專利名稱：三維電池及其制造方法
三維電池及其制造方法
相關(guān)申請的交叉參考
根據(jù)35 US.C section 119(e),本申i青要求以下優(yōu)先權(quán)(i ) 2007年1月12 日提交的美國臨時申請No.60/884,836，名稱為"三維鋰電池的電極及其制造方法"； (ii) 2007年1月12日提交的美國臨時申請No.60/884,828，名稱為'1頓骨架結(jié) 構(gòu)的三維電池及其制造方法"；以及(iii) 2007年1月12日提交的美國臨時申請 No.60/884,846，名稱為"三維鋰電池的隔膜構(gòu)造'；其織內(nèi)容3M參考合并其中。
背景技術(shù)：
1. 本發(fā)明的駄領(lǐng)域
根據(jù)本發(fā)明原理的實施一股涉及電池技術(shù)領(lǐng)域，更具體地為三維儲能系鄉(xiāng)皿
錢，例如電池和電容器，以及它們的制造方法。
2. 背景絲
現(xiàn)有的儲倉離，例如電池、燃料電池和電化學(xué)電容器， 一般具有二維層狀 結(jié)構(gòu)(例如，平喊螺旋機板)，其中每個板的表面積粗,于它的幾何面積(忽 輒隙,表面粗驗)。
圖1示出現(xiàn)有儲會離，例如鋰離子電池的截面圖。電池15包括陰極集電器 10，其J^配陰極11。這一層被隔膜12覆蓋，在隔膜12上皿置陽極集電器13 和陽極14組件。有時這個組由另一個隔鵬(標出)鶴在陽極集電器13上， 并，填充到筒中組，電池15。在充fel程，鋰離開陰極ll并以鋰離子的形式 M隔膜12進入陽極14。根據(jù)所用的陽極，鋰離1^^ (例如，位于陽極材料的 ,中麻;i^成合金)或者形成合金。MM:程，鋰離開陽極14， M隔膜
12遷移并M31i,極u。
文獻中B^提出三維電池為了提高電池的容量和活性物質(zhì)利用率。已經(jīng)提出 三維結(jié)構(gòu)可以用于提供比二維、板狀電池結(jié)構(gòu)更高的表面積和更高的能量。由于 增加可以獲得小幾何面積之外的會遣，制itH維會遣存fi^S是有益的。
下面的參考文獻可以進一步幫助解釋本領(lǐng)域的情況，并作為非必要主題^匕通過參考合并其中Long e. fl/.,"三維電池結(jié)t^T，， Cfem/ca/ ifev/ews， (2004)， 104， 4463~4492; Chang Liu， FOUNDATIONS OF MEMS,第十章，1-55頁(2006); Kanamura" "可充電鋰電池的LiCo02正極的電泳(electrophoretic)制造，，Jbwma/ o/Powerfowrces, 97-98(2001)294-297; Caballero "a/."用電泳沉積制備高電壓鋰離 子電池的LiNiasMnLsCXj薄膜電極"，Jo游ia/ o/Power &^es， 156(2006)583-590; Wang and Cao,"溶膠電泳沉積的五氧化釩膜的1/-嵌入電化學(xué)/電變色性能", Hec的c/z/m/o3r爿cto, 51， (2006)， 48654872; A^/7&awa "聚吡咯涂覆的尖晶石 LiMri204納米管的模板合成及其作為鋰電池陰極活性材料的性能"，Jbwma/ o/ 尸awer&wres， 1923-1927,(1997); Shembel"a/"液態(tài)聚^/柳質(zhì)的鋰二次電池用 薄層電解硫氧化鉬"，5* AW^腦e"'es a^c函i/toora, ABA-2004,鋰聚儒 電解質(zhì)；和Kobin"a/,"舒蒸汽沉積(Molecular Vapor Deposition)——一種改善 MEMS ^g的^f 、凃覆氣相沉積技術(shù)"，SEMI technical Symposium: Innovations in Semiconductor Manufacturing(S75.. iSM)， 5EMC，,扁4, ，4 &/w'conctocv
期望制造一種可以iii共非常高^s和能量密度的三維電化學(xué)^s^置，同時
闡^h^見點赫領(lǐng)域的其它限制。
發(fā)明內(nèi)容
本申請公開，求與三維電池結(jié)構(gòu)相關(guān)的各種方法和^s&其制造方法。在 某些實施例中，三維電池包括電池殼，和電池殼內(nèi)的第一結(jié)構(gòu)層，其中第一結(jié)構(gòu) 層具有第一表面，和皿一表面延伸的第一多個導(dǎo)電，。第一多個電極在電池 殼內(nèi)，其中第一多個電極包括多個陰極和多個陽極，并且其中第一多個電極包括 第二多個電極，第二多個制皿自第一多個電極，每個第二多個電極與戶皿第一
多個導(dǎo)電^fet—的外表面^M。
根據(jù)接下來的附圖、詳細的說明書和權(quán)利要求可以看出本發(fā)明的其它方面和 優(yōu)點。
參照附圖描述本發(fā)明的一些 方案。
圖l是現(xiàn)有二維儲會^S例如鋰離子電池的一M^面圖。
7圖2是根據(jù)本發(fā)明實施方案的骨架結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖3A-3D是根據(jù)本發(fā)明某些實施方案的骨架結(jié)構(gòu)可以組裝的一些形狀的示意圖。
圖4A4E是根據(jù)本發(fā)明實施方案，用減活性離子刻蝕工藝(subtractive reactive ion etoh process)制造骨架結(jié)構(gòu)的過程示意圖。
圖5A-5D是根據(jù)本發(fā)明實施方案，用減活性離子亥Utfcl藝制i^t架結(jié)構(gòu)的過 程示意圖。
圖6A^6C是根據(jù)本發(fā)明實施方案，用減活性離子亥iJtfcL藝制造骨架結(jié)構(gòu)的過 程示意圖。
圖7A-7D是根據(jù)本發(fā)明實施方案，用加電化學(xué)沉積(additive electrochemical deposition)、化爭沉積或電泳沉積工藝制M架結(jié)構(gòu)的過程示意圖。
圖8A-8E是根據(jù)本發(fā)明實施方案，用加沖JET藝(additive extrusion)制5^t 架結(jié)構(gòu)的過程示意圖。
圖9A-9C是根據(jù)本發(fā)明實施方案，用Ji^沉積并組紅藝制itt架結(jié)構(gòu)的過 程示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的某些鄉(xiāng)方鎌^H維鋰離子電池結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有儲育離，例如電池、 燃料電池、和電化學(xué)電容器， 一般具有二維層狀結(jié)構(gòu)(例如，平g螺旋巻^fe)， 其中^^板的表面積粗麟于它的幾何面積(忽B^L隙率和表面粗f鍍)。三維儲 育^S可以是陽極、陰極和減隔膜實質(zhì)上是非層狀的體。例如，如果電極從基 板明顯突出形成非層狀活性電池部件，然后這種非層狀部件的表面積可以比繊 的幾何面積大兩倍。在一些實施方案中，假定互相正交的X、 Y、 Z方向，兩個恒 -Z后ii^t間的間隔應(yīng)當(dāng)至少大于X-Y面中電m間的間隔除以2的平方根。
本發(fā)明的一些實施方案涉及用于葡MH維儲會離，例如電池、電容器和燃 料電池的骨架結(jié)構(gòu)的禾擁。骨架結(jié)構(gòu)可以用于il^機械穩(wěn)定性、電連接和增加單 位幾何面積的表面。M實例，骨架結(jié)構(gòu)可以Ml在扁^Fmi:金屬線結(jié)^制
^4^，可以基本用于組裝電池的陰極或陽極材料涂敷。^b介紹i頓各種材料、
皿和方法形成骨架結(jié)構(gòu)的實例，以及其它實例。
三維儲能裝置可以產(chǎn)生比常規(guī)裝置更高的單位幾何面積存儲會遣和恢復(fù)率(retrieval)。對于具,儲的會讀三維儲倉^S還可以提高比二維儲能^g更高的 能量恢復(fù)率，例如通爐小化或減小陽極和陰極之間的電子和離子的傳鄉(xiāng)巨離。 這些^g可以MM于微型化和應(yīng)用T^置的幾何面積是受限的和/或需要的能量密 度高于層狀 獲得的能量密的。
本發(fā)明的一些實施方案包括IW穩(wěn)定、導(dǎo)電的骨架結(jié)構(gòu)，骨架結(jié)構(gòu)最后成為 最終組裝的儲倉綴置的一部分。骨架材料一般不參與儲售潔置的有效電化學(xué)⑩，
且可以提高機嫩n電卩M。
骨架材料還可以作為用于高表面積電化學(xué)裝置的高表面積基底。由于構(gòu)成裝 置的活性材料一般是具有相對低機械穩(wěn)定性，機械5驢可以增加裝置的壽命。導(dǎo) 電率可以提高或維持裝置的能量密度(例如，通過減小電阻率)同時還可以平衡 電活性基團之間的電流分配。
骨架結(jié)構(gòu)可以制^^相對于幾何面積更高表面積的樹可微，例如柱、桿、 板、波形、環(huán)形、菱形、螺旋、階梯結(jié)構(gòu)等。骨架結(jié)構(gòu)可以由可以形成的任何材 料制成，例如錢、半導(dǎo)體、有機物、陶瓷和鵬。骨架結(jié)構(gòu)可以用 #: ( i) 儲獸操置中活性電極，例如鋰離子電池中的陽極和陰極的硬度；(ii )高三維結(jié)構(gòu) 的電連接；以及(iii)增加單位幾何面積的表面積。理想的材料包括半導(dǎo)^M料 例如硅和鍺。碳基有機材料也可以用于形^H維結(jié)構(gòu)的骨架結(jié)構(gòu)。金屬，例如鋁、 銅、鎳、鈷、鈦和鉤，也可以用作骨架結(jié)構(gòu)。
在一些實施方案中，骨架結(jié)構(gòu)由鍋、特體、有機材料、陶瓷或鵬用減 形成技術(shù)(sublractive formation technique)制成。這些材料可以3131用選骸1」,
?；钚钥贴i底和等離子刻tfcr藝形成?？蛇x糊，或結(jié)合，艦電化學(xué)刻蝕、
模印、離電切削可選掛也雌除去不期望有這些材料的區(qū)域中的材料。
在其他的實施方案中，骨架結(jié)構(gòu)由鍋、半導(dǎo)體、有機材料、陶 鵬用 加形成fe^ (additive formation technique)鬼U成。i^^材料可以M3KOT例如傳統(tǒng) 的平板印刷技術(shù)犧牲模板，并使用例如電化爭沉積、化爭沉積、電泳沉積、真空 注入、模板注入等技術(shù)沉積骨架材料形成。在具體實例中，骨架結(jié)構(gòu)可以用金屬 線直接結(jié)合直接組裝。在其他實例中，骨架結(jié)構(gòu)可以用傳統(tǒng)平板印刷和沉積技術(shù) 形皿平^J:，隨后M"安裝和OT (pickandplace)"和焊接g^占結(jié)纟膝。
在其它實施方案中，骨架結(jié)構(gòu)可以用印刷技術(shù)，例如三維印刷和噴墨印刷， 形鵬單層或多層印刷的骨架結(jié)構(gòu)以獲得MII的^t和厚度?？蛇x娜，或結(jié)合，
9骨架材料可以以層疊板的形式組裝，其中犧牲層沉積其中。板的層疊基本完成之 后，最后的結(jié)構(gòu)被分割成預(yù)定高度的、被組驗一起的塊，去除犧牲材料以提供 骨架結(jié)構(gòu)。
在導(dǎo)電骨架結(jié)構(gòu)的實例中，活性材料可以M31各種技術(shù)，例如電化學(xué)沉積、 化學(xué)沉積、在有機或無機模具中共同沉積、電泳沉積、機械注入和壓實，和真空 流,積，直接組M骨架結(jié)構(gòu)的頂部和周圍。
在非導(dǎo)電骨架結(jié)構(gòu)的實例中，導(dǎo)電層可以通過各種技術(shù)，例如電化學(xué)或4七學(xué) 沉積、氣相真空、^f只例如原子層沉積(ALD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)， Wt沉積、 蒸發(fā)和電泳沉積，沉積。為了去除陽極和陰極之間的電連接可以連續(xù)地去除這些 導(dǎo)電層。f頓例如翻刻蝕、離預(yù)削和卸下技術(shù)完成這種去除。
圖2示出用于形i^H維電池中的骨架結(jié)構(gòu)20的實例。圖2示出兩個正極21 和負極23的截面圖。在這個實施方案中，骨架結(jié)構(gòu)20包括一般材料的非導(dǎo)電基 底24，導(dǎo)電材料22沉積在基底24上，為了間隔電極21和23在不需要導(dǎo)電材料 22的區(qū)域中去除導(dǎo)電材料22。比較圖2和圖1 ，很明顯圖2中的電極21和23的 表面積比圖1 g的電極的表面積高，電極21和23的長度L厚度T的乘積計算 這個面積。值得注意的是厚度，因此基于需要承載的電流或其它相關(guān)性能，各種 (例如電極和骨架結(jié)構(gòu)魏)的相關(guān)'M例如導(dǎo)電性根據(jù)具體實施方案可以
局部變化(例如，從電^iU電極m^iU^)。
圖3A-3D示出會辦在本發(fā)明鵬實船案的情況下艦、且具有從同一背板 延伸的陰極和陽極的的三維結(jié)構(gòu)的一些 方案。圖3A示出具有柱狀陰極和陽極 的三維且件，圖3B示出具有板形陰極和陽極的三i趙且件，圖3C示出具有同心環(huán) 形的陰極和陽極的三維組件，以及圖3D示出具有跡陰極和陽極的三緞且件。還 可以在本發(fā)明的某些實施方案的情況下柳其它結(jié)構(gòu)，例如蜂窩結(jié)構(gòu)和螺旋。在 圖3A-3D中，陰極30和陽極31從同一背板突出，且周期性變換。然而，在其它 的實施方案中，陰極30可以從與陽極31不同的背板突出。
圖4A4E示出 本發(fā)明某些實;^案{^減活性離子刻 :藝制^架結(jié) 構(gòu)的總工藝流程示意圖。該過程涉及鎌40，鎌40用定向等離子源形鵬發(fā)氣 體副產(chǎn)物，因此有利于去除來鵬?；?0的非限定實例是硅基板，在M上可 以是單晶或多晶。掩模層41通過例如真空沉積、熱氧化、表面涂覆和g爭^f只 的方法沉積在基板40上。在硅作為,40的情況下，特定厚度的熱生長氧化硅層可以作為掩模層41。為了掛共進一步處理以產(chǎn)生骨架結(jié)構(gòu)適用的圖案可以皿 標準圖案技術(shù)隨后對雜41構(gòu)圖。在本發(fā)明的實施方案中，掩t鶴41可以用適 于對第一掩模層41構(gòu)圖的第二掩模層42^M (參見圖4A4D)。為了將第一掩豐莫 層41的圖案轉(zhuǎn)移至U繊40上，在控制的環(huán)境中使繊40和掩豐聽41的組合接 受定向等離子43 (參見圖4D)。在有定向等離子源的情況反應(yīng)刻蝕處理可以, 基板40的優(yōu)良的各項異性刻蝕同時以非常低的速戰(zhàn)lMJfe漠41自身。基板40的 反應(yīng)刻tfe后基本完成之后，可以除去掩t!M 41，在mi:留下圖案，因此形成 骨架結(jié)構(gòu)(參見圖4E)。
參照圖4A4E下面的實例進一頻釋本發(fā)明的構(gòu)思。單晶或多晶硅可以用作 可以在等離體的情況下定向亥'j蝕的基板40。第一掩模層41可以是特定厚度的熱生 長二氧化硅層。標準光致抗蝕劑，例如AZ4620^和AZP4620 (來自Clariant Coipomtion市售的)，可以用作第二掩豐鶴42。該層42可以旋轉(zhuǎn)涂覆1化硅層 上，隨后用標準光學(xué)制版技術(shù)構(gòu)圖。用顯影液，例如AZ400K (來自Clariant Coiporation市售的)可以^^^C蝕劑的區(qū)鵬影。這種圖案結(jié)構(gòu)浸泡在HF、NH3F 和水中(緩沖氧化刻蝕)，其中暴露的1化硅表面被溶解。用相容的有機歸U， 例如N-甲基-2-吡咯烷酮可選^t也去除殘留的^f[蝕劑，留下圖案化:^化鶴。
為了亥iMS^40上的zm化硅圖案，硅和圖案化zm化硅的組合可以接受定向氟
等離子源。在橫向方向不需太多刻蝕硅和二氧化硅的亥U1^I率差就使圖案轉(zhuǎn)移到 40上。硅反應(yīng)刻蝕基本完鵬，掩鶴41可以M 浸泡在緩沖氧化亥觸液 (BufferedOxideEtoh)中，留下圖案4^^40。在一些實例中，終lhM可以加到 ■ 40的底部以利于，鵬和陰極和陽極骨架結(jié)構(gòu)的絕緣。
在一些 方案中，圖案tt^40是導(dǎo)電的，在這種情況下得至啲骨架結(jié)構(gòu) 準備進一步活性材料處理。在雜其它實施方案中，骨架結(jié)構(gòu)是非導(dǎo)電的。在這 種情況下，艦沉積導(dǎo)電層的進一步處理可以艦各種方法進行。
圖5A-5D示出 某些實施方案的減電化學(xué)亥鵬處理制造骨架結(jié)構(gòu)的示意 圖。在這些具體實驗案中，鎌50用aa例如真空沉積、Mi:積、表面涂覆和 濕化爭流只方法沉積在鎌50上的電^^掩t鶴51構(gòu)圖。隨后為了il^適賴 一步處理以產(chǎn)生骨架結(jié)構(gòu)的圖案，iMS準圖案技術(shù)例如平版印刷對鶴51構(gòu)圖。 在本發(fā)明的一些實施方案中，掩t鶴51用適于鄉(xiāng)一掩t艱51構(gòu)圖的第二掩模 層51織(參見圖5A-5B)。在這種情況下，fflOT第二掩鶴5H餅D^W第一掩t難51構(gòu)圖。用選擇濕或干方法選擇性地處麟二掩t媒51，留下圖案化第 一掩模層51 (參見圖5B)。基板50和第一掩模層51的組合方 在具有對電極54 和噴嘴55的電化學(xué)電池53中，噴嘴55噴出溶液，用于電化學(xué)去除暴驗溶液中 的區(qū)域中的材料(參見圖5C)。錢些實施方案中， ^工件可以浸泡在溶液中， 溶液可以溶解于溶液接觸的材料。然而，示出的過程可以實質(zhì)上是各向同性的， 一般i也在深度方向G的每邊去除的材料的量可以基本與在寬度方向且的每邊除去 的材料的量相同。浸泡-槽溶液可以用于使浸泡在其中的零件在得到的骨架結(jié) 構(gòu)中的間隔i明顯比寬度1窄。直流電源56可以用于施加足夠的電勢來 去除與溶液接觸的材料。當(dāng)實質(zhì)上預(yù)定量的材料被去除時處理基本完成， 這可以基于刻蝕速率被精確控制。在某些其它實施方案中，可以檢測電流， 并響應(yīng)電化學(xué)反應(yīng)的終止電流下降。反應(yīng)基本完成之后，除去工件，可以 除去掩模層51留下圖案化基板50，因此形成骨架結(jié)構(gòu)。
參照圖5A-5D下面的實例進一步解釋本發(fā)明的構(gòu)思。用于電化學(xué)構(gòu)圖 的基板50的一個實例是銅板。預(yù)定厚度的銅板可以用作基板50，可以用電 絕緣掩模層51 (例如，AZ4620W或AZP46201^)被構(gòu)圖，掩模層51通過 旋轉(zhuǎn)涂敷沉積在基板50上。在光掩模的情況下該層51可以被曝光，其中 光掩模阻擋光進入應(yīng)當(dāng)留下的區(qū)域。工件可以放置在溶液中，選擇地去除 暴露的區(qū)域?；?0和第一掩模層51的組合被放置在具有對電極54 (例 如鉑)和噴嘴55的電化學(xué)電池53中，噴嘴55噴出電化學(xué)刻蝕溶液用于電 化學(xué)去除暴露在溶液中的區(qū)域中金屬。10wt。/。硫酸和lwt。/。過氧化氫組合物 可以通過噴嘴噴向工件。直流電源56可以用于給基板50施加陽極電勢， 去除同時與銅陽極和鉑陰極接觸的溶液區(qū)域的銅，因此形成局部電化學(xué)電 池。反應(yīng)基本完成之后，可以去除工件，用N-甲基-2-吡咯垸酮去除掩模層 51留下圖案化基板51。
圖6A-6C示出根據(jù)某些實施方案的減壓印工藝(subtractive stamping process)制造骨架結(jié)構(gòu)的示意圖。心軸60是由具有可以從預(yù)期的骨架圖案 轉(zhuǎn)印的圖案預(yù)制的，并且心軸60由薄釋放層61涂覆，該層61可以用于處 理之后利于心軸60的去除。釋放層61可以是，例如，可以均勻氣相沉積 到三維零件中的有機材料。這種材料具有差的粘附性或不刻蝕心軸60或骨 架材料而被選擇性刻蝕的附加性能。例如，涂敷通過化學(xué)氣相沉積銅薄層的不銹鋼心軸可以作為處理過程的適當(dāng)壓印裝置，其中用作可塑材料的材
料是熱可愈光致抗蝕劑(參見圖6A)。心軸60和釋放層61的組合與基板 63上的可塑材料板62接觸。為了轉(zhuǎn)印圖案到可塑材料62上施加壓力(參 見圖6B)。在基板63是透明的情況下，通過利用溫度或其它方式，例如光 固化可塑材料62硬化這種組合。通過適當(dāng)?shù)姆绞饺コ尫艑?1同時分隔 心軸60和包括模壓材料和基板64的得到的骨架結(jié)構(gòu)(參見圖6C)。
在某些其它實施方案中，可以用額外的工藝來處理儲能裝置的骨架結(jié) 構(gòu)。圖7A-7D示出根據(jù)某些實施方案，用加電化^^沉積、化,沉積工藝制皿 架結(jié)構(gòu)的過程示意圖。這1S1程可以參見現(xiàn)有技術(shù)中的LIGA工藝，其中德國表示 "平版印刷，電-成型和造型(Abfomiung)"。在這1S1程中，使用導(dǎo)電或非導(dǎo)電基 板70。在非導(dǎo)電鎌的情況下，沉積導(dǎo)鴨71。在繊70上涂1[^ [蝕劑72， M31用，模73的標準平版印刷技術(shù)構(gòu)圖，在骨架材料沒有被沉積的區(qū)域留下光 i^L蝕劑72 (參見7A和7B)。方爐在電疲浴器中的工件具有足夠的電^K原溶 液中存在的金屬離子形成金屬(參見圖7C)。 ^M離子在導(dǎo)電表面被還原，且不沉 積在有^^蝕劑72雜的區(qū)域。當(dāng)處理基本誠時，包^^且件70、 72和74的 工件從電鍍池中去除，并去除^iit蝕劑72留下骨架結(jié)構(gòu)(包^M件70和74) (參見圖7D)。
參照圖7A-7D下面的實例進一步解釋本發(fā)明的構(gòu)思。在這個過程中， 硅晶片可以用作半導(dǎo)體基板70。可以用濺射沉積技術(shù)沉積銅在硅上產(chǎn)生導(dǎo) 電層71?？梢栽谶@個基板70上涂敷正極或負極色調(diào)光致抗蝕劑(tone photoresist) 72 (例如，AZ462()Tm或AZP4620TM)，通過標準平板印刷技術(shù) 對其構(gòu)圖，光致抗蝕劑72留在不需要沉積骨架材料的區(qū)域。這個工件可以 和鉑對電極一起放置在包括1M硫酸鎳、0.2M氯化鎳、25g/l硼酸和lg/1的 糖精鈉的鎳電鍍浴器中，電勢足夠?qū)⑷芤褐写嬖诘逆囯x子還原為鎳金屬74。 金屬離子在導(dǎo)電表面被還原，而不沉積在存在光致抗蝕劑72的區(qū)域。當(dāng)處 理基本完成時，可以去除包括硅晶片70、光致抗蝕劑72和鎳金屬74的工 件。隨后，通過用N-甲基-2-吡咯垸酮去除光致抗蝕劑72，留下包括組件 70和74的骨架結(jié)構(gòu)。光致抗蝕劑72存在的區(qū)域內(nèi)保留的銅金屬通過包括 2%硫酸和1%過氧化氫的化學(xué)刻蝕去除。
圖8A-8E示出根據(jù)某些實 案的用力口沖壓工藝制蹄架結(jié)構(gòu)的過程示意
13圖。心軸80是由具有可以從預(yù)期的骨架圖案轉(zhuǎn)印的圖案預(yù)制的，并且心軸 80由薄釋放層81涂覆，該層81可以用于處理之后利于心軸80的去除(參 見圖8A)。為了便于可以制成模具的材料的添加這個心軸80還在每個開口 85的邊緣或頂部張開。釋放層81可以是，例如可以均勻氣相沉積到三維零 件中的有機材料。這種材料具有差的粘附性或不刻蝕心軸80或骨架材料而 被選擇性刻蝕的附加性能。例如，涂敷通過化學(xué)氣相沉積銅薄層的不銹鋼 心軸可以作為處理過程的適當(dāng)壓印裝置，其中用作可塑材料82的材料是熱 可愈光致抗蝕劑。心軸80和釋放層81的組合與基板83接觸(參見圖8B)。 可塑材料82突出到開口 85中并填充開口 (參見8C)。同時開口85中的任 何殘留材料被清洗去除(參見圖8D)。在基板83是透明的情況下，通過利 用溫度或其它方式，例如光固化可塑材料82硬化這種組合。通過適當(dāng)?shù)姆?式去除釋放層81同時分隔心軸80和包括模壓材料82和基板83的得到的 骨架結(jié)構(gòu)(參見圖8E)。根據(jù)每個具體的執(zhí)行過程，釋放層81可以是不必 要的(例如，如果心軸/模具80自身滿足所需的參數(shù)，否則釋放層滿足所需 參數(shù))。在某些實施方案中，心軸/模具80可以通過溶液被釋放。
圖9A-9C示出根據(jù)，實施方案的用jl,沉積并組^l藝制，架結(jié)構(gòu)的 過程示意圖。在這個處 :程中，組裝骨架材料和犧牲材料的可選擇層。組裝 在一起的一組材料的實例是銅箔91分散在其中的聚乙烯對苯二酸酯(PET) 板90。因此，得到堆疊結(jié)構(gòu)包括PET/銅/PET/銅/PET (參見圖9A)。這個 層被切割為與骨架結(jié)構(gòu)的高度^相應(yīng)的厚度，在它們軸的內(nèi)部螺旋巻繞， 并用環(huán)氧膠組裝到基板92上(參見圖9B)。在包括次氯酸鈉(NaOCl)的 選擇化學(xué)刻蝕溶液中選擇刻蝕去除犧牲PET。留下兩個巻繞的銅基板，一 個用作具有中間溝槽的陰極骨架，另一個用作具有中間溝槽的陽極骨架， 溝槽容納用于電化學(xué)儲裝置的活性材料和隔膜(參見圖9C)。
一旦可用骨架結(jié)構(gòu)，涉及電化學(xué)反應(yīng)中的材料，也稱為活性材料，可 以擔(dān)載在骨架結(jié)構(gòu)上。這可以通過幾種不同的方法實現(xiàn)。陽極骨架和陰極 骨架可以彼此分隔，但每個電機可以自身電連接。這可以借助電化學(xué)沉積 技術(shù)和電泳沉積技術(shù)作為添加活性材料的可行選擇。例如，在鋰離子電池 的情況下，陰極材料，例如LiCo02、LiNio,5MnL504、Li(NM:oyAlz)02、LiFeP04 或Li2Mn04可以電泳沉積在導(dǎo)電基板上。還可以電泳沉積形成V205膜。陰極材料還可以與聚吡咯基質(zhì)一起共同沉積。另外，可以電化學(xué)沉積用于鋰 離子電池的某些陰極材料，例如氧硫化鉬。在某些實施方案中，陰極的成
形包括電泳沉積LiCo02知道厚度在1微米到300微米之間。在某些實施方 案中，層厚在5微米和200微米之間，在某些實施方案中，層厚在10微米 到150微米之間。關(guān)于陽極材料，電化學(xué)沉積可以用于可電鍍陽極材料， 例如錫，電泳沉積可以用于組裝石墨，接下來通過高溫分解的電泳阻抗沉 積(electrophoretic resist deposition)可以形成碳陰極。其它適當(dāng)?shù)年枠O材料 可以包括鈦、硅和鋁。形成陽極的厚度與上述相同。適當(dāng)?shù)母裟た梢园?聚乙烯、聚丙烯、Ti02、 Si02、 Ab03等。
當(dāng)參照儲能裝置描述一些實施方案時，應(yīng)當(dāng)意識到在此描述的骨架結(jié) 構(gòu)可以用于各種其它類型的裝置，該裝置提供增加的單位幾何面積(或每 單位重量或體積)的表面積的。在運行期間這些其它類型的裝置可以涉及 各種類型的處理過程，例如，熱傳遞、化學(xué)反應(yīng)和擴散。
當(dāng)參照具體實施方案描述本發(fā)明時，本領(lǐng)^術(shù)人員應(yīng)當(dāng)a^不脫離附
帶的權(quán)利要求限定的本發(fā)明的真實精神和范圍內(nèi)，可以作各種變化和等效替換。 另外，可以作許多修改使具體瞎況、材料、組合物、方法、運行或操作鵬本發(fā) 明的目的、精神和范圍。所有這樣的修改意在要求的范圍內(nèi)。特別地，當(dāng)在此參
照以特定的"imafi^寺定的操作描述公開的方法時，可以離這雖作可以組合、 細分^w 排列以形跡脫離本發(fā)明教導(dǎo)的靴方法。因此，除一mt特別標，
操作的)l,和組合不限定本發(fā)明。
權(quán)利要求
1、一種三維電池，其包括電池殼；電池殼內(nèi)的第一結(jié)構(gòu)層，所述結(jié)構(gòu)層具有第一表面；從所述第一結(jié)構(gòu)層的所述第一表面延伸的第一多個導(dǎo)電突起；電池殼內(nèi)的第一多個電極，第一多個電極包括多個陰極和多個陽極，其中第一多個電極包括第二多個電極，第二多個電極選自第一多個電極，第二多個電極的每個與所述第一多個導(dǎo)電突起之一的外表面接觸。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的三維電池，其中第二多個電極比第一多個電極少。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2的三維電池，第二多個電極由多個陽膨賊。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2的三維電池，第二多個電極由多個陰極組成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1的三維電池，其中第一多個電極與第二多個電極相同。
6、 職權(quán)利要求2的三維電池，其還包括電池殼內(nèi)的第二結(jié)構(gòu)層，戶;f^第二結(jié)構(gòu)層具有第:i^面；i^M第二結(jié)構(gòu)層的戶;f^^^面延伸的第二多個導(dǎo)電突起；以及第三多個電極，第三多個電極選自第一多個電極，*第三多個電極與導(dǎo)電，的戶; ^第二多個電fet—的夕卜表面,。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6的三維電池，第三多個電極由多個陽極組成。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6的三維電池，第三多個電極由多個陰極組成。
9、 根據(jù)權(quán)利要求i的三維電池，其中戶;M第一多個導(dǎo)電，圍^^Mm— 結(jié)構(gòu)層的戶;f^i面突出的基^^料。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9的三維電池，其中戶;f^基底材料和戶腿第一結(jié)構(gòu)層包括 相同的材料。
11、 根據(jù)權(quán)利要求i的三維電池，其中齡戶腿第二多個電極包括覆蓋在所 述第一多個導(dǎo)電^t一的夕卜表面上的層。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1的三維電池，其中戶腿第一多個導(dǎo)電^^包括i^脫第 一結(jié)構(gòu)層突出至少50微米并具有小于20 厚度的凸棱。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1的三維電池，其中所述第一多個導(dǎo)電，包括AA0M第 一結(jié)構(gòu)層突出至少50微米的柱。
14、 根據(jù)權(quán)利要求io的三維電池，戶;^m二多個電極的^&括am^0M 第一多個導(dǎo)電，之一的夕卜表面上的層。
15、 t鵬權(quán)利要求io的三維電池，其中所述第一多個導(dǎo)電^^包括A^M第一結(jié)構(gòu)層延伸至少50 ，并具有小于20 厚度的凸棱。
16、 根據(jù)權(quán)利要求10的三維電池，其中fft&第一多個導(dǎo)電，包括M^M^ 一結(jié)構(gòu)層突出至少50麟的柱。
17、 根據(jù)權(quán)利要求13的三維電池，^h戶;M柱基本是圓TO。
18、 t^^利要求16的三維電池，旨戶;M柱基本是圓，。
19、 根據(jù)權(quán)利要求6的三維電池，其中戶;f^二多個導(dǎo)電，與戶;Mm三多個導(dǎo)電^電纟線。
20、 根據(jù)權(quán)利要求1的三維電池，其中所述第二多個導(dǎo)電^^包括^^M第 一結(jié)構(gòu)層突出至少50 并具有大約2.5: 1歪IJ500: l之間縱橫比的凸棱。
21、 根據(jù)權(quán)利要求1的三維電池，還包括至少一個戶誠陰極和至少一個戶腿 陽極之間的隔膜。
22、 一種制itH維電池的方法，包括^f共第一結(jié)構(gòu)層，戶;M^構(gòu)層具有第一表面；形成M^^第一結(jié)構(gòu)層的第1面延伸的第一多個導(dǎo)電，； 形，一多個電極，其中每個第一多個電極與所述第一多個導(dǎo)電 ^之一的 外表面,o
23、 根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中形成^i第一多個電極包JSM:電泳沉積形成多個陰極。
24、 根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中形^0M第一多個電極包^M:電泳沉積形成多個陽極。
25、 根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其還包括形^0M第一結(jié)構(gòu)層的戶;M第"^面延伸的多個爭活性骨架，；以及其中形，一多個導(dǎo)電^包括形^mm舒;M攀活性骨架^t一的夕卜表面上的導(dǎo)電層。
26、 ,權(quán)利要求22的方法，其中形^M第一多個電極包括^^h戶脫 第一多個電極的厚度。
27、 根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中形成第一多個電極包^131電泳沉積應(yīng)成
28、 根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中形，一多個電極包KM;電泳沉積應(yīng)成多個陽極。
29、 根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中形成多個陰極包括電泳沉積LiCo02。
30、 根據(jù)權(quán)利要求25的方法，還包括分隔齡多個非-活性魏之間的導(dǎo)電層。
31、 根據(jù)權(quán)禾腰求27的方法，其中形成每個戶腿陰極的步驟包括電泳沉積 LiCo02直到形^:約1 到大約300 mt間的厚度。
32、 根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其還包括,第二結(jié)構(gòu)層，所述第二結(jié)構(gòu)層具有與戶;f^i面大體相對的第i面;形成從戶脫第二結(jié)構(gòu)層的戶腿第1面延伸且與戶腿第一多個導(dǎo)電突起基本 平行的第二多個導(dǎo)電^;以及形成第二多個電極，其中每個戶;M第二多個電極與戶;^第二多個導(dǎo)電^之一的外表面接觸。
全文摘要
本發(fā)明公開并要求與三維電池結(jié)構(gòu)相關(guān)的各種方法和裝置及其制造方法。在某些實施例中，三維電池包括電池殼，和電池殼內(nèi)的第一結(jié)構(gòu)層，其中第一結(jié)構(gòu)層具有第一表面，和第一多個從第一表面延伸的導(dǎo)電突起。第一多個電極在電池殼內(nèi)，其中第一多個電極包括多個陰極和多個陽極，并且其中第一多個電極包括第二多個電極，第二多個電極選自第一多個電極，每個第二多個電極與所述第一多個導(dǎo)電突起之一的外表面接觸。一些實施例涉及制造具有或者不具有骨架結(jié)構(gòu)或?qū)拥膬δ苎b置的工藝。
文檔編號H01M6/00GK101584065SQ200880001678
公開日2009年11月18日 申請日期2008年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月12日
發(fā)明者A·拉希里, H·J·拉斯特三世, M·拉瑪蘇布拉曼尼, R·斯波托尼茨 申請人:微藍公司