(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に組み込まれた複数のセルを含むエネルギー蓄積デバイスであって、前記複数のセルが電気的に直列接続されているエネルギー蓄積デバイスの製造方法であり、
前記基板を提供することと、
前記基板上に、薄膜エネルギー蓄積デバイスに対応する層を堆積させることであり、前記層が、堆積順に、集電子、第１の電極、電解質、および第２の電極を含むことと、
前記集電子にパターン形成して複数の集電子ストライプを形成することと、
前記第１の電極にパターン形成して複数の第１の電極ストライプを形成することであり、前記第１の電極ストライプの各々が、前記複数の集電子ストライプのうちの対応する集電子ストライプの上にあり、前記電解質が前記複数の集電子ストライプ、前記複数の第１の電極ストライプおよび前記基板の隣接する集電子ストライプの間の領域を覆う連続した電解質層として堆積されていることと、
前記連続した電解質層の集電子ストライプを覆う部分に開口部を形成するために前記電解質の一部を除去することであり、前記電解質のそれ以外の部分は、前記複数の集電子ストライプ、前記複数の第１の電極ストライプおよび前記基板の隣接する集電子ストライプの間の領域を覆うように連続していることと、
前記第２の電極にパターン形成して複数の第２の電極ストライプを形成することであり、前記複数の第２の電極ストライプの各々が、前記複数の第１の電極ストライプのうちの１つに対応することと
を含み、
前記集電子ストライプを覆う電解質のうち除去された部分を除いて前記電解質が前記複数の第２の電極ストライプの下で連続しており、
前記複数の電気的に接続されたセルの各々が、前記複数の集電子ストライプのうちの１つと、前記複数の第１の電極ストライプのうちの前記対応する第１の電極ストライプと、前記複数の第２の電極ストライプのうちの前記対応する第２の電極ストライプと、前記電解質層の対応する部分とを含んでいる、方法。
【請求項２】
前記複数の集電子ストライプ、前記複数の第１の電極ストライプ、および前記複数の第２の電極ストライプが空間的に並列にある、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記複数のセルがセルの直列チェーンの形で構成され、前記複数のセルのうちの１つに対応する集電子ストライプが、前記複数のセルのうちの前記１つに隣接する前記セルに対応する前記第２の電極ストライプに電気的に接続される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
基板上に組み込まれた複数のセルを含むエネルギー蓄積デバイスであって、前記複数のセルが電気的に直列接続されているエネルギー蓄積デバイスを形成する装置であり、
基板上に、薄膜エネルギー蓄積デバイスに対応する層を堆積させる堆積工具であり、前記層が、堆積順に、集電子、第１の電極、電解質、および第２の電極を含む堆積工具と、
前記集電子にパターン形成して、複数の集電子ストライプを形成する第１のパターン形成工具と、
前記第１の電極にパターン形成して、複数の第１の電極ストライプを形成する第２のパターン形成工具であり、前記第１の電極ストライプの各々が、前記複数の集電子ストライプのうちの対応する集電子ストライプの上にあり、前記電解質が前記複数の集電子ストライプ、前記複数の第１の電極ストライプおよび前記基板の隣接する集電子ストライプの間の領域を覆う連続した電解質層として堆積されている、第２のパターン形成工具と、
前記連続した電解質層の集電子ストライプを覆う部分に開口部を形成するために前記電解質の一部を除去する第３のパターン形成工具であり、前記電解質のそれ以外の部分は、前記複数の集電子ストライプ、前記複数の第１の電極ストライプおよび前記基板の隣接する集電子ストライプの間の領域を覆うように連続している、第３のパターン形成工具と、
前記第２の電極にパターン形成して、複数の第２の電極ストライプを形成する第４のパターン形成工具であり、前記複数の第２の電極ストライプの各々が、前記複数の第１の電極ストライプのうちの１つに対応する、第４のパターン形成工具と
を備えており、
前記集電子ストライプを覆う電解質のうち除去された部分を除いて前記電解質が前記複数の第２の電極ストライプの下で連続しており、
前記複数の電気的に接続されたセルの各々が、前記複数の集電子ストライプのうちの１つと、前記複数の第１の電極ストライプのうちの前記対応する第１の電極ストライプと、前記複数の第２の電極ストライプのうちの前記対応する第２の電極ストライプと、前記電解質層の対応する部分とを含んでいる、装置。
【請求項５】
オープンリール式のシステム上で前記堆積工具、前記第１のパターン形成工具、前記第２のパターン形成工具、前記第３のパターン形成工具、および前記第４のパターン形成工具に沿って前記基板を動かすこと
をさらに含み、
前記基板が可撓性の基板である、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
基板上に組み込まれた複数のセルを含むエネルギー蓄積デバイスであって、前記複数のセルが直列および並列に電気的に接続されているエネルギー蓄積デバイスの製造方法であり、
前記基板を提供することと、
前記基板上に、連続した集電子層を堆積したあとに、前記連続した集電子層の上に連続した第１の電極層を堆積することと、
前記連続した集電子層および前記連続した第１の電極層にパターン形成して複数の集電子ストライプおよび複数の第１の電極ストライプを形成することであり、前記第１の電極ストライプの各々が、前記複数の集電子ストライプのうちの対応する集電子ストライプの上にあることと、
前記複数の第１の電極ストライプおよび前記複数の集電子ストライプを覆って連続した電解質層を堆積することと、
前記連続した電解質層にパターン形成して前記集電子ストライプを覆う部分に開口部を形成することであり、前記電解質のそれ以外の部分は、前記複数の集電子ストライプ、前記複数の第１の電極ストライプおよび前記基板の隣接する集電子ストライプの間の領域を覆うように連続していることと、
前記電解質層を覆って連続した第２の電極層を堆積し、前記連続した第２の電極層と前記集電子ストライプの間の電気的接続を形成することと、
前記連続した第２の電極層にパターン形成して複数の第２の電極ストライプを形成することであり、前記複数の第２の電極ストライプの各々が、前記複数の第１の電極ストライプのうちの１つに対応することと
を含み、
前記集電子ストライプを覆う電解質層のうち開口部を除いて前記電解質層が前記複数の第２の電極ストライプの下で連続しており、
前記複数の電気的に接続されたセルの各々が、前記複数の集電子ストライプのうちの１つと、前記複数の第１の電極ストライプのうちの前記対応する第１の電極ストライプと、前記複数の第２の電極ストライプのうちの前記対応する第２の電極ストライプと、前記電解質層の対応する部分とを含んでいる、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、薄膜エネルギー蓄積デバイスに関し、より詳細には、高出力および高エネルギーの大面積エネルギー蓄積デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー蓄積デバイスは、電池、薄膜電池（ＴＦＢ）、キャパシタ、スーパーキャパシタ、およびウルトラキャパシタなどの広い範囲のデバイスを含む。これらのエネルギー蓄積デバイスは、マイクロ電源（マイクロセンサ、スマートカード、リアルタイムクロックなど向け）、ならびにより高出力／エネルギーの電源（携帯電話、ＰＤＡ、ラップトップ、電動工具、交通機関、重工業、発電および送電、再生可能エネルギー生成のための補足エネルギーの蓄積など向け）を含む多種多様な適用分野で使用される。
【０００３】
産業および科学界での多大な努力にもかかわらず、送電能力、エネルギーの蓄積容量、大面積の拡張性、および製造性というエネルギー蓄積デバイスの属性を改善することが依然として必要とされている。したがって、製造コストおよびエネルギー蓄積デバイスの性能を著しく低減できる概念および方法が必要とされている。
【発明の概要】
【０００４】
一般に、本発明の実施形態は、容易に製造可能で、高出力、高エネルギー、大面積のエネルギー蓄積デバイスを提供する。本発明の手法は、それだけに限定されるものではないが、大面積被覆システムなどの大面積加工工具に適合しているプロセスを使用することを含む。本発明の手法はまた、それだけに限定されるものではないが、可撓性の薄膜基板に適合している直線的加工システムを使用することを含む。エネルギー蓄積デバイスは、電池、スーパーキャパシタ、およびウルトラキャパシタを含むことができる。これらの基本的な構造は、正極、固体電解質、および負極から構成され、また、負端子および／または正端子の集電子を含むこともできる。本明細書に記載のエネルギー蓄積デバイスの実施形態は、大充電容量および高電圧特性をもつ正極材料と、大充電容量をもつ負極材料と、高い電気化学的安定性、高いイオン伝導性、および非常に低い導電性をもつ電解質とから構成することができる。
【０００５】
本発明の態様によれば、基板上に組み込まれた複数のセルを含み、複数のセルが電気的に直列接続される、エネルギー蓄積デバイスを製造する方法は、基板を提供するステップと、基板上で薄膜エネルギー蓄積デバイスに対応する層を堆積させるステップであり、これらの層が堆積順に、集電子、第１の電極、電解質、および第２の電極を含む、ステップと、集電子にパターン形成して、複数の集電子ストライプを形成するステップと、第１の電極にパターン形成して、複数の第１の電極ストライプを形成するステップであり、第１の電極ストライプがそれぞれ、複数の集電子ストライプのうちの対応する集電子ストライプの上にある、ステップと、第２の電極にパターン形成して、複数の第２の電極ストライプを形成するステップであり、複数の第２の電極ストライプがそれぞれ、複数の第１の電極ストライプのうちの１つに対応する、ステップとを含み、複数の電気的に接続されたセルがそれぞれ、複数の集電子ストライプのうちの１つと、複数の第１の電極ストライプのうちの対応する第１の電極ストライプと、複数の第２の電極ストライプのうちの対応する第２の電極ストライプと、電解質層の対応する部分とを含む。複数のセルは、セルの直列チェーンの形で構成することができ、複数のセルのうちの１つに対応する集電子ストライプは、複数のセルのうちのこのセルに隣接するセルに対応する第２の電極ストライプに電気的に接続される。
【０００６】
本発明のさらなる態様によれば、基板上に組み込まれた複数のセルを含み、複数のセルが直列および並列に電気的に接続される、エネルギー蓄積デバイスを製造する第２の方法は、基板を提供するステップと、基板上で薄膜エネルギー蓄積デバイスに対応する層を堆積させるステップであり、これらの層が堆積順に、集電子、第１の電極、電解質、および第２の電極を含む、ステップと、集電子にパターン形成して、複数の集電子ストライプを形成するステップと、第１の電極にパターン形成して、複数の集電子ストライプ上に複数の第１の領域の電極を形成するステップであり、複数の第１の領域の電極が、複数の第１の領域の電極の行の形で形成され、複数の第１の領域の電極の行がそれぞれ、複数の集電子ストライプのうちの異なる集電子ストライプに対応する、ステップと、第２の電極にパターン形成して、複数の第２の電極ストライプを形成するステップであり、複数の第２の電極ストライプがそれぞれ、複数の第１の電極ストライプのうちの異なる第１の電極ストライプに対応する、ステップとを含み、複数のセルがそれぞれ、複数の第１の領域の電極のうちの１つと、集電子ストライプ、第２の電極ストライプ、および電解質層の対応する部分とを含む。
【０００７】
本発明のさらなる態様によれば、エネルギー蓄積デバイスは、単一の基板上に形成された複数の薄膜セルを含み、複数のセルは電気的に直列接続され、複数のセルはそれぞれ、基板の表面上の集電子と、集電子上の第１の電極と、第１の電極を覆う第２の電極と、第１の電極と第２の電極の間の電解質層とを含む。複数のセルのうちの第１のセルと複数のセルのうちの第２のセルは、これらのセルのうちの第１のセルに対応する集電子ストライプがこれらのセルのうちの第２のセルに対応する第２の電極ストライプに電気的に接触することによって、電気的に直列接続され、これらのセルのうちの第１のセルは、基板上でこれらのセルのうちの第２のセルに隣接している。
【０００８】
本発明のさらなる態様によれば、第２のエネルギー蓄積デバイスは、単一の基板上に形成された複数の薄膜セルを含み、複数のセルは網状に電気的に接続され、この網は、複数のセルのうちの個々のセル間で並列と直列の両方の電気的接続を含み、複数のセルは、相互に並列である、基板の表面上の複数の集電子ストライプと、複数のセルに対応する、複数の集電子ストライプ上の複数の第１のセル電極と、複数の集電子ストライプに対して並列である、複数の第１のセル電極を覆う複数の第２の電極ストライプと、複数の第１のセル電極と複数の第２の電極ストライプの間の電解質層とを含む。複数の集電子ストライプは、複数のセルの並列の電気的接続を提供することができる。複数のセルは、セルの行を構成することができ、セルの行は、相互に電気的に直列接続することができる。
【０００９】
本発明の上記その他の態様および特徴は、添付の図と併せて本発明の特有の実施形態についての以下の説明を読めば、当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のいくつかの実施形態による、大面積基板上にエネルギー蓄積デバイスを製作するためのオープンリール式の工具設備の図である。
【図２】直列に接続された電池セルの概略図である。
【図３】本発明のいくつかの実施形態による、図２の概略図に対応する大面積基板上の電池セルの図である。
【図４】本発明のいくつかの実施形態による、直列と並列の両方に接続された電池セルの概略図である。
【図５】本発明のいくつかの実施形態による、図４の概略図に対応する大面積基板上の電池セルの図である。
【図６】Ａ〜Ｈは、本発明のいくつかの実施形態によるエネルギー蓄積デバイス製作プロセスを示す図である。
【図７】図４の電池セル網の一部の概略図である。
【図８】本発明のいくつかの実施形態による、図６Ｂおよび７の構造に対応するパターン形成されたカソード集電子およびカソード層の上面図である。
【図９】本発明のいくつかの実施形態による、エネルギー蓄積セルの直列の電気的接続を示す、エネルギー蓄積デバイスの横断面図である。
【図１０】本発明のいくつかの実施形態による、エネルギー蓄積デバイスを製作するためのプロセスラインの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に次に説明する。図面は、当業者が本発明を実施できるように、本発明の例示として提供される。特に、以下の図および例は、本発明の範囲を単一の実施形態に限定するものではなく、記載または図示した要素の一部またはすべてを交換することによって、他の実施形態も可能である。さらに、既知の構成要素を使用して本発明の特定の要素を部分的または完全に実施できる場合、本発明を曖昧にしないように、そのような既知の構成要素のうち、本発明を理解するのに必要な部分についてのみ説明し、そのような既知の構成要素の他の部分についての詳細な説明は省略する。本明細書では、本明細書に別途明示しない限り、単数の構成要素を示す一実施形態は限定的と見なされるべきではなく、本発明は、複数の同じ構成要素を含む他の実施形態も包含し、また逆も同様であるものとする。さらに、出願人らは、そのように明示しない限り、本明細書または特許請求の範囲内のいかなる用語も、一般的でないまたは特殊な意味をもつと見なされることを意図しない。さらに、本発明は、本明細書に例示として参照される既知の構成要素に対する現在および将来知られる等価物を包含する。
【００１２】
エネルギー蓄積デバイスについて本明細書に概略的に説明し、ＴＦＢデバイスの特有の例を提供する。しかし、本発明の概念は、ＴＦＢに限定されるものではなく、電池、ＴＦＢ、キャパシタ、スーパーキャパシタ、およびウルトラキャパシタを含むエネルギー蓄積デバイスに一般的に適用することができる。さらに、大面積ＴＦＢの特有の例を提供する。しかし、本発明の概念は、大面積エネルギー蓄積デバイスに限定されるものではなく、マイクロ電源（マイクロセンサ、スマートカードなど向け）、より高出力／エネルギーの電源（携帯電話、ＰＤＡ、ラップトップ、電動工具など向け）、および大型のエネルギー蓄積デバイス（たとえば、太陽電池パネルの後ろに取り付けるためのメートル規模のデバイス）を含むエネルギー蓄積デバイスに一般的に適用することができる。
【００１３】
エネルギー蓄積デバイスは、基板上に形成される。オープンリール式の加工に適した可撓性の大面積基板の特有の例を提供する。しかし、本発明の概念は、大面積基板に限定されるものではなく、半導体基板、大面積基板、可撓性の大面積基板、伝導性／金属および誘電体の基板などを含む広い範囲の基板上に形成されたエネルギー蓄積デバイスに適用することができる。
【００１４】
図１は、本発明のいくつかの実施形態による、大面積基板上に薄膜エネルギー蓄積デバイスを製作するためのオープンリール式の工具設備の図である。図示のように、可撓性の大面積基板２がリール３上に取り付けられ、加工工具４に沿って動かされる。加工工具４は、大面積の被覆器などの堆積機器、およびパターン形成機器を含むことができる。図を簡単にするために１つの加工工具のみを示すが、同じオープンリール式の工具設備上で複数の加工工具を使用することができる。図１０を参照されたい。エネルギー蓄積デバイスは、基板２上に製作された多数のエネルギー蓄積デバイスセルを含むことができる。エネルギー蓄積デバイスセルは、基板の幅全体にわたってストライプの形式にすることができる。たとえば、集電子ストライプ７上のカソードストライプ５を図１に示す。これらのストライプは、エネルギー蓄積デバイス内の最初の２つの層であり、カソードストライプは、エネルギー蓄積デバイスの個々のセルを画定する。別法として、エネルギー蓄積デバイスは、より小さいエネルギー蓄積デバイスセルの行の形式にすることができる。たとえば、集電子ストライプ７上のカソード領域６も図１に示す。カソード領域は、エネルギー蓄積デバイスの個々のセルを画定する。エネルギー蓄積デバイスの構造についてのより完全な説明は、以下を参照されたい。明らかに、エネルギー蓄積デバイスは、多種多様な異なる形式を有することができ、本発明の実施形態は、図１に示す形式に限定されるものではない。
【００１５】
図２は、電気的に直列接続された電池セル１１の概略図である。電池セル１１の直列チェーン１０は、電気コネクタ１２によって直列に接続される。これらの電池セルを、Ｃ１、Ｃ２、．．．と呼ぶ。周知のように、電池セル１１のそのようなチェーン１０は、個々の電池セル１１全体の電圧の合計である出力電圧を提供する。図３は、本発明のいくつかの実施形態による、図２の概略図に対応する大面積基板２上に「ストライプ」形式をもつ電池セルの図を示す。カソードストライプ５は、セルの一般的な形式および配置を表す。セル構造およびセルが電気的に直列接続される方法についてのさらなる詳細は、図６Ａ〜６Ｈの断面図に例として提供する。ストライプ５は、図６Ｂ〜６Ｈのパターン形成されたカソードに対応する。図３では、これらのセルはストライプ５によって画定され、基板２の幅全体にわたって延びる。基板２は、オープンリール式の加工に適した可撓性の大面積基板とすることができる。
【００１６】
セル容量の差の影響を低減させるために、本発明の実施形態は、図４に概略的に示すように、直列と並列の両方でともに電気的に接続された電池セル１１の網２０を含むことができる。図４では、電池セル１１のアレイ２０を、コネクタ１２および１３によって直列と並列の両方で接続された状態で示す。これらの電池セルをＣｍ−ｎと呼び、ここでｍは列を指し、ｎは行を指す。図５は、本発明のいくつかの実施形態による、大面積基板２上に図４の概略図に対応する形式をもつ電池セルのアレイの図を示す。カソード領域６は、セルの一般的な形式および配置を表す。各集電子ストライプ７上にｎ個のカソード領域６が存在し、カソード領域６は、エネルギー蓄積デバイスのセルを画定する。セルが直列および並列に電気的に接続される方法についてのさらなる詳細は、図８および図６Ａ〜６Ｈに例として提供する。
【００１７】
図６Ａ〜６Ｈは、本発明のいくつかの実施形態による、エネルギー蓄積デバイスに対する製作プロセスを示す。図６Ａ〜６Ｈに示す特定の実施形態は、単一の基板上の複数の電池セルである。基板１００上に集電子１０２を堆積させ、次いでカソード１０４（本明細書では第１の電極とも呼ぶ）を堆積させて、図６Ａに示す構造を提供する。集電子１０２およびカソード１０４には、周知のリソグラフィ技法を使用してパターン形成し、図６Ｂに示す構造を提供する。集電子は、複数の集電子ストライプを形成するようにパターン形成されている。たとえば、図１、３、および５の集電子ストライプ７を参照されたい。カソードは、複数のカソード構造を形成するようにパターン形成されている。カソード構造は、図１および３に示すようなカソードストライプ５であっても、図１、５、および８に示すようなカソード領域６であってもよい。パターン形成された集電子およびカソードを覆って電解質１０６を堆積させて、図６Ｃに示す構造を提供する。次いで電解質１０６には、周知のリソグラフィ技法を使用してパターン形成し、図６Ｄに示す構造を提供する。電解質１０６内のパターン形成された間隙は、パターン形成された集電子１０２に電気的に接触するためのものである。パターン形成された電解質を覆ってアノード１０８（本明細書では第２の電極とも呼ぶ）を堆積させ、パターン形成された電解質１０６内の間隙を通って集電子１０２に電気的に接触させて、図６Ｅに示す構造を提供する。アノード１０８には、周知のリソグラフィ技法を使用してパターン形成し、図６Ｆに示すセル分離を提供する。最後の保護被覆１１０を堆積させて、図６Ｇに示す構造を提供する。最後の保護被覆１１０には、周知のリソグラフィ技法を使用してパターン形成し、保護被覆内に間隙を提供して、図６Ｈに示すように、電池セルの直列チェーンへの外部からの電気的接触を可能にする。本明細書では、「周知のリソグラフィ技法」とは、フォトリソグラフィ、レジストベースの技法、レーザベースのパターン形成などのレジストを使用しない技法を含む当業界で既知の広い範囲のリソグラフィ技法を包含することに留意されたい。
【００１８】
本発明のいくつかの実施形態では、層１０８は、アノードと下にあるアノード層に対する保護被覆との両方を含むことができる。アノードが先に堆積され、次に保護被覆が堆積されるはずである。たとえば、アノードがリチウムなどの反応性の金属である場合、構造がパターン形成のために空気に露出される場合、保護被覆が必要である。保護被覆は、金属および誘電体のブランケット堆積を含むことができる。場合によって適切な金属の例は、Ｃｕ、Ｔｉ、およびＡｌである。適切な誘電体酸化物は、アノードに接触した状態で安定していることが必要なはずである。さらに、保護被覆はまた、アノード集電子とすることができる。この実施形態の場合、層１０８のパターン形成は上記と同じである。
【００１９】
本発明のさらなる実施形態では、層１０８は、アノードとアノード集電子の両方を含むことができる。アノードが先に堆積され、次にアノード集電子が堆積されるはずである。この実施形態に対する層１０８のパターン形成は、上記と同じである。
【００２０】
図７は、図４の電池セル網についての詳細を示し、図８は、図７の構造に対応するパターン形成された集電子１０２およびカソード層１０４の上面図を示す。図８は、４つのエネルギー蓄積セルに対するカソード領域６を示す。ストライプ７状にパターン形成された集電子は、図８に見られるように、個々のセル間の並列接続を提供する。図８の横断平面Ｘ−Ｘは、図６Ａ〜６Ｈの横断平面と同じであることに留意されたい。さらに、横断面Ｘ−Ｘは、図６Ｂの横断面に示す２つのセルと同じである。
【００２１】
図９は、図６Ｈの変形を示し、電池セルなどのエネルギー蓄積デバイスセルの直列の電気的接続を明らかに示す。第１のエネルギー蓄積デバイスセルは、第１の集電子９１０、第１のカソード９１２、第１の電解質９１４、および第１のアノード９１６を含む。第２のエネルギー蓄積デバイスは、第２の集電子９２０、第２のカソード９２２、第２の電解質９２４、および第２のアノード９２６を含む。エネルギー蓄積デバイスへの外部からの電気的接続は、電気リード９０４および９０８を通って行われる。電気リード９０４は第１のパッド９０２に接続され、電気リード９０８は第２の集電子９２０に接続される。セルの直列接続では、第１のアノード９１６が第１のパッド９０２に接続され、第１の集電子９１０が第２のアノード９２６に接続され、第２の集電子９２０が電気リード９０８に接続される。図９に与える例は２つのセルを示すが、図２および４に示すように、任意の数のセルをともに直列に接続することができる。
【００２２】
図３、５、６Ａ〜６Ｈ、および８を再び参照すると、エネルギー蓄積デバイスセルは、カソードストライプまたはカソード領域電極を含むことができる。たとえば、エネルギー蓄積デバイスセルは、集電子ストライプと、対応するカソードストライプと、対応するアノードストライプと、電解質層の対応する部分とを含むことができる。集電子ストライプ、カソードストライプ、およびアノードストライプは、相互に並列にすることができる。別法として、エネルギー蓄積デバイスは、カソード領域電極と、集電子ストライプの対応する部分と、アノードストライプの対応する部分と、電解質層の対応する部分とを含むことができる。この後者の実施形態では、カソード領域電極は、集電子ストライプおよびアノードストライプに対して並列の１つの行の形で構成することができる。
【００２３】
エネルギー蓄積デバイスは、様々な形式で実装することができる。たとえば、可撓性の基板上のエネルギー蓄積デバイスを丸めて円筒にすることができる。別法として、エネルギー蓄積デバイスを積み重ねることができ、積み重ねたデバイスを、直列および／または並列にともに電気的に接続することができる。さらに、エネルギー蓄積デバイスを積み重ねてから丸めることもできる。典型的な実装デバイスの寸法は、ミリメートル規模からメートル規模まで変動させることができる。エネルギー蓄積デバイスは、高出力、高エネルギー、および高電圧（単一のセル電圧の倍数）の１つまたは複数を必要とする適用分野を含む非常に広い範囲の適用分野に適している。典型的な薄膜電池向けのセルごとの電圧は３〜５Ｖ前後であると予測でき、これらのセルを直列に接続するとはるかに高い電圧を実現できることに留意されたい。
【００２４】
本明細書に記載のエネルギー蓄積デバイスの実施形態は、大充電容量および高電圧公差をもつ負極（アノード）材料と、大充電容量をもつ正極（カソード）材料と、高い電気化学的安定性をもつ電解質とから構成することができる。正極材料は、遷移金属酸化物、リン酸塩、フッ化酸化物およびリン酸塩、ならびにこれらの様々な混合物を含むことができる。金属酸化物の正極材料の例は、ＬｉＣｏＯ２およびＬｉｎＮｉｘＣｏｙＡｌｚＯｍなどの積層材料、ＬｉＭｎ２Ｏ４およびＣｏ／Ｎｉ置換Ｍｎ酸化物などのスピネル材料、ならびにＬｉＦｅＰＯ４などのオリビン材料である。高電圧公差を有する材料の例は、ＬｉＣｏＰＯ４およびＬｉＮｉＰＯ４を含み、Ｌｉ金属負極に対する開回路電圧は、それぞれ約４．８および５．２Ｖである。これらの材料はまた、約１７０ｍＡｈ／ｇｍという大充電容量を提示する。
【００２５】
大充電容量の負極材料は、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ａｌなどを含むことができ、イオン電荷担体Ｌｉをもつ２元合金を形成する。そのような材料を使用することで、製造において著しい難題および複雑さを呈する純粋なＬｉを不要にする可能性を提供する。合金負極材料に関する最大の問題の１つは、充電サイクル（ＭＬｉｘ→Ｍ＋ｘＬｉ）中および放電サイクル（Ｍ＋ｘＬｉ→ＭＬｉｘ）中の体積変化が大きいことから、堆積させた電極材料内に応力が生じる可能性である。応力の蓄積は、たとえば粒径、密度、または多孔性において堆積させた層のナノ構成を使用して、これらの繰り返す事象中に負極材料の「休息」を可能にすることによって緩和させることができる。
【００２６】
これらの正極および負極の材料はすべて、エネルギー蓄積デバイスを製作する際に使用することができる。標準的な真空堆積方法および非真空堆積方法を含めて、様々な堆積方法を使用することができる。真空堆積の場合、ＰＶＤおよびＣＶＤ技法を使用することができる。電極材料をドープするには、所望の組成をもつ標的材料を用いて、スパッタ堆積を使用することができる。別法として、いくつかの標的から電極材料を同時スパッタリングして、必要に応じて反応性の環境で、適正な組成を形成することもできる。そのような方法を使用して、炭素被覆も同様に追加することができる。ナノ構造または多孔質の材料を実現するための粒子構造の調整は、堆積プロセスを制御することによって実現することができる。たとえば、低温堆積を使用して、拡散運動を制限し、粒子成長を制御することができる。所望の材料組成および粒子構造が堆積前にすでに形成されている、適当なインク、分散などを使用して、インクジェット印刷、溶射被覆、スピン被覆などを含む様々な非真空堆積技法を使用することもできる。
【００２７】
電解質は、高いイオン伝導性、低い導電性、および高く広い電気化学的安定性の窓を有することが望ましい。エネルギー蓄積デバイスの実施形態では、いくつかの材料候補を使用することができる。真空で堆積される材料には、リン酸リチウムオキシナイトライド（ＬｉＰＯＮ）およびこの変種、ケイ酸塩、タンタル酸塩などのようなリチウム含有金属酸化物、ならびにＬｉＯ２、Ｐ２Ｏ５、およびＰ２Ｓ５の３元の組合せがある。適切な電解液（室温）の候補は、溶媒和されたＬｉ塩をもつイオン性液体および溶融塩とすることができる。
【００２８】
形状因子の大きいエネルギー蓄積デバイスの実施形態は、平坦なパネルディスプレイ、ガラス被覆、および薄膜太陽電池の光起電産業で使用される被覆器などの大面積の被覆器を使用して製作することができる。大面積の被覆システムは、生産を拡大し、ならびに生成物の大きい寸法を効率的に取り扱えるようにし、また相当な処理量を製造するのに有益であろう。
【００２９】
図１０は、本発明のいくつかの実施形態によるプロセスライン１０００の概略図を示す。このプロセスラインは、直線的加工システムとして設定することができる。さらに、プロセスラインは、可撓性の薄膜基板に適合したものとすることができ、図１に示すようなオープンリール式の設備を使用することができる。プロセスライン１０００は、堆積工具およびパターン形成工具などの複数のプロセス工具１０１０を含む。基板／可撓性の基板は、矢印で示すように、プロセス工具１０１０に沿って連続的に動く。プロセス工具１０１０は、上記の方法のいずれかによってエネルギー蓄積デバイスを製作するように選択することができる。たとえば、プロセス工具１０１０は、堆積順に集電子、第１の電極、電解質、および第２の電極を含む、薄膜エネルギー蓄積デバイスに対応する層を基板上に堆積させる堆積工具と、集電子にパターン形成する第１のパターン形成工具と、第１の電極にパターン形成する第２のパターン形成工具と、第２の電極にパターン形成する第３のパターン形成工具とを備えることができる。プロセスライン内のプロセス工具の順は、使用される特定の製作方法によって決定されることに留意されたい。
【００３０】
本発明について、本発明の特定の実施形態を参照して具体的に説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形式および詳細に変更および修正を加えることができることが、当業者には容易に明らかになるはずである。添付の特許請求の範囲は、そのような変更および修正を包含するものとする。以下の特許請求の範囲は、本発明を規定する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図６Ｇ】
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【図６Ｈ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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