist.
  17. Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichers nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden und/oder der Stromkollektor und/oder der Elektrolyt in einem Siebdruckverfahren erzeugt bzw. auf eine Unterlage aufgebracht ist.
  18. Verfahren zum Herstellen eines Energiespeichers nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden und/oder die Stromkollektoren und/oder der Elektrolyt in einem Sprühverfahren auf eine Unterlage aufgebracht werden.
  19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zum Sprühen ein Tintenstrahl-Drucker verwendet wird.
  20. Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichers nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden und/oder die Stromkollektoren und/oder der Elektrolyt durch Drucken, insbesondere Tampondruck oder dergleichen, durch Tauchen in eine geeignete Lösung, oder durch Schlickergießen mit einer geeigneten Lösung erzeugt werden.
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