MEMS阳极电池的制作方法

mems阳极电池
1.相关申请的交叉引用
2.本美国非临时专利申请要求2018年12月20日提交的美国临时申请序列号62782367的优先权。该在先申请通过引用全文纳入本文。
3.关于联邦资助研究的说明
4.无。
5.关于缩微胶片附录的声明
6.无。


背景技术：

7.本发明涉及电池技术。
8.在目前可用的电源中，用户不得不在功率和能量之间做出选择。对于需要大量功率的应用，如远距离广播无线电信号，电容器可以非常迅速地释放能量，但只能存储少量能量。对于需要大量能量的应用，如长时间播放收音机，燃料电池和电池可以容纳大量能量，但释放或充电缓慢。
9.锂离子电池(简称lib)是便携式电子设备中常见的电池，具有能量密度高、记忆效应小、自放电低等优点。现在普遍存在的锂离子电池是可充电的，是锂离子在放电时从负极移动到正极而充电时又返回的电池。与非充电锂电池中使用的金属锂相比，锂离子电池使用插层锂化合物作为一种电极材料。lib在军事、电池电动汽车和航空航天应用中也越来越受欢迎。
10.商业上最流行的lib负极是石墨。正极一般是以下三种材料之一：层状氧化物(如锂钴氧化物)、聚阴离子(如磷酸铁锂)或尖晶石(如锂锰氧化物)。最近，石墨烯基电极(基于石墨烯的二维和三维结构)也被用作锂电池的电极。电解质通常是有机碳酸酯的混合物，例如碳酸乙烯酯或碳酸二乙酯，其含有锂离子的配合物。近年来，由于硅具有较大的理论比容量，人们开始研究硅作为负极材料，但是硅具有一些不理想的机械性能。
11.化学、性能、成本和安全特性因lib类型而异。便携式电子设备大多使用基于锂钴氧化物的lib，其提供高能量密度，但是存在安全风险，特别是在损坏时。
12.事实上，锂离子电池可能成为安全隐患，因为它们含有可燃的电解质，并且可能持续被加压。纯锂具有很高的反应性，与水剧烈反应形成氢氧化锂(lioh)和氢气。因此，通常使用非水电介质，并且用密封容器将水分严格地排出在电池组外。若lib充电过快、被压坏、或者其承受的电力负荷超过了其安全承受能力，则外部短路可能会触发电池爆炸或引发火灾。
13.最后，lib比nicd电池更昂贵，但是能在更宽的温度范围内工作，能量密度更高。它们需要保护电路来限制峰值电压。
14.因此，商用锂离子电池(lib)存在许多安全性、成本和可靠性问题。石墨阳极lib受到过充电、过热和短路的困扰。硅基阳极lib在充放电过程中会发生较大的体积变化，导致硅的最终破坏和之后的副反应。


技术实现要素：

15.本技术公开了一种高性能、改进的电池，特别是用于重量较为重要的那些应用。该电池具有出色的性能，具有存储容量更大、充电时间更短、安全性能更好、体积更小等优点。
16.本发明的一个目的是提供一种相对于锂离子电池具有改进的性能的小形状因子电池的结构。
17.本发明的另一个目的是提供一种相对于锂离子电池具有更高的安全属性的小形状因子电池的结构。
18.本发明的另一个目的是提供一种相对于锂离子电池具有改进的再充电性能的小形状因子电池的结构。
19.本发明的另一个目的是提供一种相对于锂离子电池更便宜、更小且更轻的小形状因子电池的结构。
20.本发明的另一个目的是提供一种相对于锂离子电池具有更高的电压放电平台容量的小形状因子电池的结构。
21.本发明的另一个目的是提供一种相对于锂离子电池更加环境友好的小形状因子电池的结构。
22.本发明的另一个目的是提供一种相对于锂离子电池具有优异的循环稳定性且因此具有更长的寿命的小形状因子电池的结构。
23.本文描述的结构中，用钛基材料取代石墨或石墨烯。特别地，用氧化钛(tio2)代替碳。tio2本身具有比石墨更高的锂嵌入电位，并且不产生氢气，从而规避了上述问题。基于mems的制造技术对阳极形态造成影响。
24.本文提出的结构用钛基材料代替石墨阳极。钛基阳极lib可以规避上述安全性和可靠性问题，但具有相对较低的比能量容量和相对较低的电导率。钛合金，特别是氧化物tio2，例如，本身具有比石墨更高的锂嵌入电位、以及一系列其他理想的性能属性。
25.该结构的重点是lib阳极，因为它在很大程度上控制能量和功率密度，并且对热稳定性起到重要贡献。考虑到tio2中的大部分锂离子都是在表面10nm范围内检测到的，而较大的充电/放电容量是由表面几纳米范围内的锂离子驱动的，因此增大阳极表面积会对能量密度产生显著影响。
26.为了利用高表面积阳极以及钛的安全性和可靠性的优点，本文描述的结构使用mems制造技术，以提供三维(3d)表面积轮廓，这在本文中称为“突起特征”，其突出于或高出于周围表面。3d钛mems突起特征可以是纳米结构的柱的形式，提供与平面阳极相比150量级的表面积增加。这反过来提供更多的靠近表面的锂离子嵌入位点，减少内阻并增加能量和功率密度。
27.本文描述的结构还通过添加集成导电性网络来解决钛基阳极中常见的电阻问题。低电阻率金属涂层共形地设置在3d阳极表面上方。
28.因此，电池使用微加工的电极或端子。电极或端子可以包含钛，并且可以具有远超过标准电极形态的微粗糙度。由于这种粗糙度，端子的表面积比标准端子或电极大得多。ti阳极在li离子嵌入/脱嵌过程中可以体现出较小的体积变化(<4％)。ti阳极还可以具有优异的结构和化学稳定性。
29.以往，与ti阳极相关的另一个问题是电导率低。通过在ti基高表面积轮廓的顶部
上方沉积高导电性金属薄层，可以解决这一缺点。高导电性金属层可以增强tio2材料原本相当差的电导率。
30.之后可以用另一个ti基膜覆盖该金属层，其在纳米尺度上被粗糙化。在微粗糙化过程中，该tio2的外层可能具有小尺度的形貌，这可以将表面积增加到平面石墨阳极上所能达到的表面积的150倍左右。通过这种方式，提供高导电性金网络(即低电阻率/高电导率金属的薄层)，其与nst柱集成在一起，以支持li
+
离子运输，降低电子(e
‑
)路径的电阻。这实现了更高嵌入率的阳极。因此，该结构还通过添加集成导电性网络来解决钛基阳极中常见的电阻问题。这两个特征可以用于显著提高功率密度。
31.因此，本文描述了一种电池，其可以包括：金属阳极，其包含多个微加工的突起特征，其中，微加工的突起特征的纵横比即高度/直径可以为至少1，间距可以为1～50微米。电池还可以包括：第二金属的金属涂层，其与金属阳极和微加工的突起特征共形；以及金属涂层上方的金属氧化物层；其中，金属氧化物层具有至少1nm rms的微加工的粗糙度。在一些实施方式中，金属阳极可以是钛金属阳极，金属氧化物可以是tio2。
32.附图简要说明
33.参照以下附图描述各种示例性细节，其中：
34.图1所示为当下的锂离子电池；
35.图2所示为微加工的timems基阳极；
36.图3通过柱和nst的扫描电子显微镜图像说明了微加工的timems基阳极的概念；
37.图4所示为timems电池结构的简化图；
38.图5所示为封装的timems电池的简化图；
39.图6所示为商用石墨阳极lib与商用钛基阳极lib的充电和放电曲线；
40.图7说明了timems电池结构的安全性优势；
41.图8说明了timems电池结构的性能优势；
42.图9所示为timems基阳极电池与soa微电池的比较；
43.图10说明了timems电池结构的形状因子和重量优势；
44.图11所示为耦合到titgp上的本发明的liti；
45.图12所示为描述timems基阳极电池的估计性能与所需性能相比较的表；
46.图13所示为钛基热底板的示例性实施方式，其包含具有芯吸结构的钛基材、背板和蒸汽腔；
47.图14所示为早期具有芯吸结构的钛基材的示例性实施方式：(a)芯吸结构包含柱，(b)芯吸结构包含通道或凹槽；
48.图15所示为具有与芯吸结构和蒸汽腔连通的中间基材的金属基热底板的示例性实施方式。中间层可以包含微结构。(a)所示为一个实施方式的构件的剖视图，(b)所示为一个实施方式的结构构件的分解视图；
49.图16所示为示例性实施方式的结构构件，其中不同的结构构件位于蒸发器区域、绝热区域和冷凝器区域中：(a)所示为一个实施方式的蒸发器区域，其中中间基材包含与芯吸结构交错的多个微结构；(b)所示为一个实施方式的绝热区域，其中中间基材位于与芯吸非常接近的位置；(c)所示为一个实施方式的冷凝器区域，其中芯吸结构与蒸汽腔直接连通；(d)所示为中间基材的一个实施方式的细节；
50.图17所示为一个实施方式的结构构件的剖视图的示例性实施方式，其中该结构为非润湿(即干燥)以及被液体润湿：(a)蒸发器区域中的非润湿结构构件，(b)蒸发器区域中的润湿结构构件，(c)绝热区域中的非润湿结构构件，(d)绝热区域中的润湿结构构件，(e)冷凝器区域中的非润湿结构构件，(f)冷凝器区域中的润湿结构构件；
51.图18所示为作为热底板的示例性实施方式的、作为轴向位置的函数的压力分布。曲线显示了蒸汽腔中气相的压力和芯吸结构中液相的压力。在这种情况下，液相和气相之间的最大压力差出现在蒸发器区域中。气相和液相之间的最小压力差出现在冷凝器区域中；
52.图19所示为在q＝10、20和30w的热负荷下作为热底板的示例性实施方式的、作为轴向位置的函数的温度分布。在该实施方式中，蒸发器位于中心，并且每一侧上有绝热和冷凝器区域；
53.图20比较了不同蒸汽温度下钛基热底板的最大热传递。该比较是在早期钛热底板与使用中间基材的本热底板的示例性实施方式之间进行的比较；
54.图21所示为一个或多个实施方式的本ti基tgp(金属基热底板)的一个或多个实施方式的形成流程图的示例性实施方式；
55.图22所示为本ti基tgp的一个或多个实施方式的形成流程图的示例性实施方式；
56.图23所示为与中间基材连通的芯吸结构的示例性实施方式。有效纵横比定义为有效通道高度h相对于有效通道宽度w的比：(a)所示为示例性实施方式，其中中间基材中的微结构与芯吸结构交错，(b)所示为替代性实施方式，其中中间基材中的微结构位于芯吸结构上方；
57.图24所示为热底板的第一实施方式的简化剖视图，其具有多个热底板，适合用在电池应用中。
58.应理解，附图不一定是按比例的，并且类似的数字可以指代类似的特征。
具体实施方式
59.在下面对优选实施方式的描述中，参考构成其一部分的附图，其中以图示的方式示出了能够实施本发明的具体实施方式。应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用其他实施方式，并且可以进行结构的改变。
60.图1所示为当下的锂离子电池。锂离子电池中的电化学反应中的反应物是负电极10、正电极30、以及为锂离子在电极之间移动提供导电性介质的电解质20。当电子在放电或充电过程中流经外部电路时，电能分别从电池流出或流入电池。两个电极10、30分别允许锂离子通过被称为嵌入(插层)或脱出(脱层)的过程进入以及离开它们的结构。
61.在放电过程中，正锂离子从负极10(阳极)(先前的石墨)通过电解质移动到正极30(阴极)并形成锂化合物。因此，电子以相同方向流过外部电路40。当电池充电时，锂离子会发生相反的情况，电子会以较高的净能量状态回到负极。所述锂化合物例如可以是二氧化锰锂(limno2)或二氧化钴锂(licoo2)。
62.在锂离子电池中，通过氧化过渡金属，例如钴(co)或锰(mn)，从而将锂离子传递至正电极30或负电极10或从其传递出来。总反应具有限度。在锂离子电池充电过程中，锂离子从阴极迁移而嵌入到阳极中。当石墨阳极填充有锂时，电压下降，并且可能进入不安全的电
压范围内。这就是所谓的过充电。过充电可能导致锂在阳极表面上沉积而导致短路，或导致固体电解质中间相(sei)击穿而导致过热。
63.锂离子电池可能成为安全隐患，因为它们含有可燃的电解质，并且可能持续被加压。纯锂具有很高的反应性，与水剧烈反应形成氢氧化锂(lioh)和氢气。因此，通常使用非水电介质，并且用密封容器将水分严格地排出在电池组外。若lib充电过快、被压坏、或者其承受的电力负荷超过了其安全承受能力，则外部短路可能会触发电池爆炸或引发火灾。
64.商业上最流行的负极是石墨。但是，石墨容易受过过充电的影响。此外，阳极表面上的锂沉积(导致短路)或固体电解质中间相(sei)击穿(导致过热)由电压过低引起。因此，石墨阳极是与lib相关的许多危险的来源。
65.本文描述的结构中，钛基材料取代有石墨或石墨烯。特别地，用氧化钛(tio2)代替碳。tio2本身就具有比石墨更高的锂嵌入电位，并且不产生氢气，从而规避了上述问题。基于mems的制造技术对阳极形态造成影响。
66.本文描述了一种电池，其可以包括：金属阳极，其包含多个微加工的突起特征，其中，微加工的突起特征的纵横比为约10，间距为约10微米；高电导率金属涂层，其与金属阳极和微加工的突起特征共形；以及高电导率金属涂层上方的金属氧化物层；其中，金属氧化物具有纳米尺度上的粗糙度。在一些实施方式中，金属阳极可以是钛金属阳极，金属氧化物可以是tio2。然而，该实施方式仅是示例性的，并且应理解，可以为此目的使用多种金属，包括铝(al)、铜(cu)和不锈钢。外部微粗糙化的氧化物涂层可以是与金属阳极相同金属的氧化物，或者可以是不同的化合物。“高电导率”金属涂层应理解为指电阻率(电导率的倒数)小于1.0欧姆
‑
米的金属涂层。本文所用术语“微加工的微粗糙度”是指产生在金属氧化物层上的粗糙度，其尺度为约0.1至约1000nm。通常，术语“微米”与“μm”互换使用，是指10
‑6米的量纲。术语“纳米”与“nm”是指10
‑9米的量纲。因此，“纳米结构”可以具有小于1000nm或1微米量级的特征尺寸。
67.在以下讨论中，钛基电池可以被称为“mems ti电池”或“3d mems电池”或“tili”电池。这些术语应理解为同义词，并且指的是下面描述的新型电池结构，其使用具有导电性金属底层和ti氧化物外层的钛基阳极，该ti氧化物外层在表面上具有微粗糙度以增加表面积。术语“ti基阳极”应理解为指一种阳极，其包含大量钛、或与其他元素合金化的钛。ti合金可以包括铝、钒、碳、氮、氧、氢、铁或镱。该列举仅是示例性的，不旨在穷尽列举所有钛合金选择。
68.如上文所述，能量密度可以通过大的活性表面积来提高，其能实现所有阳极材料的有效使用。为了获得更高的阳极表面积，可以用涂布有金和纳米结构二氧化钛(nst)的三维ti微柱结构代替当前lib技术中典型的平面阳极结构。微柱是使用下面描述的光刻技术容易建立的形状。但是，该形状仅是示例性的，许多其他形状也可以用于增加表面积。这些突起的形状可以更一般地称为“突起特征”。
69.在松下e640系统上，利用半导体光刻技术(suss ma
‑
6)与等离子体干法刻蚀方法，可以由整块钛箔形成微柱结构。该方法仅是示例性的，并且可以存在用于赋予形貌的其他方法，例如，通过掩模的深度反应离子蚀刻。对于直径为1μm、高度为10μm、间隔为2μm的给定柱结构，阳极表面积可以增加4.5倍。但是，更一般地，微柱的直径可以小于10微米，高度可以为至少10微米。因此，特征的纵横比(高度相对于直径)可以是至少1，更优选至少10。应理
解，突起特征的该(至少为1的)纵横比不同于如下文中特别是参照图16所讨论的、通过将中间结构固定在金属背板中而形成在芯吸机构中的通道的“有效纵横比”。如果微粗糙度特征不具有规则形状，例如柱状或立柱状，则纵横比可以参照特征(均值或平均数或均方根)高度相对于特征(均值或平均数或均方根)直径来定义。特征之间的“间距”可以理解为特征的中心到中心的间隔。微粗糙度特征不具有规则的间隔(例如可通过掩模以光刻方式形成)，间距可以参照特征(均值或平均数或均方根)间距来定义。下面关于钛热模块或钛热底板(titgp)进一步讨论用于形成微柱的技术的详细描述。
70.可以通过物理气相沉积(temescal电子束)在每个柱上沉积第二金属(例如金(au))的薄层，例如，形成导电性网络而帮助电子传递。在金层上沉积(temescal电子束)另一薄层tio2，其用于使nst生长。加热的过氧化氢与tio2发生反应，在tio2中形成复杂的纳米结构，即形成纳米结构钛(nst)。因为nst起到增加界面电化学反应和通过电极
‑
电解质界面的离子通量的作用，促进电荷传递效率并提高容量，因此可以优化该过程以使nst的表面积最大化。
71.nst促进锂离子的运输和储存，而金层为它们的电子对应物创造易于移动的条件。锂在电极中的存储受到低电导率的负面影响，由于这种电阻的存在，来自锂离子的一些电子无法传递至外部电路。因此，电池的功率很大程度上取决于内阻，因为它们是反向相关的。与nst紧密相邻的金层为电子提供通道，克服了钛的低电导率。
72.以往，与ti阳极相关的一些问题是比容量(电荷/质量)低。石墨的比容量为372mah/g。碳纳米纤维(cnf)为450mah/g；而tio2只有330mah/g。但是，通过增加ti基阳极的表面积，可以大大改善这种性能属性。可以使用mems技术通过微加工数千个突起特征(这里是用纳米结构二氧化钛制成的3d微柱)来显著增加表面积。其通过促进界面电化学反应和更高的li离子通过tio2阳极与阴极之间的电极
‑
电解质界面
‑
阳极的通量来提高li
+
离子的电荷传递效率。纳米结构的柱的形式的3d钛mems可以提供与平面阳极相比150量级的表面积增加。这反过来带来更多的靠近表面的锂离子嵌入位点，减少内阻并增加能量和功率密度。
73.图2所示为根据上面简要描述的系统和方法的微加工的timems基阳极。如图2所示，ti材料1500的表面被微机械加工，从而具有多个突起特征1100。这些特征可以是相对于ti材料1500的另一个表面突起的隆起，即这些突起特征可以“高出”于邻近的表面。在一个实施方式中，突起特征是具有大致圆形横截面并相对于下表面突起的柱阵列。可以通过蚀刻钛来形成柱1100，使用掩模以保护与柱相对应的区域免受蚀刻剂的影响。
74.该过程可以留下相对于周围材料高出的突起特征，周围材料在该过程中被蚀刻。柱的直径可以是约1
‑
8微米，更优选约5微米，并且可以相对于剩余表面高出10
‑
50微米，更优选20微米。柱之间可以有约10微米的间距。因此，突起特征的纵横比(高度相对于直径)可以是至少约1，更优选约10。下面关于钛热模块或钛热底板(titgp)进一步讨论用于形成微柱的技术的详细描述。
75.柱1100可以被高导电性材料层1200覆盖。在一些实施方式中，该材料可以是金。但是也可以使用其他导电性材料，例如银、铜、铂或铝。例如，该共形导电性涂层1200可以通过溅射或气相沉积来进行沉积。所需要的材料厚度只要保证足够好的电导率即可。在一些实施方式中，5
‑
10微米对于层1200而言是足够厚的。
76.导电层1200最终可以被另一层可氧化金属、例如钛ti覆盖。可以将钛氧化，形成纳米结构二氧化钛(nst)，1300，其形成稳定的超亲水性表面。在一些实施方式中，已经发现具有集成的纳米结构二氧化钛(nst)的钛(ti)基材适合用于tili电池中。
77.金属，例如但不限于钛、铝、铜或不锈钢，可以以控制在约1
‑
1000微米范围内的特征尺寸(深度、宽度和间隔)进行微加工，以设计阳极表面的形貌。在一些实施方式中，受控的特征尺寸(深度、宽度和间隔)可以在10
‑
500微米范围内，从而设计阳极表面的形貌而获得最佳性能并适合于特定应用。
78.在一些实施方式中，可以将钛氧化，从而形成纳米结构二氧化钛(nst)，1300，其可以提供微粗糙表面，从而显著增加可用于锂离子嵌入的表面积。nst可以由标称粗糙度为200纳米(nm)的毛发状图案构成。在一些实施方式中，nst的标准粗糙度可以是1
‑
1000nm。
79.最后，导电层1200与集电器1400电连通，其从每个被导体覆盖的1200突起特征1100收集电流。这些特征1100、1200、1300和1500一同被包含在微加工钛阳极1000中。
80.图3通过柱和nst的扫描电子显微镜图像说明微加工的timems基阳极1000的概念。sem图像显示了表面从蚀刻的突起特征1100起的阶段性粗糙化，其具有之后被氧化形成tio2的ti共形涂层，并且具有nst微粗糙度1300。附图显示特征尺寸从5微米直径的突起特征到约200nm的nst粗糙度。整个钛阳极结构1000的厚度可能只有50μm。
81.可以通过氧化在钛中形成纳米结构二氧化钛(nst)而建立nst，其粗糙度尺寸小，因此可以大大增加表面积。在一些实施方式中，nst可以由标称粗糙度为200纳米(nm)的毛发状图案构成。在一些实施方式中，nst的标准粗糙度可以是1
‑
1000nm。下面关于钛热模块或钛热底板(titgp)进一步讨论用于建立nst的技术的详细描述。
82.图4所示为封闭钛阳极1000的微机械加工表面的timems电池结构的简化图。除了钛阳极1000的微机械加工表面以外，还可以有电解质2100、分隔件2200和层状锂
‑
过渡金属氧化物材料2300。层状阴极结构可以包含li2mno
3+
/limno2薄层。或者可使用limo2材料(m＝mn、fe和co)。集电器2400可以设置在层状锂结构后面，其收集来自阴极的电流。电解质例如可以是碳酸亚乙酯和碳酸二乙酯50/50混合物中的1m lipf6。
83.在其他实施方式中，电解质可以是固体电解质。固体电解质在室温下传导锂离子，其有望取代易燃且有毒的传统有机电解质。具有高锂离子电导率的硫化物化合物并不常见，因此，固体电解质基锂离子电池的发展一直受到材料难以生产且缺乏普适性的困扰。然而，本先进的材料正被用来开发生产硫化物材料的方法，其形式可以允许它们用于锂离子电池。例如，可以使用固体电解质材料(锂锡磷硫(li
10
snp2s))以及各种氧化物和非氧化物固体电解质材料组合物(如硫化物基的那些)，以及聚合物
‑
陶瓷复合电解质和peo基聚合物固体电解质。
84.因此，图4所示为钛mems基阳极lib组件。钛mems基阳极1000与电解质2100、分隔件2200、li2mno3‑
limo2层状结构2300和阴极2400一起使用，总厚度为300μm。由于非常薄的形状因子，一个10mm厚的电池可以包括多达33个这样的电池单元，其堆叠在一个封装内。钛阳极1000的形貌可以如先前关于图2和图3所讨论的那样。
85.图5所示为封装的timems电池的简化图，其显示了电池封装内具有阳极和阴极的电池单元的电池组件。注意，电池没有按比例绘制，而是为了查看组件将其放大。
86.封装方法可以依赖钛紧固技术。特别地，可以用钛激光微焊接封装工艺来封装组
件，其可以实现组件的气密密封(氦气泄漏率为10
‑
10
atm.cc/秒)。该方法可以应用于封装形状复杂的封装封体。所产生的封装足够薄，具有共形性和挠性，能够实现各种新型引用。
87.这种钛的微激光焊接可以实现复杂表面和形状的气密密封，同时电馈通提供通过封装的电通路。采用薄箔(50μm)时，预计封装电池的热阻最小，而且尽管钛的热导率仅为22w/m
·
k，循环过程中产生的热量也很容易散发。下面关于钛热模块(ttm)或钛热底板(titgp)进一步讨论用于激光微焊接的技术的详细描述。
88.图6所示为商用石墨阳极lib与钛基阳极tili的充电和放电曲线。图6表明钛基阳极本身就能避免不安全的电压，即使在滥用条件下也是如此。
89.在锂离子电池充电过程中，锂离子从阴极迁移而嵌入到阳极中。当石墨阳极填充有锂时，电压下降，并且可能进入不安全的电压范围内。这被称为过充电，其可能导致锂在阳极表面上沉积而导致短路，或导致固体电解质中间相(sei)击穿而导致过热。因此，在sei、其下面的阳极、沉积的锂以及电解质之间存在放热反应，其可能会导致发热和热不稳定性。
90.但是，钛基阳极本来就具有比石墨更高的锂嵌入电位(见图6)。当电压下降且钛基阳极充满电时，其不会像石墨那样达到不安全电压区。因此，从滥用或过充电到过热或短路的恶化得以避免，热稳定性得以建立。
91.图7说明了timems电池结构的安全性优势。图7显示了发生热失控的温度，其导致灾难性的自加速降解。图7展示了电池安全性的实质性改进。如图7所示，失效温度在300摄氏度范围内，远高于与其竞争的锂基电池技术。
92.图8说明了timems电池结构的性能优势。tili可能优于市场上现有的其他电池技术。钛阳极本身就具有防止老化和容量衰减/第一次循环容量损失的保护作用，而这些现象在硅和石墨阳极中是常见的。钛mems基阳极利用钛上的低固体电解质界面膜来提供可靠的电池性能。如图8所示，容量衰减在500次循环后仅为2％，而在1000次循环后仅为5％。这代表比与其竞争的技术提高了7倍。
93.图9所示为本发明提出的timems基阳极电池与soa微电池的比较。所谓的soa电池是锂基电池，其中石墨阳极被硅基阳极取代。晶体硅阳极的理论比容量为4200mah/g，是石墨阳极(372mah/g)的十倍以上。在完全锂化的状态下，每个硅原子可以结合4.4个锂原子(li
4.4
si)，而相比之下，在完全锂化的石墨中，每6个碳原子结合一个锂原子(lic6)。但是，硅原子之间的晶格距离随着其容纳锂离子(锂化)而倍增，达到原始体积的320％。因此，材料断裂是这种设计的一个严重问题。尽管如此，如图9所示，tili电池在各项性能上均优于硅基微电池。
94.图10说明了timems电池结构的形状因子和重量优势。由于其形状因子非常薄(300
‑
400微米)，ti基电池可能相对具有挠性。在更大的尺度下，我们的钛mems阳极能够与不同的复杂形貌共形，这为我们的电池应用提供灵活性。因此，tili电池的制造可以匹配相对复杂的形状。
95.图11以表格的形式总结了timems电池结构的性能优势。图11中的表格包括额外的性能指标，例如能量体积密度、封装厚度和单位重量能量。在每一个指标中，tili电池都满足或超过了要求。
96.最后，tili电池可能能够在恶劣条件下工作，例如
‑
45℃以及高海拔。这种结构大
大提高了安全性和可靠性。即使在大量的充电/放电循环之后，它也能够保持其工作电压。它具有很高的能量密度和工作电流。而且，当耦合到钛热模块上以冷却设备时，其性能可能甚至更好，这在下面将进一步描述。
97.众所周知，电池性能可能会在高工作温度下恶化。事实上，过高的温度是上述lib的主要失效模式。散热方法可以提高电池寿命和性能。
98.图12显示本发明的tili电池可以耦合到散热器/放热器上。这种散热器/放热器的一种便利的结构是两相热底板，例如在2017年5月9日提交的共同待审的美国专利申请序列号15/590621中所描述的，其通过引用纳入本文。使用图12所示的结构预计可以使发热最小化，尽管钛的热导率仅为22w/m
·
k，循环过程中产生的热量也很容易从tili电池中消散。本公开的其余部分将着眼于图12
‑
24所示的热模块的描述和制造。
99.在一个实施方式中，tili与钛基热底板、两相冷却装置耦合。两相冷却装置是一类能够以非常高的效率传递热量的装置，其可以包括：热管、热底板、蒸汽腔和热虹吸等。图13所示为一种示例性的钛基热模块或热底板。
100.在一些实施方式中，本技术提供包括至少三个基材的两相冷却装置。在一些实施方式中，一个或多个基材由微加工的金属形成，例如但不限于钛、铝、铜或不锈钢。在一些实施方式中，基材可以形成为适合在电子设备中使用的热底板结构。在一些实施方式中，两相装置可以包含预定量的至少一种合适的工作流体，其中工作流体通过在液体和蒸汽之间改变相来吸收或排出热量。
101.在一些实施方式中，本技术可以提供一种两相冷却装置，包括：金属，例如但不限于钛、铝、铜或不锈钢；基材，其包含形成芯吸结构的多个蚀刻的微结构，其中一个或多个微结构的高度为约1
‑
1000微米，宽度为约1
‑
1000微米，间隔为约1
‑
1000微米之间。在一些实施方式中，蒸汽腔可以与多个金属微结构连通。在一些实施方式中，至少一个中间基材可以与芯吸结构和蒸汽区域连通。在一些实施方式中，芯吸结构和蒸汽腔内可以含有流体，其用于将热能从热底板的一个区域传递到热底板的另一个区域，其中流体可以由芯吸结构内的毛细管力驱动。
102.在一些实施方式中，冷却装置可以被构造为在芯吸结构中具有高毛细管力，以支持液相和气相之间的大压力差，同时使芯吸结构中流动的液体的粘性损失最小化。在一些实施方式中，冷却装置可以是热底板，其可以被制得非常薄，并且可以传递比早期tgp所能实现的更多的热能。在一些实施方式中，不同的结构构件可以位于蒸发器区域、绝热区域和冷凝器区域中。在一些实施方式中，蒸发器区域可以含有中间基材，其包含多个微结构，当与芯吸结构配合时，其形成高有效纵横比结构。在一些实施方式中，中间基材特征与芯吸结构特征交错，以增加芯吸结构的有效纵横比。换而言之，中间基材结构特征可以与芯吸结构特征相配合，或共形地与其相匹配，形成具有高有效纵横比的流体通道，从而增强毛细管作用。在一些实施方式中，绝热区域可以含有非常靠近芯吸结构的中间基材，以将蒸汽腔中的蒸汽与芯吸结构中的液体分离。在一些实施方式中，冷凝器区域可以含有具有大开口(与微结构相比)的中间基材，使得芯吸结构与蒸汽腔直接连通。在一些实施方式中，冷凝器区域可能不含有使得芯吸结构与蒸汽腔直接连通的中间基材。
103.微加工基材可以用来制造更坚固、抗冲击的两相冷却装置，其形式可以是热底板(tgp)。尽管对于这些基材可以使用各种材料，如所纳入的参考文献中所述，但是现已发现
金属适用于tgp，例如但不限于钛、铝、铜或不锈钢基材。
104.金属的选择可以取决于各种应用和成本考虑。金属各有各的优点。例如，铜是所有金属中热导率最高的。对于高热导率重要且重量可能也重要的应用而言，铝可以是有利的。不锈钢在某些恶劣环境下可能具有优势。
105.钛有很多优点。例如，钛具有高断裂韧性，可以进行微加工和微机械加工，可以耐高温，可以抵抗恶劣环境，可以具有生物相容性。此外，钛基热底板可以做得重量轻，相对较薄，并且具有较高的热传递性能。钛可以进行脉冲激光焊接。由于钛具有高断裂韧性，因此可以将其形成为薄的基材，以抵抗裂纹和缺陷的扩展。钛的热膨胀系数相对较低，为约8.6
×
10
‑6/k。低的热膨胀系数加上薄的基材，可以帮助大大降低由热失配所引起的应力。可以将钛氧化，形成纳米结构二氧化钛(nst)，其形成稳定的超亲水性表面。在一些实施方式中，已经发现具有集成的纳米结构二氧化钛(nst)的钛(ti)基材适用于tgp。
106.金属，例如但不限于钛、铝、铜或不锈钢，可以以控制在约1
‑
1000微米范围内的特征尺寸(深度、宽度和间隔)进行微加工，从而设计芯吸结构和中间基材而获得最佳性能并适合于特定应用。在一些实施方式中，受控的特征尺寸(深度、宽度和间隔)可以在10
‑
500微米范围内，从而设计芯吸结构而获得最佳性能并适合于特定应用。
107.在一些实施方式中，可以将钛氧化而形成纳米结构二氧化钛(nst)，其可以提供超亲水性表面，从而增加毛细管力并增强热传递。在一些实施方式中，nst可以由标称粗糙度为200纳米(nm)的毛发状图案构成。在一些实施方式中，nst的标准粗糙度可以是1
‑
1000nm。
108.在一些实施方式中，可以将铝氧化而形成亲水性纳米结构，以提供超亲水性涂层。在一些实施方式中，可以使用烧结的纳米颗粒和/或微粒以提供超亲水性表面，从而增加毛细管力并增强热传递。
109.在一些实施方式中，可以将钛涂布在另一种类型的基材上以形成钛膜。可以将钛膜氧化，形成纳米结构二氧化钛(nst)，从而提供超亲水性表面。
110.钛这种材料可以使用洁净室加工技术进行微加工，在机械车间中进行宏机械加工，使用脉冲激光微焊接技术进行密封封装。当热底板作为结构材料仅由钛或二氧化钛构成时，各种构件可以当场进行激光焊接而不会引入污染物，而污染物可能会产生不可冷凝的气体，导致性能不良，并且可能导致失效。此外，钛和二氧化钛已被证明与水相容，这有助于延长寿命以及使不可冷凝的气体的生成最小化。因此，可以通过激光焊接将钛基材连接到钛背板上，以形成气密密封的蒸汽腔。
111.金属可以结合起来形成气密密封。在一些实施方式中，可以用脉冲激光将钛基材微焊接在一起，以形成气密密封。在其他实施方式中，可以使用各种技术将铜、铝和不锈钢基材焊接，例如但不限于焊合(soldering)、钎焊(brazing)、真空钎焊、tig、mig和许多其他众所周知的焊接技术。
112.本技术描述了金属基热底板(tgp)的制备。在不丧失一般性的情况下，本技术公开了热底板实施方式，其可以由三个或更多个金属基材构成。这些热底板或热模块的实施方式中任何一个都可以与上述tili电池结合使用。
113.一个实施方式可以包含三个基材(其中一个或多个可以用金属来构造，例如但不限于钛、铝、铜或不锈钢)以形成热底板。在一些实施方式中，钛基材可以用于形成热底板。在一些实施方式中，一个基材支持集成的超亲水性芯吸结构220，第二个基材由深蚀刻(或
宏机械加工)的蒸汽腔构成，第三个中间基材110可以由微结构112构成并与芯吸结构220和蒸汽腔300连通。可以将基材激光微焊接在一起以形成热底板。
114.工作流体可以根据所需的性能特性、工作温度、材料相容性或其他所需特性来选择。在一些实施方式中，在不丧失一般性的情况下，水可以用作工作流体。在一些实施方式中，在不丧失一般性的情况下，氦、氮、氨、高温有机物、汞、丙酮、甲醇、乙醇、庚烷、戊烷、钾、钠、锂或其他材料可以用作工作流体。
115.本tgp可以提供相较于早期钛基热底板的显著改进。例如，本发明可以提供明显更高的热传递、更薄的热底板、更不易受重力影响的热底板以及许多其他优点。
116.芯吸结构可以由多个柱、通道、凹槽、沟槽或其他几何结构形成。例如，图14(a)显示了早期tgp，其中钛芯吸结构22由柱24构成。图14(b)显示了早期tgp，其中钛芯吸结构22’由钛基材21上的通道或凹槽28构成。
117.图15显示了具有与芯吸结构220和蒸汽腔300连通的中间基材110的新型金属基热底板的一个实施方式。中间层可以包含微结构112。图15(a)所示为一个实施方式的构件的剖视图，而图15(b)所示为一个实施方式的结构构件的分解视图。金属基材210可以结合到金属背板120上，以形成气密密封的蒸汽腔300。因此，蒸汽腔300可以被金属基材210和金属背板120封闭。例如，在一个实施方式中，钛基材可以被脉冲激光微焊接到钛背板120上，以形成气密密封的蒸汽腔。
118.在一些实施方式中，可以使用多个中间基材110，其中至少一个不同的中间基材110可以用于热底板的各个不同区域。多个中间基材110可以彼此非常接近，从而共同对热底板的功能提供总体益处。
119.在一些实施方式中，中间基材110可以含有由多个微结构112构成的区域，其特征尺寸(深度、宽度和间隔)为1
‑
1000微米。在一些实施方式中，中间基材110可以含有由多个微结构112构成的区域，其尺寸(深度、宽度和间隔)为10
‑
500微米。
120.至少一个中间基材110可以含有由多个微结构112构成的区域、由固体基材构成的区域、由至少一个中间基材110中的至少一个开口构成的区域(其与微结构112相比较大，并且开口尺寸例如可以是1毫米
‑
100毫米、或1毫米
‑
1000毫米)。
121.在一些实施方式中，可以简单地通过不在热底板选定区域中提供中间基材110来实现中间基材110中在那些区域的开口。热能可以由热源250提供并由散热器260除去。热能可以从金属基材210的一个区域(蒸发器区域)传递到金属基材210的另一个区域(冷凝器区域)。在蒸发器区域中，局部温度高于液体/蒸汽混合物的饱和温度，使得液体140蒸发为蒸汽，从而利用汽化潜热来吸收热能。
122.驻留在蒸汽腔300中的蒸汽可以从蒸发器区域通过绝热区域流向冷凝器区域。散热器260可以从冷凝器区域中吸收热量，使得局部温度低于液体/蒸汽混合物的饱和温度，使得蒸汽冷凝成液相，从而利用汽化潜热来释放热能。
123.冷凝液体140可以主要驻留在芯吸结构220中，并且可以由毛细管力的作用从冷凝器区域通过绝热区域流到蒸发器区域。
124.作为结果，对于高性能热管可能有利的是：(1)流过芯吸结构220的液体140表现出最小的粘性损失，以及(2)在蒸发器区域中表现出最大的毛细管力。在许多实际的热底板实施方式中，很难同时实现最小的粘性损失和最大的毛细管力。引入具有在三个区域中的每
一个中适当配置的多个微结构112的中间基材110，可以提供一种方法，其中，与在内部的大部分上具有或多或少相同结构的早期tgp相比，热底板可以在一些区域中减少粘性损失，而在其他区域中表现出增加的毛细管力。
125.在一些实施方式中，支持柱(支座)用于对背板120与芯吸结构220和/或中间基材110之间的间隔进行机械支持。在一些实施方式中，支持柱(支座)为蒸汽腔300提供受控的间隔。支持柱(支座)可以使用化学湿法蚀刻技术或其他制造技术(如上所述)进行微加工。因此，背板可以包括与中间基材和/或金属基材连通的支座，用于在结构上支持热底板。
126.图16所示为一个实施方式的结构构件，其中不同的结构构件位于蒸发器区域、绝热区域和冷凝器区域中：(a)所示为一个实施方式的蒸发器区域，其中中间基材110包含多个微结构112，其位置能增加芯吸结构220的有效纵横比。来自中间基材110的指状物(微结构112)与芯吸结构220中的通道交错，由此产生与没有中间基材110的芯吸结构220的较低纵横比特征相比两倍数量的较高的有效纵横比特征。图16(b)所示为一个实施方式的绝热区域，其中中间基材110与芯吸结构220非常接近，并且(c)所示为一个实施方式的冷凝器区域，其中芯吸结构220与蒸汽腔300直接连通。(d)所示为作为整体的中间基材110。
127.因此，热底板可以具有蒸发器区域、绝热区域和冷凝器区域。中间基材反过来可以在不同区域中具有不同的形貌，特别是在蒸发器区域中相对于绝热区域具有不同的形貌。
128.图16(a)描述了一个实施方式，其中中间基材110包含与金属基材210的芯吸结构220交错的多个微结构112。通过使中间区域的微结构112与金属基材210的芯吸结构220交错，可以显著增加固体和液体之间的界面。这可以增加施加在液体上的毛细管力，也可以增加从金属固体传递到液体的热量。
129.图16(b)所示为一个实施方式的绝热区域，其中中间基材110与芯吸结构220非常接近。固体中间基材110可以用于将蒸汽腔300与芯吸结构220隔离。通过将蒸汽腔300与芯吸结构220隔离，可以增加固
‑
液界面面积，并且液体可以基本上充满芯吸结构220而没有占据通道的弯月面，其可以为液体提供更高的质量流率和更小的粘性压降，而相比之下，在早期tgp中，芯吸结构220中的液体可能直接暴露在蒸汽腔300中的蒸汽中，液体/蒸汽界面处有弯月面。
130.图16(c)所示为一个实施方式的冷凝器区域，其中芯吸结构220与蒸汽腔300直接连通。当芯吸结构220与蒸汽腔300直接连通时，蒸汽可以更容易地在芯吸结构220上冷凝。此外，在诸如冷凝器等区域中，在液相和气相之间可能没有显著的压力差，并且中间基材110可能不会提供显著的优点。
131.但是，在其他实施方式中，如果冷凝器区域相对较大，并且在液相和气相之间存在显著的压力差，则中间基材110也可以在冷凝器区域中提供优点。
132.图16(d)所示为如上所述的中间基材110的示例性实施方式。中间基材110的蒸发器区域包括穿过每个端部而得到支持的楔形指状物行，使得当组装tgp时，指状物与基材芯吸微结构112交错，如图4(a)所示，其中交错结构暴露于蒸汽腔300。中间基材110的绝热区域是覆盖芯吸微结构112的一部分的覆盖层，如图4(b)所示。在一些实施方式中，冷凝器区域可能不需要中间基材110组件，如图4(c)所示。
133.纵横比通常定义为结构的一个主要尺寸相对于另一个主要尺寸的比。对于热管应用中使用的柱、通道、沟槽、凹槽或其他特征，有效纵横比可以指由流体、例如流过芯吸结构
220的液体140所占据的区域的高度与宽度间的比。在一些实施方式中，中间基材110可以包括一个与芯吸结构220结合的部分(如图16(a)的示例所示)，与仅由芯吸结构220提供的有效纵横比相比，其提供明显更高的有效纵横比。换而言之，中间基材110可以具有带多个突起的区域，其共形地匹配在芯吸结构220中，以形成狭窄的流体通道，流体通过由毛细管力驱动从其中通过。突起的形状可以匹配到芯吸结构220中的特征中，如图16(a)所示。
134.对于一些理想的微加工工艺，例如湿化学蚀刻，可能难以在芯吸结构220中实现高纵横比。使两个结构交错可以在芯吸结构中实现比使用单个湿法蚀刻结构所能实现的更高的有效纵横比。中间基材110可以包括另一个部分(如图16(b)的示例所示)，其基本上是芯吸结构220上的帽，用于使粘性损失最小化，将液体与其上方非常接近的蒸汽隔离开来，并且提高流量。第三个部分(如图16(c)的示例所示)，其中中间基材110包含比所述微结构112更大的开口，以促进芯吸结构220与蒸汽区域之间的直接连通，并且促进冷凝。因此，中间基材的开口可以比所述微结构大得多，因此芯吸结构和蒸汽腔可以在热底板的至少一个区域中直接连通。
135.因此，中间基材110的添加使得可以在冷却装置的三个工作区域中的每一个中优化芯吸结构220，并且是以一种可以与微机械加工工艺(例如湿法蚀刻技术)和组装技术兼容的方式。
136.在不丧失一般性的情况下，芯吸结构220可以通过干法蚀刻、湿化学蚀刻、其它形式的微机械加工、宏机械加工、用切割锯切割、以及许多其它类型的工艺来形成。在一些实施方式中，干法蚀刻可以提供高纵横比通道，其中通道的深度与宽度相当，或者甚至更大。但是，与湿法蚀刻工艺相比，干法蚀刻可能局限于较小的区域，可能不适合于大规模制造。基于掩模的湿法蚀刻可能是理想的，因为其可以适用于相对较大的蚀刻区域，可以具有成本效益，并且可以与大批量制造兼容。在一些实施方式中，基于光刻的方法可以用于干法或湿法蚀刻。
137.在一些实施方式中，芯吸结构220可以通过标准湿化学蚀刻技术形成。在一些实施方式中，湿化学蚀刻可以限制纵横比，其为芯吸通道深度与芯吸通道宽度的比。在使用湿法蚀刻的一些实施方式中，芯吸通道宽度可以比芯吸通道蚀刻深度宽至少2至2.5倍。在一些实施方式中，其中芯吸通道宽度比芯吸通道蚀刻深度宽至少2至2.5倍，对于低纵横比芯吸通道而言可能存在显著的缺点。
138.气相和液相之间的压力可以用拉普拉斯压力来描述，p＝p
v
‑
p
l
＝2γ/r，其中p
v
是蒸汽压，p
l
是液体压，γ是表面张力，r是表面的曲率半径。通过减小曲率半径r可以获得液相与气相间较高的压力差。
139.通常，通过具有表现出低接触角的材料表面以及通过形成几何尺寸相对较小的几何形状，可以实现较小的曲率半径。在许多实施方式中，对于流过芯吸结构220的液体而言，具有低粘性损失可能是理想的。芯吸结构220中的小几何尺寸可以显著增加流过芯吸结构220的液体的粘性损失。因此，在一些实施方式中，可能难以实现低粘性损失，以及具有可以支持气相和液相之间的较高压力差的具有小曲率半径的弯月面。本技术公开了一种方法，其中一些实施方式可以被构造为使毛细管力最大化，支持例如在蒸发器区域中的液相和气相之间的较大压力差。本技术公开了一种方法，其中一些实施方式可以被构造成通过在不同区域中使用不同的结构而使芯吸结构220中流过的液体的粘性损失最小化。
140.图17所示为一个实施方式的结构构件的剖视图的示例性实施方式，其中该结构不被润湿(即干燥)以及被液体润湿：(a)蒸发器区域中的非润湿结构构件，(b)蒸发器区域中的润湿结构构件，(c)绝热区域中的非润湿结构构件，(d)绝热区域中的润湿结构构件，(e)冷凝器区域中的非润湿结构构件，(f)冷凝器区域中的润湿结构构件。
141.图17(a)所示为示例性实施方式的剖视图，其中中间基材110包含与金属基材210的芯吸结构220交错的多个微结构112。
142.图17(b)所示为示例性实施方式的剖视图，其中中间基材110包含与金属基材210的芯吸结构220交错的多个微结构112，并且其中微结构112和芯吸结构220被液体140润湿。
143.通过使中间基材110的微结构112与金属基材210的芯吸结构220交错，可以显著增加固体和液体140之间的界面面积。这可以增加施加在液体140上的毛细管力，也可以增加从金属固体传递到液体140的热量。
144.图17(b)显示了液体
‑
蒸汽界面处的弯月面180。在一些实施方式中，在中间基材110中含有的多个微结构112与芯吸结构220之间可以形成有间隙，其基本小于芯吸结构220的深度。在一些实施方式中，与通过对单个金属基材210进行湿法蚀刻而形成芯吸结构220的一些实施方式(这是常见的，如图16(c)所示)相比，中间基材110中所含的多个微结构112与芯吸结构220之间的相对较小的间隙可以有效地提供更高纵横比的芯吸通道。
145.在一些实施方式中，钛可以用作基材材料。钛的热导率约为k
ti
＝20w/(m
·
k)，液态水的热导率约为k
w
＝0.6w/(m
·
k)。由于钛的热导率比液态水大约高出30倍，所以中间基材110可以提供额外的热传递路径，这可以降低热底板的外表面与位于芯吸结构220中的液体140之间的热阻。此外，中间基材110内所含的微结构112可以增加固体
‑
液体界面面积，这可以减小热阻并增加钛固体和液体140之间可能发生的临界热流密度。
146.在一些实施方式中，芯吸结构220和中间基材110的组合可以有效增加芯吸结构220中通道的有效纵横比。在液相和气相之间非常大的压力差下，弯月面180可以被向下推，而不会湿润芯吸结构220的顶部。然而，在一些实施方式中，可以选择通过使中间基材110的微结构112与芯吸结构220交错而形成的复合芯吸结构220的形状，使得在弯月面180上的大压力差下，芯吸结构220仅发生部分干燥(或至少可以基本上延迟干燥)(以使tgp继续工作)，而热底板不会经历灾难性的干燥。
147.在以往的两相热传递装置中，由于液相转化为气相时的蒸发和/或沸腾，可能会发生不稳定性。这些不稳定性可以导致芯吸结构220发生局部干燥，可能降低热底板的性能。在一些本实施方式中，这些不稳定性可以被显著降低。例如，在一些实施方式中，可以选择通过使中间基材110的微结构112与芯吸结构220交错而形成的芯吸结构220的形状，使得对于芯吸结构220中流动的液体可以产生实质性的粘性阻力。这种粘性阻力可以是有利的，因为它可以增加蒸发器中可能发生的蒸发和/或沸腾过程的稳定性。
148.图17(c)所示为示例性实施方式的绝热区域的剖视图，其中中间基材110与芯吸结构220非常接近。在一些实施方式中，中间基材110可以直接置于芯吸结构220的上方。在一些实施方式中，中间基材110可以包含微结构112。在一些实施方式中，固体中间基材110可以用于将蒸汽腔300与芯吸结构220隔离。通过将蒸汽腔300与芯吸结构220隔离，可以增加固体
‑
液体界面面积，并且液体140可以基本充满芯吸结构220，这与早期芯吸结构220相比可以提供更高的液体质量流率和更小的粘性压降。
149.图17(d)所示为示例性实施方式的绝热区域的剖视图，其中中间基材110与芯吸非常接近，并且液体140在芯吸结构220中被润湿。固体中间基材110可以用于将蒸汽腔300与芯吸结构220隔离。通过将蒸汽腔300与芯吸结构220隔离，可以增加固体
‑
液体界面面积，并且液体140可以基本充满芯吸结构220，这与早期芯吸结构220相比可以提供更高的液体质量流率和更小的粘性压降。
150.在一些实施方式中，在需要高性能热能传递的情况下，降低绝热区域中液体的粘性损失可能是重要的。在一些实施方式中，中间基材110可以用于将蒸汽腔300与芯吸结构220中的液体140隔离。在一些实施方式中，在蒸汽与芯吸结构220中的液体之间存在较大压力差的情况下，可以通过固体中间基材110将蒸汽腔300与芯吸结构220中的液体隔离，这可以防止高压力差对芯吸结构220中的流动液体产生负面影响。
151.在早期tgp中，湿法蚀刻的芯吸通道可能具有较低的纵横比(即通道高度与通道宽度之间较低的比例)。在一些实施方式中，若气相和液相之间存在较大压力差，则液相可能不会完全充满芯吸通道，流过芯吸结构220的液体140可能受到负面影响，并且可能导致芯吸通道的干燥。在本公开的一些实施方式中，中间基材110可以用于将蒸汽腔300与芯吸结构220中所含的液体140隔离，并且可以延迟或甚至防止芯吸结构220的干燥。
152.图17(e)所示为示例性实施方式的冷凝器区域的剖视图，其中芯吸结构220与蒸汽腔300直接连通。当芯吸结构220与蒸汽腔300直接连通时，蒸汽可以更容易地在芯吸结构220上冷凝。此外，在诸如冷凝器等区域中，在液相和气相之间可能没有显著的压力差，并且中间基材110可能不会提供显著的优点。但是，对于冷凝器区域较大的情况，液相和气相之间可能存在显著的压力差，因此，可以想象至少一个具有微结构112的中间基材110会对冷凝器区域有利，其作用是增加芯吸结构220的有效纵横比，从而缩短弯月面180的长度并因此增加弯月面180可以支持的压力量，如上文对于蒸发区域所描述的那样。
153.图17(f)所示为示例性实施方式的冷凝器区域的剖视图，其中芯吸结构220与蒸汽腔300直接连通，其中芯吸结构220被液体140润湿。在一些实施方式中，蒸汽腔300和芯吸结构220中的液体140之间可能没有显著的压力差，并且中间基材110可能不会提供显著的优点。但是，对于冷凝器区域较大的情况，液相和气相之间可能存在显著的压力差，因此，可以想象微结构112会对冷凝器区域有利，其作用是增加芯吸结构220的有效纵横比并增加弯月面180可以支持的压力量，如上文对于蒸发区域所描述的那样。
154.图18所示为作为热底板的示例性实施方式的、作为轴向位置的函数的压力分布。曲线显示了蒸汽腔300中气相的压力和芯吸结构220中液相的压力。在示例性实施方式中，液相和气相之间的最大压力差可以出现在蒸发器区域中。在示例性实施方式中，气相和液相之间的最小压力差可以出现在冷凝器区域中。
155.芯吸结构220可以由通道、柱或其他结构构成。若这些结构是通过湿法蚀刻或其他制造工艺而形成的，则它们可以由纵横比低的特征构成。早期芯吸结构220可以由低有效纵横比的通道或柱构成，并且不包括中间结构。在这些早期的有效纵横比低的芯吸结构220中，液相和气相之间的较大压力差可能导致两相之间的弯月面180向通道底部延伸，从而减少占据通道的液体140的量并显著减少液体的质量流率。这反过来可能导致较差的热传递性能和芯吸结构220发生干燥的可能性。
156.如图18所示，最高蒸汽压通常发生在蒸发器区域，由于粘性损失，蒸汽压随着tgp
传递的热量而增加。此外，使热底板的总厚度尽可能薄可能是理想的，这可以通过使蒸汽腔300相对较薄来实现。相对较薄的蒸汽腔300可以导致蒸汽腔300中从蒸发器通过绝热区域流向冷凝器的蒸汽的大量粘性损失。蒸汽腔300中流动的蒸汽的高粘性损失也可以导致蒸发器中的液相与气相之间产生较大压力差。如上所述，增加芯吸结构220的有效纵横比的中间基材110结构具有减小液体/蒸汽界面的弯月面180长度的效果，使得芯吸结构220的这一部分中的曲率半径更小，从而使得弯月面180更能抵抗高弯月面180的压力(图17(b))，并且使得tgp能够支持比先前实施方式高得多的压力。因此，至少一个中间基材的至少一个区域可以具有多个微结构，其与芯吸结构的至少一个区域交错，以在热底板的至少一个区域中形成高纵横比的芯吸结构。此外，至少一个中间基材可以与芯吸结构非常接近，从而在热底板的至少一个区域中隔离液相和气相。
157.支持液相和气相之间更高的压力差使得能够传递更多的热而不导致芯吸结构220干燥，并且使tgp更能抵抗由更薄的设计而导致的粘性损失。因此，添加中间基材110可以同时实现更高的热传递和更薄的底板。
158.在一些实施方式中，热底板可以充满特定质量的饱和液体/蒸汽混合物，从而使冷凝器中蒸汽和液相之间的压力差得以很好控制。在一些实施方式中，可以选择液体/蒸汽混合物的质量，使得冷凝器区域的一部分可以含有压力高于相邻蒸汽的液体。
159.图19所示为在q＝10、20和30w的导热速率下作为热底板的示例性实施方式的、作为轴向位置的函数的温度分布。在该示例性实施方式中，蒸发器位于中心，并且每一侧上有绝热和冷凝器区域。结果展示了具有中间基材110的钛热底板的实施方式的实用性。
160.图20比较了不同蒸汽温度下钛基热底板的最大热传导。该比较是在早期的钛热底板与使用中间基材110的本热底板的示例性实施方式之间进行的比较。
161.一种尺寸与图19所测试的实施方式相似的早期的钛热底板可能仅能够在芯吸结构220在30℃的工作蒸汽温度下表现出干燥之前传递约10w的热能，而与此相对，对于使用中间基材110的本热底板的示例性实施方式而言，则为30w。类似地，随着蒸汽温度的增加，对于工作蒸汽温度为50℃和70℃的本热底板的示例性实施方式而言，所传递的最大热能分别增加至35w和40w。在所有情况下，本热底板的示例性实施方式传递的最大热能比从早期热底板所观察到的多15
‑
20w。
162.图21所示为本发明的一个或多个实施方式的本ti基tgp的一个或多个实施方式的形成流程图。在一些实施方式中，在步骤s100中，可以通过(1)在热底板的金属基材中形成多个金属微结构以形成芯吸结构，从而传递热能。在步骤s110中，可以形成蒸汽腔。在步骤s120中，在与芯吸结构和蒸汽腔连通的中间基材中形成至少一个结构和/或至少一个微结构，其中中间基材的形状和位置能在芯吸结构的至少一个区域中增加芯吸结构的有效纵横比。在步骤s130中，热底板内可以含有流体。在步骤s140中，可以通过由毛细管力驱动的流体运动将热能从金属基材的至少一个区域传递到金属基材的至少另一个区域，该毛细管力由多个微结构产生。
163.图22所示为本发明的一个或多个实施方式的本ti基tgp的一个或多个实施方式的形成流程图。在一些实施方式中，金属基热底板可以通过以下工艺形成。在步骤s200中，形成第一基材。在步骤s210中，形成第二基材。在步骤s220中，形成至少一个中间基材。在步骤s230中，将基材附着。在步骤s240中，形成热底板。
164.图23所示为与中间基材110连通的芯吸结构220的示例性实施方式。有效纵横比定义为有效通道高度h相对于有效通道宽度w的比：(a)所示为示例性实施方式，其中中间基材110中的微结构112与芯吸结构220交错，(b)所示为替代性实施方式，其中中间基材110中的微结构112位于芯吸结构220上方。
165.图23所示的示例性实施方式可以提供高于没有中间基材110的芯吸结构220可能获得的有效纵横比。例如，若芯吸结构220通过湿法蚀刻或其他各向同性蚀刻工艺形成，则纵横比h/w可以小于一，或者基本上小于一。使用中间基材110，可以实现芯吸结构220与中间基材110之间的流体通道的更高的有效纵横比。例如，在一些实施方式中，h/w>1，其中h是流体通道的有效高度(或深度)，而w是宽度。
166.图23(b)所示为一个替代性实施方式，当相对较低的粘性损失更理想时，其可能具有优点。
167.图14所示为示例性实施方式的剖视图，其中蒸汽腔可以包含一个或多个凹陷区域540、542和544。蒸汽腔中蒸汽的粘性流动可以通过泊肃叶流动来描述，在给定压降、密度和粘度的情况下，蒸汽的质量流率与蒸汽腔高度的立方～h3成正比。对于非常薄的蒸汽腔，粘性损失可能是巨大的，并且限制热底板的整体性能。在一些实施方式中，蒸汽腔300可以被构成为具有一个或多个凹陷区域540，从而在热底板的选定区域中增加蒸汽腔的有效高度h。由于蒸汽的质量流率可以随h3而变化，对于给定的压降，在选定区域中增加蒸汽腔的高度可以显著增加蒸汽通过该腔的质量流率。
168.在一些实施方式中，可以使一个或多个凹陷区域544形成在金属基材中并使其邻近芯吸结构。在一些实施方式中，一个或多个凹陷区域540和542可以形成在背板530中。在一些实施方式中，一个或多个凹陷区域可以形成在金属基材与背板的组合中。在一些实施方式中，凹陷区域可以被构造成与其他凹陷区域连通，以使蒸汽腔中的粘性损失最小化。在一些实施方式中，凹陷区域540可以与凹陷区域544对齐，使得该区域中蒸汽腔的总深度通过凹陷区域540和凹陷区域544的组合而增加。蒸汽质量流率可以随着蒸汽腔高度的立方～h3而变化。因此，凹陷区域540和凹陷区域544的组合对于减少粘性损失可以具有非线性效果，并且因此增加总质量流率。
169.图14所示的titgp可以与电池的至少一个结构元件热连通。这些结构元件是为便携式设备提供其大部分强度和刚度的构件，并且可以形成设备的骨架，并且可以至少包括中间框架550和芯吸表面560。titgp的表面也可以是结构元件，包括背板120和金属基材210。这些结构元件通常是金属，并且可以包括例如底板120、中间框架550和金属基材210。更优选地，titgp包含钛，其通过激光焊接将背面密封。结果，耦合到电池的该结构元件的表面可以是基本等温的，其温度梯度小于约10℃。这可以提供有效的散热并优化电池性能和寿命。
170.现在将讨论转向用于便携式应用的titcp的制造。芯吸结构和热模块500、600和700的外壳可以通过用金属材料冲压成形而制成。更小的微结构可以通过微冲压制成。替代地，轮廓和空腔可以通过化学蚀刻来制造，例如使用氢氟酸(hf)和硝酸(hno3)。本领域中已知，可以通过涂层或掩蔽层来保护钛材料的部分免受蚀刻剂的影响。然后可以蚀刻所有暴露的表面，以形成凹槽、空腔和更小的结构。
171.可以使用例如2015年6月24日提交的14/749439(代理案号pimems
‑
charge)中描述
的方法提供具有一定量工作流体的titgp，其通过引用纳入本文。工作流体例如可以是水，并且用于将工作流体封闭在蒸汽腔中的密封方法可以是激光焊接。
172.因此，本文公开了一种包含金属阳极的电池，其具有多个微加工的突起特征。该微加工的突起特征的纵横比高度/直径可以是至少1，间距可以是1
‑
50微米。可以将低电阻率金属涂层设置在金属阳极上，其与金属阳极和微加工的突起特征共形。之后，可以将第二金属的金属氧化物层设置在金属涂层上，其中第二金属的金属氧化物层的微加工的微粗糙度可以是至少1nm rms。微加工的突起特征可以包含柱、支柱、沟槽、通道和四面体突起中至少一种。在一些实施方式中，突起特征可以包含直径为0.5
‑
10微米的柱，其中柱相对于剩余表面高出10
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50微米，使得柱的纵横比为至少1。在其他实施方式中，突起特征可以包含高度为1
‑
2μm的柱，中心到中心间距为1.5
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2.5μm，使得阳极表面积增加至少2倍。在其它实施方式中，柱的直径可以是5微米，相对于剩余表面高出20微米，其纵横比为至少10。突起特征可以在金属阳极的表面上方以规则间隔的阵列出现。
173.金属阳极可以包含钛，金属氧化物涂层可以是tio2。金属涂层可以包含金、银、铂、铜和铝中的至少一种，其电阻率小于1欧姆
‑
米。在其它实施方式中，可以使用钛合金，使得氧化物层可以包含钛金属合金的氧化物。金属氧化物层的微粗糙度为约1
‑
1000nm rms。在一些实施方式中，金属氧化物层的微粗糙度可以是约200nm rms。
174.电池还可以包括阴极、阴极与阳极之间的电解质，其中，阴极包含层状锂过渡金属化合物。阴极可以包含锂，并且电池可以进一步包括电解质和位于金属阳极和锂基阴极之间的分隔件，其中分隔件设置在电解质内，并且其中金属阳极包含钛。可以将这些组件都设置在包含钛的封装结构内。这种封装结构可以是气密密封的。
175.电池的总厚度可以是至少0.2mm。电池的横向尺寸可以小于约10mm。电池的比能量密度可以是至少约600w
‑
hr/kg。阳极、阴极和电解质可以密封在钛壳体中。电池的厚度可以小于0.5mm，使得电池具有挠性，从而与尺寸不规则的受限空间相匹配。阴极可以包含层状li2mno
3+
/limno2结构，电解质为碳酸亚乙酯与碳酸二乙酯50/50混合物中的1m lipf6。电解质可以是固体电解质。
176.金属阳极上方的金属氧化物层可以进一步包含由氧化钛形成的微粗糙度，rms粗糙度为至少1nm。金属氧化物层可以包含设置在金属涂层上方的钛基氧化物外层，其中钛基氧化物外层还包含由氧化钛形成的微粗糙度。涂层的厚度可以小于10微米。金属涂层可以包含金、银、铂、铜和铝中的至少一种。金属氧化物层可以包含纳米结构钛。
177.本发明还公开了一种包括上述mems阳极电池的电源。除了mems阳极电池以外，电源还可以包含与电池热连通的钛基两相热模块。钛基两相热模块可以进一步包括：金属基材，其包含形成在金属基材中的多个微结构，形成具有多个微结构的芯吸结构；蒸汽腔，其与芯吸结构和多个微结构连通；至少一个中间基材，其具有多个突起，其中多个突起的形状使得通过匹配到芯吸结构的至少一个区域中的芯吸结构的多个微结构中来增加芯吸结构的有效纵横比；以及热底板中所含的流体，其用于将热能从热底板的至少一个区域传递到热底板的另一个区域，其中流体通过毛细管力驱动。
178.在热模块内，多个微结构的特征尺寸可以是1
‑
1000微米。热模块可以进一步包括金属背板，其中，蒸汽腔被金属基材和金属背板封闭。可以使金属基材与金属背板气密结合，以形成气密密封的蒸汽腔。
179.电源可以进一步包括电耦合在电池的阳极和阴极之间的电阻负载。其还可以包括与电池耦合的第二电源，其中，第二电源向电池提供充电电流。
180.本发明还公开了一种制造电池的方法。该方法可以包括：提供金属阳极；将多个微加工的突起特征蚀刻到金属阳极中，其中微加工的突起金属特征的纵横比为至少约1，间距为1
‑
50微米；以及在金属阳极和多个微加工的突起特征的上方共形地沉积金属涂层。该方法还可以包括：在金属涂层上方沉积第二金属层；以及将第二金属层氧化以形成金属氧化物层，金属氧化物层中的微加工的微粗糙度为至少1nm rms。
181.第二金属层可以包含钛层，金属氧化物包含二氧化钛，使得在二氧化钛中形成微粗糙度作为纳米结构钛(nst)。金属涂层的厚度可以小于10微米，并且包含金、银、铜、铂和铝中的至少一种。
182.尽管已经结合上面概述的示例性实现描述了各种细节，但在回顾前述公开时，各种替代方案、修改、变化、改进和/或实质等效物，无论是已知的还是目前未预见的或可能未预见的，都可能变得显而易见。因此，上面阐述的示例性实施方式旨在说明而不是限制。