CN214797504U - 固态薄膜电池制造设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种固态薄膜电池制造设备，其包括沉积腔，沉积腔中设置有传输机构、第一电极膜层沉积机构、电解质沉积机构、第二电极膜层沉积机构及激光刻蚀机构；传输机构用于承载衬底，其移动路径依次经过第一电极膜层沉积机构、电解质沉积机构和第二电极膜层沉积机构；第一电极膜层沉积机构用于沉积第一电极膜层；电解质沉积机构用于沉积固态电解质膜层；所述第二电极膜层沉积机构用于沉积第二电极膜层；激光刻蚀机构用于刻蚀第一电极膜层形成第一纹路、刻蚀固态电解质膜层形成第二纹路及刻蚀第二电极膜层形成第三纹路。该固态薄膜电池制造设备实现了固态薄膜电池连续化的制备生产。

Description

固态薄膜电池制造设备

技术领域

本实用新型涉及电池制备技术领域，特别是涉及一种固态薄膜电池制造设备。

背景技术

锂离子电池是目前应用范围最广的二次电池。传统的锂离子电池内以有机电解液作为电解质，并以隔膜间隔其中的正极和负极。但是采用有机电解液和隔膜的电池可能会存在胀气、漏液及易短路等安全隐患。固态电池指的是内部各组分均为固态的电解质，具有安全和体积小等优点。固态电池与传统电池的主要区别在于采用了固态电解质代替电解液。

传统的固态薄膜电池的制备方法主要采用溅射镀膜法，溅射镀膜法通常是借助于电离的高能氩离子轰击靶材，使得靶材溅射出靶材分子或原子，靶材分子或原子沉积在衬底上形成薄膜。以该方法制备固态薄膜电池具有纯度高、效率高的优点，适于大规模生产。然而一方面，在沉积不同层时需要人工切换掩膜，难以自动化制备，浪费人力并且导致效率不高；另一方面，切换掩膜的过程还导致沉积了各材料的基片反复进出真空腔体，增加了在空气中暴露并导致材料变质的风险，导致良品率的降低；再一方面，掩膜的精度有限，人工切换掩膜时也总是不可避免地存在些许误差，进一步导致了固态薄膜电池良品率的降低。

实用新型内容

基于此，有必要提供一种无需使用掩膜、实现自动化连续式生产的固态薄膜电池制造设备，以提高固态薄膜电池的生产效率及良品率。

根据本实用新型的一个实施例，一种固态薄膜电池制造设备，其包括沉积腔，所述沉积腔中设置有传输机构、第一电极膜层沉积机构、电解质沉积机构、第二电极膜层沉积机构及激光刻蚀机构；所述传输机构用于承载衬底，其移动路径依次经过所述第一电极膜层沉积机构、所述电解质沉积机构和所述第二电极膜层沉积机构；

所述第一电极膜层沉积机构用于在衬底上沉积第一电极膜层；

所述电解质沉积机构用于在沉积有所述第一电极膜层的衬底上沉积固态电解质膜层；

所述第二电极膜层沉积机构用于在沉积有所述固态电解质膜层的衬底上沉积第二电极膜层；

所述激光刻蚀机构用于刻蚀所述第一电极膜层形成第一纹路、刻蚀所述固态电解质膜层形成第二纹路及刻蚀所述第二电极膜层形成第三纹路。

在其中一个实施例中，所述第一电极膜层沉积机构包括用于沉积所述第一电极材料的第一电极材料溅射靶；所述第二电极膜层沉积机构包括用于沉积所述第二电极材料的第二电极材料溅射靶；所述电解质沉积机构包括用于沉积所述固态电解质的电解质材料溅射靶。

在其中一个实施例中，所述第一电极膜层沉积机构还包括第一辅助能量源，所述第一辅助能量源用于辅助所述第一电极材料溅射靶沉积所述第一电极材料提高所述第一电极材料溅射靶在溅射过程中的等离子体密度；和/或

所述第二电极膜层沉积机构还包括第二辅助能量源，所述第二辅助能量源用于辅助所述第二电极材料溅射靶沉积所述第二电极材料提高所述第一电极材料溅射靶在溅射过程中的等离子体密度。

在其中一个实施例中，所述第一辅助能量源选自离子源、电子束源和热源的一种或多种；和/或

所述第二辅助能量源选自离子源、电子束源和热源的一种或多种。

在其中一个实施例中，所述第一电极材料溅射靶和所述第二电极材料溅射靶中的一个靶是正极材料靶，另一个靶是负极材料靶；

其中，所述正极材料靶选自钴酸锂靶、磷酸铁锂靶和锂锰合金靶中的一种或多种；所述负极材料靶选自硅靶、石墨靶、锂碳合金靶、锂硅合金靶和锂靶中的一种或多种。

在其中一个实施例中，所述沉积腔中还设置有加热装置，所述加热装置用于对沉积所述第一电极材料溅射靶、所述第二电极材料溅射靶负极材料靶和/或所述电解质材料溅射靶沉积的膜层进行加热处理。

在其中一个实施例中，还包括集流体沉积机构，所述传输机构的传输路径在经过所述第一电极膜层料沉积机构前还经过所述集流体沉积机构，用于将未沉积集流体的衬底传送至所述集流体沉积机构，所述集流体沉积机构用于在所述未沉积集流体的衬底上沉积集流体。

在其中一个实施例中，其特征在于，还包括进料腔和出料腔；所述进料腔与所述沉积腔之间以第一可开合阻隔机构间隔；所述出料腔与所述沉积腔之间以第二可开合阻隔机构间隔。

在其中一个实施例中，所述进料腔体内设置有进料传输带，所述出料腔体内设置有出料传输带，所述进料传输带的末端紧靠所述第一可开合阻隔机构设置，用于将所述衬底传送至所述传输机构上，所述出料传输带紧靠所述第二可开合阻隔机构设置，用于接收来自所述传输机构的完成沉积的所述衬底。

在其中一个实施例中，还包括检测机构及控制机构，所述检测机构用于检测所述衬底在所述沉积腔中的位置及表面形貌；所述控制机构与所述激光刻蚀机构电连接，用于控制所述激光刻蚀机构以刻蚀出所需纹路。

本实用新型的固态薄膜电池制造方法通过引入激光刻蚀机构进行精确刻蚀以实现自动化及连续化的生产。在连续化的生产过程中无需引入掩膜，因而无需进出沉积腔，能够有效减少沉积所得的薄膜在空气中的暴露，以尽可能减少薄膜表面氧化缺陷的产生，以获得更高的固态薄膜电池电极材料的能量密度。

进一步，上述固态薄膜电池制造设备还可以通过采取辅助能量源辅助溅射，以提高溅射过程的等离子体密度，获得沉积更为致密的电极薄膜。并且，同时设置加热装置对溅射所得薄膜进行加热处理，不仅消除溅射沉积所得薄膜内部的晶格缺陷，还能够释放制备的薄膜的内部应力，使得制备所得薄膜表面更为均匀，不同膜层之间接触更为紧密，有效提高了固态薄膜电池电极材料的能量密度。

进一步，通过引入检测机构和控制机构，能够实现对衬底的精确检测及对激光刻蚀机构的精确控制，以有效提高激光刻蚀过程中的精度。

附图说明

图1为固态薄膜电池的结构示意图；

图2为一实施例的固态薄膜电池制备设备示意图；

图3为图2的固态薄膜电池制备设备详细示意图；

图4为一实施例制备固态薄膜电池的过程示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。本文所使用的“多”包括两个以上的项目。本文所使用的“某数以上”应当理解为某数及大于某数的范围。

以下的各示意图由实体抽象绘制而成，仅作帮助读者理解使用，并非对某一产品或设备的具体形状限定，其各部件尺寸也可能与真实设备之间具有出入，但这并不影响技术人员的理解及实施。

请先参照图1，固态薄膜电池的截面结构示意图，其包括正极集流体10，负极集流体20，设于正极集流体10上的正极材料30，设于正极材料30上的固态电解质40以及进一步设于固态电解质40上，与负极集流体20接触的负极材料50；在一些具体示例中，该固态薄膜电池还可以包括位于底部的衬底60。

尽管相比起传统的固态电池，固态薄膜电池的能量密度已经不低，但仍具有提高的空间。本实用新型即提供了一种能够实现自动化、连续化生产固态薄膜电池、并提高固态薄膜电池能量密度的制造设备及对应的制造方法。

一种固态薄膜电池制造设备，其包括沉积腔，沉积腔中设置有传输机构、第一电极膜层沉积机构、电解质沉积机构、第二电极膜层沉积机构及激光刻蚀机构；传输机构用于承载衬底，其移动路径依次经过第一电极膜层沉积机构、电解质沉积机构和第二电极膜层沉积机构；

第一电极膜层沉积机构用于在衬底上沉积第一电极膜层；

电解质沉积机构用于在沉积有第一电极膜层的衬底上沉积固态电解质膜层；

第二电极膜层沉积机构用于在沉积有固态电解质膜层的衬底上沉积第二电极膜层；

激光刻蚀机构用于刻蚀第一电极膜层形成第一纹路、刻蚀固态电解质膜层形成第二纹路及刻蚀第二电极膜层形成第三纹路。

在一个具体示例中，激光刻蚀机构可以是一组可移动的激光源，也可以是三组相互独立的固定激光源。

例如，请参照图2，其示出了本实用新型其中一个实施例具体的固态薄膜电池制造设备，该固态薄膜电池制造设备包括沉积腔100，在该具体示例中，还包括位于沉积腔体左侧的进料腔200和出料腔300。为了便于理解，其还示出了位于进料腔200中的衬底400，在实际制备时，衬底400自进料腔200进入出料腔300，固态薄膜电池的各层在衬底400上沉积制备形成。

该固态薄膜电池制造设备中的沉积腔100包括第一电极膜层沉积机构120、第一激光源130、电解质沉积机构140、第二激光源150、第二电极膜层沉积机构160和第三激光源170。第一激光源130、第二激光源150和第三激光源170构成激光刻蚀机构。在其他实施例中，激光刻蚀机构也可以是一组可移动的激光源，在需要刻蚀时移动至预设位置。

该固态薄膜电池制造设备还包括传输机构，其中，作为一个优选的示例，传输机构包括设置于沉积腔100中的沉积传输带180。可以理解，在其他示例中，传输机构也可以是可移动的机械臂，或其他可移动负载装置。

沉积传输带180的传输路径依次经过第一电极膜层沉积机构120、第一激光源130、电解质沉积机构140、第二激光源150、第二电极膜层沉积机构160和第三激光源170，用于传送具有集流体的衬底400。

第一电极膜层沉积机构120用于接收具有集流体的衬底400并在具有集流体的衬底400上沉积第一电极材料。

第一激光源130用于接收来自第一电极膜层沉积机构120的衬底400，并在沉积有第一电极膜层的衬底400上蚀刻形成第一预设纹路。

具体地，对于单个固态薄膜电池来说，蚀刻使得衬底400表面的集流体和第一电极膜层形成所需形状，即第一预设纹路，该所需形状是技术人员可以确定并预设的。更具体地，集流体分隔为第一电极集流体和第二电极集流体，并仅保留部分第一电极集流体上的第一电极材料。

电解质沉积机构140用于接收来自第一激光源130的衬底400，并在形成有沉积有第一电极膜层的衬底400上沉积固态电解质膜层；

第二激光源150用于接收来自电解质沉积机构140的衬底400，并在沉积有固态电解质膜层的衬底400上蚀刻形成第二预设纹路。

具体地，蚀刻使得固态电解质形成所需形状，即第二预设纹路。更具体地，对于单个固态薄膜电池来说，使得固态电解质膜层覆盖并接触第一电极膜层，但暴露出第一电极集流体和第二电极集流体的部分边缘。该部分边缘可用作极耳或用于外接极耳。

第二电极膜层沉积机构160用于接收来自第二激光源150的衬底400，并在形成有第二预设纹路的衬底400上沉积第二电极膜层；

第三激光源170用于接收来自第二电极膜层沉积机构160的衬底400，并在沉积有第二电极膜层的衬底400上蚀刻形成第三预设纹路。

具体地，蚀刻使得第二电极材料形成所需形状，即第三预设纹路。更具体地，对于单个固态薄膜电池来说，蚀刻掉第二电极膜层接触第一电极集流体的部分，使得第二电极膜层接触第二电极集流体但暴露出第二电极集流体的部分边缘。

可以理解，上述第一电极材料可以是正极材料或负极材料，且第一电极材料和第二电极材料极性相反，当第一电极材料为正极材料时，第二电极材料则为负极材料；当第一电极材料为负极时，第一电极材料则为正极材料。另外，第一激光源、第二激光源和第三激光源在实体上可以是相同或部分相同的激光源，只要该激光源分别实现第一激光源、第二激光源和第三激光源的对应功能，也应当认为该激光源在工作时分别是第一激光源、第二激光源和第三激光源。

图2示出的固态薄膜电池制造设备是单向线型的，然而根据技术人员的通常理解，将其设置为具有折角、弯曲的线型，或是更为复杂的形状，只要实现了传输机构的传输路径依次经过各部分组件、且各部分组件按照各自功能进行工作，也并不违背本实用新型的固态薄膜电池制造设备。

该固态薄膜电池制造设备的制备思路与传统的固态薄膜电池制造设备之间存在明显区别。传统的固态薄膜电池制造设备采用的是借用掩膜直接形成具有特定纹路的各层；而该固态薄膜电池制造设备则采用先沉积一层完整的薄膜，再蚀刻去除多余的部分，形成所需的纹路。

在其中一个具体示例中，上述固态薄膜电池制造设备还包括集流体沉积机构110，集流体沉积机构110用于在沉积第一电极材料之前，在衬底400上沉积集流体，此时，沉积传输带180在将衬底400运送至第一电极膜层沉积机构120前，将衬底400运送至集流体沉积机构110。可以理解，在其他具体示例中，集流体也可以是预先沉积在衬底400表面的。

更具体地，请同时参照图3，其示出了图2中固态薄膜电池制造设备中的各机构包含的部件的标号示意图。

集流体沉积机构110包括用于沉积集流体的集流体磁控溅射靶。在该具体示例中，集流体磁控溅射靶有两个，分别是柱状集流体磁控溅射靶111和柱状集流体磁控溅射靶112。磁控溅射靶可以接入射频电源、直流电源或交流电源，可由技术人员根据需求进行选取。集流体磁控溅射靶111和集流体磁控溅射靶112的靶可独立选自Al、Cu或Ag等导电材料，例如，集流体磁控溅射靶111和集流体磁控溅射靶112的靶均为Cu。

第一电极膜层沉积机构120包括用于沉积第一电极材料的第一电极材料溅射靶121。在一些优选的具体示例中，第一电极膜层沉积机构120还包括用于辅助第一电极材料溅射靶121沉积第一电极材料第一辅助能量源。更具体地，第一辅助能量源用于提高第一电极材料溅射靶121在溅射过程中的等离子体密度。第一辅助能量源可以选自第一离子源、第一电子源或第一加热源。在该具体示例中，第一电极膜层沉积机构120包括一柱状第一电极材料溅射靶121和位于第一电极材料溅射靶121侧边的第一离子源122。可以理解，第一离子源122是能够产生离子的装置。在其他具体示例中，第一离子源还可以是第一电子束源或第一热源。

第一激光源130包括用于刻蚀的一个第一激光器131，在其他一些示例中，第一激光源130具有多个激光器。更具体地，每个激光器各自独立地选自红外激光器和/或紫外激光器。采用第一激光源130在已经形成有正极材料的衬底上进行蚀刻，通过控制激光能量的强弱可以控制蚀刻的深浅，通过设定特定的程序可以控制激光雕刻的图案，同时控制蚀刻的深浅以及图案能够形成预设的第一预设纹路。

电解质沉积机构140包括用于沉积固态电解质的电解质磁控溅射靶141。在一些优选的具体示例中，电解质沉积机构140还包括能够提高磁控溅射能量的离子源、电子束源或加热源。在该具体示例中，电解质沉积机构140包括一柱状电解质磁控溅射靶141和位于电解质磁控溅射靶141侧边的第三离子源142。在一些具体示例中，电解质磁控溅射靶141选自LiPF₆靶或LiF靶，例如，LiPF₆靶。

第二激光源150包括用于蚀刻的第二激光器151，在其他一些示例中，第二激光源150具有多个激光器。更具体地，每个激光器各自独立地选自红外激光器和/或紫外激光器。同样，采用第二激光源151以在固态电解质上形成预设的第二预设纹路。

第二电极膜层沉积机构160包括用于沉积第二电极材料的第二电极材料溅射靶161；在一些优选的具体示例中，第二电极膜层沉积机构160也包括用于辅助第二电极材料溅射靶161沉积第二电极材料第二辅助能量源。更具体地，第二辅助能量源用于提高第二电极材料溅射靶在溅射过程中的等离子体密度。第二辅助能量源可以选自的离子源、电子束源或加热源。在该具体示例中，第二电极膜层沉积机构160包括一柱状第一电极材料溅射靶161和位于第一电极材料溅射靶161侧边的第二离子源162。

第三激光源170包括用于蚀刻的第三激光器171，在其他一些示例中，第三激光源170具有多个激光器。更具体地，每个激光器各自独立地选自红外激光器和/或紫外激光器。同样，采用第三激光源171以在固态电解质上形成预设的第三预设纹路。

在本实施例中，第一电极材料溅射靶121是正极材料靶，第二电极材料溅射靶171是负极材料靶。

加热装置190是设置在沉积传输带180下位于第二电极膜层沉积机构170的沉积区域中的加热棒，在沉积负极材料时对衬底进行加热，或沉积完负极材料后对衬底进行加热。在其他一些示例中，加热装置190还可以包括用于加热电解质材料溅射靶沉积的膜层，对应的加热棒可设置于沉积传输带180下位于电解质磁控溅射靶141的沉积区域。其中，正极材料靶选自磷酸铁锂靶、锂锰合金靶和钴酸锂靶中的一种或多种，例如，钴酸锂靶；负极材料靶选自硅靶、石墨靶、锂硅合金靶、锂碳合金靶和锂靶中的一种或多种，例如，锂靶。

传统的磁控溅射制备方法通常直接磁控溅射制备第一电极材料、第二电极材料及固态电解质，但这样的制备方法制备所得的薄膜致密性较差，进而导致固态性能也较差。采用上述能够提高磁控溅射能量的第一离子源、第一电子源或第一加热源辅助沉积，能够提高磁控溅射时等离子体的能量，以增强薄膜的致密性，则，更致密的薄膜会使得电池的电化学性能更为优异。

在一个具体示例中，进料腔200与沉积腔100之间以第一可开合阻隔机构1200间隔；出料腔300与沉积腔100之间以第二可开合阻隔机构间隔1300。第一可开合阻隔机构1200具有开启状态和闭合状态，开启状态下允许衬底400自进料腔200进入沉积腔100，闭合状态能够隔绝进料腔200和沉积腔100。第二可开合阻隔机构也具有开启状态和闭合状态，开启状态下允许衬底400自沉积腔100进入出料腔300，闭合状态能够隔绝出料腔300和沉积腔100。

进料传输带210紧靠第一可开合阻隔机构1200设置，用于将衬底400运送至沉积传输带180上。出料传输带310紧靠第二可开合阻隔机构1300设置，用于接收来自沉积传输带180运送的完成沉积的衬底400。

更具体地，在将衬底400自进料传输带210运送至沉积传输带180上时，第一可开合阻隔机构1200开启以供衬底400通过，在不进行运送时，第一可开合阻隔机构1200闭合以隔绝进料腔200与沉积腔100。同样，在将衬底400自沉积传输带180运送至出料传输带310上时，第二可开合阻隔机构1300开启以供衬底400通过，在不进行运送时，第二可开合阻隔机构1300闭合以隔绝出料腔300和沉积腔100。

请同时参照图3，更具体地，第一可开合阻隔机构1200是开设于进料腔200与沉积腔100之间的隔板上的第一可开合窗体，第二可开合阻隔机构1300是开设于出料腔300与沉积腔100之间的隔板上的第二可开合窗体。

更进一步，进料腔体和出料腔体设置有与外界抽气机构和进气机构相连的导气管(图中未示出)，该导气管用于抽气或进气。请参照图2示出的内容，抽气机构520与进料腔200通过导气管(图中未示出)相连，可用于对进料腔200内抽真空处理。进料腔200上还设置有导气管620，导气管620能够用于使外界气体充入进料腔200中。

同理，抽气机构530与出料腔300通过导气管(图中未示出)相连，可用于对出料腔300内抽真空处理。出料腔300上还设置有导气管630，导气管630能够用于使外界气体充入出料腔300中。

可以理解，考虑到磁控溅射过程的环境需求，沉积腔100中也设置有与外界抽气机构相连的导气管(图中未示出)。请参照图2示出的内容，抽气机构510与沉积腔100通过导气管(图中未示出)相连，抽气机构510用于维持沉积腔100中的真空状态。例如，维持沉积腔100中的气压≤10^-3Pa。

上述实施例的固态薄膜电池制造设备中的各机构可以采用预设的程序以实现在衬底400上的依次沉积及刻蚀。

本实用新型可通过检测机构和控制机构精确控制传输系统及激光刻蚀系统，以实现精确的激光刻蚀，以辅助连续化、自动化的生产。例如，在其他实施例中，固态薄膜电池制造设备也可包括检测机构和控制机构，检测机构用于检测衬底在沉积腔中的位置及表面形貌，控制机构与激光刻蚀机构电连接，用于控制激光刻蚀机构刻蚀出所需纹路。

在一个具体示例中，检测结构包括红外检测机构和激光刻蚀检测机构。红外检测机构用于对衬底传输进行在线实时检测检测，激光刻蚀检测机构用于对激光刻蚀过程中的位移及激光刻蚀后的纹路上的毛刺进行在线式实时检测。其中，更具体地：

红外检测机构可装载于传输机构中的沉积传输带180上，用于检测基片传输过程中的位移偏差和对激光刻蚀系统提供信号。例如，在沉积传输带180两侧装有纵向的两束红外灯进行检测，对沉积传输带180上的基片进行实时监控，红外灯可外接报警装置。当某一基片出现偏移大于0.5mm时，红外灯则即刻提示报警信号，此时激光刻蚀系统停止工作。

在激光刻蚀检测机构中包括检测摄像头，检测摄像头可电连接外部电脑，用于检测激光刻蚀系统出现的偏移及毛刺，该检测摄像头对刻蚀后的基片进行500倍放大，形成图像传输给监控电脑，当基片出现位移偏差超过1mm，或毛刺大于0.5μm时进行报警反馈。

该控制机构也可与传输机构、第一电极膜层沉积机构、电解质沉积机构、第二电极膜层沉积机构电连接，用于控制传输机构的移动及用于控制第一电极膜层沉积机构、电解质沉积机构、第二电极膜层沉积机构的沉积。

根据本实用新型的一个实施例，一种固态薄膜电池制造方法，请参照图4，该实施例提供了具体的制备过程，如下。

步骤S1，在具有集流体的衬底上溅射沉积第一电极材料，制备第一电极膜层。

其中，在溅射沉积第一电极膜层时采用第一辅助能量源辅助溅射以提高溅射过程的等离子体密度。

在一些具体示例中，第一辅助能量源选自离子源、电子束和热源的一种或多种。例如，第一辅助能量源是离子源；可以理解，离子源选取溅射过程中所用离子的离子源；比如溅射选用氩离子轰击靶材，则离子源也选取氩离子，以提高等离子体密度。又如，第一辅助能量源是电子束，采用电子束轰击沉积腔腔体内的氩气，使更多氩离子电离，提高了等离子体密度。再如，第一辅助能量源是热源，通过热源加热等离子体，能够提升等离子体的运动速率，使得其中的二次电子轰击得到更多的等离子体，提高等离子体密度。采用第一辅助能量源辅助溅射以提高溅射过程中的等离子体密度，可以有效轰击得到更密集的靶材分子，进而得到更为致密的第一电极膜层。

在一些具体示例中，衬底可以是硅片、塑料、陶瓷和PCB版等绝缘材料；例如，衬底是陶瓷。

在一些具体示例中，第一电极材料是正极材料或负极材料。作为一个示例，该第一电极材料是正极材料。该正极材料可选自钴酸锂、磷酸铁锂和锂锰合金中的一种或多种，例如，该正极材料是磷酸锂。

步骤S2，采用激光刻蚀第一电极膜层和集流体，形成第一预设纹路。

激光刻蚀的优点在于能够通过控制激光源的功率和照射时长以控制激光刻蚀效率和深度。通过引入激光刻蚀实现自动化及连续化的生产。在连续化的生产过程中无需引入掩膜，因而无需进出沉积腔，能够有效减少沉积所得的薄膜在空气中的暴露，因而尽可能减少薄膜表面氧化缺陷的产生，以获得更高的固态薄膜电池电极材料的能量密度。

第一预设纹路可以通过控制激光源的功率、照射时长和移动轨迹实现。第一预设纹路可以参照图1示出的固态薄膜电池结构或图4示出的制备过程示意图由技术人员进行对应设计。

步骤S3，在形成有第一预设纹路的衬底上沉积固态电解质材料，制备固态电解质膜层。

在一些具体示例中，固态电解质的材料选自六氟磷酸锂、氮化磷酸锂和氟化锂中的一种或多种。

步骤S4，采用激光刻蚀固态电解质材料，形成第二预设纹路。

第二预设纹路可以通过控制激光源的功率、照射时长和移动轨迹实现。第二预设纹路可以参照图1示出的固态薄膜电池结构或图4示出的制备过程示意图由技术人员进行对应设计。

步骤S5，在形成有第二预设纹路的衬底上沉积第二电极材料，制备第二电极膜层。

可以理解，第二电极材料是和第一电极材料极性相反的材料。其中的极性指的是电极的极性。例如，第一电极材料已经选自正极材料钴酸锂，则第二电极材料选自负极材料；更具体地，锂硅合金、锂碳合金和锂中的一种或多种。例如，第二电极材料为锂负极材料。

在一些具体示例中，在溅射沉积第二电极膜层时采用第二辅助能量源辅助溅射以提高溅射过程的等离子体密度，并在溅射沉积第二电极膜层时或沉积第二电极膜层后对沉积所得的第二电极膜层进行加热处理。

在一些具体示例中，第二辅助能量源选自离子源、电子束和热源的一种或多种。例如，第二辅助能量源是离子源；可以理解，离子源选取溅射过程中所用离子的离子源；比如溅射选用氩离子轰击靶材，则离子源也选取氩离子，以提高等离子体密度。又如，第一辅助能量源是电子束，采用电子束轰击沉积腔腔体内的氩气，使更多氩离子电离，提高了等离子体密度。再如，第一辅助能量源是热源，通过热源加热等离子体，能够提升等离子体的运动速率，使得其中的二次电子轰击得到更多的等离子体，提高等离子体密度。

在一些具体示例中，加热处理的温度为85～150℃。例如，加热处理的温度为85℃、95℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃或150℃，包括上述各温度之间的范围。

步骤S6，采用激光刻蚀第二电极膜层，形成第三预设纹路。

第二预设纹路可以通过控制激光源的功率、照射时长和移动轨迹实现。第二预设纹路可以参照图1示出的固态薄膜电池结构或图4示出的制备过程示意图由技术人员进行对应设计。

在一些具体示例中，上述溅射各膜层的方法可以是磁控溅射。

上述固态薄膜电池制造方法通过采取辅助能量源辅助溅射，以提高溅射过程的等离子体密度，获得沉积更为致密的电极薄膜。并且，对溅射所得薄膜进行加热处理，不仅消除溅射沉积所得薄膜内部的晶格缺陷，还能够释放制备的薄膜的内部应力，使得制备所得薄膜表面更为均匀，不同膜层之间接触更为紧密，有效提高了固态薄膜电池电极材料的能量密度。

进一步，上述固态薄膜电池制造设备通过设置第一激光源和第二激光源实现无需掩模制备固态薄膜电池。具体地，在集流体和第一电极材料上蚀刻形成第一预设纹路，能够将集流体间隔为第一电极的集流体和第二电极的集流体，蚀刻后的第一电极材料仅与第一电极的集流体接触设置并暴露出第一电极的部分构成第一电极极耳；进而在固态电解质上蚀刻形成第二预设纹路并在第二电极材料上蚀刻形成第三预设纹路，能够使得第二电极材料仅与第二电极的集流体接触设置并暴露出第二电极的部分构成第二电极极耳。该制备方法采取了蚀刻的方式替代传统制备工艺中的掩模，不仅避免了因使用掩模带来的良品率问题，还能够实现自动化、连续式的制备，有效提高了制备效率。并且，在连续化的生产过程中无需引入掩膜，因而无需进出沉积腔，能够有效减少沉积所得的薄膜在空气中的暴露，因而尽可能减少薄膜表面氧化缺陷的产生，以获得更高的固态薄膜电池电极材料的能量密度。

进一步优选地，上述固态薄膜电池制造设备中，在第一电极膜层沉积机构、第二电极膜层沉积机构和电解质沉积机构中还设置有提高溅射能量的离子源、电子源或加热源，以提高沉积制备的电池各层的致密性进而提高固态薄膜电池的电池性能。

为了更易于理解及实现本实用新型，以下还提供了如下较易实施的、更为具体详细的实施例作为参考。通过下述具体试验例的描述，本实用新型的各优点也将显而易见。

实施例1

将陶瓷衬底置于进料腔体中，使得进料腔体内为压强≤10^-2Pa的真空条件，并同时进行预加热处理。

通过进料传输带将陶瓷衬底运送至沉积腔体的传输机构上，同时保持沉积腔体内为压强≤10^-3Pa的真空条件，运送至集流体沉积机构处，集流体沉积机构包括两个铜靶，开启铜靶，功率为4kW，在陶瓷衬底上沉积一层铜薄膜。

继续运送至正极材料沉积机构处，开启位于此的钴酸锂磁控溅射靶，电源采用射频电源，功率为5kW，在钴酸锂靶旁设置一离子源辅助溅射，离子源功率为4kW，在铜薄膜上沉积一层钴酸锂薄膜材料。

继续运送至第一激光源处，开启第一激光源，第一激光源包括多个紫外激光器，按照预设条件同步蚀刻，形成第一预设纹路。

继续运送至电解质沉积机构处，开启六氟磷酸锂磁控溅射靶，电源采用射频电源，功率为6kW，在表面沉积一层LiPF₆固态电解质。

继续运送至第二激光源处，开启第二激光源，第二激光源包括多个紫外激光器，按照预设条件同步蚀刻，形成第二预设纹路。

继续运送至负极材料沉积机构处，开启锂磁控溅射靶，电源采用直流电源，功率为7kW，在锂磁控溅射靶旁设置一氩离子源辅助溅射，离子源功率为4kW，同时保持位于该区域的加热管温度为85℃，在表面沉积一层锂负极材料。

继续运送至第三激光源处，开启第三激光源，第三激光源包括多个紫外激光器，按照预设条件同步蚀刻，形成第三预设纹路，完成固态薄膜电池主体制备。

运送至出料仓的出料传输带上，向出料仓充气至常压，打开出料仓，取出固态薄膜电池主体，完成制备。

实施例2

实施例2与实施例1的制备过程基本相同，区别在于在磁控溅射沉积锂材料时的氩离子源功率为8kW，保持加热管的温度为85℃。

实施例3

实施例3与实施例1的制备过程基本相同，区别在于在磁控溅射沉积锂材料时的氩离子源功率为8kW，保持加热管的温度为110℃。

对比例1

对比例1与实施例1的制备过程基本相同，区别在于在磁控溅射沉积锂材料时不开启氩离子源辅助沉积，也不开启加热管进行加热。

对比例2

对比例2与实施例1的制备过程基本相同，区别在于在磁控溅射沉积锂材料时不开启加热管进行加热。

对比例3

对比例3与实施例1的制备过程基本相同，区别在于在磁控溅射沉积锂材料时的氩离子源功率为8kW，不开启加热管进行加热。

对比例4

对比例4与实施例1的制备过程基本相同，区别在于在磁控溅射沉积锂材料时不开启氩离子源辅助沉积。

对比例5

对比例5与实施例1的制备过程基本相同，区别在于在磁控溅射沉积锂材料时不开启氩离子源辅助沉积，保持加热管的温度为110℃。

试验例

测试上述各实施例制备的锂离子固态薄膜电池单位面积的放电能量密度。

表1

项目	氩离子源功率(kW)	加热管温度(℃)	能量密度(mAh/cm<sup>2</sup>)
				实施例1	4	85	0.147
实施例2	8	85	0.156
				实施例3	8	100	0.163
对比例1	无	无	0.130
				对比例2	4	无	0.139
对比例3	8	无	0.143
				对比例4	无	85	0.134
对比例5	无	110	0.137

如表1示出的，通过实施例1与对比例1、对比例2、对比例4可知，同时采用氩离子源辅助沉积及加热处理，能够有效提高所得电池的能量密度。提高离子源功率及加热温度，有助于进一步提高所得电池的能量密度。并且，同时采用氩离子源辅助沉积及加热处理所得的能量密度的提升要显著优于单独采用氩离子源辅助沉积或加热处理所得的能量密度提升之和。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种固态薄膜电池制造设备，其特征在于，包括沉积腔，所述沉积腔中设置有传输机构、第一电极膜层沉积机构、电解质沉积机构、第二电极膜层沉积机构、激光刻蚀机构及检测机构；所述传输机构用于承载衬底，其移动路径依次经过所述第一电极膜层沉积机构、所述电解质沉积机构和所述第二电极膜层沉积机构；

所述第一电极膜层沉积机构用于在所述衬底上沉积第一电极膜层；

所述电解质沉积机构用于在沉积有所述第一电极膜层的衬底上沉积固态电解质膜层；

所述第二电极膜层沉积机构用于在沉积有所述固态电解质膜层的衬底上沉积第二电极膜层；

所述检测机构用于检测所述衬底在所述沉积腔中的位置及表面形貌；

所述激光刻蚀机构用于刻蚀所述第一电极膜层形成第一纹路、刻蚀所述固态电解质膜层形成第二纹路及刻蚀所述第二电极膜层形成第三纹路。

2.根据权利要求1所述的固态薄膜电池制造设备，其特征在于，所述第一电极膜层沉积机构包括用于沉积第一电极材料的第一电极材料溅射靶；所述第二电极膜层沉积机构包括用于沉积第二电极材料的第二电极材料溅射靶；所述电解质沉积机构包括用于沉积所述固态电解质的电解质材料溅射靶。

3.根据权利要求2所述的固态薄膜电池制造设备，其特征在于，所述第一电极膜层沉积机构还包括第一辅助能量源，所述第一辅助能量源用于辅助所述第一电极材料溅射靶沉积所述第一电极材料；和/或

所述第二电极膜层沉积机构还包括第二辅助能量源，所述第二辅助能量源用于辅助所述第二电极材料溅射靶沉积所述第二电极材料。

4.根据权利要求3所述的固态薄膜电池制造设备，其特征在于，所述第一辅助能量源选自离子源、电子束源和热源的一种或多种；和/或

所述第二辅助能量源选自离子源、电子束源和热源的一种或多种。

5.根据权利要求2所述的固态薄膜电池制造设备，其特征在于，所述第一电极材料溅射靶和所述第二电极材料溅射靶中的一个靶是正极材料靶，另一个靶是负极材料靶。

6.根据权利要求5所述的固态薄膜电池制造设备，其特征在于，所述沉积腔中还设置有加热装置，所述加热装置用于对所述第一电极材料溅射靶、所述第二电极材料溅射靶和/或所述电解质材料溅射靶沉积的膜层进行加热处理。

7.根据权利要求1～6任一项所述的固态薄膜电池制造设备，其特征在于，还包括集流体沉积机构，所述传输机构的传输路径在经过所述第一电极膜层料沉积机构前还经过所述集流体沉积机构，用于将未沉积集流体的衬底传送至所述集流体沉积机构，所述集流体沉积机构用于在所述未沉积集流体的衬底上沉积集流体。

8.根据权利要求1～6任一项所述的固态薄膜电池制造设备，其特征在于，还包括进料腔和出料腔；所述进料腔与所述沉积腔之间以第一可开合阻隔机构间隔；所述出料腔与所述沉积腔之间以第二可开合阻隔机构间隔。

9.根据权利要求8所述的固态薄膜电池制造设备，其特征在于，所述进料腔内设置有进料传输带，所述出料腔内设置有出料传输带，所述进料传输带的末端紧靠所述第一可开合阻隔机构设置，用于将所述衬底传送至所述传输机构上，所述出料传输带紧靠所述第二可开合阻隔机构设置，用于接收来自所述传输机构的完成沉积的所述衬底。

10.根据权利要求1～6任一项所述的固态薄膜电池制造设备，其特征在于，还包括控制机构；所述控制机构与所述激光刻蚀机构电连接，用于控制所述激光刻蚀机构以刻蚀出所需纹路。

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