TW201810767A - 薄膜電池設備及形成方法 - Google Patents

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立中 孫
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迪米崔歐斯 阿吉里斯
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Abstract

一種薄膜電池，可包括：一接點層，該接點層安置在一第一平面上，且包括一陰極電流收集器及一陽極電流收集器板；一設備堆疊，安置在該陰極電流收集器上，該設備堆疊包括一陰極及固態電解質；一陽極電流收集器，安置在該設備堆疊上；一薄膜封裝物，該薄膜封裝物安置在該設備堆疊上方，其中該固態電解質封裝該陰極。

Description

薄膜電池設備及形成方法
此案主張於2016年4月14日所提出之標題為「Volume Change Accommodating TFE Materials」之第62/322,415號之美國臨時專利申請案的優先權，且其整體內容以引用方式併入本文中。
本實施例關於用以保護有效設備的薄膜封裝（TFE）技術，且更具體而言是關於封裝薄膜電池設備。
在製造薄膜電池設備時，對於形成設備的有效區域（或前端）而言及對於形成設備的封裝部分（或後端）而言，設備結構的佈局（patterning）仍然是個挑戰。
具體而言，對於無縫整合進併入薄膜電池的系統而言，形成非常薄的電池的能力是很有益的。為此，為使薄膜電池的非有效部分最小限度地增加電池的整體尺寸，減少非有效材料（例如封裝材料）是有用的。包裝能量存儲設備（例如薄膜電池）的習知方法包括囊裝（pouching）、積層等等。這些方法對於被包裝或封裝的設備添加了不理想的重量及體積量。用於保護薄膜電池之有效元件之基於薄膜的封裝方法在對系統添加最小限度的材料及體積的情況下提供了可能簡化的封裝方式。值得注意的是，用於這些類型的設備（例如薄膜電池）的薄膜封裝方法基於若干理由是更加有挑戰性的。首先，為了在設備運作期間減少針對薄膜封裝物的潛在應力，適應在電池運作期間所發生的體積改變是有用的。其次，薄膜封裝物的主要功能是提供良好的氧化劑滲透屏障性質。並且，薄膜封裝物可用以封裝包括較大拓樸變化的設備結構。目前，對於提供這些設備的強健及一致的長期運作而言，缺乏著強健的薄膜封裝物製造方法及生成的設備架構。
是針對這些及其他考量而提供本揭示案。
在一個實施例中，一種薄膜電池可包括：一接點層，其中該接點層安置在一第一平面上，且包括一陰極電流收集器及一陽極電流收集器板。該薄膜電池可更包括：一設備堆疊，安置在該陰極電流收集器上，該設備堆疊包括一陰極及固態電解質；一陽極電流收集器，安置在該設備堆疊上。該薄膜電池亦可包括：一薄膜封裝物，其中該薄膜封裝物安置在該設備堆疊上方，其中該固態電解質封裝該陰極。
在另一實施例中，一種形成一薄膜電池的方法可包括以下步驟：在一基板上沉積一接點層且在該接點層上方形成一設備堆疊，其中該設備堆疊包括一陰極、一固態電解質及一陽極電流收集器，其中該固態電解質封裝該陰極。該方法亦可包括以下步驟：在形成該設備堆疊的該步驟之後在該基板上形成一薄膜封裝物。
在另一實施例中，一種形成一薄膜電池的方法可包括以下步驟：在一基板上沉積一接點層及在該接點層上沉積一陰極層。該方法亦可包括以下步驟：佈局該接點層及該陰極層，其中該基板是受暴的，且其中該接點層形成一陰極電流收集器及一陽極電流收集器板，且該陰極層形成一陰極。該方法亦可包括以下步驟：在佈局該接點層及該陰極層的該步驟之後在該基板上沉積一固態電解質層，佈局該固態電解質層，其中該陽極電流收集器板是受暴的。該方法可更包括以下步驟：在佈局該固態電解質層的該步驟之後在該基板上沉積一陽極電流收集器層；及佈局該陽極電流收集器層及該固態電解質層，其中該陰極電流收集器是受暴的。該方法亦可包括以下步驟：在佈局該陽極電流收集器層及該固態電解質層的該步驟之後在該基板上沉積一聚合物層；及佈局該聚合物層以形成一經佈局的聚合物層，其中該陰極電流收集器在一第一區域中受暴。
現將參照隨附繪圖在下文中更完全地描述本實施例，某些實施例圖示於該等繪圖處。本揭示案的標的可以許多不同的形式實施且不要被建構為限於本文中所闡述的實施例。這些實施例是被提供為使得此揭示案將是透徹及完整的，且將向本領域中具技藝者完全傳達標的的範圍。在繪圖中，類似的標號在各處指稱類似的構件。
本實施例關於薄膜封裝（TFE）技術，其中薄膜封裝物用以最小化有效設備的環境暴露。本實施例提供了薄膜封裝的新穎的結構及材料組合。
有效設備的實例包括了包括電致變色窗口及薄膜電池的電化學設備，其中有效元件材料對於濕氣或其他環境材料是高度敏感/反應性的。為此，習知的電化學設備（例如薄膜電池）可被提供為具有封裝以保護有效元件材料。
在各種實施例中，薄膜設備（例如薄膜電池）及用於形成薄膜電池的技術被提供為具有包括封裝物材料的新穎架構。薄膜電池可包括由有效層組成的層堆疊以及薄膜封裝物，其中薄膜封裝物亦可為多層結構。
在各種實施例中，針對有效設備區域、薄膜封裝物或有效設備區域及薄膜封裝物的組合的形成，提供了薄膜沉積及佈局操作的新穎組合。具體而言，提供了用於形成薄膜電池的技術，其中該等技術相較於習知的薄膜電池，提供了結構、易於製造、效能或這些因素組合方面的改良。各種考量可能影響薄膜電池的設計。非窮舉的圖素列表包括：電池適應在電池運作期間發生之薄膜電池之特定區域內之局部體積變化的能力；保護免於氧化滲透作用；及形成考慮拓樸上之大變化之設備的能力。進一步的因素包括：將薄膜電池中的非有效材料限制於可接受位準的能力；使薄膜電池在設備區域內具有一定的可接受部分的非有效材料的能力；及使用性價比高的技術來製造薄膜電池的能力。在本文中所揭露的特定實施例中，薄膜封裝的形成以針對薄膜電池的運作及穩定性允許更加強健的架構的新穎方式來與薄膜電池之有效設備區域的形成整合。
圖 1A 繪示依據本揭示案之各種實施例之薄膜電池130的橫截面。圖 1B 提供依據本揭示案之實施例之薄膜電池之變體的平面圖。具體而言，圖1A繪示了佈置100，其中至少一個薄膜電池（圖示為薄膜電池130）佈置在基板102上。圖 1C 提供依據本揭示案之實施例之基板中之薄膜電池佈置150的平面圖。圖1C的佈置可包括薄膜電池（例如薄膜電池130）的矩陣。
現在看到圖1A，取決於外表面的目標電氣性質，基板102（用於支撐薄膜電池130）可為絕緣體、半導體或導體。更具體而言，取決於應用，基板102可以陶瓷、金屬或玻璃製造，例如氧化鋁、矽玻璃或甚至是鋁或鋼。基板102可包括任何數量的部件或層，包括作為要形成於基板102上之層之介面的黏著層（未圖示）。
如圖1A中所示，薄膜電池130可包括接點層104，其中接點層104安置在第一平面（與所示的笛卡耳座標系統的X-Y平面平行）上。接點層104可佈置在不同部件中，且可包括陰極電流收集器106及陽極電流收集器板108。接點層104可以用於習知薄膜電池中的習知金屬或金屬合金形成。薄膜電池130可更包括設備堆疊110，其中設備堆疊110安置在陰極電流收集器106上。如所示，設備堆疊110可包括陰極112及固態電解質114。例如，在薄膜電池130為鋰電池的實施例中，陰極112可為含鋰的LiCoO2 材料，其中鋰在充電及放電期間在陰極112及陽極電流收集器116之間來回擴散。在運作期間，鋰可擴散透過固態電解質114，其中固態電解質114可為適於在設備堆疊110中的陰極112及陽極區域115之間傳導鋰的習知鋰磷氮氧化物（LiPON）材料。
儘管未在圖1A中圖示為相異的層，依據本揭示案之實施例，薄膜電池（例如薄膜電池130）可包括陽極區域115（圖示於虛線區域中），其中陽極區域115安置在固態電解質114及陽極電流收集器116之間。陽極區域115可表示在薄膜電池130充電及放電時鋰累積於內或擴散遠離的區域。此可逆的材料（例如鋰）輸送可造成陽極區域115中之尺度上的改變，其中此類改變可為數微米的數量級，導致薄膜電池內的（包括薄膜封裝物120中的）扭曲。值得注意的是，在圖4A、圖5及圖6A中於下文所揭露的額外實施例中，陽極區域被理解為是存在於陽極電流收集器及固態電解質之間。
如圖1A中所示，陽極電流收集器116的至少一部分安置在設備堆疊110上。亦如圖1A中所示，薄膜電池130可更包括薄膜封裝物（圖示為薄膜封裝物120），其中薄膜封裝物120安置在設備堆疊110的頂部上方。更具體而言，薄膜封裝物120可直接安置在陽極電流收集器116上。如所示，薄膜封裝物120可在設備堆疊110的第一側（圖1A中的左方）上封裝設備堆疊110。如圖1A中進一步圖示，可以陽極電流收集器116沿第二側封裝設備堆疊110的方式有利地形成薄膜電池130。
如圖1A中進一步圖示，薄膜電池130的標誌是固態電解質114的結構，其中固態電解質114封裝陰極112。有利地，可在來自薄膜電池130外面的物種潰決薄膜封裝物120時據此藉由固態電解質114保護陰極112的陰極側壁111。進一步有利地，在薄膜電池130的循環期間，在Li物種從陰極112朝向陽極電流收集器116輸送時，Li物種可變得「被捕捉」於固態電解質114及陽極電流收集器116的金屬層之間。
如圖1A中進一步圖示，薄膜電池130可包括陰極接點122及陽極接點124，該等接點可以習知的金屬（例如銀）形成。實施例不限於此背景下。依據本揭示案的某些實施例，薄膜封裝物120可以至少一個二元體形成，其中給定的二元體包括聚合物層及剛性層（例如安置在聚合物層附近的剛性介電層或剛性金屬層）。在各種實施例中，二元體可充當「功能性二元體」，其中功能性二元體的至少一個層針對汙染物（例如濕氣及氣體物種）提供了擴散障壁，而至少一個層包括用於以可逆方式適應有效設備區域之尺度上的改變的軟及柔的層。二元體的實例包括用於第一層的聚合物層及剛性擴散屏障層（例如用於第二層的介電層或剛性金屬層，或剛性金屬層及剛性介電層的組合）的組合。在特定實施例中，用語「聚合物層」可僅指一個聚合物層或指包括不同聚合物之多個子層的聚合物層堆疊，其中至少一個子層是軟及柔的。剛性金屬層可包括Cu、Al、Pt、Au或其他金屬。實施例不限於此背景下。在特定實施例中，聚合物層可為軟及柔的聚合物，或聚合物層的至少一個聚合物子層可以軟及柔的聚合物形成，其中軟及柔的聚合物的特徵為相對較低的彈性模數。具有低彈性模數的合適聚合物包括：矽樹脂，~ A40蕭耳A的硬度，~ 0.9 Kpsi或~ 6.2 MPa的楊氏模數；聚一氯對二甲苯（Parylene-C）：~洛克威爾（Rockwell）R80的硬度，~ 400 Kpsi或~ 2.8 GPa的楊氏模數；KMPR：~ 1015 Kpsi或~ 7.0 GPa的楊氏模數；聚醯亞胺：D87蕭耳D的硬度，~ 2500 Kpsi或~ 17.2 GPa的楊氏模數。其他有用的性質包括相對較大的斷裂伸長度（elongation to break）（例如矽樹脂為100到210%；聚一氯對二甲苯為200%；聚醯亞胺為72%；丙烯酸塑膠為2.0到5.5%；環氧樹脂為3到6%）及相關的性質。在圖1A的實例中，薄膜封裝物包括三個二元體，而在其他實施例中，可使用更大數量或更少數量的二元體來形成薄膜封裝物。
更具體而言，如本文中所使用的，「軟及柔」的材料可指例如具有小於20 GPa之彈性（楊氏）模數的材料，而「剛性材料」（例如剛性金屬層或剛性介電層）可具有大於20 GPa的彈性模數。與軟及柔的材料相關聯的其他特性性質包括相對高的斷裂伸長度，例如對於薄膜封裝物的至少一個聚合物層來說為70%或更大。在某些實例中（例如矽樹脂），軟及柔的材料可具有高達200%或更大的斷裂伸長度。
現在看到圖1B，圖示了薄膜電池130之變體的平面圖，該平面圖圖示陰極電流收集器區域132及陽極電流收集器區域134，其中兩個區域具有大致圓形的形狀。在其他實施例中，此類區域可具有其他形狀，例如矩形形狀。由陰極電流收集器區域132及陽極電流收集器區域134外面的最內的線所定義的區域定義了有效設備區域，而各種其他的線表示薄膜封裝物之各種元件/層的重疊/邊緣。現在看到圖1C，圖示了以薄膜電池130的二維陣列製作的薄膜電池佈置150。此陣列可藉由藉著以下步驟佈局複數個電池來形成：執行複數個薄膜沉積操作以沉積薄膜電池130的不同元件，以及執行用以定義個別電池以及個別電池內的元件的佈局操作。
如圖1A中所進一步圖示及之後的圖式中所詳述的，在各種實施例中，TFE堆疊的結構可包括複數個層，其中聚合物層及剛性介電層以非平坦的方式延伸。例如，第一部分121可沿陽極電流收集器116的表面延伸，而第二部分123可沿設備堆疊110的側延伸。如此，從薄膜電池130外面擴散的材料在接觸設備堆疊110之前以多個不同的層防止擴散透過，無論是從薄膜電池130的頂部穿透還是從薄膜電池130的側穿透。儘管繪製為個別的層，薄膜封裝物層（例如聚合物層）可包括類似材料或不同材料（例如被配置為多層聚合物堆疊之聚合物「層」內的不同類型的聚合物子層）的多層配置。
如圖1A中所進一步圖示，基板102可充當用於形成薄膜電池130的基底。圖1A之薄膜電池130的配置可被視為是共面配置，其中基板102安置在第一區域中的陰極電流收集器106附近、第二區域中的陽極電流收集器板108附近及第三區域的固態電解質114附近。換言之，陰極電流收集器106是以與陽極堆疊109共面的配置安置，其中陽極堆疊109包括陽極電流收集器板108及陽極電流收集器116與陽極電流收集器板108電氣接觸的一部分。
總而言之，薄膜電池130提供了多個封裝設備堆疊之元件的方式。除了由固態電解質114所提供的封裝以外，薄膜封裝物120封裝設備堆疊110的第一側，而陽極電流收集器116沿第二側封裝設備堆疊110。
圖 2A-2K 繪示各種組裝階段下之薄膜電池的橫截面圖。看到圖2A，圖示了已在基板102上以敷層形式沉積接點層104及陰極層112A的實例。依據各種實施例，接點層104及陰極層112A可使用習知的沉積技術來沉積，包括使用物理氣相沉積、化學氣相沉積、液體沉積技術的任何組合來沉積。這些層的層厚度可與用於習知薄膜電池的厚度一致。接點層104具體可為用於習知電池中之習知陰極電流收集器的材料，例如Ti/Pt或其他金屬材料。
於圖 2B 處，圖示了一後續實例，其中接點層104及陰極層112A已被佈局。具體而言，基板102在區域204中受暴，接點層104形成如上所述的陰極電流收集器106及陽極電流收集器板108，而陰極層112A形成陰極112。在某些實施例中，接點層104及陰極層112A可以單獨的操作來佈局。例如，陰極層112A可首先被佈局以移除陰極層112A的材料，僅留下如所示的陰極112。可使用無遮罩佈局程序（例如雷射蝕刻）或有遮罩的程序（其中可在平版印刷程序中沉積及定義遮罩）來使佈局發生，以便提供陰極層112A的受暴區域以供在蝕刻程序中移除，如本領域中所習知的。
使用無遮罩佈局程序（例如雷射蝕刻）的優點是避免了與涉及平版印刷術及乾蝕刻或濕蝕刻之習知有遮罩佈局程序相關聯的複雜性及成本。如此，消除了平版印刷術及蝕刻、消耗成本、及設備效應的複雜性。此外，基於雷射的佈局步驟允許設備形狀/設計是基於軟體配方的，而不取決於實體遮罩，促進了更快速、彈性及更簡單的設計改變。
在各種實施例中，可主要以兩個方式完成雷射佈局：使用採用相對高功率的繞射光學件來在較大的面積上擴張雷射射束。此方法可能特別適用於不具有精細圖樣細節的簡單、容易重複的圖樣。特別有用於佈局依據本實施例之薄膜電池的另一類型的雷射佈局步驟是使用掃描方法來進行直接雷射消蝕。基於掃描器的簡單及先進的電流計可掃描雷射射束以形成更複雜的圖樣，且較少受到特徵尺寸及尺度所限制。為了最小化佈局次數，可與多面鏡結合使用高重複率雷射（＞1 MHz）以完成高體積生產速率。
皮秒及飛秒的脈衝持續期間已顯示對於薄膜消蝕是有效的。紫外線（UV）範圍、綠色可見光範圍以及紅外線範圍中的輻射波長的使用可被有效地採用，以供透過雷射消蝕來佈局本實施例之薄膜電池的層，包括聚合物層、剛性介電層及剛性金屬層。儘管薄膜封裝物材料通常是透明或半透明的，UV或綠色可目光範圍中的可用波長可能是更加適當的。大部分上述的短脈衝雷射為DPSS（二極體泵送的固態）的，同時亦設想在本揭示案的實施例中使用某些基於光纖的雷射。
在佈局而形成陰極112之後，接點層104的表面208在陰極電流收集器106上以及陽極電流收集器板108上受暴。隨後，可以有遮罩或無遮罩的操作蝕刻接點層104，以定義暴露基板102之表面206的區域204。
現在看到圖 2C ，圖示了在陰極112上沉積固態電解質層114A之後的實例。固態電解質層114A可被形成為如所示的敷層層，其中基板102的表面206以及陰極電流收集器106及陽極電流收集器板108被覆蓋。現在看到圖 2D ，圖示了佈局固態電解質層114A以形成經部分佈局的固態電解質層114B及暴露區域210中的陽極電流收集器板108以供在之後的處理期間形成電接點之後的後續實例。在不同實施例中，固態電解質層114A的佈局可藉由任何習知的佈局技術來執行，包括如以上所論述的無遮罩佈局或有遮罩佈局。在此處理階段，經部分佈局的固態電解質層114B可封裝陰極112的整體。
現在看到圖 2E ，圖示了被圖示為陽極電流收集器層116A的敷層層已被沉積在圖2D的基板配置上的實例。如所示，陽極電流收集器層116A形成於經部分佈局的固態電解質層114B及陽極電流收集器板108上。陽極電流收集器層116A可以習知的金屬或金屬組合形成，例如銅。在某些實施例中，可在陽極電流收集器層116A形成之前及之後沉積額外的陽極或陽極電流收集器層。
現在看到圖 2F ，圖示了佈局陽極電流收集器層116A及額外佈局經部分佈局的固態電解質層114B之後的後續實例，其中陰極電流收集器106在第一區域（圖示為區域212）中受暴。在此處理階段，固態電解質114及陽極電流收集器對於要製造的電池而言可處於最終形式。固態電解質114如所示地繼續封裝陰極112。在某些實施例中，陽極電流收集器層116A及經部分佈局的固態電解質層114B可以單獨的操作來佈局。例如，陽極電流收集器層116A可首先被佈局以移除陽極電流收集器層116A的材料，僅如所示地留下陽極電流收集器116。可使用無遮罩佈局程序（例如雷射蝕刻）或有遮罩的程序（其中可在平版印刷程序中沉積及定義遮罩）來使佈局發生，以便提供陽極電流收集器層116A的受暴區域以供在蝕刻程序中移除，如本領域中所習知的。在佈局而形成陽極電流收集器116之後，可以有遮罩或無遮罩的操作蝕刻經部分佈局的固態電解質層114B，以定義暴露陰極電流收集器106之表面208的區域212。
現在看到圖 2G ，圖示了在基板102上沉積聚合物層或聚合物層堆疊（圖示為聚合物層220A）之後的實例。更具體而言，聚合物層220A安置在陽極電流收集器116上、安置在陰極電流收集器106上且沿固態電解質114的側安置。聚合物層220A可由習知的程序沉積為敷層層。在各種實施例中，聚合物層220A可為軟及柔的聚合物層或多層堆疊（其中至少一個層為軟及柔的聚合物層）。聚合物層220A可被配置為在要形成之電池的運作期間適應體積改變，特別是設備堆疊110（如圖1A中所示）之區域中的體積改變。現在看到圖 2H ，圖示了佈局聚合物層220A（圖示於圖2G中）以形成經佈局的聚合物層220之後的後續實例，其中陰極電流收集器106在第一區域214中受暴，而陽極電流收集器116在第二區域216中受暴。
在各種實施例中，聚合物層220A可形成要形成之薄膜封裝物的第一部件。取決於包括要形成之電池的總厚度、保護程度及電池的強健性的各種考量，可添加一定數量的額外薄膜封裝物層。現在看到圖 2I 及圖 2J ，圖示了後續操作，其中是在如由圖2H所列舉地形成經佈局的初始聚合物層之後執行經佈局的二元體的程序。經佈局二元體程序可涉及沉積由剛性介電層及聚合物層組成的敷層二元體，之後佈局敷層二元體以形成包括複數個層的經佈局的薄膜封裝物。
具體看到圖 2I ，圖示了在經佈局的聚合物層220上沉積剛性介電層222A之後及在剛性介電層222A上進一步沉積第二聚合物層224A之後的後續實例。再次地，剛性介電層222A及第二聚合物層224A可使用習知的敷層沉積程序來沉積。剛性介電層222A可具體提供針對不想要的物種擴散進要製造之薄膜電池的有效區域的抗性，其中有效區域可包括陰極、固態電解質及陽極，舉例而言。
現在看到圖 2J ，圖示了佈局剛性介電層222A及第二聚合物層224A之後的後續實例。此時，形成了經佈局的剛性介電層222及經佈局的第二聚合物層224，其中陰極電流收集器106在第一內區域218中受暴，而陽極電流收集器116的表面217在第二內區域219中受暴。如由與圖2H的比較所繪示，第一內區域218安置在第一區域214內，而第二內區域219安置在第二區域216中。
依據本揭示案之各種實施例，可藉由形成由剛性介電層組成的頂層來完成薄膜封裝物。在某些實施例中，如圖2I及圖2J的操作中所描繪的經佈局二元體程序可重複至少一次，以在形成由剛性介電層組成的最終層之前產生較厚的薄膜封裝物。現在看到圖 2K ，圖示了執行第二經佈局二元體程序（形成層226及層228）之後及沉積及佈局額外的剛性介電層（圖示為層230）之後的後續實例。因此而形成之薄膜封裝物的最終結構包括了三個二元體，其中給定的二元體包括聚合物層及剛性介電層。在形成薄膜封裝物之後，陰極接點122及陽極接點124可如所示地形成。
依據本揭示案的進一步實施例，圖 3 繪示包括另一類型的薄膜電池330的佈置300的橫截面。如所示，薄膜電池330可使用基板102（以如先前針對圖1A所揭露的任何材料形成）來形成。在某些實施例中，陽極電流收集器板108、陰極電流收集器106、陰極112及固態電解質114可被配置在薄膜電池130中。值得注意的是，在薄膜電池330中提供了薄膜封裝物304，其中薄膜封裝物304相較於薄膜電池130可包括較少的層。例如，薄膜封裝物304可僅包括一個層，例如聚合物層。薄膜電池330的另一標誌是提供了較厚的陽極電流收集器（圖示為陽極電流收集器302），其中陽極電流收集器302的厚度可為1 m至10 m，且在某些實例中大於10 m。由薄膜電池330所提供的優點是用於形成薄膜封裝物304的相對較簡單的程序，以及沿Z軸相對較淺的拓樸。具體而言，除了由固態電解質114所提供的陰極112的保護以外，較厚的陽極電流收集器可提供額外的封裝，同時允許使用更加薄的薄膜封裝物來針對薄膜電池330提供適當的封裝。
儘管在某些實施例中，薄膜封裝物（例如薄膜封裝物120）可包括複數個層，實施例不限於此背景下。在其他實施例中，薄膜電池的薄膜封裝物可以單式的層形成，意思是薄膜封裝物僅由一個層組成。在此類實施例中且如下文針對圖4A-4D所描述的，可在薄膜電池中提供改良的陽極電流收集器以在與僅以一個層形成的薄膜封裝物結合使用時提供適當的封裝。例如，在薄膜封裝物僅以一個層形成的實施例中，陽極電流收集器包括至少五微米的層厚度。圖 4A-4D 繪示各種組裝階段下之另一薄膜電池的橫截面圖。看到圖 4A ，圖示了已依據上文針對圖2A-2D所概述的程序形成陰極電流收集器106、陽極電流收集器板108、陰極112及經部分佈局的固態電解質層114B的實例。此外，已以敷層形式沉積了陽極電流收集器層302A，覆蓋了固態電解質114及陽極電流收集器板108。陽極電流收集器層302A可被佈置為具有至少1 m至10 m之厚度的超厚金屬層。
現在看到圖 4B ，圖示了佈局陽極電流收集器層302A及額外佈局經部分佈局的固態電解質層114B之後的後續實例，其中陰極電流收集器106在第一區域（圖示為區域212）中受暴。在此處理階段，固態電解質114及陽極電流收集器302對於要製造的電池而言可處於最終形式。固態電解質114如所示地繼續封裝陰極112。在某些實施例中，陽極電流收集器層302A及經部分佈局的固態電解質層114B可以單獨的操作來佈局。例如，陽極電流收集器層302A可首先被佈局以移除陽極電流收集器層302A的材料，僅如所示地留下陽極電流收集器302。可使用無遮罩佈局程序（例如雷射蝕刻）或有遮罩的程序（其中可在平版印刷程序中沉積及定義遮罩）來使佈局發生，以便提供陽極電流收集器層302A的受暴區域以供在蝕刻程序中移除，如本領域中所習知的。在佈局而形成陽極電流收集器302之後，可以有遮罩或無遮罩的操作蝕刻經部分佈局的固態電解質層114B，以定義暴露陰極電流收集器106之表面208的區域212。
現在看到圖 4C ，圖示了在基板102上（或更具體而言是在陽極電流收集器302上、在陰極電流收集器106上及沿固態電解質114的側）沉積聚合物層304A之後的實例。聚合物層304A可由習知的程序沉積為敷層層。在各種實施例中，聚合物層304A可為軟及柔的聚合物層或至少兩個聚合物子層的多層堆疊。聚合物層304A可被配置為在要形成之電池的運作期間適應體積改變，特別是設備堆疊110（如圖1A中所示）之區域中的體積改變。
現在看到圖 4D ，圖示了佈局聚合物層304A以形成經佈局的聚合物層（圖示為薄膜封裝物304）之後的後續實例。在圖4D的實例處，陰極電流收集器106在第一區域402中受暴，而陽極電流收集器302在第二區域404中受暴。隨後，電接點可形成至第一區域402及第二區域404，以完成薄膜電池330。如圖 4E 中所示，陰極電流收集器106可包括薄的互連條帶。值得注意的是，在圖4D中所示的程序之後，覆蓋層（例如剛性介電或剛性金屬層）可形成於聚合物層304A上以提供滲透阻擋層，以提供針對濕氣、氣體物種或其他物種的擴散抗性。
圖 5 繪示依據本揭示案之各種實施例之薄膜電池500的橫截面。可使用到圖2G的相同前端配置大致如上所述地形成薄膜電池500，其中是如先前所述地形成陰極、固態電解質及陽極區域。此外，可如上文詳述地形成層220（形成薄膜封裝物的第一層）。值得注意的是，薄膜電池500包括不同的薄膜封裝物（圖示為薄膜封裝物502）。在此實施例中，薄膜封裝物502包括至少一個剛性金屬層（圖示為層530），及除了經佈局的聚合物層220（聚合物）層以外的至少一個介電層。層530表示已完成薄膜封裝物502之後的經佈局的剛性金屬層。
如所示，薄膜電池500具有陰極電流收集器106可接觸的第一區域510，以及陽極電流收集器116可接觸的第二區域520。在形成薄膜封裝物502之後，陰極電流收集器106在第一內區域512中受暴，陽極電流收集器116在第二內區域522中受暴。值得注意的是，第一內區域512安置在第一區域510內，而第二內區域522安置在第二區域520中。
在薄膜電池500中，薄膜封裝物502可包括至少一個二元體，其中該至少一個二元體大致安置在剛性金屬層上，且被佈置為其中該至少一個二元體的第一剛性介電層被安置為與剛性金屬層接觸。此配置的優點包括由剛性金屬層所提供的改良的滲透阻擋，亦即增加了針對例如為濕氣或氣體之物種之擴散的抗性。具體而言，藉由在聚合物層202附近提供剛性金屬層而不是剛性介電層，可在薄膜封裝物502中更輕易地適應薄膜電池500中的體積改變。具體而言，在薄膜封裝物502經受撓曲或其他機械力（由陽極區域（參照陽極區域115）中之體積上的改變所造成的）時，剛性金屬層相較於剛性介電質可更輕易地變形（彈性地或塑性地）。此變形可允許薄膜封裝物502內的剛性金屬層即使在剛性介電層可能破裂時亦保持是無損傷的，因此保留了擴散屏障性質。此保持無損傷的能力在下層的聚合物層（例如層220）不能夠適應陽極區域中所發生之整體變形的配置下是特別有用的。
圖 6A-6D 繪示各種組裝階段下之薄膜電池的橫截面圖。從圖2G處大致圖示的處理階段繼續，在圖6A中圖示了額外操作的結果，其中聚合物層220A的一部分被移除以在陰極電流收集器106上方形成接點區域602。此佈局造成形成了層220B，其中用以形成接點區域602的開口可藉由雷射佈局來形成。
看到圖 6B ，在後續的操作中，可藉由敷層沉積來沉積剛性金屬層604。剛性金屬層604的厚度的範圍在各種實施例中可從1 m到5 m。適於用作剛性金屬層604的金屬實例包括Al、Cu、Ti、Pt、Au等等。現在看到圖 6C ，圖示了後續操作，其中剛性金屬層604及層220B的一部分在接點區域606中被蝕刻，以便提供接觸陽極電流收集器116。如所示，現在形成了經佈局的聚合物層220。現在看到圖 6D ，圖示了後續操作，其中二元體608沉積於圖6C的結構上。二元體608在某些實施例中可以聚合物層及剛性介電層製作。儘管在圖6D中僅圖示一個二元體，在某些實施例中，可形成複數個二元體608。在目標數量的二元體形成而造成了薄膜封裝物610之後，可執行薄膜封裝物610的蝕刻以形成用於接觸陰極電流收集器106及陽極電流收集器116的開口，例如如圖5中所大致圖示的。為了達到圖5中所示的薄膜封裝物502，舉例而言，兩個二元體可沉積在剛性金屬層604上方，其中給定的二元體由剛性介電層及其後的聚合物層組成。在兩個二元體（層220B及剛性金屬層604）的頂部上，可沉積以剛性介電質形成的最後的層。
在上述的程序序列中，可將剛性金屬層（例如銅）併入薄膜封裝物，同時將剛性金屬層與陽極電流收集器116電隔離。
圖 7 繪示示例性的程序流程700。於方塊702處，接點層沉積於基板上。在各種實施例中，接點層可以習知薄膜電池中所使用的習知金屬或金屬合金來形成。於方塊704處，陰極層沉積於接點層上。陰極層在某些實施例中可以例如為LiCoO2 的材料形成。於方塊706處，接點層及陰極層被佈局，其中基板是受暴的。可一起執行接點層及陰極層的佈局，或可相對於陰極層的佈局而單獨佈局接點層。佈局的結果是，接點層可形成陰極電流收集器及陽極電流收集器。陰極層亦可由於佈局而形成陰極。
於方塊708處，固態電解質層在佈局接點層及陰極層之後沉積於基板上。於方塊710處，固態電解質層被佈局，其中陽極電流收集器板是受暴的。
於方塊712處，陽極電流收集器層沉積於固態電解質層上。於方塊714處，陽極電流收集器層及固態電解質層被佈局，其中陰極電流收集器是受暴的。於方塊716處，薄膜封裝物在佈局陽極電流收集器層及固態電解質層之後形成於基板上。在某些實施例中，薄膜封裝物可包括複數個層，例如至少一個聚合物層及至少一個剛性層。在其他實施例中，薄膜封裝物可僅為一個層。
存在著由本實施例所提供的多個優點，包括提供多個封裝特徵來保護薄膜電池的有效區域的優點。另一優點是藉由提供形成於薄膜電池之有效部分內（例如薄膜電解質中）的封裝特徵來減少薄膜電池的拓樸的能力。
本揭示案在範圍上不受本文中所述的特定實施例所限。確實，除了本文中所述的那些實施例及更改以外，本領域中具通常技藝者將藉由上述說明及隨附繪圖理解本揭示案的其他各種實施例及對於本揭示案的更改。因此，此類其他實施例及更改是要落在本揭示案的範圍內的。並且，已在針對特定目的之特定環境中的特定實施方式的背景下描述本揭示案，但本領域中具通常技藝者將辨識到效用是不限於此的，且可針對任何數量的目的在任何數量的環境中有益地實施本揭示案。因此，要鍳於如本文中所述之本揭示案的完整範圍及精神來建構下文所闡述的請求項。
100‧‧‧佈置
102‧‧‧基板
104‧‧‧接點層
106‧‧‧陰極電流收集器
108‧‧‧陽極電流收集器板
109‧‧‧陽極堆疊
110‧‧‧設備堆疊
111‧‧‧陰極側壁
112‧‧‧陰極
112A‧‧‧陰極層
114‧‧‧固態電解質
114A‧‧‧固態電解質層
114B‧‧‧經部分佈局的固態電解質層
115‧‧‧陽極區域
116‧‧‧陽極電流收集器
116A‧‧‧陽極電流收集器層
120‧‧‧薄膜封裝物
121‧‧‧第一部分
122‧‧‧陰極接點
123‧‧‧第二部分
124‧‧‧陽極接點
130‧‧‧薄膜電池
132‧‧‧陰極電流收集器區域
134‧‧‧陽極電流收集器區域
150‧‧‧薄膜電池佈置
204‧‧‧區域
206‧‧‧表面
208‧‧‧表面
210‧‧‧暴露區域
212‧‧‧區域
214‧‧‧第一區域
216‧‧‧第二區域
217‧‧‧表面
218‧‧‧第一內區域
219‧‧‧第二內區域
220‧‧‧聚合物層
220A‧‧‧聚合物層
220B‧‧‧層
222‧‧‧剛性介電層
222A‧‧‧剛性介電層
224‧‧‧第二聚合物層
224A‧‧‧第二聚合物層
226‧‧‧層
228‧‧‧層
230‧‧‧額外的剛性介電層
300‧‧‧佈置
302‧‧‧陽極電流收集器
302A‧‧‧陽極電流收集器層
304‧‧‧薄膜封裝物
304A‧‧‧聚合物層
330‧‧‧薄膜電池
402‧‧‧第一區域
404‧‧‧第二區域
500‧‧‧薄膜電池
502‧‧‧薄膜封裝物
510‧‧‧第一區域
512‧‧‧第一內區域
520‧‧‧第二區域
522‧‧‧第二內區域
530‧‧‧剛性金屬層
602‧‧‧接點區域
604‧‧‧剛性金屬層
606‧‧‧接點區域
608‧‧‧二元體
610‧‧‧薄膜封裝物
700‧‧‧程序流程
702‧‧‧方塊
704‧‧‧方塊
706‧‧‧方塊
708‧‧‧方塊
710‧‧‧方塊
712‧‧‧方塊
714‧‧‧方塊
716‧‧‧方塊
圖 1A 繪示依據本揭示案之各種實施例之薄膜電池的橫截面；
圖 1B 提供依據本揭示案之實施例之薄膜電池的平面圖；
圖 1C 提供依據本揭示案之實施例之基板中之薄膜電池佈置的平面圖；
圖 2A-2K 繪示各種組裝階段下之薄膜電池的橫截面圖；
圖 3 繪示依據本揭示案之額外實施例之另一薄膜電池的橫截面；
圖 3 圖示依據本揭示案之實施例的示例性程序流程。
圖 4A-4D 繪示各種組裝階段下之另一薄膜電池的橫截面圖；
圖 4E 提供圖4D之薄膜電池的平面圖；
圖 5 繪示依據本揭示案之各種實施例之薄膜電池的橫截面；
圖 6A-6D 繪示各種組裝階段下之另一薄膜電池的橫截面圖；及
圖 7 繪示示例性的程序流程。
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100‧‧‧佈置
102‧‧‧基板
104‧‧‧接點層
106‧‧‧陰極電流收集器
108‧‧‧陽極電流收集器板
109‧‧‧陽極堆疊
110‧‧‧設備堆疊
111‧‧‧陰極側壁
112‧‧‧陰極
114‧‧‧固態電解質
115‧‧‧陽極區域
116‧‧‧陽極電流收集器
120‧‧‧薄膜封裝物
121‧‧‧第一部分
122‧‧‧陰極接點
123‧‧‧第二部分
124‧‧‧陽極接點
130‧‧‧薄膜電池

Claims (15)

  1. 一種薄膜電池，包括： 一接點層，該接點層安置在一第一平面上，且包括一陰極電流收集器及一陽極電流收集器板； 一設備堆疊，安置在該陰極電流收集器上，該設備堆疊包括一陰極及固態電解質； 一陽極電流收集器，安置在該設備堆疊上；及 一薄膜封裝物，該薄膜封裝物安置在該設備堆疊上方，其中該固態電解質封裝該陰極。
  2. 如請求項1所述之薄膜電池，其中該薄膜封裝物包括至少一個二元體，其中該至少一個二元體的一二元體包括； 一聚合物層；及 一剛性介電層，安置在該聚合物層附近，其中該聚合物層及該剛性介電層沿該陽極電流收集器的一表面及沿該設備堆疊的一側以非平坦的方式延伸。
  3. 如請求項2所述之薄膜電池，其中該聚合物層包括一軟及柔的聚合物。
  4. 如請求項1所述之薄膜電池，更包括一基板，該基板安置在一第一區域中的該陰極電流收集器附近及一第二區域中的該陽極電流收集器板附近及一第三區域中的該固態電解質附近。
  5. 如請求項1所述之薄膜電池，其中該陰極電流收集器的一受暴區域包括一薄的互連條帶。
  6. 如請求項1所述之薄膜電池，其中該設備堆疊更包括一陽極區域，該陽極區域安置在該固態電解質及陽極電流收集器之間。
  7. 如請求項1所述之薄膜電池，其中該薄膜封裝物封裝該設備堆疊的一第一側，其中該陽極電流收集器沿一第二側封裝該設備堆疊；及其中該陽極電流收集器與該陽極電流收集器板電接觸。
  8. 如請求項2所述之薄膜電池，其中該薄膜封裝物包括： 一第一聚合物層，該第一聚合物層安置在該陽極電流收集器上； 一剛性金屬層，安置在該第一聚合物層上；及 該至少一個二元體，該至少一個二元體安置在該剛性金屬層上，且被佈置為其中該至少一個二元體的一第一剛性介電層被安置為與該剛性金屬層接觸，且其中該至少一個二元體的一第二聚合物層安置在該第一剛性介電層上方。
  9. 一種形成一薄膜電池的方法，包括以下步驟： 在一基板上沉積一接點層； 在該接點層上方形成一設備堆疊，該設備堆疊包括一陰極、一固態電解質及一陽極電流收集器，其中該固態電解質封裝該陰極；及 在形成該設備堆疊的該步驟之後在該基板上形成一薄膜封裝物。
  10. 如請求項9所述之方法，其中形成該設備堆疊的該步驟包括以下步驟： 在該接點層上沉積一陰極層； 佈局該接點層及該陰極層，其中該基板是受暴的，且其中該接點層形成一陰極電流收集器及一陽極電流收集器板，且該陰極層形成該陰極； 在該陰極上沉積一固態電解質層； 佈局該固態電解質層以暴露該陽極電流收集器板； 在該基板上沉積一陽極電流收集器層；及 佈局該陽極電流收集器層及該固態電解質層，其中該陰極電流收集器在一第一區域中受暴，其中佈局該接點層及該陰極、該固態電解質及該陽極電流收集器的該步驟包括雷射蝕刻該接點層及該陰極、該固態電解質及該陽極電流收集器的受選部分。
  11. 如請求項10所述之方法，其中形成該薄膜封裝物的該步驟包括以下步驟： 在該基板上沉積一聚合物層；及 佈局該聚合物層以形成一經佈局的聚合物層，其中該陰極電流收集器在一第一區域中受暴，而該陽極電流收集器在一第二區域中受暴。
  12. 如請求項11所述之方法，更包括以下步驟： 在該經佈局的聚合物層上沉積一剛性介電層； 在該剛性介電層上沉積一第二聚合物層；及 佈局該剛性介電層及該第二聚合物層，其中該陰極電流收集器在一第一內區域中受暴，其中該陽極電流收集器在一第二內區域中受暴，該第一內區域安置在該第一區域內，而該第二內區域安置在該第二區域中。
  13. 如請求項12所述之方法，更包括以下步驟：在佈局該剛性介電層及該第二聚合物層的該步驟之後： 在該第二聚合物層上沉積一額外的剛性介電層；及 佈局該額外剛性介電層，其中該陰極在一第三內區域中受暴，該第三內區域安置在該第一區域內，且其中該陽極電流收集器在一第四內區域中受暴，該第四內區域安置在該第二區域中，其中佈局該聚合物層、該剛性介電層、該第二聚合物層及該額外剛性介電層的該步驟包括雷射蝕刻該聚合物層、該剛性介電層、該第二聚合物層及該額外剛性介電層的受選部分。
  14. 一種形成一薄膜電池的方法，包括以下步驟： 在一基板上沉積一接點層，及在該接點層上沉積一陰極層； 佈局該接點層及該陰極層，其中該基板是受暴的，且其中該接點層形成一陰極電流收集器及一陽極電流收集器板，且該陰極層形成一陰極； 在佈局該接點層及該陰極層的該步驟之後在該基板上沉積一固態電解質層； 佈局該固態電解質層，其中該陽極電流收集器板是受暴的； 在佈局該固態電解質層的該步驟之後在該基板上沉積一陽極電流收集器層； 佈局該陽極電流收集器層及該固態電解質層，其中該陰極電流收集器是受暴的； 在佈局該陽極電流收集器層及該固態電解質層的該步驟之後在該基板上沉積一聚合物層；及 佈局該聚合物層以形成一經佈局的聚合物層，其中該陰極電流收集器在一第一區域中受暴。
  15. 如請求項14所述之方法，更包括以下步驟： 在該經佈局的聚合物層上沉積一剛性金屬層； 佈局該剛性金屬層及該經佈局的聚合物層，其中形成了一經佈局的剛性金屬層，且其中該陽極電流收集器層在一第二區域中受暴； 在該經佈局的剛性金屬層上沉積至少一個二元體，其中該至少一個二元體包括一剛性介電層及安置在該剛性介電層上的一第二聚合物層；及 佈局該至少一個二元體，其中該陰極電流收集器在一第一內區域中受暴，其中該陽極電流收集器在一第二內區域中受暴，該第一內區域安置在該第一區域內，而該第二內區域安置在該第二區域中。
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