KR20210012045A - 리튬의 안정성을 가능하게 하는 확산 장벽 막들 - Google Patents

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Abstract

리튬 함유 애노드들, 전술된 리튬 함유 전극들을 포함하는 고성능 전기화학 디바이스들, 이를테면, 이차 배터리들, 및 이를 제조하기 위한 방법들이 제공된다. 일 구현에서, 애노드 전극이 제공된다. 애노드 전극은, 구리 포일 상에 형성되는 제1 확산 장벽 층을 포함한다. 제1 확산 장벽 층은, 티타늄(Ti), 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 니오븀(Nb), 탄탈럼(Ta), 또는 이들의 조합물들을 포함한다. 애노드 전극은, 제1 확산 장벽 층 상에 형성되는 습윤 층을 더 포함한다. 습윤 층은, 규소(Si), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 게르마늄(Ge), 안티모니(Sb), 납(Pb), 비스무트(Bi), 갈륨(Ga), 인듐(In), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 마그네슘(Mg), 이들의 산화물들, 이들의 질화물들, 또는 이들의 조합물들로부터 선택된다. 애노드 전극은, 습윤 층 상에 형성되는 리튬 금속 층을 더 포함한다.

Description

리튬의 안정성을 가능하게 하는 확산 장벽 막들
본원에 설명된 구현들은 일반적으로 금속 전극들에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 리튬 함유 애노드들, 전술된 리튬 함유 전극들을 포함하는 고성능 전기화학 디바이스들, 이를테면, 이차 배터리들, 및 이를 제조하기 위한 방법들에 관한 것이다.
재충전가능한 전기화학적 저장 시스템들은 현재 일상 생활의 많은 분야들에서 점점 더 중요해지고 있다. 리튬-이온(Li-이온) 배터리들과 같은 고용량 전기화학적 에너지 저장 디바이스들은, 휴대용 전자기기, 의료, 교통, 그리드 연결(grid-connected) 대형 에너지 저장소, 재생가능한 에너지 저장소, 및 무정전 전력 공급장치(UPS; uninterruptible power supply)를 포함하는 점점 더 많은 수의 응용들에서 사용되고 있다. 종래의 납/황산 배터리들은 종종 정전용량이 부족하며, 이러한 성장 중인 응용들에 대해 종종 불충분하게 사이클링가능하다. 그러나, 리튬-이온 배터리들은 가장 가능성이 있는 것으로 생각된다.
전형적으로, 리튬-이온 배터리들은 안전상의 이유들로 인해 어떠한 금속성 리튬도 함유하지 않지만, 대신, 흑연질 물질을 애노드로서 사용한다. 그러나, 충전된 상태에서 한계 조성(LiC6)까지 충전될 수 있는 흑연의 사용은, 금속성 리튬의 사용과 비교하여 훨씬 더 낮은 정전용량을 초래한다. 현재, 업계는, 에너지 셀 밀도를 증가시키기 위해 흑연질 기재 애노드에서 규소 블렌딩된 흑연으로 이동하고 있다. 그러나, 규소 블렌딩된 흑연 애노드들은 제1 사이클 용량 손실로 인해 어려움을 겪는다. 따라서, 규소 블렌딩된 흑연 애노드들의 제1 사이클 용량 손실을 보충하기 위한 리튬 금속 증착에 대한 필요성이 존재한다. 그러나, 리튬 금속은 몇몇 디바이스 통합 난제들에 직면해 있다. 예컨대, 구리 기판들 상의 리튬의 증착은, 리튬에 의해 유발되는 구리 기판의 취화로 이어질 수 있다.
따라서, 에너지 저장 시스템들에서 리튬 금속들의 증착 및 처리를 위한 방법들 및 시스템들에 대한 필요성이 존재한다.
본원에 설명된 구현들은 일반적으로 금속 전극들에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 리튬 함유 애노드들, 전술된 리튬 함유 전극들을 포함하는 고성능 전기화학 디바이스들, 이를테면, 이차 배터리들, 및 이를 제조하기 위한 방법들에 관한 것이다. 일 구현에서, 애노드 전극이 제공된다. 애노드 전극은 구리 포일을 포함한다. 애노드 전극은, 구리 포일 상에 형성되는 제1 확산 장벽 층을 더 포함한다. 제1 확산 장벽 층은, 티타늄(Ti), 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 니오븀(Nb), 탄탈럼(Ta), 또는 이들의 조합물들을 포함한다. 애노드 전극은, 제1 확산 장벽 층 상에 형성되는 습윤 층을 더 포함한다. 습윤 층은, 규소(Si), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 게르마늄(Ge), 안티모니(Sb), 납(Pb), 비스무트(Bi), 갈륨(Ga), 인듐(In), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 마그네슘(Mg), 이들의 산화물들, 이들의 질화물들, 또는 이들의 조합물들로부터 선택된다. 애노드 전극은, 습윤 층 상에 형성되는 리튬 금속 층을 더 포함한다.
다른 구현에서, 전극 구조를 형성하는 방법이 제공된다. 방법은, 구리 포일 상에 제1 확산 장벽 층을 형성하는 단계를 포함한다. 제1 확산 장벽 층은, 티타늄(Ti), 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 니오븀(Nb), 탄탈럼(Ta), 또는 이들의 조합물들을 포함한다. 방법은, 제1 확산 장벽 층 상에 습윤 층을 형성하는 단계를 더 포함한다. 습윤 층은, 규소(Si), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 게르마늄(Ge), 안티모니(Sb), 납(Pb), 비스무트(Bi), 갈륨(Ga), 인듐(In), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 마그네슘(Mg), 이들의 산화물들, 이들의 질화물들, 또는 이들의 조합물들로부터 선택된다. 방법은, 습윤 층 상에 리튬 금속 층을 형성하는 단계를 더 포함한다.
또 다른 구현에서, 리튬 코팅된 음의 전극을 형성하도록 동작가능한 통합 처리 툴이 제공된다. 통합 처리 툴은, 일련의 처리 챔버들을 통해 연속적인 재료 시트를 운반하도록 동작가능한 릴-투-릴 시스템을 포함한다. 일련의 처리 챔버는, 연속적인 재료 시트 상에 제1 확산 장벽 층을 증착하도록 동작가능한 제1 처리 챔버를 더 포함한다. 일련의 처리 챔버는, 제1 확산 장벽 층 상에 제2 확산 장벽 층을 증착하도록 동작가능한 제2 처리 챔버를 더 포함한다. 일련의 처리 챔버는, 제2 확산 장벽 층 상에 습윤 층을 증착하도록 동작가능한 제3 처리 챔버를 더 포함한다. 일련의 처리 챔버는, 제2 확산 장벽 층 상에 리튬 금속의 박막을 증착하도록 동작가능한 제4 처리 챔버를 더 포함한다.
본 개시내용의 상기 인용된 특징들이 상세하게 이해될 수 있는 방식으로, 위에서 간략하게 요약된 구현들의 보다 구체적인 설명이 구현들을 참조하여 이루어질 수 있으며, 이러한 구현들 중 일부가 첨부된 도면들에 예시되어 있다. 그러나, 첨부된 도면들은 본 개시내용의 단지 전형적인 구현들을 예시하는 것이므로 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다는 것이 유의되어야 하는데, 이는 본 개시내용이 다른 균등하게 유효한 구현들을 허용할 수 있기 때문이다.
도 1은 리튬 용융점 내림을 보여주는 플롯을 예시한다.
도 2는, 본원에 설명된 구현들에 따라 애노드 전극 구조를 형성하는 방법의 일 구현을 요약하는 공정 흐름도를 예시한다.
도 3a 내지 도 3d는, 본원에 설명된 구현들에 따른 다양한 제조 스테이지들에서의 전극 구조의 단면도들을 예시한다.
도 4는, 본원에 설명된 구현들에 따라 형성되는 전극 구조를 갖는 배터리 구조의 일 구현의 단면도를 예시한다.
도 5는, 본원에 설명된 구현들에 따라 전극 구조를 형성하도록 동작가능한 통합 처리 툴의 개략도를 예시한다.
이해를 용이하게 하기 위해서, 도면들에 공통된 동일한 요소들을 지정하기 위해 가능한 경우 동일한 참조 번호들이 사용되었다. 일 구현의 요소들 및 특징들은 추가적인 언급이 없이도 다른 구현들에 유익하게 포함될 수 있는 것으로 고려된다.
다음의 개시내용은 애노드 전극들, 전술된 애노드 전극들을 포함하는 고성능 전기화학적 셀들 및 배터리들, 및 이를 제조하기 위한 방법들을 설명한다. 본 개시내용의 다양한 구현들의 철저한 이해를 제공하기 위해, 다음의 설명 및 도 1 내지 도 5에서는 특정 세부사항들이 설명된다. 다양한 구현들의 설명을 불필요하게 불명료하게 하는 것을 피하기 위해, 전기화학적 셀들 및 배터리들과 종종 연관되는 잘 알려진 구조들 및 시스템들을 설명하는 다른 세부사항들은 다음의 개시내용에서 기재되지 않는다.
도면들에서 도시되는 세부사항들, 치수들, 각도들, 및 다른 특징들 중 다수는, 단지 특정한 구현들의 예시일 뿐이다. 따라서, 다른 구현들은, 본 개시내용의 사상 또는 범위로부터 벗어나지 않으면서, 다른 세부사항들, 구성요소들, 치수들, 각도들, 및 특징들을 가질 수 있다. 게다가, 하기에서 설명되는 세부사항들 중 몇몇이 없이도, 본 개시내용의 추가적인 구현들이 실시될 수 있다.
본원에 설명된 구현들은, 탑멧(TopMet™), 스마트웹(SMARTWEB®), 탑빔(TopBeam™)과 같은 롤-투-롤 코팅 시스템을 참조하여 아래에서 설명될 것이며, 이들 전부는 캘리포니아 주 산타 클라라의 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드(Applied Materials, Inc.)로부터 입수가능하다. 물리 기상 증착 공정들(예컨대, 고속 증발 공정들 및 마그네트론 스퍼터링 공정들)을 수행할 수 있는 다른 툴들이 또한 본원에 설명된 구현들로부터 이익을 얻도록 적응될 수 있다. 게다가, 본원에 설명된 물리 기상 증착 공정들을 가능하게 하는 임의의 시스템이 유리하게 사용될 수 있다. 본원에 설명된 장치 설명은 예시적이며, 본원에 설명된 구현들의 범위를 제한하는 것으로서 해석되거나 이해되어서는 안 된다. 또한, 롤-투-롤 공정으로서 설명되어 있지만, 본원에 설명된 구현들은 또한 별개의 기판들 상에서 수행될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 1은, 제1 가열 사이클로부터 제2 가열 사이클까지의 리튬 용융점 내림을 보여주는 플롯(100)을 예시한다. 최신 기술 공정으로 제조되는 리튬 금속/구리 포일 샘플들의 열적 안정성을 도 1에 도시된 바와 같이 시차 주사 열량측정법(DSC; Differential Scanning Calorimetry)으로 검사하였다. 200 ㎛ 두께 FMC 리튬 포일을 2 피스의 12 ㎛ 두께 오크-미쓰이(Oak­Mitsui™) 구리 포일 상에 적층하고 그로 캡슐화하였다. 제1 가열 사이클은, 섭씨 179.77 도의 리튬 용융 개시점 및 섭씨 181.88 도의 피크 용융점을 나타낸다. 대조적으로, 제2 가열 사이클은, 섭씨 177.58 도 및 섭씨 179.26 도의 리튬 용융점들을 각각 나타낸다. 리튬 용융점 내림은, 리튬 가열/용융 동안 불순물(예컨대, 구리)이 리튬에 혼입됨을 표시한다. 그에 따라, 리튬 금속/구리 포일 계면이 리튬 용융 시에 안정하지 않다. 게다가, 문헌은, 구리 포일 집전체들에서 리튬 축적이 측정될 수 있다는 것을 보여주었다. 그에 따라, 실험 데이터는, 특히, 상승된 온도의 제조/보관 동안의, 리튬 막과 구리 포일 집전체 사이의 장벽 막의 필요성을 검증한다.
리튬 금속/구리 포일 집전체 계면의 시간적/열적 안정성은 리튬 금속 배터리들의 동작에 중요하다. 최신 기술은, 구리 포일 상에 리튬 포일들을 직접 적층하거나 리튬을 PVD(예컨대, 증발)하는 것을 포함한다. 최신 기술 구리 포일들은 부동화-기반 크롬산염/아연산염 막들을 생성하도록 처리된다. 이러한 부동화-기반 막들은, 처리되지 않은 구리 포일들과 비교하여, 부식방지 특성들을 개선하여 그 결과로 저장 수명이 증가하도록 의도된다. 그러나, 리튬 금속/구리 포일들에 대한 경험은, 이러한 부동화-기반 막들의 장벽 성능이 리튬 금속/구리 포일 계면의 안정성을 보장하기에는 불충분하다는 것을 보여준다. 결과적으로, 리튬은 구리 결정 입계 내로 확산되며, 이는, 리튬에 의해 유발되는 구리 집전체들의 취화로 이어진다. 게다가, 리튬 내의 구리 혼입은 리튬-상 순도 및 결정화 제어를 방해한다(도 1 참조). 결과적으로, 리튬 금속 애노드의 사이클 수명이 감소된다. 본 개시내용의 일부 구현들에서, 리튬 막/구리 포일들 사이에 본원에 설명된 장벽 막들을 증착하는 것은 전술된 문제들을 해결한다.
본 개시내용의 일부 구현들에서, 리튬 금속 애노드 제조 및 배터리 동작/보관 동안의 계면 악화를 초래하는 바람직하지 않은 상호간 확산 프로세스를 방지/최소화하기 위해 구리 포일들 상에 내화 금속 확산 장벽 막들이 증착된다. 본원에 설명된 내화 금속/금속 질화물 장벽 막들의 증착은, 리튬 금속/구리 포일 집전체 계면의 시간적/열적 안정성을 보장한다. 결과적으로, 리튬 막/구리 포일은, 리튬 금속 배터리들에서의 애노드들로서의 동작 동안 열화를 겪지 않는다. 게다가, 본원에 설명된 장벽 막들은, 리튬에 의해 유발되는 구리 포일들의 취화를 방지하고, 기계적 특성들을 보존하고, 포일 찢어짐을 최소화한다. 그에 따라, 본원에 설명된 장벽 막들은 구리 포일 롤-투-롤 취급을 용이하게 한다.
도 2는, 본원에 설명된 구현들에 따라 애노드 전극 구조를 형성하는 처리 시퀀스(200)의 일 구현을 요약하는 공정 흐름도를 예시한다. 도 2에 설명된 처리 시퀀스(200)는 아래에 논의되는 도 3a 내지 도 3d에 도시된 제조 스테이지들에 대응한다. 도 3a 내지 도 3d는, 본원에 설명된 구현들에 따른 다양한 제조 스테이지들에서의 애노드 전극 구조(300)의 단면도들을 예시한다. 애노드 전극 구조(300)가 양면 전극 구조이지만, 본원에 설명된 구현들은 단면 전극 구조들에 또한 적용가능하다.
처리 시퀀스(200)는, 동작(210)에서, 구리 기판(310)을 제공함으로써 시작된다. 일 구현에서, 구리 기판(310)은 구리의 슬래브, 포일, 또는 시트를 포함한다. 구리 기판(310)은, 약 0.5 ㎛ 내지 약 20 ㎛(예컨대, 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛; 또는 약 5 ㎛ 내지 약 10 ㎛)의 두께를 가질 수 있다. 구리 기판(310)은 임의의 형상, 이를테면, 정사각형, 원형, 난형, 장방형 등을 가질 수 있다. 일부 구현들에서, 구리 기판(310)은, 정사각형 또는 직사각형, 또는 x × y 정사각형 또는 직사각형 유닛들의 시트, 또는 x-유닛 폭의 롤일 수 있으며, 여기서, 각각의 유닛은, 단일 전극 구조에 대한 개별적인 분리가능한 기판을 표현한다. 일 구현에서, 구리 기판(310)은, 롤 상에 보관되고 롤-투-롤 툴, 예컨대, 도 5에 도시된 롤-루-롤 툴에서 사용되는 구리 시트를 포함한다.
임의적으로, 동작(210)에서, 구리 기판이 사전 처리 공정에 노출된다. 사전 처리 공정은 일반적으로, 동작(210)에서 제1 확산 장벽 층의 증착 전에 수행되는 사전 세정 공정이다. 사전 세정 공정은, 예컨대, 구리 기판(310)의 표면에 대한 제1 확산 장벽 층(320a, 320b)(총괄적으로 320)의 접착에 악영향을 미칠 수 있는, 구리 기판(310)이 제조되는 원료를 처리하는 것으로부터의 잔류물, 잔류 유기 물질, 입자들 및/또는 다른 오염물들을 제거할 수 있다. 구리 기판(310)을 사전 세정하는 것은, 습식 세정 및/또는 건식 세정을 포함할 수 있다.
사전 세정 공정을 위한 적합한 식각 기법들은, 습식 식각 공정들(예컨대, 습식 화학 식각) 또는 건식 식각(예컨대, 반응성 이온 식각 또는 스퍼터링 식각)을 포함할 수 있다. 일 구현에서, 구리 기판(310)은, 액체-상 세정제(예컨대, 유기 잔류물을 제거함)에 기판을 침지하고/거나 액체-상 세정제로 기판을 헹구고, 후속하여, 희석 수성 산(예컨대, 암모니아 및/또는 암모늄 플루오라이드로 완충될 수 있는 희석 수성 HF)을 사용하여 습식 식각함으로써 세정된다. 구리 기판(310)을 습식 식각하는 데 사용하기 위한 대안적인 산들은, 사용되는 구리의 등급 및 구리 기판(310)이 처리되는 온도에 따라, 질산, 황산, 염산 등을 포함한다. 다른 구현에서, 구리 기판(310)은 스퍼터링 식각에 의해 세정된다. 구리 기판(310)을 세정하기 위한 건식 식각 공정에서 사용하기 위한 가스(들)의 선택은 특별히 제한되지 않는다. 구리 기판(310)의 표면으로부터 실질적으로 모든 원치 않는 오염물들을 제거하지만 영구적인 잔류물을 남기지 않는 임의의 가스 또는 가스들의 조합물이 이용될 수 있다. 예컨대, 아르곤과 같은 불활성 가스가 구리 기판(310)의 스퍼터링 세정에 이용될 수 있다.
일 구현에서, 동작(220)의 사전 세정 공정은, 포밍 가스(forming gas)(H2/N2) 환경에서 구리 기판(310)을 어닐링하는 것을 포함한다. 다른 구현에서, 동작(220)의 사전 세정 공정은, 수소 및 아르곤 함유(H2/Ar) 환경에서 구리 기판(310)을 어닐링하는 것을 포함한다. 일 구현에서, 동작(220)의 사전 세정 공정 동안의 처리 온도는, 약 섭씨 50 도 내지 약 섭씨 150 도(예컨대, 약 섭씨 80 도 내지 약 섭씨 150 도; 또는 약 섭씨 100 도 내지 약 섭씨 150 도)이다. 일 구현에서, 동작(220)의 사전 세정 공정은, 구리 기판(310)의 거칠기를 감소시키기 위해, 구리 기판(310)을 롤러들 사이로 통과시키고 그 사이에서 가압하는 것을 포함한다.
이제 도 3a를 참조하면, 동작(230)에서, 구리 기판(310) 상에 제1 확산 장벽 층(320a, 320b)(총괄적으로 320)을 증착하기 위해 제1 확산 장벽 층 증착 공정이 수행된다. 제1 확산 장벽 층(320)은 구리 확산 장벽으로서 기능한다. 제1 확산 장벽 층(320)은 일반적으로, 내화 금속 및/또는 내화 금속 질화물을 함유한다. 일 구현에서, 내화 금속은, 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 탄탈럼(Ta), 니오븀(Nb), 티타늄(Ti), 또는 이들의 조합물들로부터 선택된다. 일 구현에서, 내화 금속 질화물은, 질화티타늄(TiN), 질화텅스텐(WN), 질화탄탈럼, 또는 이들의 조합물들로부터 선택된다. 일 구현에서, 제1 확산 장벽 층(320)은 탄탈럼 층이다. 다른 구현에서, 제1 확산 장벽 층(320)은 질화탄탈럼 층이다. 제1 확산 장벽 층(320)은, 약 2 Å 내지 약 500 Å 범위 내, 더 좁게는 약 5 Å 내지 약 100 Å 범위 내, 더 좁게는 약 3 Å 내지 약 80 Å 범위 내, 더 좁게는 약 4 Å 내지 약 50 Å 범위 내, 더 좁게는 약 5 Å 내지 약 25 Å 범위 내, 더 좁게는 약 5 Å 내지 약 20 Å 범위 내, 더 좁게는 약 5 Å 내지 약 15 Å 범위 내, 더 좁게는 약 5 Å 내지 약 10 Å 범위 내의 두께를 가질 수 있다. 제1 확산 장벽 층(320)은 일반적으로, 원자 층 증착(ALD), 플라즈마 강화 ALD(PE-ALD), 화학 기상 증착(CVD), 또는 물리 기상 증착(PVD) 공정들에 의해 증착된다. 일 구현에서, 동작(230)은, DC 마그네트론 스퍼터링 공정에 의해 수행되는 PVD 공정이다. 일 구현에서, DC 마그네트론 스퍼터링 공정은 실온에서 수행된다. PVD 공정의 일 구현에서, 기본 압력은 10-7 mbar이고, 공정 온도는, 약 2 내지 약 10 kW 범위 내의 타겟 DC 전력으로 실온 내지 섭씨 100 도 범위 내에 있다.
일 구현에서, 제1 확산 장벽 층(320)은, 탄탈럼 타겟을 사용하여 PVD 스퍼터링 공정에 의해 증착되는 탄탈럼 층이다. 다른 구현에서, 제1 확산 장벽 층(320)은, 질소 함유 환경에서 탄탈럼 타겟을 사용하거나 질화탄탈럼 타겟을 사용하여 PVD 스퍼터링 공정에 의해 증착되는 질화탄탈럼 층이다.
이제 도 3b를 참조하면, 임의적으로, 동작(240)에서, 제1 확산 장벽 층(320) 상에 제2 확산 장벽 층(330)을 증착하여 이중 장벽 층을 형성하기 위해 제2 확산 장벽 층(330) 증착 공정이 수행된다. 제2 확산 장벽 층(330)은 리튬 확산 장벽으로서 기능한다. 제2 확산 장벽 층(330)은 일반적으로, 내화 금속 및/또는 내화 금속 질화물을 함유한다. 제2 확산 장벽 층(330)의 내화 금속 및/또는 내화 금속 질화물은 제1 확산 장벽 층(320)의 내화 금속 및/또는 내화 금속 질화물과 상이하다. 일 구현에서, 내화 금속은, 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 탄탈럼(Ta), 니오븀(Nb), 티타늄(Ti), 또는 이들의 조합물들로부터 선택된다. 일 구현에서, 내화 금속 질화물은, 질화티타늄(TiN), 질화텅스텐(WN), 질화탄탈럼, 또는 이들의 조합물들로부터 선택된다. 일 구현에서, 제2 확산 장벽 층(330)은 티타늄 층이다. 다른 구현에서, 제2 확산 장벽 층(330)은 질화티타늄 층이다. 제2 확산 장벽 층(330)은, 약 2 Å 내지 약 100 Å 범위 내, 더 좁게는 약 3 Å 내지 약 80 Å 범위 내, 더 좁게는 약 4 Å 내지 약 50 Å 범위 내, 더 좁게는 약 5 Å 내지 약 25 Å 범위 내, 더 좁게는 약 5 Å 내지 약 20 Å 범위 내, 더 좁게는 약 5 Å 내지 약 15 Å 범위 내, 더 좁게는 약 5 Å 내지 약 10 Å 범위 내의 두께를 가질 수 있다. 제2 확산 장벽 층(330)은 일반적으로, 원자 층 증착(ALD), 플라즈마 강화 ALD(PE-ALD), 화학 기상 증착(CVD), 또는 물리 기상 증착(PVD) 공정들에 의해 증착된다. 일 구현에서, 동작(240)은, 실온에서 수행되는 DC 마그네트론 스퍼터링 공정에 의해 수행되는 PVD 공정이다. PVD 공정의 일 구현에서, 기본 압력은 10-7 mbar이고, 공정 온도는, 약 2 내지 약 10 kW 범위 내의 타겟 DC 전력으로 실온 내지 섭씨 100 도 범위 내에 있다.
일 구현에서, 제2 확산 장벽 층(330)은, 티타늄 타겟을 사용하여 PVD 스퍼터링 공정에 의해 증착되는 티타늄 층이다. 다른 구현에서, 제2 확산 장벽 층(330)은, 질소 함유 환경에서 티타늄 타겟을 사용하거나 질화티타늄 타겟을 사용하여 PVD 스퍼터링 공정에 의해 증착되는 질화티타늄 층이다.
이제 도 3c를 참조하면, 임의적으로, 동작(250)에서, 아래에 놓인 제1 확산 장벽 층(320) 또는 아래에 놓인 제2 확산 장벽 층(330)(존재하는 경우) 상에 습윤 층(340a, 340b)(총괄적으로 340)을 증착하기 위해 습윤 층 증착 공정이 수행된다. 습윤 층(340)은 일반적으로, 아래에 놓인 장벽 물질에 대한 리튬 금속 층(350a, 350b)(총괄적으로 350)의 접착을 향상시킨다. 습윤 층(340)은 일반적으로 리튬 합금 원소 또는 화합물을 함유한다. 일 구현에서, 습윤 층(340)은, 리튬과 직접 접합될 수 있거나 높은 접촉각을 가질 수 있는 물질로 만들어질 수 있다. 예컨대, Si, Sn, Al 모두는 리튬 및 산화물들과 합금들(예컨대, SiOx, SnOx, 및 AlOx(x는 0부터, 전하 균형을 위한 가장 높은 산화 상태에 일치하기 위한 수까지 변화함))을 형성한다. 일 구현에서, 습윤 층(340)은, 규소(Si), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 게르마늄(Ge), 안티모니(Sb), 납(Pb), 비스무트(Bi), 갈륨(Ga), 인듐(In), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 마그네슘(Mg), 탄소(C), 이들의 산화물들, 이들의 질화물들, 또는 이들의 조합물들의 그룹으로부터 선택되는 물질로 구성된다. 일 구현에서, 습윤 층(340)은, 규소(Si), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 산화규소, 산화주석, 또는 이들의 조합물들의 그룹으로부터 선택되는 물질로 구성된다. 일 구현에서, 습윤 층(340)은, 약 1 nm 내지 약 200 nm(예컨대, 약 5 nm 내지 약 50 nm; 약 5 nm 내지 약 20 nm; 또는 약 5 nm 내지 약 10 nm)의 두께를 갖는다. 일 구현에서, 습윤 층(340)은 규소 또는 규소 함유 막이다.
이제 도 3d를 참조하면, 동작(260)에서, 아래에 놓인 장벽 층 또는 습윤 층(340)(존재하는 경우) 상에 리튬 금속 층(350)을 증착하여 애노드 전극 구조(300)를 형성하기 위해 리튬 금속 층 증착 공정이 수행된다. 임의적 습윤 층(340)이 존재하는 일부 구현들에서, 리튬 금속 층(350)은 습윤 층(340) 상에 형성된다. 일부 구현들에서, 리튬 금속 층(350)은, 아래에 놓인 제1 확산 장벽 층(320) 또는 아래에 놓인 제2 확산 장벽 층(330)(존재하는 경우) 상에 직접 형성된다. 리튬 금속 층(350)은, 리튬 금속, 리튬 금속 포일 또는 리튬 합금 포일(예컨대, 리튬 알루미늄 합금들), 또는 리튬 금속 및/또는 리튬 합금과, 탄소(예컨대, 코크스, 흑연), 니켈, 구리, 주석, 인듐, 규소, 이들의 산화물들 또는 이들의 조합물들과 같은 물질들의 혼합물로 구성될 수 있다. 일 구현에서, 리튬 금속 층(350)은, 아래에 놓인 습윤 층(340)(존재하는 경우)과 합금을 형성하는 리튬 금속 합금 층이다. 일 구현에서, 리튬 금속 층(350)은 전형적으로, 리튬을 함유하는 층간 화합물(intercalation compound)들, 또는 리튬을 함유하는 삽입 화합물들을 포함한다. 일 구현에서, 리튬 금속 층(350)은 인쇄 방법들을 사용하여 증착될 수 있다. 일 구현에서, 리튬 금속 층(350)은, 애노드 전극 구조(300)를 형성하도록, 아래에 놓인 구조에 적층된다. 일 구현에서, 리튬 금속 층(350)은, 아래에 놓인 구조에 적층되는 리튬 포일이며, 아래에 놓인 구조는, 리튬 포일 및 아래에 놓인 구조를 2개의 롤러 사이로 통과시킴으로써 구리 포일 상에 형성되는 장벽 막(들)을 포함한다. 일부 구현들에서, 리튬 금속 층(350)은, 물리 또는 화학 박막 기법들, 이를테면, 스퍼터링, 전자 빔 증발, 열 증발, 화학 기상 증착(CVD), 3차원 인쇄 등에 의해 형성될 수 있다. 일 구현에서, 리튬 금속 층(350)은, 약 1 ㎛ 내지 약 50 ㎛(예컨대, 약 3 ㎛ 내지 약 40 ㎛; 약 3 ㎛ 내지 약 20 ㎛; 또는 약 20 ㎛ 내지 약 40 ㎛)의 두께를 갖는다.
일부 구현들에서, 형성된 애노드 전극 구조(300)는, 부가적인 처리, 이를테면, 애노드 전극 구조 상의 보호 막의 증착에 노출된다.
도 4는, 본원에 설명된 구현들에 따라 형성되는 애노드 전극 구조(300)를 갖는 배터리 구조(400)의 일 구현의 단면도를 예시한다. 일부 구현들에서, 배터리 구조(400)는 재충전가능 배터리 셀이다. 일부 구현들에서, 배터리 구조(400)는 커패시터(예컨대, 슈퍼커패시터 또는 울트라커패시터)이다. 일부 구현들에서, 배터리 구조(400)는 솔리드-스테이트 배터리 구조이다. 일부 구현들에서, 배터리 구조(400)는, 재충전가능 배터리 또는 커패시터를 형성하도록 다른 셀들과 조합된다. 배터리 구조(400)는, 분리기 막(420)에 의해 분리되는, 캐소드 전극 구조(410) 및 애노드 전극 구조(300)를 포함한다. 캐소드 전극 구조(410)는, 캐소드 집전체(440) 및 그 상부에 형성되는 캐소드 막(430)을 포함한다. 도 4에서, 집전체들 및 분리기 막이 적층체를 넘어 연장되는 것으로 도시되지만, 집전체들 및/또는 분리기 막이 적층체를 넘어 연장되는 것이 필수적이지는 않으며, 적층체를 넘어 연장되는 부분들은 탭(tab)들로서 사용될 수 있다는 것을 유의한다.
캐소드 집전체(440)는, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 아연(Zn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 주석(Sn), 규소(Si), 망가니즈(Mn), 마그네슘(Mg), 클래드 물질들, 이들의 합금들, 또는 이들의 조합물들로 구성될 수 있다. 일 구현에서, 캐소드 집전체(440)는 알루미늄이다. 일 구현에서, 캐소드 집전체(440)는 천공된다. 또한, 집전체들은, 임의의 폼 팩터(예컨대, 금속성 포일, 시트, 또는 평판), 형상, 및 마이크로/매크로 구조를 가질 수 있다. 일반적으로, 프리즘형 셀들에서, 탭들은 집전체와 동일한 물질로 형성되며, 적층체의 제조 동안 형성되거나 나중에 부가될 수 있다. 일부 구현들에서, 구리 기판(310) 및 캐소드 집전체(440)를 제외한 모든 구성요소들은 리튬 이온 전해질들을 함유한다. 일 구현에서, 캐소드 집전체(440)는 알루미늄이다. 일 구현에서, 캐소드 집전체(440)는 약 2 ㎛ 내지 약 20 ㎛의 두께를 갖는다.
캐소드 막(430) 또는 캐소드는, 애노드와 상용가능한 임의의 물질일 수 있고, 층간 화합물, 삽입 화합물, 또는 전기화학적으로 활성인 중합체를 포함할 수 있다. 적합한 층간 물질들은, 예컨대, 리튬 함유 금속 산화물들, MoS2, FeS2, MnO2, TiS2, NbSe3, LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, V6O13, 및 V2O5를 포함한다. 적합한 중합체들은, 예컨대, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리아닐린, 및 폴리티오펜을 포함한다. 캐소드 막(430) 또는 캐소드는, 리튬 코발트 산화물과 같은 층상(layered) 산화물, 리튬 철 인산염과 같은 감람석, 또는 리튬 망가니즈 산화물과 같은 스피넬로 만들어질 수 있다. 예시적인 리튬 함유 산화물들은, 층상, 이를테면 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 또는 혼합된 금속 산화물들, 이를테면 LiNixCo1-2xMnO2, LiNiMnCoO2("NMC"), LiNi0.5Mn1.5O4, Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2, LiMn2O4, 및 도핑된 리튬 풍부 층상-층상 물질들일 수 있으며, 여기서 x는 영(zero) 또는 영이 아닌 수이다. 예시적인 인산염들은 철 감람석(LiFePO4)일 수 있고, 그 변형물들(이를테면, LiFe(1-x)MgxPO4), LiMoPO4, LiCoPO4, LiNiPO4, Li3V2(PO4)3, LiVOPO4, LiMP2O7, 또는 LiFe1.5P2O7이고, 여기서 x는 영 또는 영이 아닌 수이다. 예시적인 플루오로인산염들은, LiVPO4F, LiAlPO4F, Li5V(PO4)2F2, Li5Cr(PO4)2F2, Li2CoPO4F, 또는 Li2NiPO4F일 수 있다. 예시적인 규산염들은 Li2FeSiO4, Li2MnSiO4, 또는 Li2VOSiO4일 수 있다. 예시적인 비-리튬 화합물은 Na5V2(PO4)2F3이다. 캐소드 막(430)은, 물리 또는 화학 박막 기법들, 이를테면, 스퍼터링, 전자 빔 증발, 화학 기상 증착(CVD) 등에 의해 형성될 수 있다. 일 구현에서, 캐소드 막(430)은, 약 10 ㎛ 내지 약 100 ㎛(예컨대, 약 30 ㎛ 내지 약 80 ㎛; 또는 약 40 ㎛ 내지 약 60 ㎛)의 두께를 갖는다. 일 구현에서, 캐소드 막(430)은 LiCoO2 막이다. 에너지 저장 디바이스가 전기화학 커패시터인 일부 구현들에서, 높은 표면적 탄소가 전극으로서 사용된다.
셀 구성요소들(320, 330, 350, 420, 및 430)에 주입되는 전해질들은, 액체/겔 또는 고체 중합체로 구성될 수 있고, 각각에서 상이할 수 있다. 일부 구현들에서, 전해질은 주로 염 및 매질을 포함한다(예컨대, 액체 전해질에서, 매질은 용매로 지칭될 수 있고, 겔 전해질에서, 매질은 중합체 매트릭스일 수 있음). 염은 리튬 염일 수 있다. 리튬 염은, 예컨대, LiPF6, LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(CF3SO3)3, LiBF6, 및 LiClO4, 리튬 비스(트리플루오로메탄)술폰이미데이트(예컨대, LiTFSI), BETTE 전해질(미네소타 주 미니애폴리스의 3M Corp.로부터 상업적으로 입수가능함), 또는 이들의 조합물들을 포함할 수 있다. 용매들은, 예컨대, 에틸렌 카르보네이트(EC), 프로필렌 카르보네이트(PC), EC/PC, 2-MeTHF(2-메틸테트라히드로푸란)/EC/PC, EC/DMC(디메틸 카르보네이트), EC/DME(디메틸 에탄), EC/DEC(디에틸 카르보네이트), EC/EMC(에틸 메틸 카르보네이트), EC/EMC/DMC/DEC, EC/EMC/DMC/DEC/PE, PC/DME, 및 DME/PC를 포함할 수 있다. 중합체 매트릭스들은, 예컨대, PVDF(폴리비닐리덴 플루오라이드), PVDF:THF(PVDF:테트라히드로푸란), PVDF:CTFE(PVDF:클로로트리플루오로에틸렌) PAN(폴리아크릴로니트릴), 및 PEO(폴리에틸렌 옥시드)를 포함할 수 있다.
도 5는, 본원에 설명된 구현들에 따라 애노드 전극 구조를 형성하기 위한 가요성 기판 코팅 장치(500)의 개략도를 예시한다. 전형적인 구현들에 따르면, 가요성 기판 코팅 장치(500)는, 애노드 전극 구조들을 제조하는 데, 특히, 구리 기판 상에 확산 장벽 층 구조를 형성하는 데 사용될 수 있다. 가요성 기판 코팅 장치(500)는, 권출 모듈(502), 처리 모듈(504), 및 권취 모듈(506)을 포함하는 롤-투-롤 시스템으로서 구성된다. 특정 구현들에서, 처리 모듈(504)은, 순차적으로 배열된 복수의 처리 모듈들 또는 챔버들(510, 520, 530, 및 540)을 포함하며, 이들 각각은, 연속적인 재료 시트(550) 또는 재료 웹에 대해 하나의 처리 동작을 수행하도록 구성된다. 일 구현에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 처리 챔버들(510-540)은 코팅 드럼(555)을 중심으로 반경방향으로 배치된다. 반경방향 이외의 다른 배열들이 고려된다. 예컨대, 다른 구현에서, 처리 챔버들은 선형 구성으로 위치될 수 있다.
일 구현에서, 처리 챔버들(510-540)은 독립형 모듈식 처리 챔버들이며, 각각의 모듈식 처리 챔버는 다른 모듈식 처리 챔버들로부터 구조적으로 분리되어 있다. 따라서, 독립형 모듈식 처리 챔버들 각각은, 서로 영향을 미침이 없이 독립적으로 배열되거나, 재배열되거나, 교체되거나 또는 유지될 수 있다. 4개의 처리 챔버(510-540)가 도시되지만, 임의의 수의 처리 챔버가 가요성 기판 코팅 장치(500)에 포함될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
처리 챔버들(510-540)은, 가요성 기판 코팅 장치(500)가 본 개시내용의 구현들에 따라 리튬 애노드 디바이스를 증착할 수 있게 하는 임의의 적합한 구조, 구성, 배열, 및/또는 구성요소들을 포함할 수 있다. 예컨대, 이에 제한되진 않지만, 처리 챔버들은, 코팅 소스들, 전원들, 개별 압력 제어부들, 증착 제어 시스템들, 및 온도 제어부를 포함하는 적합한 증착 시스템들을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 챔버들에는 개별 가스 공급부들이 제공된다. 챔버들은 전형적으로, 양호한 가스 분리를 제공하기 위해 서로 분리된다. 본원에 설명된 구현들에 따른 가요성 기판 코팅 장치(500)는 증착 챔버들의 수에 있어 제한되지 않는다. 예컨대, 이에 제한되진 않지만, 가요성 기판 코팅 장치(500)는 3개, 6개, 또는 12개의 처리 챔버를 포함할 수 있다.
처리 챔버들(510-540)은 전형적으로, 하나 이상의 증착 유닛(512, 522, 532, 및 542)을 포함한다. 일반적으로, 본원에 설명된 바와 같은 하나 이상의 증착 유닛은, CVD 소스, PECVD 소스, 및 PVD 소스의 그룹으로부터 선택될 수 있다. 하나 이상의 증착 유닛은, 증발 소스, 스퍼터 소스를 포함할 수 있는데, 이를테면, 마그네트론 스퍼터링 소스, DC 스퍼터링 소스, AC 스퍼터링 소스, 펄스형 스퍼터링 소스, 무선 주파수(RF) 스퍼터링, 또는 중간 주파수(MF) 스퍼터링이 제공될 수 있다. 예를 들면, 5 kHz 내지 100 kHz, 예컨대, 30 kHz 내지 50 kHz 범위 내의 주파수들을 이용하는 MF 스퍼터링이 제공될 수 있다. 하나 이상의 증착 유닛은 증발 소스를 포함할 수 있다. 일 구현에서, 증발 소스는 열 증발 소스 또는 전자 빔 증발이다. 일 구현에서, 증발 소스는 리튬(Li) 소스이다. 추가로, 증발 소스는 2개 이상의 금속의 합금일 수 있다. 증착될 물질(예컨대, 리튬)은 도가니 내에 제공될 수 있다. 리튬은, 예컨대, 열 증발 기법들, 전자 빔 증발 기법들, 또는 적층 기법들에 의해 증발될 수 있다.
일부 구현들에서, 가요성 기판 코팅 장치(500)의 처리 챔버들(510-540) 중 임의의 처리 챔버는, 마그네트론 스퍼터링과 같은 스퍼터링에 의한 증착을 수행하도록 구성될 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "마그네트론 스퍼터링"은, 자석 조립체, 즉, 자기장을 생성할 수 있는 유닛을 사용하여 수행되는 스퍼터링을 지칭한다. 전형적으로, 그러한 자석 조립체는 영구 자석을 포함한다. 이러한 영구 자석은 전형적으로 회전가능 타겟 내에 배열되거나, 또는 자유 전자들이 회전가능 타겟 표면 아래에 생성되는 생성된 자기장 내에 포획되게 하는 방식으로 평면형 타겟에 결합된다. 그러한 자석 조립체는 또한, 평면형 캐소드에 결합되도록 배열될 수 있다.
마그네트론 스퍼터링은 또한, 이중 마그네트론 캐소드, 이를테면, 이에 제한되진 않지만, 트윈매그(TwinMag™) 캐소드 조립체에 의해 실현될 수 있다. 일부 구현들에서, 처리 챔버에서의 캐소드들은 상호교환가능할 수 있다. 그에 의해, 특정 제조 요건들에 대해 장치를 최적화하는 것을 가능하게 하는, 장치의 모듈식 설계가 제공된다. 일부 구현들에서, 스퍼터링 증착을 위한 챔버에서의 캐소드들의 수는, 가요성 기판 코팅 장치(500)의 최적 생산성을 최적화하도록 선택된다.
일부 구현들에서, 처리 챔버들(510-540) 중 하나 또는 일부는, 마그네트론 조립체 없이 스퍼터링을 수행하도록 구성될 수 있다. 일부 구현들에서, 챔버들 중 하나 또는 일부는, 다른 방법들, 이를테면, 이에 제한되진 않지만, 화학 기상 증착, 원자 레이저 증착 또는 펄스형 레이저 증착에 의해 증착을 수행하도록 구성될 수 있다. 일부 구현들에서, 챔버들 중 하나 또는 일부는, 플라즈마 처리 공정, 이를테면, 플라즈마 산화 또는 플라즈마 질화 공정을 수행하도록 구성될 수 있다.
특정 구현들에서, 처리 챔버들(510-540)은, 연속적인 재료 시트(550)의 양면을 처리하도록 구성된다. 가요성 기판 코팅 장치(500)가 수평으로 배향된 연속적인 재료 시트(550)를 처리하도록 구성되어 있지만, 가요성 기판 코팅 장치(500)는 상이한 배향들로 위치된 기판들, 예컨대, 수직으로 배향된 연속적인 재료 시트(550)를 처리하도록 구성될 수 있다. 특정 구현들에서, 연속적인 재료 시트(550)는 가요성의 전도성 기판이다. 특정 구현들에서, 연속적인 재료 시트(550)는, 하나 이상의 층이 상부에 형성된 전도성 기판을 포함한다. 특정 구현들에서, 전도성 기판은 구리 기판, 이를테면, 도 3a 내지 도 3d에 도시된 구리 기판(310)이다.
특정 구현들에서, 가요성 기판 코팅 장치(500)는 이송 메커니즘(552)을 포함한다. 이송 메커니즘(552)은, 연속적인 재료 시트(550)를 처리 챔버들(510-540)의 처리 구역을 통해 이동시킬 수 있는 임의의 이송 메커니즘을 포함할 수 있다. 이송 메커니즘(552)은, 공통 운반 아키텍처를 포함할 수 있다. 공통 운반 아키텍처는, 권취 모듈(506)에 위치된 공통 권취 릴(554), 처리 모듈(504)에 위치된 코팅 드럼(555), 및 권출 모듈(502)에 위치된 공급 릴(556)을 갖는 롤-투-롤 시스템을 포함할 수 있다. 권취 릴(554), 코팅 드럼(555), 및 공급 릴(556)은 개별적으로 가열될 수 있다. 권취 릴(554), 코팅 드럼(555), 및 공급 릴(556)은, 각각의 릴 내에 위치된 내부 열원 또는 외부 열원을 사용하여 개별적으로 가열될 수 있다. 공통 운반 아키텍처는, 권취 릴(554), 코팅 드럼(555), 및 공급 릴(556) 사이에 위치되는 하나 이상의 보조 이송 릴(553a, 553b)을 더 포함할 수 있다. 가요성 기판 코팅 장치(500)가 단일 처리 구역을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 특정 구현들에서, 각각의 개별 처리 챔버(510-540)에 대한 분리된 또는 별개의 처리 구역들을 갖는 것이 유리할 수 있다. 별개의 처리 구역들, 모듈들, 또는 챔버들을 갖는 구현들의 경우, 공통 운반 아키텍처는, 각각의 챔버 또는 처리 구역이, 개별 권취 릴 및 공급 릴을 갖고, 하나 이상의 임의적 중간 이송 릴이 권취 릴과 공급 릴 사이에 위치되는 롤-투-롤 시스템일 수 있다.
가요성 기판 코팅 장치(500)는, 상이한 처리 챔버들(510-540)을 통해 연속적인 재료 시트(550)를 이동시키기 위한 공급 릴(556) 및 권취 릴(554)을 포함할 수 있다. 일 구현에서, 제1 처리 챔버(510)는 제1 확산 장벽 막을 증착하도록 구성된다. 제2 처리 챔버(520)는 제2 확산 장벽 막을 증착하도록 구성된다. 제3 처리 챔버(530)는 습윤 막을 증착하도록 구성된다. 제4 처리 챔버(540)는 리튬 금속 막을 증착하도록 구성된다. 연속적인 재료 시트(550)가 중합체 물질인 다른 구현에서, 제1 처리 챔버(510)는 중합체 물질 상에 구리 막을 증착하도록 구성된다. 제2 처리 챔버(520) 및 제3 처리 챔버(530)는 각각 확산 장벽 막 또는 습윤 막을 증착하도록 구성된다. 제4 처리 챔버(540)는 리튬 금속 막을 증착하도록 구성된다. 일부 구현들에서, 완성된 애노드 전극은 도면들에 도시된 것과 같이 권취 릴(554) 상에 수집되는 것이 아니라, 배터리 셀들을 형성하기 위한 분리기와 캐소드 전극들 등의 통합을 위해 바로 이어질 수 있다.
일 구현에서, 제1 처리 챔버(510)는 제1 확산 장벽 층을 증착하도록 구성된다. 일 구현에서, 제1 확산 장벽 층은, 탄탈럼 타겟을 사용하여 PVD 스퍼터링 공정에 의해 증착되는 탄탈럼 층이다. 다른 구현에서, 제1 확산 장벽 층은, 질소 함유 환경에서 탄탈럼 타겟을 사용하거나 질화탄탈럼 타겟을 사용하여 PVD 스퍼터링 공정에 의해 증착되는 질화탄탈럼 층이다.
일 구현에서, 제2 처리 챔버(520)는 제2 확산 장벽 층을 증착하도록 구성된다. 일 구현에서, 제2 확산 장벽 층은, 티타늄 타겟을 사용하여 PVD 스퍼터링 공정에 의해 증착되는 티타늄 층이다. 다른 구현에서, 제2 확산 장벽 층은, 질소 함유 환경에서 티타늄 타겟을 사용하거나 질화티타늄 타겟을 사용하여 PVD 스퍼터링 공정에 의해 증착되는 질화티타늄 층이다.
일 구현에서, 제3 처리 챔버(530)는 아래에 놓인 장벽 층 상에 습윤 층을 증착하도록 구성된다. 일 구현에서, 습윤 층은, 규소 타겟을 사용하여 PVD 스퍼터링 공정에 의해 증착되는 규소 층이다.
일 구현에서, 제4 처리 챔버(540)는 아래에 놓인 층들 상에 리튬 금속의 박막을 증착하도록 구성된다. 리튬 금속의 박막들을 증착하기 위한 임의의 적합한 리튬 증착 공정이 사용되어 리튬 금속의 박막을 증착할 수 있다. 리튬 금속의 박막의 증착은, PVD 공정들, 이를테면, 증발, 슬롯-다이 공정, 전사 공정, 적층 공정, 또는 3차원 리튬 인쇄 공정에 의해 이루어질 수 있다. 리튬 금속의 박막을 증착하기 위한 챔버들은, PVD 시스템, 이를테면, 전자 빔 증발기, 박막 전사 시스템(대면적 패턴 인쇄 시스템들, 이를테면, 그라비어 인쇄 시스템들을 포함함), 적층 시스템 또는 슬롯-다이 증착 시스템을 포함할 수 있다.
동작 시, 연속적인 재료 시트(550)는, 화살표(508)로 도시된 기판 이동 방향에 의해 표시된 바와 같이 공급 릴(556)로부터 권출된다. 연속적인 재료 시트(550)는, 하나 이상의 보조 이송 릴(553a, 553b)을 통해 안내될 수 있다. 연속적인 재료 시트(550)는, 예를 들면, 가요성 기판의 배향을 정밀 조정함으로써 가요성 기판의 적절한 진행을 제어할 하나 이상의 기판 안내 제어 유닛(도시되지 않음)에 의해 안내되는 것이 또한 가능하다.
공급 릴(556)로부터 풀려 보조 이송 릴(553a) 위로 이어진 후에, 이어서, 연속적인 재료 시트(550)는, 코팅 드럼(555)에서 제공되고 증착 유닛들(512, 522, 532, 및 542)의 위치들에 대응하는 증착 영역들을 통해 이동된다. 동작 동안, 코팅 드럼(555)은, 가요성 기판이 화살표(508)의 방향으로 이동하도록 축(551)을 중심으로 회전한다.
구현들:
항목 1. 애노드 전극 구조로서, 이 애노드 전극 구조는, 구리 포일; 구리 포일 상에 형성되는 제1 확산 장벽 층 ― 제1 확산 장벽 층은 티타늄(Ti), 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 니오븀(Nb), 탄탈럼(Ta), 또는 이들의 조합물들을 포함함 ―; 제1 확산 장벽 층 상에 형성되는 습윤 층 ― 습윤 층은 규소(Si), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 게르마늄(Ge), 안티모니(Sb), 납(Pb), 비스무트(Bi), 갈륨(Ga), 인듐(In), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 마그네슘(Mg), 이들의 산화물들, 이들의 질화물들, 또는 이들의 조합물들로부터 선택됨 ―; 및 습윤 층 상에 형성되는 리튬 금속 층을 포함한다.
항목 2. 항목 1의 애노드 전극 구조는, 제1 확산 장벽 층과 습윤 층 사이에 형성되는 제2 확산 장벽 층을 더 포함하며, 제2 확산 장벽 층은 제1 확산 장벽 층과 상이하다.
항목 3. 항목 2의 애노드 전극 구조에서, 제2 확산 장벽 층은, 티타늄(Ti), 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 니오븀(Nb), 탄탈럼(Ta), 또는 이들의 조합물들을 포함한다.
항목 4. 항목 2 또는 항목 3의 애노드 전극 구조에서, 제1 확산 장벽 층은 탄탈럼 층이고, 제2 확산 장벽 층은 티타늄 층이다.
항목 5. 항목 2 또는 항목 3의 애노드 전극 구조에서, 제1 확산 장벽 층은 질화탄탈럼 층이고, 제2 확산 장벽 층은 티타늄 층이다.
항목 6. 항목 1 내지 항목 5 중 어느 한 항목의 애노드 전극 구조에서, 리튬 금속 층은 습윤 층과 합금을 형성한다.
항목 7. 항목 1 내지 항목 6 중 어느 한 항목의 애노드 전극 구조에서, 제1 확산 장벽 층은 약 100 나노미터 내지 약 200 나노미터의 두께를 갖는다.
항목 8. 항목 1 내지 항목 7 중 어느 한 항목의 애노드 전극 구조에서, 습윤 층은 약 5 나노미터 내지 약 20 나노미터의 두께를 갖는다.
항목 9. 배터리로서, 이 배터리는, 항목 1 내지 항목 8 중 어느 한 항목의 애노드 전극 구조를 포함한다.
항목 10. 전극 구조를 형성하는 방법으로서, 이 방법은, 구리 포일 상에 제1 확산 장벽 층을 형성하는 단계 ― 제1 확산 장벽 층은 티타늄(Ti), 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 니오븀(Nb), 탄탈럼(Ta), 또는 이들의 조합물들을 포함함 ―; 제1 확산 장벽 층 상에 습윤 층을 형성하는 단계 ― 습윤 층은 규소(Si), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 게르마늄(Ge), 안티모니(Sb), 납(Pb), 비스무트(Bi), 갈륨(Ga), 인듐(In), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 마그네슘(Mg), 이들의 산화물들, 이들의 질화물들, 또는 이들의 조합물들로부터 선택됨 ―; 및 습윤 층 상에 리튬 금속 층을 형성하는 단계를 포함한다.
항목 11. 항목 10의 방법은, 습윤 층을 형성하기 전에 제1 확산 장벽 층 상에 제2 확산 장벽 층을 형성하는 단계를 더 포함하며, 제2 확산 장벽 층은 제1 확산 장벽 층과 상이하다.
항목 12. 항목 11의 방법에서, 제2 확산 장벽 층은, 티타늄(Ti), 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 니오븀(Nb), 탄탈럼(Ta), 또는 이들의 조합물들을 포함한다.
항목 13. 항목 10 내지 항목 12 중 어느 한 항목의 방법에서, 제1 확산 장벽 층은, 탄탈럼 타겟을 사용하여 PVD 스퍼터링 공정에 의해 증착되는 탄탈럼 층이다.
항목 14. 항목 10 내지 항목 13 중 어느 한 항목의 방법에서, 제1 확산 장벽 층은, 질소 함유 환경에서 탄탈럼 타겟을 사용하여 PVD 스퍼터링 공정에 의해 증착되는 질화탄탈럼 층이다.
항목 15. 항목 11 내지 항목 14 중 어느 한 항목의 방법에서, 제2 확산 장벽 층은, 티타늄 타겟을 사용하여 PVD 스퍼터링 공정에 의해 증착되는 티타늄 층이다.
항목 16. 항목 11 내지 항목 14 중 어느 한 항목의 방법에서, 제2 확산 장벽 층은, 질소 함유 환경에서 티타늄 타겟을 사용하여 PVD 스퍼터링 공정에 의해 증착되는 질화티타늄 층이다.
항목 17. 항목 10 내지 항목 16 중 어느 한 항목의 방법에서, 습윤 층은, 규소 타겟을 사용하여 PVD 스퍼터링 공정에 의해 증착되는 규소 층이다.
항목 18. 항목 10 내지 항목 17 중 어느 한 항목의 방법은, 롤러 배열을 사용하여 진공 챔버에서 구리 포일을 안내하는 단계를 더 포함한다.
항목 19. 리튬 코팅된 전극들을 형성하도록 동작가능한 통합 처리 툴로서, 이 통합 처리 툴은, 다음의 처리 챔버들: 연속적인 재료 시트 상에 제1 확산 장벽 층을 증착하도록 동작가능한 제1 처리 챔버; 제1 확산 장벽 층 상에 제2 확산 장벽 층을 증착하도록 동작가능한 제2 처리 챔버; 제2 확산 장벽 층 상에 습윤 층을 증착하도록 동작가능한 제3 처리 챔버; 및 제2 확산 장벽 층 상에 리튬 금속의 박막을 증착하도록 동작가능한 제4 처리 챔버를 통해 연속적인 재료 시트를 운반하도록 동작가능한 릴-투-릴 시스템을 포함한다.
항목 20. 항목 19의 통합 처리 툴에서, 연속적인 재료 시트는 구리 포일이다.
요약하면, 본 개시내용의 이점들 중 일부는, 내화 금속/금속 질화물 장벽 막들을 사용하여 리튬 금속/구리 포일 계면의 시간적/열적 안정성을 보장하는 것을 포함한다. 결과적으로, 리튬 금속/구리 포일 계면은, 리튬 금속 배터리들에서의 애노드들로서의 동작 동안 열화를 겪지 않는다. 게다가, 본원에 설명된 장벽 막들은, 리튬에 의해 유발되는 구리 포일들의 취화를 방지하고, 구리 포일의 기계적 특성들을 보존할 뿐만 아니라 구리 포일의 찢어짐을 최소화하는 것을 돕는다. 그에 따라, 본원에 설명된 장벽 막들은 구리 포일 롤-투-롤 취급을 용이하게 한다.
본 개시내용, 또는 본 개시내용의 예시적인 양상들 또는 구현(들)의 요소들을 소개할 때, 단수 표현은 그 요소들 중 하나 이상이 존재한다는 것을 의미하도록 의도된다.
"포함", "구비", 및 "갖는"이란 용어들은 포괄적이도록 의도되고, 열거된 요소들 이외의 부가적인 요소들이 존재할 수 있음을 의미한다.
전술한 내용이 본 개시내용의 구현들에 관한 것이지만, 본 개시내용의 다른 그리고 추가적인 구현들이 본 개시내용의 기본적인 범위로부터 벗어나지 않으면서 고안될 수 있으며, 본 개시내용의 범위는 하기의 청구항들에 의해 결정된다.

Claims (15)

  1. 애노드 전극 구조로서,
    구리 포일;
    상기 구리 포일 상에 형성되는 제1 확산 장벽 층 ― 상기 제1 확산 장벽 층은, 티타늄(Ti), 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 니오븀(Nb), 탄탈럼(Ta), 또는 이들의 조합물들을 포함함 ―;
    상기 제1 확산 장벽 층 상에 형성되는 습윤 층 ― 상기 습윤 층은, 규소(Si), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 게르마늄(Ge), 안티모니(Sb), 납(Pb), 비스무트(Bi), 갈륨(Ga), 인듐(In), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 마그네슘(Mg), 이들의 산화물들, 이들의 질화물들, 또는 이들의 조합물들로부터 선택됨 ―; 및
    상기 습윤 층 상에 형성되는 리튬 금속 층을 포함하는, 애노드 전극 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 확산 장벽 층과 상기 습윤 층 사이에 형성되는 제2 확산 장벽 층을 더 포함하며, 상기 제2 확산 장벽 층은 상기 제1 확산 장벽 층과 상이한, 애노드 전극 구조.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 확산 장벽 층은, 티타늄(Ti), 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 니오븀(Nb), 탄탈럼(Ta), 또는 이들의 조합물들을 포함하는, 애노드 전극 구조.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 확산 장벽 층은 탄탈럼 층이고, 상기 제2 확산 장벽 층은 티타늄 층인, 애노드 전극 구조.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 확산 장벽 층은 질화탄탈럼 층이고, 상기 제2 확산 장벽 층은 티타늄 층인, 애노드 전극 구조.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 리튬 금속 층은 상기 습윤 층과 합금을 형성하는, 애노드 전극 구조.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 확산 장벽 층은 약 100 나노미터 내지 약 200 나노미터의 두께를 갖는, 애노드 전극 구조.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 습윤 층은 약 5 나노미터 내지 약 20 나노미터의 두께를 갖는, 애노드 전극 구조.
  9. 배터리로서,
    제1항의 애노드 전극 구조를 포함하는, 배터리.
  10. 전극 구조를 형성하는 방법으로서,
    구리 포일 상에 제1 확산 장벽 층을 형성하는 단계 ― 상기 제1 확산 장벽 층은, 티타늄(Ti), 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 니오븀(Nb), 탄탈럼(Ta), 또는 이들의 조합물들을 포함함 ―;
    상기 제1 확산 장벽 층 상에 습윤 층을 형성하는 단계 ― 상기 습윤 층은, 규소(Si), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 게르마늄(Ge), 안티모니(Sb), 납(Pb), 비스무트(Bi), 갈륨(Ga), 인듐(In), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 마그네슘(Mg), 이들의 산화물들, 이들의 질화물들, 또는 이들의 조합물들로부터 선택됨 ―; 및
    상기 습윤 층 상에 리튬 금속 층을 형성하는 단계를 포함하는, 전극 구조를 형성하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 습윤 층을 형성하기 전에 상기 제1 확산 장벽 층 상에 제2 확산 장벽 층을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 제2 확산 장벽 층은 상기 제1 확산 장벽 층과 상이한, 전극 구조를 형성하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 확산 장벽 층은, 티타늄(Ti), 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 니오븀(Nb), 탄탈럼(Ta), 또는 이들의 조합물들을 포함하는, 전극 구조를 형성하는 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1 확산 장벽 층은, 탄탈럼 타겟을 사용하여 PVD 스퍼터링 공정에 의해 증착되는 탄탈럼 층인, 전극 구조를 형성하는 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제1 확산 장벽 층은, 질소 함유 환경에서 탄탈럼 타겟을 사용하여 PVD 스퍼터링 공정에 의해 증착되는 질화탄탈럼 층인, 전극 구조를 형성하는 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제2 확산 장벽 층은, 티타늄 타겟을 사용하여 PVD 스퍼터링 공정에 의해 증착되는 티타늄 층인, 전극 구조를 형성하는 방법.
KR1020217002062A 2018-06-21 2019-06-18 리튬의 안정성을 가능하게 하는 확산 장벽 막들 KR20210012045A (ko)

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