JP2015536532A - ガラス基板またはセラミック基板を備えている薄膜電池 - Google Patents

ガラス基板またはセラミック基板を備えている薄膜電池 Download PDF

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Abstract

薄膜電池は、約７ｐｐｍ／?Ｋから約１０ｐｐｍ／?Ｋの熱膨張係数（「ＣＴＥ」）のガラス基板またはセラミック基板と、上記ガラス基板またはセラミック基板の直上に配置され、約３マイクロメートル未満の厚さの連続した金属カソード電流コレクタまたは連続した金属酸化物カソード電流コレクタと、約１０マイクロメートルから約８０マイクロメートルの厚さの連続フィルムであるリチウム遷移金属酸化物を含み、上記カソード電流コレクタの直上に配置されるカソード材料層と、上記カソード材料層の直上に配置された、約０．５マイクロメートルから約４マイクロメートルの厚さのＬｉＰＯＮ電解質層と、任意にアノード材料を有するアノード電流コレクタと、を備える。上記電池の作製方法および使用方法が記載されている。

Description

発明の詳細な説明
〔優先権の記述〕
本願は、２０１２年１０月１５日出願の米国仮出願第６１／７１４，００４号（発明の名称：ガラス基板を備えている薄膜電池）の利益を主張する。当該仮出願は、参照により、その全体が本明細書に援用される。
〔技術分野〕
本発明は、薄膜固体エネルギー蓄積装置の分野に関連する。より詳細には、本発明は、薄膜固体電池の応用形態に関連する。
〔背景技術〕
電子機器は、コンピュータ、携帯電話、追跡システム、スキャナ、補聴器、および、リモートセンサ等の多くの携帯装置に組み込まれている。上記携帯装置における短所の１つは、携帯装置に電源を備える必要があることである。携帯装置は、通常、電源として電池を使用する。電池は、少なくとも上記装置が使用される時間中に当該装置に電力を供給するための、十分な容量を有していなければならない。しかし、電池の容量が十分に大きいと、電源が、装置に対して不釣合いに重く、および／または、大きくなり得る。それゆえに、より小型であり、より軽量であるエネルギー蓄積装置（すなわち、電源）が求められている。
そのようなタイプのエネルギー蓄積装置の一例として、薄膜固体電池が挙げられる。薄膜電池の例は、米国特許第５，３１４，７６５号、第５，３３８，６２５号、第５，４４５，９０６号、第５，５１２，１４７号、第５，５６１，００４号、第５，５６７，２１０号、第５，５６９，５２０号、第５，５９７，６６０号、第５，６１２，１５２号、第５，６５４，０８４号および第５，７０５，２９３号に記載されている。これら各米国特許は、参照として本明細書に援用される。米国特許第５，３３８，６２５号は、薄膜電池（特に、薄膜マイクロ電池）および当該薄膜電池の製造方法を記載しており、当該薄膜電池は、電子装置用のバックアップ電源または第１の統合電源としての用途を有している。
薄膜電池は、特に、基板の少なくとも一部としてシリコンを用いて製造される。これは、シリコンに信頼性があるため、また、小型の電気機械装置の製造業者（集積回路の製造業者を含む）がシリコンウェハに精通しているためである。特に小型の装置において、信頼性のある電力の提供を容易にする装置および方法が求められ続けている。
〔発明の概要〕
薄膜電池は、約７ｐｐｍ／°Ｋから約１０ｐｐｍ／°Ｋの熱膨張係数（「ＣＴＥ」）のガラス基板またはセラミック基板と、上記ガラス基板またはセラミック基板の上に配置され、かつ、約３マイクロメートル未満の厚さを有している、連続した金属カソード電流コレクタ（continuous metal cathode current collector）または連続した金属酸化物カソード電流コレクタ（continuous metal oxide cathode current collector）と、約１０マイクロメートルから約８０マイクロメートルの厚さを有している連続フィルムであるリチウム遷移金属酸化物を含み、かつ、上記カソード電流コレクタの上に配置されている、カソード材料層と、上記カソード材料層の上に配置され、かつ、約０．５マイクロメートルから約４マイクロメートルの厚さを有している、ＬｉＰＯＮ電解質層と、任意のアノード材料を有するアノード電流コレクタと、を備えて提供される。
通常の薄膜固体電池には、カソード材料から成る非常に薄い層が使用される。これは、材料が厚ければ厚いほど、製造中、または、電池の所望のライフサイクルにおける早い段階で、当該材料中に、電池の壊滅的故障を引き起こす亀裂が入り易いためである。本明細書で述べるように、約７ｐｐｍ／°Ｋから約１０ｐｐｍ／°ＫのＣＴＥを有しているガラスまたはセラミックと、連続した金属カソード電流コレクタまたは金属酸化物カソード電流コレクタと、ＬｉＰＯＮ電解質層と、を併用する場合には、ＬｉＣｏＯ２カソード材料の厚い層を使用できることは、驚くべき発見であった。本発明の固体電池の構造は、カソード材料層内における亀裂に対して耐性があると考えられ、たとえ亀裂が大きくなったとしても、これら亀裂が壊滅的故障の原因となる可能性は非常に低い。理論に縛られなければ、以下の（１）および（２）が考えられる。つまり、（１）ガラス基板またはセラミック基板と、金属カソード電流コレクタまたは金属酸化物カソード電流コレクタと、カソード材料層（カソード材料層は、金属カソード電流コレクタまたは金属酸化物カソード電流コレクタの直上にある）との相互作用が、初期の亀裂を低減し、（２）上記ＬｉＰＯＮ電解質層は、上述の環境にある上記カソード材料層内で発生した亀裂において、上記電池の壊滅的故障を「修復する」、あるいは、そうでなくても、遅らせる、または、防止する、ように何らかの働きをする。
薄膜固体電池の壊滅的故障の回避は、特に重要である。小型の装置、または、電池交換が簡単ではない構成を有する装置に使用された場合の薄膜電池の性質上、薄膜固体電池の故障は、上記電池そのものの価格をはるかに超えた破滅的な影響を与える。コイン電池またはボタン電池等の従来の電池は、損傷した場合、簡単に交換することができる。しかし、上述のような製品内の薄膜固体電池は、通常、例えば、回路基板と一体的に配線されるか、あるいは、集積回路、電源、アンテナ、表示装置、または、多数の装置の組み合わせ等の、１個以上の装置と一体的に結合して配線されている。上記薄膜固体電池が故障した場合、当該電池の交換は、通常、商業的に採算の合う選択肢ではない。電池全体、および装置が結合されている製品全体が使い物にならなくなることは、薄膜固体電池単独の経済価格をはるかに超える損失を意味する。
本発明の電池は、厚いカソードを備えるため、小型のサイズと信頼性とが高く評価される電子装置に好ましく用いられ、高エネルギー密度を有する電池を実現することができる。
〔図面の簡単な説明〕
本願の一部に組み込まれ、また、本願の一部を構成する添付の図面によって、本発明の態様のいくつかを図示する。上記添付の図面は、実施形態の記載と共に、本発明の原理の説明に用いられる。図面の簡単な説明は、以下の通りである。
図１は、本発明の実施形態の電池の断面図である。
図２は、本発明の実施形態の両面電池（two-sided battery）の断面図である。
図３は、本発明の実施形態の電池の断面図である。
図４は、単一ガラス基板またはセラミック基板に結合されたダブル電池セル（double battery cell）を実現するために、単一アノード電流コレクタが用いられている、本発明の実施形態を示す。
〔現在の好ましい実施形態の詳細な説明〕
下記の本発明の実施形態は、発明を網羅することも、下記の詳細な説明に開示される形態そのものに発明を限定することも、意図していない。正確には、選択されて記載された実施形態は、本発明の原理と実施とを、当業者が容易に認識および理解できるようにすることを目的としている。
図１を参照すると、薄膜電池１０は、ガラス基板またはセラミック基板１２を備えており、ガラス基板またはセラミック基板１２は、自身の上にカソード電流コレクタ１４を備えている。カソード１６は、上記カソード電流コレクタ１４の上に配置されている。電解質１８は、上記カソード１６をアノード電流コレクタ２０から離間している。封止層２２は、電池セルを覆っている。そして、上記封止層２２は、カソード接点２４およびアノード接点２６へのアクセスを提供するように構成されていることが好ましい。アノード（図示せず）は、電池の製造過程で、電解質１８とアノード電流コレクタ２０と間の層として、任意に設けられ得る。本発明の好ましい実施形態では、上記薄膜電池セルは、初期段階では、アノードを備えず、その一方で、リチウムイオン源として機能することができるカソード層を備えて構築される。上記実施形態の薄膜電池セルの充電の際に、上記電解質と上記アノード電流コレクタとの間で金属リチウムにメッキ（plated）が施され、アノードが形成される。あるいは、上記アノードは、アノード層形成のための受け入れ層（図示せず）に上記アノード材料をインターカレーションすることにより、形成され得る。上記薄膜電池の例は、米国特許第５，３１４，７６５号、第５，３３８，６２５号、第５，４４５，９０６号、第５，５１２，１４７号、第５，５６１，００４号、第５，５６７，２１０号、第５，５６９，５２０号、第５，５９７，６６０号、第５，６１２，１５２号、第５，６５４，０８４号、第５，７０５，２９３号、第６，９０６，４３６号、第６，９８６，９６５号、第７，９３１，９８９号、第７，７７６，４７８号および第７，９３９，２０５号、並びに、米国公開公報第２００９／０２１４８９９号および第２００７／００１２２４４号に示されている。上記米国特許および米国公開公報のそれぞれは、特に、電池セルの構成要素の構築手法および材料選択、並びに、薄膜電池を備える装置の実施形態について、あらゆる目的をもって本明細書に参照として援用される。本発明の目的のため、「電池（battery）」または「電池セル（battery cell）」は、カソード電流コレクタ、カソード、電解質、アノード、および、アノード電流コレクタの全ての構成を含む材料によって形成されている構造体、または、アノードを含んでいないが、電池充電の際のメッキまたはインターカレーションにより、不在のアノードを生じさせるように存在する素材を含む材料によって形成されている構造体である。
上記電池は、約７ｐｐｍ／°Ｋから約１０ｐｐｍ／°ＫのＣＴＥを有しているガラス基板またはセラミック基板の上に構築される。本発明の目的のため、上記熱膨張係数（「ＣＴＥ」）は、ＡＳＴＭ Ｃ３７２−９４（２０１２）に基づいて決定され、２５℃から８００℃の温度範囲で計測される。ある実施形態において、上記ガラス基板またはセラミック基板のＣＴＥは、約７ｐｐｍ／°Ｋから約８．５ｐｐｍ／°Ｋである。
ある実施形態において、上記基板は、所望のＣＴＥ特性を有するソーダ石灰珪酸塩ガラスおよびホウ珪酸ガラスから作られるガラス基板である。好ましい実施形態において、上記ガラスは、より高い破壊強度を有するように強化されたガラスである。上記ガラスは、米国特許第４，２１８，２３０号に記載されているような、加熱および／または加圧による強化、あるいは、化学的強化を含む、任意の適切な方法により強化され得る。米国特許第４，２１８，２３０号は、あらゆる目的をもって参照として本明細書に援用される。ある実施形態において、上記基板は、シリコン、アルミニウム、ホウ素、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウム、亜鉛、マンガンおよびコバルトの酸化物から選択される金属酸化物を含むセラミック基板である。ある実施形態において、上記セラミック基板は、非晶質セラミックである。また、ある実施形態において、上記基板は、約９９％よりも多いアルミナを含んでいる非晶質セラミックである。
本発明の目的のため、基板は、上記電池セルの機能部分ではなく、また、絶縁保護膜でもない、支持構造体と定義される。ある実施形態において、上記ガラス基板またはセラミック基板が、上記電池内の唯一の基板材料である。ガラスのみを上記基板として使用することにより、電池全体にわたって整合性（compatible）のとれたＣＴＥ特性を有する電池アセンブリが実現され、また、不必要な層を取り除くことにより、電池構造全体の厚さが薄くなるという利点がある。
複数の好ましい実施形態において、上記電池構造の非活性な構成要素（すなわち、基板および保護封止のような、電池反応そのものには関与しない構成要素）は、電池がより優れたエネルギー密度を有するように、薄くなっている。従って、ある好ましい実施形態において、上記ガラス基板またはセラミック基板の厚さは、１００マイクロメートル未満である。他の好ましい実施形態において、上記ガラス基板またはセラミック基板の厚さは、約２０マイクロメートルから約５０マイクロメートルである。ある好ましい実施形態において、上記電池は、１００マイクロメートル未満の厚さの保護封止、好ましくは、約２０マイクロメートルから約５０マイクロメートルの厚さの保護封止を有している。
上記電池は、ガラス基板またはセラミック基板の上に配置され、かつ、約３マイクロメートル未満の厚さを有している、連続した金属カソード電流コレクタまたは金属酸化物カソード電流コレクタを備えている。本発明の複数の実施形態において、上記金属カソード電流コレクタまたは金属酸化物カソード電流コレクタの厚さは、約０．１マイクロメートルから２マイクロメートル、より好ましくは、約０．５マイクロメートルから１マイクロメートルである。複数の実施形態において、上記金属カソード電流コレクタまたは金属酸化物カソード電流コレクタは、銅、アルミニウム、ニッケル、鉄、金、銀、白金、モリブデン、チタン、マンガン、インジウム、金属合金、酸化物、および、これらの組み合わせからなる群より選択される。
ある実施形態において、上記金属カソード電流コレクタの金属または金属酸化物カソード電流コレクタの金属のＣＴＥは、約６ｐｐｍ／°Ｋから約１２ｐｐｍ／°Ｋである。また、他の実施形態において、上記金属カソード電流コレクタの金属または金属酸化物カソード電流コレクタの金属のＣＴＥは、約７ｐｐｍ／°Ｋから約１０ｐｐｍ／°Ｋである。上記カソード電流コレクタが、上記基板のＣＴＥと良く適合しており、更に、カソード材料そのもののＣＴＥの報告値とも良く適合している実施形態であれば、製造上および性能上の利点が得られること、が見出された。
いくつかの実施形態では、インジウムスズ酸化物等のような導電性のガラス質の材料が、カソード電流コレクタとして使用される。インジウムスズ酸化物は、導電性を有しているという利点があるだけでなく、上記ガラス基板またはセラミック基板、および、上記リチウム金属酸化物カソードのＣＴＥに近いＣＴＥを有している。ある実施形態において、上記金属カソード電流コレクタの金属、または、金属酸化物カソード電流コレクタの金属は、白金である。
ある実施形態において、上記金属カソード電流コレクタの金属、または、金属酸化物カソード電流コレクタの金属は、アルミニウムである。アルミニウムの融解温度は比較的低いが、特定の実施形態において、上記カソード材料層を上記基板に結合させる際に、アルミニウムが有利な性能を与えると考えられる。
粉末／スクリーン印刷カソード材料とは対照的に、本発明で使用されるカソード材料層は、連続フィルムである。この種のカソード材料は、上記固体電解質に対して均一な面を提供するので、固体電池（すなわち、固体ＬｉＰＯＮ電解質層を使用する電池）に利点をもたらす。しかし、このようなフィルム状のカソード材料は、本明細書中で検討されるような層の厚みが比較的大きい場合において、製造が難しい。従って、本発明全体が、重要な製造上および性能上の利点を提供する。
従来の薄膜固体電池の構造と比較して（すなわち、厚さが約１０マイクロメートルから約８０マイクロメートルの構造と比較して）、本発明は、厚いカソード材料層を利用する。本発明のカソード材料層は、少なくとも１種類のリチウム遷移金属酸化物を含み、上記カソード電流コレクタの上に配置される。好ましい複数の実施形態において、上記カソードは、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＭｎＯ２、ＬｉＮｉ１／３Ｍｎ１／３Ｃｏ１／３Ｏ２、および、これらの混合物からなる群より選択されるリチウム遷移金属酸化物を含んでいる。特に好ましい実施形態において、上記カソードに含まれる上記唯一のリチウム遷移金属酸化物は、ＬｉＣｏＯ２である。本発明の複数の実施形態において、上記カソード材料層の厚さは、約１５マイクロメートルから約５０マイクロメートルである。
ある実施形態において、上記カソード材料層は、約５００℃から約８００℃の範囲の温度でアニールされている。他の実施形態において、上記カソード材料層は、約６５０℃から約７５０℃の範囲の温度でアニールされている。
上記カソード材料層の上に配置されたＬｉＰＯＮ電解質層であって、約０．５マイクロメートルから約４マイクロメートルの厚さを有するＬｉＰＯＮ電解質層も設けられる。本明細書において、ＬｉＰＯＮは、一般的に、窒化リン酸リチウム化合物を指す。一例として、Ｌｉ３ＰＯ４Ｎが挙げられる。他の例は、上記電解質全体にわたってリチウムイオンの移動度を高くするために、より高い比率の窒素を含んでいる。
本発明のある実施形態では、上述のＬｉＰＯＮ層に加えて、更に、多数の電解質層が設けられていてもよい。好ましい多層電解質構造の例が、米国特許第７，７７６，４７８号（発明の名称：軟らかい電解質層および硬い電解質層を有している薄膜電池、および、その製造方法）に記載されている。当該米国特許の全体が、あらゆる目的をもって参照として本明細書に援用される。
アノード電流コレクタも設けられている。当該アノード電流コレクタは、銅、チタン、アルミニウム、ニッケル、鉄、金、銀、白金、モリブデン、マンガン、金属合金、導電セラミック、および、高濃度にドープされた多結晶シリコン等の導電型半導体等の導電材料から作られていてもよい。本発明の複数の実施形態において、上記アノード電流コレクタの厚さは、約０．５マイクロメートルから３マイクロメートルである。
上記のように、いくつかの実施形態において、上記アノードは、製造過程で、および、最初の充電の前に、例えば、金属蒸着により、製造層（manufactured layer）として設けられる。上記アノードは、例えば、ニッケル、アルミニウム、シリコン、スズ、リチウム、および／または、それらの合金等の金属から形成されていてもよい。本発明の複数の実施形態において、上記アノードの厚さは、約１マイクロメートルから３マイクロメートルである。
本発明の好ましい実施形態において、上記アノードは、製造時には上記電池構造体の一部として初期に設けられておらず、電池の最初の充電時にのみ形成される。上記カソード材料は、リチウム含有化合物を含んでいるため、上記アノードは、上記電池の組み立て後に、例えば、上記電池の最初の充電によって、リチウム金属の層である活性アノードとして形成され得る。上記の構成は、「無リチウム（Li-free）」設計と呼ばれることもある。電池の最初の充電よりも前には金属リチウムがまだ存在しない（また、溶解していない）ため、高温（＞１８０℃）でのモジュール組立て、および、高温（＞１８０℃）でのパッケージングに耐え得るという利点を、上記の構成は有している。他の複数の実施形態において、例えば、グラファイト層を使用することにより、アノードインターカレーション構造が設けられ、アノードインターカレーション構造にリチウムイオンをインターカレーションすることにより、機能性アノードが形成される。
上記電池は、上記電池セルを完全に包みこみ、上記電池の動作のために上記アノード電流コレクタおよびカソード電流コレクタへの接点へのアクセスのみを与える封止層を備えていることが好ましい。
上記封止は、上記電池材料が水蒸気、酸素、および、他の環境汚染物に曝されるのを防ぐために、望ましい。特に、リチウムは、他の元素および化合物とすぐに反応する。薄膜電池の構成要素は、環境要素に曝されることに対して敏感であるため、上記電池の製造後は、上記電池構造を外部から隔離しなくてはならない。本発明の電池の構造により提供される追加の保護、特に、封止を併用することで提供される追加の保護は、非常に有益である。最終的な封止材料は、シリコーン、ポリイミド、エポキシ樹脂、または、他のポリマーのような有機材料であることが好ましい。本発明のある実施形態において、封止材料の厚さは、約０．５マイクロメートルから約１０マイクロメートルである。他の実施形態において、上記封止材料の厚さは、約８マイクロメートルから約１０マイクロメートルである。本発明のある実施形態において、最終的な外層は、厚さが約０．５マイクロメートルから１マイクロメートルの窒化シリコンである。この最終的な外層は、更なる密閉保護を提供し、かつ、集積回路のパッケージ材料と適合性がある。上記最終的な外層は、更に、摩耗および取り扱い上の損傷に対する物理的障壁として機能する。
本発明のある実施形態において、電池には、同一材料または異なる材料によって形成された１つ以上の層が設けられる。上記層は、充電／放電サイクル中に上記電池に生じる可能性がある寸法変化に対応するように、柔軟性を有している。ある実施形態において、薄膜固体電池には、約０．５マイクロメートルから約１０マイクロメートルの厚さを有し、かつ、約１０から約１００のショアＡ硬度（Shore A hardness）の材料から作られる、柔軟層が設けられている。また、ある実施形態において、薄膜固体電池には、約０．５マイクロメートルから約１０マイクロメートルの厚さを有し、かつ、約１０から約９０のショアＯＯ硬度（Shore OO hardness）の材料から作られる、柔軟層が設けられている。
ある実施形態において、薄膜固体電池には、厚さが約０．５マイクロメートルから約１０マイクロメートルであり、かつ、降伏点伸び率（percent elongation at yield）が少なくとも３０の材料から作られる、柔軟層が設けられる。また、他の実施形態において、この降伏点伸び率は、３０から１００の範囲にある。降伏点伸び率は、ＡＳＴＭ Ｄ６３８−０２ａに基づく試験により、５０ｍｍ／分の試験速度で決定される。
柔軟層を設けることは、上記のような比較的厚いカソード層（すなわち、約１０マイクロメートルから約８０マイクロメートルの厚さの連続フィルムであるカソード材料層）を有する実施形態において、特に有益である。なお、より厚いカソード層ほど、剛性の固定電池構造物に悪影響を及ぼす局所的な寸法変化を被る。
ある実施形態において、柔軟層を設けるための材料は、感光性ポリマー材料である。ある実施形態において、柔軟層を設けるための材料は、感光性ポリイミド材料である。ある実施形態において、柔軟層を設けるための材料は、ダウコーニング社のＨＩＰＥＣ（登録商標）Ｑ３−６６４６半導体保護コーティング等のシリコーンポリマー材料である。
いくつかの実施形態において、本発明の電池は、ゲッター層を含んでいる。ゲッター層に関しては、米国特許第５，６５４，０８４号に概して記載されている。ゲッター層は、周囲の有害物質が上記バリア層を通過することを防止するために、上記有害物質の少なくとも１つの成分と反応、または、当該成分を吸着することを目的とした層である。例えば、チタン、タンタル、リン、バリウム、エルビウム、ルビジウム、チタン−ジルコニウム合金、酸化コバルト、炭素、ヒドラジン、または、亜硫酸ナトリウム等を含有する層を、上記電池の保護層を通り抜けて水または酸素が運ばれることを低減するために、使用することができる。
本発明のある実施形態において、上記電池のフットプリントエリア（foot print area）は、約１２ｃｍ２から約１０００ｃｍ２である。ある実施形態において、上記の用途に用いる上記電池のフットプリントエリアは、例えば、約１２ｃｍ２から約５０ｃｍ２であってもよい。ある実施形態においては、やや小さめの電池が望ましく、当該実施形態において、電池のフットプリントエリアは、約５０ｃｍ２未満であることが好ましい。
他の好ましい実施形態において、より小さな電池が望ましい。このような実施形態において、上記電池のフットプリントエリアは、約１３ｃｍ２未満であることが好ましい。また、他の実施形態において、上記電池のフットプリントエリアは、約１２ｃｍ２未満、約１１ｃｍ２未満、約１０ｃｍ２未満、約９ｃｍ２未満、約８ｃｍ２未満、約７ｃｍ２未満、約６ｃｍ２未満、約５ｃｍ２未満、約４ｃｍ２未満、約３ｃｍ２未満、約２ｃｍ２未満、または、約１ｃｍ２未満である。別の実施形態において、上記電池のフットプリントエリアの最小値は、約０．０２５ｃｍ２であり、かつ、当該電池のフットプリントエリアは、約１３ｃｍ２未満、約１２ｃｍ２未満、約１１ｃｍ２未満、約１０ｃｍ２未満、約９ｃｍ２未満、約８ｃｍ２未満、約７ｃｍ２未満、約６ｃｍ２未満、約５ｃｍ２未満、約４ｃｍ２未満、約３ｃｍ２未満、約２ｃｍ２未満、または、約１ｃｍ２未満である。
基板および外側の保護層（すなわち、上記電池セルと電気的に接続されていない層）を含まない、上記電池の全体の厚さは、好ましくは約２００マイクロメートル以下、より好ましくは１２０マイクロメートル以下、更に好ましくは１００マイクロメートル以下、最も好ましくは５０マイクロメートル以下である。
ある好ましい実施形態では、再充電可能なマルチセル電池アレイ内で、多数の電池が互いに電気的に接続されており、このとき、少なくとも２個の薄膜電池セルが、単一の電池電源として電力を供給するように、互いに並列に電気的に接続されている。上記アレイは、（ｉ）電池セルが、電池セルアレイ全体の電圧に対して、所定の割合よりも大きな電池電圧を有しているか否か、または、（ｉｉ）電池セルが、所定の切断閾値未満の絶対電圧を有しているか否か、を判定するためのテストロジックを更に備えていることが好ましい。また、上記アレイは、上記電池セルが、上記電池セルアレイ全体の電圧に対して、所定の割合よりも大きな電池セル電圧を有している場合に、または、上記電池セルが、所定の切断閾値未満の絶対電圧を有している場合に、任意の電池セルを上記電池セルアレイから切断するロジックを更に備えていることが好ましい。このような実施形態において、単一の電池セルを破壊し得る単一の故障が、本発明の電池セルアレイの機能性を破壊することはない。これは、上記単一の故障が、単一のセルにのみに影響し、他の複数のセルは、動作可能な状態のまま残るためである。このように特定された電池セルを切断することは、上記電池セルアレイの残りの部分を、重放電（deep discharge）から保護するように作用する。少なくとも２個のセル、好ましくは、少なくとも４個のセルを備えるアレイを設けることにより、多数の故障が発生した場合であっても、上記電池セル構造全体は動作可能なレベルの電力を生じることができるように、電源においてあるレベルのリダンダンシーを実現することができる。
アレイにおける電池の充電および／または切断のためのシステムに関する更なる説明が、２０１２年８月１６日出願の米国特許出願第１３／５８７，４６９号（発明の名称：マルチセル薄膜マイクロ電池アレイ）に記載されている。当該米国特許出願の開示内容は、あらゆる目的をもって参照として本明細書に援用される。
マルチ電池アレイは、複数の電池がＸＹ方向に広がる略平面内で、隣り合って並ぶ構造として、構成され得る。このような、ほぼ平面のアレイは、半導体ウェハ製造に共通したプロセス技術を使用して、単一の基板上に製造され得る。電池アレイのサブグループは、下記の技術を使用して、より大きな製造ロットから分離され得る。上記電池アレイは、ほぼ正方形のアレイに配置され得る。ここで当然のことながら、他のマイクロ電池セルの構成には、長方形、三角形、五角形、円形、または、その他の形状が含まれる。同様に、上記アレイ内の個々の電池セルの形状は、通常、正方形であってよいが、長方形、三角形、五角形、円形、または、他の形状であってもよい。
電池セルアレイのフットプリントエリアは、例えば、約１２ｃｍ２から約１０００ｃｍ２であってもよい。ある実施形態において、上記電池セルアレイのフットプリントエリアは、例えば、約１２ｃｍ２から約５０ｃｍ２であってもよい。ある実施形態では、やや小さめの電池セルアレイが望ましく、当該実施形態において、上記電池セルアレイのフットプリントエリアは、約５０ｃｍ２未満であることが好ましい。
他の好ましい実施形態において、より小さな電池セルアレイが好ましい。そのような実施形態において、上記電池セルアレイのフットプリントエリアは、約１３ｃｍ２未満であることが好ましい。また、他の実施形態において、上記電池セルアレイのフットプリントエリアは、約１２ｃｍ２未満、約１１ｃｍ２未満、約１０ｃｍ２未満、約９ｃｍ２未満、約８ｃｍ２未満、約７ｃｍ２未満、約６ｃｍ２未満、約５ｃｍ２未満、約４ｃｍ２未満、約３ｃｍ２未満、約２ｃｍ２未満、または、約１ｃｍ２未満である。別の実施形態において、上記電池セルアレイのフットプリントエリアの最小値は、約０．０２５ｃｍ２であり、かつ、該電池セルアレイのフットプリントエリアは、約１３ｃｍ２未満、約１２ｃｍ２未満、約１１ｃｍ２未満、約１０ｃｍ２未満、約９ｃｍ２未満、約８ｃｍ２未満、約７ｃｍ２未満、約６ｃｍ２未満、約５ｃｍ２未満、約４ｃｍ２未満、約３ｃｍ２未満、約２ｃｍ２未満、または、約１ｃｍ２未満である。
また、上記アレイでは、個々の電池セルが、垂直に配置されていてもよいし、積層されていてもよいし、または、水平な電池セルのアレイと垂直な電池セルのアレイとが組み合わされて配置されていてもよい。積層された電池のアレイは、米国特許出願公開公報第２０１１／０１８３１８３号（発明の名称：電池アレイ、構造および方法）に記載されている。当該米国出願公開公報は、本明細書に参照として援用される。上記のように、上記アレイの個々の電池の形状は、正方形以外の形状であってもよい。
図２は、本発明の実施形態の、ガラス基板またはセラミック基板の両方の主要面の上にセルを備える、２個電池セルアレイ（two-battery cell array）を示す。特に、両面ガラス基板またはセラミック基板の電池アレイ１００は、第１の主要面１０４および第２の主要面１０６を有する、ガラス基板またはセラミック基板１０２から構築されている。第１のカソード電流コレクタ１０８は、第１の主要面１０４の上に配置され、第２のカソード電流コレクタ１０８は、第２の主要面１０６の上に配置されている。第１のカソード１１２は、第１のカソード電流コレクタ１０８の上に配置され、第２のカソード１１４は、第２のカソード電流コレクタ１１０の上に配置されている。ＬｉＰＯＮ電解質１１６は、第１のカソード１１２と第１のアノード電流コレクタ１２０との間に配置され、第１のカソード１１２を第１のアノード電流コレクタ１２０から離間している。同様に、ＬｉＰＯＮ電解質１１８は、第２のカソード１１４と第２のアノード電流コレクタ１２２との間に配置され、第２のカソード１１４を第２のアノード電流コレクタ１２２から離間している。封止材料１２４および封止材料１２６は、上記のそれぞれの電池セル構造を保護している。上記電池へ電気的に接続するための上記カソード電流コレクタへのアクセスは、封止材料１２４および封止材料１２６を超えて延びる部分にて得ることができる。上記電池へ電気的に接続するための上記アノード電流コレクタ１２０およびアノード電流コレクタ１２２へのアクセスは、ビア１２４およびビア１２６にて得ることができる。
本実施形態において、上記カソード材料の効果的な厚さは、上記基板の２倍であり、同時に容量も増加する。一方、更に基板が厚くなることは回避される。この構造は、片面構造と比較して、電池のエネルギー密度を向上させる。更に、基板／カソード材料の特性のいかなる不適合も、対称性により相殺可能である。
図４は、本発明の他の実施形態を示す。この実施形態では、単一のアノード電流コレクタが、単一のガラス基板またはセラミック基板に結合されたダブル電池セルを実現するために使用されている。図４に示すように、このダブル電池セルが、上記ガラス基板またはセラミック基板の第２の主要面の上に複製されているため、単一のガラス基板またはセラミック基板が、４個の電池セルを支持するために使用されている。複数の実施形態では、上記ダブル電池セルが、上記ガラス基板またはセラミック基板の片面の上にのみ設けられている。別の実施形態では、図示される４個セルの構成が、水平な構成、垂直な構成、または、それらの構成の組み合わせとして、複数のアレイ内に設けられる。
次に、図４の実施形態を詳細に説明する。薄膜電池４００は、ガラス基板またはセラミック基板４１２を備え、当該ガラス基板またはセラミック基板４１２は、両方の主要面の上にカソード電流コレクタ４１４およびカソード電流コレクタ４１５を有している。カソード４１６およびカソード４１７は、上記カソード電流コレクタ４１４およびカソード電流コレクタ４１５の上に配置されている。電解質４１８および電解質４１９は、上記カソード４１６およびカソード４１７を、アノード電流コレクタ４２０およびアノード電流コレクタ４２１から離間している。第２の電解質層４２２および第２の電解質層４２３は、上記アノード電流コレクタ４２０およびアノード電流コレクタ４２１を、第２のカソード４２４および第２のカソード４２５から離間している。第２のカソード電流コレクタ４２６および第２のカソード電流コレクタ４２７は、カソード４２４およびカソード４２５の上に配置される。
封止層４２８および封止層４２９は、上記電池セルを覆っている。そして、上記封止層４２８および封止層４２９は、カソード接点４３０およびカソード接点４３１へのアクセス、並びに、アノード接点４３２およびアノード接点４３３へのアクセスを提供するように構成されていることが好ましい。
アノード（図示せず）は、電池の製造過程で、電解質４１８と、アノード電流コレクタ４２０およびアノード電流コレクタ４２１との間に、更に、追加でアノード電流コレクタ４２０およびアノード電流コレクタ４２１と、第２の電解質層４２２および第２の電解質層４２３との間に、層として任意に設けられ得る。本発明のある好ましい実施形態では、上記薄膜電池セルは、初期には、アノードを有することなく構築され、カソード４１６およびカソー４１７と、第２のカソード４２４および第２のカソード４２５とが、リチウムイオン源として機能する。この実施形態の薄膜電池セルの充電の際に、それぞれの電解質とアノード電流コレクタとの間で金属リチウムにメッキが施され、その結果、図示した上記実施形態における４つのアノードが形成される。あるいは、上記アノードは、アノード層形成のための受け入れ層（図示せず）内にアノード材料をインターカレーションすることによって、形成され得る。
本発明のある実施形態では、保護金属層と上記カソード電流コレクタとの間の封止された領域を規定するために、上記カソード材料、電解質、および、アノード電流コレクタの一部を覆う保護金属層を設けることにより、上記電池は、複数の要素に対する付加的な保護が実現されるように構成される。具体的に、図３は、カソード電流コレクタ２１４が上に配置されている、ガラス基質またはセラミック基質２１２を備えている薄膜電池２００を示している。カソード２１６は、上記カソード電流コレクタ２１４の上に配置されている。電解質２１８は、上記カソード２１６をアノード電流コレクタ２２０から離間している。封止層２２２は、上記電池セルを覆っている。上記封止層２２２は、カソード接点２２４およびアノード接点２２６へのアクセスを提供するように構成されていることが好ましい。アノード（図示せず）は、電池の製造過程で、電解質２１８とアノード電流コレクタ２２０との間に層として任意に設けられ得る。保護金属層２２６は、封止層２２２の上に設けられ、接合点２２８でカソード電流コレクタ２１４に対して、金属−金属封止によって封止される。当該金属端部における封止は、電池の外周全体を囲む完全な金属−金属境界封止を実現することにより、上記複数の要素に対する上記電池のより優れた保護を実現する。第２の封止層２３０は、上記電池セルを覆っている。上記第２の封止層は、カソード接点２２４およびアノード接点２２６へのアクセスを提供するように構成されていることが望ましい。この構成は、電池構造の中の影響を受け易い構成要素への直接的な横方向の経路を金属／非金属インターフェースに沿って提供し得る、隣接する金属層および非金属層の端部が、有害な環境に曝されることを防止する。本発明に好適に使用される類似の構成が、米国特許出願公開公報第２００９／０２１４８９９号（発明の名称：完全な金属端部封止を組み込んだ電池レイアウト）に記載されている。上記米国特許出願公開公報の開示内容は、あらゆる目的をもって参照として本明細書に援用される。
当業者にとって明らかなように、本発明の全ての実施形態の電池は、導体パッド、ビア、他の好適な接続構造体、または、それらの組み合わせを用いて、電池電源を必要とする装置に電気的に接続され得る。接続は、ワイヤボンド、はんだ、導電エポキシ樹脂を使用した接続等の好適な接続システムによって実施され得る。
本発明の電池は、様々な用途の使用に特有な電源条件を満たすように設計され得る。ある実施形態において、個々の電池は、約０．５ｍＡｈから約２０ｍＡｈのライフサイクル容量を提供する。ある実施形態において、マルチ電池アレイは、約０．５ｍＡｈから約５００ｍＡｈのライフサイクル容量を提供する。また、ある実施形態において、マルチ電池アレイは、約５ｍＡｈから約１００ｍＡｈのライフサイクル容量を提供する。
本発明の電池は、電池のサイズに好適な製造プロセスによって作製され得る。従って、非常に大型の電池は、当業者に明白ではないであろうスクリーン技術を用いた、材料蒸着およびスパッタリング技術によって作製され得る。ある好ましい実施形態では、米国特許公開公報第２００８／００３２２３６号（発明の名称：固体マイクロ電池のフォトリソグラフィー製造、分離およびパッシベーションの方法および装置）に記載されているようなフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて、電池を作製してもよい。上記米国特許公開公報第２００８／００３２２３６号は、あらゆる目的をもって、本明細書に参照として援用される。
更に、レーザー切断を用いて電池を作ってもよい。レーザー切断では、電池材料の所望のパターンを残して材料を除去し、次に、その電池材料のパターンを、後続の複数の層で覆う。ある実施形態において、電池は、スクリーン技術、フォトリソグラフィー、および、レーザー切断のうちの２つ以上の組み合わせにより作られる。また、特に、レーザー切断技術、エッチング技術、および／または、ダイシングソー技術等の分離技術によって製造されたロットから、電池アレイの個々の電池または複数のサブグループを分離し、当該個々の電池または複数のサブグループを用いて、複数の電池セルを単一の基板上に作ることができる。
本発明の電池は、電池電源を必要とする装置に電力を供給するために使用され得る。
本発明のある実施形態では、電力供給対象の装置は、１個の集積回路または複数の集積回路である。上記回路は、プロセッサ、メモリ、入力装置、出力装置、および、アンテナのうちの１つ以上を任意に備えていてもよい。このような用途において、上記電池は、非常に小さくてもよい。
本発明のある実施形態では、電力供給対象の装置は、音楽プレーヤー、電話、電子読み取り機、タブレット型コンピュータ、または、携帯コンピュータ等の電子装置である。上記装置の特性により、電池のサイズは決定される。ある実施形態では、上記装置は表示画面を備えており、上記電池は、当該表示画面のサイズに近似するＸＹ寸法となるように形成される。本発明の電池は、装置設計の必要条件で決められるいかなる形状においても高いエネルギー密度を提供することにより、より優れた空間効率を実現することができる。
本明細書に引用される全ての特許、（仮出願を含む）特許出願、および、公開公報は、個別にあらゆる目的をもって組み込まれるかのように、本明細書に参照により援用される。特に他の記載がなければ、全ての部およびパーセントは、重量部および重量パーセントであり、全ての分子量は、重量平均分子量である。上述の詳細な説明は、理解の明確化のみを目的とし、上記説明から不必要な限定の解釈はできないものとする。本発明は、図示され説明された厳密な詳細には限定されず、当業者に自明な変形は、本願の請求の範囲により定義される発明に含まれる。
本発明の実施形態の電池の断面図である。 本発明の実施形態の両面電池（two-sided battery）の断面図である。 本発明の実施形態の電池の断面図である。 単一ガラス基板またはセラミック基板に結合されたダブル電池セル（double battery cell）を実現するために、単一アノード電流コレクタが用いられている、本発明の実施形態を示す。

Claims (20)

  1. ａ）約７ｐｐｍ／°Ｋから約１０ｐｐｍ／°ＫのＣＴＥを有している、ガラス基板またはセラミック基板と、
    ｂ）上記ガラス基板またはセラミック基板の上に配置され、かつ、約３マイクロメートル未満の厚さを有している、連続した金属カソード電流コレクタまたは連続した金属酸化物カソード電流コレクタと、
    ｃ）約１０マイクロメートルから約８０マイクロメートルの厚さを有している連続フィルムであるリチウム遷移金属酸化物を含み、かつ、上記連続した金属カソード電流コレクタまたは連続した金属酸化物カソード電流コレクタの上に配置されている、カソード材料層と、
    ｄ）上記カソード材料層の上に配置され、かつ、約０．５マイクロメートルから約４マイクロメートルの厚さを有している、ＬｉＰＯＮ電解質層と、
    ｅ）アノード電流コレクタと、
    を備えていることを特徴とする薄膜電池。
  2. 上記ガラス基板またはセラミック基板は、上記電池内の唯一の基板材料であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜電池。
  3. 上記ガラス基板またはセラミック基板の厚さは、約２０マイクロメートルから約５０マイクロメートルであることを特徴とする請求項１に記載の薄膜電池。
  4. 上記カソード材料層は、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＭｎＯ２、ＬｉＮｉ１／３Ｍｎ１／３Ｃｏ１／３Ｏ２、および、それらの混合物からなる群から選択されるリチウム遷移金属酸化物を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の薄膜電池。
  5. 上記カソード材料層内の唯一のリチウム遷移金属酸化物は、ＬｉＣｏＯ２であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜電池。
  6. 上記カソード材料層の厚さは、約１５マイクロメートルから約５０マイクロメートルであることを特徴とする請求項１に記載の薄膜電池。
  7. 上記カソード材料層は、約５００℃から約８００℃の範囲の温度でアニールされていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜電池。
  8. 上記カソード材料層は、約６５０℃から約７５０℃の範囲の温度でアニールされていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜電池。
  9. 上記金属カソード電流コレクタまたは金属酸化物カソード電流コレクタは、銅、アルミニウム、ニッケル、鉄、金、銀、白金、モリブデン、チタン、マンガン、インジウム、金属合金、酸化物、および、それらの組み合わせからなる群より選択されることを特徴とする請求項１に記載の薄膜電池。
  10. 上記金属カソード電流コレクタの金属、または、金属酸化物カソード電流コレクタの金属のＣＴＥが、約６ｐｐｍ／°Ｋから約１２ｐｐｍ／°Ｋであることを特徴とする請求項１に記載の薄膜電池。
  11. 上記金属カソード電流コレクタの金属、または、金属酸化物カソード電流コレクタの金属のＣＴＥが、約７ｐｐｍ／°Ｋから約１０ｐｐｍ／°Ｋであることを特徴とする請求項１に記載の薄膜電池。
  12. 上記金属カソード電流コレクタまたは金属酸化物カソード電流コレクタは、インジウムスズ酸化物であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜電池。
  13. 上記金属カソード電流コレクタまたは金属酸化物カソード電流コレクタは、白金であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜電池。
  14. 上記金属カソード電流コレクタまたは金属酸化物カソード電流コレクタは、アルミニウムであることを特徴とする請求項１に記載の薄膜電池。
  15. 上記電池が、更にアノードを備えていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜電池。
  16. 上記ガラス基板またはセラミック基板は、２つの主要面を有しており、
    上記ガラス基板またはセラミック基板の両方の主要面の上に、電池セルアレイが存在していることを特徴とする請求項１に記載の薄膜電池。
  17. 上記ガラス基板またはセラミック基板は、シリコン、アルミニウム、ホウ素、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウム、亜鉛、マンガンおよびコバルト、の酸化物から選択される金属酸化物を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の薄膜電池。
  18. 上記電池のライフサイクル容量が、約０．５ｍＡｈから約２０ｍＡｈであることを特徴とする請求項１に記載の薄膜電池。
  19. 上記マルチ電池アレイのライフサイクル容量が、約０．５ｍＡｈから約５００ｍＡｈであることを特徴とする請求項１１に記載の薄膜電池。
  20. 上記マルチ電池アレイのライフサイクル容量が、約５ｍＡｈから約１００ｍＡｈであることを特徴とする請求項１１に記載の薄膜電池。
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