TW202230859A - 無烯烴隔板之鋰離子電池 - Google Patents

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Abstract

本案揭露內容之實施形態大致上關於隔板、包括上述隔板的高性能電化學元件（諸如電池及電容器）、及用於製造該隔板及元件的方法。一個實施型態中，提供一種形成用於電池之隔板的方法。該方法包括，將金屬材料暴露至蒸發製程，該金屬材料待沉積於處理區域中所定位的電極結構之表面上。該方法進一步包括將反應性氣體流進該處理區域。該方法進一步包括使該反應性氣體與該蒸發的金屬材料反應，而在該電極結構的該表面上沉積陶瓷隔板層。

Description

無烯烴隔板之鋰離子電池
本案揭露內容之實施形態大致上關於隔板、包括上述隔板的高性能電化學元件（諸如電池及電容器）、及用於製造該隔板及元件的方法。
快速充電、高容量的能量儲存裝置（諸如電容器及鋰離子（Li-ion）電池）用在愈來愈多應用中，包括可攜式電子裝置、醫藥、輸送、併網大型能量儲存裝置、可再生能量儲存裝置、及不斷電電源供應器（UPS）。
鋰離子電池一般包括陽極電極、陰極電極、以及定位在該陽極電極與該陰極電極之間的隔板。該隔板是電絕緣體，提供陰極電極與陽極電極之間的實體分離與電分離。該隔板一般是由微孔隙聚乙烯與聚烯烴製成。電化學反應（即充電及放電）期間，鋰離子在兩個電極之間經由電解質（electrolyte）輸送穿過隔板中的孔隙。因此，期望有高孔隙度以增加離子傳導性。然而，當循環期間形成的鋰樹狀物在電極之間產生短路時，一些高孔隙度的隔板容易遭受電短路。
目前，電池單元（battery cell）的製造商購買隔板，然後在分開的製程中將隔板與陽極電極及陰極電極積層在一起。其他隔板一般是透過下述方式製作：溼式或乾式擠出聚合物然後拉伸而在聚合物中產生孔洞（撕裂部）。隔板也是鋰離子電池中最昂貴的部件之一，且佔了電池單元的材料成本超過20%。
對於多數能量儲存應用而言，能量儲存裝置的充電時間與容量是重要的因子。此外，此能量儲存裝置的尺寸、重量、及/或花費可為重要的因子。使用目前可得的隔板有許多缺點。也就是，此類可得的材料限制由此材料建構的電極的最小尺寸、遭受電短路、涉及複雜製作方法及昂貴的材料。再者，目前的隔板設計經常遭受鋰樹狀物生長，而可能導致短路的電路。
因此，此技術中需要更快充電、更高容量的能量儲存裝置，且該元件有更小、更輕、且能夠更節省成本地製造的隔板。
本案揭露內容的實施型態大致上關於隔板、包括前述隔板的高性能電化學元件（諸如電池及電容器）、及用於製造該隔板及元件的方法。一個實施型態中，提供一種形成用於電池之隔板的方法。該方法包括，將金屬材料暴露至蒸發製程，該金屬材料待沉積於處理區域中所定位的電極結構之表面上。該方法進一步包括將反應性氣體流進該處理區域。該方法進一步包括使該反應性氣體與該蒸發的金屬材料反應，而在該電極結構的該表面上沉積陶瓷隔板層。
另一實施型態中，提供一種形成電池的方法。該方法包括：在正電極結構之表面上沉積陶瓷隔板層。該陶瓷隔板層沉積於該正電極結構之該表面上是透過下述方式達成：將待沉積於該正電極結構的該表面上的金屬材料暴露至蒸發製程，使反應性氣體流進該處理區域中，及使該反應性氣體與蒸發的該金屬材料反應，而沉積該陶瓷隔板層。以該陶瓷隔板層將該正電極結構與負電極結構接合，而該陶瓷隔板層介於該負電極結構與該正電極結構之間。
尚有另一實施型態中，提供一種形成電池的方法。該方法包括：在負電極結構之表面上沉積陶瓷隔板層。該陶瓷隔板層沉積於該負電極結構之該表面上是透過下述方式達成：將待沉積於該負電極結構的該表面上的金屬材料暴露至蒸發製程，使反應性氣體流進該處理區域中，及使該反應性氣體與蒸發的該金屬材料反應，而在該負電極結構上沉積該陶瓷隔板層。以該陶瓷隔板層將該負電極結構與正電極結構接合，而該陶瓷隔板層介於該負電極結構與該正電極結構之間。
尚有另一實施型態中，提供一種形成電池的方法。該方法包括：在正電極結構之表面上沉積第一陶瓷隔板層。該陶瓷隔板層沉積於該正電極結構之表面上是透過下述方式達成：將待沉積於該正電極結構的該表面上的金屬材料暴露至蒸發製程，使反應性氣體流進該處理區域中，及使該反應性氣體與蒸發的該金屬材料反應，而沉積該陶瓷隔板層。該方法進一步包括，在負電極結構之表面上沉積第二陶瓷隔板層。該第二陶瓷隔板層沉積於該負電極結構之該表面上是透過下述方式達成：將待沉積於該負電極結構的該表面上的金屬材料暴露至蒸發製程，使反應性氣體流進該處理區域中，及使該反應性氣體與蒸發的該金屬材料反應，而在該負電極結構上沉積該第二陶瓷隔板層。將該負電極結構與正電極結構接合在一起，而形成該電池。
尚有另一實施型態中，提供一種形成用於電池之隔板的方法。該方法包括：將金屬材料暴露至一蒸發製程，該金屬材料待沉積於定位在處理區域中的電極結構之表面上。該方法進一步包括：使反應性氣體流進該處理區域中。該方法進一步包括：使該反應性氣體與蒸發的該金屬材料反應，而在該電極結構之該表面上沉積陶瓷隔板層。使該反應性氣體流進該處理區域中包括：使潮溼的氧氣流進該處理區域中。
尚有另一實施型態中，提供一種形成電池的方法。該方法包括：在負電極結構之表面上沉積陶瓷隔板層。沉積該陶瓷隔板層進一步包括：將金屬材料暴露至蒸發製程，該金屬材料待沉積於定位在處理區域中的負電極結構之表面上。沉積該陶瓷隔板層進一步包括：使反應性氣體流進該處理區域中。沉積該陶瓷隔板層進一步包括：使該反應性氣體與蒸發的該金屬材料反應，而在該負電極結構之該表面上沉積該陶瓷隔板層，其中使反應性氣體流進該處理區域中包括：使潮溼的氧氣流進該處理區域中。該方法進一步包括：以該陶瓷隔板層將該負電極結構與正電極結構接合，而該陶瓷隔板層介於該負電極結構與該正電極結構之間。
尚有另一實施型態中，提供一種形成電池的方法。該方法包括：在正電極結構之表面上沉積陶瓷隔板層。沉積該陶瓷隔板層包括：將金屬材料暴露至蒸發製程，該金屬材料待沉積於定位在處理區域中的正電極結構之表面上。沉積該陶瓷隔板層進一步包括：使反應性氣體流進該處理區域中。沉積該陶瓷隔板層進一步包括：使該反應性氣體與蒸發的該金屬材料反應，而在該正電極結構之該表面上沉積該陶瓷隔板層。使該反應性氣體流進該處理區域中包括：使潮溼的氧氣流進該處理區域中。該方法進一步包括：以該陶瓷隔板層將該正電極結構與負電極結構接合，而該陶瓷隔板層介於該負電極結構與該正電極結構之間。
下文的揭露內容描述隔板、包括前述隔板的高性能電化學單元及電池、以及用於製造上述隔板、單元、及電池的方法。在下文的敘述及圖1至圖11中提出某些細節，以提供對本案揭露內容之各種實施型態的透徹瞭解。用於描述經常與電化學單元及電池相關的已知結構與系統的其他細節並未在下文的揭露內容中提出，以避免不必要地混淆各種實施型態的敘述。
顯示於圖式中的許多細節、尺寸、角度、及其他特徵僅為說明特定實施型態。因此，其他實施型態可具有其他細節、部件、尺寸、角度、及特徵，但不可偏離本案揭露內容之精神或範疇。此外，可無下文所述之多個細節而實行本案揭露內容的進一步實施型態。
下文將會參考高速率蒸發製程描述本文所述之實施型態，可使用卷對卷（roll-to-roll）塗佈系統執行該高速率蒸發製程，該塗佈系統諸如TopMet™、SmartWeb™、TopBeam™，上述系統皆可購自美國加州Santa Clara的應用材料公司。能夠執行高速率蒸發製程的其他工具也可適於受惠於本文所述之實施型態。此外，能夠使用任何實現本文所述之高速率蒸發製程的系統以獲益。本文所述之設備敘述為說明性，不應將該敘述理解成或解釋成限制本文所述之實施型態的範疇。也應當了解，儘管將實施型態以卷對卷製程描述，但本文所述之實施型態可在分立的（discrete）聚合物基板上執行。
術語「約」大致上是指，在所指的值的±0.5%、1%、2%、5%、或多達±10%以內。例如，約10nm的孔徑大致上是指其最寬廣的概念10nm±10%，這指的是9.0-11.0nm。此外，術語「約」可指量測的誤差（即，由量測方法中的極限所造成），或者為，一群組（例如，孔隙群體）的物理特徵中的差異或平均。
應當將如本文所用的術語「坩堝」理解成：當加熱該坩堝時能夠將饋送進入該坩堝中的材料蒸發的單元。換言之，坩堝界定為，適於將固體材料轉變成蒸氣的單元。在本案揭露內容內，同等意義地使用術語「坩堝」與「蒸發單元」。
當前可得的一代的電池（尤其是鋰離子電池）使用多孔聚烯烴隔板，該隔板在高溫下易於熱縐縮，且可能引發正電極與負電極（或相對應的集電器）之間的短路。此外，一些聚烯烴隔板具有不良的溼潤性問題。隔板上的陶瓷塗層有助於制止電極之間的直接接觸，且助於防止與鋰金屬相關的潛在樹狀物生長。當前技術領域中的陶瓷塗層使用陶瓷顆粒的溼式塗佈（例如，狹槽模頭（slot-die）技術），該陶瓷顆粒分散在用於製作該複合物的聚合物黏結劑中及用於製作該漿料的溶劑中。該塗層厚度一般是大約3微米，包括由聚合物所黏結在一起的方向散亂的介電材料，而導致呈現散亂的孔隙結構。現存的陶瓷顆粒塗佈方法難以減少曲折度（tortuosity），這是由於此陶瓷顆粒的散亂走向所致。再者，難以減少使用當前溼式塗佈技術的當前陶瓷塗層的厚度。為了補償更細微的陶瓷粉末顆粒的增加的表面積，當前的溼式塗佈技術涉及增加黏結劑與溶劑兩者的量，以減少漿料的黏度。因此，當前的溼式塗佈技術遭受許多問題。
從製造的觀點，以乾式方法原位沉積陶瓷塗層由成本及性能觀點而言是較佳的。在本案揭露內容中，薄且低離子阻力（ionic resistance）的陶瓷塗層直接地在正電極之表面上及/或負電極之表面上形成，其中該陶瓷塗層是使用反應性蒸發金屬或金屬化合物而藉由乾式方法形成。進一步而言，可針對適當厚度、微米/奈米結構、多層結構、形態（morphology）、孔隙結構、及孔隙/陶瓷走向調整該陶瓷塗層。
相較於習知的陶瓷塗佈隔板，本文所述之反應性蒸發技術具有下述優點之至少一者：（1）較薄的隔板造成較少非活性成分的體積比例以及能量密度相對應增加，並且遍及隔板上有較少的離子阻力；（2）控制塗層厚度及形態提供較少的彎折孔隙，導致卓越的隔板性能；（3）陶瓷的孔隙表面增強整體電解質的離子傳導性；及（4）適當地經規劃設計的（engineered）陶瓷塗佈隔板應增強X射線偵測，而確定製造缺陷；及（5）隔板的更高的電壓穩定性及抗擊穿（puncture resistance）性質可透過奈米複合物塗佈控制而達成。陶瓷塗佈的隔板的鋰樹狀物抑制性質是透過奈米表面之設計規劃（nanosurface engineering）而增強，以達成循環期間的均質鋰金屬沉積及剝除。
到目前為止達成的成果包括（1）均勻的300奈米及600奈米厚的AlO x塗層，該塗層是在反應性氧環境中使用鋁蒸發而沉積在正電極上；（2）該AlO x塗層的附著似乎在Scoth膠帶剝除測試下是良好的；以及（3）柱狀AlO x結構及結晶在陶瓷隔板層中垂直對齊。
圖1繪示根據本文所述之實施型態形成的單元結構100的一個實施型態的剖面視圖。該單元結構具有根據本文所述之實施型態形成的一或多個陶瓷隔板層130。一些實施型態中，單元結構100是鋰離子電池結構。單元結構100具有正集電器110、正電極120a、120b（合稱120）、一或多個陶瓷隔板層130a至130c（合稱130）、負集電器150及負電極140a、140b（合稱140），該等正電極120a、120b形成於正集電器110的相反側上，該等負電極140a、140b形成在負集電器的相反側上。請注意在圖1中，該等集電器顯示為延伸超過該堆疊，然而對於集電器而言延伸超過該堆疊並非必要，而延伸超過該堆疊的部分可用作為凸片（tab）。此外，儘管圖中顯示雙側電極結構，但本文所述之實施型態也可應用於單側的電極結構。
分別位在正電極120與負電極140上的集電器110、150可為相同或不同的電導體。集電器110、150可包括的金屬的範例包括: 鋁（Al）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鎳（Ni）、鈷（Co）、錫（Sn）、矽（Si）、錳（Mn）、鎂（Mg）、及前述金屬之合金、及前述金屬之組合。一個實施型態中，集電器110、150的至少一者有穿孔。再者，集電器可有任何外形因子（form factor）（例如，金屬箔、薄片、或板）、形狀、及微結構/巨結構（micro/macro structure）。大致上，在稜柱形單元中，凸片是由與集電器相同的材料所形成，且可在製造該堆疊期間形成，或稍後才添加。除了集電器110及150之外的所有部件含有鋰離子電解質。
負電極140或陽極可為任何與正電極120相容的材料。該負電極140可具有大於或等於372mAh/g、較佳為≥700mAh/g、且更佳為≥1000mAh/g的能量容量。該負電極140可由下述材料建造：石墨、含矽之石墨（例如，矽（＜5%）摻混的石墨）、鋰金屬箔或鋰合金箔（例如，鋰鋁合金）、或是鋰金屬及/或鋰合金與諸如下述之材料的混合物：碳（例如焦炭、石墨）、鎳、銅、錫、銦、矽、上述材料之氧化物、或上述材料之組合。該負電極140包括：含有鋰的嵌入（intercalation）化合物，或是含有鋰的插入（insertion）化合物。
正電極120或陰極可為任何與負電極140相容的材料，且可包括嵌入化合物、插入化合物、或電化學活性聚合物。適合的嵌入材料包括例如：含鋰之金屬氧化物、MoS 2、FeS 2、MnO 2、TiS 2、NbSe 3、LiCoO 2、LiNiO 2、LiMnO 2、LiMn 2O 4、V 6O 13及V 2O 5。適合的聚合物包括，例如：聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺和聚噻吩。該正電極120或陰極可由層疊氧化物（諸如鋰鈷氧化物）、橄欖石（諸如鋰鐵磷酸鹽）、或尖晶石（諸如鋰錳氧化物）製成。示範性含鋰氧化物可為層疊式，諸如鋰鈷氧化物（LiCoO 2），或混合金屬氧化物，諸如LiNi xCo 1-2xMnO 2、LiNiMnCoO 2（「NMC」）、LiNi 0.5Mn 1.5O 4、Li(Ni 0.8Co 0.15Al 0.05)O 2、LiMn 2O 4，及摻雜的富含鋰層疊材料，其中x是0或非0的數字。示範性磷酸鹽可為鐵橄欖石（LiFeO 4）及其變形體（諸如LiFe (1-x)Mg xPO 4)、LiMoPO 4、LiCoPO 4、LiNiPO 4、Li 3V 2(PO 4) 3、LiVOPO 4、LiMP 2O 7、或LiFe 1.5P 2O 7，其中x是0或非0的數字。示範性氟磷酸鹽可為LiVPO 4F、LiAlPO 4F、Li 5V(PO 4) 2F 2、Li 5Cr(PO 4) 2F 2、Li 2CoPO 4F、或Li 2NiPO 4F。示範性矽酸鹽可為Li 2FeSiO 4、Li 2MnSiO 4、或Li 2VOSiO 4。示範性非鋰化合物是Na 5V 2(PO 4) 2F 3。
一些實施型態中，正電極120是由正電極顆粒形成。一些實施型態中，該等正電極顆粒經塗佈而增強更高的電壓穩定度、與電解質的界面相容度、及更長的電池循環壽命。該正電極顆粒的塗佈可透過溶凝膠技術、在正電極材料上乾式塗佈奈米顆粒、或原子層沉積（ALD）技術執行。
根據本案揭露內容的鋰離子單元的一些實施型態中，在下述位置含有鋰：負電極140處的碳石墨的晶體結構之原子層中（LiC 6），以及正電極120處的鋰錳氧化物（LiMnO 4）或鋰鈷氧化物（LiCoO 2），以上為舉例；然而，一些實施型態中，負電極140也可包括鋰吸收材料，諸如矽、錫等。縱使該單元顯示為平面結構，但該單元也可透過捲繞該等層之堆疊而形成為圓柱體；再者，可形成其他單元組態（例如，稜柱單元、鈕扣形單元）。
灌注於單元部件120、130、及140中的電解質可包括液體/膠體或固體聚合物，且可各自不同。一些實施型態中，該電解質主要包括鹽及介質（例如在液體電解質中，該介質可稱作溶劑；在膠體電解質中，該介質可為聚合物基質）。該鹽可為鋰鹽。該鋰鹽可包括例如LiPF 6、LiAsF 6、LiCF 3SO 3、LiN(CF 3SO 3) 3、LiBF 6、及LiClO 4，BETTE電解質（可購自美國明州Minneapolis的3M公司）、及上述物質之組合。溶劑可包括例如碳酸亞乙酯（EC）、碳酸亞丙酯（PC）、EC / PC、2-MeTHF（2-甲基四氫呋喃）/ EC / PC、EC / DMC（碳酸二甲酯）、EC / DME（二甲基乙烷）、EC / DEC（碳酸二乙酯）、EC / EMC（碳酸甲乙酯）、EC / EMC / DMC / DEC、EC / EMC / DMC / DEC / PE、PC / DME以及DME / PC。聚合物基質可包括例如PVDF（聚偏二氟乙烯）、PVDF：THF（PVDF：四氫呋喃）、PVDF：CTFE（PVDF：三氟氯乙烯）PAN（聚丙烯腈）和PEO（聚環氧乙烷）。
一些實施型態中，該陶瓷隔板層130包括具有孔隙的多孔（例如微孔）陶瓷層（例如隔板膜）130。一些實施型態中，該陶瓷隔板層130為非多孔。一些實施型態中，該陶瓷隔板層130包括鋰離子傳導材料。該鋰離子傳導材料可為鋰離子傳導陶瓷或是鋰離子傳導玻璃或液晶。一些實施型態中，該陶瓷隔板層130不必有離子傳導性，但一旦填有電解質（液體、膠體、固體、或上述之組合等）之後，多孔陶瓷及電解質的組合為離子傳導性。該陶瓷隔板層130至少適於防止電短路（例如陽極及陰極的直接接觸或實體接觸）且阻擋樹狀物生長。該陶瓷隔板層130可至少適於阻擋（或關閉）熱失控事件期間陽極與陰極之間的離子傳導性（或流動）。該陶瓷隔板層130應當足夠傳導性以容許陽極與陰極之間的離子流動，使得所選量的電流可由單元生成。該陶瓷隔板層130應當良好附著至下面的電極材料，即，不應該發生分隔。如本文所討論，使用蒸發技術將該陶瓷隔板層130形成於下面的電極上。
該陶瓷隔板層130包括一或多種陶瓷材料。該陶瓷材料可為氧化物。該陶瓷材料可選自例如氧化鋁（Al 2O 3）、AlO x、AlO xN y、AlN（氮環境中沉積的鋁）、氫氧化鋁氧化物（AlO(OH)）（例如，一水硬鋁石（diaspore，(α-AlO(OH)）、水鋁石（boehmite，(ɣ-AlO(OH)）、或六方水鋁礦（akdalaite，(5Al 2O 3·H 2O)）、碳酸鈣 （CaCO 3）、二氧化鈦（TiO 2）、SiS 2、SiPO 4、氧化矽（SiO 2）、氧化鋯（ZrO 2）、MgO、TiO 2、Ta 2O 5、Nb 2O 5、LiAlO 2、BaTiO 3、BN、離子傳導石榴石、離子傳導鈣鈦礦、離子傳導反鈣鈦礦、多孔玻璃陶瓷、及類似物、或上述材料之組合。一個實施型態中，該陶瓷材料是選自一群組的材料，該群組由下述材料組成：多孔氧化鋁、多孔ZrO 2、多孔SiO 2、多孔MgO、多孔TiO 2、多孔Ta 2O 5、多孔Nb 2O 5、多孔LiAlO 2、多孔BaTiO 3、離子傳導石榴石、離子傳導反鈣鈦礦、多孔玻璃介電質、或上述材料之組合。該陶瓷隔板層130是無黏結劑的陶瓷層。一些實施型態中，該陶瓷隔板層130是多孔鋁氧化物層。
一些實施型態中，該陶瓷隔板層130可為鋰離子傳導材料。該鋰離子傳導材料可為鋰離子傳導陶瓷或是鋰離子傳導玻璃或離子傳導液晶。該鋰離子傳導材料可包括下述一或多者：LiPON、結晶相或非晶相的Li 7La 3Zr 2O 12的摻雜變形體、摻雜的反鈣鈦礦組成物、Li 2S-P 2S 5、Li 10GeP 2S 12、及Li 3PS 4、鋰磷酸鹽玻璃、硫化物玻璃、(1-x)LiI–(x)Li 4SnS 4、xLiI–(1-x)Li 4SnS 4、混合的硫化物與氧化物電解質（結晶LLZO、非晶(1-x)LiI–(x)Li 4SnS 4混合物、及非晶(x)LiI–(1-x)Li 4SnS 4）以上為舉例。一個實施型態中，x介於0與1之間，例如0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、及0.9。可使用物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）、噴塗、刮刀、印刷、或許多塗佈方法之任一者將該鋰離子傳導材料直接沉積在該鋰金屬膜上。用於一些實施型態的適合方法是PVD。一些實施型態中，該陶瓷隔板層130不必為離子傳導性，然而，一旦以電解質（液體、凝膠、固體、上述之組合等）填充後，多孔基板與電解質的組合為離子傳導性。
一個實施型態中，該陶瓷隔板層130是鋰離子傳導材料，且該鋰離子傳導材料選自由下述物質組成之群組：LiPON、結晶或非晶相的石榴石類型的 Li 7La 3Zr 2O 12、LISICON（例如，Li 2+2xZn 1-xGeO 4其中0 ＜ x ＜ 1)、NASICON （例如，Na 1+xZr 2Si xP 3-xO 12其中0 ＜ x ＜ 3）、鋰硼氫化物（LiBH 4）、摻雜的反鈣鈦礦組成物、含鋰硫化物（例如，Li 2S、Li 2S-P 2S 5、Li 10GeP 2S 12及Li 3PS 4）、及鋰硫銀鍺礦（lithium argyrodite）（例如，LiPS 5X其中x是Cl、Br或I)。
一些實施型態中，該陶瓷隔板層130包括從約50重量%至約100重量%的氧化鋁（基於陶瓷隔板層130之總重量），例如從約75重量%至約100重量%；從約85重量%至約100重量%的氧化鋁。
一些實施型態中，該陶瓷材料摻有於氧化氣氛中蒸發的玻璃。例如，SiO 2可引入Al 2O 3中，以修飾陶瓷層的物理性質（諸如可撓性、破裂韌度）。
一些實施形態中，該陶瓷隔板層130包括複數個陶瓷柱狀突出部。該陶瓷柱形突出部可具有一直徑，該直徑從柱形突出部之底部（例如，在該處該柱形突出部接觸該多孔基板）擴張至該柱形突出部的頂部。該陶瓷柱狀突出部一般包括介電質細粒（dielectric grain）。在介電質細粒之間一般會形成奈米結構的輪廓或通道。
一些實施型態中，複數個陶瓷柱狀突出部可包括各種形式的孔隙度的其中一種或多種。一些實施型態中，該陶瓷隔板層130的柱狀突出部在介電材料的柱狀突出部之間形成奈米多孔結構。一個實施型態中，該奈米多孔結構可具有複數個奈米多孔，該等奈米多孔之尺寸設計成具有小於約10奈米的平均孔隙尺寸或直徑，例如，從約1奈米至約10奈米；從約3奈米至約5奈米。另一實施型態中，該奈米多孔結構可具有複數個奈米多孔，該等奈米多孔之尺寸設計成具有小於約5奈米的平均孔隙尺寸或直徑。一個實施型態中，該奈米多孔結構具有複數個奈米多孔，該等奈米多孔之直徑範圍是從約1奈米至約20奈米，例如從約2奈米至約15奈米，或從約5奈米至約10奈米。該奈米多孔結構造成陶瓷隔板層130之表面積有顯著的增加。該奈米多孔結構之孔隙可作為液體電解質的貯槽，且提供離子傳導性的過量表面積。不受理論所限制，但相信該奈米多孔結構內所侷限的電解質液體/凝膠表現是類似固體電解質。
一些實施型態中，相較於由相同材料形成的實心均質（solid）膜，該陶瓷隔板層130的孔隙度為至少10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、或65%，且相較於由相同材料形成的實心均質膜，孔隙度多達至少15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、或70%。
一般使用孔隙度，因為它易於估計。然而，彎折度是描述鋰擴散路徑的直接度量。彎折度描述多孔介質中鋰擴散的彎折路徑。例如，如果擴散是沿著筆直的路徑，則彎折度等於1。彎折度並不容易測量，因為介電層的幾何形狀複雜（即，不規則的顆粒形狀、寬廣的路徑分佈等）。相信直接規劃設計彎折度，即，引入「筆直」路徑或通道，是受到期望的。當相較於使用當前已知的狹槽模頭技術或其他漿料沉積技術形成的陶瓷層時，使用本文揭露的蒸發製程形成的陶瓷層呈現較低的彎折度。
該陶瓷隔板層130可為塗層或分立的層，任一者具有範圍為1奈米至3000奈米的厚度，例如範圍為10奈米至600奈米；範圍為50奈米至200奈米；範圍為100奈米至150奈米。
圖2繪示根據本文所述之實施型態形成的單元結構200的另一實施型態的剖面視圖。一些實施型態中，單元結構200是鋰離子電池結構。類似單元結構100，該單元結構200具有根據本文所述之實施型態形成的陶瓷隔板層130。然而，除了陶瓷隔板層130，該單元結構200也包括一或多個凝膠聚合物層210a、210b（合稱210），該等凝膠聚合物層210a、210b定位在該陶瓷隔板層130與相對的電極結構之間，在此實施型態中，該相對的電極結構為負電極140a。儘管該陶瓷隔板層130a顯示為接觸正電極120b，但應了解在一些實施型態中，該陶瓷隔板層130a接觸負電極140a，且該凝膠聚合物層210a接觸負電極140a。不受理論所限制，但相信凝膠聚合物層有助於改善當正電極與負電極接合在一起時該等電極之間的附著。
用於凝膠聚合物層210的聚合物可選自當前用於鋰離子電池工業中的聚合物。可用於形成該凝膠聚合物層之聚合物的範例包括（但不限於）聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚環氧乙烷（PEO）、聚丙烯腈（PAN）、羧甲基纖維素（CMC）、苯乙烯-丁二烯橡膠（SBR）、及前述聚合物之組合。不受理論所限制，但相信該凝膠聚合物層210可佔用鋰傳導電解質而在元件製造期間形成凝膠，這對於形成良好的固體電解質界面（SEI）有益，且助於降低阻力。一些實施型態中，凝膠電解質或液晶電解質是透過使用鋰離子傳導鹽及溫暖液體之混合物而製作。溫暖液體之混合物注入螺旋纏繞的電極或堆疊的電極，而填充網絡電極孔隙，且該電解質在室溫形成固體或凝膠。該凝膠聚合物層210可透過浸泡塗佈、狹槽模頭塗佈、凹版塗佈、或印刷而形成。也可使用應用材料公司的Metacoat設備沉積該聚合物。該介電質聚合物層可具有從約5奈米至約1微米之厚度。具硫離子的有機聚合物（例如，有Li 2O混合物的聚苯硫醚）已顯現關於基於鋰金屬陽極的良好結果，且在一些實例中形成液晶電解質。
圖3繪示根據本文所述之實施型態形成的單元結構300的另一實施型態的剖面視圖。一些實施型態中，單元結構300是鋰離子電池結構。類似單元結構200，該單元結構300具有根據本文所述之實施型態形成的一或多個陶瓷隔板層330a-c（合稱330）及一或多個凝膠聚合物層310a、310b（合稱310）。該一或多個陶瓷隔板層330類似一或多個陶瓷隔板層130。該一或多個凝膠聚合物層310類似於一或多個凝膠聚合物層210。然而，該凝膠聚合物層310a位於陶瓷隔板層330a和陶瓷隔板層330b之間，或是「夾在」該陶瓷隔板層330a和該陶瓷隔板層330b之間。
圖4繪示根據本文所述之一或多個實施型態形成的單元結構400的又一實施型態的剖面視圖。在一些實施型態中，電池結構400為鋰離子電池結構。類似電池結構300，該電池結構400具有根據本文所述之實施型態形成的一或多個陶瓷隔板層430a-c（合稱430）及一或多個凝膠聚合物層440a、440b（合稱440）。該一或多個陶瓷隔板層430類似一或多個陶瓷隔板層130。該一或多個凝膠聚合物層440a、440b（合稱440）類似一或多個凝膠聚合物層210。然而，該凝膠聚合物層440a位於陶瓷隔板層430a和陶瓷隔板層430b之間，或是「夾在」該陶瓷隔板層430a和該陶瓷隔板層430b之間。該單元結構400視情況任選地包括預鋰化（pre-lithiation）層410，以及形成在陶瓷隔板層430和預鋰化層410之間的保護膜420。因此，不如圖1至圖3所描繪般將陶瓷隔板層直接沉積在負電極上，取而代之的是，該陶瓷隔板層430直接沉積在保護膜420（若存在）或預鋰化層410（若該保護膜420不存在）上。
在一些實施型態中，形成於負電極140a上的預鋰化層410為鋰金屬膜。可根據本文所述的實施型態形成鋰金屬膜。一些實施型態中，負電極140a是矽石墨陽極或是氧化矽石墨陽極，而鋰金屬膜形成於該負電極140a上。該鋰金屬膜補充從負電極140a的第一循環容量損失中所流失的鋰。該鋰金屬膜可為薄的鋰金屬膜（例如，20微米或更小；從約1微米至約20微米；或從約2微米至約10微米）。在其中該鋰金屬膜作為負電極的一些實施型態中，該鋰金屬膜取代負電極140。在其中該鋰金屬膜作為負電極的一些實施型態中，該鋰金屬膜形成在負集電器150上。
在一些實施型態中，保護膜420形成於鋰金屬膜上。該保護膜420一般是在鋰金屬膜上非原位（ ex-situ）形成。該保護膜420為電絕緣，但仍對鋰離子足夠有傳導性。一個實施型態中，該保護膜420是非多孔膜。另一實施型態中，該保護膜420為多孔膜。一個實施型態中，該保護膜420具有複數個奈米多孔，該等奈米多孔的尺寸設計成具有小於約10奈米的平均孔隙尺寸或直徑，例如，從約1奈米至約10奈米；從約3奈米至約5奈米。另一實施型態中，該保護膜420具有複數個奈米多孔，該等奈米多孔之尺寸設計成具有小於約5奈米的平均孔隙尺寸或直徑。一個實施型態中，該保護膜420具有複數個奈米多孔，該等奈米多孔的直徑範圍為從約1奈米至約20奈米，例如，從約2奈米至約15奈米；或從約5奈米至約10奈米。
該保護膜420可以是塗層或分立的層，任一者之厚度範圍為1奈米至200奈米，例如，範圍為5奈米至200奈米；範圍為10奈米至50奈米。不受理論所限制，但相信大於200奈米的保護膜可增加可再充電的電池內的阻力。
可用於形成該保護膜420的材料的範例包括（但不限於）氟化鋰（LiF）、氧化鋁、碳酸鋰（Li 2CO 3）及上述材料之組合。在一個實施型態中，該保護膜420是鋰氟化物膜。不受理論所限制，但相信該保護膜420可佔用鋰傳導電解質而在元件製造期間形成凝膠，這對於形成良好的固體電解質界面（SEI）有益，且助於降低阻力。保護膜420可直接沉積在鋰金屬膜上，這是透過下述方式達成：物理氣相沉積（PVD）（例如蒸發或濺射）、特殊原子層沉積（ALD）、狹槽模頭製程，薄膜轉移製程、或三維鋰印刷製程。PVD是用於沉積保護膜420的較佳方法。也可以使用Metacoat設備沉積該保護膜420。
陶瓷隔板層430a可直接沉積在保護膜420（若存在）或預鋰化層410（若保護膜420不存在）上。該陶瓷隔板層430a可以是鋰離子傳導材料。該鋰離子傳導材料可為鋰離子傳導陶瓷或鋰離子傳導玻璃。該鋰離子傳導材料可包括下述材料之一或多者：LiPON、結晶或非晶相的Li 7La 3Zr 2O 12的摻雜變形體、摻雜的反鈣鈦礦組成物，Li 2S-P 2S 5、Li 10GeP 2S 12和Li 3PS 4、鋰磷酸鹽玻璃，(1-x)LiI-(x)Li 4SnS 4、xLiI-(1-x)Li 4SnS 4、混合硫化物和氧化物電解質（結晶LLZO，非晶形(1-x)LiI-(x)Li 4SnS 4混合物和非晶形xLiI-(1-x)Li 4SnS 4），以上為舉例。在一個實施型態中，x介於0和1之間，例如，0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8和0.9。可使用物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）、噴塗、刮刀、印刷或許多塗佈方法中的任一種將鋰離子傳導材料直接沉積在預鋰化層410或保護膜420上。用於一些實施型態的適合方法是PVD。在一些實施型態中，該陶瓷隔板層430a不必為離子傳導性，然而，一旦填有電解質（液體、凝膠、固體、上述之組合等）後，多孔基板和電解質之組合為離子傳導性。
一個實施型態中，該陶瓷隔板層430a是鋰離子傳導材料，且該鋰離子傳導材料選自由下述材料組成之群組：LiPON、結晶或非晶相的石榴石類型的 Li 7La 3Zr 2O 12、LISICON（例如，Li 2+2xZn 1-xGeO 4其中0 ＜ x ＜ 1)、NASICON （例如，Na 1+xZr 2Si xP 3-xO 12其中0 ＜ x ＜ 3）、鋰硼氫化物（LiBH 4）、摻雜的反鈣鈦礦組成物、含鋰硫化物（例如，Li 2S、Li 2S-P 2S 5、Li 10GeP 2S 12及Li 3PS 4）、及鋰硫銀鍺礦（例如，LiPS 5X，其中x是Cl、Br或I)。
一些實施型態中，形成於該負電極140上方的該陶瓷隔板層430a及形成於該正電極120上方的該陶瓷隔板層430b是不同的材料。舉例而言，一個實施型態中，陶瓷隔板層430a是非多孔鋰離子傳導材料，且該陶瓷隔板層430b是多孔鋰離子傳導材料。
一些實施型態中，該陶瓷隔板層430是非多孔離子傳導電解質層，可針對一些陽極材料組成物提供增加的電化學穩定度。例如，一個實施型態中，該負電極140是矽或氧化矽摻混的石墨陽極材料，而預鋰化層410（例如鋰金屬膜）形成於該材料上，保護膜420是氟化鋰膜，且該陶瓷隔板層430是非多孔鋰離子傳導材料。
一些實施型態中，在方法500（見圖5）、方法600（見圖6）、或方法700（見圖7）之前，電極（例如，負電極及/或正電極）之表面視情況任選地暴露至表面修飾處理，以增強電極之表面的成核/生長條件。一些實施型態中，該表面修飾處理製程是電漿處理製程（例如電暈放電處理製程）。該表面修飾處理製程包括，供應處理氣體混合物至處理區域中。隨後，從該處理氣體混合物形成電漿，以電漿處理該電極之表面，而將該電極之至少一部分活化至激發態，而形成具有經處理之上表面的經處理之電極，該經處理之上表面隨後可增強後續沉積的陶瓷隔板層的成核/生長條件。
一個實施型態中，處理氣體混合物包括下述至少一者：含氧氣體、惰性氣體（例如氬氣、氦氣）、或前述氣體之組合。一個實施型態中，供應至該處理區域中的該含氧氣體包括下述至少一者：氧氣（O 2）、臭氧（O 3）、氧自由基（O*）、離子化的氧原子、二氧化碳（CO 2）、氧化氮（nitric oxide）（NO x）、水蒸氣、或前述氣體之組合。可使用其他的含氧氣體。
根據涉及氧化的本案揭露內容的一個實施型態，氣體源透過質量流量控制器將氧氣（O 2）供應到臭氧發生器，該臭氧發生器將高比例的氧氣轉換為臭氧氣體（O 3）。所得的O 2和O 3的基於氧的混合物以及可能的一些氧自由基O*與離子化氧原子或分子被遞送到處理區域。該基於氧的氣體在處理區域內與電極之表面反應，而該電極已被加熱到預定的（較佳為低的）溫度。臭氧是介穩態（metastable）分子，該分子在反應O 3→O 2+O*中會自發地快速分解，其中O *是自由基，該自由基會非常快速地與能夠被氧化的任何可得材料反應。可用許多形式實施該臭氧發生器，包括電容耦合電漿或電感耦合電漿，或UV燈源。
在這些高臭氧濃度下，電極不需被極盡加熱以達成相對高的氧化速率。該高臭氧濃度也使臭氧分壓得以減少。該高臭氧比例使臭氧的氧化得以在小於20托耳的壓力下進行。應了解，上述表面修飾技術是示範性，且可使用達成所選表面修飾的其他表面修飾技術。舉例而言，一些實施型態中，此製備可包括，將電極暴露於電暈處理，對其進行化學處理（例如，以氧化劑），或將聚電解質吸附或接枝到電極之表面。擁有帶電之電極可適合用於第一層帶相反電荷的材料以結合電極。
在一些實施型態中，表面修飾處理製程是電子束處理製程。在塗佈電極之前，將電子束源引導至該電極的表面上。該電子束源可以是線性源。發射電子束的電子束裝置一般經調適而使得該電子束遍及其整個寬度影響電極，使得由於該電極的縱向移動，而該電極整個表面（在一側上）由該電子束所處理。該電子束裝置可例如為電子源，例如淹沒式電子槍、線性電子槍、電子束、或類似物。該電子源中使用的氣體可以是氬氣、O 2、N 2、CO 2、或He，更特定而言，O 2、N 2、CO 2或He。
以發射的電子所處理的電極在物理上、各別地在結構上有所改變，以使該電極與隨後沉積的陶瓷隔板層之間的附著有所改善。所選的效應可以藉由提供下述能量之電子而達成：從1keV至15keV、更一般為5keV至10keV、例如6keV、7keV、8keV或9keV。典型的電子流為20mA至1500mA，例如500mA。
在方法500（見圖5）、方法600（見圖6）、方法700（見圖7）、或方法800（見圖8）之前的一些實施型態中，電極（例如，負電極及/或正電極）的表面是情況任選地暴露於冷卻製程。一個實施型態中，該電極結構之表面可冷卻至攝氏-20度與室溫（即，攝氏20到22度）之間的溫度（例如，攝氏-10度和0度）。一些實施型態中，可藉由使上方有電極結構行進的滾筒（drum）冷卻，而對該電極結構進行冷卻。可使用其他主動冷卻手段冷卻該電極結構。在蒸發製程期間，該電極結構可以暴露於超過攝氏1000度的溫度，因此，在操作510、操作610、和操作710的蒸發製程之前冷卻該電極結構是有益的。
圖5繪示總結根據本文所述之一個或多個實施型態的用於形成單元結構的方法500的一個實施型態的製程流程圖。該單元結構可為例如圖1中描繪的單元結構100。
在操作510，待沉積於負電極之表面和正電極之表面的至少一者上的材料暴露於蒸發製程，以蒸發待沉積於處理區域中的材料。在一些實施型態中，該負電極為負電極140且該正電極為正電極120。一些實施型態中，待沉積的材料沉積在單個電極（例如，負電極或正電極）上。在一些實施型態中，待沉積的材料沉積在該負電極和該正電極上。一些實施型態中，在該負電極和該正電極上的沉積可發生在相同的處理腔室中或可發生在分開的處理腔室中。在一些實施型態中，在該負電極和該正電極上的沉積可依序發生或同時發生。
蒸發材料可選自由下述材料組成之群組：鋁（Al）、鋯（Zr）、鉿（Hf）、鈮（Nb）、鉭（Ta）、鈦（Ti）、釔（Y）、鑭（La）、矽（Si）、硼（B）、銀（Ag）、鉻（Cr）、銅（Cu）、銦（In）、鐵（Fe）、鎂（Mg）、鈣（Ca）、鍶（Sr）、鋇（Ba）、鎳（Ni）、錫（Sn）、鐿（Yb）、鋰（Li）、鈣（Ca）或上述材料之組合。一般而言，該待沉積的材料是金屬，諸如鋁或鋁合金。進一步而言，該蒸發材料也可為兩種或更多種金屬的合金。該蒸發材料是這樣的材料：該材料在蒸發期間蒸發，並且一或多個電極的表面由該材料所塗佈。能夠在坩堝中設置該待沉積的材料（例如鋁）。該鋁能夠例如藉由熱蒸發技術或藉由電子束蒸發技術而蒸發。
在一些實施型態中，蒸發材料是以絲線（wire）形式饋送到坩堝。在此實例中，必須挑選饋送速率及/或絲線直徑，以達成蒸發材料和反應性氣體的適當比例。在一些實施型態中，用於饋送至該坩堝的饋送絲線的直徑選擇在0.5mm和2.0mm之間（例如，介於1.0mm和1.5mm之間）。這些尺寸可參考由蒸發材料製成的數種饋送絲線。該絲線的一般饋送速率是在50公分/分和150公分/分之間，例如，在70公分/分和100公分/分之間。
將該坩堝加熱以生成蒸氣，該蒸氣與在操作510所供應的反應性氣體反應，而使該一或多個電極之表面塗佈有陶瓷隔板層（例如，陶瓷隔板層130）。一般而言，藉由將電壓施加至坩堝的多個電極而加熱該坩堝，該等電極位於該坩堝的相對側上。大致上，根據本文所述的實施型態，該坩堝的材料是導電的。一般而言，作為坩堝材料的材料對用於熔融和蒸發的溫度具有耐溫性。一般而言，本案揭露內容的坩堝由一或多種材料製成，該等材料選自由下述各項組成之群組：金屬硼化物、金屬氮化物、金屬碳化物、非金屬硼化物、非金屬氮化物、非金屬碳化物、氮化物、氮化鈦、硼化物、石墨、TiB 2、BN、B 4C和SiC。
透過加熱該蒸發坩堝，而將待沉積的材料熔融且蒸發。能夠藉由提供連接到該坩堝之第一電連接件和第二電連接件的電源（圖中未示）而進行加熱。例如，這些電連接件可以是由銅或銅之合金所製成的電極。因此，加熱是藉由流過該坩堝之主體的電流而進行。根據其他實施型態，加熱也可以透過蒸發設備的照射式加熱器或蒸發設備的感應式加熱單元進行。
一般而言，將根據本案揭露內容的蒸發單元加熱至介於攝氏1300度至攝氏1600度之間的溫度，例如攝氏1560度。這是藉由下述方式達成：相應地調節通過坩堝的電流，或相應地調節照射來完成。一般而言，選擇坩堝材料，以使得該坩堝材料的穩定度不會受該範圍之溫度負面地影響。一般而言，一個或多個電極的速度介於20公分/分和200公分/分之間，更一般為介於80公分/分和120公分/分之間，例如100公分/分。在這些實例中，用於輸送之手段應該能夠以這些速度輸送基板。
在操作520，使反應氣體流入處理區域，以與蒸發的材料反應，而至少在負電極之表面和正電極之表面上形成陶瓷隔板層。根據典型之實施型態（能夠與本文所述之其他實施型態相組合），反應性氣體可選自由以下各項組成之群組：含氧氣體、含氮氣體、或上述氣體之組合。可與本文所述之實施型態一併使用的示範性含氧氣體包括：氧氣（O 2）、臭氧（O 3）、氧自由基（O*）、離子化氧原子、二氧化碳（CO 2）、氧化氮（NO x）、水蒸氣或上述氣體之組合。可與本文所述之實施型態一併使用的示範性含氮氣體包括：N 2、N 2O、NO 2、NH 3或上述氣體之組合。根據另外進一步之實施型態，能夠將額外的氣體（一般為惰性氣體，例如氬氣）添加到包含反應性氣體的氣體混合物中。因此，一般而言，能夠以更容易地控制反應性氣體的量。根據可與本文所述的其他實施型態相組合的典型實施型態，該製程可在真空環境中進行，該真空環境的一般氣氛為1*10 -2毫巴至1*10 -6毫巴，例如，1*10 -3毫巴或更低；1*10 -4毫巴或更低。
在操作520，在一些實施型態中，潮溼的氧氣可用作為反應性氣體。可藉由使氧流過含有水蒸氣的罐，而形成該潮溼的氧氣，以與蒸發的材料反應，而形成氫氧化鋁氧化物（AlO(OH)），該氫氧化鋁氧化物沉積於該電極表面上。該氫氧化鋁氧化物（AlO(OH)）一般是採取下述形式：一水硬鋁石（α-AlO(OH)）、水鋁石（ɣ-AlO(OH)）、或六方水鋁礦（5Al 2O 3·H 2O）。不受理論所限制，但不僅氫氧化鋁氧化物在熱力上穩定，而且氫鍵也有助於改善該陶瓷隔板層對該電極之表面的鍵結強度。
在一些實施型態中，於操作520期間，由反應性氣體混合物形成電漿。在一些實施型態中，該電漿是含氧電漿。該含氧電漿與蒸發的材料反應，而將陶瓷隔板層沉積在電極的表面上。在一個實施型態中，該反應性氣體混合物包括下述之至少一者：含氧氣體、惰性氣體（例如氬氣，氦氣）、或前述氣體之組合。一個實施型態中，供應至處理區域中的含氧氣體包括下述之至少一者：氧氣（O 2）、臭氧（O 3）、氧自由基（O*）、離子化氧原子、二氧化碳（CO 2）、氧化氮（NO x）、水蒸氣、或上述氣體之組合。可使用其他的含氧氣體。在一些實施型態中，使用遠端電漿源而形成該電漿並將該電漿遞送到處理區域。
在一些實施型態中，在操作520期間，氣體源透過質量流量控制器將氧氣（O 2）供應到臭氧發生器，該臭氧發生器將高比例的氧氣轉換為臭氧氣體（O 3）。所得的O 2和O 3的基於氧的混合物以及可能的一些氧自由基O*和離子化的氧原子或分子被遞送到處理區域。基於氧的氣體在處理區域內與電極結構之表面反應，該電極結構已加熱至預定的（較佳為低的）溫度。臭氧是一種介穩態分子，該分子會在反應O 3→O 2+O*中自發地快速分解，其中O*是自由基，會非常快速地與能夠被氧化的任何可得材料反應。可以許多形式實施該臭氧發生器，包括電容耦合電漿或電感耦合電漿，或是UV燈源。
在一些實施型態（其中，正電極及/或負電極之至少一個邊緣維持暴露）中，可能期望將額外的陶瓷邊緣塗層沉積在暴露的邊緣上，以避免短路。該陶瓷邊緣塗層可含有與陶瓷隔板層相同的材料。可透過使用溼式沉積方法（例如，狹槽模頭塗佈）沉積該陶瓷邊緣塗層，接著進行視情況任選的乾燥和/或壓延（calendar）操作。一般而言，該陶瓷邊緣塗層之厚度與陶瓷隔板層類似。一個實施型態中，該邊緣塗佈製程是在操作510之前發生。在另一實施型態中，該邊緣塗佈製程是在操作520之後發生。
在操作530，以該陶瓷隔板層將該負電極和該正電極接合在一起，以形成單元結構（例如單元結構100），該陶瓷隔板層位在該正電極與該負電極之間。
圖6繪示製程流程圖，該製程流程圖總結根據本文所述之一或多個實施型態的用於形成單元結構的方法600的一個實施型態。該單元結構可例如為圖2中所描繪的單元結構200。方法600類似方法500，差異在於，該方法600包括操作630，其中凝膠聚合物層沉積在負電極之表面上或是正電極之表面上。一些實施型態中，該凝膠聚合物層為凝膠聚合物層210。一些實施型態中，該負電極為負電極140且該正電極為正電極120。一些實施型態中，在將該等電極接合在一起前，該陶瓷隔板層130沉積在單個電極（例如負電極或正電極）上，且該凝膠聚合物層210沉積於另一個電極上。
在操作610，將待沉積於負電極之表面和正電極之表面的至少一者上的材料暴露至蒸發製程，以蒸發待沉積於處理區域中的材料。操作610可以與類似於操作510的方式執行。在操作620，反應性氣體流入該處理區域中，而與該蒸發的材料反應，而在至少該負電極的表面和正電極的表面上形成陶瓷隔板層。可以類似於操作520的方式執行操作620。
在操作630，於負電極之表面及正電極之表面的至少一者上沉積凝膠聚合物層。用於該凝膠聚合物層210的聚合物可選自當前用於鋰離子電池工業中的聚合物。可用於形成該凝膠聚合物層的聚合物之範例包括（但不限於）聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚環氧乙烷（PEO）、聚丙烯腈（PAN）、羧甲基纖維素（CMC），苯乙烯-丁二烯橡膠（SBR）及上述材料之組合。不受理論所限制，但相信該凝膠聚合物層210可佔用鋰傳導電解質而在元件製造期間形成凝膠，這對於形成良好的固體電解質界面（SEI）有益，且助於降低阻力。該凝膠聚合物層210可透過浸泡塗佈、狹槽模頭塗佈、凹版塗佈、或印刷而形成。也可使用應用材料公司的Metacoat設備沉積該聚合物。該介電質聚合物層可具有從約5奈米至約1微米之厚度。
在操作640，利用該陶瓷隔板層與該凝膠聚合物層將該負電極和該正電極接合在一起，以形成單元結構（例如單元結構200），而該陶瓷隔板層和凝膠聚合物層位在該負電極和該正電極之間。
圖7繪示製程流程圖，該製程流程圖總結根據本文所述的一或多個實施型態的用於形成單元結構的方法700的一個實施型態。該單元結構可為例如圖3中描繪的單元結構300。方法700類似於方法600，差異在於，在將負電極與正電極接合在一起之前，陶瓷隔板層是沉積於正電極和負電極兩者上，且凝膠聚合物層沉積在該等陶瓷隔板層之其中一者。在一些實施型態中，該凝膠聚合物層是凝膠聚合物層310a，第一陶瓷隔板層是陶瓷隔板層330a，且第二陶瓷隔板層是陶瓷隔板層330b。一些實施型態中，該負電極是負電極140，且該正電極是正電極120。
在操作710，待沉積於負電極之表面及正電極之表面的至少一者上的材料暴露於蒸發製程，以蒸發待沉積於處理區域中的材料。可用類似操作510及操作610的方式執行操作710。在操作720，反應性氣體流入處理區域中，而與該蒸發的材料反應，而在該負電極之表面上形成第一陶瓷隔板層，且於該正電極之表面上形成第二陶瓷隔板層。一些實施型態中，在負電極和正電極上的沉積可發生在相同的處理腔室中，或可以發生在分開的處理腔室中。一些實施型態中，該負電極及該正電極上的沉積可依序發生，或是同時發生。可用類似操作520及操作620的方式執行操作720。
在操作730，在該第一陶瓷隔板層和該第二陶瓷隔板層之至少一者上沉積凝膠聚合物層。用於該凝膠聚合物層310的聚合物可選自當前用於鋰離子電池工業中的聚合物。可用於形成該凝膠聚合物層的聚合物之範例包括（但不限於）：聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚環氧乙烷（PEO）、聚丙烯腈（PAN）、羧甲基纖維素（CMC）、苯乙烯-丁二烯橡膠（ SBR）及上述材料之組合。該聚合物也能夠是具有諸如Li 2O之鹽類的液晶。不受理論所限制，但相信該凝膠聚合物層310可佔用鋰傳導電解質而在元件製造期間形成凝膠，這對於形成良好的固體電解質界面（SEI）有益，且助於降低阻力。能夠透過浸泡塗佈、狹槽模頭塗佈、凹版塗佈、或印刷而形成該凝膠聚合物層310。也可使用應用材料公司的Metacoat設備沉積該聚合物。該介電質聚合物層可具有從約5奈米至約1微米之厚度。
在操作740，以該第一陶瓷隔板層、該凝膠聚合物層、及該第二陶瓷隔板層將該正電極與該負電極接合在一起，而形成單元結構（例如，單元結構300），而該該第一陶瓷隔板層、該凝膠聚合物層、及該第二陶瓷隔板層位在該正電極與該負電極之間。
圖8繪示製程流程圖，該製程流程圖總結根據本文所述之一或多個實施型態的用於形成電極結構的方法800的一個實施型態。該單元結構可例如為圖4中描繪的單元結構400。在操作810，設置負電極。該負電極結構可為負電極140。
在操作820，於負電極上形成鋰金屬層。該鋰金屬層可為預鋰化層410。在一個實施型態中，鹼金屬膜形成在基板上。在一些實施型態中，若已存在負電極140，則在該負電極140上形成預鋰化層410。若不存在負電極140，則可直接在負集電器150上形成該鋰金屬膜。可使用用於沉積鋰金屬之薄膜的任何合適的鋰金屬膜沉積製程以沉積鋰金屬薄膜。鋰金屬之薄膜的沉積可藉由PVD製程（諸如蒸發）、狹槽模頭製程、轉移製程、網版印刷、或是三維鋰印刷製程。用於沉積鹼金屬之薄膜的腔室可包括PVD系統，例如電子束蒸發器、熱蒸發器、或是濺射系統、薄膜轉移系統（包括大面積圖案印刷系統，諸如凹版印刷系統），或是狹槽模頭沉積系統。
在操作830，視情況任選地將保護層形成於鋰金屬層上。該保護層可為保護膜420。該保護膜420可以是氟化鋰膜或碳酸鋰膜。一個實施型態中，藉由蒸發製程形成該保護膜420。將待沉積於基板上的材料暴露於蒸發製程，以蒸發待沉積於處理區域中的材料。該蒸發材料可選自由下述材料組成之群組：鋰（Li）、氟化鋰（LiF）（例如，超高純度的單晶鋰）、氧化鋁（AlO x）、碳酸鋰（Li 2CO 3）或前述材料之組合。一般而言，待沉積的材料包括諸如鋰之類的金屬。再者，該蒸發材料也可以是無機化合物。該蒸發材料是在蒸發製程期間蒸發的材料，並且是塗佈於鋰金屬膜的材料。該待沉積的材料（例如氟化鋰）可以設置在坩堝中。舉例而言，能夠藉由熱蒸發技術或藉由電子束蒸發技術蒸發該氟化鋰。該AlO x可為奈米級厚，但可為非多孔。在一些電化學條件下，可以形成離子傳導的Li-Al-O。
一些實施型態中，將該蒸發材料以團塊（pellet）的形式饋送到坩堝中。一些實施型態中，以絲線的形式將蒸發材料饋送到坩堝中。在這種實例中，必須挑選饋送速率及/或絲線之直徑，以達成所尋求的蒸發材料與反應氣體的比率。一些實施型態中，用於饋送至坩堝的饋送絲線之直徑選擇為介於0.5mm至2.0mm之間（例如，介於1.0mm至1.5mm之間）。這些尺寸可以參考由該蒸發材料製成的許多饋送絲線。該絲線的典型饋送速率是在50公分/分至150公分/分之間的範圍，例如，介於70公分/分至100公分/分之間。
加熱該坩堝，以生成蒸氣而使該鋰金屬膜塗佈有保護膜。一般而言，藉由對坩堝之電極施加電壓，而加熱該坩堝，該等電極位於坩堝的相對側上。大致上，根據本文所述之實施型態，坩堝的材料具導電性。一般而言，用作坩堝材料的材料對用於熔融和蒸發的溫度具有耐溫性。一般而言，本案揭露內容的坩堝由一或多種材料製成，該等材料選自由下述各項組成之群組：金屬硼化物、金屬氮化物、金屬碳化物、非金屬硼化物、非金屬氮化物、非金屬碳化物、氮化物、氮化鈦、硼化物、石墨、鎢、TiB 2、BN、B 4C和SiC。
透過加熱該蒸發坩堝，而將待沉積的材料熔融且蒸發。能夠藉由提供連接到該坩堝之第一電連接件和第二電連接件的電源（圖中未示）而進行加熱。例如，這些電連接件可以是由銅或銅之合金所製成的電極。因此，加熱是藉由流過該坩堝之主體的電流而進行。根據其他實施型態，加熱也可以透過蒸發設備的照射式加熱器或蒸發設備的感應式加熱單元進行。
一般而言，將根據本案揭露內容的蒸發單元加熱至介於攝氏800度至攝氏1200度之間的溫度，例如攝氏845度。這是藉由下述方式達成：相應地調節通過坩堝的電流，或相應地調節照射來完成。一般而言，選擇坩堝材料，以使得該坩堝材料的穩定度不會受該範圍之溫度負面地影響。一般而言，該多孔聚合物基板的速度範圍是介於20公分/分和200公分/分之間，更一般為介於80公分/分和120公分/分之間，例如100公分/分。在這些實例中，用於輸送之手段應該能夠以這些速度輸送基板。
在操作840，將待沉積於鋰金屬層之表面及/或保護層之表面的至少一者上的材料暴露於蒸發製程，以蒸發待沉積於處理區域中的材料。可用類似操作510、操作610、和操作710的方式執行操作810。在操作850，反應性氣體流入處理區域中，而與蒸發的材料反應，而在鋰金屬層之表面及/或保護層之表面的至少一者上形成陶瓷隔板層。該陶瓷隔板層可為陶瓷隔板層430a。一些實施型態中，在負電極和正電極上的沉積可發生在相同的處理腔室中，或可發生在分開的處理腔室中。一些實施型態中，負電極和正電極上的沉積可依序發生，或同時發生。可用類似操作520及操作620的方式執行操作720。
視情況任選地，在該陶瓷隔板層上形成凝膠聚合物層。該凝膠聚合物層可為凝膠聚合物層440，且可用類似於在操作730中所述的凝膠聚合物層310的方式形成該凝膠聚合物層。用於該凝膠聚合物層440之聚合物可以選自當前用於鋰離子電池工業中的聚合物。可用於形成該凝膠聚合物層之聚合物的範例包括（但不限於）：聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚環氧乙烷（PEO）、聚丙烯腈（PAN）、羧甲基纖維素（CMC）、苯乙烯-丁二烯橡膠（SBR）、及前述聚合物之組合。不受理論所限制，但相信該凝膠聚合物層440可佔用鋰傳導電解質而在元件製造期間形成凝膠，這對於形成良好的固體電解質界面（SEI）有益，且助於降低阻力。能夠透過浸泡塗佈、狹槽模頭塗佈、凹版塗佈、或印刷而形成該凝膠聚合物層440。也可使用應用材料公司的Metacoat設備沉積該聚合物。該介電質聚合物層可具有從約5奈米至約1微米之厚度。
以該陶瓷隔板層430a、該凝膠聚合物層440a、及該陶瓷隔板層430b將負電極和正電極接合在一起，而形成單元結構（例如單元結構400），該陶瓷隔板層430a、該凝膠聚合物層440a、及該陶瓷隔板層430b位於該負電極和該正電極之間。
圖9繪示根據本文所述之一或多個實施型態的用於形成陶瓷隔板的整合處理工具900的示意圖。在某些實施型態中，整合處理工具900包括排成一排的複數個處理模組或腔室920和930，每一處理模組或腔室920組裝成對連續的材料片910執行一個處理操作。一個實施型態中，該處理腔室920和930是獨立的模組化處理腔室，其中各模組化處理腔室在結構上與其他模組化處理腔室分開。因此，該等獨立的模組化處理腔室之每一者可獨立地排列、重新安排、置換、或維護，而不會影響彼此。在某些實施型態中，處理腔室920和930組裝成處理連續材料片910的雙側。雖然整合處理工具900組裝成處理垂直走向的連續材料片910，但該整合處理工具900可組裝成處理定位在不同走向的基板，所謂不同走向的基板例如為水平走向的連續材料片910。某些實施型態中，該連續的材料片910是可撓導電基板。
某些實施型態中，整合處理工具900包括傳送機構905。該傳送機構905可包括能夠使連續材料片910移動通過處理腔室920和930的處理區域的任何傳送機構。該傳送機構905可包括共用運輸架構。共用運輸架構可包括捲軸對捲軸（reel-to-reel）系統，該系統具有用於該系統的收取捲軸914和饋送捲軸912。可個別加熱該收取捲軸914和饋送捲軸912。可透過使用外部熱源或位於各捲軸內的內部熱源個別地加熱該收取捲軸914和饋送捲軸912。該共用運輸架構可進一步包括位於該收取捲軸914和饋送捲軸912之間的一或多個中間傳送捲軸（913a和913b、916a和916b、918a和918b）。雖然將整合處理工具900描繪成具有單一處理區域，但在某些實施型態中，可能是有利的是針對每個製程擁有分開的或分立的處理區域、模組、或腔室。對於具有分立的處理區域、模組、或腔室的實施型態而言，該共用運輸架構可以是下述捲軸對捲軸系統：其中每一腔室或處理區域具有個別的收取捲軸和饋送捲軸，以及一或多個視情況任選的中間傳送捲軸（位於收取捲軸和饋送捲軸之間）。共用運輸架構可包括軌道系統。該軌道系統延伸穿過處理區域或分立的處理區域。該軌道系統組裝成運輸卷材基板或分立的基板。
整合處理工具900可包括饋送捲軸912和收取捲軸914，用於使連續材料片910移動通過不同的處理腔室。不同的處理腔室可包括用於沉積陶瓷隔板膜的第一處理腔室920，以及用於在該陶瓷隔板膜上沉積凝膠聚合物層的第二處理腔室930。在一些實施型態中，完成的電極將不會如圖所示般收集在收取捲軸914上，而是可以直接前進以與隔板及正電極等整合，以形成電池單元。
該第一處理腔室920組裝成用於在連續的材料片910上沉積陶瓷隔板膜。一個實施型態中，該第一處理腔室920是蒸發腔室。該蒸發腔室具有處理區域942，圖中顯示該處理區域942包括蒸發源944a、944b（合稱為944），該等蒸發源可置於坩堝中，而該坩堝可為真空環境中的熱蒸發器或電子束蒸發器（冷），以上為舉例。用於將反應性氣體供應到處理區域942的第一氣體源950耦接處理區域942。遠端電漿源960耦接處理區域，以將電漿供應至處理區域。該遠端電漿源960可以耦合第二氣體源970。
該第二處理腔室930組裝成用於在材料片上沉積凝膠聚合物層（例如，在陶瓷隔板膜上）。該凝膠聚合物層可以是如本文所述的離子傳導材料。該凝膠聚合物層可透過浸泡塗佈、狹槽模頭塗佈、凹版塗佈、積層、或印刷而形成。
一個實施型態中，該第二處理腔室930是三維印刷腔室。該印刷腔室具有處理區域952，圖中顯示該處理區域952包括用於印刷聚合物油墨的印刷源954a、954b（合稱954）。
一個實施型態中，該處理區域942和處理區域952在處理期間保持在真空及/或低於大氣壓的壓力下。可以調整處理區域942的真空層級以匹配處理區域952的真空層級。在一個實施型態中，該處理區域942和處理區域952在處理期間保持在大氣壓力下。在一個實施型態中，處理區域942和處理區域952在處理期間保持在惰性氣體氣氛下。一個實施型態中，該惰性氣體之氣氛是氬氣氣氛。在一個實施型態中，該惰性氣體之氣氛是氮氣（N 2）氣氛。
可在整合處理工具900中納入額外腔室。一些實施型態中，額外的腔室可供以沉積具電解質可溶性的黏結劑，或者在一些實施型態中，額外的腔室可以供以形成電極材料（正電極材料或負電極材料）。在一些實施型態中，額外的腔室供以切割電極。
圖10A繪示未塗佈的陰極材料的掃描式電子顯微鏡（SEM）之影像1000。圖10B繪示根據本文所述之實施型態的塗佈有氧化鋁的陰極材料的SEM影像1010。
圖11繪示具有根據本文所述之實施型態形成的陶瓷隔板層的單元結構1100的示意性剖面視圖的SEM影像。該單元結構1100包括定位於負電極和正電極之間的陶瓷隔板層。該負電極的厚度為約55μm，推估的孔隙度為小於20%。該正電極（例如，LiCoO 2）的厚度為約65μm，且推估的孔隙度為約17%。該陶瓷隔板層的厚度為約12至14μm。
總結而論，本案揭露內容的一些益處包括，陶瓷隔板材料有效地直接沉積至電極材料上。將陶瓷隔板材料直接沉積在電極材料上的能力消除了對聚烯烴隔板的需求。消除聚烯烴隔板減少了熱縐縮的可能性，也同時減少了正電極和負電極之間的距離。例如，在一些實施型態中，根據本文所述之實施型態形成的陶瓷隔板層與聚烯烴隔板相比具有3μm或更小的厚度，該聚烯烴隔板通常具有約20μm或更大的厚度。此外，本文所述之乾式塗佈技術不會遭受溼式塗佈技術所會遭受的數個缺點。例如，溼式塗佈技術包括溶劑，該溶劑經常會吸附至下方的電極結構中，而對整個製程增加了額外的乾燥操作。另外，本文所述的一些實施型態中，該陶瓷隔板層之沉積製程為真空塗佈製程，而從電極結構移除殘餘溼氣而不會對沉積製程及處理工具添加額外的乾燥部件。
當介紹本案揭露內容的元件或示範性態樣或實施型態時，希望冠詞「一」、「該」及「所述」意味存在一或多個該等元件。
希望術語「包括」、「包含」及「具有」為包含性，且意味可能有除了所列元件之外的其他元件。
雖然前述內容涉及本案揭露內容的實施型態，但可不背離本案揭露內容的基本範疇而設計本案揭露內容的其他和進一步的實施型態，且本案揭露內容之範疇由所附的申請專利範圍所決定。
100:單元結構 110:正集電器 120,120a,120b:正電極 130,130a~100c:陶瓷隔板層 140,140a,140b:負電極 150:負集電器 200:單元結構 210,210a,210b:凝膠聚合物層 300:單元結構 310,310a,310b:凝膠聚合物層 330,330a~c:陶瓷隔板層 400:單元結構 410:預鋰化層 420:保護膜 430,430a~c:陶瓷隔板層 440,340a,340b:凝膠聚合物層 500:方法 510~530:操作 600:方法 610~640:操作 700:方法 710~740:操作 800:方法 810~850:操作 900:整合處理工具 905:機構 910:材料 912:饋送捲軸 913a,913b:傳送捲軸 914:收取捲軸 916a,916b,918a,918b:傳送捲軸 920:第一處理腔室 930:第二處理腔室 942:處理區域 944a,944b:蒸發源 950:第一氣體源 952:處理區域 954a,954b:印刷源 960:遠端電漿源 970:第二氣體源 1000,1010:影像 1100:單元結構
透過參考其中一些於附圖繪示的實施型態，可得到上文簡要總結的該等實施型態的更特定之敘述，如此能夠詳細了解本案揭露內容之上述特徵。然而，應注意，附圖僅繪示本案揭露內容之典型實施型態，因此不應將該等附圖視為限制本案揭露內容之範疇，因為本案揭露內容可容許其他等效實施型態。
圖1繪示根據本文所述之一或多個實施型態而形成的單元結構的一個實施型態的剖面視圖；
圖2繪示根據本文所述之一或多個實施型態而形成的單元結構的另一實施型態的剖面視圖；
圖3繪示根據本文所述之一或多個實施型態而形成的單元結構的又一實施型態的剖面視圖；
圖4繪示根據本文所述之一或多個實施型態而形成的單元結構的又一實施型態的剖面視圖；
圖5繪示製程流程圖，該製程流程圖簡介根據本文所述之一或多個實施型態的形成單元結構之方法的一個實施型態；
圖6繪示製程流程圖，該製程流程圖簡介根據本文所述之一或多個實施型態的形成電極結構之方法的一個實施型態；
圖7繪示製程流程圖，該製程流程圖簡介根據本文所述之一或多個實施型態的形成電極結構之方法的一個實施型態；
圖8繪示製程流程圖，該製程流程圖簡介根據本文所述之一或多個實施型態的形成電極結構之方法的一個實施型態；
圖9繪示根據本文所述之一或多個實施型態的用於形成陶瓷隔板之卷材（web）工具的示意視圖；
圖10A繪示未塗佈之陰極材料的掃描式電子顯微鏡（SEM）影像；
圖10B繪示根據本文所述之實施型態的以氧化鋁塗佈的陰極材料的SEM影像；以及
圖11繪示具有陶瓷隔板層之單元結構的示意剖面視圖的SEM影像，該單元結構是根據本文所述之實施型態形成。
為了助於理解，在可能的情況下，已使用相同元件符號來表示圖中共有的相同元件。應考量一個實施型態的元件及特徵可有利地合併於其他實施型態中，而無須贅述。
國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無
國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
100:單元結構
110:正集電器
120,120a,120b:正電極
130,130a~100c:陶瓷隔板層
140,140a,140b:負電極
150:負集電器

Claims (20)

  1. 一種形成電極結構的方法，包括： 將一金屬材料暴露至一蒸發製程，而形成一蒸發的金屬材料，該金屬材料待沉積於一鋰金屬層之一表面上，該鋰金屬層形成於定位在一處理區域中的一負電極結構上；  使一反應性氣體流進該處理區域中，包括：  將氧氣暴露於水蒸氣以形成潮濕的氧氣（moist oxygen）；及  使該潮溼的氧氣引進該處理區域中；及  使該反應性氣體與該蒸發的金屬材料反應，而在該鋰金屬層之該表面上沉積一陶瓷層。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該金屬材料選自：鋁（Al）、銀（Ag）、鉻（Cr）、銅（Cu）、銦（In）、鐵（Fe）、鎂（Mg）、鎳（Ni）、錫（Sn）、鐿（Yb）、或前述材料之組合。
  3. 如請求項1所述之方法，其中該陶瓷層是氫氧化鋁氧化物層。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該蒸發製程是一熱蒸發製程或一電子束蒸發製程。
  5. 如請求項1所述之方法，其中該蒸發製程包括：將該金屬材料暴露至介於攝氏1300度與攝氏1600度之間的溫度。
  6. 如請求項1所述之方法，其中該陶瓷層是一無黏結劑的陶瓷層。
  7. 如請求項1所述之方法，其中該陶瓷層具有範圍為1奈米至3000奈米的厚度。
  8. 如請求項7所述之方法，其中該陶瓷層具有範圍為10奈米至500奈米的厚度。
  9. 如請求項1所述之方法，其中該陶瓷層包括水鋁石（boehmite）。
  10. 如請求項1所述之方法，其中該負電極結構是由石墨或含矽的石墨所建造。
  11. 如請求項1所述之方法，進一步包括：於該陶瓷層上沉積一凝膠聚合物層。
  12. 如請求項1所述之方法，其中該凝膠聚合物層選自：聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚環氧乙烷（PEO）、聚丙烯腈（PAN）、羧甲基纖維素（CMC）、苯乙烯-丁二烯橡膠（SBR）、或前述聚合物之組合。
  13. 如請求項1所述之方法，其中該鋰金屬層在暴露該金屬材料之前具有形成在該鋰金屬上的一保護膜，且該保護膜選自氟化鋰、碳酸鋰、或前述材料之組合。
  14. 一種形成電池的方法，包括： 在一負電極結構之一表面上沉積一陶瓷層，包括： 將一金屬材料暴露至一蒸發製程，而形成一蒸發的金屬材料，該金屬材料待沉積於定位在一處理區域中的該負電極結構之該表面上； 使一反應性氣體流進該處理區域中；及 使該反應性氣體與該蒸發的該金屬材料反應，而在該負電極結構之該表面上沉積該陶瓷層，其中使一反應性氣體流進該處理區域中包括：使潮溼的氧氣流進該處理區域中；及 將該負電極結構與一正電極結構接合，而該陶瓷層介於該負電極結構與該正電極結構之間。
  15. 如請求項14所述之方法，其中該陶瓷層是一氫氧化鋁氧化物層。
  16. 如請求項14所述之方法，其中該蒸發製程是一熱蒸發製程或一電子束蒸發製程。
  17. 一種形成電極結構的方法，包括： 將一連續的材料片從一饋送捲軸傳送通過一第一處理區域，該第一處理區域含有一第一蒸發源，其中該連續的材料片包括一負電極結構； 在該連續的材料片上面形成一陶瓷層，包括： 將該連續的材料片暴露至來自該第一處理區域中的該第一蒸發源的一蒸發的金屬材料；及 使一反應性氣體流進該第一處理區域中，包括： 將氧氣暴露於水蒸氣以形成潮濕的氧氣；及 使該潮溼的氧氣引進該第一處理區域中；及 使該反應性氣體與該蒸發的金屬材料反應，而在該負電極結構上沉積該陶瓷層。
  18. 如請求項17所述之方法，進一步包括： 使該連續的材料片傳送通過一第二處理區域；及 在該第二處理區域中將一凝膠聚合物膜沉積在該負電極結構上。
  19. 如請求項18所述之方法，其中該金屬材料選自：鋁（Al）、銀（Ag）、鉻（Cr）、銅（Cu）、銦（In）、鐵（Fe）、鎂（Mg）、鎳（Ni）、錫（Sn）、鐿（Yb）、或前述材料之組合。
  20. 如請求項17所述之方法，其中該陶瓷層是一氫氧化鋁氧化物層。
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