CN117673277A - 锂阳极装置堆叠制造 - Google Patents

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Abstract

提供了金属电极、更具体地含锂阳极、包括前述的含锂电极的诸如二次电池组的高性能电化学装置、及其制造方法，在一个实现方式中，提供了阳电极结构。阳电极结构包含：包含铜的集电器、在集电器上形成的锂金属膜、在锂金属膜上形成的铜膜、和在铜膜上形成的保护膜。保护膜是选自包含下列材料的群组的锂离子传导膜：锂离子传导陶瓷、锂离子传导玻璃、或离子传导液晶。

Description

锂阳极装置堆叠制造
本申请是申请日为2018年9月12日申请的申请号为201880067538.0，并且发明名称为“锂阳极装置堆叠制造”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本文描述的实现方式通常涉及金属电极、更具体地含锂阳极、包括前述的含锂电极的诸如二次电池组的高性能电化学装置、及其制造方法。
背景技术
可充电的电化学存储系统目前对于日常生活的许多领域变得越来越有价值。诸如锂离子(Li-离子)电池组之类的高容量电化学能量存储装置的应用领域数量不断增多，包括便携电子、医学、运输、连网大型能量存储器、可再生能量存储器、和不间断电源(UPS)。传统的铅/硫酸电池组经常缺乏电容，并且对于这些不断增长的应用常常循环不充分。然而，认为锂离子电池组具有最好的机会。
通常，锂离子电池组出于安全原因不含有任何金属锂，而是使用石墨材料作为阳极。然而，使用处于充电状态的石墨可以充电直至极限组成LiC6，与使用金属锂相比，导致非常低的容量。目前，本行业正在从基于石墨的阳极转向掺硅石墨，用于增加能量电池密度。然而，掺硅石墨阳极具有第一循环容量损失的缺点。因此，需要锂金属沉积来补充掺硅石墨阳极的第一循环容量损失。然而，锂金属面临数个装置集成挑战。
锂是碱金属。类似于第一主族的重元素同系物，锂的特征是与各种物质具有强烈反应性。锂与水、醇和含有质子氢的其它物质剧烈地反应，这经常导致点燃。锂在空气中不稳定，且与氧、氮和二氧化碳反应。锂常规上在惰性气体氛围(稀有气体，诸如氩)下移送，并且锂的强烈反应性要求其它处理操作也在惰性气体氛围中执行。因此，锂面临处理、存储、和运输时的数种挑战。
已经开发了针对锂金属的保护性表面处理。一种对锂金属的保护性表面处理的方法包括用蜡层、例如是聚乙烯蜡涂布锂金属。然而，通常施加的大量涂布试剂干扰对锂金属膜的后续处理。
另一种保护性表面处理的方法提出产生具有连续碳酸盐涂层、聚合物涂层(例如，聚氨基甲酸酯)、PTFE、PVC、聚苯乙烯等等的稳定锂金属粉末(“SLMP”)。然而，当预锂化电极材料时，这些聚合物涂层可能导致问题。
由此，需要用于在能量存储系统中沉积和处理锂金属的方法和系统。
发明内容
本文描述的实现方式大致涉及金属电极、更具体地含锂阳极、包括前述的含锂电极的诸如二次电池组的高性能电化学装置、及其制造方法。在一个实现方式中，提供了一种阳电极结构。阳电极结构包含：包含铜的集电器、在集电器上形成的锂金属膜、在锂金属膜上形成的铜膜、和在铜膜上形成的保护膜。保护膜是选自包含下列材料的群组的锂离子传导膜：锂离子传导陶瓷、锂离子传导玻璃、或离子传导液晶。
在另一实现方式中，提供了一种阳电极结构。阳电极结构包含：包含铜的集电器、在集电器上形成的硅石墨阳极、在硅石墨阳极上形成的锂金属膜、和在锂金属膜上形成的保护膜。保护膜是选自包含下列材料的群组的锂离子传导材料：锂离子传导陶瓷、锂离子传导玻璃、离子传导聚合物、离子传导液晶、上述的复合组合、或上述的单元层组合。
在又一实现方式中，提供了一种阳电极结构。阳电极结构包含：包含铜的集电器、在集电器上形成的锂金属膜、和在锂金属膜上形成的保护膜堆叠。保护膜堆叠包含：在锂金属膜上形成的保护膜、在保护膜上形成的第一聚合物膜、在第一聚合物膜上形成的陶瓷膜、和在陶瓷膜上形成的第二聚合物膜。保护膜选自下列物质的群组：氟化锂(LiF)、氧化铝、铋硫属化物(chalcogenide)、铜硫属化物、碳酸锂(Li2CO3)、和上述的组合。
在又一实现方式中，提供了一种阳电极结构。阳电极结构包含：包含铜的集电器、在集电器上形成的锂金属膜、和在锂金属膜上形成的保护膜堆叠。保护膜堆叠包含：在锂金属膜上形成的第一聚合物膜、在第一聚合物膜上形成的电介质膜、和在陶瓷膜上形成的第二聚合物膜。
在又一实现方式中，提供了一种阳电极结构。阳电极结构包含：包含铜的集电器、在集电器上形成的锂金属膜、和在锂金属膜上形成的保护膜堆叠。保护膜堆叠包含：在锂金属膜上形成的铜膜、在铜膜上形成的电介质膜、和在电介质膜上形成的聚合物膜。
在又一实现方式中，提供了一种方法。所述方法包含在集电器上形成锂金属膜。集电器包含铜。所述方法进一步包含在锂金属膜上形成铜膜和形成在铜膜上形成的保护膜。保护膜是选自包含下列材料的群组的锂离子传导膜：锂离子传导陶瓷、锂离子传导玻璃、离子传导聚合物、离子传导液晶、上述的复合组合、或上述的单元层组合。
在又一实现方式中，提供了一种方法。所述方法包含在集电器上形成硅石墨膜。集电器包含铜。所述方法进一步包含在硅石墨阳极上形成锂金属膜和在锂金属膜上形成保护膜。保护膜是选自包含下列材料的群组的锂离子传导材料：锂离子传导陶瓷、锂离子传导玻璃、离子传导聚合物、离子传导液晶、上述的复合组合、或上述的单元层组合。
在又一实现方式中，提供了一种方法。所述方法包含在集电器上形成锂金属膜。集电器包含铜。所述方法进一步包含在锂金属膜上形成保护膜堆叠。形成保护膜堆叠包含：在锂金属膜上形成保护膜，在保护膜上形成第一聚合物膜，在第一聚合物膜上形成陶瓷膜，和在陶瓷膜上形成第二聚合物膜。保护膜选自下列物质的群组：氟化锂(LiF)、氧化铝、铋硫属化物、铜硫属化物、碳酸锂(Li2CO3)、和上述的组合。
在又一实现方式中，提供了一种方法。所述方法包含在集电器上形成锂金属膜。集电器包含铜。所述方法进一步包含在锂金属膜上形成保护膜堆叠。形成保护膜堆叠包含：在锂金属膜上形成第一聚合物膜，在第一聚合物膜上形成电介质膜，和在电介质膜上形成第二聚合物膜。
在又一实现方式中，提供了一种方法。所述方法包含在集电器上形成锂金属膜。集电器包含铜。所述方法进一步包含在锂金属膜上形成保护膜堆叠。保护膜堆叠包含在锂金属膜上形成金属膜、在第一聚合物膜上形成电介质膜、和在电介质膜上形成聚合物膜。
附图说明
以上简要概述本公开内容的上述详述特征可以被详细理解的方式、以及对实现方式的更特定描述，可通过参照实现方式来获得，一些实现方式绘示于附图中。然而，应注意，附图仅绘示本公开内容的典型实现方式因而不被视为对本公开内容的范围的限制，因为本公开内容可能允许其它等同有效的实现方式。
图1图示了将根据本文描述的实现方式形成的电极结构并入能量存储装置的一个实现方式的示意性横截面图；
图2图示了根据本文描述的实现方式形成的双面阳电极结构的一个实现方式的横截面图；
图3图示了根据本文描述的实现方式形成的双面阳电极结构的另一实现方式的横截面图；
图4图示了根据本文描述的实现方式形成的双面阳电极结构的另一实现方式的横截面图；
图5图示了根据本文描述的实现方式形成的双面阳电极结构的另一实现方式的横截面图；
图6图示了根据本文描述的实现方式形成的双面阳电极结构的另一实现方式的横截面图；
图7图解了概述根据本文描述的实现方式的用于形成阳电极结构的方法的一个实现方式的工艺流程图；
图8图解了概述根据本文描述的实现方式的用于形成阳电极结构的方法的一个实现方式的工艺流程图；
图9图解了概述根据本文描述的实现方式的用于形成阳电极结构的方法的一个实现方式的工艺流程图；
图10图解了概述根据本文描述的实现方式的用于形成阳电极结构的方法的一个实现方式的工艺流程图；
图11图解了概述根据本文描述的实现方式的用于形成阳电极结构的方法的一个实现方式的工艺流程图；及
图12图示了根据本文描述的实现方式的用于形成阳电极结构的集成处理工具的示意图。
为了便于理解，尽可能地，使用相同附图标号标示图中共通的相同元件。考虑到，一个实现方式中的元件和特征在没有进一步描述下可有利地结合在其它实现方式中。
具体实施方式
以下公开内容描述了阳电极、包括前述的阳电极的高性能电化学电池和电池组、及其制造方法。某些细节在以下描述和图1至图12中阐述以提供对本公开内容的各个实现方式的透彻理解。描述经常与电化学电池和电池组相关联的熟知结构和系统的其它细节未在以下公开内容中阐述，以避免不必要地混淆各个实现方式的描述。
图中所示的许多细节、尺寸、角度和其它特征仅说明特定实现方式。由此，其它实现方式可以具有其它细节、部件、尺寸、角度和特征而不脱离本公开内容的精神或范围。另外，本公开内容的进一步实现方式可以在没有下文描述的数个细节的情况下实践。
本文描述的实现方式将在下文参考卷对卷涂布系统描述，诸如TopMetTM、TopBeamTM，所有这些系统可获自加州圣克拉拉市的应用材料公司。能够执行物理气相沉积工艺(例如，高速蒸发工艺和磁控溅射工艺)的其它工具也可适于从本文描述的实现方式中获益，另外，可以有利地使用实现本文描述的物理气相沉积工艺的任何系统。本文描述的设备描述是说明性的，并且不应当被理解或解释为限制本文描述的实现方式的范围。也应当理解，尽管描述为卷对卷工艺，但是本文描述的实现方式也可在分立的基板上执行。
能量存储装置，例如是电池组，通常由正极和电解质组成，所述正极是由多孔隔膜分离的阳电极，所述电解质用作离子传导基质。石墨阳极是本领域的现状，但本行业正从基于石墨的阳极转向掺硅石墨阳极来增加电池能量密度。然而，掺硅石墨阳极经常具有在第一循环期间发生的不可逆容量损失的缺点。因此，需要用于补充这种第一循环容量损失的方法。
沉积锂金属是一种用于补充掺硅石墨阳极的这种第一循环容量损失的方法。尽管存在多种锂金属沉积的方法(例如，热蒸发、层压、印刷等等)，需要在装置堆叠之前解决对在绕线管上沉积的锂金属的移送，特别是在大容量制造环境中。在一个实现方式中，提供了用于形成锂阳极装置的方法和系统。
使用本文描述的实现方式，可以在卷绕和解绕卷筒下游期间保护不论单面还是双面的所沉积的锂金属。沉积Li离子传导聚合物、离子传导陶瓷、或离子传导玻璃的薄膜具有数个优点。首先，含有锂金属的电极的卷筒可以在锂金属不触碰相邻电极的情况下卷绕和解绕。其次，建立稳定的固体电解质界面(SEI)，用于获得更好的电池性能和锂金属的高电化学利用率。保护层也可以有助于抑制或消除锂枝晶，特别是在高电流密度操作中。另外，使用保护膜降低了制造系统的复杂性并且与目前的制造系统相容。
图1图示了将根据本文描述的实现方式形成的阳电极结构并入能量存储装置100的一个实现方式的示意性横截面图。尽管图示为平面结构，能力存储装置100也可通过滚动层堆叠而形成为圆柱体；此外，可形成其它电池构造(例如，方形电池、纽扣电池、或堆叠电极电池)。能量存储装置100包括阳电极结构100和阴电极结构120，且两者之间定位有分离膜130。阴电极结构120包括阴极集电器140和阴极膜150。阳电极结构110包括阳极集电器160、阳极膜170、及下列构件中的至少一个：保护膜175、锂离子传导聚合物膜180、陶瓷涂层185、和粘合多孔聚合物膜190。
阴电极结构120包括阴极集电器140，且在阴极集电器140上形成阴极膜150。应当理解，阴电极结构120可包括其它元件或膜。
分别在阴极膜150和阳极膜170上的集电器140、160可以是相同或不同的电子导体。集电器140、160可包含的金属的实例包括铝(Al)、铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)、铬(Cr)、不锈钢、覆层材料、上述的合金、和上述的组合。在一个实现方式中，穿孔集电器140、160的至少一个。在一个实现方式中，集电器140、160的至少一个包括用金属材料涂布的聚对苯二甲酸乙二酯(“PET”)聚合物基板。在一个实现方式中，阳极集电器160是用铜涂布的PET膜。在另一实现方式中，阳极集电器160是PET上的多金属层。多金属层可以是铜、铬、镍等等的组合。在一个实现方式中，阳极集电器160是包括铜镍覆层材料的多层结构。在一个实现方式中，多层结构包括镍或铬的第一层、在第一层上形成的铜的第二层、和在第二层上形成的包括镍、铬、或二者的第三层。在一个实现方式中，阳极集电器160是镍涂布的铜。此外，集电器可具有任何外形尺寸(例如，金属箔、薄片、或板)、形状和微观/宏观结构。大体上，在方形电池中，极耳由与集电器相同的材料形成，并且可在制造堆叠期间形成、或被稍后添加。在一些实现方式中，集电器延伸超出堆叠，并且延伸超出堆叠的集电器的部分可用作极耳。除了集电器140和160之外的所有部件含有锂离子电解质。在一个实现方式中，阴极集电器140是铝。在另一实现方式中，阴极集电器140包含在PET膜上沉积的铝。在一个实现方式中，阴极集电器140具有从约0.5μm至约20μm(例如，从约1μm至约10μm；从约2μm至约8μm；或从约5μm至约10μm)的厚度。在一个实现方式中，阳极集电器160是铜。在一个实现方式中，阳极集电器160具有从约0.5μm至约20μm(例如，从约1μm至约10μm；从约2μm至约8μm；从约6μm至约12μm；或从约5μm至约10μm)的厚度。
阴极膜150或阴极可为与阳极相容的任何金属，并且可包括插层化合物、插入化合物、或电化学活性聚合物。例如，合适的插层材料包括含锂金属氧化物、MoS2、FeS2、BiF3、Fe2OF4、MnO2、TiS2、NbSe3、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、V6O13和V2O5。例如，合适的聚合物包括聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、和聚噻吩。阴极膜150或阴极可由分层的(layered)氧化物、橄榄石或尖晶石制成，分层的氧化物诸如氧化锂钴，橄榄石诸如磷酸锂铁，尖晶石诸如氧化锂锰。示例性含锂氧化物可以是分层的，诸如氧化锂钴(LiCoO2)、或混合金属氧化物，诸如LiNixCo1-2xMnO2、LiNiMnCoO2(“NMC”)、LiNi0.5Mn1.5O4、Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2、LiMn2O4、和掺杂的富含锂的层状材料，其中x是零或非零数字。示例性磷酸盐可为铁橄榄石(LiFePO4)及它的变型(诸如LiFe(1-x)MgxPO4)、LiMoPO4、LiCoPO4、LiNiPO4、Li3V2(PO4)3、LiVOPO4、LiMP2O7、或LiFe1.5P2O7，其中x是零或非零数字。示例性氟磷酸盐可为LiVPO4F、LiAlPO4F、Li5V(PO4)2F2、Li5Cr(PO4)2F2、Li2CoPO4F、或Li2NiPO4F。示例性硅酸盐可为Li2FeSiO4、Li2MnSiO4、或Li2VOSiO4。示例性非锂化合物为Na5V2(PO4)2F3。
阳电极结构110包括阳极集电器160，且在阳极集电器160上形成阳极膜170。阳电极结构110可视情况地地包括下列构件中的至少一个：保护膜175、锂离子传导聚合物膜180、陶瓷涂层185、和粘合多孔聚合物膜190。在图1所描绘的实现方式中，保护膜175在阳极膜170上形成。锂离子传导聚合物膜180的膜在保护膜175上形成。陶瓷涂层185在锂离子传导聚合物膜180上形成。粘合多孔聚合物膜190在分离膜130与阳极膜170之间形成。
阳极膜170可为与阴极膜150相容的任何材料。阳极膜170可具有大于或等于372mAh/g、优选地≥700mAh/g、及最优选地≥1000mAh/g的能量容量。阳极膜170可由石墨、含硅石墨、锂金属、锂金属箔或锂合金箔(例如，锂铝合金)、或锂金属和/或锂合金与材料的混合物构造，所述材料诸如碳(例如焦炭、石墨)、镍、铜、锡、铟、硅、上述的氧化物、或它们的组合。阳极膜170通常包含含锂插层化合物或含锂插入化合物。在一些实现方式中，其中阳极膜170包含锂金属，锂金属可使用本文描述的方法沉积。
在一个实现方式中，阳极膜170具有从约10μm至约200μm(例如，从约1μm至约100μm；从约10μm至约30μm；从约20μm至约30μm；从约1μm至约20μm；或从约50μm至约100μm)的厚度。在一个实现方式中，阳极膜170是锂金属膜。
在一些实现方式中，保护膜175在阳极膜170上形成。保护膜175包括下列物质中的至少一种：氟化锂(LiF)、金属膜(例如，铜、铋、锡、或上述的组合；铜硫属化物(例如，CuS、Cu2Se、Cu2S))、铋硫属化物(例如，gi2Te3、Bi2Se3)、和碳酸锂(Li2CO3)。在一些实现方式中，锂离子和锂原子中的至少一种可渗透保护膜175。保护膜175提供对阳极膜170的表面保护，这允许在干燥室内移送阳极膜。不受限于理论，但认为保护膜175可以在装置制造期间吸收Li传导电解质来形成凝胶，这有益于形成良好的固体电解质界面(SEI)并且也有助于较低电阻。在其中能量存储装置100是固态能量存储装置的一些实现方式中，保护膜175有助于建立更好的SEI并且改进装置性能。保护膜175可以通过诸如蒸发或溅射的物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)、狭槽工艺、浸渍涂布、薄膜转移工艺、凹版涂布或三维锂印刷工艺直接在阳极膜170上沉积。PVD是用于沉积保护膜175的优选方法。
在一些实现方式中，保护膜175是金属膜。金属膜可为超薄金属种晶膜。金属膜可为铜膜。铜膜可为超薄铜膜。
保护膜175可为具有在1纳米至2,000纳米的范围中(例如，在10纳米至600纳米的范围中；在50纳米至100纳米的范围中；在50纳米至200纳米的范围中；在100纳米至150纳米的范围中)的厚度的涂层或分立膜。保护膜175可为具有在1微米至50微米的范围中(例如，在1微米至25微米的范围中)的厚度的分立膜。
保护膜175可为多孔的。在一些实现方式中，保护膜175具有纳米孔。在一个实现方式中，保护膜175具有多个纳米孔，所述纳米孔经调整大小以具有小于约10纳米(例如，从约1纳米至约10纳米；从约3纳米至约5纳米)的平均孔大小或直径。在另一实现方式中，保护膜175具有多个纳米孔，所述纳米孔经调整大小以具有小于约5纳米的平均孔大小或直径。在一个实现方式中，保护膜175具有多个纳米孔，所述纳米孔具有范围为从约1纳米至约20纳米(例如，从约2纳米至约15奈米；或从约5纳米至约10纳米)的直径。
在一些实现方式中，锂离子传导聚合物膜180在保护膜175上形成。不受限于理论，认为锂离子传导聚合物膜180传导锂离子以及阻挡可能来自阳极膜170的任何枝晶。可用于形成锂离子传导聚合物膜180的离子传导聚合物的实例包括但不限于：聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚环氧乙烷(PEO)、环氧乙烷(EO)、聚丙烯腈(PAN)、丁二腈(C2H4(CN)2)、2，3-二氯-5，6-二氰基-1，4-苯醌、聚苯硫醚、聚(硫-无规)-三烯丙基胺、聚醚醚酮(PEEK)、羧甲基纤维素(CMC)、苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)离子液体和上述的组合。
在一些实现方式中，陶瓷涂层185在锂离子传导聚合物膜180上形成。陶瓷涂层185包含一或多种电介质材料。电介质材料可为陶瓷材料。陶瓷材料可为氧化物。例如，陶瓷材料可选自氧化铝(Al2O3)、AlOx、AlOxNy，、羟基氧化铝AlO(OH)、A1N(在氮环境中沉积的铝)、碳酸钙(CaCO3)、二氧化钛(TiO2)、氧化铌(Nb2O5)、SiS2、SiPO4、氧化硅(SiO2)、氧化锆(ZrO2)、MgO、TiO2、Ta2O5、Nb2O5、LiAlO2、LiNbO3、LiTaO3、Li2NbO3、BaTiO3、BN、离子传导石榴石、离子传导钙钛矿、离子传导反钙钛矿、多孔玻璃陶瓷、及类似材料、或上述的组合。在一个实现方式中，陶瓷材料是选自由下列材料组成的群组的材料：多孔氧化铝、多孔ZrO2、多孔SiO2、多孔MgO、多孔TiO2、多孔Ta2O5、多孔Nb2O5、多孔LiAlO2、多孔LiNbO3、多孔LiTaO3、多孔Li2NbO3、多孔BaTiO3、离子传导石榴石、反离子传导钙钛矿、Li2S-P2S5玻璃、多孔玻璃电介质、或上述的组合。陶瓷涂层185是无粘合剂的电介质膜。在一些实现方式中，陶瓷涂层185是多孔氧化铝膜。
陶瓷涂层185可为锂离子传导陶瓷或锂离子传导玻璃。Li离子传导材料可包含下列材料中的一或多种：LiPON、Li7La3Zr2O12的结晶或非晶相的掺杂变型、掺杂的反钙钛矿组成物、Li2S-P2S5、Li2S、LiKSO4、Li3P、Li5B7S13、Li10GeP2S12、Li3PS4、LiNH2、LiNO3、氨基化硼氢化锂Li(BH4)1-x(NH2)x、磷酸锂玻璃、(1-x)LiI-(x)Li4SnS4、xLiI-(1-x)Li4SnS4、混合的硫化物和氧化物电解质(结晶LLZO、非晶(1-x)LiI-(x)Li4SnS4混合物、和非晶xLiI-(1-x)Li4SnS4)，例如。在一个实现方式中，x在0与1之间(例如，0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、和0.9)。Li离子传导材料可以使用物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、喷涂、刮刀、印刷或数种涂布方法中的任一种直接在锂金属膜上沉积。用于一些实现方式的合适方法是PVD。在一些实现方式中，陶瓷涂层185不需要为离子传导的，然而，一旦用电解质(液体、凝胶、固体、组合等等)填充，多孔基板和电解质的组合是离子传导的。
在一些实现方式中，陶瓷涂层185选自由下列材料组成的群组：锆酸锂(Li2ZrO3)、LiPON、石榴石型Li7La3Zr2O12的结晶或非晶相、LISICON(例如，Li2+2xZn1-xGeO4，其中0＜x＜1)、NASICON(例如，Na1+xZr2SixP3-xO12，其中0＜x＜3)、硼氢化锂(LiBH4)、掺杂的反钙钛矿组成物、含锂硫化物(例如，Li2S、Li2S-P2S5、Li10GeP2S12和Li3PS4)、和锂硫银锗矿(例如，LiPS5X，其中x是Cl、Br或I)。
保护膜185可具有在1纳米至2,000纳米的范围中(例如，在10纳米至600纳米的范围中；在50纳米至100纳米的范围中；在100纳米至200纳米的范围中；在100纳米至150纳米的范围中)的厚度。
在一些实现方式中，粘合多孔聚合物膜190在陶瓷涂层185与分离膜130之间形成。不限于理论，认为粘合多孔聚合物膜190有助于在阳电极结构110与分离膜130接合在一起时改善在阳电极结构110与分离膜130之间的粘合性。
用于粘合多孔聚合物膜190的聚合物可以选自目前在Li离子电池组工业中使用的聚合物。可用于形成凝胶聚合物膜的聚合物的实例包括但不限于聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚环氧乙烷(PEO)、环氧乙烷(EO)、聚丙烯腈(PAN)、丁二腈(C2H4(CN)2)、2，3-二氯-5，6-二氰基-1，4-苯醌、聚苯硫醚、聚醚醚酮(PEEK)、羧甲基纤维素(CMC)、苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)离子液体和上述的组合。不受限于理论，但认为粘合多孔聚合物膜190可以在装置制造期间吸收Li传导电解质以形成凝胶，这有益于形成良好的固体电解质界面(SEI)并且也有助于降低电阻。在一些实现方式中，凝胶电解质或液晶电解质通过使用温热液体与锂离子传导盐的混合物来制成。将温热液体的混合物注入螺旋缠绕的电极或堆叠的电极中，这样填充网络电极孔，并且电解质在室温下形成固体或凝胶。粘合多孔聚合物膜190可以通过浸渍涂布、狭槽涂布、凹版涂布、或印刷来形成。具有硫离子的有机聚合物(例如，具有Li2O混合物的聚苯硫醚)已显示针对基于锂金属的阳极的良好结果，并且在一些情况下形成液晶电解质。
粘合多孔聚合物膜190可具有在5纳米至2,000纳米的范围中(例如，在10纳米至600纳米的范围中；在50纳米至100纳米的范围中；在100纳米至200纳米的范围中；在100纳米至150纳米的范围中)的厚度。
分离膜130在阳电极结构110与阴电极结构120之间形成。分离膜130包含能够利用孔传导离子的多孔(例如，微孔)聚合基板(例如，分离膜)。在一些实现方式中，多孔聚合基板本身不需要为离子传导的，然而，一旦用电解质(液体、凝胶、固体、组合等等)填充，多孔基板和电解质的组合是离子传导的。在一个实现方式中，多孔聚合基板是多膜聚合基板。在一个实现方式中，孔是微孔。在一些实现方式中，多孔聚合基板由任何市售聚合微孔膜(例如，单层或多层)组成，例如，由Polypore(Charlotte，North Carolina的Celgard Inc.)、Toray Tonen(电池组分离膜(BSF))、SK Energy(Li离子电池组隔膜(LiBS))、Evonikindustries(陶瓷分离膜)、Asahi Kasei((HiporeTM聚烯烃平坦薄膜)、DuPont/>等等生产的产品。在一些实现方式中，多孔聚合基板具有在20至80％的范围中(例如，在28至60％的范围中)的孔隙度。在一些实现方式中，多孔聚合基板具有在0.02至5微米(例如，0.08至2微米)的范围中的平均孔大小。在一些实现方式中，多孔聚合基板具有在15至150秒的范围中的Gurley编号。在一些实现方式中，多孔聚合基板是聚烯烃。示例性聚烯烃包括聚丙烯、聚乙烯、或上述的组合。
在其中能量存储装置100是固态电池组的一些实现方式中，分离膜130由锂离子传导玻璃替换。锂离子传导材料可为锂离子传导陶瓷或锂离子传导玻璃。Li离子传导材料可包含下列材料中的一或多种：LiPON、Li7La3Zr2O12的结晶或非晶相的掺杂变型、掺杂的反钙钛矿组成物、Li2S-P2S5、Li10GeP2S12、和Li3PS4、磷酸锂玻璃、(1-x)LiI-(x)Li4SnS4、xLiI-(1-x)Li4SnS4、混合的硫化物和氧化物电解质(结晶LLZO、非晶(1-x)LiI-(x)Li4SnS4混合物、和非晶xLiI-(1-x)Li4SnS4)，例如。在一个实现方式中，x在0与1之间(例如，0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、和0.9)。
在阳电极结构110、阴电极结构120和分离膜130中注入的电解质可包含液体/凝胶或固体聚合物，并且可各自不同。在一些实现方式中，电解质主要包括盐和媒介(例如，在液体电解质中，媒介可被称为溶剂；在凝胶电解质中，媒介可为聚合物基质)。盐可为锂盐。例如，锂盐可包括LiPF6、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO3)3、LiBF6、和LiClO4、BETTE电解质(可从Minneapolis，MN的3M Corp.购买)和上述的组合。例如，溶剂可包括碳酸乙二酯(EC)、碳酸丙二酯(PC)、EC/PC、2-Me THF(2-甲基四氢呋喃)/EC/PC、EC/DMC(碳酸二甲酯)、EC/DME(二甲基乙烷)、EC/DEC(碳酸二乙酯)、EC/EMC(碳酸乙基甲基酯)、EC/EMC/DMC/DEC、EC/EMC/DMC/DEC/PE、PC/DME、和DME/PC。例如，聚合物基质可包括PVDF(聚偏氟乙烯)、PVDF：THF(PVDF：四氢呋喃)、PVDF：CTFE(PVDF：氯三氟乙烯)、PAN(聚丙烯腈)、和PEO(聚环氧乙烷)。在一个实现方式中，电解质是盐中的溶剂，其中溶剂的百分比远低于常见电解质中的溶剂的百分比。
图2图示了根据本文描述的实现方式形成的阳电极结构200的一个实现方式的横截面图。注意到，在图2中，将阳极集电器160示出为延伸超出堆叠，尽管阳极集电器160不必延伸超出堆叠，延伸超出堆叠的部分可用作极耳。尽管将阳电极结构200描绘为双面电极结构，应当理解，本文描述的实现方式也应用于单面电极结构。
阳电极结构200具有阳极集电器160、在阳极集电器160的相对侧面上形成的阳极膜170a、170b(共同为170)。在一个实现方式中，阳极膜170是锂金属膜。在一个实现方式中，阳极膜170具有20微米或更小(例如，从约1微米至约20微米)的厚度。金属膜210a、210b(共同为210)在阳极膜170a、170b的每一个上形成。在一个实现方式中，金属膜选自铜膜、铋膜、或锡膜。在一个实现方式中，金属膜是具有100纳米或更小(例如，从约5纳米至100纳米；从约5纳米至约40纳米；从约10纳米至约20纳米；或从约50纳米至约100纳米)的厚度的超薄金属膜。在一些实现方式中，如图2所描绘，金属膜210涂布延伸到接触阳极集电器160的阳极膜170的暴露表面(例如，顶表面和侧壁)。保护膜220a、220b(共同为220)在金属膜210a、210b的每一个上形成。在一些实现方式中，锂离子和锂原子中的至少一种可渗透保护膜220。在一个实现方式中，保护膜220选自包含下列材料的群组：锂离子传导陶瓷、锂离子传导玻璃、或离子传导液晶。保护膜220可具有在5纳米至2,000微米的范围中(例如，在10纳米至600纳米的范围中；在50纳米至100纳米的范围中；在100纳米至200纳米的范围中；在100纳米至150纳米的范围中)的厚度。
图3图示了根据本文描述的实现方式形成的阳电极结构300的另一实现方式的横截面图。注意到，在图3中，将阳极集电器160示出为延伸超出堆叠，尽管阳极集电器160不必延伸超出堆叠，延伸超出堆叠的部分可用作极耳。尽管将阳电极结构300描绘为双面电极结构，应当理解，本文描述的实现方式也应用于单面电极结构。
阳电极结构300具有阳极集电器160、在阳极集电器160的相对侧面上形成的阳极膜170a、170b(共同为170)。在一个实现方式中，阳极膜170是硅石墨膜。在一个实现方式中，阳极膜170具有100微米或更小(例如，从约1μm至约100μm；从约10μm至约30μm；从约20μm至约30μm；从约3μm至约20μm；或从约50μm至约100μm)的厚度。锂金属膜310a、310b(共同为310)在阳极膜170a、170b的每一个的顶表面320a、320b(共同为320)上形成。在一些实现方式中，锂金属膜310在阳极膜170的暴露表面上形成，所述暴露表面包括顶表面320和侧壁330a、330b(共同为330)。锂金属膜310补充掺硅石墨阳极的第一循环容量损失。锂金属膜310是具有20纳米或更小(例如，从约1纳米至约20纳米；从约1纳米至约10纳米；或从约5纳米至约10纳米)的厚度的超薄锂膜。
在一些实现方式中，如图3所描绘，保护膜340a、340b(共同为340)涂布锂金属膜310的暴露表面和延伸到接触阳极集电器160的阳极膜170的暴露表面(例如，顶表面和侧壁)。在一些实现方式中，锂离子和锂原子中的至少一种可渗透保护膜340。在一个实现方式中，保护膜340选自包含下列材料的群组：锂离子传导陶瓷、锂离子传导玻璃、或离子传导液晶。保护膜340可具有在5纳米至2,000微米的范围中(例如，在10纳米至600纳米的范围中；i在50纳米至100纳米的范围中；在100纳米至200纳米的范围中；在100纳米至150纳米的范围中)的厚度。
图4图示了根据本文描述的实现方式形成的阳电极结构400的另一实现方式的截面面图。注意到，在图4中，将阳极集电器160图示为延伸超出堆叠，尽管阳极集电器160不必延伸超出堆叠，延伸超出堆叠的部分可用作极耳。尽管将阳电极结构400描绘为双面电极结构，应当理解，本文描述的实现方式也应用于单面电极结构。
阳电极结构400具有阳极集电器160、在阳极集电器160的相对侧面上形成的阳极膜170a、170b(共同为170)。在一个实现方式中，阳极膜170是硅石墨膜。在一个实现方式中，阳极膜170是锂金属膜。在一个实现方式中，阳极膜170具有100微米或更小(例如，从约1μm至约100μm；从约10μm至约30μm；从约20μm至约30μm；从约3μm至约20μm；或从约50μm至约100μm)的厚度。保护膜堆叠410a、410b(共同为410)在阳极膜170上形成。在一些实现方式中，保护膜堆叠410在阳极膜170的暴露表面上方形成，所述暴露表面包括阳极膜170的顶表面420a、420b(共同为420)和侧壁430a、430b(共同为430)。保护膜堆叠410包括保护膜440a、440b(共同为440)、在保护膜堆叠410上方形成的第一聚合物膜450a、450b(共同为450)、在第一聚合物膜450上方形成的陶瓷膜460a、460b(共同为460)、和在陶瓷膜460上方形成的第二聚合物膜470a、470b(共同为470)。
保护膜440选自如下的群组：氟化锂(LiF)、氧化铝、羟基氧化铝(AlO(OH))、铜硫属化物(例如，CuS、Cu2Se、Cu2S)、铋硫属化物(例如，Bi2Te3、Bi2Se3)、碳酸锂(Li2CO3)、和上述的组合。在一个实现方式中，保护膜440为碳酸锂膜(Li2CO3)。在一个实现方式中，保护膜440是具有20纳米或更小(例如，从约1纳米至约20纳米；从约1纳米至约10纳米；或从约5纳米至约10纳米)的厚度的超薄膜。在一些实现方式中，保护膜440在阳极膜170的暴露表面上方形成，所述暴露表面包括阳极膜170的顶表面420a、420b(共同为420)和侧壁430a、430b(共同为430)。
第一聚合物膜450在保护膜440上方形成。第一聚合物膜450用作粘合层并且增强离子传导。在一个实现方式中，第一聚合物膜450选自包含下列物质的群组：聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚环氧乙烷(PEO)、环氧乙烷(EO)、聚丙烯腈(PAN)、丁二腈(C2H4(CN)2)、2，3-二氯-5，6-二氰基-1，4-苯醌、聚苯硫醚、聚醚醚酮(PEEK)、羧甲基纤维素(CMC)、苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)离子液体和上述的组合。在一个实现方式中，第一聚合物膜450具有20纳米或更小(例如，从约1纳米至约20纳米；从约1纳米至约10纳米；或从约5纳米至约10纳米)的厚度。在一些实现方式中，第一聚合物膜450在保护膜440的暴露表面上方形成，所述暴露表面包括保护膜440的顶表面和侧壁。
陶瓷膜460在第一聚合物膜450上方形成。陶瓷膜460用作锂离子传导增强剂并且阻挡枝晶。在一个实现方式中，陶瓷膜460是多孔膜。陶瓷膜460可与陶瓷涂层195类似。在一个实现方式中，陶瓷膜460选自包含下列材料的群组：LiPON、石榴石型Li7La3Zr2O12的结晶或非晶相、LISICON(例如，Li2+2xZn1-xGeO4，其中0＜x＜1)、NASICON(例如，Na1+xZr2SixP3-xO12，其中0＜x＜3)、硼氢化锂(LiBH4)、掺杂的反钙钛矿组成物、含锂硫化物(例如，Li2S、Li2S-P2S5、Li10GeP2S12和Li3PS4)、和锂硫银锗矿(argyrodites)(例如，LiPS5X，其中x是Cl、Br或I)。在一个实现方式中，陶瓷膜460具有20纳米或更小(例如，从约1纳米至约20纳米；从约1纳米至约10纳米；或从约5纳米至约10纳米)的厚度。在一些实现方式中，陶瓷膜460在第一聚合物膜450的暴露表面上方形成，所述暴露表面包括第一聚合物膜450的顶表面和侧壁。
第二聚合物膜470在陶瓷膜460上方形成。第二聚合物膜470用作粘合层并且增强离子传导。在一个实现方式中，第二聚合物膜470选自包含下列物质的群组：聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚环氧乙烷(PEO)、环氧乙烷(EO)、聚丙烯腈(PAN)、丁二腈(C2H4(CN)2)、2，3-二氯-5，6-二氰基-1，4-苯醌、聚苯硫醚、聚醚醚酮(PEEK)、羧甲基纤维素(CMC)、苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)离子液体和上述的组合。在一个实现方式中，第二聚合物膜470具有20纳米或更小(例如，从约1纳米至约20纳米；从约1纳米至约10纳米；或从约5纳米至约10纳米)的厚度。在一些实现方式中，第二聚合物膜470在陶瓷膜460的暴露表面上方形成，所述暴露表面包括第二聚合物膜470的顶表面和侧壁。
图5图示了根据本文描述的实现方式形成的阳电极结构500的另一实现方式的横截面图。注意到，在图5中，将阳极集电器160示出为延伸超出堆叠，尽管阳极集电器160不必延伸超出堆叠，延伸超出堆叠的部分可用作极耳。尽管将阳电极结构500描绘为双面电极结构，应当理解，本文描述的实现方式也应用于单面电极结构。
阳电极结构500具有阳极集电器160、在阳极集电器160的相对侧面上形成的阳极膜170a、170b(共同为170)。在一个实现方式中，阳极膜170是硅石墨膜。在一个实现方式中，阳极膜170具有100微米或更小(例如，从约1μm至约100μm；从约10μm至约30μm；从约20μm至约30μm；从约3μm至约20μm；或从约50μm至约100μm)的厚度。在一个实现方式中，阳极膜170是锂金属膜。保护膜堆叠510a、510b(共同为510)在阳极膜170上形成。在一些实现方式中，保护膜堆叠510在阳极膜170的暴露表面上方形成，所述暴露表面包括阳极膜170的顶表面520a、520b(共同为520)和侧壁530a、530b(共同为530)。保护膜堆叠510包括在阳极膜170的暴露表面上方形成的第一聚合物膜550a、550b(共同为550)、在第一聚合物膜550上方形成的电介质膜560a、560b(共同为560)、和在电介质膜560上方形成的第二聚合物膜570a、570b(共同为570)。
第一聚合物膜550在阳极膜170上方形成。第一聚合物膜550用作粘合层并且增强离子传导。在一个实现方式中，第一聚合物膜550选自包含下列物质的群组：聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚环氧乙烷(PEO)、环氧乙烷(EO)、聚丙烯腈(PAN)、丁二腈(C2H4(CN)2)、2，3-二氯-5，6-二氰基-1，4-苯醌、聚苯硫醚、聚醚醚酮(PEEK)、羧甲基纤维素(CMC)、苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)离子液体和上述的组合。在一个实现方式中，第一聚合物膜550具有20纳米或更小(例如，从约1纳米至约20纳米；从约1纳米至约10纳米；或从约5纳米至约10纳米)的厚度。在一些实现方式中，第一聚合物膜550在阳极膜170的暴露表面上方形成，所述暴露表面包括阳极膜170的顶表面520和侧壁530。
电介质膜560在第一聚合物膜550上方形成。电介质膜560用作锂离子传导增强剂并且阻挡枝晶。在一个实现方式中，电介质膜560是多孔膜。电介质膜560可与陶瓷涂层185类似。在一个实现方式中，电介质膜560选自包含下列材料的群组：LiPON、石榴石型Li7La3Zr2O12的结晶或非晶相、LISICON(例如，Li2+2xZn1-xGeO4，其中0＜x＜1)、NASICON(例如，Na1+xZr2SixP3-xO12，其中0＜x＜3)、硼氢化锂(LiBH4)、掺杂的反钙钛矿组成物、含锂硫化物(例如，Li2S、Li2S-P2S5、Li10GeP2S12和Li3PS4)、和锂硫银锗矿(例如，LiPS5X，其中x是Cl、Br或I)。在一个实现方式中，电介质膜560具有20纳米或更小(例如，从约1纳米至约20纳米；从约1纳米至约10纳米；或从约5纳米至约10纳米)的厚度。在一些实现方式中，电介质膜560在第一聚合物膜550的暴露表面上方形成，所述暴露表面包括第一聚合物膜550的顶表面和侧壁。
第二聚合物膜570在电介质膜560上方形成。第二聚合物膜570用作粘合层并且增强离子传导。在一个实现方式中，第二聚合物膜570选自包含下列物质的群组：聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚环氧乙烷(PEO)、环氧乙烷(EO)、聚丙烯腈(PAN)、丁二腈(C2H4(CN)2)、2，3-二氯-5，6-二氰基-1，4-苯醌、聚苯硫醚、聚醚醚酮(PEEK)、羧甲基纤维素(CMC)、苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)离子液体和上述的组合。在一个实现方式中，第二聚合物膜570具有20纳米或更小(例如，从约1纳米至约20纳米；从约1纳米至约10纳米；或从约5纳米至约10纳米)的厚度。在一些实现方式中，第二聚合物膜570在电介质膜560的暴露表面上方形成，所述暴露表面包括电介质膜560的顶表面和侧壁。
图6示出了根据本文描述的实现方式形成的阳电极结构600的另一实现方式的横截面图。注意到，在图6中，将阳极集电器160示出为延伸超出堆叠，尽管阳极集电器160不必延伸超出堆叠，延伸超出堆叠的部分可用作极耳。尽管将阳电极结构600描绘为双面电极结构，应当理解，本文描述的实现方式也应用于单面电极结构。
阳电极结构600具有阳极集电器160、在阳极集电器160的相对侧面上形成的阳极膜170a、170b(共同为170)。在一个实现方式中，阳极膜170是硅石墨膜。在一个实现方式中，阳极膜170具有100微米或更小(例如，从约1μm至约100μm；从约10μm至约30μm；从约20μm至约30μm；从约3μm至约20μm；或从约50μm至约100μm)的厚度。在一个实现方式中，阳极膜170是锂金属膜。保护膜堆叠610a、610b(共同为610)在阳极膜170上形成。在一些实现方式中，保护膜堆叠610在阳极膜170的暴露表面上方形成，所述暴露表面包括阳极膜170的顶表面620a、620b(共同为620)和侧壁630a、630b(共同为630)。保护膜堆叠610包括在阳极膜170的暴露表面上方形成的金属膜650a、650b(共同为650)、在金属膜650上方形成的电介质膜660a、660b(共同为660)、和在电介质膜660上方形成的聚合物膜670a、670b(共同为670)。
金属膜650在阳极膜170上方形成。金属膜650用作保护膜。金属膜650可与保护膜175类似。在一个实现方式中，金属膜620是超薄金属种晶膜。金属膜650可为铜膜。铜膜可为超薄铜膜。在一个实现方式中，金属膜650具有20纳米或更小(例如，从约1纳米至约20纳米；从约1纳米至约10纳米；或从约5纳米至约10纳米)的厚度。在一些实现方式中，金属膜650在阳极膜170的暴露表面上方形成，所述暴露表面包括阳极膜170的顶表面620和侧壁630。
电介质膜660在金属膜650上方形成。电介质膜660用作锂离子传导增强剂并且阻挡枝晶。在一个实现方式中，电介质膜660是多孔膜。电介质膜660可与陶瓷涂层185类似。在一个实现方式中，电介质膜660选自包含下列材料的群组：LiPON、石榴石型Li7La3Zr2O12的结晶或非晶相、LISICON(例如，Li2+2xZn1-xGeO4，其中0＜x＜1)、NASICON(例如，Na1+xZr2SixP3- xO12，其中0＜x＜3)、硼氢化锂(LiBH4)、掺杂的反钙钛矿组成物、含锂硫化物(例如，Li2S、Li2S-P2S5、Li10GeP2S12和Li3PS4)、和锂硫银锗矿(例如，LiPS5X，其中x是Cl、Br或I)。在一个实现方式中，电介质膜660具有20纳米或更小(例如，从约1纳米至约20纳米；从约1纳米至约10纳米；或从约5纳米至约10纳米)的厚度。在一些实现方式中，电介质膜660在金属膜650的暴露表面上方形成，所述暴露表面包括金属膜650的顶表面和侧壁。
聚合物膜670在电介质膜660上方形成。聚合物膜670用作粘合层并且增强离子传导。在一个实现方式中，聚合物膜670选自包含下列物质的群组：聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚环氧乙烷(PEO)、环氧乙烷(EO)、聚丙烯腈(PAN)、丁二腈(C2H4(CN)2)、2，3-二氯-5，6-二氰基-1，4-苯醌、聚苯硫醚、聚醚醚酮(PEEK)、羧甲基纤维素(CMC)、苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)离子液体和上述的组合。在一个实现方式中，聚合物膜670具有20纳米或更小(例如，从约1纳米至约20纳米；从约1纳米至约10纳米；或从约5纳米至约10纳米)的厚度。在一些实现方式中，聚合物膜670在电介质膜660的暴露表面上方形成，所述暴露表面包括电介质膜660的顶表面和侧壁。
图7图解了概述根据本文描述的实现方式的用于形成阳电极结构的方法700的一个实现方式的工艺流程图。阳电极结构可为图2中描绘的阳电极结构200。在操作710处，提供了基板。在一个实现方式中，如图12所示，基板是连续材料薄片1250。在一个实现方式中，基板是阳极集电器160。基板可包含的金属的实例包括铝(Al)、铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)、铬(Cr)、不锈钢、覆层材料、上述的合金、和它们的组合。在一个实现方式中，基板是铜材料。在一个实现方式中，穿孔基板。此外，基板可具有任何外形尺寸(例如，金属箔、薄片、或板)、形状和微观/宏观结构。
在一些实现方式中，将基板暴露于预处理工艺，所述工艺包括等离子体处理或电晕放电工艺中的至少一个以从集电器的暴露表面移除有机材料。预处理工艺在基板上的膜沉积之前执行。
在操作720处，锂金属膜在基板上形成。在一个实现方式中，锂金属膜是阳极膜170，并且基板是阳极集电器160。在一个实现方式中，锂金属膜在铜集电器上形成。在一些实现方式中，如果在基板上已经存在阳极膜，则锂金属膜在阳极膜上形成。如果不存在阳极膜170，则锂金属膜可直接在基板上形成。任何合适的用于沉积锂金属薄膜的锂金属膜沉积工艺可用于沉积锂金属薄膜。锂金属薄膜的沉积可通过诸如蒸发之类的PVD工艺、狭槽工艺、转移工艺、或三维锂印刷工艺执行。用于沉积锂金属薄膜的腔室可包括：PVD系统，诸如电子束蒸发器、热蒸发器、或溅射系统；薄膜转移系统(包括大面积图案印刷系统，诸如凹版印刷系统)；或狭槽沉积系统。
在操作730处，金属膜在锂金属膜上形成。在一个实现方式中，金属膜是铜膜、铋膜或锡膜。参考图2，金属膜可为金属膜210，并且锂金属膜可为阳极膜170。在一个实现方式中，金属膜选自铜膜、铋膜、锡膜、或上述的组合。在一个实现方式中，金属膜是具有100纳米或更小(例如，从约5纳米至100纳米；从约10纳米至约20纳米；或从约50纳米至约100纳米)的厚度的超薄铜膜。任何合适的用于沉积铜薄膜的铜膜沉积工艺可用于沉积铜薄膜。铜薄膜的沉积可通过诸如蒸发之类的PVD工艺、狭槽工艺、转移工艺、或三维锂印刷工艺。用于沉积锂金属薄膜的腔室可包括：PVD系统，诸如电子束蒸发器、热蒸发器、或溅射系统；薄膜转移系统(包括大面积图案印刷系统，诸如凹版印刷系统)；或狭槽沉积系统。
在操作740处，保护膜可在金属膜上形成。参考图2，保护膜可为保护膜220，并且铜膜可为金属膜210。在一些实现方式中，锂离子和锂原子中的至少一种可渗透保护膜220。在一个实现方式中，保护膜220选自包含下列材料的群组：锂离子传导陶瓷、锂离子传导玻璃、离子传导聚合物、离子传导液晶、上述的复合组合、或上述的单元层组合。保护膜220可具有在5纳米至2,000微米的范围中(例如，在10纳米至600纳米的范围中；在50纳米至100纳米的范围中；在100纳米至200纳米的范围中；在100纳米至150纳米的范围中)的厚度。保护膜220可以使用物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、喷涂、刮刀、印刷或数种涂布方法中的任一种直接在铜膜上沉积。用于一些实现方式的合适方法是PVD。在一些实现方式中，保护膜220不需要为离子传导的，然而，一旦用电解质(液体、凝胶、固体、组合等等)填充，则多孔基板和电解质的组合是离子传导的。
图8图解了概述根据本文描述的实现方式的用于形成阳电极结构的方法800的一个实现方式的工艺流程图。阳电极结构可为图3中描绘的阳电极结构300。在操作810处，提供了基板。在一个实现方式中，基板是连续材料薄片1250。在一个实现方式中，基板是阳极集电器160。基板可包含的金属的实例包括铝(Al)、铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)、铬(Cr)、不锈钢、覆层材料、上述的合金、和它们的组合。在一个实现方式中，基板是铜材料。在一个实现方式中，穿孔基板。此外，基板可具有任何外形尺寸(例如，金属箔、薄片、或板)、形状和微观/宏观结构。
在一些实现方式中，将基板暴露于预处理工艺，所述工艺包括等离子体处理或电晕放电工艺中的至少一个以从集电器的暴露表面移除有机材料。预处理工艺在基板上的膜沉积之前执行。
在操作820处，硅石墨膜在基板上形成。在一个实现方式中，硅石墨膜是阳极膜170，并且基板是阳极集电器160。在一个实现方式中，硅石墨膜在铜集电器上形成。硅石墨膜可在第一处理腔室1210中形成(参见图12)。任何合适的用于沉积硅石墨薄膜的硅石墨膜沉积工艺可用于沉积硅石墨薄膜。硅石墨薄膜的沉积可通过诸如蒸发之类的PVD工艺、狭槽工艺、转移工艺、电镀工艺、或三维锂印刷工艺。用于沉积硅石墨薄膜的腔室可包括：PVD系统，诸如电子束蒸发器、热蒸发器、或溅射系统；薄膜转移系统(包括大面积图案印刷系统，诸如凹版印刷系统；或狭槽沉积系统。
在操作830处，锂金属膜在硅石墨膜上形成。参见图3，在一个实现方式中，锂金属膜是锂金属膜310，并且硅石墨膜是阳极膜170。任何合适的用于沉积锂金属薄膜的锂金属膜沉积工艺可用于沉积锂金属薄膜。锂金属薄膜的沉积可通过诸如蒸发之类的PVD工艺、狭槽工艺、转移工艺、或三维锂印刷工艺。用于沉积锂金属薄膜的腔室可包括：PVD系统，诸如电子束蒸发器、热蒸发器、或溅射系统；薄膜转移系统(包括大面积图案印刷系统，诸如凹版印刷系统)；或狭槽沉积系统。
在操作840处，保护膜可在锂金属膜上形成。参考图3，保护膜可为保护膜340，并且锂金属膜可为锂金属膜310。在一些实现方式中，锂离子和锂原子中的至少一种可渗透保护膜340。在一个实现方式中，保护膜340选自包含下列材料的群组：锂离子传导陶瓷、锂离子传导玻璃、离子传导聚合物、离子传导液晶、上述的复合组合、或上述的单元层组合。保护膜340可具有在5纳米至2,000微米的范围中(例如，在10纳米至600纳米的范围中；在50纳米至100纳米的范围中；在100纳米至200纳米的范围中；在100纳米至150纳米的范围中)的厚度。保护膜340可以使用物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、喷涂、刮刀、印刷或数个涂布方法中的任一个直接在锂金属膜上沉积。用于一些实现方式的合适方法是PVD。在一些实现方式中，保护膜340不需要为离子传导的，然而，一旦用电解质(液体、凝胶、固体、组合等等)填充，多孔基板和电解质的组合是离子传导的。
图9图解了概述根据本文描述的实现方式的用于形成阳电极结构的方法900的一个实现方式的工艺流程图。阳电极结构可为图4中描绘的阳电极结构400。在操作910处，提供了基板。在一个实现方式中，如图12所示，基板是连续材料薄片1250。在一个实现方式中，基板是阳极集电器160。基板可包含的金属的实例包括铝(Al)、铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)、铬(Cr)、不锈钢、覆层材料、其合金、和上述的组合。在一个实现方式中，基板是铜材料。在一个实现方式中，穿孔基板。此外，基板可具有任何外形尺寸(例如，金属箔、薄片、或板)、形状和微观/宏观结构。
在一些实现方式中，将基板暴露于预处理工艺，所述工艺包括等离子体处理或电晕放电工艺中的至少一个以从集电器的暴露表面移除有机材料。预处理工艺在基板上的膜沉积之前执行。
在操作920处，锂金属膜在基板上形成。在一个实现方式中，锂金属膜是阳极膜170，并且基板是阳极集电器160。在一个实现方式中，锂金属膜在铜集电器上形成。在一些实现方式中，如果在基板上已经存在阳极膜，则锂金属膜在阳极膜上形成。如果不存在阳极膜170，则锂金属膜可直接在基板上形成。任何合适的用于沉积锂金属薄膜的锂金属膜沉积工艺可用于沉积锂金属薄膜。锂金属薄膜的沉积可通过诸如蒸发之类的PVD工艺、狭槽工艺、转移工艺、或三维锂印刷工艺。用于沉积锂金属薄膜的腔室可包括：PVD系统，诸如电子束蒸发器、热蒸发器、或溅射系统；薄膜转移系统(包括大面积图案印刷系统，诸如凹版印刷系统)；或狭槽沉积系统。
在操作930处，保护膜在锂金属膜上形成。参考图4，保护膜可为保护膜440，并且锂金属膜可为阳极膜170。在一个实现方式中，保护膜与如关于图1描述的保护膜175类似。保护膜包括下列物质中的至少一种：氟化锂(LiF)、金属膜(例如，铜、铋、锡、或上述的组合)、铜硫属化物(例如，CuS、Cu2Se、Cu2S))、铋硫属化物(例如，Bi2Te3、Bi2Se3)、和碳酸锂(Li2CO3)。保护膜175提供对阳极膜170的表面保护。保护膜可以通过诸如蒸发或溅射的物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)、狭槽工艺、浸渍涂布、薄膜转移工艺、凹版涂布、逗号条形涂布、滚压涂布、或三维锂印刷工艺直接在阳极膜170上沉积。PVD是用于沉积保护膜的优选方法。保护膜可为具有在1纳米至2,000纳米的范围中(例如，在10纳米至600纳米的范围中；在50纳米至100纳米的范围中；在50纳米至200纳米的范围中；在100纳米至150纳米的范围中)的厚度的涂层或分立膜。保护膜可为具有在5微米至50微米的范围中(例如，在6微米至25微米的范围中)的厚度的分立膜。
在操作940处，第一聚合物膜在保护膜上形成。参考图4，第一聚合物膜可为第一聚合物膜450，并且保护膜可为保护膜440。第一聚合物膜用作粘合层并且增强离子传导。在一个实现方式中，第一聚合物膜选自包含下列物质的群组：聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚环氧乙烷(PEO)、环氧乙烷(EO)、聚丙烯腈(PAN)、丁二腈(C2H4(CN)2)、2，3-二氯-5，6-二氰基-1，4-苯醌、聚苯硫醚、聚醚醚酮(PEEK)、羧甲基纤维素(CMC)、苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)离子液体和上述的组合。在一个实现方式中，第一聚合物膜具有20纳米或更小(例如，从约1纳米至约20纳米；从约1纳米至约10纳米；或从约5纳米至约10纳米)的厚度。在一些实现方式中，第一聚合物膜在保护膜的暴露表面上方形成，所述暴露表面包括保护膜的顶表面和侧壁。第一聚合物膜可以通过诸如蒸发或溅射的物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)、狭槽工艺、浸渍涂布、薄膜转移工艺、凹版涂布或三维锂印刷工艺直接在保护膜上沉积。
在操作950处，陶瓷膜在第一聚合物膜上形成。参考图4，陶瓷膜可为陶瓷膜460，并且第一聚合物膜可为第一聚合物膜450。陶瓷膜用作锂离子传导增强剂并且阻挡枝晶。在一个实现方式中，陶瓷膜是多孔膜。陶瓷膜可与如关于图1描述的陶瓷涂层185类似。在一个实现方式中，陶瓷膜选自包含下列材料的群组：LiPON、石榴石型Li7La3Zr2O12的结晶或非晶相、LISICON(例如，Li2+2xZn1-xGeO4，其中0＜x＜1)、NASICON(例如，Na1+xZr2SixP3-xO12，其中0＜x＜3)、硼氢化锂(LiBH4)、掺杂的反钙钛矿组成物、含锂硫化物(例如，Li2S、Li2S-P2S5、Li10GeP2S12和Li3PS4)、和锂硫银锗矿(例如，LiPS5X，其中x是Cl、Br或I)。在一个实现方式中，陶瓷膜具有20纳米或更小(例如，从约1纳米至约20纳米；从约1纳米至约10纳米；或从约5纳米至约10纳米)的厚度。在一些实现方式中，陶瓷膜在第一聚合物膜的暴露表面上方形成，所述暴露表面包括第一聚合物膜的顶表面和侧壁。陶瓷膜可以通过诸如蒸发或溅射的物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)、狭槽工艺、浸渍涂布、薄膜转移工艺、凹版涂布或三维锂印刷工艺直接在保护上沉积。
在操作960处，第二聚合物膜在陶瓷膜上形成。参考图4，第二聚合物膜可为第二聚合物膜470，并且陶瓷膜可为陶瓷膜460。第二聚合物膜470用作粘合层并且增强离子传导。在一个实现方式中，第二聚合物膜选自包含下列物质的群组：聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚环氧乙烷(PEO)、环氧乙烷(EO)、聚丙烯腈(PAN)、丁二腈(C2H4(CN)2)、2，3-二氯-5，6-二氰基-1，4-苯醌、聚苯硫醚、聚醚醚酮(PEEK)、羧甲基纤维素(CMC)、苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)离子液体和上述的组合。在一个实现方式中，第二聚合物膜具有20纳米或更小(例如，从约1纳米至约20纳米；从约1纳米至约10纳米；或从约5纳米至约10纳米)的厚度。在一些实现方式中，第二聚合物膜在陶瓷膜的暴露表面上方形成，所述暴露表面包括第二聚合物膜的顶表面和侧壁。第二聚合物膜可以通过诸如蒸发或溅射的物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)、狭槽工艺、浸渍涂布、薄膜转移工艺、凹版涂布或三维锂印刷工艺直接在保护膜上沉积。
图10图解了概述根据本文描述的实现方式的用于形成阳电极结构的方法1000的一个实现方式的工艺流程图。阳电极结构可为图5中描绘的阳电极结构500。在操作1010处，提供了基板。在一个实现方式中，如图12所示，基板是连续材料薄片1250。在一个实现方式中，基板是阳极集电器160。基板可包含的金属的实例包括铝(Al)、铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)、铬(Cr)、不锈钢、覆层材料、上述的合金、和它们的组合。在一个实现方式中，基板是铜材料。在一个实现方式中，穿孔基板。此外，基板可具有任何外形尺寸(例如，金属箔、薄片、或板)、形状和微观/宏观结构。
在一些实现方式中，将基板暴露于预处理工艺，所述工艺包括等离子体处理或电晕放电工艺中的至少一个以从集电器的暴露表面移除有机材料。预处理工艺在基板上的膜沉积之前执行。
在操作1020处，锂金属膜在基板上形成。在一个实现方式中，锂金属膜是阳极膜170，并且基板是阳极集电器160。在一个实现方式中，锂金属膜在铜集电器上形成。在一些实现方式中，如果在基板上已经存在阳极膜，则锂金属膜在阳极膜上形成。如果不存在阳极膜170，则锂金属膜可直接在基板上形成。任何合适的用于沉积锂金属薄膜的锂金属膜沉积工艺可用于沉积锂金属薄膜。锂金属薄膜的沉积可通过诸如蒸发之类的PVD工艺、狭槽工艺、转移工艺、或三维锂印刷工艺。用于沉积锂金属薄膜的腔室可包括：PVD系统，诸如电子束蒸发器、热蒸发器、或溅射系统；薄膜转移系统(包括大面积图案印刷系统，诸如凹版印刷系统)；或狭槽沉积系统。
在操作1030处，第一聚合物膜在锂金属膜上形成。参考图5，第一聚合物膜可为第一聚合物膜550，并且锂金属膜可为阳极膜170。第一聚合物膜用作粘合层并且增强离子传导。在一个实现方式中，第一聚合物膜选自包含下列物质的群组：聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚环氧乙烷(PEO)、环氧乙烷(EO)、聚丙烯腈(PAN)、丁二腈(C2H4(CN)2)、2，3-二氯-5，6-二氰基-1，4-苯醌、聚苯硫醚、聚醚醚酮(PEEK)、羧甲基纤维素(CMC)、苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)离子液体和上述的组合。在一个实现方式中，第一聚合物膜具有20纳米或更小(例如，从约1纳米至约20纳米；从约1纳米至约10纳米；或从约5纳米至约10纳米)的厚度。在一些实现方式中，第一聚合物膜在锂金属膜的暴露表面上方形成，所述暴露表面包括保护膜的顶表面和侧壁。第一聚合物膜可以通过诸如蒸发或溅射的物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)、狭槽工艺、浸渍涂布、薄膜转移工艺、凹版涂布或三维锂印刷工艺直接在保护膜上沉积。
在操作1040处，电介质膜在第一聚合物膜上形成。参考图5，电介质膜可为电介质膜560，并且第一聚合物膜可为第一聚合物膜550。电介质膜用作锂离子传导增强剂并且阻挡枝晶。在一个实现方式中，电介质膜是多孔膜。电介质膜可与如关于图1描述的陶瓷涂层185类似。在一个实现方式中，电介质膜选自包含下列材料的群组：LiPON、石榴石型Li7La3Zr2O12的结晶或非晶相、LISICON(例如，Li2+2xZn1-xGeO4，其中0＜x＜1)、NASICON(例如，Na1+xZr2SixP3-xO12，其中0＜x＜3)、硼氢化锂(LiBH4)、掺杂的反钙钛矿组成物、含锂硫化物(例如，Li2S、Li2S-P2S5、Li10GeP2S12和Li3PS4)、和锂硫银锗矿(例如，LiPS5X，其中x是Cl、Br或I)。在一个实现方式中，电介质膜可具有20纳米或更小(例如，从约1纳米至约20纳米；从约1纳米至约10纳米；或从约5纳米至约10纳米)的厚度。在一些实现方式中，电介质膜在第一聚合物膜的暴露表面上方形成，所述暴露表面包括第一聚合物膜的顶表面和侧壁。电介质膜可以通过化学气相沉积(CVD)、诸如蒸发或溅射的物理气相沉积(PVD)(、原子层沉积(ALD)、狭槽工艺、浸渍涂布、薄膜转移工艺、凹版涂布或三维锂印刷工艺直接在保护膜上沉积。
在操作1050处，第二聚合物膜在电介质膜上形成。参考图5，第二聚合物膜可为第二聚合物膜570，并且电介质膜可为电介质膜560。第二聚合物膜570用作粘合层并且增强离子传导。在一个实现方式中，第二聚合物膜选自包含下列物质的群组：聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚环氧乙烷(PEO)、环氧乙烷(EO)、聚丙烯腈(PAN)、丁二腈(C2H4(CN)2)、2，3-二氯-5，6-二氰基-1，4-苯醌、聚苯硫醚、聚醚醚酮(PEEK)、羧甲基纤维素(CMC)、苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)离子液体和上述的组合。在一个实现方式中，第二聚合物膜具有20纳米或更小(例如，从约1纳米至约20纳米；从约1纳米至约10纳米；或从约5纳米至约10纳米)的厚度。在一些实现方式中，第二聚合物膜在陶瓷膜的暴露表面上方形成，所述暴露表面包括第二聚合物膜的顶表面和侧壁。第二聚合物膜可以通过诸如蒸发或溅射的物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)、狭槽工艺、浸渍涂布、薄膜转移工艺、凹版涂布或三维锂印刷工艺直接在保护膜上沉积。
图11图解了概述根据本文描述的实现方式的用于形成阳电极结构的方法1100的一个实现方式的工艺流程图。阳电极结构可为图6中描绘的阳电极结构600。在操作1110处，提供了基板。在一个实现方式中，如图12所示，基板是连续材料薄片1250。在一个实现方式中，基板是阳极集电器160。基板可包含的金属的实例包括铝(Al)、铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)、铬(Cr)、不锈钢、覆层材料、上述的合金、和上述的组合。在一个实现方式中，基板是铜材料。在一个实现方式中，穿孔基板。此外，基板可具有任何外形尺寸(例如，金属箔、薄片、或板)、形状和微观/宏观结构。
在一些实现方式中，将基板暴露于预处理工艺，所述工艺包括等离子体处理或电晕放电工艺中的至少一个以从集电器的暴露表面移除有机材料。预处理工艺在基板上的膜沉积之前执行。
在操作1120处，锂金属膜在基板上形成。在一个实现方式中，锂金属膜是阳极膜170，并且基板是阳极集电器160。在一个实现方式中，锂金属膜在铜集电器上形成。在一些实现方式中，如果在基板上已经存在阳极膜，则锂金属膜在阳极膜上形成。如果不存在阳极膜170，则锂金属膜可直接在基板上形成。锂金属膜可在第一处理腔室1210和/或第二处理腔室1220中形成。任何合适的用于沉积锂金属薄膜的锂金属膜沉积工艺可用于沉积锂金属薄膜。锂金属薄膜的沉积可通过诸如蒸发之类的PVD工艺、狭槽工艺、转移工艺、或三维锂印刷工艺。用于沉积锂金属薄膜的腔室可包括：PVD系统，诸如电子束蒸发器、热蒸发器、或溅射系统；薄膜转移系统(包括大面积图案印刷系统，诸如凹版印刷系统、逗号条形印刷、或滚压涂布)；或狭槽沉积系统。
在操作1130处，金属膜在锂金属膜上形成。参考图6，金属膜可为金属膜650，并且锂金属膜可为阳极膜170。在一个实现方式中，金属膜是具有100纳米或更小(例如，从约5纳米至100纳米；从约10纳米至约20纳米；或从约50纳米至约100纳米)的厚度的超薄金属膜。在一个实现方式中，金属膜是铜膜。任何合适的用于沉积金属薄膜的金属膜沉积工艺可用于沉积金属薄膜。金属膜的沉积可通过诸如蒸发之类的PVD工艺、狭槽工艺、转移工艺、或三维锂印刷工艺。用于沉积金属膜的腔室可包括：PVD系统，诸如电子束蒸发器、热蒸发器、或溅射系统；薄膜转移系统(包括大面积图案印刷系统，诸如凹版印刷系统、逗号条形印刷、或滚压涂布；或狭槽沉积系统。
在操作1140处，电介质膜在金属膜上形成。参考图6，电介质膜可为电介质膜660，并且金属膜可为金属膜650。电介质膜用作锂离子传导增强剂并且阻挡枝晶。在一个实现方式中，电介质膜是多孔膜。电介质膜可与如关于图1描述的陶瓷涂层185类似。在一些实现方式中，电介质膜选自包含下列材料的群组：LiPON、石榴石型Li7La3Zr2O12的结晶或非晶相、LISICON(例如，Li2+2xZn1-xGeO4，其中0＜x＜1)、NASICON(例如，Na1+xZr2SixP3-xO12，其中0＜x＜3)、硼氢化锂(LiBH4)、掺杂的反钙钛矿组成物、含锂硫化物(例如，Li2S、Li2S-P2S5、Li10GeP2S12和Li3PS4)、和锂硫银锗矿(例如，LiPS5X，其中x是Cl、Br或I)。在一个实现方式中，电介质膜具有20纳米或更小(例如，从约1纳米至约20纳米；从约1纳米至约10纳米；或从约5纳米至约10纳米)的厚度。在一些实现方式中，电介质膜在第一聚合物膜的暴露表面上方形成，所述暴露表面包括第一聚合物膜的顶表面和侧壁。电介质膜可以通过化学气相沉积(CVD)、诸如蒸发或溅射的物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)、狭槽工艺、浸渍涂布、薄膜转移工艺、凹版涂布或三维锂印刷工艺直接在保护膜上沉积。
在操作1150处，聚合物膜在电介质膜上形成。参考图6，聚合物膜可为聚合物膜670，并且电介质膜可为电介质膜660。聚合物膜670用作粘合层并且增强离子传导。在一个实现方式中，聚合物膜选自包含下列物质的群组：聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚环氧乙烷(PEO)、环氧乙烷(EO)、聚丙烯腈(PAN)、丁二腈(C2H4(CN)2)、2，3-二氯-5，6-二氰基-1，4-苯醌、聚苯硫醚、聚醚醚酮(PEEK)、羧甲基纤维素(CMC)、苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)离子液体和上述的组合。在一个实现方式中，聚合物膜具有20纳米或更小(例如，从约1纳米至约20纳米；从约1纳米至约10纳米；或从约5纳米至约10纳米)的厚度。在一些实现方式中，聚合物膜在金属膜的暴露表面上方形成，所述暴露表面包括聚合物膜的顶表面和侧壁。聚合物膜可以通过诸如蒸发或溅射的物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)、狭槽工艺、浸渍涂布、薄膜转移工艺、凹版涂布或三维锂印刷工艺直接在保护膜上沉积。
图12图解了根据本文描述的实现方式的用于形成阳电极结构的集成处理工具1200的示意图。集成处理工具1200可为经调适以根据本文描述的实现方式制造锂阳极装置的由应用材料公司制造的SMARTW/将集成处理工具1200构成为卷对卷系统，所述系统包括解绕模块1202、处理模块1204和卷绕模块1206。在某些实现方式中，处理模块1204包含依序布置的多个处理模块或腔室1210、1220、1230和1240，每个处理模块或腔室被构造为对连续材料薄片1250或材料片材执行一种处理操作。在一个实现方式中，如图12所描绘，处理腔室1210-1240绕着处理滚筒1255径向设置。可以预期除了径向之外的其它布置。在一个实现方式中，处理腔室1210-1240是独立式模块处理腔室，其中每个模块处理腔室与其它模块处理腔室在结构上分离。由此，独立式模块处理腔室的每一个可以独立地布置、重新布置、替换、或维护而不彼此影响。尽管示出了四个处理腔室1210-1240，应当理解，任何数量的处理腔室可包括在集成处理工具1200中。
处理腔室1210-1240可包括使集成处理工具1200能够沉积根据本公开内容的实现方式的锂阳极装置的任何合适的结构、构造、布置、和/或部件。例如，但不限于，处理腔室可包括合适的沉积系统，所述沉积系统包括涂层源、功率源、独立压力控制、沉积控制系统、和温度控制。根据常见实现方式，腔室具备独立气体供应器。腔室通常彼此分离来用于提供良好的气体分离。根据本文描述的实现方式的集成处理工具1200不限于所述沉积腔室数量。例如，不作限制，集成处理工具1200可包括3个、6个、或12个处理腔室。
在一些实现方式中，集成处理工具1200的处理腔室1210-1240的任一个可被构造为用于通过溅射执行沉积，所述溅射诸如磁控溅射。如本文所使用，“磁控溅射”指使用磁体组件执行的溅射，磁体组件，即能够产生磁场的单元。通常，这种磁体组件包括永久磁体。这种永久磁体可以通过如下方式在可旋转的靶内布置或耦接至平坦靶：使得在所产生的磁场内俘获自由电子的方式，所述磁场在可旋转的靶表面下方产生。这种磁体组件也可以耦接至平坦阴极而布置。
磁控溅射也可由双磁控管阴极实现，所述双磁控管阴极诸如但不限于TwinMagTM阴极组件。在一些实现方式中，在处理腔室中的阴极为可互换的。因此，提供了促进针对特定制造需求优化设备的设备模块设计。在一些实现方式中，针对优化集成处理工具1200的最优生产力而选择用于溅射沉积的腔室中的阴极数量。
在一些实现方式中，处理腔室1210-1240的一个或一些可被构造为用于在没有磁控管组件的情况下执行溅射，具体而言，所述腔室的一个或一些可被构造为用于通过其它方法执行沉积，所述方法诸如但不限于，化学气相沉积、原子激光沉积或脉冲激光沉积。
在某些实现方式中，处理腔室1210-1240被构造为处理材料1250的连续薄片的两个侧面。尽管集成处理工具1200被构造为处理水平定向的连续材料薄片1250，但集成处理工具1200可被构造为处理在不同定向上定位的基板，例如，垂直定向的连续材料薄片1250。在某些实现方式中，连续材料薄片1250是柔性传导基板。在某些实现方式中，连续材料薄片1250包括其上形成有一或多层的传导基板。在某些实现方式中，传导基板是其上形成有一或多个硅石墨层的铜基板。
在某些实现方式中，集成处理工具1200包含转送机构1252。转送机构1252可包含能够穿过处理腔室1210-1240的处理区域移动连续材料薄片1250的任何转移机构。转移机构1252可包含常见运输架构。常见运输架构可包含卷对卷系统，且具有在卷绕模块1206中定位的常见收紧卷筒1254、在处理模块1204中定位的处理滚筒1255、和在解绕模块1202中定位的进料卷筒1256。可独立地加热收紧卷筒1254、处理滚筒1255、和进料卷筒1256。可使用在每个卷筒内定位的内部热源或外部热源独立地加热收紧卷筒1254、处理滚筒1255、和进料卷筒1256。常见运输架构可进一步包含在收紧卷筒1254、处理滚筒1255、和进料卷筒1256之间定位的一或多个辅助转移卷筒1253a、1253b。尽管将集成处理工具1200描绘为具有单个处理区域，在某些实现方式中，具有用于每个独立处理腔室1210-1240的分离或分立的处理区域可为有利的。针对具有分立的处理区域、模块、或腔室的实现方式，常见运输架构可为卷对卷系统，其中每个腔室或处理区域具有独立收紧卷筒和进料卷筒以及在收紧卷筒与进料卷筒之间定位的一或多个任选的中间转移卷筒。常见运输架构可包含轨道系统。轨道系统延伸穿过处理区域或分立的处理区域。轨道系统被构造为运输片材基板或分立的基板。
集成处理工具1200可包含用于穿过不同处理腔室1210-1240移动连续材料薄片1250的进料卷筒1256和收紧卷筒1254。在一个实现方式中，第一处理腔室1210和第二处理腔室1220各自被构造为沉积锂金属膜的一部分。第三处理腔室1230被构造为沉积铜膜。第四处理腔室1240被构造为在铜膜和锂金属膜上方沉积保护涂层以用于保护锂金属膜不受周围氧化剂影响。在一些实现方式中，完成的负极将不在如图所示的收紧卷筒1254上收集，而是可直接与隔膜和正极等等集成，用于形成电池组电池。
在一个实现方式中，处理腔室1210-1230被构造为用于在连续材料薄片1250上沉积锂金属薄膜。任何合适的用于沉积锂金属薄膜的锂沉积工艺可用于沉积锂金属薄膜。锂金属薄膜的沉积可通过诸如蒸发之类的PVD工艺、狭槽工艺、转移工艺、层压工艺或三维锂印刷工艺。用于沉积锂金属薄膜的腔室可包括：PVD系统，诸如电子束蒸发器；薄膜转移系统(包括大面积图案印刷系统，诸如凹版印刷系统)；层压系统；或狭槽沉积系统。
在一个实现方式中，第四处理腔室1240被构造为用于在锂金属膜上形成保护膜。第四处理腔室1240被构造为用于在锂金属膜上形成保护膜。保护膜可为如本文描述的离子传导材料。保护膜可以通过浸渍涂布、狭槽涂布、凹版涂布、层压、或印刷来形成。在一个实现方式中，第四处理腔室1240是被构造为在连续材料薄片1250上方沉积陶瓷或电介质层的蒸发腔室或PVD腔室。在一个实现方式中，蒸发腔室具有示出为包含可放置在坩埚中的蒸发源的处理区域，所述蒸发源例如可为在真空环境中的热蒸发器或电子束蒸发器(冷)。
总而言之，本公开内容的一些益处包括将锂金属沉积有效集成到当前可获得的处理系统中。目前，锂金属沉积在干燥室内或氩气氛围中执行。由于锂金属的挥发性，后续处理操作在氩气氛围中执行。在氩气氛围中执行后续处理操作将涉及当前的制造工具的改型。发明者已经发现，在后续处理之前用保护膜涂布锂金属允许在真空或大气中执行后续处理。保护膜消除了对在惰性气体氛围中执行额外处理操作的需要，此举降低了工具的复杂性。保护膜也允许其上形成有锂金属膜的负极的运输、存储、或运输和存储两者。另外，在其中保护膜是离子传导膜的实现方式中，离子传导膜可以集成到最终的电池组结构中，此举降低电池组形成工艺的复杂性。这降低了工具的复杂性并且随后降低拥有成本。
当引入本公开内容或者其示例性方面或实现方式的元件时，冠词“一(a)”、“一(an)”、“所述(the)”、和“所述(said)”意欲意指存在一或多个元件。
术语“包含(comprising)”、“包括(including)”和“具有(having)”意欲为包括性的并且意指存在除了所列元件之外的额外元件。
虽然上述内容针对本公开内容的实现方式，但是在不脱离本公开内容的基本范围的情况下，可能设计出本公开内容的其它和进一步实现方式，并且本公开内容的范围是由随附权利要求书确定。

Claims (22)

1.一种方法，包括：
在集电器上形成阳极膜，其中所述集电器包括第一铜膜；
在所述阳极膜上形成锂金属膜，其中所述阳极膜包括石墨或含硅石墨；和
在所述锂金属膜上形成保护膜堆叠，其中所述保护膜堆叠涂布所述锂金属膜的顶表面和侧壁并延伸到直接接触所述集电器，其中所述保护膜堆叠包括：
设置在所述锂金属膜上的保护膜，其中所述保护膜涂布所述锂金属膜的顶表面和侧壁并延伸到直接接触所述集电器；
设置在所述保护膜上的第一聚合物膜，其中所述第一聚合物膜涂布所述保护膜的顶表面和侧壁；
设置在所述第一聚合物膜上的陶瓷膜，其中所述陶瓷膜涂布所述第一聚合物膜的顶表面和侧壁；和
设置在所述陶瓷膜上的第二聚合物膜，其中所述第二聚合物膜涂布所述陶瓷膜的顶表面和侧壁。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述保护膜是包括下列材料的锂离子传导膜：锂离子传导陶瓷、锂离子传导玻璃、或离子传导液晶。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述保护膜包括氟化锂、氧化铝、羟基氧化铝、铜硫属化物、铋硫属化物、碳酸锂或上述的任意组合。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一聚合物膜和所述第二聚合物膜各自独立地包括聚偏二氟乙烯、聚环氧乙烷、环氧乙烷、聚丙烯腈、丁二腈、2，3-二氯-5，6-二氰基-1，4-苯醌、聚苯硫醚、聚醚醚酮、羧甲基纤维素、苯乙烯丁二烯橡胶或上述的任意组合。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述陶瓷膜包括氧化铝、氮氧化铝、羟基氧化铝和氮化铝。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述集电器包括：
聚对苯二甲酸乙二酯(PET)聚合物基板；和
在所述PET聚合物基板上形成的所述第一铜膜。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一铜膜经由物理气相沉积工艺来沉积。
8.一种方法，包括：
在形成于集电器上的阳极膜上形成锂金属膜，其中所述集电器包括在聚对苯二甲酸乙二酯(PET)聚合物基板上形成的第一铜膜，并且其中所述阳极膜选自石墨或含硅石墨；
在所述锂金属膜上形成金属膜，其中所述金属膜涂布所述锂金属膜的顶表面和侧壁并延伸到直接接触所述集电器；
形成在所述金属膜上形成的保护膜，其中所述保护膜是包括下列材料的锂离子传导膜：锂离子传导陶瓷、锂离子传导玻璃、或离子传导液晶；和
在所述保护膜上形成陶瓷涂层，其中所述陶瓷涂层包括氧化铝、氮氧化铝、羟基氧化铝或氮化铝。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述金属膜选自第二铜膜、铋膜、锡膜或上述的任意组合，并且其中所述金属膜是所述第二铜膜并且所述第二铜膜具有在5纳米至40纳米范围内的厚度。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述金属膜是所述第二铜膜并且所述第二铜膜具有在10纳米至20纳米范围内的厚度，并且其中所述集电器具有在2微米至8微米范围内的厚度。
11.一种阳电极结构，包括：
包含铜的集电器；
在所述集电器上形成的锂金属膜；
在所述锂金属膜上形成的铜膜，并且所述铜膜与所述集电器直接接触；和
在所述铜膜上形成的保护膜，
其中所述保护膜是包含下列材料的锂离子传导膜：锂离子传导陶瓷、锂离子传导玻璃、锂离子传导聚合物、锂离子传导液晶、或上述的组合。
12.根据权利要求11所述的阳电极结构，其中所述铜膜具有在约5纳米至约40纳米范围内的厚度。
13.根据权利要求11所述的阳电极结构，其中所述铜膜具有在约10纳米至约20纳米范围内的厚度。
14.根据权利要求11所述的阳电极结构，其中所述锂离子传导膜包含下列物质中的一或多种：氧化铝、LiPON、Li7La3Zr2O12(LLZO)、Li2S-P2S5、Li10GeP2S12、Li3PS4、(1-x)LiI-(x)Li4SnS4、(x)LiI-(1-x)Li4SnS4、(1-x)LiI-(x)Li4SnS4、(x)LiI-(1-x)Li4SnS4)，其中0<x<1。
15.根据权利要求11所述的阳电极结构，其中所述锂金属膜具有在约1微米与约20微米范围内的厚度。
16.根据权利要求11所述的阳电极结构，其中所述集电器具有在约2微米至约8微米范围内的厚度。
17.根据权利要求11所述的阳电极结构，其中所述金属膜是铋膜。
18.一种阳电极结构，包括：
包含铜的集电器；
在所述集电器上形成的锂金属膜；
在所述锂金属膜上形成的铜膜，所述铜膜与所述集电器直接接触，并且所述铜膜具有在约5纳米至约40纳米范围内的厚度；和
在所述铜膜上形成的保护膜；
其中所述保护膜是包含下列材料的锂离子传导膜：锂离子传导陶瓷、锂离子传导玻璃、锂离子传导聚合物、锂离子传导液晶、或上述的组合；并且
其中所述锂离子传导膜包含下列物质中的一或多种：氧化铝、LiPON、Li7La3Zr2O12(LLZO)、Li2S-P2S5、Li10GeP2S12、Li3PS4、(1-x)LiI-(x)Li4SnS4、(x)LiI-(1-x)Li4SnS4、(1-x)LiI-(x)Li4SnS4、(x)LiI-(1-x)Li4SnS4)，其中0<x<1。
19.根据权利要求18所述的阳电极结构，其中所述铜膜具有在约10纳米至约20纳米范围内的厚度。
20.根据权利要求18所述的阳电极结构，其中所述锂离子传导膜包含下列物质中的一或多种：(1-x)LiI-(x)Li4SnS4、(x)LiI-(1-x)Li4SnS4、(1-x)LiI-(x)Li4SnS4、(x)LiI-(1-x)Li4SnS4)，其中0<x<1。
21.根据权利要求18所述的阳电极结构，其中所述锂金属膜具有在约1微米与约20微米范围内的厚度。
22.根据权利要求18所述的阳电极结构，其中所述集电器具有在约2微米至约8微米范围内的厚度。
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