TW201633598A - 具有碟形離散元件之儲電系統、離散元件、其製造方法及用途 - Google Patents

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Abstract

本發明係有關於一種厚度小於2mm之儲電系統，包含至少一碟形離散元件，其特徵在於，相對過渡金屬或過渡金屬之離子，特別是鈦之腐蝕而言，該碟形離散元件具有較高之耐受性，其中該碟形離散元件含鈦，以及本發明亦有關於一種應用於儲電系統中之碟形離散元件，相對過渡金屬或過渡金屬之離子，特別是鈦之腐蝕而言，該碟形離散元件具有較高之耐受性。

Description

具有碟形離散元件之儲電系統、離散元件、其製造方法及用途
本發明係有關於一種厚度小於2mm之儲電系統。
儲電系統已久為人知，其包括電池，亦包括所謂之「超級電容器」。特定言之，儲電系統能實現較高的能量密度，因此，在將所謂之「鋰離子電池」應用於電動交通等新興領域方面有過討論，近年來亦有將其應用於智慧型手機或膝上型電腦等便攜式設備的討論。其中特定言之，此等傳統之可充電鋰離子電池之主要特徵在於，應用有機之基於溶劑的液態電解質。但此等電解質係可燃，並會在使用此類鋰離子電池時造成安全隱患。可用固態電解質取代有機電解質。此種固態電解質之傳導性通常遠低於(即相差多個數量級)相應之液態電解質。為獲得可接受之傳導性並利用可充電鋰離子電池之優點，目前主要以所謂之「薄膜電池」(TFB)即薄膜儲存元件之形式製造此類固體電池。其主要應用於行動場合，如應用於所謂之「智慧卡」、醫療技術及感測機構及智慧型手機，以及應用於需要智慧型、小型化乃至可撓性之能源的其他場合。
US 2008/0001577描述一種基於鋰之示例性薄膜儲存元件，其通常由一基板構成，第一塗佈步驟係往此基板塗佈用於此二電極的導電集流體。隨後之製程中，先將陰極材料沉積在用於陰極(通常為鋰鈷氧化物LCO)之集流體上。下一步驟係沉積一固體電 解質，其通常指由鋰、氧、氮及磷等物質構成之無定形材料，此無定形材料稱作LiPON。下一步驟係以某種方式沉積一陽極材料，使其與基板、用於陽極之集流體以及固態電解質相結合。此陽極材料尤指金屬性鋰。將此二集流體導電相連時，鋰離子會在帶電狀態下因此固體離子導體而自陽極朝陰極遷移，在此情況下，因此二集流體之導電連接而產生一自陰極至陽極的電流。反之在不帶電狀態下，可透過施加一外部電壓來迫使離子自陰極朝陽極遷移，從而為電池充電。
US 2001/0032666 A1亦描述一種示例性薄膜儲存元件，其同樣包括一基板，需要往此基板沉積多種功能層。
一般而言，針對此種薄膜儲存元件而沉積之層的層厚小於等於20μm，通常小於10μm，甚或小於5μm；其中，層結構之總厚度可小於等於100μm。
本申請案中之薄膜儲存元件例如係指可充電之基於鋰之薄膜儲存元件及超級電容器；但本發明並非僅限於此等系統，本發明亦可應用於更多薄膜儲存元件，如可充電及/或印刷薄膜電池。
通常透過若干複雜之塗佈法來製造薄膜儲存元件，此等塗佈法亦包括對各材料進行構造化沉積。其中可對各具體之薄膜儲存元件進行非常複雜的構造化處理，參閱US 7494742 B2。此外在涉及基於鋰之薄膜儲存元件時，在採用金屬性鋰為陽極材料後，其較強的反應性會造成較大的困難。舉例而言，必須在儘可能無水之條件下處理金屬性鋰，否則其便會反應成為氫氧化鋰並喪失作為陽極的功能。此外還必須對基於鋰之薄膜儲存元件加以封裝以免其 受水分之影響。
US 7494742 B2描述了用於對薄膜儲存元件之非穩定成分(例如鋰或某些鋰化合物)提供保護之此種封裝。該案中係藉由一塗層或者藉由不同塗層之系統來承擔封裝功能，此等塗層在電池之整個結構中還可承擔更多功能。
此外在基於鋰之薄膜儲存元件的製造條件下，特別是在形成適用於鋰插入之晶體結構所需之所謂退火或回火步驟中，移動鋰離子會與基板發生有害的副反應，因為鋰具有較高之移動性且易於擴散至常見基板材料，參閱公開案US 2010/0104942 A1。
薄膜儲存元件的另一難題在於使用的基板材料。先前技術描述大量不同之基板材料，如矽、雲母、多種金屬以及陶瓷材料。亦曾多次提及過玻璃之應用，但大體上未提及過其詳細組成或具體特性。
US 2001/0032666 A1描述一種電容器狀儲能器，其亦可指鋰離子電池。該案中之基板材料主要指半導體。
US 6906436 B2描述一種固體電池，其例如可將金屬薄膜、半導體材料或塑膠薄膜用作基板材料。
US 6906436 B2將多種可能性列為可能之基板材料，如金屬或金屬塗層、半導體材料或者藍寶石、陶瓷或塑膠等絕緣體。此基板可採用不同的幾何形狀。
US 7494742 B2主要將金屬、半導體、矽酸鹽及玻璃以及無機或有機之聚合物列為基板材料。
US 7211351 B2將金屬、半導體或絕緣材料以及上述之組合物列為基板。
US 2008/0001577 A1將半導體、金屬或塑膠薄膜列為基板。
EP 2434567 A2中的基板為導電材料(如金屬)、絕緣材料(如陶瓷或塑膠)及半導電材料(如矽)以及半導體與導體之組合物，或者為用於對熱膨脹係數進行調整的複雜結構。上述材料及類似材料亦被公開案US 2008/0032236 A1、US 8228023 B2及US 2010/0104942 A1列出。
而US 2010/0104942 A1僅將由以下材料構成之基板列為可用基板材料：熔點較高之金屬及金屬合金以及高溫石英、矽晶圓、氧化鋁等介電材料。其原因在於，用通常所使用之鋰鈷氧化物(LCO)來製造陰極時，需要在大於等於500℃之溫度下進行熱處理，以便為儲存Li+離子而在此材料中獲得極佳之晶體結構，故無法使用軟化溫度較低之聚合物或無機材料。但金屬及金屬合金以及介電材料亦具多種困難：舉例而言，介電材料通常易碎且無法應用於成本較低之捲對捲製程，而金屬及金屬合金會在陰極材料之高溫處理期間發生氧化。為克服上述困難，US 2010/0104942 A1提出一種由不同之金屬或矽構成的基板，其中相互結合之材料的氧化還原電位彼此匹配，從而實現可控氧化。
前述US 2010/0104942 A1所要求之較高的基板熱負荷強度亦在許多場合下有過討論。舉例而言，對處理條件進行調整後，亦能使用熱負荷強度為450℃或更低的基板。不過前提條件在於使得基板被加熱及/或由O2與Ar構成之濺鍍氣體混合物被最佳化及/或施加偏壓及/或在基板附近施加第二濺鍍電漿的沉積法。例如在US 2014/0030449 A1、Tintignac et al.,Journal of Power Sources 245(2014),76-82或者Ensling,D.,Photoelektronische Untersuchung der elektronischen Struktur dünner Lithiumkobaltoxidschichten,Dissertation,technische Universität DarmStadt 2006(Ensling,D.所著《鋰鈷氧化物薄膜之電子結構的光電子研究》，達木士塔工業大學2006年博士論文)中提出過相關資料。但一般而言，此類處理技術方面之調整措施較為昂貴，且視具體處理方式而言，特別是在對晶圓進行連續式塗佈的情況下，很難以成本合理之方式實現。
US 2012/0040211 A1描述一種用作基板之玻璃薄膜，其最大厚度為300μm，表面粗糙度不大於100Å。此種較小之表面粗糙度是必要的，因為薄膜儲存元件之各層通常具有極小之層厚。即使較小的表面不平度亦可能使得薄膜儲存元件之功能層發生嚴重故障從而造成電池整體失效。
上述情形亦適用於公開案WO 2014 062676。該案提出一種採用硼矽玻璃或鈣鈉玻璃的薄膜電池。但該案就基板厚度變化所作的說明亦較少。
綜上所述，傳統薄膜儲存元件之難題在於所用材料之易腐蝕性，特別是在使用金屬性鋰的情況下，會造成複雜之層結構從而增大成本，另一難題在於基板之類型，基板特別是應不導電、具可撓性、耐高溫以及針對儲存元件之所用功能層而言具有極高惰性，且能夠以良好之層間附著力將儘可能無缺陷之層沉積在基板上。然而實踐表明，即使用表面粗糙度極小之基板，如US 2012/0040211 A1所提出之玻璃薄膜，亦會因裂紋及/或層脫落而發生層失效現象，參閱US 2014/0030449 A1。但如前所述，前述之在製造鋰鈷氧化物層時透過施加偏壓來避免高退火溫度的做法，難以 與常見之用於製造薄膜儲存元件之線內處理相結合，因此，就處理技術而言較佳使用耐高溫之基板。
就所有基板材料而言(無論其詳細組成如何)的另一難題在於，超薄玻璃之各種處理解決方案。所謂之「載體解決方案」在於，在塗佈製程或轉移工序前或者在塗佈製程或轉移工序期間將超薄玻璃暫時固定在一墊片上。可用靜電力或者使用某種可剝落之有機黏合材料來實現此點。特別是在採用此種有機黏合材料時，必須透過選擇適宜的基板或載體(二者通常由同一材料製成)來實現剝離，即基板與載體之分離。此種剝離通常會在基板中造成扭轉應力，其中此等應力亦可能傳遞至位於基板上的層，從而同樣會造成裂紋及/或層脫落，此種情況會加劇基板厚度波動所引發之層錯誤。
原則上，亦可使用高能光學能源，例如準分子雷射器，來實施薄膜儲電元件之製造中的某些加工步驟。在此情形下，為實現所有加工方案，例如用雷射器切割晶圓，或透過UV源對有機黏合材料進行固化，基板材料之UV透射較佳係可針對性改變。
本發明之目的在於提供一種包含碟形離散元件之儲電系統、該碟形離散元件，以及其製造及用途。
本發明之另一目的在於提供一種儲電元件，特別是薄膜儲存元件，其克服當前之先前技術的缺陷，並實現薄膜儲存元件之低成本製造。本發明之另一目的在於提供一種應用於儲電系統中之碟形元件，以及其製造及用途。
該碟形離散元件需要克服先前技術之缺陷，且應具有>400℃之足夠的熱穩定性，以及相對電池成分所引起之污染具有 足夠的穩定性，為此針對水分具有較高之障壁作用，且該碟形離散元件之相對UV輻射的透射率或阻斷率係與特定電池設計之製程及需求匹配。此外，該基板必須有助於所施覆之層的良好附著，特別是就最接近之層(通常為LCO)之沉積而言，實現適宜的膨脹係數。
本發明意外發現，透過以下方式便能簡單地達成上述目的：將一碟形離散元件插入薄膜儲存元件，相對所採用之晶圓尺寸或基板尺寸而言，該碟形離散元件之總厚度變化(total thickness variation,ttv)<25μm，較佳<15μm，尤佳<10μm，最佳<5μm。亦即，該資料所基於之晶圓尺寸或基板尺寸的範圍為：>100mm直徑或100mm．100mm尺寸，較佳>200mm直徑或200mm．200mm尺寸，尤佳>400mm直徑或400mm．400mm尺寸。
在本申請案中，「碟形」係指一模製體，該元件沿一空間方向之延伸度比沿另兩個空間方向之延伸度至少小一半。在本申請案中，「離散」係指一模製體，其可自觀察之儲電系統分離，特別是亦可單獨存在。
為維持電池之相似品質，該碟形離散元件之厚度分佈的較高均勻度至關重要。通常在包含或不含遮蔽的晶圓級上製造薄膜電池，隨後對其進行切割。在厚度恆定性不足的情況下，就一個晶圓上之電池，或者至少就不同晶圓上之電池而言，其可能具有不同之厚度，進而在重量/能量密度方面具有不同之規格。特別是在應用對該儲電元件之產品規格的極高恆定性有要求的情況下，上述情形較為不利。透過較小之總厚度變化，能夠減小質檢成本，以及避免報廢。
此外，對於薄膜儲存元件之沉積而言，在將該碟形離 散元件用作基板的情況下，該碟形離散元件之厚度分佈的較高均勻度使得該等層以同樣平整，且無側向層厚分佈波動的方式沉積在該基板上。此點使得在後續工序中，例如在沉積完畢後對LCO層進行回火時，不會在各層中，或者在各層間之相應的界面上，特別是亦不會在層與基板間之界面上，產生局部應力。如此便能有效地避免裂紋及/或脫落。
亦即，實踐表明，特別是就在發生層中裂紋或層自基板之脫落的情況下的層失效而言，其主因並非基板之表面不平度，而是厚度波動之組合，以及在基板自所謂之「載體」脫落時傳遞至該基板的作用力。
此外，一種經證明的有利方案為，該碟形離散元件之在UV範圍內的特性，即吸收及透射，係根據具體選擇之組成進行過針對性調節。
基於此經針對性調節的透射特性，能夠藉由電磁輻射處理簡單地實施一系列工序，例如-在將該基板自載體剝離時進行輔助，因為如此便能極有效地將該有機黏接層分離，-對封裝層進行固化，以防止該保存元件被腐蝕性介質(例如氧及/或水蒸氣)腐蝕，例如參閱DE 10 2012 206 273 A1，以及-透過高能階輻射對該鋰鈷氧化物層進行回火，從而以儘可能定量的方式，提供所期望的、具特定之較高儲存密度的結晶高溫相。
本發明之碟形離散元件之厚度小於等於2mm，較佳小於1mm，尤佳小於500μm，更佳小於等於200μm。基板厚度最佳小於等於100μm。
舉例而言，如此便能直接製造具所期望之厚度的碟形離散元件。但亦可透過以下方式實現目標厚度：在製造或進一步處理完畢後的一工序中，例如透過研磨、蝕刻及拋光製程中的一或多個，將較厚之碟形離散元件薄化。
根據本發明的一種實施方式，該碟形離散元件之水蒸氣穿透率(WVTR)<10-3g/(m2．d)，較佳<10-5g/(m2．d)，尤佳<10-6g/(m2．d)。
根據另一實施方式，在350℃溫度以及頻率為50Hz之交流電的條件下，該碟形離散元件之比電阻大於1.0．106Ohmcm。
該碟形離散元件之另一特徵在於至少400℃，較佳至少500℃的最大耐熱性，以及在於2.0．10-6/K至10．10-6/K，較佳2.5．10-6/K至8.5．10-6/K，尤佳3.0．10-6/K至8.0．10-6/K的線性熱膨脹係數α。實踐表明，可透過以下方式來在薄膜儲存元件中獲得極佳之層品質：最大負荷溫度θMax(單位為℃)與線性熱膨脹係數α間存在以下關係式： 600．10-6 θMax．α8000．10-6，尤佳800．10-6 θMax．α5000．10-6。
若非特別說明，該線性熱膨脹係數α係在20至300℃之範圍內給出。本申請案中，α與α(20-300)該二名稱通用。所給出之值係指依據ISO 7991以靜態量測測得之額定平均線性熱膨脹係數。
在該用途中，最大負荷溫度θMax係指某個溫度，在該溫度下，該材料尚能完全維持其形狀穩定性且尚未發生分解反應及/或降解反應。當然，該溫度亦可視所用材料而採用不同的定義。就 氧化物晶體材料而言，該最大負荷溫度通常由熔化溫度給出；就玻璃而言，則通常為玻璃轉化溫度Tg，其中有機玻璃之分解溫度亦可低於Tg，就金屬或金屬合金而言，該最大負荷溫度可近似地由熔化溫度給出，除非該金屬或金屬合金在該熔化溫度以下發生降解反應。
該轉變溫度Tg由以5K/min之加熱速率所量測之延伸曲線的該二分枝上之切線的交點給出。此處係依據ISO 7884-8或DIN 52324進行量測。
根據另一實施方式，該碟形離散元件之至少一側具有一表面，其係採用使針對施覆於此表面上之材料具有惰性及/或較弱之透過性及/或不可透過性的構建方案。
根據另一實施方式，此至少一表面係構建為針對金屬之擴散的障壁。
根據另一實施方式，此至少一表面係構建為針對過渡金屬或過渡金屬之離子的障壁。
此金屬較佳為鈦。
根據另一實施方式，藉由摻雜或過摻雜，使得此實施於該碟形元件之至少一表面上的障壁配設有鹼金屬及/或鹼土金屬(例如鋰)或過渡金屬。實踐表明，較小含量之鋰，抑或較小含量之過渡金屬，便能防止有害過渡金屬自(例如由鈦酸鋰、金屬性鈦或鈦合金構成之)儲電元件之層材料擴散入該碟形離散元件，或減小此效應。
過渡金屬離子，例如鈦離子可能會以各種方式向內擴散入該碟形離散元件，使得其發生變化，及/或造成其內部構造不穩 定。
可透過各種方式對該等碟形離散元件之相對過渡金屬(例如鈦)的穩定性進行檢驗。
A)使得該等碟形離散元件與金屬組件接觸
一種方案為，對該等碟形離散元件之相對金屬性鈦的穩定性進行檢測。金屬性鈦例如用作薄膜儲存元件中之黏接層及/或接觸層。在製造此種過渡金屬層期間，金屬會與基板，即與該碟形離散元件發生反應。此外，在該薄膜儲存元件處於充電及放電循環中的情況下，該基板亦會與該過渡金屬層發生接觸反應。
為對該等碟形離散元件之相對過渡金屬的溫度性進行檢測，可施覆若干金屬層，隨後對此等此等金屬層實施其他用於檢驗接觸穩定性的工序。
為對該碟形離散元件之相對金屬性鈦的接觸穩定性進行檢驗，透過濺鍍法來施覆若干金屬性鈦層。其中將通常為氬的稀有氣體原子離子化，並透過施加負電壓使得其朝金屬性鈦靶加速。如此使得鈦原子自該靶分離，並在附近之基板上沉積成薄膜。為檢測接觸穩定性，施覆厚度約為100nm之層。
B)使得該等碟形離散元件與金屬之離子接觸
為對過渡金屬(例如鈦)之離子朝該碟形離散元件之擴散加以確定，可施覆過渡金屬之溶膠。
若需對鈦離子之擴散進行檢驗，可將鈦之氧化態大於0的含鈦溶膠施覆至該碟形離散元件。隨後，為對鈦離子在多年內施加於該等碟形離散元件的負荷進行模擬，將該等塗佈有含鈦溶膠之基板加熱至550℃。
例如透過將342.2g(相當於1.5mol)鈦酸四乙酯(Ti(OEt)4)與150.18g(相當於1.5mol)乙醯丙酮錯合，來獲得此種含鈦溶膠，其中透過滴液漏斗在20分鐘內將乙醯丙酮滴至鈦酸四乙酯(Ti(OEt)4)。隨後將如此獲得之溶液攪拌一小時。隨後，透過在旋轉式蒸發器中進行旋轉，將所產生之乙醇及該反應溶液之多餘的水移除。獲得近棕色之粉末，隨後在125℃下對該粉末進行為時4h的乾燥。將如此獲得之粉末中的5g溶解在95g乙醇中。將該等樣本浸入如此獲得之溶液，且為製造厚度為100nm之層，以20cm/min之速度將該等樣本自溶液拉出。
為對製造薄膜儲存元件時的條件，以及對此種薄膜儲存元件在充電及放電循環中的壽命進行實際模擬，在製造後，在爐製程中對配設有金屬性鈦層或含鈦離子之層的樣本進行處理。此處理包含：-以5K/min之加熱速率將該等樣本自室溫加熱至550℃
-在550℃下保持20分鐘
-在爐中冷卻至室溫
在爐處理後，透過飛行時間質譜分析(ToF-SIMS,Time of Flight Secondary Ion Mass Spectroscopy)，對該金屬之擴散入樣本的程度進行研究。其中透過離子炮將該等樣本之較小區域(約300．300μm2)連續移除(濺鍍)，並透過分析循環將此過程中斷。將該等分析循環中所偵測之釋放元素的離子作為濺鍍時間之函數記錄。在最簡單的情形下，獲得強度-濺鍍曲線。藉由對不同樣本之曲線進行比較，便能對鈦擴散入不同基板材料的程度進行分析。
如下對該等強度-濺鍍時間曲線進行評價： -首先透過確定濺鍍時間「tGF」來識別層與基板材料之界面，其中在層中恆定之Ti訊號開始遞降，與此同時，構建該碟形離散元件之元素的訊號增強。
-隨後透過確定該濺鍍時間「tET」來識別鈦之最大滲透深度，其中Ti訊號在該時間遞降至恆定水平，-最後透過求差值「tET-tGF」來確定鈦對該材料的滲透深度。
本發明之碟形元件係由至少一氧化物，或者由氧化物之混合物或化合物構成。
根據本發明的另一實施方式，此至少一氧化物係指SiO2。
根據本發明的另一實施方式，該碟形元件係由玻璃構成。本申請案中之玻璃係指某種材料，其大體採用無機結構且主要由金屬及/或半金屬之化合物構成，其包含元素週期表之VA、VIA及VIIA族元素，但較佳包含氧，且該材料之特徵在於無定形，即非週期性排列之三維狀態，以及在350℃溫度以及頻率為50Hz之交流電的條件下，大於1.0．106Ohmcm的比電阻。故特定言之，用作固體離子導體之無定形材料LiPON不適合作為本申請案中之玻璃。
根據本發明的另一實施方式，藉由熔化工藝來獲取本發明之碟形元件。
較佳藉由該熔化工藝完畢後之成形工藝來使得該碟形元件呈碟形。其中，該成形可緊隨熔化工藝進行(所謂之「熱成形」)。但亦可首先獲得一大體無定形之窗口，再於另一步驟中藉由再次加熱及機械變形來將其轉變為碟形。
根據本發明的一種實施方式，透過熱成形工藝來對該碟形元件進行成形時，係採用拉伸法，如下拉法、上拉法或溢流熔融法。但亦可採用其他熱成形工藝，例如以浮法進行成形。
特定言之，在儲電系統中，可將該碟形離散元件用作用於沉積儲能用功能層的基板。亦可用該碟形離散元件來遮蓋儲電系統之功能層的結構，或將該碟形離散元件用作頂置板。
在本發明中，「頂置板」係指一碟形離散元件，其並非用作基板，即並非作為用於施覆其他精飾或上部結構之墊片，而是用作支承元件，例如蓋部或玻璃罩。其中，在用作頂置板(例如玻璃罩)前，該頂置板本身亦可經過獨立之製程，在此等製程中，該頂置板承擔用於此等獨立製程之基板的功能，且例如承載若干上部結構或構造，例如用於選擇性調節光學透射的光學敷霜。
在本發明中，該頂置板可採用與該基板相同之材料。舉例而言，此方案在以下情形下較為有利：基板與頂置板需儘可能具有相同之熱膨脹係數，以避免熱應力。
實例
下表列出本發明之碟形元件的部分示例性組成。
實施例1
該碟形離散元件之組成示例性地由以下組成給出(單位為wt%)：
實施例2
本發明之另一碟形元件之組成示例性地由以下組成給出(單位為wt%)：
為更好地對本發明進行說明，下面的表1列出本發明之碟形離散元件的其他具體實施例(AB)，其就碟形離散元件之相對鈦的接觸穩定性進行研究。就相對鈦金屬及鈦離子之接觸穩定性，亦列出若干非本發明之碟形離散元件的比較實例(VB)。
所列舉之實例的組成資料皆以wt%給出。此外，20-300℃範圍內之熱膨脹係數α之值係以ppm/K給出，轉變溫度Tg以℃給出，密度以g/cm3給出。
研究表明，該碟形離散元件本身中之TiO2的存在使得相對該碟形離散元件的鈦擴散減小。此點亦適用於以下情形：並非透過金屬，而是以(例如TiO2中之)離子的形式實現鈦負荷。
因此，本發明之碟形離散元件包含至少2wt%的TiO2，較佳包含至少3wt%的TiO2。
1‧‧‧儲電系統
2‧‧‧應用為基板之碟形離散元件
3‧‧‧用於陰極之集流體層
4‧‧‧用於陽極之集流體層
5‧‧‧陰極
6‧‧‧電解質
7‧‧‧陽極
8‧‧‧封裝層
10‧‧‧實施為碟形模製體之碟形離散元件
圖1為金屬性及離子性鈦之滲透深度相對該碟形離散元件之TiO2含量的圖表；圖2為儲電元件之示意圖；及圖3為碟形離散元件之示意圖。
圖1示出該碟形離散元件之TiO2含量對金屬性鈦及離子性鈦之擴散的影響。其中以任意單位示出鈦之滲透深度，左側區域表示金屬性鈦，右側區域表示離子性鈦。其中，該等碟形離散元件之組成與表1中之實施例4或比較實例3對應。二者之區別在於，與實施例4相比，比較實例3不含TiO2。不論對於金屬性負荷還是離子性負荷，就鈦擴散而言，TiO2皆使得該含鈦碟形離散元件之滲透深度大幅減小。
圖2示出本發明之儲電系統1。其包括用作基板之碟形離散元件2。該基板上施覆有不同層之序列。示例性但並非僅限於本實例，首先往該碟形離散元件2施覆該二用於陰極之集流體層3及用於陽極之集流體層4。該等集流體層之厚度通常為數微米且係由金屬，如銅、鋁或鈦構成。集流體層3上沉積有陰極層5。在該儲電系統1為基於鋰之薄膜電池的情況下，該陰極由鋰過渡金屬化合物，較佳由其氧化物構成，例如由LiCoO2、LiMnO2或LiFePO4構成。此外在該基板上以與陰極層5至少部分重疊的方式施覆有電解質6，其中在設有基於鋰之薄膜電池之情形下，該電解質通常為LiPON，即鋰與氧、磷及氮的化合物。該儲電系統1還包括陽極7，其例如可指鋰鈦氧化物或金屬性鋰。陽極層7至少部分地與電解質層6以及與集流體層4重疊。電池1還包括封裝層8。
在本發明中，儲電系統1之封裝或密封係指某種材料，其阻止或大幅減輕流體或其他腐蝕材料對該儲電系統1之腐蝕作用。
圖3為本發明之碟形離散元件的示意圖，其在此構建 為碟形模製體10。根據本發明，呈碟形或圓盤之模製體表示以下情形：其沿一空間方向之延伸度最大為沿另兩個空間方向之延伸度的一半。根據本發明，呈帶狀之模製體表示以下情形：其長度、寬度與厚度存在以下關係式：長度至少十倍於寬度，寬度至少雙倍於厚度。
1‧‧‧儲電系統
2‧‧‧應用為基板之碟形離散元件
3‧‧‧用於陰極之集流體層
4‧‧‧用於陽極之集流體層
5‧‧‧陰極
6‧‧‧電解質
7‧‧‧陽極
8‧‧‧封裝層

Claims (44)

  1. 一種厚度小於2mm之儲電系統，包含至少一碟形離散元件，其特徵在於，相對過渡金屬或過渡金屬之離子，特別是鈦之腐蝕而言，該碟形離散元件具有較高之耐受性，其中該碟形離散元件含鈦。
  2. 如請求項1之儲電系統，其中，該至少一碟形離散元件之TiO2含量至少為2wt%，較佳至少為3wt%。
  3. 如請求項1或2之儲電系統，其中，該至少一碟形離散元件具有以下組成，單位為wt%：
  4. 如請求項1至3中任一項之厚度小於2mm之儲電系統，包含至少一碟形離散元件，其中，相對>100mm直徑或100mm．100mm尺寸，較佳>200mm直徑或200mm．200mm尺寸，尤佳>400mm直徑或400mm．400mm尺寸的晶圓或基板尺寸而言，該元件之厚度變化小於等於25μm，較佳小於等於15μm，尤佳小於等於10μm，最佳小於等於5μm。
  5. 如請求項1至4中任一項之儲電系統，其中，該至少一碟形離散元件之水蒸氣穿透率(WVTR)係<10-3g/(m2．d)，較佳<10-5g/(m2．d)，尤佳<10-6g/(m2．d)。
  6. 如請求項1至5中任一項之儲電系統，其中，該至少一碟形離散元件之厚度小於2mm，較佳小於1mm，尤佳小於500μm，更佳小於等於200μm，最佳小於等於100μm。
  7. 如請求項1至6中任一項之儲電系統，其中，該至少一碟形離散元件之比電阻在350℃溫度且頻率為50Hz之交流電的條件下，大於1.0．106Ohmcm。
  8. 如請求項1至7中任一項之儲電系統，其中，該至少一碟形離散元件之最大負荷溫度θMax為至少400℃，較佳為至少500℃。
  9. 如請求項1至8中任一項之儲電系統，其中，該至少一碟形離散元件之線性熱膨脹係數α為2.0．10-6/K至10．10-6/K，較佳為2.5．10-6/K至8.5．10-6/K，尤佳為3.0．10-6/K至8.0．10-6/K。
  10. 如請求項1至9中任一項之儲電系統，其中，該至少一碟形離散元件之最大負荷溫度θMax與線性熱膨脹係數α之乘積符合以下關係式：600．10-6 θMax．α8000．10-6，尤佳800．10-6 θMax．α5000．10-6。
  11. 如請求項1至10中任一項之儲電系統，其中，該至少一碟形離散元件之至少一表面係採用使針對與此表面發生接觸之材料具有惰性及/或較弱之透過性及/或不可透過性的構建方案。
  12. 如請求項11之儲電系統，其中，該至少一表面係構建為障壁。
  13. 如請求項12之儲電系統，其中，該障壁係構建為針對金屬之擴散的障壁。
  14. 如請求項13之儲電系統，其中，該障壁層係構建為針對過渡金屬之擴散的障壁。
  15. 如請求項14之儲電系統，其中，該障壁層係透過摻雜或過摻雜而配設有至少一鹼金屬及/或過渡金屬。
  16. 如請求項11至15中任一項之儲電系統，其中，該至少一表面之障壁作用係針對鈦。
  17. 如請求項1至16中任一項之儲電系統，其中，該至少一碟形離散元件係由至少一氧化物，或者由多個氧化物之混合物或化合物構成。
  18. 如請求項1至17中任一項之儲電系統，其中，該至少一碟形離散元件含有作為氧化物之SiO2。
  19. 如請求項1至18中任一項之儲電系統，其中，該至少一碟形離散元件係以玻璃的形式存在。
  20. 如請求項19之儲電系統，其中，該至少一碟形離散元件藉由熔化工藝與隨後之成形工藝而呈碟形。
  21. 如請求項20之儲電系統，其中，該隨後之成形工藝係指拉伸法。
  22. 一種應用於儲電系統中之碟形離散元件，其特徵在於相對過渡金屬或過渡金屬之離子，特別是鈦之腐蝕而言，該碟形離散元件具有較高之耐受性，其中該碟形離散元件含鈦。
  23. 如請求項22之應用於儲電系統中之碟形離散元件，其中，TiO2含量至少為2wt%，較佳至少為3wt%。
  24. 如請求項22或23之碟形離散元件，其中，該至少一碟形離散元件之以下組成，單位為wt%：
  25. 如請求項22至24中任一項之應用於儲電系統中之碟形離散元件，其中，相對>100mm直徑或100mm．100mm尺寸，較佳>200mm直徑或200mm．200mm尺寸，尤佳>400mm直徑或400mm．400mm尺寸的晶圓或基板尺寸而言，該元件之厚度變化不大於25μm，較佳不大於15μm，尤佳不大於10μm，最佳不大於5μm。
  26. 如請求項22至25中任一項之應用於儲電系統中之碟形離散元件，其中，厚度小於2mm，較佳小於1mm，尤佳小於500μm，更佳小於等於200μm，最佳小於等於100μm。
  27. 如請求項22至26中任一項之應用於儲電系統中之碟形離散元件，其中，水蒸氣穿透率(WVTR)<10-3g/(m2．d)，較佳<10-5g/(m2．d)，尤佳<10-6g/(m2．d)。
  28. 如請求項22至27中任一項之應用於儲電系統中之碟形離散元件，其中，比電阻在350℃溫度且頻率為50Hz之交流電的條件下，大於1.0．106Ohmcm。
  29. 如請求項22至28中任一項之應用於儲電系統中之碟形離散元件，其中，最大負荷溫度θMax為至少400℃，較佳至少500℃。
  30. 如請求項22至29中任一項之應用於儲電系統中之碟形離散元件，其中，線性熱膨脹係數α為2.0．10-6/K至10．10-6/K，較佳為2.5．10-6/K至8.5．10-6/K，尤佳為3.0．10-6/K至8.0．10-6/K。
  31. 如請求項22至30中任一項之應用於儲電系統中之碟形離散元件，其中，最大負荷溫度θMax與線性熱膨脹係數α之乘積符合以下關係式：600．10-6 θMax．α8000．10-6，尤佳800．10-6 θMax．α5000．10-6。
  32. 如請求項22至31中任一項之應用於儲電系統中之碟形離散元件，其中，該元件之至少一表面係採用使針對與此表面發生接觸之材料具有惰性及/或較弱之透過性及/或不可透過性的構建方案。
  33. 如請求項32之應用於儲電系統中之碟形離散元件，其中，該至少一表面係實施為障壁。
  34. 如請求項33之應用於儲電系統中之碟形離散元件，其中，該障壁層係實施為針對金屬之擴散的障壁。
  35. 如請求項34之應用於儲電系統中之碟形離散元件，其中，該障壁層係實施為針對過渡金屬之擴散的障壁。
  36. 如請求項35之應用於儲電系統中之碟形離散元件，其中，該障壁層透過摻雜或過摻雜而配設有至少一鹼金屬及/或過渡金屬。
  37. 如請求項22至36中任一項之應用於儲電系統中之碟形離散元件，其中，其係由至少一氧化物，或者由多個氧化物之混合物或化合物構成。
  38. 如請求項37之應用於儲電系統中之碟形離散元件，其中，該至少一氧化物為SiO2。
  39. 如請求項22至38中任一項之應用於儲電系統中之碟形離散元件，其中，該元件由玻璃構成。
  40. 一種請求項22至39中任一項之應用於儲電系統中之碟形離 散元件的製造，其特徵在於熔化工藝與隨後之熱成形。
  41. 如請求項40之應用於儲電系統中之碟形離散元件的製造，其中，該熱成形工藝係指拉伸法。
  42. 一種請求項22至39中任一項之碟形離散元件作為儲電系統中之基板的用途。
  43. 一種請求項22至39中任一項之碟形離散元件作為儲電系統中之頂置板的用途。
  44. 一種請求項22至39中任一項之碟形離散元件作為儲電系統中之蓋部的用途。
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