DISPOSITIVO ELECTROQUIMICO DE LITIO ENCAPSULADO.

Dispositivo electroquímico de litio que comprende un apilamiento de capas apropiadas para constituir una microbatería (1) depositado sobre un sustrato (3) y encapsulado por medio de una cubierta de protección (9) sellada sobre dicho sustrato,

que comprende dos colectores (4, 5) de la corriente generada por la microbatería y por lo menos una capa aislante (6, 7, 8) inerte con respecto al litio, siendo dichos colectores y la o las capas aislantes depositados sobre dicho sustrato, caracterizado porque el sellado de la cubierta de protección (9) sobre el sustrato (3) se realiza por medio de las capas constitutivas de los colectores de corriente (4, 5) y de la o las capas aislantes (6, 7, 8), recibiendo dicha cubierta con este fin unas capas de igual naturaleza, posicionadas según el mismo orden en la vertical de las capas en cuestión depositadas sobre el sustrato, de manera que cuando tiene lugar el sellado de la cubierta sobre el sustrato, las capas respectivas depositadas sobre la cubierta y sobre el sustrato entran en contacto unas con otras para asegurar el sellado efectivo de la cubierta sobre el sustrato

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E08305849.

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

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: BATIMENT "LE PONANT D" 25, RUE LEBLANC,75015 PARIS.

Inventor/es: SALOT,M. RAPHAEL, MARTIN,M. STEVE, OUKASSI,M. SAMI.

Fecha de Publicación: .

Fecha Solicitud PCT: 27 de Noviembre de 2008.

Fecha Concesión Europea: 12 de Mayo de 2010.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • H01M10/04F
  • H01M10/052 SECCION H — ELECTRICIDAD.H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS.H01M PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej., BATERIAS, PARA LA CONVERSION DIRECTA DE LA ENERGIA QUIMICA EN ENERGIA ELECTRICA. › H01M 10/00 Celdas secundarias; Su fabricación. › Acumuladores a litio.
  • H01M10/0585 H01M 10/00 […] › de acumuladores que tienen elementos de estructura planos, es decir, electrodos positivos planos, electrodos negativos planos y separadores planos.
  • H01M2/04B

Clasificación PCT:

  • H01M10/052 H01M 10/00 […] › Acumuladores a litio.
  • H01M10/0525 H01M 10/00 […] › Baterías de tipo "rocking-chair", es decir, baterías de inserción o intercalación de litio en ambos electrodos; Baterías de ión litio.

Países PCT: Austria, Bélgica, Suiza, Alemania, Dinamarca, España, Francia, Reino Unido, Grecia, Italia, Liechtensein, Luxemburgo, Países Bajos, Suecia, Mónaco, Portugal, Irlanda, Eslovenia, Finlandia, Rumania, Chipre, Lituania, Letonia, Ex República Yugoslava de Macedonia, Albania.

DISPOSITIVO ELECTROQUIMICO DE LITIO ENCAPSULADO.

Fragmento de la descripción:

Dispositivo electroquímico de litio encapsulado.

Campo de la invención

La presente invención se refiere al campo de los dispositivos electroquímicos de litio, y más particularmente a las microbaterías de litio obtenidas mediante el depósito de películas delgadas según la técnica del depósito al vacío.

Dichas microbaterías se utilizan más particularmente en las tarjetas con chip, las etiquetas inteligentes (medición recurrente de parámetro por unos implantes miniaturizados), la alimentación del reloj interno y de los microsistemas del tipo MEMS (por la expresión anglosajona Micro Electro Mechanical System).

Estado de la técnica anterior

Actualmente, son muy conocidas las microbaterías de litio. Las mismas comprenden tradicionalmente un sustrato sobre el que se deposita un apilamiento que comprende sucesivamente un cátodo, un electrolito que comprende litio, y un ánodo en general de litio metálico, siendo el conjunto así realizado revestido con una envolvente de protección con el fin de evitar cualquier contaminación exterior.

Dichas microbaterías realizadas en forma de películas delgadas mediante la tecnología de la microelectrónica, se realizan por tanto utilizando unos materiales a base de litio, muy particularmente sensibles al entorno exterior, y en particular a la humedad, así como al oxígeno y al nitrógeno contenidos en el aire ambiente. Su protección contra estos diferentes agentes es determinante para su duración de vida.

El principio de funcionamiento de estas pilas se basa en la inserción y la desinserción (o intercalación-desintercalación) de un ion de metal alcalino y típicamente de litio en el electrodo positivo. Los principales sistemas de las microbaterías utilizan como especie iónica el ión litio Li+ procedente de un electrodo realizado con litio metálico. Los diferentes componentes de dicha microbatería, ya se trate de los colectores de corriente, de los electrodos positivos o negativos, del electrolito y de la capa de protección denominada asimismo capa de encapsulación, se presentan en forma de capas delgadas obtenidas por depósito PVD (por "Physical Vapor Deposition") o CVD (por "Chemical Vapor Deposition"). El espesor total del apilamiento es típicamente del orden de 15 µm.

La naturaleza de estos diferentes componentes puede ser la siguiente:

- los colectores: son de naturaleza metálica, y por ejemplo están constituidos por platino, cromo, oro, titanio, tungsteno o molibdeno;
- el electrodo positivo: puede estar realizado en LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, CuS, CuS2, WOySz, TiOySz, V2O5. En función del material elegido, un recocido térmico puede resultar necesario con el fin de aumentar la cristalización de las películas y su propiedad de inserción en el seno del apilamiento. Es el caso en particular para los óxidos litiados. Sin embargo, algunos materiales amorfos, y en particular los oxisulfuros de titanio (TiOySz), no necesitan dicho tratamiento permitiendo al mismo tiempo una inserción elevada de iones litio Li+;
- el electrolito: éste debe ser un buen conductor iónico pero un aislante electrónico. La mayor parte de las veces, se utiliza un material vítreo a base de óxido de boro, de óxido de litio o de sal de litio. Los electrolitos más rentables son a base de fosfato, y en particular el LIPON (compuesto litiado a base de oxinitruro de litio y de fósforo) o el LISIPON (compuesto litiado a base de oxinitruro de litio, de fósforo y de silicio);
- el electrodo negativo: éste puede estar constituido por litio metálico depositado por evaporación térmica, o una aleación metálica a base de litio o también un compuesto de inserción (SiTON, SnNx, InNx, SnO2 ...);
- la capa de encapsulación: ésta tiene por objeto, como ya se ha mencionado, proteger el apilamiento activo constitutivo de la microbatería del entono exterior y específicamente de la humedad.

Esta encapsulación puede ser el resultado de dos tecnologías diferentes:

Según una primera tecnología, esta encapsulación se realiza a partir de capas delgadas. Se realiza así generalmente un apilamiento de capas según una alternancia vertical de capas diferentes para optimizar las propiedades de barrera del conjunto. La estrategia considerada más habitualmente consiste en depositar una preencapsulación por medio de una capa inerte con respecto al litio y planarizante. El material utilizado habitualmente es un polímero, en el ejemplo el parileno. La función de barrera puede ser reforzada por el depósito de otras capas, en particular metálicas u organosiliciadas.

Esta tecnología topa con un problema de duración de vida limitada. En efecto, debido a la permeación de los gases a través de la encapsulación así realizada, además de las solicitaciones mecánicas sufridas por la encapsulación, cuando tiene lugar el ciclado electroquímico de las microbaterías (modificaciones volumétricas), el litio resulta afectado, que se oxida así bastante rápidamente.

Según una segunda tecnología, descrita en el documento FR 2 831 327, se realiza la encapsulación mediante cerramiento: una capa de epoxi se deposita en el borde del elemento a proteger. La misma permite el pegado de una cubierta de vidrio por insolación a los rayos ultravioletas. El sellado cubierta/sustrato se puede realizar mediante varios procedimientos y puede utilizar unos materiales diferentes, o bien unos metales, o bien unos dieléctricos.

Se concibe por tanto que esta tecnología necesita el depósito de una capa de sellado para fijar la cubierta sobre el sustrato. Esta capa no es sin embargo generalmente optimizada para las propiedades de barrera, en particular con respecto a la humedad, pero también al oxigeno y al nitrógeno. Además, la utilización del sellado topa con la problemática de salida de los colectores de corriente fuera de la cavidad que comprende la microbatería. Se debe realizar un sellado no metálico, por lo menos en la proximidad de los colectores para evitar los cortocircuitos. Ahora bien, resulta que los materiales metálicos son los materiales que presentan el mejor efecto barrera de manera que se concibe fácilmente la problemática, en la medida en que se debe admitir un efecto barrera poco satisfactorio. De hecho, la utilización de un sellado metálico sólo es posible en el caso de una conexión vertical de la microbatería, es decir por la cara posterior del sustrato. Ahora bien, esta solución necesita unas etapas tecnológicas suplementarias muy complejas de realizar y por tanto que encarecen los costes de realización.

El objetivo previsto por la presente invención es disponer de una encapsulación de dichas microbaterías a la vez eficaz en términos de efecto barrera, y que utiliza una tecnología de realización ampliamente controlada y que no necesita en particular etapas suplementarias de depósito del material específico de sellado.

La invención utiliza la tecnología de encapsulación mediante cerramiento.

Exposición de la invención

La presente invención prevé por tanto un dispositivo electroquímico de litio que comprende un apilamiento de capas apropiadas para constituir una microbatería depositada sobre un sustrato y encapsulada por medio de una cubierta de protección sellada sobre dicho sustrato. Este dispositivo está provisto de dos colectores de la corriente generada por la microbatería y de por lo menos una capa aislante inerte con respecto al litio, depositados sobre dichos sustrato.

Según la invención, el sellado de la cubierta de protección sobre el sustrato se realiza por medio de las capas constitutivas de los colectores de corriente y de la o de las capas aislantes, recibiendo dicha cubierta unas capas de igual naturaleza, posicionadas según el mismo orden en la vertical de las capas en cuestión depositadas sobre el sustrato, de manera que cuando tiene lugar el sellado de la cubierta sobre el sustrato, las capas respectivas depositadas sobre la cubierta y sobre el sustrato entren en contacto unas con otras para asegurar el sellado efectivo de la cubierta sobre el sustrato.

Con ello, debido a esta arquitectura particular, se dispone de una doble barrera constituida a la vez por el material inerte aislante y el material conductor.

 


Reivindicaciones:

1. Dispositivo electroquímico de litio que comprende un apilamiento de capas apropiadas para constituir una microbatería (1) depositado sobre un sustrato (3) y encapsulado por medio de una cubierta de protección (9) sellada sobre dicho sustrato, que comprende dos colectores (4, 5) de la corriente generada por la microbatería y por lo menos una capa aislante (6, 7, 8) inerte con respecto al litio, siendo dichos colectores y la o las capas aislantes depositados sobre dicho sustrato, caracterizado porque el sellado de la cubierta de protección (9) sobre el sustrato (3) se realiza por medio de las capas constitutivas de los colectores de corriente (4, 5) y de la o las capas aislantes (6, 7, 8), recibiendo dicha cubierta con este fin unas capas de igual naturaleza, posicionadas según el mismo orden en la vertical de las capas en cuestión depositadas sobre el sustrato, de manera que cuando tiene lugar el sellado de la cubierta sobre el sustrato, las capas respectivas depositadas sobre la cubierta y sobre el sustrato entran en contacto unas con otras para asegurar el sellado efectivo de la cubierta sobre el sustrato.

2. Dispositivo electroquímico de litio según la reivindicación 1, caracterizado porque el sellado de la cubierta de protección (9) sobre el sustrato (3) se realiza por medio de una doble barrera, constituida a la vez por el material aislante constitutivo de la o de las capas aislantes y por el material conductor constitutivo de los colectores de corriente.

3. Dispositivo electroquímico de litio según una de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque el sellado de la cubierta de protección (9) sobre el sustrato (3) es el resultado de una alternancia de bandas (6, 7, 8) realizadas en material aislante y de bandas (4, 5) realizadas en material conductor, siendo dichas bandas el resultado del sellado de las capas respectivamente dispuestas sobre el sustrato y sobre la cubierta.

4. Dispositivo electroquímico de litio según la reivindicación 3, caracterizado porque una (6) por lo menos de las bandas (6, 7, 8) realizadas en material aislante está definida y delimitada por dos bandas (4, 5) paralelas realizadas en material conductor.

5. Dispositivo electroquímico de litio según una de las reivindicaciones 3 y 4, caracterizado porque unas bandas suplementarias (10, 11) realizadas en material conductor se extienden entre el sustrato y la cubierta, de tal manera que alarguen el camino de difusión potencial de los gases externos y de la humedad en el seno del dispositivo.

6. Dispositivo electroquímico de litio según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque una capa de enganche se deposita previamente respectivamente sobre la cubierta y sobre el sustrato, antes del depósito de la o de las capas aislantes.

7. Dispositivo electroquímico de litio según la reivindicación 6, caracterizado porque la capa de enganche es de tipo organosiliciado y se obtiene mediante el depósito de capas delgadas según la tecnología CVD.

8. Dispositivo electroquímico de litio según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque comprende un getter (12), destinado a absorber el oxigeno y la humedad que llegara a penetrar en la cavidad definida por la cubierta de protección y el sustrato.

9. Dispositivo electroquímico de litio según la reivindicación 8, caracterizado porque el getter está constituido por litio metálico.

10. Dispositivo electroquímico de litio según una de las reivindicaciones 8 y 9, caracterizado porque se posiciona el getter sobre la cara interna de la cubierta de protección, previamente al sellado de esta última sobre el sustrato.


 

Patentes similares o relacionadas:

Imagen de 'MICROBATERÍA QUE INCORPORA CONEXIONES PASANTES Y PROCEDIMIENTO…'MICROBATERÍA QUE INCORPORA CONEXIONES PASANTES Y PROCEDIMIENTO DE REALIZACIÓN DE TAL MICROBATERÍA, del 24 de Febrero de 2011, de COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES: Microbatería que incorpora - un soporte que tiene una cara anterior y una cara posterior , - unos colectores de corriente primero y segundo , dispuestos […]

Imagen de 'DISPERSIÓN DE SEPARADOR PARA BATERÍAS DE POLÍMERO DE LITIO'DISPERSIÓN DE SEPARADOR PARA BATERÍAS DE POLÍMERO DE LITIO, del 24 de Enero de 2011, de DILO TRADING AG: Separador para baterías de polímero de litio, constituido por una dispersión de sal conductora, aditivo de sal conductora, disolvente aprótico […]

Imagen de 'CAJA DE BATERÍA'CAJA DE BATERÍA, del 7 de Enero de 2011, de SONY CORPORATION: Una bateria que incluye: una caja en la que dos celdas de bateria (40A, 40B) cada una con forma de una placa rectangular aplastada estan acomodadas, un conector […]

Imagen de 'MICROCOMPONENTE INTEGRADO QUE ASOCIA LAS FUNCIONES DE RECUPERACION…'MICROCOMPONENTE INTEGRADO QUE ASOCIA LAS FUNCIONES DE RECUPERACION Y ALMACENAMIENTO DE ENERGIA, del 13 de Agosto de 2010, de COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE: Micro-componente que comprende una fuente de almacenamiento electroquímico, caracterizado porque comprende un primer substrato que presenta una cara […]

Imagen de 'BATERIA SECUNDARIA DE LITIO DE IONES DE LITIO'BATERIA SECUNDARIA DE LITIO DE IONES DE LITIO, del 14 de Mayo de 2010, de BOSTON-POWER, INC: Un material de cátodo activo, que comprende una mezcla que incluye: i) a)al menos uno de entre cobaltato de litio y niquelato de litio, en el que el cobaltato de […]

Imagen de 'GENERADOR ELECTROQUIMICO RECARGABLE, UTILIZANDO DEL MISMO COMO…'GENERADOR ELECTROQUIMICO RECARGABLE, UTILIZANDO DEL MISMO COMO FUENTE DE SUMINISTRO DE CORRIENTE, del 30 de Noviembre de 2009, de HYDRO-QUEBEC: Generador electroquímico recargable, de litio metálico, comportando al menos un electrodo de tipo litio metálico y al menos un cátodo separado […]

Batería secundaria de litio, del 13 de Mayo de 2020, de Sei Corporation: Batería secundaria de litio para un motor de arranque que puede descargarse a -30 grados centígrados y cargarse rápidamente a 25 grados centígrados […]

Batería de litio toda en estado sólido, del 13 de Mayo de 2020, de EC Power LLC: Una batería de litio toda en estado sólido que comprende: un electrolito sólido (106a, 106b); al menos dos terminales, incluidos un terminal positivo (110a, […]

Utilizamos cookies para mejorar nuestros servicios y mostrarle publicidad relevante. Si continua navegando, consideramos que acepta su uso. Puede obtener más información aquí. .