JP2016523441A - 固体電池のための基板 - Google Patents

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Abstract

改善されたエネルギ密度を有する固体電池、および改善されたエネルギ密度を有する固体電池を製造する方法が開示される。いくつかの実施の形態では、固体電池は、イットリア安定化ジルコニアの基板と、基板上に形成されたカソード電流コレクタと、基板上に形成されたアノード電流コレクタと、カソード電流コレクタと電気的接触状態にあるリチウムコバルト酸化物のカソードと、アノード電流コレクタと電気的接触状態にあるリチウムのアノードと、カソードとアノードとの間に形成された窒化リン酸リチウムの固体電解質とを含んでもよい。

Description

別段の断りがなければ、このセクションに記載される内容は、この出願における請求項に対する先行技術ではなく、このセクションに含まれることによって先行技術であるとは認められない。
従来のリチウムイオンおよびリチウムポリマー電池は、典型的にはリチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ２）カソード、グラファイトアノード、ポリマーセパレータ、および液体電解質からなる。従来のリチウムイオンおよびリチウムポリマー電池の１つの制限は、液体電解質が安全性の問題を呈するということであり、なぜならば、それは、たとえば欠陥または取扱い誤りのためにそのような電池のアノードとカソードとの間に短絡が生じる場合、燃えやすくなるかもしれないからである。従来のリチウムイオンおよびリチウムポリマー電池の他の制限は、そのような電池は、活性材料（たとえばＬｉＣｏＯ２カソードおよびグラファイトアノード）に対する非活性材料（たとえばポリマーセパレータ、液体電解質）の比率が高いため、それらは約５００〜５５０Ｗｈ／Ｌの限られたエネルギ密度を有する、ということである。
固体電池は、エネルギ密度および安全性の両方において、従来のリチウムイオンおよびリチウムポリマー電池に対する改善を示す。固体電池は、典型的には、ＬｉＣｏＯ２カソードと、リチウムアノードと、セパレータとしても作用する固体状態窒化リン酸リチウム（ＬｉＰＯＮ）電解質とからなる。リチウムアノードは、（わずか約３７２ｍＡｈ／ｇの理論的な比容量を有する、リチウムイオンおよびリチウムポリマー電池において用いられるグラファイトアノードと比較して）約３８００ｍＡｈ／ｇの理論的な比容量を有し、それは、固体電池のエネルギ密度の増大を可能にする。
固体電池は、液体電解質ではなく、固体電解質を用いるので、固体電池は、リチウムイオンおよびリチウムポリマー電池が呈する安全性問題を呈しない。加えて、固体電池は、約１０００Ｗｈ／Ｌのエネルギ密度を有することが可能である。
イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の基板上に形成される固体電池が開示される。いくつかの実施の形態では、固体電池は、ＹＳＺの基板と、基板上に形成されたカソード電流コレクタと、基板上に形成されたアノード電流コレクタと、カソード電流コレクタと電気的接触状態にあるリチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ２）のカソードと、アノード電流コレクタと電気的接触状態にあるリチウムのアノードと、カソードとアノードとの間に形成された窒化リン酸リチウム（ＬｉＰＯＮ）の固体電解質とを含んでもよい。
いくつかの実施の形態では、固体電池は両面固体電池であってもよい。これらの実施の形態では、カソードコレクタ、アノードコレクタ、カソード、アノードおよび固体電解質の各々は、基板の第１の側に形成されてもよい。加えて、第２のカソード電流コレクタ、第２のアノード電流コレクタ、第２のカソード、第２のアノードおよび第２の固体電解質は、第１の側と反対側の、基板の第２の側に形成されてもよい。第２のカソードはＬｉＣｏＯ２から形成されてもよく、第２のカソード電流コレクタと電気的接触状態にあってもよい。さらに、第２のアノードはリチウムから形成されてもよく、第２のアノード電流コレクタと電気的接触状態にあってもよい。さらに、第２の固体電解質はＬｉＰＯＮから形成されてもよく、第２のカソードと第２のアノードとの間に形成されてもよい。
さらに、ＹＳＺの基板を含む固体電池を製造する方法が開示される。いくつかの実施の形態では、方法は、ＹＳＺの基板を提供することと、基板上にアノード電流コレクタおよびカソード電流コレクタを形成することと、ＬｉＣｏＯ２のカソードを形成することとを含んでもよく、カソードはカソード電流コレクタと電気的接触状態にある。この方法はさらに、カソードを約７００℃と約８００℃との間の温度でアニールすることと、ＬｉＰＯＮの固体電解質を形成することと、リチウムのアノードを形成することとを含んでもよく、アノードはアノード電流コレクタと電気的接触状態にあり、固体電解質はアノードとカソードとの間に形成される。
さらに、ＹＳＺの基板を各々が含む多数の固体電池を製造する方法が開示される。いくつかの実施の形態では、方法は、多数のＹＳＺの基板を含むロールを提供することと、多数の基板のうちの各基板に対して、基板上にアノード電流コレクタおよびカソード電流コレクタを形成することと、ＬｉＣｏＯ２のカソードを形成することとを含んでもよく、カソードはカソード電流コレクタと電気的接触状態にあり、方法はさらに、カソードを約７００℃と約８００℃との間の温度でアニールすることと、ＬｉＰＯＮの固体電解質を形成することと、リチウムのアノードを形成することとを含んでもよく、アノードはアノード電流コレクタと電気的接触状態にあり、固体電解質はアノードとカソードとの間に形成される。
これら、ならびに他の局面、利点、および代替物は、適切な場合には添付の図面を参照して、以下の詳細な説明を読むことにより当業者には明らかになる。
いくつかの実施の形態に従う、イットリア安定化ジルコニア基板を含む例示的な固体電池を示す。 いくつかの実施の形態に従う、イットリア安定化ジルコニア基板を含む例示的な固体電池を示す。 いくつかの実施の形態に従う、イットリア安定化ジルコニア基板を含む固体電池を製造する方法を記載するフローチャートである。 いくつかの実施の形態に従う、イットリア安定化ジルコニア基板を含む固体電池を製造する方法を示す。 いくつかの実施の形態に従う、イットリア安定化ジルコニア基板を含む固体電池を製造する方法を示す。 いくつかの実施の形態に従う、イットリア安定化ジルコニア基板を含む固体電池を製造する方法を示す。 いくつかの実施の形態に従う、イットリア安定化ジルコニア基板を含む固体電池を製造する方法を示す。 いくつかの実施の形態に従う、イットリア安定化ジルコニア基板を含む固体電池を製造する方法を示す。 いくつかの実施の形態に従う、イットリア安定化ジルコニア基板を各々が含む、多数の固体電池を製造する方法を記載するフローチャートである。 いくつかの実施の形態に従う、イットリア安定化ジルコニア基板を各々が含む、多数の固体電池を製造する方法を示す。 いくつかの実施の形態に従う、イットリア安定化ジルコニア基板を各々が含む、多数の固体電池を製造する方法を示す。 いくつかの実施の形態に従う、イットリア安定化ジルコニア基板を各々が含む、多数の固体電池を製造する方法を示す。
詳細な説明
例示的な方法およびシステムがここに記載される。「例」および「例示的な」という文言は、ここでは、「例、事例または例説として供される」ことを意味するよう用いられることが理解されるべきである。「例」または「例示的」であるとしてここに記載されるいかなる実施の形態または特徴も、必ずしも、他の実施の形態または特徴よりも好まれるかまたは有利であるとして解釈されるものではない。以下の詳細な説明では、詳細な説明の一部を形成する添付の図面が参照される。図面では、文脈が別段の規定をしていなければ、同様の記号は典型的には同様の構成要素を識別する。ここに示される主題の精神または範囲から逸脱せずに、他の実施の形態を利用してもよく、他の変更をなしてもよい。
ここに記載される例示的な実施の形態は、限定的であることを意味しない。概括的にここに記載され、図面に示されるこの開示の局面は、すべてが明示的にここに企図されるさまざまな異なる構成において構成され、置換され、組合せられ、分離され、および設計されることが可能であることが容易に理解される。
Ｉ．概観
たとえば銅、ステンレス鋼およびポリイミドを含むさまざまな基板材料が、固体電池において現在用いられている。しかしながら、これらの基板材料の各々上に形成された固体電池は、典型的には約９７〜１５０Ｗｈ／Ｌのオーダの限られたエネルギ密度を示す。これらの限られたエネルギ密度は多くの要因の結果である。
第１に、エネルギ密度は、固体電池の製造中において用いられ得るアニール温度によって制限される。リチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ２）カソードの結晶化および結晶配向（ならびにしたがって固体電池のエネルギ密度）を最適化するために、約７００℃と約８００℃との間の温度でＬｉＣｏＯ２カソードをアニールすることが望ましいかもしれない。しかしながら、ポリイミド基板はそのような高いアニール温度には耐えられず、ポリイミドは約４００℃のアニール温度に制限される。銅は約７００〜８００℃のアニール温度に耐え得るが、銅がアニール中に酸化するという結果を伴う。さらに、ステンレス鋼は同様に約７００〜８００℃のアニール温度に耐え得るが、そのような温度でのアニール中においては、ステンレス鋼における合金化元素（たとえばクロム）はＬｉＣｏＯ２カソードに移動し、それによって、固体電池のサイクル寿命を低減する。
銅、ステンレス鋼およびポリイミド基板上に形成された固体電池のエネルギ密度は、さらに、基板材料の熱膨脹係数（ＣＴＥ）とＬｉＣｏＯ２のＣＴＥとの間の不一致によって制限され得、それは、これらの基板の各々の上に成長され得るＬｉＣｏＯ２カソードの厚みを制限する。これらの基板上における、より大きな厚みでのＬｉＣｏＯ２の成長は、ＬｉＣｏＯ２の割れおよび剥離をもたらす。
イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の基板上に形成される固体電池が開示される。ＹＳＺは、約７００℃と約８００℃との間のアニール温度に耐え得る可撓性のセラミックであり、ＬｉＣｏＯ２の望ましいアニールを可能にする。加えて、ＹＳＺは約８００℃で０に近い熱膨脹係数を有し、ＬｉＣｏＯ２の割れおよび剥離なしに、より厚いＬｉＣｏＯ２の層の成長を可能にする。その結果、ＹＳＺ基板を有する固体電池は、約１０３０Ｗｈ／Ｌの、改善されたエネルギ密度を示し得る。
図１Ａは、いくつかの実施の形態に従う、ＹＳＺ基板１０２を含む例示的な固体電池１００を示す。示されるように、固体電池１００は、さらに、カソード電流コレクタ１０４、アノード電流コレクタ１０６、カソード１０８、固体電解質１１０およびアノード１１２を含む。
基板１０２はいかなる数の寸法をとってもよい。いくつかの実施の形態では、基板１０２は、たとえば約２５μｍと約４０μｍとの間の厚みを有してもよい。他の厚みも同様に可能である。たとえば、基板１０２の平面の面積および厚みを含む、基板１０２の寸法は、固体電池１００の応用によって変動してもよい。
基板１０２のＹＳＺにおけるイットリアのモル濃度も、同様に、応用によって変動してもよい。いくつかの実施の形態では、ＹＳＺにおけるイットリアのモル濃度はたとえば約３％であり得る。イットリアの他のモル濃度も同様に可能である。
いくつかの実施の形態では、基板１０２はＹＳＺの独立層であってもよい。代替的に、他の実施の形態では、基板１０２は、さらに金属またはセラミックの層を含んでもよい。これらの実施の形態では、基板１０２のＹＳＺは金属またはセラミックの層に取付けられてもよい。次いで、カソード電流コレクタ１０４およびアノード電流コレクタ１０６が、ＹＳＺ上に形成されてもよい。
カソード電流コレクタ１０４およびアノード電流コレクタ１０６は、各々、導電性の材料から形成されてもよい。たとえば、いくつかの実施の形態では、カソード電流コレクタ１０４およびアノード電流コレクタ１０６の一方または両方は、ステンレス鋼および／またはニッケルから形成されてもよい。代替的に、または加えて、カソード電流コレクタ１０４およびアノード電流コレクタ１０６の一方または両方は、シート、箔または粉末の形態をとってもよい。他のカソード電流コレクタおよび／またはアノード電流コレクタ材料ならびに形態も同様に可能である。カソード電流コレクタ１０４およびアノード電流コレクタ１０６は、各々、いかなる数の寸法をとってもよい。いくつかの実施の形態では、カソード電流コレクタ１０４およびアノード電流コレクタ１０６の一方または両方は、たとえば約３μｍと約４μｍとの間の厚みを有してもよい。他の厚みも同様に可能である。たとえばカソード電流コレクタ１０４およびアノード電流コレクタ１０６の平面の面積および厚みを含む、カソード電流コレクタ１０４およびアノード電流コレクタ１０６の寸法は、固体電池１００の応用によって変動してもよい。
示されるように、カソード１０８はカソード電流コレクタ１０４と電気的接触状態にある。カソード１０８はたとえばＬｉＣｏＯ２から形成されてもよい。他のカソード材料も同様に可能である。カソード１０８はいかなる数の寸法をとってもよい。いくつかの実施の形態では、カソード１０８は、たとえば約１０μｍと約１５μｍとの間の厚みを有してもよい。他の厚みも同様に可能である。一般に、より大きな厚みのカソード１０８は、銅、ポリイミドおよびステンレス鋼からなる典型的な基板上よりも、ＹＳＺ基板１０２上で成長し得る。それでも、たとえばカソード１０８の平面の面積および厚みを含む、カソード１０８の寸法は、固体電池１００の応用によって変動してもよい。
示されるように、固体電解質１１０はカソード１０８とアノード１１２との間に形成されてもよい。いくつかの実施の形態では、固体電解質はリチウムリン酸化物（ＬｉＰＯＮ）から形成されてもよい。他の固体電解質材料も同様に可能である。固体電解質１１０はいかなる数の寸法をとってもよい。いくつかの実施の形態では、固体電解質１１０は、たとえば約２μｍと約３μｍとの間の厚みを有してもよい。他の厚みも同様に可能である。たとえば、固体電解質１１０の平面の面積および厚みを含む、固体電解質１１０の寸法は、固体電池１００の応用によって変動してもよい。
示されるように、アノード１１２はアノード電流コレクタ１０６と電気的接触状態にある。アノード１１２はたとえばリチウムから形成されてもよい。他のアノード材料も同様に可能である。アノード１１２はいかなる数の寸法をとってもよい。いくつかの実施の形態では、アノード１１２は、たとえば約２μｍと約３μｍとの間の厚みを有してもよい。他の厚みも同様に可能である。たとえば、アノード１１２の平面の面積および厚みを含む、アノード１１２の寸法は、固体電池１００の応用によって変動してもよい。
動作において、固体電池１００が（たとえば電子装置の回路などのような）回路に接続されるとき、固体電池１００はアノード１１２とカソード１０８との間の化学反応によって回路に電力を供給してもよい。特に、回路に接続されたとき、アノード１１２は、アノード１１２からのイオンが固体電解質１１０を通ってカソード１０８に向かって移動する酸化反応を経て、アノード１１２から回路内への電子の放出をもたらしてもよい。並行して、回路に接続されたとき、カソード１０８は、固体電解質１１０を通って移動するイオンがカソード１０８と結合する還元反応を経て、アノード１１２によって回路内に放出された電子のカソード１０８における吸収をもたらしてもよい。アノード１１２における電子の放出、およびカソード１０８における電子の吸収は、回路に電力を供給する電流を生じさせる。
いくつかの実施の形態では、示されるように、固体電池１００はさらに保護コーティング１１４を含んでもよい。保護コーティング１１４は、たとえば、アノード１１２を実質的に被覆し、それによって、固体電池１００を汚染から保護し、固体電池１００の寿命を伸ばしてもよい。いくつかの実施の形態では、保護コーティング１１４は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、アルミナまたはセラミックから形成されてもよい。他の保護コーティング材料も同様に可能である。
固体電池１００はいかなる数の寸法をとってもよい。いくつかの実施の形態では、たとえば、固体電池１００は、約３０μｍと約６０μｍとの間の厚みを有してもよい。他の固体電池１００の厚みも同様に可能である。たとえば、固体電池１００の平面の面積および厚みを含む、固体電池１００の寸法は、固体電池１００の応用によって変動してもよい。
いくつかの実施の形態では、固体電池１００のエネルギ密度を改善するために、図１Ｂにおいて示されるように、固体電池１００は両面固体電池であることが望ましくてもよい。示されるように、両面固体電池１００は第２のカソード電流コレクタ１１６、第２のアノード電流コレクタ１１８、第２のカソード１２０、第２の固体電解質１２２および第２のアノード１２４を含む。第２のカソード電流コレクタ１１６、第２のアノード電流コレクタ１１８、第２のカソード１２０、第２の固体電解質１２２および第２のアノード１２４は、図１Ａとの関連で、それぞれ、カソード電流コレクタ１０４、アノード電流コレクタ１０６、カソード１０８、固体電解質１１０およびアノード１１２に対して記載された形式のうちの任意の形式をとってもよい。いくつかの実施の形態では、示されるように、固体電池１００はさらに保護コーティング１２６を含んでもよい。保護コーティング１２６は、たとえば、第２のアノード１２４を実質的に被覆し、それによって、固体電池１００を汚染から保護し、固体電池１００の寿命を伸ばしてもよい。いくつかの実施の形態では、保護コーティング１２６はＳｉＯ２、アルミナまたはセラミックから形成されてもよい。他の保護コーティング材料も同様に可能である。
ＩＩ．固体電池を製造する例示的な方法
図２は、いくつかの実施の形態に従う、ＹＳＺ基板を含む固体電池を製造する方法２００を記載するフローチャートである。
示されるように、方法２００は、ブロック２０２において、ＹＳＺの基板を提供することで始まる。基板は、たとえば、図１Ａとの関連で基板１０２に関して上に記載された形式のうちの任意の形式をとってもよい。いくつかの実施の形態では、基板を提供することはＹＳＺ基板を製造することを伴ってもよい。代替的に、他の実施の形態では、基板を提供することは、ニューヨーク州バッファローのＥＮｒＧ社によって製造されるＥ−Ｓｔｒａｔｅ（登録商標）基板などのような予め製造された基板を得ることを伴ってもよい。いずれの場合も、基板はＹＳＺの独立層であってもよく、または金属もしくはセラミックの層に取付けられたＹＳＺの層であってもよい。基板は、他の態様で提供されてもよい。
方法２００は、続いて、ブロック２０４において、基板上にアノード電流コレクタおよびカソード電流コレクタを形成する。アノード電流コレクタは、たとえば、図１Ａとの関連でアノード電流コレクタ１０６に関して上に記載された形式のうちの任意の形式をとってもよい。同様に、カソード電流コレクタは、たとえば、図１Ａとの関連でカソード電流コレクタ１０４に関して上に記載された形式のうちの任意の形式をとってもよい。いくつかの実施の形態では、アノード電流コレクタおよびカソード電流コレクタの一方または両方は予め形成されてもよく、基板上にアノード電流コレクタおよびカソード電流コレクタの一方または両方を形成することは、予め形成されたアノードおよび／またはカソード電流コレクタを基板に（たとえば、基板とアノードおよび／またはカソード電流コレクタとの間に接着層を用いて）付着することを伴ってもよい。代替的に、他の実施の形態では、基板上にアノード電流コレクタおよびカソード電流コレクタの一方または両方を形成することは、アノードおよび／またはカソード電流コレクタを基板上に（たとえば、リソグラフィを用いて）パターニングすることを伴ってもよい。アノードおよび／またはカソード電流コレクタは、他の態様で形成されてもよい。カソード電流コレクタ１０４およびアノード電流コレクタ１０６は、並行してまたは連続的に形成されてもよい。
方法２００は、続いて、ブロック２０６において、ＬｉＣｏＯ２のカソードを形成し、カソードはカソード電流コレクタと電気的接触状態にある。カソードは、たとえば、図１Ａとの関連でカソード１０８に関して上に記載された形式のうちの任意の形式をとってもよい。いくつかの実施の形態では、カソードを形成することは、たとえば、カソード電流コレクタ上にＬｉＣｏＯ２を堆積（たとえばスパッタリング）してカソードを形成することを伴ってもよい。カソードは、他の態様で形成されてもよい。
方法２００は、続いて、ブロック２０８において、カソードを約７００℃と約８００℃との間の温度でアニールする。一般に、アニールは、カソードの結晶化および結晶配向を改善するよう働き、約７００℃と約８００℃との間の温度でのアニールは、カソードの結晶化および結晶配向を改善するよう働き得る。上に記載されるように、基板のＹＳＺは約７００℃と約８００℃との間のアニール温度に耐えることができ、約８００℃において０に近い熱膨脹係数を有する。その結果、ＹＳＺ基板は、カソードを損傷することなく、約７００℃と約８００℃との間の温度においてカソードのアニールを可能にして、固体電池の、約１０３０Ｗｈ／Ｌの改善されたエネルギ密度をもたらす。アニールは、たとえば炉、高速熱アニールシステムまたはフラッシュアニールシステムなどのような閉じた加熱装置において生じてもよい。カソードは、他の態様でアニールされてもよい。
方法２００は、続いて、ブロック２１０において、ＬｉＰＯＮの固体電解質を形成する。固体電解質は、たとえば、図１Ａとの関連で固体電解質１１０に関して上に記載された形式のうちの任意の形式をとってもよい。いくつかの実施の形態では、固体電解質を形成することは、たとえば物理蒸着を用いて固体電解質を形成することを伴ってもよい。たとえば、固体電解質は、基板を真空チャンバ内でリン酸リチウム（Ｌｉ３ＰＯ４）のターゲットに面して配置し、チャンバ内に窒素を導入し、それによって、プラズマを形成することによりＬｉＰＯＮの成膜（たとえばスパッタリング）を容易にすることによって形成されてもよい。固体電解質は、他の態様で形成されてもよい。
方法２００は、続いて、ブロック２１２において、リチウムのアノードを形成し、アノードはアノード電流コレクタと電気的接触状態にあり、固体電解質はアノードとカソードとの間に形成される。アノードは、たとえば、図１Ａとの関連でアノード１１２に関して上に記載された形式のうちの任意の形式をとってもよい。いくつかの実施の形態では、アノードを形成することは、たとえば、アノード電流コレクタおよび固体電解質上にリチウムを堆積（たとえばスパッタリング）してカソードを形成することを伴ってもよい。アノードは、他の態様で形成されてもよい。
いくつかの実施の形態では、方法２００はアノードを実質的に被覆する保護コーティングを形成することをさらに含んでもよい。保護コーティングは、たとえば、図１Ａとの関連で保護コーティング１１４に関して上に記載された形式のうちの任意の形式をとってもよい。他の実施の形態では、保護コーティングは形成されなくてもよい。
図３Ａ〜図３Ｅは、いくつかの実施の形態に従う、ＹＳＺ基板を含む固体電池を製造する方法を示す。方法は、たとえば、図２との関連で上に記載された方法２００であってもよい。
図３Ａに示されるように、ＹＳＺの基板３０２が設けられる。基板３０２は、図１Ａとの関連で基板１０２に関して上に記載された形式のうちの任意の形式をとってもよく、図２との関連でプロック２０２に関して上に記載された態様のうちの任意の態様で設けられてもよい。
図３Ｂは、基板上におけるカソード電流コレクタ３０４およびアノード電流コレクタ３０６の形成を示す。カソード電流コレクタ３０４およびアノード電流コレクタ３０６は、図１Ａとの関連で、それぞれ、カソード電流コレクタ１０４およびアノード電流コレクタ１０６に関して上に記載された形式のうちの任意の形式をとってもよい。さらに、カソード電流コレクタ３０４およびアノード電流コレクタ３０４は、図２との関連でブロック２０４に関して上に記載された態様のうちの任意の態様で形成されてもよい。
図３ＣはＬｉＣｏＯ２のカソード３０８の形成を示す。示されるように、カソード３０８はカソード電流コレクタ３０４と電気的接触状態にある。カソード３０８は、図１Ａとの関連でカソード１０８に関して上に記載された形式のうちの任意の形式をとってもよい。さらに、カソード３０８は、図２との関連でブロック２０６に関して上に記載された態様のうちの任意の態様で形成されてもよい。さらに、カソード３０８は、図２との関連でブロック２０８に関して上に記載された態様のうちの任意の態様でアニールされてもよい（図示せず）。
図３ＤはＬｉＰＯＮの固体電解質３１０の形成を示す。固体電解質３１０は、図１Ａとの関連で固体電解質１１０に関して上に記載された形式のうちの任意の形式をとってもよい。さらに、固体電解質は、図２との関連でブロック２１０に関して上に記載された態様のうちの任意の態様で形成されてもよい。
図３Ｅはリチウムのアノード３１２の形成を示す。示されるように、アノード３１２はアノード電流コレクタ３０６と電気的接触状態にある。加えて、示されるように、固体電解質３１０はカソード３０８とアノード３１２との間に形成される。アノード３１２は、図１Ａとの関連でアノード１１２に関して上に記載された形式のうちの任意の形式をとってもよい。さらに、アノード３１２は、図２との関連でブロック２１２に関して上に記載された態様のうちの任意の態様で形成されてもよい。
示されるように、アノードを実質的に被覆する保護コーティング３１４が加えて形成されてもよい。保護コーティング３１４は、たとえば、図１Ａとの関連で保護コーティング１１４に関して上に記載された形式のうちの任意の形式をとってもよい。いくつかの実施の形態では、保護コーティング３１４は形成されなくてもよい。
ＩＩＩ．多数の固体電池を製造する例示的方法
いくつかの適用例では、多数の固体電池を、個々にではなく、単一の製造工程において製造することが望ましいかもしれない。この目的のために、開示される固体電池はロールからロールへの製造工程を用いて製造されてもよく、その製造工程では、多数の基板を含む可撓性のロールを（たとえばリソグラフィおよび／またはインクジェット印刷を用いて）パターニングし、および／または１つ以上の他のロールに付着させて、多数の基板の各々から固体電池を形成する。次いで、多数の基板を互いから分離して多数の固体電池を製造してもよい。
図４は、いくつかの実施の形態に従う、ＹＳＺ基板を各々が含む、多数の固体電池を製造する方法４００を記載するフローチャートである。示されるように、方法４００はブロック４０２において始まって、多数のＹＳＺの基板を含むロールを提供する。ロールはいかなる数の寸法をとってもよい。いくつかの実施の形態では、ロールは、たとえば約２５μｍと約４０μｍとの間の厚みを有してもよい。他の厚みも同様に可能である。さらに、いくつかの実施の形態では、ロールは、平面の長さおよび／または平面の幅をメートルのオーダで有してもよい。たとえば、ロールの平面の面積および厚みを含む、ロールの寸法は、製造されるべき固体電池の応用によって変動してもよい。
ロールは、図１Ａとの関連で基板１０２に関して上に記載された形式のうちの任意の形式をとってもよい。たとえば、いくつかの実施の形態では、ロールはＹＳＺの層から形成されてもよい。これらの実施の形態では、多数の基板のうちの各基板はロールのうちのある領域によって形成されてもよい。他の例として、いくつかの実施の形態では、ロールは、金属またはセラミックの層に取付けられたＹＳＺの層であってもよい。これらの実施の形態では、多数の基板のうちの各基板はロールのうちのある領域によって形成されてもよい。ロールは他の形式をとってもよい。任意の数の基板がロールに含まれてもよく、基板はいかなるパターンで配置されてもよい。
方法４００は、続いて、ブロック４０４において、多数の基板のうちの各基板ごとに、基板上にアノード電流コレクタおよびカソード電流コレクタを形成する。各アノード電流コレクタは、たとえば、図１Ａとの関連でアノード電流コレクタ１０６に関して上に記載された形式のうちの任意の形式をとってもよい。同様に、各カソード電流コレクタは、たとえば、図１Ａとの関連でカソード電流コレクタ１０４に関して上に記載された形式のうちの任意の形式をとってもよい。各アノード電流コレクタおよびカソード電流コレクタは、図２との関連でブロック２０４に関して上に記載された態様のうちの任意の態様で形成されてもよい。代替的に、各アノード電流コレクタおよびカソード電流コレクタは、パターニング（たとえばリソグラフィおよび／またはインクジェット印刷）を通して形成されてもよく、および／または基板を含むロール上に巻かれてそれに付着されるさらなるロール上において予め形成されてもよい。アノード電流コレクタおよびカソード電流コレクタは、他の態様で形成されてもよい。アノード電流コレクタおよびカソード電流コレクタは、並行して、連続的に、および／またはグループで形成されてもよい。
方法４００は、続いて、ブロック４０６において、多数の基板のうちの各基板ごとに、ＬｉＣｏＯ２のカソードを形成し、カソードはカソード電流コレクタと電気的接触状態にある。各カソードは、図１Ａとの関連でカソード１０８に関して上に記載された形式のうちの任意の形式をとってもよい。さらに、各カソードは、図２との関連でブロック２０６に関して上に記載された態様のうちの任意の態様で形成されてもよい。代替的に、各カソードは、パターニング（たとえばリソグラフィおよび／またはインクジェット印刷）を通して形成されてもよく、および／または基板を含むロール上に巻かれてそれに付着されるさらなるロール上において予め形成されてもよい。カソードは、他の態様で形成されてもよい。カソードは、並行して、連続的に、および／またはグループで形成されてもよい。
方法４００は、続いて、ブロック４０８において、多数の基板のうちの各基板ごとに、カソードを約７００℃と約８００℃との間の温度でアニールする。各カソードは、図２との関連でブロック２０８に関して上に記載された態様のうちの任意の態様でアニールされてもよい。カソードは、並行して、連続的に、および／またはグループでアニールされてもよい。
方法４００は、続いて、ブロック４１０において、多数の基板のうちの各基板ごとに、ＬｉＰＯＮの固体電解質を形成する。各固体電解質は、図１Ａとの関連で固体電解質１１０に関して上に記載された形式のうちの任意の形式をとってもよい。さらに、各固体電解質は、ブロック２１０に関して上に記載された態様のうちの任意の態様で形成されてもよい。代替的に、各固体電解質は、パターニング（たとえばリソグラフィおよび／またはインクジェット印刷）を通して形成されてもよく、および／または基板を含むロール上に巻かれてそれに付着されるさらなるロール上において予め形成されてもよい。固体電解質は、他の態様で形成されてもよい。固体電解質は、並行して、連続的に、および／またはグループで形成されてもよい。
方法４００は、続いて、ブロック４１２において、多数の基板のうちの各基板ごとに、リチウムのアノードを形成し、アノードはアノード電流コレクタと電気的接触状態にあり、固体電解質はアノードとカソードとの間に形成される。各アノードは、図１Ａとの関連でアノード１１２に関して上に記載された形式のうちの任意の形式をとってもよい。さらに、各アノードは、図２との関連でブロック２１２に関して上に記載された態様のうちの任意の態様で形成されてもよい。代替的に、各アノードは、パターニング（たとえばリソグラフィおよび／またはインクジェット印刷）を通して形成されてもよく、および／または基板を含むロール上に巻かれてそれに付着されるさらなるロール上において予め形成されてもよい。カソードは、他の態様で形成されてもよい。アノードは、並行して、連続的に、および／またはグループで形成されてもよい。
いくつかの実施の形態では、方法４００は、多数の基板のうちの各基板ごとに、アノードを実質的に被覆する保護コーティングを形成することをさらに含んでもよい。保護コーティングは、たとえば、図１Ａとの関連で保護コーティング１１４に関して上に記載された形式のうちの任意の形式をとってもよい。いくつかの実施の形態では、各保護コーティングは、パターニング（たとえばリソグラフィおよび／またはインクジェット印刷）を通して形成されてもよく、および／または基板を含むロール上に巻かれてそれに付着されるさらなるロール上において予め形成されてもよい。保護コーティングは、他の態様で形成されてもよい。保護コーティングは、並行して、連続的に、および／またはグループで形成されてもよい。代替的に、保護コーティングは形成されなくてもよい。
いくつかの実施の形態では、方法４００は、さらに、多数の基板における基板の各々を互いから分離し、それによって多数の固体電池を形成することを含んでもよい。各固体電池はそれぞれの基板を含んでもよい。基板は、たとえば、ダイ打抜きおよび／またはレーザ切断を用いて分離されてもよい。基板は、他の態様で分離されてもよい。
図５Ａ〜図５Ｃは、いくつかの実施の形態に従う、ＹＳＺ基板を各々が含む、多数の固体電池を製造する方法を示す。方法は、たとえば、図４との関連で上に記載された方法４００であってもよい。
図５Ａに示されるように、多数の基板５０２を含むロール５００が提供されてもよい。いくつかの実施の形態では、ロール５００はＹＳＺの層から形成されてもよい。これらの実施の形態では、多数の基板５０２における各基板はロール５００のうちのある領域によって形成されてもよい。他の例として、いくつかの実施の形態では、ロール５００は、金属またはセラミックの層に取付けられたＹＳＺの層であってもよい。これらの実施の形態では、多数の基板５０２における各基板はロール５００のうちのある領域によって形成されてもよい。ロール５００は、他の形式をとってもよい。任意の数の基板がロール５００に含まれてもよく、基板はいかなるパターンで配置されてもよい。
図５Ｂに示されるように、固体電池は、多数の基板５０２における各基板上に形成されてもよい。特に、各基板に対して、カソード電流コレクタ５０４、アノード電流コレクタ５０６、カソード（上面図からは可視でない）、固体電解質（上面図からは可視でない）およびアノード５０８が形成されてもよい。カソード電流コレクタ５０４、アノード電流コレクタ５０６、カソード、固体電解質およびアノード５０８の各々は、図１Ａとの関連で、それぞれ、カソード電流コレクタ１０４、アノード電流コレクタ１０６、カソード１０８、固体電解質１１０およびアノード１１２に対して上に記載された形式のうちの任意の形式をとってもよい。さらに、カソード電流コレクタ５０４およびアノード電流コレクタ５０６の各々は、図４との関連でブロック４０４に関して上に記載された態様のうちの任意の態様で形成されてもよい。さらに、カソード、固体電解質およびアノード５０８の各々は、図４との関連でそれぞれブロック４０６、４１０、および４１２に関して上に記載された態様のうちの任意の態様で形成されてもよい。カソード電流コレクタ５０４、アノード電流コレクタ５０６、カソード、固体電解質およびアノード５０８の１つ以上は、同じ製造ステップ中において形成されてもよく、または、各々、別個の製造ステップ中において形成されてもよい。
いくつかの実施の形態では、アノード５０８の各々を実質的に被覆する保護コーティング（図示せず）が、加えて形成されてもよい。保護コーティングは、たとえば、図１Ａとの関連で保護コーティング１１４に関して上に記載された形式のうちの任意の形式をとってもよい。他の実施の形態では、図示されるもののように、保護コーティングは形成されなくてもよい。
いずれの場合においても、各カソード電流コレクタ５０４、アノード電流コレクタ５０６、カソード、固体電解質およびアノード５０８は、それらが形成される基板と共に、固体電池を形成してもよい。次いで、図５Ｃに示されるように、固体電池は分離されてもよい。固体電池５１０の各々はそれぞれの基板を含んでもよい。固体電池５１０は、たとえば、ダイ打抜きおよび／またはレーザ切断を用いて分離されてもよい。固体電池５１０は、他の態様で分離されてもよい。
図５Ｃにおける固体電池５１０は上面視しているが、各固体電池は、側面視において、上に図１Ａとの関連で記載された固体電池１００と類似するよう、見えてもよい（図１Ａにおける固体電池１００は保護コーティング１１４を含むよう示されているが、上に記載されるように、固体電池５１０の各々は保護コーティングを含んでも含まなくてもよい。）。
いくつかの実施の形態では、固体電池５１０のエネルギ密度を改善するために、固体電池５１０は両面固体電池であることが望ましくてもよい。各両面固体電池は、第２のカソード電流コレクタ、第２のアノード電流コレクタ、第２のカソード、第２の固体電解質および第２のアノードを含んでもよい。第２のカソード電流コレクタ、第２のアノード電流コレクタ、第２のカソード、第２の固体電解質および第２のアノードは、図１Ａとの関連で、それぞれ、上に、カソード電流コレクタ１０４、アノード電流コレクタ１０６、カソード１０８、固体電解質１１０およびアノード１１２に対して記載された形式のうちの任意の形式をとってもよい。側面視して、両面固体電池５１０の各々は、上に図１Ｂとの関連で記載された両面固体電池１００に類似するように見えてもよい（図１Ｂにおける両面固体電池１００は保護コーティング１１４および１２６を含むよう示されているが、上に記載されるように、両面固体電池５１０の各々は保護コーティングを含んでも含まなくてもよい。）。
ＩＶ．結論
さまざまな局面および実施の形態がここに開示されたが、他の局面および実施の形態が当業者には明らかになる。ここに開示されたさまざまな局面および実施の形態は、例説の目的のためのものであり、限定的であるようには意図されず、真の範囲および精神は特許請求の範囲によって示される。

Claims (20)

  1. イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を含む基板と、
    前記基板上に形成されたカソード電流コレクタと、
    前記基板上に形成されたアノード電流コレクタと、
    前記カソード電流コレクタと電気的接触状態にあるリチウムコバルト酸化物を含むカソードと、
    前記アノード電流コレクタと電気的接触状態にあるリチウムを含むアノードと、
    前記カソードと前記アノードとの間に形成された窒化リン酸リチウムを含む固体電解質とを含む、固体電池。
  2. 前記基板は約２５μｍと約４０μｍとの間の厚みを有する、請求項１に記載の固体電池。
  3. 前記カソードは約１０μｍと約１５μｍとの間の厚みを有する、請求項１に記載の固体電池。
  4. 前記アノードを実質的に被覆する保護コーティングをさらに含む、請求項１に記載の固体電池。
  5. 前記保護コーティングは、二酸化ケイ素、アルミナおよびセラミックの少なくとも１つを含む、請求項４に記載の固体電池。
  6. 前記アノード電流コレクタおよび前記カソード電流コレクタの少なくとも一方は、ステンレス鋼またはニッケルを含む、請求項１に記載の固体電池。
  7. 前記基板は、金属またはセラミックを含む層をさらに含み、
    前記ＹＳＺは前記層に取付けられ、前記基板上に形成されている前記カソード電流コレクタおよび前記アノード電流コレクタは、前記ＹＳＺ上に形成されている前記カソード電流コレクタおよび前記アノード電流コレクタを含む、請求項１に記載の固体電池。
  8. イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を含む基板と、
    前記基板の第１の側に形成された第１のカソード電流コレクタと、
    前記基板の前記第１の側に形成された第１のアノード電流コレクタと、
    前記第１のカソード電流コレクタと電気的接触状態にあるリチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ２）を含む第１のカソードと、
    前記第１のアノード電流コレクタと電気的接触状態にあるリチウムを含む第１のアノードと、
    前記第１のカソードと前記第１のアノードとの間に形成された窒化リン酸リチウム（ＬｉＰＯＮ）を含む第１の固体電解質と、
    前記第１の側と反対側の前記基板の第２の側に形成された第２のカソード電流コレクタと、
    前記基板の前記第２の側に形成された第２のアノード電流コレクタと、
    前記第２のカソード電流コレクタと電気的接触状態にあるＬｉＣｏＯ２を含む第２のカソードと、
    前記第２のアノード電流コレクタと電気的接触状態にあるリチウムを含む第２のアノードと、
    前記第２のカソードと前記第２のアノードとの間に形成されたＬｉＰＯＮを含む第２の固体電解質とを含む、固体電池。
  9. 前記基板は約２５μｍと約４０μｍとの間の厚みを有する、請求項８に記載の固体電池。
  10. 前記第１のカソードおよび前記第２のカソードの少なくとも一方は約１０μｍと約１５μｍとの間の厚みを有する、請求項８に記載の固体電池。
  11. 前記第１のアノードを実質的に被覆する第１の保護コーティングおよび前記第２のアノードを実質的に被覆する第２の保護コーティングの少なくとも一方をさらに含む、請求項８に記載の固体電池。
  12. 前記第１の保護コーティングおよび前記第２の保護コーティングの少なくとも一方は、二酸化ケイ素、アルミナおよびセラミックの少なくとも１つを含む、請求項８に記載の固体電池。
  13. 前記第１のアノード電流コレクタ、前記第１のカソード電流コレクタ、前記第２のアノード電流コレクタおよび前記第２のカソード電流コレクタの少なくとも１つは、ステンレス鋼またはニッケルを含む、請求項８に記載の固体電池。
  14. イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を含む基板を提供することと、
    前記基板上にアノード電流コレクタおよびカソード電流コレクタを形成することと、
    リチウムコバルト酸化物を含むカソードを形成することとを含み、前記カソードはカソード電流コレクタと電気的接触状態にあり、さらに、
    カソードを約７００℃と約８００℃との間の温度でアニールすることと、
    窒化リン酸リチウムを含む固体電解質を形成することと、
    リチウムを含むアノードを形成することとを含み、前記アノードは前記アノード電流コレクタと電気的接触状態にあり、前記固体電解質は前記アノードと前記カソードとの間に形成される、方法。
  15. 前記アノードを実質的に被覆する保護コーティングを形成することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
  16. 前記保護コーティングは、二酸化ケイ素、アルミナおよびセラミックの少なくとも１つを含む、請求項１５に記載の方法。
  17. 前記アノード電流コレクタおよび前記カソード電流コレクタの少なくとも一方は、ステンレス鋼またはニッケルを含む、請求項１４に記載の方法。
  18. 前記基板は、金属またはセラミックを含む層をさらに含み、
    前記基板を提供することは前記ＹＳＺを前記層に取付けることを含み、前記基板上に形成されている前記カソード電流コレクタおよび前記アノード電流コレクタは、前記ＹＳＺ上に形成されている前記カソード電流コレクタおよび前記アノード電流コレクタを含む、請求項１４に記載の方法。
  19. 複数の基板を含むロールを提供することを含み、各基板はイットリア安定化ジルコニアを含み、さらに、
    前記複数の基板のうちの各基板に対して、
    前記基板上にアノード電流コレクタおよびカソード電流コレクタを形成することと、
    リチウムコバルト酸化物を含むカソードを形成することとを含み、前記カソードは前記カソード電流コレクタと電気的接触状態にあり、さらに、
    前記カソードを約７００℃と約８００℃との間の温度でアニールすることと、
    窒化リン酸リチウムを含む固体電解質を形成することと、
    リチウムを含むアノードを堆積させることとを含み、前記アノードは前記アノード電流コレクタと電気的接触状態にあり、前記固体電解質は前記アノードと前記カソードとの間に形成され、さらに、
    前記複数の基板における前記基板の各々を分離し、それによって複数の固体電池を形成することを含み、各固体電池はそれぞれの基板を含む、方法。
  20. 前記複数の基板のうちの各基板に対して、前記アノードを実質的に被覆する保護コーティングを形成することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
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