用于固态电池的衬底的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 除非另有所指，在本部分中描述的材料不是本申请的权利要求的现有技术并且也 不是通过包括在这个部分中而被承认为现有技术。
[0002] 传统的锂离子和锂聚合物电池典型地由锂钴氧化物（LiCoO2)阴极、石墨阳极、聚 合物隔板以及液体电解质构成。传统的锂离子和锂聚合物电池的一个限制在于液体电解质 存在安全问题，因为如果在这种电池的阳极和阴极之间由于例如缺陷或错误操作而发生短 路，则液体电解质可能会起火。传统锂离子和锂聚合物电池的另一个限制在于：由于这种电 池具有较高的非活性材料（例如，聚合物隔板、液体电解质）对活性材料（例如，LiCoOjA 极和石墨阳极）的比，它们具有大约500-550Wh/L的有限能量密度。
[0003] 固态电池在能量密度和安全性两方面存在优于传统锂离子和锂聚合物电池的进 步。固态电池典型地由LiCoO 2阴极、锂阳极和固态锂磷氧氮（LiPON)电解质构成，固态锂 磷氧氮电解质还作为隔板。锂阳极具有大约3800mAh/g的理论比容（与锂离子和锂聚合物 电池中使用的石墨阳极相比，后者仅具有大约372mAh/g的理论比容），这允许增加固态电 池的能量密度。
[0004] 由于固态电池使用固态电解质，而非液态电解质，所以固态电池不存在锂离子和 锂聚合物电池存在的安全问题。另外，固态电池可以具有大约l〇〇〇Wh/L的能量密度。
【发明内容】
[0005] 公开了一种形成在氧化钇稳定化氧化锆（YSZ)的衬底上的固态电池。在一些实施 方式中，固态电池可以包括YSZ的衬底、形成在该衬底上的阴极集流器、形成在该衬底上的 阳极集流器、与阴极集流器电接触的锂钴氧化物（LiCoO 2)的阴极、与阳极集流器电接触的 锂的阳极以及形成在阴极和阳极之间的锂磷氧氮（LiPON)的固态电解质。
[0006] 在一些实施方式中，固态电池可以是双侧固态电池。在这些实施方式中，阴极集流 器、阳极集流器、阴极、阳极和固态电解质中每一个可以形成在衬底的第一侧上。另外，第二 阴极集流器、第二阳极集流器、第二阴极、第二阳极和第二固态电解质可以形成在衬底的与 第一侧相反的第二侧上。第二阴极可以由LiCoO 2形成，并可以与第二阴极集流器电接触。 此外，第二阳极可以由锂形成并可以与第二阳极集流器电接触。再者，第二固态电解质可以 由LiPON形成并可以形成在第二阴极和第二阳极之间。
[0007] 而且，公开了制造包括YSZ衬底的固态电池的方法。在一些实施方式中，该方法可 以包括提供YSZ的衬底、在衬底上形成阳极集流器和阴极集流器、以及形成1^〇)0 2的阴极， 其中，所述阴极与所述阴极集流器电接触。所述方法还可以包括在大约700°C和大约800°C 之间的温度退火阴极、形成LiPON的固态电解质、以及形成锂的阳极，其中，阳极与阳极集 流器电接触，且其中固态电解质形成在阳极和阴极之间。
[0008] 还公开了一种制造多个固态电池的方法，每个固态电池包括YSZ的衬底。在一些 实施方式中，该方法可以包括提供包括多个YSZ的衬底的卷，对于多个衬底中的每个衬底： 在衬底上形成阳极集流器和阴极集流器；形成LiCoO 2的阴极，其中阴极与阴极集流器电接 触；在大约700°C和800°C之间的温度退火阴极；形成LiPON的固态电解质；以及形成锂的 阳极，其中，阳极与阳极集流器电接触，且其中固态电解质形成在阳极和阴极之间。
[0009] 通过阅读以下的详细描述，且适当地参照附图，这些以及其他方面、优点以及替代 方案对本领域技术人员来说将变得清楚。
【附图说明】
[0010] 图1A-1B示出根据一些实施方式的包括氧化钇稳定化氧化锆衬底的示例固态电 池；
[0011] 图2是描述根据一些实施方式的制造包括氧化钇稳定化氧化锆衬底的固态电池 的方法的流程图；
[0012] 图3A至3E示出根据一些实施方式的制造包括氧化钇稳定化氧化锆衬底的固态电 池的方法；
[0013] 图4是描绘根据一些实施方式的制造多个固态电池的方法的流程图，每个固态电 池包括氧化纪稳定化氧化错衬底；
[0014] 图5A至5C示出根据一些实施方式的制造多个固态电池的方法，每个固态电池包 括氧化钇稳定化氧化锆衬底。
【具体实施方式】
[0015] 在此描述示例性方法和系统。应理解的是术语"示例"和"示例性的"在此用于表 示"作为一个示例、例子或说明"。在此被描述为"示例"或"示例性的"的任何实施方式或特 征不一定被理解为相对于其他实施方式或特征是优选的或有利的。在下面的详细描述中， 对附图进行参考，该附图形成该详细描述的一部分。在图中，类似的符号典型地表示类似的 部件，除非上下文另有所指。可以利用其他实施方式，且可以做出其他变化，而不背离在此 给出的主题的精神或范围。
[0016] 在此描述的示例实施方式绝不意味着限制。将容易理解到本公开的各个方面，如 在此整体描述且如附图中示出的，能够以多种不同的构造来布置、替代、组合、分离和设计， 所有这些在此被明确地构想到。
[0017] I.概述
[0018] 各种衬底材料目前被用于固态电池，包括例如铜、不锈钢和聚酰亚胺。但是，形成 在这些衬底材料的每个上的固态电池典型地呈现出在大约97_150Wh/L量级的有限能量密 度。这些有限的能量密度是多个因素的结果。
[0019] 首先，能量密度受到在固态电池的制造过程中可以使用的退火温度的限制。为了 优化锂钴氧化物（LiCoO 2)阴极的结晶和晶体取向（以及因此优化固态电池的能量密度）， 期望的是在大约700°C和大约800°C之间的温度退火LiCoO 2阴极。但是，聚酰亚胺衬底不能 承受如此高的退火温度，而是，聚酰亚胺被限制于大约400°C的退火温度。铜可以承受大约 700-800°C的退火温度，但是结果是铜在退火过程中会氧化。此外，虽然不锈钢能够类似地 承受大约700-800°C的退火温度，但在这样温度下退火的过程中，不锈钢中的合金元素（例 如，铬）会迀移到LiCoO 2阴极中，由此减少了固态电池的循环寿命。
[0020] 形成在铜、不锈钢和聚酰亚胺衬底上的固态电池的能量密度可以由于衬底材料的 热膨胀系数（CTE)与1^〇)02的CTE之间的失配而被进一步限制，该失配会限制在这些衬底 的每个上生长的LiCoO2阴极的厚度。在这些衬底上以更大厚度生长LiCoO 2导致LiCoO 2的 裂纹和剥离。
[0021] 公开了一种形成在氧化钇稳定化氧化锆（YSZ)的衬底上的固态电池。YSZ是柔性 陶瓷，它能够承受在大约700°C和大约800°C之间的退火温度，这允许LiCoO 2的期望退火。 另外，YSZ在大约800°C具有近乎零的热膨胀系数，允许生长1^〇)02的更厚的层而不会出现 LiCoO2的裂纹或剥离。结果，具有YSZ衬底的固态电池可以呈现大约1030Wh/L的提高的能 量密度。
[0022] 图IA示出根据一些实施方式的包括YSZ衬底102的示例固态电池100。如图所 示，固态电池100还包括阴极集流器104、阳极集流器106、阴极108、固态电解质110和阳极 112〇
[0023] 衬底102可以采取多种尺寸。在一些实施方式中，衬底102可以具有例如在大约 25 μπι和大约40 μπι之间的厚度。其他厚度同样是可能的。衬底102的尺寸，包括例如衬底 102的平面面积和厚度，可以根据固态电池100的应用而变化。
[0024] 在衬底102的YSZ中的氧化钇的摩尔浓度可以根据应用而类似地变化。在一些实 施方式中，YSZ中的氧化钇的摩尔浓度可以例如大约为3%。氧化钇的其他摩尔浓度同样是 可能的。
[0025] 在一些实施方式中，衬底102可以是YSZ的单独层。可替代的，在其他实施方式中， 衬底102可以进一步包括金属或陶瓷层。在这些实施方式中，衬底102的YSZ可以附接到 金属或陶瓷层上。然后阴极集流器104和阳极集流器106可以形成在YSZ上。
[0026] 阴极集流器104和阳极集流器106可以各自由导电材料形成。例如，在一些实施方 式中，