DE4402099A1 - Batterieeinheit und Verfahren unter Verwendung eines flexiblen Polymerfilms mit einer abgeschiedenen Schicht aus einem anorganischen Material - Google Patents

Batterieeinheit und Verfahren unter Verwendung eines flexiblen Polymerfilms mit einer abgeschiedenen Schicht aus einem anorganischen Material

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Description

Die Erfindung betrifft generell Batterien und betrifft insbesondere eine flexible Batterieeinheit, welche aus einem flexiblen Polymerfilm gebildet ist, welcher mit einer flexiblen Schicht aus einem abgeschiedenen anorganischen Material wie Siliziumnitrid abgedichtet bzw. verbunden ist.
Fortschritte auf dem Gebiet der Halbleitertechnologie haben zur Produktion von hochintegrierten Schaltungen geführt, welche wiederum eine Revolution auf dem Gebiet der Elektronikindustrie eingeleitet haben. Mikroelektronikkomponenten werden nunmehr bei der Herstellung einer Vielzahl von elektronischen Vorrichtun­ gen (z. B. Computer, Rechner, Uhren) eingesetzt. Die Entwicklung solcher elek­ tronischer Miniaturgeräte bzw. -instrumente hat die Entwicklung von Batterien gefordert, die als Miniaturspannungsversorgungen dienen. Diese neue Generation von Batterien muß eine höhere Energie pro Volumeneinheit erzeugen und über­ legene Entladungseigenschaften haben verglichen mit herkömmlichen Batterien.
Miniaturbatterien, welche auf wäßrigen, nichtwäßrigen und Feststoffelektrolyten basieren, werden als Spannungsquellen für Mikroelektronik- und portable Elek­ tronikgeräte hergestellt. Als ein Beispiel sind dünne Festkörperbatterien häufig konstruiert mit einer Anode, welche aus Feststofflithium gebildet ist, und einer Kathode, welche aus einem Feststoffelektrolyt gebildet ist. Das Lithium liegt typischerweise in der Form einer dünnen Lithiumfolie vor. Andere Arten von Metallfolien werden auch verwendet, um die Anode auszubilden (z. B. Nickel). Dieses Art von Batterie hat eine lange Lebensdauer und arbeitet wirksam über einen weiten Temperaturbereich.
Eine wichtige Gestaltungsüberlegung besteht bei der Herstellung von dünnen Batterien in der Packungsanordnung zum Abdichten bzw. Einschließen der aktiven Komponenten der Batterie. Dünne Batterien werden typischerweise in einer gesteu­ erten bzw. überwachten Umgebung zusammengebaut und dann mit einer gewis­ sen Art von Gehäusestruktur abgedichtet. Typischerweise sind diese Gehäuse aus einer geschweißten metallischen Umhüllung gebildet. Ein Gehäuse kann auch als ein Folienbeutel konstruiert sein.
Generell muß das Gehäuse die aktiven Komponenten der Batterie gegenüber Korrosionsmedien bzw. aggressiven Medien wie Feuchtigkeit und Sauerstoff in der betrieblichen Umgebung der Batterie hermetisch abdichten. Lithiumfolie insbeson­ dere und auch generell die meisten Metallfolien, die gemeinsam in dünnen Batte­ rien verwendet werden, können in einer Umgebung hoher Permeabilität oder nasser Umgebung nicht mehr als wenige Stunden oder Tage überleben. Aus diesem Grund sind Metallgehäuse für Batterien typischerweise unter Verwendung von Glas-zu-Metall- oder Keramik-zu-Metall-Abdichtungen ausgebildet. Folienbeutelge­ häuse werden typischerweise zusammengesetzt unter Verwendung von abge­ dichteten Metallpolymer-Laminaten.
Diese Arten von Batterieeinheitsanordnungen bzw. Batteriepackungsanordnungen sind relativ teuer, da die Materialien teuer sind und die Herstellungsanforderungen zum Ausbilden der Packungen kompliziert sind. Zusätzlich können Batteriegehäuse oder -packungen, welche mit Metall- oder Metallpolymer-Laminaten konstruiert sind, schwer sein und eine hohe elektrische Leitfähigkeit zeigen. Eine Batterie mit einer hohen Metallmasse und einer hohen Leitfähigkeit kann Interferenzen erzeu­ gen, wenn sie in Sende- oder Empfangsvorrichtungen im Hochfrequenz- bzw. Funkfrequenzbereich eingesetzt wird. Darüberhinaus können Metallbatteriepac­ kungen nicht mit gekrümmten oder irregulären Oberflächengeometrien konstruiert werden. Schließlich können diese Arten von Metallbatteriepackungen nicht die Anforderungen hinsichtlich Permeabilität und chemischer Widerstandsfähigkeit bei einigen beanspruchenden Anwendungen (z. B. Umgebungen hoher Temperatur und Korrosionsumgebungen) erfüllen.
Es besteht daher im Stand der Technik ein Bedarf an einer dünnen Batteriepac­ kungsanordnung, welche die zuvor erwähnten Nachteile der bekannten Batterie­ packungsanordnungen überwindet.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batteriepackung für dünne Batterien anzugeben, welche nicht teuer und leicht herzustellen ist und dabei für die innenliegenden Komponenten der Batterie dennoch ein hohes Maß an Schutz bietet. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batte­ riepackung für dünne Batterien anzugeben, welche leichtgewichtig und flexibel ist und welche aus eine nichtleitenden, in starkem Maß umpermeablen Material ausgebildet ist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Batteriepackung für dünne Batterien anzugeben, die mit einer gekrümmten Oberflächengeometrie ausgebildet werden kann. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Verfahren zum Herstellen einer Batteriepackung anzugeben, bei welchem ein flexibler Basisfilm konstruiert bzw. ausgelegt ist, die Batterie zu bedecken, und eine flexible Schicht aus einem anorganischen Material wie Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxid auf dem Basisfilm abge­ schieden wird unter Verkapselung und Abdichtung der Anordnung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine flexible Batteriepackung für dünne Batterien geschaffen. Die Batteriepackung umfaßt einen flexiblen Basisfilm, wel­ cher die Batterie bedeckt, und eine flexible Schicht aus einem anorganischen Material wie Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxid, welche die Struktur einkapselt und abdichtet: Der Basisfilm ist vorzugsweise aus einem flexiblen, leichtgewichtigen Polymermaterial wie Polyester ausgebildet bzw. hergestellt.
Zum Zusammensetzen der Batteriepackung können eine oder mehrere Lagen des Basisfilms als eine Struktur ausgebildet werden, die die Batterie und Anschlüsse umschließt. Ein wärmeaktivierbarer Klebstoff kann verwendet werden, um die Lagen des Basisfilms an der Batterie anzubringen. Die Schicht aus anorganischem Material (z. B. Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid) wird dann, nach der Anbringung des Basisfilms an der Batterie, auf die Kanten bzw. Ränder und über die Außenfläche der Struktur abgeschieden, und zwar unter Verwendung eines chemischen Dampfabscheidungsprozesses bei niedriger Temperatur (z. B. weniger als 150°C). Die flexible Schicht aus anorganischem Material umschließt bzw. verkapselt die Packung und dichtet sie hermetisch. Alternativerweise kann die Schicht aus anorganischem Material auf dem Basismaterial vorab unter Ausbildung eine Verbundstruktur abgeschieden werden, welche dann geformt wird, um die Batterie einzukapseln und abzudichten.
Eine solche flexible Verbundpackung (Basisfilm/anorganisches Material) ist un­ durchlässig für Gas (z. B. Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Kohlenstoffdioxid etc.) und Wasserdampfübertragung. Darüberhinaus kann eine solche flexible Packung geformt werden unter Anpassung an eine irreguläre oder gekrümmte Oberfläche. Weiterhin ist solch eine flexible Verbundpackung leichtgewichtig, kostengünstig und kann mit einem extrem dünnen Oberflächenprofil ausgebildet werden.
Weitere Aufgaben, Vorteile und Fähigkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung.
Fig. 1 ist eine teilweise geschnittene Draufsicht auf eine Batteriepackung für eine dünne Batterie, welche gemäß der Erfindung konstruiert ist;
Fig. 2 ist eine Seitenansicht von Fig. 1;
Fig. 3 ist eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie 3-3 von Fig. 1; und
Fig. 4 ist eine der Fig. 3 ähnliche Schnittansicht einer dünnen Batteriepackung, welche gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist.
In den Fig. 1 bis 3 ist eine gemäß der Erfindung konstruierte Batteriepackung gezeigt und generell mit der Bezugsziffer 10 versehen. Die Batteriepackung bzw. Batterieeinheit 10 ist konstruiert, um eine dünne Batterie 12 zu verkapseln und abzudichten.
Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, hat die dünne Batterie 12 generell eine rechteckige Form und umfaßt ein paar von elektrischen Anschlüssen 14, 16. Wie es in Fig. 3 gezeigt ist, umfaßt die Batterie 12 eine Lithiumanode 18, welche mit dem elek­ trischen Anschluß 16 verbunden ist, und eine Feststoffkathode 20, welche mit dem elektrischen Anschluß 14 verbunden ist.
In dünnen Batterien, welche auf dem Gebiet der Halbleiter- und Anzeige-Technolo­ gie verwendet werden, wird häufig Lithium verwendet, um die Anode auszubilden. Dies liegt daran, weil Lithium ein günstiges thermodynamisches Elektrodenpotential und auch eine sehr hohe spezifische Kapazität hat. Lithiumanodenbatterien werden auch verwendet, um die Leistungsanforderungen von kleinen Elektronikvorrichtun­ gen wie elektrischen Uhren, Herzschrittmachern, Hörhilfen und auf dem Gebiet der Rüstung und Luft- und Raumfahrtausrüstung verwendete Vorrichtungen zu erfül­ len.
Als Ergebnis seiner elektropositiven Natur reduziert Lithium Wasser schnell. Wenn es feuchter Luft ausgesetzt ist, wird eine Lithiumoberfläche schnell mit dem in der Luft vorliegenden Sauerstoff und Stickstoff reagieren. Aus diesem Grund werden Lithiumanodenbatterien typischerweise in Trockenräumen zusammengebaut. Die Lithiumanode muß dann hermetisch abgedichtet werden, um eine Oxidation und Korrosion während der Verwendung zu verhindern. Wenn die Oxidations- und Korrosionsraten der Lithiumanode durch eine hermetische Umhüllung auf einem niedrigen Pegel gehalten werden können, wird eine dünne Batterie, wie die dünne Batterie 12, eine hohe Lebensdauer haben.
Die Kathode 20 der dünnen Batterie 12 kann aus einem elektrolytischen Feststoff­ material, wie ein Kupfer- oder Silber-Oxosalz, Polyfluorkohlenstoff oder Sulfide (engl.: Polycarbonfluoride, and Sulfide) ausgebildet werden. Die Lithiumanode 18 und die Kathode 20 werden typischerweise in elektrischem Kontakt miteinander unter Verwendung geeigneter elektrolytischer impregnierter Trennvorrichtungen und Sperrschichten (die nicht gezeigt sind) zusammengebaut. Die Reaktion der Lithiumanode 18 mit den Elektrolyten, welche in der Kathode 20 enthalten sind, liefert die Zellreaktion oder den Entladungs- bzw. Abgabemechanismus für die dünne Batterie 12.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 umfaßt die Batteriepackung 10 zum Einkapseln und Abdichten der dünnen Batterie 12 einen flexiblen Polymer-Basisfilm 22, welcher in eine Struktur ausgebildet bzw. geformt ist, die die dünne Batterie 12 umschließt bzw. einhüllt, und eine flexible Schicht aus einem anorganischen Material 24, wie Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxid, welches auf der Oberfläche und den Kanten bzw. Rändern des Basisfilms 22 unter Abdichtung und Einkapse­ lung der Anordnung abgeschieden ist. Der Basisfilm 22 ist physikalisch an der dünnen Batterie 12 angebracht unter Verwendung eines wärmeaktivierbaren Klebstoffmaterials 26.
Ein Verfahren zum Ausbilden bzw. Herstellen der Batteriepackung 10 gemäß der Erfindung umfaßt die Schritte:
Anbringen eines flexiblen Basisfilms 22 an der dünnen Batterie 12, um die dünne Batterie 12 (d. h. Anode 18, Kathode 20) einzuschließen; und dann
Abscheiden einer flexiblen Schicht aus einem anorganischen Material 24 auf der Oberfläche und den Kanten bzw. Rändern des Basisfilms 22, um eine hermetisch abgedichtete Anordnung zu bilden.
Der Basisfilm 22 ist vorzugsweise gebildet aus einer oder mehr Lagen aus einem flexiblen Polymerfilm. Als ein Beispiel können zwei Lagen eines Polymermaterials geformt und übereinander gelegt bzw. überlappt werden, um eine sandwichartige Struktur auszubilden, welche die Batterie 12 bedeckt. Die umhüllte bzw. einge­ schlossene Struktur kann dann abgedichtet werden durch Abscheiden einer flexiblen Schicht aus anorganischem Material 24 über die Oberfläche des Basis­ films 22 und die Nähte oder Kanten bzw. Ränder der eingeschlossenen Struktur. Die Batteriepackung 10 kann somit schnell und kostengünstig zusammengebaut werden. Darüberhinaus verkapselt und dichtet die flexible Schicht aus anorgani­ schem Material 24 die Batterie 12 und auch die Austritte der Anschlüsse 14, 16 aus der Batterie 12 vollständig. Alternativerweise kann für eine (nicht gezeigte) Paketbatterie die gesamte Batterie durch die Batteriepackung unter Ausbildung einer anschlußlosen Anordnung eingekapselt werden.
Die Schicht aus anorganischem Material 24 kann auf dem Basisfilm 22 abgeschie­ den werden unter Verwendung eines geeigneten Abscheidungsprozesses wie ein chemischer Dampfabscheidungsprozeß bei niedrigem Druck und niedriger Tempera­ tur (z. B. geringer als 150°C) (LPCVD). Ein Glüh- bzw. Glimm-Dekompositionsver­ fahren wie Plasma-CVD kann auch verwendet werden, um die flexible Schicht aus anorganischem Material 24 abzuscheiden. Geeignete Sputter-Techniken unter Verwendung geeigneter Target-Kompositionen und reaktiver Gase können auch eingesetzt werden, um die Schicht aus anorganischem Material 24 abzuscheiden.
Siliziumnitrid (Si3N4) ist ein geeignetes Material zum Ausbilden der Schicht aus anorganischem Material 24. Siliziumnitrid (Si3N4) wird bei der Halbleiterherstellung und bei der Konstruktion von Transistoren und anderen Feststoff- bzw. Festkörper­ vorrichtungen häufig als ein Isolator oder eine passivierende Schicht verwendet. Siliziumnitrid ist durch eine niedrige thermische Leitfähigkeit, durch eine hohe Temperaturbeständigkeit bzw. Temperaturresistenz und eine hohe Resistenz gegenüber verschiedenen Korrosionsmedien charakterisiert. Siliziumnitrid ist auch gegenüber Gas- und Feuchtigkeitsübertragung in starkem Maße undurchlässig. Ein Verfahren der CVD-Abscheidung von Siliziumnitrid bei niedriger Temperatur ist in dem US-Patent Nr. 4262631 von Kubacki offenbart, welches hier durch Be­ zugnahme aufgenommen ist.
Der Basisfilm 22 kann aus einem flexiblen Polyesterharz wie ein Polykarbonat, eine glasverstärkte Polyesterfaser oder eine duroplastische Formverbindung gebildet sein. Solche flexiblen Polymerfilme sind zäh, schlag- und temperaturwiderstands­ fähig und elektrisch isolierend. Generell haben solche Polymerfilme jedoch hohe Gas- (z. B. Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Kohlenstoffdioxid) und Wasser­ dampf-Übertragungsraten. Aus diesem Grund, und um die Anordnung abzudichten, wird der Basisfilm 22 mit der flexiblen Schicht aus anorganischem Material 24 ummantelt.
Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform einer gemäß der Erfindung kon­ struierten Batteriepackung und ist generell mit der Bezugsziffer 28 versehen. Die Batteriepackung 28 gemäß der alternativen Ausführungsform ist im Aufbau der zuvor beschriebenen Batteriepackung 10 ähnlich. Bei der alternativen Batteriepac­ kung 28 wird jedoch eine flexible Schicht 32 aus einem anorganischen Material wie Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxid auf einem flexiblen Basis­ film 30 vor dem Zusammenbau der Batteriepackung 28 abgeschieden.
Die Schicht 32 aus anorganischem Material ist somit auf einer Innenfläche der Batteriepackung 28 angeordnet. Wie zuvor, kann ein wärmeaktivierbarer Klebstoff 34 verwendet werden, um den Basisfilm 30 an der Batterie 12 festzulegen.
Somit kann eine Batteriepackung 10 (oder 28) für dünne Batterien gemäß der Erfindung konstruiert werden unter Verwendung eines kostengünstigen, flexiblen Basisfilms, welcher in eine Struktur geformt wird, die die Batterie umschließt. Diese umschlossene Struktur kann dann schnell und kostengünstig hermetisch mit einer flexiblen, abgeschiedenen Schicht aus einem anorganischem Material wie Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxid abgedichtet werden. Eine derartige Basisfilm/Abdichtungsschicht-Verbundstruktur wird einen exzellenten Gas- und Wasserdampf-Schutz bieten, welcher einer hermetischen Metallumhül­ lung gleichwertig oder, bei einigen Anwendungen, überlegen ist.
Weitere Vorteile der gemäß der Erfindung zusammengebauten Batteriepackung umfassen die Gewichtsreduktion, die Flexibilität, die verminderte Dicke, die gerin­ geren Herstellungskosten, die Oberflächen- bzw. Form-Anpaßbarkeit (die Batterie muß auf eine gekrümmte Fläche aufgebracht werden) und chemische Widerstands­ fähigkeit. Die flexible Schicht aus anorganischem Material ist darüberhinaus nicht leitend und liefert eine geringere Metallmasse als metallische Umhüllungen oder folienlaminierte Batteriepackungsbeutel.

Claims (16)

1. Batteriepackung (10; 28) für eine dünne Batterie (12), mit:
einem flexiblen Polymerbasisfilm (22; 30), welcher an der Batterie (12) angebracht ist und diese umschließt; und
einer flexiblen Schicht (24; 32) aus einem anorganischem Material, welches auf dem Basisfilm (22; 30) abgeschieden ist, um die Batterie (12) einzukap­ seln und abzudichten.
2. Batteriepackung nach Anspruch 1, wobei die flexible Schicht (24) aus anorganischem Material auf dem Basisfilm (22) abgeschieden wird, nach­ dem der Basisfilm (22) an der Batterie (12) angebracht ist.
3. Batteriepackung nach Anspruch 1, wobei die flexible Schicht (32) aus anorganischem Material auf dem Basisfilm (30) abgeschieden wird, bevor der Basisfilm (30) an der Batterie (12) angebracht ist.
4. Batteriepackung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der flexible Basisfilm (22; 30) an der Batterie (12) unter Verwendung eines Klebstoffs (26) angebracht ist.
5. Batteriepackung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das anorganische Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Siliziumnitrid, Aluminiumni­ trid und Aluminiumoxid besteht.
6. Batteriepackung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die flexible Schicht (24; 32) aus anorganischem Material abgeschieden ist unter Ver­ wendung eines chemischen Dampfabscheidungsprozesses (CVD) bei niedri­ ger Temperatur.
7. Batteriepackung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die dünne Batte­ rie ein paar elektrische Anschlüsse (14, 16) aufweist und die flexible Schicht (24;32) aus anorganischem Material auf der Außenfläche und den Kanten bzw. Rändern des Basisfilms (22;30) abgeschieden ist, um die Batterie (12) und den Austritt der elektrischen Anschlüsse (14,16) aus der Batterie (12) einzukapseln und abzudichten.
8. Batteriepackung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Basisfilm (22; 30) aus zwei Lagen aus einem Polyestermaterial gebildet ist, welche einander überlappen unter Ausbildung einer sandwichartigen Struktur.
9. Batteriepackung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Batterie (12) eine gekrümmte Oberfläche hat und die Batteriepackung (10; 28) sich an die gekrümmte Fläche anpaßt bzw. anschmiegt.
10. Verfahren zum Ausbilden einer Batteriepackung (10; 28) für eine dünne Batterie (12), mit den Schritten:
Anbringen eines flexiblen Polymerbasisfilms (22; 30) an der Batterie (12) unter Abdeckung und Einschließung der Batterie (12); und dann
Abscheiden einer flexiblen Schicht (24; 32) aus einem anorganischem Material auf eine Außenfläche und Kanten bzw. Ränder des Basisfilms unter Einkapselung und hermetischer Abdichtung der Batterie (12).
11. Verfahren zum Herstellen einer Batteriepackung gemäß Anspruch 10, wobei der Basisfilm (22; 30) an der Batterie (12) unter Verwendung eines wärme­ aktivierbaren Klebstoffes angebracht wird.
12. Verfahren zum Herstellen einer Batteriepackung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei das anorganische Material ausgewählt ist aus der Grup­ pe, welche aus Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid und Aluminiumoxid besteht.
13. Verfahren zum Herstellen einer Batteriepackung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Basisfilm (22; 30) aus einem Polyestermaterial gebil­ det ist.
14. Verfahren zum Herstellen einer Batteriepackung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Schicht (24; 32) aus anorganischem Material Austritte von elektrischen Anschlüssen (14, 16) einkapselt, die sich von der Batterie (12) erstrecken.
15. Verfahren zum Herstellen einer Batteriepackung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Batteriepackung anschlußlos ist und die Batterie total einkapselt.
16. Verfahren zum Herstellen einer Batteriepackung gemäß einem der Ansprü­ che 10 bis 15, wobei die Schicht (24; 32) aus anorganischem Material abgeschieden wird unter Verwendung eines chemischen Dampfabschei­ dungsprozesses (CVD) bei niedriger Temperatur.
DE4402099A 1993-01-25 1994-01-25 Batterieeinheit und Verfahren unter Verwendung eines flexiblen Polymerfilms mit einer abgeschiedenen Schicht aus einem anorganischen Material Expired - Lifetime DE4402099C2 (de)

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