KR101753502B1 - 박막 캡슐화 배터리 시스템 - Google Patents
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Abstract
배터리 조립체는 기판 상에 제공된 베이스 층 상에 형성될 수 있으며, 박막 배터리 스택은 애노드 층, 캐소드 층 및 애노드와 캐소드 층들 사이의 전해질 층을 포함한다. 박막 배터리 스택은 캡슐화될 수 있으며, 애노드 및 캐소드 층들을 위한 전기적 전력 접속을 갖는 배터리 시스템 내에 조립될 수 있다.
Description
관련
출원에 대한 교차 참조
본 PCT 특허 출원은 35 U.S.C §119(e) 하에서 2013년 3월 15일 출원된 미국 가특허 출원 번호 제61/801,217호, 발명의 명칭 "Thin Film Encapsulation Battery Systems"의 우선권을 주장하는 2013년 9월 27일 출원된 미국 정식 출원 번호 제14/040,581호, 발명의 명칭 "Thin Film Encapsulation Battery Systems"의 우선권을 주장하며, 이들 각각의 내용은 전체가 본 명세서에 참조로서 포함된다.
기술분야
본 개시내용의 주제사항은 일반적으로 배터리 시스템에 관련되며, 보다 구체적으로는 컴퓨터 시스템, 휴대용 전자기기 및 모바일 디바이스를 포함하지만 이것으로 제한되지 않는 광범위한 서로 다른 전자기기 애플리케이션들에 적합한 배터리 시스템에 관련된다. 보다 구체적으로, 본 개시내용은 캡슐화 기술을 활용하여 향상된 에너지 저장 및 성능을 제공하는 배터리 시스템 및 관련된 제작 방법에 관련된다.
배터리 시스템들은 컴퓨터, 모바일 디바이스, 미디어 플레이어, PDA, 전력 툴, 내비게이션 및 통신 장비, 그리고 자동차, 철도, 선박 및 산업적 이용을 위한 전력 저장장치 및 관리 시스템을 포함하는 광범위한 전자기기 애플리케이션들에서 활용된다. 애플리케이션에 따라서, 이러한 시스템들은 통상적으로 예를 들어 원통형 로드-및-튜브(rod-and-tube) 타입 드라이 셀 또는 편평한 플레이트 침수 셀 설계 내의 셀룰러 애노드 및 캐소드 배터리 구조 둘레에 구성된다. 더욱 진화된 배터리 시스템은 애노드 및 캐소드 층들이 배터리 파우치 또는 인클로저 내에서 롤업(roll up)하여 접힐 수 있는 편평한 시트 또는 가요성 기판의 대향하는 면들 상에 제공되는 "젤리 롤(Jelly roll)" 또는 "스위스 롤(Swiss roll)" 구성을 활용할 수 있다.
배터리 시스템 설계는 크기, 무게, 에너지 용량, 저장 밀도, 비용, 안전도, 신뢰도, 내구성 및 제작 용이성을 포함하는 다수의 경쟁적인 요인들에 의해 이루어진다. 재충전가능한 배터리 시스템에서는, 특히 특정한 전자기기 애플리케이션들에 있어서 이들이 서비스 수명 및 적합성과 관련되기 때문에, 열 부하, 재충전 속도 및 다른 사이클링 고려사항들 또한 중요한 관심사일 수 있다. 이러한 설계 및 엔지니어링 요인들은 또한 예를 들어 컴퓨터 및 소비자 전자 디바이스를 위한 더 작은 규모의 배터리들과 비교하여 수송 및 산업적 전력 시스템을 위한 더 큰 규모의 배터리에 관한 것일 때와 같이, 의도된 용도에 기초하여 서로 다르게 가중될 수 있다.
그 결과, 광범위한 서로 다른 동작상 구성 및 수요에 걸쳐 증가된 서비스 수명 및 성능을 갖는 향상된 배터리 시스템 설계에 대한 필요성이 계속해서 존재한다. 특히, 계속해서 증가하는 현대의 전자기기 및 전력 시스템 환경들의 서비스 요구에 적합한 증가된 에너지 용량 및 저장 밀도를 갖는 향상된 박막, 판상의(laminar) 캡슐화된 배터리 기술에 대한 필요성이 존재한다.
본 개시내용의 예시적인 실시예들은 배터리 시스템, 배터리 시스템의 제조 방법 및 배터리 시스템을 활용하는 전자 디바이스를 포함한다. 배터리 시스템은 하나 이상의 캡슐화된 구조물을 갖는 애노드 및 캐소드 층들을 포함한다.
대표적인 프로세싱 방법은, 기판 상에 베이스 층(base layer)을 형성하는 단계 및 베이스 층 상에 박막 배터리 스택(thin film battery stack)을 형성하는 단계를 포함한다. 배터리 스택은 애노드 층, 캐소드 층 및 애노드 층과 캐소드 층 사이의 전해질 층을 포함할 수 있으며, 캡슐화될 수 있다. 배터리 시스템은 전형적으로 예를 들어 각각 애노드 및 캐소드 층들에 연결된 애노드 및 캐소드 전극들과 같이, 배터리 스택으로의 전력 접속을 이루기 위한 커넥터 또는 전극들을 포함한다.
애플리케이션에 의존하여, 배터리 스택이 열처리 되어 캐소드 층 내에서 상전이(phase transition)를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 결정 상전이가 열적으로 발생될 수 있다.
적층된 배터리 애플리케이션에서, 다수의 박막 배터리 셀들이 배터리 시스템 내로의 조립체를 위해 적층된다. 예를 들어, 각 스택은 캐소드 층에 인접하는 캐소드 콜렉터 층을 포함할 수 있고, 인접하는 셀들이 반전되어 캐소드 콜렉터 층들이 배터리 조립체 내에서 전기적으로 연결될 수 있다. 이와 달리, 베어(bare) 캐소드 또는 애노드 층들이 서로에게 인접하게 적층될 수 있으며, 전도성 접착제가 콜렉터 층들을 형성하도록 사용될 수 있다.
배터리 셀들은 폴리머 또는 유기 필름으로 캡슐화될 수 있다. 이와 달리, 셀 스택을 향해 위치된 내부 세라믹 층, 내부 세라믹 층에 대해 배치된 외부 폴리머 층 및 내부 세라믹 층과 외부 폴리머 층 사이의 금속 층을 갖는 멀티층 캡슐화 시스템이 사용될 수 있다.
배터리 시스템 애플리케이션들에서, 다수의 박막 배터리 셀들이 적층된 구성으로 배치될 수 있으며, 이때 각각의 셀은 애노드 층, 캐소드 층 및 애노드와 캐소드 층들 사이의 전해질 층을 포함한다. 봉지재는 적층된 구성을 둘러싸며, 박막 배터리 셀들에 대해 실질적으로 연속적인 화학적 및 기계적 장벽을 제공한다.
적합한 봉지재는 유기 액체 및 폴리머 재료들로 형성될 수 있다. 내부 세라믹 층, 외부 폴리머 층 및 그 사이의 금속 층을 갖는 3-층 캡슐화 시스템 또한 사용될 수 있다. 일부 설계들에서, 열 팽창 및 수축을 수용하기 위해 봉지재와 적층된 박막 셀 구성 사이에 공간 또는 갭이 남아있거나, 또는 상대적인 이동을 허용하도록 배터리 셀들의 스택이 비스듬하거나 비평행하게 대향하는 면들로 형성될 수 있다.
이러한 배터리 시스템들은 예를 들어 스마트폰, 태블릿 컴퓨터, 또는 다른 모바일 디바이스와 같은 전자 디바이스에서 활용될 수 있다. 이러한 애플리케이션들에서, 배터리 조립체는 전형적으로 컨트롤러에 연결되고, 디스플레이에 전력을 공급하도록 구성된다. 조립체 자신은 적층된 구성으로 배치된 다수의 박막 배터리 셀들을 포함하며, 각각의 박막 배터리 셀은 애노드, 캐소드 및 전해질 층을 구비한다. 봉지재는 셀들의 적층된 구성에 대해 배치되어 배터리 셀들에 대한 화학적 및 기계적 장벽을 제공할 수 있다.
도 1a는 본 명세서에 기술된 바와 같은, 증가된 에너지 밀도를 위한 향상된 박막, 판상의 및/또는 캡슐화 구조물을 갖는 배터리 시스템의 사시도.
도 1b는 다른 폼 팩터를 갖는 배터리 시스템의 사시도.
도 2는 프로세스 기판 층을 활용하는, 배터리 시스템 또는 배터리 조립체를 제작하기 위한 프로세스 순서도.
도 3은 에칭된 기판 및 영구적인 베이스 층을 활용하는, 배터리 시스템 또는 조립체를 위한 프로세스 순서도.
도 4는 적층된 셀룰러 설계 내의 배터리 시스템 또는 조립체를 위한 프로세스 순서도.
도 5는 도전성 접착 콜렉터 층을 갖는, 배터리 시스템 또는 조립체를 위한 프로세스 순서도.
도 6은 다수의 셀 캡슐화를 갖는, 배터리 시스템 또는 조립체를 위한 프로세스 순서도.
도 7은 도전성 접착 애노드 및 캐소드 콜렉터 층들을 갖는, 배터리 시스템 또는 조립체를 위한 프로세스 순서도.
도 8a는 캡슐화된 스택 셀 구성 내의 배터리 시스템의 단면도.
도 8b는 내부 공간을 갖는 캡슐화된 구성 내의 배터리 시스템의 다른 단면도.
도 8c는 기울어진 측벽 구성을 갖는 배터리 시스템의 단면도.
도 9는 배터리 시스템 또는 조립체를 형성하기 위한 방법의 블록도.
도 10은 배터리 시스템 또는 조립체를 포함하는 대표적인 전자 디바이스의 개략도.
도 1b는 다른 폼 팩터를 갖는 배터리 시스템의 사시도.
도 2는 프로세스 기판 층을 활용하는, 배터리 시스템 또는 배터리 조립체를 제작하기 위한 프로세스 순서도.
도 3은 에칭된 기판 및 영구적인 베이스 층을 활용하는, 배터리 시스템 또는 조립체를 위한 프로세스 순서도.
도 4는 적층된 셀룰러 설계 내의 배터리 시스템 또는 조립체를 위한 프로세스 순서도.
도 5는 도전성 접착 콜렉터 층을 갖는, 배터리 시스템 또는 조립체를 위한 프로세스 순서도.
도 6은 다수의 셀 캡슐화를 갖는, 배터리 시스템 또는 조립체를 위한 프로세스 순서도.
도 7은 도전성 접착 애노드 및 캐소드 콜렉터 층들을 갖는, 배터리 시스템 또는 조립체를 위한 프로세스 순서도.
도 8a는 캡슐화된 스택 셀 구성 내의 배터리 시스템의 단면도.
도 8b는 내부 공간을 갖는 캡슐화된 구성 내의 배터리 시스템의 다른 단면도.
도 8c는 기울어진 측벽 구성을 갖는 배터리 시스템의 단면도.
도 9는 배터리 시스템 또는 조립체를 형성하기 위한 방법의 블록도.
도 10은 배터리 시스템 또는 조립체를 포함하는 대표적인 전자 디바이스의 개략도.
본 개시내용은 전자 디바이스 및 전력 관리 시스템을 위한 배터리 시스템들 및 조립체들에 관한 것이다. 배터리들은 예를 들어 기판 상에 베이스 층을 형성하고, 베이스 층 상에 배터리 스택을 형성함으로써 박막 프로세스 내에서 형성될 수 있다. 적합한 박막 프로세싱 기술들은, 내용 전체가 본 명세서에 참조로서 포함되는 2010년 3월 18일 공개된 미국 특허 공개 번호 제2010/0066683호의 "METHOD FOR TRANSFERRING THIN FILM TO SUBSTRATE"에 기술된 것을 포함하지만, 이것으로 제한되지 않는다.
배터리 스택들은 또한 영구적인 기판 층들을 가지고, 또는 없이 멀티-셀 배터리 시스템으로 조립될 수 있다. 적층하는 구성에 따라서, 애노드 및 캐소드 콜렉터 층들이 삭제되거나 또는 전도성 접착제로 대체될 수 있으며, 이것은 주어진 폼 팩터 또는 크기 및 무게 인벨롭 내에서 비활성 무게를 감소시키고 전력 및 성능을 증가시킨다.
도 1a는 향상된 박막, 판상 및/또는 캡슐화 구조물을 갖는 배터리(또는 배터리 시스템(10))의 사시도이다. 이러한 구조물은 본 명세서에서 기술되는 바와 같은 서로 다른 전자 및 전력 시스템 애플리케이션들의 범위에 적합한 향상된 서비스 수명 및 성능을 위한 증가된 에너지 밀도를 갖는 배터리 시스템(10)을 제공한다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 배터리 시스템(10)은 예를 들어 배터리 파우치, 케이싱(casing) 또는 캡슐화 층과 같은 인클로저(11) 내의 라미네이트된 애노드/캐소드 구조로서 제공된다. 보호용 필름 랩(12)이 운송 및 저장 중에 배터리(10)를 보호하도록 배터리 인클로저(11) 위에 제공될 수 있다. 필름 랩(12)은 또한 통상적으로 배터리 시스템(10)이 전자 디바이스에 삽입되기 전에 제거되는 재고 조절을 위한 라벨, 바코드, 또는 다른 정보를 제공하는 표시를 포함할 수 있다.
하나 이상의 커넥터(13)는 예를 들어 플렉스(flex) 회로(15)를 통해 배터리 시스템(10)에 연결되는 커넥터 보드 또는 매니폴드(manifold)(14)를 갖는 "피그테일(pigtail)" 구성으로 배터리 시스템(10)에 전력, 센서 및 제어 접속을 제공한다. 플렉스 회로 접속은 도 1a에 도시된 것처럼 배터리 인클로저(11)의 측면(16) 또는 단부(17)를 통해, 또는 인클로저(11)의 주요 표면(18)(예를 들어, 상단 또는 바닥 표면)을 통해 이루어질 수 있다. 플렉스 회로(15)는 또한 커넥터 보드 또는 매니폴드(14)가 설치 및 제거 중에, 그리고 보호용 필름(12)의 랩핑 및 랩핑 해제를 위해 배터리 인클로저(11)로부터 멀리 재위치되는 것을 가능하게 한다.
인클로저(11)의 길이 L, 폭 W 및 두께 T는 통상적으로 설치 이전에 제거되는 보호용 랩퍼(12) 및 임의의 다른 구성요소들을 배제하는 배터리(10)의 형태 또는 폼 팩터를 정의한다. 도 1a의 특정한 구성에서, 예를 들어 배터리 시스템(10)은 인클로저(11)의 대향하는 측면들(16) 사이에 정의된 폭 W 및 대향하는 단부들(17) 사이에 정의된 길이 L을 갖는 실질적으로 직사각형이거나 장타원형의 폼 팩터를 갖는다. 두께 T는 통상적으로 배터리(10)의 주요 표면들 사이에, 예를 들어 배터리 인클로저(11)의 바닥과 상단 표면(18) 사이에 정의된다.
도 1b는 서로 다른 폼 팩터를 갖는 배터리 시스템(10)의 다른 사시도이다. 이러한 구성에서, 배터리 두께 T는 배터리 길이 L과 폭 W의 일부로서, 그리고 도 1a의 얇은-프로파일 실시예와 비교하여 상대적으로 더 크다. 이것은 더욱 무거운 무게와 더 큰 부피 인벨롭에 대한 교환 시에, 배터리 시스템(10)에게 주어진 면적 L×W 내에 더 큰 저장 용량을 제공할 수 있다. 배터리 시스템(10)은 또한 도 1b에 도시된 바와 같이 제어 또는 센서 커넥터(13) 및 충전 및 전력 전달을 위해 분리된(예를 들어, 포지티브 및 네거티브) 전극들(19)을 갖는 3-커넥터 구성을 활용할 수 있다.
인클로저(11)는 때때로 예를 들어 폴리머 보호용 층들 또는 다른 코팅들 사이에 샌드위치된 알루미늄 또는 스틸과 같은 비교적 얇거나 가요성인 금속을 이용하여 라미네이트된 파우치 구조로 형성된다. 이와 달리, 인클로저(11)는 비교적 더 두꺼운 금속 또는 플라스틱 재료를 이용하여 강성 케이스로서, 또는 아래에 기술되는 바와 같이 캡슐화 층 또는 캡슐화된 인클로저 시스템으로서 형성될 수 있다. 발전된 배터리 시스템에서, 배터리 시스템(10)의 내부 구조(또는 배터리 코어)가 박막 또는 라미네이트된 애노드/캐소드 구조로서 형성될 수 있다. 특히, 증가된 위치 에너지 밀도 및 더 높은 전력/무게 비율을 배터리 시스템(10)에 제공하기 위해서 박막 리튬 이온 배터리 구조가 활용될 수 있다.
이러한 장점들을 획득하기 위해서, 감소되거나 최소화되어야 하는 비활성 재료들 및 "오버헤드(overhead)"에 비교하여 캐소드 층 내의 리튬 이온 활용을 포함하는 활성 배터리 재료들의 비율이 증가되거나 최대화되어야만 한다. 높은 리튬 이온 활용을 획득하기 위해서, 특정한 결정 구조 또는 배향들 또한 선택될 수 있다. 예를 들어, 실질적으로 균일한 또는 단일-결정의 구조가 더욱 비결정질의 구조와 비교하여 캐소드 층들 내에 더 큰 에너지 밀도를 제공할 수 있다. 또한, (003)과 같은 다른 가능한 배향과 비교하여 예를 들어 (104), (101) 또는 (012) 결정 평면 배향과 같은 특정한 결정 평면 배향이 선호될 수 있다.
원하는 결정 구조들을 생산하기 위해서, 박막 배터리 층들이 통상적으로 원하는 상전이를 획득하기 위해 증착 후에 가열 및 다른 물리적 및 화학적 프로세스를 거친다. 예를 들어, 필름 배터리 층들 및 기판 모두가 열적 결정화를 획득하기 위해서 연장된 기간 동안 최대 700℃ 이상인 비교적 고온까지 가열될 수 있다. 따라서, 기판을 프로세싱하는 것은 고온에서조차도 열적으로, 화학적으로 그리고 기계적으로 안정적이어야 한다. 이러한 요구사항은 적합한 기판 재료들의 선택을 제한하는 경향이 있으며, 그에 따라 비용을 상승시키고 설계 옵션들을 감소시킨다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 배터리 시스템(10)은 배터리 층들이 기판 재료 상에서 증착 및 프로세싱된 다음, 원하는 상변환이 획득된 후에 새로운(영구적인) 기판으로, 또는 배터리 스택으로 전사(transfer)되는 박막 전사 프로세스를 활용할 수 있다. 이러한 접근법은 또한 오버헤드 및 비활성 재료들을 감소시키거나 최소화한다. 예를 들어 가요성 기판들은 통상적으로 롤-투-롤(roll-to-roll) 형태로 제작되며, 이때 각각의 롤은 1-2미터 폭을 가질 수 있고 길이가 최대 수천 미터일 수 있다. 그러나 통상적인 젤리 롤(및 다른 표준 배터리) 프로세싱 기술을 견디기 위해서, 최소 기판 두께가 유지되어야만 한다. 예를 들어, 최대 25㎛ 두께를 갖는 기판이 디스플레이 패널 및 터치 스크린 애플리케이션에서 활용될 수 있는 반면, 전형적인 활성 층 두께는 3-5㎛만큼 낮을 수 있다. 실질적인 생산 파라미터들은 달라질 수 있지만, 대표적인 숫자들은 활성(예를 들어, 캐소드) 층들에 비교하여 기판 두께에 기초해 500% 이상의 잠재적인 재료 오버헤드를 제안한다. 박막 전사 기술은 아래에서 기술되는 바와 같이 이러한 오버헤드를 실질적으로 감소시키는 데에 사용될 수 있고, 그에 따라 활성 재료 부분 및 상응하는 위치 에너지 밀도를 증가시킨다.
도 2는 예를 들어 박막 기술을 활용하여 배터리 스택(40)을 생산하기 위한 대표적인 방법 또는 프로세스(20)를 도시한 순서도이다. 방법(20)은 기판을 제공하는 단계(단계(21)), 기판 상에 베이스 층을 제공하는 단계(단계(22)), 베이스 층 상의 스택 내에 배터리 층들을 형성하는 단계(단계(23)), 배터리 스택을 프로세싱하는 단계(단계(24))를 포함하지만 이것으로 제한되지는 않는 하나 이상의 단계를 활용할 수 있다. 스택은 영구적인 또는 표적 기판 상에 형성될 수 있거나 또는 영구적인 기판으로 배터리 스택을 전사(단계(27))하고 전사 플레이트를 제거(단계(28))하기 위해 해제되는(단계(26)) 전사 플레이트에 부착될 수 있다(단계(25)). 프로세스 방법(20)은 따라서 위의 배터리 시스템(10)과 같은 배터리 조립체를 사용하기 위해 하나 이상의 박막 배터리 스택 또는 셀(40)을 형성하도록 활용될 수 있다.
단계(21)에서, 프로세스 기판 또는 캐리어 층(31)이 유리 웨이퍼 또는 다른 적합한 프로세스 기판 재료(31)의 형태로 제공된다. 일반적으로, 프로세스 기판(31)의 조성 및 두께는 열적, 화학적 및 기계적 안정성을 위해 선택된다.
단계(22)에서, 해제 또는 베이스 층(32)이 프로세스 기판(31) 상에 제공된다. 베이스 층(32)은 예를 들어 배터리 층들이 형성되고 프로세스 기판(31)이 제거될 때 유지되는 실리콘 베이스 또는 에칭 중단 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어 선택된 결정 평면 구조를 갖는 리튬 코발트 캐소드 또는 캐소드 콜렉터를 형성하기 위한 리튬 코발트(LiCo) 시드 층과 같이, 인접한 애노드, 캐소드 또는 콜렉터 층 내에 특정한 결정 평면 배향을 권장하기 위해 시드 층 또는 시드 재료가 또한 제공될 수 있다. 베이스 층(32)은 또한 최종 배터리 조립체로부터 프로세스 기판(31)을 해제하도록 제거되는 희생 층, 또는 최종 배터리 조립체 내에 보유되는 베이스 층으로서 제공될 수도 있다.
단계(23)에서, 판상 배터리 스택(40)이 예를 들어 박막 증착 및 마스킹 기술을 이용하여 베이스 층(32) 및 프로세스 기판(31) 상에 형성된다. 특히, 배터리 스택(40)은 캐소드 전류 콜렉터 층(33), 캐소드 층(34), 전해질 층(35), 애노드 층(36) 및 애노드 콜렉터 층(37)으로부터 선택된 하나 이상의 배터리 층으로 형성된다.
적합한 애노드 및 캐소드 층 재료들은 리튬, 리튬 코발트 산화물, 리튬 철 인산염 및 다른 리튬 금속 인산염들, 리튬 망간 산화물, 탄소 및 흑연 또는 흑연이 주입된 리튬 이온을 포함하지만, 이것으로 제한되지 않는다. 일 특정 구성에서, 예를 들어 애노드 층(36)이 리튬으로 형성될 수 있고, 캐소드 층(34)이 리튬 코발트 산화물로 형성될 수 있다. 이와 달리, 애노드 층(36)은 리튬 코발트 산화물, 또는 다른 리튬 인산염 또는 금속 산화물 재료로 형성될 수 있고, 캐소드 층(34)은 흑연, 또는 리튬 이온 주입된 흑연, 또는 리튬-기반 재료로 형성될 수 있다.
전해질 층(35)을 위한 적합한 재료들은 리튬 이온 복합체를 포함하는 에틸렌 탄산염 및 디에틸 탄산염 및 적합한 이온 수송 성질을 갖는 다른 (예를 들어, 산성 또는 알칼리성) 전해질을 포함하지만, 이것으로 제한되지 않는다. 배터리(10)의 리튬 이온 적용 시에, 애노드 및 캐소드 층들 내의 리튬 금속 성분들과 반응하는 것을 방지하기 위해서 전해질은 통상적으로 비수성(non-aqueous)이다. 예를 들어 다공성 또는 미소공성 이온 수송 재료, 유리 같은 또는 박막 고체 전해질 분리기, 또는 종이, 폴리머, 또는 선택된 이온 수송 성질을 갖는 섬유 합성 멤브레인 재료와 같은 분리기 재료 또한 전해질 층(35)에 제공될 수 있다. 적합한 전해질 및 분리기 재료들은 또한 폴리에틸렌 리튬 이온 수송 재료, 리튬 인산염, 리튬 인산 및 리튬 인산 상화질화물(LiPON 또는 LiPOxNy) 재료, 폴리머, 탄소(예로서, 탄소 나노튜브) 및 합성 멤브레인 재료 및 예를 들어 리튬 폴리머 배터리 구성과 같은 실질적으로 고체 폴리머 합성물 내의 리튬-염 타입 전해질을 포함하지만, 이것으로 제한되지 않는다.
배터리 스택(40)의 특정 구성은 단지 대표적인 것이며, 개별적인 애노드, 전해질, 캐소드 및 콜렉터 층들(33-37)의 개수 및 순서는 달라질 수 있다. 예를 들어, 층들은 베이스 층(32) 및 프로세스 기판(31)에 대해 반전 또는 역전될 수 있고, 콜렉터 층(33, 37)은 분리된 금속 또는 도전성 층으로서 제공될 수 있거나 또는 애노드 및 캐소드 층들과 결합될 수 있다. 또한, 충전 또는 방전 상태에 따라서, 애노드 및 캐소드 층(36, 34) 내에서의 충전 흐름이 반전될 수 있으며, 이러한 설계는 그에 따라 일반성의 손실 없이 수정될 수 있다.
단계(24)에서, 배터리 스택(40)이 선택된 재료 성질들을 획득하도록 프로세싱된다. 예를 들어, 배터리 스택(40)은 캐소드 층(34) 또는 배터리 스택(40)의 다른 층들 내의 결정화 또는 다른 상변화를 획득하기 위해 열처리될 수 있다. 일반적으로, 결정화 온도는 비교적 높을 수 있으며, 예를 들어 최대 700℃ 이상이다. 시드 층 또는 시드 재료가 제공되는 경우에서, 결정화 온도는 다소 더 낮을 수 있으며, 예를 들어 약 400℃ 이상이다. 추가적인 예시에서, 관련 상변화 온도는 배터리 스택(40)의 원하는 성질들 및 배터리 층들(31-37)의 상응하는 재료 조합 및 구성에 따라 달라진다.
프로세싱 단계(24)는 또한 캡슐화 층(38) 내의 배터리 스택(40)의 캡슐화를 포함할 수 있다. 캡슐화 층(38)은 비교적 얇고, 전기적으로 절연성인 배터리 스택(40)에 대한 화학적 및 기계적 장벽을 제공하여, 전기적 접촉, 기계적 스트레스 및 수분 침입을 포함하는 환경적 영향으로부터 보호한다.
캡슐화 층(38)은 배터리 스택(40) 상의 가열 또는 다른 프로세싱 단계 전후에 제공될 수 있다. 예를 들어, 캡슐화 층(38)을 위한 적합한 재료들은 세라믹 및 캐소드 층(34)(또는 애노드 층(36))의 열 결정화 전후에 도포될 수 있는 다른 고온 또는 내화 재료들을 포함한다. 추가의 적합한 재료들은 캡슐화 재료의 열적 안정성에 비교하여 도포 시퀀스가 프로세싱 온도 및 가열 시간에 의존할 수 있는 폴리머 코팅 및 에폭시 레진을 포함한다.
전사 단계(25)에서, 배터리 스택(40)은 예를 들어 쉽게 해제되는 접착제 또는 다른 해제가능한 결합 재료(39)를 이용하여 전사 플레이트 또는 전사 층(41)에 결합된다. 이와 달리, 배터리 스택(40)은 표적 또는 최종 기판에 직접 형성된다.
전사 층(41)을 위한 적합한 재료들은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 및 다른 가요성 폴리머와 같은 가요성 폴리머 재료 및 유리 및 실리콘 웨이퍼 재료와 같은 강성 재료들을 포함하지만, 이것으로 제한되지 않는다. 접착제 또는 결합 재료(39)를 위한 적합한 재료들은 배터리 스택(40)을 전사 층(41)에 임시로 접착하도록 선택될 수 있고 이후에 용해되거나 다른 방식으로 제거될 수 있는 용해성 글루 및 접착제를 포함한다.
해제 단계(26)에서, 프로세스 기판(31)이 제거 또는 해제되어 배터리 스택(40)이 전사 층(41)으로 전사된다. 이와 달리, 배터리 스택(40)이 표적 또는 영구적인 기판 상에 형성되고 해제 단계가 요구되지 않는다.
도포에 따라, 베이스 층(32)은 또한 예를 들어 희생 해제 재료를 이용할 때 제거될 수 있다. 이와 달리, 베이스 층(32)은 또한 최종 배터리 조립체 내에 보유될 수 있다. 예를 들어, 화학적 에칭 프로세스가 활용될 수 있으며, 이것은 실리콘과 같은 에칭-저항 재료로 형성된 것과 같은 베이스 층(32)에 의해 중지된다. 이와 달리, 희생 베이스 또는 해제 층(32)이 사용되어 예를 들어 비정질 실리콘 베이스 층(32)을 결정화하기 위해 XeCl 엑시머 레이저 또는 다른 방사선 소스를 이용하여 추가적인 프로세싱 단계를 거칠 때 상변화를 겪는다. 베이스 층(32)은 또한 어닐링 프로세스 또는 다른 열처리에서 제거되거나 증발될 수 있다. 또한, 제거 기술에 의존하여, 프로세스 기판 층(31)이 후속하는 프로세싱 방법(20)에서 파기되거나 또는 재사용을 보존될 수 있다.
단계(27)에서, 배터리 스택(40)은 예를 들어 배터리 스택(40)의 바닥(예를 들어, 캐소드 콜렉터 층(33) 및/또는 다른 배터리 층들)과 표적 기판(42) 사이에 라미네이트되는 접착성 층(43)을 이용하여 표적 또는 영구적인 (의도된) 기판(42)에 부착된다. 이와 달리, 배터리 스택(40)은 표적 또는 영구적인 기판 상에 형성된다.
접착성 층(43)에 적합한 재료들은 열경화성 접착제, 에폭시 접착제 및 방사선-경화 접착제 재료들 및 다른 결합제와 같은 영구적 접착제들을 포함하지만, 이것으로 포함되지 않는다. 추가 적용에서, 표적 기판(42)이 배터리 스택(40) 또는 다수의 배터리 셀들(40)을 포함하는 박막 스택 상에 라미네이트될 수 있는 패턴화된 필름의 형태로 제공될 수 있다.
단계(28)에서, 임의의 전사 플레이트(또는 층)(41)가 예를 들어 임시 접착성 층(39)을 용해시키거나 다른 방식으로 제거함으로써 제거될 수 있다. 프로세싱 방법(20)의 완료 후에, 배터리 스택(40)은 프로세스 기판(31)(및 전사 층 또는 플레이트(41))으로부터 해제되며, 배터리 스택(40)은 영구적인 또는 표적 기판(42)에 결합될 수 있다. 하나 이상의 개별적인 배터리 스택(40)이 그 다음 예를 들어 도 1a 및 1b에 도시된 바와 같이 배터리 인클로저(11) 내부의 적층된 배치로 배터리 시스템(10) 내에서 활용될 수 있다. 이와 달리, 배터리 인클로저는 캡슐화 층(38) 및 표적 기판(42)을 포함할 수 있다.
이러한 적층된 구성은 총 배터리 높이의 일부로서 실질적으로 더 많은 활성 재료를 갖는 배터리 시스템(10)을 발생시키며, 유사한 전반적인 치수를 갖지만 기판 두께가 더 큰 다른 배터리 시스템들과 비교하여 위치 에너지 밀도 및 저장 용량에서의 상응하는 증가를 제공한다. 또한, 매우 얇은 기판 적용 시에, 표적 기판(42)의 두께가 예를 들어 약 5㎛ 이하, 또는 2-3㎛와 같이 작을 수 있으며, 이것은 배터리 용량 및 성능에서의 추가적인 증가를 제공한다.
도 3은 영구적인 베이스 층(32)을 갖는 다른 기술로 배터리 스택(40)을 생산하기 위한 방법(20)을 도시한 프로세스 순서도이다. 이 예에서, 프로세싱 단계들(21, 22, 23, 24, 25)은 전술된 도 2의 단계들과 유사할 수 있거나, 또는 당업계에서 알려진 다른 박막 기술들이 사용될 수 있다. 단계(26)에서, 베이스 층(32)은 배터리 스택(40)에 대한 영구적인 베이스 층으로서 보유된다.
이 예에서, 베이스 층(32)은 하나 이상의 박막 배터리 층들(33-37) 내의 특정한 결정 평면 배향을 생성하기 위해 시드 층을 갖는 또는 시드 층이 없는 전술된 바와 같은 실리콘 에칭 블록 또는 베이스 층의 형태로 제공될 수 있다. 배터리 스택(40)을 프로세싱하여 원하는 결정 구조 및 다른 재료 속성들을 제공한 후에, 프로세스 기판 층(31)은 베이스 층(32)에 부착된 박막 배터리 스택을 남겨두고 에칭될 수 있다. 이와 달리, 연삭(grinding)과 같은 기계적인 프로세스가 사용될 수 있으며, 이는 전형적으로 에칭과 연관된 해로운 화학적 환경을 방지한다.
단계(27)에서, 배터리 스택(40)은 예를 들어 표적 기판(42)에 베이스 층(32)을 결합하도록 영구적인 접착제(43)의 층을 이용하여 표적 기판(42)에 부착된다. 단계(28)에서, 임시 접착제(39) 및 전사 층(41)이 제거되고, 전술된 바와 같이 배터리 스택(40)이 배터리 시스템(10) 내에 사용되도록 준비한다. 이와 달리, 프로세스 기판은 또한 영구적인 기판으로서 사용될 수 있다.
도 4는 다수의 적층된 셀 설계 내의 복수의 배터리 스택들(40)을 프로세싱하기 위한 방법(20)을 도시한 프로세스 순서도이다. 이 예에서, 프로세싱 단계들(21-25)은 또한 해제 단계(26)에서 프로세스 기판 층(31)과 함께 제거된 희생 해제 층의 형태로 제공되는 베이스 층(32)을 갖는, 전술된 단계들과 유사할 수 있다. 그러나, 배터리 스택(40)을 표적 기판에 직접 결합시키는 대신, 다수의 배터리 스택들(40)이 단계(29)에 도시된 바와 같이 멀티-셀 스택 구성으로 조립된다.
인접하는 배터리 스택들(40)은 또한 서로에 대해 반전될 수 있으며, 인접하는 캐소드 층들(34) 또는 캐소드 콜렉터들(33)(또는 둘 모두) 사이에 제공된 전도성 접착제(44)의 층을 이용하여, 두 인접하는 배터리 스택들(40)에 대해 단일 캐소드 커넥터(33)를 형성한다. 이와 달리, 개별적인 캐소드 콜렉터 층들(33) 사이에 분리된(예로서, 평행하는) 전기 접속을 가지고, 비-전도성 접착제가 사용될 수 있다.
개별적인 박막 배터리 층들(33-37)의 순서는 또한 개별적인 배터리 스택들(40)에서 역전되거나 또는 다른 방식으로 수정될 수 있으며, 그에 따라 전도성 접착제(44)(또는 절연성 결합제)가 인접하는 애노드 층들(36) 및/또는 애노드 콜렉터들(37) 사이에 제공된다. 예를 들어 적층된 배터리 셀 조립체의 대향하는 면들로부터 나오는 애노드 콜렉터들(37) 및 캐소드 콜렉터들(33)을 가지고, 개별 콜렉터 층들의 인접하는 부분들 사이의 추가적인 전도성 접착제(44)를 갖는, 다양한 서로 다른 전극 커플링들 또한 고려된다.
단계(30)에서, 임시 접착제(39) 및 전사 층(41)이 제거되고(위의 단계(28)를 참조), 적층된 배터리 셀들(40)이 배터리 시스템(10)에서 사용하기 위해 제공된다. 추가적인 배터리 스택들 또는 셀들(40)이 또한 추가될 수 있으며, 그에 따라 임의의 수의 배터리 스택들(40)을 갖는 멀티-셀 적층된 배터리 설계를 제공한다. 하나 이상의 기판 층(42) 및 캡슐화 층(38)은 또한 개별적인 배터리 셀 스택들(40)의 상단 또는 바닥에 포함될 수 있거나, 또는 배터리 시스템(10)의 원하는 화학적 및 기계적 속성들에 따라서 함께 제거될 수도 있다.
도 5는 전도성 접착 캐소드 콜렉터 층(33)을 갖는 다수의 층들의 배터리 스택들 또는 셀들(40)을 프로세싱하기 위한 방법(20)을 도시한 프로세스 순서도이다. 이 예에서, 별개의 캐소드 콜렉터 층이 배터리 스택(40) 내에 형성되지 않는다(단계(23)). 프로세스 기판(31) 및 베이스(또는 해제) 층(32)이 인접하는 (반전된) 배터리 스택들(40)을 결합하기 전에(단계(29)) 제거될 수 있다(단계(26)).
따라서, 전도성 접착제(44)는 인접하는 캐소드 층들(34) 사이에 직접 제공되며, 단계(28)에 도시된 바와 같이 결합 층과 캐소드 전류 콜렉터 모두로서의 역할을 한다. 이러한 설계는 종래의 별개의 또는 구별되는 캐소드 콜렉터 층들에 대한 필요성을 제거하여 활성 재료들을 제거하지 않고 배터리 높이(또는 z-높이)를 감소시키며, 다른 설계들에 대해 위치 에너지 밀도를 추가로 증가시킨다.
도 6은 다수의 셀 캡슐화를 갖는 배터리 스택들 또는 셀들(40)을 프로세싱하기 위한 방법(20)을 도시하는 프로세스 순서도이다. 이러한 예에서, 희생 베이스 또는 해제 층(32)이 활용되며(단계(22)), 박막 증착(단계(23)) 또는 후속하는 배터리 스택(40)의 프로세싱(단계(24))에서 캡슐화 층이 존재하지 않는다. 애플리케이션에 따라서, 도 5에 대해 전술된 바와 같이, 별개의 캐소드 콜렉터 층(33) 또한 방지될 수 있다. 인접하는 배터리 스택들(40)이 함께 결합될 때 캐소드 콜렉터(33)를 형성하기 위해 적절한 전도성 접착제 층(44)을 이용한다(단계(29)).
적층 단계(30)에서, 사용되는 임의의 상단 또는 바닥 전사 층들(41)이 제거될 수 있고 인접한 배터리 스택들 또는 셀들(40)의 쌍들이 예를 들어 인접하는 캐소드 콜렉터들(37) 사이의 추가적인 전도성 접착제(44)를 이용하여 캐소드 콜렉터 인터페이스를 따라 결합된다. 이와 다르게, 전술된 바와 같이 개별적인 셀 적층 순서가 역전될 수 있으며, 추가적인 임시 접착제(39) 및 전사 층들(41)이 제거되어 임의의 수의 배터리 셀들(40)을 적층할 수 있다. 다수의 적층된 셀들(40)은 그 다음 종래의 배터리 케이싱 내에 인클로징될 수 있거나 또는 전술된 바와 같이 한 유닛으로서 캡슐화될 수 있다.
일부 설계들에서, 특정한 배터리 시스템 또는 조립체(10) 내의 모든 캐소드 콜렉터 층들(33)이 애노드 콜렉터 층들(37)과 같이 평행하게 접속된다. 이와 달리, 개별적인 배터리 스택들(40)(또는 셀들(40)의 스택들의 쌍들)이 역전된 배향을 가질 수 있으며, 그에 따라 더 높은 출력 전압을 위해 하나 이상의 직렬 커플링을 제공한다. 따라서, 애노드 및 캐소드 층들에 걸친 단락(short) 및 다른 직접 커플링이 개별적인 배터리 셀들 또는 스택들(40) 내에서 방지되는 한, 서로 다른 수직 층 순서화 및 서로 다른 수평(좌우) 애노드 및 캐소드 콜렉터 배향을 포함하는 광범위한 서로 다른 적층 구성들이 포함된다.
도 7은 전도성 접착 애노드 및 캐소드 콜렉터 층들을 갖는 배터리 스택들(40)을 프로세싱하기 위한 방법(20)을 도시한 프로세스 순서도이다. 이 예에서, 증착 단계(23)에서 별개의 캐소드 콜렉터 또는 애노드 콜렉터 층들(33, 37)이 형성되지 않으며, 프로세스 기판(31) 및 희생 베이스 층(32) 모두가 인접하는 배터리 스택들(40)을 결합하기 이전에(단계(29)) 해제 단계(25)에서 제거된다.
적층 단계(30)에서, 인접하는 배터리 스택들 또는 셀들(40)의 쌍들이 도 6의 예와 관련하여 전술된 바와 같이 함께 결합될 수 있다. 그러나, 도 7에 도시된 바와 같이, 별개의 애노드 콜렉터 구조물이 존재하지 않으며, 전도성 접착제(44)는 캐소드 콜렉터(33) 및 애노드 콜렉터(37) 모두로서의 역할을 한다. 이것은 동일한 폼 팩터, 또는 동일한 질량 및 크기 인벨롭을 갖는 더 많은 종래의 설계와 비교하여 추가로 증가된 전력 용량 및 위치 에너지 밀도를 가지고, 배터리 조립체의 스택 높이의 추가적인 감소를 제공한다.
도 2 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 필름 전사 프로세싱 방법은 개별적인 배터리 스택들(40) 및 조립된 멀티-셀 또는 멀티-스택 배터리 시스템(10)의 제작 및 구조에서의 실질적인 장점을 제공한다. 박막의 캡슐화된 구조의 사용은 실질적으로 배터리 시스템(10) 내의 비활성 재료를 감소시키고, 위치 에너지 밀도를 증가시킨다. 이와 달리, 배터리 시스템의 z-높이는 주어진 영역 내에서 감소될 수 있는 반면, 총 전력 출력 및 저장 용량을 유지하거나 오히려 증가시킨다.
도 8a는 캡슐화되고 적층된 셀 구성 내의 배터리 시스템(10)의 단면도이다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 임의의 수의 개별적인 배터리 스택들 또는 셀들(40)이 배터리 시스템(10) 내에 평행한 평면 배향으로 적층될 수 있다. 서로 다른 적층 순서 및 배향이 각 스택(40) 내의 개별적인 배터리 층들(33-37)에 대해 가능하며, 애노드 및 캐소드 콜렉터 층들(37, 33)이 독립적인 구조물로서 제공될 수 있거나 또는 예를 들어 전도성 접착제(44)를 활용하여 상응하는 애노드 및 캐소드 층들(36, 34)에 결합될 수 있다.
도 8a의 특정한 구성에서, 실질적으로 연속적인 캡슐화 시스템(50)이 적층된 셀 배터리 조립체(10)의 외부 표면을 위에 제공된다. 설계 목표에 따라서, 캡슐화 시스템(50)은 또한 별개의 인클로저를 대신하여 전극들(19)을 통해 제공되는 애노드 및 캐소드 콜렉터들(37, 33)에 연결된 배터리 케이싱으로서의 역할을 할 수 있다.
일반적으로, 캡슐화 시스템(50)은 환경적 영향에 대해 저항을 갖는 화학적으로 불활성이고 기계적으로 내구성 있는 재료로 형성된다. 적합한 캡슐화 재료들은 캡슐화 층(38)에 대해 전술된 바와 같이 예를 들어 플라스틱 또는 라미네이트된 필름과 같은 폴리머 및 유기 절연 재료들을 포함한다. 이와 달리, 캡슐화 층(38) 및 캡슐화 시스템(50) 중 하나 또는 둘 모두가 예를 들어 실록산과 같은 얇은 액체 코팅 장벽 층으로 형성될 수 있다. 캡슐화 시스템(50)은 또한 패턴화된 층으로서 제공될 수 있거나 또는 경화되기 전에 패터닝된 층으로서 제공될 수 있으며, 그에 따라 전극들(19), 콜렉터 층들(33, 37), 또는 이들 모두에 대한 액세스를 제공한다.
배터리 시스템(10)의 캡슐화는 비활성 재료 콘텐츠를 감소시키며, 재료 오버헤드를 최소화한다. 이것은 보호 파우치 또는 금속 케이싱이 활용되고, 비활성 질량 및 부피가 더 큰 다른 박막 및 젤리 롤 배터리 설계와 대조를 이룬다. 이와 달리, 예를 들어 도 1a 또는 1b에 도시된 바와 같이 캡슐화된 배터리 조립체(10)를 인클로저(11)에 삽입함으로써 봉지재(층(38) 또는 시스템(50)) 및 인클로저(11) 모두가 제공될 수 있으며, 그에 따라 임무 수행에 필수적인 시스템 애플리케이션을 위한, 또는 해로운 동작 환경에서 사용하기 위한 추가적인 보호를 제공한다.
캡슐화 시스템(50)을 도포하기 위한 적합한 기술은 스프레이 도포, 딥 코팅 및 롤-투-롤 또는 시트-투-시트 필름 코팅 및 도포 방법을 포함한다. 캡슐화 시스템(50)은 또한 예를 들어 약 180℃ 이하의 온도에서 열적으로 경화되거나 또는 UV 경화될 수 있다. 특정한 애플리케이션들에서, 캡슐화 시스템(50)(또는 캡슐화 층(28))의 경화 온도가 실질적으로 리튬의 융해점보다 낮도록, 그리고 캐소드 층의 결정화 온도보다 낮도록 선택될 수 있으며, 그에 따라 배터리 층들(33-37), 표적 기판 재료들(42), 접착제들(43, 44) 및 프로세싱된 배터리 스택들(40)의 다른 구성요소들에서의 잠재적인 상전이를 방지한다.
일부 설계들에서, 멀티층 캡슐화 시스템(50)에는 예를 들어 배터리 셀들(40)의 스택에 인접한 내부 층(51), 내부 층(51)에 대해 배치된 중간 층(52) 및 중간 층(52)에 대해 배치된 외부 층(53)이 제공되며, 이때 중간 층(52)은 내부 층(51)과 외부 층(53) 사이에 위치된다. 내부 층(51), 중간 층(52) 및 외부 층(53)은 함께 예를 들어 충전 및 방전 동안의 열적 영향으로 인해 배터리 시스템(10)의 동작 중에 팽창 및 수축하는 가요성 커버링 및 화학적/기계적 장벽을 제공한다.
일 특정 구성에서, 내부 층(51)은 실리콘 질화물(SiN), 또는 결합 속성 및 밀도를 위해 선택되고 화학적 장벽을 제공하는 다른 세라믹 재료와 같은 세라믹으로 형성된다. 중간 층(52)은 인장 강도 및 구조적 지지를 위해 선택된 유성 금속 재료로 형성될 수 있고, 외부 층(53)은 파릴렌, 또는 습기 및 산소 장벽으로서의 역할을 하기 위한 밀도 및 능력을 위해 선택된 다른 폴리머와 같은 폴리머로 형성될 수 있다.
도 8b는 내부 간격을 갖는 캡슐화된 구성인 배터리 시스템(10)의 다른 단면도이다. 이러한 구성에서, 갭, 내부 가로막(diaphragm), 또는 압축성 스페이서 재료(54)가 캡슐화 시스템(50)의 내부 층(51)과 배터리 스택들(40) 사이에 제공된다. 내부 캡슐화 층(38)에는 또한 외부 캡슐화 시스템(50)의 층(51)과 내부 캡슐화 층(38) 사이에 배치된 스페이서 또는 갭(54)이 제공될 수 있다.
도 8c는 기울어진 측벽 구성인 배터리 시스템(10)의 단면도이다. 이러한 구성에서, 하나 이상의 개별적인 배터리 스택(40)의 측벽(55)이 수직에 대해 비스듬히 기울어지며; 따라서 측벽(55)이 수직 또는 적층 방향에 대해 경사지고, 반드시 서로 평행할 필요가 없다.
예를 들어, 측벽(55)은 애노드 및 캐소드 층들의 길이가 서로 다른 수 있는 멀티-셀 스택에 대한 삼각형 또는 사다리꼴 형태를 정의할 수 있다. 캡슐화 시스템(50)은 또한 멀티층 셀 조립체의 기울어진 외부 표면들 또는 측벽들(55)을 따라 이동할 수 있는 예를 들어 액체 코팅 재료와 같은 상대적으로 두꺼운 캡슐화 층(38)의 형태로 제공될 수 있으며, 경화될 때 균열에 대해 더 큰 저항을 가질 수 있다.
도 9는 전술된 바와 같이 하나 이상의 개별적인 배터리 스택들 또는 셀들(40)을 갖는 배터리 조립체, 예를 들어 배터리 시스템(10)을 형성하기 위한 방법(70)의 블록도이다. 방법(70)은 베이스 층을 형성하는 단계(단계(71)), 베이스 층 상의 박막 배터리 스택을 형성하는 단계(단계(72)), 원하는 물리적 속성들을 획득하기 위해 배터리 스택을 프로세싱하는 단계 및 박막 배터리 스택을 배터리 시스템으로 조립하는 단계(단계(80))를 포함하지만 이것으로 제한되지 않는 단계들을 포함할 수 있다. 방법(70)은 또한 아래에 기술되는 하나 이상의 중간 프로세싱 단계들(74-79) 및 추가적인 조립 단계들(81-83)을 포함할 수 있다.
베이스 층을 형성하는 단계(단계(71)) 및 베이스 층 상에 박막 배터리 스택을 형성하는 단계(단계(72)) 및 방법(70)의 다른 단계들이 도 2 내지 도 7에 대해 전술된 바와 같은, 또는 당업계에서 알려진 다른 박막 프로세싱 단계들을 이용하여 프로세싱 단계(20)의 임의의 서로 다른 예들을 따라 수행될 수 있다. 예를 들어, 배터리 스택은 구별되는 콜렉터 층들을 갖거나 갖지 않고 애노드, 캐소드 및 전해질 층을 포함할 수 있고, 베이스 층은 패턴 필름 기판과 같은 임시 프로세스 기판 또는 영구적인 기판 재료 상에 형성될 수 있다.
배터리 층들이 증착된 후에, 배터리 스택(또는 스택들)이 예를 들어 열처리 또는 어닐링에 의해 애노드 또는 캐소드 층들 내의 결정 구조 또는 다른 원하는 속성을 생성하도록 프로세싱될 수 있다(단계(73)). 개별적인 배터리 스택들 또는 셀들의 캡슐화를 포함하는 추가적인 화학적, 박막, 그리고 기계적 프로세스들 또한 적용될 수 있다.
실시예에 의존해서, 박막 배터리 스택은 프로세스 기판으로부터의 전사(단계(75))을 위해 전사 층에 결합될 수 있다(단계(74)). 프로세스 기판은 에칭에 의해, 또는 베이스 층 내의 상전이를 발생시킴으로써 제거될 수 있으며, 그에 따라 배터리 스택으로부터 프로세스 기판을 해제시킨다. 베이스 층은 프로세스 기판과 함께 제거될 수 있거나 또는 완성된 배터리 시스템 내에 조립되기 위해 배터리 스택과 함께 유지될 수 있다.
배터리 스택은 전형적으로 표적 또는 영구적 기판으로 결합하기 위해, 또는 멀티-셀 스택으로의 조립을 위해(단계(77)), 전사 층으로 전사된다(단계(76)). 일반적으로, 영구적인 표적 기판 재료들은 최종 조립체 내의 배터리 스택과 보유되지만, 영구적인 기판이 요구되지 않는다. 적층 프로세스(단계(77)) 동안에, 또는 배터리 시스템의 최종 조립(단계(80)) 동안에, 임의의 남아있는 전사 층들은 또한 제거될 수 있다(단계(78)). 전술된 바와 같이, 패턴 필름 라미네이션이 또한 적용될 수 있다(단계(79)).
일부 예들에서, 박막 배터리 셀들은 바닥 대 바닥(bottom-to-bottom)으로 적층되며, 이때 캐소드 콜렉터들의 쌍은 인접하고 전기적으로 연결된 관계로 배치된다. 이와 달리, 하나 이상의 콜렉터 층이 생략될 수 있으며, 베어 캐소드 층들이 인접할 수 있다. 이러한 기술에서, 전도성 접착제를 이용하여 인접한 캐소드 층들의 쌍 사이에 형성될 수 있으며, 이것은 두 인접한 캐소드 층들에 대한 (단일) 캐소드 콜렉터를 형성한다.
유사하게, 배터리 셀들은 또한 상단 대 상단(top-to-top)으로, 또는 역전된 층 구조로 적층될 수 있으며, 그에 따라 애노드 콜렉터(또는 베어 애노드) 층들이 인접한다. 전도성 결합은 인접한 콜렉터 층들 사이에, 또는 인접한 베어 애노드 층들 사이에 형성될 수 있다. 따라서, 전도성 결합들은 다른 개입하는 콜렉터 층들 없이 인접한 애노드 또는 캐소드 층들 사이의 직접적인 전기적 접속으로 형성될 수 있다.
배터리 시스템을 조립하는 단계(단계(80))는 배터리 스택을 캡슐화하는 단계(단계(81)), 배터리 스택을 파우치 또는 케이싱에 삽입하는 단계(단계(82)), 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 전형적으로, 배터리 조립체들은 또한, 예를 들어 전극들 또는 다른 커넥터들과 같은 추가적인 특징부들을 제공하며, 이들은 아래에서 기술되는 바와 같이 배터리 스택(또는 셀들의 멀티층 스택)을 전자 디바이스에 접속시키도록 구성된다(단계(83)).
배터리 스택들은 개별적으로 캡슐화되거나(단계(81)), 또는 멀티층 스택으로서 캡슐화될 수 있다. 예를 들어, 멀티층 캡슐화 시스템은 개별적인 박막 배터리 셀들의 스택을 둘러싸는 실질적으로 연속적인 장벽을 형성하도록 제공될 수 있다. 전형적인 멀티층 시스템은 셀들의 멀티층 스택을 향하게 또는 근접하게 배향되는 세라믹 내부 층 및 내부 세라믹 층에 대해 배치되고 스택으로부터 멀어지게 배향되는 외부 폴리머 층을 포함한다. 금속 층이 또한 예를 들어 내부 세라믹 층과 외부 폴리머 층 사이에 포함될 수 있다.
배터리 스택(또는 스택들)이 또한 패터닝된 필름과 함께 라미네이트될 수 있다(단계(79)). 패터닝된 필름은 예를 들어 도 2에 대해 전술된 바와 같이 커넥터에 액세스하기 위한 사전커팅된 또는 패터닝된 개구를 포함할 수 있으며, 그에 따라 전자 디바이스에 대한 전력 접속을 이룰 수 있다.
도 10은 디바이스(100)의 전력 관리 및 동작상 제어를 제공하도록, 예를 들어 배터리 시스템(10)에 연결된 하우징(102) 및 컨트롤러(104)를 갖는 대표적인 전자 디바이스(100)를 도시한 블록도이다. 일부 애플리케이션들에서, 전자 디바이스(100)는 스마트폰, 태블릿 컴퓨터, 또는 다른 모바일 디바이스로서의 사용을 위해 구성된다. 이와 달리, 디바이스(100)는 미디어 플레이어, 디지털 어시스턴트, 게임 플레이어, 개인 컴퓨터 또는 컴퓨터 디스플레이; 랩탑, 데스크톱, 노트북, 또는 핸드헬드 컴퓨터; 내비게이션 또는 통신 시스템; 전력 툴 또는 다른 전력 장비; 또는 상업적, 산업적, 또는 수송 전력 시스템에서 사용하기 위한 전력 관리 구성요소로서 구성될 수 있다.
하우징(102)은 디바이스(100)의 내부 구성요소들을 보호하도록 제공되고, 알루미늄 및 스틸, 또는 금속, 플라스틱, 유리, 세라믹 및 합성 재료들 및 이들의 조합과 같은 내구성 재료로 형성될 수 있다. 커버 유리(106)는 전형적으로 예를 들어 실리카 유리 또는 사파이어와 같은 유리 또는 투명한 세라믹 재료, 또는 아크릴 또는 폴리카보네이트와 같은 투명한 플라스틱 폴리머로 형성된다. 모바일 디바이스 애플리케이션에서, 커버 유리(106)는 터치 스크린, 그래픽 인터페이스 또는 다른 디스플레이 구성요소(108)를 위한 디스플레이 윈도우를 포함할 수 있다.
디바이스(100)는 또한 동작 센서 및 다른 내부 액세서리(110), 스피커, 마이크로폰, 카메라 및 조명/표시자 특징부들(예를 들어, 발광 다이오드 또는 플래시 디바이스)을 포함하는 시청각 및 센서 특징부들(112), 및 하우징(102) 및 커버 유리(106)에 대해 다양하게 배치된 홈, 메뉴 및 홀드 버튼, 볼륨 제어 및 다른 제어 요소들을 포함하지만 이것으로 제한되지 않는 배터리 시스템(10)에 의해 전력이 공급되는 다수의 추가적인 구성요소들을 포함할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 컨트롤러(104)는 배터리 시스템(10), 그리고 하나 이상의 디스플레이(108), 내부 액세서리(110), 시청각 특징부들(112) 및 제어 디바이스들(114)과 신호 및 전력 통신으로 연결된다. 컨트롤러(104)는 운영 체제 및 애플리케이션 펌웨어 및 소프트웨어의 조합을 실행하도록 구성된 마이크로프로세서 및 메모리 구성요소들을 포함하고, 그에 따라 데이터 디스플레이, 음성 통신, 음성 제어, 미디어 재생 및 개발, 인터넷 액세스, 이메일, 메시징, 게임, 보안, 내비게이션, 트랜잭션 및 개인 어시스턴트 기능을 포함하지만 이것으로 제한되지 않는 디바이스 기능 및 전력 관리를 제공한다. 컨트롤러(104)는 또한 하나 이상의 외부 액세서리(118), 호스트 디바이스(120) 및 네트워크(122)에 대한 하드-와이어, 무선, 오디오, 가시적, 적외선(IR) 및 무선 주파수(RF) 접속들(116)을 지원하도록 구성된 추가적인 입력/출력(I/O) 구성요소들을 포함할 수 있다.
본 발명이 예시적인 실시예들을 참조하여 기술되었지만, 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고 다양한 변화들이 이루어질 수 있고 등가물들이 본 발명의 요소들을 대체할 수 있다는 점이 당업자에 의해 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 범주로부터 벗어나지 않고 본 발명의 내용을 특정 상황 및 재료에 적응시키도록 수정이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 개시된 특정한 예들로 제한되지 않으며, 첨부된 청구범위의 범주 내에 있는 모든 실시예들을 포괄한다.
Claims (22)
- 배터리 조립체를 제조하는 방법으로서,
기판 상에 베이스 층을 형성하는 단계;
상기 베이스 층 상에, 적어도 애노드 층, 캐소드 층 및 상기 애노드 층과 상기 캐소드 층 사이의 전해질 층을 포함하는 박막 배터리 스택(thin film battery stack)을 형성하는 단계;
상기 박막 배터리 스택을 캡슐화하는 단계;
상기 박막 배터리 스택으로부터 상기 기판을 제거하는 단계;
상기 박막 배터리 스택을 패턴화된 층에 부착하는 단계 - 상기 패턴화된 층은 상기 박막 배터리 스택에의 전력 연결을 위해 구성되는 패턴 홀들을 가짐 -; 및
상기 박막 배터리 스택을 배터리 시스템 내에 조립하는 단계를 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 배터리 스택을 열처리하여 상기 캐소드 층 내에 상 전이(phase transition)를 발생시키는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서,
조립체를 위한 복수의 박막 배터리 셀들을 상기 배터리 시스템 내에 적층하는 단계를 더 포함하며, 상기 박막 배터리 셀들 각각은 다수의 박막 배터리 스택들 중 하나를 포함하는, 방법. - 제3항에 있어서,
상기 다수의 박막 배터리 스택들의 각각은 상기 캐소드 층에 인접한 캐소드 콜렉터 층을 포함하고, 상기 복수의 박막 배터리 셀들을 적층하는 단계는 상기 캐소드 콜렉터 층들의 적어도 한 쌍을 상기 배터리 조립체 내에 인접하고 전기적으로 연결된 관계로 적층하는 단계를 포함하는, 방법. - 제3항에 있어서,
상기 복수의 박막 배터리 셀들을 적층하는 단계는 상기 캐소드 층들의 적어도 한 쌍을 상기 배터리 조립체 내에서 인접하고 전기적으로 연결된 관계로 적층하는 단계를 포함하는, 방법. - 제5항에 있어서,
상기 인접한 캐소드 층들의 쌍 사이를 전기적으로 도전시키는 결합으로서 캐소드 콜렉터 층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제6항에 있어서,
상기 복수의 박막 배터리 셀들을 적층하는 단계는 상기 애노드 층들의 적어도 한 쌍을 상기 배터리 조립체 내에서 인접하고 전기적으로 연결된 관계로 적층하는 단계를 포함하고, 상기 인접한 애노드 층들의 쌍 사이의 전기적으로 전도성인 결합으로서 애노드 콜렉터 층을 더 형성하는, 방법. - 제3항에 있어서,
상기 박막 배터리 스택을 캡슐화하는 단계는 상기 복수의 박막 배터리 셀들을 상기 배터리 시스템 내의 한 유닛(unit)으로서 캡슐화하는 단계를 포함하는, 방법. - 제8항에 있어서,
상기 복수의 박막 배터리 셀들을 캡슐화하는 단계는 상기 복수의 박막 배터리 셀들에 근접하게 배치된 내부 세라믹 층, 상기 내부 세라믹 층에 대해 배치된 외부 폴리머 층 및 상기 내부 세라믹 층과 상기 외부 폴리머 층 사이에 배치된 금속 층을 갖는 다층 캡슐화 시스템을 제공하는 단계를 포함하는, 방법. - 배터리 시스템으로서,
적층된 구성으로 배치되고, 각각이 애노드 층, 캐소드 층 및 상기 애노드 층과 상기 캐소드 층 사이의 전해질 층을 포함하는 복수의 박막 배터리 셀들;
상기 복수의 박막 배터리 셀들의 인접하는 박막 배터리 셀들 사이에 위치된 전도성 접착제 층;
상기 적층된 구성을 둘러싸는 봉지재(encapsulant) - 상기 봉지재는 상기 복수의 박막 배터리 셀들에 대해 화학적 및 기계적 장벽을 제공함 -; 및
상기 복수의 박막 배터리 셀들에 부착되는 패턴화된 층 - 상기 패턴화된 층은 상기 복수의 박막 배터리 셀들에의 전력 연결을 위해 구성되는 패턴 홀들을 가짐 -
을 포함하는, 배터리 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 캐소드 층들의 적어도 한 쌍이 상기 적층된 구성 내에서 인접하고 전기적으로 연결된 관계로 위치되는, 배터리 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 애노드 층들의 적어도 한 쌍이 상기 적층된 구성 내에서 인접하고 전기적으로 연결된 관계로 위치되는, 배터리 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 봉지재는 상기 복수의 박막 배터리 셀들에 대해 배치된 세라믹 층을 포함하는, 배터리 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 봉지재는 상기 복수의 박막 배터리 셀들에 대해 배치된 금속 층을 포함하는, 배터리 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 봉지재는 상기 복수의 박막 배터리 셀들에 대해 배치된 폴리머 층을 포함하는, 배터리 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 봉지재는 실록산을 포함하는, 배터리 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 봉지재는 파릴렌을 포함하는, 배터리 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 봉지재와 상기 박막 배터리 셀들의 적층된 구성 사이에 스페이서(spacer) 또는 갭(gap)을 더 포함하는, 배터리 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 박막 배터리 셀들의 적층된 구성은 비평행하게 대향하는 면들을 구비하는, 배터리 시스템. - 전자 디바이스로서,
디스플레이;
상기 디스플레이에 연결된 컨트롤러; 및
상기 컨트롤러에 연결되고 상기 디스플레이에 전력을 공급하도록 구성된 배터리 조립체를 포함하며,
상기 배터리 조립체는,
적층된 구성으로 배치되고, 각각이 애노드 층, 캐소드 층 및 상기 애노드 층과 상기 캐소드 층 사이의 전해질 층을 포함하는 복수의 박막 배터리 셀들;
상기 복수의 박막 배터리 셀들의 인접하는 박막 배터리 셀들 사이에 위치된 전도성 접착제 층;
상기 적층된 구성을 둘러싸는 봉지재 - 상기 봉지재는 상기 복수의 박막 배터리 셀들에 대해 화학적 및 기계적 장벽을 제공함 -; 및
상기 복수의 박막 배터리 셀들에 부착되는 패턴화된 층 - 상기 패턴화된 층은 상기 복수의 박막 배터리 셀들에의 전력 연결을 위해 구성되는 패턴 홀들을 가짐 -
을 포함하는, 전자 디바이스. - 제20항에 있어서,
상기 봉지재는 세라믹 재료를 포함하는 내부 층을 포함하는, 전자 디바이스. - 제21항에 있어서,
상기 봉지재는 상기 세라믹 재료에 대해 배치된 외부 층을 포함하는, 전자 디바이스.
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