TWI752266B - 用以形成一電化學能儲存裝置之一元件的一陶瓷層的方法、蒸發源以及處理腔室 - Google Patents

用以形成一電化學能儲存裝置之一元件的一陶瓷層的方法、蒸發源以及處理腔室 Download PDF

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Abstract

一種用以形成一電化學能儲存裝置之一元件之一陶瓷層的蒸發源係提供。蒸發源(102)包括一材料源，裝配以蒸發一材料；一氣體供應器，裝配以提供處理氣體；以及一電漿源(108)，裝配以至少部份地離子化處理氣體，陶瓷層(52)藉由至少已蒸發之材料及至少部份地已離子化之處理氣體形成。

Description

用以形成一電化學能儲存裝置之一元件的一陶瓷層的方法、蒸發源以及處理腔室
本揭露之數個實施例是有關於數種用以形成一電化學能儲存裝置之一元件之一陶瓷層的方法、蒸發源及處理腔室。本揭露之數個實施例特別是有關於一種用以形成一鋰電池或鋰離子(Li-ion)電池之一陰極、陽極、電解質或隔離件(separator)。
電隔離件可舉例為說明成使用在電池及其他配置中的隔離件。在電池及其他配置中，數個電極係在維持離子導電性時彼此分離。
一般來說，隔離件包括薄、多孔、電絕緣物質，相對於使用在系統中之化學物質及溶劑係具有高離子多孔性、良好的機械強度及長期穩定性。使用在此系統中之化學物質及溶劑舉例為在電池之電解質中。在電池中，隔離件通常完全地電性絕緣陰極及陽極。此外，隔離件通常永久具有彈性及遵循系統中之運動，而不只是阻止來自外部的負載且亦在離子引入及排出時阻止電極的「呼吸(breathing)」。
一般來說，隔離件係與決定使用隔離件之系統的壽命及安全性相關。舉例來說，可交換電池的發展係受到適當之隔離件材料之發展很大的影響。
特別是，用於使用在高能量電池或高表現電池中之隔離件可非常薄以確保低的特定空間條件及以最小化內電阻，可具有高多孔性以確保低內電阻，及輕量以達到電池系統之低特定重量。
隔離件一般包括陶瓷層，陶瓷層對電池之離子來說為多孔的。對於鋰電池的情況來說，陶瓷層對鋰離子(lithium ions，Li-ions)可為多孔的。然而，陶瓷層可能並非全為多孔的。舉例來說，陶瓷層可包括金屬原子，並非完全地束縛(bound)及可能在鋰離子電池之充電/放電期間與鋰離子反應。因此，電池表現可能惡化。
有鑑於上述，此處所述之數個實施例係著重於提供數種用以形成一電化學能儲存裝置之數個元件的方法及系統，而可克服本領域中至少一些問題。本揭露著重於提供數種用以形成一電化學能儲存裝置之數個元件的方法及系統，而可增加電化學能儲存裝置之電荷遷移(放電/充電率)電壓及壽命。
有鑑於上述，提出用以形成一電化學能儲存裝置之數個元件的一種方法、一種蒸發源及一種處理腔室。本應用之其他方面、優點、及特徵係透過附屬申請專利範圍、說明、及所附的圖式更為清楚。
根據本揭露之一方面，提出一種用以形成一電化學能儲存裝置之一元件的一陶瓷層之方法。此方法包括蒸發一材料於一軟質基材上；提供一處理氣體；以及至少部份地電漿離子化及/或解離處理氣體，陶瓷層藉由至少已蒸發之材料及至少部份地已離子化之處理氣體形成。
根據本揭露之一方面，提出一種用以形成一電化學能儲存裝置之一元件之一陶瓷層的蒸發源。蒸發源包括：一材料源，裝配以蒸發一材料；一氣體供應器，裝配以提供處理氣體；以及一電漿源，裝配以至少部份地離子化/解離處理氣體，陶瓷層藉由至少已蒸發之材料及至少部份地已離子化及/或已解離之處理氣體形成。
根據本揭露之一方面，提出一種處理腔室。此處理腔室包括一蒸發源。蒸發源包括一材料源，裝配以蒸發一材料；一氣體供應器，裝配以提供處理氣體；以及一電漿源，裝配以至少部份地離子化/解離處理氣體，陶瓷層藉由至少已蒸發之材料及至少部份地已離子化及/或已解離之處理氣體形成。此處理腔室更包括一基材傳送機構，裝配以傳送一軟質基材通過處理腔室。蒸發源係相對於基材傳送機構配置，使得該陶瓷層係形成於軟質基材上。
數個例子係亦有關於用以執行所揭露之方法之設備，且包括用以執行所述之方法方塊之設備部件。此些方法方塊可藉由硬體元件、由合適軟體程式化之電腦、兩者之任何結合或任何其他方式執行。再者，根據本應用之數個例子係亦有關於操作所述之設備的數個方法。此些方法包括數個方法方塊，用以執行設備之功能。為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
詳細的參照現在將以本揭露的數種實施例達成，本揭露的數種實施例的一或多個例子係繪示於圖式中。在圖式之下方說明中，相同參考編號係意指相同的元件。特別是，有關於個別實施例之相異處係進行說明。各例子係藉由說明的方式提供且不意味為本揭露之一限制。所說明或敘述而做為一實施例之部份之特徵可用於其他實施例或與其他實施例結合，以取得再其他之實施例。可預期的是，本揭露包括此些調整及變化。
第1圖繪示用以形成電化學能儲存裝置之元件的陶瓷層52之蒸發源102的示意圖。蒸發源102可範例地配置在處理腔室100中。處理腔室100可為處理系統之部份，例如是用於真空處理系統之處理系統。
在本揭露之內文中，「電化學能儲存裝置」可理解為可為可交換或不可交換的電化學能儲存器。在此方面來說，本揭露一方面不區分名稱「蓄電池(accumulator)」，及另一方面不區分「電池(battery)」。在本揭露之內文中，名稱「電化學能儲存裝置」、「電化學裝置」及「電化電池」可在下文中同義地使用。名稱「電化學能儲存裝置」舉例為可亦包含燃料電池。在此處所述之數個實施例中，電化電池可理解為能量儲存器之基本或最低功能單元。在工業實行中，多個電化電池可通常以串聯或並聯之方式連接，以增加儲存器之整個能量容量。在本文中，可參照多個電化電池。工業設計之電池可因而具有單一個電池，或以並聯或串聯連接之多個電化電池。
一般來說，舉例為作為基本功能單元之電化學能儲存裝置可包括相對極性之兩個電極，也就是負陽極及正陰極。陰極及陽極可以隔離件分隔。隔離件配置在陰極及陽極之間，以避免陰極及陽極之間短路。電池可填充有電解質。電解質可為離子導體，可為液體、膠體形式或有時為固體。隔離件可為離子可滲透(ion-pervious)，及在充電或放電周期中允許陽極及陰極之間的離子交換。包括在電化學能儲存裝置中之部件可理解為電化學能儲存裝置之元件。因此，包括陰極、陽極、電解質及隔離件之上述部件之部份或各者可視為電化學能儲存裝置之元件，但不以此些元件為限。
根據此處所述之數個實施例，蒸發源102可包括材料源140，裝配以蒸發材料。材料源140可裝配，以提供組成陶瓷層52之至少一元素。材料源140可裝配以蒸發金屬，例如是鋁。
根據此處所述之數個實施例，蒸發源102可包括氣體供應器107，裝配以提供處理氣體。處理氣體可為反應氣體。特別是，處理氣體可為與材料源140所蒸發之金屬反應的反應氣體。氣體供應器107可裝配，以提供組成陶瓷層52之至少一元素。舉例來說，處理氣體可為及/或包括氧、臭氧、氬及其之組合。根據此處所述之數個實施例，陶瓷層52可具有包括氧之化學成份。
當藉由蒸發形成陶瓷層52，特別是藉由反應蒸發形成陶瓷層52時，陶瓷層52可能不完全以化學計量形成，或以非化學計量形成。在本揭露之內文中，「化學計量(stoichiometry)」例如是陶瓷層52之化學計量，可理解為化學反應中之反應物和生成物之相對數量的計算。因此，「非化學計量」或「不完全化學計量」可意指為生成物不包括全部的反應物之情況。在氧化鋁作為陶瓷層52之材料的例子中，完全的化學計量反應可為4Al + 3O2 = 2Al2 O3 。如果氧化鋁沒有以完全化學計量或非化學計量形成時，反應之生成物可舉例為Al2 O2.5 。因此，具有x ≠ 1.5之AlOx 的任何組成可視為非化學計量或沒有以完全化學計量形成。在此一非化學計量的陶瓷層中，特別是在電化學能儲存裝置充電及/或放電期間，可存在可與電化學能儲存裝置之元素反應的未束縛超量原子。在鋰離子電池之例子中，例如是在鋰離子電池之充電及/或放電期間，未束縛超量原子可與通過陶瓷層之鋰離子反應。在氧化鋁作為陶瓷層52之材料的例子中，未束縛超量原子可為鋁(Al)。
根據此處所述之數個實施例，蒸發源102可包括電漿源108。電漿源108係裝配，以至少部份地離子化及/或解離處理氣體。特別是，電漿源108可裝配以產生電漿，特別是在材料源140及蒸發源102的出口之間產生電漿。也就是說，電漿源108可裝配，以在材料源140及將塗佈之軟質基材111之間產生電漿。當實行數個實施例時，可改善陶瓷層52之化學計量。根據有利的實施例，可實際上取得完全的化學計量之陶瓷層52。
根據此處所述之數個實施例，電漿可離子化至少0.01%及/或達1%之處理氣體。電漿係額外地或取代地解離處理氣體。在本應用之內容中，「離子化(ionization)」或「以離子化(to ionize)」例如是電漿離子化處理氣體，可理解為一製程。在此製程中，舉例為處理氣體之原子或分子藉由得到或損失電子而取得負或正電荷，以形成離子。在氧作為處理氣體之例子中，氧的離子化可從氧分子(O2 )致使氧離子(舉例為O2- 、O- 、O2+ 、O+ )形成。在本應用之內容中，「解離(dissociation)」或「以解離(to dissociate)」例如是電漿解離處理氣體，可理解為一製程。在此製程中，舉例為處理氣體之分子分離或分裂成較小的粒子，例如是原子。在氧作為處理氣體之例子中，氧的離子化可從氧分子(O2 )致使原子氧(O)形成。
不想受到理論的束縛，至少部份地已解離之處理氣體可相對於由材料源140蒸發之材料具有較高的反應性。因此，就化學計量而言，用以形成陶瓷層52之化學反應可增加。再者，蒸發源102的沈積率可實際上增加。
在氧化鋁作為陶瓷層52之材料的例子中，氧化鋁可形成而具有改善之化學計量，特別是完全之化學計量，使得未束縛超量Al原子之總量係減少及/或氧化鋁包括增量之Al2 O3 。根據此處所述之數個實施例，至少部份地已離子化氧促使具有改善之化學計量之氧化鋁形成。因此，電化學能儲存裝置之較少元素可與陶瓷層52反應，電化學能儲存裝置之較少元素例如是上述之鋰離子。當實行數個實施例時，可取得較高之放電及/或再充電率、較高之電壓及/或改善的壽命。因此，可實際上取得改善之電荷遷移、改善之電壓及/或延長之循環壽命(cycle life)。
電漿可額外地或替代地至少部份地離子化及/或解離蒸發源102所蒸發的材料。在鋁作為將蒸發之材料的例子中，鋁之離子化可從原子鋁(A1)致使鋁離子(舉例為Al+ 、Al2+ 、Al3+ )形成。
再者，陶瓷層52之機械強健性可改善。當實行數個實施例時，這樣的電化學能儲存裝置之元件及電化學能儲存裝置的製造、後處理及儲存可改善。特別是，陶瓷層52之改善的強健性可有助於捲及/或再捲形成於軟質基材111上的陶瓷層52。
因此，陶瓷層52可藉由至少已蒸發之材料及至少部份地已離子化的處理氣體成形。特別是，蒸發源102可裝配，以沈積陶瓷層52於軟質基材111之上方或軟質基材111上。特別是，軟質基材可具有第一側及/或第二側，第二側相反於第一側。陶瓷層52可沈積於軟質基材111之第一側及第二側之至少一者的上方或上。根據此處所述之數個實施例，至少部份地已離子化之處理氣體係促使具有改善之化學計量的陶瓷層52形成。
在本揭露之內文中，「陶瓷層」例如是陶瓷層52，可理解為包括陶瓷材料之層或以陶瓷材料形成之層。「陶瓷材料」可理解為無機、非金屬、包括金屬之固態材料、非金屬或主要以離子及共價鍵結合之類金屬原子。在本揭露之內容中，陶瓷材料可特別是理解為介電材料，此介電材料特別是包括金屬及氧原子，例如是舉例為氧化鋁、氮化鋁等。根據此處所述之數個實施例，陶瓷層52可為氧化鋁層。
根據此處所述之數個實施例，陶瓷材料可為至少一不導電或導電性非常差之金屬鋁、矽、鉛、鋯、鈦、鉿、鑭、鎂、鋅、錫、鈰、釔、鈣、鋇、鍶及其組合的氧化物。儘管矽時常意指為類金屬，在本揭露之內文中，無論何時述及金屬時應包括矽。根據此處所之數個實施例，藉由特別是選擇抗鹼輸入材料，電化學能儲存裝置之元件可最佳化來用於包含強鹼性電解質的電化電池。舉例來說，鋯或鈦可使用來取代鋁或矽而作為形成陶瓷層52之無機元件。在此一例子中，陶瓷層52可包括氧化鋯或氧化鈦來取代氧化鋁或氧化矽。
根據此處所述之數個實施例，陶瓷層52可為多孔層或具有多孔性。特別是，陶瓷層52可為多孔的，使得某種元素可通過陶瓷層52。
軟質基材111可特別是包含軟質基材，例如是塑膠膜、網格(web)、箔、可彎曲玻璃或條狀物(strip)。名稱軟質基材可亦包含其他形式之軟質基材。與此處所述實施例一起使用的軟質基材可為可彎曲的。名稱「軟質基材」或「基材」可與名稱「箔」或名稱「網格」同義地使用。特別是，此處所述之數個實施例可利用來塗佈任何種類的軟質基材，舉例為用以製造具有均勻厚度之平塗層，或用以製造塗佈圖案或塗佈結構成預定形狀於軟質基材上或下方之塗佈結構的頂部上。除了陶瓷層，電子裝置及結構可藉由遮蔽、蝕刻及/或沈積形成於軟質基材上。
根據此處所述之數個實施例，軟質基材111可包括選自群組的聚合物材料。群組為：聚丙烯腈(polyacrylonitrile)、聚酯(polyester)、聚醯胺(polyamide)、聚醯亞胺(polyimide)、聚烯(polyolefin)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene)、羧甲纖維素(carboxymethyl cellulose)、聚丙烯酸(polyacrylic acid)、聚乙烯(polyethylene)、聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate)、聚苯醚(polyphenyl ether)、聚氯乙烯(polyvinyl chloride)、聚偏二氯乙烯(polyvinylidene chloride)、聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride)、聚二氟乙烯-六氟丙烯共聚高分子(poly(vinylidenefluoride-co-hexafluoropropylene))、聚乳酸(polylactic acid)、聚丙烯(polypropylene)、聚丁烯(polybutylene)、聚對苯二甲酸二丁酯(polybutylene terephthalate)、聚碳酸酯(polycarbonate)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene)、聚苯乙烯(polystyrene)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(acrylonitrile butadiene styrene)、聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate))、聚甲醛(polyoxymethylene)、聚碸(polysulfone)、苯乙烯-丙烯腈(styrene-acrylonitrile)、苯乙烯-丁二烯橡膠(styrene-butadiene rubber)、乙烯醋酸乙烯酯共聚物(ethylene vinyl acetate)、苯乙烯-馬來酸酐共聚物(styrene maleic anhydride)、及其之組合。在舉例為鋰基電化學能儲存裝置中所發現的劇烈減少條件(strongly reducing conditions)中為穩定之任何其他聚合物材料可亦使用。根據此處所述之數個實施例，藉由特別是選擇抗鹼輸入材料，軟質基材111及/或陶瓷層52可最佳化而用於包含強鹼性電解質之電化學能儲存裝置。舉例來說，軟質基材111可包括聚烯或聚丙烯腈來取代聚酯。
在隔離件之例子中，軟質基材111可以微孔聚乙烯(microporous polyethylene)、聚丙烯(polypropylene)、聚烯(polyolefin)、及/或其之層疊製成，及/或包括微孔聚乙烯、聚丙烯、聚烯、及/或其之層疊。
在陰極之情況中，軟質基材111可以鋁製成及/或包括鋁。在此情況中，陰極層可形成於軟質基材111上。陶瓷層52可形成於陰極層上。舉例來說，軟質基材111在陰極之情況中可具有5至12 µm之厚度及/或陰極層可具有達100 µm之厚度。軟質基材111可額外地或替代地為此處所述之聚合物材料或包括此處所述之聚合物材料，舉例為聚酯(polyester)，鋁層沈積於軟質基材111上。聚合物基材可較薄於舉例為鋁基材及/或沈積的鋁層。沈積的鋁層可具有約0.5 µm至約1 µm的厚度。當實行數個實施例時，陰極的厚度可減少。
在陽極之情況中，軟質基材111可以銅製成及/或包括銅。在此情況中，陽極層可形成於軟質基材111上。陶瓷層52可形成於陽極層上。舉例來說，軟質基材111在陽極之情況中可具有5至12 µm的厚度及/或陽極層可具有達100 µm之厚度。軟質基材111可額外地或替代地為此處所述之聚合物材料或包括如此處所述之聚合物材料，舉例為聚酯，銅層沈積於軟質基材111上。聚合物基材可較薄於舉例為銅基材及/或沈積之銅層。沈積之銅層可具有約0.5 µm至約1 µm之厚度。當實行數個實施例時，陽極之厚度可減少。
根據此處所述之數個實施例，軟質基材111之材料特別是聚合物材料，可具有例如是等同於或大於200 °C的高熔點。包括具有高熔點之聚合物材料的電化學能儲存裝置的元件可在具有快速充電周期之電化學能儲存裝置中為有用的。在實行中，特別是藉由根據此處所述數個實施例之包括具有高熔點之聚合物材料的元件之高熱穩定性，裝配有此種元件的電化學能儲存裝置可能不會太熱敏感，且可容許因快速充電導致之溫度增加，而不會不利的改變元件或損害電化學能儲存裝置。當實行數個實施例時，較快的充電周期可達成，而可在以較短時間中充電之電動車中有益處。
根據此處所述之數個實施例，特別是具有陶瓷層52的軟質基材111可具有從10%至90%之範圍中的多孔性，特別是具有從40%至80%之範圍中的多孔性。軟質基材111及/或陶瓷層52可實際上提供電解質之路徑，及可減少電解質穿透時間。在本揭露之內文中，「多孔性」例如是軟質基材111及/或陶瓷層52的多孔性，可與開放孔之可及性(accessibility)相關。舉例來說，多孔性可經由常見的方法決定，例如是舉例為藉由壓汞法(mercury porosimetry)之方法及/或可以假設所有孔係為開放孔來從材料之體積及密度計算。
根據此處所述之數個實施例，電化學能儲存裝置可為鋰離子電池。在鋰離子電池中，軟質基材111可時常以微孔聚乙烯及聚烯製成。在充電及放電周期之電化學反應期間，鋰離子係遷移通過鋰離子電池之此兩個電極之間的軟質基材111及/或陶瓷層52中的孔。高多孔性可增加離子導電性。然而，當舉例為在周期期間所形成之鋰枝晶(Li-dendrites)在電極之間產生短路時，具有高多孔性之一些軟質基材111可能易受到電性短路的影響。
本揭露可提供電化學能儲存裝置之非常薄的元件，例如是非常薄的隔離件。當實行數個實施例時，對電化學能儲存裝置之活動沒有貢獻的電化學能儲存裝置之成份的比例可減少。再者，厚度的減少可同時致使離子導電性增加。根據此處所述之數個實施例的元件可允許舉例為電池堆疊之密度增加，使得大量的能量可儲存於相同體積中。當實行數個實施例時，有限的電流密度可在擴大之電極區域同樣地增加。
此處所述之數個實施例可使用於製造隔離件。隔離件可與電化學能儲存裝置分離，或直接地整合至電化學能儲存裝置中，例如是舉例為具有整合之隔離件的鋰離子電池。在整合之隔離件應用中，單層隔離件或多層隔離件可直接地形成於電化學能儲存裝置的電極上。再者，陶瓷層52可塗佈於電化學能儲存裝置之電極上，例如是陽極或陰極。因此，電化學能儲存裝置之元件可為隔離件或隔離膜、電解質、陽極及/或陰極。
根據此處所述之數個實施例，陶瓷層52可藉由蒸發材料形成，特別是金屬。特別是，陶瓷層52可藉由舉例為在感應加熱坩鍋中蒸發金屬形成。再者，例如是舉例為氧之處理氣體可提供而用以形成陶瓷層52。根據此處所述之數個實施例，陶瓷層52可藉由反應蒸發形成。根據此處所述之數個實施例，陶瓷層52可具有包括氧之化學成份。當實行數個實施例時，相較於一般之隔離件塗佈技術，可達成非常高的塗佈速度。一般之隔離件塗佈技術例如是浸塗(dip-coating)。特別是，塗佈速度可根據將形成於軟質基材111上之陶瓷材料的厚度及形式來變化。
根據此處所述之數個實施例，形成於軟質基材111上之陶瓷層的厚度可等同於或大於25 nm，特別是等同於或大於50 nm，特別是等同於或大於100 nm，及/或等同於或小於1000 nm，特別是等同於或小於500 nm，特別是等同於或小於150 nm。當實行數個實施例時，可達成在電化學能儲存裝置中之非常高的能量密度。
軟質基材111可在處理腔室100中處理時移動，舉例為通過蒸發源102。根據此處所述之數個實施例，可設置基材傳送機構。舉例來說，軟質基材111可沿著傳送路徑P傳送通過蒸發源102。
如第1圖中所示，可設置第一基材支撐件及/或第二基材支撐件。第二基材支撐件與第一基材支撐件相隔一距離配置。第一基材支撐件及/或第二基材支撐件可亦意指為滾軸，舉例為第一滾軸及/或第二滾軸。第一滾軸22及第二滾軸24可為基材傳送機構的一部份。根據此處所述之數個實施例，軟質基材111可從第一滾軸22傳送至第二滾軸24。軟質基材111可從第一滾軸22沿著傳送路徑P運載及/或傳送至第二滾軸24(由具有點在中心之圓所示，以表示垂直於投影面的傳送路徑P)。根據此處所述之數個實施例，基材傳送機構可裝配，以從第一滾軸22沿著傳送路徑P傳送軟質基材111至第二滾軸24。蒸發源102可設置於第一滾軸22及第二滾軸24之間的一位置處。根據此處所述之數個實施例，蒸發源102可沿著傳送路徑P配置。根據此處所述之數個實施例，陶瓷層52可在軟質基材111從第一滾軸22傳送至第二滾軸24時形成。根據此處所述之數個實施例，當軟質基材111從第一滾軸22傳送至第二滾軸24時，陶瓷層52可處於氧化環境。
於一些應用中，軟質基材111可從儲存滾軸退捲，可傳送於塗佈鼓之外表面上，及可沿著其他滾軸的外表面導引。塗佈之軟質基材可捲於捲繞捲軸上。
於本揭露之內容中，舉例為作為滾軸組件之一部份的「滾輪(roll)」、「滾軸(roller)」或「滾軸裝置(roller device)」可理解為提供一表面的一裝置，例如是軟質基材111(或部份之軟質基材111)之基材(或部份之基材)可在基材存在於沈積配置(例如是沈積設備或蒸發腔室)中期間接觸此表面。至少一部份的滾軸裝置可包括圓形的形狀，用以接觸基材。於一些實施例中，滾軸裝置可具有實質上圓柱形狀。此實質上圓柱形狀可繞著直線縱軸形成，或可繞著彎曲縱軸形成。根據一些實施例，如此處所述之滾軸裝置可適用於接觸軟質基材。此處所意指之滾軸裝置可為導引滾軸、塗佈機滾軸(spreader roller)、偏轉滾軸或類似者。導引滾軸適用於在基材塗佈(或部份之基材塗佈)或在基材存在於處理設備中時導引基材。塗佈機滾軸適用於提供將塗佈之基材的定義張力。偏轉滾軸用以根據定義之行進路徑偏轉基材。
根據此處所述之數個實施例，處理腔室可裝配以用於處理具有500 m或更多、1000 m或更多、或數公里之長度的軟質基材111。基材寬度可為100 mm或更多、300 mm或更多、500 mm或更多、或1 m或更多。基材寬度可為5 m或更少、特別是2 m或更少。一般來說，基材厚度可為5 µm或更多及200 µm或更少，特別是從15 µm至20 µm。
第2圖繪示用以沈積陶瓷層52於軟質基材111之表面上的處理腔室100的示意圖。處理腔室100可包括裝載/卸載腔室101。裝載/卸載腔室101可裝配，以裝載軟質基材111至處理腔室100中及/或從處理腔室100卸載軟質基材111。根據此處所述之數個實施例，裝載/卸載腔室可在處理軟質基材111期間保持在真空下。真空裝置190可設置以排氣裝載/卸載腔室101，真空裝置190例如是真空幫浦。
根據此處所述之數個實施例，裝載/卸載腔室101可包括退捲模組110及/或再捲模組130。退捲模組110可包括退捲滾軸，用以退捲軟質基材111。在處理期間，軟質基材111可藉由一或多個導引滾軸112退捲(由箭頭113表示)及/或導引至塗佈鼓120。在處理之後，軟質基材111可捲繞(箭頭114)於再捲模組130中之再捲滾軸上。
再者，裝載/卸載腔室101可包括張力模組180，舉例為包括一或多個張力滾軸。裝載/卸載腔室101可亦額外地或替代地包括樞軸裝置170，例如是舉例為樞軸臂。樞軸裝置170可裝配以相對於再捲模組130為可移動的。
根據此處所述之數個實施例，退捲模組110、再捲模組130、導引滾軸112、樞軸裝置170、張力模組180可為基材傳送機構及/或滾軸組件之一部份。
根據此處所述之數個實施例，處理腔室100可包括蒸發腔室103。蒸發源102可類似於或相同於特別是參照第1圖所說明的蒸發源102。蒸發腔室103可藉由真空裝置190排氣，真空裝置190可亦使用以排氣裝載/卸載腔室101。蒸發腔室103可額外地或替代地具有一真空裝置，可亦使用以排氣裝載/卸載腔室101的此真空裝置與真空裝置190分離。
如第2圖中所範例性繪示，蒸發源102可包括材料源140。材料源140可裝配以蒸發材料，特別是金屬。根據此處所述之數個實施例，材料源140可包括一或多個蒸發皿。材料源140可更包括一或多個線，佈線至材料源140中。特別是，各蒸發皿可有一條線。此一或多個線可包括將蒸發之材料及/或以將蒸發的材料製成。特別是，此一或多個線可提供將蒸發之材料。
根據此處所述之數個實施例，材料源140可為一或多個感應加熱坩鍋。藉由射頻(RF)感應加熱，特別是中頻(MF)感應加熱，感應加熱坩鍋可舉例為裝配以蒸發真空環境中的金屬。再者，金屬可提供於可交換的坩鍋中，例如是舉例為在一或多個石墨容器中。可交換的坩鍋可包括絕緣材料，絕緣材料圍繞坩鍋。一或多個感應線圈可纏繞在坩鍋及絕緣材料。根據此處所述之數個實施例，此一或多個感應線圈可為水冷卻。在使用可交換的坩鍋之處，無需設置線至材料源140中。可交換的坩鍋可預先裝載有金屬及可定期地替換或補充。特別是，分批提供金屬具有準確地控制蒸發之金屬的總量的優點。
不同於一般使用電阻加熱坩鍋來蒸發金屬的蒸發方法，利用感應加熱坩鍋係提供在坩鍋之內側產生的加熱製程，而取代外部源經由熱傳導提供加熱製程。感應加熱坩鍋具有坩鍋之所有壁非常快速及均勻加熱的優點。金屬之蒸發溫度可比一般電阻加熱坩鍋更嚴密地控制。當使用感應加熱坩鍋時，加熱坩鍋高於金屬的蒸發溫度可能不必要的。當實行數個實施例時，可提供更可控及有效的金屬蒸發，以使形成於軟質基材上的陶瓷層更為均勻。藉由減少蒸發金屬噴濺之可能性，坩鍋之溫度的精密控制可亦避免/減少陶瓷層中之銷孔及通孔缺陷。在隔離件中之銷孔及通孔缺陷可能導致電化電池中的短路。
根據此處所述之數個實施例，感應加熱坩鍋可舉例為由一或多個感應線圈(未繪示於圖式中)所圍繞。感應線圈可為感應加熱坩鍋之組成部份。再者，感應線圈及感應加熱坩鍋可提供為分離部件。分別地提供感應加熱坩鍋及感應線圈可提供蒸發設備之簡易維護。
根據此處所述之數個實施例，蒸發源可包括一或多個電極束源。此一或多個電極束源可提供一或多個電極束，以蒸發將蒸發的材料。
根據此處所述之數個實施例，可設置電源240(見於第3圖中)。電源240可連接於感應線圈。電源可為交流(AC)電源，可裝配以提供具有低電壓但高電流及高頻率的電力。再者，反應功率可舉例為藉由包括共振線圈來增加。根據此處所述之數個實施例，除了導電材料或取代導電材料而言，感應加熱坩鍋可舉例為包括鐵磁材料。磁性材料可舉例為改善感應加熱製程，及可提供金屬之蒸發溫度的較佳控制。
根據此處所述之數個實施例，處理腔室100之塗佈鼓120可分離裝載/卸載腔室101與蒸發腔室103。塗佈鼓120可裝配以導引軟質基材111至蒸發腔室103中。特別是，塗佈鼓120可配置於處理腔室中，使得軟質基材111可通過蒸發源102的上方。根據此處所述之數個實施例，塗佈鼓120可進行冷卻。
蒸發源102可包括電漿源108。電漿源108可裝配，以至少部份地離子化及/或解離處理氣體。特別是，電漿源108可裝配，以在材料源140及塗佈鼓120之間產生電漿。
電漿源108可裝配，以在射頻頻率操作，舉例為在27.12 MHz操作。電漿源108可裝配，以用於等同於或多於2.5 bar，及/或等同於或少於5 bar的預壓(pre-pressure)。電漿源108可裝配，以提供等同於或多於30 eV，及/或等同於或少於1100 eV之離子能量。電漿源108可裝配，以提供每個線圈達20 mT之磁場。電漿源108可裝配，以在等同於或多於10-5 bar，及/或等同於或少於10-2 bar之壓力操作。
電漿源108可舉例為電子束裝置，裝配以利用電子束點燃電漿。根據此處所述之其他實施例，電漿源可為中空陽極沈積電漿源。藉由進一步減少蒸發金屬噴濺的可能性，電漿可有助於避免/減少基材上之多孔塗層中的銷孔及通孔。電漿可亦更激發已蒸發之金屬的粒子。根據此處所述之數個實施例，電漿可增加沈積於軟質基材上之多孔塗層的密度及均勻性。
根據此處所述之數個實施例，蒸發源102可包括氣體供應器，用以供應處理氣體。氣體供應器可包括氣體導引裝置107。氣體導引裝置107可配置，而用於可控制地導引處理氣體至蒸發源102及/或蒸發腔室103中。氣體導引裝置可舉例為包括噴嘴及供應管，連接於舉例為處理氣體供應器，用以提供處理氣體至蒸發源102及/或蒸發腔室103中。
處理氣體可為反應氣體。特別是，處理氣體可為與材料源140所蒸發之金屬反應的反應氣體。舉例來說，處理氣體可為及/或包括氧、臭氧、氬及其之組合。
針對氧包括於處理氣體中的情況來說，氧氣可舉例為與已蒸發之金屬反應，以形成陶瓷層52於軟質基材111上。例如是隔離件或隔離膜、電解質、陰極及陽極的電化學能儲存裝置的元件可包括AlOx 。例如是鋁的金屬可舉例為藉由感應加熱坩鍋蒸發，及氧可經由氣體導引裝置提供至已蒸發的金屬。
根據此處所述之數個實施例，處理腔室可包括氧化模組150。氧化模組150可為退火模組，用以退火陶瓷層52。如第2圖中所範利性繪示，氧化模組150可配置於蒸發腔室103的下游。氧化模組150可裝配，以使陶瓷層52處於氧化環境及/或退火環境。根據此處所述之數個實施例，陶瓷層52可特別是在溫度升高下處於氧化環境及/或退火環境。再者，氧化模組150可裝配，以在氧化距離及/或退火距離處使陶瓷層處於氧化環境及/或退火環境。氧化距離及/或退火距離可夠長，以取得所欲總量之氧化及/或退火。當實行數個實施例時，可改善陶瓷層52之化學計量。根據有利之實施例，可實際上取得完全的化學計量之陶瓷層52。
在本應用之內容中，「氧化環境」例如是陶瓷層52所可處之氧化環境，可理解為有利於氧化反應的環境，以舉例為改善陶瓷層52的化學計量。根據此處所述之數個實施例，氧化環境可包含多於20 vol.-%之氧。
根據此處所述之數個實施例，氧化模組150可包括氣體組件。氣體組件可裝配以提供氧化氣體，例如是氧。根據此處所述之數個實施例，氧化模組150可包括加熱組件(未繪示)。加熱組件可裝配，以提高供應之氧化氣體、軟質基材111及陶瓷層25之至少一者的溫度。
根據此處所述之數個實施例，氧化模組150可包括吸取裝置。吸取裝置可裝配，以吸取超量之氧化氣體，也就是不使用來氧化陶瓷層52的氧化氣體。吸取裝置可相對於軟質基材111配置而相反於氣體組件。因此，由氣體組件供應之處理氣體可提供至陶瓷層52，行經軟質基材111，及由吸取裝置吸取。當實行數個實施例時，可避免處理腔室100之污染。
再者，氧化模組150可包括電漿源。氧化模組150之電漿源可裝配，以在氣體組件及軟質基材之間產生電漿。氧化模組150之電漿源可舉例為電子束裝置，裝配以利用電子束點燃電漿。根據此處所述之其他實施例，電漿源可為中空陽極沈積電漿源。再者，氧化模組150之電漿源可相同或類似於特別是參照第2及3圖所述之蒸發源102的電漿源108。電漿可離子化及/或加熱氣體組件所供應的氧化氣體。因此，陶瓷層52之氧化率可增加。
根據此處所述之數個實施例，氧化模組150可包括加熱組件。加熱組件可裝配，以提高氧化腔室、氧化環境、軟質基材111及陶瓷層52之至少一者的溫度。特別是，加熱組件可裝配以產生升高的溫度。因此，陶瓷層52的氧化率可增加。當實行數個實施例時，可取得完全的化學計量之陶瓷層。
第3圖繪示第2圖中所示之處理腔室100的放大圖。根據此處所述之數個實施例，處理腔室100可包括控制系統220。控制系統220可連接於蒸發源102、氧化模組150、氣體導引裝置107、電漿源108及電源240之至少一者。根據此處所述之數個實施例，控制系統220可裝配以調整供應至蒸發源102之功率，供應至電漿源108之功率，及/或氣體導引裝置107導引至蒸發源102中之處理氣體的總量及/或處理氣體之氣流的定向的至少一者。根據此處所述之數個實施例，控制系統220可額外地或替代地裝配，以調整氧化模組150供應之氧化氣體的總量及/或氧化氣體之氣流的定向，及吸取裝置之吸取力。
根據此處所述之數個實施例，氣體導引裝置107可配置，以在大約平行於金屬之蒸發方向230的方向中提供處理氣體的氣流。根據此處所述之數個實施例，氣體導引裝置提供之氣流的定向可根據陶瓷層52之均勻性及成份的至少一者調整。當實行數個實施例時，可確保反應氣體及已蒸發之金屬之間更有效率的反應來形成陶瓷層。藉由能夠更準確地控制與已蒸發之金屬的處理氣體的總量，配置氣體導引裝置107以在本質上平行於來自材料源140之金屬之蒸發方向230的方向中引導反應氣體可亦有助於較佳地控制塗佈製程。
根據此處所述之數個實施例，電漿210可於本質上垂直於金屬之蒸發方向230的方向中導引。當實行數個實施例時，可避免蒸發金屬之噴濺及/或可減少陶瓷層之銷孔缺陷。
雖然氧化模組150係繪示在第1至3圖中來與蒸發源102串聯配置，氧化模組150可如上所述為離線配置。舉例來說，氧化腔室可設置在可配置氧化模組150處。氧化腔室可與蒸發腔室103分離。再者，氧化腔室可與處理腔室100分離。此外，處理腔室100可為多腔室系統，包括多個處理腔室，例如是蒸發腔室103及/或氧化腔室。再者，處理腔室100可包括儲存腔室。在儲存腔室中，在具有陶瓷層52沈積於軟質基材111上之再捲的軟質基材111可傳送至氧化腔室之前，具有陶瓷層52沈積於軟質基材111上之再捲之軟質基材111可儲存。
第4圖繪示用以形成電化學能儲存裝置之元件的陶瓷層的方法500之流程圖。此方法可包括操作510至530之至少一者。根據操作510，材料可蒸發於軟質基材111上或上方。根據操作520，可提供處理氣體。根據操作530，處理氣體可至少部份地電漿離子化。陶瓷層52可藉由至少已蒸發之材料及至少部份地已離子化的處理氣體形成。當實行數個實施例時，可取得具有改善之化學計量的陶瓷層。
第5圖繪示根據此處所述實施例之用以形成電化學能儲存裝置之元件的方法300。方法300可包括提供310軟質基材，軟質基材具有前側及背側。根據此處所述之數個實施例，提供軟質基材可包括從退捲模組經由蒸發設備之塗佈鼓導引軟質基材至再捲模組。
根據此處所述之數個實施例，此方法可更包括蒸發320材料，特別是在感應加熱坩鍋中蒸發材料。特別是，根據此處所述之數個實施例，可藉由感應加熱坩鍋蒸發鋁及/或矽。在此處之數個實施例中，此方法更包括提供330陶瓷層至軟質基材的前側及背側之至少一者。
根據此處所述之數個實施例，可提供處理氣體。已蒸發之金屬可與至少部份地已離子化之處理氣體反應，以形成陶瓷層於軟質基材上。金屬可在真空環境中蒸發。舉例來說，已蒸發之鋁可與氧反應，以形成多孔之AlOx 層於軟質基材上。
根據此處所述之數個實施例，在感應加熱坩鍋中蒸發金屬可更包括感應340金屬蒸發之蒸發溫度，及根據感應之蒸發溫度來調整提供以在感應加熱坩鍋中蒸發金屬之功率。監控及調整蒸發溫度可改善用以形成電化學能儲存裝置之元件的方法的能量效率，及/或可有助於避免提供至軟質基材之多孔塗層的任何銷孔缺陷。
在此處所述之數個實施例中，提供至軟質基材之陶瓷層可具有從大約25 nm至大約300 nm之厚度，例如是舉例為從100 nm至200 nm的厚度。
根據此處所述之數個實施例，在感應加熱坩鍋中蒸發金屬可更包括提供350處理氣體至已蒸發的金屬，處理氣體例如是舉例為氧。反應氣體可於本質上平行於金屬之蒸發方向的方向中提供。
用以形成電化學能儲存裝置之元件的方法可更包括提供360電漿至已蒸發之金屬及軟質基材。電漿可增加軟質基材上之多孔塗層的化學計量及/或密度，及可亦有助於減少多孔塗層之銷孔缺陷。當實行數個實施例時，可改善陶瓷層之化學計量。甚至可實際上取得完全的化學計量之陶瓷層。特別是，根據此處所述之數個實施例，電漿可藉由舉例為電子束裝置或中空陽極沈積電漿源提供。多孔塗層的密度可能受到電漿之密度影響。
於軟質基材上沈積之多孔層的化學計量可舉例為受到金屬之蒸發率、提供至已蒸發之材料的處理氣體之總量及/或處理氣體之電漿離子化影響。可能影響沈積之多孔層之化學計量的其他方面可為蒸發腔室之內側的真空及周圍大氣之壓力之間的壓差。
根據此處所述之數個實施例，用以形成電化學能儲存裝置之方法可包括使陶瓷層52處於370升高溫度之氧化環境。
此書面說明係使用包括最佳模式之數個例子來揭露本揭露，且亦能夠實施所述之標的，包括製造及使用任何設備或系統及執行任何併入之方法。當數種特定之實施例係已經於前述中揭露時，上述實施例之非互斥之特徵可彼此結合。可專利之範圍係由申請專利範圍定義，且如果例子具有非相異於申請專利範圍之字面語言之結構元件時，或如果例子包括等效結構元件，且等效結構元件與申請專利範圍之字面語言具有非實質差異時，其他例子係意欲包含於申請專利範圍之範疇中。綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
22‧‧‧第一滾軸24‧‧‧第二滾軸52‧‧‧陶瓷層100‧‧‧處理腔室101‧‧‧裝載/卸載腔室102‧‧‧蒸發源103‧‧‧蒸發腔室107‧‧‧氣體供應器108‧‧‧電漿源110‧‧‧退捲模組111‧‧‧軟質基材112‧‧‧導引滾軸113、114‧‧‧箭頭120‧‧‧塗佈鼓130‧‧‧再捲模組140‧‧‧材料源150‧‧‧氧化模組170‧‧‧樞軸裝置180‧‧‧張力模組190‧‧‧真空裝置210‧‧‧電漿220‧‧‧控制系統230‧‧‧蒸發方向240‧‧‧電源300、500‧‧‧方法310、320、330、340、350、360、370‧‧‧步驟510、520、530‧‧‧操作P‧‧‧傳送路徑
為了使本揭露的上述特徵可詳細地瞭解，簡要摘錄於上之本揭露之更特有的說明可參照數個實施例。所附之圖式係有關於本揭露之數個實施例且說明於下文中：
第1圖繪示根據數個實施例之用以形成電化學能儲存裝置之元件的蒸發源的示意圖，電化學能儲存裝置係配置於處理腔室中；
第2圖繪示根據數個實施例之用以形成電化學能儲存裝置之元件的處理腔室之示意圖；
第3圖繪示第2圖中所示之處理腔室的放大圖；
第4圖繪示根據數個實施例之用以形成電化學能儲存裝置之元件的方法；以及
第5圖繪示根據數個實施例之用以形成電化學能儲存裝置之元件的方法。
22‧‧‧第一滾軸
24‧‧‧第二滾軸
52‧‧‧陶瓷層
100‧‧‧處理腔室
102‧‧‧蒸發源
107‧‧‧氣體供應器
108‧‧‧電漿源
111‧‧‧軟質基材
140‧‧‧材料源
P‧‧‧傳送路徑

Claims (20)

  1. 一種用以形成一電化學能儲存裝置之一元件的一陶瓷層(52)之方法，包括：從一材料源(140)蒸發一材料於一軟質基材(111)上；提供一處理氣體；以及在該材料源(140)與該軟質基材(111)之間產生一電漿(210)，並導引該電漿(210)在垂直於該材料之一蒸發方向(230)的一方向中，從而至少部份地電漿離子化該處理氣體，該陶瓷層(52)藉由至少已蒸發之該材料及至少部份地已離子化之該處理氣體形成。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該處理氣體包括氧。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之方法，其中該陶瓷層(52)具有一化學成份，包括氧。
  4. 如申請專利範圍第1至2項之任一者所述之方法，其中至少部份地已離子化之該處理氣體促使具有一改善之化學計量(stoichiometry)之該陶瓷層(52)的形成。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中至少部份地已離子化之該處理氣體促使具有一改善之化學計量(stoichiometry)之該陶瓷層(52)的形成。
  6. 如申請專利範圍第1至2項之任一者所述之方法，其中該陶瓷層(52)係為一氧化鋁層。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該陶瓷層(52)係為一氧化鋁層。
  8. 如申請專利範圍第1至2項之任一者所述之方法，其中該電化學能儲存裝置係為一鋰電池。
  9. 如申請專利範圍第1至2項之任一者所述之方法，其中該元件係為一隔離膜。
  10. 如申請專利範圍第1至2項之任一者所述之方法，其中該元件係為一電極。
  11. 如申請專利範圍第1至2項之任一者所述之方法，更包括：從一第一滾軸(22)傳送該軟質基材(111)至一第二滾軸(24)，該陶瓷層(52)係在該軟質基材(111)從該第一滾軸傳送到該第二滾軸時形成。
  12. 如申請專利範圍第1至2項之任一者所述之方法，其中該電漿離子化至少0.01%及達1%之至少一者的該處理氣體。
  13. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該電漿離子化至少0.01%及達1%之至少一者的該處理氣體。
  14. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該電漿離子化至少0.01%及達1%之至少一者之該處理氣體。
  15. 一種用以形成一電化學能儲存裝置之一元件之一陶瓷層的蒸發源(102)，包括：一材料源(140)，裝配以蒸發一材料於一軟質基材(111)上；一氣體供應器(107)，裝配以提供處理氣體；以及 一電漿源(108)，裝配以在該材料源(140)與該軟質基材(111)之間產生一電漿(210)，並導引該電漿(210)在垂直於該材料之一蒸發方向(230)的一方向中，以至少部份地離子化該處理氣體，該陶瓷層(52)藉由至少已蒸發之該材料及至少部份地已離子化之該處理氣體形成。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之蒸發源，其中該電漿源(108)係為一電漿束源。
  17. 一種處理腔室(100)，包括：如申請專利範圍第15或16項所述之該蒸發源(102)；以及一基材傳送機構，裝配以傳送該軟質基材(111)通過該處理腔室(100)，其中該蒸發源(102)係相對於該基材傳送機構配置，使得該陶瓷層(52)係形成於該軟質基材(111)上。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之處理腔室，其中該基材傳送機構包括一第一滾軸(22)及一第二滾軸(24)，裝配以從該第一滾軸(22)沿著一傳送路徑(P)傳送該軟質基材(111)至該第二滾軸(24)，該蒸發源(102)沿著該傳送路徑(P)配置。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之處理腔室，其中該處理腔室(100)係為一真空處理腔室。
  20. 如申請專利範圍第17項所述之處理腔室，其中該處理腔室(100)係為一真空處理腔室。
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