DE112015002506B4

DE112015002506B4 - Dünnschichtbatteriestrukturen mit geneigten zellenseitenwänden

Info

Publication number: DE112015002506B4
Application number: DE112015002506.5T
Authority: DE
Inventors: Shawn William Snyder; Tetsuya Ishikawa
Original assignee: Apple Inc
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2014-05-27
Filing date: 2015-05-26
Publication date: 2023-05-04
Anticipated expiration: 2035-05-27
Also published as: CN110739435B; WO2015183832A1; US20150349373A1; CN106463687B; DE112015002506T5; CN110739435A; CN106463687A; US10020532B2; US20180294507A1; US10637093B2

Abstract

Elektrochemische Vorrichtung, umfassend:eine erste elektrochemische Zelle mit einer ersten Elektrolytschicht, die in einer Stapelrichtung zwischen einer ersten Anodenschicht und einer ersten Kathodenschicht liegt, wobei die erste Anodenschicht eine Anodenkontaktregion und eine Anodenstromkollektorkontaktregion einschließt, die jeweils eine obere Oberfläche aufweisen, und wobei die obere Oberfläche der Anodenkontaktregion in einer ersten Ebene in der Stapelrichtung von der oberen Oberfläche derAnodenstromkollektorkontaktregion versetzt ist, welche eine zweite Ebene parallel zu der ersten Ebene ist; undeine zweite elektrochemische Zelle mit einer zweiten Elektrolytschicht zwischen einer zweiten Anodenschicht und einer zweiten Kathodenschicht,wobei die zweite Anodenschicht eine Anodenkontaktregion und eine Anodenstromkollektorkontaktregion einschließt, die jeweils eine obere Oberfläche aufweisen, wobei die zweite Anodenschicht die erste Anodenschicht in der oberen Oberfläche der Anodenkontaktregion kontaktiert; undeinen Anodenstromkollektorstecker, der an der Anodenstromkollektorkontaktregion mit der ersten Anodenschicht und an der Anodenstromkollektorkontaktregion mit der zweiten Anodenschicht in Kontakt steht.

Description

Diese Anmeldung nimmt die vorläufigen US-Patentanmeldungen Nr. 62/003,504 , eingereicht am 27. Mai 2014, und Nr. 62/165,101, eingereicht am 21. Mai 2015, durch Bezugnahme auf.
HINTERGRUND
Gebiet
Ausführungsformen betreffen elektrochemische Vorrichtungen und Verfahren zur Herstellung elektrochemischer Vorrichtungen. Genauer betreffen manche Ausführungsformen Festkörperbatterien, und insbesondere Dünnschichtbatterien. Es werden auch andere Ausführungsformen beschrieben.
Hintergrundinformationen
Festkörperbatterien, beispielsweise Dünnschichtbatterien, bieten bekanntlich bessere Formfaktoren, eine längere Lebensdauer, eine höhere Leistungsfähigkeit und eine höhere Sicherheit im Vergleich zu herkömmlichen Batterietechnologien. Jedoch können die Struktur und die Herstellungsverfahren für Festkörperbatterien verbessert werden, um die Batterieleistung und Packung noch weiter zu optimieren.
Wie in 1 dargestellt ist, kann eine elektrochemische Vorrichtung, beispielsweise eine Festkörperbatterie, eine oder mehrere elektrochemische Zellen 100 einschließen, die eine Substratschicht 102, eine Kathodenschicht 104 und eine Elektrolytschicht 106 aufweisen. Wie gezeigt, kann auch eine Sperrschicht zwischen der Kathodenschicht 104 und der Substratschicht 102 vorhanden sein. Während der Herstellung der elektrochemischen Zelle 100 kann die Notwendigkeit bestehen, Material unter Verwendung eines Lasers von einer oder mehreren der Zellenschichten zu schneiden oder zu entfernen.
Die Offenlegungsschrift Nr. US 2012/0282495 A1 offenbart eine Energiespeicherzelle, die konfiguriert ist, dass die positive Elektrode eines Kondensators und eine positive Elektrode eines Lithiums direkt miteinander verbunden werden, eine zweite Elektrodenschicht ist aus einem Material gebildet, welches Teilchen von phosphorsäureartiger Lithiumverbindung mit einer olivinartigen Struktur einschließt, die dritte Elektrodenschicht ist hauptsächlich gebildet aus Lithiumtitanat und eine dritte Kondensatorfolie ist aus einer Aluminiumfolie gebildet.
Die Offenlegungsschrift Nr. US 2013/0230646 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur fotolithografischen Herstellung, Vereinzelung und Passivierung einer Festkörpermikrobatterie.
Zusammenfassung
Es wurde gefunden, dass die hohe Energie typischer Laser, die während der Herstellung elektrochemischer Zellen verwendet werden, z. B. bei Arbeiten zum Schneiden oder zum Entfernen von Zellenmaterialien, Wärme erzeugen kann, die ein Schmelzen, Rückfließen und Wiederanlagern der Schichtmaterialien bewirken kann. Insbesondere können geschmolzene Materialien, wie in 2 dargestellt, als Schlackespritzer 202 auf eine obere Oberfläche der elektrochemischen Zelle 200 geworfen werden oder als Schlackeschicht 204 entlang einer Schnittfläche zurückfließen und sich wiederanlagern. 3A und 3B liefern Vergrößerungsansichten einer Zellenoberfläche, nachdem eine Lasertechnik angewendet wurde, um Material durch Schmelzschneiden zu entfernen. Die Figuren zeigen einen abgegrenzten Schlackespritzer 202, der sich an der oberen Oberfläche wiederangelagert hat, und eine Schlackeschicht 204 entlang der Schnittfläche.
Ein Problem, das von dem über der Elektrolytschicht 106 gebildeten Schlackespritzer 202 verursacht wird, besteht in dem Risiko, dass die Schlackeschicht 202 einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Kathodenschicht und der Anodenschicht einer Zelle bildet. Dies kann anhand von 4 erläutert werden, die eine Seitenansicht von einem Abschnitt einer elektrochemischen Vorrichtung 400 ist. Die elektrochemische Vorrichtung 400 kann die elektrochemische Zelle 200 einschließen, die Schlackespritzer 202 über der Elektrolytschicht 106 aufweist. Ferner wurde eine Anodenschicht 402 über der Elektrolytschicht 106 aufgebracht. Es ist zu sehen, dass die Anodenschicht 402 fast in Kontakt mit der leitfähigen Schlackeschicht 204 und dem Schlackespritzer 202 kommt. Um dies zu vermeiden, wird die Anodenschicht 402 während der Aufbringung durch eine Maske von einer Außenkante der Zelle abgehalten, um einen Sicherheitsabstand 404 zwischen dem Schlackespritzer 202 und der Anodenschicht 402 zu bewahren.
Ein Problem mit der Hinzufügung des Sicherheitsabstands 404 ist jedoch, dass dadurch eine zu geringe Ausnutzung der Fläche der elektrochemischen Zellenfläche bewirkt werden kann, da über dem Sicherheitsabstand 404 letztendlich eine Kathodenfläche ohne gegenüberliegende Anodenfläche erzeugt wird. Dies kann bewirken, dass die Kathodenschicht 104 ein virtuelles Leck zu haben scheint, wenn die elektrochemische Zelle 400 durch ein chemisches Gleichgewicht in den Ruhezustand übergeht. Daher kann die elektrochemische Vorrichtung 400, die den Sicherheitsabstand 404 aufweist, eine suboptimale Energiedichte aufweisen.
Wie ebenfalls in 4 gezeigt ist, erzeugt die Schlacke 202, 204 ein weiteres Risiko für einen elektrischen Kurzschluss, wenn ein Anodenstromkollektor 406 über der Anodenschicht 402 angeordnet wird. Um die Bildung eines elektrischen Kurzschlusses zwischen der Kathodenschicht 104 und dem Anodenstromkollektor 406 durch die Schlackeschicht 204 und den Schlackespritzer 202 zu vermeiden, wird eine Z-Lücke 408 in einer vertikalen Richtung aufrechterhalten, d. h. in der Richtung, in der die Schichten gestapelt werden. Jedoch kann die Z-Lücke 408 eine zu geringe Ausnutzung des Raums in der vertikalen Richtung bewirken, insbesondere in einem Fall, in dem mehrere elektrochemische Zellen 200 gestapelt werden, um die elektrochemische Vorrichtung 400 zu bilden. Daher kann die elektrochemische Vorrichtung 400, welche die Z-Lücke 408 aufweist, eine suboptimale Energiedichte aufweisen.
Erfindungsgemäß weist die elektrochemische Vorrichtung die in den Patentansprüchen 1 oder 5 genannten Merkmale auf. Dies kann die Nutzung der verfügbaren Z-Höhe für den Batteriestapel zum Vorteil verbessern, da die Steckerkomponente die Z-Höhe nicht zusätzlich erhöht.
In einer Ausführungsform erlaubt ein Steckplatz in einer Kantenregion einer elektrochemischen Vorrichtung die Einführung eines Anodenstromkollektorsteckers, der, nachdem er eingeführt worden ist, elektrisch mit jeweiligen Anodenschichten von zwei einander benachbarten elektrochemischen Zellen verbunden wird. Die elektrochemische Vorrichtung schließt eine erste elektrochemische Zelle mit einer ersten Elektrolytschicht ein, die in einer Stapelrichtung zwischen einer ersten Anodenschicht und einer ersten Kathodenschicht liegt. Die erste elektrochemische Zelle kann eine Anodenkontaktregion und eine Anodenstromkollektorkontaktregion einschließen, und die Anodenkontaktregion kann in der Stapelrichtung in Bezug auf die Anodenstromkollektorkontaktregion versetzt sein. Des Weiteren kann die elektrochemische Vorrichtung eine zweite elektrochemische Zelle mit einer zweiten Elektrolytschicht zwischen einer zweiten Anodenschicht und einer zweiten Kathodenschicht einschließen. Die zweite Anodenschicht der zweiten elektrochemischen Zelle kann der ersten Anodenschicht der ersten elektrochemischen Zelle zugewandt sein. Zum Beispiel kann die erste Anodenschicht die zweite Anodenschicht in der Anodenkontaktregion berühren oder kontaktieren. In einer Ausführungsform schließt die elektrochemische Vorrichtung einen Anodenstromkollektorstecker zwischen der Anodenstromkollektorkontaktregion und der zweiten elektrochemischen Zelle ein. Der Anodenstromkollektorstecker kann in einem Steckereinführraum angeordnet sein. Der Steckplatz kann zwischen den Anodenschichten einander benachbarter Zellen liegen und in der Stapelrichtung zwischen einer Anode und der Anodenstromkollektorkontaktregion der anderen Anode einen Abstand aufweisen. Der Abstand kann zumindest so groß sein, wie der Versatz zwischen der Anodenkontaktregion und der Anodenstromkollektorkontaktregion, und der Anodenstromkollektorstecker kann den Steckplatz über dem Abstand ausfüllen. Der Anodenstromkollektorstecker kann physisch zwischen den elektrochemischen Zellen angeordnet sein, und des Weiteren können die jeweiligen Anodenschichten der elektrochemischen Zellen durch den Anodenstromkollektorstecker elektrisch miteinander verbunden sein. Der Anodenstromkollektorstecker kann mit der ersten Anodenschicht, z. B. in der Anodenstromkollektorkontaktregion, und/oder der zweiten Anodenschicht in physischem Kontakt stehen.
In einer Ausführungsform erlaubt ein Steckplatz in einer Kantenregion einer elektrochemischen Vorrichtung, wo zwei benachbarte Zellen miteinander verbunden sind, die Einführung eines Kathodenstromkollektorsteckers, der elektrisch mit den jeweiligen Kathodenschichten der beiden verbundenen elektrochemischen Zellen verbunden wird. In einer Ausführungsform schließt die erste elektrochemische Zelle eine erste Kathodenschicht zwischen einem ersten Kathodenstromkollektor und der Anodenkontaktregion der ersten Anodenschicht ein. Die zweite elektrochemische Zelle kann eine zweite Kathodenschicht zwischen einem zweiten Kathodenstromkollektor und der ersten Anodenschicht einschließen. Des Weiteren können der erste Kathodenstromkollektor und der zweite Kathodenstromkollektor jeweils freiliegende Kathodenstromkollektoroberflächen einschließen, die einander zugewandt und nicht von den Kathodenschichten oder den Anodenschichten abgedeckt sind. Die freiliegenden Kathodenstromkollektoroberflächen können in Querrichtung in Bezug auf die Anodenkontaktregion und die Anodenstromkollektorkontaktregion versetzt sein. In einer Ausführungsform wird der Kathodenstromkollektorstecker zwischen den freiliegenden Kathodenstromkollektoroberflächen eingeführt.
Statt das Lückenmerkmal, das einen Stecker aufnimmt, als „Steckplatz“ usw. zu beschreiben, kann die Struktur der Vorrichtung auch in Bezug auf trennende Abstände zwischen entsprechenden Zellenregionen beschrieben werden, wobei der trennende Abstand in der Nähe einer Kantenregion der Vorrichtung im Vergleich zu einer mittleren Region der Vorrichtung größer sein kann, wodurch ein Stromkollektorstecker über der Kantenregion zwischen die Zellen eingeführt werden kann, ohne die Z-Höhe der Vorrichtung über der mittleren Region zu vergrößern. In einer Ausführungsform schließt eine elektrochemische Vorrichtung eine erste elektrochemische Zelle und eine zweite elektrochemische Zelle ein, und jede Zelle weist in einer Stapelrichtung jeweils eine Elektrolytschicht zwischen einer jeweiligen Anodenschicht und einer jeweiligen Kathodenschicht auf. Die Zellen können durch einen trennenden Abstand in der Stapelrichtung, der entlang einer Querrichtung variiert, getrennt sein, und der trennende Abstand kann in der Nähe eines Außenumfangs der Zellen größer sein als in der Nähe eines mittleren Abschnitts der Zellen. Zum Beispiel kann der trennende Abstand über der äußeren Region einer Dicke eines Stromkollektorsteckers ähnlich sein, und der trennende Abstand über der inneren Region kann im Wesentlichen null sein. In einer Ausführungsform weist eine Übergangsregion, z. B. entlang einer Schräge, zwischen der äußeren Region und der inneren Region eine Steigung bzw. Neigung auf. Die äußere Region kann eine Anodenkollektorkontaktregion einschließen, und die innere Region kann eine Anodenkontaktregion einschließen, und des Weiteren kann die Anodenkollektorkontaktregion elektrisch mit der Anodenkontaktregion verbunden sein. In einer Ausführungsform schließen die Anodenkontaktregion und/oder die Anodenkollektorkontaktregion zumindest einen Abschnitt einer jeweiligen Anodenschicht ein.
Gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung schließt eine elektrochemische Vorrichtung mit einer oder mehreren Zellen einen Zellenstapel, der eine Elektrolytschicht zwischen einer Anodenschicht und einer Kathodenschicht einschließt. Der Stapel aus der Anodenschicht, der Elektrolytschicht und der Kathodenschicht definiert eine Seitenwand, die eine nicht-vertikale Neigung ungleich null (oder einfach eine Neigung) aufweist. In einer Ausführungsform wird die Zellenseitenwand als in Auswärtsrichtung geneigt bezeichnet, und zwar, weil die Höhe der Zellenseitenwand mit zunehmendem Abstand in einer Auswärtsrichtung immer geringer wird. Die Anodenschicht, die Elektrolytschicht und die Kathodenschicht können jeweils Seitenwände einschließen, die entlang der Zellenseitenwand freiliegen. Zum Beispiel kann sich die Zellenseitenwand von einer oberen Oberfläche der Anodenschicht zur freiliegenden Kathodenstromkollektoroberfläche erstrecken, und die freiliegenden Seitenwände der Schichten können sich entlang der nicht-vertikalen Neigung, die ungleich null ist, aneinander anschließen. Somit kann die Seitenwand in dieser Region eine feste oder alternativ dazu eine sich sanft verändernde Neigung aufweisen. Beispiele schließen eine Zellenseitenwand ein, deren Neigung nicht null wird oder die keine Diskontinuität aufweist. In einer Ausführungsform kann die nicht-vertikale Neigung einen linearen Abschnitt einschließen. Die nicht-vertikale Neigung kann anstelle von oder zusätzlich zu dem linearen Neigungsabschnitt auch einen krummlinigen oder nicht-linearen Neigungsabschnitt einschließen. Die elektrochemische Zelle kann zusätzliche Schichten im Zellenstapel einschließen, z. B. einen Kathodenstromkollektor, und die zusätzlichen Schichten können jeweils freiliegende Seitenwände einschließen. Zum Beispiel kann ein Kathodenstromkollektor eine freiliegende Seitenwand einschließen, die sich entlang der nicht-vertikalen Neigung der Zellenseitenwand, die ungleich null ist, an die anderen freiliegenden Seitenwände der Stapelschichten anschließt. Die Zellenseitenwand kann sich von der oberen Oberfläche der Anodenschicht zu einer Endkante irgendeiner anderen Schicht erstrecken, z. B. kann die Endkante an einer Stelle, die in Bezug auf eine obere Oberfläche des Kathodenstromkollektors vertikal versetzt ist, am Kathodenstromkollektor liegen, und die freiliegende Seitenwand des Kathodenstromkollektors kann sich zwischen der oberen Oberfläche und der Endkante erstrecken.
In einer Ausführungsform kann sich die Seitenwand, die eine nicht-vertikale Neigung ungleich null aufweist, dahingehend anschließen, dass die Ränder der angrenzenden Schichten, aus denen die Zelle besteht, deckungsgleich sind. Zum Beispiel kann sich die Elektrolytseitenwand zwischen einer Elektrolytoberkante und der Kathodenschicht erstrecken, wobei die Elektrolytoberkante mit einer Anodenunterkante deckungsgleich sein kann. Eine andere Möglichkeit zu beschreiben, dass eine Zellenseitenwand eine nicht-vertikale Neigung ungleich null aufweist, ist, dass bei ihr die Anodenunterkante in Bezug auf die Anodenoberkante lateral versetzt ist, beispielsweise in einer Auswärtsrichtung.
Die geneigte Seitenwand kann dadurch erhalten werden, dass ein kontrollierter Ablationsprozess angewendet wird, der die Erzeugung von Wärme während des Schneidens über den verschiedenen Schichten der Zelle beschränkt, um dadurch die Bildung der oben genannten Schlackeschichten zu vermeiden. Zum Beispiel kann der Ablationsprozess unter Verwendung eines Ablationslasers durchgeführt werden, was zum Ergebnis hat, dass die geschnittene Zelle eine geneigte Seitenwand aufweist und zwar eine, die vorteilhafterweise keine Schlackeschicht aufweist, wodurch die Notwendigkeit einer Übernahme der oben beschriebenen, beschränkten Lösungen vermieden wird (die eine zu geringe Ausnutzung der Fläche der elektrochemischen Zelle bewirken).
Wie oben angegeben, kann ein kontrollierter Ablationsprozess, der die Erzeugung von Wärme während des Schneidens beschränkt, verwendet werden, um die verschieden aufgebauten, nachstehend beschriebenen Zellen und Vorrichtungen zu fertigen. In einer Ausführungsform schließt ein Verfahren das Einstellen einer Intensität eines Laserstrahls auf eine Stufe ein, die niedriger ist als nötig wäre, um eine oder mehrere Schichten einer elektrochemischen Zelle aufzuschmelzen. Zum Beispiel kann das Einstellen der Intensität einschließen, dass die Leistung des Laserstrahls eingestellt wird und der Laserstrahl defokussiert wird, um die Intensität zu erreichen. Das Verfahren kann auch das Lasern der einen oder der mehreren Schichten der elektrochemischen Zelle mit dem Laserstrahl einschließen, um Material von den Zellenschichten zu entfernen und um Schichtseitenwände entlang der Zellenseitenwand mit einer nicht-vertikalen Neigung, die nicht null ist, freizulegen.
Die vorstehende Zusammenfassung schließt keine erschöpfende Aufzählung aller Aspekte der vorliegenden Erfindung ein. Die Erfindung soll alle in die Praxis umsetzbaren Systeme und Verfahren aus allen geeigneten Kombinationen der oben zusammengefassten, verschiedenen Aspekte einschließen, ebenso wie solche, die in der nachstehenden ausführlichen Beschreibung offenbart werden und die in den mit der Anmeldung eingereichten Ansprüchen ausdrücklich genannt sind. Solche Kombinationen weisen bestimmte Vorteile auf, die in der obigen Kurzfassung nicht spezifisch genannt sind.
Figurenliste

1 ist eine Seitenansicht eines Flächengebildes aus einem mehrschichtigen Material, das verwendet wird, um eine elektrochemische Zelle herzustellen.
2 ist eine Seitenansicht einer elektrochemischen Zelle.
3A-3B sind vergrößerte Ansichten einer elektrochemischen Zelle, welche die Wiederanlagerung von Schlacke von dem geschnittenen Material darstellen.
4 ist eine Seitenansicht eines Abschnitts einer elektrochemischen Vorrichtung.
5 ist eine Seitenansicht einer elektrochemischen Zelle gemäß einer Ausführungsform.
6 ist eine Seitenansicht einer elektrochemischen Zelle mit einer nicht-vertikalen geneigten Seitenwand gemäß einer Ausführungsform.
7 ist eine Seitenansicht mehrerer abgetrennter elektrochemischer Zellen gemäß einer Ausführungsform, die aus einem Flächengebilde aus einem mehrschichtigen Material gebildet sind.
8 ist eine Detailansicht, von einem Detail A von 7, eines Randes einer abgetrennten elektrochemischen Zelle gemäß einer Ausführungsform.
9 ist eine Draufsicht auf eine elektrochemische Vorrichtung mit Stromkollektorsteckern gemäß einer Ausführungsform.
10 ist eine Querschnittsansicht, entlang einer Linie A-A von 9, einer elektrochemischen Vorrichtung mit einem Anodenstromkollektorstecker gemäß einer Ausführungsform.
11 ist eine Querschnittsansicht, entlang einer Linie B-B von 9, einer elektrochemischen Vorrichtung mit einem Kathodenstromkollektorstecker gemäß einer Ausführungsform.
12 bis 21 sind verschiedene Ansichten einer elektrochemischen Vorrichtung mit Stromkollektorsteckern, die in verschiedenen Stadien eines Herstellungsprozesses gemäß einer Ausführungsform gezeigt ist.
22 ist eine Draufsicht auf zwei elektrochemische Zellen, bevor sie gestapelt werden, um eine elektrochemische Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform zu bilden.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es werden Strukturen und Herstellungsverfahren für Festkörperbatterien beschrieben. Obwohl manche Ausführungsformen unter spezifischer Bezugnahme auf Herstellungsprozesse oder Strukturen für die Integration in eine Festkörperbatterie beschrieben werden, sind die Ausführungsformen nicht darauf beschränkt, und bestimmte Ausführungsformen können auch für andere Zwecke verwendbar sein. Zum Beispiel kann eine oder können mehrere der nachstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden, um andere geschichtete Elemente herzustellen, beispielsweise Solarzellen auf Siliciumbasis.
Die folgende Beschreibung nimmt Bezug auf die Figuren. Jedoch können bestimmte Ausführungsformen ohne eines oder mehrere dieser konkreten Details oder in Kombination mit anderen bekannten Verfahren und Konfigurationen in die Praxis umgesetzt werden. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche konkrete Details dargelegt, wie konkrete Konfigurationen, Abmessungen und Verfahren, um für ein gründliches Verständnis der Ausführungsformen zu sorgen. In anderen Fällen werden bekannte Verfahren und Herstellungstechniken nicht in besonderem Detail beschrieben, um die Beschreibung nicht unnötig zu verschleiern. Jede Bezugnahme in dieser Patentschrift auf „eine Ausführungsform“ oder Ähnliches bedeutet, dass ein bestimmtes beschriebenes Merkmal, eine bestimmte beschriebene Struktur, Konfiguration oder Eigenschaft in mindestens einer Ausführungsform enthalten ist. Somit bezieht sich das Auftreten der Wendung „eine Ausführungsform“ oder Ähnliches an verschiedenen Stellen in dieser Patentschrift nicht unbedingt auf dieselbe Ausführungsform. Außerdem können die speziellen Merkmale, Strukturen, Konfigurationen oder Eigenschaften auf jede geeignete Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden.
In einem Aspekt der Erfindung schließt eine elektrochemische Zelle mehrere Schichten mit entsprechenden Seitenwänden ein, die kombiniert eine Zellenseitenwand bilden. Des Weiteren kann die Zellenseitenwand eine nicht-vertikale Neigung einschließen. Zum Beispiel kann die Zellenseitenwand entlang der jeweiligen Seitenwände der Schichten, z. B. zwischen einer Anodenschicht, einer Elektrolytschicht und einer Kathodenschicht, auf solche Weise schräg verlaufen, dass eine Höhe der Zellenseitenwand von einer oberen Oberfläche der Anodenschicht aus in einer Querrichtung auswärts geringer wird. Die Querrichtung kann von einer Stapelrichtung (oder einer vertikalen Richtung) dadurch unterschieden werden, dass die Querrichtung im Wesentlichen orthogonal ist zur Stapelrichtung. Somit kann die Querrichtung als radiär senkrecht zur Stapelachse 1014 betrachtet werden. Eine Auswärtsrichtung kann eine Richtung weg von einer Mittellinie oder einer mittleren Region einer elektrochemischen Zelle oder einer elektrochemischen Vorrichtung sein. Somit ist eine Auswärts-Querrichtung orthogonal zur Stapelachse 1014, die entlang einer Mittellinie der Zelle oder Vorrichtung angeordnet ist. Demgemäß können sich die jeweiligen Seitenwände der Schichten der elektrochemischen Zelle aneinander anschließen, d. h. die Kanten jeder Schicht der elektrochemischen Zelle sind deckungsgleich mit Kanten einer angrenzenden Schicht und bilden dadurch eine zusammenhängende Seitenwand. Die nicht-vertikale Neigung der Zellenseitenwand kann plane und/oder krummlinige Abschnitte aufweisen. Somit kann die geneigte Zellenseitenwand eine Kathodenschicht hervorbringen, die im Wesentlichen vollständig von der Anodenschicht abgedeckt ist, und somit können elektroaktive Abschnitte der Zelle maximiert werden, und die Energiedichte der elektrochemischen Zelle kann verbessert werden.
In einem anderen Aspekt wird eine elektrochemische Vorrichtung mit zwei elektrochemischen Zellen bereitgestellt. In einer Ausführungsform werden die elektrochemischen Zellen so gefertigt, dass sie eine oder mehrere Eintiefungen einschließen, um einen Stromkollektor aufzunehmen. In einer Ausführungsform schließen beide Zellen eine oder mehrere Eintiefungen ein, und in einer anderen Ausführungsform schließt nur eine der beiden Zellen eine oder mehrere Eintiefungen ein. Als Folge der Eintiefungen variiert ein trennender Abstand der Zellen in einer vertikalen Richtung über eine Querrichtung. Zum Beispiel kann der trennende Abstand zwischen den Zellen über dem Eintiefungsbereich in der Nähe eines äußeren Abschnitts der elektrochemischen Zellen größer sein als der trennende Abstand zwischen den Zellen in der Nähe eines mittleren Abschnitts der Zellen. In einer Ausführungsform kann eine Übergangsregion, beispielsweise eine schräge Region, zwischen der eingetieften Region und den nicht-eingetieften Regionen gebildet werden. Des Weiteren können die Eintiefungen einen Abschnitt einer Anodenschicht oder eines freiliegenden Kathodenstromkollektors einschließen, d. h. eines Kathodenstromkollektors, der nicht von anderen Schichten der Zelle abgedeckt wird, bevor ein Stromkollektorstecker eingeführt wird, und die mit einer Eintiefung versehenen Abschnitte können in elektrischer Verbindung mit einem jeweiligen Anoden- oder Kathodenmaterial in der Nähe der mittleren Region des Zellenstapels angeordnet sein. Insbesondere kann mindestens eine der elektrochemischen Zellen eine Anodenkollektorkontaktregion einschließen, die in einer vertikalen Richtung in Bezug auf eine Anodenkontaktregion der elektrochemischen Zelle vertikal versetzt ist. Wenn die elektrochemischen Zellen nebeneinander angeordnet werden, bilden die Eintiefungen daher eine Lücke, wodurch die Einführung eines Anodenstromkollektorsteckers erleichtert ist, mit dem ein elektrischer Kontakt mit den Anodenschichten hergestellt wird, oder um die Einführung eines Kathodenstromkollektorsteckers zu erleichtern, mit dem ein elektrischer Kontakt mit den Substratschichten hergestellt wird. Die Lücke kann von den Steckern vollständig ausgefüllt werden, und in einer Ausführungsform können die Stecker von der Kontur der elektrochemischen Zellen eingeschlossen werden, um ein quadratisches oder rechteckiges Profil der elektrochemischen Vorrichtung bereitzustellen, wenn man diese von oben betrachtet. Diese effiziente Packung der Stecker innerhalb der elektrochemischen Vorrichtung sorgt für eine optimierte Energiedichte und einen kompakteren Formfaktor für eine verbesserte Produktpackung.
Es wird nun auf 5 Bezug genommen, wo eine Seitenansicht einer elektrochemischen Zelle gemäß einer Ausführungsform gezeigt ist. Die elektrochemische Zelle 500 kann eine Elektrolytschicht 508 zwischen einer Anodenschicht 510 und einer Kathodenschicht 506 aufweisen. Die Kathodenschicht 506 kann beispielsweise LiCoO₂, LiMn₂O₄, LiMnO₂, LiNiO₂, LiFePO₄, LiVO₂ oder eine beliebige Mischung oder ein beliebiges chemisches Derivat davon einschließen. Die Elektrolytschicht 508 kann eine Ionenübertragung zwischen der Kathodenschicht 506 und der Anodenschicht 510 erleichtern. Somit kann die Elektrolytschicht 508 ein fester Elektrolyt sein, der möglicherweise gar keine flüssigen Komponenten enthält, und benötigt möglicherweise gar keine Bindemittel oder Separatormaterialien, die in eine feste Dünnschicht compoundiert werden. Zum Beispiel kann die Elektrolytschicht 508 Lithiumphosphoroxynitrid (LiPON) oder andere Festkörper-Dünnschichtelektrolyte, wie LiAlF₄, Li₃PO₄ dotiertes Li₄SiS₄, einschließen. Die Anodenschicht 510 kann beispielsweise Lithium, Lithiumlegierungen, Metalle, die mit Lithium feste Lösungen oder chemische Verbindung bilden können, oder eine sogenannte Lithiumionenverbindung, die als negatives Anodenmaterial in Batterien auf Lithiumbasis verwendet werden kann, beispielsweise Li₄Ti₅O₁₂, einschließen.
In einer Ausführungsform kann die Kathodenschicht 506 elektrisch mit einem Kathodenstromkollektor 504 verbunden sein, der eine elektrisch leitende Schicht oder ein Stecker sein kann. Ebenso kann die Anodenschicht 510 elektrisch mit einem Anodenstromkollektor verbunden sein, der eine elektrisch leitende Schicht oder ein Stecker sein kann. Optional können eine oder mehrere Zwischenschichten zwischen der Kathodenschicht 506 oder der Anodenschicht 510 und einem entsprechenden Stromkollektor angeordnet sein. Zum Beispiel kann eine Sperrfilmschicht 502 die Kathodenschicht 506 vom Kathodenstromkollektor 504 trennen. Zum Beispiel kann die Sperrfilmschicht 502 in direktem physischem Kontakt mit der Kathodenschicht 506 und dem Kathodenstromkollektor 504 stehen. Die Sperrfilmschicht 502 kann die Wahrscheinlichkeit dafür verringern, dass Fremdstoffe und/oder Ionen zwischen dem Kathodenstromkollektor 504 und der Kathodenschicht 506 diffundieren. Somit kann die Sperrfilmschicht 502 Materialien einschlie-ßen, die schlechte Ionenleiter sind, beispielsweise Boride, Carbide, Diamant, diamantähnlichen Kohlenstoff, Silicide, Nitride, Phosphide, Oxide, Fluoride, Chloride, Bromide, Iodide und Verbindungen davon. Alternativ dazu kann eine zusätzliche Zwischenschicht, beispielsweise eine Substratschicht, z. B. die Substratschicht 102, zwischen der Kathodenschicht 506 und dem Kathodenstromkollektor 504 angeordnet sein. Die Substratschicht kann beispielsweise für elektrische Verbindbarkeit zwischen der Kathodenschicht 506 und dem Kathodenstromkollektor 504 sorgen und kann der elektrochemischen Zelle 500 auch eine strukturelle Stütze, z. B. Steifigkeit, verleihen. Demgemäß kann die Substratschicht eine Metallfolie oder eine andere elektrisch leitende Schicht einschließen.
In manchen Fällen können die elektrochemisch aktiven Schichten der Zelle auf einer Seite der Substratschicht ausgebildet werden, z. B. anhand von Materialabscheidungstechniken, wie physikalischer Gasphasenabscheidung, und der Kathodenstromkollektor 504 kann separat und physisch mit einer anderen Seite der Substratschicht gekoppelt werden. In anderen Fällen können die elektrochemisch aktiven Schichten der Zelle auf der Substratschicht ausgebildet werden, und dann können die elektrochemisch aktiven Schichten der Zelle von der Substratschicht entfernt und physisch mit dem separat ausgebildeten Kathodenstromkollektor 504 gekoppelt werden. In noch anderen Fällen können die elektrochemisch aktiven Schichten der Zelle direkt auf dem Kathodenstromkollektor 504 ausgebildet werden, z. B. durch physikalische Gasphasenabscheidung. Somit gibt es viele verschiedene Wege zur Erzeugung einer elektrochemischen Zelle 500, die mehrere elektrochemisch aktive Schichten aufweist.
Die Schichten der elektrochemischen Zelle 500 können dünn sein. Zum Beispiel kann die Kathodenstromkollektorschicht 504 eine Dicke in einem Bereich zwischen 10 und 100 µm, z. B. 50 µm, aufweisen. Die zusammengesetzte elektrochemische Zelle 500 kann eine Gesamtdicke in einem Bereich zwischen 13 und 300 µm aufweisen. Zum Beispiel können die Sperrfilmschicht 502, die Kathodenschicht 506, die Elektrolytschicht 508 und die Anodenschicht 510 gemeinsam eine Dicke in einem Bereich zwischen 3 und 290 µm, z. B. 25 µm, aufweisen.
In einer Ausführungsform kann eine elektrochemische Zelle 500 geschaffen werden, die jede Schicht der elektrochemischen Zelle 500 einschließt. Insbesondere kann die elektrochemische Zelle den Kathodenstromkollektor 504, die Sperrfilmschicht 502, die Kathodenschicht 506, die Elektrolytschicht 508 und die Anodenschicht 510 einschlie-ßen. Während der Fertigung können die Schichten unter Verwendung einer herkömmlichen Lasertechnik geschnitten werden, um die Schichten durch Aufschmelzen zu durchtrennen. Somit kann sich eine Schlackeschicht 512 entlang der lasergeschnittenen Au-ßenkante der elektrochemischen Zelle 500 wiederanlagern.
In 6 ist eine Seitenansicht der elektrochemischen Zelle von 5 mit einer nicht-vertikalen geneigten Seitenwand gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. In einer Ausführungsform kann Material von der elektrochemischen Zelle 500 entfernt werden, um eine Zellenseitenwand 601 zu bilden. Zum Beispiel kann ein Abschnitt der elektrochemischen Zelle 500 unter Verwendung von materialabtragenden „Kaltschneide“-Techniken ablatiert, geätzt, geschält, beschliffen werden usw. Kaltschneiden ist ein Begriff, der weit gefasst verwendet wird, um Verfahren zu bezeichnen, die Material schneiden oder entfernen können, ohne die Materialien aufzuschmelzen, aber es liegt auf der Hand, dass die geneigte Zellenseitenwand 601 auch unter Verwendung anderer Schneidverfahren, bei denen das Material aufgeschmolzen wird, erhalten werden kann, und somit soll Kaltschneiden nicht beschränkend für die Erfindung sein. Trotzdem schließen die praxistauglichen Optionen für das selektive und steuerbare Beseitigen von Material, ohne es aufzuschmelzen, die Laserablation ein, die von dem Laserschneiden, das eine Schlackeschicht 512 produziert, zu unterscheiden ist. Insbesondere kann in einem Laserablationsprozess ein niederenergetischer, kurzwelliger und/oder defokussierter Laserstrahl Teile einer oder mehrerer Materialschichten von der elektrochemischen Zelle 500 entfernen, ohne diese aufzuschmelzen und ohne dass sich Schlacke wiederanlagert. Als Ergebnis des Laserablationsprozesses kann zumindest ein Teil der resultierenden Schlackeschicht 512 über der Schnittfläche entfernt werden, wie in 6 dargestellt, wodurch die Wahrscheinlichkeit für einen elektrischen Kurzschluss zwischen Zellenschichten, z. B. der Anodenschicht 510 und der Kathodenschicht 506, verringert wird.
Die Zellenseitenwand 601 kann entlang der Schnittfläche ausgebildet werden. In einer Ausführungsform schließt die Zellenseitenwand 601 jeweilige Seitenwände einer oder mehrerer Schichten der elektrochemischen Zelle 500 ein. Zum Beispiel kann sich die Zellenseitenwand 601 entlang einer nicht-vertikalen Neigung ungleich null zwischen einer oberen Oberfläche 620 der Anodenschicht 510 bis zum (und optional einschließlich von Teilen vom) Kathodenstromkollektor 504 erstrecken. Das heißt, die Zellenseitenwand 601 kann sich von einer Anodenoberkante 602 der oberen Oberfläche 620 bis zu einer Endkante 603 erstrecken. Die Endkante 603 kann eine Stelle darstellen, an der die Neigung der Seitenwand endet und eine laterale Seite der elektrochemischen Zelle in eine unendliche vertikale Neigung übergeht. Zum Beispiel kann die Endkante 603 mit der Oberkante 604 der Schlackeschicht deckungsgleich sein, das heißt mit einer oberen Stelle entlang der vertikalen Wand, die durch Laserschneiden der elektrochemischen Zelle 500 gebildet wird. Somit kann in einer Ausführungsform die Zellenseitenwand 601 eine nicht-vertikale Neigung zwischen einer Oberkante, z. B. einer Anodenoberkante 602, und einer Unterkante, z. B. der Endkante 603, die mit der Oberkante 604 der Schlackeschicht deckungsgleich ist, einschließen. Das heißt, die Zellenseitenwand 601 kann geneigt sein, und eine Höhe (in einer vertikalen Richtung) der Zellenseitenwand 601 nimmt in einer Querrichtung, die orthogonal ist zur vertikalen Richtung, ab. Insbesondere kann die Höhe der Zellenseitenwand 601 von einer oberen Anodenoberfläche, welche die Anodenoberkante 602 aufweist, zur Endkante 603 in Querrichtung auswärts geringer werden. Die Höhe der Seitenwand 601 kann sich mit einer höheren oder einer niedrigeren Rate verringern, aber in einer Ausführungsform schließt die Zellenseitenwand 601 eine nicht-vertikale Neigung ein, und die Verringerung der Höhe findet nicht mit einer unendlichen Rate statt, wie im Falle einer vertikalen Seitenwand.
Angesichts dessen, dass die Neigung der Seitenwand 601 variieren kann, und auch angesichts dessen, dass die Seitenwand 601 durch Entfernen von Material von der elektrochemischen Zelle 500 anhand eines Ablationsprozesses gebildet werden kann, der variiert werden kann, um die Zelle auf eine gewünschte Tiefe abzutragen, ist klar, dass die Endkante 603 der Zellenseitenwand 601 entlang einer Seitenwand von einer beliebigen der Schichten liegen kann, aus denen die elektrochemische Zelle 500 besteht. Zum Beispiel kann der Kathodenstromkollektor 504 eine obere Oberfläche 650 aufweisen, die elektrisch mit der Kathodenschicht 506 verbunden ist (die Kathodenschicht 506 kann über der oberen Oberfläche 650 und auf dem Kathodenstromkollektor 504 liegen). Durch Variieren der Tiefe, bis zu der Material unter Verwendung eines Ablationsprozesses entfernt wird, kann die Endkante 603 an Stellen enden, die mehr oder weniger weit in Bezug auf die obere Oberfläche 650 des Kathodenstromkollektors 504 versetzt sind. Wie in 6 gezeigt ist, kann die Endkante 603 beispielsweise in der vertikalen Richtung in Bezug auf die obere Oberfläche versetzt (und unter der oberen Oberfläche 650) sein. Wenn die Endkante 603 entlang der Zellenseitenwand 601 unterhalb der oberen Oberfläche 650 liegt, schließt der Kathodenstromkollektor eine Kathodenstromkollektorseitenwand 652 ein, die wegen der Entfernung von Material anhand des Ablationsprozesses freiliegt. An die Kathodenstromkollektorseitenwand 652 können sich die anderen freiliegenden Seitenwandabschnitte anschließen, wie oben beschrieben, so dass sie eine nicht-vertikale Neigung der Zellenseitenwand 601 ungleich null bilden.
Während des Ablationsprozesses kann weniger Material entfernt werden, um einen weniger tiefen Schnitt zu bilden. Somit kann die Endkante mit der oberen Oberfläche 650 deckungsgleich sein. Das heißt, die Zellenseitenwand 601 kann sich entlang einer nicht-vertikalen Neigung ungleich null von der Anodenoberkante 602 zu Endkante 603 an der oberen Oberfläche 650 erstrecken. Da sich der Ablationsschnitt in diesem Fall nicht unter die obere Oberfläche 650 des Kathodenstromkollektors 504 erstreckt, kann der elektrochemischen Zelle 500 eine Kathodenstromkollektorseitenwand 652 fehlen.
In einer Ausführungsform schließt der Kathodenstromkollektor 504 eine untere Oberfläche 660 unterhalb der oberen Oberfläche 650 ein. Des Weiteren kann der Ablationsprozess variiert werden, um Material über einer gesamten Zellenhöhe 700 (siehe 7) der elektrochemischen Zelle 500 zu entfernen. Das heißt, wie in 7 gezeigt ist, kann ein durchgehender Schnitt 702 durch die elektrochemische Zelle 500 getrieben werden, um die Zellenseitenwand 601 zu bilden, die sich von der Anodenoberkante 602 an der oberen Anodenoberfläche 620 zu Endkante 603 an der unteren Oberfläche 660 erstreckt. Somit kann die Zellenseitenwand 601 eine freiliegende Kathodenstromkollektorseitenwand 652 einschließen, die von der oberen Oberfläche 650 bis zu Endkante 603 an der unteren Oberfläche 660 geneigt ist, wie in 7 gezeigt ist.
In einer Ausführungsform kann Endkante 603 ein Übergangspunkt sein, an dem die Zellenseitenwand 601 auf eine horizontale Null-Neigung übergeht, wie nachstehend in den Ausführungsformen einer elektrochemischen Vorrichtung von 10 bis 11 gezeigt ist. Zum Beispiel kann die Zellenseitenwand 601 von Anodenoberkante 602 zu Endkante 603 unterhalb der oberen Oberfläche 650 des Kathodenstromkollektors 504 geneigt sein. Demgemäß kann die Zellenseitenwand 601 die freiliegenden Seitenwände der Anodenschicht 510, der Elektrolytschicht 508, der Kathodenschicht 506 und des Kathodenstromkollektors 504 einschließen. Die Tiefe des Ablationsschnittes kann jedoch auch geringer sein als die Zellenhöhe 700, und somit wird eine horizontale obere Oberfläche an der Unterseite des Ablationsschnittes ausgebildet. Die horizontale obere Oberfläche (die in 11 für eine Ausführungsform als freiliegende Kathodenstromkollektoroberfläche 1102 angegeben ist) kann sich von Endkante 603 zu einer lateralen Seite des Kathodenstromkollektors 504 erstrecken. Somit muss die Endkante 603 kein Punkt sein, an dem die Zellenseitenwand 601 in eine vertikale Oberfläche übergeht (z. B. die laterale Oberfläche, die in 6 neben der Schlackeschicht 512 liegt), und kein Punkt sein, an dem die Zellenseitenwand 601 in die untere Oberfläche 660 übergeht (siehe 7), sondern sie kann auch ein Punkt sein, an dem die Zellenseitenwand 601 entlang einer Seite eines Ablationsschnittes entlang einer Basis des Ablationsschnittes in eine horizontale Oberfläche übergeht.
In einer Ausführungsform ist die Zellenseitenwand 601 über ihre gesamte Länge zusammenhängend bzw. lückenlos. Zum Beispiel verläuft die Zellenseitenwand 601 in einer Ausführungsform zwischen der Anodenoberkante 602 und der Oberkante 604 der Schlackeschicht schräg, wie in 6 gezeigt ist (wo die Schräge übertrieben dargestellt ist). Die jeweiligen Seitenwände der Anodenschicht, der Elektrolytschicht und der Kathodenschicht entlang der nicht-vertikalen Neigung können zum Teil oder vollständig plan sein. Dementsprechend kann die nicht-vertikale Neigung einen linearen Neigungsabschnitt einschließen. Somit kann die Neigung der Zellenseitenwand 601 über alle Schichten der elektrochemischen Zelle 500 hinweg konstant sein. Das heißt, die ablatierte Wand mit der Neigung, d. h. die Zellenseitenwand 601, kann von der Anodenoberkante 602 bis zu Oberkante 604 der Schlackeschicht eine kontinuierliche und lineare Neigung aufweisen.
Statt einer kontinuierlichen und linearen Neigung kann die nicht-vertikale Neigung, wie von einer gepunkteten Linie in 6 gezeigt ist, zwar lückenlos sein, aber einen krummlinigen Abschnitt aufweisen. Zum Beispiel kann ein krummliniger Neigungsabschnitt 606 einem krummlinigen Weg, zum Beispiel einem Bogen, zwischen der Anodenoberkante 602 und der Oberkante 604 der Schlackeschicht folgen. In einer Ausführungsform kann die Krümmung oder Form der Zellenseitenwand 601 durch Defokussieren eines für die Ablation verwendeten Laserstrahls gesteuert werden. Zum Beispiel kann der Laserstrahl defokussiert werden, um zu bewirken, dass eine Schräge einer abgetragenen Seitenwand eine Anstiegs- bzw. Abstiegsweite, d. h. ein Abstand, der von der Zellenseitenwand 601 in einer Richtung abgedeckt wird, die orthogonal ist zur vertikalen Richtung, zwischen 5 und 50 µm, z. B. 20 µm aufweist. Die Intensität und der Fokus des Laserstrahls können so gesteuert werden, dass ein beliebiger Bereich von Schnittflächengeometrien erzeugt wird.
Angesichts dessen, dass die ablatierte Oberfläche der Zellenseitenwand 601 lückenlos sein kann, kann jede Schicht der elektrochemischen Zelle 500 eine Oberkante und eine Unterkante aufweisen, und die Oberkante einer ersten Schicht kann mit der Unterkante einer zweiten Schicht, die auf die erste Schicht gestapelt ist, deckungsgleich sein. Zum Beispiel kann die Anodenschicht 510 eine Anodenseitenwand 610 zwischen der Anodenoberkante 602 und der Anodenunterkante 608 aufweisen. Des Weiteren kann die Unterkante 604 der Anodenschicht in Bezug auf eine obere Anodenoberfläche und die Anodenoberkante 602 lateral versetzt sein, d. h. in einer Querrichtung, die orthogonal ist zu einer vertikalen Richtung. Ebenso kann die Elektrolytschicht 508 zwischen der Anodenschicht 510 und der Kathodenschicht 506 eine Elektrolytseitenwand 612 zwischen einer Elektrolytoberkante 614 und einer Elektrolytunterkante 616, z. B. an der Kathodenschicht 506, aufweisen. In einer Ausführungsform ist die Elektrolytoberkante 614 deckungsgleich mit der Anodenunterkante 608, was einen glatten Übergang zwischen den Seitenwänden der beiden Schichten ergeben kann. Man beachte, dass ein glatter Übergang nicht impliziert, dass Tangenten der jeweiligen aneinandergefügten Seitenwände parallel sind, sondern vielmehr kann eine Seitenwand in Bezug auf die andere Seitenwand abgewinkelt sein. Wenn die Kanten der Seitenwände an den Übergängen zwischen Schichten im Wesentlichen deckungsgleich sind, kann der Übergang als glatt betrachtet werden. Ebenso kann eine Oberkante der Kathodenschicht 506 mit der Elektrolytunterkante 616 deckungsgleich sein, und so weiter. Somit sind die Seitenwände aller Schichten zusammenhängend und kontinuierlich über der ablatierten oder auf andere Weise ausgebildeten Oberfläche der Zellenseitenwand 601. In 7 ist eine Seitenansicht mehrerer abgetrennter elektrochemischer Zellen gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung gezeigt, die aus einem Flächengebilde aus einem mehrschichtigen Material gebildet sind. Diese Struktur kann, muss aber nicht, das Ergebnis dessen sein, dass ein niederenergetischer, kurzwelliger und/oder defokussierter Laserstrahl verwendet wurde, um ganz durch ein mehrschichtiges Flächengebilde aus Material zu schneiden, aber ohne dass das Material aufschmilzt und sich wiederanlagert und dadurch die Schlackeschicht 512 bildet. Anders ausgedrückt kann anstelle der Abtrennung der elektrochemischen Zellen 500 durch Durchschmelzen des Flächengebildes mit einem typischen Laserschneidprozess und anschließendes Ablatieren der Seitenwände, um die Schlackeschicht 512 zu entfernen, das Flächengebilde auch unter Verwendung einer Kaltschneidetechnik durchtrennt werden, z. B. anhand eines Laserablationsprozesses, der Material entfernt, ohne dass das Material überhaupt schmilzt und sich wiederanlagert. Das Flächengebilde aus mehrschichtigem Material kann unter Verwendung eines Ablationslasers, d. h. eines Lasers, der auf Ablation und nicht auf Schneiden ausgelegt ist, abgetrennt werden. Die Intensität des Laserstrahls kann auch so eingestellt werden, dass der Abstiegswinkel, der in der Figur gezeigt ist, verringert wird, während ein Trennschnitt 702 von der Anodenschicht 510 ganz hinunter durch den Kathodenstromkollektor 504 durch das Flächengebilde getrieben wird. Eine solche Trennung durch Ablation statt durch Schmelzen kann die Wahrscheinlichkeit einer Wiederanlagerung von Schlacke entlang des resultierenden Schneidrands und auch an der oberen Oberfläche der abgetrennten Zellen abmildern oder sogar reduzieren. Das Schneidwerkzeug, z. B. ein Laserstrahl, kann verwendet werden, um eine Lücke zwischen einander benachbarten Zellenseitenwänden zu erzeugen, wo Material entfernt worden ist. Des Weiteren kann die Lücke zwischen den Zellenseitenwänden 601 definiert werden, und jede Zellenseitenwand 601 kann eine nicht-vertikale geneigte Oberfläche einschlie-ßen, z. B. kann die Neigung mindestens einen planen oder krummlinigen Neigungsabschnitt einschließen. Man beachte, dass Ablation nur eine Möglichkeit ist, eine zusammenhängende geneigte Oberfläche zu erzeugen, ohne dass der Schnitt oder entferntes Material aufschmilzt und sich wiederanlagert, und ist somit nicht beschränkend für die Erfindung ist. Des Weiteren können andere Ausführungsformen gestatten, dass typische Laserschneidetechniken Schichten einer elektrochemischen Zelle durch Schmelzen durchtrennen und trotzdem die hierin beschriebene nicht-vertikale geneigte Seitenwand erzeugen.
In 8, einer Detailansicht, die vom Detail A von 7 genommen ist, ist eine Außenkante einer abgetrennten elektrochemischen Zelle gezeigt. Der Schnitt kann eine fortlaufende Schräge von der Anodenoberkante 602 durch jede Schicht von der Anodenschicht 510 bis hinunter durch den Kathodenstromkollektor 504 zurücklassen. Eine Neigung der Zellenseitenwand 601 entlang des Ablationsschnittes kann über alle Schichten der elektrochemischen Zelle 500 hinweg konstant sein. Das heißt, die ablatierte Wand mit der Neigung, d. h. die Zellenseitenwand 601, kann von der Anodenoberkante 602 bis zu einer Unterkante der Schicht, die den Kathodenstromkollektor 504 bildet, eine kontinuierliche und lineare Neigung aufweisen. Somit kann jede Schicht der abgetrennten elektrochemischen Zelle 500 eine Seitenwand aufweisen, die glatt in eine angrenzende Seitenwand übergeht. In einer Ausführungsform sind für jede Schichtseitenwand die Ober- und Unterkanten mit angrenzenden Seitenwandkanten deckungsgleich, was bedeutet, dass im Wesentlichen keine Diskontinuität vorhanden ist, wenn die Seitenwände von einer Schicht in die nächste übergehen. Dies steht im Gegensatz zu dem, was in 4 gezeigt ist, wo ein Sicherheitsabstand 404 zwischen den Seitenwänden der Anodenschicht 402 und der benachbarten Elektrolytschicht 106 ausgebildet ist.
Als Folge der oben beschriebenen Prozesse und Strukturen der elektrochemischen Zelle kann ein Anteil der Kathodenschicht 506, über dem die Anodenschicht 510 liegt, erhöht werden. Der Anteil kann auf Basis eines Winkels der Seitenwandschräge variieren, aber der Anteil kann für jeden gegebenen Abstiegswinkel maximiert werden. Das heißt, die Anodenschicht 510 kann sich für jede gegebene Seitenwandneigung ganz bis zu einer lateralen Kante der elektrochemischen Zelle 500 erstrecken, d. h. es könnte nur wenig oder gar kein Abstand zwischen einer Elektrolytseitenwand 612 und einer Anodenseitenwand 610 vorhanden sein. Zum Beispiel kann ein etwaiger Sicherheitsabstand oder lateraler Versatz zwischen den Seitenwänden 610, 612 geringer sein als eine Dicke der Anodenschicht 510, z. B. kleiner als 20 µm. Somit kann die Fläche der Oberfläche der elektrochemischen Zelle in einer Richtung, die orthogonal ist zur vertikalen Richtung, im Wesentlichen vollständig ausgenutzt werden, und die Anodenfläche kann maximiert werden. Insbesondere kann die elektrochemische Zelle 500 eine Struktur aufweisen, in der als Folge davon, dass die Seitenwand zwischen der Kathodenschicht 506 und der Anodenschicht 510 eine lückenlose Neigung aufweist, praktisch die gesamte Kathodenschicht 506, mit der Elektrolytschicht 508 dazwischen, gegenüber einer Anodenschicht 510 liegt. Somit kann eine Fläche der unteren Oberfläche eines Anodenbereichs einer Fläche einer oberen Oberfläche der Kathodenschicht 506 im Wesentlichen gleich sein, wobei der Unterschied von der Neigung der Seitenwand zwischen den Flächen bestimmt wird, was dazu führt, dass im Wesentlichen kein virtuelles Leck in der Kathode wahrgenommen wird, wenn die elektrochemische Zelle 500 durch ein chemisches Gleichgewicht in den Ruhezustand übergeht. Dadurch, dass auf diese Weise der Anteil der Kathode, über dem eine Anode liegt, maximiert wird, kann eine Leistungssteigerung um bis zu 20 % gegenüber Maskierungsmethoden erreicht werden, bei denen ein Abstand zwischen den Anoden- und Kathodenkanten gebildet wird, wie oben unter Bezugnahme auf 4 beschrieben wurde. Zusätzlich zur Verbesserung der Batterieleistung kann eine lückenlose Seitenwandoberfläche mit einer maximierten Fläche der Anodenoberfläche auch besser herstellbar sein, da keine Maskierung erforderlich ist. Im Falle der Abtrennung elektrochemischer Zellen unter Verwendung einer Kaltschneidetechnik, z. B. Laserablation, kann im Gegensatz zur Maskierung und zum Laserschneiden ein trennender Schnitt engere Toleranzen aufweisen oder schmaler sein, als dies mit Maskierung erreichbar wäre. Dies kann im Vergleich zu heutigen Maskierungs- und Musterungsverfahren, die im Allgemeinen zu instabil oder zu zeitaufwändig sind, wenn solche dünnen Trennschnitte 702 erreicht werden sollen, die Materialverschwendung und die Herstellungskosten verringern.
Wie oben beschrieben, kann in einer Ausführungsform ein Kaltschneiden, um eine elektrochemische Zelle 500 von einem Flächengebilde aus mehrschichtigem Material abzutrennen, oder um die elektrochemische Zelle 500 zu mustern oder zu ablatieren, z. B. um die Schlackeschicht 512 zu entfernen, um die Wahrscheinlichkeit für einen Kurzschluss zwischen Schichten zu verringern, unter Verwendung eines Ablationslasers erreicht werden. Ein Laserstrahl in einem Wellenlängenspektrum unter 550 nm kann verwendet werden, um Material von dem Flächengebilde oder der elektrochemischen Zelle 500 abzutragen und zu entfernen. Zum Beispiel kann ein Laserstrahl mit Grün- oder Ultraviolettwellenlänge mit einer Wellenlänge von 530 nm verwendet werden, um die eine oder die mehreren Schichten der elektrochemischen Zelle 500 zu ablatieren. Des Weiteren kann eine Intensität des kurzwelligen Laserstrahls so gesteuert werden, dass die Wahrscheinlichkeit des Schmelzens der Materialschichten verringert wird. Das heißt, die Intensität des Laserstrahls kann so gesteuert werden, dass Wärme erzeugt wird, die in dem mehrschichtigen Material absorbiert wird und die eine Ablation des Materials statt eines Aufschmelzens des Materials bewirkt. In einer Ausführungsform kann die Intensität des Laserstrahls durch Anpassen einer Leistungseinstellung des Laserstrahls gesteuert werden.
Die Intensität des Laserstrahls, die verwendet wird, um das mehrschichtige Flächengebilde zu ablatieren, kann auch durch Anpassen einer Fokusfläche des Laserstrahls gesteuert werden. Insbesondere gesagt kann der Laserstrahl defokussiert werden. Somit wird die Fokusfläche an der Oberfläche des mehrschichtigen Flächengebildes vergrößert, wodurch die Intensität des Laserstrahls an jedem Punkt verringert wird. In einer Ausfuhrungsform ändert die Defokussierung des Laserstrahls die Geometrie der resultierenden Schnittfläche und somit den Abstiegswinkel oder die Form der Zellenseitenwand 601. Zum Beispiel kann ein Abstiegswinkel der Zellenseitenwand 601 umso größer werden, je mehr der Laserstrahl defokussiert wird. Das heißt, die Defokussierung des Laserstrahls kann eine größere Anstiegs- bzw. Abstiegsweite erzeugen.
In 9 ist eine Draufsicht auf eine elektrochemische Vorrichtung mit Stromkollektorsteckern gemäß einer Ausführungsform gezeigt. In einer Ausführungsform kann eine elektrochemische Vorrichtung 900 so hergestellt werden, dass sie Stromkollektorstecker, z. B. einen Anodenstromkollektorstecker 902 und einen Kathodenstromkollektorstecker 904, einschließt. Insbesondere kann eine elektrochemische Zelle 900 gebildet werden, die mindestens zwei elektrochemische Zellen 500 einschließt. In einer Ausführungsform schließt jede elektrochemische Zelle 500 eine Anodenschicht 510, eine Elektrolytschicht 508, eine Kathodenschicht 506 und einen Kathodenstromkollektor 504, wie oben beschrieben, ein. Jede Zelle kann, muss aber nicht, durch Einbeziehung einer zusammenhängenden geneigten Seitenwand, die im Wesentlichen keinen Sicherheitsabstand zwischen einander unmittelbar benachbarten Schichten aufweist, den Anteil der Kathodenfläche, über der eine Anodenfläche liegt, maximieren. In einer Ausführungsform schließt der Aufbau einen Stecker, der von oben betrachtet innerhalb einer Kontur der elektrochemischen Zelle 500, z. B. innerhalb eines quadratischen oder rechteckigen Zellenprofils eingepasst sein kann. Diese Einpassung ermöglicht eine effiziente Packung, die leichter in Produkte eingebaut werden kann. In einer Ausführungsform können trennende Räume 906 zwischen den Steckern 902, 904 und einem angrenzenden Zellenkörper 908 vorgesehen sein, um die Wahrscheinlichkeit dafür zu verringern, dass ein elektrischer und/oder ionischer Kurzschluss zwischen den Seiten der Stecker und einer beliebigen der Schichten stattfindet, z. B. einer Seitenwand der Anodenschicht, der Kathodenschicht oder der Elektrolytschicht, die exponiert und den Seiten des Steckers zugewandt sein können.
In 10 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A von 9 einer elektrochemischen Vorrichtung mit einem Anodenstromkollektorstecker gezeigt. In einer Ausführungsform schließt die elektrochemische Vorrichtung 900 einen Stapel aus elektrochemischen Zellen 500. Zum Beispiel kann eine erste elektrochemische Zelle 1002 umgedreht sein und so auf eine zweite elektrochemische Zelle 1004 gestapelt sein, dass die jeweiligen Anodenschichten 510 der elektrochemischen Zellen 1002, 1004 einander zugewandt sind.
In einer Ausführungsform schließt die elektrochemische Vorrichtung 900 einen Steckplatz 1006 ein, um einen Anodenstromkollektorstecker 902 zwischen den Anodenschichten 510 aufnehmen zu können, ohne die Z-Höhe der zusammengesetzten Vorrichtung zu vergrößern. Insbesondere können die elektrochemischen Zellen 500 so ausgebildet sein, dass nach dem Zusammenbau eine Lücke oder Öffnung in der Nähe einer Kante der elektrochemischen Vorrichtung 900 geschaffen wird, um den Anodenstromkollektorstecker 902 aufzunehmen. Die Anodenschichten 510 über dem größten Teil der Querfläche der elektrochemischen Vorrichtung, z. B. über einem mittleren Abschnitt der elektrochemischen Vorrichtung, können einander entweder benachbart sein oder aneinander anstoßen. Zum Beispiel können die Anodenschichten über zumindest einem Teil ihrer jeweiligen Flächen unmittelbar nebeneinander liegen, z. B. in physischem Kontakt miteinander stehen. Alternativ dazu kann eine dünne Trennschicht zwischen den Anodenschichten vorhanden sein, beispielsweise eine elektrisch und/oder ionisch isolierende Schicht. Die Trennschicht kann eine Dicke aufweisen, die geringer ist als eine Höhe einer Lücke oder Öffnung, die vorgesehen ist, um den Anodenstromkollektorstecker 902 aufzunehmen. Somit kann in einer Ausführungsform die Z-Höhe verringert sein, wenn sie auch nicht bis auf null verringert werden kann. Zusätzlich zur Verringerung der Z-Höhe kann der Aufbau der Vorrichtung die Verwendung dickerer Stecker ermöglichen, wodurch die Robustheit der Stecker erhöht wird, und elektrische und physische Verbindungen mit externen Komponenten verlässlicher werden.
Jede elektrochemische Zelle 500 kann eine Anodenstromkollektorkontaktregion 1012 in der Nähe eines Außenumfangs oder einer Seitenwand einschließen. Die Anodenstromkollektorkontaktregionen 1012 können über einen Abstand in der Stapelrichtung, der ausreicht, um den Anodenstromkollektorstecker 902 aufzunehmen, voneinander getrennt sein. Zum Beispiel kann der Anodenstromkollektorstecker 902 so eingeführt werden, dass sich ein distales Ende einwärts von der Seitenwand der Zellen erstreckt. Die innere Oberfläche der Zellen entlang der Anodenstromkollektorkontaktregion 1012 kann über einer Übergangsregion 1010 einen Übergang, z. B. eine Schräge aufweisen. Das heißt, in einer Ausführungsform können die oberen Oberflächen 620 der jeweiligen Anodenschichten 510 der gestapelten elektrochemischen Zellen entlang einer nicht-vertikalen Neigung ungleich null über der Übergangsregion 1010 schräg verlaufen. Insbesondere kann die Trennung zwischen den inneren Zellenoberflächen über der Übergangsregion 1010 geringer werden. Infolgedessen kann über der Übergangsregion 1010 eine Lücke zwischen inneren Oberflächen der Zellen vorhanden sein, da der Anodenstromkollektorstecker 902 dicker sein kann als der trennende Abstand und somit nicht in die Übergangsregion hineinreichen kann. Man beachte, dass die Schräge über der Übergangsregion 1010 in 10 übertrieben dargestellt ist, und dass eine Anstiegs- bzw. Abstiegsweite der Übergangsregion ein Bruchteil des Anstiegs der Schräge sein kann. In einer Ausführungsform kann die Schräge im Wesentlichen vertikal sein, kann aber eine Neigung ungleich null einschließen, so dass die Übergangsregion 1010 sehr klein ist und die Anodenstromkollektorkontaktregion 1012 im Wesentlichen direkt neben der Anodenkontaktregion 1008 liegt.
Man beachte, dass die Schräge über der Übergangsregion 1010 einen vertikalen Anstieg einschließen kann, und somit die Anodenkontaktregion 1008 jeder elektrochemischen Zelle in Bezug auf die jeweilige Anodenstromkollektorkontaktregion 1012 der Zelle in der Stapelrichtung versetzt sein kann. Über der Anodenkontaktregion 1008 kann ein Abstand zwischen den inneren Oberflächen der Zellen kleiner sein als über der Anodenstromkollektorkontaktregion 1012. Das heißt, die Zellen können über einem mittleren Abschnitt, d. h. einwärts von der Übergangsregion 1010, einen kleineren Abstand aufweisen als über einer Kantenregion, d. h. über der Anodenstromkollektorkontaktregion 1012. In einer Ausführungsform kann ein trennender Abstand zwischen den inneren Oberflächen der Zellen über der Anodenkontaktregion 1008 im Wesentlichen null sein, und der trennende Abstand zwischen den inneren Oberflächen der Zellen über der Anodenstromkollektorkontaktregion 1012 kann einer Dicke des Anodenstromkollektors 902 gleich sein. Somit kann ein Steckplatz zwischen Zellen über sowohl der Anodenstromkollektorkontaktregion 1012 als auch der Übergangsregion 1010 gebildet werden. Somit können die entsprechenden Anodenschichten über der Anodenkontaktregion 1008 direkt in elektrischem Kontakt stehen. Alternativ dazu können die Anodenschichten durch ein elektrisch leitendes Material in elektrischen Kontakt gebracht werden, das über der Anodenkontaktregion 1008 auch in der gleichen Richtung verläuft wie eine oder mehrere von den Anodenschichten, z. B. horizontal oder quer.
In einer Ausführungsform kann der Abstand zwischen den inneren Oberflächen der Zellen über der Anodenstromkollektorkontaktregion 1012 durch Entfernen eines Teils von einer oder mehreren der jeweiligen Kathodenschichten 506 der ersten elektrochemischen Zelle 1002 und der zweiten elektrochemischen Zelle 1004 ausgebildet werden. Insbesondere kann das Kathodenmaterial am Umfang der Zellen entfernt werden, um Raum für den Anodenstromkollektorstecker 902 zu schaffen. Eine andere Möglichkeit dies zu beschreiben ist, dass eine Kerbe oder Nut in einer Zellenseitenwand ausgebildet worden ist, wo mindestens zwei gestapelte Zellen aneinandergefügt sind. Das Ausbilden eines solchen Lückenmerkmals kann dazu führen, dass die innere Oberfläche der Zelle, die in der Kerbe liegt, mit einem Anodenschichtmaterial ausgekleidet wird, das mit beiden von den jeweiligen Anodenschichten 510 der Zellen in Kontakt steht (und ein Anodenstromkollektorstecker 902, der innerhalb des Lückenmerkmals angeordnet ist, kann daher mit diesen Anodenschichten in Kontakt stehen).
Um die obige Beschreibung weiter zu verdeutlichen, ist eine andere Möglichkeit, eine Ausführungsform der elektrochemischen Vorrichtung 900 zu beschreiben, wie folgt. Während die Anodenschicht, die Elektrolytschicht und die Kathodenschicht in einer herkömmlichen Struktur alle horizontal auswärts verlaufen, im Wesentlichen als Querschichten, bis sie im gleichen Abstand enden und dadurch eine vertikale Zellenseitenwand bilden wie in 5 als Beispiel dargestellt ist, hört die Kathodenschicht 506 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorher auf (verläuft nicht ganz nach außen bis zur Zellenseitenwand, wie ansonsten durch die Seite oder den Rand eines Substrats definiert). Dies erzeugt im Ergebnis eine Lücke in der Zellenseitenwand (aus der der gesamte Steckplatz 1006 oder ein Teil davon gebildet wird). Die Elektrolytschicht 508 und die Anodenschicht 510 erstrecken sich jedoch weiter und folgen dabei der Form der Oberfläche der Kathode 506 in der Lücke, wie in 10 zu sehen ist. Die Lücke muss keine bestimmte Form haben, aber sie kann groß genug sein, damit ein Anodenstromkollektorstecker 902 zumindest zum Teil darin angeordnet werden kann, um einen elektrischen Kontakt mit den Anodenschichten 510 herzustellen. Der Anodenstromkollektorstecker 902 kann daher den Steckplatz 1006 zwischen den Anodenstromkollektorkontaktregionen 1012 der Anodenschichten füllen, d. h. er kann einen Abstand in der Stapelrichtung zwischen der Anodenstromkollektorkontaktregion an einer Anodenschicht und einer oberen Oberfläche einer gegenüberliegenden Anodenschicht füllen.
Man beachte, dass die Ausführungsform, die in 10 dargestellt ist, einen „ausgewogenen“ Steckplatz 1006 darstellt, wenn gleiche Mengen der Kathodenschicht 506 über einer Kantenregion der gestapelten Zellen fehlen. Jedoch kann der Beitrag zu dem Steckplatz 1006 alternativ dazu auch unausgewogen sein, wo beispielsweise nur die Kathodenschicht 506 der ersten elektrochemischen Zelle 1002 über der Kantenregion (welche die Anodenstromkollektorkontaktregion 1012 und die Übergangsregion 1010 umfassen kann) fehlt oder ausgekerbt ist, während sich die andere Kathodenschicht 506 der zweiten elektrochemischen Zelle 1004 kontinuierlich quer über diese Regionen erstreckt (ebenso wie ihre Anodenschicht 510 und ihre Elektrolytschicht 508), d. h. ohne jeglichen vertikalen Versatz zu zeigen. Somit passt ein Anodenstromkollektor 902 mit der Hälfte der Dicke trotzdem in einen solchen unausgewogenen Steckplatz 1006. Im Falle eines entweder ausgewogenen oder unausgewogenen Steckplatzes 1006 kann der Steckplatz 1006 einen Abstand, z. B. eine Höhe in der Stapelrichtung der Stapelachse 1014 aufweisen, der zumindest so groß ist wie der Versatz in der Stapelrichtung zwischen der oberen Oberfläche 620 entlang der Anodenkontaktregion 1008 und der oberen Oberfläche 620 entlang der Anodenstromkollektorkontaktregion 1012.
Der Anodenstromkollektorstecker 902 kann in den Steckplatz 1006 eingeführt werden und physisch mit der inneren Oberfläche der Zellen über der Anodenstromkollektorkontaktregion 1012 verbunden werden. Zum Beispiel können sich Anodenschichten 510 der elektrochemischen Vorrichtung über der Anodenstromkollektorkontaktregion erstrecken, und somit können die Anodenschichten 510 mit dem Anodenstromkollektor 902 verklebt bzw. verbunden werden. Eine physische Verbindung zwischen dem Anodenstromkollektorstecker 902 und den Anodenschichten 510 kann auf verschiedene Weise hergestellt werden, unter anderem unter Verwendung eines Haftmittels, z. B. eines leitfähigen Haftklebers, um eine Klebverbindung zwischen Oberflächen der physisch verbundenen Komponenten zu erzeugen. Alternativ dazu kann ein Reibschluss zwischen dem Anodenstromkollektorstecker 902 und den Anodenschichten 510 gebildet werden. Des Weiteren können auch andere Verfahren, beispielsweise Wärmeschweißen des Anodenstromkollektorsteckers 902 an die Anodenschichten 510, verwendet werden.
In einer Ausführungsform schließt nur eine der elektrochemischen Zellen in der elektrochemischen Vorrichtung 900 eine Anodenstromkollektorkontaktregion 1012 ein, die in Bezug auf die Anodenkontaktregion 1008 versetzt ist. Das heißt, eine Eintiefung kann auch in nur einer elektrochemischen Zelle gebildet werden, um einen Steckplatz 1006 zum Einführen eines Anodenstromkollektorsteckers 902 bereitzustellen. Des Weiteren ist es nicht nötig, dass eine oder mehrere Schichten der elektrochemischen Zellen sich ganz bis zum Umfang der Zelle erstrecken, wie in 10 gezeigt ist. Zum Beispiel können sich eine oder mehrere der jeweiligen Anodenschichten 510 in der elektrochemischen Vorrichtung 900 nicht ganz über die Anodenkontaktregion 1008 und die Anodenstromkollektorkontaktregion 1012 erstrecken. Zum Beispiel kann sich die Anodenstrom 510 über die Anodenkontaktregion 1008 erstrecken, ohne sich auch über die Übergangsregion 1010 oder die Anodenstromkollektorkontaktregion 1012 zu erstrecken. Trotzdem kann ein elektrischer Kontakt zwischen diesen Regionen hergestellt werden, um eine elektrische Verbindung eines eingeführten Anodenstromkollektorsteckers 902 mit einer Anodenschicht 510 über einem Abschnitt der Anodenkontaktregion 1008 zu ermöglichen. Zum Beispiel kann eine elektrisch leitende Schicht, Leitung, Durchkontaktierung usw. verwendet werden, um eine elektrische Verbindung zwischen der Anodenstromkollektorkontaktregion 1012 und dem Anodenmaterial innerhalb der Anodenkontaktregion 1008 zu bilden. Somit soll die Darstellung der Anodenschicht 510, die sich vollständig zwischen und über Regionen 1008, 1012 über der Übergangsregion 1010 erstreckt, nicht beschränkend für die Erfindung sein. Vielmehr können elektrochemische Zellen mit unterschiedlichen Bauweisen verwendet werden, wenn ein trennender Abstand zwischen den elektrochemischen Zellen über einer Region 1012 größer ist als in einer Region 1008, um das Einführen eines Stromkollektorsteckers zu gestatten, ohne dafür die Z-Höhe zu vergrößern.
In 11 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B von 9 einer elektrochemischen Vorrichtung mit einem Kathodenstromkollektorstecker gemäß einer Ausführungsform gezeigt. In einer Ausführungsform schließt die elektrochemische Vorrichtung 900 einen Steckplatz 1006 ein, um zwischen den Kathodenstromkollektoren 504 einen Kathodenstromkollektorstecker 904 aufzunehmen, ohne die Z-Höhe der zusammengesetzten Vorrichtung zu vergrößern. Insbesondere können die elektrochemischen Zellen 500, d. h. eine erste elektrochemische Zelle 1002 und eine zweite elektrochemische Zelle 1004, so ausgebildet sein, dass nach dem Zusammenbau eine Lücke oder Öffnung in der Nähe einer Umfangsregion der elektrochemischen Vorrichtung 900 bereitgestellt wird, die den Kathodenstromkollektorstecker 904 aufnimmt. Die Lücke oder Öffnung kann das Ergebnis von vertikal eingetieften Oberflächen einer oder beider der zusammenpassenden elektrochemischen Zellen 1002, 1004 sein. Das heißt, eine oder beide der elektrochemischen Zellen 1002, 1004 kann eingetiefte Substratoberflächen 1102 aufweisen, wie weiter unten beschrieben. Somit kann jede elektrochemische Zelle 500 jeweils freiliegende Kathodenstromkollektoroberflächen 1102 einschließen, die einander zugewandt und lateral außerhalb der verschiedenen anderen Schichten der Zellen angeordnet sind. Die Kathodenstromkollektoroberflächen 1102, die einander zugewandt sind, um einen elektrischen Kontakt mit einem eingeführten Stromkollektor herzustellen, liegen frei, da es sein kann, dass sie nicht von den anderen Schichten der elektrochemischen Zelle 500 abgedeckt sind. Die verschiedenen anderen Schichten jeder elektrochemischen Zelle 500 in dem Stapel, z. B. die Sperrfilmschicht 502, die Kathodenschicht 506, die Elektrolytschicht 508 und die Anodenschicht 510, können eine Zellenseitenwand 601 einschließen, die lückenlos ist, und können eine nicht-vertikale Neigung ungleich null einschließen, wie oben beschrieben. Somit kann die Kathodenschicht 506 im Wesentlichen vollständig von einer darüberliegenden Anodenschicht 510 abgedeckt sein, um die Energiedichte zu erhöhen. Der Kathodenstromkollektorstecker 904 kann in den Steckplatz 1006 eingeführt werden und z. B. unter Verwendung eines leitfähigen Haftklebers mit den Kathodenstromkollektoren 504 der elektrochemischen Vorrichtung verbunden werden. Der Kathodenstromkollektorstecker 904 kann die freiliegende Oberfläche der Kathodenstromkollektoren 504 berühren, d. h. er kann in direktem Kontakt mit den Kathodenstromkollektoren 504 stehen, um eine elektrische Leitfähigkeit zwischen ihnen zu erleichtern. Des Weiteren kann der Kathodenstromkollektorstecker 904 den Steckplatz 1006 füllen, um einen lateralen und vertikalen Raum innerhalb der elektrochemischen Vorrichtung vollständig auszunutzen. Dadurch kann der Stecker so eingepasst werden, dass er innerhalb der Kontur des Stapels liegt. Es sei klargestellt, dass mit „innerhalb der Kontur des Stapels“ gemeint ist, dass sich der Stecker weg von einem Kontaktpunkt zwischen den Zellen der elektrochemischen Vorrichtung 900 auswärts erstrecken kann, und dass die Form des Steckers innerhalb der Kontur des Stapels, der als einfache Form erkannt werden kann, liegt oder diese definiert. Zum Beispiel kann der Stapel ohne angebrachten Stecker von oben als einer gesehen werden, der ein quadratisches Profil mit eingekerbten Ecken aufweist, aber nach der Einführung der Stecker kann der Stapel als einer mit einem quadratischen Profil gesehen werden. Jedoch wird ein quadratisches Profil nur als Beispiel angegeben, und in anderen Fällen kann die Einführung der Stecker eine Kontur der elektrochemischen Vorrichtung 900 mit einer allgemeineren Form definieren, z. B. mit einer beliebigen regelmäßigen konvexen Vieleckform. Demgemäß wird in einer Ausführungsform eine elektrochemische Vorrichtung mit Steckern und mit einer Kontur, die ein quadratisches Profil aufweist, erhalten.
Vorteilhafterweise ermöglicht eine elektrochemische Vorrichtung mit einem Aufbau wie in 10 und 11 dargestellt eine Verringerung einer Z-Höhe der elektrochemischen Vorrichtung, wodurch die Energiedichte des Materials erhöht wird. Die Verringerung der Z-Höhe kann mit einer Verringerung des Materials in einer X- oder Y-Achsenrichtung, d. h. orthogonal zur Stapelachse 1014, erkauft werden müssen, um den Steckplatz 1006 zu bekommen, aber eine solche Verringerung in der Richtung der X-Y-Ebene kann sich im Hinblick auf die Verschlechterung der Batterieleistung anteilsmäßig weniger stark auswirken. Somit kann die Bauweise der dargestellten elektrochemischen Vorrichtung einen Vorteil gegenüber heutigen Bauweisen elektrochemischer Vorrichtungen bieten, die z. B. eine Anodenstromkollektorschicht zwischen den Anodenschichten 510 einschließen, was zusätzlich die Höhe des Stapels der elektrochemischen Vorrichtung vergrößert. Ein Beispiel für einen Herstellungsprozess zum Aufbauen einer elektrochemischen Vorrichtungsstruktur wie in 9 bis 11 gezeigt, ist nachstehend ausführlicher beschrieben.
In 12 ist eine Draufsicht auf einen Zellenrohling gezeigt, der während der Herstellung einer elektrochemischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform verwendet wird. Es kann ein Zellenrohling 1200 bereitgestellt werden. Der Zellenrohling kann z. B. ein quadratisches oder rechteckiges Profil aufweisen, aber das Profil kann auch andere Formen haben. Der Zellenrohling 1200 kann, muss aber nicht unbedingt, unter Verwendung von Laserschneidtechniken, einschließlich eines Ablationslasers zur Durchführung eines Laserablationsprozesses, von einem Flächengebilde aus mehrschichtigem Material abgetrennt werden.
In 13, einer Querschnittsansicht entlang der Linie C-C von 12, ist ein Zellenrohling gemäß einer Ausführungsform gezeigt. Der Zellenrohling 1200 kann den Kathodenstromkollektor 504, die Sperrfilmschicht 502 und die Kathodenschicht 506 einschließen, die das Material und die Struktur aufweisen, die oben beschrieben sind. In einer Ausführungsform stellt der Zellenrohling 1200 somit ein Herstellungsstadium vor der Aufbringung der Elektrolytschicht 508 und der Anodenschicht 510 dar. In einer Ausführungsform weist der Zellenrohling 1200 eine lückenlose Seitenwand auf. Das heißt, die Seitenwand jeder Schicht kann bündig sein mit der einer anderen, wodurch ein glatter Übergang über der gesamten Seitenwandfläche der Zelle 1200 erzeugt wird. Diese Fläche bzw. Seite kann eine plane Oberfläche und/oder eine gekrümmte Oberfläche aufweisen. Des Weiteren ist in einer Ausführungsform keine Schlackeschicht über der Fläche der Seitenwand vorhanden; dies kann durch die Anwendung einer Laserablation, wie oben beschrieben, zum Abtrennen des Zellenrohlings 1200 von einem Flächengebilde aus mehrschichtigem Material erreicht werden.
In 14 ist eine Draufsicht auf einen Zellenrohling mit einer ablatierten Anodenstromkollektorkontaktregion gemäß einer Ausführungsform gezeigt. In einer Ausführungsform wird eine Kaltschneidetechnik, beispielsweise ein Ablationslaser, verwendet, um einen Teil einer oder mehrerer der Schichten des Zellenrohlings 1200 in einer Anodenstromkollektorkontaktregion 1012 zu entfernen. Zum Beispiel kann eine Region mit einer Breite und/oder eine Länge, die ein Zehntel einer Breite des Zellenrohlings 1200 ausmacht, ablatiert werden, aber es sind alternativ dazu auch andere Breiten und/oder Längen möglich.
In 15 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie D-D von 14 eines Zellenrohlings mit einer ablatierten Anodenstromkollektorkontaktregion gemäß einer Ausführungsform gezeigt. Wie oben beschrieben, kann der Zellenrohling 1200 ablatiert werden, um Teile der Kathodenschicht 506 und der Sperrfilmschicht 502 zu entfernen. Es können auch einige Teile des Kathodenstromkollektors 504 ablatiert werden. Somit können eine Anodenstromkollektorkontaktregion 1012 auf einer oberen Oberfläche des Kathodenstromkollektors 504 ebenso wie eine Seitenwand 1502 entlang einer ablatierten Oberfläche der Kathodenschicht 506 und der Sperrfilmschicht 502 ausgebildet werden. Die Seitenwand 1502 kann eine nicht-vertikale Neigung aufweisen, die sich zwischen einer Kathodenoberkante 1504 und der Anodenstromkollektorkontaktregion 1012 erstreckt. Die Neigung der Seitenwand 1502 kann eine plane Oberfläche oder eine gekrümmte Oberfläche aufweisen und über den verschiedenen ablatierten Schichten lückenlos sein, wie oben beschrieben. Man beachte, dass zumindest ein Teil des Kathodenstromkollektors 504 eine schräge Seitenwand zwischen der Anodenstromkollektorkontaktregion 1012 und der Sperrfilmschicht 502 sein kann. Somit kann die Anodenstromkollektorkontaktregion 1012 dadurch ausgebildet werden, dass der Zellenrohling 1200 nur zum Teil durchgehend abgetragen wird, d. h. der Laserablationsprozess kann Material von einer oberen Oberfläche des Zellenrohlings 1200 bis zur Anodenstromkollektorkontaktregion 1012 am Kathodenstromkollektor 504 entfernen, ohne durch die gesamte Dicke des Zellenrohlings 1200 zu schneiden, wie dies bei einem herkömmlichen Laserschneidprozess der Fall sein kann.
In 16 ist eine Draufsicht auf eine elektrochemische Zelle, bei der die Anodenstromkollektorkontaktregion in einer vertikalen Richtung versetzt ist, gemäß einer Ausführungsform gezeigt. 17 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie E-E von 16 und zeigt, wie eine Anodenstromkollektorkontaktregion 1012 in einer vertikalen Richtung (der vertikalen Richtung wie sie in der Figur zu sehen ist) eingetieft werden kann. Die Elektrolytschicht 508 und die Anodenschicht 510 werden über der Kathodenschicht 506 des Zellenrohlings 1200 aufgebracht. Die Aufbringung der Schichten kann anhand bekannter Prozesse erreicht werden, beispielsweise durch physikalische Gasphasenabscheidung oder ein anderes geeignetes Verfahren. In diesem Fall werden sowohl die Elektrolytschicht 508 als auch die Anodenschicht 510 mit einer gleichmäßigen Dicke über dem gesamten Bereich der oberen Oberfläche des Zellenrohlings 1200 ausgebildet, auch über der zuvor ablatierten Anodenstromkollektorkontaktregion 1012 und über dem schrägen Abschnitt des Kathodenstromkollektors 504 zwischen der Anodenstromkollektorkontaktregion 1012 und der Sperrfilmschicht 502. Durch die Aufbringung, Beschichtung usw. können die Elektrolytschicht 508 und die Anodenschicht 510 die darunterliegende Anodenstromkollektorkontaktregion 1012, d. h. den freiliegenden Kathodenstromkollektor 504, gleichmäßig bedecken, um eine obere Oberfläche der elektrochemischen Zelle 500 zu bilden, die eine Anodenschicht 510 mit der Anodenkontaktregion 1008 wie angegeben und der Anodenstromkollektorkontaktregion 1012 aufweist. In einer Ausführungsform weist die Anodenschicht 510 über ihrer gesamten Oberflächenfläche die gleiche Dicke auf und folgt der schrägen Region zwischen der Kathodenoberkante 1504 und der Anodenstromkollektorkontaktregion 1012, was zum Ergebnis hat, dass eine obere Oberfläche der Anodenschicht 510, die direkt über der Anodenstromkollektorkontaktregion 1012 angeordnet ist, in einer vertikalen Richtung unter eine obere Oberfläche der Anodenschicht 510, die direkt über der Anodenkontaktregion 1008 angeordnet ist, zurückgesetzt ist.
In 18 ist eine Draufsicht auf die elektrochemische Zelle gezeigt, die eine Kathodenstromkollektorsteckerregion aufweist, die in einer vertikalen Richtung (in Bezug auf eine Anodenschicht) versetzt ist, wobei eine Ecke der elektrochemischen Zelle 500, die der Anodenstromkollektorkontaktregion 1012 gegenüberliegt, ablatiert ist, sodass der Kathodenstromkollektor 504 freiliegt und eine Kathodenstromkollektorsteckerregion 1802 gebildet worden ist. Siehe die Querschnittsansicht entlang der Linie F-F von 18 in 19. Ähnlich wie bei der Erzeugung der vertikal eingetieften Anodenstromkollektorkontaktregion 1012 (siehe 16 bis 17) können die Schichten der elektrochemischen Zelle 500 ablatiert werden, um Teile der Anodenschicht 510, der Elektrolytschicht 508, der Kathodenschicht 506 und der Sperrfilmschicht 502 zu entfernen. Des Weiteren kann ein Teil des Kathodenstromkollektors 504 ablatiert werden, um eine obere Oberfläche des Kathodenstromkollektors 504 über einer Kathodenstromkollektorsteckerregion 1802 freizulegen. Die freiliegende Kathodenstromkollektoroberfläche 1102 kann eine Landefläche für die Herstellung eines elektrischen Kontakts mit dem Kathodenstromkollektor 504 bereitstellen. Das heißt, die Kathodenstromkollektoroberfläche 1102 kann in dem Sinne freigelegt werden, dass sie vor der Einführung des Steckers nicht von einer anderen Schicht der elektrochemischen Zelle 500 bedeckt wird. Nachdem der Stecker eingeführt worden ist, kann jedoch ein physischer und elektrischer Kontakt zwischen dem Kathodenstromkollektor 504 und dem eingeführten Stecker hergestellt werden, und somit kann zumindest ein Teil der Kathodenstromkollektoroberfläche 1102 nicht mehr „freiliegend“ sein. Somit kann die elektrochemische Zelle 500 dadurch von der Anodenschicht 510 zum Kathodenstromkollektor 504 übergehen, dass Material entfernt wird, um eine Seitenwand 1502 zu erzeugen, die in einer nicht-vertikalen Richtung zwischen der Anodenschicht 510 und dem Kathodenstromkollektor 504 geneigt ist. Man beachte, dass die Seitenwand 1502 mit einem übertriebenen Abstiegswinkel dargestellt ist, d. h. die Abstiegsweite der Seitenwand 1502 kann in Wirklichkeit sehr gering sein im Vergleich zu einer Fläche der oberen Oberfläche der elektrochemischen Zelle 500, und somit ist die Seitenwand 1502 in der Draufsicht auf die elektrochemische Zelle 500, die in 18 dargestellt ist, nicht zu sehen. Insbesondere kann sich die Seitenwand 1502 zwischen einer Anodenoberkante 602 und der freiliegenden Kathodenstromkollektoroberfläche 1102 erstrecken.
Die Seitenwand 1502 kann eine nicht-vertikale geneigte Oberfläche aufweisen und über den verschiedenen ablatierten Schichten lückenlos sein, wie oben beschrieben. Man beachte auch, dass zumindest ein Teil des Kathodenstromkollektors 504 eine geneigte Seitenwand zwischen dem nach oben gewandten, freiliegenden Kathodenstromkollektor 1102 und der Sperrfilmschicht 502 sein kann. Somit kann der Kathodenstromkollektor 1102 dadurch ausgebildet werden, dass die elektrochemische Zelle 500 nur zum Teil durchgehend ablatiert wird, d. h. der Laserablationsprozess kann Material von einer oberen Oberfläche der elektrochemischen Zelle 500 bis zum freiliegenden Kathodenstromkollektor 1102 am Kathodenstromkollektor 504 entfernen, ohne durch die gesamte Dicke der elektrochemischen Zelle 500 zu schneiden, wie dies bei einem herkömmlichen Laserschneidprozess der Fall sein kann.
In 20 ist eine Draufsicht auf die elektrochemische Zelle gezeigt, die eine Kathodenstromkollektorsteckerregion 1802 aufweist, die in einer vertikalen Richtung versetzt ist. In einer Ausführungsform werden die Anodenstromkollektorkontaktregion 1012 und die Kathodenstromkollektorsteckerregion 1802 vom Umfang der elektrochemischen Zelle 500 zurückgestutzt, wodurch ein Versatz in einer Querrichtung zwischen einer Außenumfangskante 2002 und einer Außenkante 2004 der Steckerregion erzeugt wird. Wie oben beschrieben, kann eine solche Lücke während des Zusammenbaus einer elektrochemischen Vorrichtung jeweils mit einem Anodenstromkollektorstecker 902 oder einem Kathodenstromkollektorstecker 904 gefüllt werden, um eine Kontur für die elektrochemische Zelle 500 oder die elektrochemische Vorrichtung 900 zu definieren, die eine einfache Form aufweist, z. B. eine regelmäßige konvexe Vieleckform, wie beispielsweise ein Quadrat. Dies ist in der Draufsicht auf die Vorrichtung, die in 21 gezeigt ist, zu sehen. Insbesondere können die Stecker als integriert in die Zellstruktur und als zwischen elektrochemischen Zellen angeordnet beschrieben werden und sich von den Kontaktregionen 1012, 1802 weg erstrecken, um die Lücken zu füllen, was ein Profil ergibt, bei dem die Außenkante 2002 des Zellenumfangs und die Steckerkanten 2102 auf einer Linie liegen, z. B. wenn die elektrochemische Zelle 500 ein quadratisches oder rechteckiges Profil aufweist, wie in 21 zu sehen ist.
In 22 ist eine Draufsicht auf zwei elektrochemische Zellen vor der Stapelung, um eine elektrochemische Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform zu bilden, gezeigt. In einer Ausführungsform schließen mindestens zwei elektrochemische Zellen 500A und 500B jeweils einen ersten und einen zweiten Steckereinführbereich ein. Zum Beispiel kann eine erste elektrochemische Zelle 500A einen linken Steckereinführbereich 2200A und einen rechten Steckereinführbereich 2202A einschließen. Ebenso kann eine zweite elektrochemische Zelle 500B einen linken Steckereinführbereich 2200B und einen rechten Steckereinführbereich 2202B einschließen. Die erste elektrochemische Zelle 500A kann umgedreht werden, um sie auf die zweite elektrochemische Zelle 500B zu stapeln, beispielsweise um eine elektrochemische Vorrichtung 900 mit einander zugewandten Anodenschichten zu bilden. Somit kann in einer zusammengesetzten Konfiguration der linke Steckereinführbereich 2200A dem rechten Steckereinführbereich 2202B zugewandt sein, und der rechte Steckereinführbereich 2202A kann dem linken Steckereinführbereich 2200B zugewandt sein. Somit können die Steckereinführbereiche der ersten elektrochemischen Zelle 500A und der zweiten elektrochemischen Zelle 500B gegenseitige Spiegelbilder in Bezug darauf, welche Art von Stecker in die linken und rechten Steckereinführbereiche eingeführt wird, sein. Das heißt, die Steckereinführbereiche 2200A und 2202B können so gestaltet sein, dass sie den Anodenstromkollektorstecker 902 kontaktieren, und die Steckereinführbereiche 2202A und 2200B können so gestaltet sein, dass sie den Kathodenstromkollektorstecker 904 kontaktieren. In einer Ausführungsform können beide Steckereinführbereiche zusammenpassenden Steckereinführbereichen eingetiefte Kontaktregionen, beispielsweise eine Anodenstromkollektorkontaktregion 1012 oder eine Kathodenstromkollektorsteckerregion 1802, einschließen, die in einer vertikalen Richtung von 1008 versetzt sind, wie oben beschrieben. In anderen Ausführungsformen können zusammenpassende Steckereinführbereiche nur einen eingetieften Bereich einschließen. Zum Beispiel kann die erste elektrochemische Zelle 500A einen eingetieften linken Steckereinführbereich 2200A, z. B. eine eingetiefte Anodenstromkollektorkontaktregion 1012, und einen rechten Steckereinführbereich 2200B, z. B. eine eingetiefte Kathodenstromkollektorsteckerregion 1802, einschließen, und der linke und der rechte Steckereinführbereich 2200A, 2202B sind über den jeweiligen Stromkollektorkontaktregionen nicht eingetieft. Infolgedessen können die Stromkollektorstecker einen vertikalen Raum zwischen den elektrochemischen Zellen 500 ausfüllen, der die Hälfte des trennenden Abstands des Steckplatzes 1006 in 10 bis 11 ist. Trotzdem kann eine Z-Höhe verringert sein und die Stecker können in einer Querrichtung in die Vorrichtung zurückgesetzt werden, um ein Vorrichtungsprofil hervorzubringen, bei dem die Außenumfangskante 2002 auf einer Linie mit den Steckeraußenkanten 2102 liegt. Insbesondere kann die elektrochemische Vorrichtung von 9 bis 11 ausgebildet werden.
Die vorliegende Erfindung gibt außerdem die folgenden, nach Punkten aufgeführten Ausführungsformen an:

1. Herstellungsartikel, umfassend: mehrere elektrochemische Zellen, die von einem Flächengebilde abgetrennt worden sind, wobei einander benachbarte von den mehreren elektrochemischen Zellen durch eine Lücke getrennt sind, die schräg verläuft.
2. Herstellungsartikel, umfassend: eine erste elektrochemische Zelle mit einer zweiten elektrochemischen Zelle, wobei jede Zelle in einer Stapelrichtung jeweils eine Elektrolytschicht zwischen einer jeweiligen Anodenschicht und einer jeweiligen Kathodenschicht aufweist, wobei die Zellen durch einen trennenden Abstand in der Stapelrichtung getrennt sind, der in einer Querrichtung variiert, und wobei der trennende Abstand über einer äußeren Region der miteinander verbundenen Zellen größer ist als über einer inneren Region der miteinander verbundenen Zellen.
3. Herstellungsartikel gemäß Punkt 2, wobei die äußere Region eine Anodenkollektorkontaktregion einschließt und die innere Region eine Anodenkontaktregion einschließt, und wobei die Anodenkollektorkontaktregion elektrisch mit der Anodenkontaktregion verbunden ist.
4. Herstellungsartikel gemäß Punkt 3, wobei sich die jeweiligen Anodenschichten über eine oder mehrere der Anodenkontaktregion oder der Anodenkollektorkontaktregion erstrecken.
5. Verfahren, umfassend: Einstellen einer Intensität eines Laserstrahls auf eine Stufe, die niedriger ist als nötig, um eine oder mehrere Schichten einer elektrochemischen Zelle zu schmelzen; und Lasern der einen oder der mehreren Schichten der elektrochemischen Zelle mit dem Laserstrahl, um eine Zellenseitenwand zu bilden, die eine nicht-vertikale Neigung ungleich null aufweist.
6. Verfahren gemäß Punkt 5, wobei die eine oder mehreren Schichten eine Elektrolytschicht, die in einer vertikalen Richtung zwischen eine Anodenschicht und eine Kathodenschicht gestapelt ist, einschließen, wobei die eine oder mehreren Schichten jeweils Seitenwände aufweisen, die zumindest einen Teil der Zellenseitenwand bilden.
7. Verfahren gemäß Punkt 6, wobei die Anodenschicht eine obere Anodenoberfläche einschließt, und wobei eine Höhe der Zellenseitenwand in einer Querrichtung auswärts geringer wird.
8. Verfahren gemäß Punkt 7, wobei die jeweiligen Seitenwände der Anodenschicht, der Elektrolytschicht und der Kathodenschicht entlang der nicht-vertikalen Neigung zusammenhängend sind.
9. Verfahren gemäß Punkt 8, wobei die nicht-vertikale Neigung einen linearen Neigungsabschnitt einschließt.
10. Verfahren gemäß Punkt 8, wobei die nicht-vertikale Neigung einen krummlinigen Neigungsabschnitt einschließt.

In der vorgehenden Patentschrift ist die Erfindung mit Bezug auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen davon beschrieben worden. Es ist offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne vom weiteren Geist und Umfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen dargelegt, abzuweichen. Die Patentschrift und Zeichnungen sind dementsprechend als darstellend und nicht als einschränkend anzusehen.

Claims

Elektrochemische Vorrichtung, umfassend: eine erste elektrochemische Zelle mit einer ersten Elektrolytschicht, die in einer Stapelrichtung zwischen einer ersten Anodenschicht und einer ersten Kathodenschicht liegt, wobei die erste Anodenschicht eine Anodenkontaktregion und eine Anodenstromkollektorkontaktregion einschließt, die jeweils eine obere Oberfläche aufweisen, und wobei die obere Oberfläche der Anodenkontaktregion in einer ersten Ebene in der Stapelrichtung von der oberen Oberfläche der Anodenstromkollektorkontaktregion versetzt ist, welche eine zweite Ebene parallel zu der ersten Ebene ist; und eine zweite elektrochemische Zelle mit einer zweiten Elektrolytschicht zwischen einer zweiten Anodenschicht und einer zweiten Kathodenschicht, wobei die zweite Anodenschicht eine Anodenkontaktregion und eine Anodenstromkollektorkontaktregion einschließt, die jeweils eine obere Oberfläche aufweisen, wobei die zweite Anodenschicht die erste Anodenschicht in der oberen Oberfläche der Anodenkontaktregion kontaktiert; und einen Anodenstromkollektorstecker, der an der Anodenstromkollektorkontaktregion mit der ersten Anodenschicht und an der Anodenstromkollektorkontaktregion mit der zweiten Anodenschicht in Kontakt steht.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Anodenschicht überdies eine Übergangsregion aufweist, die die Anodenkontaktregion mit der Anodenstromkollektorkontaktregion verbindet und wobei eine obere Oberfläche der Übergangsregion die zweite Anodenschicht nicht kontaktiert und den Anodenstromkollektorstecker nicht kontaktiert.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die erste elektrochemische Zelle die erste Kathodenschicht zwischen der ersten Anodenschicht und einem ersten Kathodenstromkollektor einschließt, wobei die zweite elektrochemische Zelle die zweite Kathodenschicht zwischen der zweiten Anodenschicht und einem zweiten Kathodenstromkollektor einschließt, wobei der erste Kathodenstromkollektor und der zweite Kathodenstromkollektor jeweils freiliegende Kathodenstromkollektoroberflächen aufweisen, die einander zugewandt und nicht von den Kathodenschichten oder den Anodenschichten bedeckt sind, und wobei die freiliegenden Kathodenstromkollektoroberflächen in Bezug auf die Anodenkontaktregion quer versetzt sind.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 3, ferner einen Kathodenstromkollektorstecker umfassend, der mit den freiliegenden Kathodenstromkollektoroberflächen in Kontakt steht.
Elektrochemische Vorrichtung, umfassend: eine erste elektrochemische Zelle, umfassend: eine Elektrolytschicht, die in einer vertikalen Richtung zwischen einer Anodenschicht und einer Kathodenschicht liegt, wobei die Kathodenschicht in Kontakt mit einem Kathodenstromkollektor ist, wobei die Anodenschicht, die Elektrolytschicht und die Kathodenschicht jeweils Seitenwände einschließen, die entlang einer Zellenseitenwand freiliegen, und wobei die Zellenseitenwand eine nicht-vertikale Neigung ungleich null aufweist; eine zweite elektrochemische Zelle, umfassend: eine Elektrolytschicht, die in einer vertikalen Richtung zwischen einer Anodenschicht und einer Kathodenschicht liegt, wobei die Kathodenschicht in Kontakt mit einem Kathodenstromkollektor ist, wobei die Anodenschicht, die Elektrolytschicht und die Kathodenschicht jeweils Seitenwände einschließen, die entlang einer Zellenseitenwand freiliegen, und wobei die Zellenseitenwand eine nicht-vertikale Neigung ungleich null aufweist, wobei die Anodenschicht der ersten elektrochemischen Zelle die Anodenschicht der zweiten elektrochemischen Zelle kontaktiert; und einen Kathodenstromkollektorstecker, der zwischen den Kathodenstromkollektoren der ersten und zweiten elektrochemischen Zellen eingefügt ist, wobei ein Einfügungsende des Kathodenstromkollektorsteckers gegenüber der Zellenseitenwand der ersten elektrochemischen Zelle und der Zellenseitenwand der zweiten elektrochemischen Zelle liegt.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei sich die freiliegende Seitenwand der Anodenschicht zwischen einer Anodenoberkante an der oberen Oberfläche und der freiliegenden Seitenwand der Elektrolytschicht erstreckt, und wobei sich die freiliegende Seitenwand der Elektrolytschicht zwischen der freiliegenden Seitenwand der Anodenschicht und der freiliegenden Seitenwand der Kathodenschicht erstreckt.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei die freiliegende Seitenwand der Kathodenschicht in Bezug auf die freiliegende Seitenwand der Anodenschicht in der vertikalen Richtung und in einer Querrichtung auswärts entlang der nicht-vertikalen Neigung, die ungleich null ist, versetzt ist.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die jeweiligen Seitenwände durch Entfernen von Material von den Schichten unter Verwendung eines Ablationsprozesses freigelegt worden sind, und wobei die jeweiligen Seitenwände der Anodenschicht, der Elektrolytschicht und der Kathodenschicht entlang einer Zellenseitenwand freiliegen und sich aneinander anschließen.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Kathodenschicht über einer oberen Oberfläche des Kathodenstromkollektors liegt, wobei der Kathodenstromkollektor eine Seitenwand einschließt, die durch Entfernen von Material vom Kathodenstromkollektor anhand des Ablationsprozesses freigelegt worden ist, wobei die Seitenwand des Kathodenstromkollektors freiliegt und sich an die anderen freiliegenden Seitenwände der Anodenschicht, der Elektrolytschicht und der Kathodenschicht anschließt, und wobei eine Höhe der Zellenseitenwand von einer oberen Oberfläche der Anodenschicht entlang der nicht-vertikalen Neigung, die ungleich null ist, nach außen hin geringer wird.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die nicht-vertikale Neigung ungleich null einen linearen Neigungsabschnitt einschließt.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die nicht-vertikale Neigung ungleich null einen linearen Neigungsabschnitt einschließt.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die nicht-vertikale Neigung ungleich null einen krummlinigen Neigungsabschnitt einschließt.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die nicht-vertikale Neigung ungleich null einen krummlinigen Neigungsabschnitt einschließt.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Anodenschicht eine obere Oberfläche einschließt, und wobei eine Höhe der Zellenseitenwand von der oberen Oberfläche aus entlang der nicht-vertikalen Neigung, die ungleich null ist, in einer Querrichtung auswärts geringer wird.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Anodenschicht eine obere Oberfläche einschließt, und wobei eine Höhe der Zellenseitenwand von der oberen Oberfläche aus entlang der nicht-vertikalen Neigung, die ungleich null ist, in einer Querrichtung auswärts geringer wird.
Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die jeweiligen freiliegenden Seitenwände der Anodenschicht, der Elektrolytschicht und der Kathodenschicht entlang der nicht-vertikalen Neigung, die ungleich null ist, zusammenhängend sind.
Herstellungsartikel, umfassend: die ersten und zweiten elektrochemischen Zellen nach Anspruch 5, die von einem Flächengebilde abgetrennt worden sind, wobei einander benachbarte elektrochemische Zellen durch eine Lücke getrennt sind, die schräg verläuft.
Verfahren zur Herstellung der elektrochemischen Vorrichtung nach Anspruch 8, umfassend: Einstellen einer Intensität eines Laserstrahls auf eine Stufe, die niedriger ist als nötig wäre, um eine oder mehrere Schichten der ersten und zweiten elektrochemischen Zelle aufzuschmelzen; und Lasern der einen oder mehreren Schichten der ersten oder zweiten elektrochemischen Zelle mit dem Laserstrahl, um die Zellenseitenwand mit der nicht-vertikalen Neigung ungleich null zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die nicht-vertikale Neigung ungleich null einen linearen Neigungsabschnitt einschließt.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die nicht-vertikale Neigung ungleich null einen krummlinigen Neigungsabschnitt einschließt.