2023-554013アノード構造の製造方法、真空堆積システム、アノード構造、及びリチウム電池層スタック
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-12-26
(54)【発明の名称】アノード構造の製造方法、真空堆積システム、アノード構造、及びリチウム電池層スタック
(51)【国際特許分類】
H01M 4/1395 20100101AFI20231219BHJP
H01M 4/38 20060101ALI20231219BHJP
H01M 4/66 20060101ALI20231219BHJP
H01M 10/0562 20100101ALI20231219BHJP
H01M 10/058 20100101ALI20231219BHJP
H01M 4/134 20100101ALI20231219BHJP
H01M 10/052 20100101ALI20231219BHJP
H01M 4/505 20100101ALI20231219BHJP
H01M 4/525 20100101ALI20231219BHJP
H01M 4/131 20100101ALI20231219BHJP
【ＦＩ】
H01M4/1395
H01M4/38 Z
H01M4/66 A
H01M10/0562
H01M10/058
H01M4/134
H01M10/052
H01M4/505
H01M4/525
H01M4/131
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023535916
(86)(22)【出願日】2021-12-02
(85)【翻訳文提出日】2023-08-10
(86)【国際出願番号】 US2021061547
(87)【国際公開番号】W WO2022132449
(87)【国際公開日】2022-06-23
(31)【優先権主張番号】63/125,566
(32)【優先日】2020-12-15
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】390040660
【氏名又は名称】アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＡＰＰＬＩＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【住所又は居所原語表記】３０５０ Ｂｏｗｅｒｓ Ａｖｅｎｕｅ Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ ＣＡ ９５０５４ Ｕ．Ｓ．Ａ．
(74)【代理人】
【識別番号】110002077
【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】トラッセル， ローラント
【テーマコード（参考）】
5H017
5H029
5H050
【Ｆターム（参考）】
5H017CC01
5H017DD05
5H017EE01
5H017EE05
5H017EE07
5H029AJ03
5H029AJ14
5H029AK03
5H029AL12
5H029AM12
5H029CJ03
5H029HJ04
5H050AA08
5H050AA19
5H050BA17
5H050CA08
5H050CB12
5H050DA03
5H050GA03
5H050GA29
5H050HA04
(57)【要約】
リチウム電池のためのアノード構造（１０）を製造する方法が記載される。該方法は、第１のリチウム表面（３１）を備えたリチウムアノード－第１副層（１２－１）を提供するための第１の可撓性支持体（２１）上へのリチウムの第１の堆積；第２のリチウム表面（３２）を備えたリチウムアノード－第２副層（１２－２）を提供するための第２の可撓性支持体（２２）上へのリチウムの第２の堆積；及び、第１のリチウム表面と第２のリチウム表面とを一緒にプレスすることによって前記リチウムアノード－第１副層（１２－１）と前記リチウムアノード－第２副層（１２－２）とを結合して、リチウム金属アノード層（１２）を形成することを含む。さらに、記載される方法に従って製造されたアノード構造を備えたリチウム電池層スタック、及び本明細書に記載されるアノード構造を製造するための真空堆積システムについて記載される。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
リチウム電池のためのアノード構造（１０）を製造する方法であって、第１のリチウム表面（３１）を備えたリチウムアノード－第１副層を提供するための第１の可撓性支持体（２１）上へのリチウムの第１の堆積；
第２のリチウム表面（３２）を備えたリチウムアノード－第２副層を提供するための第２の可撓性支持体（２２）上へのリチウムの第２の堆積；及び
前記第１のリチウム表面と前記第２のリチウム表面とを一緒にプレスすることによって前記リチウムアノード－第１副層と前記リチウムアノード－第２副層とを結合して、リチウム金属アノード層（１２）を形成すること
を含む、方法。
【請求項2】
前記第１の可撓性支持体がアノード集電体（１１）を含み、リチウムの前記第１の堆積が前記アノード集電体上に直接行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記アノード集電体（１１）が金属箔、特に銅箔である、請求項２に記載の方法。
【請求項4】
前記アノード集電体（１１）が金属コーティングを有するポリマー箔を含み、リチウムの前記第１の堆積が前記金属コーティング上に直接行われる、請求項２に記載の方法。
【請求項5】
前記第２の可撓性支持体が固体電解質層（１３）を含み、前記リチウムの第２の堆積が前記固体電解質層上に直接行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項6】
前記第２の可撓性支持体（２２）が、カソード集電体（１５）、前記カソード集電体上のカソード（１４）、及び前記カソード上の前記固体電解質層（１３）を含む、層スタックである、請求項５に記載の方法。
【請求項7】
前記第２の可撓性支持体（２２）がセパレータ（１６）を含み、前記リチウムの第２の堆積が前記セパレータ上に直接行われる、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項8】
前記結合することが、（ｉ）前記リチウムアノード－第１副層がその上に堆積された前記第１の可撓性支持体（２１）、
（ｉｉ）前記リチウムアノード－第２副層がその上に堆積された前記第２の可撓性支持体（２２）、及び
（ｉｉｉ）カソード（１４）がその上に提供されたカソード集電体（１５）
を一緒にプレスすること
を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項9】
ロール・ツー・ロール処理システム内において真空下で連続的に行われる、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項10】
前記リチウムアノード－第１副層が１μｍ≦ＴＬｉ１≦２０μｍの第１の厚さＴＬｉ１で堆積され、前記リチウムアノード－第２副層が１μｍ≦ＴＬｉ２≦２０μｍの第２の厚さＴＬｉ２で堆積され、かつ前記リチウム金属アノード層が２μｍ≦ＴＬｉ≦４０μｍ、特に５μｍ≦ＴＬｉ≦１５μｍの合計厚さＴＬｉを有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項11】
アノード構造（１０）を製造するための真空堆積システム（２００）であって、第１の可撓性支持体（２１）上に第１のリチウム表面を備えたリチウムアノード－第１副層を堆積するための第１のリチウム堆積装置（１０５）；
第２の可撓性支持体（２２）上に第２のリチウム表面を備えたリチウムアノード－第２副層を堆積するための第２のリチウム堆積装置（１０６）；及び
前記第１のリチウム表面と前記第２のリチウム表面とを一緒にプレスすることによって前記リチウムアノード－第１副層と前記リチウムアノード－第２副層とを結合して、リチウム金属アノード層（１２）を形成するための結合デバイス（２１１）
を含む、真空堆積システム（２００）。
【請求項12】
前記第１のリチウム堆積装置（１０５）が、第１の真空堆積チャンバ（２２１）内の１つ以上の第１のリチウム蒸発器（２２３）を通過して前記第１の可撓性支持体を誘導するように構成された第１のコーティングドラム（２２２）を含み、かつ前記第２のリチウム堆積装置（１０６）が、第２の真空堆積チャンバ（２３１）内の１つ以上の第２のリチウム蒸発器（２３３）を通過して前記第２の可撓性支持体を誘導するように構成された第２のコーティングドラム（２３２）を含む、
請求項１１に記載の真空堆積システム。
【請求項13】
前記第１の真空堆積チャンバと前記第２の真空堆積チャンバとの間に真空結合チャンバ（２１０）をさらに含み、そこに前記結合デバイス（２１１）が配置される、請求項１２に記載の真空堆積システム。
【請求項14】
第１の繰り出しロール（２２５）から前記第１のコーティングドラム（２２２）へと、かつ前記第１のコーティングドラムから前記結合デバイス（２１１）へと前記第１の可撓性支持体を輸送するように構成された第１のウェブ輸送システム、及び第２の繰り出しロール（２３５）から前記第２のコーティングドラム（２３２）へと、かつ前記第２のコーティングドラムから前記結合デバイス（２１１）へと前記第２の可撓性支持体を輸送するように構成された第２のウェブ輸送システム
をさらに含み、その結果、前記第１のリチウム表面と前記第２のリチウム表面とが前記結合デバイス（２１１）内で互いに向かい合い、前記結合デバイス（２１１）によって直接接触することができる、
請求項１２に記載の真空堆積システム。
【請求項15】
前記結合デバイス（２１１）が第２のプレスロールに向かって付勢された第１のプレスロールを含み、その結果、前記リチウムアノード－第１副層を備えた前記第１の可撓性支持体（２１）と前記リチウムアノード－第２副層を備えた前記第２の可撓性支持体（２２）とが前記第１のプレスロールと前記第２のプレスロールとの間に誘導され、かつそれらによって一緒にプレスされうる、請求項１１から１４のいずれか一項に記載の真空堆積システム。
【請求項16】
請求項１に記載の方法によって製造されたアノード構造（１０）。
【請求項17】
リチウム電池層スタック（１００）であって、カソード集電体（１５）、
前記カソード集電体上のカソード（１４）、
前記カソード集電体上のセパレータ（１６）又は固体電解質層（１３）、
前記セパレータ又は固体電解質層上のリチウム金属アノード層（１２）、及び
前記リチウム金属アノード層上のアノード集電体（１１）
を含み、ここで、
前記リチウム金属アノード層（１２）が、前記アノード集電体と前記セパレータ又は固体電解質層の両方と直接接触する純粋なリチウム膜である、
リチウム電池層スタック（１００）。
【請求項18】
前記リチウム金属アノード層と前記アノード集電体との間の第１のインターフェース（３３）がリチウム蒸発インターフェースであり、前記リチウム金属アノード層と前記セパレータ又は固体電解質層との間の第２のインターフェース（３４）がリチウム蒸発インターフェースである、請求項１７に記載のリチウム電池層スタック。
【請求項19】
前記リチウム金属アノード層（１２）が、互いに直接接触するリチウムアノード－第１副層（１２－１）とリチウムアノード－第２副層（１２－２）とを含む、請求項１７に記載のリチウム電池層スタック。
【請求項20】
前記カソード集電体（１５）がＡｌ箔又はＡｌでコーティングされたポリマー箔である、前記カソード（１４）がＮＭＣカソードである、及び／又は
前記アノード集電体（１１）が銅箔又は銅でコーティングされたポリマー箔である、
請求項１７から１９のいずれか一項に記載のリチウム電池層スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示の実施形態は、リチウム電池、特に金属リチウム層をアノードとして使用するリチウム電池のためのアノード構造を製造する方法に関する。具体的には、本明細書に記載される方法は、リチウム金属アノードと固体電解質（ＳＳＥ）層とを有する固体リチウム電池を製造する方法に関する。本開示の実施形態はさらに、リチウム電池のためのアノード構造、及び記載されたアノード構造を含むリチウム電池層スタックに関する。さらなる実施形態は、リチウム電池のためのアノード構造を製造するための真空堆積システムに関する。具体的には、本明細書に記載される真空堆積システムは、可撓性支持層上にリチウムを蒸着させるように構成されたロール・ツー・ロール真空堆積システムでありうる。
【背景技術】
【0002】
電気化学貯蔵システムは現在、日常生活の多くの分野でますます価値が高まってきている。リチウム電池、具体的にはリチウムイオン（Ｌｉイオン）電池及びリチウム金属電池などの大容量電気化学エネルギー貯蔵デバイスは、ポータブル電子機器、医療、輸送、グリッド接続された大型エネルギー貯蔵、再生可能エネルギー貯蔵、及び無停電電力供給（ＵＰＳ）を含む、ますます多くの用途で使用されている。従来の鉛／硫酸電池は静電容量が不足していることが多く、また多くの場合、これらの用途にはリサイクルが不十分である。リチウム電池がより良い解決策であると考えられる。
【0003】
通常、リチウムイオン電池には金属リチウムは含まれておらず、代わりに黒鉛材料がアノードとして用いられる。しかしながら、黒鉛を使用すると、金属リチウムを使用した場合と比較して容量の低下をもたらす。現在、業界は、エネルギー密度を高めるために、黒鉛ベースのアノードからシリコン混合黒鉛へと移行しつつある。しかしながら、シリコン混合黒鉛アノードは、初回サイクル容量損失を被るが、これは、シリコン混合黒鉛アノードの初回サイクル容量損失を補うためにリチウム金属を堆積することによって低減することができる。初回サイクル損失は、Ｓｉアノードに関する問題でもあるが、サイクルの前に追加のリチウムを適用する、いわゆるプレリチウム化によって補償することができる。別の問題は膨潤、すなわち充放電中の体積膨張（最大で４００％）であり、これを解決する必要がある。
【0004】
別の手法は、リチウム金属アノード、すなわち金属リチウム層をアノードとして使用するリチウム金属電池に関する。純粋なリチウム金属アノードのエネルギー密度は、黒鉛又はケイ素を含むアノードのエネルギー密度よりもかなり高い。しかしながら、リチウム金属アノードの製造は、複数の理由から困難である。
【0005】
リチウムはアルカリ金属である。第一主族の重元素同族体と同様に、リチウムはさまざまな物質との強い反応性を特徴とする。リチウムは、水、アルコール、及びプロトン性水素を含めた他の物質と激しく反応し、結果として発火することがよくある。リチウムは空気中で不安定であり、酸素、窒素、及び二酸化炭素と反応する。リチウムは通常、不活性ガス雰囲気（アルゴンなどの希ガス）下で取り扱われ、リチウムの反応性が高いことから、他の処理操作も不活性ガス雰囲気で行う必要がある。さらには、リチウムは水の存在下で激しく反応することに留意すべきである。例えば乾燥した室内など、水が存在しない場合、室温ではＯ２、Ｎ２、及び他のガスとの反応が遅くなる。したがって、安全性の観点から、乾燥雰囲気で取り扱う場合には問題はない。しかしながら、電池に組み込まれるリチウム表面では、依然として望ましくない反応が発生しうる。したがって、リチウムは、処理、貯蔵、及び輸送に関して、幾つかの課題をもたらす。
【0006】
リチウム金属層と周囲の分子（例えば空気中）との反応を避けるために、リチウム金属層のリチウム表面は、さらなる処理及び電池構造に組み込む前に、典型的にはパッシベーション化されるか、又は例えば保護層若しくはインターフェース層で保護される。例えば、支持層上にリチウム金属層を堆積した後、金属リチウム層の露出したリチウム表面を保護層で保護することができ、その後、アノード構造は、保護層上に他の層を設けることにより、及び／又空気中で取り扱うことにより、さらに処理することができる。しかしながら、金属リチウム層上の保護層又はパッシベーション層は、完成したリチウム電池の電流輸送及び／又はエネルギー密度に悪影響を与える可能性がある。
【0007】
したがって、上述の問題の少なくとも幾つかを解決する、リチウム電池のためのアノード構造を製造するための改良された方法を提供することは有益であろう。特に、高いエネルギー密度を可能にするコンパクトなリチウム電池を製造するために、リチウム金属アノード層を備えたリチウム電池層スタックを提供することは有益であろう。さらには、リチウム電池のためのアノード構造を製造するための改良された真空堆積システムを提供することは有益であろう。
【発明の概要】
【0008】
上記を考慮して、独立請求項に従って、リチウム電池用のアノード構造を製造する方法、アノード構造、リチウム電池層スタック、及び真空堆積システムが提供される。さらなる態様、利点、及び特徴は、従属請求項、説明、及び添付の図面から明らかである。
【0009】
本開示の一態様によれば、リチウム電池用のアノード構造を製造する方法が提供される。該方法は、第１のリチウム表面を備えたリチウムアノード－第１副層を提供するための第１の可撓性支持体上へのリチウムの第１の堆積；第２のリチウム表面を備えたリチウムアノード－第２副層を提供するための第２の可撓性支持体上へのリチウムの第２の堆積；及び、第１のリチウム表面と第２のリチウム表面とを一緒にプレスすることによってリチウムアノード－第１副層とリチウムアノード－第２副層とを結合してリチウム金属アノード層を形成することを含む。
【0010】
幾つかの実施形態では、第１の可撓性支持体は、アノード集電体、例えば、銅箔などの金属箔でありうる。幾つかの実施形態では、第２の可撓性支持体は、セパレータ又は固体電解質（ＳＳＥ）層を含むことができ、その上にリチウムアノード－第２副層が直接堆積される。
【0011】
本開示のさらなる態様によれば、本明細書に記載される方法のいずれかに従って製造されたアノード構造が提供される。
【0012】
さらなる態様によれば、特に本明細書に記載される実施形態のいずれかによるアノード構造を含む、リチウム電池層スタックが提供される。リチウム電池層スタックは、カソード集電体、該カソード集電体上のカソード、該カソード集電体上のセパレータ、該セパレータ上のリチウム金属アノード層、及び該リチウム金属アノード層上のアノード集電体を含む。リチウム金属アノード層は、アノード集電体とセパレータの両方と直接接触する純粋なリチウム膜である。特に、リチウム金属アノード層は、アノード集電体と直接接触する第１の（プリスチンな（初期の状態の））リチウムインターフェース、及びセパレータと直接接触する第２の（プリスチンな）リチウムインターフェースを有する。
【0013】
セパレータは、アノードを構成するリチウム金属アノード層からカソードを電気的に分離することができる。電池層スタックには液体電解質を充填することができる。
【0014】
幾つかの実施形態では、固体電池（ＳＳＢ）を製造するために構成されたリチウム電池層スタックが提供される。リチウム電池層スタックは、カソード集電体、該カソード集電体上のカソード、該カソード集電体上の固体電解質層、該固体電解質層上のリチウム金属アノード層、及び該リチウム金属アノード層上のアノード集電体を含む。リチウム金属アノード層は、アノード集電体と固体電解質層の両方と直接接触する、純粋なリチウム膜である。特に、リチウム金属アノード層は、アノード集電体と直接接触する第１の（プリスチンな）リチウムインターフェース、及び固体電解質（ＳＳＥ）層と直接接触する第２の（プリスチンな）リチウムインターフェースを有する。
【0015】
さらなる態様によれば、特に本明細書に記載される方法のいずれかに従ってアノード構造を製造するための真空堆積システムが提供される。真空堆積システムは、特に蒸発によって、第１の可撓性支持体上に第１のリチウム表面を備えたリチウムアノード－第１副層を堆積するための第１のリチウム堆積装置；特に蒸発によって、第２の可撓性支持体上に第２のリチウム表面を備えたリチウムアノード－第２副層を堆積するための第２のリチウム堆積装置；及び、第１のリチウム表面と第２のリチウム表面とを一緒にプレスすることによってリチウムアノード－第１副層とリチウムアノード－第２副層とを結合してリチウム金属アノード層を形成するための結合デバイスを含む。
【0016】
実施形態は、開示の方法を実施するための装置も対象としており、それぞれ記載されている方法の態様を実施するための装置の部品を含む。これらの方法態様は、ハードウェア構成要素を用いてか、適切なソフトウェアによってプログラミングされたコンピュータを用いてか、これら２つの任意の組合せによってか、またはそれ以外の任意の態様で、実行されてよい。さらには、本開示による実施形態は、記載された装置を動作させるための方法、及び記載された方法に従って又は記載された装置によって製造される製品も対象とする。記載された装置を動作させるための方法は、装置のあらゆる機能を実施するための方法の態様を含む。
【0017】
本開示の上記の特徴を詳細に理解することができるように、実施形態を参照することによって、上で簡単に概説した本開示のより具体的な説明を得ることができる。添付の図面は本開示の実施形態に関するものであり、以下に説明される：
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】本明細書に記載される実施形態によるアノード構造を製造する方法の概略図
【図2】本明細書に記載されるさらなる実施形態によるアノード構造を製造する方法の概略図
【図3】本明細書に記載される実施形態によるアノード構造を製造する方法の概略図
【図4】本明細書に記載される実施形態によるアノード構造を製造するための真空堆積システムの概略図
【図5】本明細書に記載される実施形態によるリチウム電池層スタックの概略的な断面図
【図6】記載される実施形態によるアノード構造を製造する方法を示すフロー図
【発明を実施するための形態】
【0019】
次に、その１つ以上の例が図に示されている、本開示のさまざまな実施形態を詳細に参照する。以下の図面の説明において、同じ参照番号は同じ構成要素を指す。個々の実施形態に関する相違点のみが記載される。各実施例は、本開示の説明のために提供されており、本開示を限定することを意図するものではない。さらには、一実施形態の一部として図示又は説明された特徴は、他の実施形態上で、又は他の実施形態と併せて使用して、さらなる実施形態を創出することができる。説明は、このような修正例及び変形例を含むことが意図されている。
【0020】
本開示において、「アノード構造」とは、リチウム電池のアノード電極を含む構造として理解することができる。特に、本開示による「アノード構造」は、アノード電極層と、該アノード電極層の上及び／又は下に配置されるさらなる層とを含む、層スタックとも呼ばれる複数の層を有する層構造として理解することができる。
【0021】
本開示において、「可撓性支持体」又は「フレキシブル基板」とは、曲げ可能な基板として理解することができる。「可撓性支持体」又は「基板」という用語は、用語「箔」又は用語「ウェブ」と同義に使用することができ、その上に１つ以上の層が堆積された箔を包含する。
【0022】
本開示において、「リチウム膜」又は「リチウム層」とは、リチウムを主成分として含む層として理解することができる。特に、リチウム層はリチウムからなっていてもよく、９０％以上、特に９９％以上、又さらには９９．９％以上のリチウム含有量を有することができる。リチウムからなるリチウム層、すなわち純粋な金属リチウムでできているアノードを提供することにより、他のアノードタイプと比較してリチウム金属アノードのより軽い重量及び厚さに起因して、有利なことに、より高いエネルギー密度がもたらされる。
【0023】
図１は、本明細書に記載される実施形態によるリチウム電池のためのアノード構造１０を製造する方法を概略的に示している。該方法は、真空環境、特に真空堆積システムの１つ以上の真空チャンバ内で、真空堆積システムを用いて実施することができる。
【0024】
該方法は、蒸発による第１の可撓性支持体２１上へのリチウムの第１の堆積により、露出した第１のリチウム表面３１を備えたリチウムアノード－第１副層１２－１を形成することを含む。具体的には、第１のリチウム堆積装置１０５を用いて第１の可撓性支持体２１上にリチウムを蒸着させて、リチウムアノード－第１副層１２－１を形成することができる。リチウムアノード－第１副層は、純粋なリチウム層（すなわち、＞９９％、又はさらには＞９９．９％のリチウム含有量を有する層）でありうる。具体的には、リチウムアノード－第１副層１２－１のリチウム含有量は、９０％以上、特に９９％以上、又はさらには９９．９％以上でありうる。
【0025】
第１の堆積は真空堆積システム内において真空下で行われるため、第１のリチウム表面３１はプリスチンなリチウム表面である。特に、第１のリチウム表面３１と反応することができる分子は本質的に存在せず、したがって（リチウムアノード－第１副層１２－１が真空堆積システムの真空環境内に留まり、さらに処理される限り）、安全な取り扱い又は輸送を可能にするためにパッシベーション又は保護層によって第１のリチウム表面を保護する必要はない。
【0026】
該方法はさらに、蒸発による第２の可撓性支持体２２上へのリチウムの第２の堆積により、露出した第２のリチウム表面３２を備えたリチウムアノード－第２副層１２－２を形成することを含む。具体的には、第２のリチウム堆積装置１０６を用いて第２の可撓性支持体２２上にリチウムを蒸着させて、リチウムアノード－第２副層１２－２を形成することができる。リチウムアノード－第２副層は純粋なリチウム層でありうる。具体的には、リチウムアノード－第２副層１２－２のリチウム含有量は、９０％以上、特に９９％以上、又はさらには９９．９％以上でありうる。
【0027】
第２の可撓性支持体２２は、セパレータ又は固体電解質（ＳＳＥ）層を含むことができ、その上にリチウムアノード－第２副層１２－２が直接堆積される。
【0028】
第２の堆積は真空堆積システム内の真空下で行われるため、第２のリチウム表面３２はプリスチンなリチウム表面である。特に、第２のリチウム表面３２と反応することができる分子は本質的に存在せず、したがって（リチウムアノード－第２副層が真空堆積システム内に留まり、さらに処理される限り）、安全な取り扱い又は輸送を可能にするためにパッシベーション又は保護層によって第２のリチウム表面を保護する必要はない。
【0029】
幾つかの実施形態では、第１の可撓性支持体２１及び第２の可撓性支持体２２は、特にロール・ツー・ロール堆積システム内において、それぞれのウェブ搬送経路に沿って移動し、１つ以上のリチウム蒸発器を通過する、可撓性のウェブ基板（例えば、任意選択的に１つ以上の層がその上に設けられた可撓性の箔）である。具体的には、第１の可撓性支持体２１は、第１の繰り出しロールから繰り出され、１つ以上のガイドロールによって１つ以上の第１のリチウム蒸発器を通過して移動し、そこで第１の可撓性支持体２１がリチウムアノード－第１副層１２－１でコーティングされる。同様に、第２の可撓性支持体２２は、第２の繰り出しロールから繰り出されてよく、１つ以上のガイドロールによって１つ以上の第２のリチウム蒸発器を通過して移動し、そこで第２の可撓性支持体２２をリチウムアノード－第２副層１２－２でコーティングすることができる。
【0030】
該方法はさらに、第１のリチウム表面３１と第２のリチウム表面３２とを一緒にプレスすることによってリチウムアノード－第１副層１２－１とリチウムアノード－第２副層１２－２とを結合してリチウム金属アノード層１２を形成することを含む。特に、リチウムアノード－第１副層１２－１がその上に堆積された第１の可撓性支持体２１は、リチウムアノード－第２副層１２－２がその上に堆積された第２の可撓性支持体２２と一緒にプレスされて、第１の可撓性支持体と第２の可撓性支持体との間にリチウム金属アノード層１２（２つのリチウム副層１２－１及び１２－２からなる）が挟まれた複層スタックを提供する。結合することは、リチウムアノード－第１副層１２－１の第１のリチウム表面３１をリチウムアノード－第２副層１２－２の第２のリチウム表面３２と直接接触させて、２つのリチウム副層を含む１つの（より厚い）リチウム層を提供し、リチウム金属アノード層１２を形成することを含むことができる。幾つかの実施形態では、第１のリチウム副層と第２のリチウム副層との合計厚さを有する単一の均一なリチウム層を形成するように、リチウム金属アノード層１２は、互いの上に積み重ねられた、リチウムアノード－第１副層１２－１及びリチウムアノード－第２副層１２－２を含む。
【0031】
幾つかの実施形態では、第１の堆積、第２の堆積、及び結合することは、結合前の第１のリチウム表面及び第２のリチウム表面の汚染及び／又は反応を避けるために、真空下、特に１つの真空堆積システム内で連続的に行われる。特に、本明細書に記載される方法は、連続的な真空環境を提供するために互いに直接接続された真空堆積システムの幾つかの真空チャンバ内で行うことができる。結合後、リチウム金属アノード層１２は、その２つの対向する主面がそれぞれ第１の可撓性支持体２１及び第２の可撓性支持体２２によって保護されており、その結果、製造されたアノード構造は露出したリチウム表面を有しておらず、真空から取り出すことができる。さらには、結合後、第１のリチウム表面３１及び第２のリチウム表面３２は保護され、互いにプレスされ、直接領域接触して、純粋なリチウムインターフェース（すなわち、２つの接触するリチウム表面を含むインターフェース）を形成する。
【0032】
本明細書に記載される実施形態によれば、それぞれの可撓性支持体によって２つの対向する面が覆われ保護された純粋なリチウム層である、リチウム金属アノード層１２を備えたアノード構造１０が提供されうる。アノード構造１０は可撓性であり、リチウム電池の製造に使用することができる。リチウム金属アノード層１２は、例えば、９０％以上、特に９９％以上のリチウム含有量を有することができる。
【0033】
第１の可撓性支持体２１は、リチウム電池に組み込まれることを目的としたアノード集電体であってよく、第２の可撓性支持体２２は、リチウム電池に組み込まれることを目的としたセパレータ又は固体電解質層を含むことができる。したがって、アノード構造１０において、リチウム金属アノード層１２は、リチウム電池によって提供される電荷移動及び／又はエネルギー密度に悪影響を与えるであろうさらなる層（例えば、パッシベーション、インターフェース層、又はＬｉ保護層）なしに、アノード集電体と固体電解質層又はセパレータとの間に直接挟まれうる。
【0034】
本明細書に記載される幾つかの実施形態によれば、リチウム金属アノード層１２と第１の可撓性支持体２１との間の第１のインターフェース３３はリチウム蒸発インターフェースであり、リチウム金属アノード層１２と第２の可撓性支持体２２との間の第２のインターフェース３４はリチウム蒸発インターフェースである。本明細書で用いられる「リチウム蒸発インターフェース」とは、蒸発によってリチウム層が支持層上に直接設けられている、層インターフェースを指す。リチウム蒸発インターフェースは本質的に、支持層上にリチウム層の優れた接着を提供し、リチウム層と支持層との間のインターフェースにおける異物分子による汚染を低減又は完全に回避する。
【0035】
例えば、リチウム層を保護するために、異なる材料（例えば金属箔）の接触層がリチウム層の露出したリチウム表面に機械的にプレスされる場合には、リチウム層と接触層とのインターフェースで接触不良及び密着不良の危険性がある。一方、本明細書に記載されるように、その２つの対向する主面に２つのリチウム蒸発インターフェースを備えたリチウム金属アノード層は、その両面の支持層に良好な接着及び良好な接触を提供する。
【0036】
リチウム金属アノードを備えた既知のリチウム電池は通常、さらなる処理と電池層スタックへの組み込みのためのアノード構造の輸送及び取り扱いを可能にするために、リチウム金属アノードの少なくとも片面にパッシベーション層又は別の追加の保護層を有する。対照的に、本明細書に記載される実施形態によれば、リチウム金属アノード層１２を構成する２つのリチウム副層は、最終的なリチウム電池に組み込まれる可撓性支持体上に直接蒸着されるため、リチウム金属アノード層１２は、その両面に２つのプリスチンなリチウムインターフェースを有する。
【0037】
本明細書に記載される他の実施形態と組み合わせることができる幾つかの実施形態によれば、第１の可撓性支持体２１はアノード集電体１１を含み、リチウムの第１の堆積はアノード集電体１１上に直接行われる。言い換えれば、リチウムは、例えば金属箔でありうるアノード集電体１１上に直接蒸着される。
【0038】
特に、アノード集電体１１は金属箔、特に銅箔とすることができ、リチウムは、リチウムアノード－第１副層１２－１を形成するために金属箔上に直接蒸着することができる。
【0039】
あるいは、アノード集電体１１は、ポリマー箔の片面又は両面に金属コーティング、例えば銅コーティングを施したポリマー箔を含むことができ、リチウムの第１の堆積は、アノード集電体１１の金属コーティング上に直接行うことができる。ここでも、リチウムはアノード集電体１１の金属上に直接蒸着され、アノードとアノード集電体との間の良好な接触及び導電性が確保される。
【0040】
幾つかの実施形態によれば、アノード集電体１１とリチウム金属アノード層１２との間にリチウム蒸発インターフェースが設けられ、これにより、アノード集電体上でのアノードの良好な接着、並びに、アノードと銅箔でありうるアノード集電体との間の良好な電気的接触が提供される。具体的には、リチウム金属アノード層１２とアノード集電体１１との間に、プリスチンなリチウムインターフェース（リチウム蒸発によって得られる）を設けることができ、これは、アノードとアノード集電体との間にパッシベーション層、保護層、又は別のインターフェース層を有する他の解決策とは異なる。
【0041】
本明細書に記載される他の実施形態と組み合わせることができる幾つかの実施形態では、第２の可撓性支持体２２は固体電解質層１３（ＳＳＥ層）を含み、第２の堆積がＳＳＥ層上に直接行われる。言い換えれば、リチウムアノード－第２副層１２－２を形成するために、リチウムがＳＳＥ層上に直接蒸着される。このような実施形態が図２に示されている。
【0042】
本明細書に記載される他の実施形態と組み合わせることができる幾つかの実施形態では、第２の可撓性支持体２２はセパレータ１６を含み、リチウムの第２の堆積はセパレータ１６上に直接行われる。言い換えれば、リチウムアノード－第２副層１２－２を形成するために、リチウムがセパレータ１６上に直接蒸着される。このような実施形態が図３に示されている。
【0043】
図２は、本明細書に記載される実施形態によるアノード構造を製造する方法を概略的に示している。図２に示される方法は、本質的に上述の方法に対応し、したがって、上記の説明を参照することができ、ここでは繰り返すことはしない。
【0044】
図２の実施形態の第２の可撓性支持体２２は固体電解質層１３を含み、リチウムの第２の堆積が固体電解質層上に直接行われる。
【0045】
特に、第２の可撓性支持体２２は、カソード集電体１５、該カソード集電体上のカソード１４、及び該カソード１４上の固体電解質層１３を含む、層スタックでありうる。リチウムアノード－第２副層１２－２を形成するためのリチウムの第２の堆積は、前記層スタックの固体電解質層１３上に直接行われる。
【0046】
例えば、幾つかの実施形態では、カソード１４を提供するためのカソード材料を、最初に、例えばスロットダイコーティングによってカソード集電体１５上に堆積することができ、次いで、固体電解質層１３をカソード１４上に堆積して、第２の可撓性支持体２２を製造することができる。その後、同じ真空堆積装置内でリチウムアノード－第２副層１２－２を形成するために、第２の可撓性支持体２２をリチウムで直接コーティングすることができる。あるいは、カソード集電体１５、カソード１４、及び固体電解質層１３を含む第２の可撓性支持体２２は、例えばロールとしてコイル状の形態で、大気環境中を輸送することができ、次に、リチウムでコーティングするために別の真空堆積システムに挿入することができる。
【0047】
本明細書に記載される他の実施形態と組み合わせることができる幾つかの実施形態では、カソード集電体１５は、アルミニウム箔でありうるか、又はアルミニウム箔を含みうる。本明細書に記載される他の実施形態と組み合わせることができる幾つかの実施形態では、カソード１４はＮＭＣカソードでありうる。本明細書に記載される他の実施形態と組み合わせることができる幾つかの実施形態では、アノード集電体１１は、銅箔若しくは銅コーティングでありうるか、又は銅箔若しくは銅コーティングを含みうる。
【0048】
図２に概略的に示されているように、アノード集電体１１上へのリチウムの第１の堆積及び固体電解質層１３上へのリチウムの第２の堆積の後、リチウムアノード－第１副層１２－１とリチウムアノード－第２副層１２－２の露出したリチウム表面が接触し、リチウム金属アノード層１２を構成する単一のリチウム層が形成されるように、堆積されたリチウム副層を備えた第１の可撓性支持体２１と堆積されたリチウム副層を備えた第２の可撓性支持体２２とが互いにプレスされる。
【0049】
製造されたリチウム電池層スタックをさらに処理して、固体電池（ＳＳＢ）であるリチウム電池、すなわちイオン輸送を可能にする液体電解質を有しないリチウム電池を製造することができる。
【0050】
図３は、本明細書に記載される実施形態によるアノード構造を製造する方法を概略的に示している。図３に示される方法は、本質的に上述の方法に対応し、したがって、上記の説明を参照することができ、ここでは繰り返すことはしない。
【0051】
図３の実施形態の第２の可撓性支持体２２はセパレータ１６を含み、リチウムの第２の堆積がセパレータ１６上に直接行われる。あるいは、第２の可撓性支持体２２は、その上でリチウムの第２の堆積が行われる最上層としてセパレータ１６を備えた層スタックでありうる。ここでもまた、リチウムの第１の堆積は、アノード集電体１１上、例えば銅箔上に直接行うことができる。
【0052】
図３に概略的に示されているように、アノード集電体１１上へのリチウムの第１の堆積及びセパレータ１６上へのリチウムの第２の堆積の後、リチウムアノード－第１副層１２－１とリチウムアノード－第２副層１２－２の露出したリチウム表面が接触し、リチウム金属アノード層１２を構成する単一のリチウム層が形成されるように、堆積されたリチウム副層を備えた第１の可撓性支持体２１と堆積されたリチウム副層を備えた第２の可撓性支持体２２とが互いにプレスされる。
【0053】
幾つかの実施形態では、アノード構造１０は次のように製造される：カソード１４、例えばＮＭＣカソードを、カソード集電体１５上、例えばアルミニウム箔上に堆積させて、カソード層スタックを提供することができる。カソード層スタックは、図３に概略的に示されているように、特に上記３つの層スタックを一緒にプレスすることによって、リチウムアノード－第２副層１２－２がその上に堆積された第２の可撓性支持体２２と、かつリチウムアノード－第１副層１２－１がその上に堆積された第１の可撓性支持体２１と、結合することができる。
【0054】
具体的には、結合することは、（１）リチウムアノード－第１副層１２－１がその上に堆積された第１の可撓性支持体２１、（２）リチウムアノード－第２副層１２－２がその上に堆積された第２の可撓性支持体２２、及び（３）カソード１４がその上に提供されたカソード集電体１５を含むカソード層スタックを、一緒にプレスすることを含みうる。層スタック（１）、（２）、及び（３）は、同時に又は続いて、一緒にプレスすることができる。例えば、層スタック（１）、（２）、及び（３）は、互いに向かって付勢された、２つのプレスロールを用いて、又は数対のプレスロールを用いて、一緒にプレスすることができる（図１参照）。結合することは、リチウムアノード－第１副層１２－１の第１のリチウム表面とリチウムアノード－第２副層１２－２の第２のリチウム表面とが互いに直接接触するように行われ、結果的にリチウム金属アノード層１２が形成される。例えば、プレスロールは、カソード集電体１５とアノード集電体１１との間に配置された層が一緒にプレスされて、複層スタックが生成されるように、カソード集電体１５上及びアノード集電体１１上に圧力を加えることができる。
【0055】
結合後、セパレータが配置されるアノードとカソードとの間の空間に液体電解質を挿入することができる。具体的には、電池層スタックには液体電解質を充填することができる。
【0056】
本明細書に記載される他の実施形態と組み合わせることができる幾つかの実施形態では、本明細書に記載される製造方法（第１の堆積及び第２の堆積並びに結合を含む）は、ロール・ツー・ロール処理システム内において連続真空下で行われる。具体的には、第１の堆積は、第１のコーティングドラムを備えた第１のリチウム堆積装置によって行うことができ、第１の可撓性支持体は、第１のコーティングドラムのドラム表面上に誘導され、１つ以上の第１のリチウム蒸発器を通過して、その上にリチウムアノード－第１副層を堆積させることができる。第１の可撓性支持体は、第１の繰り出しロールから繰り出すことができ、１つ以上のガイドローラを含みうる第１のウェブ輸送システムによって第１のコーティングドラムへと移動させることができる。
【0057】
第２の堆積は第２のコーティングドラムを備えた第２のリチウム堆積装置によって行うことができ、第２の可撓性支持体は、第２のコーティングドラムのドラム表面上に誘導され、１つ以上の第２のリチウム蒸発器を通過して、その上にリチウムアノード－第２副層を堆積させることができる。第２の可撓性支持体は、第２の繰り出しロールから繰り出すことができ、１つ以上のガイドローラを含みうる第２のウェブ輸送システムによって第２のコーティングドラムへと移動させることができる。このようなロール・ツー・ロール処理システムは、特に、連続真空環境下、１つの真空堆積システム内で、迅速かつ信頼性が高く高品質なリチウム層の堆積とウェブ結合を可能にする。
【0058】
本明細書に記載される他の実施形態と組み合わせることができる幾つかの実施形態では、リチウムアノード－第１副層は、１μｍ≦ＴＬｉ１≦２０μｍの第１の厚さＴＬｉ１で堆積され、リチウムアノード－第２副層は、１μｍ≦ＴＬｉ２≦２０μｍの第２の厚さＴＬｉ２で堆積され、及び／又はリチウム金属アノード層１２は、２μｍ≦ＴＬｉ≦４０μｍ、特に３μｍ≦ＴＬｉ≦２５μｍ、より具体的には５μｍ≦ＴＬｉ≦１５μｍ、例えば約１０μｍの合計厚さＴＬｉを有する。
【0059】
本開示の実施形態はまた、本明細書に記載される方法のいずれかに従って製造されたアノード構造１０にも関する。
【0060】
図４は、本明細書に記載されるアノード構造１０を製造するための真空堆積システム２００の概略図を示している。
【0061】
真空堆積システム２００は、第１の可撓性支持体２１上に第１のリチウム表面を備えたリチウムアノード－第１副層１２－１を堆積するための第１のリチウム堆積装置１０５、第２の可撓性支持体２２上に第２のリチウム表面を備えたリチウムアノード－第２副層１２－２を堆積するための第２のリチウム堆積装置１０６、及び第１のリチウム表面と第２のリチウム表面とを一緒にプレスすることによってリチウムアノード－第１副層とリチウムアノード－第２副層とを結合させてリチウム金属アノード層１２を形成するための結合デバイス２１１を含む。
【0062】
第１のリチウム堆積装置１０５は１つ以上の第１のリチウム蒸発器２２３を含むことができ、第２のリチウム堆積装置１０６は１つ以上の第２のリチウム蒸発器２３３を含むことができる。
【0063】
真空堆積システム２００は、堆積前に保管スプールから繰り出され、１つ以上のウェブ輸送システムによって１つ以上のリチウム蒸発器を通過して移動される可撓性のウェブ基板上にリチウムを堆積するためのロール・ツー・ロール処理システムでありうる。
【0064】
本明細書に記載される他の実施形態と組み合わせることができる幾つかの実施形態では、第１のリチウム堆積装置１０５は、第１の真空堆積チャンバ２２１内の１つ以上の第１のリチウム蒸発器２２３を通過して第１の可撓性支持体２１を誘導するように構成された第１のコーティングドラム２２２を含み、第２のリチウム堆積装置１０６は、第２の真空堆積チャンバ２３１内の１つ以上の第２のリチウム蒸発器２３３を通過して第２の可撓性支持体２２を誘導するように構成された第２のコーティングドラム２３２を含むことができる。例えば、蒸発したリチウムを第１のコーティングドラム２２２のドラム表面へと誘導するために、２つ、３つ、又はそれより多くの第１のリチウム蒸発器を第１のコーティングドラム２２２の周囲に配置することができる。同様に、図４に概略的に示すように、蒸発したリチウムを第２のコーティングドラム２３２のドラム表面へと誘導するために、２つ、３つ、又はそれより多くの第２のリチウム蒸発器を第２のコーティングドラム２３２の周囲に配置することができる。
【0065】
幾つかの実装形態では、真空堆積システム２００は、第１の真空堆積チャンバ２２１と第２の真空堆積チャンバ２３１との間に配置された真空結合チャンバ２１０を含むことができ、結合デバイス２１１が真空結合チャンバ２１０内に配置される。代替的に又は追加的に、第１の可撓性支持体２１のウェブ搬送方向に第１の真空堆積チャンバ２２１の下流、及び第２の可撓性支持体２２のウェブ搬送方向に第２の真空堆積チャンバ２３１の下流に、真空結合チャンバ２１０を配置することができる。したがって、第１の可撓性支持体２１及び第２の可撓性支持体２２は、真空結合チャンバ２１０内で、その上にそれぞれのリチウム副層を堆積した後に結合させることができる。
【0066】
幾つかの実施形態では、真空堆積システムは、第１の繰り出しロール２２５から第１のコーティングドラム２２２へ、及び第１のコーティングドラム２２２から結合デバイス２１１へと第１の可撓性支持体２１を輸送するように構成された第１のウェブ輸送システムを含む。さらには、第２の繰り出しロール２３５から第２のコーティングドラム２３２へ、及び第２のコーティングドラム２３２から結合デバイス２１１へと第２の可撓性支持体２２を輸送するように構成された第２のウェブ輸送システムが提供されてもよい。結合デバイス２１１では、第１のリチウム表面と第２のリチウム表面は互いに向き合っており、結合デバイス２１１によって直接接触させることができ、その結果、リチウム表面は互いに接着する。
【0067】
第１の繰り出しロール２２５は第１のスプールチャンバ２２４内に配置することができ、第２の繰り出しロール２３５は第２のスプールチャンバ２３４内に配置することができる。
【0068】
本明細書に記載される他の実施形態と組み合わせることができる幾つかの実施形態では、結合デバイス２１１は第２のプレスロールに向かって付勢された第１のプレスロールを含むことができ、堆積されたリチウムアノード－第１副層を備えた第１の可撓性支持体２１及び堆積されたリチウムアノード－第２副層を備えた第２の可撓性支持体２２は、結合デバイス２１１の第１のプレスロールと第２のプレスロールとの間に誘導され、それらによってプレスされうる。
【0069】
結合デバイス２１１の下流に、任意選択的に、バルブによって真空結合チャンバ２１０から分離することができる別個の巻き取りチャンバ内に、巻き取りスプール２１５を配置することができる。リチウム電池層スタックを構成する結合デバイス２１１の下流の複層スタックを巻き取りスプール２１５に巻き取ることができる。巻き取りスプール２１５は、さらなる処理装置へと輸送するために真空堆積システム２００から取り外すことができる。
【0070】
図４の真空堆積システム２００は、以下のように動作させることができる：
【0071】
第１の可撓性支持体２１は、第１の繰り出しロール２２５から繰り出され、第１のウェブ輸送システムによって第１のコーティングドラム２２２へと輸送される、アノード集電体、特に銅箔でありうる。アノード集電体が第１のコーティングドラム２２２のドラム表面上に支持されている間に、リチウムは、１つ以上の第１のリチウム蒸発器２２３を用いてアノード集電体上に直接堆積されうる。Ｌｉでコーティングされたアノード集電体は、真空結合チャンバ２１０内の結合デバイス２１１へと輸送することができる。
【0072】
セパレータ層（任意選択的に他の層の上にある）である第２の可撓性支持体２２は、第２の繰り出しロール２３５から繰り出すことができ、第２のウェブ輸送システムによって第２の繰り出しロール２３５から第２のコーティングドラム２３２へと輸送される。セパレータ層が第２のコーティングドラム２３２のドラム表面上に支持されている間に、リチウムは、１つ以上の第２のリチウム蒸発器２３３を用いてセパレータ層上に直接堆積されうる。Ｌｉでコーティングされたセパレータ層は、真空結合チャンバ２１０内の結合デバイス２１１へと輸送することができる。
【0073】
任意選択的に、カソード集電体、例えばＡｌ箔と、その上に堆積されたカソードとを含むカソード層スタックは、真空結合チャンバ２１０内の結合デバイス２１１へと輸送することができる。例えば、カソード層スタックは、第３の繰り出しロール２１６から繰り出すことができる。
【0074】
例えば、第１のプレスロールと第２のプレスロールとの間の前記３つの層スタックを一緒にプレスすることによって、あるいはその後のプレスロールの対によって、カソード層スタック、Ｌｉでコーティングされたセパレータ層、及びＬｉでコーティングされたアノード集電体を結合デバイス２１１と結合して、リチウム電池層スタックを形成することができる。Ｌｉでコーティングされたセパレータ及びＬｉでコーティングされたアノード集電体は、リチウム金属アノード層を形成する連続的なリチウム層を形成するように、リチウム副層の露出したＬｉ表面が互いに接触した状態で一緒にプレスされる。
【0075】
製造されたリチウム電池層スタックには液体電解質を充填することができる。
【0076】
代替的な実施形態では、第２の可撓性支持体２２は、層スタックの上、例えばカソード及びカソード集電体の上にＳＳＥ層を含む、層スタックである。第２の可撓性支持体２２は、第２のウェブ輸送システムによって第２のコーティングドラム２３２へと輸送される。第２の可撓性支持体２２の背面が第２のコーティングドラム２３２のドラム表面上に支持されている間に、リチウムは、１つ以上の第２のリチウム蒸発器２３３を用いてＳＳＥ層上に直接堆積される。Ｌｉでコーティングされた第２の可撓性支持体は、真空結合チャンバ２１０内の結合デバイス２１１へと搬送され、Ｌｉでコーティングされた第１の可撓性支持体と結合されて、アノード集電体とＳＳＥ層との間に直接設けられた連続的なリチウム層を形成することができる。
【0077】
図５は、本明細書に記載される実施形態によるリチウム電池層スタック１００の概略的な断面図を示している。
【0078】
リチウム電池は通常、反対の極性の２つの電極、すなわち負のアノードと正のカソードを備えている。カソード及びアノードは、該カソードとアノードとの間の短絡を防止するために、カソードとアノードとの間に配置されたセパレータによって絶縁される。電池は、イオン伝導性マトリクスとして用いられる電解質を含む。したがって、電解質はイオン伝導体であり、これは、液体、ゲル状、又は固体でありうる。固体電解質はセパレータとして機能することができる。セパレータは通常、イオン透過性であり、充電又は放電サイクル中にアノードとカソードの間でイオンの交換を可能にする。例えば、セパレータは、多孔質ポリマーのイオン伝導性ポリマー基板でありうる。特に、多孔質ポリマー基材は、多層ポリマー基材でありうる。
【0079】
本明細書に記載されるリチウム電池層スタック１００は、カソード集電体１５（例えばＡｌ箔）、カソード集電体１５上のカソード１４、カソード集電体上のセパレータ１６又は固体電解質層１３、セパレータ１６又は固体電解質層１３上のリチウム金属アノード層１２、及びリチウム金属アノード層１２上のアノード集電体１１（例えば銅箔）を含む。固体電解質層１３が設けられる場合、固体電解質層１３は、アノードをカソードから分離することができるため、液体電解質を充填する追加のセパレータは必要ではない可能性がある。
【0080】
リチウム金属アノード層１２は、アノード集電体１１とセパレータ１６（又は固体電解質層１３）の両方と直接接触する、純粋なリチウム膜である。
【0081】
具体的には、リチウム金属アノード層１２とアノード集電体１１との間のインターフェースには、リチウム保護層又はパッシベーション層などのさらなる層は存在しなくてもよい。さらには、リチウム金属アノード層１２とセパレータ１６（又は固体電解質層１３）との間のインターフェースには、さらなる層は存在しなくてもよい。特に、プリスチンなリチウムインターフェースをリチウム金属アノードの両面に設けることができる。
【0082】
幾つかの実施形態では、リチウム金属アノード層１２とアノード集電体１１との間の第１のインターフェース３３はリチウム蒸発インターフェースであり、及び／又はリチウム金属アノード層１２とセパレータ１６（又は固体電解質層１３）との間の第２のインターフェース３４はリチウム蒸発インターフェースである。リチウム蒸発インターフェースは、それぞれの支持層上にリチウムを直接蒸着させることによって生成される。リチウム蒸発インターフェースは、接触層間の良好な接着及び接触特性を特徴とする。
【0083】
幾つかの実装形態では、リチウム金属アノード層１２は、互いに直接接触し、互いに接着しているリチウムアノード－第１副層１２－１及びリチウムアノード－第２副層１２－２を含む。
【0084】
幾つかの実施形態では、カソード集電体１５は、特に１μｍ以上かつ１５μｍ以下の厚さを有する、Ａｌ箔又はＡｌでコーティングしたポリマー箔でありうる。
【0085】
幾つかの実施形態では、カソード１４はＮＭＣカソードでありうる。
【0086】
幾つかの実施形態では、アノード集電体１１は、特に１μｍ以上かつ１５μｍ以下の厚さを有する、銅箔又は銅でコーティングしたポリマー箔でありうる。
【0087】
図６は、本明細書に記載される実施形態によるアノード構造を製造する方法を説明するためのフロー図である。
【0088】
ボックス６１０では、リチウムが蒸発によって第１の可撓性支持体上に堆積されて、露出した第１のリチウム表面を備えたリチウムアノード－第１副層を形成する。第１の可撓性支持体はアノード集電体でありうる。
【0089】
ボックス６１１では、リチウムが蒸発によって第２の可撓性支持体上に堆積されて、露出した第２のリチウム表面を備えたリチウムアノード－第２副層を形成する。第２の可撓性支持体は、リチウムが直接堆積される、セパレータ又はＳＥ層を含むことができる。
【0090】
ボックス６２０では、Ｌｉでコーティングされた第１の可撓性支持体及びＬｉでコーティングされた第２の可撓性支持体は、第１のリチウム表面と第２のリチウム表面とが互いに接触し、互いに接着する２つのＬｉ－副層を含むリチウム金属アノード層が形成されるように、一緒にプレスされる。具体的には、リチウムアノード－第１副層とリチウムアノード－第２副層とが第１のリチウム表面と第２のリチウム表面とを一緒にプレスすることによって結合されて、リチウム金属アノード層を形成する。
【0091】
特に、本明細書では、次の実施形態について説明する：
【0092】
実施形態１：リチウム電池のためのアノード構造（１０）を製造する方法であって、第１のリチウム表面（３１）を備えたリチウムアノード－第１副層を提供するための第１の可撓性支持体（２１）上へのリチウムの第１の堆積；第２のリチウム表面（３２）を備えたリチウムアノード－第２副層を提供するための第２の可撓性支持体（２２）上へのリチウムの第２の堆積；及び、第１のリチウム表面と第２のリチウム表面とを一緒にプレスすることによってリチウムアノード－第１副層及びリチウムアノード－第２副層を結合してリチウム金属アノード層（１２）を形成することを含む、方法。
【0093】
実施形態２：第１の可撓性支持体がアノード集電体（１１）を含み、リチウムの第１の堆積がアノード集電体上に直接行われる、実施形態１に記載の方法。
【0094】
実施形態３：アノード集電体（１１）が金属箔、特に銅箔である、実施形態２に記載の方法。
【0095】
実施形態４：アノード集電体（１１）が金属コーティングを有するポリマー箔を含み、リチウムの第１の堆積が金属コーティング上に直接行われる、実施形態２に記載の方法。
【0096】
実施形態５：第２の可撓性支持体が固体電解質層（１３）を含み、リチウムの第２の堆積が固体電解質層上に直接行われる、実施形態１から４のいずれかに記載の方法。
【0097】
実施形態６：第２の可撓性支持体（２２）が、カソード集電体（１５）、カソード集電体上のカソード（１４）、及びカソード上の固体電解質層（１３）を含む、層スタックである、実施形態５に記載の方法。
【0098】
実施形態７：第２の可撓性支持体（２２）がセパレータ（１６）を含み、リチウムの第２の堆積がセパレータ上に直接行われる、実施形態１から６のいずれかに記載の方法。
【0099】
実施形態８：結合することが、（ｉ）リチウムアノード－第１副層がその上に堆積された第１の可撓性支持体（２１）、（ｉｉ）リチウムアノード－第２副層がその上に堆積された第２の可撓性支持体（２２）、及び（ｉｉｉ）カソード（１４）がその上に提供されたカソード集電体（１５）を一緒にプレスすること含む、実施形態１から７のいずれかに記載の方法。
【0100】
実施形態９：ロール・ツー・ロール処理システム内において真空下で連続的に行われる、実施形態１から８のいずれかに記載の方法。
【0101】
実施形態１０：リチウムアノード－第１副層が１μｍ≦ＴＬｉ１≦２０μｍの第１の厚さＴＬｉ１で堆積され、リチウムアノード－第２副層が１μｍ≦ＴＬｉ２≦２０μｍの第２の厚さＴＬｉ２で堆積され、かつリチウム金属アノード層が２μｍ≦ＴＬｉ≦４０μｍ、特に５μｍ≦ＴＬｉ≦１５μｍの合計厚さＴＬｉを有する、実施形態１から９のいずれかに記載の方法。
【0102】
実施形態１１：アノード構造（１０）を製造するための真空堆積システム（２００）であって、第１の可撓性支持体（２１）上に第１のリチウム表面を備えたリチウムアノード－第１副層を堆積するための第１のリチウム堆積装置（１０５）；第２の可撓性支持体（２２）上に第２のリチウム表面を備えたリチウムアノード－第２副層を堆積するための第２のリチウム堆積装置（１０６）；及び、第１のリチウム表面と第２のリチウム表面とを一緒にプレスすることによってリチウムアノード－第１副層とリチウムアノード－第２副層とを結合してリチウム金属アノード層（１２）を形成するための結合デバイス（２１１）を備えた、アノード構造（１０）を製造するための真空堆積システム（２００）。
【0103】
実施形態１２：第１のリチウム堆積装置（１０５）が、第１の真空堆積チャンバ（２２１）内の１つ以上の第１のリチウム蒸発器（２２３）を通過して第１の可撓性支持体を誘導するように構成された第１のコーティングドラム（２２２）を含み、かつ第２のリチウム堆積装置（１０６）が、第２の真空堆積チャンバ（２３１）内の１つ以上の第２のリチウム蒸発器（２３３）を通過して第２の可撓性支持体を誘導するように構成された第２のコーティングドラム（２３２）を含む、実施形態１１に記載の真空堆積システム。
【0104】
実施形態１３：第１の真空堆積チャンバと第２の真空堆積チャンバとの間に真空結合チャンバ（２１０）をさらに含み、そこに結合デバイス（２１１）が配置される、実施形態１２に記載の真空堆積システム。
【0105】
実施形態１４：第１のリチウム表面及び第２のリチウム表面が結合デバイス（２１１）内で互いに向かい合い、結合デバイス（２１１）によって直接接触することができるように、第１の繰り出しロール（２２５）から第１のコーティングドラム（２２２）へと、かつ第１のコーティングドラムから結合デバイス（２１１）へと第１の可撓性支持体を輸送するように構成された第１のウェブ輸送システム、及び第２の繰り出しロール（２３５）から第２のコーティングドラム（２３２）へと、かつ第２のコーティングドラムから結合デバイス（２１１）へと第２の可撓性支持体を輸送するように構成された第２のウェブ輸送システムをさらに含む、実施形態１２又は１３に記載の真空堆積システム。
【0106】
実施形態１５：結合デバイス（２１１）が第２のプレスロールに向かって付勢された第１のプレスロールを含み、その結果、リチウムアノード－第１副層を備えた第１の可撓性支持体（２１）とリチウムアノード－第２副層を備えた第２の可撓性支持体（２２）とが第１のプレスロールと第２のプレスロールとの間に誘導され、かつそれらによって一緒にプレスされうる、実施形態１１から１４のいずれかに記載の真空堆積システム。
【0107】
実施形態１６：実施形態１から１０のいずれかに記載の方法によって製造された、アノード構造（１０）。
【0108】
実施形態１７：リチウム電池層スタック（１００）であって、カソード集電体（１５）、カソード集電体上のカソード（１４）、カソード集電体上のセパレータ（１６）又は固体電解質層（１３）、セパレータ又は固体電解質層上のリチウム金属アノード層（１２）、及びリチウム金属アノード層上のアノード集電体（１１）を含み、リチウム金属アノード層（１２）がアノード集電体及びセパレータ又は固体電解質層の両方と直接接触する、純粋なリチウム膜である、リチウム電池層スタック（１００）。
【0109】
実施形態１８：リチウム金属アノード層とアノード集電体との間の第１のインターフェース（３３）がリチウム蒸発インターフェースであり、リチウム金属アノード層とセパレータ又は固体電解質層との間の第２のインターフェース（３４）がリチウム蒸発インターフェースである、実施形態１７に記載のリチウム電池層スタック。
【0110】
実施形態１９：リチウム金属アノード層（１２）が、互いに直接接触するリチウムアノード－第１副層（１２－１）とリチウムアノード－第２副層（１２－２）とを含む、実施形態１７又は１８に記載のリチウム電池層スタック。
【0111】
実施形態２０：カソード集電体（１５）がＡｌ箔又はＡｌでコーティングしたポリマー箔である、カソード（１４）がＮＭＣカソードである、及び／又はアノード集電体（１１）が銅箔又は銅でコーティングしたポリマー箔である、実施形態１７から１９のいずれかに記載のリチウム電池層スタック。
【0112】
上記を考慮して、本開示の実施形態は、最先端技術と比較して改良された、アノード構造、リチウム電池層スタック、アノード構造を製造する方法、及び真空堆積システムを有利に提供することが理解されるべきである。具体的には、アノード集電体とセパレータ又はＳＳＥ層との間に挟まれたプリスチンなリチウムインターフェースを備えたリチウム金属アノード層が提供され、これは、本明細書に記載される方法に従って製造することができる。リチウムデンドライトの成長を減少させることができ、リチウム金属アノード層と接触層との接着及び接触を実質的に改善することができる。
【0113】
上記は実施形態を対象としているが、基本的な範囲から逸脱することなく、他のさらなる実施形態を考案することができ、その範囲は特許請求の範囲によって決定される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【国際調査報告】