KR101357091B1 - 보호 패키징을 가진 박막 배터리 - Google Patents

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Abstract

배터리는 한 쌍의 도전체들 사이에 전해질을 포함하는 기판을 포함하고, 적어도 하나의 도전체는 비접촉 표면을 가진다. 캡은 약 1㎛ 내지 약 120㎛의 갭 간격(dg)를 가진 갭에 의해 도전체의 비접촉 표면으로부터 이격된다. 갭은 도전체가 갭 내부로 확장되게 한다. 갭은 밀봉으로 밀봉될 수 있는 둘레 주변부에서 측면들에 의해 추가로 한정된다. 하나의 변형에서, 도전체상 비접촉 표면들의 표면 영역 대 측면들의 총 표면 영역의 비율은 약 10:1 보다 크다. 유연한 유전체는 갭 내에 제공될 수 있다.

Description

보호 패키징을 가진 박막 배터리{THIN FILM BATTERY WITH PROTECTIVE PACKAGING}
본 발명은 보호 패키징을 가진 박막 배터리에 관한 것이다.
박막 구성요소들을 가진 배터리들은 통상적으로 반도체들 또는 디스플레이들을 제조하기 위하여 사용되는 처리 기술들을 사용하여 제조된다. 소형의 크기는 박막 배터리들이 예를 들어 휴대용 전자제품들, 의학 장치들, 및 우주 시스템들과 같은 많은 애플리케이션에 사용될 수 있게 한다. 단위 체적 및 무게당 배터리의 에너지 용량을 표현하는 박막 배터리들의 에너지 밀도 및 특정 에너지는 각각 중요한 성능 측정치들이고, 결과적으로, 상기 배터리들의 에너지 밀도 및 특정 에너지를 증가시키는 것은 바람직하다.
애노드, 캐소드 및 전해질과 같은 배터리 구성요소들은 예를 들어 공기, 산소, 탄소 일산화물, 탄소 이산화물, 질소, 습기 및 유기 용매들과 같은 주변 외부 환경 노출에 민감하다. 따라서, 배터리용 보호 패키징은 외부 환경에 대한 박막의 노출을 감소시키거나 제거하기 위하여 제공된다. 예를 들어, 중합체의 보호 시트는 보호 패키징으로서 사용하기 위하여 배터리 구조상에 적층될 수 있다. 그러나 결과적인 적층 구조는 종종 본래 배터리보다 매우 두껍다. 예를 들어, 적층된 시트들은 통상적으로 적당한 보호 및 구조적 지지를 제공하기 위하여 몇십 또는 몇백 마이크로미터들이어야 하는 반면, 배터리 구성요소 자체는 단지 몇 마이크로미터 두께이다. 따라서, 적층된 패키징은 실질적으로 배터리의 무게 및 체적을 증가시키고 결과적으로 에너지 밀도를 감소시킨다.
배터리의 구성요소 필름들로서 동일한 방식으로 배터리 구조상에 증착된 보호 커버링 필름은 보호 패키징으로서 사용할 수 있다. 상기 보호 필름들은 세라믹, 금속 및 파릴렌을 포함할 수 있다. 그러나 상기 필름들은 종종 충분히 긴 시간 동안 완전한 보호를 제공하지 못하고 가스들 또는 다른 대기 요소들이 단지 몇 달의 비교적 짧은 시간 내에 필름들을 통하여 용해되게 한다. 이들 커버링 필름들은 적당한 구조적 지지를 제공하지 못하고, 상기 커버링 필름들의 사용은 배터리의 구조적 세기를 증가시키기 위하여 부가적인 패키징을 수반할 수 있고, 따라서 추가로 에너지 밀도를 감소시킨다. 게다가, 이들 필름들은 적당한 환경 보호를 제공하기 위하여 몇십 마이크로미터의 두께이어야 하고, 이런 부가적인 두께는 에너지 밀도를 추가로 감소시킨다.
유리 시트는 보호 패키징으로 사용하기 위하여 배터리 구성요소 필름들 상에 배치될 수 있다. 그러나 유리 시트는 아래 놓인 배터리 구성요소 필름들에 대해 구부러지지 않는 경계를 제공한다. 예를 들어, 애노드는 통상적으로 배터리의 충전 및 방전 사이클들 동안 확장 및 수축한다. 구부러지지 않는 유리 시트는 애노드에서 기계적 스트레스들을 생성하는 상기 확장을 제한하고 궁극적으로 기계적 또는 화학적 결함을 유발하고 배터리의 수명을 감소시키거나 품질을 떨어뜨린다. 유리 시트는 통상적으로 너무 두껍고 무거우며, 따라서 배터리의 에너지 밀도 및 특정 에너지를 추가로 감소시킨다.
따라서, 배터리 구성요소 필름들을 주위 환경 요소들에 대해 보호하는 배터리가 필요하다. 비교적 높은 에너지 밀도 및 특정 에너지를 가진 배터리가 또한 필요하다. 오랜 시간 기간 동안 포함된 구성요소들에게 보호를 제공하는 배터리가 추가로 필요하다. 또한, 적당한 구조적 지지를 가진 배터리가 필요하다.
본 발명의 이들 특징들, 측면들 및 장점들은 다음 상세한 설명, 첨부된 청구항들 및 첨부된 도면들에 관련하여 보다 잘 이해되고, 이 도면들은 본 발명의 실시예들을 도시한다. 그러나 각각의 특징들이 단순히 특정 도면들의 환경에서가 아니고 일반적으로 본 발명에 사용될 수 있고, 본 발명이 이들 특징들의 임의의 결합을 포함한다는 것이 이해된다.
도 1은 배터리 셀 및 면하는 캡(cap) 사이에 갭(gap)을 가진 기판상 단일 배터리 셀을 포함하는 배터리의 단면도이다.
도 2는 그 사이에 갭을 가지며, 기판들 자체인 캡들에 의해 밀봉되는 두 개의 면하는 배터리 셀들을 포함하는 배터리의 단면도이다.
도 3은 도 2의 배터리의 평면도이다.
도 4는 인접하고 분리된 기판들 상의 두 개의 면하는 배터리 셀 및 캡으로서 사용하는 기판상 제 3 배터리 셀을 포함하는 배터리의 단면도이다.
도 5는 그 사이에 적응성 있는 유전체 및 기판들 자체에 의해 형성된 캡들을 가진 면하는 배터리들을 구비하는 배터리의 단면도이다.
도 6은 직렬로 접속된 배터리 셀들의 스택을 포함하는 배터리의 개략 단면도이다.
도 7은 병렬로 접속된 배터리들의 스택을 포함하는 배터리의 개략적인 단면도이다.
도 8은 두 개의 캡들을 가진 단일 기판의 두 개의 대향(opposing) 표면들 상에 배터리 셀들을 포함하는 배터리의 단면도이다.
도 9는 직렬로 접속된 이중 측면 배터리 셀들의 스택의 예시적인 배열을 포함하는 배터리의 개략적인 단면도이다.
도 10은 병렬로 접속된 이중 측면 배터리 셀들의 스택의 예시적인 배열을 포함하는 배터리의 개략적인 단면도이다.
도 11a는 기판의 한 측면 상에 형성되고 직렬로 접속된 배터리 셀들의 배열을 포함하는 배터리의 개략적인 평면도이다.
도 11b는 기판의 한 측면 상에 형성되고 직렬로 접속된 배터리 셀들의 배열의 개략적인 측단면도이다.
본 발명의 특징들을 가진 배터리(20)의 실시예는 도 1에 도시된다. 배터리(20)는 소형의 크기, 높은 특정 에너지 및 에너지 밀도, 및 환경 요소들에 대한 저항을 요구하는 많은 애플리케이션에 유용하다. 도시된 버전에서, 배터리(20)는 한쪽 측면 상에서 기판(24)에 의해 밀봉되고 다른 쪽 측면 상에서 기판(24)과 대향하는 캡(26)에 의해 밀봉되는 하나의 배터리 셀(22)을 포함한다. 기판(24) 및 캡(26)에 의해 형성된 밀봉은 외부 환경으로부터 배터리 셀의 박막들을 보호한다. 기판(24)은 환경 요소들에 적당히 불침투성인 재료로 만들어지고, 박막들을 형성하기에 비교적 부드러운 표면(32)을 가지며, 제조 온도 및 배터리 동작 온도들에서 증착된 박막들을 지지하기에 충분한 기계적 세기를 가진다. 기판들(24)은 외부 기판 표면(28a)의 목표된 전기적 특성들에 따라 절연체, 반도체, 또는 도전체일 수 있다. 예를 들어, 기판(24)은 애플리케이션에 따라 알루미늄 산화물 또는 유리, 또는 심지어 알루미늄 또는 스틸일 수 있다.
하나의 버전에서, 기판(24)은 통상적으로 모스크바 구조, 및 KAl3Si3O10(OH)2의 화학양론을 가진 층진 실리케이트인 운모(mica)를 포함한다. 운모는 큰 편평한 표면들의 방향을 따라 우수한 벽개(cleavage) 특성을 가진 6 측면 편평한 단사정계 결정 구조를 가진다. 이런 결정 구조로 인해, 운모는 대부분 화학적으로 또는 기계적으로 폴리싱된 표면들보다 부드러운 표면들을 가진 얇은 기판들(24)을 제공하기 위하여 벽개 방향을 따라 얇은 포일들로 갈라질 수 있다. 화학적으로, 운모는 안정하고 대부분의 산, 물, 알칼리, 및 공통 용매들의 작용에 불활성이어서, 배터리에 대한 우수한 표면 커버링을 형성한다. 전기적으로, 운모는 우수한 유전 세기, 균일한 유전 상수, 및 낮은 전기 전력 손실 요소를 가진다. 운모는 또한 600℃까지의 고온에서 안정하고 우수한 인장 세기를 가진다. 약 100㎛ 미만, 및 통상적으로 약 4㎛ 내지 약 25㎛ 범위의 운모 기판(24)은 배터리(20)에 대한 우수한 기계적 지지를 제공하기 위하여 충분히 강하다. 이런 기판 두께는 편평한 지층의 벽개 평면에 대해 수직인 방향으로 외부 가스들 및 액체들에 우수한 장벽을 제공하고, 따라서 많은 다른 환경들에서 우수한 환경 보호를 제공할 수 있다. 운모는 또한 비교적 낮은 무게 및 체적을 가져서, 배터리의 특정 에너지 및 에너지 밀도를 개선한다.
배터리 셀(22)의 다른 측면에서, 기판(24)과 면하는 것은 배터리 밀봉부(seal)의 일부로서 사용하는 캡(26)이다. 캡은 통상적으로 환경 품질 저하에 저항하고 외부 가스들 및 액체들로부터 불침투성 밀봉을 제공하는 재료로 이루어진다. 캡(26)은 또한 운모 시트와 같은 기판(20)과 동일한 재료를 포함하고, 상기 경우 배터리의 양쪽 넓은 영역 측면들은 운모 시트들에 의해 밀봉된다. 기판(24) 또는 캡(26)은 또한 석영, 금속 포일, 금속화된 플라스틱 필름, 금속 케이싱, 세라믹 케이싱 또는 유리 케이싱을 포함하는 다른 재료들로 만들어질 수 있다. 일 실시예에서, 전체 밀봉부는 예를 들어 도 7에 도시된 바와 같이 땜납 또는 아교에 의해 에지들에서 서로 결합되는 금속 포일을 포함하는 캡(26)으로 만들어진다. 기판(24) 및 캡(26)은 예를 들어 운모 기판(24) 및 금속 포일 캡(26) 같이 다른 재료로 만들어질 수 있다.
기판(24) 및 대향하는(facing) 캡(26)은 주변 환경에의 노출 및 주변환경으로부터의 부식으로부터 내부 배터리 구조를 보호하는 대부분의 배터리(20)의 외부 밀봉 표면 영역을 형성한다. 예를 들어, 하나의 타입의 배터리에서, 기판(24) 자체의 외부 표면(28a)은 배터리(20)의 총 외부 영역의 대략 45%를 형성하고, 총 외부 영역의 다른 45%는 캡(26)의 외부 표면(28b)에 의해 형성된다. 배터리(20) 외부 영역의 나머지 10% 또는 그 미만은 캡(26) 및 기판(24) 사이의 공간들인 다수의 측면들(30)을 따라 발생한다. 바람직하게, 배터리(20)는 배터리 셀(22)이 형성된 적어도 하나의 기판(24)이 주변 환경에 노출된 배터리(20)의 대부분의 영역을 형성하기 위하여 사용하도록 제조된다. 따라서, 도 1에 도시된 배터리에서, 배터리(20)의 외부 표면 영역의 약 45%는 기판(20)의 후면 표면(28a)에 의해 형성되고, 캡(26)의 표면(28a)은 다른 45%를 대략적으로 형성하고, 나머지 10%는 측면들(30)에 의해 형성된다. 대안에서, 기판(24) 및 캡(26)이 동일한 재료로 만들어질 때, 예를 들어 배터리(20)의 외부 표면 영역의 약 90%의 두 개의 운모 시트들은 표면들(28a, b)에서 발생한다. 기판(24) 자체를 사용함으로써, 배터리(2)에 대한 지지 구조뿐 아니라 밀봉 환경에 사용하기 위하여, 밀봉 구조의 무게 및 체적은 최소화되어, 배터리의 에너지 밀도를 증가시킨다.
배터리(20)의 각각의 배터리 셀(22)은 전해질(84)의 대향 표면들 상에 있는 다수의 도전체들(40a, b)을 포함한다. 도전체들(40a, b)은 도전 금속들로 만들어지고 전극들(60a, b), 전류 컬렉터(collector)들(72), 부착 필름, 또는 이들의 결합들로서 사용할 수 있다. 예를 들어, 제 1 쌍의 도전체들(40a)은 애노드 전극(60a)을 포함하고, 선택적으로 애노드 전류 컬렉터(72a)를 포함할 수 있다. 몇몇 버전들에서, 애노드 전류 컬렉터는 애노드가 애노드 전류 컬렉터 및 애노드 자체로서 사용하기 때문에 사용되지 않는다. 제 2 쌍의 도전체들(40b)은 캐소드 전극(60b) 및 선택적 캐소드 전류 컬렉터(72b)를 포함할 수 있다. 도전체들(40a, b)의 위치 및 순서는 상호교환되고, 예를 들어 애노드(60a) 및 애노드 전류 컬렉터(72a)의 위치는 캐소드(60b) 및 캐소드 전류 컬렉터(72b)의 위치와 상호교환될 수 있다. 따라서, 청구항들은 도면들에 도시된 버전으로 제한되지 않는다. 도 1에 도시된 버전에서, 사용될 때, 애노드 전류 컬렉터(72a) 및 캐소드 전류 컬렉터(72b)는 모두 기판(24)의 표면상에 형성되고 다른 층들은 이들 층들 상에 증착된다.
전극들, 즉 애노드(60a) 및 캐소드(60b)는 예를 들어 비결정질 바나듐 5산화물(V2O5), 또는 TiS2, LiMnO2, LiMn2O2, LiMn2O4, LiCoO2 및 LiNiO2와 같은 몇몇 결정 화합물들 중 하나와 같은 각각 전기 화학적 액티브 재료를 포함한다. 전극들은 통상적으로 우수한 전류 운반 능력을 제공하기 위하여 충분히 두껍고 확대 스트레스들 및 이온들과 전자들의 통과에 대한 전기 저항을 최소화하기 위하여 충분히 얇은 두께를 가진다. 전극들에 적당한 두께는 약 0.1㎛ 내지 약 20㎛ 사이이다. 하나의 버전에서, 전극들(60a, b)은 전류 컬렉터(72a, b)로서 사용하기 위하여 충분히 도통하는 리튬 필름으로 형성되고 이런 버전에서 전극들(60a, b) 및 전류 컬렉터(72a, b)는 동일하다. 다른 버전에서, 하나 또는 그 이상의 전극들(60a, b)은 구리와 같은 금속들로 만들어질 수 있다.
전류 컬렉터들(72a, b)은 전자들이 전극(60a, b)으로부터 소모되거나 수집되는 도전 표면을 제공한다. 따라서 전류 컬렉터들(72a, b)은 전극들(60a, b)에 또는 상기 전극들로부터 전자를 증가시키기 위한 모양 및 크기이고 전극들 위 또는 아래에 형성되어 전기적으로 결합된다. 전류 컬렉터들(72a, b)은 예를 들어 금속, 비반응(non-reactive) 금속, 금속 합금, 금속 실리사이드, 또는 이들의 혼합물들과 같은 금속 함유 재료들을 포함하는 도전층들이다. 예를 들어, 하나의 버전에서, 각각의 전류 컬렉터(72a, b)는 은, 금, 백금 또는 알루미늄과 같은 비반응 금속을 포함한다. 비반응 금속을 사용하는 것의 장점은 배터리(20)가 배터리(20)의 다른 구성요소 필름들과 전류 컬렉터 재료가 반응하지 않고 전류 컬렉터들(72a, b)을 형성한 후 비교적 고온으로 처리될 수 있다는 것이다. 그러나 다른 버전들에서, 전류 컬렉터들(72a, b)은 비반응 금속을 필요로 하지 않는다. 전류 컬렉터들(72a, b)은 적당한 전기 도전성을 제공하기 위하여 선택된 두께를 가지며, 예를 들어 하나의 버전에서, 전류 컬렉터들(72a, b)은 약 0.05㎛ 내지 약 5㎛ 사이의 두께를 가진다.
배터리(20)는 또한 위에 놓인 층들의 부착을 개선하기 위하여 기판(24) 또는 다른 층들 상에 증착된 하나 또는 그 이상의 부착층들(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 부착층은 예를 들어 티타늄, 코발트, 알루미늄, 다른 금속들과 같은 금속; 또는 예를 들어 LiCoO2의 화학양론을 포함할 수 있는 예를 들어 LiCoOx와 같은 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 하나의 버전에서, 부착층은 기판(24) 상에 증착되고 전류 컬렉터들(72a, b)과 동일한 재료를 포함한다.
배터리(20)는 또한 애노드(60a) 및 캐소드(60b) 같은 도전체들(40a, b)의 쌍 사이에 전해질(84)을 포함한다. 전해질(84)은 예를 들어 LiPON 필름으로서 공지된 비결정질 리튬 다공성 옥시니트라이드 필름일 수 있다. 일 실시예에서, LiPON은 약 2.9:3.3:0.46의 x:y:z 비율의 LixPOyNz 형태이다. 하나의 버전에서, 전해질(84)은 약 0.1㎛ 내지 약 5㎛의 두께를 가진다. 이 두께는 충분히 높은 이온 도전성을 제공하기 위하여 충분히 크고 전기 저항을 최소화하고 스트레스를 감소시키기 위하여 이온 경로들을 감소시키기에 충분히 작다.
배터리(20)는 기판(24) 및 캡(26) 상에 형성된 전극(60a) 표면 같은 도전체(40a)의 비접촉 표면(42) 사이에 단일 분리 갭(100)을 가진다. 분리 갭(100)은 도전체(40a) 및 캡(26) 사이의 공간일 수 있다. 분리 갭(100)은 배터리(20)의 동작 동안 확장 및 이동하기 위한 배터리 셀(22) 구성요소들의 공간을 제공한다. 예를 들어, 배터리 셀(22)은 도전체들(40a, b), 예를 들어 전극들(60a, b), 선택적 전류 컬렉터들(72a, b) 또는 배터리 셀(22)의 다른 구성요소들이 열 팽창을 겪을 수 있는 동작 동안 열을 생성 또는 수용할 수 있다. 전극들(60a, b) 또는 전해질(84), 또는 양쪽은 배터리(20)의 동작 동안 발생하는 전기화학적 처리를 통하여 이들 층들에 대해 재료의 제거 또는 부가로 인한 체적의 확대 또는 수축을 경험할 수 있다. 분리 갭(100)이 없을 때, 배터리(20)의 구성요소들은 확장하기 위한 공간이 없고 배터리(20)의 성능 감소 또는 결함을 유발할 수 있는 바람직하지 않은 기계적 스트레스들을 경험할 수 있다. 예를 들어, 바람직하지 않은 기계적 스트레스들은 포함된 배터리 셀 필름의 파손 또는 얇은 조각으로 갈라짐과 같은 물리적 결함을 유발할 수 있다. 이것은 출력 전압, 전력 저장 용량, 또는 충전 시간의 감소와 같은 배터리(20) 성능을 감소시킬 수 있는 배터리(20) 전기 경로의 분리 또는 기생 전기 저항을 유발할 수 있다.
분리 갭(100)은 배터리 구성요소들의 확대를 위한 공간을 제공하기에 충분히 크게 선택되는 갭 간격(dg)을 가진다. 갭 간격(dg)은 배터리(20)의 에너지 밀도를 과도하게 손상하지 않고 충분히 작게 선택된다. 예를 들어, 하나의 버전에서, 갭 간격(dg)은 약 1㎛ 내지 약 120㎛이 되도록 선택된다. 다른 버전에서, 갭 간격(dg)은 약 10㎛ 미만이 되도록 선택된다. 갭(100)은 적어도 하나의 도전체들(40a, 40b) 상에 있는 비접촉 표면(42)과 기판(24) 또는 캡(26)에 의해 밀봉되지 않은 갭(100)의 주변 에지 둘레 부근의 영역들에 원래 측면이 개방되어 면하는 측면들(30)에 의해 한정된다. 측면들(30)의 총 영역은 측면들(30)로부터 배터리(20)로 진입하고 도전체(40) 또는 배터리의 다른 필름들로 이동하고 오염 또는 박막들의 다른 품질 저하를 유발하는 가스 종들의 확산 또는 통과를 감소시키기 위하여 작은 갭 간격(dg)을 유지함으로써 작게 유지된다. 따라서, 바람직하게, 도전체(40a)의 비접촉 표면(42) 영역 대 측면들(30)의 총 영역의 비율은 적어도 약 10:1 및 보다 바람직하게, 약 20:1 내지 약 50:1이다. 측면들(30)의 총 영역은 측면들(30)의 누적 영역이다. 분리 갭(100)은 배터리 셀(22)의 구성요소들이 만약 보호되지 않으면 바람직하지 않은 주위 요소들에 노출될 수 있는 위치를 제공한다. 좁은 갭(100)은 외부 환경으로부터 도전체들(40a, b)로 가스 또는 다른 오염 종들의 이동을 제한하는 좁은 통로를 형성한다.
측면들(30)로부터 도전체들(40) 및 다른 박막들로 가스 종들의 이동을 추가로 감소시키거나 완전히 방지하기 위하여, 밀봉부(120)는 갭(100)의 측면들(30) 주변으로 연장한다. 밀봉부(120)는 기판(24)과 관련하여 배터리 구성요소들 및 환경 요소들 사이의 밀폐 경계를 제공한다. 예를 들어, 밀봉부(120)는 환경적으로 안정하고 습기에 대한 장벽을 제공한다. 바람직하게, 밀봉부(120)는 약 10g·mil/(in2·day) 미만의 투습성(moisture permeability)을 포함한다. 밀봉부(120)는 유연한(pliable) 유전체 또는 도전 재료로 형성됨으로써 도전체(40)의 측면 확장을 허용하도록 적응할 수 있다. 예를 들어, 밀봉부(120)는 에폭시, 중합화된 에틸렌 산 공중합체, 아피에존 왁스(Apiezon wax) 또는 아피에존 그리스(Apiezon grease)(M&I Materials LTC, U.K.), 파라핀, 오가스, 설린 수지(Surlyn resin; Dupont de Nemours), 또는 그것의 혼합물로 형성될 수 있다. 밀봉부(120)는 금속 또는 세라믹 분말 충전 에폭시와 같은 도전성 재료 및 인듐, 주석, 납, 또는 그것의 혼합물과 같은 낮은 용융점 금속을 포함할 수 있다. 도전성 재료들이 밀봉부들로서 사용될 때, 상기 도전성 재료들은 전류 컬렉터(72)로부터 절연될 필요가 있다.
도 2에 도시된 버전에서, 배터리(20)는 그 사이에 분리 갭(100)을 가지고 서로 면하는 두 개의 배터리 셀들(22a, b)을 포함한다. 제 1 배터리 셀(22a)은 기판(24)상에 제 1 쌍의 도전체들(40a,40b)을 포함하고; 제 2 배터리 셀(22b)은 제 2 기판(24b)상에 제 2 쌍의 도전체들(40c,40d)을 포함한다. 이런 버전에서, 각각의 도전체(40)는 전극(60) 및 전류 컬렉터(72)를 포함한다. 예를 들어, 셀(22a)에서, 도전체들(40a,40b)의 쌍은 애노드(60a) 및 캐소드(60b)를 각각 포함하고, 또한 애노드 전류 컬렉터(72a) 및 캐소드 전류 컬렉터(72b)를 각각 포함하는 두 개의 전류 컬렉터들을 포함한다. 유사하게, 셀(22b)에서, 도전체들(40c,40d)의 쌍은 각각 애노드(60c) 및 캐소드(60d)를 포함하고, 또한 애노드 전류 컬렉터(72c) 및 캐소드 전류 컬렉터(72d)를 각각 포함하는 두 개의 전류 컬렉터들을 포함한다. 도전체들(40)의 위치 및 순서는 교환될 수 있고, 예를 들어 애노드들(60a, c) 및 애노드 전류 컬렉터들(72a, c)의 위치는 캐소드(60b, d) 및 캐소드 전류 컬렉터(72b, d)의 위치와 교환될 수 있다. 도 2에 도시된 버전에서, 양쪽 전류 컬렉터들(72a,72b)은 기판(24a)상에 형성된다. 배터리 셀들(22a, b) 사이의 분리 갭(100)은 또한 갭(100)을 가로질러 서로 면하는 대향 배터리 셀들(22a, b)로부터 전극들(60a, d)과 같은 전기적으로 독립된 도전체들 사이의 혼선을 방지한다.
배터리(20)는 도 3에 도시된 바와 같이 배터리(20)의 외부 표면에 한 세트의 배터리 단자들(88a, b)을 포함한다. 터미널들(88)은 음의 단자(88a) 및 양의 단자(88b)를 포함한다. 배터리(20)는 제 1 세트의 양 및 음의 단자들, 및 제 2 세트의 양 및 음의 단자들을 포함하는 다중 세트의 단자들을 포함할 수 있다. 단자들(88a, b)은 도 3에 도시된 예에서 전류 컬렉터들(72c, d)의 노출된 부분들일 수 있고, 여기서 각각의 전류 컬렉터(72c, d)의 일부는 터미널들(88a, b)로서 작동하는 외부 환경으로 하나의 표면을 제공하기 위하여 배터리(20)의 내부에서 외부로 연장한다. 전류 컬렉터(72c, d)의 노출된 표면인 각각의 단자(88a, b)는 실질적으로 결함이 없는 전기 박막 도전체이고, 전류 컬렉터들(72)과 동일한 재료로 만들어질 수 있다. 다른 버전에서, 단자(88)는 전류 컬렉터(72)에 부착된 금속 포일 또는 와이어이다.
도 2의 버전에서, 배터리(20)는 제 1 쌍의 도전체들(40a,40b)의 비접촉 표면들(42a, b) 및 제 2 쌍의 도전체들(40c,40d)의 비접촉 표면(116b) 사이에 단일 분리 갭(100)을 포함하고, 제 1 쌍의 도전체들(40a,40b) 중 적어도 하나는 갭 간격(dg)만큼 제 2 쌍의 도전체들(40c,40d) 중 적어도 하나로부터 분리된다. 이런 버전에서, 배터리(20)는 두 개의 완전한 배터리 셀들(22a, b)을 포함하고, 각각의 배터리 셀(22a, b)은 독립적인 단자들의 세트(88a, b) 양단에서 배터리 셀 전압을 형성한다. 두 개의 배터리 셀들(22a, b)은 분리된 단자들(88)(도시되지 않음)과 전기적으로 분리되고 직렬 또는 병렬로 접속될 수 있다. 이런 버전에서, 분리 갭(100)은 도전체(40) 및 캡(26)으로서 사용하는 제 2 기판(24b) 사이에 있다. 캡(26)은 예를 들어 유리와 같은 상기된 환경 요소들에 불침투성인 재료일 수 있다. 분리 갭(100)은 도전체(40) 및 캡(26) 사이의 공간이거나 갭(100)은 하기된 유연한 재료로 충전될 수 있다. 갭(100)은 하기된 바와 같이 기판(24)상 하나 또는 그 이상의 도전체들(40)을 외부 환경에 접속하기 위하여 갭(100)을 통하여 연장하는 전기 도전체들을 가질 수 있다.
다른 버전에서, 배터리(20)는 셀들 사이에 다수의 분리 갭들(100)을 가진 다수의 배터리 셀들(22)을 포함한다. 예를 들어, 도 4에 도시된 버전과 같은 하나의 버전에서, 배터리(20)는 갭 간격(dg 및 dg2)을 가진 두 개의 분리 갭들(100a, b)을 가진 3개의 배터리 셀들(22a-c)을 포함한다. 이런 버전에서, 배터리(20)는 3개의 배터리 셀들(22a-c)을 포함하고, 각각의 셀(22)은 다른 것과 전기적으로 분리되고 분리된 단자들의 쌍(도시되지 않음)을 배터리 외부에 제공한다. 갭 간격(dg)을 가진 제 1 분리 갭(100a)은 제 1 쌍의 도전체들(40a,40b) 중 하나의 비접촉 표면(42a) 및 제 2 쌍의 도전체들(40c,40d) 중 하나의 비접촉 표면(42b) 사이에 배치된다. 갭 간격(dg2)을 가진 제 2 분리 갭(100b)은 제 2 기판(24b) 및 제 3 기판(24c)상에 형성된 제 3 쌍의 도전체들(40e, 40f) 중 하나 사이에 배치된다. 각각의 기판(24a-c)은 배터리 셀들(22a-c)을 가진 단지 하나의 표면을 가진다. 이런 배터리(20)에서, 배터리 셀들(22a-c)은 기판들(24a-c)이 그 자체로 배터리 캡들을 형성하여, 보다 높은 특정 에너지를 배터리에 제공하기 위하여 배터리 셀 구성요소들을 효과적으로 사용하도록 접속된다.
도 5의 버전에서, 분리 갭(100)은 두 개의 배터리 셀들(22a, b)의 비접촉 표면(42a, b) 사이에 형성되고 유연한 유전체(128)에 의해 충전된다. 유연한 유전체(128)는 면하는 배터리들(22a, b)의 필름 구성요소가 충전된 갭(100)으로 확장하게 하도록 충분한 가요성을 가진다. 유연한 유전체(128)는 배터리들(22a, b)의 구성요소 필름들을 전기적으로 절연하고 전해질들(84a, b) 주변 도전체들(40a-d)이 충전 및 방전 사이클들 동안 체적을 변화시키게 한다. 따라서, 유연한 유전체(128)는 도전체들(40a-d)과 반응하지 않고 과도한 변형 없이 통상적인 사용 동안 배터리에 인가되는 압력들을 견딜 수 있는 재료를 포함한다. 예를 들어, 바람직하게, 유연한 유전체(128)는 약 0.1mm 미만의 두께 변형을 갖는 약 1kg/mm2의 압력을 견딜 수 있다. 유연한 유전체(128)는 인가된 압력 하에서 가요적이어야 한다. 절연 특성들의 측면에서, 유연한 유전체(128)는 104Ωcm 보다 큰 저항을 가질 수 있다. 유연한 유전체(128)의 제공은 분리된 배터리 셀들(22)에서 도전체들(40) 사이의 전기 통신을 방지하기 위하여 요구되는 최소 갭 간격을 감소시킬 수 있다. 유연한 유전체(128)는 그리스(Apizon®) 왁스, 파라핀, 미네랄 오일 또는 도전체와 반응하지 않는 임의의 재료, 또는 그것의 혼합물들을 포함할 수 있다. 그리스를 사용하는 것의 장점은 보다 낮은 점성도가 보다 작은 갭을 유발하는 것이다. 유연한 유전체(128)는 또한 다른 재료들을 포함할 수 있다. 일반적으로, 유연한 유전체(128)는 생성된 전기 전류들이 통과하는 것을 방지하기에 충분히 두꺼운 두께 및 유연한 유전체의 주변 에지로부터 배터리(20) 내 배터리들(22)의 박막들로 외부 가스들의 확산을 방지하기에 충분히 얇은 두께를 가져야 한다. 유연한 유전체(128)의 적당한 두께는 약 1㎛ 내지 약 20㎛이다. 유연한 유전체(128)는 분리 갭(100) 및 상기 분리 갭(100)의 주변(30)에 있는 유전체일 수 있다.
배터리(20)는 도 5에 도시된 바와 같이 배터리(20)의 몇몇 구성요소들에 관한 보호 층(124)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 보호층(124)은 도전체들(40) 및 분리 갭(100) 사이 또는 도전체들(40) 및 기판(24) 사이에 배치될 수 있다. 보호 층은 유연하고 전극들(60)이 충전/방전 동안 체적을 변화시키게 한다. 보호 층(124)은 예를 들어 배터리(20)의 제조 동안 대기 요소들로부터 배터리 셀 구성요소의 보호를 추가로 제공한다. 보호층(124)은 보호되는 구성요소들 및 환경 요소들 사이에 밀봉 경계를 제공한다. 보호층(124)은 비교적 짧은 시간 기간 동안, 예를 들어 제조 처리의 특정 단계들 동안만 보호할 필요가 있다. 따라서, 보호층(124)의 포함된 재료는 밀봉부(120) 및 기판들(24)과 동일한 정도의 보호를 제공할 필요가 없다. 보호층(124)은 파릴렌, 유전체 재료, 또는 그것의 혼합물들을 포함할 수 있다. 보호층(124)은 다른 재료들을 포함할 수 있다. 그러나 보호층(124)은 특정 실시예에서만 포함될 필요가 없고 배터리(20)의 임의의 실시예에서 발견될 수 있다.
다수의 상호 접속된 배터리 셀들(22a-c)을 포함하는 배터리(20)의 다른 버전들은 도 6 및 7에 도시된다. 도 6은 제 1 기판상에 제 1 쌍의 도전체들(40a,40b)을 가진 제 1 배터리 셀(22a), 제 2 기판(24b)상에 제 2 쌍의 도전체들(40c,40d)을 가진 제 2 배터리 셀(22b), 및 제 3 기판(24c)상에 제 3 쌍의 도전체들(40e,40f)을 가진 제 3 배터리 셀(22c)을 포함하는 배터리(20)를 도시한다. 각각의 도전체들(40a-f)은 전극(60a-f) 및 전류 컬렉터(72a-f)를 포함한다. 전극들은 애노드(60a, c, e) 및 캐소드(60b, f)를 포함하고, 두 개의 전류 컬렉터들은 애노드 전류 컬렉터(72a, c, e) 및 캐소드 전류 컬렉터(72b, d, f)를 포함한다. 도전체들(40a-f)의 위치 및 순서는 교환될 수 있고, 예를 들어 애노드(60a, c, e) 및 애노드 전류 컬렉터(72a, c, e)는 캐소드(60b, d, f) 및 캐소드 전류 컬렉터(72b, d, f)의 위치와 교환될 수 있다. 배터리 셀들(22a-c)은 두 개의 단자들(88a, b)에서 종료하는 전기 커넥터들(130a-d)과 직렬로 접속된다. 전기 커넥터들(130a-d)은 도시된 바와 같이 기판들(24a-c)의 홀들을 통하여 통과할 수 있다. 이런 버전은 환경으로부터 전류 컬렉터 및 전기 커넥터들을 보호하고 보다 높은 전압을 얻기 위하여 사용한다.
도 7은 셀들(22a-c) 둘레로 연장하고 두 개의 단자들(88a, b)에서 종료하는 전기 커넥터들(130a-d)과 병렬로 접속된 3 개의 배터리 셀들(22a-c)을 도시한다. 이 배터리(20)에서, 배터리들(22a-c)은 배터리들 둘레를 감싸고 중심에서 접착제 또는 납땜으로 결합되는 두 개의 금속 포일(132a, b) 부분들을 포함하는 하우징(131)에 의해 밀봉된다. 결합된 전기 커넥터들(130a-d)은 단자들(88a, b)을 형성하기 위하여 하우징(131)을 통하여 통과한다. 하우징(131)은 전기 또는 자기장이 배터리(20)의 동작을 방해하는 것을 방지하기 위한 차폐부로서 사용할 수 있다. 하우징(131)은 또한 금속화된 플라스틱 필름들, 중합체 층들, 세라믹 층들, 또는 금속 시트로 형성될 수 있다. 이런 버전은 바람직하지 않거나 적합하지 않은 환경들에 사용하고, 배터리가 개선된 기계적 세기를 갖고 보다 많은 전류 및 능력을 얻는 것은 바람직하다.
다른 버전에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 배터리(20)는 단일 기판(24)의 대향 표면들(32a, b) 상에 형성된 이중 배터리 셀들(22a, b)을 포함한다. 예를 들어, 제 1 배터리 셀(22a)은 기판(24)의 제 1 표면(32a)상에 형성되고 제 2 배터리 셀(22b)은 기판(24)의 제 2 표면(32b)상에 형성된다. 각각의 배터리 셀(22a, b)은 각각 한 쌍의 도전체들(40a, b 및 40c, d) 사이에 전해질(84a, b)을 포함한다. 각각의 도전체들(40a-d) 쌍의 적어도 하나는 캡(26a, b)과 면하는 기판(24)의 어느 한 측면 상에 비접촉 표면(42a, b)을 가지며 측면들(30a, b)을 밀봉하는 밀봉부(120a, b)들에 의해 에지들을 따라 추가로 둘러싸인다. 캡들(26a, b) 및 측면 밀봉부들(120a, b)에 의해 형성된 하우징 밀봉부는 둘러싸는 주변 환경으로부터 배터리(20)의 박막들을 보호한다. 상기 배터리(20)는 단일 표면 상에만 형성된 종래 배터리보다 두 배인 700와트hr/l 이상의 에너지 밀도 및 250와트hr/kg 이상의 특정 에너지를 제공한다. 배터리(20)는 기판(24)상 도전체(42a)의 비접촉 표면(42a) 및 캡(26a) 사이의 제 1 분리 갭(100a)(dg1), 및 도전체(40b)의 비접촉 표면(42b) 및 캡(26b) 사이의 제 2 분리 갭(100b)(dg2)을 포함한다. 각각의 분리 갭(100a, b)은 배터리 구성요소들의 팽창을 위한 공간을 제공하기에 충분히 큰 갭 간격(dg1 ,2)을 가진다. 하나의 버전에서, 갭 간격(dg1 ,2)은 약 1㎛ 내지 약 120㎛로 선택되고, 보다 바람직하게 10㎛ 미만이다. 이 배터리(20)에서, 배터리 셀들(22a, b)은 단자들(88a, b)에서 종료하는 전기 커넥터들(130a-c)과 직렬로 접속된다.
도 9는 도 8에 도시된 바와 같이 이중 배터리 셀들(22a, b)을 각각 갖는 기판들(24a, b)의 스택을 포함하는 배터리(20)의 직렬 배열을 도시한다. 셀들은 두 개의 단자들(88a, b)에서 종료하기 위하여 셀들(22a-c)을 통하여 및/또는 셀들 주변으로 연장하는 전기 커넥터들(130a-d)과 직렬로 접속된다. 도 10은 단자들(88a, b)에서 종료하도록 셀들(22a-c) 주변으로 연장하는 전기 커넥터들(130a-d)을 가진 병렬 배열로 상호 접속된 다중 셀들(22)을 가진 기판들(20)을 포함하는 배터리(20)의 다른 버전을 도시한다. 각각의 이들 배열들에서 하우징(131)은 금속화된 플라스틱 필름들, 중합체 층들, 세라믹 층들 또는 금속 시트로 형성될 수 있다. 이들 버전들은 높은 특정 에너지 레벨들을 제공하고 바람직하지 않은 환경들에 사용될 수 있다.
직사각형 운모 시트인 기판(24)의 단일 표면(32)상에 직접 형성된 배터리 셀들(22a-h)의 배열을 포함하는 배터리(20)의 실시예는 도 11a에 도시된다. 배터리 셀들(22a-h)은 서로 직렬 또는 병렬 배열로 상호 접속될 수 있다. 예를 들어, 제 1 배터리 셀(22a)은 제 3 배터리 셀(22c)에 직렬로 접속된 제 2 배터리 셀(22b)에 직렬로 접속되고, 기타 등등을 포함한다. 도 11a에서, 도시된 바와 같이 배터리 셀들(22b-h)의 애노드(60b-h)는 각각 인접한 배터리 셀의 인접한 캐소드 전류 컬렉터(72b1-7) 상부 또는 하부로 차례로 연장하는 중간 커넥터 스트립(strip)들(130a-g)과 접촉하도록 연장하는 탭을 가진다. 도 11b에 도시된 버전에서, 캐소드 전류 컬렉터(72b1)와 같은, 제 1 배터리 셀(22a)의 제 1 도전체(40a1)는 셀의 애노드(60a2)와 같은, 인접한 제 2 배터리 셀(22b)의 제 2 도전체(40b2)에 접속된다. 각각의 배터리 셀(22a-h)에서, 제 1 도전체 및 제 2 도전체(각각, 40a1, b1 또는 40a2, b2)들은 도전체들 사이에 있는 전해질(84a, b)의 대향 표면들 상에 있는 다른 도전체들이다. 예를 들어, 제 2 도전체들(40b1, b2)은 애노드(60a1, a2), 애노드 전류 컬렉터, 또는 애노드 및 애노드 전류 컬렉터로서 작용하는 단일 도전 스트립일 수 있다. 반대로, 제 1 도전체들(40a1, a2)은 캐소드(60b1, b2), 캐소드 전류 컬렉터(72b, b2), 또는 캐소드 및 캐소드 전류 컬렉터 모두로 작용하는 단일 도전 스트립일 수 있다. 도시된 바와 같이 배터리 셀들(22a,b)을 연결하는 전기 도전체 스트립(130b, c)은 예를 들어 애노드 및 캐소드 재료들이 서로 반응할 때, 하나의 셀(22b)의 애노드(60a2) 또는 애노드 전류 컬렉터(미도시), 및 다른 셀(22a)의 인접한 캐소드(60b1) 또는 캐소드 전류 컬렉터(72b1) 사이에서 직접 접촉을 최소화하는 것이 바람직하다. 커넥터 스트립(130)은 두 개의 셀들 사이에 화학 장벽 또는 버퍼 스트립으로서 사용한다.
하나의 버전에서, 도 11b에 도시된 바와 같이, 전기 커넥터 스트립(130b)은 배터리 셀들(22a, b)을 전기적으로 서로 결합하기 위하여 배터리 셀(22a)의 제 1 도전체(40a1) 상으로 연장하는 헤드(132) 및 인접한 배터리 셀(22b)의 제 2 도전체(40b2) 아래로 연장하는 최하부(foot)(134), 또는 그 반대 구조를 포함한다. 예를 들어, 제 1 도전체(40a1)는 다른 전해질(84a) 아래에 있고 전해질 아래에서 연장하는 캐소드 전류 컬렉터(72b1)일 수 있고, 제 2 도전체(40b2)는 전해질(84b) 위에 놓이는 애노드(60a2)일 수 있다. 이러한 버전에서, 배터리 셀들(22a, b)은 인접한 배터리 셀(22a)의 캐소드 전류 컬렉터(72b1) 등에 인접하는 배터리 셀(22b)의 애노드(60a2)와 일렬로(in a row) 배열된다. 도전체들(40b1, b2)과 같은 적어도 하나의 도전체는 비접촉 표면 방향으로 배터리 셀들(22a, b)의 확장을 허용하기 위하여 기판(24)과 접촉하지 않는 비접촉 표면(42a, b)을 가진다. 캡(26)은 배터리(20)를 완성하기 위하여 약 1㎛ 내지 약 120㎛의 갭 간격(dg1)을 가진 갭에 의해 도전체들(40b1, b2)의 비접촉 표면(42a, b)으로부터 이격된다.
도 11a를 다시 참조하여, 기판 표면(32)은 하나 이상의 열을 가지며, 상기 열은 예를 들어 각각 제 1 열 및 제 2 열(136a, b)의 제 1 단부들(138a, b)에서 인접한 배터리 셀들(22d, 22e)에 인접한 U자형 스트립인 전기 커넥터 스트립(130d)에 의해 서로 전기적으로 접속되는 배터리 셀들(22a-d)의 제 1 열(136a) 및 배터리 셀들(22e-h)의 제 2 열(136b)이다. 배터리 셀들의 제 1 열 및 제 2 열(136a, b)의 제 2 단부들(140a, b)에서 배터리 셀들(22a 및 22h)은 각각 음의 단자(88a) 및 양의 단자(88b)로 종료된다. 음의 단자(88a) 및 양의 단자(88b)는 외부 환경에 대한 배터리(20)의 전기 접속을 허용한다.
도전체들(40) 및 전해질(84)과 같은 배터리(20)의 박막 구성요소들은 기판(24), 또는 기판(24) 상에 이미 있는 층들 상에 증착되고 다수의 다른 구성들, 예를 들어 위치들 및 모양들을 가질 수 있고, 본 발명의 예시적인 실시예들을 도시하기 위하여 여기에 기술된 예시적인 구성들로 제한되지 않아야 한다. 이들 필름들은 약 1㎛ 내지 약 100㎛의 두께를 가진 통상적으로 얇은 층들이고; 그러나, 상기 필름들은 배터리의 목표된 전류 운반 능력 및 목표된 체적 또는 무게에 따라 보다 얇은 두께일 수 있다. 박막 층들은 연속적이고, 세그먼트화되거나 패턴화될 수 있다. 박막들은 통상적으로 전체적으로 참조로써 여기에 통합된 2003년 10월 14일에 특허 허여된 발명자 Krasnov 등에 의한 미국특허 6,632,563에 기술된 바와 같이 비교적 높은 플라즈마 밀도로 타깃의 RF 또는 DC 마그네트론 스퍼터링과 같은 PVD 처리에 의해 증착될 수 있다. 증착 챔버는 하나 또는 그 이상의 스퍼터링 타깃들 및 챔버에 처리 가스들을 분배하기 위한 처리 가스 분배 분기관을 포함하는 진공 챔버일 수 있다.
예를 들어, 결정 LiCoO2 필름과 같은 재료를 포함하는 캐소드(60)를 증착하기 위하여, 아르곤 및 산소 가스들의 혼합물은 총 5 내지 25mTorr의 압력 및 약 1 내지 약 45의 Ar/O2 체적 흐름 비율로 도입된다. 타깃은 LiCoOx의 디스크를 포함한다. 타깃의 무선 주파수(RF) 스퍼터링은 1 내지 20 W/cm2의 전력 밀도 레벨에서 수행될 수 있다. LiCoO2 필름은 100℃ 미만의 비교적 낮은 온도들에서 기판상에 증착될 수 있다. 그 후, 증착된 캐소드 재료는 증착된 캐소드 재료의 결함들을 감소시키기 위하여 대기 산소를 포함하는 어닐링 가스에서 약 150℃ 내지 600℃ 온도로 열적으로 어닐링된다.
다른 실시예에서, 예를 들어 구리와 같은 금속을 포함하는 전류 컬렉터(72)를 증착하기 위하여, 전류 컬렉터는 캐소드의 증착에 사용되는 것과 유사한 스퍼터링 시스템을 사용하여 금속을 증착함으로써 형성된다. 그러나 스퍼터링 가스는 순수 아르곤이고 RF 마그네트론 스퍼터링 대신 DC는 타깃을 스퍼터하기 위하여 사용될 수 있다. 구리 재료를 포함하는 필름을 증착하기 위하여, 타깃 재료는 구리를 포함하고 Ar 함유 가스는 약 1 내지 10mTorr의 압력에서 챔버로 유입된다. 가스는 약 0.5 내지 약 5kW의 전력 레벨의 DC 에너지가 인가되고, 보다 바람직하게 약 1kW의 에너지가 인가된다. 기판의 온도는 ℃ 미만으로 유지될 수 있다. 이것은 기판상에 약 0.3 마이크론의 두께를 가진 구리의 필름을 증착하기 위하여 240초 동안 수행된다.
다른 실시예에서, 예를 들어 비결정 리튬 다공성 옥시니트라이드 재료를 포함하는 전해질(84)의 증착은 캐소드 및 캐소드 전류 컬렉터의 증착에 사용되는 것과 유사한 진공 챔버에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 리튬 다공성 옥시니트라이드는 약 1 내지 약 20 W/cm2의 전력 밀도 순수 질소에서 리튬 인산염(Li3PO4) 타깃의 RF 스퍼터링에 의해 증착될 수 있다. 질소 가스의 흐름 속도는 약 100 내지 약 1000sccm이고, 가스는 약 20mTorr 미만, 및 바람직하게 적어도 약 1mTorr 미만의 압력으로 유지된다. 그 다음 샘플은 전해질의 이온 도전성을 증가시키고 임의의 인터페이스들의 저항을 감소시키기 위하여 10분 동안 200℃에서 질소 또는 공기에서 어닐링된다.
포함된 필름들을 증착하기 위한 상기 예시적인 방법들은 배터리(20)를 형성하기 위한 예시적인 방법들의 실시예들이다. 다른 방법들은 배터리(20)를 제조하기 위하여 사용될 수 있다. 게다가, 예시적인 제조 방법들에 기술된 구성요소들의 재료들은 단지 예시적인 재료들이고, 배터리(20)의 구성요소들은 여기에 기술된 바와 같이 다른 재료들을 포함할 수 있다. 배터리(20)의 범위는 여기에 제공된 예시적인 제조 방법들로 제한되지 않는다.
배터리(20)의 도시된 실시예들이 본 출원에서 기술되었지만, 다른 실시예들이 가능하다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 배터리(20)는 출원에 따라 회선 또는 비대칭 모양으로 수평으로 또는 적층되어 배열된 다수의 배터리 셀들(22)을 가질 수 있다. 또한, 본 발명의 패키징 어셈블리는 당업자에게 명백한 바와 같이 다른 타입의 배터리들을 포함하거나 밀폐되도록 밀봉으로 제공될 수 있다. 따라서, 청구항들의 범위는 도시된 실시예들로 제한되지 않아야 한다.

Claims (18)

  1. 배터리로서,
    (a) 표면을 갖는 기판;
    (b) 상기 기판 표면 상에 각각 직접 증착된 다수의 제1 및 제2 배터리 셀들 ― 각 배터리 셀은,
    (ⅰ) 대향(opposing) 표면들을 갖는 전해질; 및
    (ⅱ) 상기 전해질의 상기 대향 표면들 중 적어도 하나와 전기적 접촉하는 다수의 도전체들을 포함하며, 상기 다수의 도전체들은 상기 전해질의 일 표면과 전기적 접촉하는 제1 도전체와 상기 전해질의 대향 표면과 전기적 접촉하는 제2 도전체를 포함함 ―; 및
    (c) 상기 제1 및 제2 배터리 셀들을 서로 전기적으로 결합하도록 상기 제1 배터리 셀의 도전체를 상기 제2 배터리 셀의 도전체에 연결하기 위한, 상기 기판의 상기 표면 상에 증착된 박막을 포함하는 적어도 하나의 전기 커넥터 스트립(electrical connector strip)을 포함하는,
    배터리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 도전체는 상기 제1 배터리 셀의 애노드 또는 애노드 전류 컬렉터를 포함하고, 상기 제2 도전체는 상기 제2 배터리 셀의 캐소드 또는 캐소드 전류 컬렉터를 포함하는,
    배터리.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 배터리 셀들은 직렬 또는 병렬로 연결된,
    배터리.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질 및 도전체들 중 적어도 하나는 리튬 또는 리튬 화합물을 포함하는 박막을 포함하는,
    배터리.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 커넥터 스트립은 상기 제1 배터리 셀의 도전체 하부로 연장하는 최하부(foot) 및 상기 제2 배터리 셀의 도전체 상부로 연장하는 헤드(head)를 포함하는,
    배터리.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 배터리 셀들은, 상기 제2 배터리 셀의 캐소드 전류 컬렉터인 제2 도전체에 인접하는, 상기 제1 배터리 셀의 애노드인 제1 도전체와 함께 일렬로 배열되며, 상기 전기 커넥터는 상기 제1 배터리 셀의 상기 애노드를 상기 제2 배터리 셀의 상기 캐소드 전류 컬렉터에 연결시키는,
    배터리.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 배터리 셀들은 제1 및 제2 열들로 배열되며,
    상기 제1 열의 제1 단부는 제1 배터리 셀을 포함하고, 상기 제2 열의 제1 단부는 상기 제2 배터리 셀을 포함하고,
    상기 전기 커넥터 스트립은 상기 제1 열의 상기 제1 단부에서의 상기 제1 배터리 셀을 상기 제2 열의 상기 제1 단부에서의 상기 제2 배터리 셀에 연결시키는 U자-형 스트립인,
    배터리.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 열들은 각각 음의 단자 또는 양의 단자 중 어느 하나로 종단된 배터리 셀들을 갖는 제2 단부들을 포함하는,
    배터리.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전체들은 애노드 및 캐소드를 포함하고,
    상기 애노드 및 캐소드는 리튬 필름, LiMnO2, LiMn2O2, LiMn2O4, LiCoO2, LiNiO2, V2O5 또는 TiS2 중 적어도 하나를 포함하는,
    배터리.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전체들은 애노드 전류 컬렉터 또는 캐소드 전류 컬렉터 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 애노드 전류 컬렉터 및 캐소드 전류 컬렉터는 알루미늄, 구리, 금, 백금, 또는 은 중 적어도 하나를 포함하는,
    배터리.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질은 리튬 인 옥시나이트라이드 필름을 포함하는,
    배터리.
  12. 박막 배터리로서,
    (a) 표면을 갖는 기판;
    (b) 상기 기판 표면 상에 각각 직접 증착된 제1 및 제2 배터리 셀들 ― 각 배터리 셀은,
    (i) 대향(opposing) 표면들을 갖는 전해질; 및
    (ii) 상기 전해질의 상기 대향 표면들 중 적어도 하나와 전기적 접촉하는 다수의 도전체들을 포함하며, 상기 다수의 도전체들은 상기 전해질의 표면과 전기적 접촉하는 제1 도전체와 상기 전해질의 상기 대향 표면과 전기적 접촉하는 제2 도전체를 포함함 ―; 및
    (c) 적어도 하나의 전기 커넥터 스트립―상기 적어도 하나의 전기 커넥터 스트립은 상기 기판의 상기 표면 상에 증착된 박막을 포함하며, 상기 박막은 상기 제1 배터리 셀의 제1 도전체 상부로 연장하는 헤드와 상기 제2 배터리 셀의 제2 도전체 하부로 연장하는 최하부(foot)를 포함함―을 포함하는,
    배터리.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 도전체는 상기 제1 배터리 셀의 애노드 또는 애노드 전류 컬렉터를 포함하고, 상기 제2 도전체는 상기 제2 배터리 셀의 캐소드 또는 캐소드 전류 컬렉터를 포함하는,
    배터리.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 전해질 및 도전체들 중 적어도 하나는 리튬 또는 리튬 화합물을 포함하는 박막을 포함하는,
    배터리.
  15. 제 12 항에 있어서,
    (i) 상기 도전체가 리튬 필름, LiMnO2, LiMn2O2, LiMn2O4, LiCoO2, LiNiO2, V2O5 또는 TiS2 중 적어도 하나를 포함하는 애노드 및 캐소드를 포함하는 것; 및
    (ii) 상기 전해질이 리튬 인 옥시나이트라이드 필름을 포함하는 것 중 적어도 하나를 포함하는,
    배터리.
  16. 박막 배터리로서,
    (a) 표면을 갖는 기판;
    (b) 상기 기판 표면 상에 직접 증착된 제1 및 제2 배터리 셀들― 각 배터리 셀은,
    (i) 대향(opposing) 표면들을 갖는 전해질;
    (ii) 상기 전해질의 표면과 접촉하는 애노드 또는 애노드 전류 컬렉터; 및
    (iii) 상기 전해질의 상기 대향 표면과 접촉하는 캐소드 또는 캐소드 전류 컬렉터를 포함함―; 및
    (c) 적어도 하나의 전기 커넥터 스트립－상기 적어도 하나의 전기 커넥터 스트립은 상기 제1 배터리 셀의 상기 애노드 또는 애노드 전류 컬렉터를 상기 제2 배터리 셀의 상기 캐소드 또는 캐소드 전류 컬렉터에 연결하기 위한, 상기 기판의 상기 표면 상에 증착된 박막을 포함함－을 포함하는,
    박막 배터리.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 전해질 및 도전체들 중 적어도 하나는 리튬 또는 리튬 화합물을 포함하는 박막을 포함하는,
    배터리.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 배터리는,
    (i) 리튬 필름, LiMnO2, LiMn2O2, LiMn2O4, LiCoO2, LiNiO2, V2O5 또는 TiS2 중 적어도 하나를 포함하는 애노드 및 캐소드를 포함하는 도전체들; 및
    (ii) 리튬 인 옥시나이트라이드 필름을 포함하는 상기 전해질 중 적어도 하나를 포함하는,
    배터리.
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