DE112018003652T5

DE112018003652T5 - Verfahren zur Bildung von wiederaufladbaren Batteriestapeln, die einabgeblättertes Kathodenmaterial enthalten

Info

Publication number: DE112018003652T5
Application number: DE112018003652.9T
Authority: DE
Inventors: Yun Seog Lee; Stephen Bedell; Joel Pereira de Souza; Devendra Sadana
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2018-09-11
Publication date: 2020-04-23
Also published as: CN111149222A; JP2020535591A; US20190103637A1; WO2019064099A1

Abstract

Es werden Verfahren zur Bildung von wiederaufladbaren Batterien mit einer hohen Kapazität und einem hohen Leistungsvermögen bereitgestellt, indem ein wiederaufladbarer Batteriestapel gebildet wird, der eine Struktur aus einem abgeblätterten Material aufweist, die ein abgeblättertes Kathodenmaterial umfasst, das an einem Stressormaterial angebracht ist. Das abgeblätterte Kathodenmaterial kann ein einkristallines oder ein polykristallines Kathodenmaterial umfassen, das frei von polymeren Bindemitteln ist. Das Stressormaterial dient als ein Kathodenstromkollektor des wiederaufladbaren Batteriestapels.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf eine wiederaufladbare Batterie sowie auf ein Verfahren zur Bildung derselben. Spezieller bezieht sich die vorliegende Anmeldung auf Verfahren zur Bildung eines wiederaufladbaren Batteriestapels mit einer hohen Kapazität und einem hohen Leistungsvermögen, der eine Struktur aus einem abgeblätterten Material aufweist, die ein abgeblättertes Kathodenmaterial sowie ein Stressormaterial umfasst.
Bei einer wiederaufladbaren Batterie handelt es sich um einen Typ einer elektrischen Batterie, die geladen, in eine Last entladen und viele Male wiederaufgeladen werden kann, während eine nicht wiederaufladbare Batterie (oder eine sogenannte Primärbatterie) vollständig geladen geliefert wird und nach einer einmaligen Entladung entsorgt wird. Wiederaufladbare Batterien werden in vielen verschiedenen Formen und Abmessungen in einem Bereich von Knopfzellen bis zu Megawatt-Systemen hergestellt, die verbunden sind, um ein Netzwerk für eine elektrische Verteilung zu stabilisieren.
Wiederaufladbare Batterien sind zu Anfang kostenintensiver als Einwegbatterien, sie weisen jedoch viel geringere Gesamtbetriebskosten auf und haben viel geringere ökologische Auswirkungen, da wiederaufladbare Batterien viele Male kostengünstig wieder aufgeladen werden können, bevor sie ersetzt werden müssen. Einige Typen von wiederaufladbaren Batterien stehen mit den gleichen Abmessungen und Spannungen zur Verfügung wie Typen zum Wegwerfen und können austauschbar mit diesen verwendet werden. Ungeachtet der zahlreichen wiederaufladbaren Batterien, die vorhanden sind, besteht eine Notwendigkeit für eine Bereitstellung wiederaufladbarer Batterien, die eine hohe Kapazität (d.h. eine Kapazität von 50 mAh/gm oder eine höhere Kapazität) aufweisen und ein hohes Leistungsvermögen zeigen.
KURZDARSTELLUNG
Es werden Verfahren zur Bildung von wiederaufladbaren Batterien mit einer hohen Kapazität (d.h. mit einer Kapazität von 50 mAh/gm oder einer höheren Kapazität) und einem hohen Leistungsvermögen bereitgestellt, indem ein wiederaufladbarer Batteriestapel gebildet wird, der eine Struktur aus einem abgeblätterten Material aufweist, die ein abgeblättertes Kathodenmaterial umfasst, das an einem Stressormaterial angebracht ist. Das abgeblätterte Kathodenmaterial kann ein einkristallines oder ein polykristallines Kathodenmaterial umfassen. Das abgeblätterte Kathodenmaterial ist üblicherweise frei von irgendwelchen polymeren Bindemitteln. Das Stressormaterial dient als ein Kathodenstromkollektor des wiederaufladbaren Batteriestapels.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung wird ein Verfahren zur Bildung eines wiederaufladbaren Batteriestapels bereitgestellt, das ein Bereitstellen eines Substrats aus einem Kathodenmaterial umfasst. Als nächstes wird eine Stressorschicht auf einer physisch freiliegenden Oberfläche des Substrats aus einem Kathodenmaterial gebildet. Im Anschluss wird ein Abblätterungsprozess durchgeführt, um eine Schicht aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial von dem Substrat aus einem Kathodenmaterial zu entfernen. Die Schicht aus dem abgeblätterten Kathodenmaterial ist an der Stressorschicht angebracht. Weitere Komponenten eines wiederaufladbaren Batteriestapels, wie zum Beispiel ein Elektrolyt, eine Anode und ein Anodenstromkollektor können auf einer physisch freiliegenden Oberfläche der Schicht aus dem abgeblätterten Kathodenmaterial gebildet werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zur Bildung eines wiederaufladbaren Batteriestapels bereitgestellt, das ein Bereitstellen eines Substrats aus einem Kathodenmaterial umfasst. Als nächstes wird eine Mehrzahl von strukturierten Bereichen einer Abblätterbarrieren-Schicht auf einer physisch freiliegenden Oberfläche des Substrats aus einem Kathodenmaterial gebildet, wobei die strukturierten Bereiche der Abblätterbarrieren-Schicht jeweils durch einen Zwischenraum getrennt sind. Anschließend wird eine Stressorschicht auf physisch freiliegenden Oberflächen jedes strukturierten Bereichs der Abblätterbarrieren-Schicht und innerhalb jedes Zwischenraums gebildet. Als nächstes wird ein Abblätterungsprozess durchgeführt, um Bereiche der Schicht aus dem abgeblätterten Kathodenmaterial, die nicht durch die strukturierten Bereiche der Abblätterbarrieren-Schicht geschützt sind, von dem Substrat aus einem Kathodenmaterial zu entfernen, wobei die Bereiche der Schicht aus dem abgeblätterten Kathodenmaterial an der Stressorschicht angebracht sind und jeder Bereich der Schicht aus dem abgeblätterten Kathodenmaterial die Form des Zwischenraums aufweist.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zur Bildung eines wiederaufladbaren Batteriestapels bereitgestellt, das ein Bereitstellen eines Substrats aus einem Kathodenmaterial umfasst. Als nächstes wird eine Mehrzahl von strukturierten Bereichen einer Stressorschicht auf einer physisch freiliegenden Oberfläche des Substrats aus einem Kathodenmaterial gebildet, wobei die strukturierten Bereiche der Stressorschicht jeweils durch einen Zwischenraum getrennt sind. Anschließend wird ein Abblätterungsprozess durchgeführt, um Bereiche der Schicht aus dem abgeblätterten Kathodenmaterial von dem Substrat aus einem Kathodenmaterial zu entfernen, wobei jeder Bereich der Schicht aus dem abgeblätterten Kathodenmaterial an einem der Bereiche der Stressorschicht angebracht ist.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht einer exemplarischen Struktur eines Substrats aus einem Kathodenmaterial, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung eingesetzt werden kann.
2A ist eine Querschnittsansicht der exemplarischen Struktur von 1 nach der Bildung einer Stressorschicht auf einer physisch freiliegenden Oberfläche des Substrats aus einem Kathodenmaterial.
2B ist eine Querschnittsansicht der exemplarischen Struktur von 1 nach der Bildung eines Materialstapels von unten nach oben aus einer Schicht aus einem Korrosionsschutzmittel, einer Haftschicht, einer Stressorschicht sowie einem Handhabungssubstrat auf einer physisch freiliegenden Oberfläche des Substrats aus einem Kathodenmaterial.
3 ist eine Querschnittsansicht der exemplarischen Struktur von 2A nach der Durchführung eines Abblätterungsprozesses.
4A ist eine Querschnittsansicht eines wiederaufladbaren Batteriestapels, der eine Schicht aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial sowie eine Stressorschicht der in 3 gezeigten exemplarischen Struktur umfasst.
4B ist eine Querschnittsansicht eines weiteren wiederaufladbaren Batteriestapels, der eine Schicht aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial sowie eine Stressorschicht der in 3 gezeigten exemplarischen Struktur umfasst.
5 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren exemplarischen Struktur, die eine Mehrzahl von strukturierten Bereichen einer Abblätterbarrieren-Schicht aufweist, die sich auf einer physisch freiliegenden Oberfläche eines Substrats aus einem Kathodenmaterial befinden, und die bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung eingesetzt werden kann.
6 ist eine Querschnittsansicht der exemplarischen Struktur von 5 nach der Bildung einer Stressorschicht.
7 ist eine Querschnittsansicht der exemplarischen Struktur von 6 nach der Durchführung eines Abblätterungsprozesses.
8 ist eine Querschnittsansicht eines wiederaufladbaren Batteriestapels, der die Bereiche einer Schicht aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial sowie die Stressorschicht der in 7 gezeigten exemplarischen Struktur aufweist.
9 ist eine Querschnittsansicht noch einer weiteren exemplarischen Struktur, die eine Mehrzahl von strukturierten Bereichen einer Stressorschicht aufweist, die sich auf einer physisch freiliegenden Oberfläche eines Substrats aus einem Kathodenmaterial befinden, und die bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung eingesetzt werden kann.
10 ist eine Querschnittsansicht der exemplarischen Struktur von 9 nach der Bildung eines Handhabungssubstrats.
11 ist eine Querschnittsansicht der exemplarischen Struktur von 10 nach der Durchführung eines Abblätterungsprozesses.
12 ist eine Querschnittsansicht einer Mehrzahl von wiederaufladbaren Batteriestapeln, wobei jeder Stapel die Bereiche einer Schicht aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial sowie die strukturierten Bereiche einer Stressorschicht der in 11 gezeigten exemplarischen Struktur aufweist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden wird die vorliegende Anmeldung unter Bezugnahme auf die folgende Erörterung und die Zeichnungen detaillierter beschrieben, die der vorliegenden Anmeldung beigefügt sind. Es ist anzumerken, dass die Zeichnungen der vorliegenden Anmeldung lediglich zu illustrativen Zwecken bereitgestellt sind und die Zeichnungen als solche nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Es ist außerdem anzumerken, dass auf gleichartige und entsprechende Elemente mittels der gleichen Bezugszeichen Bezug genommen wird.
In der folgenden Beschreibung sind zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie beispielsweise spezielle Strukturen, Komponenten, Materialien, Abmessungen, Prozessschritte sowie Techniken, um ein Verständnis für die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung bereitzustellen. Für einen Fachmann ist jedoch ersichtlich, dass die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung ohne diese spezifischen Details realisiert werden können. In anderen Fällen wurden allgemein bekannte Strukturen oder Prozessschritte nicht im Detail beschrieben, um zu vermeiden, dass die vorliegende Anmeldung undurchsichtig wird.
Es versteht sich, dass, wenn auf ein Element, wie eine Schicht, ein Bereich oder ein Substrat, als „auf“ oder „über“ einem anderen Element liegend Bezug genommen wird, sich dieses direkt auf dem anderen Element befinden kann oder auch dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz dazu auf ein Element als „direkt auf“ oder „direkt über“ einem anderen Element liegend Bezug genommen wird, sind keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden. Es versteht sich außerdem, dass, wenn auf ein Element als „unterhalb“ eines anderen Elements oder „unter“ einem anderen Element liegend Bezug genommen wird, sich dieses direkt unterhalb des anderen Elements oder direkt unter dem anderen Element befinden kann oder dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz dazu auf ein Element als „direkt unterhalb“ eines anderen Elements oder „direkt unter“ einem anderen Element liegend Bezug genommen wird, sind keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden.
In herkömmlichen wiederaufladbaren Dünnschicht-Festkörperbatterien wird die Schicht aus einem Kathodenmaterial gebildet, indem ein Abscheidungsprozess verwendet wird, wie beispielsweise Sputtern oder Aufdampfung. Derartige Abscheidungsprozesse sind langsam, und die Dicke der abgeschiedenen Kathodenschicht ist üblicherweise auf weniger als 5 µm begrenzt. Bei derartigen Dicken erfordern herkömmliche wiederaufladbare Batterien üblicherweise eine Fläche von mehreren hundert Quadratzentimetern, um eine Kapazität von 50 mAh/gm oder eine höhere Kapazität zu erzielen. Darüber hinaus enthalten abgeschiedene Kathodenschichten des Stands der Technik üblicherweise ein Material aus einem polymeren Bindemittel, das eine Verschlechterung der Kapazität durch eine Änderung des Kathodenvolumens während der Verwendung verursachen kann. Des Weiteren werden lithiierte Partikel in der Kathodenschicht des Stands der Technik üblicherweise getempert, bevor sie auf einen Metall-Flächenkörper geklebt werden, um die Kristallinität der Kathodenschicht zu verbessern. Diese Probleme des Stands der Technik werden bei der vorliegenden Anmeldung vermieden/vermindert, indem der nachstehend hierin erwähnte Abblätterungsprozess verwendet wird. Der Abblätterungsprozess der vorliegenden Anmeldung stellt eine Schicht aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial bereit, die bereits getempert wurde, um eine Struktur zu erhalten, die den höchstmöglichen Lithium-Transport in der Schicht aus einem Kathodenmaterial ermöglicht, und deren Dicke durch eine Dicke der Stressorschicht und/oder die Eigenspannung der Stressorschicht gesteuert werden kann. Darüber hinaus stellt der Abblätterungsprozess eine Schicht aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial bereit, die im Vergleich zu einer abgeschiedenen Schicht aus einem Kathodenmaterial eine verbesserte Gleichmäßigkeit aufweist. Außerdem stellt der Abblätterungsprozess ein kosteneffektives Mittel bereit, um eine dicke Schicht aus einem Kathodenmaterial bereitzustellen, die wiederum die Kapazität einer wiederaufladbaren Batterie verbessern kann, welche dieselbe enthält.
Zunächst bezugnehmend auf 1 ist eine exemplarische Struktur eines Substrats 10 aus einem Kathodenmaterial dargestellt, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung eingesetzt werden kann. Wie gezeigt ist, weist das Substrat 10 aus einem Kathodenmaterial eine gleichmäßige Dicke über die gesamte Länge des Substrats 10 aus einem Kathodenmaterial auf. Darüber hinaus sind sowohl die oberste Oberfläche als auch die unterste Oberfläche des Substrats 10 aus einem Kathodenmaterial, das eingesetzt werden kann, über die gesamte Länge des Substrats 10 aus einem Kathodenmaterial hinweg planar. Mit anderen Begriffen erklärt, weist das Substrat 10 aus einem Kathodenmaterial, das bei der vorliegenden Anmeldung zu Anfang verwendet wird, nicht texturierte (d.h. planare oder ebene) Oberflächen auf. Der Begriff „nicht texturierte Oberfläche“ bezeichnet eine Oberfläche, die glatt ist und eine Oberflächenrauigkeit in der Größenordnung eines Mittelrauwerts von weniger als 100 nm aufweist, wie mittels Profilometrie gemessen.
Das Substrat 10 aus einem Kathodenmaterial, das eingesetzt werden kann, kann irgendein Kathodenmaterial einer wiederaufladbaren Batterie aufweisen, dessen Bruchzähigkeit geringer als jene des Stressormaterials ist, das nachfolgend zu beschreiben ist. Bei der Bruchzähigkeit handelt es sich um eine Eigenschaft, die das Vermögen eines einen Riss enthaltenden Materials beschreibt, einem Brechen zu widerstehen. Die Bruchzähigkeit ist mit K_Ic bezeichnet. Der Index Ic bezeichnet einen Riss des Modus I, der sich unter einer senkrechten Zugspannung senkrecht zu dem Riss öffnet, und c besagt, dass es sich um einen kritischen Wert handelt. Eine Bruchzähigkeit des Modus I ist üblicherweise der wichtigste Wert, da ein Bruch des Abblätterungs-Modus üblicherweise an einer Stelle in dem Substrat auftritt, an der eine Spannung des Modus II (ein Scheren) gleich Null ist, und eine Spannung des Modus III (Reißen) fehlt bei den Lastbedingungen im Allgemeinen. Die Bruchzähigkeit ist eine quantitative Weise, den Widerstand eines Materials gegenüber Sprödbrüchen auszudrücken, wenn ein Riss vorhanden ist.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung handelt es sich bei dem Kathodenmaterial, welches das Substrat 10 aus einem Kathodenmaterial bereitstellt, um ein lithiiertes Material, wie zum Beispiel ein Mischoxid auf der Basis von Lithium. Beispiele für Mischoxide auf der Basis von Lithium, die für das Substrat 10 aus einem Kathodenmaterial eingesetzt werden können, umfassen Lithiumcobaltoxid (LiCoO₂), Lithiumnickeloxid (LiNiO₂), Lithiummanganoxid (LiMn₂O₄), Lithiumcobaltmanganoxid (LiCoMnO₄), ein Lithiumnickelmangancobaltoxid (LiNi_xMn_yCo_zO₂), Lithiumvanadiumpentoxid (LiV₂O₅) oder Lithiumeisenphosphat (LiFePO₄), sind jedoch nicht auf diese beschränkt.
Bei einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Substrat 10 aus einem Kathodenmaterial um ein einkristallines Kathodenmaterial (d.h. ein Kathodenmaterial, in dem das Kristallgitter der gesamten Probe kontinuierlich und zu den Rändern der Probe hin ungebrochen ist, ohne Korngrenzen); einkristalline Kathodenmaterialien können einen schnellen Transport von Ionen (z.B. von Li-Ionen) und Elektronen innerhalb eines wiederaufladbaren Batteriestapels bereitstellen. Bei einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei dem Substrat 10 aus einem Kathodenmaterial um ein polykristallines Kathodenmaterial (d.h. um ein Kathodenmaterial, das aus vielen Kristalliten besteht, die eine variierende Abmessung und eine variierende Orientierung aufweisen). Das Substrat 10 aus einem Kathodenmaterial ist üblicherweise frei von jeglichem Material aus einem polymeren Bindemittel. Kathodenmaterialien, die frei von Materialien aus einem polymeren Bindemittel sind, stellen einen stabilen Betrieb ohne eine Verschlechterung der Kapazität durch eine Änderung des Kathodenvolumens bereit.
Das Substrat 10 aus einem Kathodenmaterial kann eine Dicke von mehr als 100 µm (Mikrometern) aufweisen. Es können auch andere Dicken für die Dicke des Substrats 10 aus einem Kathodenmaterial verwendet werden.
Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung kann zumindest die oberste Oberfläche des Substrats 10 aus einem Kathodenmaterial vor einer weiteren Bearbeitung gereinigt werden, um Oberflächenoxide und/oder andere Verunreinigungen von dieser zu entfernen. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung wird das Substrat 10 aus einem Kathodenmaterial gereinigt, indem ein Lösungsmittel angewendet wird, wie zum Beispiel Aceton und Isopropanol, das in der Lage ist, Verunreinigungen und/oder Oberflächenoxide von der obersten Oberfläche des Substrats 10 aus einem Kathodenmaterial zu entfernen.
Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung kann bewirkt werden, dass die oberste Oberfläche des Substrats 10 aus einem Kathodenmaterial durch eine Oxidentfernung vor der Verwendung hydrophob wird, indem die oberste Oberfläche des Substrats 10 aus einem Kathodenmaterial in Fluorwasserstoffsäure eingetaucht wird. Eine hydrophobe Oberfläche oder eine Oberfläche, die nicht aus einem Oxid besteht, stellt eine verbesserte Haftung zwischen der gereinigten Oberfläche und bestimmten Stressormaterialien bereit, die aufzubringen sind.
Nunmehr bezugnehmend auf 2A ist die exemplarische Struktur von 1 nach der Bildung einer Stressorschicht 12 auf einer physisch freiliegenden Oberfläche des Substrats 10 aus einem Kathodenmaterial dargestellt. Die Stressorschicht 12 folgt der Kontur des Substrats 10 aus einem Kathodenmaterial, und somit weist die Stressorschicht 12 eine planare oberste Oberfläche und eine planare unterste Oberfläche auf.
Die Stressorschicht 12, die bei der vorliegenden Anmeldung eingesetzt werden kann, weist irgendein kathodenseitiges Elektrodenmaterial auf, das sich bei einer Abblätterungstemperatur unter Zugspannung auf dem Substrat 10 aus einem Kathodenmaterial befindet. Als solche kann auf die Stressorschicht 12 hierin auch als eine spannungsinduzierende Schicht Bezug genommen werden; nach einem Abblättern dient die Stressorschicht 12, die an einem abgeblätterten Bereich des Substrats aus einem Kathodenmaterial angebracht ist, als ein Kathodenstromkollektor (d.h. als eine kathodenseitige Elektrode) eines wiederaufladbaren Batteriestapels. Gemäß der vorliegenden Anmeldung weist die Stressorschicht 12 eine kritische Dicke und einen Spannungswert auf, die verursachen, dass ein Bruch des Abblätterungs-Modus innerhalb des Substrats 10 aus einem Kathodenmaterial auftritt. Mit „Bruch des Abblätterungs-Modus“ ist gemeint, dass sich ein Riss innerhalb des Substrats 10 aus einem Kathodenmaterial bildet und die Kombination von Lastkräften einen Risspfad in einer Tiefe unterhalb der Grenzfläche zwischen Stressor und Substrat aufrechterhält. Mit einer kritischen Bedingung ist gemeint, dass für eine vorgegebene Kombination eines Stressormaterials und eines Basissubstratmaterials ein Dickenwert und ein Stressorwert für die Stressorschicht gewählt werden, die einen Bruch des Abblätterungs-Modus möglich machen (dass diese einen K_I-Wert erzeugen können, der größer als der K_IC-Wert des Substrats ist).
Die Dicke der Stressorschicht 12 wird so gewählt, dass die gewünschte Tiefe eines Bruchs innerhalb des Substrats 10 aus einem Kathodenmaterial bereitgestellt wird. Wenn die Stressorschicht 12 zum Beispiel so gewählt wird, dass sie aus Nickel (Ni) besteht, tritt ein Bruch dann in einer Tiefe unterhalb der Stressorschicht 12 auf, die ungefähr gleich dem 2-bis 3-fachen der Dicke des Ni ist. Der Spannungswert für die Stressorschicht 12 wird dann so gewählt, dass er der kritischen Bedingung für einen Bruch des Abblätterungs-Modus genügt. Dies kann abgeschätzt werden, indem die empirische Gleichung invertiert wird, die durch t* = [(2,5 × 10⁶)(K_IC ^3/2)]/σ² gegeben ist, wobei t* die kritische Dicke der Stressorschicht (in Mikrometern) ist, K_IC die Bruchzähigkeit (in Einheiten von MPa·m^1/2) des Substrats 10 aus einem Kathodenmaterial ist und σ der Spannungswert der Stressorschicht (in MPa oder Megapascal) ist. Der vorstehende Ausdruck ist eine Orientierung, in der Praxis kann ein Abblättern bei Spannungs- oder Dickenwerten auftreten, die bis zu 20 % geringer als jene sind, die durch den vorstehenden Ausdruck vorhergesagt werden.
Illustrative Beispiele für Materialien einer Kathodenelektrode, die sich unter Zugspannung befinden, wenn sie auf dem Substrat 10 aus einem Kathodenmaterial angebracht werden, und die somit als die Stressorschicht 12 verwendet werden können, umfassen Titan (Ti), Platin (Pt), Nickel (Ni), Aluminium (AI) oder Titannitrid (TiN), sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Bei einem Beispiel weist die Stressorschicht 12 einen Stapel von unten nach oben aus Titan (Ti), Platin (Pt) und Titan (Ti) auf. Bei einer Ausführungsform besteht die Stressorschicht 12 aus Ni.
Bei einer Ausführungsform kann die Stressorschicht 12, die bei der vorliegenden Offenbarung eingesetzt wird, bei einer ersten Temperatur gebildet werden, bei der es sich um Raumtemperatur (15 °C bis 40 °C) handelt. Die Stressorschicht 12 kann unter Verwendung eines Abscheidungsprozesses gebildet werden, der dem Fachmann allgemein bekannt ist und zum Beispiel einen physikalischen Gasphasenabscheidungsprozess (z.B. Sputtern oder Aufdampfung) oder einen elektrochemischen Abscheidungsprozess (z.B. Elektroplattieren oder stromloses Plattieren) umfasst.
Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung weist die Stressorschicht 12 eine Dicke von 2 µm bis 300 µm auf. Bei der vorliegenden Anmeldung können auch andere Dicken für die Stressorschicht 12 eingesetzt werden, die unterhalb und/oder oberhalb des vorstehend erwähnten Dickenbereichs liegen.
Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung (bei dieser Ausführungsform nicht gezeigt) kann eine Haftschicht direkt auf dem Substrat 10 aus einem Kathodenmaterial gebildet werden, bevor die Stressorschicht 12 gebildet wird. Die Haftschicht wird bei Ausführungsformen eingesetzt, bei denen die Stressorschicht, die im Anschluss zu bilden ist, eine schlechte Haftung an dem Kathodenmaterial aufweist, welches das Substrat 10 aus einem Kathodenmaterial bereitstellt. Bei einigen Ausführungsformen (bei dieser Ausführungsform nicht gezeigt) kann eine Schicht aus einem Korrosionsschutzmittel direkt auf dem Substrat aus einem Kathodenmaterial (texturiert oder nicht texturiert) gebildet werden, bevor die Stressorschicht 12 gebildet wird. Bei noch einer weiteren Ausführungsform (bei dieser Ausführungsform nicht gezeigt, jedoch in 2B gezeigt) wird ein Materialstapel von unten nach oben aus einer Schicht aus einem Korrosionsschutzmittel und einer Haftschicht direkt auf dem Substrat 10 aus einem Kathodenmaterial gebildet, bevor die Stressorschicht 12 gebildet wird.
Jede von der Haftschicht und der Schicht aus einem Korrosionsschutzmittel folgt der Kontur des darunterliegenden Kathodenmaterials. Zum Beispiel weisen sowohl die Haftschicht als auch die Schicht aus einem Korrosionsschutzmittel planare Oberflächen auf.
Die Haftschicht, die bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung eingesetzt werden kann, weist irgendein beliebiges Haftmaterial aus einem Metall auf, wie beispielsweise Titan (Ti), Tantal (Ta), Titannitrid (TiN), Tantalnitrid (TaN) oder irgendeine Kombination derselben, ist jedoch nicht auf diese beschränkt. Die Haftschicht kann eine einzelne Schicht umfassen, oder sie kann eine Mehrschichtstruktur aufweisen, die zumindest zwei Schichten aus unterschiedlichen Haftmaterialien aus Metall umfasst.
Die Haftschicht, die bei der vorliegenden Anmeldung eingesetzt werden kann, kann bei Raumtemperatur (15 °C bis 40 °C, d.h. 288 K bis 313 K) oder einer höheren Temperatur gebildet werden. Bei einer Ausführungsform kann die Haftschicht bei einer Temperatur gebildet werden, die zwischen 20 °C (293 K) und 180 °C (353 K) liegt. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Haftschicht bei einer Temperatur gebildet werden, die zwischen 20 °C (293 K) und 60 °C (333 K) liegt. Die Haftschicht, die optional eingesetzt werden kann, kann gebildet werden, indem eine Abscheidungstechnik verwendet wird, wie zum Beispiel Sputtern oder Plattieren. Wenn eine Sputter-Abscheidung eingesetzt wird, kann der Sputter-Abscheidungsprozess des Weiteren vor der Abscheidung einen in-situ Sputter-Reinigungsprozess enthalten.
Wenn sie eingesetzt wird, weist die Haftschicht üblicherweise eine Dicke von 5 nm bis 200 nm auf, wobei eine Dicke von 100 nm bis 150 nm üblicher ist. Bei der vorliegenden Anmeldung können auch andere Dicken für die Haftschicht eingesetzt werden, die unterhalb und/oder oberhalb der vorstehend erwähnten Dickenbereiche liegen.
Die Schicht aus einem Korrosionsschutzmittel weist irgendein Metall oder irgendeine Metalllegierung auf, das oder die bei dem Potential des Kathodenstromkollektors (d.h. der Stressorschicht) elektrochemisch stabil ist. Wenn als Material für den Kathodenstromkollektor (d.h. für den Stressor) zum Beispiel Ni eingesetzt wird, kann die Schicht aus einem Korrosionsschutzmittel aus Aluminium (AI) bestehen. Die Schicht aus einem Korrosionsschutzmittel kann eine einzelne Schicht umfassen, oder sie kann eine Mehrschichtstruktur aufweisen, die zumindest zwei Schichten aus Materialien eines Korrosionsschutzmittels umfasst.
Die Schicht aus einem Korrosionsschutzmittel kann eine Dicke von 2 nm bis 400 nm aufweisen, wenngleich auch andere Dicken eingesetzt werden können, die kleiner oder größer als der vorstehend erwähnte Dickenbereich sind. Die Schicht aus einem Korrosionsschutzmittel kann mittels eines Abscheidungsprozesses gebildet werden, der zum Beispiel chemische Gasphasenabscheidung (CVD), plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD), atomare Schichtabscheidung (ALD) oder physikalische Gasphasenabscheidungs(PVD)-Techniken umfasst, die Aufdampfung und/oder Sputtern umfassen können. Die Schicht aus einem Korrosionsschutzmittel kann innerhalb von Temperaturbereichen gebildet werden, die vorstehend für die Haftschicht erwähnt wurden.
Gemäß der vorliegenden Anmeldung wird (werden) die Haftschicht und/oder die Schicht aus einem Korrosionsschutzmittel bei einer Temperatur gebildet, die nicht bewirkt, dass ein spontanes Abblättern innerhalb des Substrats aus einem Kathodenmaterial (texturiert oder nicht texturiert) auftritt. Mit „spontan“ ist gemeint, dass die Entfernung einer dünnen Materialschicht von einem Substrat ohne die Notwendigkeit erfolgt, irgendein manuelles Mittel einzusetzen, um die Bildung und die Ausbreitung eines Risses für ein Wegbrechen der dünnen Materialschicht von dem Basissubstrat zu initiieren. Mit „manuell“ ist gemeint, dass die Bildung und die Ausbreitung eines Risses für ein Wegbrechen der dünnen Materialschicht von dem Substrat explizit sind.
Bei einigen Ausführungsformen (bei dieser Ausführungsform nicht gezeigt, jedoch in 2B gezeigt) kann vor einem Abblättern ein Handhabungssubstrat an einer physisch freiliegenden Oberfläche der Stressorschicht 12 angebracht werden. Das Handhabungssubstrat kann irgendein flexibles Material enthalten, das einen minimalen Krümmungsradius aufweist, der üblicherweise kleiner als 30 cm ist. Illustrative Beispiele für flexible Materialien, die für das Handhabungssubstrat eingesetzt werden können, umfassen ein polymeres Band, eine Metallfolie oder eine Polyimid-Folie. Das Handhabungssubstrat kann dazu verwendet werden, eine bessere Bruchsteuerung und eine größere Einsatzflexibilität bei der Handhabung des abgeblätterten Bereichs des Substrats aus einem Kathodenmaterial bereitzustellen. Darüber hinaus kann das Handhabungssubstrat dazu verwendet werden, die Rissausbreitung während des Abblätterns zu leiten. Das Handhabungssubstrat wird üblicherweise, jedoch nicht zwangsläufig, bei einer ersten Temperatur gebildet, bei der es sich um Raumtemperatur handelt (15 °C bis 40 °C).
Das Handhabungssubstrat weist üblicherweise eine Dicke von 1 um bis zu einigen mm auf, wobei eine Dicke von 70 µm bis 120 µm üblicher ist. Bei der vorliegenden Offenbarung können auch andere Dicken für das Handhabungssubstrat eingesetzt werden, die unterhalb und/oder oberhalb der vorstehend erwähnten Dickenbereiche liegen. Bei einigen Ausführungsformen kann das Handhabungssubstrat so eingesetzt werden, dass es unter Verwendung eines Haftmaterials an der physisch freiliegenden Oberfläche der Stressorschicht angebracht wird.
Nunmehr bezugnehmend auf 2B ist die exemplarische Struktur von 1 nach der Bildung eines Materialstapels von unten nach oben aus einer Schicht 14 aus einem Korrosionsschutzmittel, einer Haftschicht 16, einer Stressorschicht 12 und einem Handhabungssubstrat 18 auf einer physisch freiliegenden Oberfläche des Substrats 10 aus einem Kathodenmaterial dargestellt. Jede oder jedes von der Schicht 14 aus einem Korrosionsschutzmittel, der Haftschicht 16, der Stressorschicht 12 und dem Handhabungssubstrat 18 wurde vorstehend definiert.
Nunmehr bezugnehmend auf 3 ist die exemplarische Struktur von 2A nach der Durchführung eines spontanen Abblätterungsprozesses (im Folgenden einfach „Abblättern“) dargestellt. Wenngleich das Abblättern in Bezug auf die in 2A gezeigte exemplarische Struktur gezeigt ist, kann das Abblättern auch in Bezug auf die in 2B gezeigte exemplarische Struktur oder irgendeine andere Struktur durchgeführt werden, die zumindest das Substrat 10 aus einem Kathodenmaterial und die Stressorschicht 12 aufweist. Beim Abblättern handelt es sich um einen gesteuerten und skalierbaren Prozess zur Entfernung einer Oberflächenschicht, bei dem eine dünne Schicht aus einem Material von einem Basissubstrat entfernt wird, ohne einen Ätzprozess oder mechanische Mittel zu verwenden. Mit „dünn“ ist gemeint, dass die entfernte Schichtdicke üblicherweise geringer als 200 µm ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die Schicht aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial der vorliegenden Anmeldung eine Dicke aufweisen, die größer als 5 um und geringer als 50 µm ist. Bei anderen Ausführungsformen kann die Schicht aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial der vorliegenden Anmeldung eine Dicke aufweisen, die größer als 5 um und geringer als 100 µm ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die Schicht aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial eine Dicke von weniger als 5 µm aufweisen. Bei einigen Anwendungen wird ein Batteriestapel bereitgestellt, der eine hohe Kapazität aufweist; dies wird insbesondere dann beobachtet, wenn die Schicht 10L aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial eine Dicke von mehr als 5 µm aufweist, und bevorzugt von mehr als 10 µm. Mit einer „hohen Kapazität“ ist eine Kapazität von 50 mAh/gm oder eine höhere Kapazität gemeint. Bei einigen Ausführungsformen kann das Abblättern durch Wegziehen des Handhabungssubstrats 18 von der Struktur, die das Substrat 10 aus einem Kathodenmaterial und die Stressorschicht 12 aufweist, oder Ablösen des Handhabungssubstrats 18 von dieser unterstützt werden.
Bei der vorliegenden Anmeldung wird durch den Abblätterungsprozess ein Bereich des Kathodenmaterials von dem Substrat 10 aus einem Kathodenmaterial entfernt. Auf den entfernten Bereich des Kathodenmaterials, der weiterhin an der Stressorschicht 12 angebracht ist, wird hierin als eine Schicht 10L aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial Bezug genommen. Auf den restlichen Bereich des Substrats 10 aus einem Kathodenmaterial, der nicht mehr an der Stressorschicht angebracht ist, wird hierin als ein Substratbereich 10P aus einem Kathodenmaterial Bezug genommen. Der Substratbereich 10P aus einem Kathodenmaterial kann bei weiteren Anwendungen wiederverwendet werden. Auf die Schicht 10L aus dem abgeblätterten Kathodenmaterial und die angebrachte Stressorschicht 12 (und optional die Haftschicht und/oder die optionale Schicht aus einem Korrosionsschutzmittel) kann hierin als eine abgeblätterte Struktur aus Materialschichten Bezug genommen werden.
Ein Abblättern kann bei Raumtemperatur oder bei einer Temperatur initiiert werden, die niedriger als Raumtemperatur ist. Bei einer Ausführungsform wird das Abblättern bei Raumtemperatur (d.h. 20 °C bis 40 °C) durchgeführt. Bei einer weiteren Ausführungsform wird das Abblättern bei einer Temperatur durchgeführt, die niedriger als 20 °C ist. Bei einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Abblättern bei einer Temperatur von 77 K oder einer niedrigeren Temperatur. Bei noch einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Abblättern bei einer Temperatur, die niedriger als 206 K ist. Und bei noch einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Abblättern bei einer Temperatur von 175K bis 130 K. Wenn eine Temperatur verwendet wird, die niedriger als Raumtemperatur ist, kann der Abblätterungsprozess bei einer niedrigeren Temperatur als Raumtemperatur erzielt werden, indem die Struktur unter Verwendung irgendwelcher Kühlmittel bis auf unter Raumtemperatur abgekühlt wird. Ein Abkühlen kann zum Beispiel erzielt werden, indem die Struktur in einem Bad mit flüssigem Stickstoff, einem Bad mit flüssigem Helium, einem Eisbad, einem Trockeneisbad, einem Bad mit einem superkritischen Fluid oder in irgendeiner kryogenen flüssigen oder gasförmigen Umgebung angeordnet wird.
Wenn ein Abblättern bei einer Temperatur durchgeführt wird, die niedriger als Raumtemperatur ist, wird die abgeblätterte Struktur auf Raumtemperatur zurückgebracht, indem ermöglicht wird, dass die abgeblätterte Struktur langsam bis auf Raumtemperatur erwärmt wird, indem ein Stehen derselben bei Raumtemperatur ermöglicht wird. Alternativ kann die abgeblätterte Struktur unter Verwendung irgendwelcher Heizmittel bis auf Raumtemperatur erwärmt werden. Nach dem Abblättern kann das Handhabungssubstrat von der abgeblätterten Struktur aus Materialschichten entfernt werden. Das Handhabungssubstrat 18 kann unter Verwendung herkömmlicher Techniken, die dem Fachmann allgemein bekannt sind, von der abgeblätterten Struktur aus Materialschichten entfernt werden. Zum Beispiel kann eine UV- oder eine Wärmebehandlung verwendet werden, um das Handhabungssubstrat zu entfernen.
Nunmehr bezugnehmend auf die 4A und 4B sind verschiedene wiederaufladbare Batteriestapel gezeigt, welche die in 3 gezeigte Struktur aus abgeblättertem Material (10L/12) aufweisen. Insbesondere weist der in 4A gezeigte wiederaufladbare Batteriestapel auf: eine Stressorschicht 12 als den Kathodenstromkollektor (d.h. die kathodenseitige Elektrode), eine Schicht 10L aus dem abgeblätterten Kathodenmaterial, einen ersten Bereich 20A aus einem Elektrolyten, einen Separator 22, einen zweiten Bereich 20B aus einem Elektrolyten, eine Anode 24 sowie einen Anodenstromkollektor 26 (d.h. eine anodenseitige Elektrode). Der in 4B gezeigte wiederaufladbare Batteriestapel ist dem in 4A gezeigten ähnlich, mit der Ausnahme, dass ein einzelner Bereich 20 aus einem Elektrolyten vorliegt; bei der in 4B gezeigten wiederaufladbaren Batterie wird kein Separator verwendet.
Bei der Bereitstellung der in den 4A und 4B gezeigten wiederaufladbaren Batteriestapel wird die in 3 gezeigte Struktur aus abgeblättertem Material (10L/12) umgedreht, so dass sich die Stressorschicht 12 unterhalb der Schicht 10L aus dem abgeblätterten Kathodenmaterial befindet, und anschließend werden die anderen Komponenten des wiederaufladbaren Batteriestapels oberhalb der Schicht 10L aus dem abgeblätterten Kathodenmaterial übereinander gebildet.
Der Elektrolyt, der bei der vorliegenden Anmeldung verwendet werden kann, kann irgendeinen herkömmlichen Elektrolyten umfassen, der in einer wiederaufladbaren Batterie eingesetzt werden kann. Bei dem Elektrolyten kann es sich um einen flüssigen Elektrolyten, einen Festkörper-Elektrolyten oder einen Elektrolyten vom Gel-Typ handeln. Bei einigen Ausführungsformen kann es sich bei dem Festkörper-Elektrolyten um ein Material auf der Basis eines Polymers oder ein anorganisches Material handeln. Bei weiteren Ausführungsformen handelt es sich bei dem Elektrolyten um einen Festkörper-Elektrolyten, der ein Material enthält, das die Leitung von Lithium-Ionen ermöglicht. Derartige Materialien können elektrisch isolierend sein oder können eine ionische Leitung aufweisen. Beispiele für Materialien, die als der Festkörper-Elektrolyt eingesetzt werden können, umfassen Lithiumphosphoroxynitrid (LiPON) oder Lithiumphosphosilicatoxynitrid (LiSiPON), sind jedoch nicht auf diese beschränkt.
Bei Ausführungsformen, in denen eine Schicht aus einem Festkörper-Elektrolyten eingesetzt wird, kann der Festkörper-Elektrolyt gebildet werden, indem ein Abscheidungsprozess verwendet wird, wie beispielsweise Sputtern, eine Abscheidung aus einer Lösung oder Plattieren. Bei einer Ausführungsform wird der Festkörper-Elektrolyt durch Sputtern gebildet, wobei irgendein herkömmliches Vorprodukt-Quellenmaterial verwendet wird. Sputtern kann in Gegenwart von zumindest einer Stickstoff enthaltenden Umgebung gebildet werden. Beispiele für Stickstoff enthaltende Umgebungen, die eingesetzt werden können, umfassen N₂, NH₃, NH₄, NO oder NH_x, wobei x zwischen 0 und 1 liegt, sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Es können auch Gemische aus den vorstehend erwähnten Stickstoff enthaltenden Umgebungen eingesetzt werden. Bei einigen Ausführungsformen wird die Stickstoff enthaltende Umgebung unvermischt verwendet, d.h. wird nicht verdünnt verwendet. Bei weiteren Ausführungsformen kann die Stickstoff enthaltende Umgebung mit einem inerten Gas verdünnt werden, wie zum Beispiel mit Helium (He), Neon (Ne), Argon (Ar) und Gemischen derselben. Der Gehalt an Stickstoff (N₂) in der Stickstoff enthaltenden Umgebung, die eingesetzt wird, beträgt üblicherweise von 10 % bis 100 %, wobei ein Stickstoffgehalt in der Umgebung von 50 % bis 100 % üblicher ist.
Der Separator 22, der in Fällen verwendet wird, in denen ein flüssiger Elektrolyt eingesetzt wird, kann eines oder einen oder mehrere von einem flexiblen porösen Material, einem Gel oder einem Flächenkörper aufweisen, der aus Zellulose, Zellophan, Polyvinylacetat (PVA), PVA/Zellulose-Mischungen, Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder einem Gemisch aus PE und PP besteht. Der Separator 22 kann auch aus anorganischen isolierenden Nanopartikeln/Mikropartikeln bestehen.
Die Anode 24 kann irgendein herkömmliches Anodenmaterial aufweisen, das in einer wiederaufladbaren Batterie zu finden ist. Bei einigen Ausführungsformen besteht die Anode 24 aus einem Lithium-Metall, einer Legierung auf der Basis von Lithium, wie zum Beispiel Li_xSi, oder einem Mischoxid auf der Basis von Lithium, wie zum Beispiel Lithiumtitanoxid (Li₂TiO₃). Die Anode 24 kann auch aus Si, Graphit oder amorphem Kohlenstoff bestehen.
Bei einigen Ausführungsformen wird die Anode 24 vor der Durchführung eines Lade-/Wiederauflade-Prozesses gebildet. Bei einer derartigen Ausführungsform kann die Anode 24 gebildet werden, indem ein Abscheidungsprozess verwendet wird, wie zum Beispiel chemische Gasphasenabscheidung (CVD), plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD), Aufdampfung, Sputtern oder Plattieren. Bei einigen Ausführungsformen handelt es sich bei der Anode 24 um einen Lithium-Akkumulationsbereich, der sich während eines Lade-/Wiederauflade-Prozesses bildet. Die Anode 24 kann eine Dicke zwischen 20 nm und 200 µm aufweisen.
Der Anodenstromkollektor 26 (d.h. die anodenseitige Elektrode) kann irgendein metallisches Elektrodenmaterial aufweisen, wie zum Beispiel Titan (Ti), Platin (Pt), Nickel (Ni), Kupfer (Cu) oder Titannitrid (TiN). Bei einem Beispiel weist der Anodenstromkollektor 26 einen Stapel von unten nach oben aus Nickel (Ni) und Kupfer (Cu) auf. Bei einer Ausführungsform kann das metallische Elektrodenmaterial, das den Anodenstromkollektor 26 bereitstellt, das gleiche wie das metallische Elektrodenmaterial sein, das den Kathodenstromkollektor (d.h. die Stressorschicht 12) bereitstellt. Bei einer weiteren Ausführungsform kann sich das metallische Elektrodenmaterial, das den Anodenstromkollektor 26 bereitstellt, von dem metallischen Elektrodenmaterial unterscheiden, das den Kathodenstromkollektor bereitstellt. Der Anodenstromkollektor 26 kann gebildet werden, indem ein Abscheidungsprozess verwendet wird, wie zum Beispiel chemische Gasphasenabscheidung, Sputtern oder Plattieren. Der Anodenstromkollektor 26 kann eine Dicke von 100 nm bis 200 µm aufweisen.
Nunmehr bezugnehmend auf 5 ist eine weitere exemplarische Struktur dargestellt, die eine Mehrzahl von strukturierten Bereichen 30 einer Abblätterbarrieren-Schicht aufweist, die sich auf einer physisch freiliegenden Oberfläche eines Substrats 10 aus einem Kathodenmaterial befinden, und die bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung eingesetzt werden kann. Wie gezeigt ist, ist jeder strukturierte Bereich 30 der Abblätterbarrieren-Schicht durch einen Zwischenraum G von anderen strukturierten Bereichen 30 der Abblätterbarrieren-Schicht beabstandet. Die strukturierten Bereiche 30 der Abblätterbarrieren-Schicht verhindern ein Abblättern in den Bereichen des Substrats 10 aus einem Kathodenmaterial, die sich direkt unterhalb des strukturierten Bereichs 30 der Abblätterbarrieren-Schicht befinden. Ein Abblättern erfolgt in Bereichen in dem Substrat 10 aus einem Kathodenmaterial, die frei von dem strukturierten Bereich 30 der Abblätterbarrieren-Schicht sind (d.h., ein Abblättern erfolgt unterhalb jedes Zwischenraums G).
Jeder strukturierte Bereich 30 der Abblätterbarrieren-Schicht weist ein AbblätterbarrierenMaterial auf, wie zum Beispiel ein dielektrisches Material oder ein polymeres Material. Bei einer Ausführungsform weist jeder strukturierte Bereich 30 der Abblätterbarrieren-Schicht Siliciumdioxid oder Siliciumnitrid auf. Die strukturierten Bereiche 30 der Abblätterbarrieren-Schicht werden gebildet, indem zunächst eine Abblätterbarrierenmaterial-Schicht abgeschieden wird und danach die Abblätterbarrierenmaterial-Schicht strukturiert wird. Das Strukturieren kann mittels eines Lithographie- und eines Ätzprozesses durchgeführt werden. Die Abblätterbarrierenmaterial-Schicht kann eine Dicke von 100 nm bis 500 µm aufweisen.
Nunmehr bezugnehmend auf 6 ist die exemplarische Struktur von 5 nach der Bildung einer Stressorschicht 12 dargestellt. Die Stressorschicht 12 dieser Ausführungsform ist die gleiche wie die Stressorschicht 12, die in der vorherigen Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung definiert ist. Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung wird die Stressorschicht 12 auf physisch freiliegenden Oberflächen von Seitenwänden und einer obersten Oberfläche jedes strukturierten Bereichs 30 der Abblätterbarrieren-Schicht gebildet. Bereiche der Stressorschicht 12 werden jeweils in die Zwischenräume zwischen den strukturierten Bereichen 30 der Abblätterbarrieren-Schicht eingebracht, wie in 6 gezeigt, und können sich in direktem Kontakt mit einem physisch freiliegenden Bereich des Substrats 12 aus einem Kathodenmaterial befinden, der nicht durch einen strukturierten Bereich 30 der Abblätterbarrieren-Schicht geschützt ist. Bei einigen Ausführungsformen kann auf der in 5 gezeigten exemplarischen Struktur ein Materialstapel von unten nach oben aus einer Schicht aus einem Korrosionsschutzmittel, einer Haftschicht, einer Stressorschicht und einem Handhabungssubstrat gebildet werden. Jede oder jedes von der Schicht aus einem Korrosionsschutzmittel, der Haftschicht, der Stressorschicht und dem Handhabungssubstrat wurde vorstehend definiert.
Nunmehr bezugnehmend auf 7 ist die exemplarische Struktur von 6 nach der Durchführung eines spontanen Abblätterungsprozesses dargestellt. Das Abblättern wird durchgeführt, wie vorstehend bei der vorherigen Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung definiert (siehe zum Beispiel 3). Bei dieser Ausführungsform weist die Struktur aus abgeblättertem Material eine Mehrzahl von Bereichen 10X einer Schicht aus einem Kathodenmaterial auf, die voneinander beabstandet sind. Die Abmessung und die Form von jedem der Bereiche 10X der Schicht aus einem Kathodenmaterial sind durch die Abmessung und die Form des Zwischenraums bestimmt, der sich jeweils zwischen den strukturierten Bereichen 30 der Abblätterbarrieren-Schicht befindet.
In Fällen, in denen ein Handhabungssubstrat vorhanden ist, kann das Handhabungssubstrat nach dem Abblättern unter Verwendung der vorstehend erwähnten Techniken von der Struktur aus abgeblättertem Material entfernt werden.
Nunmehr bezugnehmend auf 8 ist eine Struktur dargestellt, die einen wiederaufladbaren Batteriestapel enthält, der die Bereiche 10X der Schicht aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial sowie die Stressorschicht 12 der in 7 gezeigten exemplarischen Struktur aufweist. Bei dieser Ausführungsform weist die Stressorschicht 12 (die als der Kathodenstromkollektor dient) fingerartige Bereiche auf, die sich jeweils zwischen den strukturierten Bereichen 30 der Abblätterbarrieren-Schicht erstrecken. Darüber hinaus weist der wiederaufladbare Batteriestapel von 8 des Weiteren einen Bereich 20 aus einem Elektrolyten auf, der so vorliegt, dass er jeden Bereich 10X der Schicht aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial umgibt und sich über diesem befindet; bei einigen Ausführungsformen kann ein Separator innerhalb des Bereichs 20 enthalten sein, eine Anode 24 befindet sich auf dem Elektrolyten, und ein Anodenstromkollektor 26 befindet sich auf der Anode 24. Jeder oder jede von dem Elektrolyten, dem Separator, der Anode und dem Anodenstromkollektor dieser Ausführungsform ist der oder die gleiche, wie vorstehend bei der vorherigen Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung beschrieben.
Bei der Bereitstellung der in 8 gezeigten wiederaufladbaren Batteriestapel wird die in 7 gezeigte Struktur aus abgeblättertem Material (10X, 12, 30) umgedreht, so dass sich die Stressorschicht 12 unterhalb der Bereiche 10X der Schicht aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial befindet, und dann werden die anderen Komponenten des wiederaufladbaren Batteriestapels übereinander gebildet.
Bei einigen Ausführungsformen kann die in 8 gezeigte Struktur einem Vereinzelungsprozess unterzogen werden, wie zum Beispiel einer Chip-Vereinzelung, um mehrere wiederaufladbare Batteriestapel mit einer Abmessung im Mikrometerbereich bereitzustellen, wie zum Beispiel in 12 gezeigt. Mit einer „Abmessung im Mikrometerbereich“ ist ein Batteriestapel mit einer lateralen Abmessung von weniger als 1 mm gemeint.
Nunmehr bezugnehmend auf 9 ist noch eine weitere exemplarische Struktur dargestellt, die eine Mehrzahl von strukturierten Bereichen 12P einer Stressorschicht aufweist, die sich auf einer physisch freiliegenden Oberfläche eines Substrats 10 aus einem Kathodenmaterial befinden, und die bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung eingesetzt werden kann. Wie gezeigt ist, sind die strukturierten Bereiche 12P der Stressorschicht jeweils durch einen Zwischenraum getrennt. Die strukturierten Bereiche 12P der Stressorschicht können jeweils bereitgestellt werden, indem zunächst die in 2A gezeigte Struktur bereitgestellt wird und eine derartige Struktur danach einem Strukturierungsprozess unterzogen wird, wie zum Beispiel einem Lithographie- und einem Ätzprozess. Bei einigen Ausführungsformen wird zunächst ein Materialstapel aus einer Schicht aus einem Korrosionsschutzmittel, einer Haftschicht und einer Stressorschicht gebildet, wie in 2B gezeigt, und im Anschluss wird ein derartiger Materialstapel mittels eines Lithographie- und eines Ätzprozesses strukturiert, um strukturierte Materialstapel bereitzustellen, die einen Bereich 12P der Stressorschicht enthalten. Bei dieser Ausführungsform bestimmen die Abmessung und die Form jedes Bereichs 12P der Stressorschicht die Abmessung und die Form der Bereiche der Schicht aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial, die über einen Abblätterungsvorgang zu entfernen sind.
Nunmehr bezugnehmend auf 10 ist die exemplarische Struktur von 9 nach der Bildung eines Handhabungssubstrats 18 dargestellt. Das Handhabungssubstrat 18 weist eines der Materialien auf, die zuvor bei der vorliegenden Anmeldung erwähnt wurden. Wie gezeigt ist, befinden sich Bereiche der untersten Oberfläche des Handhabungssubstrats 18 in direktem Kontakt mit einer obersten Oberfläche jedes Bereichs 12P der Stressorschicht; die restlichen Bereiche des Handhabungssubstrats 18 werden schwebend über den Bereichen 12P der Stressorschicht gehalten.
Nunmehr bezugnehmend auf 11 ist die exemplarische Struktur von 10 nach der Durchführung eines spontanen Abblätterungsprozesses dargestellt. Bei dem Abblätterungsprozess handelt es sich um einen Prozess, wie vorstehend definiert. Bei dieser Ausführungsform weist jeder Bereich 10X aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial Seitenwandoberflächen auf, die zu Seitenwandoberflächen von einem der Bereiche 12P der Stressorschicht vertikal ausgerichtet sind.
Nunmehr bezugnehmend auf 12 ist eine Mehrzahl von wiederaufladbaren Batteriestapeln dargestellt, wobei jeder Stapel die Bereiche 10X einer Schicht aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial und die strukturierten Bereiche 12P einer Stressorschicht der in 11 gezeigten exemplarischen Struktur aufweist. Diese Struktur kann gebildet werden, indem zunächst das Handhabungssubstrat 18 von den einzelnen Stapeln aus abgeblättertem Material (10X/12P) entfernt wird und anschließend die einzelnen Stapel aus abgeblättertem Material (10X/12P) auf ein Trägersubstrat (nicht gezeigt) transferiert werden, so dass sich eine physisch freiliegende Oberfläche des Bereichs 12P der Schicht aus einem Kathodenmaterial mit einer Oberfläche des Trägersubstrats in Kontakt befindet. Als nächstes werden die restlichen Komponenten eines Batteriestapels gebildet (d.h. ein Elektrolyt, eine Anode und ein Anodenstromkollektor), und danach kann ein Vereinzelungsprozess durchgeführt werden, wie zum Beispiel eine Chip-Vereinzelung, um mehrere wiederaufladbare Batteriestapel mit einer Abmessung im Mikrometerbereich bereitzustellen, wie beispielsweise in 12 gezeigt. Ein Bereich des Trägersubstrats (nicht gezeigt) kann sich unterhalb von jedem der wiederaufladbaren Batteriestapel mit einer Abmessung im Mikrometerbereich befinden.
Wenngleich die vorliegende Anmeldung insbesondere in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen derselben gezeigt und beschrieben wurde, versteht es sich für den Fachmann, dass das Vorstehende und weitere Änderungen in Bezug auf Formen und Details durchgeführt werden können, ohne von dem Inhalt und Umfang der vorliegenden Anmeldung abzuweichen. Daher soll die vorliegende Anmeldung nicht auf die exakten Formen und Details beschränkt sein, die beschrieben und dargestellt sind, sondern soll in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Verfahren zur Bildung eines wiederaufladbaren Batteriestapels, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines Substrats aus einem Kathodenmaterial; Bilden einer Stressorschicht auf einer physisch freiliegenden Oberfläche des Substrats aus einem Kathodenmaterial; und Durchführen eines Abblätterungsprozesses, um eine Schicht aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial von dem Substrat aus einem Kathodenmaterial zu entfernen, wobei die Schicht aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial an der Stressorschicht angebracht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren ein Bilden eines Elektrolyten und eines Anodenstromkollektors auf einer physisch freiliegenden Oberfläche der Schicht aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, das des Weiteren ein Bilden einer Anode zwischen dem Elektrolyten und dem Anodenstromkollektor aufweist, wobei das Bilden der Anode eine Abscheidung oder ein Laden/Wiederaufladen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei sich der Elektrolyt in einem festen Zustand, einem flüssigen Zustand oder einem Gel-Zustand befindet.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei sich der Elektrolyt in einem flüssigen Zustand befindet und wobei ein Separator gebildet wird, der einen ersten Bereich des Elektrolyten von einem zweiten Bereich des Elektrolyten trennt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat aus einem Kathodenmaterial aus einem einkristallinen Kathodenmaterial besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat aus einem Kathodenmaterial aus einem polykristallinen Kathodenmaterial besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat aus einem Kathodenmaterial frei von einem polymeren Bindemittel ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schicht aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial eine Dicke aufweist, die größer als 5 µm und geringer als 100 µm ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren vor dem Bilden der Stressorschicht ein Bilden eines Materialstapels von unten nach oben aus einer Schicht aus einem Korrosionsschutzmittel und einer Haftschicht auf dem Substrat aus einem Kathodenmaterial aufweist.
Verfahren zur Bildung eines wiederaufladbaren Batteriestapels, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines Substrats aus einem Kathodenmaterial; Bilden einer Mehrzahl von strukturierten Bereichen einer Abblätterbarrieren-Schicht auf einer physisch freiliegenden Oberfläche des Substrats aus einem Kathodenmaterial, wobei die strukturierten Bereiche der Abblätterbarrieren-Schicht jeweils durch einen Zwischenraum getrennt sind; Bilden einer Stressorschicht auf physisch freiliegenden Oberflächen jedes strukturierten Bereichs der Abblätterbarrieren-Schicht und innerhalb jedes Zwischenraums; und Durchführen eines Abblätterungsprozesses, um Bereiche der Schicht aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial, die nicht durch die strukturierten Bereiche der Abblätterbarrieren-Schicht geschützt sind, von dem Substrat aus einem Kathodenmaterial zu entfernen, wobei die Bereiche der Schicht aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial an der Stressorschicht angebracht sind und jeder Bereich der Schicht aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial die Form des Zwischenraums aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, das des Weiteren ein Bilden eines Elektrolyten und eines Anodenstromkollektors auf physisch freiliegenden Oberflächen von jedem der Bereiche der Schicht aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, das des Weiteren ein Bilden einer Anode zwischen dem Elektrolyten und dem Anodenstromkollektor aufweist, wobei das Bilden der Anode eine Abscheidung oder ein Laden/Wiederaufladen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei sich der Elektrolyt in einem flüssigen Zustand befindet und wobei ein Separator gebildet wird, der einen ersten Bereich des Elektrolyten von einem zweiten Bereich des Elektrolyten trennt.
Verfahren nach Anspruch 12, das des Weiteren ein Durchführen eines Vereinzelungsprozesses aufweist, um eine Mehrzahl von Batteriestapeln mit einer Abmessung im Mikrometerbereich bereitzustellen, wobei jeder Batteriestapel mit einer Abmessung im Mikrometerbereich einen restlichen Bereich der Stressorschicht, einen der Bereiche der Schicht aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial, einen restlichen Bereich des Elektrolyten sowie einen restlichen Bereich des Anodenstromkollektors aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Substrat aus einem Kathodenmaterial aus einem einkristallinen Kathodenmaterial besteht.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Substrat aus einem Kathodenmaterial aus einem polykristallinen Kathodenmaterial besteht.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Substrat aus einem Kathodenmaterial frei von einem polymeren Bindemittel ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei jeder der Bereiche der Schicht aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial eine Dicke aufweist, die größer als 5 um und geringer als 100 µm ist.
Verfahren nach Anspruch 11, das des Weiteren vor dem Bilden der Stressorschicht ein Bilden eines Materialstapels von unten nach oben aus einer Schicht aus einem Korrosionsschutzmittel und einer Haftschicht auf dem Substrat aus einem Kathodenmaterial aufweist.
Verfahren zur Bildung eines wiederaufladbaren Batteriestapels, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines Substrats aus einem Kathodenmaterial; Bilden einer Mehrzahl von strukturierten Bereichen einer Stressorschicht auf einer physisch freiliegenden Oberfläche des Substrats aus einem Kathodenmaterial, wobei die strukturierten Bereiche der Stressorschicht jeweils durch einen Zwischenraum getrennt sind; und Durchführen eines Abblätterungsprozesses, um Bereiche der Schicht aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial von dem Substrat aus einem Kathodenmaterial zu entfernen, wobei jeder Bereich der Schicht aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial an einem der Bereiche der Stressorschicht angebracht ist.
Verfahren nach Anspruch 21, das des Weiteren ein Bilden eines Elektrolyten und eines Anodenstromkollektors auf physisch freiliegenden Oberflächen von jedem der Bereiche der Schicht aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial aufweist.
Verfahren nach Anspruch 22, das des Weiteren ein Bilden einer Anode zwischen dem Elektrolyten und dem Anodenstromkollektor aufweist, wobei das Bilden der Anode eine Abscheidung oder ein Laden/Wiederaufladen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 22, das des Weiteren ein Durchführen eines Vereinzelungsprozesses aufweist, um eine Mehrzahl von Batteriestapeln mit einer Abmessung im Mikrometerbereich bereitzustellen, wobei jeder Batteriestapel mit einer Abmessung im Mikrometerbereich einen der Bereiche der Stressorschicht, einen der Bereiche der Schicht aus einem abgeblätterten Kathodenmaterial, einen restlichen Bereich des Elektrolyten sowie einen restlichen Bereich des Anodenstromkollektors aufweist.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Substrat aus einem Kathodenmaterial frei von einem polymeren Bindemittel ist und aus einem einkristallinen Kathodenmaterial oder einem polykristallinen Kathodenmaterial besteht.