KR20080042081A - 연질 및 경질 전해질층을 가진 박막 배터리 및 그 제조방법 - Google Patents

연질 및 경질 전해질층을 가진 박막 배터리 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 음극 및/또는 양극을 피복하는 경질 전해질 사이에 연질 전해질을 가진 복합 다층 전해질을 구비한 박막 배터리의 제조방법 및 장치와, 그 결과 얻어진 배터리에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에서, 양쪽면 상에 경질 전해질에 의해 피복된 캐소드재(즉, LiCOO2)를 각각 가진 포일-코어 캐소드 시트(foil-core cathode sheets)와, 양쪽면 상에 경질 전해질에 의해 피복된 애노드재(즉, 리튬 금속)을 가진 포일-코어 애노드 시트(foil-core anode sheets)는 이들의 캐소드 시트와 애노드 시트 사이에 교대로 삽입한 연질 전해질(즉 폴리머 겔)을 사용하여 적층한다.
경질의 글라스 형상 전해질층은 충전할 때 평활한 경질 양극-리튬 금속층을 얻으나, 대단히 엷을 때 임의의 간격을 둔 핀홀(pinholes)/결함(defects)을 가진다.
그 경질층이 양극과 음극에 형성될 때 하나의 전극에서의 수지상조직(dendrite)-쇼트-발생결함이 다른 하나의 전극에서의 결함과 일치하지 않는다.
그 연질 전해질층 모두가 경질 전해질층 사이의 갭을 통해 이온을 전도하며 핀홀(pinholes)을 필링(filling)한다.
연질 전해질, 경질 전해질, 폴리머겔, 캐소드, 애노드, 박막 배터리, 리튬금속, 핀홀, 결함, 수지상 조직, 복합 다층 전해질.

Description

연질 및 경질 전해질층을 가진 박막 배터리 및 그 제조방법{THIN-FILM BATTERIES WITH SOFT AND HARD ELECTROLYTE LAYERS AND METHOD}
관련 출원(cross-reference to related applications)
이 특허출원은 2005년 7월 15일자 출원한 미국 가특허출원 60/699,895의 우선권을 주장한 출원이다.
또, 이 특허출원은 발명자(J.Klaassen)가 2003년 10월 16일자 출원한 미국 특허출원 10/895,445(발명의 명칭:"세퍼레이터와 보호격막으로서 LiPON을 가진 리튬/공기 배터리 및 그 제조방법")와, 2005년 1월 6일자 출원한 미국 특허출원 11/031,217(발명의 명칭:"하나 이상으로 구성할 수 있는 층을 가진 층상 격막 구조체")과, 미국 특허출원 11/xxx,xxx(발명의 명칭:"폴리머와 LiPON 전해질층을 가진 박막 배터리 및 그 제조방법")(대리인 문서번호 1327.031us2) 및 미국 특허출원 11/xxx,xxx(발명의 명칭:"연질 및 경질 전해질층을 가진 박막 배터리의 제조방법")(대리인 문서번호:1327.031us3)(각각 동일자에 출원하였음)에 관련되어 있는 출원이다.
본 발명은 고상상태 에너지 저장 디바이스(solid-state-energy devices)에 관한 것으로, 더 구체적으로 말하면 전해질층 및/또는 보호배리어(protective barrier)로 연질(즉, 폴리머) 전해질층과, 하나 이상의 경질층(즉, LiPON)을 가진 박막(즉, 리튬) 배터리 디바이스[thin-film(e.g., lithium) battery devices]의 제조방법 및 제조장치와, 그 결과 얻어진 셀 및/또는 배터리에 관한 것이다.
일렉트로닉스(electronics)(전자제품)는 컴퓨터, 휴대폰, 트래킹 시스템(tracking systems), 스캐너(scanners) 등을 다수의 휴대용 디바이스로 조립하였다.
휴대용 디바이스에 대한 하나의 결점은 그 디바이스 파워(power)의 공급이 절대적으로 필요한 점에 있다.
휴대용 디바이스는 일반적으로 파워 공급원으로서 배터리를 사용하였다. 배터리는 그 디바이스가 사용할 수 있는 최소한의 시간동안 그 디바이스에 파워를 공급할 수 있는 충분한 용량을 가질 필요가 있다.
배터리의 충분한 용량은 그 디바이스의 잔여부분(rest)에 비하여 극히 중량이거나, 크기가 큰 하나의 파워 공급원을 얻을 수 있다.
따라서, 에너지를 충분히 저장할 수 있으며, 무게가 더 가볍고, 크기가 더 작은 배터리(즉, 파워 공급원)를 필요로 하였다.
슈퍼 캐퍼시터(supercapacitors) 등 다른 에너지 저장 다바이스와, 광전지(photovoltaics) 및 연료전지(fuel cells) 등 에너지 변환 디바이스는 휴대용 전자제품 및 비휴대용 전기응용 제품에서 파워 공급원으로 사용하는 배터리의 대체제품이다.
종래의 배터리의 또 다른 결점은 일부 배터리가 누출될 수 있고 정부의 규제를 받을 수 있는 잠재적인 독성재로부터 제조된다는 점에 있다.
따라서, 다수의 충전/방전 수명 사이클을 통하여 안정성 있고, 고체상태이며 재충전할 수 있는 하나의 전원(electrical power source)을 제공하는 것이 바람직하다.
에너지 저장 디바이스의 하나의 타입은 고체상태(solid state)의 박막 배터리(thin-film battery)이다.
박막 배터리의 예는 특허문헌 USP 5,314,765; 5,338,625; 5,445,906; 5,512,147; 5,561,004; 5,567,210; 5,569,520; 5,597,660; 5,612,152; 5,654,084; 및 5,705,293에서 기재되어 있으며, 이들 특허문헌 각각을 참고로 여기서 예시한다.
상기 특허문헌 USP 5,338,625에서는 박막 배터리, 특히 박막 마이크로 배터리와, 그 제조방법에 대하여 기재되어 있으며, 전자 디바이스용 백업(backup) 또는 1차 집적전원으로 응용되었다.
상기 특허문헌 USP5,445,906에서는 웹 형상기재(web-like substrate)가 데포지션 스테이션(deposition stations)을 통해 자동 이동할 때 그 웹 형상기재상에 차례로 배터리성분 박막이 형성되는 다수의 데포지션 스테이션을 이용하는 방법으로 하여 형성되는 박막 배터리 구조체를 제조하는 방법과 시스템에 대하여 기재되어 있다.
특허문헌 USP 6,805,998(발명의 명칭:"집적 배터리 디바이스의 제조방법 및 장치")(여기서 참고로 인용한다.)은 본 특허출원의 발명자(Jody J. Klaassen)와 마크 엘. 젠손(Mark L. Jenson)이 2004년 10월 19일자로 특허를 취득하였으며, 본 발명의 양수인(출원인)에게 양도한 특허로, 일련의 데포지션 스테이션(deposition stations)을 통해 이동하는 폴리머 웹(polumer web) 상에 박막 리튬 배터리를 고속 저온으로 피착(depositing)하는 방법에 대하여 기재되었다.
여기서 참고로 인용한 특허문헌 USP 5,510,209의 명세서에서 기재되어 있는 바와 같이, 발명자들(K.M. Abraham 및 Z. Jiang)은 프로필렌 카르보네이트/에틸렌 카르보네이트/LiPF6 전해질 용액으로 팽윤시킨 폴리아크릴로 니트릴제 필름으로 이루어진 비수용성 폴리머 세퍼레이터를 가진 하나의 셀(cell)에 대하여 설명하였다.
이 유기전해질 막은 하나의 리튬 금속 폴일 애노드(foil anode)와 하나의 카본 복합 캐소드(composite cathode) 사이에 삽입시켜 리튬-에어 셀(lithium-air-cell)을 형성하였다.
상기 유기전해질 막을 이용함으로써, 산소 또는 건조 공기 분위기 하에서 상기 셀의 성능을 개선하도록 하였다.
여기서 사용되는 배터리의 애노드(anode)는 양극(positive electrode)(배터리 방전 중에 애노드임)이고, 그 배터리의 캐소드(cathode)는 음극(negative electrode)(배터리 방전 중에 캐소드임)이다(충전 조작중에, 그 양극은 캐소드이고 음극은 애노드이나, 여기서 그 애노드-캐소드 용어는 그 사이클의 방전부(discharge portion)를 고려한 것이다).
특허문헌 USP 6,605,237(발명의 명칭:"겔 폴리머 전해질로서 폴리포스파젠(polyphosphazene)"(여기서 참고로 인용함)은 권리자(Allcock 등)가 2003년 8월 12일자로 특허권을 취득한 것으로, 공치환 선상 폴리포스파젠 폴리머(co-substituted linear polyphosphazene polymers)로서, 겔 폴리머 전해질 중에서 유용하게 할 수 있고, 실온에서 이온전도율 최소 약 10-5 S/㎝를 가지며,
(ⅰ) 이온전도율을 촉진하는 측쇄(side chains)와 물리적 안정성을 촉진하는 소수성이며 비전도성인 측쇄의 비(ratios)를 조절하는 폴리포스파젠(polyphosphazene)과,
(ⅱ) 겔 폴리머 전해질의 물리적 성질과 이온전도율에 영향을 주는 프로필렌 카르보네이트 등 소분자 첨가물(small molecule additive)과,
(ⅲ) 겔 폴리머 전해질의 이온전도율에 영향을 주는 리튬 트리플루오로메탄술포네이트 등 금속염으로 이루어진 공치환 선상 폴리포스파젠 폴리머와, 상기 폴리포스파젠 폴리머 및 상기 겔 폴리머 전해질의 제조방법에 대하여 기재되어 있다.
상기 인용특허의 권리자들(Allcock)은 폴리(오르가노포스파젠)을 기재로 하는 하나의 시스템으로, 고상(solid) 폴리머 전해질(SPE) 응용에 대하여 광범위하게 충분히 연구한 하나의 시스템을 제안하여 구체적으로 언급한 바 있다.
이와 같은 종류의 폴리머는 그 인(P)-질소(N) 골격의 고유가요성(inherent flexibility)와 거대분자 치환 타입 합성에 의한 측기변형(side group modification)의 용이성으로 인하여 SPE(solid-polymer electrolyte)의 사용에 우 수한 후보 폴리머를 얻는다.
포스파젠 SPE에 사용되는 상기 1차(first) 폴리(오르가노포스파젠)은 폴리[비스(2-(2'-메톡시에톡시 에톡시)포스파젠](아래에서는 MEEP로 함)이다.
이 폴리머는 1983년도에 연구자들(Shriver, Allcock 및 이들의 공동연구자)에 의해 개발되었으며(Blonsky, P.M., 등, Journal of the American Chemical Society, 106,6854(1983) 참조), 특허문헌 USP 6,605,237 명세서에서 구체적으로 기재되어 있다.
또, 다음의 특허문헌을 여기서 참고로 모두 인용한다.
특허문헌 USP7,052,805(산성이며, 염기성이며, 엘라스머의 서브유닛(subunits)을 가진 폴리머 전해질; 2006년 5월 30일자에 공고되었고 특허 취득되었음).
특허문헌 USP6,783,897(가교제 및 그 가교제를 사용하여 가교할 수 있는 고상 폴리머 전해질; 2004년 8월 31일에 공고되었고 특허 취득되었음).
특허문헌 USP 6,727,024(고상 폴리머 전해질에 쓰이는 폴리알킬렌 옥사이드 폴리머 조성물; 2004년 4월 27일자로 공고되었고 특허 취득되었음).
특허문헌 USP 6,392,008(폴리포스파젠 폴리머; 2002년 5월 21일에 공고되었고 특허 취득되었음).
특허문헌 USP 6,369,159(에피할로히드린 폴리머를 함유한 정전기 방지 플라스틱재; 2002년 4월 9일자에 공고되었고 특허 취득되었음).
특허문헌 USP 6,214,251(폴리머 전해질 조성물; 2001년 4월 10일자에 공고되 었고 특허 취득되었음).
특허문헌 USP 5,998,559(단 이온(single-ion) 전도성 고상 폴리머 전해질 및 전도성 조성물 및 이들로부터 제조한 배터리; 1999년 12월 7일자로 공고되었고 특허 취득되었음).
특허문헌 USP 5,874,184(고상 폴리머 전해질, 배터리 및 이것을 사용하는 고체상태의 복층 전기 캐패시터와 그 제조방법; 1999년 2월 23일자로 공고되었고 특허 취득되었음).
특허문헌 USP 5,698,664(분자량을 조정하여 다분산성(polydispersity)을 가진 폴리포스파젠의 합성; 1997년 12월 16일자로 공고되었고 특허 취득되었음).
특허문헌 USP 5,665,490(고상 폴리머 전해질, 배터리 및 고체상태 복층 전기캐패시터 및 그 제조방법; 1997년 9월 7일에 공고되었고 특허 취득되었음).
특허문헌 USP 5,633,098(단이온 전도성 고상 폴리머 전해질을 함유한 배터리; 1997년 5월 27일에 공고되었고 특허 취득되었음).
특허문헌 USP 5,597,661(고상 폴리머 전해질, 배터리 및 이들을 사용한 고체상태 복층 전기 캐패시터와 그 제조방법; 1997년 1월 28일에 공고되었고 특허 취득되었음).
특허문헌 USP 5,567,783(이온전도용 고상용제로서 크라운 에테르(crown ether) 및 관련 포던드(podand) 측기를 가진 폴리포스파젠; 1996년 10월 22일에 공고되었고 특허 취득되었음).
특허문헌 USP 5,562,909(면역 아쥬반트로서 포스파젠 고분자 전해질; 1996년 10월 8일에 공고되었고 특허 취득되었음).
특허문헌 USP 5,548,060(폴리포스파젠의 술폰화; 1996년 8월 20일에 공고되었고 특허 취득되었음).
특허문헌 USP 5,414,025(자외선 조사에 의한 고체상태 배터리 전해질의 가교결합방법; 1995년 5월 9일에 공고되었고 특허 취득되었음).
특허문헌 USP 5,376,478(바나듐 펜트옥사이드와 폴리포스파젠의 2차 리튬 배터리; 1994년 12월 27일에 공고되었고 특허 취득되었음).
특허문헌 USP 5,219,679(고상전해질; 1993년 6월 15일에 공고되었고 특허 취득되었음).
특허문헌 USP 5,110,694(12-크라운-4-에테르를 배합한 2차 리튬 배터리; 1992년 5월 5일에 공고되었고 특허 취득되었음).
특허문헌 USP 5,102,751(고상 폴리머 전해질의 이온전도율 증강에 유용한 가소제; 1992년 4월 7일에 공고되었고 특허 취득되었음).
특허문헌 USP 5,061,581(새로운 고상 폴리머 전해질 ; 1991년 10월 29일에 공고되었고 특허 취득되었음).
특허문헌 USP 4,656,246(폴리에테르옥시-치환 폴리포스파젠의 정제; 1987년 4월 7일에 공고되었고 특허 취득되었음).
특허문헌 USP 4,523,009(폴리포스파젠 화합물 및 그 제조방법; 1985년 6월 11일에 공고되었고 특허 취득되었음).
상기 특허문헌 각각에서는 폴리포스파젠 폴리머 및/또는 기타 폴리머 전해질 및/또는 리튬염 및 그 조합물을 기재하여 구체적으로 설명한 것이다.
여기서 참고로 인용한 본 발명 출원의 발명자가 발명한 특허문헌 미국 특허출원 10/895,445(발명의 명칭: 세퍼레이터 및 보호배리어로서 LiPON을 가진 리튬/공기 배터리 및 그 제조방법) 명세서에서는 크롬 50㎚, 그 다음 동 500㎚의 진공 스퍼터링 피착(vacuum sputter deposition)에 의한 실리콘 옥사이드의 전기절연층 상에 크롬 접착층을 피착(deposition) 시키고, 전도성 기재층(즉, 동 또는 알루미늄 등의 금속) 상에 LiPON을 피착하는 것을 포함하는 리튬 배터리의 제조방법에 대하여 기재되어 있다.
일부 실시예에서, 그 다음 LiPON(리튬 포스포러스 옥시 니트리드)의 박막은 질소 분위기(N) 하에서 리튬 오르토포스페이트(Li3PO4)의 저압(<10mtorr) 스퍼터링 피착에 의해 형성하였다.
그 Li-공기 배터리 셀의 일부 예에서, LiPON은 그 동 애노드 전류 콜렉터 접촉부 상에 두께 2.5미크론으로 피착되었으며, 하나의 리튬 금속층은 그 동 애노드 전류 콜렉터 접촉부 상에, 프로필렌, 카르보네이트/LiPF6 전해질 용액 중에서 LiPON 층을 통해 전기도금을 함으로서 형성되었다.
일부 실시예에서, 그 공기 캐소드는 프로필렌 카르보네이트/LiPF6 유기 전해질 용액으로 포화시킨 카본-분말/폴리플루오로아크릴레이트-바인더 코팅(NoVer-1700)이었다.
다른 실시예에서, 카본 입자를 가진 캐소드-전류 콜렉테 접촉층은 대기중의 산소가 그 캐소드 반응물질로서 작용할 수 있도록 피착하였다.
이 구성체에서는 실질상 전체의 캐소드 표면에 공기가 접근하도록 하는 구성이 필요하고, 전기용량(즉, amp-hours)을 더 높이기 위한 밀착적층의 능력을 한정하는 구성이 필요하였다.
따라서, 수지상 조직형성(dendrite formation)에 대한 보호를 향상하고, 밀도, 화학적 용량(chemical capacity), 재충전성(rechargeability) 및 신뢰성과 용적 소량화 및 코스트 저감을 향상시킨 재충전 할 수 있는 리튬-기재 배터리를 필요로 한다.
[발명의 간단한 요지]
본 발명은 전해질이 다른 다수의 층(즉, 경질-연질-경질)을 조합한 하나의 전해질 구조체(electrolyte structure)를 가진 하나의 배터리를 구성한다.
본 발명에 예에서, 하나의 엷은(0.1~1.0미크론) LiPON 전해질층은 리튬 수지상 조직(lithium dendrites)을 형성하거나(특히, 양극 상에서 코팅되는 대응 LiPON 전해질층과 한 쌍으로 결합할 경우) 및/또는 리튬금속의 민활한(smooth) 경질층을 형성하는 음극에서의 경질코팅(hard coating)으로 또는 그 배터리를 충전할 경우 그 음극의 일부분으로 사용한다.
본 발명의 예에서, 단독의 전극(only one electrode)(즉, 음극) 상에서의 엷은(0.1~1.0미크론) LiPON 전해질은 핀홀(pinhole)을 통해 성장하는 그 리튬이 그 전해질을 통해 약 3미크론 이하로 성장할 필요만이 있어 그 배터리를 단락(short)하기 때문에(즉, 애노드에서 캐소드로 하나의 금속제 전기도통로를 형성함) 장기 간(즉, 여러 번의 방전-충전-사이클)에 걸쳐 리튬 수지상 조직의 형성을 방지할 수 없다.
또, LiPON이 그 양극(즉, LiC0O2를 함유한 하나의 전극)에서 코팅으로 사용될 경우 그 핀홀(pinholes)의 임의 위치(random locations)가 정렬(line up)되지 않는다(즉, 애노드에서 캐소드로 그 전해질을 통하여). 이와 같이 리튬은 또 그 전해질에서 사이드 웨이(side ways)의 성장을 필요로 한다.
그 전해질은 결함 사이트(defect site)(수지상 조직을 일반적으로 형성함)에서 도금되는(plating) 리튬이 그 배터리를 단락하지 않는다는 것을 이중으로 확보한다.
본 발명의 예에서, 하나의 연질 전해질층은 그 음극에서의 경질 전해질층과 그 양극에서의 경질 전해질 사이에 있는 갭을 연결(bridging)한다.
두 전극에서, 또 그 LiPON 층은 특히 그 배터리가 완성되거나 실링(sealing)되기 전 제조중에 있을 때 수중기와 산소에 대한 내환경성 향상을 제공한다.
본 발명의 예에서, 그 연질 전해질에는 그 양극 상의 LiPON 층과 그 음극 상의 LiPON 층 사이에 위치시켜 접촉하는 하나의 고상 폴리머 전해질(SPE) 층을 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 전해질 구조체에서는 PEO-LiX 등 하나의 폴리머 전해질을 포함한다(PEO-LiX: 폴리에틸렌옥사이드 리튬-X, 여기서 LiX는 LiPF6, LiBF4, LiCF3SO4, CF3SO3Li(리튬 트리플루오로메탄술포네이트, 트리플레이트라고도 함), 리 튬 비스퍼플루오로에탄술폰이미드, 리튬(비스)트리플루오로메탄술폰이미드 등의 하나의 금속염이다).
본 발명의 예에서, 그 전해질 구조체에는 폴리 PN-LiX(리튬-X를 가진 폴리포스파젠, 여기서 LiX는 LiPF6, LiBF4, LiCF3SO4 등이다.) 등 하나의 폴리머 전해질을 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 폴리머 전해질의 이온전도율과 물성에 영향을 주는 프로필렌 카르보네이트 등 하나의 소분자 첨가물(small-molecule additive)은 첨가하여 결합을 더 좋게 필링(filling)하여 접착제로서 작용하는 하나의 겔 전해질을 형성한다.
본 발명은 음극 및/또는 양극을 피복(covering)하는 경질 전해질층들 사이에 하나의 연질 전해질층을 가진 복합(즉, 다층형성) 전해질을 구비한 박막 배터리(thin-film battery)의 제조방법 및 장치와 그 결과 얻어진 배터리를 제공한다.
본 발명의 예에서, 금속-코어 캐소드 시트(sheets)는 각각 금속포일, 스크린 또는 메쉬(즉, 동, 니켈 또는 스테인레스 강) 또는 금속 피복절연제(즉, 폴리머필름, SiO2 피복 실리콘 웨이퍼, 또는 알루미나 또는 사파이어 기재 층 상에서 하나의 스퍼터링을 한 금속필름) 상에서 피착된(deposited) 하나의 캐소드재(즉, LiC002)를 가지며, 하나의 경질 전해질(일부 예에서는 그 기재 층의 양측면 상에서 이와 같은 전극을 형성한다.)에 의해 피복되고, 포일 코어 애노드 시트(sheets)는 하나의 금속포일(즉, 동, 니켈 또는 스테인레스강) 또는 하나의 금속 피복절연제(즉, 하나의 알루미나 또는 사파이어 기재 층 상에서 하나의 스퍼터링을 한 금속필름) 상에 피착된 하나의 애노드재(즉, 리튬금속)를 가지며, 또 경질 전해질(일부 예에서는 그 기재층의 양측면 상에서 상기 전극을 형성한다.)에 의해 피복된다.
이와 같은 시트들은 캐소드 시트와 애노드 시트를 교대로 하여 이들 시트 사이에 삽입시킨 하나의 연질(즉, 폴리머 겔) 전해질을 사용하여 적층시킨다.
본 발명의 예에서, 하나의 경질 글라스형상 전해질층은 충전할 때 하나의 밀활한 경질 양 전극 리튬 금속 층을 얻으나, 이와 같은 하나의 층은 대단히 엷어, 임의의 간격을 둔 핀홀/결함을 가지는 경향이 있다.
상기 경질 층이 양극과 음극의 두 전극 상에서 형성될 때 하나의 전극에서 수지상 조직(dendrite)-단락(short)-발생결함이 다른 전극의 결함과 일치하는 배열을 갖지 않는다.
그 연질 전해질층은 경질 전해질층 사이의 갭(gap)을 통하여 이온을 전도하며, 그 경질 전해질층에서 핀홀, 엷은 스폿(thin spots) 및 다른 결함은 필링(filling) 한다.
다음의 구체적 설명에서는 본 발명의 설명을 위한 다수의 특정 구성이 포함되어 있으나, 이 분야의 기술자는 본 발명의 범위 내에서 다음 설명 구성에 대하여 여러 가지로 변형 및 변경할 수 있다는 것을 알 수 있다.
따라서, 다음의 바람직한 발명의 예는 본 발명의 특허청구범위 발명을 한정함이 없이, 또 그 청구범위의 발명의 일반적 구성원칙(generality)을 상실함이 없이 설명한 것이다.
바람직한 예의 구체적인 다음 설명에서는 첨부도면을 참고할 수 있고, 이들의 첨부도면에서는 본 발명을 실시할 수 있는 특정예에 따라 나타낸 것이며 그 도면의 일부를 형성한다.
본 발명의 범위에서 벗어남이 없이 다른 예를 이용할 수 있고, 구조적인 변경을 할 수 있다는 것을 알 수 있다.
첨부도면에서 나타내는 부호번호(reference numbers) 중 선행숫자(leading digit)는 일반적으로 그 도(Figure)의 숫자에 해당하며, 그 도의 숫자에서 구성요소(component)를 1차적으로 도입한 것이다.
따라서, 동일부호 번호를 전부 사용하여 여러 도면에서 나타낸 하나의 동일 구성요소를 의미한다.
시그널(signals)(예로서, 유체압, 유체 유동 또는 이와 같은 압력 또는 유동을 나타낸 전기 시그널), 파이프, 튜빙(tubing) 또는 유체를 운반하는 도관(conduits), 와이어 또는 전기 시그널을 운반하는 다른 도체 및 연결부재(connections)는 동일한 부호번호 또는 라벨에 의해 나타낼 수 있고, 그 실제 의미는 설명내용의 사용에서 명백하다.
용어(terminology)
이 설명기재에서, 용어 금속은 실질상 순수한 단일 금속원소와, 2종 이상 원소의 합금 또는 조합물 모두에 적용되며, 최소 하나의 금속은 하나의 금속원소이다.
용어 기재(substrate) 또는 코어는 일반적으로 물리적 구성체(physical structure)를 말하며, 이 구성체는 여러 가지의 처리 조작에 의해 소정의 마이크로 전자구성체로 변형되는 기본적인 가공편이다.
본 발명의 예에서, 그 기재에는 전도성재(동, 스테인레스강, 알루미늄 등), 절연성재(사파이어, 세라믹 또는 플라스틱 폴리머 절연재 등), 반전도성재(실리콘 등), 비-반전도성재, 또는 반전도성재와 비반전도성재의 조합물을 포함한다.
또 다른 예에서, 기재에는 실리콘 프로세서 칩(silicon processor chip) 등 인접 구조체의 열팽창 계수(CTE: coefficient of thermal expansion)에 더 근접하게 매칭(matching)하는 CTE로 선택한 재료(철-니켈 합금 등)로 된 코어 시트 또는 코어편 등 층상 구조체(layered structure)를 포함한다.
이와 같은 예에서, 상기 기재 코어(substrate core)는 전기전도율 및/또는 열전도율에 대하여 선택한 재료(동, 알루미늄 합금 등) 시트(a sheet)에 적재시키고, 그 다음 전기절연성, 안정성 및 엠보싱(embossing) 특성에 대하여 선택한 하나의 플라스틱 층으로 피복한다.
하나의 전해질(electrolyte)은 이온(즉, 양전하를 가진 리튬 이온)의 이동을 하도록 함과 동시에, 전자전도에 대하여 비전도성 또는 높은 내전도성이 되도록 한 전기전도성재이다.
전기 셀(electrical cell) 또는 배터리는 하나의 전해질에 의해 분리되어 있는 하나의 애노드와 하나의 캐소드를 가진 하나의 디바이스(device)이다.
하나의 유전체(dielectric)는 플라스틱, 세라믹 또는 글라스 등 전기에 대하여 비전도성인 재료이다.
본 발명의 예에서, LiPON 동 하나의 재료는 리튬용 소오스(source)와 싱크(sink)가 그 LiPON 층과 인접되어 있을 때 하나의 전해질로서 작용할 수 있고, 또 그 LiPON를 통과할 수 있는 이온을 형성하지 않는, 동 또는 알루미늄 등 2개의 금속층 사이에 배치할 때 하나의 유전체(dielectric)로서 작용할 수 있다.
본 발명의 예에서, 디바이스(devices)에는 시그널과 전기파우어를 수평방향으로 운반하는 와이어링 트레이스(wiring traces)와, 시그널과 전기파우어(power)를 트레이스 층 사이에서 수직방향으로 운반하는 바이어스(vias)를 가진 하나의 절연 플라스틱 폴리머 층(하나의 유전체)를 포함한다.
본 발명의 예에서, 하나의 박막 고체상태 배터리의 애노드 부분은 크롬 50㎚ 그 다음 동 500㎚의 진공 스퍼터링 피착방법(vacuum-sputter deposition)을 사용하는 실리콘 옥사이드 전기절연층(또는 폴리머 시트) 상에서 하나의 크롭 접착층을 피착시켜 형성된 하나의 전도성 기재층(즉, 동 또는 알루미늄 등 하나의 금속)에서 LiPON을 피착하는 것을 포함하는 방법을 사용하여 제조한다(위에서 설명한 특허문헌 미국 특허출원 10/895,445에서 기재되어 있는 바와 같이).
본 발명의 예에서, 그 다음 LiPON(리튬 포스포러스옥시니트리드)의 박막(thin film)은 질소 분위기 하에서 리튬 오르토포스페이트(Li3PO4)의 저압(<10mtorr) 스퍼터데포지션(sputter deposition) 또는 LiPON 원(source) 에서의 스퍼터링(sputtering)에 의해 형성된다.
본 발명의 예에서, LiPON은 그 동 애노드 전류 콜렉터 접촉부(contact) 상에서 두께 0.1미크론 ~ 2.5미크론으로 피착된다(deposited).
본 발명의 예에서, 하나의 리튬 금속층은 프로필렌 카르보네이트/ LiPF6 유기전해질 용액 중에서 LiPON 층(이것은 그전에 상기 동 애노드 전류 콜렉터 접촉부 상에서 피착된 것임)을 통하여 전기도금함으로써 그 동 애노드 전류 콜렉터 접촉부 상에서 형성된다.
그 LiPON은 그 배터리를 조립할 때 하나의 보호층으로 작용하며, 그 조립된 배터리에서는 다층 전해질의 하나의 층으로 작용한다(다른 예에서, 그 애노드의 리튬 금속층은 그 배터리가 조립된 다음 초기 충전조작에 의해 형성된다.).
본 발명의 예에서, 고체상태 배터리의 하나의 캐소드 부분은 LiC0O2원(source)에서 하나의 제 1금속포일 상에 LiC0O2 를 스퍼터링하여 제조하며, 그 위에 하나의 LiPON 층을 피착하고, 그 층은 조립된 배터리에서, 다층 전해질의 또 다른 층으로 작용한다.
본 발명의 예에서, 하나의 고상 또는 겔 폴리머 전해질은 2개의 LiPON 전해질층 사이에 하나의 연결구조체 또는 접착제로서 사용되며, 또 그 배터리의 양극과 음극 사이에서 하나의 이온전도 통로를 형성한다.
본 발명의 예에서는 하나의 대단히 엷은 전해질을 형성하는 것이 바람직하다.
하나의 대단히 엷은 LiPON 단층이 사용될 경우, 결함(defects)(즉, 엷은 스폿(spots) 또는 핀홀(pinholes)을 가지는 경향이 있다.
리튬이온은 그 배터리를 단락(short out)하는 스파이크(spike) 형상의 리튬금속 수지상 조직의 플레이트(plate)와 최소의 저항성 있는 이들 통로를 통하여 선택적으로 이동한다.
하나의 대단히 엷은 고상 또는 겔 폴리머 단일 전해질층을 사용할 경우, 어느 표면의 불규측성 구조[즉, 애노드 또는 캐소드재에서 범프(bumps) 또는 리지(ridges)]라도 그 전해질을 통해 접속하여 그 배터리를 단락하는 경향이 있다.
각각 형성된 극히 엷은 LiPON(경질) 전해질 성분의 2개 층으로, 그 배터리의 애노드 상에 형성된 하나의 층과 그 배터리의 캐소드 상에 형성된 또 다른 층을 구비함으로써, 하나의 층 내에서의 엷은 스폿 또는 핀홀은 다른 층 내에서 하나의 엷은 스폿 또는 핀홀과 일직선 정렬(line up)되지 않는다.
고상 및/또는 겔 폴리머 전해질재로 이루어진 제 3전해질층(즉, 2개의 LiPON 층 사이에 리튬이온을 전도하는 하나의 연질 폴리머 전해질)은 이들의 불규칙성 구조(irregularities)가 LiPON으로 코팅되거나, 또는 다른 측면 상에서 그 대응하는 스폿이 LiPON으로 코팅되기 때문에 어느 하나의 전극에서 범프(bumps) 또는 다른 불규칙성 구조에 의해 단락(shorout)되지 않는다.
따라서, 하나 이상(전체)의 다수층은 초기 다락(initial short)(그 애노드와 캐소드를 접촉하도록 하는 대단히 엷은 하나의 폴리머 전해질로부터) 또는 후발생 단락(later-developed short)(1회 이상의 충전/방전 사이클 이후 리튬 금속 수지상 조직을 형성하도록 하는 LiPON 전해질층에서의 하나의 핀홀로부터)을 가질 위험성 없이 대단히 엷게 제조할 수 있다.
또, 밀도가 높고, 경질이며 글라스 형상인 상기 LiPON 층은 그 층을 통과하는 리튬이온을 발생하며 밀도가 높고 민활한 하나의 리튬 금속층을 형성한다.
다른 예에서, 하나 이상의 상기 LiPON 층 대신 하나 이상의 다른 경질 및/또는 글라스 형상 전해질층을 사용한다.
특허문헌 USP6,605,237(발명의 명칭:"겔 폴리머 전해질로서 폴리포스파젠")에서는 MEEP(폴리[비스(2-2'-메톡시에톡시 에톡시)포스파젠])와 다른 폴리머에 대하여 기재되어 있으며, 본 발명의 예에서는 연결구조체(structural connector)와 2개의 LiPON 하부층(sublayers) 사이에 폴리머 전해질 하부층으로 사용하였다.
그 연결층으로 사용된 폴리포스파젠(여기서 폴리 PN이라 함)은 연질이며 접착성이다.
그 접착성은 그 전극을 접합하도록 한다.
그 연성(softness)은 결함에 대하여 보정하도록 하거나, 또는 결함에 대하여 배터리의 성능과 신뢰성을 빈약하게 발생하지 않도록 한다.
다른 예에서는 다른 연질 또는 겔 형상의 이온전도성 폴리머를 사용하였다.
특허문헌 USP 4,523,009; USP 5,510,209; USP 5,548,060; USP 5,562,909; USP 6,214,251; USP 6,392,008; USP 6,605,237 및 USP 6,783,897(참고로 여기서 인용함)에서는 각각 본 발명의 예에서 하나의 전해질의 하나 이상의 성분층으로 사용할 수 있고, 포함할 수 있는 폴리포스파젠 폴리머 및/또는 다른 폴리머 전해질 및/또는 여러 가지의 리튬염 및 화합물에 대하여 기재되었다.
용어 수직(vertical)은 하나의 기재층의 대부분의 표면(major surface)에 실질상 직각인 것을 의미하는 것으로 한정한다. 높이 또는 깊이는 하나의 기재층의 대부분의 표면에 직각인 방향에서의 거리를 말한다.
도 1A는 본 발명의 실시예에 의한 하나의 리튬 셀(100)의 개략 횡단면도이다.
도 1B는 본 발명의 실시예에 의한 하나의 리튬 셀(101)의 개략 횡단면도이다.
도 1C는 본 발명의 실시예에 의한 하나의 리튬 셀(102)의 개략 횡단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 하나의 리튬 배터리의 제조 프로세스(200)의 개략 횡단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 하나의 병렬 연결한 리튬 배터리(300)의 개략 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 하나의 직렬 연결한 리튬 배터리(400)의 개략 횡단면도이다.
도 5A는 본 발명의 실시예에 의한 하나의 병렬 연결한 스크린-캐소드 전류 콜렉터(parallel-connected screen-cathode current-collector) 접촉 리튬 배터리(500)의 개략 횡단면도이다.
도 5B는 본 발명의 실시예에 의한 하나의 직렬 연결한 스크린-캐소드 전류 콜렉터 접촉 리튬 배터리(501)의 개략 횡단면도이다.
도 6A는 하나의 플레이팅 마스크(plating mask)(119)를 가진 경질 전해질 피복전류 콜렉터를 구비한 하나의 전극(600)의 사시도이다.
도 6B는 하나의 플레이팅 마스크(119)를 가진 경질 전해질 피복전류 콜렉터를 구비하는 또 다른 전극(601)의 사시도이다.
도 6C는 하나의 플레이팅 시스템(plating system)(610)의 사시도이다.
도 7A, 7B, 7C, 7D, 7E 및 7F는 본 발명의 실시예에서 하나의 기재층(substrate) 상에서 캐소드로서 동(copper)과 동산화물(copper oxides)의 원자 레벨 매트릭스(atomic level matrix)의 조립을 각각 나타낸 개략 횡단면도이다.
도 8A, 8B, 8C, 8D 및 8E는 본 발명의 실시예에서 동 포일기재층(copper foil substrate) 상에서 캐소드로서 동과 동산화물의 원자 레벨 매트릭스의 조립을 각각 나타낸 개략 횡단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에서, 하나의 병렬 연결 포일(foil) 캐소드-전류 콜렉터 접촉 리튬 배터리(900)의 개략 횡단면도이다.
도 10A는 본 발명의 실시예에서 하나의 밀봉시킨 표면을 봉입한 마이크로 배터리(1000)의 개략 횡단면도이다.
도 10B는 본 발명의 실시예에서 밀봉시킨 표면을 봉입한 마이크로 배터리(encapsulated surface-mount micro-battery)(1000)의 사시도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 의한 하나의 배터리 셀(battery cell)의 제조방 법(1100)의 플로차트(flow chart)이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 의한 하나의 적층 배터리(stacked battery)의 제조방법(1200)의 플로차트이다.
도 13은 하나의 시스템의 부분으로서 하나의 디바이스(device)의 실시예의 분해사시도이다.
도 14는 하나의 휴대용 시스템의 일부로서 하나의 디바이스의 또 다른 실시예의 분해사시도이다.
도 1A는 본 발명의 예에서 하나의 리튬셀(100)의 개략 횡단면도이다. 그 예에서 리튬셀(100)에는 하나의 비교적 경질인 LiPON층(114)(하나의 경질 전해질 전류 스프레더로 작용함)을 피착시켜, 그 피착층 위에 예로서 LiCoO2 등 캐소드재 필름(112)을 LiCoO2 목적 화합물로부터 스퍼터링(sputtering)에 의해 피착시킨 제 1금속포일(110)(전류 콜렉터로 작용함)을 가진 제 1시트(111)(하나의 캐소드 또는 양극 서브 어셈블리)를 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 셀(100)에는 LiPON(124) 필름(하나의 경질 전해질 전류 스프레더로서 그리고 이 층을 통해 후 도금한 리튬의 환경 배리어로서 작용함)을 피착한 제 2금속포일(second metal foil)(120)을 가진 제 2시트(121)(애노드 또는 음극 서브 어셈블리)를 포함한다.
그리고, 하나의 리튬층(122)(애노드 또는 음극의 활성부를 형성함)은 그 LiPON 필름(124)(전체 배터리의 조립 전 후; 그 캐소드가 충분한 개시 리튬을 포함한 다음, 그 애노드 리튬층이 그 배터리의 초기 충전에 의해 조립 후 형성되거나, 그 캐소드가 개시 리튬을 거의 갖고 있지 않거나 전혀 없어 그 애노드 리튬층이 조립 전에 즉 외층 희생 리튬-금속 전극에서 액상 전해질 또는 용액 중에 전기도금에 의해 형성될 경우)을 통해 도금된다.
본 발명의 예에서, 폴리머 전해질(130)의 시트 또는 층은 제 1시트(111)와 제 2시트(121) 사이에 삽입한다.
본 발명의 예에서, 폴리머 전해질층은 LiPON층(114), LiPON(124)에 피착되거나, 또는 그 폴리머층 일부분이 LiPON층(114)과 LiPON층(124)의 모든 층 상에 피착된 다음, 제 1시트(111)와 제 2시트(121)를 함께 가압(pressing) 시키거나 또는 조립한다(본 발명의 예에서, 이들 시트 중 2개 이상은 한 쌍의 롤러 사이에서 함께 압착(squeezing)한다).
본 발명의 예에서, 이것은 코스트가 저렴하고, 품질이 높으며, 신뢰성이 높고, 재 충전성이 높은 배터리 시스템을 구성하는 전해질층의 경질-연질-경질 조합물이다.
본 발명의 예에서, 그 경질층은 제조 중에 보호 배터리 층으로, 그리고 충전할 때 그 애노드 상에서 민활한 경질 리튬층을 얻는 전류 스프레더 전해질로서 작용한다.
본 발명의 예에서, 그 경질층은 글라스 또는 글라스형상 전해질재(즉, LiPON)이거나, 그 전해질을 포함한다.
이들의 경질층이 대단히 엷게 제조될 때(셀 전도율을 증가시키고 셀 저항성을 감소시키기 위하여), 이들의 경질층은 임의의 간격을 둔 핀홀, 범프(bumps) 또는 다른 결함(defects)(두께가 더 두꺼운 층은 다수의 이와 같은 결함을 제거할 수 있으나, 셀 전도율을 감소시키고 셀 저항을 증가시킨다.)을 가지는 경향이 있다.
그 경질층이 양극과 그 대응하는 음극의 모든 극상에 형성될 때 하나의 전극을 피복하는 전해질의 그 핀홀과 결함은 그 다른 전극을 피복하는 전극의 핀홀 및 결함과 일직선 정렬되지 않는 경향이 있다.
그 연질 전해질층은 모두 경질층들 사이의 갭을 통해 이온을 전도하며 그 경질 전해질 피복(coverings)의 핀홀 및 결함을 필링하는 경향이 있다.
본 발명의 예에서, 그 연질 전해질층은 하나의 고상 또는 겔 폴리머 전해질이며(이들의 전해질은 그 셀을 함께 지지하는 접착제로서 그리고 환경인자로부터 그 셀의 오염을 감소시키고, 그 연질 전해질층의 누설을 감소시키는 시일(seals)로서 작용한다.). 또는 하나의 구성요소에서 선택적으로 주입된(infused) 액상 전해질이다[하나 이상의 경질 전해질층 상에서 하나의 고상 모체(host) 폴리머(즉, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 플루오로에틸렌 등)로(즉, 미크로엠보싱(micro embossing)에 의해) 형성된 스폰지, 스크린 또는 리지(ridges) 등].
본 발명의 예에서, 그 연질 전해질층에는 폴리비닐리덴 디플루오리드(PVdF), 프로필렌 카르보네이트 및 리튬염을 포함하는 하나의 겔을 함유한다.
PVdF는 리튬이온을 전도하지 않은 폴리머이다. 즉, 리튬염은 PVdF 중에 용해하지 않는다.
그러나, PVdF는 리튬염이 용해하는 프로필렌 카르보네이트 등 액체로 팽윤시킬 수 있다.
그 결과 얻어진 겔은 하나의 연질 전해질로 사용할 수 있다.
본 발명의 예에서, 각각의 그 경질 전해질층의 두께는 1미크론이거나 더 엷다. 그 연질 전해질층의 두께는 약 3미크론이거나 더 엷다. 또, 도 1A에 나타낸 구조체는 다음 표1에서 나타낸다.
도면부호 기능 또는 성질 실시예 재료
... 선택적으로, 더 많은 배터리층 상부에 적층 ...
110 캐소드 전류 콜렉터 금소포일(즉, 동, 니켈, 스테인레스강 등, Li와 합급되지 않은 금속), 금속 스크린, 또는 폴리머상의 금속필름 또는 Si 웨이퍼 상의 SiO2층, (배터리 적층물의 양쪽면 상에 형성된 전극을 가질 수 있다.)
112 캐소드재 LiCoO2(적소에 스퍼터링 또는 분말 가압함), 카본 파우더, CuO 파우더(상기 화합물 중 어느 것이나 폴리PN 전해질재와 함께 주입시켜 전도율 및 리튬 이동을 증가시킬 수 있다.), 또는 동과 동산화물의 원자 매트릭스(atomic matrix)(예로서, 상부쪽으로 더 많은 동과 저부쪽으로 더 많은 산소를 가진 하나의 테이퍼 조성물 Cu와 O 구조, 즉, Cu 금속이 점진적으로 ... Cu40...Cu2O...Cu+0.....CuO로 혼합된다.)
114 경질 전해질 LiPON 또는 다른 리튬-글라스재
130 연질 전해질 리튬을 가진 폴리PN(즉, LiPF6), 또는 다른 폴리머(즉, PEO, 폴리프로필렌, 등) 전해질재
124 경질 전해질 LiPON 또는 다른 리튬-글라스재
122 애노드재 리튬, (조립전 후에 경질(즉, LiPON) 층을 통해 도금할 수 있음) (전해질과 캐소드재로 적합한 변화를 하는 아연으로 할 수 있다.)
110 애노드 전류 콜렉터 금속포일(즉, 동), 금속 스크린 또는 폴리머 필름 상의 금속필름 또는 Si 웨이퍼 상의 SiO2층, (배터리 적층물의 양쪽면 상에 형성된 전극을 가질 수 있다.)
... 선택적으로, 더 많은 배터리층이 아래에 적층되었음
도 1B는 본 발명의 예에서 하나의 리튬셀(101)의 개략 횡단면도이다.
충전하지 않은 상태에서 조립된 리튬셀(101)에는 도 1A와 동일한 하나의 제 1시트(111)(하나의 캐소드 또는 양극 서브 어셈블리)를 포함하며, 그 경질 전해질(114)이 캐소드재 필름(112)의 측면 에지(lateral edges)를 지나 제 1금속포일(110) 상에 측방으로 형성되어 있는 것이 다르다.
본 발명의 예에서, 캐소드재(112)(예로서 LiCoO2 등)의 측면 길이(lateral extent)는 반도체 집적회로에 사용되는 것과 동일한 포토레지스트(photoresist)와 리토그래픽 프로세스(lithographic processes)를 사용하여 형성된다. 즉, 캐소드재가 포토레지스트를 사용하여 마스킹(masking)되거나, 또는 SiO2 등 경질재가 포토레지스트에 의해 커버되고 에칭되며, 그 포토레지스트가 제거되어 그 경질층(즉, SiO2)은 마스크(mask)로 작용하도록 하여, 캐소드재(112)(즉, LiCoO2)의 측면 길이를 형성하고, 그 다음 그 마스크가 제거된다.
그 경질 전해질층(114)(즉, LiPON)은 캐소드재(112) 상에 그리고 캐소드재(112) 측면 주위 기재층(110) 상에 피착된다.
경질 LiPON층(114)의 이측면방향 형성부는 그 캐소드에서 리튬 양쪽면에 하나의 실(seal)로서 작용하여 산소 또는 수증기 등 주위환경의 오염물질을 보호한다.
본 발명의 예에서, 리튬셀(101)에는 LiPON 필름(124)(경질 전해질 전류 스프레더로서 그리고 이 층을 통해 후도금한 리튬의 주변 배리어(environmental barrier)로서 작용함)을 피착시킨 제 2금속포일(120)을 아직도 존재한 리튬이 갖지 않는 것 이외에 도 1A와 동일한 제 2시트(121)(애노드 또는 음극 서브 어셈블리)와, 마스크(119((배터리 전체를 조립시킨 후)에 의해 피복하지 않는 LiPON 필름(124) 부분을 통하여 후도금한 리튬층(122)을 도금한 전 측면 주위에 하나의 마스크층(119)을 포함한다.
다른 예에서, 마스크층(119)은 금속포일(120) 상에 직접 피착시켜, 광석판 인쇄방법에 의해 패터닝(Patterning)하여 그 중심에서 금속기층을 노출시킨 SiO2 등 전기절연재이다.
그 경질 전해질층 LiPON 필름(124)은 그 마스크층 상부에 피착된다.
본 발명의 예에서, 그 마스크층(119)은 광석판 인쇄방법에 의해 형성된 측면 길이부를 가진 SiO2 등 절연재 및/또는 포토레지스트이다.
위에서와 같이, 본 발명의 예에서, 연질 폴리머 전해질층(130)(고상 폴리머 전해질(SPE) 또는 겔 또는 액상 폴리머 전해질)(리튬 전도율을 협조하는 LiPF6 등 리튬염을 가진 폴리포스파젠 등)은 제 1시트(111)와 제 2시트(121) 사이에 삽입한다.
도 1C는 본 발명의 예에서 리튬셀(102)의 개략 횡단면도이다.
본 발명의 예에서, 그 리튬 금속층(122)은 조립(아래의 도 6C와 도 2에서 설명한 방법의 조합)전에 도금한다.
다른 예에서, 하나의 배터리(101)(도 1B에서 나타냄)는 리튬금속이 애노드 조립체(121) 내에 존재하기 전에 조립하며, 전해질층(114, 130, 124)을 통하여 캐소드(112)로부터 리튬을 애노드 전류 콜렉터(120) 상에 도금하여 리튬금속층(122)을 형성함으로써 초기에 충전한다.
도 2는 본 발명의 예에서 하나의 리튬 배터리 제조 프로세스(200)의 개략 횡단면도이다.
본 발명의 예에서, 하나 이상의 양측면 애노드 시트(121)는 각각의 시트 사이에 배치되거나 형성된 하나의 폴리머층(130)을 가진 하나 이상의 캐소드 시트(111)(하나의 캐소드재(112)가 LiPON 층(114) 내측에 포일(110)의 두 주면(both major faces) 상에 피착된다.)로 대체한다.
애노드 시트(121)의 예에서, 하나의 애노드재(122)는 LiPON 층(124)(또는 도금을 통해)의 내측에 포일의 두주면(120) 상에 피착된다(예에서, 이 단계에 의해 그 마스크(119)(도 1B 참조)는 액상 전해질 및 리튬 희생 전극을 사용하여 전류 콜렉터(121) 상에 마스크(119)에 의해 커버되지 않은 LiPON을 통해 리튬금속을 사전에 전기 도금시킨 후 그 애노드의 측면에서 제거시킨다.).
본 발명의 예에서, 그 연질 폴리머 전해질층(130)은 액체상태로 스피닝(spining)시킨 다음, 건조시킨다.
다른 예에서, 그 연질 폴리머 전해질층(130)은 디핑(dipping)에 의해 코팅시킨다.
다른 예에서, 그 연질 폴리머 전해질층(130)은 캐스팅(casting)시킨다.
본 발명의 예에서, 그 연질 폴리머 전해질층(130)은 액체원(liquid source)(225)에서 피착시키고, "압착"(squeeged) 하거나 (압착구(squeegee)(221)에 의해), 또는 각각의 포일-코어 양측면 애노드 시트(121)의 양측면(사전에 가진 LiPON 층(124)과 그 층상에 형성된 애노드층(122)을 가짐) 상에, 그리고 각각의 포일-코어 양측면 캐소드 시트(111)의 양쪽면(사전에 가진 캐소드재 층(112)과 그 층상에 형성된 LiPON 층(114)을 가짐) 상에서 적합한 곳에 닥터 블레링(doctor blading)시킨다(닥터 블레이드 222에 의해).
본 발명의 예에서, 그 연질 폴리머 전해질층(130)은 하나의 오프셋 프린팅 프레스(offset printing press)인 하나의 장치에 의해 피착된다. 여기서 액상 연질 폴리머 전해질재 및/또는 용제 믹스(solvent mix)("잉크"(ink))를 그 연질 폴리머 전해질층(130)이 바람직한 영역에 프린팅(printing)시켜 그 적층물(stack)을 함께 적층시킨다["캘렌더링", 즉 롤러(250) 러버 피복 강제 롤러 사이에서 가압시키며, 이들의 롤러는 롤러 내측면에 열오일(hot oil)을 유동시켜 가열시킨다].
이들 롤러(250)는 2개의 중심 배터리층에 대하여 개략적으로 나타낸다.
본 발명의 예에서, 그 다음 이와 같이 하여 얻어진 2개 이상의 적층물(stacks)은 동일한 방식으로 하여 함께 적층시킨다.
다른 예에서, 하나의 배터리 디바이스(bathory device)의 대체층(alternating layer) 모두가 하나의 단일 가압 스텝(a single pressing step)으로 적층된다.
도 3은 본 발명의 예에서 병렬 연결 리튬 배터리(301)의 개략 횡단면도로, 그 병렬 연결 리튬 배터리는 도 2의 적층방법으로부터 얻어진다.
본 발명의 예에서, 최외층(outer most layer)(111)과 최외층(121)은 단일 측면으로 형성되고, 외측방향으로 대향하는 하나의 금속면을 가진다.
다른 예에서, 모든 층(111)은 서로 각각 동일하며(각각 포일 중심 평면 110을 중심으로 하여 미러(mirror) 대칭이다.), 모든 층(121)은 서로 각각 동일하다(각각 포일 중심 평면 120을 중심으로 하여 미러(mirror) 대칭이다.).
본 발명의 예에서, 층(111)의 에지(edger)는 서로 각각 전기 접속되어(예로서, 우측면 상에서 솔더링(soldering) 시키고, 스폿 용접시키거나 함께 가압시킴) 외측 캐소드 전류 콜렉터 접촉부(321)를 형성하고, 층(121)의 에지(edger)들은 서로 각각 전기 접속시켜(예로서, 좌측면 상에서 함께 솔더링, 스폿 용접 또는 가압시킴) 외측 애노드 전류-콜렉터 접촉부(322)를 형성시키고, 모든 셀을 병렬 연결하여 더 높은 출력전류를 제공한다.
본 발명의 예에서, 1~30mA시간(hour)(또는 그 이상)의 단일 셀(cells)이 형성되고(각각의 셀의 영역에 따라), 그 배터리는 그 병렬 셀들의 약 총합(sum)의 amp-hour 용량을 가진다.
도 3의 재료를 다음 표 2에서 나타낸다.
도 3의 재료 리스트(material list) - 1개의 반복유닛
재료 두께(미크론) 총질량(layer mass)(㎎/㎠)
1/2 캐소드 콜렉터 포일* 1.5 및 그 이상(즉, 6.25) 4.94
니켈종(seed) 0.1 ~ 0.3(즉, 0.3) 0.27
LiCoO2 0.1 ~ 10(즉, 5.0) 2.80
LiPON(캐소드 보호) 0.1 ~ 2.5(즉, 1.0) 0.21
연질 폴리머 전해질 및/또는 "글루"(glue) 0.5 ~ 10(즉, 5.0) 0.75
LiPON(애노드 보호) 0.1 ~ 2.5(즉, 1.0) 0.21
리튬(LiCoO2 에서 도금) LiCoCO2 두께의 약 0.3배 (즉, 1.5) 0.08
동(또는 Al, Ni, 스테인레스강 등)(Li판 표면으로 사용) 0.1 ~ 1(즉, 0.25) 0.22
애노드 콜렉터 포일 3.0 및 그 이상(즉, 12.5) 9.88
동(또는 Al, Ni, 스테인레스강 등)(Li판 표면으로 사용) 0.1 ~ 1(즉, 0.25) 0.22
리튬(LicoO2에서 도금) LiCoCO2 두께의 약 0.3배 (즉, 1.5) 0.08
LiPON(애노드 보호) 0.1 ~ 2.5(즉, 1.0) 0.21
연질 폴리머 전해질 및/또는 "글루"(glue) 0.5 ~ 10(즉, 5.0) 0.75
LiPON(개소드 보호) 0.1 ~ 2.5(즉, 1.0) 0.21
LiCoO2 0.5 ~ 10.0(즉, 5.0) 2.80
니켈종(seed) 0.1 ~ 0.3(즉, 0.3) 0.27
1/2 캐소드 콜렉터 포일 1.5 및 그 이상(즉, 6.25) 5.14
총합 (즉, 53.1) 28.84
* 예에서, 그 포일은 두께 약0.5밀(mils)(0.0005인치=12.52미크론)
본 발명의 예에서, 그 캐소드재 층(112)은 각각 두께가 약 10미크론 또는 그 이상이다. 본 발명의 예에서 LiCoO2의 두께 10미크론에서는 이용율(이론치) 80%에서 반복유닛(320) 당 ㎠당 약 0.552mA-시간과 3.8 볼트 방전전압에서 2.0mW-시간/㎠을 제공한다.
본 발명의 예에서, 그 충전-저장밀도는 약 104mA-시간/㎤과, 약 19.1A시간/㎏이다.
본 발명의 예에서, 그 에너지 저장밀도는 약 395W-시간/리터과 약 72.8W-hour/㎏이다.
본 발명의 예에서, 1 반복유닛(320)에 대하여 길이 10㎝와 폭 6.5㎝는 33.6mA-시간과 약 127mW-시간에 상당한다.
본 발명의 예에서, 길이 약 10.8㎝, 폭 6.5㎝, 두께 1.8㎝로 측정한 하나의 최종 패키지(package)에서는 3세트(set)의 반복유닛(320)을 각각 수용하며, 그 세트는 약 12.3V에서 약 9V로 3.75A-시간 방전을 하도록 직렬 연결되어 있다.
도 4는 본 발명의 예에서 직렬 연결을 한 하나의 리튬 배터리(400)의 개략 횡단면도이다.
도면에 나타낸 예에서, 각각의 시트(126)는 상기 포일(foil)(125)의 하나의 주면(major face)(도 4에서 상부면) 상에 LiPON을 피복한 애노드재와 그 대향 주면(도 4에서 하부면) 상에서 LiPON으로 피복한 캐소드재를 가진다.
본 발명의 예에서, 그 최외층은 도면에 나타낸 바와 같이 단일 측면을 형성하며, 외측방향으로 대향한 하나의 금속표면을 가진다.
다른 예에서, 층(125) 모두가 서로 각각 동일하며, 그 최외층들을 포함한다.
본 발명의 예에서, 최상부층(125)의 에지(edge)는 전기 접속되어(예로서 우측면 상에서) 외측 캐소드 전류 콜렉터 접촉부(421)를 형성하고, 최저층(126)의 에지는 전기 접속되어(예로서, 좌측면 상에서) 외측 애노드 전류 콜렉터 접촉부(422)를 형성하여, 모두 직렬 셀을 접속한다.
각각의 반복 유닛(repeat unit)(420)은 하나의 기본 적재층(basic stack layer)을 나타낸다. 본 발명의 예에서, 각각의 셀(cell)의 면적에 따라, 1A-hour이나, 또는 그 이상의 단일 셀들(cells)을 형성한다.
도 5A는 본 발명의 예에서 하나의 병렬 연결한 스크린-캐소드 전류 콜렉터 접촉 리튬 배터리(500)의 개략 횡단면도이다.
이 예는 양극에 있어서 포일(foil)(110)을 금속 스크린 또는 메쉬(510)로 대치하는 것을 제외하고는 도 3과 실질상 동일하다.
본 발명의 예에서, 이 리튬 배터리는 LiPON 층(114)에 의해 완전 피복시킨 캐소드재(112)의 접촉 면적(영역)을 더 크게 한 것이다.
본 발명의 예에서, 금속 스크린 또는 메쉬(510)는 하나의 금속포일의 하나 이상의 광(photo)석판 인쇄방법에 의해 형성된 면적(영역)을 선택적으로 에칭(etching)시켜 형성한다.
본 발명의 예에서, LiCoO2는 그 금속 스크린(510) 상에 스퍼터링(sputtering)시킨다.
다른 예에서, LiCoO2 분말은 그 스크린(510) 상에 설정시킨다.
본 발명의 예에서, 그 LiCoO2(LiCoO2를 그 스크린(510) 상에서 스퍼터링에 의해 피착시키거나 또는 LiCoO2 분말을 패킹(packing)에 의해 피착시킴)는 폴리 PN 또는 다른 폴리머 전해질재와 함께 주입시켜 그 캐소드 내에서 이온 전도율을 높힌다.
본 발명의 예에서, 그 스크린(510)은 초기에(LiCoO2의 피착 전) 개방공간(open space)이 약 50%이며, 그 개방공간은 LiCoO2 및/또는 폴리 PN 또는 다른 이론 종강재(ionic-enhancement material)로 필링(filling)시킨다.
본 발명의 예에서, 모든 층(511)의 금속 스크린 또는 메쉬(510)는 서로 각각 전기 접속시켜(예로서, 우측면 상에서) 외측 캐소드 전류 콜렉터 접촉부(521)를 형성시키고, 층(120)의 에지(edges)를 서로 각각 전기 접속하여(예로서, 좌측면 상에서) 외측 애노드 전류 콜렉터 접촉부(522)를 형성시켜, 셀 모두를 병렬 연결한다.
각각의 반복 유닛(520)은 하나의 기본 적재층(basic stack layer)을 나타낸다.
다음 표 3에서는 도 5A의 재료 리스트(materials list)를 나타낸다.
도 5A의 재료 리스트 - 1개의 반복 유닛
재료 두께(미크론) 총질량(layer mass)(㎎/㎠)
1/2 캐소드 콜렉터 스크린/메쉬/에칭 포일 1.5 및 그 이상(즉, 6.25) 2.59
LiCoO2 (캐소드) 8.0 ~ 40(즉, 12.5) 7.00
LiPON(캐소드 보호 및 전해질) 0.1 ~ 2.5(즉, 1.0) 0.21
연질 폴리머 전해질 및/또는 "글루" 0.5 ~ 10(즉, 5.0) 0.75
LiPON(애노드 보호 및 전해질) 0.1 ~ 2.5(즉, 1.0) 0.21
리튬(LiCoO2 에서 도금함) LiCoCO2 두께의 약 0.3배 (즉, 5.0) 0.265
동(또는 Al, Ni, 스테인레스강 등)(Li판 표면으로 사용) 0.1 ~ 1(즉, 0.25) 0.22
애노드 콜렉터 포일 3 및 그 이상(즉, 12.5) 9.88
동(또는 Al, Ni, 스테인레스강 등)(Li판 표면으로 사용) 0.1 ~ 1(즉, 0.25) 0.22
리튬(LicoO2에서 도금) LiCoCO2 두께의 약 0.3배 (즉, 5.0) 0.265
LiPON(애노드 보호 및 전해질) 0.1 ~ 2.5(즉, 1.0) 0.21
연질 폴리머 전해질 및/또는 "글루" 0.5 ~ 10(즉, 5.0) 0.75
LiPON(캐소드 보호 및 전해질) 0.1 ~ 2.5(즉, 1.0) 0.21
연질 폴리머 전해질 및/또는 "글루" 0.5 ~ 10(즉, 5.0) 0.75
LiPON(캐소드 보호 및 전해질) 0.1 ~ 2.5(즉, 1.0) 0.21
LiCoO2 (캐소드) 8.0 ~ 40(즉, 12.5) 7.00
1/2 캐소드 콜렉터 스크린/메쉬/에칭 포일 1.5 및 그 이상(즉, 6.25) 2.59
총합 (즉, 74.5) 32.37
본 발명의 예에서, 그 캐소드재 층들에는 80% 패킹(packing)에서 각각 반복 구조체(50%의 스크린 용량) 중에 31.25미크론의 LiCOO2를 포함하며, 95%의 전기 이용율은 3.8V의 평균 방전전압에서 1.63mAhr/㎠/반복유닛과 6.22mWhr/㎠/반복 유닛에 대응한다.
본 발명의 예에서, 그 LiCOO2는 폴리PN 또는 다른 폴리머 전해질재와 함께 주입시켜 그 캐소드 내에 이온전도율을 높힌다.
본 발명의 예에서, 그 충전 저장밀도는 218mAhr/㎤ 및 50.35Ahr/㎏와 같다.
본 발명의 예에서, 그 에너지 저장밀도는 835Whr/리터 및 192Whr/㎏와 같다.
본 발명의 예에서, 각각의 10㎝ × 6.5㎝ × 1 반복유닛은 106mAhr; 404mWhr와 같다.
본 발명의 예에서, 최종 패키지 10.8㎝ × 6.5㎝ × 1.8㎝는 각각 직렬 연결한 3세트의 80 반복유닛을 수용하여 12.3V ~ 9V의 방전시에 8.5Ahr를 방출한다.
도 5B는 본 발명의 예에서 하나의 직렬 접속한 스크린 캐소드 접속 리튬 배터리(501)의 개략 횡단면도이다.
본 발명의 하나의 금속 스크린 또는 메쉬가 포일(535)의 저부 측면(도 4의 포일(110)에 대응하는 포일)에 적층(적재)하거나, 또는 포일(535)의 저부 측면(도 1A의 포일(110)로부터 개시)이 일부분만 선택적으로 에칭되어 하나의 포일 상부 측면과 메쉬형상 구조를 가진 하나의 저부 측면을 형성하는 것을 제외하고는 도 4의 것과 실질적으로 동일하다.
본 발명의 예에서, 이것은 LiPON 층(114)에 의해 완전 피복된 캐소드재(112)의 접촉 면적(영역)을 더 크도록 한다.
본 발명의 예에서, 포일-메쉬층(535)은 하나의 금속포일의 광석판 인쇄방법에 의해 형성된 영역(면적)을 선택적으로 에칭함으로써 형성되나, 그 에칭부분 모두가 완전 에칭되지 않는다.
본 발명의 예에서, 그 최외층은 도면에서 나타낸 바와 같이 단일 측면으로 형성되어 외측방향으로 대향하는 하나의 금속표면을 가진다.
다른 예에서, 모든 층(535)은 서로 각각 동일하며, 최외층들을 포함한다(여기서, 외측향으로 대향하는 전극층은 비기능성(non-functioning)이다.).
본 발명의 예에서, 최상부층(535)의 에지는 전기 접속되어(예로서, 우측면 상에서), 외측 캐소드의 전류-콜렉터 접촉부(531)를 형성하며, 최저부층(535)의 에지는 전류 접속시켜(예로서, 좌측면 상에서) 외측 애노드의 전류 콜렉터 접촉부(532)를 형성하여, 모든 셀 들을 직렬 연결한다.
각각의 반복유닛(530)은 하나의 기본 적재층을 나타낸다.
본 발명의 예에서, 엷은(0.1 ~ 1.0미크론) LiPON 전해질은 리튬 수지상 조직 형성을 방지하는 음극에서 경질 코팅으로 사용된다.
그 양극(즉, LiCOO2)에서 코팅으로 사용할 때, 하나의 결함부위(defect site)에서 도금하는 리튬이 배터리를 단락하지 않도록 이중으로 보장받는다.
두 전극에서, 또 LiPON은 수증기 및 산소에 대한 환경 저항성 향상을 제공한다.
본 발명의 예에서, 하나의 비교적 연질인 고상 폴리머 전해질(SPE)의 사용으로, 하나의 완전 경질-전해질의 고상상태(즉, 그 전해질 단독으로 LiPON) 구조상에서 셀(cells)의 구성을 단순화 한다.
그 연질 폴리머 전해질은 그 양극과 음극을 각각 구성시켜 그 조립과정에서 서로 후에 접착하도록 하는 "전해질 글루"(electrolyte glue)로서 작용한다.
본 발명의 예에서, 그 연질 폴리머 전해질은 스프레잉(spraying)하며, 스퀴징(squeegeeing)하거나, 또는 액상 형태에서 피착시킨 다음, 고화시킨다.
그 LiPON 코팅 없이 연질 폴리머 전해질을 사용하는 본 발명의 예에서는 에너지 밀도를 감소시키고 셀 저항성을 증가시키는 물리적 강성 또는 물리적 강도를 갖는데 충분한 연질 폴리머 전해질의 두께를 필요로 한다.
그 연질 폴리머 전해질("전해질 글루")이 없는 경우 LiPON 필름은 고에너지 셀을 얻는 대단히 큰 영역(면적)에서 결함이 없도록 하는 것이 필요하다.
2종의 전해질재 시스템의 조합으로 2종 중 어느 하나의 단독 사용시의 결점을 제거한다.
다수의 금속은 본 발명의 배터리 셀에서 애노드로서 사용할 수 있다.
하나의 통상의 애노드 금속은 리튬이다.
그 리튬은 그 배터리의 제조, 조립 및 사용할 때 산소와 수증기로부터 보호 받을 필요가 있다.
아연은 본 발명의 예에서 사용되는 또 다른 통상의 애노드 금속이다.
아연은 수용액 중에서, 적합한 억제제의 화학적 특성을 가지면서 안정성과 내식성이 좋은 최대의 음전기성 금속이다.
수종의 가능성 있는 금속-에어-시스템(metal-air-systems)을 이들의 이론적 특성 요지에 따라 다음 표 4에서 열거한다.
금속-에어 셀의 특성(아래 참고 문헌 참조**) 다른 리튬-에어 셀 조사 요약
금속 애노드 금속의 전기화학적 당량, Ah/g 셀전압 (이론치), * V 원자가 변화 금속의 비에너지(이론치), KWh/kg 실제 조작전압, V
Li 3.86 3.4 1 13.0 2.4
Ca 1.34 3.4 2 4.6 2.0
Mg 2.20 3.1 2 6.8 1.2-1.4
Al 2.98 2.7 3 8.1 1.1-1.4
Zn 0.82 1.6 2 1.3 1.0-1.2
Fe 0.96 1.3 2 1.2 1.0
* 산소 캐소드를 가진 셀의 전압 ** Hanbook of Batteries, 3rd Ed.," David Linden and Thomas B. Reddy, Eds., Table 38.2, McGraw-Hill Handbooks, New York, 2002
최경량 알칼리 금속인 리튬은 배터리 시스템 내에서 하나의 유일한 부분을 가진다. 그 리튬의 중량의 전기 화학적 당량 3.86amp-hrs/g은 어느 금속 애노드재 중 가장 높은 것이다.
표 4에서는 리튬이 열거한 금속 중 최대의 조작전압과 최대의 비에너지(이론치)를 가짐을 알 수 있다.
하나의 리튬 애노드를 사용하여 대단히 경량이며 에너지 밀도가 높은 하나의 배터리를 제조할 수 있다.
실제 조건에서 조작하는 실제의 시스템에서는 리튬 기술의 어려움이 있다. 전해질 수용액을 사용하여 리튬 셀을 구성할 수 있으나, 이들의 셀은 리튬 금속 애노드가 물에 의해 부식됨으로 적용성을 제한시킨다.
또, 그 리튬 애노드는 산소와의 접촉에 의해 부식할 수 있다.
리튬-에어 셀 중에서 리튬 금속 애노드의 급속한 부식에 대한 기술적 해결에는 유기 전해질 리튬 셀의 구조 중에서 하나의 보호 배리어(barrier)와 세퍼레이터(separator)로서 LiPON의 사용을 포함한다.
본 발명의 예에서, 하나의 셀(cell)은 전해질 구조체의 일부분과 리튬 금속 애노드의 수분 및 산소 부식을 방지하는 하나의 보호 배리어(barrier)로서 작용하는 하나의 LiPON 박막(thin film)을 사용한다. 두께가 엷고 가요성(flexile)인 리튬 셀의 구조체는 특허문헌 USP 6,805,998(여기서 참고로 인용함)의 명세서에서 기재된 바와 같이 고속 웨브 피착 프로세스(high-speed web-deposition processes)에 가장 적합하다.
본 발명의 예에서, 본 발명의 하나의 배터리(즉, 부호번호 100, 300, 400, 500, 600 또는 900)는 하나의 보청기(hearing aid), 콤파스(compass), 휴대전화(cellular phone), 추적장치(tracking system), 스캐너(scanner), 디지털 카메라(digital camera), 휴대용 컴퓨터, 라디오, 콤팩트 디스크 플레이어, 카세트 플레이어, 스마트 카드(smart card) 또는 기타 배터리 디바이스(battery-powered device) 등 하나의 전기 디바이스 내에 조립한다.
본 발명의 예에서, 그 캐소드의 배면(외측면)은 하나의 캐소드재로서 산소가 작용하도록 공기에 노출시킨다(또는 예로서, 하나의 폴리머 필름 보호층을 제거시켜 노출시킨다).
이와 같은 예에서, 그 에어 캐소드 배터리는 재충전할 수 없는 하나의 1차 배터리이나, 다른 예에서는 그 에어 캐소드 배터리가 재충전할 수 있는 하나의 2차 배터리이다.
[발명의 다른 실시예]
본 발명의 하나의 국면에서는 하나의 LiPON 전해질/보호층에 의해 피복시킨 하나의 리튬 애노드와, 하나의 LiPON 전해질/보호층에 피복시킨 하나의 리튬 삽입재 캐소드와, 상기 애노드를 피복하는 상기 LiPON 전해질/보호층과 상기 캐소드를 피복하는 상기 LiPON 전해질/보호층 사이에 삽입시킨 하나의 폴리머 전해질재를 포함하는 하나의 장치(apparatus)를 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 캐소드에는 LiCOO2를 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 애노드는 하나의 동(Cu)-애노드 전류 콜렉터 접촉부(contact) 상에 설정한다.
본 발명의 또 다른 국면에서는 하나의 전도성 애노드-전류 콜렉터 접촉층(contact layer)을 가진 하나의 애노드 기재층(anode substrate)을 준비하고, 상기 애노드-전류 콜렉터 접촉층 상에 하나의 LiPON 전해질/배터리층을 피착시키며, 하나의 폴리머 전해질을 형성하며 하나의 캐소드 전류 콜렉터 접촉층을 가진 하나의 캐소드 기재층을 준비하고,
하나의 리튬 삽입재를 상기 캐소드 전류 콜렉터 접촉층 상에 피착시키며,
하나의 LiPON 전해질/배터리층을 상기 캐소드-전류 콜렉터 접촉층 상에 피착시키고,
상기 애노드 기재층과 캐소드 기재층의 삽입물(sandwich)을 이들의 기재층 사이에 폴리머 전해질로 형성하는 것을 포함하는 하나의 방법을 포함한다.
본 발명의 예에서, 하나의 구성체는 애노드와 캐소드 기재층의 각각의 쌍(pair) 사이에 폴리머 전해질을 가진 다수의 애노드 기재층과 다수의 캐소드 기재층을 구비하여 구성한다.
본 발명의 또 다른 국면에서는 하나의 애노드 전류 콜렉터 접촉부와, 그 애노드 전류 콜렉터 접촉부 상에 피착된 하나의 LiPON 전해질 세퍼레이터와,
상기 LiPON 전해질 세퍼레이터와 상기 애노드 전류 콜렉터 접촉부 사이에 리튬 애노드재의 하나의 도금층을 가진 하나의 기재층(substrate)을 포함하는 하나의 장치를 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 애노드 전류 콜렉터 접촉부에는 동을 포함하고, 그 기재층에는 하나의 폴리머를 포함한다.
본 발명의 또 다른 국며에서는 하나의 애노드 전류 콜렉터 접촉부 상에 LiPON을 피착하는 하나의 피착 스테이션(deposition station)과, 상기 애노드 전류 콜렉터 접촉부 상에 리튬을 도금하여, 하나의 애노드 기재층을 형성하는 하나의 도금 스테이션(plating station)과, 하나의 기재층 상에 하나의 캐소드재를 피착하고 LiPON을 그 캐소드재 상에 피착시켜 하나의 캐소드 기재층을 형성하는 하나의 캐소드-피착 스테이션(cathode-deposition station)과, 그 캐소드 기재층과 애노드 기재층 사이에 삽입하는 하나의 폴리머 전해질재를 사용하여 그 캐소드 기재층에 그 애노드 기재층을 조립하는 하나의 조립 스테이션을 포함하는 하나의 장치를 포함한다.
본 발명의 예에서 그 피착 스테이션은 LiPON의 스퍼터 피착(sputter-deposition)으로 이루어진다.
본 발명의 예에서, 그 LiPON은 두께 약 0.1미크론 ~ 약 1미크론의 애노드 전류 콜렉터 접촉부 상에 피착한다.
본 발명의 예에서, 그 애노드의 LiPON 층은 두께 0.1미크론 이하이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.1미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.2미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.3미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.4미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.5미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.6미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.7미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.8미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.9미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.0미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.1미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.2미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.3미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.4미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.5미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.6미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.7미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.8미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.9미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.0미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.1미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.2미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.3미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.4미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.5미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.6미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.7미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.8미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.9미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 3미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 3.5미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 4미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 4.5미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 5미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 5.5미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 6미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 7미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 8미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 9미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 10미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 10미크론 이상이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 두께 약 0.1미크론 ~ 약 1미크론을 가진 캐소드 전류 콜렉터 접촉부 상에 피착한다.
본 발명의 예에서, 그 캐소드의 LiPON 층은 두께 0.1미크론 이하이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.1미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.2미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.3미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.4미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.5미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.6미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.7미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.8미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 0.9미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.0미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.1미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.2미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.3미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.4미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.5미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.6미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.7미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.8미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 1.9미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.0미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.1미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.2미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.3미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.4미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.5미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.6미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.7미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.8미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 2.9미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 3미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 3.5미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 4미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 4.5미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 5미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 5.5미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 6미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 7미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 8미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 9미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 10미크론이다.
본 발명의 예에서, 이 LiPON 층은 약 10미크론 이상이다.
본 발명의 예에서, 하나의 리튬 상대전극(lithium counterelectrode)과 그 애노드의 도금 리튬 사이의 0.6mA에서 전압 약 40mV와 밀도 약 0.9mA/㎠로 전기도금을 실시한다.
본 발명의 예에서, 그 애노드의 사전 충전(precharge) 중에 그 리튬이 애노드 커넥터 또는 전도층(즉, SiO2 또는 폴리머 기재층 상에서 동포일 또는 동층) 상에서 습윤욕 도금(wet-bath plating)을 하도록 하여 액상 프로필렌 카르보네이/LiPF6(또는 다른 적합한 리튬염) 전해질 용액과 LiPON 배리어/전해질층을 통하여 그 리튬이 전도된다.
도 6A는 하나의 도금 마스크(plating mask)(119)를 가진 하나의 경질 전해질 피복 전류 콜렉터를 구비한 하나의 전극(600)의 사시도이다.
본 발명의 예에서, 도 7B에서 나타낸 하나의 개시 기재층(starting substrate)(721 등)은 그 기재층에서의 금속층(720)(즉, 동)을 가진다.
그 금속층(720)은 접촉패드(629)를 패터닝(patterning)된 금속층(620)을 형성하도록 광석판 인쇄방법에 의해 구성시키며, 도 6C에서 나타낸 것과 같이 도금하여 그 완성 배터리에서 외측 전도체에 연결하는데 사용된다.
본 발명의 예에서, 패터닝된 금속층(620)의 상부 상에 하나의 패터닝된(즉, 광석판 인쇄방법에 의해) 경질 전해질층(624)이 있다(즉, 도 1C에서 설명한 하나의 경질 전해질층(124) 등이 있으나, 그 측면 에지 일부가 제거되어 있음).
본 발명의 예에서, 하나의 선택적 마스크층(119)은 패너팅(patterning)된 금속층(620)(패터닝된 경질 전해질층(624)(즉, LiPON)을 통해 리튬으로 도금함)의 본체(main body) 사이에서 그 금속 바이어(metal via) 상에 형성 및/또는 패터닝된다.
본 발명의 예에서, 그 마스크층(119)은 그 금속 바이어(metal via) 상에서 리튬이 도금되는 것을 방지하여, 패터닝된 경질 전해질층(624)과 그 금속 바이어 사이의 계면(interface)을 시일링(sealing) 상태로 한다(시일링 상태로 되지 않을 경우, 이 영역에서 도금된 금속층(620) 상에서 그 리튬의 본체(main body)가 더 많이 부식시킬 수 있는 갭(gap) 상태로 남게 된다.).
그 패터닝(patterning)된 경질 전해질층(624)이 그 주변 나머지 부분상에서 패터닝된 금속층(620)의 측면 길이를 지나 횡방향으로 형성되기 때문에, 이들 영역에서는 마스크(mask)를 필요로 하지 않는다. 그 이유는 그 리튬이 이들 영역에서 도금되어 있지 않기 때문에다. 패터닝된 경질 전해질층(624)과 그 하부에 설정되어 있는 비전도성 기재층 사이에 시일링된 계면은 처리되지 않는 원래의 시일링 상태로 잔류되어 있다.
도 6B는 하나의 도금 마스크(plating mask)(119)를 가진 하나의 경질 전해질 피복 전류 콜렉터를 구비하는 또 다른 전극(601)의 사시도이다.
여기서 나타낸 전극 등 본 발명의 예에서, 기재층 전체 표면이 금속이므로, 하나의 마스크(119)는 경질 전해질층(124)(즉, LiPON)의 외측 주변상에 피착 및/또는 패터닝되며, 그 마스크(119)는 기재층(120)(즉, 금속포일) 표면의 대부분의 중심부에 LiPON 층(124)을 통해 리튬이 도금되는 내측 구멍(129)을 가진다.
본 발명의 예에서, 마스크(119)는 도금할 때 패터닝시켜 적합하게 있는 하나의 포토레지스트 층이다.
다른 예에서, 마스크(119)는 포토레지스트를 사용하여 패터닝시킨 다음, 제거시킨 또 다른 재료(피착 SiO2 등)이다.
또 하나의 예에서, 마스크(119)는 그 금속 기재층(120) 상에 직접 피착시키고, 포토레지스트를 사용하여 패터닝한 다음, 경질 전해질층(124)(즉, LiPON)의 피착 전에 제거시키는 재료(SiO2 등)이며, 리튬이 그 주변에 도금되는 것을 방지한다(즉, 그 마스크(119)는 예로서 상기 LiPON 하부에 있다.).
도 6C는 하나의 도금 시스템(plating system)(610)의 사시도이다.
본 발명의 예에서, 하나 이상의 전극(600) 및/또는 전극(601)을 전해질액(606)(즉, 용해한 LiPF6 또는 다른 적합한 전해질을 가진 프로필렌 카르보네이트 및/또는 에틸렌 카르보네이트) 중에 일부 또는 전부 잠수시킨다.
본 발명의 예에서, 하나의 리튬 희생 블록(sacrificial block)(605)을 전해질액(606) 중에 잠수시켜, 그 리튬 희생 전극(605)과 전극(600) 및/또는 전극(601) 사이에 적합한 도금 전압을 인가하였다.
본 발명의 예에서, 그 접촉패드(629)는 이 전해질 액에서 유지하여 리튬의 도금을 방지한다.
도 7A, 7B, 7C, 7D, 7E 및 7F는 본 발명의 예에서, 하나의 기재층 상에 캐소드로서 동 및 동산화물(copper oxides)의 원자레벨 매트릭스의 조립(일련의 조립조작(700)으로 나타냄)을 나타낸 개략 횡단면도이다.
도 7A는 개시 기재층(starting substrate)(710)(즉, 실리콘, 알루미나, 스테인레스강, 알루미늄 또는 폴리머 또는 재료가 다른 복합물)의 횡단면도를 나타낸다.
본 발명의 예에서, 하나의 알루미늄-포일 기재층(또는 리튬과 함께 동시에 합금함으로써 배터리의 성능을 저하시킬 수 있는 다른 금속) 또는 절연재 또는 비전도재(배터리에서 전류가 도통하지 않는 실리콘 또는 폴리머 동)를 동 또는 니켈(또는 전류를 도통하며, 리튬과 용이하게 합금되지 않음으로써 배터리의 성능 유지에 협조하는 다른 금속)로 코팅한다.
본 발명의 예에서, 하나의 캐소드 출발재에는 리튬을 포함하지 않는다(즉, 동포일, 스크린, 또는 동전도층으로 피복시킨 다음, 표면적이 높은 카본 또는 CuxOx(고용량 에너지 밀도를 가짐) 또는 선택적으로 폴리 PN으로 주입한 리튬-배터리 전극으로서 유용한 다른 재료로 피복한 절연재).
본 발명의 예에서(도 7B 참조), 하나의 금속층(720)(즉, 동, 니켈 또는 그 배터리가 충전 또는 방전할 때 리튬과 용이하게 합금되지 않는 다른 적합한 금속)이 하나의 기재층(710)(즉, 한쪽면 또는 양쪽면 상에 SiO2 절연층을 선택적으로 가진 하나의 실리콘 웨이퍼, 알루미나 또는 글라스 웨이퍼 또는 폴리머 필름)의 하나 이상의 주면(major faces)(즉, 도면에 나타낸 상부면 및/또는 저부면) 상에 피착시켜, 하나의 금속 피복 기재층(721)을 형성한다.
본 발명의 예에서, 금속 피복 기재층(721)은 상기 예 중 어느 하나의 애노드 또는 캐소드에 사용하는 전류 콜렉터 베이스(base)(금속포일 111 또는 121 보다 오히려)로서 사용할 수 있다.
본 발명의 예에서, 그 출발 기재층에는 각각의 쌍(pair)의 금속층 사이에 하나의 민활한층(smoothing layer)(즉, 포토레지스트 또는 폴리우레탄 상에서 피닝(spinning)함)을 번갈아 가면서 사용하여 하나의 배리어 스택(barrier stack)을 하는 다수의 금속층(즉, 알루미늄 또는 동 수분-배리어 층)을 포함한다[즉, 참고로 여기서 인용한 특허문헌 미국특허 출원번호 11/031.217(2005.01.06 출원)(발명의 명칭: 하나 이상으로 구성할 수 있는 층을 가진 층 형성 구조체 및 그 제조방법")을 참조할 수 있다.].
상기 다수의 금속층에서, 이 배리어 스택의 최상부 금속층은 배터리가 충전 또는 방전할 때 리튬과 쉽게 합금하지 않는 하나의 금속(즉, 동동 하나의 금속)이다.
이와 같은 습기-배리어 스택(moisture-barrier satck)은 시간이 경과함에서 일부 습기 및/또는 산소를 투과하는 하나의 기재층(즉, 폴리에틸렌 또는 상품명 Kapton 등 하나의 폴리머 막 기재층)을 시일링(sealing)하는데 특히 유용하다(여기서 상기 배리어 스택).
하나의 리튬 없는 출발 캐소드를 사용하는 본 발명의 예에서, 아르곤하의 금속 피복 기재층(721)(본 발명의 예에서, 산소 농도는 시간 경과에 따라 증가되어, 피착된 제 1재는 대부분 동이고, 점차적으로 그 재료는 동-동-산화물 매트릭스 중에 점점 더 많은 산소를 포함하도록 한다.) 상에 O2 분압에서 동을 스퍼터링 한다(즉, 층(722)(도 7C 참조) 내에서 동, CuO; 층(724)(도 7D 참조)에서 Cu2O; 층728)(도 7B 참조)에서 Cu+O- 및/또는 CuO의 하나의 원자 스케일 혼합물, 또는 일련의 동 기재층(720), 그 다음 층(722)에서 대부분 Cu2O, 그 다음 층(724)에서 대부분 Cu2O, 그 다음 Cu+O- 및 그 다음 층(728)에서 Cu+O- 및 그 다음 CuO의 원자 스케일 혼합물 및/또는 동과 동산화물의 원자 스케일 매트릭을 형성함).
본 발명의 예에서, LiPON 등 하나의 경질 전해질층(714)(도 7F 참조)은 완성 캐소드재에 피착한다.
도 8A, 8B, 8C, 8D 및 8E는 본 발명의 예에서, 하나의 동-포일 기재층 상에서 캐소드로서 동 및 동산화물의 원자레벨 매트릭스의 조립(일련의 조작 조립 800으로 나타냄) 공정의 개략 횡단면도이다.
본 발명의 예에서(도 8A 참조), 하나의 동 포일(711) 또는 필름은 출발재이다. 본 발명의 예에서, 출발재로서 동 포일은 아르곤으로 스퍼터링시켜 캐소드로 사용되는 표면을 세정(clearing)시키고(즉, 도면에 나타낸 상부 및/또는 저부면), 그 다음 아르콘 분위기 하에 동을 O2 분압(예에서, 산소의 농도를 시간경과에 따라 증가시켜 피착된 제 1재가 대부분 동이며, 점진적으로 그 제 1재가 동-동상화물 매트릭스 중에 더욱더 많은 산소를 포함하도록 한다.)에서 스퍼터링한다[즉, 동, Cu4O(722)(도 8B 참조); Cu2O(724)(도 8C 참조); Cu+O- 및/또는 CuO(728)(도 8D 참조)의 원자 스케일 혼합물, 또는 일련의 연속적인 동 기재층(720), 그 다음 대부분 Cu4O(722), 그 다음 대부분 Cu2O(724), 그 다음 Cu+O- 및 그 다음 CuO(728) 및/또는 동과 동산화물의 원자 스케일 매트릭스를 형성함].
본 발명의 예에서, LiPON 등 경질 전해질(714)(도 8E 참조)의 층은 그 완성 캐소드재에 걸쳐 피착된다.
본 발명의 예에서, 그 동금속은 동산화물을 통하여 스프레딩(spreading)되어(예로서, 그 동산화물은 리튬을 삽입하도록 한다.), 리튬이 그 캐소드의 내측에서 외측으로 이동할 때 더 향상된 전기 전도율을 제공한다.
본 발명의 예에서, 그 애노드는 피착된 LiPON 전해질을 통하여 리튬의 전기도금을 하여 사전에 충전시킨다.
본 발명의 다른 예에서, 1종 이상의 동산화물 및/또는 동분말은 하나의 동 기재층 또는 스크린(즉, 캐소드 전도층) 상에 분말 프레싱(powder-press)시킨다.
또 다른 예에서, 1종 이상의 동산화물 및/또는 동분말을 가진 잉크(ink)는 그 캐소드 전도층 상에서 프린팅(printing), 스프레잉(spraying), 닥터 블레이딩(doctor-blading) 시키거나, 또는 피착시킨다.
본 발명의 예에서, 그 캐소드재는 1종의 액상 프로필렌 카르보네이트/LiPF6 전해질액과, LiPON 배리어/전해질층(캐소드재 및/또는 커넥터 또는 전도층 상내에 리튬이 도금되어 있음)을 통하여 전도되는 리튬으로 충전한다.
도 9는 본 발명의 예에서, 하나의 병렬 연결된 포일 기재층-캐소드 전류 콜렉터 접촉 박막 배터리(900)의 개략 횡단면도이다.
배터리(900)에는 병렬 연결된 2개의 셀을 포함하며, 여기서, 양측면 애노드 전류 콜렉터(120)는 마스크(110)에 의해 구성되는 것과 같이, 중심 전류 콜렉터층(120)(즉, 금속포일 또는 금속코팅 폴리머 필름) 양쪽면 상에서 경질 전해질층(124)(즉, LiPON)을 통하여 전기도금된 애노드재(122)(즉, 리튬 금속)를 가진다.
본 발명의 예에서, 2개의 캐소드 전류 콜렉터(110) 각각은 경질 전해질층(124)(즉, LiPON)으로 피착시키고 광석판 인쇄방법에 의해 패터닝하며 피복시킨 캐소드재(112)(즉, LiCOO2)를 가진다.
경질 전해질층(124) 내의 핀홀(992) 및/또는 경질 전해질층(124) 내의 핀홀(991)은 하나의 일반적인 단층 전해질 배터리의 파손(고장)을 발생하나, 본 발명에서 그 핀홀은 서로 각각 일직선 배열되지 않으며(즉, 도면에서 수직방향으로), 본 발명의 예에서는 연질 폴리머 전해질(130)로 필링하며, 그 연질 폴리머 전해질(130)은 이와 같은 세공을 필링하도록 작용하여 그 배터리를 자동적으로 "치료"(heal)한다(배터리의 고장을 해소한다).
이 배터리의 다른 구체적 설명은 위의 도 3에서 설명한 것과 같다.
도 10A는 본 발명의 예에서 밀봉표면 봉입 단일 셀 미크로 배터리 디바이스(encapsulated surface-mount single-cell micro bathery device)(1000)의 개략 횡단면도이다(다른 예는 위에서 설명한 바와 같이 셀의 스택(stacks)을 사용한다.).
본 발명의 예에서, 하나의 실리콘 웨이퍼 기재층은 조립한 다수의 셀을 가지며, 분리하여(dice apart) 금속 전류 콜렉터(1010)를 그 표면상에 가진 실리콘 기재층(1011)을 형성하고, 그 다음 캐소드재(112)와 그 재에 피착시킨 경질 전해질층(114)을 구비하여 캐소드 구성성분(component)을 형성한다.
그 다음, 포일 기재층(120), 애노드 금속(122) 및 경질 전해질층(124)을 가진 하나의 포일 애노드 구성성분을 하나의 연질 폴리머 전해질 글루(130)를 사용하여 상기 캐소드 구성성분에 적재시킨다.
그 다음, 이 배터리는 캐소드 커넥터(1051)와 애노드 커넥터(anode connector)(1052)를 가진 하나의 리드 프레임(lead frame)에 접속시켜, 밀봉재(encapsulated material)(1050)에 밀봉시키며, 이들의 리드(leads)는 그 패키지 아래에서 컬링(curling)되어 있는 J형상 리드(leads) 내로 구브러지거나, 도면에 나타낸 바와 같이 비들기 날개(gull-wing) 형상 리드로 형성되어 있다.
그 다음으로, 상기 밀봉표면 봉입 디바이스(surface-mount-device)(1000)는 하나의 회로기판에 솔더링(soldering)시켜 소량의 배터리 파우어(power)를 그 회로기판(실제 시간 측정 클록(clocks) 또는 타이머, 또는 정적 기억장치(static randon-access memories), RFID 회로 등) 상에서 다른 구성성분에 제공한다.
다른 예에서, 다수의 포일 배터리 셀을 대신 사용하여 밀봉시켜 전류가 더 높거나 전압이 더 높은 용량을 가진 하나의 밀봉표면 칩 형상 배터리(surface-mount chip-like battery)를 형성한다.
도 10B는 본 발명의 예에서, 밀봉표면 봉입 미크로배터리 디바이스(encapsulated surface-mount micro-battery)(1000)의 외측면의 사시도이다(위 도 10A에서 설명).
본 발명의 예에서, 포일 배터리 셀(즉, 도 3, 도 4, 도 5A 및 도5B에서 설명되어 있고, 하나의 실리콘 웨이퍼 기재층이 있거나 없는 배터리 셀 등)의 스택(stack)은 이 형상요소(form factor)로 밀봉시켜 전류 및/또는 전압이 더 높은 용량(capabilities)을 가진 하나의 표면 봉입 칩 형상 배터리(surface-mount chip-like battery)를 형성한다.
도 11에서는 본 발명의 예에 의한 배터리 셀의 제조방법(1100)의 플로차트(flow chart)를 나타낸다.
본 발명의 예에서, 그 제조방법(1100)에는 하나의 애노드재와 그 애노드재를 피복하는 하나의 경질 전해질층을 포함하는 제 1시트(111)를 준비하고(1110), 하나의 캐소드재와 그 캐소드재를 피복하는 하나의 경질 전해질층을 가진 제 2시트(즉, 121)를 준비하여(1112), 그 제 1시트의 경질 전해질층과 제 2시트의 경질 전해질층 사이에 하나의 연질(즉, 폴리머) 전해질재(130)를 삽입(sandwiching)(1114)하는 것을 포함한다.
본 발명의 제조방법(1100)의 예에서는 도 12에 나타낸 기능을 더 포함한다.
도 12는 본 발명의 예에 의한 하나의 스택 배터리(stacked battery)의 제조방법(1200)에 대한 하나의 플로차트이다.
본 발명의 예에서 제조방법(1200)에는 도 11의 제조방법(1100)을 실시하여, 하나의 애노드재와, 그 애노드재를 피복(covering)하는 하나의 경질 전해질층을 포함하는 하나의 제 3시트(111)를 준비하고(1212), 하나의 캐소드재와, 그 캐소드재를 피복하는 하나의 경질 전해질층을 포함하는 하나의 제 4시트(121)를 준비하여(1214), 제 3시트의 애노드재를 피복하는 경질 전해질층과 제 4시트의 캐소드재를 피복하는 경질 전해질층의 사이와, 제 1시트의 애노드재를 피복하는 경질 전해질층과 제 4시트의 캐소드재를 피복하는 경질 전해질층의 사이에 하나의 폴리머 전해질재를 삽입(sandwiching)(1216)하는 것을 포함한다.
도 13은 배터리 디바이스(1330)(여러가지 예 중에서, 여기서 설명한 어느 하나 이상의 배터리 디바이스이다.)를 사용하는 정보처리 시스템(1300)(하나의 랩톱(laptop) 컴퓨터 등)의 분해 사시도이다.
예로서, 여러 가지 예 중에서 정보처리 시스템(1300)에는 컴퓨터, 워크 스테이션(work station), 서버(server), 슈퍼 컴퍼터, 셀폰, 자동차(automobiles), 세탁기(washing maching), 멀티미디어 오락용 시스템 또는 다른 디바이스를 구체적으로 나타낼 수 있다.
본 발명의 예에서, 패키지 회로(packaged circuit)(1330)에는 하나의 컴퓨터 프로세서를 포함하며, 그 컴퓨터 프로세서는 메모리(1321), 전원(에너지저장 디바이스 1330), 입력 시스템(1312)(키보드, 마우스 및/또는 음성-인식장치 등), 입·출력 시스템(1313)(CD 또는 DVD 읽기 및/또는 쓰기 장치), 입·출력 시스템(1314)(디스켓 또는 다른 자기 미디어 읽기/쓰기 장치), 출력 시스템)(디스플레이, 프린터 및/또는 오디오 출력장치), 무선통신 안테나(1340)에 접속되어 있고, 하나의 톱쉘(top shell)(1310), 미들쉘(middle shell)(1315) 및 저면쉘(botton shell)(1316)을 가진 엔클로저(enclosure) 내에 패키징(packaging)되어 있다.
본 발명의 예에서, 에너지 저장 디바이스(1330)는 피착되거나(즉, 하나의 진공 피착 스테이션에서 박막층을 형성하는 증기 등) 또는 그 엔클로저(즉, 톱쉘 1310, 메들쉘 1315 및/또는 저면쉘 (1316)의 하나 이상의 표면상에 직접 그리고 실질상 피복하는 박막층으로서 적층된다(부분 조립된 전극 필름으로서).
도 14는 도 13의 구조와 유사한 구조를 가진 정보처리 시스템(1400)을 나타낸다.
여러 가지의 예들 중에서, 정보처리 시스템(1400)은 포켓 컴퓨터, 개인 휴대 정보단말기(personal digital assistant:PDA) 또는 오르개나이저(organiger), 패저(pager), 블랙베리(tm)-타입유닛(Blackberry(tm)-type unit), 셀폰(cell phone), GPS 시스템, 디지털 카메라, MPB 플레이어-타입 오락용 시스템 및/또는 기타 디바이스를 구체적으로 나타낼 수 있다.
본 발명의 예에서, 패키지 회로(packaged circuit)(1420)에는 하나의 컴퓨터 프로세서를 포함하며, 그 컴퓨터 프로세서는 메모리(1421), 전원공급 배터리 디바이스(1430), 입력 시스템(1412)(키보드, 조이스틱(joystick) 및/또는 음성-인식장치 등), 입력/출력 시스템(1414)(휴대용 메모리 카드 접속 또는 외부 인터페이스 등), 출력 시스템(1411)(디스플레이, 프린터 및/또는 오디오 출력장치 등), 무선통신 안테나(1440 등)에 접속되고, 톱쉘(1410)과 저부쉘(1416)을 가진 엔클로저 내에 패키징(packaging)된다.
본 발명의 예에서, 배터리셀)1430)(여러 가지 예 중에서, 여기서 설명한 배터리 디바이스 중 어느 하나 이상임)은 상기 엔클로저(즉, 톱쉘 140 및/또는 저부쉘 1416)의 하나 이상의 표면을 직접 그리고 실질상 피복한 필름 층으로 피착되어 있다.
본 발명의 예에서, 그 경질 전해질층들 중 최소 하나는 리튬이온을 전도하는 하나의 글라스 형상 층이다.
본 발명의 예에서, 그 경질 전해질층들 중 최소 하나는 LiPON를 포함한다.
본 발명의 예에서, 제 1경질 전해질층과 제 2경질 전해질층은 모두 LiPON이다. 본 발명의 예에서, 그 경질 전해질층 각각은 하나 이상의 전해질재를 가진 기재층 상에 LiPON원(source)으로부터 스퍼터링에 의해 형성된다.
본 발명의 예에서, 그 경질 전해질층의 각각은 하나 이상의 전극재를 가진 기재층상에 질소 분위기하에서 리튬 포스페이트원으로부터 스퍼터링에 의해 형성된다.
본 발명의 예에서, 그 경질 전해질층 각각은 하나 이상의 전극재를 가진 기재층 상에 하나의 이온 협조 전압(ion-assist voltage)을 사용하여 질소 분위기하에서 리튬 포스페이트원으로부터 스퍼터링에 의해 형성된다.
본 발명의 예에서, 그 연질 전해질층에는 실온에서 겔 형상 콘시스텐시(consistency)를 가진 하나 이상의 폴리머를 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 연질층에는 하나의 폴리포스파젠 폴리머를 포함한다. 본 발명의 예에서, 그 연질층에는 공치환(co-substituted) 선상 폴리포스파젠 폴리머를 포함한다. 이와 같은 예에서, 그 연질층에는 실온에서 겔 형상 콘시스텐시를 가진 폴리포스파젠 폴리머를 포함한다. 이와 같은 예에서, 그 연질층에는 MEEP(폴리[비스(2-2'-메톡시에톡시 에톡시)포스파젠])를 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 연질 전해질층은 그 양극상의 경질 전해질층 상에 연질 전해질재를 피착시키고, 그 음극상의 경질층 상에 연질 전해질재를 피착시켜, 그 양극상의 연질재와 그 음극상의 연질재를 상호간에 대하여 프레싱(pressing)하여 형성한다.
본 발명의 예에서, 그 연질층은 액상 및/ 또는 겔 전해질재(즉, 폴리PN)로 주입(infusion)한 하나의 폴리머 매트릭스를 포함한다.
이와 같은 예에서, 그 폴리머 매트릭스는 양극과 음극 중 최소 하나의 극(electrode) 상에 하나의 가열 폴리머재를 와플엠보싱(waffle embosing)(기립구조체(raised structures), 즉 높이 약 0.1미크론~높이 약 5미크론:예로서, 약 0.1미크론, 약 0.2미크론, 약 0.3미크론, 약 0.4미크론, 약 0.5미크론, 약 0.6미크론, 약 0.7미크론, 약 0.8미크론, 약 0.9미크론, 약 1.0미크론, 약 1.2미크론, 약 1.4미크론, 약 1.6미크론, 약 1.8미크론, 약 2.0미크론, 약 2.2미크론, 약 2.4미크론, 약 2.6미크론.약 2.8미크론, 약 3.0미크론, 약 3.5미크론, 약 4.0미크론,약 4.5미크론, 약 5미크론, 약 6미크론, 약 7미크론, 약 8미크론, 약 9미크론 또는 약 10미크론 높이를 남겨두는 미크로-엠보싱)에 의해 형성된다.
이와 같은 예에서, 그 와플엠보싱은 돗(dots)의 패턴(pattern)을 형성한다.
이와 같은 예에서, 그 와플엠보싱은 라인(lines)의 패턴을 형성한다.
이와 같은 예에서, 그 와플엠보싱은 라인(lines)의 2-방향/2차원 패턴을 형성한다(즉, 예로서 정사각형, 3각형, 6각형 등을 형성하는 라인(lines)의 교차, 반면에 다른 예에서 원형, 4각형, 3각형 등 기하학적 패턴의 비교차(non-intersecting)).
다른 예에서, 라인(lines)의 1 방향 패턴은 양극 상에서 하나의 방향으로, 그리고 음극 상에서 또 다른 방향으로 마이크로 엠보싱을 한다.
본 발명의 예에서, 그 연질 전해칠 층에는 하나의 액상 및/ 또는 겔 전해질재(즉, 폴리PN)로 주입하여 2개의 경질 전해질층 상이에 배치시킨 엷은 (즉, 두께 0.5~5.0미크론)폴리머 스폰지 또는 스크린 (즉, 폴리프로필렌스폰지)를 포함한다.
이와 같은 본 발명의 예에서, 그 연질 전해질층은 그 양극상의 경질 전해질층 상에 하나의 엷은 연질 전해질층을 피착시키고, 그 음극상의 경질 전해질층 상에 하나의 엷은 연질 전해질층을 피착시켜, 그 양극상의 연질 전해질층과 그 음극상의 연질 전해질층을 상호 프레싱(pressing) 함으로써 형성된다.
이와 같은 본 발명의 예에서, 최소 하나의 그 엷은 연질 전해질층은 닥터 블레이딩(doctor blading)에 의해 형성된다.
이와 같은 본 발명의 예에서, 최소 하나의 그 엷은 연질 전해질층은 스프레잉(spraying)에 의해 형성된다.
이와 같은 본 발명의 예에서, 최소 하나의 그 엷은 연질 전해질층은 실크-스크리닝(silk-screening)에 의해 형성된다.
이와 같은 본 발명의 예에서, 최소 하나의 그 엷은 연질 전해질층은 프린팅(printing)에 의해 형성된다.
본 발명의 예에서, 그 배터리에는 하나의 동전류 콜렉터층 상에 피착된 하나의 LiCo O2층, 그 LiCo O2층 상에 피착된 약 1미크론의 LiPON, 폴리포스파젠/리튬-염 전해질재 약 1미크론~3미크론의 층을 포함하는 하나의 양극과 그 음극 상에서 약 1미크론의 LiPON을 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 음극에서는 LiPON을 피착시킨 하나의 동전류 콜렉터를 포함하여, 그 음극은 그 LiPON층을 통해 그 동전류 콜렉터 상에 리튬을 습윤 도금함으로써 사전 충전시킨다.
본 발명의 예에서,폴리포스파젠/리튬염 전해질재의 층은 그 양극상에 피착시킨 그 LiPON층 상에 폴리포스파젠/리튬염 전해질재 약 1미크론을 피착시키고, 그 음극상의 LiPON층 상에 폴리포스파젠/리튬염 전해질재 약 1 미크론을 피착시켜, 그 양극상의 폴리포스파젠/리튬 염전해질재를 그 음극상의 폴리포스파젠/리튬염 전해질재에 접촉함으로써 형성된다.
이와 같은 본 발명의 예에서, 그 접촉에는 롤러(rollers) 사이에서의 프레싱을 포함한다.
본 발명의 예에서는 하나의 양극, 하나의 음극 및 이들의 전극 사이에 하나의 전해질 구조체를 가진 하나의 배터리 셀을 포함하는 하나의 장치에서 그 전해질 구조체가 하나의 연질 전해질층과 최소 하나의 경질 전해질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 상기장치를 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 전해질 구조체는 그 음극 상에서 하나의 경질 전해질층을 포함하며, 그 연질 전해질층은 그 양극과 그 음극 상의 경질 전해질층 사이에 삽입된다. 이와 같은 본 발명의 예에서, 본 발명은 양극 상에서 피복 하는 경질 전해질을 제거한다.
본 발명의 예에서, 그 연질 전해질층에는 하나의 폴리프스파젠을 포함한다. 본 발명의 예에서, 그 연질 전해질층에는 MEEP를 포함한다. 본 발명의 예에서, 또 그 연질 전해질층에는 LiPF6, LiBF4, LiCF3SO4, CF3SO3Li(리튬트리플루오로 메탄술포네이트, 또 트리플레이트라함), 리튬비스터플루오로 에탄술폰이미드, 리튬(비스)트리플루오로 메탄술폰이미드 등 하나의 금속염 또는 하나의 혼합물 또는 예로서 2종 이상의 염(salts) 등을 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 전해질 구조체에는 그 양극 상에서의 하나의 경질 전해질층과 그 음극 상에서의 하나의 경질 전해질층을 포함하며, 그 연질 전해질층은 그 양극상의 경질 전해질층과 그 음극 상의 경질 전해질층 사이에 삽입한다.
본 발명의 예에서, 그 양극 상에서의 경질 전해질층과 그 음극 상에서의 경질 전해질층의 두께는 각각 약 1미크론 이하이다.
본 발명의 예에서, 그 양극 상에서의 경질 전해질층과 그 음극 상에서의 경질 전해질층의 두께는 각각 약 0.5미크론 이하이다.
본 발명의 예에서, 그 연질 전해질층의 두께는 약 3미크론 이하이다.
본 발명의 예에서, 그 연질 전해질층의 두께는 약 2미크론 이하이다.
본 발명의 예에서, 그 연질 전해질층의 두께는 약 1미크론 이하이다.
본 발명의 예에서, 그 양극 상에서의 경질 전해질층은 그 음극 상에서의 경질 전해질층과 실질상 동일한 재료이다.
본 발명의 예에서, 그 양극 상에서의 경질 전해질층은 그 음극 상에서의 경질 전해질층과 실질상 동일한 두께이다.
본 발명의 예에서, 그 양극 상에서의 경질 전해질층에는 LiPON을 포함하며, 그 음극 상에서의 경질 전해질층에는 LiPON을 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 연질 전해질층에는 하나의 겔을 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 연질 전해질층에는 폴리비닐리덴 디플루오리드(PVdF), 프로필렌 카르보네이트 및 리튬염을 포함하는 하나의 겔이 있다.
PVdF는 리튬이온을 도통하지 않는 폴리머이다. 즉, 리튬염은 PVDF 중에 용해하지 않는다. 그러나, PVdF는 리튬염을 용해시키는 프로필렌 카르보네이트 등의 액체로 팽윤시킬 수 있다. 이와 같이하여 얻은 겔은 하나의 연질전해질로 사용할 수 있다.
본 발명의 예에서는 그 배터리 셀을 둘러싼 하나의 밀봉재(encapsulating material)와 그 배터리 셀에서 그 밀봉재 외측까지 접속하는 하나 이상의 전기도선(leads)을 더 포함한다.
본 발명의 예에서는 하나의 전자 디바이스와, 전기 디바이스를 가진 하나의 하우징을 더 포함하여, 그 배터리 셀이 그 하우징 내에 있어 전원을 그 전자 디바이스에 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 예에서는 하나의 양극 성분을 준비하고, 하나의 음극성분을 준비하여, 최소한 그 음극성분을 경질 전해질층으로 코팅하며, 그 양극성분, 그 경질 전해질층으로 코팅시킨 음극성분과 이들 전극 사이에 있는 연질 전해질층을 사용하여 하나의 배터리 셀을 형성하는 것을 포함하는 하나의 방법을 포함한다.
본 발명의 방법의 예에서는 양극성분을 하나의 경질 전해질층으로 코팅하는 것을 더 포함하며, 여기서, 그 배터리 셀의 하나의 전해질 구조체에는 그 음극 상에서의 경질 전해질층과, 그 양극 상에서의 경질 전해질층과, 그 양극 상에서의 경질 전해질층과 그 음극 상에서의 경질 전해질층 사이에 삽입한 연질 전해질층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기방법에서, 그 전해질 구조체에는 그 양극 상에서의 하나의 경질 전해질층과 그 음극 상에서의 하나의 경질 전해질층을 포함하고, 그 연질 전해질층은 그 양극 상에서의 경질 전해질층과 그 음극 상에서의 경질 전해질층 사이에 삽입한다.
상기 방법의 예에서, 그 양극 상에서의 경질 전해질층에는 LiPON을 포함하고, 그 음극 상에서의 경질 전해질층은 LiPON을 포함한다.
상기 방법의 예에서, 그 연질 전해질층에는 하나의 폴리포스파젠과 하나의 리튬염을 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 연질 전해질층에는 MEEP와 하나의 리튬염을 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 리튬염에는 LiPF6, LiBF4, LiCF3SO4, CD3SO3Li(리튬트리플루오로 메탄술포네이트, 또 트리폴레이트라고도 함), 리튬비스퍼플루오로 에탄술폰이미드, 리튬(비스)트리플루오로 메탄술폰이미드 등 또는 하나의 혼합물 또는 예로서 2종 이상의 이와 같은 염을 포함한다.
본 발명의 예에서는 하나의 경질 전해질층으로 코팅한 하나의 양극 구성성분(component)과, 하나의 경질 전해질층으로 코팅한 하나의 음극 구성성분(component)와, 그 음극 구성성분상의 경질 전해질층을 그 양극 구성성분상의 경질 전해질층에 접속하는 전해질 수단(electrolyle means)을 포함하여 하나의 배터리 셀을 형성하는 하나의 장치를 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 접속하는 전해질 수단에는 하나 이상의 경질 전해질층에서 결합(defects)을 고정(fixing)하는 수단을 더 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 양극 상에서의 경질 전해질층에는 LiPON을 포함하고, 그 음극 상에서의 경질 전해질층에는 LiPON을 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 접속하는 전해질 수단에는 MEEP를 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 접속하는 전해질 수단에는 하나의 폴리포스파젠과 하나의 리튬염을 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 접속하는 전해질 수단에는 MEEP와 하나의 리튬염을 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 리튬염에는 LiPF6, LiBF4, LiCF3SO4, CF3SO3Li(리튬트리플루오로메탄술포네이트, 또 트리플레이트라함.), 리튬비스퍼플루오로에탄술폰이미드, 리튬(비스)트리플루오로메탄술폰이미드 동 또는 하나의 혼합물 또는 예로서 2 이상의 이와 같은 염을 포함한다.
본 발명의 예에서는 그 배터리 셀을 둘러싼 하나의 밀봉재(encapsulating material)와, 그 배터리 셀에서 그 밀봉재 외측으로 접속하는 하나 이상의 전기도선(electric leads)을 더 포함한다.
본 발명의 예에서는 하나의 전자 디바이스(electronic device)를더 포함하여 그 배터리 셀이 그 전자 디바이스의 최소 하나의 부분에 전원 공급을 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 예에서는 하나의 음극과, 하나의 양극과 하나의 전해질 구조체를 가진 하나의 제 1 배터리 셀을 포함하는 하나의 장치에 있어서 그 음극에는 하나의 애노드재와 그 음극의 최소 일부분을 피복하는 하나의 LiPON층을 포함하고, 그 양극에는 하나의 캐소드재와 그 양극의 최소 일부분을 피복하는 하나의 LiPON층을 포함하며, 그 전해질 구조체에는 그 음극의 LiPON층과 그 양극의 LiPON층 사이에 삽입된 하나의 폴리머 전해질재를 포함하는 것을 특징으로 하는 제 1 배터리 셀을 포함하는 하나의 장치를 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 캐소드재에는 양극전류 콜렉터재 상에 피착된 LiCoO2를 포함하며, 그 양극의 LiPON층은 LiCoO2 상에 피착되어 있다.
본 발명의 이와 같은 예에서, 그 양극전류 콜렉터 접촉재에는 그 캐소드재가 피착된 하나의 금속메쉬(metal mesh)를 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 음극에는 도금조작(plating operation) 중에 리튬과 용이하게 합금 되지않는 하나의 금속으로 된 음극전류 콜렉터를 포함하며, 리튬금속은 그 음극을 피복하는 LiPON층을 통하여 그 음극전류 콜렉터 상에서 도금을 한다.
본 발명의 이와 같은 예에서, 그 음극전류 콜렉터의 금속에는 동(copper)을 포함한다. 본 발명의 이와 같은 예에서, 그 음극에는 그 음극전류 콜렉터의 주변을 피복하는 하나의 마스크층(mask layer)을 포함하며, 리튬금속은 그 마스크에 의해 구성된 금속 음극전류 콜렉터의 영역 상에 그 음극을 피복하는 LiPON층을 통하여 도금을 한다.
본 발명의 예에서, 그 음극에는 하나의 전류 콜렉터 금속층을 포함하며, 그 애노드재에는 그 음극의 LiPON층에 의해 최소 부분 피복시킨 금속층의 최소 하나의 양쪽주면(major faces) 상에 피착되어 있는 리튬금속을 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 애노드재는 그 음극의 금속층 양쪽주면(both major faces) 상에 피착되며, 각각의 주면은 음극의 LiPON층에 의해 최소 부분 피복되어 있다.
본 발명의 예에서, 그 양극에는 하나의 전류콜렉터 금속층을 포함하며, 그 캐소드재는 그 금속층의 양쪽주면(major faces) 상에 피착되고, 그 LiPON층에 의해 최소 부분 피복된다.
본 발명의 예에서, 그 음극에는 하나의 전류콜렉터 금속층을 포함하며, 그 애노드재에는 그 음극을 피복하는 LiPON층을 통하여 음극 전류콜렉터 금속층의 양쪽주면 상에 도금된 리튬금속을 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 음극에는 그 음극의 LiPON층으로 코팅한 하나의 전류콜렉터 접촉포일(contact foil)을 포함하며, 그 리튬 애노드재에는 그 전류콜렉터 접촉포일을 피복(covering)하는 LiPON층을 통하여 그 전류콜렉터 접촉포일의 제 1 주면 (first major face) 상에 도금한 리튬금속을 포함하고, 제 2 배터리 셀의 그 리튬캐소드재는 그 제 1 배터리 셀의 음극전류 콜렉터 접촉포일의 제 2 주면(second major face) 상에 피착시키며, 그 다음 제 2 배터리 셀의 캐소드재를 피복(covering)하는 LiPON 배리어/전해질층은 스퍼터링(spultering)에 의해 피착시킨다.
본 발명의 예에서, 그 양극에는 하나의 전류콜렉터 포일을 포함하고, 그 리튬 캐소드재는 양극전류 콜렉터 접촉포일의 양쪽주면(both major faces) 상에 피착시키며, 그 다음 그 양극을 피복(covering)하는 LiPON 배리어/전해질층은 스퍼터링에 의해 피착된다.
본 발명의 예에서, 그 양극에는 하나의 전류콜렉터 접촉메쉬(current-collector contact mesh)를 포함하며, 그 리튬 캐소드재는 그 캐소드 전류콜렉터 접촉메쉬의 양쪽주면(both major faces) 상에 피착시키고, 그 다음 그 양극을 피복(covering)하는 LiPON 배리어/전해질층은 스퍼터링(sputtering)에 의해 피착된다.
본 발명의 예에서는 하나의 애노드재와 그 애노드재를 피복(covering)하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층을 포함하는 하나의 제 1시트(first sheet)를준비하고, 리튬은 포함하는 하나의 캐소드재와 그 캐소드재를 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층을 포함하는 하나의 제 2시트(second sheet)를 준비하여, 상기 제 1시트의 애노드재를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층과 그 제 1 캐소드시트의 캐소드재를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층 사이에 하나의 폴리머 전해질재를 삽입하는 것을 포함하는 하나의 방법을 포함한다.
본 발명의 상기 방법의 예에서는 하나의 애노드재와 그 애노드재를 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층을 포함하는 하나의 제 3시트(third sheet)를 준비하고, 리튬을 포함하는 하나의 캐소드재와 그 캐소드재를 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층을 포함하는 하나의 제 4시트(fourth sheet)를 준비하여, 상기 제 3시트의 애노드재를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층과 상기 제 4시트의 캐소드재를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층 사이에 하나의 폴리머 전해질재를 삽입하고, 제 1시트의 애노드재를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층과 제 4시트의 캐소드재를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층 사이에 하나의 폴리머 전해질재를 삽입하는 것을 더 포함한다.
상기 방법의 예에서, 상기 애노드는 하나의 LiPON층을 통하여 하나의 동애노드 전류콜렉터 접촉층 상에 하나의 층으로써 피착된다.
상기 방법의 예에서, 하나의 리튬애노드의 피착은 하나의 프로필렌 카르보네이트/LiPF6 전해질용액 중에서 전기도금(electroplating)에 의해 실시한다.
상기 방법의 예에서, 상기 제 1시트에는 그 애노드재와 대향하여 있는 하나의 표면(face)상에 하나의 캐소드재와 그 캐소드재를 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층을 포함하고, 제 2시트에는 그 캐소드재와 대향하여 있는 하나의 표면상에 리튬을 포함하는 하나의 애노드재와 그 애노드재를 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층을 포함하고 있어, 그 방법에서는 리튬을 포함하는 하나의 애노드재와 그 애노드재를 하나의 제 1 표면상에 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층 리튬을 포함하는 하나의 애노드재와 그 애노드재를 그 제1 표면과 대향하여 있는 하나의 제 2 표면상에 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층을 포함하는 하나의 제 3시트를 준비하여, 상기 제 1시트의 애노드재를 피복하는 상기 LiPON 배리어/전해질층과 상기 제 3시트의 캐소드재를 피복하는 상기 LiPON 배리어/전해질층 사이에 하나의 폴리머 전해질재를 삽입(sacdwiching)하는 것을 더 포함함을 특징으로 한다.
본 발명의 예에서는 리튬을 포함하는 하나의 애노드재와, 제 1시트의 제 1 표면상에 그 애노드재를 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층을 포함하는 하나의 제 1시트와, 리튬을 포함하는 하나의 캐소드재와, 제 2시트의 제 2 표면상에 상기 캐소드재를 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층을 포함하는 하나의 제 2시트와, 상기 제 1 시트의 제 1 표면상의 LiPON층과 상기 제 2 시트의 제 2 표면상의 LiPON층 사이에 이온통과 수단을 포함하여, 하나의 제 1 배터리 셀을 형성하는 하나의 장치를 포함한다.
본 발명의 예에서, 상기 제 1 시트에는 상기 제 1 시트의 제 2 표면상에 하나의 LiPON층을 포함하여, 그 장치에는 리튬을 포함하는 하나의 애노드재와, 그 애노드재를 제 3 시트의 하나의 제 1 표면상에서 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층을 포함하는 하나의 제 3 시트(third sheet)와, 리튬을 포함하는 하나의 캐소드재와, 그 캐소드재를 제 4시트의 제 2 표면상에 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층과, 리튬을 포함하는 하나의 캐소드재와 그 캐소드재를 제 4시트의 제 1 표면상에 피복하는 하나의 LiPON 배이러/전해질층을 포함하는 하나의 제 4 시트와, 제 3 시트의 제 1 표면상의 LiPON층과 제 4 시트의 제 2 표면상의 LiPON층 사이에 이온을 통과시켜 하나의 제 2 배터리 셀을 형성하는 수단(means)과, 제 1 시트의 제 2 표면상의 LiPON층과 제 4 시트의 제 1 표면상의 LiPON층 사이에 이온을 통과시켜 하나의 제 3 배터리 셀을 형성하는 수단(means)을 더 포함한다.
본 발명의 예에서, 제 1 시트는 동 애노드 전류-콜렉터 층을 포함하고, 이 제 1 시트의 LiPON 층을 통해 리튬-금속층으로 동 애노드-전류 콜록터 층에 피착된 리튬을 포함한다.
본 발명의 예에서, 리튬-금속층 주위는 마스크로 형성되어 있고, 리튬 애노드의 피착은 액상 플로필렌 카르보네이트/LiPF6 전해질 용액에서 전기도금에 의해 행해진다.
본 발명의 예에서, 그 제 1 시트에는 제 1 표면(first face) 상의 애노드재와 대향하여 있는 제 2 표면 상에서의 하나의 캐소드재와 제 1 시트의 캐소드재를 커버하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층을 포함하며, 그 장치에는 리튬을 포함하는 하나의 애노드재와 그 애노드재를 제 3 시트의 제 1 표면상에 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층을 구비하는 하나의 제 3 시트(third sheet)와, 제 1 시트의 제 2 표면상에서의 LiPON 층과 제 3 시트의 제 1 표면상에서의 LiPON 층 사이에 이온 통과수단을 포함하여 하나의 직렬 연결 쌍(series-connected pair)의 배터리 셀을 형성한다.
본 발명의 예에서는 하나의 경질 전해질층을 하나의 음극 구성성분상에 피착하는 하나의 데포지션 스테이션(deposition station)과, 하나의 양극 구성성분상의 경질 전해질층을 피착하는 하나의 데포지션 스테이션과, 음극 구성성분상의 경질 전해질층과 양극 구성성분상의 경질 전해질층을 이들 층 사이에 하나의 연질 전해질층을 사용하여 적층하는 하나의 적층 스테이션(lamination station)을 구비하여 하나의 복합 전해질 구조체를 형성하는 하나의 장치(apparatus)를 포함한다.
본 발명의 예에서는 음전극 구성성분(component)상의 경질 전해질층에 하나의 연질 전해질층을 피착하는 하나의 데포지션 스테이션(deposition station)을 더 포함한다. 본 발명의 예에서, 그 연질 전해질층은 하나의 폴리포스파젠을 포함한다.
본 발명의 예에서는 그 음극 구성성분상의 경질 전해질층에 연질 전해질층을 피착하는 하나의 데포지션 스테이션과, 그 양극 구성성분상의 경질 전해질층에 연질 전해질층을 피착하는 하나의 데포지션 스테이션을 더 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 경질 전해질층을 그 양극 구성성분상에 피착하는 데포지션 스테이션은 LiPON을 포함하는 하나의 재료를 피착하며, 그 경질 전해질층을 그 음극 구성성분상에서 피착하는 데포지션 스테이션은 LiPON을 포함하는 하나의 재료를 피착하고, 그 양극 구성성분상의 경질 전해질층 상에서 피착된 연질 전해질층을 피착하는 데포지션 스테이션과 그 음극 구성성분상의 경질 전해질층 상에서 연질 전해질층을 피착하는 데포지션 스테이션은 폴리포스파젠을 포함하는 하나의 재료와 하나의 리튬염을 피착한다. 본 발명의 예에서, 그 연질 전해질층에는 MEEP를 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 양극 상에서 경질 전해질층을 피착하는 데포지션 스테이션은 LiPON을 포함하는 하나의 재료를 피착하고, 그 음극 상에서 경질 전해질층을 피착하는 데포지션 스테이션은 LiPON을 포함하는 하나의 재료를 피착한다.
본 발명의 예에서는 그 경질 전해질층이 그 양극 구성성분상에 피착되기 전에 그 양극 상에 하나의 LiCOO2 층을 피착하는 하나의 데포지션 스테이션을 더 포함한다.
본 발명의 예에서는 그 경질 전해질층이 그 음극 구성성분상에 피착된 후에 그 경질 전해질층을 통해 그 음극 상에 하나의 리튬 금속층을 도금하는 하나의 전기도금 스테이션(electroplating station)을 더 포함한다.
본 발명의 예에서는 하나의 포토레지스트층을 피착하고, 하나이 리튬 금속층을 형성할 수 있는 상기 음극 구성성분상에 하나의 영역을 구성하는 하나의 마스크를 패터닝하는 하나의 패터닝 스테이션(patterning station)을 더 포함한다.
본 발명의 예에서는 하나의 양극 구성성분을 준비하고, 하나의 음극 구성성분을 준비하여, 하나의 경질 전해질층을 그 음극 성성분상에 피착하고, 하나의 경질 전해질층을 그 양극 구성성분상에 피착하여, 그 음극 상의 경질 전해질층과 그 양극상의 경질 전해질층 사이에 하나의 연질 전해질층을 사용하여 그 음극 상의 경질 전해질층을 그 양극 상의 경질 전해질층에 적층하는 것을 포함하여, 하나의 복합 전해질 구조체를 형성하는 하나의 방법을 포함한다.
상기 방법의 예에서 그 양극 구성성분상에서 경질 전해질층의 피착(depositing)에는 하나의 LiPON 층의 스퍼터링을 포함하고, 그 음극 구성성분상에서 경질 전해질층의 피착은 하나의 LiPON 층의 스퍼터링을 포함한다.
상기 방법의 예에서, 그 연질 절해질층에는 하나의 폴리포스파젠과 하나의 리튬염을 포함한다.
본 발명의 예에는 그 음극 구성성분상의 경질 전해질층 상에서 하나의 연질 전해질층을 피착하고, 그 양극 구성성분상의 경질 전해질층 상에서 하나의 연질 전해질층을 피착하는 것을 더 포함하여, 그 적층(laminating)은 그 양극 구성성분상의 경질 전해질층 상에 있는 그 연질 전해질층에 대하여 그 음극 구성성분상의 경질 전해질층에 있는 그 연질 전해질층을 프레싱(pressing)하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 예에서, 그 음극 구성성분상의 경질 전해질층 상에서 연질 전해질층의 피착에는 닥터 블레이딩(doctor blading)을 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 음극 구성성분상의 경질 전해질층 상에서 연질 전해질층의 피착에는 액상형태로 연질 전해질재를 스프레이잉(spraying)하는 것을 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 양극 구성성분상의 경질 전해질층 상에서 그 연질 전해질층의 피착에는 액상형태로 연질 전해질재를 스핀코팅(spin coating)하는 것을 포함한다.
본 발명의 예에서는 하나의 양극 구성성분의 소오스(sorece)와, 하나의 음극 구성성분의 소오스와, 하나의 경질 전해질층을 음극 전해질 구성성분상에 피착하는 수단과, 하나의 경질 전해질층을 양극 구성성분상에 피착하는 수단과, 그 음극 상의 경질 전해질층과 그 양극 상의 경질 전해질층 사이에 하나의 연질 전해질층을 사용하여 그 음극 상의 경질 전해질층을 그 양극 상의 경질 전해질층에 적층하는 수단을 구비하여, 하나의 복합 전해질 구조체를 형성하는 하나의 장치를 포함한다.
본 발명의 예에서는 그 음극 구성성분상의 경질 전해질층에 하나의 연질 전해질층을 피착하는 수단과, 그 양극 구성성분상의 경질 전해질층 상에 하나의 연질 전해질층을 피착하는 수단을 더 포함하여, 그 적층수단(means for laminating)은 그 양극 구성성분상의 경질 전해질층에 있는 연질 전해질층에 대하여 그 음극 구성성분상의 경질 전해질층에 있는 연질 전해질층을 프레싱(pressing)하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 예에서, 그 양극 구성성분상에 피착된 경질 전해질층에는 LiPON을 포함하고 그 음극 구성성분상에 피착된 경질 전해질층에는 LiPON을 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 연질 전해질층에는 폴리포스파젠과 리튬염을 포함한다.
본 발명의 예에서, 그 연질 전해질층에는 MEEP를 포함한다.
본 발명의 예에서는 하나의 애노드, 하나의 캐소드 및 하나의 전해질 구조체를 구비하는 하나의 배터리 셀을 포함하는 하나의 장치(apparatus)에 있어서, 그 애노드는 그 배터리 셀이 충전될 때 리튬을 포함하는 하나의 애노드재와 그애노드의 최소 일부분을 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층을 포함하고, 그 캐소드는 리튬을 포함하는 하나의 캐소드재와 그 캐소드의 최소 일부분을 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층을 포함하며, 그 전해질 구조체는 그 애노드를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층과, 그 캐소드를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층 사이에 삽입된 하나의 폴리머 전해질재를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치를 포함한다.
상기 장치의 예에서, 그 캐소드재에는 캐소드-전류-콜렉터 접촉재 상에 피착된 LiCoO2를 포함하며, 그 다음 그 캐소드를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층이 피복한다.
상기 장치의 예에서, 그 캐소드재에는 캐소드-전류-콜렉터 접촉재 상에 피착된 LiCoO3를 포함하며, 그 다음 그 캐소드를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층이 피복된다.
상기 장치의 예에서, 그 리튬애노드재는 상기 애소드를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층을 통하여 동애노드 전류 콜렉터 접촉부 또는 전류 콜렉터 상에서 도금된다.
상기 장치의 예에서, 그 애노드재는 LiPON 배리어/전해질층에 의해 최소 부분 피복된 금속시트의 양쪽 면의 주면(major faces) 상에 피착된다.
상기 장치의 예에서, 그 캐소드재는 하나의 금속시트의 양쪽 면 주면 상에 피착되고 LiPON 배리어/전해질층에 의해 최소 부분 피복된다.
상기 장치의 예에서, 그 캐소드 전류 콜렉터 접촉재에는 그 캐소드재가 피착되는 하나의 금속메쉬를 포함한다.
상기 장치의 예에서, 그 리튬애노드재는 애노드 전류-콜렉터 접촉층을 피복하는 LiPON 배리어/전해질층을 통하여 애노드 전류 콜렉터 접촉포일의 양쪽 면 주면 상에 도금된다.
상기 장치의 예에서, 그 리튬애노드재는 그 전류 콜렉터 접촉포일을 피복하는 LiPON 배리어/전해질층을 통하여 전류 콜렉터 접촉포일의 제 1 주 표면(first major race)상에서 도금시키고, 그 리튬캐소드재는 그 전류-콜렉터 접촉포일의 제 2 주 표면상에 피착시킨 다음에, 그 캐소드를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층은 스퍼터링에 의해 피착시킨다.
상기 장치의 예에서, 그 리튬캐소드재는 캐소드 전류-콜렉터 접촉포일의 양쪽 면 주면 상에 피착된 다음에, 그 캐소드를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층은 스퍼터링에 의해 피착된다.
상기 장치의 예에서, 그 리튬캐소드재는 캐소드 전류 콜렉터 접촉메쉬의 양쪽 면 주면 상에 피착된 다음, 그 캐소드를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층이 스퍼터링에 의해 피착된다.
본 발명의 예에서, 본 발명의 또 다른 국면(aspect)에는 리튬을 포함하는 하나의 애노드재와 그 애노드재를 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층을 포함하는 하나의 제 1 시트(first sheet)를 준비하고, 리튬을 포함하는 하나의 캐소드재와 그 캐소드재를 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층을 포함하는 하나의 제 2 시트(second sheet)를 준비하여, 상기 제 1 시트의 애노드재를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층과 상기 제 2 시트의 캐소드재를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층 사이에 하나의 폴리머전해질재를 삽입하는 것을 포함하는 하나의 방법을 포함한다.
상기 방법의 예에서는 리튬을 포함하는 하나의 애노드재와 그 애노드재를 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층을 포함하는 하나의 제 3시트(third sheet)를
준비하고, 리튬을 포함하는 하나의 캐소드재와 그 캐소드재를 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층을 포함하는 하나의 제 4 시트(fourth sheet)를 준비하여, 상기 제 3 시트의 애노드재를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층과 상기 제 4 시트의 캐소드재를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층 사이에 하나의 폴리머전해질재를 삽입하고, 상기 제 1 시트의 애노드재를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층과 상기 제 4 시트의 캐소드재를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층 사이에 하나의 폴리머전해질재를 삽입하는 것을 더 포함한다.
상기 방법의 예에서, 상기 애노드는 하나의 LiPON층을 통하여 하나의 동애노드 전류 콜렉터 접촉층 상에서 하나의 층으로 피착된다.
상기 방법의 예에서, 하나의 래튬애노드의 피착은 프로필렌 카르보네이트/LiPF6전해질용액 중에서 전기도금에 의해 실시한다.
상기 방법의 예에서, 상기 제 1 시트에는 애노드재와 대향하여 있는 하나의 표면상의 캐소드재와 그 캐소드재를 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층을 포함하고, 상기 제 2 시트에는 상기 제 2 시트 상의 캐소드재와 대향하여 있는 하나의 표면(face) 상에 리튬을 포함하는 하나의 애노드재와 그 애노드재를 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층을 포함시켜, 상기 방법에서는 리튬을 포함하는 하나의 애노드재와 하나의 제 1 표면상에 상기 애노드재를 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층, 리튬을 포함하는 하나의 애노드재와 상기 제 1 표면과 대향하여 있는 하나의 제 2 표면상에 상기 애노드재를 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층을 포함하는 하나의 제 3 시트를 준비하여, 제 1 시트의 애노드재를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층과 제 3 시트의 캐소드재를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층 사이에 하나의 폴리머전해질재를 삽입하는 것을 더 포함한다.
본 발명의 예에서, 본 발명의 또 다른 국면에서는 리튬을 포함하는 하나의 애노드재와 그 애노드재를 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층을 포함하는 하나의 제 1 시트와, 리튬을 포함하는 하나의 캐소드재와 그 캐소드재를 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층을 포함하는 하나의 제2 시트와, 상기 제 1 시트의 애노드재를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층과 상기 제 2 시트의 캐소드재를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층 사이에 하나의 폴리머전해질재를 삽입하는 수단을 포함하는 하나의 장치를 포함한다.
이 장치의 예에서는 리튬을 포함하는 하나의 애노드재와 그 애노드재를 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층을 포함하는 하나의 제 3 시트와, 리튬을 포함하는 하나의 캐소드재와 그 캐소드재를 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층을 포함하는 하나의 제 4 시트와, 제 3 시트의 애노드재를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층과 제 4 시트의 캐소드재를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층 사이에 하나의 폴리머전해질재를 삽입하는 수단과, 제 1 시트의 애노드재를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층과 제 4 시트의 캐소드재를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층 사이에 하나의 폴리머전해질재를 삽입하는 수단을 포함한다.
본 발명의 예에서, 상기 제 1 시트에는 상기 애노드재와 대향하는 하나의 표면(face) 상에 있는 하나의 캐소드재와 그 캐소드재를 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층을 포함하고, 상기 제 2 시트에는 그 캐소드재와 대향하는 하나의 표면(face) 상에 리튬을 포함하는 하나의 애노드재와 그 애노드재를 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층을 포함하여, 그 장치에는 리튬을 포함하는 하나의 애노드재및 하나의 제 1 표면(first face) 상에 그 애노드재를 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층과 리튬을 포함하는 하나의 애노드재 및 상기 제 1 표면과 대향하는 하나의 제 2 표면상에 그 애노드재를 피복하는 하나의 LiPON 배리어/전해질층을 포함하는 하나의 제 3 시트와, 상기 제 1 시트의 애노드재를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층과 상기 제 3 시트의 캐소드재를 피복하는 LiPON 배리어/전해질층 사이에 하나의 폴리머전해질재를 삽입하는 수단을 더 포함한다.
상기 기재는 도면에 따라 구체적으로 설명한 것이나, 한정되지 않음을 알 수 있다. 여기서 설명한 바와 같이 여러 가지의 실시예의 특징과 효과는 여러 가지의 실시예의 구조와 기능의 구체적인 설명과 함께 앞서 설명한 기재에서 기술한바 있으나 다수의 다른 실시예와 구체적인 변경은 위의 구체적 기술을 검토할 때 이 분야의 통상의 기술자에 의해 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 본 발명의 청구범위에서 기재된 발명과 균등한 범위에서 첨부된 청구범위의 특허에 따라 결정할 수 있다.

Claims (29)

  1. 양극, 음극, 및 이들 사이에 위치되는 전해질 구성부를 갖되, 전해질 구성부는 연질 전해질층과 적어도 하나의 경질 전해질층을 포함하는 배터리 셀을 포함하는 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    전해질 구성부가 음극 위의 경질 전해질층을 포함하며, 연질 전해질층이 양극과 음극 위의 경질 전해질층 사이에 위치되는 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    연질 전해질층이 폴리포스파젠(polyphosphazene)과 리튬 염(lithium salt)을 포함하는 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    연질 전해질층이 MEEP와 리튬 염을 포함하는 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    배터리 셀을 둘러싸는 피복 물질과, 배터리 셀로부터 피복 물질 외부로 연결되는 하나 이상의 리드 선을 더욱 포함하는 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    전자장치 및, 전자장치를 고정하는 하우징을 더욱 포함하되, 배터리 셀이 하우징 내에 위치되어 전자장치로 전력을 공급하는 장치.
  7. 양극, 음극, 및 이들 사이에 위치되는 전해질 구성부를 갖되, 전해질 구성부는 양극 위의 경질 전해질층과 음극 위의 경질 전해질층을 포함하며, 연질 전해질층이 양극 위의 경질 전해질층과 음극 위의 경질 전해질층 사이에 위치되는 배터리 셀을 포함하는 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    연질 전해질층이 폴리포스파젠을 포함하는 장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    양극 위의 경질 전해질층이 LiPON을 포함하며 음극 위의 경질 전해질층이 LiPON을 포함하는 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    연질 전해질층이 폴리포스파젠을 포함하는 장치.
  11. 제 7항에 있어서,
    연질 전해질층이 MEEP를 포함하는 장치.
  12. 제 7항에 있어서,
    배터리 셀을 둘러싸는 피복 물질과, 배터리 셀로부터 피복 물질 외부로 연결되는 하나 이상의 리드 선을 더욱 포함하는 장치.
  13. 제 7항에 있어서,
    전자장치 및, 전자장치를 고정하는 하우징을 더욱 포함하되, 배터리 셀이 하우징 내에 위치되어 전자장치로 전력을 공급하는 장치.
  14. 양극을 제공하는 단계,
    음극을 제공하는 단계,
    적어도 음극을 경질 전해질층으로 코팅하는 단계, 및
    양극, 경질 전해질층이 코팅된 음극, 이들 사이에 위치되는 연질 전해질층을 사용하여 배터리 셀을 형성하는 단계
    를 포함하는 배터리 셀의 제조방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    양극을 경질 전해질층으로 코팅하는 단계를 더욱 포함하되,
    배터리 셀의 전해질 구성부가 음극 위의 경질 전해질층, 양극 위의 경질 전해질층, 및 상기 음극 위의 경질 전해질층과 양극 위의 경질 전해질층 사이에 위치되는 연질 전해질층을 포함하는 방법.
  16. 제 14항에 있어서,
    연질 전해질층이 폴리포스파젠과 리튬 염을 포함하는 방법.
  17. 제 14항에 있어서,
    연질 전해질층이 MEEP와 리튬 염을 포함하는 방법.
  18. 양극을 제공하는 단계,
    음극을 제공하는 단계,
    음극을 경질 전해질층으로 코팅하는 단계,
    양극을 경질 전해질층으로 코팅하는 단계, 및
    경질 전해질층이 코팅된 양극, 경질 전해질층이 코팅된 음극, 이들 사이에 위치되는 연질 전해질층을 사용하여 배터리 셀을 형성하는 단계
    를 포함하는 배터리 셀의 제조방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    양극 위의 경질 전해질층이 LiPON을 포함하고 음극 위의 경질 전해질층이 LiPON을 포함하는 방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    연질 전해질층이 폴리포스파젠 및 리튬 염을 포함하는 방법.
  21. 제 19항에 있어서,
    연질 전해질층이 겔을 포함하는 방법.
  22. 제 19항에 있어서,
    연질 전해질층이 폴리비닐리덴 디플루오라이드(polyvinylidene difluoride), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 및 리튬 염을 포함하는 방법.
  23. 경질 전해질층으로 코팅된 양극,
    경질 전해질층으로 코팅된 음극, 및
    배터리 셀을 형성하도록 음극 위의 경질 전해질층을 양극 위의 경질 전해질층에 연결하는 전해질 수단을 포함하는 장치.
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 연결수단이 하나 이상의 경질 전해질 수단 내의 결함들을 고정하는 수단을 또한 포함하는 장치.
  25. 제 23항에 있어서,
    양극 위의 경질 전해질층이 LiPON을 포함하고 음극 위의 경질 전해질층이 LiPON을 포함하는 장치.
  26. 제 25항에 있어서,
    상기 연결수단이 폴리포스파젠 및 리튬 염을 포함하는 장치.
  27. 제 26항에 있어서,
    상기 연결수단이 MEEP를 포함하는 장치.
  28. 제 23항에 있어서,
    배터리 셀을 둘러싸는 피복 물질과, 배터리 셀로부터 피복 물질 외부로 연결되는 하나 이상의 리드 선을 더욱 포함하는 장치.
  29. 제 23항에 있어서,
    전자장치를 더욱 포함하되, 배터리 셀이 전자장치의 적어도 일부로 전력을 공급하는 장치.
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