Procedimiento de estructuración de una capa polimérica y procedimiento de encapsulación de una microbatería.

Procedimiento de estructuración de una capa de material polimérico (6, 22) sobre un soporte

(4) que comprende las siguientes etapas:

- depositar una capa de material inhibidor (16) de polimerización a base de litio sobre una primera zona (18a, 18b) del soporte,

- depositar un material polimerizable (20) por vía catiónica sobre la capa de material inhibidor de polimerización (16) y sobre una segunda zona (18c) del soporte,

- someter al material polimerizable a un tratamiento de polimerización, que da como resultado una capa de material sacrificial (20) no solidificado en la primera zona y dicha capa de material polimérico (6, 22) en la segunda zona, y

- eliminar la capa de material sacrificial (20).

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E11354044.

Solicitante: COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES.

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: 25, Rue Leblanc, Bâtiment Le Ponant D 75015 Paris FRANCIA.

Inventor/es: Bedjaoui,Messaoud, Poulet,Sylvain.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej., BATERIAS, PARA LA... > Electrodos > H01M4/04 (Procesos de fabricación en general)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej., BATERIAS, PARA LA... > Celdas secundarias; Su fabricación > H01M10/04 (Construcción o fabricación en general (H01M 10/058, H01M 10/12, H01M 10/28, H01M 10/38 tienen prioridad))
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej., BATERIAS, PARA LA... > Celdas secundarias; Su fabricación > H01M10/058 (Estructura o fabricación)

PDF original: ES-2451370_T3.pdf

 

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Procedimiento de estructuración de una capa polimérica y procedimiento de encapsulación de una microbatería.

Fragmento de la descripción:

Procedimiento de estructuración de una capa polimérica y procedimiento de encapsulación de una microbatería

Campo técnico de la invención La invención se refiere a un procedimiento de estructuración de una capa de polímero sobre un soporte y, más particularmente, a un procedimiento de encapsulación de una microbatería con ayuda de una capa de polímero y de una capa barrera.

Estado de la técnica Las microbaterías de litio están, generalmente, constituidas por dos electrodos (positivo y negativo) separados porun electrolito. Éstas comprenden además colectores de corriente metálicos, de platino o tungsteno. El electrodo positivo está formado en un material que tiene una buena conductividad iónica, por ejemplo oxisulfuro de titanio (TiOS) . El electrolito es un aislante eléctrico que tiene una fuerte conductividad iónica tal como oxinitruro de litio y de fósforo (LiPON) . El electrodo negativo está constituido por litio metálico o por un material litiado.

Puesto que los materiales que contienen litio son muy sensibles al aire, y en particular al oxígeno y la humedad, estos deben estar recubiertos por una barrera de protección inerte y hermética. El control de la encapsulación es un factor primordial que condiciona la eficacia de las microbaterías a lo largo del tiempo.

Una solución de encapsulación consiste en depositar capas finas sobre la microbatería. El dispositivo de encapsulación comprende entonces una primera capa de material polimérico dispuesta sobre la microbatería y una segunda capa de material cerámico o metálico que recubre la primera capa. La capa de material polimérico pretende, por una parte, limitar los defectos vinculados a la rugosidad del sustrato, y por otra parte, permitir la acomodación de las deformaciones de la microbatería durante su utilización. La capa de material cerámico o metálico constituye una barrera de protección contra el oxígeno y la humedad.

La capa polimérica se deposita generalmente por centrifugado («spin-coating» en inglés) sobre la totalidad del sustrato mientras que la capa barrera se forma mediante un depósito físico en fase de vapor (PVD) o un depósito químico en fase de vapor asistido por plasma (PACVD) .

Para estructurar el dispositivo de encapsulación, principalmente se emplean dos técnicas. La primera utiliza una máscara mecánica para definir los motivos. Sin embargo, efectos de sombreado y de alineamiento erróneo de las máscaras aparecen y causan una imprecisión en la posición o las dimensiones del motivo que se desea realizar. Estos efectos de sombreado y de alineamiento erróneo se vuelven preponderantes para microbaterías de dimensiones reducidas. Se tiende, entonces, a abandonar las máscaras mecánicas en beneficio de la segunda técnica, la fotolitografía.

La figura 1 representa, de manera esquemática, una operación de fotolitografía para delimitar un dispositivo de encapsulación de una microbatería 2 dispuesto sobre un soporte 4. El dispositivo de encapsulación comprende una capa polimérica 6 y una capa barrera 8 depositadas previamente sobre el conjunto de la microbatería 2 y del soporte 4. Una máscara de grabado 10 de resina se forma sobre el dispositivo de encapsulación y, a continuación, las capas 6 y 8 se graban a través de la máscara 10. Esta operación de fotolitografía permite además establecer las conexiones eléctricas de la microbatería, liberando en parte los colectores de corriente 12 situados en los extremos de la microbatería 2.

Esta técnica de estructuración no garantiza una protección lateral de la microbatería. En efecto, la capa barrera 8 no recubre la capa polimérica 6 sobre los flancos de la microbatería (flancos de grabado) , como puede verse en la figura 1. Teniendo en cuenta el escaso nivel de protección de la capa polimérica, existe el riesgo de que el oxígeno y el agua se difundan a través de la capa 6 y degraden la microbatería 2.

Aunque la degradación de la microbatería tiene lugar principalmente a nivel de la cara superior para componentes de grandes dimensiones, la protección lateral de la microbatería se vuelve primordial para componentes de tamaño reducido. De este modo, en un esfuerzo de miniaturización, es necesario recubrir la totalidad de la microbatería con la capa barrera para aumentar su vida útil.

La fotolitografía emplea una solución química de desarrollo para grabar las capas de encapsulación 6, 8 y una solución de limpieza para suprimir la máscara de grabado 10. Existe el riesgo, también, de que estas soluciones penetren en la microbatería 2 y la deterioren. Existe, además, un efecto de sobregrabado de las capas 6 y 8, que disminuye adicionalmente la protección lateral del componente. Finalmente, la fotolitografía se compone de un gran número de etapas que alargan de forma significativa los procedimientos de fabricación de microbaterías.

Puesto que las capas de material polimérico se depositan con facilidad sobre el conjunto de un sustrato, generalmente mediante depósito por centrifugado, se desea disponer de un procedimiento tan sencillo para estructurar estas capas, particularmente en el caso de una capa que encapsula una microbatería.

Resumen de la invención De este modo, existe una necesidad de prever un procedimiento sencillo y rápido para estructurar una capa de material polimérico sobre un soporte.

Se tiende a satisfacer esta necesidad depositando una capa de material inhibidor de polimerización a base de litio sobre una primera zona del soporte, depositando un material polimerizable por vía catiónica sobre la capa de material inhibidor de polimerización y sobre una segunda zona del soporte, sometiendo al material polimerizable a un tratamiento de polimerización, que da como resultado una capa de material sacrificial no solidificado en la primera zona y la capa de material polimérico en la segunda zona, y eliminando la capa de material sacrificial.

También se prevé un procedimiento rápido y fácil de realizar para encapsular una microbatería de litio dispuesta sobre un soporte, que permite garantizar una protección lateral de la microbatería.

El procedimiento de encapsulación comprende el depósito de una capa de material inhibidor de polimerización a base de litio sobre el soporte en la periferia de la microbatería, el depósito de un material polimerizable por vía catiónica sobre el conjunto de la microbatería y sobre la capa de material inhibidor, un tratamiento de polimerización aplicado al material polimerizable, que da como resultado una capa de material sacrificial no solidificado en la periferia de la microbatería y una capa de material polimérico que recubre la microbatería, el depósito de una capa que forma una barrera de protección sobre la capa de material polimérico y que recubre el conjunto de la microbatería, y la eliminación de la capa de material sacrificial y de la capa de material inhibidor de polimerización.

Breve descripción de los dibujos Otras ventajas y características quedarán más claras a partir de la siguiente descripción de modos de realización particulares que se dan a modo de ejemplos no limitantes y se ilustran con ayuda de los dibujos adjuntos, en los que:

- la figura 1 representa una estructuración de capas de encapsulación de una microbatería por fotolitografía, según la técnica anterior,

- las figuras 2 a 4 representan etapas de un modo de realización de un procedimiento de estructuración de una capa de polímero según la invención,

- las figuras 5 a 10 representan etapas de un modo de realización de un procedimiento de encapsulación de una microbatería utilizando el procedimiento de las figuras 2 a 4.

Descripción de un modo de realización preferido de la invención... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento de estructuración de una capa de material polimérico (6, 22) sobre un soporte (4) que comprende las siguientes etapas:

- depositar una capa de material inhibidor (16) de polimerización a base de litio sobre una primera zona (18a, 18b) del soporte,

- depositar un material polimerizable (20) por vía catiónica sobre la capa de material inhibidor de polimerización (16) y sobre una segunda zona (18c) del soporte,

- someter al material polimerizable a un tratamiento de polimerización, que da como resultado una capa de material sacrificial (20) no solidificado en la primera zona y dicha capa de material polimérico (6, 22) en la segunda zona, y

- eliminar la capa de material sacrificial (20) .

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el material inhibidor de polimerización (16) se selecciona entre litio metálico, oxinitruro de litio y de fósforo (LiPON) , oxisulfuro de titanio litiado (LiTiOS) , disulfuro de titanio litiado (LiTiS2) y pentóxido de vanadio litiado (LiV2O5) .

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la capa de material inhibidor de polimerización (16) es eliminada al mismo tiempo que la capa de material sacrificial (20) .

4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el material polimerizable por vía catiónica (20) es polimerizado por irradiación con rayos ultravioleta o por vía térmica.

5. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el material polimerizable por vía catiónica (20) comprende monómeros de epóxido o de éter vinílico y un cebador a base de ácido protónico.

6. Procedimiento de encapsulación de una microbatería (2) de litio dispuesta sobre un soporte (4) , que comprende las siguientes etapas:

- depositar una capa de material inhibidor de polimerización (16) a base de litio sobre el soporte en la periferia de la microbatería,

- depositar un material polimerizable por vía catiónica (20) sobre el conjunto de la microbatería (2) y sobre la capa de material inhibidor (16) ,

- someter al material polimerizable a un tratamiento de polimerización, que da como resultado una capa de material sacrificial (20) no solidificado en la periferia de la microbatería y una capa de material polimérico (6) que recubre la microbatería (2) ,

- depositar una capa (8) que forma una barrera de protección sobre la capa de polímero (6) y que recubre el conjunto de la microbatería (2) ,

- eliminar la capa de material sacrificial (16) y la capa de material inhibidor de polimerización (20) .

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque el material inhibidor de polimerización

(16) se selecciona entre litio metálico, oxinitruro de litio y de fósforo (LiPON) , oxisulfuro de titanio litiado (LiTiOS) , disulfuro de titanio litiado (LiTiS2) y pentóxido de vanadio litiado (LiV2O5) .

8. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque el procedimiento comprende la formación de la microbatería (2) sobre el soporte (4) .

9. Procedimiento según la reivindicación 8, caracterizado porque, dado que la microbatería (2) comprende un electrodo (24, 28) de litio metálico, de oxisulfuro de titanio litiado (LiTiOS) , de disulfuro de titanio litiado (LiTiS2) o de pentóxido de vanadio litiado (LiV2O5) , el depósito de la capa de material inhibidor (16) y el depósito del electrodo se realizan durante una misma etapa.

10. Procedimiento según la reivindicación 8, caracterizado porque, dado que la microbatería (2) comprende un electrolito (26) de oxinitruro de litio y de fósforo (LiPON) , el depósito de la capa de material inhibidor

(16) y el depósito del electrolito se realizan durante una misma etapa.