JP2024519911A - Ｌｉイオン電池用合金アノードの高体積生産 - Google Patents

Ｌｉイオン電池用合金アノードの高体積生産 Download PDF

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Abstract

本開示の実施形態は一般に、フレキシブル基板製造に関する。特に、本明細書で記述されている実施形態は、リチウムイオン電池の寿命を改善するために使用されることが可能であるフレキシブル基板製造の方法に関する。１つまたは複数の実施形態では、合金アノードを製造する方法は、回転流延ドラムのクエンチング面の上に溶融状態の材料を凝固させることを含むプレーナフロー溶融スピニングプロセスを使用して、合金アノードを形成することと、合金アノードに対してプレリチオ化表面処理を実行することと、を含む。【選択図】図４

Description

本開示の実施形態は、一般に、フレキシブル基板製造に関する。より詳細には、本明細書で記述されている実施形態は、リチウムイオン電池の寿命を改善するためのフレキシブル基板製造の方法に関する。
フレキシブル基板は、パッケージング用途、半導体用途、および光電池用途に使用され得る。フレキシブル基板の処理は、金属、半導体、および／または誘電体材料などの所望の材料でフレキシブル基板をコーティングすることを含み得る。フレキシブル基板の処理を行うためのシステムは、一般に、基板を運搬するために処理システムに結合された、基板の少なくとも一部分がその上で処理される処理ドラム、例えば円柱状ローラを含む。したがって、ロールツーロールコーティングシステムは、比較的高いスループットのシステムを実現する。
充電の一部として、アノードにリチウムが貯蔵されると、望まないアノードの体積膨張が生じ、以て、得られるリチウムイオン電池の電池寿命が低下する。したがって、当技術分野で必要とするのは、リチウムイオン電池の寿命を改善するためのフレキシブル基板製造の方法である。
本開示の実施形態は、一般に、フレキシブル基板製造に関する。特に、本明細書に記述されている実施形態は、リチウムイオン電池の寿命を改善するためのフレキシブル基板製造の方法に関する。１つまたは複数の実施形態では、合金アノードを製造する方法は、回転流延ドラムのクエンチング面の上に溶融状態の材料を凝固させることを含むプレーナフロー溶融スピニングプロセスを使用して、合金アノードを形成することを含む。方法は、合金アノードに対してプレリチオ化表面処理を実行することをさらに含む。
いくつかの実施形態では、合金アノードを製造する方法は、回転流延ドラムのクエンチング面の上に溶融状態の材料を凝固させることを含むプレーナフロー溶融スピニングプロセスを使用して、リチウムを含む合金アノードを形成することを含む。方法は、合金アノード上に保護層を堆積させることをさらに含む。
他の実施形態では、合金アノードを製造する方法は、プレーナフロー溶融スピニングプロセスを使用して合金アノードを形成すること、レーザ穴開けを通じて合金アノードに人工の多孔性を作成すること、プレリチオ化表面処理を実行すること、合金アノード上に保護層を堆積させること、および、集電体に合金アノードをラミネートすること、を含む。
いくつかの実施形態では、プロセッサによって実行されると、プロセスに上記の装置および／または方法の動作を実行させる命令を、非一時的コンピュータ可読媒体が記憶している。
本開示の上記で列挙した特徴を詳細に理解することができる方式で、その一部が添付図面に示される実施形態を参照することにより、上記で簡潔に要約した本開示のより具体的な説明を得ることができる。しかしながら、添付図面は、例示的実施形態を例証しているにすぎず、したがって、発明の範囲を限定するものとみなされるべきではなく、他の等しく有効な実施形態を許容することができることに留意されたい。
本明細書において記述され、論じられる１つまたは複数の実施形態による、コーティングチャンバの概略断面図である。 本明細書において記述され、論じられる１つまたは複数の実施形態による、フレキシブル基板をコーティングするための方法を示すフローチャートである。 本明細書において記述され、論じられる１つまたは複数の実施形態による、フレキシブル基板の概略断面図である。 本明細書において記述され、論じられる１つまたは複数の実施形態による、図３Ａのフレキシブル基板の概略上面図である。 本明細書において記述され、論じられる１つまたは複数の実施形態による、図３Ａのフレキシブル基板の一部分の概略断面図である。 １つまたは複数の実施形態による、図３Ａ～図３Ｃのフレキシブル基板を製造する方法を示すフローチャートである。 本明細書において記述され、論じられる１つまたは複数の実施形態による、フレキシブル基板の概略断面図である。 本明細書において記述され、論じられる１つまたは複数の実施形態による、図５Ａのフレキシブル基板の概略上面図である。 本明細書において記述され、論じられる１つまたは複数の実施形態による、図５Ａおよび図５Ｂのフレキシブル基板を製造する方法を示すフローチャートである。
理解を容易にするため、可能な場合には、図に共通である同一の要素を示すために、同一の参照番号を使用した。１つの実施形態の要素および特徴は、さらなる詳述なく他の実施形態に有益に組み込むことができることが企図されている。
図に示される詳細、寸法、角度、および他の特徴の多くは、特定の実施形態の単なる例示である。したがって、他の実施形態は、本開示の趣旨または範囲から逸脱せずに、他の詳細、構成要素、寸法、角度、および特徴を有することができる。さらに、本開示のさらなる実施形態が、下記の詳細説明のうちのいくつかが無くとも、実践されることが可能である。
本開示の実施形態は、一般に、フレキシブル基板製造に関する。特に、本明細書に記述されている実施形態は、リチウムイオン電池の寿命を改善するためのフレキシブル基板製造の方法に関する。ある特定の詳細は、本開示のさまざまな実施形態の完全な理解を実現するために、下記の記述および図１Ａ～図６に明記されている。ウェブコーティングと、ウェブ転写と、ロールツーロール堆積システムにおけるフレキシブル基板またはウェブのウェブテンションの調整と、にしばしば関連するよく知られている構造およびシステムを説明する他の詳細は、さまざまな実施形態の説明を不必要に不明瞭にすることを避けるために、下記の開示には明記されていない。
本明細書において記述され、論じられる実施形態は、ロールツーロールコーティングシステムに関して以下に提供される。例示のロールツーロールコーティングシステムは、ＴｏｐＭｅｔ（商標）システム、ＳｍａｒｔＷｅｂ（商標）システム、またはＴｏｐＢｅａｍ（商標）システム、である、または、を含むことが可能であり、ＴｏｐＭｅｔ（商標）システム、ＳｍａｒｔＷｅｂ（商標）システム、またはＴｏｐＢｅａｍ（商標）システムのすべては、カリフォルニア、サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社から市販されている。ロールツーロール処理を実行することができる他のツールも、本明細書に記述されている実施形態から利益を得るように適合されることが可能である。本明細書に記述されている装置説明は、例示的であり、本明細書に記述されている実施形態の範囲を制限するように解釈または説明されるべきではない。さらに、本明細書に記述されている実施形態は、単一の側にコーティングを有するフレキシブル基板、または両側にコーティングを、もしくは「両面」コーティングを有するフレキシブル基板に適用可能である。
本明細書に記述されているいくつかの実施形態が実践される特定の基板は限定されるものではなく、例えば、ウェブベースの基板、パネルおよび個別シートを含むフレキシブル基板上で実施形態を実践するのが特に有益であることに留意されたい。
本明細書に記述されている実装形態内で使用されるフレキシブル基板またはウェブは、典型的には、屈曲できるということを特徴とすることができることにもここでは留意されたい。用語「ウェブ」は、用語「ストリップ」、または用語「フレキシブル基板」などに対して同義語として使用することができる。例えば、本明細書の実装形態に記述されているウェブは箔であり得る。用語「ウェブ」の同義語は、ストリップ、箔、またはフレキシブル基板などである。典型的には、ウェブは、薄いフレキシブル材料の一連のシートを含む。典型的なウェブ材料は、金属、プラスチック、または紙などである。本明細書で理解されるウェブは、典型的には、３次元の固体である。本明細書で理解されるウェブの厚さは、１ｍｍ未満、より典型的には５００ｍｍ未満、またはさらには１０ｍｍ未満であり得る。本明細書で理解されるウェブは、少なくとも０．１ｍ、より典型的には少なくとも１ｍ、またはさらには少なくとも４ｍの幅を有することができる。本明細書で理解されるウェブは、少なくとも１ｋｍ、２５ｋｍ、またはさらには６０ｋｍの長さを有することができる。
本開示において「ロール」または「ローラ」は、処理システム内に基板がある間に、基板（または基板の一部）が接触することができる表面を提供するデバイスとして理解することができる。本明細書で称される「ロール」または「ローラ」のうちの少なくとも一部は、処理されるまたはすでに処理された基板を接触させるために円のような形状を含むことができる。いくつかの実装形態では、「ロール」または「ローラ」は、円柱状または実質的に円柱状の形状を有することができる。実質的に円柱状の形状は、まっすぐな長軸の周りに形成されることが可能であるか、または屈曲した長軸の周りに形成されることが可能である。いくつかの実装形態によると、本明細書に記述されている「ロール」または「ローラ」は、フレキシブル基板と接触しているように適合することができる。例えば、本明細書で称される「ロール」または「ローラ」は、基板が処理されている間（堆積プロセス中など）または基板が処理システム内にある間に、基板を案内するように適合された案内ローラか、コーティングされる基板に対して規定のテンションを付与するように適合されたスプレッダローラか、規定の進行経路に従って基板を偏向させる偏向ローラか、あるいは、処理中に基板を支えるための、処理ドラム、例えば、コーティングローラもしくはコーティングドラム、調整ローラ、供給ロール、または巻取りロールなどの処理ローラとすることができる。本明細書に記述されている「ロール」または「ローラ」は、金属とすることができるか、または金属を含むことができる。
グラファイトアノード、および、新しいセル設計を使用するリチウムイオン（Ｌｉイオン）電池は、典型的には、シリコン粉末の割合が少ない。体積膨張に関連する問題を克服するためにシリコン粉末合金を作り出すことが試みられてきている。電極構造が、体積変化に適応する自立型フィルムから工作される場合、自立型フィルムの使用は、生産および集積に重大な影響を与えることになる。スラリコーティングから作られた、現在のシリコンおよび／または酸化ケイ素が混合されたアノードは、サイクル寿命（５００サイクルよりも大きな）の保証を与えるが、カレンダー寿命（２～３年未満）は、電気自動車（ＥＶ）の採用にとって、依然として主要な課題である。経時的なセルインピーダンスの増大も、現在のスラリコーティングされた粉末アノードで遭遇する主要な問題である。電気化学サイクリング中の活性材料表面エリアおよびもたらされる連続的固体電解質間相（ＳＥＩ）の成長は、カレンダー寿命およびセルインピーダンス成長を制限する主要な問題である。本開示では、表面エリア問題に対して工学的な手法を提案する。
他の手法は、マイクロメータ規模のアノード粉末粒子を使用するが、成長中の表面エリア制御には製造の問題がある。本開示は、モノリス箔から製造されるアノードのサイクリングに対する表面エリアの制御に関する。シリコンアノードを作り出すための物理的気相堆積（ＰＶＤ）または化学気相堆積（ＣＶＤ）の堆積手法は比較的高価であり、粉末手法は、サイクル寿命および速度能力を保証するものの、カレンダー寿命問題がある。本開示で提案される手法は、フィルムから合金アノードを作り出し、低い表面積を作り出すように構造を工作することによって、サイクルの経過に対するインピーダンスの成長の低減、および、カレンダー寿命の改善の助けとなる。
本開示のいくつかの実装形態では、溶融金属または金属合金が、低温流延ドラム上に直接堆積されて、合金アノードフィルムを形成する。本明細書に記述されている他の実施形態と組み合わせることができる１つまたは複数の実施形態では、溶融金属合金は、シリコンスズアルミニウムチタン合金（Ｓｉ７８Ｓｎ１６Ａｌ４Ｔｉ２）、チタンアルミニウム炭素合金（Ｔｉ２ＡｌＣもしくはＴｉ３ＡｌＣ）、または鉄銅シリコン合金（Ｆｅ２Ｃｕ２Ｓｉ５）のうちの１つである。合金は、結晶性か非結晶性のどちらかであり得る。本明細書に記述されている他の実施形態と組み合わせることができる１つまたは複数の実施形態では、溶融金属合金は、リチウムビスマス（Ｌｉ－Ｂｉ）合金、リチウム銀（Ｌｉ－Ａｇ）合金、リチウムスズ（Ｌｉ－Ｓｎ）合金、またはリチウムシリコン（Ｌｉ－Ｓｉ）合金のうちの１つである。溶融金属は、急速に凝固する（例えば、１秒あたり百万度の速度で）。次いで、凝固した金属または金属合金は、低温転写プロセスを使用して、低温で基板に転写される。
いくつかの例では、低温流延ドラムは、流延ドラム上の溶融金属または金属合金の堆積前に、転写液でコーティングされる。転写液は、堆積された金属または金属合金が流延ドラムの低温表面に粘着するのを防止し、したがって、凝固した溶融金属または金属合金の基板上への転写の容易さを改善する。１つまたは複数の例では、転写液は、低蒸気圧のおよび／またはアルカリ金属親和性のイオン液である。転写液は、ローラコーティングプロセスを介して流延ドラムに塗布されることが可能である。高温転写液の流延ドラムへの塗布後に、溶融金属または金属合金を、堆積プロセスを介して高温転写層上に堆積させることが可能である。次いで、凝固後に、凝固した金属または金属合金は、流延ドラムによって基板に転写される。１つまたは複数の例では、金属または金属合金はリチウムであり、基板は、フレキシブル基板、例えば、リチウムイオンアノード、金属被覆されたプラスチック基板、銅集電体、またはそれらの組合せである。
いくつかの例では、転写液の流延ドラムへの塗布の後に、表面保護層形成液が流延ドラムに塗布される。表面保護層形成液は、急速に凝固して、転写液の層の上に表面保護層を形成する。次いで、溶融金属または金属合金を、堆積プロセス、例えば、スプレーコーティングプロセスを介して表面保護層上に堆積させる。次いで、凝固後に、凝固した金属または金属合金および保護層は、流延ドラムによって基板に転写される。凝固した金属または金属合金および保護層は、堆積の逆の順序で流延ドラムによって転写される。例えば、凝固した金属または金属合金は、基板を、凝固した金属または金属合金層上に形成された保護層と連絡する。１つまたは複数の例では、金属または金属合金はリチウムであり、基板はフレキシブル基板、例えば、リチウムイオンアノード、金属被覆されたプラスチック基板、銅集電体、またはそれらの組合せであり、保護層は、フッ化リチウム、テルル化ビスマス（Ｂｉ２Ｔｅ３）、銅、インジウム、ガリウム、アルミニウム、酸化アルミニウム、亜鉛、酸化亜鉛、スズ、窒化リン酸リチウム、硝酸リチウム（ＬｉＮＯ３）、リン酸塩、硫酸塩、炭素、またはそれらの組合せなどの表面保護層である。
本明細書に記述されている実装形態によって使用されることが可能な堆積プロセスの例は、スパッタリング、蒸着、（例えば、熱もしくはｅビーム）、直接の液塗布（例えば、スロットダイコーティング、コンマバーコーティング、メイヤーロッドコーティング、プレーナフロー溶融スピン、流延ノズルコーティング、もしくはローラコーティング）、スプレーコーティングプロセス（例えば、亜音速スプレー、静電スプレー、ガス圧スプレー、溶射、およびプラズマ溶射）、またはそれらの任意の組合せ、とすることができるか、または、を含むことができる。
本明細書に記述されている実装形態を使用して形成されることが可能な表面保護フィルムの例は、フッ化リチウム（ＬｉＦ）フィルム、誘電体もしくはセラミックフィルム（例えば、チタン、アルミニウム、ニオビウム、タンタル、ジルコニウム、もしくはそれらの組合せ、の酸化物）、１つもしくは複数の金属フィルム（例えば、スズ、アンチモン、ビスマス、ガリウム、ゲルマニウム、銅フィルム、銀フィルム、金フィルム、もしくはそれらの組合せ）、銅カルコゲニドフィルム（例えば、ＣｕＳ、Ｃｕ２Ｓｅ、Ｃｕ２Ｓ）、ビスマスカルコゲニドフィルム（例えば、Ｂｉ２Ｔｅ３、Ｂｉ２Ｓｅ３）、スズカルコゲニドフィルム（例えば、ＳｎＴｅ、ＳｎＳｅ、ＳｎＳｅ２、ＳｎＳ）、ガリウムカルコゲニドフィルム（例えば、ＧａＳ、Ｇａ２Ｓ３、ＧａＳｅ、Ｇａ２Ｓｅ３、ＧａＴｅ）、ゲルマニウムカルコゲニドフィルム（ＧｅＴｅ、ＧｅＳｅ、ＧｅＳ）、インジウムカルコゲニドフィルム（例えば、ＩｎＳ、Ｉｎ６Ｓ７、Ｉｎ２Ｓ３、ＩｎＳｅ、ＩｎＳ４Ｓｅ３、Ｉｎ６Ｓｅ７、Ｉｎ２Ｓｅ３、ＩｎＴｅ、Ｉｎ４Ｔｅ３、Ｉｎ３Ｔｅ４、Ｉｎ７Ｔｅ１０、Ｉｎ２Ｔｅ３、Ｉｎ２Ｔｅ５）、銀カルコゲニドフィルム（Ａｇ２Ｓｅ、Ａｇ２Ｓ、Ａｇ２Ｔｅ）、ホウ素窒化物、硝酸リチウム、水素化ホウ素リチウム、およびそれらの組合せ、ならびに炭素含有フィルムのうちの少なくとも１つまたは複数、とすることができるか、または、を含むことができる。いくつかの例では、１つまたは複数の表面保護フィルムは、イオン伝導フィルムである。いくつかの例では、１つまたは複数の表面保護フィルムは、リチウムイオンおよびリチウム原子のうちの少なくとも一方にとって透過性である。１つまたは複数の表面保護フィルムは、乾燥室内で金属または金属合金フィルムのハンドリングを許容する、金属または金属合金フィルムの表面保護を付与する。
本明細書に記述されている実装形態によって使用されることが可能な転写液の例は、イオン液および高温転写流体（例えば、合成油、鉱油、および溶融塩）、とすることができるか、または、を含むことができる。本明細書に記述されている実装形態によって使用されることが可能な油の例は、合成炭化水素、シリコーン、炭化水素、芳香油、パラフィン系オイル、およびアルキル化芳香油、とすることができるか、または、を含むことができる。本明細書に記述されている実装形態によって使用されることが可能な合成油の例は、融点が１２℃の、７３．５重量％のビフェニルエーテルと２３．５重量％のビフェニルとの共析混合物であるＴｈｅｒｍｉｎｏｌ（登録商標） ＶＰ－１（ＦＲＡＧＯＬ ＡＧ）、Ｔｈｅｒｍｉｎｏｌ（登録商標） Ｄ１２（ＦＲＡＧＯＬ ＡＧ）、Ｄｉｐｈｙｌｅ（登録商標） （Ｂａｙｅｒ Ａ．Ｇ．）、Ｄｏｗｔｈｅｒｍ（登録商標） （Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ）、Ｔｈｅｒｍ（登録商標） Ｓ３００（Ｎｉｐｐｏｎ Ｓｔｅｅｌ）、Ｆｒａｇｏｌｔｈｅｒｍ（登録商標） Ｆ－１２（ＦＲＡＧＯＬ ＡＧ）、Ｐａｒａｔｈｅｒｍ（商標） ＬＲ Ｌｏｗ Ｒａｎｇｅ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｌｕｉｄ（ｐｌａｓｔｉＸｓ（登録商標））、Ｐａｒａｔｈｅｒｍ（商標） ＮＦ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｌｕｉｄ（ｐｌａｓｔｉＸｓ（登録商標））、とすることができるか、または、を含むことができる。本明細書に記述されている実装形態によって使用されることが可能な鉱油の例は、Ｃａｌｏｒｉａ ＨＴ４３、とすることができるか、または、を含むことができる。本明細書に記述されている実装形態によって使用されることが可能な溶融塩の例は、硝酸塩ベースの溶融塩（例えば、ＮａＮＯ３、ＫＮＯ３、ＮａＮＯ２およびＣａ（ＮＯ３）３）、塩化物ベースの溶融塩（例えば、ＫＣｌ－ＭｇＣｌ２）、およびフッ化物ベースの溶融塩（例えば、ＬｉＦ－ＮａＦ－ＫＦ）、とすることができるか、または、を含むことができる。本明細書に記述されている実装形態によって使用されることが可能なイオン液の例は、Ｎ、Ｎ－ジエチル－Ｎ－メチル－Ｎ－（２－メトキシエチル）アンモニウム［ＤＥＭＥ］＋、ビス（フルオロスルホニル）イミド［ＦＳＩ］－、Ｎ－メチル－Ｎ－アルキルピロリジノン［Ｃｎｍｐｙｒ］、Ｎ－メチル－Ｎ－プロピルピロリジノンビス（トリフルオロメタンスルホニル）アミド［Ｃ３ｍｐｒ ＴＦＳＩ］、Ｎ－メチル－Ｎ－プロピルピロリジノンビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド［Ｃ３ｍｐｙｒ ＦＳＩ］、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）アミド［ＮＴｆ２］－、Ｎ－メチル－Ｎ－アルキルピペリジニウム［Ｃｎｍｐｉｐ］＋、Ｎ－メチル－Ｎ－プロピルピペリジニウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）アミド［Ｃ３ｍｐｉｐ ＴＦＳＩ］、Ｎ－ブチル－Ｎ－メチルピロリジノンジシアナミド［Ｃ４ｍｐｙｒ］［ＤＣＡ］、Ｎ－メチル－ブチルピロリジノンテトラシアノボラート［Ｃ４ｍｐｙｒ ＴＣＢ］、テトラフルオロボラート［ＢＦ４］－、１，２－ジアルキルメチルイミダゾリウム［ＣｎＣｎｍｉｍ］＋、ジシアナミド［ｄｃａ］－、イミドベースのイオン液（例えば、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（ＴＦＳＩ－）、ビス（フルオロスルホニル）イミド（ＦＳＩ－））、Ｎ－ブチル－Ｎ－メチルピロリジノンビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（ＰＹＲ１４ＴＦＳＩ）またはＮ－ブチル－Ｎ－メチルピロリジノンビス（フルオロスルホニル）イミド（ＰＹＲ１４ＦＳＩ）、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］、および重合イオン液ブロックコポリマ（例えば、ポリ（スチレン－ｂ－エチレン酸化物）（ＰＳ－ＰＥＯ）／［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］溶液））、とすることができるか、または、を含むことができる。本明細書に記述されている実装形態によって使用されることが可能なイオン液（カチオンの）の例は、Ｎ、Ｐ、またはＳを含有する、四級アンモニウム、イミダゾリウム、ピロリジノン、ピペリジニウム、ヘキサトリメチルホスホニウム、トリエチルスルホニウムを含む。本明細書に記述されている実装形態によって使用されることが可能なイオン液（アニオンの）の例は、Ｎ、Ｎ－ビス（トリフルオロメタン）－スルホナミド（ＴＦＳＩ）、ビス（フルオロスルホニル）イミド（ＦＳＩ）、テトラフルオロボラート（ＢＦ４）およびヘクサフルオロホスフェート（ＰＦ６）およびＮ－ブチル－Ｎ－メチルピロリジノンビス（トリフルオロメタンスルホニル）－イミド（Ｐｙ１４－ＴＦＳＩ）を含む。
本明細書に記述されている実装形態によって使用されることが可能な固体電解質形成材料の例は、炭酸ビニル（ＶＣ）、フッ素化炭酸ビニル（ＦＥＣ）、フッ素化ビニルシクロシロキサン、フッ素化スルホン、トリ（ヘキサフルオロイソホスフェート）（ＨＦｉＰ）、トリス（ペンタフルオロフェニル）ホスフィン（ＴＰＦＰＰ）、ビフェニル、３，４エチレンジオキシチオフェン（ＥＤＴ）、ビフェニル、シクロヘキシルベンゼン、シクロヘキシルベンゼン（ＣＨＢ）、１，３－プロパンスルトン（ＰＳ）、１－メチル－１，３－プロパンスルトン、２－メチル－１，３プロパンスルトン、３－メチル－１，３－プロパンスルトン、１－エチル－１，３－プロパンスルトン、スクシノニトリル、セバコニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、１，５－ジシアノペンタン、１，６－ジシアノヘキサン、１，７－ジシアノヘプタン、１，８－ジシアノオクタン、１，９－ジシアノノナン、シロキサンバックボーンからポリエチレンオキシド、ｏ－テルフェニル、トリフェニレン、シクロヘキシルベンゼン、ビフェニル、１，３プロパンルホネート、Ｎ－ブチル－Ｎ－メチルピロリジノンビス（トリフルオロメタンスルホニル）－イミド（Ｐｙ１４－ＴＦＳＩ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、およびＰＶＤＦを含む。
図１は、１つまたは複数の実施形態による、フレキシブル基板を製造するための例示的な溶融金属コーティングシステム１００の概略側面図である。溶融金属コーティングシステム１００は、フレキシブル層スタックを形成するために使用することができる。溶融金属コーティングシステム１００は、本明細書に記述されている１つまたは複数の実装形態による溶融金属コーティングモジュール１３０を含む。溶融金属コーティングシステム１００は、一連のフレキシブル基板１２２などのフレキシブル基板を溶融金属コーティングモジュール１３０に供給するために動作可能な巻戻しモジュール１２０をさらに含む。溶融金属コーティングモジュール１３０は、フレキシブル基板を溶融金属コーティングモジュール１３０から収集するために動作可能な巻取りモジュール１４０をさらに含む。溶融金属コーティングシステム１００は、フレキシブル基板の片面または両面処理のどちらか一方に対して動作可能であり得る。いくつかの実装形態では、溶融金属コーティングシステム１００は、プレーナフロー溶融スピニングプロセスを通じて、フレキシブル基板上に溶融金属（例えば溶融リチウム）を堆積させるために動作可能である。
溶融金属コーティングシステム１００は、本開示の実装形態に従って、溶融金属コーティングシステム１００が、溶融金属を堆積させることを、および／または、一連のフレキシブル基板１２２上に堆積させた溶融金属を不動態化させることを、できるようにする、任意の適した構造、構成、配置、および／または構成要素を含むことができる。例えば、いくつかの実装形態では、溶融金属コーティングシステム１００は、流延ローラ、スプレー、蒸発器、エアベアリング、電源、個々の圧力制御、堆積制御システム、ロードセル、サーボモータ、および温度制御構成要素、とすることができるか、または、を含むことができる。
溶融金属コーティングシステム１００はチャンバ本体１０２を含む。チャンバ本体１０２は、アルミニウム、石英、セラミック、またはステンレス鋼などの標準材料から製造されることが可能である。チャンバ本体１０２は、例えば、水、１つもしくは複数のグリコールベースの流体、またはそれらの任意の組合せなどの流体によって冷却されることが可能である。チャンバ本体１０２は、内部容積１０３を規定する。仕切りプレート１０４ａ、１０４ｂ（一括して１０４）は、チャンバ本体１０２によって規定された内部容積１０３にわたって延びる。仕切りプレート１０４ａは、内部容積１０３を、一連のフレキシブル基板１２２を供給するように動作可能な巻戻し容積１０６と、溶融金属を一連のフレキシブル基板１２２上に堆積させる処理容積１０７とに分離する。仕切りプレート１０４ｂは、内部容積１０３を、処理容積１０７と、処理された一連のフレキシブル基板１２２を収集するように動作可能な巻取り容積１０８とに分離する。仕切りプレート１０４ａ、１０４ｂは、一連のフレキシブル基板１２２に適応するために、それぞれ１つまたは複数の貫通孔１０９ａ、１０９ｂ（一括して１０９）を含む。仕切りプレート１０４における各貫通孔１０９は、巻戻し容積１０６、処理容積１０７、および／または巻取り容積１０８の間を差動ポンピングできるようにしつつ、一連のフレキシブル基板１２２に適応するようにサイズ設定される。１つの実装形態では、チャンバ本体１０２は、真空チャンバを画定する。別の実装形態では、ローラコーティングおよびスロットダイコーティングなどの非真空堆積技法の場合、乾燥室またはグローブボックスのチャンバが使用され得る。
いくつかの実装形態では、不活性ガス環境が、巻戻し容積１０６、処理容積１０７、および／または巻取り容積１０８のうちの少なくとも１つの中で維持される。不活性ガス環境は、アルゴン、窒素、またはアルゴンと窒素の組合せから選択された不活性ガスを含むことができる。巻戻し容積１０６、処理容積１０７、および／または巻取り容積１０８の不活性ガス環境は、溶融金属コーティングシステム１００の外側の実質的に周囲の（例えば、大気の）環境から隔離し（例えば、ガス分離を実現し）、以て堆積されたリチウムフィルムの汚染の可能性を低減する。巻戻し容積１０６、処理容積１０７、および／または巻取り容積１０８のこの不活性ガス環境はさらに、所望の場合、巻戻し容積１０６を処理容積１０７から、および、処理容積１０７を巻取り容積１０８から隔離する（例えば、ガス分離を実現する）。この隔離により、巻戻し容積１０６、処理容積１０７、および／または巻取り容積１０８における相容れない化学作用の使用が可能になる。１つまたは複数の例では、処理容積１０７は、アルゴンガス環境を含み、巻取り容積１０８は、アルゴンガスとパッシベーションガス（例えば窒素）との組合せを含む。
いくつかの実装形態では、巻戻し容積１０６、処理容積１０７、および巻取り容積１０８のうちの少なくとも１つは、圧力制御システム（図示せず）に結合されており、圧力制御システムは、不活性ガス環境と、溶融金属コーティングシステム１００の外側の実質的に周囲の（例えば、大気の）環境との間で、一連のフレキシブル基板１２２を通過させるのを容易にするように、必要に応じて、巻戻し容積１０６、処理容積１０７、および／または巻取り容積１０８をポンプダウンおよびベントする。
チャンバ本体１０２は、内部容積１０３へのアクセスを実現するために１つまたは複数の開口（図示せず）を含む。１つまたは複数の例では、１つまたは複数の開口は、チャンバ本体１０２の頂部に位置づけられている。１つまたは複数の開口は、チャンバの構成要素へのアクセスを実現する、チャンバ本体１０２の他のロケーションに位置づけることができる。チャンバ本体１０２は、チャンバ本体１０２の内部容積１０３内の構成要素にユーザをアクセスできるようにするために開閉できる蓋（図示せず）を任意選択で含むことができる。１つまたは複数の例では、チャンバ本体１０２は、チャンバ内の処理状態をモニタするために使用される透明部分または窓を含む。
いくつかの実装形態では、巻戻し容積１０６、処理容積１０７、および巻取り容積１０８は、共通のチャンバ本体１０２を共有するように示されているが、巻戻し容積１０６、処理容積１０７、および巻取り容積１０８は、巻戻し容積１０６を画定するチャンバ本体が、処理容積１０７、および／または巻取り容積１０８を画定するチャンバ本体に、積層された、または隣接した（例えば、横並びに）、別個のチャンバ本体によって画定されることを理解されたい。例えば、いくつかの実装形態では、溶融金属コーティングシステム１００は、巻戻し容積１０６を画定する巻戻しチャンバ、処理容積１０７を画定する堆積チャンバ、および巻取り容積１０８を画定する別個の巻取りチャンバを含む。巻戻しチャンバ、堆積チャンバ、および巻取りチャンバは、別個のモジュール式および積重ね可能な要素である。１つまたは複数の例では、巻戻しチャンバは、堆積チャンバの一方の側に隣接して位置づけられ、巻取りチャンバは、堆積チャンバの反対側に隣接して位置づけられる。
溶融金属コーティングシステム１００は、一連のフレキシブル基板１２２を供給するように動作可能な巻戻しモジュール１２０と、一連のフレキシブル基板１２２上に溶融金属を堆積させるように動作可能な溶融金属コーティングモジュール１３０と、巻取りモジュール１４０内の溶融金属上にパッシベーションフィルムおよび／または保護フィルムを形成するように動作可能な巻取りモジュール１４０とを含むロールツーロールシステムとして構成される。巻戻しモジュール１２０は、一連のフレキシブル基板１２２を供給するように動作可能な巻戻しローラ１５０を含む。巻取りモジュール１４０は、処理された一連のフレキシブル基板１２２を受け入れるように動作可能な巻取りローラ１６０を含む。いくつかの実装形態では、溶融金属コーティングシステム１００は、処理された一連のフレキシブル基板１２２に保護フィルムを供給するように動作可能なラミネートフィルム供給ローラ（図示せず）をさらに含むことができる。
一連のフレキシブル基板１２２は、巻戻しローラ１５０などのロール上で巻き上げられるウェブとして提供される。１つまたは複数の例では、一連のフレキシブル基板１２２は、約１５ｃｍから約３００ｃｍの幅を有し、典型的には、約１６０ｃｍの幅を有する。加えて、一連のフレキシブル基板１２２は、約８μｍから約２００μｍの厚さを、例えば、約５０μｍの厚さを有する。一連のフレキシブル基板１２２は、前面１２４および背面１２６を有する。１つの実装形態では、処理の後、一連のフレキシブル基板１２２は、リチウム電極構造と、リチウム電極構造上に形成されたパッシベーションフィルムとを有するフレキシブル材料を含む。別の実装形態では、処理の後、一連のフレキシブル基板１２２は、リチウム化された電極構造と、リチウム化された電極構上に形成されたパッシベーションフィルムとを有するフレキシブル材料を含む。
溶融金属コーティングシステム１００は、共通運搬アーキテクチャ１８０をさらに含む。共通運搬アーキテクチャ１８０は、巻戻し容積１０６、処理容積１０７、および巻取り容積１０８を通じて一連のフレキシブル基板を移動させることができる任意の転写機構を含むことができる。いくつかの実装形態では、共通運搬アーキテクチャ１８０は、巻戻しローラ１５０および巻取りローラ１６０を含むリールツーリールシステムである。巻戻しローラ１５０および巻取りローラ１６０は、目標とされるプロセス条件に応じて独立して加熱および冷却されることが可能である。巻戻しローラ１５０は、モータ１５２によって駆動され、回転することができる。巻取りローラ１６０も、モータ１６２によって駆動され、回転することができる。巻戻しローラ１５０および巻取りローラ１６０は、各リール内に位置づけられた内部熱源、または外部加熱源を使用して個々に加熱されることが可能である。巻戻しローラ１５０および巻取りローラ１６０は、各リール内に位置づけられた内部冷却源、または外部冷却源を使用して個々に冷却されることが可能である。
いくつかの実装形態では、共通運搬アーキテクチャ１８０は、巻戻しローラ１５０と巻取りローラ１６０との間に位置づけられた、１つまたは複数の補助テンションリール１８２ａ～１８２ｄ（一括して１８２）をさらに含む。補助テンションリールは、一連のフレキシブル基板１２２に張力を与えるために、一連のフレキシブル基板１２２が巻戻しローラ１５０と巻取りローラ１６０との間で搬送される進行経路１４２上に配置される。この張力により、一連のフレキシブル基板１２２が垂れ下がるのを防止するのみならず、一連のフレキシブル基板１２２の移動方向が変わるのを防止する。したがって、一連のフレキシブル基板１２２が連続的に長い経路に沿って移動しようとも、ある特定の移動速度が常に維持される。いくつかの実装形態では、補助テンションリール１８２のうちのいずれかは、ガスクッションローラで置き換えることができる。補助テンションリール１８２は、各リール内に位置づけられた内部熱源、または外部熱源のどちらか一方を使用して個々に加熱されることが可能である。補助テンションリール１８２は、各リール内に位置づけられた内部冷却源、または外部冷却源のどちらか一方を使用して個々に冷却されることが可能である。補助テンションリール１８２は、一連のフレキシブル基板１２２を案内すること、一連のフレキシブル基板１２２に張力をかけること、一連のフレキシブル基板１２２を装入すること、一連のフレキシブル基板１２２の装入を解除すること、および一連のフレキシブル基板１２２を加熱または冷却すること、から選択された少なくとも１つの機能を実現することができる。補助テンションリール１８２は、一連のフレキシブル基板１２２を前進させるための１つまたは複数のサーボモータを含むことができる。１つまたは複数のサーボモータにより、一連のフレキシブル基板１２２の直線位置、スピード、および／または加速度の精密な制御が可能になる。１つまたは複数のサーボモータは、位置フィードバックのためのセンサと結合されることが可能である。共通運搬アーキテクチャ１８０は、一連のフレキシブル基板１２２を前進させるための１つもしくは複数のサーボモータ、および／または、ウェブテンションを、測定され標準化されることが可能な電気信号に変換するための１つもしくは複数のロードセルをさらに含むことができる。
一般に、溶融金属コーティングシステム１００は、溶融金属コーティングシステム１００の自動化された態様を制御するように動作可能なシステムコントローラ１９０を含む。システムコントローラ１９０は、溶融金属コーティングシステム１００のさまざまな構成要の動作を制御するために、設けられ、かつ、溶融金属コーティングシステム１００のさまざまな構成要素に結合されることが可能である。システムコントローラ１９０は、中央処理装置（ＣＰＵ）１９２、メモリ１９４（またはコンピュータ可読媒体）、および支援回路１９６を含む。システムコントローラ１９０は、溶融金属コーティングシステム１００を直接、または、特定のプロセスチャンバおよび／もしくは支援システム構成要素に関連づけられたコンピュータ（もしくはコントローラ）を介して、制御することができる。システムコントローラ１９０は、さまざまなチャンバおよびサブプロセッサを制御するために産業環境で使用されることが可能である汎用コンピュータプロセッサの任意の形態のうちの１つとすることができる。システムコントローラ１９０のメモリ１９４は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）などの容易に入手可能なメモリ、フロッピーディスク、ハードディスク、光学ストレージ媒体（例えば、コンパクトディスクもしくはデジタルビデオディスク）、フラッシュドライブ、または任意の他の形態のデジタルストレージ（ローカルもしくはリモート）のうちの１つまたは複数とすることができる。支援回路１９６は、従来の方式でプロセッサを支援するためのＣＰＵ１９２に結合される。これらの回路は、キャッシュ、電力供給、クロック回路、ならびに入力／出力回路構成およびサブシステムを含む。本明細書に記述されている方法は、本明細書に記述されている方式で、溶融金属コーティングシステム１００の動作を制御するために実行されるまたは呼び出されることが可能なソフトウェアルーチンとして、メモリ１９４に記憶されることが可能である。ソフトウェアルーチンはさらに、ＣＰＵ１９２によって制御されているハードウェアから遠隔に設置されている第２のＣＰＵ（図示せず）によって記憶され、および／または、実行されることが可能である。１つまたは複数の例では、システムコントローラ１９０は、ロードセルをモニタし、補助テンションリール１８２内のサーボモータを制御することによって、一連のフレキシブル基板１２２の進行速度を制御するように動作可能である。
動作の際、一連のフレキシブル基板１２２は、巻戻しローラ１５０から搬送されて、溶融金属コーティングモジュール１３０の中に前進する。一連のフレキシブル基板１２２は、巻戻し容積１０６から進行して貫通孔１０９ａを通り抜け、溶融金属コーティングモジュール１３０の処理容積１０７の中に前進する。処理容積１０７では、一連のフレキシブル基板１２２は、コーティングプロセスにさらされて、一連のフレキシブル基板１２２上に溶融金属フィルムを堆積させ、任意選択で、溶融金属フィルム上に表面保護フィルムを堆積させる。一連のフレキシブル基板１２２は、進行して貫通孔１０９ｂを通り抜け、処理容積１０７から巻取り容積１０８の中に前進する。巻取り容積１０８では、処理された一連のフレキシブル基板１２２は、巻取りローラ１６０上に巻かれる。
溶融金属コーティングモジュール１３０は、一連のフレキシブル基板１２２を処理するように動作可能な１つまたは複数の処理ステーションを含む。例えば、一連のフレキシブル基板１２２の上に第１の材料を含む第１の層を堆積させるように動作可能な第１の堆積源構成体１３２ａ、１３２ｂ（一括して１３２）を設けることができる。さらに、第１の層の上に第２の材料を含む第２の層を堆積させるように動作可能な第２の堆積源構成体１３４ａ、１３４ｂ（一括して１３４）を設けることができる。その上さらに、第２の層の上に第３の材料を含む第３の層を堆積させるように動作可能な第３の堆積源構成体１３６ａ、１３６ｂ（一括して１３６）を設けることができる。
本明細書に記述されている例によると、第１の堆積源構成体１３２、第２の堆積源構成体１３４、および第３の堆積源構成体１３６のそれぞれは、１つまたは複数の堆積源を含むことができる。堆積源の例は、スパッタリング、蒸着、（例えば、熱もしくはｅビーム）、直接の液塗布（例えば、スロットダイコーティング、コンマバーコーティング、メイヤーロッドコーティング、プレーナフロー溶融スピン、流延ノズルコーティング、もしくはローラコーティング）、スプレーコーティングプロセス（例えば、亜音速スプレー、静電スプレー、ガス圧スプレー、溶射、およびプラズマ溶射）、またはそれらの任意の組合せ、とすることができるか、または、を含むことができる。特に、第１の堆積源構成体１３２、第２の堆積源構成体１３４、および第３の堆積源構成体１３６などの堆積源構成体あたりの堆積源の数は、それぞれの堆積源構成体によって形成される層の所期の厚さに応じて調整されることが可能である。例えば、リチウム電池向けの負極の場合には、リチウム層上に形成される表面保護フィルムよりも厚いリチウム層を有することが望ましい。第２の堆積源構成体１３４は、リチウムを堆積させるように構成されること、および、表面保護フィルムを堆積させるように構成された第１の堆積源構成体１３２よりも多くの堆積源を含むことが可能である。第１の堆積源構成体１３２、第２の堆積源構成体１３４、および第３の堆積源構成体１３６は、それぞれ１つの堆積源を有する。
溶融金属コーティングモジュール１３０は、一連のフレキシブル基板１２２の対向する側に位置づけられた一対の回転可能流延ドラム１３８ａ、１３８ｂ（一括して１３８）をさらに含む。流延ドラム１３８は、溶融金属が堆積しているクエンチング面１４４ａ、１４４ｂ（一括して１４４）を有する円柱である。クエンチング面１４４は湾曲面である。クエンチング面１４４は平滑面とすることができる。クエンチング面１４４は、ステンレス鋼、銅、クロム、またはそれらの組合せのうちの少なくとも１つを含む。１つまたは複数の例では、流延ドラム１３８のクエンチング面１４４はステンレス鋼である。流延ドラム１３８は、溶融金属コーティングシステム１００内に設けられる回転軸を有する。各流延ドラム１３８は、モータ１３９ａ、１３９ｂ（一括して１３９）によって駆動され、回転することができる。
本明細書に記述されているいくつかの例によると、流延ドラム１３８は、所望の処理温度まで加熱または冷却されることが可能である。流延ドラム１３８内の加熱または冷却デバイスは、接続部によってコントローラに接続されることが可能である。本明細書に記述されている典型的な例によると、流延ドラム１３８は、堆積目的で加熱または冷却されることが可能である。１つまたは複数の例では、流延ドラムは、流延ドラム１３８のクエンチング面１４４を冷却するための冷却剤を含むように動作可能な冷却剤チャネルを含む。冷却剤チャネルは、熱伝達流体を供給する冷却剤源に結合されることが可能である。流体は、水、エチレングリコール、窒素（Ｎ２）、ヘリウム、Ｆｒａｇｏｌｔｈｅｒｍ（登録商標）Ｆ－１２、Ｐａｒａｔｈｅｒｍ（商標）ＬＲ、Ｐａｒａｔｈｅｒｍ（商標）ＮＦ、鉱油、Ｍｏｂｉｌ（登録商標）油、圧縮ＣＯ２などのポリ冷媒の炭化水素などの混合炭化水素ガス、または熱交換媒体として使用される任意の他の流体とすることができる。いくつかの例では、流延ドラム１３８は、流延ドラム１３８内に位置づけられた内部冷却源を使用して冷却される。他の例では、流延ドラム１３８は、外部冷却源を使用して冷却される。さらに、流延ドラム１３８は、例えば、低い融点を有するリチウムなどの材料の堆積中に冷却されることが可能である。
溶融金属コーティングモジュール１３０は、流延ドラム１３８のクエンチング面１４４に転写液を送達するように動作可能な剥離層堆積源構成体１４６ａ、１４６ｂ（一括して１４６）をさらに含む。転写液は、流延ドラム１３８のクエンチング面１４４上に剥離層を形成する。クエンチング面１４４上に形成された剥離層は、実質的に堆積した層がクエンチング面１４４に粘着するのを防止する。１つまたは複数の例では、剥離層堆積源構成体１４６は、転写液が、任意の材料層の前にクエンチング面１４４上に堆積するように、流延ドラム１３８に隣接して、第１の堆積源構成体１３２の前に順に位置づけられている。
１つの実装形態では、剥離層堆積源構成体１４６は、ピックアップローラまたはキスローラ１４８ａ、１４８ｂ（一括して１４８）を含む。キスローラ１４８は、転写液源プール１５２ａ、１５２ｂ（一括して１５２）から、転写液を含む湿ったフィルムを接点によってピックアップし、転写液を流延ドラム１３８のクエンチング面１４４に送達する。キスローラ１４８は、キスローラ１４８を駆動および回転させるためのサーボモータをさらに含むことができる。
１つまたは複数の例では、キスローラ１４８は、キスローラ１４８が流延ドラム１３８の回転方向とは逆の方向に回転することを意味する、反対方向に進行しながら流延ドラム１３８に接触する（例えば、反対方向に接触）。いくつかの例では、キスローラ１４８は、流延ドラム１３８の回転方向と同じ方向に回転しながら流延ドラム１３８に接触しない（例えば、共通方向に接触なし）。他の例では、キスローラ１４８は、流延ドラム１３８の回転方向と同じ方向に回転しながら流延ドラム１３８に接触する（例えば、共通方向に接触する）。
溶融金属コーティングモジュール１３０は、材料層を一連のフレキシブル基板１２２に送達した後、かつ、剥離層形成液を流延ドラム１３８に塗布する前に、流延ドラム１３８上に残っている任意の材料を除去するための除去構成体１７０ａ、１７０ｂ（一括して１７０）をさらに含む。除去構成体は、流延ドラム１３８のクエンチング面１４４を浄化することができる任意のツールを含む。使用することができるツールの例は、機械式ツール（例えば、スクレーパ）、流体ジェット、エアジェット、または任意のそれらの組合せを含む。
動作の際には、流延ドラム１３８は、下記の、剥離層堆積源構成体１４６、第１の堆積源構成体１３２、第２の堆積源構成体１３４、第３の堆積源構成体１３６、および除去構成体１７０を通じて順に回転する。本明細書において、堆積源構成体が処理ステーションであると称されることが多いとしても、エッチングステーションまたは加熱ステーションのような他の処理ステーションも、流延ドラム１３８の湾曲したクエンチング面１４４に沿って設けることができる。したがって、本明細書に記述されている溶融金属コーティングシステム１００は、さまざまな堆積源に対して区画を有することができ、以て、単一の堆積装置内にいくつかの堆積源またはプロセスのモジュール式の組合せを許容することができる。例示的な堆積源またはプロセスは、スパッタリング、蒸着、スプレー、ＰＶＤ、ＣＶＤ、プラズマ強化ＣＶＤ（ＰＥ－ＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、プラズマ強化ＡＬＤ（ＰＥ－ＡＬＤ）、またはそれらの任意の組合せ、とすることができるか、または、を含むことができる。
図２は、１つまたは複数の実施形態による、フレキシブル基板を製造する方法を示すフローチャートである。本明細書に記述されている他の実施形態と組み合わせることができる１つまたは複数の実施形態では、方法２００は、プレーナフロー溶融スピニングプロセスである。方法２００は、操作２１０による、転写液を回転流延ドラムの冷却されたクエンチング面に送達することを含む。転写液は、キスローラによって流延ドラムに塗布されることが可能である。転写液は、流延ドラムのクエンチング面上に凝固して剥離層を形成することができる。冷却されたクエンチング面上に形成された剥離層は、実質的に堆積した層がクエンチング面に粘着するのを防止する。例えば、実質的に堆積した層がリチウムなどの粘着材料である場合、剥離層は、リチウムが、クエンチング面に粘着するのを防止する。転写液は、冷却されたクエンチング面と実質的に堆積した層との両方と親和性が高いように選択される。
操作２２０において、材料層スタックは、剥離層がある場合には剥離層上に形成され、または剥離層が無い場合には、流延ドラムのクエンチング面上に直接形成される。１つまたは複数の例では、材料層スタックの第１の材料層は、表面保護フィルム、例えば、フッ化リチウムである。いくつかの例では、第１の材料層は、低溶融温度の金属または金属合金、例えば、リチウムである。第１の材料層は、合金アノードフィルムであってもよい。操作２３０において、第１の材料層は、第１の堆積源構成体１３２によって剥離層上に堆積されることが可能である。任意選択で、操作２４０において、第２の材料層は、第１の材料層上に形成される。１つまたは複数の例では、第２の材料層は、追加の表面保護フィルムである。いくつかの例では、第２の材料層は、低溶融温度の金属または金属合金、例えば、リチウムである。第２の材料層を、第２の堆積源構成体１３４によって堆積させることが可能である。任意選択で、操作２５０において、第３の材料層は、第２の材料層上に形成される。１つまたは複数の例では、第３の材料層は、低溶融温度の金属または金属合金、例えば、リチウムである。第３の材料層を、第３の堆積源構成体１３６によって堆積させることが可能である。
１つまたは複数の例では、表面保護層形成液は、急速に凝固して、転写液の層の上に表面保護層を形成する。次いで、溶融金属または金属合金を、堆積プロセス、例えば、スプレーコーティングプロセスを介して表面保護層上に堆積させる。次いで、凝固の後、操作２６０において、凝固した金属または金属合金および保護層は、流延ドラムによって基板に転写される。
操作２６０において、材料層スタックは、流延ドラムからフレキシブル基板に転写される。フレキシブル基板は、一連のフレキシブル基板１２２とすることができる。１つまたは複数の例では、フレキシブル基板は、ポリプロピレン、ポリエチレン、またはそれらの組合せなどのプラスチック基板である。いくつかの例では、フレキシブル基板は、フレキシブル基板上に形成されたフィルムを有し、例えば、銅基板が、銅基板上に形成されたアノードフィルムを有する。いくつかの例では、フレキシブル基板は、銅基板またはアルミニウム基板である。他の例では、フレキシブル基板は、金属の薄層でコーティングされたプラスチック基板である（例えば、銅でコーティングされたポリプロピレン、またはポリエチレン）。材料層スタックの層は、流延ドラム上の堆積の逆の順序で一連のフレキシブル基板に転写される。例えば、プレーナフロー溶融スピニングプロセスでは、凝固した金属または金属合金は、フレキシブル基板を、凝固した金属または金属合金層上に形成された保護層と連絡する。１つまたは複数の例では、金属または金属合金はリチウムであり、基板はフレキシブル基板、例えば、リチウムイオンアノード、金属被覆されたプラスチック基板、銅集電体、またはそれらの組合せであり、保護層は、ＬｉＦ、Ｂｉ２Ｔｅ３、Ｃｕ、Ｓｎ、ＬｉＮＯ３、またはそれらの組合せなどの表面保護層である。
任意選択で、操作２７０において、流延ドラムは、浄化プロセスにさらされる。浄化プロセスは、繰返し操作２１０～２６０の前に実行されて、流延ドラムのクエンチング面から剥離層（ある場合）および任意の他の汚染物質を除去する。浄化プロセスは、例えば、材料層スタックを一連のフレキシブル基板１２２に送達した後、かつ、転写液を流延ドラム１３８に塗布する／再塗布する前に、流延ドラム上に残っている任意の材料を除去するための除去構成体１７０を使用して実行することができる。浄化プロセスは、汚染物質を流延ドラムのクエンチング面から除去できる任意のツールを使用して実行することができる。流延ドラムのクエンチング面を浄化するために使用することができるツールの例は、機械式ツール（例えば、スクレーパ）、流体ジェット、エアジェット、または任意のそれらの組合せを含む。
図３Ａは、１つまたは複数の実施形態による、フレキシブル基板３００の概略断面図である。図３Ｂは、１つまたは複数の実施形態による、図３Ａのフレキシブル基板３００の一部分の概略上面図である。図４は、１つまたは複数の実施形態による、図３Ａおよび図３Ｂのフレキシブル基板３００を製造する方法４００を示すフローチャートである。フレキシブル基板３００は、合金アノード３０１を含む。本明細書に記述されている他の実施形態と組み合わせることができる１つまたは複数の実施形態では、合金アノード３０１は、シリコン、スズ、アルミニウム、チタン、炭素、鉄、亜鉛、ガリウム、インジウム、ニオビウム、モリブデン、銅、酸素、窒素、ハロゲン（例えば、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、硫黄、リン、それらの合金、またはそれらの任意の組合せを含有する。
合金アノード３０１は、操作４０１で、プレーナフロー溶融スピニングプロセス、例えば、上述の方法２００を通じて、フレキシブル基板３００から形成される。もたらされる合金アノード３０１は、本質的に、非結晶かつガラス質である。理想的には、合金アノード３０１の非結晶金属組成物は、少なくとも８０％の非晶質、好ましくは少なくとも９０％、さらにより好ましくは少なくとも９５％、最も好ましくは少なくとも９８％、非晶質である。結晶度は、知られている技法によって確かめることができる。非結晶金属は、溶融金属の供給から少なくとも１０４℃／秒の速度で急速に凝固され、クエンチされるものを含む。
合金アノード３０１が形成されると、操作４０２において、人工の多孔性３０５、例えば複数の細孔３０６、または、１つもしくは複数のトレンチ３０７が合金アノード３０１に作成される。人工の多孔性３０５は、合金アノード３０１の厚さ３０８の膨張を生じることなく、電池の充電中に合金アノード３０１の体積膨張を可能にする。膨張している材料は、合金アノード３０１の外側境界に移動する代わりに、人工の多孔性３０５の中に膨張する。人工の多孔性３０５は、湿式エッチング、電気化学エッチング、またはレーザ穴開けのうちの１つによって作成される。本明細書に記述されている他の実施形態と組み合わせることができる１つまたは複数の実施形態では、湿式エッチングは酸処理を含む。湿式エッチングプロセスでは、１つの実施形態によると、銀のナノ粒子が、合金アノード３０１の表面上の触媒として使用され、酸エッチングが人工の多孔性３０５を作成する。湿式エッチングの前に、銀のドットが合金アノード３０１上にパターニングされて、均一な細孔分布を作成することができる。レーザ穴開けが行われる実施形態では、合金アノード３０１に単一の貫通孔または細孔３０６を形成するために、単一のパルスが印加され得る。合金アノード３０１にトレンチ３０７を形成するために、複数のパルスが印加され得る。本明細書に記述されている他の実施形態と組み合わせることができる１つまたは複数の実施形態では、レーザは、約１．０６μｍの波長、約１×１０６ワットのピーク出力、および１秒あたり約１０パルスのパルス繰返し速度で動作する、繰り返しパルス出力されるネオジウムドープのイットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザである。本明細書に記述されている他の実施形態と組み合わせることができる他の実施形態では、レーザは、約１０．６μｍの波長、約１×１０５ワットのピーク出力、および１秒あたり約１００パルスのパルス繰返し速度で動作する、パルス出力される二酸化炭素（ＣＯ２）レーザである。本明細書に記述されている他の実施形態と組み合わせることができる他の実施形態では、レーザは、約１．０６μｍの波長、約１×１０６ワットのピーク出力、および１秒あたり１パルス未満のパルス繰返し速度で動作する、ネオジウムガラス（Ｎｄ：ガラス）レーザである。もたらされる合金アノード３０１およびフレキシブル基板３００は、合金アノード３０１の望まれない体積膨張の減少のおかげで、電池寿命および全体的なカレンダー寿命が改善される。
もたらされるフレキシブル基板３００の品質を改善するために、１つまたは複数のそれに続くプロセスが実行されてもよい。任意選択の操作４０３において、合金アノード３０１に対してプレリチオ化表面処理が実行される。プレリチオ化表面処理は、合金アノード３０１上にリチウム層３０２を堆積させることを含む。リチウム層３０２は電化の損失を低減する。任意選択の操作４０４において、合金アノード３０１上に保護層３０３を堆積させる。保護層３０３は、フッ化リチウム、炭素、銀、ビスマス、亜鉛、アンチモン、アルミニウム、酸化銀、酸化ビスマス、酸化亜鉛、酸化アンチモン、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、リチウムシリコン酸化物、またはそれらの任意の組合せのうちの１つもしくは複数を含む。任意選択の操作４０５において、合金アノード３０１は、金属製の集電体３０４にラミネートされる。本明細書に記述されている他の実施形態と組み合わせることができる１つまたは複数の実施形態では、金属製の集電体３０４は銅を含む。ラミネーションプロセスは、合金アノード３０１を金属製の集電体３０４に接着するために、導電性炭素ベースの接着剤または機械式ボンディングのうちの一方を使用する。
図５Ａは、１つまたは複数の実施形態による、フレキシブル基板３００の概略断面図である。図５Ｂは、１つまたは複数の実施形態による、図５Ａのフレキシブル基板５００の概略上面図である。図６は、１つまたは複数の実施形態による、図５Ａおよび図５Ｂのフレキシブル基板５００を製造する方法６００を示すフローチャートである。フレキシブル基板５００は、合金アノード５０１を含む。本明細書に記述されている他の実施形態と組み合わせることができる１つまたは複数の実施形態では、合金アノード５０１は、リチウムと、シリコン、スズ、銀、ビスマス、それらの合金、またはそれらの任意の組合せのうちの１つもしくは複数と、を含有する。本明細書に記述されている他の実施形態と組み合わせることができる１つまたは複数の実施形態では、合金アノード５０１は、リチウムビスマス（Ｌｉ－Ｂｉ）合金、リチウム銀（Ｌｉ－Ａｇ）合金、リチウムスズ（Ｌｉ－Ｓｎ）合金、またはリチウムシリコン（Ｌｉ－Ｓｉ）合金、それらの合金、またはそれらの任意の組合せのうちの１つである。本明細書に記述されている他の実施形態と組み合わせることができる１つまたは複数の実施形態では、合金アノード５０１は、比較的低い融点（例えば、１，０００℃未満）を有するドープされた金属または合金を含有する。
図２および図４に関して上で論じたように、合金アノード５０１は、操作６０１で、プレーナフロー溶融スピニングプロセス、例えば、上述の方法２００を通じて形成される。もたらされる合金アノード５０１は、本質的に、非結晶かつガラス質である。本明細書に記述されている他の実施形態と組み合わせることができる１つまたは複数の実施形態では、合金アノード５０１は、リチウムビスマス（Ｌｉ－Ｂｉ）合金、リチウム銀（Ｌｉ－Ａｇ）合金、リチウムスズ（Ｌｉ－Ｓｎ）合金、またはリチウムシリコン（Ｌｉ－Ｓｉ）合金のうちの１つである。理想的には、合金アノード５０１の非結晶金属組成物は、少なくとも８０％の非晶質、好ましくは少なくとも９０％、さらにより好ましくは少なくとも９５％、最も好ましくは少なくとも９８％、非晶質である。合金アノード５０１が形成されると、操作６０２において、人工の多孔性５０５、例えば複数の細孔５０６、および／または、トレンチ５０７が合金アノード５０１に作成される。本明細書に記述されている他の実施形態と組み合わせることができる１つまたは複数の実施形態では、人工の多孔性５０５を作成するためにレーザ穴開け処理が、合金アノード５０１に対して実行される。
合金アノード５０１およびもたらされる電池の品質を改善するために、１つまたは複数のその後に続くプロセスが実行され得る。任意選択の操作６０３において、保護層５０３が合金アノード５０１上に配置される。任意選択の操作６０４において、合金アノード５０１は、金属製の集電体５０４にラミネートされる。本明細書に記述されている他の実施形態と組み合わせることができる１つまたは複数の実施形態では、金属製の集電体５０４は銅を含む。ラミネーションプロセスは、合金アノード５０１を金属製の集電体５０４に接着するために、導電性炭素ベースの接着剤または機械式ボンディングのうちの一方を使用する。
任意選択の操作６０５において（操作６０３が実行されなかった場合）、保護層５０３は、合金アノード５０１上に配置される。したがって、１つまたは複数の実施形態では、合金アノード５０１をラミネートすることは、保護層５０３を堆積させる前に行われる。他の実施形態では、合金アノード５０１をラミネートすることは、保護層５０３を堆積させた後に行われる。もたらされる合金アノード５０１は、合金アノード５０１の望まれない体積膨張の減少のおかげで、電池寿命および全体的なカレンダー寿命が改善される。
要約すれば、これらの方法により、費用効果の高いロールツーロール（ＲＴＲ）プロセスで形成されるリチウムイオン電池の品質が改善される。人工の多孔性を介してアノードの表面積の成長を制御することによって、カレンダー寿命が改善され、サイクルの経過に対するインピーダンスの成長が低減される。
本開示の実装形態はさらに、以下の例１～１３のうちの任意の１つまたは複数に関する。
１．合金アノードを製造する方法であって、回転流延ドラムのクエンチング面の上に溶融状態の材料を凝固させることを含むプレーナフロー溶融スピニングプロセスを使用して合金アノードを形成することと、合金アノードに対してプレリチオ化表面処理を実行することと、を含む方法。
２．合金アノードを製造する方法であって、回転流延ドラムのクエンチング面の上に溶融状態の材料を凝固させることを含むプレーナフロー溶融スピニングプロセスを使用して、リチウムを含む合金アノードを形成することと、合金アノード上に保護層を堆積させることと、を含む方法。
３．合金アノードを製造する方法であって、プレーナフロー溶融スピニングプロセスを使用して合金アノードを形成することと、レーザ穴開けを通じて合金アノードに人工の多孔性を作成することと、プレリチオ化表面処理を実行することと、合金アノード上に保護層を堆積させることと、集電体に合金アノードをラミネートすることと、を含む方法。
４．合金アノードが、シリコン、スズ、アルミニウム、チタン、炭素、鉄、銅、それらの合金、またはそれらの任意の組合せを含む、例１～３のいずれか１つによる方法。
５．合金アノードが少なくとも９５％非晶質である、例１～４のいずれか１つによる方法。
６．合金アノードに人工の多孔性を作成することをさらに含む、例１～５のいずれか１つによる方法。
７．人工の多孔性を作成することが、合金アノードに、複数の細孔、１つもしくは複数のトレンチ、またはそれらの組合せを形成することを含む、例１～６のいずれか１つによる方法。
８．複数の細孔、および、１つもしくは複数のトレンチが合金アノードにレーザ穴開けされる、例１～７のいずれか１つによる方法。
９．合金アノード上に保護層を堆積させることをさらに含む、例１～８のいずれか１つによる方法。
１０．保護層が、フッ化リチウム、炭素、銀、ビスマス、亜鉛、アンチモン、アルミニウム、酸化銀、酸化ビスマス、酸化亜鉛、酸化アンチモン、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、リチウムシリコン酸化物、またはそれらの任意の組合せのうちの１つもしくは複数を含む、例１～９のいずれか１つによる方法。
１１．合金アノードを金属製の集電体にラミネートすることをさらに含む、例１～１０のいずれか１つによる方法。
１２．合金アノードをラミネートすることが、保護層を堆積させる前に行われる、例１～１１のいずれか１つによる方法。
１３．合金アノードをラミネートすることが、保護層を堆積させた後に行われる、例１～１２のいずれか１つによる方法。
前述は本開示の実施形態に関するものである一方、他のおよびさらなる実施形態が、本開示の基本的な範囲から逸脱することなく考案され得、他のおよびさらなる実施形態の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。本テキストと矛盾していない限り、任意の優先文書および／またはテスト手順を含む本明細書に記述されているすべての文書は、参照によって本明細書に組み込まれる。上述の全体説明および特定の実施形態から明らかであるように、本開示の形態が例証され説明されてきたが、本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、さまざまな修正を行うことができる。したがって、本開示は、それによって限定されることを意図するものではない。同様に、組成物、要素、要素のグループの前に移行句「備える」がある場合はいつでも、組成物、要素、または複数の要素の列挙の前にくる移行句「本質的に～からなる」、「からなる」、「からなるグループから選択された」、または「である」を伴う同じ組成物または要素のグループ、およびその逆が企図されると理解される。
ある特定の実施形態および機能は、数値の最小値のセットと数値の最大値のセットとを使用して記述されてきた。任意の２つの値の組合せ、例えば、任意の最小値と任意の最大値の組合せ、任意の２つの最小値の組合せ、および／または、任意の２つの最大値の組合せを含む範囲が、別様に示されていない限り、企図されることを理解されたい。特定の最小値、最大値、および範囲が１つまたは複数の下記の特許請求の範囲に現れる。

Claims (20)

  1. 合金アノードを製造する方法であって、
    回転流延ドラムのクエンチング面の上に溶融状態の材料を凝固させることを含むプレーナフロー溶融スピニングプロセスを使用して合金アノードを形成することと、
    前記合金アノードに対してプレリチオ化表面処理を実行することと、を含む方法。
  2. 前記合金アノードが、シリコン、スズ、アルミニウム、チタン、炭素、鉄、銅、それらの合金、またはそれらの任意の組合せを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記合金アノードが少なくとも９５％非晶質である、請求項１に記載の方法。
  4. 前記合金アノードに人工の多孔性を作成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  5. 人工の多孔性を作成することが、前記合金アノードに、複数の細孔、１つもしくは複数のトレンチ、またはそれらの組合せを形成することを含む、請求項４に記載の方法。
  6. 前記複数の細孔、および、前記１つもしくは複数のトレンチが前記合金アノードにレーザ穴開けされる、請求項５に記載の方法。
  7. 前記合金アノード上に保護層を堆積させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  8. 前記保護層が、フッ化リチウム、炭素、銀、ビスマス、亜鉛、アンチモン、アルミニウム、酸化銀、酸化ビスマス、酸化亜鉛、酸化アンチモン、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、リチウムシリコン酸化物、またはそれらの任意の組合せのうちの１つもしくは複数を含む、請求項７に記載の方法。
  9. 前記合金アノードを金属製の集電体にラミネートすることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  10. 合金アノードを製造する方法であって、
    回転流延ドラムのクエンチング面の上に溶融状態の材料を凝固させることを含むプレーナフロー溶融スピニングプロセスを使用して、リチウムを含む合金アノードを形成することと、
    前記合金アノード上に保護層を堆積させることと、を含む方法。
  11. 前記合金アノード上に人工の多孔性を作成することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
  12. 人工の多孔性を作成することが、レーザ穴開け処理を実行し、前記合金アノードに複数の細孔、１つもしくは複数のトレンチ、またはそれらの組合せを形成することを含む、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記保護層が、フッ化リチウム、炭素、銀、ビスマス、亜鉛、アンチモン、アルミニウム、酸化銀、酸化ビスマス、酸化亜鉛、酸化アンチモン、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、リチウムシリコン酸化物、またはそれらの任意の組合せのうちの１つもしくは複数を含む、請求項１０に記載の方法。
  14. 前記合金アノードを金属製の集電体にラミネートすることをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
  15. 前記合金アノードをラミネートすることが、前記保護層を堆積させる前に行われる、請求項１４に記載の方法。
  16. 前記合金アノードをラミネートすることが、前記保護層を堆積させた後に行われる、請求項１５に記載の方法。
  17. 合金アノードを製造する方法であって、
    プレーナフロー溶融スピニングプロセスを使用して合金アノードを形成することと、
    レーザ穴開けを通じて前記合金アノードに人工の多孔性を作成することと、
    プレリチオ化表面処理を実行することと、
    前記合金アノード上に保護層を堆積させることと、
    集電体に前記合金アノードをラミネートすることと、を含む方法。
  18. 前記合金アノードが、シリコン、スズ、アルミニウム、チタン、炭素、鉄、銅、それらの合金、またはそれらの任意の組合せを含む、請求項１７に記載の方法。
  19. 人工の多孔性を作成することが、前記合金アノードに、複数の細孔、１つもしくは複数のトレンチ、またはそれらの組合せを形成することを含む、請求項１７に記載の方法。
  20. 前記保護層が、フッ化リチウム、炭素、銀、ビスマス、亜鉛、アンチモン、アルミニウム、酸化銀、酸化ビスマス、酸化亜鉛、酸化アンチモン、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、リチウムシリコン酸化物、またはそれらの任意の組合せのうちの１つもしくは複数を含む、請求項１７に記載の方法。
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