JP2010534381A - 電気化学エネルギー源及びそのような電気化学エネルギー源を備えた電子装置 - Google Patents

Abstract

固体電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに効率よく変換し、携帯型の電子機器用の電源として使用されることができる。本発明は、改良された電気化学エネルギー源に関する。本発明はさらに、このような電気化学エネルギー源を備える電子装置にも関する。前記エネルギー源は、少なくとも１つの柔軟性のある要素によって相互接続される少なくとも２つのセルを有する。この柔軟性のある要素は、導電性ポリマー又は導電性ラバーからなる。前記電極は、空洞（柱、溝、細隙又は孔）を備える。障壁層は、前記電極とそれらの基板との間に置かれる。前記エネルギー源は、"システムインパッケージ"に使用される。

Description

本発明は、改良された電気化学エネルギー源に関する。本発明は、そのような電気化学エネルギー源を備えた電子装置にも関する。

固体電解質に基づく電気化学エネルギー源は、従来知られている。これら（平面）エネルギー源、すなわち"固体電池"は、化学エネルギーから電子エネルギーへ効率よく変換され、携帯型の電子機器用の電源として使用されることができる。小規模の上記電池は、例えばマイクロ電子モジュール、特に集積回路（ＩＣ）に電子エネルギーを供給するのに使用されることができる。この実施例は、国際特許出願WO 00/25378号に開示され、ここでは固体の薄膜マイクロ電池(micro battery)が、直接特定の基板上に製造される。この製造工程中、第１の電極、中間にある固体電解質及び第２の電極は次いで、前記基板上に積み重ねるように置かれる。前記基板は、二次元又は三次元の電池の積み重ねを実現するために、平坦でもよいし、湾曲していてもよい。既知の電池の主な欠点は、かなり硬質であることであり、これは既知の電池の適用可能性を大きく制限する。しかしながら、伸縮性及び柔軟性のある電源が、例えば埋め込み型装置及び家庭用電気器具のような硬質の電子装置だけでなく、例えば織物の電子機器のような柔軟性のある電子装置にも効果的に給電する必要性がますます高まっている。

本発明の目的は、比較的柔軟性のある電気化学エネルギー源を提供することである。

本目的は、序文に記載の電気化学エネルギー源を提供することにより達成され、このエネルギー源は、複数の電気化学セルを有し、ここで各セルは基板上に置かれ、各セルは、第１の電極、第２の電極及び前記第１の電極と前記第２の電極とを分離する電解質を有し、ここで少なくとも２つのセルは、少なくとも１つの柔軟性のある要素により相互接続される。前記柔軟性のある要素は、複数のセルを互いに接続するための柔軟性のある相互接続要素又はブリッジと考えられる。前記電気化学エネルギー源は実際に、１つ以上の柔軟性のある要素により互いに結合されたかなり硬質なセルのアレイにセグメント化されるので、（前記セルにより形成される）全てのセグメントは、互いに独立して動く及び移動することが可能であり、故に伸縮性及び比較的柔軟性のあるエネルギー源をもたらす。従って、複数の（かなり硬質な）電気化学セルを１つ以上の柔軟性のある要素によって相互接続することにより、セルの柔軟性のある組立体が得られ、これは、様々なアプリケーションに有利に利用されることができる。これらの伸縮可能な電池の応用分野は、そのアプリケーション（及びさらに電源）の高い柔軟性が必要とされるアプリケーションである。これら要件を満たすアプリケーションは、例えば織物の電子機器、洗える電子機器、予め成形した電池を必要とするアプリケーション、電子ペーパー及び多くの携帯型の電子アプリケーションである。

前記第１の電極は一般的に陽極からなり、前記第２の電極は陰極からなることを述べておく。各電極は一般的に電流コレクタも有する。これら電流コレクタによって、前記セルは電子装置に簡単に接続されることができる。好ましくは、前記電流コレクタは、以下の材料、Ａｌ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｔａ，Ｔｉ，ＴａＮ及びＴｉＮの少なくとも１つから作られる。他の種類の電流コレクタ、例えばＳｉ，ＧａＡｓ，ＩｎＰのような好ましくはドープされた半導体材料が利用されてもよい。

好ましい実施例において、各セルは、少なくとも１つの柔軟性のある要素によって、少なくとも１つの他のセルに接続される。このようにして、前記電気化学エネルギー源は、単一の柔軟性のある組立体により形成されることができる。前記セルは、一列（直線又は非直線）、故に一次元的に配されてもよい。しかしながら、前記セルが二次元的、例えば行列に従って配向されることも当業者は分かっている。さらに、前記セルが三次元構造に従って配向されることも想定できる。従って、１つ以上のセルが少なくとも１つの柔軟性のある要素によって複数の他のセルに同時に接続されることがしばしば好まれる。

各々の柔軟性のある要素はパッシブ特性を持ち、これは前記柔軟性のある要素が単に２つ（又はそれ以上）の電気化学セルを互いに接続することを意味している。しかしながら、少なくとも１つの柔軟性のある要素が追加の機能、特に位置選択型の導電機能を備えることが好ましい。この目的のために、少なくとも１つの柔軟性のある要素は、隣接するセルの夫々の電極を接続するための少なくとも１つの柔軟性のある導体を有する。特に好ましくは、各々の柔軟性のある要素は、隣接するセルの夫々の電極を接続するための複数の柔軟性のある導体を有する。このようにして、全てのセルの陽極は、かなり効率よく相互接続されることができる。同じことが全てのセルの陰極にも当てはまる。前記導体は、前記柔軟性のある要素内に組み込まれてもよい。前記相互接続の他の部品は好ましくは、前記陽極及び前記陰極の短絡を防止するために、電気的に絶縁する材料から作られる。前記導体は好ましくは、前記相互接続の柔軟特性を保証するために柔軟性のある材料から作られる。特に好ましい実施例において、少なくとも１つの柔軟性のある導体は、導電性ポリマー又は導電性ゴムからなる。最近は、電池セグメントを相互接続するのに適切に使用される様々な可能な導電性ポリマー及びラバーが利用可能である。例えばPremix Thermoplastics社は、導電熱可塑性化合物を"制御抵抗"レベルで製造する。これら材料は、導電性ナイロン又は導電性ポリエステルウレタンからなり、１Ω・ｃｍから１×１０^−１１Ω・ｃｍにおよぶほぼ如何なる抵抗率で製造されることができる。導電性ラバーは例えば、NanoSonic（登録商標）社により製造される。これら材料は実際上、ナノコンポジット(nanocomposite)であり、これは、行列の機械的特性を保つ一方、フィルタの導電特性も利用する方法で、この行列とフィルタとを効果的に組み合わせる。その結果は、弾性ポリマー主鎖に適当な量の金属を含んでいるナノコンポジットであり、これはその大きさの３００％まで伸び、次いでそれの元の形状及び導電率に回復することを可能にする。他の材料が柔軟性のある導体として機能を果たすように使用されることも明らかである。前記相互接続の最終的な絶縁部は好ましくは、絶縁性ポリマー又は絶縁性ラバーから作られる。

好ましい代替の実施例において、少なくとも１つの柔軟性のある要素により相互接続されている複数のセルは、単一の基板上に置かれる。前記エネルギー源の十分な柔軟性を保証するために、使用される基板は好ましくは、柔軟性のある材料、例えばDuPont Kapton（登録商標）社のポリイミドフィルム又は他のポリマーフィルムからも作られる。各セルが別々の基板に置かれる場合、硬質な材料が使用されてもよい。

好ましくは、本発明によるエネルギー源の少なくとも１つの電極は、以下の元素、水素（Ｈ）、リチウム（Ｌｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、ナトリウム（Ｎａ）及びカリウム（Ｋ）又は周期表の１族又は２族に割り当てられている如何なる他の適切な元素の少なくとも１つの活性種を貯蔵している。そのように、本発明によるエネルギーシステムの電気化学エネルギー源は、様々なインターカレーション機構(intercalation mechanism)に基づき、従って異なる種類の（保存型）電池セル、例えばリチウムイオン(Li-ion)電池セル、ニッケル水素(NiMH)電池セル等を形成するのに適する。好ましい実施例において、少なくとも１つの電極、特に電池の陽極は、以下の材料、Ｃ，Ｓｎ，Ｇｅ，Ｐｂ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ｓｂ，Ｌｉ及び好ましくはドープされたＳｉの少なくとも１つからなる。これら材料の組み合わせが前記電極を形成するのに使用されてもよい。好ましくは、ｎ型又はｐ型にドープされたＳｉ、すなわちＳｉＧｅ又はＳｉＧｅＣのようなドープされたＳｉ関連化合物が電極として使用される。さらに、他の適切な材料が陽極として利用される、好ましくは、電池の電極の材料が上述した活性種のインターカレーション及び貯蔵に適合しているならば、周期表の１２族−１６族の１つに割り当てられる如何なる他の適当な元素が利用されてもよい。上述した材料は、リチウムイオンベースの電池セルに利用されるのに特に適している。水素ベースの電池セルが利用される場合、陽極は好ましくは、例えばＡＢ_５型の材料、特にＬａＮｉ_５及び例えばマグネシウムベースの合金、特にＭｇ_ｘＴｉ_１−ｘのような水素化物形成材料を有する。リチウムイオンベースのセル用の陰極は好ましくは、例えばＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＭｎＯ_２のような少なくとも１つの金属酸化物ベースの材料、又は例えばＬｉ（ＮｉＣｏＭｎ）Ｏ_２のようなこれらの組み合わせからなる。水素ベースのエネルギー源の場合、陰極は好ましくはＮｉ（ＯＨ）_２及び／又はＮｉＭ（ＯＨ）_２からなり、ここでＭは例えばＣｄ，Ｃｏ又はＢｉの族から選択される１つ以上の元素により形成される。

好ましい実施例において、前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも１つの電極は、少なくとも一部がパターン形成される。本発明による電気化学エネルギー源の一方及び好ましくは両方の電極をパターン形成及び構造化することにより、三次元の表面領域、故に電極の設置面積当たりの増大する表面領域及び前記少なくとも１つの電極と前記電解質の積み重ねとの間にある容量当たりの増大する接触面が得られる。この接触面の増大は、エネルギー源の率容量の向上につながる、故に本発明によるエネルギー源の性能の向上につながる。このようにして、エネルギー源の電力密度は最大となり、故に最適化される。このセル性能の向上により、本発明による小型のエネルギー源は、満足のいくやり方で小型の電子装置に給電する。さらに、この性能の向上により、本発明による電気化学エネルギー源により給電される（小型の）電子部品の選択の自由度が大幅に増大する。前記パターン形成の性質、形状及び次元は、以下に説明されるように多数ある。少なくとも１つの電極の少なくとも１つの表面は、ほぼ規則的にパターン形成されることが好ましく、及び利用されるパターン形成が１つ以上の空洞、特に柱(piller)、溝(trench)、細隙(slit)又は孔(hole)を備えることが特に好ましい。これら特定の空洞は、かなり正確な方法で利用されることができる。このようにして、電気化学エネルギー源の性能の向上は、かなり正確な方法で既定されることも可能である。この状況において、前記積み重ねが上に置かれる基板の表面は、三次元の配向セルを生じさせることを容易にするために、ほぼ平坦であるか又は（前記基板を曲げる及び／又は前記基板に溝、孔及び／又は柱を設けることにより）パターン形成されるかのどちらか一方である。

電気化学エネルギー源は好ましくは、前記基板と少なくとも１つの電極との間に置かれる少なくとも１つの障壁層を有し、当該障壁層は、セルの活性種が前記基板へ拡散するのを少なくともかなり防ぐ。このようにして、前記基板と電気化学セルとは、化学的に分離され、その結果として、前記電気化学セルの性能は、かなり長期にわたり保たれる。リチウムイオンベースのセルが利用される場合、前記障壁層は好ましくは、以下の材料、Ｔａ，ＴａＮ，Ｔｉ及びＴｉＮの少なくとも１つから作られる。他の適当な材料が障壁層として機能を果たすように使用されることも明らかである。

好ましい実施例において、理想的には、前記基板をパターン形成するために表面処理を施されるのに適した基板が利用され、これが電極のパターン形成を容易にする。前記基板は特に好ましくは、以下の材料、Ｃ，Ｓｉ，Ｓｎ，Ｔｉ，Ｇｅ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｔａ及びＰｂの少なくとも１つから作られる。これら材料の組み合わせが前記基板を形成するのに使用されてもよい。好ましくは、ｎ型又はｐ型にドープされたＳｉ又はＧｅ、すなわちＳｉＧｅ又はＳｉＧｅＣのようなドープされたＳｉ関連及び／又はＧｅ関連化合物が基板として使用される。上述したように、比較的硬質な材料のほかに、かなり柔軟性のある材料、例えばKapton（登録商標）フォイルのようなフォイルが前記基板の製造に使用されてもよい。他の適切な材料が基板の材料として使用されてもよいことは明らかである。

本発明は、本発明による少なくとも１つの電気化学エネルギー源及び当該電気化学エネルギー源に接続される少なくとも１つの電子部品を備える電子装置にも関する。前記少なくとも１つの電子部品は好ましくは、少なくとも一部が前記電気化学エネルギー源の基板に組み込まれている。このようにして、システムインパッケージ（ＳｉＰ）が達成される。ＳｉＰにおいて、１つ又は複数の電子部品及び／又は装置、例えば集積回路（ＩＣ）、アクチュエータ、センサ、受信機、送信機等は、少なくとも一部が本発明による電気化学エネルギー源の基板に組み込まれている。本発明による電気化学エネルギー源は理想的には、例えば（バイオ）インプラント、補聴器、自律ネットワーク装置、並びに神経及び筋肉刺激装置のような比較的小さな高出力の電子アプリケーションと、例えば織物の電子機器、洗える電子機器、予め成形した電池を必要とするアプリケーション、電子ペーパー及び多くの携帯型の電子アプリケーションのようなさらに柔軟性のある電子装置とに電力を供給するのに適している。

従来技術による電気化学エネルギー源の断面図を示す。 本発明による柔軟性のある電気化学エネルギー源の断面図を示す。 本発明によるもう１つの柔軟性のある電気化学エネルギー源の断面図を示す。

図１は、先行技術による電気化学エネルギー源１の断面図を示す。この既知の電気化学エネルギー源１は、その上に電気化学セル３が置かれた基板２を有する。前記セル３は、第１の電極４、電解質５及び第２の電極６を有する。本実施例において、前記第１の電極４は、第１の電流コレクタ７及びこの第１の電流コレクタ７の上に置かれた陰極８からなるのに対し、前記第２の電極６は、陽極９及びこの陽極８の上に置かれた第２の電流コレクタ１０からなる。本実施例において、前記基板２は、１つ以上の電子部品１１が組み込まれているシリコンから作られていて、ここで前記電流コレクタ７、１０は一般的に、前記電子部品１１と電気的に接続されている。任意に、前記第１の電極が陽極からなり、前記第２の電極が陰極からなる反対の積み重ねが利用されることが可能である。

図２は、本発明による電気化学エネルギー源１２の断面図を示す。この電気化学エネルギー源１２は、複数のリチウムイオンセル１３ａ、１３ｂを有し、各セルは、シリコン基板１５ａ、１５ｂの上に置かれた第１の電流コレクタ１４ａ、１４ｂ、前記第１の電流コレクタの上に置かれた陽極１６ａ、１６ｂ、前記陽極１６ａ、１６ｂの上に置かれた固体電解質層１７ａ、１７ｂ、前記固体電解質層１７ａ、１７ｂの上に置かれた陰極１８ａ、１８ｂ及び前記陰極１８ａ、１８ｂの上に置かれた第２の電流コレクタ１９ａ、１９ｂを有する。前記第１の電流コレクタ１４ａ、１４ｂは、活性種（リチウムイオン）が前記シリコン基板１５ａ、１５ｂに拡散するのを防ぐためのリチウムイオン障壁層としても機能を果たす。前記セル１３ａ、１３ｂ自体は比較的硬質である。これらセル１３ａ、１３ｂは、少なくとも一部がゴム及び／又はポリマーから作られた柔軟性のある相互接続要素２０によって互いに結合されている。柔軟性のある陽極導体２１及び柔軟性のある陰極導体２２は、前記相互接続要素２０の絶縁部に組み込まれている。これら導体は好ましくは、導電性ポリマー、導電性ゴム及び／又は金属層から作られる。セル１３ａ、１３ｂ自体は、柔軟性のある被膜２３でも覆われている。一般に、前記相互接続要素２０及び柔軟性のある被膜２３は互いに一体化され、かなり安定した柔軟性のあるエネルギー源１２を供給する。前記電気化学エネルギー源１２は実際、柔軟性のある相互接続要素２０によって互いに結合されたかなり硬質なセル１３ａ、１３ｂのアレイにセグメント化されるので、前記セル１３ａ、１３ｂは、互いに独立して動く及び移動することができ、故に例えば柔軟性のある電子装置に利用される伸縮性及び柔軟性のあるエネルギー源となる。

図３は、本発明によるもう１つの電気化学エネルギー源２４の平面図を示す。このエネルギー源２４は、柔軟性のあるブリッジ２６によって互いに結合された複数の電気化学セル２５を有し、この結果として、前記電気化学エネルギー源２４は、柔軟特性が提供される。従って、前記電気化学エネルギー源２４は、２つの方向（矢印参照）に伸縮可能である。前記セル２５が図２に示されるように構成されてもよい。前記セルは好ましくは、前記柔軟性のあるブリッジ２６に組み込まれている導電層（図示せず）によって互いに電気的に接続される。このようにして、比較的強力且つ柔軟性のあるエネルギー源２４がかなり効率的及び効果的な方法で提供されることができる。

上述した実施例は、本発明を制限するのではなく、説明するものであり、当業者は、付随する請求項の範囲から外れることなく、多くの代替の実施例を考案することが可能であることに注意すべきである。これら請求項において、括弧の間に置かれる如何なる参照符号も、この請求項を制限するとは考えない。動詞"有する"及びそれの活用形の使用は、請求項に述べた要素又はステップ以外の要素又はステップの存在を排除するものではない。要素が複数あることを示さないことは、そのような要素が複数あることを排除するものではない。ある手段が互いに異なる従属請求項に挙げられているという単なる事実は、これら手段の組み合わせが有利に用いられることができないことを示すのではない。

Claims (23)

1. 複数の電気化学セルを有し、前記セル各々は基板上に置かれる電気化学エネルギー源において、前記各セルは、
   第１の電極、
   第２の電極、及び
   前記第１の電極と前記第２の電極とを分離する電解質
   を有し、少なくとも２つのセルは、少なくとも１つの柔軟性のある要素により相互接続される電気化学エネルギー源。
2. 前記第１の電極は陽極からなり及び／又は前記第２の電極は陰極からなることを特徴とする請求項１に記載の電気化学エネルギー源。
3. 各セルは、少なくとも１つの柔軟性のある要素によって少なくとも１つの他のセルに接続されることを特徴とする請求項２に記載の電気化学エネルギー源。
4. 少なくとも１つのセルは、少なくとも１つの柔軟性のある要素によって複数の他のセルに接続されることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の電気化学エネルギー源。
5. 前記少なくとも１つの柔軟性のある要素は、隣接するセルの夫々の電極を接続するための少なくとも１つの柔軟性のある導体を有することを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の電気化学エネルギー源。
6. 前記少なくとも１つの柔軟性のある要素は、隣接するセルの夫々の電極を接続するための複数の柔軟性のある導体を有することを特徴とする請求項４に記載の電気化学エネルギー源。
7. 少なくとも１つの柔軟性のある導体は、導電性ポリマー又は導電性ゴムを有することを特徴とする請求項４又は５に記載の電気化学エネルギー源。
8. 少なくとも１つの柔軟性のある要素により相互接続されている複数のセルは、単一の基板上に置かれることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の電気化学のエネルギー源。
9. 前記陽極及び前記陰極は共に、以下の元素；Ｈ，Ｌｉ，Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｎａ及びＫの少なくとも１つの活性種を貯蔵することを特徴とする請求項２乃至８の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
10. 前記陽極及び前記陰極の少なくとも１つは、以下の材料；Ｃ，Ｓｎ，Ｇｅ，Ｐｂ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｓｂ及び好ましくはドープされたＳｉの少なくとも１つから作られることを特徴とする請求項２乃至９の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
11. 少なくとも１つのセルの少なくとも１つの電極は、少なくとも１つのパターン形成した表面を備えていることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
12. 前記少なくとも１つの電極の前記少なくとも１つのパターン形成した表面は、複数の空洞を備えることを特徴とする請求項１１に記載の電気化学エネルギー源。
13. 少なくとも前記空洞の一部は、柱、溝、細隙又は孔を形成することを特徴とする請求項１２に記載の電気化学エネルギー源。
14. 前記第１の電極及び前記第２の電極は、電流コレクタを各々有することを特徴とする請求項１乃至１３の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
15. 前記少なくとも１つの電流コレクタは、以下の材料；Ａｌ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｔａ，Ｔｉ，ＴａＮ及びＴｉＮの少なくとも１つから作られることを特徴とする請求項１４に記載の電気化学エネルギー源。
16. 前記エネルギー源はさらに、前記基板と少なくとも１つの電極との間に置かれる少なくとも１つの電子伝導性障壁層を有し、前記障壁層は、前記セルの活性種が前記基板へ拡散するのを少なくともかなり防ぐことを特徴とする請求項１乃至１５の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
17. 前記少なくとも１つの障壁層は、以下の材料；Ｔａ，ＴａＮ，Ｔｉ及びＴｉＮの少なくとも１つから作られることを特徴とする請求項１６に記載の電気化学エネルギー源。
18. 前記基板は、以下の材料；Ｃ，Ｓｉ，Ｓｎ，Ｔｉ，Ｇｅ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｔａ及びＰｂの少なくとも１つからなることを特徴とする請求項１乃至１７の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
19. 前記基板は、柔軟性のある材料から作られることを特徴とする請求項１乃至１８の何れか一項に記載の電気化学エネルギー源。
20. 請求項１乃至１９の何れか一項に記載の少なくとも１つの電気化学エネルギー源と、前記電気化学エネルギー源に接続される少なくとも電子部品とを有する電子装置。
21. 前記少なくとも１つの電子部品は、少なくとも一部が前記電気化学エネルギー源の前記基板に組み込まれていることを特徴とする請求項２０に記載の電子装置。
22. 前記少なくとも１つの電子部品は、検出手段、鎮痛刺激手段、通信手段及び作動手段から構成される集合から選択されることを特徴とする請求項２０又は２１に記載の電子装置。
23. 前記電子装置及び前記電気化学エネルギー源は、システムインパッケージを形成することを特徴とする請求項２０、２１又は２２に記載の電子装置。

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