[发明专利]包含片状不连续元件的蓄电系统、片状不连续元件及其制造方法和应用

说明书

背景技术

蓄电系统已是现有技术许久并且特别包括电池，但也包括所谓的超级电容器(Supercaps)。特别是所谓的锂离子电池由于通过其能够实现的高能量密度而在例如电动车(electromobility)的新型应用范围中进行讨论，但是近些年来也已经应用在可携带的设备中，例如智能电话或笔记本电脑。该种传统的可充电的锂离子电池在此的特点尤其在于使用了有机的基于溶剂的液体电解质。但是该电解质可燃并且在所述锂离子电池的应用方面造成安全隐患。避免有机电解质的一种方法在于使用固体电解质。然而，这种固体电解质的电导率一般显著低于相应液体电解质的电导率，例如低出多个数量级。尽管如此，为了获得可接受的电导率并且能够利用可充电的锂离子电池的优势，如今将这种固体电池特别制造成所谓的薄膜电池(TFB)或薄膜存储元件的形式。该薄膜电池或薄膜存储元件特别应用在移动领域中，例如应用在所谓的智能卡中、医药技术和传感技术中以及智能电话和其他应用中，这些应用要求智能、小型甚至可能灵活的能量源。

一种示例性的锂基薄膜存储元件在US 2008/0001577中描述并且一般由衬底组成，在第一涂布步骤中，在该衬底上涂覆用于两个电极的导电的集流器(collector)。随后在另外的制造工序中，首先将阴极材料沉积在阴极集流器上，通常为锂-钴氧化物LCO。在下一步骤中，进行固体电解质的沉积，该固体电解质通常是包括材料锂、氧、氮和磷的非结晶材料并且称为LiPON。在下一步骤中，沉积阳极材料，使得其与衬底、阳极集流器以及固体电解质接触。金属锂特别适合用作阳极材料。当两个集流器以导电方式连接，则锂离子在充满电的状态下从阳极穿过固态离子导体迁移到到阴极，这导致了从阴极到阳极的穿过两个集流器的导电连接的电流。反之，在未充满电的状态下，通过施加外部电压而迫使离子从阴极迁移到阳极，由此对电池进行充电。

另一种薄膜存储元件在US 2001/0032666 A1中示例性地描述并且也包括了一种衬底，在该衬底上沉积不同的功能层。

对于这种薄膜存储元件沉积的层一般具有20μm或以下、通常小于10μm或者甚至小于5μm的层厚；层结构的总厚度在此可以实现为100μm或更小。

在该申请的范围内，薄膜存储元件例如是指可充电的锂基薄膜存储元件和超级电容器；但是该发明不局限于该系统，而是也可以应用在其他的薄膜存储元件中，例如可充电的和/或印刷的薄膜电池。

在此通常通过复杂的涂布方法进行薄膜存储元件的制造，该涂层方法也包括各种材料的图案化沉积。在此，对很薄(exact thin)的薄膜存储元件的特别复杂的图案化是可行的，例如可以参照US 7,494,742 B2。此外，在锂基的薄膜存储元件中,特别的难点在于使用金属锂作为阳极材料，因为其具有高的反应性。由此必须在尽可能无水的条件下进行金属锂的操作，因为否则的话，会反应生成氢氧化锂并且不能够再确保阳极的功能。锂基的薄膜存储元件也必须相应地通过包覆而受到保护以防湿气。

US 7,494,742 B2描述了用于保护薄膜存储元件的不稳定组成部分、例如锂或特定的锂化合物的这样一种包覆。在此通过一个涂层或者不同涂层的系统而提供该包覆功能，这些不同的涂层作为电池的整体结构的一部分可以满足更多的功能。

此外，在锂基的薄膜存储元件的制造条件下，特别在对于形成适合于锂嵌入的晶体结构所需的退火或热处理步骤过程中，会产生移动的锂离子与衬底的不期望的副反应，因为锂具有高的活动性并且能够容易地扩散到常见的衬底材料中，例如在文献US2010/0104942中示例性描述。

薄膜存储元件内的另一个问题在于采用的衬底材料。现有技术描述了大量不同的衬底材料，例如硅、云母、各种金属以及陶瓷材料。也经常提到玻璃的使用，但是基本上没有进一步指出特定的组成或者确切的特性。

US 2001/0032666 A1描述了一种电容器类型的能量存储器，该能量存储器例如可以是锂离子电池。除此之外，提及作为衬底材料的半导体。

US 6,906,436 B2描述了一种固态电池，其中例如金属或金属涂层、半导体材料或者塑料膜可以作为衬底材料。

US 6,906,436 B2描述了可选衬底材料的许多可能性，例如金属或金属涂层、有半导体特性的材料或者诸如蓝宝石、陶瓷或塑料的绝缘体。在此，衬底的不同几何形状也是可行的。

US 7,494,742 B2除此之外还描述了金属、半导体、硅酸盐和玻璃以及无机或有机的聚合物作为衬底材料。

US 7,211,351 B2提到金属、半导体或者绝缘材料以及它们的结合作为衬底。