JP2022528786A - リチウム金属アノードアセンブリならびに装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

リチウムベースの電池に使用するためのアノードアセンブリは、アルミニウムを含む集電体と、集電体の一部に結合され、それを覆い、導電性である保護金属から形成される少なくとも第１の保護層と、保護層に結合されたリチウム金属を含む少なくとも第１の反応層と、を含むことができる。第１の保護層は、電子が第１の反応層から集電体に移動できるように支持面と反応層との間に配置されてもよく、第１の反応層は支持面から離間され、支持面から少なくとも実質的にイオン的に隔離され、それによって、反応層の集電体への拡散が第１の保護層によって実質的に防止され、それによってリチウム金属と集電体との間の反応が抑制される。

Description

関連出願との相互参照
本出願は、２０１９年４月１７日に出願された「低コストリチウム金属アノードアセンブリ」と題する米国仮出願第６２／８３５，１４１号の利益および優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

その態様の１つにおいて、本開示は、リチウムイオンおよびリチウム金属固体電池と共に使用するのに適したアノードアセンブリの製造および使用、ならびにその製造方法および製造装置に関する。

特許第２７９７３９０号公報は、負極と、炭素質材料と、アノード活性物質として集電体と、正極活性物質としてリチウム化合物を有する正極と、二次電池および非水電解質と、正極活性物質と、第２は、集電体の酸化電位よりも高い電位、集電体の酸化電位よりも低い電位を有する第１のリチウム化合物から構成される主活性物質を有することを開示している。リチウム化合物からなる副活性物質を含むことで、過放電に対して優れた特性を有するようになる。

米国特許第１０，１７７，３６６号明細書は、高純度リチウムおよび関連生成物を開示している。一般的な実施形態では、本開示は、選択的リチウムイオン伝導層を使用してリチウム金属が得られるリチウム金属生成物を提供する。選択的リチウムイオン伝導層は、リチウムイオンのみを伝導する活性金属イオン伝導性ガラスまたはガラスセラミックを含む。選択的リチウムイオン伝導層を使用して製造された本リチウム金属生成物は、市販のリチウム金属と比較して改善されたリチウム純度を有利に提供する。本開示に従って、金属ベースで少なくとも９９．９６重量％の純度を有するリチウム金属を得ることができる。

米国特許第７，３９０，５９１号明細書は、活性金属アノードを保護するためのイオン伝導性膜およびその製造方法を開示している。膜を活性金属負極（アノード）構造および電池セルに組み込むことができる。本発明によれば、膜は、アノード、カソード、および電池製造において遭遇する周囲条件に対して高い全体的なイオン伝導度および化学的安定性の所望の特性を有する。膜は、膜が組み込まれた電池セルの製造を容易にし、および／または性能を高めるために高レベルのイオン伝導性を提供しながら、活性金属アノードを他の電池構成要素または周囲条件との有害な反応から保護することができる。

特許第２７９７３９０号公報 米国特許第１０，１７７，３６６号明細書 米国特許第７，３９０，５９１号明細書

固体電池（ＳＳＢ）に適したリチウムアノードを提供するための試みが以前になされている。リチウムアノードの取り扱いの困難の一部を排除する１つの方法は、アノードをより強い基板上の定位置に形成することである。これにより、負荷が、場合によってはアノード集電体としても機能することができるより強い材料を通過することが可能になる。

例えば、米国特許第１０，１７７，３６６号明細書は、リチウムイオン選択膜を介してリチウム化学物質の水溶液から電気分解によって作製された、基板上に堆積されたリチウムアノードを教示している。この手法は、多数の基板のうちの１つにリチウムコーティングを付着させる。このプロセスはストリップコーティング機を必要とし、コーティングを達成するために比較的小さな面積の膜を使用する。このプロセスは、電池製造にとっていくつかの欠点を抱えており、ＳＳＢリチウムアノード製造にとって非魅力的ではない可能性がある。
・電着速度が遅いため、大量生産には多大な設備投資が必要となり、生産のオールインコストが高くなる。
・このプロセスは、可燃性有機電解質を使用し、これは、電気分解システムがスパークする傾向と相まって、火災の危険をもたらす。
・大型で耐久性のある固体電解質またはイオン選択性膜を製造することは非現実的であり得、これは、そのような機械からの製造速度が高くない可能性があるため、経済的に魅力的なコストを達成することができる可能性が低いことを意味する。

米国特許第７３９０５９１号明細書は、物理蒸着を含む様々なプロセスによってリチウムイオン伝導性ガラス基板上に形成された保護されたリチウムアノードを開示している。イオン伝導性ガラスは、セパレータおよび層状固体電解質の一部として機能することが意図されている。このプロセスは、ガラスセパレータを用いてリチウムＳＳＢを製造するのに適しており、大気ガスによる攻撃からリチウムを保護することによってリチウム反応性に関連する問題を克服する。しかしながら、開示されたアノードは、いくつかの欠点を有する。
・それは、本質的に高価であり、多大なフロアコストを課す銅製の集電体を必要とする（基板材料コストの比較については表７を参照）。
・これは、ガラスセパレータを使用する電池に適しているが、他の電池設計には適していない可能性がある。

米国特許第５５２２９５５号明細書は、物理蒸着プロセスに基づくリチウムアノードおよび製造機器を開示している。提案された機器は、銅、ニッケル、ステンレス鋼、または導電性ポリマー上に厚さ８～２５ミクロンのリチウム層を堆積させる。蒸着は、包装材料を大規模に製造するために使用される安価なプロセスであるため、魅力的なコストでアノードを製造することができる。しかしながら、本開示は、空気に曝されたときにその表面を酸化および窒化から保護し、部分的なセルアセンブリを作成するために、イオン伝導性ポリマーをアノード表面に付着させることをさらに企図している。この第２のステップは、蒸着が行われるチャンバとは別のチャンバ内で行われる。これには、以下を含むいくつかの欠点がある可能性がある。
・それは、本質的に高価であり、多大なフロアコストを課す銅製の集電体を必要とする（基板材料コストの比較については表７を参照）。
・保護コーティングを付着させるために必要な機器は複雑であり、別個の処理チャンバを必要とする。

従来技術は、リチウムフォイルアノードの欠点のいくつかに対処しているが、今日まで、低コストＳＳＢリチウムアノードを製造するための効果的なプロセスは開発されていない。本開示は、比較的改善された低コストのリチウム金属アノードアセンブリ、製造プロセス、およびその製造のための機器の製造および／または使用を容易にするのを助けることによって、リチウムＳＳＢの採用を妨げる可能性があるこのハードルに対処することを目的とする。

本明細書に記載の教示の１つの広範な態様によれば、低コストのリチウムアノードアセンブリは、少なくとも１つの側面が少なくとも１つの保護金属層に結合され、少なくとも１つのリチウム金属層に結合されたアルミニウムフォイル集電体を含むことができる。

保護金属層は、銅、金、銀、ニッケル、またはステンレス鋼のうちの少なくとも１つを含むことができる。

保護金属層は、１～７５０００オングストロームの厚さ、より好ましくは１～１５０オングストロームの厚さ、最も好ましくは２０～５０オングストロームの厚さであってもよい。

リチウム金属層は、０．００１～１００ミクロンの厚さであるが、最も好ましくは０．０１～２０ミクロンの厚さである。

層の少なくとも１つは、蒸着プロセスによって形成されてもよい。

電池は、固体または半固体電解質を用いた固体電池であってもよい。

電池は、液体またはゲル電解質を使用するリチウムイオン電池であってもよい。

保護金属は、物理蒸着、ポリマーフィルムもしくはポリマー樹脂の付着、または圧着のうちの１つを含み得る封止方法を使用して、その外周部で封止され得る。

本明細書に記載の教示の別の広範な態様によれば、低コストのリチウムアノードアセンブリを製造するためのプロセスは、
ａ．ロールツーロール物理蒸着機のエアロックチャンバに少なくとも１つの基板ロールをロードするステップと、
ｂ．エアロックチャンバを大気から密閉するステップと、
ｃ．ロールツーロール物理蒸着機のエアロックチャンバを真空引きするステップと、
ｄ．少なくとも１つの保護金属蒸気源および少なくとも１つの反応性金属蒸気源を有するロールツーロール物理蒸着機のメタライジングチャンバにロールを移送するステップと、
ｅ．基板のロールを保護金属および反応性金属の両方でロールツーロールメタライジングするステップと、
ｆ．エアロックチャンバにロールを戻すステップと、
ｇ．ステップｂ～ｆを０回以上繰り返すステップと、
ｈ．エアロックチャンバを再加圧するステップと、
ｉ．少なくとも１つのメタライズされた基板ロールをエアロックチャンバからアンロードするステップと、を含むことができる。

ステップａ～ｉは、メタライジングチャンバを再加圧することなく０回以上繰り返してもよい。

再加圧ガスは、アルゴン、ヘリウム、ネオン、キセノンまたはクリプトンなどの不活性ガスであってもよい。

少なくとも１つのメタライズされた基板ロールは、エアロックチャンバからアンロードする前に密閉容器内に配置されてもよい。

基板は、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス鋼、鋼、導電性ポリマー、および／またはポリマーを含むことができる。

保護金属は、銅、銀、金、ニッケル、および／またはステンレス鋼を含むことができる。

反応性金属は、リチウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、カルシウム、マグネシウム、またはアルミニウムを含むことができる。

本明細書に記載の教示の別の広範な態様によれば、ロールツーロール物理蒸着機は、少なくとも１つのメタライジングチャンバ、真空ポンプシステム、被駆動ロールスピンドル、少なくとも１つの金属蒸発源、少なくとも１つのエアロックチャンバ、少なくとも１つのロール移送機構、メタライジングチャンバとエアロックチャンバとの間を連通する少なくとも１つの真空気密ドア、およびエアロックチャンバと大気との間を連通する少なくとも１つの真空気密ドアを含むことができる。スピンドルは可逆的であってもよい。

機械はまた、ロールマガジン、コンピュータ制御システム、および不活性ガス再加圧システムのうちの少なくとも１つを有してもよい。

本明細書に記載の教示の別の広い態様によれば、リチウムベースの電池で使用するためのアノードアセンブリは、アルミニウムを含み、支持面を有する第１の側面を有する集電体を含むことができる。少なくとも第１の保護層は、支持面に結合され、支持面を覆うことができる。保護層は保護金属を含んでもよく、導電性であってもよい。リチウム金属を含む少なくとも第１の反応層は、保護層に結合されてもよく、アノードアセンブリが使用されているときに電解質と接触するように構成されてもよい。第１の保護層は、電子が第１の反応層から集電体に移動できるように支持面と反応層との間に配置されてもよく、第１の反応層は支持面から離間され、支持面から少なくとも実質的にイオン的に隔離され、それによって、反応層の集電体への拡散が第１の保護層によって実質的に防止され、それによってリチウム金属と集電体との間の反応が抑制され得る。

集電体は、連続アルミニウムフォイルを含んでもよい。

アルミニウムフォイルは、約１～約１００ミクロンの厚さを有してもよい。

アルミニウムフォイルは、支持面を含み、第１の保護層を物理的に支持する連続ウェブとして構成されてもよい。

保護金属は、銅、ニッケル、銀、ステンレス鋼および鋼のうちの少なくとも１つを含むことができる。

第１の保護層は、物理蒸着によって支持面上に堆積されてもよく、別個の結合材料の非存在下で支持面に結合する。

第１の保護層は、約１～約７５，０００オングストロームの厚さを有してもよい。

第１の保護層は、約２００オングストローム～約７５００オングストロームの厚さを有してもよい。

第１の保護層は、隔離厚さを有してもよく、第１の反応層が集電体から完全にイオン的に隔離されるように成形されてもよい。

保護金属は、リチウム金属と非反応性であってもよい。

保護金属は、集電体の第１の側面全体を覆っていてもよい。

第１の反応層は、約０．００１～約１００ミクロンの厚さを有してもよい。

第１の反応層は、約０．０１～約２０ミクロンの厚さを有してもよい。

第１の反応層は、物理蒸着によって第１の保護層上に堆積され、第１の保護層に結合することができる。

アノードアセンブリは、リチウム金属フォイルを含まなくてもよい。

集電体は、対向する第２の側面を含み、第２の側面に結合されて第２の側面を覆い、かつ保護金属を含む第２の保護層をさらに含んでもよい。

第１の保護層の周囲は、第２の保護層の対応する外周部に接合され、それによって集電体を保護金属で封止することができる。

第１の保護層は、物理蒸着、ポリマーフィルムの付着、ポリマー樹脂の付着、および前記外周部の機械的圧着のうちの少なくとも１つにより、第２の保護層の対応する外周部に接合されてもよい。

アセンブリは、第２の保護層に結合され、かつアノードアセンブリが使用されているときに電解質と接触するように構成されたリチウム金属を含む第２の反応層を含むことができる。

本明細書に記載の教示の別の広範な態様によれば、活性金属ベースの電池で使用するためのアノードアセンブリを製造する方法は、ａ）金属基板を含み、約１０－２Ｔｏｒｒ未満の動作圧力にあるメタライジングチャンバの内部に支持面を有する第１の側面を有する集電体を提供するステップと、ｂ）導電性であり、かつ第１の物理蒸着プロセスにより前記支持面に堆積される保護金属を含む少なくとも第１の保護層で前記支持面を覆うステップと、ｃ）第２の物理蒸着プロセスにより前記第１の保護層上に堆積される反応性金属を含む少なくとも第１の反応層で前記第１の保護層を覆うステップであって、前記第１の反応層は、前記アノードアセンブリが使用されているときに電解質と接触するように構成される、ステップと、を含むことができる。前記第１の保護層は、電子が前記第１の反応層から前記集電体に移動することができるように、前記支持面と前記反応層との間に配置されてもよく、前記第１の反応層は、前記支持面から離間され、少なくとも実質的にイオン的に隔離され、これにより、前記支持面への前記反応層の拡散が前記第１の保護層によって防止され得、それにより、前記反応性金属と前記集電体との間の反応を抑制する。

金属基板は、約１～約１００ミクロンの厚さを有し、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス鋼、鋼、導電性ポリマーおよびポリマーのうちの少なくとも１つを含むフォイルであってもよい。

金属基板は、ステップａ）の前に第１の投入ロールから巻き出され、ステップｃ）の後に第１の排出ロールに巻き取られる連続フォイルウェブを含んでもよい。

ステップｂ）およびステップｃ）は、ウェブが第１の投入ロールと第１の排出ロールとの間を移動している間に実行されてもよい。

ウェブは、約２０～約１５００ｍ／分の処理速度で移動してもよい。

ステップｂ）は、ウェブが処理速度で移動している間に、単一のパスで支持面上に約０．００１～約１０ミクロンの保護金属を堆積させるように構成された少なくとも１つの保護金属蒸気源装置から保護金属を提供するステップを含んでもよい。

ステップｂ）は、第１の保護層が約１～約７５，０００オングストロームの厚さを有するまで、保護金属を支持面上に堆積させるステップを含んでもよい。

ステップｃ）は、ウェブが前記処理速度で移動している間に、単一のパスで前記第１の保護層上に約０．００１～約１０ミクロンの前記活性金属を堆積させるように構成された前記少なくとも１つの保護金属蒸気源装置から下流に離間した少なくとも１つの反応性金属蒸気源装置から前記反応性金属を提供するステップを含んでもよい。

ステップｃ）は、第１の活性層が約０．００１～約１００ミクロンの厚さを有するまで、第１の保護層上に活性金属を堆積させるステップを含んでもよい。

第１の投入ロールは、メタライジングチャンバ内に配置された巻き出し装置によって支持されてもよい。

第１の排出ロールは、動作圧力でメタライジングチャンバ内に配置された巻き取り装置によって支持されてもよい。

ステップａ）の前に、前記メタライジングチャンバの内部の圧力をほぼ大気圧から前記動作圧力まで低下させるステップと、エアロックを介して前記第１の投入ロールを前記メタライジングチャンバの前記内部に導入するステップであって、それにより、前記メタライジングチャンバの前記内部の圧力を１ｋＰａより高く増加させることなく、前記第１の投入ロールが、前記メタライジングチャンバの外側から前記メタライジングチャンバの内側に搬送され得る、ステップと、をさらに含んでもよい。

本方法は、ステップｃ）の後に、エアロックを介して前記メタライジングチャンバの前記内部から前記第１の排出ロールを除去するステップをさらに含んでもよく、それにより、前記メタライジングチャンバの前記内部内の圧力を１ｋＰａより高く増加させることなく、前記第１の排出ロールが、前記メタライジングチャンバの内部から前記メタライジングの外部に搬送され得る。

本方法は、第１の排出ロールをエアロックから除去する前に、酸素を実質的に含まない内部を有する気密受け入れチャンバ内に第１の排出ロールを封止するステップを含んでもよい。

第１の投入ロールが空になった後に、本方法は、エアロックを介して前記メタライジングチャンバの前記内部に第２の投入ロールを導入し、前記メタライジングチャンバの前記内部の圧力を１ｋＰａより高く増加させることなく、前記第２の投入ロールから巻き出された金属基板を用いてステップａ）～ステップｃ）を繰り返すステップをさらに含んでもよい。

反応性金属は、リチウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、カルシウム、マグネシウムおよびアルミニウムのうちの少なくとも１つを含んでもよい。

反応性金属は、リチウムであってもよい。

メタライジングチャンバの内部は、ステップａ）～ｃ）の間に酸素を実質的に含まなくてもよい。

本方法は、第３の物理蒸着プロセスにより、前記保護金属を含む第２の保護層で前記集電体の対向する第２の側面を覆うステップを含んでもよい。

本方法は、集電体を封止するために、前記第１の保護層の外周部を前記第２の保護層の外周部に封止するステップを含んでもよい。

本方法は、第１の保護層の前記外周部を前記第２の保護層の前記外周部に封止するステップは、前記外周部を機械的に互いに圧着するステップを含んでもよい。

本方法は、第４の物理蒸着プロセスにより、前記反応性金属を含む第２の反応層で前記第２の保護層を覆うステップを含んでもよい。

動作圧力は、約１０－２～１０－６Ｔｏｒｒであってもよい。

本明細書に記載の教示の別の広範な態様によれば、リチウムベースの電池は、カソード集電体およびカソード反応面を有するカソードアセンブリを含むことができる。リチウムアノードアセンブリは、アルミニウムを有し、支持面を有する第１の側面を有するアノード集電体を含んでもよい。少なくとも第１の保護層は、支持面に結合されてもよく、支持面を覆ってもよい。保護層は保護金属を含んでもよく、導電性であってもよい。少なくとも第１の反応層は、保護層に結合されたリチウム金属を含んでもよく、アノードアセンブリが使用されているときに電解質と接触するように構成されてもよい。電解質は、カソード反応面とアノード反応層との間に配置されてもよく、カソード反応面とアノード反応層とに接触してもよい。第１の保護層は、電子が電解質からアノード集電体まで第１の反応層および第１の保護層を通って移動することができるように、支持面と反応層との間に配置されてもよい。第１の反応層は、支持面から離間され、少なくとも実質的にイオン的に隔離されていてもよく、それによって、前記反応層の前記集電体への拡散が前記第１の保護層によって実質的に防止され、それにより、前記リチウム金属と前記集電体との間の反応を抑制する。

第１の保護層は、支持面を電解質から少なくとも実質的にイオン的に隔離してもよい。

電解質は、その第１の反応層に直接接触し、アノード集電体に直接接触しない固体電解質材料を含んでもよい。

アノード集電体は、前記保護金属によって包まれてもよく、前記電解質から物理的に隔離されてもよい。

集電体は、連続アルミニウムフォイルを含んでもよい。

アルミニウムフォイルは、約１～約１００ミクロンの厚さを有してもよい。

アルミニウムフォイルは、支持面を含み、第１の保護層を物理的に支持する連続ウェブとして構成されてもよい。

保護金属は、銅、ニッケル、銀、ステンレス鋼および鋼のうちの少なくとも１つを含むことができる。

第１の保護層は、物理蒸着によって支持面上に堆積され、支持面に結合してもよい。

第１の保護層は、約１～約７５，０００オングストロームの厚さを有してもよい。

第１の保護層は、約２００オングストローム～約７５００オングストロームの厚さを有してもよい。

第１の保護層は、隔離厚さを有してもよく、第１の反応層が集電体から完全にイオン的に隔離されるように成形されてもよい。

保護金属は、リチウム金属と非反応性であってもよい。

保護金属は、集電体の第１の側面全体を覆っていてもよい。

第１の反応層は、約０．００１～約１００ミクロンの厚さを有してもよい。

第１の反応層は、約０．０１～約２０ミクロンの厚さを有してもよい。

第１の反応層は、物理蒸着によって第１の保護層上に堆積され、第１の保護層に結合してもよい。

アノードアセンブリは、リチウム金属フォイルを含まなくてもよい。

集電体は、対向する第２の側面と、第２の側面に結合されて第２の側面を覆い、かつ保護金属を含む第２の保護層と、を含んでもよい。

第１の保護層の周囲は、第２の保護層の対応する外周部に接合され、それによって集電体を保護金属で封止することができる。

第１の保護層は、物理蒸着、ポリマーフィルムの付着、ポリマー樹脂の付着、および前記外周部の機械的圧着のうちの少なくとも１つにより、第２の保護層の対応する外周部に接合されてもよい。

リチウム金属を含む第２の反応層は、第２の保護層に結合されてもよく、アノードアセンブリが使用されているときに電解質と接触するように構成されてもよい。

本明細書に記載の教示の別の広範な態様によれば、ロールツーロールメタライジング装置は、第１の真空サイクル中に約０．００１ｋＰａ未満の動作圧力で構成可能な内部を有するメタライジングチャンバを含むことができる。ロールツーロール巻き取りアセンブリは、メタライジングチャンバ内に設けられてもよく、巻き出し用の第１のフォイルロールを支持する第１のスピンドルと、フォイルを巻き取ることができる第２のスピンドルと、それらの間を移動する第１のフォイルウェブと、を含んでもよい。物理蒸着装置は、メタライジングチャンバ内に設けられてもよく、第１の真空サイクル中に、ｉ）前記第１のスピンドルと前記第２のスピンドルとの間を移動する前記第１のフォイルウェブ上に保護金属の層と、ｉｉ）前記保護材料の層上に反応性材料の層と、を独立して堆積させることによって、前記第１のフォイルロールを処理するように構成されてもよい。エアロックチャンバは、第１の真空サイクル中にほぼ動作圧力で構成可能な内部を有してもよく、少なくとも第１のフォイルロールおよび第２のフォイルロールを同時に収容するように構成されてもよい。チャンバドアは、メタライジングチャンバの内部とエアロックチャンバの内部とを分離することができる。エアロックチャンバが大気圧未満の移送圧力にあるとき、チャンバドアは、メタライジングチャンバの前記内部が密閉され、前記エアロックチャンバの前記内部から隔離されている閉鎖構成と、メタライジングチャンバの前記内部が前記エアロックチャンバの前記内部と連通している開放構成であって、これにより、前記メタライジングチャンバの前記内部を前記移送圧力に維持しながら、前記第２のフォイルロールを前記エアロックチャンバから前記メタライジングチャンバに移動させることができる開放構成と、の間で移動可能であってもよい。第１のフォイルロールが前記メタライジングチャンバから除去された後に、第２のフォイルウェブが前記第１のスピンドルと前記第２のスピンドルとの間に延在するように、前記第２のフォイルロールは前記第１のスピンドルに取り付け可能であってもよく、前記第２のフォイルウェブは、ｉ）前記第１のスピンドルと前記第２のスピンドルとの間を移動する前記第２のフォイルウェブ上に保護金属の第２の層と、ｉｉ）保護材料の前記第２の層上に反応性材料の第２の層と、を堆積させるために、前記第１の真空サイクル中に前記物理蒸着装置を使用して処理可能であってもよい。

チャンバドアが開いているとき、第１のフォイルロールは、メタライジングチャンバからエアロックチャンバ内に移動可能であってもよい。

移送圧力は、約０．０１ｋＰａ未満であってもよい。

移送圧力は、動作圧力と実質的に同じであってもよい。

物理蒸着装置はまた、第１の堆積ゾーンで前記第１のフォイルウェブ上に前記保護金属の層を堆積させるように構成された第１のアプリケータと、前記保護金属の層の最上部に前記反応性金属の層を堆積させるように構成された第２のアプリケータと、を含んでもよい。

第１のフォイルウェブは、第１のフォイルウェブが第１のスピンドルから第２のスピンドルに移送されるときに移動方向に移動してもよく、第２のアプリケータは、第１のアプリケータから移動方向に離間していてもよい。

反応性金属の層は、第１の堆積ゾーンから移動方向に離間した第２の堆積ゾーンに堆積されてもよい。

物理蒸着装置は、第１の堆積ゾーンを通る前記第１のフォイルウェブの単一パスで前記保護金属の層を付着させるように構成されてもよい。

物理蒸着装置は、第２の堆積ゾーンを通る前記第１のフォイルウェブの単一パスで前記反応性金属の層を付着させるように構成されてもよい。

エアロックチャンバはまた、エアロックチャンバの前記内部が密閉され、周囲環境から隔離されている閉鎖構成と、エアロックチャンバの前記内部が前記周囲環境と連通している開放構成と、の間でチャンバドアとは独立して移動可能なエアロックドアを含んでもよい。チャンバドアが閉じられ、前記エアロックドアが開かれると、前記メタライジングチャンバが前記動作圧力を維持しながら、前記周囲環境から前記エアロックの前記内部にアクセスすることができる。

ロールマガジン装置は、エアロックチャンバ内に配置されてもよく、ロールツーロール巻き取りアセンブリの前記第１のフォイルロールを受け取り、前記第１のフォイルロールおよび前記第２のフォイルロールを同時に保持し、次いで、前記メタライジングチャンバが前記移送圧力に維持されている間に、前記第２のフォイルロールを前記ロールマガジン装置から前記ロールツーロール巻き取りアセンブリに移送するように構成されてもよい。

不活性再加圧システムは、反応性材料に対して不活性である不活性ガスを使用して、チャンバドアおよびエアロックドアがほぼ大気圧まで閉じられたときに、前記エアロックチャンバの前記内部を再加圧するように構成されてもよい。

包装装置は、エアロックチャンバ内にあってもよく、第１のフォイルロールが前記物理蒸着装置によって処理された後に、前記第１のフォイルロールを受け取り、前記エアロック内部が前記不活性ガスで再加圧されている間に、気密な受け入れ容器内に前記第１のフォイルロールを封止し、それにより、前記受け入れ容器が前記エアロックチャンバから取り外されたときに、前記第１のフォイルロールが前記周囲環境内の空気から隔離されたままになるように構成されてもよい。

本発明の実施形態は、添付の図面を参照して説明され、同様の符号は同様の部分を示す。

従来のリチウムイオンセルの概略図である。 リチウムアノードを有する固体電池の概略図である。 リチウムベースの電池と共に使用するためのアノードアセンブリの一例の概略図である。 図２のアノードアセンブリの一部の拡大図である。 図２のアノードアセンブリの斜視図である。 リチウムベースの電池と共に使用するためのアノードアセンブリの別の例の概略図である。 アノードアセンブリを製造する方法の一例を示すフローチャートである。 アノードアセンブリを製造する方法の別の例を示すフローチャートである。 図２のアノードアセンブリを含む電池の一例の概略図である。 アノードアセンブリを製造するための装置の一例の概略図である。 図９の線Ｂに沿った断面図である。 図９の線Ｄに沿った断面図である。 図９の線Ｃに沿った断面図である。 両面アノードアセンブリの一例の概略図である。

特許請求される各発明の実施形態の例を提供するために、様々な装置またはプロセスが以下に記載される。以下に記載される実施形態は、特許請求される発明を限定するものではなく、特許請求される発明は、以下に記載されるものとは異なるプロセスまたは装置を包含してもよい。特許請求される発明は、以下に記載されるいずれか１つの装置またはプロセスのすべての特徴を有する装置またはプロセス、または以下に記載される装置の複数またはすべてに共通の特徴に限定されない。以下に説明する装置またはプロセスは、特許請求される発明の実施形態ではない可能性がある。本明細書で特許請求されていない以下に記載される装置またはプロセスに開示する発明は、別の保護手段、例えば継続特許出願の主題とすることができ、出願人、発明者または所有者は、本明細書におけるその開示によってそのような発明を放棄、否認、または公にすることを意図していない。

電池に対する需要は、部分的には、モバイル電子デバイス、グリッドストレージ、および電気自動車（ＥＶ）に対する需要の高まりに起因して増加している。これらの装置は、従来のリチウムイオン電池（ＬＩＢ）によって給電することができる。従来のリチウムイオン電池（ＬＩＢ）は、一般に、図１Ａに概略的に示す層状構造を有する電気化学セルを使用し、本明細書の説明の目的のために、以下を典型的に含むと理解することができる。
・第１の集電体２１、典型的には銅フォイル、
・第１の集電体に付着されたインターカレーションアノード材料２２、典型的には球状グラファイト、
・アノード液２３、典型的にはフッ素化およびリチウム化炭化水素溶媒、
・リチウムイオン透過性セパレータ２４、典型的にはポリマーシート、
・カソード液２５、典型的にはフッ素化およびリチウム化炭化水素溶媒、
・インターカレーションカソード材料（酸化コバルトリチウム、酸化マンガンリチウム、リン酸鉄リチウム、ニッケルマンガンコバルト（ＮＭＣ）リチウムおよび酸化ニッケルコバルトアルミニウム（ＮＣＡ）リチウム）２６、
・第２の集電体２７、典型的にはアルミニウムフォイル。

既存のＬＩＢは、以下を含むいくつかの欠点を被る可能性がある。
・それらは、コバルト、ニッケル、リチウムおよび複雑な有機電解質などの高価な材料に依存して、製造コストが比較的高い。
・それらは、少なくとも１つの原因として、アノードおよびカソード材料のリチウムイオン貯蔵容量が低いために、質量および体積エネルギー密度が不十分である可能性がある。
・少なくとも１つの理由として、電池の損傷または電池パックの過熱が、可燃性の高い有機電解質の急速な放電および発火につながる可能性があるために、比較的危険であり得る。
・それらの製造の一部として、それらは、使用前に長時間（典型的には約４０時間）の低速充電を必要とする傾向があり、これは、このプロセスステップ専用の電池製造プラントにおいて実質的に高価な設備を必要とする。

ＮＭＣ（ニッケル、マンガン、コバルト）またはＮＣＡ（ニッケル、コバルト、アルミニウム）カソードを使用するものなどのニッケルおよびコバルトを含む新しい電池化学が、エネルギー密度の問題に対処するのを助けるために最近採用されている。これらは、セル電圧を増加させ、カソード材料量を減少させることによって、比較的改善されたエネルギー密度を有することができる。この進歩は、少なくとも幾分有益であるが、本明細書に記載の安全性およびコストの懸念の少なくとも一部が対処されないままであり、それは例えば以下を含む。
・それらは、一般に、以前の電池と同じ可燃性電解質に依存している。
・それらは一般に、カソード材料中の希少元素にますます依存している。
・それらは、一般に、製造プラントにおいて低速充電設備を必要とし続けている。

特に、カソードにコバルトおよびニッケルを使用すると、比較的高いコスト、および／または世界的な採用レベルでの需要をサポートするには不十分な利用可能なコバルト資源に関連する潜在的な制限のために、これらのカソードは一般にＥＶへの広範な適用に適さなくなる可能性がある。逆に、より安価でより豊富な鉱物を利用する電池は、比較的低いエネルギー密度を被る傾向があり、これらの安全上の懸念を解決しない。

リチウムイオン電池の欠点に対処するために提案されている１つの手法は、リチウム金属電池固体電池（ＳＳＢ）である。このタイプの電池の１つの概略的な例が図１Ｂに示されており、このタイプの電池は、典型的には、以下を含む。
・第１の集電体２１１、典型的には銅フォイル。
・リチウムアノード２２１（同時に集電体として機能し得る）、典型的には厚さ２５～１００ミクロンのフォイル。
・固体電解質２３１、典型的にはリチウムイオン伝導性ポリマー、セラミック、またはガラス。
・従来のＬＩＢで使用されるものと同様のインターカレーションカソード材料２６１。
・第２の集電体２７１、典型的には厚さ１０～１００ミクロンのアルミニウムフォイル。

このタイプの電池は、以下を含む、従来のＬＩＢＳが直面するいくつかの課題に対処するのに役立つことができる。
・リチウムアノードは、グラファイトのものよりも約６倍高い最大物理的リチウムイオン貯蔵質量密度を有する。
・リチウムアノードによって得られるより大きなエネルギー密度は、より安価であり、豊富な元素に依存するリン酸鉄リチウムなどのより低いエネルギー密度のカソード材料の使用を相殺するのに役立ち得る。
・固体電解質は、ＬＩＢに使用される可燃性溶媒を排除し、熱暴走または電池への物理的損傷による発火の可能性を大幅に低減する。
・必要とされるすべてのリチウムが既にアノード上に存在するように（すなわち、電池セルは、組み立て中に効果的に充電されるように）電池を構築することにより、電池製造プロセスから低速充電ステップを完全に排除することが可能である。

ＳＳＢの採用は、電解質と電極との間に適切な接触を作り出すことが困難であること、および／またはリチウムフォイルの本質的に比較的高いコストによって妨げられる可能性があり、両方とも最終的な電池コストを増加させる。リチウムフォイルアノードは、いくつかの理由により、製造するのに比較的費用がかかる可能性がある。
・リチウム金属は、少なくとも１つの理由として、その製造に必要な適切な供給材料が採掘および精製に高価であるために、高価であり得る。
・リチウム金属の強度および密度が（他の代替的な金属フォイルと比較して）比較的低いことにより、電池アノードに望まれる薄い厚さへの取り扱いおよび巻き取りが比較的困難になる可能性がある。
・リチウム金属は空気および水分と容易に反応し、フォイルの取り扱いおよび貯蔵を困難にする可能性がある。
・いくつかの現在の製造方法の小規模は、通常は半製品のコストを削減する規模の経済性の効果を阻害する。

さらに、押出によって製造されたリチウムフォイルは、堆積方法を妨げる可能性がある重大な表面欠陥を有するため、ＳＳＢの固体電解質を付着させるための利用可能な製造技術が制限される。

本明細書に記載の教示は、リチウムフォイルの使用の必要性を低減および／または排除することができる適切なリチウムアノードを提供するのを助けることによって、少なくとも後者の問題に対処するのを助けることを目的としている。すなわち、本教示は、リチウム金属固体および／またはリチウムイオン電池での使用に適し得るアノードアセンブリ、ならびにその製造に使用することができるプロセスおよび装置／機器に関する。本開示のいくつかの態様はまた、本明細書で使用する場合、リチウム固体電池（ＳＳＢ）およびリチウムイオン電池（ＬＩＢ）の両方、ならびに本明細書に記載のアノードアセンブリと共に使用するのに適し得る他の電池タイプを指すことができる、１つまたは複数のタイプのリチウムベースの電池で使用するための比較的低コストのリチウムアノードアセンブリの製造に関することができる。本教示はまた、アノードアセンブリに使用することができるロールツーロールメタライズされた基板の比較的低コストの製造に関することができる。特定の非限定的な実施形態によれば、本開示は、低コストのリチウムアノードおよび集電体アセンブリ、そのようなアセンブリを製造するためのプロセス、およびそのようなプロセスを動作させることができる物理蒸着機器を開示することができる。教示はまた、本明細書に記載のアノードアセンブリの例を含む電池に関することができる。

本明細書に記載の一実施形態によれば、リチウムベースの電池で使用するためのアノードアセンブリは、アルミニウムを含み、アセンブリの他の構成要素を受容／支持することを意図した支持面を有する集電体基板を含むことができる。リチウム金属を含む反応層は、アノードアセンブリが使用されているときに電池内の電解質と接触するように構成され、一般に集電体基板によって支持される。集電体中の反応性リチウム層とアルミニウムとの間の望ましくない反応の可能性を低減するのを助けるために、アセンブリはまた、支持面に結合されてこれを覆い、適切に導電性である保護金属を含む適切な保護層を含むことができる。この構成では、保護層は、電子が前記第１の反応層から前記集電体に移動することができるように、前記支持面と前記反応層との間に配置され、前記第１の反応層は、前記支持面から離間され、少なくとも実質的にイオン的に隔離される。したがって、保護層は、集電体への反応層の拡散を少なくとも実質的に防止または抑制するのに役立ち、完全に防止することができ、それにより、リチウム金属と集電体との間の望ましくない反応を少なくとも実質的に抑制し、任意選択的に完全に防止するのに役立つことができる、集電体基板と反応層との間のこの種の分離は、反応層内のリチウムの使用を容易にするのを助けることができ、一方、集電体として使用するのが一般的に望ましいかもしれないが、そうでなければ（例えば、適切な保護層がない場合）、アノードアセンブリの有効性を低下させる、および／またはアノードアセンブリもしくはその下位層の有用性を損なうか低下させるように反応層のリチウムと反応するであろう集電体内の材料の使用を容易にするのを助けることができる。

本明細書で使用される場合、層という用語は、一般に連続的であり、介在する材料または構造によって中断されない、保護材料などの所与の材料の量を表す。任意の所与の層は、単一のステップまたはプロセスにおいて所与の厚さの層のすべての材料を付着させる層材料（例えば、本明細書に記載の物理蒸着プロセスの単一パス）の単一の適用によって形成され得る。あるいは、本明細書に記載の単一の層はまた、層材料の一部をそれぞれ付着させる層材料の２つ以上の適用の結果／組み合わせとして（例えば、本明細書に記載の物理蒸着プロセスの複数のパスにより）形成されてもよく、総層厚は、２つ以上の適用からの材料を蓄積することによって形成された層上で測定される。

本明細書に記載のアノードアセンブリは、電気めっき、無電解めっき、積層、溶融メタライジング、波はんだ付けなどを含むいくつかのプロセスによって製造することができるが、明らかになる理由から、本明細書に開示するロールツーロール真空メタライジング（電子ビームまたはマグネトロン蒸発を含む）あるいは物理蒸着（ＰＶＤ）プロセスおよび機器は、本発明のアノードアセンブリを製造する有利な方法を提供することができる。

既存の市販のロールツーロールメタライジング機器は、通常、所望の基板のロールがロードされる真空チャンバを使用する。次いで、チャンバを１０^－２～１０^－６Ｔｏｒｒの圧力まで真空引きする。次いで、抵抗源、誘導源、電子ビーム源、またはマグネトロン源は、ロールがロードされたドラムから受けドラムに搬送されるときに金属を気化させる。ロール全体がメタライズされると、チャンバが再加圧され、ロールが除去される。物理的蒸気を提供するために、スパッタリング源を使用することもできる。典型的なサイクルでは、１５～３０分間のローディング、３０～６０分間の真空引き、および６０～１２０分間のメタライジング、５～１０分間の再加圧、および１５～３０分間のアンローディングに費やされ、３０％～６５％の全体的な生産可用性がもたらされる。これらの数は近似値にすぎず、すべての機械について同じであるとは限らない。

処理される基板上の表面汚染物質、例えば材料の取り扱いからの表面汚染物質は、コーティングの比較的低い表面品質および接着性をもたらし、再加工ならびに比較的全体的に低い生産速度およびより高い生産コストにつながる可能性がある。大気ガスなどによるリチウムベースのアノードの酸化および窒化は、アノードアセンブリを損傷する可能性があり、それによってスクラップを増加させ、生産性を低下させる。さらに、入力としてリチウムフォイルを使用するプロセスは、この材料の比較的高いコストによって不利になり得る。

したがって、本明細書の教示は、リチウムフォイルの使用を回避し、機器の可用性を高め、再加工を減らすこと、のうちの１つまたは複数を達成することができるアノードおよびアノード製造プロセスに関する。

本明細書の教示の別の態様は、ＰＶＤプロセスにより、非反応性および反応性金属および／または他の材料（ポリマー、ガラスまたはセラミックフィルムを含む固体電解質膜を含む）の連続層を基板上に堆積させることによって多層アノードまたはアノードアセンブリを製造する方法に関し、そのような層の堆積は、真空を破壊することなく同じ機器内で行われ、それによってサイクル時間を実質的に短縮する。これは、いくつかの公知のシステムを超える以下の利点、すなわち、リチウムフォイルの使用を回避することができること、基板の汚染の機会が減少すること、取り扱いおよび大気への曝露も低減されること、機器の利用率を高めることができること、真空を確立することに関連するエネルギーコストを低減できること、のうちの１つまたは複数を提供するのに役立ち得る。これは、ＳＳＢでの使用に適した低コストのアノードアセンブリを提供するのに役立ち得る。

これらの利点のいくつかを達成するための装置は、真空メタライジングチャンバと、真空確立手段と、少なくとも１つのリチウム金属源および非反応性金属源を有する２つ以上の気化金属源と、ロールマガジンと、エアロックと、ロール交換手段と、制御システムと、場合により不活性ガス容器詰めシステムと、を有する、ロールツーロール真空メタライジング機器を含むことができる。共通の真空メタライジングチャンバ内に気化金属の複数の供給源を設けることは、金属用途間で真空チャンバを再加圧および排気する必要なしに、２つ以上の異なる材料をチャンバ内に付着させることを可能にするのに役立ち得る。これにより、可用性とエネルギーの両方を節約することができる。適切なエアロックおよびマガジンを使用することは、ロールのメタライゼーションが進行している間に、ロールの１つまたは複数の追加のセットをロードおよび排出することを可能にするのに役立ち得る。メタライジングが完了すると、真空を破壊することなく（例えば、単一の真空サイクル内で）、処理されたロールを新しい未処理のロールと交換することができ、それによって機器の可用性が向上する。不活性ガス容器詰めシステムは、機器を離れることなく、完成したロールを不活性雰囲気下の容器に配置して密封することを可能にし、それによって処理されたロールの汚染または反応性金属と雰囲気中のガス（例えば、酸素）との間の望ましくない反応の可能性を低減する。

図２～図４を参照すると、アノードアセンブリ１００の一例は、集電体基板１０２と、反応層１０６と、集電体１０２と反応層１０６との間に配置されて反応層１０６を集電体１０２から少なくとも実質的にイオン的に隔離する保護層１０４とを含む。

集電体１０２は、本明細書に記載の電池での使用に適した公知の金属フォイルを含む任意の適切な材料から形成することができる。この例では、集電体１０２はアルミニウムフォイルから形成される。保護層１０４を含むことで、従来考えられていたリチウム金属アノードとは異なり、銅または他の従来材料よりも低コストの導電性基板であるアルミニウムフォイル材料を集電体１０２として用いることができる。これは、従来技術で行われているように、他の金属またはポリマーを集電体基板として使用するアセンブリと比較して、アノードアセンブリ１００の入力材料コストを削減するのに役立ち得る。いくつかの実施形態では、必要に応じて、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス鋼、鋼、導電性ポリマー、ポリマー、およびそれらの組み合わせの他の材料を集電体に使用することができる。

集電体１０２は、アノードアセンブリ１００が電池内で使用されているときに電解質およびカソードアセンブリに面するように意図された前面１０８と、対向する後面１１０と、を有する。前面１０８は、保護層１０４に結合されて覆われている集電体１０２の部分である取り付け部分または取り付け面１１２を含むことができる。取り付け面１１２は、この実施形態に示すように、前面１０８のすべて、または少なくとも実質的にすべてを覆ってもよく、あるいは前面１０８の１００％未満を覆ってもよい。

集電体１０２は、任意の適切な金属から形成することができ、好ましくはアルミニウムから形成することができる。本例では、集電体１０２はアルミニウムフォイルの連続ウェブから形成されるが、他の例では異なる構成を有してもよい。集電体１０２および反応層１０６中のリチウム金属を最終的に支持する物理的基板としてのアルミニウムフォイルの使用を容易にすることができるのは、保護層１０４の存在である。好ましくは、アノードアセンブリ１００は、アセンブリ１００の他の部分を支持するのを助けるために連続的な物理的基板として集電体１０２内にアルミニウムフォイルを含むだけでよく、リチウムフォイルまたは銅フォイル（例えば、リチウムフォイルを含まなくてもよい）を使用する必要なく形成することができる。

集電体１０２を形成するためにアルミニウムを使用することは、それを優れた集電体にするいくつかの有益な特性を有することができる。例えば、集電体を形成するための利用可能で適切な金属から、アルミニウムは体積測定的には最も安価な金属の１つであり得る。アルミニウムはまた、アノードアセンブリ１００の製造中の引き裂きに抵抗するための薄いフォイルとして十分に強くすることができ、リチウムフォイルなどの他のフォイルと比較して、製造プロセスにおいて巻き取り、巻き出しおよび一般的な取り扱いを比較的容易にすることができる。アルミニウムはまた、アノードアセンブリ１００が所望のように機能することを確実にするのを助けることができる十分にかつ比較的効率的な導電体である。

実際、これらの特性は、アルミニウムフォイルがカソード集電体用のＬＩＢに頻繁に使用されることにつながる要因のいくつかであり得る。しかしながら、アルミニウムは、一般に、本明細書で企図されるようにアノード集電体として不適切であると考えられてきた（一般に、直接曝露されたときのリチウム金属との不適合性のため）。例えば、アルミニウムは、比較的小さな電位下でリチウムと容易に合金化するため、アノード集電体には適さないと考えられ得る。結晶構造中のアルミニウムを置換することによって、リチウムは集電体を著しく膨張させ、その劣化および最終的な崩壊をもたらし、それによって電池の寿命を制限する。このため、アルミニウムは、本発明者らの知る限り、この目的のためにＬＩＢまたはＳＳＢのアノード集電体に使用されていない。

この例の集電体１０２は、所与の電池設計または同様の用途での使用に適した任意の適切なサイズ、形状および厚さを有するように形成することができる。例えば、集電体１０２は、所与の用途に応じて、約１～約１００ミクロン、またはそれ以上であり得る集電体厚さ１１４を有する。

好ましくは、集電体１０２を形成するために使用されるアルミニウムフォイルは、アルミニウムフォイルの最初のロールまたはソースロールから巻き出され、製造プロセス中に処理または製造ゾーンを通過することができるフォイルの連続ウェブとして提供することができ、保護層１０４および反応層１０６の少なくとも一方（および好ましくは両方）を形成するために使用される材料は、連続フォイルウェブに付着させることができる。この構成では、アルミニウム集電体１０２およびその上の支持面１１２は、保護層１０４および／または反応層１０６を物理的に支持することができる。これは、保護層１０４および反応層１０６が連続的なフォイルまたはウェブから形成される必要性を低減および／または排除するのに役立ち、代わりに、保護層１０４および反応層１０６を形成するために使用される材料が集電体１０２の支持面１１２に直接堆積または他の様態で付着されることを可能にすることができる。この性質の適切な製造プロセスのいくつかの例を本明細書に記載する。

保護層１０４は、反応層１０６と集電体１０２との間に所望の程度の電子伝導性を提供することができ、また（適切な厚さで付着された場合）反応層１０６を集電体１０２からイオン的に隔離することもできる任意の適切な保護材料から形成される。反応層１０４を形成するために使用される金属はまた、層１０２と１０４または１０４と１０６との間のガルバニック腐食または他の望ましくない反応を防止するのを助けるために、集電体１０２の材料および反応層１０６の材料の両方に対して完全にまたは少なくとも実質的に不活性であることが好ましい。所与のアセンブリ１００に使用される特定の材料は、その実施形態における集電体および反応層を形成するために使用される特定の材料によって影響を受け得る。

反応層１０４を形成するのに適した材料のいくつかの例は、典型的には金属であり、銅、ニッケル、銀、鋼、ステンレス鋼、クロム、および反応層１０６からのリチウムが容易にインターカレートまたは合金しない（例えば、リチウム金属と十分に反応しない）他の金属を含むことができる。

保護層１０４は、反応層１０６を集電体１０２から十分に隔離することができる任意の厚さであるように選択することができる保護または隔離厚さ１１６を有し、好ましくは、所望の程度の隔離を提供する最小厚さであるように選択される。例えば、厚さ１１６は、１～７５，０００オングストロームの間、より好ましくは約１～１５０００オングストロームの厚さであってもよく、いくつかの実施形態では約２００～７５００オングストロームの厚さが最も好ましい。

集電体１０２および保護層１０４の厚さ１１４および１１６は、異なる電池特性を達成するように変更することができる。これは、電池製造業者が、より厚いリチウムコーティングに関連する比較的高いアノードコストに対して、トリクル充電に関連する資本コストおよび在庫コストをトレードオフするためのある程度の柔軟性を提供するのに役立ち得る。そのような柔軟性は、製造業者が製品のニーズおよび事業上の制約に適合するように製造プロセスを調整することを可能にし得る。

任意選択で、別の金属層、例えば銀、金、ニッケルもしくはステンレス鋼、または任意の他の適切な金属を保護層１０４と集電体１０２との間に導入して、例えば集電体１０２内のアルミニウムフォイルへの保護層１０４の結合を改善するのを助けることができる。

保護層１０４を形成する材料は、任意の適切な技術を使用して集電体１０２に付着させることができる。１つの適切な付着技術は、物理蒸着であり、この場合、保護材料は、薄い高度に接着された実質的に純粋な金属（または合金）コーティングとして支持面１１２上に堆積される適切な金属蒸気として提供され得る。保護層１０４は、一回の堆積パス／ステップで形成されてもよく、または所望の厚さ１１６を有する保護層１０４を構築するために２回以上のパスを使用して構築されてもよい。この技術は、別個の結合材料または接着剤などを使用する必要なく、保護金属材料を集電体１０２に結合することを可能にすることができる。

反応層１０６は、任意の望ましい材料（リチウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、カルシウム、マグネシウムおよびアルミニウムを含む）から形成することができ、本明細書に記載の例では、リチウム金属から形成される。反応層１０６は、電池内の電解質材料に接触するための所望の接触面１２０を提供するようなサイズおよび形状である。

反応層１０６は、任意の適切な厚さを有することができ、好ましくは約０．００１～約１００ミクロンの厚さを有することができ、または約０．０１ミクロン～約２０ミクロンであり得る。

この性質の反応層１０６は、任意の適切な技術を使用して提供することができ、好ましくはリチウムフォイル（例えば、リチウム金属を含有するが、リチウムフォイルを含まない）を使用せずに付着させることができる。本実施例では、反応層１０６はまた、保護層１０４が堆積された後に実行される第２の堆積プロセスにおいて、物理蒸着によって付着される。好ましくは、両方の堆積プロセスは、共通の機械を使用して実行することができ、本明細書に記載されるように、同じ処理チャンバ内および同じ真空サイクル下で行うことができる。

アノードアセンブリ１００は、任意選択的に固体電解質、カソード、および他の要素を含む任意の適切な電解質材料でさらに処理され、または組み合わされて、電気自動車または電子装置で使用するための電池セルを製造することができる。

図２および図３の実施形態では、保護層１０４は、集電体１０２の前面１０８に設けられる。これは、固体電池で使用される場合、および／または反応層１０６と物理的に接触しているだけの、または少なくとも実質的にのみの固体電解質材料と組み合わせて使用される場合など、アノードアセンブリ１００のいくつかの意図された用途に適切であり得る。すなわち、リチウム反応層とアルミニウム集電体１０２との間に保護金属の層を介在させることによって、アルミニウム集電体１０２を、アノードアセンブリ１００の外側接触面を形成する反応層１０６内のリチウムに対して実質的に不活性にすることができる。固体電解質電池は電解質に曝される導電性表面を制限するので、アルミニウム集電体１０２は通常、銅保護層１０４とイオン接続を共有せず、したがってアセンブリ１００はガルバニック腐食の影響を受けにくい。

あるいは、集電体１０２は、アノードアセンブリ１１００の別の例が集電体１０２の前面１０８上の第１の前面保護層１０４ａ（例えば、集電体１０２と反応層１０６との間）と、集電体１０２の対向する後面１１０に結合された第２の後面保護層１０４ｂと、を含むように、両面で保護金属材料でコーティングすることができる。これは、ガルバニック腐食などの望ましくない化学反応が集電体１０２の前面および後面の少なくとも実質的にすべて、および任意選択的にすべてに影響を及ぼすのを防ぐのに役立ち得る。

任意選択的に、前面保護層１０４ａおよび後面保護層１０４ｂの外周部を互いに接合することにより、集電体１０２を保護材料内に効果的に密封し、集電体１０２を周囲環境から概ねイオン的に隔離することができる。保護層１０４ａおよび１０４ｂは、例えば、ＰＶＤ、ポリマーフィルムまたは樹脂の付着、圧着などを含む任意の適切な技術を使用して互いに接合することができる。集電体１０２の少なくとも後面１０８を保護し、任意選択で前面層１０４ａおよび後面層１０４ｂを封止することによって集電体１０２の側縁部も保護することは、集電体１０２の後面１０８が電解質材料と接触する可能性を高め得る非固体電解質（例えば、従来のＬＩＢなどの液体および／またはゲル）を使用する電池におけるアノードアセンブリ１１００の使用を容易にするのに役立ち得る。

後面保護層１０４ｂは、保護層１０４ａを形成するのと同じプロセス（例えば、物理蒸着）を使用して、または異なるプロセスにより形成することができる。

任意選択的に、アノードアセンブリのいくつかの実施形態は、集電体の前面および後面（またはより一般的には対向する第１および第２の側面）の両方がそれぞれの保護層および反応層でコーティングされた両面アノードとして構成されてもよい。両面アノードアセンブリ２１００の一例が図１３に概略的に示されている。この例では、集電体１０２は、一方の面に第１の保護層１０４ａを有し、第１の保護層１０６ａには第１の反応層１０４ａが付着されている。集電体１０２の対向する後面側には、第２の保護層１０４ｂが設けられ、第２の反応層１０６ｂで覆われている。場合により、上述のように、保護層１０４ａおよび１０４ｂは互いに接合されてもよく、いくつかの例では、反応層１０６ａおよび１０６ｂは同様の方法で互いに接合されてもよい。

例示のみを目的として、いくつかの比較コスト推定値が以下の表１～表７に含まれ、いくつかの従来のアノードアセンブリを作製するために使用される入力材料のコストのいくつかの推定値、および本明細書に記載のアノードアセンブリで使用される入力材料のコストの推定値が含まれる。

アノードアセンブリ１００および１１００は、本明細書に記載のリチウムアノードアセンブリと共にカソード集電体およびカソード反応面を含む任意の適切なカソードアセンブリを含むリチウムベースの電池を提供するために、他の構成要素と組み合わせて使用することができる。電解質は、カソード反応面とアノード反応層との間に配置することができて、それらに接触することができ、第１の保護層は、電子が電解質からアノード集電体まで第１の反応層および第１の保護層を通って移動することができるように、支持面と反応層との間に配置することができる。第１の反応層は、支持面から離間し、少なくとも実質的にイオン的に隔離することができ、それによって、前記反応層の前記集電体への拡散が前記第１の保護層によって実質的に防止され、それにより、前記リチウム金属と前記集電体との間の反応を抑制する。すなわち、第１の保護層は、支持面を電解質から少なくとも実質的にイオン的に隔離することができる。電池１３０の一概略例が図８に示されており、電解質１３２および適切なカソードアセンブリ１３４の概略図と組み合わせてアノードアセンブリ１００を含む。

電池の設計に応じて、電解質は、その第１の反応層に直接接触し、アノード集電体に直接接触しない固体電解質材料を含んでもよく、または異なる種類の電解質材料を含んでもよい。好ましくは、アノード集電体（例えば集電体１０２）は、保護層１０４内の保護金属によって包まれ、電解質から物理的およびイオン的に隔離される。

本明細書に記載のアノードアセンブリは、本明細書に記載のものを含む任意の適切な製造プロセスを使用して製造することができる。好ましくは、製造プロセスは、保護層１０４および反応層１０６を集電体１０２上に付着させるために少なくとも２つの物理蒸着プロセスを利用することができ、より好ましくは、少なくとも半連続プロセスで行うことができ、このプロセスでは、ロールツーロールプロセスで、層１０４および１０６が移動するアルミニウムフォイルウェブ上に堆積している。物理蒸着は低圧／真空条件で行われるため、製造プロセスは、好ましくは、保護層１０４および反応層１０６の両方が共通の装置／メタライジングチャンバ内で同じ真空サイクルおよび条件の下で集電体１０２上に堆積されるように構成することができる。これは、保護層１０４の堆積と反応層１０６の堆積との間の真空条件を破る必要性を低減または排除するのに役立ち、これは、製造時間の短縮および／または反応層１０６の堆積時に第２の真空条件を再現するのに必要なエネルギー量の低減に役立ち得る。任意選択的に、完成した材料（例えば、保護層１０４および反応層１０６を有する集電体１０２）は、ロールツーロールプロセスの終わりに排出ロールに巻き付けることができ、好ましくは、その後に、排出ロールが周囲環境中の酸素に曝される前に包装および／または処理が完了することができるのと同じ真空チャンバ内で排出ロールを包装および／または他の方法で処理することができる。

図６を参照すると、アノードアセンブリを製造する方法６００の一例は、ステップ６０２において、大気圧で構成することができ、（例えば、適切な真空ポンプ装置などを使用することによって）大気圧未満の内部動作圧力を有するように選択的に構成することができるメタライジングチャンバの内部に金属製の集電体基板（例えば集電体１０２）を設けることを含む。メタライジングチャンバ内の動作圧力は、所望の物理蒸着プロセスを容易にする任意の適切な圧力とすることができ、いくつかの例では約１０^－２～１０^－６Ｔｏｒｒとすることができる。好ましくは、これは、層１０４および１０６が形成されている間、実質的に酸素を含まないメタライジングチャンバの内部を提供することができる。

ステップ６０４において、集電体１０２上の支持面１１２は、保護層１０４を構築して提供するために、１回または２回以上のパスを使用して、第１の物理的金属堆積プロセスによって保護金属材料で少なくとも部分的にコーティングされる。

ステップ６０６において、保護層１０４は、反応層１０４を構築して提供するために、一回または二回以上のパスを使用して、第２の物理的金属堆積プロセスを介して反応性金属材料で少なくとも部分的にコーティングされ、それにより、第１の保護層１０４は、電子が第１の反応層１０６から集電体１０２に移動できるように支持面１１２と反応層１０６との間に配置され、第１の反応層１０６は支持面１１２から離間され、少なくとも実質的にイオン的に隔離され、それにより、反応層１０６の支持面１１２への拡散が第１の保護層によって防止され、それにより反応性金属と集電体１０２との間の反応が抑制される。

好ましくは、集電体１０２の材料は、任意選択のステップ６０８を介して、ステップ６０２の前に第１の投入ロールから巻き出され、次いで、任意選択のステップ６１０を介して、ステップ６０６の後に第１の排出ロールに巻き取られる連続的な金属フォイルである。この構成では、ステップ６０４および６０６は、好ましくは、連続した金属フォイルウェブが第１の投入ロールと第１の排出ロールとの間を移動している間に実行することができる。

第１の投入ロールおよび後続の投入ロールは、ロールを巻き出し、チャンバ内の真空を維持しながらウェブにアクセスできるように、好ましくは低圧メタライジングチャンバ内にも配置された任意の適切な巻き出し装置によって支持することができる。同様に、排出ロールは、チャンバ内の真空を維持しながら排出ロールを巻き取ることができるように、好ましくは低圧メタライジングチャンバ内にも配置された適切な巻き取り装置上に保持することができる。ウェブは、所望の堆積プロセスが首尾よく完了することを可能にする任意の適切な処理速度で投入ロールと排出ロールとの間を移動することができ、約２０～約１５００ｍ／分であってもよい。

任意選択的に、ステップ６０４は、ウェブが処理速度で移動している間に、単一のパスで支持面１１２上に約０．００１～約１０ミクロンの保護金属を堆積させるように構成された保護金属蒸気源などの少なくとも１つの保護金属蒸気源装置から保護金属を提供するステップを含んでもよい。次いで、この堆積プロセスは、必要に応じて、例えば、ウェブの進行を反転させ、次いで、支持面１１２の以前にコーティングされた部分に保護金属蒸気源を通過させて２回目および／またはその後のパスを行い、第１の保護層が約１～約７５，０００オングストロームの厚さを有するまで、保護金属を支持面１１２上に堆積させることによって繰り返されてもよい。

任意選択的に、ステップ６０６は、ウェブが処理速度で移動している間に、単一のパスで保護層１０４上に約０．００１～約１０ミクロンの反応性金属を堆積させるように構成された反応性金属蒸気源などの少なくとも１つの反応性金属蒸気源装置から反応性金属を提供するステップを含んでもよい。次いで、この堆積プロセスは、必要に応じて、例えば、ウェブの進行を反転させ、次いで、保護層１０４の以前にコーティングされた部分に反応性金属蒸気源を通過させて２回目および／またはその後のパスを行い、第１の反応層が約１～約２０ミクロンの厚さを有するまで、反応性金属を保護層１０４上に堆積させることによって繰り返されてもよい。好ましくは、反応性金属蒸気源は、ウェブの進行方向において保護金属蒸気源から離間することができ、任意選択的に保護金属蒸気源の下流にあってもよい。これにより、反応性金属蒸気源および保護金属蒸気源が単一のパスで十分な量のそれぞれの金属を堆積させるように動作することを条件として、保護層１０４および反応層１０６の両方を集電体ウェブの単一のパスで形成することができる。

任意選択的に、集電体ウェブを巻き戻し始め、堆積プロセスを開始する前に、方法６００は、ステップ６１２において、メタライジングチャンバの内部の圧力をほぼ大気圧から動作圧力まで低下させ、次いで、エアロックを介して第１の投入ロールをメタライジングチャンバの内部に導入するステップを含むことができ、それにより、第１の投入ロールを、メタライジングチャンバの内部の圧力を１ｋＰａより高く上昇させることなく、メタライジングチャンバの外側からメタライジングチャンバの内側に搬送することができる。好ましくは、エアロック内の圧力は、約１０^－２ｔｏｒｒ未満であり、好ましくはチャンバを接合するためにチャンバドアを開く前の動作圧力に実質的に一致する適切な移送圧力まで低下させることができるが、いくつかの例では、エアロック内の移送圧力は大気圧未満であってもよいが、依然として動作圧力よりも高い場合がある。これは、例えば同じ真空サイクル中に、真空を破壊することなく集電体フォイルの新しいロールがチャンバに導入される間に、メタライジングチャンバが動作圧力に維持されるか、または少なくとも実質的に動作圧力に近い状態に維持されることを可能にするのに役立ち得る。真空サイクルは、メタライジングチャンバの実質的な減圧（ほぼ大気圧からほぼ動作圧力であるかまたは動作圧力に近いなど）、チャンバが実質的に動作圧力に保持されて金属堆積が起こり得る動作期間、それに続いて、動作圧力よりも実質的に高い圧力であって、その圧力下では堆積プロセスが意図したように機能し得ない圧力までメタライジングチャンバを再加圧（動作圧力からほぼ大気圧に戻る、またはその他の約５０ｋＰａ以上の増加など）することを含むと理解することができる。フォイルロールの移送中のエアロック圧力または移送およびメタライジングチャンバ圧力のわずかな差は、移送が完了したときにメタライジングチャンバ圧力に対する小さな補正を必要とする場合があるが、そのような圧力差は、好ましくは約１０^－２ｔｏｒｒ未満、好ましくは約１０^－６ｔｏｒｒ未満またはそれ以下であり、本明細書の教示の目的のために同じ真空サイクル内にあると考えることができる。メタライジングチャンバの加圧および減圧は時間がかかり、適切な真空装置を駆動するために追加のエネルギー入力を必要とする可能性があるため、本明細書に記載のエアロックを組み込むことは、真空を破壊し、次いでメタライジングチャンバ内の真空条件を回復する必要がないため（例えば、メタライジングチャンバの単一の真空サイクル内で物理蒸着装置によってフォイルの２つ以上のロールが処理されることを可能にすることができる）、新しいフォイルロールをメタライジングチャンバに導入するのにかかる時間を短縮することができる。

同様に、方法６００は、（完成したアセンブリ材料を保持する）第１の排出ロールを、エアロック（任意選択的に、投入ロールを導入するために使用されたのと同じエアロックまたは異なるエアロック）を介してメタライジングチャンバの内部から除去することができ、それにより、第１の排出ロールを、メタライジングチャンバの内部の圧力を約１０^－２ｔｏｒｒよりも高く上昇させることなく、メタライジングチャンバの内部からメタライジングの外部に搬送することができる任意選択のステップ６１４を含むことができる。好ましくは、このエアロック内の圧力は、チャンバを接合するためにエアロックドアを開く前に動作圧力に一致するように減少させることができるが、いくつかの例では、エアロック内の圧力は大気圧よりも低くてもよいが、依然として動作圧力よりも高い場合がある。これは、真空を破壊することなく集電体フォイルの新しいロールがチャンバに導入される間に、メタライジングチャンバが動作圧力に維持されるか、または少なくとも実質的に動作圧力に近い状態に維持されることを可能にするのに役立ち得る。これにより、真空を破壊してからメタライジングチャンバ内の真空条件を回復する必要がないため、排出ロールをメタライジングチャンバから取り外すのにかかる時間を短縮することができる。

好ましくは、ステップ６１２および６１４は、共通のエアロックチャンバを利用することができ、これは、機械の複雑さを低減するのに役立ち得るからである。任意選択的に、第１の投入ロールを空にした後に、新しい第２の投入ロールを、エアロック（例えば低圧領域では、）内に配置されたロールマガジン／保持装置から、エアロックを介して、メタライジングチャンバの内部に、１ｋＰａを超えるようにメタライジングチャンバの内部の圧力を増加させることなく（好ましくは、それをほぼ所望の動作圧力に維持しながら）移動させることができる。次いで、第２の投入ロールから巻き出された金属基板を使用して、ステップ６０８～６１２を繰り返すことができる。

この方法はまた、第１の排出ロールをエアロックから取り外す前に、第１の排出ロールを、依然としてメタライジングチャンバまたはエアロックの気密で低圧の内部に、または酸素を実質的に含まない内部を有する別個の受け入れチャンバの気密内部に収容したままで、包装、処理および／または密封することができる任意選択の包装ステップ６１６を含むことができる。これは、完成したアノードアセンブリが酸素に曝される可能性を低減するのに役立ち得る。

図７を参照すると、単一のメタライジングチャンバ内で保護金属および反応性金属の両方に蒸気源を使用するロールツーロール物理蒸着プロセスによって固体電池用のアノードアセンブリを製造する方法７００の別の例が示されている。この例では、保護金属および反応性金属を堆積させるプロセスは、両方ともメタライジングチャンバの単一の真空サイクル内で完了することができる。すなわち、メタライジングチャンバ内の圧力を動作圧力まで下げることができ、メタライジングチャンバ内の真空が解放されて大気圧に戻る前に、保護金属と反応性金属の両方の堆積を完了することができる。これは、メタライジングチャンバ内の圧力を低下させ、保護金属を堆積させ、メタライジングチャンバ内の圧力を上昇させ（例えば、チャンバへのアクセスを可能にし、または部分的に処理されたアルミニウムフォイルを除去するために）、その後に、反応性金属を堆積させるために圧力を再び低下させるプロセスとは対照的である。

好ましくは、完成した排出ロールの除去およびまだコーティングされていないアルミニウムフォイルを含む新しい投入ロールとのそれらの交換を可能にするのを助けるために、メタライジングチャンバとは別個であるがメタライジングチャンバと連通しているエアロックを使用して、ロール交換中にメタライジングチャンバ内の真空を解放することなくロール交換を容易にするのを助けることができる。

方法７００のこの例では、ステップ７０２は、アルミニウムフォイルロールの第１のセットを、メタライジングチャンバに隣接するエアロックマガジンチャンバにロードするステップを含む。本明細書に記載のロールの各セットは、処理／コーティングされるアルミニウムフォイルの少なくとも１つの投入ロールを含み、好ましくは連続的に処理することができる複数の投入ロールを含むことができる。例を提供する目的で、方法は、Ｎ個の投入ロールのセットを使用して説明される。

ステップ７０４は、エアロックチャンバ内で少なくとも１つの排出ロールを受けるように構成された少なくとも１つの受け入れ容器を収容する受け入れ容器のセットを位置決めするステップを含む。ステップ７０６において、外部からアクセス可能なエアロックチャンバアクセスドアを密閉することができ、エアロックチャンバは、１０^－２～１０^－６Ｔｏｒｒの第１の動作圧力まで排気される。

次いで、ステップ７０８で、エアロックチャンバをメタライジングチャンバから分離する真空気密チャンバドアを開いて、エアロックチャンバの内部と、好ましくは既に作動圧力または作動圧力付近にあるメタライジングチャンバの内部と、を連通させることができる。

次いで、ステップ７１０において、アルミニウムフォイルを含む投入ロールが、エアロックチャンバから、１０^－２～１０^－６Ｔｏｒｒの動作圧力に保持された排気されたメタライジングチャンバに移送される。次いで、ステップ７１２において、真空気密チャンバドアを閉じ、気密にして、メタライジングチャンバの内部をエアロックチャンバの内部から隔離することができる。

ここでメタライジングチャンバがその使用または動作構成にあると、アルミニウムフォイルは、ステップ７１４において、投入ローラから巻き出され、約２０～１，５００ｍ／分のウェブ速度で受け入れスプールまたはスピンドル上に巻き取られ得る。アルミニウムフォイルのウェブが移動しているとき、それは、ウェブ速度で、好ましくは０．００１～１０ミクロン／パス、好ましくは０．１～１ミクロン／パスで堆積することができる保護金属蒸気源から、保護材料、例えばこの例では銅をアルミニウムフォイル上に堆積させることができる第１の堆積ゾーンを通過することができる。必要に応じて、このステップにおける巻き取りおよび巻き出しは、１～７５０００オングストロームの所望の保護厚さを達成するのを助けるために２回以上繰り返すことができる。

保護金属の堆積を完了した後に、このステップ７１４はまた、アルミニウムフォイルの追加の巻き取りおよび巻き出し、およびそれを、好ましくはウェブ速度で０．００１～１０ミクロン／パスで堆積することができる反応性金属蒸気源を使用して反応性金属、例えばリチウムが保護層の上に堆積される第２の堆積ゾーンを通って移動させることを含むことができる。これは、所望の反応層厚さが達成されるまで継続／繰り返すことができる。

アルミニウムフォイルが保護金属および反応性金属の両方でコーティングされている場合、ステップ７１６において、エアロックチャンバの真空気密チャンバドアを開いて、メタライジングチャンバとエアロックチャンバとの間の連通を再確立することができる。

次いで、ステップ７１８は、コーティングされたフォイルを含む排出ロールと考えることができるものをエアロックチャンバ内に移送するステップと、エアロックチャンバが依然として（例えば、作動圧力で、または作動圧力付近で）真空条件下にある間に排出ロールを受け入れ容器内に配置するステップ７２０と、を含むことができる。

次いで、ステップ７０８から７１６は、エアロックチャンバ内のロール保管マガジン内で待機している次の投入ロールに対して繰り返すことができ、マガジン内のＮ個のロールのうちの最後のロールがメタライジングチャンバ内で処理されてエアロックチャンバに戻るまで繰り返すことができる。

現在のセット内の最後のフォイルロールがコーティングされ、エアロックチャンバに戻された場合、方法７００はステップ７２２に進むことができ、エアロックチャンバの内部を再加圧するように構成された任意の適切な再加圧システムを使用して、エアロックチャンバを再加圧し、ほぼ大気圧に戻すことができる。好ましくは、これは、コーティングされたロールの酸素への曝露を低減するのを助けるために、アルゴン、ネオン、ヘリウム、キセノン、クリプトンなどの不活性ガス（例えば、反応性材料に対して不活性なガス）を使用して行うことができる。圧力がほぼ大気圧に回復した状態で、ステップ７２４において、受け入れ容器（必要に応じて、ロールごとに１つの容器を設けることができ、または１つの容器に２つ以上のロールを保持することができる）を気密／ガス密封方式で密封することができる。

コーティングされたロールをそれらの容器内に密封した後に、ステップ７２６においてエアロックチャンバアクセスドアを開くことができ、ステップ７２８において、内部に密封されたコーティングされたロールを有する受け入れ容器をエアロックチャンバから取り出し、さらなる処理のために搬送することができる。

Ｎ個のロールの第２のセットが処理される場合には、方法７００は、ステップ７０２において、アルミニウムフォイルロールの第２のセットについて再開することができ、新しいＮ個のロールをエアロックマガジンチャンバにロードする。

本明細書に記載の方法を実行するために使用される機器は、エアロックチャンバ内のマガジン領域のサイズが、実質的に１つのフォイルロールをメタライズするのに必要な時間量でその再加圧、アンローディング、再ローディングおよび減圧を実行できるようなサイズであることを確実にするのを助けるように構成することができ、好ましくはそのように最適化することができる。そうすることで、メタライゼーション作業を実質的に連続的に実行することができ、それによって、各ロール間を移行するときにメタライジングチャンバが再加圧および減圧する従来の機械に関連するダウンタイムを回避し、したがって機械の生産性を約３５％～６５％向上させる。これは、アノードアセンブリの製造コストの低減を可能にし得る生産性の向上を促進するのに役立ち得る。

同様に、本開示の動作方法は、処理された基板のロールごとに排気される必要がある総体積を低減することによって、真空ポンピングに関連するエネルギー消費を低減するのに役立ち得る。マガジンエアロックとメタライジングチャンバとの間のロールの移送は真空下（例えば、ほぼ動作圧力で）で行われるため、これはまた、ローディングおよびアンローディングプロセス中にメタライジングチャンバに導入されるダストおよび他の汚染物質の形態の異物の量を減らすのに役立ち、これはスクラップの生成を減らすのに役立ち、したがってシステムの生産性をさらに高めることができる。

いくつかの例では、各金属の総質量流束が１回のパスでそれぞれの金属の所望の厚さを堆積させるのに十分であるという条件で、同じロール操作（すなわち、ウェブの１回の通過で）中に反応性および非反応性金属コーティングを順次付着させることが可能であり得る。

本明細書に記載のプロセスは、プラズマクリーニング、火炎処理、コロナ放電、または粘着性ローラ接触などの特定の表面準備ステップ、または圧力センサ、テンションセンサ、およびガス分析器などの計装、または真空メタライジングシステムで一般的に使用される冷却堆積ドラム、アイドラローラ、および巻き戻しロールなどの様々な機器など、ロールを処理／コーティングするときに実行または使用され得るすべての単一の操作または機器を記載していないことが当業者には理解されよう。そのようなプロセスおよび機器は、明確にするために省略されており、本明細書に必要に応じて組み込まれると考えられる。

任意選択的に、本明細書に記載の方法は、追加の蒸着源、またはフィルムをロールに付着させるのに適した他の堆積源を含むように補足されてもよい。そのようなプロセスは、例えば、同じメタライジングチャンバ内で動作しながら、連続動作／コーティング間でチャンバを再加圧する必要なく、コーティングされたアルミニウムフォイルウェブ上に追加の結合層、または固体電解質層、カソード層およびカソード集電体層を付着させることができる。

本明細書に記載の方法は、銅、ニッケル、ステンレス鋼、導電性ポリマー、または非導電性ポリマーなどの基板の他の適切な反応性金属メタライジングプロセスに変更および適用することができる。

本明細書に記載の方法は、他の適切な反応性金属メタライジングプロセスに適用することができ、層状構造は用途のために製造され、アノードアセンブリの製造のみに限定される必要はない。

本明細書に記載のアノードアセンブリおよび方法は、必要に応じて様々な異なる構成要素およびサブシステムを含むことができる任意の適切な装置を使用して製造することができる。本明細書に記載のアノードアセンブリを製造するために使用することができる装置の一例を以下に説明し、図９～図１２に概略的に示す。これらの概略図は、装置の態様がどのように一緒に機能するように配置され得るかを示しているが、明確にするために、装置の製造バージョンに含まれるすべてのハードウェアの図などを含まない。

この例では、ロールツーロールメタライジング装置４００は、第１の真空サイクル中に約０．００１ｋＰａ未満の動作圧力で構成可能な内部を有するメタライジングチャンバ４１を含む。ロールツーロール巻き取りアセンブリは、メタライジングチャンバ内に配置され、この例では、第１および第２の可逆被駆動ロールスピンドル４２を含む。好ましくは真空の所望の動作圧力１０^－２～１０^－６Ｔｏｒｒを達成することができる真空ポンプシステム４４は、メタライジングチャンバに接続され、この例ではコンピュータ制御システム４５（しかし、ＰＬＣなどの他のコントローラを含むことができ、任意の所望のセンサ、トランスデューサ、およびユーザ入力／出力デバイスを含んでもよい）を含む任意の適切なコントローラ４５によって制御することができる。コントローラ４５は、ロール速度、ソース強度、真空、ロール方向などの典型的なパラメータを制御するように構成することができる。従来の制御システムとは異なり、コントローラはまた、位置エンコーダ、真空ゲージなど、およびロール交換サイクルプロセスを介してエアロックサイクルを制御することができる。

チャンバ４１は、チャンバ壁によって境界付けられ、ドア４６として示される少なくとも１つの開閉可能なチャンバドアを含み、このドアを通してフォイルロールをメタライジングチャンバ４１に導入することができる。真空メタライジングチャンバ４１、真空ポンプシステム４４、および可逆ロールスピンドル４２は、参照のために概略的に示されており、この装置４００の所与の例のための任意の適切な設計のものとすることができる。

装置４００はまた、必要に応じて、テンショナ、アイドリングローラ、典型的なセンサ、および／または適切な前処理機器（ロール洗浄、プラズマ洗浄、コロナ処理など）を任意選択的に装備することができ、この装置は必要に応じて組み込むことができるが、明確にするために本図面には示されていない。

この例では、処理されたフォイルロールも同じドア４６を介して除去されるが、他の例では、チャンバ４１は、別々に配置された開閉可能な２つ以上のチャンバドアを有してもよい。

物理蒸着装置はまた、少なくとも部分的にメタライジングチャンバ内に配置され、第１の真空サイクル中に、ｉ）第１および第２のスピンドル４２の間を移動する第１のフォイルウェブ上に保護金属の層と、ｉｉ）保護材料の層上に反応性材料の層と、を独立して堆積させることによって、チャンバ４１内のフォイルロールを処理するように構成されている。図示する例では、物理蒸着装置は、保護材料を付着させることができる保護アプリケータ４３Ａ（図１２）および反応性材料を付着させることができる反応性アプリケータ４３Ｂを含む金属蒸気源４３を含む。これらのアプリケータ４３Ａおよび４３Ｂは、（本明細書に記載されるように）スピンドル４２の間を移動するときにフォイルのウェブが移動する方向に互いに離間しており、各アプリケータ４３Ａおよび４３Ｂの上方の領域は、フォイルウェブ上のそれぞれの堆積領域４５Ａおよび４５Ｂを画定する。この例では、堆積領域４５Ａおよび４５Ｂも互いに離間され、それぞれのアプリケータ４３Ａおよび４３Ｂの上方に位置合わせされる。他の例では、堆積領域は、少なくとも部分的に互いに重なり合ってもよい。アプリケータ４３の源は、例えば、抵抗または誘導加熱ボート、ジェット源、マグネトロン源、電子ビームスパッタリング源などを含む任意の適切な種類とすることができる。これらは、所望の堆積速度、必要なコーティング接着などに応じて、公知の原理に従って選択され、サイズ決めされる。

エアロックチャンバ４７は、メタライジングチャンバ４１の隣に示されており、第１の真空サイクル中にほぼ動作圧力で構成可能であり、装置の使用中に少なくとも２つのフォイルロールを同時に収容するように構成することができる内部を有する。エアロックチャンバ４７は、適切な側壁によって境界付けられ、（図１０に示すように）エアロックチャンバ４７の内部が密閉されて周囲環境から隔離される閉鎖構成と、エアロックチャンバ４７の内部が周囲環境と連通する開放構成と、の間で移動可能なエアロックチャンバドア４８を含むことができる。この構成では、チャンバドア４６が閉じられ、エアロックドア４８が開かれると、メタライジングチャンバ４１を開く必要がなく、動作圧力および／または使用中のままにしながら、周囲環境から（フォイルロールをロードまたはアンロードするなどのために）エアロック４７の内部にアクセスすることができる。

この構成では、チャンバドア４６は、メタライジングチャンバ４１の内部がエアロックチャンバ４７の内部から密封されて隔離される閉鎖構成と、メタライジングチャンバ４１の内部がエアロックチャンバ４７の内部と連通し、第１のフォイルロールが処理された後に、第２のフォイルロールをエアロックチャンバ４７からメタライジングチャンバ４１内に移動させることができ、メタライジングチャンバの内部を移送圧力および共通の真空サイクル内に維持する開放構成と、に移動可能であり得る。

任意選択で、少なくとも２つ以上のフォイルロールを保持し、好ましくは移動および操作することができるロールマガジンをエアロックチャンバ４７内に設けることができる。この概略的な例では、ロールマガジンロールマガジン４９が示されており、少なくとも１つのロール対４１０を保持することができるように構成され、ロールを移動および操作するためのロール移送装置も含む。この例では、ロール移送装置は、多軸ピックアンドプレイスシステム４１１およびスピンドル延長機構４１２を含む。

従来のロールツーロールメタライザとは異なり、メタライジングチャンバ４１は、チャンバ４１の端部でドア４６を介してアクセス可能であることが好ましい。ドア４６は、スピンドル４２の軸線と交差するように配置され、ロールは、スピンドル４２の軸方向に沿って並進させることによって、スピンドル４２からロードおよび／またはアンロードすることができるので、端部アクセスは、ロールマガジン４９およびエアロックチャンバ４７の単純化されたレイアウトを容易にするのに役立ち得る。

この例のエアロックチャンバ４７は、メタライジングチャンバ４１と同様の構造であるが、２つ以上のロール対４１０と、固定式、回転式、または直線移動式のロールマガジン４９とを受け入れるようなサイズおよび形状であることが好ましい。エアロックチャンバ４７は、真空定格作動ゲートバルブ４１３などの閉鎖時に適切に設計された真空密封機構によって密封されるチャンバドア４６を介してメタライジングチャンバ４１と連通している。エアロックチャンバドア４８は、真空定格作動ゲートバルブ４１４などの適切に設計された真空密封機構で密封することもできる。

エアロックチャンバ４７は、エアロックチャンバの後面に取り付けられた二軸ピックアンドプレイスシステム４１１と、メタライジングマガジン内のスピンドル延長機構４１２とを含むロール移送手段を含む。

好ましくは、ピックアンドプレイスシステム４１１は、この例に示すように、フォイルロールスプールの端部と接合する。これは、ピックアンドプレイスシステム４１１が、ロールマガジン４９内の各ロール対４１０に個別にアクセスし、それをロードのために所定の位置に移動させるのを助けることができる。ピックアンドプレイスシステムは、好ましくは、ロール対の２つのロールを独立して移動させることを可能にすることができる。これにより、マガジン４９内のロールを比較的コンパクトな構成で保管し、メタライジングチャンバ４１内のロールスピンドル４２にロードするために膨張させることができる。

ロール対がロード位置に配置されると、チャンバドア４６を開くことができ、メタライジングチャンバ４１との連通を可能にする。ロールスピンドル４２は、スピンドル延長機構４１２を使用してエアロックチャンバ内に軸方向に延長することができ、ここで、ロールスピンドルは、ロール対４１０のスプール孔と接合する。次いで、ピックアンドプレイス機構４１１は、ロール対４１０を解放することができ、スピンドル４２は、任意の適切なロック機構を使用してロール対４１０と係合することができる。次いで、スピンドル延長機構４１２または他の適切な装置を使用して、スピンドル４２をメタライジングチャンバ４１内に引き込むことができる。

好ましくは、垂直作動アイドラ４１５を下方に移動させ、スピンドル４２間に延在するフォイルウェブに張力をかけ、金属蒸気源４３に近接させることができる。チャンバドア４６が再び閉じられ密閉されると、所与のフォイルロールのメタライジングを進めることができる。

この配置はまた、真空を破壊することなく（例えば、一般的な真空サイクル中に）、メタライズされたロール対を可逆的なロールスピンドルから引き出してマガジンに配置することを可能にし、メタライジングされていないロール対をメタライジングチャンバに導入することを可能にし、それにより、加圧関連の停止時間ならびにそれに伴うコストおよび生産性の損失を節約する。

同様の手法を使用して、メタライジングが完了したときにメタライジングチャンバ４１からロール対を取り出し、それをエアロックチャンバ４７内のロールマガジン４９に戻すことができる。ピックアンドプレイス４１１システムは、好ましくは、ロール対マガジンから周囲環境にロールを移送するためにも使用されるが、しかし、エアロックチャンバドア４８を介して連通する。ロードは、自動ロードスピンドルまたは同様の機器から自動的に、または適切に変更されたフォークリフトまたは他の同様の機器から手動で行うことができる。

任意選択的に、ドア４８を開けて取り出す前に、エアロックチャンバは、任意の適切な再加圧システムを使用して不活性ガス（例えば、使用されるリチウムまたは他の反応性金属と非反応性）で再加圧される。この例では、再加圧システムは、不活性ガス（例えば、アルゴン）源４１６と、制御バルブ４１７などの任意の適切な流量制御機構を有する分配システムと、を含む。これは、大気がエアロックチャンバ４７内に引き込まれ、新たにメタライズされた材料と反応するのを防ぐのを助けることができる。好ましくは、ロールは、エアロック４７内、またはエアロックチャンバ４８への開口部のいずれかでロールを受け取る自動袋詰めまたは容器詰めシステムでさらに保護することができる。この包装装置は、エアロック内部が不活性ガスで再加圧されている間に（例えば、物理蒸着装置によって処理された後に）、処理／メタライズされた後にフォイルロールを受け取るように構成することができる。次いで、フォイルロールを気密受け入れ容器に密封することができ、それにより、受け入れ容器がエアロックチャンバから取り外されたときに、フォイルのロールを周囲環境の空気から隔離したままにすることができる。

上記のエアロックおよびロール交換機器は、その生産性を高めるために、より一般的に真空メタライジング装置に適用することができることも当業者には理解されよう。

本明細書の教示は、例示的な実施形態および例を参照して説明されているが、説明は限定的な意味で解釈されることを意図していない。したがって、例示的な実施形態および本発明の他の実施形態の様々な変更は、この説明を参照すれば当業者には明らかであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、任意のそのような修正または実施形態を包含すると考えられる。

本明細書で言及されるすべての刊行物、特許および特許出願は、あたかも各個々の刊行物、特許または特許出願がその全体が参照により組み込まれることが具体的かつ個別に示されているのと同程度に、その全体が参照により組み込まれる。

Claims (77)

1. リチウムベースの電池で使用するためのアノードアセンブリであって、
   ａ）アルミニウムを含み、支持面を有する第１の側面を有する集電体と、
   ｂ）前記支持面に結合されて前記支持面を覆う少なくとも第１の保護層であって、保護金属を含み、導電性である第１の保護層と、
   ｃ）前記保護層に結合され、前記アノードアセンブリが使用されているときに電解質と接触するように構成されたリチウム金属を含む少なくとも第１の反応層と、を含み、
   前記第１の保護層は、電子が前記第１の反応層から前記集電体に移動することができるように、前記支持面と前記反応層との間に配置され、前記第１の反応層は、前記支持面から離間され、少なくとも実質的にイオン的に隔離され、それによって、前記反応層の前記集電体への拡散が前記第１の保護層によって実質的に防止され、それにより、前記リチウム金属と前記集電体との間の反応を抑制する、アノードアセンブリ。
2. 前記集電体が連続アルミニウムフォイルを含む、請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記アルミニウムフォイルが、約１～約１００ミクロンの厚さを有する、請求項２に記載のアセンブリ。
4. 前記アルミニウムフォイルが、前記支持面を含み、かつ前記第１の保護層を物理的に支持する連続ウェブとして構成される、請求項２に記載のアセンブリ。
5. 前記保護金属が、銅、ニッケル、銀、ステンレス鋼および鋼のうちの少なくとも１つを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載のアセンブリ。
6. 前記第１の保護層は、物理蒸着によって前記支持面上に堆積され、別個の結合材料の非存在下で前記支持面に結合する、請求項１から５のいずれか一項に記載のアセンブリ。
7. 前記第１の保護層が、約１～約７５，０００オングストロームの厚さを有する、請求項１から６のいずれか一項に記載のアセンブリ。
8. 前記第１の保護層が、約２００～約７５００オングストロームの厚さを有する、請求項７に記載のアセンブリ。
9. 前記第１の保護層が隔離厚さを有し、前記第１の反応層が前記集電体から完全にイオン的に隔離されるように成形される、請求項１から８のいずれか一項に記載のアセンブリ。
10. 前記保護金属が前記リチウム金属と反応しない、請求項１から９のいずれか一項に記載のアセンブリ。
11. 前記保護金属が前記集電体の前記第１の側面全体を覆う、請求項１から１０のいずれか一項に記載のアセンブリ。
12. 前記第１の反応層が約０．００１～約１００ミクロンの厚さを有する、請求項１から１１のいずれか一項に記載のアセンブリ。
13. 前記第１の反応層が約０．０１～約２０ミクロンの厚さを有する、請求項１２に記載のアセンブリ。
14. 前記第１の反応層が、物理蒸着によって前記第１の保護層上に堆積され、前記第１の保護層に結合する、請求項１から１３のいずれか一項に記載のアセンブリ。
15. 前記アノードアセンブリがリチウム金属フォイルを含まない、請求項１から１４のいずれか一項に記載のアセンブリ。
16. 前記集電体が、対向する第２の側面を含み、前記第２の側面に結合されて前記第２の側面を覆い、かつ前記保護金属を含む第２の保護層をさらに含む、請求項１から１５のいずれか一項に記載のアセンブリ。
17. 前記第１の保護層の外周部が前記第２の保護層の対応する外周部に接合され、それによって前記集電体を前記保護金属で封止する、請求項１６に記載のアセンブリ。
18. 前記第１の保護層が、物理蒸着、ポリマーフィルムの付着、ポリマー樹脂の付着、および前記外周部の機械的圧着のうちの少なくとも１つにより、前記第２の保護層の対応する外周部に接合される、請求項１７に記載のアセンブリ。
19. 前記第２の保護層に結合され、かつ前記アノードアセンブリが使用されているときに電解質と接触するように構成されたリチウム金属を含む第２の反応層をさらに含む、請求項１６に記載のアセンブリ。
20. 活性金属ベースの電池で使用するためのアノードアセンブリを製造する方法であって、
    ａ）金属基板を含み、約１０^－２Ｔｏｒｒ未満の動作圧力にあるメタライジングチャンバの内部に支持面を有する第１の側面を有する集電体を提供するステップと、
    ｂ）導電性であり、かつ第１の物理蒸着プロセスにより前記支持面に堆積される保護金属を含む少なくとも第１の保護層で前記支持面を覆うステップと、
    ｃ）第２の物理蒸着プロセスにより前記第１の保護層上に堆積される反応性金属を含む少なくとも第１の反応層で前記第１の保護層を覆うステップであって、前記第１の反応層は、前記アノードアセンブリが使用されているときに電解質と接触するように構成される、ステップと、を含み、
    これにより、前記第１の保護層は、電子が前記第１の反応層から前記集電体に移動することができるように、前記支持面と前記反応層との間に配置され、前記第１の反応層は、前記支持面から離間され、少なくとも実質的にイオン的に隔離され、これにより、前記支持面への前記反応層の拡散が前記第１の保護層によって防止され、それにより、前記反応性金属と前記集電体との間の反応を抑制する、方法。
21. 前記金属基板が、約１～約１００ミクロンの厚さを有し、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス鋼、鋼、導電性ポリマーおよびポリマーのうちの少なくとも１つを含むフォイルである、請求項２０に記載の方法。
22. 前記金属基板が、ステップａ）の前に第１の投入ロールから巻き出され、ステップｃ）の後に第１の排出ロールに巻き取られる連続フォイルウェブを含む、請求項２１に記載の方法。
23. ステップｂ）およびステップｃ）が、前記ウェブが前記第１の投入ロールと前記第１の排出ロールとの間を移動している間に実行される、請求項２２に記載の方法。
24. 前記ウェブが、約２０～約１５００ｍ／分の処理速度で移動している、請求項２２に記載の方法。
25. ステップｂ）が、前記ウェブが前記処理速度で移動している間に、単一のパスで前記支持面上に約０．００１～約１０ミクロンの前記保護金属を堆積させるように構成された少なくとも１つの保護金属蒸気源装置から前記保護金属を提供するステップを含む、請求項２４に記載の方法。
26. ステップｂ）が、前記第１の保護層が約１～約７５，０００オングストロームの厚さを有するまで前記保護金属を前記支持面上に堆積させるステップを含む、請求項２５に記載の方法。
27. ステップｃ）が、前記ウェブが前記処理速度で移動している間に、単一のパスで前記第１の保護層上に約０．００１～約１０ミクロンの前記活性金属を堆積させるように構成された前記少なくとも１つの保護金属蒸気源装置から下流に離間した少なくとも１つの反応性金属蒸気源装置から前記反応性金属を提供するステップを含む、請求項２６に記載の方法。
28. ステップｃ）が、第１の活性層が約０．００１～約１００ミクロンの厚さを有するまで、前記活性金属を前記第１の保護層上に堆積させるステップを含む、請求項２７に記載の方法。
29. 前記第１の投入ロールが、前記メタライジングチャンバ内に配置された巻き出し装置によって支持される、請求項２２または２３に記載の方法。
30. 前記第１の排出ロールが、前記動作圧力で前記メタライジングチャンバ内に配置された巻き取り装置によって支持される、請求項２９に記載の方法。
31. ステップａ）の前に、
    前記メタライジングチャンバの内部の圧力をほぼ大気圧から前記動作圧力まで低下させるステップと、
    エアロックを介して前記第１の投入ロールを前記メタライジングチャンバの前記内部に導入するステップであって、それにより、前記メタライジングチャンバの前記内部の圧力を１ｋＰａより高く増加させることなく、前記第１の投入ロールが、前記メタライジングチャンバの外側から前記メタライジングチャンバの内側に搬送され得る、ステップと、をさらに含む、請求項２０に記載の方法。
32. ステップｃ）の後に、エアロックを介して前記メタライジングチャンバの前記内部から前記第１の排出ロールを除去するステップをさらに含み、それにより、前記メタライジングチャンバの前記内部内の圧力を１ｋＰａより高く増加させることなく、前記第１の排出ロールが、前記メタライジングチャンバの内部から前記メタライジングの外部に搬送され得る、請求項３１に記載の方法。
33. 前記エアロックから前記第１の排出ロールを除去する前に、酸素を実質的に含まない内部を有する気密受け入れチャンバ内に前記第１の排出ロールを封止するステップをさらに含む、請求項３２に記載の方法。
34. 前記第１の投入ロールが空になった後に、エアロックを介して前記メタライジングチャンバの前記内部に第２の投入ロールを導入し、前記メタライジングチャンバの前記内部の圧力を１ｋＰａより高く増加させることなく、前記第２の投入ロールから巻き出された金属基板を用いてステップａ）～ステップｃ）を繰り返すステップをさらに含む、請求項３１に記載の方法。
35. 前記反応性金属が、リチウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、カルシウム、マグネシウムおよびアルミニウムのうちの少なくとも１つを含む、請求項２０に記載の方法。
36. 前記反応性金属がリチウムである、請求項３５に記載の方法。
37. 前記メタライジングチャンバの前記内部が、ステップａ）～ステップｃ）の間に酸素を実質的に含まない、請求項２０に記載の方法。
38. 第３の物理蒸着プロセスにより、前記保護金属を含む第２の保護層で前記集電体の対向する第２の側面を覆うステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
39. 前記集電体を封止するために、前記第１の保護層の外周部を前記第２の保護層の外周部に封止するステップをさらに含む、請求項３８に記載の方法。
40. 前記第１の保護層の前記外周部を前記第２の保護層の前記外周部に封止するステップが、前記外周部を機械的に互いに圧着するステップを含む、請求項３９に記載の方法。
41. 第４の物理蒸着プロセスにより、前記反応性金属を含む第２の反応層で前記第２の保護層を覆うステップをさらに含む、請求項３８に記載の方法。
42. 前記動作圧力が約１０^－２～１０^－６Ｔｏｒｒである、請求項２０に記載の方法。
43. リチウムベースの電池であって、
    ａ）カソード集電体およびカソード反応面を含むカソードアセンブリと、
    ｂ）リチウムアノードアセンブリであって、
    ｉ．アルミニウムを含み、支持面を有する第１の側面を有するアノード集電体と、
    ｉｉ．前記支持面に結合されて前記支持面を覆う少なくとも第１の保護層であって、保護金属を含み、導電性である第１の保護層と、
    ｉｉｉ．前記保護層に結合され、前記アノードアセンブリが使用されているときに電解質と接触するように構成されたリチウム金属を含む少なくとも第１の反応層と、を含むリチウムアノードアセンブリと、
    ｃ）前記カソード反応面と前記アノード反応層との間に配置され、それらと接触する電解質と、を含み、
    前記第１の保護層は、電子が前記第１の反応層および前記第１の保護層を通って前記電解質から前記アノード集電体に移動することができるように、前記支持面と前記反応層との間に配置され、前記第１の反応層は、前記支持面から離間され、少なくとも実質的にイオン的に隔離され、それによって、前記反応層の前記集電体への拡散が前記第１の保護層によって実質的に防止され、それにより、前記リチウム金属と前記集電体との間の反応を抑制する、電池。
44. 前記第１の保護層が、前記支持面を前記電解質から少なくとも実質的にイオン的に隔離する、請求項４３に記載の電池。
45. 前記電解質が、その第１の反応層に直接接触し、前記アノード集電体に直接接触しない固体電解質材料を含む、請求項４３に記載の電池。
46. 前記アノード集電体が、前記保護金属によって包まれ、前記電解質から物理的に隔離されている、請求項４３に記載の電池。
47. 前記集電体が連続アルミニウムフォイルを含む、請求項４３に記載のアセンブリ。
48. 前記アルミニウムフォイルが、約１～約１００ミクロンの厚さを有する、請求項４７に記載のアセンブリ。
49. 前記アルミニウムフォイルが、前記支持面を含み、かつ前記第１の保護層を物理的に支持する連続ウェブとして構成される、請求項４７に記載のアセンブリ。
50. 前記保護金属が、銅、ニッケル、銀、ステンレス鋼および鋼のうちの少なくとも１つを含む、請求項４３から４９のいずれか一項に記載のアセンブリ。
51. 前記第１の保護層は、物理蒸着によって前記支持面上に堆積され、前記支持面に結合する、請求項５０に記載のアセンブリ。
52. 前記第１の保護層が、約１～約７５，０００オングストロームの厚さを有する、請求項４３に記載のアセンブリ。
53. 前記第１の保護層が、約２００～約７５００オングストロームの厚さを有する、請求項５２に記載のアセンブリ。
54. 前記第１の保護層が隔離厚さを有し、前記第１の反応層が前記集電体から完全にイオン的に隔離されるように成形される、請求項４３に記載のアセンブリ。
55. 前記保護金属が前記リチウム金属と反応しない、請求項４３に記載のアセンブリ。
56. 前記保護金属が前記集電体の前記第１の側面全体を覆う、請求項４３に記載のアセンブリ。
57. 前記第１の反応層が約０．００１～約１００ミクロンの厚さを有する、請求項４３に記載のアセンブリ。
58. 前記第１の反応層が約０．０１～約２０ミクロンの厚さを有する、請求項５７に記載のアセンブリ。
59. 前記第１の反応層が、物理蒸着によって前記第１の保護層上に堆積され、前記第１の保護層に結合する、請求項４３に記載のアセンブリ。
60. 前記アノードアセンブリがリチウム金属フォイルを含まない、請求項４３に記載のアセンブリ。
61. 前記集電体が、対向する第２の側面を含み、前記第２の側面に結合されて前記第２の側面を覆い、かつ前記保護金属を含む第２の保護層をさらに含む、請求項４３に記載のアセンブリ。
62. 前記第１の保護層の外周部が前記第２の保護層の対応する外周部に接合され、それによって前記集電体を前記保護金属で封止する、請求項６１に記載のアセンブリ。
63. 前記第１の保護層が、物理蒸着、ポリマーフィルムの付着、ポリマー樹脂の付着、および前記外周部の機械的圧着のうちの少なくとも１つにより、前記第２の保護層の対応する外周部に接合される、請求項６１に記載のアセンブリ。
64. 前記第２の保護層に結合され、かつ前記アノードアセンブリが使用されているときに電解質と接触するように構成されたリチウム金属を含む第２の反応層をさらに含む、請求項６１に記載のアセンブリ。
65. ロールツーロールメタライジング装置であって、
    ａ）第１の真空サイクル中に約０．００１ｋＰａ未満の動作圧力で構成可能な内部を有するメタライジングチャンバと、
    ｂ）前記メタライジングチャンバ内のロールツーロール巻き取りアセンブリであって、巻き出し用の第１のフォイルロールを支持する第１のスピンドルと、フォイルを巻き取ることができる第２のスピンドルと、それらの間を移動する第１のフォイルウェブと、を含むロールツーロール巻き取りアセンブリと、
    ｃ）前記メタライジングチャンバ内の物理蒸着装置であって、前記第１の真空サイクル中に、ｉ）前記第１のスピンドルと前記第２のスピンドルとの間を移動する前記第１のフォイルウェブ上に保護金属の層と、ｉｉ）前記保護材料の層上に反応性材料の層と、を独立して堆積させることによって、前記第１のフォイルロールを処理するように構成される物理蒸着装置と、
    ｄ）前記第１の真空サイクル中のほぼ前記動作圧力で構成可能であり、少なくとも前記第１のフォイルロールおよび前記第２のフォイルロールを同時に収容するように構成された内部を有するエアロックチャンバと、
    ｅ）前記メタライジングチャンバの前記内部と前記エアロックチャンバの前記内部を分離するチャンバドアであって、前記エアロックチャンバが大気圧よりも低い移送圧力にある場合に、
    ｉ．前記メタライジングチャンバの前記内部が密閉され、前記エアロックチャンバの前記内部から隔離されている閉鎖構成と、
    ｉｉ．前記メタライジングチャンバの前記内部が前記エアロックチャンバの前記内部と連通している開放構成であって、これにより、前記メタライジングチャンバの前記内部を前記移送圧力に維持しながら、前記第２のフォイルロールを前記エアロックチャンバから前記メタライジングチャンバに移動させることができる開放構成と、の間で移動可能である、チャンバドアと、を含み、
    それによって、前記第１のフォイルロールが前記メタライジングチャンバから除去された後に、第２のフォイルウェブが前記第１のスピンドルと前記第２のスピンドルとの間に延在するように、前記第２のフォイルロールを前記第１のスピンドルに取り付け可能であり、前記第２のフォイルウェブは、ｉ）前記第１のスピンドルと前記第２のスピンドルとの間を移動する前記第２のフォイルウェブ上に保護金属の第２の層と、ｉｉ）保護材料の前記第２の層上に反応性材料の第２の層と、を堆積させるために、前記第１の真空サイクル中に前記物理蒸着装置を使用して処理可能である、ロールツーロールメタライジング装置。
66. 前記チャンバドアが開いているとき、前記第１のフォイルロールが、前記メタライジングチャンバから前記エアロックチャンバ内に移動可能である、請求項６５に記載の装置。
67. 前記移送圧力が約０．０１ｋＰａ未満である、請求項６６に記載の装置。
68. 前記移送圧力が前記動作圧力と実質的に同じである、請求項６７に記載の装置。
69. 前記物理蒸着装置が、第１の堆積ゾーンで前記第１のフォイルウェブ上に前記保護金属の層を堆積させるように構成された第１のアプリケータと、前記保護金属の層の最上部に前記反応性金属の層を堆積させるように構成された第２のアプリケータと、をさらに含む、請求項６５に記載の装置。
70. 前記第１のフォイルウェブが前記第１のスピンドルから前記第２のスピンドルに移送されるときに、前記第１のフォイルウェブが移動方向に移動し、前記第２のアプリケータが前記第１のアプリケータから前記移動方向に離間している、請求項６６に記載の装置。
71. 前記反応性金属の層が、前記第１の堆積ゾーンから前記進行方向に離間した第２の堆積ゾーンに堆積される、請求項７０に記載の装置。
72. 前記物理蒸着装置が、前記第１の堆積ゾーンを通る前記第１のフォイルウェブの単一パスで前記保護金属の層を付着させるように構成されている、請求項７１に記載の装置。
73. 前記物理蒸着装置が、前記第２の堆積ゾーンを通る前記第１のフォイルウェブの単一パスで前記反応性金属の層を付着させるように構成されている、請求項７１または７２に記載の装置。
74. 前記エアロックチャンバが、
    ａ）前記エアロックチャンバの前記内部が密閉され、周囲環境から隔離されている閉鎖構成と、
    ｂ）前記エアロックチャンバの前記内部が前記周囲環境と連通している開放構成と、の間で前記チャンバドアとは独立して移動可能であるエアロックドアをさらに含み、
    これにより、前記チャンバドアが閉じられ、前記エアロックドアが開かれると、前記メタライジングチャンバが前記動作圧力を維持しながら、前記周囲環境から前記エアロックの前記内部にアクセスすることができる、請求項６５に記載の装置。
75. 前記エアロックチャンバ内に配置されたロールマガジン装置であって、前記ロールツーロール巻き取りアセンブリの前記第１のフォイルロールを受け取り、前記第１のフォイルロールおよび前記第２のフォイルロールを同時に保持し、次いで、前記メタライジングチャンバが前記移送圧力に維持されている間に、前記第２のフォイルロールを前記ロールマガジン装置から前記ロールツーロール巻き取りアセンブリに移送するように構成されたロールマガジン装置をさらに含む、請求項７４に記載の装置。
76. 前記チャンバドアおよび前記エアロックドアが、前記反応性材料に対して不活性である不活性ガスを使用してほぼ大気圧まで閉じられたときに、前記エアロックチャンバの前記内部を再加圧するように構成された不活性再加圧システムをさらに含む、請求項７４に記載の装置。
77. 前記エアロックチャンバ内に包装装置をさらに含み、前記包装装置は、前記第１のフォイルロールが前記物理蒸着装置によって処理された後に、前記第１のフォイルロールを受け取り、前記エアロック内部が前記不活性ガスで再加圧されている間に、気密な受け入れ容器内に前記第１のフォイルロールを封止し、それにより、前記受け入れ容器が前記エアロックチャンバから取り外されたときに、前記第１のフォイルロールが前記周囲環境内の空気から隔離されたままになるように構成される、請求項７６に記載の装置。

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