Electrolito estructurado para microbatería.

Dispositivo de almacenamiento de energía (10), que comprende al menos un elemento de cátodo (6),

un elementode ánodo (7) y una capa de electrolito (4) que comprende una primera y una segunda superficies, caracterizadoporque la capa de electrolito (4) comprende cavidades (5) que la atraviesan entre la primera y segunda superficies,estando colocados los elementos de electros (6, 7) en las cavidades (5).

Electrolito estructurado para microbatería

Campo técnico La invención se refiere al campo de los dispositivos de almacenamiento de energía y, principalmente, microbaterías fabricadas en películas delgadas mediante técnicas de depósitos bajo vacío.

Más particularmente, la invención se refiere a una estructuración del electrolito que permite aumentar la capacidad de una batería aumentando la superficie de intercambio de iones de los electrodos. La invención se refiere igualmente a un procedimiento que permite fabricar esta microbatería.

Estado de la técnica anterior

Entre los dispositivos de almacenamiento de energía, las microbaterías particularmente usadas denominadas “todo sólido” están en forma de películas: todos los componentes de la microbatería, es decir, los colectores de corriente, los electrodos positivo y negativo, el electrolito e incluso la encapsulación son capas delgadas, obtenidas mediante depósito, principalmente mediante depósito físico en fase vapor (PVD) o depósito químico en fase vapor (CVD) . Las técnicas utilizadas permiten la realización de objetos de formas cualesquiera.

Como habitualmente, el principio de funcionamiento de esta batería se basa en la inserción y retirada de un ión de metal alcalino o de un protón y desde el electrodo positivo, y el depósito o la extracción de este ión sobre y desde el electrodo negativo; los principales sistemas utilizan Li+ como especie iónica de transporte de corriente. La recarga de una microbatería, es decir, la transferencia de los iones desde el ánodo hacia el cátodo, se completa en general después de algunos minutos de carga.

La mayor parte de las microbaterías actuales se realizan en forma plana. Según los materiales utilizados, la tensión de funcionamiento de este tipo de batería está comprendida entre 1 y 4 V; el valor de la tensión de funcionamiento solo es limitativo para ciertas aplicaciones, como los detectores o actuadores, que exigen tensiones superiores a algunas decenas de voltios.

La capacidad superficial clásica de una microbatería todo sólido es del orden de algunas decenas de !Ah/cm2 a algunos centenares de !Ah/cm2, que es baja y constituye un factor limitante para su utilización.

Con el fin de aumentar la capacidad, es posible aumentar los grosores de las capas de los electrodos. No obstante, la resistencia más elevada asociada a la difusión del litio en cualquier material supone un menor rendimiento de potencia.

Otra solución propuesta para aumentar la capacidad sin perder el rendimiento de potencia es la utilización de una superficie desarrollada más considerable. El documento US-A-6.495.283 describe así una microbatería en la que una de las capas inferiores, a saber el sustrato, el colector o el cátodo presenta una estructura tridimensional que comprende cavidades: las capas sucesivas ulteriores son depositadas sobre la estructura tridimensional, formando así capas de mayor superficie desarrollada.

No obstante, con este sistema, es difícil alcanzar una elevada relación de altura respecto a la anchura de las cavidades: el depósito mediante PVD, en particular necesario para el electrolito, solo permite un revestimiento regular y homogéneo de paredes laterales (verticales) y del fondo para cavidades demasiado profundas y estrechas. Además todo el volumen que sirve para definir la estructura tridimensional está constituido por el material del sustrato, que es el electroquímicamente inactivo: la densidad volumétrica de energía es baja. El documento WO 99/65821 describe microelectrodos obtenidos mediante depósito químico en fase vapor de nanotubos de carbono.

Exposición de la invención La invención tiene como objetivo resolver los problemas del estado de la técnica en cuanto a la capacidad de almacenamiento y la potencia del suministro de energía.

Más particularmente, la invención propone la utilización de un electrolito estructurado en un dispositivo de almacenamiento de energía. La capa de electrolito, depositada plana mediante técnicas habituales, es seguidamente elaborada de forma que comprenda cavidades que la atraviesan: estas cavidades están destinadas a recibir los materiales del electrodo. Por tanto, la superficie de intercambio iónico es aumentada, mientras que el tamaño general de la batería puede permanecer similar, tan pequeño como sea posible.

En uno de sus aspectos, la invención se refiere a un procedimiento de fabricación de una microbatería que comprende la creación de cavidades en una capa de electrolito y el relleno de estas cavidades con un material de cátodo y/o ánodo. El relleno de las cavidades puede ser selectivo entre ánodo y cátodo, o es posible crear cavidades en dos pasos y rellenarlas todas cada vez.

Preferentemente, las cavidades están ahuecadas en los lugares en los que el soporte de la capa de electrolito comprende un material colector. Según el procedimiento de relleno, el material colector puede estar revestido de un catalizador, por ejemplo, mediante un crecimiento de nanotubos de carbono o nanofilamentos de silicio.

Igualmente, puede ser ventajoso grabar ciertos electrodos, o todos, rellenando las cavidades entre la superficie superior y el fondo del material colector y rellenar este grabado del material colector con el fin de aumentar la superficie de colección. Otra posibilidad para aumentar la superficie de colección es grabar el electrolito, por ejemplo, en las proximidades de ciertos electrodos, o todos, y rellenar este grabado del material colector.

Ventajosamente, una vez que se rellenan las cavidades, la superficie superior del dispositivo es aplanada y preferentemente revestida con una capa de encapsulación.

La invención en otro aspecto se refiere a un dispositivo que puede ser fabricado mediante el procedimiento anteriormente descrito. En particular, la microbatería según la invención comprende una capa de electrolito que presenta cavidades que la atraviesan. Los elementos del ánodo y el cátodo del dispositivo de almacenamiento de energía según la invención están ubicados en las cavidades de la capa del electrolito. Ventajosamente, el electrolito es un oxinitruro de litio, preferentemente LiPON.

Preferentemente, las cavidades se extienden de forma normal a la superficie de la capa de electrolito y su sección puede ser circular o rectangular o de panal de abejas. Los elementos del ánodo y el cátodo están alternados y no sobresalen de la capa del electrolito; en particular, las cavidades forman preferentemente bandas alternadas.

Ventajosamente, el material colector está ubicado al fondo de las cavidades y puede ser escogido, por ejemplo, con un catalizador de superficie, en función del material del electrodo y el procedimiento de relleno.

El dispositivo de almacenamiento de energía según la invención puede estar encapsulado con el fin de aislar los elementos de intercambio de iones del exterior.

Breve descripción de los dibujos Las características y ventajas de la invención se comprenderán mejor mediante la lectura de la descripción que sigue y en referencia a los dibujos anejos, proporcionados con carácter ilustrativo y en absoluto limitativos.

Las figuras 1A a 1G ilustran esquemáticamente un procedimiento de fabricación según la invención.

Las figuras 2 A a 2E muestran arquitecturas de estructuración del electrodo según la invención.

Exposición detallada de modos de realización particulares Un dispositivo de almacenamiento de energía comprende, de forma habitual, capas sucesivas de sustrato, un primer material colector, un primer electrodo, electrolito, un segundo electrodo y un segundo colector. Estos diferentes elementos pueden tener una estructura tridimensional, por ejemplo, en el caso de microbaterías como las esquematizadas en la figura 1 del documento US-A-6.495.283. La etapa limitante del procedimiento de fabricación que permite aumentar la superficie desarrollada de intercambio de iones, es decir, la superficie relativa del ánodo y el cátodo con respecto al tamaño del compuesto, es la colocación de la capa de electrolito.

Según la invención, se propone así estructurar en tres dimensiones la microbatería gracias a la capa de electrolito: el electrolito puede ser colocado así según procedimientos clásicos, particularmente mediante depósito PVD, siendo seguidamente efectuada la realización del aumento de la superficie de intercambio sobre esta base. Gracias a este procedimiento, se obtienen microbaterías cuya capacidad es considerablemente aumentada, incluso teniendo las mismas formas y dimensiones que las existentes.

En un procedimiento de realización de un dispositivo de almacenamiento de energía según... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo de almacenamiento de energía (10) , que comprende al menos un elemento de cátodo (6) , un elemento de ánodo (7) y una capa de electrolito (4) que comprende una primera y una segunda superficies, caracterizado porque la capa de electrolito (4) comprende cavidades (5) que la atraviesan entre la primera y segunda superficies, estando colocados los elementos de electros (6, 7) en las cavidades (5) .

2. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que las cavidades (5) se extienden sensiblemente de forma normal a la primera y la segunda superficie.

3. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 2, en el que las cavidades (5) son de sección rectangular o redonda, o dispuestas en forma de panal de abejas, en las primera y segunda superficies.

4. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 2, en el que las cavidades (5a, 5b) son bandas que atraviesan el soporte (3) entre dos bordes opuestos.

5. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la relación entre la superficie desarrollada y la segunda superficie de la capa de electrolito (4) es superior o igual a 5.

6. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que las cavidades (5a, 5b) , que comprenden los elementos de ánodo y de cátodo, están alternadas.

7. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 6, en el que las cavidades (5) comprenden un material colector

(2) al nivel de la primera superficie.

8. Dispositivo según la reivindicación 7, en el que el material colector (2a) de ciertas cavidades (5a) comprende un catalizador sobre la cara opuesta a la primera superficie.

9. Dispositivo según la reivindicación 8, en el que los elementos de electrodo (7) en las cavidades (5a) en el que está presente el catalizador están compuestos por nanotubos o nanofilamentos.

10. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 9, en el que los elementos del ánodo (7) están compuestos por carbono o silicio.

11. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 10, en el que los elementos del electrodo (6, 7) se extienden entre la primera y la segunda superficie y rellenan las cavidades (5) .

12. Dispositivo según la reivindicación 11, que comprende además una capa de encapsulación (9) a nivel de la segunda superficie.

13. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 12, en el que la capa de electrolito (4) comprende un oxinitruro de litio, preferentemente basado en fosfato.

14. Procedimiento de fabricación de un dispositivo de almacenamiento de energía (10) , que comprende la colocación de un soporte (3) que tiene una primera superficie, el depósito de una capa de electrolito (4) sobre la primera superficie del soporte (3) y que presenta una segunda superficie opuesta a la primera superficie, la estructuración de la capa de electrolito (4) de forma de que se creen cavidades (5) entre la primera y la segunda superficies y el relleno de las cavidades (5) mediante un material de ánodo y/o de cátodo (6, 7) .

15. Procedimiento según la reivindicación 14, en el que el relleno de las cavidades (5) comprende el relleno de ciertas cavidades (5b) mediante un primer material (6) entre los materiales del ánodo y del cátodo, seguidamente el relleno de las otras cavidades (5a) mediante el segundo material (7) entre los materiales del ánodo y del cátodo.

16. Procedimiento según la reivindicación 14, en el que el relleno de las cavidades (5) comprende el depósito de un primer material (6) entre los materiales del ánodo y del cátodo en las cavidades (5) y que comprende además seguidamente la creación de otras cavidades (5a) en la capa de electrolito (4) entre la primera y segunda superficies y seguidamente el depósito del segundo material (7) entre los materiales del ánodo y del cátodo en las otras cavidades (5a) .

17. Procedimiento según una de las reivindicaciones 14 a 16, en el que la colocación del soporte (3) comprende la disposición de un sustrato (1) , el depósito de un material colector de corriente (2) sobre el sustrato (1) , estando compuesta la primera superficie del soporte (3) por parches de material colector (2) separados por sustrato (1) .

18. Procedimiento según la reivindicación 17, en el que las cavidades (5) de la capa de electrolito (4) están situadas al nivel de los parches de material colector (2) .

19. Procedimiento según una de las reivindicaciones 17 a 18, en el que los parches de material colector (2a) son revestidos por catalizador previamente al relleno.

20. Procedimiento según la reivindicación 19, en el que el relleno de las cavidades (5a) que contienen el catalizador 5 se hace mediante crecimiento de nanotubos de carbono o nanofilamentos de silicio.

21. Procedimiento según una de las reivindicaciones 14 a 20, que comprende el grabado del electrolito (4) y el relleno de las zonas grabadas con un material colector (8) .

22. Procedimiento según una de las reivindicaciones 14 a 20, que comprende el grabado de al menos un electrodo (6, 7) que rellena una cavidad (5) entre la primera y la segunda superficie.

23. Procedimiento según la reivindicación 22, en el que el grabado es rellenado con material colector (8) .

24. Procedimiento según una de las reivindicaciones 14 a 23, que comprende seguidamente el aplanamiento de la superficie del componente fabricado opuesto a la primera superficie.

25. Procedimiento según la reivindicación 24, que comprende además la encapsulación (9) del componente aplanado.