DE112019006363T5 - Lithium-ionen-batterie mit mems-anode - Google Patents

Lithium-ionen-batterie mit mems-anode Download PDF

Info

Publication number
DE112019006363T5
DE112019006363T5 DE112019006363.4T DE112019006363T DE112019006363T5 DE 112019006363 T5 DE112019006363 T5 DE 112019006363T5 DE 112019006363 T DE112019006363 T DE 112019006363T DE 112019006363 T5 DE112019006363 T5 DE 112019006363T5
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
battery
metal
titanium
anode
wick structure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE112019006363.4T
Other languages
English (en)
Inventor
Payam Bozorgi
Shannon Gott
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pimems Inc
Original Assignee
Pimems Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pimems Inc filed Critical Pimems Inc
Publication of DE112019006363T5 publication Critical patent/DE112019006363T5/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/134—Electrodes based on metals, Si or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/485—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of mixed oxides or hydroxides for inserting or intercalating light metals, e.g. LiTi2O4 or LiTi2OxFy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B1/00—Devices without movable or flexible elements, e.g. microcapillary devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00023—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems without movable or flexible elements
    • B81C1/00111—Tips, pillars, i.e. raised structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402—Methods of deposition of the material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402—Methods of deposition of the material
    • H01M4/0421—Methods of deposition of the material involving vapour deposition
    • H01M4/0423—Physical vapour deposition
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/131—Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H01M4/1391—Processes of manufacture of electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H01M4/366—Composites as layered products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/483—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides for non-aqueous cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/05—Microfluidics
    • B81B2201/058—Microfluidics not provided for in B81B2201/051 - B81B2201/054
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021—Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/30—Batteries in portable systems, e.g. mobile phone, laptop
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0025—Organic electrolyte
    • H01M2300/0028—Organic electrolyte characterised by the solvent
    • H01M2300/0037—Mixture of solvents
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)

Abstract

Die vorliegende Anmeldung offenbart eine mikrogefertigte Batterie im Mikromaßstab mit hervorragenden Leistungseigenschaften. Die Batterie verwendet eine Titananode, welche geätzt wird, um mehrere von sich erhebenden Merkmalen auf der Titananode auszubilden. Die sich erhebenden Merkmale werden konform mit einem hochleitfähigen Metall beschichtet. Anschließend wird eine Titanschicht über dem hochleitfähigen Metall ausgebildet. Diese Titanschicht wird dann oxidiert, um darüber hinaus eine Rauheit im kleinen Maßstab zu erzeugen. Die Rauheit vergrößert die Oberfläche, was die Aufnahme von Lithium-Ionen durch die Anode verbessert. Die Batterie kann mit einer thermischen Grundfläche aus Titan kombiniert werden, um darüber hinaus die Leistung durch Ableitung von Wärme von der Batterie zu verbessern.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese nichtprovisorische US-Patentanmeldung beansprucht die Priorität für die vorläufige US-Anmeldung mit der Serien-Nr. 62782367 , eingereicht am 20, Dezember 2018. Diese frühere Anmeldung wird durch Inbezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen.
  • ERKLÄRUNG ZU STAATLICH GEFÖRDERTER FORSCHUNG
  • Nicht zutreffend.
  • ERKLÄRUNG BEZÜGLICH DES MIKROFICHE-ANHANGS
  • Nicht zutreffend.
  • HINTERGRUND
  • Diese Erfindung bezieht sich auf die Batterietechnologie.
  • Bei den derzeit verfügbaren Energiequellen mussten die Anwender bisher zwischen Leistung und Energie wählen. Für Anwendungen, die viel Energie benötigen, wie z. B. die Übertragung eines Funksignals über eine große Entfernung, können Kapazitäten sehr schnell Energie abgeben, aber nur eine kleine Menge speichern. Für Anwendungen, die viel Energie benötigen, wie z. B. das Abspielen eines Radios über einen langen Zeitraum, können Brennstoffzellen und Batterien viel Energie speichern, diese aber nur langsam abgeben bzw. wieder aufladen.
  • Lithium-Ionen-Batterien (abgekürzt LiBs) sind gängige Batterien für tragbare Elektronik mit hoher Energiedichte, kleinem Memory-Effekt und geringer Selbstentladung. Die mittlerweile allgegenwärtige Lithium-Ionen-Batterie ist wiederaufladbar und ist eine Batterie, in der sich Lithium-Ionen während der Entladung von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode und beim Laden zurück bewegen. Li-Ionen-Batterien verwenden eine interkalierte Lithiumverbindung als ein Elektrodenmaterial, im Gegensatz zu dem metallischen Lithium, das in einer nicht wiederaufladbaren Lithiumbatterie verwendet wird. LIBs werden auch für militärische, batterieelektrische Fahrzeug- und Raumfahrtanwendungen immer beliebter.
  • Die kommerziell am meisten verbreitete negative Elektrode für LiBs ist Graphit. Die positive Elektrode ist im Allgemeinen eines von drei Materialien: ein geschichtetes Oxid (wie Lithium-Kobalt-Oxid), ein Polyanion (wie Lithium-Eisen-Phosphat) oder ein Spinell (wie Lithium-Mangan-Oxid). In jüngster Zeit werden auch graphenbasierte Elektroden (basierend auf 2D- und 3D-Strukturen von Graphen) als Elektroden für Lithiumbatterien eingesetzt. Der Elektrolyt ist typischerweise eine Mischung aus organischen Carbonaten wie Ethylencarbonat oder Diethylcarbonat, die Komplexe von Lithium-Ionen enthalten. In jüngerer Zeit wurde Silizium wegen seiner großen theoretischen spezifischen Kapazität als Anodenmaterial untersucht, allerdings hat Silizium einige unattraktive mechanische Eigenschaften.
  • Chemie, Leistung, Kosten und Sicherheitscharakteristika variieren bei den verschiedenen LIB-Typen. Bei in der Hand gehaltenen Elektronik werden meist LIBs auf der Basis von Lithium-Kobalt-Oxid verwendet, das eine hohe Energiedichte bietet, aber Sicherheitsrisiken birgt, insbesondere bei Beschädigung.
  • In der Tat können Lithium-Ionen-Batterien ein Sicherheitsrisiko darstellen, da sie einen entflammbaren Elektrolyten enthalten und unter Druck stehen können. Reines Lithium ist hochreaktiv und reagiert heftig mit Wasser unter Bildung von Lithiumhydroxid (LiOH) und Wasserstoffgas. Daher wird typischerweise ein nicht-wässriger Elektrolyt verwendet, und ein abgedichteter Behälter schließt Feuchtigkeit vom Batteriepack rigoros aus. Wenn eine LiB zu schnell geladen wird, gequetscht wird oder wenn sie einer höheren elektrischen Belastung ausgesetzt wird, als sie sicher handhaben kann, kann ein externer Kurzschluss dazu führen, dass die Batterien explodieren oder einen Brand auslösen.
  • Schließlich sind LiBs teurer als NiCd-Batterien, arbeiten aber über einen größeren Temperaturbereich mit höherer Energiedichte. Sie benötigen eine Schutzschaltung zur Begrenzung der Spitzenspannung.
  • Dementsprechend haben kommerziell erhältliche Lithium-Ionen-Batterien (LIB) eine Reihe von Sicherheits-, Kosten- und Zuverlässigkeitsproblemen. LIBs mit Graphitanoden haben mit Überladung, Überhitzung und Kurzschlüssen zu kämpfen. Anoden-LIBs auf Siliziumbasis leiden unter großen Volumenänderungen während des Lade- und Entladevorgangs, was letztendlich zur Zerstörung des Siliziums und nachfolgenden Nebenreaktionen führt.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die vorliegende Anmeldung offenbart eine leistungsstarke, verbesserte Batterie, insbesondere für Anwendungen, bei denen das Gewicht eine wichtige Rolle spielt. Die Batterie zeigt eine außergewöhnliche Leistung, mit erhöhter Speicherkapazität, verringerter Ladezeit, besserer Sicherheitsleistung und kleinerem Formfaktor.
  • Eine Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Architektur für eine Batterie mit kleinem Formfaktor bereitzustellen, die eine verbesserte Leistung im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien aufweist.
  • Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Architektur für eine Batterie mit kleinem Formfaktor bereitzustellen, die extreme Sicherheitsattribute gegenüber Lithium-Ionen-Batterien aufweist.
  • Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Architektur für eine Batterie mit kleinem Formfaktor bereitzustellen, die eine verbesserte Wiederaufladeleistung gegenüber Lithium-Ionen-Batterien aufweist.
  • Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Architektur für eine Batterie mit kleinem Formfaktor bereitzustellen, die kostengünstiger, kleiner und leichter als Lithium-Ionen-Batterien ist.
  • Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Architektur für eine Batterie mit kleinem Formfaktor bereitzustellen, die eine höhere Spannungsentladungsplateaukapazität als Lithium-Ionen-Batterien aufweist.
  • Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Architektur für eine Batterie mit kleinem Formfaktor bereitzustellen, die umweltfreundlich im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien ist.
  • Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Architektur für eine Batterie mit kleinem Formfaktor bereitzustellen, die eine ausgezeichnete Zyklisierungsstabilität und damit eine längere Lebensdauer als Lithium-Ionen-Batterien aufweist.
  • In der hier beschriebenen Architektur wird das Graphit oder Graphen durch ein titanbasiertes Material ersetzt. Insbesondere wird Titanoxid (TiO2) anstelle des Kohlenstoffs verwendet. TiO2 hat von Natur aus ein höheres Lithium-Einfügungspotenzial als Graphit und produziert kein Wasserstoffgas, wodurch die oben genannten Probleme umgangen werden. MEMS-basierte Fertigungstechniken werden auf die Morphologie der Anode angewandt.
  • Die hier vorgeschlagene Architektur ersetzt die Graphitanode durch ein titanbasiertes Material. LIBs mit einer Titan-basierten Anode können die oben genannten Sicherheits- und Zuverlässigkeitsprobleme umgehen, aber weisen Probleme einer niedrigen spezifischen Energiekapazität und einer geringen elektrischen Leitfähigkeit auf. Titan-Legierungen, und insbesondere das Oxid TiO2, zum Beispiel, haben von Natur aus ein höheres Lithium-Einfügungspotenzial als Graphit, und eine Reihe von anderen wünschenswerten Leistungseigenschaften.
  • Der Schwerpunkt dieser Architektur liegt auf der LIB-Anode, da sie weitgehend die Energie- und Leistungsdichte steuert und ein wichtiger Faktor für die thermische Stabilität ist. In Anbetracht der Tatsache, dass die meisten Lithium-Ionen in TiO2 innerhalb von 10 nm von der Oberfläche nachgewiesen werden und größere Lade-/Entladekapazitäten von den Lithium-Ionen innerhalb weniger nm von der Oberfläche bestimmt werden, kann eine Vergrößerung der Anodenoberfläche einen erheblichen Einfluss auf die Energiedichte haben.
  • Um die Vorteile einer Anode mit einer großen Oberfläche mit der Sicherheit und Zuverlässigkeit von Titan zu nutzen, verwendet die hier beschriebene Architektur MEMS-Fertigungstechniken, um dreidimensionale (3D) Oberflächenkonturen bereitzustellen. Die 3D-Titan-MEMS können die Form von nanostrukturierten Säulen aufweisen, die im Vergleich zu planaren Anoden einen größeren Oberflächenbereich in der Größenordnung von 150 bereitstellen. Dies wiederum stellt mehr Lithium-Ionen-Einfügungsstellen in der Nähe der Oberfläche bereit, wodurch der Innenwiderstand verringert und die Energie- und Leistungsdichte erhöht wird.
  • Die hier beschriebene Architektur adressiert auch das Problem des elektrischen Widerstands, das bei titanbasierten Anoden häufig auftritt, durch die Hinzufügung eines integrierten leitenden Netzwerks. Eine Metallbeschichtung mit geringem Widerstand ist passend über der 3D-Anodenoberfläche angeordnet.
  • Dementsprechend macht die Batterie Gebrauch von mikrogefertigten Elektroden oder Anschlüssen. Die Elektroden oder Anschlüsse können Titan umfassen und eine Mikrorauhigkeit aufweisen, die weit über die Standard-Elektrodenmorphologie hinausgeht. Als Ergebnis dieser Rauheit ist die Oberfläche des Anschlusses viel größer als ein Standardanschluss oder eine Standardelektrode. Die Ti-Anode kann eine geringe Volumenänderung während der Aufnahme bzw. Abgabe von Li-Ionen aufweisen ( < 4%). Die Ti-Anode kann auch eine ausgezeichnete strukturelle und chemische Stabilität aufweisen.
  • Ein weiteres Problem, das bisher mit Ti-Anoden verbunden war, ist die geringe elektrische Leitfähigkeit. Dieser Nachteil wird durch ein Auftragen einer dünnen Schicht eines hochleitfähigen Metalls über der Ti-basierten hochkonturigen Oberfläche behoben. Die hochleitfähige Metallunterschicht kann die ansonsten eher schlechte Leitfähigkeit des TiO2-Materials verbessern.
  • Diese Metallschicht kann dann mit einem weiteren ti-basierten Film abgedeckt werden, der in einem nm-Bereich aufgeraut ist. Bei einem Verfahren zum Mikrorauen kann diese äußere TiO2-Schicht eine kleinskalige Topographie aufweisen, die den Oberflächenbereich auf etwa das 150-fache dessen vergrößern kann, was bei einer planaren Graphitanode vorhanden ist. Auf diese Weise wird ein hochleitfähiges Goldnetzwerk bereitgestellt, das mit den NST-Säulen integriert ist, um den Transport der Li+-lonen zu unterstützen und den Widerstand des Wegs der Elektronen (e-) zu verringern. Dies ermöglicht eine Anode mit höherer Einfügungsrate. Dementsprechend adressiert diese Architektur auch den bei titanbasierten Anoden üblichen elektrischen Widerstand durch das Hinzufügen eines integrierten leitfähigen Netzwerks. Diese beiden Merkmale können genutzt werden, um die Leistungsdichte deutlich zu verbessern.
  • Dementsprechend wird eine Batterie beschrieben, die eine Metallanode aufweisen kann, die eine Vielzahl von mikrogefertigten sich erhebenden Merkmalen, wobei die mikrogefertigten sich erhebenden Merkmale ein Seitenverhältnis von etwa 10 und einen Abstand von etwa 10 Mikrometern aufweisen, eine Metallbeschichtung mit hoher Leitfähigkeit, die konform zu der Metallanode und den mikrogefertigten sich erhebenden Merkmalen ist, und eine Metalloxidbeschichtung über der Metallbeschichtung mit hoher Leitfähigkeit, wobei das Metalloxid eine Rauheit im nm-Bereich aufweist, umfasst. Bei einigen Ausführungsformen kann die Metallanode eine Titanmetallanode sein, und das Metalloxid kann TiO2 sein.
  • Figurenliste
  • Verschiedene beispielhafte Details werden unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben, wobei gilt:
    • 1 illustriert eine Lithium-Ionen-Batterie gemäß der heutigen Praxis;
    • 2 illustriert eine mikrogefertigte TiMEMS-basierte Anode;
    • 3 illustriert ein Konzept einer mikrogefertigte TiMEMS-basierten Anode mit rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen von Säulen und NST;
    • 4 ist ein vereinfachtes Diagramm, das eine TiMEMS-Batteriearchitektur veranschau licht;
    • 5 ist ein vereinfachtes Diagramm, das eine gepackte TiMEMS-Batterie darstellt;
    • 6 zeigt eine Lade- und Entladekurve für eine kommerzielle LIB mit Graphit-Anode im Vergleich zu einer kommerziell erhältlichen LIB mit einer Anode auf Titanbasis;
    • 7 illustriert die Sicherheitsvorteile der TiMEMS-Batteriearchitektur;
    • 8 veranschaulicht die Leistungsvorteile der TiMEMS-Batteriearchitektur;
    • 9 zeigt einen Vergleich der Batterie mit TiMEMS-basierter Anode mit SoA-M ikrobatterien;
    • 10 illustriert die Vorteile des Formfaktors und des Gewichts der TiMEMS-Batteriearch itektur;
    • 11 illustriert die erfindungsgemäße LiTi, die mit einer TiTGP gekoppelt ist; und
    • 12 ist eine Tabelle, die die erforderlichen Metriken gegenüber der geschätzten Leistung einer Batterie mit TiMEMS-basierten Anode beschreibt.
    • 13 ist eine illustrative Ausführungsform einer thermischen Grundfläche auf Titanbasis, die ein Titansubstrat mit einer Dochtstruktur, eine Rückwand und eine Dampfkammer umfasst;
    • 14 ist eine illustrative Ausführungsform von früheren Titansubstraten mit einer Dochtstruktur: (A) die Dochtstruktur umfasst Säulen, (B) die Dochtstruktur umfasst Kanäle oder Rillen;
    • 15 ist eine illustrative Ausführungsform einer metallbasierten thermischen Grundfläche mit einem Zwischensubstrat in Verbindung mit einer Dochtstruktur und einer Dampfkammer. Die Zwischenschicht kann Mikrostrukturen umfassen. (A) zeigt eine Querschnittsansicht, in der Komponenten einer Ausführungsform dargestellt sind, (B) zeigt eine Explosionszeichnung von Strukturkomponenten einer Ausführungsform;
    • 16 zeigt Strukturkomponenten gemäß einer dargestellten Ausführungsform, bei der die verschiedenen Strukturkomponenten in einem Verdampferbereich, einem adiabatischen Bereich und einem Kondensatorbereich angeordnet sind: (A) zeigt einen Verdampferbereich einer Ausführungsform, bei der das Zwischensubstrat eine Vielzahl von Mikrostrukturen umfasst, die mit der Dochtstruktur verschachtelt sind, (B) zeigt einen adiabatischen Bereich einer Ausführungsform, bei der das Zwischensubstrat in unmittelbarer Nähe der Dochtstruktur angeordnet ist, (C) zeigt einen Kondensatorbereich einer Ausführungsform, bei der die Dochtstruktur in direkter Kommunikation mit der Dampfkammer steht, und (D) zeigt ein Detail einer Ausführungsform eines Zwischensubstrats;
    • 17 ist eine illustrative Ausführungsform von Querschnittsansichten von Strukturkomponenten einer Ausführungsform, bei der die Strukturen nicht benetzt (d.h. trocken) und von einer Flüssigkeit benetzt sind: (A) nicht-benetzte Strukturkomponenten in dem Verdampferbereich, (B) benetzte Strukturkomponenten in dem Verdampferbereich, (C) nicht-benetzte Strukturkomponenten in dem adiabatischen Bereich, (D) benetzte Strukturkomponenten in dem adiabatischen Bereich, (E) nicht-benetzte Strukturkomponenten in dem Kondensatorbereich, (F) benetzte Strukturkomponenten in dem Kondensatorbereich;
    • 18 zeigt Druckprofile als eine Funktion einer axialen Lage für eine illustrative Ausführungsform einer thermischen Grundfläche. Die Kurven zeigen den Druck der Dampfphase in der Dampfkammer und der Flüssigphase in der Dochtstruktur. In diesem Fall tritt die maximale Druckdifferenz zwischen der Flüssig- und der Dampfphase in dem Verdampferbereich auf. Die minimale Druckdifferenz zwischen der Dampf- und der Flüssigkeitsphase tritt in dem Kondensatorbereich auf;
    • 19 zeigt Temperaturprofile als Funktion einer axialen Lage für eine illustrative Ausführungsform einer thermischen Grundfläche unter Wärmebelastungen von Q = 10, 20 und 30 W. In dieser Ausführungsform befindet sich der Verdampfer in der Mitte, und es gibt einen adiabatischen Bereich und einen Kondensatorbereich auf jeder Seite;
    • 20 vergleicht die maximale Wärmeübertragung für thermische Grundflächen auf Titanbasis für verschiedene Dampftemperaturen. Der Vergleich ist zwischen einer früheren thermischen Grundfläche auf Titanbasis und einer illustrativen Ausführungsform der aktuellen thermischen Grundfläche unter Verwendung eines Zwischensubstrats;
    • 21 ist eine illustrative Ausführungsform eines Flussdiagramms der Bildung einer oder mehrerer Ausführungsformen der aktuellen Ti-basierten TGP (metallbasierten thermischen Grundfläche) gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
    • 22 ist eine illustrative Ausführungsform eines Flussdiagramms der Ausbildung einer oder mehrerer Ausführungsformen der aktuellen Ti-basierten TGP;
    • 23 zeigt illustrative Ausführungsformen einer Dochtstruktur in Verbindung mit einem Zwischensubstrat. Das effektive Seitenverhältnis ist definiert als das Verhältnis der effektiven Kanalhöhe h zur effektiven Kanalbreite w: (A) zeigt eine illustrative Ausführungsform, bei der die Mikrostrukturen in dem Zwischensubstrat mit der Dochtstruktur verschachtelt sind, (B) zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der die Mikrostrukturen im Zwischensubstrat oberhalb der Dochtstruktur angeordnet sind; und
    • 24 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der thermischen Grundfläche mit einer Vielzahl von thermischen Grundflächen, die zur Verwendung in einer Batterieanwendung geeignet ist.
  • Es sollte klar sein, dass die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind und dass sich gleiche Kennzahlen auf gleiche Merkmale beziehen können.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil dieses Dokuments bilden und in denen zur Veranschaulichung eine spezifische Ausführungsform gezeigt ist, in der die Erfindung ausgeführt werden kann. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und strukturelle Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • 1 zeigt eine Lithium-Ionen-Batterie gemäß der heutigen Praxis. Die Reaktanten in den elektrochemischen Reaktionen in einer Lithium-Ionen-Batterie sind die negative Elektrode 10 und die positive Elektrode 30 und der Elektrolyt 20, der ein leitfähiges Medium für Lithium-Ionen bereitstellt, damit die sich zwischen den Elektroden bewegen. Elektrische Energie fließt aus der Batterie heraus oder in die Batterie hinein, wenn Elektronen während der Entladung bzw. Ladung durch einen externen Stromkreis fließen. Beide Elektroden 10, 30 ermöglichen die Bewegung von Lithium-Ionen in und aus ihren Strukturen mit einem Prozess, der als Insertion (Interkalation) bzw. Extraktion (Deinterkalation) bezeichnet wird.
  • Während der Entladung bewegen sich die positiven Lithium-Ionen von der negativen Elektrode 10 (Anode) (früher Graphit) zu der positiven Elektrode 30 (Kathode) und bilden eine Lithiumverbindung durch den Elektrolyten. Entsprechend fließen die Elektronen durch den externen Stromkreis 40 in die gleiche Richtung. Wenn die Zelle aufgeladen wird, erfolgt das Umgekehrte mit den Lithium-Ionen und die Elektronen bewegen sich in einem Nettozustand höherer Energie zurück in die negative Elektrode. Die Lithiumverbindung kann z. B. Lithium-Mangandioxid (LiMnO2) oder Lithium-Kobaltdioxid (LiCoO2) sein.
  • In einer Lithium-Ionen-Batterie werden die Lithium-Ionen durch eine Oxidation des Übergangsmetalls, z. B. Kobalt (Co) oder Mangan (Mn), zu und von der positiven 30 bzw. negativen 10 Elektrode transportiert. Die Gesamtreaktion hat ihre Grenzen. Beim Laden von Lithium-Ionen-Batterien wandern Lithium-Ionen von der Kathode und lagern sich in der Anode ein. Wenn sich die Graphitanode mit Lithium füllt, fällt die Spannung ab und kann in einen unsicheren Spannungsbereich gelangen. Dies wird als Überladung bezeichnet. Eine Überladung kann zur Ablagerung von Lithium auf der Anodenoberfläche führen, was einen Kurzschluss oder einen Zusammenbruch der Festelektrolyt-Interphase (SEI) zur Folge hat, was zu einer Überhitzung führt.
  • Lithium-Ionen-Batterien können ein Sicherheitsrisiko darstellen, da sie einen brennbaren Elektrolyten enthalten und unter Druck gehalten werden können. Reines Lithium ist hochreaktiv und reagiert heftig mit Wasser unter Bildung von Lithiumhydroxid (LiOH) und Wasserstoffgas. Daher wird typischerweise ein nicht-wässriger Elektrolyt verwendet, und ein abgedichteter Behälter schließt Feuchtigkeit von der Batteriepackung rigoros aus. Wenn eine LiB zu schnell geladen wird, gequetscht wird oder wenn sie einer höheren elektrischen Belastung ausgesetzt wird, als sie sicher handhaben kann, kann ein externer Kurzschluss dazu führen, dass die Batterien explodieren oder einen Brand auslösen.
  • Die kommerziell am meisten verbreitete negative Elektrode ist Graphit. Allerdings ist Graphit anfällig für eine Überladung. Außerdem kommt es zu Lithiumablagerungen auf der Anodenoberfläche (was zu einem Kurzschluss führt) oder zum Zusammenbruch der Festelektrolyt-Interphase (SEI) (was zu einer Überhitzung führt) aufgrund einer niedrigen Spannung. Die Graphitanode ist daher die Quelle für einen Großteil der mit LiBs verbundenen Gefahren.
  • In der hier beschriebenen Architektur wird der Graphit oder das Graphen durch titanbasiertes Material ersetzt. Insbesondere wird Titanoxid (TiO2) anstelle des Kohlenstoffs verwendet. TiO2 hat von Natur aus ein höheres Lithium-Einfügungspotenzial als Graphit und produziert kein Wasserstoffgas, wodurch die oben genannten Probleme umgangen werden. MEMS-basierte Herstellungsverfahren werden auf die Morphologie der Anode angewandt.
  • Es wird eine Batterie beschrieben, die eine Metallanode aufweisen kann, die eine Vielzahl von mikrogefertigten sich erhebenden Merkmalen, wobei die mikrogefertigten sich erhebenden Merkmale ein Seitenverhältnis von etwa 10 und einen Abstand von etwa 10 Mikrometern aufweisen, eine Metallbeschichtung mit hoher Leitfähigkeit, die mit der Metallanode und den mikrogefertigten sich erhebenden Merkmalen konform ist, und eine Metalloxidbeschichtung über der Metallbeschichtung mit hoher Leitfähigkeit, wobei das Metalloxid eine Rauheit im nm-Bereich aufweist, umfasst. Bei einigen Ausführungsformen kann die Metallanode eine Titanmetallanode sein, und das Metalloxid kann TiO2 sein. Diese Ausführungsform ist jedoch nur beispielhaft, und es sollte klar sein, dass eine Vielzahl von Metallen für diesen Zweck verwendet werden kann, einschließlich Aluminium (AI), Kupfer (Cu) und Edelstahl. Die äußere mikroraue Oxidschicht kann ein Oxid des gleichen Metalls wie die Metallanode sein, oder es kann eine andere Verbindung sein.
  • In der folgenden Diskussion kann die auf Titan basierende Batterie als „MEMS-Ti-Batterie“ oder als „3D-MEMS-Batterie“ oder als „TiLi“-Batterie bezeichnet werden. Diese Begriffe sind synonym zu verstehen und beziehen sich auf die unten beschriebene neuartige Batteriearchitektur, die eine titanbasierte Anode mit einer leitfähigen Metallunterschicht und einer TiOxid-Oberschicht verwendet, die eine Mikrorauheit auf ihrer Oberfläche aufweist, um die Oberfläche zu vergrößern. Der Begriff „Ti-basierte Anode“ sollte so verstanden werden, dass er eine Anode meint, die überwiegend Titan oder Titan in einer Legierung mit einem anderen Element umfasst. Die Ti-Legierungen können Aluminium, Vanadium, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Eisen oder Ytterbium aufweisen. Diese Liste ist nur beispielhaft und erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit aller Titanlegierungsoptionen.
  • Wie bereits erwähnt, kann die Energiedichte durch einen großen aktiven Oberflächenbereich verbessert werden, der eine effiziente Nutzung des gesamten Anodenmaterials ermöglicht. Um eine größere Oberfläche der Anode zu erreichen, kann eine typische planare Anodenstruktur in aktuellen LIB-Technologien durch 3D-Ti-Mikropillarstrukturen bzw. 3D-Ti-Mikrosäulenstrukturen ersetzt werden, die mit Gold und nanostrukturiertem Titandioxid (NST) beschichtet sind. Mikropillare bzw. Mikrosäulen sind Formen, die mit den im Folgenden beschriebenen lithografischen Techniken leicht hergestellt werden können. Diese Form ist jedoch nur ein Beispiel, und es können auch viele andere Formen zur Vergrößerung der Oberfläche verwendet werden. Diese vorspringenden Formen können allgemeiner als „aufgeraute Merkmale“ bzw. „sich erhebende Merkmale“ bezeichnet werden.
  • Mikrosäulenstrukturen können aus Bulk-Titanfolien unter Verwendung von Halbleiterlithografieverfahren (SUSS MA-6) in Verbindung mit einem Plasma-Trockenätzverfahren auf einem Panasonic E640-System erzeugt werden. Dieses Verfahren ist nur beispielhaft, und es können auch andere Verfahren zum Hervorrufen einer Topologie existieren, z. B. reaktives Ionentiefenätzen (deep reactive ion etching) durch eine Maske. Bei einer gegebenen Säulenstruktur mit einem Durchmesser von 1 µm und einer Höhe von 10 µm und einem Abstand von 2 µm kann die Anodenfläche um den Faktor 4,5 vergrößert werden. Im Allgemeinen können die Mikrosäulen jedoch einen Durchmesser von weniger als 10 µm und eine Höhe von mindestens 10 µm aufweisen. Dementsprechend können die Merkmale ein Seitenverhältnis (Höhe zu Durchmesser) von mindestens 1 und noch bevorzugter von mindestens 10 aufweisen. Eine detaillierte Beschreibung der Verfahren zur Bildung der Mikrosäulen wird darüber hinaus in Bezug auf ein thermisches Modul aus Titan oder eine thermische Grundfläche aus Titan (TiTGP) diskutiert.
  • Auf jeder Säule kann eine dünne Goldschicht beispielsweise durch physikalische Gasphasenabscheidung (Temescal E-Beam) abgeschieden werden, was ein leitfähiges Netzwerk für den einfachen Transport von Elektronen bildet. Auf die Goldschicht wird eine weitere dünne Schicht aus TiO2 abgeschieden (Temescal E-Beam), die zum Wachstum von NST verwendet wird. Erhitztes Wasserstoffperoxid reagiert mit TiO2, um die komplexen Nanostrukturen im TiO2 zu bilden, d.h. um das nanostrukturierte Titan (NST) zu bilden. Das Verfahren kann optimiert werden, um den Oberflächenbereich des NST zu maximieren, da das NST die elektrochemischen Reaktionen an der Grenzfläche und den Ionenfluss über die Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche erhöht, was die Effizienz des Ladungstransports erleichtert und die Kapazität steigert.
  • Während das NST den Transport und die Speicherung von Lithium-Ionen erleichtert, schafft die Goldschicht Bewegungsfreiheit für ihr Elektronen-Gegenstück. Die Speicherung von Lithium in den Elektroden wird durch niedrige Leitfähigkeiten negativ beeinflusst, und aufgrund dieses elektrischen Widerstands können einige Elektronen der Lithium-Ionen nicht an den externen Stromkreis abgegeben werden. Daher hängt die Leistung der Batterie stark von der inneren Impedanz ab, da sie in umgekehrtem Verhältnis zueinander stehen. Die Goldschicht, die eng an das NST angrenzt, stellt einen Weg für die Elektronen bereit, der die ansonsten geringe Leitfähigkeit des Titans überwindet.
  • Einige Probleme, die früher mit Ti-Anoden in Verbindung gebracht wurden, betrafen die geringe spezifische Kapazität (Ladung/Masse). Graphit weist eine spezifische Kapazität von 372 mAh/g auf. Kohlenstoff-Nanofasern (CNFs) 450 mAh/g; während TiO2 nur bei 330 mAh/g liegt. Dieses Leistungsmerkmal kann jedoch durch eine Vergrößerung des Oberflächenbereichs der Ti-basierten Anode stark verbessert werden. MEMS-Techniken können verwendet werden, um den Oberflächenbereich durch Mikrofertigung tausender sich erhebender Merkmale (hier 3D-Mikrosäulen mit nano-strukturiertem Titandioxid) deutlich zu vergrößern. Dies erhöht die Effizienz des Li+-lonentransports durch die Förderung von elektrochemischen Reaktionen an der Grenzfläche und einen höheren Fluss von Li-Ionen über die Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche zwischen der TiO2-Anode und Kathode. Die 3D-Titan-MEMS in Form von nanostrukturierten Säulen können eine Vergrößerung der Oberfläche in der Größenordnung von 150 im Vergleich zu planaren Anoden bieten. Dies führt zu mehr Lithium-Ionen-Einfügungsstellen in der Nähe der Oberfläche, wodurch der Innenwiderstand verringert und die Energie- und Leistungsdichte erhöht wird.
  • 2 zeigt eine mikrogefertigte TiMEMS-basierte Anode gemäß den oben kurz beschriebenen Systemen und Verfahren. Wie es in 2 dargestellt ist, wird eine Oberfläche des Ti-Materials 1500 mikrobearbeitet, um eine Vielzahl von sich erhebenden Merkmalen 1100 aufzuweisen. Diese Merkmale können Vorsprünge sein, die in Bezug auf eine andere Oberfläche des Ti-Materials 1500 aufragen. In einer Ausführungsform sind die sich erhebenden Merkmale eine Anordnung von Säulen mit einem allgemein kreisförmigen Querschnitt, die sich in Bezug auf eine untere Fläche erheben. Die Säulen 1100 können durch Ätzen des Titans unter Verwendung einer Maske gebildet werden, um die Bereiche, die den Säulen entsprechen, vor dem Ätzmittel zu schützen.
  • Dieses Verfahren kann aufgeraute bzw. sich erhebende Merkmale hinterlassen, die von dem umgebenden Material, das in dem Verfahren geätzt wird, aufragen. Die Säulen können einen Durchmesser von etwa 1-8 Mikrometer und vorzugsweise etwa 5 Mikrometer aufweisen und können 10-50 Mikrometer und vorzugsweise 20 Mikrometer über die übrige Oberfläche hinausragen. Zwischen den Säulen kann ein Abstand von etwa 10 Mikrometern bestehen. Dementsprechend können die sich erhebenden Merkmale ein Seitenverhältnis (Höhe zu Durchmesser) von mindestens etwa 1 und bevorzugter von etwa 10 aufweisen. Eine detaillierte Beschreibung der Verfahren zur Bildung der Mikrosäulen wird darüber hinaus in Bezug auf ein thermisches Modul aus Titan oder eine thermische Grundfläche aus Titan (TiTGP) erörtert.
  • Die Säulen 1100 können mit einer Schicht aus einem hochleitfähigen Material 1200 bedeckt sein. Bei einigen Ausführungsformen kann dieses Material Gold sein. Es können aber auch andere leitfähige Materialien wie Silber, Kupfer oder Aluminium verwendet werden. Diese konforme leitfähige Schicht 1200 kann z. B. durch Sputtern oder Aufdampfen aufgebracht werden. Die Dicke des Materials muss nur für eine gute Leitfähigkeit ausreichend sein. Bei einigen Ausführungsformen sind 5-10 Mikrometer eine ausreichend dicke Schicht 1200.
  • Die leitfähige Schicht 1200 kann schließlich mit einer weiteren Schicht aus Titan Ti bedeckt sein. Titan kann oxidiert sein, um ein nano-strukturiertes Titandioxid (NST), 1300, zu bilden, das stabile und superhydrophile Oberflächen bildet. Bei einigen Ausführungsformen haben sich Titan- (Ti-) Substrate mit integriertem Nano Structured Titandioxid (NST) als geeignet für die Verwendung bei der TiLi-Batterie erwiesen.
  • Metalle, wie z. B., aber nicht beschränkt auf Titan, Aluminium, Kupfer oder Edelstahl, können mit kontrollierten charakteristischen Abmessungen (Tiefe, Breite und Abstand) im Bereich von etwa 1 - 1000 Mikrometern mikrogefertigt werden, um die Mikrorauigkeit der Anodenoberfläche herzustellen. Bei einigen Ausführungsformen können die kontrollierten charakteristischen Abmessungen (Tiefe, Breite und Abstand) im Bereich von 10 - 500 Mikrometern liegen, um die Mikrorauigkeit der Anodenoberfläche für eine optimale Leistung zu entwickeln und für spezifische Anwendungen anzupassen.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann Titan oxidiert sein, um ein nanostrukturiertes Titandioxid (NST), 1300, zu bilden, das eine mikroaufgeraute Oberfläche bereitstellen könnte, um den für die Einbringung von Lithiumionen verfügbaren Oberflächenbereich drastisch zu vergrößern. Das NST kann haarähnliche Muster mit einer nominellen Rauheit von 200 Nanometern (nm) umfassen. Bei einigen Ausführungsformen kann das NST eine nominale Rauheit von 1-1000 nm aufweisen.
  • Schließlich steht die leitende Schicht 1200 in einer elektrischen Verbindung mit einem Stromkollektor 1400, der den Strom von jedem der mit Leitern bedeckten 1200 sich erhebenden Merkmale 1100 sammelt. Zusammen umfassen diese Merkmale 1100, 1200, 1300 und 1500 die mikrobearbeitete Titananode 1000.
  • 3 veranschaulicht das Konzept einer mikrogefertigten Ti-Anode 1000 auf MEMS-Basis mit Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen von Säulen und NST. Die SEM-Bilder zeigen die stufenweise Aufrauung der Oberfläche von den geätzten aufgerauten bzw. sich erhebenden Merkmalen 1100, mit der konformen Beschichtung von Ti, die dann zu TiO2 oxidiert wird, und mit der NST-Topographie 1300. Die Abmessungen der Merkmale sind dargestellt, von den sich erhebenden Merkmalen mit einem Durchmesser von 5 Mikrometern bis hin zur NST-Rauigkeit von ca. 200 nm. Die Gesamtstruktur der Titananode 1000 kann eine Dicke von nur 50 µm aufweisen.
  • NST kann in Titan durch Oxidation erzeugt werden, um nanostrukturiertes Titandioxid (NST) zu bilden, das aufgrund seiner kleinmaßstäblichen Rauheit einen stark vergrößerten Oberflächenbereich bereitstellen kann. Bei einigen Ausführungsformen kann das NST haarähnliche Muster mit einer nominellen Rauheit von 200 Nanometern (nm) umfassen. Bei einigen Ausführungsformen kann das NST eine nominale Rauheit von 1-1000 nm aufweisen. Eine detaillierte Beschreibung der Verfahren zur Erzeugung von NST wird darüber hinaus in Bezug auf ein thermisches Modul aus Titan oder eine thermische Grundfläche aus Titan (TiTGP) diskutiert.
  • 4 ist ein vereinfachtes Diagramm, das eine TiMEMS-Batteriearchitektur zeigt, die die mikrobearbeiteten Oberflächen der Titananode 1000 einschließt. Zusätzlich zu den mikrobearbeiteten Oberflächen der Titananode 1000 können ein Elektrolyt 2100, ein Separator 2200 und ein geschichtetes Lithium-Übergangsmetalloxidmaterial 2300 vorhanden sein. Die geschichtete Kathodenstruktur kann dünne Schichten aus Li2MnO3 +/ LiMnO2 umfassen. Hinter der geschichteten Lithium-Struktur kann ein Stromkollektor 2400 angeordnet sein, der den Strom von der Kathode sammelt. Der Elektrolyt kann z. B. 1 M LiPF6 in einer 50/50-Mischung aus Ethylencarbonat & Diethylcarbonat sein.
  • Bei anderen Ausführungen kann der Elektrolyt ein Festelektrolyt sein. Festelektrolyte leiten Lithium-Ionen bei Raumtemperatur und können potenziell herkömmliche organische Elektrolyte ersetzen, die brennbar und giftig sind. Sulfidverbindungen mit hoher Li-Ionen-Leitfähigkeit sind nicht allgemein verfügbar, und so wurde die Entwicklung von Li-Ionen-Batterien auf Basis von Festkörperelektrolyten durch die mangelnde Verfügbarkeit dieser schwer herstellbaren Materialien erschwert. Derzeit werden jedoch fortschrittliche Materialien verwendet, um ein Verfahren zur Herstellung von Sulfid-Materialien in einer Form zu entwickeln, die es potenziell ermöglicht, sie in Li-Ionen-Zellen zu verwenden. Zum Beispiel kann ein Festelektrolytmaterial - Lithium-Zinn-Phosphor-Sulfid (Li10SnP2S) - zusammen mit verschiedenen Oxid- und Nicht-Oxid-Festelektrolytmaterial-Zusammensetzungen (z. B. auf Sulfidbasis) sowie ein Polymer-Keramik-Verbundelektrolyt und ein PEObasierter Polymer-Festelektrolyt verwendet werden.
  • Dementsprechend ist die LIB-Anordnung mit Titan-MEMS-basierter Anode in 4 dargestellt. Die Titan-MEMS-basierte Anode 1000 wird mit einem Elektrolyten 2100, einem Separator 2200 und einer Li2MnO3-LiMO2-Schichtstruktur 2300 und einer Kathode 2400 mit einer Gesamtdicke von 300 µm verwendet. Aufgrund des äußerst dünnen Formfaktors kann eine 10 mm dicke Batterie bis zu 33 dieser Zelleinheiten in einem Paket umfassen. Die Topologie der Titananode 1000 kann derjenigen entsprechen, wie sie zuvor in Bezug auf die 2 und 3 besprochen wurde.
  • 5 ist eine vereinfachte Darstellung der gepackten TiMEMS-Batterie, die die Anordnung der Zelleinheit mit Anode und Kathode innerhalb der Batteriepackung zeigt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Batterie nicht maßstabsgetreu gezeichnet ist, sondern vergrößert dargestellt ist, damit die Komponenten sichtbar sind.
  • Der Aufbauansatz kann auf Titan-Befestigungsverfahren beruhen. Insbesondere können die Komponenten mit einem Titan-Laser-Mikroschweiß-Aufbauverfahren verkapselt werden, das eine hermetische Abdichtung (Helium-Leckrate von 10-10 atm. cc/sec) der Komponenten ermöglicht. Dieses Verfahren kann für das Abdichten von Packungshüllen mit komplexer Form angewendet werden. Die resultierende Packung ist ausreichend dünn, um konform und flexibel zu sein, was eine Vielzahl von neuartigen Anwendungen ermöglicht.
  • Das Mikro-Laserschweißen dieses Titans ermöglicht das hermetische Abdichten von komplexen Oberflächen und Formen, während elektrische Durchführungen einen elektrischen Pfad durch die Packung bereitstellen. Bei dünnen Folien (50 µm) wird erwartet, dass der Wärmewiderstand der gepackten Batterie minimal ist und dass die während des Zyklisierens erzeugte Wärme leicht abgeleitet werden kann, obwohl die Wärmeleitfähigkeit von Titan nur 22 W/m K beträgt. Eine detaillierte Beschreibung der Verfahren für das Laser-Mikroschweißen wird darüber hinaus in Bezug auf ein thermisches Modul aus Titan (TTM) oder eine thermische Grundfläche aus Titan (TiTGP) diskutiert.
  • 6 zeigt eine Lade- und Entladekurve für eine LIB mit kommerzieller Graphitanode im Vergleich zu einer TiLi mit titanbasierter Anode. 6 zeigt, dass titanbasierte Anoden inhärent unsichere Spannungen vermeiden, selbst unter Missbrauchsbedingungen.
  • Während des Ladens von Lithium-Ionen-Batterien wandern Lithium-Ionen von der Kathode und lagern sich in der Anode ein. Wenn sich die Graphitanode mit Lithium füllt, fällt die Spannung ab und kann in einen unsicheren Spannungsbereich gelangen. Dies wird als Überladung bezeichnet und kann zur Ablagerung von Lithium auf der Anodenoberfläche führen, was einen Kurzschluss oder einen Zusammenbruch der Festelektrolyt-Interphase (SEI) zur Folge hat, was zu einer Überhitzung führt. In der Folge kommt es zu exothermen Reaktionen zwischen der SEI, der darunter liegenden Anode und abgeschiedenem Lithium und dem Elektrolyten, was zur Wärmeentwicklung und thermischen Instabilität beitragen kann.
  • Titanbasierte Anoden profitieren jedoch von Natur aus von einem höheren Lithium-Einfügungspotenzial als Graphit (siehe 6). Wenn die Spannung abfällt und eine titanbasierte Anode vollständig aufgeladen ist, erreicht sie nicht den unsicheren Spannungsbereich wie Graphit. Infolgedessen wird eine Eskalation von Missbrauch oder Überladung in Überhitzung oder Kurzschluss vermieden und eine thermische Stabilität erreicht.
  • 7 veranschaulicht die Sicherheitsvorteile der TiMEMS-Batteriearchitektur. 7 zeigt die Temperatur, bei der ein thermisches Durchgehen auftritt, was zu einer katastrophalen selbstbeschleunigten Zersetzung führt. 7 demonstriert eine wesentliche Verbesserung der Batteriesicherheit. Wie es in 7 dargestellt ist, liegt die Ausfalltemperatur im Bereich von 300°C, weit höher als bei konkurrierenden lithiumbasierten Batterietechnologien.
  • 8 veranschaulicht die Leistungsvorteile der TiMEMS-Batteriearchitektur. Die TiLi kann andere auf dem Markt existierende Batterietechnologien übertreffen. Titan-Anoden haben von Natur aus einen zusätzlichen Schutz gegen Alterung und Kapazitätsabfall/Erstzyklus-Kapazitätsverlust, wie sie bei Silizium- und Graphit-Anoden üblich sind. Die Titan-MEMS-basierten Anoden nutzen den Vorteil des geringen Festelektrolyt-Grenzflächenfilms auf Titan, um eine zuverlässige Batterieleistung zu gewährleisten. Wie in 8 zu sehen ist, beträgt der Kapazitätsabfall nach 500 Zyklen nur 2% und nach 1000 Zyklen nur 5%. Dies stellt eine 7-fache Verbesserung gegenüber konkurrierenden Technologien dar.
  • 9 zeigt einen Vergleich der vorgeschlagenen Batterie mit TiMEMS-basierter Anode gegenüber SoA-Micro-Batterien. Sogenannte SoA-Batterien sind lithiumbasierte Batterien, bei denen die Graphitanode durch eine siliziumbasierte Anode ersetzt ist. Eine kristalline Silizium-Anode hat eine theoretische spezifische Kapazität von 4200 mAh/g, mehr als das Zehnfache von Anoden wie Graphit (372 mAh/g). Jedes Siliziumatom kann im voll lithiierten Zustand (Li4,4Si) bis zu 4,4 Lithiumatome binden, verglichen mit einem Lithiumatom pro 6 Kohlenstoffatome beim voll lithiierten Graphit (LiC6). Der Gitterabstand zwischen den Silizium-Atomen vervielfacht sich jedoch durch die Aufnahme von Lithium-Ionen (Lithiierung) und erreicht 320 % des ursprünglichen Volumens. Dementsprechend ist der Materialbruch bei diesem Design ein ernsthaftes Problem. Nichtsdestotrotz, wie es in 9 gezeigt ist, übertrifft die TiLi-Batterie die Silizium-basierte Mikrobatterie in jeder Kategorie.
  • 10 zeigt die Vorteile des Formfaktors und des Gewichts der TiMEMS-Batteriearchitektur. Aufgrund des sehr dünnen Formfaktors (300-400 Mikrometer) kann die Ti-basierte Batterie relativ biegsam sein. In einem größeren Maßstab ist unsere Titan-MEMS-Anode in der Lage, sich an verschiedene komplexe Topographien anzupassen, was unserer Batterieanwendung Flexibilität verleiht. Dementsprechend kann die TiLi-Batterie hergestellt werden, um sich an relativ komplexe Formen anzupassen.
  • 11 fasst die Leistungsvorteile der TiMEMS-Batteriearchitektur in tabellarischer Form zusammen. Die Tabelle in 11 weist zusätzliche Leistungskennzahlen auf, wie z. B. die volumetrische Energiedichte, die Gehäusedicke und die Energie pro Gewichtseinheit. Bei jeder Kennzahl erfüllt oder übertrifft die TiLi-Batterie die Anforderungen.
  • Schließlich kann die TiLi-Batterie unter rauen Bedingungen betrieben werden, z. B. bei - 45 °C und in großer Höhe. Diese Architektur bietet eine wesentlich höhere Sicherheit und Zuverlässigkeit. Sie ist in der Lage, ihre Betriebsspannung auch nach einer großen Anzahl von Lade-/Entladezyklen zu halten. Sie ist in der Lage, hohe Energiedichten und Betriebsströme bereitzustellen. Und in Verbindung mit einem thermischen Modul aus Titan zur Kühlung der Einrichtung kann die Leistung sogar noch besser sein, wie es im Folgenden beschrieben wird.
  • Es ist bekannt, dass sich die Batterieleistung bei hohen Betriebstemperaturen verschlechtern kann. In der Tat ist eine übermäßige Temperatur ein Hauptausfallgrund für eine LiB, wie es oben beschrieben ist. Verfahren zur Wärmeableitung können die Lebensdauer und Leistung der Batterie verbessern.
  • 12 zeigt, dass die erfindungsgemäße TiLi-Batterie mit einem Wärmeausbreiter / Wärmeableiter gekoppelt sein kann. Eine zweckmäßige Architektur für diesen Wärmeausbreiter / Wärmeableiter ist eine zweiphasige thermische Grundfläche, wie sie in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 15/590621 beschrieben ist, die durch Inbezugnahme aufgenommen wird und am 9. Mai 2017 eingereicht wurde. Bei Verwendung der in 12 gezeigten Architektur wird erwartet, dass die Erwärmung minimal ist, und die während des Zyklisierens erzeugte Wärme wird leicht von der TiLi-Batterie abgeleitet, obwohl die Wärmeleitfähigkeit von Titan nur 22 W/m K beträgt. Der Rest dieser Offenbarung ist auf die Beschreibung und Herstellung des in den 12-24 dargestellten thermischen Moduls gerichtet.
  • In einer Ausführungsform ist die TiLi mit einer auf Titan basierenden thermischen Grundfläche, einer zweiphasigen Kühleinrichtung gekoppelt. Zweiphasige Kühleinrichtungen sind eine Klasse von Einrichtungen, die Wärme mit sehr hohem Wirkungsgrad übertragen können, und können aufweisen: Wärmerohre, thermische Grundflächen, Dampfkammern und Thermosiphons und dergleichen. Ein beispielhaftes thermisches Modul oder eine thermische Grundfläche auf Titanbasis ist in 13 allgemein dargestellt.
  • Bei einigen Ausführungsformen stellt die vorliegende Anwendung zweiphasige Kühleinrichtungen bereit, die mindestens drei Substrate aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen ist eines oder sind mehrere der Substrate aus mikrogefertigtem Metall ausgebildet, wie z. B., aber nicht beschränkt auf Titan, Aluminium, Kupfer oder Edelstahl. Bei einigen Ausführungsformen kann das Substrat als eine thermische Grundflächenstruktur ausgebildet sein, die für die Verwendung in elektronischen Einrichtungen geeignet ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die zweiphasige Einrichtung eine vorbestimmte Menge mindestens eines geeigneten Arbeitsfluids umfassen, wobei das Arbeitsfluid durch Phasenwechsel zwischen flüssig und dampfförmig Wärme absorbiert oder abgibt.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann die vorliegende Anmeldung zweiphasige Kühleinrichtungen bereitstellen, die ein Metallsubstrat, wie z. B., aber nicht beschränkt auf Titan, Aluminium, Kupfer oder Edelstahl, aufweisen, das eine Vielzahl von geätzten Mikrostrukturen umfasst, die eine Dochtstruktur ausbilden, wobei eine oder mehrere der Mikrostrukturen eine Höhe von etwa 1 bis 1000 Mikrometern, eine Breite von etwa 1 bis 1000 Mikrometern und einen Abstand von etwa 1 bis 1000 Mikrometern aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen kann ein Dampfraum in Verbindung mit der Vielzahl von Metallmikrostrukturen stehen. Bei einigen Ausführungsformen kann zumindest ein Zwischensubstrat in Verbindung mit der Dochtstruktur und dem Dampfraum stehen. Bei einigen Ausführungsformen kann ein Fluid innerhalb der Dochtstruktur und des Dampfraums enthalten sein, um thermische Energie von einem Bereich der thermischen Grundfläche zu einem anderen Bereich der thermischen Grundfläche zu transportieren, wobei das Fluid durch Kapillarkräfte innerhalb der Dochtstruktur angetrieben werden kann.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann die Kühleinrichtung für eine hohe Kapillarkraft in der Dochtstruktur ausgestaltet sein, um große Druckunterschiede zwischen der Flüssigkeits- und der Dampfphase zu unterstützen, während die viskosen Verluste der in der Dochtstruktur fließenden Flüssigkeit minimiert werden. Bei einigen Ausführungsformen kann die Kühleinrichtung eine thermische Grundfläche sein, die sehr dünn ausgeführt sein kann und möglicherweise mehr thermische Energie übertragen kann, als es mit früheren TGPs erreicht werden kann. Bei einigen Ausführungsformen können verschiedene strukturelle Komponenten in einem Verdampferbereich, einem adiabatischen Bereich und einem Kondensatorbereich angeordnet sein. Bei einigen Ausführungsformen kann ein Verdampferbereich ein Zwischensubstrat enthalten, das eine Vielzahl von Mikrostrukturen umfasst, die zusammen mit der Dochtstruktur Strukturen mit hohem effektivem Seitenverhältnis bilden. Bei einigen Ausführungsformen sind die Merkmale des Zwischensubstrats mit den Merkmalen der Dochtstruktur verschachtelt, um das effektive Seitenverhältnis der Dochtstruktur zu erhöhen. Mit anderen Worten, die Merkmale des Zwischensubstrats können mit den Merkmalen der Dochtstruktur zusammenpassen oder konform in sie eingepasst sein, wodurch Fluidkanäle mit einem hohen effektiven Seitenverhältnis und somit eine verbesserte Kapillarwirkung ausgebildet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann ein adiabatischer Bereich ein Zwischensubstrat enthalten, das in unmittelbarer Nähe der Dochtstruktur angeordnet ist, um den Dampf in der Dampfkammer von der Flüssigkeit in der Dochtstruktur zu trennen. Bei einigen Ausführungsformen kann ein Kondensatorbereich ein Zwischensubstrat enthalten, das (im Vergleich zur Mikrostruktur) große Öffnungen aufweist, so dass die Dochtstruktur in direkter Verbindung mit der Dampfkammer steht. Bei einigen Ausführungsformen kann ein Kondensatorbereich kein Zwischensubstrat enthalten, so dass die Dochtstruktur in direkter Verbindung mit der Dampfkammer steht.
  • Mikrogefertigte Substrate können verwendet werden, um robustere, stoßfeste Zweiphasen-Kühleinrichtungen herzustellen, die in Form von thermischen Grundflächen (TGPs) vorliegen können. Obwohl eine Vielzahl von Materialien für diese Substrate verwendet werden kann, wie es in den aufgenommenen Referenzen beschrieben ist, haben sich Metallsubstrate, wie z. B., aber nicht beschränkt auf Titan, Aluminium, Kupfer oder Edelstahl, als geeignet für TGPs erwiesen.
  • Die Wahl des Metalls kann von den verschiedenen Anwendungen und Kostenüberlegungen abhängen. Verschiedene Metalle haben ihre Vorteile. Zum Beispiel bietet Kupfer die höchste Wärmeleitfähigkeit von allen Metallen. Aluminium kann für Anwendungen vorteilhaft sein, bei denen eine hohe Wärmeleitfähigkeit wichtig ist und das Gewicht eine Rolle spielen könnte. Edelstahl könnte in bestimmten rauen Umgebungen von Vorteil sein.
  • Titan hat viele Vorteile. Zum Beispiel hat Titan eine hohe Bruchzähigkeit, kann mikrogefertigt und mikrobearbeitet werden, kann hohen Temperaturen widerstehen, kann rauen Umgebungen widerstehen, kann biokompatibel sein. Darüber hinaus können thermische Grundflächen auf Titanbasis leicht und relativ dünn hergestellt werden und weisen eine hohe Wärmeübertragungsleistung auf. Titan kann mit einem Pulslaser geschweißt werden. Da Titan eine hohe Bruchzähigkeit aufweist, kann es zu dünnen Substraten geformt werden, die der Ausbreitung von Rissen und Defekten widerstehen. Titan hat einen relativ niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ca. 8,6 x 10-6/K. Der niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient in Verbindung mit dünnen Substraten kann dazu beitragen, Spannungen aufgrund von thermischer Fehlanpassung erheblich zu reduzieren. Titan kann oxidiert werden, um nanostrukturiertes Titandioxid (NST) zu bilden, das stabile und superhydrophile Oberflächen ausbildet. Bei einigen Ausführungsformen haben sich Titansubstrate (Ti) mit integriertem nanostrukturierten Titandioxid (NST) als geeignet für TGPs erwiesen.
  • Metalle, wie z. B., aber nicht beschränkt auf Titan, Aluminium, Kupfer oder Edelstahl, können mit kontrollierten charakteristischen Abmessungen (Tiefe, Breite und Abstand) im Bereich von etwa 1 - 1000 Mikrometern mikrogefertigt werden, um die Dochtstruktur und ein Zwischensubstrat für eine optimale Leistung zu entwickeln und für spezifische Anwendungen anzupassen. Bei einigen Ausführungsformen können die kontrollierten charakteristischen Abmessungen (Tiefe, Breite und Abstand) im Bereich von 10 - 500 Mikrometern liegen, um die Dochtstruktur für eine optimale Leistung zu entwickeln und für spezifische Anwendungen anzupassen.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann Titan oxidiert werden, um nanostrukturiertes Titanoxid (NST) zu bilden, das superhydrophile Oberflächen bereitstellen und dadurch die Kapillarkräfte erhöhen und die Wärmeübertragung verbessern kann. Bei einigen Ausführungsformen kann das NST haarähnliche Muster mit einer nominellen Rauheit von 200 Nanometern (nm) umfassen. Bei einigen Ausführungsformen können das NST eine nominale Rauheit von 1-1000 nm aufweisen.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann Aluminium oxidiert werden, um hydrophile Nanostrukturen zu bilden, um superhydrophile Beschichtungen bereitzustellen. Bei einigen Ausführungsformen können gesinterte Nanopartikel und/oder Mikropartikel verwendet werden, um superhydrophile Oberflächen bereitzustellen und um dadurch die Kapillarkräfte zu erhöhen und die Wärmeübertragung zu verbessern.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann Titan auf eine andere Art von Substrat beschichtet werden, wodurch ein Titanfilm entsteht. Der Titanfilm kann oxidiert werden, um nano-strukturiertes Titanoxid (NST) zu bilden und dadurch superhydrophile Oberflächen zu schaffen.
  • Titan ist ein Material, das unter Verwendung von Reinraumverarbeitungsverfahren mikrogefertigt, in einer Maschinenwerkstatt makrobearbeitet und unter Verwendung eines Verfahrens zum gepulsten Laser-Mikroschweißen hermetisch gepackt werden kann. Wenn die thermische Grundfläche nur Titan oder Titandioxid als Strukturmaterial umfasst, können die verschiedenen Komponenten per Laser verschweißt werden, ohne dass Verunreinigungen eingebracht werden, die möglicherweise nicht kondensierbare Gase erzeugen, zu einer schlechten Leistung beitragen und möglicherweise zu einem Ausfall führen können. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass Titan und Titandioxid mit Wasser kompatibel sind, was zu einer langen Lebensdauer und einer minimalen Erzeugung nicht kondensierbarer Gase beitragen kann. Dementsprechend kann das Titansubstrat mit der TitanRückwand durch eine Laserschweißung verbunden sein, um einen hermetisch abgeschlossenen Dampfraum zu bilden.
  • Metalle können miteinander verbunden werden, um hermetische Dichtungen zu bilden. Bei einigen Ausführungsformen können Titansubstrate mit einem gepulsten Laser mikroverschweißt werden, um eine hermetische Dichtung zu bilden. Bei anderen Ausführungsformen können Kupfer-, Aluminium- und Edelstahlsubstrate mit einer Vielzahl von Techniken verschweißt werden, wie z. B., aber nicht beschränkt auf, Löten, Hartlöten, Vakuumlöten, TIG, MIG und viele andere bekannte Schweißtechniken.
  • Die vorliegende Anmeldung beschreibt die Herstellung von metallbasierten thermischen Grundflächen (TGPs). Ohne Verlust der Allgemeingültigkeit offenbart die vorliegende Anmeldung Ausführungsformen der thermischen Grundfläche, die drei oder mehr Metallsubstrate umfassen können. Jede dieser Ausführungsformen der thermischen Grundfläche oder des thermischen Moduls kann in Verbindung mit der oben beschriebenen TiLi-Batterie verwendet werden.
  • Eine Ausführungsform kann drei Substrate umfassen (von denen eines oder mehrere unter Verwendung eines Metalls, wie z. B., aber nicht beschränkt auf Titan, Aluminium, Kupfer oder Edelstahl, aufgebaut sein können), um eine thermische Grundfläche zu bilden. Bei einigen Ausführungsformen können Titansubstrate verwendet werden, um eine thermische Grundfläche zu bilden. Bei einigen Ausführungsformen hält ein Substrat eine integrierte superhydrophile Dochtstruktur 220, ein zweites Substrat besteht aus einem tiefgeätzten (oder makrobearbeiteten) Dampfraum, und ein drittes Zwischensubstrat 110 kann aus Mikrostrukturen 112 bestehen und steht in Verbindung mit der Dochtstruktur 220 und dem Dampfraum 300. Die Substrate können per Laser mikroverschweißt sein, um die thermische Grundfläche zu bilden.
  • Das Arbeitsfluid kann auf der Grundlage der gewünschten Leistungsmerkmale, der Betriebstemperatur, der Materialkompatibilität oder anderer wünschenswerter Eigenschaften ausgewählt sein. Bei einigen Ausführungsformen und ohne Verlust der Allgemeingültigkeit kann Wasser als Arbeitsfluid verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen und ohne Verlust der Allgemeingültigkeit können Helium, Stickstoff, Ammoniak, organische Hochtemperaturmaterialien, Quecksilber, Aceton, Methanol, Ethanol, Heptan, Pentan, Kalium, Natrium, Lithium oder andere Materialien als Arbeitsfluid verwendet werden.
  • Die aktuelle TGP kann eine erhebliche Verbesserung gegenüber früheren thermischen Grundflächen auf Titanbasis bieten. Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung eine deutlich höhere Wärmeübertragung, dünnere thermische Grundflächen, thermische Grundflächen, die weniger anfällig für die Auswirkungen der Schwerkraft sind, und viele andere Vorteile bieten.
  • Die Dochtstruktur kann aus einer Vielzahl von Säulen, Kanälen, Rillen, Gräben oder anderen geometrischen Strukturen gebildet sein. 14(A) zeigt zum Beispiel eine frühere TGP, bei der die Dochtstruktur 22 aus Titan Säulen 24 umfasst. 14(B) veranschaulicht eine frühere TGP, bei der eine Titan-Dochtwirkstruktur 22' Kanäle oder Rillen 28 auf einem Titansubstrat 21 umfasst.
  • 15 zeigt eine Ausführungsform einer neuartigen metallbasierten thermischen Grundfläche mit einem Zwischensubstrat 110 in Verbindung mit einer Dochtstruktur 220 und einer Dampfkammer 300. Die Zwischenschicht kann Mikrostrukturen 112 umfassen. 15(A) zeigt eine Querschnittsansicht, in der Komponenten einer Ausführungsform dargestellt sind, während 15(B) eine Explosionsdarstellung von Strukturkomponenten einer Ausführungsform zeigt. Das Metallsubstrat 210 kann mit einer Metallrückwand 120 verbunden sein, um einen hermetisch abgedichteten Dampfraum 300 zu bilden. Der Dampfraum 300 kann also von dem Metallsubstrat 210 und der Metallrückwand 120 umschlossen sein. In einer Ausführungsform kann zum Beispiel ein Titansubstrat mit einem gepulsten Laser auf eine Titanrückwand 120 mikroverschweißt werden, um einen hermetisch abgedichteten Dampfraum zu bilden.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann eine Vielzahl von Zwischensubstraten 110 verwendet werden, wobei für jeden unterschiedlichen Bereich der thermischen Grundfläche zumindest ein anderes Zwischensubstrat 110 verwendet werden kann. Die mehreren Zwischensubstrate 110 können in unmittelbarer Nähe zueinander positioniert sein, um gemeinsam einen Gesamtnutzen für die Funktionalität der thermischen Grundfläche zu erzielen.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann das Zwischensubstrat 110 Bereiche enthalten, die eine Vielzahl von Mikrostrukturen 112 enthalten, mit charakteristischen Abmessungen (Tiefe, Breite und Abstand) im Bereich von 1 - 1000 Mikrometern. Bei einigen Ausführungsformen kann das Zwischensubstrat 110 Bereiche enthalten, die eine Vielzahl von Mikrostrukturen 112 enthalten, mit Abmessungen (Tiefe, Breite und Abstand) im Bereich von 10 - 500 Mikrometern.
  • Das mindestens eine Zwischensubstrat 110 kann Bereiche enthalten, die eine Vielzahl von Mikrostrukturen 112 enthalten, Bereiche, die feste Substrate enthalten, und Bereiche, die mindestens eine Öffnung in dem mindestens einen Zwischensubstrat 110 enthalten (die im Vergleich zu den Mikrostrukturen 112 groß ist, und zum Beispiel können die Öffnungen eine Abmessung in einem Bereich von 1 Millimeter - 100 Millimeter oder 1 Millimeter - 1000 Millimeter aufweisen.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann die Öffnung in dem Zwischensubstrat 110 für ausgewählte Bereiche der thermischen Grundfläche dadurch ausgeführt sein, dass in diesen Bereichen einfach kein Zwischensubstrat 110 vorhanden ist. Thermische Energie kann durch eine Wärmequelle 250 zugeführt und durch eine Wärmesenke 260 abgeführt werden. Thermische Energie kann von einem Bereich (Verdampferbereich) des Metallsubstrats 210 zu einem anderen Bereich (Kondensatorbereich) des Metallsubstrats 210 übertragen werden. In dem Verdampferbereich ist die lokale Temperatur höher als die Sättigungstemperatur des Flüssigkeits/Dampf-Gemischs, wodurch die Flüssigkeit 140 zu Dampf verdampft und dabei thermische Energie aufgrund der latenten Verdampfungswärme absorbiert wird.
  • Der Dampf, der sich in der Dampfkammer 300 befindet, kann vom Verdampferbereich durch den adiabatischen Bereich zu dem Kondensatorbereich strömen. Die Wärmesenke 260 kann Wärme aus dem Kondensatorbereich absorbieren, was dazu führt, dass die lokale Temperatur niedriger ist als die Sättigungstemperatur des Flüssigkeits/Dampf-Gemisches, wodurch der Dampf in die flüssige Phase kondensiert und dadurch thermische Energie aufgrund der latenten Verdampfungswärme freigesetzt wird.
  • Die kondensierte Flüssigkeit 140 kann sich überwiegend in der Dochtstruktur 220 aufhalten und infolge von Kapillarkräften von dem Kondensatorbereich durch den adiabatischen Bereich zu dem Verdampferbereich strömen.
  • Infolgedessen kann es für Hochleistungs-Wärmerohre vorteilhaft sein, dass sie (1) minimale viskose Verluste für die durch die Dochtstruktur 220 strömende Flüssigkeit 140 aufweisen und (2) maximale Kapillarkräfte in dem Verdampferbereich aufweisen. In vielen praktischen Ausführungsformen der thermischen Grundfläche sind minimale viskose Verluste und maximale Kapillarkräfte gleichzeitig schwer zu erreichen. Die Einführung eines Zwischensubstrats 110 mit einer Vielzahl von Mikrostrukturen 112, die in jedem der drei Bereiche entsprechend ausgestaltet sind, kann Mittel bereitstellen, mit denen die thermische Grundfläche in einigen Bereichen geringere viskose Verluste aufweist, während sie in anderen Bereichen höhere Kapillarkräfte zeigt, verglichen mit früheren TGPs mit mehr oder weniger der gleichen Struktur über einen Großteil des Innenraums.
  • Bei einigen Ausführungsformen werden Haltesäulen (Standoffs bzw. Abstandshalter) verwendet, um den Abstand zwischen der Rückwand bzw. Backplane 120 und der Dochtstruktur 220 und/oder dem Zwischensubstrat 110 mechanisch zu halten. Bei einigen Ausführungsformen sorgen die Haltesäulen (Abstandshalter) für einen kontrollierten Abstand für die Dampfkammer 300. Die Haltesäulen (Abstandshalter) können mit chemischen Nassätzverfahren oder anderen Herstellungsverfahren (wie es oben beschrieben ist) mikrogefertigt werden. Dementsprechend kann die Rückwand Abstandshalter aufweisen, die mit dem Zwischensubstrat und/oder dem Metallsubstrat in Verbindung stehen, um die thermische Grundfläche strukturell zu halten.
  • 16 zeigt Strukturkomponenten einer Ausführungsform, bei der die verschiedenen Strukturkomponenten in einem Verdampferbereich, einem adiabatischen Bereich und einem Kondensatorbereich angeordnet sind: (A) zeigt einen Verdampferbereich einer Ausführungsform, bei der das Zwischensubstrat 110 eine Vielzahl von Mikrostrukturen 112 umfasst, die so angeordnet sind, dass sie das effektive Seitenverhältnis der Dochtstruktur 220 erhöhen. Die Finger (Mikrostrukturen 112) des Zwischensubstrats 110 sind mit Kanälen in der Dochtstruktur 220 verschachtelt, wodurch die doppelte Anzahl von Merkmalen mit einem höheren effektiven Seitenverhältnis im Vergleich zu den Merkmalen mit einem niedrigeren Seitenverhältnis der Dochtstruktur 220 ohne das Zwischensubstrat 110 entsteht. 16(B) zeigt einen adiabatischen Bereich einer Ausführungsform, bei der das Zwischensubstrat 110 in unmittelbarer Nähe der Dochtstruktur 220 angeordnet ist, und (C) zeigt einen Kondensatorbereich einer Ausführungsform, bei der die Dochtstruktur 220 in direkter Verbindung mit der Dampfkammer 300 steht. (D) zeigt das Zwischensubstrat 110 als Ganzes.
  • Entsprechend kann die thermische Grundfläche einen Verdampferbereich, einen adiabatischen Bereich und einen Kondensatorbereich aufweisen. Das Zwischensubstrat kann wiederum eine unterschiedliche Topographie in den verschiedenen Bereichen aufweisen, insbesondere in dem Verdampferbereich relativ zu einem adiabatischen Bereich.
  • 16(A) zeigt eine Ausführungsform, bei der das Zwischensubstrat 110 eine Vielzahl von Mikrostrukturen 112 umfasst, die mit der Dochtstruktur 220 des Metallsubstrats 210 verschachtelt sind. Durch die Verschachtelung der Mikrostrukturen 112 des Zwischenbereichs mit der Dochtstruktur 220 des Metallsubstrats 210 kann die Grenzfläche zwischen dem Festkörper und der Flüssigkeit wesentlich vergrößert werden. Dies kann die Kapillarkräfte erhöhen, die auf die Flüssigkeit einwirken, und kann die Wärmemenge erhöhen, die vom Metallfestkörper auf die Flüssigkeit übertragen wird.
  • 16(B) zeigt einen adiabatischen Bereich einer Ausführungsform, bei der das Zwischensubstrat 110 in unmittelbarer Nähe der Dochtstruktur 220 angeordnet ist. Ein festes Zwischensubstrat 110 kann verwendet werden, um die Dampfkammer 300 von der Dochtstruktur 220 zu isolieren. Durch die Isolierung der Dampfkammer 300 von der Dochtstruktur 220 kann der Bereich der Fest-Flüssig-Grenzfläche vergrößert werden, und die Flüssigkeit kann im Wesentlichen die Dochtstruktur 220 füllen, ohne dass sich ein Meniskus in dem Kanal ausbildet, was für einen höheren Massendurchsatz der Flüssigkeit mit einem geringeren viskosen Druckabfall sorgen kann, verglichen mit den früheren TGPs, bei denen die Flüssigkeit in der Dochtstruktur 220 direkt dem Dampf in der Dampfkammer 300 ausgesetzt sein kann, wobei sich ein Meniskus an der Flüssigkeits/Dampf-Grenzfläche ausbildet.
  • 16(C) zeigt einen Kondensatorbereich einer Ausführungsform, bei der die Dochtstruktur 220 in direkter Verbindung mit der Dampfkammer 300 steht. Wenn die Dochtstruktur 220 in direkter Verbindung mit der Dampfkammer 300 steht, kann der Dampf leichter an der Dochtstruktur 220 kondensieren. Darüber hinaus können in Bereichen, wie dem Kondensatorbereich, keine signifikanten Druckunterschiede zwischen der Flüssigkeits- und der Dampfphase bestehen, und ein Zwischensubstrat 110 kann keine signifikanten Vorteile bieten.
  • Bei anderen Ausführungen jedoch, wenn der Kondensatorbereich relativ groß ist und ein signifikanter Druckunterschied zwischen der Flüssigkeits- und der Dampfphase besteht, kann ein Zwischensubstrat 110 auch im Kondensatorbereich Vorteile bieten.
  • 16 (D) zeigt eine illustrative Ausführungsform einer Implementierung eines Zwischensubstrats 110, wie es oben beschrieben ist. Der Verdampferbereich des Zwischensubstrats 110 weist Reihen von keilförmigen Fingern auf, die an jedem Ende gehalten werden, so dass, wenn der TPG montiert ist, die Finger mit den Substrat-Dochtwirkungs-Mikrostrukturen 112 verschachtelt sind, wie es in 16(A) dargestellt ist, wobei die verschachtelten Strukturen in der Dampfkammer 300 freiliegen. Der adiabatische Bereich des Zwischensubstrats 110 ist eine Abdeckung, die einen Abschnitt der Dochtwirkungs-Mikrostrukturen 112 überlagert, wie es in 16(B) dargestellt ist. Der Kondensatorbereich kann bei einigen Ausführungsformen keine Komponente des Zwischensubstrats 110 erfordern, wie es in 16(C) dargestellt ist.
  • Das Seitenverhältnis ist allgemein definiert als das Verhältnis einer Hauptabmessung einer Struktur zu einer anderen Hauptabmessung einer Struktur. Bei Säulen, Kanälen, Gräben, Rillen oder anderen Merkmalen, die in Wärmerohranwendungen verwendet werden, kann sich das effektive Seitenverhältnis auf das Verhältnis zwischen der Höhe und der Breite des Bereichs beziehen, der von einem Fluid eingenommen wird, wie z. B. einer Flüssigkeit 140, die durch eine Dochtstruktur 220 fließt. Bei einigen Ausführungsformen kann das Zwischensubstrat 110 einen Abschnitt aufweisen (wie es z. B. in 16(A) dargestellt ist), der in Kombination mit der Dochtstruktur 220 ein effektives Seitenverhältnis aufweist, das wesentlich höher ist als das effektive Seitenverhältnis, das nur durch die Dochtstruktur 220 bereitgestellt wird. Mit anderen Worten, das Zwischensubstrat 110 kann einen Bereich mit einer Vielzahl von Vorsprüngen aufweisen, die sich konform in die Dochtstruktur 220 einfügen, um enge Fluiddurchgänge zu bilden, durch die das Fluid durch Kapillarkräfte getrieben wird. Die Vorsprünge können so geformt sein, dass sie in Merkmale in der Dochtstruktur 220 passen, wie es in 16(A) dargestellt ist.
  • Für einige erwünschte Mikrobearbeitungsverfahren, wie z. B. nasschemisches Ätzen, kann es schwierig sein, ein hohes Seitenverhältnis bei der Dochtstruktur 220 zu erreichen. Durch die Verschachtelung von zwei Strukturen kann ein höheres effektives Seitenverhältnis bei der Dochtstruktur erreicht werden, als dies sonst mit einer einzigen nassgeätzten Struktur möglich ist. Das Zwischensubstrat 110 kann einen weiteren Abschnitt aufweisen (wie es z. B. in 16(B) dargestellt ist), der im Wesentlichen eine Kappe auf der Dochtstruktur 220 ist, um viskose Verluste zu minimieren, die Flüssigkeit von dem Dampf zu isolieren, der sich in unmittelbarer Nähe darüber befindet, und das Strömungsvolumen zu verbessern. Bei einem dritten Abschnitt (wie es beispielhaft in 16(C) dargestellt ist) umfasst das Zwischensubstrat 110 Öffnungen, die offener sind als die Mikrostrukturen 112, um eine direkte Verbindung zwischen der Dochtstruktur 220 und dem Dampfbereich zu ermöglichen und die Kondensation zu fördern. Dementsprechend können die Öffnungen des Zwischensubstrats wesentlich offener sein als die Mikrostrukturen, so dass die Dochtstruktur und die Dampfkammer in mindestens einem Bereich der thermischen Grundfläche in direkter Verbindung stehen können.
  • Somit ermöglicht die Hinzufügung des Zwischensubstrats 110 eine Optimierung der Dochtstruktur 220 in jedem der drei Betriebsbereiche der Kühleinrichtung, und zwar auf eine Weise, die mit Mikrobearbeitungsverfahren, wie z. B. Nassätztechniken, und Montagetechniken kompatibel sein kann.
  • Ohne Verlust der Allgemeingültigkeit kann die Dochtstruktur 220 durch Trockenätzen, nasschemisches Ätzen, andere Formen der Mikrobearbeitung, Sägen mit einer Dicing-Säge und viele andere Arten von Verfahren ausgebildet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann das Trockenätzen Kanäle mit hohem Seitenverhältnis erzeugen, bei denen die Tiefe vergleichbar oder vielleicht sogar größer ist als die Breite der Kanäle. Das Trockenätzen kann jedoch auf kleinere Bereiche beschränkt sein und ist im Vergleich zu Nassätzverfahren für die Fertigung in großem Maßstab möglicherweise nicht wünschenswert. Das maskenbasierte Nassätzen kann wünschenswert sein, da es für relativ große Ätzbereiche anwendbar, kostengünstig und mit einer Großserienfertigung kompatibel sein kann. Bei einigen Ausführungsformen können Photolithographie-basierte Verfahren zum Trocken- oder Nassätzen verwendet werden.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann die Dochtstruktur 220 durch standardmäßige nasschemische Ätzverfahren ausgebildet sein. Bei einigen Ausführungsformen kann das nasschemische Ätzen das Seitenverhältnis begrenzen, welches das Verhältnis der Dochtstruktur-Kanaltiefe zur Dochtstruktur-Kanalbreite ist. Bei einigen Ausführungsformen, die das nasschemische Ätzen verwenden, kann die Dochtstruktur-Kanalbreite mindestens 2 bis 2,5-mal breiter sein als die Dochtstruktur-Kanaltiefe. Bei einigen Ausführungsformen, bei denen die Dochtstruktur-Kanalbreite mindestens 2 bis 2,5 mal breiter ist als die geätzte Dochtkanal-Strukturtiefe, können die Dochtstrukturkanäle mit niedrigem Seitenverhältnis erhebliche Nachteile aufweisen.
  • Der Druck zwischen der Dampf- und der Flüssigkeitsphase kann durch den Laplace-Druck beschrieben werden, ΔP = Pv - Pl = 2γ/R, wobei Pv der Dampfdruck, Pl der Flüssigkeitsdruck, γ die Oberflächenspannung und R der Krümmungsradius der Oberfläche ist. Ein hoher Druckunterschied zwischen der Flüssigkeits- und der Dampfphase kann durch eine Verringerung des Krümmungsradius R erreicht werden.
  • Im Allgemeinen kann ein kleinerer Krümmungsradius durch Materialoberflächen, die geringe Kontaktwinkel aufweisen, und durch die Bildung von Geometrien mit relativ kleinen geometrischen Abmessungen erreicht werden. In vielen Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, dass die viskosen Verluste für die durch die Dochtstruktur 220 fließende Flüssigkeit gering sind. Kleine geometrische Abmessungen in der Dochtstruktur 220 können die viskosen Verluste der Flüssigkeit, die durch die Dochtstruktur 220 fließt, deutlich erhöhen. Daher kann es bei einigen Ausführungsformen schwierig sein, niedrige viskose Verluste zu erreichen und einen Meniskus mit einem kleinen Krümmungsradius zu haben, der eine hohe Druckdifferenz zwischen der Dampf- und der Flüssigkeitsphase unterstützen kann. Die vorliegende Anmeldung offenbart Mittel, die bei einigen Ausführungsformen für maximale Kapillarkräfte ausgestaltet sein können, um große Druckdifferenzen zwischen der flüssigen und der dampfförmigen Phase, z. B. im Verdampferbereich, zu unterstützen. Die vorliegende Anmeldung offenbart Mittel, mit denen einige Ausführungsformen ausgestaltet sein können, um viskose Verluste der in der Dochtstruktur 220 strömenden Flüssigkeit zu minimieren, indem unterschiedliche Strukturen in den verschiedenen Bereichen verwendet werden.
  • 17 zeigt Querschnittsansichten von Strukturkomponenten einer illustrativen Ausführungsform, bei der die Strukturen nicht benetzt (d. h. trocken) sind und von einer Flüssigkeit benetzt werden: (A) nicht benetzte Strukturkomponenten in dem Verdampferbereich, (B) benetzte Strukturkomponenten in dem Verdampferbereich, (C) nicht benetzte Strukturkomponenten in dem adiabatischen Bereich, (D) benetzte Strukturkomponenten in dem adiabatischen Bereich, (E) nicht benetzte Strukturkomponenten in dem Kondensatorbereich, (F) benetzte Strukturkomponenten in dem Kondensatorbereich.
  • 17(A) zeigt eine Querschnittsansicht einer illustrativen Ausführungsform, bei der das Zwischensubstrat 110 eine Vielzahl von Mikrostrukturen 112 umfasst, die mit der Dochtstruktur 220 des Metallsubstrats 210 verschachtelt sind.
  • 17(B) zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform, bei der das Zwischensubstrat 110 eine Vielzahl von Mikrostrukturen 112 umfasst, die mit der Dochtstruktur 220 des Metallsubstrats 210 verschachtelt sind, und bei der die Mikrostrukturen 112 und die Dochtstruktur 220 von einer Flüssigkeit 140 benetzt werden.
  • Durch die Verschachtelung der Mikrostrukturen 112 des Zwischensubstrats 110 mit der Dochtstruktur 220 des Metallsubstrats 210 kann der Grenzflächenbereich zwischen dem Feststoff und der Flüssigkeit 140 wesentlich vergrößert werden. Dies kann die Kapillarkräfte erhöhen, die auf die Flüssigkeit 140 einwirken, und kann die Wärmemenge erhöhen, die von dem Metallfestkörper auf die Flüssigkeit 140 übertragen wird.
  • 17(B) zeigt den Meniskus 180 an der Flüssigkeits-Dampf-Grenzfläche. Bei einigen Ausführungsformen können Abstände zwischen der Vielzahl von Mikrostrukturen 112, die in dem Zwischensubstrat 110 enthalten sind, und der Dochtstruktur 220 so ausgebildet sein, dass sie wesentlich kleiner sind als die Tiefe der Dochtstruktur 220. Bei einigen Ausführungsformen können die relativ kleinen Abstände zwischen der Vielzahl von Mikrostrukturen 112, die in dem Zwischensubstrat 110 enthalten sind, und der Dochtstruktur 220 effektiv Dochtstrukturkanäle mit einem höheren Seitenverhältnis bereitstellen, verglichen mit einigen Ausführungsformen, bei denen die Dochtstruktur 220 durch Nassätzen eines einzigen Metallsubstrats 210 ausgebildet ist (wie es üblich ist und in 16(C) dargestellt ist).
  • Bei einigen Ausführungsformen kann Titan als Substratmaterial verwendet werden. Die Wärmeleitfähigkeit von Titan ist ungefähr kTi = 20 W/(m K), und von flüssigem Wasser ist ungefähr kw = 0.6 W/(m K). Da die Wärmeleitfähigkeit von Titan etwa 30-mal höher ist als die von flüssigem Wasser, kann das Zwischensubstrat 110 zusätzliche Wärmeleitpfade bereitstellen, die den Wärmewiderstand zwischen der Außenfläche der thermischen Grundfläche und der Flüssigkeit 140, die sich in der Dochtstruktur 220 befindet, verringern können. Darüber hinaus können die im Zwischensubstrat 110 enthaltenen Mikrostrukturen 112 die Fest-Flüssig-Grenzfläche vergrößern, was den Wärmewiderstand verringern und den kritischen Wärmestrom, der zwischen dem Titan-Festkörper und der Flüssigkeit 140 auftreten kann, erhöhen kann.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann die Kombination aus der Dochtstruktur 220 und dem Zwischensubstrat 110 das effektive Seitenverhältnis der Kanäle in der Dochtstruktur 220 effektiv erhöhen. Bei sehr großen Druckunterschieden zwischen der Flüssigkeits- und der Dampfphase kann der Meniskus 180 nach unten gedrückt werden und die Oberseite der Dochtstruktur 220 nicht benetzt werden. Bei solchen Ausführungsformen kann jedoch die Form der zusammengesetzten Dochtstruktur 220, die durch Verschachtelung der Mikrostrukturen 112 des Zwischensubstrats 110 mit der Dochtstruktur 220 gebildet wird, so gewählt sein, dass bei großen Druckunterschieden über dem Meniskus 180 nur ein teilweises Trocknen (oder zumindest ein erheblich verzögertes Trocknen) der Dochtstruktur 220 auftritt (so dass die TGP weiterhin funktioniert) und die thermische Grundfläche nicht katastrophal austrocknet.
  • In bisherigen zweiphasigen Wärmeübertragungseinrichtungen können Instabilitäten aufgrund von Verdampfung und/oder Sieden auftreten, wenn die flüssige Phase in die Dampfphase umgewandelt wird. Diese Instabilitäten können zu einem lokalen Austrocknen der Dochtstruktur 220 führen und die Leistung der thermischen Grundfläche beeinträchtigen. Diese Instabilitäten können in einigen der aktuellen Ausführungsformen erheblich verringert werden. Beispielsweise kann bei solchen Ausführungsformen die Form der Dochtstruktur 220, die durch Verschachtelung der Mikrostrukturen 112 des Zwischensubstrats 110 mit der Dochtstruktur 220 gebildet wird, so gewählt sein, dass ein erheblicher viskoser Widerstand gegen den Flüssigkeitsfluss in der Dochtstruktur 220 vorhanden sein kann. Dieser viskose Widerstand kann vorteilhaft sein, da er die Stabilität des Verdampfungs- und/oder Siedeprozesses, der in dem Verdampfer auftreten kann, erhöhen kann.
  • 17(C) zeigt eine Querschnittsansicht eines adiabatischen Bereichs einer Ausführungsform, bei der das Zwischensubstrat 110 in unmittelbarer Nähe der Dochtstruktur 220 angeordnet ist. Bei einigen Ausführungsformen kann das Zwischensubstrat 110 direkt oberhalb der Dochtstruktur 220 angeordnet sein. Bei einigen Ausführungsformen kann das Zwischensubstrat 110 Mikrostrukturen 112 umfassen. Bei einigen Ausführungsformen kann ein festes Zwischensubstrat 110 verwendet werden, um die Dampfkammer 300 von der Dochtstruktur 220 zu isolieren. Durch die Isolierung der Dampfkammer 300 von der Dochtstruktur 220 kann die Fest-Flüssig-Grenzfläche vergrößert werden, und die Flüssigkeit 140 kann die Dochtstruktur 220 im Wesentlichen ausfüllen, was im Vergleich zu früheren Dochtstrukturen 220 für eine höhere Massenflussrate der Flüssigkeit mit weniger viskosem Druckabfall sorgen kann.
  • 17(D) zeigt eine Querschnittsansicht eines adiabatischen Bereichs einer illustrativen Ausführungsform, bei der das Zwischensubstrat 110 in unmittelbarer Nähe der Dochtstruktur positioniert ist und bei der die Flüssigkeit 140 die Dochtstruktur 220 benetzt. Ein festes Zwischensubstrat 110 kann verwendet werden, um die Dampfkammer 300 von der Dochtstruktur 220 zu isolieren. Durch die Isolierung der Dampfkammer 300 von der Dochtstruktur 220 kann die Fest-Flüssig-Grenzfläche vergrößert werden, und die Flüssigkeit 140 kann im Wesentlichen die Dochtstruktur 220 ausfüllen, was für eine höhere Massenflussrate für die Flüssigkeit mit weniger viskosem Druckabfall im Vergleich zu früheren Dochtstrukturen 220 sorgen kann.
  • Bei einigen Ausführungsformen, bei denen eine leistungsstarke thermische Energieübertragung gewünscht ist, kann es wichtig sein, die viskosen Verluste der Flüssigkeit in dem adiabatischen Bereich zu verringern. Bei einigen Ausführungsformen kann ein Zwischensubstrat 110 verwendet werden, um die Dampfkammer 300 von der Flüssigkeit 140 in der Dochtstruktur 220 zu isolieren. Bei einigen Ausführungsformen, bei denen ein großer Druckunterschied zwischen dem Dampf und der Flüssigkeit in der Dochtstruktur 220 besteht, kann die Dampfkammer 300 von der Flüssigkeit in der Dochtstruktur 220 durch ein festes Zwischensubstrat 110 isoliert sein, was verhindern kann, dass der hohe Druckunterschied die in der Dochtstruktur 220 strömende Flüssigkeit negativ beeinflusst.
  • Bei früheren TGPs konnten nassgeätzte Dochtstrukturkanäle niedrige Seitenverhältnisse (d. h. ein niedriges Verhältnis zwischen der Kanalhöhe und der Kanalbreite) aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen kann es vorkommen, dass bei einem großen Druckunterschied zwischen der Dampf- und der Flüssigkeitsphase die Flüssigkeitsphase den Dochtstrukturkanal nicht vollständig ausfüllt und die Strömung der Flüssigkeit 140 durch die Dochtstruktur 220 negativ beeinflusst wird, was zum Austrocknen des Dochtkanals führen kann. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann ein Zwischensubstrat 110 verwendet werden, um die Dampfkammer 300 von der in der Dochtstruktur 220 enthaltenen Flüssigkeit 140 zu isolieren, und kann das Austrocknen der Dochtstruktur 220 verzögern oder sogar verhindern.
  • 17(E) zeigt eine Querschnittsansicht eines Kondensatorbereichs einer dargestellten Ausführungsform, bei der die Dochtstruktur 220 in direkter Verbindung mit der Dampfkammer 300 steht. Wenn die Dochtstruktur 220 in direkter Verbindung mit der Dampfkammer 300 steht, kann der Dampf leichter an der Dochtstruktur 220 kondensieren. Darüber hinaus kann es in Bereichen, wie z. B. dem Kondensatorbereich, zu keinen signifikanten Druckunterschieden zwischen der Flüssigkeits- und der Dampfphase kommen, und ein Zwischensubstrat 110 bietet möglicherweise keine signifikanten Vorteile. In einem Fall jedoch, in dem der Kondensatorbereich groß ist, können signifikante Druckunterschiede zwischen der flüssigen Phase und der Dampfphase bestehen, und dementsprechend kann der Kondensatorbereich von mindestens einem Zwischensubstrat 110 mit Mikrostrukturen 112 profitieren, deren Wirkung darin besteht, das effektive Seitenverhältnis der Dochtstruktur 220 zu erhöhen, wodurch die Länge des Meniskus 180 verkürzt wird und somit der Druckumfang erhöht wird, den der Meniskus 180 halten kann, wie es vorab für den Verdampfungsbereich beschrieben ist.
  • 17(F) zeigt eine Querschnittsansicht eines Kondensatorbereichs einer Ausführungsform, bei der die Dochtstruktur 220 in direkter Verbindung mit der Dampfkammer 300 steht, wobei die Dochtstruktur 220 von einer Flüssigkeit 140 benetzt wird. Bei einigen Ausführungsformen kann kein signifikanter Druckunterschied zwischen der Dampfkammer 300 und der Flüssigkeit 140 in der Dochtstruktur 220 vorhanden sein, und ein Zwischensubstrat 110 kann für keine signifikanten Vorteile sorgen. Für einen Fall, in dem der Kondensatorbereich groß ist, kann jedoch ein signifikanter Druckunterschied zwischen der flüssigen Phase und der Dampfphase bestehen, und dementsprechend kann der Kondensatorbereich von Mikrostrukturen 112 profitieren, deren Wirkung darin besteht, das effektive Seitenverhältnis der Dochtstruktur 220 zu erhöhen und den Druckumfang zu erhöhen, den der Meniskus 180 halten kann, wie es vorab für den Verdampfungsbereich beschrieben ist.
  • 18 zeigt Druckprofile als Funktion der axialen Lage für eine dargestellte Ausführungsform einer thermischen Grundfläche. Die Kurven zeigen den Druck der Dampfphase in der Dampfkammer 300 und der Flüssigphase in der Dochtstruktur 220. In einer illustrativen Ausführungsform kann die maximale Druckdifferenz zwischen der flüssigen Phase und der Dampfphase in dem Verdampfungsbereich auftreten. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die minimale Druckdifferenz zwischen der Dampf- und der Flüssigkeitsphase in dem Kondensatorbereich auftreten.
  • Die Dochtstrukturen 220 können Kanäle, Säulen oder andere Strukturen umfassen. Wenn diese Strukturen durch Nassätzung oder andere Herstellungsverfahren gebildet werden, können sie Merkmale mit geringen Seitenverhältnissen umfassen. Frühere Dochtstrukturen 220 konnten Kanäle oder Säulen mit einem geringen effektiven Seitenverhältnis umfassen und wiesen keine Zwischenstruktur auf. In diesen früheren Dochtstrukturen 220 mit niedrigem effektivem Seitenverhältnis kann ein großer Druckunterschied zwischen der flüssigen Phase und der Dampfphase dazu führen, dass sich der Meniskus 180 zwischen den beiden Phasen zum Boden des Kanals hin ausdehnt, wodurch die Flüssigkeitsmenge 140, die in dem Kanal vorhanden ist, abnimmt und der Massenstrom der Flüssigkeit erheblich verringert wird. Dies wiederum kann eine schlechte Wärmeübertragungsleistung und ein mögliches Austrocknen der Dochtstruktur 220 verursachen.
  • Wie es in 18 dargestellt ist, tritt der höchste Dampfdruck typischerweise im Verdampferbereich auf, und der Dampfdruck steigt aufgrund von viskosen Verlusten mit der von der TGP übertragenen Wärmemenge. Darüber hinaus kann es wünschenswert sein, die Gesamtdicke der thermischen Grundfläche so dünn wie praktisch möglich zu machen, was durch eine relativ dünne Dampfkammer 300 erreicht werden kann. Eine relativ dünne Dampfkammer 300 kann zu erheblichen viskosen Verlusten des Dampfes führen, der in der Dampfkammer 300 von dem Verdampfer durch den adiabatischen Bereich zu dem Kondensator strömt. Hohe viskose Verluste des in der Dampfkammer 300 strömenden Dampfes können auch zu einer großen Druckdifferenz zwischen der Flüssigkeits- und der Dampfphase in dem Verdampfer beitragen. Eine Struktur des Zwischensubstrats 110, die das effektive Seitenverhältnis der Dochtstruktur 220 erhöht, wie es vorab beschrieben ist, weist den Effekt auf, dass die Länge des Meniskus 180 der Flüssigkeits/Dampf-Grenzfläche verringert wird, wodurch der Krümmungsradius in diesem Teil der Dochtstruktur 220 kleiner wird, wodurch der Meniskus 180 widerstandsfähiger gegen einen hohen Druck auf den Meniskus 180 wird (17(B)) und die TGP in der Lage ist, viel höhere Drücke zu halten als frühere Implementierungen. Dementsprechend kann mindestens ein Bereich des mindestens einen Zwischensubstrats eine Vielzahl von Mikrostrukturen aufweisen, die mit mindestens einem Bereich der Dochtstruktur verschachtelt sind, um in mindestens einem Bereich der thermischen Grundfläche Dochtstrukturen mit hohem Seitenverhältnis zu bilden. Darüber hinaus kann sich mindestens ein Zwischensubstrat in unmittelbarer Nähe der Dochtstruktur befinden, um die flüssige Phase und die Dampfphase in mindestens einem Bereich der thermischen Grundfläche zu isolieren.
  • Durch die Unterstützung höherer Druckdifferenzen zwischen der flüssigen Phase und der Dampfphase kann mehr Wärme übertragen werden, ohne die Dochtstruktur 220 auszutrocknen, und die TGP wird widerstandsfähiger gegen viskose Verluste, die aus dünneren Entwürfen resultieren. Somit kann durch die Hinzufügung des Zwischensubstrats 110 gleichzeitig eine höhere Wärmeübertragung und dünnere Grundflächen erreicht werden.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann die thermische Grundfläche mit einer bestimmten Masse eines gesättigten Flüssigkeits/Dampf-Gemisches gefüllt werden, so dass der Druckunterschied zwischen der Dampf- und der Flüssigkeitsphase in dem Kondensator gut gesteuert wird. Bei einigen Ausführungsformen kann die Masse des Flüssigkeits/Dampf-Gemischs so gewählt sein, dass ein Teil des Kondensatorbereichs eine Flüssigkeit mit einem höheren Druck als der angrenzende Dampf enthalten kann.
  • 19 zeigt Temperaturprofile als Funktion einer axialen Lage für eine dargestellte Ausführungsform einer thermischen Grundfläche bei Wärmeübertragungsraten von Q = 10, 20 und 30 W. Bei dieser dargestellten Ausführungsform befindet sich der Verdampfer in der Mitte, und es gibt einen adiabatischen Bereich und einen Kondensatorbereich auf jeder Seite. Die Ergebnisse zeigen den Nutzen einer Ausführungsform einer thermischen Grundfläche aus Titan mit einem Zwischensubstrat 110.
  • 20 vergleicht die maximale Wärmeübertragung für thermische Grundflächen auf Titanbasis für verschiedene Dampftemperaturen. Der Vergleich ist zwischen einer früheren thermischen Grundfläche aus Titan und einer illustrativen Ausführungsform der aktuellen thermischen Grundfläche mit einem Zwischensubstrat 110.
  • Eine frühere thermische Titan-Grundfläche mit ähnlichen Abmessungen wie die für 19 getesteten Figuren kann nur in der Lage sein, etwa 10 W thermische Energie zu übertragen, bevor die Dochtstruktur 220 bei einer Betriebsdampftemperatur von 30 °C eine Austrocknung erfährt, verglichen mit 30 W bei einer dargestellten Ausführungsform der aktuellen thermischen Grundfläche unter Verwendung eines Zwischensubstrats 110. In ähnlicher Weise erhöht sich bei einer Erhöhung der Dampftemperatur die maximal übertragene thermische Energie für eine Ausführungsform der aktuellen thermischen Grundfläche auf 35 W bzw. 40 W bei einer Betriebsdampftemperatur von 50 °C bzw. 70 °C. In allen Fällen ist die maximal übertragene thermische Energie für eine illustrative Ausführungsform der aktuellen thermischen Grundfläche 15 - 20 W höher als das, was bei einer früheren thermischen Grundfläche beobachtet wird.
  • 21 zeigt ein Flussdiagramm der Ausbildung einer oder mehrerer Ausführungsformen der aktuellen Ti-basierten TGP gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Bei einigen Ausführungsformen kann die thermische Energie transportiert werden, indem (1) in einem Metallsubstrat der thermischen Grundfläche eine Vielzahl von Metallmikrostrukturen ausgebildet werden, um in Schritt S100 eine Dochtstruktur auszubilden. In Schritt S110 kann ein Dampfraum ausgebildet werden. In Schritt S120 wird mindestens eine Struktur und/oder mindestens eine Mikrostruktur in einem Zwischensubstrat ausgebildet, das mit der Dochtstruktur und der Dampfkammer in Verbindung steht, wobei das Zwischensubstrat so geformt und angeordnet ist, dass das effektive Seitenverhältnis der Dochtstruktur in mindestens einem Bereich der Dochtstruktur erhöht ist. In Schritt S130 kann ein Fluid innerhalb der thermischen Grundfläche enthalten sein. In Schritt S140 kann thermische Energie von mindestens einem Bereich des Metallsubstrats zu mindestens einem anderen Bereich des Metallsubstrats durch Fluidbewegung transportiert werden, die durch Kapillarkräfte angetrieben wird, die aus der Vielzahl von Mikrostrukturen resultieren.
  • 22 zeigt ein Flussdiagramm der Ausbildung einer oder mehrerer Ausführungsformen der aktuellen Ti-basierten TGP gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Bei einigen Ausführungsformen kann eine metallbasierte thermische Grundfläche durch das folgende Verfahren ausgebildet werden. In Schritt S200 wird das erste Substrat ausgebildet. In Schritt S210 wird ein zweites Substrat ausgebildet. In Schritt S220 wird mindestens ein Zwischensubstrat ausgebildet. In Schritt S230 werden die Substrate miteinander verbunden. In Schritt S240 wird die thermische Grundfläche ausgebildet.
  • 23 zeigt illustrative Ausführungsformen einer Dochtstruktur 220 in Verbindung mit einem Zwischensubstrat 110. Das effektive Seitenverhältnis ist definiert als das Verhältnis der effektiven Kanalhöhe h zu der effektiven Kanalbreite w: (A) zeigt eine illustrative Ausführungsform, bei der die Mikrostrukturen 112 des Zwischensubstrats 110 mit der Dochtstruktur 220 verschachtelt sind, (B) zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der die Mikrostrukturen 112 des Zwischensubstrats 110 oberhalb der Dochtstruktur 220 angeordnet sind.
  • Die in 23 dargestellten Ausführungsformen können effektive Seitenverhältnisse bereitstellen, die höher sind als das, was durch die Dochtstruktur 220 ohne ein Zwischensubstrat 110 erzielt werden könnte. Wenn die Dochtstruktur 220 beispielsweise durch ein Nassätzverfahren oder ein anderes isotropes Ätzverfahren ausgebildet wird, kann das Seitenverhältnis h/w kleiner als 1 oder wesentlich kleiner als 1 sein. Bei Verwendung eines Zwischensubstrats 110 können höhere effektive Seitenverhältnisse des Fluidkanals zwischen der Dochtstruktur 220 und dem Zwischensubstrat 110 erreicht werden. Bei einigen Ausführungsformen ist zum Beispiel h/w > 1, wobei h die effektive Höhe (oder Tiefe) des Fluidkanals und w die Breite ist.
  • 23(B) zeigt eine alternative Ausführungsform, die Vorteile aufweisen kann, wenn relativ geringe viskose Verluste erwünscht sind.
  • 24 zeigt eine Querschnittsansicht einer dargestellten Ausführungsform, bei der eine Dampfkammer einen oder mehrere ausgesparte Bereiche 540, 542 und 544 umfassen kann. Die viskose Strömung des Dampfes in der Dampfkammer kann durch die Poiseuille-Strömung beschrieben werden, wobei für einen gegebenen Druckabfall, eine gegebene Dichte und eine gegebene Viskosität die Massenstromrate des Dampfes mit dem Kubus der Dampfkammerhöhe ~h3 skaliert wird. Bei sehr dünnen Dampfkammern können die viskosen Verluste erheblich sein und die Gesamtleistung der thermischen Grundfläche einschränken. Bei einigen Ausführungsformen können die Dampfkammern 300 mit einem oder mehreren ausgesparten Bereichen 540 ausgestaltet sein, wodurch die effektive Höhe der Dampfkammer h in ausgewählten Bereichen der thermischen Grundfläche erhöht wird. Da der Massendurchsatz des Dampfes mit ~h3 verändert werden kann, kann eine Vergrößerung der Höhe der Dampfkammer in ausgewählten Bereichen den Massendurchsatz des Dampfes durch die Kammer bei einem gegebenen Druckabfall wesentlich erhöhen.
  • Bei einigen Ausführungsformen können der eine oder die mehrere ausgesparten Bereiche 544 in dem Metallsubstrat ausgebildet sein und sich in der Nähe der Dochtstruktur befinden. Bei einigen Ausführungsformen können der eine oder die mehreren ausgesparten Bereiche 540 und 542 in der Rückwand 530 ausgebildet sein. Bei einigen Ausführungsformen können der eine oder die mehreren ausgesparten Bereiche in einer Kombination aus dem Metallsubstrat und der Rückwand ausgebildet sein. Bei einigen Ausführungsformen können die ausgesparten Bereiche so ausgestaltet sein, dass sie mit anderen ausgesparten Bereichen in Verbindung stehen, um viskose Verluste in der Dampfkammer zu minimieren. Bei einigen Ausführungsformen kann der ausgesparte Bereich 540 mit dem ausgesparten Bereich 544 ausgerichtet sein, so dass die Gesamttiefe der Dampfkammer in diesem Bereich durch die Kombination von dem ausgesparten Bereich 540 und dem ausgesparten Bereich 544 vergrößert wird. Die Dampfmassen-Strömungsgeschwindigkeit kann mit der Höhe der Dampfkammer hoch drei, ~h3 , variieren. Daher kann die Kombination aus dem ausgesparten Bereich 540 und dem ausgesparten Bereich 544 einen nichtlinearen Effekt auf die Reduzierung der viskosen Verluste aufweisen und dadurch den Gesamtmassendurchsatz erhöhen.
  • Die in 24 dargestellte TiTGP kann in thermischer Verbindung mit mindestens einem Strukturelement der Batterie stehen. Diese Strukturelemente sind die Komponenten, die der tragbaren Einrichtung den größten Teil ihrer Festigkeit und Steifigkeit verleihen, und können das Skelett der Einrichtung bilden, und können zumindest den mittleren Rahmen 550 und die Dochtfläche 560 einschließen. Die Flächen der TiTGP können auch Strukturelemente sein, die die Rückwand 120 und das Metallsubstrat 210 einschließen. Diese Strukturelemente sind im Allgemeinen metallisch und können z. B. die Rückwand 120, den mittleren Rahmen 550 und das Metallsubstrat 210 aufweisen. Vorzugsweise umfasst die TiTGP Titan mit einer Laserschweißung, die die Rückwand abdichtet. Als Ergebnis kann die Oberfläche dieses Strukturelements, das mit der Batterie gekoppelt ist, im Wesentlichen isotherm sein, mit einem Temperaturgradienten von weniger als etwa 10° C. Dies kann für eine effektive Wärmeableitung sorgen und die Leistung und Lebensdauer der Batterie optimieren.
  • Die Diskussion wendet sich nun der Herstellung der TiTCPs für die tragbaren Anwendungen zu. Die Dochtstrukturen und die äußere Hülle der thermischen Module 500, 600 und 700 können durch Stanzen der Formen aus einem Metallmaterial hergestellt werden. Die kleineren Mikrostrukturen können durch Mikrostempeln hergestellt werden. Alternativ können die Konturen und Hohlräume durch chemisches Ätzen hergestellt werden, z. B. mit Flusssäure (HF) und Salpetersäure ((HNO3). Wie es nach dem Stand der Technik bekannt ist, können Abschnitte des Titanmaterials durch eine Beschichtung oder Maskierungsschicht vor dem Ätzmittel geschützt werden. Alle freiliegenden Oberflächen können dann geätzt werden, um die Rillen, Hohlräume und kleineren Strukturen auszubilden.
  • Die TiTGP kann mit einer Menge an Arbeitsfluid versehen sein, beispielsweise unter Verwendung des Verfahrens, das in der 14/749439 (Kanzleiaktenzeichen-Nr. TiMEMS-Charge) beschrieben ist, die am 24. Juni 2015 eingereicht wurde und durch Bezugnahme aufgenommen wird. Das Arbeitsfluid kann beispielsweise Wasser sein, und das Abdichtungsverfahren, das verwendet wird, um das Arbeitsfluid in dem Dampfraum einzuschließen, kann Laserschweißen sein.
  • Dementsprechend ist hier eine Batterie offenbart, die eine Metallanode mit einer Vielzahl von mikrogefertigten sich erhebenden Merkmalen umfasst. Die mikrogefertigten sich erhebenden Merkmale können ein Seitenverhältnis Höhe/Durchmesser von mindestens 1 und einen Abstand zwischen 1 und 50 Mikrometern aufweisen. Eine Metallbeschichtung mit einem niedrigen spezifischen Widerstand kann über der Metallanode angeordnet werden, die mit der Metallanode und den mikrogefertigten sich erhebenden Strukturen konform ist. Eine Metalloxidschicht aus einem zweiten Metall kann dann über der Metallbeschichtung angeordnet werden, wobei die Metalloxidschicht des zweiten Metalls eine mikrogefertigte Mikrorauigkeit von mindestens 1 nm rms aufweisen kann. Die mikrogefertigten sich erhebenden Merkmale können mindestens eines von Säulen, Pfosten, Gräben, Kanälen und tetraedrischen Vorsprüngen umfassen. Bei einigen Ausführungsformen können die sich erhebenden Merkmale Säulen mit einem Durchmesser zwischen 0,5 und 10 Mikrometern umfassen, wobei die Säulen zwischen 10 und 50 Mikrometern über die übrige Oberfläche hinausragen, so dass die Säulen ein Seitenverhältnis von mindestens 1 aufweisen. Bei anderen Ausführungsformen können die sich erhebenden Merkmale 1-2 µm hohe Säulen mit einem Mitte-zu-Mitte-Abstand von 1,5 bis 2,5 µm umfassen, so dass der Anodenoberflächenbereich um einen Faktor von mindestens 2 vergrößert wird. Bei solchen Ausführungsformen können die Säulen einen Durchmesser von 5 µm aufweisen und 20 µm über die übrige Oberfläche hinausragen, wobei das Seitenverhältnis mindestens 10 beträgt. Die sich erhebenden Merkmale können in einer regelmäßig beabstandeten Anordnung über der Oberfläche der Metallanode vorhanden sein.
  • Die Metallanode kann Titan umfassen, und die Metalloxidbeschichtung kann TiO2 sein. Die Metallbeschichtung kann Titan umfassen und die Metalloxidschicht kann TiO2 umfassen. Die Metallbeschichtung kann mindestens eines von Gold, Silber, Platin, Kupfer und Aluminium umfassen, mit einem spezifischen Widerstand von weniger als 1 Ohmmeter. Bei anderen Ausführungsformen kann eine Titanlegierung verwendet werden, so dass die Oxidschicht ein Oxid der Titan-Metalllegierung umfasst. Die Metalloxidschicht hat eine Mikrorauigkeit von etwa 1-1000 nm rms. Bei einigen Ausführungsformen kann die Metalloxidschicht eine Mikrorauigkeit von etwa 200 nm rms aufweisen.
  • Die Batterie kann auch eine Kathode und einen Elektrolyten zwischen der Kathode und der Anode aufweisen, wobei die Kathode eine geschichtete Lithium-Übergangsmetallverbindung umfasst. Die Kathode kann Lithium aufweisen, und die Batterie kann darüber hinaus einen Elektrolyten und einen Separator zwischen der Metallanode und der lithiumbasierten Kathode aufweisen, wobei der Separator innerhalb des Elektrolyten angeordnet ist, und wobei die Metallanode Titan umfasst. Diese Komponenten können alle innerhalb einer Packungsstruktur angeordnet sein, die Titan umfasst. Diese Packungsstruktur kann hermetisch abgedichtet sein.
  • Die Batterie kann eine Gesamtdicke von mindestens 0,2 mm aufweisen. Die Batterie kann eine seitliche Abmessung von weniger als etwa 10 mm aufweisen. Die Batterie kann eine spezifische Energiedichte von mindestens etwa 600 Wh/kg haben. Die Anode, die Kathode und der Elektrolyt können in einem Titan-gehäuse abgedichtet sein. Die Batterie kann eine Dicke von weniger als 0,5 mm aufweisen, so dass die Batterie nachgiebig ist und somit in einen begrenzten Raum mit unregelmäßigen Abmessungen passt. Die Kathode kann eine geschichtete Li2MnO3+/LiMnO2-Struktur umfassen, und der Elektrolyt ist 1 M LiPF6 in einer 50/50-Mischung aus Ethylencarbonat und Diethylcarbonat. Der Elektrolyt kann ein Festelektrolyt sein.
  • Die Metalloxidschicht über der Metallanode kann darüber hinaus eine Mikrorauigkeit umfassen, die aus oxidiertem Titan gebildet ist und eine rms-Rauigkeit von mindestens 1 nm aufweist. Die Metalloxidschicht kann einen Oxidüberzug auf Titanbasis umfassen, der über der Metallbeschichtung angeordnet ist, wobei der Oxidüberzug auf Titanbasis darüber hinaus eine Mikrorauigkeit umfasst, die aus oxidiertem Titan gebildet ist. Die Metallbeschichtung kann eine Dicke von weniger als 10 Mikrometern aufweisen. Die Metallbeschichtung kann mindestens eines von Gold, Silber, Platin, Kupfer und Aluminium umfassen. Die Metalloxidschicht kann nanostrukturiertes Titan umfassen.
  • Es wird auch eine Energiequelle offenbart, die die vorab beschriebene Batterie mit MEMS-Anode aufweist. Zusammen mit der Batterie mit MEMS-Anode kann die Energiequelle darüber hinaus ein Titan-basiertes zweiphasiges thermisches Modul umfassen, das mit der Batterie in thermischer Verbindung steht. Das Titan-basierte zweiphasige thermische Modul kann darüber hinaus aufweisen ein Metallsubstrat, das eine Vielzahl von Mikrostrukturen umfasst, die in dem Metallsubstrat ausgebildet sind, wobei eine Dochtstruktur mit der Vielzahl von Mikrostrukturen ausgebildet ist, einen Dampfraum, der mit der Dochtstruktur und der Vielzahl von Mikrostrukturen in Verbindung steht, mindestens ein Zwischensubstrat mit einer Vielzahl von Vorsprüngen, wobei die Vielzahl von Vorsprüngen so geformt sind, um das effektive Seitenverhältnis der Dochtstruktur zu vergrößern, indem die Vielzahl von Mikrostrukturen der Dochtstruktur in mindestens einen Bereich der Dochtstruktur eingepasst ist, und ein Fluid, das innerhalb der thermischen Grundfläche enthalten ist, um thermische Energie von mindestens einem Bereich der thermischen Grundfläche zu einem anderen Bereich der thermischen Grundfläche zu transportieren, wobei das Fluid durch Kapillarkräfte angetrieben wird.
  • Innerhalb des thermischen Moduls können die mehreren Mikrostrukturen eine charakteristische Abmessung von 1 - 1000 Mikrometern aufweisen. Das thermische Modul kann darüber hinaus eine metallische Rückwand aufweisen, wobei der Dampfraum von dem Metallsubstrat und der metallischen Rückwand umschlossen ist. Das Metallsubstrat kann hermetisch mit der Metallrückwand verbunden sein, um einen hermetisch abgedichteten Dampfraum auszubilden.
  • Die Stromquelle kann darüber hinaus eine ohmsche Last aufweisen, die elektrisch zwischen der Anode und der Kathode der Batterie gekoppelt ist. Sie kann auch eine zweite Energiequelle aufweisen, die mit der Batterie gekoppelt ist, wobei die zweite Energiequelle einen Ladestrom an die Batterie bereitstellt.
  • Ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie wird ebenfalls offenbart. Das Verfahren kann aufweisen ein Bereitstellen einer Metallanode, ein Ätzen einer Vielzahl von mikrogefertigten sich erhebenden Merkmalen in die Metallanode, wobei die mikrogefertigten sich erhebenden Metallmerkmale ein Seitenverhältnis von mindestens etwa 1 und einen Abstand zwischen 1-50 Mikrometern aufweisen, und ein Auftragen einer Metallbeschichtung konform über der Metallanode und der Vielzahl der mikrogefertigten sich erhebenden Merkmale. Das Verfahren kann darüber hinaus aufweisen ein Auftragen einer Schicht eines zweiten Metalls über der Metallbeschichtung und ein Oxidieren der Schicht des zweiten Metalls, um eine Schicht aus Metalloxid auszubilden, die eine mikrogefertigte Mikrorauigkeit in der Schicht aus Metalloxid von mindestens 1 nm rms aufweist.
  • Die Schicht des zweiten Metalls kann eine Schicht aus Titan umfassen, und das Metalloxid umfasst Titandioxid, so dass die Mikrorauigkeit in dem Titandioxid als ein nanostrukturiertes Titan (NST) ausgebildet wird. Die Metallbeschichtung kann eine Dicke von weniger als 10 Mikrometern aufweisen und umfasst mindestens eines von Gold, Silber, Kupfer, Platin und Aluminium.
  • Während verschiedene Details in Verbindung mit den oben beschriebenen beispielhaften Implementierungen beschrieben wurden, können verschiedene Alternativen, Modifikationen, Variationen, Verbesserungen und/oder substanzielle Äquivalente, ob bekannt oder gegenwärtig unvorhergesehen, bei der Überprüfung der vorstehenden Offenbarung offensichtlich werden. Dementsprechend sind die oben dargelegten beispielhaften Implementierungen zur Veranschaulichung gedacht und nicht als Einschränkung.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 62782367 [0001]

Claims (36)

  1. Batterie umfassend: eine Metallanode mit mehreren mikrogefertigten sich erhebenden Merkmalen, wobei die mikrogefertigten sich erhebenden Merkmale ein Seitenverhältnis von Höhe zu Durchmesser von mindestens 1 und einen Abstand von zwischen 1 und 50 Mikrometern aufweisen; eine Metallbeschichtung aus einem zweiten Metall, welche konform zu der Metallanode und den mikrogefertigten sich erhebenden Merkmalen ist; und eine Metalloxidschicht über der Metallbeschichtung, wobei die Metalloxidschicht eine mikrogefertigte Mikrorauigkeit von mindestens 1 nm rms aufweist.
  2. Batterie nach Anspruch 1, wobei die Metallanode Titan umfasst, und wobei die Metalloxidschicht TiO2 umfasst, und wobei die Metallbeschichtung aus dem zweiten Metall mindestens eines von Gold, Silber, Platin, Kupfer und Aluminium umfasst, mit einem spezifischen Widerstand von weniger als 1 Ohmmeter.
  3. Batterie nach Anspruch 1, wobei die Metallanode eine Titanlegierung umfasst und die Metalloxidschicht das Oxid der Titanmetalllegierung umfasst.
  4. Batterie nach Anspruch 1, welche darüber hinaus eine Kathode und einen Elektrolyten zwischen der Kathode und der Anode umfasst, wobei die Kathode eine geschichtete Lithium-Übergangsmetallverbindung umfasst.
  5. Batterie nach Anspruch 1, wobei die Metalloxidschicht eine Mikrorauigkeit von 1 bis 1000 nm rms aufweist.
  6. Batterie nach Anspruch 1, wobei die Batterie eine Gesamtdicke von mindestens 0,2 nm aufweist.
  7. Batterie nach Anspruch 1, wobei die Batterie eine seitliche Abmessung von weniger als etwa 10 mm aufweist.
  8. Batterie nach Anspruch 1, wobei die Batterie eine spezifische Energiedichte von mindestens etwa 600 Wh/kg aufweist.
  9. Batterie nach Anspruch 1, wobei die Metalloxidschicht eine Mikrorauigkeit von mindestens 100-300 nm rms aufweist.
  10. Batterie nach Anspruch 1, wobei die sich erhebenden Merkmale mindestens eines umfassen von: Säulen, Pfosten, Gräben, Kanälen und tetraedrischen Vorsprüngen.
  11. Batterie nach Anspruch 1, wobei die sich erhebenden Merkmale Säulen mit einem Durchmesser von 0,5 bis 10 Mikrometern umfassen, wobei die Säulen zwischen 10 und 50 Mikrometern von der restlichen Oberfläche abstehen, so dass die Säulen ein Seitenverhältnis von mindestens 1 aufweisen.
  12. Batterie nach Anspruch 1, wobei die sich erhebenden Merkmale Säulen mit einem Durchmesser von 1 bis 2 µm und einer Höhe von 10 bis 12 µm umfassen, mit einem Abstand von Mitte zu Mitte von 1,5 bis 2,5 µm, so dass der Anodenoberflächenbereich um einen Faktor von mindestens 2 vergrößert wird.
  13. Batterie nach Anspruch 4, wobei die Anode, die Kathode und der Elektrolyt in einem Titan-Gehäuse abgedichtet sind.
  14. Batterie nach Anspruch 7, wobei die Batterie eine Dicke von weniger als etwa 0,5 mm aufweist, wodurch die Batterie biegsam ist und somit in einen begrenzten Raum mit unregelmäßigen Abmessungen passt.
  15. Batterie nach Anspruch 4, wobei die Kathode eine geschichtete Li2MnO3 +/LiMnO2-Struktur umfasst und der Elektrolyt 1 M LiPF6 in einer 50/50-Mischung aus Ethylencarbonat und Diethylcarbonat ist.
  16. Batterie nach Anspruch 11, wobei die Säulen einen Durchmesser von 5 Mikrometern aufweisen, und wobei die Säulen 20 Mikrometer von der restlichen Oberfläche abstehen, und wobei das Seitenverhältnis mindestens 10 beträgt.
  17. Batterie nach Anspruch 1, wobei die Metalloxidschicht darüber hinaus eine Mikrorauigkeit umfasst, welche aus einem oxidierten Titan gebildet ist und eine rms-Rauigkeit von mindestens 1 nm aufweist.
  18. Batterie nach Anspruch 4, wobei der Elektrolyt einen Festkörperelektrolyten umfasst.
  19. Batterie nach Anspruch 1, wobei die Metalloxidschicht ein Oxid aus Titan umfasst, welches über der Metallbeschichtung angeordnet ist, wobei das Oxid aus Titan darüber hinaus eine Mikrorauigkeit umfasst, welche aus oxidiertem Titan ausgebildet ist.
  20. Batterie nach Anspruch 1, wobei die Metallbeschichtung eine Dicke von weniger als etwa 10 Mikrometern aufweist.
  21. Batterie nach Anspruch 1, wobei die Metallbeschichtung des zweiten Metalls mindestens eines von Gold, Silber, Kupfer, Platin und Aluminium umfasst.
  22. Batterie nach Anspruch 1, wobei die sich erhebenden Merkmale Pfosten oder Säulen sind und in einer regelmäßig beabstandeten Anordnung über eine Oberfläche der Titan-basierten Anode auftreten.
  23. Batterie nach Anspruch 3, wobei die Metalloxidschicht nanostrukturiertes Titan umfasst.
  24. Batterie nach Anspruch 1, welche darüber hinaus umfasst: eine Kathode, welche Lithium umfasst; einen Elektrolyten; und einen Separator zwischen der Metallanode und der Lithium-basierten Kathode, wobei der Separator innerhalb des Elektrolyten angeordnet ist, und wobei die Metallanode Titan umfasst.
  25. Batterie nach Anspruch 24, wobei die Metallanode, die Kathode, der Elektrolyt und der Separator alle innerhalb einer Packungsstruktur angeordnet sind, welche Titan umfasst.
  26. Batterie nach Anspruch 25, wobei es innerhalb der Packungsstruktur hermetisch abgedichtet ist.
  27. Energiequelle umfassend: mindestens eine Batterie nach Anspruch 4; ein zweiphasiges thermisches Modul, welches Titan in einer thermischen Verbindung mit der Batterie umfasst.
  28. Energiequelle nach Anspruch 27, wobei das Titan-basierte zweiphasige thermische Modul darüber hinaus umfasst: ein Metallsubstrat, welches mehrere Mikrostrukturen umfasst, welche in dem Metallsubstrat ausgebildet sind, wobei eine Dochtstruktur ausgebildet ist, welche die mehreren Mikrostrukturen aufweist; einen Dampfraum in Verbindung mit der Dochtstruktur und den mehreren Mikrostrukturen; mindestens ein Zwischensubstrat mit mehreren Vorsprüngen, wobei die mehreren Vorsprünge so ausgebildet sind, dass sie das effektive Seitenverhältnis der Dochtstruktur erhöhen, indem sie in die mehreren Mikrostrukturen der Dochtstruktur in mindestens einem Bereich der Dochtstruktur eingepasst sind; und ein in der thermischen Grundfläche enthaltenes Fluid zum Transportieren einer thermischen Energie von mindestens einem Bereich der thermischen Grundfläche zu einem anderen Bereich der thermischen Grundfläche, wobei das Fluid durch Kapillarkräfte angetrieben wird.
  29. Energiequelle nach Anspruch 28, wobei die mehreren Mikrostrukturen eine charakteristische Abmessung von 1 - 1000 Mikrometern aufweisen, wobei das Metallsubstrat Titan umfasst.
  30. Energiequelle nach Anspruch 28, wobei das zweiphasige thermische Modul darüber hinaus umfasst: eine Metallrückwand, wobei der Dampfraum durch das Metallsubstrat und die Metallrückwand eingeschlossen ist.
  31. Energiequelle nach Anspruch 30, wobei das Metallsubstrat hermetisch mit der Metallrückwand verbunden ist, um einen hermetisch abgedichteten Dampfraum auszubilden.
  32. Energiequelle nach Anspruch 27, welche darüber hinaus umfasst: eine ohmsche Last, welche elektrisch zwischen der Metallanode und der Kathode der Batterie gekoppelt ist.
  33. Energiequelle nach Anspruch 27, welche darüber hinaus umfasst: eine zweite Energiequelle, welche mit der Batterie gekoppelt ist, wobei die zweite Energiequelle einen Ladestrom zu der Batterie bereitstellt.
  34. Verfahren zum Herstellen einer Batterie, umfassend: Bereitstellen einer Metallanode; Ätzen von mehreren mikrogefertigten sich erhebenden Merkmalen in eine Metallanode, wobei die mikrogefertigten sich erhebenden Metallmerkmale ein Seitenverhältnis von mindestens etwa 1 und einen Abstand zwischen 1-50 Mikrometern aufweisen; und Auftragen einer Metallbeschichtung aus einem zweiten Metall konform über der Metallanode und den mehreren mikrogefertigten sich erhebenden Merkmalen; Auftragen einer weiteren Schicht eines Metalls über der Metallbeschichtung, und Oxidieren der Schicht aus Metall, um eine Schicht aus Metalloxid auszubilden, welche eine mikrogefertigte Mikrorauigkeit in der Schicht aus Metalloxid von mindestens 1 nm rms aufweist.
  35. Verfahren nach Anspruch 34, wobei die Schicht aus Metall eine Schicht aus Titan umfasst, und wobei das Metalloxid Titandioxid umfasst, so dass die Mikrorauigkeit in dem Titandioxid als ein nanostrukturiertes Titan (NST) ausgebildet ist.
  36. Verfahren nach Anspruch 34, wobei die Metallbeschichtung aus dem zweiten Metall eine Dicke von weniger als 10 Mikrometern aufweist und mindestens eines von Gold, Silber, Kupfer, Platin und Aluminium umfasst.
DE112019006363.4T 2018-12-20 2019-12-17 Lithium-ionen-batterie mit mems-anode Pending DE112019006363T5 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201862782367P 2018-12-20 2018-12-20
US62/782,367 2018-12-20
PCT/US2019/066938 WO2020154053A2 (en) 2018-12-20 2019-12-17 Mems anode battery

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE112019006363T5 true DE112019006363T5 (de) 2021-09-02

Family

ID=71736962

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE112019006363.4T Pending DE112019006363T5 (de) 2018-12-20 2019-12-17 Lithium-ionen-batterie mit mems-anode

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20220059829A1 (de)
KR (1) KR20210103533A (de)
CN (1) CN113474915A (de)
DE (1) DE112019006363T5 (de)
WO (1) WO2020154053A2 (de)

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7807299B2 (en) * 2004-10-29 2010-10-05 Medtronic, Inc. Lithium-ion battery
WO2008030215A2 (en) * 2005-07-12 2008-03-13 The Regents Of The University Of California Method and apparatus for high surface area carbon structures with minimized resistance
EP2124273A4 (de) * 2007-03-13 2013-12-04 Panasonic Corp Negativelektrode für eine lithium-sekundärbatterie und verfahren zu ihrer herstellung und lithium-sekundärbatterie mit einer negativelektrode für eine lithium-sekundärbatterie
KR20100017919A (ko) * 2007-05-25 2010-02-16 메사추세츠 인스티튜트 오브 테크놀로지 전지 및 그의 사용을 위한 전극
EP2849265B1 (de) * 2008-02-22 2021-05-12 Colorado State University Research Foundation Lithium-Ionen-Batterie
TWI473312B (zh) * 2008-06-06 2015-02-11 Dc Solar Corp 大面積染料敏化太陽能電池及其電化學製造方法
JP6050106B2 (ja) * 2011-12-21 2016-12-21 株式会社半導体エネルギー研究所 非水二次電池用シリコン負極の製造方法
US20130164611A1 (en) * 2011-12-23 2013-06-27 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Power storage device
US20130236781A1 (en) * 2012-03-06 2013-09-12 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Negative electrode for secondary battery and secondary battery
US11133118B2 (en) * 2012-05-22 2021-09-28 University Of Massachusetts Patterned nanoparticle structures
CN104508893B (zh) * 2012-08-02 2016-11-09 日产自动车株式会社 非水系有机电解液二次电池
US20150162602A1 (en) * 2013-12-10 2015-06-11 GM Global Technology Operations LLC Nanocomposite coatings to obtain high performing silicon anodes
KR101770730B1 (ko) * 2015-06-05 2017-08-25 (주)클라비스 이차전지용 탭 리드의 무크롬 표면처리방법
US10670352B2 (en) * 2016-05-23 2020-06-02 Pimems, Inc. High performance two-phase cooling apparatus for portable applications
IL267787B2 (en) * 2017-01-02 2023-11-01 3Dbatteries Ltd Energy storage devices and systems
US10431849B2 (en) * 2017-04-21 2019-10-01 GM Global Technology Operations LLC High energy density alkali metal batteries incorporating solid electrolytes

Also Published As

Publication number Publication date
US20220059829A1 (en) 2022-02-24
KR20210103533A (ko) 2021-08-23
CN113474915A (zh) 2021-10-01
WO2020154053A3 (en) 2020-09-24
WO2020154053A2 (en) 2020-07-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102018107519B4 (de) Verfahren zur Herstellung von strukturierten, dicken silizium-haltigen Elektroden
DE102010021908A1 (de) Elektroenergiespeicherzelle und -vorrichtung
WO2022023321A1 (de) Energiespeicherzelle und herstellungsverfahren
EP4158713A1 (de) Lithium-ionen-zelle mit hoher energiedichte
DE102019133657A1 (de) Eine wiederaufladbare lithiumionen-batteriechemie mit schnelladefähigkeit und hoher energiedichte
WO2022111932A1 (de) Energiespeicherelement mit prismatischem gehäuse
EP3151304B1 (de) Knopfzelle auf lithium-ionen-basis
WO2022034156A1 (de) Energiespeicherzelle und herstellungsverfahren
WO2022063632A1 (de) Energiespeicherzelle
WO2022048969A1 (de) Energiespeicherzelle
DE112019006363T5 (de) Lithium-ionen-batterie mit mems-anode
EP4158712B1 (de) Lithium-ionen-zelle mit hoher spezifischer energiedichte
DE102018120876A1 (de) Lithium-Ionen-elektrochemische Vorrichtungen mit überschüssiger Elektrolytkapazität zur Verbesserung der Lebensdauer
WO2022058342A1 (de) Lithium-ionen-zelle mit hoher spezifischer energiedichte
KR102282912B1 (ko) 음극, 이를 포함하는 이차 전지, 및 이의 제조 방법
WO2021255238A1 (de) Lithium-ionen-zelle mit hoher spezifischer energiedichte
WO2021249808A1 (de) Lithium-ionen-zelle mit hoher spezifischer energiedichte
DE102019135752A1 (de) Elektrochemische Natrium-Metallhalogenid-Zelle und Verfahren zu ihrer Herstellung
WO2023066791A1 (de) Lithium-ionen-zelle
EP4197051A1 (de) Energiespeicherzelle und herstellungsverfahren
WO2023203155A1 (de) Energiespeicherelement und herstellungsverfahren
EP4336644A1 (de) Energiespeicherelement und batterie
WO2024046982A1 (de) Energiespeicherzelle und verfahren zum herstellen einer solchen energiespeicherzelle
EP4250412A1 (de) Energiespeicherzelle
WO2023016769A1 (de) Energiespeicherelement, verbund aus energiespeicherelementen und herstellungsverfahren