JP7142770B2 - バッテリ用セパレータへのセラミックコーティング - Google Patents

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Description

分野
本開示の態様は概して、セパレータ、前記セパレータを含む、バッテリ及びコンデンサといった高性能電気化学デバイス、並びにそれらを製造するためのシステム及び方法に関する。
関連技術の記載
コンデンサ及びリチウムイオン（Ｌｉイオン）バッテリなどの急速充電、高容量エネルギー貯蔵デバイスは、携帯用電子機器、医療、輸送、グリッド接続された大エネルギー貯蔵、再生可能エネルギー貯蔵、及び無停電電源（ＵＰＳ）を含む、増々多くの用途に使用されている。
Ｌｉイオンバッテリは一般的に、アノード電極、カソード電極、及びアノード電極とカソード電極との間に配置されたセパレータを含む。セパレータは、カソード電極とアノード電極との間の物理的及び電気的な分離をもたらす電子絶縁体である。セパレータは一般的に微多孔質ポリエチレン及びポリオレフィンからできている。電気化学反応中、例えば充放電中、リチウムイオンは電解質を介して、２つの電極間のセパレータのポアを通して運ばれる。
バッテリセパレータの高温溶融完全性は、バッテリの安全性を保証する重要な特性である。過充電若しくは内部での短絡、又はセル内温度の上昇につながる他のいずれかの事象に起因する内部発熱の場合に、セパレータがその完全性を維持し、高温で電極が互いに接触することを防止することになるので、高温溶融完全性は安全性のマージンを増やすことができる。
リチウムイオンバッテリ用の典型的なセパレータは、溶融加工技術により生成される、ポリエチレン（ＰＥ）及びポリプロピレン（ＰＰ）といったポリマーに基づいている。このようなタイプのセパレータは一般的に、高温（例えば、１６０℃を上回る温度）での溶融完全性が低い。このような低い溶融完全性はまた、セパレータが耐えることのできるその後の処理の種類を制限する。
したがって、当技術分野には、セパレータの溶融完全性を維持しながら、セパレータの後続の処理を可能にする方法及びシステムに対する需要が存在する。
本開示の態様は概して、セパレータ、前記セパレータを含む、バッテリ及びコンデンサといった高性能電気化学デバイス、並びにそれらを製造するためのシステム及び方法を含む。少なくとも１つの態様では、セパレータが提供される。セパレータは、第１の表面と、第１の表面の反対側の第２の表面とを有する、イオンを伝導することのできるポリマー基材を含む。セパレータは、第１の表面上に形成された、イオンを伝導することのできる第１のセラミック含有層を更に含む。第１のセラミック含有層は、約１，０００ナノメートルから約５，０００ナノメートルの範囲の厚さを有する。セパレータは、第１のセラミック含有層上に形成された、イオンを伝導することのできる第２のセラミック含有層を更に含む。第２のセラミック含有層は、結合剤を含まないセラミック含有層であり、約１ナノメートルから約１，０００ナノメートルの範囲の厚さを有する。
少なくとも１つの態様では、セパレータが提供される。セパレータは、第１の表面と、第１の表面の反対側の第２の表面とを有する、イオンを伝導することのできる多孔性セラミック体を含む。多孔性セラミック体は、約２，０００ナノメートルから約１０，０００ナノメートルの範囲の厚さを有する。セパレータは、多孔性セラミック体層の第１の表面上に形成された、イオンを伝導することのできる第１のセラミック含有層を更に含む。第１のセラミック含有層は、結合剤を含まないセラミック含有層であり、約１ナノメートルから約１，０００ナノメートルの範囲の厚さを有する。セパレータは、多孔性セラミック体層の第２の表面上に形成された、イオンを伝導することのできる第２のセラミック含有層を更に含む。第２のセラミック含有層は、結合剤を含まないセラミック含有層であり、約１ナノメートルから約１，０００ナノメートルの範囲の厚さを有する。
少なくとも１つの態様では、バッテリ用のセパレータを形成する方法が提供される。この方法は、処理領域内に位置決めされた微多孔性イオン伝導性ポリマー層上に堆積される材料を蒸発プロセスに曝すことを含む。微多孔性イオン伝導性ポリマー層は、その上に形成された第１のセラミック含有層を有する。この方法は、蒸発した材料を反応性ガス及び／又はプラズマと反応させて、イオンを伝導することのできる第２のセラミック含有層を、第１のセラミック含有層上に堆積させることを更に含む。第１のセラミック含有層は、約１，０００ナノメートルから約５，０００ナノメートルの範囲の厚さを有する。第２のセラミック含有層は、結合剤を含まないセラミック含有層であり、約１ナノメートルから約１，０００ナノメートルの範囲の厚さを有する。
少なくとも１つの態様では、バッテリ用のセパレータを形成する方法が提供される。この方法は、処理領域に位置決めされた多孔性セラミック体上に堆積される材料を蒸発プロセスに曝すことを含む。この方法は、蒸発した材料を反応性ガス及び／又はプラズマと反応させて、イオンを伝導することのできるセラミック含有層を、多孔性セラミック体上に堆積させることを更に含む。多孔性セラミック体は、約２，０００ナノメートルから約１０，０００ナノメートルの範囲の厚さを有する。セラミック含有層は、結合剤を含まないセラミック含有層であり、約１ナノメートルから約１，０００ナノメートルの範囲の厚さを有する。
本開示の上述の特徴を詳しく理解できるように、上記で簡単に要約した態様のより詳細な説明が態様を参照することによって得られ、一部の態様が添付図面に示される。しかしながら、本開示は他の等しく有効な実装態様を許容しうるため、添付図面は、本開示の典型的な態様のみを示すものであり、したがってその範囲を限定すると見なすべきではないことに留意されたい。
ここに記載される１つ又は複数の態様に従って形成されたセル構造の一態様の断面図を示している。 ここに記載される１つ又は複数の態様に従って形成されたセラミックコーティングセパレータの断面図を示している。 ここに記載される態様によるセラミックコーティングセパレータを形成するための方法の一態様を要約したプロセスのフロー図を示している。 ここに記載される １つ又は複数の態様により形成された極薄セラミック層でコーティングされたセラミックセパレータの断面図を示している。 ここに記載される態様によるセラミックセパレータを形成するための方法の一態を要約したプロセスのフロー図を示している。 ここに記載される態様によるセラミックセパレータを形成するための方法の一態様を要約したプロセスのフロー図を示している。 ここに記載される１つ又は複数の態様により形成された極薄セラミック層でコーティングされたセラミックセパレータの断面図を示している。
理解を容易にするために、可能な場合には、複数の図に共通する同一の要素を指し示すために同一の参照番号を使用した。一態様の要素及び特徴は、更なる記述がなくとも、他の態様に有益に組み込まれうると想定される。
以下の開示は、セパレータ、前記セパレータを含む高性能電気化学セル及びバッテリ、それらを製造するためのシステム及び方法について記載する。本開示の様々な態様の完全な理解を提供するために、特定の詳細が以下の記載及び図１～７に提示される。電気化学セル及びバッテリに関連する周知の構造及びシステムについて記載する他の詳細は、以下の開示において、様々な態様の記載が不要に曖昧にならないように、多くの場合提示されない。
図面に示される詳細、寸法、角度、及び他の特徴の多くは、特定の態様の例示に過ぎない。したがって、他の態様が、本開示の主旨又は範囲から逸脱することなく、他の詳細、構成要素、寸法、角度、及び特徴を有することができる。加えて、以下に記載される詳細のうちのいくつかがなくても、本開示の更なる態様を実施することが可能である。
ここに記載される実装態様は、ＴｏｐＭｅｔＴＭ、ＳｍａｒｔＷｅｂＴＭ、及びＴｏｐＢｅａｍＴＭなどのロールツーロールコーティングシステムを使用して実行されうる高速蒸発プロセスを参照して以下で説明される。これらすべては、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から入手可能である。高速蒸発プロセスを実施することのできる他のツールも、ここに記載される態様の利点に適合させることができる。加えて、ここに記載される高速蒸発プロセスを可能にする任意のシステムを有利に使用することができる。ここに記載される装置の説明は、例示的なものであって、ここに記載される態様の範囲を制限するものとして理解又は解釈するべきではない。ロールツーロールプロセスとして記載されているが、ここに記載される態様は、個別の基材上で実施されうると理解されたい。
ここに記載されるように、基材は、中でも、可撓性材料、フィルム、箔、ウェブ、プラスチック材料のストリップ、金属、紙、又は他の材料を含むと考えることができる。加えて、基材は、多孔性バッテリセパレータ、アノード、又はカソードを含むと考えることができる。一般に、用語「ウェブ」、「箔」、「ストリップ」、「基材」などは、同義的に使用される。
現在入手可能なバッテリの世代、特にＬｉイオンバッテリは、多孔性ポリマーセパレータを使用する。これらは熱収縮の影響を受けやすく、正電極と負電極又は対応する電流コレクタの間で短絡する可能性がある。セパレータのセラミックコーティングは、電極間の直接接触を抑制するために役立ち、リチウム金属に関連付けられる潜在的な樹枝状結晶の成長を防止するためにも役立つ。現在の最先端のセラミックコーティングは、複合材を作製するためのポリマー結合剤中に分散されたセラミック粒子の湿式コーティング（例えば、スロットダイ技術）を使用して実施され、スラリを作製するために溶媒が使用される。セラミックコーティングの厚さは通常およそ３ミクロンであり、ランダムなポア構造をもたらすポリマーによって結合されたランダムに配向された誘電体材料を含む。既存のセラミック粒子のコーティング方法では、このセラミック粒子のランダムな配向による捻じれを減らすのが難しい。更に、現在の湿式コーティング法を用いて現在のセラミックコーティングの厚さを減らすことは困難である。微細なセラミック粉末粒子の表面積増大を補償するために、現在の湿式コーティング方法は、スラリの粘性を低下させる結合剤と溶媒両方の量を増加させることを含む。このように、現在の湿式コーティング法には複数の問題がある。
製造の観点から、乾式法によるセラミックコーティングは、コスト及び性能の観点から理想的である。しかしながら、物理的気相堆積（ＰＶＤ）のような乾式法は、高い処理温度で実施される。ポリマーセパレータの厚さの低減と高い処理温度との組み合わせは、ポリマーセパレータにおける溶融又はしわの生成といった熱誘発性の損傷をもたらす。加えて、より薄いポリマーセパレータは、多くの場合現行のロールツーロール処理システムのための機械的完全性に欠ける。
少なくとも１つの態様では、極薄セラミックコーティングが、スラリでコーティングされたセラミックセパレータ上に形成されて、セルの安全性を向上させ、セラミック材料のコーティング均一性を向上させ、電流密度及びリチウム樹状突起のブロックを向上させる。理論に拘束されないが、極薄セラミックコーティングの柱状構造はイオンをより均一に分布させることを助け、これにより電流密度がより均一になると考えられる。本開示の少なくとも１つの態様では、いくつかの利点はより薄く軽量のセパレータを含み、これはセルのエネルギー密度及びセルの充電／放電容量を増大させる。いくつかの態様のさらなる利点は、高品質のナノ－多孔性の均一なコーティングを含み、これは均一なイオン電流密度をもたらす。本開示の少なくとも１つの態様では、いくつかの利点は、イオン伝導性の薄い非多孔性セラミックコーティングを含み、これはリチウム樹状突起をブロックする。
一実装態様では、実行されると、スラリでコーティングされたセラミックセパレータ上に極薄セラミックコーティングを堆積させる方法を実行させる命令を記憶するコンピュータ可読媒体が提供される。方法は、ここに開示される方法及びシステムの任意の実装態様を含みうる。
ここに記載されるように、基材は、中でも、可撓性材料、多孔性ポリマー材料、フィルム、箔、ウェブ、プラスチック材料のストリップ、金属、紙、又は他の材料を含むと考えることができる。一般に、用語「ウェブ」、「箔」、「ストリップ」、「基材」などは、同義的に使用される。
図１は、本開示の態様によるセラミックコーティングセパレータを有するセル構造１００の一実施例を示す。セル構造１００は、正の電流コレクタ１１０、正電極１２０、セラミックコーティングセパレータ１３０、負電極１４０及び負の電流コレクタ１５０を有する。図１の電流コレクタはスタックを越えて延びているが、電流コレクタがスタックを越えて延びる必要はなく、スタックを越えて延びる部分はタブとして使用されうることに留意されたい。セル構造１００は、平面構造として示されているが、層のスタックを巻くことによって円筒形に形成されてもよく、更に、他のセル構成（例えば、角柱状セル、ボタン状セル）が形成されてもよい。
それぞれ正電極１２０及び負電極１４０上にある電流コレクタ１１０、１５０は、同一の又は異なる電子伝導体とすることができる。電流コレクタ１１０、１５０を構成しうる金属の例には、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、スズ（Ｓｎ）、ケイ素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、これらの合金、及びこれらの組み合わせが含まれる。少なくとも１つの態様では、電流コレクタ１１０はアルミニウムを含み、電流コレクタ１５０は銅を含む。
負電極１４０又はアノードは、正電極１２０と適合する任意の材料であってよい。負電極１４０は、３７２ｍＡｈ／ｇ以上、好ましくは、７００ｍＡｈ／ｇ以上、最も好ましくは１，０００ｍＡｈ／ｇ以上のエネルギー容量を有しうる。負電極１４０は、グラファイト、ケイ素含有グラファイト（例えば、ケイ素（＜５％）ブレンドグラファイト）、リチウム金属箔又はリチウム合金箔（例えばリチウムアルミニウム合金）、或いは、リチウム金属及び／又はリチウム合金と、カーボン（例えばコークス、グラファイト）、ニッケル、銅、スズ、インジウム、ケイ素、これらの酸化物、又はこれらの組み合わせといった材料との混合物から構築することができる。
正電極１２０又はカソードは、アノードと適合する任意の材料であってよく、インターカレーション化合物、挿入化合物、又は電子化学的活性ポリマーを含みうる。適切なインターカレーション材料の例には、例えば、リチウム含有金属酸化物、ＭｏＳ２、ＦｅＳ２、ＭｎＯ２、ＴｉＳ２、ＮｂＳｅ３、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、Ｖ６Ｏ１３及びＶ２Ｏ５が含まれる。適切なリチウム含有酸化物は、層状、例えばリチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ２）、又は混合金属酸化物、例えばＬｉＮｉｘＣｏ１－２ｘＭｎＯ２、ＬｉＮｉＭｎＣｏＯ２（「ＮＭＣ」）、ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ１．５Ｏ４、Ｌｉ（Ｎｉ０．８Ｃｏ０．１５Ａｌ０．０５）Ｏ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、及びドープされたリチウムリッチ層状層状材料（ｘは、ゼロ又は非ゼロの数である）を含む。適切なホスフェートは、鉄カンラン石（ＬｉＦｅＰＯ４）、及びその変種（ＬｉＦｅ（１－ｘ）ＭｇｘＰＯ４など）、ＬｉＭｏＰＯ４、ＬｉＣｏＰＯ４、ＬｉＮｉＰＯ４、Ｌｉ３Ｖ２（ＰＯ４）３、ＬｉＶＯＰＯ４、ＬｉＭＰ２Ｏ７、又はＬｉＦｅ１．５Ｐ２Ｏ７（式中、ｘはゼロ又は非ゼロの数である）を含む。適切なフルオロホスフェートは、ＬｉＶＰＯ４Ｆ、ＬｉＡｌＰＯ４Ｆ、Ｌｉ５Ｖ（ＰＯ４）２Ｆ２、Ｌｉ５Ｃｒ（ＰＯ４）２Ｆ２、Ｌｉ２ＣｏＰＯ４Ｆ、又はＬｉ２ＮｉＰＯ４Ｆを含む。適切なケイ酸塩は、Ｌｉ２ＦｅＳｉＯ４、Ｌｉ２ＭｎＳｉＯ４、又はＬｉ２ＶＯＳｉＯ４であってよい。例示的な非リチウム化合物はＮａ５Ｖ２（ＰＯ４）２Ｆ３である。
電解質が存在する少なくとも１つの態様では、セル構成要素１２０、１３０、及び１４０内に注入された電解質は、液体／ゲル又は固体のポリマーから構成することができ、それぞれ異なっていてよい。任意の適切な電解質が使用されてよい。少なくとも１つの態様では、電解質は主として塩及び媒質を含む（例えば、液体電解質では、媒質は溶媒とも呼ばれ、ゲル電解質では、媒質はポリマーマトリクスでありうる）。塩はリチウム塩であってよい。リチウム塩は、例えば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ３）３、ＬｉＢＦ６、及びＬｉＣｌＯ４、ＢＥＴＴＥ電解質（ミネソタ州ミネアポリスの３Ｍ社から市販されている）、並びにこれらの組み合わせを含みうる。
図２は、ここに記載される１つ又は複数の態様に従って形成されたセラミックコーティングセパレータ１３０の断面図を示す。少なくとも１つの態様では、セラミックコーティングセパレータ１３０は、イオンを伝導することのできる多孔性（例えば、微多孔性）ポリマー基材１３１（例えば、セパレータフィルム）を含む。多孔性ポリマー基材１３１は、第１の表面１３２と、第１の表面１３２の反対側の第２の表面１３４とを有する。イオンを伝導することのできる第１のセラミック含有層（複数可）１３６ａ、１３６ｂ（集約的に１３６）は、多孔性ポリマー基材１３１の第１の表面１３２の少なくとも一部分及び任意選択的に多孔性ポリマー基材１３１の第２の表面１３４の一部分の上に形成される。イオンを伝導することのできる第２のセラミック含有層（複数可）１３８ａ、１３８ｂ（集約的に１３８）（例えば、極薄セラミックコーティング）は、第１のセラミック含有層１３６の少なくとも一部分の上に形成される。第１のセラミック含有層１３６は、第２のセラミック含有層１３８の厚さよりも大きな厚さを有する。
少なくとも１つの態様では、多孔性ポリマー基材１３１がイオン伝導性である必要はないが、電解質（液体、ゲル、固体、これらの組み合わせなど）で充填された後は、多孔性基材と電解質との組み合わせがイオン伝導性になる。第１のセラミック含有層１３６と第２のセラミック含有層１３８は、少なくとも、電子的な短絡（例えばアノードとカソードとの直接的又は物理的接触）を防止し、樹枝状結晶の成長を遮断するように適合されている。多孔性ポリマー基材１３１は、少なくとも、熱暴走の事象の間に、アノードとカソードとの間のイオン伝導性（又は流れ）を遮断（又はシャットダウン）するように適合されうる。セラミックコーティングセパレータ１３０の第１のセラミック含有層１３６及び第２のセラミック含有層１３８は、セル構造１００がターゲット量の電流を生成するように、アノードとカソードとの間にイオン流を可能にするために十分な導電性を有するべきである。ここで説明されるように、少なくとも１つの態様では、第２のセラミック含有層１３８は、蒸発技術を使用して第１のセラミック含有層１３６上に形成される。
少なくとも１つの態様では、多孔性ポリマー基材１３１は、微多孔性イオン伝導性ポリマー基材である。少なくとも１つの態様では、多孔性ポリマー基材１３１は多層ポリマー基材である。少なくとも１つの態様では、多孔性ポリマー基材１３１は、任意の市販のポリマー微多孔質膜（例えば、一重又は多重）、例えば、Ｐｏｌｙｐｏｒｅ（ノースカロライナ州シャーロットのＣｅｌｇａｒｄ社）、東レ東燃（バッテリセパレータフィルム（ＢＳＦ））、ＳＫ Ｅｎｅｒｇｙ（リチウムイオンバッテリセパレータ（ＬｉＢＳ））、Ｅｖｏｎｉｋ ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ（ＳＥＰＡＲＩＯＮ（登録商標）セラミックセパレータ膜）、旭化成（ＨｉｐｏｒｅＴＭポリオレフィンフラットフィルム膜）、デュポン（Ｅｎｅｒｇａｉｎ（登録商標））によって製造された製品から選択される。少なくとも１つの態様では、多孔性ポリマー基材１３１は、２０から８０％の範囲（例えば、２８から６０％の範囲）の多孔率を有する。少なくとも１つの態様では、多孔性ポリマー基材１３１は、０．０２から５ミクロン（例えば、０．０８から２ミクロン）の範囲の平均ポアサイズを有する。少なくとも１つの態様では、多孔性ポリマー基材１３１は、１５から１５０秒の範囲のガーレー数を有する。いくつかの態様では、多孔性ポリマー基材１３１はポリオレフィンポリマーを含む。適切なポリオレフィンポリマーの例には、ポリプロピレン、ポリエチレン、又はそれらの組み合わせが含まれる。少なくとも１つの態様では、多孔性ポリマー基材１３１は、ポリオレフィン膜である。いくつかの態様では、ポリオレフィン膜は、ポリエチレン膜又はポリプロピレン膜である。
少なくとも１つの態様では、多孔性ポリマー基材１３１は、約１ミクロンから約５０ミクロンの範囲、例えば、約３ミクロンから約２５ミクロンの範囲、約７ミクロンから約１２ミクロンの範囲、又は約１４ミクロンから約１８ミクロンの範囲の厚さ「Ｔ１」を有する。
少なくとも１つの態様では、第１のセラミック含有層１３６と第２のセラミック含有層１３８は、多孔性ポリマー基材１３１以外の基材上に形成される。例えば、第１のセラミック含有層１３６と第２のセラミック含有層１３８は、可撓性の材料、フィルム、箔、ウェブ、プラスチック材料のストリップ、金属、アノード材料、カソード材料、又は紙から選択される基材の上に形成される。一実装態様では、第１のセラミック含有層１３６と第２のセラミック含有層１３８は、例えば銅基材又はアルミニウム基材といった、金属基材上に形成される。別の実装態様では、第１のセラミック含有層１３６と第２のセラミック含有層１３８は、電流コレクタ１５０（例えば、銅基材）上に形成されうる負電極１４０（例えば、リチウム金属フィルム）といったフィルム上に形成される。
第１のセラミック含有層１３６は、多孔性ポリマー基材１３１のための機械的支持及び熱保護を提供する。本発明者らは、第１のセラミック含有層１３６を含めることにより、高温処理中の多孔性ポリマー基材１３１の溶融完全性が増大されることを見出した。したがって、第１のセラミック含有層１３６を含めることにより、より薄いセパレータ材料を高温で処理することが可能になる。
第１のセラミック含有層１３６は、１つ又は複数のセラミック材料を含む。セラミック材料は酸化物であってもよい。少なくとも１つの態様では、第１のセラミック含有層１３６は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、ＡｌＯｘ、ＡｌＯｘＮｙ、ＡｌＮ（窒素環境中で堆積されたアルミニウム）、水酸化アルミニウム（（ＡｌＯ（ＯＨ））（例えば、ダイアスポア（α－ＡｌＯ（ＯＨ）））、ベーマイト（γ－ＡｌＯ（ＯＨ））、又はアクダライト（５Ａｌ２Ｏ３・Ｈ２Ｏ））、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、ＳｉＳ２、ＳｉＰＯ４、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、ＭｇＯ、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、ＬｉＡｌＯ２、ＢａＴｉＯ３、ＢＮ、イオン伝導性ガーネット、イオン伝導性ペロブスカイト、イオン伝導性抗ペロブスカイト、多孔性ガラスセラミックなど、及びこれらの組み合わせから選択される材料を含む。少なくとも１つの態様では、第１のセラミック含有層１３６は、ＡｌＯｘとＡｌ２Ｏ３との組み合わせを含む。少なくとも１つの態様では、第１のセラミック含有層１３６は、多孔性酸化アルミニウム、多孔性オキシ水酸化アルミニウム、多孔性ＺｒＯ２、多孔性ＨｆＯ２、多孔性ＳｉＯ２、多孔性ＭｇＯ、多孔性ＴｉＯ２、多孔性Ｔａ２Ｏ５、多孔性Ｎｂ２Ｏ５、多孔性ＬｉＡｌＯ２、多孔性ＢａＴｉＯ３、イオン伝導性ガーネット、抗イオン伝導性ペロブスカイト、多孔性ガラス誘電体、又はそれらの組合せを含むか、それらからなるか、又はそれらから本質的になる群から選択される材料を含む。少なくとも１つの態様では、第１のセラミック含有層１３６は結合剤材料を含む。少なくとも１つの態様では、第１のセラミック含有層１３６は多孔性酸化アルミニウム層である。第１のセラミック含有層１３６のターゲットイオン伝導性、機械的完全性、及び厚さを達成する任意の適切な堆積技術を使用して、第１のセラミック含有層１３６を形成することができる。適切な技術には、スラリ堆積技術又はスロット－ダイ技術及びドクターブレード技術といった湿式コーティング技術が含まれる。少なくとも１つの態様では、第１のセラミック含有層１３６は、複合体を作製するためのポリマー結合剤中に分散されたセラミック粒子と、スラリを作製するための溶媒とを使用して堆積される。少なくとも１つの態様では、第１のセラミック含有層１３６及び多孔性ポリマー基材１３１は、予め製造されて一緒に供給される。
少なくとも１つの態様では、第１のセラミック含有層１３６は、リチウム－イオン伝導性セラミック又はリチウム－イオン伝導性ガラスを含む。リチウム－イオン伝導性材料は、例えば、ＬｉＰＯＮ、Ｌｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２の結晶相又は非晶相のドープされた変形形態、ドープされたアンチペブロスカイト組成物、Ｌｉ２Ｓ－Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ、ＬｉＫＳＯ４、Ｌｉ３Ｐ、Ｌｉ５Ｂ７Ｓ１３、Ｌｉ１０ＧｅＰ２Ｓ１２、Ｌｉ３ＰＳ４、ＬｉＮＨ２、ＬｉＮＯ３、リチウムアミドホウ化水素Ｌｉ（ＢＨ４）１－ｘ（ＮＨ２）ｘ、リン酸リチウムガラス，（１－ｘ）ＬｉＩ-（ｘ）Ｌｉ４ＳｎＳ４、ｘＬｉＩ-（１－ｘ）Ｌｉ４ＳｎＳ４、硫化物と酸化物の混合電解質（結晶性ＬＬＺＯ、非晶性（１－ｘ）ＬｉＩ-（ｘ）Ｌｉ４ＳｎＳ４混合物、及び非晶性ｘＬｉＩ-（１－ｘ）Ｌｉ４ＳｎＳ４）のうちの１つ又は複数から構成される。少なくとも１つの態様では、ｘは、０と１の間（例えば、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、及び０．９）である。リチウム－イオン伝導性材料は、物理的気相堆積（ＰＶＤ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、スプレー、ドクターブレード、印刷及び任意の数のコーティング方法のいずれかを使用してリチウム金属フィルム上に直接堆積させることができる。いくつかの態様のために適切な方法はＰＶＤである。少なくとも１つの態様では、第１のセラミック含有層１３６がイオン伝導性である必要はないが、電解質（液体、ゲル、固体、これらの組み合わせなど）で充填された後は、多孔性基材と電解質との組み合わせがイオン伝導性になる。
少なくとも１つの態様では、第１のセラミック含有層１３６は、約１，０００ナノメートルから約５，０００ナノメートルの範囲、例えば、約１，０００ナノメートルから約３，０００ナノメートルの範囲；又は約１，０００ナノメートルから約２，０００ナノメートルの範囲の厚さ「Ｔ２ａ」及び「Ｔ２ｂ」（集約的にＴ２）を有する。
少なくとも１つの態様では、第１のセラミック含有層１３６は、同じ材料から形成された固体フィルムと比較して少なくとも５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、又は７５％の多孔率、及び同じ材料から形成された固体フィルムと比較して最大で少なくとも５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、又は８０％の多孔率を有する。少なくとも１つの態様では、第１のセラミック含有層１３６は、同じ材料から形成された固体フィルムと比較して少なくとも５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、又は７５％の多孔率、及び同じ材料から形成された固体フィルムと比較して最大で少なくとも５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、又は８０％の多孔率を有する。少なくとも１つの態様では、第１のセラミック含有層１３６は、約５０％から約７０％の範囲の多孔率を有する。別の態様では、第１のセラミック含有層１３６は、約７０％から約８０％の範囲の多孔率を有する。
少なくとも１つの態様では、第１のセラミック含有層１３６のセラミック粒子は、少なくとも約５０ｎｍ、約１００ｎｍ、約１５０ｎｍ、約２００ｎｍ、約２５０ｎｍ、約３００ｎｍ、約３５０ｎｍ、約４００ｎｍ、約４５０ｎｍ、約５００ｎｍ、約５５０ｎｍ、約６００ｎｍ、約６５０ｎｍ、約７００ｎｍ、約７５０ｎｍ、約８００ｎｍ、約８５０ｎｍ、約９００ｎｍ、又は約９５０ｎｍの平均直径、及び最大で約１００ｎｍ、約１５０ｎｍ、約２００ｎｍ、約２５０ｎｍ、約３００ｎｍ、約３５０ｎｍ、約４００ｎｍ、約４５０ｎｍ、約５００ｎｍ、約５５０ｎｍ、約６００ｎｍ、約６５０ｎｍ、約７００ｎｍ、約７５０ｎｍ、約８００ｎｍ、約８５０ｎｍ、約９００ｎｍ、約９５０ｎｍ、又は約１，０００ｎｍの平均直径を有する。少なくとも１つの態様では、第１のセラミック含有層１３６のセラミック粒子は、約２００ｎｍから約５００ｎｍの範囲の平均直径を有する。別の態様では、第１のセラミック含有層１３６のセラミック粒子は、約５００ｎｍから約１，０００ｎｍの範囲の平均直径を有する。また別の態様では、第１のセラミック含有層１３６のセラミック粒子は、約５０ｎｍから約１００ｎｍの範囲の平均直径を有する。
少なくとも１つの態様では、第１のセラミック含有層１３６は、種々の形態の多孔性のうちの１つ又は複数を含みうる。少なくとも１つの態様では、第１のセラミック含有層１３６のセラミック粒子と結合剤はナノ多孔性構造を形成する。少なくとも１つの態様では、ナノ多孔性構造は、約３０ナノメートルを上回る（例えば、約３０ナノメートルから約６０ナノメートル；又は約４０ナノメートルから５０ナノメートルの）平均ポアサイズ又は直径を有するようにサイズ決めされた複数のナノポアを有しうる。別の態様では、ナノ多孔性構造は、約５ナノメートル未満の平均ポアサイズ又は直径を有するようにサイズ決めされた複数のナノポアを有しうる。少なくとも１つの態様では、ナノ多孔性構造は、約１ナノメートルから約２０ナノメートル（例えば、約２ナノメートルから約１５ナノメートル、又は約５ナノメートルから約１０ナノメートル）の範囲の直径を有する複数のナノポアを有する。ナノ多孔性構造は、第２のセラミック含有層１３８の表面積の有意な増加をもたらす。ナノ多孔性構造のポアは、液体電解質リザーバとしての役割を果たし、イオン伝導のための余分の表面積を提供することができる。
第２のセラミック含有層１３８は、１つ又は複数のセラミック材料を含む。セラミック材料は酸化物であってもよい。少なくとも１つの態様では、第２のセラミック含有層１３８は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、ＡｌＯｘ、ＡｌＯｘＮｙ、ＡｌＮ（窒素環境中で堆積されたアルミニウム）、水酸化アルミニウム（（ＡｌＯ（ＯＨ））（例えば、ダイアスポア（α－ＡｌＯ（ＯＨ）））、ベーマイト（γ－ＡｌＯ（ＯＨ））、又はアクダライト（５Ａｌ２Ｏ３・Ｈ２Ｏ））、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、ＳｉＳ２、ＳｉＰＯ４、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、ＭｇＯ、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、ＬｉＡｌＯ２、ＢａＴｉＯ３、ＢＮ、イオン伝導性ガーネット、イオン伝導性ペロブスカイト、イオン伝導性抗ペロブスカイト、及び多孔性ガラスセラミックなど、又はこれらの組み合わせから選択される材料を含む。少なくとも１つの態様では、第１のセラミック含有層１３６は、ＡｌＯｘとＡｌ２Ｏ３との組み合わせを含む。少なくとも１つの態様では、第２のセラミック含有層１３８は、多孔性酸化アルミニウム、多孔性オキシ水酸化アルミニウム、多孔性ＺｒＯ２、多孔性ＨｆＯ２、多孔性ＳｉＯ２、多孔性ＭｇＯ、多孔性ＴｉＯ２、多孔性Ｔａ２Ｏ５、多孔性Ｎｂ２Ｏ５、多孔性ＬｉＡｌＯ２、多孔性ＢａＴｉＯ３、イオン伝導性ガーネット、抗イオン伝導性ペロブスカイト、多孔性ガラス誘電体、又はそれらの組合せを含むか、それらからなるか、又はそれらから本質的になる群から選択される材料を含む。第２のセラミック含有層１３８は、結合剤を含まない誘電体層である。少なくとも１つの態様では、第２のセラミック含有層１３８は、多孔性酸化アルミニウム層である。少なくとも１つの態様では、第２のセラミック含有層１３８は無孔性である。第２のセラミック含有層１３８は、典型的には、ここに記載される蒸発技術を使用して堆積される。
少なくとも１つの態様では、第２のセラミック含有層１３８は、約１ナノメートルから約１，０００ナノメートルの範囲、例えば、約５０ナノメートルから約５００ナノメートルの範囲；又は約５０ナノメートルから約２００ナノメートルの範囲の厚さ「Ｔ３ａ」及び「Ｔ３ｂ」（集約的にＴ３）を有する。
少なくとも１つの態様では、第２のセラミック含有層１３８は、複数のセラミック柱状突起を含む。セラミック柱状突起は、柱状突起の底部（例えば、柱状突起が多孔性基材に接触する場所）から柱状突起上部まで延びる直径を有しうる。セラミック柱状突起は、典型的にはセラミック粒を含む。ナノ構造の輪郭又はチャネルは、典型的にはセラミック粒間に形成される。
少なくとも１つの態様では、第２のセラミック含有層１３８は、種々の形態の多孔性のうちの１つ又は複数を含みうる。少なくとも１つの態様では、第２のセラミック含有層１３８の柱状突起は、セラミック材料の柱状突起の間にナノ多孔性構造を形成する。少なくとも１つの態様では、ナノ多孔性構造は、約１０ナノメートル未満（例えば、約１ナノメートルから約１０ナノメートル、約３ナノメートルから５ナノメートル）の平均ポアサイズ又は直径を有するようにサイズ決めされた複数のナノポアを有しうる。別の態様では、ナノ多孔性構造は、約５ナノメートル未満の平均ポアサイズ又は直径を有するようにサイズ決めされた複数のナノポアを有しうる。少なくとも１つの態様では、ナノ多孔性構造は、約１ナノメートルから約２０ナノメートル（例えば、約２ナノメートルから約１５ナノメートル、又は約５ナノメートルから約１０ナノメートル）の範囲の直径を有する複数のナノポアを有する。ナノ多孔性構造は、第２のセラミック含有層１３８の表面積の有意な増加をもたらす。ナノ多孔性構造のポアは、液体電解質リザーバとしての役割を果たし、イオン伝導のための余分の表面積を提供することができる。
少なくとも１つの態様では、第１のセラミック含有層１３６と第２のセラミック含有層１３８とは、同じセラミック材料を含む。別の態様では、第１のセラミック含有層１３６と第２のセラミック含有層１３８とは、異なるセラミック材料を含む。
図３は、ここに記載される態様によるセラミックコーティングセパレータを形成するための方法３００の一態様を要約したプロセスのフロー図である。セラミックコーティングセパレータは、図１及び図２に示されるセラミックコーティングセパレータ１３０であってよい。
工程３１０において，多孔性ポリマー基材１３１の両側の表面、例えば多孔性ポリマー基材１３１の第１の表面１３２と反対側の第２の表面１３４の上に形成された、第１のセラミック含有層（複数可）、例えば第１のセラミック含有層（複数可）１３６ａ、１３６ｂを有する多孔性ポリマー基材、例えば多孔性ポリマー基材１３１が提供される。少なくとも１つの態様では、第１のセラミック含有層（複数可）１３６と多孔性ポリマー基材１３１とは、予め製造されて一緒に供給される。別の態様では、第１のセラミック含有層（複数可）１３６は、湿式堆積プロセス、例えばスラリ堆積プロセスを使用して、多孔性ポリマー基材１３１上に形成される。少なくとも１つの態様では、第１のセラミック含有層１３６と第２のセラミック含有層１３８は、多孔性ポリマー基材１３１以外の基材上に形成される。
工程３２０において、上に第１のセラミック含有層（複数可）１３６が形成された多孔性ポリマー基材１３１は、任意選択的に冷却プロセスに曝される。少なくとも１つの態様では、多孔性ポリマー基材１３１は、－２０℃から室温（即ち、２０から２２℃）の間の温度（例えば、－１０℃から０℃）に冷却することができる。少なくとも１つの態様では、多孔性ポリマー基材１３１は、処理中に微多孔性イオン伝導性ポリマー基材がその上を移動する処理ドラムを冷却することにより冷却することができる。微多孔性イオン伝導性ポリマー基材を冷却するために、他の能動的な冷却手段が使用されてもよい。蒸発プロセスの間に、多孔性ポリマー基材１３１は１，０００℃を超える温度に曝すことができ、したがって少なくとも１つの態様では、工程３３０の蒸発プロセスに先立って多孔性ポリマー基材１３１を冷却することが有利である。
工程３３０において、第１のセラミック含有層（複数可）１３６の表面（複数可）上に堆積される材料は、処理領域内に堆積される材料を蒸発させる蒸発プロセスに曝される。少なくとも１つの態様では、蒸発させる材料は、金属又は金属酸化物である。少なくとも１つの態様では、蒸発させる材料は、アルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、ケイ素（Ｓｉ）、ホウ素（Ｂ）、銀（Ａｇ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）、鉄（Ｆｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、リチウム（Ｌｉ）、カルシウム（Ｃａ）又はこれらの組み合わせの群から選択される。別の態様では、蒸発させる材料は、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化リチウムアルミニウム、酸化バリウムチタン、又はこれらの組み合わせの群から選択される。少なくとも１つの態様では、堆積される材料は、アルミニウムなどの金属である。更に、蒸発材料は、２つ以上の金属の合金であってもよい。蒸発材料は蒸発中に蒸発する材料であり、これによって微多孔性イオン伝導性ポリマー基材はコーティングされる。堆積される材料（例えば、アルミニウム）は、るつぼ内に提供することができる。堆積される材料は、例えば、熱蒸発技術又は電子ビーム蒸発技術によって蒸発させることができる。別の態様では、堆積される材料は、化学気相堆積（ＣＶＤ）又は原子層堆積（ＡＬＤ）技術を使用して堆積される。例えば、少なくとも１つの態様では、堆積される材料は、ＡＬＤプロセスによって堆積されるＡｌ２Ｏ３である。別の実施例では、堆積される材料は、ＣＶＤプロセスによって堆積されるＳｉＯ２である。
少なくとも１つの態様では、蒸発させる材料は、ワイヤとしてるつぼに供給される。この場合、供給速度及び／又はワイヤの直径は、蒸発材料と反応性ガスのターゲット比が実現されるように選択される。少なくとも１つの態様では、るつぼに供給するための供給ワイヤの直径は０．５ｍｍから２．０ｍｍの間（例えば、１．０ｍｍから１．５ｍｍの間）で選択される。これらの寸法は、蒸発材料で作製された複数の供給ワイヤに言及している。少なくとも１つの態様では、ワイヤの供給速度は、５０ｃｍ／分から１５０ｃｍ／分の間（例えば、７０ｃｍ／分から１００ｃｍ／分の間）である。
るつぼは、蒸気を発生させるために加熱され、蒸気は、工程３４０で供給された反応性ガス及び／又はプラズマと反応して、第１のセラミック含有層（複数可）１３６の表面を第２のセラミック含有層（複数可）、例えば第２のセラミック含有層（複数可）１３８でコーティングする。典型的には、るつぼは、るつぼの両側に位置決めされた、るつぼの電極に電圧を加えることにより加熱される。一般的に、ここに記載される態様によれば、るつぼの材料は導電性である。典型的には、るつぼの材料として使用される材料は、溶融及び蒸発に使用される温度までの温度耐性がある。典型的には、本開示のるつぼは、金属ホウ化物、金属窒化物、金属炭化物、非金属ホウ化物、非金属窒化物、非金属炭化物、窒化物、窒化チタン、ホウ化物、グラファイト、ＴｉＢ２、ＢＮ、Ｂ４Ｃ、及びＳｉＣを含むか、それらからなるか、又はそれらから本質的になる群から選択される１つ又は複数の材料から作製される。
堆積される材料は、蒸発るつぼを加熱することによって溶融及び蒸発される。加熱は、るつぼの第１の電気接続と第２の電気接続とに接続される電源（図示せず）を設けることにより行うことができる。例えば、これらの電気接続は、銅又はその合金から作製された電極でありうる。これにより、加熱は、るつぼの本体を流れる電流によって行われる。他の態様によれば、加熱は、蒸発装置の放射ヒータ又は蒸発装置の誘導加熱ユニットによっても実行されうる。
少なくとも１つの態様では、蒸発ユニットは、典型的には、１，３００℃から１，６００℃の温度、例えば１，５６０℃まで加熱可能である。これは、るつぼを通る電流を適宜調整することによって、又は放射を適宜調整することによって行われる。典型的には、るつぼ材料は、その安定性がそのような範囲の温度によって悪影響を受けないように選択される。典型的には、多孔性ポリマー基材１３１の速度は、２０ｃｍ／分から２００ｃｍ／分の範囲、より典型的には８０ｃｍ／分から１２０ｃｍ／分の範囲内であり、例えば１００ｃｍ／分である。このような事例では、搬送のための手段は、基材をこのような速度で搬送することができなければならない。
任意選択的に、工程３４０において、蒸発した材料を反応性ガス及び／又はプラズマと反応させて、第１のセラミック含有層１３６の表面、例えば露出表面（複数可）の上に、第２のセラミック含有層（複数可）、例えば第２のセラミック含有層（複数可）１３８ａ、１３８ｂを形成する。ここに記載される他の態様と組み合わせることのできるいくつかの態様によれば、反応性ガスは、酸素含有ガス、窒素含有ガス、又はこれらの組み合わせを含むか、それらからなるか、又はそれらから本質的になる群から選択することができる。ここに記載される態様に使用することのできる酸素含有ガスの例には、湿性酸素、酸素（Ｏ２）、オゾン（Ｏ３）、酸素ラジカル（Ｏ＊）、又はこれらの組合せが含まれる。ここに記載される態様に使用することのできる窒素含有ガスの例には、Ｎ２、Ｎ２Ｏ、ＮＯ２、ＮＨ３、又はこれらの組合せが含まれる。いくつかの態様によれば、追加のガス、アルゴンなどの典型的な不活性ガスを、反応性ガスを含む混合ガスに追加することができる。それにより、反応性ガスの量を更に容易に制御することができる。他の態様と組み合わせることのできるいくつかの態様によれば、このプロセスは、１＊１０－２ｍｂａｒから１＊１０－６ｍｂａｒ（例えば、１＊１０－３ｍｂａｒ以下、１＊１０－４ｍｂａｒ以下）の典型的な気圧の真空環境で実行することができる。
蒸発した材料をプラズマと反応させる少なくとも１つの態様では、プラズマは酸素含有プラズマである。少なくとも１つの態様では、酸素含有プラズマは、酸素含有ガス及び任意選択的に不活性ガスから形成される。酸素含有ガスは、Ｎ２Ｏ、湿性酸素、Ｏ２、Ｏ３、Ｈ２Ｏ、及びこれらの組み合わせの群から選択されうる。任意選択的不活性ガスは、ヘリウム、アルゴン、又はこれらの組み合わせの群から選択されうる。少なくとも１つの態様では、酸素含有プラズマは、遠隔プラズマ源によって形成され、処理領域に送達されて、蒸発した材料と反応し、第２のセラミック含有層１３８を形成する。別の態様では、酸素含有プラズマは、処理領域内においてインシトゥで形成され、処理領域内で蒸発した材料と反応して、第２のセラミック含有層１３８を形成する。
少なくとも１つの態様では、蒸発した材料は、第１のセラミック含有層（複数可）、例えば第１のセラミック含有層（複数可）１３６の露出表面上に直接堆積される。例えば、蒸発させる材料が金属酸化物である少なくとも１つの態様では、堆積される材料は、工程３４０の任意選択的反応性ガス／プラズマ処理なしで第１のセラミック含有層（複数可）１３６の露出表面上に堆積される。
工程３５０では、堆積されたセラミック含有層（複数可）の任意選択的な堆積後処理が実施される。任意選択的な堆積後処理は、堆積されたセラミック層の密度を高くする堆積後プラズマ処理を含んでよく、例えば、Ａｌ２Ｏ３を形成するＡｌＯｘの完全な酸化、又は膜の穿刺抵抗性を高めるポリマー材料の堆積など、付加的な「機能化」プロセスを実施することができる。
図４は、ここに記載される１つ又は複数の実装態様に従って形成されたセラミックセパレータ４３０の断面図を示す。セラミックセパレータは、図１に示されるセラミックコーティングセパレータ１３０の代わりに使用することができる。セラミックセパレータ４３０は、イオンを伝導することのできる多孔性セラミック含有体４３６（例えば、セパレータフィルム）を含む。セラミック含有体４３６は、第１の表面４３２と、第１の表面４３２の反対側の第２の表面４３４とを有する。イオンを伝導することのできるセラミック含有層４３８ａ、４３８ｂ（集約的に４３８）（例えば、極薄セラミック含有層）は、第１の表面４３２の少なくとも一部分と、任意選択的に多孔性セラミック含有体４３６の第２の表面４３４の一部分の上に形成される。セラミック含有体４３６は、セラミック含有層（複数可）４３８の厚さより大きな厚さを有する。
少なくとも１つの態様では、多孔性セラミック含有体４３６は、第１のセラミック含有層１３６と同様であり、第１のセラミック含有層１３６と同様に形成することができる。少なくとも１つの態様では、セラミック含有体４３６は、約１，０００ナノメートルから約１０，０００ナノメートルの範囲、例えば、約２，０００ナノメートルから約６，０００ナノメートルの範囲、又は約２，０００ナノメートルから約４，０００ナノメートルの範囲の厚さ「Ｔ４」を有する。
少なくとも１つの態様では、セラミック含有層４３８は、第２のセラミック含有層１３８と同様であり、第２のセラミック含有層１３８と同様に形成することができる。少なくとも１つの態様では、セラミック含有層４３８は、約１ナノメートルから約２，０００ナノメートルの範囲、例えば、約１ナノメートルから約１，０００ナノメートルの範囲；約５０ナノメートルから約５００ナノメートルの範囲；又は約５０ナノメートルから約２００ナノメートルの範囲の厚さ「Ｔ５ａ」及び「Ｔ５ｂ」（集約的にＴ５）を有する。
図５は、ここに記載される態様によるセラミックセパレータを形成するための方法５００の一態様を要約したプロセスのフロー図である。セラミックセパレータは、図４に示されるセラミックセパレータ４３０であってよい。
工程５１０において、多孔性セラミック含有体４３６が提供される。多孔性セラミック含有体４３６は、第１のセラミック含有層（複数可）１３６と同様に形成することができる。少なくとも１つの態様では、多孔性セラミック含有体４３６は予め製造される。別の態様では、多孔性セラミック含有体４３６は、湿式堆積プロセス、例えばスラリ堆積プロセスを使用して形成される。多孔性セラミック含有体４３６は、第１の表面４３２と、第１の表面４３２の反対側の第２の表面４３４とを有する。少なくとも１つの態様では、方法５００は、多孔性セラミック含有体４３６以外の基材上で実施される。
工程５２０では、多孔性セラミック含有体４３６は、任意選択的に冷却プロセスに曝される。一実装態様において、多孔性セラミック含有体４３６は、－２０℃から室温（即ち、２０から２２℃）の間の温度（例えば、－１０℃から０℃）に冷却することができる。少なくとも１つの態様では、多孔性セラミック含有体４３６は、処理中に多孔性セラミック含有体４３６がその上を移動する処理ドラムを冷却することにより冷却することができる。多孔性セラミック含有体４３６を冷却するために、他の能動的な冷却手段が使用されてもよい。蒸発プロセスの間に、多孔性セラミック含有体４３６は１，０００℃を超える温度に曝すことができ、したがって工程５３０の蒸発プロセスに先立って多孔性セラミック含有体４３６を冷却することが有利である。
工程５３０において、多孔性セラミック含有体４３６の両側の表面、例えば第１の表面４３２と第２の表面４３４の上に堆積される材料は、処理領域に堆積される材料を蒸発させる蒸発プロセスに曝される。蒸発プロセスは、工程３３０の蒸発プロセスと同様に実施することができる。少なくとも１つの態様では、蒸発させる材料は、金属又は金属酸化物である。少なくとも１つの態様では、蒸発させる材料は、アルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、ケイ素（Ｓｉ）、ホウ素（Ｂ）、銀（Ａｇ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）、鉄（Ｆｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、リチウム（Ｌｉ）、カルシウム（Ｃａ）又はこれらの組み合わせの群から選択される。別の態様では、蒸発させる材料は、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化リチウムアルミニウム、酸化バリウムチタン、又はこれらの組み合わせの群から選択される。少なくとも１つの態様では、堆積される材料は、アルミニウムなどの金属である。更に、蒸発材料は、２つ以上の金属の合金であってもよい。蒸発材料は蒸発中に蒸発する材料であり、これによって微多孔性イオン伝導性ポリマー基材がコーティングされる。堆積される材料（例えば、アルミニウム）は、るつぼ内に提供することができる。堆積される材料は、例えば、熱蒸発技術又は電子ビーム蒸発技術によって蒸発させることができる。別の態様では、堆積される材料は、化学気相堆積（ＣＶＤ）又は原子層堆積（ＡＬＤ）技術を使用して堆積される。例えば、少なくとも１つの態様では、堆積される材料は、ＡＬＤプロセスによって堆積されるＡｌ２Ｏ３である。別の実施例では、堆積される材料は、ＣＶＤプロセスによって堆積されるＳｉＯ２である。
工程５４０において、蒸発した材料を反応性ガス及び／又はプラズマと反応させて、多孔性セラミック含有体４３６の表面、例えば露出表面（複数可）の上に、セラミック含有体（複数可）、例えばセラミック含有層（複数可）４３８ａ、４３８ｂを形成する。少なくとも１つの態様では、セラミック含有層（複数可）は多孔性である。別の態様では、セラミック含有層（複数可）は非多孔性である。工程５４０は、工程３４０と同様に実施することができる。ここに記載される他の態様と組み合わせることのできるいくつかの態様によれば、反応性ガスは、酸素含有ガス、窒素含有ガス、又はこれらの組み合わせを含むか、それらからなるか、又はそれらから本質的になる群から選択することができる。ここに記載される態様に使用することのできる酸素含有ガスの例には、湿性酸素、酸素（Ｏ２）、オゾン（Ｏ３）、酸素ラジカル（Ｏ＊）、又はこれらの組合せが含まれる。ここに記載される態様に使用することのできる窒素含有ガスの例には、Ｎ２、Ｎ２Ｏ、ＮＯ２、ＮＨ３、又はこれらの組合せが含まれる。いくつかの態様によれば、追加のガス、アルゴンなどの典型的な不活性ガスを、反応性ガスを含む混合ガスに追加することができる。それにより、反応性ガスの量を更に容易に制御することができる。他の態様と組み合わせることのできるいくつかの態様によれば、このプロセスは、１＊１０－２ｍｂａｒから１＊１０－６ｍｂａｒ（例えば、１＊１０－３ｍｂａｒ以下、１＊１０－４ｍｂａｒ以下）の典型的な気圧の真空環境で実行することができる。
少なくとも１つの態様では、蒸発させる材料は、多孔性セラミック含有体４３６の露出表面上に直接堆積される。例えば、少なくとも１つの態様では、蒸発させる材料は金属酸化物であり、堆積される材料は、工程５４０の任意選択的な反応性ガス／プラズマ処理なしで多孔性セラミック含有体４３６の露出表面上に堆積される。
工程５５０では、堆積されたセラミック含有層（複数可）の任意選択的な堆積後処理が実施される。任意選択的な堆積後処理は、堆積されたセラミック層の密度を高くする堆積後プラズマ処理を含んでよく、例えば、Ａｌ２Ｏ３を形成するＡｌＯｘの完全な酸化、又は膜の穿刺抵抗性を高めるポリマー材料の堆積など、付加的な「機能化」プロセスを実施することができる。
図６は、ここに記載される態様によるセラミックセパレータを形成するための方法６００の一態様を要約したプロセスのフロー図である。図７は、ここに記載される１つ又は複数の態様により形成された極薄セラミック層でコーティングされたセラミックセパレータの断面図を示している。セラミックセパレータは、図４に示されるセラミックセパレータ４３０であってよい。少なくとも１つの態様では、方法６００は、セラミックセパレータが剥離可能なキャリヤ基材上に形成される以外は方法５００と同様に実施される。
工程６１０において、多孔性セラミック含有体が剥離可能なキャリヤ基材上に設けられる。多孔性セラミック含有体は多孔性セラミック含有体４３６でありうる。剥離可能なキャリヤ基材は、図７に示される剥離可能なキャリヤ基材７１０であってよい。多孔性セラミック含有体４３６は、第１のセラミック含有層（複数可）１３６と同様に、剥離可能なキャリヤ基材７１０上に形成することができる。少なくとも１つの態様では、多孔性セラミック含有体４３６と剥離可能なキャリヤ基材７１０とは、予め製造されて一緒に供給される。別の態様では、多孔性セラミック含有体４３６は、湿式堆積プロセス、例えばスラリ堆積プロセスを使用して剥離可能なキャリヤ基材７１０上に形成される。多孔性セラミック含有体４３６は、剥離可能なキャリヤ基材７１０と接触する第１の表面４３２と、第１の表面４３２の反対側の第２の表面４３４とを有する。少なくとも１つの態様では、方法６００は、多孔性セラミック含有体４３６以外の基材上で実施される。
少なくとも１つの態様では、剥離可能なキャリヤ基材７１０はウェブキャリヤ基材である。少なくとも１つの態様では、ウェブキャリヤ基材は実質的に滑らかな表面を有する。ウェブキャリヤは、一連の堆積リアクタを通して電極積層体の連続加工を支持するため、高温及び広い圧力範囲に耐えなければならない。適切なウェブ材料の例には、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリビニルクロリド（ＰＶＣ）、ポリオレフィン、及びポリイミドといったプラスチックを含む。ウェブキャリヤは、金属及びガラス又はポリマー堆積工程によって決定されるライン速度でのウェブ取り扱いに適した厚さ及び引張強度を有さなければならない。ウェブキャリヤ基材は、堆積プロセスによって決定される速度でのウェブ取り扱いに適した厚さ及び引張強度を有する。
少なくとも１つの態様では、剥離剤７２０の薄い層が、剥離可能なキャリヤ基材７１０上に形成される。適切な剥離剤は従来技術に既知である。剥離剤が存在する態様では、多孔性セラミック含有体４３６が剥離剤上に形成される。
任意選択的に、工程６２０では、多孔性セラミック含有体が冷却プロセスに曝される。工程６２０の冷却プロセスは、工程５２０の冷却プロセスと同様に実施される。
工程６３０では、多孔性セラミック含有体４３６の露出表面（複数可）、例えば第２の表面４３４上に堆積される材料は、処理領域に堆積される材料を蒸発させる蒸発プロセスに曝される。工程６４０では、蒸発した材料を反応性ガス及び／又はプラズマと反応させて、多孔性セラミック含有体４３６の表面、例えば露出表面（複数可）上に、セラミック含有層（複数可）、例えばセラミック含有層（複数可）４３８ｂを形成する。工程６３０及び工程６４０は、それぞれ工程５３０及び工程５４０と同様に実施することができる。
工程６５０では、上にセラミック含有層が形成された多孔性セラミック含有体が、剥離可能なキャリヤ基材７１０から除去される。少なくとも１つの態様では、剥離可能なキャリヤ基材７１０からの除去の後で、工程６３０及び６４０を繰り返し、セラミック含有層、例えばセラミック含有層４３８ａを、露出表面（複数可）、例えば第１の表面４３２上に形成し、図４に示されるセラミックセパレータ４３０と同様のセラミックセパレータを形成することができる。堆積されたセラミック含有層は、工程５５０の堆積後プロセスといった堆積後処理プロセスに曝すことができる。
ここに記載される方法３００、５００、及び６００は、処理チャンバ及び／又はシステムの種々の構成要素を制御するために、それらに連結されたコントローラによって実行することができる。コントローラは、中央処理装置（ＣＰＵ）、メモリ、及びサポート回路を含むことができる。コントローラは、直接、又は特定のプロセスチャンバ及び／若しくは支持システムの構成要素に関連付けられたコンピュータ（又はコントローラ）を介して、装置及び／又はシステムを制御することができる。コントローラは、様々なチャンバ及びサブプロセッサを制御するために工業環境で使用することのできる、任意の形態の汎用コンピュータプロセッサのうちの一つとすることができる。コントローラのメモリ又はコンピュータ可読媒体は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、フロッピーディスク、ハードディスク、光記憶媒体（例えば、コンパクトディスク若しくはデジタルビデオディスク）、フラッシュドライブ、又はローカル若しくはリモートの、任意の他の形態のデジタルストレージといった、容易に利用可能なメモリのうちの一つ又は複数であってよい。サポート回路は、従来の方式でプロセッサを支持するためにＣＰＵに連結させることができる。これらの回路は、キャッシュ、電力供給装置、クロック回路、入出力回路、及びサブシステムなどを含む。ここに記載される方法は、システム及び／又は処理チャンバの工程をここに記載されるように制御するために実行するか又は呼び出すことのできるソフトウェアルーチンとして、コンピュータ可読媒体又はメモリに記憶させることができる。ソフトウェアルーチンは、ＣＰＵによって制御されるハードウェアから遠隔して位置する第２のＣＰＵ（図示しない）によって記憶及び／又は実行されてもよい。
態様：
条項１．第１の表面と、第１の表面の反対側の第２の表面とを有する、イオンを伝導することのできるポリマー基材、第１の表面上に形成された、イオンを伝導することのできる第１のセラミック含有層であって、約１，０００ナノメートルから約５，０００ナノメートルの範囲の厚さを有する第１のセラミック含有層、及び第１のセラミック含有層の上に形成された、イオンを伝導することのできる第２のセラミック含有層であって、結合剤を含まないセラミック含有層であり、且つ約１ナノメートルから約１，０００ナノメートルの範囲の厚さを有する第２のセラミック含有層を備えるセパレータ。
条項２．第２の表面上に形成された、イオンを伝導することのできる第３のセラミック含有層であって、約１，０００ナノメートルから約５，０００ナノメートルの範囲の厚さを有する第３のセラミック含有層、及び第３のセラミック含有層上に形成された、イオンを伝導することのできる第４のセラミック含有層を更に備え、第２のセラミック含有層が、結合剤を含まないセラミック含有層であり、且つ約１ナノメートルから約１，０００ナノメートルの範囲の厚さを有する、条項１のセパレータ。
条項３．第１のセラミック含有層及び第３のセラミック含有層が、ポリマー結合剤中に分散したセラミック粒子を含む、条項１又は２のセパレータ。
条項４．第１のセラミック含有層が、約３０ナノメートルから約６０ナノメートルの範囲の平均ポア直径を有し、第２のセラミック含有層が、約３０ナノメートルから約６０ナノメートルの範囲の平均ポア直径を有する、条項１から３のいずれかのセパレータ。
条項５．ポリマー基材が微多孔性イオン伝導性ポリマー層である、条項１から４のいずれかのセパレータ。
条項６．第１のセラミック含有層及び第２のセラミック含有層は各々が、独立して：多孔性酸化アルミニウム、多孔性オキシ水酸化アルミニウム、多孔性ＺｒＯ２、多孔性ＨｆＯ２、多孔性ＳｉＯ２、多孔性ＭｇＯ、多孔性ＴｉＯ２、多孔性Ｔａ２Ｏ５、多孔性Ｎｂ２Ｏ５、多孔性ＬｉＡｌＯ２、多孔性ＢａＴｉＯ３、イオン伝導性ガーネット、抗イオン伝導性ペロブスカイト、多孔性ガラス誘電体、又はこれらの組合せの群から選択される材料を含む、条項１から５のいずれかのセパレータ。
条項７．第１のセラミック含有層が結合剤を含む、条項１から６のいずれかのセパレータ。
条項８．第２のセラミック含有層が、約５０ナノメートルから約５００ナノメートルの範囲の厚さを有する、条項１から７のいずれかのセパレータ。
条項９．第１のセラミック含有層が、約１，０００ナノメートルから２，０００ナノメートルの範囲の厚さを有する、条項１から８のいずれかのセパレータ。
条項１０．ポリマー基材が、約３ミクロンから約２５ミクロンの範囲の厚さを有する、条項１から９のいずれかのセパレータ。
条項１１．ポリマー基材が、約３ミクロンから約１２ミクロンの範囲の厚さを有する、条項１から１０のいずれかのセパレータ。
条項１２．ポリマー基材がポリオレフィン膜である、条項１から１１のいずれかのセパレータ。
条項１３．ポリオレフィン膜が、ポリエチレン膜又はポリプロピレン膜である、条項１から１２のいずれかのセパレータ。
条項１４．第２のセラミック含有層が多孔性酸化アルミニウムを含む、条項１から１３のいずれかのセパレータ。
条項１５．第２のセラミック含有層が、酸化ジルコニウム、酸化ケイ素、又はそれらの組み合わせを更に含む、条項１から１４のいずれかのセパレータ。
条項１６．リチウム金属、リチウム合金、グラファイト、ケイ素含有グラファイト、ニッケル、銅、スズ、インジウム、ケイ素、又はこれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含有するアノード、カソード、及びアノードとカソードとの間に配置された条項１から１５のいずれかによるセパレータを備えるバッテリ。
条項１７．セパレータを介して、アノード及びカソードとイオンをやりとりする電解質を更に備える、条項１６のバッテリ。
条項１８．カソードに接触する正の電流コレクタ、及びアノードに接触する負の電流コレクタを更に備え、正の電流コレクタ及び負の電流コレクタは各々が、独立して、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、スズ（Ｓｎ）、ケイ素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、これらの合金、及びこれらの組み合わせから選択される材料を含む、条項１６又は１７のバッテリ。
条項１９．第１の表面と、第１の表面の反対側の第２の表面とを有する、イオンを伝導することのできる多孔性セラミック体であって、約２０００ナノメートルから約１００００ナノメートルの範囲の厚さを有する多孔性セラミック体、多孔性セラミック体の第１の表面上に形成された、イオンを伝導することのできる第１のセラミック含有層であって、結合剤を含まないセラミック含有層であり、且つ約１ナノメートルから約１，０００ナノメートルの範囲の厚さを有する第１のセラミック含有層、及び多孔性セラミック体層の第２の表面上に形成された、イオンを伝導することのできる第２のセラミック含有層であって、結合剤を含まないセラミック含有層であり、且つ約１ナノメートルから約１，０００ナノメートルの範囲の厚さを有する第２のセラミック含有層を備えるセパレータ。
条項２０．多孔性セラミック体が、ポリマー結合剤中に分散したセラミック粒子を含む、条項１９のセパレータ。
条項２１．第１のセラミック含有層が、約３０ナノメートルから約６０ナノメートルの範囲の平均ポア直径を有し、第２のセラミック含有層が、約３０ナノメートルから約６０ナノメートルの範囲の平均ポア直径を有する、条項１９又は２０のセパレータ。
条項２２．第１のセラミック含有層及び第２のセラミック含有層は各々が、独立して：多孔性酸化アルミニウム、多孔性オキシ水酸化アルミニウム、多孔性ＺｒＯ２、多孔性ＨｆＯ２、多孔性ＳｉＯ２、多孔性ＭｇＯ、多孔性ＴｉＯ２、多孔性Ｔａ２Ｏ５、多孔性Ｎｂ２Ｏ５、多孔性ＬｉＡｌＯ２、多孔性ＢａＴｉＯ３、イオン伝導性ガーネット、抗イオン伝導性ペロブスカイト、多孔性ガラス誘電体、又はこれらの組合せの群から選択される材料を含む、条項１９から２１のいずれかのセパレータ。
条項２３．第１及び第２のセラミック含有層は各々が、独立して、約５０ナノメートルから約５００ナノメートルの範囲の厚さを有する、条項１９から２２のいずれかのセパレータ。
条項２４．第１及び第２のセラミック含有層は各々が、多孔性酸化アルミニウムを含む、条項１９から２３のいずれかのセパレータ。
条項２５．第１及び第２のセラミック含有層は各々が、酸化ジルコニウム、酸化ケイ素、又はそれらの組み合わせを更に含む、条項１９から２４のいずれかのセパレータ。
条項２６．リチウム金属、リチウム合金、グラファイト、ケイ素含有グラファイト、ニッケル、銅、スズ、インジウム、ケイ素、又はこれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含有するアノード、
カソード、及び
アノードとカソードとの間に配置された、条項１９から２５のいずれかによるセパレータ
を備えるバッテリ。
条項２７．セパレータを介して、アノード及びカソードとイオンをやりとりする電解質を更に含む、条項２６のバッテリ。
条項２８．カソードに接触する正の電流コレクタ、及びアノードに接触する負の電流コレクタを更に備え、正の電流コレクタ及び負の電流コレクタは各々が、独立して、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、スズ（Ｓｎ）、ケイ素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、これらの合金、及びこれらの組み合わせから選択される材料を含む、条項２６又は２７のバッテリ。
条項２９．バッテリ用のセパレータを形成する方法であって、処理領域内に位置決めされた、上に第１のセラミック含有層が形成されている微多孔性イオン伝導性ポリマー層の上に堆積される材料を、蒸発プロセスに曝すことと、蒸発した材料を、反応性ガス及び／又はプラズマと反応させて、イオンを伝導することのできる第２のセラミック含有層を、第１のセラミック含有層上に堆積させることとを含み、第１のセラミック含有層が、約１，０００ナノメートルから約５，０００ナノメートルの範囲の厚さを有し、第２のセラミック含有層が、結合剤を含まないセラミック含有層であり、且つ約１ナノメートルから約１，０００ナノメートルの範囲の厚さを有する、方法。
条項３０．第１のセラミック含有層及び第２のセラミック含有層は各々が、独立して：多孔性酸化アルミニウム、多孔性ＺｒＯ２、多孔性ＨｆＯ２、多孔性ＳｉＯ２、多孔性ＭｇＯ、多孔性ＴｉＯ２、多孔性Ｔａ２Ｏ５、多孔性Ｎｂ２Ｏ５、多孔性ＬｉＡｌＯ２、多孔性ＢａＴｉＯ３、イオン伝導性ガーネット、抗イオン伝導性ペロブスカイト、多孔性ガラス誘電体、又はこれらの組合せの群から選択される材料を含む、条項２９の方法。
条項３１．第１のセラミック含有層が結合剤を含む、条項２９又は３０の方法。
条項３２．堆積される材料が：アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）、鉄（Ｆｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、ケイ素（Ｓｉ）、スズ（Ｓｎ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、又はこれらの組み合わせの群から選択される金属材料である、条項２９から３１のいずれかの方法。
条項３３．堆積される材料が：酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化リチウムアルミニウム、酸化バリウムチタン、又はこれらの組み合わせの群から選択される金属酸化物である、条項２９から３２のいずれかの方法。
条項３４．反応性ガスが：酸素（Ｏ２）、オゾン（Ｏ３）、酸素ラジカル（Ｏ＊）、又はこれらの組み合わせの群から選択される酸素含有ガスである、条項２９から３３のいずれかの方法。
条項３５．プラズマが酸素含有プラズマである、条項２９から３４のいずれかの方法。
条項３６．第２のセラミック含有層が多孔性酸化アルミニウムである、条項２９から３５のいずれかの方法。
条項３７．蒸発プロセスが、熱蒸発プロセス又は電子ビーム蒸発プロセスである、条項２９から３６のいずれかの方法。
条項３８．堆積される蒸発材料を蒸発プロセスに曝すことに先立ち、微多孔性イオン伝導性ポリマー層を冷却プロセスに曝すことを更に含む、条項２９から３７のいずれかの方法。
条項３９．冷却プロセスが、微多孔性イオン伝導性ポリマー層を－２０℃から２２℃の間の温度に冷却する、条項２９ら３８のいずれかの方法。
条項４０．冷却プロセスが、微多孔性イオン伝導性ポリマー層を－１０℃から０℃の間の温度に冷却する、条項２９から３９のいずれかの方法。
条項４１．蒸発プロセスが、堆積される材料を１３００℃から１６００℃の間の温度に曝すことを含む、条項２９から４０のいずれかの方法。
条項４２．微多孔性イオン伝導性ポリマーが、ポリエチレン又はポリプロピレンを含む、条項２９から４１のいずれかの方法。
要約すると、本開示の利点のいくつかは、薄いセラミックセパレータスタックの効率的な形成を含む。薄いセラミックセパレータスタックは、より薄いセラミックコーティングの第１の側面に形成された極薄セラミックコーティングを含み、これはターゲットイオン伝導性を維持しながら熱収縮を抑制する。加えて、理論に拘束されないが、極薄セラミックコーティングの構造はイオンがより均一に分散することを助け、これにより電流密度がより均一になると考えられる。極薄セラミックコーティングは、高温でＰＶＤ技術を使用して堆積させることができる。薄いポリマーセパレータが存在する少なくとも１つの態様では、厚いセラミックコーティングが薄いポリマーセパレータ上に形成され、これは、ターゲットイオン伝導性を維持しながら機械的安定性を提供する。したがって、薄いポリマーセパレータスタックは、減少したセパレータ厚さ（例えば、１２ミクロン以下）でターゲットイオン伝導率を維持しながら、向上した機械的安定性で熱収縮が低減するという利点を含む。
本開示の要素又はそれらの例示的な態様若しくはその態様（複数可）を紹介するとき、「１つの」及び「前記」は、１つ又は複数の要素が存在することを意味することを意図している。
「備える」、「含む」、及び「有する」という語は、包括的であることを意図し、列挙された要素以外に追加の要素が存在しうることを意味する。
以上の記述は本開示の態様を対象としているが、本開示の基本的な範囲から逸脱せずに本開示の他の態様及び更なる態様が考案可能であり、本開示の範囲は特許請求の範囲によって決定される。

Claims (20)

  1. 第１の表面と、第１の表面の反対側の第２の表面とを有する、イオンを伝導することのできるポリマー基材；
    第１の表面上に形成された、イオンを伝導することのできる第１のセラミック含有層であって、１，０００ナノメートルから５，０００ナノメートルの範囲の厚さを有する第１のセラミック含有層；及び
    第１のセラミック含有層上に形成された、イオンを伝導することのできる第２のセラミック含有層であって、結合剤を含まないセラミック含有層であり、且つ１ナノメートルから１，０００ナノメートルの範囲の厚さを有する第２のセラミック含有層
    を備え、
    第２のセラミック含有層が、複数のセラミック柱状突起を含み、複数のセラミック柱状突起の間にナノ多孔性構造が形成される、セパレータ。
  2. 第２の表面上に形成された、イオンを伝導することのできる第３のセラミック含有層であって、１，０００ナノメートルから５，０００ナノメートルの範囲の厚さを有する第３のセラミック含有層；及び
    第３のセラミック含有層上に形成された、イオンを伝導することのできる第４のセラミック含有層
    を更に備え、第４のセラミック含有層が、結合剤を含まないセラミック含有層であり、且つ１ナノメートルから１，０００ナノメートルの厚さを有する、請求項１に記載のセパレータ。
  3. 第１のセラミック含有層及び第３のセラミック含有層が、ポリマー結合剤中に分散したセラミック粒子を含む、請求項２に記載のセパレータ。
  4. 第１のセラミック含有層が、３０ナノメートルから６０ナノメートルの範囲の平均ポア直径を有し、第２のセラミック含有層が、１ナノメートルから１０ナノメートルの範囲の平均ポア直径を有する、請求項１に記載のセパレータ。
  5. ポリマー基材が微多孔性イオン伝導性ポリマー層である、請求項１に記載のセパレータ。
  6. 第１のセラミック含有層及び第２のセラミック含有層は各々が、独立して、多孔性酸化アルミニウム、多孔性オキシ水酸化アルミニウム、多孔性ＺｒＯ２、多孔性ＨｆＯ２、多孔性ＳｉＯ２、多孔性ＭｇＯ、多孔性ＴｉＯ２、多孔性Ｔａ２Ｏ５、多孔性Ｎｂ２Ｏ５、多孔性ＬｉＡｌＯ２、多孔性ＢａＴｉＯ３、イオン伝導性ガーネット、抗イオン伝導性ペロブスカイト、多孔性ガラス誘電体、又はこれらの組合せから選択される材料を含む、請求項２に記載のセパレータ。
  7. 第１のセラミック含有層が結合剤を含む、請求項６に記載のセパレータ。
  8. 第２のセラミック含有層が、５０ナノメートルから５００ナノメートルの範囲の厚さを有する、請求項１に記載のセパレータ。
  9. 第１のセラミック含有層が、１，０００ナノメートルから２，０００ナノメートルの範囲の厚さを有する、請求項８に記載のセパレータ。
  10. ポリマー基材が、３ミクロンから２５ミクロンの範囲の厚さを有する、請求項９に記載のセパレータ。
  11. ポリマー基材が、３ミクロンから１２ミクロンの範囲の厚さを有する、請求項１０に記載のセパレータ。
  12. ポリマー基材がポリオレフィン膜である、請求項１に記載のセパレータ。
  13. ポリオレフィン膜が、ポリエチレン膜又はポリプロピレン膜である、請求項１２に記載のセパレータ。
  14. 第２のセラミック含有層が多孔性酸化アルミニウムを含む、請求項１に記載のセパレータ。
  15. 第２のセラミック含有層が、酸化ジルコニウム、酸化ケイ素、又はこれらの組み合わせを更に含む、請求項１４に記載のセパレータ。
  16. リチウム金属、リチウム合金、グラファイト、ケイ素含有グラファイト、ニッケル、銅、スズ、インジウム、ケイ素、又はこれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含有するアノード、
    カソード、及び
    アノードとカソードとの間に配置された、請求項１５に記載のセパレータ
    を備えるバッテリ。
  17. バッテリ用のセパレータを形成する方法であって：
    処理領域内に位置決めされた、上に第１のセラミック含有層が形成されている微多孔性イオン伝導性ポリマー層の上に堆積される材料を、蒸発プロセスに曝すことと、
    蒸発した材料を、反応性ガス及び／又はプラズマと反応させて、イオンを伝導することのできる第２のセラミック含有層を、第１のセラミック含有層上に堆積させることと
    を含み、
    第１のセラミック含有層が、１，０００ナノメートルから５，０００ナノメートルの範囲の厚さを有し、且つ
    第２のセラミック含有層が、結合剤を含まないセラミック含有層であり、１ナノメートルから１，０００ナノメートルの範囲の厚さを有し、
    第２のセラミック含有層が、複数のセラミック柱状突起を含み、複数のセラミック柱状突起の間にナノ多孔性構造が形成される、方法。
  18. 第１のセラミック含有層及び第２のセラミック含有層は各々が、独立に：多孔性酸化アルミニウム、多孔性ＺｒＯ２、多孔性ＨｆＯ２、多孔性ＳｉＯ２、多孔性ＭｇＯ、多孔性ＴｉＯ２、多孔性Ｔａ２Ｏ５、多孔性Ｎｂ２Ｏ５、多孔性ＬｉＡｌＯ２、多孔性ＢａＴｉＯ３、イオン伝導性ガーネット、抗イオン伝導性ペロブスカイト、多孔性ガラス誘電体、又はこれらの組合せの群から選択される材料を含む、請求項１７に記載の方法。
  19. 第１のセラミック含有層が結合剤を含む、請求項１８に記載の方法。
  20. 堆積される材料が：アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）、鉄（Ｆｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、ケイ素（Ｓｉ）、スズ（Ｓｎ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、又はこれらの組み合わせの群から選択される金属材料である、請求項１９に記載の方法。
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