CN113906598A - 锂金属阳极组件及其制造设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于锂基电池的阳极组件包括：集电体，集电体包括铝；至少第一保护层，至少第一保护层结合至并覆盖集电体的一部分并且由保护性金属形成，所述至少第一保护层是导电的；以及至少第一反应层，至少第一反应层包括结合至所述保护件的锂金属。第一保护层可被布置于支撑表面与反应层之间，使得电子可从第一反应层行进至集电体，且第一反应层与支撑表面间隔开并且至少基本上与支撑表面进行离子隔离，并且由此通过第一保护层基本上防止反应层扩散至集电体，由此抑制锂金属与集电体之间的反应。

Description

锂金属阳极组件及其制造设备和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年4月17日提交的名称为“低成本锂金属阳极组件”的美国临时申请第62/835,141号的权益和优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
在其一个方面，本公开涉及适用于与锂离子和锂金属固态电池一起使用的阳极组件的生产和使用，以及用于生产阳极组件的方法和设备。
背景技术
日本专利申请第JP2797390B2号公开了负极和碳质材料以及作为阳极活性材料的集电体、具有锂化合物作为正极活性材料的正极、二次电池和非水电解质，正极活性材料、第二具有由第一锂化合物构成的主要活性材料，该第一锂化合物具有比集电体的氧化电位低的电位。通过包括由锂化合物组成的辅助活性物质，可获得具有优异的抗过放电的性能。
美国专利第10,177,366号公开了高纯度锂和相关产品。在一般实施例中，本公开提供锂金属产品，其中使用选择性锂离子传导层来获得锂金属。该选择性锂离子传导层包括仅传导锂离子的活性金属离子传导玻璃或玻璃陶瓷。当与商业锂金属相比时，使用选择性锂离子传导层生产的本发明的锂金属产品有利地提供改进的锂纯度。根据本公开，可以获得基于金属的纯度具有至少99.96重量百分比的锂金属。
美国专利第7,390,591号公开了用于保护活性金属阳极的离子导电膜及其制造方法。膜可以结合在活性金属负极(阳极)结构和电池单元中。根据本发明，膜具有对于阳极、阴极以及在电池制造中遇到的环境条件的高的总离子电导率和化学稳定性的所期望的特性。膜能够保护活性金属阳极免于与其他电池部件或环境条件的有害反应，同时提供高水平的离子电导率以促进其中结合该膜的电池单元的制造和/或增强性能。
发明内容
先前已经尝试提供适用于固态电池(SSB)的锂阳极。消除处理锂阳极的困难的一种方式是在更强的基底上在适当位置形成阳极。这允许负载穿过更强的材料，在一些情况下，该材料还可以用作阳极集电体(current collector)。
例如，美国专利第10,177,366号教导了一种沉积在基底上的锂阳极，该锂阳极是通过由锂化学品的水溶液通过锂离子选择性膜进行电解而制成的。这种方法将锂涂层施加到多个基底之一。该方法需要带涂覆机并且使用相对小面积的膜来实现涂覆。该方法对于电池制造存在若干缺点，这使得对于SSB锂阳极生产不太可能没有吸引力：
·电沉积速率低，因此大批量生产需要大量的资金投资，从而导致高的生产总成本。
·该方法使用易燃的有机电解质，该易燃的有机电解质与电解系统的组合容易产生火花，以产生火灾危险。
·制造大的、耐用的固体电解质或离子选择性膜可以是不切实际的，这意味着来自这种机器的生产速率可能不高，因此不太可能实现经济上有吸引力的成本。
US 7390591公开了一种通过不同工艺(包括物理气相沉积)形成在锂离子传导玻璃基底上的受保护的锂阳极。离子传导玻璃旨在用作分离件和层状固体电解质的一部分。该方法适用于制造具有玻璃分隔件的锂SSB，并且通过保护锂免受大气气体的侵蚀而克服了与锂反应性相关的问题。然而，所公开的阳极具有几个缺点：
·它需要由铜制成的集电体，该集电体本质上很昂贵并且造成显著的金融成本(参见表7中用于基底材料成本的比较)。
·它适合于使用玻璃分隔件的电池，但是可能不适合于其他电池设计。
US 5522955公开了一种锂阳极和基于物理气相沉积方法的生产设备。所提出的设备在铜、镍、不锈钢或导电聚合物上沉积8微米-25微米厚的锂层。气相沉积是用于大规模生产包装材料的一种廉价工艺，并且因此能够以有吸引力的成本制造阳极。然而，本公开还设想将离子导电聚合物应用于阳极表面以保护其表面在暴露于空气时免于氧化和氮化，并且产生部分电池组件。该第二步骤在与进行气相沉积的腔室分开的腔室中进行。这可能具有一些缺点，包括：
·它要求由铜制成的集电体，该集电体本质上很昂贵并且造成显著的金融成本(参见表7用于基底材料成本的比较)。
·施加保护涂层所需的设备是复杂的并且需要单独的处理腔室。
虽然现有技术解决了锂箔阳极的一些缺点，但迄今为止尚未开发用于生产低成本SSB锂阳极的有效方法。本公开旨在通过提供帮助以促进制造和/或使用相对改进的、低成本锂金属阳极组件、制造工艺以及用于其生产的设备来解决阻碍锂SSB的采用的这个障碍。
根据在此描述的教导内容的一个广泛方面，一种低成本锂阳极组件可以包括铝箔集电体，该铝箔集电体具有结合到至少一个保护性金属层、结合到至少一个锂金属层的至少一个侧部。
保护性金属层可以包括铜、金、银、镍或不锈钢中的至少一种。
保护性金属层可以在1埃-75000埃厚度之间，更优选地1埃-150埃厚度，并且最优选地20埃-50埃厚度。
锂金属层在0.001微米-100微米厚度之间，但最优选在0.01微米-20微米厚度之间。
这些层中的至少一层可以通过气相沉积工艺形成。
电池可以是使用固态或半固态电解质的固态电池。
电池可以是使用液体或凝胶电解质的锂离子电池。
可以使用密封方法在保护性金属的外缘密封该保护性金属，该密封方法可以包括物理气相沉积、聚合物薄膜应用或聚合物树脂应用、或压接中的一种。
根据在此描述的教导内容的另一广泛方面，一种用于生产低成本锂阳极组件的方法可以包括以下步骤：
a.将至少一个基底卷筒装载到卷对卷物理气相沉积机的气锁腔室中；
b.将气锁腔室与大气密封；
c.排空卷对卷物理气相沉积机的气锁腔室；
d.将卷筒传输至配备有至少一个保护性金属蒸气源和至少一个反应性金属蒸气源的卷对卷物理气相沉积机的金属化腔室；
e.用保护性金属和反应性金属两者对基底卷筒进行卷对卷金属化；
f.使卷筒返回至气锁腔室；
g.重复步骤b至步骤f零次或更多次；
h.对气锁腔室再加压；
i.从气锁腔室卸载至少一个金属化基底卷筒。
步骤a至步骤i可以重复零次或更多次，而不对金属化腔室进行再加压。
再加压气体可以是惰性气体，诸如氩气、氦气、氖气、氙气或氪气等。
在从气锁腔室卸载之前，至少一个金属化基底卷筒可以被放置在气密密封的容器中。
基底可以包括铜、铝、镍、不锈钢、钢、导电聚合物、和/或聚合物。
保护性金属可以包括铜、银、金、镍和/或不锈钢。
反应性金属可以包括锂、钾、铷、铯、钙、镁或铝。
根据在此描述的教导内容的另一个广泛方面，卷对卷物理气相沉积机可以包括：至少一个金属化腔室；真空泵送系统；从动卷筒轴；至少一个金属蒸发源；至少一个气锁腔室；至少一个卷筒传输机构；在金属化腔室与气锁腔室之间连通的至少一个真空密封门；以及在气锁腔室与大气之间连通的至少一个真空密封门。主轴可以是可逆的。
该机器还可以具有以下各项中的至少一项：卷筒匝盒、计算机控制系统和惰性气体再加压系统。
根据在此描述的教导内容的另一广泛方面，用于在锂基电池中使用的阳极组件可以包括集电体，该集电体包括铝并且具有第一侧部，该第一侧部具有支撑表面。至少第一保护层可结合到并覆盖支撑表面。保护层可以包括保护性金属并且可以是导电的。包括锂金属的至少第一反应层可结合至保护层，并且可被配置为当使用阳极组件时接触电解质。第一保护层可布置于支撑表面与反应层之间，使得电子可从第一反应层行进至集电体，且第一反应层与支撑表面间隔开且至少基本上与支撑表面离子隔离，由此可通过第一保护层基本上防止反应层扩散至集电体，从而抑制锂金属与集电体之间的反应。
集电体可以包括连续的铝箔。
铝箔可以具有在约1微米与约100微米之间的厚度。
铝箔可以被配置成连续幅材(web)，该连续幅材包括支撑表面并且物理地支撑第一保护层。
保护性金属可以包括铜、镍、银、不锈钢和钢中的至少一种。
可以经由物理气相沉积将第一保护层沉积到支撑表面上并且在不存在单独的结合材料的情况下结合到支撑表面。
第一保护层可以具有在约1埃与约75,000埃之间的厚度。
第一保护层可具有在约200埃与约7500埃之间的厚度。
第一保护层可具有隔离厚度并且可被定形状为使得第一反应层与集电体完全离子隔离。
保护性金属可以与锂金属不反应。
保护性金属可以覆盖集电体的整个第一侧部。
第一反应层可以具有在约0.001微米与约100微米之间的厚度。
第一反应层可以具有在约0.01微米与约20微米之间的厚度。
可以经由物理气相沉积将第一反应层沉积到第一保护层上并且结合到第一保护层。
阳极组件可不含锂金属箔。
集电体可以包括相对的第二侧部并且进一步包括第二保护层，该第二保护层结合至并覆盖第二侧部，并且第二保护层包括保护性金属。
第一保护层的外缘可以接合至第二保护层的相应外缘，从而用保护性金属密封集电体。
可以经由物理气相沉积、应用聚合物薄膜、应用聚合物树脂和外缘的机械压接中的至少一种将第一保护层接合到第二保护层的相应外缘。
组件可以包括第二反应层，该第二反应层包括锂金属，该第二反应层结合至第二保护层并且被配置成用于当阳极组件在使用中时接触电解质。
根据在此描述的教导内容的另一广泛方面，制造用于在基于活性金属的电池中使用的阳极组件的方法可以包括以下步骤：a)提供集电体，该集电体包括金属基底并且具有第一侧部，该第一侧部在金属化腔室的内部中具有支撑表面，该金属化腔室处于小于约10-2托的操作压力下；b)用至少第一保护层覆盖支撑表面，该至少第一保护层包括保护性金属，该至少第一保护层是导电的，并且该保护性金属经由第一物理气相沉积工艺沉积在支撑表面上；以及c)用至少第一反应层覆盖第一保护层，该至少第一反应层包括反应性金属，该反应性金属经由第二物理气相沉积工艺沉积在第一保护层上，该第一反应层被配置成用于当该阳极组件在使用中时接触电解质。第一保护层可布置于支撑表面与反应层之间，使得电子可从第一反应层行进至集电体，且第一反应层与支撑表面间隔开且至少基本上与支撑表面离子隔离，且由此可通过第一保护层防止反应层扩散至支撑表面，由此抑制反应性金属与集电体之间的反应。
金属基底可以是具有在约1微米与约100微米之间的厚度的箔，并且是包括铜、铝、镍、不锈钢、钢、导电聚合物和聚合物中的至少一种的箔。
金属基底可以包括在步骤a)之前从第一输入卷筒解绕并且在步骤c)之后卷绕至第一输出卷筒上的连续箔幅材。
步骤b)和步骤c)可以在幅材在第一输入卷筒与第一输出卷筒之间移动时执行。
幅材可以以约20米/分钟至约1500米/分钟的处理速度移动。
步骤b)可以包括提供来自至少一个保护性金属蒸气源装置的保护性金属，该保护性金属蒸气源装置被配置为在幅材以处理速度移动的同时在单个道次(single pass)中在支撑表面上沉积约0.001微米至约10微米之间的保护性金属。
步骤b)可以包括将保护性金属沉积到支撑表面上直到第一保护层具有约1埃至约75,000埃之间的厚度。
步骤c)可以包括提供来自至少一个反应性金属蒸气源装置的反应性金属，该反应性金属蒸气源装置与至少一个保护性金属蒸气源装置下游间隔开，该保护性金属蒸气源装置被配置成在幅材以处理速度移动的同时在单个道次中在第一保护层上沉积约0.001微米与约10微米之间的活性金属。
步骤c)可以包括将活性金属沉积到第一保护层上，直到第一活性层具有在约0.001微米与约100微米之间的厚度。
第一输入卷筒可由解绕设备支撑，解绕设备被布置于金属化腔室内。
第一输出卷筒可由卷绕设备支撑，卷绕设备在操作压力下被布置于金属化腔室内。
步骤a之前包括：将金属化腔室内部的压力从大致大气压降低至操作压力；以及经由气锁将第一输入卷筒引入到金属化腔室内部，由此第一输入卷筒可从金属化腔室外部传输至金属化腔室内部而不将金属化腔室内部的压力增加至1kPa以上。
方法可包括，在步骤c)之后，将第一输出卷筒经由气锁从金属化腔室内部移除，由此可将第一输出卷筒在金属化腔室内部传输至金属化腔室外部而不将金属化腔室内部的压力增加至1kPa以上。
该方法可包括在将第一输出卷筒从气锁移除之前将第一输出卷筒密封在气密接收腔室内，该气密接收腔室具有基本上无氧的内部。
在耗尽第一输入卷筒之后，方法可包括经由气锁将第二输入卷筒引入金属化腔室的内部中，且不将金属化腔室的内部中的压力增加至1kPa以上，以及在从第二输入卷筒解绕的金属基底的情况下重复步骤a)至步骤c)。
反应性金属可以包括锂、钾、铷、铯、钙、镁和铝中的至少一种。
反应性金属可以是锂。
在步骤a)–步骤c)期间，金属化腔室的内部可基本上不含氧。
方法可以包括经由第三物理气相沉积工艺用包括保护性金属的第二保护层覆盖集电体的相对的第二侧部。
方法可以包括将第一保护层的外缘密封至第二保护层的外缘以便密封集电体。
方法可以包括将第一保护层的外缘密封至第二保护层的外缘，包括将第一保护层的外缘和第二保护层的外缘机械地压接在一起。
方法可以包括经由第四物理气相沉积工艺用包括反应性金属的第二反应层覆盖第二保护层。
操作压力可以在约10-2托与10-6托之间。
根据在此描述的教导内容的另一广泛方面，锂基电池可以包括阴极组件，该阴极组件具有阴极集电体和阴极反应表面。锂阳极组件可包括阳极集电体，阳极集电体具有铝并且具有第一侧部，第一侧部具有支撑表面。至少第一保护层可结合到支撑表面并可覆盖支撑表面。保护层可以包括保护性金属并且是导电的。至少第一反应层可包含锂金属，该至少第一反应层结合至保护层，并且可被配置成在阳极组件使用时接触电解质。电解质可以设置在阴极反应表面和阳极反应层之间并且可以接触阴极反应表面和阳极反应层。第一保护层可布置于支撑表面与反应层之间，使得电子可从电解质穿过第一反应层和第一保护层行进至阳极集电体。第一反应层可以与支撑表面间隔开并且至少基本上与支撑表面离子地隔离，由此第一保护层基本上阻止了反应层到集电体的扩散，从而抑制锂金属与集电体之间的反应。
第一保护层可以至少基本上将支撑表面与电解质离子地隔离。
电解质可包括直接接触第一反应层并且不直接接触阳极集电体的固体电解质材料。
阳极集电体可以被保护性金属包裹并且可以与电解质物理隔离。
集电体可以包括连续的铝箔。
铝箔可以具有在约1微米与约100微米之间的厚度。
铝箔可被配置为包括支撑表面并且物理地支撑第一保护层的连续幅材。
保护性金属可以包括铜、镍、银、不锈钢和钢中的至少一种。
可以经由物理气相沉积将第一保护层沉积到支撑表面上并且结合至支撑表面。
第一保护层可具有在约1埃与约75,000埃之间的厚度。
第一保护层可具有在约200埃与约7500埃之间的厚度。
第一保护层可具有隔离厚度且可被定形状成使得第一反应层与集电体完全离子隔离。
保护性金属可不与锂金属反应。
保护性金属可以覆盖集电体的整个第一侧部。
第一反应层可以具有在约0.001微米与约100微米之间的厚度。
第一反应层可以具有在约0.01微米与约20微米之间的厚度。
可以经由物理气相沉积将第一反应层沉积到第一保护层上并且结合到第一保护层。
阳极组件可不含锂金属箔。
集电体可以包括相对的第二侧部和第二保护层，该第二保护层结合至并覆盖第二侧部并且包括保护性金属。
第一保护层的外缘可以接合至第二保护层的相应外缘，由此用保护性金属密封集电体。
可以经由物理气相沉积、应用聚合物薄膜、应用聚合物树脂和外缘的机械压接中的至少一者来将第一保护层接合至第二保护层的相应外缘。
包括锂金属的第二反应层可以结合至第二保护层并且可以被配置成用于当阳极组件处于使用中时接触电解质。
根据在此描述的教导内容的另一广泛方面，卷对卷金属化设备可以包括：金属化腔室，该金属化腔室具有的内部可以配置为在第一真空循环期间在小于约0.001kPa的操作压力下。可以在金属化腔室内提供卷对卷卷绕组件，并且该卷对卷卷绕组件可以包括：第一主轴，该第一主轴支撑用于解绕的第一箔材卷筒；第二主轴，箔可以卷绕在该第二主轴上；以及第一箔幅材，该第一箔幅材在其间行进。物理气相沉积设备可以被提供在金属化腔室内并且可以被配置成用于在第一真空循环期间，通过独立地沉积i)到第一箔幅材上的保护性金属层，其中第一箔幅材在第一主轴与第二主轴之间行进，以及独立地沉积ii)到保护性材料层上的反应性材料层，来处理第一箔材卷筒。气锁腔室可具有内部，该内部被配置为在第一真空循环期间处于约操作压力下，并且可被配置成同时容纳至少第一箔材卷筒和第二箔材卷筒。腔室门可以将金属化腔室的内部与气锁腔室的内部分开。当气锁腔室处于低于大气压的传输压力时，腔室门可以在以下配置之间移动：关闭配置，其中金属化腔室的内部被密封并且与气锁腔室的内部隔离；以及打开配置，其中金属化腔室的内部与气锁腔室的内部连通，由此可将第二箔材卷筒从气锁腔室移动到金属化腔室中，同时将金属化腔室的内部保持在传输压力下。在从金属化腔室移除第一箔材卷筒之后，第二箔材卷筒可安装在第一主轴上，使得第二箔幅材在第一主轴和第二主轴之间延伸，并且第二箔幅材可在第一真空循环期间使用物理气相沉积设备处理，以沉积i)到第二箔幅材上的第二保护性金属层，其中第二箔幅材在第一主轴和第二主轴之间行进，以及沉积ii)到第二保护性材料层上的第二反应性材料层。
当腔室门打开时，第一箔材卷筒可以从金属化腔室移动到气锁腔室中。
传输压力可以小于约0.01kPa。
传输压力可以与操作压力基本上相同。
物理气相沉积设备还可以包括：第一施加器，该第一施加器被配置为在第一沉积区中在第一箔幅材上沉积保护性金属层；以及第二施加器，该第二施加器被配置为在保护性金属层的顶部上沉积反应性金属层。
当第一箔幅材从第一主轴传输到第二主轴时，第一箔幅材可以在行进方向上行进，并且第二施加器可以在行进方向上与第一施加器间隔开。
可以在行进方向上与第一沉积区间隔开的第二沉积区中沉积反应性金属层。
物理气相沉积设备可以被配置成用于在第一箔幅材穿过第一沉积区的单个道次中施加保护性金属层。
物理气相沉积设备可以被配置成在第一箔幅材穿过第二沉积区的单个道次中施加反应性金属层。
气锁腔室还可以包括气锁门，该气锁门可以独立于该腔室门在以下配置之间移动：关闭配置，其中气锁腔室的内部被密封并且与周围环境隔离；以及打开配置，其中气锁腔室的内部与周围环境连通。当腔室门关闭并且气锁门打开时，可以在金属化腔室保持在操作压力下的同时从周围环境触及气锁的内部。
卷筒仓盒设备可以被布置在气锁腔室内并且可以被配置成用于从卷对卷卷绕组件接收第一箔材，同时固持第一箔材卷筒和第二箔材卷筒，并且接着在将金属化腔室维持在传输压力下时将第二箔材卷筒从卷筒仓盒设备传输至卷对卷卷绕组件。
惰性再加压系统可被配置成：当腔室门和气锁门关闭至约大气压时，使用相对于反应性材料为惰性的惰性气体，对气锁腔室的内部进行再加压。
包装设备可以位于气锁腔室内，并且可以被配置成在第一箔材卷筒已经被物理气相沉积设备处理之后接收第一箔材卷筒，并且当用惰性气体对气锁内部再加压时，可以操作来将第一箔材卷筒密封在气密接收容器中，由此当接收容器被从气锁腔室移除时，第一箔材卷筒保持与周围环境中的空气隔离。
附图说明
将参考附图描述本发明的实施例，其中，相同的附图标记表示相同的部件，并且在附图中：
图1A是常规锂离子电池单元的示意性图示；
图1B是具有锂阳极的固态电池的示意性图示；
图2是用于与锂基电池一起使用的阳极组件的一个示例的示意性图示；
图3是图2的阳极组件的一部分的放大视图；
图4是图2的阳极组件的立体图；
图5是用于与锂基电池一起使用的阳极组件的另一示例的示意性图示；
图6是示出了制造阳极组件的方法的一个示例的流程图；
图7是示出了制造阳极组件的方法的另一示例的流程图；
图8是包括图2的阳极组件的电池的一个示例的示意性图示；
图9是用于制造阳极组件的设备的一个示例的示意性图示；
图10是沿着图9中的线B截取的剖视图；
图11是沿着图9中的线D截取的剖视图；
图12是沿着图9中的线C截取的剖视图；以及
图13是双面阳极组件的一个示例的示意性图示。
具体实施方式
以下将描述不同设备或过程以提供每个所要求保护的发明的实施例的示例。以下描述的实施例不限制任何要求保护的发明，并且任何要求保护的发明可以覆盖不同于以下描述的过程或设备。所要求保护的发明不限于具有以下描述的任何一种设备或方法的所有特征的设备或方法，或不限于以下所描述的多个或所有设备所共有的特征。有可能的是以下描述的设备或方法不是任何要求保护的发明的实施例。在本文件中未要求保护的下文描述的设备或过程中公开的任何发明可以是另一保护工具(例如，继续专利申请)的主题，并且申请人、发明人或所有人不打算通过在本文件中的公开而放弃、否认或贡献任何此类发明给公众。
部分地由于对移动电子装置、电网存储和电动车辆(EV)的需求不断增长，对电池的需求正在增加。这些装置可以由常规锂离子电池(LIB)供电。常规锂离子电池(LIB)通常使用具有图1A中示意性示出的层状结构的电化学电池，并且为了在此讨论的目的，可理解为通常地包括：
·第一集电体，通常是铜箔21；
·施加至第一集电体22的插层阳极材料，通常是球形石墨；
·阳极电解液，通常是氟化和锂化的烃溶剂23；
·锂离子渗透性分离件，通常是聚合物片材24；
·阴极电解液，通常是氟化和锂化的烃溶剂25；
·插层阴极材料(锂钴氧化物(Lithium Cobalt Oxide)、锂锰氧化物(LithiumManganese Oxide)、锂铁磷酸盐(Lithium Iron Phosphate)、锂镍锰钴(Lithium NickelManganese Cobalt，NMC)和锂镍钴铝氧化物(LithiumNickel CobaltAluminum Oxide，NCA))26；
·第二集电体，通常是铝箔27。
现有LIB可能存在许多缺点，包括：
·依赖于昂贵的材料诸如钴、镍、锂和复杂的有机电解质等，生产它们是相对昂贵的。
·它们可以具有不足的质量和体积能量密度，这至少部分归因于阳极和阴极材料的低锂离子存储容量。
·它们可能相对危险，至少部分地因为对电池的损坏或电池组的过热可导致高度易燃的有机电解质的快速放电和点燃。
·作为它们制造的一部分，在使用之前，它们往往需要长时间(通常约40小时)的缓慢充电，这在专门用于此工艺步骤的电池制造工厂中需要基本上昂贵的设施。
近来已经采用了包括镍和钴的新的电池化学品，诸如使用NMC(镍、锰、钴)或NCA(镍、钴、铝)阴极的那些电池化学品，以帮助解决能量密度的问题。通过增加电池电压和降低阴极材料量，这些可以具有相对改善的能量密度。这种进步虽然至少在某种程度上是有益的，但至少留下了在此描述的未被解决的一些安全和成本问题，包括例如：
·它们通常依赖于与先前的电池相同的易燃电解质。
·它们通常越来越依赖于阴极材料中的稀有元素。
·它们通常在制造工厂中持续需要缓慢充电设施。
具体地，在阴极中使用钴和镍可以使得这些阴极通常不适合用于EV中的广泛应用，因为它们的成本相对较高，和/或与不足以支持全球采用水平的需求的可用钴资源相关联的潜在限制。相反，利用成本更低且更丰富的矿物的电池趋向于经受相对低的能量密度并且不解决这些安全问题。
已提出以解决锂离子电池的缺点的一种方法是锂金属电池固态电池(SSB)。图1B中示出了这种类型的电池的示意性示例，并且这种类型的电池通常可包括：
·第一集电体，通常是铜箔211。
·锂阳极(其可以同时充当集电体)通常是25微米-100微米厚的箔221。
·固体电解质，通常是锂离子导电聚合物、陶瓷或玻璃231。
·类似于在常规LIB中使用的插层阴极材料261。
·第二集电体，通常是具有10微米-100微米厚的铝箔271。
这种类型的电池可有助于解决常规LIB所面临的许多挑战，包括：
·锂阳极具有最大的物理锂离子存储质量密度，该物理锂离子存储质量密度约为石墨的六倍。
·由锂阳极提供的更大能量密度可有助于抵消更低能量密度阴极材料(诸如磷酸铁锂)的使用，这些更低能量密度阴极材料既成本较低又依赖丰富的元素。
·固体电解质消除了在LIB中使用的易燃性溶剂，大大降低了由于热偏移或对电池的物理损坏而引起的火灾的可能性。
·通过构造电池使得所有所需的锂已经位于阳极上(即，电池单元在组装过程中被有效地充电)，可以从电池制造过程中完全消除缓慢充电步骤。
SSB的采用可能受到在电解质与电极之间产生适当接触的困难和/或锂箔的固有相对高成本的阻碍，这两者都增加了最终电池成本。出于多种原因，锂箔阳极的生产成本可能相对较高：
·锂金属可能是昂贵的，至少部分是因为其生产所需的合适进料材料的开采和提炼是昂贵的。
·锂金属的强度和密度相对低(与其他可替代性金属箔相比)可以使得相对难以处理和轧制成电池阳极所期望的小厚度。
·锂金属容易与空气和湿气反应，这可能使得箔的处理和储存困难。
·一些当前生产方法的小规模抑制了通常会降低半成品成本的规模经济的影响。
此外，通过挤出生产的锂箔具有显著的表面缺陷，这可能阻碍沉积方法，由此限制用于应用SSB的固体电解质的可用生产技术。
在此所描述的教导内容旨在通过帮助提供可以减少和/或消除对使用锂箔的需要的适当的锂阳极来帮助解决至少后者问题。即，本教导涉及能够适用于锂金属固态和/或锂离子电池的阳极组件，并且涉及能够用于其制造的工艺和设备/仪器。本公开的一些方面还可以涉及生产用于一种或更多种类型的锂基电池(lithium-based battery)中的相对低成本的锂阳极组件(如在此所用)，这些锂阳极组件可以指锂固态电池(SSB)和锂离子电池(LIB)两者，连同可以适用于与本文所描述的阳极组件一起使用的其他电池类型。本教导还可涉及可用于阳极组件的卷对卷金属化基底的相对低成本的生产。根据某些非限制性实施例，本公开可以公开一种低成本锂阳极和集电体组件、一种用于生产此类组件的工艺、以及可以在其上操作此类工艺的物理气相沉积仪器。这些教导还可以涉及包括在本文中描述的阳极组件的示例的电池。
根据在此描述的一个实施例，用于在锂基电池中使用的阳极组件可以包括集电体基底，该集电体基底包括铝并且具有旨在接收/支撑该组件的其他部件的支撑表面。包括锂金属的反应层被配置为在阳极组件使用时接触电池内的电解质，并且通常由集电体基底支撑。为了帮助减少反应锂层与集电体中的铝之间的不希望的反应的机会，该组件还可以包括适当的保护层，该保护层被结合到并覆盖支撑表面并且包括适当地保护性金属，该保护层是导电的。在此布置中，保护层布置于支撑表面与反应层之间，使得电子可从第一反应层行进到集电体，且第一反应层与支撑表面间隔开且至少基本上与支撑表面离子隔离。因此，保护层可以帮助至少基本上防止或抑制，并且可以完全防止反应层扩散至集电体，这可以帮助至少基本上抑制以及可选地完全防止锂金属与集电体之间的不希望的反应。集电体基底与反应层之间的这种类型的隔离可有助于促进锂在反应层中的使用，同时有助于促进在集电体中的材料的使用，该材料通常可能期望用作集电体，否则(例如，在不存在合适的保护层的情况下)将以降低阳极组件的有效性和/或可能损坏或降低阳极组件或其子层的有用性的方式与反应层中的锂反应。
如在此使用的，术语层描述了给定材料(诸如保护性材料等)的量，该给定材料通常是连续的并且不被中间材料或结构中断。任何给定的层可以通过对层材料的单次应用(例如，如在此描述的物理气相沉积工艺的单个道次)来形成，该单次应用是在单个步骤或工艺中施加用于给定厚度的层的所有材料。可替代地，如在此描述的单层还可以作为该层材料的两次或更多次应用(例如，经由如在此描述的物理气相沉积工艺的多程)的结果/组合而形成，每次施加该层材料的一部分并且在通过累积来自该两次或更多次应用的材料而形成的层上测量总层厚度。
在此所描述的阳极组件可以经由多种工艺来制造，这些工艺包括电镀、化学镀、层压、热浸金属化、波峰焊以及其他工艺，然而，出于将明确的原因，在此所公开的卷对卷真空金属化(包括电子束或磁控管蒸发)或物理气相沉积(PVD)工艺和仪器可以提供一种制造本发明的阳极组件的有利方法。
现有的商用卷对卷金属化仪器通常地使用真空腔室，在该真空腔室中装载了所期望的基底的卷筒。然后将腔室抽空至10-2至10-6托(Torr)的压力。然后，当该卷筒从它所装载的筒传输到接收筒上时，电阻、电感、电子束或磁控管源使金属蒸发。当整个卷筒已经被金属化时，腔室被再加压并且卷筒被移除。溅射源也可以用于提供物理蒸气。在典型的循环中，花费15分钟-30分钟的装载、30分钟-60分钟的抽空和60分钟-120分钟的金属化、5分钟-10分钟的再加压和15分钟-30分钟的卸载，这导致总生产可用性在30％&65％之间。这些数字仅是近似值，并且对于所有机器可能不相同。
待处理的基底上的表面污染物(例如，来自处理材料)可以导致相对差的表面质量和涂层的粘附性，从而导致再工作以及总体相对较低的生产率和较高的生产成本。锂基阳极的氧化和氮化(诸如通过大气气体)会损坏阳极组件，从而增加废料并降低生产率。此外，使用锂箔作为输入的工艺可能由于相对高成本的这种材料而不利。
因此，本文的教导内容涉及可以实现以下各项中的一项或更多项的阳极和阳极生产过程：避免使用锂箔、增加仪器可用性并且减少再工作。
本文的教导内容的另一方面涉及一种用于生产多层阳极或阳极组件的方法，该方法通过经由PVD工艺将不反应的金属和反应的金属和/或其他材料(包括固体电解质膜，该固体电解质膜包括聚合物薄膜、玻璃薄膜或陶瓷薄膜)的连续层沉积到基底上，使得此类层的沉积发生在同一仪器内而不破坏真空，并且由此显著减少循环时间。这可以帮助提供优于一些已知系统的一个或更多个以下优点：可以避免锂箔的使用；减少基底污染的机会；还减少处理和暴露于大气的情况；可以增加仪器的利用率；可以减少与建立真空相关联的能量成本。这可以帮助提供适用于SSB的低成本阳极组件。
一种用于实现这些优点中的一些优点的设备可以包括卷对卷真空金属化件，该卷对卷真空金属化仪器具有真空金属化腔室、真空建立装置、两个或更多个蒸发的金属源(其中至少一个源用于锂金属，并且一个源用于非反应性金属)、卷筒仓盒、气锁、卷筒交换装置、控制系统、以及可选地惰性气体容器化系统。在共同真空金属化腔室内提供多个蒸发金属源可有助于允许在腔室内施加两种或更多种不同材料，而不必在金属施加之间对真空室再加压和抽空。这可以节省可用性和能量。使用合适的气锁和仓盒可有助于允许在卷筒的金属化正在进行时装载和排空一组或更多组另外的卷筒。一旦完成金属化，处理过的卷筒可用新的、未处理的卷筒替换，而不破坏真空(例如，在单个真空循环内)，从而增加仪器的可用性。惰性气体容器化系统可以允许在惰性氛围下将成品卷筒放置和密封在容器中而不离开仪器，由此降低处理过的卷筒被污染的可能性或反应性金属与大气中的气体(例如氧气)之间的不希望的反应。
参见图2-图4，阳极组件100的一个示例包括集电体基底102、反应层106和保护层104，保护层104位于集电体102和反应层106之间以至少基本上将反应层106与集电体102离子隔离。
集电体102可以由任何适合的材料形成，包括适用于如本文所描述的电池中的已知金属箔。在此示例中，集电体102由铝箔形成。与先前设想的锂金属阳极不同，包括保护层104可允许使用铝箔材料作为集电体102，铝箔材料是比铜或其他常规材料低成本的导电基底。相对于在现有技术中使用的其他金属或聚合物作为集电体基底的组件，这可以有助于降低阳极组件100的输入材料成本集电体。在一些实施例中，如果希望的话，其他材料(铜、铝、镍、不锈钢、钢、导电聚合物、聚合物以及它们的组合)可以用于集电体。
集电体102具有前侧部108和相对的后侧部110，当阳极组件100在电池内使用时该前侧部旨在面向电解质和阴极组件。前侧部108可包括安装部分或表面112，该安装部分或表面112是集电体102的与保护层104结合并被保护层104覆盖的部分。安装表面112可以覆盖前侧部108的全部或至少基本上全部，如该实施例中所示，或者可替代地可以覆盖前侧部108的小于100％。
集电体102可以由任何适合的金属形成，并且优选地可以由铝形成。在本示例中，集电体102由铝箔的连续幅材形成，但在其他示例中可具有不同的配置。保护层104的存在可有助于使用铝箔作为集电体102和最终支撑反应层106中的锂金属的物理基底。优选地，阳极组件100仅需要在集电体102中包括铝箔作为连续的物理基底以帮助支撑组件100的其他部分，并且可以在不需要使用锂箔或铜箔(例如，可以不含锂箔)的情况下形成。
使用铝来形成集电体102可具有使其成为极佳集电体的若干有益特性。例如，从用于形成集电体的可用且合适的金属中，铝在体积上可能是成本最低的金属之一。铝也可以作为足够坚固的薄箔以在阳极组件100的制造期间抵抗撕裂，并且与其他箔(诸如锂箔等)相比在制造过程中相对更容易卷起、展开和通常处理。铝也是充分且相对有效的电导体，其可帮助确保阳极组件100如所期望的那样起作用。
事实上，这些特性可能是导致铝箔经常用于阴极集电体的LIB中的一些因素。然而，铝通常被认为不适合作为本文所考虑的负极集电体(通常因为它在直接暴露时与锂金属的不相容性)。例如，铝可被认为不适合用于阳极集电体，因为它在相对小的电势下容易与锂合金化。通过置换晶体结构中的铝，锂引起集电体显著膨胀，导致其降解和最终分解，由此限制电池的寿命。因此，铝并不用于LIB中的该目的或用于本发明人所知的SSB的阳极集电体。
在此示例中，集电体102可以形成为具有任何合适的大小、形状和厚度，如适合用于给定电池设计或类似应用中。例如，取决于给定的应用，集电体102具有可以在约1微米与约100微米之间或更大的集电体厚度114。
优选地，用于形成集电体102的铝箔可以提供为连续箔幅材，该连续箔幅材从第一或铝箔材卷筒源解绕并且可以在制造过程中行进穿过处理或制造区，其中用于形成保护层104和反应层106中的至少一个(并且优选地两个)的材料可以施加到该连续箔幅材。在此布置中，铝集电体102及其上的支撑表面112可以物理地支撑保护层104和/或反应层106。这可帮助减少和/或消除对由连续箔或幅材形成的保护层104和反应层106需要，且相反地可允许用于形成保护层104和反应层106的材料直接沉积或以其他方式施加到集电体102的支撑表面112。本文描述了适合这种性质的制造过程的一些示例。
保护层104由任何合适的保护性材料形成，该保护性材料可以在反应层106与集电体102之间提供期望程度的导电性，并且还可以(在施加有合适的厚度时)将反应层106与集电体102离子隔离。用于形成反应层104的金属还优选相对于集电体102的材料和反应层106的材料两者完全或至少基本上呈惰性，以帮助防止层102和层104或层104和层106之间的电化学腐蚀或其他不希望的反应。在给定组件100中使用的特定材料可能受到在该实施例中用于形成集电体和反应层的特定材料的影响。
用于形成反应层104的适当材料的一些示例通常是金属，并且可以包括铜、镍、银、钢、不锈钢、铬以及来自反应层106的锂不容易嵌入其中(例如，与锂金属充分不反应)的其他金属或合金。
保护层104具有保护或隔离厚度116，该保护或隔离厚度116可以被选择为可以使反应层106与集电体102充分隔离的任何厚度，并且优选地被选择为提供所期望的隔离度的最小厚度。例如，厚度116可以在1埃-75,000埃(Angstrom)之间，并且更优选地可以在约1埃-15000埃厚之间，在一些实施例中最优选在约200埃-7500埃之间的厚度。
集电体102和保护层104的厚度114和116可以被修改以实现不同的电池特性。这可以帮助为电池制造商提供一些灵活性以权衡与涓流充电相关联的资本和存货成本，以及与较厚的锂涂层相关联的相对较高的阳极成本。这种灵活性可允许制造商定制其生产过程以适应产品需求及其业务限制。
可选地，可以在保护层104与集电体102之间引入另一个金属层，例如银、金、镍或不锈钢、或任何其他合适的金属，例如以帮助改进保护层104与集电体102中的铝箔的结合。
可以使用任何合适的技术将形成保护层104的材料应用到集电体102。一种合适的应用技术是物理气相沉积，其中保护性材料可以被提供作为合适的金属蒸气，该金属蒸气作为薄的、高度粘附的且基本上纯的金属(或合金)涂层沉积到支撑表面112上。保护层104可以在一个沉积道次/步骤中形成，或者可以使用两个或更多个道次来创建以构建具有期望厚度116的保护层104。该技术可以允许将保护性金属材料结合到集电体102，而不需要使用单独的结合材料、粘合剂等。
反应层106可以由任何期望的材料(包括锂、钾、铷、铯、钙、镁和铝的材料)形成，并且在此描述的示例中由锂金属形成。反应层106被定尺寸和被定形状成提供用于接触电池中的电解质材料的期望接触表面120。
反应层106可以具有任何合适的厚度，并且优选地可以具有在约0.001微米与约100微米之间、或可以在约0.01微米与约20微米之间的厚度。
可以使用任何合适的技术来提供这种性质的反应层106，并且优选地可以在不使用锂箔(例如，不含锂箔，同时包含锂金属)的情况下应用。在本示例中，在已经沉积保护层104之后执行的第二沉积工艺中，还经由物理气相沉积来施加反应层106。优选地，如本文所描述的，两个沉积工艺可以使用公共机器来执行，并且可以在相同的处理腔室中和在相同的真空循环下完成。
阳极组件100可以进一步处理或与任何合适的电解质材料(可选地包括固体电解质、阴极和其他元件)组合以生产用于电动车辆或电子装置中的电池单元。
在图2和图3的实施例中，保护层104被设置在集电体102的前表面108上。这对于阳极组件100的一些预期用途可能是足够的，诸如当在固态电池中使用和/或与仅仅、或至少基本上仅仅与反应层106物理接触的固体电解质材料组合使用时。即，通过在锂反应层与铝集电体102之间插入保护性金属层，可使铝集电体102对形成阳极组件100的外部接触表面的反应层106中的锂基本上呈惰性。因为固体电解质电池限制暴露于电解质的导电表面，铝集电体102通常不会与铜保护层104共享离子连接，因此组件100不太容易受电偶腐蚀。
可替代地，集电体102可在两侧上涂覆有保护性金属材料，使得阳极组件1100的另一示例包括在集电体102的前侧部108上(例如，在集电体102与反应层106之间)的第一、前部保护层104a以及结合到集电体102的相对后表面110的第二、后部保护层104b。这可以帮助防止不希望的化学反应(诸如电偶腐蚀)影响至少基本上所有以及可选地所有集电体102的的前面和后面。
可选地，前部保护层104a和后部保护层104b的外缘可以彼此接合，从而有效地将集电体102密封在保护性材料内并且总体上将集电体102与周围环境进行离子隔离。保护层104a和104b可使用任何合适的技术彼此接合，包括例如PVD、应用聚合物薄膜或树脂、压接(crimping)等。至少保护集电体102的后表面108，并且还可选地通过密封前层104a和后层104b来保护集电体102的侧边缘，可有助于促进阳极组件1100在使用非固体电解质(例如，液体和/或凝胶(诸如常规LIB)，其可增加集电体102的后表面108与电解质材料接触的可能性)的电池中的使用。
后保护层104b可以使用用于形成保护层104a的相同工艺(例如，物理气相沉积)或经由不同工艺来形成。
可选地，阳极组件的一些实施例可以配置为双侧阳极，其中集电体的前侧部和后侧部(或更一般地，相对的第一侧部和第二侧部)涂覆有相应的保护层和反应层。在图13中示意性地示出了双面阳极组件2100的一个示例。在此示例中，集电体102在一侧上具有第一保护层104a，且第一反应层106a施加到第一保护层104a。第二保护层104b被设置在集电体102的相对后侧部且覆盖有第二反应层106b。可选地，如上文所描述，保护层104a和104b可接合在一起，且在一些示例中，反应层106a和106b可按类似方式彼此接合。
仅出于示例性目的，以下表1至表7中包括了一些比较成本估算，其中具有用于制造一些常规阳极组件的输入材料的成本的评估，以及在此描述的阳极组件中使用的输入材料的成本的评估。
表1-常规锂箔阳极成本评估(2019)
Figure BDA0003366683930000211
表2-常规铜箔和锂箔阳极组件的成本评估(2019)
Figure BDA0003366683930000212
表3-锂金属阳极组件的成本评估(2019)
Figure BDA0003366683930000213
表4–根据本公开的低成本锂金属阳极组件的成本评估(2019)
Figure BDA0003366683930000221
表5-薄锂金属阳极组件(用于涓流充电)的成本评估(2019)
Figure BDA0003366683930000222
表6-根据本公开(用于涓流充电)的薄低成本锂金属阳极组件的成本评估(2019)
Figure BDA0003366683930000223
Figure BDA0003366683930000231
表7-集电体基底材料的大致成本(2019年评估)
Figure BDA0003366683930000232
阳极组件100和1100可以与其他部件组合使用以提供锂基电池，该锂基电池包括任何合适的阴极组件，该阴极组件包括阴极集电体和阴极反应表面以及如本文描述的锂阳极组件。电解质可布置于阴极反应表面与阳极反应层之间且可接触阴极反应表面与阳极反应层，且第一保护层可布置于支撑表面与反应层之间，使得电子可从电解质行进穿过第一反应层和第一保护层到阳极集电体。第一反应层可以与支撑表面间隔开并且至少基本上与支撑表面离子地隔离，由此反应层向集电体的扩散基本上被第一保护层阻止，由此抑制锂金属与集电体之间的反应。即，第一保护层可至少基本上使支撑表面与电解质离子隔离。电池130的示意性示例在图8中示出，并且包括阳极组件100结合电解质132和合适的阴极组件134的示意图表示。
根据电池设计，电解质可以包括直接接触第一反应层并且不直接接触阳极集电体的固体电解质材料，或者可以包括不同类型的电解质材料。优选地，阳极集电体(例如，集电体102)被保护性金属包封在保护层104中并且与电解质进行物理地和离子地隔离。
可以使用任何合适的制造工艺来制造在此描述的阳极组件，包括在此描述的那些制造工艺。优选地，制造工艺可以利用至少两个物理气相沉积工艺将保护层104和反应层106施加到集电体102上，并且更优选地可以在至少半连续工艺中进行，其中层104和106以卷对卷工艺沉积在移动的铝箔幅材上。当物理气相沉积要在低压/真空条件下进行时，该制造工艺可以优选地被配置成使得保护层和反应层104和106两者在共同设备/金属化腔室内并且在同一真空循环和条件下沉积到集电体102上。这可帮助减少或消除打破沉积保护层104与反应层106之间的真空条件的需要，这可帮助缩短制造时间和/或减少在沉积反应层106时重新产生第二真空条件所需的能量的量。可选地，完成的材料(例如，具有保护层和反应层104和106的集电体102)可在卷对卷工艺结束时卷绕到输出卷筒上，并且优选地输出卷筒可随后被包装和/或以其他方式处理，同时仍在相同的真空腔室内，以使包装和/或处理可在输出卷筒暴露于周围环境中的氧气之前完成。
参见图6，制造阳极组件600的方法的一个示例包括在步骤602在金属化腔室的内部中提供金属集电体基底(例如，集电体102)，该金属化腔室可配置在大气压下并且可(诸如通过使用合适的真空泵送设备等)选择性地配置为具有小于大气压的内部操作压力。金属化腔室中的操作压力可以是促进所期望的物理气相沉积过程的任何适合的压力，并且在一些示例中可以在约10-2托与10-6托之间。优选地，在形成层104和106时，这可提供金属化腔室的基本不含氧的内部。
在步骤604，经由第一物理金属沉积工艺，使用一个或两个或更多个道次，用保护性金属材料至少部分地涂覆集电体102上的支撑表面112，以建立和提供保护层104。
在步骤606，经由第二物理金属沉积工艺，利用一个或两个或更多个道次，保护层104至少部分地涂覆有反应性金属材料，以构建且提供反应层104，借此第一保护层104布置于支撑表面112与反应层106之间，使得电子可从第一反应层106行进到集电体102，且第一反应层106与支撑表面112间隔开且至少基本上与支撑表面112离子隔离，并且由此通过第一保护层防止反应层106扩散到支撑表面112，由此抑制反应性金属与集电体102之间的反应。
优选地，集电体102材料是连续的金属箔，该连续的金属箔在步骤602之前经由可选步骤608从第一输入卷筒解绕，并且然后在步骤606之后经由可选步骤610卷绕到第一输出卷筒上。在此布置中，步骤604及步骤606可优选地在连续金属箔幅材在第一输入卷筒与第一输出卷筒之间移动时执行。
第一且后续的输入卷筒可由任何合适的解绕设备支撑，该解绕设备优选地也位于低压金属化腔室内，使得卷筒可解绕且在维持腔室中的真空的同时进入幅材。类似地，输出卷筒可被保持在合适的卷绕设备上，该卷绕设备优选地也位于低压金属化腔室内，使得输出卷筒可在保持腔室内真空度的同时被卷绕。幅材可在输入卷筒与输出卷筒之间以任何合适的处理速度移动，这允许期望的沉积工艺成功地完成，并且该处理速度可在约20米/分钟与约1500米/分钟之间。
可选地，步骤604可以包括从至少一个保护性金属蒸气源设备(诸如保护性金属蒸气源)提供保护性金属，该保护性金属蒸气源被配置成当幅材以处理速度移动的同时在单个道次中在支撑表面112上沉积约0.001微米与约10微米之间的保护性金属。然后，如果需要，可以重复该沉积工艺，例如通过反转幅材的行程，然后使支撑表面112的先前涂覆的部分通过保护性金属蒸气源，进行第二次和/或随后的道次，并将保护性金属沉积到支撑表面112上，直到第一保护层具有约1埃至约75,000埃的厚度。
可选地，步骤606可以包括从至少一个反应性金属蒸气源设备(诸如反应性金属蒸气源)提供反应性金属，该反应性金属蒸气源被配置成在幅材以处理速度移动的同时在单个道次中在保护层104上沉积约0.001微米与约10微米之间的反应性金属。然后，如果需要，可以重复该沉积工艺，例如，通过反转幅材的行程，然后使保护层104的先前涂覆的部分通过反应性金属蒸气源进行第二次和/或随后的道次，并且将反应性金属沉积到保护层104上，直到第一反应层具有约1微米至约20微米之间的厚度。优选地，反应性金属蒸气源可以在幅材行进的方向上与保护性金属蒸气源间隔开、并且可选地可以在该保护性金属蒸气源的下游。这可以允许在集电体幅材的单个道次中形成保护层104和反应层106两者，条件是反应性金属蒸气源和保护性金属蒸气源被操作以在单个道次中沉积足够量的它们对应的金属。
可选地，在开始解绕集电体幅材并开始沉积工艺之前，方法600可包括，在步骤612，将金属化腔室内部的压力从大致大气压降低至操作压力，然后将第一输入卷筒经由气锁引入到金属化腔室内部，由此可将第一输入卷筒从金属化腔室外部传输至金属化腔室内部，而不将金属化腔室内部的压力增加至1kPa以上。优选地，气锁中的压力可以降低至低于约10-2托的合适的传输压力，并且优选基本上与打开腔室门以连接腔室之前的操作压力相匹配，但是在一些示例中，气锁中的传输压力可以小于大气压，但仍可高于操作压力。这可以帮助允许将金属化腔室维持在或至少基本上接近操作压力，同时将新的集电体箔材卷筒带入腔室中而不破坏真空–例如在相同的真空循环期间。真空循环可以理解为包括金属化腔室的大量减压(诸如从大约大气压减到接近或减到操作压力)、将腔室保持在基本上操作压力下且可发生金属沉积的操作周期，以及然后将金属化腔室随后再加压到显著大于操作压力的压力，在该压力下沉积工艺可能不按预期起作用(诸如从操作压力返回到大约大气压，或其他大约50kPa或更多的增加)。传输箔材卷筒期间气锁压力或传输和金属化腔室压力的微小差异可能需要在传输完成时对金属化腔室压力进行小幅校正，但是这种压力差将优选地小于约10-2托，并且优选地小于约10-6托或更小，并且出于本文的教导内容的目的可以被认为是在相同的真空循环内。因为对金属化腔室加压和减压可能花费时间并且需要额外的能量输入来驱动合适的真空设备，所以结合如本文所描述的气锁可减少将新箔材卷筒引入到金属化腔室中所花费的时间量，因为不必打破真空且然后恢复金属化腔室内的真空条件(例如，可允许两个或更多个箔材卷筒在金属化腔室的单个真空循环内被物理气相沉积设备处理)。
类似地，方法600可包括可选的步骤614，其中第一输出卷筒(保持已完成的组装材料)可经由气锁(可选用于引入输入卷筒的相同气锁或不同气锁)从金属化腔室内部移除，由此可将第一输出卷筒在金属化腔室内部传输至金属化外部，而不将金属化腔室内部内的压力增大至高于约10-2托。优选地，在打开气锁门以连接腔室之前，可以降低气锁中的压力以匹配操作压力，但是在一些示例中，气锁中的压力可能小于大气压，但是仍然可以高于操作压力。这可帮助允许金属化腔室保持在或至少基本上接近操作压力，同时将新的集电体箔材卷筒带入腔室中而不打破真空。这可减少将输出卷筒从金属化腔室移除所花费的时间量，因为不必打破真空然后恢复金属化腔室内的真空条件。
优选地，步骤612和步骤614可以利用公共气锁腔室，因为这可以帮助降低机器的复杂性。可选地，在耗尽第一输入卷筒之后，可将新的、第二输入卷筒从设置在气锁内(例如在低压区域中)的卷筒仓盒/保持设备移动并经由气锁移入金属化腔室内部而不会将金属化腔室内部压力增加到1kPa以上(优选同时将其保持在大约所需操作压力下)。然后可以使用从第二输入卷筒解绕的金属基底来重复步骤608-步骤612。
该方法还可包括可选的包装步骤616，在该步骤616期间，第一输出卷筒可被包装、处理和/或密封，同时仍被容纳在金属化腔室或气锁的气密低压内部中，或者在将第一输出卷筒从气锁移除之前被容纳在具有基本上无氧的内部的单独接收腔室的气密内部中。这可以帮助减少完成的阳极组件暴露于氧气的机会。
参见图7，示出了经由卷对卷物理气相沉积工艺生产用于固态电池的阳极组件的方法700的另一示例，该方法在单个金属化腔室中将蒸气源用于保护性金属和反应性金属两者。在此示例中，沉积保护性金属及反应性金属的工艺可在金属化腔室的单一真空循环内完成。即，金属化腔室中的压力可降低到操作压力，且保护性金属与反应性金属的沉积可在金属化腔室中的真空被释放且其返回至大气压之前完成。这与降低金属化腔室中的压力、沉积保护性金属、升高金属化腔室中的压力(例如以允许进入腔室或移除部分处理的铝箔)且随后再次降低压力以沉积反应性金属的工艺相反。
优选地，为了帮助允许移除完成的输出卷筒并且用含有待涂覆的铝箔的新的输入卷筒替换它们，可以使用与金属化腔室分开但与之连通的气锁来帮助促进卷筒进行更换，而不在卷筒变化期间释放金属化腔室中的真空。
在方法700的此示例中，步骤702包括将第一组铝箔材卷筒加载到与金属化腔室相邻的气锁仓盒腔室中。本文所述的各组卷筒包含至少一个待处理/涂覆的铝箔输入卷筒，并且优选地可包括多个可顺序处理的输入卷筒。为了提供示例的目的，将使用N个输入卷筒的集合来描述该方法。
步骤704包括定位一组接收容器，该接收容器包括至少一个接收容器，该接收容器被配置成在该气锁腔室内接收至少一个输出卷筒。在步骤706，可以密封外部可进入的气锁腔室通路门，并且将气锁腔室抽空至10-2至10-6托的第一操作压力。
然后将气锁腔室与金属化腔室分离的真空密封腔室门可在步骤708打开，以提供气锁腔室的内部与金属化腔室的内部之间的连通，该连通优选地已经处于或大约处于操作压力。
在步骤710，然后将含有铝箔的输入卷筒从气锁腔室传输并且进入保持在其操作压力为10-2至10-6托的真空的金属化腔室中。然后在步骤712，可关闭真空密闭腔室门并使真空密闭腔室门气密，以将金属化腔室的内部与气锁腔室的内部隔离。
现在金属化腔室处于其使用或操作配置中，然后可以将铝箔从输入卷筒展开并且在步骤714以约20米/分钟-1,500米/分钟之间的幅材速度卷到接收卷轴或主轴上。当铝箔幅材移动时，它可以通过第一沉积区，其中保护性材料(例如在此示例中)，铜可以从保护性金属蒸气源沉积到铝箔上，该保护性金属蒸气源优选地能够以幅材速度0.001微米/道次-10微米/道次、并且优选地0.1微米/道次-1微米/道次沉积。如果需要，该步骤中的卷绕和解绕可以重复两次或更多次，以帮助实现1埃-75000埃的期望保护厚度。
在完成保护性金属的沉积之后，该步骤714然后还可以包括铝箔的附加的卷绕和解绕并且将其移动通过第二沉积区，在该第二沉积区中的反应性金属(例如锂)，使用反应性金属蒸气源沉积在保护层的顶部上，该反应性金属蒸气源优选地能够以幅材速度0.001微米/道次-10微米/道次沉积。这可继续/重复，直到达到所需的反应层厚度。
当铝箔已经涂覆有保护性金属和反应性金属两者时，则在步骤716，可以打开气锁腔室的真空密封腔室门以便在金属化腔室与气锁腔室之间重新建立连通。
然后步骤718可以包括将现在可以被认为是包括涂覆箔的输出卷筒传输到气锁腔室中，以及步骤720包括当气锁腔室仍处于真空条件下(例如，处于或接近操作压力)时将输出卷筒放置到接收容器中。
步骤708至步骤716可随后对在气锁腔室内的卷筒储存仓盒内等待的下一个输入卷筒重复，并且可继续重复，直到仓盒中的N个卷筒中的最后一个卷筒已在金属化腔室中被处理并返回到气锁腔室。
当当前组中的最后的箔材卷筒已经被涂覆并返回到气锁腔室时，方法700然后可以进行到步骤722，在步骤722中，可以使用被配置成对气锁腔室内部进行再加压的任何合适的再加压系统来对气锁腔室进行再加压并且所述气锁腔室能够返回到大约大气压。优选地，这可以使用诸如氩气、氖气、氦气、氙气、氪气的惰性气体(例如，相对于反应性材料是惰性的气体)来完成，以帮助减少涂覆的卷筒暴露于氧。随着压力恢复到大约大气压，然后接收容器(可选地，每个卷筒可以提供一个容器，或者两个或更多个卷筒可以保持在一个容器中)可以以气密(gas tight)/气密(air tight)方式密封在步骤724。
在将涂覆的卷筒密封在它们的容器内之后，可以在步骤726打开气锁腔室进入门，并且可以在步骤728从气锁腔室中移除密封在其中的、具有涂覆的卷筒的接收容器并且运输以用于进一步处理。
如果要处理第二组N个卷筒，然后方法700可以在步骤702重新开始以用于第二组铝箔材卷筒，其中将新的N个卷筒装载到气锁仓盒腔室中。
用于实施在此所描述的方法的仪器可以被配置并且优选地被优化，以便帮助确保气锁腔室中的仓盒区域的大小使得它的再加压、卸载、再加载和去加压可以在基本上使箔材卷筒金属化所需的时间量内进行。这样，可以以基本上连续的方式进行金属化操作，从而避免与常规机器相关的停机时间，其中金属化腔室在每个卷筒之间传输时重新加压和减压，并且因此将机器生产率提高约35％至65％。这可以帮助促进生产率的增加，这可以允许降低阳极组件生产的成本。
类似地，本公开的操作方法可以通过减少每卷筒处理基底需要被抽真空的总体积来帮助减少与真空泵送相关联的能量消耗。由于仓盒气锁腔室和金属化腔室之间的卷筒的传输在真空下进行(例如在大约操作压力下)，这也可有助于减少在装载和卸载过程期间以灰尘和其他污染物形式引入金属化腔室中的异物的量，这可有助于减少废料的产生，从而进一步提高系统的生产力。
在一些示例中，在同一轧制操作过程中(即，在幅材的单个道次中)顺序地施加反应性金属涂层和非反应性金属涂层是可能的，其条件是每种金属的总质量通量足以在一个道次中沉积每种对应的金属的所期望的厚度。
本领域的技术人员将了解的是，在此描述的方法没有描述当处理/涂覆卷筒时可以执行或使用的每个单独的可选操作或仪器(诸如某些表面制备步骤)，诸如等离子体清洁、火焰处理、电晕放电或粘性卷筒接触或仪表，诸如压力传感器、张力传感器和气体分析器或混杂仪器(诸如冷却沉积鼓、惰性卷筒和复绕卷筒)，这些在真空金属化系统中是常用的。为了清楚起见，已省略此类工艺和仪器，并且认为这些工艺和设备根据需要被结合在本文中。
可选地，在此描述的方法还可以被补充以包括附加的气相沉积源、或适合于将薄膜施加至卷筒的其他沉积源。此类工艺可例如将附加的结合层或固体电解质层、阴极层和阴极集电体层施加到涂覆的铝箔幅材上，同时仍在相同的金属化腔室内操作并且不必在连续操作/涂覆之间对腔室再加压。
在此描述的方法可以被修改并且应用于基底(诸如铜、镍、不锈钢、导电聚合物、或非导电聚合物等)的其他合适的反应性金属金属化过程。
在此描述的方法可以应用于其他合适的反应性金属金属化工艺，其中层状结构是针对应用而生产的并且不需要仅限于阳极组件的生产。
在此描述的阳极组件和方法可以使用任何合适的设备来生产，这些设备可以包括各种不同的部件和子系统(视情况而定)。可以用于生产在此描述的阳极组件的设备的示例是以下描述的并且在图9-图12中示意性地示出。这些示意性图示示出了设备的各方面可以如何布置成一起工作，但是为了清楚起见，不包括包含在设备的生产版本中的每件硬件等的图示。
在该示例中，卷对卷金属化设备400包括金属化腔室41，金属化腔室41具有可在第一真空循环期间在小于约0.001kPa的操作压力下配置的内部。卷对卷卷绕组件位于金属化腔室内，并且在该示例中卷对卷卷绕组件包括第一和第二可逆驱动卷筒主轴42。真空泵送系统44优选地能够达到所期望的操作压力10-2托-10-6托来真空连接到金属化腔室并且可以由任何合适的控制器45控制，在这个示例中该控制器45包括计算机控制系统45(但可以包括其他控制器，诸如PLC等并且还可以包括任何期望的传感器、换能器以及用户输入/输出装置)。控制器45可以被配置成用于控制典型的参数，诸如滚动速度、源强度、真空度、滚动方向等。与常规的控制系统不同，控制器还可以通过位置编码器、真空计等来控制气锁循环以及卷筒交换循环过程。
腔室41由腔室壁界定并且包括至少一个可打开的腔室门(示出为门46)，箔材卷筒可以通过该可打开的室门被引入到金属化腔室41中。真空金属化腔室41、真空泵送系统44和可逆卷筒主轴42为了参考而示意性地示出，并且对于此设备400的给定示例可以具有任何合适的设计。
设备400还可以可选地配备有张紧器、空转辊、典型的传感器和/或适合的预处理仪器(卷筒清洁、等离子体清洁、电晕处理等)，如所希望的，该仪器可以适当地结合，但为了清楚起见在当前的图中未示出。
在这个示例中，经处理的箔材卷筒也经由同一门46被移除，但是在其他示例中，腔室41可以具有两个或更多个分开定位且可打开的腔室门。
物理气相沉积设备还至少部分地被定位在金属化腔室内并且被配置成用于在第一真空循环期间，通过独立地沉积i)到第一箔幅材上的保护性金属层，其中第一箔幅材在第一主轴42与第二主轴42之间行进，以及通过独立地沉积ii)到保护性材料层上的反应性材料层，来处理腔室41内的箔材卷筒。在所展示的示例中，物理气相沉积设备包括金属蒸气源43，金属蒸气源43包括可以施加保护性材料的保护性施加器43A(图12)以及可以施加反应性材料的反应性施加器43B。这些施加器43A和43B沿箔幅材在心轴42(如本文所述)之间移动时在行进的方向上彼此间隔开，其中每个施加器43A和43B上方的区域限定箔幅材上的相应沉积区域45A和45B。在此示例中，沉积区域45A和45B也彼此间隔开，并且在它们各自的施加器43A和43B上方对准。在其他示例中，沉积区域可以至少部分地彼此重叠。施加器43的源可以是任何合适的类型，包括例如电阻或感应加热舟、喷射源、磁控管源、电子束溅射源等。根据已知的原理，根据所期望的沉积速率、所要求的涂层粘附性等来选择和设定尺寸。
气锁腔室47被示出为相邻于金属化腔室41并且具有内部，该内部可配置为在第一真空循环期间处于大约操作压力下并且可以被配置成在该设备使用时同时容纳至少两个箔材卷筒。气锁腔室47由合适的侧壁界定，并且可包括气锁腔室门48，该气锁腔室门48可在关闭配置和打开配置之间移动，在关闭配置中，气锁腔室47的内部被密封并与周围环境隔离(如图10所示)，在打开配置中，气锁腔室47的内部与周围环境连通。在这种布置中，当腔室门46关闭并且气锁门48打开时，可以从周围环境进入气锁47的内部(诸如以便装载或卸载箔材卷筒)，而金属化腔室41不需要打开并且可以保持在操作压力下和/或在使用中。
在这种布置中，腔室门46可以移动到关闭配置和打开配置，在该关闭配置中，金属化腔室41的内部被密封并且与气锁腔室47的内部隔离；在打开配置中，金属化腔室41的内部与气锁腔室47的内部连通，由此在处理第一箔材卷筒之后，第二箔材卷筒可以从气锁腔室47移动到金属化腔室41中，同时将金属化腔室的内部保持在传输压力下并且在共同的真空循环内。
可选地，能够保持、并且优选地移动和操纵至少两个或更多个箔材卷筒的卷筒仓盒可以被提供在气锁腔室47内。在这个示意性示例中，示出了卷筒仓盒、卷筒仓盒49，并且卷筒仓盒49被配置成能够保持至少一个卷筒对410，并且卷筒仓盒49还包括用于移动和操纵这些卷筒的卷筒传输设备。在该示例中，卷筒传输设备包括多轴拾放系统411和主轴延伸机构412。
与常规的卷对卷金属化装置不同，金属化腔室41优选地是通过腔室41的端部处的门46进入的。端部通路可以帮助促进用于卷筒仓盒49和气锁腔室47的简化布局，因为门46被定位成使得其与主轴42的轴线相交并且可以通过沿主轴42的轴向方向平移这些卷筒而从主轴42加载和/或卸载这些卷筒。
在这个示例中，气锁腔室47具有与金属化腔室41类似的构造，除了它优选地被定大小和形状以接受两个或更多个卷筒对410以及静止的、旋转的或线性平移的卷筒仓盒49。气锁腔室47经由腔室门46与金属化腔室41连通，当关闭腔室门46时，腔室门46用适当设计的真空密闭密封机构密封，诸如真空额定致动的闸阀413。气锁腔室门48还可以用适当设计的真空密闭密封机构(诸如真空额定致动的闸阀414)密封。
气锁腔室47配备有卷筒传输装置，该卷筒传输装置包括安装在气锁腔室的背面上的双轴拾放系统411以及在该金属化仓盒中的主轴延伸机构412。
优选地，拾放系统411与箔材卷筒线轴的端部接合，如在此示例中所示。这可以帮助拾放系统411单独地进入卷筒仓盒49中的每个卷筒对410并且将其移动到用于装载的适当位置。该拾放系统可以优选地允许该卷筒对的两个卷筒独立地移动。这允许仓盒49中的卷筒以相对紧凑的配置储存和扩展以用于装载到金属化腔室41中的卷筒主轴42上。
一旦卷筒对被放置于加载位置中，腔室门46可以被打开，从而允许与金属化腔室41连通。卷筒主轴42可以使用主轴延伸机构412轴向延伸到气锁腔室中，在这里它们与卷筒对410的线轴孔接合。拾放机构411然后可释放卷筒对410，并且主轴42可使用任何合适的锁定机构接合卷筒对410。然后可以使用主轴延伸机构412或其他适合的装置将主轴42缩回到金属化腔室41中。
优选地，竖直致动的惰轮415然后可以向下移动，从而张紧在主轴42之间延伸的箔材幅材，并且使该箔材幅材紧邻金属蒸气源43。一旦腔室门46再次关闭并密封，则可进行给定箔材卷筒的金属化。
这种布置还可以允许金属化的卷筒对从放置在仓盒中的可逆卷筒主轴撤出，并且将未金属化的卷筒对引入到金属化腔室中而不破坏真空(例如，在共同的真空循环期间)，由此节省加压相关的停机时间以及其伴随的成本和生产力的损失。
当金属化完成时，可以使用类似的方法来从金属化腔室41中卸载卷筒对，并且将其放回到气锁腔室47内的卷筒仓49中。拾放系统411优选地还用于将卷筒对料仓传输到周围环境；然而，连通是通过气锁腔室门48。装载可从自动装载轴或类似仪器自动执行，或从适当修改的叉车或其他类似仪器手动执行。
可选地，在打开门48并且卸载之前，使用任何适合的再加压系统用惰性气体(例如，与所使用的锂或其他反应性金属不反应性)对气锁腔室再加压。在此示例中，再加压系统包括惰性气体(例如，氩气)源416和具有任何合适的流量控制机构(诸如控制阀417等)的分配系统。这可以帮助防止大气被抽吸到气锁腔室47内而与新金属化的材料发生反应。优选地，卷筒可以用自动装袋或容器系统来进一步保护，该容器系统可在气锁47内或在通向气锁腔室48的开口处接收卷筒。该包装设备可被配置为在箔材卷筒已被处理/金属化之后(例如，在箔材卷筒已被物理气相沉积设备处理之后)接收箔材卷筒，同时用惰性气体对气锁内部再加压。然后，其可将箔材卷筒密封成气密接收容器，从而当接收容器从气锁腔室移除时，箔材卷筒可保持与周围环境中的空气隔离。
本领域的普通技术人员还应了解，以上气锁和卷筒交换仪器可以更一般地应用于真空金属化仪器，以便增加其生产力。
虽然已经参考说明性实施例和示例描述了本文的教导内容，但该描述不旨在以限制性意义进行解释。因此，在参照本说明书时，说明性实施例的各种修改以及本发明的其他实施例对于本领域技术人员将是明显的。因此预期所附权利要求将覆盖任何此类修改或实施例。
在此提及的所有出版物、专利和专利申请通过引用以其全部内容结合在此，其程度与每个单独的出版物、专利或专利申请被确切地并且单独地表明通过引用以其全部内容结合。

Claims (77)

1.一种用于锂基电池的阳极组件，所述阳极组件包括：
a)集电体，所述集电体包括铝并且具有第一侧部，所述第一侧部具有支撑表面；
b)至少第一保护层，所述至少第一保护层结合至所述支撑表面并覆盖所述支撑表面，所述保护层包括保护性金属并且所述保护层是导电的；以及
c)至少第一反应层，所述至少第一反应层包含锂金属，所述至少第一反应层结合至所述保护层并且被配置为在所述阳极组件使用时接触电解质，
其中所述第一保护层被布置于所述支撑表面与所述反应层之间，使得电子能够从所述第一反应层行进到所述集电体，且所述第一反应层与所述支撑表面间隔开且至少基本上与所述支撑表面进行离子隔离，并且由此通过所述第一保护层基本上防止所述反应层扩散到所述集电体，由此抑制所述锂金属与所述集电体之间的反应。
2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述集电体包括连续的铝箔。
3.根据权利要求2所述的组件，其中，所述铝箔具有在约1微米与约100微米之间的厚度。
4.根据权利要求2所述的组件，其中，所述铝箔被配置为连续幅材，所述连续幅材包括所述支撑表面并且物理地支撑所述第一保护层。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的组件，其中，所述保护性金属包括铜、镍、银、不锈钢和钢中的至少一种。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的组件，其中，所述第一保护层经由物理气相沉积而沉积到所述支撑表面上并且在不存在单独的结合材料的情况下结合到所述支撑表面。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的组件，其中，所述第一保护层具有在约1埃与约75,000埃之间的厚度。
8.根据权利要求7所述的组件，其中，所述第一保护层具有在约200埃与约7500埃之间的厚度。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的组件，其中，所述第一保护层具有隔离厚度并且被定形状为使得所述第一反应层与所述集电体完全离子隔离。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的组件，其中，所述保护性金属不与所述锂金属反应。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的组件，其中，所述保护性金属覆盖所述集电体的整个第一侧部。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的组件，其中，所述第一反应层具有在约0.001微米与约100微米之间的厚度。
13.根据权利要求12所述的组件，其中，所述第一反应层具有在约0.01微米与约20微米之间的厚度。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的组件，其中，所述第一反应层经由物理气相沉积而沉积在所述第一保护层上并且结合至所述第一保护层。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的组件，其中，所述阳极组件不含锂金属箔。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的组件，其中，所述集电体包括相对的第二侧部并且进一步包括结合至所述第二侧部并且覆盖所述第二侧部的第二保护层，并且所述第二保护层包括所述保护性金属。
17.根据权利要求16所述的组件，其中，所述第一保护层的外缘接合至所述第二保护层的相应外缘，从而利用所述保护性金属密封所述集电体。
18.根据权利要求17所述的组件，其中，所述第一保护层经由物理气相沉积、应用聚合物薄膜、应用聚合物树脂和所述外缘的机械压接中的至少一种接合到所述第二保护层的相应外缘。
19.根据权利要求16所述的组件，进一步包括第二反应层，所述第二反应层包括锂金属，所述第二反应层结合至所述第二保护层并且被配置为在使用所述阳极组件时接触电解质。
20.一种用于基于活性金属电池的阳极组件的制造方法，所述方法包括：
a)提供集电体，所述集电体包括金属基底并且具有在金属化腔室的内部内具有支撑表面的第一侧部，所述金属化腔室的操作压力小于约10-2托；
b)用至少第一保护层覆盖所述支撑表面，所述第一保护层包括保护性金属，所述第一保护层是导电的，并且所述保护性金属经由第一物理气相沉积工艺沉积在所述支撑表面上；以及
c)用至少第一反应层覆盖所述第一保护层，所述至少第一反应层包括反应性金属，所述反应性金属经由第二物理气相沉积工艺沉积在所述第一保护层上，所述第一反应层被配置为在所述阳极组件使用时接触电解质；
由此，所述第一保护层被布置于所述支撑表面与所述反应层之间，使得电子能够从所述第一反应层行进到所述集电体，且所述第一反应层与所述支撑表面间隔开并且至少基本上与所述支撑表面进行离子隔离，并且由此通过所述第一保护层防止所述反应层扩散到所述支撑表面，由此抑制所述反应性金属与所述集电体之间的反应。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述金属基底是具有约1微米与约100微米之间的厚度的箔，并且是包括铜、铝、镍、不锈钢、钢、导电聚合物和聚合物中的至少一种的箔。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述金属基底包括连续箔幅材，所述连续箔幅材在步骤a)之前从第一输入卷筒解绕并且在步骤c)之后卷绕至第一输出卷筒上。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，当所述幅材在所述第一输入卷筒与所述第一输出卷筒之间移动时，执行步骤b)和步骤c)。
24.根据权利要求22所述的方法，其中，所述幅材以约20米/分钟至约1500米/分钟的处理速度移动。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，步骤b)包括提供来自至少一个保护性金属蒸气源设备的所述保护性金属，所述至少一个保护性金属蒸气源设备被配置为在所述幅材以所述处理速度移动的同时在单个道次中在所述支撑表面上沉积约0.001微米至约10微米之间的所述保护性金属。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，步骤b)包括将所述保护性金属沉积在所述支撑表面上直到所述第一保护层具有在约1埃与约75,000埃之间的厚度。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，步骤c)包括从至少一个反应性金属蒸气源设备提供所述反应性金属，所述至少一个反应性金属蒸气源设备在所述至少一个保护性金属蒸气源设备的下游间隔开，所述至少一个保护性金属蒸气源设备被配置为在所述幅材以所述处理速度移动的同时在单个道次中在所述第一保护层上沉积约0.001微米至约10微米之间的所述活性金属。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，步骤c)包括将所述活性金属沉积到所述第一保护层上直至第一活性层具有在约0.001微米至约100微米之间的厚度。
29.根据权利要求22或23所述的方法，其中，所述第一输入卷筒由解绕设备支撑，所述解绕设备布置在所述金属化腔室内。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述第一输出卷筒由卷绕设备支撑，所述卷绕设备在所述操作压力下布置在所述金属化腔室内。
31.根据权利要求20所述的方法，进一步包括，在步骤a)之前：
将所述金属化腔室的内部的压力从大致大气压降低至所述操作压力；以及
将第一输入卷筒经由气锁引入到金属化腔室的内部，由此第一输入卷筒能够从金属化腔室外部传输至金属化腔室内部而不将金属化腔室内部的压力增加至1kPa以上。
32.根据权利要求31所述的方法，进一步包括，在步骤c)之后，经由气锁从所述金属化腔室的内部移除所述第一输出卷筒，由此所述第一输出卷筒能够从所述金属化腔室内部传输至所述金属化腔室外部而不将所述金属化腔室的内部内的压力增加至1kPa以上。
33.根据权利要求32所述的方法，进一步包括在从所述气锁移除所述第一输出卷筒之前，将所述第一输出卷筒密封在内部基本上没有氧的气密接收腔室内。
34.根据权利要求31所述的方法，进一步包括：在耗尽所述第一输入卷筒之后，将第二输入卷筒经由气锁引入到所述金属化腔室的内部中，而不将所述金属化腔室的内部中的压力增加至1kPa以上，以及在从所述第二输入卷筒解绕的金属基底的情况下重复步骤a)至c)。
35.根据权利要求20所述的方法，其中，所述反应性金属包括锂、钾、铷、铯、钙、镁和铝中的至少一种。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述反应性金属是锂。
37.根据权利要求20所述的方法，其中，在步骤a)-c)期间，所述金属化腔室的内部基本上不含氧。
38.根据权利要求20所述的方法，进一步包括通过第三物理气相沉积工艺用包括所述保护性金属的第二保护层覆盖所述集电体的相对的第二侧部。
39.根据权利要求38所述的方法，进一步包括将所述第一保护层的外缘密封至所述第二保护层的外缘以密封所述集电体。
40.根据权利要求39所述的方法，其中，将所述第一保护层的外缘密封到所述第二保护层的外缘包括将所述第一保护层的外缘和所述第二保护层的外缘机械地压接在一起。
41.根据权利要求38所述的方法，进一步包括经由第四物理气相沉积工艺用包括所述反应性金属的第二反应层覆盖所述第二保护层。
42.根据权利要求20所述的方法，其中，所述操作压力在约10-2托与10-6托之间。
43.一种锂基电池，包括：
a)阴极组件，所述阴极组件包括阴极集电体和阴极反应表面；
b)锂阳极组件，所述锂阳极组件包括：
i.阳极集电体，所述阳极集电体包括铝并且具有第一侧部，所述第一侧部具有支撑表面；
ii.至少第一保护层，所述至少第一保护层结合至所述支撑表面并覆盖所述支撑表面，所述保护层包括保护性金属并且所述保护层是导电的；以及
iii.至少第一反应层，所述至少第一反应层包含锂金属，所述至少第一反应层结合至所述保护层并且被配置为在所述阳极组件使用时接触电解质，
c)电解质，所述电解质布置在所述阴极反应表面和所述阳极反应层之间并接触阴极反应表面和阳极反应层；
其中所述第一保护层被布置于所述支撑表面与所述反应层之间，使得电子能够穿过所述第一反应层及第一保护层从所述电解质行进到所述阳极集电体，并且所述第一反应层与所述支撑表面间隔开并且至少基本上与所述支撑表面进行离子隔离，由此通过所述第一保护层基本上防止所述反应层扩散到所述集电体，由此抑制所述锂金属与所述集电体之间的反应。
44.根据权利要求43所述的电池，其中，所述第一保护层至少基本上将所述支撑表面与所述电解质进行离子隔离。
45.根据权利要求43所述的电池，其中，所述电解质包括直接接触所述第一反应层并且不直接接触所述阳极集电体的固体电解质材料。
46.根据权利要求43所述的电池，其中，所述阳极集电体由所述保护性金属包裹，并且与所述电解质物理隔离。
47.根据权利要求43所述的组件，其中，所述集电体包括连续的铝箔。
48.根据权利要求47所述的组件，其中，所述铝箔具有在约1微米至约100微米之间的厚度。
49.根据权利要求47所述的组件，其中，所述铝箔被配置为包括所述支撑表面并且物理地支撑所述第一保护层的连续幅材。
50.根据权利要求43至49中任一项所述的组件，其中，所述保护性金属包括铜、镍、银、不锈钢和钢中的至少一种。
51.根据权利要求50所述的组件，其中，所述第一保护层经由物理气相沉积而沉积到所述支撑表面上并结合到所述支撑表面。
52.根据权利要求43所述的组件，其中，所述第一保护层具有在约1埃至约75,000埃之间的厚度。
53.根据权利要求52所述的组件，其中，所述第一保护层具有在约200埃至约7500埃之间的厚度。
54.根据权利要求43所述的组件，其中，所述第一保护层具有隔离厚度并且被定形状为使得所述第一反应层与所述集电体完全离子隔离。
55.根据权利要求43所述的组件，其中，所述保护性金属不与所述锂金属反应。
56.根据权利要求43所述的组件，其中，所述保护性金属覆盖所述集电体的整个第一侧部。
57.根据权利要求43所述的组件，其中，所述第一反应层具有在约0.001微米至约100微米之间的厚度。
58.根据权利要求57所述的组件，其中，所述第一反应层具有在约0.01微米至约20微米之间的厚度。
59.根据权利要求43所述的组件，其中，所述第一反应层经由物理气相沉积而沉积在所述第一保护层上并且结合至所述第一保护层。
60.根据权利要求43所述的组件，其中，所述阳极组件不含锂金属箔。
61.根据权利要求43所述的组件，其中，所述集电体包括相对的第二侧部并且进一步包括结合至所述第二侧部并且覆盖所述第二侧部的第二保护层，并且所述第二保护层包括所述保护性金属。
62.根据权利要求61所述的组件，其中，所述第一保护层的外缘接合至所述第二保护层的相应外缘，从而利用所述保护性金属密封所述集电体。
63.根据权利要求61所述的组件，其中，所述第一保护层经由物理气相沉积、应用聚合物薄膜、应用聚合物树脂以及所述外缘的机械压接中的至少一种接合到所述第二保护层的相应外缘。
64.根据权利要求61所述的组件，进一步包括第二反应层，所述第二反应层包括锂金属，所述第二反应层结合至所述第二保护层并且被配置为在所述阳极组件使用时接触电解质。
65.一种卷对卷金属化设备，所述设备包括：
a)金属化腔室，所述金属化腔室具有的内部被配置为能够在第一真空循环期间操作压力小于约0.001kPa；
b)在金属化腔室内的卷对卷卷绕组件，并且所述卷对卷卷绕组件包括支撑用于解绕的第一箔材卷筒的第一主轴、能够卷绕箔的第二主轴、和在所述第一主轴与所述第一主轴之间行进的第一箔幅材；
c)在所述金属化腔室内的物理气相沉积设备，并且所述物理气相沉积设备被配置为在所述第一真空循环期间，通过独立地沉积i)到第一箔幅材上的保护性金属层，其中所述第一箔幅材在所述第一主轴和所述第二主轴之间行进，以及通过独立地沉积ii)到所述保护性材料层上的反应性材料层，来处理所述第一箔材卷筒；
d)气锁腔室，所述气锁腔室具有内部，所述内部在所述第一真空循环期间能够配置为大约处于所述操作压力下并且被配置为同时容纳至少所述第一箔材卷筒和所述第二箔材卷筒；
e)腔室门，所述腔室门将所述金属化腔室的内部和所述气锁室的内部分隔开，当所述气锁腔室处于低于大气压的传输压力时，所述腔室门能够在以下配置之间移动：
i.关闭配置，其中所述金属化腔室的内部被密封并且与所述气锁腔室的内部隔离；以及
ii.打开配置，其中所述金属化腔室的内部与所述气锁腔室的内部连通，由此能够将所述第二箔材卷筒从气锁腔室移动到所述金属化腔室中，同时将所述金属化腔室的内部保持在所述传输压力下；
由此，在从所述金属化腔室移除所述第一箔材卷筒之后，所述第二箔材卷筒能够安装在所述第一主轴上，使得第二箔幅材在所述第一主轴和所述第二主轴之间延伸，并且所述第二箔幅材能够在所述第一真空循环期间使用所述物理气相沉积设备处理，以沉积i)到第二箔幅材上的第二保护性金属层，其中所述第二箔幅材在所述第一主轴和所述第二主轴之间行进，以及沉积ii)到第二保护性材料层上的第二反应性材料层。
66.根据权利要求65所述的设备，其中，当所述腔室门打开时，所述第一箔材卷筒能够从所述金属化腔室移动到所述气锁腔室中。
67.根据权利要求66所述的设备，其中，所述传输压力小于约0.01kPa。
68.根据权利要求67所述的设备，其中，所述传输压力与所述操作压力基本相同。
69.根据权利要求65所述的设备，其中，所述物理气相沉积设备还包括：第一施加器，所述第一施加器被配置为在第一沉积区中将所述保护性金属层沉积在所述第一箔幅材上；以及第二施加器，所述第二施加器被配置为将所述反应性金属层沉积在所述保护性金属层的顶部上。
70.根据权利要求66所述的设备，其中，当所述第一箔幅材从所述第一主轴传递至所述第二主轴时，所述第一箔幅材在行进方向上行进，并且其中所述第二施加器在所述行进方向上与所述第一施加器间隔开。
71.根据权利要求70所述的设备，其中，所述反应性金属层在第二沉积区中沉积，所述第二沉积区在所述行进方向上与所述第一沉积区间隔开。
72.根据权利要求71所述的设备，其中，所述物理气相沉积设备被配置为在所述第一箔幅材通过所述第一沉积区的单个道次中施加所述保护性金属层。
73.根据权利要求71或72所述的设备，其中，所述物理气相沉积设备被配置为在所述第一箔幅材通过所述第二沉积区的单个道次中施加所述反应性金属层。
74.根据权利要求65所述的设备，其中，所述气锁腔室进一步包括气锁门，所述气锁门能够独立于所述腔室门在以下配置之间移动：
a)关闭配置，其中，所述气锁腔室的内部密封并与所述周围环境隔离；以及
b)打开配置，其中，所述气锁腔室的内部与所述周围环境连通，
由此，当所述腔室门关闭并且所述气锁门打开时，在所述金属化腔室保持在所述操作压力下的同时，能够从所述周围环境进入所述气锁的内部。
75.根据权利要求74所述的设备，进一步包括卷筒仓盒设备，所述卷筒仓盒设备被设置在所述气锁腔室内，并且被配置成从卷对卷卷绕组件接收所述第一箔材卷筒，同时固持所述第一箔材卷筒和所述第二箔材卷筒，且配置成在将所述金属化腔室维持在所述传输压力下时，将所述第二箔材卷筒从卷筒仓盒设备传输到所述卷对卷卷绕组件。
76.根据权利要求74所述的设备，进一步包括惰性再加压系统，所述惰性再加压系统被配置成：当所述腔室门和所述气锁门关闭到约大气压时，使用相对于反应性材料为惰性的惰性气体对所述气锁腔室的内部进行再加压。
77.根据权利要求76所述的设备，进一步包括在所述气锁腔室内的封装设备，所述封装设备被配置为：在所述第一箔材卷筒已经被所述物理气相沉积设备处理之后接收所述第一箔材卷筒，并且在利用所述惰性气体对所述气锁内部再加压的同时，将所述第一箔材卷筒密封在气密接收容器中，从而当从所述气锁腔室移除所述接收容器时，所述第一箔材卷筒保持与所述周围环境中的空气隔离。
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