(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜電池構造において、
基板と、
該基板の上に設置されると共に、少なくとも一つの第１集電バンプを備えた第１集電層と、
少なくとも一つの第１電極層を備え、そのうち各一つの該第１電極層は、該第１集電層の上に設置され、且つ各該第１集電バンプは各該第１電極層内に埋め込まれる、第１電極層アレイと、
各該第１電極層が埋め込まれる電解質層と、
該電解質層の上に設置される第２電極層と、
該第２電極層の上に設置される第２集電層と、
を含み、該第１電極層はアレイ方式で配列されることを特徴とする、薄膜電池構造。
【請求項２】
請求項１記載の薄膜電池構造において、該電解質層はさらに該第１集電層の上に設置されることを特徴とする、薄膜電池構造。
【請求項３】
請求項２記載の薄膜電池構造において、該第２集電層はさらに少なくとも一つの第２集電バンプを備え、且つ該少なくとも一つの第２集電バンプは該第２電極層内に埋め込まれることを特徴とする、薄膜電池構造。
【請求項４】
請求項２記載の薄膜電池構造において、該第１電極層は矩形体電極層、台形体電極層、円柱体電極層、中空柱体電極層、環形体電極層、指状体電極層或いは任意形状の電極層とされることを特徴とする、薄膜電池構造。
【請求項５】
請求項２記載の薄膜電池構造において、第３電極層と第４電極層をさらに備え、該第３電極層は該第１集電層の上に設置され、該第４電極層は該第３電極層の上に設置され、且つ該第１電極層、該第３電極層及び該第４電極層は該電解質層内に埋め込まれたことを特徴とする、薄膜電池構造。
【請求項６】
請求項１記載の薄膜電池構造において、第１電極層は第５電極層と第６電極層を備え、該第５電極層は該第１集電層の上に設置され、該電解質層は該第６電極層は該第５電極層の上に設置され、且つ少なくとも一つの第１集電バンプが該第５電極層と該第６電極層内に埋め込まれることを特徴とする、薄膜電池構造。
【請求項７】
薄膜電池構造の製造方法において、
基板を提供するステップ、
第１集電層を該基板の上に形成し、且つ該第１集電層は少なくとも一つの第１集電バンプを備えるようにするステップ、
少なくとも一つの第１電極層アレイを形成し、そのうち各一つの第１電極層は該第１集電層の上に設置し、且つ該少なくとも一つの第１集電バンプを各一つの第１電極層内に埋め込むステップ、
電解質層を該第１集電層と各一つの該第１電極層の上に形成するステップ、
第２電極層を該電解質層の上に形成するステップ、
第２集電層を該第２電極層の上に形成するステップ、
を含み、該第１電極層はアレイ方式で配列し、且つ各該第１電極層は該電解質層内に嵌設することを特徴とする、薄膜電池構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一種の電池構造及びその製造方法に係り、特に、一種の薄膜電池構造及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
３Ｃ電子の軽量コンパクト化に伴い、携帯式電源の必要性は日増しに高まっているが、周知のゲル状或いはソリッド電解質薄膜電池、たとえばリチウムイオン電池は、高電流密度下では、エネルギー密度が低くなりがちで、そのキャパシタンスをアップできず、且つ高電流密度下での充放電も不安定であるという欠点がある。
【０００３】
特許文献１を参照されたい。それは全固体リチウム電池の製造方法を提供し、該方法により製造されるリチウム電池は層状構造リチウム電池とされ、固体活性物質と固体電解質の接触面積が不足しているために、酸化リチウムコバルト(ＬｉＣｏＯ２)全固体薄膜電池の400nmを超える膜厚は、充放電過程中に十分に利用されることができない。
【０００４】
特許文献２を参照されたい。それは一種の固体電池を製造する方法を提供するが、それは層状スタック構造の固体電池とされ、有効に単位面積電池のキャパシタンスをアップすることができない。
【０００５】
特許文献３を参照されたい。それは一種のパターニングした電極材料を提供し、それは一種のオーバラップしない層状構造固体電池とされ、これによりピンホール（pinhole）効果の発生を防止し、ピンホール効果の発生によりリチウムイオン薄膜電池が短絡を発生し、有効に単位面積あたりの電池のキャパシタンスをアップできなくなるのを防止する。
【０００６】
特許文献４を参照されたい。それは、シリコン薄膜450nmを陽極として提供し、比較的大きなキャパシタンスを有するが、一種の層状構造の固体電池であり、依然として単位面積あたりの電池のキャパシタンスを有効にアップすることはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第ＵＳ７５４０８８６ Ｂ２号明細書
【特許文献２】台湾特許第ＴＷ２００９１９８０２号明細書
【特許文献３】欧州特許第ＥＰ１９２８０５１号明細書
【特許文献４】日本特許第ＪＰ２０１３０８０６６９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の発明の背景を鑑み、本発明は一種の薄膜電池構造及びその製造方法を提供し、それは、高キャパシタンス、高電流密度の充放電のサイクル寿命及び活性材料を備えた電極の利用率をアップし、それにより単位キャパシタンスの製造コストを低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
ある実施例において、本発明は一種の薄膜電池構造を提出し、それは、基板、第１集電層、第１電極層アレイ、電解質層、第２電極層及び第２集電層を含む。該第１集電層は該基板上に設置されると共に、少なくとも一つの第１集電バンプを備えている。該第１電極層アレイは少なくとも一つの第１電極層を備え、そのうち各一つの該第１電極層は、第１集電層の上に設置され、且つ各該第１集電バンプは各該第１電極層内に埋め込まれる。各該第１電極層は該電解質層内に埋め込まれる。該第２電極層は該電解質層の上に設けられる。該第２集電層は該第２電極層の上に設置される。
【００１０】
別の実施例において、本発明は一種の薄膜電池構造の製造方法を提供し、それは、基板を提供するステップ、第１集電層を該基板の上に形成し、且つ該第１集電層は少なくとも一つの第１集電バンプを備えるようにするステップ、少なくとも一つの第１電極層アレイを形成し、そのうち各一つの第１電極層は該第１集電層の上に設置し、且つ該少なくとも一つの第１集電バンプを各一つの第１電極層内に埋め込むステップ、電解質層を該第１集電層と各一つの該第１電極層の上に形成するステップ、第２電極層を該電解質層の上に形成するステップ、第２集電層を該第２電極層の上に形成するステップ、を含む。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は一種の薄膜電池構造及びその製造方法を提供し、それは、高キャパシタンス、高電流密度の充放電のサイクル寿命と、活性材料を備えた電極利用率を増し、これにより単位キャパシタンスの製造コストを低減する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施例の薄膜電池構造の構造表示図である。
【図２】本発明の第２実施例の薄膜電池構造の構造表示図である。
【図３】本発明の第３実施例の薄膜電池構造の構造表示図である。
【図４】本発明の第４実施例の薄膜電池構造の構造表示図である。
【図５】本発明の第１実施例の薄膜電池構造の製造方法フローチャートである。
【図６Ａ】本発明の第１実施例の薄膜電池構造の製造表示図である。
【図６Ｂ】本発明の第１実施例の薄膜電池構造の製造表示図である。
【図６Ｃ】本発明の第１実施例の薄膜電池構造の製造表示図である。
【図６Ｄ】本発明の第１実施例の薄膜電池構造の製造表示図である。
【図６Ｅ】本発明の第１実施例の薄膜電池構造の製造表示図である。
【図６Ｆ】本発明の第１実施例の薄膜電池構造の製造表示図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は本発明の第１実施例の薄膜電池構造表示図である。薄膜電池構造１０は、基板１００、第１集電層１１０、第１電極層アレイ１２０、電解質層１３０、第２電極層１４０及び第２集電層１５０を含む。第１集電層１１０は該基板１００上に設置されると共に、少なくとも一つの第１集電バンプ１１２を備えている。該第１電極層アレイ１２０は少なくとも一つの第１電極層１２２を備え、そのうち各一つの該第１電極層１２２は、該第１集電層１１０の上に設置され、且つ各該第１集電バンプ１１２は各該第１電極層１２２内に埋め込まれる。各該第１電極層１２２は該電解質層１３０内に埋め込まれ、本実施例中、該電解質層１３０はさらに該第１集電層１１０の上にも設置されているが、これに限定されるわけではない。第２電極層１４０は該電解質層１３０の上に設置される。該第２集電層１５０は該第２電極層１４０の上に設置される。
【００１４】
図２は本発明の第２実施例の薄膜電池構造表示図とされ、第２集電層１５０はさらに、少なくとも一つの第２集電バンプ１５２を備え、且つ少なくとも一つの第２集電バンプ１５２は第２電極層１４０内に埋め込まれるが、これに限定されるわけではない。
【００１５】
ある実施例において、基板１００は、絶縁基板、導電基板、半導体基板或いは軟性基板とされ得る。第１電極層１２２は矩形体電極層、台形体電極層、円柱体電極層、中空柱体電極層、環形体電極層、指状体電極層或いは任意形状の電極層とされ、本実施例中、第１電極層１２２は矩形体電極層とされているが、これに限定されるわけではない。
【００１６】
別の実施例において、電解質層１３０はさらに、少なくとも一つの電解質バンプ１３２を備えている。電解質バンプ１３２は矩形体電解質バンプ、台形体電解質バンプ、円柱体電解質バンプ、中空柱体電解質バンプ、環形体電解質バンプ、指状体電解質バンプ或いは任意形状の電解質バンプとされ得る。電解質層１３０はまたゲル電解質或いは固体電解質とされ得る。第１電極層１２２或いは第２電極層１４０は、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＮｉＯ２、Ｃ、Ｓｉ、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、Ｖ２Ｏ５、Ｌｉ或いはその組み合わせの合金或いは化合物とされ得て、第１電極層１２２が負極電極層とされるなら、第２電極層１４０は正極電極層とされ、反対に、第１電極層１２２が正極電極層とされるなら、第２電極層１４０は負極電極層とされる。本実施例では、電解質層１３０は固体電解質、たとえば固体リチウムイオン電解質とされ、且つ第１電極層１２２は負極電極層とされ、第２電極層１４０は正極電極層とされるが、これに限定されるわけではない。
【００１７】
ここで特に説明を要することは、以下のとおりである。第１集電バンプと第２集電バンプの目的は、第１電極層と第２電極層それぞれの、第１集電層、第２集電層との間の表面付着力を増加するのを助けること、及び、第１電極層と第２電極層の電子流と正孔流を収集する能力をアップすることにある。突起構造を備えた各種形状の電極層或いは電解質層を設計することで、電解質層と第１電極層及び第２電極層の接触面積を増加し、それによりイオン伝導を多方向伝導に変え、電解質層間の伝導効率をアップし、薄膜電池構造のキャパシタンスを効果的にアップし、並びにそのエネルギー密度を増加できる。
【００１８】
図３は本発明の第３実施例の薄膜電池構造表示図である。薄膜電池構造２０は基本的に本発明の第１実施例の薄膜電池構造１０に類似する。それはさらに、第３電極層１６０と第４電極層１７０を備え、第３電極層１６０は第１集電層１１０の上に設置され、第４電極層１７０は第３電極層１６０の上に設置され、且つ第１電極層１２２、第３電極層１６０と第４電極層１７０は電解質層１３０内に埋め込まれるが、これに限定されるわけではない。
【００１９】
図４は本発明の第４実施例の薄膜電池構造表示図である。薄膜電池構造３０は基本的に本発明の第１実施例の薄膜電池構造１０に類似する。そのうち、第１電極層は第５電極層１８０と第６電極層１９０を備え、第５電極層１８０は第１集電層１１０の上に設置され、電解質層１３０と第６電極層１９０は第５電極層１８０の上に設置され、且つ、少なくとも一つの第１集電バンプ１１２が第５電極層１８０と第６電極層１９０内に埋め込まれるが、これに限定されるわけではない。
【００２０】
図５は本発明の第１実施例の薄膜電池構造の製造方法のフローチャートである。図６Ａから図６Ｆは、本発明の第１実施例の薄膜電池構造の製造表示図である。その製造方法は以下のステップを含む。
【００２１】
ステップＳ６０２：図６Ａに示されるように、基板を提供する。ある実施例において、基板１００は絶縁基板、導電基板、半導体基板或いは軟性基板とされ得るが、これに限定されるわけではない。
【００２２】
ステップＳ６０４：図６Ｂに示されるように、第１集電層１１０を基板１００の上に形成し、且つ第１集電層１１０は少なくとも一つの第１集電バンプ１１２を有するようにする。ある実施例中、第１集電層１１０は任意の導電金属とされ得るが、これに限定されるわけではない。
【００２３】
ステップＳ６０６：図６Ｃに示されるように、少なくとも一つの第１電極層アレイ１２０を形成し、そのうちの各第１電極層１２２は第１集電層１１０の上に設置し、且つ少なくとも一つの第１集電バンプ１１２は、各一つの第１電極層１２２内に埋め込まれる。ある実施例中、第１電極層１２２は矩形体電極層、台形体電極層、円柱体電極層、中空柱体電極層、環形体電極層、指状体電極層或いは任意形状の電極層とされ、且つ第１電極層１２２はＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＮｉＯ２、Ｃ、Ｓｉ、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、Ｖ２Ｏ５、Ｌｉ或いはその組み合わせの合金或いは化合物とされ得るが、これに限定されるわけではない。このほか、第１電極層を形成する方法は、マスク工程、エッチング工程、スクリーン印刷工程、ナノインプリンティング工程、ホトレジスト工程或いはレーザー切削工程を使用でき、並びに真空蒸着、ＲＦスパッタ、ＲＦマグネトロンスパッタ、高周波スパッタ、高周波マグネトロンスパッタ、化学気相成長、静電噴霧堆積、或いはレーザーパルス堆積を利用して形成され得る。本実施例中、第１電極層１２２は矩形体電極層とされ、並びにマスク工程を使用することで第１電極層が形成されるが、これに限定されるわけではない。
【００２４】
ステップＳ６０８：図６Ｄに示されるように、電解質層１３０を第１集電層１１０と各一つの第１電極層１２２の上に形成する。ある実施例中、電解質層１３０はさらに少なくとも一つの電解質バンプ１３２を備えている。電解質バンプ１３２は矩形体電解質バンプ、台形体電解質バンプ、円柱体電解質バンプ、中空柱体電解質バンプ、環形体電解質バンプ、指状体電解質バンプ或いは任意形状の電解質バンプとされ得る。電解質層１３０はまたゲル電解質或いは固体電解質とされ得る。本実施例中、電解質層１３０はさらに少なくとも一つの矩形体電解質バンプを備え、且つ電解質層１３０は固体電解質、たとえば、固体リチウムイオン電解質とされるが、これに限定されるわけではない。
【００２５】
ステップＳ６１０：図６Ｅに示されるように、第２電極層１４０を電解質層１３０の上に形成する。そのうち、第２電極層１４０は、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＮｉＯ２、Ｃ、Ｓｉ、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、Ｖ２Ｏ５、Ｌｉ或いはその組み合わせの合金或いは化合物とされ得るが、これに限定されるわけではない。第１電極層１２２が負極電極層とされるなら、第２電極層１４０は正極電極層とされ、反対に、第１電極層１２２が正極電極層とされるなら、第２電極層１４０は負極電極層とされるが、これに限定されるわけではない。
【００２６】
ステップＳ６１２：図６Ｆに示されるように、第２集電層１５０を第２電極層１４０の上に形成する。
【００２７】
ここで特に説明を要することは、本発明の第２実施例から第４実施例の製造方法は、いずれも本発明の第１実施例の製造方法に類似するので、ここでは再度説明を行なわない、ということである。
【００２８】
以上をまとめると、本発明の薄膜電池構造及びその製造方法は、それぞれ突起構造の集電バンプ、電極層と電解質層を設計することで、周知の層状構造固体電池に代替し、本発明の第１集電バンプと第２集電バンプの目的は、第１電極層と第２電極層それぞれの、第１集電層、第２集電層との間の表面付着力を増加するのを助けること、及び、第１電極層と第２電極層の電子流と正孔流を収集する能力をアップすることにある。突起構造を備えた各種形状の電極層或いは電解質層を設計することで、電解質層と第１電極層及び第２電極層の接触面積を増加し、それによりイオン伝導を多方向伝導に変え、電解質層間の伝導効率をアップし、高電流密度下で、薄膜電池構造のキャパシタンスを高め、高電流密度の充放電のサイクル寿命と活性材料を備えた電極の利用率を増し、これにより単位キャパシタンスの製造コストを下げる。
【００２９】
以上は本発明の好ましい実施例の説明に過ぎず、並びに本発明を限定するものではなく、本発明に提示の精神より逸脱せずに完成されるその他の同等の効果の修飾或いは置換は、いずれも本発明の権利請求範囲内に属する。
【符号の説明】
【００３０】
１０、２０、３０  薄膜電池構造
１００  基板
１１０  第１集電層
１１２  第１集電バンプ
１２０  第１電極層アレイ
１２２  第１電極層
１３０  電解質層
１３２  電解質バンプ
１４０  第２電極層
１５０  第２集電層
１５２  第２集電バンプ
１６０  第３電極層
１７０  第４電極層
１８０  第５電極層
１９０  第６電極層
Ｓ６０２−Ｓ６１２  ステップ
【図１】
0006050392.tif 000002
【図２】
0006050392.tif 000003
【図３】
0006050392.tif 000004
【図４】
0006050392.tif 000005
【図５】
0006050392.tif 000006
【図６Ａ】
0006050392.tif 000007
【図６Ｂ】
0006050392.tif 000008
【図６Ｃ】
0006050392.tif 000009
【図６Ｄ】
0006050392.tif 000010
【図６Ｅ】
0006050392.tif 000011
【図６Ｆ】
0006050392.tif 000012