TW201736132A - 具有保護層工具的整合的鋰沉積 - Google Patents

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薩布拉曼亞Ｐ 海爾
戴特爾 哈斯
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Abstract

在一實施中，揭示一種用於在能量儲存裝置中的鋰金屬的沉積和處理的整合的處理工具。整合的處理工具可為卷材工具(web tool)。整合的處理工具可包含：卷對卷系統(reel-to-reel system)，該卷對卷系統用於經由下列的腔室來傳送連續的材料片：用於將鋰金屬的薄膜沉積在連續的材料片上的腔室和用於將保護膜沉積在鋰金屬的薄膜的表面上的腔室。用於沉積鋰金屬的薄膜的腔室可包含：PVD系統(例如：電子束蒸發器)、薄膜傳送系統，或狹縫式沉積系統(slot-die deposition system)。用於將保護膜沉積在鋰金屬膜上的腔室可包含：沉積夾層膜的腔室或用於將鋰離子傳導性聚合物沉積在鋰金屬膜上的腔室。

Description

具有保護層工具的整合的鋰沉積
在此描述的實施大體係關於鋰金屬沉積和處理。更為特定而言，在此描述的實施係關於用於在能量儲存裝置中的鋰金屬的沉積和處理的方法和系統。
對於日常生活的許多領域而言，可充電的電化學儲存系統目前變得越來越重要。大容量的電化學能量儲存裝置(例如：鋰離子(lithium-ion (Li-ion))電池)被使用在越來越多的應用(其中包含可攜式電子產品、醫療、運輸、併網大型能量儲存、可再生能源儲存，及不斷電電源供應(uninterruptible power supply, UPS))中。傳統的鉛酸/硫酸電池經常容量不足且經常不具有足夠的循環以用於此些不斷增長的應用。然而，鋰離子電池被認為具有最好的機會。
通常，鋰電池由於安全性的理由並不包含任何的金屬鋰，反而使用石墨材料以作為陽極。然而，石墨的使用(其中處於充電狀態時可被充電至限制的組成物LiC6)導致小得多的容量(相較於使用金屬鋰)。目前，工業正從基於石墨的陽極發展至混合矽的(silicon-blended)石墨以增加能量單元密度(energy cell density)。然而，混合矽的石墨陽極有第一次充放電的容量損失的缺點。因此，需要用以補充混合矽的石墨陽極的第一次充放電的容量損失的鋰金屬沉積。然而，鋰金屬面臨到若干裝置整合的挑戰。
鋰係一種鹼金屬。與第一主要群組的重元素同族物相類似，鋰之特征在於與各種不同的物質的強烈反應性。鋰劇烈地與水、乙醇，及包含質子氫的其他的物質發生反應，而經常導致燃燒。鋰在空氣中是不穩定的且會與氧氣、氮氣，及二氧化碳發生反應。鋰一般在惰性氣體環境(惰性氣體(例如氬氣))下運輸並且鋰的強烈反應性要求其他的處理操作亦在惰性氣體環境中執行。因此， 當談論到處理、儲存，及傳送時，鋰具有若干挑戰。
已經針對於鋰金屬開發保護表面處理。一種鋰金屬的保護表面處理的方法包含：將鋰金屬塗覆上一蠟層(例如：聚乙烯蠟(polyethylene wax))。然而，必須施用大量的塗佈劑，該塗佈劑會影響鋰金屬層的後續的處理。
保護表面處理的另一方法提出了利用連續的碳酸鹽塗層、聚合物塗層(例如：聚氨基甲酸酯 (polyurethanes)、PTFE、PVC、聚苯乙烯(polystyrene)和其他者)來產生穩定化的鋰金屬粉末(stabilized lithium metal powder, “SLMP”)。然而，當預鋰化電極材料時此些聚合物塗層可能造成問題。
因而，需要用於在能量儲存系統中的鋰金屬的沉積和處理的方法和系統。
在此描述的實施大體係關於鋰金屬沉積和處理。更為特定而言，在此描述的實施係關於用於在能量儲存裝置中的鋰金屬的沉積和處理的方法和系統。在一實施中，提供一負電極。負電極被塗覆有鋰金屬的薄膜。鋰金屬的薄膜可具有足夠的厚度以補償在電池的第一次充放電期間的鋰金屬的不可逆轉的損失，該鋰金屬的薄膜在一些實施中可為：具有從大約1微米至大約20微米的厚度的鋰金屬膜。鋰金屬膜可被使用以作為鋰金屬陽極。再者，鋰金屬膜可被塗覆有用於保護鋰金屬膜而不受周圍氧化劑的影響的保護膜。在一實施中，保護膜包含：離子傳導性聚合物材料，該離子傳導性聚合物材料被併入最終的電池單元。在另一實施中，保護膜包含：夾層膜，該夾層膜保護 鋰金屬膜而不受周圍氧化劑的影響。通常在進行額外的處理之前將夾層膜移除。在一些實施中，夾層膜可作用為一隔離層。
在另一實施中，提供一鋰電池。鋰電池包含：一正電極、被塗覆有鋰金屬的薄膜的負電極。鋰金屬的薄膜可具有足夠的厚度以補償在電池的第一次充放電期間的鋰金屬的不可逆轉的損失，該鋰金屬的薄膜在一些實施中可為具有從大約1微米至大約20微米的厚度的鋰金屬膜。再者，鋰金屬膜可被塗覆有用於保護鋰金屬膜而不受周圍氧化劑的影響的離子傳導性聚合物。
在又一實施中，提供用於形成塗覆有鋰的負電極的整合的處理工具。整合的處理工具可為卷材工具(涵蓋真空和非真空沉積技術(例如：PVD、狹縫式技術(Slot-Die)、凹版印刷(Gravure)、熱噴塗(thermal spraying)、層壓，及絲網印刷 (screen-printing)) 的 卷對卷)。整合的處理工具可包含：用於經由下列的腔室來傳送連續的材料片的卷對卷系統：用於將鋰金屬的薄膜沉積在連續的材料片上的腔室和用於將保護膜沉積在鋰金屬的薄膜的表面上的腔室。在一些實施中，用於沉積鋰金屬的薄膜的腔室可包含：PVD系統(例如：電子束蒸發器)、薄膜傳送系統(其中包含大面積圖案印刷系統(例如：凹版印刷系統))、鋰膜傳送系統(例如：利用在鋰與負電極之間的可選擇的釋放層將鋰層壓至負電極)，或狹縫式沉積系統。在一些實施中，用於將保護膜沉積在鋰金屬膜上的腔室可包含：用於沉積夾層膜的腔室或用於將鋰離子傳導性聚合物沉積在鋰金屬膜上的腔室。整合的處理工具可進一步包含：用於在進行額外的處理之前移除夾層膜的腔室。在一些實施中，整合的處理工具進一步包含：用於將負電極材料形成在連續的材料片上的腔室。在一些實施中，連續的材料片係一彈性的傳導基材。
在又一實施中，提供一種形成負電極的方法。該方法包含以下步驟：在負電極上形成鋰金屬膜、在該鋰金屬膜上形成界面膜，及在該界面膜上形成保護膜，其中該界面膜係離形膜、金屬氟化物膜，或金屬氧化物膜。
後續的揭露描述負電極、包含前述的負電極的高效能電化學單元和電池，及用於製造前述的負電極和包含前述的負電極的高效能電化學單元和電池的方法。某些細節被闡述於後文的描述和第1圖至第7圖中以提供該揭露的各種實施的詳細的理解。描述經常與電化學單元和電池相關聯的習知的結構和系統的其他的細節並不被闡述於後續的揭露中以避免不必要地遮掩住各種實施的描述。
被顯示在圖式中的細節、尺寸、角度及其他的特徵中的許多者僅示例說明特定的實施。從而，其他的實施可具有其他的細節、元件、尺寸、角度和特徵，而不偏離本揭露的精神或範疇。此外，可實行該揭露的進一步的實施，而無需在後文中所描述的數個細節。
在此描述的實施將於後文中參照卷對卷塗覆系統(例如：TopMetTM、SmartWebTM、TopBeamTM)來描述，其中所有該等系統可從美國加州聖克拉拉的應用材料公司(Applied Materials, Inc. of Santa Clara, California)中獲得使用。能夠執行高速率的蒸發製程的其他的工具亦可經調適以受益於在此描述的實施。此外，可有利地使用促進在此描述的高速率的蒸發程序的任何的系統。在此描述的設備說明係示例說明性的且不應被解釋或解譯為限制在此描述的實施的範疇。亦應理解到雖然被描述為卷對卷程序，在此描述的實施亦可在分離的基材上執行。
能量儲存裝置(例如：電池)通常包含：藉由多孔的隔離膜(porous separator)和電解質分離的正電極、負電極，該電解質被使用以作為離子傳導基體。石墨陽極係當前最新的技術，但是工業正從基於石墨的陽極朝向混合矽的石墨陽極發展以增加電池能量密度。然而，混合矽的石墨陽極經常具有在第一次充放電期間發生的不可逆的電容量的損失的缺點。因此，需要一種用於補償此第一次充放電的電容量的損失的方法。
鋰金屬的沉積係用於補償混合矽的石墨陽極的此第一次充放電的電容量的損失的這樣的一種方法。雖然具有用於鋰金屬沉積的許多方法(例如：熱蒸發、層壓、印刷等等)，在裝置堆疊之前沉積於捲筒上的鋰金屬的運輸問題需要被解決(特別是在大批量製造環境中)。在一實施中，提供：用於在鋰金屬膜上形成夾層(interleaf)的方法和系統。在另一實施中，提供用於鋰聚合物沉積的方法和系統。在又一實施中，提供用於鋰金屬沉積和離子傳導性聚合物沉積二者的整合的工具。
使用在此描述的實施，沉積的鋰金屬(單面或是雙面)可在卷繞和展開在下游的捲軸期間被保護。沉積 Li離子傳導性聚合物、離子傳導性陶瓷，或離子傳導性玻璃的薄膜在幾個方面是有助益的。首先，包含鋰金屬的電極的捲軸可在鋰金屬不接觸到相鄰的電極的情況下被卷繞/展開。其次，建立穩定的固體電解質界面(solid electrolyte interface, SEI)以達成鋰金屬的較佳的電池效能和高電化學利用率。此外，保護膜的使用減低了製造系統的複雜性並且可與目前的製造系統相容。
第1A圖示例說明：具有根據本揭露的實施來形成的鋰金屬膜的示例鋰離子能量儲存裝置100。鋰離子能量儲存裝置100具有正電流收集器110、正電極120、 隔離層130、負電極140、鋰金屬膜145、可選的界面膜147(具有形成於其上的可選的保護膜170)，及負電流收集器150。注意到在第1圖中，電流收集器被顯示為：延伸超過疊層，雖然對於電流收集器而言延伸超過疊層並非為必要的，延伸超過疊層的部分可被使用作為短小突出部(tab)。
分別地位於正電極120和負電極140上的電流收集器110、150可為：相同的或不同的電導體。電流收集器110、150可包含的金屬的示例包含：鋁(Al)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鎳(Ni)、鈷(Co)、錫(Sn)、矽(Si)、錳(Mn)、鎂(Mg)、其合金，及其組合。在一實施中，電流收集器110、150中的至少一者係穿孔的。此外，電流收集器可具有任何的外形尺寸(例如：金屬箔、片，或板)、形狀和微結構/巨觀結構。一般而言，在棱柱形的電池中，短小突出部係由與電流收集器的材料相同的材料所形成和可在製造疊層期間被形成(或在往後被加入)。除了電流收集器110和150之外的所有的元件包含：鋰離子的電解質。
負電極140或陽極可為：可與正電極120互為相容的任何的材料。負電極140可具有：大於或等於372(mAh/g)的能量容量(該能量容量優選為≥700 mAh/g，及該能量容量最優選為≥1000 mAh/g)。負電極140可從石墨、包含矽的石墨、鋰金屬、鋰金屬箔或鋰合金箔(例如：鋁鋰合金)，或鋰金屬及/或鋰合金和例如為碳(例如：焦炭、石墨)、鎳、銅、錫、銦、矽、其氧化物，或其組合的材料的混合物中建構。負電極140通常包含：包含鋰的插層化合物(intercalation compounds)或包含鋰的插入化合物(insertion compounds)。在一些實施中，其中負電極140包含：鋰金屬，該鋰金屬可使用在此描述的方法來沉積。
在一些實施中，鋰金屬膜145形成在負電極140上。鋰金屬膜145可根據在此描述的實施來形成。在一些實施中，負電極140係具有形成於其上的鋰金屬膜145的矽石墨陽極。鋰金屬膜145補償：來自負電極140的第一次充放電的電容量的損失的鋰丟失(lithium lost)。鋰金屬膜可為薄鋰金屬膜(例如：20微米或更小、從大約1微米至大約20微米、從大約2微米至大約10微米)。在鋰金屬膜145作為負電極的一些實施中，鋰金屬膜145取代負電極140。在鋰金屬膜145作為負電極的一些實施中，鋰金屬膜145形成於電流收集器150上。
在一些實施中，保護膜170形成在鋰金屬膜145上。保護膜170可為離子傳導性聚合物。保護膜170可為多孔的。在一些實施中，保護膜170具有奈米孔洞。在一實施中，保護膜170具有複數個奈米孔洞，該等奈米孔洞的尺寸經過調整以具有小於大約10奈米(例如：從大約1奈米至大約10奈米；從大約3奈米至大約5奈米)的平均孔洞尺寸或直徑。在另一實施中，保護膜170具有複數個奈米孔洞，該等奈米孔洞的尺寸經過調整以具有平均孔洞尺寸或直徑小於大約5奈米。在一實施中，保護膜170具有：複數個奈米孔洞，該等奈米孔洞具有範圍從大約1奈米至大約20奈米(例如：從大約2奈米至大約15奈米；或從大約5奈米至大約10奈米)的直徑。
保護膜170可為：塗層或分離層，其中任一者具有在1奈米至2,000奈米的範圍中(例如：在10奈米至600奈米的範圍中；在50奈米至200奈米的範圍中；在100奈米至150奈米的範圍中)的厚度。保護膜170可為分離膜，具有在5微米至50微米的範圍中(例如：在6微米至25微米的範圍中)的厚度。在保護膜170為夾層膜的一些實施中，保護膜170作為隔離層且代替隔離層130。
可用以形成保護膜170的聚合物的示例 包含(但不限於)：聚偏二氟乙烯(polyvinylidene difluoride, PVDF)、聚氧化乙烯(polyethylene oxide, PEO)、聚丙烯睛(poly-acrylonitrile, PAN)、羧甲基纖維素(carboxymethyl cellulose, CMC)、苯乙烯丁二烯橡膠(styrene butadiene rubber, SBR)、離子液體(ionic liquids)，及其組合。不受到理論束縛，但可相信：保護膜170可在裝置製造期間將Li-傳導的電解質取來形成膠體，該膠體有益於形成良好的固體電解質界面(SEI)且亦有助於降低電阻。保護膜170可藉由浸沾式塗覆、狹縫式塗覆、凹版印刷式塗覆，或印刷來形成。保護膜170亦可使用Metacoat設備來沉積。
保護膜170可為鋰離子傳導性材料。鋰離子傳導性材料可為：鋰離子傳導性陶瓷或鋰離子傳導性玻璃。鋰離子傳導性材料可由(例如)LiPON、晶相的或非晶相的Li7La3Zr2O12的摻雜變體、摻雜的反鈣鈦礦組合物(doped anti-perovskite compositions)、Li2S-P2S5、Li10GeP2S12，及Li3PS4、磷酸鋰玻璃(lithium phosphate glasses)、(1-x)LiI–(x)Li4SnS4、xLiI–(1-x)Li4SnS4、混合的硫化物和氧化物電解質(晶形的LLZO、非晶形的(1-x)LiI–(x)Li4SnS4混合物，及非晶形的xLiI–(1-x)Li4SnS4)中的一或多個所組成。在一實施中，x係在0和1之間(例如：0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8，及0.9)。鋰離子傳導性金屬可使用(或藉由)物理氣相沉積(PVD)、化學汽相沉積(CVD)、噴塗、刮刀(doctor blade)、印刷或任何數目的塗覆方法被直接地沉積在鋰金屬膜上。用於一些實施的適當的方法係PVD。在一些實施中，保護膜170並不需要進行離子傳導，然而，一旦填充了電解質(液體、膠體、固體、組合等等)，多孔的基材和電解質的組合係可以進行離子傳導的。
在一實施中，保護膜係鋰離子傳導性材料且鋰離子傳導性材料係從下列所述者所構成的群組中選出的：LiPON、晶相的或非晶相的石榴石型的Li7La3Zr2O12、LISICON(例如：Li2+2xZn1-xGeO4，其中0＜x＜1)、NASICON(例如：Na1+xZr2SixP3-xO12，其中0＜x＜3)、氫硼化鋰(lithium borohydride (LiBH4))、摻雜的反鈣鈦礦組合物(doped anti-perovskite compositions)、包含鋰的硫化物(例如：Li2S、Li2S-P2S5、Li10GeP2S12，及Li3PS4)，及鋰硫銀鍺礦(lithium argyrodites)(例如：LiPS5X，其中x係Cl、Br或I)。
保護膜170可為夾層膜。夾層膜可包含：熱可塑性塑膠(例如：聚乙烯(polyethylene)、聚丙烯(polypropylene)、聚對苯二甲酸乙二酯(poly(ethylene terephthalate))、聚對苯二甲酸丁二酯(poly(butylene terephthalate))、聚酯纖維(polyester)、聚醯胺(polyamide)、聚芳酰胺(polyaramid)、聚丙烯酸酯(polyacrylate)、聚碳酸酯(polycarbonate)、聚酯碳酸酯(poly(ester carbonate))、聚苯并咪唑(polybenzimidazole)、聚醯亞胺(polyimide)、聚醚醯亞胺(polyether imide)、聚醯胺醯亞胺(polyamide imide)，及類似者)。在一些實施中，夾層膜係從下列所述者所構成的群組中選出的：聚乙烯(polyethylene)、聚丙烯(polypropylene)、聚對苯二甲酸乙二酯(poly(ethylene terephthalate))、聚對苯二甲酸丁二酯(poly(butylene terephthalate))、聚酯纖維(polyester)、聚醯胺(polyamide)、聚芳酰胺(polyaramid)、聚丙烯酸酯(polyacrylate)、聚碳酸酯(polycarbonate)、聚酯碳酸酯(poly(ester carbonate))、聚苯并咪唑(polybenzimidazole)、聚醯亞胺(polyimide)、聚醚醯亞胺(polyether imide)、聚醯胺醯亞胺(polyamide imide)，及其組合。
在一些實施中，界面膜147形成在保護膜170與鋰金屬膜145之間。在一些實施中，界面膜147具有從大約0.1微米至大約5.0微米(例如：在大約1微米至大約4微米的範圍中；或在大約2微米至大約3微米的範圍中)的厚度。界面膜147通常具有：足夠薄以可以進行離子傳導的厚度。
在保護膜170為夾層膜的一些實施中，界面膜147包含：釋放劑。釋放劑有助於改善：從鋰金屬膜145移除保護膜170。釋放劑可為：包含矽的化合物、聚烯烴(polyolefin)、多氟烴(polyfluorocarbon)、聚醯胺(polyamide)、聚酯纖維(polyester)、聚碳酸酯(polycarbonate)、聚氨基甲酸酯(polyurethane)、聚苯乙烯(polystyrene)、聚己內酯(polycaprolactone)，及其混合物和共聚合物。包含釋放劑的界面膜147藉由輥式塗佈、噴射塗覆、凹版印刷式塗覆、狹縫式塗覆或其他類似的方式來形成。在一些實施中，界面膜147係從下列所述者所構成的群組中選出的：聚烯烴(polyolefin)、多氟烴(polyfluorocarbon)、聚醯胺(polyamide)、聚酯纖維(polyester)、聚碳酸酯(polycarbonate)、聚氨基甲酸酯(polyurethane)、聚苯乙烯(polystyrene)、聚己內酯(polycaprolactone)，及其混合物和共聚合物。在一些實施中，在形成鋰離子能量儲存裝置100之前，包含釋放劑的界面膜147形成於保護膜170上。
在一些實施中，其中保護膜170係鋰離子傳導膜，界面膜147改善鋰金屬膜145的穩定性(相對於保護膜170)。在一些實施中，界面膜147係金屬氧化物膜。金屬氧化物膜可為：Al2O3、LiAlO2、LiAl5O8、ZrO2、Li2ZrO3、Li2O、Li2S，及其混合物。在一些實施中，界面膜147 係包含鋰的金屬氟化物膜 (例如：LiF)。在一些實施中，界面膜係從下列所述者所構成的群組中選出的：LiF、Al2O3、LiAlO2、LiAl5O8、ZrO2、Li2ZrO3、Li2O，及其混合物。界面膜147(包含金屬氧化物膜或氟化鋰膜)可藉由蒸發、輥式塗佈、噴射塗覆、凹版印刷式塗覆、狹縫式塗覆或其他類似的方式來形成。在一些實施中，在形成鋰離子能量儲存裝置100之前，包含金屬氧化物膜的界面膜147形成於保護膜170上。
正電極120或陰極可為：與陽極互為相容的任何的材料和可包含：插層化合物、插入化合物，或電化學活性聚合物。適當的插層材料包含(例如)：包含鋰的金屬氧化物、MoS2、FeS2、MnO2、TiS2、NbSe3、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、V6O13，及V2O5。適當的聚合物包含(例如)：聚乙炔(polyacetylene)、聚吡咯(polypyrrole)、聚苯胺(polyaniline)，及聚噻吩(polythiopene)。正電極120或陰極可從層狀氧化物(例如：鋰鈷氧化物(lithium cobalt oxide))、橄欖石(olivine)(例如：磷酸鋰鐵(lithium iron phosphate))，或尖晶石(spinel)(例如：鋰錳氧化物)中製成。示例性的包含鋰的氧化物可為層狀的，例如鋰鈷氧化物(LiCoO2))，或混合的金屬氧化物，例如LiNixCo1-2xMnO2、LiNiMnCoO2 (「NMC」)、 LiNi0.5Mn1.5O4、Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2 LiMn2O4，及摻雜的富鋰的具有分層的層次的材料，其中x係0或非零的數。示例性的磷酸鹽可為：鐵橄欖石(iron olivine (LiFePO4))及其變體(例如：LiFe(1-x)MgxPO4)、LiMoPO4、LiCoPO4、 LiNiPO4、Li3V2(PO4)3、LiVOPO4、LiMP2O7，或LiFe1.5P2O7，其中x係零或非零的數。示例性的氟磷酸鹽可為： LiVPO4F、LiAlPO4F、Li5V(PO4)2F2、 Li5Cr(PO4)2F2、Li2CoPO4F，或Li2NiPO4F。示例性的矽酸鹽可為：Li2FeSiO4、Li2MnSiO4，或Li2VOSiO4。示例性的非鋰化合物係Na5V2(PO4)2F3。
在根據本揭露的鋰離子電池的一些實施中，鋰被包含於(例如)在負電極處的碳石墨(LiC6)和在正電極處的鋰錳氧化物(LiMnO4)或鋰鈷氧化物(LiCoO2)的晶體結構的原子層中，雖然在一些實施中，負電極亦可包含鋰吸收材料(例如：矽、錫等等)。亦可藉由捲繞層堆疊將電池(即使被顯示為平面結構)形成為圓柱體；此外，可形成其他的電池配置(例如：方形電池、鈕扣型電池)。
浸透在電池元件120、130、140、147、145，及170中的電解質可由液體/膠體或固態聚合物所組成，並且在每一電池元件120、130、140、147、145，及170中可為不同的。在一些實施中，電解質主要包含：鹽和介質(例如：在液體電解質中，該介質可被稱為溶劑；在膠態電解質中，介質可為：聚合物基體)。鹽可為：鋰鹽。鋰鹽可包含(例如)：LiPF6、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO3)3、LiBF6，及LiClO4，BETTE電解質(商業上可從在明尼阿波利斯市的3M公司獲得使用(3M Corp. of Minneapolis，MN))和其組合。溶劑可包含(例如)：乙烯碳酸酯(ethylene carbonate (EC))、碳酸丙烯酯(propylene carbonate (PC))、EC/PC 2-MeTHF(2-甲基四氫呋喃(2-methyltetrahydrofuran))/EC/PC、 EC/DMC (碳酸二甲酯(dimethyl carbonate))、EC/DME (二甲基乙烷(dimethyl ethane))、EC/DEC(碳酸二乙酯(diethyl carbonate))、EC/EMC ( 碳酸甲乙酯(ethyl methyl carbonate))、 EC/EMC/DMC/DEC、EC/EMC/DMC/DEC/PE、 PC/DME，及 DME/PC。聚合物基質可包含(例如)：PVDF(聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride))、PVDF：THF (PVDF：四氫呋喃(tetrahydrofuran)、PVDF：CTFE(PVDF：氯三氟乙烯(chlorotrifluoroethylene)) PAN(聚丙烯腈(polyacrylonitrile))，及PEO(聚環氧乙烷(polyethylene oxide))。
第1B圖示例說明：負電極單元160的示例，該負電極單元可與正電極單元相組合以形成鋰離子能量儲存裝置。負電極單元160具有：鋰金屬膜145a、鋰金屬膜145b，該鋰金屬膜145a具有根據本揭露的實施形成於其上的保護膜170a和該鋰金屬膜145b具有根據本揭露的實施形成於其上的保護膜170b。在一些實施中，界面膜147a形成於鋰金屬膜145a和保護膜170a之間，以及界面膜147b形成於鋰金屬膜145b和保護膜170b之間。鋰金屬膜145a、145b可為薄的鋰金屬膜(例如：20微米或更小、從大約1微米至大約20微米、從大約2微米至大約10微米)。保護膜170a、170b可為：在此描述的夾層膜或離子傳導性聚合物膜。界面膜147a、147b可包含：先前在此描述的釋放劑或金屬氧化物。在保護膜170a、170b為夾層膜的一些實施中，夾層膜通常在將負電極單元160與正電極單元相組合以形成鋰離子儲存裝置之前被移除。在保護膜170a、170b為離子傳導性聚合物膜的一些實施中，離子傳導性聚合物膜被併入最終的電池結構中。
負電極單元160具有：負電流收集器150、形成在負電流收集器150上的負電極140a、140b、形成於負電極140a、140b上的鋰金屬膜145a、145b，及形成在鋰金屬膜145a、145b上的保護膜170a、170b。雖然負電極單元160被描繪為雙面的單元，應理解到在此描述的實施亦應用於單面的單元。
負電極單元可使用在此描述的本揭露的工具來製造。根據一些實施，用於形成塗覆鋰的負電極的卷材工具可包含：卷對卷系統，該卷對卷系統用於傳送基材或電流收集器以通過下列所述的腔室：用於將負電極沉積在電流收集器上的腔室、用於將鋰的薄膜沉積在負電極上的腔室，及用於將保護膜沉積在鋰的薄膜上的腔室。用於沉積鋰的薄膜的腔室可包含：蒸發系統(例如：電子束蒸發器)、熱蒸發器，或薄膜傳送系統(其中包含大面積圖案印刷系統(例如：凹版印刷系統))。
在一些實施中，工具可進一步包含：用於在沉積鋰的薄膜和保護膜之前的連續的材料片的表面改質(surface modification)的腔室(例如：電漿預處理腔室)。再者，在一些實施中，工具可進一步包含：用於沉積可溶在液體電解質或鋰離子傳導的介質材料中的黏合劑的腔室。
根據一些實施，第1B圖的負電極單元160可利用後文所述的程序和設備來製造。用於根據本揭露來製造負電極單元160的卷材工具的一些配置被示意性地顯示在第2圖、第4A圖、第4B圖、第6圖，及第7圖中。應注意到此些圖式係示意性的表示和理解到卷材系統的配置和腔室的可視需要而定來改變以控制不同的製造程序。
第2圖根據在此描述的實施來示例說明：整合的處理工具200的示意圖。在某些實施中，整合的處理工具200包含：被排置成一線的複數個處理模組或腔室220和230，其中每一者經配置以對連續的材料片210執行一處理操作。在一實施中，處理腔室220和處理腔室230係獨立的模組化處理腔室，其中每一模組化處理腔室在結構上與其他的模組化處理腔室分離。因而，獨立的模組化處理腔室中的每一模組化處理腔室可被獨立地排置、重新排置、替換，或維修，而不在彼此之間造成影響。在某些實施中，處理腔室220和處理腔室230經配置以處理連續的材料片210的二面。雖然整合的處理工具200經配置以處理垂直方向的連續的材料片210，整合的處理工具200可經配置以處理以不同的方向來設置的基材(例如：水平方向的連續的材料片210)。在某些實施中，連續的材料片210係一彈性的傳導基材。
在某些實施中，整合的處理工具200包含：傳送機構205。傳送機構205可包含：能夠移動連續的材料片210以通過處理腔室220和處理腔室230的處理區域的任何的傳送機構。傳送機構205可包含：共同的傳送架構。共同的傳送架構可包含：卷對卷系統，該卷對卷系統 具有用於系統的共同的捲取捲軸214和供給捲軸212。捲取捲軸214和供給捲軸212可被個別地加熱。捲取捲軸214和供給捲軸212可使用被設置在每一捲軸或外部熱源內的內部熱源來個別地加熱。共同的傳送架構可進一步包含：被設置在捲取捲軸214和供給捲軸212之間的一或多個中間的傳送捲軸(213a&213b、216a&216b、218a&218b)。雖然整合的處理工具200被描繪為具有單一的處理區域，在某些實施中，針對於每一處理步驟具有分開的或個別的處理區域、模組，或腔室可為有利的。對於具有個別的處理區域、模組，或腔室的實施而言，共同的傳送架構可為：卷對卷系統，其中在該卷對卷系統中每一腔室或處理區域具有個別的捲取捲軸和供給捲軸，以及被設置在捲取捲軸和供給捲軸之間的一或多個可選的中間的傳送捲軸。共同的傳送架構可包含：軌道系統。軌道系統延伸通過處理區域或個別的處理區域。軌道系統經配置以傳送卷材基材(web substrate)或個別的基材。
整合的處理工具200可包含：用於移動連續的材料片210以通過不同的處理腔室的供給捲軸212和捲取捲軸214；用於沉積鋰金屬膜的第一處理腔室220和用於在鋰金屬膜上形成保護性塗覆(該保護性塗覆用於保護鋰金屬膜而不受到周遭的氧化劑的影響)的第二處理腔室230。在一些實施中，完成的負電極將不在捲取捲軸214上被收集(如在圖式中所顯示)，而是直接地與隔離層和正電極等等相整合以形成電池單元。
第一處理腔室220經配置以用於將鋰金屬的薄膜沉積在連續的材料片210上。用於沉積鋰金屬的薄膜的任何適當的鋰沉積製程可用以沉積鋰金屬的薄膜。可藉由PVD程序(例如：蒸發、狹縫式製程、傳送製程、層壓主持稿，或三維的鋰印刷製程)來沉積鋰金屬的薄膜。用於沉積鋰金屬的薄膜的腔室可包含：PVD系統(例如：電子束蒸發器)、薄膜傳送系統(其中包含大面積圖案印刷系統(例如：凹版印刷系統))、層壓系統，或狹縫式沉積系統。
在一實施中，第一處理腔室220係蒸發腔室。蒸發腔室具有：處理區域242，該處理區域被顯示為包含可被放置在坩鍋中的蒸發源244a、蒸發源244b(共同地為244)，其中該蒸發源244a、該蒸發源244b可為(例如)：在真空環境中的熱蒸發器或電子束蒸發器(冷式)。
第二處理腔室230經配置以用於：在鋰金屬膜上形成保護膜。保護膜可為：在此描述的離子傳導性材料。保護膜可藉由浸沾式塗覆、狹縫式塗覆、凹版印刷式塗覆、層壓，或印刷來形成。
在一實施中，第二處理腔室230係三維的印刷 腔室。印刷腔室具有：處理區域252，該處理區域被顯示為包含：用於印刷聚合物油墨的印刷源254a、254b(共同地為254)。
在一實施中，處理區域242和處理區域252在進行處理期間維持在真空條件下及/或處於低於大氣壓力的壓力下。處理區域242的真空度可被調整以與處理區域252的真空度相匹配。在一實施中，處理區域242和處理區域252在進行處理期間維持在大氣壓力下。在一實施中，處理區域242和處理區域252在進行處理期間維持在惰性氣體環境下。在一實施中，惰性氣體環境係氬氣環境。在一實施中，惰性氣體環境係氮氣(N2)環境。
第3圖示例說明：概述用於根據在此描述的實施來形成電極結構的方法300的一實施的程序流程圖。在操作310處，提供一基材。基材可為連續的材料片210。基材可具有：形成於其上的負電極材料。負電極材料可為負電極140。在操作320處，形成鋰金屬膜。鋰金屬膜可為鋰金屬膜145。若存在負電極材料，鋰金屬膜被形成於負電極上。若不存在負電極140，鋰金屬膜可被直接地形成於基材上。鋰金屬膜可形成在第一處理腔室220中。視需要而定，在操作325處，界面膜147形成於鋰金屬膜145上。在操作330處，保護膜形成於鋰金屬膜145上或形成於界面膜147上。保護膜可為：保護膜170。保護膜可為：離子傳導性聚合物。保護膜可被形成在第二處理腔室230中。在操作340處，具有鋰金屬膜和保護膜的基材 可視情況而定被存放、被傳送至另一工具，或同時被存放和被傳送至另一工具。在操作350處，具有形成於基材上的鋰金屬膜和保護膜的該基材要進行額外的處理。
第4圖根據在此描述的實施來示例說明：另一整合的處理工具400的示意圖。整合的處理工具400類似於整合的處理工具200(除了整合的處理工具400經配置以將夾層膜430沉積在鋰金屬膜上之外)。在某些實施中，整合的處理工具400包含：經配置以對連續的材料片210執行處理操作的第一處理腔室420。第一處理腔室420經配置以將鋰金屬的薄膜沉積在連續的材料片210上。第一處理腔室420進一步經配置以將夾層膜430a、430b(共同地為430)沉積在鋰金屬膜上以用於保護鋰金屬膜而不受到周遭的氧化劑的影響。雖然第一處理腔室420包含鋰金屬膜沉積設備和夾層膜二者，應理解到鋰金屬膜和夾層膜可被沉積在分開的獨立的模組化處理腔室。
在某些實施中，第一處理腔室420經配置以處理連續的材料片210的二面。雖然整合的處理工具400經 配置以處理垂直方向的連續的材料片210，整合的處理工具400可經配置以處理被設置在不同方向的基材(例如：水平方向的連續的材料片210)。在某些實施中，連續的材料片210係一彈性的傳導基材。
在某些實施中，整合的處理工具400包含傳送機構205。傳送機構205可包含：能夠移動連續的材料片210以通過第一處理腔室420的處理區域的任何的傳送機構。傳送機構205可包含：共同的傳送架構。共同的傳送架構可包含：卷對卷系統，該卷對卷系統具有用於系統的共同的捲取捲軸214和供給捲軸212。捲取捲軸214和供給捲軸212可被個別地加熱。捲取捲軸214和供給捲軸212可使用被設置在每一捲軸內的內部熱源或外部熱源來個別地加熱。傳送機構205可進一步包含：被設置在捲取捲軸214和供給捲軸212之間的一或多個中間的傳送捲軸(413a和413b、416a和416b、418a和418b)。在一些實施中，中間的傳送捲軸418a、418b將夾層膜壓至鋰金屬膜。在一些實施中，中間的傳送捲軸418a、418b將夾層膜層壓至鋰金屬膜。在一些實施中，加熱中間的傳送捲軸418a、418b。
雖然整合的處理工具400被描繪為具有單一的處理區域，在某些實施中，針對於每一處理操作具有分開的或個別的處理區域、模組，或腔室可為有利的。對於具有個別的處理區域、模組，或腔室的實施而言，共同的傳送架構可為：卷對卷系統，其中在該卷對卷系統中每一腔室或處理區域具有個別的捲取捲軸和供給捲軸，及被設置在捲取捲軸和供給捲軸之間的一或多個可選的中間的傳送捲軸。共同的傳送架構可包含：軌道系統。軌道系統延伸通過處理區域或個別的處理區域。軌道系統經配置以傳送卷材基材或個別的基材。
第一處理腔室420經配置以用於：將鋰金屬的薄膜沉積在連續的材料片210上。用於沉積鋰金屬的薄膜的任何適當的鋰沉積製程可用以沉積鋰金屬的薄膜。可藉由PVD製程(例如：蒸發、狹縫式製程、傳送製程，或三維的鋰印刷製程)沉積鋰金屬的薄膜。用於沉積鋰金屬的薄膜的腔室可包含：PVD系統(例如：電子束蒸發器)、薄膜傳送系統(其中包含大面積圖案印刷系統(例如：凹版印刷系統))或狹縫式沉積系統。
在一實施中，第一處理腔室420係蒸發腔室。蒸發腔室具有：處理區域442，該處理區域442被顯示為 包含可被放置在坩鍋中的蒸發源444a、蒸發源444b(共同地為444)，其中該蒸發源444a、該蒸發源444b可為(例如)：在真空環境中的熱蒸發器或電子束蒸發器(冷式)。
第一處理腔室420進一步經配置以將夾層膜 430沉積在鋰金屬膜上。
在一實施中，處理區域442在進行處理期間維持在真空條件下及/或處於低於大氣壓力的壓力下。在一實施中，處理區域442在進行處理期間維持在惰性氣體環境下。在一實施中，惰性氣體環境係氬氣環境。在一實施中惰性氣體環境係氮氣(N2)環境。
第4B圖示例說明：根據在此描述的實施的另一整合的處理工具450的示意圖。在某些實施中，整合的處理工具450包含：被排置成一線的複數個處理模組或處理腔室460和470，其中每一者經配置以對連續的材料片210執行處理操作。在一實施中，處理腔室460和處理腔室470係獨立的模組化處理腔室，其中每一模組化處理腔室在結構上與其他的模組化處理腔室分離。因而，獨立的模組化處理腔室的每一模組化處理腔室可被獨立地排置、重新排置、替換，或維修，而在彼此之間不造成影響。 在某些實施中，處理腔室460和處理腔室470經配置以處理連續的材料片210的二面。雖然整合的處理工具450經配置以處理水平方向的連續的材料片210，整合的處理工具450可經配置以處理以不同的方向設置的基材(例如：水平方向的連續的材料片210)。在某些實施中，連續的材料片210係一彈性的傳導基材。
在某些實施中，整合的處理工具450包含：傳送機構205。傳送機構205可包含：能夠移動連續的材料片210以通過處理腔室460和處理腔室470的處理區域的任何的傳送機構。傳送機構205可包含：共同的傳送架構。共同的傳送架構可包含：卷對卷系統，該卷對卷系統具有用於系統的共同的捲取捲軸214和供給捲軸212。捲取捲軸214和供給捲軸212可被個別地加熱。捲取捲軸214和供給捲軸 212可使用被設置在每一捲軸內的內部熱源或外部熱源來個別地加熱。共同的傳送架構可進一步包含：被設置在捲取捲軸214和供給捲軸212之間的一或多個中間的傳送捲軸(473a和473b、476a和476b、478a和478b)。
雖然整合的處理工具200被描繪為具有二個分別的處理區域，在某些實施中，具有共同的處理區域可為有利的。對於具有個別的處理區域、模組或腔室的實施而言，共同的傳送架構可為：卷對卷系統，其中在該卷對卷系統中每一腔室或處理區域具有個別的捲取捲軸和供給捲軸，及被設置在捲取捲軸和供給捲軸之間的一或多個可選的中間的傳送捲軸。共同的傳送架構可包含：軌道系統。軌道系統延伸通過處理區域或個別的處理區域。軌道系統經配置以傳送卷材基材或個別的基材。
整合的處理工具200可包含：用於移動連續的材料片210以通過不同的處理腔室的供給捲軸212和捲取捲軸214；一第一處理腔室460，該第一處理腔室用於從負電極移除夾層膜；及一第二處理腔室470，該第二處理腔室用於對負電極進行額外的處理。在一實施中，中間的傳送捲軸473a和473b經配置以從連續的材料片210移除夾層膜。在一些實施中，完成的負電極將不收集在捲取捲軸214上(如在圖式中所顯示者)，而是直接地與隔離層和正電極等等相整合以形成電池單元。
第一處理腔室460經配置以從連續的材料片210移除夾層膜430。第一處理腔室包含：處理區域 462 和用於在進行額外的處理之前移除夾層膜的至少一組的中間的傳送捲軸473a、473b。
第二處理腔室470經配置以用於連續的材料片210的額外的處理。第二處理腔室包含：處理區域472。
在一實施中，處理區域462和處理區域472在進行處理期間維持在真空條件下及/或處於低於大氣壓力的壓力下。處理區域462的真空度可被調整以與處理區域472的真空度相匹配。在一實施中，處理區域462和處理區域472在進行處理期間維持在大氣壓力下。在一實施中，處理區域462和處理區域472在進行處理期間維持在惰性氣體環境下。在一實施中，惰性氣體環境係氬氣環境。在一實施中，惰性氣體環境係氮氣(N2)環境。在一實施中，處理區域462和處理區域472中的至少一者在進行處理期間維持在真空條件下及/或處於低於大氣壓力的壓力下，而同時其他的處理區域維持在大氣壓力下或維持在惰性氣體氣氛下。
第5圖示例說明：概述用於根據在此描述的實施來形成電極結構的方法500的一實施的程序流程圖。在操作510處，提供一基材。基材可為連續的材料片210。基材可具有形成於其上的負電極材料。負電極材料可為：負電極140。在操作520處，形成鋰金屬膜。若存在負電極材料，鋰金屬膜被形成於負電極材料上。若不存在負電極材料，鋰金屬膜可直接地形成在基材上。鋰金屬膜可被形成在第一處理腔室420中。鋰金屬膜可為鋰金屬膜145。若存在負電極材料，鋰金屬膜形成在負電極上。在操作530處，夾層膜形成於鋰金屬膜上。夾層膜可在第一處理腔室420中形成於鋰金屬膜上。在一些實施中，夾層膜可在分開的處理腔室中形成於鋰金屬膜上。在操作540處，具有鋰金屬膜和夾層膜的基材可視情況而定被存放、被傳送至另一工具，或同時被存放和被傳送至另一工具。在操作550處，移除夾層膜。在操作560處，具有鋰金屬膜的基材要進行額外的處理。
第6圖根據在此描述的實施來示例說明：另一整合的處理工具600的示意圖。整合的處理工具600可用以形成(例如)：鋰離子能量儲存裝置100或負電極單元160。整合的處理工具600類似於整合的處理工具200(除了整合的處理工具600經配置以藉由層壓製程來沉積鋰金屬膜之外)。整合的處理工具200的第一處理腔室220由層壓-處理腔室620來替代。層壓-處理腔室620經配置以沉積形成在夾層膜上的鋰金屬的薄膜。在一實施中，界面膜(例如：離型膜)被形成在鋰金屬膜和夾層膜之間(如在此描述者)。此外，在將鋰金屬膜層壓至連續的材料片210之後，層壓-處理腔室620經配置以從被層壓的金屬膜中移除夾層膜。若存在離型膜，離型膜通常有助於從鋰金屬膜移除夾層膜且可與夾層膜一同被移除。若圖案化負電極，連續的層壓層係利用分段的半連續的方式來移動以配合圖案化電極的層壓。
在某些實施中，層壓-處理腔室620經配置以處理連續的材料片210的二面。雖然整合的處理工具600 經配置以處理垂直方向的連續的材料片210，整合的處理工具600可經配置以處理以不同的方向設置的基材(例如：水平方向的連續的材料片210)。在某些實施中，連續的材料片210係一彈性的傳導基材。
在某些實施中，整合的處理工具600包含傳送機構205。傳送機構205可包含：能夠移動連續的材料片210以通過層壓-處理腔室620的處理區域的任何的傳送機構。傳送機構205可包含：共同的傳送架構。共同的傳送架構可包含：卷對卷系統，該卷對卷系統具有用於系統的共同的捲取捲軸214和供給捲軸212。捲取捲軸214 和供給捲軸 212可被個別地加熱。捲取捲軸214和供給捲軸212可使用被設置在每一捲軸內的內部熱源或外部熱源來個別地加熱。傳送機構205可進一步包含：被設置在捲取捲軸214和供給捲軸212之間的一或多個中間的傳送捲軸(613a和613b、616a和616b、618a和618b)。
雖然整合的處理工具600被描繪為具有分開的處理區域，在某些實施中，具有共同的處理區域可為有利的。對於具有個別的處理區域、模組，或腔室的實施而言，共同的傳送架構可為：卷對卷系統 ，其中在該卷對卷系統中每一腔室或處理區域具有個別的捲取捲軸和供給捲軸，及被設置在捲取捲軸和供給捲軸之間的一或多個可選的中間的傳送捲軸。共同的傳送架構可包含：軌道系統。軌道系統延伸通過處理區域或個別的處理區域。軌道系統經配置以傳送卷材基材或個別的基材。
層壓-處理腔室620經配置以透過層壓製程將鋰金屬的薄膜沉積在連續的材料片210上。層壓-處理腔室620包含：用於供應鋰金屬膜/夾層膜632a、632b至連續的材料片210的鋰金屬膜/夾層膜供應輥630a、630b。層壓-處理腔室620進一步包含：用於收集被移除的夾層膜634a、634b的夾層捲取捲軸640a、640b。在一些實施中，層壓-處理腔室620進一步包含：用於施加壓力至鋰金屬膜/夾層膜632a、632b以將鋰金屬膜層壓至連續的材料片210的可選的壓輥650a、650b。在一些實施中，鋰金屬膜/夾層膜632a、632b進一步包含：形成在鋰金屬膜632a和夾層膜632b之間的離型膜(如在此描述者)。在一些實施中，加熱壓輥 650a、650b。在不存在壓輥650a、650b的一些實施中，中間的傳送捲軸616a、616b將鋰金屬膜/夾層膜632a、632b壓至連續的材料片210。在一些實施中，中間的傳送捲軸616a、616b將鋰金屬膜/夾層膜632a、632b層壓至連續的材料片210。在一些實施中，加熱中間的傳送捲軸616a、616b。
在一實施中，層壓-處理腔室620具有處理區域642。在一些實施中，處理區域642在進行處理期間維持在真空條件下及/或處於低於大氣壓力的壓力下。在一實施中，處理區域642在進行處理期間維持在惰性氣體環境下。在一實施中，惰性氣體環境係氬氣環境。在一實施中，惰性氣體環境係氮氣(N2)環境。
在操作中，當連續的材料片210在供給捲軸212和捲取捲軸214之間移動時，鋰金屬膜/夾層膜供應輥630a、630b供應鋰金屬膜/夾層膜632a、632b至連續的材料片210上。鋰金屬膜/夾層膜供應輥630a、630b供應鋰金屬膜/夾層膜632a、632b，及離型膜(若存在的話)，以使得鋰金屬膜接觸連續的材料片210。然後，鋰金屬膜係由壓輥650a、650b施壓以將鋰金屬膜層壓至連續的材料片210。在進行層壓之後，夾層膜634a、634b藉由傳送捲軸616a、616b從被層壓的鋰金屬膜的表面移除。被移除的夾層膜634a、634b係由夾層捲取捲軸640a、640b收集。
在將鋰金屬膜層壓至連續的材料片210之後，連續的材料片移動至第二處理腔室230以進行可選的額外的處理。
第7圖根據在此描述的一些實施來示例說明：又一整合的處理工具700的示意圖。整合的處理工具700可用以形成(例如)：鋰離子能量儲存裝置100或負電極單元160。整合的處理工具700類似於整合的處理工具600(除了整合的處理工具700經配置以藉由閉迴路層壓製程來沉積鋰金屬膜之外)。整合的處理工具600的層壓-處理腔室620係由閉迴路層壓-處理腔室720來替代。閉迴路層壓-處理腔室720經配置以在一連續迴路的夾層膜734a、734b上形成鋰金屬的薄膜，然後形成組合的鋰金屬膜/夾層膜732a、732b。該連續迴路的夾層膜 亦可包含：形成於該連續迴路的夾層膜上的離型膜。此外，在將鋰金屬膜層壓至連續的材料片210之後，閉迴路層壓-處理腔室720經配置以從被層壓的金屬層移除夾層膜734a、734b。
在某些實施中，閉迴路層壓-處理腔室720經配置以處理連續的材料片210的二面。雖然整合的處理工具700經配置以處理垂直方向的連續的材料片210，整合的處理工具700可經配置以處理以不同的方向設置的基材(例如：水平方向的連續的材料片210)。在某些實施中，連續的材料片210係一彈性的傳導基材。
在某些實施中，整合的處理工具700包含：傳送機構205。傳送機構205可包含：能夠移動連續的材料片210以通過閉迴路層壓-處理腔室720的處理區域的任何的傳送機構。傳送機構205可包含：共同的傳送架構。共同的傳送架構可包含：卷對卷系統，該卷對卷系統具有用於系統的共同的捲取捲軸214和供給捲軸212。捲取捲軸214和供給捲軸212可被個別地加熱。捲取捲軸214和供給捲軸212可使用被設置在每一捲軸或外部熱源內的內部熱源來個別地加熱。傳送機構205可進一步包含：被設置在捲取捲軸214和供給捲軸212之間的一或多個中間的傳送捲軸(713a和713b、714a和714b、715a和715b、716a和716b、718a和718b)。傳送捲軸713a和713b、714a和714b、715a和715b、716a和716b形成閉迴路，其中夾層膜734a、734b沿著該閉迴路移動。
閉迴路層壓-處理腔室720進一步包含：用於施加壓力至鋰金屬膜/夾層膜732a、732b以將鋰金屬膜層壓至連續的材料片210的可選的壓輥750a、750b。在一些實施中，加熱壓輥750a、750b。在不存在壓輥750a、750b的一些實施中，中間的傳送捲軸716a、716b將鋰金屬膜/夾層膜732a、732b壓至連續的材料片210上。在一些實施中，中間的傳送捲軸716a、716b將鋰金屬膜/夾層膜732a、732b層壓至連續的材料片210上。在一些實施中，加熱中間的傳送捲軸716a、716b。
在一實施中，閉迴路層壓-處理腔室720界定一處理區域742。在一些實施中，處理區域742在進行處理期間維持在真空條件下及/或處於低於大氣壓力的壓力下。在一實施中，處理區域742在進行處理期間維持在惰性氣體環境下。在一實施中，惰性氣體環境係氬氣環境。在一實施中，惰性氣體環境係氮氣(N2)環境。
閉迴路層壓-處理腔室720進一步經配置以用於將鋰金屬的薄膜沉積在連續的材料片210上。用於沉積鋰金屬的薄膜的任何的適當的鋰沉積製程可用以沉積鋰金屬的薄膜。可藉由PVD製程(例如：蒸發、狹縫式程序、傳送製程、層壓製程或三維的鋰印刷製程)來沉積鋰金屬的薄膜。用於沉積鋰金屬的薄膜的腔室可包含：PVD系統(例如：電子束蒸發器)、薄膜傳送系統 (其中包含大面積圖案印刷系統(例如：凹版印刷系統))、層壓系統，或狹縫式沉積系統。
在一實施中，閉迴路層壓-處理腔室720包含可被放置在坩鍋中的蒸發源744a、蒸發源744b(共同地為744)，該蒸發源744a、該蒸發源744b可為(例如)：在真空環境中的熱蒸發器或電子束蒸發器(冷式)。蒸發源744將鋰金屬膜沉積在夾層膜734a、734b上以形成鋰金屬膜/夾層膜732a、732b。
在操作中，當夾層膜734a、734b沿著由傳送捲軸713a和713b、714a和714b、715a和715b、716a和 716b形成的閉迴路移動時，鋰金屬膜被沉積在夾層膜734a、734b上以形成鋰金屬膜/夾層膜732a、732b。當連續的材料片210在供給捲軸212和捲取捲軸214之間移動時，鋰金屬膜/夾層膜732a、732b接觸連續的材料片210。然後，鋰金屬膜係被壓輥750a、750b施壓以將鋰金屬膜層壓至連續的材料片210。在進行層壓之後，夾層膜734a、734b從被層壓的鋰金屬膜的表面脫開和繼續沿著閉迴路移動。夾層膜734a、734b繼續沿著閉迴路移動，其中在該閉迴路中額外的鋰金屬膜被形成在夾層膜734a、734b上。
在將鋰金屬膜層壓至連續的材料片210之後，連續的材料片移動至第二處理腔室230以進行額外的處理。
額外的腔室可被包含在整合的處理工具200中、被包含在整合的處理工具400中、被包含在整合的處理工具600中，或被包含在整合的處理工具700中。在一些實施中，額外的腔室可提供隔離層、電解質可溶性黏合劑的沉積，或在一些實施中，額外的腔室可提供：正電極的形成。在一些實施中，額外的腔室提供：負電極的切割。在進行負電極的切割之後，可移除夾層。
雖然本揭露的實施已經特定地參照具有石墨負電極的鋰離子電池來描述，本揭露的教示和原理可應用於其他的基於鋰的電池(例如：Li-聚合物、Li-S、Li-FeS2、基於Li金屬的電池等等)。對於基於Li金屬的電池(例如：Li-S和Li-FeS2)而言，可需要較厚的Li金屬電極和Li金屬的厚度取決於正電極的負載。在一些實施中，對於Li-S而言，Li金屬電極可具有在3和30微米之間的厚度，且對於Li-FeS2而言，Li金屬電極可具有大約為190至200微米的厚度，以及Li金屬電極可被沉積在可相容的基材(例如：Cu或不銹鋼金屬箔)的一側或二側上–在此描述的方法和工具可用以製造此些Li金屬電極。
綜合以上所述，本揭露的益處中的一些者包含：有效地將鋰金屬沉積整合至目前的可用的處理系統。目前鋰金屬沉積在乾燥室或氬氣環境中執行。由於鋰金屬的揮發性，後續的處理步驟亦必須在氬氣環境中被執行。後續的在氬氣環境中的處理步驟的執行會需要：目前的製造工具的改進。發明人已經發現到：在進行後續的處理之前將保護膜塗覆在鋰金屬上允許後續的處理在真空條件下或在大氣壓力下被執行。保護膜消除了在惰性氣體環境中執行額外的處理操作的需要，而減低了工具的複雜度。保護膜亦允許：具有形成於負電極上的鋰金屬膜的該負電極的傳送、存放，或傳送和存放二者。此外，在保護膜係離子傳導膜的實施中，離子傳導膜可被併入最終的電池結構以減低電池形成製程的複雜度。此者會減低工具的複雜度並隨後地減低擁有成本。
當介紹了本揭露的元件或示例性的態樣或其實施，冠詞「一(a)」、「一個(an)」、「 該(the)」，及「所述(said)」意欲為意指：具有一或多個元件。
用語「包含(comprising)」、「包含有(including)」，及「具有(having)」意欲為：具有包含性的(inclusive)和意指：可具有除了所列出的元件之外的額外的元件。
雖然前文係關於本揭露的實施，該揭露的其他和進一步的實施可被設計，而不偏離其基本的範疇，及其範疇係由後續的申請專利範圍所決定。
100‧‧‧鋰離子能量儲存裝置 110‧‧‧正電流收集器 120‧‧‧正電極 130‧‧‧隔離層 140‧‧‧負電極 140a‧‧‧負電極 140b‧‧‧負電極 145‧‧‧鋰金屬膜 145a‧‧‧鋰金屬膜 145b‧‧‧鋰金屬膜 147‧‧‧界面膜 147a‧‧‧界面膜 147b‧‧‧界面膜 150‧‧‧負電流收集器 160‧‧‧負電極單元 170‧‧‧保護膜 170a‧‧‧保護膜 170b‧‧‧保護膜 200‧‧‧整合的處理工具 205‧‧‧機構 210‧‧‧材料 212‧‧‧供給捲軸 213a‧‧‧捲軸 213b‧‧‧捲軸 214‧‧‧捲取捲軸 216a‧‧‧捲軸 216b‧‧‧捲軸 218a‧‧‧捲軸 218b‧‧‧捲軸 220‧‧‧第一處理腔室 230‧‧‧第二處理腔室 242‧‧‧處理區域 244a‧‧‧蒸發源 244b‧‧‧蒸發源 252‧‧‧處理區域 254a‧‧‧印刷源 254b‧‧‧印刷源 300‧‧‧方法 310‧‧‧操作 320‧‧‧操作 325‧‧‧操作 330‧‧‧操作 340‧‧‧操作 350‧‧‧操作 400‧‧‧整合的處理工具 413a‧‧‧捲軸 413b‧‧‧捲軸 416a‧‧‧捲軸 416b‧‧‧捲軸 418a‧‧‧捲軸 418b‧‧‧捲軸 420‧‧‧第一處理腔室 430‧‧‧夾層膜 430a‧‧‧夾層膜 430b‧‧‧夾層膜 442‧‧‧處理區域 444a‧‧‧蒸發源 444b‧‧‧蒸發源 450‧‧‧整合的處理工具 460‧‧‧第一處理腔室 462‧‧‧處理區域 470‧‧‧第二處理腔室 472‧‧‧處理區域 473a‧‧‧捲軸 473b‧‧‧捲軸 476a‧‧‧捲軸 476b‧‧‧捲軸 500‧‧‧方法 510‧‧‧操作 520‧‧‧操作 530‧‧‧操作 540‧‧‧操作 550‧‧‧操作 560‧‧‧操作 600‧‧‧整合的處理工具 613a‧‧‧捲軸 613b‧‧‧捲軸 616a‧‧‧捲軸 616b‧‧‧捲軸 618a‧‧‧捲軸 618b‧‧‧捲軸 620‧‧‧層壓-處理腔室 630a‧‧‧鋰金屬膜/夾層膜供應輥 630b‧‧‧鋰金屬膜/夾層膜供應輥 632a‧‧‧鋰金屬膜/夾層膜 632b‧‧‧鋰金屬膜/夾層膜 634a‧‧‧夾層膜 634b‧‧‧夾層膜 640a‧‧‧夾層捲取捲軸 640b‧‧‧夾層捲取捲軸 642‧‧‧處理區域 650a‧‧‧壓輥 650b‧‧‧壓輥 700‧‧‧整合的處理工具 713a‧‧‧捲軸 713b‧‧‧捲軸 714a‧‧‧捲軸 714b‧‧‧捲軸 715a‧‧‧捲軸 715b‧‧‧捲軸 716a‧‧‧捲軸 716b‧‧‧捲軸 718a‧‧‧捲軸 718b‧‧‧捲軸 720‧‧‧閉迴路層壓-處理腔室 732a‧‧‧鋰金屬膜/夾層膜 732b‧‧‧鋰金屬膜/夾層膜 734a‧‧‧夾層膜 734b‧‧‧夾層膜 742‧‧‧處理區域 744‧‧‧蒸發源 744a‧‧‧蒸發源 744b‧‧‧蒸發源 750a‧‧‧壓輥 750b‧‧‧壓輥
為了使得可詳細地理解前文引述本揭露的特徵之方式，實施的更為特定的描述(簡短地於前文中概括者)可藉由參照實施來獲得，其中該等實施中的一些者被示例說明在隨附圖式中。然而，應注意到：隨附圖式僅示例說明此揭露的典型的實施，因而並不被認為是限制其範疇，因為該揭露可容許其他的同等有效的實施。
第1A圖示例說明： 根據在此描述的實施形成的電極結構的一實施的剖面圖。
第1B圖示例說明：根據在此描述的實施形成的雙面的負電極結構的剖面圖。
第2圖根據在此描述的實施來示例說明整合的處理工具的示意圖。
第3圖根據在此描述的實施來示例說明：概述用於形成一電極結構的方法的一實施的程序流程圖。
第4A圖根據在此描述的實施來示例說明另一整合的處理工具的示意圖。
第4B圖根據在此描述的實施來示例說明另一整合的處理工具的示意圖。
第5圖根據在此描述的實施來示例說明：概述用於形成一電極結構的方法的一實施的程序流程圖。
第6圖根據在此描述的實施來示例說明：另一整合的處理工具的示意圖；及
第7圖根據在此描述的實施來示例說明：又一整合的處理工具的示意圖。
為了促進理解，在可能的情況中已使用相同的元件符號以指定給圖式共用的相同的元件。考慮到一實施的元件和特徵可有益地合併在其他的實施中，而無需進一步的詳述。
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100‧‧‧鋰離子能量儲存裝置
110‧‧‧正電流收集器
120‧‧‧正電極
130‧‧‧隔離層
140‧‧‧負電極
145‧‧‧鋰金屬膜
147‧‧‧界面膜
150‧‧‧負電流收集器
170‧‧‧保護膜

Claims (20)

  1. 一種負電極，包含： 一矽石墨陽極； 形成於該矽石墨陽極上的鋰金屬的一膜；及 形成於鋰金屬的該薄膜上的一保護膜，其中該保護膜係一鋰離子傳導性材料或一夾層膜。
  2. 如請求項1所述之負電極，進一步包含：一界面膜，形成在鋰金屬的該膜與該保護膜之間，其中該界面膜具有從大約0.1微米至大約5微米的一厚度。
  3. 如請求項2所述之負電極，其中該界面膜係從下列所述者所構成的群組中選出的：LiF、Al2O3、LiAlO2、LiAl5O8、ZrO2、Li2ZrO3、Li2O、Li2S，及其混合物。
  4. 如請求項2所述之負電極，其中該界面膜係從下列所述者所構成的群組中選出的：聚烯烴(polyolefin)、多氟烴(polyfluorocarbon)、聚醯胺(polyamide)、 聚酯纖維(polyester)、聚碳酸酯(polycarbonate)、聚氨基甲酸酯(polyurethane)、聚苯乙烯(polystyrene)、聚己內酯(polycaprolactone)，及其混合物和共聚合物。
  5. 如請求項1所述之負電極，其中鋰金屬的該膜具有從大約1微米至大約20微米厚的一厚度。
  6. 如請求項1所述之負電極，該保護膜係該鋰離子傳導材料及該鋰離子傳導材料係從下列所述者所構成的群組中選出的：LiPON、晶相的或非晶相的的石榴石型的Li7La3Zr2O12、Li2+2xZn1-xGeO4，其中0＜x＜1， Na1+xZr2SixP3-xO12，其中0＜x＜3，氫硼化鋰(lithium borohydride, LiBH4)、摻雜的反鈣鈦礦組合物(doped anti-perovskite compositions)，及LiPS5X，其中x係Cl、Br，或I。
  7. 如請求項1所述之負電極，其中該夾層膜係從下列所述者所構成的群組中選出的：聚乙烯(polyethylene)、 聚丙烯(polypropylene)、聚對苯二甲酸乙二酯(poly(ethylene terephthalate))、聚對苯二甲酸丁二酯(poly(butylene terephthalate))、聚酯纖維(polyester)、聚醯胺(polyamide)、聚芳酰胺(polyaramid)、聚丙烯酸酯(polyacrylate)、聚碳酸酯(polycarbonate)、聚酯碳酸酯(poly(ester carbonate))、聚苯并咪唑(polybenzimidazole)、聚醯亞胺(polyimide)、聚醚醯亞胺(polyether imide)、聚醯胺醯亞胺(polyamide imide)，及其組合。
  8. 如請求項7所述之負電極，其中該夾層膜係聚丙烯(polypropylene)。
  9. 一種併入請求項1的該負電極的鋰離子電池。
  10. 一種形成一負電極的方法，包含以下步驟：在一負電極上形成一鋰金屬膜； 在該鋰金屬膜上形成一界面膜；及 在該界面膜上形成一保護膜，其中該界面膜係一離型膜、一金屬氟化物膜，或一金屬氧化物膜。
  11. 如請求項10所述之方法，其中該界面膜係該離型膜及該離型膜係從下列所述者所構成的群組中選出的：聚烯烴(polyolefin)、多氟烴(polyfluorocarbon)、聚醯胺(polyamide)、聚酯纖維(polyester)、聚碳酸酯(polycarbonate)、聚氨基甲酸酯(polyurethane)、聚苯乙烯(polystyrene)、 聚己內酯(polycaprolactone)，及其混合物和共聚合物。
  12. 如請求項10所述之方法，其中該界面膜係從下列所述者所構成的群組中選出的：LiF、 Al2O3、LiAlO2、 LiAl5O8、ZrO2、Li2ZrO3、Li2O，及其混合物。
  13. 如請求項10所述之方法，進一步包含以下步驟：從該鋰金屬膜移除該界面膜和該保護膜。
  14. 如請求項10所述之方法，其中該鋰金屬膜被層壓在該負電極上。
  15. 一種形成塗覆鋰的負電極的整合的處理工具，包含：一卷對卷系統，該卷對卷系統用於傳送一連續的材料片以經過下列的處理腔室： 用於在該連續的材料片上沉積鋰金屬的一薄膜的一腔室；及 用於將一保護膜沉積在鋰金屬的該薄膜的表面上的一腔室。
  16. 如請求項15所述之整合的處理工具， 其中用於沉積鋰金屬的一薄膜的該腔室係從下列所述者所構成的群組中選出的：一物理氣相沉積(PVD)系統、一薄膜傳送系統、一層壓系統，及一狹縫式沉積系統。
  17. 如請求項15所述之整合的處理工具，其中用於將一保護膜沉積在該鋰金屬膜的該腔室係從下列所述者所構成的群組中選出的：用於沉積一夾層膜的一腔室和用於將一鋰離子傳導性聚合物沉積在該鋰金屬膜上的一腔室。
  18. 如請求項17所述之整合的處理工具，進一步包含：用於在進行額外的處理之前移除該夾層膜的一腔室。
  19. 如請求項15所述之整合的處理工具，進一步包含：用於在該連續的材料片上形成一負電極材料的一腔室。
  20. 如請求項15所述之整合的處理工具，其中該連續的材料片係一彈性的傳導基材。
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