JP2012508446A - 統合された構造物内における多重電気化学電池およびエネルギー収集素子の製造および構造化方法 - Google Patents

統合された構造物内における多重電気化学電池およびエネルギー収集素子の製造および構造化方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、統合された構造物を有する多成分エネルギー装置のデザイン、製造および構造化方法に関し、各個別構成要素は、電気化学電池、光電池、燃料電池、キャパシター、ウルトラキャパシター、熱電気素子、圧電素子、マイクロ電気機械タービンおよびエネルギー回収装置からなるリストから選択される。前記構成要素は、１個の構造物からなって、単一構成要素が個別的に達成することができない、言い換えれば、各々の構成要素が互いに補完しなければならないエネルギー密度、電力密度、電圧範囲、電流範囲、および製品の寿命を達成することができる。個別構成要素はハイブリッド構造を形成し、各素子は電気的、化学的、熱的に互いに伝導状態にある。電気化学電池は様々な化学的性質を示し、個別電池に比べてより広い電圧および電流の範囲を提供し、エネルギー回収素子はエネルギーを集め、そのエネルギーを統合された構造物内の他の構成要素に補充させるために活用される。
【選択図】１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２００８年１１月７日に出願された発明の名称が「統合された構造物内における多重電気化学物質およびエネルギー収集素子の製造および構造化方法」という米国仮出願番号第６１／１１２，７０７号に対する優先権を主張し、その内容が参照によって本出願に取り込まれる。
発明の要約
本発明によれば、エネルギー装置に関する技術が提供される。より詳細には、本発明の実施例は、統合された構造物を有する多成分エネルギー装置のデザイン、製造および構造化方法に関する。各個別構成要素は、電気化学電池、光電池、燃料電池、キャパシター、ウルトラキャパシター、熱電気素子、圧電素子、マイクロ電気機械タービン、またはエネルギー回収装置を含む。ここに記載された方法およびシステムは様々なエネルギーシステムに適用することができる。
本発明の実施例によれば、合体された電池および装置構造物を製造する方法が提供される。この方法は、互いに合体した２個以上の電気化学電池を提供することを含む。２個以上の電気化学電池は、関連した２個以上の電気化学物質を含む。また、本方法は、１個以上の装置が２個以上の電気化学電池と一体に形成され合体した電池および装置構造物を形成することを含む。
様々な利益が、従来技術を克服して本発明によって達成される。例えば、ここに記載された電気化学電池は様々な化学的性質を有しており、これにより、個別的な電池に比べてより広い電圧および電流の範囲を提供する。また、エネルギー回収素子は、エネルギーを集め、そのエネルギーを統合された構造物内の他の部品に補充するために使われる。本実施例によれば、１つ以上のこのような利益が達成されるはずである。これらおよび他の利益は本明細書により詳細に記載され、以下にてより具体的に記述する。
本発明の上述したものおよびその他の目的および特徴とそれを達成する方法は当業者には明らかなものであり、本発明は添付図面と共に以下の詳細な記載を参照すればよりよく分かるはずである。
図１は、合体したシリコン（Ｓｉ）太陽電池および薄膜電池を含む、統合された構造物の概略断面図である。 図２は、他の化学物質を有する２つの合体した薄膜電池を含む、統合された構造物の概略断面図である。 図３は、合体した水素／酸素燃料電池と薄膜電池を含む、統合された構造物の概略断面図である。 図４は、合体したウルトラキャパシターと薄膜電池を含む、統合された構造物の概略断面図である。
具体的な実施例の詳細な記載
実施例１
シリコン（Ｓｉ）太陽電池と薄膜電池を含む、統合された構造物とその製造方法
物理的気相蒸着（ＰＶＤ）法を利用して電池部品を形成することにより、図１に示すようなシリコン（Ｓｉ）太陽電池の後面に積層された電池が備えられる。Ｐ型シリコンを活用する太陽電池は従来のシリコンウェハー（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ方法）を用いて構成される。リン（Ｐ）をウェハー内に拡散させてｐ−ｎ接合を形成した後、物理的気相蒸着法を利用してシリコンウェハーのｐ＋ドーピング領域（下部側）上にアルミニウム後面接点が形成される（図１の金属後面接点）。アルミニウム層は１−２μｍ厚さで成長される。
後面金属接点が形成された後、厚さが３−５μｍであり、電気的に絶縁され、熱的伝導性を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の分離層がＰＶＤ法を利用してアルミニウム層上に製造される。この層は、２つの素子から熱を除去し、その熱をヒートシンクに伝達する機能を有する。
冷却素子が完成された後、アルミニウム電流コレクタ層（厚さ１−３μｍ）、リチウムマンガン酸化物（ＬｉＭｎ２Ｏ４）カソード層（厚さ３−５μｍ）、リン酸リチウムオキシナイトライド（ＬｉＰＯＮ）セラミック電解質層（厚さ１−３μｍ）、リチウム（Ｌｉ）金属アノード層（厚さ３−５μｍ）、および銅（Ｃｕ）電流コレクタ層（厚さ１−３μｍ）のような電池部品が物理的気相蒸着法によって等角的に順次積層される。
実施例２
相異なる化学物質を有する２つの薄膜電池を含む、統合された構造物とその製造方法
図２に示すように物理的気相蒸着法を利用し、相異なる電気化物質を有する２つの積層された電池が製造される。
カソード電流コレクタとして用いられるアルミニウム（Ａｌ）金属膜上に、リチウム鉄リン酸塩（ＬｉＦｅＰＯ４）カソード層（厚さ３−５μｍ）、リン酸リチウムオキシナイトライド（ＬｉＰＯＮ）セラミック電解質層（厚さ１−３μｍ）、リチウム（Ｌｉ）金属アノード層（厚さ３−５μｍ）、および銅（Ｃｕ）電流コレクタ層（厚さ１−３μｍ）のような第１電池構成要素がＰＶＤ法によって各々蒸着される。
銅金属電流コレクタが形成された後、厚さが３−５μｍであり、電気的に絶縁され、熱的伝導性を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）分離層がＰＶＤ法を利用して銅層上に製造される。この層は、２つの素子から熱を除去し、その熱をヒートシンクに伝達する機能を有する。
冷却素子が完成された後、アルミニウム電流コレクタ層（厚さ１−３μｍ）、リチウムマンガン酸化物（ＬｉＭｎ２Ｏ４）カソード層（厚さ３−５μｍ）、リン酸リチウムオキシナイトライド（ＬｉＰＯＮ）セラミック電解質層（厚さ１−３μｍ）、リチウム（Ｌｉ）金属アノード層（厚さ３−５μｍ）、および銅（Ｃｕ）電流コレクタ層（厚さ１−３μｍ）のような２次電池部品がＰＶＤ法によって等角的に順次蒸着される。
実施例３
燃料電池および薄膜電池を含む、統合された構造物とその製造方法
物理的気相蒸着法（ＰＶＤ法）を利用して電池部品を形成することにより、図３に示すようなプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池の後面に積層された電池を準備する。Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）のようなペルフルオロスルホン酸塩アイオノマー電解液を採用する、高いプロトン伝導率を有するプロトン交換膜を活用するＰＥＭ燃料電池が、電極用膜および湿式スラリーを製造する従来のゾル−ゲル方法を利用して構成される。
燃料電池を組み立てた後、厚さが３−５μｍであり、電気的に絶縁され、熱的伝導性を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）分離層がＰＶＤ法を利用して燃料電池電流コレクタ上に製造される。この層は、２つの素子から熱を除去し、その熱をヒートシンクに伝達する機能を有する。
冷却素子が完成された後、アルミニウム電流コレクタ層（厚さ１−３μｍ）、リチウムマンガン酸化物（ＬｉＭｎ２Ｏ４）カソード層（厚さ３−５μｍ）、リン酸リチウムオキシナイトライド（ＬｉＰＯＮ）セラミック電解質層（厚さ１−３μｍ）、リチウム（Ｌｉ）金属アノード層（厚さ３−５μｍ）、および銅（Ｃｕ）電流コレクタ層（厚さ１−３μｍ）のような電池部品が物理的気相蒸着法によって等角的に順次積層される。
実施例４
ウルトラキャパシターと薄膜電池を含む、統合された構造物とその製造方法
ＰＶＤ法を利用して電池部品を形成することにより、図３に示すような、ウルトラキャパシターと知られた電気化学的二重層キャパシター（ＥＤＬＣ）の後面に積層された電池を準備する。このようなハイブリッドシステムにおいて、ＥＤＬＣはシステム内において高パワー容量を可能にし、電池は高いエネルギー密度を提供する。
ＥＤＬＣは、高表面積炭素（活性炭）、電気活性高分子、遷移金属酸化物および窒化物を含む活性物質を組み合わせたエネルギー貯蔵装置の一種である。分離材料としては、改良された誘電体、従来および改良された高分子電解質、イオン伝導物質を含む。電極の配列は対称であってもよく、反対称であってもよい。図４において、素子電極に対しては反対称の電極配列が利用されている。キャパシターの電極は、キャパシタンスが最大７００Ｆ／ｇであるゾル−ゲル方法によって製造された金属酸化物（例えば、ルテニウムオキシド水和物、ＲｕＯ２・０．５Ｈ２Ｏ）のような高いキャパシタンスを有する酸化還元活性物質である活性炭のような高表面積物質によって形成される。反対称電極と相異なるアノードおよびカソード物質を用いることは、使用電圧をさらに高くし、このような素子のエネルギー貯蔵能力を改善させる。
ウルトラキャパシターを組み立てた後、厚さが３−５μｍであり、電気的に絶縁され、熱的伝導性を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）分離層がＰＶＤ法を利用して誘電材料層上に製造される。この層は、２つの素子から熱を除去し、その熱をヒートシンクに伝達する機能を有する。
冷却素子が完成された後、アルミニウム電流コレクタ層（厚さ１−３μｍ）、リチウムマンガン酸化物（ＬｉＭｎ２Ｏ４）カソード層（厚さ３−５μｍ）、リン酸リチウムオキシナイトライド（ＬｉＰＯＮ）セラミック電解質層（厚さ１−３μｍ）、リチウム（Ｌｉ）金属アノード層（厚さ３−５μｍ）、および銅（Ｃｕ）電流コレクタ層（厚さ１−３μｍ）のような電池部品がＰＶＤ法によって等角的に順次積層される。
ここに記載された実施例および実施形態は例示のみを目的とするものであり、それらを踏まえたさまざまな応用または変形が当業者に提案され、それらが本出願の精神および範囲の範疇に含まれ、添付の請求項の範囲内であることは明白である。

Claims (23)

  1. 一体化した電池および装置構造物を製造する方法において、
    互いに一体化した２個以上の電気化学電池を準備するステップとして、前記２個以上の電気化学電池は、関連した２つ以上の電気化学物質を有するステップと；
    前記２個以上の電気化学電池と一体化した１個以上の装置を形成して、一体化した電池および装置構造物を形成するステップとを備えることを特徴とする方法。
  2. 前記１個以上の化学電池と１個以上の装置は、蒸発、物理的気相蒸着（ＰＶＤ）、化学的気相蒸着（ＣＶＤ）、低圧化学的気相蒸着（ＬＰＣＶＤ）、電気化学的気相蒸着（ＥＶＤ）、電気メッキ原子層蒸着（ＡＬＤ）、直接レーザ記録（ＤＬＷ）、スパッタリング、無線周波数マグネトロンスパッタリング（ＲＦ ｍａｇｎｅｔｒｏｎ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）、マイクロ波プラズマ向上化学的気相蒸着（ＭＰＥＣＶＤ）、パルスレーザ蒸着（ＰＬＤ）、ナノインプリント、イオン注入、レーザ切削、噴霧蒸着、噴霧熱分解、噴霧コーティング、プラズマ噴霧、ゾル／ゲル浸漬スピニングおよび焼結法から選択された１つまたは複数の蒸着技術を利用し、統合された構造物として一体化することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 前記２個以上の電気化学電池は直列および／または並列に積層し構成されることを特徴とする、請求項１に記載の方法
  4. 前記２個以上の電気化学電池の間に設けられた熱伝達のための分離領域をさらに備えることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
  5. 前記熱伝達のための分離領域は、少なくとも、ダイヤモンド（Ｃ）、多結晶ダイヤモンド（ｐｏｌｙ−Ｃ）、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、または炭化珪素で形成されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
  6. 前記２個以上の電気化学的物質は、少なくとも、リチウム（Ｌｉ）、リチウムイオン、リチウム金属ポリマー（ＬｉＭ−ｐｏｌｙｍｅｒ）、リチウムエアー（Ｌｉ−ａｉｒ）、鉛（Ｐｂ）酸、ニッケル金属水和物（Ｎｉ／ＭＨ）、ニッケル亜鉛（Ｎｉ／Ｚｎ）、亜鉛エアー（Ｚｎ−ａｉｒ）、融解塩（Ｎａ／ＮｉＣｌ２）、ゼブラ（ＮａＡｌＣｌ４）、ニッケルカドミウム（Ｎｉ／Ｃｄ）、銀亜鉛（Ａｇ／Ｚｎ）から選択されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  7. 前記装置は、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）検知素子を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  8. 前記装置は１個以上の燃料電池を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  9. 前記装置は１個以上の光電池を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  10. 前記装置は１個以上のキャパシターを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  11. 前記装置は１個以上のウルトラキャパシターを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  12. 前記装置は１個以上の圧電素子を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  13. 前記装置は１個以上の熱電気素子を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  14. 前記装置は１個以上のマイクロ電気機械タービンを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  15. 前記装置は、電気化学電池、燃料電池、光電池、キャパシター、ウルトラキャパシター、圧電素子、熱電気素子、マイクロ電気機械タービン、およびエネルギー回収装置からなる群から選択されたユニットのハイブリッド組み合わせを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  16. 前記１個以上の装置と論理的に接触し通信するデータバスと中央演算処理処置（ＣＰＵ）とからなる監視装置を備えており、前記ＣＰＵは１個以上の個別素子を制御することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  17. 前記監視装置は温度Ｔを検出するように構成されることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記監視装置は１個以上の部品間の応力を検出するように構成されることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
  19. 前記監視装置は、少なくとも前記１個以上の電気化学電池または１個以上の装置の動作の結果によるガスやガス反応を検出するように構成されることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
  20. 前記監視装置は、リチウム成分およびアノードとカソード分離層を通じた遷移過程を検出するように構成されることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
  21. 前記１個以上の電気化学電池または前記１個以上の装置の安全な作動を維持するための１個以上の監視装置をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  22. 温度が設定された閾値より高くなる場合に活性化する液体冷却剤または液化ガスからなる冷却システムをさらに備えており、前記冷却システムは、１個以上の導電経路を利用して熱エネルギーを除去するようになったヒートシンクと熱的に接触することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  23. 前記１個以上の電気化学電池は、再充電可能性および寿命と共に、デバイス構造、スケジュール、エネルギーおよび電力密度を最適化するように適用されたハイブリッド原理を使用して構成されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
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