用于濕式涂覆基質的方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于濕式涂覆基質(12)的方法，其中，利用噴頭(20)在所述基質(12)上涂敷層(18)并且在所述涂敷之后使所述層(18)干燥，其特征在于，所述噴頭(20)包括至少兩個噴嘴(32)，測量被涂敷的層(18)的層厚度(26、28)并且根據(jù)所述測得的層厚度(26、28)進行涂敷調(diào)節(jié)，其中，在每個噴嘴(32)中的壓力相對于其它噴嘴(32)獨立地被調(diào)節(jié)。本發(fā)明還涉及一種用于濕式涂覆基質(12)的裝置(10)，其包括帶有至少一個噴嘴(32)的噴頭(20)、測量裝置(22、24)和干燥器(30)。
【專利說明】用于濕式涂覆基質的方法和裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于濕式涂覆基質的方法，其中，利用噴頭在基質上涂敷層并且在涂敷之后使該層干燥。此外，本發(fā)明涉及一種用于濕式涂覆基質的裝置，其包括帶有至少一個噴嘴的噴頭、測量裝置和干燥器。
【背景技術】
[0002]在利用材料涂覆基質時常常有這樣的需求，S卩，產(chǎn)生帶有預定厚度的均勻的層。即，例如在加工鋰離子電池電芯時，用活性材料涂覆電極的質量對于電池電芯的質量來說有重要意義。尤其地，電池電芯的容量及其泄漏與均勻的層厚度相關并且與僅在其理論值附近輕微變化地控制的層厚度相關。在電極涂覆中，將以所謂的漿狀物(可流動的糊狀物)的形式的電極的活性材料濕式地施加到電極的載體膜上。在鋰離子電池電芯中，對于陽極來說常常施加以天然的和/或合成的石墨為基礎的材料，并且在陰極中施加以不同的鋰-金屬-氧化物的組合為基礎的材料。
[0003]為了涂覆基質，在將溶劑添加到漿狀物中的情況下在混合過程中對活性材料進行預加工。在制造鋰離子電池電芯的情況中，對于陽極材料來說通常應用水基的溶劑并且在制造陰極時使用以N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)為基礎的溶劑。在制造電極時，使用載體膜作為基質，該載體膜在陽極中通常由銅構成并且在陰極中通常由鋁構成。在此，膜厚度在約10 μπι的范圍中。被施加到膜上的材料的層厚度與電池電芯的設計方案有關并且例如在約20 μ m M 200 μ m 111]。
[0004]在濕式涂覆基質之后，在干燥爐中將其干燥，以便使溶劑從被涂覆的材料中揮發(fā)掉。這種涂覆方法通常連續(xù)地卷對卷地進行，其中，根據(jù)生產(chǎn)速度，干燥爐的長度通常在IOm至30m之間。
[0005]在干燥之后，測量被施加的層的厚度。如果應利用材料涂覆基質的兩側，則該基質可緊接著被輸送到另一涂覆步驟。被施加的層的厚度與多種過程參數(shù)相關，這些過程參數(shù)例如為漿狀物的濃度、壓力(以該壓力將材料輸送到噴頭，利用該噴頭將材料施加到基質上)、在噴頭中的噴嘴的幾何結構和基質的輸送速度。如果在生產(chǎn)過程結束時測得與預定的理論層厚度不同的層厚度，則對一個或多個過程參數(shù)進行匹配，以修正被施加的層的厚度，從而使實際的層厚度盡可能圍繞預定的理論值在±1 μ m的范圍中。
[0006]從文獻CN102125907中已知一種用于利用用于制造鋰離子電池電芯的電極的活性材料來涂覆基質的裝置。該裝置包括涂覆裝置和干燥器以及兩個測量裝置和一個控制設備。第一測量裝置布置在涂覆裝置之前并且用于測量在之前的涂覆步驟中被施加的層的厚度。第二測量裝置布置在干燥器之后并且測量在完成干燥的基質上的層厚度。由控制設備使用兩個測量裝置的測量值以調(diào)節(jié)涂覆裝置。在此，根據(jù)測得的層厚度控制涂覆材料的輸送。
[0007]在現(xiàn)有技術中不利的是，為了調(diào)節(jié)層厚度僅能控制涂覆材料的輸送。在材料輸送中的變化影響在基質的整個寬度上的層涂敷并且不能補償在涂覆時的缺陷，在其中材料涂敷不一致，也就是說在一個區(qū)域中比在其它區(qū)域中例如涂敷了更多的材料。此外，在干燥之后才測量被施加的層的厚度并且由此根據(jù)干燥器的長度在涂覆后約IOm至30m時才進行測量。由此，在測量和過程參數(shù)匹配的有效性之間存在時間上的遲滯，其對所應用的調(diào)節(jié)機制有不利的作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]提出了一種用于濕式涂覆基質的方法，其中，利用噴頭在基質上涂敷層，并且在涂敷之后使該層干燥，其中，噴頭包括至少兩個噴嘴，測量被涂敷的層的層厚度并且根據(jù)測得的層厚度進行涂敷調(diào)節(jié)，其中，在每個噴嘴中的壓力相對于其它噴嘴獨立地被調(diào)節(jié)。
[0009]在涂覆過程中，基質被輸送到涂覆裝置處并且首先經(jīng)過噴頭，利用該噴頭將材料施加到基質上。在此，該材料溶解在溶劑中，該溶劑緊接著在干燥器中被蒸發(fā)。被涂敷的層的厚度通過測量裝置獲取。緊接著，將所測得的層厚度與預定的理論層厚度相比較并且當存在區(qū)別時，改變在噴嘴中的涂覆材料的壓力。在此，在每個噴嘴中的壓力能夠單獨地且獨立于在其它噴嘴中的壓力地被調(diào)整。
[0010]在本發(fā)明的一個實施方式中，在至少兩個在基質的寬度上分布的測量位置上測量層厚度，其中，一個測量位置被分配給噴頭的一個噴嘴。
[0011]測量位置分布在基質的寬度上并且使得可以評估被涂敷的層的均勻性。由于噴頭的每個噴嘴將材料涂敷在基質的不同區(qū)域中，每個噴嘴負責在基質的層的確定的區(qū)域。為了調(diào)節(jié)該噴嘴合理的是，在這些基質區(qū)域的每個中也布置一個測量位置，從而為每個噴嘴提供至少一個測量位置并且由此提供層厚度的信息。
[0012]在方法的一個實施方式中，測量位置布置在這樣的部位處，即，在該處由于噴嘴的幾何結構希望得到在平均厚度之上或之下的層厚度。
[0013]該平均層厚度通常是預定的理論層厚度，并且例如可通過模擬或試驗獲得臨界部位，在該臨界部位上涂敷稍微在平均層厚度之上或之下的層。
[0014]在本發(fā)明的一個實施方式中，使用至少一個調(diào)節(jié)回路，其作為輸入值包括理論層厚度和測得的層厚度，并且作為輸出值產(chǎn)生用于噴頭的噴嘴的壓力的控制信號。
[0015]為了自動地進行調(diào)節(jié)，可使用任何對于本領域技術人員已知的調(diào)節(jié)方法。即，例如可設想，應用比例-積分-微分(PID)調(diào)節(jié)器，以匹配在噴嘴中的壓力，使得實際的層厚度接近要求的理論層厚度。顯然，也可設想其它調(diào)節(jié)器，例如比例-積分調(diào)節(jié)器或者例如比例調(diào)節(jié)器或積分調(diào)節(jié)器的單調(diào)節(jié)器。也可行的是，為每個單個的噴嘴執(zhí)行特有的調(diào)節(jié)器。
[0016]在本發(fā)明的一個實施方式中，通過控制輸送材料的泵和/或通過控制壓力調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)壓力的調(diào)節(jié)。
[0017]優(yōu)選地，根據(jù)調(diào)節(jié)部的控制信號來控制壓力。除了控制輸送材料的泵和/或控制壓力調(diào)節(jié)閥，也可設想匹配濕式涂覆方法的其它過程參數(shù)。這種過程參數(shù)例如包括噴嘴相對于基質的距離，基質的輸送速度和噴嘴的幾何結構。
[0018]通過調(diào)節(jié)器可如此調(diào)節(jié)這些參數(shù)中的多個、尤其地在噴頭的噴嘴中的壓力，使得被涂敷的層的厚度圍繞要求的理論層厚度在例如為± I μ m的預定的公差范圍之內(nèi)。
[0019]在本發(fā)明的一個實施方式中，在干燥之前測量被涂敷的層的層厚度。
[0020]為此，將至少一個測量裝置直接布置在噴頭之后且在干燥器之前。為了能夠操縱分布在基質的寬度上的多個測量位置，可設想的是，使用可動的測量頭作為測量裝置或者將多個測量頭分布地布置在基質的寬度上。
[0021]在方法的實施方式中，被施加的層是用于電池的電極的活性材料。在此，例如在加工鋰離子電池電芯時對于陽極應用以天然的或合成的石墨為基礎的材料并且對于陰極使用由不同的鋰-金屬-氧化物組成的組合。例如，在制造電極時對于陽極應用銅，且對于陰極制造應用鋁作為基質。在此，所使用的基質的厚度通常在約ΙΟμπι的范圍中。在制造用于電池電芯的電極時，被施加的活性材料層根據(jù)電芯的設計方案具有在約20 μ m至200 μ m之間的厚度。
[0022]此外，本發(fā)明涉及一種用于濕式涂覆基質的裝置，其包括帶有至少一個噴嘴的噴頭、測量裝置和干燥器，其中，噴頭包括至少兩個噴嘴并且設有調(diào)節(jié)設備，該調(diào)節(jié)設備設定成根據(jù)層厚度的測量相對于其它噴嘴獨立地調(diào)節(jié)在噴頭的每個噴嘴中的壓力。
[0023]在裝置的實施方式中，調(diào)節(jié)設備此外設定成用于根據(jù)測量位置使層厚度的測量與噴嘴相關聯(lián)。
[0024]此外，在這種關聯(lián)性中優(yōu)選的是，用于每個噴嘴的調(diào)節(jié)設備實現(xiàn)特有的調(diào)節(jié)器，其輸入值包括在被分配給噴嘴的測量位置上的層厚度測量以及理論層厚度。調(diào)節(jié)器的輸出值包括至少一個用于控制在被分配給該調(diào)節(jié)器的噴嘴中的壓力的調(diào)節(jié)信號。
[0025]在裝置的一個實施方式中，測量裝置布置在干燥器之前。
[0026]此外，為了可操縱多個測量位置，測量裝置可實施成可動的測量頭，其在基質的寬度上運動，或者可布置多個分布在基質的寬度上的固定地安裝的測量頭。
[0027]在裝置的實施方式中，噴頭的噴嘴分別被分配一個壓力調(diào)節(jié)閥，該壓力調(diào)節(jié)閥設定成用于調(diào)節(jié)在相應的噴嘴中的壓力。
[0028]在此，用于涂覆的材料、確切地說漿狀物通過輸送裝置在壓力下被引入噴頭中并且在該處容納在壓力容器中。使壓力容器與噴頭的噴嘴相連接的輸送管路從壓力容器處分支出來。在此，該壓力調(diào)節(jié)閥布置在該輸送管路上并且使得可以獨立于其它噴嘴地調(diào)整在每個噴嘴中的壓力。
[0029]本發(fā)明的優(yōu)點
[0030]通過在噴頭上設置多個其壓力可彼此獨立地調(diào)節(jié)的涂覆噴嘴，可實現(xiàn)精確地調(diào)節(jié)在基質上的層涂敷。一方面，在此可改進在基質的整個寬度上的覆層的均勻性，另一方面，實現(xiàn)在大的范圍、例如從20 μ m至200 μ m的理論層厚度的調(diào)整，而不必在噴頭處進行結構改變。由于理論層厚度的改變在材料涂敷中出現(xiàn)的不均勻性，可有目的地通過調(diào)節(jié)在相關的噴嘴中的壓力進行平衡。由此，可保證與理論層厚度相比通常需要的極小的典型地〈I μ m的允許偏差。
[0031]此外，通過在干燥之前測量被施加的層的厚度，明顯減小了在覆層的施加和被施加的層的厚度的測量之間的時間上的遲滯。這一方面簡化了自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的轉換，因為在小的時間遲滯時這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)可更好地反應。另一方面，減小了廢品量，因為可直接在涂覆之后識別出層厚度位于預定的公差范圍之外的被涂覆的基質，而不是在與干燥器的長度有關的IOm至30m之后以不合適的參數(shù)涂覆了基質之后才識別出來。
【專利附圖】

【附圖說明】[0032]附圖中:
[0033]圖1從一側示出了涂覆裝置的示意圖，
[0034]圖2示出了在基質上的層的不均勻的涂敷，
[0035]圖3從上方示出了層厚度測量的示意圖，以及
[0036]圖4示出了噴頭的示意圖，該噴頭被劃分成多個可彼此獨立地調(diào)節(jié)的區(qū)域。【具體實施方式】
[0037]本發(fā)明的實施例在隨后的附圖中示出并且在相關的描述中進行詳細解釋。
[0038]圖1從上方示出了涂覆裝置的示意圖。
[0039]在圖1中示出了涂覆裝置10，在其中，基質12通過多個輥16被引導。在此，基質12沿著輸送裝置14被引導并且首先到達第一噴頭20。該噴頭20包括噴嘴，通過該噴嘴將材料以層18的形式施加到基質12上。在此，該材料被溶解在溶劑中并且以漿狀物的形式存在，也就是說以可流動的糊狀物的形式存在，并且借助于噴頭20濕式地被涂敷到基質12上。
[0040]在制造用于鋰離子電池電芯的電極的情況中，應用金屬膜作為基質12，其厚度在約2 μ m至約20 μ m之間、尤其約為10 μ m。在制造陽極時，通常使用銅膜，并且在制造陰極時通常使用鋁膜。在制造陽極的情況中，用于涂覆金屬膜的材料以天然的和/或合成的石墨為基礎，并且通常溶解在水基的溶劑中。在制造陰極時，該材料通常以由不同鋰-金屬-氧化物組成的組合為基礎，其例如溶解在以N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)為基礎的溶劑中。
[0041]濕式地被涂敷到基質12上的材料層的厚度與電池電芯的設計方案相關并且典型地在20 μ m至200 μ m之間。在此，對于電池的質量來說最重要的是，層涂敷是均勻的并且與理論值偏差非常小。典型地來說要求與理論值的偏差小于Iy m。
[0042]在涂敷層18之后，基質12到達測量頭22，利用該測量頭22獲得濕層厚度26。緊接著，將層18與基質12 —起輸送到干燥器30，根據(jù)基質12的輸送速度該干燥器30具有在約IOm至30m之間的長度。在干燥器30中，所使用的溶劑從層18中蒸發(fā)。
[0043]作為在干燥器30之前的測量頭22的附加或備選，測量頭24布置在干燥器30之后，利用該測量頭24測得層18的干燥層厚度28。在圖1中示出的實施方式中，使用分別一個單獨的測量頭22、24，其在基質12的整個寬度上運動以獲取在基質12的整個寬度上的層厚度。備選地也可行的是，代替單個的可動地布置的測量頭22、24，應用多個靜態(tài)地布置的測量頭，其在基質12的寬度上分布地布置。
[0044]通過測量頭22、24獲得的層厚度26、28可用于將層18的厚度調(diào)節(jié)到預定的理論層厚度上。為此，可根據(jù)測得的層厚度26、28來匹配濕式涂覆方法的過程參數(shù)、尤其是在噴頭20的噴嘴中的壓力。濕式涂覆方法的其它可匹配的過程參數(shù)例如包括噴嘴相對于基質12的距離、基質12的輸送速度和所使用的噴嘴的幾何結構。此外可設想，作為參數(shù)改變漿狀物的成分、即，用于涂覆基質的材料的成分。該材料成分對該材料的粘度產(chǎn)生影響，粘度又對被涂敷的層的厚度有影響。
[0045]當期望的理論層厚度從例如20 μ m轉換到200 μ m時，僅僅增大被輸送的材料量通常是不夠的，因為在壓力過高或漿狀物的粘度過高時材料是以更大的層厚度涂敷在基質的中心。為了均勻地涂覆，在噴頭20中布置多個噴嘴，其分別彼此獨立地被調(diào)節(jié)。如有可能，此外必須匹配其它參數(shù)，例如基質的輸送速度。
[0046]為了實現(xiàn)調(diào)節(jié)，涂覆裝置10此外還包括調(diào)節(jié)設備42，其與測量裝置22、24和噴頭20處于連接中。在此，調(diào)節(jié)設備42可為噴頭20的每個噴嘴實現(xiàn)特有的調(diào)節(jié)回路或調(diào)節(jié)器。
[0047]圖2示出了在基質上的不均勻的層涂敷。
[0048]在圖2中示出了其上施加有層18的基質12。在此，層18不均勻地被涂敷到基質12上，從在而層18的區(qū)域19中層厚度小于在剩余區(qū)域中。例如當在噴嘴中的涂覆材料、確切地說漿狀物的壓力過高時，在濕式涂覆方法中可能出現(xiàn)在層涂敷中的該不均勻性。而且在漿狀物的粘度過高時，材料趨向于以較大的層厚度涂敷在基質的中心。如果盡管如此仍以高壓力涂覆基質12，例如以實現(xiàn)大的層厚度，那么在從現(xiàn)有技術中已知的方法中，必須在噴頭處進行結構改造，以便材料即使在高壓下也均勻地從噴頭中離開。
[0049]在根據(jù)本發(fā)明的噴頭中設置多個噴嘴，在其中，可相互獨立地調(diào)節(jié)涂覆材料的壓力。通過可彼此獨立地調(diào)節(jié)壓力的噴嘴，材料即使在更高的壓力下也可通過共同的儲備容器提供并且盡管如此仍可確保均勻的材料涂敷。
[0050]圖3示意性地示出了層厚度的測量。
[0051]在圖3中，詳細示出了涂覆裝置的局部。該局部示出了測量頭22、24，其可動地布置并且可在基質12的整個寬度上運動，如通過以附圖標記44的箭頭指出的那樣運動。帶有被施加的層18的基質12在輸送方向14上在測量頭22、24以下運動。與測量頭22、24的運動共同得到在此處進行層厚度測量的區(qū)域的三角形的伸延。該區(qū)域通過以附圖標記46表示的線標記出來。在被測量的區(qū)域46中，可確定不同的測量位置48，其以在基質12的寬度上分布的方式布置。在圖3中示出的實施方式中，預定了三個測量位置48，其分別被分配給噴頭的一個用于實現(xiàn)調(diào)節(jié)的噴嘴。根據(jù)噴頭的實施方案和在噴頭中的可獨立調(diào)節(jié)的噴嘴的數(shù)量，可不同地選擇測量位置48的數(shù)量。此外，也可設想，為了調(diào)節(jié)的目的將多個測量位置48分配給噴頭的一個噴嘴。
[0052]在圖3中示出的測量裝置可布置在涂覆裝置的干燥器30之前，以仍然在濕的狀態(tài)中獲得層18的厚度。備選地或附加地可行的是，該測量裝置布置在干燥器之后，以用于測量經(jīng)過干燥的層的厚度。此外可行的是，代替可動地實施的測量頭22、24，也可設置多個在基質12的寬度上分布的靜態(tài)的測量頭。
[0053]圖4示出了噴頭的示意圖。
[0054]在圖4中，示出了帶有三個噴嘴32的噴頭20。材料、確切地說漿狀物可通過噴嘴32離開并且作為層18被施加到基質12上。該涂覆材料通過輸送裝置40輸送到壓力儲存器38。噴頭20的各個噴嘴32通過分別一個特有的輸送區(qū)域34與壓力儲存器38相連接。在此，在輸送區(qū)域34和壓力儲存器38之間的連接部上分別布置一個壓力調(diào)節(jié)閥36。
[0055]該壓力調(diào)節(jié)閥36可通過調(diào)節(jié)設備的信號控制。通過帶有共同的壓力儲存器38、然而對于每個噴嘴32分離的輸送區(qū)域34的布置方案，在各個噴嘴32處的漿狀物的壓力可分別通過壓力調(diào)節(jié)閥36完全獨立于其它噴嘴地進行調(diào)整。
[0056]除了在圖4中示出的帶有三個噴嘴32的實施方式，顯然也可實現(xiàn)帶有不同數(shù)量的噴嘴的其它實施方式。
【權利要求】
1.一種用于濕式涂覆基質(12)的方法，其中，利用噴頭(20)在所述基質(12)上涂敷層(18)并且在所述涂敷之后使所述層(18)干燥，其特征在于，所述噴頭(20)包括至少兩個噴嘴(32)，測量被涂敷的層(18)的層厚度(26、28)并且根據(jù)所述測得的層厚度(26、28)進行涂敷調(diào)節(jié)，其中，在每個噴嘴(32)中的壓力相對于其它噴嘴(32)獨立地被調(diào)節(jié)。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征在于，在至少兩個在所述基質(12)的寬度上分布的測量位置(48)上測量所述層厚度(26、28)，其中，一個測量位置(48)被分配給所述噴頭(20)的一個噴嘴(32)。
3.按照權利要求2所述的方法，其特征在于，所述測量位置(48)布置在這樣的部位處，即，在該處由于所述噴嘴(32)的幾何結構希望得到在平均厚度之上或之下的層厚度(26、28)。
4.按照權利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于，使用至少一個調(diào)節(jié)回路，其作為輸入值包括理論層厚度和測得的層厚度(26、28)，并且作為輸出值產(chǎn)生用于所述噴頭(20)的噴嘴(32)的壓力的控制信號。
5.按照權利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于，在干燥之前測量所述被涂敷的層(18)的層厚度(26)。
6.按照權利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于，通過控制輸送材料的泵和/或通過控制壓力調(diào)節(jié)閥(36)實現(xiàn)壓力的調(diào)節(jié)。
7.按照權利要求1至6中任一項所述的方法，其特征在于，所述被涂覆的層(18)是用于電池的電極的活性材料。
8.一種用于濕式涂覆基質(12)的裝置(10)，其包括帶有至少一個噴嘴(32)的噴頭(20)、測量裝置(22、24)和干燥器(30)，其特征在于，所述噴頭包括至少兩個噴嘴(32)并且設有調(diào)節(jié)設備(42)，該調(diào)節(jié)設備能夠根據(jù)所述層厚度(26、28)的測量相對于其它噴嘴(32)獨立地調(diào)節(jié)在每個噴嘴(32)中的壓力。
9.按照權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述調(diào)節(jié)設備(42)還能夠根據(jù)測量位置(48)使所述層厚度(26、28)的測量與噴嘴(32)相關聯(lián)。
10.按照權利要求8或9所述的裝置，其特征在于，所述測量裝置(22)布置在所述干燥器(30)之前。
11.按照權利要求8至10中任一項所述的方法，其特征在于，所述噴嘴(32)分別被分配一個壓力調(diào)節(jié)閥(36)，所述壓力調(diào)節(jié)閥(36)能夠調(diào)節(jié)在相應的噴嘴(32)中的壓力。
【文檔編號】B05C11/10GK103878101SQ201310717550
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2013年12月20日 優(yōu)先權日:2012年12月21日
【發(fā)明者】H·芬克 申請人:羅伯特·博世有限公司, 三星Sdi株式會社