專利名稱：用于制造薄層電池組的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制造薄層電池組的方法、用于制造薄層電池組的載體結(jié)構(gòu)用的電池組和儲(chǔ)能器。
背景技術(shù)：
鋰離子蓄電池與其他可再充電電池組相比具有顯著更高的功率密度。借助于半導(dǎo)體方法以薄層技術(shù)制造電池組，如例如在Bates等人的Rechargeable solid state lithium ion batteries (Proc. IEEE MEMS Conf.，1993)中所述的那樣，但是具有少量的功率。在所謂3D電池組的情況下，在結(jié)構(gòu)化襯底上方折疊薄層電池組的有效面，如在 Long^AWThree-Dimensional Battery Architectures (Chem. Rev. 104, 2004) ^ljf 述的那樣。因此在相同的襯底基面的情況下存儲(chǔ)容量的幾倍、例如40倍并且此外更快地接納所存儲(chǔ)的電荷并放出。因此也提供較高的功率。薄層電池組可以使用或者平面的或者配備有結(jié)構(gòu)的不導(dǎo)電的襯底，例如具有鈍化部(Passiverung)W Si結(jié)構(gòu)，通過對(duì)Si開槽 (Trenchen)和接著絕緣和鈍化、例如熱氧化來制造。如此借助于襯底在電池組層中所產(chǎn)生的這種表面放大、所謂的3D電池組導(dǎo)致容量升高。在必要時(shí)具有絕緣層的襯底上接著典型地施加集流器材料(例如Pt)、陰極層(例如Li-Co02)、電解質(zhì)(例如Li聚合物)和其他電極 (例如石墨、Al)。

發(fā)明內(nèi)容
以此為背景利用本發(fā)明介紹用于制造薄層電池組、此外用于制造薄層電池組的載體結(jié)構(gòu)用的電池組和儲(chǔ)能器。從相應(yīng)的從屬權(quán)利要求和接著的說明中得出有利的擴(kuò)展方案。本發(fā)明基于以下認(rèn)識(shí)薄層電池組的容量通過在薄層電池組內(nèi)不同的電池的并聯(lián)或串聯(lián)可以被提高。因此同時(shí)可以明顯減少用于薄層電池組的每容量制造成本。本發(fā)明的核心在此是使用電極和電池組材料的多個(gè)覆層(Lage)來借助于用于優(yōu)選地原處通過位置分辨地沉積或剝蝕制造電池組的不同方法來實(shí)現(xiàn)薄層電池組內(nèi)的單個(gè)電池。本發(fā)明的另一核心是表面放大，所述表面放大不僅僅在載體材料中、而是附加地或僅僅在電極材料中實(shí)現(xiàn)。另外，尤其可以使用在表面處或也連貫多孔的、但是導(dǎo)電的金屬層、例如所謂的鉬綿或鉬黑、但是同樣也可以使用例如通過電解方法粗糙化的鋁層。也可以使用同樣具有非常高的特定表面的納米線或納米管作為電極材料。本發(fā)明的另一核心是在電極材料上或圍繞所述電極材料使用連貫的或結(jié)構(gòu)化的絕緣層，利用所述電極材料在建立電池組時(shí)可以實(shí)現(xiàn)大的能量密度和靈活性。薄層電池組一般由襯底(諸如硅，必要時(shí)具有用于表面放大作為所謂的3D電池組的結(jié)構(gòu)化)、絕緣層(如果襯底是導(dǎo)電的)、集流器材料(例如Pt)、陰極層(例如LiCo02)、電解質(zhì)(例如Li聚合物)和其他電極(例如石墨或鋁)。薄層電池組的存儲(chǔ)容量的提高例如通過不同的電池組覆層串聯(lián)是可能的。這可以非常簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)，必須僅僅上下重疊地沉積多個(gè)電池組。但是在此情況下，容量升高通過隨著層數(shù)快速升高的總電壓來實(shí)現(xiàn)，所述總電壓將可用材料快速帶至其極限并且從而不是任意可定標(biāo)的(skalierbar)。上下重疊地放置的電池的并聯(lián)要求耗費(fèi)的接觸，其中對(duì)于所述接觸，適當(dāng)?shù)闹圃旆椒ㄊ潜匾?，如在本發(fā)明中所述的那樣。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)一種用于制造薄層電池組的方法，所述方法具有以下步驟提供載體結(jié)構(gòu)；將第一電極材料的第一無掩蔽的流施加到載體結(jié)構(gòu)上，以便在載體結(jié)構(gòu)上構(gòu)造第一電極層；將電池組材料的第二無掩蔽的流施加到載體結(jié)構(gòu)上，以便在第一電極層上構(gòu)造電池組層；將第二電極材料的第三無掩蔽的流施加到載體結(jié)構(gòu)上，以便在電池組層上構(gòu)造第二電極層；和重復(fù)施加步驟，以便制造由多個(gè)第一電極層、多個(gè)電池組層和多個(gè)第二電極層組成的薄層電池組。借助于本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)電極層和電池組層的堆疊構(gòu)造。相鄰的層可以以其主面毗鄰、也即例如堆疊狀地上下重疊放置。各個(gè)層可以相繼地和交替地彼此如此被施加到載體結(jié)構(gòu)上或已經(jīng)位于載體結(jié)構(gòu)上的層上，使得多數(shù)單個(gè)電池組電池產(chǎn)生，所述電池組電池又可以被連接在一起，以便實(shí)現(xiàn)由多個(gè)單個(gè)電池組電池組成的薄層電池組。電極層由導(dǎo)電材料組成。電池組層具有電解質(zhì)。在兩個(gè)不同的電極層之間分別施加電池組層，以便形成電池組電池。電極層可以被用于接觸電池組電池。載體結(jié)構(gòu)可以是形成基礎(chǔ)的襯底，其中其他層可以被施加在所述基礎(chǔ)上?？梢越柚谶m當(dāng)?shù)姆椒?、例如沉積方法進(jìn)行施加。無掩蔽地(unmaskiert)施加可以意味著，要施加的材料非結(jié)構(gòu)化地沖擊載體結(jié)構(gòu)。非結(jié)構(gòu)化地(unstrukturiert)這里意味著，不使用掩模和尤其也不使用臨時(shí)掩模來在沖擊 (Auftreffen)載體結(jié)構(gòu)之前對(duì)要施加的材料的流結(jié)構(gòu)化，以對(duì)所述流在其平面膨脹方面進(jìn)行限制。根據(jù)一種實(shí)施形式，如此實(shí)施施加步驟的順序，使得在第一電極層上構(gòu)造至少一個(gè)電池組層和在第二電極層上構(gòu)造至少一個(gè)其他電極層。如果相繼要施加的電池組層交替地被施加到第一電極層和第二電極層上，則電池組層分別位于兩個(gè)相鄰的電極層之間。因此可以放棄電絕緣，所述電絕緣否則在相鄰的電極層之間是需要的。但是如果絕緣層是需要的，則可以在施加第四無掩蔽的材料流的步驟中將絕緣材料施加到載體結(jié)構(gòu)上。通過這種方式例如可以在第一電極層之一上或在第二電極層之一上構(gòu)造絕緣層。借助于絕緣層可以在直接相鄰的第一和第二電極層之間實(shí)現(xiàn)電絕緣?？梢匀绱诉M(jìn)行第一和/或第二電極材料的施加，使得第一和/或第二電極層具有多孔結(jié)構(gòu)。多孔結(jié)構(gòu)可以通過相應(yīng)電極材料的特殊特性或通過特殊施加方法來得出。多孔結(jié)構(gòu)可以引起相應(yīng)電極層的表面放大。這簡(jiǎn)化構(gòu)造并從而也簡(jiǎn)化用于薄層電池組的制造成本。同時(shí)提高封裝密度和存儲(chǔ)容量。根據(jù)一種實(shí)施形式，本發(fā)明方法可以包括暴露第一電極層的末端區(qū)域和/或第二電極層的末端區(qū)域的步驟。在接觸的步驟中，可以使第一電極層的末端區(qū)域和/或第二電極層的末端區(qū)域彼此接觸。末端區(qū)域可以位于相應(yīng)層的窄側(cè)。第一電極層的相應(yīng)末端區(qū)域可以與第二電極層的相應(yīng)末端區(qū)域相對(duì)地布置。通過暴露可以去除圍繞末端區(qū)域的材料。 例如可以去除相鄰電池組層或分別其他電極層的末端區(qū)域。例如可以借助于化學(xué)或物理蝕
5刻方法、等離子方法或電化學(xué)處理來實(shí)現(xiàn)暴露?？梢赃M(jìn)行接觸，其方式是，使暴露的末端區(qū)域?qū)щ娺B接。在原處(in situ)制造方法中執(zhí)行電極層的末端區(qū)域的接觸，使得可以取消薄層電池組的重新對(duì)準(zhǔn)的步驟。根據(jù)該實(shí)施形式，在非結(jié)構(gòu)化地沉積形成所述層的材料之后接著選擇性地暴露電極。根據(jù)另一實(shí)施形式，載體結(jié)構(gòu)可以具有帶有第一電池組和與第一電池組相對(duì)布置的第二電池組的基面。可以傾斜地越過第一電池組向基面施加第一無掩蔽的材料流?？梢詢A斜地越過第二電池組向基面施加第三無掩蔽的材料流。電池組可以從基面凸出并且形成壁。例如，電池組可以被構(gòu)造為塔樓。電池組固定地與載體結(jié)構(gòu)相連接。可替代地，載體結(jié)構(gòu)可以具有例如凹地形式的凹陷。基面于是可以構(gòu)成凹地底部和電池組構(gòu)成壁。如此進(jìn)行層的施加，使得薄層電池組的層構(gòu)造在第一和第二電池組之間的中間空間中實(shí)現(xiàn)。通過電極材料分別傾斜地被施加，電池組形成電極材料的陰影掩模(Schattenmasken)，所述電極材料分別從背離電池組之間的中間空間的側(cè)被施加。通過這種方式可以實(shí)現(xiàn)電極層的結(jié)構(gòu)化，而不需要掩模，其中如果相應(yīng)另一電極層被施加，則所述掩模例如必須分別被變換。用于結(jié)構(gòu)化電極材料和通過電極材料形成的層的掩模通過電池組、也即通過載體材料的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，其中薄層電池組在所述載體材料上被建立。在相應(yīng)的材料流與載體結(jié)構(gòu)或者是載體結(jié)構(gòu)的一部分的電池組接觸之后，通過電池組的遮蔽效應(yīng)(Abschattungseffekt)，所述相應(yīng)的材料流被掩蔽。此外，在施加電極材料時(shí)附加地分別在電池組的壁區(qū)域處構(gòu)造接觸層，所述接觸層可以分別被用于彼此接觸相同的電極層。可以垂直地向載體結(jié)構(gòu)進(jìn)行第二無掩蔽的流的施加。因此，可以如此將電池組材料施加在電池組之間的中間空間中，使得電池組不形成電池組材料的流的陰影掩模。因此， 電池組層可以在位于電池組之間的整個(gè)面上延伸。本發(fā)明另外還實(shí)現(xiàn)用于制造薄層電池組的載體結(jié)構(gòu)用的電池組，具有以下特征 第一分電池組和第二分電池組，其布置在載體結(jié)構(gòu)的基面上并且通過中間空間相互分開； 導(dǎo)電的第一接觸層，其在第一分電池組的與基面相對(duì)的側(cè)上被構(gòu)造，和導(dǎo)電的第二接觸層， 其在第二分電池組的與基面相對(duì)的側(cè)上被構(gòu)造；絕緣保護(hù)層，其布置在第一和第二接觸面上并且跨越(Uberspannen)中間空間。載體結(jié)構(gòu)可以具有多個(gè)電池組，所述電池組彼此相鄰地被布置。在兩個(gè)相鄰的電池組之間分別存在中間空間，在所述中間空間中分別可以施加薄層電池組的層。為此根據(jù)一種實(shí)施形式可以實(shí)施用于制造薄層電池組的本發(fā)明方法，其中電極材料傾斜地越過電池組被施加，使得所述電池組形成電極材料的陰影掩模。中間空間可以構(gòu)成在分電池組之間的電絕緣區(qū)域。接觸層可以被設(shè)置用于后來接觸聯(lián)系薄層電池組。絕緣保護(hù)層使在薄層電池組的制造方法期間被施加在電池組上的不需要的層的去除變得容易。根據(jù)本發(fā)明電池組的一種實(shí)施形式，第一分電池組沿著側(cè)面可以具有凹處。 在凹處中可以布置通過開口通到基面中的電接觸聯(lián)系部。借助于這樣的接觸聯(lián)系部 (Ankontaktierimg)可以從背側(cè)接觸聯(lián)系薄層電池組。本發(fā)明此外實(shí)現(xiàn)一種儲(chǔ)能器，具有以下特征第一電極，其由金屬構(gòu)造并且具有多孔的表面結(jié)構(gòu)；第二電極；和電池組層，其布置在第一和第二電極之間和與第一電極的多孔的表面結(jié)構(gòu)相連接。所述儲(chǔ)能器例如可以被構(gòu)造為薄層電池組。借助于多孔的表面結(jié)構(gòu)可以提高儲(chǔ)能器的能量密度。第一電極例如可以由鉬或鋁構(gòu)造。


下面根據(jù)附圖示范性地進(jìn)一步闡述本發(fā)明。圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的薄層電池組； 圖2示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的薄層電池組；
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例用于制造薄層電池組的方法的流程圖； 圖如至如示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例在不同制造階段中的薄層電池組； 圖5示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例用于制造薄層電池組的方法的流程圖； 圖6示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例在制造期間的薄層電池組； 圖7示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例用于制造薄層電池組的電池組； 圖8示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的薄層電池組；和圖9示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的薄層電池組。
具體實(shí)施例方式在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的下面描述中，對(duì)于在不同圖中所示的和類似起作用的元件使用相同的或類似的附圖標(biāo)記，其中放棄對(duì)所述元件的重復(fù)描述。圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的通過具有并聯(lián)的薄層電池組電池的薄層電池組的橫截面。薄層電池組具有三個(gè)單個(gè)電池組電池，其上下重疊地以堆疊的方式布置在載體結(jié)構(gòu)102上。單個(gè)電池組電池中的每一個(gè)均具有第一電極層104、電池組層106和第二電極層108。相鄰的電極層104、108分別通過絕緣層相互分開。載體結(jié)構(gòu)102構(gòu)成基面。 單個(gè)電池組電池的層104、106、108平行于基面被對(duì)準(zhǔn)。單個(gè)電池組電池的層104、106、108 分別直接相互鄰接。所述三個(gè)單個(gè)電池組電池串聯(lián)。為此三個(gè)單個(gè)電池組電池的第一電極層104經(jīng)由第一貫通接觸部(Durchkontaktierung) 110彼此電連接。與此相應(yīng)地，三個(gè)單個(gè)電池組電池的第二電極層108經(jīng)由第二貫通接觸部112彼此電連接。三個(gè)單個(gè)電池組電池的電池組層106具有相同大的面積并且互相對(duì)準(zhǔn)。在朝向載體結(jié)構(gòu)102的側(cè)上，電池組層106完全由分別鄰接的第一電極層104覆蓋。在背離載體結(jié)構(gòu)102的側(cè)上，電池組層106完全由分別鄰接的第二電極層108覆蓋。第一電極層104在第一貫通接觸部110的方向上延伸超出電池組層106。第一貫通接觸部110分別在第一電極層104的突出電池組層106的末端段處連接第一電極層104。以相應(yīng)的方式，第二電極層108在第二貫通接觸部112的方向上延伸超出電池組層106。第二貫通接觸部112分別在第二電極層108的突出電池組層106的末端段處連接第二電極層108。貫通接觸部110、 112相對(duì)于載體結(jié)構(gòu)102垂直并且布置在薄層電池組的層堆疊的相對(duì)側(cè)上。載體結(jié)構(gòu)102可以被構(gòu)造為載體襯底。第一電極層104構(gòu)成第一電池組電極，和第二電極層108構(gòu)成第二電池組電極。在薄層電池組在第一貫通接觸部110周圍的段中存在僅具有第一電極104和第一貫通接觸部110的區(qū)域。在薄層電池組在第二貫通接觸部112 周圍的段中存在僅具有第二電極108和第二貫通接觸部112的區(qū)域。在層104、106、108以及貫通接觸部110、112之間的中間空間具有鈍化部或絕緣材料。在與載體襯底102相對(duì)的側(cè)上，可以給薄層電池組的表面涂上上面的絕緣部。貫通接觸部110、112可以通過上面的絕緣部伸展，使得薄層電池組可以經(jīng)由貫通接觸部110、112被接觸。貫通接觸部110、112 可以一貫通到載體襯底102中或者僅伸展直至與載體襯底102最近的電極層104、108。所示的薄層電池組也可以具有比三個(gè)所示的單個(gè)電池組電池多或少的單個(gè)電池組電池。圖1示出具有三個(gè)并聯(lián)的單個(gè)電池組電池的薄層電池組的示范性構(gòu)造。所述電池通過絕緣層彼此分開。在所示的構(gòu)造中，所述單個(gè)電池經(jīng)由貫通接觸部110、112相互連接。貫通接觸部110、112可以同時(shí)在電池組裝置的上側(cè)形成接觸，但是也，如第二貫通接觸部112那樣，僅僅或者也接觸載體襯底102。使用絕緣層是有利的，所述絕緣層被形成或沉積在電極覆層104、108的表面上。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例通過具有并聯(lián)的薄層電池組電池的薄層電池組的橫截面。薄層電池組具有五個(gè)單個(gè)電池組電池，所述單個(gè)電池組電池上下重疊地以堆疊的方式布置在載體結(jié)構(gòu)102上。對(duì)應(yīng)于根據(jù)圖1所述的實(shí)施例，單個(gè)電池組電池中的每一個(gè)均具有第一電極層104、電池組層106和第二電極層108。相鄰的單個(gè)電池組電池分別共享電極層104、108。與此相應(yīng)地，相鄰的單個(gè)電池組電池分別具有相反走向的層結(jié)構(gòu)。電池組層108因此以分別相反的順序被布置。例如，與載體襯底102最近放置的單個(gè)電池組電池在最下面具有第一電極層104，在其上布置電池組層106并且在其上布置第二電極層 106。在上面所布置的單個(gè)電池組電池在最下面具有第二電極層106，所述第二電極層同時(shí)作為用于位于之下的單個(gè)電池組電池的第二電極層106起作用，在其上布置電池組層106 并且在其上布置第一電極層104。通過這種方式，在相鄰的電極層104、106之間不需要絕緣層。此外，在載體襯底102和最下面的第一電極層104之間可以布置絕緣層。絕緣層可以被構(gòu)造為鈍化部或者包括絕緣材料。對(duì)應(yīng)于在圖1中所示的實(shí)施例，可以借助于貫通接觸部110、112實(shí)現(xiàn)電極層104、106的接觸。根據(jù)該實(shí)施例，第一貫通接觸部110布置在薄層電池組的外部邊緣。第一貫通接觸部110在與層104、106、108相對(duì)的外側(cè)不被絕緣部涂上。因此，第一貫通接觸部110形成第一電極104的位于外部的連接。在薄層電池組在第二貫通接觸部112周圍的段中存在僅具有第二電極108和第二貫通接觸部112的區(qū)域。所示的薄層電池組也可以具有比五個(gè)所示的單個(gè)電池組電池多或少的單個(gè)電池組電池。作為對(duì)在圖1中所示的實(shí)施例的簡(jiǎn)化，在圖2中所示的實(shí)施例的情況下，在電池組層106的地點(diǎn)處取消在所分開的電池的各個(gè)電極104、108之間的絕緣，并且電池組層106 以分別適當(dāng)?shù)捻樞蚩梢员皇┘釉谒须姌O104、108之間。圖2此外示出從外側(cè)接觸電池組的可能性。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例用于制造薄層電池組的方法的流程圖。該方法可以被用于制造在圖1和2中所示的薄層電池組。在第一方法步驟302中，提供載體結(jié)構(gòu)。也稱為載體襯底的載體結(jié)構(gòu)可以被構(gòu)成平面表面或具有表面結(jié)構(gòu)。在其他步驟304、306、308中，可以時(shí)間上相繼地在載體結(jié)構(gòu)上施加各個(gè)層，使得各個(gè)層上下重疊地放置。各個(gè)層在此以非結(jié)構(gòu)化的方式被涂敷。這意味著，分別涂敷各個(gè)層所借助的材料流(Materialstrom)不通過掩模被弓I導(dǎo)，而是無掩蔽地沖擊載體結(jié)構(gòu)或布置在載體結(jié)構(gòu)上的層。材料流可以分別垂直地沖擊載體結(jié)構(gòu)。在步驟304 中可以涂敷第一電極材料，以便構(gòu)造第一電極層。在步驟306中，可以涂敷電池組材料，以便構(gòu)造電極層。在步驟308中可以涂敷第二電極材料，以便構(gòu)造第二電極層。步驟304、306、 308可以以任意順序被實(shí)施和被重復(fù)，用以實(shí)現(xiàn)例如在圖1和2中所示的層構(gòu)造。在各個(gè)所述步驟304、306、308之間可以執(zhí)行施加絕緣層的步驟。在步驟310中可以暴露和接觸在步驟304、308中所構(gòu)成的電極層的末端段，如根據(jù)圖如至如進(jìn)一步所述的那樣。
圖如至如示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例在不同的制造階段中的薄層電池組。尤其示出進(jìn)行電極層的暴露和接觸的方法步驟。圖如示出薄層電池組的層結(jié)構(gòu)的橫截面表示。層系統(tǒng)可以對(duì)應(yīng)于根據(jù)圖2所述的薄層電池組。示出載體襯底102，在所述載體襯底102上涂敷第一電極層104、電池組層 106、第二電極層108和然后又涂敷電池組層106、第一電極層104等。在最下面的第一電極層104和載體襯底102之間以及在最上面的第二電極層108上重又可以布置絕緣層。所述層可以借助于根據(jù)圖3所述的方法步驟被建立。尤其，可以非結(jié)構(gòu)化地沉積所述層104、 106、108。所述層104、106、108至少在邊緣處均勻地結(jié)束，使得產(chǎn)生直線式邊緣區(qū)域。載體襯底102可以突出邊緣區(qū)域。邊緣區(qū)域可以被切割，使得由例如非結(jié)構(gòu)化的層構(gòu)造得出所切割的層堆疊，如在圖如中所示的那樣。圖4b示出具有暴露的第一電極104和絕緣層的在圖如中所示的層堆疊。第一電極層104的末端區(qū)域選擇性地被暴露，并且伸出電池組層106和第二電極層108的末端。為了暴露，在圖如中所示的直線式邊緣區(qū)域可以被處理，使得電池組層106和第二電極層108 的末端段被去除。由此產(chǎn)生的空腔可以用絕緣層填充，使得重又得出直線式邊緣區(qū)域。圖如示出具有相連接的第一電極104的在圖4b中所示的層堆疊。為此導(dǎo)電的接觸層Iio可以被施加到直線式邊緣區(qū)域并且與第一電極層104的末端導(dǎo)電連接。接觸層 110可以被構(gòu)造為邊緣條或貫通接觸部。因此，圖如至如示意性地示出用于并聯(lián)的薄層電池組電池的接觸110的制造方法。尤其在位于外部的接觸聯(lián)系部110的情況下，絕緣層不必必然地在建立電池組層堆疊期間被沉積，而是也可以通過相應(yīng)的制造方法(如例如根據(jù)圖如至4c所示的那樣)在需要的位置處被形成。這例如可以通過由激光器切割(圖如)層堆疊和/或接著的熱、化學(xué)或物理蝕刻方法、等離子方法或電化學(xué)處理(圖4b)來實(shí)現(xiàn)。在同時(shí)或分別接著形成絕緣層的情況下，通過重復(fù)所述方法和必要時(shí)改變參數(shù)也可以選擇性地暴露不同的電極材料用于連接陽極和陰極。在此情況下大的優(yōu)點(diǎn)是，可以連貫地給大的面涂上薄層電池組層，例如在 Si晶片上。通過相應(yīng)的切割和接觸方法可以同時(shí)制造許多單個(gè)電池組。也可以僅僅例如利用激光器原處引入適當(dāng)?shù)慕^緣層并且最后可以借助于激光燒結(jié)通過不同的電極層104、108和電解質(zhì)層106進(jìn)行不同電極類型的接觸聯(lián)系。圖5示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例用于制造薄層電池組的方法的流程圖。在此情況下使用載體結(jié)構(gòu)，所述載體結(jié)構(gòu)具有一個(gè)或多個(gè)剛性連接的陰影掩模，借助于所述陰影掩?？梢詫?duì)電極材料結(jié)構(gòu)化，如根據(jù)圖6所示的那樣。在第一方法步驟502中提供載體結(jié)構(gòu)。也稱為載體襯底的載體結(jié)構(gòu)可以具有平面表面或表面結(jié)構(gòu)。在其他步驟504、506、508中可以時(shí)間上相繼地將各個(gè)層施加在載體結(jié)構(gòu)上，使得所述各個(gè)層上下重疊地放置。各個(gè)層在此可以非結(jié)構(gòu)化地沖擊載體結(jié)構(gòu)、載體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)或位于之上的層。這意味著，各個(gè)層分別被涂敷所借助的材料流不通過掩模被引導(dǎo)， 而是無掩蔽地沖擊載體結(jié)構(gòu)或布置在載體結(jié)構(gòu)上的結(jié)構(gòu)或?qū)?。材料流分別可以在不同的方向上沖擊載體結(jié)構(gòu)。在步驟504中，可以涂敷第一電極材料，以便構(gòu)造第一電極層。第一電極材料可以關(guān)于載體結(jié)構(gòu)的基面的對(duì)準(zhǔn)以不同于90°的角度、也即傾斜地、例如以30°至70° 之間的角度被涂敷。在此，第一電極材料通過陰影掩模被結(jié)構(gòu)化，所述陰影掩模由表面或載體結(jié)構(gòu)得出。第一電極材料的適合于陰影掩模的流可以以結(jié)構(gòu)化的形式?jīng)_擊載體結(jié)構(gòu)的區(qū)域，其中在該區(qū)域上涂敷薄層電池組的層。在步驟506中可以涂敷電池組層材料，以便構(gòu)造電池組層。電池組層材料可以垂直地、例如以與載體襯底的基面為90°或幾乎90°的角度被施加。在步驟508中可以涂敷第二電極材料，以便構(gòu)造第二電極層。第二電極材料可以以不同于90°的角度、例如45°被涂敷。在此，第二電極材料可以通過載體結(jié)構(gòu)的另一陰影掩模被結(jié)構(gòu)化。第二電極材料的適合于陰影掩模的流可以以結(jié)構(gòu)化的形式?jīng)_擊載體結(jié)構(gòu)的區(qū)域，在所述區(qū)域上涂敷薄層電池組的層。第二電極材料可以從不同于第一電極材料的方向、 例如從相反的方向被施加。步驟504、506、508可以以任意順序被實(shí)施和被重復(fù)，以便實(shí)現(xiàn)例如在圖1和2中所示的層構(gòu)造。在各個(gè)所述步驟504、506、508之間可以執(zhí)行施加絕緣層的步驟。為此可以垂直于載體襯底的基面施加絕緣材料。在接著的步驟中可以去除所施加的層的不希望的區(qū)域，并且可以使所施加的電極層電接觸。圖6示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例在例如借助于根據(jù)圖5所述的制造方法的制造階段中的薄層電池組的橫截面表示。示出載體結(jié)構(gòu)102，其構(gòu)成基面。在載體結(jié)構(gòu)102上布置第一電池組601和第二電池組603。電池組601、603可以分別被成形為方形的，其中電池組601、603的高度大于寬度。電池組601、603的高度可以大于薄層電池組的層構(gòu)造的后來的高度。電池組601、603 可以成形結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)可以是非導(dǎo)電的或配備有電絕緣部。在電池組601、603的與載體結(jié)構(gòu)102相對(duì)的表面上可以分別布置導(dǎo)電層605，所述導(dǎo)電層構(gòu)成可能的后來的接觸聯(lián)系區(qū)域。薄層電池組的層104、106、108可以被施加到載體結(jié)構(gòu)102上和尤其是載體結(jié)構(gòu)的布置在電池組601、603之間的區(qū)域上。層104、106、108可以以不同的順序被施加。示出第一電極層104，所述第一電極層104被涂敷在載體結(jié)構(gòu)102的表面上。第一電極層104與第一電池組601鄰接，但是與第二電池組603相間隔。因此在第一電極層104和第二電池組603之間存在中間空間。在中間空間中和在第一電極層104上布置電池組層106。電池組層106與第二電池組鄰接，但是通過沿第一電池組601的內(nèi)側(cè)壁走向的第一接觸層610 與所述第一電池組分開。第一接觸層610與第一電極層104相連接。第二電極層108被涂敷在電池組層106上。第二電極層108與第二電池組603鄰接，但是與第一電池組601相間隔。因此在第二電極層106和第一電池組601之間存在中間空間。在中間空間中和在第二電極層108上布置另一電池組層106。另一電池組層106通過第一接觸層610與第一電池組601分開并且通過沿著第二電池組603的內(nèi)側(cè)壁走向的另一接觸層612與所述第二電池組分開。第二接觸層612與第二電極層106相連接。與此相應(yīng)地，可以涂敷其他層104、 106U08o對(duì)應(yīng)于布置在電池組601、603之間的層104、106、108的層布置在電池組601、603 的導(dǎo)電層605上。第一電極層104可以被涂敷，其方式是，第一電極材料6Μ在通過箭頭所標(biāo)出的方向上被涂敷到載體結(jié)構(gòu)102上。箭頭在此代表無掩蔽的或非結(jié)構(gòu)化的材料流。當(dāng)將第一電極材料擬4傾斜地從第二電池組603的側(cè)涂敷到載體結(jié)構(gòu)102上的時(shí)候，第二電池組603 作為陰影掩模起作用。因此，第一電極材料擬4沖擊電池組601、603的導(dǎo)電層605、第一電池組601的內(nèi)壁區(qū)域，以便構(gòu)造第一接觸層610和沖擊位于電池組601、603之間的區(qū)域，其中第一電極材料6 在此由于通過第二電池組603遮蔽而不一直達(dá)到第二電池組603的內(nèi)
電池組層106可以被涂敷，其方式是，電池組層材料擬6在通過箭頭所標(biāo)出的方向上被涂敷到載體結(jié)構(gòu)102上。當(dāng)電池組層材料6 恰好從上面被涂敷到載體結(jié)構(gòu)102上的時(shí)候，可以到達(dá)和填滿在電池組601、603之間的整個(gè)區(qū)域。通過涂敷的方向，僅僅少量的材料6 在涂敷步驟506時(shí)被沉積在位于側(cè)壁處的接觸層610和612上。由此利用附加施加的材料6M或628的接著的沉積步驟504或508加固接觸層610和612。因此電結(jié)合 (Anbindimg)的橫截面被增大，這尤其在從上接觸的電池組的情況下可能是有利的。第二電極層106可以被涂敷，其方式是，第二電極材料6 在通過箭頭所標(biāo)出的方向上被涂敷到載體結(jié)構(gòu)102上。在將第二電極材料擬8傾斜地從第一電池組601的側(cè)涂敷到載體結(jié)構(gòu)102上的時(shí)候，第一電池組601作為陰影掩模起作用。因此，第二電極材料628 沖擊電池組601、603的導(dǎo)電層605、第二電池組603的內(nèi)壁區(qū)域，以便構(gòu)造第二接觸層612 和沖擊位于電池組601、603之間的區(qū)域，其中第二電極材料擬8在此由于通過第一電池組 601遮蔽不一直達(dá)到第一電池組601的內(nèi)壁。通過第一電池組601的陰影投射，限制第二電極層108在第一電池組601的方向上的縱向膨脹。因此第二電極層108與第一接觸層610 相間隔。如果在下一方法步驟中施加另一電池組層108，則在第二電極層108和第一接觸層 610之間的中間空間可以被電池組層材料6 填滿。用于通過不同的沉積方向選擇性地沉積并聯(lián)的薄層電池組電池的在圖6中以片段示出的襯底結(jié)構(gòu)可以通過沉積順序?qū)崿F(xiàn)，其中首先第一電極材料624、然后電池組層材料 626、然后第二電極材料628、然后又電池組層材料6 和最后再次第一電極材料6 被沉積。在襯底102上可以設(shè)置其他電池組，使得鄰近電池組601、603的外壁可以通過第一電極材料624、電池組層材料6 和第二電極材料6 構(gòu)成其他電池組層。通過這種方式可以在一個(gè)方法步驟中施加用于多數(shù)并列布置的薄層電池組的層。根據(jù)圖5和6示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例用于制造具有并行接觸的多層電池組的另一方法。在襯底102上存在的相應(yīng)結(jié)構(gòu)601、603 (例如矩形、多角形和/或圓形凸出的或凹陷的結(jié)構(gòu))在各向異性涂布方法中被使用，以便能夠位置分辨地施加電極層。對(duì)此例如物理蒸發(fā)方法特別適用。所述結(jié)構(gòu)也可以同時(shí)向外例如通過施加UBM層和接著的倒裝 (Flip-Chip)裝配方法用于后來的接觸聯(lián)系。在圖6中在絕緣實(shí)施中示出所述結(jié)構(gòu)。但是也可能的是，已經(jīng)完全或部分導(dǎo)電地設(shè)計(jì)所述結(jié)構(gòu)用于后來的接觸聯(lián)系，如在圖7中所示。 在施加之后必須使電極層104、108在其相互連接的位置分開。特別有利的是也部分地去除襯底102上的結(jié)構(gòu)直至接觸聯(lián)系區(qū)域，其中在所述結(jié)構(gòu)上電極層相連接。這可以例如通過拋光或鋸開來進(jìn)行。在所述結(jié)構(gòu)上的接觸聯(lián)系部可以在拋光之后也通過如根據(jù)圖如至4c 所示的方法來制造，或者在結(jié)構(gòu)上的接觸聯(lián)系區(qū)域在其側(cè)又可以具有結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)允許在一位置處或在一接觸處選擇性地沉積盡可能僅一個(gè)電極層，如在圖7中所示。另一可能性是，已經(jīng)在襯底102中例如通過穿過襯底102的貫通接觸設(shè)置到電極層104、108上的接觸聯(lián)系?？赡艿睦釉趫D7中示出。圖7示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例用于制造薄層電池組的電池組。更確切地說， 示出兩個(gè)電池組601、703，其可以通過絕緣區(qū)域(例如空腔)分開地彼此相鄰地布置在載體襯底102上。在電池組對(duì)601、703的兩側(cè)可以分別施加薄層電池組的層，其中電池組601、703分別用作陰影掩模，如根據(jù)圖5和6所述的那樣。載體襯底102可以具有用于接觸聯(lián)系電池組電極的結(jié)構(gòu)。在電池組601、703上分別布置導(dǎo)電層605，其能夠?qū)崿F(xiàn)后來的接觸聯(lián)系。導(dǎo)電層605可以完全覆蓋電池組601、703的上側(cè)，但是空出電池組601、703之間的中間空間?？蛇x地，導(dǎo)電層605可以越過中間空間導(dǎo)電連接，以便能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)薄層電池組的串聯(lián)，所述兩個(gè)薄層電池組可以在電池組對(duì)601、703的兩側(cè)被制造。絕緣保護(hù)層730布置在導(dǎo)電層605上并且跨越所述導(dǎo)電層。絕緣保護(hù)層730可以后來與位于絕緣保護(hù)層730上的所沉積的層一起被去除。電池組703在側(cè)邊緣區(qū)域處具有例如溝槽形式的凹處。在凹處中可以布置貫通接觸部732。貫通接觸部732可以作為通過載體襯底102的貫通接觸實(shí)現(xiàn)薄層電池組的可替代的接觸聯(lián)系部。在電池組601、703的外部壁區(qū)域處分別示出第一電池組電極的第一接觸層610和第二電池組電極的第二接觸層612，其在制造方法期間已經(jīng)被沉積。因此圖7示出用于選擇性接觸聯(lián)系的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)的實(shí)施例。以在圖6中所述的順序部分地已經(jīng)示出電池組和電極層的沉積。圖8和9示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的薄層電池組，其中電極層的至少之一具有結(jié)構(gòu)化，以便放大至鄰接的電池組層的有效接觸面。例如，電極層可以是多孔的，使得電池組層材料可以至少部分地滲入到電極層的內(nèi)部。這樣的電極層也可以結(jié)合根據(jù)圖1至7 所述的實(shí)施例被使用。也就是說，在圖1至7中所示的堆疊構(gòu)造的電極層具有結(jié)構(gòu)化，如根據(jù)圖8和9所述的那樣。電極材料的結(jié)構(gòu)化或多孔化(Porosifizierung)可以以機(jī)械方式(例如通過鑄造)、以熱的方式(例如通過晶須形成)或者通過如蝕刻的化學(xué)方法或如開槽或?yàn)R射的物理方法來發(fā)生。理想地，可以均勻地施加金屬的或部分金屬的多相系統(tǒng)，其通過相應(yīng)的處理被分離并且在此在定義的粗糙本底上形成符合的薄金屬覆層。相的析取也是可能的，使得產(chǎn)生多孔的金屬層。同樣可以以電化學(xué)的方式通過火焰噴涂方法或從氣相直接沉積多孔的層。在電極金屬的相應(yīng)層構(gòu)造和層厚的情況下，必要時(shí)甚至可以完全取消載體襯底并且電極材料于是可以承擔(dān)載體的任務(wù)和相對(duì)于環(huán)境影響、例如相對(duì)于氧的鈍化的任務(wù)。圖8示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的通過薄層電池組的橫截面表示。示出具有部分結(jié)構(gòu)化的和/或多孔化的和鈍化的電極的3D薄層電池組的實(shí)現(xiàn)。例如溝形式的對(duì)載體襯底的結(jié)構(gòu)化是可能的，但是未畫出。薄層電池組具有載體襯底102、帶有電池組層的第一電極104和第二電極108。載體襯底在朝向第一電極104的側(cè)可以具有用于表面放大的結(jié)構(gòu)化。電池組層布置在第一電極104和第二電極108之間。第一電極104具有有大表面的結(jié)構(gòu)化的和/或多孔化的區(qū)域 840。區(qū)域840引起到電池組層的有效接觸面的放大。另外，在第一電極104上示出鈍化部842。鈍化部842形成在第一電極104的邊緣區(qū)域的絕緣部。另一鈍化部844布置在第二電極108上。另一鈍化部844從鈍化部842出發(fā)在第二電極108的整個(gè)表面上延伸，除了開口外。第一電極104的鈍化部842具有開口 846，所述開口例如構(gòu)成用于電接觸第一電極104的接合焊盤。對(duì)封裝和存儲(chǔ)密度決定性的另一優(yōu)點(diǎn)通過在電極材料上施加連貫的或結(jié)構(gòu)化的鈍化部來實(shí)現(xiàn)。如果例如在鋁的情況下鈍化部作為集流器材料通過氧化由已經(jīng)施加的集流器層或電極制造和于是所述鈍化部部分地保護(hù)表面，則這尤其適用。此外，如果鈍化和多孔化完全或部分地在一個(gè)方法或方法步驟中被制造，則是有利的。圖8示出相應(yīng)的構(gòu)造。襯底102上的電極104的鈍化部842直接鄰近多孔化的區(qū)域840并且從而相對(duì)于第二電極108防止短路，所述第二電極施加在圖8中未畫出的電池組層上。所述第二電極108同樣被鈍化844。通過鈍化層842、844中的開口 708為電接觸聯(lián)系部、例如作為接合焊盤產(chǎn)生可用的面。必要時(shí)在相應(yīng)地設(shè)計(jì)接觸時(shí)也可以使用倒裝方法用于裝配電池組。圖9示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的通過薄層電池組的橫截面表示。示出在電極薄膜上的無載體襯底的3D薄層電池組的實(shí)現(xiàn)。得出薄的薄膜狀構(gòu)造。對(duì)應(yīng)于圖8，在圖9中所示的薄層電池組具有帶有電池組層的第一電極104和第二電極108。所述一個(gè)電池組層或多個(gè)電池組層布置在第一電極104和第二電極108之間。 第一電極104具有多孔化的區(qū)域840。另外，第一電極104的鈍化區(qū)域842和在第二電極 108上的另一鈍化部844被示出。第一電極104的鈍化區(qū)域842除了邊緣區(qū)域或到第二電極104的過渡區(qū)域之外也在第一電極104的背離第二電極的側(cè)上延伸。第一電極104的鈍化部842具有開口 846。兩個(gè)電極104、108的鈍化部842、844可以如圖9中所示的那樣分別在相同的位置處被開口。在所述開口處，堆疊構(gòu)造中的電池組的多個(gè)覆層可以直接電連接。同樣在所述位置處在電極108和708的適當(dāng)實(shí)施的情況下例如通過線接合或粘接或壓力彈簧的其他電接觸也是可能的。圖8和9的特征的組合同樣是可設(shè)想的，例如具有表面結(jié)構(gòu)化的聚合物或金屬薄膜形式的非常薄的載體襯底的構(gòu)造，其中附加結(jié)構(gòu)化的和/或多孔化的層作為電極被施加到所述聚合物或金屬薄膜上。在電極的強(qiáng)結(jié)構(gòu)化或多孔化時(shí)或在多孔的材料的大的層厚的情況下將進(jìn)行電池組層和第二電極的高度符合的沉積，因?yàn)榉駝t可期待短路。尤其如原子層沉積(Atomic Layer Deposition)的方法在這里提供優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明的薄層電池組例如可以被用在智能卡、自主傳感器網(wǎng)絡(luò)以及有源RFID 中。所述的和在圖中所示的實(shí)施例僅示范性地被選擇。不同的實(shí)施例可以完全或關(guān)于各個(gè)特征相互被組合。一個(gè)實(shí)施例也可以通過另一實(shí)施例的特征來補(bǔ)充。另外，根據(jù)本發(fā)明的方法步驟可以被重復(fù)以及以不同于所述順序的順序被實(shí)施。如果實(shí)施例包括在第一特征和第二特征之間的“和/或”邏輯連接，則這可以如此被讀取，使得該實(shí)施例根據(jù)一種實(shí)施形式不僅具有第一特征而且具有第二特征和根據(jù)另一實(shí)施形式或者僅具有第一特征或者僅具有第二特征。
權(quán)利要求
1.用于制造薄層電池組的方法，所述方法具有以下步驟提供(302 ； 502)載體結(jié)構(gòu)(102)；將第一電極材料(6M)的第一無掩蔽的流施加(304 ；504)到所述載體結(jié)構(gòu)上，以便在所述載體結(jié)構(gòu)上構(gòu)造第一電極層(104)；將電池組材料(6 )的第二無掩蔽的流施加(306 ；506)到所述載體結(jié)構(gòu)上，以便在所述第一電極層上構(gòu)造電池組層(106)；將第二電極材料(6 )的第三無掩蔽的流施加(308 ；508)到所述載體結(jié)構(gòu)上，以便在所述電池組層上構(gòu)造第二電極層(108)；和重復(fù)施加步驟，以便制造由多個(gè)第一電極層、多個(gè)電池組層和多個(gè)第二電極層組成的薄層電池組。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中執(zhí)行施加(304，306，308；504，506，508)的步驟的順序，使得在第一電極層(104)上構(gòu)造至少一個(gè)電池組層(106 )和在第二電極層(108 )上構(gòu)造至少一個(gè)其他電池組層(106)。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，具有步驟將絕緣材料的第四無掩蔽的流施加到所述載體結(jié)構(gòu)(102)上，以便在所述第一或所述第二電極層(104，108)上構(gòu)造絕緣層。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中進(jìn)行第一和/或第二電極材料(6M，6 ) 的施加(304，308 ；504, 508)，使得所述第一和/或所述第二電極層(104，108)具有多孔的結(jié)構(gòu)(840)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，具有步驟暴露第一電極層(104)的末端區(qū)域和/或第二電極層(108)的末端區(qū)域，和具有步驟使第一電極層的末端區(qū)域和/或第二電極層的末端區(qū)域相互接觸(310)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中所述載體結(jié)構(gòu)(102)具有帶有第一電池組 (601)和與所述第一電池組相對(duì)布置的第二電池組(603)的基面，傾斜地越過第一電池組向基面施加(504)第一無掩蔽的流并且傾斜地越過第二電池組向基面施加(508)第三無掩蔽的流。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中垂直地向載體結(jié)構(gòu)施加(506)第二無掩蔽的流。
8.用于制造薄層電池組的載體結(jié)構(gòu)用的電池組，具有以下特征第一分電池組(601)和第二分電池組(703)，其布置在載體結(jié)構(gòu)(102)的基面上并且通過中間空間相互分開；導(dǎo)電的第一接觸層(605)，其在第一分電池組的與基面相對(duì)的側(cè)被構(gòu)造，和導(dǎo)電的第二接觸層(605)，其在第二分電池組的與基面相對(duì)的側(cè)被構(gòu)造；絕緣保護(hù)層(730)，其布置在所述第一和所述第二接觸面上并且跨越中間空間。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電池組，其中第二分電池組(703)沿著側(cè)面具有凹處，其中在所述凹處中布置通過開口通到載體結(jié)構(gòu)(102)的基面中的電接觸聯(lián)系部(732)。
10.儲(chǔ)能器，具有以下特征第一電極(104)，其由金屬構(gòu)造并且具有多孔的表面結(jié)構(gòu)(840);第二電極(108)；和電池組層(106)，其布置在所述第一和所述第二電極之間并且與第一電極的多孔的表面結(jié)構(gòu)相連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的儲(chǔ)能器，其中所述第一電極(104)由鉬或鋁構(gòu)造。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于制造薄層電池組的方法，所述方法具有步驟提供載體結(jié)構(gòu)(102)，將第一電極材料的第一無掩蔽的流施加到載體結(jié)構(gòu)上，以便構(gòu)造第一電極層(104)，施加電池組材料的第二無掩蔽的流，以便構(gòu)造電池組層(106)，施加第二電極材料的第三無掩蔽的流，以便構(gòu)造第二電極層(108)。可以重復(fù)施加的步驟，以便制造由多個(gè)第一電極層(104)、多個(gè)電池組層(106)和多個(gè)第二電極層(108)組成的薄層電池組。
文檔編號(hào)H01M10/058GK102263293SQ20111013509
公開日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2011年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月25日
發(fā)明者克勞斯 A., 博內(nèi) L., 托伊舍爾 T., 皮爾克 T. 申請(qǐng)人:羅伯特·博世有限公司