JP2008505434A - インターレース型のマイクロコンテナ構造に基づく3−dマイクロ電池 - Google Patents
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Abstract
電気エネルギー蓄積装置(20、70)は、電気絶縁性でかつイオン伝導性の壁(32)によって分離された多数のマイクロコンテナを画定するために形成された基板(22)を含む。第1の複数の陽極(A)がマイクロコンテナの第1のサブセット(24)中に配置され、第2の複数の陰極(C)がマイクロコンテナの第2のサブセット(26)中に配置される。陽極および陰極はインターレースパターンに配列される。
Description
本出願は、2004年4月27日に出願された米国仮出願60/566,205号および2004年7月22日に出願された米国仮出願60/590,833号に基づいて優先権を主張する。この出願は、2004年10月14日に出願されたPCT特許出願PCT/IL2004/000945に関連する。これらの関連出願は、本特許出願の譲受人に譲渡され、その開示は、参照によって本出願に含まれる。
本発明は、一般に電気エネルギー源に関し、特に3次元(3−D)マイクロ電池に関する。
小型で2次元の薄膜マイクロ電池はこの技術分野で周知である。例えば、参照によってその開示が本出願に含まれる米国特許第5,338,625号および第5,567,210号は、電子機器のためのバックアップあるいは予備の統合電源として使用される、薄膜マイクロ電池を記載している。この電池は、リチウム陽極と、電気化学的に安定な電解質およびバナジウム酸化物による陰極を含んでいる。この電池は、半導体チップ、半導体ダイあるいはチップキャリアの一部分上に直接形成される。
参照によってその開示が本出願に含まれる米国特許第6,610,440号は、マイクロ電気機械的(MEMS)システムあるいはその他のマイクロ回路に、集積可能なあるいは集積化されたマイクロ電池を記載している。この発明者は、間欠的反応物質を使用する、内部電力源に使用される閉鎖系マイクロ電池を記載している。この電池は、微細電極、電解質および電解質のための容器を含んでいる。
3次元薄膜マイクロ電池は、米国特許第6,197,450号に記載されており、この開示は参照によって本出願に含まれる。マイクロ電池および2重層キャパシタ(DLC)のような薄膜マイクロ電気化学的エネルギー蓄積セル(MEESC)が記載されている。このエネルギー蓄積セルは2個の薄層電極、固体電解質の中間薄層および選択肢としての第4の電流コレクタ層を含んでいる。これらの層は、基板の表面上に順番に堆積される。基板は、高いアスペクト率を有し、それによって単位体積あたりの全電極面積率を増加させている任意の形状のキャビティを、多数有している。
3−Dマイクロ電池はさらにLong等によって記載されている。“Three−Dimensional Battery Architectures”Chemical Review,volume10,number104,October,2004,pages4463−4492。これは、参照によって本出願に含まれる。
Hart等は、3−Dマイクロ電池の幾何学的構成について記載している。“3−D Microbatteries”Electrochemistry Communications,volume5,2003,pages120−123。これは、参照によって本出願に含まれる。この論文は、複数の陰極−陽極アレイ構造に対する電流および電位分布を示す、限定要素シミュレーションを提示している。
シリコン中にキャビティアレイを形成する方法がKleimann等によって記載されている。“Formation of Wide and Deep Pores in Silicon by Electrochemical Etching”Material Science and Engineering B,volumes69−70,2000,pages29−33。これは、参照によって本出願に含まれる。マイクロキャビティアレイを形成するその他の方法が、Li等によって記載されている。“Microfabrication of Thermoelectric Materials by Silicon Molding Process”Sensors and Actuators A,volume108,2003,pages97−102。これは、参照によって本出願に含まれる。著者は、高密度に配列された微小スケールで高アスペクト比を有する、熱電マイクロモジュールを形成するための方法を記載している。
本発明の実施形態は、この分野で既知のマイクロ電池と比較して優れたエネルギー密度および容量を提供する、改良された3−Dマイクロ電池を提供する。
開示されたマイクロ電池は、基板に形成された高アスペクト比を有するマイクロコンテナの2個のセットを有している。このマイクロコンテナは、適切な陽極および陰極材料で充填され、マイクロ電池の電極として使用される。陽極および陰極はインターレースパターンに配置され、基板材料の壁で分離されている。
マイクロコンテナを分離する基板の壁は、イオン伝導度および電気絶縁性を強化するように処理されている。ある実施形態では、陽極および陰極間のイオン伝導度を強化するために、分離壁中に多数の微細細孔が形成される。金属支援化学エッチング法を使用して多孔性シリコン基板を形成するための方法を、以下に記載する。ある実施形態では、多孔性壁はさらに酸化されてその電気絶縁性を向上させる。多孔構造は、例えば電解液、混合ポリマー電解質(CPE)あるいはハイブリッドポリマー電解質(HPE)のような、イオン伝導性で電気絶縁性の物質で充填される。
ある実施形態では、陽極および陰極マイクロコンテナは基板の反対の表面上に形成される。この構造は、マイクロコンテナを充填するプロセスを簡略化し、さらに陽極および陰極材料の混合を防止する。
その他の実施形態では、全てのマイクロコンテナは基板の1表面上に形成される。この構造では、特別に設計されたマスクおよび/または一時的な充填プロセスによって、異なる電極材料の混合が防止される。
代替的な実施形態では、マイクロコンテナは、薄膜で機械的に安定な多孔性分離膜を、基板材料中にマイクロ成形あるいはマイクロエンボス加工することによって、形成する。
ある実施形態では、開示された3−Dマイクロ電池は、このマイクロ電池と共に同じ基板上に集積化されたマイクロ回路に電力を供給するために使用される。
この分野で既知のその他の3−Dマイクロ電池と比較して、ここに記載したマイクロ電池は優れたエネルギー密度を提供する。以下に記載する製造方法は、実施するのが比較的容易である。さらに、開示した構成は、以下に示すように、陽極および陰極材料の多様性のある使用を可能とする。同様に、開示された構成は、電解液を含む多様な電解質材料の使用を可能とする。
本発明の原理は、多孔性分離体によって分離されたインターレース型の電極セットを使用する、例えばキャパシタのような、その他の小型のエネルギー蓄積装置を製造するためにも使用することができる。
したがって、本発明の一実施形態によれば、
電気絶縁性でかつイオン伝導性の壁によって分離された複数のマイクロコンテナを画定するために形成された基板と、さらに
マイクロコンテナの第1のサブセット中に配置された第1の複数の陽極と、マイクロコンテナの第2のサブセット中に配置された第2の複数の陰極であって、これらの陽極および陰極がインターレースパターンに配置された、第1の複数の陽極と第2の複数の陰極と、を備える電気エネルギー蓄積装置が提供される。
電気絶縁性でかつイオン伝導性の壁によって分離された複数のマイクロコンテナを画定するために形成された基板と、さらに
マイクロコンテナの第1のサブセット中に配置された第1の複数の陽極と、マイクロコンテナの第2のサブセット中に配置された第2の複数の陰極であって、これらの陽極および陰極がインターレースパターンに配置された、第1の複数の陽極と第2の複数の陰極と、を備える電気エネルギー蓄積装置が提供される。
開示された実施形態では、この壁は壁を貫通して形成された複数の細孔を有している。さらにあるいは代替的に、この壁は基板に設置された多孔性の分離膜を含んでいる。さらにあるいは代替的に、この細孔の少なくとも一部は電解質で充填されている。ある実施形態では、この電解質は、液体の電解質、ハイブリッドポリマー電解質(HPE)および混合ポリマー電解質(CPE)の少なくとも1個を含んでいる。
その他の実施形態では、この細孔は、電気化学的エッチング方法および化学的エッチング方法の少なくとも1個を使用して形成される。
さらにその他の実施形態では、基板は、シリコン、ガリウム砒素、炭化シリコン、セラミック材料、熱弾性ポリマー、熱可塑性ポリマー、表面酸化金属、ナトリウムイオン伝導体およびリチウムイオン伝導体の少なくとも1個を含んでいる。
さらにその他の実施形態では、本電気エネルギー蓄積装置はリチウムおよびリチウムイオンマイクロ電池の1個を含んでいる。
他の実施形態では、マイクロコンテナの第1および第2のサブセットは、基板の一方の表面上に形成される。代替的な実施形態では、マイクロコンテナの第1および第2のサブセットは、基板のそれぞれ反対側の面上に形成される。さらにあるいは代替的に、このサブセットは、マイクロコンテナの第1および第2のサブセットが形成される中間ウエハと、マイクロコンテナのサブセットの少なくとも一方の底面を形成するために、中間ウエハの一表面に接続された少なくとも1個のサイドウエハを含んでいる。
開示された実施形態では、壁は少なくとも部分的に酸化されている。
他の実施形態では、この装置は、複数の陽極および複数の陰極の少なくとも一方に接続された、少なくとも1個の電流コレクタを含んでいる。さらに、この少なくとも1個の電流コレクタは金属フォイルおよび金属堆積層の一方を含んでいる。
さらに他の実施形態では、陽極と陰極は、ペースト方法、真空支援挿入方法および圧膜堆積方法の少なくとも1個を使用して配置される。
さらに他の実施形態では、マイクロコンテナは、四角形、三角形、六角形および円形の少なくとも1個の形状を有している。さらに他の実施形態では、多数のマイクロコンテナが、四角形、三角形、六角形のグリッドパターンの少なくとも1個に配置される。さらに他の実施形態では、多数のマイクロコンテナは、エッチング方法およびリソグラフィー方法の少なくとも1個を使用して形成される。
開示された実施形態では、陽極は、炭素、グラファイト、リチウム合金およびリチウムの少なくとも1個を含む、リチウム挿入化合物を含んでいる。さらに他の実施形態では、陰極は、MoS2、FeS2、WS2、LiCoO2、LiNiO2およびLi1+xMn2-yO4材料の少なくとも1個を含んでいる。
さらに、本発明の一実施形態によれば、
基板と、
前記基板上に配置されたマイクロ回路と、さらに
前記基板上に配置され前記マイクロ回路に電力を供給するように接続された電気エネルギー蓄積装置と、を含み、前記蓄積装置は、
電気絶縁性とイオン伝導性を有する壁によって分離された、基板上に形成された多数の3次元マイクロコンテナと、さらに
マイクロコンテナの第1のサブセット中に配置された複数の陽極と、マイクロコンテナの第2のサブセット中に配置された複数の陰極であって、インターレースパターンに配置された前記複数の陽極および前記複数の陰極と、を含むマイクロ電子装置が提供される。
基板と、
前記基板上に配置されたマイクロ回路と、さらに
前記基板上に配置され前記マイクロ回路に電力を供給するように接続された電気エネルギー蓄積装置と、を含み、前記蓄積装置は、
電気絶縁性とイオン伝導性を有する壁によって分離された、基板上に形成された多数の3次元マイクロコンテナと、さらに
マイクロコンテナの第1のサブセット中に配置された複数の陽極と、マイクロコンテナの第2のサブセット中に配置された複数の陰極であって、インターレースパターンに配置された前記複数の陽極および前記複数の陰極と、を含むマイクロ電子装置が提供される。
本発明の実施形態によれば、
電気絶縁性でイオン伝導性の壁によってマイクロコンテナが分離されるように、基板上に多数の3次元マイクロコンテナを形成し、さらに
インターレースパターンに配置された陽極および陰極であって、第1の複数の陽極をマイクロコンテナの第1のサブセット中に配置し、第2の複数の陰極をマイクロコンテナの第2のサブセット中に配置する、各ステップを含む、電気エネルギー蓄積装置を製造する方法が提供される。
電気絶縁性でイオン伝導性の壁によってマイクロコンテナが分離されるように、基板上に多数の3次元マイクロコンテナを形成し、さらに
インターレースパターンに配置された陽極および陰極であって、第1の複数の陽極をマイクロコンテナの第1のサブセット中に配置し、第2の複数の陰極をマイクロコンテナの第2のサブセット中に配置する、各ステップを含む、電気エネルギー蓄積装置を製造する方法が提供される。
本発明は、図面を参照する以下の実施形態の記載から、さらによく理解することができる。
2重サイドマイクロ電池構造
図1は、本発明の一実施形態にかかるマイクロ電池20を概略的に示す図である。マイクロ電池20は基板22中に形成される。この基板は通常、半導体ウエハである。シリコンウエハの一般的な厚さは100−800μmであるが、以下に記載する方法はどのような厚さのウエハであっても使用することができる。一実施形態では、基板22はシリコンを含んでいる。代替的に、例えば、ガリウム砒素(GaAs)および炭化シリコン(SiC)、アルミナのようなセラミック材料、ガラス、種々の熱弾性および熱可塑性ポリマー、表面酸化金属基板およびその他の適切な材料等の、別の基板材料を用いることができる。一実施形態では、この基板は、ナトリウムイオンあるいはリチウムイオン伝導体のような固体イオン伝導体を含むことができる。(このような材料の使用は、例えば、Owenによる“Ionically Conducting Glasses”およびArmandによる“Ionically conductive Polymers”に記載されている。これらの論文は、“Solid State Batteries”Sequeira and Hopper(編集者)、Nato Science Series E,October、1985、において発表され、これらは参照によって本出願に含まれる。)ある実施形態では、マイクロ電池はリチウムあるいはリチウムイオン電池を含んでいる。
図1は、本発明の一実施形態にかかるマイクロ電池20を概略的に示す図である。マイクロ電池20は基板22中に形成される。この基板は通常、半導体ウエハである。シリコンウエハの一般的な厚さは100−800μmであるが、以下に記載する方法はどのような厚さのウエハであっても使用することができる。一実施形態では、基板22はシリコンを含んでいる。代替的に、例えば、ガリウム砒素(GaAs)および炭化シリコン(SiC)、アルミナのようなセラミック材料、ガラス、種々の熱弾性および熱可塑性ポリマー、表面酸化金属基板およびその他の適切な材料等の、別の基板材料を用いることができる。一実施形態では、この基板は、ナトリウムイオンあるいはリチウムイオン伝導体のような固体イオン伝導体を含むことができる。(このような材料の使用は、例えば、Owenによる“Ionically Conducting Glasses”およびArmandによる“Ionically conductive Polymers”に記載されている。これらの論文は、“Solid State Batteries”Sequeira and Hopper(編集者)、Nato Science Series E,October、1985、において発表され、これらは参照によって本出願に含まれる。)ある実施形態では、マイクロ電池はリチウムあるいはリチウムイオン電池を含んでいる。
マイクロ電池20の電極は、基板22中に形成されたキャビティの2個のセット中に配置される。なお、このキャビティはここでは“マイクロコンテナ”として言及される。マイクロコンテナ24の第1のセットは基板22の第1の側に形成される。マイクロコンテナ26の第2のセットは基板の反対の側に形成される。マイクロコンテナ24は、以下に記載するように、マイクロ電池の多重陽極として使用される。マイクロコンテナ26は多重陰極として使用される。(陽極および陰極マイクロコンテナは、図においてそれぞれ“A”および“C”で示される。陽極および陰極は、総称して“電極”として言及される。)
マイクロコンテナの2個のセットは通常、基板22中で周期的なインターレースパターンで形成される。(このインターレースパターンはしばしば、“互いに入り込んだ”パターンとして言及される。)図1の例では、陽極と陰極は四角形のグリッド上にインターレースパターンとして配置され、このグリッドにおいて各電極は反対の極性の4個の再隣接電極を有している(即ち、各陰極は再隣接電極として4個の陽極を有し、逆の場合も同様である)。電気化学反応のほとんどは、このような反対の極性を有する最隣接電極間で起こる。他の実施形態では、陽極および陰極は、例えば上述のHartの論文に記載した構成のように、他のパターンに配置することができる。Hartの論文は、四角形、三角形および六角形のグリッドを含む、マイクロコンテナの複数の代替的な配置を記載している。各配置は、マイクロ電池に要求される特定の能力、例えば、エネルギー容量、電力、および電極間の電流の均一性、のために最適化して示されている。通常、陰極数は陽極数と同じである必要はない。さらに、各電極は最隣接電極として何個の陽極および陰極を有していても良い。
マイクロコンテナの2個のセットは通常、基板22中で周期的なインターレースパターンで形成される。(このインターレースパターンはしばしば、“互いに入り込んだ”パターンとして言及される。)図1の例では、陽極と陰極は四角形のグリッド上にインターレースパターンとして配置され、このグリッドにおいて各電極は反対の極性の4個の再隣接電極を有している(即ち、各陰極は再隣接電極として4個の陽極を有し、逆の場合も同様である)。電気化学反応のほとんどは、このような反対の極性を有する最隣接電極間で起こる。他の実施形態では、陽極および陰極は、例えば上述のHartの論文に記載した構成のように、他のパターンに配置することができる。Hartの論文は、四角形、三角形および六角形のグリッドを含む、マイクロコンテナの複数の代替的な配置を記載している。各配置は、マイクロ電池に要求される特定の能力、例えば、エネルギー容量、電力、および電極間の電流の均一性、のために最適化して示されている。通常、陰極数は陽極数と同じである必要はない。さらに、各電極は最隣接電極として何個の陽極および陰極を有していても良い。
図1の例におけるマイクロコンテナはその形状において四角形である。代替的な実施形態では、他の適切なマイクロコンテナ形状、例えば三角形、四角形、六角形または円形のマイクロコンテナを使用することができる。マイクロコンテナの特徴的な幅あるいは直径は通常、数μmから数十μmの範囲である。典型的なマイクロ電池におけるマイクロコンテナの全体数は、マイクロコンテナの幅、壁の厚さおよび電池の電気的仕様に依存して、数百から数万まで変化する。通常、マイクロコンテナは高いアスペクト比を有している。即ち、その深さはその幅即ち直径よりも遥かに大きい。通常、マイクロコンテナは全てが同じ大きさを有している必要はない。
マイクロコンテナ24、26の2個のセットは、この分野で既知の幾つかの技術を用いて製造することができる。例えば、上述のKleimannの論文は、シリコン基板中にキャビティを形成するための電気化学的エッチング方法を記載している。上述の米国特許第6、197,450号は、基板材料中にキャビティをエッチングするための幾つかの代替的方法を記載している。“ドライエッチング”法として言及する他の例は、GmbH(Stuttgart,Germany)のRobert Boschによって開発された誘導結合プラズマ(ICP)法である。ICP法は、例えば、米国特許第6,720,273号に記載されており、この開示は参照によって本出願に含まれる。他の全ての適切な方法、例えばエッチングおよび/またはリソグラフィー法、を同様にして、マイクロコンテナ24,26の2個のセットを形成するために使用することができる。通常、マイクロコンテナ間を分離する壁は数μmの厚さまでエッチングされる。マイクロコンテナの形成プロセスは、キャビティが基板の反対側の表面まで貫通する前に停止される。このとき、通常、底部の厚さを1−100μm、好ましくは10−50μmの範囲で残しておく。ある実施形態では、マイクロコンテナを分離する基板22の壁は、以下に説明するように、多孔性とされる。マイクロコンテナの各サブセットの底部は、マイクロコンテナ間の分離壁の厚さに対する底部の厚さに依存して、全体あるいは部分的に多孔性とされても良い。
代替的な実施形態では、マイクロコンテナセットのインターレース構造は、2個以上のウエハを使用することによって製造される。例えば、このインターレース構造は、3個のウエハによって製造することができる。中間のウエハをエッチングし、あるいは何らかの処理を行ってマイクロコンテナの2個のセットを構成する。この構成において、これらのマイクロコンテナはその厚さ全体を貫通するようにされても良い。2個のサイドウエハが形成される。第1のサイドウエハはマイクロコンテナセット24に一致する穴部を含んでいる。第2のサイドウエハはマイクロコンテナセット26に一致する穴部を含んでいる。第1のサイドウエハはマイクロコンテナセット26に対して固形の底部を形成し、第2のサイドウエハはマイクロコンテナセット24に対して固形の底部を形成する。これらの3個のウエハは一体に接続されて、図1に示す3−D2重サイドマイクロコンテナ構造が形成される。
マイクロコンテナ24は適切な陽極材料で充填され、マイクロ電池20の陽極として動作する。同様に、マイクロコンテナ26は適切な陰極材料で充填され、このマイクロ電池の陰極として動作する。この技術分野で既知の幾つかの充填技術が、電極に電極材料を充填するために用いられる。例えば、ペースト法、圧力充填法、キャスト法および真空支援法等が用いられる。この技術分野で既知の全ての適切な電極材料を使用することができる。具体的な電極材料を含む、幾つかの例示的なマイクロ電池が、以下に詳細に記載される。
ある実施形態では、マイクロコンテナに電極材料を充填した後、全ての陽極を1個の陽極電流コレクタ28に電気的に接続する。同様に、全ての陰極を陰極電流コレクタ30に接続する。この2個の電流コレクタは、基板22の表面に設置された金属層を含んでいる。電流コレクタは、銅フォイルのような薄膜金属フォイル、あるいは基板22上に堆積された金属薄膜フィルムを含んでいる。電流コレクタ28および30はマイクロ電池20の電圧端子を含んでおり、マイクロ電池によって電力が供給される回路に、適当な配線を用いて接続されている。
その他の実施形態では、1個または両方の電流コレクタが省略される。通常、陽極または陰極のいずれかが充分に導電的である場合、対応する電流コレクタを省略することが可能である。電極を電流コレクタとして使用するある可能な方法では、電極充填プロセスの過程において、電極材料をマイクロコンテナから溢れさせることにより、基板表面上に導電性の層を形成する。この導電層が電極間を相互接続し電流コレクタとして機能する。
図2は、本発明の一実施形態にかかるマイクロ電池20の概略断面図である。図2に示す図は、図1に“II”で示す位置にある面における、マイクロ電池の垂直断面である。この断面図は、陽極マイクロコンテナ24を陰極マイクロコンテナ26から分離する基板22を示している。キャビティ24が陽極材料によって充填されると、陽極は電流コレクタ28と電気接続を有するものと考えられる。陽極は電流コレクタ30から基板材料によって電気的に絶縁されている。同様に、陰極は電流コレクタ30と電気接続し、基板材料によって電流コレクタ28から絶縁されている。
ある実施形態では、基板の複数の部分は、そのイオン伝導度および/または電的絶縁性を強化するためにさらに処理される。陽極および陰極間のイオン伝導度は、勿論、マイクロ電池20において電流を生成するための電気化学反応の重要な部分である。一実施形態では、マイクロコンテナ間を分離する壁32は、イオンがこれを貫通して流れることを可能とするために多孔性とされている。基板22に細孔を形成するための1例としての方法が以下に記載される。
この多孔性壁は通常ナノメートルサイズの細孔(通常、直径で数十から数百nm)を含んでいる。この壁はその後、イオン伝導性で電気絶縁性の物質によって充填される。ある実施形態では、この物質は、多孔性の構造体に浸透して、その細孔を充填する電解液を含んでいる。その他の実施形態では、この物質は、ハイブリッドポリマー電解質(HPE)あるいは混合ポリマー電解質(CPE)を含む。例示的な電解質材料、およびこれらの材料を調製する例示的な方法が、マイクロ電池を例として以下に記載される。電解質充填壁は、マイクロ電池の陽極および陰極間の多孔性分離層を含む。特に、いくつかの細孔は、壁32の厚さ全体を横断し、陽極と陰極マイクロコンテナを接続する。このような貫通孔は、マイクロ電池における電気化学反応の一部として、それを通ってイオンが流れることを可能とする。多孔性分離体はこのようにして、電極間でイオン伝導を可能とし、一方で電気的絶縁(電子のブロック)を提供する。ある実施形態では、基板22の複数の部分が、電気絶縁性を強化するために、電解質を挿入する前に酸化される。
2重サイドマイクロ電池の製造方法
図3は、本発明の一実施形態にかかるマイクロ電池20を製造するための方法を、概略的に説明するためのフローチャートである。この方法は、第1のマイクロコンテナ形成ステップ40において、基板22の一方の側にマイクロコンテナ24の第1のセットを形成することによって開始される。上述したように、ステップ40は通常、適当なエッチングおよび/またはリソグラフィープロセスを含んでいる。マイクロコンテナが基板の反対側まで貫通しないように、キャビティの深さが制御される。同様に、マイクロコンテナ形成ステップ42において、マイクロコンテナの第2のセットが基板の反対側に形成される。マイクロコンテナは、通常厚さが数μmの薄い壁によって分離される。
図3は、本発明の一実施形態にかかるマイクロ電池20を製造するための方法を、概略的に説明するためのフローチャートである。この方法は、第1のマイクロコンテナ形成ステップ40において、基板22の一方の側にマイクロコンテナ24の第1のセットを形成することによって開始される。上述したように、ステップ40は通常、適当なエッチングおよび/またはリソグラフィープロセスを含んでいる。マイクロコンテナが基板の反対側まで貫通しないように、キャビティの深さが制御される。同様に、マイクロコンテナ形成ステップ42において、マイクロコンテナの第2のセットが基板の反対側に形成される。マイクロコンテナは、通常厚さが数μmの薄い壁によって分離される。
細孔形成ステップ44において、壁32が多孔性とされる。一実施形態では、ステップ44は金属支援の化学エッチングプロセスを含む。一例では、基板22は、PdCl2の酸性溶液(通常、0.564mM)中に5秒間、浸漬される。基板はその後、H2O2:エタノール:HF(1:2:4)を含む新しく調製されたエッチング混合液中に、40−60分間浸漬される。このプロセスは通常、室温で実施される。その他の実施形態では、電気化学エッチングプロセスが使用される。電気化学エッチングプロセスは通常、基板を適切なエッチング液中に浸漬して、基板と溶液を横切って電界を印加する。この種の例示的なプロセスは、上述した米国仮特許出願60/566,205号に記載されている。あるいは、この技術分野で既知の他の適切な方法を、基板22に細孔を形成するために使用することができる。
ステップ40−44の結果は、基板22の2個の対向する表面中に形成された2個のマイクロコンテナセットのインターレース構造である。このマイクロコンテナは、薄い多孔性の壁によって分離されている。
(インターレース状のマイクロコンテナ構造が3個の接続されたウエハを使用して製造される上記代替的な実施形態では、ステップ40−44は、中間ウエハに貫通孔を形成し、中間ウエハにおいてマイクロコンテナを分離する壁に複数の細孔を形成し、2個のサイドウエハ中に交互の穴セットを形成し、さらに中間ウエハの対向する表面に2個のサイドウエハをボンディングする、各ステップを含むプロセスによって置き換えられる。)
電極充填ステップ46において、2個のマイクロコンテナセットが適切な電極材料によって充填される。分離体充填ステップ48において、多孔性壁32が電解質によって充填される。最後に、コレクタ設置ステップ50において、もし必要であれば、電流コレクタ28、30が基板22の表面に設置される。
電極充填ステップ46において、2個のマイクロコンテナセットが適切な電極材料によって充填される。分離体充填ステップ48において、多孔性壁32が電解質によって充填される。最後に、コレクタ設置ステップ50において、もし必要であれば、電流コレクタ28、30が基板22の表面に設置される。
ある実施形態では、ステップ46および48の順序を逆とし、電極マイクロコンテナを充填する以前に電解質を導入しても良い。
単サイドマイクロ電池構造
図4は、本発明の他の実施形態にかかるマイクロ電池70を概略的に示す図である。上述のマイクロ電池20は、基板22の2個の表面上に形成されているが、ある場合には、3−Dマイクロ電池を基板の一方の側に形成することが望ましい。例えば、ある場合には、マイクロ電池は、基板22の1表面上に形成されたマイクロ回路に、電力を供給するために使用される。このような場合には、マイクロ電池構造を基板の反対側の使用されていない表面上に適合させることが望ましい。その他の場合では、上述の図1および2に示す構造のように、2重サイド構造を可能とするには基板が厚すぎる。
図4は、本発明の他の実施形態にかかるマイクロ電池70を概略的に示す図である。上述のマイクロ電池20は、基板22の2個の表面上に形成されているが、ある場合には、3−Dマイクロ電池を基板の一方の側に形成することが望ましい。例えば、ある場合には、マイクロ電池は、基板22の1表面上に形成されたマイクロ回路に、電力を供給するために使用される。このような場合には、マイクロ電池構造を基板の反対側の使用されていない表面上に適合させることが望ましい。その他の場合では、上述の図1および2に示す構造のように、2重サイド構造を可能とするには基板が厚すぎる。
図4は、基板22の一方の側に形成されたマイクロコンテナのグリッドを示す。マイクロコンテナは、それぞれマイクロ電池70の陽極および陰極として使用される、2個のインターレースセット24および26に分割される。図1の記載において議論したように、マイクロコンテナセット24および26の形状、大きさおよびパターン形状は、適切な全てのものを使用することが可能である。
マイクロコンテナは、上述したように、適した製造方法を用いて形成することができる。ある実施形態では、2個のウエハを用いて単サイドマイクロコンテナ構造を製造することができる。第1のウエハはマイクロコンテナの2個のセットを含み、これらはウエハの全体の厚さを貫通することが許される。第2のウエハは第1のウエハにボンディングされ、マイクロコンテナの固形の底部として作用する。
その他の実施形態では、インターレース状の櫛型形状の蝸牛またはスパイラル構造を、マイクロ電池70の電極として用いることができる。
マイクロコンテナは、通常、厚さが数μmの壁32によって分離される。この壁は、上述の方法を含む、この分野で既知の全ての適した方法を用いて多孔質とされる。2重サイドマイクロ電池20と同様に、多孔壁は、適切な電解質によって充填することによりイオン伝導性とされる。ある実施形態では、壁32はさらに、酸化によって電気絶縁性とされる。
図5は、本発明の一実施形態にかかるマイクロ電池70の製造において使用される、マスク72の概略上面図である。マイクロコンテナセット24および26の両者が、基板の同じ側から陽極材料および陰極材料によってそれぞれ充填されるので、一方のマイクロコンテナセットを充填している間、他方のマイクロコンテナセットをマスクを用いてブロックしておくことが望ましい。マスク72の使用によって、異なる電極材料が混合されることが防止される。マスク72は、開口74とブロックされたセル76の交互のグリッドを含む。マスク72の開口およびブロックされたセルのパターンは、マイクロ電池70の陽極および陰極パターンに一致するように設計されている。
マイクロコンテナ24を陽極材料で充填する場合、マスク72は、開口74がマイクロコンテナ24に一致するように基板22の表面上に位置決めされる。ブロックされたセルはマイクロコンテナ26と一致し、これによって、陽極材料がこれらのマイクロコンテナ中に侵入することが防止される。同様に、マイクロコンテナ26を陰極材料で充填する場合、マスクは開口74がマイクロコンテナ26に一致し、ブロックされたセル76がマイクロコンテナ24を保護するように位置決めされる。マスクが位置決めされると、マイクロコンテナは、上述したように、適切な方法によって電極材料により充填される。
一実施形態では、2個の異なるマスクが使用され、各マイクロコンテナセットに対して1個のマスクが使用される。あるいは、マスクの位置を変えることによって、1個のマスクをマイクロコンテナの両セットを充填するために使用することができる。充分な精度(通常1μmのオーダー)でマスク72を位置決めすることができる、機械的並進および登録システムが、この分野で既知である。上述したように、マイクロコンテナのグリッドは異なる形状および構成をとることが可能である。マスク72は使用するマイクロコンテナグリッドに一致するように形成される。さらにあるいは代替的に、マイクロコンテナセットの一方を充填する前に、ポリマー化合物のような仮の物質によって他方のマイクロコンテナを充填する。この充填により、間違った電極材料がマイクロコンテナ内に入り込むことが防止される。仮の充填はその後除去される。
適切な電極材料によって陽極および陰極を充填した後、もし必要なら、1個または2個の電流コレクタ(図示せず)が設けられる。
単サイドマイクロ電池の製造方法
図6は、本発明の一実施形態にかかるマイクロ電池の製造方法を概略的に説明するためのフローチャートである。単サイドキャビティ形成ステップ80において、マイクロコンテナのパターンが基板22の1表面上に形成される。グリッドはマイクロコンテナ24および26の2個のセットを含む。単サイド細孔形成ステップ82において、壁32は多孔性とされる。ある実施形態では、この壁はさらに酸化することによって電気的に絶縁性とされる。
図6は、本発明の一実施形態にかかるマイクロ電池の製造方法を概略的に説明するためのフローチャートである。単サイドキャビティ形成ステップ80において、マイクロコンテナのパターンが基板22の1表面上に形成される。グリッドはマイクロコンテナ24および26の2個のセットを含む。単サイド細孔形成ステップ82において、壁32は多孔性とされる。ある実施形態では、この壁はさらに酸化することによって電気的に絶縁性とされる。
マイクロコンテナ24は、陽極充填ステップ84において、適切な陽極材料によって充填される。上述したように、基板上にマスク72を置いて陽極材料がマイクロコンテナ26中に入り込むことが防止される。選択肢として、基板22の表面を、クリーニングステップ86においてクリーニングし、残留陽極材料を除去する。マイクロコンテナ26は、陰極充填ステップ86において、適正な陰極材料により充填される。陰極材料がマイクロコンテナ24中に入り込まないように、マスク72が基板上に配置される。(ステップS84と88の順序を逆にして、陰極を最初に充填し、陽極を2番目に充填するようにしても良い。)選択肢として、平坦化ステップ90において、基板22の表面をクリーニングしさらに平坦化する。
選択肢として、電流コレクタ形成ステップ92において、1個または2個の電流コレクタを設けあるいは形成する。最後に、電解質充填ステップ94において、上述した例示的な物質であるイオン伝導性物質で、壁32を充填する。ある実施形態では、ステップ94は、ステップ84および88のいずれかまたはその両方に先行して、電極材料を挿入する以前に多孔質層を電解質で充填する。
成形あるいはエンボス加工された多孔性分離体
代替的な実施形態(図示せず)では、薄くかつ機械的に安定な多孔性分離膜が、基板22の適切な窪みに“マイクロ成形”または“マイクロエンボス加工”される。マイクロ成形およびマイクロエンボス加工は、MEMS装置の製造において使用される周知の技術である。このプロセスはマイクロコンテナエッチングプロセスと置き換えられる。この代替的なプロセスにおいて、多孔性膜は窪みを小さなキャビティに分割し、マイクロコンテナを形成する。マイクロコンテナはその後、陽極および陰極材料で充填される。電流コレクタを形成した後、もし必要ならば、多孔性膜をイオン伝導性の電解質で充填する。多孔性膜を実現しうる多孔性ポリマーおよびプラスティック材料は、この分野で既知である。このような材料は、例えば、HeckeleおよびSchomburgの“Review on Micromolding of Thermoplastic Polymers”(Journal of Micromechanics and Microengineering,volum14,2004,pagesR1−R14)に記載されており、これは、参照によって本出願に含まれる。著者は、マイクロ成形に使用されている幾つかの熱可塑性ポリマーを記載している。これらのポリマーのうちの2個を材料とする電解質、つまりポリメチルメトアクリレート(PMMA)およびポリビニリデンフルオロライド(PVDF)、がSong等によって、“Review of Geltype Polymer Electrolytes for Lithium−Ion Batteries”(Journal of Power sources,volum77,1999,pages183−197)において記載されており、これは参照によって本願に含まれる。
代替的な実施形態(図示せず)では、薄くかつ機械的に安定な多孔性分離膜が、基板22の適切な窪みに“マイクロ成形”または“マイクロエンボス加工”される。マイクロ成形およびマイクロエンボス加工は、MEMS装置の製造において使用される周知の技術である。このプロセスはマイクロコンテナエッチングプロセスと置き換えられる。この代替的なプロセスにおいて、多孔性膜は窪みを小さなキャビティに分割し、マイクロコンテナを形成する。マイクロコンテナはその後、陽極および陰極材料で充填される。電流コレクタを形成した後、もし必要ならば、多孔性膜をイオン伝導性の電解質で充填する。多孔性膜を実現しうる多孔性ポリマーおよびプラスティック材料は、この分野で既知である。このような材料は、例えば、HeckeleおよびSchomburgの“Review on Micromolding of Thermoplastic Polymers”(Journal of Micromechanics and Microengineering,volum14,2004,pagesR1−R14)に記載されており、これは、参照によって本出願に含まれる。著者は、マイクロ成形に使用されている幾つかの熱可塑性ポリマーを記載している。これらのポリマーのうちの2個を材料とする電解質、つまりポリメチルメトアクリレート(PMMA)およびポリビニリデンフルオロライド(PVDF)、がSong等によって、“Review of Geltype Polymer Electrolytes for Lithium−Ion Batteries”(Journal of Power sources,volum77,1999,pages183−197)において記載されており、これは参照によって本願に含まれる。
集積化マイクロ電池およびマイクロ回路
マイクロ電池の一つの応用は、マイクロ回路と同じ基板上に形成されたマイクロ電池を使用して、マイクロ電子回路に電力を供給することである。
マイクロ電池の一つの応用は、マイクロ回路と同じ基板上に形成されたマイクロ電池を使用して、マイクロ電子回路に電力を供給することである。
図7Aは、本発明の一実施形態にかかるマイクロ電子装置の概略図である。この装置は、基板22上に形成されたマイクロ回路100を含んでいる。このマイクロ回路は、図1および2に記載するマイクロ電池20のような、同じ基板上に製造された2重サイド3−Dマイクロ電池によって電力が供給される。
図7Bは、本発明の他の実施形態にかかるマイクロ電子装置の概略上面図である。図7Aと同様に、マイクロ回路100は基板22上に形成される。図4に記載するマイクロ電池70と同様に、マイクロ回路は、同じ基板上に形成された単サイドマイクロ電池によって電力が供給される。図7Bは、電池が、基板の同じ面上に、マイクロ回路と並んでマウントされている構成を示している。あるいは、このマイクロ電池およびマイクロ回路を基板22の反対の面上に形成し、ダイの全面積を減少させることも可能である。
マイクロ電池の事例
以下の事例は、開示された構造および方法を使用することができる、幾つかの可能な3−Dマイクロ電池の実例を示す。
以下の事例は、開示された構造および方法を使用することができる、幾つかの可能な3−Dマイクロ電池の実例を示す。
事例1
リチウムイオン陽極、ハイブリッドポリマー電解質およびMoS2陰極を含む3−Dマイクロ電池を、シリコン基板中に形成することができる。厚さが10μmの壁によって分離された50×50μmのマイクロコンテナの2重サイドインターレース構造が、500μm厚のシリコンウエハ中に、上述したLiの論文に記載されている方法を使用して形成される。2重サイド構造は、上記図1に示す構造と類似である。壁は、この構造を、H2O2:エタノール:HF(1:2:4)を含む新しく調製されたエッチング混合液中に、40−60分間浸漬することによって多孔質化される。
リチウムイオン陽極、ハイブリッドポリマー電解質およびMoS2陰極を含む3−Dマイクロ電池を、シリコン基板中に形成することができる。厚さが10μmの壁によって分離された50×50μmのマイクロコンテナの2重サイドインターレース構造が、500μm厚のシリコンウエハ中に、上述したLiの論文に記載されている方法を使用して形成される。2重サイド構造は、上記図1に示す構造と類似である。壁は、この構造を、H2O2:エタノール:HF(1:2:4)を含む新しく調製されたエッチング混合液中に、40−60分間浸漬することによって多孔質化される。
多孔質2重サイドインターレース構造は、例えば、真空充填を含む従来のキャスティングプロセスを使用して、ハイブリッドポリマー電解質(HPE)により充填される。PVDF−2801コポリマー(Kynar)をバインダーとして使用することができる。フュームドシリカを、ポリマー膜に対する充填剤として使用することができる。PVDFパウダーが、高純度のサイクロペンタトン(Aldrich)またはDMSO中に溶解される。フュームドシリカ130(Degussa)およびプロピレンカーボネート(PC、Merk)が添加される。スラリーを、シリコン基板中の陽極および陰極マイクロコンテナを接続する貫通孔を充填するために使用する。溶媒を完全に蒸発させた後、陰極マイクロコンテナは、ポリスチレンで接続されたMoS2によって充填される。陰極材料は、遠心力によって挿入される。
この事例の活性陰極材料は、リチオ化グラファイトまたはパッシベーション処理された金属リチウムを含んでいても良い。リチオ化グラファイトを製造するために、2.5mモルのナフタレンと幾らかのリチウムフォイルが、10mLの1−メトキシブチレン中に置かれる。この混合物が、ドライアルゴンの雰囲気下でほぼ24時間にわたって25℃で攪拌され、リチウム−ナフタレン−1−メトキシブチレン(Li−NM)合成物が形成される。Li−NM合成物の形成は、溶液の色が深い紫から透明に変化したことによって、確認される。合成物を形成した後、ステンレスネットによって包まれた0.2グラムのグラファイトフレークが挿入され、インターカレーションが開始される。この溶液は、約1週間にわたって攪拌されても良い。
残留固体はフィルタされ、ヘキサンによって洗浄される。溶液に蒸留水を徐々に加える。体積が既知の水相LiOHをHClによって増量する。LiOHの計算されたモル数がLi−NMの初期のモル数から差し引かれ、インターカーレートされたリチウムの実際のモル数を得る。リチオ化グラファイトはポリスチレンと混合され、例えば、上記陰極材料を挿入するために使用されるのと同じ方法を用いて、陽極マイクロコンテナ中に挿入される。
電流コレクタはこの段階で接続される。次に、多孔性膜が、液体のリチウムイミドカーボネート(EC):ジメチルカーボネート(DMC)1:1(v/v)電解質によって充填される。ポリマー膜を液体の電解質で充填する場合、ゲル状の電解質が形成される。
この電池の期待カットオフ電圧は1.3−2.4ボルトである。充放電電流密度は、10−100μA/cm2の範囲であると期待される。
事例2
リチウムイオン陽極を含む単サイド3−Dマイクロ電池、ハイブリッドポリマー電解質およびMoS2陰極が、シリコン基板中に形成される。厚さが10μmの壁によって分離された50×50μmのマイクロコンテナの単サイドインターレース構造が、400μm厚のシリコンウエハ中に、上述したKleimannの論文に記載されている方法を使用して形成される。単サイド構造は、上記図4に示される構造と類似している。上記事例1と同様に、壁は、この構造を、H2O2:エタノール:HF(1:2:4)を含む新しく調製されたエッチング混合液中に、40−60分間浸漬することによって多孔質化される。陰極および陽極マイクロコンテナの交互のセットの充填は、一方の電極材料を充填する間、反対のセットをマスクして置くことによって実行される。
リチウムイオン陽極を含む単サイド3−Dマイクロ電池、ハイブリッドポリマー電解質およびMoS2陰極が、シリコン基板中に形成される。厚さが10μmの壁によって分離された50×50μmのマイクロコンテナの単サイドインターレース構造が、400μm厚のシリコンウエハ中に、上述したKleimannの論文に記載されている方法を使用して形成される。単サイド構造は、上記図4に示される構造と類似している。上記事例1と同様に、壁は、この構造を、H2O2:エタノール:HF(1:2:4)を含む新しく調製されたエッチング混合液中に、40−60分間浸漬することによって多孔質化される。陰極および陽極マイクロコンテナの交互のセットの充填は、一方の電極材料を充填する間、反対のセットをマスクして置くことによって実行される。
事例3
リチウムイオン陽極、ハイブリッドポリマー電解質およびFeS2陰極を含む3−Dマイクロ電池をシリコン基板中に形成することができる。基板の準備および多孔性シリコンのHPEによる充填は、上記事例1と同様の方法で実施される。パイライトベースの陰極材料は、FeS2粉末をリチウムイミドP(EO)20ポリマー電解質と共にアセトニトリル中に分散させることによって、調製される。この構成材は、均一なスラリーを形成するために数時間にわたって完全に混合される。陰極マイクロコンテナは、例えば、従来のスピンコーティング法を使用して、陰極材料により充填される。陽極材料は、上記事例1で記載したように、リチオ化グラファイトを含んでいても良い。
リチウムイオン陽極、ハイブリッドポリマー電解質およびFeS2陰極を含む3−Dマイクロ電池をシリコン基板中に形成することができる。基板の準備および多孔性シリコンのHPEによる充填は、上記事例1と同様の方法で実施される。パイライトベースの陰極材料は、FeS2粉末をリチウムイミドP(EO)20ポリマー電解質と共にアセトニトリル中に分散させることによって、調製される。この構成材は、均一なスラリーを形成するために数時間にわたって完全に混合される。陰極マイクロコンテナは、例えば、従来のスピンコーティング法を使用して、陰極材料により充填される。陽極材料は、上記事例1で記載したように、リチオ化グラファイトを含んでいても良い。
このマイクロ電池のカットオフ電圧は、1.1−2.1ボルトの範囲であると期待される。充放電電流密度は約40μA/cm2であると期待される。
事例4
本事例のマイクロ電池は、事例1と類似している。しかしながら、本事例では、陰極および陽極材料が最初にマイクロコンテナ中に挿入される。その後、液体の電解質が、例えば真空を利用して、シリコン基板の多孔性壁中に挿入される。この挿入は、壁に沿った2個の表面間に広がる多孔性構造を利用することによって、基板の両面から実施可能である。マイクロ電池のカットオフ電圧は1.3−2.4ボルトの範囲であると期待される。充放電電流密度は約50μA/cm2であると期待される。
本事例のマイクロ電池は、事例1と類似している。しかしながら、本事例では、陰極および陽極材料が最初にマイクロコンテナ中に挿入される。その後、液体の電解質が、例えば真空を利用して、シリコン基板の多孔性壁中に挿入される。この挿入は、壁に沿った2個の表面間に広がる多孔性構造を利用することによって、基板の両面から実施可能である。マイクロ電池のカットオフ電圧は1.3−2.4ボルトの範囲であると期待される。充放電電流密度は約50μA/cm2であると期待される。
事例5
事例1と類似のマイクロ電池を、WS2を陰極材料として用いて製造することができる。
事例1と類似のマイクロ電池を、WS2を陰極材料として用いて製造することができる。
事例6
リチウムイオン陽極、液体あるいはHPE電解質、およびLiCoO2陰極を含むマイクロ電池を、シリコンの基板上に形成することができる。例えばメソカーボンマイクロベッド(MCMB)、天然、合成または膨張グラファイトのような、異なるタイプのグラファイトを、リチウムのインターカレーションのためのホスト材料として用いることができる。一実施形態では、マイクロ電池は、完全に放電した状態で製造することができる。マイクロコンテナの充填は、通常、上記事例1で記載した方法に従う。カットオフ電圧は3.0−4.2ボルトの範囲であると期待され、充放電電流密度は約0.1−10μA/cm2であると期待される。
リチウムイオン陽極、液体あるいはHPE電解質、およびLiCoO2陰極を含むマイクロ電池を、シリコンの基板上に形成することができる。例えばメソカーボンマイクロベッド(MCMB)、天然、合成または膨張グラファイトのような、異なるタイプのグラファイトを、リチウムのインターカレーションのためのホスト材料として用いることができる。一実施形態では、マイクロ電池は、完全に放電した状態で製造することができる。マイクロコンテナの充填は、通常、上記事例1で記載した方法に従う。カットオフ電圧は3.0−4.2ボルトの範囲であると期待され、充放電電流密度は約0.1−10μA/cm2であると期待される。
事例7
事例5に類似のマイクロ電池を、Li1+xMn2-yO4を含む陰極材料によって形成することができる。
事例5に類似のマイクロ電池を、Li1+xMn2-yO4を含む陰極材料によって形成することができる。
カットオフ電圧は3.5−5.3ボルトの範囲であると期待され、充放電電流密度は約0.1−10μA/cm2であると期待される。
事例8
リチウムイオン陽極、混合ポリマー電解質(CPE)およびMoS2陰極を含む3−Dマイクロ電池を、シリコン基板上に形成することができる。陰極材料は上記事例1と類似の方法で調製される。リチウムイミド1P(EO)20EC19%(v/v)Al2O3の組成を有する、厚さが10−20μmのフィルム状の混合ポリマー電解質(CPE)を、リチウムイミド45mg、P(EO)300mg、EC30mgおよびAl2O3100mgから調製する。平均の分子量が5×106であるポリエチレンP(EO)(Aldrich)を約24時間にわたって、45−50℃で真空乾燥する。ポリマースラリーは既知量のP(EO)、リチウムイミドおよびエチレンカーボネート(EC)を分析グレードのアセトニトリル中に、例えばAl2O3(Buehler)のような、約150Åの平均径を有する所要量の無機充填剤と共に、分散することによって調製される。均一な懸濁液を確実に形成するために、高速のホモゲナイザーを使用することができる。懸濁液を約24時間にわたって攪拌しても良い。次に、CPEフィルムを3−D基板上に流し込む。貫通孔をポリマー電解質で充填するために、真空およびスピンコーティング法を使用することができる。
リチウムイオン陽極、混合ポリマー電解質(CPE)およびMoS2陰極を含む3−Dマイクロ電池を、シリコン基板上に形成することができる。陰極材料は上記事例1と類似の方法で調製される。リチウムイミド1P(EO)20EC19%(v/v)Al2O3の組成を有する、厚さが10−20μmのフィルム状の混合ポリマー電解質(CPE)を、リチウムイミド45mg、P(EO)300mg、EC30mgおよびAl2O3100mgから調製する。平均の分子量が5×106であるポリエチレンP(EO)(Aldrich)を約24時間にわたって、45−50℃で真空乾燥する。ポリマースラリーは既知量のP(EO)、リチウムイミドおよびエチレンカーボネート(EC)を分析グレードのアセトニトリル中に、例えばAl2O3(Buehler)のような、約150Åの平均径を有する所要量の無機充填剤と共に、分散することによって調製される。均一な懸濁液を確実に形成するために、高速のホモゲナイザーを使用することができる。懸濁液を約24時間にわたって攪拌しても良い。次に、CPEフィルムを3−D基板上に流し込む。貫通孔をポリマー電解質で充填するために、真空およびスピンコーティング法を使用することができる。
この蓄電池の電流密度は50μA/cm2程度である。放電時のカットオフ電圧は1.1ボルト程度であると期待される。充電時のカットオフ電圧は2.2ボルト程度であると期待される。
事例9
リチウム陽極、液体または混合HPEおよびMoS2陰極を含む3−Dマイクロ電池を製造することができる。陽極マイクロコンテナは、約185℃で溶解されたリチウムによって充填される。陰極およびHPEは、上記事例1と同様の方法で調製することができる。マイクロ電池の感応効率(ファラディ効率)は100%に達するものと期待される。
リチウム陽極、液体または混合HPEおよびMoS2陰極を含む3−Dマイクロ電池を製造することができる。陽極マイクロコンテナは、約185℃で溶解されたリチウムによって充填される。陰極およびHPEは、上記事例1と同様の方法で調製することができる。マイクロ電池の感応効率(ファラディ効率)は100%に達するものと期待される。
本明細書に記載した方法および装置は主に3−Dマイクロ電池の製造に関するものであるが、本発明の原理は、例えばキャパシタのようなエネルギー蓄積装置を、マイクロコンテナのインターレースセットおよび多孔質分離体を使用して製造するためにも使用することができる。
したがって、当然のことであるが、上述した実施形態は一例として挙げたものであり、本発明は特に上記で示しかつ記載したものに限定されない。むしろ、本発明の範囲は、上述した種々の特徴の組合せおよび副次的な組合せの両者と共に、上記の記載を読むことによって当業者が思いつきかつ従来技術において開示されていない、変更および修正含む。
Claims (62)
- 電気絶縁性でかつイオン伝導性の壁によって分離された複数のマイクロコンテナを画定するように形成された基板と、および
前記マイクロコンテナの第1のサブセットに配置された第1の複数の陽極と、前記マイクロコンテナの第2のサブセットに配置された第2の複数の陰極であって、前記陽極および陰極はインターレースパターンに配置されている、第1の複数の陽極と第2の複数の陰極と、を含む、電気エネルギー蓄積装置。 - 請求項1に記載の装置において、前記壁はこれを貫通して形成された複数の細孔を有する、電気エネルギー蓄積装置。
- 請求項2に記載の装置において、前記壁は、マイクロ成形およびマイクロエンボス加工の少なくとも1個を用いて前記基板に設けられた多孔性分離膜を含む、電気エネルギー蓄積装置。
- 請求項2に記載の装置において、前記細孔の少なくとも一部は電解質で充填されている、電気エネルギー蓄積装置。
- 請求項4に記載の装置において、前記電解質は、液体の電解質、ハイブリッドポリマー電解質(HPE)および混合ポリマー電解質(CPE)の少なくとも1個である、電気エネルギー蓄積装置。
- 請求項2に記載の装置において、前記細孔は、電気化学的エッチング方法および化学的エッチング方法の少なくとも一方を用いて形成されている、電気エネルギー蓄積装置。
- 請求項1乃至6の何れか1項に記載の装置において、前記基板は、シリコン、ガリウム砒素、炭化シリコン、セラミック材料、熱弾性ポリマー、熱可塑性ポリマー、表面酸化金属、ナトリウムイオン伝導体およびリチウムイオン伝導体の少なくとも1個を含む、電気エネルギー蓄積装置。
- 請求項1乃至6の何れか1項に記載の装置において、前記電気エネルギー蓄積装置は、リチウムおよびリチウムイオンマイクロ電池の1個を含む、電気エネルギー蓄積装置。
- 請求項1乃至6の何れか1項に記載の装置において、前記マイクロコンテナの第1および第2のサブセットは、前記基板の1個の表面上に形成される、電気エネルギー蓄積装置。
- 請求項1乃至6の何れか1項に記載の装置において、前記マイクロコンテナの第1および第2のサブセットは、前記基板のそれぞれ反対の表面上に形成される、電気エネルギー蓄積装置。
- 請求項1乃至6の何れか1項に記載の装置において、前記基板は、前記マイクロコンテナの第1および第2のサブセットが形成される中間ウエハと、さらに、前記マイクロコンテナの少なくとも一方のサブセットの底面を形成するために、前記中間ウエハの1表面に結合された少なくとも1個のサイドウエハとを含む、電気エネルギー蓄積装置。
- 請求項1乃至6の何れか1項に記載の装置において、前記壁は少なくとも部分的に酸化されている、電気エネルギー蓄積装置。
- 請求項1乃至6の何れか1項に記載の装置において、前記複数の陽極および複数の陰極の少なくとも一方に接続された少なくとも1個の電流コレクタを含む、電気エネルギー蓄積装置。
- 請求項13に記載の装置において、前記少なくとも1個の電流コレクタは、金属フォイルおよび金属堆積層の一方を含む、電気エネルギー蓄積装置。
- 請求項1乃至6の何れか1項に記載の装置において、前記陽極および陰極は、ペースト法、真空支援挿入法および厚膜堆積法の少なくとも1個を使用して配置されている、電気エネルギー蓄積装置。
- 請求項1乃至6の何れか1項に記載の装置において、前記マイクロコンテナは、四角形、三角形、六角形および円形の少なくとも1個の形状を有する、電気エネルギー蓄積装置。
- 請求項1乃至6の何れか1項に記載の装置において、前記マイクロコンテナは1よりも大きい深さ対直径比を有する、電気エネルギー蓄積装置。
- 請求項1乃至6の何れか1項に記載の装置において、多数の前記マイクロコンテナが、四角形、三角形および六角形のグリッドパターンに配列されている、電気エネルギー蓄積装置。
- 請求項1乃至6の何れか1項に記載の装置において、多数の前記マイクロコンテナは、エッチング方法を用いて形成されている、電気エネルギー蓄積装置。
- 請求項1乃至6の何れか1項に記載の装置において、前記陽極は、カーボン、グラファイト、リチウム合金およびリチウムの少なくとも1個を含むリチウム挿入化合物を含む、電気エネルギー蓄積装置。
- 請求項1乃至6の何れか1項に記載の装置において、前記陰極は、MoS2、FeS2、WS2、LiCoO2、LiNiO2およびLi1+xMn2−yO4材料の少なくとも1個を含む、電気エネルギー蓄積装置。
- 基板と、
前記基板上に配置されたマイクロ回路と、さらに
前記基板中に配置されかつ前記マイクロ回路に電力を供給するように接続された電気エネルギー蓄積装置と、を含み、前記蓄積装置は、
前記基板中に形成された多数の3次元マイクロコンテナであって、電気絶縁性でイオン伝導性の壁によって分離されたマイクロコンテナと、さらに
前記マイクロコンテナの第1のサブセット中に配置された複数の陽極と、前記マイクロコンテナの第2のサブセット中に配置された複数の陰極とであって、前記陽極および陰極はインターレースパターンに配置されている陽極および陰極と、を含む、マイクロ電子装置。 - 請求項22に記載の装置において、前記壁はこれを貫通する細孔を有する、マイクロ電子装置。
- 請求項23に記載の装置において、前記壁は、マイクロ成形およびマイクロエンボス加工の少なくとも一方を使用して前記基板に設けられた多孔性分離膜を含む、マイクロ電子装置。
- 請求項23に記載の装置において、前記細孔の少なくとも一部分は電解質で充填されている、マイクロ電子装置。
- 請求項25に記載の装置において、前記電解質は、液体電解質、ハイブリッドポリマー電解質(HPE)および混合ポリマー電解質(CPE)の少なくとも1個である、マイクロ電子装置。
- 請求項23に記載の装置において、前記細孔は、電気化学的エッチング方法および化学的エッチング方法の少なくとも一方を使用して形成されている、マイクロ電子装置。
- 請求項22乃至27の何れか1項に記載の装置において、前記基板は、シリコン、ガリウム砒素、炭化シリコン、セラミック材料、熱弾性ポリマー、熱可塑性ポリマー、表面酸化金属、ナトリウムイオン伝導体およびリチウムイオン伝導体の少なくとも1個を含む、マイクロ電子装置。
- 請求項22乃至27の何れか1項に記載の装置において、前記電気エネルギー蓄積装置は、リチウムおよびリチウムイオンマイクロ電池の1個を含む、マイクロ電子装置。
- 請求項22乃至27の何れか1項に記載の装置において、前記マイクロコンテナの第1および第2のサブセットは、前記基板の1個の表面上に形成される、マイクロ電子装置。
- 請求項22乃至27の何れか1項に記載の装置において、前記マイクロコンテナの第1および第2のサブセットは、前記基板のそれぞれ反対の表面上に形成される、マイクロ電子装置。
- 請求項22乃至27の何れか1項に記載の装置において、前記基板は、前記マイクロコンテナの第1および第2のサブセットが形成される中間ウエハと、さらに、前記マイクロコンテナの少なくとも一方のサブセットの底面を形成するために、前記中間ウエハの1表面に結合された少なくとも1個のサイドウエハとを含む、マイクロ電子装置。
- 請求項22乃至27の何れか1項に記載の装置において、前記壁は少なくとも部分的に酸化されている、マイクロ電子装置。
- 請求項22乃至27の何れか1項に記載の装置において、前記複数の陽極および複数の陰極の少なくとも一方に接続された少なくとも1個の電流コレクタを含む、マイクロ電子装置。
- 請求項34に記載の装置において、前記少なくとも1個の電流コレクタは、金属フォイルおよび金属堆積層の一方を含む、マイクロ電子装置。
- 請求項22乃至27の何れか1項に記載の装置において、前記陽極および陰極は、ペースト法、真空支援挿入法および厚膜堆積法の少なくとも1個を使用して配置されている、マイクロ電子装置。
- 請求項22乃至27の何れか1項に記載の装置において、前記マイクロコンテナは、四角形、三角形、六角形および円形の少なくとも1個の形状を有する、マイクロ電子装置。
- 請求項22乃至27の何れか1項に記載の装置において、前記マイクロコンテナは1よりも大きい深さ対直径比を有する、マイクロ電子装置。
- 請求項22乃至27の何れか1項に記載の装置において、多数の前記マイクロコンテナが、四角形、三角形および六角形のグリッドパターンに配列されている、マイクロ電子装置。
- 請求項22乃至27の何れか1項に記載の装置において、多数の前記マイクロコンテナは、エッチング方法を用いて形成されている、マイクロ電子装置。
- 請求項22乃至27の何れか1項に記載の装置において、前記陽極は、カーボン、グラファイト、リチウム合金およびリチウムの少なくとも1個を含むリチウム挿入化合物を含む、マイクロ電子装置。
- 請求項22乃至27の何れか1項に記載の装置において、前記陰極は、MoS2、FeS2、WS2、LiCoO2、LiNiO2およびLi1+xMn2−yO4材料の少なくとも1個を含む、マイクロ電子装置。
- 電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法において、
マイクロコンテナが電気絶縁性でかつイオン伝導性の壁によって分離されるようにして、多数の3次元マイクロコンテナを基板上に形成し、
前記マイクロコンテナの第1のサブセットに第1の複数の陽極を配置し、前記マイクロコンテナの第2のサブセットに第2の複数の陰極を配置し、前記陽極および陰極をインターレースパターンに配置する、各ステップを含む方法。 - 請求項43に記載の方法において、前記多数のマイクロコンテナを形成するステップは、前記分離のための壁を貫通して細孔を形成することを含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
- 請求項44に記載の方法において、前記多数のマイクロコンテナを形成するステップは、前記基板中に多孔性分離膜をマイクロ成形することおよびマイクロエンボス加工することの少なくとも一方を含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
- 請求項44に記載の方法において、前記多数のマイクロコンテナを形成するステップは、前記細孔の少なくとも一部分を電解質によって充填することを含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
- 請求項46に記載の方法において、前記電解質は、液体の電解質、ハイブリッドポリマー電解質(HPE)および混合ポリマー電解質(CPE)の少なくとも1個である、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
- 請求項44に記載の方法において、前記細孔を形成するステップは、電気化学的エッチング方法および化学的エッチング方法の少なくとも一方を用いて前記細孔をエッチングすることを含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
- 請求項43乃至48の何れか1項に記載の方法において、前記基板は、シリコン、ガリウム砒素、炭化シリコン、セラミック材料、熱弾性ポリマー、熱可塑性ポリマー、表面酸化金属、ナトリウムイオン伝導体およびリチウムイオン伝導体の少なくとも1個を含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
- 請求項43乃至48の何れか1項に記載の方法において、前記電気エネルギー蓄積装置は、リチウムおよびリチウムイオンマイクロ電池の1個を含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
- 請求項43乃至48の何れか1項に記載の方法において、前記多数のマイクロコンテナを形成するステップは、基板の1個の表面上にマイクロコンテナの第1および第2のサブセットを形成することを含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
- 請求項43乃至48の何れか1項に記載の方法において、前記多数のマイクロコンテナを形成するステップは、基板のそれぞれの反対の表面上にマイクロコンテナの第1および第2のサブセットを形成することを含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
- 請求項43乃至48の何れか1項に記載の方法において、前記多数のマイクロコンテナを形成するステップは、前記マイクロコンテナを中間のウエハ中に形成し、少なくとも1個のサイドウエハを前記中間ウエハの1表面に結合して前記マイクロコンテナの少なくとも1個のサブセットの底面を形成することを含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
- 請求項43乃至48の何れか1項に記載の方法において、前記多数のマイクロコンテナを形成するステップは前記壁を少なくとも部分的に酸化することを含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
- 請求項43乃至48の何れか1項に記載の方法において、さらに複数の陽極および複数の陰極の少なくとも一方に少なくとも1個の電流コレクタを接続するステップを含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
- 請求項55に記載の方法において、前記少なくとも1個の電流コレクタを接続するステップは、金属フォイルを設置することおよび金属層を堆積することの少なくとも一方を含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
- 請求項43乃至48の何れか1項に記載の方法において、前記陽極および陰極を配置するステップは、ペースト法、真空支援挿入法、薄膜堆積法および厚膜堆積法の少なくとも1個を適用することを含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
- 請求項43乃至48の何れか1項に記載の方法において、前記多数のマイクロコンテナを形成するステップは、四角形、三角形、六角形および円形の少なくとも1個の形状を有するマイクロコンテナを形成することを含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
- 請求項43乃至48の何れか1項に記載の方法において、前記多数のマイクロコンテナを形成するステップは、深さ対直径比が1より大きいマイクロコンテナを形成することを含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
- 請求項43乃至48の何れか1項に記載の方法において、前記多数のマイクロコンテナを形成するステップは、前記マイクロコンテナを、四角形、三角形および六角形のグリッドパターンの少なくとも1個に配列することを含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
- 請求項43乃至48の何れか1項に記載の方法において、前記多数のマイクロコンテナを形成するステップは、エッチング方法を適用することを含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
- 請求項43乃至48の何れか1項に記載の方法において、前記陽極および陰極を配置するステップは、第1および第2の複数のマイクロコンテナの一方を電解質材料で充填している間、第1および第2の複数のマイクロコンテナの他方をブロックすることを含む、電気エネルギー蓄積装置を構成するための方法。
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