[发明专利]电化学能源、电子模块、电子器件和制造所述能源的方法

说明书

本发明涉及一种电化学能源，该电化学能源包括下列中的至少一个组件：第一电极、第二电极和将所述第一电极和所述第二电极分隔开的中间固态电解质。本发明还涉及设有这种电化学能源的电子模块。本发明进一步涉及设有这种电化学能源的电子器件。而且，本发明涉及制造这种电化学能源的方法。

基于固态电解质的电化学能源在本领域是已知的。这些(平面型)能源，或者“固态电池”如上所述构成。固态电池将化学能有效地和清洁地直接转换成电能，并且通常用作便携式电子装置的电源。在尺寸较小时，这种电池例如可以用于给微型电子模块、尤其是给集成电路(IC)提供电能。其例子在国际专利申请WO 00/25378中公开，其中固态薄膜微型电池直接制造在特殊基板上。在这种制造工艺期间，第一电极、中间故态电解质和第二电极依次淀积在基板上。尽管与其他固态电池相比，已知微型电池呈现出通常较优异的性能，但是已知微型电池也具有几个缺点。WO 00/25378的已知微型电池的主要缺点在于：其制造工艺相对复杂，因此相对昂贵。

本发明的目的是提供一种能以相对简单方式构成和制造的改进的电化学能源，同时能保持已知电化学能源的优点。

本发明的目的是通过根据开头部分的电化学能源来实现的，其特征在于：所述第一电极包括导电基板和施加在所述基板上的导电顶层，其中所述顶层至少部分地具有多个表面增加晶粒，在该顶层上淀积固态电解质和第二电极。通过这种方式，导电基板还用作第一电极的至少一部分。所述基板和所述第一电极的至少一部分的集成通常产生比本领域已知的电池更简单的微型电池结构。而且，根据本发明的能源制造方法也较简单，因为可以消除至少一个工艺步骤。根据本发明的固态能源的相对简单的制造方法还明显节省了成本。优选地，固态电解质和第二电极作为薄膜层淀积在第一电极上，厚度大约在0.5和5微米之间。薄膜层导致更高的电流密度和效率，因为该能源中的离子的传输更容易，并且穿过薄膜层比穿过厚膜层更快。通过这种方式，可以使内部能量损失最小化。由于能源的内部电阻相对低，因此当使用可再充电的能源时，可以增加充电速度。根据本发明的能源的另一主要优点是施加多个(纳米)晶粒导致第一电极、特别是面向电解质的顶层的一部分的某种“纹理化”或粗糙化，从而增加其有效表面面积。通过这种方式，有效表面面积可以相对于常规的第一电极的相对平滑接触表面增加大约2到2.5倍，导致该电化学能源的能量密度和功率密度成比例增加。例如通过低压化学汽相淀积(LPCVD)可以将顶层作为分离层淀积到基板上，其中基板和顶层实际上形成第一电极。在另一实施例中，顶层可以通过注入技术形成，其中用离子轰击基板的外侧部分，从而改变、特别是损坏该外侧部分的晶体结构，并形成顶层，其结果是第一电极也可以由具有不同结构的多个可识别层形成。

在优选实施例中，至少部分地对面对电解质和第二电极的第一电极的至少一部分进行构图。通过这种方式，使两个电极和固态电解质之间的每单位体积的接触表面进一步增加。通常，根据本发明的能源的部件之间的接触表面的这种增加导致能源的比容量(rate capacity)的提高，因此获得更好的电池容量(由于最佳利用能源的层的体积)。通过这种方式，可以使该能源中的功率密度最大化，因此使其最优化。该图形的性质、形状和尺寸可以是任意的。

一般情况下，可以用各种方式对接触表面进行构图，例如通过给第一电极提供延伸部来进行。优选地，第一电极，特别是基板，设有多个任意形状和尺寸的腔。顶层淀积到所述基板上，并通常在所述腔内覆盖所述基板，其中电解质和第二电极设置在所述腔的内表面的至少一部分上。这样做的优点是：可以以相对简单的方式制造被构图的接触表面。在优选实施例中，腔的至少一部分形成狭缝、孔或沟槽，固态电解质和第二电极淀积在其中。第一电极、特别是导电基板的图形、更特别是腔，可以例如通过刻蚀来形成。在特别优选的实施例中，第一电极的腔的内表面至少基本上被表面增加晶粒覆盖。通过这种方式，可以使第一电极的有效表面面积加倍，导致能量密度和功率密度增加并且是具有平面(内部)几何形状的常规电化学能源的能量密度和功率密度的大约20-25倍。