KR102651382B1 - 리튬 애노드 디바이스 적층체 제조 - Google Patents

리튬 애노드 디바이스 적층체 제조 Download PDF

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Abstract

금속 전극들, 더 구체적으로는, 리튬 함유 애노드들, 전술된 리튬 함유 전극들을 포함하는 고성능 전기화학적 디바이스들, 이를테면, 이차 배터리들, 및 이를 제조하기 위한 방법들이 제공된다. 일 구현에서, 애노드 전극 구조가 제공된다. 애노드 전극 구조는, 구리를 포함하는 집전체, 집전체 상에 형성되는 리튬 금속 막, 리튬 금속 막 상에 형성되는 구리 막, 및 구리 막 상에 형성되는 보호 막을 포함한다. 보호 막은, 리튬-이온 전도성 세라믹, 리튬-이온 전도성 유리, 또는 이온 전도성 액정을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 리튬-이온 전도성 막이다.

Description

리튬 애노드 디바이스 적층체 제조{LITHIUM ANODE DEVICE STACK MANUFACTURING}
본원에 설명된 구현들은 일반적으로 금속 전극들에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 리튬 함유 애노드들, 전술된 리튬 함유 전극들을 포함하는 고성능 전기화학적 디바이스들, 이를테면, 이차 배터리들, 및 이를 제조하기 위한 방법들에 관한 것이다.
재충전가능한 전기화학적 저장 시스템들은 현재 일상 생활의 많은 분야들에서 점점 더 가치가 높아지고 있다. 리튬-이온(Li-이온) 배터리들과 같은 고용량 전기화학적 에너지 저장 디바이스들은, 휴대용 전자기기, 의료, 교통, 그리드 연결(grid-connected) 대형 에너지 저장소, 재생가능한 에너지 저장소, 및 무정전 전력 공급장치(UPS; uninterruptible power supply)를 포함하는 점점 더 많은 수의 응용들에서 사용되고 있다. 종래의 납/황산 배터리들은 종종 정전용량이 부족하며, 이러한 성장 중인 응용들에 대해 종종 불충분하게 사이클링가능하다. 그러나, 리튬-이온 배터리들은 가장 가능성이 있는 것으로 생각된다.
전형적으로, 리튬-이온 배터리들은 안전상의 이유들로 인해 어떠한 금속성 리튬도 함유하지 않지만, 대신, 흑연질 물질을 애노드로서 사용한다. 그러나, 충전된 상태에서 한계 조성(LiC6)까지 충전될 수 있는 흑연의 사용은, 금속성 리튬의 사용과 비교하여 훨씬 더 낮은 용량을 초래한다. 현재, 업계는, 에너지 셀 밀도를 증가시키기 위해 흑연질 기재 애노드에서 규소 블렌딩된 흑연으로 이동하고 있다. 그러나, 규소 블렌딩된 흑연 애노드들은 제1 사이클 용량 손실로 인해 어려움을 겪는다. 따라서, 규소 블렌딩된 흑연 애노드들의 제1 사이클 용량 손실을 보충하기 위한 리튬 금속 증착에 대한 필요성이 존재한다. 그러나, 리튬 금속은 몇몇 디바이스 통합 난제들에 직면해 있다.
리튬은 알칼리 금속이다. 제1 주족의 중원소 동족체들처럼, 리튬은 다양한 물질들과의 강한 반응성에 의해 특성화된다. 리튬은, 물, 알코올들, 및 양성자성 수소를 함유하는 다른 물질과 격렬히 반응하며, 종종, 점화를 초래한다. 리튬은 공기 중에서 불안정하며, 산소, 질소, 및 이산화탄소와 반응한다. 리튬은 일반적으로 불활성 가스 분위기(아르곤과 같은 희가스들) 하에서 처리되며, 리튬의 강한 반응성은, 다른 처리 동작들이 또한 불활성 가스 분위기에서 수행되는 것을 필요로 한다. 결과적으로, 리튬은 처리, 저장, 및 운반에 착수할 때 몇몇 난제들을 낳는다.
리튬 금속에 대한 보호 표면 처리들이 개발되었다. 리튬 금속의 보호 표면 처리의 하나의 방법은, 왁스 층, 예컨대, 폴리에틸렌 왁스로 리튬 금속을 코팅하는 것을 포함한다. 그러나, 전형적으로는 많은 양의 코팅제가 도포되고, 이는, 리튬 금속 막의 후속 처리를 방해한다.
보호 표면 처리의 다른 방법은, 연속적 카르보네이트 코팅, 중합체 코팅, 예컨대, 폴리우레탄들, PTFE, PVC, 폴리스티렌 및 다른 것들로, 안정화된 리튬 금속 분말("SLMP")을 생성하는 것을 제안한다. 그러나, 이러한 중합체 코팅들은, 전극 물질들을 사전 리튬화할 때 문제들을 야기할 수 있다.
따라서, 에너지 저장 시스템들에서 리튬 금속들의 증착 및 처리를 위한 방법들 및 시스템들에 대한 필요성이 존재한다
본원에 설명된 구현들은 일반적으로 금속 전극들에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 리튬 함유 애노드들, 전술된 리튬 함유 전극들을 포함하는 고성능 전기화학적 디바이스들, 이를테면, 이차 배터리들, 및 이를 제조하기 위한 방법들에 관한 것이다. 일 구현에서, 애노드 전극 구조가 제공된다. 애노드 전극 구조는, 구리를 포함하는 집전체, 집전체 상에 형성되는 리튬 금속 막, 리튬 금속 막 상에 형성되는 구리 막, 및 구리 막 상에 형성되는 보호 막을 포함한다. 보호 막은, 리튬-이온 전도성 세라믹, 리튬-이온 전도성 유리, 또는 이온 전도성 액정을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 리튬-이온 전도성 막이다.
다른 구현에서, 애노드 전극 구조가 제공된다. 애노드 전극 구조는, 구리를 포함하는 집전체, 집전체 상에 형성되는 규소 흑연 애노드, 규소 흑연 애노드 상에 형성되는 리튬 금속의 막, 및 리튬 금속의 막 상에 형성되는 보호 막을 포함한다. 보호 막은, 리튬-이온 전도성 세라믹, 리튬-이온 전도성 유리, 이온 전도성 중합체, 이온 전도성 액정, 이들의 복합물 조합들, 또는 이들의 단위 층 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 리튬-이온 전도성 물질이다.
또 다른 구현에서, 애노드 전극 구조가 제공된다. 애노드 전극 구조는, 구리를 포함하는 집전체, 집전체 상에 형성되는 리튬 금속 막, 및 리튬 금속 막 상에 형성되는 보호 막 적층체를 포함한다. 보호 막 적층체는, 리튬 금속 막 상에 형성되는 보호 막, 보호 막 상에 형성되는 제1 중합체 막, 제1 중합체 막 상에 형성되는 세라믹 막, 및 세라믹 막 상에 형성되는 제2 중합체 막을 포함한다. 보호 막은, 플루오린화리튬(LiF), 산화알루미늄, 비스무트 칼코게나이드, 구리 칼코게나이드, 탄산리튬(Li2CO3), 및 이들의 조합들의 그룹으로부터 선택된다.
또 다른 구현에서, 애노드 전극 구조가 제공된다. 애노드 전극 구조는, 구리를 포함하는 집전체, 집전체 상에 형성되는 리튬 금속 막, 및 리튬 금속 막 상에 형성되는 보호 막 적층체를 포함한다. 보호 막 적층체는, 리튬 금속 막 상에 형성되는 제1 중합체 막, 제1 중합체 막 상에 형성되는 유전체 막, 및 세라믹 막 상에 형성되는 제2 중합체 막을 포함한다.
또 다른 구현에서, 애노드 전극 구조가 제공된다. 애노드 전극 구조는, 구리를 포함하는 집전체, 집전체 상에 형성되는 리튬 금속 막, 및 리튬 금속 막 상에 형성되는 보호 막 적층체를 포함한다. 보호 막 적층체는, 리튬 금속 막 상에 형성되는 구리 막, 구리 막 상에 형성되는 유전체 막, 및 유전체 막 상에 형성되는 중합체 막을 포함한다.
또 다른 구현에서, 방법이 제공된다. 방법은, 집전체 상에 리튬 금속 막을 형성하는 단계를 포함한다. 집전체는 구리를 포함한다. 방법은, 리튬 금속 막 상에 구리 막을 형성하는 단계, 및 구리 막 상에 형성되는 보호 막을 형성하는 단계를 더 포함한다. 보호 막은, 리튬-이온 전도성 세라믹, 리튬-이온 전도성 유리, 이온 전도성 중합체, 이온 전도성 액정, 이들의 복합물 조합들, 또는 이들의 단위 층 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 리튬-이온 전도성 막이다.
또 다른 구현에서, 방법이 제공된다. 방법은, 집전체 상에 규소 흑연 막을 형성하는 단계를 포함한다. 집전체는 구리를 포함한다. 방법은, 규소 흑연 애노드 상에 리튬 금속의 막을 형성하는 단계, 및 리튬 금속의 막 상에 보호 막을 형성하는 단계를 더 포함한다. 보호 막은, 리튬-이온 전도성 세라믹, 리튬-이온 전도성 유리, 이온 전도성 중합체, 이온 전도성 액정, 이들의 복합물 조합들, 또는 이들의 단위 층 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 리튬-이온 전도성 물질이다.
또 다른 구현에서, 방법이 제공된다. 방법은, 집전체 상에 리튬 금속 막을 형성하는 단계를 포함한다. 집전체는 구리를 포함한다. 방법은, 리튬 금속 막 상에 보호 막 적층체를 형성하는 단계를 더 포함한다. 보호 막 적층체는, 리튬 금속 막 상에 보호 막을 형성하는 것, 보호 막 상에 형성되는 제1 중합체 막을 형성하는 것, 제1 중합체 막 상에 형성되는 세라믹 막을 형성하는 것, 및 세라믹 막 상에 제2 중합체 막을 형성하는 것을 포함한다. 보호 막은, 플루오린화리튬(LiF), 산화알루미늄, 비스무트 칼코게나이드, 구리 칼코게나이드, 탄산리튬(Li2CO3), 및 이들의 조합들의 그룹으로부터 선택된다.
또 다른 구현에서, 방법이 제공된다. 방법은, 집전체 상에 리튬 금속 막을 형성하는 단계를 포함한다. 집전체는 구리를 포함한다. 방법은, 리튬 금속 막 상에 보호 막 적층체를 형성하는 단계를 더 포함한다. 보호 막 적층체는, 리튬 금속 막 상에 제1 중합체 막을 형성하는 것, 제1 중합체 막 상에 유전체 막을 형성하는 것, 및 유전체 막 상에 제2 중합체 막을 형성하는 것을 포함한다.
또 다른 구현에서, 방법이 제공된다. 방법은, 집전체 상에 리튬 금속 막을 형성하는 단계를 포함한다. 집전체는 구리를 포함한다. 방법은, 리튬 금속 막 상에 보호 막 적층체를 형성하는 단계를 더 포함한다. 보호 막 적층체는, 리튬 금속 막 상에 금속 막을 형성하는 것, 제1 중합체 막 상에 유전체 막을 형성하는 것, 및 유전체 막 상에 중합체 막을 형성하는 것을 포함한다.
본 개시내용의 상기 인용된 특징들이 상세하게 이해될 수 있는 방식으로, 위에서 간략하게 요약된 구현들의 보다 구체적인 설명이 구현들을 참조하여 이루어질 수 있으며, 이러한 구현들 중 일부가 첨부된 도면들에 예시되어 있다. 그러나, 첨부된 도면들은 본 개시내용의 단지 전형적인 구현들을 예시하는 것이므로 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다는 것이 유의되어야 하는데, 이는 본 개시내용이 다른 균등하게 유효한 구현들을 허용할 수 있기 때문이다.
도 1은, 본원에 설명된 구현들에 따라 형성되는 전극 구조를 포함하는 에너지 저장 디바이스의 일 구현의 개략적인 단면도를 예시한다.
도 2는, 본원에 설명된 구현들에 따라 형성되는 양면 애노드 전극 구조의 일 구현의 개략적인 단면도를 예시한다.
도 3은, 본원에 설명된 구현들에 따라 형성되는 양면 애노드 전극 구조의 다른 구현의 단면도를 예시한다.
도 4는, 본원에 설명된 구현들에 따라 형성되는 양면 애노드 전극 구조의 또 다른 구현의 단면도를 예시한다.
도 5는, 본원에 설명된 구현들에 따라 형성되는 양면 애노드 전극 구조의 또 다른 구현의 단면도를 예시한다.
도 6은, 본원에 설명된 구현들에 따라 형성되는 양면 애노드 전극 구조의 또 다른 구현의 단면도를 예시한다.
도 7은, 본원에 설명된 구현들에 따라 애노드 전극 구조를 형성하기 위한 방법의 일 구현을 요약하는 공정 흐름도를 예시한다.
도 8은, 본원에 설명된 구현들에 따라 애노드 전극 구조를 형성하기 위한 방법의 일 구현을 요약하는 공정 흐름도를 예시한다.
도 9는, 본원에 설명된 구현들에 따라 애노드 전극 구조를 형성하기 위한 방법의 일 구현을 요약하는 공정 흐름도를 예시한다.
도 10은, 본원에 설명된 구현들에 따라 애노드 전극 구조를 형성하기 위한 방법의 일 구현을 요약하는 공정 흐름도를 예시한다.
도 11은, 본원에 설명된 구현들에 따라 애노드 전극 구조를 형성하기 위한 방법의 일 구현을 요약하는 공정 흐름도를 예시한다.
도 12는, 본원에 설명된 구현들에 따라 애노드 전극 구조들을 형성하기 위한 통합 처리 툴의 개략도를 예시한다.
이해를 용이하게 하기 위해서, 도면들에 공통된 동일한 요소들을 지정하기 위해 가능한 경우 동일한 참조 번호들이 사용되었다. 일 구현의 요소들 및 특징들은 추가적인 언급이 없이도 다른 구현들에 유익하게 포함될 수 있는 것으로 고려된다.
다음의 개시내용은 애노드 전극들, 전술된 애노드 전극들을 포함하는 고성능 전기화학적 셀들 및 배터리들, 및 이를 제조하기 위한 방법들을 설명한다. 본 개시내용의 다양한 구현들의 철저한 이해를 제공하기 위해, 다음의 설명 및 도 1-12에서는 특정 세부사항들이 설명된다. 다양한 구현들의 설명을 불필요하게 불명료하게 하는 것을 피하기 위해, 전기화학적 셀들 및 배터리들과 종종 연관되는 잘 알려진 구조들 및 시스템들을 설명하는 다른 세부사항들은 다음의 개시내용에서 기재되지 않는다.
도면들에서 도시되는 세부사항들, 치수들, 각도들, 및 다른 특징들 중 다수는, 단지 특정한 구현들의 예시일 뿐이다. 따라서, 다른 구현들은, 본 개시내용의 사상 또는 범위로부터 벗어나지 않으면서, 다른 세부사항들, 구성요소들, 치수들, 각도들, 및 특징들을 가질 수 있다. 게다가, 하기에서 설명되는 세부사항들 중 몇몇이 없이도, 본 개시내용의 추가적인 구현들이 실시될 수 있다.
본원에 설명된 구현들은, 탑멧(TopMet™), 스마트웹(SMARTWEB®), 탑빔(TopBeam™)과 같은 릴-투-릴 코팅 시스템을 참조하여 아래에서 설명될 것이며, 이들 전부는 캘리포니아 주 산타 클라라의 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드(Applied Materials, Inc.)로부터 입수가능하다. 물리 기상 증착 공정들(예컨대, 고속 증발 공정들 및 마그네트론 스퍼터링 공정들)을 수행할 수 있는 다른 툴들이 또한 본원에 설명된 구현들로부터 이익을 얻도록 적응될 수 있다. 게다가, 본원에 설명된 물리 기상 증착 공정들을 가능하게 하는 임의의 시스템이 유리하게 사용될 수 있다. 본원에 설명된 장치 설명은 예시적이며, 본원에 설명된 구현들의 범위를 제한하는 것으로서 해석되거나 이해되어서는 안 된다. 또한, 릴-투-릴 공정으로서 설명되어 있지만, 본원에서 설명된 구현들은 또한 별개의 기판들 상에서 수행될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
에너지 저장 디바이스들, 예컨대, 배터리들은 전형적으로, 양의 전극, 다공성 분리기에 의해 분리된 애노드 전극, 및 이온 전도성 매트릭스로서 사용되는 전해질로 이루어진다. 흑연 애노드들은 현재 최신기술이지만, 업계는, 셀 에너지 밀도를 증가시키기 위해 흑연질 기재 애노드에서 규소 블렌딩된 흑연으로 이동하고 있다. 그러나, 규소 블렌딩된 흑연 애노드들은 종종, 제1 사이클 동안 발생하는 비가역적 용량 손실로 인해 어려움을 겪는다. 따라서, 이러한 제1 사이클 용량 손실을 보충하기 위한 방법들에 대한 필요성이 존재한다.
규소 블렌딩된 흑연 애노드의 이러한 제1 사이클 용량 손실을 보충하기 위한 하나의 그러한 방법은 리튬 금속의 증착이다. 리튬 금속 증착을 위한 다수의 방법들(예컨대, 열 증발, 적층, 인쇄 등)이 존재하지만, 특히, 대량 제조 환경에서, 디바이스 적층 전에 스풀 상에 증착된 리튬 금속의 처리가 다루어질 필요가 있다. 일 구현에서, 리튬 애노드 디바이스들을 형성하기 위한 방법들 및 시스템들이 제공된다.
본원에 설명된 구현들을 사용하여, 증착된 리튬 금속은, 단면이든 양면이든, 하류에서의 릴들의 권취 및 권출 동안 보호될 수 있다. Li-이온 전도성 중합체들, 이온 전도성 세라믹들, 또는 이온 전도성 유리의 박막들의 증착은 몇몇 이점들을 갖는다. 첫째, 리튬 금속을 함유하는 전극들의 릴들이, 리튬 금속이 인접 전극들에 접촉함이 없이 권취 및 권출될 수 있다. 둘째, 리튬 금속의 더 양호한 셀 성능 및 높은 전기화학적 활용을 위한 안정한 고체 전해질 계면(SEI)이 설정된다. 보호 층은 또한, 특히, 높은 전류 밀도 동작에서, 리튬 수지상정을 억제하거나 제거하는 것을 도울 수 있다. 게다가, 보호 막들의 사용은, 제조 시스템들의 복잡도를 감소시키고 현재 제조 시스템들과 상용가능하다.
도 1은, 본원에 설명된 구현들에 따라 형성되는 애노드 전극 구조를 포함하는 에너지 저장 디바이스(100)의 일 구현의 개략적인 단면도를 예시한다. 에너지 저장 디바이스(100)는, 평면형 구조로 도시되어 있다 하더라도, 층들의 적층체를 롤링함으로써 원통형으로 또한 형성될 수 있으며, 또한, 다른 셀 구성들(예컨대, 프리즘형 셀들, 버튼형 셀들, 또는 적층형 전극 셀들)이 형성될 수 있다. 에너지 저장 디바이스(100)는, 분리기 막(130)이 사이에 배치되는 애노드 전극 구조(110)와 캐소드 전극 구조(120)를 포함한다. 캐소드 전극 구조(120)는, 캐소드 집전체(140) 및 캐소드 막(150)을 포함한다. 애노드 전극 구조(110)는, 애노드 집전체(160), 애노드 막(170)과, 보호 막(175), 리튬-이온 전도성 중합체 막(180), 세라믹 코팅(185), 및 접합 다공성 중합체 막(190) 중 적어도 하나를 포함한다.
캐소드 전극 구조(120)는, 캐소드 집전체(140)와 캐소드 집전체(140) 상에 형성된 캐소드 막(150)을 포함한다. 캐소드 전극 구조(120)는 다른 요소들 또는 막들을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
각각 캐소드 막(150) 및 애노드 막(170) 상에 있는 집전체들(140, 160)은 동일한 전자 전도체들이거나 상이한 전자 전도체들일 수 있다. 집전체들(140, 160)을 구성할 수 있는 금속들의 예들은, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 아연(Zn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망가니즈(Mn), 크로뮴(Cr), 스테인리스 강, 클래드 물질들, 이들의 합금들, 및 이들의 조합들을 포함한다. 일 구현에서, 집전체들(140, 160) 중 적어도 하나는 천공된다. 일 구현에서, 집전체들(140, 160) 중 적어도 하나는, 금속성 물질로 코팅된 폴리에틸렌 테레프탈레이트("PET") 중합체 기판을 포함한다. 일 구현에서, 애노드 집전체(160)는 구리로 코팅된 PET 막이다. 다른 구현에서, 애노드 집전체(160)는 PET 상의 다중-금속 층이다. 다중-금속 층은, 구리, 크로뮴, 니켈 등의 조합들일 수 있다. 일 구현에서, 애노드 집전체(160)는, 구리-니켈 클래딩 물질을 포함하는 다중-층 구조이다. 일 구현에서, 다중-층 구조는, 니켈 또는 크로뮴의 제1 층, 제1 층 상에 형성되는 구리의 제2 층, 및 제2 층 상에 형성되는 니켈, 크로뮴, 또는 둘 모두를 포함하는 제3 층을 포함한다. 일 구현에서, 애노드 집전체(160)는 니켈 코팅된 구리이다. 또한, 집전체들은, 임의의 폼 팩터(예컨대, 금속성 포일, 시트, 또는 평판), 형상, 및 마이크로/매크로 구조를 가질 수 있다. 일반적으로, 프리즘형 셀들에서, 탭(tab)들은 집전체와 동일한 물질로 형성되며, 적층체의 제조 동안 형성되거나 나중에 부가될 수 있다. 일부 구현들에서, 집전체들은 적층체를 넘어 연장되고, 적층체를 넘어 연장되는 집전체의 부분들은 탭들로서 사용될 수 있다. 집전체들(140 및 160)을 제외한 모든 구성요소들이 리튬 이온 전해질들을 함유한다. 일 구현에서, 캐소드 집전체(140)는 알루미늄이다. 다른 구현에서, 캐소드 집전체(140)는 PET 막 상에 증착된 알루미늄을 포함한다. 일 구현에서, 캐소드 집전체(140)는, 약 0.5 ㎛ 내지 약 20 ㎛(예컨대, 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛; 약 2 ㎛ 내지 약 8 ㎛; 또는 약 5 ㎛ 내지 약 10 ㎛)의 두께를 갖는다. 일 구현에서, 애노드 집전체(160)는 구리이다. 일 구현에서, 애노드 집전체(160)는, 약 0.5 ㎛ 내지 약 20 ㎛(예컨대, 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛; 약 2 ㎛ 내지 약 8 ㎛; 약 6 ㎛ 내지 약 12 ㎛; 또는 약 5 ㎛ 내지 약 10 ㎛)의 두께를 갖는다.
캐소드 막(150) 또는 캐소드는, 애노드와 상용가능한 임의의 물질일 수 있고, 층간(intercalation) 화합물, 삽입 화합물, 또는 전기화학적으로 활성인 중합체를 포함할 수 있다. 적합한 층간 물질들은, 예컨대, 리튬 함유 금속 산화물들, MoS2, FeS2, BiF3, Fe2OF4, MnO2, TiS2, NbSe3, LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, V6O13, 및 V2O5를 포함한다. 적합한 중합체들은, 예컨대, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리아닐린, 및 폴리티오펜을 포함한다. 캐소드 막(150) 또는 캐소드는, 리튬 코발트 산화물과 같은 층상(layered) 산화물, 리튬 철 인산염과 같은 감람석, 또는 리튬 망가니즈 산화물과 같은 스피넬로 만들어질 수 있다. 예시적인 리튬 함유 산화물들은, 층상, 이를테면 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 또는 혼합된 금속 산화물들, 이를테면 LiNixCo1-2xMnO2, LiNiMnCoO2("NMC"), LiNi0.5Mn1.5O4, Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2, LiMn2O4, 및 도핑된 리튬 풍부 층상-층상 물질들일 수 있으며, 여기서 x는 영(zero) 또는 영이 아닌 수이다. 예시적인 인산염들은 철 감람석(LiFePO4)일 수 있고, 그 변형물들(이를테면, LiFe(1-x)MgxPO4), LiMoPO4, LiCoPO4, LiNiPO4, Li3V2(PO4)3, LiVOPO4, LiMP2O7, 또는 LiFe1.5P2O7이고, 여기서 x는 영 또는 영이 아닌 수이다. 예시적인 플루오로인산염들은, LiVPO4F, LiAlPO4F, Li5V(PO4)2F2, Li5Cr(PO4)2F2, Li2CoPO4F, 또는 Li2NiPO4F일 수 있다. 예시적인 규산염들은 Li2FeSiO4, Li2MnSiO4, 또는 Li2VOSiO4일 수 있다. 예시적인 비-리튬 화합물은 Na5V2(PO4)2F3이다.
애노드 전극 구조(110)는, 애노드 집전체(160)와 애노드 집전체(160) 상에 형성된 애노드 막(170)을 포함한다. 애노드 전극 구조(110)는 임의적으로, 보호 막(175), 리튬-이온 전도성 중합체 막(180), 세라믹 코팅(185), 및 접합 다공성 중합체 막(190) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 구현에서, 보호 막(175)은 애노드 막(170) 상에 형성된다. 리튬-이온 전도성 중합체 막(180)의 막은 보호 막(175) 상에 형성된다. 세라믹 코팅(185)은 리튬-이온 전도성 중합체 막(180) 상에 형성된다. 접합 다공성 중합체 막(190)은 분리기 막(130)과 애노드 막(170) 사이에 형성된다.
애노드 막(170)은 캐소드 막(150)과 상용가능한 임의의 물질일 수 있다. 애노드 막(170)은, 372 mAh/g보다 크거나 같은 에너지 용량, 바람직하게는 ≥ 700 mAh/g인 에너지 용량, 및 가장 바람직하게는 ≥ 1000 mAh/g인 에너지 용량을 가질 수 있다. 애노드 막(170)은, 흑연, 규소 함유 흑연, 리튬 금속, 리튬 금속 포일 또는 리튬 합금 포일(예컨대, 리튬 알루미늄 합금들), 또는 리튬 금속 및/또는 리튬 합금과, 탄소(예컨대, 코크스, 흑연), 니켈, 구리, 주석, 인듐, 규소, 이들의 산화물들과 같은 물질들의 혼합물 또는 이들의 조합들로 구성될 수 있다. 애노드 막(170)은 전형적으로, 리튬을 함유하는 층간 화합물들, 또는 리튬을 함유하는 삽입 화합물들을 포함한다. 애노드 막(170)이 리튬 금속을 포함하는 일부 구현들에서, 리튬 금속은 본원에 설명된 방법들을 사용하여 증착될 수 있다.
일 구현에서, 애노드 막(170)은, 약 10 ㎛ 내지 약 200 ㎛(예컨대, 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛; 약 10 ㎛ 내지 약 30 ㎛; 약 20 ㎛ 내지 약 30 ㎛; 약 1 ㎛ 내지 약 20 ㎛; 또는 약 50 ㎛ 내지 약 100 ㎛)의 두께를 갖는다. 일 구현에서, 애노드 막(170)은 리튬 금속 막이다.
일부 구현들에서, 보호 막(175)은 애노드 막(170) 상에 형성된다. 보호 막(175)은, 플루오린화리튬(LiF), 금속 막(예컨대, 구리, 비스무트, 주석, 또는 이들의 조합들), 구리 칼코게나이드(예컨대, CuS, Cu2Se, Cu2S), 비스무트 칼코게나이드(예컨대, Bi2Te3, Bi2Se3), 및 탄산리튬(Li2CO3) 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 구현들에서, 보호 막(175)은, 리튬 이온들 및 리튬 원자들 중 적어도 하나에 대해 투과성이다. 보호 막(175)은 애노드 막(170)의 표면 보호를 제공하며, 이는, 드라이 룸에서의 애노드 막의 처리를 허용한다. 이론에 얽매이는 것은 아니지만, 보호 막(175)은 디바이스 제조 동안 Li-전도성 전해질을 취하여 겔을 형성할 수 있고, 이는, 양호한 고체 전해질 계면(SEI)을 형성하는 데 유익하고 또한 저항을 낮추는 데 도움이 되는 것으로 여겨진다. 에너지 저장 디바이스(100)가 솔리드 스테이트 에너지 저장 디바이스인 일부 구현들에서, 보호 막(175)은, 더 양호한 SEI를 구축하고 디바이스 성능을 개선하는 것을 돕는다. 보호 막(175)은, 물리 기상 증착(PVD), 이를테면, 증발 또는 스퍼터링, 원자 층 증착(ALD), 슬롯-다이 공정, 딥 코팅, 박막 전사 공정, 그라비어 코팅, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 애노드 막(170) 상에 직접 증착될 수 있다. PVD는, 보호 막(175)의 증착에 대한 바람직한 방법이다.
일부 구현들에서, 보호 막(175)은 금속 막이다. 금속 막은 초박형 금속 시드 막일 수 있다. 금속 막은 구리 막일 수 있다. 구리 막은 초박형 구리 막일 수 있다.
보호 막(175)은 1 나노미터 내지 2,000 나노미터 범위(예컨대, 10 나노미터 내지 600 나노미터 범위; 50 나노미터 내지 100 나노미터 범위; 50 나노미터 내지 200 나노미터 범위; 100 나노미터 내지 150 나노미터 범위)의 두께를 갖는 코팅 또는 별개의 막일 수 있다. 보호 막(175)은 1 미크론 내지 50 미크론 범위(예컨대, 1 미크론 내지 25 미크론 범위)의 두께를 갖는 별개의 막일 수 있다.
보호 막(175)은 다공성일 수 있다. 일부 구현들에서, 보호 막(175)은 나노-세공들을 갖는다. 일 구현에서, 보호 막(175)은, 약 10 나노미터 미만(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 약 3 나노미터 내지 약 5 나노미터)의 평균 세공 크기 또는 직경을 갖도록 크기가 정해지는 복수의 나노-세공들을 갖는다. 다른 구현에서, 보호 막(175)은, 약 5 나노미터 미만의 평균 세공 크기 또는 직경을 갖도록 크기가 정해진 복수의 나노-세공들을 갖는다. 일 구현에서, 보호 막(175)은, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터(예컨대, 약 2 나노미터 내지 약 15 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터) 범위의 직경을 갖는 복수의 나노-세공들을 갖는다.
일부 구현들에서, 리튬-이온 전도성 중합체 막(180)이 보호 막(175) 상에 형성된다. 이론에 얽매이는 것은 아니지만, 리튬-이온 전도성 중합체 막(180)은 리튬 이온들을 전도할 뿐만 아니라 애노드 막(170)을 형성할 수 있는 임의의 수지상정들을 차단하는 것으로 여겨진다. 리튬-이온 전도성 중합체 막(180)을 형성하는 데 사용될 수 있는 이온-전도성 중합체들의 예들은, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥시드(PEO), 에틸렌 옥시드(EO), 폴리-아크릴로니트릴(PAN), 숙시노니트릴(C2H4(CN)2), 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리(황-랜덤)-트리알릴아민, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 이온성 액체들 및 이들의 조합들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.
일부 구현들에서, 세라믹 코팅(185)은 리튬-이온 전도성 중합체 막(180) 상에 형성된다. 세라믹 코팅(185)은 하나 이상의 유전체 물질을 포함한다. 유전체 물질은 세라믹 물질일 수 있다. 세라믹 물질은 산화물일 수 있다. 세라믹 물질은, 예컨대, 산화알루미늄(Al2O3), AlOx, AlOxNy, 옥시수산화알루미늄(AlO(OH)), AlN(질소 환경에서 증착된 알루미늄), 탄산칼슘(CaCO3), 이산화티타늄(TiO2), 산화니오븀(Nb2O5), SiS2, SiPO4, 산화규소(SiO2), 산화지르코늄(ZrO2), MgO, TiO2, Ta2O5, Nb2O5, LiAlO2, LiNbO3, LiTaO3, Li2NbO3, BaTiO3, BN, 이온 전도성 가넷, 이온 전도성 페로브스카이트, 이온 전도성 반-페로브스카이트(anti-perovskite)들, 다공성 유리 세라믹 등, 또는 이들의 조합들로부터 선택될 수 있다. 일 구현에서, 세라믹 물질은, 다공성 산화알루미늄, 다공성 ZrO2, 다공성 SiO2, 다공성 MgO, 다공성 TiO2, 다공성 Ta2O5, 다공성 Nb2O5, 다공성 LiAlO2, 다공성 LiNbO3, 다공성 LiTaO3, 다공성 Li2NbO3, 다공성 BaTiO3, 이온 전도성 가넷, 반-이온 전도성(anti-ion-conducting) 페로브스카이트들, Li2S-P2S5 유리, 다공성 유리 유전체, 또는 이들의 조합들로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 물질이다. 세라믹 코팅(185)은 결합제가 없는 유전체 막이다. 일부 구현들에서, 세라믹 코팅(185)은 다공성 산화알루미늄 막이다.
세라믹 코팅(185)은, 리튬-이온 전도성 세라믹 또는 리튬-이온 전도성 유리일 수 있다. Li-이온 전도성 물질은, 예컨대, LiPON, Li7La3Zr2O12의 결정질 또는 비정질 상들의 도핑된 변형물들, 도핑된 반-페로브스카이트 조성물들, Li2S-P2S5, Li2S, LiKSO4, Li3P, Li5B7S13, Li10GeP2S12, Li3PS4, LiNH2, LiNO3, 리튬 아미드 수소화붕소(Li(BH4)1-x(NH2)x), 인산리튬 유리들, (1-x)LiI-(x)Li4SnS4, xLiI-(1-x)Li4SnS4, 혼합된 황화물 및 산화물 전해질들(결정질 LLZO, 비정질 (1-x)LiI-(x)Li4SnS4 혼합물, 및 비정질 xLiI-(1-x)Li4SnS4) 중 하나 이상으로 구성될 수 있다. 일 구현에서, x는 0 내지 1(예컨대, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 및 0.9)이다. Li-이온 전도성 물질은, 물리 기상 증착(PVD), 화학 기상 증착(CVD), 분무, 닥터 블레이드, 인쇄 또는 다수의 코팅 방법들 중 임의의 것 중 어느 하나를 사용하여 리튬 금속 막 상에 직접 증착될 수 있다. 일부 구현들에 대한 적합한 방법은 PVD이다. 일부 구현들에서, 세라믹 코팅(185)이 이온 전도성일 필요는 없지만, 일단 전해질(액체, 겔, 고체, 조합 등)로 채워지면, 다공성 기판과 전해질의 조합은 이온 전도성이다.
일부 구현들에서, 세라믹 코팅(185)은, 지르콘산리튬(Li2ZrO3), LiPON, 가넷-유형 Li7La3Zr2O12의 결정질 또는 비정질 상들, LISICON(예컨대, Li2+2xZn1-xGeO4, 여기서, 0 < x < 1), NASICON(예컨대, Na1+xZr2SixP3-xO12, 여기서, 0 < x < 3), 수소화붕소리튬(LiBH4), 도핑된 반-페로브스카이트 조성물들, 리튬 함유 황화물들(예컨대, Li2S, Li2S-P2S5, Li10GeP2S12 및 Li3PS4), 및 리튬 아기로다이트들(예컨대, LiPS5X, 여기서, x는 Cl, Br 또는 I임)로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
세라믹 코팅(185)은 1 나노미터 내지 2,000 나노미터 범위(예컨대, 10 나노미터 내지 600 나노미터 범위; 50 나노미터 내지 100 나노미터 범위; 100 나노미터 내지 200 나노미터 범위; 100 나노미터 내지 150 나노미터 범위)의 두께를 가질 수 있다.
일부 구현들에서, 접합 다공성 중합체 막(190)은 세라믹 코팅(185)과 분리기 막(130) 사이에 형성된다. 이론에 얽매이는 것은 아니지만, 접합 다공성 중합체 막(190)은, 애노드 전극 구조(110)와 분리기 막(130)이 함께 결합될 때 이들 사이의 접착력을 개선하는 데 도움이 되는 것으로 여겨진다.
접합 다공성 중합체 막(190)에 대한 중합체는, Li-이온 배터리 산업에서 현재 사용되는 중합체들로부터 선택될 수 있다. 겔 중합체 막을 형성하는 데 사용될 수 있는 중합체들의 예들은, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥시드(PEO), 에틸렌 옥시드(EO), 폴리-아크릴로니트릴(PAN), 숙시노니트릴(C2H4(CN)2), 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 이온성 액체들 및 이들의 조합들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 이론에 얽매이는 것은 아니지만, 접합 다공성 중합체 막(190)은 디바이스 제조 동안 Li-전도성 전해질을 취하여 겔을 형성할 수 있고, 이는, 양호한 고체 전해질 계면(SEI)을 형성하는 데 유익하고 또한 저항을 낮추는 데 도움이 되는 것으로 여겨진다. 일부 구현들에서, 겔 전해질 또는 액정 전해질은, 리튬-이온 전도성 염과 따뜻한 액체들의 혼합물을 사용함으로써 만들어진다. 따뜻한 액체들의 혼합물이 나선형으로 감긴 전극들 또는 적층된 전극들로 주입되어 네트워크 전극 세공들을 채우며, 전해질은 실온에서 고체 또는 겔을 형성한다. 접합 다공성 중합체 막(190)은 딥 코팅, 슬롯-다이 코팅, 그라비어 코팅, 또는 인쇄에 의해 형성될 수 있다. 황 이온들을 갖는 유기 중합체들(예컨대, Li2O 혼합물을 갖는 폴리페닐렌 설파이드)은 리튬 금속 기재 애노드들에 대해 양호한 결과들을 나타냈으며, 일부 경우들에서는, 액정 전해질을 형성한다.
접합 다공성 중합체 막(190)은 5 나노미터 내지 2,000 마이크로미터 범위(예컨대, 10 나노미터 내지 600 나노미터 범위; 50 나노미터 내지 100 나노미터 범위; 100 나노미터 내지 200 나노미터 범위; 100 나노미터 내지 150 나노미터 범위)의 두께를 가질 수 있다.
분리기 막(130)은 애노드 전극 구조(110)와 캐소드 전극 구조(120) 사이에 형성된다. 분리기 막(130)은, 세공들로 이온들을 전도할 수 있는 다공성(예컨대, 미세-다공성) 중합체성 기판(예컨대, 분리기 막)을 포함한다. 일부 구현들에서, 다공성 중합체성 기판 그 자체가 이온 전도성일 필요는 없지만, 일단 전해질(액체, 겔, 고체, 조합 등)로 채워지면, 다공성 기판과 전해질의 조합은 이온 전도성이다. 일 구현에서, 다공성 중합체성 기판은 다중-막 중합체성 기판이다. 일 구현에서, 세공들은 미세-세공들이다. 일부 구현들에서, 다공성 중합체성 기판은 임의의 상업적으로 입수가능한 중합체성 미세-다공성 멤브레인들(예컨대, 홑겹 또는 여러 겹), 예컨대, 폴리포어(Polypore)(노스캐롤라이나주 샬럿의 셀가드 인코포레이티드(Celgard Inc.)), 도레이 도넨(Toray Tonen)(배터리 분리기 막(BSF)), 에스케이 에너지(SK Energy)(Li-이온 배터리 분리기(LiBS)), 에보닉 인더스트리스(Evonik industries)(세파리온(SEPARION®) 세라믹 분리기 멤브레인), 아사히 카세이(Asahi Kasei)(하이포어(Hipore™) 폴리올레핀 평막 멤브레인), 뒤퐁(DuPont)(에너게인(Energain®)) 등에 의해 생산된 제품들로 이루어진다. 일부 구현들에서, 다공성 중합체성 기판은 20 내지 80 % 범위(예컨대, 28 내지 60 % 범위)의 다공도를 갖는다. 일부 구현들에서, 다공성 중합체성 기판은 0.02 내지 5 미크론 범위(예컨대, 0.08 내지 2 미크론)의 평균 세공 크기를 갖는다. 일부 구현들에서, 다공성 중합체성 기판은 15 내지 150 초 범위의 걸리 수(Gurley Number)를 갖는다. 일부 구현들에서, 다공성 중합체성 기판은 폴리올레핀계이다. 예시적인 폴리올레핀들은, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 또는 이들의 조합들을 포함한다.
에너지 저장 디바이스(100)가 솔리드 스테이트 배터리인 일부 구현들에서, 분리기 막(130)은 리튬-이온 전도성 유리로 대체된다. 리튬-이온 전도성 물질은, 리튬-이온 전도성 세라믹 또는 리튬-이온 전도성 유리일 수 있다. Li-이온 전도성 물질은, 예컨대, LiPON, Li7La3Zr2O12의 결정질 또는 비정질 상들의 도핑된 변형물들, 도핑된 반-페로브스카이트 조성물들, Li2S-P2S5, Li10GeP2S12, 및 Li3PS4, 인산리튬 유리들, (1-x)LiI-(x)Li4SnS4, xLiI-(1-x)Li4SnS4, 혼합된 황화물 및 산화물 전해질들(결정질 LLZO, 비정질 (1-x)LiI-(x)Li4SnS4 혼합물, 및 비정질 xLiI-(1-x)Li4SnS4) 중 하나 이상으로 구성될 수 있다. 일 구현에서, x는 0 내지 1(예컨대, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 및 0.9)이다.
애노드 전극 구조(110), 캐소드 전극 구조(120), 및 분리기 막(130)에 주입되는 전해질들은, 액체/겔 또는 고체 중합체로 구성될 수 있고, 각각에서 상이할 수 있다. 일부 구현들에서, 전해질은 주로 염 및 매질을 포함한다(예컨대, 액체 전해질에서, 매질은 용매로 지칭될 수 있고, 겔 전해질에서, 매질은 중합체 매트릭스일 수 있음). 염은 리튬 염일 수 있다. 리튬 염은, 예컨대, LiPF6, LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(CF3SO3)3, LiBF6, 및 LiClO4, BETTE 전해질(미네소타 주 미니애폴리스의 3M Corp.로부터 상업적으로 입수가능함), 및 이들의 조합들을 포함할 수 있다. 용매들은, 예컨대, 에틸렌 카르보네이트(EC), 프로필렌 카르보네이트(PC), EC/PC, 2-MeTHF(2-메틸테트라히드로푸란)/EC/PC, EC/DMC(디메틸 카르보네이트), EC/DME(디메틸 에탄), EC/DEC(디에틸 카르보네이트), EC/EMC(에틸 메틸 카르보네이트), EC/EMC/DMC/DEC, EC/EMC/DMC/DEC/PE, PC/DME, 및 DME/PC를 포함할 수 있다. 중합체 매트릭스들은, 예컨대, PVDF(폴리비닐리덴 플루오라이드), PVDF:THF(PVDF:테트라히드로푸란), PVDF:CTFE(PVDF:클로로트리플루오로에틸렌) PAN(폴리아크릴로니트릴), 및 PEO(폴리에틸렌 옥시드)를 포함할 수 있다. 일 구현에서, 전해질은 염 중의 용매이고, 여기서, 용매의 백분율은 전형적인 전해질에서의 용매의 백분율보다 훨씬 더 낮다.
도 2는, 본원에 설명된 구현들에 따라 형성되는 애노드 전극 구조(200)의 일 구현의 단면도를 예시한다. 도 2에서, 애노드 집전체(160)가 적층체를 넘어 연장되는 것으로 도시되지만, 애노드 집전체(160)가 적층체를 넘어 연장되는 것이 필수적이지는 않으며, 적층체를 넘어 연장되는 부분들은 탭들로서 사용될 수 있다는 것을 유의한다. 애노드 전극 구조(200)가 양면 전극 구조로서 도시되지만, 본원에 설명된 구현들은 단면 전극 구조에 또한 적용된다는 것이 이해되어야 한다.
애노드 전극 구조(200)는, 애노드 집전체(160)와 애노드 집전체(160)의 대향하는 측들 상에 형성된 애노드 막들(170a, 170b)(총칭하여, 170)을 포함한다. 일 구현에서, 애노드 막(170)은 리튬 금속 막이다. 일 구현에서, 애노드 막(170)은 20 마이크로미터 이하(예컨대, 약 1 마이크로미터 내지 약 20 마이크로미터)의 두께를 갖는다. 금속 막(210a, 210b)(총칭하여, 210)이 애노드 막들(170a, 170b) 각각 상에 형성된다. 일 구현에서, 금속 막은, 구리 막, 비스무트 막, 또는 주석 막으로부터 선택된다. 일 구현에서, 금속 막은, 100 나노미터 이하(예컨대, 약 5 나노미터 내지 100 나노미터; 약 5 나노미터 내지 약 40 나노미터; 약 10 나노미터 내지 약 20 나노미터; 또는 약 50 나노미터 내지 약 100 나노미터)의 두께를 갖는 초박형 금속 막이다. 일부 구현들에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 금속 막(210)은, 애노드 막(170)의 노출된 표면들(예컨대, 최상부 표면 및 측벽들)을 코팅하여 애노드 집전체(160)와 접촉하도록 연장된다. 보호 막(220a, 220b)(총칭하여, 220)이 금속 막들(210a, 210b) 각각 상에 형성된다. 일부 구현들에서, 보호 막(220)은, 리튬 이온들 및 리튬 원자들 중 적어도 하나에 대해 투과성이다. 일 구현에서, 보호 막(220)은, 리튬-이온 전도성 세라믹, 리튬-이온 전도성 유리, 또는 이온 전도성 액정을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 보호 막(220)은, 5 나노미터 내지 2,000 마이크로미터 범위(예컨대, 10 나노미터 내지 600 나노미터 범위; 50 나노미터 내지 100 나노미터 범위; 100 나노미터 내지 200 나노미터 범위; 100 나노미터 내지 150 나노미터 범위)의 두께를 가질 수 있다.
도 3은, 본원에 설명된 구현들에 따라 형성되는 애노드 전극 구조(300)의 다른 구현의 단면도를 예시한다. 도 3에서, 애노드 집전체(160)가 적층체를 넘어 연장되는 것으로 도시되지만, 애노드 집전체(160)가 적층체를 넘어 연장되는 것이 필수적이지는 않으며, 적층체를 넘어 연장되는 부분들은 탭들로서 사용될 수 있다는 것을 유의한다. 애노드 전극 구조(300)가 양면 전극 구조로서 도시되지만, 본원에 설명된 구현들은 단면 전극 구조에 또한 적용된다는 것이 이해되어야 한다.
애노드 전극 구조(300)는, 애노드 집전체(160)와 애노드 집전체(160)의 대향하는 측들 상에 형성된 애노드 막들(170a, 170b)(총칭하여, 170)을 포함한다. 일 구현에서, 애노드 막(170)은 규소 흑연 막이다. 일 구현에서, 애노드 막(170)은, 100 마이크로미터 이하(예컨대, 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛; 약 10 ㎛ 내지 약 30 ㎛; 약 20 ㎛ 내지 약 30 ㎛; 약 3 ㎛ 내지 약 20 ㎛; 또는 약 50 ㎛ 내지 약 100 ㎛)의 두께를 갖는다. 리튬 금속 막(310a, 310b)(총칭하여, 310)이 애노드 막들(170a, 170b) 각각의 최상부 표면(320a, 320b)(총칭하여, 320) 상에 형성된다. 일부 구현들에서, 리튬 금속 막(310)은, 최상부 표면(320) 및 측벽들(330a, 330b)(총칭하여, 330)을 포함하는 애노드 막(170)의 노출된 표면들 상에 형성된다. 리튬 금속 막(310)은, 규소 블렌딩된 흑연 애노드들의 제1 사이클 용량 손실을 보충한다. 리튬 금속 막(310)은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는 초박형 리튬 막이다.
일부 구현들에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 보호 막(340a, 340b)(총칭하여, 340)은, 리튬 금속 막(310)의 노출된 표면들 및 애노드 막(170)의 노출된 표면들(예컨대, 최상부 표면 및 측벽들)을 코팅하여 애노드 집전체(160)와 접촉하도록 연장된다. 일부 구현들에서, 보호 막(340)은, 리튬 이온들 및 리튬 원자들 중 적어도 하나에 대해 투과성이다. 일 구현에서, 보호 막(340)은, 리튬-이온 전도성 세라믹, 리튬-이온 전도성 유리, 또는 이온 전도성 액정을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 보호 막(340)은, 5 나노미터 내지 2,000 마이크로미터 범위(예컨대, 10 나노미터 내지 600 나노미터 범위; 50 나노미터 내지 100 나노미터 범위; 100 나노미터 내지 200 나노미터 범위; 100 나노미터 내지 150 나노미터 범위)의 두께를 가질 수 있다.
도 4는, 본원에 설명된 구현들에 따라 형성되는 애노드 전극 구조(400)의 또 다른 구현의 단면도를 예시한다. 도 4에서, 애노드 집전체(160)가 적층체를 넘어 연장되는 것으로 도시되지만, 애노드 집전체(160)가 적층체를 넘어 연장되는 것이 필수적이지는 않으며, 적층체를 넘어 연장되는 부분들은 탭들로서 사용될 수 있다는 것을 유의한다. 애노드 전극 구조(400)가 양면 전극 구조로서 도시되지만, 본원에 설명된 구현들은 단면 전극 구조에 또한 적용된다는 것이 이해되어야 한다.
애노드 전극 구조(400)는, 애노드 집전체(160)와 애노드 집전체(160)의 대향하는 측들 상에 형성된 애노드 막들(170a, 170b)(총칭하여, 170)을 포함한다. 일 구현에서, 애노드 막(170)은 규소 흑연 막이다. 일 구현에서, 애노드 막(170)은 리튬 금속 막이다. 일 구현에서, 애노드 막(170)은, 100 마이크로미터 이하(예컨대, 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛; 약 10 ㎛ 내지 약 30 ㎛; 약 20 ㎛ 내지 약 30 ㎛; 약 3 ㎛ 내지 약 20 ㎛; 또는 약 50 ㎛ 내지 약 100 ㎛)의 두께를 갖는다. 보호 막 적층체(410a, 410b)(총칭하여, 410)가 애노드 막(170) 상에 형성된다. 일부 구현들에서, 보호 막 적층체(410)는, 애노드 막(170)의 최상부 표면(420a, 420b)(총칭하여, 420) 및 측벽들(430a, 430b)(총칭하여, 430)을 포함하는 애노드 막(170)의 노출된 표면들 위에 형성된다. 보호 막 적층체(410)는, 보호 막(440a, 440b)(총칭하여, 440), 보호 막 적층체(410) 위에 형성되는 제1 중합체 막(450a, 450b)(총칭하여, 450), 제1 중합체 막(450) 위에 형성되는 세라믹 막(460a, 460b)(총칭하여, 460), 및 세라믹 막(460) 위에 형성되는 제2 중합체 막(470a, 470b)(총칭하여, 470)을 포함한다.
보호 막(440)은, 플루오린화리튬(LiF), 산화알루미늄, 옥시수산화알루미늄(AlO(OH)), 구리 칼코게나이드(예컨대, CuS, Cu2Se, Cu2S), 비스무트 칼코게나이드(예컨대, Bi2Te3, Bi2Se3), 탄산리튬(Li2CO3), 및 이들의 조합들의 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 보호 막(440)은 탄산리튬(Li2CO3) 막이다. 일 구현에서, 보호 막(440)은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는 초박형 막이다. 일부 구현들에서, 보호 막(440)은, 애노드 막(170)의 최상부 표면(420a, 420b)(총칭하여, 420) 및 측벽들(430a, 430b)(총칭하여, 430)을 포함하는 애노드 막(170)의 노출된 표면들 위에 형성된다.
제1 중합체 막(450)은 보호 막(440) 위에 형성된다. 제1 중합체 막(450)은 접합 층으로서 기능하고, 이온 전도를 향상시킨다. 일 구현에서, 제1 중합체 막(450)은, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥시드(PEO), 에틸렌 옥시드(EO), 폴리-아크릴로니트릴(PAN), 숙시노니트릴(C2H4(CN)2), 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 이온성 액체들 및 이들의 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 제1 중합체 막(450)은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 제1 중합체 막(450)은, 보호 막(440)의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 보호 막(440)의 노출된 표면들 위에 형성된다.
세라믹 막(460)은 제1 중합체 막(450) 위에 형성된다. 세라믹 막(460)은 리튬-이온 전도 증강기로서 기능하고, 수지상정들을 차단한다. 일 구현에서, 세라믹 막(460)은 다공성 막이다. 세라믹 막(460)은 세라믹 코팅(185)과 유사할 수 있다. 일 구현에서, 세라믹 막(460)은, LiPON, 가넷-유형 Li7La3Zr2O12의 결정질 또는 비정질 상들, LISICON(예컨대, Li2+2xZn1-xGeO4, 여기서, 0 < x < 1), NASICON(예컨대, Na1+xZr2SixP3-xO12, 여기서, 0 < x < 3), 수소화붕소리튬(LiBH4), 도핑된 반-페로브스카이트 조성물들, 리튬 함유 황화물들(예컨대, Li2S, Li2S-P2S5, Li10GeP2S12 및 Li3PS4), 및 리튬 아기로다이트들(예컨대, LiPS5X, 여기서, x는 Cl, Br 또는 I임)을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 세라믹 막(460)은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 세라믹 막(460)은, 제1 중합체 막(450)의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 제1 중합체 막(450)의 노출된 표면들 위에 형성된다.
제2 중합체 막(470)은 세라믹 막(460) 위에 형성된다. 제2 중합체 막(470)은 접합 층으로서 기능하고, 이온 전도를 향상시킨다. 일 구현에서, 제2 중합체 막(470)은, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥시드(PEO), 에틸렌 옥시드(EO), 폴리-아크릴로니트릴(PAN), 숙시노니트릴(C2H4(CN)2), 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 이온성 액체들 및 이들의 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 제2 중합체 막(470)은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 제2 중합체 막(470)은, 제2 중합체 막(470)의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 세라믹 막(460)의 노출된 표면들 위에 형성된다.
도 5는, 본원에 설명된 구현들에 따라 형성되는 애노드 전극 구조(500)의 또 다른 구현의 단면도를 예시한다. 도 5에서, 애노드 집전체(160)가 적층체를 넘어 연장되는 것으로 도시되지만, 애노드 집전체(160)가 적층체를 넘어 연장되는 것이 필수적이지는 않으며, 적층체를 넘어 연장되는 부분들은 탭들로서 사용될 수 있다는 것을 유의한다. 애노드 전극 구조(500)가 양면 전극 구조로서 도시되지만, 본원에 설명된 구현들은 단면 전극 구조에 또한 적용된다는 것이 이해되어야 한다.
애노드 전극 구조(500)는, 애노드 집전체(160)와 애노드 집전체(160)의 대향하는 측들 상에 형성된 애노드 막들(170a, 170b)(총칭하여, 170)을 포함한다. 일 구현에서, 애노드 막(170)은 규소 흑연 막이다. 일 구현에서, 애노드 막(170)은, 100 마이크로미터 이하(예컨대, 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛; 약 10 ㎛ 내지 약 30 ㎛; 약 20 ㎛ 내지 약 30 ㎛; 약 3 ㎛ 내지 약 20 ㎛; 또는 약 50 ㎛ 내지 약 100 ㎛)의 두께를 갖는다. 일 구현에서, 애노드 막(170)은 리튬 금속 막이다. 보호 막 적층체(510a, 510b)(총칭하여, 510)가 애노드 막(170) 상에 형성된다. 일부 구현들에서, 보호 막 적층체(510)는, 애노드 막(170)의 최상부 표면(520a, 520b)(총칭하여, 520) 및 측벽들(530a, 530b)(총칭하여, 530)을 포함하는 애노드 막(170)의 노출된 표면들 위에 형성된다. 보호 막 적층체(510)는, 애노드 막(170)의 노출된 표면들 위에 형성되는 제1 중합체 막(550a, 550b)(총칭하여, 550), 제1 중합체 막(550) 위에 형성되는 유전체 막(560a, 560b)(총칭하여, 560), 및 유전체 막(560) 위에 형성되는 제2 중합체 막(570a, 570b)(총칭하여, 570)을 포함한다.
제1 중합체 막(550)은 애노드 막(170) 위에 형성된다. 제1 중합체 막(550)은 접합 층으로서 기능하고, 이온 전도를 향상시킨다. 일 구현에서, 제1 중합체 막(550)은, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥시드(PEO), 에틸렌 옥시드(EO), 폴리-아크릴로니트릴(PAN), 숙시노니트릴(C2H4(CN)2), 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 이온성 액체들 및 이들의 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 제1 중합체 막(550)은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 제1 중합체 막(550)은, 애노드 막(170)의 최상부 표면(520) 및 측벽들(530)을 포함하는 애노드 막(170)의 노출된 표면들 위에 형성된다.
유전체 막(560)은 제1 중합체 막(550) 위에 형성된다. 유전체 막(560)은 리튬-이온 전도 증강기로서 기능하고, 수지상정들을 차단한다. 일 구현에서, 유전체 막(560)은 다공성 막이다. 유전체 막(560)은 세라믹 코팅(185)과 유사할 수 있다. 일 구현에서, 유전체 막(560)은, LiPON, 가넷-유형 Li7La3Zr2O12의 결정질 또는 비정질 상들, LISICON(예컨대, Li2+2xZn1-xGeO4, 여기서, 0 < x < 1), NASICON(예컨대, Na1+xZr2SixP3-xO12, 여기서, 0 < x < 3), 수소화붕소리튬(LiBH4), 도핑된 반-페로브스카이트 조성물들, 리튬 함유 황화물들(예컨대, Li2S, Li2S-P2S5, Li10GeP2S12 및 Li3PS4), 및 리튬 아기로다이트들(예컨대, LiPS5X, 여기서, x는 Cl, Br 또는 I임)을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 유전체 막(560)은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 유전체 막(560)은, 제1 중합체 막(550)의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 제1 중합체 막(550)의 노출된 표면들 위에 형성된다.
제2 중합체 막(570)은 유전체 막(560) 위에 형성된다. 제2 중합체 막(570)은 접합 층으로서 기능하고, 이온 전도를 향상시킨다. 일 구현에서, 제2 중합체 막(570)은, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥시드(PEO), 에틸렌 옥시드(EO), 폴리-아크릴로니트릴(PAN), 숙시노니트릴(C2H4(CN)2), 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 이온성 액체들 및 이들의 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 제2 중합체 막(570)은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 제2 중합체 막(570)은, 유전체 막(560)의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 유전체 막(560)의 노출된 표면들 위에 형성된다.
도 6은, 본원에 설명된 구현들에 따라 형성되는 애노드 전극 구조(600)의 또 다른 구현의 단면도를 예시한다. 도 6에서, 애노드 집전체(160)가 적층체를 넘어 연장되는 것으로 도시되지만, 애노드 집전체(160)가 적층체를 넘어 연장되는 것이 필수적이지는 않으며, 적층체를 넘어 연장되는 부분들은 탭들로서 사용될 수 있다는 것을 유의한다. 애노드 전극 구조(600)가 양면 전극 구조로서 도시되지만, 본원에 설명된 구현들은 단면 전극 구조에 또한 적용된다는 것이 이해되어야 한다.
애노드 전극 구조(600)는, 애노드 집전체(160)와 애노드 집전체(160)의 대향하는 측들 상에 형성된 애노드 막들(170a, 170b)(총칭하여, 170)을 포함한다. 일 구현에서, 애노드 막(170)은 규소 흑연 막이다. 일 구현에서, 애노드 막(170)은, 100 마이크로미터 이하(예컨대, 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛; 약 10 ㎛ 내지 약 30 ㎛; 약 20 ㎛ 내지 약 30 ㎛; 약 3 ㎛ 내지 약 20 ㎛; 또는 약 50 ㎛ 내지 약 100 ㎛)의 두께를 갖는다. 일 구현에서, 애노드 막(170)은 리튬 금속 막이다. 보호 막 적층체(610a, 610b)(총칭하여, 610)가 애노드 막(170) 상에 형성된다. 일부 구현들에서, 보호 막 적층체(610)는, 애노드 막(170)의 최상부 표면(620a, 620b)(총칭하여, 620) 및 측벽들(630a, 630b)(총칭하여, 630)을 포함하는 애노드 막(170)의 노출된 표면들 위에 형성된다. 보호 막 적층체(610)는, 애노드 막(170)의 노출된 표면들 위에 형성되는 금속 막(650a, 650b)(총칭하여, 650), 금속 막(650) 위에 형성되는 유전체 막(660a, 660b)(총칭하여, 660), 및 유전체 막(660) 위에 형성되는 중합체 막(670a, 670b)(총칭하여, 670)을 포함한다.
금속 막(650)은 애노드 막(170) 위에 형성된다. 금속 막(650)은 보호 막으로서 기능한다. 금속 막(650)은 보호 막(175)과 유사할 수 있다. 일 구현에서, 금속 막(650)은 초박형 금속 시드 막이다. 금속 막(650)은 구리 막일 수 있다. 구리 막은 초박형 구리 막일 수 있다. 일 구현에서, 금속 막(650)은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 금속 막(650)은, 애노드 막(170)의 최상부 표면(620) 및 측벽들(630)을 포함하는 애노드 막(170)의 노출된 표면들 위에 형성된다.
유전체 막(660)은 금속 막(650) 위에 형성된다. 유전체 막(660)은 리튬-이온 전도 증강기로서 기능하고, 수지상정들을 차단한다. 일 구현에서, 유전체 막(660)은 다공성 막이다. 유전체 막(660)은 세라믹 코팅(185)과 유사할 수 있다. 일 구현에서, 유전체 막(660)은, LiPON, 가넷-유형 Li7La3Zr2O12의 결정질 또는 비정질 상들, LISICON(예컨대, Li2+2xZn1-xGeO4, 여기서, 0 < x < 1), NASICON(예컨대, Na1+xZr2SixP3-xO12, 여기서, 0 < x < 3), 수소화붕소리튬(LiBH4), 도핑된 반-페로브스카이트 조성물들, 리튬 함유 황화물들(예컨대, Li2S, Li2S-P2S5, Li10GeP2S12 및 Li3PS4), 및 리튬 아기로다이트들(예컨대, LiPS5X, 여기서, x는 Cl, Br 또는 I임)을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 유전체 막(660)은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 유전체 막(660)은, 금속 막(650)의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 금속 막(650)의 노출된 표면들 위에 형성된다.
중합체 막(670)은 유전체 막(660) 위에 형성된다. 중합체 막(670)은 접합 층으로서 기능하고, 이온 전도를 향상시킨다. 일 구현에서, 중합체 막(670)은, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥시드(PEO), 에틸렌 옥시드(EO), 폴리-아크릴로니트릴(PAN), 숙시노니트릴(C2H4(CN)2), 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 이온성 액체들 및 이들의 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 중합체 막(670)은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 중합체 막(670)은, 유전체 막(660)의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 유전체 막(660)의 노출된 표면들 위에 형성된다.
도 7은, 본원에 설명된 구현들에 따라 애노드 전극 구조를 형성하기 위한 방법(700)의 일 구현을 요약하는 공정 흐름도를 예시한다. 애노드 전극 구조는 도 2에 도시된 애노드 전극 구조(200)일 수 있다. 동작(710)에서, 기판이 제공된다. 일 구현에서, 기판은, 도 12에 도시된 바와 같이, 연속적인 재료 시트(1250)이다. 일 구현에서, 기판은 애노드 집전체(160)이다. 기판을 구성할 수 있는 금속들의 예들은, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 아연(Zn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망가니즈(Mn), 크로뮴(Cr), 스테인리스 강, 클래드 물질들, 이들의 합금들, 및 이들의 조합들을 포함한다. 일 구현에서, 기판은 구리 물질이다. 일 구현에서, 기판은 천공된다. 또한, 기판은, 임의의 폼 팩터(예컨대, 금속성 포일, 시트, 또는 평판), 형상, 및 마이크로/매크로 구조를 가질 수 있다.
일부 구현들에서, 기판은 전처리 공정에 노출되며, 이는, 집전체의 노출된 표면들로부터 유기 물질들을 제거하기 위한 플라즈마 처리 또는 코로나 방전 공정 중 적어도 하나를 포함한다. 전처리 공정은 기판 상의 막 증착 전에 수행된다.
동작(720)에서, 리튬 금속 막이 기판 상에 형성된다. 일 구현에서, 리튬 금속 막은 애노드 막(170)이고, 기판은 애노드 집전체(160)이다. 일 구현에서, 리튬 금속 막은 구리 집전체 상에 형성된다. 일부 구현들에서, 애노드 막이 기판 상에 이미 존재하는 경우, 리튬 금속 막은 애노드 막 상에 형성된다. 애노드 막(170)이 존재하지 않는 경우, 리튬 금속 막은 기판 상에 직접 형성될 수 있다. 리튬 금속의 박막들을 증착하기 위한 임의의 적합한 리튬 금속 막 증착 공정이 사용되어 리튬 금속의 박막을 증착할 수 있다. 리튬 금속의 박막의 증착은, PVD 공정들, 이를테면, 증발, 슬롯-다이 공정, 전사 공정, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 이루어질 수 있다. 리튬 금속의 박막을 증착하기 위한 챔버는, PVD 시스템, 이를테면, 전자 빔 증발기, 열 증발기, 또는 스퍼터링 시스템, 박막 전사 시스템(대면적 패턴 인쇄 시스템들, 이를테면, 그라비어 인쇄 시스템들을 포함함) 또는 슬롯-다이 증착 시스템을 포함할 수 있다.
동작(730)에서, 금속 막이 리튬 금속 막 상에 형성된다. 일 구현에서, 금속 막은, 구리 막, 비스무트 막, 또는 주석 막이다. 도 2를 참조하면, 금속 막은 금속 막(210)일 수 있고, 리튬 금속 막은 애노드 막(170)일 수 있다. 일 구현에서, 금속 막은, 구리 막, 비스무트 막, 주석 막, 또는 이들의 조합들로부터 선택된다. 일 구현에서, 금속 막은, 100 나노미터 이하(예컨대, 약 5 나노미터 내지 100 나노미터; 약 10 나노미터 내지 약 20 나노미터; 또는 약 50 나노미터 내지 약 100 나노미터)의 두께를 갖는 초박형 구리 막이다. 구리의 박막들을 증착하기 위한 임의의 적합한 구리 막 증착 공정이 사용되어 구리의 박막을 증착할 수 있다. 구리의 박막의 증착은, PVD 공정들, 이를테면, 증발, 슬롯-다이 공정, 전사 공정, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 이루어질 수 있다. 리튬 금속의 박막을 증착하기 위한 챔버는, PVD 시스템, 이를테면, 전자 빔 증발기, 열 증발기, 또는 스퍼터링 시스템, 박막 전사 시스템(대면적 패턴 인쇄 시스템들, 이를테면, 그라비어 인쇄 시스템들을 포함함) 또는 슬롯-다이 증착 시스템을 포함할 수 있다.
동작(740)에서, 보호 막이 금속 막 상에 형성될 수 있다. 도 2를 참조하면, 보호 막은 보호 막(220)일 수 있고, 구리 막은 금속 막(210)일 수 있다. 일부 구현들에서, 보호 막(220)은, 리튬 이온들 및 리튬 원자들 중 적어도 하나에 대해 투과성이다. 일 구현에서, 보호 막(220)은, 리튬-이온 전도성 세라믹, 리튬-이온 전도성 유리, 이온 전도성 중합체, 이온 전도성 액정, 이들의 복합물 조합들, 또는 이들의 단위 층 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 보호 막(220)은, 5 나노미터 내지 2,000 마이크로미터 범위(예컨대, 10 나노미터 내지 600 나노미터 범위; 50 나노미터 내지 100 나노미터 범위; 100 나노미터 내지 200 나노미터 범위; 100 나노미터 내지 150 나노미터 범위)의 두께를 가질 수 있다. 보호 막(220)은, 물리 기상 증착(PVD), 화학 기상 증착(CVD), 분무, 닥터 블레이드, 인쇄 또는 다수의 코팅 방법들 중 임의의 것 중 어느 하나를 사용하여 구리 막 상에 직접 증착될 수 있다. 일부 구현들에 대한 적합한 방법은 PVD이다. 일부 구현들에서, 보호 막(220)이 이온 전도성일 필요는 없지만, 일단 전해질(액체, 겔, 고체, 조합 등)로 채워지면, 다공성 기판과 전해질의 조합은 이온 전도성이다.
도 8은, 본원에 설명된 구현들에 따라 애노드 전극 구조를 형성하기 위한 방법(800)의 일 구현을 요약하는 공정 흐름도를 예시한다. 애노드 전극 구조는 도 3에 도시된 애노드 전극 구조(300)일 수 있다. 동작(810)에서, 기판이 제공된다. 일 구현에서, 기판은 연속적인 재료 시트(1250)이다. 일 구현에서, 기판은 애노드 집전체(160)이다. 기판을 구성할 수 있는 금속들의 예들은, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 아연(Zn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망가니즈(Mn), 크로뮴(Cr), 스테인리스 강, 클래드 물질들, 이들의 합금들, 및 이들의 조합들을 포함한다. 일 구현에서, 기판은 구리 물질이다. 일 구현에서, 기판은 천공된다. 또한, 기판은, 임의의 폼 팩터(예컨대, 금속성 포일, 시트, 또는 평판), 형상, 및 마이크로/매크로 구조를 가질 수 있다.
일부 구현들에서, 기판은 전처리 공정에 노출되며, 이는, 집전체의 노출된 표면들로부터 유기 물질들을 제거하기 위한 플라즈마 처리 또는 코로나 방전 공정 중 적어도 하나를 포함한다. 전처리 공정은 기판 상의 막 증착 전에 수행된다.
동작(820)에서, 규소 흑연 막이 기판 상에 형성된다. 일 구현에서, 규소 흑연 막은 애노드 막(170)이고, 기판은 애노드 집전체(160)이다. 일 구현에서, 규소 흑연 막은 구리 집전체 상에 형성된다. 규소 흑연 막은 제1 처리 챔버(1210)(도 12 참조)에서 형성될 수 있다. 규소 흑연의 박막들을 증착하기 위한 임의의 적합한 규소 흑연 막 증착 공정이 사용되어 규소 흑연의 박막을 증착할 수 있다. 규소 흑연의 박막의 증착은, PVD 공정들, 이를테면, 증발, 슬롯-다이 공정, 전사 공정, 전기도금 공정, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 이루어질 수 있다. 규소 흑연의 박막을 증착하기 위한 챔버는, PVD 시스템, 이를테면, 전자 빔 증발기, 열 증발기, 또는 스퍼터링 시스템, 박막 전사 시스템(대면적 패턴 인쇄 시스템들, 이를테면, 그라비어 인쇄 시스템들을 포함함) 또는 슬롯-다이 증착 시스템을 포함할 수 있다.
동작(830)에서, 리튬 금속 막이 규소 흑연 막 상에 형성된다. 도 3을 참조하면, 일 구현에서, 리튬 금속 막은 리튬 금속 막(310)이고, 규소 흑연 막은 애노드 막(170)이다. 리튬 금속의 박막들을 증착하기 위한 임의의 적합한 리튬 금속 막 증착 공정이 사용되어 리튬 금속의 박막을 증착할 수 있다. 리튬 금속의 박막의 증착은, PVD 공정들, 이를테면, 증발, 슬롯-다이 공정, 전사 공정, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 이루어질 수 있다. 리튬 금속의 박막을 증착하기 위한 챔버는, PVD 시스템, 이를테면, 전자 빔 증발기, 열 증발기, 또는 스퍼터링 시스템, 박막 전사 시스템(대면적 패턴 인쇄 시스템들, 이를테면, 그라비어 인쇄 시스템들을 포함함) 또는 슬롯-다이 증착 시스템을 포함할 수 있다.
동작(840)에서, 보호 막이 리튬 금속 막 상에 형성될 수 있다. 도 3을 참조하면, 보호 막은 보호 막(340)일 수 있고, 리튬 금속 막은 리튬 금속 막(310)일 수 있다. 일부 구현들에서, 보호 막(340)은, 리튬 이온들 및 리튬 원자들 중 적어도 하나에 대해 투과성이다. 일 구현에서, 보호 막(340)은, 리튬-이온 전도성 세라믹, 리튬-이온 전도성 유리, 이온 전도성 중합체, 이온 전도성 액정, 이들의 복합물 조합들, 또는 이들의 단위 층 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 보호 막(340)은, 5 나노미터 내지 2,000 마이크로미터 범위(예컨대, 10 나노미터 내지 600 나노미터 범위; 50 나노미터 내지 100 나노미터 범위; 100 나노미터 내지 200 나노미터 범위; 100 나노미터 내지 150 나노미터 범위)의 두께를 가질 수 있다. 보호 막(340)은, 물리 기상 증착(PVD), 화학 기상 증착(CVD), 분무, 닥터 블레이드, 인쇄 또는 다수의 코팅 방법들 중 임의의 것 중 어느 하나를 사용하여 리튬 금속 막 상에 직접 증착될 수 있다. 일부 구현들에 대한 적합한 방법은 PVD이다. 일부 구현들에서, 보호 막(340)이 이온 전도성일 필요는 없지만, 일단 전해질(액체, 겔, 고체, 조합 등)로 채워지면, 다공성 기판과 전해질의 조합은 이온 전도성이다.
도 9는, 본원에 설명된 구현들에 따라 애노드 전극 구조를 형성하기 위한 방법(900)의 일 구현을 요약하는 공정 흐름도를 예시한다. 애노드 전극 구조는 도 4에 도시된 애노드 전극 구조(400)일 수 있다. 동작(910)에서, 기판이 제공된다. 일 구현에서, 기판은, 도 12에 도시된 바와 같이, 연속적인 재료 시트(1250)이다. 일 구현에서, 기판은 애노드 집전체(160)이다. 기판을 구성할 수 있는 금속들의 예들은, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 아연(Zn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망가니즈(Mn), 크로뮴(Cr), 스테인리스 강, 클래드 물질들, 이들의 합금들, 및 이들의 조합들을 포함한다. 일 구현에서, 기판은 구리 물질이다. 일 구현에서, 기판은 천공된다. 또한, 기판은, 임의의 폼 팩터(예컨대, 금속성 포일, 시트, 또는 평판), 형상, 및 마이크로/매크로 구조를 가질 수 있다.
일부 구현들에서, 기판은 전처리 공정에 노출되며, 이는, 집전체의 노출된 표면들로부터 유기 물질들을 제거하기 위한 플라즈마 처리 또는 코로나 방전 공정 중 적어도 하나를 포함한다. 전처리 공정은 기판 상의 막 증착 전에 수행된다.
동작(920)에서, 리튬 금속 막이 기판 상에 형성된다. 일 구현에서, 리튬 금속 막은 애노드 막(170)이고, 기판은 애노드 집전체(160)이다. 일 구현에서, 리튬 금속 막은 구리 집전체 상에 형성된다. 일부 구현들에서, 애노드 막이 기판 상에 이미 존재하는 경우, 리튬 금속 막은 애노드 막 상에 형성된다. 애노드 막(170)이 존재하지 않는 경우, 리튬 금속 막은 기판 상에 직접 형성될 수 있다. 리튬 금속의 박막들을 증착하기 위한 임의의 적합한 리튬 금속 막 증착 공정이 사용되어 리튬 금속의 박막을 증착할 수 있다. 리튬 금속의 박막의 증착은, PVD 공정들, 이를테면, 증발, 슬롯-다이 공정, 전사 공정, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 이루어질 수 있다. 리튬 금속의 박막을 증착하기 위한 챔버는, PVD 시스템, 이를테면, 전자 빔 증발기, 열 증발기, 또는 스퍼터링 시스템, 박막 전사 시스템(대면적 패턴 인쇄 시스템들, 이를테면, 그라비어 인쇄 시스템들을 포함함) 또는 슬롯-다이 증착 시스템을 포함할 수 있다.
동작(930)에서, 보호 막이 리튬 금속 막 상에 형성된다. 도 4를 참조하면, 보호 막은 보호 막(440)일 수 있고, 리튬 금속 막은 애노드 막(170)일 수 있다. 일 구현에서, 보호 막은, 도 1과 관련하여 설명된 바와 같은 보호 막(175)과 유사하다. 보호 막은, 플루오린화리튬(LiF), 금속 막(예컨대, 구리, 비스무트, 주석, 또는 이들의 조합들), 구리 칼코게나이드(예컨대, CuS, Cu2Se, Cu2S), 비스무트 칼코게나이드(예컨대, Bi2Te3, Bi2Se3), 및 탄산리튬(Li2CO3) 중 적어도 하나를 포함한다. 보호 막(175)은 애노드 막(170)의 표면 보호를 제공한다. 보호 막은, 물리 기상 증착(PVD), 이를테면, 증발 또는 스퍼터링, 원자 층 증착(ALD), 슬롯-다이 공정, 딥 코팅, 박막 전사 공정, 그라비어 코팅, 콤마 바 코팅, 키스-롤 코팅, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 애노드 막(170) 상에 직접 증착될 수 있다. PVD는, 보호 막의 증착에 대한 바람직한 방법이다. 보호 막은 1 나노미터 내지 2,000 나노미터 범위(예컨대, 10 나노미터 내지 600 나노미터 범위; 50 나노미터 내지 100 나노미터 범위; 50 나노미터 내지 200 나노미터 범위; 100 나노미터 내지 150 나노미터 범위)의 두께를 갖는 코팅 또는 별개의 층일 수 있다. 보호 막은 5 미크론 내지 50 미크론 범위(예컨대, 6 미크론 내지 25 미크론 범위)의 두께를 갖는 별개의 막일 수 있다.
동작(940)에서, 제1 중합체 막이 보호 막 상에 형성된다. 도 4를 참조하면, 제1 중합체 막은 제1 중합체 막(450)일 수 있고, 보호 막은 보호 막(440)일 수 있다. 제1 중합체 막은 접합 층으로서 기능하고, 이온 전도를 향상시킨다. 일 구현에서, 제1 중합체 막은, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥시드(PEO), 에틸렌 옥시드(EO), 폴리-아크릴로니트릴(PAN), 숙시노니트릴(C2H4(CN)2), 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 이온성 액체들 및 이들의 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 제1 중합체 막은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 제1 중합체 막은, 보호 막의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 보호 막의 노출된 표면들 위에 형성된다. 제1 중합체 막은, 물리 기상 증착(PVD), 이를테면, 증발 또는 스퍼터링, 원자 층 증착(ALD), 슬롯-다이 공정, 딥 코팅, 박막 전사 공정, 그라비어 코팅, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 보호부 상에 직접 증착될 수 있다.
동작(950)에서, 세라믹 막이 제1 중합체 막 상에 형성된다. 도 4를 참조하면, 세라믹 막은 세라믹 막(460)일 수 있고, 제1 중합체 막은 제1 중합체 막(450)일 수 있다. 세라믹 막은 리튬-이온 전도 증강기로서 기능하고, 수지상정들을 차단한다. 일 구현에서, 세라믹 막은 다공성 막이다. 세라믹 막은, 도 1과 관련하여 설명된 바와 같은 세라믹 코팅(185)과 유사할 수 있다. 일 구현에서, 세라믹 막은, LiPON, 가넷-유형 Li7La3Zr2O12의 결정질 또는 비정질 상들, LISICON(예컨대, Li2+2xZn1-xGeO4, 여기서, 0 < x < 1), NASICON(예컨대, Na1+xZr2SixP3-xO12, 여기서, 0 < x < 3), 수소화붕소리튬(LiBH4), 도핑된 반-페로브스카이트 조성물들, 리튬 함유 황화물들(예컨대, Li2S, Li2S-P2S5, Li10GeP2S12 및 Li3PS4), 및 리튬 아기로다이트들(예컨대, LiPS5X, 여기서, x는 Cl, Br 또는 I임)을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 세라믹 막은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 세라믹 막은, 제1 중합체 막의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 제1 중합체 막의 노출된 표면들 위에 형성된다. 세라믹 막은, 물리 기상 증착(PVD), 이를테면, 증발 또는 스퍼터링, 원자 층 증착(ALD), 슬롯-다이 공정, 딥 코팅, 박막 전사 공정, 그라비어 코팅, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 보호부 상에 직접 증착될 수 있다.
동작(960)에서, 제2 중합체 막이 세라믹 막 상에 형성된다. 도 4를 참조하면, 제2 중합체 막은 제2 중합체 막(470)일 수 있고, 세라믹 막은 세라믹 막(460)일 수 있다. 제2 중합체 막(470)은 접합 층으로서 기능하고, 이온 전도를 향상시킨다. 일 구현에서, 제2 중합체 막은, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥시드(PEO), 에틸렌 옥시드(EO), 폴리-아크릴로니트릴(PAN), 숙시노니트릴(C2H4(CN)2), 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 이온성 액체들 및 이들의 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 제2 중합체 막은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 제2 중합체 막은, 제2 중합체 막의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 세라믹 막의 노출된 표면들 위에 형성된다. 제2 중합체 막은, 물리 기상 증착(PVD), 이를테면, 증발 또는 스퍼터링, 원자 층 증착(ALD), 슬롯-다이 공정, 딥 코팅, 박막 전사 공정, 그라비어 코팅, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 보호부 상에 직접 증착될 수 있다.
도 10은, 본원에 설명된 구현들에 따라 애노드 전극 구조를 형성하기 위한 방법(1000)의 일 구현을 요약하는 공정 흐름도를 예시한다. 애노드 전극 구조는 도 5에 도시된 애노드 전극 구조(500)일 수 있다. 동작(1010)에서, 기판이 제공된다. 일 구현에서, 기판은, 도 12에 도시된 바와 같이, 연속적인 재료 시트(1250)이다. 일 구현에서, 기판은 애노드 집전체(160)이다. 기판을 구성할 수 있는 금속들의 예들은, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 아연(Zn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망가니즈(Mn), 크로뮴(Cr), 스테인리스 강, 클래드 물질들, 이들의 합금들, 및 이들의 조합들을 포함한다. 일 구현에서, 기판은 구리 물질이다. 일 구현에서, 기판은 천공된다. 또한, 기판은, 임의의 폼 팩터(예컨대, 금속성 포일, 시트, 또는 평판), 형상, 및 마이크로/매크로 구조를 가질 수 있다.
일부 구현들에서, 기판은 전처리 공정에 노출되며, 이는, 집전체의 노출된 표면들로부터 유기 물질들을 제거하기 위한 플라즈마 처리 또는 코로나 방전 공정 중 적어도 하나를 포함한다. 전처리 공정은 기판 상의 막 증착 전에 수행된다.
동작(1020)에서, 리튬 금속 막이 기판 상에 형성된다. 일 구현에서, 리튬 금속 막은 애노드 막(170)이고, 기판은 애노드 집전체(160)이다. 일 구현에서, 리튬 금속 막은 구리 집전체 상에 형성된다. 일부 구현들에서, 애노드 막이 기판 상에 이미 존재하는 경우, 리튬 금속 막은 애노드 막 상에 형성된다. 애노드 막(170)이 존재하지 않는 경우, 리튬 금속 막은 기판 상에 직접 형성될 수 있다. 리튬 금속의 박막들을 증착하기 위한 임의의 적합한 리튬 금속 막 증착 공정이 사용되어 리튬 금속의 박막을 증착할 수 있다. 리튬 금속의 박막의 증착은, PVD 공정들, 이를테면, 증발, 슬롯-다이 공정, 전사 공정, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 이루어질 수 있다. 리튬 금속의 박막을 증착하기 위한 챔버는, PVD 시스템, 이를테면, 전자 빔 증발기, 열 증발기, 또는 스퍼터링 시스템, 박막 전사 시스템(대면적 패턴 인쇄 시스템들, 이를테면, 그라비어 인쇄 시스템들을 포함함) 또는 슬롯-다이 증착 시스템을 포함할 수 있다.
동작(1030)에서, 제1 중합체 막이 리튬 금속 막 상에 형성된다. 도 5를 참조하면, 제1 중합체 막은 제1 중합체 막(550)일 수 있고, 리튬 금속 막은 애노드 막(170)일 수 있다. 제1 중합체 막은 접합 층으로서 기능하고, 이온 전도를 향상시킨다. 일 구현에서, 제1 중합체 막은, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥시드(PEO), 에틸렌 옥시드(EO), 폴리-아크릴로니트릴(PAN), 숙시노니트릴(C2H4(CN)2), 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 이온성 액체들 및 이들의 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 제1 중합체 막은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 제1 중합체 막은, 보호 막의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 리튬 금속 막의 노출된 표면들 위에 형성된다. 제1 중합체 막은, 물리 기상 증착(PVD), 이를테면, 증발 또는 스퍼터링, 원자 층 증착(ALD), 슬롯-다이 공정, 딥 코팅, 박막 전사 공정, 그라비어 코팅, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 보호부 상에 직접 증착될 수 있다.
동작(1040)에서, 유전체 막이 제1 중합체 막 상에 형성된다. 도 5를 참조하면, 유전체 막은 유전체 막(560)일 수 있고, 제1 중합체 막은 제1 중합체 막(550)일 수 있다. 유전체 막은 리튬-이온 전도 증강기로서 기능하고, 수지상정들을 차단한다. 일 구현에서, 유전체 막은 다공성 막이다. 유전체 막은, 도 1과 관련하여 설명된 바와 같은 세라믹 코팅(185)과 유사할 수 있다. 일 구현에서, 유전체 막은, LiPON, 가넷-유형 Li7La3Zr2O12의 결정질 또는 비정질 상들, LISICON(예컨대, Li2+2xZn1-xGeO4, 여기서, 0 < x < 1), NASICON(예컨대, Na1+xZr2SixP3-xO12, 여기서, 0 < x < 3), 수소화붕소리튬(LiBH4), 도핑된 반-페로브스카이트 조성물들, 리튬 함유 황화물들(예컨대, Li2S, Li2S-P2S5, Li10GeP2S12 및 Li3PS4), 및 리튬 아기로다이트들(예컨대, LiPS5X, 여기서, x는 Cl, Br 또는 I임)을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 유전체 막은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 유전체 막은, 제1 중합체 막의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 제1 중합체 막의 노출된 표면들 위에 형성된다. 유전체 막은, 화학 기상 증착(CVD), 물리 기상 증착(PVD), 이를테면, 증발 또는 스퍼터링, 원자 층 증착(ALD), 슬롯-다이 공정, 딥 코팅, 박막 전사 공정, 그라비어 코팅, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 보호부 상에 직접 증착될 수 있다.
동작(1050)에서, 제2 중합체 막이 유전체 막 상에 형성된다. 도 5를 참조하면, 제2 중합체 막은 제2 중합체 막(570)일 수 있고, 유전체 막은 유전체 막(560)일 수 있다. 제2 중합체 막(570)은 접합 층으로서 기능하고, 이온 전도를 향상시킨다. 일 구현에서, 제2 중합체 막은, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥시드(PEO), 에틸렌 옥시드(EO), 폴리-아크릴로니트릴(PAN), 숙시노니트릴(C2H4(CN)2), 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 이온성 액체들 및 이들의 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 제2 중합체 막은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 제2 중합체 막은, 제2 중합체 막의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 세라믹 막의 노출된 표면들 위에 형성된다. 제2 중합체 막은, 물리 기상 증착(PVD), 이를테면, 증발 또는 스퍼터링, 원자 층 증착(ALD), 슬롯-다이 공정, 딥 코팅, 박막 전사 공정, 그라비어 코팅, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 보호부 상에 직접 증착될 수 있다.
도 11은, 본원에 설명된 구현들에 따라 애노드 전극 구조를 형성하기 위한 방법(1100)의 일 구현을 요약하는 공정 흐름도를 예시한다. 애노드 전극 구조는 도 6에 도시된 애노드 전극 구조(600)일 수 있다. 동작(1110)에서, 기판이 제공된다. 일 구현에서, 기판은, 도 12에 도시된 바와 같이, 연속적인 재료 시트(1250)이다. 일 구현에서, 기판은 애노드 집전체(160)이다. 기판을 구성할 수 있는 금속들의 예들은, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 아연(Zn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망가니즈(Mn), 크로뮴(Cr), 스테인리스 강, 클래드 물질들, 이들의 합금들, 및 이들의 조합들을 포함한다. 일 구현에서, 기판은 구리 물질이다. 일 구현에서, 기판은 천공된다. 또한, 기판은, 임의의 폼 팩터(예컨대, 금속성 포일, 시트, 또는 평판), 형상, 및 마이크로/매크로 구조를 가질 수 있다.
일부 구현들에서, 기판은 전처리 공정에 노출되며, 이는, 집전체의 노출된 표면들로부터 유기 물질들을 제거하기 위한 플라즈마 처리 또는 코로나 방전 공정 중 적어도 하나를 포함한다. 전처리 공정은 기판 상의 막 증착 전에 수행된다.
동작(1120)에서, 리튬 금속 막이 기판 상에 형성된다. 일 구현에서, 리튬 금속 막은 애노드 막(170)이고, 기판은 애노드 집전체(160)이다. 일 구현에서, 리튬 금속 막은 구리 집전체 상에 형성된다. 일부 구현들에서, 애노드 막이 기판 상에 이미 존재하는 경우, 리튬 금속 막은 애노드 막 상에 형성된다. 애노드 막(170)이 존재하지 않는 경우, 리튬 금속 막은 기판 상에 직접 형성될 수 있다. 리튬 금속 막은, 제1 처리 챔버(1210) 및/또는 제2 처리 챔버(1220)에서 형성될 수 있다. 리튬 금속의 박막들을 증착하기 위한 임의의 적합한 리튬 금속 막 증착 공정이 사용되어 리튬 금속의 박막을 증착할 수 있다. 리튬 금속의 박막의 증착은, PVD 공정들, 이를테면, 증발, 슬롯-다이 공정, 전사 공정, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 이루어질 수 있다. 리튬 금속의 박막을 증착하기 위한 챔버는, PVD 시스템, 이를테면, 전자 빔 증발기, 열 증발기, 또는 스퍼터링 시스템, 박막 전사 시스템(대면적 패턴 인쇄 시스템들, 이를테면, 그라비어 인쇄 시스템들, 콤마 바 인쇄, 또는 키스-롤 코팅을 포함함) 또는 슬롯-다이 증착 시스템을 포함할 수 있다.
동작(1130)에서, 금속 막이 리튬 금속 막 상에 형성된다. 도 6을 참조하면, 금속 막은 금속 막(650)일 수 있고, 리튬 금속 막은 애노드 막(170)일 수 있다. 일 구현에서, 금속 막은, 100 나노미터 이하(예컨대, 약 5 나노미터 내지 100 나노미터; 약 10 나노미터 내지 약 20 나노미터; 또는 약 50 나노미터 내지 약 100 나노미터)의 두께를 갖는 초박형 금속 막이다. 일 구현에서, 금속 막은 구리 막이다. 금속의 박막들을 증착하기 위한 임의의 적합한 금속 막 증착 공정이 사용되어 금속의 박막을 증착할 수 있다. 금속 막의 증착은, PVD 공정들, 이를테면, 증발, 슬롯-다이 공정, 전사 공정, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 이루어질 수 있다. 금속 막을 증착하기 위한 챔버는, PVD 시스템, 이를테면, 전자 빔 증발기, 열 증발기, 또는 스퍼터링 시스템, 박막 전사 시스템(대면적 패턴 인쇄 시스템들, 이를테면, 그라비어 인쇄 시스템들, 콤마 바 인쇄, 또는 키스-롤 코팅을 포함함) 또는 슬롯-다이 증착 시스템을 포함할 수 있다.
동작(1140)에서, 유전체 막이 금속 막 상에 형성된다. 도 6을 참조하면, 유전체 막은 유전체 막(660)일 수 있고, 금속 막은 금속 막(650)일 수 있다. 유전체 막은 리튬-이온 전도 증강기로서 기능하고, 수지상정들을 차단한다. 일 구현에서, 유전체 막은 다공성 막이다. 유전체 막은, 도 1과 관련하여 설명된 바와 같은 세라믹 코팅(185)과 유사할 수 있다. 일 구현에서, 유전체 막은, LiPON, 가넷-유형 Li7La3Zr2O12의 결정질 또는 비정질 상들, LISICON(예컨대, Li2+2xZn1-xGeO4, 여기서, 0 < x < 1), NASICON(예컨대, Na1+xZr2SixP3-xO12, 여기서, 0 < x < 3), 수소화붕소리튬(LiBH4), 도핑된 반-페로브스카이트 조성물들, 리튬 함유 황화물들(예컨대, Li2S, Li2S-P2S5, Li10GeP2S12 및 Li3PS4), 및 리튬 아기로다이트들(예컨대, LiPS5X, 여기서, x는 Cl, Br 또는 I임)을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 유전체 막은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 유전체 막은, 제1 중합체 막의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 제1 중합체 막의 노출된 표면들 위에 형성된다. 유전체 막은, 화학 기상 증착(CVD), 물리 기상 증착(PVD), 이를테면, 증발 또는 스퍼터링, 원자 층 증착(ALD), 슬롯-다이 공정, 딥 코팅, 박막 전사 공정, 그라비어 코팅, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 보호부 상에 직접 증착될 수 있다.
동작(1150)에서, 중합체 막이 유전체 막 상에 형성된다. 도 6을 참조하면, 중합체 막은 중합체 막(670)일 수 있고, 유전체 막은 유전체 막(660)일 수 있다. 중합체 막(670)은 접합 층으로서 기능하고, 이온 전도를 향상시킨다. 일 구현에서, 중합체 막은, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥시드(PEO), 에틸렌 옥시드(EO), 폴리-아크릴로니트릴(PAN), 숙시노니트릴(C2H4(CN)2), 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 이온성 액체들 및 이들의 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 구현에서, 중합체 막은, 20 나노미터 이하(예컨대, 약 1 나노미터 내지 약 20 나노미터; 약 1 나노미터 내지 약 10 나노미터; 또는 약 5 나노미터 내지 약 10 나노미터)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 중합체 막은, 중합체 막의 최상부 표면 및 측벽들을 포함하는 금속 막의 노출된 표면들 위에 형성된다. 중합체 막은, 물리 기상 증착(PVD), 이를테면, 증발 또는 스퍼터링, 원자 층 증착(ALD), 슬롯-다이 공정, 딥 코팅, 박막 전사 공정, 그라비어 코팅, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 보호부 상에 직접 증착될 수 있다.
도 12는, 본원에 설명된 구현들에 따라 애노드 전극 구조들을 형성하기 위한 통합 처리 툴(1200)의 개략도를 예시한다. 통합 처리 툴(1200)은, 본원에 설명된 구현들에 따라 리튬 애노드 디바이스들을 제조하도록 적응된, 어플라이드 머티어리얼스에 의해 제조되는 스마트웹(SMARTWEB®)일 수 있다. 통합 처리 툴(1200)은, 권출 모듈(1202), 처리 모듈(1204), 및 권취 모듈(1206)을 포함하는 롤-투-롤 시스템으로서 구성된다. 특정 구현들에서, 처리 모듈(1204)은, 순차적으로 배열된 복수의 처리 모듈들 또는 챔버들(1210, 1220, 1230, 및 1240)을 포함하며, 이들 각각은, 연속적인 재료 시트(1250) 또는 재료 웹에 대해 하나의 처리 동작을 수행하도록 구성된다. 일 구현에서, 도 12에 도시된 바와 같이, 처리 챔버들(1210-1240)은 처리 드럼(1255)을 중심으로 반경방향으로 배치된다. 반경방향 이외의 다른 배열들이 고려된다. 일 구현에서, 처리 챔버들(1210-1240)은 독립형 모듈식 처리 챔버들이며, 각각의 모듈식 처리 챔버는 다른 모듈식 처리 챔버들로부터 구조적으로 분리되어 있다. 따라서, 독립형 모듈식 처리 챔버들 각각은, 서로 영향을 미침이 없이 독립적으로 배열되거나, 재배열되거나, 교체되거나 또는 유지될 수 있다. 4개의 처리 챔버(1210-1240)가 도시되지만, 임의의 수의 처리 챔버가 통합 처리 툴(1200)에 포함될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
처리 챔버들(1210-1240)은, 통합 처리 툴(1200)이 본 개시내용의 구현들에 따라 리튬 애노드 디바이스를 증착할 수 있게 하는 임의의 적합한 구조, 구성, 배열, 및/또는 구성요소들을 포함할 수 있다. 예컨대, 이에 제한되진 않지만, 처리 챔버들은, 코팅 소스들, 전원들, 개별 압력 제어부들, 증착 제어 시스템들, 및 온도 제어부를 포함하는 적합한 증착 시스템들을 포함할 수 있다. 전형적인 구현들에 따르면, 챔버들에는 개별 가스 공급부들이 제공된다. 챔버들은 전형적으로, 양호한 가스 분리를 제공하기 위해 서로 분리된다. 본원에 설명된 구현들에 따른 통합 처리 툴(1200)은 증착 챔버들의 수에 있어 제한되지 않는다. 예컨대, 이에 제한되진 않지만, 통합 처리 툴(1200)은 3개, 6개, 또는 12개의 처리 챔버를 포함할 수 있다.
일부 구현들에서, 통합 처리 툴(1200)의 처리 챔버(1210-1240) 중 임의의 처리 챔버는, 마그네트론 스퍼터링과 같은 스퍼터링에 의한 증착을 수행하도록 구성될 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "마그네트론 스퍼터링"은, 자석 조립체, 즉, 자기장을 생성할 수 있는 유닛을 사용하여 수행되는 스퍼터링을 지칭한다. 전형적으로, 그러한 자석 조립체는 영구 자석을 포함한다. 이러한 영구 자석은 전형적으로 회전가능 타겟 내에 배열되거나, 또는 자유 전자들이 회전가능 타겟 표면 아래에 생성되는 생성된 자기장 내에 포획되게 하는 방식으로 평면형 타겟에 결합된다. 그러한 자석 조립체는 또한, 평면형 캐소드에 결합되도록 배열될 수 있다.
마그네트론 스퍼터링은 또한, 이중 마그네트론 캐소드, 이를테면, 이에 제한되진 않지만, 트윈매그(TwinMag™) 캐소드 조립체에 의해 실현될 수 있다. 일부 구현들에서, 처리 챔버에서의 캐소드들은 상호교환가능할 수 있다. 따라서, 특정 제조 요건들에 대해 장치를 최적화하는 것을 가능하게 하는, 장치의 모듈식 설계가 제공된다. 일부 구현들에서, 스퍼터링 증착을 위한 챔버에서의 캐소드들의 수는, 통합 처리 툴(1200)의 최적 생산성을 최적화하도록 선택된다.
일부 구현들에서, 처리 챔버들(1210-1240) 중 하나 또는 일부는, 마그네트론 조립체 없이 스퍼터링을 수행하도록 구성될 수 있다. 특히, 챔버들 중 하나 또는 일부는, 다른 방법들, 이를테면, 이에 제한되진 않지만, 화학 기상 증착, 원자 레이저 증착 또는 펄스형 레이저 증착에 의해 증착을 수행하도록 구성될 수 있다.
특정 구현들에서, 처리 챔버들(1210-1240)은, 연속적인 재료 시트(1250)의 양면을 처리하도록 구성된다. 통합 처리 툴(1200)이 수평으로 배향된 연속적인 재료 시트(1250)를 처리하도록 구성되어 있지만, 통합 처리 툴(1200)은 상이한 배향들로 위치된 기판들, 예컨대, 수직으로 배향된 연속적인 재료 시트(1250)를 처리하도록 구성될 수 있다. 특정 구현들에서, 연속적인 재료 시트(1250)는 가요성의 전도성 기판이다. 특정 구현들에서, 연속적인 재료 시트(1250)는, 하나 이상의 층이 상부에 형성된 전도성 기판을 포함한다. 특정 구현들에서, 전도성 기판은, 하나 이상의 규소 흑연 층이 상부에 형성된 구리 기판이다.
특정 구현들에서, 통합 처리 툴(1200)은 이송 메커니즘(1252)을 포함한다. 이송 메커니즘(1252)은, 연속적인 재료 시트(1250)를 처리 챔버들(1210-1240)의 처리 구역을 통해 이동시킬 수 있는 임의의 이송 메커니즘을 포함할 수 있다. 이송 메커니즘(1252)은, 공통 운반 아키텍처를 포함할 수 있다. 공통 운반 아키텍처는, 권취 모듈(1206)에 위치된 공통 권취 릴(1254), 처리 모듈(1204)에 위치된 처리 드럼(1255), 및 권출 모듈(1202)에 위치된 공급 릴(1256)을 갖는 릴-투-릴 시스템을 포함할 수 있다. 권취 릴(1254), 처리 드럼(1255), 및 공급 릴(1256)은 개별적으로 가열될 수 있다. 권취 릴(1254), 처리 드럼(1255), 및 공급 릴(1256)은, 각각의 릴 내에 위치된 내부 열원 또는 외부 열원을 사용하여 개별적으로 가열될 수 있다. 공통 운반 아키텍처는, 권취 릴(1254), 처리 드럼(1255), 및 공급 릴(1256) 사이에 위치되는 하나 이상의 보조 이송 릴(1253a, 1253b)을 더 포함할 수 있다. 통합 처리 툴(1200)이 단일 처리 구역을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 특정 구현들에서, 각각의 개별 처리 챔버(1210-1240)에 대한 분리된 또는 별개의 처리 구역들을 갖는 것이 유리할 수 있다. 별개의 처리 구역들, 모듈들, 또는 챔버들을 갖는 구현들의 경우, 공통 운반 아키텍처는, 각각의 챔버 또는 처리 구역이, 개별 권취 릴 및 공급 릴을 갖고, 하나 이상의 임의적 중간 이송 릴이 권취 릴과 공급 릴 사이에 위치되는 릴-투-릴 시스템일 수 있다. 공통 운반 아키텍처는, 트랙 시스템을 포함할 수 있다. 트랙 시스템은 처리 구역들 또는 별개의 처리 구역들을 통해 연장된다. 트랙 시스템은 웹 기판 또는 별개의 기판들을 운반하도록 구성된다.
통합 처리 툴(1200)은, 상이한 처리 챔버들(1210-1240)을 통해 연속적인 재료 시트(1250)를 이동시키기 위한 공급 릴(1256) 및 권취 릴(1254)을 포함할 수 있다. 일 구현에서, 제1 처리 챔버(1210) 및 제2 처리 챔버(1220)는 각각 리튬 금속 막의 일부분을 증착하도록 구성된다. 제3 처리 챔버(1230)는 구리 막을 증착하도록 구성된다. 제4 처리 챔버(1240)는, 리튬 금속 막을 주변 산화제들로부터 보호하기 위해 구리 막 및 리튬 금속 막 위에 보호 코팅을 증착하도록 구성된다. 일부 구현들에서, 완성된 음의 전극은 도면들에 도시된 것과 같이 권취 릴(1254) 상에 수집되는 것이 아니라, 배터리 셀들을 형성하기 위한 분리기와 양의 전극들 등의 통합을 위해 바로 이어질 수 있다.
일 구현에서, 처리 챔버들(1210-1230)은, 연속적인 재료 시트(1250) 상에 리튬 금속의 박막을 증착하도록 구성된다. 리튬 금속의 박막들을 증착하기 위한 임의의 적합한 리튬 증착 공정이 사용되어 리튬 금속의 박막을 증착할 수 있다. 리튬 금속의 박막의 증착은, PVD 공정들, 이를테면, 증발, 슬롯-다이 공정, 전사 공정, 적층 공정, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 이루어질 수 있다. 리튬 금속의 박막을 증착하기 위한 챔버들은, PVD 시스템, 이를테면, 전자 빔 증발기, 박막 전사 시스템(대면적 패턴 인쇄 시스템들, 이를테면, 그라비어 인쇄 시스템들을 포함함), 적층 시스템 또는 슬롯-다이 증착 시스템을 포함할 수 있다.
일 구현에서, 제4 처리 챔버(1240)는, 리튬 금속 막 상에 보호 막을 형성하도록 구성된다. 제4 처리 챔버(1240)는, 리튬 금속 막 상에 보호 막을 형성하도록 구성된다. 보호 막은, 본원에 설명된 바와 같은 이온 전도성 물질일 수 있다. 보호 막은, 딥 코팅, 슬롯-다이 코팅, 그라비어 코팅, 적층, 또는 인쇄에 의해 형성될 수 있다. 일 구현에서, 제4 처리 챔버(1240)는, 연속적인 재료 시트(1250) 위에 세라믹 또는 유전체 층을 증착하도록 구성되는 증발 챔버 또는 PVD 챔버이다. 일 구현에서, 증발 챔버는, 예컨대, 진공 환경에서의 열 증발기 또는 전자 빔 증발기(저온)일 수 있는, 도가니 내에 배치될 수 있는 증발 소스를 포함하는 것으로 도시된 처리 구역을 갖는다.
요약하면, 본 개시내용의 이점들 중 일부는, 리튬 금속 증착을 현재 이용가능한 처리 시스템들에 효율적으로 통합하는 것을 포함한다. 현재, 리튬 금속 증착은 드라이 룸 또는 아르곤 가스 분위기에서 수행된다. 리튬 금속의 휘발성으로 인해, 아르곤 가스 분위기에서 후속 처리 동작들이 수행된다. 아르곤 가스 분위기에서의 후속 처리 동작들의 수행은, 현재 제조 툴들을 개장(retrofit)하는 것을 수반할 것이다. 후속 처리 전에 보호 막으로 리튬 금속을 코팅하는 것은 후속 처리가 진공 하에서 또는 대기 중에서 수행될 수 있게 한다는 것이 본 발명자들에 의해 밝혀졌다. 보호 막은, 불활성 가스 분위기에서 부가적인 처리 동작들을 수행할 필요성을 제거하여 툴들의 복잡도를 감소시킨다. 보호 막은 또한, 리튬 금속 막이 상부에 형성된 음의 전극의 운반, 저장, 또는 둘 모두를 허용한다. 게다가, 보호 막이 이온 전도성 막인 구현들에서, 이온 전도성 막이 최종 배터리 구조에 포함되어 배터리 형성 공정의 복잡도가 감소될 수 있다. 이는, 툴의 복잡도를 감소시키고, 그 결과로서, 소유 비용을 감소시킨다.
본 개시내용, 또는 본 개시내용의 예시적인 양상들 또는 구현(들)의 요소들을 소개할 때, 단수 표현은 그 요소들 중 하나 이상이 존재한다는 것을 의미하도록 의도된다.
"포함", "구비", 및 "갖는"이란 용어들은 포괄적이도록 의도되고, 열거된 요소들 이외의 부가적인 요소들이 존재할 수 있음을 의미한다.
전술한 내용들이 본 개시내용의 구현들에 관한 것이지만, 본 개시내용의 다른 그리고 추가적인 구현들이 본 개시내용의 기본적인 범위로부터 벗어나지 않으면서 안출될 수 있으며, 본 개시내용의 범위는 하기의 청구항들에 의해 결정된다.

Claims (21)

  1. 방법으로서,
    집전체 상에 형성된 애노드 막 상에 리튬 금속 막을 형성하는 단계 ― 상기 집전체는 제1 구리 막을 포함하고, 상기 애노드 막은 흑연 또는 규소 함유 흑연으로부터 선택됨 ―;
    상기 리튬 금속 막 상에 금속 막을 형성하는 단계 ― 상기 금속 막은, 제2 구리 막, 비스무트 막, 주석 막, 또는 이들의 임의의 조합으로부터 선택되고, 상기 금속 막은 상기 리튬 금속 막의 최상부 표면 및 측벽들을 코팅하여 상기 집전체와 직접 접촉하도록 연장됨 ―;
    상기 금속 막 상에 형성된 보호 막을 형성하는 단계 ― 상기 보호 막은, 리튬-이온 전도성 세라믹, 리튬-이온 전도성 유리, 또는 이온 전도성 액정을 포함하는 리튬-이온 전도성 막임 ―; 및
    상기 보호 막 상에 세라믹 코팅을 형성하는 단계 ― 상기 세라믹 코팅은 산화알루미늄, 산질화알루미늄(aluminum oxynitride), 옥시수산화알루미늄(aluminum oxyhydroxide), 또는 질화알루미늄을 포함함 ―
    를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 막은 상기 제2 구리 막이고, 상기 제2 구리 막은 5 나노미터 내지 40 나노미터의 범위 내의 두께를 갖는, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속 막은 상기 제2 구리 막이고, 상기 제2 구리 막은 10 나노미터 내지 20 나노미터의 범위 내의 두께를 갖는, 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 집전체는 2 마이크로미터 내지 8 마이크로미터의 범위 내의 두께를 갖는, 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 집전체는:
    제1 니켈 막 또는 제1 크로뮴 막;
    상기 제1 니켈 막 또는 상기 제1 크로뮴 막 상에 형성된 상기 제1 구리 막; 및
    상기 제1 구리 막 상에 형성된 제2 니켈 막 또는 제2 크로뮴 막을 포함하는, 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 구리 막은 50 나노미터 내지 500 나노미터의 범위 내의 두께를 갖는, 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 니켈 막 또는 상기 제2 크로뮴 막은 20 나노미터 내지 50 나노미터의 범위 내의 두께를 갖는, 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 집전체는:
    폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 중합체 기판; 및
    상기 PET 중합체 기판 상에 형성된 상기 제1 구리 막을 포함하는, 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 구리 막은 물리 기상 증착 공정을 통해 증착되는, 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 보호 막은 상기 금속 막의 최상부 표면 및 측벽들을 코팅하는, 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 코팅은 결합제가 없는(binder-fee) 막인, 방법.
  12. 방법으로서,
    집전체 상에 애노드 막을 형성하는 단계 ― 상기 집전체는 제1 구리 막을 포함함 ―;
    상기 애노드 막 상에 리튬 금속 막을 형성하는 단계 ― 상기 애노드 막은 흑연 또는 규소 함유 흑연을 포함함 ―;
    상기 리튬 금속 막 상에 보호 막 적층체를 형성하는 단계
    를 포함하고, 상기 보호 막 적층체는 상기 리튬 금속 막의 최상부 표면 및 측벽들을 코팅하여 상기 집전체와 직접 접촉하도록 연장되며, 상기 보호 막 적층체는:
    상기 리튬 금속 막 상에 배치된 보호 막 ― 상기 보호 막은 상기 리튬 금속 막의 최상부 표면 및 측벽들을 코팅하여 상기 집전체와 직접 접촉하도록 연장됨 ―;
    상기 보호 막 상에 배치된 제1 중합체 막 ― 상기 제1 중합체 막은 상기 보호 막의 최상부 표면 및 측벽들을 코팅함 ―;
    상기 제1 중합체 막 상에 배치된 세라믹 막 ― 상기 세라믹 막은 상기 제1 중합체 막의 최상부 표면 및 측벽들을 코팅함 ―; 및
    상기 세라믹 막 상에 배치된 제2 중합체 막 ― 상기 제2 중합체 막은 상기 세라믹 막의 최상부 표면 및 측벽들을 코팅함 ―
    을 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 보호 막은, 리튬-이온 전도성 세라믹, 리튬-이온 전도성 유리, 또는 이온 전도성 액정을 포함하는 리튬-이온 전도성 막인, 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 보호 막은, 플루오린화리튬, 산화알루미늄, 옥시수산화알루미늄, 구리 칼코게나이드, 비스무트 칼코게나이드, 탄산리튬, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제1 중합체 막 및 상기 제2 중합체 막 각각은, 폴리비닐리덴 디플루오라이드, 폴리에틸렌 옥시드, 에틸렌 옥시드, 폴리-아크릴로니트릴, 숙시노니트릴, 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르 에테르 케톤, 카르복시메틸 셀룰로오스, 스티렌 부타디엔 고무, 또는 이들의 임의의 조합을 독립적으로 포함하는, 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 세라믹 막은 산화알루미늄, 산질화알루미늄, 옥시수산화알루미늄, 또는 질화알루미늄을 포함하는, 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 집전체는:
    폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 중합체 기판; 및
    상기 PET 중합체 기판 상에 형성된 상기 제1 구리 막을 포함하는, 방법.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 제1 구리 막은 물리 기상 증착 공정을 통해 증착되는, 방법.
  19. 방법으로서,
    집전체 상에 형성된 애노드 막 상에 리튬 금속 막을 형성하는 단계 ― 상기 집전체는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 중합체 기판 상에 형성된 제1 구리 막을 포함하고, 상기 애노드 막은 흑연 또는 규소 함유 흑연으로부터 선택됨 ―;
    상기 리튬 금속 막 상에 금속 막을 형성하는 단계 ― 상기 금속 막은 상기 리튬 금속 막의 최상부 표면 및 측벽들을 코팅하여 상기 집전체와 직접 접촉하도록 연장됨 ―;
    상기 금속 막 상에 형성된 보호 막을 형성하는 단계 ― 상기 보호 막은, 리튬-이온 전도성 세라믹, 리튬-이온 전도성 유리, 또는 이온 전도성 액정을 포함하는 리튬-이온 전도성 막임 ―; 및
    상기 보호 막 상에 세라믹 코팅을 형성하는 단계 ― 상기 세라믹 코팅은 산화알루미늄, 산질화알루미늄, 옥시수산화알루미늄, 또는 질화알루미늄을 포함함 ―
    를 포함하는, 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 금속 막은, 제2 구리 막, 비스무트 막, 주석 막, 또는 이들의 임의의 조합으로부터 선택되고, 상기 금속 막은 상기 제2 구리 막이며, 상기 제2 구리 막은 5 나노미터 내지 40 나노미터의 범위 내의 두께를 갖는, 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 금속 막은 상기 제2 구리 막이며, 상기 제2 구리 막은 10 나노미터 내지 20 나노미터의 범위 내의 두께를 갖고, 상기 집전체는 2 마이크로미터 내지 8 마이크로미터의 범위 내의 두께를 갖는, 방법.
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Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110521033A (zh) * 2017-04-17 2019-11-29 罗伯特·博世有限公司 一种预锂化的硅基阳极及其制备方法
WO2019094121A1 (en) 2017-11-09 2019-05-16 Applied Materials, Inc. Ex-situ solid electrolyte interface modification using chalcogenides for lithium metal anode
CN110048116A (zh) * 2019-04-25 2019-07-23 电子科技大学 一种在空气中具备良好稳定性的锂带/箔及其制备方法
US11631840B2 (en) * 2019-04-26 2023-04-18 Applied Materials, Inc. Surface protection of lithium metal anode
JP2020187932A (ja) * 2019-05-15 2020-11-19 株式会社アルバック リチウムイオン二次電池用負極の集電体の製造方法
JP2020187929A (ja) * 2019-05-15 2020-11-19 株式会社アルバック リチウムイオン二次電池用負極の集電体
CN113488613A (zh) * 2019-05-31 2021-10-08 宁德时代新能源科技股份有限公司 负极极片、电芯及锂离子电池
CN110190287B (zh) * 2019-06-25 2021-06-08 珠海冠宇电池股份有限公司 一种多孔亲锂铜箔集流体材料及其制备方法
US11384419B2 (en) 2019-08-30 2022-07-12 Micromaierials Llc Apparatus and methods for depositing molten metal onto a foil substrate
US20210126247A1 (en) * 2019-10-28 2021-04-29 Applied Materials, Inc. Dielectric coated lithium metal anode
US20240105961A1 (en) * 2020-05-08 2024-03-28 Lg Energy Solution, Ltd. Negative electrode current collector, electrode assembly including the same, and lithium free battery
FI20207087A1 (fi) * 2020-05-17 2021-11-18 Pulsedeon Oy Menetelmä epäorgaanista kiinteää elektrolyyttiä sisältävää nauhaa ja litiumia hyödyntävän energian varastointilaitteen valmistukseen
CN111653727B (zh) * 2020-06-30 2022-05-17 陕西煤业化工技术研究院有限责任公司 一种预锂化硅基薄膜负极材料及其制备方法
US11552283B2 (en) * 2020-08-04 2023-01-10 Applied Materials, Inc. Method of coating a flexible substrate in a R2R deposition system, and vapor deposition system
TW202218218A (zh) * 2020-08-21 2022-05-01 美商應用材料股份有限公司 陽極電極結構、鋰離子電池、製造陽極電極結構之方法、製造鋰離子電池之方法、以及用於製造陽極電極結構之基板處理系統
CN112397685B (zh) * 2020-11-16 2022-02-15 珠海冠宇电池股份有限公司 一种负极片及其应用
CN116568855A (zh) * 2020-11-19 2023-08-08 应用材料公司 保护层源
US20220181599A1 (en) * 2020-12-03 2022-06-09 Applied Materials, Inc. Lithium metal surface modification using carbonate passivation
US11830977B2 (en) * 2021-02-25 2023-11-28 International Business Machines Corporation Method to reduce interfacial resistance of hybrid solid-state electrolytes for secondary energy storage devices
CN117157774A (zh) * 2021-03-24 2023-12-01 欧瑞康表面处理解决方案股份公司普费菲孔 具有覆盖层的三维锂阳极
CA3219752A1 (en) * 2021-05-19 2022-11-24 Maciej Urban JASTRZEBSKI Lithium metal anode assemblies and an apparatus and method of making same
WO2023089200A2 (en) * 2021-11-22 2023-05-25 Oerlikon Surface Solutions Ag, Pfäffikon In-line coating apparatus for the manufacture of parts of a solid-state cell
GB2625050A (en) * 2022-11-30 2024-06-12 Dyson Technology Ltd Method of manufacturing an electrode-electrolyte laminate

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017131997A1 (en) * 2016-01-28 2017-08-03 Applied Materials, Inc. Integrated lithium deposition with protective layer tool
CN107154499A (zh) * 2017-04-14 2017-09-12 深圳鑫智美科技有限公司 一种含有新型集流体的锂电池及其制备方法

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2068290C (fr) * 1992-05-08 1999-07-13 Michel Gauthier Prise de contact electrique sur des anodes de lithium
US20110165471A9 (en) * 1999-11-23 2011-07-07 Sion Power Corporation Protection of anodes for electrochemical cells
US6733924B1 (en) 1999-11-23 2004-05-11 Moltech Corporation Lithium anodes for electrochemical cells
AU1628601A (en) * 1999-11-23 2001-06-04 Moltech Corporation Lithium anodes for electrochemical cells
US6797428B1 (en) * 1999-11-23 2004-09-28 Moltech Corporation Lithium anodes for electrochemical cells
US7247408B2 (en) 1999-11-23 2007-07-24 Sion Power Corporation Lithium anodes for electrochemical cells
JP2003151561A (ja) * 2001-11-15 2003-05-23 Nippon Denkai Kk 負極とその製造方法及び該負極を用いた二次電池
KR100449765B1 (ko) * 2002-10-12 2004-09-22 삼성에스디아이 주식회사 리튬전지용 리튬메탈 애노드
US20080057386A1 (en) 2002-10-15 2008-03-06 Polyplus Battery Company Ionically conductive membranes for protection of active metal anodes and battery cells
US7211351B2 (en) * 2003-10-16 2007-05-01 Cymbet Corporation Lithium/air batteries with LiPON as separator and protective barrier and method
KR100542198B1 (ko) 2003-10-23 2006-01-11 삼성에스디아이 주식회사 리튬 폴리머 이차 전지
JP2008171788A (ja) * 2006-12-15 2008-07-24 Hitachi Cable Ltd リチウムイオン電池用集電体及びその製造方法
KR20080105853A (ko) * 2007-06-01 2008-12-04 삼성에스디아이 주식회사 세라믹층이 코팅된 양극 또는 음극을 포함하는리튬이차전지
JP4778034B2 (ja) * 2008-01-30 2011-09-21 パナソニック株式会社 非水系二次電池の製造方法
EP2402481A1 (en) 2010-06-29 2012-01-04 Applied Materials, Inc. Method and system for manufacturing a transparent body for use in a touch panel
JP6025711B2 (ja) * 2011-04-12 2016-11-16 三井金属鉱業株式会社 クロメート皮膜付負極集電体用銅箔の製造方法及びそのクロメート皮膜付負極集電体用銅箔を用いたリチウムイオン二次電池の負極材の製造方法
JP2013143314A (ja) * 2012-01-12 2013-07-22 Nisshin Steel Co Ltd リチウムイオン二次電池の負極用防錆金属シート、負極及びその製法並びに電池
KR20150048707A (ko) * 2012-08-30 2015-05-07 가부시키가이샤 가네카 전지용 집전체 및 이를 사용한 전지
WO2015003123A1 (en) 2013-07-03 2015-01-08 Sion Power Corporation Ceramic/polymer matrix for electrode protection in electrochemical cells, including rechargeable lithium batteries
US10381690B2 (en) * 2013-08-14 2019-08-13 Samsung Sdi Co., Ltd. Negative electrode for rechargeable lithium battery and rechargeable lithium battery including the same
CN115621575A (zh) 2015-01-09 2023-01-17 应用材料公司 电池分隔件上的锂金属涂层
JP6380306B2 (ja) * 2015-09-07 2018-08-29 トヨタ自動車株式会社 非水電解質二次電池
DE102015224345A1 (de) * 2015-12-04 2017-06-08 Robert Bosch Gmbh SIC-Separator und SIC-Zelle
WO2017154313A1 (ja) * 2016-03-11 2017-09-14 Ｎｅｃエナジーデバイス株式会社 電気化学デバイス用電極および電気化学デバイスとそれらの製造方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017131997A1 (en) * 2016-01-28 2017-08-03 Applied Materials, Inc. Integrated lithium deposition with protective layer tool
CN107154499A (zh) * 2017-04-14 2017-09-12 深圳鑫智美科技有限公司 一种含有新型集流体的锂电池及其制备方法

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Publication number Publication date
EP3685460A4 (en) 2021-06-02
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