JP7414709B2 - オレフィンセパレータを含まないｌｉイオンバッテリ - Google Patents
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Description
本開示の実施態様は、概して、セパレータ、前述のセパレータを含む、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、並びにそれらの製造方法に関する。
コンデンサやリチウムイオン（Ｌｉイオン）バッテリといった急速充電、大容量エネルギー貯蔵デバイスは、携帯用電子機器、医療、搬送、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、ますます多くの用途で使用されている。
Ｌｉイオンバッテリは、通常、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、通常、微多孔性ポリエチレン及びポリオレフィンから作られる。電気化学反応中に、即ち充放電中に、Ｌｉ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って搬送される。したがって、イオン伝導性を高めるには、多孔性が高いことが望ましい。しかしながら、多孔性の高いセパレータの一部は、サイクリング中に形成されたリチウムデンドライト（ｄｅｎｄｒｉｔｅ）が電極間で短絡を起こすと、電気的短絡の影響を受けやすくなる。
現在、バッテリセル製造業者はセパレータを購入しており、それらのセパレータは、アノード電極とカソード電極とともに別々のプロセスで積層されている。他のセパレータは、通常、ポリマーの湿式又は乾燥押し出し加工によって作られ、その後、ポリマーに孔（裂け目）を生成するために引き伸ばされる。セパレータはまた、Ｌｉイオンバッテリの中で最も高価な構成要素の１つであり、バッテリセルの材料費の２０％以上を占める。
ほとんどのエネルギー貯蔵用途では、エネルギー貯蔵デバイスの充電時間と容量が重要なパラメータである。加えて、このようなエネルギー貯蔵デバイスのサイズ、重量、及び／又は費用は、大きな重大な制限になる可能性がある。現在市販されているセパレータの使用には、多数の欠点がある。即ち、そのような市販の材料により、そのような材料から構成される電極の最小サイズが制限され、電気的短絡が発生し、製造方法が複雑になり、かつ材料が高価になる。更に、現在のセパレータの設計では、リチウムデンドライトの成長が頻繁に発生し、短絡につながることがある。
したがって、当技術分野では、より小さく、より軽く、より費用効率の高い製造が可能なセパレータを備えた、より高速の充電、より大容量のエネルギー貯蔵デバイスが必要である。
本開示の実施態様は、概して、セパレータ、前述のセパレータを含む、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、並びにそれらの製造方法に関する。１つの実施態様では、バッテリのためのセパレータを形成する方法が提供される。方法は、処理領域に配置された電極構造の表面に堆積される金属材料を、蒸発プロセスにさらすことを含む。方法は、反応性ガスを処理領域に流入させることを更に含む。方法は、反応性ガスと蒸発した金属材料とを反応させて、電極構造の表面にセラミックセパレータ層を堆積することを更に含む。
別の実施態様では、バッテリを形成する方法が提供される。方法は、正電極構造の表面にセラミックセパレータ層を堆積することを含む。正電極構造の表面に堆積される金属材料を蒸発プロセスにさらすことと、反応性ガスを処理領域に流入させることと、反応性ガスと蒸発した金属材料とを反応させて、セラミックセパレータ層を堆積することとによって、セラミックセパレータ層が、正電極構造の表面に堆積される。正電極構造は、セラミックセパレータ層が間にある状態で、負電極と接合される。
更に別の実施態様では、バッテリを形成する方法が提供される。方法は、負電極構造の表面にセラミックセパレータ層を堆積することを含む。負電極構造の表面に堆積される金属材料を蒸発プロセスにさらすことと、反応性ガスを処理領域に流入させることと、反応性ガスと蒸発した金属材料とを反応させて、負電極構造の上にセラミックセパレータ層を堆積することとによって、セラミックセパレータ層が、負電極構造の表面に堆積される。負電極構造は、セラミックセパレータ層が間にある状態で、正電極と接合される。
更に別の実施態様では、バッテリを形成する方法が提供される。方法は、正電極構造の表面に第１のセラミックセパレータ層を堆積することを含む。正電極構造の表面に堆積される金属材料を蒸発プロセスにさらすことと、反応性ガスを処理領域に流入させることと、反応性ガスと蒸発した金属材料とを反応させて、セラミックセパレータ層を堆積することとによって、セラミックセパレータ層が、正電極構造の表面に堆積される。方法は、負電極構造の表面に第２のセラミックセパレータ層を堆積することを更に含む。負電極構造の表面に堆積される金属材料を蒸発プロセスにさらすことと、反応性ガスを処理領域に流入させることと、反応性ガスと蒸発した金属材料とを反応させて、負電極構造の上に第２のセラミックセパレータ層を堆積することとによって、第２のセラミックセパレータ層が、負電極構造の表面に堆積される。正電極と負電極は共に接合されてバッテリを形成する。
更に別の実施態様では、バッテリのためのセパレータを形成する方法が提供される。方法は、処理領域に配置された電極構造の表面に堆積される金属材料を、蒸発プロセスにさらすことを含む。方法は、反応性ガスを処理領域に流入させることを更に含む。方法は、反応性ガスと蒸発した金属材料とを反応させて、電極構造の表面にセラミックセパレータ層を堆積することを更に含む。反応性ガスを処理領域に流入させることは、湿った酸素を処理領域に流入させることを含む。
更に別の実施態様では、バッテリを形成する方法が提供される。方法は、負電極構造の表面にセラミックセパレータ層を堆積することを含む。セラミックセパレータ層を堆積することは、処理領域に配置された負電極構造の表面に堆積される金属材料を、蒸発プロセスにさらすことを更に含む。セラミックセパレータ層を堆積することは、反応性ガスを処理領域に流入させることを更に含む。セラミックセパレータ層を堆積することは、反応性ガスと蒸発した金属材料とを反応させて、負電極構造の表面にセラミックセパレータ層を堆積することを更に含み、反応性ガスを処理領域に流入させることが、湿った酸素を処理領域に流入させることを含む。方法は、負電極構造を、セラミックセパレータ層が間にある状態で、正電極構造と接合することを更に含む。
更に別の実施態様では、バッテリを形成する方法が提供される。方法は、正電極構造の表面にセラミックセパレータ層を堆積することを含む。セラミックセパレータ層を堆積することは、処理領域に配置された正電極構造の表面に堆積される金属材料を、蒸発プロセスにさらすことを含む。セラミックセパレータ層を堆積することは、反応性ガスを処理領域に流入させることを更に含む。セラミックセパレータ層を堆積することは、反応性ガスと蒸発した金属材料とを反応させて、正電極構造の表面にセラミックセパレータ層を堆積することを更に含む。反応性ガスを処理領域に流入させることは、湿った酸素を処理領域に流入させることを含む。方法は、正電極構造を、セラミックセパレータ層が間にある状態で、負電極構造と接合することを更に含む。
上述の本開示の特徴を詳細に理解できるように、上記で簡単に要約された実施態様のより具体的な説明が、実施態様を参照することによって得られ、それらの一部の実施態様が、添付の図面に例示されている。しかしながら、本開示は他の等しく有効な実施態様も許容しうるため、添付の図面は、本開示の典型的な実施態様のみを示しており、したがって、本発明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。
理解を容易にするために、可能な場合には、図に共通する同一の要素を示すのに同一の参照番号を使用した。１つの実施態様の要素及び特徴は、更なる記述がなくとも、他の実施態様に有益に組み込まれることがあると想定されている。
以下の開示は、セパレータ、前述のセパレータを含む高性能電気化学セル及びバッテリ、並びにそれらの製造方法を説明する。本開示の様々な実施態様の完全な理解をもたらすために、特定の詳細が以下の説明及び図１から図１１に提示されている。電気化学セル及びバッテリに関連することが多い周知の構造及びシステムを説明する他の詳細は、様々な実施態様の説明を不必要に曖昧にすることを避けるために、以下の開示では説明されない。
図に示した詳細、寸法、角度及び他の特徴の多くは、特定の実施態様の例示にすぎない。したがって、他の実施態様は、本開示の本質及び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可能性がある。加えて、本開示の更なる実施態様は、以下で説明されるいくつかの詳細がなくても実行することができる。
本書に記載の実施態様は、ＴｏｐＭｅｔ（登録商標）、ＳｍａｒｔＷｅｂ（登録商標）、ＴｏｐＢｅａｍ（登録商標）（これらのすべてが、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）といった、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することができる高速蒸発プロセスを参照して、以下で詳細に説明されることになる。高速蒸発プロセスを実行可能な他のツールもまた、本書に記載の実施態様から利益を得るために適合されることがある。加えて、本書に記載の高速蒸発プロセスを可能にする任意のシステムは、利益を得るために使用することができる。本書に記載の装置の説明は、例示的なものであり、本書に記載の実施態様の範囲を限定するものと理解又は解釈されるべきではない。また、ロールツーロールプロセスとして説明されているが、本書に記載の実施態様は、個別のポリマー基板上で実行されてもよいと理解すべきである。
「約（ａｂｏｕｔ）」という用語は、概して、示した値の±０．５％、１％、２％、５％、又は±１０％までの範囲内を示す。例えば、約１０ｎｍのポアサイズは、概して、最も広い意味で１０ｎｍ±１０％、即ち、９．０－１１．０ｎｍを示している。加えて、「約（ａｂｏｕｔ）」という用語は、測定誤差（即ち、測定方法の制限による）、又は代替的には、群（例えば、ポアの母集団）の物理的特性の変動若しくは平均のいずれかを示す可能性がある。
本書で使用される「るつぼ（ｃｒｕｃｉｂｌｅ）」という用語は、るつぼが加熱されると、るつぼに供給される材料を蒸発させることができるユニットと理解されよう。要するに、るつぼは、固体材料を蒸気に変換するように適合されたユニットとして定義される。本開示の範囲内では、「るつぼ」及び「蒸発ユニット（ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｕｎｉｔ）」という用語は、同義的に使用される。
現在利用可能な世代のバッテリ、特にＬｉイオンバッテリは、多孔性ポリオレフィンセパレータを使用しており、このセパレータは、温度が上昇すると熱収縮の影響を受けやすく、正負の電極間で又は対応する電流コレクタ間で短絡を引き起こすことがある。加えて、一部のポリオレフィンセパレータには、濡れ性が悪いという問題がある。セパレータ上のセラミックコーティングは、電極間の直接接触の防止に役立ち、Ｌｉ金属に関連した潜在的なデンドライト成長の防止にも役立つ。現在最先端のセラミックコーティングは、複合材を作るためのポリマー結合剤と、スラリを作るための溶剤との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）を使用する。コーティングの厚さは、通常、ランダムなポア構造に通じる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め、およそ３ミクロンである。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技術を用いて、現在のセラミックコーティングの厚さを減らすのも難しい。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技術は、スラリの粘性を引き下げるように結合剤と溶剤の量を増やすことを含む。このように、現在の湿式コーティング技術は、いくつかの問題に悩まされている。
製造の観点から、乾燥方法によるセラミックコーティングのインシトゥ（その場）堆積が、コストと性能の両観点で好まれている。本開示において、薄い低イオン抵抗セラミックコーティングは、正電極の表面及び／又は負電極の表面上に直接形成され、セラミックコーティングは、金属又は金属化合物の反応性蒸発を使用する乾燥方法によって形成される。更に、セラミックコーティングは、適切な厚さ、マイクロ／ナノ構造、多層構造、形態、ポア構造及びポア／セラミック配向に関して調整可能である。
従来のセラミックコーティングセパレータと比較して、本書に記載の反応性蒸発技術は、以下の利点のうちの少なくとも１つを有する。（１）薄いセパレータは不活性な構成要素の体積分率を低下させ、これに対応してエネルギー密度を高め、セパレータ全体にわたるイオン抵抗を低下させる。（２）コーティングの厚さと形態を制御することによって、捻じれたポアを減らし、セパレータ性能の向上につながる。（３）セラミックのポア表面は、電解質全体のイオン伝導率を高める。（４）適切に設計されたセラミックコーティングセパレータは、製造上の欠陥を判定するためのＸ線検出を高めよう。（５）セパレータのより高い電圧安定性と穿刺抵抗性は、ナノ複合材料コーティング制御によって実現可能である。セラミックコーティングセパレータのリチウムデンドライト抑制特性は、ナノ表面技術によって高められ、サイクル中に均一なリチウム金属の堆積と剥離を実現する。
これまでに達成された結果には、以下が含まれる。（１）均一な３００ナノメートルと６００ナノメートルの厚さのＡｌＯｘコーティングが、活性酸素環境でアルミニウム蒸発を使用して正電極上に堆積された。（２）スコッチテープの剥離試験では、ＡｌＯｘコーティングの接着が良好のようだ。（３）柱状のＡｌＯｘ構造と微結晶は、セラミックセパレータ層内で垂直に位置合わせされる。
図１は、本書に記載の実施態様に従って形成されたセル構造１００の１つの実施態様の断面図を示す。セル構造１００は、本書に記載の実施態様に従って形成された１つ又は複数のセラミックセパレータ層１３０を有する。いくつかの実施態様では、セル構造１００は、Ｌｉイオンバッテリ構造である。セル構造１００は、正電流コレクタ１１０と、正電流コレクタ１１０の両側に形成された正電極（単数若しくは複数）１２０ａ、１２０ｂ（まとめて１２０）と、１つ又は複数のセラミックセパレータ層（単数若しくは複数）１３０ａ－ｃ（まとめて１３０）と、負電流コレクタ１５０と、負電流コレクタの両側に形成された負電極（単数若しくは複数）１４０ａ、１４０ｂ（まとめて１４０）とを有する。図１では、電流コレクタがスタックを越えて延びるように示されているが、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ている部分は、タブとして使用されうることに留意されたい。加えて、両面（ｄｕａｌ－ｓｉｄｅｄ）電極構造が示されているが、本書に記載の実施態様は、片面電極構造にも適用可能である。
正電極１２０及び負電極１４０上にある電流コレクタ１１０、１５０は、それぞれ、同一の電子伝導体又は異なる電子伝導体でありうる。電流コレクタ１１０、１５０が構成されうる金属の例は、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を含む。１つの実施態様では、電流コレクタ１１０、１５０のうちの少なくとも１つは、穿孔される。更に、電流コレクタは、任意の形状因子（例えば、金属の箔、シート、又はプレート）、形状、及びミクロ／マクロ構造のものでありうる。概して、角柱状セルでは、タブは電流コレクタと同一の材料で形成され、スタックの製造中に形成されてもよく、又は後で付加されてもよい。電流コレクタ１１０及び１５０を除くすべての構成要素は、リチウムイオン電解質を含む。
負電極１４０又はアノードは、正電極１２０と互換性のある任意の材料でありうる。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１０００ｍＡｈ／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％未満）混合グラファイト）、リチウム金属箔若しくはリチウム合金箔（例えば、リチウムアルミニウム合金）、又はリチウム金属及び／又はリチウム合金と、炭素（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などの材料との混合物から構成されうる。負電極１４０は、リチウムを含む層間化合物（ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）又はリチウムを含む挿入化合物を含む。
正電極１２０又はカソードは、負電極１４０と互換性のある任意の材料であってもよく、層間化合物、挿入化合物、又は電気化学的に活性なポリマーを含みうる。適切な層間（ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ）材料は、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を含む。適切なポリマーは、例えば、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリアニリン、及びポリチオフェンを含む。正電極１２０又はカソードは、リチウムコバルト酸化物などの層状酸化物、リン酸鉄リチウムなどのカンラン石、又はリチウムマンガン酸化物などの尖晶石から作られてもよい。例示的なリチウム含有酸化物は、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）などの層状、又はＬｉＮｉｘＣｏ１－２ｘＭｎＯ２、ＬｉＮｉＭｎＣｏＯ２（“ＮＭＣ”）、ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ１．５Ｏ４、Ｌｉ（Ｎｉ０．８Ｃｏ０．１５Ａｌ０．０５）Ｏ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４などの混合金属酸化物、及びドープされたリチウム過剰層状層状材料（ｄｏｐｅｄ ｌｉｔｈｉｕｍ ｒｉｃｈ ｌａｙｅｒｅｄ－ｌａｙｅｒｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌ）であってもよく、ここで、ｘはゼロ又はゼロ以外の数である。例示的なリン酸塩は、鉄カンラン石（ＬｉＦｅＰＯ４）であってもよく、それは、変種（ＬｉＦｅ（１－ｘ）ＭｇｘＰＯ４など）、ＬｉＭｏＰＯ４、ＬｉＣｏＰＯ４、ＬｉＮｉＰＯ４、Ｌｉ３Ｖ２（ＰＯ４）３、ＬｉＶＯＰＯ４、ＬｉＭＰ２Ｏ７、又はＬｉＦｅ１．５Ｐ２Ｏ７であり、ここで、ｘはゼロ又はゼロ以外の数である。例示的なフルオロリン酸は、ＬｉＶＰＯ４Ｆ、ＬｉＡｌＰＯ４Ｆ、Ｌｉ５Ｖ（ＰＯ４）２Ｆ２、Ｌｉ５Ｃｒ（ＰＯ４）２Ｆ２、Ｌｉ２ＣｏＰＯ４Ｆ、又はＬｉ２ＮｉＰＯ４Ｆでありうる。例示的なケイ酸塩は、Ｌｉ２ＦｅＳｉＯ４、Ｌｉ２ＭｎＳｉＯ４、又はＬｉ２ＶＯＳｉＯ４でありうる。例示的な非リチウム化合物は、Ｎａ５Ｖ２（ＰＯ４）２Ｆ３である。
いくつかの実施態様では、正電極１２０は正電極粒子から形成される。いくつかの実施態様では、より高い電圧安定性、電解質との界面適合性、及びより長いバッテリサイクル寿命を増進するために、正電極粒子がコーティングされる。正電極粒子のコーティングは、ゾルゲル技術、正電極材料へのナノ粒子の乾燥コーティング、又は原子層堆積（ＡＬＤ）技術によって実行されうる。
本開示によるリチウムイオンセルのいくつかの実施態様では、リチウムは、例えば、負電極１４０でのカーボングラファイト（ＬｉＣ６）及び正電極１２０でのリチウムマンガン酸化物（ＬｉＭｎＯ４）若しくはコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）の結晶構造の原子層に含まれるが、いくつかの実施態様では、負電極１４０は、ケイ素、スズなどのリチウム吸収材料も含みうる。セルは、平面構造として示されていても、層のスタックを丸めることによって円筒状に形成されてもよく、更に、他のセル構成（例えば、プリズムセル、ボタンセル）が形成されてもよい。
セル構成要素１２０、１３０、及び１４０に注入される電解質は、液体／ゲル又は固体ポリマーで構成することができ、それぞれ異なっていてもよい。いくつかの実施態様では、電解質は主として塩と媒質（例えば、液体電解質では、媒質は溶媒と称され、ゲル電解質では、媒質はポリマーマトリクスでありうる）を含む。塩は、リチウム塩でありうる。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 Ｃｏｒｐ．から市販されている）及びこれらの組み合わせを含みうる。溶媒は、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ＥＣ／ＰＣ、２－ＭｅＴＨＦ（２－メチルテトラヒドロフラン）／ＥＣ／ＰＣ、ＥＣ／ＤＭＣ（ジメチルカーボネート）、ＥＣ／ＤＭＥ（ジメチルエタン）、ＥＣ／ＤＥＣ（ジメチルカーボネート）、ＥＣ／ＥＭＣ（エチルメチルカーボネート）、ＥＣ／ＥＭＣ／ＤＭＣ／ＤＥＣ、ＥＣ／ＥＭＣ／ＤＭＣ／ＤＥＣ／ＰＥ、ＰＣ／ＤＭＥ、及びＤＭＥ／ＰＣを含みうる。ポリマーマトリクスには、例えば、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＰＶＤＦ：ＴＨＦ（ＰＶＤＦ：テトラヒドロフラン）、ＰＶＤＦ：ＣＴＦＥ（ＰＶＤＦ：クロロトリフルオロエチレン）、ＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）、及びＰＥＯ（ポリエチレン酸化物）が含まれうる。
いくつかの実施態様では、セラミックセパレータ層１３０は、ポアを有する多孔性（例えば、微多孔性）セラミック層（例えば、セパレータ膜）１３０を含む。いくつかの実施態様では、セラミックセパレータ層１３０は、非多孔性である。いくつかの実施態様では、セラミックセパレータ層１３０は、リチウムイオン伝導性材料を含む。リチウムイオン伝導性材料は、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若しくは液晶でありうる。いくつかの実施態様では、セラミックセパレータ層１３０は、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）で満たされると、多孔性セラミックと電解質との組み合わせは、イオン伝導性となる。セラミックセパレータ層１３０は、少なくとも、電子的短絡（例えば、アノードとカソードの直接又は物理的接触）を防ぎ、デンドライトの成長を阻止するように適合される。セラミックセパレータ層１３０は、少なくとも、熱暴走の事象中にアノードとカソードとの間のイオン伝導性（又は流れ）を阻止（又は遮断）するように適合されてもよい。セラミックセパレータ層１３０は、アノードとカソードとの間をイオンが流れることができるほど十分に伝導力がなければならず、よって電流が選択された量だけ、セルによって生成されうる。セラミックセパレータ層１３０は、下にある電極材料に十分に接着すべきであり、即ち、分離が生じてはならない。本書で説明するように、セラミックセパレータ層１３０は、蒸発技術を使用して、下にある電極の上に形成される。
セラミックセパレータ層１３０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、酸化物でありうる。セラミック材料は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、ＡｌＯｘ、ＡｌＯｘＮｙ、ＡｌＮ（窒素環境で堆積されたアルミニウム）、水酸化酸化アルミニウム（（ＡｌＯ（ＯＨ））（例えば、ダイアスポア（（α－ＡｌＯ（ＯＨ）））、ベーマイト
、若しくはアクダライト（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）、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、イオン伝導性アンチペロブスカイト、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うる。１つの実施態様では、セラミック材料は、多孔性酸化アルミニウム、多孔性－ＺｒＯ２、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、イオン伝導性アンチペロブスカイト、多孔性ガラス誘電体、又はこれらの組み合わせからなる群から選択された材料である。セラミックセパレータ層１３０は、結合剤を含まないセラミック層である。いくつかの実施態様では、セラミックセパレータ層１３０は、多孔性酸化アルミニウム層である。
いくつかの実施態様では、セラミックセパレータ層１３０は、リチウムイオン伝導性材料であってもよい。リチウムイオン伝導性材料は、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若しくはイオン伝導性液晶であってもよい。Ｌｉイオン伝導性材料は、例えば、ＬｉＰＯＮ、Ｌｉ ７ Ｌａ ３ Ｚｒ ２ Ｏ １２ の結晶相か又はアモルファス相のいずれかのドープされた変種、ドープされたアンチペロブスカイト組成物、Ｌｉ ２ Ｓ－Ｐ ２ Ｓ ５ 、Ｌｉ １０ ＧｅＰ ２ Ｓ １２ 、及びＬｉ ３ ＰＳ ４ 、リン酸リチウムガラス、硫化物ガラス、（１－ｘ）ＬｉＩ-（ｘ）Ｌｉ４ＳｎＳ４、ｘＬｉＩ-（１－ｘ）Ｌｉ４ＳｎＳ４、硫化物と酸化物の混合電解質（結晶ＬＬＺＯ、アモルファス（１－ｘ）ＬｉＩ-（ｘ）Ｌｉ４ＳｎＳ４混合物、及びアモルファス（ｘ）ＬｉＩ-（１－ｘ）Ｌｉ４ＳｎＳ４の１つ又は複数からなりうる。１つの実施態様では、ｘは、０と１との間（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。Ｌｉ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、又は多くのコーティング方法のいずれかを使用して、リチウム金属膜上に直接堆積させることができる。一部の実施態様に適した方法は、ＰＶＤである。いくつかの実施態様では、セラミックセパレータ層１３０は、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）で満たされると、多孔性基板と電解質との組み合わせは、イオン伝導性となる。
１つの実施態様では、セラミックセパレータ層１３０は、リチウムイオン伝導性材料であり、リチウムイオン伝導性材料は、以下からなる群から選択される。ＬｉＰＯＮ、ガーネット型Ｌｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２の結晶相又はアモルファス相、ＬＩＳＩＣＯＮ（例えば、Ｌｉ２＋２ｘＺｎ１－ｘＧｅＯ４（０＜ｘ＜１））、ＮＡＳＩＣＯＮ（例えば、Ｎａ１＋ｘＺｒ２ＳｉｘＰ３－ｘＯ１２（０＜ｘ＜３））、水素化ホウ素リチウム（ＬｉＢＨ４）、ドープされたアンチペロブスカイト組成物、リチウム含有硫化物（例えば、Ｌｉ２Ｓ、Ｌｉ２Ｓ－Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ１０ＧｅＰ２Ｓ１２及びＬｉ３ＰＳ４）、並びにリチウムアルジロダイト（例えば、ＬｉＰＳ５Ｘ（ｘはＣｌ、Ｂｒ又はＩ））。
いくつかの実施態様では、セラミックセパレータ層１３０は、セラミックセパレータ層１３０の総重量に基づき、約５０重量％から約１００重量％の酸化アルミニウム（例えば、約７５重量％から約１００重量％、約８５重量％から約１００重量％の酸化アルミニウム）を含む。
いくつかの実施態様では、セラミック材料は、酸化雰囲気で蒸発したガラスと混合される。例えば、セラミック層の物理的特性（柔軟性、破壊靭性など）を変更するために、ＳｉＯ２をＡｌ２Ｏ３に導入することができる。
いくつかの実施態様では、セラミックセパレータ層１３０は、複数のセラミック柱状突出部を含む。セラミック柱形状突出部は、柱形状突出部の底部（例えば、柱形状突出部が多孔性基板に接する場所）から、柱形状突出部の上部まで延びる直径を有しうる。セラミック柱状突出部は、通常、誘電体微粒子を含む。ナノ構造輪郭又はチャネルは、通常、誘電体微粒子間に形成される。
いくつかの実施態様では、複数のセラミック柱状突出部は、多孔性の様々な形状のうちの１つ又は複数を含みうる。いくつかの実施態様では、セラミックセパレータ層１３０の柱状突出部は、誘電材料の柱状突出部間にナノ多孔性構造を形成する。１つの実施態様では、ナノ多孔性構造は、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が決められた複数のナノポアを有しうる。別の実施態様では、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が決められた複数のナノポアを有していてもよい。１つの実施態様では、ナノ多孔性構造は、約１ナノメートルから約２０ナノメートルの範囲（例えば、約２ナノメートルから約１５ナノメートルまで、又は約５ナノメートルから約１０ナノメートルまで）の範囲の直径を有する複数のナノポアを有する。ナノ多孔性構造により、セラミックセパレータ層１３０の表面積が大幅に増加する。ナノ多孔性構造のポアは、液体電解質リザーバとして機能することができ、イオン伝導性のために過剰な表面積を提供する。理論により拘束されるものではないが、ナノ多孔性構造内に閉じ込められた電解質液／ゲルは、固体電解質と同様に作用すると考えられる。
いくつかの実施態様では、セラミックセパレータ層１３０は、同じ材料から形成された固体膜と比較すると、少なくとも１０％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、又は６５％の多孔性を有しており、同じ材料から形成された固体膜と比較すると、少なくとも１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、又は７０％までの多孔性を有している。
多孔性は、推定が容易なため、通常使用される。しかしながら、屈曲度は、リチウム拡散経路を説明するための直接的な尺度である。屈曲度は、多孔性媒体内でリチウムが拡散する捻じれた経路を示す。例えば、拡散が直線的な経路に沿っている場合には、屈曲度は１に等しい。誘電体層内の複雑な形状寸法（例えば、不規則な粒子形状、広範囲に及ぶ粒子サイズ分布など）のため、屈曲度は容易には測定されない。直接的な技術的屈曲度、即ち、「直線的な」経路又はチャネルを導入することが望ましいと考えられている。本書で開示される蒸発プロセスを使用して形成されたセラミック層は、現在知られているスロットダイ技術又は他のスラリ堆積技術を使用して形成されたセラミック層と比較すると、低い屈曲度を示す。
セラミックセパレータ層１３０は、１ナノメートルから３０００ナノメートルの範囲内（例えば、１０ナノメートルから６００ナノメートルの範囲内、５０ナノメートルから２００ナノメートルの範囲内、１００ナノメートルから１５０ナノメートルの範囲内）の厚さを有するコーティング層又は離散層でありうる。
図２は、本書に記載の実施態様に従って形成されたセル構造２００の別の実施態様の断面図を示す。いくつかの実施態様では、セル構造２００は、Ｌｉイオンバッテリ構造である。セル構造１００と同様に、セル構造２００は、本書に記載の実施態様に従って形成されたセラミックセパレータ層１３０を有する。しかしながら、セラミックセパレータ層１３０に加えて、セル構造２００はまた、セラミックセパレータ層１３０と対向する電極構造（この実施態様では負電極１４０ａ）との間に配置された１つ又は複数のゲルポリマー層２１０ａ、２１０ｂ（まとめて２１０）を含む。正電極１２０ｂに接触するように示されているが、いくつかの実施態様では、セラミックセパレータ層１３０ａが負電極１４０ａに接触し、ゲルポリマー層２１０ａが負電極１４０ａに接触すると理解すべきである。理論に拘束されるものではないが、ゲルポリマー層は、共に接合されると、正電極と負電極との間の接着を改善するのに役立つと考えられる。
ゲルポリマー層２１０のポリマーは、Ｌｉイオンバッテリ産業で現在使用されているポリマーから選択することができる。ゲルポリマー層を形成するために使用されうるポリマーの例は、限定するものではないが、ポリビニリデンジフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリエチレン酸化物（ＰＥＯ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、及びこれらの組み合わせを含む。理論に束縛されるものではないが、ゲルポリマー層２１０は、Ｌｉ伝導性電解質を吸収して、デバイス製造中にゲルを形成することができ、このことは、良好な固体電解質界面（ＳＥＩ）の形成に有益であり、抵抗の低下にも役立つと考えられる。いくつかの実施態様では、温かい液体とリチウムイオン伝導性塩の混合物を使用して、ゲル電解質又は液晶電解質が作られる。温かい液体の混合物は、らせん状に巻かれた電極又は積層電極に注入され、ネットワーク電極のポアを満たし、電解質は室温で固体又はゲルを形成する。ゲルポリマー層２１０は、浸漬コーティング、スロットダイコーティング、グラビアコーティング、又は印刷によって形成することができる。ポリマーはまた、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｍｅｔａｃｏａｔ機器を使用して堆積することができる。誘電体ポリマー層は、約５ナノメートルから約１マイクロメートルの厚さを有しうる。硫黄イオンを含む有機ポリマー（例えば、Ｌｉ２Ｏ混合物を含むポリフェニレンスルフィド）は、リチウム金属ベースのアノードに対して良好な結果を示し、場合によっては液晶電解質を形成する。
図３は、本書に記載の実施態様に従って形成されたセル構造３００の別の実施態様の断面図を示す。いくつかの実施態様では、セル構造３００は、Ｌｉイオンバッテリ構造である。セル構造２００と同様に、セル構造３００は、本書に記載の実施態様に従って形成された１つ又は複数のセラミックセパレータ層３３０ａ－ｃ（まとめて３３０）及び１つ又は複数のゲルポリマー層３１０ａ、３１０ｂ（まとめて３１０）を有する。１つ又は複数のセラミックセパレータ層３３０は、１つ又は複数のセラミックセパレータ層１３０に類似している。１つ又は複数のゲルポリマー層３１０は、１つ又は複数のゲルポリマー層２１０に類似している。しかしながら、ゲルポリマー層３１０ａは、セラミックセパレータ層３３０ａとセラミックセパレータ層３３０ｂとの間に配置されるか、又は「挟まれる（ｓａｎｄｗｉｃｈｅｄ）」。
図４は、本書に記載の１つ又は複数の実施態様に従って形成されたセル構造４００の更に別の実施態様の断面図を示す。いくつかの実施態様では、セル構造４００は、Ｌｉイオンバッテリ構造である。セル構造３００と同様に、セル構造４００は、１つ又は複数のセラミックセパレータ層４３０ａ－ｃ（集合的に４３０）と、本書に記載の実施態様に従って形成された１つ又は複数のゲルポリマー層４４０ａ、４４０ｂ（まとめて４４０）を有する。１つ又は複数のセラミックセパレータ層４３０は、１つ又は複数のセラミックセパレータ層（単数又は複数）１３０に類似している。１つ又は複数のゲルポリマー層４４０ａ、４４０ｂ（まとめて４４０）は、１つ又は複数のゲルポリマー層２１０に類似している。しかしながら、ゲルポリマー層４４０ａは、セラミックセパレータ層４３０ａとセラミックセパレータ層４３０ｂとの間に配置されるか、又は「挟まれる（ｓａｎｄｗｉｃｈｅｄ）」。セル構造４００は、オプションで、リチウム化前の層（ｐｒｅ－ｌｉｔｈｉａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）４１０と、セラミックセパレータ層４３０とリチウム化前の層４１０との間に形成された保護膜４２０とを含む。したがって、図１－３に示されるように、負電極上にセラミックセパレータ層を直接堆積する代わりに、セラミックセパレータ層４３０は、保護膜４２０（存在する場合）又は保護膜４２０が存在しない場合に、リチウム化前の層４１０のいずれかに直接堆積される。
いくつかの実施態様では、負電極１４０ａ上に形成されたリチウム化前の層４１０は、リチウム金属膜である。リチウム金属膜は、本書に記載の実施態様に従って形成されうる。いくつかの実施態様では、負電極１４０ａは、上部にリチウム金属膜が形成されたケイ素グラファイトアノード又は酸化ケイ素グラファイトアノードである。リチウム金属膜は、負電極１４０ａの第１サイクル容量損失から失われたリチウムを補充する。リチウム金属膜は、薄いリチウム金属膜（例えば、２０ミクロン以下、約１ミクロンから約２０ミクロン、又は約２ミクロンから約１０ミクロン）でありうる。リチウム金属膜が負電極として機能するいくつかの実施態様では、リチウム金属膜は、負電極１４０に取って代わる。リチウム金属膜が負電極として機能するいくつかの実施態様では、リチウム金属膜は、負電流コレクタ１５０上に形成される。
いくつかの実施態様では、保護膜４２０は、リチウム金属膜上に形成される。保護膜４２０は、通常、リチウム金属膜上にインシトゥで形成されない。保護膜４２０は、電気的に絶縁性であるが、リチウムイオンに対して十分に導電性である。１つの実施態様では、保護膜４２０は、非多孔性膜である。別の実施態様では、保護膜４２０は、多孔性膜である。１つの実施態様では、保護膜４２０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ナノメートルから約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が決められる複数のナノポアを有する。別の実施態様では、保護膜４２０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が決められた複数のナノポアを有する。１つの実施態様では、保護膜４２０は、約１ナノメートルから約２０ナノメートルの範囲（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）の直径を有する複数のナノポアを有する。
保護膜４２０は、１ナノメートルから２００ナノメートルの範囲（例えば、５ナノメートルから２００ナノメートルの範囲、１０ナノメートルから５０ナノメートルの範囲）の厚さを有するコーティング又は別個の層であってもよい。理論に拘束されないが、２００ナノメートルを超える保護膜は、充電式バッテリ内の抵抗を増加させる可能性があると考えられている。
保護膜４２０を形成するために使用されうる材料の例は、限定されないが、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、酸化アルミニウム、炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３）、及びこれらの組み合わせを含む。１つの実施態様では、保護膜４２０は、フッ化リチウム膜である。理論に拘束されるものではないが、保護膜４２０は、Ｌｉ伝導性電解質を吸収して、デバイス製造中にゲルを形成することができ、このことは、良好な固体電解質界面（ＳＥＩ）を形成するのに有益であり、抵抗を下げることにも役立つと考えられる。保護膜４２０は、蒸発又はスパッタリングなどの物理的気相堆積（ＰＶＤ）、特殊原子層堆積（ＡＬＤ）、スロットダイプロセス、薄膜転写プロセス、又は三次元リチウム印刷プロセスによって、リチウム金属膜上に直接堆積させることができる。ＰＶＤは、保護膜４２０の堆積のための好ましい方法である。保護膜４２０はまた、メタコート機器を使用して堆積させることもできる。
セラミックセパレータ層４３０ａは、保護膜４２０（存在する場合）又は保護膜４２０が存在しない場合には、リチウム化前の層４１０のいずれかに直接堆積させてもよい。セラミックセパレータ層４３０ａは、リチウムイオン伝導性材料であってもよい。リチウムイオン伝導性材料は、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であってもよい。Ｌｉイオン伝導性材料は、例えば、ＬｉＰＯＮ、Ｌｉ ７ Ｌａ ３ Ｚｒ２Ｏ １２ の結晶相か又はアモルファス相のいずれかのドープされた変種、ドープされたアンチペロブスカイト組成物、Ｌｉ ２ Ｓ－Ｐ ２ Ｓ ５ 、Ｌｉ １０ ＧｅＰ ２ Ｓ １２ 、及びＬｉ ３ ＰＳ ４ 、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ＬＬＺＯ、アモルファス（１－ｘ）ＬｉＩ-（ｘ）Ｌｉ４ＳｎＳ４混合物、及びアモルファスｘＬｉＩ-（１－ｘ）Ｌｉ４ＳｎＳ４）の１つ又は複数からなりうる。１つの実施態様では、ｘは、０と１との間（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。Ｌｉ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、又は多くのコーティング方法のいずれかを使用して、リチウム化前の層４１０又は保護膜４２０の上に直接堆積させることができる。いくつかの実施態様に適した方法は、ＰＶＤである。いくつかの実施態様では、セラミックセパレータ層４３０ａは、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）で満たされると、多孔性基板と電解質との組み合わせは、イオン伝導性となる。
１つの実施態様では、セラミックセパレータ層４３０ａは、リチウムイオン伝導性材料であり、リチウムイオン伝導性材料は、以下からなる群から選択される。ＬｉＰＯＮ、ガーネット型Ｌｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２の結晶相又はアモルファス相、ＬＩＳＩＣＯＮ（例えば、Ｌｉ２＋２ｘＺｎ１－ｘＧｅＯ４（０＜ｘ＜１））、ＮＡＳＩＣＯＮ（例えば、Ｎａ１＋ｘＺｒ２ＳｉｘＰ３－ｘＯ１２（０＜ｘ＜３））、水素化ホウ素リチウム（ＬｉＢＨ４）、ドープされたアンチペロブスカイト組成物、リチウム含有硫化物（例えば、Ｌｉ２Ｓ、Ｌｉ２Ｓ－Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ１０ＧｅＰ２Ｓ１２及びＬｉ３ＰＳ４）、並びにリチウムアルジロダイト（例えば、ＬｉＰＳ５Ｘ（ｘはＣｌ、Ｂｒ又はＩ））。
１つの実施態様では、負電極１４０上に形成されたセラミックセパレータ層４３０ａ、及び正電極１２０上に形成されたセラミックセパレータ層４３０ｂは、異なる材料である。例えば、１つの実施態様では、セラミックセパレータ層４３０ａは、非多孔性リチウムイオン伝導性材料であり、セラミックセパレータ層４３０ｂは、多孔性リチウムイオン伝導性材料である。
いくつかの実施態様では、セラミックセパレータ層４３０は、非多孔性イオン伝導性電解質層であり、これは、いくつかのアノード材料組成物に追加の電気化学的安定性を提供しうる。例えば、１つの実施態様では、負電極１４０は、上部にリチウム化前の層４１０（例えば、リチウム金属膜）が形成されたケイ素又は酸化ケイ素混合グラファイトアノード材料であり、フッ化リチウム膜である保護膜４２０、及びセラミックセパレータ層４３０は、非多孔性リチウムイオン伝導性材料である。
いくつかの実施態様では、方法５００（図５を参照）、方法６００（図６を参照）又は方法７００（図７を参照）の前に、電極（例えば、負電極及び／又は正電極）の表面は、電極の表面の核形成／成長条件を強化するために、オプションで、表面変形処理にさらされる。いくつかの実施態様では、表面変形処理プロセスは、プラズマ処理プロセス（例えば、コロナ放電処理プロセス）である。表面変形処理プロセスは、処理混合ガス（ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｇａｓ ｍｉｘｔｕｒｅ）を処理領域内に供給することを含む。次いで、処理混合ガスからプラズマが形成され、電極の表面をプラズマ処理して、電極の少なくとも一部を励起状態に活性化することで、処理された上面を有する処理された電極が形成され、続いて堆積されたセラミックセパレータ層の核形成／成長条件を強化しうる。
１つの実施態様では、処理混合ガスは、酸素含有ガス、不活性ガス（例えば、アルゴン、ヘリウム）、又はこれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む。１つの実施態様では、処理領域内に供給される酸素含有ガスは、酸素（Ｏ２）、オゾン（Ｏ３）、酸素ラジカル（Ｏ＊）、イオン化酸素原子、二酸化炭素（ＣＯ２）、一酸化窒素（ＮＯｘ）、水蒸気、又はこれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む。他の酸素含有ガスが使用されてもよい。
酸化を含む本開示の１つの実施態様によれば、ガス源は、酸素ガス（Ｏ２）を、質量流量コントローラを通してオゾン発生器に供給し、オゾン発生器は、酸素の大部分をオゾンガス（Ｏ３）に変換する。結果として生じるＯ２とＯ３の酸素ベースの混合物と、おそらくいくつかの酸素ラジカルＯ＊と、イオン化された酸素原子又は分子は、処理領域に送られる。酸素ベースのガスは、処理領域内で電極の表面と反応し、電極は所定の、好ましくは低い温度に加熱されている。オゾンは、反応Ｏ３→Ｏ２＋Ｏ＊で自発的に迅速に解離する準安定分子であり、ここで、Ｏ＊はラジカルであり、酸化可能である利用可能な物質と極めて迅速に反応する。オゾン発生器は、容量結合又は誘導結合されたプラズマ、又はＵＶランプ源を含む多くの形態で実施されうる。
これらの高いオゾン濃度では、比較的高い酸化速度を達成するために、電極をあまり加熱する必要はない。また、オゾン濃度が高いため、オゾン分圧を低下させることができる。オゾンの割合が高いため、オゾンの酸化を２０Ｔｏｒｒ未満の圧力で実行することができる。前述の表面変形技術は例示であり、選択された表面変形を達成する他の表面変形技術が使用されてもよいと理解すべきである。例えば、いくつかの実施態様では、この準備は、電極をコロナ処理にさらすこと、電極を化学的に処理すること（例えば酸化剤により）、又は高分子電解質を電極の表面に吸着又はグラフトすることを含みうる。逆帯電した材料の第１の層が電極に結合するために、帯電した電極を有することが適している場合がある。
いくつかの実施態様では、表面変形処理プロセスは、電子ビーム処理プロセスである。電子ビーム源は、電極をコーティングする前に、電極の表面に方向付けられる。電子ビーム源は、線形源でありうる。電子ビームを放出する電子ビームデバイスは、通常、電子ビームがその幅全体にわたって電極に影響を与えるように適合されているため、電極の長手方向の動きにより、電極の表面全体（片側）が電子ビームで処理される。電子ビームデバイスは、例えば、電子フラッド銃、線形電子銃、電子ビームといった電子源でありうる。電子源で使用されるガスは、アルゴン、Ｏ２、Ｎ２、ＣＯ２、又はＨｅ、より具体的にはＯ２、Ｎ２、ＣＯ２、又はＨｅでありうる。
放出された電子で処理された電極は、電極とその後に堆積されるセラミックセパレータ層との間で改善された接着を達成するために、物理的、それぞれ構造的に、変更される。選択された効果は、１ｋｅＶから１５ｋｅＶのエネルギーで、より典型的には５ｋｅＶから１０ｋｅＶ、例えば６ｋｅＶ、７ｋｅＶ、８ｋｅＶ又は９ｋｅＶのエネルギーで、電子を供給することによって実現することができる。典型的な電子流は、２０ｍＡから１５００ｍＡまで、例えば５００ｍＡである。
いくつかの実施態様では、方法５００（図５を参照）、方法６００（図６を参照）、方法７００（図７を参照）、又は方法８００（図８を参照）の前に、電極（例えば、負電極及び／又は正電極）の表面は、オプションで、冷却プロセスにさらされる。１つの実施態様では、電極構造の表面は、摂氏－２０度と室温（即ち、摂氏２０から２２度）との間の温度（例えば、摂氏－１０度と摂氏０度との間の温度）まで冷却されてもよい。いくつかの実施態様では、電極構造が移動するドラムを冷却することにより、電極構造が冷却されうる。他の能動的冷却手段が、電極構造を冷却するために使用されてもよい。蒸発プロセス中に、電極構造は、摂氏１０００度を超える温度にさらされることがあるため、動作５１０、動作６１０、及び動作７１０の蒸発プロセスの前に、電極構造を冷却することが有益である。
図５は、本書に記載の１つ又は複数の実施態様に従って、セル構造を形成するための方法５００の１つの実施態様を要約するプロセスフローチャートを示す。セル構造は、例えば、図１に示されるセル構造１００でありうる。
動作５１０で、負電極の表面及び正電極の表面のうちの少なくとも１つ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ために蒸発プロセスにさらされる。いくつかの実施態様では、負電極は負電極１４０であり、正電極は正電極１２０である。いくつかの実施態様では、堆積される材料は、単一の電極（例えば、負電極又は正電極のいずれか）の上に堆積される。いくつかの実施態様では、堆積される材料は、負電極と正電極の両方に堆積される。いくつかの実施態様では、負電極及び正電極への堆積は、同じ処理チャンバで行われてもよく、又は別々の処理チャンバで行われてもよい。いくつかの実施態様では、負電極及び正電極への堆積は、順次行われてもよく、又は同時に行われてもよい。
蒸発材料は、アルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ニオビウム（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からなる群から選択されうる。通常、堆積される材料は、アルミニウム又はアルミニウム合金などの金属である。更に、蒸発材料はまた、２つ以上の金属の合金であってもよい。蒸発材料は、蒸発中に蒸発し、１つ又は複数の電極の表面がコーティングされる材料である。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。例えば、アルミニウムは、熱蒸発技術によって、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。
いくつかの実施態様では、蒸発材料は、ワイヤとして、るつぼに供給される。この場合、蒸発材料と反応性ガスの適切な比率が達成されるように、供給速度及び／又はワイヤ直径が選択されなければならない。いくつかの実施態様では、るつぼへの供給のための供給ワイヤの直径は、０．５ｍｍと２．０ｍｍとの間（例えば、１．０ｍｍと１．５ｍｍとの間）で選択される。これらの寸法は、蒸発材料で作られたいくつかの供給ワイヤを参照することがある。ワイヤの典型的な供給速度は、５０ｃｍ／分と１５０ｃｍ／分との間（例えば、７０ｃｍ／分と１００ｃｍ／分との間）の範囲内にある。
るつぼが、蒸気を生成するために加熱され、蒸気は、動作５１０で供給される反応性ガスと反応し、１つ又は複数の電極の表面をセラミックセパレータ層（例えば、セラミックセパレータ層１３０）でコーティングする。通常、るつぼは、るつぼの対向する側面に配置される、るつぼの電極に電圧を印加することによって加熱される。概して、本書に記載の実施態様によれば、るつぼの材料は導電性である。通常、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。通常、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からなる群から選択される１つ又は複数の材料から作られる。
堆積される材料は、蒸着るつぼを加熱することにより、溶融され蒸発する。るつぼの第１の電気的接続及び第２の電気的接続に接続された電源（図示せず）を提供することにより、加熱を行うことができる。例えば、これらの電気的接続は、銅又は銅合金から作られた電極でありうる。したがって、加熱は、るつぼの本体を通って流れる電流によって行われる。他の実施態様によれば、加熱はまた、蒸発装置の放射ヒータ又は蒸発装置の誘導性加熱ユニットによっても実行されうる。
本開示による蒸発ユニットは、通常、摂氏１３００度と摂氏１６００度との間の温度、例えば摂氏１５６０度に加熱することができる。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。通常、るつぼ材料は、その安定性が当該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。通常、１つ又は複数の電極の速度は、２０ｃｍ／分と２００ｃｍ／分との間の範囲内、より典型的には８０ｃｍ／分と１２０ｃｍ／分との間の範囲内、例えば１００ｃｍ／分などである。これらの場合、搬送のための手段は、基板をこれらの速度で搬送可能とすべきである。
動作５２０で、反応性ガスは、蒸発材料と反応させるために、処理領域に流入され、少なくとも負電極の表面及び正電極の表面にセラミックセパレータ層を形成する。本書に記載の他の実施態様と組み合わせることができる典型的な実施態様によれば、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からなる群から選択することができる。本書に記載の実施態様で使用されうる例示的な酸素含有ガスは、酸素（Ｏ２）、オゾン（Ｏ３）、酸素ラジカル（Ｏ＊）、イオン化酸素原子、二酸化炭素（ＣＯ２）、一酸化窒素（ＮＯｘ）、水蒸気、又はこれらの組み合わせを含む。本書に記載の実施態様で使用されうる例示的な窒素含有ガスは、Ｎ２、Ｎ２Ｏ、ＮＯ２、ＮＨ３、又はこれらの組み合わせを含む。更なる実施態様によれば、追加のガス、通常、アルゴンなどの不活性ガスを、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、通常、反応性ガスの量は、より容易に制御することができる。本書に記載の他の実施態様と組み合わせることができる典型的な実施態様によれば、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）の典型的な雰囲気の真空環境で実行することができる。
動作５２０で、いくつかの実施態様では、湿った酸素が反応性ガスとして使用されてもよい。湿った酸素は、水蒸気を含むキャニスターに酸素を流すことによって形成でき、蒸発した材料と反応して、水酸化酸化アルミニウム（（ＡｌＯ（ＯＨ））が形成され、電極の表面に堆積される。水酸化酸化アルミニウム（（ＡｌＯ（ＯＨ））は通常、ダイアスポア（（α－ＡｌＯ（ＯＨ）））、ベーマイト
、又はアクダライト（５Ａｌ２Ｏ３・Ｈ２Ｏ）の形態をとる。理論に拘束されるものではないが、水酸化酸化アルミニウムが熱力学的に安定しているだけでなく、水素結合が、セラミックセパレータ層の電極の表面への結合強度の改善にも役立つ。
いくつかの実施態様では、動作５２０中に、反応性混合ガスからプラズマが形成される。いくつかの実施態様では、プラズマは酸素含有プラズマである。酸素含有プラズマは、蒸発した材料と反応して、電極の表面にセラミックセパレータ層を堆積する。１つの実施態様では、反応性混合ガスは、酸素含有ガス、不活性ガス（例えば、アルゴン、ヘリウム）、又はこれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む。１つの実施態様では、処理領域内に供給される酸素含有ガスは、酸素（Ｏ２）、オゾン（Ｏ３）、酸素ラジカル（Ｏ＊）、イオン化酸素原子、二酸化炭素（ＣＯ２）、一酸化窒素（ＮＯｘ）、水蒸気、又はこれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む。他の酸素含有ガスが使用されてもよい。いくつかの実施態様では、遠隔プラズマ源を使用してプラズマが形成され、処理領域に送られる。
いくつかの実施態様では、動作５２０中に、ガス源は、酸素ガス（Ｏ２）を、質量流量コントローラを通してオゾン発生器に供給し、オゾン発生器は、酸素の大部分をオゾンガス（Ｏ３）に変換する。結果として生じるＯ２とＯ３の酸素ベースの混合物と、おそらくいくつかの酸素ラジカルＯ＊と、イオン化された酸素原子又は分子は、処理領域に送られる。酸素ベースのガスは、処理領域内で電極構造の表面と反応し、電極構造は所定の、好ましくは低温に加熱されている。オゾンは、反応Ｏ３→Ｏ２＋Ｏ＊で自発的に迅速に解離する準安定分子であり、ここで、Ｏ＊はラジカルであり、酸化可能である利用可能な物質と極めて迅速に反応する。オゾン発生器は、容量結合又は誘導結合されたプラズマ、又はＵＶランプ源を含む多くの形態で実施されうる。
いくつかの実施態様では、正電極及び／又は負電極の少なくとも１つのエッジがさらされたままである場合、短絡を回避するためにさらしたエッジに追加のセラミックエッジコーティングを堆積することが望ましいことがある。セラミックエッジコーティングは、セラミックセパレータ層と同じ材料を含みうる。セラミックエッジコーティングは、湿式堆積法（例えば、スロットダイコーティング）を使用して堆積されてもよく、その後、オプションの乾燥及び／又はカレンダリング動作が続く。セラミックエッジコーティングは、通常、セラミックセパレータ層と類似の厚さを有している。１つの実施態様では、動作５１０の前にエッジコーティングプロセスが行われる。別の実施態様では、動作５２０の後にエッジコーティングプロセスが行われる。
動作５３０で、負電極と正電極は、セラミックセパレータ層がこれらの間にある状態で共に接合されて、セル構造、例えばセル構造１００を形成する。
図６は、本書で説明される１つ又は複数の実施態様に従ってセル構造を形成するための方法６００の１つの実施態様を要約するプロセスフローチャートを示す。セル構造は、例えば、図２に示されるセル構造２００であってもよい。方法６００が、負電極の表面又は正電極の表面のいずれかにゲルポリマー層が堆積される動作６３０を含むことを除き、方法６００は、方法５００と同様である。いくつかの実施態様では、ゲルポリマー層は、ゲルポリマー層２１０である。いくつかの実施態様では、負電極は負電極１４０であり、正電極は正電極１２０である。いくつかの実施態様において、セラミックセパレータ層１３０は、単一の電極（例えば、負電極又は正電極）の上に堆積され、ゲルポリマー層２１０は、電極を共に接合する前に、他の電極の上に堆積される。
動作６１０で、負電極の表面及び正電極の表面のうちの少なくとも１つ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ために蒸発プロセスにさらされる。動作６１０は、動作５１０と同様に実行されうる。動作６２０で、反応性ガスは、蒸発した材料と反応するために、処理領域に流され、少なくとも負電極の表面及び正電極の表面にセラミックセパレータ層を形成する。動作６２０は、動作５２０と同様に実行されうる。
動作６３０では、ゲルポリマー層が、負電極の表面及び正電極の表面の少なくとも１つに堆積される。ゲルポリマー層２１０のポリマーは、Ｌｉイオンバッテリ産業で現在使用されているポリマーから選択することができる。ゲルポリマー層を形成するために使用されうるポリマーの例は、限定するものではないが、ポリビニリデンジフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリエチレン酸化物（ＰＥＯ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、及びこれらの組み合わせを含む。理論に束縛されるものではないが、ゲルポリマー層２１０は、Ｌｉ伝導性電解質を吸収して、デバイス製造中にゲルを形成することができ、このことは、良好な固体電解質界面（ＳＥＩ）の形成に有益であり、抵抗の低下にも役立つと考えられる。ゲルポリマー層２１０は、浸漬コーティング、スロットダイコーティング、グラビアコーティング、又は印刷によって形成することができる。ポリマーはまた、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｍｅｔａｃｏａｔ機器を使用して堆積することができる。誘電体ポリマー層は、約５ナノメートルから約１マイクロメートルの厚さを有しうる。
動作６４０で、負電極と正電極は、セラミックセパレータ層及びゲルポリマー層がこれらの間にある状態で共に接合され、セル構造、例えばセル構造２００を形成する。
図７は、本書に記載の１つ又は複数の実施態様に従ってセル構造を形成するための方法７００の１つの実施態様を要約するプロセスフローチャートを示す。セル構造は、例えば、図３に示されるセル構造３００でありうる。セラミックセパレータ層が、正電極と負電極の両方に堆積され、ゲルポリマー層が、負電極と正電極を共に接合する前に、セラミックセパレータ層の１つに堆積されることを除いて、方法７００は、方法６００と同様である。いくつかの実施態様では、ゲルポリマー層はゲルポリマー層３１０ａであり、第１のセラミックセパレータ層はセラミックセパレータ層３３０ａであり、第２のセラミックセパレータ層はセラミックセパレータ層３３０ｂである。いくつかの実施態様では、負電極は負電極１４０であり、正電極は正電極１２０である。
動作７１０で、負電極の表面及び正電極の表面のうちの少なくとも１つ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ために蒸発プロセスにさらされる。動作７１０は、動作５１０及び動作６１０と同様に実行されうる。動作７２０では、反応性ガスは、蒸発材料と反応させるために、処理領域内に流され、負電極の表面に第１のセラミックセパレータ層を形成し、正電極の表面に第２のセラミックセパレータ層を形成する。いくつかの実施態様では、負電極及び正電極への堆積は、同じ処理チャンバで行われてもよく、又は別々の処理チャンバで行われてもよい。いくつかの実施態様では、負電極及び正電極への堆積は、順次行われてもよく、又は同時に行われてもよい。動作７２０は、動作５２０及び動作６２０と同様に実行されうる。
動作７３０で、ゲルポリマー層が、第１のセラミックセパレータ層及び第２のセラミックセパレータ層の少なくとも１つの上に堆積される。ゲルポリマー層３１０のポリマーは、Ｌｉイオンバッテリ産業で現在使用されているポリマーから選択することができる。ゲルポリマー層を形成するために使用されうるポリマーの例は、限定するものではないが、ポリビニリデンジフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリエチレン酸化物（ＰＥＯ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、及びこれらの組み合わせを含む。ポリマーはまた、Ｌｉ２Ｏなどの塩を含む液晶とすることができる。理論に束縛されるものではないが、ゲルポリマー層３１０は、Ｌｉ伝導性電解質を吸収して、デバイス製造中にゲルを形成することができ、このことは、良好な固体電解質界面（ＳＥＩ）の形成に有益であり、抵抗の低下にも役立つと考えられる。ゲルポリマー層３１０は、浸漬コーティング、スロットダイコーティング、グラビアコーティング、又は印刷によって形成することができる。ポリマーはまた、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｍｅｔａｃｏａｔ機器を使用して堆積することができる。誘電体ポリマー層は、約５ナノメートルから約１マイクロメートルの厚さを有しうる。
動作７４０で、負電極及び正電極は、第１のセラミックセパレータ層、ゲルポリマー層、及び第２のセラミックセパレータ層がそれらの間にある状態で共に接合され、セル構造、例えばセル構造３００を形成する。
図８は、本書に記載の１つ又は複数の実施態様に従って電極構造を形成するための方法８００の１つの実施態様を要約するプロセスフローチャートを示す。セル構造は、例えば、図４に示されるセル構造４００でありうる。動作８１０で、負電極が提供される。負電極構造は、負電極１４０でありうる。
動作８２０で、リチウム金属層が、負電極上に形成される。リチウム金属層は、リチウム化前の層４１０でありうる。１つの実施態様では、アルカリ金属膜が基板上に形成される。いくつかの実施態様では、負電極１４０が既に存在する場合、リチウム化前の層４１０が負電極１４０上に形成される。負電極１４０が存在しない場合、リチウム金属膜は、負電流コレクタ１５０上に直接形成されてもよい。リチウム金属の薄膜を堆積するための任意の適切なリチウム金属膜堆積プロセスが、リチウム金属の薄膜を堆積するために使用されてもよい。リチウム金属の薄膜の堆積は、蒸発、スロットダイプロセス、転写プロセス、スクリーン印刷又は三次元リチウム印刷プロセスといったＰＶＤプロセスによるものでありうる。アルカリ金属の薄膜を堆積するためのチャンバは、電子ビーム蒸発器、熱蒸発器、若しくはスパッタリングシステムといったＰＶＤシステム、薄膜転写システム（グラビア印刷システムといった大面積パターン印刷システムを含む）又はスロットダイ堆積システムを含みうる。
動作８３０では、オプションで、保護層がリチウム金属層の上に形成される。保護層は、保護膜４２０でありうる。保護膜４２０は、フッ化リチウム膜又は炭酸リチウム膜でありうる。１つの実施態様では、保護膜４２０は、蒸発プロセスを介して形成される。基板上に堆積される材料は、処理領域で堆積される材料を蒸発させるために蒸発プロセスにさらされる。蒸発材料は、リチウム（Ｌｉ）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）（例えば、超高純度単結晶リチウム）、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）、炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３）、又はこれらの組み合わせからなる群から選択されうる。通常、堆積される材料は、リチウムなどの金属を含む。更に、蒸発材料はまた、無機化合物であってもよい。蒸発材料は、蒸発プロセス中に蒸発し、リチウム金属膜がコーティングされる材料である。堆積される材料（例えば、フッ化リチウム）は、るつぼ内に提供することができる。例えば、フッ化リチウムは、熱蒸発技術によって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。このＡｌＯｘは、ｎｍの厚さとすることができるだろうが、非多孔性の可能性がある。一部の電気化学的条件下では、イオン伝導性のＬｉ－Ａｌ－Ｏが形成されることがある。
いくつかの実施態様では、蒸発材料は、ペレット形式でるつぼに供給される。いくつかの実施態様では、蒸発材料は、ワイヤとして、るつぼに供給される。この場合、蒸発材料と反応性ガスの求められる比率が達成されるように、供給速度及び／又はワイヤ直径が選択されなければならない。いくつかの実施態様では、るつぼへの供給のための供給ワイヤの直径は、０．５ｍｍと２．０ｍｍとの間（例えば、１．０ｍｍと１．５ｍｍとの間）で選択される。これらの寸法は、蒸発材料で作られたいくつかの供給ワイヤを参照することがある。ワイヤの典型的な供給速度は、５０ｃｍ／分と１５０ｃｍ／分との間（例えば、７０ｃｍ／分と１００ｃｍ／分との間）の範囲内にある。
蒸気を発生させ、リチウム金属膜を保護膜でコーティングするために、るつぼが加熱される。通常、るつぼは、るつぼの対向する側面に配置される、るつぼの電極に電圧を印加することによって加熱される。概して、本書に記載の実施態様によれば、るつぼの材料は導電性である。通常、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。通常、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、タングステン、ＴｉＢ２、ＢＮ、Ｂ４Ｃ、及びＳｉＣからなる群から選択される１つ又は複数の材料から作られる。
堆積される材料は、蒸着るつぼを加熱することにより、溶融され蒸発する。るつぼの第１の電気的接続及び第２の電気的接続に接続された電源（図示せず）を提供することにより、加熱を行うことができる。例えば、これらの電気的接続は、銅又は銅合金から作られた電極でありうる。したがって、加熱は、るつぼの本体を通って流れる電流によって行われる。他の実施態様によれば、加熱はまた、蒸発装置の放射ヒータ又は蒸発装置の誘導性加熱ユニットによっても実行されうる。
本開示による蒸発ユニットは、通常、摂氏８００度と摂氏１２００度との間の温度、例えば摂氏８４５度に加熱することができる。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。通常、るつぼ材料は、その安定性が当該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。通常、多孔性ポリマー基板の速度は、２０ｃｍ／分と２００ｃｍ／分との間の範囲内、より典型的には８０ｃｍ／分と１２０ｃｍ／分との間の範囲内、例えば１００ｃｍ／分などである。これらの場合、搬送のための手段は、基板をこれらの速度で搬送可能とすべきである。
動作８４０において、リチウム金属層の表面及び／又は保護層の表面の少なくとも１つ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ために蒸発プロセスにさらされる。動作８１０は、動作５１０、動作６１０、及び動作７１０と同様に実行されうる。動作８５０において、反応性ガスは、蒸発材料と反応させるために、処理領域に流入され、リチウム金属層の表面及び／又は保護層の表面の少なくとも１つにセラミックセパレータ層を形成する。セラミックセパレータ層は、セラミックセパレータ層４３０ａでありうる。いくつかの実施態様では、負電極及び正電極への堆積は、同じ処理チャンバで行われてもよく、又は別々の処理チャンバで行われてもよい。いくつかの実施態様では、負電極及び正電極への堆積は、順次行われてもよく、又は同時に行われてもよい。動作７２０は、動作５２０及び動作６２０と同様に実行されうる。
オプションで、セラミックセパレータ層上にゲルポリマー層が形成される。ゲルポリマー層は、ゲルポリマー層４４０であり、動作７３０で説明したゲルポリマー層３１０と同様に形成されてもよい。ゲルポリマー層４４０のポリマーは、Ｌｉイオンバッテリ産業で現在使用されているポリマーから選択することができる。ゲルポリマー層を形成するために使用されうるポリマーの例は、限定するものではないが、ポリビニリデンジフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリエチレン酸化物（ＰＥＯ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、及びこれらの組み合わせを含む。理論に束縛されるものではないが、ゲルポリマー層４４０は、Ｌｉ伝導性電解質を吸収して、デバイス製造中にゲルを形成することができ、このことは、良好な固体電解質界面（ＳＥＩ）の形成に有益であり、抵抗の低下にも役立つと考えられる。ゲルポリマー層４４０は、浸漬コーティング、スロットダイコーティング、グラビアコーティング、又は印刷によって形成することができる。ポリマーはまた、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｍｅｔａｃｏａｔ機器を使用して堆積することができる。誘電体ポリマー層は、約５ナノメートルから約１マイクロメートルの厚さを有しうる。
負電極及び正電極は、セラミックセパレータ層４３０ａ、ゲルポリマー層４４０ａ、及びセラミックセパレータ層４３０ｂがそれらの間にある状態で共に接合され、セル構造、例えばセル構造４００を形成する。
図９は、本書に記載の１つ又は複数の実施態様によるセラミックセパレータを形成するための統合された処理ツール９００の概略図を示す。特定の実施態様では、統合された処理ツール９００は、一列に配置された複数の処理モジュール又はチャンバ９２０及び９３０を備え、それぞれが材料の連続シート９１０に対して１つの処理動作を実行するように構成される。１つの実施態様では、処理チャンバ９２０及び９３０は、独立型のモジュール式処理チャンバであり、各モジュール式処理チャンバが、他のモジュール式処理チャンバから構造的に分離されている。したがって、独立型のモジュール式処理チャンバのそれぞれは、相互に影響を与えることなく、独立して配置、再配置、交換、又は保守することができる。特定の実施態様では、処理チャンバ９２０及び９３０は、材料の連続シート９１０の両面を処理するように構成される。統合された処理ツール９００は、垂直に配向された材料の連続シート９１０を処理するように構成されているが、統合された処理ツール９００は、異なる配向に配置された基板、例えば、水平に配向された材料の連続シート９１０を処理するように構成されてもよい。特定の実施態様では、材料の連続シート９１０は、フレキシブル導電性基板である。
特定の実施態様では、統合された処理ツール９００は、転写機構９０５を備える。転写機構９０５は、材料の連続シート９１０を、処理チャンバ９２０及び９３０の処理領域を通して移動させることができる任意の転写機構を含みうる。転写機構９０５は、共通の搬送アーキテクチャを含んでもよい。共通の搬送アーキテクチャは、システムのための巻き取りリール９１４及び供給リール９１２を備えたリールツーリールシステムを含みうる。巻き取りリール９１４及び供給リール９１２は、個別に加熱されてもよい。巻き取りリール９１４及び供給リール９１２は、各リール内に配置された内部熱源又は外部熱源を使用して、個別に加熱されてもよい。共通搬送アーキテクチャは、巻き取りリール９１４と供給リール９１２との間に配置された１つ又は複数の中間転写リール（９１３ａ及び９１３ｂ、９１６ａ及び９１６ｂ、９１８ａ及び９１８ｂ）を更に含んでもよい。統合された処理ツール９００は、単一の処理領域を有するものとして示されているが、特定の実施態様では、各プロセスに対して別個の又は個別の処理領域、モジュール、又はチャンバを有することが有利なことがある。個別の処理領域、モジュール、又はチャンバを有する実施態様について、共通の搬送アーキテクチャは、各チャンバ又は処理領域が個々の巻き取りリール及び供給リールと、巻き取りリールと供給リールとの間に配置された１つ又は複数のオプションの中間転写リールを有するリールツーリールシステムでありうる。共通の搬送アーキテクチャは、トラックシステムを含みうる。トラックシステムは、処理領域又は個別の処理領域に拡張する。トラックシステムは、ウェブ基板又は個別の基板のいずれかを搬送するように構成される。
統合された処理ツール９００は、材料の連続シート９１０を異なる処理チャンバを通して移動させるための供給リール９１２及び巻き取りリール９１４を含みうる。異なる処理チャンバは、セラミックセパレータ膜を堆積するための第１の処理チャンバ９２０と、セラミックセパレータ膜上にゲルポリマー層を堆積するための第２の処理チャンバ９３０とを含みうる。いくつかの実施態様では、完成した電極は、図に示されるように巻き取りリール９１４に収集されることはないだろうが、バッテリセルを形成するために、セパレータ及び正電極などと直接統合することもある。
第１の処理チャンバ９２０は、材料の連続シート９１０上にセラミックセパレータ膜を堆積するように構成される。１つの実施態様では、第１の処理チャンバ９２０は蒸発チャンバである。蒸発チャンバは、るつぼ内に配置されうる蒸発源９４４ａ、９４４ｂ（まとめて９４４）を含むように示される処理領域９４２を有しており、例えば、真空環境における熱蒸発器又は電子ビーム蒸発器（加熱しない）であってもよい。処理領域９４２に反応性ガスを供給するための第１のガス源９５０は、処理領域９４２に連結される。遠隔プラズマ源９６０は、処理領域にプラズマを供給するために処理領域に連結される。リモートプラズマ源９６０は、第２のガス源９７０と連結されてもよい。
第２の処理チャンバ９３０は、材料のシート上に（例えば、セラミックセパレータ膜上に）ゲルポリマー層を堆積するように構成される。ゲルポリマー層は、本書に記載のイオン伝導性材料でありうる。ゲルポリマー層は、浸漬コーティング、スロットダイコーティング、グラビアコーティング、ラミネーティング、又は印刷によって形成することができる。
１つの実施態様では、第２の処理チャンバ９３０は、三次元印刷チャンバである。印刷チャンバは、ポリマーインクを印刷するための印刷源９５４ａ、９５４ｂ（まとめて９５４）を含むように示されている処理領域９５２を有する。
１つの実施態様では、処理領域９４２及び処理領域９５２は、処理中、真空下及び／又は大気圧未満の圧力のままである。処理領域９４２の真空レベルは、処理領域９５２の真空レベルに一致するように調整されてもよい。１つの実施態様では、処理領域９４２及び処理領域９５２は、処理中は大気圧のままである。１つの実施態様では、処理領域９４２及び処理領域９５２は、処理中に不活性ガス雰囲気下にとどまる。１つの実施態様では、不活性ガス雰囲気は、アルゴンガス雰囲気である。１つの実施態様では、不活性ガス雰囲気は、窒素ガス（Ｎ２）雰囲気である。
追加のチャンバが、統合された処理ツール９００に含まれていてもよい。いくつかの実施態様では、追加のチャンバが、電解質可溶性結合剤の堆積を提供してもよく、又はいくつかの実施態様では、追加のチャンバが、電極材料（正又は負の電極材料）の形成を提供してもよい。いくつかの実施態様では、追加のチャンバが電極の切断を提供する。
図１０Ａは、コーティングされていないカソード材料の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像１０００を示す。図１０Ｂは、本書に記載の実施態様による酸化アルミニウムでコーティングされたカソード材料のＳＥＭ画像１０１０を示す。
図１１は、本書に記載の実施態様に従って形成されたセラミックセパレータ層を有するセル構造１１００の概略断面図のＳＥＭ画像を示す。セル構造１１００は、負電極と正電極との間に配置されたセラミックセパレータ層を含む。負電極の厚さは約５５μｍであり、推定される多孔性は２０％未満である。正電極（例えば、ＬｉＣｏＯ２）の厚さは約６５μｍであり、推定される多孔性は約１７％である。セラミックセパレータ層の厚さは、約１２～１４μｍである。
要するに、本開示の利点のいくつかは、セラミックセパレータ材料を直接電極材料の上に効率的に堆積することを含む。セラミックセパレータ材料を直接電極材料の上に堆積することができるため、ポリオレフィンセパレータが不要になる。ポリオレフィンセパレータをなくすことで、熱収縮の可能性が減る一方で、正電極と負電極との間の距離が短くなる。例えば、いくつかの実施態様では、本書に記載の実施態様に従って形成されたセラミックセパレータ層は、厚さが通常約２０μｍ以上であるポリオレフィンセパレートと比較して、厚さが３μｍ以下となる。加えて、本書に記載の乾燥コーティング技術は、湿式コーティング技術が被るいくつかの欠点を被ることはない。例えば、湿式コーティング技術には溶媒が含まれ、これは下位の電極構造に吸着されることが多く、プロセス全体に余分な乾燥動作を追加する。更に、本書で説明するいくつかの実施態様では、セラミックセパレータ層堆積のプロセスは、堆積プロセス及び処理ツールに追加の乾燥成分を追加せずに、電極構造から残留水分を除去する真空コーティングプロセスである。
本開示の要素又はその例示的態様又は実施態様を導入する場合、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「ｓａｉｄ」は、１つ又は複数の要素が存在することを意味すると意図されている。
「含む、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、及び「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、包括的であることが意図されており、列挙された要素以外にも追加の要素が存在しうることを意味する。
上記は本開示の実施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することなく、本開示の他の実施態様及び更なる実施態様が考案されてもよく、本開示の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。
Claims (13)
- バッテリのためのセパレータを形成する方法であって、
処理領域に配置された負電極構造上に形成されたリチウム金属層の表面上に堆積される金属材料を蒸発プロセスにさらして、蒸発した金属材料を形成することと、
反応性ガスを前記処理領域に流入させることと、
前記反応性ガスと前記蒸発した金属材料とを反応させて、前記リチウム金属層の前記表面上にセラミックセパレータ層を堆積することと
を含み、
前記反応性ガスを前記処理領域に流入させることが、
酸素を水蒸気にさらして、湿った酸素を形成することと、
前記湿った酸素を前記処理領域に導入することと
を含み、前記セラミックセパレータ層が、水酸化酸化アルミニウム層であり、
前記リチウム金属層が、前記金属材料を蒸発プロセスにさらす前に該リチウム金属層上に形成された保護膜を有し、前記保護膜が、フッ化リチウム、炭酸リチウム、又はこれらの組み合わせから選択される、方法。
方法。 - 前記蒸発プロセスが、熱蒸発プロセス又は電子ビーム蒸発プロセスである、請求項１に記載の方法。
- 前記蒸発プロセスが、前記金属材料を摂氏１３００度と摂氏１６００度との間の温度にさらすことを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記セラミックセパレータ層が、結合剤を含まないセラミック層である、請求項１に記載の方法。
- 前記セラミックセパレータ層が、１ナノメートルから３０００ナノメートルの範囲の厚さを有している、請求項１に記載の方法。
- 前記厚さが、１０ナノメートルから５００ナノメートルの範囲にある、請求項５に記載の方法。
- 前記セラミックセパレータ層がベーマイトを含む、請求項１に記載の方法。
- 湿式コーティング技術を使用して、前記負電極構造のエッジにセラミックエッジコーティングを堆積すること
を更に含む、請求項１に記載の方法。 - 前記セラミックエッジコーティングを堆積することが、前記リチウム金属層の前記表面上に堆積される前記金属材料を蒸発プロセスにさらす前に行われる、請求項８に記載の方法。
- 前記セラミックエッジコーティングを堆積することが、前記リチウム金属層の前記表面上に前記セラミックセパレータ層を堆積した後に行われる、請求項８に記載の方法。
- 前記セラミックセパレータ層の上にゲルポリマー層を堆積することを更に含む、請求項１に記載の方法。
- セパレータを形成する方法であって、
処理領域に配置された負電極構造上に形成されたリチウム金属層の表面の上に堆積される金属材料を、熱蒸発プロセス又は電子ビーム蒸発プロセスにさらして、蒸発した金属材料を形成することと、
反応性ガスを前記処理領域に流入させることと、
前記反応性ガスと前記蒸発した金属材料とを反応させて、前記リチウム金属層の前記表面上にセラミック層を堆積することと
を含み、
前記反応性ガスを前記処理領域に流入させることが、
酸素を水蒸気にさらして、湿った酸素を形成することと、
前記湿った酸素を前記処理領域に導入することと
を含み、前記セラミック層が、水酸化酸化アルミニウム層であり、
前記リチウム金属層が、前記金属材料を熱蒸発プロセス又は電子ビーム蒸発プロセスにさらす前に該リチウム金属層上に形成された保護膜を有し、前記保護膜が、フッ化リチウム、炭酸リチウム、又はこれらの組み合わせから選択される、方法。 - 前記負電極構造が、グラファイト又はケイ素含有グラファイトから構成される、請求項１２に記載の方法。
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