KR20160140863A - 고상 배터리들을 위한 상호 접속의 형성 - Google Patents

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Abstract

개선된 에너지 밀도들을 갖는 배터리들 및 배터리들을 제조하는 방법들이 개시된다. 일부 실시예들에서, 기판의 제1 측면 상에 제1 음극 전류 콜렉터 및 제1 양극 전류 콜렉터가 제공된다. 기판의 제2 측면 상에 제2 음극 전류 콜렉터 및 제2 양극 전류 콜렉터가 제공된다. 레이저를 사용하여, 제1 음극 전류 콜렉터와 제2 음극 전류 콜렉터 사이에 기판을 통하는 제1 채널 및 제1 양극 전류 콜렉터와 제2 양극 전류 콜렉터 사이에 기판을 통하는 제2 채널을 형성한다. 제1 음극 전류 콜렉터와 제2 음극 전류 콜렉터 사이에, 제1 채널을 통하는, 음극 상호 접속이 형성된다. 제1 양극 전류 콜렉터와 제2 양극 전류 콜렉터 사이에, 제2 채널을 통하는, 양극 상호 접속이 형성된다.

Description

고상 배터리들을 위한 상호 접속의 형성{FORMING AN INTERCONNECTION FOR SOLID-STATE BATTERIES}
관련된 출원에 대한 상호 참조
본원은 2014년 3월 31일자 출원된, 미국 특허 출원 번호 14/230,796을 우선권 주장하고, 이는 전체가 본원에 참조로 포함된다.
여기서 달리 표명하지 않는다면, 이 섹션에서 설명된 자료들은 본원의 청구범위에 대한 종래 기술도 아니고 이 섹션에 포함되는 것으로 인해 종래 기술로 인정되는 것도 아니다.
리튬-이온 및 리튬 중합체 배터리들은 일반적으로 리튬 코발트 산화물(LiCoO2) 음극, 흑연 양극, 중합체 분리기, 및 액체 전해질로 이루어진다. 이들 리튬-이온 및 리튬 중합체 배터리들의 한 단점은 액체 전해질이 안전 문제들을 일으킨다는 것이다. 일부 경우들에서, (예를 들어, 결함들 또는 잘못 다루는 것으로 인해) 배터리의 양극과 음극 사이에 단락이 발생하면 액체 전해질은 불에 타게 될 수 있다. 종래의 리튬-이온 및 리튬 중합체 배터리들의 또 하나의 단점은 이들 배터리가 활성 재료들(예를 들어, LiCoO2 음극 및 흑연 양극)에 대해 높은 비율의 비활성 재료들(예를 들어, 중합체 분리기, 액체 전해질)을 갖기 때문에, 그들은 약 500-550Wh/L의 제한된 에너지 밀도를 갖는다는 것이다.
고상(solid-state) 배터리들은 에너지 밀도와 안전성 둘 다에 있어서 종래의 리튬-이온 및 리튬 중합체 배터리들에 대한 개선을 제공할 수 있다. 고상 배터리들은 전형적으로 LiCoO2 음극, 리튬 양극, 및 분리기로서 또한 작용하는 고상 리튬 인 산화질화물(LiPON) 전해질로 이루어진다. 리튬 양극은 (고작 약 372mAh/g의 이론적 비용량을 갖는 리튬-이온 및 리튬 중합체 배터리들에서 사용된 흑연 양극과 비교하여) 약 3800mAh/g의 이론적인 비용량을 가지어, 고상 배터리들의 증가된 에너지 밀도를 가능하게 한다.
고상 배터리들은 액체 전해질보다는, 고상 전해질을 사용하기 때문에, 고상 배터리들은 리튬-이온 및 리튬 중합체 배터리들이 갖는 안전 문제들을 피할 수 있다.
예시적인 실시예들은 여기에 하나 이상의 레이저를 사용하여 고상 배터리를 통해 채널들을 형성하는 것을 개시한다. 또한, 고상 배터리를 제조하는 방법이 제공되는데 여기서 상호 접속들이 고상 배터리를 통해 형성되어, 종래의 커넥터들 및 탭들이 요구되지 않는다. 고상 배터리 셀들을 통하는 상호 접속들을 병렬로 또는 직렬로 형성하는 것은 종래의 커넥터들 및 탭들의 사용을 없애 준다. 일부 실시예들에서, 레이저는 하나 이상의 배터리 셀을 통하는 구멍을 관통(예를 들어, 드릴링(drill), 펑처링(puncture), 천공(perforate)) 및/또는 생성하기 위해 사용될 수 있다.
제1 측면 및 제2 측면을 포함하는 기판을 갖는 배터리들이 여기에 개시되고, 여기서 기판의 제1 측면 상에 제1 음극 전류 콜렉터 및 제1 양극 전류 콜렉터가 있고, 기판의 제2 측면 상에 제2 음극 전류 콜렉터 및 제2 양극 전류 콜렉터가 있다. 또한, 배터리는 제1 음극 전류 콜렉터와 제2 음극 전류 콜렉터 사이에 기판을 통하는 제1 채널을 포함할 수 있다. 그리고 또한, 배터리는 제1 양극 전류 콜렉터와 제2 양극 전류 콜렉터 사이에 기판을 통하는 제2 채널을 포함할 수 있다. 또한, 배터리는 제1 음극 전류 콜렉터와 제2 음극 전류 콜렉터 사이에, 제1 채널을 통하는, 음극 상호 접속을 포함할 수 있다. 또한, 배터리는 제1 양극 전류 콜렉터와 제2 양극 전류 콜렉터 사이에, 제2 채널을 통하는, 양극 상호 접속을 포함할 수 있다.
배터리를 제조하는 방법들이 또한 개시된다. 일부 실시예들에서, 방법은 기판의 제1 측면 상에 제1 음극 전류 콜렉터 및 제1 양극 전류 콜렉터를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 방법은 기판의 제2 측면 상에 제2 음극 전류 콜렉터 및 제2 양극 전류 콜렉터를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 그리고 또한, 방법은 적어도 하나의 레이저를 사용하여 (a) 기판을 통하는 제1 채널을 - 제1 채널은 제1 음극 전류 콜렉터와 제2 음극 전류 콜렉터 사이에 있음 -, 그리고 (b) 기판을 통하는 제2 채널을 - 제2 채널은 제1 양극 전류 콜렉터와 제2 양극 전류 콜렉터 사이에 있음 - 형성하는 것을 포함한다. 또한, 방법은 제1 음극 전류 콜렉터와 제2 음극 전류 콜렉터 사이에, 제1 채널을 통하는, 음극 상호 접속을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 방법은 제1 양극 전류 콜렉터와 제2 양극 전류 콜렉터 사이에, 제2 채널을 통하는, 양극 상호 접속을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
다수의 고상 배터리를 제조하는 방법들이 또한 개시된다. 일부 실시예들에서, 방법은 다수의 기판을 포함하는 롤을 제공하고, 복수의 기판의 각각의 기판에 대해: (1) 기판의 제1 측면 상에 제1 음극 전류 콜렉터 및 제1 양극 전류 콜렉터를 형성하고, 기판의 제2 측면 상에 제2 음극 전류 콜렉터 및 제2 양극 콜렉터를 형성하고; (2) 기판의 제1 측면 상에 제1 음극을 형성하고, 기판의 제2 측면 상에 제2 음극을 형성하고; (3) 제1 음극 및 제2 음극을 주어진 온도에서 어닐링하고; (4) 기판의 제1 측면 상에 제1 고상 전해질을 형성하고, 기판의 제2 측면 상에 제2 고상 전해질을 형성하고; (5) 기판의 제1 측면 상에 제1 양극을 형성하고, 기판의 제2 측면 상에 제2 양극을 형성하고; (6) 제1 음극 전류 콜렉터와 제2 음극 전류 콜렉터 사이에 음극 상호 접속을 형성하고, 제1 양극 전류 콜렉터와 제2 양극 전류 콜렉터 사이에 양극 상호 접속을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
이들뿐만 아니라 다른 양태들, 장점들, 및 대안들이 첨부 도면의 적절한 곳을 참조하여, 다음의 상세한 설명을 읽음으로써 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 분명해질 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 일부 실시예들에 따른, 예시적인 고상 배터리들을 도시한다.
도 2a는 일부 실시예들에 따른, 고상 배터리를 제조하는 방법을 설명하는 플로우차트이다.
도 2b는 일부 실시예들에 따른, 상호 접속을 형성하는 방법을 설명하는 플로우차트이다.
도 3a 내지 도 3g는 일부 실시예들에 따른, 고상 배터리를 제조하는 방법을 도시한다.
도 4a 내지 도 4c는 일부 실시예들에 따른, 고상 배터리들 내에 상호 접속을 형성하는 양태들을 도시한다.
도 5는 일부 실시예들에 따른, 다수의 고상 배터리를 제조하는 방법을 설명하는 플로우차트이다.
도 6a 내지 도 6c는 일부 실시예들에 따른, 다수의 고상 배터리를 제조하는 방법을 도시한다.
예시적인 방법들 및 시스템들이 여기에 설명된다. 단어들 "예" 및 "예시적인"은 여기서 "예, 경우, 또는 예시의 역할을 하는 것"을 의미하는 데 사용된다는 것을 이해하여야 한다. "예" 또는 "예시적인"으로서 여기에 설명된 임의의 실시예 또는 특징은 반드시 다른 실시예들 또는 특징들보다 선호되거나 유리한 것으로 해석되는 것은 아니다. 다음의 상세한 설명에서, 첨부 도면이 참조된다. 도면에서, 유사한 부호들은 문맥이 달리 표명하지 않는다면, 유사한 소자들을 전형적으로 표시한다. 다른 실시예들이 이용될 수 있고, 여기에 제시된 주제의 취지 또는 범위에서 벗어나지 않고서 다른 변화들이 이루어질 수 있다.
여기에 설명된 예시적인 실시예들은 제한되는 것은 아니다. 여기에 일반적으로 설명되고, 도면에 도시된 것과 같은, 본 개시 내용의 양태들은 그 모두가 여기에 명시적으로 고려되는, 폭넓게 다양한 상이한 구성들에서 배열, 치환, 조합, 분리, 및 설계될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다.
Ⅰ. 개관
고상 배터리들을 병렬로 또는 직렬로 접속하는 것은 몇 가지 도전 과제들을 제시할 수 있다. 일부 경우들에서, 배터리를 병렬로 또는 직렬로 접속하는 것은 일반적으로 배터리의 각각의 도선을 위한 커넥터를 요구한다. 다수의 배터리를 접속할 때, 커넥터들의 수는 빠르게, 아마도 성능에 악영향을 주면서 증가한다. 예를 들어, 다수의 커넥터를 사용하는 것은 에너지 밀도를 유지하는 데 어려움을 줄 수 있고, 동시에 배터리들의 임피던스를 증가시키고, 그러므로 방전 성능이 줄어 든다. 부가적인 양태들에서, 이러한 커넥터들은 회로 내에 추가의 공간(예를 들어, 보드 공간)을 차지하고 추가된 하드웨어와 관련된 비용들을 증가시키는 탭들을 요구할 수 있다.
예시적인 실시예들은 위에 설명된 단점들을 줄이거나 없애면서, 고상 배터리들의 이점을 제공하는 데 도움을 줄 수 있다. 특히, 예시적인 실시예들은 하나 이상의 레이저를 사용하여 고상 배터리를 통해 채널들을 형성하는 것을 개시한다. 또한, 이러한 배터리 셀들을 제조하는 신규한 방법이 제공되는데, 여기서 상호 접속들이 고상 배터리를 통해 형성되므로, 종래의 커넥터들 및 탭들이 요구되지 않는다. 고상 배터리 셀들을 통하는 상호 접속들을 병렬로 또는 직렬로 형성하는 것은 종래의 커넥터들 및 탭들의 사용을 없애 준다. 일부 실시예들에서, 레이저는 하나 이상의 배터리 셀을 통하는 구멍을 관통(예를 들어, 뚫고) 및/또는 생성하기 위해 사용될 수 있다.
도 1a는 예시적인 실시예에 따른, 예시적인 고상 배터리(100A)를 도시한다. 예를 들어, 고상 배터리(100A)는 헤드-마운트가능 디바이스에 전력을 공급하기 위해 사용될 수 있다. 도 1a는 고상 배터리(100A)의 예시적인 측면 또는 단면도를 도시한다. 도시한 바와 같이, 고상 배터리(100A)는 기판(102), 제1 음극 전류 콜렉터(104), 제1 양극 전류 콜렉터(106), 제1 음극(108), 제1 고상 전해질(110), 제1 양극(112), 및 제1 보호 코팅(114)을 포함한다.
기판(102)은 유리, 반도체들, 운모, 또는 가능하게는 다른 비도전 재료들과 같은 재료들로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판(102)은 구리, 스테인레스 강, 및/또는 폴리이미드로 형성될 수 있다. 그리고 또한, 일부 실시예들에서, 기판(102)은 이트리아-안정화 지르코니아(YSZ), 고온에 견딜 수 있는 가요성 세라믹으로 형성될 수 있다.
기판(102)은 임의 수의 치수들을 취할 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판(102)은 예를 들어, 약 20㎛ 내지 약 40㎛의 두께를 가질 수 있다. 다른 두께들이 역시 가능하다. 예를 들어, 기판(102)의 평면 면적 및 두께를 포함하는, 기판(102)의 치수들은 고상 배터리(100A)의 적용에 따라 변화할 수 있다.
제1 음극 전류 콜렉터(104) 및 제1 양극 전류 콜렉터(106)는 각각 하나 이상의 전기적 도전 재료로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 음극 전류 콜렉터(104)와 제1 양극 전류 콜렉터(106) 중 하나 또는 둘 다는 코발트, 금, 스테인레스 강, 및 니켈 중 하나 이상으로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 음극 전류 콜렉터(104)와 제1 양극 전류 콜렉터(106) 중 하나 또는 둘 다는 시트, 조각, 또는 분말의 형태를 취할 수 있다. 다른 재료들 및 형태들이 역시 가능하다.
제1 음극 전류 콜렉터(104) 및 제1 양극 전류 콜렉터(106)는 각각 임의 수의 치수들을 취할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 음극 전류 콜렉터(104)와 제1 양극 전류 콜렉터(106) 중 하나 또는 둘 다는 예를 들어, 약 3㎛ 내지 약 4㎛의 두께를 가질 수 있다. 다른 두께들이 역시 가능하다. 예를 들어, 제1 음극 전류 콜렉터(104)와 제1 양극 전류 콜렉터(106)의 평면 면적들 및 두께들을 포함하는, 제1 음극 전류 콜렉터(104)와 제1 양극 전류 콜렉터(106)의 치수들은 고상 배터리(100A)의 적용에 따라 변화할 수 있다.
도시한 바와 같이, 제1 음극(108)은 제1 음극 전류 콜렉터(104)와 전기적으로 접촉한다. 제1 음극(108)은 예를 들어, LiCoO2로 형성될 수 있다. 다른 음극 재료들이 역시 가능한다. 제1 음극(108)은 임의 수의 치수들을 취할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 음극(108)은 예를 들어, 약 5㎛ 내지 약 15㎛의 두께를 가질 수 있다. 다른 두께들이 역시 가능하다. 대체로, 더 큰 두께의 제1 음극(108)이 구리, 폴리이미드, 및 스테인레스 강과 같은 다른 재료들로 형성된 기판(102)과 비교하여 YSZ로 형성된 기판(102) 상에 성장할 수 있다. 예를 들어, 제1 음극(108)의 평면 면적 및 두께를 포함하는, 제1 음극(108)의 치수들은 고상 배터리(100A)의 적용에 따라 변화할 수 있다.
도시한 바와 같이, 제1 고상 전해질(110)은 제1 음극(108)과 제1 양극(112) 사이에 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 고상 전해질은 리튬 인 산화질화물(LiPON)로 형성될 수 있다. 다른 고상 전해질 재료들이 역시 가능하다. 제1 고상 전해질(110)은 고상 배터리(100A) 내에 임의 수의 치수들을 취할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 고상 전해질(110)은 예를 들어, 약 1㎛ 내지 3㎛의 두께를 가질 수 있다. 다른 두께들이 역시 가능하다. 예를 들어, 제1 고상 전해질(110)의 평면 면적 및 두께를 포함하는, 제1 고상 전해질(110)의 치수들은 고상 배터리(100A)의 적용에 따라 변화할 수 있다.
도시한 바와 같이, 제1 양극(112)은 제1 양극 전류 콜렉터(106)와 전기적으로 접촉한다. 제1 양극(112)은 예를 들어, 리튬 금속으로 형성될 수 있다. 다른 양극 재료들이 역시 가능하다. 제1 양극(112)은 임의 수의 치수들을 취할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 양극(112)은 예를 들어, 약 2㎛ 내지 4㎛의 두께를 가질 수 있다. 다른 두께들이 역시 가능하다. 예를 들어, 제1 양극(112)의 평면 면적 및 두께를 포함하는, 제1 양극(112)의 치수들은 고상 배터리(100A)의 적용에 따라 변화할 수 있다.
일부 실시예들에서, 고상 배터리(100A)는 (예를 들어, 전자 디바이스 및/또는 헤드-마운트가능 디바이스의 회로와 같은) 회로에 접속될 수 있다. 일부 경우들에서, 고상 배터리(100A)는 제1 음극 전류 콜렉터(104)와 회로 사이에 전기적 접속을 이루기 위해 하나 이상의 커넥터(도 1a에 도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 또한, 제1 양극 전류 콜렉터(106)는 제1 양극 전류 콜렉터(106)와 회로 사이에 전기적 접속을 이루기 위해 하나 이상의 다른 커넥터(도 1a에 또한 도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 고상 배터리(100A)는 회로에 전력을 공급할 수 있다. 일부 경우들에서, 고상 배터리(100A)는 제1 양극(112)과 제1 음극(108) 사이의 화학적 반응에 의해 회로에 전력을 공급할 수 있다. 특히, 고상 배터리(100A)가 회로 내로 접속될 때, 제1 양극(112)은 제1 양극(112)으로부터의 이온들이 제1 고상 전해질(110)을 통해 제1 음극(108)을 향해 이동하는 산화 반응을 겪을 수 있어서, 결국 제1 양극(112)으로부터의 전자들이 회로 내로 방출하게 된다. 결과적으로, 고상 배터리(100A)가 회로 내로 접속될 때, 제1 음극(108)은 제1 고상 전해질(110)을 통해 이동한 이온들이 제1 음극(108)과 조합하는 환원 반응을 겪을 수 있어서, 결국 제1 양극(112)에 의해 방출된 전자들이 제1 음극(108)에서 회로 내로 흡수된다. 양극(112)에서의 전자들의 방출 및 제1 음극(108)에서의 전자들의 흡수는 회로에 전력을 공급하는 전기 전류를 발생할 수 있다.
일부 실시예들에서, 고상 배터리(100A)는 도 1a에 도시한 바와 같이, 제1 보호 코팅(114)을 더 포함할 수 있다. 제1 보호 코팅(114)은 예를 들어, 제1 양극(112)을 실질적으로 덮을 수 있음으로써, 고상 배터리(100A)를 오염으로부터 보호하고 고상 배터리(100A)의 수명을 연장시킨다. 일부 실시예들에서, 보호 코팅(114)은 예를 들어, 고상 배터리(100A)를 가능하게 회로에 접속하기 위해, 제1 음극 전류 콜렉터(104) 및 제1 양극 전류 콜렉터(106)의 부분들을 덮지 않을 수 있다. 일부 실시예들에서, 보호 코팅(114)은 실리콘 이산화물(SiO2), 알루미나, 및/또는 세라믹으로 형성될 수 있다. 다른 보호 코팅 재료들이 역시 가능하다.
고상 배터리(100A)는 임의 수의 치수들을 취할 수 있다. 일부 실시예들에서, 고상 배터리(100A)는 예를 들어, 약 30㎛ 내지 약 60㎛의 두께를 가질 수 있다. 고상 배터리(100A)의 다른 두께들이 역시 가능하다. 예를 들어, 고상 배터리(100A)의 평면 면적 및 두께를 포함하는, 고상 배터리(100A)의 치수들은 고상 배터리(100A)의 적용에 따라 변화할 수 있다.
일부 실시예들에서, 고상 배터리(100)의 에너지 밀도를 가능하게 향상시키기 위해, 고상 배터리(100B)가 도 1b에 도시한 바와 같이, 이중 면 고상 배터리로 되는 것이 바람직할 수 있다. 도 1b는 고상 배터리(100B)의 예시적인 측면 또는 단면도를 도시한다. 일부 실시예들에서, 고상 배터리(100B)는 헤드-마운트가능 디바이스에 전력을 공급하기 위해 사용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 고상 배터리(100B)는 제1 측면이 기판(102) 위에 있고 제2 측면이 기판(102) 아래에 있는 기판(102)을 포함한다. 기판(102)의 제1 측면 상에, 고상 배터리(100B)는 도 1a와 관련하여 설명된 바와 같이, 제1 음극 전류 콜렉터(104), 제1 양극 전류 콜렉터(106), 제1 음극(108), 제1 고상 전해질(110), 및 제1 양극(112)을 포함한다. 또한, 기판(102)의 제2 측면 상에, 고상 배터리(100B)는 도 1a와 관련하여, 각각, 제1 음극 전류 콜렉터(104), 제1 양극 전류 콜렉터(106), 제1 음극(108), 제1 고상 전해질(110), 및 제1 양극(112)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있는 제2 음극 전류 콜렉터(116), 제2 양극 전류 콜렉터(118), 제2 음극(120), 제2 고상 전해질(122), 및 제2 양극(124)을 포함한다.
일부 실시예들에서, (예를 들어, 제1 음극 전류 콜렉터(104), 제1 양극 전류 콜렉터(106), 제1 음극(108), 제1 고상 전해질(110), 및 제1 양극(112)을 포함하는) 기판(102)의 제1 측면 상의 소자들은 총체적으로 "상부" 단일 면 셀 또는 배터리라고 할 수 있다. 그리고 또한, (예를 들어, 제2 음극 전류 콜렉터(116), 제2 양극 전류 콜렉터(118), 제2 음극(120), 제2 고상 전해질(122), 및 제2 양극(124)을 포함하는) 기판(102)의 제2 측면 상의 소자들은 총체적으로 "하부" 단일 면 셀 또는 배터리라고 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 고상 배터리(100B)의 상부 단일 면 셀 또는 배터리는 도 1a와 관련하여 고상 배터리(100A)일 수 있다.
일부 실시예들에서, 고상 배터리들을 직렬 또는 병렬로 접속하기 위한 배선들, 솔더링, 및 외부 탭들을 가능하게 제거하기 위해, 상호 접속들이 도 1b에 도시한 바와 같이 고상 배터리(100B) 내에 형성될 수 있다. 도시된 바와 같이, 고상 배터리(100B)는 제1 음극 전류 콜렉터(104)와 제2 음극 전류 콜렉터(116) 사이에 기판(102)을 통하는 제1 채널(128c)을 포함한다. 또한, 고상 배터리(100b)는 (제1) 양극 전류 콜렉터(106)와 제2 양극 전류 콜렉터(118) 사이에 기판(102)을 통하는 제2 채널(130c)을 포함한다.
일부 실시예들에서, 제1 채널(128c)과 제2 채널(130c) 중 하나 또는 둘 다는 레이저에 의해 형성될 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 제1 채널(128c)은 기판(102)의 제1 코너에 배치될 수 있고 제2 채널(130c)은 기판(102)의 제1 코너에 인접한 기판(102)의 제2 코너에 배치될 수 있다. 제1 채널(128c) 및 제2 채널(130c)은 또한 역시 기판(102)의 다른 위치들에 배치될 수 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 고상 배터리(100B)는 음극 상호 접속(128) 및 양극 상호 접속(130)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 고상 배터리(100B)는 제1 음극 전류 콜렉터(104)와 제2 음극 전류 콜렉터(116) 사이에, 제1 채널(128c)을 통하는, 음극 상호 접속(128)을 포함할 수 있다. 또한, 고상 배터리(100B)는 제1 양극 전류 콜렉터(106)와 제2 양극 전류 콜렉터(118) 사이에, 제2 채널(130c)을 통하는, 양극 상호 접속(130)을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 음극 상호 접속(128) 및 양극 상호 접속(130)은 고상 배터리(100B) 내에 전기적 접속들을 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 음극 상호 접속(128) 및 양극 상호 접속(130)은 은, 금, 구리, 안티몬, 주석, 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 음극 상호 접속(128) 및 양극 상호 접속(130)은 잉크, 페이스트, 에폭시, 배선, 케이블, 및/또는 커넥터와 같은 도전 재료들을 포함할 수 있다. 그러므로, 음극 상호 접속(128)은 음극 전류 콜렉터(104)와 제2 음극 전류 콜렉터(116) 사이에 전기적 접속을 이룰 수 있다. 또한, 양극 상호 접속(130)은 양극 전류 콜렉터(106)와 제2 양극 전류 콜렉터(118) 사이에 전기적 접속을 이룰 수 있다. 고상 배터리(100B) 내의 다른 상호 접속들이 역시 가능하다.
일부 실시예들에서, 고상 배터리(100B)는 (예를 들어, 전자 디바이스 및/또는 헤드-마운트가능 디바이스의 회로와 같은) 회로에 접속될 수 있다. 일부 경우들에서, 하나 이상의 커넥터(도 1b에 도시되지 않음)는 음극 전류 콜렉터들(음극 전류 콜렉터(104) 및 제2 음극 전류 콜렉터(116)) 중 어느 하나와 회로 사이에 전기적 접속을 이룰 수 있다. 또한, 하나 이상의 다른 커넥터(도 1b에 또한 도시되지 않음)는 양극 전류 콜렉터들(양극 전류 콜렉터(106) 및 제2 양극 전류 콜렉터(118)) 중 어느 하나와 회로 사이에 전기적 접속을 이룰 수 있다. 그러므로, 고상 배터리(100B)는 도 1a와 관련하여 설명된 것과 같이 상부 단일 면 셀 내의 그리고 유사하게 하부 단일 면 셀 내의 화학 반응에 의해 회로에 전력을 공급할 수 있다.
일부 실시예들에서, 고상 배터리(100B)는 도 1b에 도시한 바와 같이, 제1 보호 코팅(114) 및 제2 보호 코팅(126)을 더 포함할 수 있다. 제1 보호 코팅 및 제2 보호 코팅(126)은 예를 들어, 제1 양극(112) 및 제2 양극(124)을 실질적으로 덮을 수 있음으로써, 고상 배터리(100B)를 오염으로부터 보호하고 고상 배터리(100B)의 수명을 연장시킨다. 일부 실시예들에서, 제1 보호 코팅(114) 및 제2 보호 코팅(126)은 예를 들어, 고상 배터리(100B)를 회로에 가능하게 접속하기 위해, 제1 음극 전류 콜렉터(104), 제1 양극 전류 콜렉터(106), 제2 음극 전류 콜렉터(116), 및 제2 양극 전류 콜렉터(118)의 부분들을 덮지 않을 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 보호 코팅(114) 및 제2 보호 코팅(126)은 SiO2, 알루미나, 및/또는 세라믹으로 형성될 수 있다. 다른 보호 코팅 재료들이 역시 가능하다.
고상 배터리(100B)는 임의 수의 치수들을 취할 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 고상 배터리(100B)는 단일 면 셀 또는 배터리의 약 2배의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 고상 배터리(100B)는 약 40㎛ 내지 약 80㎛의 두께를 가질 수 있다. 고상 배터리(100B)의 다른 두께들이 역시 가능하다. 예를 들어, 고상 배터리(100B)의 평면 면적 및 두께를 포함하는, 고상 배터리(100B)의 치수들은 고상 배터리(100B)의 적용에 따라 변화할 수 있다.
일부 실시예들에서, 고상 배터리의 에너지 밀도를 가능하게 더 향상시키기 위해, 도 1c에 도시한 바와 같이, 고상 배터리(100C)가 다수의 이중 면 배터리를 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 도 1c는 고상 배터리(100C)의 예시적인 측면 또는 단면도를 도시한다. 일부 실시예들에서, 고상 배터리(100C)는 헤드-마운트가능 디바이스에 전력을 공급하기 위해 사용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 도 1c는 2개의 이중 면 배터리를 도시하는데, 여기서 (상부 위에 도시한) 제1 이중 면 배터리가 (하부 위에 도시한) 제2 이중 면 배터리와 정렬되고 적층된다. 일부 경우들에서, 약 25㎛ 두께인 절연체는 제1 이중 면 배터리와 제2 이중 면 배터리 사이에 배치될 수 있다. 제1 이중 면 배터리와 제2 이중 면 배터리는 또한 다른 배열들에 의해 가능하게, 적층 없이 접속될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
또한, 도 1c에 도시된 바와 같이, 제1 이중 면 배터리는 도 1b와 관련하여 설명된 바와 같이, 제1 측면이 기판(102) 위에 있고 제2 측면이 기판(102) 아래에 있는 기판(102)을 포함할 수 있다. 기판(102)의 제1 측면 상에, 제1 이중 면 배터리는 도 1a 및 도 1b와 관련하여 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있는, 제1 음극 전류 콜렉터(104), 제1 양극 전류 콜렉터(106), 제1 음극(108), 제1 고상 전해질(110), 및 제1 양극(112)을 포함할 수 있다. 또한, 제2 측면 상에, 제1 이중 면 배터리는 도 1a 및 도 1b와 관련하여, 각각, 음극 전류 콜렉터(104), 양극 전류 콜렉터(106), 음극(108), 고상 전해질(110), 및 양극(112)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있는 제2 음극 전류 콜렉터(116), 제2 양극 전류 콜렉터(118), 제2 음극(120), 제2 고상 전해질(122), 및 제2 양극(124)을 또한 포함할 수 있다.
또한, 제2 이중 면 배터리는 제1 측면이 제2 기판(132) 위에 있고 제2 측면이 제2 기판(132) 아래에 있는 제2 기판(132)을 포함할 수 있다. 제2 기판(132)의 제1 측면 상에, 제2 이중 면 배터리는 도 1a 내지 도 1c와 관련하여, 각각, 제1 음극 전류 콜렉터(104), 제1 양극 전류 콜렉터(106), 제1 음극(108), 제1 고상 전해질(110), 및 제1 양극(112)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있는 제3 음극 전류 콜렉터(134), 제3 양극 전류 콜렉터(136), 제3 음극(138), 제3 고상 전해질(140), 및 제3 양극(142)을 포함할 수 있다.
또한, 제2 기판(132)의 제2 측면 상에, 제2 이중 면 배터리는 도 1b 및 도 1c와 관련하여, 각각, 제2 음극 전류 콜렉터(116), 제2 양극 전류 콜렉터(118), 제2 음극(120), 제2 고상 전해질(122), 및 제2 양극(124)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있는 제4 음극 전류 콜렉터(146), 제4 양극 전류 콜렉터(148), 제4 음극(150), 제4 고상 전해질(152), 및 제4 양극(154)을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 직렬 또는 병렬로 접속된 이중 면 배터리들을 접속하기 위한 배선들, 솔더링, 및 외부 탭들을 가능하게 제거하기 위해, 상호 접속들이 도 1c에 도시한 바와 같이, 고상 배터리(100C) 내에 형성될 수 있다. 도시된 바와 같이, 고상 배터리(100C)는 제1 음극 전류 콜렉터(104)와 제2 음극 전류 콜렉터(116) 사이에 기판(102)을 통하는 제1 채널(158a)을 포함한다. 또한, 고상 배터리(100C)는 제1 양극 전류 콜렉터(106)와 제2 양극 전류 콜렉터(118) 사이에 기판(102)을 통하는 제2 채널(160a)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 제1 채널(158a) 및 제2 채널(160a)은 도 1b와 관련하여, 각각, 채널(128c 및 130c)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 채널(158a)과 제2 채널(160a) 중 하나 또는 둘 다는 레이저에 의해 형성될 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 제1 채널(158a)은 기판(102)의 제1 코너에 배치될 수 있고 제2 채널(160a)은 기판(102)의 제1 코너에 인접한, 기판(102)의 제2 코너에 배치될 수 있다.
또한, 도시된 바와 같이, 고상 배터리(100C)는 제3 음극 전류 콜렉터(134)와 제4 음극 전류 콜렉터(146) 사이에 제2 기판(132)을 통하는 제3 채널(158b), 및 제3 양극 전류 콜렉터(136)와 제4 양극 전류 콜렉터(148) 사이에 제2 기판(132)을 통하는 제4 채널(160b)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 제3 채널(158b) 및 제4 채널(160b)은 도 1c와 관련하여, 각각, 제1 채널(158a) 및 제2 채널(160b)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제3 채널(158b)과 제4 채널(160b) 중 하나 또는 둘 다는 레이저에 의해 형성될 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 제3 채널(158b)은 제2 기판(132)의 제1 코너에 배치될 수 있고, 제2 채널(160a)은 제2 기판(132)의 제1 코너에 인접한, 제2 기판(132)의 제2 코너에 배치될 수 있다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 고상 배터리(100C)는 도 1b와 관련하여, 각각, 음극 상호 접속(128) 및 양극 상호 접속(130)에 대해 위에 설명된 형태들을 취할 수 있는 음극 상호 접속(158) 및 양극 상호 접속(160)을 포함한다. 또한, 도시된 바와 같이, 고상 배터리(100C)는 제1 음극 전류 콜렉터(104)와 제2 음극 전류 콜렉터(116) 사이에, 제1 채널(158a)을 통하는, 음극 상호 접속(158)을 포함할 수 있다. 그리고 또한, 고상 배터리(100C)는 제1 양극 전류 콜렉터(106)와 제2 양극 전류 콜렉터(118) 사이에, 제2 채널(160a)을 통하는, 양극 상호 접속(160)을 포함할 수 있다.
또한, 도시된 바와 같이, 고상 배터리(100C)는 제3 음극 전류 콜렉터(134)와 제4 음극 전류 콜렉터(146) 사이에, 제1 채널(158b)을 통하는, 음극 상호 접속(158)을 포함할 수 있다. 또한, 고상 배터리(100C)는 제3 양극 전류 콜렉터(136)와 제4 양극 전류 콜렉터(148) 사이에, 제2 채널(160b)을 통하는, 양극 상호 접속(160)을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 음극 상호 접속(158) 및 양극 상호 접속(160)은 제1 이중 면 배터리를 제2 이중 면 배터리에 접속할 수 있다. 특히, 음극 상호 접속(158)은 음극 전류 콜렉터(104), 기판(102), 제2 음극 전류 콜렉터(116), 제3 음극 전류 콜렉터(134), 제2 기판(132), 및 제4 음극 전류 콜렉터 상호 접속(146)을 통해 형성될 수 있다. 또한, 양극 상호 접속(160)은 양극 전류 콜렉터(106), 제2 기판(102), 제2 양극 전류 콜렉터(118), 제3 양극 전류 콜렉터(136), 제2 기판(132), 및 제4 양극 전류 콜렉터(148)를 통해 형성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 음극 상호 접속(158) 및 양극 상호 접속(160)은 고상 배터리(100C) 내에 전기적 접속들을 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 음극 상호 접속(158) 및 양극 상호 접속(160)은 은, 금, 구리, 안티몬, 주석, 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 또한, 음극 상호 접속(158) 및 양극 상호 접속(160)은 잉크, 페이스트, 에폭시, 배선, 케이블, 및/또는 커넥터와 같은 도전 재료들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 도전 페이스트 또는 에폭시는 고상 배터리(100C) 내의 채널들을 채우는 데 사용될 수 있고 상호 접속들(158 및 160)의 나머지 부분들은 배선들 또는 다른 커넥터들일 수 있다.
그러므로, 음극 상호 접속(158)은 음극 전류 콜렉터(104), 제2 음극 전류 콜렉터(116), 제3 음극 전류 콜렉터(134), 및 제4 음극 전류 콜렉터 상호 접속(146) 사이에 전기적 접속을 이룰 수 있다. 또한, 양극 상호 접속(160)은 양극 전류 콜렉터(106), 제2 양극 전류 콜렉터(118), 제3 양극 전류 콜렉터(136), 및 제4 양극 전류 콜렉터(148) 사이에 전기적 접속을 이룰 수 있다. 다수의 이중 면 배터리 내의 다른 상호 접속들이 역시 가능하다.
일부 실시예들에서, 고상 배터리(100C)는 (예를 들어, 전자 디바이스 및/또는 헤드-마운트가능 디바이스의 회로와 같은) 회로에 접속될 수 있다. 일부 경우들에서, 하나 이상의 커넥터(도 1c에 도시되지 않음)는 음극 전류 콜렉터들(제1 음극 전류 콜렉터(104), 제2 음극 전류 콜렉터(116), 제3 음극 전류 콜렉터(134), 및 제4 음극 전류 콜렉터(146)) 중 어느 하나와 회로 사이에 전기적 접속을 이룰 수 있다. 또한, 하나 이상의 다른 커넥터(도 1c에 또한 도시되지 않음)는 양극 전류 콜렉터들(제1 양극 전류 콜렉터(106), 제2 양극 전류 콜렉터(118), 제3 음극 전류 콜렉터(136), 및 제4 음극 전류 콜렉터(148)) 중 어느 하나와 회로 사이에 전기적 접속을 이룰 수 있다. 그러므로, 고상 배터리(100C)는 도 1a 및 도 1b와 관련하여 위에 설명된 방식들로 제1 이중 면 배터리 및 제2 이중 면 배터리 내의 화학 반응들에 의해 회로에 전력을 공급할 수 있다.
일부 실시예들에서, 고상 배터리(100C)는 도 1a 및 도 1b와 관련하여 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있는 제1 보호 코팅(114) 및 제2 보호 코팅(126)을 포함할 수 있다. 또한, 고상 배터리(100C)는 도 1a 내지 도 1c와 관련하여, 각각, 제1 보호 코팅(114) 및 제2 보호 코팅(126)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있는 제3 보호 코팅(144) 및 제4 보호 코팅(156)을 포함할 수 있다. 제3 보호 코팅(144) 및 제4 보호 코팅(156)은 예를 들어, 각각 제3 양극(142) 및 제4 양극(154)을 실질적으로 덮을 수 있음으로써, 고상 배터리(100C)를 오염으로부터 보호하고 고상 배터리(100C)의 수명을 연장시킨다.
일부 실시예들에서, 제3 보호 코팅(144) 및 제4 보호 코팅(156)은 예를 들어, 고상 배터리(100C)를 회로에 가능하게 접속하기 위해, 제3 음극 전류 콜렉터(134), 제3 양극 전류 콜렉터(136), 제4 음극 전류 콜렉터(146), 및 제4 양극 전류 콜렉터(148)의 부분들을 덮지 않을 수 있다.
고상 배터리(100C)는 임의 수의 치수들을 취할 수 있다. 일부 실시예들에서, 고상 배터리(100C)는 상호 접속될 수 있는 이중 면 배터리들의 수에 따라 임의 수의 치수들을 취할 수 있다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 고상 배터리(100C)는 2개의 이중 면 배터리 또는 약 80㎛ 내지 약 160㎛의 두께를 가질 수 있다. 고상 배터리(100C)의 다른 두께들이 역시 가능하다. 예를 들어, 고상 배터리(100C)의 평면 면적 및 두께를 포함하는, 고상 배터리(100C)의 치수들은 다수의 이중 면 배터리의 적용에 따라 변화할 수 있다.
Ⅱ. 고상 배터리를 제조하는 예시적인 방법들
도 2a는 일부 실시예들에 따른, 고상 배터리를 제조하는 방법을 설명하는 플로우차트이다. 도시한 바와 같이, 방법(200A)은 기판을 제공하는 블록(202)에서 시작된다. 기판은 예를 들어, 도 1a 내지 도 1c와 관련하여 기판(102) 및 도 1c와 관련하여 제2 기판(132)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다.
일부 실시예들에서, 기판을 제공하는 것은 가요성 세라믹을 취득하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 기판을 제공하는 것은 뉴욕 버팔로의 ENrG Inc.에 의해 제조된 E-Strate® 기판과 같은, 제조된 기판 또는 사전 제조된 기판을 취득하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판을 제공하는 것은 이트리아-안정화 지르코니아(YSZ) 기판을 제조하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 예를 들어, 기판은 YSZ의 독립 층일 수 있거나, 금속 또는 세라믹의 층에 부착된 YSZ의 층일 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판은 질소로 세정되고 약 2 내지 4시간 동안 약 700℃ 내지 약 800℃의 온도에서 어닐링될 수 있다. 또한, 기판은 표면 결함들에 대해 검사될 수 있다.
방법(200A)은 기판의 제1 측면 상에 제1 음극 전류 콜렉터 및 제1 양극 전류 콜렉터를 형성하고, 기판의 제2 측면 상에 제2 음극 전류 콜렉터 및 제2 양극 전류 콜렉터를 형성하는 블록(204)으로 이어진다. 제1 음극 전류 콜렉터, 제1 양극 전류 콜렉터, 제2 음극 전류 콜렉터, 제2 양극 전류 콜렉터는 예를 들어, 도 1b 및 도 1c와 관련하여, 각각, 제1 음극 전류 콜렉터(104), 제1 양극 전류 콜렉터(106), 제2 음극 전류 콜렉터(116), 및 제2 양극 전류 콜렉터(118)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 음극 전류 콜렉터, 제1 양극 전류 콜렉터, 제2 음극 전류 콜렉터, 제2 양극 전류 콜렉터 중 하나 이상은 미리 형성될 수 있고, 가능하게 (예를 들어, 기판과 양극 및/또는 음극 전류 콜렉터들 사이의 접착 층을 사용하여) 사전 형성된 양극 및/또는 음극 전류 콜렉터들을 기판에 접착하는 것을 포함할 수 있다. 제1 음극 전류 콜렉터, 제1 양극 전류 콜렉터, 제2 음극 전류 콜렉터, 제2 양극 전류 콜렉터는 또한 접착과 관련된 표면 결함들에 대해 검사될 수 있다.
또한, 일부 실시예들에서, 기판 상에 제1 음극 전류 콜렉터, 제1 양극 전류 콜렉터, 제2 음극 전류 콜렉터, 제2 양극 전류 콜렉터 중 하나 이상을 형성하는 것은 양극 및/또는 음극 전류 콜렉터들을 기판 상으로 (예를 들어, 리소그래피 또는 포토리소그래피를 사용하여) 패터닝하는 것을 포함할 수 있다. 제1 음극 전류 콜렉터(104), 제1 양극 전류 콜렉터(106), 제2 음극 전류 콜렉터(116), 및 제2 양극 전류 콜렉터(118)는 동시에, 직렬로, 및/또는 그룹들로 형성될 수 있다. 양극 및/또는 음극 전류 콜렉터들은 역시 다른 방식들로 형성될 수 있다.
방법(200A)은 기판의 제1 측면 상에 제1 음극을 형성하고, 기판의 제2 측면 상에 제2 음극을 형성하는 블록(206)으로 이어진다. 제1 음극 및 제2 음극은 예를 들어, 도 1b 및 도 1c와 관련하여, 각각, 제1 음극(108) 및 제2 음극(120)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 음극 및 제2 음극을 형성하는 것은 예를 들어, 각각, 제1 음극을 형성하기 위해 제1 음극 전류 콜렉터 상에, 제2 음극을 형성하기 위해 제2 음극 전류 콜렉터 상에 LiCoO2를 퇴적(예를 들어, 스터터링)하는 것을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 음극들은 역시 다른 방식들로 형성될 수 있다. 제1 음극(108) 및 제2 음극(120)은 동시에, 직렬로, 및/또는 그룹들로 형성될 수 있다.
방법(200A)은 제1 음극 및 제2 음극을 주어진 온도에서 어닐링하는 블록(208)으로 이어진다. 대체로, 어닐링은 제1 음극 및 제2 음극의 결정화 및 결정 배향을 개선시키는 역할을 한다. 또한, 약 700℃ 내지 약 800℃의 온도에서 어닐링하는 것은 제1 음극 및 제2 음극의 결정화 및 결정 배향을 개선시키는 역할을 더 할 수 있다. 어닐링은 예를 들어, 퍼너스, 신속 열 어닐링 시스템, 또는 플래시 어닐링 시스템과 같은, 봉인된 가열 장치에서 일어날 수 있다. 제1 음극 및 제2 음극은 또한 접착과 관련된 층 품질, 조성, 및 결함들에 대해 검사될 수 있다. 제1 음극 및 제2 음극은 역시 다른 방식들로 어닐링될 수 있다.
방법(200A)은 기판의 제1 측면 상에 제1 고상 전해질을 형성하고 기판의 제2 측면 상에 제2 고상 전해질을 형성하는 블록(210)으로 이어진다. 제1 고상 전해질 및 제2 고상 전해질은 예를 들어, 도 1b 및 도 1c와 관련하여 제1 고상 전해질(110) 및 제2 고상 전해질(120)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 고상 전해질 및 제2 고상 전해질은 LiPON으로 형성될 수 있다. 또한, 제1 고상 전해질 및 제2 고상 전해질을 형성하는 것은 물리적 증착을 사용하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 고상 전해질 및 제2 고상 전해질은 리튬 인산염(Li3PO4)의 타겟에 접하는 진공 챔버 내에 기판을 배치하고 질소를 챔버 내로 도입하여, LiPON의 플라즈마 가능 퇴적(예를 들어, 스퍼터링)을 형성함으로써 형성될 수 있다. 제1 고상 전해질 및 제2 고상 전해질은 층 품질, 도전율, 및 가능한 결함들에 대해 검사될 수 있다. 제1 고상 전해질 및 제2 고상 전해질은 동시에, 직렬로, 및/또는 그룹들로 형성될 수 있다. 고상 전해질들은 역시 다른 방식들로 형성될 수 있다.
방법(200A)은 기판의 제1 측면 상에 제1 양극을 형성하고 기판의 제2 측면 상에 제2 양극을 형성하는 블록(212)으로 이어진다. 제1 양극은 제1 양극 전류 콜렉터와 전기적으로 접촉할 수 있고, 여기서 제1 고상 전해질은 제1 양극과 제1 음극 사이에 형성된다. 또한, 제2 양극은 제2 양극 전류 콜렉터와 전기적으로 접촉할 수 있고, 여기서 제2 고상 전해질은 제2 양극과 제2 음극 사이에 형성된다. 제1 양극 및 제2 양극은 예를 들어, 도 1a 및 도 1c와 관련하여, 각각, 제1 양극(112) 및 제2 양극(122)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 양극 및 제2 양극은 LiPON으로 형성될 수 있다. 또한, 제1 양극을 형성하는 것은 예를 들어, 제1 양극 전류 콜렉터 및 제1 고상 전해질 상에 리튬을 퇴적(예를 들어 스퍼터링)하는 것을 포함할 수 있다. 그리고 또한, 제2 양극을 형성하는 것은 예를 들어, 제2 양극 전류 콜렉터 및 제2 고상 전해질 상에 리튬을 퇴적(예를 들어 스퍼터링)하는 것을 포함할 수 있다. 제1 양극 및 제2 양극 전해질은 동시에, 직렬로, 및/또는 그룹들로 형성될 수 있다. 제1 양극 및 제2 양극은 역시 다른 방식들로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 방법(200A)은 기판의 제1 측면 상에 제1 보호 코팅을 형성하고 기판의 제2 측면 상에 제2 보호 코팅을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다. 제1 보호 코팅은 실질적으로 제1 양극을 덮을 수 있고 제2 보호 코팅은 실질적으로 제2 양극을 덮을 수 있다. 제1 보호 코팅 및 제2 보호 코팅은 예를 들어, 도 1b 및 도 1c와 관련하여 제1 보호 코팅(114) 및 제2 보호 코팅(126)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다. 일부 실시예들에서, 보호 코팅은 형성되지 않을 수 있다.
Ⅲ. 상호 접속을 형성하는 예시적인 방법들
도 2b는 일부 실시예들에 따른, 상호 접속을 형성하는 방법을 설명하는 플로우차트이다. 일부 실시예들에서, 방법(200B)은 도 2a의 방법(200A)과 관련하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 방법(200A)의 단계들이 수행될 수 있고 후속하여, 방법(200B)의 단계들이 수행될 수 있다. 또한, 하나 이상의 상호 접속이 예를 들어, 도 1b의 기판(102) 내에 도시한 바와 같이, 기판 내에 형성될 수 있고, 방법(200A)의 추가의 단계들이 고상 배터리(100B)를 제조하기 위해 수행될 수 있다. 그리고 또한, 방법(200A)의 단계들은 다른 가능성들 중에서, 방법(200B)의 단계들과 중첩할 수 있다.
도시한 바와 같이, 방법(200B)은 기판의 제1 측면 상에 제1 음극 전류 콜렉터 및 제1 양극 전류 콜렉터를 제공하는 블록(222)에서 시작된다. 기판은 예를 들어, 도 1a 내지 도 1c의 기판(102) 및 도 1c의 제2 기판(132)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취함으로써 제1 측면 및 제2 측면을 가질 수 있다. 또한, 기판의 제1 측면 상의 제1 음극 전류 콜렉터 및 제1 양극 전류 콜렉터는 예를 들어, 도 1a 내지 도 1c의 제1 음극 전류 콜렉터(104) 및 제1 양극 전류 콜렉터(106)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다.
방법(200B)은 기판의 제2 측면 상에 제2 음극 전류 콜렉터 및 제2 양극 전류 콜렉터를 제공하는 블록(224)으로 이어진다. 기판의 제2 측면 상의 제2 음극 전류 콜렉터 및 제2 양극 전류 콜렉터는 예를 들어, 도 1b 및 도 1c와 관련하여, 각각, 제2 음극 전류 콜렉터(116) 및 제2 양극 전류 콜렉터(118)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다.
방법(200B)은 적어도 하나의 레이저를 사용하여 (a) 기판을 통하는 제1 채널을- 제1 채널은 제1 음극 전류 콜렉터와 제2 음극 전류 콜렉터 사이에 있음 -, (b) 기판을 통하는 제2 채널을 - 제2 채널은 제1 양극 전류 콜렉터와 제2 양극 전류 콜렉터 사이에 있음 - 형성하는 블록(226)으로 이어진다.
일부 실시예들에서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 레이저는 기판(102)을 통해 제1 채널(128c)을 형성하기 위해 사용될 수 있고, 여기서 제1 채널(128c)은 제1 음극 전류 콜렉터(104)와 제2 음극 전류 콜렉터(116) 사이에 있다. 또한, 레이저는 기판(102)을 통해 제2 채널(130c)을 형성하기 위해 사용될 수 있고, 여기서 제2 채널(130c)은 제1 양극 전류 콜렉터(106)와 제2 양극 전류 콜렉터(118) 사이에 있다.
일부 실시예들에서, 도 1c에 도시된 바와 같이, 레이저는 기판(102)을 통해 제1 채널(158a)을 형성하기 위해 사용될 수 있고, 여기서 제1 채널(158a)은 제1 음극 전류 콜렉터(104)와 제2 음극 전류 콜렉터(116) 사이에 있다. 또한, 레이저는 기판(102)을 통해 제2 채널(160a)을 형성하기 위해 사용될 수 있고, 여기서 제2 채널(130c)은 제1 양극 전류 콜렉터(106)와 제2 양극 전류 콜렉터(118) 사이에 있다. 일부 실시예들에서, 도 1c에 도시된 바와 같이, 레이저는 제2 기판(132)을 통해 제1 채널(158b)을 형성하기 위해 사용될 수 있고, 여기서 제1 채널(158b)은 제3 음극 전류 콜렉터(134)와 제4 음극 전류 콜렉터(146) 사이에 있다. 또한, 레이저는 제2 기판(132)을 통해 제2 채널(160b)을 형성하기 위해 사용될 수 있고, 여기서 제2 채널(160b)은 제3 양극 전류 콜렉터(136)와 제4 양극 전류 콜렉터(148) 사이에 있다.
일부 실시예들에서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 레이저는 기판(102) 내의 제1 채널(128c) 및 제2 채널(130c)을 위한 구멍을 관통(예를 들어, 뚫고) 및/또는 생성할 수 있다. 일부 경우들에서, 레이저는 도 2b의 방법(200B)의 블록(224) 및 블록(226)에 대해 위에 설명된 단계들 전에 기판(102)을 관통할 수 있다.
일부 실시예들에서, 도 1c에 도시된 바와 같이, 레이저는 제1 이중 면 배터리의 기판(102) 내의 제1 채널(158a) 및 제2 채널(160a)을 위한 구멍을 관통(예를 들어, 뚫고) 및/또는 생성할 수 있다. 그리고 또한, 도 1c에 도시된 바와 같이, 레이저는 제2 이중 면 배터리의 제2 기판(132) 내의 제3 채널(158b) 및 제4 채널(160b)을 위한 구멍을 관통 및/또는 생성할 수 있다.
일부 실시예들에서, 도 1c에 도시된 바와 같이, 레이저는 제1 음극 전류 콜렉터(104), 기판(102), 및 제2 음극 전류 콜렉터(116) 내의 제1 채널(158a)을 위한 구멍을 관통(예를 들어, 뚫고) 및/또는 생성할 수 있다. 또한, 레이저는 제1 양극 전류 콜렉터(106), 기판(102), 및 제2 양극 전류 콜렉터(118) 내의 제2 채널(160a)을 위한 구멍을 관통 및/또는 생성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 레이저는 제3 음극 전류 콜렉터(134), 제2 기판(132), 및 제4 음극 전류 콜렉터(146) 내의 제3 채널(158b)을 위한 구멍을 관통 및/또는 생성할 수 있다. 그리고 또한, 레이저는 제3 양극 전류 콜렉터(136), 제2 기판(132), 및 제4 양극 전류 콜렉터(148) 내의 제4 채널(160b)을 위한 구멍을 관통 및/또는 생성할 수 있다.
방법(200B)은 제1 음극 전류 콜렉터와 제2 음극 전류 콜렉터 사이에, 제1 채널을 통하는, 음극 상호 접속을 형성하는 블록(228)으로 이어진다. 음극 상호 접속은 예를 들어, 도 1b와 관련하여 제1 음극 전류 콜렉터(104)와 제2 음극 전류 콜렉터(116) 사이에, 제1 채널(128c)을 통하는, 음극 상호 접속(128)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다.
또한, 음극 상호 접속은 예를 들어, 도 1c와 관련하여 제1 음극 전류 콜렉터(104)와 제2 음극 전류 콜렉터(116) 사이에, 제1 채널(158a)을 통하는, 음극 상호 접속(158)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다. 그리고 또한, 음극 상호 접속은 예를 들어, 도 1c와 관련하여 제3 음극 전류 콜렉터(134)와 제4 음극 전류 콜렉터(146) 사이에, 제3 채널(158b)을 통하는, 음극 상호 접속(158)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다.
방법(200B)은 제1 양극 전류 콜렉터와 제2 양극 전류 콜렉터 사이에, 제2 채널을 통하는, 양극 상호 접속을 형성하는 블록(230)으로 이어진다. 양극 상호 접속은 예를 들어, 도 1b와 관련하여 제1 양극 전류 콜렉터(106)와 제2 양극 전류 콜렉터(118) 사이에, 제2 채널(130c)을 통하는, 양극 상호 접속(130)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다.
또한, 양극 상호 접속은 예를 들어, 도 1c와 관련하여 제1 양극 전류 콜렉터(106)와 제2 양극 전류 콜렉터(118) 사이에, 제2 채널(160a)을 통하는, 양극 상호 접속(160)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다. 그리고 또한, 양극 상호 접속은 예를 들어, 도 1c와 관련하여 제3 양극 전류 콜렉터(136)와 제4 양극 전류 콜렉터(148) 사이에, 제4 채널(160b)을 통하는, 양극 상호 접속(160)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다.
도 3a 내지 도 3f는 일부 실시예들에 따른, 고상 배터리를 제조하는 방법을 도시한다. 또한, 도 3a 내지 도 3f는 고상 배터리(300)를 제조하는 예시적인 측면 또는 단면도들을 도시한다. 도 3a 내지 도 3f에 대해 설명된 방법은 예를 들어, 도 2a 및 도 2b와 관련하여 설명된 방법들(200A 및 200B)과 각각 대응할 수 있다. 일부 실시예들에서, 고상 배터리(300)는 헤드-마운트가능 디바이스에 전력을 공급하기 위해 사용될 수 있다.
도 3a에 도시한 바와 같이, 기판(302)이 제공된다. 기판(302)은 예를 들어, 도 1a 내지 도 1c와 관련하여 기판(102) 및 도 1c와 관련하여 제2 기판(132)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다. 또한, 기판(302)은 도 2a의 방법(200A)의 블록(202), 및 도 2b의 방법(200B)의 블록들(222 및 224)에 대해 위에 설명된 방식들 중 어느 방식으로 제공될 수 있다.
도 3b는 기판(302)의 제1 측면 상에 제1 음극 전류 콜렉터(304) 및 제1 양극 전류 콜렉터(306)를 제공하는 것을 도시한다. 또한, 도 3b는 기판(302)의 제2 측면 상에 제2 음극 전류 콜렉터(316) 및 제2 양극 전류 콜렉터(318)를 제공하는 것을 도시한다. 제1 음극 전류 콜렉터(304), 제1 양극 전류 콜렉터(306), 제2 음극 전류 콜렉터(316), 및 제2 양극 전류 콜렉터(318)는 도 1b 및 도 1c와 관련하여, 제1 음극 전류 콜렉터(104), 제1 양극 전류 콜렉터(106), 제2 음극 전류 콜렉터(116), 및 제2 양극 전류 콜렉터(118)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다.
또한, 제1 음극 전류 콜렉터(304) 및 제1 양극 전류 콜렉터(306)는 도 2a의 방법(200A)의 블록(204) 및 도 2b의 방법(200B)의 블록(222)에 대해 위에 설명된 방식들 중 어느 방식으로 기판(302)의 제1 측면 상에 제공될 수 있다. 또한, 제2 음극 전류 콜렉터(316) 및 제2 양극 전류 콜렉터(318)는 도 2a의 방법(200A)의 블록(204) 및 도 2b의 방법(200B)의 블록(224)에 대해 위에 설명된 방식들 중 어느 방식으로 기판(302)의 제2 측면 상에 제공될 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 음극 전류 콜렉터(304), 제2 음극 전류 콜렉터(316), 제1 양극 전류 콜렉터(306), 및 제2 양극 전류 콜렉터(318)는 동시에, 직렬로, 및/또는 그룹들로 형성될 수 있다.
도 3c는 제1 음극(308) 및 제2 음극(320)의 형성을 도시하는데, 여기서 이들 중 하나 또는 둘 다는 LiCoO2로 이루어질 수 있다. 도시한 바와 같이, 음극(308)은 음극 전류 콜렉터(304)와 전기적으로 접촉한다. 또한, 제2 음극(320)은 제1 음극 전류 콜렉터(316)와 전기적으로 접촉한다. 제1 음극(308) 및 제2 음극(320)은 도 1a 내지 도 1c와 관련하여 제1 음극(108) 및 제2 음극(320)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다. 또한, 제1 음극(308) 및 제2 음극(320)은 도 2a의 방법(200A)의 블록(206)에 대해 위에 설명된 방식들 중 어느 방식으로 제공될 수 있다.
부가적으로, 제1 음극(308) 및 제2 음극(320)은 도 2a의 방법(200A)의 블록(208)에 대해 위에 설명된 방식들 중 어느 방식으로 주어진 온도에서 어닐링될 수 있다(도시 안됨). 일부 실시예들에서, 제1 음극(308) 및 제2 음극(320)은 동시에, 직렬로, 및/또는 그룹들로 형성될 수 있다.
도 3d는 제1 고상 전해질(310) 및 제2 고상 전해질(322)의 형성을 도시하는데, 여기서 이들 중 하나 또는 둘 다는 LiPON으로 이루어질 수 있다. 제1 고상 전해질(310) 및 제2 고상 전해질(322)은 도 1a 내지 도 1c와 관련하여, 각각, 제1 고상 전해질(110) 및 제2 고상 전해질(122)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다. 또한, 제1 고상 전해질(110) 및 제2 고상 전해질(122)은 도 2a의 방법(200A)의 블록(210)에 대해 위에 설명된 방식들 중 어느 방식으로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 고상 전해질(310) 및 제2 고상 전해질(322)은 동시에, 직렬로, 및/또는 그룹들로 형성될 수 있다.
도 3e는 제1 양극(312) 및 제2 양극(324)의 형성을 도시하며, 이들 중 하나 또는 둘 다는 리튬으로 이루어질 수 있다. 도시한 바와 같이, 제1 양극(312)은 제1 양극 전류 콜렉터(306)와 전기적으로 접촉하고 제2 양극(324)은 제2 양극 전류 콜렉터(318)와 전기적으로 접촉한다. 부가적으로, 도시한 바와 같이, 고상 전해질(310)은 제1 음극(308)과 제1 양극(312) 사이에 형성된다. 또한, 도시한 바와 같이, 제2 고상 전해질(322)은 제2 음극(320)과 제2 양극(324) 사이에 형성된다.
제1 양극(312) 및 제2 양극(324)은 도 1a 내지 도 1c와 관련하여, 각각, 제1 양극(112) 및 제2 양극(124)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다. 또한, 제1 양극(312) 및 제2 양극(324)은 도 2a의 방법(200A)의 블록(212)에 대해 위에 설명된 방식들 중 어느 방식으로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 양극(312) 및 제2 양극(324)은 동시에, 직렬로, 및/또는 그룹들로 형성될 수 있다.
도 3f는 제1 양극(310) 및 제2 양극(320)을 각각 실질적으로 덮는 제1 보호 코팅(314) 및 제2 보호 코팅(324)의 형성을 도시한다. 제1 보호 코팅(314) 및 제2 보호 코팅(326)은 예를 들어, 도 1a 내지 도 1c와 관련하여 제1 보호 코팅(114) 및 제2 보호 코팅(124)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 보호 코딩(314) 및 제2 보호 코팅(326)은 동시에, 직렬로, 및/또는 그룹들로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 보호 코팅들(314 및 324)은 형성되지 않을 수 있다.
도 3g는 레이저에 의해 형성된 제1 채널(328c)을 도시한다. 제1 채널(328c)은 기판(302)을 통해 연장하고, 여기서 제1 채널(328c)은 제1 음극 전류 콜렉터(304)와 제2 음극 전류 콜렉터(316) 사이에 있다. 도시한 바와 같이, 제1 채널(328c)은 제1 음극 콜렉터(304), 기판(302), 및 제2 음극 전류 콜렉터(316)을 통해 간다. 일부 실시예들에서, 제1 채널(328c)은 예를 들어, 도 1b의 제1 채널(128c), 및 도 1c의 제1 채널(158a) 및 제3 채널(158b)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다. 또한, 제1 채널(328)을 형성하는 레이저는 도 2b의 방법(200B)의 블록(226)에 대해 위에 설명된 방식들 중 어느 방식으로 사용될 수 있다.
또한, 도 3g는 레이저에 의해 형성된 제2 채널(330c)을 도시한다. 제2 채널(330c)은 기판(302)을 통해 연장하고, 여기서 제2 채널(330c)은 제1 양극 전류 콜렉터(306)와 제2 양극 전류 콜렉터(318) 사이에 있다. 도시한 바와 같이, 제2 채널(330c)은 제1 양극 전류 콜렉터(306) 및 제2 양극 전류 콜렉터(318)을 통해 간다. 제2 채널(330c)은 예를 들어, 도 1b의 제2 채널(130c), 및 도 1c의 제2 채널(160a) 및 제4 채널(160b)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다. 또한, 제2 채널(130c)을 형성하는 레이저는 도 2b의 방법(200B)의 블록(226)에 대해 위에 설명된 방식들 중 어느 방식으로 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 채널(328c) 및 제2 채널(330c)은 구멍 또는 공간일 수 있다. 또한, 제1 채널(328c) 및 제2 채널(330c)은 다른 가능성들 중에서, 각각 약 152㎛ 내지 360㎛의 직경을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 채널(328c) 및 제2 채널(330c)은 동시에, 직렬로, 및/또는 그룹들로 형성될 수 있다. 예를 들어, 레이저는 다른 채널들과 동시에, 직렬로, 및/또는 그룹들로 제1 채널(328c)을 위한 구멍 또는 영역을 뚫기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 다른 기구들(예를 들어, 기계적 드릴링 디바이스들)이 또한 제1 채널(328c) 및 제2 채널(330c)을 형성하기 위해 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 레이저는 고상 배터리(300)의 각각의 부품 또는 소자에 대해 별도로 제2 채널(330c)을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 레이저는 고상 배터리(300)의 다른 부품들과 별도로 기판(302)을 위한 제1 채널(328c) 및 제2 채널(330c)을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 레이저는 음극 전류 콜렉터(304), 제2 음극 전류 콜렉터(316), 제1 양극 전류 콜렉터(306), 및 제2 양극 전류 콜렉터(318)에 대해 별도로 제1 채널(328c) 및 제2 채널(330c)을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 기구들(예를 들어, 클램프들, 록크들, 이모빌라이저들, 패스너들, 홀더들, 및 컴프레셔들)은 고상 배터리(300) 상의 레이저의 사용 동안 고상 배터리(300)의 움직임을 방지할 수 있다. 또한, 레이저의 각각의 사용은 현미경에 의해 검사될 수 있다.
그리고 또한, 도 3g는 제1 음극 전류 콜렉터(304)와 제2 음극 전류 콜렉터(316) 사이에, 제1 채널(328c)을 통하는, 음극 상호 접속(328)을 형성하는 것을 도시한다. 또한, 도 3g는 제1 양극 전류 콜렉터(306)와 제2 양극 전류 콜렉터(318) 사이에, 제2 채널(330c)을 통하는, 양극 상호 접속(330)을 형성하는 것을 도시한다. 음극 상호 접속(328) 및 양극 상호 접속(330)은 예를 들어, 도 1b와 관련하여 음극 상호 접속(128) 및 양극 상호 접속(130), 및 도 1c와 관련하여 음극 상호 접속(158) 및 양극 상호 접속(160)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다. 또한, 음극 상호 접속(328) 및 양극 상호 접속(330)은 도 2b와 관련하여, 각각, 블록(228 및 230)에 대해 위에 설명된 방식들 중 어느 방식으로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 음극 상호 접속(328) 및 양극 상호 접속(330)은 고상 배터리(300)를 다른 고상 배터리들에 병렬 또는 직렬로 접속하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 음극 상호 접속(328)은 음극 전류 콜렉터(304)와 제2 음극 전류 콜렉터(316) 사이에 전기적 접속을 이룰 수 있다. 또한, 양극 상호 접속(330)은 양극 전류 콜렉터(306)와 제2 양극 전류 콜렉터(318) 사이에 전기적 접속을 이룰 수 있다. 부가적인 상호 접속들(도 3g에 도시 안됨)은 또한 고상 배터리(300)와 다른 고상 배터리들 사이에 전기적 접속들을 이룰 수 있다.
일부 실시예들에서, 고상 배터리(300)는 다른 고상 배터리들과 정렬되고 적층될 수 있다. 일부 실시예들에서, 고상 배터리(300)는 음극 상호 접속(328) 및 양극 상호 접속(330)을 형성하기 위해 도전 재료들을 사용하기 전에 정렬되고 적층될 수 있다. 고상 배터리(300)는 도 1c에 도시된 바와 같이, 제2 이중 면 배터리의 상부 상에 제1 이중 면 배터리로서 정렬되고 적층될 수 있다. 고상 배터리(300)는 또한 하나 이상의 고상 배터리 아래에 정렬되고 적층될 수 있다. 고상 배터리(300)는 또한 가능하게는 다른 배열들을 통해, 적층 없이 다른 고상 배터리들에 접속될 수 있다는 점에 주목하여야 한다. 일부 실시예들에서, 고상 배터리(300) 및 가능하게는 고상 배터리(300)와 적층된 하나 이상의 다른 고상 배터리는 다른 가능한 파우치들 중에서, 알루미늄 내에 패키지 또는 "파우치"될 수 있다.
일부 실시예들에서, 도전 재료들이 음극 상호 접속(328) 및 양극 상호 접속(330)을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 도전 재료는 고상 배터리가 가능하게는 위에 설명된 것과 같은 고상 배터리(300)의 움직임을 방지하기 위한 기구들로, 다른 고상 배터리들과 정렬 및 적층되는 동안 사용될 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 기판(302)은 음극 상호 접속(328) 및 양극 상호 접속(330)을 형성하기 위해 도전 재료들을 사용하는 동안 상부로부터 하부로(또는 앞으로부터 뒤로) 단락될 수 있다.
일부 실시예들에서, 음극 상호 접속(328) 및 양극 상호 접속(330)을 형성하는 것은 제1 채널(328c) 및 제2 채널(330c)을 은, 금, 구리, 안티몬, 주석, 또는 이들의 조합으로 채우는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 음극 상호 접속(328) 및 양극 상호 접속(330)을 형성하는 것은 제1 채널(328c) 및 제2 채널(330c) 내에, 각각 잉크, 페이스트, 에폭시, 배선, 케이블, 커넥터, 또는 이들의 조합과 같은 도전 재료들을 삽입하는 것을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 배선은 제1 채널(328c) 및 제2 채널(330c) 각각 내에 배치될 수 있고 도전 에폭시는 제1 채널(328c) 및 제2 채널(330c)을 채우는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 음극 상호 접속(328) 및 양극 상호 접속(330)을 형성하기 위해 사용된 배선은 약 152㎛의 직경 또는 두께를 가질 수 있다. 일부 경우들에서, 배선-셀 간 저항은 약 0.6 내지 1.3 옴(Ω)의 범위일 수 있다. 또한, 배선-셀 간 저항은 스택 내의 고상 배터리들의 수에 따라 변화할 수 있다. 예를 들어, 3개의 고상 배터리들의 스택은 약 0.7 내지 1.1 옴의 저항을 가질 수 있고 5개의 스택은 약 0.6 내지 1.3 옴의 저항을 가질 수 있다.
Ⅳ. 상호 접속을 형성하는 예시적인 양태들
도 4a 내지 도 4c는 일부 실시예들에 따른, 고상 배터리들 내에 상호 접속을 형성하는 양태들을 도시한다. 고상 배터리(400A)는 도 3a 내지 도 3g와 관련하여 고상 배터리(300)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다. 도 4a는 고상 배터리(400A)에 대한 다양한 소자들의 버드 아이 또는 상면도를 도시한다. 또한, 도 4a 내지 도 4c에 대해 설명된 방법들은 도 2b의 방법(200B)에서 설명된 방식들 중 어느 방식으로 수행될 수 있다.
도시한 바와 같이, 고상 배터리(400)의 기판(402), 제1 음극 전류 콜렉터(404), 제1 양극 전류 콜렉터(406), 제1 음극(408), 제1 고상 전해질(410), 제1 양극(412), 및 제1 보호 코팅(414)은 도 3a 내지 도 3g와 관련하여, 각각, 고상 배터리(300)의 기판(302), 제1 음극 전류 콜렉터(304), 제1 양극 전류 콜렉터(306), 제1 음극(308), 제1 고상 전해질(310), 제1 양극(312), 및 제1 보호 코팅(314)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다.
또한, 도시한 바와 같이, 제2 음극 전류 콜렉터(416), 제2 양극 전류 콜렉터(418), 제2 음극(420), 제2 고상 전해질(422), 제2 양극(424), 및 제2 보호 코팅(426)은 도 3a 내지 도 3g와 관련하여, 각각, 제2 음극 전류 콜렉터(316), 제2 양극 전류 콜렉터(318), 제2 음극(320), 제2 고상 전해질(322), 제2 양극(324), 및 제2 보호 코팅(326)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다.
도 4b는 고상 배터리(400B)를 지지하기 위한 고정물(420)을 도시한다. 일부 실시예들에서, 기판(402)의 제1 측면 상에, 고상 배터리(400B)는 도 4a와 관련하여 위에 설명된 바와 같이, 제1 음극 전류 콜렉터(404), 제1 양극 전류 콜렉터(406), 제1 음극(408), 제1 고상 전해질(410), 제1 양극(412), 및 제1 보호 코팅(414)으로 형성될 수 있다. 또한, 기판(402)의 제2 측면 상에, 고상 배터리(400B)는 도 4a와 관련하여 위에 설명된 바와 같이, 제2 음극 전류 콜렉터(416), 제2 양극 전류 콜렉터(418), 제2 음극(420), 제2 고상 전해질(422), 제2 양극(424), 및 제2 보호 코팅(426)으로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 고상 배터리(400B)는 도 2a의 방법(200A) 및/또는 도 2b의 방법(200B)에 따라 제조될 수 있다.
일부 실시예들에서, 레이저는 기판(402)을 통해 제1 채널을 형성하기 위해 사용될 수 있고, 여기서 제1 채널은 제1 음극 전류 콜렉터(404)와 제2 음극 전류 콜렉터(416) 사이에 있다. 또한, 레이저는 기판(402)을 통해 제2 채널을 형성하기 위해 사용될 수 있고, 여기서 제2 채널은 제1 양극 전류 콜렉터(406)와 제2 양극 전류 콜렉터(418) 사이에 있다. 일부 실시예들에서, 고상 배터리(400B)의 제1 채널 및 제2 채널은 예를 들어, 도 3g에서 각각, 제1 채널(328c) 및 제2 채널(330c)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다. 또한, 레이저는 도 2b의 방법(200B)의 블록(226)에 대해 위에 설명된 방식들 중 어느 방식으로 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 고정물(420)은 고상 배터리(400B) 상에 레이저를 사용하기 위한 고상 배터리(400B)에 대한 지지를 제공할 수 있다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 고정물(420)은 여러 다른 고상 배터리들을 지지할 수 있다. 또한, 고정물(420)은, 가능하게는 고상 배터리(400B)의 영역들 상에 레이저를 사용하기 위해, 고상 배터리(400B)의 이들 영역들을 노출하는 공간들(422 및 424)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 공간들(422 및 424)은 고상 배터리(400B)의 코너들을 노출할 수 있다. 일부 경우들에서, 고상 배터리(400B)의 다른 부분들이 역시 노출될 수 있다. 이와 같이, 고정물(420)은 고상 배터리(400B) 상으로 공간들(422 및 424)을 통해 레이저를 가하면서 고상 배터리(400B)의 하부 표면을 완전히 지지할 수 있다.
고정물(420)은 고상 배터리(400B) 상에 레이저를 사용하는 동안 고상 배터리(400B)의 움직임을 방지하기 위한 부가적인 지지물(예를 들어, 클램프들, 록크들, 이모빌라이저들, 패스너들, 홀더들, 및 컴프레셔들)을 포함할 수 있다는 것을 또한 이해하여야 한다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 고정물(420)은 다른 고상 배터리들 상에 레이저를 동시에, 직렬로, 및/또는 그룹들로 사용하기 위해 다수의 고상 배터리에 대한 지지를 제공할 수 있다.
도 4c는 레이저에 의해 형성된 채널들을 갖는 기판들을 도시한다. 일부 실시예들에서, 기판들(430, 432, 434, 및 436)은 예를 들어, 도 4a의 기판(402)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다. 또한, 기판들(430, 432, 434, 및 436)은 예를 들어, 도 2a의 방법(200A)의 블록(202), 및 도 2b의 방법(200B)의 블록들(222 및 224)에 대해 위에 설명된 방식들 중 어느 방식으로 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판들(430, 432, 434, 및 436)은 도 2b의 방법(200B)의 블록(226)에 따라 레이저에 의해 형성된 채널들을 나타낼 수 있다.
도 4c에 도시한 바와 같이, 기판(430)은 레이저에 의해 형성된 채널(430c)을 나타낸다. 또한, 기판(430)의 채널(430c)은 상호 접속을 형성할 수 있다. 또한, 기판(432)의 채널(432c)은 기판(432)의 에지(432e)에 아주 가깝게 형성될 수 있고 채널(432c)의 중심은 분명하지 않을 수 있어서, 아마 상호 접속을 형성하기 위해 기판(432) 상에 부가적인 작업을 요구한다. 또한, 아마 레이저의 사용들로 인해, 기판(434)은 기판(434)으로부터 멀리 떨어질 수 있는 기판(434)의 부분을 나타낸다. 그리고 또한, 레이저는 기판(436) 내의 금이 간 것들을 가리키는 2개의 화살표로 도시된 바와 같이, 기판을 파손시키거나 금가게 할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 채널 및 제2 채널을 형성하기 위해 사용된 레이저는 특정의 특성들을 가질 수 있다. 또한, 레이저를 사용하는 것은 가능하게는 기판들을 파손시키는 것을 피하기 위해, 레이저의 특성들을 측정하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 레이저의 특성들은 레이저의 전류 및 주파수를 포함할 수 있다. 또한, 이들 특성은 기판(430)에 나타낸 바와 같이, 채널들을 형성하기 위해 조정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 레이저의 특성들은 약 19암페어 내지 31 암페어의 범위의 전류를 포함할 수 있다. 또한, 레이저의 특성들은 약 14㎑ 내지 150 ㎑의 주파수 레이트를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전류들 및 주파수의 변화들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 약 19암페어 내지 29암페어의 범위 내의 6개의 상이한 전류들이 약 15, 30, 50, 75, 100, 및 150 ㎑의 6개의 상이한 주파수 레이트들과 조합하여 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 레이저의 전류 및 주파수를 변화시키면 기판(430)에 나타낸 것과 같은 채널들을 형성하는 생산 또는 성공율이 증가될 수 있다. 예를 들어, 15㎑의 주파수 레이트를 갖는 약 19암페어의 전류를 사용하면, 예를 들어, 20% 레이트를 얻을 수 있다. 또한, 150 ㎑의 주파수 레이트를 갖는 약 23암페어의 전류를 사용하면, 예를 들어, 46% 레이트를 얻을 수 있다.
Ⅴ. 다수의 고상 배터리를 제조하는 예시적인 방법들
일부 응용들에서, 고상 배터리들을 개별적으로 제조하기보다는, 단일 제조 공정에서 다수의 고상 배터리를 제조하는 것이 바람직할 수 있다. 이 목적을 위해, 개시된 고상 배터리들은 다수의 기판을 포함하는 가요성 롤이 (예를 들어, 리소그래피 및/또는 잉크젯 프린팅을 사용하여) 패턴되고/되거나 다수의 기판들 각각으로부터 고상 배터리를 형성하기 위해 하나 이상의 다른 롤에 접착되는, 롤-투-롤 제조 공정을 사용하여 제조될 수 있다. 다수의 기판은 다음에 다수의 고상 배터리를 제조하기 위해 서로로부터 분리될 수 있다.
도 5는 일부 실시예들에 따른, 다수의 고상 배터리를 제조하는 방법(500)을 설명하는 플로우차트이다. 도시한 바와 같이, 방법(500)은 블록(502)에서 다수의 기판을 포함하는 롤을 제공하는 것으로 시작한다. 롤은 임의 수의 치수들을 취할 수 있다. 일부 실시예들에서, 롤은 예를 들어, 약 25㎛ 내지 약 40㎛의 두께를 가질 수 있다. 다른 두께들이 역시 가능하다. 또한, 일부 실시예들에서, 롤은 수 미터 정도의 평면 길이 및/또는 평면 폭을 가질 수 있다. 예를 들어, 롤의 평면 면적 및 두께를 포함하는 롤의 치수들은 제조될 고상 배터리들의 적용에 따라 변할 수 있다.
롤은 도 4a 내지 도 4c와 관련하여 기판(402)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 롤은 유리, 반도체들, 운모, 비도전 재료, 및/또는 가능하게는 이트리아-안정화 지르코니아(YSZ)의 층으로 형성될 수 있다. 이들 실시예에서, 다수의 기판의 각각의 기판은 롤의 영역에 의해 형성될 수 있다. 또 하나의 예로서, 일부 실시예들에서, 롤은 금속 또는 세라믹의 층에 부착된 YSZ의 층일 수 있다. 이들 실시예에서, 다수의 기판의 각각의 기판은 롤의 영역에 의해 형성될 수 있다. 롤은 역시 다른 형태들을 취할 수 있다. 임의 수의 기판들이 롤 내에 포함될 수 있고, 기판들은 임의의 패턴으로 배열될 수 있다.
방법(500)은 다수의 기판의 각각의 기판에 대해, 기판의 제1 측면 상에 제1 음극 전류 콜렉터 및 제1 양극 전류 콜렉터를 형성하고, 기판의 제2 측면 상에 제2 음극 전류 콜렉터 및 제2 양극 전류 콜렉터를 형성하는 블록(504)으로 이어진다. 제1 음극 전류 콜렉터, 제2 음극 전류 콜렉터, 제1 양극 전류 콜렉터, 및 제2 양극 전류 콜렉터는 예를 들어, 도 4a에서, 각각, 제1 음극 전류 콜렉터(404), 제2 음극 전류 콜렉터(416), 제1 양극 전류 콜렉터(406), 및 제2 양극 전류 콜렉터(418)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다.
각각의 음극 전류 콜렉터 및 양극 전류 콜렉터는 도 2a와 관련하여 블록(204), 및 도 2b와 관련하여 블록들(222 및 224)에 대해 위에 설명된 방식들 중 어느 방식으로 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 음극 전류 콜렉터 및 양극 전류 콜렉터는 패터닝(예를 들어, 리소그래피 및/또는 잉크젯 프린팅)을 통해 형성될 수 있고/있거나 기판들을 포함하는 롤에 굴려지고 부착된 추가의 롤 상에 사전 형성될 수 있다. 음극 전류 콜렉터들 및 양극 전류 콜렉터들은 역시 다른 방식들로 형성될 수 있다. 음극 전류 콜렉터들 및 양극 전류 콜렉터들은 동시에, 직렬로, 및/또는 그룹들로 형성될 수 있다.
방법(500)은 블록(506)에서 다수의 기판의 각각의 기판에 대해, 기판의 제1 측면 상에 제1 음극을 형성하고 기판의 제2 측면 상에 제2 음극을 형성하는 것을 계속한다. 제1 음극 및 제2 음극은 LiCoO2로 이루어질 수 있고, 여기서 제1 음극은 제1 음극 전류 콜렉터와 전기적으로 접촉하고, 제2 음극은 제2 음극 전류 콜렉터와 전기적으로 접촉한다. 각각의 음극은 도 4a와 관련하여 제1 음극(408) 및 제2 음극(420)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다. 또한, 각각의 음극은 도 2a와 관련하여 블록(206)에 대해 위에 설명된 방식들 중 어느 방식으로 형성될 수 있다. 대안적으로, 각각의 음극은 패터닝(예를 들어, 리소그래피 및/또는 잉크젯 프린팅)을 통해 형성될 수 있고/있거나 기판들을 포함하는 롤에 굴려지고 부착된 추가의 롤 상에 사전 형성될 수 있다. 음극들은 역시 다른 방식들로 형성될 수 있다. 음극들은 동시에, 직렬로, 및/또는 그룹들로 형성될 수 있다.
방법(500)은 다수의 기판의 각각의 기판에 대해, 제1 음극 및 제2 음극을 약 700℃ 내지 약 800℃의 온도에서 어닐링하는 블록(508)으로 이어진다. 각각의 음극은 도 2의 방법(200A)의 블록(208)에 대해 위에 설명된 방식들 중 어느 방식으로 어닐링될 수 있다. 음극들은 동시에, 직렬로, 및/또는 그룹들로 형성될 수 있다.
방법(500)은 블록(510)에서 다수의 기판의 각각의 기판에 대해, 제1 고상 전해질 및 제2 고상 전해질을 형성하는 것을 계속한다. 제1 고상 전해질 및 제2 고상 전해질은 LiPON으로 이루어질 수 있다. 각각의 고상 전해질은 도 4a와 관련하여 제1 고상 전해질(410) 및 제2 고상 전해질(422)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다. 또한, 각각의 고상 전해질은 도 2a의 방법(200A)의 블록(210)에 대해 위에 설명된 방식들 중 어느 방식으로 형성될 수 있다. 대안적으로, 각각의 고상 전해질은 패터닝(예를 들어, 리소그래피 및/또는 잉크젯 프린팅)을 통해 형성될 수 있고/있거나 기판들을 포함하는 롤에 굴려지고 부착된 추가의 롤 상에 사전 형성될 수 있다. 고상 전해질들은 역시 다른 방식들로 형성될 수 있다. 고상 전해질들은 동시에, 직렬로, 및/또는 그룹들로 형성될 수 있다.
방법(500)은 다수의 기판의 각각의 기판에 대해, 기판의 제1 측면 상에 제1 양극을 형성하고 기판의 제2 측면 상에 제2 양극을 형성하는 블록(512)으로 이어진다. 제1 양극 및 제2 양극은 리튬으로 이루어질 수 있다. 제1 양극은 제1 양극 전류 콜렉터와 전기적으로 접촉할 수 있고 제1 고상 전해질은 제1 양극과 제1 음극 사이에 형성될 수 있다. 제2 양극은 제2 양극 전류 콜렉터와 전기적으로 접촉할 수 있고 제2 고상 전해질은 제2 양극과 제2 음극 사이에 형성될 수 있다.
각각의 양극은 도 4a와 관련하여 제1 양극(412) 및 제2 양극(424)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다. 또한, 각각의 양극은 도 2a와 관련하여 블록(212)에 대해 위에 설명된 방식들 중 어느 방식으로 형성될 수 있다. 대안적으로, 각각의 양극은 패터닝(예를 들어, 리소그래피 및/또는 잉크젯 프린팅)을 통해 형성될 수 있고/있거나 기판들을 포함하는 롤에 굴려지고 부착된 추가의 롤 상에 사전 형성될 수 있다. 음극들은 역시 다른 방식들로 형성될 수 있다. 양극들은 동시에, 직렬로, 및/또는 그룹들로 형성될 수 있다.
방법(500)은 블록(514)에서 다수의 기판의 각각의 기판에 대해, 제1 전류 콜렉터와 제2 전류 콜렉터 사이에 음극 상호 접속을 형성하고, 제1 양극 전류 콜렉터와 제2 양극 전류 콜렉터 사이에 양극 상호 접속을 형성하는 것을 계속한다. 각각의 음극 상호 접속 및 양극 상호 접속은 도 3g의 음극 상호 접속(328) 및 양극 상호 접속(330)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다. 또한, 각각의 음극 상호 접속 및 양극 상호 접속은 도 2b의 방법(200B)에 대해 위에 설명된 방식들 중 어느 방식으로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 레이저는 기판을 통하는 제1 채널을 형성하기 위해 사용될 수 있고, 여기서 제1 채널은 제1 음극 전류 콜렉터와 제2 음극 전류 콜렉터 사이에 있다. 또한, 레이저는 또한 기판을 통하는 제2 채널을 형성하기 위해 사용될 수 있고, 여기서 제2 채널은 제1 양극 전류 콜렉터와 제2 양극 전류 콜렉터 사이에 있다. 일부 실시예들에서, 레이저는 예를 들어, 도 4a 내지 도 4c에 대해 위에 설명된 방식들 중 어느 방식으로 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 레이저를 사용하여 기판을 통하는 제1 채널을 형성하는 것은 제1 음극 전류 콜렉터, 기판, 및 제2 음극 전류 콜렉터를 관통하는 것을 포함한다. 또한, 레이저를 사용하여 기판을 통하는 제2 채널을 형성하는 것은 제1 양극 전류 콜렉터, 기판, 및 제2 양극 전류 콜렉터를 관통하는 것을 포함한다.
일부 실시예들에서, 방법(500)은 다수의 기판의 각각의 기판에 대해, 제1 양극을 실질적으로 덮는 제1 보호 코팅을 형성하고 제2 양극을 실질적으로 덮은 제2 보호 코팅을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다. 제1 보호 코팅 및 제2 보호 코팅은 예를 들어, 도 4a와 관련하여, 각각, 제1 보호 코팅(414) 및 제2 보호 코팅(426)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 보호 코팅은 패터닝(예를 들어, 리소그래피 및/또는 잉크젯 프린팅)을 통해 형성될 수 있고/있거나 기판들을 포함하는 롤에 굴려지고 부착된 추가의 롤 상에 사전 형성될 수 있다. 보호 코팅들은 역시 다른 방식들로 형성될 수 있다. 보호 코팅들은 동시에, 직렬로, 및/또는 그룹들로 형성될 수 있다. 대안적으로, 일부 실시예들에서, 보호 코팅은 형성되지 않을 수 있다.
일부 실시예들에서, 방법(500)은 다수의 기판의 기판들 각각을 서로로부터 분리하여, 다수의 고상 배터리를 형성하는 것을 더 포함할 수 있다. 각각의 고상 배터리는 각각의 기판을 포함할 수 있다. 기판은 예를 들어, 다이 컷팅 및/또는 레이저 컷팅을 사용하여 분리될 수 있다. 기판들은 또 다른 방식들로 분리될 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 다수의 고상 배터리를 제조하는 방법을 도시한다. 일부 실시예들에서, 각각의 고상 배터리는 일부 실시예들에 따라, 유리, 반도체들, 운모, 비도전 재료, 및/또는 가능하게는 이트리아-안정화 지르코니아(YSZ)의 층으로 이루어진 기판을 포함할 수 있다. 방법은 예를 들어, 도 5와 관련하여 위에 설명된 방법(500)일 수 있다.
도 6a에 도시한 바와 같이, 다수의 기판(602)을 포함하는 롤(500)이 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 롤(600)은 유리, 반도체들, 운모, 비도전 재료, 및/또는 가능하게는 이트리아-안정화 지르코니아(YSZ)의 층으로 형성될 수 있다. 이들 실시예에서, 다수의 기판(602)의 각각의 기판은 롤(600)의 영역에 의해 형성될 수 있다. 또 하나의 예로서, 일부 실시예들에서, 롤(600)은 금속 또는 세라믹의 층에 부착된 YSZ의 층일 수 있다. 이들 실시예에서, 다수의 기판(602)의 각각의 기판은 롤(600)의 영역에 의해 형성될 수 있다. 롤(600)은 역시 다른 형태들을 취할 수 있다. 임의 수의 기판들이 롤(600) 내에 포함될 수 있고, 기판들은 임의의 패턴으로 배열될 수 있다.
도 6b에 도시한 바와 같이, 고상 배터리는 다수의 기판(602)의 각각의 기판 상에 형성될 수 있다. 특히, 각각의 기판에 대해, 제1 음극 전류 콜렉터(604), 제1 양극 전류 콜렉터(606), 제1 음극(상면도로부터 보이지 않음), 제1 고상 전해질(상면도로부터 보이지 않음), 및 제1 양극(608)이 형성될 수 있다. 또한, 각각의 기판에 대해, 제2 음극 전류 콜렉터, 제2 양극 전류 콜렉터, 제2 음극, 제2 고상 전해질, 및 제2 양극이 형성될 수 있다(모두 상면도로부터 보이지 않음).
제1 음극 전류 콜렉터(604), 제1 양극 전류 콜렉터(606), 제1 음극, 제1 고상 전해질, 및 제1 양극(608) 각각은 도 4a와 관련하여, 각각, 제1 음극 전류 콜렉터(404), 제1 양극 전류 콜렉터(406), 제1 음극(408), 제1 고상 전해질(410), 및 제1 양극(412)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다. 또한, 제2 음극 전류 콜렉터, 제2 양극 전류 콜렉터, 제2 음극, 제2 고상 전해질, 및 제2 양극 각각은 도 4a와 관련하여, 각각, 제2 음극 전류 콜렉터(416), 제2 양극 전류 콜렉터(418), 제2 음극(420), 제2 고상 전해질(422), 및 제2 양극(424)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다.
또한, 제1 음극 전류 콜렉터(604), 제2 음극 전류 콜렉터, 제1 양극 전류 콜렉터(606), 및 제2 양극 전류 콜렉터 각각은 도 5와 관련하여 블록(504)에 대해 위에 설명된 방식들 중 어느 방식으로 형성될 수 있다. 더구나, 제1 음극, 제2 음극, 제1 고상 전해질, 제2 고상 전해질, 제1 양극(608), 및 제2 양극 각각은 도 5와 관련하여, 각각, 블록들(506, 510, 및 512)에 대해 위에 설명된 방식들 중 어느 방식으로 형성될 수 있다.
제1 음극 전류 콜렉터(604), 제2 음극 전류 콜렉터, 제1 양극 전류 콜렉터(606), 제2 양극 전류 콜렉터, 제1 음극, 제2 음극, 제1 고상 전해질, 제2 고상 전해질, 제1 양극(608), 및 제2 양극 중 하나 이상은 동일한 제조 단계 중에 형성될 수 있거나, 또는 각각이 별도의 제조 단계 동안 형성될 수 있다.
또한, 각각의 기판에 대해, 음극 상호 접속은 제1 음극 전류 콜렉터(604) 및 제2 음극 전류 콜렉터에 대해 형성될 수 있다. 그리고 또한, 양극 상호 접속은 제1 양극 전류 콜렉터(608) 및 제2 양극 전류 콜렉터에 대해 형성될 수 있다. 음극 상호 접속 및 양극 상호 접속은 도 5와 관련하여 블록(514)에 대해 위에 설명된 방식들 중 어느 방식으로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 양극들(608) 및 제2 양극들 각각을 실질적으로 덮는 보호 코팅들(도시 안됨)이 부가적으로 형성될 수 있다. 보호 코팅은 예를 들어, 도 4a와 관련하여 제1 보호 코팅(414) 및 제2 보호 코팅(426)에 대해 위에 설명된 형태들 중 어느 형태를 취할 수 있다. 도시한 것과 같은 다른 실시예들에서, 보호 코팅은 형성되지 않을 수 있다.
어느 경우에나, 제1 음극 전류 콜렉터(604), 제2 음극 전류 콜렉터, 제1 양극 전류 콜렉터(606), 제2 양극 전류 콜렉터, 제1 음극, 제2 음극, 제1 고상 전해질, 제2 고상 전해질, 제1 양극(608), 및 제2 양극 각각은 그들이 형성된 기판과 함께, 고상 배터리를 형성할 수 있다. 고상 배터리들은 다음에 도 6c에 도시한 바와 같이, 분리될 수 있다. 고상 배터리들(610) 각각은 각각의 기판을 포함할 수 있다. 고상 배터리들(610)은 예를 들어, 다이 컷팅 및/또는 레이저 컷팅을 사용하여 분리될 수 있다. 고상 배터리들(610)은 역시 다른 방식들로 분리될 수 있다.
도 6c 내의 고상 배터리들(610)이 상면도로부터 도시되지만, 각각의 고상 배터리는 도 3a 내지 도 3g와 관련하여 위에 설명된 고상 배터리(300)와 유사한 것으로 측면 및 단면도로부터 나타날 수 있다(도 3g 내의 고상 배터리(300)가 제1 보호 코팅(314) 및 제2 보호 코팅(326)을 포함하는 것으로 도시되지만, 고상 배터리들 (610) 각각은 위에 설명된 바와 같이, 보호 코팅을 포함할 수 있거나 포함하지 않을 수 있다.)
Ⅵ. 고상 배터리를 위한 예시적인 기판들
일부 경우들에서, 기판 재료들 상에 형성된 고상 배터리들은 약 97-150Wh/L 정도의 제한된 에너지 밀도들을 나타낼 수 있다. 이들 제한된 에너지 밀도는 많은 요인들의 결과이다. 일부 실시예들에서, 구리, 스테인레스 강, 및 폴리이미드 기판들 상에 형성된 고상 배터리들의 에너지 밀도들은 기판 재료들의 열팽창 계수들(CTE들)과 LiCoO2의 CTE 간의 부정합에 의해 제한될 수 있어서, 이들 기판 각각 상에 성장할 수 있는 LiCoO2 음극의 두께를 제한한다. 이들 기판 상에 보다 더 큰 두께의 LiCoO2의 성장은 LiCoO2의 크랙킹 및 박리를 야기한다.
일부 실시예들에서, 에너지 밀도들은 고상 배터리의 제조 중에 사용될 수 있는 어닐링 온도에 의해 제한된다. 리튬 코발트 산화물(LiCoO2) 음극의 결정화 및 결정 배향(및, 그에 따라, 고상 배터리의 에너지 밀도)을 최적화하기 위해, LiCoO2 음극을 약 700℃ 내지 약 800℃의 온도로 어닐링하는 것이 바람직할 수 있다. 부가적으로, 고상 배터리는 100Wh/L의 에너지 밀도를 가질 수 있다.
그러나, 폴리이미드 기판들은 이러한 높은 어닐링 온도에 견딜 수 없고; 오히려, 폴리이미드는 약 400℃의 어닐링 온도로 제한된다. 구리는 약 700-800℃의 어닐링 온도에 견딜 수 있지만, 그 결과로 구리는 어닐링 동안에 산화할 것이다. 또한, 스테인레스 강은 유사하게 약 700-800℃의 어닐링 온도에 견딜 수 있지만, 이러한 온도에서의 어닐링 동안 스테인레스 강 내의 합금 원소들(예를 들어, 크롬)은 LiCoO2 음극 내로 이동하여, 고상 배터리의 수명을 줄인다.
일부 실시예들에서, 이트리아-안정화 지르코니아(YSZ)는 약 700℃ 내지 약 800℃의 높은 어닐링 온도에 견딜 수 있어서, LiCoO2의 바람직한 어닐링을 가능하게 한다. 부가적으로, YSZ는 약 800℃에서 제로에 가까운 열팽창 계수를 가지므로, LiCoO2의 크랙킹 또는 박리 없이 LiCoO2의 보다 더 두꺼운 층들의 성장을 가능하게 한다. 결과적으로, YSZ 기판을 갖는 고상 배터리들은 약 1030 Wh/L의 향상된 에너지 밀도를 나타낼 수 있다.
일부 실시예들에서, 기판은 YSZ의 독립 층일 수 있다. 대안적으로, 다른 실시예들에서, 기판은 금속 또는 세라믹의 층을 더 포함할 수 있다. 이들 실시예에서, 기판의 YSZ는 금속 또는 세라믹의 층에 부착될 수 있다. 음극 전류 콜렉터 및 양극 전류 콜렉터는 다음에 YSZ 상에 형성될 수 있다. 기판의 YSZ 내의 이트리아의 몰 농도는 적용에 따라 변화할 수 있다. 일부 실시예들에서, YSZ 내의 이트리아의 몰 농도는 예를 들어, 약 3%일 수 있다. 이트리아의 다른 몰 농도들이 역시 가능하다.
Ⅶ. 결론
다양한 양태들 및 실시예들이 여기에 개시되었지만, 다른 양태들 및 실시예들이 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 분명할 것이다. 여기에 개시된 다양한 양태들 및 실시예들은 예시의 목적을 위한 것이고 제한하려는 것이 아니고, 진정한 범위 및 취지는 다음의 청구범위에 의해 나타난다.

Claims (20)

  1. 배터리로서,
    제1 측면 및 제2 측면을 포함하는 기판 - 상기 기판의 상기 제1 측면 상에 제1 음극 전류 콜렉터(cathode current collector) 및 제1 양극 전류 콜렉터(anode current collector)가 있고, 상기 기판의 상기 제2 측면 상에 제2 음극 전류 콜렉터 및 제2 양극 전류 콜렉터가 있음 -;
    상기 제1 음극 전류 콜렉터와 상기 제2 음극 전류 콜렉터 사이에 상기 기판을 통하는 제1 채널;
    상기 제1 양극 전류 콜렉터와 상기 제2 양극 전류 콜렉터 사이에 상기 기판을 통하는 제2 채널;
    상기 제1 음극 전류 콜렉터와 상기 제2 음극 전류 콜렉터 사이에, 상기 제1 채널을 통하는 음극 상호 접속(cathode interconnection); 및
    상기 제1 양극 전류 콜렉터와 상기 제2 양극 전류 콜렉터 사이에, 상기 제2 채널을 통하는 양극 상호 접속(anode interconnection)
    을 포함하는 배터리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 채널 및 상기 제2 채널 중 적어도 하나는 레이저에 의해 형성되는 배터리.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 채널은 상기 기판의 제1 코너에 배치되고, 상기 제2 채널은 상기 기판의 상기 제1 코너에 인접한 상기 기판의 제2 코너에 배치되는 배터리.
  4. 제1항에 있어서, 상기 음극 상호 접속 및 상기 양극 상호 접속 중 적어도 하나는 (a) 은, (b) 금, (c) 구리, (d) 안티몬, 및 (e) 주석 중 하나 이상을 포함하는 배터리.
  5. 제1항에 있어서, 상기 음극 상호 접속 및 상기 양극 상호 접속 중 적어도 하나는 다음의 도전 재료들: (a) 잉크, (b) 페이스트, (c) 에폭시, (d) 배선, (e) 케이블, 및 (f) 커넥터 중 하나 이상을 포함하는 배터리.
  6. 배터리를 제조하는 방법으로서,
    기판의 제1 측면 상에 제1 음극 전류 콜렉터 및 제1 양극 전류 콜렉터를 제공하는 단계;
    상기 기판의 제2 측면 상에 제2 음극 전류 콜렉터 및 제2 양극 전류 콜렉터를 제공하는 단계;
    적어도 하나의 레이저를 사용하여 (a) 상기 기판을 통하는 제1 채널 - 상기 제1 채널은 상기 제1 음극 전류 콜렉터와 상기 제2 음극 전류 콜렉터 사이에 있음 -, 및 (b) 상기 기판을 통하는 제2 채널 - 상기 제2 채널은 상기 제1 양극 전류 콜렉터와 상기 제2 양극 전류 콜렉터 사이에 있음 - 을 형성하는 단계;
    상기 제1 음극 전류 콜렉터와 상기 제2 음극 전류 콜렉터 사이에, 상기 제1 채널을 통하는, 음극 상호 접속을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 양극 전류 콜렉터와 상기 제2 양극 전류 콜렉터 사이에, 상기 제2 채널을 통하는, 양극 상호 접속을 형성하는 단계
    를 포함하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 적어도 하나의 레이저를 사용하여 상기 기판을 통하는 상기 제1 채널을 형성하는 단계는 상기 제1 음극 전류 콜렉터, 상기 기판, 및 상기 제2 음극 전류 콜렉터를 관통하는 단계를 포함하고, 상기 적어도 하나의 레이저를 사용하여 상기 기판을 통하는 상기 제2 채널을 형성하는 단계는 상기 제1 양극 전류 콜렉터, 상기 기판, 및 상기 제2 양극 전류 콜렉터를 관통하는 단계를 포함하는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 적어도 하나의 레이저의 특성들은 (a) 19 내지 31 암페어의 전류 및 (b) 15 내지 150 ㎑의 주파수 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  9. 제11항에 있어서, 상기 적어도 하나의 레이저를 사용하여 상기 기판을 통하는 상기 제1 채널 및 상기 기판을 통하는 상기 제2 채널을 형성하는 단계는 상기 기판을 파손(breaking)시키지 않고 상기 적어도 하나의 레이저를 사용하는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 기판을 파손시키지 않고 상기 적어도 하나의 레이저를 사용하는 단계는 고정물(fixture)로 상기 기판을 지지하는 단계를 포함하고, 상기 고정물은 상기 적어도 하나의 레이저가 상기 기판을 관통하는 복수의 개구를 포함하는 방법.
  11. 제6항에 있어서, 상기 방법은 (a) 상기 배터리를 하나 이상의 배터리와 정렬하고 (b) 상기 배터리를 상기 하나 이상의 배터리와 적층하는 단계 중 하나 이상을 더 포함하는 방법.
  12. 제6항에 있어서, 상기 방법은
    제1 음극 및 제2 음극을 형성하는 단계 - 상기 제1 음극은 상기 제1 음극 전류 콜렉터와 전기적으로 접촉하고, 상기 제2 음극은 상기 제2 음극 전류 콜렉터와 전기적으로 접촉함 -; 및
    상기 제1 음극 및 상기 제2 음극을 어닐링하는 단계를 더 포함하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 방법은
    제1 고상 전해질 및 제2 고상 전해질을 형성하는 단계 - 상기 제1 고상 전해질은 상기 제1 음극과 상기 제1 양극 사이에 있고, 상기 제2 고상 전해질은 상기 제2 음극과 상기 제2 양극 사이에 있음 -; 및
    제1 양극 및 제2 양극을 형성하는 단계 - 상기 제1 양극은 상기 제1 양극 전류 콜렉터와 전기적으로 접촉하고, 상기 제2 양극은 상기 제2 양극 전류 콜렉터와 전기적으로 접촉함 -를 더 포함하는 방법.
  14. 제6항에 있어서, 상기 음극 상호 접속을 형성하고 상기 양극 상호 접속을 형성하는 단계는 상기 제1 채널 및 상기 제2 채널을, 각각, (a) 은, (b) 금, (c) 구리, (d) 안티몬, 및 (e) 주석 중 하나 이상으로 채우는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제6항에 있어서, 상기 음극 상호 접속을 형성하고 상기 양극 상호 접속을 형성하는 단계는 상기 제1 채널 및 상기 제2 채널 내에, 각각, 다음의 도전 재료들: (a) 잉크, (b) 페이스트, (c) 에폭시, (d) 배선, (e) 케이블, 및 (f) 커넥터 중 하나 이상을 삽입하는 단계를 포함하는 방법.
  16. 복수의 기판을 포함하는 롤(roll)을 제공하는 단계, 상기 복수의 기판의 각각의 기판에 대해:
    상기 기판의 제1 측면 상에 제1 음극 전류 콜렉터 및 제1 양극 전류 콜렉터를 형성하고, 상기 기판의 제2 측면 상에 제2 음극 전류 콜렉터 및 제2 양극 전류 콜렉터를 형성하는 단계;
    상기 기판의 상기 제1 측면 상에 제1 음극을 형성하고, 상기 기판의 상기 제2 측면 상에 제2 음극을 형성하는 단계;
    상기 제1 음극 및 상기 제2 음극을 주어진 온도에서(at a temperature) 어닐링하는 단계;
    상기 기판의 상기 제1 측면 상에 제1 고상 전해질을 형성하고, 상기 기판의 상기 제2 측면 상에 제2 고상 전해질을 형성하는 단계;
    상기 기판의 상기 제1 측면 상에 제1 양극을 형성하고, 상기 기판의 상기 제2 측면 상에 제2 양극을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 음극 전류 콜렉터와 상기 제2 음극 전류 콜렉터 사이에 음극 상호 접속을 형성하고, 상기 제1 양극 전류 콜렉터와 상기 제2 양극 전류 콜렉터 사이에 양극 상호 접속을 형성하는 단계
    를 포함하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1 음극 전류 콜렉터와 상기 제2 음극 전류 콜렉터 사이에 상기 음극 상호 접속을 형성하는 단계는 적어도 하나의 레이저를 사용하여 상기 기판을 통하는 제1 채널을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제1 채널은 상기 제1 음극 전류 콜렉터와 상기 제2 음극 전류 콜렉터 사이에 있고, 상기 제1 양극 전류 콜렉터와 상기 제2 양극 전류 콜렉터 사이에 상기 양극 상호 접속을 형성하는 단계는 상기 적어도 하나의 레이저를 사용하여 상기 기판을 통하는 제2 채널을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제2 채널은 상기 제1 양극 전류 콜렉터와 상기 제2 양극 전류 콜렉터 사이에 있는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 적어도 하나의 레이저를 사용하여 상기 기판을 통하는 상기 제1 채널을 형성하는 단계는 상기 제1 음극 전류 콜렉터, 상기 기판, 및 상기 제2 음극 전류 콜렉터를 관통하는 단계를 포함하고, 상기 적어도 하나의 레이저를 사용하여 상기 기판을 통하는 상기 제2 채널을 형성하는 단계는 상기 제1 양극 전류 콜렉터, 상기 기판, 및 상기 제2 양극 전류 콜렉터를 관통하는 단계를 포함하는 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 적어도 하나의 레이저의 특성들은 (a) 19 내지 31 암페어의 전류 및 (b) 15 내지 150 ㎑의 주파수 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  20. 제17항에 있어서, 상기 적어도 하나의 레이저를 사용하여 상기 기판을 통하는 상기 제1 채널 및 상기 기판을 통하는 상기 제2 채널을 형성하는 단계는 상기 기판을 파손시키지 않고 상기 적어도 하나의 레이저를 사용하는 단계를 포함하는 방법.
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