電気化学エネルギー源及びこのような電気化学エネルギー源を備える電子装置
本発明は、基板と該基板上に堆積された少なくとも１つのスタックを有する改善された電気化学エネルギー源に関し、前記スタックは、第１電極、第２電極、及び該第１電極と該第２電極とを分離する中間の固体電解質を有する。本発明は、このような電気化学エネルギー源を備える電子装置にも関する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改善された電気化学エネルギー源に関する。本発明は、このような電気化学エネルギー源を備える電子装置にも関する。
【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、従来技術において知られる。これらの（平面的）エネルギー源、又は「固体バッテリ」は、化学エネルギーを電気エネルギーに効率的に変換し、携帯用電子装置の電源として使用され得る。小さなスケールにおいて、このようなバッテリは、電気エネルギーを例えばマイクロ電子モジュール、より詳細には集積回路（ＩＣ）に供給するために使用され得る。この例は、国際特許出願公開ＷＯ００／２５３７８に開示され、固体薄膜微小バッテリが特定の基板上に直接作製される。この作製プロセスの間、第１電極、中間の固体電解質、及び第２電極は、基板上にスタックとして続いて堆積される。既知の微小バッテリは、一般に他の固体バッテリと比較して優れた性能を示すが、既知の微小バッテリは、いくつかの欠点を有する。国際特許出願公開ＷＯ００／２５３７８の既知の微小バッテリの主要な欠点は、少なくとも部分的にスタックを囲む遮蔽パッケージをスタックに適用するとき、このパッケージが、動作中の両方の電極の著しい膨張及び収縮により、一般に容易にひびが入るであろうということである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、上記欠点の少なくとも１つを被ることのない改善された電気化学エネルギー源を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この目的は、冒頭に記載の電気化学エネルギー源を提供することにより達成され得、これは、基板、及び該基板に堆積される少なくとも１つのスタックを有し、該スタックは、第１電極、第２電極、及び該第１電極及び第２電極を分離する中間の固体電解質を有し、少なくとも１つの電子伝導性バリア層が、基板とスタックとの間に堆積され、該バリア層は、スタックのアクティブな種の前記基板への拡散を少なくとも実質的に排除するために適用され、エネルギー源は、少なくとも部分的にスタックを囲う少なくとも１つの材料層と、スタックの膨張及び収縮の間、周囲の材料層のストレスを低下させるため、スタックと周囲の材料層との間に位置されるストレス低減手段とを更に有する。周囲の材料層とスタックとの間に材料ストレス低減手段を適用することにより、電気化学エネルギー源の動作時の電極の膨張及び収縮による電気化学エネルギー源周囲の材料層及びスタックの境界の材料ストレスの組み合わせは、補正され得る。周囲の層及び／又はスタックの劣化、特にひび割れ又は破壊は、このように防がれる。本発明による電気化学エネルギー源に材料ストレス低減手段を提供することにより、電気化学源の設計の自由度が著しく向上され得る。特に、使用可能な周囲の層の選択の自由度は、材料ストレス低減手段の適用により向上される。それゆえ本発明による電気化学エネルギー源において、少なくとも部分的にスタックを覆うため、非常に硬い周囲層を適用することは、考えられる。少なくとも部分的にスタックを囲む材料層は、様々な性質を持ち得る。周囲材料層は、本発明による電気化学エネルギー源の長期的な性能を保証するようにスタックを保護するため、スタック内のアクティブな種を保持するために適用されるパッケージとして役立つ、並びに／又はパッケージの周囲の酸素及び窒素のような大気の化合物がスタックに入るのを回避するために適用され得る。
【０００５】
しかしながら、周囲材料層は、他の目的、例えば本発明による電気化学エネルギー源の２つの異なるスタックを分離するスペーサとして役立ち得ることも考慮される。
【０００６】
第１電極は、好ましくは陽極を有し、第２電極は、好ましくは陰極を有する。陽極及び陰極の両方が、基板上へのスタックの体積の間に堆積されることは、一般的である。好ましくは、本発明によるエネルギー源の少なくとも１つの電極は、水素（Ｈ）、リチウム（Ｌｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、ナトリウム（Ｎａ）、及びカリウム（Ｋ）又は周期表の１族若しくは２族に割り当てられるいずれかの他の適切な元素のうちの少なくとも１つのアクティブな種を保存するために適用される。その結果、本発明によるエネルギーシステムの電気化学エネルギー源は、様々な挿入（インターカレーション）機構に基づき得、それゆえ例えばＬｉイオンバッテリ、ＮｉＭＨバッテリ等の異なる種類のバッテリを形成することに適している。好ましい実施例において、少なくとも1つの電極、より好ましくは陽極が、Ｃ，Ｓｎ，Ｇｅ，Ｐｂ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ｓｂ，Ｌｉ及び好ましくはドープされたＳｉのうちの１つを有する。これらの材料の組み合わせは、電極を形成するためにも使用され得る。好ましくはｎ型又はｐ型のドープされたＳｉ、又はドープされたＳｉ関連の化合物、例えばＳｉＧｅ若しくはＳｉＧｅＣが使用される。電極の材料が、インターカレーション、及び上記反応性の種の保存に適用される場合、他の適切な材料、好ましくは、周期表の１２乃至１６族の１つの割り当てられる他の適切な元素も、陽極として適用され得る。上記の材料は、特にリチウムイオンバッテリに適用されることに適している。水素ベースのエネルギー源が適用される場合、陽極は、水素化物生成材料、例えばＡＢ5タイプの材料、特にＬａＮｉ5、及びマグネシウムベースの合金、特にＭｇxＴｉ1-xを有する。
【０００７】
リチウムイオンベースのエネルギー源の陰極は、少なくとも1つの金属酸化物ベースの材料、例えばＬｉＣｏＯ２，ＬｉＮｉＯ２，又はこれらの組み合わせ、例えばＬｉ（ＮｉＣｏＭｎ）Ｏ２を有する。水素ベースのエネルギー源の場合、陰極は、好ましくは、Ｎｉ（ＯＨ）２及び／又はＮｉＭ(ＯＨ)２を有し、Ｍは、例えばＣｄ，Ｃｏ，又はＢｉのグループから選択される１又はそれより多くの元素により形成される。
【０００８】
好ましい実施例において、第１電極及び第２電極の少なくとも１つの電極は、少なくとも１つの電流コレクタを有する。電極端子として電流コレクタを使用することは、一般に知られている。例えばＬｉイオンバッテリの場合、（陰極として振る舞う）ＬｉＣｏＯ２電極が適用されるとき、好ましくは、アルミニウム電流コレクタが、ＬｉＣｏＯ２電極に接続される。代替として、又は付加的に、少なくとも１つの電流コレクタが、Ａｌ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｔａ，Ｔｉ，ＴａＮ，及びＴｉＮのうちの少なくとも１つから作られる。他の種類の電流コレクタ、例えば好ましくはドーピングされた半導体材料、例えばＳｉ，Ｇａ，ＩｎＰは、電流コレクタとして役立つために使用され得る。電子伝導性バリア層が適用される場合、このバリア層は、陽極に対する電流コレクタとして機能するために使用され得る。より好ましくは、各電流コレクタの少なくとも一部が、本発明によるエネルギー源の電子モジュール又は装置との促進された接続を可能にするため、周囲の材料層により覆われないままである。（電流コレクタの一部に加えて）スタックの外部表面の他の部分は、中程度の締め方で周囲の材料層により好ましくは完全に覆われる。特に好ましい実施例において、電流コレクタの少なくとも１つは、隣接した電極が堆積される導電性基板により形成される。一般に（他のものの中で）エネルギー源を支持する第１基板及び電流コレクタの集積化は、本発明によるエネルギー源の比較的簡素な構成をもたらす。更に、エネルギー源を製造する態様も、少なくとも１つのプロセスステップが削減され得るので、より簡素になる。本発明によるエネルギーシステムの比較的簡素な製造方法は、更に著しいコストの節約をもたらし得る。この文脈において、通常、第１電極は、陽極及び（第１）電流コレクタを有し、第２電極は、陰極及び（第２）電流コレクタを有することが意図される。しかしながら、代替としてスタックが、第１電流コレクタ、第１電流コレクタに堆積される電解質、電解質に堆積される陰極、及び陰極に堆積される第２電流コレクタを有することも、当業者に想定される。したがって、別個の陽極層は、スタックの製造の間に堆積されない。しかしながら、陽極は、電気化学源の動作の間、一般に第１電流コレクタにおいて、実際には第１電流コレクタと電解質との間で形成されるであろう。例えばリチウムイオンタイプのバッテリを製造する間、金属リチウムは、第１電流コレクタに堆積され、それから実質的にバッテリの陽極材料として振る舞う。この文脈において、順スタック（陽極が基板に向けられる）及び逆スタック（陰極が基板に向けられる）の両方とも、本発明による電気化学エネルギー源に組み込まれ得ることは、留意されたい。
【０００９】
本発明によるエネルギー源に適用される電解質は、イオン伝導機構か、又は非電子伝導機構、例えば水素（Ｈ）、リチウム（Ｌｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、ナトリウム（Ｎａ）、及びカリウム（Ｋ）に対するイオン導電体に基づき得る。固体電解質が一般に使用されるであろう。しかしながら、液体電解質、又は固体及び液体の混合状態の電解質、例えばゲルベースのポリマを適用することも考慮される。更に、ポリマベースの電解質も使用され得る。固体電解質として、Ｌｉ伝導体の一例は、リチウム燐オキシナイトライド（ＬｉＰＯＮ）である。他の既知の固体電解質、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、タングステン酸リチウム（Ｌｉ２ＷＯ４）、リチウムゲルマニウムオキシナイトライド（ＬｉＧｅＯＮ）、Ｌｉ５Ｌａ３Ｔａ２Ｏ１２（ガーネット型のクラス）、Ｌｉ１４ＺｎＧｅ４Ｏ１６（ｌｉｓｉｃｏｎ）、Ｌｉ３Ｎ、βアルミナ、又はＬｉ１．３Ｔｉ１．７Ａｌ０．３（ＰＯ４）３（ｎａｓｉｃｏｎ型）も、リチウム導電性固体電解質として使用され得る。
【００１０】
本発明は、本発明による少なくとも１つの電気化学エネルギー源を備える電子装置にも関する。このような電子装置の例は、シェーバであり、電気化学エネルギー源は、例えばバックアップ（又は予備）電源として機能し得る。本発明によるエネルギーシステムを有するバックアップ電源を供給することにより向上され得る他の用途は、例えば携帯用無線モジュール（例えば携帯電話、無線モジュール等）、（自律型）マイクロシステムのセンサ及びアクチュエータ、エネルギー及び光管理システム、並びにアンビエントインテリジェンス用のデジタル信号プロセッサ及び自律型装置である。この列挙は、制限的なものとして考慮されないことは明らかであり得る。本発明によるエネルギー源が組み込まれ得る（又はその逆の）電子装置の他の例は、いわゆる「システム・イン・パッケージ」（ＳｉＰ）である。システム・イン・パッケージにおいて、１つ又は複数の電子部品及び／又は装置、例えば集積回路（ＩＣ）、チップ、ディスプレイ等は、本発明による電気化学エネルギー源の基板、特に単結晶シリコン導電性基板に少なくとも部分的に埋め込まれる。
【００１１】
本発明は、以下の非制限的な例により図示される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１ａ】図１ａは、従来技術から知られるリチウムイオンバッテリの放電された状態の概略的な断面図を示す。
【図１ｂ】図１ｂは、図１ａによるリチウムイオンバッテリの充電された状態の概略的な断面図を示す。
【図１ｃ】図１ｃは、図１ａによるリチウムイオンバッテリの放電された状態の概略的な断面図を示し、バッテリにおける局部的な材料ストレスが示される。
【図１ｄ】図１ｄは、図１ａによるリチウムイオンバッテリの充電された状態の概略的な断面図を示し、バッテリにおける局部的な材料ストレスが示される。
【図２ａ】図２ａは、本発明によるリチウムイオンバッテリの放電された状態の概略的な断面図を示す。
【図２ｂ】図２ｂは、図２ａによるリチウムイオンバッテリの充電された状態の概略的な断面図を示す。
【図３ａ】図３ａは、本発明による他のリチウムイオンバッテリの放電された状態の概略的な断面図を示す。
【図３ｂ】図３ｂは、図３ａによる他のリチウムイオンバッテリの充電された状態の概略的な断面図を示す。
【図４】図４は、本発明による更なるリチウムイオンバッテリの充電された状態の概略的な断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１ａは、従来技術から知られるリチウムイオンバッテリの放電された状態の概略的な断面図を示す。バッテリ１は、陽極３（電流コレクタを含む）、固体電解質４、及び陰極５（電流コレクタを含む）からなるスタック２を有し、バッテリスタック２は、１又はそれより多くの電子部品（図示略）が埋め込まれ得るシリコン基板６の上に堆積される。既知のバッテリ１において、陽極３はアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）からなり、陰極５は、金属酸化物、例えばＬｉＣｏＯ２，ＬｉＭｎＯ２，ＬｉＮｉＯ２等からなる。使用される電解質４は、ＬｉＰＯＮからなり得る。バッテリスタック２と基板６との間のタンタルからなるリチウムバリア層７が、基板６に堆積される。この例において、保護的なパッケージ３９は、スタック２における全てのアクティブな種を保護することができるようにスタック２を囲む。したがって、スタック２により最初に含まれるリチウムイオン（又は他のアクティブな種）の基板６への拡散は、リチウムイオンバリア層７により妨げられ得る。保護的パッケージ３９は、好ましくは、少なくとも１つの絶縁材料からなり、ラミネートの代替の層を有し得、前記代替の層の各層は、金属、ポリマ、及びシリカ質化合物の材料のグループから選択される少なくとも１つの材料からなる。保護的パッケージ３９のラミネートに適用され得る代替の層の例は、交互な態様で互いの上に堆積される窒化シリコン（Ｎ）層及びシリカ（Ｏ）層からなるいわゆるＮＯＮＯＮ層構成である。ラミネートは、一般に、更なる金属層も有し、これは、スタック２により含まれる移動する反応性の種及び大気の化合物の両方に対して一般に実質的に不浸透性である。個々の層３，４，５，７の堆積は、例えばＣＶＤ,ＰＶＤ，又は（湿式）化学堆積により達成され得る。示されるようなリチウムイオンバッテリ１の放電された状態において、陽極３は、収縮状態にあり、陰極５は、膨張状態にある。図１ｂは、図１ａによるリチウムイオンバッテリの充電された状態の概略的な断面図を示す。この図において、（充電された）陽極３が膨張され、一方陰極５が収縮されていることが明らかに示される。図１ｃ及び図１ｄに示されるように、材料ストレスが、バッテリ１の動作の間にバリア層７において増加され、結果として、バリア層７によるスタックの信頼できる遮蔽に影響を与え、短期的及び長期的の両方で、バッテリ１の性能の悪化をもたらすほど、材料ストレスが大きくなりすぎる場合、バリア層は一般に破壊（又はひび割れ）され得る。
【００１４】
図２ａ及び図２ｂの各々は、放電状態及び充電状態のそれぞれに対する、本発明によるリチウムイオンバッテリ８の概略的な断面図を示す。バッテリ８は、（電流コレクタを含む）陽極１０、固体電解質１１、及び（電流コレクタを含む）陰極１２からなるスタック９を有し、バッテリスタック９は、１又はそれより多くの電子部品（図示略）が埋め込まれ得るシリコン基板１３に堆積される。本発明によるバッテリ８において、陽極１０は、好ましくはアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）からなり、陰極１２は、好ましくは金属酸化物、例えばＬｉＣｏＯ２，ＬｉＭｎＯ２，ＬｉＮｉＯ２等からなる。この例において、使用される電解質４は、ＬｉＰＯＮからなる。バッテリスタック９と基板１３との間のリチウムバリア層１４は、基板１３上に堆積される。バリア層１４は、好ましくはタンタル、チタン、窒化タンタル、及び窒化チタンからなる。この説明的な例において、バリア層１４は、スタック９における全てのアクティブな種を保持することができるように、スタック９を完全に囲う。したがって、スタック９により始めに含まれていたリチウムイオン（又は他のアクティブな種）の基板１３又は他の媒体への拡散は、リチウムイオンバリア層１４により軽減され得る。更に、個々の層１０，１１，１２，１４の堆積は、例えばＣＶＤ,ＰＶＤ又は（湿式）化学堆積により達成され得る。本発明によるバッテリ８において、バリア層１４における材料ストレスの著しい増加を回避し、したがってバッテリ８の動作の間の陽極１０及び陰極１２の膨張及び収縮によるバリア層１４の破壊を回避するため、２つの材料ストレス低減空洞１５が、スタック９（の側壁）及びバリア層１４の間に適用され、これによりスタック９とバリア層１４との間の境界は、選択的に遮られる。この文脈において、図２ａ及び２ｂに示されるスタック全体の体積が、陽極及び陰極の材料の平衡された選択により、バッテリ動作の間、実質的に一定であるであろう（図２ａ及び２ｂを参照されたい）。この全体積がバッテリ動作の間、実質的に一定ではない場合、好ましくは更なる材料ストレス低減空洞（図示略）がスタック９の上部に適用される。材料ストレス低減空洞を適用することにより、バリア層１４の期待される寿命は、一般に比較的長く保持され得る。
【００１５】
図３ａ及び３ｂの各々は、本発明によるリチウムイオンバッテリの放電された状態及び充電された状態のそれぞれの概略的断面図を示す。図３ａ及び図３ｂに示されるバッテリ１６は、構造的に多かれ少なかれ図２ａ及び２ｂに示されるバッテリ８に類似し、（電流コレクタを含む）陽極１８、固体電解質１９、及び（電流コレクタを含む）陰極２０からなるスタック１７を有し、バッテリスタック１７は、１又はそれより多くの電子部品（図示略）が埋め込まれ得るシリコン基板２１上に堆積される。本発明によるバッテリ１６において、陽極１８は、好ましくはアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）からなり、陰極２０は、好ましくは金属酸化物、例えばＬｉＣｏＯ２，ＬｉＭｎＯ２，ＬｉＮｉＯ２等からなる。この例において使用される電解質４は、好ましくはＬｉＰＯＮからなる。バッテリスタック１８と基板２１との間のリチウムイオンバリア層２２は、基板２１上に堆積される。バリア層２２は、好ましくはタンタル、チタン、窒化タンタル、及び窒化チタンからなる。バリア層２２は、スタック１７により始めに含まれるアクティブな種の基板２１への拡散を排除するように適用される。側壁及び上部表面の両方は、上部に遮蔽するバリア層２４が堆積される可撓性絶縁層２３により覆われる。両方のバリア層２２，２４は、単一の集積層を形成し得る。しかしながら、両方のバリア層２２，２４が異なる材料から形成されることも想定される。一般に、遮蔽するバリア層２４は、スタック１７におけるアクティブな種を保持するためにも適用されるであろう。しかしながら、スタック１７に含まれるリチウムイオンがバッテリ１６の周囲の大気化合物と相互作用するのを回避するため、遮蔽するバリア層２４が適用されることは、当業者にも想像可能である。すなわち、スタック１７に含まれる（リチウムの）アクティブな種と大気化合物、特に酸素分子、窒素分子、及び水との間の相互作用は、バッテリ１の性能を著しく悪化させるであろう。この例において、遮蔽するバリア層２４は、封止として役立ち、上部にタンタル層が堆積されるシリカ層のラミネート（図示略）により形成され得る。導電性のタンタル層は、リチウムイオン及び大気化合物の両方に対して実質的に非浸透性であるので、化学的障壁として役立つ。好ましくはパリレンからなる可撓性層２２を適用することは、バッテリ動作の間、スタック１７により生成される変形エネルギーのかなりの部分を吸収し、これは、遮蔽バリア層２４の材料ストレスの著しい増加を回避するので有利である。このように、バリア層２４が損なわれていない、したがって、バッテリ１６の性能が、比較的信頼できる態様で保証され得る。
【００１６】
図４は、本発明による他のリチウムイオンバッテリ２５の充電された状態の概略的な断面図を示す。バッテリ２５は、１又はそれより多くの電子部品２７、例えばＩＣが埋め込まれるシリコン基板２６を有する。基板２６の上部に下部バリア層２８及び下部誘電層２９が続けて堆積される。下部バリア層２８は、好ましくは、タンタル、チタン、窒化タンタル、又は窒化チタンからなり、絶縁性下部誘電層２９は、好ましくは酸化物、例えば酸化シリコンからなる。下部誘電層２９の上部に複数のスタック３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄが堆積され、各２つのスタック３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄの２つの積み重ねが堆積される。各スタックは、陽極３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄと、陽極３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄに結合される電流コレクタ（図示略）と、固体電解質３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄと、陰極３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄと、陰極３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄに結合される電流コレクタ（図示略）とを有する。各スタック３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄの陽極３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄは、この図に示されるバッテリ２５において、充電された（膨張した）状態にある。各積み重ねのスタック３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄは、中間の誘電層３４ａ、３４ｂにより相互に分離され、この積み重ねは、バッテリ２５の動作の間、陽極３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ及び陰極３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄの膨張及び収縮を平衡させることができるように、可撓性スペーサ３５により相互に分離される。スタックは、電気的に直列及び／又は並列（図示略）に結合され得る。スタック３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄのアセンブリは、上部バリア層３６により遮蔽される。上部バリア層３６は、好ましくはタンタル、チタン、窒化タンタル、又は窒化チタンからなり、したがって、比較的硬い層になるであろう。比較的硬い上部バリア層３６とスタック３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄのアセンブリの側壁及び上部表面との間の物理的接着は、バッテリ２５の動作の間の陽極３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ及び陰極３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄの膨張及び収縮により、上部バリア層３５のひび割れが一般に容易に生じるので、望ましくないと考えられる。それゆえ、スタック３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄのアセンブリの側壁は、上記膨張及び収縮を補償するため、各々が可撓性要素３７ａ，３７ｂにより覆われる。材料ストレス低減空洞３８は、本発明によるバッテリ２５の動作の間、基板２６に垂直な方向の、スタック３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄの結果として全体の体積変化を補償するため、スタック３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄのアセンブリの上部表面と周囲の上部バリア層３５との間に適用される。このように保護的上部バリア層３５の材料ストレスの不利な増加は、回避され得るか、又は少なくとも低減され得、結果としてスタック３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄの最適な遮蔽、したがって、バッテリ２５の最適な性能は、比較的長く維持され得る。
【００１７】
上記実施例が本発明を制限するのではなく説明し、当業者は、請求項の範囲から逸脱することなく多くの代替の実施例を設計することができるであろうということは、留意されるべきである。請求項において、括弧内に位置されるいかなる参照符号も、請求項を制限するとして解釈されるべきではない。「有する」という動詞及びこの活用形の使用は、請求項で述べられた以外の要素又はステップの存在を排除しない。要素に対する単数形の表記は、このような要素の複数の存在を排除しない。ある手段が、相互に異なる従属請求項において繰り返されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用され得ないことを示さない。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改善された電気化学エネルギー源に関する。本発明は、このような電気化学エネルギー源を備える電子装置にも関する。
【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、従来技術において知られる。これらの（平面的）エネルギー源、又は「固体バッテリ」は、化学エネルギーを電気エネルギーに効率的に変換し、携帯用電子装置の電源として使用され得る。小さなスケールにおいて、このようなバッテリは、電気エネルギーを例えばマイクロ電子モジュール、より詳細には集積回路（ＩＣ）に供給するために使用され得る。この例は、国際特許出願公開ＷＯ００／２５３７８に開示され、固体薄膜微小バッテリが特定の基板上に直接作製される。この作製プロセスの間、第１電極、中間の固体電解質、及び第２電極は、基板上にスタックとして続いて堆積される。既知の微小バッテリは、一般に他の固体バッテリと比較して優れた性能を示すが、既知の微小バッテリは、いくつかの欠点を有する。国際特許出願公開ＷＯ００／２５３７８の既知の微小バッテリの主要な欠点は、少なくとも部分的にスタックを囲む遮蔽パッケージをスタックに適用するとき、このパッケージが、動作中の両方の電極の著しい膨張及び収縮により、一般に容易にひびが入るであろうということである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、上記欠点の少なくとも１つを被ることのない改善された電気化学エネルギー源を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この目的は、冒頭に記載の電気化学エネルギー源を提供することにより達成され得、これは、基板、及び該基板に堆積される少なくとも１つのスタックを有し、該スタックは、第１電極、第２電極、及び該第１電極及び第２電極を分離する中間の固体電解質を有し、少なくとも１つの電子伝導性バリア層が、基板とスタックとの間に堆積され、該バリア層は、スタックのアクティブな種の前記基板への拡散を少なくとも実質的に排除するために適用され、エネルギー源は、少なくとも部分的にスタックを囲う少なくとも１つの材料層と、スタックの膨張及び収縮の間、周囲の材料層のストレスを低下させるため、スタックと周囲の材料層との間に位置されるストレス低減手段とを更に有する。周囲の材料層とスタックとの間に材料ストレス低減手段を適用することにより、電気化学エネルギー源の動作時の電極の膨張及び収縮による電気化学エネルギー源周囲の材料層及びスタックの境界の材料ストレスの組み合わせは、補正され得る。周囲の層及び／又はスタックの劣化、特にひび割れ又は破壊は、このように防がれる。本発明による電気化学エネルギー源に材料ストレス低減手段を提供することにより、電気化学源の設計の自由度が著しく向上され得る。特に、使用可能な周囲の層の選択の自由度は、材料ストレス低減手段の適用により向上される。それゆえ本発明による電気化学エネルギー源において、少なくとも部分的にスタックを覆うため、非常に硬い周囲層を適用することは、考えられる。少なくとも部分的にスタックを囲む材料層は、様々な性質を持ち得る。周囲材料層は、本発明による電気化学エネルギー源の長期的な性能を保証するようにスタックを保護するため、スタック内のアクティブな種を保持するために適用されるパッケージとして役立つ、並びに／又はパッケージの周囲の酸素及び窒素のような大気の化合物がスタックに入るのを回避するために適用され得る。
【０００５】
しかしながら、周囲材料層は、他の目的、例えば本発明による電気化学エネルギー源の２つの異なるスタックを分離するスペーサとして役立ち得ることも考慮される。
【０００６】
第１電極は、好ましくは陽極を有し、第２電極は、好ましくは陰極を有する。陽極及び陰極の両方が、基板上へのスタックの体積の間に堆積されることは、一般的である。好ましくは、本発明によるエネルギー源の少なくとも１つの電極は、水素（Ｈ）、リチウム（Ｌｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、ナトリウム（Ｎａ）、及びカリウム（Ｋ）又は周期表の１族若しくは２族に割り当てられるいずれかの他の適切な元素のうちの少なくとも１つのアクティブな種を保存するために適用される。その結果、本発明によるエネルギーシステムの電気化学エネルギー源は、様々な挿入（インターカレーション）機構に基づき得、それゆえ例えばＬｉイオンバッテリ、ＮｉＭＨバッテリ等の異なる種類のバッテリを形成することに適している。好ましい実施例において、少なくとも1つの電極、より好ましくは陽極が、Ｃ，Ｓｎ，Ｇｅ，Ｐｂ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ｓｂ，Ｌｉ及び好ましくはドープされたＳｉのうちの１つを有する。これらの材料の組み合わせは、電極を形成するためにも使用され得る。好ましくはｎ型又はｐ型のドープされたＳｉ、又はドープされたＳｉ関連の化合物、例えばＳｉＧｅ若しくはＳｉＧｅＣが使用される。電極の材料が、インターカレーション、及び上記反応性の種の保存に適用される場合、他の適切な材料、好ましくは、周期表の１２乃至１６族の１つの割り当てられる他の適切な元素も、陽極として適用され得る。上記の材料は、特にリチウムイオンバッテリに適用されることに適している。水素ベースのエネルギー源が適用される場合、陽極は、水素化物生成材料、例えばＡＢ5タイプの材料、特にＬａＮｉ5、及びマグネシウムベースの合金、特にＭｇxＴｉ1-xを有する。
【０００７】
リチウムイオンベースのエネルギー源の陰極は、少なくとも1つの金属酸化物ベースの材料、例えばＬｉＣｏＯ２，ＬｉＮｉＯ２，又はこれらの組み合わせ、例えばＬｉ（ＮｉＣｏＭｎ）Ｏ２を有する。水素ベースのエネルギー源の場合、陰極は、好ましくは、Ｎｉ（ＯＨ）２及び／又はＮｉＭ(ＯＨ)２を有し、Ｍは、例えばＣｄ，Ｃｏ，又はＢｉのグループから選択される１又はそれより多くの元素により形成される。
【０００８】
好ましい実施例において、第１電極及び第２電極の少なくとも１つの電極は、少なくとも１つの電流コレクタを有する。電極端子として電流コレクタを使用することは、一般に知られている。例えばＬｉイオンバッテリの場合、（陰極として振る舞う）ＬｉＣｏＯ２電極が適用されるとき、好ましくは、アルミニウム電流コレクタが、ＬｉＣｏＯ２電極に接続される。代替として、又は付加的に、少なくとも１つの電流コレクタが、Ａｌ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｔａ，Ｔｉ，ＴａＮ，及びＴｉＮのうちの少なくとも１つから作られる。他の種類の電流コレクタ、例えば好ましくはドーピングされた半導体材料、例えばＳｉ，Ｇａ，ＩｎＰは、電流コレクタとして役立つために使用され得る。電子伝導性バリア層が適用される場合、このバリア層は、陽極に対する電流コレクタとして機能するために使用され得る。より好ましくは、各電流コレクタの少なくとも一部が、本発明によるエネルギー源の電子モジュール又は装置との促進された接続を可能にするため、周囲の材料層により覆われないままである。（電流コレクタの一部に加えて）スタックの外部表面の他の部分は、中程度の締め方で周囲の材料層により好ましくは完全に覆われる。特に好ましい実施例において、電流コレクタの少なくとも１つは、隣接した電極が堆積される導電性基板により形成される。一般に（他のものの中で）エネルギー源を支持する第１基板及び電流コレクタの集積化は、本発明によるエネルギー源の比較的簡素な構成をもたらす。更に、エネルギー源を製造する態様も、少なくとも１つのプロセスステップが削減され得るので、より簡素になる。本発明によるエネルギーシステムの比較的簡素な製造方法は、更に著しいコストの節約をもたらし得る。この文脈において、通常、第１電極は、陽極及び（第１）電流コレクタを有し、第２電極は、陰極及び（第２）電流コレクタを有することが意図される。しかしながら、代替としてスタックが、第１電流コレクタ、第１電流コレクタに堆積される電解質、電解質に堆積される陰極、及び陰極に堆積される第２電流コレクタを有することも、当業者に想定される。したがって、別個の陽極層は、スタックの製造の間に堆積されない。しかしながら、陽極は、電気化学源の動作の間、一般に第１電流コレクタにおいて、実際には第１電流コレクタと電解質との間で形成されるであろう。例えばリチウムイオンタイプのバッテリを製造する間、金属リチウムは、第１電流コレクタに堆積され、それから実質的にバッテリの陽極材料として振る舞う。この文脈において、順スタック（陽極が基板に向けられる）及び逆スタック（陰極が基板に向けられる）の両方とも、本発明による電気化学エネルギー源に組み込まれ得ることは、留意されたい。
【０００９】
本発明によるエネルギー源に適用される電解質は、イオン伝導機構か、又は非電子伝導機構、例えば水素（Ｈ）、リチウム（Ｌｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、ナトリウム（Ｎａ）、及びカリウム（Ｋ）に対するイオン導電体に基づき得る。固体電解質が一般に使用されるであろう。しかしながら、液体電解質、又は固体及び液体の混合状態の電解質、例えばゲルベースのポリマを適用することも考慮される。更に、ポリマベースの電解質も使用され得る。固体電解質として、Ｌｉ伝導体の一例は、リチウム燐オキシナイトライド（ＬｉＰＯＮ）である。他の既知の固体電解質、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、タングステン酸リチウム（Ｌｉ２ＷＯ４）、リチウムゲルマニウムオキシナイトライド（ＬｉＧｅＯＮ）、Ｌｉ５Ｌａ３Ｔａ２Ｏ１２（ガーネット型のクラス）、Ｌｉ１４ＺｎＧｅ４Ｏ１６（ｌｉｓｉｃｏｎ）、Ｌｉ３Ｎ、βアルミナ、又はＬｉ１．３Ｔｉ１．７Ａｌ０．３（ＰＯ４）３（ｎａｓｉｃｏｎ型）も、リチウム導電性固体電解質として使用され得る。
【００１０】
本発明は、本発明による少なくとも１つの電気化学エネルギー源を備える電子装置にも関する。このような電子装置の例は、シェーバであり、電気化学エネルギー源は、例えばバックアップ（又は予備）電源として機能し得る。本発明によるエネルギーシステムを有するバックアップ電源を供給することにより向上され得る他の用途は、例えば携帯用無線モジュール（例えば携帯電話、無線モジュール等）、（自律型）マイクロシステムのセンサ及びアクチュエータ、エネルギー及び光管理システム、並びにアンビエントインテリジェンス用のデジタル信号プロセッサ及び自律型装置である。この列挙は、制限的なものとして考慮されないことは明らかであり得る。本発明によるエネルギー源が組み込まれ得る（又はその逆の）電子装置の他の例は、いわゆる「システム・イン・パッケージ」（ＳｉＰ）である。システム・イン・パッケージにおいて、１つ又は複数の電子部品及び／又は装置、例えば集積回路（ＩＣ）、チップ、ディスプレイ等は、本発明による電気化学エネルギー源の基板、特に単結晶シリコン導電性基板に少なくとも部分的に埋め込まれる。
【００１１】
本発明は、以下の非制限的な例により図示される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１ａ】図１ａは、従来技術から知られるリチウムイオンバッテリの放電された状態の概略的な断面図を示す。
【図１ｂ】図１ｂは、図１ａによるリチウムイオンバッテリの充電された状態の概略的な断面図を示す。
【図１ｃ】図１ｃは、図１ａによるリチウムイオンバッテリの放電された状態の概略的な断面図を示し、バッテリにおける局部的な材料ストレスが示される。
【図１ｄ】図１ｄは、図１ａによるリチウムイオンバッテリの充電された状態の概略的な断面図を示し、バッテリにおける局部的な材料ストレスが示される。
【図２ａ】図２ａは、本発明によるリチウムイオンバッテリの放電された状態の概略的な断面図を示す。
【図２ｂ】図２ｂは、図２ａによるリチウムイオンバッテリの充電された状態の概略的な断面図を示す。
【図３ａ】図３ａは、本発明による他のリチウムイオンバッテリの放電された状態の概略的な断面図を示す。
【図３ｂ】図３ｂは、図３ａによる他のリチウムイオンバッテリの充電された状態の概略的な断面図を示す。
【図４】図４は、本発明による更なるリチウムイオンバッテリの充電された状態の概略的な断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１ａは、従来技術から知られるリチウムイオンバッテリの放電された状態の概略的な断面図を示す。バッテリ１は、陽極３（電流コレクタを含む）、固体電解質４、及び陰極５（電流コレクタを含む）からなるスタック２を有し、バッテリスタック２は、１又はそれより多くの電子部品（図示略）が埋め込まれ得るシリコン基板６の上に堆積される。既知のバッテリ１において、陽極３はアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）からなり、陰極５は、金属酸化物、例えばＬｉＣｏＯ２，ＬｉＭｎＯ２，ＬｉＮｉＯ２等からなる。使用される電解質４は、ＬｉＰＯＮからなり得る。バッテリスタック２と基板６との間のタンタルからなるリチウムバリア層７が、基板６に堆積される。この例において、保護的なパッケージ３９は、スタック２における全てのアクティブな種を保護することができるようにスタック２を囲む。したがって、スタック２により最初に含まれるリチウムイオン（又は他のアクティブな種）の基板６への拡散は、リチウムイオンバリア層７により妨げられ得る。保護的パッケージ３９は、好ましくは、少なくとも１つの絶縁材料からなり、ラミネートの代替の層を有し得、前記代替の層の各層は、金属、ポリマ、及びシリカ質化合物の材料のグループから選択される少なくとも１つの材料からなる。保護的パッケージ３９のラミネートに適用され得る代替の層の例は、交互な態様で互いの上に堆積される窒化シリコン（Ｎ）層及びシリカ（Ｏ）層からなるいわゆるＮＯＮＯＮ層構成である。ラミネートは、一般に、更なる金属層も有し、これは、スタック２により含まれる移動する反応性の種及び大気の化合物の両方に対して一般に実質的に不浸透性である。個々の層３，４，５，７の堆積は、例えばＣＶＤ,ＰＶＤ，又は（湿式）化学堆積により達成され得る。示されるようなリチウムイオンバッテリ１の放電された状態において、陽極３は、収縮状態にあり、陰極５は、膨張状態にある。図１ｂは、図１ａによるリチウムイオンバッテリの充電された状態の概略的な断面図を示す。この図において、（充電された）陽極３が膨張され、一方陰極５が収縮されていることが明らかに示される。図１ｃ及び図１ｄに示されるように、材料ストレスが、バッテリ１の動作の間にバリア層７において増加され、結果として、バリア層７によるスタックの信頼できる遮蔽に影響を与え、短期的及び長期的の両方で、バッテリ１の性能の悪化をもたらすほど、材料ストレスが大きくなりすぎる場合、バリア層は一般に破壊（又はひび割れ）され得る。
【００１４】
図２ａ及び図２ｂの各々は、放電状態及び充電状態のそれぞれに対する、本発明によるリチウムイオンバッテリ８の概略的な断面図を示す。バッテリ８は、（電流コレクタを含む）陽極１０、固体電解質１１、及び（電流コレクタを含む）陰極１２からなるスタック９を有し、バッテリスタック９は、１又はそれより多くの電子部品（図示略）が埋め込まれ得るシリコン基板１３に堆積される。本発明によるバッテリ８において、陽極１０は、好ましくはアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）からなり、陰極１２は、好ましくは金属酸化物、例えばＬｉＣｏＯ２，ＬｉＭｎＯ２，ＬｉＮｉＯ２等からなる。この例において、使用される電解質４は、ＬｉＰＯＮからなる。バッテリスタック９と基板１３との間のリチウムバリア層１４は、基板１３上に堆積される。バリア層１４は、好ましくはタンタル、チタン、窒化タンタル、及び窒化チタンからなる。この説明的な例において、バリア層１４は、スタック９における全てのアクティブな種を保持することができるように、スタック９を完全に囲う。したがって、スタック９により始めに含まれていたリチウムイオン（又は他のアクティブな種）の基板１３又は他の媒体への拡散は、リチウムイオンバリア層１４により軽減され得る。更に、個々の層１０，１１，１２，１４の堆積は、例えばＣＶＤ,ＰＶＤ又は（湿式）化学堆積により達成され得る。本発明によるバッテリ８において、バリア層１４における材料ストレスの著しい増加を回避し、したがってバッテリ８の動作の間の陽極１０及び陰極１２の膨張及び収縮によるバリア層１４の破壊を回避するため、２つの材料ストレス低減空洞１５が、スタック９（の側壁）及びバリア層１４の間に適用され、これによりスタック９とバリア層１４との間の境界は、選択的に遮られる。この文脈において、図２ａ及び２ｂに示されるスタック全体の体積が、陽極及び陰極の材料の平衡された選択により、バッテリ動作の間、実質的に一定であるであろう（図２ａ及び２ｂを参照されたい）。この全体積がバッテリ動作の間、実質的に一定ではない場合、好ましくは更なる材料ストレス低減空洞（図示略）がスタック９の上部に適用される。材料ストレス低減空洞を適用することにより、バリア層１４の期待される寿命は、一般に比較的長く保持され得る。
【００１５】
図３ａ及び３ｂの各々は、本発明によるリチウムイオンバッテリの放電された状態及び充電された状態のそれぞれの概略的断面図を示す。図３ａ及び図３ｂに示されるバッテリ１６は、構造的に多かれ少なかれ図２ａ及び２ｂに示されるバッテリ８に類似し、（電流コレクタを含む）陽極１８、固体電解質１９、及び（電流コレクタを含む）陰極２０からなるスタック１７を有し、バッテリスタック１７は、１又はそれより多くの電子部品（図示略）が埋め込まれ得るシリコン基板２１上に堆積される。本発明によるバッテリ１６において、陽極１８は、好ましくはアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）からなり、陰極２０は、好ましくは金属酸化物、例えばＬｉＣｏＯ２，ＬｉＭｎＯ２，ＬｉＮｉＯ２等からなる。この例において使用される電解質４は、好ましくはＬｉＰＯＮからなる。バッテリスタック１８と基板２１との間のリチウムイオンバリア層２２は、基板２１上に堆積される。バリア層２２は、好ましくはタンタル、チタン、窒化タンタル、及び窒化チタンからなる。バリア層２２は、スタック１７により始めに含まれるアクティブな種の基板２１への拡散を排除するように適用される。側壁及び上部表面の両方は、上部に遮蔽するバリア層２４が堆積される可撓性絶縁層２３により覆われる。両方のバリア層２２，２４は、単一の集積層を形成し得る。しかしながら、両方のバリア層２２，２４が異なる材料から形成されることも想定される。一般に、遮蔽するバリア層２４は、スタック１７におけるアクティブな種を保持するためにも適用されるであろう。しかしながら、スタック１７に含まれるリチウムイオンがバッテリ１６の周囲の大気化合物と相互作用するのを回避するため、遮蔽するバリア層２４が適用されることは、当業者にも想像可能である。すなわち、スタック１７に含まれる（リチウムの）アクティブな種と大気化合物、特に酸素分子、窒素分子、及び水との間の相互作用は、バッテリ１の性能を著しく悪化させるであろう。この例において、遮蔽するバリア層２４は、封止として役立ち、上部にタンタル層が堆積されるシリカ層のラミネート（図示略）により形成され得る。導電性のタンタル層は、リチウムイオン及び大気化合物の両方に対して実質的に非浸透性であるので、化学的障壁として役立つ。好ましくはパリレンからなる可撓性層２２を適用することは、バッテリ動作の間、スタック１７により生成される変形エネルギーのかなりの部分を吸収し、これは、遮蔽バリア層２４の材料ストレスの著しい増加を回避するので有利である。このように、バリア層２４が損なわれていない、したがって、バッテリ１６の性能が、比較的信頼できる態様で保証され得る。
【００１６】
図４は、本発明による他のリチウムイオンバッテリ２５の充電された状態の概略的な断面図を示す。バッテリ２５は、１又はそれより多くの電子部品２７、例えばＩＣが埋め込まれるシリコン基板２６を有する。基板２６の上部に下部バリア層２８及び下部誘電層２９が続けて堆積される。下部バリア層２８は、好ましくは、タンタル、チタン、窒化タンタル、又は窒化チタンからなり、絶縁性下部誘電層２９は、好ましくは酸化物、例えば酸化シリコンからなる。下部誘電層２９の上部に複数のスタック３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄが堆積され、各２つのスタック３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄの２つの積み重ねが堆積される。各スタックは、陽極３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄと、陽極３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄに結合される電流コレクタ（図示略）と、固体電解質３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄと、陰極３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄと、陰極３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄに結合される電流コレクタ（図示略）とを有する。各スタック３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄの陽極３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄは、この図に示されるバッテリ２５において、充電された（膨張した）状態にある。各積み重ねのスタック３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄは、中間の誘電層３４ａ、３４ｂにより相互に分離され、この積み重ねは、バッテリ２５の動作の間、陽極３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ及び陰極３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄの膨張及び収縮を平衡させることができるように、可撓性スペーサ３５により相互に分離される。スタックは、電気的に直列及び／又は並列（図示略）に結合され得る。スタック３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄのアセンブリは、上部バリア層３６により遮蔽される。上部バリア層３６は、好ましくはタンタル、チタン、窒化タンタル、又は窒化チタンからなり、したがって、比較的硬い層になるであろう。比較的硬い上部バリア層３６とスタック３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄのアセンブリの側壁及び上部表面との間の物理的接着は、バッテリ２５の動作の間の陽極３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ及び陰極３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄの膨張及び収縮により、上部バリア層３５のひび割れが一般に容易に生じるので、望ましくないと考えられる。それゆえ、スタック３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄのアセンブリの側壁は、上記膨張及び収縮を補償するため、各々が可撓性要素３７ａ，３７ｂにより覆われる。材料ストレス低減空洞３８は、本発明によるバッテリ２５の動作の間、基板２６に垂直な方向の、スタック３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄの結果として全体の体積変化を補償するため、スタック３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄのアセンブリの上部表面と周囲の上部バリア層３５との間に適用される。このように保護的上部バリア層３５の材料ストレスの不利な増加は、回避され得るか、又は少なくとも低減され得、結果としてスタック３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄの最適な遮蔽、したがって、バッテリ２５の最適な性能は、比較的長く維持され得る。
【００１７】
上記実施例が本発明を制限するのではなく説明し、当業者は、請求項の範囲から逸脱することなく多くの代替の実施例を設計することができるであろうということは、留意されるべきである。請求項において、括弧内に位置されるいかなる参照符号も、請求項を制限するとして解釈されるべきではない。「有する」という動詞及びこの活用形の使用は、請求項で述べられた以外の要素又はステップの存在を排除しない。要素に対する単数形の表記は、このような要素の複数の存在を排除しない。ある手段が、相互に異なる従属請求項において繰り返されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用され得ないことを示さない。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
第１電極、
第２電極、及び
前記第１電極及び前記第２電極を分離する中間の固体電解質
を有する、前記基板上に堆積された少なくとも１つのスタックと、
前記スタックのアクティブな種の前記基板への拡散を少なくとも実質的に排除するように適用される、前記基板と前記スタックとの間に堆積される少なくとも１つの電子伝導性バリア層と、
を有する電気化学エネルギー源であって、
前記スタックの少なくとも部分的に周囲にある少なくとも１つの材料層と、前記スタックの膨張及び収縮の間、前記周囲材料層のストレスを低減するため、前記スタックと前記周囲材料層との間に位置されるストレス低減手段とを更に有する、電気化学エネルギー源。
【請求項２】
前記第１電極が陽極を有する、及び／又は前記第２電極が陰極を有す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】
前記陽極及び前記陰極の両方が、Ｈ，Ｌｉ，Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｎａ及びＫのうちの少なくとも１つのアクティブな種を保存するために適用される、請求項２に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項４】
前記陽極及び前記陰極の少なくとも１つがＣ，Ｓｎ，Ｇｅ，Ｐｂ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｓｂ，及び好ましくはドープされたＳｉのうちの少なくとも１つからなることを特徴とする、請求項２又は３に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項５】
前記第１電極及び前記第２電極のうちの少なくとも１つの電極が少なくとも１つの電流コレクタを有することを特徴とする、請求項１乃至４の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項６】
前記少なくとも１つの電流コレクタが、Ａｌ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｔａ，Ｔｉ，ＴａＮ，及びＴｉＮのうちの少なくとも１つからなる、請求項５に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項７】
前記ストレス低減手段が、前記スタックと前記周囲材料層との間に形成される少なくとも１つのストレス低減空洞を有することを特徴とする、請求項１乃至６の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項８】
前記ストレス低減手段が、複数のストレス低減空洞を有することを特徴とする、請求項７に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項９】
前記ストレス低減手段が、少なくとも１つの可撓性要素を有することを特徴とする、請求項１乃至８の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項１０】
前記ストレス低減手段が、複数の可撓性要素を有することを特徴とする、請求項９に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの可撓性要素が、少なくとも１つのポリマ、特にパリレンを有することを特徴とする、請求項９又は１０に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項１２】
前記ストレス低減手段が異なるスタックを分離するために適用されることを特徴とする、請求項１乃至１１の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項１３】
前記周囲材料層が、前記スタックの外部表面を少なくとも部分的に覆うパッケージを有する、請求項１乃至１２の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項１４】
前記パッケージが前記スタックにより含まれる要素を電気的に絶縁することを特徴とする、請求項１３に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのバリア層がＴａ，ＴａＮ，Ｔｉ，及びＴｉＮのうちの少なくとも１つからなることを特徴とする、請求項１乃至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】
前記基板がＳｉ及び／又はＧｅを有することを特徴とする、請求項１乃至１５の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項１７】
請求項１乃至１６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を備える電子装置。
【請求項１８】
少なくとも１つの電子部品、特に集積回路が、前記電気化学エネルギー源の前記基板に少なくとも部分的に埋め込まれることを特徴とする、請求項１７に記載の電子装置。
【請求項１９】
前記電子装置及び前記電気化学エネルギー源が、システム・イン・パッケージを形成することを特徴とする、請求項１７又は１８に記載の電子装置。
【請求項１】
基板と、
第１電極、
第２電極、及び
前記第１電極及び前記第２電極を分離する中間の固体電解質
を有する、前記基板上に堆積された少なくとも１つのスタックと、
前記スタックのアクティブな種の前記基板への拡散を少なくとも実質的に排除するように適用される、前記基板と前記スタックとの間に堆積される少なくとも１つの電子伝導性バリア層と、
を有する電気化学エネルギー源であって、
前記スタックの少なくとも部分的に周囲にある少なくとも１つの材料層と、前記スタックの膨張及び収縮の間、前記周囲材料層のストレスを低減するため、前記スタックと前記周囲材料層との間に位置されるストレス低減手段とを更に有する、電気化学エネルギー源。
【請求項２】
前記第１電極が陽極を有する、及び／又は前記第２電極が陰極を有す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】
前記陽極及び前記陰極の両方が、Ｈ，Ｌｉ，Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｎａ及びＫのうちの少なくとも１つのアクティブな種を保存するために適用される、請求項２に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項４】
前記陽極及び前記陰極の少なくとも１つがＣ，Ｓｎ，Ｇｅ，Ｐｂ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｓｂ，及び好ましくはドープされたＳｉのうちの少なくとも１つからなることを特徴とする、請求項２又は３に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項５】
前記第１電極及び前記第２電極のうちの少なくとも１つの電極が少なくとも１つの電流コレクタを有することを特徴とする、請求項１乃至４の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項６】
前記少なくとも１つの電流コレクタが、Ａｌ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｔａ，Ｔｉ，ＴａＮ，及びＴｉＮのうちの少なくとも１つからなる、請求項５に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項７】
前記ストレス低減手段が、前記スタックと前記周囲材料層との間に形成される少なくとも１つのストレス低減空洞を有することを特徴とする、請求項１乃至６の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項８】
前記ストレス低減手段が、複数のストレス低減空洞を有することを特徴とする、請求項７に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項９】
前記ストレス低減手段が、少なくとも１つの可撓性要素を有することを特徴とする、請求項１乃至８の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項１０】
前記ストレス低減手段が、複数の可撓性要素を有することを特徴とする、請求項９に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの可撓性要素が、少なくとも１つのポリマ、特にパリレンを有することを特徴とする、請求項９又は１０に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項１２】
前記ストレス低減手段が異なるスタックを分離するために適用されることを特徴とする、請求項１乃至１１の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項１３】
前記周囲材料層が、前記スタックの外部表面を少なくとも部分的に覆うパッケージを有する、請求項１乃至１２の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項１４】
前記パッケージが前記スタックにより含まれる要素を電気的に絶縁することを特徴とする、請求項１３に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのバリア層がＴａ，ＴａＮ，Ｔｉ，及びＴｉＮのうちの少なくとも１つからなることを特徴とする、請求項１乃至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】
前記基板がＳｉ及び／又はＧｅを有することを特徴とする、請求項１乃至１５の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項１７】
請求項１乃至１６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を備える電子装置。
【請求項１８】
少なくとも１つの電子部品、特に集積回路が、前記電気化学エネルギー源の前記基板に少なくとも部分的に埋め込まれることを特徴とする、請求項１７に記載の電子装置。
【請求項１９】
前記電子装置及び前記電気化学エネルギー源が、システム・イン・パッケージを形成することを特徴とする、請求項１７又は１８に記載の電子装置。
【図１ａ】
【図１ｂ】
【図１ｃ】
【図１ｄ】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図４】
【図１ｂ】
【図１ｃ】
【図１ｄ】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図４】
【公表番号】特表２０１０−５０３９５７（Ｐ２０１０−５０３９５７Ａ）
【公表日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５２７９３７（Ｐ２００９−５２７９３７）
【出願日】平成１９年９月１０日（２００７．９．１０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００７／０５３６２８
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０３２２５２
【国際公開日】平成２０年３月２０日（２００８．３．２０）
【出願人】（５９００００２４８）コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ (12,071)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月１０日（２００７．９．１０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００７／０５３６２８
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０３２２５２
【国際公開日】平成２０年３月２０日（２００８．３．２０）
【出願人】（５９００００２４８）コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ (12,071)
【Ｆターム（参考）】
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