Microbatería sobre sustrato con encapsulación monolítica.

Microbatería que comprende un primer colector de corriente (2) y un segundo colector de corriente (3)dispuestos sobre un sustrato (1),

un apilamiento, que comprende dos electrodos (4, 7) separados por una películaelectrolítica (5), estando cada electrodo (4, 7) unido a un colector correspondiente, 5 siendo uno de los electrodos unánodo (7) a base de litio, estando dicho apilamiento recubierto por una encapsulación que comprende una capametálica (8), sobresaliendo el primer colector de corriente (2) fuera de la encapsulación, y estando el segundocolector (3) en contacto con la capa metálica (8), microbatería caracterizada porque un tapón (9) de alúmina, degrosor inferior a 30 nm, se dispone entre el primer colector de corriente (2) y la capa metálica (8), estando el10 electrodo en contacto con el primer colector de corriente (2) aislado eléctricamente de la capa metálica (8) por eltapón (9) de alúmina.

Microbatería sobre sustrato con encapsulación monolítica

Ámbito técnico de la invención La invención se refiere a una microbatería que comprende un primer colector de corriente y un segundo colector de corriente dispuestos sobre un sustrato, un apilamiento, que comprende dos electrodos separados por una película electrolítica, estando cada electrodo unido a un colector correspondiente, uno de los electrodos siendo un ánodo a base de litio, estando dicho apilamiento recubierto por una encapsulación que comprende una capa metálica, sobresaliendo el primer colector de corriente fuera de la encapsulación, y el segundo colector estando en contacto con la capa metálica.

Estado de la técnica Las microbaterías de litio comprenden esencialmente elementos reactivos, particularmente el ánodo que está constituido muy a menudo por componentes litiados. El litio metálico reacciona rápidamente en exposición a los elementos atmosféricos tales como el oxígeno, el nitrógeno o también el vapor de agua, conllevando un envejecimiento acelerado de la batería. Se han desarrollado protecciones para paliar estos problemas de deterioro. De este modo, las microbaterías están dotadas convencionalmente de una envuelta de protección suficientemente estanca frente a la atmósfera y perfectamente compatible con las capas utilizadas en la microbatería para prevenir cualquier fuga.

Existen dos conceptos de protección, la envuelta y la encapsulación monolítica.

Una microbatería se denomina envuelta cuando una tapa estanca a la atmósfera se ha añadido por encima de la microbatería para protegerla. Convencionalmente, el encolado de la tapa se realiza en atmósfera controlada en presencia de un gas inerte como argón. Esta tecnología presenta varios inconvenientes de los cuales los principales son la fiabilidad a largo plazo de la microbatería y la dificultad de controlar la estanqueidad de la tapa para evitar cualquier contaminación con el exterior. Además, las microbaterías envueltas tienen en general dimensiones demasiado grandes que no responden a las exigencias de los pliegos de condiciones.

En una encapsulación monolítica, la barrera, que separa los componentes de los riesgos del entorno exterior, se realiza mediante deposición de capas finas.

La patente US5.561.004 describe una microbatería con encapsulación monolítica. Como se ilustra en la figura 1, la microbatería se realiza sobre un sustrato de base 1 sobre el que se disponen un primer colector de corriente 2 y un segundo colector de corriente 3, los colectores de corriente 2 y 3 están separados por una parte 6 de sustrato. Sobre el primer colector de corriente 2 (a la izquierda en la figura 1) , una capa que forma un cátodo 4 se deposita dejando una zona exterior libre 12 del primer colector 2 a la izquierda del cátodo 4, que permite realizar las conexiones eléctricas. Una película electrolítica 5 se deposita a continuación para recubrir el cátodo 4, una sección de la parte 6 de sustrato que separa los dos colectores 2 y 3 así como una parte de la zona libre del primer colector 2. Un ánodo 7 de litio se dispone por encima de la película electrolítica 5 y recubre una parte del segundo colector de corriente 3. El apilamiento cátodo/película electrolítica/ánodo se recubre a continuación con una capa de encapsulación 13 que comprende una capa de polímero y una capa metálica. La patente sugiere aislar eléctricamente la capa metálica: en efecto, sin aislamiento los dos colectores 2, 3 de la figura 1 sufren un cortocircuito. Sin embargo, la patente no precisa donde realizar el aislamiento, ni el tipo de material a utilizar. Ahora bien, las limitaciones actuales necesitan que las microbaterías de litio duren al menos 10 años, lo que corresponde para ciertos tipos de baterías a un valor barrera al oxígeno y a la humedad de 10-4 g/m2/J. La elección del material debe tener en cuenta, por lo tanto, estas limitaciones y debe ser coherente con las capas adyacentes para no deteriorarlas.

Objeto de la invención El objeto de la invención tiene como objetivo una microbatería que tiene un valor de barrera al oxígeno y a la humedad suficiente, y cuya coherencia de los materiales que constituyen las diferentes capas evita cualquier degradación de la microbatería.

Este objetivo se alcanza mediante las reivindicaciones adjuntas y, en particular, gracias a un tapón de alúmina, de grosor inferior a 30 nm, dispuesto entre el primer colector de corriente y la capa metálica, estando el electrodo en contacto con el primer colector de corriente aislado eléctricamente de la capa metálica por el tapón de alúmina.

La invención también se refiere a un procedimiento de fabricación que comprende sucesivamente:

- la formación sobre el sustrato del primer colector de corriente y del segundo colector de corriente,

- la formación del tapón de alúmina sobre el primer colector y la realización del apilamiento,

- la encapsulación del apilamiento con una capa metálica en contacto eléctrico con el segundo colector de corriente por un lado y en contacto con el tapón de alúmina por el otro.

Breve descripción de los dibujos Otras ventajas y características quedarán más claras a partir de la descripción a continuación de realizaciones particulares de la invención que se dan a título de ejemplos no limitantes y representadas en los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1 ilustra una microbatería según la técnica anterior.

La figura 2 ilustra una microbatería según una realización de la invención.

Las figuras 3 a 5 ilustran un procedimiento de fabricación de una microbatería según la figura 2.

La figura 6 ilustra una segunda realización de una microbatería según la invención.

Descripción de realizaciones particulares Una microbatería comprende, como se ilustra en la figura 2 un primer colector de corriente 2 y un segundo colector de corriente 3 dispuestos sobre un sustrato 1. Un apilamiento convencional, que comprende dos electrodos 4, 7 separados por una película electrolítica 5, se dispone entre los dos colectores de corriente 2 y 3. Cada electrodo 4, 7 está en contacto eléctrico con un colector de corriente 2, 3 correspondiente. Uno de los electrodos es un ánodo 7 de litio o a base de litio. El apilamiento está recubierto por una encapsulación que comprende una capa metálica 8 que permite una protección óptima de dicho apilamiento frente a los ataques del entorno exterior. Para evitar cualquier cortocircuito entre los dos colectores de corriente 2 y 3, es necesario aislar la capa metálica 8 del primer colector de corriente 2 mientras se conserva un buen compromiso respecto a la permeabilidad de la microbatería. El aislamiento que responde a las limitaciones se realiza mediante un tapón 9 de alúmina dispuesto entre el primer colector de corriente 2 y la capa metálica 8 que permite una encapsulación eficaz de la microbatería. Una parte del primer colector de corriente 2 sobresale fuera de la encapsulación, haciendo a este último accesible para realizar las conexiones de la microbatería. El segundo colector de corriente 3 está, por su parte, en contacto con la capa metálica 8 de la encapsulación. Por supuesto, para evitar un cortocircuito entre el electrodo en contacto con el primer colector de corriente 2 y la capa metálica 8, estos dos elementos están aislados eléctricamente uno del otro, este aislamiento puede estar realizado por el tapón de alúmina.

Las tecnologías actuales no permiten obtener capas gruesas de alúmina no porosa, es decir que la estanqueidad al vapor de agua, el oxígeno y el nitrógeno de un tapón 9 de alúmina realizado en capa gruesa no puede cumplir las condiciones requeridas de penetración por ejemplo inferiores a 10-4 g/m2/J. Además, el hecho de colocar el tapón 9 de alúmina en la parte baja de la microbatería y de ponerle en contacto con la película electrolítica 5 y/o el ánodo 7 de litio, plantea un problema sobre el rendimiento de la microbatería. En efecto, durante el funcionamiento de la microbatería, los iones se desplazarán del ánodo 7 hacia el cátodo 4, y el riesgo de que el litio se difunda en las capas inferiores de la batería no es despreciable. Si el litio llegara a difundirse en el material que sirve de tapón 9, esto tendría una doble consecuencia, la disminución del rendimiento de la batería y el deterioro del tapón 9, que puede hacerle poroso a los ataques del entorno exterior, incluso conductor de la electricidad. Aunque este riesgo pueda estar parcialmente compensado por el aumento del grosor de la capa de alúmina, esto sería a expensas de la estanqueidad. Es necesario que el tapón de alúmina permita un buen compromiso entre la estanqueidad y la difusión del... [Seguir leyendo]

1. Microbatería que comprende un primer colector de corriente (2) y un segundo colector de corriente (3) dispuestos sobre un sustrato (1) , un apilamiento, que comprende dos electrodos (4, 7) separados por una película electrolítica (5) , estando cada electrodo (4, 7) unido a un colector correspondiente, siendo uno de los electrodos un ánodo (7) a base de litio, estando dicho apilamiento recubierto por una encapsulación que comprende una capa metálica (8) , sobresaliendo el primer colector de corriente (2) fuera de la encapsulación, y estando el segundo colector (3) en contacto con la capa metálica (8) , microbatería caracterizada porque un tapón (9) de alúmina, de grosor inferior a 30 nm, se dispone entre el primer colector de corriente (2) y la capa metálica (8) , estando el electrodo en contacto con el primer colector de corriente (2) aislado eléctricamente de la capa metálica (8) por el tapón (9) de alúmina.

2. Microbatería según la reivindicación 1, caracterizada porque el tapón (9) de alúmina tiene un grosor comprendido entre 20 y 30 nm

3. Microbatería según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizada porque la encapsulación comprende una capa de recubrimiento (11) de polímero intercalada entre la capa metálica (8) y el apilamiento.

4. Procedimiento de fabricación de una microbatería según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque comprende sucesivamente:

- la formación sobre el sustrato (1) del primer colector de corriente (2) y del segundo colector de corriente (3) ,

- la formación del tapón (9) sobre el primer colector (2) y la realización del apilamiento,

- la encapsulación del apilamiento con una capa metálica (8) en contacto eléctrico con el segundo colector de corriente (3) por un lado y en contacto con el tapón (9) de alúmina por el otro.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque uno de los electrodos es un cátodo, en contacto con el primer colector de corriente, estando dicho cátodo hecho de un material seleccionado entre TiOS, TiS2 o V2O5.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 4 y 5, caracterizado porque el tapón de alúmina se deposita mediante deposición por capa atómica (ALD) a una temperatura comprendida entre 20ºC y 60ºC.