JP5103016B2 - 三次元薄膜マイクロバッテリ - Google Patents

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Description

本発明は、一般に電気エネルギ源に関し、具体的には薄膜マイクロバッテリに関する。
関連出願の相互参照
本出願は、２００３年１０月１４日に出願された米国仮特許出願第６０／５１１３８２号の利点を請求するものである。これは、米国特許第６１９７４５０号の再発行である米国特許出願第１０／３８２４６６号に関連するものである。これらの関連出願の開示内容は参照により本明細書に組み込まれる。
前述の米国特許第６１７９４５０号には、マイクロバッテリおよび二重層コンデンサなどの薄膜マイクロ電気化学蓄電セルが記載されている。このようなセルは、高いアスペクト比（すなわち、幅に対するキャビティ深さの比率が高い）でそこにエッチングされた複数のキャビティを有する基板上に薄膜電極層および固体電解質層を付着させることによって生産される。この設計の結果として、セルは、単位体積当たり大きい全電極面積を有し、したがって、大きい電気容量を有する。
マイクロチャネル・プレート（ＭＣＰ：microchannel plate）は、薄板を形成するためにまとめて融解されスライスされた非常に小径の複数のチューブ（一般に毛管またはチャネルと呼ばれる）からなる二次元アレイである。典型的なＭＣＰは、数百万個の独立したチャネルを有する。ＭＣＰは、低レベル放射線および電子信号の検出の際に広く使用され、そこでそれぞれのチャネルは独立した電子増倍管として機能する。ＭＣＰは、Ｄｅｌ Ｍａｒ Ｖｅｎｔｕｒｅｓ（カリフォルニア州サンディエゴ）およびＢｕｒｌｅ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ， Ｉｎｃ．（マサチューセッツ州スターブリッジ）などのいくつかの異なる供給源から市販されている。
ＭＣＰは最も一般的にはガラスから作成される。その製造プロセスはたとえば、２００４年にＤｅｌ Ｍａｒ Ｖｅｎｔｕｒｅｓによって発表された「Ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ Ｐｌａｔｅｓ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ Ｐｌａｔｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ」というタイトルの論文（www.sciner.com/MCP/MCP.htmで入手可能）に記載されているが、この論文は参照により本明細書に組み込まれる。簡単に言えば、ＭＣＰは、酸でエッチング可能な固体のコアが装着されたガラス管として始まり、それを光ファイバ技法によって延伸して単一ファイバを形成する。いくつかのこのようなファイバをアレイ状に積み重ね、組立品全体をもう一度延伸してマルチファイバを形成する。次に、マルチファイバをまとめて積み重ね、高温で融解してボウル（boule）を形成する。そのボウルをウェハ・ソー（wafer saw）でスライスし、所定のサイズまでエッジングし、次に必要に応じて研削し研磨する。個々のスライスを化学的に処理して固体コア材料を除去し、数百万個の小さい穴からなる「ハニカム」構造を残す。
当技術分野ではＭＣＰ生産のためのその他の方法も知られている。これらの方法のいくつかを使用すると非常に細かいＭＣＰ構造を生産することができるとともに、ガラス以外の材料でＭＣＰを生産することができる。たとえば、米国特許第６３００７０９号には、ミクロンおよびサブミクロンのアパーチャを有するＭＣＰを生産するための方法が記載されている。米国特許第６２６０３８８号には、押出し技法および延伸技法の組み合わせを使用してマルチチャネル導波管構造を生産する方法が記載されている。米国特許第６２７０７１４号には、中空ファイバ・バンドルをまとめてポッティング（potting）しキャスティングして、管板（tube sheet）を形成するための方法が記載されている。この方法を使用すると、カーボン・ファイバなどの様々な材料からＭＣＰを形成することができる。前述のすべての特許の開示内容は参照により本明細書に組み込まれる。
米国仮特許出願第６０／５１１３８２号 米国特許出願第１０／３８２４６６号 米国特許第６１９７４５０号 米国特許第６３００７０９号 米国特許第６２６０３８８号 米国特許第６２７０７１４号 米国特許第６５２１１４９号 ２００４年にＤｅｌ Ｍａｒ Ｖｅｎｔｕｒｅｓによって発表された「Ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ Ｐｌａｔｅｓ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ Ｐｌａｔｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ」というタイトルの論文 ２００２年にＺｅｉｔｓｃｈｒｉｆｔ ｆｕｒ Ｎａｔｕｒｆｏｒｓｃｈｕｌｉｇ ５７ａから発行されたＨａｓｈｉｋａｗａ他による「Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｉｓｏｔｏｐｅ Ｅｆｆｅｃｔ Ａｃｃｏｍｐａｎｙｉｎｇ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｉｔｈｉｕｍ ｉｎｔｏ Ｇｒａｐｈｉｔｅ」の８５７〜８６２ページ
本発明の諸実施形態では、マイクロバッテリなどの三次元蓄電セルは、マイクロチャネル・プレート（ＭＣＰ）構造上に複数の薄膜層を形成することによって生産される。薄膜層はマイクロチャネル・チューブの内部表面を覆う。典型的には、薄膜層は、ＭＣＰ全体の上でこれらの層の電気的導通を可能にするために、プレートの上部表面または下部表面あるいはその両方も覆う。いくつかの諸実施形態では、チューブの内側の層は、チューブの体積を完全に充填する。ＭＣＰは、上述の通り、ガラスまたはその他の適切な材料から作成することができ、薄膜層は様々な液相または気相プロセスを使用して付着させることができる。
ＭＣＰ自体は放射線および電子検出の分野で周知のものであるが、エネルギ蓄積装置用の基板としてそれを使用することは新規なことである。ＭＣＰを生産するためのプロセスは複数のチューブをまとめて融解するプロセスであるので、非常に小さいチャネル径、高いチャネル密度、および高いチャネル・アスペクト比でそれらを生産することができる。その結果として、ＭＣＰベースのマイクロバッテリは、前述の米国特許第６１９７４５０号に記載されているものなどの当技術分野で知られているマイクロバッテリより大きい電極面積／体積比を有し、したがって、より高い電気容量を有する。本発明の原理は、エネルギ蓄積コンデンサなどの他のタイプの電気蓄積セルにも同様に適用することができる。本明細書で使用する「マイクロバッテリ」という用語は、単に、本発明の特定の特徴が特に有利である小規模な電気的バッテリを意味するが、本発明の原理は一般に、規模にかかわらず、バッテリおよびその他の電気蓄積セルに適用可能である。
したがって、本発明の一実施形態により、
そこにチャネルが形成されているマイクロチャネル・プレート（ＭＣＰ）であって、そのチャネルが表面エリアを有するマイクロチャネル・プレート（ＭＣＰ）と、
表面エリアの上に形成され、陽極、陰極、および陽極と陰極との間に配置された固体電解質を画定する薄膜と、
を含む、電気エネルギ蓄積装置が提供される。
典型的には、ＭＣＰは、まとめて融解され、ＭＣＰを画定するように切断された複数のチューブを含み、そのチューブはチャネルを画定するルーメン（lumen）を有する。開示された諸実施形態では、チューブはガラスまたは炭素を含むことができる。ＭＣＰは、非導電材料または導電材料を含むことができる。
開示された諸実施形態では、ＭＣＰは上面と底面とを有し、薄膜は上面および底面のうちの少なくとも一方の上にさらに形成される。
いくつかの諸実施形態では、薄膜は、ニッケルまたは銅などの少なくとも１つの集電体層を含む。
典型的には、固体電解質はハイブリッド高分子電解質を含む。
開示された諸実施形態では、陽極および陰極のうちの一方はリチウム化合物を含む。さらにまたは代わって、陰極は硫黄化合物を含むことができる。
薄膜は、リチウムイオン充電式電池などの一次電池または充電式電池を画定するように製作することができる。
また、本発明の一実施形態により、
そこに多数のキャビティが形成されている基板であって、そのキャビティが１より大きいアスペクト比を有するとともに表面エリアを有する基板と、
表面エリアの上に形成され、陽極、陰極、および陽極と陰極との間に配置された固体電解質を画定する薄膜であって、その薄膜がチャネルを充填するように形成された最終層（final layer）を含む薄膜と、
を含む、電気エネルギ蓄積装置も提供される。
基板は、非導電材料、半導体材料、および導電材料のうちの少なくとも１つを含むことができる。典型的には、基板は上面と底面とを有し、キャビティは、上面から底面へ基板を貫通するように形成される。
また、本発明の一実施形態により、
そこに多数のキャビティが形成されている基板であって、そのキャビティが１より大きいアスペクト比を有するとともに表面エリアを有し、その基板が第１の電極を画定する基板と、
表面エリアの上に形成され、第２の電極および第１の電極と第２の電極との間に配置された固体電解質を画定する薄膜と、
を含む、電気エネルギ蓄積装置も提供される。
いくつかの諸実施形態では、第１の電極は陽極を含み、第２の電極は陰極を含む。他の諸実施形態では、第１の電極は陰極を含み、第２の電極は陽極を含む。
開示された諸実施形態では、基板はダイヤモンドなどの炭素材料を含む。
さらに、本発明の一実施形態により、
そこを貫通するチャネルを有するチューブであって、そのチャネルが表面エリアを有するチューブと、
表面エリアの上に形成され、陽極、陰極、および陽極と陰極との間に配置された固体電解質を画定する薄膜と、
を含む、電気エネルギ蓄積装置が提供される。
その上、本発明の一実施形態により、
基板と、
基板上に配置されたマイクロ回路と、
基板上に配置され、マイクロ回路に電力を提供するように結合されたマイクロバッテリとを含み、そのマイクロバッテリが、
そこにチャネルが形成されているマイクロチャネル・プレート（ＭＣＰ）であって、そのチャネルが表面エリアを有するマイクロチャネル・プレート（ＭＣＰ）と、
表面エリアの上に形成され、陽極、陰極、および陽極と陰極との間に配置された固体電解質を画定する薄膜と、
を含む、超小型電子デバイスが提供される。
さらに、本発明の一実施形態により、
そこにチャネルが形成されているマイクロチャネル・プレート（ＭＣＰ）であって、そのチャネルが表面エリアを有するマイクロチャネル・プレート（ＭＣＰ）と、
ＭＣＰ上に配置されたマイクロ回路と、
そのチャネルのうちの少なくともいくつかの表面エリアの上に形成され、陽極、陰極、および陽極と陰極との間に配置された固体電解質を画定する薄膜であって、その薄膜がマイクロ回路に電力を提供するように結合されている薄膜と、
を含む、超小型電子デバイスが提供される。
また、本発明の一実施形態により、
マイクロ回路と、
そこに多数のキャビティが形成されている基板であって、そのキャビティが１より大きいアスペクト比を有するとともに表面エリアを有する基板と、
表面エリアの上に形成され、陽極、陰極、および陽極と陰極との間に配置された固体電解質を画定する薄膜であって、その薄膜がチャネルを充填するように形成された最終層を含み、その薄膜がマイクロ回路に電力を提供するように結合されている薄膜と、
を含む、超小型電子デバイスも提供される。
開示された一実施形態では、マイクロ回路は基板上に配置される。
さらに、本発明の一実施形態により、
デバイス基板と、
デバイス基板上に配置されたマイクロ回路と、
デバイス基板上に配置され、マイクロ回路に電力を提供するように結合されたマイクロバッテリとを含み、そのマイクロバッテリが、
そこに多数のキャビティが形成されているバッテリ基板であって、そのキャビティが１より大きいアスペクト比を有するとともに表面エリアを有し、その基板が第１の電極を画定するバッテリ基板と、
表面エリアの上に形成され、第２の電極および第１の電極と第２の電極との間に配置された固体電解質を画定する薄膜と、
を含む、超小型電子デバイスが提供される。
さらに、本発明の一実施形態により、
そこに多数のキャビティが形成されている基板であって、そのキャビティが１より大きいアスペクト比を有するとともに表面エリアを有し、その基板が第１の電極を画定する基板と、
基板上に配置されたマイクロ回路と、
そのチャネルのうちの少なくともいくつかの表面エリアの上に形成され、第２の電極および第１の電極と第２の電極との間に配置された固体電解質を画定する薄膜であって、その薄膜と基板がマイクロ回路に電力を提供するように結合されている薄膜と、
を含む、超小型電子デバイスが提供される。
その上、本発明の一実施形態により、
そこにチャネルが形成されているマイクロチャネル・プレート（ＭＣＰ）を設けるステップであって、そのチャネルが表面エリアを有するステップと、
陽極、陰極、および陽極と陰極との間に配置された固体電解質を画定するように表面エリアの上に薄膜を形成するステップと、
を含む、電気蓄積セルを製作するための方法が提供される。
さらに、本発明の一実施形態により、
そこに多数のキャビティが形成されている基板を設けるステップであって、そのキャビティが１より大きいアスペクト比を有するとともに表面エリアを有するステップと、
陽極、陰極、および陽極と陰極との間に配置された固体電解質を画定するように表面エリアの上に薄膜を形成するステップであって、その薄膜がチャネルを充填するように形成された最終層を含むステップと、
を含む、電気蓄積セルを製作するための方法が提供される。
また、本発明の一実施形態により、
そこに多数のキャビティが形成されている基板を設けるステップであって、そのキャビティが１より大きいアスペクト比を有するとともに表面エリアを有し、その基板が第１の電極を画定するステップと、
第２の電極および第１の電極と第２の電極との間に配置された固体電解質を画定するように表面エリアの上に薄膜を形成するステップと、
を含む、電気蓄積セルを製作するための方法も提供される。
さらに、本発明の一実施形態により、
そこを貫通するチャネルを有するチューブを設けるステップであって、そのチャネルが表面エリアを有するステップと、
陽極、陰極、および陽極と陰極との間に配置された固体電解質を画定するように表面エリアの上に薄膜を形成するステップと、
を含む、電気蓄積セルを製作するための方法が提供される。
本発明は、添付図面とともに、以下に示す本発明の諸実施形態の詳細な説明から、より完全に理解されるであろう。
図１は、本発明の一実施形態によるＭＣＰベースのバッテリ２０の概略図である。バッテリ２０は、バッテリ用の基板として機能するＭＣＰ２２を含む。ＭＣＰは、ガラスまたは石英などの非導電材料、あるいは代わって、適切な形の炭素などの導電材料を含むことができる。ＭＣＰ２２を製作する際には、上記の「背景技術」の項およびそこで引用した諸特許に記載されている方法など、当技術分野で知られている任意の適切な方法を使用することができる。
ＭＣＰ２２は、チャネル壁３０によって分離された複数のチャネル２４のマトリックスを含む。典型的には、チャネル２４のアスペクト比は１より大きく、ＭＣＰ２２は数千個または数百万個のチャネルを含む。しかし、例証を明瞭にするため、図面では、チャネル２４の直径はＭＣＰ２２の全径および厚さに対して誇張されている。現在、当技術分野で知られているこのタイプのＭＣＰでは、チャネル２４は、１μｍ未満から約５０μｍまでの範囲内の直径を有することができ、ＭＣＰの断面積の少なくとも５０％を占める（往々にして５０％を上回る）。典型的には、ＭＣＰの全径は１ｍｍから１００ｍｍを超えるまでの範囲にわたる可能性があり、厚さは０．５ｍｍから１０ｍｍになる。しかし、これらの寸法は一例としてのみ挙げられたものであり、本発明の原理は、より小さい寸法またはより大きい寸法のＭＣＰ基板をベースにしたバッテリを生産する際にも適用することができる。
上記の通り、ＭＣＰ２２は、複数のチューブをまとめて結合することによって形成され、チューブのルーメンはチャネル２４を画定する。図１に図示されている実施形態では、チューブは六角形構成に積み重ねられ、チューブの壁はまとめて融解されて単体の連続壁構造を形成し、元のチューブの個々の壁がもはや互いに区別できなくなっている。この構成は、ほとんどの市販のＭＣＰに共通のものである。
代わって、その他のＭＣＰ構成もデバイス２０用の基板として使用することができる。たとえば、ＭＣＰは、まとめて結合された後もその壁が依然として明確なままであり、追加のキャビティが壁同士の間の空間内に存在するチューブの束を含むことができる。ＭＣＰ２２は複数チャネル２４の六角形パッキングを備えた円形構成を有するものとして図示されているが、代わって、ＭＣＰは、当技術分野で知られている任意の適切な構成として作成することができる。たとえば、ＭＣＰを正方形またはその他の矩形形状に切断したり、複数チャネルを正方形または矩形マトリックスあるいはランダム・パターンに配置したりすることもできる。ＭＣＰ基板の形状および厚さは、単にＭＣＰ材料を所望の寸法に切断することにより、任意に決定することができる。さらに、極度の小型化を必要とする適用例では、本発明の原理を適用して、わずか数本のチューブの束の内部にまたは単一のチューブ内にマイクロバッテリを形成することもできる。
チャネル２４は、電極、固体電解質、およびおそらく追加の層も含む多層薄膜構造２６で充填される。いくつかの例示的な構造および材料については以下に説明する。図１ならびに図３に図示されている通り、構造２６がチャネル２４の体積全体を充填する場合もあれば、図２に図示されている通り、チャネルの中心を開いたままにして、薄膜層が壁３０の内部をコーティングするだけである場合もある。（図２および図３については以下により詳細に説明する。）典型的には、薄膜構造２６は、ＭＣＰ全体の上で層が隣接するように、ＭＣＰ２２の上部表面および下部表面の一方または両方もコーティングする。
バッテリ２０の電力出力は端子２８で提供され、その端子はそれぞれ薄膜構造の陰極層および陽極層に（任意選択で集電体層を介して）結合されている。（図中の正端子および負端子の指定は任意であり、構造２６内の層の順序に応じて逆にすることもできる。）ＭＣＰの上部表面または下部表面あるいはその両方の上で構造２６が隣接することにより、ＭＣＰ全体の上の薄膜層用の共通接点として端子２８を使用することができる。代わって、当業者にとって明白なものになるように、その他の電気方式を使用して、ＭＣＰの個々のチャネル内の薄膜層に接触することもできる。バッテリ２０は、構造２６内の層の組成に応じて、一次電池または二次（充電式）電池のいずれかとして使用するために設計することができる。
図２は、本発明の一実施形態によるチャネル２４の内部の薄膜構造２６の詳細を示す、バッテリ２０の概略切取図である。例証を明瞭にするため、同図では、薄膜層の相対的厚さは誇張されている。同図では、層はチャネル２４の内壁を覆うとともに、ＭＣＰの上部表面および下部表面の上に延びていることが分かる。薄膜層は、湿式プロセスまたは化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスなどの当技術分野で知られている任意の適切なプロセスを使用して付着させることができる。いくつかの特定の製作例については以下に説明する。
図２に図示されている実施形態では、集電体層３２はＭＣＰ基板の上に付着しており、したがって、壁３０をコーティングしている。電極層３４は、バッテリ２０の陽極または陰極のいずれかになる可能性があり、集電体層３２の上に付着している。代わって、（以下の例１のように）電極層３４が集電機能を果たすことができる場合または壁３０自体が適切な形の炭素などの導電材料で製造される場合、集電体層を排除することもできる。以下の例４に記載した代替一実施形態では、ＭＣＰ基板は陽極などの電極の１つとしても機能する。この場合、層３２と層３４の両方を構造２６から排除することができる。
電極層３４は、電解質層３６、典型的には高分子マトリックスの固体電解質によって覆われている。電解質層３６の上には第２の（陰極または陽極）電極層３８が形成されている。必要であれば、電極層３８に続いて、もう１つの（任意選択の）集電体層４０が設けられる。代わって、電極層３８が十分に導電性である場合（たとえば、層３８が黒鉛陽極を含む場合）、集電体層４０は不要である。
図３は、本発明の他の実施形態による薄膜構造２６の詳細を示す、バッテリ２０の概略断面図である。この実施形態では、層３２、３４、３６が壁３０ならびにＭＣＰ２２の上部表面および下部表面に連続して付着している。次に、チャネル２４を完全に充填するとともにＭＣＰの上面および底面をコーティングするように、最終層、この場合は電極層３８が付着している。（この実施形態では、集電体層４０が不要になるように、層３８が黒鉛などの導電材料を含むものと想定されている。）例証を明瞭にするため、同図では、薄膜層３２、３４、３６の厚さは誇張されている。典型的な一実施形態では、壁３０は約１０μｍの厚さであり、チャネル２４は当初、５０μｍの直径である。それぞれの層３２、３４、３６の厚さは約０．５μｍから５μｍの間であり、層３８はチャネル体積の残り（ほぼ８０％）を充填する。層はすべて隣接しているので、端子２８はバッテリ３０の外部表面の外部層に残っている開口部で内部電極層３４または隣接する集電体層３２または壁３０のいずれかに接触することができる。
このようにしてチャネル２４を充填すると、ＭＣＰ基板の寸法に対して、バッテリ２０内の活物質の全体積が最大限になる。この種の完全充填は、ＭＣＰベースのバッテリのみならず、上述の米国特許第６１９７４５０号に記載されている基板など、複数キャビティを備えた基板上に構築された他の種類の三次元蓄電セルでも有用である。
次に、本発明の原理に基づくマイクロバッテリのいくつかの特定の例について説明する。以下の例１〜例３は、外径が１３ｍｍ、作用面積径が９ｍｍ、厚さが０．５ｍｍ、チャネルの直径が５０μｍである丸いソーダ石灰ガラスＭＣＰ（Ｂｕｒｌｅ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ製、部品番号Ｃ１３Ｓ０５Ｍ５０）をその基板として使用する。（「作用面積」は、ＭＣＰのうち、マイクロチャネルがアクセス可能な部分であり、ＭＣＰの外側部分は取付けフランジによって覆われている。）これらの例はいずれも、本発明の可能な実現例を理解するための補助として挙げられており、いずれにしても本発明の範囲を制限するものと理解すべきではない。三次元薄膜マイクロバッテリの様々な層に使用可能なその他の材料については上述の米国特許第６１９７４５０号に記載されている。
例１
上述の通り、ガラスＭＣＰ基板上に、リチウムイオン陽極、ハイブリッド高分子電解質（ＨＰＥ：hybrid polymer electrolyte）、およびＭｏＳ2陰極を含む充電式電気化学セル（ＭＣＰベースのバッテリ）を組み立てた。Ｎｉ集電体で基板をコーティングする前に、発生し得る有機残留物を除去するために、ガラス基板をアセトンに浸漬し、１００〜２００ｇ／ＬのＮａＯＨという弱い基礎液（weak base solution）で５分間、脱脂した。脱イオン水ですすいだ後、ＮＨ4Ｆ：ＨＦ溶液で２分間、基板にエッチングを施して、粗さを増し、ガラス基板に対するニッケルの付着力を改善した。室温のＰｄＣｌ2：ＳｎＣｌ2：ＨＣｌ：ＫＣｌ溶液で３〜１０分間、表面触媒作用を実施した。この溶液の組成は、ＰｄＣｌ2が１〜１０ｇ／Ｌであり、ＳｎＣｌ2＊２Ｈ2Ｏが３０〜１００ｇ／Ｌであり、ＨＣｌが２５〜１２０ｇ／Ｌであり、ＫＣｌが８０〜１００ｇ／Ｌであった。コンフォーマル付着を可能にするものとして知られている無電解プロセスを選択して、ガラス・チャネル内および基板の上面および底面上にあるＮｉ集電体をコーティングした。主なニッケル源としてのＮｉＳＯ4と還元剤としてのＮａＨ2ＰＯ2と緩衝液としてのＣＨ3ＣＯＯＮａの混合物と、穏やかなＮｉ錯化剤（mild Ni complexing agent）から、めっき液を構成した。ニッケル濃度を一定に保持し、汚染を回避するために、実験ごとに新鮮なめっき液（ｐＨ＝１０〜１１、７０℃）を使用した。Ｎｉ付着物の厚さは、時間の関数であり、変更することができる。
新たにニッケルコーティングしたＭＣＰ基板上のＭｏＳ4 2-イオンの還元により、厚さが０．３〜１μｍのＭｏＳ2陰極を用意した。０．０５Ｍのテトラチオモリブデート（tetrathiomolybdate）の水溶液から、ＭｏＳ2の付着を実行した。支持電解質は塩化カリウム（０．１Ｍ）であった。電着は室温で実行した。１０ｍＡ／ｃｍ2という一定の電流密度で４分間、電着を実施した。付着した試料を脱イオン水で完全にすすぎ、高温で真空乾燥させた。
ハイブリッド高分子電解質（ＨＰＥ）用に選択したポリマーは市販のＰＶＤＦ−２８０１コポリマー（Ｋｙｎａｒ）であった。このＰＶＤＦ粉末を高純度シクロペンタノン（Ａｌｄｒｉｃｈ）に溶解した。ヒュームドシリカ１３０（Ｄｅｇｕｓｓａ）および炭酸プロピレン（ＰＣ、Ｍｅｒｃｋ）を添加し、その混合物を室温で約２４時間の間、攪拌して、均質スラリーを得た。完全溶解後、スラリーをＭＣＰ基板上でキャストした。穴のコンフォーマル充填を促進するために、減圧およびスピニングを含む、いくつかの連続ステップを使用した。ＨＰＥの厚さは１〜５μｍ程度であった。シクロペンタノンの蒸発後、３層コーティングした基板を真空中で乾燥させて、溶媒の完全蒸発を確実にした。
たとえば、２００２年にＺｅｉｔｓｃｈｒｉｆｔ ｆｕｒ Ｎａｔｕｒｆｏｒｓｃｈｕｌｉｇ ５７ａから発行されたＨａｓｈｉｋａｗａ他による「Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｉｓｏｔｏｐｅ Ｅｆｆｅｃｔ Ａｃｃｏｍｐａｎｙｉｎｇ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｉｔｈｉｕｍ ｉｎｔｏ Ｇｒａｐｈｉｔｅ」の８５７〜８６２ページに記載されているように、ｎ−ブチル・リチウムによる化学リチオ化（lithiation）のプロセスを使用して、リチオ化黒鉛（lithiated graphite）を用意したが、この文献は参照により本明細書に組み込まれる。結果として得られた粉末をポリスチレンと混合し、トルエンに溶解して、粘性均質スラリーを得たが、このスラリーをチャネル内に挿入し、減圧およびスピニングによってプレーナ（Planar）表面上に広げた。最後に、ニッケル集電体、二硫化モリブデン陰極、ハイブリッド高分子電解質、およびリチオ化黒鉛陽極からなるサンドイッチ状の構造を備えたＭＣＰ基板を１Ｍのリチウムイミド−炭酸エチレン（ＥＣ）：炭酸ジメチル（ＤＭＣ）１：１（ｖ／ｖ）ベースの電解質に浸漬した。
結果として得られたリチウムイオン／ＨＰＥ／ＭｏＳ2−ＭＣＰバッテリをコイン・セルに挿入し、Ｍａｃｃｏｒ（オクラホマ州タルサ）のシリーズ２０００バッテリ・テスト・システムを使用して室温で循環させた。電圧カットオフは１．３〜２．４Ｖであり、充電／放電電流密度は１０〜１００μＡ／ｃｍ2の範囲で変動した。Ｌｉ／ＨＰＥ／ＭｏＳ2セルは、２００を超える可逆サイクルの間、１００μＡ／ｃｍ2でサイクル当たり８６０μＡｈ以上を放出し、キャパシティ・フェード（capacity fade）は０．０５％／サイクルであった。誘導電流効率（Faradic efficiency）は１００％に近かった。
例２
上述したものと同じ基板上にＭＣＰベースのバッテリを用意した。ｐＨ＝１０のＮｉＳＯ4：ＮａＨ2ＰＯ2：ＥＤＴＡで高温（９０℃）で５分間、ニッケル集電体の付着を行った。例１のように陰極を用意した。合成リチオ化黒鉛陽極内の結合剤としてＰＥＯ（１０％ ｗ／ｗ）を使用した。サンドイッチ状の構造を備えたＭＣＰ基板を１ＭのＬｉＩ−テトラグライム（tetraglyme）：１０％の炭酸エチレン（ＥＣ）（ｖ／ｖ）ベースの電解質に浸漬した。
結果として得られたリチウムイオン／ＨＰＥ／ＭｏＳ2バッテリを室温かつ５０μＡ／ｃｍ2の電流密度で循環させた。放電時の電圧カットオフは１．３Ｖであった。充電時の電圧カットオフは２．４Ｖであった。セルは４０を超える可逆サイクル（１００％の放電深度）を経過し、崩壊度は０．１％／サイクルを超えなかった。
例３
無電解めっきを施した銅を陰極集電体として使用した。無電解銅めっき用の溶液は、１０〜１５ｇ／ＬのＣｕＳＯ4ｘ５Ｈ2Ｏ、１０〜１５ｇ／ＬのＮａＯＨ、２〜３ｇ／ＬのＮｉＣｌ2ｘＨ2Ｏ、０．００１ｇ／ＬのＮａ2Ｓ2Ｏ8、および１５〜２５ｍＬ／ＬのＨＣＯＨ（３７％）から構成した。ｐＨが１２．２かつ２０分の付着時間で、Ｃｕ層の厚さは約２〜２．５μｍであった。この銅の層を０．１〜０．５ｍＡ／ｃｍ2の定電流で０．５分間、ポリスルフィド（１０ｍＭのＮａ2Ｓと０．１ＭのＮａＯＨと元素状態の硫黄の混合物）の水溶液中で電気酸化した。
結果として得られたＬｉ／ＨＰＥ／Ｃｕ2Ｓセルは４０を超える可逆サイクルを経過し、崩壊度は０．８％／サイクルを超えなかった。
例４
この例では、バッテリ基板は、適切な形の炭素などの導電材料を含むものと想定する。たとえば、この基板は、前述の米国特許第６２７０７１４号に記載されている炭素ＭＣＰを含むことができる。代わって、米国特許第６５２１１４９号に記載されているように、複数キャビティのアレイを備えたダイヤモンド基板を使用することもでき、同特許の開示内容は参照により本明細書に組み込まれる。（この特許ではこのような構造を「自立形固体ダイヤモンドＭＣＰ」と呼ぶが、これは複数のチューブから形成されていないので、本特許出願で定義されるＭＣＰではない。）
導電基板は集電体および陽極の両方として機能する。この基板は、例１に記載したようにＨＰＥ膜によってコーティングすることができる。次に、結合剤として１０％ ｗ／ｗのスチレンを使用して、リチオ化酸化コバルト（またはその他のナノサイズのリチオ化陰極材料）のスラリーで残りのキャビティを充填することができる。陰極集電体を備えたこのサンドイッチ構造は、高エネルギ密度のマイクロバッテリとして機能することができる。
図４は、本発明の一実施形態によるマイクロバッテリとして構成されたバッテリ２０を含む統合超小型電子デバイス５０の概略平面図である。デバイス５０は基板５２を含み、その基板の一部分の上にマイクロ回路５４が形成されている。マイクロバッテリ２０は、同様に基板５２の上に取り付けられ、マイクロ回路５４に電力を供給する。一実施形態では、基板５２は、シリコンなどの半導体材料を含み、その上に当技術分野で知られているリソグラフィ・プロセスによってマイクロ回路５４が形成される。この場合、マイクロバッテリ２０は典型的には、適切なＭＣＰ上に個別に生成され、その後、基板に結合される。
他の実施形態では、基板５２は、たとえば、バイオチップおよび何らかの微小電子機械システム（ＭＥＭＳ：micro-electro-mechanical system）デバイスに使用されるようなガラス材料を含む。この場合、マイクロバッテリ２０は、ガラスＭＣＰ上に生成し、その後、融解するかまたはその他の方法で基板に結合することができる。代わって、基板５２自体は、マイクロ回路５４が結合されるＭＣＰを含むことができる。さらに代わって、基板５２は、当技術分野で知られているチップ・キャリア、チップ・パッケージ、および様々なハイブリッド・デバイスに使用されるようなプラスチック材料、セラミック材料、または金属材料、あるいはこれらの組み合わせを含むことができる。
マイクロバッテリ２０は、マイクロ回路５４と並んで取り付けられるものとして図４に図示されているが、代わって、マイクロバッテリは、基板５２の同じ側または反対側にマイクロ回路の上または下に取り付けることもできる。さらに、マイクロバッテリ２０は、円形（図１に図示した通り）にするか、またはデバイス５０のパッケージング要件に関して都合のよい他の形状を有することができる。
上述の諸実施形態は一例として挙げられたものであり、本発明は上記で詳細に示され説明されているものに限定されないことが分かるであろう。むしろ、本発明の範囲は、上記で説明した様々な特徴の組み合わせおよび下位組み合わせの両方とともに、上記の説明を読んだときに当業者に思い浮かぶと思われ、従来技術で開示されていないその変形および変更も含む。
本発明の一実施形態によるＭＣＰベースのバッテリの概略絵画図である。 本発明の一実施形態によるＭＣＰベースのバッテリ内の薄膜層の詳細を示す概略切取図である。 本発明の一実施形態によるＭＣＰベースのバッテリの一部分を示す概略断面図である。 本発明の一実施形態によるマイクロバッテリを含む統合超小型電子デバイスの概略平面図である。

Claims (10)

  1. そこにチャネルが形成されているマイクロチャネル・プレート（ＭＣＰ）であって前記チャネルは表面エリアを有するマイクロチャネル・プレート（ＭＣＰ）と、
    前記表面エリア上に形成されて、陽極と、陰極と、前記陽極と前記陰極の間に配置された固体電解質とを画定する薄膜と、を含み、
    前記ＭＣＰが、まとめて融解され、前記ＭＣＰを画定するように切断された複数のチューブを含み、前記チューブは前記チャネルを画定するルーメンを有する、
    電気エネルギ蓄積装置。
  2. 前記ＭＣＰが上面と底面とを有し、前記薄膜が前記上面および前記底面のうち少なくとも一方の上にも形成される、請求項１に記載の装置。
  3. 前記薄膜が少なくとも１つの集電体層を含む、請求項１ないし２のいずれかに記載の装置。
  4. 前記チャネルが１より大きいアスペクト比を有する、請求項１ないし３のいずれかに記載の装置。
  5. 基板と、
    前記基板上に配置されたマイクロ回路と、
    前記基板上に配置され、前記マイクロ回路に電力を供給するように結合されたマイクロバッテリとを含み、前記マイクロバッテリが、
    そこにチャネルが形成されているマイクロチャネル・プレート（ＭＣＰ）であって、前記チャネルが表面エリアを有するマイクロチャネル・プレート（ＭＣＰ）と、
    前記表面エリアの上に形成され、陽極、陰極、および前記陽極と前記陰極との間に配置された固体電解質を画定する薄膜と、を含み、
    前記ＭＣＰが、まとめて融解され、前記ＭＣＰを画定するように切断された複数のチューブを含み、前記チューブは前記チャネルを画定するルーメンを有する、
    超小形電子デバイス。
  6. そこにチャネルが形成されているマイクロチャネル・プレート（ＭＣＰ）であって、前記チャネルが表面エリアを有するマイクロチャネル・プレート（ＭＣＰ）と、
    前記ＭＣＰの上に配置されたマイクロ回路と、
    前記チャネルのうちの少なくともいくつかの前記表面エリアの上に形成され、陽極、陰極、および前記陽極と前記陰極との間に配置された固体電解質を画定する薄膜であって、前記薄膜が前記マイクロ回路に電力を提供するように結合されている薄膜と、を含み、
    前記ＭＣＰが、まとめて融解され、前記ＭＣＰを画定するように切断された複数のチューブを含み、前記チューブは前記チャネルを画定するルーメンを有する、
    超小形電子デバイス。
  7. 前記チャネルが１より大きいアスペクト比を有する、請求項５または請求項６に記載の超小形電子デバイス。
  8. マイクロチャネル・プレート（ＭＣＰ）を形成するステップと、
    陽極、陰極、および前記陽極と前記陰極との間に配置された固体電解質を画定するように前記表面エリアの上に薄膜を形成するステップと、を含み、
    前記ＭＣＰを形成するステップは、
    ルーメンを有する複数のチューブをまとめて融解するステップと、
    前記ルーメンが表面エリアを有するチャネルを画定するよう、前記複数のチューブを切断するステップと、
    を含む、電気蓄積セルを製作するための方法。
  9. 前記ＭＣＰは上面と底面とを有し、前記薄膜を形成するステップが前記上面と前記底面のうちの少なくとも一方の上に前記薄膜を形成するステップを含む、請求項８に記載の方法。
  10. 前記チャネルは１より大きいアスペクト比を有する、請求項８または請求項９に記載の方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008522360A (ja) * 2004-11-26 2008-06-26 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ 電気化学的エネルギー源、電子モジュール、電子デバイス、及び該エネルギー源の製造方法
JP2008522359A (ja) 2004-11-26 2008-06-26 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ エネルギーシステム、電子モジュール、電子デバイス、及び該エネルギーシステムの製造方法
FR2880197B1 (fr) * 2004-12-23 2007-02-02 Commissariat Energie Atomique Electrolyte structure pour microbatterie
US7618748B2 (en) * 2006-03-13 2009-11-17 Tel Aviv University Future Technology Development L.P. Three-dimensional microbattery
JP2008147177A (ja) * 2006-11-16 2008-06-26 Yamagata Univ リチウムイオン二次電池
US20110097623A1 (en) * 2008-02-12 2011-04-28 Massachusetts Institute Of Technology Small-scale batteries and electrodes for use thereof
US8906534B2 (en) * 2008-05-28 2014-12-09 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Stacked multi-cell battery concept
US20110183186A1 (en) * 2008-09-29 2011-07-28 Nxp B.V. Solid state battery
KR101831401B1 (ko) 2010-01-26 2018-02-23 사임베트 코퍼레이션 배터리 배열, 구성 및 방법
KR101081616B1 (ko) 2010-02-01 2011-11-09 주식회사 엘지화학 케이블형 이차전지
KR101279409B1 (ko) * 2010-02-01 2013-06-27 주식회사 엘지화학 케이블형 이차전지
WO2011154862A1 (en) 2010-06-06 2011-12-15 Ramot At Tel-Aviv University Ltd Three-dimensional microbattery having a porous silicon anode
KR101322695B1 (ko) * 2010-08-25 2013-10-25 주식회사 엘지화학 케이블형 이차전지
CN102456920B (zh) * 2010-10-28 2014-02-26 华东师范大学 一种基于硅微通道板的三维锂离子电池的固体电解质的制备方法
US9249522B2 (en) * 2010-12-05 2016-02-02 Ramot At Tel-Aviv University Ltd. Electrophoretic deposition of thin film batteries
CN103515108B (zh) * 2012-06-29 2017-11-28 中国科学院长春应用化学研究所 电化学电容器和活性中间相炭微球的制备方法
US9419463B2 (en) 2012-11-29 2016-08-16 Cymbet Corporation Thin film microbattery charge and output control
CN104821414A (zh) * 2014-01-30 2015-08-05 纳米及先进材料研发院有限公司 透明或半透明电池制造方法
CN104409690B (zh) * 2014-05-31 2016-09-07 福州大学 一种基于3d打印技术制备锂离子电池叠层垂直交叉电极的方法
FR3021524A1 (fr) 2014-06-02 2015-12-04 Small Bone Innovations Internat Tige d'ancrage metacarpien, notamment pour une prothese trapezo-metacarpienne
US20160064769A1 (en) * 2014-08-29 2016-03-03 Kobi Goldstein System for fabricating an electrical storage cell
WO2016144944A1 (en) * 2015-03-09 2016-09-15 President And Fellows Of Harvard College Method of making an electrode structure and a microbattery cell
WO2017055984A1 (en) 2015-09-30 2017-04-06 Ramot At Tel Aviv University Ltd. 3d micro-battery on 3d-printed substrate
DE102015122773A1 (de) 2015-12-23 2017-06-29 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Kondensator mit beschichteten Poren
CN106206213B (zh) * 2016-07-18 2017-10-31 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种采用mems工艺制备有机微通道板的方法
KR102654868B1 (ko) 2016-09-28 2024-04-05 삼성전자주식회사 전고체형 3차원 배터리 및 그 제조방법
EP3563445A4 (en) * 2017-01-02 2020-12-09 3dbatteries Ltd. ENERGY STORAGE DEVICES AND SYSTEMS
US10218031B2 (en) * 2017-03-20 2019-02-26 Millibatt, Inc. Battery system and production method
US10903672B2 (en) * 2017-03-30 2021-01-26 International Business Machines Corporation Charge method for solid-state lithium-based thin-film battery
US10622680B2 (en) 2017-04-06 2020-04-14 International Business Machines Corporation High charge rate, large capacity, solid-state battery
DE102017118308A1 (de) * 2017-08-11 2019-02-14 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Speichervorrichtung
CN111525181B (zh) * 2020-05-08 2022-01-18 上海空间电源研究所 一种低界面电阻的全固态电池及其制备方法
CN116438689A (zh) 2020-08-19 2023-07-14 米莉巴特有限公司 三维折叠电池组及其制造方法
US12051812B2 (en) 2021-03-05 2024-07-30 Zelos Energy Ltd. Rechargeable cell architecture
CN114496712B (zh) * 2021-12-13 2025-03-18 中国电子科技集团公司第十二研究所 一种微通道板的制备方法及由该制备方法制备得到的微通道板
KR102546090B1 (ko) * 2023-03-15 2023-06-21 이운경 다층박막 기반의 전자소자 및 3차원 구조체를 이용한 그의 제조방법

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4659637A (en) * 1986-04-17 1987-04-21 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Electrochemical cell with high conductivity glass electrolyte
US4906536A (en) * 1986-12-15 1990-03-06 Fremont Special Machine Company, Inc. Tubelet panel and method of manufacture thereof
DE3838329A1 (de) 1987-11-11 1989-05-24 Ricoh Kk Negative elektrode fuer sekundaerbatterie
US5563653A (en) * 1994-05-09 1996-10-08 Itt Corporation Focussed output microchannel plate for an image intensifier tube
US6066020A (en) 1997-08-08 2000-05-23 Itt Manufacturing Enterprises, Inc. Microchannel plates (MCPS) having micron and submicron apertures
IL123462A0 (en) 1998-02-26 1998-09-24 Carbon Membranes Ltd A method for potting or casting inorganic hollow fiber membranes intotube sheets
WO2000006506A1 (en) 1998-07-30 2000-02-10 Corning Incorporated Method of fabricating photonic structures
US6197450B1 (en) * 1998-10-22 2001-03-06 Ramot University Authority For Applied Research & Industrial Development Ltd. Micro electrochemical energy storage cells
KR100296741B1 (ko) 1999-05-11 2001-07-12 박호군 트렌치 구조를 갖는 전지 및 그 제조방법
US6521149B1 (en) 2000-06-06 2003-02-18 Gerald T. Mearini Solid chemical vapor deposition diamond microchannel plate
WO2004036668A2 (en) 2002-10-17 2004-04-29 Tel-Aviv University Future Technology Development L.P. Thin-film cathode for 3-dimensional microbattery and method for preparing such cathode
JP2008505434A (ja) * 2004-04-27 2008-02-21 テル アビブ ユニバーシティ フューチャー テクノロジー ディベロップメント リミティド パートナーシップ インターレース型のマイクロコンテナ構造に基づく３−ｄマイクロ電池

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