KR20200030634A - 올레핀 분리기가 없는 Li-이온 배터리 - Google Patents

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Abstract

본 개시내용의 구현들은 일반적으로, 분리기들, 전술된 분리기들을 포함하는 배터리들 및 커패시터들과 같은 고성능 전기화학적 디바이스들, 및 이를 제조하기 위한 방법들에 관한 것이다. 일 구현에서, 배터리에 대한 분리기를 형성하는 방법이 제공된다. 방법은, 처리 구역에 위치된 전극 구조의 표면 상에 증착될 금속성 물질을 증발 프로세스에 노출시키는 단계를 포함한다. 방법은, 반응성 가스를 처리 구역 내로 유동시키는 단계를 더 포함한다. 방법은, 전극 구조의 표면 상에 세라믹 분리기 층을 증착하기 위해 반응성 가스와 증발된 금속성 물질을 반응시키는 단계를 더 포함한다.

Description

올레핀 분리기가 없는 Li-이온 배터리
본 개시내용의 구현들은 일반적으로, 분리기들, 전술된 분리기들을 포함하는 배터리들 및 커패시터들과 같은 고성능 전기화학적 디바이스들, 및 이를 제조하기 위한 방법들에 관한 것이다.
커패시터들 및 리튬-이온(Li-이온) 배터리들과 같은 고속 충전 고용량 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.
Li-이온 배터리들은 전형적으로, 애노드 전극, 캐소드 전극, 및 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치되는 분리기를 포함한다. 분리기는 캐소드 전극과 애노드 전극 사이의 물리적 및 전기적 분리를 제공하는 전자 절연체이다. 분리기는 전형적으로, 미세다공성 폴리에틸렌 및 폴리올레핀으로 만들어진다. 전기화학적 반응들, 즉 충전 및 방전 동안, Li-이온들은 전해질을 통해 2개의 전극 사이의 분리기 내의 세공들을 통해 운반된다. 따라서, 이온 전도성을 증가시키기 위해서는 높은 다공성이 바람직하다. 그러나, 일부 높은 다공성의 분리기들은, 사이클링 동안 형성되는 리튬 수지상정(dendrite)들이 전극들 사이에 단락들을 발생시키는 전기적 단락들에 취약하다.
현재, 배터리 셀 제조자들은 분리기들을 구매하고, 그러한 분리기들은 이후 별개의 프로세스들에서 애노드 및 캐소드 전극들과 함께 적층된다. 다른 분리기들은 전형적으로, 중합체의 습식 또는 건식 압출에 의해 만들어지고, 그런 다음, 중합체 내에 홀들(균열부들)을 생성하도록 신장된다. 분리기는 또한 Li-이온 배터리에서 가장 고가의 구성요소들 중 하나이고, 배터리 셀들에서 20 %를 초과하는 재료 비용을 차지한다.
대부분의 에너지 저장 응용들에 대해, 에너지 저장 디바이스들의 충전 시간 및 용량은 중요한 파라미터들이다. 게다가, 그러한 에너지 저장 디바이스들의 크기, 중량, 및/또는 비용은 상당한 제한들이 될 수 있다. 현재 이용가능한 분리기들의 사용은 다수의 단점들을 갖는다. 즉, 그러한 이용가능한 재료들은 그러한 재료들로부터 구성되는 전극들의 최소 크기를 제한하고, 전기적 단락들로 인해 어려움을 겪으며, 복잡한 제조 방법들 및 고가의 재료들을 필요로 한다. 추가로, 현재의 분리기 설계들은 종종, 단락-회로들을 초래할 수 있는 리튬 수지상정의 성장으로 인해 어려움을 겪는다.
따라서, 관련 기술분야에서는 더 작고 더 가벼우며 더 비용 효과적으로 제조될 수 있는 분리기들을 갖는, 더 고속으로 충전되는 더 고용량의 에너지 저장 디바이스들에 대한 필요성이 존재한다.
본 개시내용의 구현들은 일반적으로, 분리기들, 전술된 분리기들을 포함하는 배터리들 및 커패시터들과 같은 고성능 전기화학적 디바이스들, 및 이를 제조하기 위한 방법들에 관한 것이다. 일 구현에서, 배터리에 대한 분리기를 형성하는 방법이 제공된다. 방법은, 처리 구역에 위치된 전극 구조의 표면 상에 증착될 금속성 물질을 증발 프로세스에 노출시키는 단계를 포함한다. 방법은, 반응성 가스를 처리 구역 내로 유동시키는 단계를 더 포함한다. 방법은, 전극 구조의 표면 상에 세라믹 분리기 층을 증착하기 위해 반응성 가스와 증발된 금속성 물질을 반응시키는 단계를 더 포함한다.
다른 구현에서, 배터리를 형성하는 방법이 제공된다. 방법은, 양의 전극 구조의 표면 상에 세라믹 분리기 층을 증착하는 단계를 포함한다. 세라믹 분리기 층은, 양의 전극 구조의 표면 상에 증착될 금속성 물질을 증발 프로세스에 노출시키고, 처리 구역 내로 반응성 가스를 유동시키고, 세라믹 분리기 층을 증착하기 위해 반응성 가스와 증발된 금속성 물질을 반응시킴으로써, 양의 전극 구조의 표면 상에 증착된다. 양의 전극 구조는, 양의 전극 구조와 음의 전극 사이에 세라믹 분리기 층이 있도록 음의 전극과 결합된다.
또 다른 구현에서, 배터리를 형성하는 방법이 제공된다. 방법은, 음의 전극 구조의 표면 상에 세라믹 분리기 층을 증착하는 단계를 포함한다. 세라믹 분리기 층은, 음의 전극 구조의 표면 상에 증착될 금속성 물질을 증발 프로세스에 노출시키고, 처리 구역 내로 반응성 가스를 유동시키고, 음의 전극 구조 상에 세라믹 분리기 층을 증착하기 위해 반응성 가스와 증발된 금속성 물질을 반응시킴으로써, 음의 전극 구조의 표면 상에 증착된다. 음의 전극 구조는, 음의 전극 구조와 양의 전극 사이에 세라믹 분리기 층이 있도록 양의 전극과 결합된다.
또 다른 구현에서, 배터리를 형성하는 방법이 제공된다. 방법은, 양의 전극 구조의 표면 상에 제1 세라믹 분리기 층을 증착하는 단계를 포함한다. 세라믹 분리기 층은, 양의 전극 구조의 표면 상에 증착될 금속성 물질을 증발 프로세스에 노출시키고, 처리 구역 내로 반응성 가스를 유동시키고, 세라믹 분리기 층을 증착하기 위해 반응성 가스와 증발된 금속성 물질을 반응시킴으로써, 양의 전극 구조의 표면 상에 증착된다. 방법은, 음의 전극 구조의 표면 상에 제2 세라믹 분리기 층을 증착하는 단계를 더 포함한다. 제2 세라믹 분리기 층은, 음의 전극 구조의 표면 상에 증착될 금속성 물질을 증발 프로세스에 노출시키고, 처리 구역 내로 반응성 가스를 유동시키고, 음의 전극 구조 상에 제2 세라믹 분리기 층을 증착하기 위해 반응성 가스와 증발된 금속성 물질을 반응시킴으로써, 음의 전극 구조의 표면 상에 증착된다. 양의 전극과 음의 전극이 함께 결합되어 배터리를 형성한다.
또 다른 구현에서, 배터리에 대한 분리기를 형성하는 방법이 제공된다. 방법은, 처리 구역에 위치된 전극 구조의 표면 상에 증착될 금속성 물질을 증발 프로세스에 노출시키는 단계를 포함한다. 방법은, 반응성 가스를 처리 구역 내로 유동시키는 단계를 더 포함한다. 방법은, 전극 구조의 표면 상에 세라믹 분리기 층을 증착하기 위해 반응성 가스와 증발된 금속성 물질을 반응시키는 단계를 더 포함한다. 반응성 가스를 처리 구역 내로 유동시키는 것은, 습윤 산소를 처리 구역 내로 유동시키는 것을 포함한다.
또 다른 구현에서, 배터리를 형성하는 방법이 제공된다. 방법은, 음의 전극 구조의 표면 상에 세라믹 분리기 층을 증착하는 단계를 포함한다. 세라믹 분리기 층을 증착하는 것은, 처리 구역에 위치된 음의 전극 구조의 표면 상에 증착될 금속성 물질을 증발 프로세스에 노출시키는 것을 더 포함한다. 세라믹 분리기 층을 증착하는 것은, 반응성 가스를 처리 구역 내로 유동시키는 것을 더 포함한다. 세라믹 분리기 층을 증착하는 것은, 음의 전극 구조의 표면 상에 세라믹 분리기 층을 증착하기 위해 반응성 가스와 증발된 금속성 물질을 반응시키는 것을 더 포함하며, 반응성 가스를 처리 구역 내로 유동시키는 것은, 습윤 산소를 처리 구역 내로 유동시키는 것을 포함한다. 방법은, 음의 전극 구조를, 사이에 세라믹 분리기 층이 있도록 양의 전극 구조와 결합시키는 단계를 더 포함한다.
또 다른 구현에서, 배터리를 형성하는 방법이 제공된다. 방법은, 양의 전극 구조의 표면 상에 세라믹 분리기 층을 증착하는 단계를 포함한다. 세라믹 분리기 층을 증착하는 것은, 처리 구역에 위치된 양의 전극 구조의 표면 상에 증착될 금속성 물질을 증발 프로세스에 노출시키는 것을 포함한다. 세라믹 분리기 층을 증착하는 것은, 반응성 가스를 처리 구역 내로 유동시키는 것을 더 포함한다. 세라믹 분리기 층을 증착하는 것은, 양의 전극 구조의 표면 상에 세라믹 분리기 층을 증착하기 위해 반응성 가스와 증발된 금속성 물질을 반응시키는 단계를 더 포함한다. 반응성 가스를 처리 구역 내로 유동시키는 것은, 습윤 산소를 처리 구역 내로 유동시키는 것을 포함한다. 방법은, 양의 전극 구조를, 사이에 세라믹 분리기 층이 있도록 음의 전극 구조와 결합시키는 단계를 더 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 것을 유의하여 하는데, 이는 본 개시내용이 다른 균등하게 유효한 구현들을 허용할 수 있기 때문이다.
도 1은, 본원에서 설명된 하나 이상의 구현에 따라 형성되는 셀 구조의 일 구현의 단면도를 예시한다.
도 2는, 본원에서 설명된 하나 이상의 구현에 따라 형성되는 셀 구조의 다른 구현의 단면도를 예시한다.
도 3은, 본원에서 설명된 하나 이상의 구현에 따라 형성되는 셀 구조의 또 다른 구현의 단면도를 예시한다.
도 4는, 본원에서 설명된 하나 이상의 구현에 따라 형성되는 셀 구조의 또 다른 구현의 단면도를 예시한다.
도 5는, 본원에서 설명된 하나 이상의 구현에 따른 셀 구조를 형성하기 위한 방법의 일 구현을 요약하는 프로세스 흐름도를 예시한다.
도 6은, 본원에서 설명된 하나 이상의 구현에 따른 전극 구조를 형성하기 위한 방법의 일 구현을 요약하는 프로세스 흐름도를 예시한다.
도 7은, 본원에 설명된 하나 이상의 구현에 따른 전극 구조를 형성하기 위한 방법의 일 구현을 요약하는 프로세스 흐름도를 예시한다.
도 8은, 본원에서 설명된 하나 이상의 구현에 따른 전극 구조를 형성하기 위한 방법의 일 구현을 요약하는 프로세스 흐름도를 예시한다.
도 9는, 본원에서 설명된 하나 이상의 구현에 따른 세라믹 분리기를 형성하기 위한 웹 툴의 개략도를 예시한다.
도 10a는, 코팅되지 않은 캐소드 물질의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 예시한다.
도 10b는, 본원에서 설명된 구현들에 따른 산화알루미늄으로 코팅된 캐소드 물질의 SEM 이미지를 예시한다.
도 11은, 본원에서 설명된 구현들에 따라 형성되는 세라믹 분리기 층을 갖는 셀 구조의 개략적인 단면도의 SEM 이미지를 예시한다.
이해를 용이하게 하기 위해서, 도면들에 공통된 동일한 요소들을 지정하기 위해 가능한 경우 동일한 참조 번호들이 사용되었다. 일 구현의 요소들 및 특징들은 추가적인 열거가 없이도 다른 구현들에 유익하게 포함될 수 있는 것으로 고려된다.
다음의 개시내용은 분리기들, 전술된 분리기들을 포함하는 고성능 전기화학적 셀들 및 배터리들, 및 이를 제조하기 위한 방법들을 설명한다. 본 개시내용의 다양한 구현들의 철저한 이해를 제공하기 위해, 다음의 설명 및 도 1-11에서는 특정의 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.
본원에서 설명된 구현들은, TopMet™, SmartWeb™, TopBeam™과 같은 롤-투-롤 코팅 시스템을 사용하여 수행될 수 있는 고속 증발 프로세스를 참조하여 아래에서 설명될 것이며, 이들 전부는 캘리포니아 주 산타 클라라의 어플라이드 머티어리얼스 인코포레이티드(Applied Materials, Inc.)로부터 입수가능하다. 고속 증발 프로세스들을 수행할 수 있는 다른 툴들이 또한 본원에서 설명된 구현들로부터 이익을 얻도록 적응될 수 있다. 게다가, 본원에서 설명된 고속 증발 프로세스들을 가능하게 하는 임의의 시스템이 유리하게 사용될 수 있다. 본원에서 설명된 장치 설명은 예시적이며, 본원에서 설명된 구현들의 범위를 제한하는 것으로서 해석되거나 이해되어서는 안 된다. 또한, 롤-투-롤 프로세스로서 설명되어 있지만, 본원에서 설명된 구현들은 별개의 중합체 기판들 상에서 수행될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
"약"이라는 용어는 일반적으로, 표시된 값의 ±0.5 %, 1 %, 2 %, 5 %, 또는 최대 ±10 % 이내를 표시한다. 예컨대, 약 10 nm의 세공 크기는 일반적으로, 그의 가장 넓은 의미에서 10 nm±10 %를 표시하며, 이는 9.0 - 11.0 nm를 표시한다. 게다가, "약"이라는 용어는 측정 오차(즉, 측정 방법에서의 제한들에 의한 것), 또는 대안적으로는 그룹(예컨대, 세공들의 집단)의 물리적 특성에서의 편차 또는 평균을 표시할 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같은 "도가니"라는 용어는 도가니가 가열될 때 도가니에 공급되는 물질을 증발시킬 수 있는 유닛으로서 이해될 것이다. 즉, 도가니는 고체 물질을 증기로 변환하도록 적응된 유닛으로서 정의된다. 본 개시내용 내에서, "도가니" 및 "증발 유닛"이라는 용어는 동의어로 사용된다.
현재 이용가능한 세대의 배터리들, 특히, Li-이온 배터리들은 다공성 폴리올레핀 분리기들을 사용하는데, 그러한 분리기들은 상승된 온도들에서 열 수축에 취약하고, 양의 전극과 음의 전극 사이 또는 대응하는 집전체들 사이에 단락을 야기할 수 있다. 게다가, 일부 폴리올레핀 분리기들은 불량한 습윤성 문제들을 갖는다. 분리기 상의 세라믹 코팅은 전극들 사이의 직접 접촉을 억제하는 데 도움이 되고, 또한, Li 금속과 연관된 잠재적인 수지상정 성장을 방지하는 데 도움이 된다. 현재 최신 기술의 세라믹 코팅은, 합성물을 만들기 위한 중합체성 결합제 및 슬러리를 만들기 위한 용매 내에 분산된 세라믹 입자들의 습식 코팅(예컨대, 슬롯-다이 기법들)을 사용한다. 코팅 두께는 전형적으로, 무작위 세공 구조를 초래하는, 중합체에 의해 함께 결합된 무작위로 배향되는 유전체 물질을 포함하여 대략 3 미크론이다. 기존 세라믹 입자 코팅 방법은, 세라믹 입자들의 이러한 무작위 배향으로 인한 굴곡성(tortuosity)을 감소시키는 데 있어 어려움이 있다. 추가로, 현재의 습식 코팅 기법들을 사용해서는 현재의 세라믹 코팅들의 두께를 감소시키기가 어렵다. 더 미세한 세라믹 분말 입자들의 증가된 표면적을 보상하기 위해서, 현재의 습식 코팅 기법들은 슬러리의 점도를 감소시키기 위해 결합제 및 용매 둘 모두의 양들이 증가되는 것을 수반한다. 따라서, 현재의 습식 코팅 기법들은 몇몇 문제들로 어려움을 겪는다.
제조 관점에서는, 비용 및 성능 관점 둘 모두에서 건식 방법을 이용한 세라믹 코팅의 인-시튜 증착이 바람직하다. 본 개시내용에서, 얇은 낮은 이온 저항 세라믹 코팅이 양의 전극의 표면 및/또는 음의 전극의 표면 상에 직접 형성되며, 여기서, 세라믹 코팅은, 금속들 또는 금속 화합물들의 반응성 증발을 사용하는 건식 방법에 의해 형성된다. 추가로, 세라믹 코팅은, 적절한 두께, 마이크로/나노구조, 다층화된 구조, 형태학적 구조, 세공 구조 및 세공/세라믹 배향을 위해 조정될 수 있다.
종래의 세라믹 코팅된 분리기들과 비교하여, 본원에서 설명된 반응성 증발 기법들은, 다음의 이점들: (1) 더 얇은 분리기들이 더 적은 비활성 구성요소 용적률과 에너지 밀도에서의 대응하는 증가 및 분리기에 걸친 더 적은 이온 저항을 야기한다는 것; (2) 코팅 두께 및 형태학적 구조의 제어가 덜 굴곡진 세공들을 제공하여, 우수한 분리기 성능을 초래한다는 것; (3) 세라믹의 세공 표면이 전체 전해질의 이온 전도성을 향상시킨다는 것; (4) 적합하게 공학처리된 세라믹 코팅된 분리기가 제조 결함들을 결정하기 위한 X-선 검출을 향상시킬 것이라는 것; 및 (5) 분리기의 더 높은 전압 안정성 및 천공 저항 특성들이 나노복합물 코팅 제어에 의해 달성될 수 있다는 것 중 적어도 하나를 갖는다. 세라믹 코팅된 분리기의 리튬 수지상정 억제 특성들은, 사이클링 동안의 균질의 리튬 금속 퇴적 및 스트립핑을 달성하기 위한 나노표면 공학처리에 의해 향상된다.
지금까지 달성된 결과들은, (1) 반응성 산소 환경에서 알루미늄 증발을 사용하여 양의 전극 상에 증착된 균일한 300 나노미터 및 600 나노미터 두께의 AlOx 코팅; (2) AlOx 코팅 접착성이 스카치 테이프 박리 테스트들에서 양호한 것으로 보인다는 것; 및 (3) 기둥형 AlOx 구조 및 결정자(crystallite)들이 세라믹 분리기 층에서 수직으로 정렬된다는 것을 포함한다.
도 1은, 본원에서 설명된 구현들에 따라 형성되는 셀 구조(100)의 일 구현의 단면도를 예시한다. 셀 구조(100)는, 본원에서 설명된 구현들에 따라 형성되는 하나 이상의 세라믹 분리기 층(들)(130)을 갖는다. 일부 구현들에서, 셀 구조(100)는 Li-이온 배터리 구조이다. 셀 구조(100)는, 양의 집전체(110), 양의 집전체(110)의 대향하는 측들 상에 형성된 양의 전극(들)(120a, 120b)(총칭하여, 120), 하나 이상의 세라믹 분리기 층(들)(130a-c)(총칭하여, 130), 음의 집전체(150), 및 음의 집전체의 대향하는 측들 상에 형성된 음의 전극(들)(140a, 140b)(총칭하여, 140)을 갖는다. 도 1에서, 집전체들이 적층체를 넘어 연장되는 것으로 도시되지만, 집전체들이 적층체를 넘어 연장되는 것이 필수적이지는 않으며, 적층체를 넘어 연장되는 부분들은 탭(tab)들로서 사용될 수 있다는 것을 유의한다. 게다가, 양면 전극 구조들이 도시되지만, 본원에서 설명된 구현들은 단면 전극 구조들에 또한 적용가능하다.
각각 양의 전극 구조(120) 및 음의 전극 구조(140) 상에 있는 집전체들(110, 150)은 동일한 전자 전도체들이거나 상이한 전자 전도체들일 수 있다. 집전체들(110, 150)을 구성할 수 있는 금속들의 예들은, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 아연(Zn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 주석(Sn), 규소(Si), 망가니즈(Mn), 마그네슘(Mg), 이들의 합금들, 및 이들의 조합들을 포함한다. 일 구현에서, 집전체들(110, 150) 중 적어도 하나는 천공된다. 또한, 집전체들은, 임의의 폼 팩터(예컨대, 금속성 포일, 시트, 또는 평판), 형상, 및 마이크로/매크로 구조를 가질 수 있다. 일반적으로, 프리즘형 셀들에서, 탭들은 집전체와 동일한 물질로 형성되며, 적층체의 제조 동안 형성되거나 나중에 부가될 수 있다. 집전체들(110 및 150)을 제외한 모든 구성요소들이 리튬 이온 전해질들을 함유한다.
음의 전극(140) 또는 애노드는 양의 전극(120)과 상용가능한 임의의 물질일 수 있다. 음의 전극(140)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. 음의 전극(140)은, 흑연, 규소 함유 흑연(예컨대, 규소(< 5 %) 블렌딩된 흑연), 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 물질의 혼합물, 또는 이들의 조합들로 구성될 수 있다. 음의 전극(140)은 리튬을 함유하는 층간(intercalation) 화합물들, 또는 리튬을 함유하는 삽입 화합물들을 포함한다.
양의 전극(120) 또는 캐소드는, 음의 전극(140)과 상용가능한 임의의 물질일 수 있고, 층간 화합물, 삽입 화합물, 또는 전기화학적으로 활성인 중합체를 포함할 수 있다. 적합한 층간 물질들은, 예컨대, 리튬 함유 금속 산화물들, MoS2, FeS2, MnO2, TiS2, NbSe3, LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, V6O13, 및 V2O5를 포함한다. 적합한 중합체들은, 예컨대, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리아닐린, 및 폴리티오펜을 포함한다. 양의 전극(120) 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.
일부 구현들에서, 양의 전극(120)은 양의 전극 입자들로부터 형성된다. 일부 구현들에서, 양의 전극 입자들은, 더 높은 전압 안정성, 전해질과의 계면 상용성, 및 더 긴 배터리 사이클 수명을 향상시키도록 코팅된다. 양의 전극 입자들의 코팅은, 졸-겔 기법들, 양의 전극 물질 상의 나노 입자들의 건식 코팅, 또는 원자 층 증착(ALD) 기법들에 의해 수행될 수 있다.
본 개시내용에 따른 리튬-이온 셀의 일부 구현들에서, 리튬은, 예컨대, 음의 전극(140)에서의 탄소 흑연(LiC6) 및 양의 전극(120)에서의 리튬 망가니즈 산화물(LiMnO4) 또는 리튬 코발트 산화물(LiCoO2)의 결정 구조들의 원자 층들에 포함되지만, 일부 구현들에서는, 음의 전극(140)이 또한 규소, 주석 등과 같은 리튬 흡수 물질들을 포함할 수 있다. 셀은, 평면형 구조로 도시되어 있다 하더라도, 층들의 적층체를 롤링함으로써 원통형으로 또한 형성될 수 있으며, 또한, 다른 셀 구성들(예컨대, 프리즘형 셀들, 버튼형 셀들)이 형성될 수 있다.
셀 구성요소들(120, 130, 및 140)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.
일부 구현들에서, 세라믹 분리기 층(130)은, 세공들을 갖는 다공성(예컨대, 미세다공성) 세라믹 층(예컨대, 분리기 막)(130)을 포함한다. 일부 구현들에서, 세라믹 분리기 층(130)은 비-다공성이다. 일부 구현들에서, 세라믹 분리기 층(130)은 리튬-이온 전도성 물질을 포함한다. 리튬-이온 전도성 물질은, 리튬-이온 전도성 세라믹 또는 리튬-이온 전도성 유리 또는 액정일 수 있다. 일부 구현들에서, 세라믹 분리기 층(130)은 이온 전도성일 필요가 없지만, 일단 전해질(액체, 겔, 고체, 조합 등)로 채워지면, 다공성 세라믹과 전해질의 조합은 이온 전도성이다. 세라믹 분리기 층(130)은 적어도, 전자적 단락(예컨대, 애노드와 캐소드의 직접 또는 물리적 접촉)을 방지하고 수지상정 성장을 차단하도록 적응된다. 세라믹 분리기 층(130)은 적어도, 열 폭주 이벤트 동안 애노드와 캐소드 사이의 이온 전도성(또는 유동)을 차단하도록(또는 폐쇄하도록) 적응될 수 있다. 세라믹 분리기 층(130)은, 선택된 양들의 전류가 셀에 의해 생성될 수 있도록, 애노드와 캐소드 사이의 이온 유동을 허용할 만큼 충분히 전도성이어야 한다. 세라믹 분리기 층(130)은 하부 전극 물질에 잘 부착되어야 하는데, 즉, 분리가 발생하지 않아야 한다. 본원에서 논의된 바와 같이, 세라믹 분리기 층(130)은 증발 기법들을 사용하여 하부 전극 상에 형성된다.
세라믹 분리기 층(130)은 하나 이상의 세라믹 물질을 포함한다. 세라믹 물질은 산화물일 수 있다. 세라믹 물질은, 예컨대, 산화알루미늄(Al2O3), AlOx, AlOxNy, AlN(질소 환경에서 증착된 알루미늄), 수산화알루미늄 산화물((AlO(OH))(예컨대, 다이어스포어((α-AlO(OH))), 보에마이트(γ-AlO(OH)), 또는 아크달라아이트(akdalaite)(5Al2O3·H2O)), 탄산칼슘(CaCO3), 이산화티타늄(TiO2), SiS2, SiPO4, 산화규소(SiO2), 산화지르코늄(ZrO2), MgO, TiO2, Ta2O5, Nb2O5, LiAlO2, 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 BaTiO3, 이온 전도성 가넷, 반-이온-전도성(anti-ion-conducting) 페로브스카이트들, 다공성 유리 유전체, 또는 이들의 조합들로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 물질이다. 세라믹 분리기 층(130)은 결합제가 없는 세라믹 층이다. 일부 구현들에서, 세라믹 분리기 층(130)은 다공성 산화알루미늄 층이다.
일부 구현들에서, 세라믹 분리기 층(130)은 리튬-이온 전도성 물질일 수 있다. 리튬-이온 전도성 물질은, 리튬-이온 전도성 세라믹 또는 리튬-이온 전도성 유리 또는 이온 전도성 액정일 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, 황화물 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 (x)LiI-(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 분리기 층(130)은 이온 전도성일 필요가 없지만, 일단 전해질(액체, 겔, 고체, 조합 등)로 채워지면, 다공성 기판과 전해질의 조합은 이온 전도성이다.
일 구현에서, 세라믹 분리기 층(130)은 리튬-이온 전도성 물질이고, 리튬-이온 전도성 물질은, 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.
일부 구현들에서, 세라믹 분리기 층(130)은, 세라믹 분리기 층(130)의 총 중량을 기준으로 하여 약 50 w% 내지 약 100 w%의 산화알루미늄(예컨대, 약 75 w% 내지 약 100 w%; 약 85 w% 내지 약 100 w%의 산화알루미늄)을 포함한다.
일부 구현들에서, 세라믹 물질은 산화 분위기에서 증발되는 유리와 블렌딩된다. 예컨대, 세라믹 층의 물리적 특성들(이를테면, 가요성, 파괴 인성)을 개질하기 위해, SiO2가 Al2O3 내로 도입될 수 있다.
일부 구현들에서, 세라믹 분리기 층(130)은 복수의 세라믹 기둥형 돌출부들을 포함한다. 세라믹 기둥 형상 돌출부들은 기둥 형상 돌출부의 최하부(예컨대, 기둥 형상 돌출부가 다공성 기판과 접촉하는 곳)로부터 기둥 형상 돌출부의 최상부까지 연장되는 직경을 가질 수 있다. 세라믹 기둥형 돌출부들은 전형적으로 유전체 그레인(grain)들을 포함한다. 나노-구조화된 윤곽들 또는 채널들이 전형적으로 유전체 그레인들 사이에 형성된다.
일부 구현들에서, 복수의 세라믹 기둥형 돌출부들은 다양한 형태의 다공성들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 세라믹 분리기 층(130)의 기둥형 돌출부들은 유전체 물질의 기둥형 돌출부들 사이에 나노 다공성 구조를 형성한다. 일 구현에서, 나노 다공성 구조는 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 가질 수 있다. 다른 구현에서, 나노 다공성 구조는 약 5 나노미터 미만의 평균 세공 크기 또는 직경을 갖도록 크기가 정해지는 복수의 나노-세공들을 가질 수 있다. 일 구현에서, 나노 다공성 구조는 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. 나노 다공성 구조는 세라믹 분리기 층(130)의 표면적에서의 상당한 증가를 가져온다. 나노 다공성 구조의 세공들은 액체 전해질 저장소로서 작용할 수 있고, 이온 전도성을 위한 과잉의 표면적을 제공한다. 이론에 얽매이는 것은 아니지만, 나노 다공성 구조 내로 국한되는 전해질 액체/겔은 고체 전해질과 유사하게 거동하는 것으로 여겨진다.
일부 구현들에서, 세라믹 분리기 층(130)은 동일한 물질로 형성된 고체 막과 비교하여 적어도 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 %, 35 %, 40 %, 45 %, 50 %, 55 %, 60 %, 또는 65 %의 다공도, 및 동일한 물질로 형성된 고체 막과 비교하여 적어도 15 %, 20 %, 25 %, 30 %, 35 %, 40 %, 45 %, 50 %, 55 %, 60 %, 65 %, 또는 70 %까지의 다공도를 갖는다.
다공성은, 추정하기 쉽기 때문에 전형적으로 사용된다. 그러나, 굴곡성은 리튬 확산 경로를 설명하기 위한 직접적인 척도이다. 굴곡성은 다공성 매질에서의 Li 확산을 위한 굴곡진 경로를 설명한다. 예컨대, 확산이 직선 경로를 따르는 경우, 굴곡성은 1과 동일하다. 굴곡성은 유전체 층들 내의 복잡한 기하학적 구조(즉, 불규칙한 입자 형상들, 넓은 입자 크기 분포 등)로 인해 쉽게 측정되지 않는다. 직접적인 공학처리 굴곡성, 즉, "직선" 경로 또는 채널들을 도입하는 것이 바람직한 것으로 여겨진다. 본원에서 개시된 증발 프로세스들을 사용하여 형성되는 세라믹 층들은, 현재 알려진 슬롯-다이 기법들 또는 다른 슬러리 증착 기법들을 사용하여 형성되는 세라믹 층들과 비교할 때 더 낮은 굴곡성을 나타낸다.
세라믹 분리기 층(130)은 1 나노미터 내지 3,000 나노미터 범위(예컨대, 10 나노미터 내지 600 나노미터 범위; 50 나노미터 내지 200 나노미터 범위; 100 나노미터 내지 150 나노미터 범위)의 두께를 갖는 코팅 또는 별개의 층일 수 있다.
도 2는, 본원에서 설명된 구현들에 따라 형성되는 셀 구조(200)의 다른 구현의 단면도를 예시한다. 일부 구현들에서, 셀 구조(200)는 Li-이온 배터리 구조이다. 셀 구조(100)와 유사하게, 셀 구조(200)는, 본원에서 설명된 구현들에 따라 형성되는 세라믹 분리기 층(130)을 갖는다. 그러나, 세라믹 분리기 층(130) 외에도, 셀 구조(200)는 또한, 세라믹 분리기 층(130)과 대향하는 전극 구조 사이에 위치되는 하나 이상의 겔 중합체 층(210a, 210b)(총칭하여, 210)을 포함하며, 대향하는 전극 구조는 이러한 구현에서는 음의 전극(140a)이다. 양의 전극(120b)가 접촉하는 것으로 도시되지만, 일부 구현들에서, 세라믹 분리기 층(130a)은 음의 전극(140a)과 접촉하고, 겔 중합체 층(210a)은 음의 전극(140a)과 접촉한다는 것이 이해되어야 한다. 이론에 얽매이는 것은 아니지만, 겔 중합체 층은, 양의 전극과 음의 전극이 함께 결합될 때 이들 사이의 접착력을 개선하는 데 도움이 되는 것으로 여겨진다.
겔 중합체 층(210)에 대한 중합체는, Li-이온 배터리 산업에서 현재 사용되는 중합체들로부터 선택될 수 있다. 겔 중합체 층을 형성하는 데 사용될 수 있는 중합체들의 예들은, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥시드(PEO), 폴리-아크릴로니트릴(PAN), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 및 이들의 조합들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 이론에 얽매이는 것은 아니지만, 겔 중합체 층(210)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. 겔 중합체 층(210)은 딥 코팅, 슬롯-다이 코팅, 그라비어 코팅, 또는 인쇄에 의해 형성될 수 있다. 중합체는 또한 어플라이드 머티어리얼스의 메타코트(Metacoat) 장비를 사용하여 증착될 수 있다. 유전체 중합체 층은 약 5 나노미터 내지 약 1 마이크로미터의 두께를 가질 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.
도 3은, 본원에서 설명된 구현들에 따라 형성되는 셀 구조(300)의 다른 구현의 단면도를 예시한다. 일부 구현들에서, 셀 구조(300)는 Li-이온 배터리 구조이다. 셀 구조(200)와 유사하게, 셀 구조(300)는, 본원에서 설명된 구현들에 따라 형성되는 하나 이상의 세라믹 분리기 층(330a-c)(총칭하여, 330) 및 하나 이상의 겔 중합체 층(310a, 310b)(총칭하여, 310)을 갖는다. 하나 이상의 세라믹 분리기 층(330)은 하나 이상의 세라믹 분리기 층(130)과 유사하다. 하나 이상의 겔 중합체 층(310)은 하나 이상의 겔 중합체 층(210)과 유사하다. 그러나, 겔 중합체 층(310a)은, 세라믹 분리기 층(330a)과 세라믹 분리기 층(330b) 사이에 위치되거나 사이에 "샌드위치"된다.
도 4는, 본원에서 설명된 하나 이상의 구현에 따라 형성되는 셀 구조(400)의 또 다른 구현의 단면도를 예시한다. 일부 구현들에서, 셀 구조(400)는 Li-이온 배터리 구조이다. 셀 구조(300)와 유사하게, 셀 구조(400)는, 본원에서 설명된 구현들에 따라 형성되는 하나 이상의 세라믹 분리기 층(430a-c)(총칭하여, 430) 및 하나 이상의 겔 중합체 층(440a, 440b)(총칭하여, 440)을 갖는다. 하나 이상의 세라믹 분리기 층(430)은 하나 이상의 세라믹 분리기 층(들)(130)과 유사하다. 하나 이상의 겔 중합체 층(440a, 440b)(총칭하여, 440)은 하나 이상의 겔 중합체 층(210)과 유사하다. 그러나, 겔 중합체 층(440a)은, 세라믹 분리기 층(430a)과 세라믹 분리기 층(430b) 사이에 위치되거나 사이에 "샌드위치"된다. 셀 구조(400)는 임의적으로, 사전-리튬화(pre-lithiation) 층(410), 및 세라믹 분리기 층(430)과 사전-리튬화 층(410) 사이에 형성되는 보호 막(420)을 포함한다. 따라서, 도 1-3에 도시된 바와 같이 음의 전극 상에 직접 세라믹 분리기 층을 증착하는 대신에, 세라믹 분리기 층(430)은 (존재하는 경우에) 보호 막(420) 상에 또는 보호 막(420)이 존재하지 않는 경우에는 사전-리튬화 층(410) 상에 직접 증착된다.
일부 구현들에서, 음의 전극(140a) 상에 형성된 사전-리튬화 층(410)은 리튬 금속 막이다. 리튬 금속 막은, 본원에서 설명된 구현들에 따라 형성될 수 있다. 일부 구현들에서, 음의 전극(140a)은, 상부에 리튬 금속 막이 형성된 규소 흑연 애노드 또는 산화규소 흑연 애노드이다. 리튬 금속 막은, 음의 전극(140a)의 제1 사이클 용량 손실로부터 손실된 리튬을 보충한다. 리튬 금속 막은, 얇은(예컨대, 20 미크론 이하; 약 1 미크론 내지 약 20 미크론; 또는 약 2 미크론 내지 약 10 미크론) 리튬 금속 막일 수 있다. 리튬 금속 막이 음의 전극으로서 기능하는 일부 구현들에서, 리튬 금속 막은 음의 전극(140)을 대체한다. 리튬 금속 막이 음의 전극으로서 기능하는 일부 구현들에서, 리튬 금속 막은 음의 집전체(150) 상에 형성된다.
일부 구현들에서, 보호 막(420)은 리튬 금속 막 상에 형성된다. 보호 막(420)은 전형적으로 리튬 금속 막 상에 엑스-시튜로 형성된다. 보호 막(420)은 전기 절연성이지만 리튬-이온들에 대해 충분히 전도성이다. 일 구현에서, 보호 막(420)은 비-다공성 막이다. 다른 구현에서, 보호 막(420)은 다공성 막이다. 일 구현에서, 보호 막(420)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(420)은, 약 5 나노미터 미만의 평균 세공 크기 또는 직경을 갖도록 크기가 정해지는 복수의 나노-세공들을 갖는다. 일 구현에서, 보호 막(420)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.
보호 막(420)은 1 나노미터 내지 200 나노미터 범위(예컨대, 5 나노미터 내지 200 나노미터 범위; 10 나노미터 내지 50 나노미터 범위)의 두께를 갖는 코팅 또는 별개의 층일 수 있다. 이론에 얽매이는 것은 아니지만, 200 나노미터 초과의 보호 막들은 재충전가능 배터리 내의 저항을 증가시킬 수 있는 것으로 여겨진다.
보호 막(420)을 형성하는 데 사용될 수 있는 물질들의 예들은, 플루오린화리튬(LiF), 산화알루미늄, 탄산리튬(Li2CO3), 및 이들의 조합들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 일 구현에서, 보호 막(420)은 플루오린화리튬 막이다. 이론에 얽매이는 것은 아니지만, 보호 막(420)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. 보호 막(420)은, 물리 기상 증착(PVD), 이를테면, 증발 또는 스퍼터링, 특수 원자 층 증착(ALD), 슬롯-다이 프로세스, 박막 전사 프로세스, 또는 3차원 리튬 인쇄 프로세스에 의해 리튬 금속 막 상에 직접 증착될 수 있다. PVD는, 보호 막(420)의 증착에 대한 바람직한 방법이다. 보호 막(420)은 또한 메타코트 장비를 사용하여 증착될 수 있다.
세라믹 분리기 층(430a)은, (존재하는 경우) 보호 막(420) 상에 또는 보호 막(420)이 존재하지 않는 경우 사전-리튬화 층(410) 상에 직접 증착될 수 있다. 세라믹 분리기 층(430a)은 리튬-이온 전도성 물질일 수 있다. 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. 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 사전-리튬화 층(410) 또는 보호 막(420) 상에 직접 증착될 수 있다. 일부 구현들에 대한 적합한 방법은 PVD이다. 일부 구현들에서, 세라믹 분리기 층(430a)은 이온 전도성일 필요가 없지만, 일단 전해질(액체, 겔, 고체, 조합 등)로 채워지면, 다공성 기판과 전해질의 조합은 이온 전도성이다.
일 구현에서, 세라믹 분리기 층(430a)은 리튬-이온 전도성 물질이고, 리튬-이온 전도성 물질은, 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.
일부 구현들에서, 음의 전극(140) 위에 형성된 세라믹 분리기 층(430a) 및 양의 전극(120) 위에 형성된 세라믹 분리기 층(430b)은 상이한 물질들이다. 예컨대, 일 구현에서, 세라믹 분리기 층(430a)은 비-다공성 리튬-이온 전도성 물질이고, 세라믹 분리기 층(430b)은 다공성 리튬-이온 전도성 물질이다.
일부 구현들에서, 세라믹 분리기 층(430)은 비-다공성 이온 전도성 전해질 층이며, 이는, 일부 애노드 물질 조성물들에 대한 부가적인 전기화학적 안정성을 제공할 수 있다. 예컨대, 일 구현에서, 음의 전극(140)은, 상부에 사전-리튬화 층(410)(예컨대, 리튬 금속 막)이 형성된 규소 또는 산화규소 블렌딩된 흑연 애노드 물질이며, 보호 막(420)은 플루오린화리튬 막이고, 세라믹 분리기 층(430)은 비-다공성 리튬-이온 전도성 물질이다.
일부 구현들에서, 방법(500)(도 5 참조), 방법(600)(도 6 참조), 또는 방법(700)(도 7 참조) 전에, 전극(예컨대, 음의 전극 및/또는 양의 전극)의 표면들은 임의적으로, 전극의 표면들의 핵형성/성장 조건들을 향상시키기 위한 표면 개질 처리에 노출된다. 일부 구현들에서, 표면 개질 처리 프로세스는 플라즈마 처리 프로세스(예컨대, 코로나 방전 처리 프로세스)이다. 표면 개질 처리 프로세스는 처리 가스 혼합물을 처리 구역 내로 공급하는 것을 포함한다. 이어서, 처리 가스 혼합물로부터 플라즈마가 형성되어 전극의 표면을 플라즈마 처리함으로써 전극의 적어도 일부분이 여기된 상태로 활성화되어, 처리된 상부 표면을 갖는 처리된 전극이 형성되며, 이는 이어서, 후속하여 증착되는 세라믹 분리기 층의 핵형성/성장 조건들을 향상시킬 수 있다.
일 구현에서, 처리 가스 혼합물은, 산소 함유 가스, 불활성 가스(예컨대, 아르곤, 헬륨), 또는 이들의 조합들 중 적어도 하나를 포함한다. 일 구현에서, 처리 구역 내로 공급되는 산소 함유 가스는, 산소(O2), 오존(O3), 산소 라디칼들(O*), 이온화된 산소 원자들, 이산화탄소(CO2), 산화질소(NOx), 수증기, 또는 이들의 조합들 중 적어도 하나를 포함한다. 다른 산소 함유 가스들이 사용될 수 있다.
산화를 수반하는 본 개시내용의 일 구현에 따르면, 가스 공급원은 산소 가스(O2)를 질량 유동 제어기를 통해 오존 발생기에 공급하고, 오존 발생기는 산소의 큰 분율을 오존 가스(O3)로 전환한다. O2 및 O3의 결과적인 산소 기재 혼합물, 및 아마도 일부 산소 라디칼들(O*) 및 이온화된 산소 원자들 또는 분자들이 처리 구역 내로 전달된다. 산소 기재 가스는 처리 구역 내에서, 미리 결정된, 바람직하게는 낮은 온도로 가열되어 있는 전극의 표면과 반응한다. 오존은 반응 O3 → O2 + O*에서 자발적으로 신속하게 해리되는 준안정 분자이고, 여기서, O*는 라디칼이고, 이는, 산화될 수 있는 이용가능한 어떠한 물질과도 매우 신속하게 반응한다. 오존 발생기는 용량성으로 또는 유도성으로 결합된 플라즈마 또는 UV 램프 공급원을 포함하는 다수의 형태들로 구현될 수 있다.
이러한 높은 오존 농도들에서, 비교적 높은 산화 속도들을 달성하기 위해 전극이 매우 많이 가열될 필요는 없다. 높은 오존 농도는 또한 오존 분압이 감소될 수 있게 한다. 높은 오존 분율은 20 Torr 미만의 압력들에서 오존 산화가 수행될 수 있게 한다. 전술된 표면 개질 기법은 예시적인 것이며, 선택된 표면 개질을 달성하는 다른 표면 개질 기법들이 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예컨대, 일부 구현들에서, 이러한 준비는 전극을 코로나 처리에 노출시키는 것, (예컨대, 산화제를 이용하여) 그것을 화학적으로 처리하는 것, 또는 고분자 전해질을 전극의 표면에 흡착시키거나 그라프팅하는 것을 포함할 수 있다. 대전된 전극을 갖는 것은, 반대로 대전된 물질의 제1 층이 전극에 결합되기에 적절할 수 있다.
일부 구현들에서, 표면 개질 처리 프로세스는 전자 빔 처리 프로세스이다. 전자 빔 공급원은, 전극을 코팅하기 전에 전극의 표면 상으로 지향된다. 전자 빔 공급원은 선형 공급원일 수 있다. 전자 빔을 방출하는 전자 빔 디바이스는 전형적으로, 전자 빔이 자신의 전체 폭에 걸쳐 전극에 영향을 미치도록 적응되므로, 전극의 길이방향 이동으로 인해, 전극의 (일 측 상의) 전체 표면이 전자 빔으로 처리된다. 전자 빔 디바이스는, 예컨대, 전자 플러드 건, 선형 전자 건, 전자 빔 등과 같은 전자 공급원일 수 있다. 전자 공급원에서 사용되는 가스는, 아르곤, O2, N2, CO2, 또는 He, 보다 특히, O2, N2, CO2, 또는 He일 수 있다.
방출된 전자들로 처리된 전극은, 전극과 후속하여 증착되는 세라믹 분리기 층 사이의 개선된 접착력을 달성하기 위해, 물리적으로, 각각 구조적으로 변경된다. 선택된 효과는, 1 keV 내지 15 keV, 더 전형적으로는 5 keV 내지 10 keV, 예컨대, 6 keV, 7 keV, 8 keV 또는 9 keV의 에너지들로 전자들을 제공함으로써 달성될 수 있다. 전형적인 전자 전류들은 20 mA 내지 1500 mA, 예컨대 500 mA이다.
일부 구현들에서, 방법(500)(도 5 참조), 방법(600)(도 6 참조), 방법(700)(도 7 참조), 또는 방법(800)(도 8 참조) 전에, 전극(예컨대, 음의 전극 및/또는 양의 전극)의 표면들은 임의적으로 냉각 프로세스에 노출된다. 일 구현에서, 전극 구조의 표면들은, 섭씨 -20 도 내지 실온(즉, 섭씨 20 내지 22 도)으로(예컨대, 섭씨 -10 도 내지 섭씨 0 도로) 냉각될 수 있다. 일부 구현들에서, 전극 구조는, 전극 구조가 그 위에서 이동되는 드럼을 냉각시킴으로써 냉각될 수 있다. 다른 능동 냉각 수단이 사용되어 전극 구조를 냉가시킬 수 있다. 증발 프로세스 동안, 전극 구조는 섭씨 1,000 도를 초과하는 온도들에 노출될 수 있는데, 따라서, 동작(510), 동작(610), 및 동작(710)의 증발 프로세스들 전에 전극 구조를 냉각시키는 것이 유익하다.
도 5는 본원에서 설명된 하나 이상의 구현에 따른 셀 구조를 형성하기 위한 방법(500)의 일 구현을 요약하는 프로세스 흐름도를 예시한다. 셀 구조는, 예컨대, 도 1에 도시된 셀 구조(100)일 수 있다.
동작(510)에서, 처리 구역에서 증착될 물질을 증발시키기 위해, 음의 전극의 표면 및 양의 전극의 표면 중 적어도 하나 상에 증착될 물질이 증발 프로세스에 노출된다. 일부 구현들에서, 음의 전극은 음의 전극(140)이고, 양의 전극은 양의 전극(120)이다. 일부 구현들에서, 증착될 물질은 단일 전극(예컨대, 음의 전극 또는 양의 전극) 상에 증착된다. 일부 구현들에서, 증착될 물질은 음의 전극 및 양의 전극 둘 모두 상에 증착된다. 일부 구현들에서, 음의 전극 및 양의 전극 상의 증착은 동일한 처리 챔버에서 발생할 수 있거나 별개의 처리 챔버들에서 발생할 수 있다. 일부 구현들에서, 음의 전극 및 양의 전극 상의 증착은 순차적으로 또는 동시에 발생할 수 있다.
증발 물질은, 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 니오븀(Nb), 탄탈럼(Ta), 티타늄(Ti), 이트륨(Y), 란타넘(La), 규소(Si), 붕소(B), 은(Ag), 크로뮴(Cr), 구리(Cu), 인듐(In), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 니켈(Ni), 주석(Sn), 이테르븀(Yb), 리튬(Li), 칼슘(Ca), 또는 이들의 조합들로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 전형적으로, 증착될 물질은 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 금속이다. 추가로, 증발 물질은 2개 이상의 금속의 합금일 수 있다. 증발 물질은 증발 동안 증발되는 물질이며, 이를 이용하여, 하나 이상의 전극의 표면(들)이 코팅된다. 증착될 물질(예컨대, 알루미늄)은 도가니 내에 제공될 수 있다. 알루미늄은, 예컨대, 열 증발 기법들에 의해, 또는 전자 빔 증발 기법들에 의해 증발될 수 있다.
일부 구현들에서, 증발 물질은 와이어로서 도가니에 공급된다. 이러한 경우, 공급률들 및/또는 와이어 직경들은 증발 물질과 반응성 가스의 적절한 비율이 달성되도록 선택되어야 한다. 일부 구현들에서, 도가니로의 공급을 위한 공급 와이어의 직경은 0.5 mm 내지 2.0 mm(예컨대, 1.0 mm 내지 1.5 mm)로 선택된다. 이러한 치수들은 증발 물질로 만들어진 수 개의 공급 와이어들에 적용될 수 있다. 와이어의 전형적인 공급률들은 50 cm/min 내지 150 cm/min(예컨대, 70 cm/min 내지 100 cm/min)의 범위 내에 있다.
도가니는, 세라믹 분리기 층(예컨대, 세라믹 분리기 층(130))으로 하나 이상의 전극의 표면(들)을 코팅하기 위해서 동작(510)에서 공급되는 반응성 가스와 반응하는 증기를 생성하기 위해 가열된다. 전형적으로, 도가니는 도가니의 대향하는 측들에 위치된 도가니의 전극들에 전압을 인가함으로써 가열된다. 일반적으로, 본원에서 설명된 구현들에 따르면, 도가니의 물질은 전도성이다. 전형적으로, 도가니 물질로서 사용되는 물질은 용융 및 증발에 사용되는 온도들에 대해 온도 저항성을 갖는다. 전형적으로, 본 개시내용의 도가니는, 금속성 붕소화물, 금속성 질화물, 금속성 탄화물, 비-금속성 붕소화물, 비-금속성 질화물, 비-금속성 탄화물, 질화물, 질화티타늄, 붕소화물들, 흑연, TiB2, BN, B4C, 및 SiC로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 만들어진다.
증착될 물질은 증발 도가니를 가열함으로써 용융되고 증발된다. 가열은, 도가니의 제1 전기적 연결부 및 제2 전기적 연결부에 연결된 전원(도시되지 않음)을 제공함으로써 수행될 수 있다. 예를 들면, 이러한 전기 연결부들은 구리 또는 이들의 합금으로 만들어진 전극들일 수 있다. 따라서, 가열은 도가니의 몸체를 통해 흐르는 전류에 의해 수행된다. 다른 구현들에 따르면, 가열은 또한 증발 장치의 조사 가열기 또는 증발 장치의 유도성 가열 유닛에 의해 수행될 수 있다.
본 개시내용에 따른 증발 유닛은 전형적으로, 섭씨 1,300 도 내지 섭씨 1,600 도, 이를테면 섭씨 1,560 도의 온도로 가열가능하다. 이는, 도가니를 통한 전류를 그에 따라 조절함으로써, 또는 조사를 그에 따라 조절함으로써 행해진다. 전형적으로, 도가니 물질은 그 범위의 온도들에 의해 도가니 물질의 안정성이 부정적인 영향을 받지 않도록 선택된다. 전형적으로, 하나 이상의 전극의 속도는 20 cm/min 내지 200 cm/min, 더 전형적으로는 80 cm/min 내지 120 cm/min의 범위 내, 이를테면, 100 cm/min이다. 이러한 경우들에서, 운반하기 위한 수단은 그 속도들로 기판을 운반할 수 있어야 한다.
동작(520)에서, 증발된 물질과 반응하여 적어도 음의 전극의 표면 및 양의 전극의 표면 상에 세라믹 분리기 층이 형성되도록, 반응성 가스가 처리 구역 내로 유동된다. 본원에서 설명된 다른 구현들과 조합될 수 있는 전형적인 구현들에 따르면, 반응성 가스들은, 산소 함유 가스들, 질소 함유 가스들, 또는 이들의 조합들로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 본원에서 설명된 구현들에 사용될 수 있는 예시적인 산소 함유 가스들은, 산소(O2), 오존(O3), 산소 라디칼들(O*), 이온화된 산소 원자들, 이산화탄소(CO2), 산화질소(NOx), 수증기, 또는 이들의 조합들을 포함한다. 본원에서 설명된 구현들에 사용될 수 있는 예시적인 질소 함유 가스들은, N2, N2O, NO2, NH3, 또는 이들의 조합들을 포함한다. 더 추가적인 구현들에 따르면, 부가적인 가스들, 전형적으로는 아르곤과 같은 불활성 가스들이, 반응성 가스를 포함하는 가스 혼합물에 부가될 수 있다. 그에 의해, 전형적으로, 반응성 가스의 양이 더 쉽게 제어될 수 있다. 본원에서 설명된 다른 구현들과 조합될 수 있는 전형적인 구현들에 따르면, 프로세스는, 1*10-2 mbar 내지 1*10-6 mbar(예컨대, 1*10-3 mbar 또는 그 미만; 1*10-4 mbar 또는 그 미만)의 전형적인 기압을 갖는 진공 환경에서 수행될 수 있다.
동작(520)에서, 일부 구현들에서는, 습윤 산소가 반응성 가스로서 사용될 수 있다. 습윤 산소는, 증발된 물질과 반응하여 전극의 표면 상에 증착되는 수산화알루미늄 산화물((AlO(OH))이 형성되도록, 수증기를 함유하는 캐니스터를 통해 산소를 유동시킴으로써 형성될 수 있다. 수산화알루미늄 산화물((AlO(OH))은 전형적으로, 다이어스포어((α-AlO(OH))), 보에마이트(γ-AlO(OH)), 또는 아크달라아이트(5Al2O3·H2O))의 형태를 취한다. 이론에 얽매이는 것은 아니지만, 수산화알루미늄 산화물이 열역학적으로 안정할 뿐만 아니라 수소 결합이 또한 전극의 표면에 대한 세라믹 분리기 층의 결합 강도를 개선하는 데 도움이 된다.
일부 구현들에서, 동작(520) 동안, 반응성 가스 혼합물로부터 플라즈마가 형성된다. 일부 구현들에서, 플라즈마는 산소 함유 플라즈마이다. 산소 함유 플라즈마는 증발된 물질과 반응하여 전극의 표면 상에 세라믹 분리기 층을 증착시킨다. 일 구현에서, 반응성 가스 혼합물은, 산소 함유 가스, 불활성 가스(예컨대, 아르곤, 헬륨), 또는 이들의 조합들 중 적어도 하나를 포함한다. 일 구현에서, 처리 구역 내로 공급되는 산소 함유 가스는, 산소(O2), 오존(O3), 산소 라디칼들(O*), 이온화된 산소 원자들, 이산화탄소(CO2), 산화질소(NOx), 수증기, 또는 이들의 조합들 중 적어도 하나를 포함한다. 다른 산소 함유 가스들이 사용될 수 있다. 일부 구현들에서, 플라즈마는, 원격 플라즈마 공급원을 사용하여 형성되어 처리 구역으로 전달된다.
일부 구현들에서, 동작(520) 동안, 가스 공급원은 산소 가스(O2)를 질량 유동 제어기를 통해 오존 발생기에 공급하고, 오존 발생기는 산소의 큰 분율을 오존 가스(O3)로 전환한다. O2 및 O3의 결과적인 산소 기재 혼합물, 및 아마도 일부 산소 라디칼들(O*) 및 이온화된 산소 원자들 또는 분자들이 처리 구역 내로 전달된다. 산소 기재 가스는 처리 구역 내에서, 미리 결정된, 바람직하게는 낮은 온도로 가열되어 있는 전극 구조의 표면과 반응한다. 오존은 반응 O3 → O2 + O*에서 자발적으로 신속하게 해리되는 준안정 분자이고, 여기서, O*는 라디칼이고, 이는, 산화될 수 있는 이용가능한 어떠한 물질과도 매우 신속하게 반응한다. 오존 발생기는 용량성으로 또는 유도성으로 결합된 플라즈마 또는 UV 램프 공급원을 포함하는 다수의 형태들로 구현될 수 있다.
양의 전극 및/또는 음의 전극의 적어도 하나의 가장자리가 노출된 채 남아있는 일부 구현들에서, 단락을 피하기 위해서는 노출된 가장자리 상에 부가적인 세라믹 가장자리 코팅을 증착하는 것이 바람직할 수 있다. 세라믹 가장자리 코팅은, 세라믹 분리기 층과 동일한 물질을 함유할 수 있다. 세라믹 가장자리 코팅은, 습식 증착 방법들(예컨대, 슬롯-다이 코팅) 및 그에 후속되는 임의적 건조 및/또는 캘린더링(calendaring) 동작들을 사용하여 증착될 수 있다. 세라믹 가장자리 코팅은 전형적으로, 세라믹 분리기 층과 유사한 두께를 갖는다. 일 구현에서, 가장자리 코팅 프로세스는 동작(510) 전에 발생한다. 다른 구현에서, 가장자리 코팅 프로세스는 동작(520) 이후에 발생한다.
동작(530)에서, 음의 전극과 양의 전극 사이에 세라믹 분리기 층이 있도록 음의 전극과 양의 전극이 함께 결합되어 셀 구조, 예컨대, 셀 구조(100)를 형성한다.
도 6은 본원에서 설명된 하나 이상의 구현에 따른 셀 구조를 형성하기 위한 방법(600)의 일 구현을 요약하는 프로세스 흐름도를 예시한다. 셀 구조는, 예컨대, 도 2에 도시된 셀 구조(200)일 수 있다. 방법(600)은, 겔 중합체 층이 음의 전극의 표면 또는 양의 전극의 표면 상에 증착되는 동작(630)을 방법(600)이 포함한다는 것을 제외하고는 방법(500)과 유사하다. 일부 구현들에서, 겔 중합체 층은 겔 중합체 층(210)이다. 일부 구현들에서, 음의 전극은 음의 전극(140)이고, 양의 전극은 양의 전극(120)이다. 일부 구현들에서, 세라믹 분리기 층(130)은 단일 전극(예컨대, 음의 전극 또는 양의 전극) 상에 증착되고, 겔 중합체 층(210)은 전극들을 함께 결합시키기 전에 다른 하나의 전극 상에 증착된다.
동작(610)에서, 처리 구역에서 증착될 물질을 증발시키기 위해, 음의 전극의 표면 및 양의 전극의 표면 중 적어도 하나 상에 증착될 물질이 증발 프로세스에 노출된다. 동작(610)은 동작(510)과 유사하게 수행될 수 있다. 동작(620)에서, 증발된 물질과 반응하여 적어도 음의 전극의 표면 및 양의 전극의 표면 상에 세라믹 분리기 층이 형성되도록, 반응성 가스가 처리 구역 내로 유동된다. 동작(620)은 동작(520)과 유사하게 수행될 수 있다.
동작(630)에서, 겔 중합체 층은 음의 전극의 표면 및 양의 전극의 표면 중 적어도 하나 상에 증착된다. 겔 중합체 층(210)에 대한 중합체는, Li-이온 배터리 산업에서 현재 사용되는 중합체들로부터 선택될 수 있다. 겔 중합체 층을 형성하는 데 사용될 수 있는 중합체들의 예들은, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥시드(PEO), 폴리-아크릴로니트릴(PAN), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 및 이들의 조합들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 이론에 얽매이는 것은 아니지만, 겔 중합체 층(210)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. 겔 중합체 층(210)은 딥 코팅, 슬롯-다이 코팅, 그라비어 코팅, 또는 인쇄에 의해 형성될 수 있다. 중합체는 또한 어플라이드 머티어리얼스의 메타코트 장비를 사용하여 증착될 수 있다. 유전체 중합체 층은 약 5 나노미터 내지 약 1 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다.
동작(640)에서, 사이에 세라믹 분리기 층 및 겔 중합체 층이 있게 음의 전극과 양의 전극이 함께 결합되어 셀 구조, 예컨대, 셀 구조(200)를 형성한다.
도 7은 본원에서 설명된 하나 이상의 구현에 따른 셀 구조를 형성하기 위한 방법(700)의 일 구현을 요약하는 프로세스 흐름도를 예시한다. 셀 구조는, 예컨대, 도 3에 도시된 셀 구조(300)일 수 있다. 방법(700)은, 음의 전극과 양의 전극을 함께 결합시키기 전에, 세라믹 분리기 층들이 양의 전극 및 음의 전극 둘 모두 상에 증착되고 겔 중합체 층이 세라믹 분리기 층들 중 하나 상에 증착된다는 것을 제외하고는 방법(600)과 유사하다. 일부 구현들에서, 겔 중합체 층은 겔 중합체 층(310a)이고, 제1 세라믹 분리기 층은 세라믹 분리기 층(330a)이고, 제2 세라믹 분리기 층은 세라믹 분리기 층(330b)이다. 일부 구현들에서, 음의 전극은 음의 전극(140)이고, 양의 전극은 양의 전극(120)이다.
동작(710)에서, 처리 구역에서 증착될 물질을 증발시키기 위해, 음의 전극의 표면 및 양의 전극의 표면 중 적어도 하나 상에 증착될 물질이 증발 프로세스에 노출된다. 동작(710)은 동작(510) 및 동작(610)과 유사하게 수행될 수 있다. 동작(720)에서, 증발된 물질과 반응하여 음의 전극의 표면 상에 제1 세라믹 분리기 층이 그리고 양의 전극의 표면 상에 제2 세라믹 분리기 층이 형성되도록, 반응성 가스가 처리 구역 내로 유동된다. 일부 구현들에서, 음의 전극 및 양의 전극 상의 증착은 동일한 처리 챔버에서 발생할 수 있거나 별개의 처리 챔버들에서 발생할 수 있다. 일부 구현들에서, 음의 전극 및 양의 전극 상의 증착은 순차적으로 또는 동시에 발생할 수 있다. 동작(720)은 동작(520) 및 동작(620)과 유사하게 수행될 수 있다.
동작(730)에서, 겔 중합체 층은 제1 세라믹 분리기 층 및 제2 세라믹 분리기 층 중 적어도 하나 상에 증착된다. 겔 중합체 층(310)에 대한 중합체는, Li-이온 배터리 산업에서 현재 사용되는 중합체들로부터 선택될 수 있다. 겔 중합체 층을 형성하는 데 사용될 수 있는 중합체들의 예들은, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥시드(PEO), 폴리-아크릴로니트릴(PAN), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 및 이들의 조합들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 중합체는 또한 Li2O와 같은 염을 갖는 액정일 수 있다. 이론에 얽매이는 것은 아니지만, 겔 중합체 층(310)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. 겔 중합체 층(310)은 딥 코팅, 슬롯-다이 코팅, 그라비어 코팅, 또는 인쇄에 의해 형성될 수 있다. 중합체는 또한 어플라이드 머티어리얼스의 메타코트 장비를 사용하여 증착될 수 있다. 유전체 중합체 층은 약 5 나노미터 내지 약 1 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다.
동작(740)에서, 사이에 제1 세라믹 분리기 층, 겔 중합체 층, 및 제2 세라믹 분리기 층이 있게 음의 전극과 양의 전극이 함께 결합되어 셀 구조, 예컨대, 셀 구조(300)를 형성한다.
도 8은 본원에서 설명된 하나 이상의 구현에 따른 전극 구조를 형성하기 위한 방법(800)의 일 구현을 요약하는 프로세스 흐름도를 예시한다. 셀 구조는, 예컨대, 도 4에 도시된 셀 구조(400)일 수 있다. 동작(810)에서, 음의 전극이 제공된다. 음의 전극 구조는 음의 전극(140)일 수 있다.
동작(820)에서, 리튬 금속 층이 음의 전극 상에 형성된다. 리튬 금속 층은 사전-리튬화 층(410)일 수 있다. 일 구현에서, 알칼리 금속 막이 기판 상에 형성된다. 일부 구현들에서, 음의 전극(140)이 이미 존재하는 경우, 사전-리튬화 층(410)은 음의 전극(140) 상에 형성된다. 음의 전극(140)이 존재하지 않는 경우, 리튬 금속 막이 음의 집전체(150) 상에 직접 형성될 수 있다. 리튬 금속의 박막들을 증착하기 위한 임의의 적합한 리튬 금속 막 증착 프로세스가 사용되어 리튬 금속의 박막을 증착할 수 있다. 리튬 금속의 박막의 증착은, PVD 프로세스들, 이를테면, 증발, 슬롯-다이 프로세스, 전사 프로세스, 스크린 인쇄 또는 3차원 리튬 인쇄 프로세스에 의해 이루어질 수 있다. 알칼리 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(830)에서, 보호 층이 임의적으로 리튬 금속 층 상에 형성된다. 보호 층은 보호 막(420)일 수 있다. 보호 막(420)은 플루오린화리튬 막 또는 탄산리튬 막일 수 있다. 일 구현에서, 보호 막(420)은 증발 프로세스를 통해 형성된다. 기판 상에 증착될 물질은, 처리 구역에서 증착될 물질을 증발시키기 위해 증발 프로세스에 노출된다. 증발 물질은, 리튬(Li), 플루오린화리튬(LiF)(예컨대, 초고순도 단결정 리튬), 산화알루미늄(AlOx), 탄산리튬(Li2CO3), 또는 이들의 조합들로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 전형적으로, 증착될 물질은 리튬과 같은 금속을 포함한다. 추가로, 증발 물질은 또한 무기 화합물일 수 있다. 증발 물질은, 증발 프로세스 동안 증발되어 리튬 금속 막에 코팅되는 물질이다. 증착될 물질(예컨대, 플루오린화리튬)은 도가니 내에 제공될 수 있다. 플루오린화리튬은, 예컨대, 열 증발 기법들에 의해, 또는 전자 빔 증발 기법들에 의해 증발될 수 있다. 이러한 AlOx는 nm 두께일 수 있지만 비-다공성일 수 있다. 일부 전기화학적 조건들 하에서 이온 전도성 Li-Al-O가 형성될 수 있다.
일부 구현들에서, 증발 물질은 펠릿 형식으로 도가니에 공급된다. 일부 구현들에서, 증발 물질은 와이어로서 도가니에 공급된다. 이러한 경우, 공급률들 및/또는 와이어 직경들은 증발 물질과 반응성 가스의 요구되는 비율이 달성되도록 선택되어야 한다. 일부 구현들에서, 도가니로의 공급을 위한 공급 와이어의 직경은 0.5 mm 내지 2.0 mm(예컨대, 1.0 mm 내지 1.5 mm)로 선택된다. 이러한 치수들은 증발 물질로 만들어진 수 개의 공급 와이어들에 적용될 수 있다. 와이어의 전형적인 공급률들은 50 cm/min 내지 150 cm/min(예컨대, 70 cm/min 내지 100 cm/min)의 범위 내에 있다.
도가니는, 보호 막으로 리튬 금속 막을 코팅하기 위한 증기를 생성하기 위해 가열된다. 전형적으로, 도가니는 도가니의 대향하는 측들에 위치된 도가니의 전극들에 전압을 인가함으로써 가열된다. 일반적으로, 본원에서 설명된 구현들에 따르면, 도가니의 물질은 전도성이다. 전형적으로, 도가니 물질로서 사용되는 물질은 용융 및 증발에 사용되는 온도들에 대해 온도 저항성을 갖는다. 전형적으로, 본 개시내용의 도가니는, 금속성 붕소화물, 금속성 질화물, 금속성 탄화물, 비-금속성 붕소화물, 비-금속성 질화물, 비-금속성 탄화물, 질화물, 질화티타늄, 붕소화물들, 흑연, 텅스텐, TiB2, BN, B4C, 및 SiC로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 만들어진다.
증착될 물질은 증발 도가니를 가열함으로써 용융되고 증발된다. 가열은, 도가니의 제1 전기적 연결부 및 제2 전기적 연결부에 연결된 전원(도시되지 않음)을 제공함으로써 수행될 수 있다. 예를 들면, 이러한 전기 연결부들은 구리 또는 이들의 합금으로 만들어진 전극들일 수 있다. 따라서, 가열은 도가니의 몸체를 통해 흐르는 전류에 의해 수행된다. 다른 구현들에 따르면, 가열은 또한 증발 장치의 조사 가열기 또는 증발 장치의 유도성 가열 유닛에 의해 수행될 수 있다.
본 개시내용에 따른 증발 유닛은 전형적으로, 섭씨 800 도 내지 섭씨 1200 도, 이를테면 섭씨 845 도의 온도로 가열가능하다. 이는, 도가니를 통한 전류를 그에 따라 조절함으로써, 또는 조사를 그에 따라 조절함으로써 행해진다. 전형적으로, 도가니 물질은 그 범위의 온도들에 의해 도가니 물질의 안정성이 부정적인 영향을 받지 않도록 선택된다. 전형적으로, 다공성 중합체성 기판의 속도는 20 cm/min 내지 200 cm/min, 더 전형적으로는 80 cm/min 내지 120 cm/min의 범위 내, 이를테면, 100 cm/min이다. 이러한 경우들에서, 운반하기 위한 수단은 그 속도들로 기판을 운반할 수 있어야 한다.
동작(840)에서, 처리 구역에서 증착될 물질을 증발시키기 위해, 리튬 금속 층의 표면 및/또는 보호 층의 표면 중 적어도 하나 상에 증착될 물질이 증발 프로세스에 노출된다. 동작(810)은 동작(510), 동작(610), 및 동작(710)과 유사하게 수행될 수 있다. 동작(850)에서, 증발된 물질과 반응하여 리튬 금속 층의 표면 및/또는 보호 층의 표면 중 적어도 하나 상에 세라믹 분리기 층이 형성되도록, 반응성 가스가 처리 구역 내로 유동된다. 세라믹 분리기 층은 세라믹 분리기 층(430a)일 수 있다. 일부 구현들에서, 음의 전극 및 양의 전극 상의 증착은 동일한 처리 챔버에서 발생할 수 있거나 별개의 처리 챔버들에서 발생할 수 있다. 일부 구현들에서, 음의 전극 및 양의 전극 상의 증착은 순차적으로 또는 동시에 발생할 수 있다. 동작(720)은 동작(520) 및 동작(620)과 유사하게 수행될 수 있다.
임의적으로, 겔 중합체 층이 세라믹 분리기 층 상에 형성된다. 겔 중합체 층은 겔 중합체 층(440)일 수 있고, 동작(730)에서 설명된 겔 중합체 층(310)과 유사하게 형성될 수 있다. 겔 중합체 층(440)에 대한 중합체는, Li-이온 배터리 산업에서 현재 사용되는 중합체들로부터 선택될 수 있다. 겔 중합체 층을 형성하는 데 사용될 수 있는 중합체들의 예들은, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥시드(PEO), 폴리-아크릴로니트릴(PAN), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 및 이들의 조합들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 이론에 얽매이는 것은 아니지만, 겔 중합체 층(440)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. 겔 중합체 층(440)은 딥 코팅, 슬롯-다이 코팅, 그라비어 코팅, 또는 인쇄에 의해 형성될 수 있다. 중합체는 또한 어플라이드 머티어리얼스의 메타코트 장비를 사용하여 증착될 수 있다. 유전체 중합체 층은 약 5 나노미터 내지 약 1 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다.
음의 전극과 양의 전극은, 사이에 세라믹 분리기 층(430a), 겔 중합체 층(440a), 및 세라믹 분리기 층(430b)이 있게 함께 결합되어 셀 구조, 예컨대, 셀 구조(400)를 형성한다.
도 9는 본원에서 설명된 하나 이상의 구현에 따른 세라믹 분리기를 형성하기 위한 통합 처리 툴(900)의 개략도를 예시한다. 특정 구현들에서, 통합 처리 툴(900)은, 일렬로 배열된 복수의 처리 모듈들 또는 챔버들(920 및 930)을 포함하며, 이들 각각은, 연속적인 재료 시트(910)에 대해 하나의 처리 동작을 수행하도록 구성된다. 일 구현에서, 처리 챔버들(920 및 930)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. 특정 구현들에서, 처리 챔버들(920 및 930)은, 연속적인 재료 시트(910)의 양면을 처리하도록 구성된다. 통합 처리 툴(900)이 수직으로 배향된 연속적인 재료 시트(910)를 처리하도록 구성되어 있지만, 통합 처리 툴(900)은 상이한 배향들로, 예컨대, 수평으로 배향된 연속적인 재료 시트(910)에 위치된 기판들을 처리하도록 구성될 수 있다. 특정 구현들에서, 연속적인 재료 시트(910)는 가요성의 전도성 기판이다.
특정 구현들에서, 통합 처리 툴(900)은 이송 메커니즘(905)을 포함한다. 이송 메커니즘(905)은, 연속적인 재료 시트(910)를 처리 챔버들(920 및 930)의 처리 구역을 통해 이동시킬 수 있는 임의의 이송 메커니즘을 포함할 수 있다. 이송 메커니즘(905)은, 공통 운반 아키텍처를 포함할 수 있다. 공통 운반 아키텍처는, 시스템을 위한 권취 릴(914) 및 공급 릴(912)을 갖는 릴-투-릴 시스템을 포함할 수 있다. 권취 릴(914) 및 공급 릴(912)은 개별적으로 가열될 수 있다. 권취 릴(914) 및 공급 릴(912)은, 각각의 릴 내에 위치된 내부 열원 또는 외부 열원을 사용하여 개별적으로 가열될 수 있다. 공통 운반 아키텍처는, 권취 릴(914)과 공급 릴(912) 사이에 위치되는 하나 이상의 중간 이송 릴(913a & 913b, 916a & 916b, 918a & 918b)을 더 포함할 수 있다. 통합 처리 툴(900)이 단일 처리 구역을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 특정 구현들에서, 각각의 프로세스에 대한 별도의 또는 별개의 처리 구역들, 모듈들, 또는 챔버들을 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 불연속 기판들을 운반하도록 구성된다.
통합 처리 툴(900)은, 상이한 처리 챔버들을 통해 연속적인 재료 시트(910)를 이동시키기 위한 공급 릴(912) 및 권취 릴(914)을 포함할 수 있다. 상이한 처리 챔버는, 세라믹 분리기 막의 증착을 위한 제1 처리 챔버(920), 및 세라믹 분리기 막 위의 겔 중합체 층의 증착을 위한 제2 처리 챔버(930)를 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 완성된 전극은 도면들에 도시된 것과 같이 권취 릴(914) 상에 수집되는 것이 아니라, 배터리 셀들을 형성하기 위한 분리기와 양의 전극들 등의 통합을 위해 바로 이어질 수 있다.
제1 처리 챔버(920)는, 연속적인 재료 시트(910) 상에 세라믹 분리기 막을 증착하도록 구성된다. 일 구현에서, 제1 처리 챔버(920)는 증발 챔버이다. 증발 챔버는, 예컨대, 진공 환경에서의 열 증발기 또는 전자 빔 증발기(저온)일 수 있는, 도가니 내에 배치될 수 있는 증발 공급원(944a, 944b)(총칭하여, 944)을 포함하는 것으로 도시된 처리 구역(942)을 갖는다. 처리 구역(942)에 반응성 가스를 공급하기 위한 제1 가스 공급원(950)이 처리 구역(942)과 결합된다. 처리 구역에 플라즈마를 공급하기 위한 원격 플라즈마 공급원(960)이 처리 구역과 결합된다. 원격 플라즈마 공급원(960)은 제2 가스 공급원(970)과 결합될 수 있다.
제2 처리 챔버(930)는, 재료 시트 위에(예컨대, 세라믹 분리기 막 상에) 겔 중합체 층을 증착하도록 구성된다. 겔 중합체 층은, 본원에서 설명된 바와 같은 이온 전도성 물질일 수 있다. 겔 중합체 층은 딥 코팅, 슬롯-다이 코팅, 그라비어 코팅, 적층, 또는 인쇄에 의해 형성될 수 있다.
일 구현에서, 제2 처리 챔버(930)는 3차원 인쇄 챔버이다. 인쇄 챔버는, 중합체 잉크를 인쇄하기 위한 인쇄 공급원(954a, 954b)(총칭하여, 954)을 포함하는 것으로 도시된 처리 구역(952)을 갖는다.
일 구현에서, 처리 구역(942) 및 처리 구역(952)은 처리 동안 진공 하에서 및/또는 대기압 미만의 압력으로 유지된다. 처리 구역(942)의 진공 수준은 처리 구역(952)의 진공 수준과 일치하도록 조절될 수 있다. 일 구현에서, 처리 구역(942) 및 처리 구역(952)은 처리 동안 대기압으로 유지된다. 일 구현에서, 처리 구역(942) 및 처리 구역(952)은 처리 동안 불활성 가스 분위기 하에서 유지된다. 일 구현에서, 불활성 가스 분위기는 아르곤 가스 분위기이다. 일 구현에서, 불활성 가스 분위기는 질소 가스(N2) 분위기이다.
부가적인 챔버들이 통합 처리 툴(900)에 포함될 수 있다. 일부 구현들에서, 부가적인 챔버들은 전해질 가용성 결합제의 증착을 제공할 수 있거나, 일부 구현들에서는, 부가적인 챔버들은 전극 물질(양의 또는 음의 전극 물질)의 형성을 제공할 수 있다. 일부 구현들에서, 부가적인 챔버들은 전극의 절삭을 제공한다.
도 10a는 코팅되지 않은 캐소드 물질의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지(1000)를 예시한다. 도 10b는 본원에서 설명된 구현들에 따른, 산화알루미늄으로 코팅된 캐소드 물질의 SEM 이미지(1010)를 예시한다.
도 11은 본원에서 설명된 구현들에 따라 형성되는 세라믹 분리기 층을 갖는 셀 구조(1100)의 개략적인 단면도의 SEM 이미지를 예시한다. 셀 구조(1100)는, 음의 전극과 양의 전극 사이에 위치되는 세라믹 분리기 층을 포함한다. 음의 전극은, 약 55 ㎛의 두께, 및 20 % 미만의 추정된 다공도를 갖는다. 양의 전극(예컨대, LiCoO2)은, 약 65 ㎛의 두께, 및 약 17 %의 추정된 다공도를 갖는다. 세라믹 분리기 층은 약 12 내지 14 ㎛의 두께를 갖는다.
요약하면, 본 개시내용의 이점들 중 일부는, 세라믹 분리기 물질을 전극 물질 상에 직접 효율적으로 증착하는 것을 포함한다. 전극 물질 상에 직접 세라믹 분리기 물질을 증착하는 능력은, 폴리올레핀 분리기들에 대한 필요성을 제거한다. 폴리올레핀 분리기의 제거는, 열 수축의 가능성을 감소시키는 한편, 양의 전극과 음의 전극 사이의 거리를 감소시킨다. 예컨대, 일부 구현들에서, 본원에서 설명된 구현들에 따라 형성된 세라믹 분리기 층은, 전형적으로 약 20 ㎛ 이상의 두께를 갖는 폴리올레핀 분리부와 비교해 볼 때, 3 ㎛ 이하의 두께를 갖는다. 게다가, 본원에서 설명된 건식 코팅 기법들은, 습식 코팅 기법들이 어려움을 겪는 단점들 중 몇몇으로부터 어려움을 겪지 않는다. 예컨대, 습식 코팅 기법들은, 하부 전극 구조에 종종 흡착되는 용매들을 포함하며, 이는, 전체 프로세스에 가외의 건조 동작을 부가한다. 추가로, 본원에서 설명된 일부 구현들에서, 세라믹 분리기 층 증착의 프로세스는, 증착 프로세스 및 처리 툴에 부가적인 건조 구성요소를 부가함이 없이 전극 구조로부터 잔류 수분을 제거하는 진공 코팅 프로세스이다.
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 내용이 본 개시내용의 구현들에 관한 것이지만, 본 개시내용의 다른 그리고 추가적인 구현들이 본 개시내용의 기본적인 범위로부터 벗어나지 않으면서 고안될 수 있으며, 본 개시내용의 범위는 하기의 청구항들에 의해 결정된다.

Claims (15)

  1. 배터리에 대한 분리기를 형성하는 방법으로서,
    처리 구역에 위치된 전극 구조의 표면 상에 증착될 금속성 물질을 증발 프로세스에 노출시키는 단계;
    상기 처리 구역 내로 반응성 가스를 유동시키는 단계; 및
    상기 전극 구조의 표면 상에 세라믹 분리기 층을 증착하기 위해 상기 반응성 가스와 증발된 금속성 물질을 반응시키는 단계를 포함하며, 상기 처리 구역 내로 반응성 가스를 유동시키는 단계는, 상기 처리 구역 내로 습윤 산소를 유동시키는 단계를 포함하는, 배터리에 대한 분리기를 형성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속성 물질은, 알루미늄(Al), 은(Ag), 크로뮴(Cr), 구리(Cu), 인듐(In), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni), 주석(Sn), 이테르븀(Yb), 또는 이들의 조합들로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 배터리에 대한 분리기를 형성하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 분리기 층은 수산화알루미늄 산화물 층인, 배터리에 대한 분리기를 형성하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 증발 프로세스는, 열 증발 프로세스 또는 전자 빔 증발 프로세스인, 배터리에 대한 분리기를 형성하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 증발 프로세스는, 상기 금속성 물질을 섭씨 1,300 도 내지 섭씨 1,600 도의 온도에 노출시키는 것을 포함하는, 배터리에 대한 분리기를 형성하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 분리기 층은 결합제가 없는 세라믹 층인, 배터리에 대한 분리기를 형성하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 분리기 층은, 1 나노미터 내지 3,000 나노미터의 범위 내의 두께를 갖는, 배터리에 대한 분리기를 형성하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 세라믹 분리기 층은, 10 나노미터 내지 500 나노미터의 범위 내의 두께를 갖는, 배터리에 대한 분리기를 형성하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 분리기 층은 보에마이트를 포함하는, 배터리에 대한 분리기를 형성하는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    습식 코팅 기법을 사용하여 상기 전극 구조의 가장자리 상에 세라믹 가장자리 코팅을 증착하는 단계를 더 포함하는, 배터리에 대한 분리기를 형성하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 세라믹 가장자리 코팅을 증착하는 단계는, 상기 전극 구조의 표면 상에 증착될 상기 금속성 물질을 노출시키는 것 이전에 발생하는, 배터리에 대한 분리기를 형성하는 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 세라믹 가장자리 코팅을 증착하는 단계는, 상기 전극 구조의 표면 상에 상기 세라믹 분리기 층을 증착하는 것 이후에 발생하는, 배터리에 대한 분리기를 형성하는 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 전극 구조는 음의 전극인, 배터리에 대한 분리기를 형성하는 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 전극 구조는 양의 전극인, 배터리에 대한 분리기를 형성하는 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 분리기 층 상에 겔 중합체 층을 증착하는 단계를 더 포함하는, 배터리에 대한 분리기를 형성하는 방법.
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