用于固態電池的襯底的制作方法
【技術領域】
[0001 ] 除非另有所指，在本部分中描述的材料不是本申請的權利要求的現有技術并且也 不是通過包括在這個部分中而被承認為現有技術。
[0002] 傳統的鋰離子和鋰聚合物電池典型地由鋰鈷氧化物（LiCoO2)陰極、石墨陽極、聚 合物隔板以及液體電解質構成。傳統的鋰離子和鋰聚合物電池的一個限制在于液體電解質 存在安全問題，因為如果在這種電池的陽極和陰極之間由于例如缺陷或錯誤操作而發生短 路，則液體電解質可能會起火。傳統鋰離子和鋰聚合物電池的另一個限制在于：由于這種電 池具有較高的非活性材料（例如，聚合物隔板、液體電解質）對活性材料（例如，LiCoOjA 極和石墨陽極）的比，它們具有大約500-550Wh/L的有限能量密度。
[0003] 固態電池在能量密度和安全性兩方面存在優于傳統鋰離子和鋰聚合物電池的進 步。固態電池典型地由LiCoO 2陰極、鋰陽極和固態鋰磷氧氮（LiPON)電解質構成，固態鋰 磷氧氮電解質還作為隔板。鋰陽極具有大約3800mAh/g的理論比容（與鋰離子和鋰聚合物 電池中使用的石墨陽極相比，后者僅具有大約372mAh/g的理論比容），這允許增加固態電 池的能量密度。
[0004] 由于固態電池使用固態電解質，而非液態電解質，所以固態電池不存在鋰離子和 鋰聚合物電池存在的安全問題。另外，固態電池可以具有大約l〇〇〇Wh/L的能量密度。
【發明內容】
[0005] 公開了一種形成在氧化釔穩定化氧化鋯（YSZ)的襯底上的固態電池。在一些實施 方式中，固態電池可以包括YSZ的襯底、形成在該襯底上的陰極集流器、形成在該襯底上的 陽極集流器、與陰極集流器電接觸的鋰鈷氧化物（LiCoO 2)的陰極、與陽極集流器電接觸的 鋰的陽極以及形成在陰極和陽極之間的鋰磷氧氮（LiPON)的固態電解質。
[0006] 在一些實施方式中，固態電池可以是雙側固態電池。在這些實施方式中，陰極集流 器、陽極集流器、陰極、陽極和固態電解質中每一個可以形成在襯底的第一側上。另外，第二 陰極集流器、第二陽極集流器、第二陰極、第二陽極和第二固態電解質可以形成在襯底的與 第一側相反的第二側上。第二陰極可以由LiCoO 2形成，并可以與第二陰極集流器電接觸。 此外，第二陽極可以由鋰形成并可以與第二陽極集流器電接觸。再者，第二固態電解質可以 由LiPON形成并可以形成在第二陰極和第二陽極之間。
[0007] 而且，公開了制造包括YSZ襯底的固態電池的方法。在一些實施方式中，該方法可 以包括提供YSZ的襯底、在襯底上形成陽極集流器和陰極集流器、以及形成1^〇)0 2的陰極， 其中，所述陰極與所述陰極集流器電接觸。所述方法還可以包括在大約700°C和大約800°C 之間的溫度退火陰極、形成LiPON的固態電解質、以及形成鋰的陽極，其中，陽極與陽極集 流器電接觸，且其中固態電解質形成在陽極和陰極之間。
[0008] 還公開了一種制造多個固態電池的方法，每個固態電池包括YSZ的襯底。在一些 實施方式中，該方法可以包括提供包括多個YSZ的襯底的卷，對于多個襯底中的每個襯底： 在襯底上形成陽極集流器和陰極集流器；形成LiCoO 2的陰極，其中陰極與陰極集流器電接 觸；在大約700°C和800°C之間的溫度退火陰極；形成LiPON的固態電解質；以及形成鋰的 陽極，其中，陽極與陽極集流器電接觸，且其中固態電解質形成在陽極和陰極之間。
[0009] 通過閱讀以下的詳細描述，且適當地參照附圖，這些以及其他方面、優點以及替代 方案對本領域技術人員來說將變得清楚。
【附圖說明】
[0010] 圖1A-1B示出根據一些實施方式的包括氧化釔穩定化氧化鋯襯底的示例固態電 池；
[0011] 圖2是描述根據一些實施方式的制造包括氧化釔穩定化氧化鋯襯底的固態電池 的方法的流程圖；
[0012] 圖3A至3E示出根據一些實施方式的制造包括氧化釔穩定化氧化鋯襯底的固態電 池的方法；
[0013] 圖4是描繪根據一些實施方式的制造多個固態電池的方法的流程圖，每個固態電 池包括氧化紀穩定化氧化錯襯底；
[0014] 圖5A至5C示出根據一些實施方式的制造多個固態電池的方法，每個固態電池包 括氧化釔穩定化氧化鋯襯底。
【具體實施方式】
[0015] 在此描述示例性方法和系統。應理解的是術語"示例"和"示例性的"在此用于表 示"作為一個示例、例子或說明"。在此被描述為"示例"或"示例性的"的任何實施方式或特 征不一定被理解為相對于其他實施方式或特征是優選的或有利的。在下面的詳細描述中， 對附圖進行參考，該附圖形成該詳細描述的一部分。在圖中，類似的符號典型地表示類似的 部件，除非上下文另有所指。可以利用其他實施方式，且可以做出其他變化，而不背離在此 給出的主題的精神或范圍。
[0016] 在此描述的示例實施方式絕不意味著限制。將容易理解到本公開的各個方面，如 在此整體描述且如附圖中示出的，能夠以多種不同的構造來布置、替代、組合、分離和設計， 所有這些在此被明確地構想到。
[0017] I.概述
[0018] 各種襯底材料目前被用于固態電池，包括例如銅、不銹鋼和聚酰亞胺。但是，形成 在這些襯底材料的每個上的固態電池典型地呈現出在大約97_150Wh/L量級的有限能量密 度。這些有限的能量密度是多個因素的結果。
[0019] 首先，能量密度受到在固態電池的制造過程中可以使用的退火溫度的限制。為了 優化鋰鈷氧化物（LiCoO 2)陰極的結晶和晶體取向（以及因此優化固態電池的能量密度）， 期望的是在大約700°C和大約800°C之間的溫度退火LiCoO 2陰極。但是，聚酰亞胺襯底不能 承受如此高的退火溫度，而是，聚酰亞胺被限制于大約400°C的退火溫度。銅可以承受大約 700-800°C的退火溫度，但是結果是銅在退火過程中會氧化。此外，雖然不銹鋼能夠類似地 承受大約700-800°C的退火溫度，但在這樣溫度下退火的過程中，不銹鋼中的合金元素（例 如，鉻）會迀移到LiCoO 2陰極中，由此減少了固態電池的循環壽命。
[0020] 形成在銅、不銹鋼和聚酰亞胺襯底上的固態電池的能量密度可以由于襯底材料的 熱膨脹系數（CTE)與1^〇)02的CTE之間的失配而被進一步限制，該失配會限制在這些襯底 的每個上生長的LiCoO2陰極的厚度。在這些襯底上以更大厚度生長LiCoO 2導致LiCoO 2的 裂紋和剝離。
[0021] 公開了一種形成在氧化釔穩定化氧化鋯（YSZ)的襯底上的固態電池。YSZ是柔性 陶瓷，它能夠承受在大約700°C和大約800°C之間的退火溫度，這允許LiCoO 2的期望退火。 另外，YSZ在大約800°C具有近乎零的熱膨脹系數，允許生長1^〇)02的更厚的層而不會出現 LiCoO2的裂紋或剝離。結果，具有YSZ襯底的固態電池可以呈現大約1030Wh/L的提高的能 量密度。
[0022] 圖IA示出根據一些實施方式的包括YSZ襯底102的示例固態電池100。如圖所 示，固態電池100還包括陰極集流器104、陽極集流器106、陰極108、固態電解質110和陽極 112〇
[0023] 襯底102可以采取多種尺寸。在一些實施方式中，襯底102可以具有例如在大約 25 μπι和大約40 μπι之間的厚度。其他厚度同樣是可能的。襯底102的尺寸，包括例如襯底 102的平面面積和厚度，可以根據固態電池100的應用而變化。
[0024] 在襯底102的YSZ中的氧化釔的摩爾濃度可以根據應用而類似地變化。在一些實 施方式中，YSZ中的氧化釔的摩爾濃度可以例如大約為3%。氧化釔的其他摩爾濃度同樣是 可能的。
[0025] 在一些實施方式中，襯底102可以是YSZ的單獨層。可替代的，在其他實施方式中， 襯底102可以進一步包括金屬或陶瓷層。在這些實施方式中，襯底102的YSZ可以附接到 金屬或陶瓷層上。然后陰極集流器104和陽極集流器106可以形成在YSZ上。
[0026] 陰極集流器104和陽極集流器106可以各自由導電材料形成。例如，在一些實施方 式中，