专利名称：电池阵列，构造以及方法
技术领域：
本发明涉及薄膜固态能量存储设备领域，并且更具体地涉及薄膜固态电池的应用构型。
背景技术：
电子器件已经结合到许多便携式设备中，例如计算机、移动电话、跟踪系统、扫描仪、助听器、遥感器等。这类便携式设备的一个缺点是需要包括与设备一起的电源。便携式 设备典型地使用电池作为电源。电池必须具有充足的容量来为设备供电持续至少使用该设备的时间长度。充足的电池容量可能导致与设备相比较电源不成比例地沉重和/或巨大。因此，更小和更轻的能量存储设备(即，电源)是令人希望的。一种这种类型的能量存储设备是固态薄膜电池。在美国专利号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中公开了这些薄膜电池的实例，它们中每一个都通过引用结合在此。美国专利号5，338，625公开了一种薄膜电池，尤其地一种薄膜微电池，以及用于制造具有用作电子设备的备用或第一集成电源应用的薄膜微电池的方法。美国专利号5，445，906公开了用于制造通过使用多个沉积站的方法形成的薄膜电池结构的方法和系统，当一种网状基底(衬底)自动移动通过这些站时，在沉积站处薄电池元件膜顺序地构建在该网状基底上。美国专利申请公开号2005/0147877公开了一种薄膜电池，例如包括连接到电子电路上的锂或锂化合物的薄膜电池。将环境阻挡层(environmental barrier)沉积成多个交替层(alternating layer),这些层中至少一个提供光滑、平坦化和/或调平的物理构型功能，并且至少一个另外层提供扩散阻挡层功能。然而，至少部分由于相对小的尺寸，这类存储设备不可能为相关电子设备提供足够的电力。当然，取决于设备的电压和电流需要，可以将多个电池串联或并联，从而增加了功率输出(超过仅一个单电池)。虽然这类构型需要多个电池，但是在小型便携式设备中的空间再次变成问题。因此，对于有助于在小型设备中提供电源的设备和方法始终存在需要。
发明内容
为了着手解决这些需要，公开了一种电池安排(排布)，当为电子设备供电时所述安排(排布)可以有利于节省空间。具体地，以交错构型提供电连接薄膜电池的堆叠阵列。堆叠阵列的一个侧面上的侧边缘的最外点总体上优选地与电子设备或其元件的内表面相适应，从而有利地节省在设备内的空间。这样的内表面可以是，例如，平面或曲面。在一个实施方式中，堆叠阵列包括具有与多个电池相接触的一个单一表面的至少一个电池。在另一实施方式中，提供了电连接在一起的多个薄膜电池的成形阵列，由此将多个电池以单层形式彼此邻近地安排(排布)在通常处于基底(衬底)表面形状的非矩形基底上。在一个实施方式中，本发明有利地提供了电池的堆叠阵列，使得电池阵列具有特定形状，但是使用可以易于大量生产的单个电池来制造。在另一个实施方式中，以一种方式来安排(排布)电池阵列从而提供优异的空间使用效率，而且同时使用可以易于大量生产的单个电池。因此，本发明产品一方面可以通过易于制造的单个电池元件来提供规模经济的优点，而且同时提供适合于较小规模定制应用的独特形状的电池阵列。因此本发明提供了使用常规单电池定制形状制造技术不能得到的效率。还提供了一种薄膜电池，其中提供了通过基底(衬底)的至少一个通孔，以及通过绝缘层的至少一个另外通孔从而提供电连接到电池上。这种电池构型在提供可以连接到具 有独特构型要求的设备上的电池，以及可选地提供避免使用单独包装来包容电池的机会中提供了特别的优点。此外，电池接触的独特连接点能够以串联或并联方式连接多个电池的交替连接构型。
结合在本申请中并且构成其一部分的附示说明了本发明的几个方面，并且与实施方式的说明一起用于说明本发明的原理。附图的简要说明如下图I是适合用于根据本发明的堆叠阵列和方法中的现有技术薄膜电池的图示说明。图2是根据本发明的薄膜电池堆叠阵列的一个实施方式图示说明的透视图。图3是包括设备外壳截面视图的图2的堆叠电池阵列的图示说明的侧视图。图4是现有技术单电池的图示说明的侧视图以及根据本发明说明空间节省特征的设备外壳的截面视图。图5是根据本发明的薄膜电池堆叠阵列的一个第二实施方式的图示说明的透视图。图6是根据本发明的薄膜电池堆叠阵列的一个第三实施方式的图示说明的透视图。图7是根据本发明的薄膜电池堆叠阵列的一个第四实施方式的图示说明的透视图。图8是根据本发明的薄膜电池堆叠阵列的一个第五实施方式的图示说明的透视图。图9是一个流程图，说明了用于为电子设备供电的根据本发明方法的一个实施方式。图10是根据本发明的薄膜电池堆叠阵列的一个第六实施方式的图示说明的透视图。图11是根据本发明的薄膜电池阵列的一个第七实施方式的图示说明的透视图。
图12是根据本发明的薄膜电池堆叠阵列的一个第八实施方式的图示说明的透视图。图13是根据本发明的薄膜电池阵列的一个第九实施方式的图示说明的透视图。图14是根据本发明的薄膜电池堆叠阵列的一个第十实施方式的图示说明的侧视图。图15是本发明电池的截面视图。图16是并联接线的根据本发明的薄膜电池堆叠阵列的图示说明的侧视图。图17是串联接线的根据本发明的薄膜电池堆叠阵列的图示说明的侧视图。图18是本发明电池的一个实施方式的截面视图。
具体实施例方式应当理解的是根据本发明的设备和方法包括，但不限于，常规元件新组合，并不仅仅是它们特别详述的构型。因此，在附图中通过易于理解的方框图表示以及示意图最大部分地图示说明了常规元件和电路的结构、方法、功能、控制以及安排，从而不使具有本领域技术人员从在此的说明中获益而易于理解的结构详细内容的本发明公开不清楚。此外，本发明不限于在示例性图中描述的具体实施方式
，而应当按照权利要求书中的语言来解释。根据本发明，可以将较小尺寸，以及具有较平形状规格的多个电池安排(排布)在较小的电子设备内部从而形成一个三维体积，其中该体积的至少一个表面，所述表面可以由堆叠电池的边缘限定，与设备的内表面相适应。这类电池可以串联地或并联地彼此连接从而将电力供应至电子设备。图I显示了根据本发明可以使用类型的单电池100。电池100较小并且具有较平的形状规格。如所示，在图I的实施方式中，电池100是具有基本上矩形的上面112和下面114以及矩形边缘的矩形盒子。与电池侧向宽度(例如，在一些实施方式中是1000微米(=Imm)至10，000微米(=IOmm),并且在其他实施方式中是高达几厘米)相比，电池例如电池100的垂直厚度可以是极薄(例如，在一些实施方式中是小于约10微米，并且在其他实施方式中甚至小于4微米)。在一个实施方式中，电池100可以包括用于将电池100连接到有待由其供电的设备上的接地连接110以及电池输出120。另外，电池100可以包括如在共同未决的美国专利申请号12/069，440中所描述的充电电路(未显示)，通过引用将它整体结合在此。如果电池100包括这样的充电电路，则电池100可以另外地包括充电器输入130。优选地，有待用于本发明堆叠阵列中的单电池是柔性的，使得在组装，放置在使用环境中期间，或在使用期间电池能够承受弯曲运动(即，仍然作为电池起作用)。优选地，电池可以承受等效于具有20cm直径圆的曲率，更优选等效于具有5cm直径圆的曲率，又更优选等效于具有Icm直径圆的曲率，以及最优选等效于具有O. 5cm直径圆的曲率的弯曲。图2显示了根据本发明相对于彼此安排(排布)的图I中所示类型的多个电池100、200,300,400以及500。具体地，显示电池100组装在电路板150上，所述电路板可以是小型电子设备(图2中未另外显示)的一部分。该电子设备可以是需要电池100至500类型中多于一个的电力的任何相对小型的设备。以堆叠构型或阵列10来安排(排布)电池100至500，使它们的主面以交错构型彼此接触。电池100直至500优选彼此偏移在每个电池厚度数量级上的一个距离。如图3中所示,该图是图2中所示的电路板150上电池100至500堆叠安排的侧视图，这种每个电池与刚好在它下面的电池的偏移限定了虚边界线600，所述虚边界线由边界线600附近的堆叠电池100至500的一个侧面上的侧边缘的最外点来限定。如显示的，边界线600是基本上直的线。为了本发明的目的，该边界线是这些堆叠电池侧面边缘最外点曲线的最佳拟合。在电池堆叠中偶然的异常值是预期的，并且因此熟练的业内人士应当理解的是基本上直的边界线考虑了例如在数据点的拟合中5%的偏差。图3包括电子设备700的内表面710的截面。电子设备700可以是具有内表面710的任何相对小型的设备，例如助听器或遥感器，该内表面可以是例如设备700外壳的一部分。如所示，由电池100至500形成的表面600遵循电子设备表面710的轮廓使得它与电子设备或其元件的内表面相适应。以此方式，电子设备中的空间可以有利地被更有效地使用，并且电子设备的总尺寸可以保持较小。具体地，虽然可以使用单电池来为设备700供电，为设备700提供充足的电能，但是这样的单电池将有可能不得不比电池100至500中任何一个单个电池更大。如果这样较大的电池具有与电池100至500中的一个基本上相同的覆盖区，则它将必须更高并且将有可能以标准矩形盒子或圆盘形状规格来制造。图4图示说明了在具有内表面710’的相 对小型设备700’中安装在电路板150’上的这样的现有技术单电池100’。如图4中所示，为了将电池100’装配到设备700’中的电路板150’上，必须使电池100’在电路板150’上远离内表面710’移动。因此，由虚线712显示的空间将被浪费，并且可能必须将设备700’扩大以便容纳电池100’。通过扩大电池100’的覆盖区以及降低高度还有可能实现电池100’的相同体积。虽然这可能允许电路板100’朝向表面710’移动返回，但这样扩大覆盖区(footprint)的电池将消耗电路板150’上相对更多的空间(real estate),有可能要求将它扩大。定制具有大体上电池100’的体积以及包括大体上处于由电池100至500形成的表面600形式的曲面的单电池也是可能的(图2和3中所示)。然而，定制这样的电池将有可能成本过高并且相对于设备700提供的任何节省空间的优点将不可能转移给具有不同形状的其他设备。如上所述，由电池100至500供电的电子设备可以是需要比仅通过电池100至500类型的单电池可以提供的更多电力的任何相对小型的设备。如果电子设备需要比通过一个单个的这样电池可以提供的更多电流，则电池100至500可以并联地电连接。如果电子设备需要更多电压，电池100至500可以串联地连接。可以通过任何适当的系统以堆栈形式固定电池100至500，例如通过将电池包围在限定的容器或壳体中。可以将电池可选地摩擦装配到这样的容器中。可选地，可以将电池固定到支架或其他保持结构上。优选地，在最终期望的阵列中将电池固定到彼此上。可以通过焊料焊接或通过适当的粘合剂，例如热熔性粘合剂，化学反应粘合剂或粘结剂(例如包括氰基丙烯酸酯、丙烯酸类树脂、环氧树脂、聚氨酯、硅酮、酚醛塑料、聚酰亚胺、增塑溶胶等的一或二部分粘合剂)、或压力敏感型粘合剂将电池固定到彼此上。图5图示说明了在电路板160上使用薄膜电池110至510的交替堆叠阵列15。如图5中所示，每个电池210至510从它下面的电池在两个方向上侧向地移动。这样的堆叠构型在具有其中两个壁向内倾斜并且在边缘处汇合的内表面的设备中可以提供节省空间的优点。图6图示说明了包括在电路板170上薄膜电池120至520的堆叠阵列20的另一个实施方式。在图6的实施方式中，电池120至520进行堆叠使得每个电池侧向地移动并且下面的电池旋转。如果放置在被供电设备弯曲内表面的附近(例如相应于边界线620的表面)，这样的堆叠构型可以有利地节省空间。根据本发明堆叠的薄膜电池还可以具有不同尺寸。例如，图7图示说明了根据本发明的薄膜电池堆叠阵列30的一个实施方式。阵列30包括堆叠在优选地由薄膜电池130至630供电的电子设备(未显示)的基底(衬底)180上的六个矩形薄膜电池130、230、330、430,530以及630。如图7中所示，阵列30限定了三维金字塔形(三维棱锥形)800.在本发明的替代实施方式中，根据本发明的薄膜电池堆叠构型可以包括具有与正方形或矩形不同顶透视形状的电池。例如，图8图示说明了在基底190上4个圆柱形薄膜电池140、240、340以及440的堆叠阵列40。薄膜电池140至440被堆叠用来限定圆锥形截面900。还考虑了包括具有其他顶透视形状的电池的堆叠阵列，例如，而不限于，新月形、半圆形、三角形以及梯形。图10图示说明了在基底1060上五个馅饼形薄膜电池1010、1020、1030和1040以及1050的堆叠阵列1000。
如另一种方式说明的，堆叠阵列限定了选自不同形状的三维体积，在某些电子设备中这些形状提供了可用空间的定制的，有效的使用。本发明的实施方式包括具有三维体积的阵列，所述三维体积选自金字塔形(棱锥形)、截棱锥、圆锥形、截锥形、菱形、球形、截球形、椭球形以及截椭球形。为了本发明的目的，菱形是具有六个面的立体形，其中每个面是平行四边形，成对的相对面位于平行平面中，并且至少一个角是斜角。椭球形可以例如选自扁的、长的或倾轴的椭球形。在本发明的一个实施方式中，堆叠阵列限定了一个三维体积，该体积是倾斜形，例如斜圆柱或斜六面体。为了本发明的目的，斜圆柱是其中圆柱体基底的中心不是一个在另一个之上直接对齐的形状。图9是一个流程图，说明了用于为电子设备供电的根据本发明的方法1000的一个实施方式。在步骤1002中，提供多个薄膜电池。然后在步骤1004中，所提供的薄膜电池以交错构型进行堆叠从而形成堆叠阵列，使得该堆叠阵列的一个侧面上的侧边缘的最外点总体上与相应于电子设备或其元件的内表面的边界线相适应。这个边界线在前面讨论过，并且在图3中以边界线600的形式进行说明，并且在图6中为边界线620。例如，电子设备的内表面可以是平面或曲面。在步骤1006中，多个薄膜电池串联地或并联地电连接用来为电子设备供电。在步骤1008中，将步骤1004中制备的堆叠阵列放置在电子设备或其元件中。可选地，步骤1006可以在将堆叠阵列放置在电子设备或其元件中之前或之后实施。在本发明的另一个实施方式中，以电连接在一起的多个薄膜电池的成形阵列形式来提供薄膜电池，由此将多个电池以单层方式彼此邻近地安排在通常处于基底(衬底)表面形状的非矩形基底(衬底)上。在一个实施方式中，安排这些电池使得不多于约20%，以及优选地不多于约10%的基底表面暴露。因此，如图11中所示，电池阵列1100包括基底1190上的薄膜电池1110、1120以及1130。基底1190具有处于圆形形状的基底表面的一个部分，并且另外地，该基底表面包括环状孔。通过使用具有非矩形形状的基底，可以有效地将电池阵列放置在具有严格空间要求的设备或位置中，由此在特定环境中递送出比常规单电池或矩形电池阵列更多数量的电池功率。薄膜电池1110、1120以及1130进行了专门的形状设计，并且进行安排从而有效地使用尽可能多的该独特形状基底的可用表面区域。另外地，膜电池1110、1120以及1130优选在尺寸和形状上一致，从而利用大量生产的效率。可以将有待放置在阵列中的替代形状的基底和/或单个电池用于单层阵列中。图12显示了包括在基底1290上的薄膜电池1210、1220、1230以及1240的电池阵列1200。在这个实施方式中，薄膜电池1210、1220、1230以及1240是矩形形状，并且因此易于大量生产。这些电池以有效方式安排在基底1290上从而以可能给予矩形形状的程度大体上与基底表面的形状相适应。因此，虽然与如图11中所示的电池阵列1110相比较，更大量的基底1200的表面被暴露(即，在该表面上没有电池)，但是通过使用更规则形状的薄膜电池而得到的制造和设计效率可以抵销某些应用可获得的较低电池功率。图13 显示了包括在基底 1390 上的薄膜电池 1310、1315、1320、1325、1330、1335、1340、1345、以及1350的电池阵列1300。在这个实施方式中，薄电池1310、1315、1320、1325、1330、1335、1340、1345、以及1350是三角形形状，并且因此易于大量生产。另外，三角形薄膜电池可以被非常有效地布置，特别是基底1390的三角形表面。 有利地，以这种方式可以使各种独特形状的基底与一致尺寸和形状的电池相配合从而用大量生产的薄膜电池有效地利用可用表面区域。特别地考虑了具有非矩形顶透视形状的电池和基底两者，例如，而不限于，新月形、半圆形、三角形以及梯形。如图12和13中所表示的，电池形状和基底形状可以是相同或不同的。图14显示了包括在基底1490上的薄膜电池1410、1420、1430、1440以及1450的本发明的电池阵列1400的侧视图。电池1420具有与电池1410和1430相接触的单个表面1421。同样地，电池1430具有与电池1420和1440相接触的单个表面1431。这种安排提供了有效地使用某些设备构造中有价值的“空间(real estate)”，并且另外地提供电池之间有效连通的机会从而由于电池的接近使电池能够具体地串联地连接。在一个实施方式中，以所有阳极或所有阴极在阵列基底侧上将下排电池1410、1430以及1450定向，并且以下排的相对取向将上排电池1420和1440定向，由此将一排的阴极邻近另一排的阴极放置，或一排的阳极邻近另一排的阳极放置。如所示，电池阵列1400包括两层薄膜电池。特别地考虑了包括多于两层的阵列，例如3、4、5、6、7. . . 10层等的阵列，其中多个电池各自具有与多个电池层相接触的单个表面。图16显示了包括并联连接的薄膜电池1610、1620、1630、1640、1650以及1660的本发明电池阵列1600的侧视图。所述电池在电池的一个侧面上配备有阴极连接，以及在电池的另一个侧面上配备有阳极连接。如所示，将电池交错，使例如电池1630的阳极与电池1620和1640 二者的阳极相接触。电池1610、1630以及1650的阴极与导电基底1680相接触，并且电池1620、1640以及1660的阴极与导电基底1690进行电接触。通过电管路1692导电基底1680和1690与设备1695进行电接触。通过电触点1691将这些阳极电连接，并且依次地通过电管路1694与设备1695进行电接触。图17显示了包括在非导电基底1780和1790上串联连接的薄膜电池1710、1720、1730、1740、1750以及1760的本发明电池阵列1700的侧视图。在电池同一侧的交替末端上这些电池配备有阴极连接和阳极连接。如所示，将电池交错，使例如电池1730的阳极与电池1740的阳极相接触，并且使电池1730的阴极与电池1720的阳极相接触。电池1710的阴极与电触点1791相接触，它通过电管路1792依次地与设备1795进行电接触。电池1760的阳极与电触点1793相接触，它通过电管路1794依次地与设备1795进行电接触。图15显示了本发明电池1500的截面视图，其中提供了通过基底的至少一个通孔，以及通过绝缘层的至少一个另外通孔，从而提供电连接到电池上。具体地，电池1500包括配备有穿过其中的通孔1591和1592的基底1590。基底是作为电池构造载体的物理结构。在实施方式中，基底是通过各种加工操作转化成希望的微电子构型的基本工作件。在一些实施方式中，基底包括导电材料(例如铜、不锈钢、铝等)，绝缘材料(例如蓝宝石、陶瓷、或塑料/聚合物绝缘体等)，半导体材料(例如硅)，非半导体材料，或半导体和非半导体材料的组合。在一些其他实施方式中，基底包括分层结构，例如针对其热膨胀系数(CTE)更接近匹配邻近结构例如硅处理器芯片的CTE选择的材料(例如铁镍合金等)的芯层薄片或工件。在一些这样的实施方式中，将这样的基底芯层层压成针对电和/或热传导性选择的材料(例如铜、铝合金等)的薄层，它进而用针对电绝缘、稳定性、以及压花特性选择的塑料层来覆盖。在一些实施方式中，基底1590的厚度是大致从约500微米至约1000微米。在一个实施方式中，基底1590是具有约500至约650微米厚度的硅晶片。在另一个实施方式中， 基底1590包括具有约I至约30微米厚度的聚合物层(例如Kapton )。以任何适当的方式在基底1590中形成通孔1591和1592，例如通过刻蚀、掩膜以及其他光刻技术、例如用激光穿孔、等等。阴极材料1520 (例如锂钴氧化物、LiCoO2、锂锰氧化物、锂铁磷酸盐、锂钒氧化物、锂镍氧化物等等)定位在阴极集电体1510上。还可以使用混合的金属氧化物(例如，包括上述金属组合的那些)，例如锂镍钴氧化物，来制造阴极。在本发明的实施方式中，阴极材料1520具有约I至3微米的厚度。将阴极集电体1510暴露从而为通过通孔1591和1592电连接有待由电池1500供电的设备(例如，集成电路)以提供连通性。还提供了阳极集电体1530，并且它是由导电材料例如铜、铝、镍、铁、金、银、钼、钥、钛、锰、金属合金、导电陶瓷、导电半导体例如重度掺杂的多晶硅等制造的。在本发明的实施方式中，阳极集电体1530具有约O. I至I微米，或优选约O. 5微米的厚度。在最初制造期间可以可选地在电池中提供阳极(未显示)。在一个实施方式中，在电池组装之后通过电池的第一次充电来形成阳极。在一个优选的实施方式中，电池1500的至少一个元件是锂源，并且通过电池的第一次充电形成作为锂金属层的锂金属阳极。在本发明的实施方式中，将锂离子插入由对这类插层作用敏感的材料(例如石墨)制造的阳极结构中。电解质层1550将阴极材料1520与阳极集电体1530 (以及阳极，当存在时)分开。在本发明的实施方式中，电解质层1550具有约O. I至约10微米的厚度。在本发明的实施方式中，电解质层1550具有约I至约5微米的厚度。电解质层1550与阴极元件和阳极元件二者进行物理接触从而允许离子在其间移动。电解质不传导电子。电解质可以是液体。电解质还可以是离子可以通过的固体、半固体或多孔固体和液体的组合。在一些实施方式中，相对于用于在电池(battery)或电池(cell)中产生电流的一种或多种离子以及电极材料，电解质将基本上是化学惰性或无反应性的。电解质层1550可以由任何电解质材料制造，例如LiPON等，如果提供锂离子源以及锂离子终点，可以将它沉积成锂离子可以通过的玻璃薄膜或层。特别地考虑了电解质层1550可以共混地或在两个或更多个可区别的层中包括一种或多种电解质材料。在名称为 “THIN-FILM BATTERIESffITH SOFT AND HARD ELECTROLYTELAYERS AND METHOD”的美国专利申请11/458，091中说明了一个优选的多层电解质构造的实施例，出于所有目的，通过引用将其整体结合在此。提供了绝缘层1560用来保护和绝缘电池1500的导电元件。在本发明的实施方式中，绝缘层1560具有约I至约10微米的厚度。绝缘层1560是由电绝缘材料制造的，例如光致抗蚀剂(例如，Shipley 220光致抗蚀剂)；来自HDMicrosystems的各种聚酰亚胺，例如2720系列，该系列包括2727、2723、2729 ；2770系列，该系列包括2770以及2772 ;2730，它包括2731以及2737 ;PIX系列，该系列包括PIX-1400、PIX-3476、PIX-S200、PIX-6400 ;2500 系列，该系列包括 2525、2555、2575 以及 2556 ;以及各种其他聚合材料例如来自Dow Chemical Company的Cyclotene产品号3022_35、3022_46、3022-57以及3022-63 ;来自Dow Chemical Company的光可限定的硅酮例如WL-5351以及WL-3010 ;以及来自DymaxCorporation的UV可固化的环氧树脂例如9001,或类似物。在一 些实施方式中，绝缘层1560包括一种或多种材料例如氧化硅、LiPON、氧化铝、氮化硅、氮氧化硅、氮化硼、陶瓷、金属陶瓷，或其他金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物、金属氧硼化物和/或金属氧氮化物，其中所述金属是铝、铟、锡、铟-锡、锆、铌、钽或其他适合的金属，或其他适合的电绝缘体。由可以自调平以便有效地平坦化的材料制造的绝缘层是优选的。在一个优选的实施方式中，绝缘层是有机材料。以任何适当的方式在绝缘层1560中形成通孔1561和1562，例如通过刻蚀、掩模以及其他光刻技术、例如用激光穿孔，等等。将阳极集电体1530暴露从而为通过通孔1561和1562电连接到有待由电池1500供电的设备上(例如集成电路)以提供连通性。电池1500可以另外地包括一个或多个钝化层，可选地处于与绝缘层交替分层的构型。在美国专利公开号US 2009/0214899A1,以及美国专利号7，494，742中公开了具有交替的钝化层和绝缘层的电池，它们公开的内容通过引用结合在此。特别地考虑了除了其中将最下部的集电体暴露从而为通过基底中至少一个通孔电连接到有待由电池1500供电的设备上(例如集成电路)提供连通性之外，具有类似构造的电池。如在此所述的钝化层是由导电金属，例如由导电材料，例如铜、铝、镍、铁、金、银、钼、钥、锰、金属合金、导电陶瓷、导电半导体例如重度掺杂的多晶硅等制造的。在本发明的实施方式中，钝化层具有约0. 11至约5微米的厚度。钝化层可以用来提供电偶联到阳极集电体或阴极集电体上，当适当时，用来提供用于电连接到有待由电池1500供电的设备上的接触衬垫的远侧定位。电池1500优选地进一步配备有覆盖电池元件的封装材料(未显示)。封装是令人希望的用来保护电池材料避免暴露于水蒸气、氧气以及其他环境污染物。锂特别易于与其他元素和化合物反应。因为某些薄膜电池元件对于暴露于环境元素敏感，在生产电池之后应当使电池构造与外界隔离。最终的封装材料优选地是有机材料，例如硅酮、聚酰亚胺、环氧树脂或如上讨论的其他此类聚合物。在本发明的实施方式中，封装材料厚度是约8至10微米。在本发明的实施方式中，最终外层是厚度为约0. 5至I微米的氮化硅，它提供了另外的密封保护并且与集成电路包装材料相容。这个最终层在某种程度上还用作针对摩擦和操作损害的物理阻挡层。如所示，在基底1590和绝缘层1560中提供了多个通孔。在一个实施方式中，在基底1590和绝缘层1560之一和/或两者中提供仅一个通孔。在一个实施方式中，在基底1590和绝缘层1560之一和/或两者中提供两个或更多个通孔。在基底1590和绝缘层1560之一和/或两者中提供多个通孔是有利的，因为在这些通孔之一不令人满意的情况下，这提供了良好接触的保证。此外，在提供如图14中所示的电池构型中，在基底1590和绝缘层1560之一和/或两者中提供多个通孔是有利的。图18显示了本发明电池1800的截面视图，其中提供了通过基底的至少一个通孔以及通过绝缘层的至少一个另外通孔用来提供电连接到电池上。具体地，电池1800包括配备有穿过其中的通孔1891和1892的基底1890。基底是如上所述用作电池构造载体的物理结构。以任何适当的方式在基底1890中形成通孔1891和1892，例如通过刻蚀、掩模和其他光刻技术、例如用激光穿孔、等等。阴极材料1820 (例如锂钴氧化物、LiCoO2、锂锰氧化物、锂铁磷酸盐、锂钒氧化物、 锂镍氧化物、等等)定位在基底1890上。可选地，可以如上讨论提供单独的阴极集电体。还提供了阳极集电体1830，并且它是由导电材料例如铜、铝、镍、铁、金、银、钼、钥、钛、锰、金属合金、导电陶瓷、导电半导体例如重度掺杂的多晶硅，等等制造的。在本发明的实施方式中，阳极集电体1830具有约O. I至I微米，或优选约O. 5微米的厚度。在最初制造期间在电池中可以可选地提供阳极(未显示)。在一个实施方式中，在组装电池之后通过电池的第一次充电形成阳极。在一个优选的实施方式中，电池1800的至少一个元件是锂源，并且通过电池的第一次充电形成作为锂金属层的锂金属阳极。在本发明的实施方式中，将锂离子插入到由对此类插层作用敏感的材料(例如石墨)制备的阳极结构中。电解质层1850将阴极材料1820与阳极集电体1830 (以及阳极，当存在时)分隔开。在本发明的实施方式中，电解质层1850具有约O. I至约10微米的厚度。在本发明的实施方式中，电解质层1850具有约I至约5微米的厚度。电解质层1850与阴极元件和阳极元件二者进行物理接触从而允许离子在其间移动。如上讨论了电解质的多个具体方面。在一个优选实施方式中，电解质层1850可以由任何电解质材料，例如LiPON等制造，如果提供锂离子源以及锂离子终点，可以将它沉积成锂离子能够通过的玻璃薄膜或层。提供了一个第一绝缘钝化层1860用来保护和电绝缘电池1800的导电元件。一个第一导电钝化层1870覆盖第一绝缘钝化层1860，并且结合到位于电池1800的基本上周边上的基底1890上。已经发现导电钝化层，并且具体地由金属制造的导电钝化层能够提供优异的结合，特别是结合到硅晶片材料上。在这种构造中，将电解质层1850、阴极材料1820以及阳极集电体1830封装在第一导电钝化层1870与基底1890之间。以任何适当方式在第一钝化有机层1860中形成通孔1861和1862，例如通过刻蚀、掩膜和其他光刻技术、例如用激光钻孔、等等。因此，将阳极集电体1830电连接到第一导电钝化层1870上。提供了第二绝缘钝化层1880用来进一步保护和电绝缘电池1800的导电元件。第二导电钝化层1882覆盖第二绝缘钝化层1880并且结合到位于电池1800基本上周边上的第一导电钝化层1870上。由于第二导电钝化层1882与第一导电钝化层1870的这种结合，可以可选地在第二导电钝化层1882上的任何位置处实现将电池1800负电连接到有待供电的设备上。在一个优选实施方式中，可以形成单独的接触衬垫1884和/或1886使得在相应于电池主体的点处不能实现电连接(例如，通过焊料焊接)。如所示，可以在基底1890中形成的通孔1891和1892处实现将电池1800正电连接到有待供电的设备上。在本发明的实施方式中，第一和第二绝缘钝化层1860和1880独立地具有约I至约10微米的厚度。第一和第二绝缘钝化层1860和1880是由电绝缘材料独立地制造的，例如光致抗蚀剂(例如，Shipley 220光致抗蚀剂)；来自HD Microsystems的各种聚酰亚胺，例如2720系列，该系列包括2727、2723、2729 ；2770系列，该系列包括2770和2772 ;2730，它包括 2731 和 2737 ;PIX 系列，该系列包括 PIX-1400、PIX-3476、PIX-S200、PIX_6400 ；2500系列，该系列包括2525、2555、2575和2556 ;以及各种其他聚合材料例如来自Dow ChemicalCompany 的 Cyclotene 产品号 3022-35、3022-46、3022-57 以及 3022-63 ;来自 Dow ChemicalCompany的光可限定的娃丽例如WL-5351和WL-3010 ；以及来自DymaxCorporation的UV可固化的环氧树脂例如9001，等等。在一些实施方式中，第一和第二绝缘钝化层1860和1880包括一种或多种材料例如氧化硅、LiPON、氧化铝、氮化硅、氮氧化硅、氮化硼、陶瓷、金属陶瓷，或其他金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物、金属氧硼化物和/或金属氧氮化物，其中 所述金属是铝、铟、锡、铟-锡、锆、铌、钽或其他适合的金属，或其他适合的电绝缘体。由可以自调平以便有效地平面化的材料制造的绝缘钝化层是优选的。在一个优选实施方式中，绝缘钝化层是有机材料。如在此所述的导电钝化层是由导电金属，例如由导电材料例如铜、铝、镍、铁、金、银、钼、钥、锰、金属合金、导电陶瓷、导电半导体例如重度掺杂的多晶硅，等等独立地制造的。在本发明的实施方式中，钝化层具有约O. 11至约5微米的厚度。电池1800可选地进一步配备有覆盖电池元件的封装材料(未显示)。在实施方式中，封装是令人希望的用来保护电池材料避免暴露于水蒸气、氧气、以及其他环境污染物。锂尤其易于与其他元素和化合物反应。因为薄膜电池元件对于暴露于环境元素敏感，在生产电池之后应当使电池构造与外界隔离。最后的封装材料优选地是有机材料例如硅酮、聚酰亚胺、环氧树脂或如上所讨论的其他此类聚合物。在本发明的实施方式中，封装材料厚度是约8至10微米。在本发明的实施方式中，最终外层是厚度约O. 5至I微米的氮化硅，它提供了另外的密封保护并且与集成电路包装材料相容。该最终层在某种程度上还用作针对摩擦和操作损害的物理阻挡层。在本发明的一个实施方式中，配备有多个导电钝化层的电池1800不包括外部封装材料。这个实施方式通过具有最外面的导电钝化层提供了方便的电连通性并且另外地是足够环保的从而不需要另外的封装材料。如所示，在基底1890和绝缘钝化层1860中提供了多个通孔。在一个实施方式中，在基底1890和绝缘钝化层1860之一和/或两者中提供仅一个通孔。在一个实施方式中，在基底1890和绝缘钝化层1860之一和/或两者中提供了两个或更多个通孔。在基底1890和绝缘钝化层1860之一和/或两者中提供多个通孔是有利的，因为在这些通孔之一不令人满意的情况下，这提供了良好接触的保证。此外，在提供如图14中所示的电池构型中，在基底1890和绝缘钝化层1860之一和/或两者中提供多个通孔是有利的。应当理解的是在本发明的一个方面中，以分层方式将电池构造成“底部朝上”的构造，由此按以下顺序提供基底阴极集电体、阴极、固体电解质、阳极(在如上讨论的构造阶段期间它是可选的)、阳极集电体，以及一种或多种封装剂材料。可选地，能够以并排或其他构型来提供阴极和阳极。可替代地，能够以与上述讨论相反的顺序来构建电池，使得阳极集电体定位在基底附近电池的底部上。在其中当充电时形成阳极的实施方式中这种构型是较少受欢迎的，因为在某些实施方式中这种阳极形 成将需要移动电池的大部分层以便适应阳极的形成。可替代地，如本领域技术人员现在可以容易地想见的，这些层可以分别形成并且通过层压法结合。在一个替代实施方式中，在无阴极的情况下可以最初制备电池。在这种实施方式中，通过类似于上述在充电过程期间形成阳极的方式通过将电池充电来形成阴极。更具体地，通过小心地选择电解质和阴极集电体的材料,可以通过将电池充电来形成阳极。例如，当电解质是LiPON并且阴极集电体是银时，已经报道了金属银被氧化从而形成银阳离子，所述银阳离子扩散到LiPON电解质中并且替换可移动的锂阳离子，该锂阳离子迁移从而形成金属锂阳极。参见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类似于图2和3中所示表面600的外表面，以及具有在此所述的电池构型的节省空间优点的单电池。然而，这样的定制制造将可能是成本过高的，并且例如，相对于设备700的结构可应用的节省空间的优点，将不可能应用到具有不同形状的其他设备上。然而，在根据本发明的电池构型中，不需要定制制造，并且节省空间可以有利地在具有许多不同形状和电力要求的设备中实现。特别地，使用不同数量的电池以及不同基本电池形状可以实现堆叠构型。在本发明的一个实施方式中，在包括多个电池的薄片中制造电池，并且使用单一化(singulation)技术,例如切割、冲压、激光切割等以希望的二维形状从薄片中分离单独的电池。可替代地，能够以希望的顶部平面视图二维形状单独地制造电池，而不需要通过载体基底将电池物理分离。薄膜电池的堆叠阵列提供了将空间的有效使用最大化以及与不规则形状相适应的优点。在本发明的一个实施方式中，在电池箱中提供堆叠阵列，所述电池箱是电池的保护容器。在本发明的另一个实施方式中，提供了包括处于电池箱中的堆叠阵列的电子设备。在另一个实施方式中，提供了中间电池元件，所述中间电池元件是堆叠阵列与另一种功能元件例如集成电路的组合，所述集成电路优选与电池结合使用用来在电子设备中实现功能。在另一个实施方式中，提供了包括中间电池元件的电子设备，所述中间电池元件是堆叠阵列与另一种功能元件例如集成电路的组合，所述集成电路优选与电池结合使用用来在电子设备中实现功能。在此引用的所有专利，专利申请(包括临时申请)，以及公布都通过引用结合在此，就像出于所有目的个别地结合一样。想要通过本文件说明的本发明的许多特征和优点已在前面说明中提出。然而，应当理解的是虽然已经说明了本发明的具体形式或实施方式，但可以做出多种改变，包括对形状，以及部分安排等的改变，而不偏离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种电连接在一起的多个薄膜电池的堆叠阵列，其中所述堆叠阵列处于交错构型。
2.如权利要求I所述的堆叠阵列，其中所述堆叠阵列的一个侧面上的侧边缘的最外点限定一个边界线，并且其中所述边界线选择处于基本上直线形式或其中所述边界线不是直线。
3.如权利要求I所述的堆叠阵列，处于一个电池箱中，其中所述堆叠阵列与所述电池箱内部至少两个邻近的内表面相适应。
4.一种中间电池元件，包括如权利要求3所述的处于电池箱中的堆叠阵列，并且优选包括集成电路。
5.—种电子设备,包括如权利要求3或4所述的处于电池箱中的堆叠阵列。
6.如权利要求I所述的堆叠阵列，其中所述堆叠阵列限定选自金字塔形、截棱锥、圆锥形、截锥形、菱形、球形和截球形、椭球形和截椭球形，或倾斜形的三维体积，所述倾斜形优选斜圆柱或斜六面体。
7.一种使用多个薄膜电池将电力提供至电子设备的方法，包括 以交错构型堆叠多个薄膜电池从而形成一个堆叠阵列； 将所述堆叠阵列放置在一种电子设备或其元件中，使得所述堆叠阵列的一个侧面上的侧边缘的最外点总体上与所述电子设备或其元件的内表面相适应；以及 在将所述堆叠阵列放置在电子设备或其元件中之前或之后，电连接所述多个薄膜电池。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述内表面是平面或是曲面。
9.一种电连接在一起的多个薄膜电池的成形阵列，由此将多个电池以单层方式彼此邻近地安排在通常处于所述基底表面形状的非矩形基底上，优选其中安排所述电池使得不多于约20%的基底表面暴露，并且更优选其中安排所述电池使得不多于约10%的基底表面暴露。
10.如权利要求9所述的成形阵列，其中所述电池具有一致的尺寸和形状，优选其中所述电池处于选自矩形或三角形的形状。
11.如权利要求9所述的成形阵列，其中所述基底表面处于选自三角形、圆形的形状，或其中所述基底表面包括环形孔。
12.如权利要求I所述的堆叠阵列，其中所述堆叠阵列包括具有与多个电池相接触的一个单一表面的至少一个电池。
13.一种薄膜电池，包括 a)具有一个第一表面的基底； b)在所述基底的第一表面上的一个第一集电体； c)一个第二集电体，其中所述第一和第二集电体中的一个是阳极集电体，而另一个是阴极集电体； d)一个电解质层，所述电解质将所述阴极集电体与所述阳极集电体分开； f) 一个绝缘层，所述绝缘层与所述电解质层一起将所述阳极集电体与所述阴极集电体分开; 其中将所述第一集电体暴露从而为通过所述基底中至少一个通孔电连接到有待通过所述电池供电的设备上以提供连通性，以及其中将所述第二集电体暴露从而为通过所述绝缘层中的至少一个通孔电连接到有待通过所述电池供电的设备上以提供连通性。
14.如权利要求13所述的薄膜电池，其中所述基底和所述绝缘层之一和/或二者包含两个或更多个通孔。
全文摘要
公开了电连接在一起的多个薄膜电池的堆叠阵列。所述堆叠阵列处于交错构型。所述堆叠阵列的一个侧面上的侧边缘的最外点优选地总体上与电子设备或其元件的内表面相适应从而有利地节省了在所述设备中的空间。在一个实施方式中，所述堆叠阵列包括具有与多个电池相接触的一个单一表面的至少一个电池。在另一实施方式中，提供了电连接在一起的多个薄膜电池的成形阵列，由此将多个电池以单层方式彼此邻近地安排在通常处于基底表面形状的非矩形基底上。此外，公开了一种薄膜电池，其中提供了通过基底的至少一个通孔，以及通过绝缘层的至少一个另外通孔，从而提供电连接到电池上。
文档编号H01M10/04GK102823021SQ201180011427
公开日2012年12月12日 申请日期2011年1月26日 优先权日2010年1月26日
发明者史蒂文·C·格雷迪, 杰弗里·S·萨瑟, 布莱尔·A·威尔逊 申请人:Cymbet公司