CN108140844A - 在电池中的石墨烯应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池及针对其制造方法。所述制造方法可以包括形成接近于阴极集流体的阴极层。所述方法进一步包括形成接近于所述阴极层的电解质层和接近于所述电解质层的阳极层。所述方法附加地包括形成接近于所述阳极层的阳极集流体层。所述阴极集流体层或所述阳极集流体层中的至少一个包括多个石墨烯单层。所述方法更进一步包括：确定所述石墨烯单层的阶梯式布置；以及根据所述阶梯式布置来使所述多个石墨烯单层的至少部分图案化。

Description

在电池中的石墨烯应用
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年7月27日提交的美国专利申请No.14/810,151的优先权，其内容通过引用并入在本文中。
背景技术
电池包括阳极、阴极和电解质。在一些电池中，一个或多个集流体可以被定位为与阳极和/或阴极相邻。锂离子电池提供比其它电池化学品(诸如碱性电池)更高的能量密度。可以使用此类锂离子电池来给各种移动和固定设备供电，所述设备包括智能电话、平板、计算机、电动车等。
发明内容
电池可以包括集流体、阴极、阳极和电解质材料。所述集流体可以包括多个石墨烯单层。可以通过使所述多个石墨烯单层图案化以三维方式形成所述电池。例如，可以使所述石墨烯单层图案化以便形成阶梯式布置。通过以这种方式构造所述电池，可以改进所述电池的各种特性。例如，可以减小接触电阻并且可以增加所述集流体与所述阳极和/或所述阴极之间的表面面积。
在第一方面中，提供了制造电池的方法。所述方法包括形成接近于阴极集流体的阴极层并且形成接近于所述阴极层的电解质层。所述方法还包括形成接近于所述电解质层的阳极层并且形成接近于所述阳极层的阳极集流体层。所述阴极集流体层或所述阳极集流体层中的至少一个包括多个石墨烯单层。所述方法附加地包括确定所述石墨烯单层的阶梯式布置并且根据所述阶梯式布置来使所述多个石墨烯单层的至少部分图案化。
在第二方面中，提供了电池。所述电池包括阴极层和电解质层，该阴极层接近于阴极集流体，以及该电解质层接近于所述阴极层。所述电池还包括阳极层和阳极集流体层，该阳极层接近于所述电解质层以及该阳极集流体层接近于所述阳极层。所述阴极集流体层或所述阳极集流体层中的至少一个包括具有阶梯式布置的多个石墨烯单层。与所述多个石墨烯单层的未图案化部分与所述阴极层或所述阳极层中的至少一个之间的界面进行比较，所述阶梯式布置在所述多个石墨烯单层的图案化部分与所述阴极层或所述阳极层中的至少一个之间的界面处提供较高的表面面积与体积比。
通过在适当的情况下参考附图阅读以下详细描述，其它方面、实施例和实施方式对于本领域的普通技术人员而言将变得显而易见。
附图说明
图1图示根据示例实施例的多个石墨烯单层的立体视图。
图2A图示根据示例实施例的多个石墨烯单层的横截面视图。
图2B图示根据示例实施例的多个石墨烯单层的横截面视图。
图2C图示根据示例实施例的多个石墨烯单层的横截面视图。
图2D图示根据示例实施例的多个石墨烯单层的横截面视图。
图3A至图3G图示根据示例实施例的电池制造情景的横截面视图。
图3H图示根据示例实施例的电池制造情景的立体视图。
图4A至图4F图示根据示例实施例的电池制造情景的横截面视图。
图5A图示根据示例实施例的移动计算设备的前视图和横截面视图。
图5B图示根据示例实施例的移动计算设备的横截面视图。
图6图示根据示例实施例的方法。
具体实施方式
I.概要
本文公开了电池结构以及制造此类电池的方法。示例电池可以是一次(不可充电)或二次(可充电)电池。电池可以包括正极和负极，所述正极和负极分别可以与阴极和阳极相对应。正极可以包括还原电位而负极可以包括氧化电位。这些电位的和可以至少部分地确定电池的标准电池电压。电池可以进一步包括液体或凝胶电解质，所述液体或凝胶电解质可以容纳阳极与阴极之间的离子的流。
在电池放电期间，阳极可以释放电子以流过外部电路并且释放流过电解质到阴极的离子。在可充电电池中，这些流能够被颠倒以便替换负极上的材料。
石墨烯是碳原子的包括平面六边形晶格布置的二维原子级布置。石墨烯片材中的每个碳原子具有四个键：三个面内σ键和一个面外π键。石墨烯具有可以在电池中利用的各种电气、机械、热和电化学性质。例如，石墨烯展示高电子迁移率和低薄层电阻率。此外，石墨烯可以展示比得上金刚石的高拉伸片材强度和导热性。应当注意的是，虽然三维碳基材料具有各种名称和接受用法(例如，石墨、碳片材/层、碳环等)，但是在本文中术语石墨烯将被使用以描述以平面六边形晶格布置的一个或多个碳原子层。另外，可以使用包括分解、剥离、化学还原、超声处理、外延生长、催化生长等的各种方法来生产石墨烯。
在示例实施例中，电池可以包括由石墨烯的许多薄片材(例如，原子层)形成的集流体。另外，在这种集流体中，石墨烯片材可以具有阶梯式布置或剖面。为了图示，在一些实施例中，组成集流体的石墨烯片材的原子布置可以类似于梯田山坡。石墨烯片材的阶梯式布置的集体高度(collective height)可以跨越集流体逐渐地或突然地变化。也就是说，阶梯式布置可以包括可以范围从单个石墨烯单层阶梯到具有数百或数千个石墨烯单层或更多单层的高度的阶梯的各种“阶梯高度”。因为单独的石墨烯层可以具有的厚度，所以石墨烯片材的这种阶梯式布置可以共同地近似弯曲表面。另外，因为石墨烯集流体能够被用作电池的衬底，所以可以使用阶梯式石墨烯集流体来提供弯曲电池。
在示例实施例中，电池可以是锂离子或锂聚合物电池。例如，弯曲电池的阴极层可以包括锂钴氧化物(LiCoO2)，阳极层可以包括锂金属(Li)，并且电解质层可以包括锂磷氧氮化物(LiPON)。其它电池化学品和材料也是可能的。电池可以被形成为薄膜电池、凝胶卷电池或另一类型的电池。
在示例实施例中，电池是薄膜固态电池。这种薄膜固态电池的阴极材料可以包括诸如锂钴氧化物(LiCoO2或LCO)的金属氧化物。其它阴极材料可以包括锂锰氧化物(LMO)、磷酸锂铁(LFP)或锂镍锰钴氧化物(NMC)。可以以各种方式使阴极材料沉积，所述各种方式包括脉冲激光沉积(PLD)、磁控管溅射、物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)。薄膜固态电池的阳极材料可以包括锂金属。其它阳极材料是可能的。
示例实施例包括电解质，所述电解质可以允许和/或调节阴极与阳极之间的离子传导。电解质可以包括诸如锂磷氧氮化物(LiPON)的无机固态材料。在一些实施例中，可以通过RF磁控管溅射或PVD来使LiPON沉积。例如，LiPON的PVD可以包括在氮气环境中使磷酸锂的靶暴露于等离子体。可替选地或附加地，电解质可以包括不同的材料。电解质可以能够符合底层的形状。
在示例实施例中，可以以选择性方式使薄膜固态电池的前述元件图案化、去除和/或沉积。也就是说，不必跨越给定衬底的整个区域使材料沉积在覆盖物层中。替代地，可以以增材或减材方式使相应的材料沉积和/或形成在衬底的选定区域中。可替选地，可以以覆盖层方式使材料沉积，然后使用诸如光刻法和激光划片(scribing)的各种技术来选择性地去除材料。
可以经由任何数目的工艺、步骤或方法制造这种电池。在示例实施例中，制造方法可以包括形成接近于彼此的阴极集流体、阴极、电解质、阳极和阳极集流体，以便形成电池。在这种情景中，阴极集流体或阳极集流体中的至少一个包括多个石墨烯单层。在一些实施方式中，石墨烯单层最初被形成在铜箔或另一类型的金属催化剂上。该方法可以进一步包括使多个石墨烯单层的部分图案化。图案化可以包括一些石墨烯单层的选择性去除(例如，经由随后进行蚀刻工艺的电子束光刻或深UV光刻)或物理压印(例如，纳米压印光刻等)。这种图案化可以形成石墨烯单层的阶梯式布置。
与石墨烯单层的基本上平坦的布置进行比较，石墨烯单层的阶梯式布置可以给相邻阴极或阳极层提供较高的表面面积。因此，可以通过使石墨烯单层的部分图案化来增加表面面积与体积比。换句话说，如同石墨烯单层的未图案化部分与至少一个阳极或阴极之间的界面进行比较，石墨烯单层的图案化部分与阳极或阴极中的至少一个之间的界面可以具有较高的表面体积比。
可替选地或附加地，图案化部分可以提供弯曲衬底，所述弯曲衬底可以为电池的至少部分提供弯曲形状。例如，通过选择性地去除石墨烯单层的部分，石墨烯单层的剩余部分可以提供在其上面形成电池的其它层的衬底。换句话说，电池的至少一个表面相对于基本上垂直于多个石墨烯单层的轴线可以是弯曲的。
II.示例电池
在示例实施例中，电池可以包括接近于阴极集流体层的阴极层、接近于阴极层的电解质和接近于电解质层的阳极层。阳极集流体层可以接近于阳极层。阴极集流体层或阳极集流体层中的至少一个包括多个石墨烯单层。石墨烯单层具有阶梯式布置。在一些实施例中，与多个石墨烯单层的未图案化部分与阴极和/或阳极之间的界面相比，阶梯式布置在多个石墨烯单层的图案化部分与阴极和/或阳极层之间的界面处提供较高的表面面积与体积比。
如在本文中别处所描述的是，电池可以是薄膜固态电池。此外电池可以是锂离子或锂聚合物电池。阴极集流体和阳极集流体可以包括充当电导体的材料。此外，阴极集流体和阳极集流体可以被配置为嵌段锂离子和各种氧化产物(H2O、O2、N2等)。换句话说，阴极集流体和阳极集流体可以包括与锂具有最小反应性的材料。例如，阴极集流体和阳极集流体除了包括本文中所描述的石墨烯材料之外，还可以包括以下材料中的一种或多种：Au、Ag、Al、Cu、Co、Ni、Pd、Zn和Pt。也在本文中设想了此类材料的合金。在一些实施例中，可以利用诸如Ti的粘合层材料。换句话说，集流体可以包括多个层，例如TiPtAu。其它材料能够形成阴极集流体和阳极集流体。例如，阴极集流体和/或阳极集流体可以由碳纳米管和/或金属纳米线形成。应当理解的是，阴极集流体和阳极集流体不必具有相同的化学组分和/或形状。
可以使用源靶的RF或DC溅射来使阴极集流体和阳极集流体沉积。可替选地，可以利用PVD、电子束诱导沉积、或聚焦离子束沉积来形成阴极集流体和阳极集流体。
在一些实施例中，可以通过使覆盖物材料层沉积在衬底上来形成阴极集流体和阳极集流体。随后可以例如通过掩模和蚀刻方法来使覆盖物材料层图案化。可替选地，可以通过使用激光来烧蚀选定区域而使覆盖物材料层图案化。
在其它实施例中，阴极集流体和阳极集流体可以通过经由硬阴影掩模和/或光刻法限定的抗蚀剂掩模沉积而在衬底上形成。可替选地，可以使用多个掩模在单独的步骤中使阴极集流体和阳极集流体沉积。在本公开的范围内设想了用于限定集流体的其它方式。
电池的阴极可以包括诸如锂钴氧化物(LiCoO2或LTO)的材料。附加或可替选地，阴极可以包括锂锰氧化物(LiMn2O4或LMO)、锂镍锰钴氧化物(LiNixMnyCozO2或NMC)或磷酸铁锂(LiFePO4)。其它阴极材料是可能的。此外，阴极可以被涂覆有氧化铝和/或另一陶瓷材料，这可以允许电池在较高电压下操作并且/或者提供其它性能优势。
在示例实施例中，可以使用RF溅射或PVD来使LTO沉积，然而可以使用其它沉积技术来形成阴极。阴极的沉积可以作为覆盖物出现在整个衬底上。掩模和蚀刻的减材工艺可以去除不需要的阴极材料。可替选地，可以使用光刻法限定的抗蚀剂掩模来掩蔽阴极的沉积。在示例实施例中，阴极集流体通过阴影掩模被沉积到衬底上。随后，可以通过相同或类似的阴影掩模使阴极的材料沉积到阴极集流体上。
阳极可以包括诸如锂金属或含硅材料的材料。附加地或可替选地，阳极可以包括钛酸锂(Li4Ti5O12)。本文还设想了诸如石墨、碳、硅、或其它固态电池阳极材料的无锂阳极材料。可以使用蒸镀、溅射、或其它沉积技术来使阳极的材料沉积。
阳极可以以不同的方式选择性地形成在衬底上。例如，阳极的材料可以作为覆盖层被沉积在整个衬底上并且被选择性地蚀刻或以其它方式去除。可替选地，可以在沉积期间掩蔽阳极材料。在示例实施例中，阳极集流体通过阴影掩模被沉积到衬底上。随后，阳极的材料通过相同或类似的阴影掩模被沉积到阳极集流体上。
电解质可以被设置在阴极与阳极之间。电解质可以包括诸如锂磷氧氮化物(LiPON)的材料。附加地或可替选地，电解质可以包括柔性聚合物和/或凝胶电解质材料。一般地，电解质可以被配置为许可阳极与阴极之间的离子传导。在示例实施例中，LiPON材料可以允许锂离子传输，同时防止阳极与阴极之间的短路。在本公开的范围内设想了其它湿、干和凝胶电解质材料。
应当理解的是，在本文中设想了电池的许多不同配置。例如，“单电池”配置和多电池配置是可能的。换句话说，电池可以以并联和/或串联配置的方式与类似或不同的电池或电路连接。例如，电池的若干实例可以以串联的方式连接以增加电池的开路电压的效率。类似地，电池的若干实例可以以并联方式连接以增加容量(安培小时)。在其它实施例中，可以以涉及其它电池的配置连接电池。在示例实施例中，可以在衬底上以平面阵列配置电池的多个实例。其它布置是可能的。
电池可以包括衬底。衬底可以包括各种材料。例如，衬底可以包括以下材料中的一种或多种：硅晶片、塑料、聚合物、纸、织物、玻璃、金属、或陶瓷材料。在一些实施例中，多个石墨烯单层可以生长在诸如铜或银箔的金属衬底上。其它衬底材料是可能的。
在一些实施例中，电池可以包括封装。封装可以包括被配置为保护并使电池的底层元件稳定的材料。例如，封装可以包括惰性材料、绝缘材料、钝化材料、和/或物理和/或化学保护材料。在实施例中，封装可以包括多层叠层，所述多层叠层可以包括聚合物(例如，聚对二甲苯、光致抗蚀剂等)和陶瓷材料(例如氧化铝、硅石等)的交替层。附加地或可替选地，封装可以包括氮化硅(SiN)。封装可能包括其它材料。
在示例实施例中，电池可以以堆叠布置的方式而发生。也就是说，电池的实例可以被放置在彼此的顶部上。封装可以为另一衬底和随附电池材料提供平坦化层。可替选地，在不需要另一衬底的情况下，电池材料可以直接生长和/或图案化在封装上。以这种方式，电池的多个实例可以形成在彼此的顶部上。
图1图示根据示例实施例的多个石墨烯单层100的立体视图。例如，石墨烯单层102、104、106、108、和110可以表示石墨烯材料的若干原子层。每个石墨烯单层(例如，石墨烯单层102、104、106、108和110)可以由以如在本文中别处所描述的六边形平面晶格的方式布置的碳原子101构成。例如，单独的石墨烯单层可以具有的厚度。共同地，石墨烯单层可以生长、组装、和/或堆叠以便形成任何厚度。理解的是，本文中所图示的图未按比例绘制并且示例实施例可以包括任何数目的石墨烯单层或其的部分。
可以使石墨烯单层102、104、106、108和110中的至少一些图案化。也就是说，可以根据阶梯式布置经由化学、电气、和/或机械手段去除、重新形成、再成形或重新布置石墨烯单层的至少一部分。换句话说，可以再成形石墨烯单层102、104、106、108和110以形成石墨烯单层112、114、116、118和120。如图1中所图示，石墨烯单层112、114、116、118和120可以形成三维金字塔形状。然而，其它形状是可能的。
图2A至图2D图示根据示例实施例的多个石墨烯单层的横截面视图。例如，图2A图示多个石墨烯单层200。与图1类似，可以通过使多个石墨烯单层200图案化来使石墨烯单层202、204、206、208和210中的至少一些图案化，以便形成金字塔形状和/或开槽表面。因此，图2B的情景220图示与石墨烯单层202、204、206、208和210形成界面224的电池材料222。在这种情景中，界面224与未图案化石墨烯表面相比可以提供较高的表面面积。
界面224处的较高的表面面积可以提供一个或多个益处。例如，较高的表面面积可以提供与电池材料222的更好的机械耦合。此外，较高的表面面积可以基于固定电流密度提供更好的电气接触。附加地，较大的表面面积可以提供热量远离界面224的增加热传导。至少部分地由于界面224处的较高的表面面积，所以其它益处是可能的。
图2C图示根据示例实施例的多个石墨烯单层230。在这种情景中，石墨烯单层232、234、236、238和240可以提供多个石墨烯单层230的多个柱状突起和/或开槽或开沟横截面。也就是说，与图2B类似，多个石墨烯单层230的至少一部分可以突出到另一电池材料(例如，阳极、阴极和/或电池封装材料)中。因此，与相同材料之间的平面界面相比，可以增加多个石墨烯单层230与另一电池材料之间的表面面积。在一些实施例中，可以结合各向异性蚀刻(例如，干等离子体蚀刻)使用光刻技术来形成柱状突起和/或沟槽结构。
在其它示例实施例中，可以使用“自下而上”技术来形成石墨烯单层232、234、236和238。也就是说，多个石墨烯单层230中的至少一些可以使用生长模板来生长或组装。生长模板可以是用SiO2或其它材料预先图案化的石墨烯层。在其它方法当中，可以在后续CVD沉积期间在生长模板上生长另外的石墨烯层。
图2D图示根据示例实施例的多个石墨烯单层250。例如，石墨烯单层252、254、256、258、260、262、264、266和268可以提供在多个石墨烯单层内可以结合另一电池材料的“底切”空间。可以结合各向同性蚀刻(例如，湿化学蚀刻)通过光刻技术来创建底切空间。用于创建此类底切结构的其它方式是可能的。
如在本文中别处所描述的，图案化石墨烯单层可以被形成一种或多种其它电池材料和/或被定位为与一种或多种其它电池材料相邻。例如，图案化石墨烯单层可以是集流体的部分并且相邻的电池材料可以包括电池的阴极或阳极。在其它示例中，图案化石墨烯单层可以与电池的封装件相邻并且/或者与移动计算设备的封装件相邻。
III.示例方法
图3A至图3G图示根据示例实施例的电池制造情景300的横截面视图。图3H图示根据示例实施例的电池制造情景300的立体图。电池制造情景300可以包括各种块或步骤。可以单独地或相结合地执行这些块或步骤。可以以任何顺序和/或串行地或并行地执行这些块或步骤。另外，可以省略或者添加块或步骤。如参考图6所图示和描述的是，图3A至图3H可以图示方法600的块中的一些或全部和/或执行方法600的块的结果。
图3A图示衬底302和多个未图案化石墨烯单层303。在示例实施例中，多个未图案化石墨烯单层可以最初形成在可以包括铜箔的衬底302上。未图案化石墨烯单层303可以经历如在本文中别处所描述的图案化工艺。例如，可以使用与干蚀刻工艺结合的光刻工艺来形成多个图案化石墨烯层。在本示例中，未图案化石墨烯单层303包括阳极集流体的至少部分。然而，未图案化石墨烯单层303可以附加地或可替选地包括阴极集流体的至少部分。
图3B图示可以具有与参考图2A和图2B所图示和描述的多个石墨烯单层200类似或相同的横截面的多个图案化石墨烯单层304。如在本文中别处所描述的是，虽然图3B至图3H图示具有“锯齿”横截面的图案化石墨烯单层304，但是其它横截面形状是可能的，所有这些在本公开中均被设想。
图3C图示阳极306。组成阳极306的材料可以直接形成(例如，施加、生长、溅射、辊涂等)到图案化石墨烯单层304上。因此，阳极306与图案化石墨烯单层304之间的界面可以包括与在石墨烯单层未被图案化的条件下的表面面积相比每单位体积大得多的表面面积。如本文中所使用的是，界面可以包括此处石墨烯单层和阳极306彼此相邻的表面。界面可以可替选地或附加地包括在离界面表面的给定距离内涵盖石墨烯和阳极材料的体积。例如，界面的每单位体积的表面面积与具有未图案化石墨烯层的类似阳极界面的表面面积相比可以大于25％至200％。阳极306可以包括锂金属(Li)、石墨和/或含硅材料(例如一氧化硅)。
图3D图示分隔件308。该308可以被形成为与阳极306相邻。分隔件308可以包括诸如聚乙烯(PE)、聚丙烯或聚氯乙烯(PVC)的绝缘材料。对于分隔件308，其它材料或材料的组合是可能的。分隔件308可以结合被配置为促进或者使离子能够在电池的阳极306与阴极之间传输的液体、凝胶或固体电解质材料。例如，电解质可以包括四氟硼酸锂(LiBF4)、六氟磷酸锂(LiPF6)和/或其它电解质材料。
图3E图示被形成为与分隔件308相邻的阴极310。如在本文中别处所描述的是，阴极可以包括各种材料中的一种或多种。例如，阴极310可以包括锂镍锰钴氧化物(NMC、LiNiMnCoO2)、锂钴氧化物(LCO、LiCoO2)或锂镍钴铝氧化物(LCA、LiNiCoAlO2)。其它阴极材料是可能的。阴极层厚度可以在10至30微米之间变化，但是其它厚度是可能的。
图3F图示被形成为与阴极310相邻的阴极集流体312。图3G包括被形成为与阴极集流体312相邻的第二分隔件314。第二分隔件314可以包括诸如聚乙烯(PE)、聚丙烯或聚氯乙烯(PVC)的绝缘材料。对于第二分隔件314，其它材料或材料的组合是可能的。
图3H图示凝胶卷(jelly roll)320的形成。凝胶卷320可以是圆柱形的或另一形状。凝胶卷320的形成可以包括围绕成形芯卷绕上面提及的层的工艺。凝胶卷320可以被进一步封装和/或处理(例如被浸泡以引入电解质，最初被充电等)。
图4A至图4F图示根据示例实施例的电池制造情景400的横截面视图。图4A至图4F可以涉及薄膜电池制造情景。电池制造情景400可以包括各种块或步骤。可以单独地或相结合地执行这些块或步骤。可以以任何顺序和/或串行或并行地执行这些块或步骤。另外，可以省略或者添加块或步骤。如参考图6所图示和描述的是，图4A至图4F可以图示方法600的块中的一些或全部和/或执行方法600的块的结果。
图4A图示被形成为与衬底402相邻的阳极集流体。衬底402可以是绝缘的以便防止短路。在示例实施例中，阳极集流体包括多个未图案化石墨烯单层403。阳极集流体可以包括金属并且可以是200至1000纳米厚。其它材料和厚度是可能的。可以经由光刻图案化蚀刻工艺使石墨烯单层图案化。
图4B图示多个图案化石墨烯单层404。如上所述，可以使图案化石墨烯单层404不同地成形，以便增加集流体与阴极和/或阳极之间的表面面积。
图4C图示在光刻工艺以去除至少一些图案化石墨烯单层404(例如阳极集流体)之后而被形成为与衬底402相邻的阴极集流体412。即，可以形成空间来使阳极集流体和阴极集流体412分开。阴极集流体412可以包括金属并且可以是200至1000纳米厚。其它材料和厚度是可能的。
图4D图示在阳极集流体与阴极集流体412之间形成的绝缘材料414。图4E图示被形成为与它们相应的集流体404和412相邻并且被绝缘材料414分隔的阳极406和阴极410。阳极层厚度可以在10至30微米之间，但是其它阳极层厚度是可能的。可以使用溅射技术或PVD来使阳极材料沉积，但是其它沉积方法也是可能的。阴极410可以包括锂钴氧化物(LiCoO2)。阴极的厚度可以在10-30微米厚或更多之间变化。其它阴极材料也是可能的。
图4F图示电解质408和封装层414。电解质408可以被形成为与阳极406和阴极410相邻。电解质层厚度可以在10至30微米之间；然而其它电解质层厚度是可能的。可以使用磁控管溅射系统或PVD来形成电解质层。封装层414可以被形成与电解质408相邻。
封装层414可以包括惰性和/或钝化材料，诸如氮化硅(SiN)。在示例实施例中，封装层可以是大约1微米厚。
虽然本文中所描述的一些实施例可以包括增材沉积技术(例如覆盖层沉积、阴影掩模沉积、选择性沉积等)，但是减材图案化技术是可能的。减材图案化可以包括材料在沉积到电池的衬底或其它元件之后的去除。在示例实施例中，材料的覆盖层沉积可以随后进行光刻法工艺(或其它类型的光刻技术)以限定蚀刻掩模。蚀刻掩模可以包括光致抗蚀剂和/或诸如二氧化硅(SiO2)的另一材料或另一适合的掩模材料。
减材图案化工艺可以包括蚀刻工艺。蚀刻工艺可以利用电池材料的物理和/或化学蚀刻。可能的蚀刻技术可以包括反应离子蚀刻、湿化学蚀刻、激光划片、电子回旋共振(ECR-RIE)蚀刻、或另一蚀刻技术。
在一些实施例中，可以使用材料剥离工艺。在这种情景中，可以在材料沉积之前在衬底上使牺牲掩模或剥离层图案化。在材料沉积之后，可以使用化学工艺来去除牺牲剥离层以及可能已经在牺牲剥离层上沉积的电池材料。在示例实施例中，可以使用具有凹状剖面的负性光致抗蚀剂来形成牺牲剥离层。也就是说，光致抗蚀剂的图案化边缘可以具有朝光致抗蚀剂的主体积向内弯曲的横截面剖面。可以使材料沉积以形成例如阳极集流体和阴极集流体。因此，可以使材料直接沉积到没有光致抗蚀剂的区域中的衬底上。附加地，可以使材料沉积到图案化光致抗蚀剂上。随后，可以使用诸如丙酮的化学品来去除光致抗蚀剂。以这种方式，可以从一直存在图案化光致抗蚀剂的区域“剥离”集流体材料。本文设想了牺牲材料去除的其它方法。
在一些示例实施例中，可以使用机械方法来使多个石墨烯单层图案化。即，可以使用纳米压印光刻工艺来将期望的图案压花或者压印到多个石墨烯单层中。用于使多个石墨烯单层图案化的其它方式是可能的。
图5A图示根据示例实施例的移动计算设备500的前视图和横截面视图。移动计算设备500可以包括显示器502。移动计算设备500可以是智能电话、平板、智能手表或另一类型的移动计算设备。横截面视图520可以表示沿着移动计算设备500的前视图的线A-A’的横截面。横截面视图520可以包括外壳522。外壳522可以包括弯曲的部分(例如在移动计算设备500的边缘附近)。换句话说，电池的至少一个表面相对于基本上垂直于多个石墨烯单层的轴线可以是弯曲的。
区域524被图示在放大视图530中。具体地，放大视图530可以包括电池部分534和第二部分532，所述第二部分532可以包括移动计算设备500的非电池组件。电池部分534可以包括本文中所描述的电池组件中的一些或全部。例如，电池部分534可以包括集流体538和其它电池组件536。集流体538可以包括多个石墨烯单层。通过如在本文中别处所描述的使石墨烯单层图案化，集流体538可以呈现弯曲形状以便符合弯曲外壳522。
图5B图示根据示例实施例的移动计算设备530的横截面视图。近视图542是移动计算设备530的区域540的横截面视图。近视图542图示电池部分534和外壳522的弯曲部分。如上所述，电池部分534可以包括本文中所描述的电池组件中的一些或全部，诸如阴极、阳极、分隔件和电解质。其它电池组件可以被包括在电池部分534中。集流体538包括可以被图案化以便符合外壳522的弯曲形状的多个石墨烯单层。即，可以控制和/或调整每个石墨烯单层“阶梯”的宽度。通过生长、组装、布置和/或组合多个石墨烯单层，可以形成集流体538的弯曲表面。
通过使集流体538的形状符合外壳522的形状，可以改进电池与外壳522(其可以至少部分地作为散热器)之间的导热性。此外，这种弯曲电池可以减少外壳522内的未使用空间。作为通过使组成集流体538的多个石墨烯单层来提供弯曲电池的结果其它益处可以是显然的。
图6图示根据示例实施例的方法。方法600可以包括各种块或步骤。可以单独地或相结合地执行这些块或步骤。可以以任何顺序和/或串行地或并行地执行这些块或步骤。另外，可以省略或者添加块或步骤。方法600可以包括分别与相对于图3A至3H中的方法300和图4A至4F中的方法400所图示和描述的那些块类似或相同的块。
块602包括接近于阴极集流体形成阴极层。块604包括接近于阴极层形成电解质层。块606包括接近于电解质层形成阳极层。
块608包括形成接近于阳极层的阳极集流体层。如在本文中别处所描述的是，阴极集流体层或阳极集流体层中的至少一个包括多个石墨烯单层。
块610包括确定石墨烯单层的阶梯式布置。确定石墨烯单层的阶梯式布置可以包括确定期望的形状、表面面积或电流密度。例如，可以期望使石墨烯单层图案化为具有给定形状。在这种情景中，确定阶梯式布置可以包括设计和/或生产可以在形成石墨烯单层的阶梯式布置时使用的光刻掩模。
可替选地或附加地，确定阶梯式布置可以包括设计和/或调整一个或多个制作步骤，以便使石墨烯单层的阶梯式布置图案化。例如，如果底切剖面是所希望的，则可以调整蚀刻工艺步骤，以便提供各向同性蚀刻剖面(例如，经由湿化学蚀刻而不是干等离子体蚀刻)。
在一些实施例中，确定石墨烯单层的阶梯式布置可以包括在充电模式或放电模式中的至少一种期间确定电池的期望的电流密度。可替选地，确定石墨烯单层的阶梯式布置可以包括确定相应的集流体的期望的接触电阻。
更进一步，确定阶梯式布置可以包括确定石墨烯单层的相对于石墨烯单层的主平面的期望的表面面积或侧壁角度。例如，期望的表面面积可以包括为平面(未图案化)石墨烯表面上的类似界面的量两倍的界面表面面积。可替选地，期望的侧壁角度可以包括相对于多个石墨烯单层的主平面的45度角度。用于确定石墨烯单层的阶梯式布置的其它方式可以是可能的。
块612包括根据阶梯式布置来使多个石墨烯单层的至少部分图案化。使石墨烯单层图案化可以包括使各种光刻和蚀刻工艺发生。如在本文中别处所描述的是，各式各样的半导体微米和纳米制作加工技术被设想来在石墨烯单层上形成阶梯式布置。
图中所示出的特定布置不应当被视为限制性的。应当理解的是，其它实施例可以或多或少包括给定图中所示出的每个元件。另外，可以组合或者省略所图示的元件中的一些。更进一步，说明性实施例可以包括在图中未图示的元件。
虽然已经公开了各种示例和实施例，但是其它示例和实施例对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。各种公开的示例和实施例用于图示的目的，而不旨在为限制性的，同时真正范围通过以下权利要求来指示。

Claims (20)

1.一种电池，包括：
阴极层，所述阴极层接近于阴极集流体层；
电解质层，所述电解质层接近于所述阴极层；
阳极层，所述阳极层接近于所述电解质层；
阳极集流体层，所述阳极集流体层接近于所述阳极层，其中，所述阴极集流体层或所述阳极集流体层中的至少一个包括具有阶梯式布置的多个石墨烯单层，其中，相比于所述多个石墨烯单层的未图案化部分与所述阴极层或所述阳极层中的至少一个之间的界面，所述阶梯式布置在所述多个石墨烯单层的图案化部分与所述阴极层或所述阳极层中的所述至少一个之间的界面处提供了更高的表面面积与体积比。
2.根据权利要求1所述的电池，其中，所述电池的至少一个表面相对于基本上垂直于所述多个石墨烯单层的轴线是弯曲的。
3.根据权利要求1所述的电池，其中，所述电池包括锂离子电池或锂聚合物电池中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的电池，其中，所述阴极层包括锂钴氧化物LiCoO2。
5.根据权利要求1所述的电池，其中，所述阳极层包括锂金属Li。
6.根据权利要求1所述的电池，其中，所述电解质层包括锂磷氧氮化物LiPON。
7.一种制造电池的方法，所述方法包括：
接近于阴极集流体形成阴极层；
接近于所述阴极层形成电解质层；
接近于所述电解质层形成阳极层；
接近于所述阳极层形成阳极集流体层，其中，所述阴极集流体层或所述阳极集流体层中的至少一个包括多个石墨烯单层；
确定所述石墨烯单层的阶梯式布置；以及
根据所述阶梯式布置来使所述多个石墨烯单层的至少部分图案化。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述多个石墨烯单层最初被形成接近于包括铜箔的衬底。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，相比于所述多个石墨烯单层的未图案化部分与所述阴极层或所述阳极层中的至少一个之间的界面处的表面面积与体积比，所述阶梯式布置在所述多个石墨烯单层的图案化部分与所述阴极层或所述阳极层中的所述至少一个之间的界面处提供了更高的表面面积与体积比。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，确定所述石墨烯单层的所述阶梯式布置包括：确定在所述多个石墨烯单层的所述图案化部分与所述阴极层或所述阳极层中的至少一个之间的所述界面处的期望的表面面积与体积比。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，确定所述界面处的所述期望的表面面积与体积比包括：使用计算机，至少基于所述电池在充电模式或放电模式中的至少一种期间的期望的电流密度，来计算所述期望的表面面积与体积比。
12.根据权利要求7所述的方法，其中，使所述多个石墨烯单层的所述部分图案化包括：经由包括电子束光刻和蚀刻的工艺形成所述阶梯式布置。
13.根据权利要求7所述的方法，其中，使所述多个石墨烯单层的所述部分图案化包括：经由纳米压印光刻工艺形成所述阶梯式布置。
14.根据权利要求7所述的方法，其中，使所述多个石墨烯单层的所述部分图案化包括：经由光刻工艺选择性地去除所述多个石墨烯单层的所述部分。
15.根据权利要求7所述的方法，其中，所述电池的至少一个表面相对于基本上垂直于所述多个石墨烯单层的轴线是弯曲的。
16.根据权利要求7所述的方法，其中，确定所述石墨烯单层的所述阶梯式布置包括：确定所述多个石墨烯单层的期望的弯曲形状。
17.根据权利要求7所述的方法，其中，确定所述石墨烯单层的所述阶梯式布置包括：确定所述至少一个阴极集流体层或所述至少一个阳极集流体层的期望的接触电阻。
18.根据权利要求7所述的方法，其中，确定所述石墨烯单层的所述阶梯式布置包括：确定所述电池在充电模式或放电模式中的至少一种期间的期望的电流密度。
19.根据权利要求7所述的方法，其中，所述电池包括锂离子电池或锂聚合物电池中的至少一种。
20.根据权利要求7所述的方法，其中，所述阴极层包括锂钴氧化物LiCoO2，其中，所述阳极层包括锂金属Li，以及其中，所述电解质层包括锂磷氧氮化物LiPON。
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