Microbatería y procedimiento para su fabricación.

Microbatería que comprende un apilamiento (17) de capas delgadas sólidas formadas sobre unsustrato (2),

estando recubierto dicho apilamiento (17) por una capa de encapsulación (18) y que comprendesucesivamente:

- un primer conjunto de colector/electrodo (19) en contacto directo con el sustrato (2),

- un electrolito sólido (20),

- un segundo conjunto de colector/electrodo (21) que tiene una cara frontal (22) en contacto directo con la carainterna (23) de la capa de encapsulación (18) y una cara posterior (24) en contacto directo con el electrolito sólido(20), y

- medios de conexión eléctrica (25) del segundo conjunto de colector/electrodo (21) a una carga eléctrica externa,Microbatería caracterizada porque los medios de conexión eléctrica (25) están constituidos por al menos dostabiques eléctricamente conductores que atraviesan la capa de encapsulación (18) desde la cara interior (23) hastala cara exterior (30) de dicha capa de encapsulación (18), presentando cada uno de dichos tabiques una paredinferior (31) en contacto directo con la cara frontal (22) del segundo conjunto de colector/electrodo (21) y una paredsuperior (32) que se abre sobre la cara exterior (30) de la capa de encapsulación (18) y porque dichos tabiquesforman una red de compartimentación (40) dentro de la capa de encapsulación (18).

MICROBATERÍA Y PROCEDIMIENTO PARA SU FABRICACIÓN

Ámbito técnico de la invención La invención se refiere a una microbatería que comprende un apilamiento de capas delgadas sólidas formadas sobre un sustrato, estando recubierto dicho apilamiento por una capa de encapsulación y que comprende sucesivamente:

- un primer conjunto de colector/electrodo en contacto directo con el sustrato, -un electrolito sólido, -un segundo conjunto de colector/electrodo que tiene una cara frontal en contacto directo con la cara interna de la capa de encapsulación y una cara posterior en contacto directo con el electrolito sólido, y

-medios de conexión eléctrica del segundo conjunto de colector/electrodo a una carga eléctrica externa.

La invención también se refiere a un procedimiento de fabricación de dicha microbatería.

Estado de la técnica Un microbatería se define como un generador electroquímico completamente sólido formado por un apilamiento activo de capas delgadas que constituye los electrodos (positivo y negativo) separados por un electrolito. Una microbatería de este tipo comprende, además, unos colectores de corriente metálicos. Todas las capas de la microbatería se hallan en forma de películas delgadas obtenidas por PVD (depósito físico a partir de la fase vapor, del inglés «Physical Vapor Deposition») o CVD (depósito químico a partir de la fase vapor, del inglés «Chemical Vapor Deposition») .

El electrodo positivo es generalmente un material de inserción del litio, por ejemplo, los óxidos de metales litiados, y 30 el electrolito es un aislante eléctrico con una alta conductividad iónica.

En el caso de las microbaterías de litio, se distinguen tres categorías principales de microbatería en las que participan los iones Li+, en función de la naturaleza del electrodo negativo: las microbaterías llamadas de «litiometal», de «iones de litio» o «exentas de litio» (del inglés «lithium-free») .

Las microbaterías llamadas de «litio-metal» presentan las mejores propiedades electroquímicas, en particular en cuanto a potencial y estabilidad de la capacidad de carga y de descarga. Esta primera categoría de microbatería de litio comprende un electrodo negativo de litio metálico.

Las microbaterías llamadas de «iones de litio» (o Li-ion) tienen un electrodo negativo formado por un material de intercalación o de inserción de litio. Los cationes Li+ efectúan recorridos de ida y vuelta entre los electrodos negativo y positivo con cada carga y descarga de la microbatería. Esta categoría de microbatería permite la utilización de las técnicas usuales de microfabricación, pero generalmente presenta unas prestaciones electroquímicas menos buenas con los sucesivos ciclos.

Por último, las microbaterías llamadas «exentas de litio» («lithium-free») comprenden un colector metálico de corriente en calidad de electrodo negativo. Durante una primera carga, los iones Li+ migran desde el electrodo positivo y quedan bloqueados por el colector de corriente. Los iones Li+ forman sobre el colector de corriente, por electrodepósito, una capa de litio metálico. A continuación, la batería se comporta de la misma manera que una 50 batería de litio-metal, con una pequeña caída de la capacidad en el primer ciclo.

Las microbaterías de litio son particularmente interesantes debido a su alta densidad másica, su gran superficie de almacenamiento útil de energía y su baja toxicidad. Sin embargo, son muy sensibles al aire y, en particular, a la humedad. Con el fin de proteger el apilamiento activo de la microbatería de litio, generalmente se realiza una 55 encapsulación para aislar el apilamiento de todo contacto con el exterior, evitando así cualquier contaminación procedente del entorno.

Existen diferentes arquitecturas de las microbaterías, en particular arquitecturas que presentan una conexión eléctrica plana o vertical, es decir, en las que la conexión eléctrica final de la microbatería a una carga externa se hace ya sea en el mismo plano que el del colector de corriente o en un plano que es vertical con respecto a este último.

A título de ejemplo, el documento WO2008/011061 describe una microbatería con una conexión eléctrica plana.

Como se representa en la figura 1, la microbatería comprende típicamente un apilamiento 1 sobre un sustrato 2. El apilamiento 1 está constituido, sucesivamente, por un primer colector de corriente 3, un primer electrodo 4 recubierto por un electrolito sólido 5, un segundo electrodo 6 y un segundo colector de corriente 7. El apilamiento 1 está encapsulado por un revestimiento 8 que es inerte con respecto a los elementos que forman el apilamiento 1 y destinado a sellarlo herméticamente y protegerlo frente a la contaminación externa. Se realiza una conexión de contacto por medio de una capa metálica 9 sobre el revestimiento 8 y acoplada al segundo colector de corriente 7 por medio de un orificio transversal 10 realizado en el revestimiento 8. La conexión de contacto conecta el segundo colector de corriente 7 situado por encima del apilamiento 1 y el primer colector de corriente 3. El orificio transversal 10 pasa a través del revestimiento 8 y define una zona localizada 11 del apilamiento 1 recubierta únicamente por la capa metálica 9 que forma la conexión de contacto. La zona localizada 11 constituye entonces un punto de fragilidad

de la microbatería que es más sensible a las tensiones mecánicas. En particular, dado que el funcionamiento de la microbatería de litio se basa en el transporte de la corriente por los iones de litio, durante la carga y descarga de la microbatería, los electrodos sufren deformaciones debidas a la inserción y la extracción, también llamada desinserción, de los iones de litio en los electrodos. Estas repetidas modificaciones de volumen dan lugar rápidamente a daños mecánicos. Las partes de la capa 9 comprendidas entre las zonas localizadas 11 y el punto fijo de conexión con la capa 3 son más sensibles a las tensiones mecánicas, lo que, por consiguiente, puede dar lugar a fallos durante el uso y ser la causa de una merma de las prestaciones de la microbatería.

Como se representa en la figura 1, la conexión eléctrica de este tipo de arquitectura a la carga eléctrica externa (no representada) se lleva a cabo convencionalmente por medio de terminales de contacto 12 dispuestos en cada lado 25 del revestimiento 8, en la prolongación del primer colector de corriente 3. Los terminales de contacto 12 constituyen bornes de contacto que permiten conectar la microbatería a la carga eléctrica externa, por ejemplo, a una o más microbaterías suplementarias, a un chip electrónico o a cualquier carga eléctrica. La conexión final a la carga externa se efectúa típicamente por una etapa de soldadura con alambre. Además de suponer una puesta en práctica compleja y delicada, este tipo de arquitectura presenta un inconveniente en términos de integración. En efecto, una 30 parte de la superficie del primer colector de corriente 3 está ocupada por los terminales de contacto 12 que, por consiguiente, limitan la superficie dedicada al primer electrodo 4. Non obstante, las propiedades electroquímicas de la microbatería y, por ejemplo, la capacidad (en μAh.cm-2) son proporcionales a la superficie activa de la microbatería, en particular, a las dimensiones de las interfases primer electrodo 4/electrolito 5 y primer electrodo 4/primer colector de corriente 3. Se observa entonces una pérdida de superficie activa que es sinónimo de una pérdida tanto de prestaciones electroquímicas como de densidad de integración (número de dispositivos por unidad de superficie sobre el sustrato) .

A título de ejemplo, el documento US-A20070238019 describe una microbatería con conexión eléctrica vertical con respecto al plano principal del sustrato 2. En esta configuración representada en la figura 2, un apilamiento 40 depositado sobre un sustrato 2 comprende convencionalmente un cátodo 4 y un ánodo 6 separados por un electrolito 5. El sustrato 2 presenta una cara frontal 13 y una cara posterior 14. El primer y el segundo colectores de corriente, respectivamente 3 y 4, están dispuestos en la cara frontal 13 del sustrato 2. El sustrato 2 presenta conexiones transversales 15 desde los colectores de corriente, 3 y 4, en la cara frontal 13 hasta una carga exterior 16 para conectarla al nivel de la cara posterior 14 del sustrato 2. Esta configuración permite aumentar la superficie 45 activa de la microbatería y mejorar asimismo las propiedades electroquímicas y la densidad de integración. No obstante, esta arquitectura presenta una puesta en práctica compleja, en la medida en que son precisas varias etapas de microfabricación (depósito, grabado,... [Seguir leyendo]

1. Microbatería que comprende un apilamiento (17) de capas delgadas sólidas formadas sobre un sustrato (2) , estando recubierto dicho apilamiento (17) por una capa de encapsulación (18) y que comprende 5 sucesivamente:

- un primer conjunto de colector/electrodo (19) en contacto directo con el sustrato (2) , -un electrolito sólido (20) , -un segundo conjunto de colector/electrodo (21) que tiene una cara frontal (22) en contacto directo con la cara

interna (23) de la capa de encapsulación (18) y una cara posterior (24) en contacto directo con el electrolito sólido (20) , y -medios de conexión eléctrica (25) del segundo conjunto de colector/electrodo (21) a una carga eléctrica externa,

Microbatería caracterizada porque los medios de conexión eléctrica (25) están constituidos por al menos dos tabiques eléctricamente conductores que atraviesan la capa de encapsulación (18) desde la cara interior (23) hasta la cara exterior (30) de dicha capa de encapsulación (18) , presentando cada uno de dichos tabiques una pared inferior (31) en contacto directo con la cara frontal (22) del segundo conjunto de colector/electrodo (21) y una pared superior (32) que se abre sobre la cara exterior (30) de la capa de encapsulación (18) y porque dichos tabiques forman una red de compartimentación (40) dentro de la capa de encapsulación (18) .

2. Microbatería de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque al menos dos tabiques son adyacentes y paralelos entre sí y están separados por una parte de la capa de encapsulación (18) .

3. Microbatería de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizada porque la distancia que separa los dos

tabiques adyacentes y paralelos es menor que o igual a la inversa de la raíz cuadrada de la densidad de dislocaciones de dicha capa de encapsulación (18) .

4. Microbatería de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque la red de compartimentación (40) tiene una estructura de emparrillado con patrones en forma de paralelogramo, 30 preferentemente en forma de una rejilla.

5. Microbatería de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque las paredes laterales (33) de cada tabique son perpendiculares a la cara frontal (22) del segundo conjunto de colector/electrodo (21) .

6. Microbatería de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque la pared superior (32) del tabique forma junto con la cara exterior (30) de la capa de encapsulación (18) una superficie plana común.

7. Procedimiento de fabricación de una microbatería de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque comprende las siguientes etapas sucesivas:

-depósito en placa completa, sobre el sustrato (2) , de un apilamiento (17) de capas delgadas formando sucesivamente un primer conjunto de colector/electrodo (19) , un electrolito sólido (20) , un segundo conjunto de

colector/electrodo (21) , -depósito en placa completa sobre el segundo conjunto de colector/electrodo (21) de una primera capa de protección (34) , -realización en la primera capa de protección (34) de al menos una zanja (35) que forma una matriz para realizar los tabiques, atravesando dicha zanja (35) el espesor de la primera capa de protección (34) y abriéndose sobre la cara 50 frontal (22) del segundo conjunto de colector/electrodo (21) , y -llenado de la zanja (35) con un material eléctricamente conductor.

8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque la etapa de llenado comprende el depósito de una capa delgada (37) de material eléctricamente conductor sobre la primera capa de 55 protección (34) , seguido por un grabado selectivo de dicha capa delgada (37) .

9. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 7 y 8, caracterizado porque comprende, después del llenado de la zanja (35) , una o más etapas de grabado del apilamiento (17) para localizar la microbatería sobre el sustrato (2) .

10. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque, después del grabado del apilamiento (17) , se realiza una segunda capa de protección (38) que recubre todas las partes laterales del apilamiento (17) y formando con la primera capa de protección (34) una capa de encapsulación (18) .