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DE602004006883T2 - Elektrochemische energiequelle, elektronische einrichtung und verfahren zur herstellung der energiequelle - Google Patents

Elektrochemische energiequelle, elektronische einrichtung und verfahren zur herstellung der energiequelle Download PDF

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DE602004006883T2
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substrate
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electrochemical energy
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DE602004006883T
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Petrus H. Notten
Martin Ouwerkerk
Freddy Roozeboom
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Koninklijke Philips NV
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Koninklijke Philips Electronics NV
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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrochemische Energiequelle, die mindestens eine Baugruppe aus Folgendem umfasst: einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode und eines dazwischenliegenden Festkörperelektrolyts, das die genannte erste Elektrode und die genannte zweite Elektrode trennt. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine elektronische Anordnung, die mit einer solchen elektrochemischen Energiequelle versehen ist. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektrochemischen Energiequelle.
  • Auf Festkörperelektrolyten basierende elektrochemische Energiequellen sind in der Technik bekannt. Diese (planaren) Energiequellen, oder „Festkörperbatterien", sind wie im Oberbegriff angegeben konstruiert. Festkörperbatterien wandeln effizient und sauber chemische Energie direkt in elektrische Energie um und werden oft als Energiequellen für portable Elektronik verwendet. In einem kleineren Maßstab können solche Batterien verwendet werden, um elektrische Energie an z.B. Mikroelektronikmodule, spezieller an integrierte Schaltungen (ICs) zu liefern. Ein Beispiel hiervon ist in der internationalen Patenanmeldung WO 00/25378 offenbart, wo eine Festkörperdünnfilmbatterie direkt auf ein spezielles Substrat hergestellt wird. Während dieses Herstellungsprozesses werden die erste Elektrode, der dazwischenliegende Festkörperelektrolyt und die zweite Elektrode nacheinander auf das Substrat deponiert. Obwohl die bekannte Mikrobatterie gemeinhin im Vergleich zu anderen Festkörperbatterien eine überragende Leistung aufweist, hat die bekannte Mikrobatterie mehrere Nachteile. Ein Hauptnachteil der bekannten Mikrobatterie von WO 00/25378 ist, dass ihr Herstellungsprozess relativ komplex und deshalb relativ teuer ist.
  • US 6 558 836 B1 offenbart einen Prozess zum Herstellen von Dünnfilmbatterien, in dem die Batteriestruktur (a) eine auf einem nichtmetallischen Substrat deponierte Haftschicht aus Kobalt, (b) eine auf der genannten Haftschicht deponierte Stromkollektorschicht aus Platin, (c) eine über die genannte Haftschicht und Stromkollektorschicht zerstäubte Kathodenschicht, (d) eine über die genannte Kathodenschicht hinweg zerstäubte Lithium basierende Festkörperelektrolytschicht, (e) ein über der genannten Elektrolyt schicht hinweg gebildete auf Lithium basierende Anode, (f) eine Anodenleitung, (g) eine Kathodenleitung und (h) ein Gehäuse, das die genannte Struktur abdichtet und schütz, umfasst.
  • WO 03/005477 A offenbart eine Batterie mit einem Substrat, einer Kathode auf dem Substrat, einem Kathodenstromkollektor, einem Elektrolyt und einer Anode, die den Elektrolyt kontaktiert.
  • WO 01/73864 A offenbart ein Verfahren, eine Energiespeicheranordnung herzustellen, das (i) Bereitstellen eines Substrats, (ii) Bilden eines ersten Elektrodenfilms (iii) Bilden eines zweiten Elektrolytfilms und (iv) bilden eines dritten Elektrodenfilms umfasst.
  • WO 95/14311 A offenbart eine Festkörperbatterie mit (A) einem Substrat, (B) mindestens einer auf das genannte Substrat deponierte mehrschichtige elektrochemischen Zelle, wobei jede Schicht der genannten mehrschichtigen Zelle (1) eine Schicht negativen Elektrodenmaterials, (2) eine Schicht positiven Elektroden Materials und (3) eine Schicht isolierenden/leitenden Materials, die zwischen die genannte Schicht negativen Elektrodenmaterials und die genannte Schicht positiven Elektrodenmaterial geschichtet ist, umfasst, und (C) eine oben auf die letzte der mehrschichtigen elektrochemischen Zellen deponierte elektrisch leitende Schicht umfasst.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte elektrochemische Energiequelle zu schaffen, die auf eine relativ einfache Art konstruiert und hergestellt werden kann, während der Vorteil der bekannten elektrochemischen Energiequellen aufrecht erhalten wird.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine elektrochemische Energiequelle gemäß dem Oberbegriff, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte erste Elektrode mindestens teilweise durch ein leitendes Substrat gebildet wird, auf dem der Festkörperelektrolyt und die zweite Elektrode deponiert werden. Auf diese Weise fungiert das elektrisch leitende Substrat auch als mindestens ein Teil der ersten Elektrode. Die Integration des genannten Substrats und mindestens eines Teils der genannten ersten Elektrode führt gemeinhin im Vergleich zu denen in der Technik bekannten zu einer einfacheren Konstruktion der (Mikro-)Batterie. Außerdem ist die Weise, eine Energiequelle gemäß der Erfindung herzustellen, auch einfacher, da mindestens ein Prozessschritt eliminiert werden kann. Das relativ einfache Herstellungsverfahren der Festkörperenergiequelle gemäß der Erfin dung kann außerdem zu signifikanten Kosteneinsparungen führen. Vorzugsweise werden der Festkörperelektrolyt und die zweite Elektrode als dünner Film mit einer Dicke von näherungsweise zwischen 0,5 und 5 Mikrometer auf dem Substrat deponiert. Dünnfilmschichten resultieren in höheren Stromdichten und Effizienzen, da der Transport von Ionen in der Energiequelle durch Dünnfilmschichten leichter und schneller ist als durch Dickfilmschichten. Auf diese Weise kann der interne Energieverlust minimiert werden. Da der innere Widerstand der Energiequelle relativ niedrig ist, kann die Ladegeschwindigkeit erhöht werden, wenn eine wiederaufladbare Energiequelle angewendet wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Kontaktoberfläche des Substrats in Richtung des Elektrolyts und der zweiten Elektrode mindestens teilweise strukturiert. Auf diese Weise wird eine vergrößerte Kontaktoberfläche pro Volumen zwischen beiden Elektroden und dem Festkörperelektrolyt erhalten. Gemeinhin führt diese Vergrößerung der Kontaktoberfläche(n) zwischen den Komponenten der Energiequelle gemäß der Erfindung zu einer verbesserten Nennkapazität der Energiequelle und so zu einer besseren Batteriekapazität (aufgrund einer optimalen Ausnutzung des Volumens der Schichten der Energiequelle). Auf diese Weise kann die Leistungsdichte in der Energiequelle maximiert und so optimiert werden. Die Beschaffenheit, Form und Dimimension der Struktur können beliebig sein.
  • Im Allgemeinen kann die Kontaktoberfläche auf verschiedene Weisen strukturiert werden, z.B. durch Schaffen von Erweiterungen der Kontaktoberfläche, die von der Kontaktoberfläche weggerichtet sind. Vorzugsweise wird die Kontaktoberfläche mit einer Vielzahl von Vertiefungen beliebiger Form und Dimension versehen, wobei der genannte Elektrolyt und die genannte zweite Elektrode auf mindestens einen Teil einer inneren Oberfläche der genannten Vertiefungen aufgebracht werden. Dies hat den Vorteil, dass die strukturierte Kontaktoberfläche auf eine relativ einfache Weise hergestellt werden kann. In einer Ausführungsform sind die Vertiefungen verbunden, was ermöglicht, dass vielfache hervorstehende Säulen auf dem Substrat gebildet werden, um die Kontaktoberfläche innerhalb der elektrochemischen Energiequelle zu vergrößern. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform bildet mindestens ein Teil der Vertiefungen Schlitze oder Gräben, in denen der Festkörperelektrolyt und die zweite Elektrode deponiert werden. Die Struktur, spezieller die Vertiefungen, auf der Kontaktoberfläche des leitenden Substrats können beispielsweise durch Ätzen gebildet werden.
  • Mindestens eine entweder der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode ist vorzugsweise an einen Stromkollektor gekoppelt. In dem Fall eines Siliziumsubstrats kann ein Stromkollektor für die erste Elektrode nicht benötigt werden. Aber für z.B. eine Li-Ionenbatterie mit einer LiCoO2-Elektrode als zweite Elektrode wird vorzugsweise ein(e) Aluminiumstromkollektor(schicht) aufgebracht. Alternativ, oder zusätzlich, kann ein aus, vorzugsweise dotiertem, Halbleitermaterial wie z.B. Si, GaAs, InP oder einem Metall wie Kupfer oder Nickel hergestellter Stromkollektor im Allgemeinen als ein Stromkollektor in Festkörperenergiequellen gemäß der Erfindung aufgebracht werden.
  • Das Substrat kann eine Hauptoberfläche haben, auf oder in der Vertiefungen gebildet werden und die eine Ebene definiert. Eine senkrechte Projektion des Stromkollektors auf diese Ebene kann mindestens teilweise eine senkrechte Projektion einer Vertiefung auf diese Ebene überlappen, und vorzugsweise die senkrechte Projektion aller Vertiefungen auf dieser Ebene. Auf diese Weise liegt der Stromkollektor relativ nah an der Vertiefung, was den Maximalstrom erhöht. In einer Ausführungsform erstreckt sich der Stromkollektor in eine Vertiefung hinein, vorzugsweise in alle Vertiefungen. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung der Nennkapazität. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Vertiefungen relativ tief sind, d.h. eine Tiefe von 20 Mikrometern oder mehr.
  • In einer Ausführungsform ist das Substrat zur Speicherung von Ionen mindestens eines der folgenden Atome angepasst: H, Li, Be, Mg, Na und K. So kann die elektrochemische Energiequelle gemäß der Erfindung auf verschiedenen Einlagerungsmechanismus basiert werden und ist deshalb für verschiedene Arten von Batterien geeignet, z.B. Li-Ionen-Batterien, NiMH-Batterien, usw.
  • In einer anderen Ausführungsform ist das Substrat aus mindestens einem der folgenden Materialien gemacht: C, Si, Sn, Ti, Ge und Pb. Eine Kombination dieser Materialien kann auch verwendet werden, um das Substrat zu bilden. Vorzugsweise wird n- oder p-dotiertes Si als Substrat verwendet, oder eine auf dotiertes Si bezogene Verbindung wie SiGe oder SiGeC. Auch andere passende Materialien können als Substrat angewendet werden, vorausgesetzt, dass das Material des Substrats für Interkalation (Einlagerung) und Speichern von Ionen, wie z.B. der im vorhergehenden Abschnitt erwähnten Atome, angepasst ist. Außerdem sind diese Materialien vorzugsweise passend, einen Ätzprozess zu durchlaufen, um eine Struktur (Löcher, Gräben, Säulen usw.) auf der Kontaktoberfläche des Substrats aufzubringen.
  • Der in der Energiequelle gemäß der Erfindung angewendete Festkörperelektrolyt kann entweder auf ionische Leitungsmechanismen oder nichtelektrische Leitungsmechanismen basieren, z.B. ionische Leiter für H, Li, Be und Mg. Ein Beispiel für einen Li-Leiter als Festkörperelektrolyt ist Lithiumphophoroxinitrid (LiPON). Andere bekannte Festkörperelektrolyte wie z.B. Lithiumsiliziumoxinitrid (LiSiON), Lithiumniobat (LiNbO3), Lithiumtantalat (LiTaO3), Lithiumorthowolframat (Li2WO4) und Lithiumgermaniumoxinitrid (LiGeON) können auch als ein Lithium leitender Festkörperelektrolyt verwendet werden. Detaillierte Information über Protonen leitende Elektrolyte ist in der internationalen Anmeldung WO 02/42831 offenbart. Die erste (positive) Elektrode für eine auf Lithiumionen basierende Energiequelle kann z.B. die positive Elektrode sein und kann aus auf Metalloxid basierendem Material, z.B. LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2 oder einer Kombination aus diesen, wie z.B. Li(NiCoMn)O2 hergestellt werden. Beispiele einer ersten (positiven) Elektrode in dem Fall einer auf Protonen basierenden Energiequelle sind Ni(OH)2 und NiM(OH)2, worin M durch ein oder mehr aus der Gruppe von z.B. Cd, Co oder Bi ausgewählten Elementen gebildet wird.
  • Ein noch einer anderen Ausführungsform werden der Festkörperelektrolyt und die zweite Elektrode auf vielfachen Seiten des Substrats deponiert. Auf diese Weise wird das Substrat intensiver für das Speichern von Ionen verwendet, was dabei die elektrische Kapazität der elektrochemischen Energiequelle gemäß der Erfindung vergrößert.
  • Vorzugsweise umfasst die elektrochemische Energiequelle mehrere elektrisch zusammengekoppelte Baugruppen. Die Baugruppen können sowohl auf serielle und/oder auf parallele Weise zusammengekoppelt werden, abhängig von den Anforderungen der Applikation der elektrochemischen Energiequelle. Wenn ein relativ hoher Strom erforderlich ist, werden die ersten Elektroden und die zweiten Elektroden mehrerer Baugruppen elektrisch parallel gekoppelt. Wenn eine relativ hohe Spannung erforderlich ist, kann die erste Elektrode einer ersten Baugruppe elektrisch an die zweite Elektrode einer zweiten Baugruppe gekoppelt werden. Die erste Elektrode der zweiten Baugruppe kann elektrisch an eine zweite Elektrode einer dritten Baugruppe gekoppelt werden und so weiter.
  • Das Substrat kann einen ersten Teil umfassen, der die erste Elektrode bildet, und einen zweiten Teil, der ohne Kontakt zu dem ersten Teil ist. Der zweite Teil kann eine elektrische Anordnung umfassen, die in den zweiten Teil integriert ist. Vorzugsweise umfasst das Substrat eine Barrierenschicht zum Reduzieren und vorzugsweise im Wesentli chen Verhindern, das Ionen von dem ersten Teil in den zweiten Teil diffundieren. Wenn das Substrat angepasst ist, Li-Ionen zu speichern, beispielsweise durch Anwenden einer Siliziumscheibe, kann eine solche Barriere aus Si3N4 oder SiO2, um die Li-Ionen daran zu hindern, die erste Elektrode (Scheibe) anzuregen.
  • Vorzugsweise wird das Substrat durch eine Trägerstruktur getragen, um die elektrochemische Energiequelle zu stützen. In speziellen Fällen kann die Anwendung einer solchen Trägerstruktur erstrebenswert sein. Beispielsweise kann, wenn ein Titan- oder Titan umfassendes Substrat zur Wasserstoffspeicherung in einer Batterie mit einer Struktur gemäß der Erfindung verwendet wird, eine Trägerstruktur verwendet werden, um die Konstruktion der Energiequelle zu stützen. Angemerkt sei, dass ein Titansubstrat als eine (temporäre) dielektrische Schicht, auf die das Substrat deponiert wird, hergestellt werden. Nach diesem Depositionsprozess kann die dielektrische Schicht entfernt werden. Für weiteres Stützen des Titansubstrats kann die elektrisch nichtleitende Trägerstruktur verwendet werden. Es kann vorteilhaft sein, das Substrat partiell durch Verringern dessen Dicke zu entfernen, wobei dabei die Energiedichte der Energiequelle verbessert wird. Beispielsweise kann die Energiequelle von einem Substrat mit einer Dicke von etwa 500 Mikrometer zu einem Substrat mit einer Dicke von etwa 10–200 Mikrometer transferiert werden. Um diese Anpassung des Substrats durchzuführen, kann die (bekannte) „Substrattransferierungstechnologie" verwendet werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erste Elektrode eine Elektronen leitende Barrierenschicht, die angepasst ist, mindestens im Wesentlichen Diffusion von interkalierenden Ionen in das genannte Substrat auszuschließen, wobei die genannte Barrierenschicht auf das genannte Substrat aufgebracht ist. Diese bevorzugte Ausführungsform ist gemeinhin sehr vorteilhaft, da interkalierende Ionen, die an den (Wieder-)Aufladezyklen der elektrochemischen Quelle gemäß der Erfindung teilnehmen, oft in das Substrat diffundieren, sodass diese Ionen nicht länger an den (Wieder-)Aufladezyklen teilnehmen, was in einer verringerten Speicherkapazität der elektrochemischen Quelle resultiert. Gemeinhin wird ein leitendes monokristallines Siliziumsubstrat angewendet, um elektronische Komponenten wie integrierte Schaltungen, Chips, Display, usw. zu tragen. Dieses kristalline Siliziumsubstrat leidet unter diesem Nachteil, dass interkalierende Ionen relativ leicht in das genannte Substrat diffundieren, was in einer reduzierten Kapazität der genannten Energiequelle resultiert. Aus diesem Grund ist es erheblich vorteilhaft, eine Barrierenschicht auf das genannte Substrat aufzubringen, um die genannte ungünstige Diffusion in das Substrat auszuschließen. Migration der interkalierenden Ionen wird mindestens im Wesentlichen durch die genannte Barrierenschicht blockiert, wobei als Resultat davon Migration dieser Ionen durch das Substrat nicht länger passiert, während Migration von Elektronen durch das Substrat immer noch möglich ist. Gemäß dieser Ausführungsform ist es nicht länger notwendig, dass das Substrat für das Speichern der interkalierenden Ionen angepasst ist. Deshalb ist es auch möglich, andere Elektronen leitende Substrate wie aus Metall gemachte Substrate, leitende Polymere usw. statt Siliziumsubstrate anzuwenden. Die genannte Barrierenschicht ist mindestens im Wesentlichen aus mindestens einer der folgenden Verbindungen gemacht: Tantal, Tantalnitrid und Titannitrid. Das Material der Barrierenschicht ist aber nicht auf diese Verbindungen beschränkt. Diese Verbindungen haben als gemeinsame Eigenschaft eine relativ dichte Struktur, die für die interkalierenden Ionen inklusive Lithiumionen undurchlässig ist. In einer speziellen bevorzugten Ausführungsform umfasst die erste Elektrode weiter eine interkalierende Schicht, die auf einer Seite der genannten Barrierenschicht gegenüber dem Substrat deponiert ist. Die genannte interkalierende Schicht ist dabei angepasst, die interkalierenden Ionen (temporär) zu speicher (und freizugeben). Gemäß dieser Ausführungsform wird die erste Elektrode so durch ein Laminat aus dem genannten Substrat, der genannten Barrierenschicht und der genannten interkalierenden Schicht gebildet. Gemeinhin wird das Laminat durch Stapeln (Deponieren) der Barrierenschicht und der interkalierenden Schicht auf das genannte Substrat gebildet. Aber in einer speziellen Ausführungsform kann das Laminat auch mithilfe von Implantationstechniken gebildet werden, worin beispielsweise ein kristallines Siliziumsubstrat mit beispielsweise Tantalionen und Stickstoffionen beschossen wird, wonach die Temperatur des implantierten Substrats ausreichend erhöht wird, um die physikalische Barrierenschicht vergraben innerhalb des genannten Originalsubstrats zu bilden. Als ein Ergebnis des Beschusses des Siliziumsubstrats mit Ionen wird gemeinhin das Gitter der obersten Kristallschicht des Originalsubstrats zerstört, was in einer amorphen obersten Schicht, welche die genannte interkalierende Schicht bildet, resultiert. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die genannte interkalierende Schicht mindestens im Wesentlichen aus Silizium gemacht, vorzugsweise amorphem Silizium. Eine amorphe Siliziumschicht hat die außergewöhnliche Eigenschaft, relativ große Menge an interkalierenden Ionen pro Volumeneinheit zu speichern (und freizugeben), was in einer verbesserten Speicherkapazität der elektrochemischen Quelle gemäß der Erfindung resultiert. Vorzugsweise wird die genannte Barrierenschicht auf das genannte Substrat deponiert. Sowohl die genannte Barrierenschicht wie auch die genannte interkalierende Schicht werden mithilfe von chemischer Niederdruckdampfphasenabscheidung (LPCVD) deponiert.
  • Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein elektronisches Modul, das mit mindestens einer solchen elektrochemischen Energiequelle versehen ist. Das elektronische Modul kann durch eine integrierte Schaltung (IC), einen Mikrochip, ein Display usw. gebildet werden. Die Kombination des elektronischen Moduls und der elektrochemischen Energiequelle kann auf monolithischer oder nichtmonolithischer Weise konstruiert sein. In dem Fall einer monolithischen Konstruktion der genannten Kombination wird vorzugsweise eine Barrierenschicht für Ionen zwischen dem elektronischen Modul und der Energiequelle aufgebracht. In einer Ausführungsform bilden das elektronische Modul und die elektrochemische Energiequelle ein System im Gehäuse (SiP). Das Gehäuse ist vorzugsweise nichtleitend und bildet einen Behälter für die zuvor erwähnte Kombination. Auf diese Weise kann ein einfach zu nutzendes SiP bereitgestellt werden, in dem neben dem elektronischen Modul eine Energiequelle gemäß der Erfindung bereitgestellt ist.
  • Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine elektronische Anordnung, die mit mindestens einer solchen elektrochemischen Energiequelle oder, vorzugsweise, einem solchen elektronischen Modul versehen ist. Ein Beispiel einer solchen elektronischen Anordnung ist ein Rasierer, in dem die elektrochemische Energiequelle als beispielsweise Backup-(oder Haupt-)Stromquelle fungiert. Ein anderes Beispiel einer elektronischen Anordnung, in der eine Energiequelle gemäß der Erfindung eingegliedert sein kann, ist eine sogenannte „Smartcard", die einen Mikroprozessorchip enthält. Übliche Smartcards erfordern einen separaten sperrigen Kartenleser, um die auf dem Kartenchip gespeicherte Information anzuzeigen. Aber mit einer, vorzugsweise flexiblen, Mikrobatterie kann die Smartcard beispielsweise einen relativ winzigen Displayschirm auf der Karte selbst umfassen, der es Benutzern erlaubt, auf die auf der Smartcard gespeicherten Daten zuzugreifen.
  • Die Erfindung bezieht sich überdies auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektrochemischen Energiequelle, das folgende Schritte umfasst: A) Deponieren des Festkörperelektrolyts auf das Substrat und B) anschließendes Deponieren der zweiten Elektrode auf dem Substrat. Während der Anwendung von Schritt A) und Schritt B) wird vorzugsweise eine der folgenden Depositionstechniken verwendet: physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und atomare Gasphasenabscheidung (AVD). Beispiele für PVD sind Zerstäuben und Laserablation, die gemeinhin Grabenweiten der Größenordnung ≥ 20 Mikrometer erfordern. Beispiele für CVD sind LP CVD und atomatomare Schichtdeposition (ALD). AVD wird vorzugsweise bei relativ geringen Drücken ausgeführt (näherungsweise 150 mbar oder niedriger). Diese Techniken sind Fachleuten gut bekannt und erlauben einen Porendurchmesser in dem Substrat in der Größenordnung von > 0,5 Mikrometern.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren mit Schritt C), der das Strukturieren mindestens einer Kontaktoberfläche des Substrats umfasst, versehen, wobei Schritt C) vor Schritt A) angewendet wird. Wie oben erklärt, erhöht die Strukturierung einer Oberfläche des Substrats die Kontaktoberfläche pro Volumeneinheit der verschiedenen Komponenten der Energiequelle, was dabei die Nennleistungsfähigkeit erhöht. In einer Ausführungsform kann eine Ätztechnik wie chemisches Nassätzen und Trockenätzen zum Strukturieren verwendet werden. Gut bekannte Beispiele dieser Techniken sind RIE und Fokussierter Ionenstrahl (FIB).
  • In einer Ausführung des Verfahrens umfasst das Verfahren einen Schritt D), der das anschließende Deponieren einer Elektronen leitenden Barriereschicht und einer Interkalationsschicht auf dem Substrat umfasst. Schritt D) kann vor Schritt A) angewendet werden.
  • Die Erfindung wird durch die folgenden nicht beschränkenden Beispiele illustriert. In der Zeichnung zeigen:
  • 1 eine perspektivische Ansicht einer elektrochemischen Energiequelle gemäß der Erfindung;
  • 2 einen Querschnitt einer anderen elektrochemischen Energiequelle gemäß der Erfindung;
  • 3 eine schematische Ansicht eines monolithischen Systems im Gehäuse gemäß der Erfindung; und
  • 4 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Mikrobatterie gemäß der Erfindung.
  • 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer elektrochemischen Energiequelle 1 gemäß der Erfindung, spezieller eine Li-Ionen-Mikrobatterie gemäß der Erfindung. Die Energiequelle 1 umfasst ein Siliziumsubstrat 2, das als eine negative Elektrode der Energiequelle 1 fungiert. Das Siliziumsubstrat 2 kann beispielsweise durch eine Siliziumscheibe, wie sie häufig für ICs verwendet wird, gebildet werden. Das Substrat 2 kann eine Dicke größer als 20 Mikrometer, größer als 100 Mikrometer oder sogar größer als 500 Mikrometer haben. In eine obere Oberfläche 3 des Siliziumsubstrats 2 sind mehrere Schlitze 4 mithilfe existierender Ätztechniken geätzt. Die Dimensionen dieser Schlitze 4 können willkürlich sein. Vorzugsweise ist die Breite der Schlitze 4 näherungsweise zwischen 2 und 10 Mikrometer und die Tiefe der Schlitze 4 ist näherungsweise zwischen 10 und 100 Mikrometer. Auf der strukturierten oberen Oberfläche 4 ist eine Festkörperelektrolytschicht 5 deponiert. Die Elektrolytschicht 5 hat eine Dicke von etwa 1 Mikrometer und ist vorzugsweise aus Lithiumphosphoroxinitrid (LiPON) gemacht. Auf der LiPON-Schicht 5 ist eine positive Elektrode 6 in einer Dicke von etwa 1 Mikrometer deponiert. Die positive Elektrode 6 ist vorzugsweise aus LiCoO2 gemacht, möglicherweise gemischt mit Carbonfasern. Deposition des Elektrolyts 5 und der positiven Elektrode 6 auf die obere Oberfläche 4 des Substrats 2 findet durch konventionelle Depositionstechniken wie chemische oder physikalische Gasphasenabscheidung und atomare Schichtdeposition statt. Durch Ätzen des Substrats 2 kann die Kontaktfläche zwischen beiden Elektroden 2, 6 und dem Elektrolyt 5 (signifikant) pro Volumeneinheit erhöht werden, was in einer verbesserten (maximierten) Nennleistungsfähigkeit und Leistungsdichte in der Energiequelle 1 resultiert. Optional kann ein Aluminiumstromkollektor (nicht gezeigt) an die positive Elektrode 6 gekoppelt werden. Die Konstruktion der Energiequelle 1 wie gezeigt ist eine relativ effiziente und einfache Konstruktion und ist zusätzlich relativ einfach herzustellen. Außerdem ist die Leistung der gezeigten Energiequelle 1 durch Minimieren der Schichtdicke des Elektrolyts und Maximieren der gegenseitigen Kontaktfläche zwischen den Komponenten 2, 5, 6 der Energiequelle 1 optimiert.
  • 2 zeigt einen Querschnitt einer anderen elektrochemischen Energiequelle 7 gemäß der Erfindung. Die Energiequelle 7 umfasst ein Substrat 8, das als die negative Elektrode der Energiequelle 7 fungiert. Sowohl eine obere Oberfläche 9 als auch eine untere Oberfläche 10 des Substrats 8 sind strukturiert. Die Strukturen werden durch in das Substrat 8 geätzte Vertiefungen 11, 12 gebildet. Sowohl an der oberen Oberfläche 9 als auch an der unteren Oberfläche 10 ist eine Elektrolytschicht 13, 14 deponiert. Oben auf jeder Elektrolytschicht 13, 14 ist anschließend eine positive Elektrode 15, 16 deponiert. Die positiven Elektroden 15, 16 sind jede (mindestens) teilweise von einem Stromkollektor 17, 18 bedeckt. Beide Stromkollektoren 17, 18 sind untereinander verbunden (nicht gezeigt). Das Substrat 8 ist auch mit einem separaten Stromkollektor 19 verbunden. Der angewendete Interkalationsmechanismus und die in dieser Energiequelle 7 verwendeten Materialien kön nen variieren. Die Energiequelle 7 wie gezeigt kann beispielsweise eine Li-Ionen-(Mikro-)Batterie oder eine NiMH-Batterie bilden. Wie bereits oben angegeben, sind die Oberflächen 9, 10 des Substrats 8 strukturiert, um die Energiedichte der Energiequelle 7 zu verbessern. Da das Substrat 8, das z.B. gleichzeitig als ein Chip-Carrier verwendet werden kann, verwendet wird, um Ionen zu speichern, kann eine relativ effektive Konstruktion für eine Energiequelle 7 erzielt werden.
  • 3 zeigt eine schematische Ansicht eines monolithischen Systems im Gehäuse (SiP) 20 gemäß der Erfindung. Das SiP umfasst ein(e) elektronisches Modul oder Anordnung 21 und eine daran gekoppelte elektrochemische Energiequelle 22 gemäß der Erfindung. Das elektronische Modul/die Anordnung 21 und die Energiequelle 22 sind durch eine Barrierenschicht 23 voneinander getrennt. Sowohl das elektronische Modul/die Anordnung 21 als auch die Energiequelle 22 sind auf dasselbe monolithische Substrat (nicht gezeigt) montiert und/oder basiert. Die Konstruktion der Energiequelle 22 kann willkürlich sein, vorausgesetzt, dass das Substrat als ein (temporäres) Speichermedium für Ionen verwendet wird und so als eine Elektrode fungiert. Das elektronische Modul/die Anordnung 21 kann beispielsweise durch ein Display, einen Chip, eine Steuereinheit usw. gebildet werden. Auf diese Weise können auf eine relativ einfache Art zahlreiche (leicht zu verwendende) Anordnungen gebildet werden.
  • 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer alternativen Mikrobatterie 24, speziell einer Li-Ionen-Batterie, gemäß der Erfindung. Die Mikrobatterie 24 umfasst eine erste Elektrode 25, eine zweite Elektrode 26 und ein Festkörperelektrolyt 27, der zwischen beiden Elektroden 25, 26 angeordnet ist. In diesem Beispiel ist die erste Elektrode 25 eine negative Elektrode 25, die durch ein gestapeltes Laminat eines Elektronen leitenden Substrats 28, einer Elektronen leitenden Barrierenschicht 29 und einer interkalierenden Schicht 30 gebildet wird. Das Substrat 28 ist mithilfe konventioneller Ätztechniken strukturiert, um die Kontaktfläche zwischen (und innerhalb) der genannten Schichten 25, 26, 27 der genannten Mikrobatterie 24 zu erhöhen, was in einer verbesserten Batteriekapazität resultiert. Sowohl die Barrierenschicht 29 als auch die interkalierende Schicht 30 sind auf das genannte Substrat 28 mithilfe konventioneller Depositionstechniken deponiert, gemeinhin durch Niederdruckdampfphasenabscheidung (LPCVD). Das genannte Substrat 28 kann aus einem Elektronen leitenden Material gemacht sein, wie z.B. einem Metall oder einem leitenden Polymer, aber ist gemeinhin aus monokristallinem Silizium gemacht. Aufgrund dieser Vielfalt anwendbaren Materials für das genannte Substrat 28 kann das Substrat entweder aus einem starren Material, wie Silizium, oder einem flexiblen Material, wie speziellen Elektronen leitenden Polymeren wie Polyacetylen und Poly(Para-Phenylen-Vinylen) (PVV), gemacht sein. Abhängig von der Applikation der Mikrobatterie 24 kann für das Substrat 28 ein passendes Material gewählt werden. Um exzessive Diffusion von interkalierenden Ionen in das genannte Siliziumsubstrat 28, was zu einer signifikanten Abnahme der Batterieeffizienz und Batterielebensdauer führen würde, zu vermeiden, wird die genannte Barrierenschicht 29 aufgebracht. Diese Barrierenschicht 29 wird vorzugsweise durch Tantal und/oder Titan enthaltende Verbindungen wie Tantal, Tantalnitrid, Titannitrid usw. gebildet. Diese Verbindungen haben alle einen relativ niedrigen elektrischen Widerstand. Diese Elektronen leitende Schicht 29 hat eine relativ dichte Struktur mit reduzierter Permeabilität für die interkalierenden Lithiumionen, welche Ionen deshalb kaum in das genannte Substrat 28 diffundieren. Der Interkalationsmechanismus der ersten Elektrode wird deshalb im Wesentlichen durch die genannte interkalierende Schicht 30 bestimmt, die speziell zum temporären Speichern und Freigeben der interkalierenden Lithiumionen angepasst ist. Die Barrierenschicht 29 hat vorzugsweise eine Schichtdicke zwischen 20 und 100 Nanometer, vorzugsweiser zwischen 50 und 100 Nanometer. Die interkalierende Schicht 30 ist gemeinhin aus Silizium gemacht, vorzugsweise amorphem Silizium. Die Schichtdicke dieser interkalierenden Schicht 30 ist vorzugsweise zwischen 30 und 100 Nanometer und vorzugsweiser etwa 50 Nanometer. Der genannte Festkörperelektrolyt 27 wird vorzugsweise aus LiPON, LiNbO3, LiTaO3, Li2WO4 usw. gebildet. Die genannte positive Elektrode 26 wird durch eine LiCoO2-Verbindung gebildet. Die erste negative Elektrode 25 ist mit einem Anschluss 31 verbunden, der an einer oberen Oberfläche der genannten Mikrobatterie 24 angeordnet ist. Optional kann eine zusätzliche Schicht (nicht gezeigt) oben auf dem gezeigten Stapel der Mikrobatterie 24 aufgebracht werden, um einen Schutz für die genannte Mikrobatterie 24 bereitzustellen. In dieser speziellen Ausführungsform wird die oberste Schicht vorzugsweise durch eine zusätzliche Barrierenschicht gleich der Barrierenschicht 29 der ersten Elektrode 25 gebildet, um die interkalierenden Lithiumionen innerhalb der genannten Mikrobatterie 24, in der die Migrationsfreiheit der interkalierenden Ionen limitiert ist, einzuschließen, als ein Ergebnis dessen die Kapazität der Mikrobatterie 24 erhalten werden kann. Dies führt sowohl zu einer verbesserten Batterieeffizienz als auch zu einer verbesserten Lebensdauer. Es muss deutlich sein, dass die Erfindung keineswegs auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Innerhalb des Rahmens der anhängenden An sprüche ist eine Vielzahl anderer Ausführungsformen möglich, was einem Fachmann deutlich sein wird.

Claims (21)

  1. Elektrochemische Energiequelle (1, 7, 22), die mindestens eine Baugruppe aus Folgendem umfasst: – einer ersten Elektrode (2, 8), – einer zweiten Elektrode (6, 15, 16), und – eines dazwischenliegenden Festkörperelektrolyts (5, 13, 14), das die genannte erste Elektrode (2, 8) und die genannte zweite Elektrode (6, 15, 16) trennt, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte erste Elektrode (2, 8) mindestens teilweise durch ein leitendes Substrat (2, 8) gebildet wird, auf dem der Festkörperelektrolyt (5, 13, 14) und die zweite Elektrode (6, 15, 16) deponiert worden sind.
  2. Elektrochemische Energiequelle (1, 7, 22) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (5, 13, 14) und die zweite Elektrode (6, 15, 16) auf einer Kontaktoberfläche (3, 9, 10) des Substrats (2, 8) aufgebracht sind, die mindestens teilweise strukturiert ist.
  3. Elektrochemische Energiequelle (1, 7, 22) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktoberfläche (3, 9, 10) mit einer Vielzahl von Vertiefungen (4, 11, 12) beliebiger Form versehen ist, wobei der genannte Elektrolyt (5, 13, 14) und die genannte zweite Elektrode (6, 15, 16) auf mindestens einem Teil einer inneren Oberfläche der genannten Vertiefungen (4, 11, 12) aufgebracht sind.
  4. Elektrochemische Energiequelle (1, 7, 22) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Vertiefungen (4, 11, 12) Schlitze (4) bildet.
  5. Elektrochemische Energiequelle (1, 7, 22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens entweder die erste Elektrode (2, 8) oder die zweite Elektrode (6, 15, 16) an einen Stromkollektor (17, 18) angeschlossen ist.
  6. Elektrochemische Energiequelle (1, 7, 22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2, 8) zum Speichern von Ionen mindestens eines der folgenden Atome angepasst ist: H, Li, Be, Mg, Na und K.
  7. Elektrochemische Energiequelle (1, 7, 22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2, 8) aus mindestens einem der folgenden Materialien gemacht ist: C, Sn, Ge, Pb und, vorzugsweise dotiertem, Si.
  8. Elektrochemische Energiequelle (1, 7, 22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperelektrolyt (5, 13, 14) und die zweite Elektrode (6, 15, 16) auf vielfachen Seiten (9, 10) des Substrats (2, 8) deponiert sind.
  9. Elektrochemische Energiequelle (1, 7, 22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2, 8) mindestens teilweise mit einer Barrierenschicht (23) für Ionen bedeckt ist.
  10. Elektrochemische Energiequelle (1, 7, 22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2, 8) von einer Trägerstruktur getragen wird.
  11. Elektrochemische Energiequelle (1, 7, 22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (2, 8) eine Elektronen leitende Barrierenschicht umfasst, die angepasst ist, mindestens im Wesentlichen Diffusion von interkalierenden Ionen in das genannte Substrat (2, 8) auszuschließen, wobei die genannte Barrierenschicht auf das genannte Substrat (2, 8) deponiert ist.
  12. Elektrochemische Energiequelle (1, 7, 22) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode weiter eine interkalierende Schicht umfasst, die auf einer Seite der genannten Barrierenschicht gegenüber dem Substrat deponiert ist.
  13. Elektrochemische Energiequelle (1, 7, 22) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte interkalierende Schicht mindestens im Wesentlichen aus Silizium, vorzugsweise amorphem Silizium, gemacht ist.
  14. Elektrochemische Energiequelle (1, 7, 22) nach einem der Ansprüche 11–13, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Barrierenschicht auf dem genannten Substrat deponiert ist.
  15. Elektrochemische Energiequelle (1, 7, 22) nach einem der Ansprüche 11–14, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Barrierenschicht mindestens im Wesentlichen aus einer der folgenden Verbindungen gemacht ist: Tantal, Tantalnitrid, Titan und Titannitrid.
  16. Elektronische Anordnung (21) die mit mindestens einer elektrochemischen Energiequelle (1, 7, 22) nach einem der Ansprüche 1–15 versehen ist.
  17. Elektronische Anordnung (21) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Anordnung durch eine integrierte Schaltung (IC) gebildet wird.
  18. Elektronische Anordnung (21) nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Anordnung und die elektrochemische Energiequelle (1, 7, 22) ein System im Gehäuse (SiP) (20) bilden.
  19. Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Energiequelle (1, 7, 22) nach einem der Ansprüche 1–15, das folgende Schritte umfasst: A) Deponieren des Festkörperelektrolyts (5, 13, 14) auf dem Substrat (2, 8) und B) anschließendes Deponieren der zweiten Elektrode (6, 15, 16) auf dem Substrat (2, 8).
  20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mit Schritt C), der das Strukturieren mindestens einer Kontaktoberfläche (3, 9, 10) des Substrats (2, 8) umfasst, versehen ist, worin Schritt C) vor Schritt A) angewendet wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mit Schritt D), der das anschließende Deponieren einer Elektronen leitenden Barriereschicht und einer Interkalierungsschicht auf dem Substrat (2, 8) umfasst, versehen ist, worin Schritt D) vor Schritt A) angewendet wird.
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