KR20210091342A - 프리-스팬 코팅 시스템들 및 방법들 - Google Patents

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KR20210091342A
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KR1020217021176A
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데이비드 마사유키 이시카와
에질무루간 랑가사미
토마스 골
수브라마냐 피. 헤를
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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

Li-ion 배터리 기판들을 사전-리튬화하기 위한 연속적인 웹 프로세싱 시스템들에 대한 방법 및 장치가 제공된다. 모듈식 프로세싱 시스템은, 이송 볼륨을 정의하는 공통 이송 챔버 몸체를 포함한다. 시스템은, 제1 프로세싱 볼륨을 정의하고 공통 이송 챔버 몸체 상에 포지셔닝된 제1 수직 챔버 몸체를 더 포함한다. 이송 볼륨은 제1 프로세싱 볼륨과 유체 연통한다. 시스템은, 제2 프로세싱 볼륨을 정의하고 공통 이송 챔버 몸체 상에 포지셔닝된 제2 수직 챔버 몸체를 더 포함한다. 이송 볼륨은 제2 프로세싱 볼륨과 유체 연통한다. 시스템은, 전극 구조가 상부에 형성되어 있는 연속적인 가요성 기판을 운송하도록 동작가능한 릴-투-릴 시스템을 더 포함한다. 연속적인 가요성 기판은, 이송 볼륨으로부터, 제1 프로세싱 볼륨을 통과하여, 이송 볼륨으로 복귀하고, 제2 프로세싱 볼륨을 통과하여, 이송 볼륨으로 복귀하게 연장된다.

Description

프리-스팬 코팅 시스템들 및 방법들
[0001] 본 명세서에 설명되는 구현들은 일반적으로 연속적인 웹(continuous web) 프로세싱 시스템들에 관한 것으로, 더 상세하게는 리튬-이온 배터리 기판들을 사전-리튬화(pre-lithiate)하기 위한 연속적인 웹 프로세싱 시스템들에 관한 것이다.
[0002] 재충전가능 전기화학적 저장 시스템들은 일상 생활에서 점점 더 중요해지고 있다. 리튬-이온(Li-ion) 배터리들과 같은 고용량 전기화학적 에너지 저장 디바이스들은, 휴대용 전자기기, 의료, 운송, 그리드-연결된 대용량 에너지 저장, 재생가능 에너지 저장, 및 UPS(uninterruptible power supply)를 포함하는 점점 많은 수의 애플리케이션들에서 사용된다.
[0003] 통상적으로, 리튬 배터리들은 안전상의 이유들 때문에 어떠한 금속성 리튬도 함유하지 않지만, 대신에 흑연 재료를 애노드로서 사용한다. 그러나, 한계 조성 LiC6까지 충전될 수 있는 흑연의 사용은 실리콘-혼합 흑연의 사용과 비교하여 훨씬 더 낮은 용량을 초래한다. 현재, 산업은 에너지 셀 밀도를 증가시키기 위해 흑연-기반 애노드들로부터 실리콘-혼합 흑연으로 이동되고 있다. 그러나, 실리콘 혼합 흑연 애노드들은 제1 사이클 IRC(irreversible capacity loss)을 겪는다. Li-ion 배터리 비에너지(specific energy) 및 에너지 밀도는, 캐소드로부터의 리튬의 대략 5 내지 20 퍼센트가 애노드에서 "SEI"(solid electrolyte interphase formation)에 의해 소비될 때, 제1 사이클 충전 동안 활성 리튬 손실로 인해 현저하게 감소된다.
[0004] 제1 사이클 충전 전의 애노드 사전-리튬화는 활성 리튬 손실을 보상하기 위한 일반적인 전략이다. 더욱이, 사전-리튬화는 Li-ion 배터리 성능에 다른 성능 및 신뢰성 이점들을 제공한다. 예컨대, 사전-리튬화는 Li-ion 배터리 임피던스를 감소시켜, 그에 의해 레이트 능력을 개선시킬 수 있다. 부가적으로, 실리콘-기반 애노드들의 경우, 사전-리튬화는 애노드 기계적 안정성을 향상시키기 위해 실리콘을 사전-팽창시킴으로써 실리콘 균열 및 분쇄를 완화시킬 수 있다.
[0005] 화학적 사전-리튬화, 전기화학적 사전-리튬화, 리튬 금속에 대한 직접적인 접촉에 의한 사전-리튬화, 및 "SLMP"(stabilized lithium metal powder)를 포함하는 다양한 애노드 사전-리튬화 방법들이 존재한다. 그러나, 이들 다양한 애노드 사전-리튬화 방법들은 긴 반응 시간들 및 고유한 안전 위험들을 가지며, 이는 볼륨있는(volume) Li-ion 배터리 제조에 부적합하다.
[0006] 따라서, 제1 사이클 비가역 용량 손실로 인해 손실된 다양한 전극 구조들에서 리튬을 보충하기 위한 사전-리튬화 장치 및 방법들에 대한 필요성이 존재한다.
[0007] 본 명세서에 설명되는 구현들은 일반적으로 연속적인 웹 프로세싱 시스템들에 관한 것으로, 더 상세하게는 Li-ion 배터리 기판들을 사전-리튬화하기 위한 연속적인 웹 프로세싱 시스템들에 관한 것이다. 일 구현에서, 모듈식 프로세싱 시스템이 제공된다. 시스템은 이송 볼륨을 정의하는 공통 이송 챔버 몸체를 포함한다. 시스템은, 제1 프로세싱 볼륨을 정의하고 공통 이송 챔버 몸체 상에 포지셔닝된 제1 수직 챔버 몸체를 더 포함한다. 이송 볼륨은 제1 프로세싱 볼륨과 유체 연통한다. 시스템은, 제2 프로세싱 볼륨을 정의하고 공통 이송 챔버 몸체 상에 포지셔닝된 제2 수직 챔버 몸체를 더 포함한다. 이송 볼륨은 제2 프로세싱 볼륨과 유체 연통한다. 시스템은, 전극 구조가 상부에 형성되어 있는 연속적인 가요성 기판을 운송하도록 동작가능한 릴-투-릴(reel-to-reel) 시스템을 더 포함한다. 연속적인 가요성 기판은, 이송 볼륨으로부터, 제1 프로세싱 볼륨을 통과하여, 이송 볼륨으로 복귀하고, 제2 프로세싱 볼륨을 통과하여, 이송 볼륨으로 복귀하게 연장(extend)된다.
[0008] 다른 구현에서, 모듈식 프로세싱 시스템이 제공된다. 프로세싱 시스템은, 전극 구조가 상부에 형성되어 있는 연속적인 가요성 기판을 운송하도록 동작가능한 릴-투-릴 시스템을 더 포함한다. 릴-투-릴 시스템은, 연속적인 가요성 기판이 프로세싱 전에 와인딩(wind)되어 있고, 프로세싱을 위해 연속적인 가요성 기판을 언와인딩(unwind)하여 방출(release)하도록 동작가능한 언와인딩 릴(unwinding reel)을 포함한다. 릴-투-릴 시스템은, 프로세싱에 후속하여 연속적인 가요성 기판을 수용하도록 동작가능하고, 연속적인 가요성 기판을 와인딩하도록 동작가능한 와인딩 릴을 더 포함한다. 릴-투-릴 시스템은, 연속적인 가요성 기판을 안내하도록 동작가능한, 와인딩 릴과 언와인딩 릴 사이의 경로 상에 위치된 복수의 보조 텐션 릴(auxiliary tension reel)들을 더 포함한다. 프로세싱 시스템은, 이송 볼륨을 정의하는 공통 이송 챔버 몸체를 더 포함한다. 프로세싱 시스템은, 제1 프로세싱 볼륨을 정의하고 공통 이송 챔버 몸체 상에 포지셔닝된 제1 수직 챔버 몸체를 더 포함한다. 이송 볼륨은 제1 프로세싱 볼륨과 유체 연통한다. 프로세싱 시스템은, 제2 프로세싱 볼륨을 정의하고 공통 이송 몸체 상에 포지셔닝된 제2 수직 챔버 몸체를 더 포함한다. 이송 볼륨은 제2 프로세싱 볼륨과 유체 연통한다. 연속적인 가요성 기판은, 이송 볼륨으로부터, 제1 프로세싱 볼륨을 통과하여, 이송 볼륨으로 복귀하고, 제2 프로세싱 볼륨을 통과하여, 이송 볼륨으로 복귀하게 연장된다.
[0009] 또 다른 구현에서, 가요성 기판 상에 사전-리튬화된 전극을 형성하는 방법이 제공된다. 방법은 연속적인 가요성 기판을 제1 수직 프로세싱 모듈의 제1 프로세싱 구역 내로 운송하는 단계를 포함한다. 연속적인 가요성 기판은 전극 구조를 포함한다. 방법은 제1 프로세싱 구역을 통해 연속적인 가요성 기판을 운송하는 동안, 연속적인 가요성 기판을 프리-스팬(free-span) 사전-리튬화 프로세스에 노출시키는 단계를 더 포함한다. 방법은 제1 프로세싱 구역 밖으로 공통 이송 볼륨을 통해 그리고 제2 수직 프로세싱 챔버의 제2 프로세싱 구역 내로 연속적인 가요성 기판을 운송하는 단계를 더 포함한다. 방법은, 제2 프로세싱 구역을 통해 연속적인 가요성 기판을 운송하는 동안, 연속적인 가요성 기판을 프리-스팬 패시베이션 프로세스에 노출시키는 단계를 더 포함한다.
[0010] 본 개시내용의 위에서-언급된 특징들이 상세히 이해될 수 있는 방식으로, 위에서 간략하게 요약된 구현들의 더 구체적인 설명이 구현들을 참조하여 이루어질 수 있는데, 이러한 구현들 중 일부는 첨부된 도면들에 예시되어 있다. 그러나, 첨부된 도면들이 본 개시내용의 통상적인 구현들만을 예시하는 것이므로, 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다는 것이 주목되어야 하는데, 이는 본 개시내용이 다른 균등하게 유효한 구현들을 허용할 수 있기 때문이다.
[0011] 도 1a는 본 명세서에 설명되는 구현들에 따라 형성된 사전-리튬화된 전극 구조를 포함하는 에너지 저장 디바이스의 일 구현의 단면도를 예시한다.
[0012] 도 1b는 본 명세서에 설명되는 구현들에 따라 사전-리튬화된 양면 전극(dual-sided electrode) 구조의 단면도를 예시한다.
[0013] 도 2는 본 개시내용의 하나 이상의 구현들에 따른 모듈식 기판 프로세싱 시스템의 개략적인 측면도를 예시한다.
[0014] 도 3은 도 2의 모듈식 프로세싱 시스템에서 사용될 수 있는 수직 프로세싱 모듈의 개략적인 측면도를 예시한다.
[0015] 도 4는 본 개시내용의 하나 이상의 구현들에 따른, 전극 구조의 사전-리튬화 및 패시베이션의 프로세싱 시퀀스의 일 구현을 요약하는 프로세스 흐름도를 예시한다.
[0016] 이해를 용이하게 하기 위하여, 도면들에 공통적인 동일한 엘리먼트들을 지정하기 위해 가능한 경우 동일한 참조 번호들이 사용되었다. 일 구현의 엘리먼트들 및 특징들이 추가적인 인용 없이 다른 구현들에 유익하게 통합될 수 있다는 것이 고려된다.
[0017] 다음의 개시내용은 사전-리튬화된 전극들, 전술된 사전-리튬화된 전극들을 포함하는 고성능 전기화학적 셀들 및 배터리들, 이를 제조하기 위한 장치 및 방법들을 설명한다. 본 개시내용의 다양한 구현들의 완전한 이해를 제공하기 위해, 다음의 설명 및 도 1a 내지 도 4에서 특정한 세부사항들이 기재된다. 전기화학적 셀들 및 배터리들과 종종 연관된 잘-알려진 구조들 및 시스템들을 설명하는 다른 세부사항들은 다양한 구현들의 설명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위해 다음의 개시내용에서 기재되지 않는다.
[0018] 도면들에 도시된 세부사항들, 치수들, 각도들 및 다른 특징들 중 다수는 단지 특정한 구현들을 예시할 뿐이다. 따라서, 다른 구현들은 본 개시내용의 사상 또는 범위를 벗어나지 않으면서 다른 세부사항들, 컴포넌트들, 치수들, 각도들 및 특징들을 가질 수 있다. 부가적으로, 본 개시내용의 추가적인 구현들은 아래에서 설명되는 세부사항들 중 일부 없이도 실시될 수 있다.
[0019] 본 명세서에 설명되는 구현들은 롤-투-롤 코팅 시스템(roll-to-roll coating system)을 참조하여 아래에서 설명될 것이다. 본 명세서에 설명되는 장치 설명은 예시적이며, 본 명세서에 설명되는 구현들의 범위를 제한하는 것으로 이해되거나 해석되지 않아야 한다. 롤-투-롤 프로세스로서 설명되지만, 본 명세서에 설명되는 구현들이 별개의 기판들 상에서 수행될 수 있다는 것이 또한 이해되어야 한다.
[0020] 본 명세서에 설명되는 구현들은 리튬-이온 배터리 디바이스들에 대한 웹과 같은 가요성 기판의 사전-리튬화를 위해 구성된 프리-스팬 코팅 시스템을 지칭한다. 특히, 프리-스팬 코팅 시스템은, 언와인딩 모듈로부터 언와인딩된 웹과 같은 가요성 기판의 연속적인 프로세싱을 위해 구성된다. 프리-스팬 코팅 시스템은 모듈식 설계로 구성되며, 예컨대 적절한 수의 프로세스 모듈들은 프로세싱 라인에서 서로 인접하게 배열될 수 있고, 가요성 기판은 제1 프로세스 모듈 내로 삽입되고, 라인의 마지막 프로세스 모듈로부터 배출될 수 있다. 더욱이, 개별적인 프로세싱 동작들의 변화가 요구되면, 전체 프리-스팬 코팅 시스템이 재구성될 수 있다.
[0021] 본 명세서에 설명되는 일부 구현들이 실시될 수 있는 특정 기판이 제한되지 않지만, 예컨대 웹-기반 기판들, 패널들 및 이산 시트들을 포함하는 가요성 기판들에 대한 구현들을 실시하는 것이 특히 유익하다는 것을 유의한다. 기판은 또한 포일, 필름, 또는 얇은 플레이트의 형태일 수 있다.
[0022] 본 명세서에 설명되는 구현들 내에서 사용되는 바와 같은 가요성 기판 또는 웹은 통상적으로, 그것이 구부러질 수 있다는 점에서 특성화될 수 있다는 것을 또한 유의한다. 용어 "웹"은 용어 "스트립(strip)" 또는 용어 "가요성 기판"과 동의어로 사용될 수 있다. 예컨대, 본 명세서의 구현들에서 설명되는 바와 같은 웹은 포일일 수 있다.
[0023] 기판이 수직으로 배향된 기판인 일부 구현들에서, 수직으로 배향된 기판이 수직 평면에 대해 각을 이룰 수 있다는 것을 추가로 유의한다. 예컨대, 일부 구현들에서, 기판은 수직 평면으로부터 약 1 도 내지 약 20 도의 각을 이룰 수 있다. 기판이 수평으로 배향된 기판인 일부 구현들에서, 수평으로 배향된 기판은 수평 평면에 대해 각을 이룰 수 있다. 예컨대, 일부 구현들에서, 기판은 수평 평면으로부터 약 1 도 내지 약 20 도의 각을 이룰 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "수직"은 가요성 전도성 기판의 주 표면 또는 증착 표면이 수평선에 대해 수직인 것으로 정의된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "수평"은 가요성 전도성 기판의 주 표면 또는 증착 표면이 수평선에 대해 평행한 것으로 정의된다.
[0024] 프리-스팬 코팅은 웹 코팅 프로세스의 실제 필름 증착 부분 동안 웹이 표면과 접촉하지 않는 웹-코팅 머신 또는 프로세스를 지칭한다는 것을 또한 유의한다.
[0025] 기판 재료의 웹은 상호연결된 프로세스 모듈들의 라인을 통해 연속적으로 전진될 수 있다. 각각의 프로세스 모듈에서, 사전-리튬화 프로세스의 일부가 수행될 수 있다. 예컨대, 리튬-이온 디바이스가 애노드 구조를 포함하면, 하나 이상의 프로세싱 모듈들은 애노드 구조를 사전-리튬화하도록 구성될 수 있고, 하나 이상의 후속 프로세스 모듈들은 사전-리튬화된 애노드 구조 위에 보호 코팅 또는 "패시베이션 코팅"을 형성하도록 구성될 수 있다.
[0026] Li-ion 배터리들의 비에너지 및 에너지 밀도는 제1 사이클 충전 동안의 활성 리튬 손실로 인해 현저하게 감소된다. 제1 사이클 충전 전의 애노드 사전-리튬화는 활성 리튬 손실을 보상하기 위한 일반적인 전략이다. 더욱이, 사전-리튬화는 Li-ion 배터리 성능에 다른 성능 및 신뢰성 이점들을 제공한다. 예컨대, 사전-리튬화는 Li-ion 배터리 임피던스를 감소시켜, 그에 의해 레이트 능력을 개선시킬 수 있다. 부가적으로, 실리콘(Si)-기반 애노드들의 경우, 사전-리튬화는 애노드 기계적 안정성을 향상시키기 위해 실리콘을 사전-팽창시킴으로써 실리콘 균열 및 분쇄를 완화시킬 수 있다.
[0027] 화학적 사전-리튬화, 전기화학적 사전-리튬화, 리튬 금속에 대한 직접적인 접촉에 의한 사전-리튬화, 및 "SLMP"(stabilized lithium metal powder)를 포함하는 다양한 애노드 사전-리튬화 방법들이 존재한다. 이들 기존의 사전-리튬화 방법들은, 볼륨있는 리튬-이온 배터리 제조에 부적합한 일반적인 볼륨있는 Li-ion 배터리 제조 단점들, 이를테면 긴 반응 시간들 및 고유한 안전 위험들을 공유한다.
[0028] Li2CO3 분말 쉘(shell)들의 최대 30%가 균열되지 않은 채로 남아있는 SLMP는 비활성 재료를 셀 질량체에 통합시키며, 이는 Li-ion 배터리의 에너지 밀도를 감소시킨다. SLMP를 확산시키는 동안 전해질 내에서 이탈된 느슨한 분말 입자들은 고유한 안전 및 신뢰성 위험들을 제시한다. 전기화학적 사전-리튬화는 주변 공기에서 반응성 재료를 생성하며, 이는 질소 및 산소 오염으로 인해 셀 임피던스를 증가시킬 수 있다. 리튬 금속에 대한 직접적인 접촉은 60 센티미터 폭의 얇은 리튬 금속 포일들에 의해 방해받는 불균일하고 낮은 수율의 프로세스이며, 20 미터 이하의 길이로 불연속적이다. 부가적으로, 전기화학적 사전-리튬화를 제외하고, 전술된 사전-리튬화 방법들을 사용하여 제조된 Li-ion 배터리들은 반응성 리튬 이온들을 수반하는 방법들을 이용하여 사전-리튬화되는 Li-ion 배터리들만큼 잘 수행되지 않을 수 있다. 반응성 리튬 이온들은 리튬 금속보다 더 효과적인데, 그 이유는 이온들이 전극 기공들을 관통하고 그 사이에 끼워 넣어져서 흑연 복합물 전체에 걸쳐 리튬 합금들을 형성할 수 있기 때문이다.
[0029] 반응성 리튬 이온들을 수반하는 하나의 사전-리튬화 접근법은 진공 열 증발이다. 열 증발은 리튬 원자들의 클러스터들로 구성된 증기를 생성하기 위해 리튬을 가열시키는 것을 수반한다. 리튬 클러스터 증기 질량체 플럭스 및 잔류 열은 리튬-가열 모드에 의해 제어된다. 용융된 리튬의 풀(pool)들은 전자 빔, 플라즈마, 또는 저항성 가열 소스들을 사용하여 가열 및 제어될 수 있다. 전기화학적 사전-리튬화와 마찬가지로, 열 증발은 애노드 내에 합금들을 형성할 수 있는 반응성 리튬 이온들을 전달한다. 전기화학적 사전-리튬화와 달리, 열 증발은, 반응성 재료들이 애노드를 오염시킬 수 있는 산소 및 다른 종들로부터 격리되는 진공 프로세스이다. 추가로, 오염 최소화에 관해, 10E-04 Torr 이하의 압력들에서의 진공 프로세싱은 더 높은 압력들에서 일반적으로 수행되는 오븐 열 처리들보다 더 효과적으로 애노드로부터 잔류 수분을 탈수시키는 부수적인 이점을 갖는다.
[0030] 열 증발은 높은 품질 및 제어가능한 사전-리튬화를 용이하게 하는 것으로 여겨진다. 그러나, 열 증발을 사용하는 전략들은 역사적으로, 자본, 에너지, 및 유지보수 비용들로 인해 엄청난 비용이 들었다. 그 후, 진보된 전극 활성 재료들에 대한 상업적 요구는 진공 열 증발이 이제 장점을 갖는 정도로 성숙되었다. 비용-경쟁력있는 열 증발은 전극 애플리케이션-특정 웹 코팅 시스템 설계 및 동작 방법을 요구한다. 활성 리튬 손실을 보상하기 위한 최적의 사전-리튬화 프로세스는, SEI 형성 동안 소비되는 리튬을 보상하기 위해 반응성 리튬 이온들이 흑연, 실리콘, 및/또는 다른 애노드 성분들과 합금되는 것을 수반한다. 최적의 생산 가치가 있는 제조 방법은 1 미터 폭 및 수천 미터 길이를 초과하는 애노드 기판들을 분당 약 40 미터 이상의 웹 속도들로 웹 프로세싱하는 것을 수반한다.
[0031] 종래의 웹 핸들링 시스템들은 안전한 리튬 열 증발은 고사하고 양면 코팅도 가능하지 않다. 따라서, 디바이스 성능, 수율, 처리량, 및 비용에 대한 볼륨있는 리튬-이온 배터리 제조 목적들을 충족시킬 수 있는 진공 열 증발 사전-리튬화 시스템 및 방법에 대한 필요성이 존재한다.
[0032] 본 개시내용의 일부 구현들에서, 다중 패스(pass) 리튬-이온 배터리 사전-리튬화를 용이하게 하기 위한 냉각 롤러들을 갖는 프리-스팬 코팅 시스템이 제공된다. 일부 구현들에서, 프리-스팬 코팅 시스템은 증착 챔버들, 냉각 턴-어라운드(turn-around) 챔버들, 및 하나 이상의 로드 록(load lock) 챔버들 중 적어도 하나를 포함하는 모듈식 엘리먼트들을 갖는다. 따라서, 모듈식 엘리먼트들 각각은 서로 영향을 주지 않으면서 독립적으로 배열, 재배열, 교체 또는 유지될 수 있다.
[0033] 프리-스팬 코팅 시스템은 특정 애플리케이션에 따라 단면 코팅 또는 양면 코팅 중 어느 하나를 생성하기 위해 설계된다. 일부 구현들에서, 프리-스팬 코팅 시스템은 상이한 온도들에서 다수의 반응성 재료들의 증착을 용이하게 하도록 설계된다. 일부 구현들에서, 온도 측정은 뜨거운 구역을 모니터링하기 위해 비-접촉 고온계들 및 열전대들을 사용하여 달성된다. 일부 구현들에서, 석영 결정 모니터들 및 잔류 가스 분석기들이 증착 레이트들을 검증하는 데 사용된다.
[0034] 일부 구현들에서, 프리-스팬 코팅 시스템은, 특정 애플리케이션에 따라 프로세싱 시간 또는 프로세싱 길이를 조절함으로써 균일한 두께의 필름들이 생성되도록 공간적 또는 시간적 변환 모드들에서 사용된다. 일부 구현들에서, 웹을 손상시킬 수 있는 온도 증가에 대한 대안으로서 웹을 더 빠른 속도로 프로세싱하기 위해, 부가적인 모듈식 프로세싱 챔버들이 유사한 프로세스 키트들과 함께 설치된다. 일부 구현들에서, 가스 분리는 증착 챔버들 아래에 포지셔닝된 공통 이송 챔버에 의해 달성된다. 일부 구현들에서, 웹은, 증착 챔버를 빠져나와 공통 이송 챔버에 진입하기 전에 냉각되며, 이는 이송 챔버의 롤러들 상의 웹의 주름을 최소화한다.
[0035] 일부 구현들에서, 아르곤 또는 헬륨과 같은 적절한 커플링 가스를 통해 커플링된 2개의 유체 냉각식 플레이트들 사이에서 웹을 통과시킴으로써 냉각이 달성된다. 일부 구현들에서, 냉각은 냉각 플레이트들, 냉각 드럼들, 및/또는 냉각 롤러들의 사용에 의해 달성된다.
[0036] 일부 구현들에서, 프리-스팬 코팅 시스템은 효율적인 서비스가용성(serviceability) 및 유지보수를 위한 특징들을 갖는다. 예컨대, 전체 모듈식 증착 챔버는 서비스를 위해 이송 챔버로부터 제거가능하며, 이는 안전한 리튬 핸들링을 용이하게 한다.
[0037] 일부 구현들에서, 프리-스팬 코팅 시스템은 배터리 전극의 양측들을 동시에 사전-리튬화하도록 동작가능하다. 2개의 냉각 드럼들 주위에서 단일-패스 양면 코팅을 이용하는 대안적인 시스템들은 자본 집약적이고, 웹 주름들 및/또는 표면 결함들이 발생하기 쉽고, 처리량이 낮으며, 사전-리튬화를 제어하기가 더 어렵다. 더욱이, 일부 냉각 드럼 설계들은 기생 증착을 겪으며, 이는 열 전달 계수가 드리프트되게 한다. 일부 구현들에서, 프리-스팬 코팅 시스템은 냉각 드럼들 없이 동작하며, 그에 따라 기생 표면적을 최소화한다.
[0038] 일부 구현들에서, 본 명세서에 설명된 시스템들을 사용한 코팅된 전극들의 사전-리튬화는 (1) 리튬-이온 배터리 에너지 밀도(kWh)의 증가, 및 (2) 애노드/캐소드 밸런싱을 위한 캐소드 코팅 로딩, 구체적으로는 고가의 원소들인 코발트 및 니켈의 감소를 허용한다. 따라서, 일부 구현들에서, 본 명세서에 설명되는 프리-스팬 코팅 시스템은 리튬-이온 배터리 제조에서 사용되는 주요 성능 지수(비용/kWh)에 직접적인 영향을 준다. 본 명세서에 설명되는 프리-스팬 코팅 시스템들은 네거티브 또는 포지티브 중 어느 하나인 임의의 코팅된 전극들을 사전-리튬화하기에 적합하다. 본 명세서에 설명되는 프리-스팬 시스템들은 셀 밸런싱에서의 큰 유연성, 예컨대 가역적 애노드/캐소드 용량들 및 비가역적 애노드/캐소드 용량들을 독립적으로 매칭시키기 위한 능력을 배터리 제조사들에게 제공한다.
[0039] 일부 구현들에서, 수직 프리-스팬 코팅을 수행하기 위해 밀착 커플링 가스 확산기가 사용된다.
[0040] 도 1a는 본 명세서에 설명되는 구현들에 따라 형성된 사전-리튬화된 전극 구조를 포함하는 에너지 저장 디바이스(100)의 일 구현의 단면도를 예시한다. 에너지 저장 디바이스(100)는 고체 전해질들(예컨대, 전고체 배터리)을 사용하는 리튬-이온 에너지 저장 디바이스 뿐만 아니라, 액체 또는 폴리머 전해질을 사용하는 리튬-이온 에너지 저장 디바이스일 수 있다. 에너지 저장 디바이스(100)는 포지티브 전류 콜렉터(110), 포지티브 전극 구조(120), 세퍼레이터(130), 네거티브 전극 구조(140), 및 네거티브 전류 콜렉터(150)를 갖는다. 포지티브 전극 구조(120) 및 네거티브 전극 구조(140) 중 적어도 하나는 본 명세서에 설명되는 구현들에 따라 사전-리튬화된다. 도 1a에서, 전류 콜렉터들이 스택을 넘어 연장되는 것으로 도시되지만, 전류 콜렉터들이 스택을 넘어 연장될 필요는 없으며, 스택을 넘어 연장되는 부분들이 탭(tab)들로서 사용될 수 있다는 것을 유의한다.
[0041] 포지티브 전극 구조(120) 및 네거티브 전극 구조(140) 상의 각각의 전류 콜렉터들(110, 150)은 동일하거나 상이한 전자 전도체들일 수 있다. 전류 콜렉터들(110, 150)이 구성될 수 있는 금속들의 예들은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 아연(Zn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 주석(Sn), 실리콘(Si), 망간(Mn), 마그네슘(Mg), 이들의 합금들, 및 이들의 조합들을 포함한다. 일부 구현들에서, 전류 콜렉터들(110, 150)은 폴리머 기판 상에 증착된 금속으로 구성된다.
[0042] 네거티브 전극 구조(140) 또는 애노드는 포지티브 전극 구조(120)와 화합가능한 임의의 재료일 수 있다. 일부 구현들에서, 네거티브 전극 구조(140)는 본 명세서에 설명된 구현들에 따라 사전-리튬화된다. 일부 구현들에서, 네거티브 전극 구조(140)는 372 mAh/g 이상, 바람직하게는 700 mAh/g 이상, 및 가장 바람직하게는 1000 mAh/g 이상의 에너지 용량을 갖는다. 일부 구현들에서, 네거티브 전극 구조(140)는 탄소질 재료(예컨대, 천연 흑연 또는 인조 흑연), 실리콘-함유 흑연, 실리콘, 니켈, 구리, 주석, 인듐, 알루미늄, 실리콘, 이들의 산화물들, 이들의 조합들, 또는 리튬 금속 및/또는 리튬 합금 및 재료들, 이를테면 탄소(예컨대, 코크스, 흑연), 니켈, 구리, 주석, 인듐, 알루미늄, 실리콘, 이들의 산화물들, 또는 이들의 조합들의 혼합물로 구성된다. 탄소질 재료들의 적합한 예들은 천연 및 인조 흑연, 부분적으로 흑연화된 또는 비정질의 탄소, 석유, 코크스, 니들 코크스, 및 다양한 메조페이즈(mesophase)들을 포함한다. 일부 구현들에서, 네거티브 전극 구조(140)는 리튬을 함유하는 인터칼레이션(intercalation) 화합물들 또는 리튬을 함유하는 삽입 화합물들을 포함한다. 일부 구현들에서, 네거티브 전극 구조(140)는 실리콘 흑연 애노드이다.
[0043] 일부 구현들에서, 네거티브 전극 구조(140)를 형성하는 재료는 분말들, 섬유들, 또는 박편들과 같은 분산 형태이다. 일부 구현들에서, 네거티브 전극 구조(140)는, 이를테면 탄소질 분말 및 결합제(binder agent)로부터 슬러리를 준비하고, 슬러리를 전류-콜렉터 상에/내에 적용하고, 그리고 건조시킴으로써 당업계에 알려져 있는 임의의 방법에 의해 제조된다. 이용된다면, 결합제는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 에틸렌-프로필렌 디엔 모노머(EPDM), 에틸렌 비닐 아세테이트 코폴리머(EVA), 및 이들의 조합들을 포함하는(그러나 이에 제한되지 않음) 그러한 화합물들로부터 선택될 수 있다.
[0044] 포지티브 전극 구조(120) 또는 캐소드는 애노드와 화합가능한 임의의 재료일 수 있으며, 인터칼레이션 화합물, 삽입 화합물, 또는 전기화학적 활성 폴리머를 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 포지티브 전극 구조(120)는 본 명세서에 설명된 구현들에 따라 사전-리튬화된다. 적합한 인터칼레이션 재료들은, 예컨대 리튬-함유 금속 산화물들, MoS2, FeS2, MnO2, TiS2, NbSe3, LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, V6O13 및 V2O5를 포함한다. 적합한 리튬-함유 산화물들, 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 계층화-계층화 재료들이 계층화될 수 있으며, 여기서 x는 0(zero) 또는 0이 아닌 수이다. 적합한 포스페이트들은 철 감람석(LiFePO4)일 수 있고, 그것은 변형들(이를테면, LiFe(1-x)MgxPO4), LiMoPO4, LiCoPO4, LiNiPO4, Li3V2(PO4)3, LiVOPO4, LiMP2O7, 또는 LiFe1.5P2O7이며, 여기서 x는 0 또는 0이 아닌 수이다. 예시적인 플루오로포스페이트들은 LiVPO4F, LiAlPO4F, Li5V(PO4)2F2, Li5Cr(PO4)2F2, Li2CoPO4F, 또는 Li2NiPO4F일 수 있다. 예시적인 실리케이트들은 Li2FeSiO4, Li2MnSiO4, 또는 Li2VOSiO4일 수 있다. 예시적인 비-리튬화합물은 Na5V2(PO4)2F3이다.
[0045] 본 개시내용에 따른 리튬-이온 셀의 일부 구현들에서, 리튬은, 네거티브 전극에서는 탄소 흑연(LiC6) 및 포지티브 전극에서는 리튬 망간 산화물(LiMnO4) 또는 리튬 코발트 산화물(LiCoO2)의 결정 구조들의 원자 층들에 함유된다. 그러나, 일부 구현들에서, 네거티브 전극은 또한, 실리콘 및/또는 주석과 같은 리튬-흡수 재료들을 포함할 수 있다. 셀은, 평면 구조로서 도시되더라도, 층들의 스택을 릴링(reeling)함으로써 원통형으로 또한 형성될 수 있으며; 더욱이, 다른 셀 구성들(예컨대, 프리즘형 셀들, 버튼 셀들)이 형성될 수 있다.
[0046] 일 구현에서, 세퍼레이터(130)는 다공성 폴리머 이온-전도 폴리머 기판이다. 일 구현에서, 다공성 폴리머 기판은 다층 폴리머 기판이다. 일부 구현들에서, 세퍼레이터(130)는 임의의 상업적으로 입수가능한 폴리머 미세다공성 멤브레인들(예컨대, 단층 또는 다층(multi-ply)), 예컨대 Polypore(노스캐롤라이나주 샬럿 소재의 Celgard® LLC.), Toray Tonen(BSF(Battery separator film)), SK 에너지(LiBS(lithium ion battery separator)), Evonik industries (SEPARION® 세라믹 세퍼레이터 멤브레인), 아사히 카세히(Asahi Kasei)(Hipore™ 폴리올레핀 평탄 필름 멤브레인), 및 듀폰(DuPont)(Energain®)에 의해 생산되는 폴리머 미세다공성 멤브레인들을 포함한다.
[0047] 일부 구현들에서, 셀 컴포넌트들(120, 130, 및 140)에 주입된 전해질은 액체/겔 또는 고체 폴리머로 구성되며, 각각 상이할 수 있다. 일부 구현들에서, 전해질은 주로 염 및 매질을 포함한다(예컨대, 액체 전해질에서, 매질은 용매로 지칭될 수 있고; 겔 전해질에서, 매질은 폴리머 매트릭스일 수 있음). 염은 리튬 염일 수 있다. 리튬 염은, 예컨대 LiPF6, LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(CF3SO3)3, LiBF6, 및 LiClO4, BETTE 전해질(미네소타주, 미니애폴리스 소재의 3M Corp.로부터 상업적으로 입수가능함) 및 이들의 조합들을 포함할 수 있다.
[0048] 도 1b는 본 명세서에 설명되는 구현들에 따라 사전-리튬화된 양면 전극 구조(170)의 단면도를 예시한다. 양면 전극 구조(170)가 양면 전극 구조로서 도시되지만, 본 명세서에 설명되는 구현들이 또한 단면 전극 구조들에 적용된다는 것이 이해되어야 한다. 양면 전극 구조(170)는 네거티브 전류 콜렉터(150)를 포함하며, 네거티브 전류 콜렉터(150)의 대향 측들 상에 네거티브 전극 구조(140a, 140b)(총괄하여 140)가 형성되어 있다. 네거티브 전극 구조들(140a, 140b) 각각은 주변 산화제들과 같은 오염물들로부터 네거티브 전극 구조(140)를 보호하기 위해, 상부에 패시베이션 필름(160a, 160b)(총괄하여 160)이 각각 형성되어 있다. 일부 구현들에서, 패시베이션 필름(160)은 리튬 이온들 및 리튬 원자들 중 적어도 하나에 대해 투과성이다. 패시베이션 필름(160)은 네거티브 전극 구조(140)의 표면 보호를 제공하며, 이는 건식 룸(dry room)에서의 네거티브 전극 구조(140)의 핸들링을 허용하고, 안정적인 SEI 형성에 기여할 수 있다. 패시베이션 필름(160)을 형성하는 데 사용될 수 있는 재료들의 예들은, 리튬 플루오라이드(LiF) 필름, 리튬 탄산염(Li2CO3) 필름, 리튬 산화물 필름, 리튬 질화물(Li3N) 필름, 리튬 포스페이트(Li3PO4) 필름, 리튬 염화물(LiCl) 필름, 리튬 알킬 실라놀레이트계 필름, 알킬 실록산계 필름, 폴리에틸렌(PE) 필름, 폴리프로필렌(PP) 필름, 폴리스티렌(PS) 필름, 또는 리튬과 반응하지 않는 다른 폴리머 필름, 폴리(아크릴 산), 에틸렌 비닐 아세테이트, 또는 리튬과 반응하는 다른 폴리머 막, 또는 이들의 조합들을 포함한다(그러나 이에 제한되지 않음). 일부 구현들에서, 패시베이션 필름(160)은 기상 증착 방법들, 예컨대 화학 기상 증착(CVD), 원자 층 증착(ALD), 물리 기상 증착(PVD), 이를테면 열 증발 또는 스퍼터링에 의해 네거티브 전극 구조(140) 상에 형성될 수 있다. 일부 구현들에서, 패시베이션 필름(160)은 화학 결합을 용이하게 하기 위해 리튬의 용융점 위로 네거티브 전극 구조(140) 상에 증착된다. 일부 구현들에서, 패시베이션 필름(160)은 리튬의 용융점 미만으로 증착될 수 있으며, 이어서 네거티브 전극 구조(140)는 리튬의 용융점까지 또는 그 초과로 열-처리될 수 있다.
[0049] 일부 구현들에서, 패시베이션 필름(160)은 컨포멀 코팅 또는 이산 필름일 수 있으며, 어느 쪽이든 1 나노미터 내지 2,000 나노미터의 범위(예컨대, 10 나노미터 내지 600 나노미터의 범위; 50 나노미터 내지 100 나노미터의 범위; 50 나노미터 내지 200 나노미터의 범위; 100 나노미터 내지 150 나노미터의 범위)의 두께를 갖는다. 일부 구현들에서, 패시베이션 필름(160)은 1 미크론 내지 50 미크론의 범위(예컨대, 1 미크론 내지 25 미크론의 범위)의 두께를 갖는 이산 필름이다. 코팅 프로세스 파라미터들은, 예컨대 기계적 내구성, 소수성, 및 점착성을 포함하는 패시베이션 필름(160) 보호 표면 속성들을 제어한다. 패시베이션 필름(160) 속성들은, 코팅된 웹 사용가능 저장 수명을 연장시키기 위해 공기와의 반응을 최소화하고, 웹 핸들링을 포함하는 배터리 기판 및 디바이스 제조역량(manufacturability)을 용이하게 하며, 그리고 배터리 조립 및 충전 동안 안정적인 SEI 형성에 기여하기 위해 최적화될 수 있다.
[0050] 도 2는 본 개시내용의 하나 이상의 구현들에 따른 모듈식 프리-스팬 코팅 시스템(200)의 개략적인 측면도를 도시한다. 모듈식 프리-스팬 코팅 시스템은 가요성 웹의 단면 프로세싱 또는 양면 프로세싱 중 어느 하나를 위해 동작가능할 수 있다. 일부 구현들에서, 모듈식 프리-스팬 코팅 시스템(200)은 가요성 기판들 상에 형성된 애노드 구조들 또는 캐소드 구조들을 사전-리튬화하기 위해 동작가능하다. 모듈식 프리-스팬 코팅 시스템(200)은 업스트림 언와인딩 모듈(202), 공통 이송 챔버(220), 복수의 수직 프로세싱 모듈들(210a, 210b ... 210n)(총괄하여 210), 및 다운스트림 와인딩 모듈(204)을 포함하는 롤-투-롤 시스템으로서 구성된다. 일부 구현들에서, 수직 프로세싱 모듈들(210a, 210b ... 210n)은 순차적으로 배열되며, 각각은 연속적인 가요성 기판(230)에 대해 하나의 프로세싱 동작을 수행하도록 구성된다. 각각의 수직 프로세싱 모듈(210)은, 프리-스팬 코팅 프로세스 동안 수직 프로세싱 모듈들(210) 내에 수직으로 배향되는 연속적인 가요성 기판(230)에 대해 프리-스팬 코팅 프로세스를 수행하도록 동작가능하다.
[0051] 도 2에 도시된 바와 같이, 수직 프로세싱 모듈들(210a, 210b ... 210n)은 공통 이송 챔버(220) 상에 포지셔닝된다. 연속적인 가요성 기판(230)은 제1 수직 프로세싱 모듈(210a) 내에 삽입되고, 적절한 프로세싱 동작들 또는 프로세싱 단계들 이후, 마지막 수직 프로세싱 모듈(210n)로부터 배출되는 것으로 도시된다. 따라서, 각각의 수직 프로세싱 모듈(210a 내지 210n)은, 기판이 프로세스 모듈에 삽입되는 측에 업스트림 컴포넌트들 및 기판이 그 프로세스 모듈로부터 배출되는 측에 다운스트림 컴포넌트들, 이를테면 업스트림 언와인딩 모듈(202) 및 다운스트림 와인딩 모듈(204)을 갖는다. 일부 구현들에서, 업스트림 언와인딩 모듈(202) 및 다운스트림 와인딩 모듈(204)은 별개의 챔버들(예컨대, 와인딩 챔버 및 언와인딩 챔버)에 설치된다.
[0052] 일부 구현들에서, 연속적인 가요성 기판(230)은 롤 상에 와인딩되고 15 cm 내지 160 cm의 범위의 폭을 가지며, 통상적으로 대략 300 cm의 폭을 갖는 웹으로서 제공된다. 일부 구현들에서, 연속적인 가요성 기판(230)은 8 μm 내지 200 μm의 범위의 두께, 예컨대 대략 50 μm의 두께를 갖는다. 연속적인 가요성 기판(230)은 전방 표면(234) 및 후방 표면(236)을 갖는다. 일부 구현들에서, 연속적인 가요성 기판(230)은 전극 구조가 상부에 형성되어 있는 가요성 재료를 포함한다. 전극 구조는 애노드 구조 또는 캐소드 구조일 수 있다. 예컨대, 가요성 기판은 도 1b에 도시된 바와 같이 네거티브 전극 구조(140)가 상부에 형성되어 있는 네거티브 전류 콜렉터(150)일 수 있다. 일부 구현들에서, 가요성 기판의 전방 표면(234)의 상부에만 전극 구조가 형성되어 있다. 일부 구현들에서, 전방 표면(234) 및 후방 표면(236) 둘 모두의 상부에 전극 구조들이 형성되어 있다.
[0053] 공통 이송 챔버(220)는 이송 볼륨(224)을 정의하는 공통 이송 챔버 몸체(222)를 포함한다. 일부 구현들에서, 공통 이송 챔버 몸체(222)는 표준 재료들, 이를테면 알루미늄, 석영, 세라믹, 또는 스테인리스 스틸로 제조된다. 공통 이송 챔버 몸체(222)는 연속적인 가요성 기판(230)을 수용하기 위한 복수의 관통-홀들(226a 내지 226h)(총괄하여 226)을 포함한다. 복수의 관통-홀들(226)은 통상적으로, 각각의 대응하는 수직 프로세싱 챔버(210)의 수직 챔버 몸체(240) 내의 대응하는 관통-홀들과 정렬된다. 공통 이송 챔버 몸체(222) 내의 각각의 관통-홀(226)은, 각각의 수직 프로세싱 모듈(210)의 프로세싱 볼륨(244a, 244b ... 244n)(총괄하여 244)과 이송 볼륨(224) 사이의 차동 펌핑을 가능하게 하면서 연속적인 가요성 기판(230)을 수용하도록 사이징(size)된다. 프로세싱 볼륨(244)은 이송 볼륨(224)과 유체 연통한다. 일부 구현들에서, 프로세싱 볼륨(244)은 진공 프로세싱 볼륨이다. 일부 구현들에서, 비활성 가스 환경이 이송 볼륨(224)에서 유지된다. 이송 볼륨(224)의 이러한 비활성 가스 환경은, 공통 이송 챔버(220) 상에 포지셔닝된 다른 수직 프로세싱 모듈들(210)의 프로세싱 볼륨(244)으로부터 각각의 수직 프로세싱 모듈(210)의 프로세싱 볼륨(244)(진공 프로세싱 볼륨일 수 있음)을 격리시킨다(예컨대, 가스 분리를 제공한다). 이러한 격리는 상이한 수직 프로세싱 모듈들(210)에서 화합가능하지 않은 케미스트리(chemistry)들의 사용을 가능하게 한다. 비활성 가스는 인접한 수직 프로세싱 모듈들 사이에서 유동하며, 인접한 수직 프로세싱 모듈들 사이의 전구체 가스 혼합물들의 확산을 방지한다. 일부 구현들에서, 공통 이송 챔버(220)는, 하나의 수직 프로세싱 챔버의 진공 환경과 모듈식 프리-스팬 코팅 시스템(200) 외부의 실질적인 주변(예컨대, 대기) 환경 사이에서 연속적인 가요성 기판(230)을 전달하는 것을 용이하게 하기 위해 필요에 따라 공통 이송 챔버(220)를 펌핑 다운(pump down)하고 배기(vent)시키는 압력 제어 시스템(도시되지 않음)에 커플링된다.
[0054] 일부 구현들에서, 수직 프로세싱 모듈들(210a 내지 210n)은 독립형 모듈식 프로세싱 챔버들이며, 여기서 각각의 모듈식 프로세싱 챔버는 다른 모듈식 프로세싱 챔버들 및 공통 이송 챔버(220)로부터 구조적으로 분리된다. 따라서, 독립형 수직 프로세싱 모듈들(210a 내지 210n) 각각은 다른 수직 프로세싱 모듈들에 영향을 주지 않으면서 독립적으로 배열, 재배열, 교체, 또는 유지될 수 있다. 3개의 수직 프로세싱 모듈들(210a, 210b, 및 210n)이 도시되지만, 임의의 수의 수직 프로세싱 모듈들이 모듈식 프리-스팬 코팅 시스템(200)에 포함될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예컨대, 일부 구현들에서, 2개, 3개, 4개, 5개 또는 그 초과의 수직 프로세싱 모듈들(210)이 모듈식 프리-스팬 코팅 시스템(200)에 포함된다.
[0055] 모듈식 프리-스팬 코팅 시스템(200)의 측방향 치수, 예컨대 기판 이송 방향(232)으로 연장되는 치수는 개별 수직 프로세싱 모듈들(210a 내지 210n)의 프로세싱 챔버들을 수직 배향으로 배열함으로써 감소된다. 더욱이, 본 명세서에 설명되는 구현들에 따르면, 하나의 모듈로부터 다음 모듈로의 연속적인 가요성 기판(230)의 수평 이동 및 그에 의한 수평 웹 제어가 실현될 수 있다. 부가적으로, 연속적인 가요성 기판(230)의 수직 이동은 모듈식 시스템의 어레인지먼트(arrangement)에 의한 연속적인 가요성 기판(230) 상의 전극 구조의 사전-리튬화 동안 제공될 수 있다. 그에 의해, 예컨대 입자들의 박리로 인한 증착된 층들에 대한 손상이 발생할 수 있게 하는, 증착 구역들에서 생성될 수 있는, 증착 프로세스로부터의 자유 흑연 및 기생 입자들이 연속적인 가요성 기판(230)의 전면 상에 떨어질 가능성이 더 낮다.
[0056] 본 개시내용의 일부 구현들에서, 단지 2개의 수직 프로세싱 모듈들(210a, 210b)만이 제시되지만, 타겟팅된 사전-리튬화 프로세스에 따라 부가적인 수직 프로세싱 모듈들(210n)이 포함될 수 있다. 예컨대, 2개의 수직 프로세싱 모듈들(210)만이 존재하는 일부 구현들에서, 제1 수직 프로세싱 모듈(210a)은 열 증발 사전-리튬화 프로세스를 수행하도록 동작가능하고, 제2 수직 프로세싱 모듈(210b)은 사전-리튬화된 전극 위에 패시베이션 필름을 형성하도록 동작가능하다. 2개 초과의 수직 프로세싱 모듈들(210)이 존재하는 일부 구현들에서, 다수의 수직 프로세싱 모듈들(210)은 사전-리튬화 프로세스 및/또는 패시베이션 프로세스에 전용될 수 있다. 일부 구현들에서, 부가적인 수직 프로세싱 모듈들(210)이 추가되며, 부가적인 표면 처리 프로세스들, 이를테면 코로나(corona) 표면 처리 프로세스, 사전-세정 프로세스, 또는 사후 세정 프로세스를 수행하도록 동작가능하다.
[0057] 일부 구현들에서, 수직 프로세싱 모듈(210)은 수직 챔버 몸체(240a, 240b ... 240n)(총괄하여 240)를 포함한다. 일부 구현들에서, 수직 챔버 몸체(240)는 표준 재료들, 이를테면 알루미늄, 석영, 세라믹, 또는 스테인리스 스틸로 제조된다. 파티션 플레이트(partition plate)(242a, 242b, ... 242n)(총괄하여 242)는 수직 챔버 몸체(240)에 의해 정의된 내부 볼륨을 가로질러 연장된다. 파티션 플레이트(242)는 연속적인 가요성 기판(230)의 방향을 반전시키기 위해, 연속적인 가요성 기판(230)을 프로세싱하기 위한 프로세싱 볼륨(244) 및 턴어라운드 볼륨(246a, 246b ... 246n)(총괄하여 246)으로 내부 볼륨을 분리시킨다. 파티션 플레이트(242)는 연속적인 가요성 기판(230)을 수용하기 위한 복수의 관통 홀들(243a 내지 243f)(총괄하여 243)을 포함한다. 파티션 플레이트(242) 내의 각각의 관통-홀(243)은 프로세싱 볼륨(244)과 턴어라운드 볼륨(246) 사이의 차동 펌핑을 가능하게 하면서 연속적인 가요성 기판(230)을 수용하도록 사이징된다.
[0058] 프로세싱 볼륨(244) 및 턴어라운드 볼륨(246)이 공통 챔버 몸체를 공유하는 것으로 도시되지만, 일부 구현들에서, 프로세싱 볼륨(244) 및 턴어라운드 볼륨(246)이 별개의 챔버 몸체들에 의해 정의되며, 턴어라운드 볼륨(246)을 정의하는 챔버 몸체가 프로세싱 볼륨(244)을 정의하는 챔버 몸체 상에 적층되어 있다는 것이 이해되어야 한다. 예컨대, 일부 구현들에서, 수직 프로세싱 모듈(210)은 프로세싱 볼륨(244)을 정의하는 증착 챔버, 및 턴어라운드 볼륨(246)을 정의하는 별개의 턴어라운드 챔버를 포함한다. 증착 챔버 및 턴어라운드 챔버는 별개의 모듈식이고 적층가능한 엘리먼트들이며, 턴어라운드 챔버는 증착 챔버 상에 적층되어 있다.
[0059] 수직 프로세싱 모듈들(210a 내지 210n)은, 본 개시내용의 구현들에 따라 모듈식 프리-스팬 코팅 시스템(200)이 연속적인 가요성 기판(230) 상에 형성된 전극 구조를 사전-리튬화 및/또는 패시베이팅할 수 있게 하는 임의의 적합한 구조, 구성, 어레인지먼트, 및/또는 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 예컨대, 일부 구현들에서, 수직 프로세싱 모듈들(210a 내지 210n)은 열 증발 소스들, 증기 확산기들, 전력 소스들, 개별 압력 제어부들, 증착 제어 시스템들, 및 온도 제어 컴포넌트들을 포함하는 적합한 증착 시스템들을 포함한다(그러나 이에 제한되지 않음). 일부 구현들에서, 수직 프로세싱 모듈들(210a 내지 210n)에는 각각 개별적인 가스 공급들이 제공된다. 수직 프로세싱 모듈들(210a 내지 210n)은 통상적으로 양호한 가스 분리를 제공하기 위해 서로 분리된다. 일부 구현들에서, 수직 프로세싱 모듈들(210a 내지 210n)은 공통 이송 챔버(220)에 의해 서로 분리된다. 모듈식 프리-스팬 코팅 시스템(200)은 일정 수의 수직 프로세싱 모듈들(210a 내지 210n)로 제한되지 않는다. 예컨대, 일부 구현들에서, 모듈식 프리-스팬 코팅 시스템(200)은 2개, 3개, 4개, 5개 또는 그 초과의 수직 프로세싱 모듈들을 포함할 수 있다.
[0060] 일부 구현들에서, 수직 프로세싱 모듈들(210a 내지 210n)은 연속적인 가요성 기판(230)의 하나 이상의 표면들 상에서 표면 변형 처리를 수행하도록 동작가능한 하나 이상의 증착 유닛들(252a 내지 252f)(총괄하여 252)을 포함한다. 하나 이상의 증착 유닛들(252)은 통상적으로, 연속적인 가요성 기판(230)의 프리-스팬 프로세싱을 수행하기 위해 프로세싱 볼륨(244)에 포지셔닝된다. 예컨대, 도 2를 참조하면, 연속적인 가요성 기판(230)이 보조 텐션 릴들(266b)과 보조 텐션 릴(266c) 사이에서 이동되고 있는 동안, 증착 유닛(252a)은 연속적인 가요성 기판(230)을 프로세싱하도록 포지셔닝된다. 일부 구현들에서, 2개의 증착 유닛들(252a, 252b)은 연속적인 가요성 기판(230)에 대해 프로세싱 볼륨(244)의 대향 측들에 배열되며, 증착 유닛들(252a, 252b)은 수직으로 배향되고 연속적인 가요성 기판(230)의 전면(234)을 향한다. 일부 구현들에서, 하나 이상의 증착 유닛들(252)은 연속적인 가요성 기판(230)의 기판 이송 방향(232)에 평행하게 프로세싱 볼륨(244)에 포지셔닝된다. 일부 구현들에서, 하나 이상의 증착 유닛들(252)은, 연속적인 가요성 기판(230) 상에 증착될 재료가 연속적인 가요성 기판(230)의 기판 이송 방향(232)에 대해 실질적으로 수직인 배향으로 전달되도록 포지셔닝된다.
[0061] 일부 구현들에서, 하나 이상의 증착 유닛들(252a 내지 252f)은 기상 증착 소스들이다. 일부 구현들에서, 하나 이상의 증착 유닛들 중 적어도 하나는 증발된 리튬을 연속적인 가요성 기판(230)의 표면에 전달하도록 동작가능한 수직 확산기이다. 일부 구현들에서, 하나 이상의 증착 유닛들은 각각, CVD 소스, PECVD 소스, 및 PVD 소스, 이를테면 스퍼터링 또는 열 증발 소스의 그룹으로부터 개별적으로 선택된다. 일부 구현들에서, 하나 이상의 증착 유닛들(252a 내지 252f)은 증발 소스, 스퍼터 소스, 이를테면 마그네트론 스퍼터 소스, DC 스퍼터 소스, AC 스퍼터 소스, 펄스형 스퍼터 소스를 독립적으로 포함할 수 있으며, 여기서 RF(radio frequency) 스퍼터링, 또는 MF(middle frequency) 스퍼터링이 제공될 수 있다. 하나 이상의 증착 유닛들은 증발 소스를 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 증발 소스는 열 증발 소스 또는 전자 빔 증발 소스 중 어느 하나를 포함한다. 일부 구현들에서, 증발 소스는 리튬(Li) 소스를 포함한다. 일부 구현들에서, 증발 소스는 2개 이상의 금속들의 합금을 포함한다. 증착될 재료(예컨대, 리튬)는 도가니에 제공될 수 있다. 일부 구현들에서, 리튬은 열 증발 기법들에 의해 또는 전자 빔 증발 기법들에 의해 증발된다.
[0062] 일부 구현들에서, 수직 프로세싱 모듈들(210a 내지 210n)은 하나 이상의 냉각 소스들(254a, 254b, … 254n)(총괄하여 254)을 포함한다. 일부 구현들에서, 냉각 소스(254)는 유체 냉각 플레이트이다. 일부 구현들에서, 냉각 소스(254)는 수직 프로세싱 모듈(210)의 프로세싱 볼륨(244)에 포지셔닝된다. 일부 구현들에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 냉각 소스(254)는 이중 증착 유닛들(252) 사이에 포지셔닝된다. 예컨대, 제1 수직 프로세싱 모듈(210a)에서, 냉각 소스(254a)는 증착 유닛들(252a, 252b) 사이에 포지셔닝된다. 냉각 소스(254a)를 증착 유닛들(252a, 252b) 사이에 포지셔닝시키는 것은, 연속적인 가요성 기판(230)이 턴어라운드 볼륨(246)에 접근할 뿐만 아니라, 턴어라운드 볼륨(246)으로부터 복귀하여 이송 볼륨(224)에 접근할 때, 냉각 소스(254a)가 연속적인 가요성 기판(230)을 냉각시키게 허용한다.
[0063] 일부 구현들에서, 수직 프로세싱 모듈들(210a 내지 210n) 중 하나 이상은 화학 기상 증착, 원자 레이저 증착 또는 펄스형 레이저 증착과 같은(그러나 이에 제한되지 않음) 다른 방법들에 의해 증착을 수행하도록 동작가능하다. 일부 구현들에서, 수직 프로세싱 모듈들 중 하나 이상은 플라즈마 처리 프로세스, 이를테면 플라즈마 산화 또는 플라즈마 질화 프로세스를 수행하도록 동작가능하다.
[0064] 일부 구현들에서, 턴어라운드 볼륨(246)은 중간 턴어라운드 롤러(248a, 248b, ... 248n)(총괄하여 248)를 포함한다. 중간 턴어라운드 롤러(248)는 연속적인 가요성 기판(230)의 방향을 수직 상향 이동으로부터 수직 하향 이동으로 전환시킨다. 일부 구현들에서, 중간 턴어라운드 롤러(248)가 연속적인 가요성 기판(230)의 후방 표면(236)을 향하는 경우, 중간 턴어라운드 롤러는 연속적인 가요성 기판(230)의 후방 표면(236)과 직접적으로 접촉하며, 가스 쿠션 롤러로서 설계될 필요가 없을 수 있다. 일부 구현들에서, 중간 턴어라운드 롤러(248)는 가스 쿠션 롤러로 설계된다. 일부 구현들에서, 중간 턴어라운드 롤러(248)는 온도-제어된다. 일부 구현들에서, 중간 턴어라운드 롤러(248)는 가열된다. 중간 턴어라운드 롤러(248)의 가열은 연속적인 가요성 기판(230)에 형성될 수 있는 주름들을 감소시키는 것으로 여겨진다. 일부 구현들에서, 중간 턴어라운드 롤러(248)는 냉각된다. 중간 턴어라운드 롤러(248)를 냉각시키는 것은 프로세싱 볼륨(244)에서의 프로세싱 이후 연속적인 가요성 기판(230)의 온도를 감소시키는 것을 돕는다. 프로세싱 이후 연속적인 가요성 기판(230)을 냉각시키는 것은 연속적인 가요성 기판(230)에 대한 열 손상을 감소시키는 것으로 여겨진다.
[0065] 일부 구현들에서, 모듈식 프리-스팬 코팅 시스템(200)은 공통 운송 아키텍처(260)를 포함한다. 공통 운송 아키텍처(260)는 수직 프로세싱 모듈들(210a 내지 210n) 각각의 프로세싱 볼륨(244)을 통해 연속적인 가요성 기판(230)을 이동시킬 수 있는 임의의 이송 메커니즘을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 공통 운송 아키텍처(260)는, 다운스트림 와인딩 모듈(204)에 포지셔닝된 공통 와인딩 릴(264), 턴어라운드 볼륨(246)에 포지셔닝된 중간 턴어라운드 롤러(248), 및 업스트림 언와인딩 모듈(202)에 포지셔닝된 언와인딩 릴(262)을 갖는 릴-투-릴 시스템이다. 일부 구현들에서, 다운스트림 와인딩 모듈(204), 중간 턴어라운드 롤러(248), 및 언와인딩 릴(262)은 타겟팅된 프로세스 조건들에 따라 개별적으로 가열 또는 냉각된다. 일부 구현들에서, 다운스트림 와인딩 모듈(204), 중간 턴어라운드 롤러(248), 및 언와인딩 릴(262)은 각각의 릴 내에 포지셔닝된 내부 열 소스 또는 외부 열 소스 중 어느 하나를 사용하여 개별적으로 가열된다. 일부 구현들에서, 다운스트림 와인딩 모듈(204), 중간 턴어라운드 롤러(248), 및 언와인딩 릴(262)은 각각의 릴 내에 포지셔닝된 내부 냉각 소스 또는 외부 냉각 소스 중 어느 하나를 사용하여 개별적으로 냉각된다.
[0066] 일부 구현들에서, 공통 운송 아키텍처(260)는 언와인딩 릴(262), 중간 턴어라운드 롤러(248), 및 공통 와인딩 릴(264) 사이에 포지셔닝된 하나 이상의 보조 텐션 릴들(266a 내지 266n)(총괄하여 266)을 더 포함한다. 보조 텐션 릴들(266)은 연속적인 가요성 기판(230)에 대한 인장력을 허용하기 위해, 각각의 수직 프로세싱 모듈(210a 내지 210n), 언와인딩 릴(262), 및 공통 와인딩 릴(264) 사이에서 연속적인 가요성 기판(230)이 운반되는 경로 상에 배치된다. 이러한 인장력은 연속적인 가요성 기판(230)이 아래로 처지는 것 뿐만 아니라 연속적인 가요성 기판(230)의 이동 방향을 변화시키는 것을 방지한다. 따라서, 연속적인 가요성 기판(230)이 연속적으로 긴 경로를 따라 이동되더라도, 특정한 이동 레이트가 일정하게 유지된다. 일부 구현들에서, 보조 텐션 릴들(266) 중 임의의 보조 텐션 릴은 가스 쿠션 롤러들로 교체될 수 있다. 별개의 프로세싱 구역들, 모듈들, 또는 챔버들을 갖는 구현들의 경우, 공통 운송 아키텍처는, 각각의 수직 프로세싱 모듈 또는 프로세싱 볼륨이 개별적인 테이크-업-릴(take-up-reel) 및 피드 릴(feed reel), 그리고 테이크-업-릴과 피드 릴 사이에 포지셔닝된 하나 이상의 선택적인 중간 이송 릴들을 갖는 릴-투-릴 시스템일 수 있다.
[0067] 모듈식 프리-스팬 코팅 시스템(200)을 통한 그리고 개별적인 수직 프로세싱 모듈들(210a 내지 210n)을 통한 연속적인 가요성 기판(230)의 운송 속도는 수직 프로세싱 모듈들(210a 내지 210n)의 수에 기반한다. 일부 구현들에서, 수직 프로세싱 모듈들(210a 내지 210n)을 통해 연속적인 가요성 기판(230)을 이동시키는 데 사용되는 운송 속도는 0.1 m/min 내지 2.5 m/min의 범위에 있고, 통상적으로는 0.6 m/min에 이른다.
[0068] 동작 시에, 연속적인 가요성 기판(230)은 업스트림 언와인딩 모듈(202)로부터 운반되고, 관통-홀(226a)을 통과하여, 공통 이송 챔버(220) 내로 전진한다. 이어서, 연속적인 가요성 기판(230)은, 연속적인 가요성 기판(230)이 제1 수직 프로세싱 모듈(210a)의 프로세싱 볼륨(244a) 내로 전진하도록 관통-홀(226b)을 통해 수직 상향으로 이동된다. 프로세싱 볼륨(244a)에서, 연속적인 가요성 기판(230)은 증착 유닛(252a)과 냉각 소스(254a) 사이에서 이동되며, 여기서 연속적인 가요성 기판(230)은 프리-스팬 표면 변형 프로세스, 이를테면 프리-스팬 사전-리튬화 프로세스에 노출된다. 연속적인 가요성 기판(230)은 관통-홀(243a)을 통해 수직 상향으로 이동되어, 중간 턴어라운드 롤러(248) 주위에서 제1 수직 프로세싱 모듈(210a)의 턴어라운드 볼륨(246) 내로 전진하며, 여기서 연속적인 가요성 기판(230)은 수직 하향으로 이동되도록 전환된다. 연속적인 가요성 기판(230)은 관통-홀(243b)을 통해 수직 하향으로 이동되어, 프로세싱 볼륨(244a)으로 복귀한다. 프로세싱 볼륨(244a)에서, 연속적인 가요성 기판(230)은 증착 유닛(252b)과 냉각 소스(254a) 사이에서 이동되며, 여기서 연속적인 가요성 기판(230)은 부가적인 프리-스팬 표면 변형 프로세스, 이를테면 부가적인 프리-스팬 사전-리튬화 프로세스 또는 프리-스팬 패시베이션 프로세스에 노출된다. 연속적인 가요성 기판(230)은 관통-홀(226c)을 통해 공통 이송 챔버(220) 내로 수직 하향으로 이동된다. 이어서, 연속적인 가요성 기판(230)이 제2 수직 프로세싱 모듈(210b)의 프로세싱 볼륨(244b) 내로 전진하도록, 연속적인 가요성 기판(230)이 관통-홀(226d)을 통해 수직 상향으로 전환될 때까지, 연속적인 가요성 기판(230)은 공통 이송 챔버(220)를 통해 수평 방향으로 이동된다. 프로세싱 볼륨(244b)에서, 연속적인 가요성 기판(230)은 프리-스팬 표면 변형 프로세스, 이를테면 프리-스팬 패시베이션 프로세스에 노출된다. 연속적인 가요성 기판(230)은 관통-홀(243c)을 통해 수직 상향으로 이동되어, 중간 턴어라운드 롤러(248b) 주위에서 제2 수직 프로세싱 모듈(210b)의 턴어라운드 볼륨(246b) 내로 전진하며, 여기서 연속적인 가요성 기판(230)은 수직 하향으로 이동되도록 전환된다. 연속적인 가요성 기판(230)은 관통-홀(243d)을 통해 수직 하향으로 이동되어, 프로세싱 볼륨(244b)으로 복귀하며, 여기서 연속적인 가요성 기판(230)은 부가적인 프리-스팬 표면 변형 프로세스, 이를테면 프리-스팬 패시베이션 프로세스에 노출된다. 연속적인 가요성 기판(230)은 관통-홀(226e)을 통해 수직 하향으로 이동되어, 공통 이송 챔버(220)로 복귀한다. 일부 구현들에서, 가요성 기판은 부가적인 수직 프로세싱 모듈들, 예컨대 수직 프로세싱 모듈(210n)에서 부가적인 프로세싱을 받는다.
[0069] 일반적으로, 모듈식 프리-스팬 코팅 시스템(200)은 모듈식 프리-스팬 코팅 시스템(200)의 자동화된 양상들을 제어하도록 구성된 시스템 제어기(290)를 포함한다. 시스템 제어기(290)는 전체 모듈식 프리-스팬 코팅 시스템(200)의 제어 및 자동화를 용이하게 하며, CPU(central processing unit)(도시되지 않음), 메모리(도시되지 않음), 및 지원 회로들(또는 I/O)(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 소프트웨어 명령들 및 데이터는 CPU에 명령하기 위해 코딩되어 메모리 내에 저장될 수 있다. 시스템 제어기(290)에 의해 판독가능한 프로그램(또는 컴퓨터 명령들)은, 어느 태스크들이 기판에 대해 수행가능한지를 결정한다. 바람직하게, 프로그램은 시스템 제어기(290)에 의해 판독가능한 소프트웨어이며, 그 소프트웨어는 적어도 기판 포지션 정보, 다양한 제어되는 컴포넌트들의 이동 시퀀스, 및 이들의 임의의 조합을 생성 및 저장하기 위한 코드를 포함한다.
[0070] 도 3은 도 2의 모듈식 프리-스팬 코팅 시스템(200)에서 사용될 수 있는 수직 프로세싱 모듈(300)의 개략적인 측면도를 도시한다. 수직 프로세싱 모듈(300)은 양면 프리-스팬 사전-리튬화 프로세스 및/또는 양면 프리-스팬 패시베이션 프로세스와 같은 양면 표면 변형 프로세스를 수행하도록 동작가능하다. 양면 프리-스팬 사전-리튬화 프로세스 동안, 연속적인 가요성 기판(230)의 대향 측들(예컨대, 전방 표면(234) 및 후방 표면(236))은 프리-스팬 사전-리튬화 프로세스 또는 프리-스팬 패시베이션 프로세스에 동시에 노출된다. 수직 프로세싱 모듈(300)은, 수직 프로세싱 모듈(300)이 3개의 증착 유닛들(352a 내지 352c)(총괄하여 352)을 갖는다는 것을 제외하고, 수직 프로세싱 모듈(210)과 유사하다. 하나 이상의 증착 유닛들(352)은 통상적으로, 연속적인 가요성 기판(230)의 프리-스팬 프로세싱을 수행하기 위해 프로세싱 볼륨(344)에 포지셔닝된다. 예컨대, 도 3을 참조하면, 연속적인 가요성 기판(230)이 보조 텐션 릴들(366b)과 보조 텐션 릴(366c) 사이에서 이동되고 있는 동안, 증착 유닛(352a)은 연속적인 가요성 기판(230)을 프로세싱하도록 포지셔닝된다. 연속적인 가요성 기판(230)이 보조 텐션 릴들(366d)과 보조 텐션 릴(366e) 사이에서 이동되고 있는 동안, 증착 유닛(352b)은 연속적인 가요성 기판(230)을 프로세싱하도록 포지셔닝된다. 증착 유닛들(352a 및 352b)은 연속적인 가요성 기판(230)의 전방 표면(234)을 프로세싱하도록 포지셔닝된다. 증착 유닛(352c)은 증착 유닛들(352a 및 352b) 사이에 포지셔닝되며, 연속적인 가요성 기판(230)의 후방 표면(236)을 프로세싱하도록 동작가능하다. 일부 구현들에서, 증착 유닛들(352a 내지 352c)은 증착 유닛(252)과 유사하게 구성된다.
[0071] 도 4는 본 개시내용의 하나 이상의 구현들에 따른, 전극 구조의 사전-리튬화 및 패시베이션의 프로세싱 시퀀스(400)의 일 구현을 요약하는 프로세스 흐름도를 예시한다. 프로세싱 시퀀스(400)는 단면 전극 구조, 예컨대 도 1a에 도시된 전극 구조, 또는 양면 전극 구조, 예컨대 도 1b에 도시된 전극 구조를 사전-리튬화하는 데 사용될 수 있다. 프로세싱 시퀀스(400)는, 예컨대 도 2에 도시된 모듈식 프리-스팬 코팅 시스템(200)을 사용하여 수행될 수 있다.
[0072] 프로세싱 시퀀스(400)는 전극 구조를 포함하는 가요성 기판을 제공함으로써 동작(410)에서 시작된다. 일부 구현들에서, 가요성 기판은, 도 1a에 도시된 바와 같이, 네거티브 전극(애노드 전극), 예컨대 네거티브 전류 콜렉터(150) 상에 형성된 네거티브 전극 구조(140), 또는 포지티브 전극(캐소드 전극), 예컨대 포지티브 전류 콜렉터(110) 상에 형성된 포지티브 전극 구조(120)를 포함하는 연속적인 가요성 기판(230)이다. 일부 구현들에서, 연속적인 가요성 기판(230)은 양면 전극 구조, 이를테면 네거티브 전류 콜렉터(150)를 포함하는 양면 전극 구조(170)를 포함하며, 도 1b에 도시된 바와 같이, 네거티브 전류 콜렉터(150)의 대향 측들 상에는 네거티브 전극 구조(140a, 140b)(총괄하여 140)가 형성되어 있다.
[0073] 동작(420)에서, 가요성 기판은 제1 수직 프로세싱 모듈 내로 이동된다. 도 2를 참조하면, 일부 구현들에서, 연속적인 가요성 기판(230)은 업스트림 언와인딩 모듈(202)로부터 운반되고, 관통-홀(226a)을 통과하여, 공통 이송 챔버(220) 내로 전진한다. 이어서, 연속적인 가요성 기판(230)은, 연속적인 가요성 기판(230)이 제1 수직 프로세싱 모듈(210a)의 프로세싱 볼륨(244a) 내로 전진하도록 관통-홀(226b)을 통해 수직 상향으로 이동된다.
[0074] 동작(430)에서, 가요성 기판은 제1 수직 프로세싱 모듈에서 프로세싱된다. 일부 구현들에서, 프로세스는, 반응성 리튬 이온들이 연속적인 가요성 기판(230) 상에 응축되고 네거티브 전극 구조(140)에서 결정 입계(grain boundary)들을 따라 끼워 넣어지는 것을 수반하는 프리-스팬 사전-리튬화 프로세스이다. 도 2를 참조하면, 일부 구현들에서, 프로세싱 볼륨(244a)에서, 연속적인 가요성 기판(230)은 증착 유닛(252a)과 냉각 소스(254a) 사이에서 이동되며, 여기서 연속적인 가요성 기판(230)은 프리-스팬 표면 변형 프로세스, 이를테면 프리-스팬 사전-리튬화 프로세스에 노출된다. 일부 구현들에서, 증착 유닛(252a)은 증기 확산기이다. 프리-스팬 사전-리튬화 프로세스는 증착 유닛(252a)을 통해 연속적인 가요성 기판(230)을 향해, 기화된 리튬을 전달하는 것을 포함한다. 기화된 리튬은 연속적인 가요성 기판(230)의 전극 구조 상에서 응축됨으로써 전극 구조를 사전-리튬화시킨다. 일부 구현들에서, 사전-리튬화의 정도는 증착 유닛(252)에 의해 방출되는 반응성 리튬 이온들의 온도 및 농도를 조정함으로써 제어된다. 사전-리튬화의 정도는 또한, 연속적인 가요성 기판(230)으로부터 냉각 소스들(254)로의 열 전달 및 운송 속도에 의해 제어된다. 코팅 프로세스가 완료된 이후 리튬이 네거티브 전극에서 결정 입계들을 따라 계속 끼워 넣어질 수 있다는 것을 유의한다. 따라서, 일부 구현들에서, 프리-스팬 사전-리튬화 프로세스는 제어된 정도의 사전-리튬화를 갖는 재료를 생성하기 위해 후속 재료 에이징(aging) 및 다른 처리들과 함께 이용된다.
[0075] 제1 사전-리튬화 프로세스 이후, 연속적인 가요성 기판(230)은 관통-홀(243a)을 통해 수직 상향으로 이동되어, 중간 턴어라운드 롤러(248a) 주위에서 제1 수직 프로세싱 모듈(210a)의 턴어라운드 볼륨(246) 내로 전진하며, 여기서 연속적인 가요성 기판(230)은 수직 하향으로 이동되도록 전환된다. 중간 턴어라운드 롤러(248a)가 온도-제어되는 일부 구현들에서, 연속적인 가요성 기판(230)은 중간 턴어라운드 롤러(248a)에 의해 냉각 또는 가열된다. 연속적인 가요성 기판(230)은 관통-홀(243b)을 통해 수직 하향으로 이동되어, 프로세싱 볼륨(244a)으로 복귀한다. 프로세싱 볼륨(244a)에서, 연속적인 가요성 기판(230)은 증착 유닛(252b)과 냉각 소스(254a) 사이에서 이동되며, 여기서 연속적인 가요성 기판(230)은 연속적인 가요성 기판(230)의 전극 구조에 부가적인 리튬을 제공하기 위해 부가적인 프리-스팬 사전-리튬화 프로세스에 노출된다.
[0076] 동작(440)에서, 연속적인 가요성 기판(230)은 제1 수직 프로세싱 모듈(210a) 밖으로 이동된다. 연속적인 가요성 기판(230)은 관통-홀(226c)을 통해 공통 이송 챔버(220) 내로 수직 하향으로 이동된다. 이어서, 동작(450)에서, 연속적인 가요성 기판(230)이 제2 수직 프로세싱 모듈(210b)의 프로세싱 볼륨(244b) 내로 전진하도록, 연속적인 가요성 기판(230)이 관통-홀(226d)을 통해 수직 상향으로 전환될 때까지, 연속적인 가요성 기판(230)은 공통 이송 챔버(220)를 통해 수평 방향으로 이동된다.
[0077] 동작(460)에서, 연속적인 가요성 기판(230)은 제2 수직 프로세싱 모듈(210b)의 프로세싱 볼륨(244b)에서 프로세싱된다. 제2 수직 프로세싱 모듈(210b)의 프로세싱 볼륨(244b)에서, 연속적인 가요성 기판(230)은 프리-스팬 표면 변형 프로세스, 이를테면 프리-스팬 패시베이션 프로세스에 노출된다. 일부 구현들에서, 프리-스팬 패시베이션 프로세스는 사전-리튬화된 전극 구조 상에 패시베이션 필름, 이를테면 패시베이션 필름(160)을 형성한다. 일부 구현들에서, 패시베이션 필름은 기상 증착 방법들, 예컨대 화학 기상 증착(CVD), 에어로졸 보조 화학 기상 증착(AACVD), 원자 층 증착(ALD), 전기분무 증착(ESD), 또는 물리 기상 증착(PVD), 이를테면 증발 또는 스퍼터링에 의해 전극 구조 상에 형성될 수 있다.
[0078] 동작(470)에서, 연속적인 가요성 기판(230)은 제2 수직 프로세싱 모듈(210b) 밖으로 이동된다. 연속적인 가요성 기판(230)은 관통-홀(226e)을 통해 공통 이송 챔버(220) 내로 수직 하향으로 이동된다. 일 구현에서, 연속적인 가요성 기판(230)이 부가적인 프로세싱을 받는 경우, 연속적인 가요성 기판(230)이 수직 프로세싱 모듈(210n)의 프로세싱 볼륨(244n) 내로 전진하도록, 연속적인 가요성 기판(230)이 관통-홀(226f)을 통해 수직 상향으로 전환될 때까지, 연속적인 가요성 기판(230)은 공통 이송 챔버(220)를 통해 수평 방향으로 이동된다. 다른 구현에서, 연속적인 가요성 기판(230)의 프로세싱이 완료되는 경우, 연속적인 가요성 기판(230)은 관통-홀(226h)을 통해 공통 이송 챔버(220)를 빠져나간다. 공통 이송 챔버(220)를 빠져나간 이후, 연속적인 가요성 기판(230)은 와인딩 릴(264) 상에 와인딩될 수 있다.
[0079] 일부 구현들에서, 패시베이션 필름(160)은, 리튬 용융점 초과 또는 미만에서 리튬과 비활성이거나 반응성인 가스 또는 액체 전구체들을 사용하여 형성될 수 있다. 예컨대, 패시베이션 필름(160)은, 제1 수직 프로세싱 모듈(210a)의 프로세싱 볼륨(244a)에 형성된 사전-리튬화된 표면들 상에 리튬 탄산염(Li2CO3)의 보호 층을 형성하기 위해 제2 수직 프로세싱 모듈(210b)의 프로세싱 볼륨(244b) 내의 증착 유닛(252) 사이에 무수 탄소 이산화물을 도입함으로써 형성될 수 있다. 증착 유닛(252)의 동작 온도 및 연속적인 가요성 기판(230)의 잠열은 리튬 탄산염의 핀홀-없는(pinhole-free) 품질 및 총 두께에 영향을 준다. 일부 구현들에서, 인산 포스페이트(Li3PO4)의 보호 층을 형성하기 위해 탄소 이산화물 대신 인산이 사용되며, 이는 리튬 탄산염보다 수분에 더 저항성있고, 따라서, 코팅된 웹 공기 반응성을 더 긴 기간 동안 감소시키는데 더 효과적이다. 일부 구현들에서, 패시베이션 프로세싱 동안 사전-리튬화된 네거티브 전극 구조(140)를 가열시키는 것을 피하는 것이 바람직한 경우, 클로로실란 증기들은, 패시베이션 필름, 예컨대 리튬 탄산염 또는 리튬 포스페이트보다 더 열 안정적인 패시베이션 필름(160)을 생성하기 위해, 리튬 염화물(LiCl), 및 리튬 알킬 실라놀레이트 유도체들 또는 알킬 실록산들 중 어느 하나의 얇은 층을 생성하는 데 사용된다. 일부 구현들에서, 패시베이션 필름(160)은 2개 이상의 층류(laminar) 필름들, 이를테면 공기 반응성을 최소화하는 리튬 탄산염 필름, 및 유기 층, 이를테면 왁스, 예컨대 웹 내구성을 개선시키고 배터리 조립을 용이하게 하는 Luwax®와 같은 폴리에틸렌 왁스로 구성된다. 일부 구현들에서, 패시베이션 필름(160)은, 안정성 및 저장 수명을 개선시키기 위해, N-메틸-2-피롤리돈(NMP)에서 낮은 용해도를 갖는 폴리에틸렌 산화물, 에틸렌 비닐 아세테이트, 또는 다른 폴리머의 하나 이상의 층들로 구성된다. 공통 이송 챔버(220)는 프로세싱 볼륨(244a)과 프로세싱 볼륨(244b) 사이의 공간적 격리를 제공하여, 패시베이션 프로세스에서 사용되는 반응성 가스 또는 증기 전구체들이 업스트림으로 이동하여 사전-리튬화 프로세스를 오염시키는 것을 방지한다.
[0080] 연속적인 가요성 기판(230)은 관통-홀(243c)을 통해 수직 상향으로 이동되어, 중간 턴어라운드 롤러(248b) 주위에서 제2 수직 프로세싱 모듈(210b)의 턴어라운드 볼륨(246b) 내로 전진하며, 여기서 연속적인 가요성 기판(230)은 수직 하향으로 이동되도록 전환된다. 연속적인 가요성 기판(230)은 관통-홀(243d)을 통해 수직 하향으로 이동되어, 프로세싱 볼륨(244b)으로 복귀하며, 여기서 연속적인 가요성 기판(230)은 부가적인 프리-스팬 표면 변형 프로세스, 이를테면 프리-스팬 패시베이션 프로세스에 노출된다. 연속적인 가요성 기판(230)은 관통-홀(226e)을 통해 수직 하향으로 이동되어, 공통 이송 챔버(220)로 복귀한다.
[0081] 일부 구현들에서, 연속적인 가요성 기판(230)은 부가적인 수직 프로세싱 모듈들, 예컨대 수직 프로세싱 모듈(210n)에서 부가적인 프로세싱을 받는다. 일부 구현들에서, 부가적인 프로세싱은 세퍼레이터, 전해질 용해가능 결합제의 증착을 제공할 수 있거나, 또는 일부 구현들에서, 부가적인 챔버들은 포지티브 전극 구조의 형성을 제공할 수 있다. 일부 구현들에서, 부가적인 챔버들은 네거티브 전극의 절단을 제공한다. 패시베이션 필름은 네거티브 전극의 절단 이후 제거될 수 있다.
[0082] 요약하면, 본 개시내용의 이점들 중 일부는 모듈식 프리-스팬 프로세싱 시스템으로의 사전-리튬화 및 패시베이션의 효율적인 통합을 포함한다. 현재, 리튬 금속 증착은 건식 룸 또는 아르곤 가스 분위기에서 수행된다. 리튬 금속의 휘발성으로 인해, 후속 프로세싱 단계들이 또한 아르곤 가스 분위기에서 수행되어야 한다. 아르곤 가스 분위기에서의 후속 프로세싱 단계들의 수행은 현재 제조 툴들의 개조를 요구할 것이다. 후속 프로세싱 전에 보호 필름으로 리튬 금속을 코팅하는 것은 후속 프로세싱이 진공 하에서 또는 대기에서 수행되게 허용한다는 것이 본 발명자들에 의해 발견되었다. 보호 필름은 비활성 가스 분위기에서 부가적인 프로세싱 동작들을 수행할 필요성을 제거하여, 툴들의 복잡성을 감소시킨다. 보호 필름은 또한, 리튬 금속 필름이 상부에 형성되어 있는 네거티브 전극의 운송, 저장, 또는 그 둘 모두를 허용한다. 부가적으로, 전극 구조의 수직으로 배향된 사전-리튬화 및 패시베이션은 시스템의 풋프린트를 감소시키면서 프로세싱 시간 또는 프로세싱 길이 중 어느 하나의 조절을 허용한다.
[0083] 부가적으로, 프리-스팬 코팅은 증기 소스의 높은 열 부하 부근의 냉각 드럼과 웹 사이의 접촉을 제거한다. 볼륨에서의 증착으로부터 웹 핸들링 요건들을 제거하는 것은 주름들과 같은 와인딩 결함들을 방지한다. 프리-스팬 코팅은 또한, 낮은 레벨의 장비 비용으로 높은 웹 속도(예컨대, 분당 1 미터 초과, 분당 최대 40 미터)를 용이하게 한다. 프리-스팬 코팅 시스템은 주름들을 최소화하도록 설계된다. 일부 구현들에서, 코팅 시스템은 열 민감 기판을 손상시키지 않으면서 코팅 두께 및 균일성을 최대화하기 위해 상이한 온도들에서 동작하는 다수의 챔버들을 갖는다. 일부 구현들에서, 코팅 시스템은 온도들, 프로세싱 길이, 및 웹 속도를 최적화함으로써 코팅 레이트를 제어할 수 있다. 일부 구현들에서, 코팅 시스템은 기생 표면들의 최소화로 인해 높은 리튬 이용 레이트를 갖는다.
[0084] 본 개시내용의 엘리먼트들 또는 본 개시내용의 예시적인 양상들 또는 구현(들)을 도입할 때, 부정 관사 및 정관사들은 엘리먼트들 중 하나 이상이 존재한다는 것을 의미하도록 의도된다.
[0085] 용어들 "포함하는", "포함하다" 및 "갖는"은 포괄적인 것으로 의도되며, 열거된 엘리먼트들 이외의 부가적인 엘리먼트들이 존재할 수 있다는 것을 의미한다.
[0086] 전술한 것이 본 개시내용의 구현들에 관한 것이지만, 본 개시내용의 다른 및 추가적인 구현들이 본 개시내용의 기본적인 범위를 벗어나지 않으면서 안출될 수 있으며, 본 개시내용의 범위는 후속하는 청구항들에 의해 결정된다.

Claims (15)

  1. 모듈식 프로세싱 시스템으로서,
    이송 볼륨을 정의하는 공통 이송 챔버 몸체;
    제1 프로세싱 볼륨을 정의하고 상기 공통 이송 챔버 몸체 상에 포지셔닝된 제1 수직 챔버 몸체 － 상기 이송 볼륨은 상기 제1 프로세싱 볼륨과 유체 연통함 －;
    제2 프로세싱 볼륨을 정의하고 상기 공통 이송 챔버 몸체 상에 포지셔닝된 제2 수직 챔버 몸체 － 상기 이송 볼륨은 상기 제2 프로세싱 볼륨과 유체 연통함 －; 및
    전극 구조가 상부에 형성되어 있는 연속적인 가요성 기판을 운송하도록 동작가능한 릴-투-릴 시스템(reel-to-reel system)을 포함하며,
    상기 연속적인 가요성 기판은, 상기 이송 볼륨으로부터, 상기 제1 프로세싱 볼륨을 통과하여, 상기 이송 볼륨으로 복귀하고, 상기 제2 프로세싱 볼륨을 통과하여, 상기 이송 볼륨으로 복귀하게 연장(extend)되는, 모듈식 프로세싱 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연속적인 가요성 기판을 상기 이송 볼륨에 전달하기 위한 언와인딩 릴(unwinding reel)을 더 포함하며,
    상기 언와이딩 릴에는 상기 연속적인 가요성 기판이 와인딩(wind)되어 있는, 모듈식 프로세싱 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 이송 볼륨으로부터, 상기 표면-프로세싱된 연속적인 가요성 기판을 수용하여 와인딩하도록 동작가능한 와인딩 릴을 더 포함하는, 모듈식 프로세싱 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연속적인 가요성 기판은, 상기 언와인딩 릴로부터, 상기 이송 볼륨을 통과하여, 상기 제1 프로세싱 볼륨을 통과해서, 상기 이송 볼륨으로 복귀하고, 상기 제2 프로세싱 볼륨을 통과하여, 상기 이송 볼륨으로 복귀해서, 상기 와인딩 릴로 연장되는, 모듈식 프로세싱 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이송 볼륨에 포지셔닝되고, 상기 연속적인 가요성 기판을 수평 배향으로부터 수직 배향으로 전환시키도록 동작가능한 제1 텐션 릴(tension reel)을 더 포함하는, 모듈식 프로세싱 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 프로세싱 볼륨에 설치되고, 상기 연속적인 가요성 기판의 이동 방향에 평행하도록 수직으로 포지셔닝된 제1 증기 확산기를 더 포함하는, 모듈식 프로세싱 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    제2 증기 확산기를 더 포함하며,
    상기 제2 증기 확산기는, 상기 제2 증기 확산기에 대향하여 상기 제1 프로세싱 볼륨에 설치되고, 상기 연속적인 가요성 기판의 이동 방향에 평행하도록 수직으로 배치되는, 모듈식 프로세싱 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 증기 확산기와 상기 제2 증기 확산기 사이에 포지셔닝된 냉각 플레이트를 더 포함하는, 모듈식 프로세싱 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 증기 확산기와 상기 제2 증기 확산기 사이에 포지셔닝된 제3 증기 확산기를 더 포함하는, 모듈식 프로세싱 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 수직 이송 챔버 몸체를 가로질러 연장되어, 상기 제1 수직 이송 챔버 몸체를 상기 제1 프로세싱 볼륨 및 제1 턴어라운드(turnaround) 볼륨으로 분할하는 제1 파티션 플레이트를 더 포함하는, 모듈식 프로세싱 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 턴어라운드 볼륨에 포지셔닝되고, 상기 연속적인 가요성 기판의 방향을 수직 상향 이동으로부터 수직 하향 이동으로 전환시키도록 동작가능한 제1 턴어라운드 롤러를 더 포함하는, 모듈식 프로세싱 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 턴어라운드 롤러는 온도-제어되는, 모듈식 프로세싱 시스템.
  13. 가요성 기판 상에 사전-리튬화(pre-lithiate)된 전극을 형성하는 방법으로서,
    연속적인 가요성 기판을 제1 수직 프로세싱 모듈의 제1 프로세싱 구역 내로 운송하는 단계 － 상기 연속적인 가요성 기판은 전극 구조를 포함함 －;
    상기 제1 프로세싱 구역을 통해 상기 연속적인 가요성 기판을 운송하는 동안, 상기 연속적인 가요성 기판을 프리-스팬(free-span) 사전-리튬화 프로세스에 노출시키는 단계;
    상기 제1 프로세싱 구역 밖으로 공통 이송 볼륨을 통해 그리고 제2 수직 프로세싱 챔버의 제2 프로세싱 구역 내로 상기 연속적인 가요성 기판을 운송하는 단계; 및
    상기 제2 프로세싱 구역을 통해 상기 연속적인 가요성 기판을 운송하는 동안, 상기 연속적인 가요성 기판을 프리-스팬 패시베이션 프로세스에 노출시키는 단계를 포함하는, 가요성 기판 상에 사전-리튬화된 전극을 형성하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 프로세싱 구역 밖으로 상기 공통 이송 볼륨을 통해 상기 연속적인 가요성 기판을 운송하는 단계를 더 포함하는, 가요성 기판 상에 사전-리튬화된 전극을 형성하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 공통 이송 볼륨은 비활성 가스 분위기를 포함하는, 가요성 기판 상에 사전-리튬화된 전극을 형성하는 방법.
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11384419B2 (en) 2019-08-30 2022-07-12 Micromaierials Llc Apparatus and methods for depositing molten metal onto a foil substrate
KR20210029478A (ko) * 2019-09-06 2021-03-16 주식회사 엘지화학 전리튬화 반응챔버 장치
US11876213B2 (en) * 2020-01-24 2024-01-16 GM Global Technology Operations LLC Manufacturing process of making negative electrodes for batteries
US11721566B2 (en) * 2021-07-13 2023-08-08 Applied Materials, Inc. Sensor assembly and methods of vapor monitoring in process chambers

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT393184B (de) * 1989-06-07 1991-08-26 Jungfer Akkumulatoren Vorrichtung zur bildung von stapeln von akkumulatorplatten
JP2000307139A (ja) * 1999-04-21 2000-11-02 Fuji Electric Co Ltd 薄膜太陽電池の製造方法及び薄膜電極層形成装置
CN1155734C (zh) * 2002-05-27 2004-06-30 长沙力元新材料股份有限公司 一种组合式物理气相沉积技术生产多孔金属的方法及设备
JP5172134B2 (ja) * 2006-01-10 2013-03-27 パナソニック株式会社 非水電解質二次電池およびその製造方法
BRPI0709199A2 (pt) * 2006-03-26 2011-06-28 Lotus Applied Technology Llc sistema e método para depositar uma pelìcula fina em um substrato flexìvel
ATE445720T1 (de) * 2007-02-28 2009-10-15 Applied Materials Inc Zugangsversperrsystem, netzverarbeitungsanlage und anwendungsverfahren dafür
US20090114534A1 (en) * 2007-08-31 2009-05-07 Geoffrey Green Sputtering Assembly
US20100126849A1 (en) * 2008-11-24 2010-05-27 Applied Materials, Inc. Apparatus and method for forming 3d nanostructure electrode for electrochemical battery and capacitor
EP2299473A1 (en) * 2009-09-22 2011-03-23 Applied Materials, Inc. Modular substrate processing system and method
KR101201755B1 (ko) * 2010-11-02 2012-11-15 삼성에스디아이 주식회사 진공 증착 장치 및 이를 이용한 진공 증착 방법
JP5894820B2 (ja) * 2012-03-13 2016-03-30 日東電工株式会社 導電性フィルムロールの製造方法
US20140326182A1 (en) * 2013-05-03 2014-11-06 Areesys Corporation Continuous Substrate Processing Apparatus
JP2017506290A (ja) * 2014-01-22 2017-03-02 アプライド マテリアルズ インコーポレイテッドＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ フレキシブル基板のスプレッディングためのローラ、フレキシブル基板を処理するための装置、及びそれらを操作する方法
CN105139793A (zh) 2015-08-28 2015-12-09 京东方科技集团股份有限公司 一种阵列基板、其驱动方法、显示面板及显示装置
US10978699B2 (en) * 2016-01-28 2021-04-13 Applied Materials, Inc. Integrated lithium deposition with protective layer tool

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