專利名稱：電化學能量源及設置有該電化學能量源的電子裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種改進的電化學能量源。本發(fā)明還涉及一種設置有 該電化學能量源的電子裝置。
背景技術(shù)：
基于固態(tài)電解質(zhì)的電化學能量源在本領域中是已知的。這些(平 面)能量源或者"固態(tài)電池"有效地將化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芮铱梢杂米鞅?攜電子裝置的電源。這些電池可以小規(guī)模地用于向例如微電子模塊，
更具體地為集成電路(IC)供應電能。這種電池的示例披露于國際專 利申請WO 00/25378，其中固態(tài)薄膜微電池直接制作在特定襯底上。 在該制作過程中，第一電極、中間固態(tài)電解質(zhì)以及第二電極相繼沉積 在該襯底上成為疊層。盡管與其他固態(tài)電池相比，這種已知微電池通 常呈現(xiàn)優(yōu)異的性能，不過這種已知微電池存在諸多缺點。WO 00/25378 的這種已知微電池的主要缺點為至少部分圍繞該疊層向該疊層應用屏 蔽封裝，由于工作時兩個電極的顯著膨脹和收縮，該封裝通常容易破 裂。
本發(fā)明的目的是提供一種改進的電化學能量源，其不遭受至少一 個上述缺點。
發(fā)明內(nèi)容
該目的可以通過提供根據(jù)導言的電化學能量源來實現(xiàn)，該電化學 能量源包括襯底，以及沉積在所述襯底上的至少一個疊層，該疊層包 括第一電極；第二電極；以及中間固態(tài)電解質(zhì)，分隔所述笫一電極和 第二電極；以及沉積在所述襯底和疊層之間的至少一個電子傳導阻擋層， 該阻擋層用于至少基本阻止所述疊層的活性物質(zhì)向所述襯底的擴散，其 中該能量源還包括至少部分圍繞所述疊層的至少一個材料層，以及置于 所述疊層和圍繞材料層之間的用于減小所述疊層的膨脹和收縮時所述圍 繞材料層中應力的應力減小機構(gòu)。通過在該圍繞材料層和疊層之間應用 該材料應力減小機構(gòu)，該電化學能量源工作時(多個)電極的膨脹和
4收縮引起的該圍繞材料層和疊層界面的材料應力的積累可得以補償。 該圍繞層和/或疊層的劣化，且特別是破裂或斷裂可以按照這種方式得 以抵消。由于在本發(fā)明的電化學能量源中應用該材料應力減小機構(gòu)， 電化學能量源的設計自由度可以顯著增大。具體而言，由于該材料應 力減小機構(gòu)的應用，可應用的圍繞層的選擇自由度增大。在本發(fā)明的 電化學能量源中，因此可以想到應用基本剛性的圍繞層來至少部分覆 蓋該疊層。至少部分圍繞該疊層的材料層可以具有各種屬性。圍繞材 料層可以用作保全該疊層內(nèi)的活性物質(zhì)的封裝，和/或可以用于防止圍 繞該封裝的諸如氧氣或氮氣的氣氛化合物進入該疊層，從而保護該疊 層以確保根據(jù)本發(fā)明的電化學能量源的長期性能。
然而，也可以想到該圍繞材料層用于另外目的，因為該圍繞材料 層例如也可以用作間隔物以分隔根據(jù)本發(fā)明的電化學能量源的兩個不 同疊層。
該第一電極優(yōu)選地包括陽極，且該第二電極優(yōu)選地包括陰極。通 常在將該疊層沉積在襯底上時沉積該陽極和陰極。優(yōu)選地，4艮據(jù)本發(fā)
明的能量源的至少一個電極用于存儲至少一種下述元素的活性物質(zhì) 氫(H)、鋰(Li)、鈹(Be)、鎂(Mg)、鋁(A1)、銅(Cu)、銀(Ag)、鈉(Na)和 鉀(K)、或者分配到元素周期表的1族或2族的任何其他合適元素。這 樣，根據(jù)本發(fā)明的能量系統(tǒng)的電化學能量源可以基于各種插入 (intercalation )機制，且因此適于形成不同類型的電池，例如鋰離子 電池、NiMH電池等。在優(yōu)選實施例中，至少一個電極，更優(yōu)選地陽 極，包括至少一種下述材料C、 Sn、 Ge、 Pb、 Zn、 Bi、 Sb、 Li和優(yōu) 選摻雜的Si。這些材料的組合也可以用于形成(多個)電極。優(yōu)選地， n型或p型摻雜Si，或者像SiGe或SiGeC這樣的摻雜的Si相關化合物， 用作電極。而且，倘若電極的材料用于前述活性物質(zhì)的插入和存儲， 其他合適的材料-優(yōu)選地分配到元素周期表的12至16族之一的任何 其他合適元素-也可以應用為陽極。前述材料尤為適于應用在鋰離子 電池中。對于應用氫基能量源的情形，陽極優(yōu)選地包括氫化物形成材 料，諸如ABs型材料，特別是LaNis，以及諸如鎂基合金，特別是 MgxTilx。
用于鋰離子基能量源的陰極優(yōu)選地包括至少一種金屬氧化物基材 料，例如LiCo02、 LiNi02、 LiMn02,或這些材料的組合，例如Li(NiCoMn)02。對于氫基能量源的情形，陰極優(yōu)選地包括Ni(OH)2和/ 或NiM(OH)2,其中M由選自例如Cd、 Co或Bi的一種或多種元素形 成。
在優(yōu)選實施例中，該第一電極和第二電極中至少一個電極包括至 少一個集流器。通常已知將集流器應用為電極端子。對于例如具有 LiCo02電極(用作陰極)的鋰離子電池的情形，鋁集流器優(yōu)選地連接 到該LiCo02電極。備選地或者另外地，該至少一個集流器優(yōu)選由至少 一種下述材料形成Al、 Ni、 Pt、 Au、 Ag、 Cu、 Ta、 Ti、 TaN和TiN。 其他類型的集流器，諸如Si、 GaAs、 InP這樣的優(yōu)選摻雜的半導體材 料也可以應用為集流器。對于應用電子傳導阻擋層的情形，該阻擋層 可用作陽極的集流器。更優(yōu)選地，每個集流器的至少一部分不被該圍 繞材料層覆蓋，從而實現(xiàn)本發(fā)明的能量源與電子模塊或裝置的方便的 連接。疊層外表面的其余部分(除了集流器的一部分之外)優(yōu)選地以 基本中等密封的方式被該圍繞材料層完全覆蓋。在特定優(yōu)選實施例中，
該集流器中至少之一由其上沉積了相鄰電極的導電村底形成。該集流 器和支撐(例如)能量源的第一襯底的集成通常導致根據(jù)本發(fā)明的能 量源的較簡單的構(gòu)造。此外，該能量源的制作方式也更筒單，因為可 以除去至少一個工藝步驟。根據(jù)本發(fā)明的能量系統(tǒng)的較簡單制作方法 可進一步引起顯著的成本節(jié)約。在該上下文中提到，第一電極通常包 括陽極及(第一)集流器，并且第二電極通常包括陰極及(第二)集 流器。然而，本領域4支術(shù)人員也可以想到，該疊層備選地包括第一集 流器、沉積在該第一集流器上的電解質(zhì)、沉積在該電解質(zhì)上的陰極、 以及沉積在該陰極上的第二集流器。因此，在該疊層的制作時，未沉 積單獨的陽極層。然而，在電化學能量源工作時，陽極通常將形成在 第一集流器上，或者實際上形成于第一集流器和電解質(zhì)之間。例如， 在鋰離子類型電池的制作時，金屬鋰在該電池工作時沉積在第一集流 器上，且隨后用作該電池中的陽極材料。在該上下文中，注意，規(guī)則 的疊層(陽極指向襯底)和顛倒的疊層(陰極指向襯底)均可以結(jié)合 在根據(jù)本發(fā)明的電化學能量源中。
根據(jù)本發(fā)明的能量源中應用的電解質(zhì)可以基于離子傳導機制或者 非電子傳導機制，例如針對氫(H)、鋰(Li)、鈹(Be)、鎂(Mg)、鋁(A1)、 銅(Cu)、銀(Ag)、鈉(Na)和鉀(K)的離子導體。通常使用固態(tài)電解質(zhì)。然而，也可以想到應用液態(tài)電解質(zhì)或者固態(tài)和液態(tài)電解質(zhì)的混合物， 諸如凝膠基聚合物。此外，也可以使用聚合物基電解質(zhì)。作為固態(tài)電
解質(zhì)的鋰導體的示例為氧氮化鋰磷(LiPON)。其他已知的固態(tài)電解質(zhì)， 例如鈮酸鋰(LiNb03)、鉭酸鋰(LiTa03)、正鎢酸鋰(1^2\￥04)、氧氮化鋰 鍺(LiGeON)、 Li5La3Ta2012(^榴石型)、Lh4ZnGe40w(鍺酸鋅鋰)、Li3N、 P-氧化鋁或者LiuTh.7Al(u(P04)3(NASICON型)，也可以用作鋰傳導固 態(tài)電解質(zhì)。氫傳導電解質(zhì)例如可以由CaF2、 TiO(OH)或Zr02Hx形成。 有關氫傳導電解質(zhì)的詳細信息披露于國際專利申請WO 02/42831 。
該應力減小機構(gòu)優(yōu)選地包括形成于該疊層和圍繞材料層之間的至 少一個應力減小腔體。通過應用該至少一個應力減小腔體，該疊層(的 一個或多個關鍵部分)和圍繞材料層之間的物理接觸可以消除，工作 時由于疊層的膨脹和收縮引起的材料應力積累因此可得以防止或者至 少抵消。該至少一個腔體可利用標準MEMS工藝形成。該至少一個應 力減小腔體可以基本真空，或者至少可以保持在低壓狀態(tài)。然而，也 可以想到，該腔體使用介質(zhì)，優(yōu)選使用氣體來填充，該介質(zhì)更優(yōu)選地 對于該疊層所包含的活性物質(zhì)基本是惰性的。預期該腔體也適于用作 阻擋層以阻止該疊層所包含的活性物質(zhì)向該圍繞材料層的擴散。為了 最小化圍繞材料層和該疊層或者至少該疊層的扭曲部分-特別是疊層 的陽極和陰極-之間的物理接觸，優(yōu)選地應用多個應力減小腔體。
在備選的優(yōu)選實施例中，該應力減小機構(gòu)包括至少一個撓性件， 以減小該圍繞材料層中的材料應力的積累。實際上，在疊層且尤其是 (多個)電極膨脹和收縮時，傳遞到該至少一個撓性件的能量將基本 上被所述至少一個撓性件吸收，結(jié)果是，該圍繞材料層中不存在(明 顯的)材料應力。用于令人滿意地減小圍繞材料層中材料應力積累所 需的該至少一個撓性件的最小厚度預計大于應用應力減小腔體(代替 撓性件)情形中的最小厚度。在優(yōu)選實施例中，應用多個撓性件以使 得令人滿意地覆蓋疊層(的(多個)關鍵部分)。在特別優(yōu)選實施例中， 該至少一個撓性件由至少一種聚合物，更優(yōu)選地由聚對二曱苯形成。 聚合物，具體而言彈性體，更具體而言聚對二甲苯，理想地適于至少 部分且基本均勻(無孔洞)地涂布該疊層。此外，聚對二甲苯具有小 的楊氏模量(~4GPa)，為一種具有大的線彈性范圍的非脆性材料(屈 服應變~3%),這允許大的撓曲而不破損。對于本領域技術(shù)人員，還
7可以想到，該撓性件包括其他材料，且優(yōu)選易延展的金屬，特別是銅、 銀、金等。
優(yōu)選地，該應力減小機構(gòu)用于分隔根據(jù)本發(fā)明的能量源的不同疊 層。在這后一種情形中，該至少一個撓性件和/或該至少一個材料應力 減小機構(gòu)將同時至少部分地覆蓋多個疊層。優(yōu)選地，該撓性件-如果 被應用-也是電絕緣的，從而防止不同疊層之間的短路。通過在根據(jù) 本發(fā)明的單個電化學能量源中應用多個疊層，該能量源的容量且因此 性能可以顯著改善。
該圍繞材料優(yōu)選地包括至少部分覆蓋所述疊層外表面的封裝，從 而屏蔽并因此保護該疊層免受圍繞該疊層的氣氛的影響。優(yōu)選地，該 封裝是電絕緣的，且對于該疊層所包含的活性物質(zhì)基本上是無法滲透 的。更優(yōu)選地，封裝是電絕緣的且對于氣氛化合物基本上是無法滲透 的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，已知電池的性能顯著劣化基本上是由最初圍繞該能量 源的氣氛化合物滲透到該能量源內(nèi)而引起的，其結(jié)果為，在位于一側(cè) 的滲透氣氛化合物與位于另一側(cè)的該疊層所包含的諸如離子和特定原 子的活性物質(zhì)之間發(fā)生化學反應。通過應用該圍繞材料層作為該電化 學能量源的疊層周圍的保護性封裝，氣氛化合物和該疊層所包含的活 性物質(zhì)之間的接觸以及由此引起的疊層中存在的活性物質(zhì)數(shù)目的顯著 減小可得以防止或至少抵消，因此該(薄膜)能量源的性能不會顯著 劣化。優(yōu)選地，該疊層的外表面(通常最初未覆蓋)完全或至少基本 上被該保護性封裝覆蓋，從而消除氣氛化合物和該疊層所包含的活性 物質(zhì)之間的接觸。該保護性封裝因此用作化學阻擋層，以屏蔽該疊層 所包含的活性物質(zhì)及其他粒子免受相對侵蝕性的氣氛化合物的影響。
反應性的氣氛化合物通常主要由氮氣(N2)、氧氣(02)和水(H20) 及其任何衍生(反應)產(chǎn)物形成。該保護性封裝是電絕緣的，以防止 第一電極和第二電極短路。
該阻擋層優(yōu)選地至少基本由至少一種下述化合物形成Ta、 TaN、 Ti和TiN。阻擋層的材料當然不限于這些化合物。這些化合物具有這 樣的共同特性其具有對于例如鋰(離子)的插入物質(zhì)而言是無法滲 透的較致密結(jié)構(gòu)。
在優(yōu)選實施例中，(多個)襯底由至少一種下述材料形成C、 Si、 Sn、 Ti、 Ge、 Al、 Cu、 Ta和Pb。這些材料的組合也可以用于形成(多個)襯底。優(yōu)選地，n型或p型摻雜Si或Ge，或者像SiGe或SiGeC 這樣的摻雜Si相關和/或Ge相關化合物，用作襯底。其上沉積了疊層 的該襯底表面可以基本平坦以獲得基本平面疊層，或者可以被圖案化 (通過彎曲襯底和/或為襯底提供溝槽、洞和/或柱)以獲得三維取向疊 層。應用三維取向疊層的優(yōu)點是兩個電極與固態(tài)電解質(zhì)之間的單位體 積的接觸表面增大。通常，根據(jù)本發(fā)明能量源的部件之間(多個)接 觸表面的這種增大引起該能量源的提高的額定容量，且因此提供更佳 的電池性能(由于能量源的層體積的最佳利用)。按照這種方式，該能 量源中的功率密度和能量密度可以最大化并因此最優(yōu)化。圖案的性質(zhì)、 形狀和尺度可以是任意的。
本發(fā)明還涉及設置有至少一個本發(fā)明的電化學能量源的電子裝 置。這種電子裝置的示例為剃須器，其中該電化學能量源例如可用作 備用(或主要)電源。通過提供包括本發(fā)明的能量系統(tǒng)的備用電源可 以得到增強的其他應用例如為便攜RF模塊(例如蜂窩電話、無線電模 塊等)、(自主)微系統(tǒng)中的傳感器和致動器、能量和光管理系統(tǒng)、以 及數(shù)字信號處理器和用于環(huán)境智能的自主裝置。應當清楚，這種列舉 絕不應視為限制性的?？梢越Y(jié)合本發(fā)明能量源(或相反)的電子裝置 的另一示例為所謂的"系統(tǒng)級封裝，，(SiP)。在系統(tǒng)級封裝中，諸如集 成電路(IC)、芯片、顯示器等一個或多個電子部件和/或器件，至少部 分嵌在本發(fā)明的電化學能量源的襯底內(nèi)，特別是單晶硅導電襯底內(nèi)。
本發(fā)明通過下述非限制性示例予以闡述，其中 圖la示出從現(xiàn)有技術(shù)已知的鋰離子電池處于放電狀態(tài)的示意性 截面圖，
圖lb示出根據(jù)圖la的鋰離子電池處于充電狀態(tài)的示意性截面圖，
圖lc示出根據(jù)圖la的鋰離子電池處于放電狀態(tài)的示意性截面圖， 其中示出該電池中的局部材料應力，
圖ld示出根據(jù)圖la的鋰離子電池處于充電狀態(tài)的示意性截面圖， 其中示出該電池中的局部材料應力，
圖2a示出根據(jù)本發(fā)明的鋰離子電池處于放電狀態(tài)的示意性截面
圖，圖2b示出根據(jù)圖2a的鋰離子電池處于充電狀態(tài)的示意性截面圖， 圖3a示出根據(jù)本發(fā)明的另一鋰離子電池處于放電狀態(tài)的示意性 截面圖，
圖3b示出根據(jù)圖3a的鋰離子電池處于充電狀態(tài)的示意性截面圖，
以及
圖4示出根據(jù)本發(fā)明的又一鋰離子電池處于充電狀態(tài)的示意性截面圖。
具體實施例方式
圖la示出從現(xiàn)有技術(shù)已知的鋰離子電池l處于放電狀態(tài)的示意性 截面圖。電池l包括陽極3(包括集流器)、固態(tài)電解質(zhì)4和陰極5(包 括集流器)的疊層2，該電池疊層2沉積在可能嵌入了一個或多個電子 部件(未示出)的硅襯底6上。在該已知電池1中，陽極3由非晶硅 (a-Si)形成，且陰極5由諸如LiCo02、 LiMn02、 LiNK)2等金屬氧化 物形成。所使用的電解質(zhì)4可由LiPON形成。在電池疊層2和襯底6 之間，由鉭形成的鋰阻擋層7沉積在村底6上。在該示例中，保護封 裝39圍繞疊層2從而能夠保全疊層2中的所有活性物質(zhì)。因此，通過 鋰離子阻擋層7可以抵制由疊層2最初所包含的鋰離子(或者其他活 性物質(zhì))向村底6的擴散。保護封裝39優(yōu)選由至少一種絕緣材料形成， 且可包括交替層的疊層，所述交替層的每一層由選自下述材料組的至 少一種材料形成金屬、聚合物以及硅質(zhì)化合物?？梢栽诒Ｗo封裝39 的疊層中應用的交替層的示例為所謂的NONON層配置，其包括以交 替方式彼此連續(xù)沉積的氮化硅(N)和氧化硅(O)層。該疊層通常還 包括金屬層，該金屬層對于氣氛化合物以及對于疊層2包括的遷移活 性物質(zhì)通常基本都是無法滲透的。各層3、 4、 5、 7的沉積例如可以通 過CVD、 PVD或者(濕法)化學沉積來達成。在如所示的鋰離子電池 l的放電狀態(tài)中，陽極3處于收縮狀態(tài)且陰極5處于膨脹狀態(tài)。圖lb 示出根據(jù)圖la的鋰離子電池處于充電狀態(tài)的示意性截面圖。在該圖中， 清楚地示出(充電的)陽極3已經(jīng)膨脹，而陰極5已經(jīng)收縮。如圖lc 和ld所示，在電池l工作時材料應力將積累于阻擋層7內(nèi)，因此在該 材料應力太大時阻擋層7將斷裂(或破裂)，這通常會影響通過阻擋層 7來可靠地屏蔽該疊層2且通常會引起電池1短期或長期的性能劣化。
10圖2a和2b分別示出根據(jù)本發(fā)明的鋰離子電池8分別處于放電狀 態(tài)和充電狀態(tài)的示意性截面圖。電池8包括陽極IO(包括集流器)、固 態(tài)電解質(zhì)11和陰極12 (包括集流器)的疊層9，該電池疊層9沉積在 其中可能嵌入了一個或多個電子部件(未示出)的硅襯底13上。在本 發(fā)明的電池8中，陽極10優(yōu)選由非晶硅(a-Si)形成，且陰極12優(yōu)選 由諸如LiCo02、 LiMn02、 LiNi02等金屬氧化物形成。在該示例中， 所4吏用的電解質(zhì)11由LiPON形成。在電池疊層9和襯底13之間，鋰 阻擋層14沉積在襯底13上。阻擋層14優(yōu)選由鉭、鈦、氮化鉭和氮化 鈦形成。在該示例性示例中，阻擋層14完全圍繞疊層9從而能夠保全 疊層9中的所有活性物質(zhì)。因此，通過鋰離子阻擋層14可以抵制由疊 層9最初所包含的鋰離子(或者其他活性物質(zhì))向襯底13或其他介質(zhì) 的擴散。同樣，各層IO、 11、 12、 14的沉積例如可以通過CVD、 PVD 或者(濕法)化學沉積來達成。在本發(fā)明的電池8中，兩個材料應力 減小腔體15應用于疊層9(的側(cè)壁)和阻擋層14之間，疊層9和阻擋 層14之間的界面通過該腔體而凈皮選擇性中斷，以防止由于在電池8工 作時陽極10和陰極12的膨脹和收縮引起的阻擋層14內(nèi)的大量積累材 料應力以及因此引起的阻擋層14斷裂。注意，在該上下文中，由于陽 極和陰極材料的平衡選擇，如圖2a和2b所示的疊層的總體積在電池 工作時將基本不變(見圖2a和2b)。如果該總體積在電池工作時不是 基本不變，則額外的材料應力減小腔體(未示出)優(yōu)選地應用在疊層9 的頂部上。通過應用上述材料應力減小腔體，阻擋層14的預期壽命通 ?？梢暂^長地得以保持。
圖3a和3b分別示出根據(jù)本發(fā)明的鋰離子電池16分別處于放電狀 態(tài)和充電狀態(tài)的示意性截面圖。如圖3a和3b所示的電池16在構(gòu)造上 或多或少類似于如圖2a和2b所示的電池8，且包括陽極18 (包括集 流器)、固態(tài)電解質(zhì)19和陰極20(包括集流器)的疊層17,該電池疊 層17沉積在其中可能嵌入了一個或多個電子部件(未示出)的硅襯底 21上。在本發(fā)明的電池16中，陽極18優(yōu)選由非晶硅(a-Si)形成，且 陰極20優(yōu)選由諸如LiCo02、 LiMn02、 LiNi02等金屬氧化物形成。該 示例中使用的電解質(zhì)19優(yōu)選由LiPON形成。在電池疊層17和襯底21 之間，鋰阻擋層22沉積在襯底21上。阻擋層22優(yōu)選由鉭、鈥、氮化 鉭和氮化鈦形成。阻擋層22用于阻止由疊層17最初所包含的活性物頂面均被其上沉積了屏蔽阻擋層24的撓性絕緣層23覆蓋。阻擋層22、 24可形成單一整合層。然而，也可以想到，阻擋層22、 24由不同的材料形成。通常，屏蔽阻擋層24也用于保全疊層17中的活性物質(zhì)。然而，本領域技術(shù)人員也可以想到，屏蔽阻擋層24用于防止疊層17所包含的鋰離子與圍繞電池16的氣氛化合物相互作用。疊層17所包含的(鋰)活性物質(zhì)與氣氛化合物，特別是分子氧氣、分子氮氣以及水之間的相互作用會顯著劣化電池16的性能。在該示例中，屏蔽阻擋層24用作密封，且可由其頂部沉積了鉭層的氧化硅層的疊層(未示出)形成。導電鉭層用作化學阻擋，因為該層對于鋰離子和氣氛化合物基本都是無法滲透的。優(yōu)選地由聚對二甲苯形成的撓性層22的應用吸收了在電池工作時由疊層17產(chǎn)生的變形能的大部分，這對于防止屏蔽阻擋層24中的大量材料應力積累是有益的。按照這種方式，阻擋層24的完整性且因此電池16的性能可以較可靠地得以保證。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明的又一鋰離子電池25處于充電狀態(tài)的示意性截面圖。電池25包括其中嵌入了諸如IC的一個或多個電子部件27的硅襯底26。下阻擋層28和下介電層29連續(xù)沉積在村底26的頂部上。下阻擋層28優(yōu)選由鉭、鈦、氮化鉭或氮化鈦形成，隔離下介電層29優(yōu)選由諸如二氧化硅的氧化物形成。多個疊層30a、 30b、 30c、 30d沉積在下介電層29的頂部上，其中每兩個疊層30a、 30b、 30c、 30d的兩個堆疊被沉積。每個疊層包括陽極31a、 31b、 31c、 31d;耦合到陽極31a、 31b、 31c、 31d的集流器(未示出)；固態(tài)電解質(zhì)32a、 32b、 32c、32d;陰極33a、 33b、 33c、 33d;以及耦合到陰極33a、 33b、 33c、 33d的集流器(未示出)。在該圖所示的電池25中，每個疊層30a、 30b、30c、 30d的陽極31a、 31b、 31c、 31d處于充電(膨脹)狀態(tài)。每個堆疊的疊層30a、 30b、 30c、 30d通過中間介電層34a、 34b相互分隔，而這樣的堆疊通過撓性間隔物35相互分隔，從而能夠平衡在電池25工作時陽極31a、 31b、 31c、 31d和陰極33a、 33b、 33c、 33d的膨脹和收縮。這些疊層可以以串聯(lián)和/或并聯(lián)(未示出)方式電耦合。疊層30a、30b、 30c、 30d的組件被頂阻擋層36屏蔽。頂阻擋層36優(yōu)選由鉭、鈦、氮化鉭或氮化鈦形成，且因此是較剛性的層。該較剛性的頂阻擋層36與疊層30a、 30b、 30c、 30d的組件的側(cè)壁及頂面之間的物理粘合i人為
12是不期望的，因為頂阻擋層36通常會由于電池25工作時陽極31a、31b、31c、 31d和陰極33a、 33b、 33c、 33d的膨脹和收縮而容易發(fā)生斷裂。因此，疊層30a、 30b、 30c、 30d的組件的側(cè)壁均由撓性件37a、 37b覆蓋以補償前述膨脹和收縮。材料應力減小腔體38應用于疊層30a、30b、 30c、 30d的組件的頂面和圍繞的頂阻擋層36之間，以補償本發(fā)明的電池25工作時疊層30a、 30b、 30c、 30d沿與襯底26垂直方向的最終總體積變化。按照這種方式，保護性頂阻擋層36中有害的材料應力積累可得以防止或者至少抵消，其結(jié)果為疊層30a、 30b、 30c、 30d的最佳屏蔽以及因此電池25的最佳性能可以較長地得以保持。
應當注意，上述實施例闡釋而非限制本發(fā)明，且在不背離所附權(quán)利要求范圍的情況下，本領域技術(shù)人員將能夠設計許多備選實施例。在權(quán)利要求中，置于括號之間的任何參考符號不應解讀為限制該權(quán)利要求。使用動詞"包括"及其變形不排除那些未在權(quán)利要求中列出的元件或步驟的存在。元件之前使用的冠詞"一"或"一個"并不排除存在多個這樣的元件。在互不相同的從屬權(quán)利要求中列舉了某些措施并不表示不能有利地使用這些措施的組合。
權(quán)利要求
1.電化學能量源，包括襯底，以及沉積在所述襯底上的至少一個疊層，該疊層包括第一電極，第二電極，以及中間固態(tài)電解質(zhì)，分隔所述第一電極和第二電極，以及沉積在所述襯底和疊層之間的至少一個電子傳導阻擋層，該阻擋層用于至少基本阻止所述疊層的活性物質(zhì)向所述襯底的擴散，其中該能量源還包括至少部分圍繞所述疊層的至少一個材料層，以及置于所述疊層和圍繞材料層之間的用于減小所述疊層的膨脹和收縮時所述圍繞材料層中應力的應力減小機構(gòu)。
2. 如權(quán)利要求l所述的電化學能量源，其特征在于，所述笫一電極 包括陽極，和/或所述第二電極包括陰極。
3. 如權(quán)利要求2所述的電化學能量源，其特征在于，所述陽極和陰 極二者用于存儲至少一種下述元素的活性物質(zhì)H、 Li、 Be、 Mg、 Cu、 Ag、 Na和K。
4. 如權(quán)利要求2或3所述的電化學能量源，其特征在于，所述陽極 和陰極至少之一由至少一種下述材料形成C、 Sn、 Ge、 Pb、 Zn、 Bi、 Li、 Sb和優(yōu)選摻雜的Si。
5. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的電化學能量源，其特征在于，所 述第一電極和第二電極中至少一個電極包括至少一個集流器。
6. 如權(quán)利要求5所述的電化學能量源，其特征在于，所述至少一個 集流器由至少一種下述材料形成Al、 Ni、 Pt、 Au、 Ag、 Cu、 Ta、 Ti、 TaN和，。
7. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的電化學能量源，其特征在于，所 述應力減小機構(gòu)包括形成于所述疊層和圍繞材料層之間的至少 一個應力 減小腔體。
8. 如權(quán)利要求7所述的電化學能量源，其特征在于，所述應力減小 機構(gòu)包括多個應力減小腔體。
9. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的電化學能量源，其特征在于，所 述應力減小機構(gòu)包括至少 一個撓性件。
10. 如權(quán)利要求9所述的電化學能量源，其特征在于，所述應力減 小機構(gòu)包括多個撓性件。
11. 如權(quán)利要求9或IO所述的電化學能量源，其特征在于，所述至 少一個撓性件包括至少一種聚合物，特別是聚對二甲苯。
12. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的電化學能量源，其特征在于， 所述應力減小才幾構(gòu)用于分隔不同疊層。
13. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的電化學能量源，其特征在于， 所述圍繞材料層包括至少部分覆蓋所述疊層的外表面的封裝。
14. 如權(quán)利要求13所述的電化學能量源，其特征在于，所述封裝由 所述疊層電絕緣地包含。
15. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的電化學能量源，其特征在于， 所述至少一個阻擋層是由至少一種下述材料形成Ta、 TaN、 Ti和TiN。
16. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的電化學能量源，其特征在于， 所述襯底包括Si和/或Ge。
17. 電子裝置，設置有至少一個如權(quán)利要求1至16中任一項所述的 電化學能量源。
18. 如權(quán)利要求17所述的電子裝置，其特征在于，所述至少一個電 子部件，特別是集成電路(IC)，至少部分嵌在所述電化學能量源的村底 內(nèi)。
19. 如權(quán)利要求18或19所述的電子裝置，其特征在于，所述電子 裝置和電化學能量源形成系統(tǒng)級封裝(SiP)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種改進的電化學能量源，其包括襯底以及沉積在所述襯底上的至少一個疊層，該疊層包括第一電極、第二電極、以及分隔該第一電極和第二電極的中間固態(tài)電解質(zhì)。本發(fā)明還涉及設置有這種電化學能量源的電子裝置。
文檔編號H01M10/28GK101517794SQ200780034014
公開日2009年8月26日 申請日期2007年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月14日
發(fā)明者J·H·G·奧普赫特維爾德, P·H·L·諾滕, R·A·H·尼森, R·H·W·皮南伯格, Y·V·波諾馬雷夫 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司