TWI493580B - 儲能裝置及其製造方法，及包含儲能裝置的行動電子裝置 - Google Patents

儲能裝置及其製造方法，及包含儲能裝置的行動電子裝置

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Description

儲能裝置及其製造方法，及包含儲能裝置的行動電子裝置
本發明所揭露的實施例大致是有關於儲能裝置，特別是有關於儲能裝置性能的增進及製造技術。
現代的社會依賴著能源的便利取得。隨著對於能源需求的增加，能夠有效地儲存能量的裝置變得愈來愈重要。因此，儲能裝置，包括電池、電容器、電化學電容器(EC)(包括偽電容器及電雙層電容器(EDLC)-在其他的名稱中也稱為超電容器)、混合式EC、及類似者，已被廣泛地應用於電子及其他的領域。具體地說，電容器被廣泛地應用於多種用途上，自電路及電力輸送至電壓調節及電池替代。電化學電容器的特色在於具有高儲能容量及其他所需的特性，包括高功率密度、小尺寸、及低重量，因此已成為數種儲能應用中具有未來性的方案。
前面所提到的相關案例(國際專利申請第PCT/US2010/029821號)中揭露使用例如說多孔矽而可用 以形成高能量密度電化學電容器的三維結構。在其所揭露的一些實施例中，一電化學製程用以蝕刻孔洞，深入至一矽結構內，且該等孔洞內填注以一種電解質或高k值介電材料及/或一層結合有電解質的薄的導電膜。
閱讀以下的詳細說明，並配合於所附圖式，將可對本文所揭露的實施例更清楚地瞭解。
100‧‧‧儲能結構
101‧‧‧儲能裝置
102‧‧‧導電性支撐結構
103‧‧‧非導電性支撐結構
110‧‧‧導電結構
111‧‧‧通道
112‧‧‧開口
115‧‧‧表面
120‧‧‧導電結構
121‧‧‧通道
130‧‧‧分隔件
140‧‧‧導電塗層
150‧‧‧電解質
231‧‧‧溝槽
330‧‧‧電雙層
400‧‧‧多孔結構
402‧‧‧未蝕刻層
411‧‧‧通道
500‧‧‧雙面多孔結構
511‧‧‧通道
512‧‧‧開口
515‧‧‧表面
521‧‧‧通道
522‧‧‧開口
525‧‧‧表面
550‧‧‧電解質
560‧‧‧中心區段
600‧‧‧儲能裝置
610‧‧‧中間區段
620‧‧‧上方區段
621‧‧‧單側多孔結構
622‧‧‧通道
625‧‧‧表面
626‧‧‧表面
630‧‧‧下方區段
631‧‧‧單側多孔結構
632‧‧‧通道
635‧‧‧表面
636‧‧‧表面
651‧‧‧電解質
652‧‧‧電解質
671‧‧‧導電層
672‧‧‧導電層
681‧‧‧分隔件
691‧‧‧內部區域
692‧‧‧外部區域
700‧‧‧儲能裝置
710‧‧‧交換網路
800‧‧‧方法
810‧‧‧作業
820‧‧‧作業
830‧‧‧作業
840‧‧‧作業
850‧‧‧作業
第1圖及第2圖是根據本發明一實施例的儲能裝置的剖面圖。
第3圖是形成於根據本發明一實施的多孔結構之通道內的電雙層的圖式。
第4a圖及第4b圖分別為多孔矽結構表面及剖面切片的影像。
第5圖是一雙面多孔結構的剖面圖，其可應用於根據本發明一實施例的儲能裝置內。
第6圖及第7圖是根據本發明實施例的儲能裝置的剖面圖。
第8圖是一流程圖，顯示出用以製做根據本發明實施例之儲能裝置的方法。
為簡單及清楚說明起見，圖式中顯示出結構的一般方法，而已知之結構及技術的說明及細節，為避免 不必要地混淆本文所述之實施例的探討，可能會加以略去。另外，圖式中的元件並不一定是依比例繪製。例如說，圖式中某些元件的尺寸，相對於其他的元件，可能會較為誇大，以有助於對本發明實施例的理解。某些圖式可能是以理想化的方式呈現，以有助於理解，例如在結構是顯示成具有直線、尖角、及/或平行平面或類似者，其等在真實世界的情形中，可能會很明顯地沒有那麼對稱及整齊。相同的參考編號在不同的圖式內均是代表相同的元件，相似的參考編號則可能，但並不一定代表相類似的元件。
在說明及申請專利範圍內所用的“第一”、“第 二”、“第三”、“第四”、及類似者等辭彙，如果有的話，是用來區別相類似的元件，並不一定是用來指示特定的順序或前後次序。應理解到，這樣使用的辭彙在適當的情形下是可以互相交換的，以使得本文所描述的本發明實施例能夠以例如說不同於本文所示或以其他方式描述的順序加以操作。同樣的，本文中的方法如果是描述為具有一系列的步驟或作業，則該等步驟或作業在本文中所呈現的，並不一定是該等步驟或作業唯一可實施的順序，所述的這些步驟或作業中有一些或許可以省略掉，及/或某些未在本文內加以描述的其他步驟或作業或許也可以加入本方法內。再者，“包括”、“包含”、“具有”、及其等任何的變化的辭彙，均是非排他性的包含在內，以使得具有一個元件清單的程序、方法、物件、或裝置不一定侷限於該等元件 而已，而可能包含未直接列於清單內之其他元件，或是包含該程序、方法、物件、或裝置本身固有的元件。
在說明及申請專利範圍中所用的“左”、“右”、“前”、“後”、“頂”、“底”、“上方”、“下方”、及類似者等辭彙，如果有的話，僅係供描述之用，並不一定是要說明永久的相對位置，除非有特別指出或上下文理間提及。應理解到，這些這樣使用的辭彙在適當的情形下是可以互相交換的，以使得本文所描述的本發明實施例能夠以例如說不同於本文所示或以其他方式描述的方向來加以操作。本文中所用的“耦接”一詞，是定義為以電氣或非電氣方式，直接或間接連接起來。在本文中描述為互相“鄰接”的物體，只要是在文句所應用的文理內是合適的情形下，可以是相互間做實體接觸、互相緊鄰在一起、或是位在同一個概略的範圍或區域內。在本文內所出現的“在一實施例中”的文句並不一定全部都是指同一個實施例。
使用多孔導電或半導電性基材，例如前面所提及之相關案例中所揭露者，所製做的電化學電容器，在能量儲存上能提供顯著的好處。但是將多孔導電或半導電性基材組合在一起，以形成一個大型的EC是相當具有挑戰性，因為多孔基材通常是扁平而相當薄且脆弱。該等基材可以製做成較厚些，以補償前述缺點，但是所造成的較深的孔洞，在填注以電解質及使用原子層沈積法(ALD)及類似者所沉積之薄膜上，卻是更具挑戰性。另外，較厚的多孔結構在製程中對於應力及裂隙會愈加敏感。如同下 文中將會詳細討論的，本發明的實施例可提供機械強度並能支撐EC或其他的儲能裝置，同時也能簡化其組裝。
在本發明的一實施例中，一儲能裝置包括一中間區段，具有複數個雙面多孔結構，其每一者均含有多個通道，位在其二個相對的表面上、一上方區段，包括一單面多孔結構，含有多個通道，位在其一表面上、以及一下方區段，包括一單面多孔結構，含有多個通道，位在其一表面上。
雖然本文中的許多討論內容是集中於電化學電容器，但“儲能裝置”的稱謂明確包含-除了EC以外還有-混合式電化學電容器(其將如同電化學電容器一樣在下文更詳細加以討論)及電池、燃料電池、以及類似之能儲存能量的裝置。根據本發明實施例的儲能裝置可使用於廣泛的應用中，包括個人電腦(PC)，包含桌上型及膝上型(筆記型)電腦、平板電腦、行動電話、智慧型手機、音樂播放器、伺服器、其他的電子裝置、汽車、巴士、火車、飛機、其他的交通工具、家庭用能量儲存器、由太陽或風力發電機所產生的能量的儲存器，特別是能量獵取裝置、以及其他許多者。
電化學電容器的運作所依據的是類似於用來統御習用平行板式電容器的原則，但仍有一些重大的差異。其中一項明顯的差別在於電荷分離的機制。對於重要的EC種類而言，通常此者所採取的形式是所謂的電雙層或EDL，而不是習用電容器的介電質。該EDL是由位在 界面一側的電子(或電洞)及位在另一側的離子帶電載子的電化學行為所產生於位在電解質與高表面積電極間的該界面上，且不管該雙層內的那二個層是非常的靠近在一起，都能造成電荷的有效分離。(實體分離距離是在一個奈米的級數。)因此，典型的EDL電容器可以視為將電荷儲存於其EDL內。EDL的每一個層都是導電性的，但該雙層的性質是可防止電流流動通過他們之間的邊界。
(EDL會在下文中配合第3圖進一步討論。)
如同習用電容器的情形一樣，EDL電容器內的電容量是正比於電極的表面積，而反比於電荷的分離距離。EDL電容器所能達成的極高電容量部分是因為歸因於多通道多孔結構而致的極高表面積及歸因於該EDL的奈米大小電荷分離距離，如前面所解釋的，該分離距離是因電解質的存在而產生的。可根據本發明實施例來加以應用的一種電解質型式是離子液。另一種是包含有內含離子之溶劑的電解質(例如Li2 SO4 、LiPF6 )。有機電解質、水性電解質、及固態電解質亦均為可行。
另一類的電化學電容器是偽電容器，其中除了EDL電容量以外，可在某些型式的電極的表面上形成一種不同的儲存機制-其本源為法拉第式，而非靜電式。這通常稱為“偽電容量”，其特點是一種類似於許多固態電極電池之運作的電荷儲存過程。一般而言，一偽電容器的電極之一上會塗佈過渡金屬氧化物，例如MnO2 、RuO2 、NiOX 、Nb2 O5 、V2 O5 等，或是塗佈其他的材料，包括 Mo2 N、VN、W2 N、W2 C(碳化鎢)、Mo2 C、VC、適當的導性聚物、或能用以構成可儲存電荷之活性材料的類似之材料。這些材料可配合電解質使用，例如氫氧化鉀(KOH)溶液；當該裝置充電時，該電解質會與該材料反應，而驅動能進行能量儲存的電荷移轉反應。更具體地說，這些材料係透過高度可逆的表面及近表面氧還(法拉第式)反應而將他們大部分的能量儲存起來，這可因快速的充電及放電動力學而提供比習用電池之大容量儲存更高的功率。
混合式電化學電容器是結合EC及電池特色的儲能裝置。在一例中，係將塗覆鋰離子材料的電極結合於一電化學電容器，以形成一種具有EC之快速充電及放電特性及電池之高能量密度的裝置。另一方面，混合式的EC，如同電池一樣，具有比電化學電容器短的預期壽命。
現在參閱圖式，第1圖及第2圖係一儲能結構100的剖面圖，其將用於引導初步的討論，介紹可有助於理解本發明實施例的概念及結構。如第1圖所示，儲能結構100包括一儲能裝置101及一導電性支撐結構102。另一種方案是，如所示第2圖，儲能結構100包括儲能裝置101及一非導電性支撐結構103。儲能裝置101包括一導電結構110及一導電結構120，由一分隔件130加以互相隔離開，該分隔件係為一電子絕緣體及一離子導體。分隔件130可防止導電結構110與120做實體接觸，因之而 可防止電氣短路。(在其他的實施例中，基於以下所討論的理由，一分隔件並非必要，且可省略掉)。
至少一導電結構110及120包括一多孔結構，具有多個通道，其每一者具有一通向該多孔結構表面的開口。此種結構是以下將說明之用來形成該多孔結構的製程所造成的。舉例來說，該多孔結構可形成於導電或半導體材料之內。另一種方式是，該多孔結構可形成於已具有導電膜(例如ALD導電性薄膜，如氮化鈦(TiN))覆膜的絕緣材料(例如礬土)之內。就此而言，具有較大導電性的材料是比較好的，因為他們可以降低儲能裝置的有效串聯電阻(ESR)。在所示的實施例中，導電結構110與導電結構120二者均包括有該種多孔結構。因此，導電結構110包括通道111，具有通向相關之多孔結構表面115的開口112，而導電結構120包括通道121，具有通向相關多孔結構表面125的開口122。
儲能裝置101有多種的結構是可行的。在第1圖的實施例中，例如說，儲能裝置101包括二個不同的多孔結構(也就是導電結構110及導電結構120)，其等係以面對面的方式結合在一起，而分隔件130位於其間。另舉一例，在第2圖的實施例中，儲能裝置101包括單一個平面狀的多孔結構，其中的一第一區段(導電結構110)由一內含有分隔件130的溝槽231加以與一第二區段(導電結構120)分隔開。該等導電結構之一者是正側，而另一導電結構則是負側。溝槽231可以沿著直線將導電結構 110與120分隔開，但另一種方式可能是以一種較為複雜的形狀來分隔他們，例如在二個叉合在一起的電極的指部之間的曲折空間。
舉例來說，分隔件130可以是可透膜或其他的多孔質聚合物分隔件。一般而言，該分隔件可防止陽極與陰極的實體接觸(這可能會造成該裝置的電氣故障)，但可允許離子帶電載子傳遞。除了聚合物分隔件以外，有數種其他的分隔件型式也是可行的。這些包括非織物纖維片或其他非織物分隔件、液態膜、聚合物電解質、固態離子導體、玻璃纖維、紙、陶瓷、及類似者。在某些實施例中，非織物分隔件是纖維的聚合體，該等纖維是任意方向或是配置成方向性的型樣。
應注意到，分隔件雖然顯示於第2圖內，但在其中所顯示的架構中不一定必要，因為例如說，支撐結構102即可用來維持結構110與120間實體分隔。另舉一例，導電結構110及120每一者均可附著至一陶瓷包裝件(未顯示)，其可讓這二個導電結構實體上互相分隔開。
舉例來說，導電結構110及120的多孔結構可由濕式蝕刻法加以生成，其中係以一液體蝕刻劑施用於該導電結構的表面上，而至少以一種有點類似水能在岩石中刻出渠道的方式將該導電結構的某些部分侵蝕掉。這就是為什麼每一通道均具有通向該導電結構表面的開口；濕式蝕刻法無法在該多孔結構內形成類似於包陷在岩石內之氣泡一樣的完全封閉空穴，也就是沒有通向表面之開口的 空穴。這並不是說那些開口無法被其他材料加以遮蓋住，或者因為其他材料的存在或加添而以其他方式被封閉起來-其實這在數種實施例中是可能會發生的-但無論是否被遮蓋住，所述之通向表面的開口是根據本發明至少一實施例之每一多孔結構內的每一通道的一項特點。(開口會被遮蓋住的一項實施例是將用來做為電路或其他佈線之處所的一層磊晶矽長在該等通道的頂面上的情形)。
在正確的蝕刻劑下，其將可以從多種材料製做出具有所述特性的多孔結構。各種型式的矽-包括冶金級矽，單晶矽，多晶矽，以及絕緣體矽(Silicon on Insulator)-即是一種作用良好的材料。舉例來說，使用氫氟酸(HF)與乙醇或異丙醇的混合物蝕刻矽基材即可產生多孔矽結構。更廣泛地說，多孔矽以及其他多孔結構可由陽極處理及染色蝕刻(Stain Etching)等製程予以形成。下文中將會更詳細地討論根據本發明實施例的蝕刻技術。
除了已經提到過的多孔矽以外，其他特別適合用於根據本發明實施例之儲能裝置的材料是多孔鍺及多孔錫。使用多孔矽的可能的好處包括其可與現有的矽技術相容及其富含於地殼內。多孔鍺因現有之該材料的技術之故而具有類似的好處，且和矽相比較下，具有天然氧化物(氧化鍺)為水溶性，因之而易於去除掉的額外優點。(形成在矽表面上的天然氧化物會捕捉住電荷，這是不好的結果。)多孔鍺亦和矽技術高度相容。使用多孔錫的可 能好處，其係一種零能帶隙的材料，包括其相對於某些其他導電及半導體材料具有較佳的導電性。
其他的材料亦可用來做該多孔結構，包括半導電性材料例如砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、氮化硼(BN)，碳化矽(SiC)，以及合金，例如矽及鍺的合金。有機半導體也可以使用。在某些實施例中，半導電性材料-或者甚至絕緣材料-可加以處理而使他們具導電性(或更具導性)。其一例是以會變性的方式來摻雜以硼的矽。除了多孔半導電性基材以外，多孔導電性基材亦可用來做EC，包括由金屬所構成的基材，例如銅、鋁、鎳、鈣、鎢、鉬、及錳。
再次參閱第1圖及第2圖，儲能結構100進一步包括(在第1圖所示的實施例中)一導電塗層140，位在該多孔結構的至少一部分上面及在至少一部分的通道111及/或通道121內。這種導電塗層在維持或增強該多孔結構之導電性上可能是必要的，其亦可降低ESR，因之而能改善性能。例如說，具有較低ESR的裝置可以輸送較高的功率(可能以較大的加速度、較大的馬力等作為呈現)。相反的，較高的ESR(通常普遍存在於傳統電池的情形上)則會限制可使用的能量，至少部份是因為許多的能量會以熱的形式耗散掉的此一事實，這是長期性能及安全性二者的關鍵性考量。
顯示於第1圖及第2圖中的是電解質150，其如前面所說明的，可造成EDL。電解質150(以及本文中 所提到的其他電解質)是以任意分佈的圓圈表示於圖式內。此種表示方式是要用來傳遞該電解質是一種含有自由離子帶電載子之物質(液態或固態，包含凝膠狀材料)的概念。該等圓圈的選用是為方便起見，並非意味著對於電解質成分或素質的任何限制，包含對於離子帶電載子之大小、形狀、或數量上的任何限制。
在導入電解質150後，在該多孔結構的通道內即形成一電雙層，如第3圖中示意地顯示的。在該圖式中，在通道111之一者內形成有一電雙層330。EDL 330是由二個部分所構成：通道111之側壁上的電荷(其在第3圖中是顯示為正，但在其他的實施例中則可能是負)；以及該電解質裏面的自由離子帶電載子。因此EDL 330可提供該電容器作動所必要的電荷分隔。如前面所解釋的，EDL電容器的大電容值，以及因之而致的儲能電位，部分是因為電解質離子帶電載子與電極表面電荷間的小分離距離(約1奈米(nm))。
應注意到，第1圖及第2圖對於多孔結構的圖示是一種高度理想化的方式，舉一例來說，所有的通道111及121均是顯示成僅沿著垂直方向延伸。實際上，該等通道會以多個方向分歧，形成一種糾結紛亂的態樣，看起來就像顯示於第4圖中的多孔結構一樣。
第4a圖及第4b圖分別是一多孔結構400(在此例中為多孔矽)的表面及剖面切片的掃描式電子顯微鏡(SEM)影像。如圖所示，多孔結構400含有多個通道 411。應理解，通道411可能會沿著他們的長度扭曲及旋轉，使得單一通道可能會同時具有垂直及水平部位，以及不是完全垂直也不是完全水平而是位於其等之間的部位。可以看到，在第4b圖中通道延伸接近但並非到達該被蝕刻結構的底部，因之在該等通道的下方留下一層402未蝕刻的矽。在一實施例中，未蝕刻層402作用為多孔結構400(以及相對應的儲能裝置，未顯示)的一種支撐結構，因此是支撐結構102的等效結構。
第5圖是根據本發明一實施例的雙面多孔結構500的剖面圖。如將進一步於下文中討論的，雙面多孔結構500可做為根據本發明實施例的儲能裝置的構件。如第5圖所示，雙面多孔結構500包括一表面515及一相對的表面525。複數個通道511的每一者具有一通向結構500之表面515的開口512，且複數個通道521每者均具有一通向結構500之表面525的開口522。這二組通道均含有電解質550。一導電中心部位560設在通道511與521之間。
雙面多孔結構500可藉由自一基材的二面加以蝕刻(一次蝕刻一面)而形成，並在到達該基材的中點前停止，而留下該中心區段(560)。該蝕刻製程的精確度可控制到至少約在一微米之內，因此如果需要的話，中心區段560將會具有大約一微米的厚度。但是，在某些實施例中，中心區段560可以採用較厚的數值，因為較大的厚度在整體結構上可以提供較大測量值的機械強度。因 此，在某些實施例中，中心區段560可以具有約5或10微米或更大的厚度。
該蝕刻可以透過使用稀釋的HF與異丙醇(或乙醇或類似者)混合物來形成能延伸貫穿過該基材主要部分之奈米孔洞的電化學蝕刻而達成。舉例來說，例如雙面多孔結構500之類的雙面多孔結構可藉由施用以前面提到之HF混合物之一者做為蝕刻劑的電化學蝕刻技術於初始電阻係數為0.7微歐姆公分(mΩ-cm)的實心矽晶圓上而製備之。可以採用在每平方公分大約25微安培(mA/cm2 )至500mA/cm2 之範圍內的電流密度。(這些數值內的面積部分是指基材表面在該等孔洞形成之前的面積。)
除了提供機械強度以外，中心區段560可形成通道511末端與通道522末端間的電氣連接。值得注意的是，整個矽基材的寬度都用來做為此電氣連接，相對於具有較小連接形狀的結構而言，其可顯著地降低電阻係數。再者，該中心區段的相對較小的厚度(例如5-10微米，如前面所討論的)可提供一條可供電荷流通過的低阻抗路徑。
前面的討論是針對根據本發明實施例的多孔結構-包括雙面多孔結構。如前所述，這些多孔結構可形成於多種材料之內，包括矽(各種型式，包括冶金級矽、單晶矽、多晶矽、及絕緣體矽)、鍺、砷化鎵、磷化銦、氮化硼、碲化鎘、錫、銅、鋁、鎳、鈣、鎢、鉬、錳、碳 化矽、有機半導體，以及矽-鍺合金。至少在某些實施例中，該用來製做多孔結構的材料，可以摻雜以能增加其導電性的元素；此可使用此技藝中已熟知的標準技術完成。在一實施例中，用來使多孔結構形成於其中的材料是矽，而摻雜物的種類則是硼，其係以例如說1019 原子/立方公分的濃度加入於矽內。其他可能的摻雜物則包含磷及砷(但是這些及其他n-型摻雜物在蝕刻時會需要有p-型摻雜物所不需要的光照程序)。
本發明中以電化學蝕刻做為通道形成技術的實施例，有另一項理由需將摻雜物導入用來製做多孔結構的材料內。在有牽涉到矽及HF蝕刻劑的情形中，其係認為高電場可吸引缺陷處及孔洞末端的電洞，可有助於矽與來自蝕刻劑的氟之間的反應。其係認為此過程牽涉到形成液態形式的SiF4 分子。該SiF4 會被拉走，最後自該通道內沖出，留下結合於側壁上的氫原子，亦會形成後來如氣體泡沫化消失的H2 的氫原子。有些氫原子會留存下來；這些會結合於殘留下來的矽原子。此過程會向下蝕刻該通道(以各向異性的方式)，不同於以各向同性方式進行的側向膨脹(這僅是單純地拋光表面，而不會形成通道)。其他的細節，以目前所最清楚知道的，會說明於下文中(但必須要提到，形成多孔矽之機制的細節多少是有些不清楚的)。
一般而言，在通道的形成期間，半導體的直接溶解幾乎永遠都是在和氧化及後續氧化物的溶解角力。 因此蝕刻劑(例如HF)必須要能夠溶解氧化物。該溶解反應的第二前提，因此也是在半導體內形成通道的第二前題是電洞的取得。與HF水溶液接觸的矽表面會因氫而飽和，缺少電洞，會對於該電解質沒有化學活性(這可在蝕刻過程中保護通道側壁)。若施加電壓於電極上，矽晶圓內的電洞會開始朝向矽-電解質介面移動。在該介面處，一電洞可移除一個矽鍵結，因之而可使一個矽原子更易於和電解質反應。最後，該矽原子即可轉移至該溶液內。電極會分解成具有最佳電流密度的區域，而通道則會在幾乎沒有電流密度的區域內形成。根據不同的模式，通道成長的起始可能會開始於微腔、結構缺陷、機械應變區域、或表面勢場的局部擾動。
雙面多孔矽基材(或是形成於其他適當材料中的雙面多孔結構)-例如雙面多孔結構500-可以加以配置來構成堆疊的電化學電容器，其等可互相連接在一起，而使其等構成一種儲能裝置，其所能達成比任何單個EC所能達成者更佳之性能。透過將多個多孔基材以此方式加以堆疊在一起，可達到儲能容量及電壓上的大幅增加，後面會進一步加以說明。
對於任何的電容器而言，理想的電化學電容器的能量E 是由其電容量及電壓加以決定，如方程式1所示，
因此，增大電化學電容器的電容量C 及/或 (特別是)電壓V 將會造成所儲存之能量E 的增加。當然，任何儲能裝置的目的就是要增加能夠儲存之能量的量，但基於電路對於儲能裝置所能使用之工作電壓的需求之故，增大可達到之電壓通常也是同樣重要。本發明的實施例係透過前面所提到的堆疊架構來克服這二項議題。以串聯方式將二個電容器(具有相同的電容量及相同的能量)互相電連接在一起-如同將二個(或多個)導電性多孔結構互相接觸在一起並堆疊起來一樣-會使能量及電壓增加(相較於個別電容器單獨而言)及電容量減低達二倍。就電容量而言，更廣泛地說，n 個電容器串聯連接會生成的總電容量為1/C=1/C1 +1/C2 +...+1/Cn 。很重要的是，要注意到，將二個電容器以串聯方式加以堆疊雖然不會創造出額外的能量-二個相同電容器串聯起來的能量只是二個個別電容器之能量的和而已-但該系統的比能量容量(單位重量的能量)及能量密度(單位體積的能量)則會顯著地改善，因為該雙面多孔基材的二側都被加以利用。
將多個雙面多孔基材堆疊起來也可因減少包裝步驟及材料，而且很重要的，能以更有成本效益的方式來使用材料，故而可造成成本的降低。在改善成本效益上，其需要將製造基材的成本減至最低，而同時將該基材材料每單位體積可儲存的總能量最大化。就此而言，可理解，通道的深度D 會受到例如離子帶電載子在通道內自由移動的能力及在高縱橫比結構上施行ALD的可行性限制等的考量的限制。深度較淺的通道對應於較小的表面積， 由於電容量是直接正比於表面積，較短的通道會造成較低的電容量，因之而造成較小的能量儲存能力。在通道的深度受到如此限制的情形下，增大表面積且同樣能增大能量儲存的技術，至少在某些實施例中是局限於在給定體積內增加深度受限之通道的數量。這可藉由在單面多孔基材的情形使用比通道深度稍微較厚的啟始基材(D+)，而在雙面多孔基材的情形中使用厚度幾乎為二倍厚(2*(D+))的啟始基材來達成之(其中 是該基板中非孔洞部位(其是提供機械穩定性所必需要的)的最小厚度-通常是自一個μm至五個或更多個μm之間的任何值)。在許多情形中，使用雙面多孔基材來達成這樣的增大是較佳的，因為雙面多孔基材會比具有相同數量通道的單面多孔基材較便宜，或是能以較密集的方式包裝。成本較低是因為薄的晶圓通常是比厚的晶圓昂貴，這至少有部分是因為在切割及薄化晶圓時，將晶圓加以薄化及/或將被移除(且浪費掉)之材料所需要的額外處理之故。對於雙面多孔基材而言，較大的通道密度是因為實心材料(沒有通道)相對於多孔材料的比值較低之故，會造成前面所提及的較大的比能量容量及較大的能量密度。
使用雙面基材可以省掉單面基材所需的組裝步驟中的幾乎一半的步驟，使得進一步的成本節約成為可能。這是因為一堆疊內的每一雙面基材會大約具有是單面基材的二倍收量的通道；因此可以使用大約是單面基材一半量的雙面基材來達成某一給定數量的通道，而該等比較 低數量的雙面基材可以使用大約一半數量的堆疊及其他組裝作業來加以組裝。
由於儲能容量及電壓的增大二者均為所需的結果，因此本發明實施例所採行之型式的堆疊式EC架構可提供重要的優點。如果需要的話，該堆疊式儲能裝置內的個別組件(也就是個別多孔基材)可採並聯方式電連接在一起-例如說利用與該等基材側邊接觸的導體為之-這會造成固定電壓位準下的電容量及能量的加倍。
第6圖是根據本發明一實施例的儲能裝置600的剖面圖。如所示第6圖，儲能裝置600包括一中間區段610，具有二個雙面多孔結構，其二者均和首先顯示於第5圖內的雙面多孔結構500相同或相似。在未闡明的實施例中，中間區段610可包含以二個以上的雙面多孔結構。除了中間區段610以外，儲能裝置600亦包括一上方區段620，含有一單面多孔結構621，以及一下方區段630，含有一單面多孔結構631。
單面多孔結構621類似於雙面多孔結構500，除了其僅具有單一組通向表面625的通道622。通道622內含有電解質651。結構621的一表面626-相對於表面625-鄰接於一導電層671。同樣的，單面多孔結構631含有一組通向表面635的通道632，並且含有電解質652。結構631的一表面636-相對於表面635-鄰接於一導電層672。導電層671具有第一極性，而導電層672則具有與第一極性相反的第二極性。換言之，如果導電層671是維 持在正電位，則導電層672具有負電位，或是反過來。在某些實施例中，導電層671及672是儲能裝置600的集電器。在有些實施例中，可以將這些集電器自儲能裝置600省略掉，而在這種情形下，結構621及631中分別位在通道與表面626及636之間的區域即可做為集電器。
儲能裝置600進一步包括一分隔件681，位在每一對相鄰的多孔結構之間。如同前面所述而首先顯示於第1圖內的分隔件130一樣，分隔件681是一種電子絕緣體及一種離子導體，可確保該等相鄰的多孔結構不會互相電短路在一起。舉例來說，該分隔件可以是聚合物分隔件、非織物分隔件、液態膜、聚合物電解質、固態離子導體、玻璃纖維、紙材料、陶瓷材料、或類似者。在某些實施例中，分隔件681可由設置在相同位置處的環氧樹脂或其他適當的黏著劑加以取代。
仍參閱第6圖，在某些實施例中，該等多孔結構中的一者或多者可以具有一個含有該等通道的內部區域691，以及一個鄰接於該內部區域的外部區域692，其包括該多孔結構的一個未蝕刻部位。外部區域692可以比內部區域691厚，意思是說其自中心區段560延伸出去一段較長的距離。在需要時，外部區域的該額外的高度可提供能插入分隔件的空間。內部區域691可透過蝕刻進入一晶圓內而將該內部區域內的一層材料加以移除而形成之，因之而界定出一個可供稍後蝕刻該通道的區域，但將外部的材料留存在原地。
第7圖是根據本發明一實施例的儲能裝置700的剖面圖。如所示第7圖，儲能裝置700包括複數個儲能單元，以並聯方式互相電連接在一起。每一儲能單元均是相同於或類似於儲能裝置600。儲能裝置700進一步包括一交換網路710，結合於儲能單元600。當一EC電容器放電時，其無法保持固定的電壓，而是會在放電的過程中均勻地降低(這不同於電池，其電壓在放電過程中會相對地保持穩定)。交換網路710包括有電路或某些其他的機制，其可以將多種電容器切入及切出，以使其得保持相對穩定的電壓。例如說，儲能裝置最初是互相並聯連接在一起，而後在電壓衰減某個量之後，該交換網路即會改變該等儲能裝置中的一個子集，使該子集成串聯連接，使得他們個別貢獻的電壓可提升該漸減的整體電壓。在一實施例中，交換網路710係採用如本領域所使用的現有矽裝置技藝來加以實施(電晶體、矽控整流器(SCR)等)，而在其他的實施例中，可以使用微機電系統(MEMS)中繼器或開關(可以看到其等係具有極低的阻抗)來實施。
第8圖是一流程圖，顯示出用以製做根據本發明實施例之儲能裝置的方法800。舉例來說，方法800可造成儲能裝置的產生，例如說第6圖中所示的儲能裝置600。
方法800中的作業810是設置一雙面多孔結構，含有複數個第一通道，位於其第一表面內，以及複數個第二通道，位於其相對的第二表面內。舉例來說，該雙 面多孔結構可以類似於首先顯示於第5圖中的雙面多孔結構500。該複數個第一通道，以及在方法800後續的作業中所形成的其他複數個通道，可填注以一種電解質。
在一實施例中，作業810包括在該基材的該第一表面上進行第一蝕刻作業，以在其內形成該複數個第一通道，該基材的該第二表面上進行第二蝕刻作業，以在其內形成該複數個第二通道，以及控制第一蝕刻作業的深度及第二蝕刻作業的深度，以在該複數個第一通道與該複數個第二通道之間留下一個未蝕刻的中心部位。舉例來說，該中心部位可以類似於首先顯示於第5圖內的中心部位560。
方法800中的作業820是設置一第一單面多孔結構，含有複數個第三通道，位於其一表面內。舉例來說，該第一單面多孔結構可以類似於首先顯示於第6圖內的單面多孔結構621。
方法800中的作業830是將第一單面多孔結構以串聯方式電化學連接至該雙面多孔結構的第一表面。“電化學連接”一詞之所以使用在此文脈中(及本文中其他適用之處)是因為EC電容器內電荷移轉機制的雙重特性-牽涉到電子及離子帶電載子二者-之故。
方法800中的作業840是提供一第二單面多孔結構，含有複數個第四通道，位於其一表面內。舉例來說，該第二單面多孔結構可以類似於首先顯示於第6圖內的單面多孔結構631。
方法800中的作業850是將第二單面多孔結構以串聯方式電化學連接至該雙面多孔結構的第二表面。
在某些實施例中，方法800進一步包括設置一分隔件於一對或多對相鄰的多孔結構之間。舉例來說，該分隔件可以類似於首先顯示於第6圖內的分隔件681。
雖然前文已針對特定的實施例來說明本發明，但熟知此技藝者當可理解，在不脫離本發明之精神或範疇的情形，仍可進行多種的變化。因此，本發明實施例的揭露是用以例示本發明的範疇，而不是要加以限制。可以瞭解到，本發明的範疇應僅由後附申請專利範圍所要求的範圍來加以限制。例如說，對於具有本領域通常技術者，可以輕易地理解到，本文中所討論的儲能裝置及相關結構及方法均能以多種的實施例來加以施行，且前述有關於該等實施例中某些實施例的討論並不一定代表所有可能的實施例的完整的描述。
另外，本文中係針對特定實施例來描述優點、其他的好處、及問題的解決方案。但是這些優點、好處、及問題的解決方案，以及任何可造成任何優點、好處、解決方案產生或變的更顯著的元件，並不應解讀成任一或全部申請專利範圍的關鍵性、必須、或基本的特點或元件。
再者，如果本文中所揭露的實施例及/或限制是：(1)未明確於申請專利範圍內主張；以及(2)依等效原則為申請專利範圍內中明確表示之元件及/或限制或 其可能的等效者，則該等實施例及限制並不依據奉獻原則奉獻社會大眾。
100‧‧‧儲能結構
101‧‧‧儲能裝置
102‧‧‧導電性支撐結構
110‧‧‧導電結構
111‧‧‧通道
112‧‧‧開口
115‧‧‧表面
120‧‧‧導電結構
121‧‧‧通道
130‧‧‧分隔件
150‧‧‧電解質

Claims (28)

  1. 一種儲能裝置，包括：雙面多孔結構，具有第一表面及相對的第二表面，該雙面多孔結構含有：第一組通道，其每一者具有通向該雙面多孔結構之該第一表面的開口；第二組通道，其每一者具有通向該雙面多孔結構之該第二表面的開口；導電中心部位，位於該第一組與第二組通道之間；以及電解質，包含於該第一組通道與該第二組通道內；第一單面多孔結構，鄰接於該雙面多孔結構的該第一表面，該第一單面多孔結構具有第一表面及相對的第二表面，並含有第三組通道，其每一者具有通向該第一單面多孔結構之該第一表面的開口，且其每一者含有電解質；以及第二單面多孔結構，鄰接於該雙面多孔結構的該第二表面，該第二單面多孔結構具有第一表面及相對的第二表面，並含有第四組通道，其每一者具有通向該第二單面多孔結構之該第一表面的開口，且其每一者含有電解質。
  2. 如申請專利範圍第1項的儲能裝置，進一步包括：第一導電層，位在該第一單面多孔結構的該第二表面，該第一導電層具有第一極性；以及第二導電層，位在該第二單面多孔結構的該第二表 面，該第二導電層具有第二極性，與該第一極性相反。
  3. 如申請專利範圍第1項的儲能裝置，進一步包括：分隔件，位於該單面多孔結構之一者與該雙面多孔結構之間，其中該分隔件可防止該雙面多孔結構與該單面多孔結構間的電接觸，但允許來自該電解質的離子帶電載子通過。
  4. 如申請專利範圍第3項的儲能裝置，其中：該分隔件是聚合物分隔件、非織物分隔件、液態膜、聚合物電解質、固態離子導體、玻璃纖維、紙材料、以及陶瓷材料其中一者。
  5. 如申請專利範圍第1項的儲能裝置，進一步包括：第一分隔件，位於該雙面多孔結構與該第一單面多孔結構之間，該第一分隔件可防止該雙面多孔結構與該第一單面多孔結構間的電接觸，但允許來自該電解質的離子帶電載子通過；以及第二分隔件，位於該雙面多孔結構與該第二單面多孔結構之間，該第二分隔件可防止該雙面多孔結構與該第二單面多孔結構間的電接觸，但允許來自該電解質的離子帶電載子通過。
  6. 如申請專利範圍第1項的儲能裝置，進一步包括：第二雙面多孔結構，鄰接於該雙面多孔結構，其中該第二雙面多孔結構具有第一表面及相對的第二表面，並含有：第五組通道，其每一者具有通向該第二雙面多孔結構 之該第一表面的開口；第六組通道，其每一者具有通向該雙面多孔結構之該第二表面的開口；導電中心部位，位於該五組與第六組通道之間；以及電解質，包含於該第五組通道與該第六組通道內。
  7. 如申請專利範圍第6項的儲能裝置，其中：該第一及第二雙面多孔結構係以電化學方式串聯連接。
  8. 如申請專利範圍第6項的儲能裝置，其中：該第一雙面多孔結構係電化學連接至該第一單面多孔結構；且該第二雙面多孔結構係電化學連接至該第二單面多孔結構，使得所得到的等效電路含有複數個以並聯方式電氣連接的電容器。
  9. 如申請專利範圍第1項的儲能裝置，其中：該多孔結構的至少一者包括含有該通道的內部區域及鄰接於該內部區域的外部區域；且該外部區域是比該內部區域厚。
  10. 如申請專利範圍第9項的儲能裝置，其中：該外部區域包括該多孔結構的未蝕刻部位。
  11. 如申請專利範圍第1項的儲能裝置，其中：該雙面多孔結構是由半導電性材料所形成。
  12. 如申請專利範圍第11項的儲能裝置，其中：該半導電性材料是矽、單晶矽、多晶矽、絕緣體矽、 鍺、砷化鎵、磷化銦、氮化硼、碲化鎘、碳化矽、有機半導體、及矽與鍺之合金其中一者。
  13. 如申請專利範圍第1項的儲能裝置，其中：該雙面多孔結構是由導電材料所形成。
  14. 如申請專利範圍第13項的儲能裝置，其中：該導電材料是錫、銅、鋁、鎳、鈣、鎢、鉬、及錳其中一者。
  15. 一種儲能裝置，包括：複數個儲能單元，以並聯方式互相電連接在一起，其中每一儲能單元包括：至少一雙面多孔結構，具有第一表面及相對的第二表面，該雙面多孔結構含有：第一組通道，其每一者具有通向該雙面多孔結構之該第一表面的開口；第二組通道，其每一者具有通向該雙面多孔結構之該第二表面的開口；導電中心部位，位於該第一組與第二組通道之間；以及電解質，包含於該第一組通道與該第二組通道內；第一單面多孔結構，鄰接於該雙面多孔結構的該第一表面，該第一單面多孔結構具有第一表面及相對的第二表面，並含有第三組通道，其每一者具有通向該第一單面多孔結構之該第一表面的開口，且其每一者含有電解質；第一導電層，位在該第一單面多孔結構的該第二表 面，該第一導電層具有第一極性；第二單面多孔結構，鄰接於該雙面多孔結構的該第二表面，該第二單面多孔結構具有第一表面及相對的第二表面，並含有第四組通道，其每一者具有通向該第二單面多孔結構之該第一表面的開口，且其每一者含有電解質；以及第二導電層，位在該第二單面多孔結構的該第二表面，該第二導電層具有第二極性，與該第一極性相反，其中：該至少一雙面多孔結構、該第一單面多孔結構、以及該第二單面多孔結構係電化學方式互相串聯連接在一起。
  16. 如申請專利範圍第15項的儲能裝置，進一步包括：第一分隔件，位於該雙面多孔結構與該第一單面多孔結構之間，該第一分隔件可防止該雙面多孔結構與該第一單面多孔結構間的電接觸，但允許來自該電解質的離子帶電載子通過；以及第二分隔件，位於該雙面多孔結構與該第二單面多孔結構之間，該第二分隔件可防止該雙面多孔結構與該第二單面多孔結構間的電接觸，但允許來自該電解質的離子帶電載子通過，其中該第一及第二分隔件是聚合物分隔件、非織物分隔件、液態膜、聚合物電解質、固態離子導體、玻璃纖維、紙材料、以及陶瓷材料其中一者。
  17. 如申請專利範圍第15項的儲能裝置，進一步包 括：交換網路，結合於該等儲能單元。
  18. 一種儲能裝置，包括：中間區段，包括複數個雙面多孔半導電性基材，其每一者含有多個通道，位於其二相對表面內；上方區段，包括單面多孔半導電性基材，含有多個通道，位在其表面內；以及下方區段，包括單面多孔半導電性基材，含有多個通道，位在其表面內。
  19. 如申請專利範圍第18項的儲能裝置，進一步包括：第一分隔件，位在該雙面多孔半導電性基材之第一者與該第一單面多孔半導電性基材之間，該第一分隔件可防止該第一雙面多孔半導電性基材與該第一單面多孔半導電性基材間的電接觸，但允許來自該電解質的離子帶電載子通過；以及第二分隔件，位在該雙面多孔半導電性基材之第二者與該第二單面多孔半導電性基材之間，該第二分隔件可防止該第二雙面多孔半導電性基材與該第二單面多孔半導電性基材間的電接觸，但允許來自該電解質的離子帶電載子通過，其中該第一及第二分隔件是聚合物分隔件、非織物分隔件、液態膜、聚合物電解質、固態離子導體、玻璃纖維、紙材料、以及陶瓷材料其中一者。
  20. 如申請專利範圍第18項的儲能裝置，其中： 該雙面多孔半導電性基材及該單面多孔半導電性基材每一者包括矽、單晶矽、多晶矽、絕緣體矽、鍺、砷化鎵、磷化銦、氮化硼、碲化鎘、碳化矽、有機半導體、及矽與鍺之合金其中一者。
  21. 一種行動電子裝置，包括：複數個儲能單元，以並聯方式互相電連接在一起；以及交換網路，結合於該複數個儲能單元，其中：每一儲能單元包括：至少一雙面多孔結構，具有第一表面及相對的第二表面，該雙面多孔結構含有：第一組通道，其每一者具有通向該雙面多孔結構之該第一表面的開口；第二組通道，其每一者具有通向該雙面多孔結構之該第二表面的開口；導電中心部位，位於該第一組與第二組通道之間；以及電解質，包含於該第一組通道與該第二組通道內；第一單面多孔結構，鄰接於該雙面多孔結構的該第一表面，該第一單面多孔結構具有第一表面及相對的第二表面，並含有第三組通道，其每一者具有通向該第一單面多孔結構之該第一表面的開口，且其每一者含有電解質；第一導電層，位在該第一單面多孔結構的該第二表 面，該第一導電層具有第一極性；第二單面多孔結構，鄰接於該雙面多孔結構的該第二表面，該第二單面多孔結構具有第一表面及相對的第二表面，並含有第四組通道，其每一者具有通向該第二單面多孔結構之該第一表面的開口，且其每一者含有電解質；以及第二導電層，位在該第二單面多孔結構的該第二表面，該第二導電層具有第二極性，與該第一極性相反；以及該至少一雙面多孔結構、該第一單面多孔結構、以及該第二單面多孔結構係電化學方式互相串聯連接在一起。
  22. 如申請專利範圍第21項的行動電子裝置，進一步包括：第一分隔件，位於該雙面多孔結構與該第一單面多孔結構之間，該第一分隔件可防止該雙面多孔結構與該第一單面多孔結構間的電接觸，但允許來自該電解質的離子帶電載子通過；以及第二分隔件，位於該雙面多孔結構與該第二單面多孔結構之間，該第二分隔件可防止該雙面多孔結構與該第二單面多孔結構間的電接觸，但允許來自該電解質的離子帶電載子通過。
  23. 如申請專利範圍第22項的行動電子裝置，其中：該分隔件是聚合物分隔件、非織物分隔件、液態膜、聚合物電解質、固態離子導體、玻璃纖維、紙材料、以及 陶瓷材料其中一者。
  24. 一種製造儲能裝置的方法，該方法包括：設置雙面多孔半導電性基材，含有複數個第一通道，位在其第一表面內，以及複數個第二通道，位在其相對之第二表面內；設置第一單面多孔半導電性基材，含有複數個第三通道，位在其表面內；將該第一單面多孔半導電性基材以串聯方式電化學連接至該雙面多孔半導電性基材的該第一表面；設置第二單面多孔半導電性基材，含有複數個第四通道，位在其表面內；以及將該第二單面多孔半導電性基材以串聯方式電化學連接至該雙面多孔半導電性基材的該第二表面。
  25. 如申請專利範圍第24項的方法，其中：設置該雙面多孔半導電性基材包括：在該基材的該第一表面上進行第一蝕刻作業，以在其內形成該複數個第一通道；在該基材的該第二表面上進行第二蝕刻作業，以在其內形成該複數個第二通道；以及控制該第一蝕刻作業的深度及該第二蝕刻作業的深度，以在該複數個第一通道與該複數個第二通道之間留下未蝕刻的中心部位。
  26. 如申請專利範圍第24項的方法，進一步包括：以電解質填注該等通道。
  27. 如申請專利範圍第26項的方法，進一步包括：設置分隔件於該第一單面多孔半導電性基材與該雙面多孔半導電性基材之間，其中該分隔件可防止該雙面多孔結構與該第一單面多孔結構間的電接觸，但允許來自該電解質的離子帶電載子通過。
  28. 如申請專利範圍第27項的方法，進一步包括：設置第二分隔件於該第二單面多孔半導電性基材與該雙面多孔半導電性基材之間，其中該第二分隔件可防止該雙面多孔結構與該第二單面多孔結構間的電接觸，但允許來自該電解質的離子帶電載子通過。
TW102105725A 2012-02-21 2013-02-19 儲能裝置及其製造方法，及包含儲能裝置的行動電子裝置 TWI493580B (zh)

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