包括片状不连续元件的蓄电系统、片状不连续元件及其制造方法和应用技术方案

本发明专利技术涉及一种包括至少一个不连续的片状元件的蓄电系统及其制造，该片状元件对于优选在200至400nm波长范围内的高能量的电磁辐射具有特别低的透射度；本发明专利技术还涉及一种不连续的片状元件及其制造，该片状元件对于优选在200至400nm波长范围内的高能量的电磁辐射具有特别低的透射度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
蓄电系统已是现有技术许久并且特别包括电池，但也包括所谓的超级电容器(Supercaps)。特别是所谓的锂离子电池由于通过其能够实现的高能量密度而在例如电动汽车(electromobility)的新型应用范围中进行讨论，但是近些年来也已经应用在可携带的设备中，例如智能电话或笔记本电脑。该种传统的可充电的锂离子电池在此的特点尤其在于使用了有机的基于溶剂的液体电解质。但是该电解质可燃并且在所述锂离子电池的应用方面造成安全隐患。避免有机电解质的一种方法在于使用固体电解质。然而，这种固体电解质的电导率一般显著低于相应液体电解质的电导率，例如低出多个数量级。尽管如此，为了获得可接受的电导率并且能够利用可充电的锂离子电池的优势，如今将这种固体电池特别制造成所谓的薄膜电池(TFB)或薄膜存储元件的形式。该薄膜电池或薄膜存储元件特别应用在移动领域中，例如应用在所谓的智能卡中、医药技术和传感技术中以及智能电话和其他应用中，这些应用要求智能、小型甚至可能灵活的能量源。一种示例性的锂基薄膜存储元件在US2008/0001577中描述并且一般由衬底组成，在第一涂布步骤中在该衬底上涂覆用于两个电极的导电的集电极(collector)。随后在另外的制造工序中，首先将阴极材料沉积在阴极的集电极上，通常为锂-钴氧化物LCO。在下一步骤中，进行固体电解质的沉积，该固体电解质通常是包括材料锂、氧、氮和磷的非结晶材料并且称为LiPON。在下一步骤中，沉积阳极材料，使得其与衬底、阳极的集电极以及固体电解质相接触。金属锂特别适合用作阳极材料。当两个集电极以导电方式连接，则锂离子在充满电的状态下从阳极穿过固态离子导体迁移到阴极，这导致了从阴极到阳极的穿过两个集电极的导电连接的电流。反之，在未充满电的状态下，通过施加外部电压而迫使离子从阴极迁移到阳极，由此对电池进行充电。另一种薄膜存储元件在US2001/0032666A1中示例性地描述并且也包括了一种衬底，在该衬底上沉积不同的功能层。对于这种薄膜存储元件沉积的层一般具有20μm或更小，通常小于10μm或者甚至小于5μm的层厚；层结构的总厚度在此可以实现为100μm或更小。在该申请的范围内，薄膜存储元件例如是指可充电的锂基薄膜存储元件和超级电容器；但是该专利技术不局限于该系统，而是也可以应用在其他的薄膜存储元件中，例如可充电的和/或印刷的薄膜电池。在此通常通过复杂的涂布方法进行薄膜存储元件的制造，该涂层方法也包括各种材料的图案化沉积。在此，对很薄(exactthin)的薄膜存储元件的特别复杂的图案化是可行的，例如可以参照US7494742B2。此外，在锂基的薄膜存储元件中特别的难点在于使用金属锂作为阳极材料，因为其具有高的反应性。由此必须在尽可能无水的条件下进行金属锂的操作，因为否则的话会反应生成氢氧化锂并且不再确保阳极的功能。锂基的薄膜存储元件也必须相应地通过包覆而受到保护以防湿气。US7494742B2描述了用于保护薄膜存储元件的不稳定组成部分、例如锂或特定的锂化合物的这样一种包覆。在此通过一个涂层或者不同涂层的系统而提供该包覆功能，这些不同的涂层作为电池的整体结构的一部分可以满足更多的功能。此外，在锂基的薄膜存储元件的制造条件下，特别在对于形成适合于锂嵌入的晶体结构所需的退火或热处理步骤过程中，会产生移动的锂离子与衬底的不期望的副反应，因为锂具有高的活动性并且能够容易地扩散到常见的衬底材料中，例如在文献US2010/0104942中示例性描述。薄膜存储元件内的另一个问题在于采用的衬底材料。现有技术描述了大量不同的衬底材料，例如硅、云母、各种金属以及陶瓷材料。也经常提到玻璃的使用，但是基本上没有进一步指出特定的组成或者确切的特性。US2001/0032666A1描述了一种电容器类型的能量存储器，该能量存储器例如可以是锂离子电池。除此之外，提及作为衬底材料的半导体。US6906436B2描述了一种固态电池，其中例如金属或金属涂层、半导体材料或者塑料膜可以作为衬底材料。US6906436B2描述了可选衬底材料的许多可能性，例如金属或金属涂层、有半导体特性的材料或者诸如蓝宝石、陶瓷或塑料的绝缘体。在此，衬底的不同几何形状也是可行的。US7494742B2除此之外还描述了金属、半导体、硅酸盐和玻璃以及无机或有机的聚合物作为衬底材料。US7211351B2提到金属、半导体或者绝缘材料以及它们的结合作为衬底。US2008/0001577A1提到半导体、金属或塑料膜作为衬底。EP2434567A2提到导电材料(例如金属)、绝缘材料(例如陶瓷或塑料)和具有半导体特性的材料(例如硅)，以及半导体和导体的组合或用于调节热膨胀系数的复杂结构作为衬底。这些或类似的材料也在文献US2008/0032236A1、US8228023B2以及US2010/0104942A1中提到。相比之下，US2010/0104942A1描述了，仅由具有高熔点的金属或金属合金以及电介质材料、例如高石英、硅晶片、氧化铝等制成的衬底作为在实践中相关的衬底材料。这是由于这样的情况，即对于由通常使用的锂-钴氧化物(LCO)生产阴极来说，需要在高于400℃、或者甚至高于500℃的温度下的温度处理，以便获得特别有利于将Li+离子保存在该材料中的晶体结构，由此不能够使用像聚合物或无机材料那样具有低的软化温度的材料。但是金属或金属合金以及电解质材料都具有不同的缺点。例如，电解质材料通常为脆性的并且不能用于成本有效的卷对卷工艺中，而另一方面金属或金属合金在阴极材料的高温处理过程中容易氧化。为了克服这些问题，在US2010/0104942A1中提出了一种由不同的金属或硅制成的衬底，其中组合材料的氧化还原电势彼此协调，从而导致受控的氧化物形成。许多地方也讨论了如何克服例如在上述的US2010/0104942A1中要求的衬底的耐高温性的情况。由此例如能够通过调节工艺条件而使用具有450℃或更低的耐高温性的衬底。但是对此的前提是沉积工艺，其中进行衬底的加热和/或由O2和Ar组成的溅射气体混合物的优化和/或偏置电压的施加和/或第二溅射等离子体在衬底附近的施加。对此例如在US2014/0030449A1中，在Tintignacetal.，JournalpfPowerSources245(2014)，76-82中或者也在Ensling，D.，PhotoelektronischeUntersuchungderelektronischenStrukturdünnerLithiumkobaltoxidschichten(薄的锂钴氧化层的电子结构的光电研究)，博士论文，technischeDarmstadt2006中具有说明。但是一般来说这种工艺工程学上的调节很昂贵并且根据操作、特别是当应进行晶片的连续涂布时几乎不能以成本可接受的方式实施。US2012/0040211A1描述了一种玻璃膜作为衬底，该玻璃膜最大300μm厚并且具有不大于的表面粗糙度。这种低的表面粗糙度是需要的，因为薄膜存储元件的层通常具有非常低的厚度。在此，表面的小的不平整性对薄膜存储元件的功能层具有关键的负面影响并且因此可能造成电池的故障。在WO201406267本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种蓄电系统，所述蓄电系统包括至少一个片状不连续元件，所述片状不连续元件特别在30μm的厚度下具有这样的透过率：在200nm至270nm的范围内20％或更小的透过率，和/或特别优选在222nm时2.0％或更小的透过率，特别优选在248nm时1.0％或更小的透过率，特别优选在282nm时50％或更小的透过率，特别优选在308nm时85％或更小的透过率，以及特别优选在351nm时92％或更小的透过率；并且特别在100μm的厚度下具有这样的透过率：在200至270nm范围内为3％或更小的透过率，和/或特别优选在222nm时为3.0％或更小的透过率，特别优选在248nm时为3.0％或更小的透过率，特别优选在282nm时为20％或更小的透过率，特别优选在308nm时为75％或更小的透过率，并且特别优选在351nm时为92％或更小的透过率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.23 DE 102014008935.5;2014.06.23 DE 10201401.一种蓄电系统，所述蓄电系统包括至少一个片状不连续元件，所述片状不连续元件特别在30μm的厚度下具有这样的透过率：在200nm至270nm的范围内20％或更小的透过率，和/或特别优选在222nm时2.0％或更小的透过率，特别优选在248nm时1.0％或更小的透过率，特别优选在282nm时50％或更小的透过率，特别优选在308nm时85％或更小的透过率，以及特别优选在351nm时92％或更小的透过率；并且特别在100μm的厚度下具有这样的透过率：在200至270nm范围内为3％或更小的透过率，和/或特别优选在222nm时为3.0％或更小的透过率，特别优选在248nm时为3.0％或更小的透过率，特别优选在282nm时为20％或更小的透过率，特别优选在308nm时为75％或更小的透过率，并且特别优选在351nm时为92％或更小的透过率。2.特别根据权利要求1所述的蓄电系统，所述蓄电系统包括至少一个片状不连续元件，所述片状不连续元件特别在30μm的厚度下具有这样的透过率：在200nm至270nm的范围内15％或更小的透过率，和/或特别优选在222nm时2.0％或更小的透过率，特别优选在248nm时1.0％或更小的透过率，特别优选在282nm时10％或更小的透过率，特别优选在308nm时80％或更小的透过率，以及特别优选在351nm时92％或更小的透过率。3.特别根据权利要求1或2所述的蓄电系统，所述蓄电系统包括至少一个片状不连续元件，其中，所述至少一个片状不连续元件呈现的总厚度偏差相对于晶片或衬底尺寸为不大于25μm、优选不大于15μm、特别优选不大于10μm以及非常特别优选不大于5μm，所述晶片或衬底尺寸在直径>100mm，特别横向尺寸100mm*100mm的范围内；优选在直径>200mm，特别横向尺寸200mm*200mm的范围内；以及特别优选在直径>400mm，特别横向尺寸400mm*400mm的范围内。4.特别根据前述权利要求之一所述的蓄电系统，所述蓄电系统包括至少一个片状不连续元件，其中，所述至少一个片状不连续元件的水蒸汽透过率(WVTR)为<10-3g/(m2·d)、优选<10-5g/(m2·d)以及特别优选<10-6g/(m2·d)。5.根据前述权利要求之一所述的蓄电系统，其中，所述片状不连续元件的厚度为小于2mm、优选小于1mm、特别优选小于500μm、非常特别优选小于或等于200μm以及最优选小于或等于100μm。6.特别根据前述权利要求之一所述的蓄电系统，所述蓄电系统包括至少一个片状不连续元件，其中，所述至少一个片状不连续元件在350℃的温度下和频率为50Hz的交变电流下的比电阻为大于1.0*106Ω·cm。7.特别根据前述权利要求之一所述的蓄电系统，所述蓄电系统包括至少一个片状不连续元件，其中，所述至少一个片状不连续元件的最大负荷温度θMax为至少300℃、优选至少400℃、特别优选至少500℃。8.特别根据前述权利要求之一所述的蓄电系统，所述蓄电系统包括至少一个片状不连续元件，其中，所述至少一个片状不连续元件的线性热膨胀系数α为在2.0*10-6/K至10*10-6/K、优选2.5*10-6/K至9.5*10-6/K以及特别优选3.0*10-6/K至9.5*10-6/K范围内。9.特别根据前述权利要求之一所述的蓄电系统，所述蓄电系统包括至少一个片状不连续元件，其中，所述至少一个片状不连续元件的以℃表示的最大负荷温度θMax和线性热膨胀系数α的乘积满足下述关系：600*10-6≤θMax*α≤8000*10-6，特别优选为800*10-6≤θMax*α≤5000*10-6。10.根据前述权利要求之一所述的蓄电系统，其中，所述至少一个片状不连续元件包括至少一种氧化物或多种氧化物的混合物或复合物。11.根据前述权利要求之一所述的蓄电系统，其中，所述至少一个片状不连续元件包含SiO2作为氧化物。12.根据前述权利要求之一所述的蓄电系统，其中，所述至少一个片状不连续元件为玻璃。13.根据权利要求12所述的蓄电系统，其中，所述至少一个片状不连续元件通过熔融工艺以及后续的成型工艺而形成为片状。14.根据权利要求13所述的蓄电系统，其中，所述至少一个片状不连续元件借助于成型工艺而成型，所述成型工艺为拉伸工艺。15.用在蓄电系统中的片状不连续元件，其中，特...

【专利技术属性】
技术研发人员：U·普切尔特，R·理拜德，M·孔泽，T·达姆，C·欧特曼，N·舒尔茨，
申请(专利权)人：肖特股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE