相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求于2014年12月18日提交的美國臨時申請no.62/094039的權(quán)益，該臨時申請的全部內(nèi)容作為引用并入本文。

本發(fā)明涉及高容量固態(tài)電化學(xué)電池的制造。更具體地，本發(fā)明提供了一種用于固態(tài)電池組裝置的真空中過程序列和后沉積過程的方法。僅舉例來說，本發(fā)明使用鋰電池。額外地，這種電池組可用于各種應(yīng)用，比如便攜式電子裝置(手機(jī)、個人數(shù)字助理、音樂播放器、攝影機(jī)等)、電動工具、軍事用途的電源(通信、照明、成像等)、航天應(yīng)用的電源(衛(wèi)星的電源)以及交通工具應(yīng)用的電源(混合動力電動車、插電式混合動力電動車和全電動車)。這種電池組的設(shè)計(jì)還應(yīng)用于電池組不是系統(tǒng)中的唯一電源的情況，其中，額外電源由燃料電池、其它電池組、內(nèi)燃(ic)機(jī)或其它燃燒裝置、電容器、太陽能電池等提供。

常見的電化學(xué)電池通常使用液態(tài)電解質(zhì)。這種電池通常用在許多常規(guī)應(yīng)用中。用于制造電化學(xué)電池的替代技術(shù)包括固態(tài)電池。這種固態(tài)電池一般處于實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，難以制造，并且沒有大量成功生產(chǎn)。盡管是有前途的，但是可用于上述應(yīng)用的具有顯著容量的固態(tài)電池還沒有實(shí)現(xiàn)，因?yàn)殡姵亟Y(jié)構(gòu)和制造技術(shù)的限制。這些和其它限制已在本說明書中描述，并在下面更具體地描述。

已證明固態(tài)電池組在實(shí)驗(yàn)室設(shè)定中具有優(yōu)于使用液態(tài)電解質(zhì)的常規(guī)電池組的若干優(yōu)點(diǎn)。安全性是首要的。固態(tài)電池組本質(zhì)上比基于液態(tài)電解質(zhì)電池的電池組更穩(wěn)定，因?yàn)槠洳话瑢?dǎo)致非期望反應(yīng)的液體，否則會導(dǎo)致熱擊穿，最壞的情況下導(dǎo)致爆炸。對于相同體積或相同質(zhì)量，與常規(guī)電池組相比，固態(tài)電池組可存儲更多能量。還報(bào)告了優(yōu)良的循環(huán)特性(多于10000循環(huán))和優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性。

盡管固態(tài)電池組有這些突出特性，但是未來仍有挑戰(zhàn)需要解決以使這種電池組在市場中應(yīng)用。為了開發(fā)緊密度和高能量密度，應(yīng)當(dāng)改進(jìn)這種電池組的封裝。為了用在除了當(dāng)前應(yīng)用的各種應(yīng)用中，比如消費(fèi)電子產(chǎn)品或電動車中，應(yīng)當(dāng)發(fā)展低成本的大面積和快速薄膜沉積技術(shù)。本發(fā)明提供了一種實(shí)現(xiàn)用于新的應(yīng)用類別的高容量固態(tài)電池組的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明，提供了涉及制造電化學(xué)電池的技術(shù)。更具體地，本發(fā)明提供了一種制造固態(tài)薄膜電池組裝置的裝置和方法。僅舉例來說，本發(fā)明已與鋰電池一起使用。固態(tài)電池組一般處于實(shí)驗(yàn)中，或者處于少量生產(chǎn)狀態(tài)，難以制造，并且沒有大量成功生產(chǎn)。盡管是有前途的，但是可用于大多數(shù)應(yīng)用的具有顯著容量的固態(tài)電池還沒有實(shí)現(xiàn)，因?yàn)殡姵亟Y(jié)構(gòu)和制造技術(shù)的限制。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種使用過程序列的重復(fù)組來制造固態(tài)電池組的方法，該過程序列的重復(fù)組重復(fù)許多次以建立多個堆疊來實(shí)現(xiàn)大于0.1mah的高容量。本發(fā)明包括在閉環(huán)過程序列中移動基底多次，以基于電池組容量規(guī)格建立目標(biāo)數(shù)量的堆疊。移動基底行進(jìn)通過多個過程，以通過相繼地沉積來自沉積源的多個材料來建立單個堆疊，從而形成覆蓋基底的最終電化學(xué)電池，多個過程涉及釋放材料、第一集電器、能夠與離子電化學(xué)反應(yīng)的電解質(zhì)層、第二電極層、第二集電器、中間層。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種在覆蓋釋放材料的最終電化學(xué)電池之后將基底移動回過程序列的始端以在相同基底上形成覆蓋第一電池堆疊的第二電化學(xué)電池并重復(fù)電池堆疊沉積序列1至n次直到具有大于0.1mah的高容量的多個堆疊電化學(xué)電池組的方法。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種通過從電池組裝置消除基底而實(shí)現(xiàn)大于每公升50瓦-小時的高能量密度的方法。該方法包括從基底的電池組裝置釋放步驟。通常具有在平坦面板基底(比如玻璃、氧化鋁或金屬基底)上形成的小于200微米層厚度的固態(tài)電池組具有十分有限的能量密度，如果平坦面板基底作為寄生部件包含在封裝的電池組產(chǎn)品中的話。通過從厚的平坦面板基底釋放電池組裝置，固態(tài)電池組可實(shí)現(xiàn)大于每公升50瓦-小時的高能量密度。用于過程序列的基底是由剛性材料形成的平坦面板，包括玻璃、氧化鋁、陶瓷、云母、金屬、塑料、電池組涂覆材料、被保護(hù)材料、低擴(kuò)散材料、掩模或圖案化材料中的至少一個。釋放材料從聚合物、熒光聚合物、單體、低聚體、導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料或組合、雙功能釋放層、干燥劑、解聚層、熱剝離材料、聚酰亞胺、聚二甲基硅氧烷(pdms)、半有機(jī)分子硅氧烷、疏水層、外延剝離材料、非晶熒光聚合物、輻射剝離材料中的至少一個選擇。從基底的電池組釋放過程包括從化學(xué)溶解、熱過程、照射過程、重力過程、機(jī)械過程、電過程或激光光學(xué)過程中選擇的過程。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，本發(fā)明提供了通過在薄網(wǎng)基底(0.1μm至100μm)上處理來實(shí)現(xiàn)大于每公升50瓦-小時的高能量密度的另一方法，薄網(wǎng)基底通過最小化對能量密度的損害而作為電池組裝置的一部分而被包含。薄網(wǎng)基底是柔性材料，從包括但不限于聚對苯二甲酸乙二醇酯(pet)、酸乙二酯(pen)或金屬箔片的聚合物中選擇，金屬箔片包括但并不限于銅、鋁、不銹鋼、鎳和合金箔片。本發(fā)明提供了對于過程序列以及每個沉積室構(gòu)造在單個或多個方向上滾動承載在柔性基底上的最終電化學(xué)電池的方法。卷對卷過程可以在柔性基底的單側(cè)或兩側(cè)完成，雙側(cè)電化學(xué)電池共享單個柔性基底，以進(jìn)一步最小化來自基底的寄生體積和質(zhì)量。

在特定實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種通過在整體過程序列中在基底附近注氣(作為示例，但并不限于注氣)而非接觸冷卻柔性基底的方法。柔性基底從導(dǎo)電材料中選擇，并具有通過用浸漬涂布和氧化預(yù)處理或絕緣材料的真空沉積的絕緣涂層。

在特定實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種在各應(yīng)用的部件上直接沉積固態(tài)電池組的方法，各應(yīng)用是比如便攜式電子裝置(手機(jī)、個人數(shù)字助理、音樂播放器、攝影機(jī)等)、電動工具、軍事用途的電源(通信、照明、成像等)、航天應(yīng)用的電源(衛(wèi)星的電源)以及交通工具應(yīng)用的電源(混合動力電動車、插電式混合動力電動車和全電動車)。僅舉例來說，諸如電子裝置的金屬或塑料殼體的真空兼容部件可代替使用額外的基底材料用作被沉積電池組的平臺。在完成時，固態(tài)電池組集成在裝置部件上，然后組裝到工具而不需要任何額外的封裝步驟。該方法呈現(xiàn)了能量密度方面的很大優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槠淇勺畲蠡娮友b置內(nèi)用于電池組的可用空間。

附圖說明

下面圖表僅是示例，不應(yīng)不適當(dāng)?shù)叵拗票疚牡臋?quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到許多其它變型、改造和替代。還應(yīng)理解的是，本文所述的示例和實(shí)施例僅用于說明的目的，據(jù)此的各改造或改變會使本領(lǐng)域技術(shù)人員想到，并包含在該工藝的精神和界限以及所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。

圖1是作為在線設(shè)計(jì)(in-linedesign)，由多個薄膜沉積真空室和預(yù)抽真空室(loadlock)構(gòu)成的薄膜電池組生產(chǎn)設(shè)備布局的簡化圖。

圖2是根據(jù)本公開的示例的單個堆疊固態(tài)電池組電池的簡化圖。

圖3a是沉積在根據(jù)本公開的示例的基底和釋放層的頂部上的多個堆疊固態(tài)電池組電池的簡化圖。

圖3b是從根據(jù)本公開的示例的基底和釋放層釋放多個堆疊固態(tài)電池組電池的過程的簡化圖。

圖4是多鼓設(shè)計(jì)構(gòu)造(稱為旋轉(zhuǎn)木馬設(shè)計(jì))的薄膜電池組生產(chǎn)廠布局的簡化圖。

圖5是作為卷對卷設(shè)計(jì)，包括控制移動表面的若干旋轉(zhuǎn)單元的薄膜電池組生產(chǎn)廠布局的簡化圖，旋轉(zhuǎn)單元是比如傳遞帶或網(wǎng)。

圖6是根據(jù)本公開的示例的沉積在薄基底層上的多個堆疊固態(tài)電池組電池的簡化圖。

圖7是根據(jù)本公開的示例的在鼓上生產(chǎn)多個堆疊固態(tài)電池組電池的示意圖。

圖8是在平坦面板型基底上制造的沉積固態(tài)電池組的圖像，作為示例，平坦面板型基底是堿石灰玻璃基底。

圖9是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在鼓式涂覆機(jī)上制造的沉積薄膜電池組的圖像。

圖10是在卷對卷設(shè)備上制造在柔性聚合物基底上的沉積固態(tài)電池組的圖像。

圖11是根據(jù)本公開的實(shí)施例通過纏繞的多個堆疊固態(tài)電池組的示意圖。

圖12是根據(jù)本公開的示例在纏繞之后通過切割制造多個堆疊固態(tài)電池組的過程的示意圖。

圖13是根據(jù)本公開的示例通過z折疊的多個堆疊固態(tài)電池組的示意圖。

圖14是根據(jù)本公開的示例在z折疊之后通過切割制造多個堆疊固態(tài)電池組的過程的示意圖。

圖15是根據(jù)本公開的示例通過切割和堆疊制造多個堆疊固態(tài)電池組的過程的示意圖。

圖16是根據(jù)本公開的示例通過連續(xù)沉積過程的堆疊固態(tài)電池組的示意圖。

圖17是根據(jù)本公開的示例在沉積期間作為纏繞在任意形狀的心軸上制造多個堆疊固態(tài)電池組電池的示意圖。

圖18是根據(jù)本公開的示例從沉積鼓在任意形狀的心軸上纏繞多個堆疊固態(tài)電池組電池的示意圖。

圖19是根據(jù)本公開的示例的多個堆疊固態(tài)電池組電池的任意構(gòu)造的簡化圖的名單。

圖20示出作為結(jié)構(gòu)的一部分集成在手持器具的彎曲表面上的多個堆疊電池裝置。

圖21示出將多個堆疊電池組裝置切割成柱形器具內(nèi)的可用空間的形狀。

圖22示出纏繞為繞無葉片風(fēng)扇的頭部集成的環(huán)狀的多個堆疊電池組裝置。

具體實(shí)施方式

根據(jù)本發(fā)明，提供了涉及制造電化學(xué)電池的技術(shù)。更具體地，本發(fā)明提供了制造固態(tài)薄膜電池組裝置的裝置和方法。僅舉例來說，本發(fā)明與鋰電池一起使用。固態(tài)電池組一般處于實(shí)驗(yàn)中，或者處于少量生產(chǎn)狀態(tài)，難以制造，并且沒有大量成功生產(chǎn)。盡管是有前途的，但是可用于大多數(shù)應(yīng)用的具有顯著容量的固態(tài)電池還沒有實(shí)現(xiàn)，因?yàn)殡姵亟Y(jié)構(gòu)和制造技術(shù)的限制。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種使用過程序列的重復(fù)組來制造固態(tài)電池組的方法，該過程序列的重復(fù)組重復(fù)許多次以建立多個堆疊來實(shí)現(xiàn)大于0.1mah的高容量。本發(fā)明包括在閉環(huán)過程序列中移動基底多次，以基于電池組容量規(guī)格建立目標(biāo)數(shù)量的堆疊。移動基底行進(jìn)通過多個過程，以通過相繼地沉積來自沉積源的多個材料來建立單個堆疊，從而形成覆蓋基底的最終電化學(xué)電池，多個過程涉及釋放材料、第一集電器、能夠與離子電化學(xué)反應(yīng)的電解質(zhì)層、第二電極層、第二集電器、中間層。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種在覆蓋釋放材料的最終電化學(xué)電池之后將基底移動回過程序列的始端以在相同基底上形成覆蓋第一電池堆疊的第二電化學(xué)電池并重復(fù)電池堆疊沉積序列1至n次直到具有大于0.1mah的高容量的多個堆疊電化學(xué)電池組的方法。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，本發(fā)明提供了從電池組裝置消除基底而實(shí)現(xiàn)大于每公升50瓦-小時的高能量密度的方法。該方法包括從基底的電池組裝置釋放步驟。一般具有形成在平坦面板基底(比如玻璃、氧化鋁或金屬基底)上的小于200微米層厚度的固態(tài)電池組具有十分有限的能量密度，如果平坦面板基底作為寄生部件包含在封裝電池組產(chǎn)品中的話。通過從厚的平坦面板基底釋放電池組裝置，固態(tài)電池組可實(shí)現(xiàn)大于每公升50瓦-小時的高能量密度。用于過程序列的基底是由剛性材料形成的平坦面板，包括玻璃、氧化鋁、陶瓷、云母、金屬、塑料、電池組涂覆材料、被保護(hù)材料、低擴(kuò)散材料、掩?；驁D案化材料中的至少一個。釋放材料從聚合物、熒光聚合物、單體、低聚體、導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料或組合、雙功能釋放層、干燥劑、解聚層、熱剝離材料、聚酰亞胺、聚二甲基硅氧烷(pdms)、半有機(jī)分子硅氧烷、疏水層、外延剝離材料、非晶熒光聚合物、輻射剝離材料中的至少一個選擇。從基底的電池組釋放過程包括從化學(xué)溶解、熱過程、照射過程、重力過程、機(jī)械過程、電過程或激光光學(xué)過程中選擇的過程。

圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的薄膜電池組生產(chǎn)設(shè)備布局的簡化圖。該圖僅是說明性的，不應(yīng)當(dāng)不適當(dāng)?shù)叵拗票疚臋?quán)利要求的范圍。如所示，工具由多個薄膜沉積真空室和預(yù)抽真空室構(gòu)成。電池組沉積在其上的基底移動到這些室和預(yù)抽真空室內(nèi)。該構(gòu)造稱為在線設(shè)計(jì)?；走B續(xù)移動通過由傳遞帶或其它傳遞機(jī)構(gòu)承載的室。室通過門或其它中間室連接。該過程可以是連續(xù)的或是序列過程，其中，基底連續(xù)地移動或者在任何室中具有特定停留或轉(zhuǎn)移時間變化。當(dāng)基底移動通過室時，電池組材料沉積相繼地在基底上并形成電池組。在完成形成電池組的所有過程之后，基底從預(yù)抽真空室離開。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠設(shè)計(jì)多個預(yù)抽真空室或分配預(yù)抽真空室、氣門或其它過渡室，使得能夠控制室中的氣體和粒子的壓力和成分。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠根據(jù)需要設(shè)計(jì)各尺寸和形狀的室，用于生產(chǎn)固態(tài)電池組電池使用的各種過程。

圖2是根據(jù)本公開示例的單個堆疊固態(tài)電池組電池的簡化圖。201是第一集電器，202是能夠與覆蓋集電器的離子電化學(xué)反應(yīng)的第一電極層，203是覆蓋能夠離子擴(kuò)散的陰極的電解質(zhì)材料，204是覆蓋電解質(zhì)的第二電極層，205是覆蓋第二電極層的第二集電器。

圖3a和3b是根據(jù)本公開示例的多個堆疊固態(tài)電池組電池的簡化圖，其具有釋放層和釋放過程步驟。301是承載沉積的薄膜的平坦面板型基底，302是在沉積之前施加到基底的釋放層，303是第一集電器，304是能夠與覆蓋集電器的離子電化學(xué)反應(yīng)的第一電極層，305是覆蓋能夠離子擴(kuò)散的陰極的電解質(zhì)材料，306是覆蓋電解質(zhì)的第二電極層，307是覆蓋第二電極層的第二集電器，308是覆蓋第二集電器的中間層，其在位于該中間層下方的第一電池堆疊和下一電池堆疊之間絕緣，320是由五層303-307構(gòu)成的第一電池堆疊，309是第n堆疊的第一集電器，310是覆蓋集電器的第n堆疊的第一電極層，311是覆蓋陰極的第n堆疊的電解質(zhì)材料，312是覆蓋電解質(zhì)的第n堆疊的第二電極層，313是覆蓋第二電極層的第n堆疊的第二集電器，330是由五層309-313構(gòu)成的電池堆疊#n，具有額外阻擋層314，360是在移除固態(tài)電池組之后的釋放層和基底。

圖4是多鼓設(shè)計(jì)構(gòu)造的簡化圖。其還稱為旋轉(zhuǎn)木馬設(shè)計(jì)。在旋轉(zhuǎn)木馬設(shè)計(jì)中，鼓停留在每個處理工具中一定時期，直到完成處理任務(wù)，并且移動至下一處理工具為止。在該設(shè)計(jì)中，鼓的數(shù)量等于總處理工具的數(shù)量，所有處理工具沿圓線布置?？梢杂衅渌冃汀⒏脑旌吞娲?。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠設(shè)計(jì)具有多個源的單鼓系統(tǒng)，多個源繞鼓周向布置以在單室中產(chǎn)生多個層，或者在單個或多個室中設(shè)計(jì)源的任意組合，以在旋轉(zhuǎn)基底上產(chǎn)生特定層。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠設(shè)計(jì)具有平坦表面或彎曲表面的旋轉(zhuǎn)基底，或者其任何組合，或者設(shè)計(jì)任意形狀的旋轉(zhuǎn)表面，其充當(dāng)電池組生產(chǎn)的心軸。將電池組電池共形涂覆到這種形狀上可用于產(chǎn)生具有復(fù)雜形狀的裝置，其不需要單個地或多個電池的分離封裝或者封裝電池組。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠根據(jù)需要設(shè)計(jì)各尺寸和形狀的室，以用于在生產(chǎn)固態(tài)電池組電池時使用的各過程。

圖8是在平坦面板基底上制造的沉積固態(tài)電池組的圖像。801是作為平坦面板型基底的示例的堿石灰玻璃基底。802是通過過程序列承載玻璃基底的金屬基底托盤，用于電化學(xué)電池的全層，電化學(xué)電池由集電器、第一電極、電解質(zhì)、第二電極和中間層構(gòu)成。該圖像沒有顯示所有這些層。803是兩種不同尺寸的固態(tài)電池組的頂視圖。

圖9是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例在鼓涂覆機(jī)上制造的沉積固態(tài)電池組的圖像。基底(該示例中901)是鼓的不銹鋼表面。902是在電池組制造之前直接施加在基底上的釋放層。遵循如本發(fā)明中的過程序列，由集電器903、第一電極(陰極)904、電解質(zhì)905、第二電極(陽極)906和中間層907構(gòu)成。在完成全堆疊之后，通過機(jī)械、化學(xué)、熱方法從基底移除電池組。在該特定示例中，使用切割刀片908。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，本發(fā)明提供了通過在薄網(wǎng)基底(0.1μm至100μm)上處理來實(shí)現(xiàn)大于每公升50瓦-小時的高能量密度的另一方法，薄網(wǎng)基底通過最小化對能量密度的損害而作為電池組裝置的一部分而被包含。薄網(wǎng)基底是柔性材料，從包括但不限于聚對苯二甲酸乙二醇酯(pet)、酸乙二酯(pen)或金屬箔片的聚合物中選擇，金屬箔片包括但并不限于銅、鋁、不銹鋼、鎳和合金箔片。本發(fā)明提供了對于過程序列以及每個沉積室構(gòu)造在單個或多個方向上滾動承載在柔性基底上的最終電化學(xué)電池的方法。卷對卷過程可以在柔性基底的單側(cè)或兩側(cè)完成，雙側(cè)電化學(xué)電池共享單個柔性基底，以進(jìn)一步最小化來自基底的寄生體積和質(zhì)量。

圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的薄膜電池組生產(chǎn)廠布局的簡化圖。該圖僅是說明性的，不應(yīng)當(dāng)不適當(dāng)?shù)叵拗票疚臋?quán)利要求的范圍。如所示，廠布局包括控制移動表面的若干旋轉(zhuǎn)單元，比如傳送帶或網(wǎng)。該設(shè)計(jì)可以稱為卷對卷設(shè)計(jì)。電池組或其它能量源可用于驅(qū)動旋轉(zhuǎn)單元。移動表面行進(jìn)通過若干工具，每個工具具有特定功能。在特定實(shí)施例中，pvd涂覆機(jī)工具可以構(gòu)造成用于一個或多個材料的物理氣相沉積，以形成電池組裝置的薄膜層。另外，剪切機(jī)可構(gòu)造成移除沉積層的過量部分，纏繞器可構(gòu)造成卷繞薄膜層。封裝工具可在密封單元中封裝電化學(xué)活性材料。本領(lǐng)域技術(shù)人員會認(rèn)識到這種布局的許多變型、改造和替代，比如添加或移除室以及添加或移除單獨(dú)室的功能。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠根據(jù)需要設(shè)計(jì)各尺寸和形狀的室，以用于在生產(chǎn)固態(tài)電池組電池時使用的各過程。

在許多卷對卷涂覆應(yīng)用中，沉積薄膜比基底本身更薄。例如，廣泛使用的食品封裝件(例如薯片袋)具有在幾十至幾百微米聚合物材料上的100至500埃的鋁涂層，比如聚對苯二甲酸乙二醇酯(pet)。對于這些常規(guī)網(wǎng)涂覆，基底物理地支撐沉積薄膜結(jié)構(gòu)，并提供足夠的物理強(qiáng)度以用于沉積薄膜(例如，鋁從濕氣密封薯片)的目的。然而，固態(tài)電池組比常規(guī)卷對卷涂覆應(yīng)用更厚(從10000到2000000埃)。沉積薄膜可提供自支撐，即使在薄柔性基底上，比如不具有足夠物理強(qiáng)度的亞微米pet或pen。

柔性聚合物基底在卷對卷涂覆應(yīng)用中的另一作用是提供電化學(xué)堆疊之間的電絕緣。金屬集電層沉積在其上的聚合電介質(zhì)基底絕緣了金屬層，允許通過十分高的電流，而沒有電泄漏。柔性網(wǎng)材料可提供呈現(xiàn)薄膜電池組技術(shù)的類似優(yōu)點(diǎn)。在薄膜電池組應(yīng)用中，柔性聚合物網(wǎng)可用作基底，其提供絕緣屬性以支撐卷對卷處理的電池組層。對于形成大于0.1mah的高容量電池，需要積累許多電化學(xué)電池堆疊，而沒有電泄漏，柔性聚合物或任何其它絕緣材料基底可給任何堆疊方法(比如本發(fā)明呈現(xiàn)的纏繞、z折疊或切割-堆疊)提供必須絕緣。

選擇柔性基底材料一般朝向在可用薄材料中的具有最小厚度的工程聚合物，是輕量的但是在處理期間和之后十分耐用，還通常有長壽命，并具有在活性膜(比如電容器和電池組電池)的情況下通過操作沉積在其上的材料抗惡化的特性。或者，諸如薄金屬箔片的導(dǎo)電材料提供優(yōu)于聚合物基底的另一優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兛勺鳛榧娖?，并從電池組制造消除集電器沉積步驟。

在特定實(shí)施例中，本發(fā)明提供了通過在整個過程序列中在基底附近注氣(作為示例，但并不限于注氣)而非接觸冷卻柔性基底的方法。柔性基底從導(dǎo)電材料中選擇，并具有通過用浸漬涂布和氧化預(yù)處理或絕緣材料的真空沉積的絕緣涂層。

圖6是根據(jù)本公開示例的柔性聚合物基底上的多個堆疊固態(tài)電池組電池的簡化圖。601是柔性聚合物基底，602是聚合物基底上的第一集電器，603是能夠與覆蓋集電器的離子電化學(xué)反應(yīng)的第一電極層，604是覆蓋能夠離子擴(kuò)散的陰極的電解質(zhì)材料，605是覆蓋電解質(zhì)的第二電極層，606是覆蓋第二電極層的第二集電器，607是覆蓋第二集電器的中間層，其在該中間層下方的第一電池堆疊和下一電池堆疊之間絕緣，610是第一電池堆疊，620是第n電池堆疊。

圖10是在卷對卷設(shè)備上的柔性聚合物基底上制造的沉積固態(tài)電池組的圖像。1001是控制基底運(yùn)動尤其是每工具構(gòu)造和過程中的基底的方向和速度的滾筒。1002是在過程之間承載沉積層的柔性基底，其在電化學(xué)電池堆疊之間提供絕緣。1003是沉積在在一方向上行進(jìn)的柔性基底上的固態(tài)電池組的頂視圖。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種在各應(yīng)用的部件上直接沉積固態(tài)電池組的方法，各應(yīng)用是比如便攜式電子裝置(手機(jī)、個人數(shù)字助理、音樂播放器、攝影機(jī)等)、電動工具、軍事用途的電源(通信、照明、成像等)、航天應(yīng)用的電源(衛(wèi)星的電源)以及交通工具應(yīng)用的電源(混合動力電動車、插電式混合動力電動車和全電動車)。僅舉例來說，諸如電子裝置的金屬或塑料殼體的真空兼容部件可代替使用額外的基底材料用作被沉積電池組的平臺。在完成時，固態(tài)電池組集成在裝置部件上，然后組裝到工具而不需要任何額外的封裝步驟。該方法呈現(xiàn)了能量密度方面的很大優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槠淇勺畲蠡娮友b置內(nèi)用于電池組的可用空間。

為了顯示本文實(shí)施例的一定益處的示例，我們在下列示例情況下描述本發(fā)明。當(dāng)然，這些示例僅是說明性的，不應(yīng)不適當(dāng)?shù)叵拗票疚臋?quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員會認(rèn)識到其它變型、改造和替代。

示例1：通過纏繞來建立多個堆疊固態(tài)電池組：作為示例，本發(fā)明提供了一種使用柔性材料作為固態(tài)電池組的基底的方法，該柔性材料具有在0.1和100μm之間的厚度。柔性材料可以從聚合物膜中選擇，比如pet、pen或金屬箔片，比如銅、鋁。沉積層可包括柔性基底上的固態(tài)電池組，然后可以纏繞成柱形形狀或然后纏繞壓縮成棱柱形狀。圖11示出作為本發(fā)明示例的纏繞電池的圖像。纏繞電池進(jìn)一步通過切割圓角以最大化能量密度而處理，如圖12所示。

示例2：通過z折疊建立多個堆疊固態(tài)電池組：作為示例，本發(fā)明提供了一種使用柔性基底的方法，柔性基底可以是固態(tài)電池組的一部分。如圖13所示，柔性基底上的固態(tài)電池組的沉積層可以通過z折疊來堆疊。z折疊電池可進(jìn)一步通過切割電池的兩側(cè)并使它們終止來處理，以最大化能量密度，如圖14所示。通過交替過程序列，多堆疊電池組的另一構(gòu)造可以通過切割單獨(dú)層然后如圖15所示堆疊它們而制成。

示例3：通過重復(fù)沉積過程建立多個堆疊固態(tài)電池組：作為示例，本發(fā)明提供了一種通過移動基底通過許多沉積過程來建立多個堆疊固態(tài)電池組的方法。通過重復(fù)過程序列n次，固態(tài)電池組裝置具有n個堆疊，如圖16的示意圖所示。

示例4：在心軸的任意形狀上纏繞固態(tài)電池組電池，圖17示意性示出在心軸1701上的纏繞固態(tài)電池組電池以及沉積器件。這是具有任意形狀心軸的多個堆疊固態(tài)電池組電池的沉積示例，但是不限于在此所示形狀。在該示例中，8形狀的橫截面可以作為真空清潔手柄部。真空清潔手柄部可用作固態(tài)電池組電池的基底。在本發(fā)明的特定實(shí)施例的一個中，多個堆疊固態(tài)電池組電池可以通過從第一集電器、陰極、電解質(zhì)、陽極、第二集電極和絕緣中間層相繼地沉積每個電池部件來獲得。該沉積序列會重復(fù)1至n次直到獲得期望總電容。由于薄層特性，與常規(guī)液體或聚合物凝膠類型的電池組電池相比，桿真空(stickvacuum)的增加的體積會最小化。在該示例中，需要具有推壓滾筒如1704、1705和1706，以幫助一致地粘在心軸上的沉積電池組電池1703。當(dāng)心軸旋轉(zhuǎn)時，推壓滾筒需要沿表面移動使得它們不會在旋轉(zhuǎn)的路徑上。而且，沉積源位于心軸下方，作為示例。然而，沉積源的位置可以在心軸周圍的任何位置，以獲得多個堆疊固態(tài)電池組電池的均勻性。當(dāng)需要時，所需沉積源會移動到位。沉積源還可基于心軸的形狀定位。例如，由于寬遮蔽特性，兩個不同層沉積源可以定位在8形狀心軸的相對側(cè)，以最小化沉積時間。

示例5：纏繞在任意形狀的心軸上，圖18示意性示出在心軸1803上的纏繞。這是具有任何形狀心軸的多個堆疊固態(tài)電池組電池的沉積的示例，但是不限于在此所述形狀。在該示例中，8形狀的橫截面可以是真空清潔手柄部。在本發(fā)明的特定實(shí)施例的一個中，多個堆疊固態(tài)電池組電池可以通過從第一集電器、陰極、電解質(zhì)、陽極、第二集電器和絕緣中間層相繼地沉積每個電池部件到另一鼓或心軸1801上而獲得。該沉積序列會重復(fù)1至n次直到獲得期望總?cè)萘俊Ｒ坏┇@得期望總?cè)萘?，滾壓的固態(tài)電池組電池會移動到纏繞站。在纏繞站，期望形狀的心軸會用于裝載固態(tài)電池組電池。沉積固態(tài)電池組電池會從柱形鼓卸載，并纏繞到期望形狀的心軸，如在該示例中為8形狀心軸。在纏繞到8形狀心軸之后，最終封裝層會層堆在電池組頂部以提供對環(huán)境的絕緣。由于薄層特性，與常規(guī)液體或聚合物凝膠類型的電池組電池相比，真空清潔手柄的增加的體積會最小。在該示例中，需要具有推壓滾筒如1804、1805和1806，以幫助一致地粘在心軸表面上的纏繞電池組電池1802。當(dāng)心軸旋轉(zhuǎn)時，推壓滾筒需要沿表面移動使得它們不會在旋轉(zhuǎn)的路徑上。

示例6：將多個堆疊固態(tài)電池組結(jié)合到施加裝置的結(jié)構(gòu)和/或裝飾空間：本發(fā)明公開的柔性基底上的固態(tài)電池組可形成任何形狀。圖19表明柔性電池組具有的一些示例形式因子，比如環(huán)面、盤管、圓錐、梯形錐、四面體。

示例7：圖20示出在任意彎曲表面上形成多個堆疊電池組裝置的示例。電池組裝置2002纏繞在具有任意特性的管狀手柄2001上。通常，電池組裝備有器具2003的主體，但是本發(fā)明通過使電池組在器具內(nèi)的任意地方而允許另一設(shè)計(jì)自由度，使得獲得改進(jìn)的外觀，甚至更均勻的重量分布以便于使用。2004示出手柄的橫截面，具有任意彎曲形狀，2005示出用在電池組2002中的多個堆疊結(jié)構(gòu)。作為示例，固態(tài)電池組結(jié)合到施加裝置的彎曲表面已在sastry等人的u.s.pat.appl.no.13/910,036中描述，該專利申請轉(zhuǎn)讓給sakti3,inc.ofannarbor,mich.，由此其全部內(nèi)容作為引用并入本文。

示例8：許多消費(fèi)電子裝置和家用電路具有柱形或局部圓形形狀，比如便攜式揚(yáng)聲器、吸塵機(jī)器人、相機(jī)、智能恒溫器以及智能門鎖。然而，通常是六面體形狀的電子和常規(guī)電池組不能填充器具的柱形殼體內(nèi)的空間，而不留下明顯的空缺。即使常規(guī)柱狀電池組也不能填充超過封裝件極限的更大直徑柱形內(nèi)的空間。在圖21中，多個堆疊固態(tài)電池組電池2102可以切割成任意形狀2103，以完全利用任何形狀的所有空間，從而使得裝置更緊湊。圖21示出具有柱狀殼體2105的電池供電電器2105封裝有填充圓形殼體形狀的多個堆疊固態(tài)電池組2013，留出用于其它非電池組部件的方形空間2104。多個堆疊電池組2012可以使用工具2102切割，比如剃刀刀片、金剛石鋸、切割輪和激光。

示例9：在圖22所示的另一示例中，多個堆疊電池組裝置2205纏繞在中空芯部以用在無葉片風(fēng)扇或吹風(fēng)機(jī)2201的殼體2202內(nèi)，如圖22所示。結(jié)合到風(fēng)扇頭2204的結(jié)構(gòu)(例如邊緣)的多個堆疊電池組2205消除了具有用于存儲的分離空間的需求，從而允許設(shè)計(jì)僅需要電器的功能，同時滿足便攜性。