專利名稱：電池陣列，構造以及方法
技術領域：
本發明涉及薄膜固態能量存儲設備領域，并且更具體地涉及薄膜固態電池的應用構型。
背景技術：
電子器件已經結合到許多便攜式設備中，例如計算機、移動電話、跟蹤系統、掃描儀、助聽器、遙感器等。這類便攜式設備的一個缺點是需要包括與設備一起的電源。便攜式 設備典型地使用電池作為電源。電池必須具有充足的容量來為設備供電持續至少使用該設備的時間長度。充足的電池容量可能導致與設備相比較電源不成比例地沉重和/或巨大。因此，更小和更輕的能量存儲設備(即，電源)是令人希望的。一種這種類型的能量存儲設備是固態薄膜電池。在美國專利號5，314，765、5，338，625、5，445，906、5，512，147、5，561，004、5，567，210、5，569，520、5，597，660、5，612，152,5,654, 084以及5，705，293中公開了這些薄膜電池的實例，它們中每一個都通過引用結合在此。美國專利號5，338，625公開了一種薄膜電池，尤其地一種薄膜微電池，以及用于制造具有用作電子設備的備用或第一集成電源應用的薄膜微電池的方法。美國專利號5，445，906公開了用于制造通過使用多個沉積站的方法形成的薄膜電池結構的方法和系統，當一種網狀基底(襯底)自動移動通過這些站時，在沉積站處薄電池元件膜順序地構建在該網狀基底上。美國專利申請公開號2005/0147877公開了一種薄膜電池，例如包括連接到電子電路上的鋰或鋰化合物的薄膜電池。將環境阻擋層(environmental barrier)沉積成多個交替層(alternating layer),這些層中至少一個提供光滑、平坦化和/或調平的物理構型功能，并且至少一個另外層提供擴散阻擋層功能。然而，至少部分由于相對小的尺寸，這類存儲設備不可能為相關電子設備提供足夠的電力。當然，取決于設備的電壓和電流需要，可以將多個電池串聯或并聯，從而增加了功率輸出(超過僅一個單電池)。雖然這類構型需要多個電池，但是在小型便攜式設備中的空間再次變成問題。因此，對于有助于在小型設備中提供電源的設備和方法始終存在需要。
發明內容
為了著手解決這些需要，公開了一種電池安排(排布)，當為電子設備供電時所述安排(排布)可以有利于節省空間。具體地，以交錯構型提供電連接薄膜電池的堆疊陣列。堆疊陣列的一個側面上的側邊緣的最外點總體上優選地與電子設備或其元件的內表面相適應，從而有利地節省在設備內的空間。這樣的內表面可以是，例如，平面或曲面。在一個實施方式中，堆疊陣列包括具有與多個電池相接觸的一個單一表面的至少一個電池。在另一實施方式中，提供了電連接在一起的多個薄膜電池的成形陣列，由此將多個電池以單層形式彼此鄰近地安排(排布)在通常處于基底(襯底)表面形狀的非矩形基底上。在一個實施方式中，本發明有利地提供了電池的堆疊陣列，使得電池陣列具有特定形狀，但是使用可以易于大量生產的單個電池來制造。在另一個實施方式中，以一種方式來安排(排布)電池陣列從而提供優異的空間使用效率，而且同時使用可以易于大量生產的單個電池。因此，本發明產品一方面可以通過易于制造的單個電池元件來提供規模經濟的優點，而且同時提供適合于較小規模定制應用的獨特形狀的電池陣列。因此本發明提供了使用常規單電池定制形狀制造技術不能得到的效率。還提供了一種薄膜電池，其中提供了通過基底(襯底)的至少一個通孔，以及通過絕緣層的至少一個另外通孔從而提供電連接到電池上。這種電池構型在提供可以連接到具 有獨特構型要求的設備上的電池，以及可選地提供避免使用單獨包裝來包容電池的機會中提供了特別的優點。此外，電池接觸的獨特連接點能夠以串聯或并聯方式連接多個電池的交替連接構型。
結合在本申請中并且構成其一部分的附示說明了本發明的幾個方面，并且與實施方式的說明一起用于說明本發明的原理。附圖的簡要說明如下圖I是適合用于根據本發明的堆疊陣列和方法中的現有技術薄膜電池的圖示說明。圖2是根據本發明的薄膜電池堆疊陣列的一個實施方式圖示說明的透視圖。圖3是包括設備外殼截面視圖的圖2的堆疊電池陣列的圖示說明的側視圖。圖4是現有技術單電池的圖示說明的側視圖以及根據本發明說明空間節省特征的設備外殼的截面視圖。圖5是根據本發明的薄膜電池堆疊陣列的一個第二實施方式的圖示說明的透視圖。圖6是根據本發明的薄膜電池堆疊陣列的一個第三實施方式的圖示說明的透視圖。圖7是根據本發明的薄膜電池堆疊陣列的一個第四實施方式的圖示說明的透視圖。圖8是根據本發明的薄膜電池堆疊陣列的一個第五實施方式的圖示說明的透視圖。圖9是一個流程圖，說明了用于為電子設備供電的根據本發明方法的一個實施方式。圖10是根據本發明的薄膜電池堆疊陣列的一個第六實施方式的圖示說明的透視圖。圖11是根據本發明的薄膜電池陣列的一個第七實施方式的圖示說明的透視圖。
圖12是根據本發明的薄膜電池堆疊陣列的一個第八實施方式的圖示說明的透視圖。圖13是根據本發明的薄膜電池陣列的一個第九實施方式的圖示說明的透視圖。圖14是根據本發明的薄膜電池堆疊陣列的一個第十實施方式的圖示說明的側視圖。圖15是本發明電池的截面視圖。圖16是并聯接線的根據本發明的薄膜電池堆疊陣列的圖示說明的側視圖。圖17是串聯接線的根據本發明的薄膜電池堆疊陣列的圖示說明的側視圖。圖18是本發明電池的一個實施方式的截面視圖。
具體實施例方式應當理解的是根據本發明的設備和方法包括，但不限于，常規元件新組合，并不僅僅是它們特別詳述的構型。因此，在附圖中通過易于理解的方框圖表示以及示意圖最大部分地圖示說明了常規元件和電路的結構、方法、功能、控制以及安排，從而不使具有本領域技術人員從在此的說明中獲益而易于理解的結構詳細內容的本發明公開不清楚。此外，本發明不限于在示例性圖中描述的具體實施方式
，而應當按照權利要求書中的語言來解釋。根據本發明，可以將較小尺寸，以及具有較平形狀規格的多個電池安排(排布)在較小的電子設備內部從而形成一個三維體積，其中該體積的至少一個表面，所述表面可以由堆疊電池的邊緣限定，與設備的內表面相適應。這類電池可以串聯地或并聯地彼此連接從而將電力供應至電子設備。圖I顯示了根據本發明可以使用類型的單電池100。電池100較小并且具有較平的形狀規格。如所示，在圖I的實施方式中，電池100是具有基本上矩形的上面112和下面114以及矩形邊緣的矩形盒子。與電池側向寬度(例如，在一些實施方式中是1000微米(=Imm)至10，000微米(=IOmm),并且在其他實施方式中是高達幾厘米)相比，電池例如電池100的垂直厚度可以是極薄(例如，在一些實施方式中是小于約10微米，并且在其他實施方式中甚至小于4微米)。在一個實施方式中，電池100可以包括用于將電池100連接到有待由其供電的設備上的接地連接110以及電池輸出120。另外，電池100可以包括如在共同未決的美國專利申請號12/069，440中所描述的充電電路(未顯示)，通過引用將它整體結合在此。如果電池100包括這樣的充電電路，則電池100可以另外地包括充電器輸入130。優選地，有待用于本發明堆疊陣列中的單電池是柔性的，使得在組裝，放置在使用環境中期間，或在使用期間電池能夠承受彎曲運動(即，仍然作為電池起作用)。優選地，電池可以承受等效于具有20cm直徑圓的曲率，更優選等效于具有5cm直徑圓的曲率，又更優選等效于具有Icm直徑圓的曲率，以及最優選等效于具有O. 5cm直徑圓的曲率的彎曲。圖2顯示了根據本發明相對于彼此安排(排布)的圖I中所示類型的多個電池100、200,300,400以及500。具體地，顯示電池100組裝在電路板150上，所述電路板可以是小型電子設備(圖2中未另外顯示)的一部分。該電子設備可以是需要電池100至500類型中多于一個的電力的任何相對小型的設備。以堆疊構型或陣列10來安排(排布)電池100至500，使它們的主面以交錯構型彼此接觸。電池100直至500優選彼此偏移在每個電池厚度數量級上的一個距離。如圖3中所示,該圖是圖2中所示的電路板150上電池100至500堆疊安排的側視圖，這種每個電池與剛好在它下面的電池的偏移限定了虛邊界線600，所述虛邊界線由邊界線600附近的堆疊電池100至500的一個側面上的側邊緣的最外點來限定。如顯示的，邊界線600是基本上直的線。為了本發明的目的，該邊界線是這些堆疊電池側面邊緣最外點曲線的最佳擬合。在電池堆疊中偶然的異常值是預期的，并且因此熟練的業內人士應當理解的是基本上直的邊界線考慮了例如在數據點的擬合中5%的偏差。圖3包括電子設備700的內表面710的截面。電子設備700可以是具有內表面710的任何相對小型的設備，例如助聽器或遙感器，該內表面可以是例如設備700外殼的一部分。如所示，由電池100至500形成的表面600遵循電子設備表面710的輪廓使得它與電子設備或其元件的內表面相適應。以此方式，電子設備中的空間可以有利地被更有效地使用，并且電子設備的總尺寸可以保持較小。具體地，雖然可以使用單電池來為設備700供電，為設備700提供充足的電能，但是這樣的單電池將有可能不得不比電池100至500中任何一個單個電池更大。如果這樣較大的電池具有與電池100至500中的一個基本上相同的覆蓋區，則它將必須更高并且將有可能以標準矩形盒子或圓盤形狀規格來制造。圖4圖示說明了在具有內表面710’的相 對小型設備700’中安裝在電路板150’上的這樣的現有技術單電池100’。如圖4中所示，為了將電池100’裝配到設備700’中的電路板150’上，必須使電池100’在電路板150’上遠離內表面710’移動。因此，由虛線712顯示的空間將被浪費，并且可能必須將設備700’擴大以便容納電池100’。通過擴大電池100’的覆蓋區以及降低高度還有可能實現電池100’的相同體積。雖然這可能允許電路板100’朝向表面710’移動返回，但這樣擴大覆蓋區(footprint)的電池將消耗電路板150’上相對更多的空間(real estate),有可能要求將它擴大。定制具有大體上電池100’的體積以及包括大體上處于由電池100至500形成的表面600形式的曲面的單電池也是可能的(圖2和3中所示)。然而，定制這樣的電池將有可能成本過高并且相對于設備700提供的任何節省空間的優點將不可能轉移給具有不同形狀的其他設備。如上所述，由電池100至500供電的電子設備可以是需要比僅通過電池100至500類型的單電池可以提供的更多電力的任何相對小型的設備。如果電子設備需要比通過一個單個的這樣電池可以提供的更多電流，則電池100至500可以并聯地電連接。如果電子設備需要更多電壓，電池100至500可以串聯地連接。可以通過任何適當的系統以堆棧形式固定電池100至500，例如通過將電池包圍在限定的容器或殼體中。可以將電池可選地摩擦裝配到這樣的容器中。可選地，可以將電池固定到支架或其他保持結構上。優選地，在最終期望的陣列中將電池固定到彼此上。可以通過焊料焊接或通過適當的粘合劑，例如熱熔性粘合劑，化學反應粘合劑或粘結劑(例如包括氰基丙烯酸酯、丙烯酸類樹脂、環氧樹脂、聚氨酯、硅酮、酚醛塑料、聚酰亞胺、增塑溶膠等的一或二部分粘合劑)、或壓力敏感型粘合劑將電池固定到彼此上。圖5圖示說明了在電路板160上使用薄膜電池110至510的交替堆疊陣列15。如圖5中所示，每個電池210至510從它下面的電池在兩個方向上側向地移動。這樣的堆疊構型在具有其中兩個壁向內傾斜并且在邊緣處匯合的內表面的設備中可以提供節省空間的優點。圖6圖示說明了包括在電路板170上薄膜電池120至520的堆疊陣列20的另一個實施方式。在圖6的實施方式中，電池120至520進行堆疊使得每個電池側向地移動并且下面的電池旋轉。如果放置在被供電設備彎曲內表面的附近(例如相應于邊界線620的表面)，這樣的堆疊構型可以有利地節省空間。根據本發明堆疊的薄膜電池還可以具有不同尺寸。例如，圖7圖示說明了根據本發明的薄膜電池堆疊陣列30的一個實施方式。陣列30包括堆疊在優選地由薄膜電池130至630供電的電子設備(未顯示)的基底(襯底)180上的六個矩形薄膜電池130、230、330、430,530以及630。如圖7中所示，陣列30限定了三維金字塔形(三維棱錐形)800.在本發明的替代實施方式中，根據本發明的薄膜電池堆疊構型可以包括具有與正方形或矩形不同頂透視形狀的電池。例如，圖8圖示說明了在基底190上4個圓柱形薄膜電池140、240、340以及440的堆疊陣列40。薄膜電池140至440被堆疊用來限定圓錐形截面900。還考慮了包括具有其他頂透視形狀的電池的堆疊陣列，例如，而不限于，新月形、半圓形、三角形以及梯形。圖10圖示說明了在基底1060上五個餡餅形薄膜電池1010、1020、1030和1040以及1050的堆疊陣列1000。
如另一種方式說明的，堆疊陣列限定了選自不同形狀的三維體積，在某些電子設備中這些形狀提供了可用空間的定制的，有效的使用。本發明的實施方式包括具有三維體積的陣列，所述三維體積選自金字塔形(棱錐形)、截棱錐、圓錐形、截錐形、菱形、球形、截球形、橢球形以及截橢球形。為了本發明的目的，菱形是具有六個面的立體形，其中每個面是平行四邊形，成對的相對面位于平行平面中，并且至少一個角是斜角。橢球形可以例如選自扁的、長的或傾軸的橢球形。在本發明的一個實施方式中，堆疊陣列限定了一個三維體積，該體積是傾斜形，例如斜圓柱或斜六面體。為了本發明的目的，斜圓柱是其中圓柱體基底的中心不是一個在另一個之上直接對齊的形狀。圖9是一個流程圖，說明了用于為電子設備供電的根據本發明的方法1000的一個實施方式。在步驟1002中，提供多個薄膜電池。然后在步驟1004中，所提供的薄膜電池以交錯構型進行堆疊從而形成堆疊陣列，使得該堆疊陣列的一個側面上的側邊緣的最外點總體上與相應于電子設備或其元件的內表面的邊界線相適應。這個邊界線在前面討論過，并且在圖3中以邊界線600的形式進行說明，并且在圖6中為邊界線620。例如，電子設備的內表面可以是平面或曲面。在步驟1006中，多個薄膜電池串聯地或并聯地電連接用來為電子設備供電。在步驟1008中，將步驟1004中制備的堆疊陣列放置在電子設備或其元件中。可選地，步驟1006可以在將堆疊陣列放置在電子設備或其元件中之前或之后實施。在本發明的另一個實施方式中，以電連接在一起的多個薄膜電池的成形陣列形式來提供薄膜電池，由此將多個電池以單層方式彼此鄰近地安排在通常處于基底(襯底)表面形狀的非矩形基底(襯底)上。在一個實施方式中，安排這些電池使得不多于約20%，以及優選地不多于約10%的基底表面暴露。因此，如圖11中所示，電池陣列1100包括基底1190上的薄膜電池1110、1120以及1130。基底1190具有處于圓形形狀的基底表面的一個部分，并且另外地，該基底表面包括環狀孔。通過使用具有非矩形形狀的基底，可以有效地將電池陣列放置在具有嚴格空間要求的設備或位置中，由此在特定環境中遞送出比常規單電池或矩形電池陣列更多數量的電池功率。薄膜電池1110、1120以及1130進行了專門的形狀設計，并且進行安排從而有效地使用盡可能多的該獨特形狀基底的可用表面區域。另外地，膜電池1110、1120以及1130優選在尺寸和形狀上一致，從而利用大量生產的效率。可以將有待放置在陣列中的替代形狀的基底和/或單個電池用于單層陣列中。圖12顯示了包括在基底1290上的薄膜電池1210、1220、1230以及1240的電池陣列1200。在這個實施方式中，薄膜電池1210、1220、1230以及1240是矩形形狀，并且因此易于大量生產。這些電池以有效方式安排在基底1290上從而以可能給予矩形形狀的程度大體上與基底表面的形狀相適應。因此，雖然與如圖11中所示的電池陣列1110相比較，更大量的基底1200的表面被暴露(即，在該表面上沒有電池)，但是通過使用更規則形狀的薄膜電池而得到的制造和設計效率可以抵銷某些應用可獲得的較低電池功率。圖13 顯示了包括在基底 1390 上的薄膜電池 1310、1315、1320、1325、1330、1335、1340、1345、以及1350的電池陣列1300。在這個實施方式中，薄電池1310、1315、1320、1325、1330、1335、1340、1345、以及1350是三角形形狀，并且因此易于大量生產。另外，三角形薄膜電池可以被非常有效地布置，特別是基底1390的三角形表面。 有利地，以這種方式可以使各種獨特形狀的基底與一致尺寸和形狀的電池相配合從而用大量生產的薄膜電池有效地利用可用表面區域。特別地考慮了具有非矩形頂透視形狀的電池和基底兩者，例如，而不限于，新月形、半圓形、三角形以及梯形。如圖12和13中所表示的，電池形狀和基底形狀可以是相同或不同的。圖14顯示了包括在基底1490上的薄膜電池1410、1420、1430、1440以及1450的本發明的電池陣列1400的側視圖。電池1420具有與電池1410和1430相接觸的單個表面1421。同樣地，電池1430具有與電池1420和1440相接觸的單個表面1431。這種安排提供了有效地使用某些設備構造中有價值的“空間(real estate)”，并且另外地提供電池之間有效連通的機會從而由于電池的接近使電池能夠具體地串聯地連接。在一個實施方式中，以所有陽極或所有陰極在陣列基底側上將下排電池1410、1430以及1450定向，并且以下排的相對取向將上排電池1420和1440定向，由此將一排的陰極鄰近另一排的陰極放置，或一排的陽極鄰近另一排的陽極放置。如所示，電池陣列1400包括兩層薄膜電池。特別地考慮了包括多于兩層的陣列，例如3、4、5、6、7. . . 10層等的陣列，其中多個電池各自具有與多個電池層相接觸的單個表面。圖16顯示了包括并聯連接的薄膜電池1610、1620、1630、1640、1650以及1660的本發明電池陣列1600的側視圖。所述電池在電池的一個側面上配備有陰極連接，以及在電池的另一個側面上配備有陽極連接。如所示，將電池交錯，使例如電池1630的陽極與電池1620和1640 二者的陽極相接觸。電池1610、1630以及1650的陰極與導電基底1680相接觸，并且電池1620、1640以及1660的陰極與導電基底1690進行電接觸。通過電管路1692導電基底1680和1690與設備1695進行電接觸。通過電觸點1691將這些陽極電連接，并且依次地通過電管路1694與設備1695進行電接觸。圖17顯示了包括在非導電基底1780和1790上串聯連接的薄膜電池1710、1720、1730、1740、1750以及1760的本發明電池陣列1700的側視圖。在電池同一側的交替末端上這些電池配備有陰極連接和陽極連接。如所示，將電池交錯，使例如電池1730的陽極與電池1740的陽極相接觸，并且使電池1730的陰極與電池1720的陽極相接觸。電池1710的陰極與電觸點1791相接觸，它通過電管路1792依次地與設備1795進行電接觸。電池1760的陽極與電觸點1793相接觸，它通過電管路1794依次地與設備1795進行電接觸。圖15顯示了本發明電池1500的截面視圖，其中提供了通過基底的至少一個通孔，以及通過絕緣層的至少一個另外通孔，從而提供電連接到電池上。具體地，電池1500包括配備有穿過其中的通孔1591和1592的基底1590。基底是作為電池構造載體的物理結構。在實施方式中，基底是通過各種加工操作轉化成希望的微電子構型的基本工作件。在一些實施方式中，基底包括導電材料(例如銅、不銹鋼、鋁等)，絕緣材料(例如藍寶石、陶瓷、或塑料/聚合物絕緣體等)，半導體材料(例如硅)，非半導體材料，或半導體和非半導體材料的組合。在一些其他實施方式中，基底包括分層結構，例如針對其熱膨脹系數(CTE)更接近匹配鄰近結構例如硅處理器芯片的CTE選擇的材料(例如鐵鎳合金等)的芯層薄片或工件。在一些這樣的實施方式中，將這樣的基底芯層層壓成針對電和/或熱傳導性選擇的材料(例如銅、鋁合金等)的薄層，它進而用針對電絕緣、穩定性、以及壓花特性選擇的塑料層來覆蓋。在一些實施方式中，基底1590的厚度是大致從約500微米至約1000微米。在一個實施方式中，基底1590是具有約500至約650微米厚度的硅晶片。在另一個實施方式中， 基底1590包括具有約I至約30微米厚度的聚合物層(例如Kapton )。以任何適當的方式在基底1590中形成通孔1591和1592，例如通過刻蝕、掩膜以及其他光刻技術、例如用激光穿孔、等等。陰極材料1520 (例如鋰鈷氧化物、LiCoO2、鋰錳氧化物、鋰鐵磷酸鹽、鋰釩氧化物、鋰鎳氧化物等等)定位在陰極集電體1510上。還可以使用混合的金屬氧化物(例如，包括上述金屬組合的那些)，例如鋰鎳鈷氧化物，來制造陰極。在本發明的實施方式中，陰極材料1520具有約I至3微米的厚度。將陰極集電體1510暴露從而為通過通孔1591和1592電連接有待由電池1500供電的設備(例如，集成電路)以提供連通性。還提供了陽極集電體1530，并且它是由導電材料例如銅、鋁、鎳、鐵、金、銀、鉬、鑰、鈦、錳、金屬合金、導電陶瓷、導電半導體例如重度摻雜的多晶硅等制造的。在本發明的實施方式中，陽極集電體1530具有約O. I至I微米，或優選約O. 5微米的厚度。在最初制造期間可以可選地在電池中提供陽極(未顯示)。在一個實施方式中，在電池組裝之后通過電池的第一次充電來形成陽極。在一個優選的實施方式中，電池1500的至少一個元件是鋰源，并且通過電池的第一次充電形成作為鋰金屬層的鋰金屬陽極。在本發明的實施方式中，將鋰離子插入由對這類插層作用敏感的材料(例如石墨)制造的陽極結構中。電解質層1550將陰極材料1520與陽極集電體1530 (以及陽極，當存在時)分開。在本發明的實施方式中，電解質層1550具有約O. I至約10微米的厚度。在本發明的實施方式中，電解質層1550具有約I至約5微米的厚度。電解質層1550與陰極元件和陽極元件二者進行物理接觸從而允許離子在其間移動。電解質不傳導電子。電解質可以是液體。電解質還可以是離子可以通過的固體、半固體或多孔固體和液體的組合。在一些實施方式中，相對于用于在電池(battery)或電池(cell)中產生電流的一種或多種離子以及電極材料，電解質將基本上是化學惰性或無反應性的。電解質層1550可以由任何電解質材料制造，例如LiPON等，如果提供鋰離子源以及鋰離子終點，可以將它沉積成鋰離子可以通過的玻璃薄膜或層。特別地考慮了電解質層1550可以共混地或在兩個或更多個可區別的層中包括一種或多種電解質材料。在名稱為 “THIN-FILM BATTERIESffITH SOFT AND HARD ELECTROLYTELAYERS AND METHOD”的美國專利申請11/458，091中說明了一個優選的多層電解質構造的實施例，出于所有目的，通過引用將其整體結合在此。提供了絕緣層1560用來保護和絕緣電池1500的導電元件。在本發明的實施方式中，絕緣層1560具有約I至約10微米的厚度。絕緣層1560是由電絕緣材料制造的，例如光致抗蝕劑(例如，Shipley 220光致抗蝕劑)；來自HDMicrosystems的各種聚酰亞胺，例如2720系列，該系列包括2727、2723、2729 ；2770系列，該系列包括2770以及2772 ;2730，它包括2731以及2737 ;PIX系列，該系列包括PIX-1400、PIX-3476、PIX-S200、PIX-6400 ;2500 系列，該系列包括 2525、2555、2575 以及 2556 ;以及各種其他聚合材料例如來自Dow Chemical Company的Cyclotene產品號3022_35、3022_46、3022-57以及3022-63 ;來自Dow Chemical Company的光可限定的硅酮例如WL-5351以及WL-3010 ;以及來自DymaxCorporation的UV可固化的環氧樹脂例如9001,或類似物。在一 些實施方式中，絕緣層1560包括一種或多種材料例如氧化硅、LiPON、氧化鋁、氮化硅、氮氧化硅、氮化硼、陶瓷、金屬陶瓷，或其他金屬氧化物、金屬氮化物、金屬碳化物、金屬氧硼化物和/或金屬氧氮化物，其中所述金屬是鋁、銦、錫、銦-錫、鋯、鈮、鉭或其他適合的金屬，或其他適合的電絕緣體。由可以自調平以便有效地平坦化的材料制造的絕緣層是優選的。在一個優選的實施方式中，絕緣層是有機材料。以任何適當的方式在絕緣層1560中形成通孔1561和1562，例如通過刻蝕、掩模以及其他光刻技術、例如用激光穿孔，等等。將陽極集電體1530暴露從而為通過通孔1561和1562電連接到有待由電池1500供電的設備上(例如集成電路)以提供連通性。電池1500可以另外地包括一個或多個鈍化層，可選地處于與絕緣層交替分層的構型。在美國專利公開號US 2009/0214899A1,以及美國專利號7，494，742中公開了具有交替的鈍化層和絕緣層的電池，它們公開的內容通過引用結合在此。特別地考慮了除了其中將最下部的集電體暴露從而為通過基底中至少一個通孔電連接到有待由電池1500供電的設備上(例如集成電路)提供連通性之外，具有類似構造的電池。如在此所述的鈍化層是由導電金屬，例如由導電材料，例如銅、鋁、鎳、鐵、金、銀、鉬、鑰、錳、金屬合金、導電陶瓷、導電半導體例如重度摻雜的多晶硅等制造的。在本發明的實施方式中，鈍化層具有約0. 11至約5微米的厚度。鈍化層可以用來提供電偶聯到陽極集電體或陰極集電體上，當適當時，用來提供用于電連接到有待由電池1500供電的設備上的接觸襯墊的遠側定位。電池1500優選地進一步配備有覆蓋電池元件的封裝材料(未顯示)。封裝是令人希望的用來保護電池材料避免暴露于水蒸氣、氧氣以及其他環境污染物。鋰特別易于與其他元素和化合物反應。因為某些薄膜電池元件對于暴露于環境元素敏感，在生產電池之后應當使電池構造與外界隔離。最終的封裝材料優選地是有機材料，例如硅酮、聚酰亞胺、環氧樹脂或如上討論的其他此類聚合物。在本發明的實施方式中，封裝材料厚度是約8至10微米。在本發明的實施方式中，最終外層是厚度為約0. 5至I微米的氮化硅，它提供了另外的密封保護并且與集成電路包裝材料相容。這個最終層在某種程度上還用作針對摩擦和操作損害的物理阻擋層。如所示，在基底1590和絕緣層1560中提供了多個通孔。在一個實施方式中，在基底1590和絕緣層1560之一和/或兩者中提供僅一個通孔。在一個實施方式中，在基底1590和絕緣層1560之一和/或兩者中提供兩個或更多個通孔。在基底1590和絕緣層1560之一和/或兩者中提供多個通孔是有利的，因為在這些通孔之一不令人滿意的情況下，這提供了良好接觸的保證。此外，在提供如圖14中所示的電池構型中，在基底1590和絕緣層1560之一和/或兩者中提供多個通孔是有利的。圖18顯示了本發明電池1800的截面視圖，其中提供了通過基底的至少一個通孔以及通過絕緣層的至少一個另外通孔用來提供電連接到電池上。具體地，電池1800包括配備有穿過其中的通孔1891和1892的基底1890。基底是如上所述用作電池構造載體的物理結構。以任何適當的方式在基底1890中形成通孔1891和1892，例如通過刻蝕、掩模和其他光刻技術、例如用激光穿孔、等等。陰極材料1820 (例如鋰鈷氧化物、LiCoO2、鋰錳氧化物、鋰鐵磷酸鹽、鋰釩氧化物、 鋰鎳氧化物、等等)定位在基底1890上。可選地，可以如上討論提供單獨的陰極集電體。還提供了陽極集電體1830，并且它是由導電材料例如銅、鋁、鎳、鐵、金、銀、鉬、鑰、鈦、錳、金屬合金、導電陶瓷、導電半導體例如重度摻雜的多晶硅，等等制造的。在本發明的實施方式中，陽極集電體1830具有約O. I至I微米，或優選約O. 5微米的厚度。在最初制造期間在電池中可以可選地提供陽極(未顯示)。在一個實施方式中，在組裝電池之后通過電池的第一次充電形成陽極。在一個優選的實施方式中，電池1800的至少一個元件是鋰源，并且通過電池的第一次充電形成作為鋰金屬層的鋰金屬陽極。在本發明的實施方式中，將鋰離子插入到由對此類插層作用敏感的材料(例如石墨)制備的陽極結構中。電解質層1850將陰極材料1820與陽極集電體1830 (以及陽極，當存在時)分隔開。在本發明的實施方式中，電解質層1850具有約O. I至約10微米的厚度。在本發明的實施方式中，電解質層1850具有約I至約5微米的厚度。電解質層1850與陰極元件和陽極元件二者進行物理接觸從而允許離子在其間移動。如上討論了電解質的多個具體方面。在一個優選實施方式中，電解質層1850可以由任何電解質材料，例如LiPON等制造，如果提供鋰離子源以及鋰離子終點，可以將它沉積成鋰離子能夠通過的玻璃薄膜或層。提供了一個第一絕緣鈍化層1860用來保護和電絕緣電池1800的導電元件。一個第一導電鈍化層1870覆蓋第一絕緣鈍化層1860，并且結合到位于電池1800的基本上周邊上的基底1890上。已經發現導電鈍化層，并且具體地由金屬制造的導電鈍化層能夠提供優異的結合，特別是結合到硅晶片材料上。在這種構造中，將電解質層1850、陰極材料1820以及陽極集電體1830封裝在第一導電鈍化層1870與基底1890之間。以任何適當方式在第一鈍化有機層1860中形成通孔1861和1862，例如通過刻蝕、掩膜和其他光刻技術、例如用激光鉆孔、等等。因此，將陽極集電體1830電連接到第一導電鈍化層1870上。提供了第二絕緣鈍化層1880用來進一步保護和電絕緣電池1800的導電元件。第二導電鈍化層1882覆蓋第二絕緣鈍化層1880并且結合到位于電池1800基本上周邊上的第一導電鈍化層1870上。由于第二導電鈍化層1882與第一導電鈍化層1870的這種結合，可以可選地在第二導電鈍化層1882上的任何位置處實現將電池1800負電連接到有待供電的設備上。在一個優選實施方式中，可以形成單獨的接觸襯墊1884和/或1886使得在相應于電池主體的點處不能實現電連接(例如，通過焊料焊接)。如所示，可以在基底1890中形成的通孔1891和1892處實現將電池1800正電連接到有待供電的設備上。在本發明的實施方式中，第一和第二絕緣鈍化層1860和1880獨立地具有約I至約10微米的厚度。第一和第二絕緣鈍化層1860和1880是由電絕緣材料獨立地制造的，例如光致抗蝕劑(例如，Shipley 220光致抗蝕劑)；來自HD Microsystems的各種聚酰亞胺，例如2720系列，該系列包括2727、2723、2729 ；2770系列，該系列包括2770和2772 ;2730，它包括 2731 和 2737 ;PIX 系列，該系列包括 PIX-1400、PIX-3476、PIX-S200、PIX_6400 ；2500系列，該系列包括2525、2555、2575和2556 ;以及各種其他聚合材料例如來自Dow ChemicalCompany 的 Cyclotene 產品號 3022-35、3022-46、3022-57 以及 3022-63 ;來自 Dow ChemicalCompany的光可限定的娃麗例如WL-5351和WL-3010 ；以及來自DymaxCorporation的UV可固化的環氧樹脂例如9001，等等。在一些實施方式中，第一和第二絕緣鈍化層1860和1880包括一種或多種材料例如氧化硅、LiPON、氧化鋁、氮化硅、氮氧化硅、氮化硼、陶瓷、金屬陶瓷，或其他金屬氧化物、金屬氮化物、金屬碳化物、金屬氧硼化物和/或金屬氧氮化物，其中 所述金屬是鋁、銦、錫、銦-錫、鋯、鈮、鉭或其他適合的金屬，或其他適合的電絕緣體。由可以自調平以便有效地平面化的材料制造的絕緣鈍化層是優選的。在一個優選實施方式中，絕緣鈍化層是有機材料。如在此所述的導電鈍化層是由導電金屬，例如由導電材料例如銅、鋁、鎳、鐵、金、銀、鉬、鑰、錳、金屬合金、導電陶瓷、導電半導體例如重度摻雜的多晶硅，等等獨立地制造的。在本發明的實施方式中，鈍化層具有約O. 11至約5微米的厚度。電池1800可選地進一步配備有覆蓋電池元件的封裝材料(未顯示)。在實施方式中，封裝是令人希望的用來保護電池材料避免暴露于水蒸氣、氧氣、以及其他環境污染物。鋰尤其易于與其他元素和化合物反應。因為薄膜電池元件對于暴露于環境元素敏感，在生產電池之后應當使電池構造與外界隔離。最后的封裝材料優選地是有機材料例如硅酮、聚酰亞胺、環氧樹脂或如上所討論的其他此類聚合物。在本發明的實施方式中，封裝材料厚度是約8至10微米。在本發明的實施方式中，最終外層是厚度約O. 5至I微米的氮化硅，它提供了另外的密封保護并且與集成電路包裝材料相容。該最終層在某種程度上還用作針對摩擦和操作損害的物理阻擋層。在本發明的一個實施方式中，配備有多個導電鈍化層的電池1800不包括外部封裝材料。這個實施方式通過具有最外面的導電鈍化層提供了方便的電連通性并且另外地是足夠環保的從而不需要另外的封裝材料。如所示，在基底1890和絕緣鈍化層1860中提供了多個通孔。在一個實施方式中，在基底1890和絕緣鈍化層1860之一和/或兩者中提供僅一個通孔。在一個實施方式中，在基底1890和絕緣鈍化層1860之一和/或兩者中提供了兩個或更多個通孔。在基底1890和絕緣鈍化層1860之一和/或兩者中提供多個通孔是有利的，因為在這些通孔之一不令人滿意的情況下，這提供了良好接觸的保證。此外，在提供如圖14中所示的電池構型中，在基底1890和絕緣鈍化層1860之一和/或兩者中提供多個通孔是有利的。應當理解的是在本發明的一個方面中，以分層方式將電池構造成“底部朝上”的構造，由此按以下順序提供基底陰極集電體、陰極、固體電解質、陽極(在如上討論的構造階段期間它是可選的)、陽極集電體，以及一種或多種封裝劑材料。可選地，能夠以并排或其他構型來提供陰極和陽極。可替代地，能夠以與上述討論相反的順序來構建電池，使得陽極集電體定位在基底附近電池的底部上。在其中當充電時形成陽極的實施方式中這種構型是較少受歡迎的，因為在某些實施方式中這種陽極形 成將需要移動電池的大部分層以便適應陽極的形成。可替代地，如本領域技術人員現在可以容易地想見的，這些層可以分別形成并且通過層壓法結合。在一個替代實施方式中，在無陰極的情況下可以最初制備電池。在這種實施方式中，通過類似于上述在充電過程期間形成陽極的方式通過將電池充電來形成陰極。更具體地，通過小心地選擇電解質和陰極集電體的材料,可以通過將電池充電來形成陽極。例如，當電解質是LiPON并且陰極集電體是銀時，已經報道了金屬銀被氧化從而形成銀陽離子，所述銀陽離子擴散到LiPON電解質中并且替換可移動的鋰陽離子，該鋰陽離子遷移從而形成金屬鋰陽極。參見Liu,等人，〃A’Lithium-Free’Thin-Film Battery with an UnexpectedCathode Layer, "J Electrochem. Soc. 155(I)A8-A13(2008)。如前面提到的，有可能定制制造具有類似于圖2和3中所示表面600的外表面，以及具有在此所述的電池構型的節省空間優點的單電池。然而，這樣的定制制造將可能是成本過高的，并且例如，相對于設備700的結構可應用的節省空間的優點，將不可能應用到具有不同形狀的其他設備上。然而，在根據本發明的電池構型中，不需要定制制造，并且節省空間可以有利地在具有許多不同形狀和電力要求的設備中實現。特別地，使用不同數量的電池以及不同基本電池形狀可以實現堆疊構型。在本發明的一個實施方式中，在包括多個電池的薄片中制造電池，并且使用單一化(singulation)技術,例如切割、沖壓、激光切割等以希望的二維形狀從薄片中分離單獨的電池。可替代地，能夠以希望的頂部平面視圖二維形狀單獨地制造電池，而不需要通過載體基底將電池物理分離。薄膜電池的堆疊陣列提供了將空間的有效使用最大化以及與不規則形狀相適應的優點。在本發明的一個實施方式中，在電池箱中提供堆疊陣列，所述電池箱是電池的保護容器。在本發明的另一個實施方式中，提供了包括處于電池箱中的堆疊陣列的電子設備。在另一個實施方式中，提供了中間電池元件，所述中間電池元件是堆疊陣列與另一種功能元件例如集成電路的組合，所述集成電路優選與電池結合使用用來在電子設備中實現功能。在另一個實施方式中，提供了包括中間電池元件的電子設備，所述中間電池元件是堆疊陣列與另一種功能元件例如集成電路的組合，所述集成電路優選與電池結合使用用來在電子設備中實現功能。在此引用的所有專利，專利申請(包括臨時申請)，以及公布都通過引用結合在此，就像出于所有目的個別地結合一樣。想要通過本文件說明的本發明的許多特征和優點已在前面說明中提出。然而，應當理解的是雖然已經說明了本發明的具體形式或實施方式，但可以做出多種改變，包括對形狀，以及部分安排等的改變，而不偏離本發明的精神和范圍。
權利要求
1.一種電連接在一起的多個薄膜電池的堆疊陣列，其中所述堆疊陣列處于交錯構型。
2.如權利要求I所述的堆疊陣列，其中所述堆疊陣列的一個側面上的側邊緣的最外點限定一個邊界線，并且其中所述邊界線選擇處于基本上直線形式或其中所述邊界線不是直線。
3.如權利要求I所述的堆疊陣列，處于一個電池箱中，其中所述堆疊陣列與所述電池箱內部至少兩個鄰近的內表面相適應。
4.一種中間電池元件，包括如權利要求3所述的處于電池箱中的堆疊陣列，并且優選包括集成電路。
5.—種電子設備,包括如權利要求3或4所述的處于電池箱中的堆疊陣列。
6.如權利要求I所述的堆疊陣列，其中所述堆疊陣列限定選自金字塔形、截棱錐、圓錐形、截錐形、菱形、球形和截球形、橢球形和截橢球形，或傾斜形的三維體積，所述傾斜形優選斜圓柱或斜六面體。
7.一種使用多個薄膜電池將電力提供至電子設備的方法，包括 以交錯構型堆疊多個薄膜電池從而形成一個堆疊陣列； 將所述堆疊陣列放置在一種電子設備或其元件中，使得所述堆疊陣列的一個側面上的側邊緣的最外點總體上與所述電子設備或其元件的內表面相適應；以及 在將所述堆疊陣列放置在電子設備或其元件中之前或之后，電連接所述多個薄膜電池。
8.如權利要求7所述的方法，其中所述內表面是平面或是曲面。
9.一種電連接在一起的多個薄膜電池的成形陣列，由此將多個電池以單層方式彼此鄰近地安排在通常處于所述基底表面形狀的非矩形基底上，優選其中安排所述電池使得不多于約20%的基底表面暴露，并且更優選其中安排所述電池使得不多于約10%的基底表面暴露。
10.如權利要求9所述的成形陣列，其中所述電池具有一致的尺寸和形狀，優選其中所述電池處于選自矩形或三角形的形狀。
11.如權利要求9所述的成形陣列，其中所述基底表面處于選自三角形、圓形的形狀，或其中所述基底表面包括環形孔。
12.如權利要求I所述的堆疊陣列，其中所述堆疊陣列包括具有與多個電池相接觸的一個單一表面的至少一個電池。
13.一種薄膜電池，包括 a)具有一個第一表面的基底； b)在所述基底的第一表面上的一個第一集電體； c)一個第二集電體，其中所述第一和第二集電體中的一個是陽極集電體，而另一個是陰極集電體； d)一個電解質層，所述電解質將所述陰極集電體與所述陽極集電體分開； f) 一個絕緣層，所述絕緣層與所述電解質層一起將所述陽極集電體與所述陰極集電體分開; 其中將所述第一集電體暴露從而為通過所述基底中至少一個通孔電連接到有待通過所述電池供電的設備上以提供連通性，以及其中將所述第二集電體暴露從而為通過所述絕緣層中的至少一個通孔電連接到有待通過所述電池供電的設備上以提供連通性。
14.如權利要求13所述的薄膜電池，其中所述基底和所述絕緣層之一和/或二者包含兩個或更多個通孔。
全文摘要
公開了電連接在一起的多個薄膜電池的堆疊陣列。所述堆疊陣列處于交錯構型。所述堆疊陣列的一個側面上的側邊緣的最外點優選地總體上與電子設備或其元件的內表面相適應從而有利地節省了在所述設備中的空間。在一個實施方式中，所述堆疊陣列包括具有與多個電池相接觸的一個單一表面的至少一個電池。在另一實施方式中，提供了電連接在一起的多個薄膜電池的成形陣列，由此將多個電池以單層方式彼此鄰近地安排在通常處于基底表面形狀的非矩形基底上。此外，公開了一種薄膜電池，其中提供了通過基底的至少一個通孔，以及通過絕緣層的至少一個另外通孔，從而提供電連接到電池上。
文檔編號H01M10/04GK102823021SQ201180011427
公開日2012年12月12日 申請日期2011年1月26日 優先權日2010年1月26日
發明者史蒂文·C·格雷迪, 杰弗里·S·薩瑟, 布萊爾·A·威爾遜 申請人:Cymbet公司