JP6486906B2 - ウェハ電流コレクタを備えた充電電池及びアセンブリ方法 - Google Patents
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Description
本開示は、ウェハ電流コレクタを備えた充電電池及びアセンブリ方法に関する。
ガストン・プランテにより１８５９年に発明された鉛酸電池は、最も古いタイプの充電電池として考えられている。一般的に入手可能な鉛酸電池は、他の化学的性質と比較して比較的低いエネルギー密度を有するが、構成が単純で、経済的である。このような一般的に入手可能な鉛酸電池は、自動車、牽引、及び、静止状態での用途に使用され、例えば、内燃機関を点火する或いは始動するため、点灯するため、モータ付き車椅子、ゴルフカート、又は、フォークリフト等の用途、又は、配電グリッドに接続された際には電気エネルギー貯蔵等の他の用途に使用される。
鉛酸電池は、一般的に、鉛合金電流コレクタと、正極及び負極の活物質と、電解液と、セパレータと、機械的支持用ケーシングとを備える。正極活物質が一般的に高表面積の二酸化鉛を有する一方で、負極活物質は一般的に海綿状の鉛を有する。電解液は、一般的には、硫酸である。一般的に入手可能な鉛酸電池において、鉛酸の化学的性質との鉛合金の互換性のため、鉛合金が電流コレクタとして使用される。
鉛酸電池の広範な使用は、構造および関連する信号調節または充電回路の両方に関する、その単純性に少なくともある程度起因すると考えられる。鉛酸電池の主な利点は、その低コストにある。鉛金属は比較的豊富で、酸Ｈ２ＳＯ４は幅広く生産される総化学である。加えて、一般的に入手可能な鉛酸電池の製造処理は比較的簡単である。一般的に入手可能な鉛酸電池に基づくエネルギー貯蔵のコスト構造により、全体的なコストは約１５０ドル／ｋＷｈとなり、これは他のエネルギー貯蔵技術と比べて魅力的である。
多くの望ましい特徴にも関わらず、鉛酸電池は、特に高い放電電流における低エネルギー密度や乏しいサイクル寿命を含む幾つかの欠点も有する。一般的に入手可能な鉛酸電池の低エネルギー密度は、高密度の鉛電流コレクタや活物質に起因し、速い放電速度での乏しいサイクル寿命は活物質の特性と関係付けられ得る。材料の観点からすると、一般的に入手可能な鉛酸電池における電流コレクタは鉛よりなり、鉛は重く電池のエネルギー貯蔵容量に寄与しない。電池の組立の観点からすると、一般的に入手可能な鉛酸電池は、並列配置で電気的に結合される単極板組立体のセルを複数含む。このような配置では、追加的な電気接続や変換システムは、より高い電圧を供給するよう電池の動作を調整するために使用され、それにより鉛酸電池の全体的なエネルギー密度に更に影響を及ぼし得る。一般的に、並列接続により、高電流、低電圧電池が結果として得られ、抵抗損が電流の二乗で計られるため、内部抵抗を最小化するために大量のコンダクタの使用が強いられる。
電池は正極板、負極板、及び、電解液を含み得る。鉛酸電池の電極を構成するためには、ＰｂＯ２及びＰｂベースの活物質が鉛グリッド電流コレクタ上にペーストされ硬化されて、正極板及び負極板を形成する。正−負電極は、セル電圧を約２．１Ｖとして、Ｈ２ＳＯ４の電解液で電気化学セルを形成することができる。電池パックを組み立てるためには、複数のセルは、並列配置、直列配置、又は、並列及び直列の組み合わせの配置等で、電気的に一緒に配置され得る。添加剤、セパレータ、及び、ケーシングは機械的支持用に使用され得る。
一般的に入手可能な鉛酸電池の電流コレクタをより軽い材料で置換すると、エネルギー密度が顕著に改善される。一般的に、電流コレクタは低電気抵抗性を提供すると共に、Ｈ２ＳＯ４腐食に抵抗する又は影響されないように特定される。このような電流コレクタは、Ｐｂ及びＰｂＯ２活物質に対して良好な接着性を与え、鉛酸電池の電気化学性質との互換性も提供するよう特定される。このような電流コレクタは、低コストで容易に入手可能となることを含み、既存の鉛酸電池製造／再利用インフラストラクチャにおいて一体化されるよう、良好な熱伝導性、低漏れ電流を提供するよう特定されてもよい。
鉛酸電池の電気構造をより簡略化するためにバイポーラ板のアーキテクチャが使用されてもよい。バイポーラ電池は、この二十年の間、研究及び開発が真剣に取り組まれている分野である。バイポーラ電池技術の主な利点は、高いエネルギー密度と高い電力にある。これらは、電流路を短縮して不要な材料／質量を取り除き、抵抗を減少させる簡略化された構造によって少なくともある程度与えられる。バイポーラ電池は、バイプレート又は電流コレクタ、及び、活物質を含み得る。バイポーラといった用語は、一般的に、バイプレートの一表面が正極活物質で覆われ、反対の表面が負極活物質でコーティングされた構造を指している。
単極構造と比較して、バイポーラ電池はセル同士を一緒に結合するどの外部接続も必要としない。例えば、バイポーラ構造における各バイプレートは、電解液によって分離され得るが、バイプレート自体が各側で異なる極性の活物質を有するため、電流は一方の表面から他方の表面へとバイプレートを直接的に流れる。それにより、電流は、次のバイプレートまで電解液を流れることができる。これは、直列接続と呼ばれ、数十の並列接続を介して移動するよりもはるかに低い抵抗の路を提供することができる。路の抵抗が低いということは、並列接続の単極構造と比べて、効率性における損失を伴うことなく電池からより多くの電流が抽出され得ることを意味する。
本開示の実施例は、活物質を有する電流コレクタとしてシリコンウェハを用いることで鉛酸電池のエネルギー密度の問題に取り組む。活物質は、少なくとも製作中はペースト状でもよい。基板材料および組立体処理に新しい工夫がなされたバイポーラ鉛酸電池板が記載される。シリコンウェハ材料は、低コストで、薄く、軽く、且つ、低抵抗性を実現するためにドーピングされ得（例えば、ウェハに伝動性を与えるよう）、且つ、該ウェハ材料は、半導体、太陽、及び、印刷回路板産業における多数の処理との互換性を含み、Ｈ２ＳＯ４腐食に影響されないため、電流コレクタとして使用され得る。
シリコンウェハの表面上には抵抗接点層が形成され、続いて、活物質のための接着層が堆積される。例えば、バイポーラ板を含む実施例におけるように、板の機械的安定性を改善するために電流コレクタ基板の各側にパターンが堆積されてもよい。ある実施例では、ＰｂＯ２−及びＰｂ−ベースの活物質が正及び負の支持構造（例えば、グリッド又はバンプ）上にペーストされて硬化され得、電流コレクタが正グリッドと負グリッドとの間に挟み込まれてもよい。バイポーラ板組立体は、電流コレクタのウェハ基板上に活物質を溶解することで形成され得る。活物質は、パターン化された電流コレクタ上に直接的にペーストされ、硬化され、形成され得る。それにより、バイポーラ板は、電解液、セパレータ、ケーシング、及び、充電又は保護回路の一体化と共に電池に内蔵され得る。
縮尺通りに必ずしも描かれていない図中、異なる図面において同様の参照番号が同様の構成要素に付与される。異なる文字の添え字が付与された同様の参照番号は、同様の構成要素の異なる場合を表してもよい。図面は、例として、本文献に記載する様々な実施形態を一般的に例示するが、これらに制限されない。
図１Ａ及び図１Ｂにおいて、単極電池板１２０Ａを含む実施例１００の断面図を図１Ａに一般的に示し、対応する単極電池アーキテクチャを含む実施例１００の断面図を図１Ｂに示す。単極構造では、電流コレクタは一般的に、ペースト状の活物質を塗布することを含み、電流コレクタの両側（例えば、反対側）に塗布される単一の極性（例えば、正又は負）の活物質を含む。例えば、図１Ａでは、導電性シリコンウェハ１０４は、電流コレクタを提供する等、電池板１２０Ａの組立体に対して基板を提供する。導電性シリコンウェハ１０４は、活物質１１２Ａと導電性シリコンウェハ１０４との間の導電性を向上させるために金属シリサイド等の抵抗接点層１０６Ａを含む。シリサイドは、ニッケル、コバルト、チタニウム、タンタル、タングステン、モリブデン、又は、その組み合わせ等の金属種を含み得る。ある実施例では、一層以上の接着層１０８Ａが接着を促進するよう、又は、電解液領域１１６Ａにおける電解液との互換性を与えるよう含まれる。他の構造が使用されてもよく、抵抗接点層１０６Ａ又は接着層１０８Ａを一層以上提供するよう多数の膜層を含んでもよい。
活物質１１２Ａは、製作中に硬化されるペースト状で提供され得る。製作中又は製作後に活物質の接着性又は均一性の一つ以上を向上させるために、機械的支持部１１０Ａが含まれてもよい。機械的支持部１１０Ａは、本願の他の箇所で記載するような様々な技術を用いて製作され得、一つ以上の並んだ、グリッド状の、バンプ状の、又は、メサ（mesa）構造を含み得る。一つ以上のセパレータ、例えば、セパレータ１１４Ａは、電解液に対して空洞を形成する又は領域１１６Ａを保つために使用され得る。ある実施例では、電解液は、液体でもゲル状でもよく、又は、別の材料を含浸するなどして含まれ、電解液とセパレータの組み合わせを提供する。図１Ａ及び図１Ｂの実施例では、筐体１２２が提供され、他の板間の他の電解液領域から電解液領域１１６Ａを流体的に隔離することができる（しなくてもよい）。
単極板１２０Ａの実施例では、電池板１２０Ａの第２の表面は、第２の抵抗接点層１０６Ｂ、第２の接着層１０８Ａ、及び、第２の活物質１１２Ｂを含み、シリコンウェハ１０４の第１の表面上の層と同じ材料を一般的に含む。例えば、第２の活物質１１２Ｂは、第１の活物質１１２Ａと同じ活物質及び極性を含む。
第１の極性の活物質を有する第１の極板１２０Ａ、及び、反対の第２の極性の活物質を有する第２の極板１２０Ｂを含む等して、正極−負極の対が形成され得、図１Ｂに例示的に示すように電解液１１４に電気化学セルが形成される。鉛酸の実施例では、単一セル電圧は約２．１Ｖである。幾つかのセルが積層体１３２Ａとして並列配置で電気的に配置され得る。個々の積層体１３２Ａ〜１３２Ｎは、直列に接続されて電池パック１０２を組み立てる。電圧はＮｓ＊Ｖｃｅｌｌとして表され、Ｎｓは積層体の数を示し、Ｖｃｅｌｌはセル電圧を示す。
図１Ｂでは、第１の端子１３０Ａは第１の極性を提供し、第２の端子１３０Ｂは反対の第２の極性を提供する。第１端子と第２の端子は、第１の積層体１３２Ａと最後の積層体１３２Ｎにそれぞれ結合され、積層体は第１のバス１２４Ａ〜Ｎ番目のバス１２４Ｎを用いて直列に結合され得る。図１Ｂとは反対に、バイポーラ板構造を用いる電池アーキテクチャにより設計が簡略化される。正極の又は負極の活物質は、電流コレクタの反対側にペースティング等により塗布され、バイポーラ板を形成する。
図２Ａ及び図２Ｂは、単極電池板１２１Ａを含む実施例、及び、対応するバイポーラ電池アーキテクチャの断面図をそれぞれ一般的に示す。図１Ａの実施例と同様にして、第１のバイポーラ電池板１２１Ａは電流コレクタとして導電性シリコンウェハ１０４を含み得る。第１のバイポーラ電池板１２１Ａは導電性シリコンウェハ１０４の第１の表面に、或いは、その近傍に位置する抵抗接点層１０６Ａ及び接着層１０８Ａを一層以上含み得る。活物質１１２Ａは、機械的支持部１１０Ａによって製作中に又は製作後に支持されるように第１の極性を有し得る。第２の抵抗接点層１０６Ｂは、第１の表面とは反対側の、導電性シリコンウェハ１０４の第２の表面上に設けられ得る。第２の抵抗接点層１０６Ｂは、第１の抵抗接点層１０６Ａと同じ材料又は異なる材料を含み、電池組立体の他の部分への接続のための電極を提供する、耐腐食層を提供する、又は、導電性シリコンウェハ１０４の第一の表面に類似した積み重ねを有する鏡像構造を提供する。第２の接着層１０８Ｂが含まれてもよい。第１の活物質１１２Ａと反対の極性を有する第２の活物質１１２Ｂが含まれてもよい。図１Ａの実施例のように、第１の電解液領域１１６Ａは電池板１２１Ａを隣接する電池板１２１Ｃから分離し、第２の電解液領域１１６Ｂは電池板１２１Ａを別の隣接する電池板１２１Ｂから分離することができる。電解液領域１１６Ａ及び１１６Ｂは、電池板間の特定された分離を維持することを補助するようセパレータを含み得る。電解液領域１１６Ａ及び１１６Ｂは、一般的に互いと流体的に隔離され、導電性シリコンウェハ１０４のバルクを介して伝導が生ずる。
図２Ｂは、バイポーラ板１２１Ａ、１２１Ｂ、及び、１２１Ｃ等の一つ以上のバイポーラ電池板を有する電池パック２０２を含み得る実施例を一般的に示す。このようなバイポーラ板は、領域１１６Ａ及び領域１１６Ｂにおいて電解液で挟まれて、例えば、シールされたセルを形成する。ある実施例では、領域１１６Ａにおける電解液は、電解液がバイポーラ板１２１Ａをバイパスして電解液領域１１６Ｂ等の隣接する領域に向かうことができないよう流体的に隔離されているかシールされている。図２Ｂに例示的に示すように、セルは直列配置で設けられてもよい。セルは、整列されて積層体１３１Ａを形成する。
バイポーラアーキテクチャでは、電流コレクタ（例えば、バイポーラ板１２１Ａの一部として含まれるようなシリコンウェハ１０４）は、一つのセルの負電極と次のセルの正電極との間で共有される。第１のバス１２４Ａは、各積層体１３１Ａ〜１３１Ｎにおける第１の電極と接続され、第２のバス１２４Ｂは各積層体１３１Ａ〜１３１Ｎにおける反対の電極と接続される。図１Ｂとは反対に、積層体１３１Ａ〜１３１Ｎは、矢印によって示されるように、導電性シリコンウェハのバルクを介して直列接続をそれぞれ提供する。このようにして、積層体１３１Ａ〜１３１Ｎの外部にある相互接続バスの合計数は、単極板を用いるアーキテクチャと比較して減少される。
一つ以上の積層体１３１Ａ〜１３１Ｎを相互接続する他の構造が使用されてもよい。例えば、バイポーラ積層体１３１Ａ〜１３１Ｎは、低電圧電池パックを組み立てるため等、低電圧用途については並列に接続され得る。或いは、多数のセルを有する単一のバイポーラ積層体が、高電圧パックを形成してもよい。いずれの場合でも、電池パックの電圧は（Ｎｐ−１）＊Ｖｃｅｌｌと表され、Ｎｐは各積層体における電流コレクタ板の数を示し、Ｖｃｅｌｌはセル電圧を示す。
図３Ａ及び図３Ｂは、図２Ａの実施例において断面図で示すように、シリコンウェハ３０４の電流コレクタ及び一つ以上の機械的支持グリッド３１０Ａ又は３１０Ｂ（図３Ａに示す）又ははんだバンプパターン３１５Ａ又は３１５Ｂ（図３Ｂ）を含み得るバイポーラ板の実施例を一般的に示す。上述の実施例と関連して説明したように、鉛酸電池は、図１Ａ及び図１Ｂ，及び、図２Ａ及び図２Ｂに例示的に示すように、電流コレクタとしてシリコンウェハ３０４を使用する。
シリコンウェハは、半導体、太陽、及び、他のマイクロ電子又はマイクロマシン技術（ＭＥＭＳ）用途において使用されるよう一般的に製作される。１立方センチメートル当たり約２．６５グラムの密度を有するようなシリコンウェハは、一般的に入手可能な鉛グリッド構造よりも電流コレクタとして使用した場合により軽くなる。このようなシリコンウェハは、Ｈ２ＳＯ４腐食に対して耐性を示す（又は、より耐性を示す）。他の用途における多量使用のため、シリコンウェハは低コストで容易に入手することができる。単結晶は一般的に半導体であるが、適当なドーピングにより導電性を与えることができる。ある実施例では、シリコンウェハは、例えば、０．００１Ω−ｃｍ未満の抵抗性を提供するよう、ドーピングによって導電性が与えられてもよい。電池における電流コレクタとしての用途では、抵抗性はそれほど低くなくてもよい。例えば、５Ω−ｃｍ以下のウェハ抵抗性が使用されてもよい。ある実施例では、電流コレクタとして使用されるシリコンウェハは、過剰のキャリア及び５Ω−ｃｍ未満の抵抗性を提供するよう、例えば、リン又はヒ素に濃くｎ型にドーピングされてもよい。
シリコンウェハは、様々なサイズ（例えば、３００ミリメートル直径以上まで）、形（例えば、円形又は正方形）、結晶方位及び構造（例えば、単結晶又は多結晶）、及び、表面性状（例えば、インゴットから切った後に与えられるテクスチャード加工、又は、ラッピング又はエッチング等の処理の後の滑らかさ）で入手することができる。太陽産業によって一般的に使用されるシリコンウェハは、低コストで大量に入手可能なため電池用途に使用され得る。標準的な太陽ウェハは、約１２５平方ミリメートル又は約１５６平方ミリメートルでもよく、厚さは２００マイクロメートル等、７５０マイクロメートル未満である。このような寸法は、一般的に入手可能な鉛酸電池の断面寸法と互換性がある。円形又は他の不規則形状のウェハは、長方形等の他の幾何学的形状に切断されてもよく、このとき側辺の長さはある用途に適すように約１２０ミリメートルから約２００ミリメートルの範囲にある。薄いシリコンウェハは電池パックのエネルギー密度を向上することができるが、ウェハの厚さは、機械的ロバスト性の方に偏っているかさもなければそれに対して選択され、例えば、頑健性がエネルギー密度とトレードオフされる。切断された単結晶又は多結晶ウェハは粗い表面を有し得る。のこぎりによる粗面の粗さ等は、化学的ウェットエッチング手順等の様々な処理によって洗浄されテクスチャ加工され得る。ある実施例では、冶金グレードのシリコンウェハが電池板における使用のために特定され得る。
バイポーラ電池板３２１Ａ又は３２１Ｂは、第１の極性に対応するペースト等の第１の活物質３１２Ａを含む。ペースト３１２Ａは、様々な材料を用いて製作された又はパターン化された機械的支持部３１０Ａ等の第１の機械的支持部３１０Ａに塗布され得る。第１の接着層や第１の抵抗接点層３１１Ａなどの１つ又は複数の層が、導電性シリコンウェハ３０４上に、或いは導電性シリコンウェハ３０４の一部として形成され得る。また導電性シリコンウェハ３０４の反対側には、第２の接着層や第２の抵抗接点層３１１Ｂなどの１つ又は複数の層が形成され得る。第２の機械的支持部３１０Ｂは、第１の活物質３１２Ａの極性と反対の第２の極性に対応する第２の活物質３１２Ｂに対して支持部を提供する等のために使用され得る。
図３Ａ及び図３Ｂの実施例に示される機械的支持部３１０Ａ、３１０Ｂ、３１５Ａ、及び、３１５Ｂは例示的である。線形のセグメントのパターン又はアレイ、又は、メサ構造のアレイ（例えば、図３Ａのグリッドパターンの「逆」に対応する）のような他の構造も使用され得る。機械的支持部は、印刷、堆積（例えば、電着）、成型、スタンプ付けのうちの一つ以上を用いて、又は、一つ以上の他の技術を用いて製作され得る。
図４は、電流コレクタとして使用され得るシリコンウェハ上のニッケルシリサイド（ＮｉＳｉ）の走査型電子顕微鏡写真の例示的な実施例を一般的に示す。活物質とシリコンウェハ電流コレクタとの間の低接触抵抗と界面を形成するために、シリコンウェハ３０４の表面上に抵抗接点層（図３Ａ又は図３Ｂに示すような層３１１Ａ又は３１１Ｂ等）が形成されることが望ましい。抵抗接点層は、周囲の雰囲気等において自然酸化物の形成からシリコン表面を保護することができる。このような抵抗接点層の形成は、シリコン表面上に薄い金属層を堆積し、続いて、高温で焼きなますことを含む。金属層の厚さは、例えば、約２０ナノメートル位に薄くてもよいが、約２００ナノメートル以上のより厚い層が、テクスチャード加工された表面上により共形の又は連続的なコーティングを提供するために使用され得る。例えば、ニッケル（Ｎｉ）は、太陽セル製作のために一般的に使用される機器を用いて、物理的気相成長法（「ＰＶＤ」）によってシリコン上に堆積され得る。
例示的な実施例では、シリサイド層は、ＰＶＤ及び最低でも４５０°Ｃの温度での窒素又はアルゴン環境における堆積された材料の焼きなましを用いて形成され得る。
ウェハを約５００〜約６６０°Ｃで焼きなますことで、表面上にニッケルシリサイド（ＮｉＳｉ）が形成される。図４に示す顕微鏡写真の例示において、ＮｉＳｉ層の厚さは約１５０ｎｍである。ニッケルシリサイドとシリコンとの間の不鮮明な界面は図４で観察することができ、界面における抵抗接点の形成が示される。幾つかの実施形態では、チタニウム、タンタル、タングステン、モリブデン、及び、その組み合わせ等の金属も高温焼きなましの際にシリコン表面と低抵抗性シリサイドを形成するために使用され得る。
ウェハを約５００〜約６６０°Ｃで焼きなますことで、表面上にニッケルシリサイド（ＮｉＳｉ）が形成される。図４に示す顕微鏡写真の例示において、ＮｉＳｉ層の厚さは約１５０ｎｍである。ニッケルシリサイドとシリコンとの間の不鮮明な界面は図４で観察することができ、界面における抵抗接点の形成が示される。幾つかの実施形態では、チタニウム、タンタル、タングステン、モリブデン、及び、その組み合わせ等の金属も高温焼きなましの際にシリコン表面と低抵抗性シリサイドを形成するために使用され得る。
追加的な層は、金属シリサイドを酸化から保護すると共に活物質層への接着性を改善するよう金属シリサイド表面上に堆積され得る。これらの層は障壁層と称され、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｉｎ、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＷＮ、ＭｏＮ、ＴｉＷ、及びその組み合わせ、又は、一つ以上の他の材料を含み得、厚さが約２０〜２００ナノメートルと比較的薄い。このような金属はその耐火特徴（例えば、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ）又はそのはんだぬれ性（例えば、Ｉｎ、Ｓｎ）に基づいて選択され得る。
上述の金属、その合金、シリサイド、又は、窒化物は、例えば、太陽電池の製作に使用され得るカリフォルニア州サンタクララにあるＩＮＴＥＶＡＣより販売されている機器等の製造機器を用いて、シリコンウェハ電流コレクタの片側または両側に堆積され得る。例示的な実施例では、一体化された処理内でシリコンウェハの前洗浄、金属体積、シリサイド形成、金属堆積、又は、金属窒化物堆積のうちの一つ以上が実施されるよう高いスループットの「クラスターツール」が使用され得る。
図５Ａは、２０μｍの厚さの鉛層を含む電流コレクタを示す顕微鏡写真の例示的な実施例を一般的に示す。図５Ｂは、より高い倍率で図５Ａの実施例に類似する例示的な実施例を一般的に示し、鉛層とＮｉＳｉ表面との間の良好な接着性が示される。
前述の通り、一層以上の他の層（例えば、接着層又は障壁層）は、ウェハが電流コレクタとして使用されるべき用途について、シリコンウェハの抵抗接点層の表面に堆積され得る。これらの層は、接着性を向上し、活物質ペーストの機械的支持を提供するよう機能する。鉛酸電池では、これらの層は、鉛酸化学性質と互換性のある材料を含むよう特定される。電着は、これらの層の便利な製作方法であり、幾つかの実施例では、厚さが約２０マイクロメートル未満の膜が形成され得る。幾つかの実施例では、Ｐｂよりなる薄い接着層がフッ化水素酸を含むめっき浴でＮｉＳｉ表面に電着され、図５Ａに示す層構造が提供される。
鉛（ＩＩ）テトラフルオロホウ酸塩を含むめっき浴が電着処理に使用され得る。フッ化水素酸を含むめっき浴の一つの利点は、電着処理中にその場で抵抗接点層（例えば、ＮｉＳｉ表面）を洗浄できる点である。これにより、ＮｉＳｉと別の層（例えば、接着層又は障壁層）との間の界面における接着性が向上される。他のめっき化学が使用されてもよい。ある実施例では、Ｐｂ薄膜は、その耐腐食特性を改善するためにＳｂ、Ｂｉ、または、Ｓｎでドーピングされ得る。他の実施例では、接着層はＳｎ、ＴｉＮ、Ｉｎ、又は、その組み合わせ等の一つ以上の他の材料を含み得る。ある実施例では、正ＰｂＯ２ベースのペーストの接着性を改善するためにＳｎＯ２よりなる薄層がＴｉ表面に電着され得る。接着層は、電流コレクタの片側又は両側に堆積され得、該層は電流コレクタの両側に同じ材料を含む必要がない。
図６は、実施例による、シリコンウェハ電流コレクタを含むバイポーラ電池板を製作することを含み得る方法等の技術６００を一般的に示す。６０２において、シリコンウェハ電流コレクタが形成される。例えば、このようなウェハは単一の結晶ブールから切り取られてもよく、さもなければ多結晶シリコンのスラブから形成される。シリコンウェハは、第１の幾何学的形状（例えば、円形のウェハ）で購入されてから、所望の幾何学的形状に更に切断されてもよい。シリコンウェハは、研磨され、エッチングされ、ラッピングされ、または、さもなければ、処理されて所望の表面仕上げを提供することができる。シリコンウェハは、所望の導電型（例えば、ｎ型ドーピング）を有する等、所望の導電性レベルを実現するためにドーピングされ得る。
６０４において、抵抗接点層が導電性シリコンウェハの少なくとも一つの表面上に形成され得る。抵抗接点層は、シリサイドを含み得る。ある実施例では、ウェハの各面は抵抗接点層を含み得、このとき、各面の抵抗接点層は互いと同じ材料、又は、厚さである必要はない。一層以上の他の層（例えば、接着層又は障壁層）が堆積されるか、さもなければ、一層以上の抵抗接点層上に形成される等してシリコンウェハの一つ以上の面上に含まれ得る。
６０６Ａ又は６０６Ｂにおいて、アレイ化されたパターンは、抵抗接点層上等、導電性シリコンウェハ上に形成され、活物質ペーストの機械的支持を提供するまたは向上させる。一つのアプローチ法では、６０６Ａにおいて、約１００マイクロメートル〜約５００マイクロメートルの厚さを有する正方形又は長方形のグリッドパターンが形成され得る。例えば、このようなグリッドは、電着等によって導電性シリコンウェハの表面に堆積されたＰｂを含んでもよい。該電着は、機械的（例えば、接触）マスクの使用を含み得る。別のアプローチ法では、６０６Ｂにおいて、アレイバンプまたはメサが電着等によって電流コレクタ上に堆積され得る。幾つかの実施例では、Ｓｎ、Ｐｂ−Ｓｎ、又は、Ｉｎ−Ｓｎはんだペーストのアレイは、ペースティング、熱プレス、押出分注、又は、スクリーン印刷等によって電流コレクタ上に塗布される。アレイパターンは、組立体のＰｂ接着表面（例えば、接着層）上に自然に接着され得る。図６に示すウェハ、グリッド、及び、バンプパターン構造は長方形であるが、他の形状及び対称性が使用されてもよい。ある実施例では、未マスク堆積が使用され、続いてエッチング処理が実施されて、６０６Ａ又は６０６Ｂにおいて特定のパターンが提供される。ある実施例では、一つ以上のメサ又はバンプの厚さは約１００マイクロメートル〜約５００マイクロメートルである。ある実施例では、一つ以上の線又はバンプは、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ａｇ、又は、その組み合わせ（例えば、合金）を含み得る。
６０８Ａ又は６０８Ｂにおいて、一般的に入手可能な鉛酸電池と互換性のあるペースト形成及び処理手順が使用され、シリコンウェハ組立体上に活物質ペーストが直接的に塗布される。例えば、導電性シリコンウェハは、ウェハのサイズを適応するよう僅かな変更を加えて、ペースティング機器と互換性が得られるようにしてもよい。シリコンは高い融点を有し、良好な熱伝導性を有するため、一般的に利用可能なペースティング処理に使用される硬化温度が導電性シリコンウェハを含む電流コレクタ組立体の一部として活物質ペーストを硬化するために使用され得る。硬化温度が高くなると、Ｐｂグリッドアレイパターン又はＳｎはんだバンプアレイを含む機械的支持部は電流コレクタ上の活物質ペーストと溶融され、結果として強い接着性と望ましい機械的支持が得られる。
図７は、一実施例によるシリコンウェハ電流コレクタを含むバイポーラ電池板を製作することを含む方法等の技術７００を一般的に示す。ある場合では、一般的に入手可能なペースティング機器は、導電性シリコンウェハ電流コレクタの組立体に活物質ペーストを直接的に塗布することに適していない。シリコンウェハ電流コレクタが既存のペースティング機器と互換性がない場合には、活物質ペーストはグリッドが導電性シリコンウェハと組立てられる前に該「外部」グリッドに塗布され得る。例えば、外部グリッドは、Ｈ２ＳＯ４耐性のプラスチックよりなり、例えば、アクリロニトリルブタジエンスチレン（「ＡＢＳ」）、低密度ポリエチレン（「ＬＤＰＥ」）、ポリプロピレン（「ＰＰ」）、ポリフッ化ビニリデン（「ＰＶＤＦ」）、又は、ポリテトラフルオロエチレン（「ＰＴＦＥ」）のうちの一つ以上よりなる。一実施例では、外部グリッドは、導電性といった利点を有する炭素黒鉛より形成され得る。ペーストされたグリッドは、ウェハ・コレクタで挟み込まれ、硬化されてバイポーラ板組立体を形成する（例えば、図７参照）。
７０２では、導電性シリコンウェハは、例えば、図６に関連して、或いは、本願の他の箇所で説明する一つ以上の技術を用いて形成される。７０４では、本願の他の箇所に記載する他の実施例で説明したように、抵抗接点又は接着層等の層が一層以上堆積される。７０６では、グリッド構造又は他の形状を有し得る「外部」機械的支持部が形成され得る。本願の他の箇所に記載する実施例で説明したように、このような機械的支持部は導電性でも非導電性でもよい。７０８では、第１の極性の活物質ペーストが第１の機械的支持部に塗布され、第２の極性の活物質ペーストが第２の機械的支持部に塗布されるように、活物質ペーストが塗布され得る。７１０では、第１及び第２のペーストされた機械的支持部が導電性シリコンウェハに適用され得る。７１２では、ペーストが、例えば、熱的に硬化され得る。
本願の実施例で説明したように、バイポーラ板組立体を用いたバイポーラ鉛酸電池を組み立てるために、バイポーラ板（導電性シリコンウェハを含む）はセパレータで挟み込まれる。図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、及び、図２Ｂに示すように、板間の隙間は、電解液で充填される（例えば、Ｈ２ＳＯ４）。バイポーラ板の縁はシールされ、各電解液室は電気的に隔離される。一実施例では、電解液は、機械的セパレータと一体化され得る。例えば、電解液はシリカ粉塵と混合されて、ゲル化電解液として一般的に知られている固定化ゲルを形成する。一実施例では、電解液に浸透されたケイ酸ホウ素マットをセパレータとして含む等、吸収ガラスマット（ＡＧＭ）が使用される。
［様々な注記及び実施例］
本開示の非制限的な実施例それぞれは、単体でもよく、或いは、一つ以上の他の実施例と様々な順列又は組み合わせで組み合わされてもよい。
本開示の非制限的な実施例それぞれは、単体でもよく、或いは、一つ以上の他の実施例と様々な順列又は組み合わせで組み合わされてもよい。
上述の詳細な説明は、詳細な説明の一部をなす添付の図面を参照することを含む。図面は、例示的に、本発明が実施される特定の実施形態を示す。これらの実施形態は本願では「実施例」としても称される。これら実施例は、本願に示す又は記載する要素の他にも要素を含む。しかしながら、本願の発明者は、本願に示す又は記載する素子だけが提供される実施例も検討する。更に、本願の発明者は、特定の実施例（又はその一つ以上の態様）に関して、又は、本願に示す又は記載する他の実施例（又はその一つ以上の態様）に関して、図示する又は記載する（又はその一つ以上の態様）要素の任意の組み合わせ又は順列を用いる実施例も検討する。
本明細書及び参照として組み込まれる任意の文書との間で使用法に一貫性がない場合、本明細書における使用法が支配する。
本明細書では、特許文献で一般に用いられるように、「少なくとも一つ」又は「一つ以上」の全ての他の場合又は使用法とは無関係に、一つ或いは一つより多くを含む場合には「一つ」が使用される。本明細書では、「又は」といった用語は、非制限的であり、特に説明しない限り「Ａ」又は「Ｂ」は、「ＡであるがＢでない」、「ＢであるがＡでない」及び、「Ａ及びＢ」を含むよう使用される。本明細書では、「含む」及び「〜の場合」といった用語は、「有する」及び「そこで」といった対応する用語の分かりやすい英語の等価物として使用される。更には、添付の特許請求の範囲の請求項において、「含む」及び「有する」といった用語には制約がなく、つまり、請求項の当該用語の後に列挙される要素の他に要素を含むシステム、装置、物品、構成、形成、又は、プロセスも請求項の範囲内にあると考えられる。添付の特許請求の範囲では、「第１」「第２」、及び、「第３」等といった用語は、ラベルとして使用されているに過ぎず、その対象物に数的要件を課すことは意図されていない。
本明細書では、特許文献で一般に用いられるように、「少なくとも一つ」又は「一つ以上」の全ての他の場合又は使用法とは無関係に、一つ或いは一つより多くを含む場合には「一つ」が使用される。本明細書では、「又は」といった用語は、非制限的であり、特に説明しない限り「Ａ」又は「Ｂ」は、「ＡであるがＢでない」、「ＢであるがＡでない」及び、「Ａ及びＢ」を含むよう使用される。本明細書では、「含む」及び「〜の場合」といった用語は、「有する」及び「そこで」といった対応する用語の分かりやすい英語の等価物として使用される。更には、添付の特許請求の範囲の請求項において、「含む」及び「有する」といった用語には制約がなく、つまり、請求項の当該用語の後に列挙される要素の他に要素を含むシステム、装置、物品、構成、形成、又は、プロセスも請求項の範囲内にあると考えられる。添付の特許請求の範囲では、「第１」「第２」、及び、「第３」等といった用語は、ラベルとして使用されているに過ぎず、その対象物に数的要件を課すことは意図されていない。
本開示の方法の実施例は、少なくとも部分的に機械又はコンピュータで実施され得る。幾つかの実施例は、上述の実施例で記載した方法を実施するために電子装置を構成するよう動作可能な命令で符号化されたコンピュータ可読媒体又は機械可読媒体を含み得る。このような方法の実施は、マイクロコード、アセンブリ言語コード、上位レベル言語コード等のコードを含み得る。このようなコードは、様々な方法を実施するコンピュータ可読命令を含み得る。コードは、コンピュータプログラム製品のある部分を形成してもよい。更に、一実施例では、コードは、一つ以上の揮発性且つ非一過性の、又は、不揮発性の実体のあるコンピュータ可読媒体に実行中又は他の時に明白に記憶され得る。これら実体のあるコンピュータ可読媒体の実施例として、ハードディスク、取り外し可能な磁気ディスク、取り外し可能な光ディスク（例えば、ＣＤ及びＤＶＤ）、磁気カセット、メモリカード又はスティックＲＡＭ、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）等が挙げられるが、これらに制限されない。
上述の説明は、制限的でなく例示的であることが意図される。例えば、上述の実施例（又はその一つ以上の態様）は、互いと組み合わせて使用されてもよい。上述の説明を検討する上で、他の実施形態が当業者によって用いられてもよい。要約書は、技術的開示の本質を迅速に確認するものであり、請求項の範囲又は意義を解釈又は制限するために使用されないといった理解の下で提供される。更に、上述の「発明を実施するための形態」では、様々な特徴を一緒にグループ化して本開示を簡素化してもよい。これは、未請求の開示する特徴がどの請求項にも必須であることを意図していると解釈されてはならない。むしろ、発明の技術的内容は、特定の開示する実施形態の全ての特徴に満たなくてもよい。そのため、添付の特許請求の範囲は、ここでは実施例又は実施形態として「発明を実施するための形態」に組み込まれる。各請求項はそれ自体で別個の実施形態となり、また、これらの実施形態は様々な組み合わせ又は順列で互いと組み合わされ得ることが考えられる。発明の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照して、請求項の権利が与えられる等価物の完全な範囲と共に、決定されるべきである。
Claims (25)
- バイポーラ鉛酸電池板である第１の電池板を備える装置であって、前記第１の電池板が、
導電性シリコンウェハと、
前記導電性シリコンウェハの第１の側に位置する、グリッド構造または一列に並んだ構造を有する第１の機械的支持部と、
前記導電性シリコンウェハの第１の側及び前記第１の機械的支持部に接着され、第１の極性を有する第１の活物質と、
前記第１の側と反対側の前記導電性シリコンウェハの第２の側に位置する、グリッド構造または一列に並んだ構造を有する第２の機械的支持部と、
前記導電性シリコンウェハの第２の側及び前記第２の機械的支持部に接着され、前記第１の極性と反対の第２の極性を有する第２の活物質とを含み、前記導電性シリコンウェハが前記導電性シリコンウェハのバルクと前記第１の活物質との間の第１のシリサイドを含む、装置。 - 前記導電性シリコンウェハが前記導電性シリコンウェハのバルクと前記第２の活物質との間の第２のシリサイドを含む、請求項１記載の装置。
- 前記第１及び第２のシリサイドは互いに異なる材料を含む、請求項２記載の装置。
- 前記第１の電池板と第２のバイポーラ電池板とを収容するように構成された筐体と、
第１の極性を有する前記第１の電池板の表面と、第２の極性を有する前記第２のバイポーラ電池板の表面との間の領域に位置する電解液とを備える請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の装置。 - 前記領域における前記電解液は、前記筐体内において他の電解液を含む領域からシールされている、請求項４記載の装置。
- 前記第１の機械的支持部は、一列に並んだ構造を有する、請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載の装置。
- 前記第１の機械的支持部がグリッド構造を有する、請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載の装置。
- 前記導電性シリコンウェハが、前記第１の活物質と前記第１のシリサイドとの間に位置する第１の接着層を含む、請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載の装置。
- 前記第１の接着層が鉛を含む、請求項８記載の装置。
- 前記導電性シリコンウェハがｎ型にドープされる、請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載の装置。
- 前記導電性シリコンウェハが単結晶又は多結晶である、請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載の装置。
- 前記第１の電池板と前記第２のバイポーラ電池板との間に位置するセパレータを備える請求項４記載の装置。
- 前記セパレータが吸収ガラスマットを含む、請求項１２記載の装置。
- バイポーラ鉛酸電池板を提供する方法であって、
導電性シリコンウェハを形成すること、
グリッド構造または一列に並んだ構造を有する第１の機械的支持部を形成すること、
前記第１の機械的支持部に第１の極性を有する第１の活物質を塗布すること、
前記第１の活物質を含む前記第１の機械的支持部を前記導電性シリコンウェハに接着して電池板を提供することを備え、
前記導電性シリコンウェハを形成することが、前記導電性シリコンウェハの第１の表面に第１のシリサイド層を形成することを含み、
前記第１の機械的支持部が鉛とプラスチックの少なくとも一方を含む、方法。 - バイポーラ鉛酸電池板を提供する方法であって、
導電性シリコンウェハを形成すること、
グリッド構造または一列に並んだ構造を有する第１の機械的支持部を形成すること、
前記第１の機械的支持部に第１の極性を有する第１の活物質を塗布すること、
グリッド構造または一列に並んだ構造を有する第２の機械的支持部を形成すること、
前記第２の機械的支持部に第２の活物質を塗布すること、
前記第１及び第２の活物質を含む前記第１及び第２の機械的支持部を前記導電性シリコンウェハに接着してバイポーラ電池板を提供することを備え、
前記導電性シリコンウェハを形成することが、前記導電性シリコンウェハの第１の表面に第１のシリサイド層を形成することを含む、方法。 - 前記導電性シリコンウェハを形成することは、前記導電性シリコンウェハの第２の表面に第２のシリサイド層を形成することを備える、請求項１５記載の方法。
- 前記第１及び第２の機械的支持部はプラスチックを含む、請求項１記載の装置。
- 前記第１及び第２の機械的支持部は鉛を含む、請求項１記載の装置。
- 前記第１及び第２の機械的支持部はプラスチックを含む、請求項１５記載の方法。
- 前記第１及び第２の機械的支持部は鉛を含む、請求項１５記載の方法。
- 第１の電池板を備える装置であって、前記第１の電池板が、
導電性シリコンウェハと、
前記導電性シリコンウェハの第１の側の上にパターン化された第１の機械的支持部と、
前記導電性シリコンウェハの第１の側及び前記第１の機械的支持部に接着され、第１の極性を有する第１の活物質と、
前記第１の側と反対側の前記導電性シリコンウェハの第２の側の上にパターン化された第２の機械的支持部と、
前記導電性シリコンウェハの第２の側及び前記第２の機械的支持部に接着され、前記第１の極性と反対の第２の極性を有する第２の活物質とを含み、前記導電性シリコンウェハが前記導電性シリコンウェハのバルクと前記第１の活物質との間の第１のシリサイドを含む、装置。 - 前記第１の機械的支持部および前記第２の機械的支持部のうちの少なくとも一方は、一列に並んだ構造を有する、請求項２１に記載の装置。
- 前記第１の機械的支持部および前記第２の機械的支持部のうちの少なくとも一方は、グリッド構造を有する、請求項２１に記載の装置。
- 前記第１の機械的支持部および前記第２の機械的支持部のうちの少なくとも一方は、メサアレイパターン又はバンプアレイパターンを有する、請求項２１に記載の装置。
- 前記第１の機械的支持部および前記第２の機械的支持部のうちの少なくとも一方は、はんだペーストを含む、請求項２１に記載の装置。
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