电池元件、电池和用于形成电池的方法
【技术领域】
[0001]实施例涉及能量储存设备并且特别涉及电池、电池元件和用于形成电池的方法。
【背景技术】
[0002]随着便携电子设备(例如笔记本、便携电话、照相机等)的增大使用并且随着电驱动汽车的增大使用，具有高能量密度的二次或可再充电电池已受到越来越多的关注，作为这些设备的电源。这样的可再充电电池的示例是锂离子可再充电电池。
[0003]由于电动车的增长的生产量和对储存能量(例如可再生能量)的增长需求，对能量储存设备的需求进一步增长。
[0004]能量密度(即可在电池中储存多少能量)对于减小重要并且因此减小电池材料的成本和电池移动的成本来说是重要的。因此，对增大电池的能量密度是有普遍兴趣的。
【发明内容】
[0005]一些实施例涉及一种电池元件，该电池元件包括具有到达衬底内的多个沟槽的衬底。多个沟槽中的每个沟槽的至少一部分被填充有固态电池结构。此外，该电池元件包括被布置在衬底的前侧处并且电连接到在多个沟槽内的固态电池结构的第一电极层的前侧电池元件电极。此外，电池元件包括被布置在衬底的背侧处并且电连接到在多个沟槽内的固态电池结构的第二电极层的背侧电池元件电极。
[0006]另外的实施例涉及用于形成电池的方法，该方法包括蚀刻沟槽到衬底内以及在沟槽内形成固态电池结构。此外，该方法包括形成被布置在衬底的前侧处并且电连接到在沟槽内的固态电池结构的第一电极层的前侧电池元件电极。此外，该方法包括形成被布置在衬底的背侧处并且电连接到在沟槽内的固态电池结构的第二电极层的背侧电池元件电极。
【附图说明】
[0007]下文将仅通过示例的方式，并且参考附图，描述装置和/或方法的一些实施例，在附图中
图1示出电池的示意性横截面；
图2示出具有腔的电池元件的示意性横截面；
图3示出具有腔的另一电池元件的示意性横截面；
图4示出用于形成电池的方法的流程图；
图5示出具有背侧电极的电池元件的示意性横截面；
图6示出具有背侧电极的另一电池元件的示意性横截面；
图7示出具有电池元件堆叠体的电池的示意性横截面；
图8示出电池元件堆叠体的示意性横截面；
图9示出用于形成电池的方法的流程图；
图1Oa-1Oc示出在形成电池元件期间的示意性横截面； 图lla-llc示出在形成另一电池元件期间的示意性横截面；
图12示出用于形成电池元件的方法的流程图；
图13a-13c示出在形成电池元件期间的示意性顶视图；
图14a-14c示出在形成另一电池元件期间的示意性顶视图；
图15示出晶片和沟槽的两个可能分布的示意性顶视图；
图16a示出具有方形沟槽的电池元件的示意性横截面；
图16b示出在图16a中示出的电池元件的示意性顶视图；以及图17示出具有电池元件的堆叠体的电池的示意性横截面。
【具体实施方式】
[0008]现在将参考附图更完全地描述各个示例实施例，在附图中图示了一些示例实施例。在图中，为了清楚可能夸大线、层和/或区的厚度。
[0009]相应地，尽管另外的实施例能够具有各种修改和替换形式，通过在图中的示例的方法来示出并且在本文中将详细描述其的一些示例实施例。然而，应当理解的是，并非意图将示例实施例限制到所公开的特别形式，而是相反，示例实施例覆盖落入本公开的范围内的所有修改、等同和替换。贯穿对图的描述，同样的数字指代同样或类似的元件。
[0010]将理解的是，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，其可以直接连接或耦合到另一元件，或可存在介于中间的元件。相比之下，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在介于中间的元件。用于描述在元件之间的关系的其它词应当以同样的方式来解释(例如，“在……之间”相比“直接在……之间”，“相邻”相比“直接相邻”等)。
[0011]本文使用的术语是为了仅描述特别示例实施例的目的并且并非意图对另外的示例实施例的限制。如本文使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在还包括复数形式，除非上下文清楚地另外声明。将进一步理解的是，术语“包括”、“由……组成”、“包含”和/或“含有”当在本文中使用时指定陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或附加。
[0012]除非另外定义，本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与示例实施例属于的领域的普通技术人员普遍理解的相同的含义。将进一步理解的是，术语(例如在普遍使用的字典中定义的那些)应当被解释为具有与它们在相关领域的背景中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度规范的意义来解释，除非在本文中如此明确定义。
[0013]图1示出根据一实施例的电池100的示意性横截面。电池100包括两个外部可访问的电池电极102以提供供电电压到可连接的设备。此外，电池100包括晶片110的至少一半以上，该晶片110包括两个晶片电极112。电池100可形成在具有主表面的衬底中，该主表面具有至少600cm2的表面积。例如，如果使用200nm晶片(其中直径是200nm)，则该晶片的至少一半以上将是大约该大小(例如大约R2)。使用基本上所有的200nm晶片将产生大约1200cm2的衬底，而使用所有450nm晶片将产生大约6350cm2的衬底。相应地，在某些实施例中，衬底大小在1200cm2和6350cm2之间。在其它实施例中，衬底可以更大或更小。
[0014]晶片包括从晶片110的表面到达晶片110内的多个沟槽114。多个沟槽114中的沟槽114 (或每个沟槽)的至少一部分填充有固态电池结构116。沟槽114内的固态电池结构116包括电连接到晶片电极112的电极。
[0015]通过直接使用晶片的大部分或整个晶片用于形成电池，可以以低成本到达高能量密度，因为可以在制造期间整块地处理晶片。此外，没有晶片的空间或者仅晶片的很少空间可能因为用于切割晶片的区域而损失。此外，用于切割晶片的制造时间和成本可被保持低或可被完全避免。
[0016]电池100是在两个外部可访问电池电极102 (例如阳极和阴极)处提供供电电压的可再充电电池(或不可再充电电池)。外部设备(例如电动车辆、电力供应网络、机器或其它电子设备)可以连接到两个外部可访问电池电极102。此外，外部能量生成器或电力供应网络可以连接到或可连接到电池100用于再充电。
[0017]例如，两个外部可访问电池电极102可透过电池100的封装。该封装可包围晶片110的至少一半以上以保护晶片110的至少一半以上以防非期望的环境影响。
[0018]晶片110的至少一半以上可以是包括两个晶片电极112的晶片的大部分(多于50%、多于70%、多于80%或多于90%)或基本上整个晶片。使用整个晶片可提供大的能量密度，同时可需要低的制造努力(例如可避免切割和浪费)。替换地，晶片或电池的另一几何结构是期望的。例如，可以将晶片切割成方形或矩形形状，仍然具有原始晶片大小的一半以上。在下文中，术语晶片可意指晶片的至少一半以上或整个晶片。
[0019]晶片110可表示电池100的电池元件或电池单元。由于在晶片110上实施的固态电池结构，晶片110可在晶片电极处提供电压。换言之，电池元件可以是电池的部分并且可能够在电极处提供电压(储存的能量)。电池100可至少进一步包括保护电池元件的封装。可选地，电池100可包括多于一个的电池元件(例如具有在沟槽中的固态电池结构的晶片)。换言之，电池100可以可选地包括具有包括固态电池结构的沟槽的多个至少一半以上的晶片。
[0020]两个晶片电极112 (例如阳极和阴极)可提供由晶片110的电池结构116储存的能量并且可连接到两个外部可访问电池电极102，可连接到电池的其它晶片或电池元件的晶片电极，或可连接到电池的控制电路(例如用于控制由电池提供的供电电压或供电电流)。
[0021]控制电路(例如用于控制由电池提供的供电电压或供电电流，或确定剩余电荷或电荷状态)可被集成在晶片110上或可被布置在两个晶片电极112和两个外部可访问电池电极102之间(例如在独立半导体管芯上)。可选地，控制电路可提供信号(例如指示电池的剩余电荷)到电池100的可选的另外的外部可访问电池电极，或可接收来自电池100的可选的另外的外部可访问电池电极的控制信号(例如触发对由电池提供的供电电压或供电电流的控制)。
[0022]晶片110可以是半导体晶片(例如基于娃的晶片、基于碳化娃的晶片、基于神化嫁的晶片)、玻璃晶片或适于形成具有固态电池结构的沟槽114的另一晶片。
[0023]晶片110包括蚀刻到衬底内的多个沟槽114。从晶片110的表面开始，可以将沟槽蚀刻到晶片110内，直到到达期望的深度为止。
[0024]例如，多个沟槽114的一些或所有沟槽114可以到达晶片100内比500 μ m更深(或比700 μ m更深或比800 μ m更深)，或可以透过整个晶片100 (例如对于200mm的直径具有750 μ m厚度或对于300mm的直径具有880 μ m厚度的晶片)。
[0025]例如，多个沟槽114中的一些或所有沟槽114可包括比最大横向尺寸更大的最大深度。例如，多个沟槽114中的一些或所有沟槽114可包括比10更大(或比20更大或比30更大)的长宽比。通过增大长宽比，用于形成固态电池结构的表面可以增大，从而导致更高的能量密度。
[0026]可选地，多个沟槽114中的一些或所有沟槽114可包括小于300 μ m(或小于200 μ m或在5ym和200 μπι之间，例如40μπι)的最大宽度。该最大宽度可以例如是沟槽114在晶片100的表面处的最大横向延伸。通过实施窄沟槽114，可增大在晶片100上可制造的沟槽的数量。
[0027]例如，多个沟槽中的一些或所有(除了在边缘处的)沟槽可包括在2 μ m和300nm之间(或在I ym和500nm之间)的到彼此的距离(到邻近沟槽或到最近邻近沟槽的距离)。通过实施具有小的到彼此的距离的沟槽，可以增大在晶片上可制造的沟槽的数量。保持在沟槽之间的距离超过预定义限度可增大晶片100的稳定性。