特許 6621764 電池の欠陥を低減するためのデバイス及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6621764

(24)【登録日】2019年11月29日

(45)【発行日】2019年12月18日

(54)【発明の名称】電池の欠陥を低減するためのデバイス及び方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/04 20060101AFI20191209BHJP

   H01M 2/26 20060101ALI20191209BHJP

   H01M 4/02 20060101ALI20191209BHJP

   H01M 4/70 20060101ALI20191209BHJP

   H01G 11/10 20130101ALI20191209BHJP

   H01G 11/26 20130101ALI20191209BHJP

   H01M 10/0585 20100101ALN20191209BHJP

   H01M 10/0562 20100101ALN20191209BHJP

   H01M 4/13 20100101ALN20191209BHJP

【ＦＩ】

   H01M10/04 Z

   H01M2/26 A

   H01M4/02 Z

   H01M4/70 A

   H01G11/10

   H01G11/26

   !H01M10/0585

   !H01M10/0562

   !H01M4/13

【請求項の数】16

【全頁数】28

(21)【出願番号】特願2016-568804(P2016-568804)

(86)(22)【出願日】2015年5月26日

(65)【公表番号】特表2017-523559(P2017-523559A)

(43)【公表日】2017年8月17日

(86)【国際出願番号】US2015032488

(87)【国際公開番号】WO2015183835

(87)【国際公開日】20151203

【審査請求日】2016年11月21日

(31)【優先権主張番号】62/003,509

(32)【優先日】2014年5月27日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】62/165,105

(32)【優先日】2015年5月21日

(33)【優先権主張国】US

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】503260918

【氏名又は名称】アップル インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】Ａｐｐｌｅ Ｉｎｃ．

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100067013

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 文昭

(74)【代理人】

【識別番号】100086771

【弁理士】

【氏名又は名称】西島 孝喜

(74)【代理人】

【識別番号】100139712

【弁理士】

【氏名又は名称】那須 威夫

(74)【代理人】

【識別番号】100121979

【弁理士】

【氏名又は名称】岩崎 吉信

(72)【発明者】

【氏名】ノイデッカー ベルント ユルゲン

(72)【発明者】

【氏名】スナイダー ショーン ウィリアム

(72)【発明者】

【氏名】イシカワ テツヤ

(72)【発明者】

【氏名】アンダーソン トア コリンズ

【審査官】 前田 寛之

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１３／００４９２２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０６−３３３５５１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ １０／０４

Ｈ０１Ｇ １１／１０

Ｈ０１Ｇ １１／２６

Ｈ０１Ｍ ２／２６

Ｈ０１Ｍ ４／０２

Ｈ０１Ｍ ４／７０

Ｈ０１Ｍ ４／１３

Ｈ０１Ｍ １０／０５６２

Ｈ０１Ｍ １０／０５８５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

連続的な層構造を有する第１カソード集電体と、
前記第１カソード集電体の前記連続的な層構造を介して互いに電気的に接続された複数の第１カソードサブ領域を有する第１カソード層であって、前記複数の第１カソードサブ領域は間隙によって分離され、前記間隙は、誘電体ガスにより少なくとも部分的に充填されている、第１カソード層と、
前記複数の第１カソードサブ領域と第１アノード層との間に電解質層と、を備え、
前記複数の第１カソードサブ領域は、前記間隙によって分離された対応する側壁を含み、前記第１アノード層は、前記側壁を覆う連続的な層構造を含み、前記間隙は、前記側壁間に設けられた前記第１アノード層の一部をアノード集電体から分離する、電気化学セル。

【請求項2】

前記第１カソードサブ領域の投影された表面区域の合計は、前記第１カソード層の全投影された表面区域の少なくとも８０％である、請求項１に記載の電気化学セル。

【請求項3】

前記第１アノード層は、前記間隙によって分離された複数のアノードサブ領域を有する不連続な層構造を含む、請求項１又は２に記載の電気化学セル。

【請求項4】

前記アノード集電体は、連続的な層構造を有し、前記複数のアノードサブ領域は、前記アノード集電体の前記連続的な層構造を介して互いに電気的に接続される、請求項３に記載の電気化学セル。

【請求項5】

連続的な層構造を有する第１カソード集電体と、
前記第１カソード集電体の前記連続的な層構造を介して互いに電気的に接続された複数の第１カソードサブ領域を有する第１カソード層であって、前記複数の第１カソードサブ領域は間隙によって分離され、前記間隙は、誘電体ガスにより少なくとも部分的に充填されている、第１カソード層と、
前記複数の第１カソードサブ領域と第１アノード層との間に電解質層と、を含む第１電気化学セルと、
間隙によって分離され、かつ、第２カソード集電体に電気的に接続される複数の第２カソードサブ領域を有する第２カソード層と、前記複数の第２カソードサブ領域上に第２アノード層と、を含む第２電気化学セルと、を備え、
前記第１電気化学セルは前記第２電気化学セル上に積層され、前記第１アノード層が前記第２アノード層に連結され、タブ挿入空間が前記第１カソード集電体と前記第２カソード集電体との間に設けられる、電気化学デバイス。

【請求項6】

前記タブ挿入空間内に設けられたアノード集電タブを更に備える、請求項５に記載の電気化学デバイス。

【請求項7】

前記第１及び第２アノード層は、前記タブ挿入空間をそれぞれの第１及び第２カソード集電体から分離するそれぞれの連続的な層構造を含み、前記アノード集電タブは前記第１及び第２アノード層に電気的に接続される、請求項６に記載の電気化学デバイス。

【請求項8】

前記第１カソードサブ領域の投影された表面区域の合計は、前記第１カソード層の全投影された表面区域の少なくとも８０％であり、前記第２カソードサブ領域の投影された表面区域の合計は、前記第２カソード層の全投影された表面区域の少なくとも８０％である、請求項５から７のいずれか一項に記載の電気化学デバイス。

【請求項9】

前記第１カソード層と前記第２カソード層との間にあって前記第１及び第２アノード層に物理的に接続される絶縁層を備え、前記絶縁層は、リチウムに対して不活性である、請求項５に記載の電気化学デバイス。

【請求項10】

連続的な層構造を有するアノード集電体と、
前記アノード集電体の前記連続的な層構造を介して互いに電気的に接続される複数の第１アノードサブ領域を有する第１アノード層と、
前記複数の第１アノードサブ領域と第１カソード層との間に電解質層と、を備え、
前記複数の第１アノードサブ領域は、前記アノード集電体と前記電解質層との間に延在する間隙によって分離され、前記間隙は、誘電体ガスにより少なくとも部分的に充填され、
前記カソード層は複数のカソードサブ領域及びカソード集電体を含み、少なくとも２つのアノードサブ領域が各カソードサブ領域の上に設けられ、前記カソードサブ領域は前記アノード集電体と前記カソード集電体との間に延在する第２の間隙によって互いに分離され、前記第２の間隙は、誘電体ガスにより少なくとも部分的に充填されている、電気化学セル。

【請求項11】

前記カソード集電体は、前記カソードサブ領域に電気的に接続される連続的な層構造を有する、請求項１０に記載の電気化学セル。

【請求項12】

前記アノードサブ領域の投影された表面区域の合計は、前記アノード層の全投影された表面区域の２５％未満である、請求項１０又は１１に記載の電気化学セル。

【請求項13】

前記カソードサブ領域の投影された表面区域の合計は、前記カソード層の全投影された表面区域の少なくとも８０％である、請求項１０に記載の電気化学セル。

【請求項14】

複数の第２アノードサブ領域を有する第２アノード層と、前記複数の第２アノードサブ領域と第２カソード層との間に第２電解質層と、を含む第２電気化学セルと、
前記第１カソード層と前記第２カソード層との間にあり、前記第１アノードサブ領域及び前記第２アノードサブ領域に物理的に接続され、前記第１アノードサブ領域が前記アノード集電体の前記連続的な層構造を介して前記第２アノードサブ領域に電気的に接続される前記アノード集電体と、を組み合わせた請求項１０の前記電気化学セルを備える、電気化学デバイス。

【請求項15】

前記第２電気化学セルは、前記第２カソード層に電気的に接続された第２カソード集電体と、を更に備える、請求項１４に記載の電気化学デバイス。

【請求項16】

前記第１アノードサブ領域の投影された表面区域の合計は、前記第１アノード層の全投影された表面区域の２５％未満であり、前記第２アノードサブ領域の投影された表面区域の合計は、前記第２アノード層の全投影された表面区域の２５％未満である、請求項１４又は１５に記載の電気化学デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

実施形態は、電気化学デバイス、及び電気化学デバイスを製造する方法に関する。より具体的には、実施形態は、１つ以上の細分化された電極層を組み込む電池を含む薄膜電気化学デバイスに関する。

【0002】

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１４年５月２７日出願の米国仮出願第６２／００３，５０９号、及び、２０１５年５月２１日出願の米国仮出願第６２／１６５，１０５号の利益を主張し、本出願はこれらの仮特許出願を参照により本明細書に組み込む。

【背景技術】

【0003】

薄膜電池（ＴＦＢ）などの固体電池は、従来の電池技術と比較して、より良好なフォームファクタ、サイクル寿命、電力性能及び安全性を提供することで知られている。しかし、固体電池の構造及び製造方法には、製造費用を削減し、性能を向上させるために、更なる最適化が必要である。

【0004】

図１を参照すると、固体電池に組み込むことができる電気化学セル１００は、電解質層１０６によって第２の電極（例えば、カソード層１０４）から分離される第１の電極（例えば、アノード層１０２）を含む。固体電池の製造中に、電極間の内部短絡を引き起こす欠陥１０８が、電解質層１０６に発生することがある。より具体的には、アノード層１０２とカソード層１０４との間に延在するクラック又はピンホールであり得る欠陥１０８は、電池の製造中又は動作中に、電解質層１０６を通して、内部電子リークを引き起こす恐れがある。例えば、アノードリーク１１０が欠陥１０８を通じてカソード層１０４に伝播し、それによって、カソード層１０４の一部若しくは全てを化学的に減少させるか又は過剰に放電させる化学反応１１２が生じ、最終的にはカソード層１０４全体が影響を受けて、電池性能が劣化し、及び／又は電池が無効となる可能性がある。

【発明の概要】

【0005】

固体電池の構造の実施形態が開示されている。一実施形態において、電気化学セルは、１つ以上の間隙によって電気的に分離された２つ以上のカソードサブ領域の群を有するカソード層と、カソードサブ領域とアノード層との間に電解質層と、を備える。カソードサブ領域は、共通のカソード集電体に電気的に接続してもよい。カソード集電体は連続的な層構造を有してもよく、カソードサブ領域は、このカソード集電体の連続的な層構造を介して互いに電気的に接続している。一実施形態では、カソードサブ領域の投影された表面区域の合計は、「充填」されたか又は固体カソード層であるもの、即ち、カソードサブ領域間の間隙がカソード材料で充填されたものの全投影された表面区域の少なくとも８０％である。一実施形態では、間隙は、誘電体材料、例えば、誘電体ガスによって、少なくとも部分的に充填されている。アノード集電体を、アノード層の上に配置してもよい。リチウムに対して不活性であるような絶縁層を、アノード層の上に配置してもよい。

【0006】

１つ以上の間隙はまた、電解質層又はアノード層のうちの少なくとも１つによって、部分的に充填されてもよい。例えば、カソードサブ領域は、間隙によって分離されているそれぞれの側壁を備えてもよく、アノード層は、カソードサブ領域の側壁を覆う連続的な層構造を有してもよく、したがって、側壁間の間隙に設けられている。側壁を分離することに加えて、間隙は、側壁間のアノード層の一部を、カソードサブ領域の平坦部上に延在するアノード集電体から、分離しすることができる。

【0007】

一実施形態では、アノード層は、１つ以上の間隙によって分離されたいくつかのアノードサブ領域を備える。例えば、電気化学セルは、不連続な層構造を有するアノード層を含んでもよい。即ち、アノード層は、１つ以上の間隙によって分離されたいくつかのアノードサブ領域を備えてもよい。電解質層は、いくつかのアノードサブ領域とカソード層との間に設けられてもよい。一実施形態では、アノード集電体は、アノードサブ領域上に延在し、連続的な層構造を有することにより、アノードサブ領域は、アノード集電体の連続的な層構造を介して、互いに電気的に接続される。アノードサブ領域の投影された表面区域の合計は、「充填された」又は固体アノード層として説明されるものの全投影された表面区域の２５％未満であってもよい。

【0008】

一実施形態では、電気化学デバイスは、対応するアノード層によって覆われる対応するカソード層を含む、２つの電気化学セルを備える。カソード層は、間隙によって分離されたいくつかのカソードサブ領域を有してもよい。カソードサブ領域は、共通のカソード集電体に電気的に接続してもよい、即ち、各セルのカソードサブ領域は、対応するカソード集電体を介して、互いに電気的に接続してもよい。一実施形態では、セルは、一つのセルのアノード層が他のセルのアノード層に物理的に接続されるように、積層されている。

【0009】

タブ挿入空間が、積層されたセルのカソード集電体の間に設けられてもよく、タブ挿入空間内にアノード集電タブを設けてもよい。セルのアノード層は、タブ挿入空間を対応するカソード集電体から分離する連続的な層構造を備えてもよい。よって、タブ挿入空間内に設けられたアノード集電タブは、カソード集電体間のアノード層と接続することができる。一実施形態では、リチウムに対しても不活性であるような絶縁層をカソード層間に設け、アノード層に物理的に接続してもよい。

【0010】

一実施形態では、電気化学セルは、連続的な層構造を有するアノード集電体を備える。アノード層は、アノード集電体の連続的な層構造を介して電気的に接続されるアノードサブ領域に細分化されてもよい。電解質層が、アノードサブ領域とカソード層との間に設けられてもよい。一実施形態では、アノードサブ領域は、アノード集電体と電解質層との間に延在する間隙によって分離されている。間隙は、誘電体材料、例えば、誘電体ガスによって少なくとも部分的に充填されてもよい。セルは、カソード層に電気的に接続される連続的な層構造を有するカソード集電体を含んでもよい。一実施形態では、アノードサブ領域の投影された表面区域の合計は、アノード層の全投影された表面区域の２５％未満である。

【0011】

一実施形態では、セルのカソード層はいくつかのカソードサブ領域を備えており、少なくとも２つのアノードサブ領域は、各カソードサブ領域の上に設けられている。カソードサブ領域は、アノード集電体とカソード集電体との間に延在する間隙によって、互いから分離されてもよい。間隙は、誘電体材料、例えば、誘電体ガスによって、少なくとも部分的に充填されてもよい。更に、カソードサブ領域は、カソード集電体の連続的な層構造を介して、互いに電気的に接続してもよい。カソードサブ領域の投影された表面区域の合計は、カソード層の全投影された表面区域の少なくとも８０％であってもよい。

【0012】

一実施形態では、電気化学デバイスは、対応するアノード層を有する電気化学セルのスタックを備える。アノード層はいくつかのアノードサブ領域を含んでもよく、セルは、アノードサブ領域と対応するカソード層との間に、対応する電解質層を備えてもよい。一実施形態では、連続的な層構造を有するアノード集電体は、カソード層間に設けられ、積層されたセルのアノードサブ領域に物理的に接続される。したがって、アノードサブ領域は、アノード集電体の連続的な層構造を介して、互いに電気的に接続される。セルはまた、対応するセルのカソード層に電気的に接続される対応するカソード集電体を備えてもよい。一実施形態では、アノードサブ領域の投影された表面区域の合計は、各セルのアノード層の全投影された表面区域の２５％未満である。

【0013】

上記概要には、本発明の全ての態様の網羅的なリストを挙げてはいない。本発明には、前述でまとめた種々の態様の全ての好適な組合せからの実施可能な全てのシステム及び方法が含まれ、並びに以下の、発明を実施するための形態で開示されるもの、特に本出願と共に提出された請求項において指摘されるものが含まれると考えられる。かかる組合せには、上記概要では具体的に説明されていない特定の利点がある。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】電解質層に欠陥を有する電気化学セルの側面図である。

【図2】一実施形態に係る、細分化されたカソード層を有する電気化学セルの平面図である。

【図3】一実施形態に係る、細分化されたカソード層を有する電気化学セルの、図２の線Ａ−Ａに沿った断面図である。

【図4A】一実施形態に係る、細分化されたカソード層上の電解質層に欠陥を有する電気化学セルの、図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

【図4B】一実施形態に係る、細分化されたカソード層上の電解質層に欠陥を有する電気化学セルの、図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

【図5】一実施形態に係る、無効化されたカソードサブ領域を有する電気化学セルの平面図である。

【図6】一実施形態に係る、細分化されたカソード層を有する電気化学セルの側面図である。

【図7】一実施形態に係る、細分化されたカソード層及びアノード集電タブを有する電気化学セルの平面図である。

【図8A】一実施形態に係る、細分化されたカソード層上の電解質層に欠陥を有する電気化学デバイスの断面図である。

【図8B】一実施形態に係る、細分化されたカソード層上の電解質層に欠陥を有する電気化学デバイスの断面図である。

【図9】一実施形態に係る、細分化されたカソード層間に中間層を有する電気化学デバイスの断面図である。

【図10】一実施形態に係る、細分化されたアノード層を有する電気化学セルの平面図である。

【図11】一実施形態に係る、細分化されたアノード層を有する電気化学セルの、図１０のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。

【図12】一実施形態に係る、細分化されたアノード層の下の電解質層に欠陥を有する電気化学セルの、図１０のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。

【図13A】一実施形態に係る、細分化されたアノード層の下の電解質層に欠陥を有する電気化学セルの、図１０のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。

【図13B】一実施形態に係る、細分化されたアノード層の下の電解質層に欠陥を有する電気化学セルの、図１０のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。

【図14】一実施形態に係る、細分化されたアノード層間にアノード集電体を有する電気化学デバイスの側面図である。

【図15】一実施形態に係る、細分化されたカソード層の上に、細分化されたアノード層を有する電気化学セルの平面図である。

【図16】一実施形態に係る、細分化されたカソード層の上に、細分化されたアノード層を有する電気化学セルの、図１５のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。

【図17】一実施形態に係る、アノードリークからカソード層を分離するための方法を示すフローチャートである。

【図18】一実施形態に係る、欠陥検出動作中の、電気化学セルの側面図である。

【図19】一実施形態に係る、電解質層に欠陥を有する前駆セルの側面図である。

【図20】一実施形態に係る、埋め戻された電解質層を有する電気化学セルの側面図である。

【図21】一実施形態に係る、電解質層に欠陥を有する電気化学セルの側面図である。

【図22A】一実施形態に係る、アノードリークから分離されたカソード層を有する電気化学セルの側面図である。

【図22B】一実施形態に係る、アノードリークから分離されたカソード層を有する電気化学セルの側面図である。

【図22C】一実施形態に係る、アノードリークから分離されたカソード層を有する電気化学セルの側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

実施形態は、薄膜電池などの固体電池についての構造及び製造方法を記載している。しかし、いくつかの実施形態は固体電池内での集積化のための製造プロセス又は構造に関して具体的に説明しているが、実施形態はそれらに限定されるものではなく、特定の実施形態は、他の用途にも適用することができる。例えば、以下に説明する実施形態の１つ以上は、シリコンベースの太陽電池などの他の層状要素を製造するために使用することができる。

【0016】

さまざまな実施形態において、図面を参照して説明する。しかし、特定の実施形態を、これらの特定の詳細のうち１つ以上を伴わないで、又は他の既知の方法及び構成と組み合わせて、実施することができる。以下の説明において、実施形態の完全な理解を提供するために、具体的な構成、寸法、及びプロセスなどの、多数の特定の詳細が記載されている。他の例では、説明を不必要に不明瞭にしないために、周知のプロセス及び製造技術については特に詳細に説明していない。本明細書全体を通して「一実施形態（one embodiment）」、「一実施形態（an embodiment）」などへの言及は、説明される特定の特徴、構造、構成、若しくは特性が、少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体を通じて各所に現れる「一実施形態（one embodiment）」、「一実施形態（an embodiment）」などのフレーズは、必ずしも同一の実施形態を指すものではない。更に、この特定の特徴、構造、構成、又は特性は、１つ以上の実施形態の中で任意の好適な方法で組み合わせることができる。

【0017】

一態様では、電気化学セルは、アノード層とカソード層との間の電解質層など、いくつかの層を含むことができる。電気化学セルの層の各々は、細分化された方法で形成することができる。例えば、電極層のうちの１つ以上、即ちアノード層又はカソード層を、パターンに従って間隙を除去するようにパターン化することで、細分化層を構成する島を本質的に残すことができる。アノード又はカソードの島の「層」を製造するための他の方法も可能である。

【0018】

一態様では、カソードサブ領域に細分化されたカソード層を有する電気化学セルが提供される。例えば、カソード層は、サブ領域間の間隙によって分離された、いくつかの矩形のサブ領域に細分化することができる。したがって、各サブ領域を他から分離することができ、よって、１つのカソードサブ領域内で化学的に反応するアノードリークは、他のカソードサブ領域に伝播しないか、又は、それに影響を与えない。更に、間隙はまた、カソードサブ領域上に設けられたアノード層領域間を分離する役割をも果たし、電解質層の欠陥とアノード集電体との間に開回路が形成される前に、カソードサブ領域に漏出するアノード材料を制限する。一実施形態において、カソードサブ領域は、共通の、又は共有された、カソード集電体に、電気的に接続されて物理的に連結してもよい。したがって、カソードサブ領域は、カソード集電体を介して、互いに電気的に接続してもよい。例えば、カソードサブ領域は共通のカソード集電体に直接接続してもよく、又はバリアフィルム層などの１つ以上の中間層が、カソードサブ領域を共通のカソード集電体に連結してもよい。これにより、製造歩留りを向上させることができ、電気化学セルは、アノードリークによって引き起こされる劣化に対して、より耐性を有することができる。

【0019】

一態様では、アノードサブ領域に細分化されたアノード層を有する電気化学セルが提供される。例えば、アノード層を、１つ以上の間隙によって分離された複数の矩形のサブ領域に細分化することができる。別の実施形態では、パターン化されたアノードの島を有する細分化されたアノード層を、細分化されたカソード層の上に設けてもよい。したがって、１つ以上のアノードサブ領域を、１つのカソードサブ領域上に配置することができる。いずれの場合においても、アノードサブ領域の全投影された表面区域は、「充填された」又は固体アノード層とされるものの全投影された表面区域の一部を占めることができる。これにより、特定のアノードサブ領域に隣接する電解質層が欠陥となる確率は低減され、欠陥がアノードサブ領域と接触した場合であっても、結果として生じるアノードリークは１つのアノードサブ領域を枯渇させ（それによって、そのサブ領域は動作から本質的に除外される）ても、他のアノードサブ領域は枯渇させない。更に、孤立したアノードサブ領域のリークが生じると、そのアノードサブ領域に隣接する電解質層の部分とアノード集電体との間に、１つ以上の間隙が形成されてもよい。これが、隣接するアノードサブ領域に（アノード集電体及び欠陥を介して）生じる電気的な放電の可能性を減少させるのに役立つ。これにより、製造歩留りを向上させることができ、電気化学セルは、アノードリークによって引き起こされる劣化に対して、より耐性を有することができる。

【0020】

一態様では、電解質層に修復された欠陥を有する電気化学セルが提供される。より具体的には、電気化学セルは、カソード層を劣化させる恐れのあるアノードリークの可能性を低減するために、前駆の状態又は組み立てられた状態に変形されてもよい。修復は、欠陥を含む電解質層の一部を充填及び／又は埋め戻すことを含んでもよい。修復は、欠陥の上に位置するアノード層の部分を除去することを含んでもよく、それによって、アノード層は、欠陥を通ってカソード層に漏出することができなくなる。修復は、欠陥の周りにチャネルを形成することを含んでもよく、アノードリークが発生した場合でも、欠陥の下にあるカソード層の第１部分は、カソード層の第２部分から分離され、よって、カソード層の劣化は第１部分の劣化に限定される。

【0021】

図２を参照すると、一実施形態に係る、細分化されたカソード層を有する電気化学セルの平面図が示されている。電気化学セル２００は、カソード層の上にアノード層２０２を備えることができる。更に、カソード層は、図２に隠線で示されるように、アノード層２０２の下に電気化学セル２００にわたって間隔を置いて並べられてパターン化された、１つ以上のカソードサブ領域２０４に細分化されてもよい。より具体的には、カソードサブ領域２０４は、１つ以上の間隙２０６によって、互いに分離されてもよい。例えば、１つ以上の間隙２０６が各カソードサブ領域２０４を囲むことで、カソードサブ領域２０４を、隣接するカソードサブ領域２０４から物理的に分離してもよい。

【0022】

一実施形態において、カソード層は格子パターンを含むことができ、各カソードサブ領域２０４は矩形の表面区域を含み、電気化学セル２００を横断する１つ以上の線状間隙２０６により、隣接するカソードサブ領域２０４から分離されている。即ち、カソード層は、都市ブロック及び街路のように配置された、いくつかのカソードサブ領域２０４と１つ以上の間隙２０６を有してもよい。格子パターン及び都市ブロックの隠喩は、製造に適している。例えば、基板上にカソード材料を堆積した後、又は、カソード材料をカソード集電体に接続した後、カソード層材料を除去し、カソードサブ領域２０４の間に１つ以上の間隙２０６を形成するために、レーザスクライビングを使用することができる。あるいは、無充填の１つ以上の間隙２０６となるマスク領域によって分離されたカソードサブ領域２０４を形成するために、シャドウマスクを使用することができる。しかし、他のカソード層パターンを使用してもよい。例えば、１つ以上の間隙２０６を任意の形状にレーザスクライビングして、例えば、多角形、円錐形、楕円形等の島である分離されたカソードサブ領域２０４を形成してもよい。カソードサブ領域２０４は、カソード層の他のカソードサブ領域２０４と比較して、同じ形状を有してもよく、異なる形状を有してもよい。

【0023】

カソードサブ領域２０４の形状にかかわらず、上から見た時に、カソード層は、電気化学セルの外周２０８内に、各カソードサブ領域２０４の表面区域の合計と各間隙２０６の表面区域の合計とを含む全投影された表面区域を含むことができる。例えば、各カソードサブ領域２０４は、辺の長さが等しい正方形の形状の投影された表面区域を有してもよい。更に、各間隙２０６は、レーザビームによりカソード層を切除することで同じ幅を有する溝の格子、即ち、カソード材料のない溝を生成することで形成されてもよい。したがって、電気化学セルの外周２０８内のカソード層の全投影された表面区域は、正方形の投影された表面区域、並びに、１つ以上の間隙内の投影された表面区域の全てを含んでもよい。一実施形態では、パターン化されたカソード領域の利用率、即ち、個々のカソードサブ領域の投影された表面区域の合計がカソード層の全投影された表面区域に対して占める比率は、２〜５％の誤差率で、７５％よりも大きくてもよい。例えば、パターン化されたカソード領域の利用率は、２〜５％の誤差率で、少なくとも８０％であってもよい。一実施形態では、格子パターンは、一つ以上の１０マイクロメートルの間隙によって分離された１００マイクロメートルの辺を有する正方形のカソードサブ領域２０４を有する。したがって、パターン化されたカソード領域の利用率は、８３％であると予想することができる。１つ以上の間隙２０６を狭くするかカソードサブ領域２０４を拡大することによって、パターン化されたカソード領域の利用率を向上させることができる。

【0024】

図３を参照すると、一実施形態に係る、細分化されたカソード層を有する電気化学セルの、図２の線Ａ−Ａに沿った断面図が示されている。一実施形態では、電気化学セル２００は、アノード層２０２とカソード層３０４との間に、より具体的には、アノード層２０２と１つ以上のカソードサブ領域２０４との間に、電解質層３０２を備えることができる。更に、バリアフィルム層３０６が、任意選択的に、カソード層とカソード集電体３０８との間にあってもよい。一実施形態では、カソード集電体３０８は、１つ以上のカソードサブ領域２０４の下に延在する、連続的な層構造、例えば、連続したシート又はフィルム、を有してもよい。上述したように、カソードサブ領域２０４のそれぞれは１つ以上の間隙２０６によって分離されてもよく、この間隙は、カソード層３０４内のカソードサブ領域２０４間の空間を画定する。したがって、カソードサブ領域２０４は、カソード集電体３０８の連続的な層構造を介して、互いに電気的に接続することができる。

【0025】

また、この明細書を通して使用される連続的な層構造は完全に充填された層であってもよいが、必ずしもそうでなくてもよい。即ち、連続的な層構造は、層の厚さを通る、穴、間隙、空隙、などの１つ以上の局所的な不連続を含み、その層を物理的に不連続にすることができるが、層はそれにもかかわらず、連続的な層構造上の１つの場所における電位が連続的な層構造上の他の任意の位置における電位と実質的に等しいという点で、電気的に連続していてもよい。同様に、連続的な層構造が物理的に連続しており、層の表面に沿って不連続部を有さないものの、それにもかかわらず、表面に沿った異なる位置に異なる電位を有する絶縁層の場合と同様に、例えば、電気的に不連続であってもよい。したがって、連続的な層構造とは、物理的に連続的か及び／又は電気的に連続的か、のうちの１つ以上であることができる。

【0026】

カソード層３０４のパターン化されたカソード材料、即ち、カソードサブ領域２０４は、例えば、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄、ＬｉＭｎＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＦｅＰＯ₄、ＬｉＶＯ₂、若しくは任意の混合物、又はその化学的誘導体を含んでもよい。電解質層３０２は、カソードサブ領域２０４とアノード層２０２との間のイオンの移動を容易にすることができる。したがって、電解質層３０２は固体電解質とすることができ、液体成分を含まなくてもよく、固体薄膜に配合されるバインダー又はセパレータ材料を必要としなくてもよい。例えば、電解質層３０２は、窒化リン酸リチウム（ＬｉＰＯＮ）、又は、ＬｉＡｌＦ₄、Ｌｉ₃ＰＯ₄でドープされたＬｉ₄ＳｉＳ₄などの他の固体の薄膜電解質を含んでもよい。アノード層２０２は、例えば、リチウム、リチウム合金、リチウムを含む固溶体若しくは化学物質を形成できる金属、又はリチウムベースの電池において負のアノード材料（Ｌｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂など）として使用することができる、いわゆるリチウムイオン化合物、を含むことができる。

【0027】

一実施形態では、カソード層サブ領域２０４は、導電層又は導電性タブとすることができるカソード集電体３０８に、電気的に接続してもよい。同様に、アノード層２０２は、導電層又は導電性タブとすることができるアノード集電体３１０に、電気的に接続してもよい。任意選択的に、１つ以上の中間層を、カソード層３０４のパターン化されたカソード材料又はアノード層２０２と、それぞれの集電体との間に設けてもよい。例えば、バリアフィルム層３０６は、カソードサブ領域２０４をカソード集電体３０８から分離することができる。例えば、バリアフィルム層３０６は、カソードサブ領域２０４及びカソード集電体３０８と、物理的に直接接触してもよい。バリアフィルム層３０６によって、汚染物質及び／又はイオンがカソード集電体３０８とカソードサブ領域２０４との間に拡散する可能性を低減することができる。したがって、バリアフィルム層３０６は、イオン伝導性が低い導体である材料（ホウ化物、炭化物、ダイアモンド、ダイアモンドライクカーボン、ケイ化物、窒化物、リン化物、酸化物、フッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物、及びこれらの化合物など）を含んでも良い。あるいは、基板層などの追加の中間層を、カソード層３０４とカソード集電体３０８との間に設けてもよい。基板層は、例えば、カソードサブ領域２０４とカソード集電体３０８との間の電気的接続を与えてもよく、例えば、剛性などの構造的支持を、電気化学セル２００に与えてもよい。したがって、基板層は金属箔又は他の導電性層を含んでもよい。

【0028】

いくつかの場合では、セルの電気化学的に活性な層を、基板層の一つの側に、例えば、物理蒸着等の材料堆積技術を用いて形成することができ、カソード集電体３０８は、別個に形成され、基材層の別の側に物理的に連結してもよい。他の場合では、セルの電気化学的に活性な層を基板層上に形成してもよく、続いて、電気化学的に活性な層は、基板層から除去され、別個に形成されたカソード集電体３０８に物理的に連結されてもよい。更に他の例では、セルの電気化学的に活性な層を、カソード集電体３０８の上に、例えば、物理蒸着されて直接形成してもよい。このように、いくつかの電気化学的に活性な層を有する電気化学セル２００を生成するのには多くの異なる方法がある。

【0029】

一実施形態では、パターン化されたカソード層３０４内の１つ以上の間隙２０６は、誘電体３１２によって少なくとも部分的に充填されている。より具体的には、対応するカソードサブ領域２０４の側壁３１４は、誘電性流体又は固体、例えば不活性ガスなどの誘電体ガスなどによって分離することができる。更に、複数の誘電体材料又は他の材料が１つ以上の間隙２０６を占有することができる。例えば、電解質層３０２及び／又はアノード層２０２は、側壁３１４と、バリアフィルム層３０６の上に堆積され、パターン化されたカソード層３０４のカソードサブ領域２０４の間の１つ以上の間隙２０６を少なくとも部分的に充填することができる。アノード層２０２及び／又は電解質層３０２をカソードサブ領域２０４の上に連続的な層で堆積することができ、それによって隣接するカソードサブ領域２０４にわたって、連続的な被覆を形成することができる。即ち、アノード層２０２及び／又は電解質層３０２は、連続的な層構造、例えば、シート又はフィルム構造を有してもよい。連続的な被覆は、カソードサブ領域２０４の上に、例えば、カソードサブ領域２０４とアノード集電体３１０の間に、並びに、カソードサブ領域２０４の間の側面に沿って、例えば、隣接するカソードサブ領域２０４の側壁３１４の間に、及び／又はそれを覆って、配置することができる。更に、アノード層２０２又は電解質層３０２のうちの１つ以上がカソードサブ領域２０４の上に連続的な層として堆積されることができ、少なくとも部分的に間隙２０６を充填するので、堆積した層の並置された表面は、互いに対向してもよい。このことは図３に示されており、アノード層２０２の側面に沿って対向する面は、誘電体３１２、例えば、誘電体ガス、を挟んで互いに対向する。同様に、アノード層２０２の連続的な層構造は側壁を覆ってもよく、誘電体３１２がカソード集電体３１０から、間隙２０６内のアノード層の部分（例えば、バリアフィルム層３０６のすぐ上方の間隙２０６の底部における部分）を分離する。一実施形態では、誘電体３１２は存在せず、アノード層２０２の対向面同士は互いに接触することにより、隣接するカソードサブ領域２０４の間の間隙２０６の少なくとも一部を完全に充填する。即ち、アノード層２０２の並置面は、間隙２０６の下半分に沿って接触し、カソードサブ領域２０４の下部の間の空間を完全に充填することができる。一方、アノード層２０２の並置面は、間隙２０６の上半分に沿って、図３に示されるように、間隙２０６の全体を挟んで同様に誘電体３１２によって分離することができる。したがって、１つ以上の間隙２０６は、隣接するカソードサブ領域２０４の間で、物理的及び電気化学的分離を提供することができる。更に、１つのカソードサブ領域２０４を覆うアノード層２０２の部分は、隣接するカソードサブ領域２０４の上にあるアノード層２０２から物理的に分離されてもよい。しかし、カソードサブ領域２０４を覆うアノード層の部分は、カソードサブ領域２０４とアノード集電体３１０との間に挟まれてもよい。

【0030】

図４Ａを参照すると、一実施形態に係る、細分化されたカソード層上の電解質層に欠陥を有する電気化学セルの、図２のＡ−Ａ線に沿った断面図が示されている。一実施形態では、電解質層３０２は、欠陥を含み得る。欠陥としては、例えば、ナノクラック、マイクロクラック、又はピンホールなどの空隙４０２を挙げることができる。空隙４０２は、電池の製造中又は電池の動作中に、電解質層３０２内で生じる恐れがある。空隙４０２に関するさまざまな原因としては、カソード集電体３０８、バリアフィルム層３０６、カソード層３０４、又は電解質層３０２のうちのいずれのものの、最適以下の形態又は清浄度が挙げられる。更に、外部短絡、機械的酷使、熱的酷使等、空隙４０２が発生する恐れがある。いずれの場合にも、空隙４０２は、アノード層２０２とカソード層３０４との間の電気的リークをもたらす可能性がある。即ち、アノードリーク４０４は、アノード層２０２の材料が、空隙４０２を通って、カソード層３０４のカソードサブ領域２０４に入り込む時に生じ得る。アノード材料がカソード材料と相互作用すると、化学反応４０６が、カソードサブ領域２０４を通って伝播し、電気化学セルの機能を劣化させる望ましくない化学生成物が生成される恐れがある。

【0031】

図４Ｂを参照すると、一実施形態に係る、細分化されたカソード層上の電解質層内に欠陥を有する電気化学セルの図２のＡ−Ａ線に沿った断面図が示されている。アノードリーク４０４が持続するにつれて、カソードサブ領域２０４にわたる化学反応４０６は継続し、この図に示されるように、カソードサブ領域２０４上のアノード層２０２が併せて消滅することを伴う可能性がある。即ち、空隙４０２の真上のアノード材料がなくなるまで、アノード層２０２は、空隙４０２を通って物理的に漏出し得る。したがって、アノード層２０２の一部はカソードサブ領域２０４間の１つ以上の間隙２０６内に留まることができるが、電解質層３０２の上にある、例えば電解質層３０２とアノード集電体３１０との間に、アノード層２０２の部分に空き空間４０８が生成される可能性がある。これにより、アノードリーク４０４は最終的に停止することができ、その結果として、カソードサブ領域２０４の化学反応４０６は停止することができる。

【0032】

図５を参照すると、一実施形態に係る、無効化されたカソードサブ領域を有する電気化学セルの平面図が示されている。一実施形態では、アノード層２０２が空隙４０２を通ってカソードサブ領域２０４内に漏出した後、図５の斜線で示されるように、このカソードサブ領域２０４は無効化されてもよい。無効化されたカソードサブ領域５０２の周囲にある１つ以上の間隙２０６は、アノード材料の伝播を制限し、化学反応４０６が隣接するカソードサブ領域２０４に広がるのを阻止する。更に、空き空間４０８によって、本質的に、アノード集電体３１０と無効化されたカソードサブ領域５０２との間に開回路が生成される。したがって、カソードサブ領域２０４が本質的に並列に接続されているので、空き空間４０８は、正常なカソードサブ領域２０４が異常なカソードサブ領域５０２を通って放電する可能性を減少させる。即ち、空き空間４０８は、使用可能な電気化学セル２００の残りの部分から空隙４０２を切り離す。

【0033】

図６を参照すると、一実施形態に係る、細分化されたカソード層を有する電気化学セルの側面図が示されている。一実施形態では、カソード層３０４は、単一の誘電体、例えば、不活性ガス等の気体により完全に充填される、若しくは真の１つ以上の間隙２０６によって分離された、別々のカソードサブ領域２０４を備える。例えば、アノード層２０２、電解質層３０２、カソード層３０４、バリアフィルム層３０６、及びカソード集電体３０８を含む実質的に平坦な薄層を備える電気化学セル２００を有して製造することができる。次に、アノード層２０２、電解質層３０２、及びカソード層３０４を通って１つ以上の間隙２０６をレーザスクライブするために、アブレーションレーザを用いることができる。あるいは、電気化学セル２００の製造中に、材料の堆積領域を制御するマスキング技術を用いて、アノード層２０２、電解質層３０２、カソード層３０４のうちの１つ以上に、１つ以上の間隙２０６を形成することができる。例えばレーザアブレーション処理を用いてバリアフィルム層５０６から薄層の材料もまた除去してもよく、その結果、隣接するカソードサブ領域２０４が間隙２０６を挟んで完全に分離される。その結果、１つ以上の間隙２０６によって分離されたいくつかのカソードサブ領域２０４を形成することができる。同様に、電解質層３０２及びアノード層２０２はそれぞれの中に、１つ以上の間隙２０６によって分離される対応するサブ領域が形成されてもよい。即ち、図３を参照して上述したように連続的な層構造を有するのではなく、アノード層２０２及び／又は電解質層３０２を、その中に形成されたいくつかのサブ領域を備える不連続層の構造を有するようにパターン化してもよい。不連続な層構造は、平面であってもよい。即ち、アノード層２０２及び／又は電解質層３０２のサブ領域は本質的に同一平面とすることができ、各層のいくつかのサブ領域の側壁は、１つ以上の間隙２０６を挟んで互いに対向し、いくつかのサブ領域のそれぞれの上向きの面は、共通の横方向平面内に位置する。したがって、電気化学セル２００は、１つ以上の間隙２０６によって互いに物理的に分離された、いくつかのセルサブ領域６０２を備えることができる。より具体的には、各セルサブ領域６０２は、カソード、電解質、及びアノードのサブ領域の積層体を備えることができる。更に、アノード集電体３１０を、セルサブ領域６０２のそれぞれ及び全てを電気的に接続して単一のセルを形成するように、アノードサブ領域の上に配置してもよい。一実施形態では、アノード集電体３１０は、連続的な層構造、例えば単一のシート又はフィルム構造を有する。したがって、アノードサブ領域は、アノード集電体３１０の連続的な層構造を介して、互いに電気的に接続することができる。一実施形態では、セルサブ領域６０２の投影された表面区域の合計は、電気化学セルの外周２０８内の電気化学セル２００の全投影された表面区域の少なくとも８０％であってもよい。即ち、パターン化されたカソード利用率は、少なくとも８０％であってもよい。

【0034】

製造中又は使用中に、セルサブ領域６０２内の電解質層３０２で空隙４０２が発生することがある。かかる場合、不良セルサブ領域６０２内のアノード層２０２は、空隙４０２を介して、不良セルサブ領域６０２内の基礎をなすカソードサブ領域２０４に漏出することがある。上述したように、空き空間４０８が空隙４０２とアノード集電体３１０との間に形成される程度に空隙４０２の上のアノード層２０２が減少するまで、アノードリーク４０４は持続し得る。空き空間４０８は、電気的な開回路を提供し、不良セルサブ領域６０２を介して周囲のセルサブ領域６０２が放電する可能性を低減させる可能性がある。更に、各セルサブ領域６０２のカソードサブ領域２０４が１つ以上の間隙２０６によって物理的に分離されるので、漏出するアノード層２０２の材料は不良セルサブ領域６０２内で阻止され、他のセルサブ領域６０２に伝播されないようにすることができる。これにより、アノードリーク４０４の負の効果は、単一のセルサブ領域６０２の無効化に限定することができる。

【0035】

図７を参照すると、一実施形態に係る、細分化されたカソード層及びアノード集電タブを有する電気化学セルの平面図が示されている。一実施形態では、電気化学セル２００のアノード層２０２はアノード集電体であってもよい。例えば、アノード層２０２は、電気化学セル２００の面全体にわたって集電体として作用するのに十分な導電率を有する、金属リチウムとすることができる。これにより、アノード層２０２の上の別個のアノード集電体３１０を不要とすることができる。したがって、アノード層２０２は、電気化学セル２００の電気化学的活性部分を外部製品回路と電気的に接続するのに使用することができる。例えば、アノード層２０２は、別個のアノード集電タブ７０２を介して、外部の製品回路と導電的に接続されるリチウムであってもよい。アノード層２０２は、電気化学セル２００の電気化学的活性領域とアノード集電タブ７０２との間に電気を通すことができる。アノード集電タブ７０２は、例えば、電気化学セル２００の角部に位置してもよい。アノード集電タブ７０２がアノード層２０２に連結される領域は、カソードサブ領域２０４を有することができず、したがって、カソードサブ領域２０４を含む電気化学セル２００の部分よりも薄くてもよい。より詳細には、一実施形態で、薄い角部は、カソード層３０４の形成の際に、角部をレーザアブレーション又はシャドウマスクすることにより、形成することができる。続いて、電解質層３０２及びアノード層２０２を、薄い角部上に堆積させることができる。その結果、アノード集電タブ７０２は、電気化学セル２００の全体の高さを増すことなく、カソードサブ領域２０４の厚さに等しい厚さを有する導電性の金属箔であってもよい。したがって、アノード集電体３１０をアノード層２０２全体にわたって配置するのではなく、電気化学セル２００の角部に、アノード集電タブ７０２を組み込むことにより、より高い総エネルギー密度を有する完全にパッケージされた電気化学セル２００、及び／又は電気化学セル２００を導入した電気化学デバイス、を結果として得ることができる。更に、アノード層２０２と電気的に接続されたアノード集電タブ７０２は、外部回路への電気的接続の信頼性を向上させるために、より厚く、より丈夫にすることができる。

【0036】

図８Ａを参照すると、一実施形態に係る、細分化されたカソード層上の電解質層に欠陥を有する電気化学デバイスの断面図が示されている。一実施形態では、電気化学デバイス８００は、電気化学セルの対応するアノード層２０２が隣接するか互いに接触するように、第２の電気化学セル８０４上に積層された第１の電気化学セル８０２を備える。対応するアノード層２０２は、カソードサブ領域２０４を覆い、隣接するカソードサブ領域２０４間の１つ以上の間隙２０６内に延出する連続的な層構造、例えば、連続シート又はフィルム構造を有してもよい。更に、上述したように、角部領域などの１つ以上の積層された電気化学セルの領域は、カソードサブ領域を含んでいなくてもよい。これにより、対応するアノード層２０２間のタブ挿入空間８０６は、アノード集電タブ７０２の挿入を許容することができる。アノード層２０２の連続的な層構造は、タブの挿入空間８０６を、第１電気化学セル８０２と第２電気化学セル８０４の各カソード集電体３０８から分離することができる。したがって、アノード集電タブ７０２は、アノード層２０２間に挟まれ、カソード集電体３０８と接触することなく、タブ挿入空間８０６内でアノード層２０２に電気的に接続することができる。アノード集電タブ７０２は、例えば、導電性の感圧接着剤を使用してアノード層２０２に接着されてもよい。上述したように、空隙４０２などの欠陥が電解質層３０２で起こる恐れがあり、そのことでアノード層２０２材料のカソードサブ領域２０４へのアノードリーク４０４を許してしまう。

【0037】

図８Ｂを参照すると、一実施形態に係る、細分化されたカソード層上の電解質層に欠陥を有する電気化学デバイスの断面図が示されている。一実施形態では、対応するアノード層２０２が空隙４０２に隣接して接触しているので、アノードリーク４０４は、第１電気化学セル８０２と第２電気化学セル８０４の両者のアノード層２０２の材料が空隙４０２を通って、カソードサブ領域２０４に伝播することを含む可能性がある。電気化学セル２００に関連して上述したように、カソードサブ領域２０４内での化学反応４０６は、空き空間４０８が空隙４０２上に形成されるまで、持続し得る。即ち、電気化学セルの電解質層間のアノード材料が消耗した後、アノードリークは停止し得る。これにより、細分化されたカソード層を備えた積層電気化学セルを有する電気化学デバイス８００は、電気化学デバイス８００の他の部分から物理的及び電気的に隔離される個々のカソードサブ領域２０４への欠陥を限定することができる。このように、欠陥領域がデバイスの性能（例えば、容量、エネルギー、電力、抵抗、サイクル寿命、及び収率）にほとんど影響を与えず、電気化学デバイス８００の全体的な性能を向上させることができる。

【0038】

図９を参照すると、一実施形態に係る、細分化されたカソード層間に中間層を有する電気化学デバイスの断面図が示されている。一実施形態では、空隙４０２が発生した場合のアノード層２０２の材料の伝播は、電気化学デバイス８００において積層された電気化学セルの対応するアノード層２０２間に中間層９０２を組み込むことによって、更に限定することができる。例えば、中間層９０２は、電気化学デバイス８００のカソードサブ領域２０４を電気的に接続するアノード層２０２間に導電性のアノード集電体を含むことができるが、第２電気化学セル８０４のアノード層２０２材料が、第１電気化学セル８０２の電解質層３０２の空隙４０２を通って伝播する可能性を低下させる。したがって、空隙４０２が形成されると第１の電気化学セル８０２のアノード層２０２の材料は、空隙４０２を通って伝播し、中間層９０２と空隙４０２との間に空き空間が形成されるまでカソードサブ領域２０４に化学反応を引き起こし、それによって、開回路が生成され、電気化学デバイス８００の残りの部分からカソードサブ領域２０４を分離してもよい。図９にはアノード集電タブ７０２が示されているが、一実施形態では、中間層９０２が、外部製品の回路との接続のために、電気化学デバイス８００から外側に離れるように延在するアノード集電体３１０とすることができる。したがって、アノード集電タブ７０２は、中間層９０２と重複する実施形態においては省略することができる。

【0039】

別の実施形態では、中間層９０２は、積層された電気化学セルのアノード層２０２間に絶縁層を備えることができる。例えば、絶縁層９０２は、リチウムに対して不活性である絶縁材料の薄膜であってもよい。かかる材料の例としては、アクリルなどの感圧接着剤、並びにポリイミドなどの他の絶縁材料が挙げられる。絶縁層は、電気的に絶縁性を有するか、又はイオン的に絶縁性を有するか、のうちの一方又は両方であってもよく、これらの特性のいずれかを有する材料から作製してもよい。

【0040】

図１０を参照すると、一実施形態に係る、細分化されたアノード層を有する電気化学セルの平面図が示されている。電気化学セル２００は、カソード層の上にアノード層２０２を備えることができる。更に、アノード層２０２を、カソード層及び電解質層の上で、上記電気化学セル２００にわたって離間した１つ以上のアノードサブ領域１００２に細分化することができる。より具体的には、アノードサブ領域１００２を、１つ以上の間隙２０６によって互いに分離してもよい。例えば、１つ以上の間隙２０６が各アノードサブ領域１００２を取り囲んで、アノードサブ領域１００２を隣接するアノードサブ領域１００２から物理的に分離することができる。

【0041】

一実施形態では、アノード層２０２は格子パターンを含むことができ、各アノードサブ領域１００２は矩形の表面区域を備え、電気化学セル２００を横断する１つ以上の直線状の間隙２０６により、隣接するアノードサブ領域１００２から分離されている。アノード層の材料が電解質層上に堆積された後、レーザスクライブを使用してアノード層の材料を除去し、アノードサブ領域１００２間に１つ以上の間隙２０６を形成することができる。あるいは、シャドウマスクを使用して、未充填の間隙２０６となるマスク領域によって分離されたアノードサブ領域１００２を形成することができる。しかし、他のアノード層２０２のパターンを使用することもできる。例えば、１つ以上の間隙２０６を任意の形状にレーザスクライビングして、例えば、多角形、円錐形、楕円形等であるアノードサブ領域１００２を形成することができる。アノードサブ領域１００２の残りのアノード材料は、パターン化されたアノード層２０２の島を本質的に形成する。アノードサブ領域１００２は、アノード層２０２の他のアノードサブ領域１００２と比較して、同じ又は異なる形状を有してもよい。

【0042】

アノードサブ領域１００２の形状にかかわらず、上から見た時に、アノード層２０２は電気化学セルの外周２０８内に全投影された表面区域を含むことができ、これは、各アノードサブ領域１００２の投影された表面区域の合計と、アノードサブ領域１００２間の１つ以上の間隙２０６の投影された表面区域の合計とを含む。例えば、各アノードサブ領域１００２は、辺の長さが等しい正方形の形状の投影された表面区域を有してもよく、各間隙２０６は等しい幅を有してもよい。したがって、電気化学セルの外周２０８内のアノード層２０２の全投影された表面区域は、正方形のアノードサブ領域の投影された表面区域、並びに、均一な間隙２０６内の投影された表面区域、の全てを含むことができる。一実施形態では、パターン化されたアノード領域の利用率、即ち、個々のアノードサブ領域の面積の合計のアノード層２０２の全表面の面積に対する比率は、３０％より小さくあってもよい。例えば、パターン化されたアノード領域の利用率は２５％未満であってもよい。一実施形態では、格子パターンは、一つ以上の１０マイクロメートルの間隙２０６によって分離された１０マイクロメートルの辺を有する正方形のアノードサブ領域１００２を有する。したがって、パターン化されたアノード領域の利用率は、２５％であると予想することができる。１つ以上の間隙２０６を広げるかアノードサブ領域１００２を縮小することによって、パターン化されたアノード領域の利用率を低下させることができる。

【0043】

図１１を参照すると、一実施形態に係る、細分化されたアノード層を有する電気化学セルの、図１０のＣ−Ｃ線に沿った断面図が示されている。一実施形態では、電気化学セル２００は、アノードサブ領域１００２と１つ以上の間隙２０６とを有するアノード層２０２と、カソード層３０４との間に、電解質層３０２を備え得る。上述したように、アノード層２０２内の１つ以上の間隙２０６は、リチウムなどのアノード材料を含むアノード層２０２部分の間の空間、即ち、アノードサブ領域１００２間の空間を画定することができる。間隙２０６は、例えば、レーザアブレーション処理を使用して、アノード材料と、任意選択的に電解質材料の薄層とを除去することによって、形成することができる。したがって、アノードサブ領域１００２は、介在する間隙２０６によって完全に分離することができる。一実施形態では、アノード層２０２のアノードサブ領域１００２間の間隙２０６は、単一の誘電体３１２、例えば、不活性ガス等の誘電体ガス、又は真空により、完全に充填される。更に、バリアフィルム層３０６は、カソード層３０４とカソード集電体３０８との間にあってもよい。一実施形態では、電気化学セル２００は、アノード層２０２と電気的に接触して配置された導電性アノード集電体３１０を含むことができる。アノード集電体３１０は、アノード層２０２のアノードサブ領域１００２の全てと機械的及び電気的接触を形成する金属箔を備えてもよい。一実施形態では、電気化学セル２００の種々の層は、パターン化されたカソード層３０４を有する電気化学セル２００について上述したものと同様の材料及び寸法を含んでもよい。

【0044】

図１２を参照すると、一実施形態に係る、細分化されたアノード層の下に電解質層の欠陥を有する電気化学セルの、図１０のＣ−Ｃ線に沿った断面図が示されている。一実施形態では、電解質層３０２は空隙４０２などの欠陥を含み得る。上述したように、空隙４０２は、アノード層２０２とカソード層３０４との間の電気的リークの経路をもたらす可能性がある。しかし、電気化学セル２００にわたって均一な、即ち非パターン化されたアノード層２０２を有する電気化学セル２００と比較して、アノード層の全投影された表面区域のわずか一部を占めるアノードサブ領域１００２を有する電気化学セル２００がアノードサブ領域１００２と位置の揃った空隙４０２を有する可能性は低い。より具体的には、アノードサブ領域１００２の投影された表面区域の合計が、アノード層２０２の全投影された表面区域の２５％に過ぎない場合、空隙４０２が１つ以上の間隙２０６と位置が揃う可能性は、３倍高くなり得る。したがって、パターン化されたアノード層２０２の結果として、アノードサブ領域１００２とカソード層３０４との間の内部短絡による電池の故障の可能性は、パターン化されたアノード領域の利用率に比例して、減少する可能性がある。

【0045】

図１３Ａを参照すると、一実施形態に係る、細分化されたアノード層の下に電解質層の欠陥を有する電気化学セルの、図１０のＣ−Ｃ線に沿った断面図が示されている。一実施形態では、空隙４０２は、アノードサブ領域１００２と基礎をなすカソード層３０４との間の電解質層３０２内にて発生することがある。したがって、空隙４０２は、アノード層２０２とカソード層３０４との間の電気的リークの経路をもたらす可能性がある。即ち、アノードリーク４０４は、アノード層の材料が、空隙４０２を通って、カソード層３０４に入り込む時に生じ得る。アノード材料がカソード材料と相互作用すると、化学反応４０６がカソード層３０４を通って伝播し、望ましくない化学生成物を生成する恐れがある。更に、隣接するアノードサブ領域１００２からの電子放出が、アノード集電体３１０を通って、空隙４０２に隣接するアノードサブ領域１００２に入り、次いで、空隙４０２を通過してカソード層３０４内に進む経路１３０２をたどり得る。したがって、空隙４０２は、全体の電気化学セル２００を放電させ得る、アノード層２０２の自己放電をもたらす恐れがある。

【0046】

図１３Ｂを参照すると、一実施形態に係る、細分化されたアノード層の下に電解質層の欠陥を有する電気化学セルの、図１０のＣ−Ｃ線に沿った断面図が示されている。アノードリークが持続するにつれて、カソード層３０４内の化学反応は継続し、空隙４０２に隣接するアノードサブ領域１００２が併せて消滅することを伴うことがある。即ち、空隙４０２の上方のアノード材料がなくなるまで、アノード層材料が空隙４０２を通って物理的に漏出することができる。これにより、空き空間４０８が空隙４０２の上方に、例えば、電解質層３０２とアノード集電体３１０との間に、形成され得る。空き空間４０８によって、電解質層３０２とアノード集電体３１０との間に、電気開回路を生成することができる。これにより、アノードリークは最終的に停止することができ、カソード層３０４における化学反応及び電気リークが停止し得る。一実施形態では、アノードリークはカソード層３０４の劣化した領域１３０４を引き起こし得るが、カソード層３０４のより大きな正常な領域はアノードリークによって影響を受けない可能性がある。このように、パターン化されたアノード層によって、電気化学セル２００の性能全体に対する電解質層の欠陥の影響を緩和することができる。

【0047】

図１４を参照すると、一実施形態に係る、細分化されたアノード層間にアノード集電体を有する電気化学デバイスの側面図が、示されている。一実施形態において、電気化学デバイス８００は、図１０について説明したように、パターン化されたアノード層を有するいくつかの電気化学セル２００から形成することができる。より具体的には、いくつかの電気化学セル２００は、互いに対向する対応するアノードサブ領域１００２を積層していてもよい。アノード層のアノードサブ領域１００２の一部は、アノード集電体３１０を挟んで互いに直接向き合っていてもよい、即ち、上方から見て（即ち、図面シートの平面に沿って垂直下向きに見た場合）重なり合うように見える可能性がある。アノード集電体３１０は、連続的な層構造、例えば、連続シート又はフィルム構造を有してもよい。したがって、対応する積層された電気化学セル２００のアノードサブ領域１００２は、アノード集電体３１０の連続的な層構造を介して電気的に接続することができる。即ち、電気化学デバイス８００の第１の電気化学セル２００のアノードサブ領域１００２は、アノード集電体３１０の連続的な層構造を介して互いに電気的に接続され、並びに電気化学デバイス８００の第２電気化学セル２００のアノードサブ領域１００２とも電気的に接続され得る。更に、連続的な層構造を有するアノード集電体３１０は、電気化学デバイス８００の積層された電気化学セル２００の対応するカソード層３０４間にあってもよく、これによって、電気化学セル２００を物理的に分離する。

【0048】

一実施形態では、電気化学デバイス８００を形成する積層された電気化学セル２００のうちの１つ以上は、カソード層３０４と電気的に接続されたカソード集電体３０８を含むことができる。例えば、第１のカソード集電体３０８は、電気化学デバイス８００の第１電気化学セル２００のカソード層３０４に電気的に接続され、第２のカソード集電体３０８は、電気化学デバイス８００の第２の電気化学セル２００のカソード層３０４に電気的に接続されてもよい。カソード層３０４及びカソード集電体３０８は共に、連続的な層構造、例えば、連続シート又はフィルム構造を有することができる。

【0049】

一実施形態において、電気化学デバイス８００は、電解質層３０２のうちの一つに、アノードリーク４０４をもたらす空隙４０２を含む可能性があり、それによって、空隙４０２に隣接した対応するアノードサブ領域１００２の大きさが減少する。したがって、アノードサブ領域１００２は、最終的には、図１４に点線で示すように、（空隙４０２の下ではなく）空隙４０２から水平方向に離れて空間を充填するように収縮し、空隙４０２とアノード集電体３１０との間に空き空間が生じる。したがって、その基礎をなすカソード層３０４の劣化領域１３０４は、空隙４０２に隣接したアノードサブ領域１００２の大きさによって、制限され得る。このように、パターン化されたアノード層を有する電気化学デバイスによって、電解質の空隙がデバイス全体の性能に与える影響が限定され得る。

【0050】

図１５を参照すると、一実施形態に係る、細分化されたカソード層の上に、細分化されたアノード層を有する電気化学セルの平面図が示されている。一実施形態では、電気化学セル２００はいくつかのセルサブユニット１５００に細分化することができ、各セルサブユニットは、カソードサブ領域２０４の上に設けられた少なくとも２つのアノードサブ領域１００２を備えてもよい。即ち、アノード層２０２は、１つ以上のカソードサブ領域２０４に細分化されたカソード層３０４の上に、電気化学セル２００にわたって離間された１つ以上のアノードサブ領域１００２に、細分化することができる。例えば、図１５に示すように、各カソードサブ領域２０４は、４つのアノードサブ領域１００２を支持するための基体を提供することができるが、これは例示であり、これに限定されない。より具体的には、カソード層３０４は、少なくとも２つのカソードサブ領域２０４を含むようにパターン化してもよいし、２つ以上のアノードサブ領域１００２を、隠線で示されるカソードサブ領域２０４のうちの１つの上に設けてもよい。カソード層３０４及びアノード層２０２のそれぞれで、１つ以上の間隙が、それぞれパターン化された島を取り囲んでもよい。例えば、１つ以上の間隙１５０２Ａは、アノードサブ領域１００２を隣接するアノードサブ領域１００２から分離することができ、１つ以上の間隙１５０２Ｂは、カソードサブ領域６０２を隣接するカソードサブ領域６０２から分離することができる。したがって、間隙１５０２Ｂはまた、セルサブユニット１５００間に延在して、セルサブユニットを分離することができる。上述したように、間隙１５０２Ａ及び１５０２Ｂは、誘電体３１２、例えば誘電体ガスによって、少なくとも部分的に充填されてもよい。

【0051】

図１６を参照すると、一実施形態に係る、細分化されたカソード層の上に細分化されたアノード層を有する電気化学セルの、図１５のＤ−Ｄ線に沿った断面図が示されている。一実施形態では、電気化学セル２００は、アノードサブ領域１００２及び１つ以上の間隙１５０２Ａを有するアノード層２０２と、カソードサブ領域２０４及び１つ以上の間隙１５０２Ｂを有するカソード層３０４との間に、電解質層３０２を備えてもよい。上述のように、アノード層２０２中の１つ以上の間隙１５０２Ａは、アノードサブ領域１００２間の空間を画定することができる。アノードサブ領域１００２は、リチウムなどのアノード材料を含んでもよい。一実施形態では、１つ以上の間隙１５０２Ａは、単一の誘電体３１２、例えば、不活性ガス等の誘電体ガス、又は真空により完全に充填される。また、上述したように、カソード層３０４内の１つ以上の間隙１５０２Ｂは、カソードサブ領域２０４間の空間を画定する（及び更に、隣接するカソードサブ領域２０４上に配置されたアノードサブ領域１００２を分離する）ことができる。カソードサブ領域は、カソード材料を含んでもよい。一実施形態では、１つ以上の間隙１５０２Ｂは、単一の誘電体３１２、例えば、不活性ガス等の誘電体ガス、又は真空により完全に充填される。一実施形態では、電気化学セル２００は、アノードサブ領域１００２と電気的に接触して配置された導電性アノード集電体３１０を備えることができる。アノード集電体３１０は、電気化学セル２００内の全てのアノードサブ領域１００２と機械的及び電気的に接触する金属箔を備えてもよい。更に、電気化学セル２００は、カソードサブ領域２０４と電気的に接続された導電性カソード集電体３０８を備えてもよい。即ち、カソードサブ領域２０４は、共通の、又は共有の、カソード集電体３０８に電気的に接続することができる。電気化学セル２００のさまざまな層は、上述したものと同様の材料及び寸法を備えてもよい。

【0052】

一実施形態では、アノード層２０２とカソード層３０４は、上述のように、それぞれ格子パターンを備えてもよい。一実施形態では、アノード層２０２、カソード層３０４、及び電解質層３０２は、例えば、カソード集電体３１０上に均一な層で形成することができる。次いで、これらの層を選択的にレーザスクライビングして、カソードサブ領域２０４を分離する（及び、隣接するカソードサブ領域２０４の上に配置されたアノードサブ領域１００２をも分離する）１つ以上の間隙１５０２Ｂと、カソードサブ領域２０４のうちの１つ以上の上にあるアノードサブ領域１００２を分離する１つ以上の間隙１５０２Ａとを、生成することができる。より具体的には、レーザスクライビングにより材料を除去することによって、カソードの島のうちの１つの上に、１組のアノードの島を有する１組のカソードの島を本質的に生成することができる。シャドウマスクを含む他の方法を使用して、図１６に示される構造を形成することができる。

【0053】

図１７を参照すると、一実施形態に係る、カソード層をアノードリークから分離する方法を示すフローチャートが示されている。動作１７０２では、固体電池等の、電気化学セル２００の製造中、又は電気化学デバイス８００の組み立て中に、電解質層３０２中の空隙４０２を検出することができる。空隙４０２の検出は、電解質層３０２上にアノード層２０２を堆積する前後を含む製造工程中の種々の時点で生じ得る。動作１７０４では、一度空隙４０２が検出されると、完成した電気化学セル２００のカソード層３０４が、電解質層３０２にわたってアノード層２０２から分離されることを確実にするために、種々の操作を採用され得る。例えば、空隙４０２を充填する、又はアノード層材料を空隙４０２の上から除去して、アノードリーク４０４の可能性を減少させてもよい。空隙４０２を検出してカソード層３０４を分離する方法の実施形態について、以下に更に説明する。

【0054】

図１８を参照すると、一実施形態に係る、欠陥検出の動作中の電気化学セルの側面図が示されている。動作１７０２での空隙４０２の検出として、材料の空隙を発見するために知られている、光学的、電気的、熱的、及びその他の試験法によって実行される検出を挙げることができる。例えば、電気化学セル２００を顕微鏡下で観察することで、空隙４０２を検出してもよい。一実施形態では、アノード層材料が空隙４０２内に入り込むにつれて、電解質層３０２の空隙４０２によって、アノード層２０２のアノードサブ領域１００２にくぼみ１８０２が生じる。くぼみ１８０２は、変色、又はアノードサブ領域１００２の上面上にある陥没穴などの欠陥のあるトポロジーのように見えることがある。このように、空隙４０２は光学的な方法によって識別することができる。

【0055】

一実施形態では、空隙４０２は電気的な方法で検出することができる。例えば、アノード層２０２は、電気化学セル２００の上面上に、いくつかのアノードのサブ領域１００２を備えることができる。アノードサブ領域１００２の下にある電解質層３０２の完全性に依存して、アノードサブ領域１００２の電圧が変化し得る。例えば、電圧プローブを図１８に示す右端のアノードサブ領域１００２上に配置し、第１の電圧測定値を測定し、中央のアノードサブ領域１００２を探って第２の電圧測定値を測定することができる。一実施形態では、空隙４０２が中央のアノードサブ領域１００２とカソード層３０４との間の電気的短絡を生じさせ得ることを考慮すると、第１の電圧測定値は第２の電圧測定値よりも著しく高くなり得る。したがって、パターン化されたアノード層の電圧測定値によって、どのアノードサブ領域１００２が空隙４０２に隣接しているのかを推定することができる。このようにして、歩留りを向上させ、電池性能に対する欠陥の影響を軽減することに加えて、パターン化アノード層２０２を有する電気化学セル２００はまた、製造中の欠陥の識別を容易にすることで、これらに対して製品の包装前に対処することが可能となる。これによって、収率及び製品の性能を更に高めることができる。

【0056】

空隙４０２を検出する追加の方法を使用してもよい。例えば、検出の電気的方法としては、電気化学セル２００にわたって電流又は抵抗を測定することで空隙４０２の位置を推測することもまた、含まれ得る。熱的な検出方法としては、電流を印加しながら電気化学セル２００の表面温度を監視することで、局部的なホットスポットの識別を通して空隙４０２の位置を推測することが挙げられる。他の方法としては、材料内のピンホール、即ち、電解質層３０２中の空隙４０２を検出するために使用することができる、電磁波の偏向、吸収、反射、ラマン散乱等が挙げられる。空隙４０２が検出された製造の段階に応じて、空隙４０２の下のカソード層３０４を分離することにより、空隙４０２の影響を緩和するためのさまざまな方法が使用できる。特に、アノードリーク４０４が電気化学セルの機能に及ぼすであろう影響を軽減するために、最終的な電気化学セル２００の組み立てにおいて、空隙４０２の下のカソード層３０４がアノード層２０２と電気的に連通しないか、又は周囲のカソード層３０４領域から分離されるか、のいずれかであることを確実にするために、修正がなされ得る。

【0057】

図１９を参照すると、一実施形態に係る、電解質層に欠陥を有する前駆セルの側面図が示されている。前駆セル１９００は、電解質層３０２、カソード層３０４、バリアフィルム層３０６、及びカソード集電体３０８を備えてもよい。このように、一実施形態では、前駆セル１９００は、電解質層３０２上に、アノード層２０２を堆積する前の製造状態を表している。この段階で、空隙４０２は、上述したいずれかの方法又は他の検出方法を用いて、電解質層３０２内にて検出され得る。したがって、アノード層２０２が電解質層３０２上に堆積された後に空隙４０２を介するアノードリーク４０４の可能性を減少させる修復方法を採用してもよい。

【0058】

図２０を参照すると、一実施形態に係る、埋め戻された電解質層を有する電気化学セルの側面図が示されている。一実施形態では、前駆セル１９００で検出された空隙４０２は、充填剤２００２で充填することができる。例えば、空隙４０２を切除、穴あけ、研磨などすることで、電解質層３０２に貫通穴２００４を形成してもよい。穴２００４によって、電解質層３０２中の空隙は広がり、充填剤の挿入をより容易にすることができる。更に、穴２００４をカソード層３０４の上面で停止するように制御することはできるが、一実施形態では、穴２００４はカソード層３０４内に延出してもよい。穴２００４を形成した後、充填剤を穴２００４内に埋め戻すことができる。したがって、アノード層２０２がその後の作業で堆積されると、カソード層３０４は、充填剤２００２にわたってアノード層２０２から電気的に分離され得る。したがって、充填剤２００２は、リチウムに対して不活性で、かつ、電気的に絶縁性のあり得る種々の材料を含むことができる。材料の選択肢としては、穴２００４内に注入し、その後、例えば、時間、熱及び／又は紫外線照射下で硬化させることができる接着材料を挙げることができる。

【0059】

図２１を参照すると、一実施形態に係る、電解質層に欠陥を有する電気化学セルの側面図が示されている。一実施形態では、電解質層３０２内の空隙４０２は、アノード層２０２の堆積後に検出することができる。例えば、アノード層２０２の上にアノード集電体３１０を配置する前に、空隙４０２を検出するために上述の検出方法の１つを使用することができる。一実施形態において、上述のように、電圧プローブを使用して検出を容易にするためにアノード層をパターン化してもよい。したがって、空隙４０２を介して、カソード層３０４をアノードリーク４０４から分離する修復技術を使用してもよい。

【0060】

図２２Ａを参照すると、一実施形態に係る、アノードリークから分離されたカソード層を有する電気化学セルの側面図が示されている。一実施形態では、空隙４０２がアノード層２０２からカソード層３０４に延出しないように、空隙４０２上のアノード層２０２を除去してもよい。即ち、アノード材料は空隙４０２の第１端部上で除去され、空隙４０２の上に存在しなくなるため、空隙を通ってリークすることはあり得なくなる。したがって、空隙４０２を介するアノードリーク４０４は確立され得ず、したがって、電気化学セル２００の性能に及ぼす空隙４０２の影響を緩和することができる。アノード層２０２の除去には、空隙４０２の上に止まり穴２２０２を形成することが含まれ得る。止まり穴２２０２の内側寸法は、空隙４０２の直径と少なくとも同じ大きさにすることができ、止まり穴２２０２の底部は、電解質層３０２の上面又はその下で終端してもよい。したがって、修復された電気化学セル２００は、空隙４０２に隣接してアノード層２０２の材料を有さず、アノードリーク４０４が発生するリスクを低減することができる。

【0061】

図２２Ｂを参照すると、一実施形態に係る、アノードリークから分離されたカソード層を有する電気化学セルの側面図が示されている。一実施形態では、アノード層２０２及び空隙４０２を除去し、カソード層３０４をアノード層２０２から分離することができる。より具体的には、止まり穴２２０２をアノード層２０２と電解質層３０２を通して形成することで、空隙４０２を除去することができる。止まり穴２２０２の側壁２２０４は連続していてもよく、側壁２２０４に沿った各層は電気的に絶縁され、例えばテーパ付き側壁２２０４を有するように本質的に互いに連続している。即ち、アノード層２０２及び電解質層３０２の側壁２００４は実質的に互いに連続してもよいが、アノード層２０２をカソード層３０４から十分に分離することで、アノード層２０２の材料がカソード層３０４と電気的に短絡する可能性を低減することができる。したがって、修復された電気化学セル２００は、組み立てられた固体電池におけるアノードリーク４０４の生じるリスクを低減することができる。

【0062】

図２２Ｃを参照すると、一実施形態に係る、アノードリークからカソード層が分離された電気化学セルの側面図が示されている。一実施形態では、空隙４０２に隣接するアノード層２０２を除去するのではなく、カソード層３０４の一部をカソード層３０４の残りの部分から分離することにより、アノードリーク４０４が発生しても、劣化した領域をカソード層３０４の小部分に限定することができる。したがって、電気化学セルの性能に及ぼす影響を低減することができる。一実施形態では、チャネル２２０６を空隙４０２の周囲に形成し、第１カソード部２２０８を第２カソード部２２１０から分離してもよい。チャネル２２０６は環状であり、第１カソード部２２０８の側壁を含む内壁、及び第２カソード部２２１０の側壁を含む外壁を備えることができる。更に、チャネル２２０６は、電気化学セル２００又は前駆セル１９００の上面からバリアフィルム層３０６まで延在してもよい（及び更にカソード層３０４を支持するバリアフィルム層２０６の上面の下方にまで延出してもよい）。このように、チャネル２２０６は不連続性を生成して、カソード部分を互いから物理的に分離することができる。一実施形態では、チャネル２２０６を例えば誘電体充填剤で充填し、物理的、電気的、又はイオン的に、カソード部分を更に分離することができる。アノードリーク４０４がアノード層２０２と第１カソード部２２０８との間に形成される恐れがあるが、第１カソード部２２０８の容量を小さくすることにより、その部分の全体を化学的に反応させ、次にカソード層３０４の近くの領域への化学反応の更なる伝播の補助を停止させることができる。したがって、電気化学セル２００は、電気化学セル２００の性能に及ぼすアノードリーク４０４の影響を低減することができる。

【0063】

カソード層３０４を分離することに関して上述したさまざまな修復変形例は、種々の製造技術を用いて行うことができる。例えば、穴２００４、止まり穴２２０２、又はチャネル２２０６は、例えばレーザアブレーション、研磨剤ジェット加工、エッチングなどのレーザ加工技術を使用して、電気化学セル２００の１つ以上の層を通して形成することができる。レーザアブレーションなどのこれらの処理の一部は、従来のレーザ切削加工の場合に典型的であるように、材料厚さ全体を溶融切断することなく、バリアフィルム層３０６の薄い上部層などの材料層の一部を除去することができる。更に、充填剤２００２で穴２００４を埋め戻すような、材料を追加することを含む変形例は、コーティング、注入、堆積などの材料の塗布技術を用いて行うことができる。したがって、製品コスト及び性能に対する電解質層の欠陥の影響は、欠陥を検出して修復することによって軽減することができる。

【0064】

本発明はまた、下記の項目別実施形態を提供する。

【0065】

１．電気化学セルであって、アノード層とカソード層との間に電解質層を備え、電解質層は、充填剤により少なくとも部分的に充填された穴を含み、充填剤は、カソード層からアノード層を分離する、電気化学セル。

【0066】

２．電気化学セルであって、アノード層とカソード層との間に電解質層を備え、電解質層は、第１端部からカソード層まで延在する空隙を含み、アノード層は、空隙の上に穴を含み、この穴は空隙をアノード層から分離する、電気化学セル。

【0067】

３．電気化学セルであって、アノード層とカソード層との間に電解質層を備え、電解質層は、空隙と、空隙の周囲に、電解質層及びカソード層を通って延在するチャネルと、を含み、カソード層の第１領域がチャネルによりカソード層の第２領域から分離されている、電気化学セル。

【0068】

４．電解質層内の、第１端部から電気化学セルのカソード層まで延在する空隙を検出することと、カソード層を第１端部から分離することと、を含む、方法。

【0069】

５．電解質層がカソード層とアノード層との間にあり、空隙を検出することはアノード層の１つ以上のアノードサブ領域における電圧を測定することを含む、項目４に記載の方法。

【0070】

６．カソード層を分離することは、カソード層を第１端部から分離するために空隙を充填剤で充填することを含む、項目４に記載の方法。

【0071】

７．空隙がアノード層からカソード層まで延在するようにアノード層を電解質層上に堆積させることを更に含み、カソード層を分離することは、空隙がアノード層からカソード層まで延在しないように、空隙上のアノード層を除去することを含む、項目４に記載の方法。

【0072】

８．空隙がアノード層からカソード層の第１領域まで延在するようにアノード層を電解質層上に堆積させることを更に含み、カソード層を分離することは、カソード層の第１領域がチャネルによりカソード層の第２領域から分離されるように、電解質層とカソード層とを通って空隙の周囲にチャネルを形成することを含む、項目４に記載の方法。

【0073】

上述の明細書では、本発明は、その特定の例示的実施形態を参照して説明されている。以下の請求項に明記されているような本発明のより広い趣旨及び範囲から逸脱することなく、それらに対して種々の変更がなされてもよいことは明らかであろう。したがって、本明細書及び図面は、制限的な意味ではなく、例示的な意味で考慮されるべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13A】

【図13B】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22A】

【図22B】

【図22C】