JP2017531297A - 電池装置用の非晶質カソード材料 - Google Patents

電池装置用の非晶質カソード材料 Download PDF

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チェン，イェン−ハン
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Abstract

多層薄膜固体電池装置を製造する方法。方法ステップは、限定されないが、次の層、すなわち、基材部材と、障壁材料と、第１の電極材料と、ある厚さのカソード材料と、電解質と、アノード材料と、第２の電極材料とを形成するステップを含む。障壁材料を形成するステップは、基材部材への活性金属種の移動を実質的に阻止するように構成され、障壁劣化温度により特徴付けられるポリマー材料を形成するステップを含み得る。カソード材料を形成するステップは、空間体積が、カソード材料の外部境界領域により特徴付けられるように、温度を摂氏約−４０度から摂氏５００度以下に維持しながら非晶質の特性をもつカソード材料を形成するステップを含み得る。次に、本方法は、結果として得られる薄膜固体電池装置を移転するステップを伴い得る。

Description

[0001]本発明は、一般に、薄膜電気化学エネルギー貯蔵装置または固体電池装置を製造することに関する。詳細には、本発明は、数ある特徴の中でも、カソード材料の改善のための技法を提供する。より詳細には、本発明は、固体電池装置の製造のための複数の活性層と中間層とを使用した技法を提供する。
[0002]一般の電気化学セルは、多くの場合、液体電解質を使用する。このようなセルは、従来の多くの用途で典型的に使用される。電気化学セルを製造するための代替技法として、固体セルが挙げられる。このような固体セルは一般に実験段階にあり、製造が困難であり、大量生産には成功していない。将来性はあるが、セル構造と製造技法とに制限があるため、固体セルは実現していない。これらのおよび他の制限は、本明細書にわたって、またより詳細には以下で説明されている。
[0003]上記から、固体セルの製造を改善するための技法が非常に望まれることがわかる。
[0004]本発明によれば、薄膜電気化学エネルギー貯蔵装置または固体電池装置を製造するための技法が含まれる。詳細には、本発明は、数ある特徴の中でも、カソード材料の改善のための技法を提供する。より詳細には、本発明は、応力緩和手段、熱制御手段、イオン拡散防止手段、イオン拡散促進手段、導電促進手段、電気絶縁手段、接着手段、または、最も重要な後続の層のための平坦化手段のいずれかとして機能する複数の活性層と中間薄膜層とを使用することにより、より良好な性能と、より長いサイクル寿命とを達成するための薄膜電気化学エネルギー貯蔵装置または全固体装置を製造する方法を提供する。それらの装置の性能は、電気化学変換効率、光電変換効率、導電性、電気絶縁性、または高温／低温動作性能のいずれかであり得る。
[0005]本発明の方法が適用され得る、薄膜エネルギー貯蔵装置および全固体装置は、太陽電池パネル、消費者向け電子機器、車両、または送電網などの様々な用途に使用され得、消費者向け電子機器は、限定はされないが、表示装置、ＭＰ３プレーヤ、スマートフォン、タブレット、ノートパソコン、スマートウォッチ、活動追跡装置、および他の装着型装置を含み、車両は、限定はされないが、ハイブリッド電気バス、電気バス、ハイブリッド電気自動車、電気自動車、電動自転車、電動オートバイ、電動スクータ、電動ゴルフカート、列車、船、航空機、電気飛行機、ヘリコプタ、無人航空機、電動無人航空機、ドローン、他の航空機、宇宙ステーション、スペースシャトル、宇宙航空機、衛星、無人宇宙船、他の宇宙船、ならびに、他のハイブリッド型の電動の車両、差し込み式ハイブリッド型の電動の車両、および電動の車両を含み、送電網は、限定はされないが、住居、商業用建物、および地域共同体用の独立型マイクログリッド、および集中型送電網を含む。さらに、このようなエネルギー貯蔵装置は、電気通信システム、携帯電話およびアンテナ塔、データセンタ、ならびに、無停電電源に使用され得る。
[0006]一例において、カソード材料は、とりわけ、基材に対する錐面の傾きに違いがある、プレートレット、錐体、逆錐形または直円柱といった様々なものであり得るような、全体的に分散した多数の錐体、裂け目、連続または不連続な多面体要素、孔、亀裂または他の欠陥として様々な形態で現れる表面の不連続部、付加物、堆積された層、三次元の不規則な堆積された多面体の構造体と組み合わせた前述のあらゆる形状のあらゆる組み合わせの形をとる観測可能な不連続部を生成するように堆積され得る。もちろん、他の変形例、変更例、および代替例が存在し得る。
[0007]一例において、本発明は、多層薄膜固体電池装置を製造する方法を提供し得る。この方法に関与するステップは、限定されないが、以下のステップ、すなわち、基材部材を提供するステップと、障壁材料を形成するステップと、第１の電極材料を形成するステップと、ある厚さのカソード材料を形成するステップと、電解質を形成するステップと、アノード材料を形成するステップと、第２の電極材料を形成するステップと、薄膜固体電池装置を移転するステップとを含む。
[0008]一例において、基材部材は、表面領域を含み得、融点温度により特徴付けられ得る。障壁材料は、基材部材の表面領域を覆うように形成され得る。この障壁材料は、ポリマー材料を含み得、基材部材への活性金属種の移動を実質的に阻止するように構成され得る。また、障壁材料は、障壁劣化温度により特徴付けられ得る。第１の電極材料は、さらに、表面領域を覆うように形成され得る。
[0009]一例において、ある厚さのカソード材料は、非晶質の特性を有し得る。このカソード材料の形成は、摂氏約−４０度から摂氏５００度以下の範囲に温度を維持しながら実行され得る。また、カソード材料の形成は、空間体積がカソード材料の外部境界領域により特徴付けられるように、ある厚さのカソード材料が、１．Ｅ−１８ｍ２／ｓから１．Ｅ−４ｍ２／ｓの範囲の値をとる有効拡散率により特徴付けられるように、および、カソード材料が、空間体積の０．００１％から８０％である空洞領域により特徴付けられるようにされ得る。
[0010]特定の例において、ある厚さのカソード材料は、第１の厚さの非晶質材料と、第２の厚さの材料とを含み得る。カソード材料の第１の厚さは、第２の厚さより大きなものであり得、第１の厚さの非晶質材料は、第２の厚さの材料とは構造において異なり得る。カソード材料は、ある表面形態をさらに含み得る。特定の例において、有効拡散率は、第１の厚さの第１の拡散率と、第２の厚さの第２の拡散率とを含む。
[0011]特定の例において、カソード材料は、リチウム種を含み、リチウム種は、ＬｉＳＯＮ、ＬｉｘＬａ１−ｘＺｒＯ３、ＬｉｘＬａ１−ｘＴｉＯ３、ＬｉＡｌＧｅＰＯ４、ＬｉＡｌＴｉＰＯ４、ＬｉＳｉＣＯＮ、Ｌｉ１．３Ａｌ０．３Ｔｉ１．７（ＰＯ４）３、０．５ＬｉＴａＯ３＋０．５ＳｒＴｉＯ３、Ｌｉ０．３４Ｌａ０．５１ＴｉＯ２．９４、ＬｉＡｌＣｌ４、Ｌｉ７ＳｉＰＯ８、Ｌｉ９ＡｌＳｉＯ８、Ｌｉ３ＰＯ４、Ｌｉ３ＳＰ４、ＬｉＰＯＮ、Ｌｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２、Ｌｉ１．５Ａｌ０．５Ｇｅ１．５（ＰＯ４）３、Ｌｉ６ＰＳ５Ｃｌ、または、Ｌｉ５Ｎａ３Ｎｂ２Ｏ１２の少なくとも１つから選択される。カソード材料は、１．Ｅ−１２Ｓ／ｍから１．Ｅ６Ｓ／ｍの範囲の導電率により、Ｃ／１００から１００Ｃの範囲のＣレートにより、結晶度０％から０％の範囲のＸＲＤピーク対トータル比により、および、空間領域において構成された０．１ｎｍから１００ｎｍの範囲の平均微結晶寸法により特徴付けられ得る。
[0012]一例において、電解質は、カソード材料を覆うように構成され得る。アノード材料は、電解質を覆うように形成され得、第２の電極材料は、アノード材料を覆うように形成され得る。従って、本方法は、５０ワット時／リットルから３０００ワット時／リットルの範囲のエネルギー密度により特徴付けられる、結果として得られる薄膜固体電池装置を移転するステップを伴い得る。
[0013]従来技法を上回る利点が達成される。特定の実施形態に応じて、これらの利点の１つまたは複数が達成され得る。好ましい実施形態において、本発明は、障壁領域を含む適切な固体電池構造体を提供する。好ましくは、カソード材料は、電気化学セルに出力密度の改善をもたらすように構成される。本カソード材料は、従来の処理技術の技法を使用して製造され得る。もちろん、他の変形例、変更例、および代替例が存在し得る。
[0014]本発明は、知られた処理技術との関連において、これらの利点と他の利点とを達成する。しかし、本発明の本質と利点とのより深い理解は、本明細書の以下の部分と添付図面とを参照することにより実現され得る。
[0015]本発明をより十分に理解するため、添付図面を参照する。これらの図面が本発明の範囲における限定とみなされないことを理解した上で、現時点で説明される実施形態と、現時点で理解される本発明のベストモードとが、添付図面を使用してさらなる詳細と共に説明される。
[0016]本発明の一実施形態による、薄膜電気化学エネルギー貯蔵セルの簡略化された断面図である。 [0017]本発明の一実施形態による、電解質とアノード層との間の橋渡し領域を覆う追加的な拡散障壁層を含む変更を加えられた薄膜電気化学セルの簡略化された断面図である。 [0018]本発明の一実施形態による、薄膜電気化学エネルギー貯蔵セルの簡略化された断面図である。 [0019]本発明の一実施形態による、薄膜電気化学エネルギー貯蔵セルの写真を示す図である。 [0020]本発明の一実施形態による、図２Ａに示される概略図と同一領域の顕微鏡写真の図である。 [0021]本発明の実施形態による、試料の下から光が照らされた、図２Ａに示す概略図と同一領域の顕微鏡写真の図である。 本発明の実施形態による、試料の下から光が照らされた、図２Ａに示す概略図と同一領域の顕微鏡写真の図である。 [0022]本発明の一実施形態による、図２Ｃに示される「橋渡し」領域の走査電子顕微鏡写真の図である。 [0023]図３Ａは、本発明の一実施形態による、橋渡し領域を覆うように堆積された追加的な拡散障壁層を含む３つの領域を備える薄膜電気化学エネルギー貯蔵セルの簡略化された断面図である。[0024]図３Ｂは、本発明の一実施形態による、図３Ａに示されるような３つすべての領域にわたる無傷のアノード面を示す写真の図である。 [0025]図４Ａは、本発明の一実施形態に従って形成される電気化学セル層を示す各処理ステップの簡略化された断面図である。図４Ｂは、本発明の一実施形態に従って形成される電気化学セル層を示す各処理ステップの簡略化された断面図である。図４Ｃは、本発明の一実施形態に従って形成される電気化学セル層を示す各処理ステップの簡略化された断面図である。図４Ｄは、本発明の一実施形態に従って形成される電気化学セル層を示す各処理ステップの簡略化された断面図である。図４Ｅは、本発明の一実施形態に従って形成される電気化学セル層を示す各処理ステップの簡略化された断面図である。図４Ｆは、本発明の一実施形態に従って形成される電気化学セル層を示す各処理ステップの簡略化された断面図である。 [0026]図５Ａは、本発明の一実施形態による、カソード材料の一例示的な簡略化された断面図である。[0027]図５Ｂは、本発明の一実施形態による、非晶質カソード材料の一例示的な簡略化された断面図である。 [0028]本発明の一実施形態による、カソード材料の一例示的な簡略化された断面図である。 [0029]本発明の一実施形態による、カソード材料の一例示的な簡略化された断面図である。 [0030]本発明の一実施形態による、カソード材料の一例示的な簡略化された断面図である。 [0031]本発明による例における様々な電池装置のカソードの特性を示す表の図である。 [0032]本発明の例による、カソード装置の様々なリチウム含有種の結晶および非晶質構造を示す表の図である。 [0033]本発明の他の例による、カソード装置の様々なリチウム含有種の結晶および非晶質構造を示す表の図である。 [0034]本発明の一実施形態による、カソード装置の様々なリチウム含有種の結晶および非晶質構造を示す図である。 本発明の一実施形態による、カソード装置の様々なリチウム含有種の結晶および非晶質構造を示す図である。 本発明の一実施形態による、カソード装置の様々なリチウム含有種の結晶および非晶質構造を示す図である。 本発明の一実施形態による、カソード装置の様々なリチウム含有種の結晶および非晶質構造を示す図である。 本発明の一実施形態による、カソード装置の様々なリチウム含有種の結晶および非晶質構造を示す図である。 本発明の一実施形態による、カソード装置の様々なリチウム含有種の結晶および非晶質構造を示す図である。 本発明の一実施形態による、カソード装置の様々なリチウム含有種の結晶および非晶質構造を示す図である。 本発明の一実施形態による、カソード装置の様々なリチウム含有種の結晶および非晶質構造を示す図である。 [0035]本発明の例による、実験結果に基づく値の図である。 本発明の例による、実験結果に基づく値の図である。 本発明の例による、実験結果に基づく値の図である。 [0036]本発明の一例におけるカソード材料の画像を示す。 [0037]本発明の代替例におけるカソード材料の画像を示す。 [0038]本発明の好ましい一例におけるカソード材料の画像を示す。
[0039]本発明によれば、薄膜電気化学エネルギー貯蔵装置または固体電池装置を製造するための技法が含まれる。特に、本発明は、数ある特徴の中でカソード材料の改善のための技法を提供する。より詳細には、本発明は、固体電池装置の製造のため複数の活性層と中間層とを使用した技法を提供する。
[0040]本発明は、薄膜電気化学エネルギー貯蔵装置と固体装置との製造に関する技法を使用する。より詳細には、本発明は、応力緩和手段、熱制御手段、イオン拡散防止手段、イオン拡散促進手段、導電促進手段、電気絶縁手段、接着手段、または最も重要な後続の層のための平坦化手段のいずれかとして機能する複数の活性層と中間薄膜層とを使用することにより、より良好な性能と、より長いサイクル寿命とを達成するための、薄膜電気化学エネルギー貯蔵装置または全固体装置を製造する方法を提供する。それらの装置の性能は、電気化学変換効率、光電変換効率、導電性、電気絶縁、または高温／低温動作性能のいずれかであり得る。
[0041]本発明の方法が適用され得る、薄膜エネルギー貯蔵装置と全固体装置とは、太陽電池パネル、消費者向け電子機器、車両、または送電網などの様々な用途に使用され得、消費者向け電子機器は、限定はされないが、表示装置、ＭＰ３プレーヤ、スマートフォン、タブレット、ノートパソコン、スマートウォッチ、活動追跡装置、および他の装着型装置、または医療装置を含み、車両は、限定はされないが、ハイブリッド電気バス、電気バス、ハイブリッド電気自動車、電気自動車、電動自転車、電動オートバイ、電動スクータ、電動ゴルフカート、列車、船、航空機、電気飛行機、ヘリコプタ、無人航空機、電動無人航空機、ドローン、他の航空機、宇宙ステーション、スペースシャトル、宇宙航空機、衛星、無人宇宙船、他の宇宙船、ならびに、他のハイブリッド型の電動の車両、差し込み式ハイブリッド型の電動の車両、および電動の車両を含み、送電網は、限定はされないが、住居、商業用建物、および地域共同体用の独立型マイクログリッド、ならびに、集中型送電網を含む。さらに、このようなエネルギー貯蔵装置は、電気通信システム、携帯電話、およびアンテナ塔、データセンタ、ならびに、無停電電源に使用され得る。
[0042]特定の実施形態において、本発明は、欠陥を覆い、故障を防止するため、薄膜電気化学エネルギー貯蔵システムにおいて、または、全固体薄膜装置において平坦化層を使用する方法を提供する。欠陥は、以前の層の表面に発生した粗さ、小穴、および亀裂を指す。これらの欠陥は、２つの連続的に接続された層の間の接続不良に起因した高い接触抵抗をもたらし得る。それらは、さらに、接着不良に起因した剥離を引き起こし得る。さらに、それらは、製造工程中に誘起された温度差に起因した、または、投入の繰り返し中における温度差または濃度差により引き起こされる体積膨張に起因して誘起された歪みに起因した、応力集中による疲労または機械的故障を引き起こし得る。これらの平坦化層は、薄膜に関係した堆積工程を使用することにより堆積されて、以前に堆積された層の表面における欠陥を平坦化する。これらの平坦化層の機能は、限定はされないが、欠陥を軽減することと、機械的故障を防止することと、酸素種、水化学種、窒素種、および二酸化炭素種が第１の電気化学／電気活性層のいずれか内に拡散することを防止することと、第２の層を含むあらゆる材料が第１の層と接合、合金化、混合、または、複合材を形成することを防止することとを含む。さらに、欠陥が平坦化されるので、その結果、後から堆積された層が、より良好な土台となり、より良好な接着性をもち、薄膜構成層のより良好な一様さを達成し得る。不活性な物理的性質をもつ薄膜エネルギー貯蔵装置または他の固体装置内における電気化学／電気活性層の欠陥を覆う中間薄膜平坦化層を形成するために使用される材料は、それらの機能に基づいて、限定はされないが、次の４つのグループに分類され得る。
Ａ．導電率／熱伝導率の低い電気絶縁体／断熱材または化学的不活性として
Ｂ．熱伝導率の高い高伝熱材として
Ｃ．イオン種の拡散率または反応性の低い耐湿層として
Ｄ．高い湿潤性をもち、応力集中を緩和すると共に接触抵抗を小さくするため以前の層との良好な接着力をもつ平坦化層として
[0043]代替的な実施形態における、欠陥を軽減するため、電気化学／電気活性層内に拡散することから酸素種、水化学種、窒素種、および二酸化炭素種に起因した機械的故障を防止するため、またはこの介在されたもう１つの薄膜層の形成に起因して汚染物が第１の層と接合、合金化、混合、または、複合材を形成することを防ぐため、不活性の性質をもつ固体電池または他の固体薄膜装置内で第１の電気化学／電気活性層を覆う中間の１つまたは複数の薄膜平坦化層を形成するために使用される材料。この平坦化層部を形成するための材料の選択は、その目的に密接に依存する。この平坦化層が電気絶縁体／断熱材、または化学的不活性のためにも使用される場合、この平坦化層のための材料は、限定はされないが、ソルダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、ＬｉＡｌＣｌ４構造体と同様のＮＡＳＩＣＯＮ、βまたはβ”アルミナ構造体、またはペロブスカイト型構造体、ａＬｉｘＰＯ４−ｂＬｉ２Ｓ−ｃＳｉＳ２であってａ＋ｂ＋ｃが１に等しいもの、ＬｉＳＯＮ、ＬｉｘＬａ１−ｘＺｒＯ３、ＬｉｘＬａ１−ｘＴｉＯ３、ＬｉＡｌＧｅＰＯ４、ＬｉＡｌＴｉＰＯ４、ＬｉＳｉＣＯＮ、Ｌｉ１．３Ａｌ０．３Ｔｉ１．７（ＰＯ４）３、０．５ＬｉＴａＯ３＋０．５ＳｒＴｉＯ３、Ｌｉ０．３４Ｌａ０．５１ＴｉＯ２．９４、ＬｉＡｌＣｌ４、Ｌｉ７ＳｉＰＯ８、Ｌｉ９ＡｌＳｉＯ８、Ｌｉ３ＰＯ４、Ｌｉ３ＳＰ４、ＬｉＰＯＮ、Ｌｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２、Ｌｉ１．５Ａｌ０．５Ｇｅ１．５（ＰＯ４）３、Ｌｉ６ＰＳ５Ｃｌ、Ｌｉ５Ｎａ３Ｎｂ２Ｏ１２、またはポリマーの集合、すなわち、ＰＥＯ、エチレンオキシドオリゴマー群、およびエチレンオキシドオリゴマー群の間に交互に分散して位置するシリコンベース群を含む、セラミックスの群から選択され得る。この平坦化層が高伝熱材にも使用される場合、この層のための材料は、限定はされないが、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、二酸化ジルコニウム（ジルコニア）、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化カルシウム、酸化セリウム（ＩＩＩ）、および窒化ホウ素といったセラミックスの群から選択され得る。この平坦化層が、耐湿にも使用される場合、この平坦化層のための材料は、限定はされないが、金属、ガラス、セラミックス、マイカ、シリコーン樹脂、アスベスト、アクリル、フタル酸ジアリル、およびプラスチック樹脂の群から選択され得る。
[0044]本発明の代替的な実施形態において、限定されないが、酸素種、水化学種、窒素種、および二酸化炭素種が第１の電気化学／電気活性層のいずれかに拡散することを防ぐため、または、第２の層を備えるあらゆる材料が第１の層と接合、合金化、混合、または複合材を形成することを防ぐためを含めて、欠陥を軽減するため、および、機械的故障を防止するため、不活性な性質をもつ固体電池または他の固体装置内で第１の電気化学／電気活性層を覆う中間の１つまたは複数の薄膜平坦化層を形成するために使用され、限定はされないが、以下を含む材料。
[0045]平坦化層を形成する堆積方法の選択は、形成される必要のある材料の種類と、生成することが意図される材料特性の種類と、形成することが意図される材料の微細構造の種類とに応じて決まる。これらの方法は、限定されないが、熱蒸着、相変化液供給器補助熱蒸着、電子ビーム蒸着、無線周波数マグネトロンスパッタリング、直流マグネトロンスパッタリング、物理蒸着（ＰＶＤ：ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、化学蒸着、低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ：ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、原子層堆積（ＡＬＤ：ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、直接レーザ書き込み（ＤＬＷ：ｄｉｒｅｃｔ ｌａｓｅｒ ｗｒｉｔｉｎｇ）、スパッタリング、マイクロ波プラズマ化学蒸着（ＭＰＥＣＶＤ：ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｐｌａｓｍａ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ：ｐｕｌｓｅｄ ｌａｓｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ナノインプリント、イオン注入、レーザアブレーション、噴霧堆積、噴霧熱分解、噴霧塗布、およびプラズマ噴霧を含む。積層セルまたは単層セルの堆積後、固体電池装置またはサブユニットは、特定の層を焼き尽くすかまたは酸化して、積層セルまたは層の間の層を分離または平滑化するように機能するように、少なくとも６０分にわたって目標温度まで急速に加熱し得る。
[0046]代替的な実施形態において、１つまたは複数の平坦化層は、小穴と亀裂とを充填するために使用される。これらの平坦化層の厚さ、順序、および選択は、欠陥の寸法と、一連の層の材料の種類とに応じて決まる。さらに、これらの平坦化層の微細構造の種類は、それら自身の材料特性を変化させ得る。蒸着方法の種類、それらの背景ガス、および基材、蒸発源温度が、最終生成物における薄膜の微細構造と密に関係するので、適切な蒸着方法を慎重に選択することが必要である。先行する層の亀裂、小穴、および粗さが平坦化層により平坦化されると、堆積工程中に誘起される接触抵抗および残留応力が低減され得、平坦化層の平らな面が、装置内の平面の次元における後続の層の均一さのための土台を提供する。
[0047]他の特定の実施形態において、本発明は、化学種の拡散または電子の伝導を制限するため、異種材料の他の層を覆う１つまたは複数の不活性層を利用する方法を提供し、層の積層順序は、単一の積層、または、１回または複数回の繰り返しのいずれかである。薄膜エネルギー貯蔵装置または全固体装置内の層にわたる強い反応種の拡散を防ぐために使用される不活性層。不活性層が制御しようとする強い反応種は、限定はされないが、リチウム原子、リチウムイオン、プロトン、ナトリウムイオン、およびカリウムイオン、または他のイオン種を含む。不活性層は、限定はされないが、強い反応種が通って拡散することがほとんどないように、強い反応種の１ｘ１０−１７ｍ２／ｓより小さなイオン拡散係数をもつ、ポリマー材料、酸化アルミニウム、および他のセラミックスを含む材料から選択される。不活性層の別の機能は、電子の伝導を防止することであり、不活性層は、限定はされないが、これらの層を通して電子がほとんど伝導しないポリマー材料を含む材料から選択される。これらの２つの群の材料層の、交互に位置するこれらの中間層は、イオン種と電子との両方を制御し得る。
[0048]本発明の別の好ましい実施形態において、薄膜エネルギー貯蔵装置または全固体装置の電気／電気化学活性層を覆う１つまたは複数の薄膜平坦化層は、高温での装置の動作、頑丈さ、化学的および物理的な劣化を含む苛酷な環境への耐性を実現し、電気的な絶縁を提供する。この目的を達成するため、機能ユニットを形成するように互いの上に堆積されたいくつかの薄膜層：固体電気化学エネルギー貯蔵装置または電子装置の非平面電気／電気化学活性層と連続して物理的に接触した単一の薄膜接着層；およびこの装置内で許容温度が保たれるように、装置内で生成される熱を外部環境に伝達するようにヒートシンク位置に配線で接続された、一連の接着層を覆うように堆積された別の１つまたは複数の伝熱層；この装置が高温放出源の近くに搭載または設置された場合に、放出源からの熱が制御されて装置内に伝達されないようにされ得るように、伝熱層を覆うように堆積された別の１つまたは複数の比較的熱的に断熱された層；最後に、このユニットが周辺環境に対して露出されているか、または、別の適切に温度制御された装置内に埋設されたままであるかに応じて、一連の伝熱層または熱的に断熱された層上に堆積された保護層。温度制御に使用されるこの機能ユニットが、薄膜エネルギー貯蔵装置または全固体装置内にある場合、このユニットは、２つの機能的活性層の間に挟まれ得る。別の例では、この機能ユニットの保護層は、外部環境を臨む。
[0049]別の代替的な実施形態において、本発明は、高温での装置の動作、頑丈さ、化学的および物理的な劣化を含む苛酷な環境への耐性を実現し、電気的な絶縁を提供する、薄膜エネルギー貯蔵装置または全固体装置の電気／電気化学活性層を覆う１つまたは複数の薄膜平坦化層を利用する方法を提供する。この目的を達成するため、いくつかの薄膜層は、順次、互いの上に堆積されて、機能ユニットを形成し、それらの順序は次のとおりである。
Ａ．単一の薄膜接着部、
Ｂ．１つまたは複数の伝熱層、
Ｃ．別の１つまたは複数の比較的熱的に断熱された層、
Ｄ．および、必要な場合、保護層。
[0050]接着層は、５００オングストローム未満の合計の厚さを有し、この接着層の材料は、ブチル、スチレンブタジエン、フェノール系、多硫化物、シリコーン、またはネオプレンなどのエラストマの群；金属塩、ポリ（エチレンオキシド）（ＰＥＯ）、ポリ（プロピレンオキシド）（ＰＰＯ）、ポリ（エチレングリコール）（ＰＥＧ）、ポリ（フッ化ビニリデン）（ＰＶｄＦ）、ポリ（アクリロニトリル）（ＰＡＮ）、ポリ（メチルメタアクリレート）（ＰＭＭＡ）、ポリ（フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン）（ＰＶｄＦ−ｃｏ−ＨＦＰ）などのポリマーの群から選択されるポリマー内のＡＸ（Ａ＋は、アノードイオンであり、限定はされないが、Ｌｉ＋、Ｎａ＋、Ｍｇ２＋などの金属の群から選択され、Ｘ−は、カソードイオンであり、限定はされないが、Ｉ−、Ｃｌ−、Ｂｒ−、ＣｌＯ４ −、ＣＦ３ＳＯ３ −、ＢＦ４ −、およびＡｓＦ６ −である）などのポリマー電解質の群；、シアノアクリレート、ポリエステル、エポキシ樹脂、フェノール系、ポリイミド、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアセタール、ポリアミド、アクリルなどのプラスチックポリマーの群；エラストマおよびプラスチックポリマーの温度範囲が適切でない場合、酸化ジルコニウム、酸化ルテニウム、酸化ロジウム、酸化イリジウム、酸化オスミウム、ホウ化ジルコニウム、窒化チタン、炭化タングステン、窒化タンタル、窒化タングステン、ホウ化チタン、ホウ化タンタル、ホウ化タングステン、鉛アルカリホウケイ酸塩などのセラミックスまたはガラスの群、または、ジルコニウム、チタン、ロジウム、イリジウム、オスミウム、またはパラジウムといった金属の群のいずれかから選択される。１つまたは複数の伝熱層は、一連の接着層を覆うように堆積され、これらの層は、１ミクロン未満の合計厚さをもつ。この装置から外に熱を伝達するための材料の種類は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化亜鉛、インジウムスズ酸化物、およびマイカなどのセラミックスの群または、アルミニウム、銀銅、亜鉛、インジウム、スズなどの金属の群とのいずれかから選択され得る。次に、高温放出装置が現在の装置の近くにあるときに、現在の装置内に高温が放出されないように、別の１つまたは複数の相対的に熱的に断熱された中間層が、伝熱層を覆うように堆積される。これらの相対的に熱的に断熱された中間層は、必要な場合、１ミクロン未満の厚さをもつ。断熱のために使用され得る材料の種類は、ソーダ石灰、マイカ、およびホウケイ酸塩などのセラミックスの群から、アルミニウム、銀銅、亜鉛、インジウム、およびスズなどの金属の群から、または、エチレン（Ｅ）、ポリエチレン、プロピレン（Ｐ）、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、ペルフルオロプロピルビニルエーテル、ペルフルオロメチルビニルエーテル、クロロトリフルオロエチレン、ポリカーボネート、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリイミド、ポリスチレン、エポキシ樹脂、およびフェノール系材料などのポリマーの群から、のいずれかから選択され得る。
[0051]本発明の別の特定の実施形態において、薄膜電気化学エネルギー貯蔵システムにおける２つの異なる物理的性質の積層された電解質は、電解質としての適切な機能を提供するため、および、製造時間を短縮するために使用される。これらの制御される物理的性質の候補は、限定はされないが、質量密度、結晶構造、イオン伝導率、イオン拡散率、電子伝導率、誘電率、シート抵抗、接触抵抗、機械的強度、機械的硬度、熱膨張係数、および濃度膨張係数を含む。この２つの積層された電解質の第１の層は、より薄く、高温に耐えることができ、樹枝状結晶成長と電気的短絡とを防ぐほどに堅い。この２つの積層された電解質の第２の層は、より厚く、強い反応種に対してより低いイオン拡散率をもち、システム全体のサイクル寿命が改善され得るように、拡散、導電性、機械的応力、不活性、または外部の化学種または強い反応種に対する低拡散性のいずれかに関する問題を緩和するために使用し得るように、物理的性質の１つまたは複数が特定の性質をもつように調整される。
[0052]別の好ましい実施形態において、本発明は、固体装置からのＬｉまたは他の活性種の拡散を防ぐため、および、酸素、水分、または窒素などの活物質と反応し得るサービス環境から薄膜電気化学システムまたは固体装置を保護するため、薄膜電気化学システムまたは他の固体装置において複数の２層を使用する方法を提供する。この２層機能ユニットにおいて、第１の層は、ポリマー層であり、ポリマー層は、不活性であり、活物質と反応しない。このポリマー層は、活物質イオン種の拡散を防ぐことと、後続の層のための平坦化層として機能することとの２つの機能をもつ。この２層機能ユニットの第２の層は、無機材料を含む。第２の層は、酸素、窒素、および水分などの、周辺環境から拡散し得る化学種に対する障壁として機能する。この２層機能ユニットの組み合わせは、この装置の活性種が外部の化学種と反応することを防ぎ得、活性種と外部の化学種との反応に起因した有効な性能またはエネルギーの損失を防ぎ得る。
[0053]一例において、薄膜電気化学システム内における拡散障壁中間層の効果を実証し、薄膜電気化学システムは、基材１１０と、電流コレクタ１２０と、カソード１３０と、電解質１４０と、アノード１５０と、封止層１６０とを含む（図１Ａと図１Ｂとに示される）。図１Ａは、本発明の一実施形態による、薄膜電気化学エネルギー貯蔵セルの簡略化された断面図である。図１Ａは、カソード活性領域とアノード電流コレクタとの間の「橋渡し」領域付近における電気化学セル１０１の簡略化された断面図を示し、アノードからのリチウムイオンは、基材を通して拡散され、アノードとアノード電流コレクタとにわたる、基材に直交した伝導経路を形成する、
[0054]図１Ｂは、本発明の一実施形態による、電解質とアノード層との間における橋渡し領域を覆う追加的な拡散障壁層を含む、変更を加えられた薄膜電気化学セル１０２の簡略化された断面図である。図１Ｂは、アノード種（すなわち、リチウムイオン）が基材または他の下層部材内に拡散することを防ぐため、電解質とアノード層との間における橋渡し領域を覆う追加的な拡散障壁層１７０を含む、変更を加えられた電気化学セルの断面図を示す。
[0055]図２Ａは、本発明の一実施形態による、薄膜電気化学エネルギー貯蔵セルの簡略化された断面図である。図２Ａは、アノード障壁層を含まない例示的なセル構造を示し、図１Ａに示されるものと同様の概略的なセル構造を示す。セル２０１は、基材２１０と、電流コレクタ２２０と、カソード２３０と、電解質２４０と、アノード２５０と、および封止層１６０とを含み得る。当業者は、他の変形例、変更例、および代替例を認識するであろう。
[0056]図２Ｂは、本発明の一実施形態による、薄膜電気化学エネルギー貯蔵セルの写真である。画像２０２は、電気配線に接続された薄膜を示す。点線部分２１２は、以下の図のための注目領域を示す。この画像は、図２Ａに示されるものと同様のセルのものであり得る。
[0057]図２Ｃは、本発明の一実施形態による、図２Ａに示される概略図と同じ領域の顕微鏡写真の図である。この画像２０３は、さらに、図２Ｂに示される注目部２１２の領域の拡大図であり得る。図２Ｃは、橋渡し領域におけるリチウム腐食層２１３の成長を示し、腐食したリチウムは、拡大図２２３において暗い層状パターンとして示される。
[0058]図２Ｄと図２Ｅとは、本発明の実施形態による、図２Ａに示す概略図と同一領域の顕微鏡写真の図であり、試料の下から光が照らされる。図２Ｄと図２Ｅとは、試料の背後に位置する光源を使用して層状パターンを示した同様の顕微鏡写真２０４、２０５を示し、点は半透明であり、リチウムアノードが欠如しており、腐食して酸化リチウムになっている。
[0059]図２Ｆは、本発明の一実施形態による、図２Ｃに示される「橋渡し」領域の走査電子顕微鏡写真である。図２Ｆは、橋渡し領域の断面のＳＥＭ像２０６を示し、アノード層が基材内に拡散されて、電解質と封止層との間に空洞を残す。
[0060]図３Ａは、本発明の一実施形態による、橋渡し領域を覆うように堆積された追加的な拡散障壁層を含む、３つの領域を含む薄膜電気化学エネルギー貯蔵セルの簡略化された断面図である。このセル３０１は、図１Ｂに示されるセルと同様であり、基材３１０と、電流コレクタ３２０と、カソード３３０と、電解質３４０と、アノード３５０と、封止層３６０と、障壁層３７０とを含む。図３Ａは、セル活性領域（領域Ａ）と電流コレクタ（領域Ｃ）との間の橋渡し領域（領域Ｂ）を覆うように堆積された追加的な拡散障壁層を含む、変更を加えられたセル構造である。
[0061]下の画像である図３Ｂは、本発明の一実施形態による、図３Ａに示す３つすべての領域にわたる無傷のアノード面を示す。画像３０２は、リチウムと基材の材料との間の反応を防ぐ障壁層の保護を備えるセルを示す。領域Ａは、セル活性領域に対応し、領域Ｂは、橋渡し領域（ＰＭＬ障壁におけるＬｉ）に対応し、領域Ｃは、前述のセルの電流コレクタに対応する。
[0062]図４Ａ〜図４Ｆは、本発明の一実施形態に従って形成された電気化学セル層を示す各処理ステップの簡略化された断面図を示す。図４Ａにおいて、基材が提供される。第１のステップにおいて、基材上にアノード電流コレクタとカソード電流コレクタと（ＡＣＣおよびＣＣＣ）が堆積され（図４Ｂ）、第２のステップにおいて、カソード電流コレクタ上にカソード材料が堆積され（図４Ｃ）、第３のステップにおいて、カソードを覆うように電解質の材料が堆積され（図４Ｄ）、第４のステップにおいて、カソード材料が堆積される活性領域とアノード電流コレクタとの間の電解質にわたって、橋渡し領域を覆うように拡散障壁が堆積され（図４Ｅ）、第５のステップにおいて、活性領域と橋渡し領域とアノード電流コレクタの一部分とを覆うようにアノード材料が堆積される（図４Ｆ）。
[0063]別の好ましい実施形態において、本発明は、多層材料を使用することにより工程に内在する応力および／または環境応力を軽減するため、例えば、表示装置、太陽電池、エレクトロクロミックガラスなどの薄膜電気化学システムまたは他の薄膜装置において拡散層として複数の薄膜層を使用する方法を提供する。拡散層の１つは、消失する層であり、隣接した層を通って拡散される化学種としてこの層が空にされるように、非常に拡散しやすい材料を使用し、空になった空間は、薄膜電気化学システムまたは薄膜装置内の全応力が低減され、その耐用年数を延ばすように、応力の不連続部分として機能する。拡散層の第２の層は、通路層として機能し、消失する層における非常に拡散しやすい化学種に対してイオン伝導率の高い材料を利用する。拡散層の第３の層は、覆う層として、および拡散ホストとして機能し、消失層において非常に拡散しやすい化学種と反応して合金を形成し、将来の使用のため拡散しやすい種を収容する。消失層が空になり、この覆う層内に蓄積された後、この覆う層が非常に拡散しやすい化学種のための拡散ホストとなり、この拡散ホスト層から非常に拡散しやすい化学種の要求が提供される。
[0064]代替的な好ましい実施形態において、本発明は、拡散層として複数の薄膜層を使用する方法を提供する。これらの複数の薄膜層は、消失する層と、通路層と、拡散層（または、ホスト層）とを順に備える。消失する層は、拡散作用物として機能する。この消失する層は、限定はされないが、リチウム原子、リチウムイオン、プロトン、ナトリウムイオン、およびカリウムイオン、または他のイオン種などの単一元素の群、限定はされないが、リチウムマグネシウム合金、リチウムアルミニウム合金、リチウムスズ合金、リチウムスズアルミニウム合金を含むリチウム合金の群を含む非常に拡散しやすい化学種により堆積される。拡散媒体としての通路層は、イオン伝導性材料を含み、限定はされないが、１０−５から１０−１Ｓ／ｍの範囲のイオン伝導率をもつ、窒化リン酸リチウム、リチウムランタンジルコニウム酸化物、リチウムランタンチタン酸化物、リチウムナトリウムニオブ酸化物、リチウムアルミニウムシリコン酸化物、リン酸リチウム、チオリン酸リチウム、リチウムアルミニウムゲルマニウムリン酸塩、リン酸リチウムアルミニウムチタン、ＬＩＳＩＣＯＮ（ＬｉｘＭ１−ｙＭ’ｙＯ４（Ｍ＝Ｓｉ、Ｇｅ、およびＭ’＝Ｐ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｓｂ）により一般的に表されるリチウム超イオン伝導体）、ｔｈｉｏ−ＬＩＳＩＣＯＮ（ＬｉｘＭ１−ｙＭ’ｙＳ４（Ｍ＝Ｓｉ、Ｇｅ、およびＭ’＝Ｐ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｓｂ）により全体的に表されるリチウム超イオン伝導体）、リチウムイオン伝導硫銀ゲルマニウム鉱（Ｌｉ６ＰＳ５Ｘ（Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ））などのガラス状イオン伝導性材料の群；ポリ（エチレンオキシド）（ＰＥＯ）などのイオン伝導性ポリマーの群から選択され得る。
[0065]一実施形態において、消失する層から非常に拡散しやすい化学種が拡散し、反応または覆う層内に入ると、この覆う層が拡散ホストとして機能する。この覆う層または拡散ホスト層の候補は、限定はされないが、アルミニウム、銀銅、亜鉛、インジウム、スズなどの金属の群；非晶質または結晶リチウム化または非リチウム化遷移金属酸化物およびリチウム化遷移金属リン酸塩の群から選択され得、金属は、周期表の第３族から１２族に該当し、限定はされないが、リチウムマンガン酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物、リチウム銅マンガン酸化物、リチウム鉄マンガン酸化物、リチウムニッケルマンガン酸化物、リチウムコバルトマンガン酸化物、リチウムニッケルマンガン酸化物、リチウムアルミニウムコバルト酸化物、リチウム鉄リン酸、リチウムマンガンリン酸塩、リチウムニッケルリン酸塩、リチウムコバルトリン酸塩、酸化バナジウム、酸化マグネシウム、酸化ナトリウム、硫黄、マグネシウムドープされたリチウムニッケル酸化物、ランタンドープされたリチウムマンガン酸化物、ランタンドープされたリチウムコバルト酸化物などの金属（Ｍｇ、Ｌａ）ドープされたリチウム金属酸化物を含む。
[0066]一例において、薄膜電気化学セルが共に積層されたとき、１組の電気化学セルは、特定の用途のための所望の電圧または能力を確立するため、直列接続または平行接続を形成するように接続または絶縁されなければならない。この例では、３つのリチウム電池が積層されて、積層体間の電気絶縁中間層と並列に３つのセルを形成する。セラミックスまたはポリマーなどの材料種が、並列接続された積層電気化学セルのための絶縁中間層として使用され得る。この例は、これらの２つの材料種の平坦化の効果を比較する。
[0067]一例において、本発明は、多層薄膜固体電池装置を製造する方法を提供し得る。この方法に関与するステップは、限定されないが、以下のステップ、すなわち、基材部材を提供するステップと、障壁材料を形成するステップと、第１の電極材料を形成するステップと、ある厚さのカソード材料を形成するステップと、電解質を形成するステップと、アノード材料を形成するステップと、第２の電極材料を形成するステップと、薄膜固体電池装置を移転するステップとを含む。
[0068]一例において、基材部材は、表面領域を含み得、融点温度により特徴付けられ得る。障壁材料は、基材部材の表面領域を覆うように形成され得る。この障壁材料は、ポリマー材料を含み得、基材部材への活性金属種の移動を実質的に阻止するように構成され得る。また、障壁材料は、障壁劣化温度により特徴付けられ得る。第１の電極材料は、表面領域を覆うようにも形成され得る。
[0069]特定の例において、障壁材料は、ポリマー材料を含む。このポリマー材料は、０．００１μｍから１μｍの範囲の厚さをもち得る。ポリマー材料のこの厚さは、電極部材と表面領域との間の歪みを補償するように構成され得る。また、温度は、摂氏９００度未満である。
[0070]一例において、ある厚さのカソード材料は、非晶質の特性をもち得る。このカソード材料の形成は、温度を摂氏約−４０度から摂氏９００度以下の範囲に維持しながら実行され得る。また、カソード材料の形成は、空間体積が、カソード材料の外部境界領域により特徴付けられるように、ある厚さのカソード材料が、１．Ｅ−１８ｍ２／ｓから１．Ｅ−４ｍ２／ｓの範囲の値をとる有効拡散率により特徴付けられるように、および、カソード材料が、空間体積の０．００１％から８０％である空洞領域により特徴付けられるようにされ得る。
[0071]一例において、電解質は、カソード材料を覆うように構成され得る。アノード材料は、電解質を覆うように形成され得、第２の電極材料は、アノード材料を覆うように形成され得る。従って、本方法は、５０ワット時／リットルから３０００ワット時／リットルの範囲のエネルギー密度により特徴付けられる、結果として得られる薄膜固体電池装置を移転するステップを伴い得る。
[0072]一例において、積層電気化学セル構成に対する内在する応力分布の値は、未知である。応力を緩和するための、層１と層２との間における適切な中間層の選択は、サイクル寿命の長い電池を構築するために重要である。この例は、コンピュータシミュレーションによる積層電気化学セルの応力分布における中間層の係数の効果を示す。
[0073]図５Ａは、本発明の一実施形態による、カソード材料５０１の一例示的な簡略化された断面図である。示されるように、第２のカソード材料５１０を覆う第１のカソード材料５２１は、平滑で一様な外形を有する。
[0074]図５Ｂは、本発明の一実施形態による、非晶質カソード材料５０２の一例示的な簡略化された断面図である。示されるように、第２の厚さのカソード材料５１０を覆う第１の厚さの非晶質カソード材料５２２は、粗く凹凸のある外形を有する。
[0075]特定の例において、ある厚さのカソード材料は、第１の厚さの非晶質材料と第２の厚さの材料とを含み得る。カソード材料の第１の厚さは、第２の厚さより大きなものであり得、第１の厚さの非晶質材料は、第２の厚さの材料とは構造において異なり得る。カソード材料は、表面形態をさらに含み得る。特定の例において、有効拡散率は、第１の厚さの第１の拡散率と第２の厚さの第２の拡散率とを含む
[0076]特定の例において、カソード材料は、リチウム種を含み、リチウム種は、ＬｉＳＯＮ、ＬｉｘＬａ１−ｘＺｒＯ３、ＬｉｘＬａ１−ｘＴｉＯ３、ＬｉＡｌＧｅＰＯ４、ＬｉＡｌＴｉＰＯ４、ＬｉＳｉＣＯＮ、Ｌｉ１．３Ａｌ０．３Ｔｉ１．７（ＰＯ４）３、０．５ＬｉＴａＯ３＋０．５ＳｒＴｉＯ３、Ｌｉ０．３４Ｌａ０．５１ＴｉＯ２．９４、ＬｉＡｌＣｌ４、Ｌｉ７ＳｉＰＯ８、Ｌｉ９ＡｌＳｉＯ８、Ｌｉ３ＰＯ４、Ｌｉ３ＳＰ４、ＬｉＰＯＮ、Ｌｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２、Ｌｉ１．５Ａｌ０．５Ｇｅ１．５（ＰＯ４）３、Ｌｉ６ＰＳ５Ｃｌ、またはＬｉ５Ｎａ３Ｎｂ２Ｏ１２の少なくとも１つから選択される。カソード材料は、１．Ｅ−１２Ｓ／ｍから１．Ｅ４Ｓ／ｍの範囲の導電率により、Ｃ／１００から１００Ｃの範囲のＣレート、０％から５０％の結晶度の範囲のＸＲＤピーク対トータル比により、および、空間領域において構成された０．１ｎｍから１００ｎｍの範囲の平均微結晶寸法により、特徴付けられ得る。
[0077]図６は、本発明の一実施形態による、カソード材料６００の一例示的な簡略化された断面図である。特定の例において、ある厚さのカソード材料は、複数の柱様構造部６２０を含み得、複数の柱様構造部６２０の各々は、厚さ６１０の方向に沿って、その厚さの材料の平面と基材の表面領域とに対して実質的に垂直に延びる。柱構造部の各々は、基部領域６２１と上部領域６２２とを有し得る。柱構造部６２０の各々は、柱構造部の各々の中に構成され得る複数の粒子様構造部を含む。柱構造部の各対は、柱構造部の対の間に提供された複数の不規則な形状の多面体構造部をさらに有し得る。さらに、柱様構造部の各々は、ナノチューブ構造部を含み得、ナノチューブ構造部の各々は、カソード材料の上面領域と下面領域とに垂直な方向に実質的に配置され得る。
[0078]図７は、本発明の一実施形態による、カソード材料７００の一例の簡略化された断面図である。特定の例において、カソード材料は、全体的にカソード材料の第１の面７１１からカソード材料の第２の面７１２に向かう方向に配置された複数の不連続部７２０を含む。図７に示すように、第１の面７１１は、カソード材料の下面領域であり得、第２の面７１２は、上面領域であり得る。
[0079]図８は、本発明の一実施形態による、カソード材料８００の一例の簡略化された断面図である。特定の例において、カソード材料の形成は、複数の第１の錐体構造部８１１が、複数の第２の錐体構造部８１２と互いにかみ合わされるように、複数の第１の錐体構造部８１１と複数の第２の錐体構造部８１２とを形成するステップを含み得る。
[0080]図９は、本発明による例における様々な電池装置に対するカソードの特性を示す表である。示されるように、表は、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＦｅＰＯ４、およびＬｉＶ２Ｏ５という４種類のカソード材料の特性を示す。
[0081]図１０は、本発明の例による、カソード装置の様々なリチウム含有種の結晶および非晶質構造を示す表である。示されるように、表は、図９において説明されるものと同じ４種類のカソード材料に対する、対応する結晶および非晶質構造を示す。これらのリチウム含有種（ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＦｅＰＯ４、およびＬｉＶ２Ｏ５）の各々は、関係する分子を示す色分けされたキーを含む。
[0082]図１１は、本発明の他の例による、カソード装置の様々なリチウム含有種の結晶および非晶質構造を示す表である。この表は、柱で構成された結晶および非晶質構造をもつ同じリチウム含有種を示す。
[0083]図１２〜図１９は、本発明の一実施形態による、カソード装置の様々なリチウム含有種の結晶および非晶質構造を示す。図１２と図１３とは、それぞれ、ＬｉＭｎ２Ｏ４の結晶構造と非晶質構造とを示す。図１４と図１５とは、それぞれ、ＬｉＣｏＯ２の結晶構造と非晶質構造とを示す。図１６と図１７とは、それぞれ、ＬｉＦｅＰＯ４の結晶構造と非晶質構造とを示す。図１８と図１９とは、それぞれ、ＬｉＶ２Ｏ５の結晶構造と非晶質構造とを示す。
[0084]一例において、本発明は、電池装置を設計および製造する方法を含み得る。この方法は、第１の設計をもつ第１の電池セルを提供するステップを含み得る。この第１の設計は、第１の電極部材と、第１の構造と第１の組成とにより特徴付けられる第１のカソード装置と、電解質、および第２の電極部材とを有し得る。第１の設計は、さらに、第１のエネルギー密度値により特徴付けられ得る。
[0085]方法は、カソード装置の第１の拡散率値を決定するステップをさらに含み得、第１のエネルギー密度値は、第１の拡散率値に直接関係する。本方法は、第１のカソード装置を、２からＮまで番号付けされた複数のカソード装置に適合させるステップを含み得、Ｎは、２より大きな整数である。複数のカソード装置の各々が、２からＮまで番号付けされた拡散率値をもち得る。本方法は、他の拡散率値と比べて最高値をとる拡散率値を選択するステップと、最高値をとる拡散率値をそのカソード装置に関係付けるステップとをさらに含み得る。
[0086]さらに、本方法は、第２の設計をもつ第２の電池セルを設計するステップを含み得る。この第２の設計は、最も高い拡散率値をもつカソード装置を含み得る。第２の電池装置は、他のカソード装置のいずれかを有する他のすべての電池装置より高いエネルギー密度を含み得る。こうして、この第２の電池装置が製造され得る。
[0087]図２０〜図２２は、本発明の例による、実験結果に基づく値である。図２０は、本発明の実施形態による、２つのセル試料の拡散率とエネルギー密度特性とを含む表を示す。一実施形態において、実験による放電曲線とシミュレーションによる放電曲線とから得られる積分されたエネルギー値の間の差分を最小化することにより、これらの材料の拡散率が逆に決定される。
[0088]図２１は、第１の試料に関係するデータのグラフを示す。このセル試料は、ＡＬＯ基材上に提供された。このセル試料の寸法は、次のとおり、すなわち、電流コレクタ（ＣＣ）：０．１４μｍ、カソード（ＣＡ）１．０３μｍ、電極（ＥＬ）：０．３７μｍ、およびアノード（ＡＮ）：０．８３μｍであった。
[0089]図２２は、第２の試料に関係するデータのグラフを示す。このセル試料は、ガラス基材上に提供された。このセル試料の寸法は、次のとおり、すなわち、電流コレクタ（ＣＣ）：０．１１μｍ、カソード（ＣＡ）１．０９μｍ、電極（ＥＬ）：０．４９μｍ、およびアノード（ＡＮ）：０．９μｍであった。
[0090]図２３は、本発明の一例におけるカソード材料の画像を示す。示されるように、画像は、酸化バナジウム含有種を含むカソード材料を表す。このカソード材料は、０Ｗｈ／ｌのエネルギー密度により特徴付けられる
[0091]図２４は、本発明の代替例におけるカソード材料の画像を示す。このカソード材料は、５４７Ｗｈ／ｌのエネルギー密度により特徴付けられる。
[0092]図２５は、本発明の好ましい一例におけるカソード材料の画像を示す。このカソード材料は、６８０Ｗｈ／ｌのエネルギー密度により特徴付けられる。
[0093]本明細書で説明される例および実施形態は、例示のみを目的としていることと、それを考慮した様々な変更または変形が当業者に示唆され、本出願の趣旨および範囲ならびに付属の特許請求の範囲内に含まれることとがさらに理解される。

Claims (36)

  1. 薄膜固体電池装置を製造する方法であって、
    基材部材を提供するステップであって、前記基材部材が、表面領域を備え、前記基材部材が、融点温度をもつ、ステップと、
    前記表面領域を覆うポリマー材料を備える障壁材料を形成するステップであって、前記障壁材料が、前記基材部材への活性金属種の移動を実質的に阻止するように構成され、障壁劣化温度により特徴付けられる、ステップと、
    前記表面領域を覆う第１の電極材料を形成するステップと、
    空間体積が、カソード材料の外部境界領域により特徴付けられ、前記有効拡散率が、ある厚さの前記カソード材料を特徴付けており、０．００５μｍから１０００μｍの範囲の値をとり、および、空洞領域が、前記ある厚さのカソード材料を特徴付けるように、温度を摂氏約−４０度から摂氏５００度以下に維持しながら非晶質の特性をもつ前記ある厚さのカソード材料を形成するステップと、
    前記ある厚さのカソード材料を覆うように構成された電解質を形成するステップと、
    前記電解質を覆うアノード材料を形成するステップと、
    前記アノード材料を覆う第２の電極材料を形成するステップと、
    ５０ワット時／リットルから３０００ワット時／リットルの範囲のエネルギー密度により特徴付けられる薄膜固体電池装置を移転するステップと、
    を含む方法。
  2. 前記ある厚さのカソード材料が、第１の厚さの非晶質材料と第２の厚さの部材とを備え、前記第１の厚さが、前記第２の厚さより大きく、前記第１の厚さの非晶質材料が、前記第２の厚さの部材とは構造において異なり、前記空洞領域が、前記空間体積の０．００１％から２０％であり、前記電池装置が、多層である、請求項１に記載の方法。
  3. 前記ある厚さのカソード材料が、第１の厚さの非晶質材料と第２の厚さの部材とを備え、前記第１の厚さが、前記第２の厚さより大きく、前記第１の厚さの非晶質材料が、前記第２の厚さの部材とは構造において異なり、さらに、前記有効拡散率が、前記第１の厚さの第１の拡散率と前記第２の厚さの第２の拡散率とを含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記ある厚さのカソード材料が、複数の柱様構造部を備え、前記複数の柱様構造部の各々が、前記厚さの方向に沿って、前記ある厚さの材料の平面と前記表面領域とに実質的に垂直に延びる、請求項１に記載の方法。
  5. 前記障壁材料が、ポリマー材料を含み、前記ポリマー材料が、前記第１の電極部材と前記表面領域との間における歪みを補償する０．００１μｍから１μｍの範囲の厚さであり、前記温度が、摂氏９００度未満である、請求項１に記載の方法。
  6. 前記カソード材料が、リチウム種を含み、前記リチウム種が、ＬｉＳＯＮ、ＬｉｘＬａ１−ｘＺｒＯ３、ＬｉｘＬａ１−ｘＴｉＯ３、ＬｉＡｌＧｅＰＯ４、ＬｉＡｌＴｉＰＯ４、ＬｉＳｉＣＯＮ、Ｌｉ１．３Ａｌ０．３Ｔｉ１．７（ＰＯ４）３、０．５ＬｉＴａＯ３＋０．５ＳｒＴｉＯ３、Ｌｉ０．３４Ｌａ０．５１ＴｉＯ２．９４、ＬｉＡｌＣｌ４、Ｌｉ７ＳｉＰＯ８、Ｌｉ９ＡｌＳｉＯ８、Ｌｉ３ＰＯ４、Ｌｉ３ＳＰ４、ＬｉＰＯＮ、Ｌｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２、Ｌｉ１．５Ａｌ０．５Ｇｅ１．５（ＰＯ４）３、Ｌｉ６ＰＳ５Ｃｌ、またはＬｉ５Ｎａ３Ｎｂ２Ｏ１２の少なくとも１つから選択される、請求項１に記載の方法。
  7. 前記カソード材料が、１．Ｅ−６Ｓ／ｍから１．Ｅ５Ｓ／ｍの範囲の導電率により特徴付けられる、請求項１に記載の方法。
  8. 前記カソード材料が、Ｃ／１００から１００Ｃの範囲のＣレートにより特徴付けられる、請求項１に記載の方法。
  9. 前記カソード材料が、０％から５０％の結晶度の範囲のＸＲＤピーク対トータル比により特徴付けられる、請求項１に記載の方法。
  10. 前記カソード材料が、前記空間領域において構成された０．１から１００ｎｍの範囲の平均微結晶寸法により特徴付けられる、請求項１に記載の方法。
  11. 前記カソード材料が、表面形態を含む、請求項１に記載の方法。
  12. 前記カソード材料を形成するステップが、真空環境内に維持されたエネルギー源に供給源材料をさらして、蒸発により前記供給源材料を分解し、前記カソード材料の堆積を起こすステップを含む、請求項１に記載の方法。
  13. 前記カソード材料を形成するステップが、複数の柱構造部を含み、前記柱構造部の各々が、基部領域と上部領域とを含み、前記柱構造部の各々が、複数のより小さな粒子様構造部を備え、前記より小さな粒子様構造部の各々が、前記柱構造部の各々の中において構成される、請求項１に記載の方法。
  14. 前記カソード材料を形成するステップが、複数の柱構造部を含み、前記柱構造部の各々が、基部領域と上部領域とを含み、前記柱構造部の各々が、複数の粒子様構造部を備え、前記粒子様構造部の各々が、前記柱構造部の各々の中において構成され、前記柱構造部の各対が、前記柱構造部の対の間に提供された複数の不規則な形状の多面体構造部を含む、請求項１に記載の方法。
  15. 前記カソード材料を形成するステップは、複数の第１の錐体構造部が複数の第２の錐体構造部と互いにかみ合うように、前記複数の第１の錐体構造部と前記複数の第２の錐体構造部とを形成するステップを含む、請求項１に記載の方法。
  16. 前記カソード材料が、全体的に前記カソード材料の第１の面から前記カソード材料の第２の面に向かう方向に配置された複数の不連続部を含む、請求項１に記載の方法。
  17. 前記カソード材料を形成するステップが、複数のナノチューブ構造部を含み、前記ナノチューブ構造部の各々が、基部領域と上部領域とを含み、前記カソード材料の上面領域と下面領域とに垂直な方向に実質的に配置される、請求項１に記載の方法。
  18. 表面領域を備え、融点温度をもつ基材部材と、
    前記表面領域を覆う電極材料と、
    ０．０５μｍから１００μｍの範囲の平均粒子寸法をもつ非晶質構造として構成されたカソード材料と、
    前記カソード材料の外部境界領域により特徴付けられる空間体積と、
    前記カソード材料を特徴付け、１．Ｅ−１８ｍ２／ｓから１．Ｅ−１２ｍ２／ｓの範囲の値をとる拡散率と、
    前記カソード材料を特徴付け、前記空間体積の０．００１％から２０％である空洞領域と、
    前記カソード材料を覆うように構成された電解質と、
    前記電解質を覆うアノード材料と、
    １００ワット時／リットルから２０００ワット時／リットルの範囲のエネルギー密度と、
    を備える、多層薄膜固体電池装置。
  19. 前記カソード材料が、複数の柱構造部を備え、前記柱構造部の各々が、基部領域と上部領域とを含み、前記柱構造部の各々が、複数の粒子様構造部を備え、前記粒子様構造部の各々が、前記柱構造部の各々の中において構成され、前記柱構造部の各対が、前記柱構造部の対の間に提供された複数の不規則な形状の多面体構造部を含む、請求項１８に記載の装置。
  20. 前記カソード材料が、第１の厚さの非晶質材料と第２の厚さの部材とを備え、前記第１の厚さが、前記第２の厚さより大きく、前記第１の厚さの非晶質材料が、前記第２の厚さの部材と構造において異なり、前記空洞領域が、前記空間体積の０．００１％から２０％である、請求項１８に記載の装置。
  21. 前記カソード材料が、第１の厚さの非晶質材料と第２の厚さの部材とを備え、前記第１の厚さが、前記第２の厚さより大きく、前記第１の厚さの非晶質材料は、前記第２の厚さの部材と構造において異なり、さらに、前記有効拡散率が、前記第１の厚さの第１の拡散率と前記第２の厚さの第２の拡散率とを含む、請求項１８に記載の装置。
  22. 前記カソード材料が、複数の柱様構造部を備え、前記複数の柱様構造部の各々が、材料の厚さの方向に沿って、ある厚さの材料の平面と表面領域とに実質的に垂直に延びる、請求項１８に記載の装置。
  23. ポリマー材料を含む障壁材料をさらに備え、前記ポリマー材料が、前記電極部材と前記表面領域との間における歪みを補償する０．００１μｍから１μｍの範囲の厚さである、請求項１８に記載の装置。
  24. 前記カソード材料が、リチウム種を備え、前記リチウム種が、ＬｉＳＯＮ、ＬｉｘＬａ１−ｘＺｒＯ３、ＬｉｘＬａ１−ｘＴｉＯ３、ＬｉＡｌＧｅＰＯ４、ＬｉＡｌＴｉＰＯ４、ＬｉＳｉＣＯＮ、Ｌｉ１．３Ａｌ０．３Ｔｉ１．７（ＰＯ４）３、０．５ＬｉＴａＯ３＋０．５ＳｒＴｉＯ３、Ｌｉ０．３４Ｌａ０．５１ＴｉＯ２．９４、ＬｉＡｌＣｌ４、Ｌｉ７ＳｉＰＯ８、Ｌｉ９ＡｌＳｉＯ８、Ｌｉ３ＰＯ４、Ｌｉ３ＳＰ４、ＬｉＰＯＮ、Ｌｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２、Ｌｉ１．５Ａｌ０．５Ｇｅ１．５（ＰＯ４）３、Ｌｉ６ＰＳ５Ｃｌ、またはＬｉ５Ｎａ３Ｎｂ２Ｏ１２の少なくとも１つから選択される、請求項１８に記載の装置。
  25. 前記カソード材料が、１．Ｅ−６Ｓ／ｍから１．Ｅ５Ｓ／ｍの範囲の導電率により特徴付けられる、請求項１８に記載の装置。
  26. 前記カソード材料が、Ｃ／１００から１００Ｃの範囲のＣレートにより特徴付けられる、請求項１８に記載の装置。
  27. 前記カソード材料、０％から５０％の結晶度の範囲のＸＲＤピーク対トータル比により特徴付けられる、請求項１８に記載の装置。
  28. 前記カソード材料が、空間領域において構成された０．１から１００ｎｍの範囲の平均微結晶寸法により特徴付けられる、請求項１８に記載の装置。
  29. 前記カソード材料が、表面形態を含む、請求項１８に記載の装置。
  30. 前記カソード材料が、真空環境内に維持されたエネルギー源に供給源材料をさらして、蒸発により前記供給源材料を分解し、前記カソード材料の堆積を起こすことにより提供される、請求項１８に記載の装置。
  31. 前記カソード材料が、複数の柱構造部を備え、前記柱構造部の各々が、基部領域と上部領域とを含み、前記柱構造部の各々が、複数のより小さな粒子様構造部を備え、前記より小さな粒子様構造部の各々が、前記柱構造部の各々の中において構成される、求項１８に記載の装置。
  32. 前記カソード材料が、複数の柱構造部を備え、前記柱構造部の各々が、基部領域と上部領域とを含み、前記柱構造部の各々が、複数の粒子様構造部を備え、前記粒子様構造部の各々が、前記柱構造部の各々の中において構成され、前記柱構造部の各対が、前記柱構造部の対の間に提供された複数の不規則な形状の多面体構造部を含む、請求項１８に記載の方法。
  33. 前記カソード材料が、複数の第１の錐体構造部が複数の第２の錐体構造部と互いにかみ合わされるように、前記複数の第１の錐体構造部と前記複数の第２の錐体構造部とを形成するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
  34. 前記カソード材料が、全体的に前記カソード材料の第１の面から前記カソード材料の第２の面に向かう方向に配置された複数の不連続部を備える、請求項１８に記載の方法。
  35. 前記カソード材料を形成するステップが、複数のナノチューブ構造部を含み、前記ナノチューブ構造部の各々が、基部領域と上部領域とを含み、前記カソード材料の上面領域と下面領域とに垂直な方向に実質的に配置される、請求項１８に記載の方法。
  36. 電池装置を設計および製造する方法であって、
    第１の設計をもつ第１の電池セルを提供するステップであって、前記第１の設計が、第１の電極部材と、第１の構造と第１の組成とにより特徴付けられる第１のカソード装置と、電解質と、第２の電極部材と、第１のエネルギー密度値とを含む、ステップと、
    前記カソード装置の第１の拡散率値を決定するステップであって、前記第１のエネルギー密度値が、前記第１の拡散率値に直接関係する、ステップと、
    前記第１のカソード装置を２からＮまで番号付けされた複数のカソード装置に対して適合させるステップであって、Ｎが、２より大きな整数であり、前記複数のカソード装置の各々が、２からＮまで番号付けされた拡散率値をもつ、ステップと、
    他の拡散率値と比べて最高値をとる前記拡散率値を選択して、前記最高値をとる前記拡散率値をその前記カソード装置に関係付けるステップと、
    第２の設計をもつ第２の電池セルを設計するステップであって、前記第２の設計が、最も高い拡散率値をもつ前記カソード装置を含み、前記第２の電池装置が、他の前記カソード装置のいずれかを含む他のすべての電池装置より高いエネルギー密度をもつ、ステップと、
    前記第２の電池装置を製造するステップと、
    を含む方法。
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