JP2020533744A - 電池セルの製造のためのレーザーアブレーション - Google Patents
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Abstract
Description
支持基板(110)は、ロード/アンロードチャンバー(130)にロードされ、ここで説明される「平行層堆積及び分離」プロセスは、少なくとも1回実行される。図5を参照すると、支持基板(210)は、集電体チャンバー(134)に移動し、カソード集電体(212)が堆積される。その後、基板は、カソードチャンバー(135)に移動し、そこでカソード(213)が堆積される。次に、基板は、レーザーチャンバーに移動する(136)。レーザーチャンバーでは、カソード(213)及びカソード集電体(212)は、カソード集電体の下の層(支持基板(210)又は前の電池スタックであり得る)に大きく影響を与えることなく、アノード側縁部(226)に規定された近接で適切なパルスエネルギーのパルスレーザー光線によって溶発される。これにより、カソードレーザーアブレーショントレンチ(221)が残る。レーザーアブレーションは、アノード側縁部(226)の全てに沿って溶発するのに必要な回数繰り返すことができる。
分離プロセスの後、終端前電池スタック(343)は、行方向の分離のためにレーザーチャンバー(136)に移動する。図6では、少なくとも1つ又は複数の処理パスを有する適切なパルスエネルギーのパルスレーザー光線を使用して、少なくとも2つの境界縁部(327)に規定された近接で電池スタック(343)全体の全ての層を切断し、基板(310)に刻み目を付けて、少なくとも2つのレーザーカットトレンチ(363)を作成し、少なくとも1つの個別の電池セルスタック行(369)に加えて、2つのスクラップ列(368)を残す。次に、電池スタックを中間層チャンバー(133)に移動し、露出したレーザーカットトレンチ(363)を保護コーティング(301)で密閉する。
終端された電池スタック(352)は、シートとして取り外され、自動プロセスによって、レーザーカットされた溝(351、363)に沿って分割され、基板及び終端集電体をアノード側縁部(326)とカソード側縁部(328)との間で、境界縁部(327)にも沿って分割する。
レーザー分離プロセスは、寄生質量をさらに最適化するために、代替の薄膜電池スタックを作成するのに役立つ。そのようなスタックの1つでは、2つの平行なカソード間で集電体を共有することにより、集電体の質量を最小限に抑えることができる。図7aは、層の配置を模式的に示す。スタックを作成するために、薄膜電池は、アノードからカソード、次いで、カソードからアノードの順に交互に堆積される。レーザーアブレーションは、層を分離して電気的に終端するために使用される。以下の説明は、N個の薄膜電池スタックの1つのグループに関するものであるが、これらの教示が、「並列堆積及び分離」の説明の教示を使用して、セルの複数の行及び列に容易に拡張されることを認識することができる。
別の固体薄膜電池の堆積、分離及び終端方法では、2つ以上の電池層を直列に接続し、直列に接続された電池セルのグループを並列に接続することができる。これは、直列接続された電池セルを並列に積み重ねることにより、容量を増加させると同時に電圧を2倍にする(3倍にする等)という利点を与える。レーザーアブレーションを使用して、電池スタックのアノード側部及びカソード側部の両方から層を時々分離して電気的に終端し、直列接続を可能にする。図8aは、この層配置を模式的に示す。以下の説明は、N個の薄膜電池スタックの1つのグループに関するものであるが、これらの教示は、「並列堆積及び分離」の説明の教示を使用して、セルの複数の行及び列に容易に拡張されることを認識することができる。
例として、固体薄膜電池セルのレーザーアブレーションプロセスが説明される。以下の説明は、特定のレーザータイプ、波長、パルスエネルギー、パルス繰り返し率、レーザープロセス速度、及び、処理パス数を有する薄膜の特定のスタックに関するものである。レーザーアブレーションプロセスが、異なる波長、パルスエネルギー、パルス繰り返し率、プロセス速度で、異なる加工パス数を用いて、異なる薄膜スタックで、異なるアブレーション及びコーティングシーケンスの順序で、他のタイプのレーザーで実現することができることを認識することができる。この例は、包括的なものではなく、薄膜電池スタックでのレーザーアブレーションプロセスの特定の例に過ぎない。
20 固体薄膜電池セル
110 支持基板
118 クラスターツール
130 ロード/アンロードチャンバー
131 電解質
132 アノード
133 絶縁層
134 集電体
135 カソード
136 レーザーチャンバー
210 支持基板
212 カソード集電体
213 カソード
214 電解質
215 アノード
216 アノード集電体
217 絶縁中間層
221 カソードレーザーアブレーショントレンチ
222 アノードレーザーアブレーショントレンチ
226 アノード側縁部
228 カソード側縁部
242 終端前電池セル
243 終端前電池スタック
301 保護コーティング
310 基板
326 アノード側縁部
327 境界縁部
328 カソード側縁部
343 電池スタック
347 アノード縁部
349 低精度マスク
350 終端集電体
351 レーザーカットトレンチ
352 終端電池スタック
353 カソード縁部
354 電池スタック
355 スクラップ列
363 レーザーカットトレンチ
368 スクラップ列
369 電池セルスタック行
410 基板
412 カソード集電体
413 カソード
414 電解質
415 アノード
417 絶縁中間層
418 電解質
419 アノード
420 カソード
421 カソードレーザーアブレーショントレンチ
422 アノードレーザーアブレーショントレンチ
423 アノードレーザーアブレーショントレンチ
442 電池セル
447 アノード縁部
453 カソード縁部
510 基板
512 カソード集電体
513 カソード
514 電解質層
515 アノード
516 カソード集電体
517 絶縁中間層
518 電解質層
520 カソード
521 カソードレーザーアブレーショントレンチ
530 カソードレーザーアブレーショントレンチ
531 アノードレーザーアブレーショントレンチ
532 アノード
533 カソード縁部
534 アノードレーザーアブレーショントレンチ
547 アノード縁部
553 カソード縁部
601 基板
602 絶縁中間層
603 電解質
604 カソード
605 カソード集電体
606 カソード
607 レーザーアブレーショントレンチ
702 カソード
703 電解質
707 レーザーアブレーショントレンチ
710 カソード材料
711 電解質材料
801 基板
802 絶縁中間層
803 電解質
804 カソード
805 カソード集電体
806 カソード
807 レーザーアブレーショントレンチ
1001 導電性基板
1002 カソード
1003 電解質
1004 アノード
1005 保護コーティング
1006 レーザーカット
1007 絶縁性封止材
1008 薄膜電池セル
1009 上面
1010 底面
1101 アノード集電体
1102 カソード集電体
1103 カソード
1104 電解質
1105 アノード
1106 導電性保護コーティング
1107 活性領域
Claims (26)
- 第1の表面領域を有する金属フィルム基板を提供する段階と、
前記第1の表面領域をコーティングする段階と、
前記第1の表面領域の上に第1の電極部材を形成する段階と、
前記第1の電極部材の上に、アノード集電体、カソード集電体、アノード部材若しくはカソード部材の少なくとも1つ、又は、それらの何れかの組合せを形成する段階と、
第1の空間領域を、前記第1の表面領域で停止する前記第1の電極部材の第1の厚さにわたって第1の開口の形成を引き起こす1つ以上のパルスの電磁放射の光線に晒す段階と、
を含む、固体電池の製造方法。 - 前記第1の電極部材の上にある第2の空間領域を、前記第1の表面領域で停止する前記第1の電極部材の第2の厚さの全体にわたって第2の開口の形成を引き起こす1つ以上のパルスの電磁放射の光線に晒す段階をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- アノード又はカソードを形成するために、前記第1の電極部材の上に第2の電極部材を形成する段階をさらに含む、請求項1又は2に記載の方法。
- 前記第1の電極部材の上に第1の電解質材料を形成する段階をさらに含む、請求項1から3の何れか一項に記載の方法。
- 前記第1の電極部材の上にN番目の電極部材を形成する段階をさらに含み、Nが10より大きい整数である、請求項1から4の何れか一項に記載の方法。
- 前記光線が、ダイオード励起固体レーザー、ファイバーレーザー、半導体レーザー又はエキシマレーザーのうちの1つから選択されるレーザー源から提供される、請求項1から5の何れか一項に記載の方法。
- 前記第1の空間領域が、前記完成した電気化学セルの少なくとも1つの外縁部からある距離内に提供され、その結果、前記距離が、前記完成した電気化学セルの活性エネルギー密度の損失を減らすために前記完成した電気化学セルの幅の25%未満である、請求項1から6の何れか一項に記載の方法。
- 前記第1の開口の上に充填材料を堆積させて、僅かに凹んだ領域を形成する段階と、前記僅かに凹んだ領域の上に絶縁材料を形成して、その上に平坦化された表面領域を形成する段階と、をさらに含む、請求項1から7の何れか一項に記載の方法。
- 複数の空間領域が形成され、その各々が、前記完成した電気化学セルの幅の25%未満だけ互いにオフセットされ、その結果、上部の凹んだ領域が、下部の凹んだ領域からオフセットで形成される、請求項1から8の何れか一項に記載の方法。
- 単一のアブレーションプロセスを使用して前記開口が提供されるように、前記第1の空間領域が、一対の隣接するセル間で共有される、請求項1から9の何れか一項に記載の方法。
- 前記電気化学セルの活性エネルギー密度の損失を最小化するために、前記光線が、少なくとも1つの軸において5mm未満のビームスポットサイズに集束される、請求項1から10の何れか一項に記載の方法。
- 前記アノード集電体及び/又はカソード集電体が、拡散障壁領域として構成される、請求項1から11の何れか一項に記載の方法。
- 前記電気化学セルが、0%から100%の間の充電状態で堆積された固体薄膜電池である、請求項1から12の何れか一項に記載の方法。
- 前記カソード集電体の電極材料を形成する段階が、Au、Pt、Cu、Ni、Ni−Cr、V、Al、Ti、Mnのうちの少なくとも1つから選択される材料を堆積する段階を含み、
カソード材料の電極表面領域を形成する前記段階が、MgドープLiNiO2、LaドープLiMn2O4、LaドープLiCoO2、LiMn2O4、LiNixCoyMn1−x−yO2、LiNixCoyAl1−x−yO2、LiCuxMn2−xO4、LiFexMn2−xO4、LiNixMn2−xO4、LiCoxMn2−xO4、LiFePO4、LiMnPO4、LiNiPO4、LiCoPO4、LiNiO2、LiCoO2、LiV2O5、LiAlxCo1−xO2、Sの少なくとも1つから選択される材料を堆積する段階を含み、
電解質を形成する前記段階が、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、Li5Na3Nb2O12の少なくとも1つから選択される材料を堆積させる段階を含み、
アノード材料の電極表面領域を形成する前記段階が、LixMg1−x、LixAl1−x、Sn3N4、SnNxOy、GexO、Li、LiC6、LixSn、Li−Sn−Al、Li4Ti5O12、Li−Sb、Li−Bi、Li−In、Li−Siの少なくとも1つから選択される材料を堆積する段階を含み、
アノード集電体材料の電極表面領域を形成する前記段階が、Au、Pt、Cu、Ni、Ni−Cr、V、Al、Ti、Mnのうちの少なくとも1つから選択される材料を堆積する段階を含み、
絶縁中間層表面領域を形成する段階が、TPGDA(トリプロピレングリコールジアクリレート)、TMPTA(トリメチロールプロパントリアクリレート)、PMPTMA(トリメチロールプロパントリメタクリレート)、PETA(ペンタエリスリトールトリアクリレート)、DPGDA(ジプロピレングリコールジアクリレート)、HDDA(1,6−ヘキサンジオールジアクリレート)の少なくとも1つから選択された材料を堆積する段階を含む、請求項1から13の何れか一項に記載の方法。 - 前記金属フィルム基板が、ニッケルフィルムである、請求項1から14の何れか一項に記載の方法。
- 前記基板の第1の表面領域が、前記基板の長さに対して長手方向の溝又は切り欠き部分を有する、請求項1から15の何れか一項に記載の方法。
- 前記第1の電極部材が、前記溝又は切り欠き部分の間の前記基板の第1の表面領域のみに形成されるように、前記第1の電極部材を形成する段階が、前記基板の長手方向の溝又は切り欠き部分と位置合わせされる、請求項16に記載の方法。
- 第1の表面領域を有する基板を提供する段階と、
前記第1の表面領域をコーティングする段階と、
前記第1の表面領域の上に第1の電極部材を形成する段階と、
前記第1の電極部材の上のアノード集電体、カソード集電体、アノード部材若しくはカソード部材の少なくとも1つ、又は、それらの何れかの組合せを形成する段階と、
前記第1の電極部材の上にある第1の空間領域を、前記第1の表面領域で停止する前記第1の電極部材の第1の厚さの全体にわたって第1の開口の形成を引き起こす1つ以上のパルスの電磁放射の光線に晒す段階と、
前記第1の電極部材の上にある第2の空間領域を、前記第1の表面領域で停止する前記第1の電極部材の第2の厚さの全体にわたって第2の開口の形成を引き起こす1つ以上のパルスの電磁放射の光線に晒す段階と、
前記第1の電極部材の上に第2の電極部材を形成して、アノード又はカソードを形成する段階と、
を含む、固体電池用の電気化学セルの製造方法。 - 前記第1の電極部材の上に第1の電解質材料を形成する段階と、前記第1の電極部材の上にN番目の電極部材を形成する段階と、をさらに含み、Nが10より大きい整数である、請求項18に記載の方法。
- 前記光線が、ダイオード励起固体レーザー、ファイバーレーザー、半導体レーザー又はエキシマレーザーのうちの1つから選択されるレーザー源から提供される、請求項18又は19に記載の方法。
- 前記第1の空間領域が、前記完成した電気化学セルの少なくとも1つの外縁部からある距離内に提供され、その結果、前記距離が、前記完成した電気化学セルの活性エネルギー密度の損失を減らすために前記完成した電気化学セルの幅の25%未満である、請求項18から20の何れか一項に記載の方法。
- 複数の空間領域が形成され、その各々が、前記完成した電気化学セルの幅の25%未満だけ互いにオフセットされ、その結果、上部の凹んだ領域が、下部の凹んだ領域からオフセットで形成される、請求項18から21の何れか一項に記載の方法。
- 単一のアブレーションプロセスを使用して前記開口が提供されるように、前記第1の空間領域が、一対の隣接するセル間で共有される、請求項18から22の何れか一項に記載の方法。
- 前記電気化学セルの活性エネルギー密度の損失を最小化するために、前記光線が、少なくとも1つの軸において5mm未満のビームスポットサイズに集束され、前記アノード集電体及び/又はカソード集電体が、拡散障壁領域として構成される、請求項18から23の何れか一項に記載の方法。
- 前記電気化学セルが、0%から100%の間の充電状態で堆積された固体薄膜電池である、請求項18から24の何れか一項に記載の方法。
- 前記カソード集電体の電極材料を形成する段階が、Au、Pt、Cu、Ni、Ni−Cr、V、Al、Ti、Mnのうちの少なくとも1つから選択される材料を堆積する段階を含み、
カソード材料の電極表面領域を形成する前記段階が、MgドープLiNiO2、LaドープLiMn2O4、LaドープLiCoO2、LiMn2O4、LiNixCoyMn1−x−yO2、LiNixCoyAl1−x−yO2、LiCuxMn2−xO4、LiFexMn2−xO4、LiNixMn2−xO4、LiCoxMn2−xO4、LiFePO4、LiMnPO4、LiNiPO4、LiCoPO4、LiNiO2、LiCoO2、LiV2O5、LiAlxCo1−xO2、Sの少なくとも1つから選択される材料を堆積する段階を含み、
電解質を形成する前記段階が、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、Li5Na3Nb2O12の少なくとも1つから選択される材料を堆積させる段階を含み、
アノード材料の電極表面領域を形成する前記段階が、LixMg1−x、LixAl1−x、Sn3N4、SnNxOy、GexO、Li、LiC6、LixSn、Li−Sn−Al、Li4Ti5O12、Li−Sb、Li−Bi、Li−In、Li−Siの少なくとも1つから選択される材料を堆積する段階を含み、
アノード集電体材料の電極表面領域を形成する前記段階が、Au、Pt、Cu、Ni、Ni−Cr、V、Al、Ti、Mnのうちの少なくとも1つから選択される材料を堆積する段階を含み、
絶縁中間層表面領域を形成する段階が、TPGDA(トリプロピレングリコールジアクリレート)、TMPTA(トリメチロールプロパントリアクリレート)、PMPTMA(トリメチロールプロパントリメタクリレート)、PETA(ペンタエリスリトールトリアクリレート)、DPGDA(ジプロピレングリコールジアクリレート)、HDDA(1,6−ヘキサンジオールジアクリレート)の少なくとも1つから選択された材料を堆積する段階を含む、請求項18から25の何れか一項に記載の方法。
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