DE10313005B4

DE10313005B4 - Reservebatterie und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE10313005B4
Application number: DE2003113005
Authority: DE
Inventors: Edith Dr. Carl; Alexander Dr. Hahn; Barbara Schricker; Manfred Dr. Waidhas
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2023-03-25
Also published as: DE10313005A1

Abstract

Reservebatterie mit einer Anode und einer Kathode als Elektroden von 5 bis 500 μm Dicke auf einem Substrat sowie einem Freiraum zur Aufnahme eines Elektrolyten, gekennzeichnet durch einen Aufbau der Elektroden (10, 20) in Dünnschicht-Planartechnik auf dem Substrat (1), wobei eine interdigitale Anordnung von Anode (20) und Kathode (10) mit einzelnen Elektrodenfingern (11, 11', ...; 21, 21', ...) gebildet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Reservebatterie aus Anode und Kathode als Elektroden und einem Freiraum zur Aufnahme eines Elektrolyten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Daneben bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Reservebatterie.
Eine Reservebatterie ist eine Batterie, die typischerweise nur einmal nutzbar ist und die sich selbst durch Benetzung mit einem Elektrolyten aktiviert. Für eine Anwendung im medizinischen Bereich kann der Elektrolyt beispielsweise Körperflüssigkeit sein.
Reservebatterien sind bereits bekannt. Sie sind analog zu bekannten Primärbatterien aus Anode, Elektrolytraum und Kathode aufgebaut. Anders als bei solchen Primärbatterien ist allerdings bei Reservebatterien der Raum zwischen den Elektroden nicht mit Elektrolyt gefüllt. Erst bei Aktivierung wird der Zwischenraum mit ionisch leitfähigem Elektrolyten gefüllt.
Reservebatterien finden unter anderem Anwendung in Signallampen, beispielsweise Rettungswesten oder dergleichen, oder beispielsweise auch als Torpedoantrieb. In beiden Fällen werden sie durch eindringendes Seewasser aktiviert. Besonderer Vorteil von Reservebatterien ist die nahezu unbegrenzte Lagerfähigkeit, da durch den fehlenden Elektrolyten eine Selbstentladung im üblichen Sinne nicht möglich ist.
Die bisher bekannten Systeme von Reservebatterien sind aus massiven Elektroden aufgebaut. Dadurch sind sie nicht geeignet für einen flachen Aufbau und solche Anwendungen, für die ein miniaturisierter Aufbau notwendig ist.

Vom Stand der Technik ist es zwar bereits bekannt, Anordnungen in Dünnschichttechnik auszubilden. Dies gilt beispiels weise für ein pyroelektrisches Dünnschichtsensorelement gemäß der DE 195 13 499 A1 oder für eine elektronische Karte mit IC-Chip und Batterie gemäß der DE 689 14 526 T2 . Darüber hinaus ist aus der WO 01/18830 A1 ein Dünnschichtkondensator vorbekannt, bei dem auf einem elektrisch isolierenden Substrat eine oxidkeramische Schicht und dazwischen eine Mehrzahl von funktionsgradierten Einzelschichten vorhanden sind. Die darauf befindlichen Elektroden können beispielsweise mäanderförmig nach Art von Interdigitalelektroden ausgebildet sein.

Ausgehend von obigem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Reservebatterie zu schaffen, die kompakt aufgebaut und insbesondere auch preiswert ist.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Herstellungsverfahren für eine solche Reservebatterie sind in den nebengeordneten Ansprüchen 9 bis 11, 13 und 14 angegeben. Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Reservebatterie und des zugehörigen Herstellungsverfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Reservebatterie ist in Dünnschicht-Planartechnik mit Interdigitalstruktur und einzelnen Elektrodenfingern realisiert. Bei der bestimmungsgemäßen Anwendung schließen die Elektrodenfinger den Elektrolyten ein. Die somit gebildete Reservebatterie kann aufgrund ihres besonders einfachen Aufbaus auch sehr einfach hergestellt werden. Dadurch ist der Aufbau so preiswert, dass er insbesondere auch für sog. Disposable-Anwendungen, z.B. in der Medizindiagnostik, in Frage kommt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen jeweils in schematischer Schnittdarstellung
1 das Prinzip einer Dünnschicht-Reservebatterie,
2 eine Reservebatterie in Interdigitalstruktur,
3 eine Reservebatterie gemäß 2 in Schnittdarstellung und
4 die Vorgehensweise zur Aktivierung einer Reservebatterie.
Gleichwirkende Einheiten haben in den Figuren gleiche Bezugszeichen. Die Figuren werden nachfolgend teilweise gemeinsam beschrieben.
In 1 ist eine Struktur dargestellt, die eine Substratschicht 1 mit einer darauf befindlichen Kathode 10 und einer Anode 20 enthält. Kathode 10 und Anode 20 bilden jeweils mehrere Elektrodenfinger 11, 11', ... und 21, 21', ..., die zueinander parallel angeordnet sind. Die Elektrodenfinger 11, 11', ... und 21, 21', ... sind Teil von Interdigitalelektroden. Dies bedeutet, dass die Kathode 10 einerseits und die Anode 20 andererseits jeweils insgesamt kammartig ausgebildet ist, wobei die einzelnen Kathodenfinger 11, 11', ... und die einzelnen Anodenfinger 21, 21', ... paarweise ineinander greifen.
In 2 ist eine Struktur wie in 1 vorhanden, bei der von der Kathode 10 einerseits und der Anode 20 andererseits mit jeweils nur einem einzigen Elektrodenfinger die Interdigitalelektrode gebildet wird. Der Elektrodenfinger 11 bzw. 21 bildet jeweils die komplette Elektrode 10 bzw. 20.
In einer Abwandlung zu 1 und/oder 2 können die beiden oder mehrere Elektrodenfinger spiralförmig, mäanderförmig oder in anderer gewundener Anordnung ausgebildet sein.
Insgesamt wird in 1 und/oder 2 von den Strukturen aus Kathode 10 und Anode 20 auf dem Substrat 1 eine sogenannte „in-plane"-Anordnung gebildet. Dabei kommt es darauf an, den Abstand der nebeneinander angeordneten Elektroden bzw. Elektrodenfinger möglichst gering zu wählen, wobei Breite b, Abstand a und Dicke der Elektrodenschicht jeweils in der gleichen Größenordnung liegen. Auf die Dimensionierung und die geeigneten Herstellungsverfahren wird weiter unten eingegangen.
Aus der Schnittdarstellung der 3 ist das Substrat 1 mit den darauf befindlichen Elektrodenfingern 11, 11', ... und 21, 21', ... ersichtlich. Es ist eine Abdeckung, z.B. eine Folie 30, vorhanden, die sich im Abstand oberhalb der Elektrodenfinger befindet, so dass ein Elektrolytraum 40 gebildet wird. Der Elektrolytraum 40 kann gegebenenfalls einen porösen Körper zur Aufnahme eines Elektrolyten aufweisen.
In 4 ist eine Anordnung gemäß 1 gezeigt, bei der das Substrat 1 mit Kathode 10 und Anode 20 auf einem diskreten Element, z.B. einen Sensorstreifen aufgebracht ist. Die Anordnung ist in einen Elektrolyten 51 eintauchbar. Dafür ist beispielsweise ein Behälter 50 zur Aufnahme des Elektrolyten vorhanden.
Bei den Anordnungen gemäß den 1 bis 4 sind die Elektroden 10 und 20 bzw. Elektrodenfinger 11, 11', ... und 21, 21', ... als dünne Schichten, beispielsweise mit einer Dicke von 50 μm, ausgebildet. Im Allgemeinen sollte die Dicke der Elektroden zwischen 10 und 100 μm betragen. Als weitestgehender Bereich kommen Dicken von 5 bis 500 μm in Frage. Die Breite b und der Abstand a der Elektrodenfinger ist jeweils im Einzelnen darauf abgestimmt.
Die Herstellung von dünnen Elektrodenschichten erfolgt vorteilhafterweise nach einem bekannten Siebdruckverfahren. Möglich ist es auch, die Elektroden mit einem Sprühverfahren auf ein Substrat aufzubringen. Gegebenenfalls kann dabei auf die Zwischenschicht des Kollektors verzichtet werden, sofern an die Elektroden direkt die Stromanschlüsse angebracht werden.
Derart dünne Schichten können auch beispielsweise mit einem angepassten Ink-Jet-Drucker erzeugt werden. Eine andere Möglichkeit für die Herstellung der Elektroden sind Druckverfahren, insbesondere der sogenannte Tampondruck oder dergleichen, weiterhin Tauchverfahren oder auch das sogenannte Schlickergießen.
Nach dem Prinzip der 1 bis 4 können Reservebatterien aufgebaut werden, die hinsichtlich der Spannung bzw. des zu liefernden Stromes den vorgegebenen Bedingungen genügen. Dabei kann die Anzahl n der Zellen vorgegeben werden, wobei im allgemeinen gilt: n ≥ 2. Wesentlich ist dabei, dass der Elektrolytraum 4 so gestaltet werden kann, dass er eine Kapillarwirkung zum Einsaugen des Elektrolyten aufweist. Dies kann beispielsweise durch die Dicke des Elektrolytraumes an sich oder durch einen porösen Körper in direktem Kontakt zu den Elektroden realisiert werden. Ein solcher Körper mit Kapillarwirkung ist beispielsweise ein Vlies.
Bei den beschriebenen Reservebatterien kann einer der beiden Elektroden, dem Elektrolytraum oder den darin enthaltenen porösen Körper, der den Separator darstellt, ein lösliches Salz zugesetzt werden. Dies kann entweder ein wasserlösliches, elektrisch leitendes Salz sein zur Befüllung mit Wasser oder wässrigen Lösungen oder aber auch ein Leitsalz für organische Flüssigkeiten.
Zur Aktivierung anhand der 1 bis 4 beschriebenen Reservebatterien wird die Anordnung mit einem Elektrolytreservoir verbunden. Durch mechanischen Druck auf das Elektrolytreservoir wird der Elektrolyt in den Elektrolytraum gedrückt und damit die Batterie betriebsbereit gemacht.
Als Elektrolyt sind alle Flüssigkeiten geeignet, die zumindest eine geringfügige ionische Leitfähigkeit aufweisen. Bei einer medizinischen Anwendung kann dies eine Körperflüssigkeit, wie Blut, Urin oder Speichel, sein.
Der Elektrolyt kann auch direkt die zu analysierende Flüssigkeit sein. Dies ist vorteilhaft für den Einsatz von sogenannten Disposable-Anwendungen in der Medizintechnik. Für solche Disposable-Anwendungen ist ein ultradünner Aufbau mit geringem Materialeinsatz und die einfache Fertigung vorteilhaft.
Bei Kontakt mit einer Flüssigkeit aktiviert sich die Batterie und die damit verbundene elektronische Schaltung selbstständig. Die Aktivierung durch die Analyseflüssigkeit wirkt also wie ein intelligenter Schalter.

Claims

Reservebatterie mit einer Anode und einer Kathode als Elektroden von 5 bis 500 μm Dicke auf einem Substrat sowie einem Freiraum zur Aufnahme eines Elektrolyten, gekennzeichnet durch einen Aufbau der Elektroden (10, 20) in Dünnschicht-Planartechnik auf dem Substrat (1), wobei eine interdigitale Anordnung von Anode (20) und Kathode (10) mit einzelnen Elektrodenfingern (11, 11', ...; 21, 21', ...) gebildet ist.
Reservebatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Anode (20) und Kathode (30) durch jeweils zwei nebeneinander liegende Elektrodenfinger (11, 11', ... 20, 20', ...) gebildet sind.
Reservebatterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zweier benachbarter Elektrodenfinger (11, 11', ... 21, 21', ...) entsprechend der jeweiligen Elektrodendicke gewählt ist.
Reservebatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Elektroden zwischen 10 und 100 μm beträgt.
Reservebatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenfinger (11, 11', ... 21, 21', ...) in gewundener Anordnung, beispielsweise spiralförmig oder mäanderförmig, ausgebildet sind.
Reservebatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abdeckung (30) zur Bildung eines Elektrolytraumes (40) mit Kapillarwirkung für einen Elektrolyten (51) vorhanden ist.
Reservebatterie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der Kapillarwirkung der Elektrolytraum (40) mit Abdeckung (30) eine geringe Dicke aufweist.
Reservebatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Substrat (1) aufgebrachten Elektroden (10, 20) eine freie Oberfläche aufweisen, wobei das Substrat (1) mit den Elektroden (10, 20) zur Benetzung der Elektrodenoberflächen in den Elektrolyten (51) tauchbar ist.
Reservebatterie nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) mit den Elektroden (10, 20) einen Streifen bildet, der zum Benetzen der Elektrodenoberflächen in einen Behälter (50) mit Elektrolyt (51) eintauchbar ist.
Verfahren zur Herstellung einer Reservebatterie nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden durch Siebdrucken auf das Substrat aufgebracht werden.
Verfahren zur Herstellung einer Reservebatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden durch Sprühen auf das Substrat aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass für das Sprühverfahren ein so genannter Ink-Jet-Drucker verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung einer Reservebatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden durch Drucken, vorzugsweise einem Tampondruck, auf das Substrat aufgebracht werden.
Verfahren zur Herstellung einer Reservebatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden durch Tauchen oder Schlickergießen auf das Substrat aufgebracht werden.