CN105051954B - 薄膜封装电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电池组件，所述电池组件可在提供于衬底上的基极层上形成并且具有薄膜电池叠层，所述薄膜电池叠层包括阳极层、阴极层和介于所述阳极层和所述阴极层之间的电解质层。所述薄膜电池叠层可被封装并且被组装成在所述阳极层和所述阴极层之间具有电源连接的电池系统。

Description

薄膜封装电池系统
相关申请的交叉引用
该专利合作条约专利申请要求于2013年9月27日提交且名称为“Thin FilmEncapsulation Battery Systems”的美国非临时申请号14/040,581的优先权，根据35U.S.C.§119(e)规定，该美国非临时申请要求于2013年3月15日提交的名称为“Thin FilmEncapsulation Battery Systems”的美国临时专利申请号61/801,217的权益，这两个专利申请中每一个的内容如同在本文中完全阐述一样以引用方式并入。
技术领域
本公开的主题整体涉及电池系统，并且具体地讲涉及适用于一系列不同的电子应用的电池系统，所述电子应用包括但不限于计算机系统、便携式电子设备和移动设备。更具体地讲，本公开涉及电池系统和相关的制造方法，即利用封装技术提供改善的能量存储和性能。
背景技术
电池系统被用于广泛的电子应用，包括计算机、移动设备、媒体播放器、个人数字助理、电动工具、导航和通信设备，以及用于汽车、铁路、船舶和工业用途的电力存储和管理系统。根据应用，这些系统传统上被配置为围绕蜂窝状阳极和阴极的电池结构，例如，设计成圆柱形杆管型干电池或平板富液式电池。更先进的电池系统可利用“凝胶卷”或“瑞士卷”构造，其中在平板或柔性衬底的相对侧上提供有阳极层和阴极层，可将该阳极层和阴极层卷起并折叠在电池袋或外罩内。
电池系统的设计由多个相互竞争的因素决定，包括尺寸、重量、能量容量、存储密度、成本、安全性、可靠性、耐用性和易制性。在可再充电电池系统中，特别是当它们涉及到特定电子应用的使用寿命和适用性时，热负载、充电率和其他循环考虑因素也可为重要的考量。也可根据预期用途对这些设计和工程因素进行不同的权衡，例如将较大规模电池系统用于运输和工业电力系统，与之相比，将规模较小的电池用于计算机和消费电子设备。
因此，一直需要改进的、能为多种不同的操作配置和需求延长使用寿命并提升性能的电池系统设计。具体地讲，需要改良的薄膜电池、层状电池和封装电池技术，其能够增加能量容量和存储密度，从而适应现代电子和电力系统环境日益提高的服务需求。
发明内容
本公开的示例性实施例包括电池系统、制造电池系统的方法和利用电池系统的电子设备。该电池系统包括具有一个或多个封装结构的阳极层和阴极层。
代表性的处理方法可包括在衬底上形成基极层，以及在基极上形成薄膜电池叠层。该电池叠层可包括阳极层、阴极层和介于阳极和阴极之间的电解质层，并且该电池叠层可被封装。该电池系统通常包括与电池叠层电源连接的连接器或电极，例如分别耦合到阳极层和阴极层的阳极电极和阴极电极。
根据应用，可热处理该电池叠层，从而在阴极层中产生相变。例如，可通过加热产生晶体相变。
在叠层型电池的应用中，堆叠多个薄膜电池单元以组装成电池系统。例如，每个叠层可包括与阴极层相邻的阴极集流体层，并且可反转相邻的单元，使得阴极集流体层在电池组件内电耦合。另选地，裸露的阴极层或阳极层可彼此相邻地堆叠，并且可使用导电粘合剂形成集流体层。
可用聚合物或有机膜封装电池单元。另选地，可使用多层封装系统，该系统具有朝向电池单元叠层定位的内部陶瓷层、围绕内部陶瓷层布置的外部聚合物层，以及内部陶瓷层和外部聚合物层之间的金属层。
在电池系统应用中，多个薄膜电池单元可被布置成堆叠构造，其中单元中的每个单元包括阳极层、阴极层和介于阳极层和阴极层之间的电解质层。封装物围绕堆叠构造，其在薄膜电池单元周围提供基本上连续的化学和机械屏障。
合适的封装物可由有机液体和聚合物材料形成。也可使用三层封装系统，该系统具有内部陶瓷层、外部聚合物层以及二者之间的金属层。在一些设计中，在封装物和堆叠的薄膜单元构造之间留有空间或间隙，以适应热膨胀和收缩，或者可形成具有倾斜或非平行的相对侧的电池单元叠层，以允许相对运动。
这些电池系统可用于电子设备，例如智能电话、平板电脑，或其他移动设备。在这些应用中，电池组件通常耦接到控制器，并且被配置为给显示器供电。该组件本身包括布置成堆叠构造的多个薄膜电池单元，其中薄膜电池单元中的每个薄膜电池单元具有阳极层、阴极层和电解质层。封装物可设置在堆叠的单元构造周围，以为电池单元提供化学和机械屏障。
附图说明
图1A是如本文所述具有改善的薄膜结构、层状结构和/或封装结构来提高能量密度的电池系统的透视图。
图1B是具有另选的形状因数的电池系统的透视图。
图2是利用处理衬底层制造电池系统或电池组件的过程流程图。
图3是利用蚀刻衬底和永久性基极层制造电池系统或组件的过程流程图。
图4是以堆叠的蜂窝状设计制造电池系统或组件的过程流程图。
图5是制造具有导电粘合剂集流体层的电池系统或组件的过程流程图。
图6是制造具有多个单元封装件的电池系统或组件的过程流程图。
图7是制造具有导电粘合剂阳极集流体层和阴极集流体层的电池系统或组件的过程流程图。
图8A是具有封装堆叠的电池单元构造的电池系统的横截面图示。
图8B是具有封装构造的电池系统的另选横截面图示，所述封装构造具有内部间隔。
图8C是具有倾斜侧壁构造的电池系统的横截面图示。
图9是用于形成电池系统或组件的方法的框图。
图10是结合了电池系统或组件的代表性电子设备的示意图。
具体实施方式
本公开涉及电子设备和电力管理系统的电池系统和组件。电池可在薄膜加工中例如通过在衬底上形成基极层，并且在基极层上形成电池叠层来形成。合适的薄膜加工技术包括但不限于在2010年3月18日公布的美国公布号2010/0066683“METHOD FORTRANSFERRING THIN FILM TO SUBSTRATE”中描述的技术，该公布的全部内容以引用方式并入本文。
电池叠层还可组装成具有或不具有永久性衬底层的多单元的电池系统。根据堆叠构造，可省略阳极集流体层和阴极集流体层，或替换为导电粘合剂，从而在给定的形状因数或尺寸和重量包络中减少无源质量(inactive mass)并提升功率和性能。
图1A是具有改善的薄膜结构、层状结构和/或封装结构的电池(或电池系统)10的透视图。这些结构为电池系统10提供了增加的能量密度来延长使用寿命并提升性能，适用于如本文所述的一系列不同的电子和电力系统应用。
如图1A所示，将电池系统10提供为外罩11内层合的阳极/阴极结构，所述外罩例如电池袋、壳体或封装层。可在电池外罩11外提供保护膜包裹12，以在运输和贮存过程中保护电池10。膜包裹12还可包括标签、条形码，或用于存货控制的其他信息标记，在将电池系统10插入电子设备之前通常会移除这些标记。
一个或多个连接器13在例如“辫子”构造中为电池系统10提供电力、传感器和控制连接，所示构造中具有通过柔性电路15耦接到电池系统10的连接器板或歧管14。可通过电池外罩11的侧16或端17(如图1A所示)或外罩11的主表面18(如，顶表面或底表面)进行柔性电路连接。柔性电路15还允许在安装和拆卸过程中将连接器板或歧管14重新定位成远离电池外罩11，以卷起和展开保护膜12。
外罩11的长度L、宽度W和厚度T限定电池10的形状或形状因数，通常不包括保护性封套12和在安装前被移除的任何其他部件。在图1A的特定构造中，例如，电池系统10具有大致为矩形或椭圆形的形状因数，其宽度W限定在外罩11的相对侧16之间，并且其长度L限定在相对端17之间。厚度T通常限定在电池10的主表面之间，例如电池外罩11的底部与顶表面18之间。
图1B是具有不同形状因数的电池系统10的另选透视图。相比于图1A的薄外形实施例，在这种构造中，电池厚度T相对较大，并且占电池长度L和宽度W的一小部分。这种构造可在给定的区域L×W内为电池系统10提供更大的存储容量，以换取更大的重量和更大的体积包络。如图1B所示，电池系统10也可采用三连接器构造，其中控制连接器或传感器连接器13和独立的(如，正和负)电极19用于进行充电和电力输送。
有时外罩11由层合的袋结构形成，例如使用相对薄的或柔性的金属诸如铝或钢，夹在聚合物保护层或其他涂层之间来形成。另选地，可使用相对较厚的金属或塑料材料，使外罩11形成为刚性壳体，或形成为如下所述的封装层或封装外罩系统。在先进的电池系统中，电池系统10的内部结构(或电池芯)可形成为薄膜或层合的阳极/阴极结构。具体地讲，可利用薄膜锂离子电池结构来为电池系统10提供增加的潜在能量密度和更高的功率/重量比。
要实现这些优点，应使有源电池材料的比例(包括阴极层中的锂离子利用率)增加或最大化，与之相比，无源材料和“开销”应减少或最小化。为了实现高锂离子利用率，也可选择特定的晶体结构或取向。例如，相比于更为无定形的结构，基本均匀的结构或单晶结构可在阴极层中提供更大的能量密度。此外，相比于其他可能的取向诸如(003)，可优选特定的晶体平面取向，例如(104)，(101)或(012)晶体平面取向。
为了产生所需的晶体结构，在沉积后通常对薄膜电池层进行加热以及其他物理和化学处理，以实现所需的相变。例如，可将膜电池层和衬底均加热到相对较高的温度(高达700℃或以上)持续较长的时间，以实现热结晶。因此，处理衬底必须是即便在高温下也能热稳定、化学稳定且机械稳定的。这一要求往往会限制合适的衬底材料的选择，从而提高成本并减少设计选项。
为了解决这个问题，电池系统10可采用薄膜转移处理，其中电池层沉积在衬底材料上并在衬底材料上进行处理，然后在已实现所需的相转变后，再将电池层转移到新的(永久性)衬底上，或转移到电池叠层中。这种方法还使开销和无源材料减少或最小化。例如，柔性衬底通常制成卷对卷的形式，其中每个卷可为1-2米宽，并且长达数千米。然而，为了经受典型的凝胶卷(和其他标准电池)加工技术，必须保持最小的衬底厚度。例如，虽然典型的有源层厚度可低至3μm-5μm，但在显示面板和触摸屏应用中可使用高达25μm厚的衬底。尽管实际生产参数变化，但代表性的数字表明相比于有源(如，阴极)层，基于衬底厚度的潜在材料开销达500％或更多。薄膜转移技术可用于大幅减少此开销，增加有源材料部分并增大对应的潜在能量密度，如下所述。
图2是例示了例如采用薄膜技术生产电池叠层40的代表性方法或过程20的流程图。方法20可采用以下一个或多个步骤，所述步骤包括但不限于：提供衬底(步骤21)、在衬底上提供基极层(步骤22)、在基极层上将电池层形成叠层(步骤23)、处理该电池叠层(步骤24)。该叠层可在永久性或目标衬底上形成，或附接到转移板(步骤25)，该转移板会被释放(步骤26)以将电池叠层转移到永久性衬底(步骤27)，并移除转移板(步骤28)。因此，可采用处理方法20形成一个或多个薄膜电池叠层或单元40，以供上文的电池组件诸如电池系统10使用。
在步骤21中，以玻璃晶片或其他合适的处理衬底材料31的形式提供处理衬底或载体层31。通常，选择具有热稳定性、化学稳定性和机械稳定性的处理衬底31的组成和厚度。
在步骤22中，在处理衬底31上提供释放层或基极层32。基极层32可由例如硅基极或蚀刻停止材料形成，该硅基极或蚀刻停止材料上可形成电池层，并且在移除处理衬底31后可以保留。还可提供种晶层或种晶材料，例如用于形成具有所选择的晶体平面结构的锂钴阴极或阴极集流体的锂钴(LiCo)种晶层，以促使在相邻的阳极、阴极或集流体层中得到特定晶体平面取向。基极层32也可作为牺牲层提供，其从最终电池组件移除以释放处理衬底31；或者作为基极层提供，该基极层会保留在最终电池组件中。
在步骤23中，例如使用薄膜沉积和掩蔽技术在基极层32和处理衬底31上形成层状电池叠层40。具体地讲，电池叠层40由选自以下的一个或多个电池层形成：阴极集流体层33、阴极层34、电解质层35、阳极层36和阳极集流体层37。
合适的阳极层和阴极层材料包括但不限于：锂、钴酸锂、磷酸铁锂以及其他锂金属磷酸盐、锂锰氧化物、碳和石墨或注入有锂离子的石墨。在一个特定的构造中，例如，阳极层36可由锂形成，并且阴极层34可由钴酸锂形成。另选地，阳极层36可由钴酸锂，或另一种磷酸锂或金属氧化物材料形成，并且阴极层34可由石墨，或注入有锂离子的石墨，或锂基材料形成。
电解质层35的合适材料包括但不限于：包含锂离子络合物的碳酸亚乙酯和碳酸二乙酯，以及具有合适的离子传输性质的其他(如，酸性或碱性)电解质。在电池10的锂离子应用中，电解质通常是非水性的，以避免在阳极层和阴极层中与锂金属组分发生反应。在电解质层35中也可提供分隔物材料，例如多孔或微孔的离子传输材料、玻璃或薄膜固体电解质分隔物、或纸张、聚合物或具有所选择的离子传输性质的纤维复合膜材料。合适的电解质和分隔物材料还包括但不限于：聚乙烯锂离子传输材料、磷酸锂、锂磷和锂磷氮氧化物(LiPON或LiPOxNy)材料、聚合物、碳(如，碳纳米管)和复合膜材料，以及在基本上为固体的聚合物复合材料中(例如在锂聚合物电池构造中)的锂盐型电解质。
电池叠层40的特定构造仅仅是代表性的，并且各个阳极层、电解质层、阴极层和集流体层33–37的数量和顺序可发生变化。例如，这些层可相对于基极层32和处理衬底31反向或反转，并且集流体层33和37可作为单独的金属层或导电层来提供，或结合阳极层和阴极层来提供。此外，根据充电或放电状态，阳极层36和阴极层34中的电荷流可反向，并且这些指定可以相应地修改，而不失普遍性。
在步骤24中，对电池叠层40进行处理以获得所选择的材料性质。例如，可对电池叠层40进行热处理以在阴极层34或电池叠层40的其他层中得到结晶或另一种相变。通常，结晶温度可相对较高，例如高达700℃或以上。在提供有种晶层或种晶材料的应用中，结晶温度可稍低些，例如约400℃或以上。在另外的示例中，相关的相变温度是变化的，这取决于电池叠层40的所需性质，以及电池层31-37的相应材料组成和构造。
处理步骤24还可包括将电池叠层40封装在封装层38内。封装层38为电池叠层40提供相对薄的、电绝缘的化学和机械屏障，保护电池叠层40免受包括电接触、机械应力和水分侵入在内的环境影响。
可在对电池叠层40进行加热和其他处理步骤之前或之后提供封装层38。例如，封装层38的合适材料包括陶瓷和其他高温或耐火材料，这些材料可在阴极层34(或阳极层36)热结晶之前或之后施加。另外的合适材料包括聚合物涂层和环氧树脂，相比于封装材料的热稳定性，这些材料的施加顺序可取决于加工温度和加热时间。
在转移步骤25中，例如使用易释放型粘合剂或其他可释放的接合材料39将电池叠层40接合到转移板或转移层41。另选地，电池叠层40在目标衬底或最终衬底上直接形成。
转移层41的合适材料包括但不限于：柔性聚合物材料诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和其他柔性聚合物；以及刚性材料诸如玻璃和硅晶片材料。粘合剂或接合材料39的合适材料包括可溶性胶水和粘合剂，可选择这些材料使电池叠层40暂时粘附到转移层41，并且随后可将这些材料溶解或以其他方式移除。
在释放步骤26中，移除或释放处理衬底31并将电池叠层40转移到转移层41。另选地，电池叠层40在目标衬底或永久性衬底上形成，并且无需进行释放步骤。
根据应用，例如使用牺牲释放材料时也可移除基极层32。另选地，基极层32也可保留在最终电池组件中。例如，可采用化学蚀刻过程，鉴于基极层32由耐蚀刻材料诸如硅形成，该层可阻止该化学蚀刻过程。另选地，可使用牺牲基极层或释放层32，在对所述层进行另外的处理步骤时，例如使用XeCl准分子激光器或其他辐射源使非晶硅基极层32结晶时，所述层会经受相变。也可烧蚀基极层32，或用退火工艺或其他热处理进行汽化。此外，根据移除技术，可将处理衬底层31破坏，或将其保留重新用于随后的处理方法20。
在步骤27中，例如使用层合在电池叠层40的底部(例如，阴极集流体层33和/或其他电池层)和目标衬底42之间的粘合剂层43将电池叠层40附接到目标衬底或永久性(预期)衬底42。另选地，电池叠层40在目标衬底或永久性衬底上形成。
粘合剂层43的合适材料包括但不限于：永久性粘合剂诸如热固性粘合剂、环氧粘合剂，和辐射固化粘合剂材料以及其他接合剂。在另外的应用中，可以图案化膜的形式提供目标衬底42，该图案化膜可层合到电池叠层40上，或者层合到包括多个电池单元40的薄膜叠层上。
在步骤28中，可例如通过溶解或以其他方式移除临时粘合剂层39将任何转移板(或层)41移除。完成处理方法20后，电池叠层40从处理衬底31(和转移层或板41)释放，并且电池叠层40可接合到永久性衬底或目标衬底42。然后可在电池系统10中，例如在电池外罩11内以堆叠布置形式使用一个或多个单独的电池叠层40，如图1A和图1B所示。另选地，电池外罩可包括封装层38和目标衬底42。
相比于总体尺寸相似，但衬底厚度较厚的其他电池系统，这种堆叠构造使得电池系统10具有大体上更多的、占电池总高度一小部分的有源材料，并使得潜在的能量密度和存储容量相应地增加。此外，在非常薄的衬底应用中，目标衬底42的厚度甚至可以更小，例如约5μm或更小，或约2μm-3μm，这可使电池容量和性能进一步提高。
图3是例示了使用具有永久性基极层32的另选技术制备电池叠层40的方法20的过程流程图。在该示例中，处理步骤21,22,23,24和25可类似于上文图2中的那些处理步骤，或者可使用如本领域中所公知的其他薄膜技术。在步骤26中，基极层32作为电池叠层40的永久性基极层保留下来。
在该示例中，如上所述可以硅蚀刻块或基极层的形式来提供基极层32，所提供的基极层32具有或不具有用于在一个或多个薄膜电池层33-37中生成特定晶体平面取向的种晶层。在处理电池叠层40以提供所需的晶体结构和其他材料性质之后，可将处理衬底层31蚀刻掉，留下附接到基极层32的薄膜电池叠层。另选地，可使用机械加工诸如磨削来避免通常与蚀刻相关联的恶劣化学环境。
在步骤27中，例如使用永久性粘合剂层43将基极层32接合到目标衬底42来使电池叠层40附接到目标衬底42。在步骤28中，移除临时粘合剂39和转移层41，从而制备用于电池系统10中的电池叠层40，如上所述。另选地，处理衬底也可用作永久性衬底。
图4是例示了处理多个电池叠层40的方法20的过程流程图，所述电池叠层40采用多个堆叠的电池单元设计。在该示例中，处理步骤21-25也可类似于上述那些处理步骤，其中基极层32以牺牲释放层的形式提供，在释放步骤26中该牺牲释放层随处理衬底层31一并移除。然而，如步骤29所示，将多个电池叠层40组装成多单元叠层构造，而不是直接将电池叠层40接合到目标衬底。
也可使相邻的电池叠层40相对于彼此反转，其中在相邻的阴极层34或阴极集流体33(或两者)之间提供导电粘合剂层44，从而为两个相邻的电池叠层40形成单个的阴极连接器33。另选地，可使用不导电的粘合剂，其中在各个阴极集流体层33之间存在独立的(如并联的)电连接。
在各个电池叠层40中，也可颠倒或以其他方式更改各个薄膜电池层33-37的顺序，从而在相邻的阳极层36和/或阳极集流体37之间提供导电粘合剂44(或绝缘接合剂)。还设想了各种不同的电极耦接，例如阳极集流体37和阴极集流体33从堆叠的电池单元组件的相对侧离开，而另外的导电粘合剂44位于各集流体层的相邻部分之间。
在步骤30中，移除临时粘合剂39和转移层41(见上述步骤28)，并提供用于电池系统10的堆叠的电池单元40。也可加入另外的电池叠层或电池单元40，以提供具有任意数量电池叠层40的多单元堆叠的电池设计。根据电池系统10所需的化学和机械性能，也可在各个电池单元叠层40的顶部或底部纳入一个或多个衬底层42和封装层38，或完全省略这些层。
图5是例示了处理多层电池叠层或电池单元40的方法20的过程流程图，所述电池叠层或电池单元具有导电粘合剂阴极集流体层33。在该示例中，在电池叠层40中未形成独立的阴极集流体层(步骤23)。在接合相邻的(反转的)电池叠层40(步骤29)之前，可将处理衬底31和基极(或释放)层32去除(步骤26)。
因此，如步骤28所示，在相邻的阴极层34之间直接提供导电粘合剂44，并且该粘合剂同时用作接合层和阴极集流体。相对于其他设计，这种设计消除了对于常规的独立或明显阴极集流体层的需求，无需移除有源材料即可降低电池高度(或z高度)，并进一步增大了潜在的能量密度。
图6是例示了处理电池叠层或电池单元40的方法20的过程流程图，所述电池叠层或电池单元40具有多个单元封装件。在该示例中，采用了牺牲基极层或释放层32(步骤22)，并且在薄膜沉积(步骤23)或电池叠层40的后续处理(步骤24)中都没有封装层。根据应用，也可避免采用独立的阴极集流体层33，如上文结合图5所述。当相邻的电池叠层40接合在一起(步骤29)时，使用合适的导电粘合剂层44来形成阴极集流体33。
在堆叠步骤30中，可移除所使用的任何顶部或底部转移层41，并且几对相邻的电池叠层或电池单元40沿阴极集流体界面例如与相邻阴极集流体37之间另外的导电粘合剂44接合。另选地，可如上所述颠倒各个单元的堆叠顺序，并且也可移除另外的临时粘合剂39和转移层41，以堆叠任意数量的电池单元40。然后可将多个堆叠的单元40封闭在传统的电池壳体中，或如下所述将其封装为单元。
在一些设计中，特定电池系统或组件10中的所有阴极集流体层33都并联连接，阳极集流体层37也是如此。另选地，各个电池叠层40(或单元对或单元叠层40)可具有相反的取向，以提供一组或多组串联耦合，来获得更高的输出电压。因此，只要在各个电池单元或电池叠层40中避免了跨阳极层和阴极层的短路和其他直接耦合，那么电池叠层可涵盖广泛不同的堆叠构造，包括不同的垂直层排序，以及不同的水平(左和右)阳极集流体取向和阴极集流体取向。
图7是例示了处理电池叠层40的方法20的过程流程图，所述电池叠层具有导电粘合剂阳极集流体层和阴极集流体层。在该示例中，在沉积步骤23中未形成独立的阴极集流体层33或阳极集流体层37，并且在释放步骤25中先移除了处理衬底31和牺牲基极层32，再接合相邻的电池叠层40(步骤29)。
在堆叠步骤30中，如上文结合图6的示例所述，可将多对相邻的电池叠层或电池单元40接合在一起。然而，如图7所示，不存在独立的阳极集流体结构，并且导电粘合剂44同时用作阴极集流体33和阳极集流体37。相比于具有相同形状因数，或具有相同质量和尺寸包络的更传统的设计，这使电池组件的堆叠高度进一步下降，而功率容量和潜在能量密度有另外的增加。
如图2至图7所示，膜转移处理方法在各个电池叠层40的制造和结构中提供了实质性的优点，并为组装的多单元或多叠层电池系统10也提供了实质性的优点。使用薄膜封装结构大幅减少了电池系统10中的无源材料，并且增大了潜在的能量密度。另选地，可将电池系统的z高度降低到给定区域内，同时维持或甚至增加总功率输出和存储容量。
图8A是具有封装的堆叠单元构造的电池系统10的横截面图示。如图8A所示，可在电池系统10内将任意数量的各个电池叠层或电池单元40以平行的平面取向进行堆叠。每个电池叠层40中的各个电池层33-37可能具有不同的堆叠顺序和取向，并且阳极集流体层37和阴极集流体层33既可作为独立的结构来提供，也可例如利用导电粘合剂44来结合相应的阳极层36和阴极层34。
在图8A的特定构造中，在堆叠单元的电池组件10的外表面外提供大体上连续的封装系统50。根据设计目标，封装系统50还可代替独立的外罩充当电池壳体，并且通过电极19与阳极集流体37和阴极集流体33连接。
通常，封装系统50由化学惰性和机械耐用的材料形成，所述材料可耐受环境影响。合适的封装材料包括如上所述用于封装层38的聚合物和有机绝缘材料，例如塑料或层合膜。另选地，封装层38和封装系统50中的一者或两者可由薄的液体涂层阻隔层例如硅氧烷形成。封装系统50也可作为图案化层或固化之前被图案化的层来提供，从而为电极19、集流体层33和37或二者提供通路。
电池系统10的封装降低了无源材料的含量，并使材料开销最小化。这与采用保护袋或金属壳体、且无源质量和体积更大的其他薄膜和凝胶卷电池设计形成鲜明对比。另选地，可例如通过将封装电池组件10插入到外罩11中(如图1A或图1B所示)来提供封装物(层38或系统50)和外罩11，以便为任务关键型系统应用提供另外的保护，或用于恶劣的操作环境。
施加封装系统50的合适技术包括喷雾施加、浸渍涂布和卷对卷或片对片膜的涂布和施加方法。封装系统50还可以是例如在约180℃或更低温度下UV固化或热固化的。在特定的应用中，可将封装系统50(或封装层28)的固化温度选择为大体低于锂熔点、并大体低于阴极层的结晶温度，以避免电池层33–37的材料、目标衬底材料42、粘合剂43和44、以及经处理的电池叠层40的其他成分发生潜在相变。
在一些设计中，提供了多层封装系统50，所述多层封装系统例如具有与电池单元的叠层40相邻的内层51、围绕内层51设置的中间层52、和围绕中间层52设置的外层53，其中中间层52位于内层51和外层53之间。内层51、中间层52和外层53三者一起提供柔性覆盖物和化学/机械屏障，该覆盖物和化学/机械屏障在电池系统10的操作过程中例如会由于充放电期间的热效应而膨胀和收缩。
在一个特定的构造中，内层51由陶瓷形成，例如氮化硅(SiN)，或由针对接合性质和密度进行选择并提供化学屏障的其他陶瓷材料形成。中间层52可由针对拉伸强度和结构支撑进行选择的陨石金属材料形成，并且外层53可由聚合物诸如聚对二甲苯形成，或由针对密度以及充当水分和氧气屏障的能力进行选择的另一种聚合物形成。
图8B是具有封装构造的电池系统10的另选横截面图示，所述封装构造具有内部间隔。在这种构造中，在封装系统50的内层51与电池叠层40之间提供间隙、内部隔膜，或压缩间隔材料54。也可提供内部封装层38，其中在内部封装层38和外部封装系统50的层51之间设置有间隔部或间隙54。
图8C是具有倾斜侧壁构造的电池系统10的横截面图示。在这种构造中，一个或多个单独的电池叠层40的侧壁55相对于垂直方向倾斜一定角度；因此，侧壁55相对于垂直或堆叠方向倾斜，且不一定彼此平行。
例如，侧壁55可限定多单元叠层的三角形或梯形形状，其中阳极层和阴极层的长度可以是不同的。封装系统50还可以相对较厚的封装层38的形式来提供，例如液体涂层材料，该材料可沿着多层单元组件的倾斜外表面或侧壁55行进，并且在固化后可更耐开裂。
图9是用于形成电池组件的方法70的框图，所述电池组件为例如具有一个或多个单独的电池叠层或电池单元40的电池系统10，如上所述。方法70可包括以下一个或多个步骤，所述步骤包括但不限于形成基极层(步骤71)、在基极层上形成薄膜电池叠层(步骤72)、处理电池叠层以获得所需的物理性质，以及将薄膜电池叠层组装成电池系统(步骤80)。方法70还可包括一个或多个中间处理步骤74-79和另外的组装步骤81-83，如下所述。
可根据处理方法20的不同示例中的任一者(如上文结合图2-图7所述)或使用本领域中已知的其他薄膜处理步骤来进行形成基极层(步骤71)和在基极层上形成薄膜电池叠层(步骤72)以及方法70的其他步骤。例如，电池叠层可包括具有或不具有明显的集流体层的阳极层、阴极层和电解质层，并且基极层可在临时处理衬底或永久性衬底材料(诸如图案膜衬底)上形成。
沉积电池层后，可例如通过热处理或退火来处理一个或多个电池叠层(步骤73)，以在阳极层或阴极层中生成晶体结构，或生成其他所需性质。也可施加另外的化学处理、薄膜处理和机械处理，包括对各个电池叠层或电池单元的封装。
根据实施例，可将该薄膜电池叠层接合到转移层(步骤74)，用于从处理衬底转移(步骤75)。为了从电池叠层释放处理衬底，处理衬底可通过蚀刻，或者通过在基极层发生相变来移除。基极层既可与处理衬底一起移除，或也可与电池叠层一起保留用于组装成完整的电池系统。
电池叠层通常被转移到转移层用于接合到目标或者永久性衬底(步骤76)，或者用于组装成多单元叠层(步骤77)。永久性目标衬底材料通常与电池叠层一起保留在最终组件中，但其实并不需要永久性衬底。也可在堆叠过程(步骤77)期间，或者在电池系统的最后组装(步骤80)期间移除任何保留的转移层(步骤78)。如上所述，也可应用图案膜层合(步骤79)。
在一些示例中，将薄膜电池单元底对底堆叠，其中一对阴极集流体以相邻和电耦合关系放置。另选地，可省略一个或多个集流体层，并且裸露的阴极层自身可相邻。在这项技术中，可例如利用导电粘合剂在相邻的一对阴极层之间形成接合部，所述导电粘合剂形成两个相邻阴极层之间的(单个的)阴极集流体。
相似地，也可将电池单元顶对顶堆叠，或者以反向层结构堆叠，使得阳极集流体(或者裸露的阳极)层是相邻的。可在相邻的集流体层或者在相邻的裸露阳极层之间形成导电接合部。因此，可通过在相邻的阳极层或者阴极层之间的直接电连接来形成导电接合部，而不需要其他介于中间的集流体层。
组装电池系统(步骤80)可包括封装电池叠层(步骤81)，将电池叠层插入到袋内或壳体内(步骤82)，或两者。一般来讲，电池组件还提供附加的特征部，例如电极或者其他连接器，所述电极或者其他连接器被配置用于将电池叠层(或者单元的多层叠层)连接到电子设备(步骤83)，如下所述。
电池叠层可单独封装(步骤81)，或作为多层叠层封装。例如，可提供多层封装系统以在各个薄膜电池单元的叠层周围形成基本上连续的屏障。典型的多层系统包括朝向或靠近单元的多层叠层取向的陶瓷内层，和设置在内部陶瓷层周围并且远离叠层取向的外部聚合物层。还可例如在内部陶瓷层和外部聚合物层之间包括金属层。
还可将一个或者多个电池叠层连同图案化膜一起层合(步骤79)。该图案化膜可包括用于访问连接器的预制的或者图案化的开口，例如上文结合图2所述，以便电源连接到电子设备。
图10是例示了代表性电子设备100的框图，该设备例如具有外壳102和耦接到电池系统10的控制器104，以便为设备100的可操作控制提供电力管理。在一些应用中，电子设备100被配置用作智能电话、平板电脑、或者其他移动设备。另选地，设备100可被配置为媒体播放器、数字助理、游戏机、个人计算机或者计算机显示器；膝上型电脑、台式计算机、笔记本电脑、或手持式计算机；导航或者通信系统；电动工具或其他电力设备；或者用于商业、工业、或者运输电力系统的电力管理部件。
外壳102被提供用于保护设备100的内部部件，并且该外壳可由耐久性材料诸如铝和钢形成，或者由金属、塑料、玻璃、陶瓷和复合材料以及它们的组合形成。覆盖玻璃106通常由玻璃或者透明陶瓷材料例如硅玻璃或者蓝宝石形成，或者由透光塑料聚合物诸如丙烯酸或者聚碳酸酯形成。在移动设备应用中，覆盖玻璃106可包括用于触摸屏的显示器窗口、图形界面、或者其他显示部件108。
设备100还可包括由电池系统10供电的多个附加部件，包括但不限于：运动传感器和其他内部附件110；视听和传感器特征部112，包括扬声器、麦克风、相机；和照明/指示灯特征部(例如，发光二极管或者闪光设备)；以及各种控制设备114，诸如home、菜单和保持按钮、音量控件，以及相对于外壳102和覆盖玻璃106以多种方式布置的其他控制元件。
如图10所示，控制器104以信号和电力通信方式耦接到电池系统10，以及显示器108、内部附件110、视听特征部112和控制设备114中的一者或多者。控制器104包括微处理器和存储器部件，所述微处理器和存储器部件被配置为执行操作系统以及应用程序固件和软件的组合，以提供电力管理和设备功能，包括但不限于数据显示、语音通信、语音控制，媒体回放和发展、互联网接入、电子邮件、消息处理、游戏、安全、导航、交易和个人助理功能。控制器104还可包括附加的输入/输出(I/O)部件，所述输入/输出部件被配置为支持硬连线、无线、音频、视觉、红外(IR)和射频(RF)连接116，用于一个或多个外部附件118、主机设备120和网络122。
虽然已参考示例性实施例对本发明进行了描述，但本领域内的技术人员应当理解，在不脱离本发明的实质和范围的前提下，可对本发明的要素做出各种修改和等效替换。此外，在不脱离其实质范围的前提下，可做出使本发明的教导内容与特定情况和材料相适应的修改。因此，本发明并不局限于本文所公开的特定示例，而是涵盖落在所附权利要求书范围内的所有实施例。

Claims (22)

1.一种用于电池组件的制造方法，所述方法包括：
在衬底上形成基极层；
在所述基极层上形成薄膜电池叠层，所述薄膜电池叠层至少包括阳极层、阴极层、阴极集流体层、阳极集流体层和介于所述阳极层和所述阴极层之间的电解质层；
封装所述薄膜电池叠层；
从所述薄膜电池叠层移除所述衬底；
将所述薄膜电池叠层转移到具有暴露所述薄膜电池叠层的集流体的开口的膜衬底，所述开口包括物理上暴露所述阴极集流体层的第一开口和物理上暴露所述阳极集流体层的第二开口；以及
将所述薄膜电池叠层组装成电池系统。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括热处理所述电池叠层以在所述阴极层中产生相变。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括堆叠多个薄膜电池单元以组装成所述电池系统，所述薄膜电池单元中的每个薄膜电池单元包括所述薄膜电池叠层的实例。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述阴极集流体层与所述阴极层相邻，并且其中堆叠所述多个薄膜电池单元包括在所述电池组件内以相邻和电耦合关系堆叠至少一对所述阴极集流体层。
5.根据权利要求3所述的方法，其中堆叠所述多个薄膜电池单元包括在所述电池组件内以相邻和电耦合关系堆叠至少一对所述阴极层。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括将所述阴极集流体层形成为相邻的一对阴极层之间的导电接合部。
7.根据权利要求6所述的方法，其中堆叠所述多个薄膜电池单元包括在所述电池组件内以相邻和电耦合关系堆叠至少一对所述阳极层，并且进一步将所述阳极集流体层形成为相邻的一对阳极层之间的导电接合部。
8.根据权利要求3所述的方法，其中封装所述薄膜电池叠层包括将所述多个薄膜电池单元作为单元封装在所述电池系统内。
9.根据权利要求8所述的方法，其中封装所述多个薄膜电池单元包括提供多层封装系统，所述多层封装系统具有设置在所述多个薄膜电池单元近侧的内部陶瓷层、设置在所述内部陶瓷层周围的外部聚合物层，以及设置在所述内部陶瓷层和所述外部聚合物层之间的金属层。
10.一种电池系统，包括：
被布置成堆叠构造的多个薄膜电池单元，所述薄膜电池单元中的每个薄膜电池单元包括阳极层、阴极层、包括阴极集流体层和阳极集流体层的集流体、具有暴露所述集流体的开口的膜衬底、和介于所述阳极层和所述阴极层之间的电解质层，所述开口包括物理上暴露所述阴极集流体层的第一开口和物理上暴露所述阳极集流体层的第二开口；
导电粘合剂层，所述导电粘合剂层定位于所述多个薄膜电池单元的相邻薄膜电池单元之间；和
围绕所述堆叠构造的封装物，其中所述封装物在所述多个薄膜电池单元周围提供基本上连续的化学和机械屏障。
11.根据权利要求10所述的电池系统，其中至少一对所述阴极层以相邻和电耦合关系定位于所述堆叠构造内。
12.根据权利要求10所述的电池系统，其中至少一对所述阳极层以相邻和电耦合关系定位于所述堆叠构造内。
13.根据权利要求10所述的电池系统，其中所述封装物包括设置在所述多个薄膜电池单元周围的陶瓷层。
14.根据权利要求10所述的电池系统，其中所述封装物包括设置在所述多个薄膜电池单元周围的金属层。
15.根据权利要求10所述的电池系统，其中所述封装物包括设置在所述多个薄膜电池单元周围的聚合物层。
16.根据权利要求10所述的电池系统，其中所述封装物包括硅氧烷。
17.根据权利要求10所述的电池系统，其中所述封装物包括聚对二甲苯。
18.根据权利要求10所述的电池系统，还包括所述封装物和薄膜电池单元的所述堆叠构造之间的间隔部或间隙。
19.根据权利要求10所述的电池系统，其中薄膜电池单元的所述堆叠构造具有非平行的相对侧。
20.一种电子设备，包括：
显示器；
耦接到所述显示器的控制器；和
耦接到所述控制器并且被配置用于为所述显示器供电的电池组件，所述电池组件包括：
被布置成堆叠构造的多个薄膜电池单元，所述薄膜电池单元中的每个薄膜电池单元包括阳极层、阴极层、包括阴极集流体层和阳极集流体层的集流体、具有暴露所述集流体的开口的膜衬底、和介于所述阳极层和所述阴极层之间的电解质层，所述开口包括物理上暴露所述阴极集流体层的第一开口和物理上暴露所述阳极集流体层的第二开口；
导电粘合剂层，所述导电粘合剂层定位于所述多个薄膜电池单元的相邻薄膜电池单元之间；和
围绕所述堆叠构造的封装件，其中所述封装件在所述多个薄膜电池单元周围提供基本上连续的化学和机械屏障。
21.根据权利要求20所述的电子设备，其中所述封装件包括由陶瓷材料构成的第一层。
22.根据权利要求21所述的电子设备，其中所述封装件包括设置在所述陶瓷材料周围的第二层。
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