TWI600780B - 高容量固態電池的製造 - Google Patents

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安瑪麗 莎斯崔
張香春
家偉 汪
陳彥宏
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沙克堤公司
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Description

高容量固態電池的製造
本發明係關於高容量固態電化學電池的製造。更特別地，本發明提供一種用於固態電池裝置之真空製程順序與沉積後製程的方法。
僅僅藉由實例，本發明已經藉由使用鋰基電池來提供。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、音樂播放器、錄影機、以及類似物)、動力工具、用於軍事用途的電源(通訊、照明、成影以及類似物)、用於航空太空應用的電源(用於衛星的電力)、以及用於車輛應用的電源(混合式電動車、插入混合式電動車、以及全電動車)。此等電池的設計亦可應用於其中電池不僅是系統中之電源的情形，其中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、太陽能電池等等所提供。
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，但是具有可使用於上文所列應用之明顯容量的固態電池，無法由於電池結構與製造技術的限制來得到。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。比起基於液態電解質電池的電池而言，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。相較於習知電池，固態電池可儲存相同體積或相同質量的更多能量。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，此等電池的包裝應該予以改善。為了在多種應用中使用，譬如消費性電子裝置或電動車，除了目前的應用以外，低成本的大面積與快速薄膜沉積應該被發展。本發明提供一種得到用於新品種應用之高容量固態電池的方法。
根據本發明，提供了製造電化學電池有關的技術。更特別地，本發明提供一種用於製造固態薄膜電池裝置的裝置與方法。僅僅藉由實例，本發明藉由使用鋰基電池來提供。固態電池通常呈實驗或呈小規模生產狀態、難以製造、且難以大規模地成功製造。雖然有希望，但是具有可使用於大部分應用之明顯容量的固態電池，已經由於電池結構與製造技術的限制來得到。
在較佳實施例中，本發明提供一種使用迭代組製程順序來製造固態電池的方法，該迭代組製程順序重複許多次，以建立多重堆疊，以得到大於0.1mAh的高容量。本發明包括在一密閉迴路製程順序中移動一基材許多次，以基於電池容量規格，來建立目標數目的堆疊。該移動基材執行複數個製程來建立單一堆疊，其藉由循序地沉積從沉積來源所取得的複數材料，以形成覆蓋該基材之結果產生的電化學電池、該複數個製程用於釋放材料、第一電流收集器、能夠與離子電化學反應的電解質層、第二電極層、第二電流收集器、夾層。
在較佳實施例中，本發明提供一種方法：在結果所得之電化學電池覆蓋釋放材料之後，移動該基材回到該製程順序之開始以在該相同基材上形成覆蓋該第一電池堆疊的一第二電化學電池，以及重複該電池堆疊沉積順序1至N次，直到具有大於0.1mAh之高電容的多重堆疊電化學電池為止。
在較佳實施例中，本發明提供一種方法：藉由從電池裝置除去基材而得到大於每公升50瓦特-小時的高能量密度。該方法包括從該基材釋放電池裝置的步驟。一般具有小於200微米層厚度形成在平面板基材上的固態電池，譬如玻璃、氧化鋁、或金屬基材，具有非常有限的能量密度，假如平面板基材被包括在包裝電池產品中當作寄生組件。藉由從厚平面板基材釋放電池裝置，固態電池可得到大於每公升50瓦特-小時的高能量密 度。用於該製程順序的基材係為來自剛性材料的平面板，該剛性材料包含玻璃、氧化鋁、陶瓷、雲母、金屬、塑膠、阻障塗層材料、保護材料、低擴散材料、加罩或圖案化材料其中至少一者。該釋放材料選自下列至少一者：聚合物、含氟聚合物、單體、寡聚物、傳導材料、半導體材料、或組合、雙功能釋放層、乾燥劑、解聚合層、熱剝離材料、聚醯亞胺、聚二甲基矽氧烷(PDMS)、半有機分子矽氧烷、疏水層、磊晶剝離材料、非晶含氟聚合物、輻射剝離材料。自該基材的該電池釋放製程包含選自化學溶解、熱製程、輻射製程、重力製程、機械製程、電製程、或雷射光學製程的一製程。
在較佳實施例中，本發明提供藉由在薄片基材(0.1μm至100μm)上處理來得到大於每公升50瓦特小時之高能量密度的另一種方法，該等薄片基材藉由最小化能量密度上的損失而以一部份的電池裝置被包括。薄片基材係為選自一聚合物的一可撓性材料，該聚合物包括但不限於聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇(PEN)、或金屬箔，該金屬箔包括但不限於銅、鋁、不鏽鋼、鎳、以及合金箔。本發明提供一種將在可撓性基材上所承載之結果所得的電化學電池沿著用於該製程順序的單一或多重方向以及每一沉積室組態滾動的方法。捲對捲製程可在該可撓性基材的單側或雙側上進行；雙側電化學電池共享一單一可撓性基材，以進一步最小化來自該基材的寄生體積與質量。
在具體實施例中，本發明提供一種在整個製程順序，作為一實例但不限於藉由基材附近之氣體注入之用於可撓性基材的非接觸冷卻的方法。而且，藉由以浸塗與氧化的事先處理或絕緣材料的真空沉積，該可撓性基材選自傳導材料且具有絕緣塗料層。
在較佳實施例中，本發明提供一種直接沉積固態電池於多種應用之組件上的方法，譬如可攜式電子裝置(行動電話、個人數位助理、音樂播放器、錄影機、以及類似物)、動力工具、用於軍事用途的電源(通訊、照明、成影以及類似物)、用於航空太空應用的電源(用於衛星的電力)、以及用於車輛應用的電源(混合式電動車、插入混合式電動車、以及全電動車)。僅僅藉由實例，真空相容組件，譬如電子裝置的金屬或塑膠外殼可使用當作沉積電池的平台而非使用額外的基材材料。當完成時，在沒有任 何額外的包裝步驟之下，固態電池會被整合在裝置組件中且隨後被組裝到工具。此方法呈現能量密度的大優點，因為它可最大化在用於電池之電子裝置內的有效空間。
201‧‧‧第一電流收集器
202‧‧‧第一電極層
203‧‧‧電解質材料
204‧‧‧第二電極層
205‧‧‧第二電流收集器
301‧‧‧平面板型基材
302‧‧‧釋放層
303‧‧‧第一電流收集器
304‧‧‧第一電極層
305‧‧‧電解質材料
306‧‧‧第二電極層
307‧‧‧第二電流收集器
308‧‧‧夾層
309‧‧‧第一電流收集器
310‧‧‧第一電極層
311‧‧‧電解質材料
312‧‧‧第二電極層
313‧‧‧第二電流收集器
314‧‧‧額外阻障物層
320‧‧‧電池堆疊
330‧‧‧電池堆疊
360‧‧‧釋放層與基材
601‧‧‧可撓性聚合物基材
602‧‧‧第一電流收集器
603‧‧‧第一電極層
604‧‧‧電解質材料
605‧‧‧第二電極層
606‧‧‧第二電流收集器
607‧‧‧夾層
610‧‧‧第一電池堆疊
620‧‧‧第N電池堆疊
801‧‧‧鹼石灰玻璃基材
802‧‧‧金屬基材托盤
803‧‧‧固態電池
901‧‧‧基材
902‧‧‧釋放層
903‧‧‧電流收集器
904‧‧‧第一電極(陰極)
905‧‧‧電解質
906‧‧‧第二電極(陽極)
907‧‧‧夾層
908‧‧‧切割葉片
1001‧‧‧滾筒
1002‧‧‧可撓性基材
1003‧‧‧固態電池
1701‧‧‧心軸
1703‧‧‧沉積電池
1704‧‧‧推滾輪
1705‧‧‧推滾輪
1706‧‧‧推滾輪
1801‧‧‧心軸
1803‧‧‧心軸
1802‧‧‧捲繞電池
1804‧‧‧推滾輪
1805‧‧‧推滾輪
1806‧‧‧推滾輪
2001‧‧‧管形手柄
2002‧‧‧電池裝置
2003‧‧‧設備
2004‧‧‧手柄截面
2005‧‧‧多重堆疊結構
2101‧‧‧工具
2102‧‧‧多重堆疊固態電池裝置
2103‧‧‧任意形狀
2105‧‧‧圓柱形外殼
2105‧‧‧電池啟動設備
2104‧‧‧方形空間
2201‧‧‧空氣吹風器
2202‧‧‧外殼
2204‧‧‧風扇頭
2205‧‧‧多重堆疊電池裝置
以下圖式僅僅為實例，其不應該過度地限制本文中申請專利範圍的範圍。所屬技術領域中具有通常知識者將承認許多其他的變化、改良、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，且根據其的許多改良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係為由作為直列設計之多重薄膜沉積真空腔室以及裝載室所組成之薄膜電池製造設備佈局的簡化圖。
圖2係為根據本揭露實例之單一堆疊固態電池的簡化繪示。
圖3A係為根據本揭露實例之沉積在釋放層與基材頂部上之多重堆疊固態電池的簡化繪示。
圖3B係為根據本揭露實例之從基材與釋放層釋放多重堆疊固態電池之製程的簡化繪示。
圖4係為稱為旋轉設計之多鼓設計組態之薄膜電池製造設備佈局的簡化圖。
圖5係為包括控制移動表面之數個轉動單元(譬如傳送帶或片，以捲對捲設計)之多膜電池製造設備佈局的簡化圖。
圖6係為根據本揭露實例之沉積在薄基材層上之多重堆疊固態電池的簡化繪示。
圖7係為根據本揭露實例之在鼓上製造多重堆疊固態電池的示意代表圖。
圖8係為在平面板型基材(以鹼石灰玻璃基材作為一實例)上製造之沉積固態電池的影像。
圖9係為根據本發明實施例之在鼓塗布器上製造之沉積膜電池的影像。
圖10係為在捲對捲設備上之可撓性聚合物基材上製造之沉積固態電池的影像。
圖11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12係為根據本揭露實例之在捲繞之後藉由切割來製造多重堆疊固態電池之順序的示意繪示。
圖13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14係為根據本揭露實例之在z-折疊之後藉由切割來製造多重堆疊固態電池之順序的示意繪示。
圖15係為根據本揭露實例之藉由切割與堆疊來製造多重堆疊固態電池之順序的示意繪示。
圖16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17係為根據本揭露實例之在沉積期間內當捲繞時、在任意形狀之心軸上製造多重堆疊固態電池的示意繪示。
圖18係為根據本揭露實例之在來自沉積鼓之任意形狀心軸上捲繞多重堆疊固態電池的示意代表圖。
圖19係為根據本揭露實例之多重堆疊固態電池之任意組態之簡化繪示的清單。
圖20繪示在作為該結構一部份之手持設備之彎曲表面上整合的多重堆疊電池裝置。
圖21繪示在圓柱形設備內切割成有效空間之形狀的多重堆疊電池裝置。
圖22繪示捲繞成繞著無葉片風扇頭部而整合之環形的多重堆疊電池裝置。
根據本發明，提供了製造電化學電池有關的技術。更特別地，本發明提供一種用於製造固態薄膜電池裝置的裝置與方法。僅僅藉由實例，本發明藉由使用鋰基電池來提供。固態電池通常呈實驗或呈小規模生產狀態，難以製造，且難以大規模成功生產。雖然有希望，但由於電池結構與製造技術的限制無法實現具有可使用於大部分應用之明顯容量的固 態電池。
在較佳實施例中，本發明提供一種使用迭代組製程順序來製造固態電池的方法，該迭代組製程順序重複許多次，以建立多重堆疊，以得到大於0.1mAh的高容量。本發明包括在一密閉迴路製程順序中移動一基材許多次，以基於電池容量規格，來建立目標數目的堆疊。該移動基材執行複數個製程，以藉由循序地沉積從沉積來源所取得之複數材料來形成覆蓋該基材之結果產生的電化學電池而來建立單一堆疊，該複數個製程用於釋放材料、第一電流收集器、能夠與離子電化學反應的電解質層、第二電極層、第二電流收集器、夾層。
在較佳實施例中，本發明提供一種方法：在該結果所得之電化學電池覆蓋該釋放材料之後，移動該基材回到該製程順序之開始以在該相同基材上形成覆蓋該第一電池堆疊的第二電化學電池，以及重複該電池堆疊沉積順序1至N次，直到具有大於0.1mAh之高電容的多重堆疊電化學電池為止。
在較佳實施例中，本發明提供一種方法：藉由從電池裝置除去基材而得到大於每公升50瓦特-小時的高能量密度。該方法包括從該基材釋放電池裝置的步驟。一般具有小於200微米層厚度形成在平面板基材上的固態電池，譬如玻璃、氧化鋁、或金屬基材，具有非常有限的能量密度，假如平面板基材被包括在包裝電池產品中當作寄生組件。藉由從厚平面板基材釋放電池裝置，固態電池可得到大於每公升50瓦特-小時的高能量密度。用於該製程順序的基材係為來自剛性材料的平面板，該剛性材料包含玻璃、氧化鋁、陶瓷、雲母、金屬、塑膠、阻障塗層材料、保護材料、低擴散材料、加罩或圖案化材料其中至少一者。該釋放材料選自下列至少一者：聚合物、含氟聚合物、單體、寡聚物、傳導材料、半導體材料、或組合、雙功能釋放層、乾燥劑、解聚合層、熱剝離材料、聚醯亞胺、聚二甲基矽氧烷(PDMS)、半有機分子矽氧烷、疏水層、磊晶剝離材料、非晶含氟聚合物、輻射剝離材料。自該基材的該電池釋放製程包含選自化學溶解、熱製程、輻射製程、重力製程、機械製程、電製程、或雷射光學製程的一製程。
圖1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。阻障物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2係為根據本揭露實例之單一堆疊固態電池單元的簡化繪示。201係為第一電流收集器；202係為能夠與覆蓋電流收集器之離子進行電化反應的第一電極層；203係為覆蓋能夠離子擴散之陰極的電解質材料；204係為覆蓋電解質的第二電極層；205係為覆蓋第二電極層的第二電流收集器。
圖3A與圖3B係為根據本揭露實例之具有釋放層與釋放製程步驟之多重堆疊固態電池單元的簡化繪示。301係為承載沉積膜的平面板型基材；302係為在沉積之前、施加到基材的釋放層；303係為第一電流收集器；304係為能夠與覆蓋電流收集器之離子進行電化學反應的第一電極層；305係為覆蓋能夠離子擴散之陰極的電解質材料；306係為覆蓋電解質的第二電極層；307係為覆蓋第二電極層的第二電流收集器；308係為覆蓋第二電流收集器的夾層，該第二電流收集器在此夾層下的第一電池堆疊與下一電池堆疊320之間絕緣；320係為包含五層303至307的第一電池堆疊；309係為第N堆疊的第一電流收集器；310係為覆蓋電流收集器之第N堆疊的第一電極層；311係為覆蓋陰極之第N堆疊的電解質材料；312係為覆蓋電解質之第N堆疊的第二電極層；313係為覆蓋第二電極層之第N堆疊的第二電流收集器；330係為包含五層309至313以及額外阻障物層314的電池堆疊#N；360係為在移除固態電池之後的釋放層與基材。
圖4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處理工具沿著圓線排列。有其他變化、改良、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排列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重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，單一或多數電池。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8係為在平面板基材上製造之沉積固態電池的影像。801係為作為平面板型基材之一實例的鹼石灰玻璃基材。802係為金屬基材托盤，該托盤在用於包含電流收集器、第一電極、電解質、第二電極、以及夾層之全層電化學電池的整個製程順序承載玻璃基材。該影像不顯示全部這些層。803係為兩個不同尺寸之固態電池的頂視圖。
圖9係為根據本發明實施例之在鼓塗布器上製造之沉積膜電池的影像。基材901，在本實例中，係為鼓的不鏽鋼表面。902係為在電池製造之前直接施加在基材上的釋放層。如在本發明的製程順序之後，其包含電流收集器903、第一電極(陰極)904、電解質905、第二電極(陽極)906、以及夾層907。在全堆疊完成之後，電池係藉由機械、化學、熱方法自基材移除。在此具體實例中，切割葉片908係被使用。
在較佳實施例中，本發明提供藉由在薄片基材(0.1μm至100μm)上處理來得到大於每公升50瓦特小時之高能量密度的另一種方法，該等薄片基材藉由最小化能量密度上的損失而以一部份的電池裝置被包括。薄片基材係為選自一聚合物的一可撓性材料，該聚合物包括但不限於聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇(PEN)、或金屬箔，該金屬箔包括但不限於銅、鋁、不鏽鋼、鎳、以及合金箔。本發明提供一種將在可撓性基材上所承載之結果所得的電化學電池沿著用於該製程順序的單一或多 重方向以及每一沉積室組態滾動的方法。捲對捲製程可在該可撓性基材之單側或雙側上進行；雙側電化學電池共享一單一可撓性基材，以進一步最小化來自該基材的寄生體積與質量。
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，設備佈局包括控制移動表面之數個轉動單元，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額外部份，且捲繞器經組態以盤繞薄膜層。包裝工具可將電化學主動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承認對此佈局的許多變化、改良、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。
在許多捲對捲塗布應用中，沉積膜比基材本身更薄。例如，廣泛使用的食物包裝(例如，洋芋片袋)具有在數十至數百微米聚合物材料(譬如聚對苯二甲酸乙二酯(PET))上100至500埃的鋁塗料。就這些習知的片塗料而言，基材物理上支撐沉積膜結構，且提供足夠的物理強度，以使用於沉積薄膜之目的(例如，鋁密封洋芋片免於受潮)。不過，固態電池包含比習知捲對捲塗布應用更厚許多(範圍從10,000至2,000,000埃)。沉積膜甚至可在薄可撓性基材(譬如不具有足夠物理強度的次微米PET或PEN)上提供自支援。
在捲對捲塗布應用中的另一個角色，可撓性聚合物基材，係提供電性絕緣於電化學堆疊之間。金屬電流收集層沉積於上的聚合型介質基材使該等金屬層絕緣，以讓非常高的電流傳送而沒有漏電。可撓性片材料可提供相似的優點，以用於崛起的薄膜電池技術。在薄膜電池應用中，可撓性聚合物片可使用當作提供絕緣特性以支撐捲對捲處理電池層的基材。為了形成大於0.1mAh的高容量電池，一些電化學電池堆疊必須在沒有漏電之下被累積，且可撓性聚合物或任何其他絕緣材料基材可提供用於任 何堆疊方法的必要絕緣，譬如在本發明中所呈現的捲繞、z-折疊、或切割-與-堆放。
可撓性基材材料的選擇通常朝向在有效薄材料之間具有最小厚度、重量輕、但在加工處理期間與之後兩者非常耐用的工程化聚合物、其亦經常有利於長期使用且藉由操作沉積於它之上之材料而具有抗退化的特徵(在譬如電容器與電池單元之主動膜的情形中)。或者，譬如薄金屬箔的傳導材料提供超過聚合物基材的另一個優點，因為它們充當電流收集器且從電池製造除去電流收集器沉積步驟。
在具體實施例中，本發明提供一種在整個製程順序，作為一實例但不限於藉由在基材附近之氣體注入之用於可撓性基材之非接觸冷卻的方法。而且，藉由以浸塗與氧化的事先處理或絕緣材料的真空沉積，該可撓性基材選自傳導材料且具有絕緣塗料層。
圖6係為根據本揭露實例之可撓性聚合物基材上之多重堆疊固態電池的簡化繪示。601係為可撓性聚合物基材；602係為在聚合物基材上的第一電流收集器；603係為能夠與覆蓋電流收集器之離子進行電化學反應的第一電極層；604係為覆蓋能夠離子擴散之陰極的電解質材料；605係為覆蓋電解質的第二電極層；606係為覆蓋第二電極層的第二電流收集器；607係為覆蓋該第二電流收集器的夾層，該第二電流收集器在此夾層下的第一電池堆疊與下一電池堆疊之間絕緣；610係為第一電池堆疊，且620係為第N電池堆疊。
圖10係為在捲對捲設備上之可撓性聚合物基材上製造之沉積固態電池的影像。1001係為控制基材運動、具體地每一工具組態與製程之基材方向與速度的滾筒。1002係為在製程之間承載沉積層的可撓性基材，且提供電化學電池堆疊之間絕緣的可撓性基材；1003係為在一方向中行進之可撓性基材上沉積之固態電池的頂視圖。
在較佳實施例中，本發明提供一種直接沉積固態電池於多種應用之組件上的方法，譬如可攜式電子裝置(行動電話、個人數位助理、音樂播放器、錄影機、以及類似物)、動力工具、用於軍事用途的電源(通訊、照明、成影以及類似物)、用於航空太空應用的電源(用於衛星的電力)、以及用於車輛應用的電源(混合式電動車、插入混合式電動車、以及全電 動車)。僅僅藉由實例，真空相容組件，譬如電子裝置的金屬或塑膠外殼可使用當作沉積電池的平台而非使用額外的基材材料。當完成時，在沒有任何額外的包裝步驟之下，固態電池會被整合在裝置組件中且隨後被組裝到工具。此方法呈現能量密度的大優點，因為它可最大化在用於電池之電子裝置內的有效空間。
為了顯示本文中實施例之特定好處的實例，我們在接下來的實例情形中說明本發明。當然，這些實例僅為說明，其不應該過度地限制本文中申請專利範圍的範圍。所屬技術領域中具有通常知識者將承認許多其他的變化、改良、以及替代。
實例1：藉由捲繞來建立多重堆疊固態電池：作為一實例，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繞線隨後壓縮成稜柱形。圖11顯示作為本發明實例之繞線電池的影像。該等繞線電池可藉由切割圓角以最大化如圖12所示的能量密度來處理。
實例2：藉由z-折疊來建立多重堆疊固態電池。作為一實例，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13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兩側且將它們收尾以最大化如圖14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15所示)來製造。
實例3：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16中的示意圖所示。
實例4：在任意形狀的心軸上捲繞固態電池，圖17示意地顯示在心軸1701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單元之沉積的一實例，但它不限於在此所繪示的形狀。在本實例中，8-形狀的截面可當作真空吸塵器手持部件。真空吸塵器手 持部件可使用當作用於固態電池單元的基材。在本發明的其中一具體實例中，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單元組件，可得到多重堆疊固態電池。此沉積順序將重複1至N次，直到得到希望的總容量為止。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。在本實例中，需要具有如1704、1705以及1706的推滾輪，以協助沉積電池1703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。
實例5：在任意形狀的心軸上捲繞，圖18示意地顯示在心軸1803上捲繞。這作為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。在本實例中，8形狀的截面可做為真空吸塵器手持部件。在本發明的其中一具體實例中，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1801上，可得到多重堆疊固態電池。此沉積順序將重複1至N次，直到得到希望的總容量為止。一旦得到希望的總容量，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，真空吸塵器手柄所增加的體積將會最小。在本實例中，需要具有如1804、1805以及1806的推滾輪，以協助捲繞電池1802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。
實例6：整合多重堆疊固態電池到應用裝置的結構性及/或裝飾用空間：在本發明中所揭示之可撓性基材上的固態電池可形成若干任意的形狀。圖19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。
實例7：一種在任意彎曲表面上形成多重堆疊電池裝置的實例係顯示於圖20。電池裝置2002在具有任意特徵的管形手柄2001上捲繞。一般而言，電池包裝裝置有設備2003的主體部，但本發明藉由使電池在設備內的任何地方而容許另一程度的設計自由度，使得能夠得到增進的外觀、甚至更均勻的重量分佈，以方便使用。2004顯示手柄的截面，具有任意彎曲形狀，且2005顯示在電池2002中所使用的多重堆疊結構。例如，固態電池整合到應用裝置的彎曲表面已經在(Sastry等人的美國專利申請案第13/910,036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。
實例8：消費者電子裝置以及家用設備的其中許多具有圓柱或部份圓形，譬如可攜式喇叭、自動吸塵器、照相機、智慧型恆溫器、以及智慧型門鎖。不過，一般為六面體形狀的電子裝置以及習知電池無法充填在該設備之圓柱形外殼內的空間而沒有留下明顯空位。甚至習知的圓柱形電池無法充填超過包裝界限之更大直徑的圓柱體內的空間。在圖21中，多重堆疊固態電池裝置2102會切成任意形狀2103，以完全利用任何形狀的全部空間，而實現更小型的裝置。圖21顯示具有圓柱形外殼2105的電池啟動設備2105以充填圓形外殼之形狀的多重堆疊固態電池2013來包裝，而留下方形空間2104給其他非電池組件。多重堆疊電池2102可使用工具2101來切割，譬如刮鬍刀片、鑽石鋸、切割輪、以及雷射。
實例9：在另一實例中，如在圖22所示，多重堆疊電池裝置2205係在中空核心上捲繞，以使用於無葉片風扇或空氣吹風器2201的外殼2202內，如圖22所示。整合到結構(例如，風扇頭2204的輪緣)多重堆疊電池2205消除具有用於儲存之分開空間的需要，以容許該設備功能所僅僅必要的設計同時實現攜帶性。
1801‧‧‧心軸
1803‧‧‧心軸
1802‧‧‧捲繞電池
1804‧‧‧推滾輪
1805‧‧‧推滾輪
1806‧‧‧推滾輪

Claims (16)

  1. 一種用於使用一迭代組製程順序來製造固態電池的方法，該迭代組製程順序重複數次，以建立多重堆疊來得到大於0.1mAh的高容量，其中一種方法包括從該基材釋放電池裝置的步驟，或者藉由最小化能量密度上的該損失而在以一部份電池裝置包括之薄聚合物基材(0.1μm至100μm)上處理的另一種方法，該製程包含：在一密閉迴路製程順序中移動一基材數次，以基於該電池容量規格，來建立該目標數目的堆疊，其中該容量大於0.1mAh；執行複數個製程，以藉由使用一低溫製程循序地沉積從沉積來源所取得之複數材料來形成覆蓋該基材之一結果產生的電化學電池而來建立一單一堆疊，該複數個製程包含以下至少一個：形成一釋放材料覆蓋該基材；沉積一第一電流收集器覆蓋該釋放材料；沉積一第一電極層，該電極層能夠與在該沉積室中覆蓋電流收集器的離子進行一電化學反應；沉積覆蓋該陰極的一電解質材料，該陰極能夠離子擴散，該電解質材料具有一導電性且係為一固態材料；沉積一第二電極層覆蓋該電解質材料；沉積一第二電流收集器覆蓋該第二電極層；沉積覆一夾層蓋該第二電流收集器；在該結果所得之電化學電池覆蓋該釋放材料之後，移動該基材回到該製程順序之該開始，以在該相同基材上形成覆蓋該第一電池堆疊的一第二電化學電池；重複該電池堆疊沉積順序1至N次，直到具有大於0.1mAh之高電容的多重堆疊電化學電池為止；藉由堆疊該基材與該沉積單一電化學電池堆疊之該組合來形成該高電容量電池，直到該多重堆疊電化學電池滿足該目標電容為止；導致該結果所得之電化學電池從該釋放材料移除，以自該結果所得之電化學電池拆開該基材。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中用於該製程順序的該基材係為來自一剛性材料的一平面板，該剛性材料包含下列至少一個：玻璃、氧化鋁、陶瓷、雲母、金屬、塑膠、阻障塗層材料、保護材料、低擴散材料、加罩或圖案化材料。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該釋放材料選自下列至少一個：聚合物、含氟聚合物、單體、寡聚物、傳導材料、半導體材料、或組合、雙功能釋放層、乾燥劑、解聚合層、熱剝離材料、聚醯亞胺、聚二甲基矽氧烷(PDMS)、半有機分子矽氧烷、疏水層、磊晶剝離材料、非晶含氟聚合物、輻射剝離材料。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中自該基材的該電池釋放製程包含選自化學溶解、熱製程、輻射製程、重力製程、機械製程、電製程、或雷射光學製程的一製程。
  5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該基材係為選自一聚合物的一可撓性材料，該聚合物包括但不限於聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇(PEN)、或金屬箔，該金屬箔包括但不限於銅、鋁、不鏽鋼、鎳、以及合金箔。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包含將在該可撓性基材上所承載之該結果所得的電化學電池沿著用於該製程順序的一單一或多重方向以及每一沉積室組態滾動。
  7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該沉積製程順序係在該可撓性基材的兩側上進行，其中該頂部與底部多重堆疊電化學電池共享一單一可撓性基材，以最小化來自該基材的該寄生體積與質量。
  8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在整個該製程順序，該可撓性基材具有藉由作為一實例但不限於在該基材附近之氣體注入的非接觸冷卻。
  9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中藉由以浸塗與氧化的一事先處理或絕緣材料的一真空沉積，該可撓性基材選自傳導材料且具有絕緣塗料層。
  10. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該固態電池直接沉積在多種應用的該組件上，譬如可攜式電子裝置(行動電話、個人數位助理、音樂播放器、錄影機、以及類似物)、動力工具、用於軍事用途的電源(通訊、照明、成影以及類似物)、用於航空太空應用的電源(用於衛星的電力)、以及用於車輛應用的電源(混合式電動車、插入混合式電動車、以及全電動車)。
  11. 一種用於製造一薄膜固態電池裝置的方法，該方法包含：藉由使用一低溫製程而沉積電極材料於一聚合型基材上來形成一膜；藉由捲繞、z-折疊、堆疊預切割膜、或直接沉積複數層於小於1m2的一區域上，形成一多堆疊電池，其特徵為大於0.1mAh的容量；藉由切割捲繞、或z-折疊電池的邊界來形成包括一基材之均勻厚度的一多重堆疊電池，其範圍從各堆疊與曲率1.5μm至500μm，以藉由消除彎曲來得到更高的能量密度，且在經常故障位置的角落避免應力集中。
  12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該多重堆疊電池裝置藉由捲繞、折疊、堆疊該沉積膜或直接沉積層而形成在一平坦或可顯影的表面上，譬如，任何曲率的圓柱、圓錐、或波表面，以及藉由直接沉積層而形成在一非可顯影表面上。
  13. 一種製造一薄膜固態電池裝置的方法，該方法包含：藉由使用一低溫製程而沉積電極材料於一聚合型基材上來形成一膜；藉由切割包括該聚合型基材的該電池而形成該多重堆疊電池裝置於一任意形狀的一足跡內，以符合一電池供電設備。
  14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該多重堆疊電池裝置係藉由切割 一工具來形成，譬如刮鬍刀片、鑽石鋸、切割輪、以及雷射。
  15. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該聚合型基材包括聚對苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二醇、聚醯亞胺、以及丙烯酸酯，該厚度範圍從0.1μm至100μm。
  16. 如申請專利範圍第13項之方法，進一步包含耦合到該複數個電池的一設備，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、電鋸與切割器、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。
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