DE4402099C2 - 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 MaterialInfo
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Description
Die Erfindung betrifft generell Batterien und betrifft insbesondere eine flexible
Batterieeinheit, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1, wie sie aus der
gattungsbildenden JP-Abstract 2-21557 bekannt 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, wie sie aus der US-A-4,615,959 bekannt sind, welche auf
wäßrigen, nichtwäßrigen und Feststoffelektrolyten basieren, werden als Span
nungsquellen für Mikroelektronik- und portable Elektronikgeräte hergestellt. Als ein
Beispiel sind dünne Festkörperbatterien häufig konstruiert mit einer Anode, welche
aus Feststofflithium gebildet ist, und einer Kathode, welche aus einem Feststoff
elektrolyt 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). Diese Art von Batterie hat eine lange Lebens
dauer 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. Aus der JP-Abstract 2-21577 und der JP-
Abstract 4-106865 sind dünne Batterien mit solch einem umschließenden Laminat
bekannt.
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 verbesserten dünnen
Batteriepackungsanordnung, welche die zuvor erwähnten Nachteile der bekannten
Batteriepackungsanordnungen überwindet.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
Batteriepackung für dünne Batterien anzugeben, welche nicht teuer und leicht
herzustellen ist und dabei für die innenliegenden Komponenten der Batterie den
noch ein hohes Maß an Schutz bietet. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine verbesserte Batteriepackung für dünne Batterien anzugeben,
welche leichtgewichtig und flexibel ist und welche aus einem nichtleitenden, in
starkem Maß unpermeablen Material ausgebildet ist. Eine weitere Aufgabe der
vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Batteriepackung für dünne
Batterien anzugeben, die mit einer gekrümmten Oberflächengeometrie ausgebildet
werden kann. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbes
sertes 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, Alumini
umnitrid oder Aluminiumoxid auf dem Basisfilm abgeschieden wird unter Ver
kapselung und Abdichtung der Anordnung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine verbesserte flexible Batteriepackung
für dünne Batterien geschaffen. Die Batteriepackung umfaßt einen flexiblen Basis
film, welcher die Batterie bedeckt, und eine flexible Schicht aus einem anorgani
schen Material wie Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxid, welche
nachdem der Basisfilm an der Batterie angebracht ist, abgeschieden ist, um die
Struktur einzukapseln und abzudichten. 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 ab.
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 geschnitte 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
ausgebildet werden. Die Lithiumanode 18
und die Kathode 20 werden typischerweise in elektrischem Kontakt miteinander
unter Verwendung geeigneter elektrolytischer imprägnierter 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.
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. 4,262,631 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 temperturwiderstands
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 (14)
1. Batteriepackung (10; 28) für eine dünne Batterie (12), mit einem Laminat
(22, 24; 30, 32), welches an der Batterie (12) angebracht ist und diese
umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß das Laminat eine flexible Schicht
(24; 32) aus einem anorganischem Material, welches auf einem Basisfilm
(22; 30), nachdem der Basisfilm (22) an der Batterie (12) angebracht ist,
abgeschieden ist, um die Batterie (12) einzukapseln und abzudichten, auf
weist.
2. Batteriepackung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flexible
Basisfilm (22; 30) an der Batterie (12) unter Verwendung eines Klebstoffs
(26) angebracht ist.
3. Batteriepackung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeich
net, daß das anorganische Material aus der Gruppe, die aus Siliziumnitrid,
Aluminiumnitrid und Aluminiumoxid besteht, ausgewählt ist.
4. Batteriepackung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich
net, daß die flexible Schicht (24; 32) aus anorganischem Material unter Ver
wendung eines chemischen Dampfabscheidungsprozesses (CVD) bei niedri
ger Temperatur, abgeschieden ist.
5. Batteriepackung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich
net, daß die dünne Batterie ein paar elektrische Anschlüsse (14, 16) auf
weist und die flexible Schicht (24; 32) aus anorganischem Material auf der
Außenfläche und den Kanten bzw. Rändern des Basisfilms (22; 30) abge
schieden ist, um die Batterie (12) und den Austritt der elektrischen An
schlüsse (14, 16) aus der Batterie (12) einzukapseln und abzudichten.
6. Batteriepackung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich
net, daß der Basisfilm (22; 30) aus zwei Lagen aus einem Polyestermaterial,
welche einander unter Ausbildung einer sandwichartigen Struktur über
lappen, gebildet ist.
7. Batteriepackung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich
net, daß die Batterie (12) eine gekrümmte Oberfläche hat und die Batte
riepackung (10; 28) sich an die gekrümmte Fläche anpaßt bzw. anschmiegt.
8. Verfahren zum Ausbilden einer Batteriepackung (10; 28) für eine dünne
Batterie (12) nach Anspruch 1, wobei ein flexibler Polymerbasisfilm (22; 30)
an der Batterie (12) unter Abdeckung und Einschließung der Batterie (12)
angebracht wird, gekennzeichnet durch 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).
9. Verfahren zum Herstellen einer Batteriepackung gemäß Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß der Basisfilm (22; 30) an der Batterie (12) unter Ver
wendung eines wärmeaktivierbaren Klebstoffes angebracht wird.
10. Verfahren zum Herstellen einer Batteriepackung nach einem der Ansprüche
8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das anorganische Material aus der
Gruppe, welche aus Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid und Aluminiumoxid
besteht, ausgewählt wird.
11. Verfahren zum Herstellen einer Batteriepackung nach einem der Ansprüche
8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisfilm (22; 30) aus einem
Polyestermaterial gebildet ist.
12. Verfahren zum Herstellen einer Batteriepackung nach einem der Ansprüche
8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (24; 32) aus anorgani
schem Material die Austritte von elektrischen Anschlüssen (14, 16) ein
kapselt, die sich von der Batterie (12) erstrecken.
13. Verfahren zum Herstellen einer Batteriepackung nach einem der Ansprüche
8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie von der anschlußlosen
Batteriepackung total einkapselt wird.
14. Verfahren zum Herstellen einer Batteriepackung gemäß einem der Ansprü
che 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (24; 32) aus an
organischem Material unter Verwendung eines chemischen Dampfabschei
dungsprozesses (CVD) bei niedriger Temperatur abgeschieden wird.
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