(57)【要約】  本発明は、薄膜電気化学エネルギ源の製造のための方法に関する。本発明は、薄膜電気化学エネルギ源にも関する。本発明は、このような薄膜電気化学エネルギ源を有する電気デバイスにも関する。本発明は、薄膜電池及びこのような電池を含むデバイスのより迅速かつ効率的な製造を可能にする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜電気化学エネルギ源の製造のための方法であって、
−  基板上に第一の電極層を堆積させるステップと、
−  前記第一の電極上に電解層を堆積させるステップと、
−  前記電解層上に第二の電極層を堆積させるステップと
を有し、前記第一の電極層及び前記第二の電極層のうちの一方はアノード材料になり、他方の電極はカソード材料になる方法において、前記アノード材料及び前記カソード材料は、充電された電池スタックを形成する、充電状態における材料として堆積される方法。
【請求項２】
少なくとも一つの前記電極層を堆積させた後、前記形成された層又は層のスタックの少なくとも一つの電気特性が測定される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
デバイスの製造に適用され、前記組み立てられた薄膜電気化学エネルギ源からの電力を使用する製造の間に前記デバイスの機能が試験される請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記デバイスは、照明デバイス、移植可能なデバイス、補聴器、センサデバイス、及びＤＣ／ＤＣコンバータから構成されるグループから選択される請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記薄膜電気化学エネルギ源はリチウムイオン電池であり、前記アノードが冨リチウムアノード材料として堆積させられると共に前記カソードがリチウム欠乏カソード材料として堆積させられる請求項１乃至４の何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記冨リチウム材料はLixSiになり、xは1から4.4までの範囲になる請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記リチウム欠乏カソード材料はLiyCoO2になり、ここでyは0.5から0.6までの範囲になる請求項５又は６に記載の方法。
【請求項８】
前記薄膜電気化学エネルギ源は水素電池になり、前記アノードは金属水素化物として堆積され、前記カソードは金属水酸化物として堆積される請求項１乃至４の何れか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記金属水素化物は、マグネシウム・チタン水素化物になる請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記金属水酸化物は、ニッケル水酸化物になる請求項８又は９に記載の方法。
【請求項１１】
請求項１乃至１０の何れか一項に記載の方法によって得られ得る薄膜電気化学エネルギ源。
【請求項１２】
請求項１１に記載の薄膜電気化学エネルギ源を有する電気デバイス。
【請求項１３】
前記薄膜電気化学エネルギ源は、前記デバイスにおいて一体化される請求項１２に記載の電気デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜電気化学エネルギ源の製造のための方法に関する。本発明は、薄膜電気化学エネルギ源にも関する。本発明は、このような薄膜電気化学エネルギ源を有する電気デバイスにも関する。
【背景技術】
【０００２】
最新の従来技術によれば、薄膜電池（バッテリ）の製造は、（通常導電性のない）基板上に第一の電極層を堆積（デポジット）させるステップと、第一の電極上に電解層を堆積させるステップと、電解層上に第二の電極層を堆積させるステップとを有し、第一の電極層及び第二の電極層のうちの一方はアノード材料になり、他方の電極はカソード材料になる。電池の直列（シリアル）スタックをもたらすために、この層スタッキング（基板−アノード−電解質−カソード又は基板−カソード−電解質−アノード）は繰り返され得る。通常の堆積方法は、ソル−ゲル技術ばかりでなく化学気相成長技術及び物理気相成長技術も含む。層が堆積させられた後、電池の所定の充電レベルが達成されるまでしばらく電流を加えることによって電池は充電される。
【０００３】
代表的な例は、通常のアノード材料が金属（メタリック）リチウム（Li）になると共に、カソード材料がLiCoO2のような材料になる材料層から構成されるリチウムイオン電池である。堆積後、電池は、電池が使用のために充電される定電流充電プロセス（galvanostatic charging process）に付される。電池を充電するステップは、時間消費プロセスになる。電池スタックにおける欠陥は、充電の間、又は充電後に明らかとなってもよい。要求仕様（規格）を満たさない電池は通常、廃棄されなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、上記不利点を克服することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の目的は、薄膜電気化学エネルギ源の製造のための方法であって、基板上に第一の電極層を堆積させるステップと、前記第一の電極上に電解層を堆積させるステップと、前記電解層上に第二の電極層を堆積させるステップとを有し、前記第一の電極層及び前記第二の電極層のうちの一方はアノード材料になり、他方の電極はカソード材料になる方法において、前記アノード材料及び前記カソード材料は、充電された電池スタックを形成する、充電状態における材料として堆積される方法によって達成される。結果としてもたらされる薄膜電池が既に充電されているため、電池を充電するプロセスステップは省略されるので、それ故に本方法は既存の方法よりも速くなる。機能的な電池を構成するこれらの基本層（アノード、電極、カソード）とは別に、追加の機能層がこれらの層の間に堆積されてもよい。本方法の製品は、好ましくは、完全に充電された電池を表すばかりでなく、本発明による利点を達成するために部分的に充電されていてもよい。電池セルのスタックをもたらすために、電池の層スタッキングシーケンス（列）（基板−アノード−電解質−カソード又は基板−カソード−電解質−アノード）が繰り返されてもよい。電池は、２次元又は３次元層システム（系）であってもよい。好ましくは、電気化学エネルギ源は再充電可能な電池システムになる。
【０００６】
好ましくは、少なくとも一つの電極層を堆積させた後、形成された層又は層のスタックの少なくとも一つの電気特性が測定される。電気特性は通常、電位（ポテンシャル）及び抵抗を含む。従って、堆積された層又は層のスタックにおける欠陥は、追加の層の使用のような何れかの更なるプロセスステップが実行される前に検出されてもよい。欠陥は所定の閾値よりも大きいことが確認される場合、電池は、何れかの更なるプロセスが実行される前に廃棄されてもよい。従って、材料の使用及びワークフローにおける改善された効率だけでなく、高品質の製品が製造されることは可能である。最新技術による、充電されていない電極材料の場合、外部電源は、欠陥に対して層をチェック（確認）することが必要とされるが、このことはずっと煩わしい。
【０００７】
好ましくは、本方法は、組み立てられた薄膜電気化学エネルギ源からの電力を使用する製造の間にデバイスの機能が試験される、デバイスの製造に適用される。従って、デバイス又はデバイス部品の機能をチェックすると共にステップ毎に製造をモニタリングすることが比較的容易になる。本方法は、デバイスの欠陥の適時な補正、及び／又は製造ラインからの欠陥試験片の早目の除去を可能にする。従って、時間及び材料は節減され、より信頼性の高いデバイスが得られる。特に、マイクロプロセッサのような高価な部分は、製造プロセスの間に欠陥が確認されるデバイスよりも適切に動作するデバイスでの使用のために節減され得る。
【０００８】
好ましい実施例において、デバイスは、照明デバイス（lighting device）、移植可能なデバイス(implantable device)、補聴器(hearing aid)、センサデバイス、及びＤＣ／ＤＣコンバータから構成されるグループから選択される。このようなデバイスにおいて、信頼性は特に重要になる。
【０００９】
薄膜電気化学エネルギ源は、アノードが冨リチウム（リチウムリッチな）材料（lithium-rich material）として堆積させられると共にカソードがリチウム欠乏材料(lithium-deficient material)として堆積させられるリチウムイオン電池になる場合、有利となる。リチウムイオン電池は、比較的高いエネルギ密度を有する。リチウムイオン充電式電池を充電するステップは、かなりの時間を費やしてもよいが、本発明による方法を使用することによって節減される。冨リチウムアノード材料又はリチウム欠乏カソード材料は、当業者に知られている堆積方法によって実行されてもよい。冨リチウムアノード材料は例えば、リチウムの所定の濃度を含む、金属リチウム(Li)、リチウム・アルミニウム合金（アロイ）(Li-Al)、又はリチウム・スズ合金(Li-Sn)であってもよい。リチウム欠乏カソード材料は例えば、Li0.1MnO2, LixNiO2, LixV2O5であってもよく、ここで非常に低いレベルのリチウムイオン、すなわち通常x =0.1又はそれよりも低いリチウムイオンが含まれる。電解層は通常、可動リチウムイオンを含む固体電解質を有する。
【００１０】
好ましくは、冨リチウムアノード材料は、LixSiになり、ここでxは1から4.4までの範囲になる。様々な堆積方法が、このような層を得るのに適しているが、最も好ましい方法は、超高真空下の元素シリコンと所定の量の金属リチウムとの蒸着（evaporation）である。
【００１１】
好ましくは、リチウム欠乏カソード材料は、LiyCoO2になり、ここでyは0.5から0.6までの範囲になる。好都合なことに、この材料も様々な方法によって堆積させられる。好ましい方法は、所望の組成を備えるLiyCoO2粉末（パウダ）のスパッタリング(sputtering)であり、好ましくは、ＤＣ又はＲＦマグネトロンスパッタリング（magnetron sputtering）によってなされる。
【００１２】
冨リチウムアノード材料としてのLixSiと、リチウム欠乏カソード材料としてのLiyCoO2との組み合わせが特に有利になる。
【００１３】
他の好ましい実施例において、薄膜電気化学エネルギ源は水素電池（metal hydride battery）になり、アノードは金属水素化物（メタルハイドライド（metal hydride））として堆積され、カソードは金属水酸化物（メタルハイドライド（metal oxyhydroxide））として堆積される。電解質は通常、水素（hydrogen）をアニオン（陰イオン）水素化物（hydride anion）又はプロトン（陽イオン）水素化物（hydride proton）として輸送し得る個体電解質を有する。様々なアノード電極材料が例えば、LaNi5又はMgNi2に適している。これらの材料の荷電水素形態は、層の合成後の水素化（hydrogenation）又は水素・アルゴン（H2/Ar）雰囲気下での反応スパッタリング（reactive sputtering）によって容易に得られる。
【００１４】
金属水素化物がマグネシウム・チタン水素化物（magnesium titanium hydride）になる場合は好ましい。マグネシウム・チタン水素化物（MgTiHx）は、好都合なことに、例えば水素化又は水素・アルゴン（H2/Ar）雰囲気下での反応スパッタリングによって後続される高真空下での金属マグネシウム及びチタンの蒸着法を使用して堆積させられる。
【００１５】
好ましくは、金属水酸化物はニッケル水酸化物（nickel oxyhydroxyde）になる。ニッケル水酸化物（Ni(OOH)）は、好都合なことに、例えばソル・ゲル堆積法（sol-gel deposition method）を使用して堆積させられる。
【００１６】
本発明は、本発明による方法によって得られ得る薄膜電気化学エネルギ源も提供する。このような電池は、組み立ての時点ですぐに使用されるという利点を有する。上記の電気特性の決定を通じた、層の品質管理（クオリティコントロール）によって得られる電池は、知られている電池よりも改善された信頼性を有している。また、欠陥部分の無用な更なる処理が回避されるので、本発明による電池の費用（コスト）は、知られている電池よりも低くなる。
【００１７】
本発明は、本発明による薄膜電気化学エネルギ源を有する電気デバイスを更に提供する。このようなデバイスは、製造プロセスの間に、プリチャージされた電池の電力を使用する、デバイスの組み立てのモニタリングばかりでなく、電池の改善された品質のために、知られている電池よりも増大した信頼性を有する。
【００１８】
これらの利点は、薄膜電気化学エネルギ源がデバイス内で一体化されるデバイスにとって最も注意され得る。
【００１９】
本発明は、この場合、以下の限定されることのない例によって更に説明されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１ａは、アノード層２、電解層３、及びカソード層４から構成される２次元電池を示す。この電池１は、最初に基板５上にカソード材料４（Li0.5CoO2）を堆積し、次に電解層３及びLi4Siから構成されるアノード層（２）を堆積することによってもたらされる。結果としてもたらされる電池は、充電するステップなしですぐに使用される。最新技術において、リチウムイオンはまず最初に、カソード材料を含むリチウムからアノード（Ｓｉ）層に電気化学的に変態させられなければならず、結果としてLi4Siアノードがもたらされる。この余分のステップは、本発明による方法において省略され、増大した時間効率性がもたらされる。スタックのトップにおいて、電流コレクタ６が使用される。アノード層２とカソード層４との相対位置は任意であり、製造プロセスに対する結果にかかわらず逆転されてもよい。スタックされた層の電気特性は、知られている技術によって測定され得る。
【００２１】
図１ｂは、対応する番号が図１ａと同じになるが、代わりにスタック１'が、図１ａに示されるようないくつかの繰り返しユニットを直列に有している。製造プロセスにおいて、スタック１'が、抵抗のような電気特性を測定することによって欠陥に対してチェックされてもよい。電気特性の測定は、スタックされた層の一部分のみが堆積されるとき、例えば各々のセルユニットの堆積後に実行されてもよい。電池自体が、必要とされる電力を供給するので、これらのチェックのために外部電源が必要とされることはない。電池スタックが、所定の要求仕様を満たさない場合、無駄となる更なる処理ステップを節減するため、電池スタックは製造サイクルから除かれてもよい。従って、電池スタックにおけるいかなる欠陥も明らかになる前に、時間を消費する充電ステップと共に完全な処理も必要とされる、当業者に知られている方法に対して時間が節減される。
【００２２】
他の用途において、充電されたアノード及びカソード材料を含む完了した電池は、製造の間にデバイス又はデバイスコンポーネントを試験するためにすぐに使用されてもよい。従って、装置における欠陥が、適時に検出されてもよく、欠陥が修復されてもよく、欠陥部分が廃棄されてもよい。このような方法は特に、電池が一体化されるデバイスにおいて有用になる。
【００２３】
当業者にとって、示される本発明の多くの変形例及び用途が実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１ａ】本発明によりもたらされる薄膜電池を示す。
【図１ｂ】本発明によりもたらされる他の薄膜電池を示す。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【国際調査報告】
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