(57)【要約】  電気化学的エネルギー源は、基板と、前記基板上に設置された少なくとも一つのスタックであって、アノード、カソード、および前記アノードとカソードとを分離する中間の電解質とを有するスタックと、前記基板と前記アノードの間に設置された、少なくとも一つの電子伝導性バリア層であって、前記基板への前記スタックの活性種の拡散を、少なくとも実質的に抑制するように適合された電子伝導性バリア層と、を有する。
2009545845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設置された少なくとも一つのスタックであって、
アノード、
カソード、および
前記アノードとカソードとを分離する中間の電解質と
を有するスタックと、
前記基板と前記アノードの間に設置された、少なくとも一つの電子伝導性バリア層であって、前記基板への前記スタックの活性種の拡散を、少なくとも実質的に抑制するように適合された電子伝導性バリア層と、
を有する電気化学的エネルギー源であって、
前記スタックおよび前記バリア層は、前記基板の実質的に平坦な表面に設置され、
前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一つには、少なくとも一つの材料応力抑制キャビティが設けられることを特徴とする電気化学的エネルギー源。
【請求項２】
前記アノードおよび／または前記カソードには、複数のキャビティが設けられることを特徴とする請求項1に記載の電気化学的エネルギー源。
【請求項３】
前記キャビティの少なくとも一部は、ポアを形成することを特徴とする請求項1または2に記載の電気化学的エネルギー源。
【請求項４】
前記アノードおよび／または前記カソードは、前記キャビティにより、少なくとも一部が開口していることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一つに記載の電気化学的エネルギー源。
【請求項５】
前記キャビティの少なくとも一部は、前記電解質の方に配向された前記アノードおよび／または前記カソードの接触表面に配向されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つに記載の電気化学的エネルギー源。
【請求項６】
前記キャビティの少なくとも一部は、スリットを形成することを特徴とする請求項5に記載の電気化学的エネルギー源。
【請求項７】
前記電解質の少なくとも一部は、前記スリットの少なくとも一部に設置されることを特徴とする請求項6に記載の電気化学的エネルギー源。
【請求項８】
前記キャビティの組み合わせにより、前記電解質の方に配向された前記アノードおよび／または前記カソードの前記接触表面の柱構造が提供されることを特徴とする請求項5乃至7のいずれか一つに記載の電気化学的エネルギー源。
【請求項９】
前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一つは、電流コレクタに結合されることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一つに記載の電気化学的エネルギー源。
【請求項１０】
前記少なくとも一つのバリア層は、以下の少なくとも一つの材料で構成されることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一つに記載の電気化学的エネルギー源：Ta、TaN、TiおよびTiN。
【請求項１１】
前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一つは、以下の元素のうちの少なくとも一つのイオンの貯蔵に適合されていることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか一つに記載の電気化学的エネルギー源：H、Li、Be、Mg、Cu、Ag、NaおよびK。
【請求項１２】
前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一つは、以下の材料のうちの少なくとも一つで構成されていることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか一つに記載の電気化学的エネルギー源：C、Sn、Ge、Pb、Zn、Bi、Sb、およびこのましくはドープされたSi。
【請求項１３】
前記電解質は、固体電解質であることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか一つに記載の電気化学的エネルギー源。
【請求項１４】
前記電解質は、液体電解質であることを特徴とする請求項1乃至13のいずれか一つに記載の電気化学的エネルギー源。
【請求項１５】
前記基板は、Siを有することを特徴とする請求項1乃至14のいずれか一つに記載の電気化学的エネルギー源。
【請求項１６】
前記基板は、実質的に可撓性であることを特徴とする請求項1乃至15のいずれか一つに記載の電気化学的エネルギー源。
【請求項１７】
請求項1乃至16のいずれか一つに記載の少なくとも一つの電気化学的エネルギー源を備える電子装置。
【請求項１８】
前記電気化学的エネルギー源の前記基板の少なくとも一部に、特に集積回路（IC）のような、少なくとも一つの電子部材が埋設されていることを特徴とする請求項17に記載の電子装置。
【請求項１９】
前記電子装置および前記電気化学的エネルギー源は、システムインパッケージ（SiP）を構成することを特徴とする請求項18または19に記載の電子装置。
【請求項２０】
請求項1乃至16のいずれか一つに記載の電気化学的エネルギー源を製造する方法であって、
A）前記基板の実質的に平坦な表面上に、バリア層を設置するステップと、
B）前記基板上に、アノード、電解質およびカソードのスタックを設置するステップと、
C）前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一つに、少なくとも一つの材料応力抑制キャビティを設けるステップと、
を有する方法。
【請求項２１】
前記ステップC）の間、前記アノードおよび／または前記カソードに、エッチング処理により、少なくとも一つの材料応力抑制キャビティが設置されることを特徴とする請求項20に記載の方法。
【請求項２２】
前記ステップC）の間、前記アノードおよび／または前記カソードに、複数のスリットがエッチング形成されることを特徴とする請求項21に記載の方法。
【請求項２３】
前記ステップC）の間、前記アノードおよび／または前記カソードにエッチング形成された前記キャビティにより、前記アノードの柱構造化表面が提供されることを特徴とする請求項21または22に記載の方法。
【請求項２４】
前記ステップB）およびC）は、同時に実施され、前記アノードおよび／または前記カソード内に、ポアが形成されることを特徴とする請求項20乃至23のいずれか一つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、
基板と、
前記基板上に設置された少なくとも一つのスタックであって、
アノード、
カソード、および
前記アノードとカソードとを分離する中間の電解質と
を有するスタックと、
前記基板と前記アノードの間に設置された、少なくとも一つの電子伝導性バリア層であって、前記基板への前記スタックの活性種の拡散を、少なくとも実質的に抑制するように適合された電子伝導性バリア層と、
を有する電気化学的エネルギー源に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体電解質をベースとした電気化学的エネルギー源は、良く知られている。これらの（平坦）エネルギー源、または「固体バッテリ」は、化学エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換し、携帯電子機器用の電源として使用することができる。小型スケールのそのようなバッテリは、例えば小型電子モジュール、特に集積回路（IC）に対する電気エネルギー供給のため、使用することができる。この一例は、国際公開第WO2005／027245号パンフレットに示されており、特にリチウムイオンバッテリのような固体薄膜バッテリは、複数のスリットまたは溝を有する構造化されたシリコン基板上に直接形成され、ここに、電子伝導性バリア層、ならびにシリコンアノード、固体電解質およびカソードのスタックが順次設置される。スリットまたは溝は、基板に提供され、これにより、スタックの異なる部材間の接触表面積が増加し、バッテリのレート容量が改善される。構造化された基板は、1または2以上の電子部材を有しても良く、これにより、いわゆるシステムオンチップ（system-on-chip）が形成される。バリア層は、前記基板に挿入（インターカレーション）するリチウムの拡散を抑制するように適合される。この拡散は、電気化学的エネルギー源の貯蔵容量の顕著な低下を引き起こす原因となる。通常、既知のバッテリは、従来の固体バッテリと比較して、優れた特性を示すが、既知のバッテリは、いくつかの問題を有する。既知のバッテリの主な問題は、既知のバッテリの製造率が比較的低いことであり、これは、基板のスリットおよび溝内に、バリア層、アノード、電解質およびカソードを、順次成膜する成膜ステップが比較的難しいためであることが知られている。そのため、従来のバッテリの製造用の比較的複雑な製造処理プロセスでは、通常の場合、従来のバッテリのコストが比較的高くなってしまう。既知のバッテリの別の大きな問題は、アノードの厚さの制限のため、アノードに保管され得るエネルギーの最大量が、比較的少ないことである。シリコンアノードは、リチウムのインターカレーションの際、約400％膨脹するため、アノード層の厚さは、100nm以内に制限される。この値を超える層厚さを有するアノード層が適用された場合、通常、アノードの膨脹時のアノード内での材料応力のため、この比較的厚いアノードには、クラックが生じてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第WO2005／027245号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、前述の問題の少なくとも一つを抑制した、改良された電気化学的エネルギー源を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的は、前述のような電気化学的エネルギー源であって、前記スタックおよび前記バリア層は、前記基板の実質的に平坦な表面に設置され、前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一つには、少なくとも一つの材料応力抑制キャビティが設けられることを特徴とする電気化学的エネルギー源を提供することにより達成される。バリア層およびスタックは、基板の比較的平坦で平滑な接触表面に設置される（ここで、基板には、スリットまたは溝のようなキャビティが設置されない）ため、本発明による電気化学的エネルギー源の異なる層を、基板上に成膜する成膜プロセスは、比較的容易になる。成膜ステップは、あまり問題ではなくなり、本発明による電気化学的エネルギー源は、比較的迅速に製造することが可能となり、これは、エネルギー源のコストの点から好ましい。また、膨脹の際に、アノードおよび／またはカソード内の材料応力の過度の上昇が抑制されるように適合された、1または2以上の材料応力抑制キャビティを提供することにより、比較的厚いアノード層（100nm超）およびカソード層を、スタック内に設置することが可能となり、これにより、アノードおよび／またはカソードの膨脹の際に、アノードおよび／またはカソードの劣化が生じることが容易に抑制される。この方法では、（従来のように）相互の上部に、いくつかのバッテリスタックを積層することなく、本発明による電気化学的エネルギー源の単位面積当たりのエネルギー密度を、比較的単純な方法で上昇させることができる。積層プロセスは、比較的難しく高価である。本発明による電気化学的エネルギー源の別の大きな利点は、このエネルギー源では、アノードおよび／またはカソードの厚さ、さらには構造を、あまり問題視することがなくなり、この電気化学的エネルギー源の設計の自由度が、従来の自由度に比べて何倍も広がることである。通常の場合、少なくともアノードには、1または2以上の材料応力抑制キャビティを提供することが予想されるが、当業者には、カソードに、1または2以上の材料応力抑制キャビティを提供することも予想される。後者の場合、カソードは、通常、アノードの成膜前に成膜され、アノードは、成膜処理後に、基板と別個に接続される。従って、規則スタック（アノードが基板の方に配向される）および反転スタック（カソードが基板の方に配向される）の双方は、本発明による電気化学的エネルギー源に取り込まれる。以下に示す、少なくとも一つの材料応力抑制キャビティを備えるアノードを有する、本発明による電気化学的エネルギー源の実施例は、カソードが少なくとも一つの材料応力抑制キャビティを備える、対応する実施例に容易に修正することができる。
【０００６】
特にアノードの膨脹の際に、アノード内の材料応力をできる限り抑制するため、通常、アノードに、複数の材料応力抑制キャビティが提供されることが有意である。この方法では、特に活性種のインターカレーションによるアノードの膨脹は、比較的有効で、比較的均一な方法で相殺される。
【０００７】
1または2以上の材料応力抑制キャビティの位置は、アノードの寸法、形状、および材料、キャビティの寸法および形状、ならびにスタックに適用されるインターカレーション機構のような複数の環境に依存する。好適実施例では、1または複数のキャビティは、アノードにより実質的に完全に取り囲まれ、ポアが形成される。アノード内にポアを設置することにより、通常、アノードに、ある程度の弾性が付与され、アノードの膨脹が相殺される。（多孔質）アノードの膨脹の間、通常、ポアは、膨脹したアノード材料で充填され、その結果、膨脹中にアノード内に形成される材料応力は、最小限に維持される。設置されるポアは、比較的小さなオープンセルで形成されても良く、これらは、アノードの製造の間、形成されても良い。
【０００８】
別の好適実施例では、アノードは、少なくとも一部がキャビティにより開口される。開口は、直線または非直線チャネルで形成されても良く、これは、通常、実質的にアノードの表面から、別の、特に反対側のアノードの表面に延伸する。チャネルは、実質的に水平に（基板と平行に）、実質的に垂直に（基板に対して垂直に）、実質的に対角線状に（基板に対してある角度で）、あるいはその他の状態で配向される。
【０００９】
好適実施例では、キャビティの少なくとも一部は、電解質の方に配向されたアノードの接触表面に配向される。前述のように、これらのキャビティは、チャネルまたはオープン表面ポアで形成されても良い。電解質の方に配向されたアノードの接触表面に、1または2以上のキャビティを提供することにより、この接触表面は、パターン化されまたは構造化される。特に、好適実施例では、これらの（表面）キャビティは、スリットまたは溝により形成されても良い。アノードのパターン化接触表面領域の適用は、単に、アノードの容量を向上させ、アノード材料の膨脹を相殺するのみならず、アノードと電解質の間の接触表面積を上昇させる効果を有する。この方法では、アノードと電解質の間に、単位体積当たりの増加した接触表面が得られる。通常、本発明によるエネルギー源のこの部材間の接触表面の増加により、エネルギー源のレート容量が改善され、これにより、エネルギー源の容量が（エネルギー源の層体積の最適利用により）向上する。この方法では、エネルギー源のパワー密度が最大となり、最適化される。アノードの接触表面構造の性質、形状および寸法は、任意である。特に好適な実施例では、電解質の少なくとも一部は、スリットの少なくとも一部に設置され、アノードと電解質の間の接触表面が増加する。別の好適実施例では、キャビティの組み合わせにより、電解質の方に配向されたアノードの接触表面の柱構造が提供される。この実施例では、キャビティは、相互に接続され、これにより、アノードの接触表面の残りの部分により、柱構造が定形される。柱構造は、好ましい表面対体積比を有することが示されている。表面対体積比は、適用される柱の数、ならびに柱の直径および高さを最適化することにより最適化される。柱構造は、「アイランド（island）リソグラフィ」としても知られる、特定のエッチング技術により形成されても良い。本願において、柱構造以外の他の構造、および／またはスリットもしくは溝を適用して、アノードと電解質の間の接触表面積を高めても良いことに留意する必要がある。
【００１０】
さらに、スタックは、別個の電流コレクタを有し、これらのの電流コレクタは、アノードおよびカソードと接続されることが好ましい。電流コレクタを電極端子として適用することは、一般に知られている。例えば、LiCoO2電極を含むLiイオンバッテリの場合、LiCoO2電極に、アルミニウムの電流コレクタが接続されることが好ましい。これとは別に、またはこれに加えて、好ましくはドープされた半導体、例えばSi、GaAs、InP、あるいは白金、銅もしくはニッケルのような金属で製作された電流コレクタが、通常、本発明による固体状のエネルギー源における電流コレクタとして適用される。電子伝導性バリア層が設置される場合、このバリア層は、アノードの電流コレクタとして機能しても良い。
【００１１】
好適実施例では、バリア層は、タンタル（Ta）、窒化タンタル（TaN）、チタン（Ti）、および窒化チタン（TiN）の少なくとも一つの化合物で、実質的に構成されることが好ましい。これらの化合物は、比較的緻密な構造を有するという共通の特性を有し、電子に対して透過性であり、リチウム（イオン）を含むインターカレーション種に対しては非透過性である。ただし、バリア層の材料は、これらの化合物に限定されるものではない。
【００１２】
電気化学的エネルギー源は、アルカリバッテリおよびアルカリ土類バッテリからなる群から選定された、少なくとも一つのバッテリにより形成されることが好ましい。ニッケルカドミウム（NiCd）のようなアルカリ（土類）蓄電池、ニッケル金属水素化物（NiMH）、またはリチウムイオン（Liイオン）蓄電池は、いずれも高い信頼性を有し、十分な特性を示し、小型化が可能である。これらの利点のため、これらは、寸法に応じて、携帯用電源、および産業用電源の双方に使用される。好ましくはバッテリにより形成された、エネルギー源の少なくとも一つの電極は、以下の少なくとも一つの元素のイオンを貯蔵するように適合されることが好ましい：水素（H）、リチウム（Li）、ベリリウム（Be）、マグネシウム（Mg）、銅（Cu）、銀（Ag）、ナトリウム（Na）、およびカリウム（K）、または周期律表の1族もしくは2族に属する他のいかなる適当な元素。すなわち、本発明によるエネルギーシステムの電気化学的エネルギー源は、各種インターカレーション機構に基づいても良く、従って、例えばリチウムイオンバッテリ、NiMHバッテリなど、異なる種類のバッテリの形成に適している。
【００１３】
好適実施例では、少なくとも一つのアノードおよびカソードは、以下の少なくとも一つの材料を有する：C、Sn、Ge、Pb、Zn、Bi、Sb、および好ましくはドープされたSi。また、これらの材料の組み合わせを使用して、電極を形成しても良い。n型もしくはp型のドープされたSi、またはSiGeもしくはSiGeCのようなドープされたSi系化合物を電極として使用することが好ましい。また、電極材料がインターカレーションに適合し、例えば前述の元素のような反応性化学種を貯蔵し得る限り、他の適当な材料、好ましくは周期律表の12乃至16族のいずれかに属する、他のいかなる適当な元素、を電極に適用しても良い。また、これらの材料は、基板の接触表面に、パターン（ホール、溝、柱等）を形成するエッチングプロセスに適することが好ましく、これにより、単位体積当たりの両電極と固体電解質の間の接触表面が増加する。
【００１４】
本発明によるエネルギーシステムのエネルギー源に適用される電解質は、イオン伝導機構および非電子伝導機構のいずれかに基づくものであっても良く、例えばH、Li、Be、Cu、Ag、およびMgのようなイオン伝導体に基づくものであっても良い。固体電解質は、幅広く使用することができる。しかしながら、液体電解質または固体と液体の電解質の混合物を使用することも想定される。固体電解質としてのLi伝導体の例は、リチウムリン酸窒化物（LiPON）である。他の既知の固体電解質、例えばニオブ酸リチウム（LiNbO3）、タンタル酸リチウム（LiTaO3）、オルトタングステン酸リチウム（Li2WO4）、リチウムゲルマニウム酸窒化物（LiGeON）、Li5La3Ta2O12（ガーネットタイプ）、Li14ZnGe4O16（lisicon）、Li3N、βアルミナ、またはLi1.3Ti1.7Al0.3(PO4)3（nasiconタイプ）を、リチウム伝導性固体電解質として使用しても良い。プロトン伝導性電解質は、例えばTiO(OH)またはZrO2Hxで形成されても良い。プロトン伝導性電解質の詳細な情報は、国際公開第WO02／42831号に示されている。リチウムイオン系エネルギー源用のカソードは、金属酸化物系材料で製造され、例えばLiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、または例えばLi(NiCoMn)O2のような、これらの組み合わせであっても良い。プロトン系エネルギー源用の第2のカソードの例は、Ni(OH)2、NiM(OH)2であり、ここでMは、例えばCd、Co、またはBiの群から選定された、1または2以上の元素で形成される。通常、前述のカソードは、活性種のインターカレーションの間、あまり膨脹しない。しかしながら、リチウムビスマスカソードは、活性種のインターカレーションの際に、大きく膨脹する。そのようなリチウムビスマスカソードは、本発明による電気化学的エネルギー源に適用され、このカソードには、1または2以上の材料応力抑制キャビティが設置されることが好ましく、これによりカソードの膨脹の間の材料応力の形成が、最小限に抑制される。
【００１５】
好適実施例では、基板は、少なくとも一部がシリコンで構成される。より好ましくは、単結晶シリコン導電性基板を用いて、集積回路、チップ、ディスプレイ等の電子部材が担持される。この単結晶シリコン基板は、該基板には、インターカレーション活性種が比較的容易に拡散してしまうという問題を有し、これにより前記エネルギー源の容量が低下する。このため、前記基板にバリア層を設置することが有意であり、これにより、前述のような基板への好ましくない拡散が抑制される。また、通常バリア層は、電流コレクタの電子伝導体の形態であることが好ましい。
【００１６】
比較的剛性のある基板を用いて、バリア層およびバッテリスタックを支持しても良いが、基板は、実質的に可撓性であることが好ましい。通常、比較的可撓性のある基板の適用により、本発明によるエネルギー源の設計自由度が高まる。この方法では、例えば、エネルギー源を巻き丸めて、実質的に円筒形状のエネルギー源を得ることも想定される。可撓性基板は、例えばKAPTON（登録商標）、PEEK（登録商標）、Mylar（登録商標）、およびポリエチレンのような高分子であっても良い。あるいは、基板は、比較的薄い金属シート、特に、以下の少なくとも一つの金属で構成された薄いシートで構成されても良い：銅、アルミニウムおよびニッケル。
【００１７】
また本発明は、本発明による少なくとも一つの電気化学的エネルギー源を備える電子装置に関する。そのような電子装置の一例は、シェーバであり、この場合、電気化学的エネルギー源は、例えば、バックアップ（または一次）電源として機能する。本発明によるエネルギーシステムを有するバックアップ電源を提供することが好ましい他の用途は、例えば、携帯RFモジュール（例えば携帯電話、無線モジュール等）、センサ、（自立）マイクロシステムのアクチュエータ、エネルギーおよび光管理システムであるが、さらにデジタル信号プロセッサ、および周囲知能用の自立装置がある。ここに列挙されたものは、限定的なものではないことは明らかである。本発明によるエネルギー源が組み込まれた電気装置（またはその逆）の別の例は、いわゆる「システムインパッケージ」（SiP）である。システムインパッケージでは、集積回路（IC）、チップ、ディスプレイ等のような、1もしくは2以上の電子部材および／または装置は、本発明による電気化学的エネルギー源の基板、特に、単結晶シリコン導電性基板の少なくとも一部に埋設される。
【００１８】
さらに本発明は、前述のような電気化学的エネルギー源を製造する方法であって、
A）前記基板の実質的に平坦な表面上に、バリア層を設置するステップと、
B）前記基板上に、アノード、電解質およびカソードのスタックを設置するステップと、
C）前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一つに、少なくとも一つの材料応力抑制キャビティを設けるステップと、
を有する方法に関する。材料応力抑制キャビティは、カソードおよび／またはアノードの成膜（直）後であって、スタックの後続層の成膜の前に設けられることが好ましい。この方法により得られる電気化学的エネルギー源の有意な好適実施例は、前述の包括的な記載で、既に明らかである。エネルギー源の個々の層の成膜は、例えば化学気相成膜法、物理気相成膜法、および特にゾルゲル成膜法のような湿式化学成膜法等、従来の成膜技術により行われる。
【００１９】
好適実施例では、ステップC）の間のエッチングにより、アノードおよび／またはカソードに、少なくとも一つの材料応力抑制キャビティが設けられる。通常、物理的および／または化学的エッチング技術が使用される。ステップC）の間に、アノードに、複数のスリットまたは溝がエッチング形成されることが好ましい。別の好適実施例では、ステップC）の間に、アノードおよび／またはカソードにエッチング形成されたキャビティにより、アノードの柱構造化表面が得られる。別の好適実施例では、ステップB）およびC）は、同時に実施され、アノードおよび／またはカソード内にポアが形成される。アノードおよび／もしくはカソード上に成膜される電解質の方に配向されるように、アノードおよび／もしくはカソードのパターン化（または構造化）接触表面を設置すること、ならびに／または多孔質アノードを設置することの利点は、前述の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による電気化学的エネルギー源の第1の実施例の断面図である。
【図２】本発明による電気化学的エネルギー源の第2の実施例の断面図である。
【図３】本発明による電気化学的エネルギー源の第3の実施例の断面図である。
【図４】本発明によるモノリシックなシステムインパッケージの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、非限定的な例を用いて、本発明について説明する。
【００２２】
図1には、本発明による電気化学的エネルギー源1の第1の実施例の断面図を示す。エネルギー源1は、アノード3、固体電解質4、およびカソード5のリチウムイオンバッテリスタック2を有し、このバッテリスタック2は、1または2以上の電子部材50が埋設された、導電性基板6上に設置される。この例では、基板6は、シリコンで構成され、アノード3は、アモルファスシリコン（a−Si）で構成される。カソード5は、LiCoO2、LiMnO2、LiNiO2等の金属酸化物で構成されることが好ましい。バッテリスタック2と基板の間には、基板6上に、リチウムバリア層7、および電流コレクタ8が順次設置される。この例では、リチウム拡散バリア層7は、タンタルで構成され、電流コレクタ8は、白金で構成される。カソード5の上部には、第2の電流コレクタ9が設置される。個々の層3、4、5、7、8、9の成膜は、例えば、CVD法、スパッタリング法、Eビーム成膜法、またはゾルゲル成膜法により行われる。最初スタック2に収容されているリチウムイオン（または他の活性種）の基板6への拡散は、リチウムイオンバリア層7により抑制される。リチウムイオンがスタック2から移動し、基板6に進入した場合、スタック2の特性が影響を受ける。また、この拡散は、基板6内に埋設された電子部材（図示されていない）に、有害な影響を及ぼす。図1に示すように、バリア層7の方に配向された上部接触表面10は、実質的に平坦であり、このため、バリア層7、電流コレクタ8、およびアノード3の成膜プロセスが容易となる。アノード3には、特に開口の形で、複数のキャビティ11が設けられ、リチウムインターカレーションの間のアノード3の膨脹が相殺される。通常、キャビティ11は、従来のエッチング処理技術により提供される。この示された例では、キャビティ11は、電解質材料で充填される。従って、アノード3の膨脹が可能となるように、高分子電解質4を使用することが好ましく、あるいは液体電解質4を使用することがより好ましい。これにより、リチウムのインターカレーションの際に、アノード3でのクラックの発生が抑制される。キャビティ11は、アノード3の膨脹によって生じる、アノード3内での材料応力を抑制するために設けられ、これにより、スタック2内に、比較的厚いアノード層（100nm超）を適用することができ、アノード3の膨脹の間、アノード3の劣化を容易に抑制することができる。アノード3のパターン化接触表面領域の設置は、単に、アノード3の容量を改善し、アノード材料の膨脹を相殺するのみならず、アノード3と電解質4の間の接触表面積を高めることにもつながる。この場合、アノード3と電解質4の間に、単位体積当たりの増加した接触面積が得られ、これにより、エネルギー源1のレート容量が改善され、さらにはエネルギー源1に好適な容量が得られる。基板6内に、少なくとも一つの電子部材（図示されていない）が存在する場合、電気化学的エネルギー源1は、電気化学的組立体、システムオンチップ、および／またはシステムインパッケージとしても機能することが想定される。
【００２３】
図2には、本発明による電気化学的エネルギー源12の第2の実施例の断面図を示す。電気化学的エネルギー源12は、シリコン基板13を有し、この基板には、チップあるいはいわゆるMOSFETのような、1または2以上の電子部材が埋設される。基板13の上部には、電子伝導性リチウムバリア層14、リチウムイオン系バッテリスタック15、および電流コレクタ16が順次設置される。バッテリスタック15は、アノード17、中間固体電解質18、およびカソード19を有する。この例では、電子伝導性リチウムバリア層14は、アノード17の電流コレクタとしても機能する。このため、バリア層14は、Ta、Ti、TaN、および／またはTiNで構成されることが好ましい。図に示すように、バリア層14およびアノード17は、比較的平坦な基板上に設置される。アノード17は、柱構造化上部表面20を有し、この表面は、複数の材料応力抑制キャビティ21により定形される。キャビティ21は、好ましくはアノード17の成膜後に実施される、エッチング処理プロセスにより形成される。キャビティ21は、リチウムインターカレーションの際の、アノード17の膨脹を相殺するように適合される。この例では、キャビティ21は、実質的にボイドとして維持され、アノード17の膨脹を実質的に妨害しない。電解質18がキャビティ21内に供給されることを抑制するため、固体電解質18を使用することが好ましい。
【００２４】
図3には、本発明による電気化学的エネルギー源22の第3の実施例、特にリチウムイオンバッテリの断面図を示す。エネルギー源22は、実質的に平坦な基板23を有し、この基板には、1または2以上の電子部材が埋設される。基板23は、KAPTON（登録商標）のような、実質的に可撓性の材料で構成される。基板23の上部には、リチウムバリア層24、第1の電流コレクタ25、およびアノード26が順次設置される。アノード26は、多孔質材料で構成され、これにより、アノード26には、ある弾性機能が提供され、リチウムのインターカレーションの際のアノードの膨脹が相殺される。アノード26の上部表面27には、エッチング処理のような既知の技術により、ある構造が提供され、アノード26の容量が向上し、リチウムのインターカレーションの際の、アノード材料の膨脹が相殺される。また、アノード26のパターン化された上部表面27により、前記アノード26上に設置された電解質28との接触表面積が増加する。その後、層の上部に、カソード29、および第2の電流コレクタ30が設置される。アノード材料の性質およびポロシティは、環境状況に応じて、変化させても良い。
【００２５】
図4には、本発明によるモノリシックなシステムインパッケージ（SiP）31の概略図を示す。SiP31は、電子モジュールまたは装置32と、該装置32に結合された、本発明による電気化学的エネルギー源33とを有する。電子モジュールまたは装置32、およびエネルギー源33は、バリア層34により、実質的に分離されている。電子モジュールまたは装置32、およびエネルギー源33の双方は、同じモノリシックな基板（図示されていない）に、取り付けられ、および／または同じモノリシックな基板（図示されていない）をベースとする。電子モジュールまたは装置32は、例えば、ディスプレイ、チップ、制御ユニット等により構成される。この態様では、比較的簡単な方法で、多数の自立式（即使用可能な）装置が得られる。
【００２６】
前述の実施例は、一例を示すためのものであり、本発明を限定するものではなく、当業者には、特許請求の範囲から逸脱しないで、多くの別の実施例が設計可能であることに留意する必要がある。請求項において、括弧内に記載のいかなる参照符号も、請求項を限定するものと解してはならない。「有する」という用語およびその間連語は、請求項に記載されたもの以外の素子またはステップの存在を排斥するものではない。素子の前の「一つの」という用語は、そのような素子が複数存在することを否定するものではない。単に、ある手段が相互に異なる従属請求項に記載されていることから、これらの手段の組み合わせを有意に使用することができないと解してはならない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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