電気化学エネルギー源、電子装置及び同エネルギー源の製造方法
本発明は、第１の電極、第２の電極、及び前記第１の電極と前記第２の電極とを分離する中間固体電解質からなる少なくとも１つのアセンブリを備える電気化学エネルギー源に関する。本発明はまた、かかる電気化学エネルギー源が設けられる電子モジュールに関する。本発明はさらに、かかる電気化学エネルギー源が設けられる電子装置に関する。さらに本発明は、かかる電気化学エネルギー源を製造する方法に関する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１の電極、第２の電極、及び前記第１の電極と第２の電極とを分離する中間固体電解質からなる、少なくとも１つのアセンブリを備える電気化学エネルギー源に関する。本発明はまた、かかる電気化学エネルギー源が設けられた電子装置に関する。本発明はさらに、かかる電気化学エネルギー源を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体電解質に基づく電気化学エネルギー源は、当技術において周知である。これらの（平面）エネルギー源、または「固体電池」は、前文で述べたように構成される。固体電池は、効率的且つクリーンに化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換し、携帯用電子機器のための電源として使用されることが多い。より小さい規模のものでは、例えば超小型電子モジュールへ、より具体的には集積回路（ＩＣ）へ電気エネルギーを供給するため、そのような電池を利用することができる。国際特許出願WO00/25378にはその一例が開示されており、同国際特許出願においては、固体薄膜マイクロ電池が特定の基板上で直に製造される。この製造工程ではその後、第１の電極、中間固体電解質、そして第２の電極が基板上に堆積される。公知のマイクロ電池は一般的に、他の個体電池に比べて優れた性能を発揮するが、公知のマイクロ電池にはいくつかの欠点がある。WO00/25378の公知のマイクロ電池の主な欠点は、その製造工程が比較的複雑であり、そのために比較的費用がかかることである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、公知の電気化学エネルギー源の利点を保ちつつ、比較的簡素な方式で構成でき且つ製造できる改良型電気化学エネルギー源を提供することである。
【０００４】
本発明の目的は、前記第１の電極が、少なくとも部分的には固体電解質と第２の電極とが堆積される伝導基板によって形成されることを特徴とする、前文で述べた電気化学エネルギー源によって達成される。このようにして、電子伝導基板はまた、第１の電極の少なくとも一部として機能する。一般的に、前記基板と前記第１の電極の少なくとも一部とを一体化することで、当技術では公知のものに比べてより簡素な（マイクロ）電池構成がもたらされる。しかも、少なくとも１つの工程段階をなくすことができるため、本発明によるエネルギー源の製造方法はより簡素でもある。さらに、本発明によるこの比較的簡素な固体エネルギー源製造方法により、多大な費用節約がもたらされる。固体電解質と第２の電極は好ましくは、厚みが約０．５ないし５マイクロメートルの薄膜層として基板上に堆積される。エネルギー源におけるイオンの移動は、厚膜層よりも薄膜層を通じての方が容易であると共に速度も速いため、薄膜層を用いることで電流密度及び効率がより高いものとなる。こうして、内部エネルギー損失を最小限にとどめることができる。エネルギー源の内部抵抗が比較的低いため、再充電可能なエネルギー源を適用する場合には、充電速度を上げることができる。
【０００５】
好適な実施形態において、電解質と第２の電極とに面する基板の接触面には、少なくとも部分的にパターンが形成される。このように、両電極と固体電解質との間で容積当たりの接触面を拡大できる。一般的に、本発明によってエネルギー源の構成要素間の接触面が拡大することでエネルギー源の率容量が向上するため、（エネルギー源の層の容積の利用が最適となることにより）電池容量が向上する。こうして、エネルギー源の電力密度を最大化することによって、最適化できる。パターンの性質と形状と寸法設定とは任意でよい。
【０００６】
一般に、接触面には様々な方法で、例えば接触面から外へ突出する拡張部を同接触面へ提供することによって、パターンを形成できる。好ましくは接触面に任意の形状と寸法の複数の空洞を設け、前記空洞の内側表面の少なくとも一部分に前記電解質と前記第２の電極とを設ける。これには、パターン形成される接触面を比較的簡易な方法で製造することができるという利点がある。ある実施形態では、空洞を連結することにより基板上での複数の突出する柱の形成を可能とすることで、電気化学エネルギー源内の接触面を拡大する。別の好適な実施形態においては、少なくとも空洞の一部が細隙または溝を形成し、同細隙または溝の中で固体電解質と第２の電極とが堆積される。伝導表面の接触面上のパターンは、より具体的には空洞は、例えばエッチングによって形成できるであろう。
【０００７】
第１の電極と第２の電極の内、少なくとも一方は、好ましくはカレントコレクタに結合される。シリコン基板の場合、第１の電極にはカレントコレクタは不要であり得る。ただし、例えば第２の電極としてＬｉＣｏＯ２電極を備えるＬｉイオン電池の場合には、好ましくはアルミニウムカレントコレクタ（層）が設けられる。代替的に、または追加して、好ましくはドープされた、例えばＳｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の半導体材料から、又は銅若しくはニッケル等の金属から製造されたカレントコレクタを、本発明による固体エネルギー源のカレントコレクタとして一般に適用できるであろう。
【０００８】
基板は主表面を有し、この主表面上又は主表面中には空洞が形成され、主表面は平面を定義する。この平面へのカレントコレクタの垂直の突出は、少なくとも部分的にはこの平面への一空洞の垂直の突出に重なってもよく、好ましくは、この平面への全空洞の垂直の突出に重なってもよい。こうしてカレントコレクタが空洞に比較的接近するため、最大電流が増大する。一実施形態においては、カレントコレクタが一空洞内、好ましくは全空洞内に延在する。これにより、率容量がさらに増加する。比較的深い空洞、すなわち２０マイクロメートル以上の深さを有する空洞であれば、とりわけ有利である。
【０００９】
一実施形態において、基板は以下の原子、すなわちＨ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｎａ、及びＫの内、少なくとも１つのイオンを蓄積するように適応される。よって、本発明による電気化学エネルギー源は様々な挿入機構に依拠してもよいため、例えばＬｉイオン電池、ＮｉＭＨ電池、等種々の電池を形成するのに適している。
【００１０】
別の実施形態において、基板は以下の材料：すなわちＣ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｇｅ、及びＰｂの内の少なくとも１つから形成される。基板を形成するため、これらの材料の組み合わせを用いてもよい。好ましくは、ｎ型またはｐ型にドープされたＳｉ又はドープされたＳｉ関連化合物を基板として使用する。例えば前で段落に記載した原子等のイオンを挿入及び蓄積するように基板の材料が適応されるのであれば、他の適切な材料も基板として適用できる。さらに、これらの材料は好ましくは、基板の接触面にパターン（穴、溝、柱等）を施すエッチング工程を受けるのに適したものとする。
【００１１】
本発明によるエネルギー源で適用される固体電解質は、イオン伝導機構または非電子伝導機構の何れか、例えばＨ、Ｌｉ、Ｂｅ、及びＭｇのためのイオン伝導体に依拠してもよい。リチウムリン酸窒化物（ＬｉＰＯＮ）は、固体電解質としてのＬｉ伝導体の一例に当る。他の公知の固体電解質、例えばリチウムシリコン酸窒化物（ＬｉＳｉＯＮ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、オルトタングステン酸リチウム（Ｌｉ２ＷＯ４）、及びリチウムゲルマニウム酸窒化物（ＬｉＧｅＯＮ）もまたリチウム伝導固体電解質として使用できる。プロトン伝導電解質は、例えばＴｉＯ（ＯＨ）によって形成できる。プロトン伝導電解質に関する詳しい情報は、国際特許出願WO02/42831で開示されている。リチウムイオン主体のエネルギー源のための第１の（正）電極は、例えば正電極としてよく、金属酸化物主体の材料、例えばＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎＯ２から、あるいはこれらの組み合わせから、例えばＬｉ（ＮｉＣｏＭｎ）Ｏ２から、製造してよい。プロトン主体のエネルギー源の場合における第１の（正）電極の例としてＮｉ（ＯＨ）２とＮｉＭ（ＯＨ）２とがあり、ここでＭは、例えばＣｄ、Ｃｏ、またはＢｉのグループから選択された１つまたは複数の元素によって形成される。
【００１２】
さらに別の実施形態においては、固体電解質と第２の電極とが基板の複数の側面に堆積される。こうして基板はイオン蓄積のためにより集中的に使用されることとなり、本発明による電気化学エネルギー源の電気容量が増大する。
【００１３】
電気化学エネルギー源は好ましくは、ともに電気結合された複数のアセンブリを備える。これらのアセンブリは、電気化学エネルギー源の用途の要求に応じて、直列及び並列の少なくとも一方で結合されてよい。比較的高い電流が必要な場合には、数個のアセンブリの第１の電極と第２の電極とを並列に電気的に結合させる。比較的高い電圧が必要な場合には、第１のアセンブリの第１の電極を第２のアセンブリの第２の電極に電気的に結合させることができる。第２のアセンブリの第１の電極を第３のアセンブリの第２の電極に電気的に結合させる等もある。
【００１４】
基板は、第１の電極を構成する第１の部分と、第１の部分に接触しない第２の部分とを備えてもよい。第２の部分には、同第２の部分に一体化された電気装置を備えてもよい。基板は好ましくは、第１の部分から第２の部分へのイオンの拡散を減じるため、そして好ましくはこれを実質的に防止するため、障壁層を備える。例えばシリコンウェハを適用することによってＬｉイオン蓄積のため基板が適応される場合には、Ｌｉイオンが第１の電極（ウェハ）から出るのを防止するため、そのような障壁層をＳｉ３Ｎ４またはＳｉＯ２から形成することができる。
【００１５】
電気化学エネルギー源を強化するため、基板を支持構造により支持するのが好ましい。このように支持構造を適用することが、特定の事例では望ましいこともあり得る。例えば、本発明による構造を有する電池での水素蓄積のために、チタンまたは基板を備えるチタンを使用する場合には、支持構造を使用してエネルギー源の構成を強化することができる。なお、チタン基板は（一時的）誘電層によって製造してもよく、同誘電層上に基板が堆積される。誘電層は、この堆積工程の後に取り除いてもよい。チタン基板をさらに支持するため、非導電性の支持構造を使用してもよい。厚みを減らすことによって基板を部分的に除去し、これによりエネルギー源のエネルギー密度を向上させることが有利であり得る。例えば、厚みが約５００マイクロメートルの基板から、厚みが約１０ないし２００マイクロメートルの基板へとエネルギー源を移すことができる。このように基板の適応を行うためには、（公知の）「基板移動技術」を応用できる。
【００１６】
好適な実施形態において、第１の電極は前記基板の中への挿入イオンの拡散を、少なくともかなりの部分阻止するように適応された電子伝導障壁層を備え、前記障壁層は前記基板上に設けられる。本発明による電気化学源の（再）充電サイクルに関与する挿入イオンはしばしば基板内に拡散し、その結果、これらのイオンは最早（再）充電サイクルに関与しなくなり、電気化学源の蓄積容量を減少させるため、この好適な実施形態は一般的に特に有利である。一般的に、集積回路、チップ、ディスプレイ等の電子構成要素を担持するために、単結晶シリコン導電性基板が適用される。この結晶シリコン基板は、挿入イオンが比較的容易に前記基板内へ拡散するというこの欠点があり、前記エネルギー源の容量が減少する。この理由から、基板内への前記好ましくない拡散を阻止するために前記基板の上に障壁層を設けることは、非常に有利である。前記障壁層によって挿入イオンの移動は少なくともかなりの部分が遮断され、その結果、基板内でこれらのイオンの移動は最早起こらなくなる。その一方で、前記基板内での電子の移動は依然可能である。この実施形態によれば、挿入イオンの蓄積に対して（のために？）基板を適応することは最早必要でない。したがって、金属、導電性ポリマー等で形成された基板等、シリコン基板以外の電子伝導性基板を適用することも可能である。前記障壁層は、以下の化合物：すなわちタンタル、窒化タンタル、及び窒化チタンの内少なくとも１つから、少なくとも実質的に形成される。ただし障壁層の材料はこれらの化合物に限定されない。これらの化合物は一般的な性質としては、リチウムイオンを含む挿入イオンに対し非透過の比較的稠密な構造を有する。ある特定の好適な実施形態において、第１の電極はさらに、基板に向かい合う前記障壁層の側面の上に堆積された挿入層を備える。これにより前記挿入層は、挿入イオンを（一時的に）蓄積するべく（かつ解放するべく）適応される。この実施形態によれば、第１の電極はこのように前記基板、前記障壁層、及び前記挿入層からなる積層物によって形成される。この積層物は一般的に、障壁層と挿入層とを前記基板の上に積み重ねる（堆積させる）ことによって形成されるであろう。ただしある特定の実施形態においては、積層物を注入技術によって形成することもでき、この場合には、例えば結晶シリコン基板に、例えばタンタルイオン及び窒素イオンをボンバードし、その後、注入された基板の温度は、前記元の基板内に埋め込まれた物理的障壁層を形成するべく十分に上昇される。イオンによるシリコン基板のボンバードの結果、一般的には、元の基板の結晶最上位層の格子は破壊され、前記挿入層を形成するアモルフォス最上位層が得られる。ある好適な実施形態において、前記挿入層はシリコンから、好ましくはアモルフォスシリコンから少なくとも実質的に形成される。アモルフォスシリコン層は、単位容積当たりの比較的大量の挿入イオンを蓄積する（且つ解放する）傑出した性質を有し、これが本発明による電気化学源の蓄積容量の向上をもたらす。好ましくは、前記障壁層は前記基板上に堆積される。前記障壁層と前記挿入層は何れも低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ）によって前記基板の上に堆積されることが好ましい。
【００１７】
本発明はさらに、少なくとも１つのかかる電気化学エネルギー源が設けられる電子モジュールに関する。この電子モジュールは、集積回路（ＩＣ）、マイクロチップ、ディスプレイ等によって形成してもよい。電子モジュールと電気化学エネルギー源との組み合わせは、モノリシックまたは非モノリシック形式で構成してもよい。モノリシック構成の前記組み合わせの場合には、好ましくは電子モジュールとエネルギー源との間にイオンの障壁層が適用される。一実施形態においては、電子モジュールと電気化学エネルギー源とがパッケージ内システム（ＳｉＰ）を形成する。このパッケージは好ましくは非伝導とし、前述の組み合わせのための容器を形成する。こうして自律的で即使用可能なＳｉＰが提供されることができ、同ＳｉＰには電子モジュールのほかに、本発明によるエネルギー源が設けられる。
【００１８】
本発明はさらに、少なくとも１つのかかる電気化学エネルギー源が、あるいは好ましくは１つのかかる電子モジュールが設けられる電子装置に関する。シェイバーはそのような電子装置の一例に当り、そこでは電気化学エネルギー源が、例えば予備（または主）電源として機能できるであろう。本発明によるエネルギー源を組み入れてよい電子装置のもうひとつの例として、マイクロプロセッサチップを内蔵する所謂「スマートカード」がある。現在のスマートカードは、カードのチップに蓄積された情報を表示するため、別個の嵩張るカードリーダーが必要である。しかし、好ましくは可撓性のマイクロ電池により、スマートカードは、例えば、同スマートカードに蓄積されたデータをユーザが容易にアクセスできる比較的小さいディスプレイ画面を、同カードそのものに備えることができる。
【００１９】
さらに本発明は、かかる電気化学エネルギー源を製造する方法に関し、同方法は：Ａ）固体電解質を基板に堆積させるステップと、Ｂ）その後第２の電極を基板に堆積させるステップとを含む。ステップＡ）とＢ）との適用中には、好ましくは以下の堆積技術：すなわち物理的気相堆積法（ＰＶＤ）、化学的気相堆積法（ＣＶＤ）、及び原子気相成長法（ＡＶＤ）の内１つが使用される。ＰＶＤの例としては、スパッタリングと、一般的に≧２０マイクロメートル程度のトレンチ幅を要する、レーザー切断とがある。ＣＶＤの例としては、ＬＰ−ＣＶＤと原子層成長法（ＡＬＤ）とがある。ＡＬＤは好ましくは、比較的低い圧力（約１５０ｍｂａｒ以下）で実行される。これらの技術は当業者にとって周知であり、基板において０．５マイクロメートル未満程度の孔径を可能にする。
【００２０】
ある好適な実施形態において、この方法には、基板の少なくとも１つの接触面のパターン形成を含むステップＣ）が設けられ、同ステップＣ）はステップＡ）よりも先に実行される。上で説明したように、基板表面のパターン形成はエネルギー源の各種構成要素の容積単位当たりの接触面を拡大し、その結果率性能が向上する。一実施形態においては、ウエットケミカルエッチングやドライエッチング等のエッチング技術がパターン形成に使用されてよい。これらの技術の周知の例として、ＲＩＥと集束イオンビーム（ＦＩＢ）とがある。
【００２１】
この方法の一実施形態において、同方法は、電子伝導障壁層と挿入層とをその後基板に堆積させることを含むステップＤ）を含む。ステップＤ）はＡ）よりも先に実行され得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下の非制限的な例示により、本発明を説明する。
【００２３】
図１は、本発明による電気化学エネルギー源１、より具体的には本発明によるＬｉイオンマイクロ電池の斜視図を示す。このエネルギー源１は、同エネルギー源１の負電極として機能するシリコン基板２を備える。このシリコン基板２は例えば、ＩＣに使用されることの多いシリコンウェハによって形成してもよい。基板２は、２０マイクロメートルより大きい、又は１００マイクロメートルより大きい、又は５００マイクロメートルより大きい厚みを有してもよい。シリコン基板２の上位表面３では、既存のエッチング技術によって数本の細隙４がエッチングされる。これらの細隙４の寸法設定は、任意でよい。好ましくは、細隙４の幅は約２ないし１０マイクロメートルとし、細隙４の深さは約１０ないし１００マイクロメートルとする。パターン形成された上位表面４の上には、固体電解質層５が堆積される。電解質層５は約１マイクロメートルの厚みを有し、好ましくはリチウムリン酸窒化物（ＬｉＰＯＮ）から形成される。ＬｉＰＯＮ層５の上には、正電極層６が約１マイクロメートルの厚みで堆積される。この正電極６は好ましくは、炭素繊維と混合されることもあるＬｉＣｏＯ２で形成される。基板２の上位表面４への電解質５と正電極６との堆積は、化学的または物理的気相堆積法または原子層堆積法等、従来の堆積技術によって行う。基板２をエッチングすることにより、両電極２，６と電解質５との間の接触面は、容積単位当りで（大幅に）拡大され、エネルギー源１においてレート性能と電力密度の向上（最大化）をもたらすであろう。任意に、正電極６にはアルミニウムカレントコレクタ（図示せず）を結合できる。図示されたエネルギー源１の構成は、かなり効率的で簡素な構成であり、さらにその製造は比較的簡易である。さらに、電解質の層厚みを最小化することにより、そしてエネルギー源１の構成要素２，５，６間の相互接触面を最大化することにより、図示されたエネルギー源１の性能は最適化される。
【００２４】
図２は、本発明による別の電気化学エネルギー源７の断面を示す。このエネルギー源７は、同エネルギー源７の負電極として機能する基板８を備える。基板８の上位表面９と下位表面１０には、何れもパターンが形成される。これらのパターンは、基板８でエッチングされる空洞１１，１２によって形成される。上位表面９上と下位表面１０上には何れも、電界層１３，１４が堆積される。各電界層１３，１４の上にはその後、正電極１５，１６が堆積される。正電極１５，１６はそれぞれ、（少なくとも）部分的にはカレントコレクタ１７，１８によって覆われる。両カレントコレクタ１７，１８は相互に結合される（図示せず）。基板８にはまた、単独のカレントコレクタ１９が設けられる。このエネルギー源７で適用される挿入機構と使用される材料とは、異なる場合がある。図示されるエネルギー源７は、例えばＬｉイオン（マイクロ）電池またはＮｉＭＨ電池を形成できる。上記で述べたとおり、エネルギー源７のエネルギー密度を向上させるため、基板８の表面９，１０にはパターンが形成される。例えばチップ支持体として同時に使用できる基板８は、イオンを蓄積するために使用されるため、エネルギー源７のための比較的に効果的な構成を得ることができる。
【００２５】
図３は、本発明によるパッケージ（ＳｉＰ）２０内モノリシックシステムの概略図を示す。このＳｉＰは、電子モジュールまたは装置２１と、それに結合された本発明による電気化学エネルギー源２２とを備える。電子モジュールまたは装置２１とエネルギー源２２とは、障壁層２３によって分離される。電子モジュールまたは装置２１とエネルギー源２２とは何れも、同じモノリシック基板（図示せず）の上に搭載されるか、又は同じモノリシック基板に基づくかの少なくとも一方である。基板がイオンの（一時的）蓄積媒体として使用されることにより、電極として機能することを前提とし、エネルギー源２２の構成は任意でよい。電子モジュールまたは装置２１は、例えばディスプレイ、チップ、コントロールユニット等によって形成できる。このように、多数の自律的（即使用可能）装置を比較的簡素な方式で形成できる。
【００２６】
図４は、本発明による代替のマイクロ電池２４、具体的にはＬｉイオン電池の斜視図を示す。このマイクロ電池２４は、第１の電極２５、第２の電極２６、及び両電極２５，２６の間に配置された固体電解質２７を備える。この例における第１の電極２５は、電子伝導性基板２８と電子伝導性障壁層２９と挿入層３０とからなる積層物によって形成された負電極２５である。前記マイクロ電池２４の前記層２５，２６，２７の間（及び中）の接触面を拡大するように、従来のエッチング技術によって基板２８にパターンを形成することにより、バッテリ容量が向上する。障壁層２９と挿入層３０とは何れも、従来の堆積技術によって、一般的には低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ）によって、前記基板２８の上に堆積される。前記基板２８は、例えば金属又は導電性ポリマー等、任意の電子伝導性材料から形成することができるが、ただし一般的には単結晶シリコンから形成される。この前記基板２８に多様な材料を適用できることにより、基板は、シリコン等の剛性材料か、或いはポリアセチレン及びポリ（パラフェニレンビニレン）（ＰＰＶ）等の何らかの電子伝導性ポリマー等の可撓性材料か、の何れかで形成できる。マイクロ電池の用途次第で、前記基板２８にとって相応しい材料を選択することができる。電池の効率性と電池の寿命の著しい減少を招くであろう、前記シリコン基板２８の中への挿入リチウムイオンの過剰な拡散を避けるため、前記障壁層２９が設けられる。この障壁層２９は好ましくは、タンタルか、タンタル、窒化タンタル、窒化チタン等のチタン含有化合物か、の少なくとも一方によって形成される。これらの化合物はどれも、比較的低い比電気抵抗を有する。この電子伝導層２９は、挿入リチウムイオンに対する透過性の低い比較的に稠密な構造を有するため、同イオンが前記基板２８の中へ拡散することはまずない。したがって、第１の電極の挿入機構は、挿入リチウムイオンの一時的蓄積・解放のために特別に適応される前記挿入層３０によって概ね決定づけられる。障壁層２９は、好ましくは２０から１００ナノメートルの、より好ましくは５０から１００ナノメートルの層厚みを有する。挿入層３０は、一般的にはシリコンから、好ましくはアモルフォスシリコンから形成される。この挿入層３０の層厚みは、好ましくは３０から１００ナノメートルとし、より好ましくは約５０ナノメートルとする。前記固体電解質２７は、好ましくはＬｉＰＯＮ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ｌｉ２ＷＯ４等によって形成される。前記第２の正電極２６は、ＬｉＣｏＯ２化合物によって形成される。第１の負電極２５は、前記マイクロ電池２４の上位表面に位置付けられたコネクタ３１へ接続される。任意の選択として、前記マイクロ電池２４へ保護を提供するため、図示されたマイクロ電池２４のスタックの上には、追加の層（図示せず）を設けることができる。この特定の実施形態においては、前記マイクロ電池２４内に挿入リチウムイオンを閉じ込めるため、最上位層は好ましくは、第１の電極２５の障壁層２９に等しい追加的な障壁層によって形成され、ここで挿入イオンの移動の自由は制限され、その結果、マイクロ電池２４の容量を保つことができる。これにより、電池効率の向上と寿命の向上の両方がもたらされる。本発明が、前述の実施形態に決して限定されないことは自明である。添付特許請求の範囲内で様々な実施形態が可能であり、他の様々な実施形態が当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明による電気化学エネルギー源の斜視図。
【図２】本発明による別の電気化学エネルギー源の断面図。
【図３】本発明によるパッケージ内モノリシックシステムの概略図。
【図４】本発明による代替のマイクロ電池の斜視図。
【符号の説明】
【００２８】
１、７、２２ 電気化学エネルギー源
２、８ 基板
５、１３、１４ 中間固体電解質
６、１５、１６ 電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１の電極、第２の電極、及び前記第１の電極と第２の電極とを分離する中間固体電解質からなる、少なくとも１つのアセンブリを備える電気化学エネルギー源に関する。本発明はまた、かかる電気化学エネルギー源が設けられた電子装置に関する。本発明はさらに、かかる電気化学エネルギー源を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体電解質に基づく電気化学エネルギー源は、当技術において周知である。これらの（平面）エネルギー源、または「固体電池」は、前文で述べたように構成される。固体電池は、効率的且つクリーンに化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換し、携帯用電子機器のための電源として使用されることが多い。より小さい規模のものでは、例えば超小型電子モジュールへ、より具体的には集積回路（ＩＣ）へ電気エネルギーを供給するため、そのような電池を利用することができる。国際特許出願WO00/25378にはその一例が開示されており、同国際特許出願においては、固体薄膜マイクロ電池が特定の基板上で直に製造される。この製造工程ではその後、第１の電極、中間固体電解質、そして第２の電極が基板上に堆積される。公知のマイクロ電池は一般的に、他の個体電池に比べて優れた性能を発揮するが、公知のマイクロ電池にはいくつかの欠点がある。WO00/25378の公知のマイクロ電池の主な欠点は、その製造工程が比較的複雑であり、そのために比較的費用がかかることである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、公知の電気化学エネルギー源の利点を保ちつつ、比較的簡素な方式で構成でき且つ製造できる改良型電気化学エネルギー源を提供することである。
【０００４】
本発明の目的は、前記第１の電極が、少なくとも部分的には固体電解質と第２の電極とが堆積される伝導基板によって形成されることを特徴とする、前文で述べた電気化学エネルギー源によって達成される。このようにして、電子伝導基板はまた、第１の電極の少なくとも一部として機能する。一般的に、前記基板と前記第１の電極の少なくとも一部とを一体化することで、当技術では公知のものに比べてより簡素な（マイクロ）電池構成がもたらされる。しかも、少なくとも１つの工程段階をなくすことができるため、本発明によるエネルギー源の製造方法はより簡素でもある。さらに、本発明によるこの比較的簡素な固体エネルギー源製造方法により、多大な費用節約がもたらされる。固体電解質と第２の電極は好ましくは、厚みが約０．５ないし５マイクロメートルの薄膜層として基板上に堆積される。エネルギー源におけるイオンの移動は、厚膜層よりも薄膜層を通じての方が容易であると共に速度も速いため、薄膜層を用いることで電流密度及び効率がより高いものとなる。こうして、内部エネルギー損失を最小限にとどめることができる。エネルギー源の内部抵抗が比較的低いため、再充電可能なエネルギー源を適用する場合には、充電速度を上げることができる。
【０００５】
好適な実施形態において、電解質と第２の電極とに面する基板の接触面には、少なくとも部分的にパターンが形成される。このように、両電極と固体電解質との間で容積当たりの接触面を拡大できる。一般的に、本発明によってエネルギー源の構成要素間の接触面が拡大することでエネルギー源の率容量が向上するため、（エネルギー源の層の容積の利用が最適となることにより）電池容量が向上する。こうして、エネルギー源の電力密度を最大化することによって、最適化できる。パターンの性質と形状と寸法設定とは任意でよい。
【０００６】
一般に、接触面には様々な方法で、例えば接触面から外へ突出する拡張部を同接触面へ提供することによって、パターンを形成できる。好ましくは接触面に任意の形状と寸法の複数の空洞を設け、前記空洞の内側表面の少なくとも一部分に前記電解質と前記第２の電極とを設ける。これには、パターン形成される接触面を比較的簡易な方法で製造することができるという利点がある。ある実施形態では、空洞を連結することにより基板上での複数の突出する柱の形成を可能とすることで、電気化学エネルギー源内の接触面を拡大する。別の好適な実施形態においては、少なくとも空洞の一部が細隙または溝を形成し、同細隙または溝の中で固体電解質と第２の電極とが堆積される。伝導表面の接触面上のパターンは、より具体的には空洞は、例えばエッチングによって形成できるであろう。
【０００７】
第１の電極と第２の電極の内、少なくとも一方は、好ましくはカレントコレクタに結合される。シリコン基板の場合、第１の電極にはカレントコレクタは不要であり得る。ただし、例えば第２の電極としてＬｉＣｏＯ２電極を備えるＬｉイオン電池の場合には、好ましくはアルミニウムカレントコレクタ（層）が設けられる。代替的に、または追加して、好ましくはドープされた、例えばＳｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の半導体材料から、又は銅若しくはニッケル等の金属から製造されたカレントコレクタを、本発明による固体エネルギー源のカレントコレクタとして一般に適用できるであろう。
【０００８】
基板は主表面を有し、この主表面上又は主表面中には空洞が形成され、主表面は平面を定義する。この平面へのカレントコレクタの垂直の突出は、少なくとも部分的にはこの平面への一空洞の垂直の突出に重なってもよく、好ましくは、この平面への全空洞の垂直の突出に重なってもよい。こうしてカレントコレクタが空洞に比較的接近するため、最大電流が増大する。一実施形態においては、カレントコレクタが一空洞内、好ましくは全空洞内に延在する。これにより、率容量がさらに増加する。比較的深い空洞、すなわち２０マイクロメートル以上の深さを有する空洞であれば、とりわけ有利である。
【０００９】
一実施形態において、基板は以下の原子、すなわちＨ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｎａ、及びＫの内、少なくとも１つのイオンを蓄積するように適応される。よって、本発明による電気化学エネルギー源は様々な挿入機構に依拠してもよいため、例えばＬｉイオン電池、ＮｉＭＨ電池、等種々の電池を形成するのに適している。
【００１０】
別の実施形態において、基板は以下の材料：すなわちＣ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｇｅ、及びＰｂの内の少なくとも１つから形成される。基板を形成するため、これらの材料の組み合わせを用いてもよい。好ましくは、ｎ型またはｐ型にドープされたＳｉ又はドープされたＳｉ関連化合物を基板として使用する。例えば前で段落に記載した原子等のイオンを挿入及び蓄積するように基板の材料が適応されるのであれば、他の適切な材料も基板として適用できる。さらに、これらの材料は好ましくは、基板の接触面にパターン（穴、溝、柱等）を施すエッチング工程を受けるのに適したものとする。
【００１１】
本発明によるエネルギー源で適用される固体電解質は、イオン伝導機構または非電子伝導機構の何れか、例えばＨ、Ｌｉ、Ｂｅ、及びＭｇのためのイオン伝導体に依拠してもよい。リチウムリン酸窒化物（ＬｉＰＯＮ）は、固体電解質としてのＬｉ伝導体の一例に当る。他の公知の固体電解質、例えばリチウムシリコン酸窒化物（ＬｉＳｉＯＮ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、オルトタングステン酸リチウム（Ｌｉ２ＷＯ４）、及びリチウムゲルマニウム酸窒化物（ＬｉＧｅＯＮ）もまたリチウム伝導固体電解質として使用できる。プロトン伝導電解質は、例えばＴｉＯ（ＯＨ）によって形成できる。プロトン伝導電解質に関する詳しい情報は、国際特許出願WO02/42831で開示されている。リチウムイオン主体のエネルギー源のための第１の（正）電極は、例えば正電極としてよく、金属酸化物主体の材料、例えばＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎＯ２から、あるいはこれらの組み合わせから、例えばＬｉ（ＮｉＣｏＭｎ）Ｏ２から、製造してよい。プロトン主体のエネルギー源の場合における第１の（正）電極の例としてＮｉ（ＯＨ）２とＮｉＭ（ＯＨ）２とがあり、ここでＭは、例えばＣｄ、Ｃｏ、またはＢｉのグループから選択された１つまたは複数の元素によって形成される。
【００１２】
さらに別の実施形態においては、固体電解質と第２の電極とが基板の複数の側面に堆積される。こうして基板はイオン蓄積のためにより集中的に使用されることとなり、本発明による電気化学エネルギー源の電気容量が増大する。
【００１３】
電気化学エネルギー源は好ましくは、ともに電気結合された複数のアセンブリを備える。これらのアセンブリは、電気化学エネルギー源の用途の要求に応じて、直列及び並列の少なくとも一方で結合されてよい。比較的高い電流が必要な場合には、数個のアセンブリの第１の電極と第２の電極とを並列に電気的に結合させる。比較的高い電圧が必要な場合には、第１のアセンブリの第１の電極を第２のアセンブリの第２の電極に電気的に結合させることができる。第２のアセンブリの第１の電極を第３のアセンブリの第２の電極に電気的に結合させる等もある。
【００１４】
基板は、第１の電極を構成する第１の部分と、第１の部分に接触しない第２の部分とを備えてもよい。第２の部分には、同第２の部分に一体化された電気装置を備えてもよい。基板は好ましくは、第１の部分から第２の部分へのイオンの拡散を減じるため、そして好ましくはこれを実質的に防止するため、障壁層を備える。例えばシリコンウェハを適用することによってＬｉイオン蓄積のため基板が適応される場合には、Ｌｉイオンが第１の電極（ウェハ）から出るのを防止するため、そのような障壁層をＳｉ３Ｎ４またはＳｉＯ２から形成することができる。
【００１５】
電気化学エネルギー源を強化するため、基板を支持構造により支持するのが好ましい。このように支持構造を適用することが、特定の事例では望ましいこともあり得る。例えば、本発明による構造を有する電池での水素蓄積のために、チタンまたは基板を備えるチタンを使用する場合には、支持構造を使用してエネルギー源の構成を強化することができる。なお、チタン基板は（一時的）誘電層によって製造してもよく、同誘電層上に基板が堆積される。誘電層は、この堆積工程の後に取り除いてもよい。チタン基板をさらに支持するため、非導電性の支持構造を使用してもよい。厚みを減らすことによって基板を部分的に除去し、これによりエネルギー源のエネルギー密度を向上させることが有利であり得る。例えば、厚みが約５００マイクロメートルの基板から、厚みが約１０ないし２００マイクロメートルの基板へとエネルギー源を移すことができる。このように基板の適応を行うためには、（公知の）「基板移動技術」を応用できる。
【００１６】
好適な実施形態において、第１の電極は前記基板の中への挿入イオンの拡散を、少なくともかなりの部分阻止するように適応された電子伝導障壁層を備え、前記障壁層は前記基板上に設けられる。本発明による電気化学源の（再）充電サイクルに関与する挿入イオンはしばしば基板内に拡散し、その結果、これらのイオンは最早（再）充電サイクルに関与しなくなり、電気化学源の蓄積容量を減少させるため、この好適な実施形態は一般的に特に有利である。一般的に、集積回路、チップ、ディスプレイ等の電子構成要素を担持するために、単結晶シリコン導電性基板が適用される。この結晶シリコン基板は、挿入イオンが比較的容易に前記基板内へ拡散するというこの欠点があり、前記エネルギー源の容量が減少する。この理由から、基板内への前記好ましくない拡散を阻止するために前記基板の上に障壁層を設けることは、非常に有利である。前記障壁層によって挿入イオンの移動は少なくともかなりの部分が遮断され、その結果、基板内でこれらのイオンの移動は最早起こらなくなる。その一方で、前記基板内での電子の移動は依然可能である。この実施形態によれば、挿入イオンの蓄積に対して（のために？）基板を適応することは最早必要でない。したがって、金属、導電性ポリマー等で形成された基板等、シリコン基板以外の電子伝導性基板を適用することも可能である。前記障壁層は、以下の化合物：すなわちタンタル、窒化タンタル、及び窒化チタンの内少なくとも１つから、少なくとも実質的に形成される。ただし障壁層の材料はこれらの化合物に限定されない。これらの化合物は一般的な性質としては、リチウムイオンを含む挿入イオンに対し非透過の比較的稠密な構造を有する。ある特定の好適な実施形態において、第１の電極はさらに、基板に向かい合う前記障壁層の側面の上に堆積された挿入層を備える。これにより前記挿入層は、挿入イオンを（一時的に）蓄積するべく（かつ解放するべく）適応される。この実施形態によれば、第１の電極はこのように前記基板、前記障壁層、及び前記挿入層からなる積層物によって形成される。この積層物は一般的に、障壁層と挿入層とを前記基板の上に積み重ねる（堆積させる）ことによって形成されるであろう。ただしある特定の実施形態においては、積層物を注入技術によって形成することもでき、この場合には、例えば結晶シリコン基板に、例えばタンタルイオン及び窒素イオンをボンバードし、その後、注入された基板の温度は、前記元の基板内に埋め込まれた物理的障壁層を形成するべく十分に上昇される。イオンによるシリコン基板のボンバードの結果、一般的には、元の基板の結晶最上位層の格子は破壊され、前記挿入層を形成するアモルフォス最上位層が得られる。ある好適な実施形態において、前記挿入層はシリコンから、好ましくはアモルフォスシリコンから少なくとも実質的に形成される。アモルフォスシリコン層は、単位容積当たりの比較的大量の挿入イオンを蓄積する（且つ解放する）傑出した性質を有し、これが本発明による電気化学源の蓄積容量の向上をもたらす。好ましくは、前記障壁層は前記基板上に堆積される。前記障壁層と前記挿入層は何れも低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ）によって前記基板の上に堆積されることが好ましい。
【００１７】
本発明はさらに、少なくとも１つのかかる電気化学エネルギー源が設けられる電子モジュールに関する。この電子モジュールは、集積回路（ＩＣ）、マイクロチップ、ディスプレイ等によって形成してもよい。電子モジュールと電気化学エネルギー源との組み合わせは、モノリシックまたは非モノリシック形式で構成してもよい。モノリシック構成の前記組み合わせの場合には、好ましくは電子モジュールとエネルギー源との間にイオンの障壁層が適用される。一実施形態においては、電子モジュールと電気化学エネルギー源とがパッケージ内システム（ＳｉＰ）を形成する。このパッケージは好ましくは非伝導とし、前述の組み合わせのための容器を形成する。こうして自律的で即使用可能なＳｉＰが提供されることができ、同ＳｉＰには電子モジュールのほかに、本発明によるエネルギー源が設けられる。
【００１８】
本発明はさらに、少なくとも１つのかかる電気化学エネルギー源が、あるいは好ましくは１つのかかる電子モジュールが設けられる電子装置に関する。シェイバーはそのような電子装置の一例に当り、そこでは電気化学エネルギー源が、例えば予備（または主）電源として機能できるであろう。本発明によるエネルギー源を組み入れてよい電子装置のもうひとつの例として、マイクロプロセッサチップを内蔵する所謂「スマートカード」がある。現在のスマートカードは、カードのチップに蓄積された情報を表示するため、別個の嵩張るカードリーダーが必要である。しかし、好ましくは可撓性のマイクロ電池により、スマートカードは、例えば、同スマートカードに蓄積されたデータをユーザが容易にアクセスできる比較的小さいディスプレイ画面を、同カードそのものに備えることができる。
【００１９】
さらに本発明は、かかる電気化学エネルギー源を製造する方法に関し、同方法は：Ａ）固体電解質を基板に堆積させるステップと、Ｂ）その後第２の電極を基板に堆積させるステップとを含む。ステップＡ）とＢ）との適用中には、好ましくは以下の堆積技術：すなわち物理的気相堆積法（ＰＶＤ）、化学的気相堆積法（ＣＶＤ）、及び原子気相成長法（ＡＶＤ）の内１つが使用される。ＰＶＤの例としては、スパッタリングと、一般的に≧２０マイクロメートル程度のトレンチ幅を要する、レーザー切断とがある。ＣＶＤの例としては、ＬＰ−ＣＶＤと原子層成長法（ＡＬＤ）とがある。ＡＬＤは好ましくは、比較的低い圧力（約１５０ｍｂａｒ以下）で実行される。これらの技術は当業者にとって周知であり、基板において０．５マイクロメートル未満程度の孔径を可能にする。
【００２０】
ある好適な実施形態において、この方法には、基板の少なくとも１つの接触面のパターン形成を含むステップＣ）が設けられ、同ステップＣ）はステップＡ）よりも先に実行される。上で説明したように、基板表面のパターン形成はエネルギー源の各種構成要素の容積単位当たりの接触面を拡大し、その結果率性能が向上する。一実施形態においては、ウエットケミカルエッチングやドライエッチング等のエッチング技術がパターン形成に使用されてよい。これらの技術の周知の例として、ＲＩＥと集束イオンビーム（ＦＩＢ）とがある。
【００２１】
この方法の一実施形態において、同方法は、電子伝導障壁層と挿入層とをその後基板に堆積させることを含むステップＤ）を含む。ステップＤ）はＡ）よりも先に実行され得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下の非制限的な例示により、本発明を説明する。
【００２３】
図１は、本発明による電気化学エネルギー源１、より具体的には本発明によるＬｉイオンマイクロ電池の斜視図を示す。このエネルギー源１は、同エネルギー源１の負電極として機能するシリコン基板２を備える。このシリコン基板２は例えば、ＩＣに使用されることの多いシリコンウェハによって形成してもよい。基板２は、２０マイクロメートルより大きい、又は１００マイクロメートルより大きい、又は５００マイクロメートルより大きい厚みを有してもよい。シリコン基板２の上位表面３では、既存のエッチング技術によって数本の細隙４がエッチングされる。これらの細隙４の寸法設定は、任意でよい。好ましくは、細隙４の幅は約２ないし１０マイクロメートルとし、細隙４の深さは約１０ないし１００マイクロメートルとする。パターン形成された上位表面４の上には、固体電解質層５が堆積される。電解質層５は約１マイクロメートルの厚みを有し、好ましくはリチウムリン酸窒化物（ＬｉＰＯＮ）から形成される。ＬｉＰＯＮ層５の上には、正電極層６が約１マイクロメートルの厚みで堆積される。この正電極６は好ましくは、炭素繊維と混合されることもあるＬｉＣｏＯ２で形成される。基板２の上位表面４への電解質５と正電極６との堆積は、化学的または物理的気相堆積法または原子層堆積法等、従来の堆積技術によって行う。基板２をエッチングすることにより、両電極２，６と電解質５との間の接触面は、容積単位当りで（大幅に）拡大され、エネルギー源１においてレート性能と電力密度の向上（最大化）をもたらすであろう。任意に、正電極６にはアルミニウムカレントコレクタ（図示せず）を結合できる。図示されたエネルギー源１の構成は、かなり効率的で簡素な構成であり、さらにその製造は比較的簡易である。さらに、電解質の層厚みを最小化することにより、そしてエネルギー源１の構成要素２，５，６間の相互接触面を最大化することにより、図示されたエネルギー源１の性能は最適化される。
【００２４】
図２は、本発明による別の電気化学エネルギー源７の断面を示す。このエネルギー源７は、同エネルギー源７の負電極として機能する基板８を備える。基板８の上位表面９と下位表面１０には、何れもパターンが形成される。これらのパターンは、基板８でエッチングされる空洞１１，１２によって形成される。上位表面９上と下位表面１０上には何れも、電界層１３，１４が堆積される。各電界層１３，１４の上にはその後、正電極１５，１６が堆積される。正電極１５，１６はそれぞれ、（少なくとも）部分的にはカレントコレクタ１７，１８によって覆われる。両カレントコレクタ１７，１８は相互に結合される（図示せず）。基板８にはまた、単独のカレントコレクタ１９が設けられる。このエネルギー源７で適用される挿入機構と使用される材料とは、異なる場合がある。図示されるエネルギー源７は、例えばＬｉイオン（マイクロ）電池またはＮｉＭＨ電池を形成できる。上記で述べたとおり、エネルギー源７のエネルギー密度を向上させるため、基板８の表面９，１０にはパターンが形成される。例えばチップ支持体として同時に使用できる基板８は、イオンを蓄積するために使用されるため、エネルギー源７のための比較的に効果的な構成を得ることができる。
【００２５】
図３は、本発明によるパッケージ（ＳｉＰ）２０内モノリシックシステムの概略図を示す。このＳｉＰは、電子モジュールまたは装置２１と、それに結合された本発明による電気化学エネルギー源２２とを備える。電子モジュールまたは装置２１とエネルギー源２２とは、障壁層２３によって分離される。電子モジュールまたは装置２１とエネルギー源２２とは何れも、同じモノリシック基板（図示せず）の上に搭載されるか、又は同じモノリシック基板に基づくかの少なくとも一方である。基板がイオンの（一時的）蓄積媒体として使用されることにより、電極として機能することを前提とし、エネルギー源２２の構成は任意でよい。電子モジュールまたは装置２１は、例えばディスプレイ、チップ、コントロールユニット等によって形成できる。このように、多数の自律的（即使用可能）装置を比較的簡素な方式で形成できる。
【００２６】
図４は、本発明による代替のマイクロ電池２４、具体的にはＬｉイオン電池の斜視図を示す。このマイクロ電池２４は、第１の電極２５、第２の電極２６、及び両電極２５，２６の間に配置された固体電解質２７を備える。この例における第１の電極２５は、電子伝導性基板２８と電子伝導性障壁層２９と挿入層３０とからなる積層物によって形成された負電極２５である。前記マイクロ電池２４の前記層２５，２６，２７の間（及び中）の接触面を拡大するように、従来のエッチング技術によって基板２８にパターンを形成することにより、バッテリ容量が向上する。障壁層２９と挿入層３０とは何れも、従来の堆積技術によって、一般的には低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ）によって、前記基板２８の上に堆積される。前記基板２８は、例えば金属又は導電性ポリマー等、任意の電子伝導性材料から形成することができるが、ただし一般的には単結晶シリコンから形成される。この前記基板２８に多様な材料を適用できることにより、基板は、シリコン等の剛性材料か、或いはポリアセチレン及びポリ（パラフェニレンビニレン）（ＰＰＶ）等の何らかの電子伝導性ポリマー等の可撓性材料か、の何れかで形成できる。マイクロ電池の用途次第で、前記基板２８にとって相応しい材料を選択することができる。電池の効率性と電池の寿命の著しい減少を招くであろう、前記シリコン基板２８の中への挿入リチウムイオンの過剰な拡散を避けるため、前記障壁層２９が設けられる。この障壁層２９は好ましくは、タンタルか、タンタル、窒化タンタル、窒化チタン等のチタン含有化合物か、の少なくとも一方によって形成される。これらの化合物はどれも、比較的低い比電気抵抗を有する。この電子伝導層２９は、挿入リチウムイオンに対する透過性の低い比較的に稠密な構造を有するため、同イオンが前記基板２８の中へ拡散することはまずない。したがって、第１の電極の挿入機構は、挿入リチウムイオンの一時的蓄積・解放のために特別に適応される前記挿入層３０によって概ね決定づけられる。障壁層２９は、好ましくは２０から１００ナノメートルの、より好ましくは５０から１００ナノメートルの層厚みを有する。挿入層３０は、一般的にはシリコンから、好ましくはアモルフォスシリコンから形成される。この挿入層３０の層厚みは、好ましくは３０から１００ナノメートルとし、より好ましくは約５０ナノメートルとする。前記固体電解質２７は、好ましくはＬｉＰＯＮ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ｌｉ２ＷＯ４等によって形成される。前記第２の正電極２６は、ＬｉＣｏＯ２化合物によって形成される。第１の負電極２５は、前記マイクロ電池２４の上位表面に位置付けられたコネクタ３１へ接続される。任意の選択として、前記マイクロ電池２４へ保護を提供するため、図示されたマイクロ電池２４のスタックの上には、追加の層（図示せず）を設けることができる。この特定の実施形態においては、前記マイクロ電池２４内に挿入リチウムイオンを閉じ込めるため、最上位層は好ましくは、第１の電極２５の障壁層２９に等しい追加的な障壁層によって形成され、ここで挿入イオンの移動の自由は制限され、その結果、マイクロ電池２４の容量を保つことができる。これにより、電池効率の向上と寿命の向上の両方がもたらされる。本発明が、前述の実施形態に決して限定されないことは自明である。添付特許請求の範囲内で様々な実施形態が可能であり、他の様々な実施形態が当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明による電気化学エネルギー源の斜視図。
【図２】本発明による別の電気化学エネルギー源の断面図。
【図３】本発明によるパッケージ内モノリシックシステムの概略図。
【図４】本発明による代替のマイクロ電池の斜視図。
【符号の説明】
【００２８】
１、７、２２ 電気化学エネルギー源
２、８ 基板
５、１３、１４ 中間固体電解質
６、１５、１６ 電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのアセンブリを備える電気化学エネルギー源であって：
− 第１の電極と、
− 第２の電極と、
− 前記第１の電極と前記第２の電極とを分離する中間固体電解質と、
を含み、前記第１の電極が、少なくとも部分的には前記固体電解質と前記第２の電極とが堆積された伝導基板によって形成されることを特徴とする、電気化学エネルギー源。
【請求項２】
前記電解質と前記第２の電極とが、少なくとも部分的にパターン形成された前記基板の接触面へ適用されることを特徴とする、請求項１に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項３】
前記接触面に任意の形状の複数の空洞が設けられ、前記電解質と前記第２の電極とは、前記空洞の内側表面の少なくとも一部分へ適用されることを特徴とする、請求項２に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項４】
前記空洞の少なくとも一部分が細隙を形成することを特徴とする、請求項３に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項５】
前記第１の電極および前記第２の電極の内、少なくとも一方がカレントコレクタへ結合されることを特徴とする、先行する請求項の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項６】
前記基板が、以下の原子：すなわちＨ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｎａ、及びＫの内、少なくとも１つのイオンの蓄積のために適応されることを特徴とする、先行する請求項の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項７】
前記基板が、以下の材料：すなわちＣ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂ、及び、好ましくはドープされたＳｉの内の少なくとも１つで形成されることを特徴とする、先行する請求項の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項８】
前記固体電解質と前記第２の電極とが、前記基板の複数の側面に堆積されることを特徴とする、先行する請求項の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項９】
前記基板が、イオンの障壁層によって少なくとも部分的に覆われることを特徴とする、先行する請求項の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項１０】
前記基板が支持構造によって支持されることを特徴とする、先行する請求項の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項１１】
前記第１の電極が、前記基板内への挿入イオンの拡散を少なくとも実質的に阻止するように適応された電子伝導障壁層を備え、前記障壁層は前記基板上に適用されることを特徴とする、先行する請求項の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項１２】
前記第１の電極がさらに、前記基板に向かい合う前記障壁層の側面の上に堆積された挿入層を備えることを特徴とする、請求項１１に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項１３】
前記挿入層が、シリコン、好ましくはアモルフォスシリコンから少なくとも実質的に形成されることを特徴とする、請求項１２に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項１４】
前記障壁層が前記基板の上に堆積されることを特徴とする、請求項１１から１３の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項１５】
前記障壁層が、以下の化合物：すなわちタンタル、窒化タンタル、チタン、及び窒化チタンの内の少なくとも１つから、少なくともかなりの部分が形成されることを特徴とする、請求項１１から１４の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項１６】
請求項１から１５の何れか一項に記載の少なくとも１つの電気化学エネルギー源が設けられる電子装置。
【請求項１７】
前記電子装置が集積回路（ＩＣ）によって形成されることを特徴とする、請求項１６に記載の電子装置。
【請求項１８】
前記電子装置と前記電気化学エネルギー源とがパッケージ内システム（ＳｉＰ）を形成することを特徴とする、請求項１６（？）または１７（？）に記載の電子装置。
【請求項１９】
請求項１ないし１５の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源を製造する方法であって：
Ａ）前記基板に前記固体電解質を堆積させるステップと、
Ｂ）前記基板に前記第２の電極をその後堆積させるステップと、
を含む、方法。
【請求項２０】
前記基板の少なくとも１つの接触面のパターン形成を含むステップＣ）を前記方法に設け、ステップＣ）はステップＡ）よりも先に実行されることを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記基板に電子伝導障壁層と挿入層とをその後堆積させることを含むステップＤ）を前記方法に設け、ステップＤ）はステップＡ）よりも先に実行されることを特徴とする、請求項１９または２０に記載の方法。
【請求項１】
少なくとも１つのアセンブリを備える電気化学エネルギー源であって：
− 第１の電極と、
− 第２の電極と、
− 前記第１の電極と前記第２の電極とを分離する中間固体電解質と、
を含み、前記第１の電極が、少なくとも部分的には前記固体電解質と前記第２の電極とが堆積された伝導基板によって形成されることを特徴とする、電気化学エネルギー源。
【請求項２】
前記電解質と前記第２の電極とが、少なくとも部分的にパターン形成された前記基板の接触面へ適用されることを特徴とする、請求項１に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項３】
前記接触面に任意の形状の複数の空洞が設けられ、前記電解質と前記第２の電極とは、前記空洞の内側表面の少なくとも一部分へ適用されることを特徴とする、請求項２に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項４】
前記空洞の少なくとも一部分が細隙を形成することを特徴とする、請求項３に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項５】
前記第１の電極および前記第２の電極の内、少なくとも一方がカレントコレクタへ結合されることを特徴とする、先行する請求項の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項６】
前記基板が、以下の原子：すなわちＨ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｎａ、及びＫの内、少なくとも１つのイオンの蓄積のために適応されることを特徴とする、先行する請求項の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項７】
前記基板が、以下の材料：すなわちＣ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂ、及び、好ましくはドープされたＳｉの内の少なくとも１つで形成されることを特徴とする、先行する請求項の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項８】
前記固体電解質と前記第２の電極とが、前記基板の複数の側面に堆積されることを特徴とする、先行する請求項の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項９】
前記基板が、イオンの障壁層によって少なくとも部分的に覆われることを特徴とする、先行する請求項の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項１０】
前記基板が支持構造によって支持されることを特徴とする、先行する請求項の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項１１】
前記第１の電極が、前記基板内への挿入イオンの拡散を少なくとも実質的に阻止するように適応された電子伝導障壁層を備え、前記障壁層は前記基板上に適用されることを特徴とする、先行する請求項の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項１２】
前記第１の電極がさらに、前記基板に向かい合う前記障壁層の側面の上に堆積された挿入層を備えることを特徴とする、請求項１１に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項１３】
前記挿入層が、シリコン、好ましくはアモルフォスシリコンから少なくとも実質的に形成されることを特徴とする、請求項１２に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項１４】
前記障壁層が前記基板の上に堆積されることを特徴とする、請求項１１から１３の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項１５】
前記障壁層が、以下の化合物：すなわちタンタル、窒化タンタル、チタン、及び窒化チタンの内の少なくとも１つから、少なくともかなりの部分が形成されることを特徴とする、請求項１１から１４の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項１６】
請求項１から１５の何れか一項に記載の少なくとも１つの電気化学エネルギー源が設けられる電子装置。
【請求項１７】
前記電子装置が集積回路（ＩＣ）によって形成されることを特徴とする、請求項１６に記載の電子装置。
【請求項１８】
前記電子装置と前記電気化学エネルギー源とがパッケージ内システム（ＳｉＰ）を形成することを特徴とする、請求項１６（？）または１７（？）に記載の電子装置。
【請求項１９】
請求項１ないし１５の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源を製造する方法であって：
Ａ）前記基板に前記固体電解質を堆積させるステップと、
Ｂ）前記基板に前記第２の電極をその後堆積させるステップと、
を含む、方法。
【請求項２０】
前記基板の少なくとも１つの接触面のパターン形成を含むステップＣ）を前記方法に設け、ステップＣ）はステップＡ）よりも先に実行されることを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記基板に電子伝導障壁層と挿入層とをその後堆積させることを含むステップＤ）を前記方法に設け、ステップＤ）はステップＡ）よりも先に実行されることを特徴とする、請求項１９または２０に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公表番号】特表２００７−５０６２２６（Ｐ２００７−５０６２２６Ａ）
【公表日】平成１９年３月１５日（２００７．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５２５９３１（Ｐ２００６−５２５９３１）
【出願日】平成１６年８月１８日（２００４．８．１８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００４／０５１４８３
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０２７２４５
【国際公開日】平成１７年３月２４日（２００５．３．２４）
【出願人】（５０１３４４３１５）コニンクリユケ フィリップス エレクトロニクス エヌ．ブイ． (174)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年３月１５日（２００７．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月１８日（２００４．８．１８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００４／０５１４８３
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０２７２４５
【国際公開日】平成１７年３月２４日（２００５．３．２４）
【出願人】（５０１３４４３１５）コニンクリユケ フィリップス エレクトロニクス エヌ．ブイ． (174)
【Ｆターム（参考）】
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