JP2009516359A - 複合薄膜バッテリー - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2005年11月17日に出願された米国特許出願第60/737,613号
、2006年1月17日に出願された米国特許出願第60/759,479号および2006年3月16日に出願された米国特許出願第60/782,792号の米国特許法119条(e)項の利益を主張し、2005年8月23日に出願された、名称「Electrochemical Apparatus with Barrier Layer Protected Substrate」の米国特許出願第11/209,536の一部係属出願であり、かつ米国特許法120条の利益を主張する。後者の出願は、2005年6月15日に出願された、名称「Electrochemical Apparatus with Barrier Layer Protected Substrate」の米国仮特許出願第60/690,697号の119条(e)項からの変更である米国特許出願第11/374,282号の係属出願であり、かつ120条の利益を主張する。米国仮特許出願第60/690,697号は、2002年8月9日に出願された、名称「Methods of and device for encapsulation and termination of electronic devices」の米国特許出願第10/215,190号(現在は、2005年7月12日発行の米国特許第6,916,679号)の一部係属出願であり、かつ米国特許法120条の利益を主張する。これら出願のすべては、全体として本願明細書に参照によって援用される。
本発明の分野は、電気化学的装置およびその製造方法に関し、より具体的には、バッテリーを含む固体薄膜主副電気化学的装置の組成、蒸着方法、および製造に関する。
Claims (175)
- 厚さが約4μmより大きく約200μm未満の正のカソードと、
厚さ約10μm未満の電解質と、
厚さ約30μm未満の負のアノードと
を備える、電気化学的装置。 - 厚さが約0.5μmより大きく約200μm未満の正のカソードと、
厚さ約10μm未満の電解質と、
厚さ約30μm未満の負のアノードと
を備え、該正のカソードは非気相蒸着工程によって製造される電気化学的装置。 - 基板をさらに備える、請求項2に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードは前記基板に隣接する、請求項3に記載の電気化学的装置。
- 基板をさらに備え、前記カソードは該基板に隣接する、請求項1に記載の電気化学的装置。
- 厚さが最大約50μmの前記基板をさらに備える、請求項3に記載の電気化学的装置。
- 厚さが最大約10μmの前記基板をさらに備える、請求項3に記載の電気化学的装置。
- 前記基板は、アルミニウムおよびアルミニウム合金の群から選択される、請求項3に記載の電気化学的装置。
- 前記基板は電流コレクタを備える、請求項3に記載の電気化学的装置。
- 前記基板の上に障壁層をさらに備える、請求項3に記載の電気化学的装置。
- 前記障壁層は、前記基板および前記アノード、またはカソードのいずれかとの間の電子の移動を防ぐように構成される、請求項10に記載の電気化学的装置。
- 前記障壁層は、前記基板および前記アノード、またはカソードのいずれかとの間のイオンの移動を防ぐように適合される、請求項10に記載の電気化学的装置。
- 電流コレクタをさらに備える、請求項2に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードは、約5μmより大きく約100μm未満の厚さである、請求項2に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードは、約30μmより大きく約80μm未満の厚さである、請求項2に記載の電気化学的装置。
- 前記電解質は 薄膜電解質である、請求項2に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードは、スラリーコーティングカソード粉末材料、バインダー材料および電気伝導エンハンサー材料によって蒸着する、請求項2に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードはマイヤーロッドコーティング技術を用いて蒸着される、請求項2に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードは直接ロールコーティング技術を用いて蒸着される、請求項2に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードは逆ロールコーティング技術を用いて蒸着される、請求項2に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードはドクターブレード技術を用いて蒸着される、請求項2に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードはスピンコーティングによって蒸着される、請求項2に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードは電気泳動蒸着によって蒸着される、請求項2に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードはインク吐出工程によって蒸着される、請求項2に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードは、不活性金属、不活性合金および炭素質材料から成る群から選択される材料で実質的に吸収される、請求項2に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードは、LiCoO2またはその誘導体を含む、請求項2に記載の電気化学的装置。
- 前記LiCoO2またはその誘導体は、周期表の群1から17の元素から成る群から選択される元素でドープされた、請求項26に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードは、LiCoO2、LiMn2O4、LiMnO2、LiNiO2、LiFePO4、LiVO2およびそれらの任意の混合物から成る群からの材料を含む、請求項2に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードは、複数の垂直構造を有する構造に形成される、請求項2に記載の電気化学的装置。
- 前記複数の垂直構造は機械的手段を用いて形成される、請求項29に記載の電気化学的装置。
- 前記垂直構造は、カソード材料の最大厚未満の高さを有する、請求項29に記載の電気化学的装置。
- 前記複数の垂直構造は、前記カソード内の任意の体素と、該カソードと反対側の前記電解質層の最も近い体素との平均距離を減少させるように構成される、請求項29に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードは、少なくとも炭素質材料をさらに含む複合カソードである、請求項2に記載の電気化学的装置。
- 前記複合カソードは、複数の垂直構造を含む形状を有する、請求項33に記載の電気化学的装置。
- 前記複数の垂直構造は、前記カソード内の任意の体素と、前記カソードと反対側の前記電解質層の最も近い体素との平均距離を減少させるように構成される、請求項34に記載の電気化学的装置。
- 前記電解質は、リチウムホスホラスオキシニトリド(LiPON)を含む、請求項2に記載の電気化学的装置。
- 前記アノードは、リチウム、リチウム合金、リチウムを含む固溶体または化学物質を形成できる金属、および負のアノードとして機能できる任意のリチウムイオン化合物から選択される、請求項2に記載の電気化学的装置。
- 前記電解質は真空気相成長法によって蒸着される、請求項2に記載の電気化学的装置。
- 前記電解質は非気相法によって蒸着される、請求項2に記載の電気化学的装置。
- 真空気相成長した薄膜被包、保護ポリマー複合体の加圧熱積層、感圧感熱接着剤面で覆われた金属箔の加圧熱積層、および金属被覆から選択される被包工程で形成された被包をさらに含む、請求項2に記載の電気化学的装置。
- 真空気相工程によって成長した被包をさらに含む、請求項2に記載の電気化学的装置。
- 前記被包は無機化合物および金属の多層堆積から成る、請求項41に記載の電気化学的装置。
- 前記被包は約10μmより薄い、請求項41に記載の電気化学的装置。
- 前記被包は、介在調節層によって前記負のアノードから分離する、請求項41に記載の電気化学的装置。
- 前記調節層はLiPONを含む、請求項44に記載の電気化学的装置。
- 前記調節層はLiPONから成る請求項44に記載の電気化学的装置。
- アノード電流コレクタをさらに備える、請求項2に記載の電気化学的装置。
- 防湿層が前記アノード電流コレクタと電解質との間に介在させられる、請求項47に記載の電気化学的装置。
- 前記防湿層は湿度遮断特性を有する材料を含み、金属、半金属、合金、ホウ化物、炭化物、ダイアモンド、ダイアモンド様炭素、ケイ化物、窒化物、リン化物、酸化物、フッ化物、塩化物、臭化物およびヨウ化物から選択される、請求項48に記載の電気化学的装置。
- 前記防湿層は湿度遮断特性を有する材料を含み、ホウ化物、炭化物、ケイ化物、窒化物、リン化物、酸化物、フッ化物、塩化物、臭化物およびヨウ化物で構成される任意の多元系化合物から選択される、請求項48に記載の電気化学的装置。
- 前記防湿層は湿度遮断特性を有する材料を含み、高温安定性有機ポリマーおよび高温安定性シリコーンから選択される、請求項48に記載の電気化学的装置。
- 非気相蒸着されたカソードと、
アノードと、
厚さ約10μm未満の電解質と
を備える、電気化学的装置。 - 前記カソードは約0.5μmより大きく約200μm未満の厚さである、請求項52に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードは約10μmより大きく約100μm未満の厚さである、請求項52に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードは約30μmより大きく約80μm未満の厚さである、請求項52に記載の電気化学的装置。
- 前記アノードは約30μm未満の厚さである、請求項52に記載の電気化学的装置。
- 基板をさらに備える、請求項52に記載の電気化学的装置。
- 前記基板は最大約50μmの厚さを有する、請求項57に記載の電気化学的装置。
- 前記基板は最大約10μmの厚さを有する、請求項57に記載の電気化学的装置。
- 前記基板はアルミニウムおよびアルミニウム合金から選択される、請求項57に記載の電気化学的装置。
- 前記電解質は薄膜電解質である、請求項52に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードは、スラリーコーティングカソード粉末材料、バインダー、炭素質材料、炭素型および電気的エンハンサーによって蒸着される、請求項52に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードはマイヤーロッドコーティング技術を用いて蒸着される、請求項52に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードは直接ロールコーティング技術を用いて蒸着される、請求項52に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードは逆ロールコーティング技術を用いて蒸着される、請求項52に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードはドクターブレード技術を用いて蒸着される、請求項52に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードはスピンコーティンによって蒸着される、請求項52に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードは電気泳動蒸着によって蒸着される、請求項52に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードはインク吐出工程によって蒸着される、請求項52に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードは、不活性金属、不活性合金および炭素質材料の群から得選択される材料で実質的に吸収される、請求項52に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードはLiCoO2を含む、請求項52に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードは、LiCoO2、LiMn2O4、LiMnO2、LiNiO2、LiFePO4、LiVO2およびそれらの任意の混合物から成る群から選択される材料を含む、請求項52に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードは、機械的手段を介して多数のより小さい垂直構造を有する構造に形成される、請求項52に記載の電気化学的装置。
- 前記多数のより小さい垂直構造は、前記カソード内の任意の体素と、前記カソードと反対側にある前記電解質層の最も近い体素との平均距離を減少させる、請求項73に記載の電気化学的装置。
- 前記カソードは、少なくとも炭素質材料をさらに含む複合カソードである、請求項52に記載の電気化学的装置。
- 前記複合カソードは多数の垂直構造を含む、請求項75に記載の電気化学的装置。
- 前記多数の垂直構造は、前記カソード内の任意の体素と、該カソードと反対側にある前記電解質層の最も近い体素との平均距離を減少させる、請求項76に記載の電気化学的装置。
- 前記電解質はリチウムホスホラスオキシニトリド(LiPON)を含む、請求項52に記載の電気化学的装置。
- 前記アノードは、リチウム、リチウム合金、リチウムを含む固溶体または化学物質を形成できる金属、および負のアノードとして機能できる任意のリチウムイオン化合物から成る群から選択される、請求項52に記載の電気化学的装置。
- 前記電解質は気相成長法によって蒸着される、請求項52に記載の電気化学的装置。
- 前記電解質は非気相法によって蒸着される、請求項52に記載の電気化学的装置。
- 前記電気化学的装置は、真空気相成長した薄膜被包、保護ポリマー複合体の加圧熱積層、感圧感熱接着剤面で覆われた金属箔の加圧熱積層、および金属被覆から選択される被包工程で被包される、請求項52に記載の電気化学的装置。
- 前記電気化学的装置は、真空気相工程によって成長した被包で被包される、請求項52に記載の電気化学的装置。
- 前記被包は無機化合物および金属の多層堆積から成る、請求項83に記載の電気化学的装置。
- 前記被包は10μmより薄い、請求項83に記載の電気化学的装置。
- 前記被包は、介在調節層によって前記負のアノードから分離する、請求項83に記載の電気化学的装置。
- 前記調節層はLiPONを含む、請求項86に記載の電気化学的装置。
- 前記調節層はLiPONから成る、請求項86に記載の電気化学的装置。
- カソード電流コレクタをさらに備える、請求項52に記載の電気化学的装置。
- アノード電流コレクタをさらに備える、請求項52に記載の電気化学的装置。
- 前記アノード電流コレクタは、少なくとも部分的に防湿層によって覆われる、請求項90に記載の電気化学的装置。
- 前記防湿層はZrO2を含む、請求項91に記載の電気化学的装置。
- 厚さが約0.5μmより大きく約200μm未満の正のカソードを蒸着することと、
厚さ約10μm未満の電解質を蒸着することと、
厚さ約30μm未満の負のアノードを蒸着することと、
非気相蒸着工程によって正のカソードを蒸着することと
と含む、電気化学的装置の製造方法。 - 前記カソードは基板上に蒸着される、請求項93に記載の方法。
- 厚さ約50μm以下の前記基板上に前記カソードを蒸着されることをさらに含む、請求項94に記載の方法。
- 厚さ約10μm以下の前記基板上に前記カソードを蒸着されることをさらに含む、請求項94に記載の方法。
- 前記基板上に前記カソードを蒸着されることをさらに含み、該基板はアルミニウムおよびアルミニウム合金の群から選択される、請求項94に記載の方法。
- 前記基板は電流コレクタを含む、請求項94に記載の方法。
- 障壁層を蒸着されることをさらに含む、請求項93に記載の方法。
- 前記カソードは、約5μmより大きく約100μm未満の厚さである、請求項93に記載の方法。
- 前記カソードは、約30μmより大きく約80μm未満の厚さである、請求項93に記載の方法。
- 前記電解質は薄膜電解質である、請求項93に記載の方法。
- 前記カソードを蒸着されることは、カソード粉末材料、バインダー材料および電気伝導エンハンサー材料のスラリーコーティングを含む、請求項93に記載の方法。
- 前記カソードを蒸着されることは、マイヤーロッドコーティング技術を含む、請求項93に記載の方法。
- 前記カソードを蒸着されることは、直接ロールコーティング技術を含む、請求項93に記載の方法。
- 前記カソードを蒸着されることは、逆ロールコーティング技術を含む、請求項93に記載の方法。
- 前記カソードを蒸着されることはブレード塗布技術を含む、請求項93に記載の方法。
- 前記カソードを蒸着されることはスピンコーティングを含む、請求項93に記載の方法。
- 前記カソードを蒸着されることは電気泳動蒸着を含む、請求項93に記載の方法。
- 前記カソードを蒸着されることはインク吐出を含む、請求項93に記載の方法。
- 前記カソードを蒸着されることは、a)不活性金属および合金の群から選択される材料を用いてその完成または未完成状態で該カソードを覆うことと、b)該材料を該カソードに実質的に吸収させるのに十分な熱を加えることとを含む、請求項93に記載の方法。
- 前記カソードはLiCoO2およびそのドープされた誘導体を含み、ドーピング元素は周期表の群1から17の元素から選択される、請求項93に記載の方法。
- 前記カソードは、LiCoO2、LiMn2O4、LiMnO2、LiNiO2、LiFePO4、LiVO2およびそれらの任意の混合物から成る群からの材料を含む、請求項93に記載の方法。
- 前記カソードは、機械的手段を介して多数の垂直構造を有する構造に形成される、請求項93に記載の方法。
- 前記多数の垂直構造は、前記カソード内の任意の体素と、該カソードと反対側にある前記電解質層の最も近い体素との平均距離を減少させる、請求項114に記載の方法。
- 前記多数の垂直構造の高さは前記カソードの最大厚未満である、請求項114に記載の方法。
- 前記カソードは、少なくとも炭素質材料をさらに含む複合カソードとして形成される、請求項93に記載の方法。
- 前記複合カソードは、多数の垂直構造を有する構造内に製造される、請求項117の方法。
- 前記多数の垂直構造は、前記カソード内の任意の体素と、該カソードと反対側にある前記電解質層の最も近い体素との平均距離を減少させる、請求項118に記載の方法。
- 前記電解質はリチウムホスホラスオキシニトリド(LiPON)を含む、請求項93に記載の方法。
- 前記アノードは、リチウム、リチウム合金、リチウムを含む固溶体または化学物質を形成できる金属、および負のアノードとして機能できる任意のリチウムイオン化合物から成る群から選択される、請求項93に記載の方法。
- 前記電解質を蒸着されることは真空気相成長法を含む、請求項93に記載の方法。
- 前記電解質を蒸着されることは非気相法を含む、請求項93に記載の方法。
- 真空気相成長した薄膜被包、保護ポリマー複合体の加圧熱積層、感圧感熱接着剤面で覆われた金属箔の加圧熱積層、および金属被覆から選択される被包工程を採用する前記電気化学的装置を被包することをさらに含む、請求項93に記載の方法。
- 前記電気化学的装置は、真空気相工程によって成長した被包で被包される、請求項93に記載の方法。
- 無機化合物および金属の多層堆積としての前記被包を蒸着されることをさらに含む、請求項125に記載の方法。
- 約10μmより薄い前記被包を蒸着されることをさらに含む、請求項125に記載の方法。
- 介在調節層によって前記被包を前記負のアノードから分離することをさらに含む、請求項125に記載の方法。
- 前記調節層をLiPONとして蒸着されることをさらに含む、請求項128に記載の方法。
- カソード電流コレクタを蒸着されることをさらに含む、請求項93に記載の方法。
- アノード電流コレクタを蒸着されることをさらに含む、請求項93に記載の方法。
- 前記アノード電流コレクタと前記電解質との間に防湿層が蒸着されることをさらに含む、請求項131に記載の方法。
- 前記防湿層は湿度遮断特性を有する材料を含み、金属、半金属、合金、ホウ化物、炭化物、ダイアモンド、ダイアモンド様炭素、ケイ化物、窒化物、リン化物、酸化物、フッ化物、塩化物、臭化物およびヨウ化物の群から選択される、請求項132に記載の方法。
- 前記防湿層は湿度遮断特性を有する材料を含み、ホウ化物、炭化物、ケイ化物、窒化物、リン化物、酸化物、フッ化物、塩化物、臭化物およびヨウ化物で構成される任意の多元系化合物の群から選択される、請求項132に記載の方法。
- 前記防湿層は湿度遮断特性を有する材料を含み、高温安定性有機ポリマーおよび高温安定性シリコーンの群から選択される、請求項132に記載の方法。
- 非気相蒸着工程を用いてカソードを蒸着されることと、
厚さ約10μm未満の電解質を蒸着されることと、
アノードを蒸着されることと
を含む、電気化学的装置の製造方法。 - 前記カソードは、厚さが約0.5μmより大きく約200μm未満である、請求項136に記載の方法。
- 前記カソードは、厚さが約10μmより大きく約100μm未満である、請求項136に記載の方法。
- 前記カソードは、厚さが約30μmより大きく約80μm未満である、請求項136に記載の方法。
- 前記アノードは厚さが約30μm未満である、請求項136に記載の方法。
- 基板を提供することをさらに含む、請求項136に記載の方法。
- 厚さが最大50μmの前記基板をさらに含む、請求項141に記載の方法。
- 厚さが最大10μmの前記基板をさらに含む、請求項141に記載の方法。
- 前記基板は、アルミニウムおよびアルミニウム合金の群から選択される、請求項141に記載の方法。
- 前記電解質は薄膜電解質である、請求項136に記載の方法。
- 前記非気相蒸着工程は、スラリーコーティングカソード粉末材料、バインダーおよび電気伝導エンハンサー材料を含む、請求項136に記載の方法。
- 前記非気相蒸着工程はマイヤーロッドコーティング技術を含む、請求項136に記載の方法。
- 前記非気相蒸着工程は直接ロールコーティング技術を含む、請求項136に記載の方法。
- 前記非気相蒸着工程は逆ロールコーティング技術を含む、請求項136に記載の方法。
- 前記非気相蒸着工程はブレード塗布技術を含む、請求項136に記載の方法。
- 前記非気相蒸着工程はスピンコーティングを含む、請求項136に記載の方法。
- 前記非気相蒸着工程は電気泳動蒸着を含む、請求項136に記載の方法。
- 前記非気相蒸着工程はインク吐出を含む、請求項136に記載の方法。
- 前記カソードが蒸着されることは、a)不活性金属および合金の群から選択される材料を用いて、その完成または未完成状態で該カソードを覆うことと、b)該材料を該カソード内に実質的に吸収させるのに十分な熱を加えることとを含む、請求項136に記載の方法。
- 前記カソードはLiCoO2を含む、請求項136に記載の方法。
- 前記カソードはLiCoO2、LiMn2O4、LiMnO2、LiNiO2、LiFePO4、LiVO2およびそれらの任意の混合物の群からの材料を含む、請求項136に記載の方法。
- 前記カソードを、機械的手段を介して多数のより小さい垂直構造を有する構造に形成することをさらに含む、請求項136に記載の方法。
- 前記多数のより小さい垂直構造は、前記カソード内の任意の体素と、該カソードと反対側にある前記電解質層の最も近い体素との平均距離を減少させる、請求項157に記載の方法。
- 前記カソードは少なくとも炭素質材料をさらに含む複合カソードとして形成される、請求項136に記載の方法。
- 前記複合カソードは、多数のより小さい垂直構造を有する構造内に製造される、請求項159に記載の方法。
- 前記多数の垂直構造は、前記カソード内の任意の体素と、該カソードと反対側にある前記電解質層の最も近い体素との平均距離を減少させる、請求項160に記載の方法。
- 前記電解質は,リチウムホスホラスオキシニトリド(LiPON)を含む、請求項136に記載の方法。
- 前記アノードは、リチウム、リチウム合金、リチウムを含む固溶体または化学物質を形成できる金属、および負のアノードとして機能できる任意のリチウムイオン化合物の群から選択される、請求項136に記載の方法。
- 前記電解質を蒸着されることは気相成長法を含む、請求項136に記載の方法。
- 前記電解質を蒸着されることは非気相法を含む、請求項136に記載の方法。
- 真空気相成長した薄膜被包、保護ポリマー複合体の加圧熱積層、感圧感熱接着剤面で覆われた金属箔の加圧熱積層、および金属被覆の群から選択される被包工程を採用する前記電気化学的装置を被包するステップをさらに含む、請求項136に記載の方法。
- 真空気相工程によって成長した被包で前記電気化学的装置を被包するステップをさらに含む、請求項136に記載の方法。
- 無機化合物および金属の多層堆積によって前記被包を製造するステップをさらに含む、請求項167に記載の方法。
- 10μmより薄い前記被包が蒸着される、請求項167に記載の方法。
- 前記被包は介在調節層によって前記負のアノードから分離する、請求項167に記載の方法。
- 前記調節層はLiPONから成る請求項170に記載の方法。
- カソード電流コレクタを蒸着されるステップをさらに含む、請求項136に記載の方法。
- アノード電流コレクタを薄い電解質層の上部に蒸着されるステップをさらに含む、請求項136に記載の方法。
- 前記薄い電解質層と前記アノード電流コレクタとの間に防湿層を蒸着されるステップをさらに含む、請求項173に記載の方法。
- 前記防湿層はZrO2を含む、請求項174に記載の方法。
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