專利名稱：電化學能源以及設有這種電化學能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源。本發(fā)明還涉及一種設有這種電化學能源的電子裝置。

背景技術(shù)：
在本領域中已知基于固態(tài)電解質(zhì)的電化學能源。這些(平面型)能源或者‘固態(tài)電池’將化學能高效地轉(zhuǎn)化成電能并且能夠用作便攜式電子裝置的電源?，F(xiàn)今，出現(xiàn)了新的應用領域，像可植入件、小型自主裝置、智能卡、集成照明解決方案(OLED的)或助聽器。這些低功率的小體積應用要求具有大的體積能量/功率密度的小電池。重量能量/功率密度由于小尺寸因而不大重要。為了獲得改進的體積功率密度，可設想的是如國際專利申請WO 2005/027245中描述的那樣應用電池，其中公開了一種三維定向的固態(tài)薄膜鋰離子電池以用于獲得電池的不同活性層之間增加的表面積。盡管這種已知的固態(tài)電池具有改進的體積功率密度，但是這種電池也具有若干嚴重的缺點。這種集成固態(tài)電池的主要缺點是在電池工作期間由于陽極和陰極的膨脹/收縮引起的應力/應變，這通常會造成陽極和陰極的組件總體積變化超過25％。這些機械應力將影響集成電池的可靠性和可加工性，以及使在彼此頂部上堆疊多個集成電池變得相對困難且有時甚至不可行。
本發(fā)明的目的是提供一種改進的電化學源，其在工作期間展現(xiàn)出減少的體積變化。


發(fā)明內(nèi)容
這個目的能夠通過提供根據(jù)前文的電化學能源來實現(xiàn)，該電化學能源包括襯底和沉積在所述襯底上的至少一個電池單元，所述電池單元包括陽極、陰極以及分離所述陽極和所述陰極的固態(tài)電解質(zhì)，其中陽極和陰極被彼此適配(tailored to each other)以使得陽極和陰極的組件的總體積變化在電池單元的充電和放電期間低于20％。通過靈活地選擇和構(gòu)造相互相容的陽極和陰極，陽極在充電期間的體積膨脹或(respectively)減少能夠被陰極的體積減少或膨脹基本抵消，而陰極在放電期間的體積膨脹或減少能夠被陽極的體積減少或膨脹基本抵消。因此，電池單元在電池工作期間的總體積變化能夠被顯著減小，因而電化學能源的電池單元能夠以更可靠、持久的方式與其它元件進行封裝、集成和/或堆疊。在優(yōu)選實施例中，陽極和陰極被彼此適配以使得陽極和陰極的組件的總體積變化在電池單元的充電和放電期間低于15％、優(yōu)選低于10％、尤其低于5％。消除了陽極和陰極的組件的體積變化在理論上也是技術(shù)可行的，然而這通常會導致電池單元具有令人不滿意的體積能量密度(volumetric energy density)和/或可能導致不實用的過大的電池體積。因此，為了使在電池工作期間陽極和陰極的組件的總體積變化最小化的目的，應當與某些預定義的邊界條件進行均衡，例如，最小所需體積能量密度、以及電池單元的可接受的尺寸和形狀。
在優(yōu)選實施例中，陽極和陰極的材料被選擇成使得陽極和陰極的組件在電池單元的充電和放電期間的總體積變化低于20％，且更優(yōu)選地在實踐中盡可能地低。這種靈活選擇陽極材料和相容的陰極材料的方式還被視為化學匹配。在可替代的優(yōu)選實施例中，陽極和陰極的體積被選擇成使得陽極和陰極的組件在電池單元的充電和放電期間的總體積變化低于20％，且更優(yōu)選地在實踐中盡可能地低。該方法也被視為幾何匹配，其中陽極體積和陰極體積被相互適配。在特定優(yōu)選實施例中，化學匹配和幾何匹配都被應用于至少一個電池單元以最小化陽極和陰極的組件的總體積變化，同時保持根據(jù)本發(fā)明的能源的電池單元的令人滿意的體積能量密度。
優(yōu)選地，在一方面陽極和陰極的組件的優(yōu)化的體積能量密度(σc+ave)和在另一方面為陽極和陰極的組件的預定義體積變化而優(yōu)化的體積能量密度(σc+aed)之間的能量密度減少比率(G)在0.25和1之間，優(yōu)選在0.5和1之間，更優(yōu)選在0.75和1之間，且尤其在0.9和1之間。能量密度減少額量依賴于所用的陽極材料和陰極材料的特性，其中能量減少比率G同樣實際上優(yōu)選地被最大化以便減少體積能量密度的損失，以及因此減少電池效率的損失。
優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的能源的至少一個電池單元的陽極和陰極適于存儲以下元素中的至少一種的活性物種氫(H)，鋰(Li)，鈹(Be)，鎂(Mg)，鋁(Al)，銅(Cu)，銀(Ag)，鈉(Na)和鉀(K)，或者被分配到周期表的1族或2族的任何其它合適元素。因此，根據(jù)本發(fā)明的能量系統(tǒng)的電化學能源可以基于各種插入機構(gòu)，因此適合于形成不同種類的(儲備型)電池單元，例如Li離子電池單元、NiMH電池單元等等。在優(yōu)選實施例中，至少一個電極，更多是電池陽極，包括以下材料中的至少一種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來形成(一個或多個)電極。優(yōu)選地，n型或p型摻雜Si用作電極，或者摻雜的Si相關(guān)化合物，像SiGe或SiGeC。其它適合材料也可以用作陽極，優(yōu)選的是被分配到周期表的12-16族之一的任何其它適合元素，只要電池電極的材料適于插入并存儲上述反應物種中的至少一種。上述材料尤其適合于應用在基于鋰離子的電池單元。在應用基于氫的電池單元的情況下，陽極優(yōu)選地包括氫化物形成材料，比如AB5型材料(特別是LaNi5)以及比如基于鎂的合金(特別是MgxTi1-x)?；阡囯x子的單元的陰極可以包括至少一種基于金屬氧化物的材料，例如LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2或者這些的組合，例如Li(NiCoMn)O2。在基于氫的能量源的情況下，陰極可以包括Ni(OH)2和/或NiM(OH)2，其中M由選自例如Cd、Co或Bi的組的一種或多種元素形成。在特定的優(yōu)選實施例中，陽極包括LiySi而陰極包括LixNiO2。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種特定組合在例如5％的預定義體積變化時具有有益的體積能量密度。
在優(yōu)選實施例中，電化學能源具有非平面幾何結(jié)構(gòu)，即為背離平面幾何的幾何結(jié)構(gòu)，例如曲面幾何結(jié)構(gòu)或鉤形幾何結(jié)構(gòu)。具有非平面幾何結(jié)構(gòu)的電化學能源的主要優(yōu)點在于，能夠?qū)崿F(xiàn)所述電化學能源的任何期望形狀以使得關(guān)于所述電化學能源的形狀和形式的選擇自由度比當前技術(shù)水平所提供的自由度大許多倍。因此所述電化學能源的幾何結(jié)構(gòu)能夠適于由可將電池用于其中的任何電氣設備所施加的空間限制。從空間的觀點來看，電子裝置通常能夠被更高效地配置，原因在于關(guān)于電化學能源的幾何結(jié)構(gòu)的選擇自由度更大；這可以導致裝置內(nèi)空間的節(jié)省以及更大的裝置設計自由度。要注意的是，曲面幾何結(jié)構(gòu)導致具有曲面形狀的彎曲電池，該曲面形狀可能是凹的/凸的或者波浪形的。然而，對于本領域技術(shù)人員還可設想應用具有鉤狀的角形電池。
在優(yōu)選實施例中，陽極和陰極中的至少一個電極被至少部分地圖案化。通過圖案化或結(jié)構(gòu)化根據(jù)本發(fā)明的電化學能源的一個且優(yōu)選兩個電極，獲得了三維表面區(qū)域以及因此每(一個或多個)電極覆蓋區(qū)(footprint)的表面積增大且至少一個電極和電解質(zhì)之間每體積的接觸表面增大。接觸表面的這種增大導致能源的定額容量提高，因此提高了根據(jù)本發(fā)明的能源的性能。這樣，能源中的功率密度可以被最大化并且因而被優(yōu)化。由于這一提高的單元性能，根據(jù)本發(fā)明的小型能源將適于以令人滿意的方式給小型電子裝置供電。此外，由于這一提高的性能，由根據(jù)本發(fā)明的電化學能源供電的(小型)電子元件的選擇自由度將被顯著提高。圖案的性質(zhì)、形狀和尺寸可以是變化的，如下面將要闡述的。優(yōu)選的是至少一個電極的至少一個表面被基本規(guī)則地圖案化，且更優(yōu)選的是所應用的圖案被提供有一個或多個腔，特別是柱、溝槽、縫隙或孔，這些特定腔能夠以相對準確的方式進行施加。這樣，電化學能源的提高性能也能夠以相對準確的方式來預先確定。在本上下文中，要注意的是其上沉積疊層的襯底的表面可以是基本平坦的或者可以(通過使襯底彎曲和/或給襯底提供溝槽、孔和/或柱)被圖案化以便于生成三維定向的單元。
優(yōu)選地，陽極和陰極都分別被連接到集電器，其中集電器由以下材料中的至少一種制成Al，Ni，Pt，Au，Ag，Cu，Ta，Ti，TaN和TiN。其它種類的集電器，比如優(yōu)選摻雜的半導體材料(例如Si、GaAs、InP)，也可以用來作為集電器。
本發(fā)明還涉及一種電子裝置，其設有根據(jù)本發(fā)明的至少一個電化學能源以及與所述電化學能源連接的至少一個電子元件。至少一個電子元件優(yōu)選地至少部分地嵌入到電化學能源的襯底中。這樣，可以實現(xiàn)封裝內(nèi)系統(tǒng)(System in Package，SiP)。在SiP中，一個或多個電子元件和/或裝置，比如集成電路(IC)、致動器、控制器、傳感器、接收器、發(fā)射器等等，被至少部分地嵌入到根據(jù)本發(fā)明的電化學能源的襯底中。根據(jù)本發(fā)明的電化學能源理想地可適合于向不同種類的電子裝置供電，像家用電器(比如膝上型電腦)和相對小的高功率電子應用，比如(生物)可植入件、助聽器、自主網(wǎng)絡裝置以及神經(jīng)和肌肉刺激裝置。



本發(fā)明是通過以下非限制性實施例來說明的，其中已經(jīng)結(jié)合以下附圖 圖1示出了化學電極匹配的示意圖， 圖2示出了幾何電極匹配的示意圖， 圖3示出了作為陽極體積膨脹因子F的函數(shù)的相對體積膨脹的圖， 圖4示出了體積變化為5％時作為體積減少比率F的函數(shù)的能量減少比率G的圖，以及 圖5示出了對于所述陽極和所述陰極的作為鋰濃度的函數(shù)的陽極和陰極體積的比較圖。

具體實施例方式 化學電極匹配 化學電極匹配方法基于陽極和陰極材料的正確組合以便使得總體積膨脹低(參見圖1)，其中起點是為了體積能量密度(volumetric energydensity)而優(yōu)化的情形-利用上標標引(ed)，而終點是為了較少體積膨脹而優(yōu)化的情形-利用上標標引(ve)。這種方法基于一種或兩種電極材料化學的替換以便將總體積膨脹從ΔVc1+a1減少到ΔVc2+a2。
表1示出了固態(tài)電池(包括固態(tài)電解質(zhì))的兩種陽極材料(Si和Li)和兩種陰極材料(LiCoO2和LiNiO2)的組合，其中Vc+a(chg)是充電電池系統(tǒng)的陰極和陽極體積之和，而ΔVc+a是放電和充電狀態(tài)之間的絕對體積膨脹。常規(guī)的參考電池系統(tǒng)是Li-LiCoO2。具有很高的體積能量密度σc+a(0.3mWh/μm.cm2)的電池系統(tǒng)是Li-LixNiO2和LiySi-LixNiO2。然而，這些系統(tǒng)具有相對較大的膨脹，分別為-25.2％和-12.8％。

表1幾種電池系統(tǒng)的體積膨脹率和能量密度，其中每個電池系統(tǒng)是針對傳送1mAh電荷被歸一化(normalise)。
幾何電極匹配 幾何電極匹配意味著至少一個電極的體積以如下方式進行改變使疊層的總體積膨脹相當?shù)?。圖2示出了陽極體積以因子F(0≤F≤1)減少的實例。
體積膨脹率ΔRV被定義為 且取決于陽極體積減少因子F，如圖3中針對幾個電池系統(tǒng)所示。與基于LiySi的系統(tǒng)相比，基于Li的電池系統(tǒng)表現(xiàn)出較大的體積膨脹率。這意味著對于基于Li的系統(tǒng)，陽極的體積應當減少得更多以便獲得較少的體積膨脹，而對基于LiySi的系統(tǒng)而言相應地陽極減少因子F將更接近于1。因此，體積能量密度將由于兩個電極的體積將變化的事實而減少。能量密度的變化由下式表示 其中σc+aed為在優(yōu)化能量密度的體積能量密度，σc+ave是體積膨脹減少時的體積能量密度。圖4描繪了針對體積膨脹率ΔRV為-5％時對體積能量密度比率

的總影響。

表2體積膨脹和在減少陽極體積以便獲得-5％膨脹之前和之后的體積能量密度。
從表2中能夠推斷出參考電池系統(tǒng)Li-LixCoO2具有相對差的體積能量密度(0.203mWh/μm.cm2)而同時具有相對較大的相對大體積膨脹率(-12.7％)。化學匹配將導致更有益的是應用具有提高的體積能量密度的電池系統(tǒng)，比如基于Li-LixNiO2(0.312mWh/μm.cm2)的電池系統(tǒng)或基于LiySi-LixNiO2(0.306mWh/μm.cm2)的電池系統(tǒng)。為了獲得-5％的相當?shù)偷捏w積膨脹率，后兩個優(yōu)選的電池系統(tǒng)能夠被幾何地匹配，導致這兩個電池系統(tǒng)的體積能量密度的減少。在幾何匹配之后，基于Li-LixNiO2的電池系統(tǒng)將具有0.069mWh/μm.cm2的體積能量密度，而基于LiySi-LixNiO2的電池系統(tǒng)將具有0.131mWh/μm.cm2的體積能量系統(tǒng)密度。因此，基于表2所列的電池系統(tǒng)，優(yōu)選的將是應用基于LiySi-LixNiO2的電池系統(tǒng)，其在要求-5％的預定體積膨脹率的情況下具有最高的體積能量密度。
在這個實施例中，描述幾何匹配方法以獲得包括Si或Li陽極(a)和LiCoO2或LiNiO2陰極(c)的電池疊層的較少體積膨脹，參見表3、4和5以了解材料數(shù)據(jù)。量y、Ua(y)、Va(ymax)、Va(ymin)和ΔVa分別表示陽極材料的濃度、相對于Li/Li+的平衡電勢、最大濃度時的體積、最小濃度時的體積以及絕對體積膨脹。
表3對于Q＝1mAh的陽極材料Li和Si。
量x、Uc(x)、Vc(xmax)、Vc(xmin)和ΔVc分別表示陰極材料的濃度、相對于Li/Li+的平衡電勢、最大濃度時的體積、最小濃度時的體積以及絕對體積膨脹。
表4對于Q＝1mAh的Li-金屬-氧化物陰極材料。
幾種陰極-陽極材料的組合產(chǎn)生四種不同的電池系統(tǒng)。這些電池系統(tǒng)的量僅代表陰極和陽極材料，因此不包括電解質(zhì)和其他層(因為電解質(zhì)和集電器一般在電池工作期間不表現(xiàn)出顯著的體積變化)。量Vc+a(chg)、ΔVc+a、

Ubat和σc+a分別代表充電電池的體積、從充電到放電狀態(tài)的絕對體積膨脹、從充電到放電狀態(tài)的相對體積膨脹、在這兩種狀態(tài)下的電池電壓以及體積能量密度。

表5對于Q＝1mAh的所得的電池平衡電勢范圍和體積能量密度。
如前所述，起點是為了體積能量密度而優(yōu)化的情形-利用上標標引(ed)，而終點是為了較少體積膨脹而優(yōu)化的情形-利用上標標引(ve)。圖5示出了這兩種情形的圖形表示。圖5中的實線示出了最大體積能量密度時的原始情形，而虛線代表在減少陽極體積Va以便得到對于兩個電極之和的較少體積膨脹ΔVc+a↓之后的情形。陽極和陰極體積Va和Vc分別取決于Li濃度y和x。在圖的左側(cè)，電池處于充電狀態(tài)，因此y＝y(tǒng)max而x＝xmin。在圖的右側(cè)，電池處于放電狀態(tài)，因此y＝y(tǒng)min而x＝xmax。在最優(yōu)體積能量密度時的原始陽極體積Vaed將以因子F(0≤F≤1)減少以便獲得兩個電極的較少體積膨脹ΔVc+a↓。陰極(c)未被改變。
最優(yōu)體積能量密度 從充電(chg)狀態(tài)變化到放電(dis)狀態(tài)將使電極材料的總體積變化，該變化由ΔVc+aed表示。對于這種系統(tǒng)的體積膨脹ΔVc+aed為 其中xmin和xmax分別是LixNiO2陰極中的最小和最大Li含量，而ymin和ymax分別是LiySi陽極中的最小和最大Li含量。而且，假設電極的體積膨脹分別與陰極和陽極的x和y是線性的(α是斜率，K是垂直偏移)。因此，陽極體積Vaed(y)是 而陰極體積Vced是 或者分別寫成更清楚的陽極表示(6)和陰極表示(7)，產(chǎn)生下式 和 減少的體積膨脹 使陽極體積以因子F減少會減少陽極中的Li原子的量，因此將在陽極和陰極之間來回運送的電荷量也以相同的因子F被減少。這意味著在減少的陽極體積x*時陰極中的最大Li濃度將低于最優(yōu)體積能量密度(參見圖5)的xmax。對于x*，產(chǎn)生下式 再則，從充電(chg)狀態(tài)變化到放電(dis)狀態(tài)會造成等于下式的體積膨脹ΔVc+ave 把(7)替代到(9)中則產(chǎn)生下式 而把x*從(8)替代到(10)中 把斜率αced(7)替代到(11)中則產(chǎn)生下式 并且在經(jīng)過一些簡化后變成 當從充電狀態(tài)變化到放電狀態(tài)時，總體積膨脹ΔVc+ave為 相對體積膨脹因子ΔRV被定義為體積膨脹ΔVc+ave除以充電狀態(tài)的體積Vc+ave(chg)，該相對體積膨脹因子ΔRV為 對F的求解則產(chǎn)生 將來自表3的Vaed(ymin)和Vaed(ymax)以及來自表4的Vced(xmin)和Vced(xmax)替代到(16)中則給出陽極體積減少因子F和期望的相對體積膨脹因子ΔRV之間的關(guān)系。圖3示出了陽極-陰極組合Li-LixCoO2、Li-LixNiO2、LiySi-LixCoO2和LiySi-LixNiO2的結(jié)果。為了獲得較少的體積膨脹，體積能量密度將必須變得更小。這種減少依賴于陽極-陰極材料組合。在下一節(jié)中，將計算對體積能量密度的影響。
體積能量密度 一般而言，體積能量密度σc+a被定義為存儲在電池系統(tǒng)中的電化學能量Ebat除以充電電池系統(tǒng)的陽極與陰極體積之和Vc+a(chg)。
在電池中存儲的能量等于 其中Q0為初始電荷。
將(18)替代到(17)中則給出電池系統(tǒng)的體積能量密度σc+a的一般表達式 其中Ubat是平均電池電壓，Q是在電極之間來回運送的電荷量，Vc+a(chg)是當電池被充電時電極之和的體積。因此對于最優(yōu)的體積能量密度情形，這能夠?qū)懗? 而對于減少的體積膨脹情形，這能夠?qū)懗? 在對電極之一利用因子F施加體積修改以便獲得減少的體積膨脹后，量Qed、Vc+aed(chg)和Ubated將分別變成Qve、Vc+ave(chg)和Ubatve。引入某些歸一化因子，像

GQ和

其分別表示Qve＝GQ·Qve和則給出取決于陽極體積減少因子F(0≤F≤1)的能量密度比率。
因此，將計算

GQ和

以便獲得體積能量密度比率

體積的變化
對于這兩種情形，充電電池系統(tǒng)的體積由(3)和(13)給出 定義為的因子

的引入給出減少的體積膨脹和最優(yōu)的體積能量密度情形之間的體積變化的比率。
電荷的變化GQ 能夠在電池中來回運送的電荷量的變化與Li量直接相關(guān)，而Li量又與陽極體積變化F直接相關(guān)。因此我們能把Qve寫為 Qve＝F·Qed(25) 定義為Qve＝GQ·Qve的因子GQ的引入給出在減少的體積膨脹和最優(yōu)的體積能量密度情形的情況下的電荷轉(zhuǎn)移的比率。
GQ＝F (26) 平均電池電壓的變化
平均電池電壓Ubat是平均陰極電勢Uc和平均陽極電勢Ua之間的差。在最優(yōu)體積能量密度和減少的體積膨脹情形的情況下，這分別產(chǎn)生(27)和(28) 假設電極電壓分別與陰極和陽極的濃度x和y呈線性。對于最優(yōu)的體積能量密度情形，這產(chǎn)生 而對于平均電池電壓 在減少的體積膨脹情形的情況下，陰極中的濃度x被限定為x*而不是xmax，因此平均陰極電壓Uc是 在濃度x*時陰極的電勢Uced(x*)能夠被計算，因為假設電極的電壓與濃度線性相關(guān) 對Uced(x*)求解(30)則產(chǎn)生 x*和F之間的關(guān)系還從(8)中已知x*＝xmin+F·(xmax-xmin)。
將(8)替代到(33)中則給出Uced(x*)和F之間的關(guān)系 將(34)替代到(31)中則給出減少的體積膨脹情形下的平均陰極電勢。
平均陽極電勢不被改變，因為濃度限制ymin和ymax是相同的 將(35)和(36)替代到(28)中則給出平均電池電壓 并且在利用(30)進行簡化之后，這產(chǎn)生 定義為的因子

的引入給出在減少的體積膨脹和最優(yōu)的體積能量密度情形之間的平均陰極電壓的比率。
把(24)、(26)和(39)結(jié)合到(22)中則給出總能量密度比率
圖4示出了對于相對體積膨脹為ΔRV＝-0.05時作為體積減少比率F的函數(shù)的能量密度減少比率

表6給出了如下電池系統(tǒng)的對應數(shù)據(jù)Li-LixCoO2，Li-LixNiO2，LiySi-LixCoO2和LiySi-LixNiO2。

表6體積膨脹和在減少陽極體積以便獲得-5％膨脹之后的體積能量密度。
應當注意上述實施例說明了而不是限制本發(fā)明；以及本領域技術(shù)人員將能夠設計許多可替代的實施例而不偏離所附權(quán)利要求的范圍。盡管在上面闡述的實施例中選擇的是僅靈活地改變陽極的體積，但是也要想到可僅靈活地改變陰極的體積或者靈活地改變陽極和陰極兩者的體積以便減少陽極和陰極的組件在電池工作期間的總體積變化。在權(quán)利要求中，置于括號中的任何附圖標記不應當解釋成對該權(quán)利要求加以限制。動詞“包括”以及其變形的使用不排除權(quán)利要求中所述元件或步驟的之外的元件或步驟的存在。元件前面的冠詞“a”或“an”(一個)不排除多個這種元件的存在。在相互不同的從屬權(quán)利要求中敘述某些措施的純粹事實不表明這些措施的組合不能被有利地使用。
權(quán)利要求
1.電化學能源，包括
-襯底，和
-沉積在所述襯底上的至少一個電池單元，所述電池單元包括
-陽極，
-陰極，和
-分離所述陽極和所述陰極的固態(tài)電解質(zhì)，
其中陽極和陰極被彼此適配以使得陽極和陰極的組件的總體積變化在電池單元的充電和放電期間低于20％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學能源，特征在于，陽極和陰極的材料被選擇成使得陽極和陰極的組件的總體積變化在電池單元的充電和放電期間低于20％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電化學能源，特征在于，陽極和陰極的體積被選擇成使得陽極和陰極的組件的總體積變化在電池單元的充電和放電期間低于20％。
4.根據(jù)前面權(quán)利要求之一所述的電化學能源，特征在于，陽極和陰極被彼此適配以使得陽極和陰極的組件的總體積變化在電池單元的充電和放電期間低于15％、優(yōu)選地低于10％、尤其低于5％。
5.根據(jù)前面權(quán)利要求之一所述的電化學能源，特征在于，在一方面陽極和陰極的組件的優(yōu)化的體積能量密度和在另一方面為陽極和陰極的組件的預定義體積變化所優(yōu)化的能量密度之間的能量密度減少比率G在0.25和1之間，優(yōu)選在0.5和1之間，更優(yōu)選在0.75和1之間，且尤其在0.9和1之間。
6.根據(jù)前面權(quán)利要求之一所述的電化學能源，特征在于，至少一個電池單元的陽極和陰極都適于存儲以下元素中的至少一種的活性物種H，Li，Be，Mg，Cu，Ag，Na和K。
7.根據(jù)前面權(quán)利要求之一所述的電化學能源，特征在于，陽極包括LiySi而陰極包括LixNiO2。
8.根據(jù)前面權(quán)利要求之一所述的電化學能源，特征在于，電化學能源具有非平面的幾何結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)前面權(quán)利要求之一所述的電化學能源，特征在于，至少一個單元的至少一個電極設有至少一個圖案化表面。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電化學能源，特征在于，至少一個電極的至少一個圖案化表面設有多個腔。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電化學能源，特征在于，這些腔的至少一部分形成柱、溝槽、縫隙或孔。
12.根據(jù)前面權(quán)利要求之一所述的電化學能源，特征在于，電化學能源包括在彼此之上疊置的多個電池單元。
13.根據(jù)前面權(quán)利要求之一所述的電化學能源，特征在于，集電器分別連接到陽極和陰極，其中每個集電器由以下材料中的至少一種制成Al，Ni，Pt，Au，Ag，Cu，Ta，Ti，TaN和TiN。
14.電子裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求1-13之一的至少一個電化學能源以及連接到所述電化學能源的至少電子元件。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電子裝置，特征在于，至少一個電子元件至少部分地嵌入到電化學能源的襯底中。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的電子裝置，特征在于，電化學能源包括控制單元，用于將至少兩個集電器選擇性地電連接到至少一個電子元件。
17.根據(jù)權(quán)利要求14-16之一所述的電子裝置，特征在于，所述至少一個電子元件從包括以下的組中選擇感測裝置、控制裝置、通信裝置和致動裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求14-17之一所述的電子裝置，特征在于，所述電子裝置和電化學能源形成封裝內(nèi)系統(tǒng)(SiP)。
全文摘要
在本領域中已知基于固態(tài)電解質(zhì)的電化學能源。這些能源或者‘固態(tài)電池’將化學能高效地轉(zhuǎn)換成電能并且能夠用作便攜式電子裝置的電源?，F(xiàn)今，出現(xiàn)了新的應用領域，像可植入件、小型自主裝置、智能卡、集成照明解決方案或助聽器。本發(fā)明涉及一種改進的電化學能源以及一種設有這種電化學能源的電子裝置，由此在電池單元的充電和放電期間最小化陽極和陰極電極組件的體積變化。
文檔編號H01M10/36GK101563806SQ200780046914
公開日2009年10月21日 申請日期2007年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月18日
發(fā)明者J·H·G·奧普赫特維爾德, R·A·H·尼森, R·H·W·皮南伯格, P·H·L·諾滕, Y·V·波諾馬雷夫 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司