СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВА НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ
METHOD OF MANUFACTURING ENERGY STORAGE DEVICE

Настоящее изобретение относится к способу изготовления устройства накопления энергии и, в частности, но не исключительно, относится к устройству накопления энергии, содержащему тонкопленочные элементы с твердым электролитом.
В процессе изготовления твердотельных тонкопленочных элементов, имеющих, как правило, слоистую структуру, образованную из электродов, электролита и коллекторов тока, первоначально формируют пакет, содержащий слой первого коллектора тока на подложке, электродный слой, электролитный слой, второй электродный слой и второй слой коллектора тока. Затем, разрезая пакет на секции, получают отдельные элементы. С целью предотвращения пассивации слоев и возникновения короткого замыкания на каждый элемент наносят защитный слой.
Чтобы обеспечить электрическое соединение между элементами, к примеру, соединение между коллекторами тока нескольких элементов, наложенных друг на друга, часть защитного слоя удаляют, например, посредством травления. В качестве альтернативы, перед нанесением покрытия можно создать маску, гарантирующую, что определенный участок каждого коллектора тока остается обнаженным. Безусловно, как создание маски, так и операция травления, является дополнительным этапом, усложняющим технологический процесс и увеличивающим производственные затраты.
Согласно настоящему изобретению предлагается способ изготовления устройства накопления энергии, включающий: формирование пакета, содержащего, по меньшей мере, первый электродный слой, слой первого коллектора тока и электролитный слой, расположенный между первым электродным слоем и слоем первого коллектора тока; формирование в пакете первого паза, проходящего через первый электродный слой и электролитный слой и обнажающего кромки первого электродного слоя и электролитного слоя; заполнение, по меньшей мере, части первого паза электроизоляционным материалом, покрывающим обнаженные кромки первого электродного слоя и электролитного слоя; и прорезка изоляционного материала и слоя первого коллектора тока вдоль, по меньшей мере, части первого паза для обнажения кромки слоя первого коллектора тока.
Изобретение обеспечивает простой, быстрый и дешевый способ изготовления твердотельного элемента, имеющего обнаженные кромки коллекторов, которые затем могут быть легко электрически соединены с другими элементами для формирования части пакета.
Кроме того, пакет может содержать слой второго коллектора тока, связанный с первым электродным слоем, причем первый электродный слой и электролитный слой расположены между слоем первого коллектора тока и слоем второго коллектора тока. Первый паз в пакете можно сформировать таким образом, чтобы он проходил и через слой второго коллектора тока, обнажая кромку слоя второго коллектора тока.
Электроизоляционный материал может покрывать обнаженную кромку слоя второго коллектора тока.
Способ может дополнительно включать формирование в пакете второго паза, проходящего через слой первого коллектора тока, электролитный слой и первый электродный слой и обнажающего кромки первого коллектора тока, электролитного слоя и первого электродного слоя; заполнение, по меньшей мере, части второго паза электроизоляционным материалом, покрывающим обнаженные кромки слоя первого коллектора тока, электролитного слоя и первого электродного слоя, и прорезка изоляционного материала и слоя второго коллектора тока вдоль, по меньшей мере, части второго паза для обнажения кромки слоя второго коллектора тока.
Слой первого коллектора тока может формировать второй электродный слой. Альтернативно или, кроме того, пакет может содержать второй электродный слой, расположенный между слоем первого коллектора тока и электролитным слоем, при этом можно сформировать первый паз, который будет проходить и через второй электродный слой.
Первый и/или второй пазы могут быть сформированы методом лазерной резки. Лазерная резка для создания первого и второго пазов может проводиться с применением газообразного мономера, который способен полимеризоваться, формируя в создаваемых лазерной резкой пазах электроизоляционный материал. На этапе заполнения, по меньшей мере, части первого паза электроизоляционным материалом, по меньшей мере, часть паза заполняют жидкостью. Жидкость может представлять собой органическое суспензированное жидкообразное вещество. Заполняющая паз жидкость может быть отверждаемой. Устройство накопления энергии может представлять собой электрохимическую ячейку или конденсатор.
Для облегчения понимания сути настоящего изобретения и его практического осуществления ниже будет описываться иллюстративный вариант осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг. 1 – схематичное изображение устройства накопления энергии, содержащего несколько элементов.
Фиг. 2 – схематичное изображение показанного на фиг. 1 устройства накопления энергии с электрически соединенными элементами.
Фиг. 3а-3h – последовательность этапов способа изготовления элементов устройства накопления энергии, показанного на фиг.1.
Фиг. 4 – схематичное изображение одного из вариантов осуществления способа, показанного на фиг. 3a-3h.
Фиг. 5 – увеличенное изображение участка, окруженного пунктирной линией на фиг. 4.
На фиг. 1 показано устройство 1 накопления энергии, содержащее первый электрохимический элемент 2, расположенный на втором электрохимическом элементе 4. Первый и второй элементы 2, 4 являются идентичными. Однако первый элемент 2 инвертирован. Каждый из элементов 2, 4 представляет собой пакет, содержащий слой 6 коллектора отрицательного тока, используемый, к тому же, как слой отрицательного электрода (который является анодом во время разряда элемента 2, 4), электролитный слой 8, слой 10 положительного электрода (который является катодом при разряде элемента 2, 4) и слой 12 коллектора положительного тока. С противоположных сторон каждый из элементов 2, 4 ограничен изоляционным материалом 14, 16.
С левой стороны каждого элемента 2, 4 (как показано на фиг. 1) изоляционный материал 14 покрывает кромки электролитного слоя 8, слоя 10 положительного электрода и слоя 12 коллектора положительного тока. Кромка слоя анодного коллектора отрицательного тока/слоя 6 отрицательного электрода с левой стороны каждого элемента 2, 4 обнажена.
С правой стороны каждого элемента (как показано на фиг. 1) изоляционный материал 16 покрывает кромки слоя коллектора отрицательного тока/слоя 6 отрицательного электрода, электролитного слоя 8 и слоя 10 положительного электрода. Кромка слоя 12 коллектора положительного тока с правой стороны каждого элемента 2, 4 обнажена.
Устройство 1 накопления энергии имеет преимущество, состоящее в том, что с противоположных сторон элементов 2, 4 могут быть предусмотрены электрические соединители 18, 20, как показано на фиг. 2, при этом электрический соединитель 18 слева контактирует со слоем 6 коллектора отрицательного тока каждого элемента 2, 4, однако изоляционный материал 14 предотвращает его контакт с другими слоями, а электрический соединитель 20 справа контактирует со слоем 12 коллектора положительного тока, однако изоляционный материал 16 предотвращает его контакт с другими слоями. Таким образом, благодаря изоляционному материалу 14, 16 исключается короткое замыкание между слоями 6, 12 коллекторов тока и другими слоями каждого из элементов 2, 4. Электрическими соединителями 18, 20 может служить, например, металлический материал, который наносят на кромки пакета распылением. Таким образом, можно легко и просто выполнить параллельное соединение элементов 2, 4.
Способ изготовления элементов, показанных на фиг. 1 и 2, далее будет описываться со ссылкой на фиг. 3а-3h.
На фиг. 3а показан слой 12 коллектора положительного тока, представляющий собой никелевую фольгу, однако можно использовать любой подходящий металл, например, алюминий, медь или сталь, или металлизированный материал, включая металлизированные пластические материалы, такие как алюминий на полиэтилентерефталате (ПЭТ). Первый слой 10 положительного электрода осаждают на слое 12 коллектора тока, например, методом окунания или осаждения из паровой фазы, как показано на фиг. 3b. Слой 10 положительного электрода действует как катод во время разряда и может содержать материал, например, литий-кобальт-оксид, литий-железо-фосфат или соли полисульфида щелочного металла, который способен аккумулировать ионы лития в результате стабильных химических реакций. Электролитный слой 8 осаждают поверх слоя 10 положительного электрода, как показано на фиг. 3с. Электролитный слой в электрохимическом элементе может содержать любой подходящий материал, который обладает ионной проводимостью, но который также является электрическим изолятором, такой как фосфор-оксинитрид лития (LiPON). Для окончания сборки пакета поверх электролитного слоя 8 осаждают слой 6 отрицательного электрода, как показано на фиг. 3d. При этом слой 6 отрицательного электрода (который действует как анод во время разряда) используется как коллектор отрицательного тока. В альтернативных вариантах осуществления изобретения коллектор отрицательного тока и слой отрицательного электрода могут быть отдельными слоями. Слой отрицательного электрода может содержать металлический литий, графит, кремний или оксиды индия-олова. В вариантах осуществления изобретения, в которых коллектор отрицательного тока представляет собой отдельный слой, коллектор отрицательного тока может содержать никелевую фольгу, однако можно использовать любой подходящий металл, например, алюминий, медь или сталь, или металлизированный материал, включая металлизированные пластические материалы, такие как алюминий на полиэтилентерефталате (ПЭТ). Каждый слой может быть осажден методом окунания, что обеспечивает простой и эффективный способ получения высокогомогенного слоя.
Для прорезки параллельных чередующихся пазов 22, 24 в верхней и нижней частях пакета, которые показаны на фиг. 3е, используют лазерный режущий инструмент. Следует отметить, что пазы 22 в нижней части пакета смещены относительно пазов 24 в верхней части пакета. Область пакета между нижним пазом 22 и смежным верхним пазом 24 соответствует одному элементу.
Каждый паз 22 в нижней части пакета формируют, прорезая слой 12 коллектора тока, слой 10 положительного электрода и электролитный слой 8 вплоть до слоя 6 отрицательного электрода.
Каждый паз 24 в верхней части пакета формируют, прорезая слой 6 отрицательного электрода, электролитный слой 8 и слой 10 положительного электрода вплоть до слоя 12 коллектора тока.
В процессе прорезки пазов обнажается кромка вдоль каждого слоя и, соответственно, в верхних пазах 24 обнажается часть верхней поверхности слоя 12 коллектора тока, а в нижних пазах 22 обнажается часть нижней поверхности слоя 6 отрицательного электрода. Следует отметить, что каждый паз должен быть выполнен с особой точностью для прорезки только требуемых слоев и предотвращения или по меньшей мере минимизации любого нарушения слоя, который должен оставаться неповрежденным. С учетом того, что технология двухфотонной лазерной резки является процессом резки, обеспечивающим требуемую точность, она является предпочтительной. Однако на каждом этапе могут быть использованы другие подходящие процессы резки, например, любой способ, который обеспечивает удаление материала с образованием паза и/или отделение элементов. На каждом этапе формирования паза и отделения элементов можно использовать разные методы резки, например, после ультразвуковой резки может следовать газоструйная резка.
В представленном варианте осуществления изобретения операцию прорезки проводят в среде, содержащей газообразный мономер, который во время операции прорезки полимеризуется по кромкам слоев, образованным в процессе прорезки, а также на обнаженном участке верхней поверхности слоя 12 коллектора тока и на обнаженном участке нижней поверхности слоя 6 отрицательного электрода на дне каждого паза. Полимер создает электроизоляционную пробку 26, 28, которая перекрывает обнаженные кромки и обнаженные участки поверхностей слоев внутри паза, как показано на фиг. 3f. Может быть использован любой подходящий полимер, такой как этилен, винилхлорид или тетрафторэтилен. Согласно альтернативным вариантам осуществления изобретения, для формирования электроизоляционных пробок пазы заполняют отверждаемой жидкостью, например, органическим суспензированным жидкообразным веществом.
После отверждения полимера пакет разрезают вдоль пазов 22, 24, как показано пунктирными линиями на фиг. 3g, получая отдельные элементы, показанные на фиг. 3h. И в этом случае может быть выполнена лазерная резка. Каждую резку выполняют по центру изоляционной пробки 26, 28, разделяя пробку 26, 28 на две части, при этом каждая часть пробки является защитным покрытием кромок и соответствующей поверхности указанных элементов 2, 4.
При резке пакета обнажаются кромки слоя 12 коллектора положительного тока и слоя 6 отрицательного электрода первого и второго элементов 2, 4, как показано на фиг. 3h.
Для создания устройства 1 накопления энергии, показанного на фиг. 1, второй элемент 4 инвертируют и располагают поверх первого элемента 2. Затем посредством напыления, например, металлического слоя вдоль каждой стороны устройства 1 накопления энергии формируют электрический соединитель 18, 20 для соединения между собой слоев 12 коллекторов положительного тока каждого элемента 2, 4 с одной стороны устройства 1 накопления энергии и для соединения между собой слоев отрицательных электродов/слоев 6 коллекторов отрицательного тока каждого элемента 2, 4 с противоположной стороны устройства 1 накопления энергии, как описано ранее и показано на фиг. 2.
На фиг. 4 и 5 показан вариант описанного выше способа, согласно которому непрерывный пакет формируют на разматываемом, например, с рулона листовом материале, который служит слоем 12 коллектора положительного тока, и после разрезки пакета получают сотни и потенциально тысячи элементов. Сформированный таким образом пакет складывают в виде гармошки, как показано на фиг. 4, создавая компоновку, содержащую по меньшей мере десятки, предпочтительно, сотни и потенциально тысячи слоев с выровненными пробками 26, 28, как показано на фиг. 5. Затем выполняют операцию лазерной резки для разрезки всех пакетов (как показано пунктирными линиями на фиг. 5), при этом для каждого набора выровненных пробок требуется одна операция резки.
Сформированный пакет может находиться в заряженном состоянии до прорезки пазов в пакете и до разрезки пакета на отдельные элементы. Прорезка пазов, которые отделяют компоненты накопления энергии элементов друг от друга и/или последующая прорезка слоев коллекторов тока для разделения пакета на отдельные элементы, может повысить безопасность процессов изготовления и последующей обработки, поскольку нет необходимости обрабатывать большой пакет с большим количеством накопленной энергии.