CN108352508B - 微多孔电池衬底 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池及其制造方法。示例方法包括形成具有第一表面的衬底，所述第一表面具有多个孔隙。所述孔隙可以被构造成容纳锂金属。所述方法包括将锂金属结合到所述多个孔隙的至少一部分中。可以经由预锂化工艺将所述锂金属结合到所述孔隙中，所述预锂化工艺可以包括将锂金属电镀到所述多孔衬底中。所述方法也包括形成被设置在所述衬底的所述第一表面与阴极之间的电解质。所述电解质被构造成经由所述衬底与所述阴极之间的扩散可逆地输送锂离子。所述方法也包括形成所述阴极。一些实施例可以提供所述衬底以共同地用作阳极和导电集电器。

Description

微多孔电池衬底
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年8月3日提交的美国专利申请No.14/817,184的优先权，其内容因此通过引用合并于此。
背景技术
与包括碱金属或镍金属氢化物材料的其它电池相比，包括锂金属的电池具有更高的理论能量密度。然而，含锂电池由于诸如循环性能差和安全问题的各种挑战而尚未充分地实现其潜力。因此，需要减少由于充电/放电期间的不可逆表面反应而导致的Li金属的损失，减少充电期间阳极/集电器界面处的枝状生长，并且减少由于锂的不均匀镀而导致的表面膨胀/收缩。
发明内容
电池可以包括衬底、阴极和电解质。所述衬底可以是微多孔的。也就是说，所述衬底的表面可以包括多个孔隙，所述多个孔隙可以包括空隙、沟道、空间和/或表面纹理。所述衬底可以被构造成容纳锂金属。在充电和放电循环期间，所述锂金属可以经由所述电解质在所述含锂衬底与所述阴极之间交换。在这种场景中，所述衬底可以作为含锂阳极以及阳极集电器。
在第一方面中，提供了电池。所述电池包括衬底、阴极和电解质。所述衬底包括具有多个孔隙的第一表面。所述多个孔隙被构造成容纳锂金属。所述电解质被设置在所述衬底的所述第一表面与所述阴极之间并且被构造成经由所述多个孔隙与所述阴极之间的扩散可逆地输送锂离子。
在第二方面中，提供了制造电池的方法。所述方法包括形成具有第一表面的衬底，所述第一表面具有多个孔隙。所述多个孔隙被构造成容纳锂金属。所述方法也包括将锂金属结合到所述多个孔隙的至少一部分中。所述方法还包括形成被设置在所述衬底的所述第一表面与所述阴极之间的电解质。所述电解质被构造成经由所述衬底与所述阴极之间的扩散可逆地输送锂离子。所述方法还进一步包括形成所述阴极。
在第三方面中，提供了制造电池的方法。所述方法包括在支撑件上形成衬底。所述衬底具有第一表面并且所述第一表面具有多个孔隙。所述多个孔隙被构造成容纳锂金属。所述方法也包括将锂金属结合到所述多个孔隙中并且去除所述衬底的至少一部分以使所述支撑件的表面和沿着所述衬底的界面表面暴露。所述方法还进一步包括沿着所述支撑件的已暴露表面的至少一部分和所述界面表面形成间隔件(spacer)。所述间隔件包括电绝缘材料。所述方法附加地包括形成与所述间隔件相邻的阴极，使得所述间隔件使所述阴极与所述衬底分离。所述方法也包括在所述衬底与所述阴极之间形成电解质。所述电解质被构造成经由所述衬底与所述阴极之间的扩散可逆地输送锂离子。
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图示根据几个示例实施例的几个孔隙形状和衬底。
图2图示根据示例实施例的衬底的几个视图。
图3图示根据示例实施例的电池的分解视图。
图4图示根据示例实施例的方法。
图5A图示根据示例实施例的电池制造场景。
图5B图示根据示例实施例的电池制造场景。
图5C图示根据示例实施例的电池制造场景。
图5D图示根据示例实施例的电池制造场景。
图5E图示根据示例实施例的电池制造场景。
图6A图示根据示例实施例的电池制造场景。
图6B图示根据示例实施例的电池制造场景。
图6C图示根据示例实施例的电池制造场景。
图6D图示根据示例实施例的电池制造场景。
图6E图示根据示例实施例的电池制造场景。
图6F图示根据示例实施例的电池制造场景。
具体实施方式
I.概要
本公开描述具有微多孔集电器或衬底的电池，所述微多孔集电器或衬底被构造成将锂金属结合在其孔隙内。因此，在一些情况下，可以不需要特定阳极材料(诸如石墨或硅)。也就是说，微多孔衬底可以起作为阳极(例如，锂金属的储存器)并作为高导电性集电器的联合功能的作用。
微多孔衬底可以改进阳极/集电极界面附近的Li金属的交换。也就是说，多孔衬底结构可以增加可以将锂结合在集电器中的体积。作为一可能的结果，尤其在电池的循环寿命期间，电池性能由于更高的锂扩散速率而可以被改进。因此，本公开可以使得锂离子电池能够提供更高的效率、更高的功率密度和/或更好的循环寿命。
在示例实施例中，微多孔衬底是金属，诸如铜或镍。例如，该金属对锂可以是电化学稳定的。附加地或可替选地，微多孔衬底可以包括另一导电材料。例如，导电材料可以包括导电聚合物或碳纳米管。在本文中设想了其它多孔导电材料。在一些实施例中，衬底的微多孔部分可以是20至30微米厚。然而，其它厚度是可能的。
衬底内的孔隙在形状上可以是球形的，但是其它形状是可能的。例如，孔隙可以是圆柱形的、随机的、伪随机的或另一形状。孔隙可以有规则或不规则的间距。孔隙可以被布置在阵列中，诸如在六边形密堆、正方形、线形或另一阵列布置中。例如，多个球形孔隙可以被布置在具有约100微米的中心到中心间距的正方形格子中。正方形格子可以作为多个堆叠层孔隙在微多孔衬底内重复。
在一些实施例中，多孔衬底可以是海绵状的。附加地或可替选地，衬底可以包括微多孔部分和固体非多孔部分。在示例实施例中，微多孔衬底可以包括网状材料。在其它实施例中，整个衬底可以是微多孔的。
可以经由预锂化工艺将锂引入到微多孔衬底中。预锂化工艺可以包括用于将锂金属结合到微多孔衬底中的各种方式。在示例实施例中，可以使用电化学电镀工艺来将锂电镀到孔隙中。在这种场景中，可以将微多孔衬底引入到电镀槽中。电镀槽可以包括包含锂金属和/或含锂化合物的液体溶液。可以经由标准电镀或无电镀将锂镀到微多孔衬底的孔隙中。
在替代实施例中，预锂化可以包括使锂蒸发到微多孔衬底中。再进一步，预锂化可以包括固体锂金属颗粒(SLMP)沉积到微多孔衬底上。在本文中设想了将锂引入到微多孔衬底的孔隙中的其它方式。
可以使用各种制造方法来形成微多孔衬底。例如，可以在加热氧气环境(诸如氧化管炉)中使可以为诸如铜或镍的金属的衬底材料氧化。紧跟氧化之后，可以经由湿或干蚀刻来蚀刻衬底材料中的孔隙。在示例实施例中，可以使用氢氟酸(HF)和/或硫酸来蚀刻氧化衬底。可替选地，可以使用例如反应离子蚀刻(RIE)系统来干蚀刻氧化衬底。
在一些制造工艺中，不必使用氧化步骤。例如，衬底可以包括多个缺陷，所述缺陷可以是衬底本来的或者被人为地添加到衬底。在这种场景中，可以通过蚀刻(例如湿化学蚀刻)来形成多孔衬底。
虽然以上示例包括用于形成微多孔衬底(例如通过除去块状金属材料)的“自顶向下”方法，但是在本公开的范围内“自底向上”方法是可能的。即，附加或替代制造工艺可以包括利用增材材料沉积来形成微多孔衬底。例如，可以使用3D打印机、引晶和/或预图案化电镀、图案化金属蒸发、聚焦离子束(FIB)、静电纺丝(electrospinning)或其它增材材料沉积技术来形成微多孔结构。
应理解的是，许多其它制造工艺可操作来提供具有孔、孔隙、纹理或其它物理图案化的金属材料。在本文中设想了所有此类制造工艺。
本文中所描述的电池和制造方法可以被应用于各种电池化学品和电池类型。例如，电池可以是薄膜型电池或胶状卷型电池。此外，阳极可以包括锂金属并且阴极可以包括锂钴氧化物(LiCoO2或LCO)。
II.示例微多孔衬底和电池
图1图示根据几个示例实施例的几个孔隙形状和衬底100。衬底可以包括多个孔隙，所述多个孔隙可以是衬底材料内的空隙、沟道、纹理和/或空间。所述多个孔隙可以具有各种不同的形状。衬底材料可以是诸如铜或镍的金属。设想了其它材料，诸如与锂金属基本上不起反应的导电材料。
在示例实施例中，衬底114可以包括多个圆柱形孔隙116。圆柱形孔隙110可以具有1至10微米的孔隙直径111；然而其它孔隙直径是可能的。在这种场景中，圆柱形孔隙110可以具有等于衬底厚度117的高度。在其它实施例中，圆柱形孔隙100的高度可以小于衬底厚度117。衬底厚度117可以是10至60微米；然而其它衬底厚度是可能的。圆柱形孔隙116可以被10至200微米的中心到中心孔隙间距118分离。
在另一示例实施例中，衬底124可以包括多个球形或半球形孔隙126。半球形孔隙120可以具有1至10微米的孔隙直径；然而其它孔隙直径是可能的。
在又一个示例实施例中，衬底134可以包括多个锥形孔隙136。锥形孔隙130在其最宽点处可以具有1至10微米的孔隙直径；然而其它孔隙直径是可能的。
在另一个示例实施例中，衬底144可以包括多个正方形或矩形形状的孔隙146。正方形或矩形形状的孔隙140可以具有1至10微米的孔隙侧长度。
可以按照各种规则或不规则的布置来布置本文中所描述的孔隙形状。例如，可以沿着衬底的表面按照六边形密集构造布置孔隙。可替选地，可以按照正方形格子或另一规则布置来布置孔隙。附加地或可替选地，可以沿着衬底的表面按照随机构造布置孔隙。
虽然图1图示沿着衬底上的单个层布置的孔隙的阵列，但是多层孔隙是可能的。例如，衬底可以包括两层、四层或十层孔隙或更多层孔隙。孔隙层可以被布置有固定周期(例如100微米层厚度)或没有固定周期(例如伪随机海绵状布置)。
图2图示根据示例实施例的衬底202的几个视图。倾斜角视图200包括具有多个孔隙204的衬底。孔隙204可以各自具有随机形状、大小和放置。
沿着线A-A’的横截面视图210将衬底202图示为具有多个孔隙。例如，孔隙可以具有圆形横截面212和/或椭圆形横截面214。在一些实施例中，衬底202中的多个孔隙可以与海绵、珊瑚、钢丝绒、网或另一类型的多孔材料类似。
图3图示根据示例实施例的电池300的分解视图。电池300可以包括衬底302。如在本文中别处所描述的，衬底302可以包括金属(诸如铜(Cu)、镍(Ni))或其合金。设想了其它材料。衬底302可以具有多个孔隙304。所述多个孔隙304可以包括随机大小和形状的孔隙。可替选地或附加地，所述多个孔隙304可以包括具有给定形状、密度和位置的孔隙。所述多个孔隙304的至少一部分可以至少部分地用锂金属306填充。
电池300可以进一步包括分离件308和阴极310。分离件308可以包括被构造成维持衬底302与阴极310之间的物理分离的材料。例如，分离件308可以是纤维或聚合物膜片。此外，电池300可以包括电解质312，所述电解质312可以存在于分离件308中和/或周围。
阴极310可以包括诸如锂钴氧化物(LiCoO2或LCO)的材料。附加地或可替选地，阴极310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，这可以允许电池在更高电压下操作并且/或者提供其它性能优点。
在示例实施例中，可以使用RF溅射或PVD来使LCO沉积，然而可以使用其它沉积技术来形成阴极310。阴极310的沉积可以在整个衬底上作为覆盖层而发生。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，可以使用光刻定义的抗蚀剂掩模对阴极310的沉积进行掩模处理。
在一些实施例中，电池300可以包括阴极集电器(未图示)。例如，阴极集电器可以包括充当电导体的材料。此外，阴极集电器可以被构造成阻挡锂离子和各种氧化产物(H2O、O2、N2等)。换句话说，阴极集电器可以包括与锂具有最小反应性的材料。例如，阴极集电器可以包括以下各项中的一种或多种：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，阴极集电器可以包括多个层，例如TiPtAu。其它材料能够形成阴极集电器。例如，阴极集电器可以由碳纳米管和/或金属纳米线形成。
可以使用源靶的RF或DC溅射来使阴极集电器沉积。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电器。
可以将电解质312设置在阴极310与衬底302之间。电解质312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312可以包括柔性聚合物电解质材料。还另外，电解质312可以包括液体电解质，诸如包含诸如LiPF6或LiBF4的锂盐以及诸如碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)和/或碳酸二乙酯(DEC)的有机溶剂的溶液。其它电解质材料是可能的。
一般地，电解质312可以被构造成在衬底302与阴极310之间以允许锂离子传导。即，电解质312可以被构造成经由衬底302中的多个孔隙304与阴极310之间的扩散可逆地输送锂离子。在示例实施例中，LiPON材料可以允许锂离子输送同时防止衬底302与阴极310之间的短路。
在示例实施例中，阴极310和衬底302可以电耦合到电路320。也就是说，电池300一般地可以向电路320提供电力。在一些情况下，电路320可以向电池300提供电力以便对它再充电。
应该理解的是，图3图示“单电池”构造中的电池300并且其它构造是可能的。例如，电池300可以按照并联和/或串联构造与类似或不同的电池或电路连接。换句话说，例如为了增加电池的开路电压，电池300的几个实例可以串联连接。类似地，电池300的几个实例可以并联连接以增加容量(安培小时)。在其它实施例中，可以按照涉及其它电池的构造连接电池300。在示例实施例中，可以按照平面阵列在衬底上构造电池300的多个实例。也可以按照胶状卷型或薄膜型构造布置电池300。其它布置和构造是可能的。
III.示例方法
图4图示根据示例实施例的方法400。方法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/或串联地或并行地执行这些块或步骤。另外，这些块或步骤可以被省略或者添加到方法400。
可以执行方法400的块以形成或者组成如参考图3所图示和描述的电池300的元件。
方法400可以描述制造电池的方法。块402包括形成具有第一表面的衬底，所述第一表面具有多个孔隙。衬底可以包括如参考图1所图示和描述的多孔衬底。附加地或可替选地，衬底可以包括如参考图2所图示和描述的海绵状衬底。
所述多个孔隙被构造成容纳锂金属。例如，可以布置所述多个孔隙以便经由电池构造中的电解质与阴极可逆地交换锂金属。此外，衬底材料可以包括在存在锂金属的情况下化学和/或电化学稳定的材料。如本文中所描述的，衬底可以包括诸如铜和/或镍的导电材料。
所述多个孔隙可以经由增材和/或减材制造工艺而形成。例如，可以经由氧化炉可选地使衬底材料氧化。此后，可以使用湿化学蚀刻(例如氢氟酸HF)和/或干等离子体蚀刻(四氟化碳CF4)工艺来蚀刻孔隙。在一些实施例中，可以包括一个或多个光刻步骤以在蚀刻期间掩盖/保护衬底的一些区域。附加地或可替代地，衬底可以被压花、压印或以其它方式修改以形成所述多个孔隙。
在另一示例实施例中，可以通过在孔隙体积周围添加衬底材料来形成衬底的多孔部分。例如，可以经由3D打印、蒸发或电镀来形成至少衬底的多孔部分。再次，可以包括一个或多个光刻步骤，例如以形成孔隙体积。附加地或可替选地，可以使衬底蒸发或电镀成二嵌段共聚物模具。此后可以经由后续共聚物蚀刻和/或溶解来去除模具。
应理解的是，存在许多其它制作技术以用诸如铜或镍的金属形成多孔部分。在本文中设想了所有此类其它制作技术。
如在本文中别处所描述的，所述多个孔隙可以包括孔隙的多层正方形格子布置。在这种场景中，孔隙可以具有100微米的中心到中心间距。在一些实施例中，孔隙可以具有1至10微米之间的孔隙直径。
各种孔隙构造和布置是可能的。例如，所述多个孔隙可以是按照正方形格子、六边形密集格子或伪随机海绵状布置而设置的。在仍然另外的实施例中，衬底可以包括网结构。
块404包括将锂金属结合到所述多个孔隙的至少一部分中。在示例实施例中，可以在预锂化工艺中将锂金属引入到衬底的孔隙中。可以以各种方式提供预锂化工艺。例如，可以经由电化学工艺将锂金属电镀到孔隙中。即，可以将衬底浸入在含锂溶液中。在这种场景中，可以在溶液与衬底之间产生电场。锂金属可以从溶液中溶解并结合到衬底的孔隙中。
可替选地或附加地，可以使锂金属蒸发到孔隙中。例如，锂金属靶可以是用于基于RF溅射、电子束、热或等离子体的蒸发系统的源。
作为另一替代方案，可以经由稳定锂金属粉末(SLMP)上锂金属沉积到衬底上。在示例实施例中，可以使SLMP溅射或以其它方式沉积到衬底的第一表面上。可以提供进一步的处理步骤，诸如物理压力和/或加热/烧结。在本文中设想了将锂金属结合到衬底的孔隙中的其它方式。
在一些实施例中，可以在将锂结合到所述多个孔隙中之前提供衬底预处理步骤。例如，可以用有机溶剂和/或湿化学(例如HF)蚀刻来清洗衬底。其它衬底制备或清洗工艺是可能的。
块406包括形成被设置在衬底的第一表面与阴极之间的电解质。电解质被构造成经由衬底与阴极之间的扩散可逆地输送锂离子。在示例实施方式中，电解质包括液体电解质，诸如溶解在诸如碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)和/或碳酸二乙酯(DEC)的有机溶剂中的锂盐(例如LiPF6或LiBF4)。
在另一示例实施例中，电解质可以包括具有高浓度乙醚的液体溶剂。在这种场景中，电解质可以进一步包括作为锂盐的双(氟磺酰基)酰亚胺锂(LiFSI)。其它电解质材料是可能的。
在一些实施方式中，可以在衬底的第一表面与阴极之间插置分离件材料。分离件可以提供物理势垒以防止衬底与阴极之间的电短路。在这种场景中，分离件可以是电绝缘的并且可以是可渗透的，以允许锂离子通过它扩散。
块408包括形成阴极。阴极可以是如参考图3所图示和描述的阴极310。在这种场景中，阴极可以包括锂钴氧化物(LCO)。然而，在本公开的范围内设想了其它阴极材料。
图5A至图5E图示根据示例实施例的电池制造场景500。电池制造场景500可以包括可以以如所图示的顺序执行的几个步骤或块。可替选地，可以以不同的顺序执行这些步骤或块。此外，可以在本公开的范围内添加或者减去步骤或块。
图5A图示具有多个孔隙504的衬底502的形成。孔隙504可以一直穿过衬底502。可替选地，孔隙504不必一直穿过衬底502。例如，孔隙504可以表示衬底502的至少第一表面上的凹坑、沟道、空隙、空间、网或其它三维开口。如在本文中别处所描述的，表面502可以包括导电材料，诸如铜或镍。
图5B图示结合所述多个孔隙504中的至少一些的锂金属506。在示例实施例中，可以经由电镀工艺将锂金属506引入到所述多个孔隙504中。其它预锂化工艺方法(诸如SLMP沉积)是可能的。
图5C图示与衬底502相邻的分离件508的形成。分离件508可以包括基于纤维的材料(棉花、聚酯等)。可替选地，分离件508可以包括聚乙烯或另一基于聚合物的材料。在制造期间，可以将液体电解质插入或者以其它方式结合到分离件508中。液体电解质对锂离子而言可以是可渗透的，所述锂离子可以在衬底502的孔隙504与阴极510之间可逆地运送。
图5D图示与分离件508相邻的阴极510的形成。如别处所描述的，阴极510可包括锂钴氧化物(LCO)。
图5D也图示与阴极510相邻的顶部分离件512的形成。顶部分离件512可以用来封装电池。此外，顶部分离件512可以提供电绝缘材料，使得可以形成胶状卷型电池。
图5E图示胶状卷型电池场景。在这种场景中，可以使包括至少衬底502、分离件508、阴极510和顶部分离件512的叠层卷成圆柱形“胶状卷”520。应理解的是，可以经由此类技术使电池形成为其它形状。设想了其它“卷到卷”电池制造技术。
图6A至图6F图示根据示例实施例的电池制造场景600。具体地，电池制造场景600可以图示用于薄膜型电池的制造工艺。图6A图示在支撑件601上形成衬底602。此外，图6A图示具有多个孔隙604的衬底602。如所图示，所述多个孔隙604可以包括穿过衬底602的圆柱形沟道。在这种场景中，孔隙可以是直径10微米、深度50微米，并且具有100微米的中心到中心间距。然而，其它孔隙形状、大小和布置是可能的。
支撑件601可以包括各种材料。例如，支撑件601可以包括以下各项中的一种或多种：硅晶片、塑料、聚合物、纸、织物、玻璃或陶瓷材料。在本文中设想了用于支撑件601的其它材料。一般地，支撑件601可以包括充分地绝缘以便防止衬底602与阴极610之间的短路的任何固体或柔性材料。
图6B图示结合到所述多个孔隙604中的至少一些的至少一部分中的锂金属606。可以经由本文中所描述的各种方法将锂金属606引入到所述多个孔隙604中。即，锂金属606可以被电镀以被结合到孔隙604中。
图6C图示去除衬底602的至少一部分并且形成间隔件607。可以通过掩模和蚀刻制作程序来执行去除衬底602的部分。用于去除衬底602的部分的其它方式是可能的。在替代实施例中，可以先前已使衬底602图案化(例如经由掩模衬底沉积)。在这种情况下，不必去除衬底602。
间隔件607可以包括绝缘材料，所述绝缘材料可以可操作来防止衬底602与阴极610之间的短路。间隔件607可以包括碳化硅、二氧化硅或与锂不反应的另一绝缘材料。
图6D图示阴极610的形成。即，可以使阴极610沉积、生长或以其它方式形成为与间隔件607相邻。如本文中所描述的，阴极610可以包括锂钴氧化物(LCO)。其它阴极材料是可能的。
图6E图示电解质608的形成以便桥接或以其它方式连接至少衬底602的第一表面和阴极610。在这种场景中，电解质608可以用来提供用于锂离子在衬底602的孔隙604与阴极610之间可逆地行进的扩散路径。
在一些实施例中，电解质608可以包括固体电解质。例如，电解质608可以包括Li2+2xZn1-xGeO4(LISICON)。在替代实施例中，电解质608可以包括锂磷氧氮化物(LiPON)。在一些实施例中，可以通过RF磁控管溅射或PVD来使电解质608沉积。例如，电解质608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608可以包括不同的材料。电解质608可具有10至30微米之间的层厚度；然而其它电解质层厚度是可能的。
电解质608可以能够符合底层的形状。在一些实施例中，电解质608可以可选地包括凝胶和/或液体电解质。在此类场景中，电池可以包括可以结合凝胶或液体电解质的另一种绝缘分离件材料。
图6F图示与电解质608相邻形成的封装层612。封装层612可以包括被构造成保护并稳定电池的底层元件的材料。例如，封装层612可以包括惰性材料、绝缘材料、钝化材料和/或物理和/或化学保护性材料。在实施例中，封装层612可以包括多层叠层，所述多层叠层可以包括聚合物(例如，聚对二甲基苯、光刻胶等)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，封装层612可以包括硅氮化物(SiN)。封装层612可以包括其它材料。在示例实施例中，封装层612可以是大约1微米厚。
在示例实施例中，可以按照堆叠布置构造电池。也就是说，图6F中所图示的电池的实例可以被放置在彼此之上。封装层612可以为另一个支撑件601和伴随电池材料提供平整化层。可替选地，可以直接在封装层612上使电池材料图案化，而无需另一个支撑件601。以这种方式，电池的多个实例可以形成在彼此之上。
应理解的是，其它电池元件可以被包括在本文中所描述的实施例中的一些或全部中。例如，实施例可以包括阴极集电器和/或衬底集电器。此类集电器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。
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、遮罩沉积、选择性沉积等)，但是减材图案化技术附加地或可替选地是可能的。减材图案化可以包括在沉积到电池的衬底或其它元件之后的材料去除。在示例实施例中，可以在光刻工艺(或其它类型的光刻技术)之后进行材料的覆盖层沉积以限定蚀刻掩模。蚀刻掩模可以包括光刻胶和/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。
在示例实施例中，集电器、电解质、衬底或阴极中的任一个的一部分的选择性去除可以包括对集电器、电解质、衬底和阴极的相应部分进行激光划片。也就是说，可以使集电器、电解质、衬底和/或阴极材料的覆盖层沉积。随后，激光划片可以去除相应材料的一部分。激光划片可以包括被构造成消融或以其它方式从表面去除材料的高功率激光器。激光可以由光学系统根据预定划片图案或掩模图案来定向。集电器、电解质、衬底和阴极中的每一个均可以具有关联的掩模图案以限定要经由激光划片去除(并保存)的材料。
在一些实施例中，可以使用材料剥离工艺。在这种场景中，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沉积在牺牲剥离层上的电池材料。在示例实施例中，可以使用具有凹角剖面的负性光刻胶来形成牺牲剥离层。也就是说，光刻胶的图案化边缘可以具有朝着光刻胶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和阴极集电器。因此，可以将使材料直接沉积在没有光刻胶的区域中的衬底上。附加地，可以使材料沉积到图案化光刻胶上。随后，可以使用诸如丙酮的化学品来去除光刻胶。以这种方式，可以将集电器材料从一直存在图案化光刻胶的区域“剥离(lifted off)”。在本文中设想了牺牲材料去除的其它方法。
图中所示出的特定布置不应该被视为限制性的。应该理解的是，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。还另外，说明性实施例可以包括图中未图示的元件。
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是为了图示而不旨在为限制性的，同时真实范围和精神通过以下权利要求来指示。

Claims (21)

1.一种制造电池的方法，所述方法包括：
在支撑件上形成衬底，其中，所述衬底具有第一表面，所述第一表面具有多个孔隙，其中，所述多个孔隙被构造成容纳锂金属；
将锂金属结合到所述多个孔隙中；
去除所述衬底的至少一部分以使所述支撑件的表面和沿着所述衬底的界面表面暴露；
沿着所述支撑件的已暴露表面的至少一部分和所述界面表面形成间隔件，其中，所述间隔件包括电绝缘材料；
形成与所述间隔件相邻的阴极，使得所述间隔件将所述阴极与所述衬底分离；以及
形成电解质以便连接所述衬底的所述第一表面和所述阴极，其中，所述电解质被构造成经由所述衬底与所述阴极之间的扩散来可逆地输送锂离子。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个孔隙包括孔隙的多层正方形格子布置，其中，所述孔隙具有100微米的中心到中心间距。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个孔隙中的至少一部分具有在一微米与十微米之间的范围内的孔隙直径。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个孔隙中的至少一部分孔隙是按照随机或伪随机海绵状布置而设置的。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述衬底包括导电材料，其中，所述导电材料包括铜或镍中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述衬底包括网，其中，所述网包括铜或镍中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阴极包含锂钴氧化物。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述衬底包括：经由湿化学蚀刻来蚀刻所述衬底。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述衬底包括：经由电化学镀来形成所述多个孔隙。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，结合所述锂金属包括：经由电化学镀工艺来结合所述锂金属。
11.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：在所述电解质上形成封装层，其中，所述封装层包括多层叠层或硅氮化物中的至少一种。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述衬底包括两个或更多个孔隙层。
13.一种电池，所述电池包括：
衬底，所述衬底形成在支撑件上，所述衬底包括具有多个孔隙的第一表面，其中，所述多个孔隙被构造成容纳锂金属，并且所述孔隙的至少一部分至少部分地填充有锂金属；
阴极；
间隔件，所述间隔件是沿着所述支撑件的至少一部分和沿着所述衬底的界面表面来形成的，并且所述间隔件与所述阴极相邻，其中，所述间隔件将所述阴极与所述衬底分离并且包括电绝缘材料；以及
电解质，所述电解质被设置以便连接所述衬底的所述第一表面和所述阴极，其中，所述电解质被构造成经由所述多个孔隙与所述阴极之间的扩散来可逆地输送锂离子。
14.根据权利要求13所述的电池，其中，所述多个孔隙包括孔隙的多层正方形格子布置，其中，所述孔隙具有100微米的中心到中心间距。
15.根据权利要求13所述的电池，其中，所述多个孔隙中的至少一部分具有在一微米与十微米之间的范围内的孔隙直径。
16.根据权利要求13所述的电池，其中，所述多个孔隙中的至少一部分孔隙是按照随机或伪随机海绵状布置而设置的。
17.根据权利要求13所述的电池，其中，所述衬底包括导电材料，其中，所述导电材料包括铜或镍中的至少一种。
18.根据权利要求13所述的电池，其中，所述衬底包括网，其中，所述网包括铜或镍中的至少一种。
19.根据权利要求13所述的电池，其中，所述阴极包括锂钴氧化物。
20.根据权利要求13所述的电池，其中，所述电池包括薄膜型电池。
21.根据权利要求13所述的电池，其中，所述衬底包括两个或更多个孔隙层。
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