CN111095643A - 多层电化学装置的高速制造 - Google Patents

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Abstract

用于制造固态电池的高速沉积设备。该涉笔可用于通过真空沉积工艺制造固态多层堆叠电池装置。在各种实施例中，制造设备可包括安全壳、反应器区域、处理区域、工件、一个或多个真空室和能量源。可以在单个真空循环中制造完整的电池层堆叠，其背景气体、压力和沉积速率已针对每个层的沉积进行了优化和控制。工件可以包括温度受控的鼓和基底，其可以是商业聚合物或金属幅材。掩模可用于划定或定形在由该设备的实施例制造的多层堆叠式电化学装置内的层。

Description

多层电化学装置的高速制造
技术领域
本发明涉及用于制造薄膜固态电化学电池单元的技术。更具体地，本发明提供了用于高速制造固态薄膜电池装置的方法和系统。
背景技术
电池可用于多种应用。这种电池的设计还适用于以下情况：电池不是系统中唯一的电源，并且由燃料电池单元、其他电池、IC引擎或其他燃烧装置、电容器、太阳能电池单元等提供额外的功率。
固态电池单元通常处于实验状态，难以制造，并且尚未成功大规模生产。由于电池单元结构和制造技术的限制，尚未实现固态电池单元的有效设计和生产。
在实验室环境中，固态电池已被证明比使用液体电解质的传统电池具有多个优势；安全是最重要的优势。固态电池本质上比液态电解质电池单元更稳定，因为固态电池不包含会引起不期望反应的液体，从而导致热失控，甚至在最坏的情况下可能导致爆炸。
尽管固态电池具有出色的性能，但要使这种类型的电池在市场上可用，未来仍需应对许多挑战。需要改进固态电池的端接和包装，以开发其紧凑性和高能量密度。需要发展用于大面积和快速膜沉积的低成本技术，以使固态电池可用于各种应用，例如消费类电子产品或RFID等。此外，需要发展用于处理非常薄的脆性材料层的更好的技术以允许优化固态电池。特别地，需要对那些能够组装或制造大量这些薄层的技术和设备进行优化。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于使用真空沉积工艺制造包括多个层的薄膜电池装置的设备，所述设备包括：多个真空沉积装置，用于沉积薄膜电池装置的所述多个层；呈鼓状的工件，其以至少一个旋转轴线联接到传递装置，所述传递装置被配置为以连续或间歇的方式将工件从第一区域移动到第二区域，并且其中，所述工件被配置为移动到多个处理区域，以使所述多个真空沉积装置将所述多个层沉积到所述工件上；和一个或多个真空室，以将工件封闭在所述多个处理区域内。仅通过举例的方式，已经提供了使用锂基电池的本发明。
在一实施例中，本设备可以用于制造固态多层堆叠式电化学装置，例如固态电池。在各种实施例中，制造设备可包括安全壳、反应器区域、处理区域、工件、一个或多个真空室和能量源。
安全壳可以配置为沉积以流体、可弯曲、可计量或可分配形式为特征的材料。安全壳可以包括电化学材料，例如用于电池装置等的那些电化学材料。同样，可以针对每个薄膜层定制安全壳或沉积源的数量、尺寸和容量，以优化制造过程。沉积源的布置可包括电化学装置的层的子集，这可能需要制造过程使用工件或基底的多次通过来完成装置。
在特定的实施例中，沉积的材料或沉积材料可以联接到高速蒸发源或选择的高速蒸发源，所述高速蒸发源或选择的高速蒸发源可以排列以沉积电化学装置的层。可以将能量源或蒸发源配置到反应器，以使沉积材料经受能量以使材料充分蒸发并引起所需气态物质的沉积。这种物质可以从蒸发的材料中提取出来，并沉积到工件的表面区域上。在各种实施例中，沉积的阴极材料可以处于完全放电至几乎完全放电的状态。而且，电化学装置的端接对于制造过程是必不可少的。这可以通过附加的端接设备或装置，或者通过在沉积有源层之后沉积导电介质来实现。因此，安全壳或沉积源可以被配置成在形成期望数量的电化学有源层之后沉积这种导电介质。沉积源可包括用于释放层、阻挡层以及其他层及其组合的材料。可以配置安全壳或一个或多个沉积源，使得在操作期间可以以相邻的方式沉积阳极层和阴极层。以这种方式配置材料的沉积顺序可以消除多余的集电器层。
遮蔽掩模可用于沉积工艺中。使用遮蔽掩模系统可以形成电化学装置的划定或分界(demark)的薄层。因此，该系统可以包括掩膜装置，该掩膜装置被插置于沉积源或安全壳与基底或工件之间，以在基底上或其他先前沉积的层上的各个薄膜层上划定或分界。可以操作其上沉积有材料的基底以固定速度或步进重复模式移动。在各种实施例中，可以需要制造设备的多个操作，或者可以实现附加的沉积设备。由本设备的实施例制造的装置可以具有大于100层。
反应器区域可以通过传递机构联接至安全壳，并且处理区域可以定位于反应器区域内。工件可以在处理区域内为鼓或输送带的形式。在一特定的实施例中，工件可以仅包括用于整个电化学装置的一个基底膜或层。该工件可以联接至传递装置，该传递装置配置成以连续或间歇的方式将工件从第一区域移动到第二区域。同样，处理区域可以定位于反应器附近，以使工件暴露于反应器。工件可距反应器约10cm至1m。
一个或多个真空室可以彼此流体连通。这些真空室可以将安全壳、反应器区域、处理区域以及处理区域内的工件包围起来。电化学装置的分离和包装可以在真空中进行。电化学材料的沉积产生了堆叠层的条带或带，可以将其移除并分离成多个单个装置。这些单个装置的分离和包装可以通过一个或多个分离器件和包装器件来进行。可以导电且可焊接的基底也可以在制造装置之后被移除。这些可以是配置有一个或多个真空室的附加装置的形式。另外，计算机装置可以被配置为控制沉积速率、层的厚度，并且通过计算机主动反馈来测量和控制基底运动。通过计算机装置，可以使薄膜层的多个堆叠单调地会聚。
获得了优于传统技术的益处。取决于特定实施例，可以实现这些益处中的一个或多个。在一实施例中，本发明提供一种设备，该设备具有用于在大面积上高速沉积用于薄膜电池的所有材料的器件。在本发明中显示有用的沉积技术包括以下至少一项：PVD，CVD，等离子增强CVD，溅射，反应溅射，等离子弧，热和等离子喷涂，联接到位于为此目的而设计的真空室内部的旋转鼓或输送带上的基底的喷雾器等。应该注意的是，本发明设想共同的元素是层的沉积，以使该固态电池沉积在固体移动基底上，该固体移动基板被布置为不使所述层受到物理接触或造成任何损害的能力。正是这种逐个原子、一个位于另一个顶部的层的独特建造，其包括至非常多的层而无需单独处理，是本发明的独特要素之一。
在一实施例中，多个独立控制的沉积源跨x幅材(web)或x机械方向排列，定位成彼此间隔开x和y距离，该x和y距离被计算为提供沉积在旋转鼓或输送带上的最均匀的膜厚度。这种设计的另一益处是能够测量每个源的沉积厚度，并控制所述源以提供连续监测的和受控的均匀膜厚度，从而校正所述沉积源输出中的扰动。
本发明的另一实施例是使用单个的个别沉积源的可移动阵列，其排列成允许快速改变在沉积区域中的旋转鼓或输送带下方的位置。这允许在同一设备中在同一基底上快速沉积不同的层。
本发明的另一实施例是匹配于沉积材料的沉积源的优化。以此方式，沉积材料、沉积速率和沉积均匀性的经济性是可能的，从而导致制造成本最低的电池。
本发明的又一实施例是使用围绕多个固定沉积源排列的多个沉积鼓或输送带。当配置为实现最佳生产量时，这种独特的布置允许同时沉积所有层，从而显著减少了制造时间。本发明的该实施例的附加益处是由于仅在共享真空泵、传递硬件和控制时所需的硬件的增量增加而显着降低了资本成本。
本发明的另一实施例涉及单个沉积源的布置，如上所述，单个或多个沉积源被放置成占据旋转鼓或输送带的周边位置。这里应当注意，(一个或多个)旋转鼓或输送带的轴线的取向可以是水平或垂直的。
他的发明的另一实施例涉及利用输送带的附加益处，该输送带的形状基本上是平坦的卵形，从而呈现出长的、平坦的和线性的沉积区域。此外，在本发明中设想利用针对每种沉积源和沉积材料优化的基底的加热和冷却。
还应当指出，用于容纳本发明的真空室可以包括流体连通的一个或多个室；并且还可以包括子腔室或挡板。可以布置这些子腔室或挡板，以提供适合于针对每种特定沉积材料优化的适合于单个沉积源的环境，并提供对该环境的围堵(containment)，使得其不干扰沉积、沉积质量或相邻沉积源的薄膜质量。设想该设计原理在本发明的许多实施例中以某种有效的方式是一致的。
工件可以是卷到卷基底盒，其被配置为在多个层的沉积期间在鼓之上移动基底材料。在每个装置，沉积过程都可以在将基底的卷解绕并重绕在鼓上时发生。然后，可以将完全重绕的基底盒从沉积装置移除并放置在后续的沉积装置中。与标准簇工具布置相反，沉积装置可以以顺序方式(in-line formation)设置，使得工件沿着线性生产线输送。
本发明在已知工艺技术的范围内实现了这些益处和其他益处。然而，通过参考说明书的后半部分和附图，可以实现对本发明的本质和优点的进一步理解。
附图说明
以下附图仅是示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多其他变型、修改和替代。还应理解，本文描述的示例和实施例仅用于说明目的，并且鉴于其的各种修改或改变将被启发给本领域技术人员，并且将被包括在该过程的范围和精神内以及所附权利要求的范围内。
图1是根据本发明实施例的真空沉积设备的简化图的剖视图；
图2是根据本发明实施例的真空沉积设备的简化图的透视图；
图3是根据本发明实施例的真空沉积设备的简化图的透视图；
图4是根据本发明实施例的真空沉积设备的简化图的透视图；
图5是根据本发明实施例的真空沉积设备的简化图的透视图；
图6是根据本发明实施例的真空沉积设备的简化图的剖视图；
图7是根据本发明实施例的真空沉积设备的简化图的透视图；
图8是根据本发明实施例的操作真空沉积设备的方法的简化流程图；
图9是根据本发明实施例的使用真空沉积设备生产的电化学装置的简化图的剖视图；
图10是根据本发明实施例的通过真空沉积设备制造电化学装置的简化流程图；并且
图11是根据本发明实施例的使用真空沉积设备生产的电化学装置的简化图的剖视图。
具体实施方式
图1是根据本发明实施例的真空沉积设备的简化图的侧视图。如图所示，该实施例是包括圆形真空室3的真空涂覆设备。在真空室3内是自由旋转的大型温控鼓2。温度控制是通过嵌入式电加热器、用于温控的流体或气体流动的通道或其组合来进行的。可以根据沉积材料和成品固态电池的需要来完成和利用鼓的加热或冷却。
多个真空沉积装置4布置在该室3周围，处于相同的真空体积中或穿过真空腔室的壁突出，每个真空沉积装置4旨在沉积固态电池的一个层。通过鼓的旋转以及在鼓旋转的情况下所述层连续地和/或对准地(in registration)同时沉积，制造了多层固态装置7的条带或带。
在每个沉积源4和鼓3之间是掩模5，以限制来自每个沉积源的沉积材料的区域。该掩模5可以使在所述鼓上的材料涂层形成为固态装置内的划定层或层的堆叠。经由掩模5形成的划定层可以与在其上方和下方的层对准，并且符合设计成优化所述固态装置或电池的期望特性的期望图案。该掩模装置5还可以与薄膜层的堆叠一起径向地移动，以在层的重叠中保持非常小的公差，从而改善了所述电池的期望特性。掩模材料还可以包括沉积在鼓或下层上的液体或蒸气，从而禁止下一层沉积到那些未覆盖或未遮盖的区域。掩模5还可以包括诸如钢或高温塑料的固态材料的输送带，其接触鼓并且以与鼓相同的表面速度移动，从而防止在其下方发生沉积。这些固体掩模具有防止对下层的划伤或其他物理损坏的进一步好处。可以使用固体掩模、液体掩模、蒸气掩模或其他掩模类型，以及上述类型的组合。
如图所示，在该实施例中，所有层同时沉积，以减少一组堆叠的或单个的电化学装置(例如固态电池)的总制造时间。在沉积所需数量的单个层之后，将多层固态装置7的条带或带从真空室和鼓移除，并分成单个电池以进行测试和包装。
如上所述，该设备可以用于通过真空沉积工艺制造固态多层堆叠式电化学装置，例如固态电池。在各种实施例中，制造设备可包括安全壳、反应器区域、处理区域、工件、一个或多个真空室和能量源。
安全壳可以配置为沉积以流体、可弯曲、可计量或可分配形式为特征的材料。安全壳可以包括电化学材料，例如用于电池装置等的那些电化学材料。同样，可以针对每个薄膜层定制安全壳或沉积源的数量、尺寸和容量，以优化制造过程。沉积源的布置可包括电化学装置的层的子集，这可能需要制造过程使用工件或基底的多次通过来完成装置。
在特定的实施例中，沉积的材料或沉积材料可以联接到高速蒸发源或选择的高速蒸发源，所述高速蒸发源或选择的高速蒸发源可以排列以沉积电化学装置的层。可以将能量源或蒸发源配置到反应器，以使沉积材料经受能量以使材料充分蒸发并引起所需气态物质的沉积。这种物质可以从蒸发的材料中提取出来，并通过遮蔽掩模系统沉积到工件的表面部位上。在各种实施例中，沉积的阴极材料可以处于完全放电至几乎完全放电的状态。而且，电化学装置的端接对于制造过程是必不可少的。这可以通过附加的端接设备或装置，或者通过在沉积有源层之后沉积导电介质来实现。因此，安全壳或沉积源可以被配置成在形成期望数量的电化学有源层之后沉积这种导电介质。沉积源可包括用于释放层、阻挡层以及其他层及其组合的材料。可以配置安全壳或一个或多个沉积源，使得在操作期间可以以相邻的方式沉积阳极层和阴极层。以这种方式配置材料的沉积顺序可以消除冗余的集电极层。
该系统可以包括掩膜装置，该掩膜装置被插置于沉积源或安全壳与基底或工件之间，以在基底上或其他先前沉积的层上的各个薄膜层上划定或分界。例如，使用遮蔽掩模系统可以形成电化学装置的划定或分界的薄层。可以操作其上沉积有材料的基底以固定速度或步进重复模式移动。在各种实施例中，可以需要制造设备的多个操作，或者可以实现附加的沉积设备。由本设备的实施例制造的装置可以具有大于100层。
此外，益处可包括在器件的有源层之间不具有中间基底或寄生材料。利用本设备的实施例的制造过程可以以高保真度和产量经济地产生并沉积数百至数千个非常薄的层。这样的过程还可以制造多个堆叠的层，而无需处理或触摸层，也无需在处理单元(例如辊、分切机、烤箱、堆垛机、焊接机等)之间传递。这导致质量和性能的显着提高，并且增加了产量。沉积和完全端接电化学装置之间的工艺步骤也可以省去(自端接或后端接)。通过直接沉积，由于在下面的层上通过每个有源层的原子沉积的原子，同时保持在受控的真空环境下，因此可以显着降低界面阻抗。
通过移动掩膜，可以以串联和/或并联配置堆叠任意数量的装置，这无需添加任何明显的工艺步骤或不会引入由于处理、错位等原因而导致缺陷的任何机会。由于设备实施例的部件的精确对准，在有源层之间可以使用明显减小的余地。这可以通过使电化学装置与工件或鼓紧密接触并使用步进重复过程来实现。在各种实施例中，使用特别关于沉积材料进行了优化并且利用行之有效的反馈控制技术的紧凑的、低投资成本的、完全由计算机控制的制造设备可以改善电化学设备(例如固态电池)的可制造性。而且，可以在此类设备实施例的受控真空环境中沉积渐变层(graded layer)(在不显着增加成本或不降低产量的情况下提高性能)、阻挡层或其他保护层，以降低生产成本并通过生产预包装装置，甚至已包装装置，来提高产量。
本发明在已知工艺技术的范围内实现了这些益处和其他益处。然而，通过参考说明书的后半部分和附图，可以实现对本发明的本质和优点的进一步理解。
图2是根据本发明实施例的真空沉积设备的简化图的透视图。如图所示，该实施例包括由真空室组成的真空涂覆设备。在真空室内部是可自由旋转的大型温控鼓10。真空环境针对各个沉积材料定制，并设计成防止相邻沉积物的污染。真空度在0.5Torr至1x10-7Torr的范围内变化，并且预期温度在-20℃至+100℃的范围内。
在该实施例中，代替沉积源11和13被配置成围绕鼓10的周边。沉积源11和13被安装到可移动设备12，使得它们可以如上文针对图1所述在鼓10和掩模系统下方移动。该配置对于依靠重力来保持熔融或液态沉积材料的沉积源特别有用。在该实施例中，用于电化学装置的材料层顺序地沉积。
沉积后，将电化学装置的条带或带从真空室和鼓移除，分成单独的电池进行测试和包装。普通技术人员将认识到其他变型、修改和替代。
图3是根据本发明实施例的真空沉积设备的简化图的透视图。如图所示，该实施例由包括真空室的真空涂覆设备组成。在真空室内部是可自由旋转的大型温控鼓20。
在该实施例中，沉积源21是固定的，并且基底鼓20和随后的掩膜系统经由诸如轨道22之类的系统被移动至适当的沉积源上方的位置。在该实施方案中，顺序沉积用于电化学装置的材料的薄膜层。在沉积源及其实用工具大、复杂且难以移动的情况下，该实施例特别有用。
沉积后，将条带或带从真空室和鼓移除，分成单独的电池进行测试和包装。普通技术人员将认识到其他变型、修改和替代。
图4是根据本发明实施例的真空沉积设备的简化图的透视图。该设备实施例可以被认为是图1和2所示的实施例之间的混合。如图所示，该实施例由包括真空室的真空涂覆设备组成。在真空室内部是可自由旋转的大型温控鼓31。
多个真空沉积装置30和32布置在该室周围，处于相同的真空体积中或穿过真空腔室的壁突出。沉积装置32可依靠重力来围堵熔融的或液体沉积材料，而沉积装置30将不需要这种约束。每个沉积源30/32旨在沉积固态电池的一个层。通过鼓的旋转以及在鼓旋转的情况下所述层连续地和/或对准地同时沉积来制造多层固态装置的条带或带。
在每个沉积源30/32和鼓31之间是掩模33，以限制来自每个沉积源的沉积材料的区域。这些掩模33可以使在所述鼓上的材料涂层形成为固态装置内的划定层或层的堆叠。经由掩模33形成的划定层可以与在其上方和下方的层对准，并且符合设计成优化所述固态装置或电池的期望特性的期望图案。这些掩模装置33还可以与薄膜层的堆叠一起径向地移动，以在层的重叠中保持非常小的公差，从而改善了所述电池的期望特性。
可以看出，在该实施例中，所有层都同时沉积，从而减少了制造一组堆叠的或单个的电化学装置(例如固态电池)的时间。沉积后，将电化学装置的条带或带从真空室和鼓31移除，分成单独的电池进行测试和包装。普通技术人员将认识到其他变型、修改和替代。
图5是根据本发明实施例的真空沉积设备的简化图的透视图。如图所示，该实施例由包括真空室的真空涂覆设备组成。真空室内部是几个大型温控鼓40，这些大型温控鼓40自由旋转并可以通过安装座41进行索引。
在该实施例中，沉积源42是固定的，并且基底鼓40和随后的掩模系统42通过索引系统41被移动到适当的沉积源上方的位置。在该实施例中，多个鼓40和多个沉积源42被配置为允许同时沉积电化学电池(例如固态电池)的所有层。
旋转的鼓40将索引适合于设计的添加层，直到已经制成所有层。当沉积时间长或沉积速率慢或膜厚度大时，该实施方案特别有用。这种配置在需要精确控制层的厚度的情况下也特别有用，这是由于在沉积期间迅速旋转一个或多个鼓并测量所得到的厚度的固有能力。以这种方式，通过大量的旋转和在每次旋转期间对总厚度提供的非常薄的单个贡献消除了沉积速率的任何不均匀。
沉积后，将电化学装置的条带或带从真空室和鼓移除，分成单独的电池进行测试和包装。普通技术人员将认识到其他变型、修改和替代。
图6是根据本发明实施例的真空沉积设备的简化图的剖视图。该设备实施例可以是图1和图4所示的实施例之间的混合。如图所示，该实施例由真空涂覆设备组成，该真空涂覆设备包括真空室50，该真空室50是圆形或矩形，或者是任何其他形状，例如根据需要在适当的泵55的情况下是多边形的。真空室内部是通过辊54自由旋转的环形金属或聚合物输送带53。
在一实施例中，一个或多个真空沉积装置51被设置在输送带53下方，在相同的真空体积中或穿过真空室的壁突出。每个沉积源51旨在沉积固态电池的一个层。这些沉积源51可以由多个单独的沉积源组装而成，以布置成以非常高的速率和均匀性沉积，并且可以由任何一层的多个阵列组成，以便使任何层的厚度与所有其他层的厚度相等。这些沉积源也可以由线性或容器组成，这些容器通过感应、电阻、电子、离子或辐射能加热。此外，这些容器可以配备有由狭槽、叶片、卵形体和其他形状组成的沉积均匀性遮罩。
通过输送带53的旋转，以及在鼓旋转的情况下所述层连续地和/或对准地顺序沉积来制造多层固态装置的条带或带。
在一实施例中，掩模52设置在每个沉积源51和鼓之间，以限制来自每个沉积源的沉积区域。这种掩模提供了在所述输送带53上将层或装置层的堆叠与在其上方或下方的层对准地涂覆为固态装置的划定层的手段。划定层还可以形成为符合被设计为优化所述固态装置的期望特性的期望图案。该掩模装置52还可以平行于输送带53上的薄膜层的堆叠移动，以在层的重叠中提供非常小的公差，从而改善了所述电池的期望特性。
可以看出，在该实施例中，所有层都同时沉积，从而减少了制造一组堆叠的或单个的电化学装置(例如固态电池)的时间。沉积后，将电化学装置的条带或带从真空室和鼓移除，分成单独的电池进行测试和包装。
图7是根据本发明实施例的真空沉积设备的简化图的透视图。如图所示，该实施例包括固定的真空室63、可移动的隔板(bulk head)65、一个或多个沉积源64、鼓或输送带和用于鼓或输送带的旋转器件61、带或鼓衬和用于带和输送带的移除器件、用于真空室的打开器件63、轨道66和移动的基底装置。沉积源64可被配置为易于维修并使用掩模，例如先前描述的那些。移动基底装置可包括被配置用于辊对辊制造的鼓或输送带。用于打开真空室63的器件可以配置成允许容易地接近内部部件，例如轨道66。这样的真空沉积设备可以用于以连续或步进重复过程来制造单个或多个3维电化学装置，例如固态电池。
在一实施例中，涂覆鼓的布置可以被配置用于固定的沉积并且利用掩膜装置在连续旋转或对于每一层的步进重复鼓对准中顺序沉积。沉积和/或掩膜的布置也可以配置为具有固定位置的鼓，以在连续旋转或步进重复过程中顺序沉积每个电化学层。先前描述了关于设备实施例的各种配置和元件的细节。本领域普通技术人员将认识到其他变型、修改和替代。
图8是根据本发明实施例的操作真空沉积设备的方法的简化流程图。该方法开始于装载待沉积的材料，为设备的制造操作做好准备。如美国专利申请No.13/292,368中所详细描述的，将沉积材料装载在沉积源本身中或与沉积源流体连通的容器中。接下来，将设备抽真空至适当的真空条件。如上所述，特定的真空条件对于沉积的每个单独层而言是变化的，或者可以是变化的。作为示例，PVD产生的层可以需要小于5×10-5Torr的真空水平，而CVD产生的层可能需要至少0.5Torr的真空水平。
接下来，调整沉积源。如上所述，这可以由不同的步骤组成，取决于所使用的材料和沉积技术。举例来说，如果选择集电极的溅射，则注入适当的背景气体以使真空室的该部分达到5微米范围内的适当的真空度；而如果所讨论的层是通过PVD沉积的，则需要将电阻加热器调整到操作温度。这些准备工作可能会有特定的变化，例如脱气或加热到中间水平，以允许在准备就绪之前渗透沉积材料。将会认识到适当的变化、修改和替代。然后将旋转的鼓或输送带调整到正确的温度并施加运动。可选地，可以以反馈控制设置沉积源。
在鼓或输送带速度稳定之后，将使用自动反馈仪器。这可以由光学、微量天平、电阻、温度或其他反馈技术组成，如这里的美国专利申请No.13/291,845中所详述。一旦反馈仪器根据编程条件执行，则在每个沉积源之上依次打开遮板。该顺序由固态电池的设计确定，并且使得在施加附加层之前完全形成基础层。然后，该动作将持续到所有层都形成为止。
在该过程期间，可以在沉积过程中使用掩模以形成图案化的结构等。具体而言，可以移动掩模(即，沿z方向)以保持到生长的堆叠装置的距离。之后，以相反的顺序或以产生电池的正确设计的顺序关闭遮板。接下来，沉积阻挡层或其他层。该沉积可以包括类似于电池层所需的准备阶段。最后，将所有沉积源置于待命或关闭状态，然后被允许冷却-必要时冲洗。在所有部件(包括旋转的鼓或输送带)处于适当的温度之后，用适当的气体对涂覆机进行通气并使其达到大气压。然后可以打开设备并移除电池带以进行进一步处理。
本发明的设备可以包括附加的处理步骤，以分割和端接单个电池。本领域普通技术人员将认识到其他变型、修改和替代。
图9是根据本发明的实施例使用真空沉积设备生产的电化学装置的简化图的剖视图。如图所示，可以通过本设备和方法的实施例生产的MER或重复堆叠中的一个包括多种电化学材料(阻挡、阳极、电解质、阴极、集电极等)。可以看出，上面详细描述的遮罩的效果是显而易见的。在图9中示出了在跨基底运动方向(X方向)上的各种长度：阴极集电极71的长度，第一阴极73的长度，第一阳极76的长度，第二阳极79的长度以及第二阴极81的长度。还显示了阳极和阴极集电极的自端接。转到物品83，可以看出，由于掩模工艺，阳极集电极的端接因此被自动产生，同样，在物品86中，可以看出，阴极集电极端接也因此被自动产生。这种配置的详细工艺流程图如图10所示。
图10是根据本发明实施例的通过真空沉积设备制造电化学装置的简化流程图。例如，该流程图描述了电化学装置的特定配置的沉积顺序。该沉积顺序开始于沉积阻挡层和集电极层。接下来，可以顺序地沉积阴极层、电解质层和阳极层。此后可以沉积可选的阻挡层或集电极层。然后，可以依次沉积阳极层、电解质层和阴极层。在该堆叠之后，可以沉积可选的平滑层。在完成另一阻挡层沉积之前，可以重复该整个顺序，直到达到所需的堆叠尺寸为止。
图11是根据本发明实施例的使用真空沉积设备生产的电化学装置的简化图的剖视图。
作为另一示例，图11描绘了优选实施例的另一方面。此处清楚地显示了由集电极23、阴极25、电解质27、阳极21和平滑层29组成的重复MER或电池堆叠。如图所示，该MER产生一个电池单元，而图9中的实施例每个MER产生两个电池单元。生产如图9所示的装置的优点包括较高的资本成本和较高的生产率，其具有较高的总能量密度，而图11中所述的实施例包括较低的资本成本和较低的生产率，其具有较低的总能量密度。
尽管以上是特定实施例的完整描述，但是可以使用各种修改、替代构造和等同形式。因此，以上描述和说明不应被视为限制由所附权利要求书限定的本发明的范围。

Claims (20)

1.一种用于使用真空沉积工艺制造包括多个层的薄膜电池装置的设备，所述设备包括：
多个真空沉积装置，用于沉积薄膜电池装置的所述多个层；
呈鼓状的工件，其以至少一个旋转轴线联接到传递装置，所述传递装置被配置为以连续或间歇的方式将工件从第一区域移动到第二区域，并且其中，所述工件被配置为移动到多个处理区域，以使所述多个真空沉积装置将所述多个层沉积到所述工件上；和
一个或多个真空室，以将工件封闭在所述多个处理区域内。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，每个所述真空沉积装置包括多个蒸发源，以沉积所述薄膜电池装置的层。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述设备包括掩膜系统，所述掩膜系统被配置为划定或分界所述薄膜电池装置的所述多个层中的一个或多个层。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述工件仅包括用于制造整个薄膜电池装置的一个基底膜或层。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述设备被配置为沉积用于具有大于100层的薄膜电池装置的材料。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述设备被配置为沉积阴极材料，使得电荷状态是完全放电或几乎完全放电。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，还包括分离装置，所述分离装置位于所述一个或多个真空室内，以用于在真空中分离各个薄膜电池装置。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，还包括包装装置，所述包装装置位于所述一个或多个真空室内，以用于在真空中包装各个薄膜电池装置。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，还包括端接装置，用于使所述薄膜电池装置经受端接。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，安全壳被配置为沉积导电介质，所述导电介质在沉积材料的一个或多个活性层之后提供所述电化学装置的端接。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，还包括计算机装置，所述计算机装置被配置为通过计算机主动反馈来控制沉积速率、所述多个层的厚度以及工件运动。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述工件包括在制造所述薄膜电池装置之后可移除的基底。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述工件包括导电且可焊接的基底。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述设备包括用于将释放层沉积到所述工件上的材料。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述设备包括用于一个或多个阻挡层的材料，以保护所述电化学装置。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述设备被配置为使得用于薄膜电池装置的材料布置有相邻的阳极层和阴极层，从而消除了冗余的集电极层。
17.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，还包括计算机装置，所述计算机装置被配置为指导薄膜电池装置的沉积过程以具有薄膜层的多个堆叠，其中，上覆区域小于下覆区域以暴露出用于电气连接的区域。
18.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述工件还包括卷到卷基底盒，所述卷到卷基底盒被配置为在所述多个层的沉积期间在鼓之上移动基底材料，并且以顺序方式设置所述多个真空沉积装置。
19.根据权利要求1至17中的任一项所述的设备，其中，所述工件处于固定位置，并且所述多个真空沉积装置是可移动的并且与所述工件对准。
20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述多个真空沉积装置是固定的，并且所述工件是可移动的并且与所述多个真空沉积装置对准。
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