[发明专利]三维基板上薄层电池堆叠体的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及三维基板上薄层电池堆叠体的制造方法。本发明还涉及通过该方法可获得的三维基板上的薄层电池堆叠体。而且，本发明涉及包括该电池堆叠体的设备。

背景技术

三维基板上薄层电池堆叠体通过使用化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)方法沉积功能层(阳极、阴极、固体电解质)来制造。CVD和PVD技术相对耗时且需要高科技、昂贵的装备。尽管平坦(二维，2D)基板是最常见的，但对于一些应用来说，三维(3D)基板是优选的。然而，大多数CVD和PVD方法因其产生不令人满意的结果而不适于在3D基板上的沉积。低压化学气相沉积(LPCVD)可以用于3D基板，但是对于可以令人满意地被覆盖的三维基板的纵横比(aspect ratio)存在限制。纵横比用来度量材料中空洞的平均深度除以这些空洞入口的平均宽度。

本发明的目的是提供三维基板上薄层电池堆叠体的改进的制造方法。

发明内容

本发明提供了三维基板上薄层电池堆叠体的制造方法，该方法包括以下处理步骤：

a)将包括至少一种前体(precursor)的流体施加到基板；

b)将基板和施加到基板的流体暴露到降低的压力中；

c)将前体转换成电池堆叠体的层。该方法使三维基板上电池堆叠体的功能层能迅速形成。该方法可使用相对简单和便宜的装备来执行。

避免在步骤b)中暴露到降低的压力中将增加用流体充分覆盖该三维基板所需的时间，以及也可能导致所产生层的较低质量。前体或前体混合物适于使用已知的溶胶-凝胶技术形成层材料。前体典型地为期望元素的金属有机化合物、金属盐和/或金属性配合物(metalliccoordination complexes)，或者是适于形成聚合物的单体。流体可以是前体溶液或是例如均质胶态悬浮体等的分散体(dispersion)。在所处理表面暴露到降低的压力期间，流体出人意外地迅速散布到三维基板的空洞中。暴露到降低的压力中的时间随基板类型以及流体粘度而变化。降低的压力典型地通过连接到容纳基板和前体流体的气密容器的真空泵系统而获得。膜到层材料的转换典型地通过普通溶胶-凝胶技术(例如热处理和/或聚合步骤)而实现。过量流体通常先于转换步骤而被去除，使得转换仅仅在保持在基板上的流体膜中执行。

优选地，步骤a)中的流体施加至少部分地通过浸涂来执行。浸涂是将至少部分所述基板浸渍到流体中，这是施加流体到基板的一种非常彻底和可靠的方式。

在另一个优选实施例中，步骤a)中的流体施加至少部分地通过喷涂来执行。喷涂是用流体覆盖三维基板的一种非常迅速和有效的方式。随后的暴露到降低的压力中使流体迅速散布到所述结构的空洞中，即使是在相对高的纵横比下。

有利地，在步骤b)期间，至少部分所述基板浸没到流体中。该方法导致尤其在相对高的纵横比的情况下非常迅速和可靠地用流体覆盖三维基板。浸没可与浸涂媲美。

在优选实施例中，三维基板的纵横比至少为10，优选地至少为30，更优选地至少为50。通过例如LPCVD等常规技术将用于电池堆叠体的薄层施加到纵横比高于10的基板非常耗时。使用常规方法，30或甚至50的纵横比已经不可实现。

如果电池堆叠体的至少一层根据所述处理步骤来制备，那么优选的是，其中该层选自阳极层、阴极层和固体电解质层构成的组。如果纵横比允许的话，其它层可以使用常规沉积技术来施加。

最为优选地，电池堆叠体的至少阳极层、阴极层和固体电解质层根据所述处理步骤来制备。例如集电器的其它功能层也可以通过根据本发明的技术来施加。

优选地，对于电池堆叠体的至少一层，所述转换包括热可转换前体的热处理。热处理相对容易执行和控制，并且可以迅速执行。

在优选实施例中，热处理包括以下步骤：

d)从流体中蒸发溶剂以得到包括热可转换前体的凝胶层，以及

e)通过加热对凝胶层退火以形成层。蒸发步骤(也称为凝胶化步骤)期间的温度通常接近溶剂的沸点。典型溶剂是例如乙醇、丙醇或异丙醇的醇。为了降低沸点，蒸发可以在降低的压力下执行。通常，退火步骤期间的温度高于蒸发步骤期间的温度。退火期间，前体转换成层材料。