TW201640388A - 用於製造固態能量儲存裝置之製造設備的設計方法 - Google Patents
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Abstract
本揭露係關於電化學電池的製造。更特別地，本揭露提供用於固態電池裝置之技術，包括一種方法與裝置。
Description
本揭露關於電化學電池之製造。更特別地，本揭露提供用於固態電池裝置之技術，包括一種方法與裝置。
僅僅藉由實例，本發明已經藉由使用鋰基電池來提供，但是大家都知道，從譬如鋅、銀與鉛、鎳之材料製成的其他電池會以相同或相像的方式來操作。此外，此等電池可使用於多種應用，譬如可攜式電子裝置(行動電話、個人數位助理、廣播播放器、音樂播放器、錄影機、以及類似物)、平板及筆記型電腦、用於軍事用途的電源(通訊、照明、成影、衛星、以及類似物)、用於航空太空應用的電源(飛機系統、衛星以及微型飛機)、用於車輛應用的電源(混合式電動車、插入混合式電動車、全電動車、電動機車、水下載具、船艇、大船、電力庭園用曳引機、以及庭園用電動自行車裝置)、用於遙控裝置的電源(無人遙控飛機、無人機、遙控車)、用於自動設備的電源(自動玩具、自動真空吸塵器、自動園藝工具、自動建構公共設施)、用於電力工具的電源(電鑽、電動割草機、電動真空吸塵器、電動金屬作業研磨器、電熱槍、電動壓床擴散工具、電鋸與切削器、電動噴砂器與磨光器、電動剪與切片機、以及路由器)、用於個人衛生裝置的電源(電動牙刷、烘手機以及電動吹風機)、加熱器、冷卻器、冷凝器、風扇、增濕器、用於其他應用的電源(全球衛星定位系統(GPS)裝置、雷射測距儀、手電筒、街道電燈、待機電源、不間斷電源、以及其他可攜式與固定式電子裝置)。用於操作此等電池的方法與系統亦可應用於其中電池不僅是系統中之電源的情形，且額外的電力係由燃料電池、其他電池、內燃(IC)機引擎或其他燃燒裝置、電容器、太陽能電池、其組合、以及其他所提供。
常見的電化學電池常常使用液態電解質。此等電池一般使用
於許多傳統的應用中。用於製造電化學電池的替代技術包括固態電池。此等固態電池通常呈實驗狀態，難以製造，且無法以大規模來成功生產。雖然有希望，但由於電池結構與製造技術的限制無法實現此等固態電池。這些與其他限制已經遍及本說明書且更特別地在下文說明。
固態電池已經被證明具有超過在實驗室設定中使用液態電解質之習知電池的許多優點。安全是最重要的一項。比起液態電解質電池而言，固態電池在本質上更穩定，因為它不含有導致不理想反應的液體，其會造成熱失控，且最糟的情況是爆炸。相較於習知電池，固態電池可儲存相同體積之超過30%的更多能量或相同質量之超過50%的的更多能量。超過10,000循環的良好循環性能以及良好的高溫穩定性亦已經被報導。
儘管固態電池的這些傑出特性，在未來仍有使此類型電池在市場上買得到的挑戰要解決。為了利用緊密度與高能量密度，沒有金屬外殼或過量基材應該被使用。為了在多種應用中使用，譬如消費性電子裝置或電動車，低成本的大面積與快速薄膜沉積技術應該被發展。同樣地，固態、混合式薄膜能量儲存與保留裝置，譬如固態電池、固體氧化物燃料電池、電容器、光伏打電池、以及這些的混合式裝置係由薄膜層的許多組件所組成。這些薄膜層係從不同材料及不同厚度製成。使用物理氣相沉積技術來鋪設一材料以形成薄膜層的沉積速率隨著所使用的材料與處理技術而變。各個別層需要不同的時間來完成以產生薄膜裝置。
依據每一單元時間所產生之裝置單元的數目，固態電池的生產速率取決於最慢、有限速率的處理步驟，以用於具有最大厚度至沉積速率比之層。藉由平行於該指定的多個區與室來分佈沉積任務，可使用多個沉積區與多個沉積室來加速有限速率的處理步驟。不過，所添加的沉積區與腔室增加製造設備的總資本與操作型支出。有必要最佳化沉積區與腔室的數目，以平衡成本與生產速率之間的競爭。相同的最佳化必要性存在用於其他固態、混合式薄膜能量儲存與保留裝置製造處理步驟，其包括化學氣相沉積、物理氣相沉積、原子層沉積、捲繞、切割、使用至少但不限於浸塗之技術的包裝、以及用於附著引線、佈線、移動、處理、以及電子控制組件組裝的機械手臂操作。
不過，用於固態、混合式薄膜能量儲存與保留裝置的現存製
造設備，包括固態電池、固體氧化物燃料電池、電容器、光伏打電池以及這些的混合式裝置，係在沒有實施系統與數學分析之下以任意且基於主觀直覺的方式來設計，以識別出最佳設計。
從上述，可看見，用於改善固態電池之製造的技術高度令人期待。本發明提供用於設計用於製作固態能量儲存裝置之製造設備的技術。藉由使用在本發明中所提供的技術，會有非預期的好處。本發明提供方向於(1)如何選擇電池材料與結構；(2)如何在結晶與非晶電池材料之間選擇；(3)如何選擇材料以避免昂貴的元件以及避免難以處理的材料；(4)是否包括夾層；(5)是否將該等層堆疊與捲繞成電池；以及(6)如何收尾與包裝電池。
根據本揭露，提供了製造電化學電池有關的技術。更特別地，本揭露提供用於固態電池裝置的技術，包括一種方法與裝置。僅僅藉由實例，本發明藉由使用鋰基電池來提供，但是大家都知道，從譬如鋅、銀與鉛、鎳之材料產生的其他電池會以相同或相像的方式來操作。此外，此等電池可使用於多種應用，譬如可攜式電子裝置(行動電話、個人數位助理、廣播播放器、音樂播放器、錄影機、以及類似物)、平板及筆記型電腦、用於軍事用途的電源(通訊、照明、成影、衛星、以及類似物)、用於航空太空應用的電源(飛機系統、衛星以及微型飛機)、用於車輛應用的電源(混合式電動車、插入混合式電動車、全電動車、電動機車、水下載具、船艇、大船、電力庭園用曳引機、以及庭園用電動自行車裝置)、用於遙控裝置的電源(無人遙控飛機、無人機、遙控車)、用於自動設備的電源(自動玩具、自動真空吸塵器、自動園藝工具、自動建構公共設施)、用於電力工具的電源(電鑽、電動割草機、電動真空吸塵器、電動金屬作業研磨器、電熱槍、電動壓床擴散工具、電鋸與切削器、電動噴砂器與磨光器、電動剪與切片機、以及路由器)、用於個人衛生裝置的電源(電動牙刷、烘手機以及電動吹風機)、加熱器、冷卻器、冷凝器、風扇、增濕器、用於其他應用的電源(全球衛星定位系統(GPS)裝置、雷射測距儀、手電筒、街道電燈、待機電源、不間斷電源、以及其他可攜式與固定式電子裝置)。用於操作此等電池的方法與系統亦可應用於其中電池不僅是系統中之電源的情形，且
額外的電力係由燃料電池、其他電池、內燃(IC)機引擎或其他燃燒裝置、電容器、太陽能電池、其組合、以及其他所提供。
常見的電化學電池常常使用液態電解質。此等電池一般使用於許多傳統的應用中。用於製造電化學電池的替代技術包括固態電池。此等固態電池通常呈實驗狀態，難以製造，且無法以大規模來成功生產。雖然有希望，但由於電池結構與製造技術的限制無法實現此等固態電池。這些與其他限制已經遍及本說明書且更特別地在下文說明。
在實驗室設定中，固態電池已經被證明具有超過使用液態電解質之習知電池的許多優點。安全是最重要的一項。比起液態電解質電池而言，固態電池在本質上更穩定，因為它不含有導致不理想反應的液體，其會造成熱失控，且最糟情況是爆炸。比起習知電池，固態電池可儲存用於相同體積之超過30%的更大能量或用於相同質量之超過50%的更大能量。大於10,000循環的良好循環性能以及良好的高溫穩定性亦已經被報導。
儘管固態電池的這些傑出特性，在未來仍有使此類型電池在市場上買得到的挑戰要解決。為了利用緊密度與高能量密度，沒有金屬外殼或過量基材應該被使用。為了在多種應用中使用，譬如消費性電子裝置或電動車，低成本的大面積與快速膜沉積技術應該被發展。同樣地，固態、混合式薄膜能量儲存與保留裝置(譬如固態電池、固體氧化物燃料電池、電容器、光伏打電池、以及這些的混合式裝置)係由薄膜層的許多組件所組成。這些薄膜層係從不同材料及不同厚度產生。使用物理氣相沉積技術來鋪設一材料以形成薄膜層的沉積速率隨著所使用的材料與處理技術而變。各個別層需要不同的時間來完成以產生薄膜裝置。
依據每一單元時間所產生的裝置單元數目，固態電池的生產速率取決於最慢、有限速率的處理步驟，以用於具有最大厚度至沉積速率比之層。藉由平行於該指定的多個區與腔室來分佈沉積任務，可使用多個沉積區與多個沉積室來加速有限速率的處理步驟。不過，所添加的沉積區與腔室增加製造設備的總資本與操作型支出。有必要最佳化沉積區與腔室的數目，以平衡成本與生產速率之間的競爭。相同的最佳化必要性存在用於其他固態、混合式薄膜能量儲存與保留裝置製造處理步驟，其包括化學氣相沉積、物理氣相沉積、原子層沉積、捲繞、切割、使用至少但不限於
浸塗之技術的包裝、以及用於附著引線、佈線、移動、處理以及電子控制組件組裝的機械手臂操作。
不過，用於固態、混合式薄膜能量儲存與保留裝置的現存製造設備，包括固態電池、固體氧化物燃料電池、電容器、光伏打電池以及這些的混合式裝置，係在沒有實施系統與數學分析之下以任意且基於主觀直覺的方式來設計，以識別出最佳設計。
從上述，可看見，用於改善固態電池之製造的技術高度令人期待。本發明提供用於設計用於製作固態能量儲存裝置之製造設備的技術。
用於製作固態混合式薄膜能量儲存與保留裝置之製造設備之設計的方法已經在(Sastry等人的美國專利申請案第US 20120130522號)中被說明，且指定給Mich.,Ann Arbor的Sakti3公司，全文以引用的方式併入。不過，本方法並不是迭代製程且不容納多個限制與目標函數。本發明提供一種用於設計固態電池製造線的迭代方法，其考慮明顯更多的因子。藉由使用在本發明中所提供的技術，會有非預期的好處。藉由使用在本發明中所提供的技術，會有非預期的好處。本發明提供方向於(1)如何選擇電池材料與結構；(2)如何在結晶與非晶電池材料之間選擇；(3)如何選擇材料以避免昂貴的元件以及避免難以處理的材料；(4)是否包括夾層；(5)是否將該等層堆疊與捲繞成電池；以及(6)如何收尾與包裝電池。做為一實例，當因為由鋰鈷氧化物退火所需要的高溫處理熱解聚合物基材，鋰鈷氧化物無法連同聚合物基材來選擇時。當然，會有其他的變化、修正、以及替代。在已知製程技術的情境中，本揭露達到這些好處與其他。不過，本揭露之特性與優點的進一步理解可參考說明書與附圖的後部份來實行。
101‧‧‧固態電池
102‧‧‧固態電池
103‧‧‧固態電池
104‧‧‧固態電池
105‧‧‧薄膜分成碎片
106‧‧‧熱處理以前
107‧‧‧熱處理以後
401‧‧‧裝載腔室
402‧‧‧處理腔室
403‧‧‧處理腔室
404‧‧‧處理腔室
405‧‧‧處理腔室
406‧‧‧處理腔室
407‧‧‧處理腔室
408‧‧‧機械手臂
1501‧‧‧心軸
1503‧‧‧沉積電池
1504‧‧‧推滾輪
1505‧‧‧推滾輪
1506‧‧‧推滾輪
1601‧‧‧心軸
1603‧‧‧心軸
1602‧‧‧捲繞電池
1604‧‧‧推滾輪
1605‧‧‧推滾輪
1606‧‧‧推滾輪
1701‧‧‧空氣吹風器
1702‧‧‧外殼
1704‧‧‧風扇頭
1705‧‧‧多重堆疊電池
以下圖式僅僅為實例，其不應該過度地限制本文中之申請專利範圍的範圍。所屬技術領域中具有通常知識者將認得許多其他的變化、修正、以及替代。亦理解，本文中所說明的實例與實施例僅僅為了說明性目的，且根據其的許多修正或改變將建議給所屬技術領域中具有通常知識者，且將被包括在附加申請專利範圍之此製程與範圍的精神與範圍內。
圖1係為在熱處理期間內之聚合物基材之熱解的簡化繪示。
圖2係為多鼓設計組態的簡化繪示。
圖3係為根據本發明實施例之固態電池製造工廠佈局的簡化圖。
圖4係為根據本發明實施例之固態電池製造群聚工具的簡化圖。
圖5係為根據本發明實施例之固態電池製造群聚工具的簡化圖。
圖6係為根據本發明實施例之固態電池製造直列工具的簡化圖。
圖7係為根據本揭露實例之藉由捲繞之多重堆疊固態電池的示意繪示。
圖8係為根據本揭露實例之在捲繞之後藉由切割來製作多重堆疊固態電池之程序的示意繪示。
圖9係為根據本揭露實例之藉由z-折疊之多重堆疊固態電池的示意繪示。
圖10係為根據本揭露實例之在z-折疊之後藉由切割來製作多重堆疊固態電池之程序的示意繪示。
圖11係為根據本揭露實例之藉由切割與堆疊來製作多重堆疊固態電池之程序的示意繪示。
圖12係為根據本揭露實例之藉由連續沉積順序之堆疊固態電池的示意繪示。
圖13係為說明如何根據本發明實施例來使用工廠設計成型與模擬的簡化流程圖。
圖14係為根據本發明實施例之被包括在製造工廠設計系統中之代碼之模組的簡化圖。
圖15係為根據本發明實施例之顯示在任意形狀心軸上捲繞固態電池的簡化圖。
圖16係為根據本發明實施例之顯示在任意形狀心軸上捲繞的簡化圖。
圖17A係為根據本發明實施例之整合成可攜式風扇之環形框架之多重堆疊固態電池的示意代表圖。
圖17B係為根據本揭露實例之多重堆疊固態電池之任意組態的簡化繪示的清單。
本發明係關於電化學電池的製造。更特別地，本揭露提供用於固態電池裝置之技術，包括一種方法與裝置。僅僅藉由實例，本發明已經藉由使用鋰基電池來提供，但是大家都知道，從譬如鋅、銀與鉛、鎳之材料產生的其他電池會以相同或相像的方式來操作。此外，此等電池可使用於多種應用，譬如可攜式電子裝置(行動電話、個人數位助理、廣播播放器、音樂播放器、錄影機、以及類似物)、平板及筆記型電腦、用於軍事用途的電源(通訊、照明、成影、衛星、以及類似物)、用於航空太空應用的電源(飛機系統、衛星以及微型飛機)、用於車輛應用的電源(混合式電動車、插入混合式電動車、全電動車、電動機車、水下載具、船艇、大船、電力庭園用曳引機、以及庭園用電動自行車裝置)、用於遙控裝置的電源(無人遙控飛機、無人機、遙控車)、用於自動設備的電源(自動玩具、自動真空吸塵器、自動園藝工具、自動建構公共設施)、用於電力工具的電源(電鑽、電動割草機、電動真空吸塵器、電動金屬作業研磨器、電熱槍、電動壓床擴散工具、電鋸與切削器、電動噴砂器與磨光器、電動剪與切片機、以及路由器)、用於個人衛生裝置的電源(電動牙刷、烘手機以及電動吹風機)、加熱器、冷卻器、冷凝器、風扇、增濕器、用於其他應用的電源(全球衛星定位系統(GPS)裝置、雷射測距儀、手電筒、街道電燈、待機電源、不間斷電源、以及其他可攜式與固定式電子裝置)。用於操作此等電池的方法與系統亦可應用於其中電池不僅是系統中之電源的情形，且額外的電力係由燃料電池、其他電池、內燃(IC)機引擎或其他燃燒裝置、電容器、太陽能電池、其組合、以及其他所提供。
依據每一單元時間所產生的裝置單元數目，固態電池的生產速率取決於最慢、有限速率的處理步驟，以用於具有最大厚度至沉積速率比之層。藉由平行於該指定的多個區與腔室來分佈沉積任務，可使用多個沉積區與多個沉積室來加速有限速率的處理步驟。不過，所添加的沉積區與腔室增加製造設備的總資本與操作型支出。有必要最佳化沉積區與腔室的數目，以平衡成本與生產速率之間的競爭。相同的最佳化必要性存在用
於其他固態、混合式薄膜能量儲存與保留裝置製造處理步驟，其包括化學氣相沉積、物理氣相沉積、原子層沉積、捲繞、切割、使用至少但不限於浸塗之技術的包裝、以及用於附著引線、佈線、移動、處理、以及電子控制組件組裝的機械手臂操作。
不過，用於固態、混合式薄膜能量儲存與保留裝置的現存製造設備，包括固態電池、固體氧化物燃料電池、電容器、光伏打電池以及這些的混合式裝置，其係在沒有實施系統與數學分析之下以任意且基於主觀直覺的方式來設計，以識別出最佳設計。
從上述，可看見，用於改善固態電池之製造的技術高度令人期待。本發明提供用於設計用於製作固態能量儲存裝置之製造設備的技術。
用於製作固態混合式薄膜能量儲存與保留裝置之製造設備之設計的方法已經在(Sastry等人的美國專利申請案第US 20120130522號)中被說明，且指定給Mich.,Ann Arbor的Sakti3公司，全文以引用的方式併入。不過，本方法並不是迭代製程且不容納多個限制與目標函數。本發明提供一種用於設計固態電池製造線的迭代方法，其考慮明顯更多的因子。藉由使用在本發明中所提供的技術，會有非預期的好處。本發明提供方向於(1)如何選擇電池材料與結構；(2)如何在結晶與非晶電池材料之間選擇；(3)如何選擇材料以避免昂貴的元件以及避免難以處理的材料；(4)是否包括夾層；(5)是否將該等層堆疊與捲繞成電池；以及(6)如何收尾與包裝電池。做為一實例，當因為由鋰鈷氧化物退火所需要的高溫處理熱解聚合物基材，鋰鈷氧化物無法連同聚合物基材來選擇時。
圖1係為在熱處理期間內之聚合物基材之熱解的簡化繪示。101與102係為沉積在聚合物基材上的兩個固態電池。106顯示這兩電池101與102在任何熱處理以前。藉由在管爐中將電池從室溫加熱到400℃半小時，可施加熱處理。該等電池隨後維持在400℃達1小時，接著在空氣中冷卻一小時。在此熱處理以後，將聚合物基材熱解。107顯示電池103與104在熱處理以後的外觀。儘管活性區域上(薄膜結構中)的電池材料在基材熱解之後維持不變。不過，當電池傳送出管爐時，薄膜會分成碎片，如105所示。此實驗展示並非全部的材料均與全部希望的製程相容。換言之，聚合物基材無法連同陰極材料來使用且破壞沉積膜的整體結構，因為熱處理熱
解聚合物基材，所以該陰極材料需要由此實驗來證明的熱退火。這進一步使多數層電池的製造為不可能。因此，當陰極在沉積之後不需要熱處理時，只可使用聚合物基材，且在沉積期間內的總處理溫度則比該聚合物基材的熱解溫度相對更低。這是重要的，其係因為聚合物基材由於它的撓性而令人期待且使電池層的捲繞與滾動可能可形成更大容量的電池。另一方面，對於不需要熱退火的陰極材料而言，可使用譬如玻璃或陶瓷材料的基材，以取代聚合物基材。
使用於沉積固態電池材料的工具有多種型態。在本發明中所提供的工具可使用於產生具有層數目(範圍從1至N，其中N係為大於1的整數)的多數層固態電池。不同工具組態與設計包括但不限於多鼓設計、捲對捲設計、群聚設計、以及直列設計。
圖2係為多鼓設計組態的簡化繪示。它亦稱為旋轉設計。在旋轉設計中，在特定期間，鼓停留於各處理工具中直到處理任務完成且移動到下一處理工具。在此設計中，鼓的數目等於總處理工具的數目且全部的處理工具沿著圓形線配置。有其他變化、修正、以及替代。所屬技術領域中具有通常知識者將能夠設計具有繞著鼓周圍配置之多數來源以在單一腔室中產生多數層的單鼓系統，或者在單一或多個腔室中設計若干任意來源組合以在轉動基材上產生具體層。所屬技術領域中具有通常知識者將能夠設計具有平表面或彎曲表面或其任何組合的轉動基材，或者設計將當作用於電池生產之心軸之任意形狀的轉動表面。保角塗布電池成此一形狀將使用來產生具有複雜形狀的裝置，該等複雜形狀不需要分開包裝或包裝電池，單一或多個電池。所屬技術領域中具有通常知識者將能夠按需要設計尺寸與形狀變化的腔室，以用於在生產固態電池單元中所使用的多種製程。
圖3係為根據本發明實施例之薄膜電池製造工廠佈局的簡化圖。此圖僅為繪示且不應該過度地限制本文中之申請專利範圍的範圍。如圖示，工廠佈局包括控制移動表面的數個轉動單元，譬如傳送帶或片。此設計稱為捲對捲設計。電池或其他能量來源可使用來驅動轉動單元。移動表面執行數個工具，各個具有指定的功能。在具體實施例中，物理氣相沉積塗布器工具可經組態以用於一種或多種材料的物理氣相沉積，以形成電池裝置的薄膜層。同樣地，切割器經組態以移除沉積層的過量部份，且捲
繞器經組態以盤繞薄膜層。包裝工具可將電化學活性材料封裝於密封單元中。所屬技術領域中具有通常知識者將認得對此佈局的許多變化、修正、以及替代，譬如增加或移除腔室以及增加或移除用於各別腔室的功能。所屬技術領域中具有通常知識者將能夠按需要設計尺寸與形狀改變的腔室，以用於在生產固態電池中所使用的多種製程。
圖4係為根據本發明實施例之薄膜電池製造設備佈局的簡化圖。此圖僅為繪示且不應該過度地限制本文中之申請專利範圍的範圍。如圖示，該工具由薄膜沉積真空腔室群聚組成。此組態稱為群聚設計。在此設計中，藉由機械手臂408，基材被裝載入裝載腔室401且進一步傳送到各個別的處理腔室402、403、404、405、406、以及407。當基材移動經過腔室時，電池材料可循序地沉積於基材上且形成電池。在該等電池所必要的全部層完成之後，具有成品電池的基材經過裝載腔室401而離開群聚工具。所屬技術領域中具有通常知識者將能夠設計多重裝載室或分散式裝載室、氣體閘極或其他過渡腔室，以實現在腔室中與之間之氣體與顆粒之壓力與組成物的到期控制。所屬技術領域中具有通常知識者將能夠按需要設計尺寸與形狀改變的腔室，以用於在生產固態電池中所使用的多種製程。
圖5係為根據本發明實施例之薄膜電池製造設備佈局的簡化圖。此圖僅為繪示且不應該過度地限制本文中之申請專利範圍的範圍。如圖示，該工具由薄膜沉積真空腔室的兩群聚組成。此組態稱為群聚設計。在此設計中，藉由機械手臂，基材被裝載入裝載腔室腔室且進一步傳送到各個別的處理腔室。當基材移動經過腔室時，電池材料可循序地沉積於基材上且形成電池。在該等電池所必要的全部層完成之後，具有成品電池的基材經過裝載室而離開群聚工具。所屬技術領域中具有通常知識者將能夠設計多重裝載室或分散式裝載室、氣體閘極或其他過渡腔室，以實現在腔室中與之間之氣體與顆粒之壓力與組成物的到期控制。所屬技術領域中具有通常知識者將能夠按需要設計尺寸與形狀改變的腔室，以用於在生產固態電池中所使用的多種製程。
圖6係為根據本發明實施例之薄膜電池製造設備佈局的簡化圖。此圖僅為繪示且不應該過度地限制本文中之申請專利範圍的範圍。如圖示，該工具由多重薄膜沉積真空腔室及裝載室組成。電池沉積於上的基
材在這些腔室與裝載室裡面移動。此組態稱為直列設計。基材連續地移動經過由輸送帶或其他輸送機械所承載的腔室。腔室係藉由閘極或其他中間腔室所連接。此製程可以是連續或順序製程，其中基材連續地移動或在任何腔室中具有特定滯留或傳送時間變化。當基材移動經過腔室時，電池材料可循序地沉積於基材上且形成電池。在全部製程完成以用於形成電池之後，基材自裝載室離開。所屬技術領域中具有通常知識者將能夠設計多重裝載室或分散式裝載室、氣體閘極或其他過渡腔室，以實現在腔室中與之間之氣體與顆粒之壓力與組成物的到期控制。所屬技術領域中具有通常知識者將能夠按需要設計尺寸與形狀改變的腔室，以用於在生產固態電池中所使用的多種製程。
有可使用以建立多重堆疊固態電池的多個方法。作為一實例，多重堆疊固態電池係藉由捲繞來建立：本發明提供一種使用可撓性材料當作用於固態電池之基材的方法，該可撓性材料具有範圍介於0.1與100μm之間的厚度。可撓性材料選自聚合物膜(譬如PET、PEN)、或金屬箔(譬如銅、鋁)。在可撓性基材上包含固態電池的沉積層，隨後可被捲繞成圓柱形或捲繞隨後壓縮成稜柱形。圖7顯示作為本發明實例之捲繞電池的影像。該等捲繞電池可藉由切割圓角以最大化如圖8所示的能量密度來處理。
作為一實例，藉由z-折疊來建立多重堆疊固態電池：本發明提供一種使用可撓性基材的方法，該可撓性基材係為固態電池的一部份。如圖9所示，在可撓性基材上之固態電池的沉積層可藉由z-折疊來堆疊。z-折疊電池可藉由切割電池的兩側且將它們收尾以最大化如圖10所示的能量密度來進一步處理。藉由交替製程順序，多堆疊電池的另一組態可藉由切割各別層且隨後堆疊它們(如圖11所示)來製造。
作為另一實例，藉由迭代沉積製程來建立多重堆疊固態電池。作為一實例，本發明提供一種藉由移動基材經過一些沉積製程來建立多重堆疊固態電池的方法。藉由重複一順序製程N次，固態電池裝置具有N數個堆疊，如在圖12中的示意圖所示。
如上文所討論，有用於固態電池沉積工具的許多設計組態，且有產生多重堆疊固態電池的多個方法。這些在如何設計這些工具為非顯然上產生決定產生製程。這藉由電池層設計進一步複雜化。在固態電池中，
有多個堆疊的電池材料。一個電池堆疊係由至少第一電流收集器層、陰極層、電解質層、陽極層所組成。一個堆疊可進一步包括夾層、第二電流收集器層、以及阻障層。這些層係呈薄膜形成因子且沉積於真空腔室中。各層基於目標用於不同應用的具體電池設計而具有不同厚度。此外，因為所使用的不同種類材料，沉積速度(電池材料會多快地敷設在基材上)對於不同層而言會變化很多。作為一實例，電流收集器係為金屬；陰極係為金屬氧化物；電解質係為玻璃或陶瓷材料；以及夾層係為聚合物材料。最後，也是相當重要的，不同沉積方法可使用來基於材料產生不同膜。作為一實例，熱蒸發可使用於金屬，且急速蒸發可使用於金屬氧化物，以形成陰極層。用於多種厚度之不同材料的不同沉積速度與不同沉積方法呈現關於有多少沉積單元操作需要指定到完全複雜且不明顯之各層的決定產生製程。本發明藉由提供整合工廠設計成型與模擬工具來處理此設計製程。所提供的技術與工廠設計成型與模擬工具考慮全部上述的因子並且識別目標用於具體應用之具體電池設計的最佳工具設計組態。
圖13係為簡化流程圖，其說明如何根據本發明實施例來使用工廠設計成型與模擬工具。此圖僅為繪示且不應該過度地限制本文中之申請專利範圍的範圍。在步驟1中，目標用於具體應用的電池設計規格首先藉由使用多重物理量成型與模擬工具與設計最佳化製程來得到。作為一實例，此多重物理量成型與模擬工具與設計最佳化製程已經在(Wang等人的美國專利申請案第7,945,344 B2號以及Zhang等人的美國專利申請案第8,301,285 B2號)中被說明且被指定給Mich.,Ann Arbor的Sakti3,Inc.，全文以引用的方式併入本文中。作為一實例，電池規格包括關於以下的資訊(1)在各電池堆疊中的層，包括材料類型、材料價格、以及材料厚度、(2)電池的足跡(面內區域)、(3)在電池中的堆疊數目、以及(4)是否電池設計為單一電池類型或由不同類型電池組成的混合式設計。在收集全部電池設計相關資訊之後，接著在步驟2中，收集工廠設計相關輸入參數。作為一實例，在此步驟中需要的資訊包括但不限於各類型處理工具的資本支出、各類型處理工具的折舊速率、各類型處理工具的速度(作為一實例，該速度包含沉積速度、捲繞速度、切割速度、折疊速度、切削速度)、各類型處理工具的操作型支出(作為一實例，該操作型支出包含電力消耗速度以及成本、必
要的設備面積與足跡、必要的運算子數目與相關成本、工具維修成本)、以及製程的良率。步驟3定義工廠設計的限制與主要目標函數。作為一實例，該限制係為包括全部工具之製造設備的總資本支出必須低於目標值。在另一實例中，該限制係為製造設備的總年度生產產能必須高於目標值。目標函數係為標稱目標金融變數，其包括至少內部報酬率(IRR)、修正內部報酬率(MIRR)、淨現值(NPV)、以及加權平均資本成本(WACC)。作為一實例，目標金融變數係以用於第一級分析之資本支出對生產產能的比例來簡化。在步驟4中，工廠設計模擬工具被使用來識別最佳的工廠設計。在此步驟中，在電池設計與處理工具上所收集的資訊首先以張量格式代表。在張量關係中的複數個變數可被處理以減少目的目標變數的量值。經由該製程，可決定最佳組複數個處理工具以及具有與目的變數之減少量值相關之複數個工具的各別組態。步驟5使用識別最佳工具設計，以施行詳細的投射，包括至少工廠成本、生產產能、電池成本投射、IRR、MIRR、NPV、以及WACC。在步驟6中，在最佳化製程中沒有使用之次要限制與次要目標函數上的投射係針對必要條件予以檢測。假如符合全部必要條件，人們可進行到步驟7，以輸出在工廠設計與相關投射上的結果。假如有不符合的必要條件，人們必須回到步驟3，藉由重新定義主要限制與主要目標函數以再一次迭代。
作為說明工廠設計之迭代製程的實例，假定資本支出最初設置為小於1千萬美元，以作為主要限制。目標函數係為最小化所生產電池的銷貨成本(COGS)。最佳化製程識別僅僅年度產生2百萬電池的最佳設計，同時次要限制需要年度產生的350萬電池。當此發生時，在圖13中的步驟6藉由回到步驟3而觸發另一迭代，以重新定義主要限制與主要目標函數。就新的迭代而言，資本支出限制係被修正成小於4百萬美元。在通過步驟4至6之後，可發現基於修正限制之新最佳設計的年度生產產能現在為390萬電池，其超過在年度生產產能的次要限制。年度生產產能沒有包括在第一處的主要限制中，其係因為有更多的限制使最佳化問題更複雜且耗時解決。這亦是為何我們將目標函數分類為主要與次要的原因。為了簡化最佳化問題，次要限制與目標函數會被省略並且稍後考慮。次要限制與目標函數一般比在工廠設計計畫中的主要者更不重要。
在具體實施例中，處理工具組態張量係為具有n維度的n級張
量，以檢索複數種規格，包括至少處理步驟、用於在處理步驟裡面之工具的配置位置、處理工具類型、以及在處理工具裡面所使用之設備的類型。處理工具組態張量亦包括具有零與一之二元值的元件。假如且只有假如用於指定處理步驟的指定放置位置由包括指定處理設備的指定處理工具佔據，一元件會具有一的值。另外，張量元件具有值零。
在具體實施例中，張量操作模組包含添加兩張量、乘以兩張量、轉置第一級與第二級張量、簽約一張量並且發現一張量或一子集張量的最大或最小元件連同指定尺寸。在具體實施例中，最佳化模組包括一或多個代碼，其針對應用列舉技術、分歧境界法技術、或切削面技術的整數編程最佳化製程或者針對基於基因演算法的最佳化製程。
在具體實施例中，後處理模組包括輸入最佳組態張量、識別具有確切值一的非零元件並且輸出最佳組態資訊，該資訊說明哪種類型以及有多少處理工具使用於與哪種類型且有多少處理設備使用於各處理工具裡面有關的各處理步驟。
在具體實施例中，列舉最佳化程序包含可行可能性之列舉的平行化實施，以加速在共享記憶體與多重處理單元計算系統上的計算製程。當然，所屬技術領域中具有通常知識者將認得其他變化、修正、以及替代。
在具體實施例中，最佳化程序包含平行實施之基於基因演算法的技術。該方法隨機填充用於各處理步驟之單元操作的(整數)數目且維持一部份的群體且遺傳上修正剩下的群體(從一代到下一代)。當在數代以後符合停止標準時，該等技術將至少一局部最佳化設計給予生產工廠。就大部分的情形而言，該技術亦可輕易地識別出全球最佳的解法。
圖14係為根據本發明實施例之被包括在製造工廠設計系統之代碼之模組的簡化圖。該系統包含資料獲取與事先處理模組、張量操作模組、金融成型模組、最佳化模組、評估模組、以及後處理模組之代碼。當然，所屬技術領域中具有通常知識者將認得欲被結合到製造工廠設計系統內之代碼之模組的其他變化、修正、以及替代。
圖15顯示在任意形狀的心軸上捲繞固態電池。圖15示意地顯示在心軸1501上的捲繞固態電池，以及沉積構件。這作為具有任意形狀心
軸之多重堆疊固態電池之沉積的一實例，但它不限於在此所繪示的形狀。在此實例中，8-形狀的截面可當作真空吸塵器把手部件。真空吸塵器把手部件可使用當作用於固態電池的基材。在本發明的其中一具體實施例中，藉由從第一電流收集器、陰極、電解質、陽極、第二電流收集器、以及絕緣夾層依序地沉積各電池組件，可得到多重堆疊固態電池。此沉積順序將重複1至N次，直到得到希望的總產能為止。由於薄層特徵，相較於習知液體或聚合物凝膠類型的電池，貼合真空的增加體積將最小化。在此實例中，需要具有如1504、1505以及1506的推滾輪，以協助沉積電池1503整合地貼合在心軸上。當心軸轉動時，推滾輪將必須沿著表面移動，使得它們不在轉動的途中。更者，沉積來源定位於心軸下，以作為實例。不過，沉積來源的位置可定位於繞著心軸的任何位置中，以得到多重堆疊固態電池的均勻性。必要的沉積來源將在當它們被需要時移動到位置內。沉積來源亦可基於心軸的形狀來放置。例如，兩不同層的沉積來源可由於寬遮罩屏蔽特徵而放置於8形狀心軸的對置側上，以最小化沉積時間。
圖16顯示在任意形狀心軸上的捲繞。圖16示意地顯示在心軸1603上的捲繞。這是具有任意形狀心軸之多重堆疊固態電池沉積的實例，但它不限於在此繪示的形狀。在此實例中，8形狀的截面可做為真空吸塵器把手部件。在本發明的其中一具體實施例中，藉由從第一電流收集器、陰極、電解質、陽極、第二電流收集器、以及絕緣夾層依序地沉積各電池組件於另一鼓或心軸1601上，可得到多重堆疊固態電池。此沉積順序將重複1至N次，直到得到希望的總產能為止。一旦得到希望的總產能，滾動的固態電池將移動到捲繞台。在捲繞台上，希望形狀的心軸將使用來裝載固態電池。沉積的固態電池將從圓柱形鼓卸載，且捲繞成希望形狀的心軸，如在本實例中，8-形狀的心軸。在捲繞成8-形狀的心軸之後，最後包裝層將疊層在電池頂部上，以提供對環境的絕緣。由於薄層特徵，相較於習知液體或聚合物凝膠類型的電池，真空吸塵器把手的增加體積將會最小。在此實例中，需要具有如1604、1605以及1606的推滾輪，以協助捲繞電池1602整合地貼合在心軸表面上。當心軸轉動時，推滾輪將必須沿著表面移動，使得它們不在轉動的途中。
圖17A顯示整合多重堆疊固態電池到應用裝置之結構性及/
或裝飾用空間：在圖17A所示的一項實例中，多重堆疊電池裝置1705係在中空核心上捲繞，以使用於無葉片風扇或空氣吹風器1701的外殼1702內，如圖17B所示。整合到結構(例如，風扇頭1704的輪緣)的多重堆疊電池1705消除具有用於儲存之分開空間的需要，以容許僅僅為該設備之功能所必要同時實現攜帶性的設計。本發明中所揭示之可撓性基材上的固態電池可形成任何任意的形狀。圖17B展示可撓性電池可具有的其中一些實例形成因子，譬如環、線圈、圓錐、梯形錐、四面體。
在一實施例中，本發明提供用於形成製造設備的迭代方法。該方法包括提供用於配置於一或多個製造設備之預定空間區域內的複數個處理工具。複數個變數可個別指定用於複數個處理工具。這些變數會以張量格式提供。目標金融變數可被定義，以評估不同製造處理工具組態。在張量關係中的複數個變數可予以處理，以減少目標變數的量值。經由該處理，可決定最佳組複數個處理工具以及具有與目標變數之減少量值有關之複數個工具的個別組態。在個別組態中的最佳組複數個處理工具可使用於一或多個製造設備中。更者，最佳組工具可予以操作以用於製造固態薄膜電池裝置。所屬技術領域中具有通常知識者將認得其他變化、修正、以及替代。
在一實施例中，本發明提供一種多層固態電池裝置，其包含：一等效電路，其編號從1至N，其個別地與編號從1至N的複數個固態電池相關，固態電池的各個包含覆蓋基材構件的第一電流收集器、覆蓋第一電流收集器的陰極裝置、覆蓋第一電流收集器的電解質裝置、覆蓋電解質裝置的陽極裝置、以及覆蓋陽極裝置的第二電流收集器，該複數個固態電池的各個係在下限至上限之間的電荷狀態操作；大於每公升50瓦特小時以及大於複數個固態電池之特徵的能量密度；以及為陰極裝置之各個的特徵的複數個準直柱結構，複數個準直柱結構的各個包含非晶陰極材料。
在一實施例中，本發明提供多層固態電池裝置，其包含下限範圍從0.5%至75%的電荷狀態，其中電荷狀態的上限範圍從25%至99.5%。
在一實施例中，本發明提供多層固態電池裝置，其包含特徵為非晶或晶質結構的陰極裝置。
在一實施例中，本發明提供多層固態電池裝置，其包含陽極
裝置，該陽極裝置則包含金屬膜。
在一實施例中，本發明提供包含陰極裝置與陽極裝置的多層固態電池裝置，該陰極裝置具有範圍從0.05至200微米的厚度，且該陽極裝置具有範圍從0.02至200微米的厚度。
在一實施例中，本發明提供包含複數個電池的多層固態電池裝置，該等電池係為捲繞或堆疊。
在一實施例中，本發明提供多層固態電池裝置，該固態電池裝置包含由玻璃結構、傳導結構、金屬結構、陶瓷結構、塑膠或聚合物結構、或半導體結構之至少一個所產生的基材，或一或多個活性可包含基材層。
在一實施例中，本發明提供多層固態電池裝置，其包含以使用自動終止或終止後連接器組態的並聯或串聯配置來組態的一終端。
在一實施例中，本發明提供多層固態電池裝置，其包含特徵為局部導電性的陰極裝置區域以及特徵為大導電性的陰極裝置。
在一實施例中，本發明提供多層固態電池裝置，其包含陰極裝置，該陰極裝置係由選自鋰或非鋰過渡金屬氧化物以及鋰過渡金屬磷酸鹽的材料所產生，其中該金屬係在週期表中的3族至12族，其包括但不限於錳酸鋰、鎳酸鋰、鈷酸鋰、鋰鎳鈷錳氧化物、鋰鎳鈷鋁氧化物、鋰銅錳氧化物、鋰鐵錳氧化物、鋰鎳錳氧化物、鋰鈷錳氧化物、鋰鎳錳氧化物、鋰鋁鈷氧化物、磷酸鐵鋰、磷酸錳鋰、磷酸鎳鋰、磷酸鈷鋰、氧化釩、氧化鎂、氧化鈉、硫、摻雜金屬(Mg、La)的鋰金屬氧化物(譬如摻雜鎂的鎳酸鋰、摻雜鑭的錳酸鋰、摻雜鑭的鈷酸鋰)。
在一實施例中，本發明提供多層固態電池裝置，其包含陽極裝置，該陽極裝置係由選自鋰或非鋰過渡金屬氧化物的材料所產生，其包括但不限於鋰鈦氧化物、氧化鍺、或石墨、鋰、矽、銻、鉍、銦、氮化錫、鋰合金(包括但不限於鋰錳合金、鋰鋁合金、鋰錫合金、鋰錫鋁合金)。
在一實施例中，本發明提供包含電解質裝置的多層固態電池裝置，該電解質裝置選自鋰磷氧氮(LIPON)、聚環氧乙烷(PEO)、鋰鑭鋯氧化物、鋰鑭鈦氧化物、鋰鈉鈮氧化物、鋰鋁矽氧化物、磷酸鋰、硫代磷酸鋰、鋰鋁鍺磷化物、鋰鋁鈦磷化物、LISICON(鋰超離子導體，一般以
LixM1-yM’yO4(M=Si,Ge，且M’=P,Al,Zn,Ga,Sb)來描述)、硫代LISICON(鋰超離子導體，一般以LixM1-yM’yS4(M=Si,Ge，且M’=P,Al,Zn,Ga,Sb)來描述)、鋰離子導電硫銀鍺礦(Li6PS5X(X=Cl,Br,I))，其具有範圍從10-5至10-1S/m的離子導電率。
在一實施例中，本發明提供多層固態電池裝置，其包含在複數個固態電池之各對之間的接合材料。
在一實施例中，本發明提供多層固態電池裝置，其包含陰極裝置，該陰極裝置特徵為包含複數個柱狀結構的材料，其中各者沿著厚度的方向延伸且實質垂直於材料厚度的平面與表面區域。
在一實施例中，本發明提供包含陰極裝置的多層固態電池裝置，該陰極裝置包含複數個柱結構，該柱結構的各者具有基部區域與上部區域，該柱結構的各者包含複數個較小粒狀的結構，該等較小粒狀結構之各者被組態於柱結構的各者內。
在一實施例中，本發明提供包含陰極裝置的多層固態電池裝置，該陰極裝置包含複數個柱結構，該柱結構之各者具有基部區域以及上部區域，該等柱結構之各者包含複數個粒狀結構，該等粒狀結構之各者被組態於柱結構的各者內，柱結構的各對具有提供於該對柱結構之間的複數個不規則形狀的多面體結構。
在一實施例中，本發明提供多層固態電池裝置，其包含耦合到複數個電池的設備，於是該應用係選自下列至少一個或多個：至少一智慧型手機、行動電話、個人數位助理、廣播播放器、音樂播放器、錄影機、平板及膝上型電腦、軍事通訊、軍事照明、軍事成影、衛星、飛機系統、衛星、微型飛機、混合式電動車、插入混合式電動車、全電動車、電動機車、水下載具、船艇、大船、電力庭園用曳引機、以及庭園用電動自行車裝置、無人遙控飛機、無人機、遙控車、自動玩具、自動真空吸塵器、自動園藝工具、自動建構公共設施、自動警報系統、自動老人照護單元、自動幼兒照護單元、電鑽、電動割草機、電動真空吸塵器、電動金屬作業研磨器、電熱槍、電動壓床擴散工具、電鋸與切削器、電動噴砂器與磨光器、電動剪與切片機、電動路由器、電動牙刷、電動吹風機、電動烘手機、全球衛星定位系統(GPS)裝置、雷射測距儀、手電筒、街道電燈、待機電源、
不間斷電源、以及其他可攜式與固定式電子裝置。
在一實施例中，本發明提供組態張量T，該組態張量以二元值零與一設置。例如，採用三級張量，當就特定處理步驟而言(指數i)，特定工具類型(指數k)指定到特定位置(指數j)時，各別元件Tijk係為一。
組態張量之此設置的優點係為譬如資本支出與通量率的參數可使用張量乘法輕易得到。例如，在處理步驟i，位於位置j之處理工具的資本支出係由以下得到：
其中，x c 係為定義K類型處理工具之資本支出之1矢量的K且(x c ) k T ijk 定義沿著指數為k之維度的乘法。同樣地，在處理步驟i之位置j上的通量率R ij 係由以下得到：R ij =(r) ik T ijk =r(i,：)T(：,i,j)其中，(r) ik 係為I乘以K矩陣(第2級張量)且(r) ik T ijk 定義沿著指數為k之維度的乘法。
為了計算薄膜沉積處理工具(薄膜塗布器)的通量，首先考慮沉積整個電池τ所必要之組件層所必要的時間，
其中，就欲由具有指定處理設備之指定處理工具所沉積的組件層材料而言，L係為電池組件層的長度，W係為電池組件層的寬度，r係為速率(以每秒埃為單位)，A係為處理工具的有效沉積面積，且z係為在一塗布器裡面之沉積區域的數目，δ係為電池組件層的厚度且m係為使用於電池組件層之處理工具的數目。用於此具體電池組件層之塗布器的通量隨後為：
其中N係為在一年中的機器運行時間。
所使用之全部處理工具的總支出係由以下計算：
在每年所生產之單元數目中，全線的生產速率係由速率限制步驟所決定：
所說明的組態張量係可延伸，以包括索引設備類型的第四維度。
用於支出與速率的對應計算係為：
其中，R ikl 係為當具有設備1之處理工具k使用於步驟I時的生產速率，且(x c ) kl 係為裝置以處理設備1之處理工具類型k的總資本支出。
為了評估不同的製造處理工具組態，可使用至少一目標金融變數。目標金融變數包含至少內部報酬率(IRR)、修正內部報酬率(MIRR)、淨現值(NPV)、以及加權平均資本成本(WACC)。淨現值(NPV)係由以下所計算：
其中，r dis 係為折扣率，p係為一單位產品的利潤，係為每年的總操作成本，且n係為幾年內計畫的持續時期。內部報酬率(IRR)係藉由發現準確的折扣率r dis 來得到，該折扣率滿足淨現值(NPV)是零，
由於內部報酬率的本徵缺點，亦可使用兩個其他金融變數(修正內部報酬率(MIRR)以及加權平均資本成本(WACC))來評估處理工具組態與製造設備設計。修正內部報酬率(MIRR)係由以下得到：
其中，FVCF係為現金流的總期貨現值，IO係為投資成本，且n係為幾年內計畫的持續時期。現金流的總期貨現值係藉由將個別現金流(CF)的期貨現值加總而得到。
投資成本係藉由加總個別投資的現值來得到。
在一實施例中，本發明提供一種用於設計用於製作單一設計之固態電池之製造設備的方法。
在一實施例中，本發明提供一種用於設計用於製作混合式設計之固態電池之製造設備的方法。作為一實例，混合式設計由不同陰極厚度產生的電池組成，以處理不同的電力耗損，亦即，薄陰極電池係為高電力電池且厚陰極電池係為高能量電池。電力電池在尖峰耗電期間內被使用來傳送能量，且能量電池在基線電力耗損期間內被使用來傳送能量。作為另一實例，混合式電池設計由不同陰極厚度所產生的電池組成，以處理不同的操作溫度。薄陰極電池係為能夠在低操作溫度傳送高能量的低溫電池，且厚陰極電池係為能夠在室溫或室溫以上傳送高能量的室溫或室溫以上電池。
雖然上文完整說明具體實施例，但是可使用多種修正、替代結構與等同物。因此，上文的說明與繪示不應該作為限制由附加申請專利範圍所定義的本發明範圍。
在一實施例中，本發明提供複數個處理工具，其包含基於物理氣相沉積的薄膜塗布器、基於化學氣相沉積的薄膜塗布器、原子層沉積薄膜塗布器、輸送機、傳送機械手臂、捲繞器、切割器、使用雷射剝蝕及/或切割的切割器、使用至少但不限於浸塗之技術的包裝機器、以及用於附著引線、佈線、移動、處理、以及電子控制組件組裝的機械手臂；其中薄膜塗布器亦裝置有包括至少石英晶體厚度監控器的膜厚度監控器。
在一實施例中，該等工具以工具之資本成本、工具之速度、工具之停機時間、工具之良率、工具之效率、工具之材料裝載與卸載時間、
工具之準備時間、用於工具之製程的作業以及工具之操作成本(包括勞力與電力成本)來具體說明。
在一實施例中，本發明提供一種使用張量來代表複數個處理工具的技術，該等處理工具包含基於物理氣相沉積的薄膜塗布器、基於化學氣相沉積的薄膜塗布器、原子層沉積薄膜塗布器、輸送機、傳送機械手臂、捲繞器、切割器、使用雷射剝蝕及/或切削的切割器、使用至少但不限於浸塗之技術的包裝機器、以及用於附著引線、佈線、移動、處理、以及電子控制組件組裝的機械手臂；其中薄膜塗布器亦裝置有包括至少石英晶體厚度監控器的膜厚度監控器。
在一實施例中，本發明提供包含一或多個代碼的最佳化模組，其針對應用列舉技術、分歧境界法技術、或切削面技術的整數編程最佳化製程；其中最佳化模組包含針對應用基因演算法技術之最佳化製程的一或多個代碼。
在一實施例中，本發明提供一種用於設計製造工廠的系統。此系統可包括電腦可讀取記憶體裝置、針對複數個變數、張量操作模組、金融成型模組、最佳化模組、以及後處理模組的一或多個代碼。該電腦可讀取記憶體裝置可包括針對複數個工具參數的一或多個代碼，該等工具參數個別地對應於用於配置在一或多個製造設備之預定空間區域內的複數個處理工具。個別地針對複數個變數的一或多個代碼會用於複數個處理工具，於是，該複數個變數係以張量格式配置，該一或多個代碼針對處理工具組態張量。張量操作模組經組態以處理複數個變數以及組態張量，以得到生產速率、資本支出、以及操作支出。金融成型模組可使用來減少與一組複數個變數及組態張量有關之目標金融變數的量值。目標金融變數可包括至少內部報酬率(IRR)、修正內部報酬率(MIRR)、淨現值(NPV)、以及加權平均資本成本(WACC)。最佳化模組可經組態以輸出與最佳目標金融變數值有關的最佳化組態張量。後處理模組可經組態以轉換最佳組態張量，以輸出最佳組工具以及該組工具的相關組態。所屬技術領域中具有通常知識者將認得其他變化、修正、以及替代。
在一實施例中，本發明提供用於形成用於固態電池之製造設備的迭代方法，其包含：提供用於目標應用的電池設計；提供用於配置於
一或多個製造設備之預定空間區域內的複數個處理工具；個別指定複數個變數，以用於複數個處理工具；以張量格式提供複數個變數；定義用於製造設備的主要限制；定義主要目標函數，以評估不同製造處理工具組態；在張量關係中處理複數個變數，以減少各主要目標函數的量值；決定最佳組複數個處理工具以及具有與目標變數之減少量值有關之複數個工具的個別組態；決定是否次要限制與目標函數符合必要條件；是否次要限制與目標函數沒有符合必要條件，以重新定義主要限制與主要目標函數，以重複最佳化製程且識別更新的工具設計；假如次要限制與目標函數沒有符合必要條件，前進到在此方法中的下一步驟；使用最佳組複數個處理工具於一或多個製造設備中的個別組態中；以及操作最佳組工具以用於製造固態薄膜電池裝置。
在一實施例中，本發明提供用於形成用於固態電池之製造設備的迭代方法，其包含用於設計製造設備的主要限制，其包含至少總資本支出低於目標值，每年產生之電池數目的年度生產產能高於目標值，每年產生之百萬安培小時之總產能的年度生產產能高於目標值，每年產生之百萬瓦特小時之總能量的年度生產產能高於目標值，電池的銷貨成本(COGS)低於目標值，每千瓦小時多少錢的電池成本低於目標值。
在一實施例中，本發明提供用於迭代地設計用於製作多重堆疊固態電池之製造工廠的系統，該系統包含：電腦可讀取記憶體裝置，該電腦可讀取記憶體包括：針對複數個電池規格的一或多個代碼，以及針對複數個工具參數的一或多個代碼，該等工具參數個別地對應於用於配置在一或多個製造設備之預定空間區域內的複數個處理工具；個別地針對複數個變數的一或多個代碼，其用於複數個處理工具以及複數個電池規格；針對複數個主要與次要設計的一或多個代碼；於是，該複數個變數與限制係以張量格式配置；針對處理工具組態張量的一或多個代碼；針對電池規格張量的一或多個代碼；張量操作模組經組態以處理複數個變數以及組態張量，以得到生產速率、資本支出、以及操作支出；金融成型模組，減少與一組複數個變數及組態張量有關之目標金融變數的量值；目標金融變數，其包含至少內部報酬率(IRR)、修正內部報酬率(MIRR)、淨現值(NPV)、以及加權平均資本成本(WACC)；其中，這些金融變數係為主要目標函數；其
中這些金融變數係為次要目標函數；最佳化模組經組態以輸出與最佳目標金融變數值有關的最佳化組態張量；後處理模組經組態以轉換最佳組態張量，以輸出最佳組工具以及用於該組工具的相關組態；以及決定是否次要限制符合必要條件且次要目標函數符合必要條件且進一步決定是否迭代設計製程連續或終止的評估模組。
200mAh電池，其係寬度為1.2cm，長度為1.2cm，以及厚度為0.32cm。它由1416個堆疊的電池組成，各電池包含陰極電流收集器層、陰極層、電解質層、陽極層、陽極電流收集器層、以及夾層。此電池在C/3放電時傳送200mAh，且在C/3放電時傳送0.45Wh。該電池可使用於穿戴式裝置，其包括智慧型手錶、智慧型眼鏡、以及體能監測裝置。此電池當在C/3放電時具有大約每公升980瓦特小時的容積能量密度。電池規格亦包括電池層厚度與材料類型連同材料單位評價法。用於各層的沉積速率係如下列具體指明：300Å/s用於陰極電流收集器、1500Å用於陰極、1000Å/s用於電解質、2000Å/s用於陽極、3000Å/s用於陽極電流收集器、以及1000Å/s用於夾層。各沉積工具的資本支出亦以每一單位操作多少錢來提供，其包括至少真空泵、冷卻系統、真空腔室、厚度監測裝置、以及控制電子裝置的成本。操作成本係被提供以包括電力耗損以及單位評價法、操作者成本、設備租賃成本、以及工具維修成本。主要限制係為總資本支出應該小於或等於2千5百萬元。主要目標函數係為內部報酬率，其係可由年度生產產能除以資本支出所近似。最佳化製程識別生產線需要全部79單位的操作。應該有31單位的操作用於陰極層沉積。亦可提供用於全部其他層的單位操作數目。以此理想設計，預計在該線上所產生之電池的COGS大約$0.079且大約$170/kWh。該線每年可產生1億3千萬個此等電池。
高電力電池，其係寬度為2cm，長度為7cm，以及厚度為0.69cm。它由6600個堆疊的電池組成，各電池包含陰極電流收集器層、陰極層、電解質層、陽極層、陽極電流收集器層、以及夾層。此電池在C/5放電時傳送8.3Wh。該電池可使用於高電力消耗裝置，譬如電力工具以及真空吸塵器。當在25W放電時，此電池可連續傳送能量15分鐘。當在37.5W
放電時，此電池可連續傳送能量8.7分鐘。電池規格亦包括電池層厚度與材料類型連同材料單位評價法。用於各層的沉積速率係如下列具體指明：300Å/s用於陰極電流收集器、1500Å用於陰極、1000Å用於電解質、2000Å/s用於陽極、300Å/s用於陽極電流收集器、以及1000Å/s用於夾層。用於各沉積工具的資本支出亦以每一米工具多少錢來提供，其包括至少真空泵、冷卻系統、真空腔室、厚度監測裝置、以及控制電子裝置的成本。操作成本係被提供以包括電力耗損以及單位評價法、操作者成本、設備租賃成本、以及工具維修成本。主要限制係為總資本支出應該小於或等於2千萬元。主要目標函數係為內部報酬率，其係可由年度生產產能除以資本支出所近似。最佳化製程識別生產線需要全部38米的沉積工具，其中，12米用於陰極層沉積。亦提供用於全部其他層的沉積工具長度。以此理想設計，預計在該線上所產生之電池的COGS大約$0.66且大約$79/kWh。該線一年可產生1千3百萬個此等電池。
1601‧‧‧心軸
1603‧‧‧心軸
1602‧‧‧捲繞電池
1604‧‧‧推滾輪
1605‧‧‧推滾輪
1606‧‧‧推滾輪
Claims (23)
- 一種用於形成用於固態電池之一製造設備的迭代方法，其包含：提供一多重堆疊電池設計，以用於一目標應用；提供複數個處理工具，以用於配置在一或多個製造設備之一預定空間區域內；個別地指定複數個變數，以用於該複數個處理工具；以一張量格式來提供該複數個變數；定義用於該製造設備的主要限制；定義主要目標函數，以評估不同製造處理工具組態；在該張量關係中處理該複數個變數，以容許各主要目標函數之一量值的減少；決定一最佳組的該複數個處理工具以及具有與該目標變數之該減少量值有關之該複數個工具的個別組態；決定該等次要限制與目標函數是否符合該等必要條件；該等次要限制與目標函數是否沒有符合該等必要條件，重新定義該等主要限制與主要目標函數，以重複該最佳化製程且識別一更新的工具設計；假如該等次要限制與目標函數沒有符合該等必要條件，前進到在此方法中的該下一步驟；使用該最佳組該複數個處理工具於該一或多個製造設備中的該個別組態中；以及操作該等最佳組工具以用於固態薄膜電池裝置的製造。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該等固態電池包含多重堆疊的固態電化學電池，該等堆疊數目範圍從1至N，其中N大於1；其中各電化學電池包含至少一電流收集器層、一陰極層、一電解質層、一陽極層、一夾層；其中各電化學電池包含至少一基材與一阻障層。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該等固態電池沉積在由一玻璃結構、一傳導結構、一金屬結構、一陶瓷結構、一塑膠或聚合物結構、或一半導體結構之至少一個所產生的一基材上，或一或多個活性可包含該基材層。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該等固態電池係為該相同設計。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該等固態電池係為一混合式設計；其 中該混合式設計包含高電力電池與高能量電池；其中該混合式設計包含設計用於低溫操作的電池以及設計用於室溫與室溫以上的電池。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該等固態電池包含予以捲繞或堆疊的複數個電池。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該目標應用選自下列至少一個或多個：智慧型手機、行動電話、個人數位助理、廣播播放器、音樂播放器、錄影機、平板及膝上型電腦、軍事通訊、軍事照明、軍事成影、衛星、飛機系統、衛星、微型飛機、混合式電動車、插入混合式電動車、全電動車、電動機車、水下載具、船艇、大船、電力庭園用曳引機、以及庭園用電動自行車裝置、無人遙控飛機、無人機、遙控車、自動玩具、自動真空吸塵器、自動園藝工具、自動建構公共設施、自動警報系統、自動老人照護單元、自動幼兒照護單元、電鑽、電動割草機、電動真空吸塵器、電動金屬作業研磨器、電熱槍、電動壓床擴散工具、電鋸與切削器、電動噴砂器與磨光器、電動剪與切片機、電動路由器、電動牙刷、電動吹風機、電動烘手機、全球衛星定位系統(GPS)裝置、雷射測距儀、手電筒、街道電燈、待機電源、不間斷電源、以及其他可攜式與固定式電子裝置。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該複數個處理工具包含基於物理氣相沉積的薄膜塗布器、基於化學氣相沉積的薄膜塗布器、原子層沉積薄膜塗布器、輸送機或其他傳送機械、傳送機械手臂、捲繞器、切割器、使用雷射剝蝕及/或切削的切割器、使用至少但不限於浸塗之一技術的包裝機器、以及用於附著引線、佈線、移動、處理、以及電子控制組件組裝的機械手臂；其中該等薄膜塗布器亦裝置有包括至少石英晶體厚度監控器的膜厚度監控器。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該複數個處理工具係以一捲對捲組態、一多鼓組態、一群聚組態、一直列組態、或其一組合配置。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該複數個變數包含該工具之資本成本、該工具之速度、該工具之停機時間、該工具之良率、該工具之效率、該工具之材料裝載與卸載時間、該工具之準備時間、用於該工具之製程的作業以及該工具之操作成本，其包括勞力與電力成本。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中用於設計該製造設備的該等主要限制，其包含至少總資本支出低於一目標值，每年產生之電池數目的年度生產產能高於一目標值，每年產生之百萬安培小時之總產能的年度生產產能高於一目標值，每年產生之百萬瓦特小時之總能量的年度生產產能高於一目標值，電池的銷貨成本(COGS)低於一目標值，每千瓦小時多少錢的電池成本低於一目標值。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中用於設計該製造設備的該等次要限制，其包含至少總資本支出低於一目標值，每年產生之電池數目的年度生產產能高於一目標值，每年產生之百萬安培小時之總產能的年度生產產能高於一目標值，每年產生之百萬瓦特小時之總能量的年度生產產能高於一目標值，電池的銷貨成本(COGS)低於一目標值，每千瓦小時多少錢的電池成本低於一目標值。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該主要目標函數包含至少內部報酬率(IRR)、修正內部報酬率(MIRR)、淨現值(NPV)、以及加權平均資本成本(WACC)。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該等次要目標函數包含至少內部報酬率(IRR)、修正內部報酬率(MIRR)、淨現值(NPV)、以及加權平均資本成本(WACC)。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其係為一迭代製程，其包含滿足該等主要限制且最佳化該等主要目標函數的至少一迭代；如申請專利範圍第1項之方法，其係為一迭代製程，其包含滿足該等次要限制且最佳化該等次要目標函數的至少一迭代。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該等固態電池的特徵係為大於每公升50瓦特小時的一能量密度。
- 一種用於迭代地設計用於製作多重堆疊固態電池之一製造工廠的系統，該系統包含：一電腦可讀取記憶體裝置，該電腦可讀取記憶體包括：針對複數個電池規格的一或多個代碼，以及針對複數個工具參數的一或多個代碼，該等工具參數個別地對應於用於配置在一或多個製造設備之一預定空間區域內的複數個處理工具； 針對複數個變數的一或多個代碼，其個別地用於該複數個處理工具以及該複數個電池規格；針對複數個主要與次要設計的一或多個代碼；於是，該複數個變數與限制係以一張量格式配置；針對一處理工具組態張量的一或多個代碼；針對一電池規格張量的一或多個代碼；一張量操作模組，其經組態以處理該複數個變數以及該組態張量，以得到生產速率、資本支出、以及操作支出；一金融成型模組，其減少與一組該複數個變數以及該組態張量有關之一目標金融變數的一量值；該目標金融變數，其包含至少內部報酬率(IRR)、修正內部報酬率(MIRR)、淨現值(NPV)、以及加權平均資本成本(WACC)；其中，這些金融變數係為主要目標函數；其中這些金融變數係為次要目標函數；一最佳化模組，其經組態以輸出與該最佳目標金融變數值有關的一最佳化組態張量；一後處理模組，其經組態以轉換該最佳組態張量，以輸出該最佳組工具以及用於該組工具的相關組態；以及一評估模組，其決定是否次要限制符合該等必要條件且次要目標函數符合該等必要條件且進一步決定是否該迭代設計製程連續或終止。
- 如申請專利範圍第17項之系統，其中該處理工具組態張量係為具有n維度的一n級張量，以檢索複數種規格，包含至少該處理步驟、用於在該處理步驟裡面之工具的配置位置、處理工具類型、以及在一處理工具裡面所使用的該類型設備。
- 如申請專利範圍第17項之系統，其中該處理工具組態張量包含具有零與一之二元值的元件。
- 如申請專利範圍第17項之系統，其中該張量操作模組包含添加兩張量、乘以兩張量、轉置第一級與第二級張量、簽約一張量並且發現一張量或一子集該張量的該最大或最小元件連同指定尺寸。
- 如申請專利範圍第17項之系統，其中該最佳化模組包含一或多個代碼，其針對應用列舉技術、分歧境界法技術、或切削面技術的一整數編程最佳化製程。
- 如申請專利範圍第17項之系統，其中該最佳化模組包含針對基因演算技術的一或多個代碼。
- 如申請專利範圍第17項之系統，其中該後處理模組包含輸入該最佳組態張量、識別具有確切值一的該非零元件並且輸出該最佳組態資訊，該最佳組態資訊說明哪種類型以及有多少處理工具使用於與哪種類型且有多少處理設備使用於各處理工具裡面有關的各處理步驟。
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