CN112449729A - 能量存储装置 - Google Patents
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Abstract
一种方法,包括在基底的第一部分上提供第一电极层,在第一电极层上提供电解质层,以及在电解质层上提供第二电极层。在基底的第二部分上提供集流体层的至少一局部。在第一电极层的暴露表面和电解质层的暴露表面上沉积电绝缘材料。在电绝缘材料上沉积导电材料,以将第二电极层连接至集流体层的至少一局部。
Description
技术领域
本发明涉及制造能量存储装置的方法、能量存储装置以及用于制造能量存储装置的中间结构。
背景技术
诸如固态薄膜电池的能量存储装置可以通过在基底上形成层的堆叠来生产。层的堆叠通常包括第一电极层、第二电极层以及在第一电极层和第二电极层之间的电解质层。然后可以将堆叠和基底的组合切割成单独的部分以形成单独的电池。
期望提供一种比已知制造方法更简单或更有效的制造能量存储装置的方法。
发明内容
根据本发明的第一方面,提供了一种制造能量存储装置的方法,该方法包括:
在基底的第一部分上提供第一电极层;
在第一电极层上提供电解质层;
在电解质层上提供第二电极层;
在基底的第二部分上提供集流体层的至少一局部;
在第一电极层的暴露表面和电解质层的暴露表面上沉积电绝缘材料;和
在电绝缘材料上沉积导电材料,以将第二电极层连接至集流体层的至少一局部。
使用导电材料将第二电极层连接到集流体层的至少一局部允许能量存储装置经由集流体层连接到外部电路。集流体层可以以直接的方式沉积,例如通过用导电材料涂覆基底以充当集流体层。
用于将第二电极层连接到外部电路的集流体层的沉积例如比其他材料的沉积更容易控制。例如,如果以墨水的形式沉积导电材料,则该沉积过程可能会受到墨水粒径变化或流变效应(例如影响导电材料流动和导致沉积的导电材料的量或位置发生变化)的影响。因此,与使用导电材料本身将第二电极层连接到外部电路相比,可以使用更易于控制的工艺来提供将第二电极层连接到外部电路的集流体层。
另外,与外部电路通过导电材料本身连接到能量存储装置相比,可以沉积更少量的导电材料。例如,这可以通过减少制造能量存储装置所花费的时间量和/或通过减少诸如导电材料的材料浪费来提高制造过程的效率。例如,由于可以沉积较少量的导电材料,因此可以减少干燥和/或固化导电材料所需的时间(例如,如果将导电材料作为墨水沉积)。
可以以相同的方式分别制造用于能量存储装置的多个电池。在这种情况下,多个电池中的每个电池的集流体层可以彼此连接,以并联连接多个电池。这允许以简单的方式有效地制造多电池能量存储装置。
在示例中,在所述基底的第二部分上的集流体层的至少一局部是集流体层的第一部分,并且所述方法包括在集流体层的第二部分上提供所述第一电极层之前,在基底的第一部分上提供集流体层的第二部分,以在基底的第一部分上提供第一电极层。
因此,在这些示例中,可以将集流体层的第二部分设置在包括第一电极层、电解质层和第二电极层的堆叠的下方。集流体层的第一部分和第二部分可以例如彼此断开或分离,使得集流体层的第一部分和第二部分彼此电绝缘。例如,这为能量存储装置提供了更大的灵活性,并降低了短路的风险。例如,集流体层的第一部分还可以连接至外部电路,以将第一电极层连接至外部电路。这可以进一步简化制造过程。
在示例中,在基底的第一部分上提供集流体层的第一部分,在基底的第二部分上提供集流体层的第二部分,在基底的第一部分和基底的第二部分之间的基底的第三部分上提供集流体层的第三部分。这例如允许集流体层沉积为连续层,其例如覆盖或重叠基底的第一、第二和第三部分。这可以允许集流体层被简单地沉积,而对集流体层在基底上的沉积位置的限制要求较小。
在示例中,在基底的第一部分上提供第一电极层、在第一电极层上提供电解质层或在电解质层上提供第二电极层中的至少一步之后,去除集流体层的第三部分以暴露基底的第三部分。这样,集流体层的第一部分和第二部分可以彼此电断开。例如,这避免了短路,否则如果第一电极层和第二电极层彼此电接触(例如,在使用导电材料将第二电极层连接到集流体层之后通过集流体层彼此电接触)则可能会发生短路。此外,与其他方法(例如尝试仅在基底的第二部分上准确地沉积集流体层)相比,将集流体层作为层提供并去除集流体层的第三部分的这种方法可能更直接或更容易实现。
去除所述集流体层的第三部分可以包括激光烧蚀所述集流体层的第三部分。激光烧蚀可以被快速地执行并且相对容易地被控制,因此允许在不去除集流体层的其他部分的情况下准确地去除集流体层的第三部分。
在示例中,在沉积电绝缘材料之后设置第二电极层。例如,这降低了在沉积期间第二电极层与第一电极层接触(这可能导致在使用能量存储装置期间发生短路)的风险。例如,可以沉积电绝缘材料以确保在沉积第二电极层之前第一电极层没有暴露或充分绝缘。这还可以放宽对第二电极层的沉积的沉积要求,因为如果第一电极层已经被绝缘,则第二电极层的沉积精度可能不需要像其他情况(其中除非非常精确地沉积第二电极层,否则它会与第一电极层接触)一样精确。
在示例中,电绝缘材料或导电材料中的至少一种是喷墨打印的。例如,喷墨打印允许电绝缘材料和/或导电材料被精确地沉积,从而减少了这些材料的沉积量。通过减少电绝缘材料和/或导电材料的浪费,这也可以提高制造过程的效率,如果使用不太精确的方法沉积这些材料,可能会发生这些浪费。
根据本发明的第二方面,提供了一种方法,包括:
在基底上提供用于能量存储装置的堆叠,所述堆叠包括:
集流体层;
第一电极层;和
在集流体层和第一电极层之间的电解质层;
去除第一电极层的一部分和电解质层的一部分以暴露集流体层的一部分;
去除所述集流体层的该部分的一局部,以使集流体层的第一部分与第一电极层和电解质层重叠,并使集流体层的第二部分与第一电极层和电解质层重叠;
在集流体层的第一部分和集流体层的第二部分之间以及在第一电极层的暴露表面和电解质层的暴露表面上沉积电绝缘材料;
在电解质层上提供第二电极层;和
在电绝缘材料上沉积导电材料,以将第二电极层连接至集流体层的第一部分。
类似于本发明的第一方面,本发明的第二方面例如允许能量存储装置更直接或更有效地制造。
在示例中,在所述集流体层的第一部分与所述集流体层的第二部分之间沉积所述电绝缘材料,而基本上不与所述集流体层的第一部分重叠。通过这种方法,电绝缘材料例如具有较小的表面积。通过进一步减少要沉积的导电材料的量,这可以进一步提高制造方法的效率(因为导电材料沉积在例如具有较小表面积的电绝缘材料上)。另外,可以减少电绝缘材料的量,这也可以提高方法的效率。
在示例中,去除所述集流体层的该部分的一局部使所述基底的一部分暴露。在这样的示例中,电绝缘材料可以被沉积为接触所述基底的该部分。以这种方式,电绝缘材料可以通过使集流体层的第一部分(以及因此连接到集流体层的第一部分的第二电极层)与第一电极层绝缘而进一步降低短路的风险。
在示例中,沉积所述电绝缘材料以接触所述基底的该部分的第一局部而不接触所述基底的该部分的第二局部。如上所述,这可以减少所使用的电绝缘材料的量,并且可以减小要在其上沉积导电材料的电绝缘材料的表面积。这可以提高方法的效率。
在示例中,沉积所述导电材料以接触所述基底的该部分的第二局部。例如,这有助于将导电材料容纳在电绝缘材料与集流体层的第一部分的边缘之间,从而改善了第二电极层与集流体层的第一部分之间的连接。
在示例中,在电绝缘材料上沉积导电材料以将第二电极层连接至集流体层的第一部分,而导电材料基本上不与集流体层的第一部分重叠。以此方式,可以沉积相对少量的导电材料,而不是沉积大量的导电材料以与集流体层的第一部分重叠。
在示例中,使用激光烧蚀去除第一电极层的一部分、电解质的一部分或集流体层的一部分中的至少一个。如上所述,激光烧蚀是例如快速且容易控制的过程,这可以提高方法的整体效率。
根据本发明的第三方面,提供了一种能量存储装置,包括:
基底;
在基底的第一部分上的堆叠,所述堆叠包括:
第一电极;
第二电极,比第一电极更远离所述基底;和
在第一电极和第二电极之间的电解质;
集流体的至少一局部,位于基底的不同于基底的第一部分的第二部分上;
在堆叠的暴露表面上的电绝缘材料,以使第一电极与第二电极绝缘;以及
在电绝缘材料上的导电材料,以将第二电极连接至所述集流体的至少一局部。
类似于本发明的第一方面,本发明的第三方面涉及一种能量存储装置,其可以比其他能量存储装置更直接或更有效地制造。
在示例中,在所述基底的第二部分上的所述集流体的至少一局部是所述集流体的第一部分,并且所述能量存储装置包括在基底的第一部分和堆叠之间的、位于基底的第一部分上的集流体的第二部分。如上所述,这例如降低了短路的风险。此外,可以更直接地制造这种能量存储装置。
在示例中,所述电绝缘材料接触在所述基底的第一部分与所述基底的第二部分之间的所述基底的第三部分,以使所述集流体的第一部分与所述集流体的第二部分绝缘。如上所述,这例如进一步降低了短路的风险。
在示例中,所述第二电极的一部分与所述电绝缘材料重叠,使得所述电绝缘材料至少部分地位于所述第二电极的该部分与所述基底之间。与第二电极不与电绝缘材料重叠的示例相比,这例如进一步减少了能量存储装置中的导电材料的量。在这种情况下,导电材料可以与电绝缘材料重叠以接触第二电极,这可以增加所需的导电材料的量。在第二电极的一部分与电绝缘材料重叠的情况下,与沉积第二电极使得第二电极完全不与电绝缘材料重叠的示例相比,可以放宽对第二电极的沉积要求。因此,可以更直接地制造这种能量存储装置。
根据本发明的第四方面,提供了一种用于制造能量存储装置的中间结构,该中间结构包括:
基底;
在基底的第一部分上的堆叠,所述堆叠包括:
电解质层;和
在电解质层和基底之间的第一电极层;
集流体层的至少一局部,位于基底的不同于基底的第一部分的第二部分上,
所述基底包括不与所述堆叠和所述集流体层中的每一个重叠的第三部分,所述第三部分在所述第一部分和所述第二部分之间。
类似于本发明的第一方面,本发明的第四方面涉及一种用于能量存储装置的中间结构,该中间结构可以更直接或更有效地制造。
在示例中,中间结构包括在所述基底的第三部分的至少一局部上的电绝缘材料,该电绝缘材料重叠小于所述基底的整个第二部分,所述电绝缘材料至少部分地覆盖第一电极层的暴露表面。电绝缘材料例如使第一电极层绝缘,这可以减小第一电极层和第二电极层(可以随后沉积)之间短路的风险。
在这样的示例中,基本上不存在与基底的第二部分重叠的电绝缘材料。在这些示例中,中间结构可以包括比其他方式更少量的电绝缘材料,这可以允许中间结构比其他方式更有效地制造。
在示例中,基底的第三部分的一局部不存在电绝缘材料。例如,这提供了随后可以在其中提供导电材料的凹部,这可以简化导电材料的沉积并减少要沉积的导电材料的量。
在示例中,在所述基底的第二部分上的所述集流体层的至少一局部是所述集流体层的第一部分,并且所述集流体层包括在基底的第一部分和堆叠之间的、位于基底的第一部分上的第二部分。如上所述,这例如降低了短路的风险。此外,可以更直接地制造这种能量存储装置。
在示例中,所述堆叠包括第二电极层,所述电解质层在所述第一电极层和所述第二电极层之间。这例如允许堆叠用作能量存储装置,例如用作薄膜电池组电池。
在示例中,第二电极层的一部分与基底的第三部分至少部分地重叠。如上所述,与第二电极不与基底的第三部分重叠的示例相比,这例如减少了能量存储装置中(制造后)的导电材料的量。此外,这例如通过放宽对第二电极层的沉积要求来简化能量存储装置的制造。
其他特征将从下面仅以举例的方式给出的描述中变得显而易见,所述描述是参照附图进行的。
附图说明
图1是示出根据示例的用于能量存储装置的堆叠的示意图;
图2是示出根据示例的用于加工图1的堆叠以制造能量存储装置的示例的示意图;
图3是示出根据示例的能量存储装置的一部分的示意图;
图4是示出根据示例的能量存储装置的多个电连接电池的示意图;
图5是示出根据示例的制造能量存储装置的方法的特征的示意图;和
图6是示出根据另外的示例的制造能量存储装置的方法的流程图。
具体实施方式
根据示例,参考附图,根据示例的方法,结构和设备的细节将变得显而易见。在本说明书中,出于解释的目的,阐述了某些示例的许多具体细节。说明书中对“示例”或类似语言的引用意味着结合该示例描述的特定特征,结构或特性至少包括在一个示例中,但不一定包括在其他示例中。还应当注意,示意性地描述了某些示例,其中某些特征被省略和/或必须被简化,以便于解释和理解示例基础的概念。
图1示出了用于能量存储装置的层的堆叠100。例如,图1的堆叠100可以用作具有固体电解质的薄膜能量存储装置的一部分。
在图1中,堆叠100在基底102上。基底102例如是玻璃或聚合物,并且可以是刚性的或柔性的。基底102通常是平面的。尽管在图1中堆叠100被示为直接接触基底102,但是在其他示例中,在堆叠100与基底102之间可以存在一个或多个另外的层。因此,除非另有说明,否则本文中提及的元件在另一元件“上”应理解为包括直接或间接接触。换句话说,另一个元件上的一个元件可能正在接触另一个元件,或者不与另一个元件接触,而是通常由一个或多个中间元件支撑,但仍然位于另一个元件之上或重叠。
图1的堆叠100包括第一电极层104、电解质层106和第二电极层108。在图1的示例中,第二电极层108比第一电极层104离基底102更远,电解质层106位于第一电极层104和第二电极层108之间。
第一电极层104可以用作正集流体层。在这样的示例中,第一电极层104可以形成正电极层(即,可以对应于包括堆叠100的能量存储装置的电池的放电期间的阴极)。第一电极层104可以包括适于通过稳定的化学反应来存储锂离子的材料,例如氧化钴锂、磷酸铁锂或碱金属多硫化物盐。
在替代示例中,可以存在单独的正集流体层,其可以位于第一电极层104和基底102之间。在这些示例中,单独的正集流体层可以包括镍箔;但是应当理解,可以使用任何合适的金属,例如铝,铜或钢,或包括金属化塑料的金属化材料,例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)上的铝。
第二电极层108可以用作负集流体层。在这种情况下,第二电极层108可以形成负电极层(其可以对应于包括堆叠100的能量存储装置的电池的放电期间的阳极)。第二电极层108可以包括锂金属、石墨、硅或铟锡氧化物(ITO)。对于第一电极层104,在其他示例中,堆叠100可以包括单独的负集流体层,其可以在第二电极层108上,并且第二电极层108在负集流体层和基底102之间。在负集流体层是单独层的示例中,负集流体层可以包括镍箔。但是,应当理解,任何合适的金属可以用于负集流体层,例如铝、铜或钢,或包括金属化塑料的金属化材料,例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)上的铝。
第一和第二电极层104、108通常是导电的。因此,由于离子或电子流过第一电极层104和第二电极层108,因此电流可以流过第一电极层104和第二电极层108。
电解质层106可以包括离子导电的任何合适的材料,但是它也是电绝缘体,例如氮氧化锂磷(LiPON)。如上所述,电解质层106例如是固体层,并且可以被称为快速离子导体。固体电解质层可以具有介于液体电解质和晶体固体之间的结构,液体电解质例如缺乏规则结构并且包含可以自由移动的离子。晶体材料例如具有规则结构,其具有原子的有序排列,其可以排列为二维或三维晶格。晶体材料的离子通常不可移动,因此可能无法在整个材料中自由移动。
例如,可以通过在基底102上沉积第一电极层104来制造堆叠100。随后将电解质层106沉积在第一电极层104上,然后将第二电极层108沉积在电解质层106上。堆叠100的每一层可以通过溢流沉积而沉积,其提供了产生高度均匀层的简单且有效的方式,尽管其他沉积方法也是可能的。
图1的堆叠100还可以经过进一步处理以制造能量存储装置。在图2中示意性地示出了可以应用于图1的堆叠100的处理示例。
在图2中,堆叠100和基底102一起形成用于制造能量存储装置的中间结构110。在该示例中,中间结构110是柔性的,允许其围绕辊112缠绕,作为卷对卷制造过程(有时被称为轴对轴制造过程)的一部分。可以从辊112逐渐解开中间结构110并对其进行进一步处理。
在图2的示例中,可以使用第一激光器114穿过中间结构110(例如,穿过堆叠100)形成凹槽。第一激光器114布置成将激光束116施加到中间结构110以去除中间结构100的部分,从而在堆叠100中形成凹槽。该过程可以称为激光烧蚀。
在形成凹槽之后,可以使用材料沉积系统118将电绝缘材料沉积在至少一些凹槽中。材料沉积系统118例如用诸如有机悬浮液体材料的液体120填充至少一些凹槽。然后可以在凹槽中固化液体120以在凹槽中形成电绝缘塞。电绝缘材料可以被认为是非导电的,因此当受到电场作用时可以传导相对少量的电流。通常,电绝缘材料(有时称为绝缘体)传导的电流小于半导体材料或导电材料。然而,仍然有少量电流在电场的影响下流过电绝缘材料,因为即使绝缘体也可能包括少量载流电流的电荷载流子。在本文的示例中,可以将材料视为电绝缘的,其中该材料足够电绝缘以执行绝缘体的功能。例如,在材料将一个元件与另一个元件充分绝缘以免发生短路的情况下,可以执行此功能。
参照图2,在沉积电绝缘材料之后,中间结构110被沿着至少一些凹槽切割以形成用于能量存储装置的单独的电池。在如图2所示的示例中,可以从中间结构110的卷中切割成数百个甚至可能成千个电池,从而允许以有效的方式制造多个电池。
在图2中,使用第二激光器122执行切割操作,第二激光器122被布置为将激光束124施加到中间结构110。每个切口可以例如穿过绝缘塞的中心,使得塞被分成两部分,每个部分在其已附接到的包括边缘的暴露表面上形成保护性覆盖物。以这种方式切穿整个堆叠形成了第一和第二电极层104、108的暴露表面。
尽管未在图2中示出(仅是示意性的),但是应当理解,在沉积电绝缘材料之后,中间结构110可以在其自身上折回以形成z形折叠结构,其具有至少十层,可能是数百层,甚至可能是数千层,其中每个绝缘塞对准。然后,由第二激光器122执行的激光切割处理可以用于在单个切割操作中针对对准的塞组中的每个切割z形折叠结构。
在切割电池之后,可以沿着电池的相反侧设置电连接器,使得电池的一侧上的第一电连接器接触第一电极层104(在电池已经从中间结构110的其余部分分离之后,其可以被认为形成第一电极),但是通过电绝缘材料防止接触其他层。类似地,可以将电池的相反侧上的第二电连接器布置成与第二电极层108接触(在电池已经与中间结构110的其余部分分离之后,可以将其视为形成第二电极),但是通过绝缘材料防止接触其他层。因此,绝缘材料可以减少第一和第二电极层104、108以及每个电池中的其他层之间发生短路的风险。第一和第二电连接器可以例如是通过溅射施加到堆叠110的边缘(或者到中间结构110的边缘)的金属材料。因此,可以有效地和容易地将电池并联连结。
图3示意性地示出本文根据示例的能量存储装置的一部分。应采用相应的描述。在图3的示例中,能量存储装置的一部分包括第一堆叠200a,其类似于图1的堆叠100。与图1的相应特征相似的图3的第一堆叠200a的特征用增加100和附加字母“a”的相同的附图标记标记。
第一堆叠200a包括第一电极204a、电解质206a和第二电极208a。电解质206a在第一电极204a和第二电极208a之间。示出了图3的第一堆叠200a的元件具有与图1的堆叠100的对应元件不同的相对宽度。然而,这仅是说明性示例(示意性示出),并且在其他示例中其他相对宽度也是可能的。第一堆叠200a布置在基底202上,该基底可以与图1的基底102相似或相同。
第一堆叠200a布置在基底102的第一部分上,第二电极层208a比第一电极层204a更远离基底102。基底102的第一部分的范围在图3中用附图标记102i表示。集流体的至少一局部(在图3中,集流体的第一部分126a)在基底102的不同于基底102的第一部分的第二部分上。基底102的第二部分的范围在图3中用附图标记102ii表示。
在图3的示例中,能量存储装置还包括集流体的第二部分128a,其在基底102的第一部分上。然而,在一些示例中,基底102的第一部分中可能不存在集流体。第一堆叠200a布置在集流体的第二部分128a上,该集流体的第二部分又位于基底102的第一部分上。因此,集流体的第二部分128a在基底102的第一部分和第一堆叠件200a之间。
在图3的示例中,集流体(其包括第一部分126a和第二部分128a)因此可以被认为对应于基底202上的分离或断开的金属化层。这可以被称为分离式断开,因为集流体的第一部分126a与集流体的第二部分128a断开。
电绝缘材料130a布置在第一堆叠200a的暴露表面上,以使第一电极204a与第二电极208a绝缘。在此上下文中,堆叠的暴露表面例如是堆叠的在电绝缘材料130a沉积之前未被覆盖或以其他方式与另一层接触的表面。以这种方式,例如,在沉积电绝缘材料130a之前,不覆盖、露出或显示堆叠的暴露表面。
在诸如图3的示例中,在沉积电绝缘材料130a之前,诸如第一堆叠200a的堆叠的暴露表面可以被认为包括五个部分:顶部(例如,其对应于第一堆叠200a的上表面或顶表面,例如第一堆叠200a的最远离基底202的表面)和四个面,其例如对应于堆叠的短边。在图3中,堆叠的最右面(形成堆叠的暴露表面的一部分)被电绝缘材料130a覆盖。然而,在其他示例中,除了图3所示的部分之外或代替图3所示的部分,暴露表面的其他部分可以由电绝缘材料130a覆盖。此外,在其他示例中,暴露表面可以包括比五个更多或更少的部分,其可以具有与图3的示例不同的形状和/或尺寸。
可以沉积电绝缘材料130a以部分或全部覆盖暴露表面的一部分(或全部),以使第一电极204a与第二电极208a绝缘,但是这可以取决于第一和第二电极204a,208a的形状和/或位置。通常,电绝缘材料130a可以被认为使第一电极204a与第二电极208a绝缘,其中在适当的位置沉积足够量的电绝缘材料130a以基本上防止或限制第一电极204a和第二电极208a之间的电流流动。这可能是这样的情况,例如在能量存储装置的充电或放电期间,第一电极204a和第二电极208a之间的电流足够小,从而避免了第一电极204a和第二电极208a之间的短路。
在图3的示例中,电绝缘材料130a接触在基底102的第一部分(在其上布置有第一堆叠200a)和基底102的第二部分(在其上布置有集流体126a的第一部分)之间的、基底102的第三部分。基底102的第三部分的范围在图3中用附图标记102iii表示。通过这种布置,除了使第一电极204a与第二电极208a绝缘之外,电绝缘材料130a还使集流体的第一部分126a与集流体的第二部分128a绝缘。然而,在其他示例中,电绝缘材料130a可以替代地不与基底102直接接触。例如,在电绝缘材料130a和基底102之间可以存在一个或多个另外的层。在另外的示例中,可以使用附加的绝缘材料将集流体126a,128a的第一和第二部分彼此电绝缘(而不是电绝缘材料130a)。然而,如果电绝缘材料130a用于使第一电极204a和第二电极208a彼此绝缘,并且使集流体126a,128a的第一部分和第二部分彼此绝缘,则可以更有效地制造能量存储装置。
在示例中,电绝缘材料130a可以重叠小于基底102的整个第二部分。在图3的能量存储装置中,基本上没有与基底102的第二部分重叠的电绝缘材料130a。例如,基底102的第二部分的至少75%,80%,85%,90%或95%可以不与电绝缘材料130a重叠。以这种方式,基底102的第二部分的大部分或全部可以被暴露以通过导电材料132a接触(下文进一步讨论)。
导电材料132a布置在电绝缘材料130a上,以将第二电极208a连接到集流体的至少一局部(在该示例中,连接到集流体的第一部分126a)。在诸如图3的示例中,导电材料132a可以覆盖或接触电绝缘材料130a的暴露表面的至少一局部。导电材料132a可以沉积为相对较薄的层,但是该层仍然足够厚以将电流从第二电极208a传导至集流体的第一部分126a,而在能量存储装置的正常使用期间不中断电流的流动(例如,不熔化)。
从图3可以看出,可以沿着第一堆叠200a的边缘将导电材料132a设置为相对薄的材料层。例如,导电材料132a可以沿着第一堆叠200a的暴露面是细长的(例如,使得导电材料132a沿着第一堆叠200a的长度延伸,例如在平行于基底202的平面的方向上)。导电材料132a还可以或者替代地在垂直于或基本垂直于基底202的平面的方向上延伸,以便将第二电极208a连接到集流体的第一部分126a。在一方向近似垂直于一平面的情况下,可以认为该方向基本上垂直于该平面,例如在测量公差之内或与垂直方向的夹角偏差在正负5、10或20度之内。
在这种情况下,与其他布置相比,能量存储装置中的导电材料132a的量可以相对较小。作为示例,导电材料132a可以被布置为延伸以与基底102的第二部分完全重叠,例如,使得在垂直于基底102的平面的方向上可接近沿基底102的边缘延伸的电连接器。然而,在这种情况下,能量存储装置可包括比例如图3的示例中更大量的导电材料132a,这可能导致能量存储装置的制造效率较低。
例如,在某些情况下(例如图3的情况),导电材料132a可以不与集流体的第一部分126a重叠。在这种情况下,导电材料132a可以替代地与集流体的第一部分126a相邻或可以接触其一侧,而不是通常由集流体的第一部分126a支撑或位于其上方。这可以进一步减少用于制造能量存储装置的导电材料132a的量。
在诸如图3的示例中,电绝缘材料130a可以接触或重叠基底102的第三部分的一部分,而不接触基底102的整个第三部分。这在图3中示出,其中基底102的第三部分的一局部不存在电绝缘材料130a。因此,这为基底102提供了不平坦或非平面的表面(在沉积导电材料132a之前)。例如,基底102可以包括可以在其中沉积导电材料132a的凹部。凹部的一个壁或一侧可以由集流体的第一部分126a的一侧形成,并且凹部的相反侧可以由电绝缘材料130a形成。这样的凹部可以在能量存储装置的制造期间帮助保持导电材料132a,并且可以在沉积期间帮助减少导电材料132a到集流体的第一部分126a上的流动。这可以进一步减少沉积的导电材料132a的量,进一步提高制造能量存储装置的效率。
在图3的示例中,第二电极208a的一部分134a与电绝缘材料130a重叠。通过这样的布置,电绝缘材料130a可以至少部分地在第二电极208a的部分134a与基底102之间。从图3可以看出,通过这种布置,在沉积电绝缘材料130a和第二电极208a之后,第二电极208a的一侧可以与电绝缘材料130a的一侧基本上对准,例如形成第一堆叠200a的基本上平坦的暴露表面(在基本垂直于基底102的平面的方向上)。然后可以将导电材料132a沉积在电绝缘材料130a上,以将第二电极208a的部分134a连接至集流体的第一部分126a。与其中第二电极208a不与电绝缘材料130a重叠,并且其中第二电极208a的一侧可以从其上沉积有导电材料132a的电绝缘材料130a的一侧凹进或去除的其他示例中相比,可以使用更少量的导电材料132a。
在这种情况下,第二电极208a的部分134a可以至少部分地与基底102的第三部分重叠。例如,第二电极208a的部分134a可以与基底102的第三部分的被电绝缘材料130a重叠的基本上相同的局部重叠。如已经说明的那样,这例如减少了能量存储装置中的导电材料132a的量。
第一堆叠200a、电绝缘材料130a、导电材料132a和集流体的第一部分126a的组合可以被认为对应于用于能量存储装置的第一电池136a。但是,能量存储装置通常包括多个电池。
例如,如图3所示,可以存在第二电池136b位于基底102的与基底102的第一侧相反第二侧上,基底的第一侧上布置有第一电池136a。在图3的示例中,第一电池136a和第二电池136b彼此相同。第二电池136b的特征用与第一电池136a的相应特征相同的附图标记标记,但是附加字母“b”而不是字母“a”。应采用相应的描述。但是,在其他示例中,基底一侧上的电池可以不同于基底相反侧上的电池。
在一些示例中,多个第一电池136a可以在基底202的第一侧上制造,并且多个第二电池136b可以在基底202的第二侧上制造,例如作为卷对卷制造过程的一部分。在这种情况下,基底202可以被折叠以便在彼此的顶部上堆叠多个电池。因此,这允许制造包括多个电池的能量存储装置。
图4是示出能量存储装置的多个电连接电池的示例。图4所示的电池包括图3的第一电池136a和第二电池136b,以及第三和第四电池136c,136d。在折叠基底202以提供图4所示的堆叠结构之前,第三电池136c和第四电池格136d可以与第一电池136a和第二电池136b相同,但是第三电池136c和第四电池136d可以设置在基底202上的不同位置。与图3的相应特征相似的图4的特征用增加200的相同的附图标记标记;应采用对应描述。为了清楚起见,图3所示的一些特征未在图4中标记。此外,第三和第四电池136c,136d的特征用与第一电池136a的相应特征相同的附图标记标记,但是分别附加字母“c”或“d”而不是字母“a”。
如在图4中可以看到的,基底202例如使第一电池136a的元件与第二电池136b的元件绝缘。类似地,基底202(例如,与第一和第二电池136a,126b之间的相同基底202的不同部分)也使第三电池136c与第四电池136d绝缘。然而,第二电池136b的第二电极208b与第三电池136c的第二电极接触。类似地,第二电池136b的导电材料132b与第三电池136c的导电材料132c接触。这样,第二电池136b和第三电池136c彼此电连接。第一电池136a可以通过电连接第一电池136a和第二电池136b的集流体的第一部分126a,126b而与第二电池136b电连接。类似地,第三电池136c可以通过电连接第一电池136c和第二电池136d的集流体的第一部分126c,126d而与第四电池136d电连接。这可以例如通过将电连接器布置在第一和第二电池136a,136b的集流体的第一部分126a,126b之间以及将电连接器布置在第一和第二电池136c,136d的集流体的第一部分126c,126d之间而直接执行。例如,单个电连接器可以沿着图4的堆叠结构的一侧布置,以将每个电池136a-136d的集流体的第一部分126a-126d连接在一起。这样,每个电池136a-136d的第二电极208a-208d可以连接在一起。在第二电极208a-208d是负电极的情况下,其例如对应于在电池136a-136d放电期间的阳极,从而每个阳极可以通过电连接器连接在一起。因此,电连接器可以提供用于能量存储装置的第一端子的接触点,该第一端子例如是能量存储装置的正极端子。
应当理解,可以在电池136a-136d的相反侧上执行类似的过程,以便使用电连接器将每个第一电极204a-204d电连接在一起以提供用于能量存储装置的第二端子(其例如是能量存储装置的负极端子)的接触点。因此,实际上,电池136a-136d可以并联连接。负极端子和正极端子可以跨负载电连接以为负载供电,从而提供多电池能量存储装置。这样的多电池能量存储装置可以以简单的方式制造,因为例如直接提供电连接器以接触金属层(例如,每个电池136a-136d的集流体的第一部分126a-126d)。
图5(包括图5a至图5h)示意性地示出了制造图3和图4的第一电池136a的示例。但是,应当理解,根据图5的方法也可以用于制造与图3和图4不同的电池或能量存储装置。与图3和4的相应特征相同的图5的特征用相同的附图标记标记。应采用相应的描述。
在图5a中,提供基底202。集流体层138a例如通过溅射设置在基底202上。例如,集流体层138a可以被认为对应于金属层,其可以完全覆盖基底202,或者可以替代地覆盖基底202的一部分。集流体层138a可以提供用于待制造的电池的端子的接触,如下文进一步描述的。
在图5b中,在集流体层138a上提供第一电极层140a。第一电极层140a可以例如通过诸如物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)的气相沉积工艺来提供,或者通过与卷对卷系统一起使用的涂覆工艺,例如狭缝模具涂覆(有时称为狭缝涂覆)来提供。
在图5c中,在第一电极层140a上提供电解质层142a。关于提供第一电极层140a,可以通过气相沉积或涂覆工艺来提供电解质层142a。
尽管在图5中,相继地设置集流体层138a、第一电极层140a和电解质层142a,但是在其他示例中,可以部分地组装基底202。例如,包括集流体层138a、第一电极层140a和电解质层142a(或这些层的子集)的堆叠可以在提供基底202之前已经布置在基底202上。在其他示例中,可以认为在基底202上提供集流体层138a、第一电极层140a和电解质层142a与提供包括这些层的堆叠相对应,该堆叠可以设置在基底202上。
在图5d中,去除了第一电极层140a的一部分和电解质层142a的一部分。在该示例中,在去除了第一电极层140a的一部分之后,保留了图3和图4的第一电极204a。类似地,在去除了电解质层142a的一部分之后,保留了图3和图4的电解质206。可以例如使用激光烧蚀去除第一电极层140a和电解质层142a的部分,其中第一电极层140a和电解质层142a的要去除的部分的表面被激光束照射。例如,这导致第一电极层140a和电解质层142a的部分蒸发、升华或转化成等离子体,因此被去除。通过激光烧蚀去除的第一电极层140a和电解质层142a的量可以通过控制激光束的属性例如激光束的波长或脉冲激光束的脉冲长度来控制。激光烧蚀通常允许以直接和快速的方式控制第一电极层140a和电解质层142a的部分的去除。然而,在其他示例中,诸如光刻技术的替代方法可以用于去除第一电极层140a和电解质层142a的部分。如图5d所示,通过去除第一电极层140a和电解质层142a的部分,集流体层138a的一部分144a被暴露。
现在参考图5e,将集流体层138a的部分144a的一局部去除,以留下集流体层138a的第一部分126a(如图3和图4所示的集流体的第一部分126a)。集流体层138a的第一部分126a不与第一电极层或电解质层重叠(因此在去除第一电极层和电解质层的部分后不与第一电极204a和电解质206a重叠)。然而,保留了集流体层138a的第二部分128a(如图3和图4所示的集流体的第二部分128a),其与第一电极层和电解质层重叠(如图5e所示,与第一电极204a和电解质206a重叠)。集流体层138a的部分144a的一局部可以以与去除第一电极层和电解质层的部分相似的方式去除,例如使用激光烧蚀或另一种技术。
可以认为图5e所示的结构对应于用于制造能量存储装置的中间结构。这样的结构例如包括基底202和在基底的第一部分上的堆叠,该堆叠包括电解质206a以及在电解质206a和基底202之间的第一电极204a。在基底202的第二部分上存在集流体层的至少一局部(第一部分126a),基底202的该第二部分不同于其上布置有堆叠的第一部分。基底202还包括第三部分,该第三部分不与堆叠或集流体层重叠。第三部分在第一部分和第二部分之间,并且例如将第一部分和第二部分彼此分开。这种中间结构随后可以进行参照图5f至图5g描述的处理或其他处理以产生能量存储装置。
在图5f中,电绝缘材料130a沉积在集流体层的第一部分126a与集流体层的第二部分128a之间。可以使用喷墨打印来沉积电绝缘材料130a,这例如允许电绝缘材料130a被精确且准确地沉积。如上面参考图3所解释的,电绝缘材料130沉积在第一电极204a的暴露表面和电解质206a的暴露表面上。
在诸如图5f的示例中,电绝缘材料130a可以沉积在集流体层的第一部分126a与集流体层的第二部分128a之间,而基本上不与集流体层的第一部分126a重叠。例如,这可以使用诸如喷墨打印的足够精确的沉积工艺来执行。此外,如以上参考图3所解释的,这可以减少在制造过程的稍后阶段要沉积的导电材料的量。
在图5f中,沉积电绝缘材料130a以接触基底202的一部分,该部分在去除集流体层138a的部分144a的一局部时暴露(如图5h所示)。这样,电绝缘材料130a使集流体层的第一部分126a和第二部分128a彼此绝缘。
如以上参考图3所解释的,并且如图5所示,可以沉积电绝缘材料130a以接触基底202的该部分的第一局部(其在去除集流体层138a的部分144a的一局部时暴露)。这可以留下基底202的部分的第二局部,随后可以在其上沉积导电材料132a。
在图5g中,在电极206a上提供第二电极层(其例如对应于图3和图4的第二电极208a)。可以类似于第一电极层,例如通过气相沉积或涂覆工艺来提供第二电极208a。
在图5f中,导电材料132a沉积在电绝缘材料130a上,以将第二电极208a连接至集流体层的第一部分126a。可以使用喷墨工艺来沉积导电材料132a,但是其他沉积工艺也是可能的。如以上参考图3所解释的,可以沉积导电材料132a以将第二电极208a连接到集流体层的第一部分126a,而导电材料132a基本上不与集流体层的第一部分126a重叠,以进一步减少在图5的方法中沉积的导电材料的量。
图5提供了制造能量存储装置的示例。然而,应当理解,本文所述的方法可以用于制造不同的能量存储装置,或者可以被修改或改变,同时仍然提供参照图5描述的效果。
图6是流程图,总结了制造能量存储装置的另一示例方法。在图6的项目146处,在基底的第一部分上提供第一电极层。第一电极层和基底可以类似于第一电极层204a,并且可以类似地设置。基底可以与上述基底202类似。然而,在某些情况下,在提供第一电极层之前,可不将集流体层设置在基底上(或者,可不将集流体层设置在其上设置有第一电极层的基底的第一部分上)。
在图6的项目148处,在第一电极层上提供电解质层。电解质层也可以类似于上述电解质层206,并且也可以类似地设置。
在图6的项目150处,在电解质层上提供第二电极层。第二电极层可以类似于上述第二电极层208a。然而,尽管在沉积电绝缘材料之后提供图5的第二电极层208a,但是在图6的方法中,可以在提供电绝缘材料之前或之后提供第二电极层。
在图6的项目152处,在基底的第二部分上提供集流体层的至少一局部。基底的第二部分例如不同于基底的第一部分,并且可以不与第一电极层、电解质层和/或第二电极层重叠。基底还可以包括在第一部分和第二部分之间的第三部分,或者第一部分和第二部分可以是连续的或接触的。集流体层也可以类似于上述集流体层138a,并且也可以类似地设置。然而,集流体层可以仅设置在基底的第二部分上,而不是设置在基底的第一和第二部分上。该示例中的集流体层可以在提供第一电极层、电解质层或第二电极层中的任何一个之前或之后提供。
在一些情况下,图6的方法可以类似于图5的方法,并且可以包括在基底的第二部分上提供集流体层的第一部分,并且在将第一电极层设置在集流体层的第二部分上之前在基底的第一部分上提供集流体层的第二部分。在这些情况下,在基底上提供集流体层可以包括在基底的第二部分上提供集流体层的第一部分,在基底的第一部分上提供集流体层的第二部分和在基底的第一部分和第二部分之间的基底的第三部分上提供集流体层的第三部分。例如,集流体层可以被设置为覆盖基底的第一、第二和第三部分的连续层。在提供第一电极层、电解质层或第二电极层中的至少一个之后,可以去除集流体层的第三部分,以暴露基底的第三部分。例如,如上所述,可以通过激光烧蚀去除集流体层的第三部分。
在图6的项目154,将电绝缘材料沉积在第一电极层的暴露表面和电解质层的暴露表面上。可以在将第二电极层设置在电解质层上之前(如图5所示)或之后沉积电绝缘材料。
在图6的项目156中,导电材料沉积在电绝缘材料上,以将第二电极层连接至集流体层的至少一局部。可以如上参考图5所描述的那样沉积导电材料。
上述示例应被理解为说明性示例。设想了进一步的例子。
应当理解,关于任何一个示例描述的任何特征可以单独使用或与所描述的其它特征组合使用,并且还可以与任何其他示例或其他示例的任何组合的一个或多个特征组合使用。此外,在不脱离在所附权利要求的范围的情况下,也可以采用上面未描述的等同物和修改。
Claims (26)
1.一种制造能量存储装置的方法,所述方法包括:
在基底的第一部分上提供第一电极层;
在第一电极层上提供电解质层;
在电解质层上提供第二电极层;
在基底的第二部分上提供集流体层的至少一局部;
在第一电极层的暴露表面和电解质层的暴露表面上沉积电绝缘材料;和
在电绝缘材料上沉积导电材料,以将第二电极层连接至集流体层的至少一局部。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,在所述基底的第二部分上的集流体层的至少一局部是集流体层的第一部分,并且所述方法包括:
在集流体层的第二部分上提供所述第一电极层之前,在基底的第一部分上提供集流体层的第二部分,以在基底的第一部分上提供第一电极层。
3.根据权利要求2所述的方法,包括在所述基底上提供所述集流体层,包括:
在基底的第二部分上提供集流体层的第一部分;
在基底的第一部分上提供集流体层的第二部分;
在基底的第一部分和基底的第二部分之间的基底的第三部分上提供集流体层的第三部分。
4.根据权利要求3所述的方法,包括:在基底的第一部分上提供第一电极层、在第一电极层上提供电解质层或在电解质层上提供第二电极层中的至少一步之后,去除集流体层的第三部分以暴露基底的第三部分。
5.根据权利要求4所述的方法,其中,去除所述集流体层的第三部分包括激光烧蚀所述集流体层的第三部分。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法,其中,在沉积所述电绝缘材料之后执行提供所述第二电极层。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法,其中,以下中的至少一项:
沉积电绝缘材料包括喷墨打印电绝缘材料;或
沉积导电材料包括喷墨打印导电材料。
8.一种方法,包括:
在基底上提供用于能量存储装置的堆叠,所述堆叠包括:
集流体层;
电解质层;和
在集流体层和电解质层之间的第一电极层;
去除第一电极层的一部分和电解质层的一部分以暴露集流体层的一部分;
去除所述集流体层的该部分的一局部,以使集流体层的第一部分不与第一电极层和电解质层重叠,并使集流体层的第二部分与第一电极层和电解质层重叠;
在集流体层的第一部分和集流体层的第二部分之间以及在第一电极层的暴露表面和电解质层的暴露表面上沉积电绝缘材料;
在电解质层上提供第二电极层;和
在电绝缘材料上沉积导电材料,以将第二电极层连接至集流体层的第一部分。
9.根据权利要求8所述的方法,其中,沉积所述电绝缘材料包括在所述集流体层的第一部分和所述集流体层的第二部分之间沉积所述电绝缘材料,而基本上不与所述集流体层的第一部分重叠。
10.根据权利要求8或9所述的方法,其中,去除所述集流体层的该部分的一局部会暴露所述基底的一部分,并且沉积所述电绝缘材料包括沉积所述电绝缘材料以接触所述基底的该部分。
11.根据权利要求10所述的方法,其中,沉积所述电绝缘材料包括沉积所述电绝缘材料以接触所述基底的该部分的第一局部而不接触所述基底的该部分的第二局部。
12.根据权利要求11所述的方法,其中,沉积所述导电材料包括沉积所述导电材料以接触所述基底的该部分的第二局部。
13.根据权利要求8至12中的任一项所述的方法,其中,沉积所述导电材料包括在电绝缘材料上沉积导电材料以将第二电极层连接至集流体层的第一部分,而导电材料基本上不与集流体层的第一部分重叠。
14.根据权利要求8至13中的任一项所述的方法,其中,以下中的至少一项:
去除第一电极层的一部分和电解质层的一部分包括激光烧蚀第一电极层的该部分和激光烧蚀电解质层的该部分;或
去除所述集流体层的该部分的一局部包括激光烧蚀所述集流体层的该部分的该局部。
15.一种能量存储装置,其通过权利要求1至14中任一项所述的方法形成。
16.一种能量存储装置,包括:
基底;
在基底的第一部分上的堆叠,所述堆叠包括:
第一电极;
第二电极,比第一电极更远离所述基底;和
在第一电极和第二电极之间的电解质;
集流体的至少一局部,位于基底的与基底的第一部分不同的第二部分上;
在堆叠的暴露表面上的电绝缘材料,以使第一电极与第二电极绝缘;以及
在电绝缘材料上的导电材料,以将第二电极连接至所述集流体的至少一局部。
17.根据权利要求16所述的能量存储装置,其中,在所述基底的第二部分上的所述集流体的至少一局部是所述集流体的第一部分,并且所述能量存储装置包括在基底的第一部分和堆叠之间的、位于基底的第一部分上的集流体的第二部分。
18.根据权利要求17所述的能量存储装置,其中,所述电绝缘材料接触在所述基底的第一部分和所述基底的第二部分之间的所述基底的第三部分,以使所述集流体的第一部分与所述集流体的第二部分绝缘。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的能量存储装置,其中,所述第二电极的一部分与所述电绝缘材料重叠,使得所述电绝缘材料至少部分地位于所述第二电极的该部分和所述基底之间。
20.一种用于制造能源存储装置的中间结构,所述中间结构包括:
基底;
在基底的第一部分上的堆叠,所述堆叠包括:
电解质层;和
在电解质层和基底之间的第一电极层;
集流体层的至少一局部,位于基底的与基底的第一部分不同的第二部分上,
所述基底包括不与所述堆叠和所述集流体层中的每一个重叠的第三部分,所述第三部分在所述第一部分和所述第二部分之间。
21.根据权利要求20所述的中间结构,包括在所述基底的第三部分的至少一局部上沉积电绝缘材料,该电绝缘材料重叠小于所述基底的整个第二部分,所述电绝缘材料至少部分地覆盖第一电极层的暴露表面。
22.根据权利要求21所述的中间结构,其中,基本上没有与基底的第二部分重叠的电绝缘材料。
23.根据权利要求20至22中任一项所述的中间结构,其中,所述基底的第三部分的一局部不存在电绝缘材料。
24.根据权利要求20至23中任一项所述的中间结构,其中,在所述基底的第二部分上的所述集流体层的至少一局部是所述集流体层的第一部分,并且所述集流体层包括在基底的第一部分和堆叠之间的、位于基底的第一部分上的第二部分。
25.根据权利要求20至24中任一项所述的中间结构,其中,所述堆叠包括第二电极层,电解质层在所述第一电极层和所述第二电极层之间。
26.根据权利要求25所述的中间结构,其中,第二电极层的一部分与基底的第三部分至少部分地重叠。
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