制造電化學(xué)裝置的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】一種用于制造電極的無溶劑系統(tǒng)包括：用于傳送基底通過系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)，由將第一層涂布到基底的第一裝置所組成的第一涂布區(qū)域，其中，第一層由活性材料混合物和粘合劑組成，以及粘合劑包括熱塑性材料和熱固性材料中至少一個(gè)，以及系統(tǒng)包括被設(shè)置以加熱第一層的第一加熱器。
【專利說明】制造電化學(xué)裝置的系統(tǒng)和方法
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2012年5月16日提交的美國臨時(shí)申請61/647, 773的優(yōu)先權(quán)，其公開 內(nèi)容被并入于此。
[0003] 本發(fā)明中的政府權(quán)力
[0004] 美國政府具有針對本發(fā)明的付費(fèi)許可和在有限度的情況下要求專利所有人以 合理?xiàng)l件許可他人的權(quán)利，如由國防后勤局（Defense Logistics Agency)所授予的 SP4701-09-D-0049 CLIN 0002的條款所提供的條件下。

【背景技術(shù)】
[0005] 本發(fā)明的實(shí)施例通常涉及一種用于制造電極的干性、無溶劑的方法和設(shè)備，并且 更特別地涉及一種用于形成鋰離子（Li-ion)蓄電池中的鋰電化學(xué)電池的方法和設(shè)備。
[0006] 典型地，功率源（例如，蓄電池、電容器和燃料電池）含有正的和負(fù)的電極。根據(jù) 功率源的化學(xué)性質(zhì)，加工方法不同。許多方法（例如，用在鋰離子行業(yè)中的方法）包括：通 過使用溶劑在濕漿體中混合活性材料、導(dǎo)電材料和粘合劑，并且涂布到基底。所述涂布可以 是經(jīng)由刮刀、乳輥式傳送涂覆、狹縫模具或者擠壓。
[0007] 鑄造電極然后在爐子中干燥，同時(shí)收回溶劑以便使煙霧不泄漏到環(huán)境中，或者溶 劑被用作干燥器的補(bǔ)充燃料。該工藝耗時(shí)并且昂貴。爐子通常也非常大、長、昂貴以及占空 間。在環(huán)境方面和從安全方面來說，溶劑典型地是易燃的，難于從化學(xué)結(jié)構(gòu)中去除，有害于 環(huán)境，并且花費(fèi)很高去正確處理。如果溶劑回收是理想的，溶劑必須被獲取、冷凝、清潔以及 準(zhǔn)備再次使用或者處置。
[0008] 功率源加工的一些已知方法已經(jīng)在一個(gè)電極上移除了溶劑漿，但是典型地在另一 個(gè)電極上仍然使用基于溶劑的方法。無溶劑的方法通常包括將活性材料、導(dǎo)電材料和粘合 劑的混合物壓或者擠壓到電極中，然后其附著到基底或者集電器?，F(xiàn)在的加工技術(shù)因此限 制了產(chǎn)量，并且這些電極的成本可能是過大的。
[0009] 當(dāng)干電極被機(jī)械壓印時(shí)，通過溶劑澆鑄以及隨后抽取制成的電極典型地呈現(xiàn)對集 電器良好的附著力。溶劑澆鑄以及隨后抽取的動(dòng)作使粘合劑和電極結(jié)構(gòu)開口，這與海綿結(jié) 構(gòu)的開口類似。壓印操作向下軋碎電極結(jié)構(gòu)，從而留下30到50%的孔隙率。當(dāng)用電解液潤 濕時(shí)，該軋碎的類似海綿的結(jié)構(gòu)松弛并且呈現(xiàn)什么一般地被稱為電極膨脹。典型的陽極粘 合劑（已知為PVDF-聚偏二氟乙烯或者聚偏氟乙烯（PVDF))是一種由偏氟乙烯的聚合作用 而產(chǎn)生的高度不起反應(yīng)并且純熱塑性的含氟聚合物。它是少有的已知粘合劑之一，在陽極 的鋰電位處不易于起反應(yīng)并且由此典型地被優(yōu)選為鋰離子蓄電池中的粘合劑。
[0010] 一些加工者已經(jīng)盡力開發(fā)工藝，其通過使用聚四氟乙烯（PTFE)和使粘合劑細(xì)纖 維化以便創(chuàng)建自支撐膜。加載自支撐膜的活性材料然后被壓到集電器上以制成電極。PTFE 在鋰離子陽極電位是不穩(wěn)定的，因此，它的使用被限制到陰極粘合劑的使用。其它的加工者 已經(jīng)盡力使用基于水的粘合劑，以創(chuàng)建鋰電極結(jié)構(gòu)。他們難于徹底干燥電極以防止水氣與 鋰鹽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而不利地影響因而得到的蓄電池的性能。
[0011] 因而，制造鋰離子蓄電池的優(yōu)選方法典型地包括對于至少一個(gè)電極的基于溶劑的 方法，其滿足高要求的性能需要，同時(shí)還滿足高要求且嚴(yán)格的壽命需要（通過呈現(xiàn)到基礎(chǔ) 材料的足夠附著力）。然而，由于與處理、回收、以及最終處置這些對環(huán)境造成問題的溶劑的 相關(guān)聯(lián)成本，加工鋰離子和其它基于溶劑的電極的成本可能是過大的。
[0012] 因此，希望設(shè)計(jì)一種用于制造電極的無溶劑的方法和設(shè)備。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明提供一種用于制造電極的方法和設(shè)備，并且更特別地，用于形成鋰離子 (Li-ion)蓄電池中的鋰電化學(xué)電池。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種用于制造電極的無溶劑系統(tǒng)包括：用于傳送基底通 過系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)；由將第一層涂布到基底的第一裝置所組成的第一涂布區(qū)域，其中，第一層由 活性材料混合物和粘合劑組成；以及粘合劑包括熱塑性材料和熱固性材料中至少一個(gè)；以 及系統(tǒng)包括被設(shè)置以加熱第一層的第一加熱器。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種加工電極的無溶劑方法，包括：傳送基底通過傳送機(jī) 構(gòu)，將由活性材料混合物和粘合劑所組成的第一層涂布到基底，其中，粘合劑包括熱塑性材 料和熱固性材料中至少一個(gè)，以及利用第一加熱器加熱第一層。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的又一方面，一種在其上存儲包括指令的計(jì)算機(jī)程序的計(jì)算機(jī)可讀存 儲介質(zhì)，當(dāng)所述指令由計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)使得計(jì)算機(jī)：經(jīng)由傳送機(jī)構(gòu)使得基底被傳送通過電極 制造系統(tǒng)，經(jīng)由第一加熱器加熱基底，以及使得第一層被涂布到基底上，第一層由活性材料 混合物和粘合劑組成，以及粘合劑包括熱塑性材料和熱固性材料中至少一個(gè)。
[0017] 根據(jù)以下詳細(xì)描述和圖，各種其它的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 附圖圖示了目前預(yù)期用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
[0019] 在圖中：
[0020] 圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例用于在一個(gè)電極基底上形成活性電極材料的系統(tǒng) 部件。
[0021] 圖2圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例用于將基礎(chǔ)層涂布到電極基底以及將活性材料的 一個(gè)或者多個(gè)電極層涂布于此的步驟。
[0022] 圖3圖示了具有通過使用本發(fā)明實(shí)施例具有在其上形成電極的基礎(chǔ)層。
[0023] 圖4圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例用于在電極基底的兩側(cè)上形成活性電極材料的系 統(tǒng)部件。
[0024] 圖5圖示了具有通過使用本發(fā)明實(shí)施例在電極基底的兩側(cè)上形成電極的基礎(chǔ)層。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，用于能量存儲裝置（例如，鋰離子蓄電池）的電極通過使用 無溶劑的方法和設(shè)備來制造。
[0026] 圖1圖不了一種系統(tǒng)100,其用于通過在基底102的一側(cè)上沉積粘合劑和活性電極 材料來制造電極（在完成的電極中也稱為集電器）。在一個(gè)示例中，基底102可以包括作為 陽極集電器的銅或者作為陰極集電器的鋁。在另一個(gè)示例中，陽極集電器是包括例如鋼的 合成物。作為其它的示例，基底102還可以包括但不限于鍍鎳鋼，碳纖維的合成物，二氧化 錫（Sn02)，并且可以是例如沖孔的實(shí)體片材或者膨脹的合成物（即，具有穿孔，其供基底自 由膨脹（open expansion)用，以減少重量或者允許更高的機(jī)械或材料載荷）。然而，本發(fā)明 不因此受限并且根據(jù)本領(lǐng)域所已知的，可以使用任何基底或者收集器材料來形成具有其它 活性材料的電極?；钚圆牧匣蛘呋钚圆牧匣旌衔锇ǖ幌抻谘趸佷嚕↙T0)、氧化鈷、氧 化鎳、氧化錳、氧化錳鎳鈷、磷酸鐵、氧化鐵、碳、以及硅。
[0027] 基底102被傳送通過傳送機(jī)構(gòu)或者具有傳送心軸106的軋輥系統(tǒng)104,其提供用于 基底102的材料并且由相對旋轉(zhuǎn)的引導(dǎo)心軸108來引導(dǎo)。在本發(fā)明的實(shí)施例中，基底102 可以是單塊電極，或者可以是其連續(xù)的傳送?；?02被傳送通過第一涂布區(qū)域110和通 過第二涂布區(qū)域112,在傳送時(shí)，可以包括粘合劑、活性材料、以及導(dǎo)電材料的混合物被涂布 或者以別的方式噴涂到基底102上。在涂布區(qū)域110, 112內(nèi)，和/或如將進(jìn)一步被描述的 在通過那里之后加熱，以便于影響電極材料的粘合和形成。基底通過第二組引導(dǎo)心軸114， 所述心軸朝向收集心軸116引導(dǎo)基底，在那里活性電極材料被粘合。根據(jù)本發(fā)明，第二組引 導(dǎo)心軸114可以被設(shè)計(jì)成具有在操作過程中在其之間維持的空間或者間隙，以便于將在其 上具有電極的基底102壓緊到最后期望和一致的厚度。
[0028] 第一涂布區(qū)域110包括用于將第一層涂布到基底102的裝置118,所述裝置包括被 配置成將第一或者基礎(chǔ)層的材料混合物噴涂120到基底102上的噴涂機(jī)構(gòu)（例如，噴槍或 者引起噴涂的其它已知的裝置）。通常，雖然第一涂布區(qū)域110被描述為具有噴涂機(jī)構(gòu)或 者槍，以便于將材料涂布到基底上，并且這被圖示為"噴涂120"，但是預(yù)期的是，任何機(jī)構(gòu)可 以用來涂布材料，作為示例，包括噴繪、刷、粉末涂覆、使用流化床、刮刀、或者用碎布擦。實(shí) 際上，在所描述的該以及所有隨后的涂布區(qū)域中，預(yù)期的是，噴槍或者其它已知的噴涂裝置 可以被利用來將第一和隨后的層涂布到基底102,或者如上所述，任何機(jī)構(gòu)可以用來涂布材 料，并且術(shù)語"噴涂"可以被應(yīng)用到用來將液體涂布到表面的任何機(jī)構(gòu)或者工具。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明，裝置或者噴涂機(jī)構(gòu)118使得噴涂120以在近似2和20psi之間射出。 根據(jù)本發(fā)明，噴涂120包括粘合劑、導(dǎo)電碳、和活性電極材料的混合物。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，粘 合劑包括熱塑性或者熱固性材料，其在一個(gè)實(shí)施例中是聚偏二氟乙烯（PVDF)，在噴涂120 中其在總材料重量的6-85%之間變化。然而，本發(fā)明不因此受限，并且例如可以使用與1% 一樣低或者100%-樣高的粘合劑水平。此外，本發(fā)明不限于PVDF，而是可以包括本領(lǐng)域中 已知的任何粘合劑，包括：根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例和如所述的，熱塑性和熱固性材料。正如本 領(lǐng)域已知的，熱塑性塑料是一種聚合物，其超過某一溫度變得易彎，并且在冷卻時(shí)恢復(fù)成固 體。相反的以及也如本領(lǐng)域所已知的，熱固性材料在固化工藝過程中形成不可逆的化學(xué)粘 合，其在熔化時(shí)損壞（并且在冷卻時(shí)不改良）。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，作為示例，粘合劑可 以是PVDF或其任何衍生物，或者PTFE或其任何衍生物。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，在粘 合劑中可以包括非常高分子量的聚乙烯材料，從而增加粘合劑的結(jié)構(gòu)完整性。如本領(lǐng)域所 已知的，可以包括導(dǎo)電碳，以便于引起或者增強(qiáng)電極內(nèi)顆粒間的電連接。
[0030] 噴涂120還可以通常包括4-8%的導(dǎo)電碳，包括例如71丨明[?￡乂(0)1?6(1'頂1?乂是瑞 士 Timcal SA的注冊商標(biāo)）的石墨（雖然根據(jù)本發(fā)明可以使用導(dǎo)電碳的量增長到17%或者 更高并且直到例如40% )。噴涂120的平衡％是活性電極材料，其包括但不限于LT0、氧化 鈷、氧化鎳、氧化錳、氧化錳鎳鈷、磷酸鐵、氧化鐵、碳、以及硅。作為一個(gè)示例，按重量，噴涂 120包括13%的粘合劑和8%的導(dǎo)電碳、以及噴涂120的平衡是79%的活性材料。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明，在第一涂布區(qū)域110內(nèi)的基底102上所沉積的噴涂120被加熱，以便 于開始第一層混合物到基底102的粘合。在一個(gè)實(shí)施例中，加熱器122被設(shè)置與裝置118 相對并且向加熱器122提供足夠的功率，以升高基底的溫度到近似100° F和500° F之 間，并且在一個(gè)實(shí)施例中到300° F。然而，在另一個(gè)實(shí)施例中，加熱器124被設(shè)置，以加熱 基底102的一個(gè)表面，該表面與噴涂120所涂布的基底102的表面相對。還在該實(shí)施例中， 加熱器124被供能，以升高基底的溫度到近似100° F和500° F之間，并且在一個(gè)實(shí)施例 中到300° F。在一個(gè)實(shí)施例中，在基礎(chǔ)層通過第一涂布區(qū)域110之后，還可以經(jīng)由加熱器 126向基礎(chǔ)層加熱，至少直到第一層可見熔化，或者開始流動(dòng)或者潤濕，在這之后，第一層可 以在涂布電極材料的隨后層之前被允許冷卻。由此，根據(jù)本發(fā)明，電極材料的第一層或者基 礎(chǔ)層被涂布到基底102,并且在那里的粘合經(jīng)由一個(gè)或者兩個(gè)加熱器122、124開始。通過使 用加熱器126,基礎(chǔ)層的粘合劑還可以完全熔化，以便于使得基礎(chǔ)層熔化并且均勻地形成在 基底102上。加熱器122、124、和126可以通過任何數(shù)量的已知機(jī)構(gòu)來加熱。例如，作為示 例，加熱器122-126可以包括紅外線（IR)加熱器、對流式加熱器、導(dǎo)電式加熱器、輻射式加 熱器（例如，IR光譜外側(cè)）、或者感應(yīng)式加熱器。
[0032] 加熱器122/124和加熱器126通常用于不同的目的。例如，加熱器122/124提供指 向基底102的熱量，以便于使得與基底102接觸的粘合劑材料熔化和流動(dòng)并且堅(jiān)固地附著 到基底102。在另一方面，加熱器126通常目標(biāo)在于加熱和使得形成基礎(chǔ)層的主要噴涂材料 流動(dòng)。以此方式，根據(jù)本發(fā)明，熱量可以被提供給基底102的任一側(cè)，并且加熱器122和124 可以相對于裝置118設(shè)置在不同位置，這取決于例如噴涂120中粘合劑量的因素。由此，不 同類型的加熱器可以用于待進(jìn)行加熱的不同期望類型。例如，加熱器122和/或124可以 是主要使得基底102加熱的感應(yīng)式加熱器，同時(shí)加熱器126可以是IR、對流式、或者輻射式 加熱器。在另一個(gè)示例中，一個(gè)或者所有加熱器（122和/或124和126)是IR加熱器。實(shí) 際上，根據(jù)本發(fā)明，可以使用加熱器的任何組合，這取決于待進(jìn)行加熱的期望類型（基板一 涂布材料層）。
[0033] 正如本領(lǐng)域已知的，通常期望的是，最大化電極內(nèi)活性材料的量。由此，然而，還期 望的是，在第一涂布區(qū)域110中噴涂到基底102上的基礎(chǔ)層中獲得充分粘合的限制準(zhǔn)則下， 最小化用在噴涂120中的粘合劑的量。所噴涂材料120的第一層的粘合不僅由加熱器的類 型、所獲得的溫度等來影響，而且還由存在于噴涂120中的粘合劑、導(dǎo)電碳、以及活性材料 的量來影響。正如現(xiàn)有技術(shù)中已知的，顆粒尺寸可以基于待形成的電極類型來主動(dòng)選擇，并 且可以從與納米尺寸顆粒一樣低到幾百微米以及更大的范圍變化。顆粒尺寸還可以在整個(gè) 電極的深度改變。由此，活性材料的顆粒尺寸不僅影響可以沉積在基礎(chǔ)層中的活性材料的 量，而且還可以影響粘合劑的量以及為開始基礎(chǔ)層粘合而加的熱量。
[0034] 根據(jù)本發(fā)明，裝置118可以包括具有施加靜電荷到那里的噴槍，以便于將噴涂120 中的顆粒朝向基底102引導(dǎo)和加速。已知的噴涂機(jī)構(gòu)包括典型地最接近噴槍118的噴嘴 128施加的靜電荷，以便于從噴嘴128射出的顆粒被給予電荷，從而使得在噴嘴128和基底 102之間形成靜電電壓差。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，施加到噴嘴128的靜電電壓是25kV，然而，本 發(fā)明不因此受限并且可以施加任何電壓，在25kV以上或者以下，根據(jù)本發(fā)明，以便于噴涂 120均勻地涂布到基底102。電壓差可以通過將噴涂120所指向的基底102的區(qū)域接地來 增強(qiáng)。因?yàn)槭够?02連續(xù)通過第一涂布區(qū)域110,所以直接使基底102接地可能是不方便 的。因此，根據(jù)本發(fā)明，可以設(shè)置基底102在其上通過的支撐結(jié)構(gòu)130。支撐結(jié)構(gòu)130是靜 止的并且與基底102電連接，由此，基底102的接地可以通過提供附著到支撐結(jié)構(gòu)130的接 地線132來發(fā)生。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，可以包括多個(gè)接地線（由第二接地線134來代表，但是 根據(jù)本發(fā)明可以包括許多），以便于使基底102在最接近噴涂120撞擊其上的地方更均勻接 地。
[0035] 系統(tǒng)100包括第二涂布區(qū)域112,其使得第二層沉積到基底102上。第二涂布區(qū)域 112包括裝置136(例如，噴槍或者引起噴涂的其它已知裝置，如所描述的），其使得噴涂138 朝向基底102并落在或者撞擊到在第一涂布區(qū)域110中所涂布的第一層上。因?yàn)榕c最初的 基礎(chǔ)層到基底102的附著力比較，從一個(gè)電極層到下一個(gè)電極層的附著力趨于更容易地獲 得，所以用于第二和任何隨后的電極層的噴涂138典型地包括更少的粘合劑。由此，根據(jù)本 發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，噴涂138包括按重量80-90%的活性材料（包括但不限于LT0、氧化鈷、 氧化鎳、氧化錳、氧化錳鎳鈷、磷酸鐵、氧化鐵、碳、以及硅），按重量4-8%的導(dǎo)電碳，以及作 為粘合劑（在一個(gè)實(shí)施例中的PVDF)的平衡。然而，本發(fā)明不因此受限，并且例如在第二電 極層（以及任何隨后的層）中的粘合劑水平也可以與1%-樣低或者與100%-樣高。實(shí) 際上，根據(jù)本發(fā)明，在第一層中和在涂布于此的第二及隨后的層中，可以包括任何組分及其 百分比的活性材料和粘合劑。
[0036] 根據(jù)本發(fā)明，可以包括向基底102提供熱量的一個(gè)或者兩個(gè)加熱器140。然而，因 為基底102已經(jīng)具有在其上源自第一涂布區(qū)域110的基礎(chǔ)層，加熱器140可以不是必須的， 因?yàn)榛A(chǔ)層也提供待形成的熱絕緣壁壘。同樣，可以不包括加熱器140,因?yàn)橐粋€(gè)電極層到 下一個(gè)電極層的粘合可以更有效，并且來自加熱器142的熱量可以足以使得來自噴涂138 的隨后的電極材料熔化并且在其可見熔化時(shí)流動(dòng)。
[0037] 加熱器140 (如果使用）和142可以根據(jù)任何數(shù)量的已知方法提供熱量，作為示 例，包括IR加熱器、對流式加熱器、輻射式加熱器、或者感應(yīng)式加熱器。此外，裝置136還可 以包括具有噴嘴144的噴涂機(jī)構(gòu)，靜電荷（例如，25kV)也可以被施加到所述噴嘴。涂布區(qū) 域112可以包括支撐146和一個(gè)或者多個(gè)接地線148,用于增強(qiáng)噴涂138到之前所涂布的基 礎(chǔ)層上的沉積。
[0038] 根據(jù)本發(fā)明，系統(tǒng)100包括計(jì)算機(jī)150,其具有計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)和已經(jīng)在其上 存儲包括經(jīng)由控制器152執(zhí)行控制命令的指令的計(jì)算機(jī)程序。以此方式，可以使得控制器 152如本領(lǐng)域所已知的以及如根據(jù)以上操作所描述的控制噴涂站、加熱器以及軋輥機(jī)構(gòu)的 操作。
[0039] 圖1中系統(tǒng)100的操作可以在如圖2中所圖示的框圖200內(nèi)的一組步驟中被概述。 在步驟202時(shí)開始，傳送基底材料204,并且在步驟206時(shí)，粘合劑、導(dǎo)電碳、以及活性材料的 第一層或者基礎(chǔ)層被涂布到基底上。在步驟208時(shí)，對基底的無噴涂側(cè)面加熱，以及如所述 的，可以包括直接與步驟206時(shí)的噴涂位置相對并同時(shí)與此相關(guān)的加熱器，和/或在使得基 底通過基礎(chǔ)層被涂布的區(qū)域或者區(qū)段之后，可以對基底的無噴涂側(cè)面加熱?？梢匀缓笤诓?驟210加熱噴涂側(cè)面，在這之后，在基底上形成第一層。在步驟212時(shí)，粘合劑、導(dǎo)電碳、以 及活性材料的第二層被噴涂到第一層。如所述的，無噴涂側(cè)可以利用直接與第二噴涂區(qū)域 相對的、或者如由圖1的加熱器140所代表的隨后于此的加熱器來加熱。還可以對噴涂側(cè) 216施加熱量，以便于使得第二層的粘合劑熔化和流動(dòng)。如所暗指的，隨后的層可以通過重 復(fù)所描述的工藝被涂布到電極層。也就是說，參考圖1，可以在系統(tǒng)100內(nèi)包括（通常無限 制）例如第二涂布區(qū)域112的附加噴涂站，以便于增加附加層。由此，在步驟218,如果附加 層是期望的220,框圖200圖示了返回222,以便于可以增加隨后的層。換句話說，返回222 不代表物理上返回通過第二涂布區(qū)域112的部分，只代替地圖示系統(tǒng)100在其設(shè)計(jì)中可以 包括很多噴涂站，以便于獲得最后的期望厚度。
[0040] 還如所暗指的，每個(gè)隨后的噴涂站可以包括不同數(shù)量的粘合劑、導(dǎo)電碳、以及活性 材料的噴涂混合物，這取決于期望的最后電極的設(shè)計(jì)。正如現(xiàn)有技術(shù)中所已知的，在一個(gè)示 例中可以期望的是，在電極的深度內(nèi)具有顆粒尺寸的梯度，其中，最小的活性材料顆粒最靠 近基底以及最大的活性材料顆粒朝向電極的外表面。相反，可能期望的是，最接近基底具有 較大顆粒以及朝向電極的外表面具有較小顆粒?；蛘撸梢云谕氖牵谡麄€(gè)電極上具有均 勻的活性材料顆粒尺寸。這些設(shè)計(jì)通常在本領(lǐng)域內(nèi)被理解并且所有的設(shè)計(jì)可以根據(jù)本發(fā)明 的實(shí)施例來形成。也就是說，每層的厚度以及每層內(nèi)的顆粒尺寸可以被選擇和控制，因?yàn)樵?電極形成過程中增加隨后的層以便于在電極內(nèi)獲得活性材料的期望顆粒尺寸梯度。
[0041] 可以存在若干優(yōu)點(diǎn)：能夠在電極中建立不同材料顆粒尺寸或者具有不同的活性材 料的非晶型層。在一個(gè)示例中，與利用給定粘合劑通過溶劑澆鑄方法處理的單個(gè)、雙峰或者 三峰顆粒尺寸分配所建立的電極比較，將更靠近于集電器的較大顆粒尺寸、以及由于電極 厚度遠(yuǎn)離集電器建立的較小顆粒尺寸進(jìn)行分層可以更多地考慮更高的功率和更高的能量 密度與循環(huán)壽命。所描述的工藝也在必要時(shí)考慮改變粘合劑和導(dǎo)電添加物，以對于給定涂 布優(yōu)化電極的性能。這將使電極活性材料基質(zhì)從非晶型變成具有優(yōu)秀界面導(dǎo)電性的或多或 少的分離層。
[0042] 分層而不導(dǎo)致界面電阻的該能力對于傳統(tǒng)的基于溶劑的技術(shù)和其它已知的方法 是明顯的改進(jìn)。在本發(fā)明中所描述的分層方法是使得界面電阻不如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所 希望的那樣顯而易見。實(shí)際上，電阻或者阻抗低于所希望的，從而證實(shí)了所公開的方法比涂 布活性材料到集電器的基于溶劑的方法更好并且是對現(xiàn)有技術(shù)的明顯改進(jìn)。
[0043] 現(xiàn)在參考圖3,電極300包括與圖1的基底102對應(yīng)的基底302。電極300包括在 粘合劑304中的一層或者多層活性材料混合物以及，如所述的，可以包括其整個(gè)厚度306上 的顆粒厚度梯度。電極300還可以具有通過選擇性地涂布合適數(shù)量的層以及通過如圖1中 所圖示的當(dāng)成品通過引導(dǎo)心軸114時(shí)壓緊基底和層來控制的總厚度308。因此根據(jù)本發(fā)明， 可以制造最后的單側(cè)電極厚度為〇. 0005"到0. 015"或者更大。實(shí)際上，在原理上不限制電 極厚度是多薄或者多厚。就厚度而言，可以獲得與單個(gè)活性材料尺寸一樣薄的層。就厚度 而言，限制僅僅基于涂布站的數(shù)量并且也許基于束縛于電化學(xué)性能的基本限制。
[0044] 以上參考圖1和2所描述的原理可以被應(yīng)用，以便于制造兩側(cè)電極。也就是說，基 底可以通過系統(tǒng)，在所述系統(tǒng)中，噴涂被涂布到基底和隨后層的兩側(cè)，以便于導(dǎo)致在基底的 每一側(cè)上建立的活性材料?，F(xiàn)在參考圖4,在雙側(cè)涂覆系統(tǒng)400中，可以使得基底102移動(dòng) 通過第一雙側(cè)涂覆站402,以在基底102的每側(cè)上噴涂初始層。系統(tǒng)400包括加熱器404和 圖示為可以使用的第二噴涂站406,連同與各個(gè)噴涂站406對應(yīng)的附加加熱器408。換句話 說，與圖1的系統(tǒng)一樣，可以在系統(tǒng)400內(nèi)包括多個(gè)噴涂站，以便于在建立雙側(cè)電極過程中 形成多個(gè)隨后的層。系統(tǒng)400可以在基底的一側(cè)或者兩側(cè)上包括加熱器410,其使得基底 被預(yù)加熱并且借此在對每一側(cè)的基礎(chǔ)層噴涂之前增強(qiáng)對基底的加熱，借此增強(qiáng)基礎(chǔ)層到基 底102的附著力。噴涂機(jī)構(gòu)412可以包括或者不包括靜電荷，并且也可以包括一個(gè)或者多 個(gè)相應(yīng)的接地線414。根據(jù)本發(fā)明，加熱器410和噴涂站412可以彼此交錯(cuò)和偏離，或者被 設(shè)置成使得加熱器410中一個(gè)與噴涂站412中一個(gè)相對，并且加熱器410中另一個(gè)與噴涂 站412中另一個(gè)相對。第二噴涂站406同樣包括噴涂機(jī)構(gòu)416,其可以或者不可以被靜電控 制，以及經(jīng)由到基底的接地線接地（在噴涂站406中未示出）。
[0045] 以此方式，雙側(cè)電極500可以被形成具有基底102并在其上形成的第一活性材料 層502及第二活性材料層504。就如單側(cè)實(shí)施例一樣，顆粒尺寸梯度和整個(gè)厚度可以通過在 每個(gè)噴涂站內(nèi)使用合適的顆粒尺寸和使用壓緊心軸418來控制。因此根據(jù)本發(fā)明，可以制 造最后的雙側(cè)電極厚度為〇. 0010"到〇. 030"或者更大。
[0046] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，金屬帶154可以被增加到例如圖1的系統(tǒng)100的涂覆系統(tǒng)。金 屬帶可以伸出基底越過的系統(tǒng)的長度。也就是說，代替使用獨(dú)立的支撐結(jié)構(gòu)130和146,可 以設(shè)置單個(gè)帶，以增強(qiáng)基底穿過時(shí)噴涂區(qū)域中的接地。當(dāng)使用較少的導(dǎo)電材料（例如，薄金 屬、復(fù)合結(jié)構(gòu)、稀松組織、泡沫狀、或者無紡基底）時(shí)，這可以具有特別的興趣。同時(shí)，當(dāng)小批 次（small run)大量電極是期望的，而鋼帶在位時(shí)，機(jī)器可以反轉(zhuǎn)以建立電極活性材料厚 度或者使不同的活性材料可能分層，從而增強(qiáng)最后的電化學(xué)性能。使用帶機(jī)的另一個(gè)好處 是：通過使用該方法使得活性材料的自支撐膜被制成，以使得這些膜可以用在其它應(yīng)用中， 其中，對基底或者集電器的強(qiáng)粘合不如產(chǎn)品設(shè)計(jì)中所必須的強(qiáng)烈。帶機(jī)也將考慮根據(jù)電極 類型更快地變換。
[0047] 雙重涂覆可以通過將活性材料同時(shí)涂布到兩側(cè)（S卩，圖4)或者通過由轉(zhuǎn)動(dòng)或者倒 轉(zhuǎn)輸送帶（web)重復(fù)單側(cè)涂覆（即，再次行進(jìn)通過圖1的實(shí)施例，其中，基底102相反側(cè)被 涂覆）來獲取，并且無論以垂直或者水平方式以及重復(fù)涂布區(qū)段或者回到涂布區(qū)段。也就 是說，雖然圖1和4圖圖示了正交通過地球重力場，但是根據(jù)本發(fā)明基底可以與重力場共線 通過。換句話說，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，用于涂覆的系統(tǒng)可以在垂直方向中驅(qū)動(dòng)基底。完成 相同操作的其它方法將形成具有更多站點(diǎn)的較長機(jī)器，或者在相同方向經(jīng)過輸送帶時(shí)再次 纏繞和展開，或者在機(jī)器上使輸送帶收回以節(jié)省空間。鋰離子電極因此被制造而無需溶劑， 其作用與按照慣例通過使用溶劑工藝制成電極一樣。電極可以以任何厚度、密度以及利用 任何已知的活性材料來制成。
[0048] 此處所圖示的工藝不限于非常薄的電極。完成的電極厚度在0.0005"到超過 0. 015"的范圍（單側(cè)的，以及近似地使雙側(cè)電極的厚度翻倍）并且更厚的電極是可能的，其 僅僅通過分層站的數(shù)量限制到某個(gè)程度。此外，該工藝不限于蓄電池電極，而且可以延伸到 以類似方式加工分離器層，從而實(shí)現(xiàn)在接近正好及時(shí)遞送能力的一條線上加工全電池。 [0049] 電極密度還可以是可調(diào)節(jié)的和可控制的。溶劑澆鑄電極典型地包括壓印以獲得或 改進(jìn)性能。根據(jù)本發(fā)明，壓印和不壓印電極可以根據(jù)該工藝來制造，而在性能上沒有明顯不 同。溶劑澆鑄系統(tǒng)通常目標(biāo)是在壓印后30-40 %的開口結(jié)構(gòu)，并且利用循環(huán)和聚合物溶劑化 的松弛將使多孔結(jié)構(gòu)回到50%的范圍。然而，此處所圖示的工藝在需要或者無需二次壓印 的情況下創(chuàng)建了從15%到50%的多孔結(jié)構(gòu)。在利用電解質(zhì)添加物溶化之后不必壓印和經(jīng) 歷松弛，由此改善整個(gè)循環(huán)壽命。此外，相對于溶劑澆鑄系統(tǒng)，降低了在活性材料的內(nèi)部結(jié) 構(gòu)中粘合劑的量。在溶劑澆鑄系統(tǒng)中，聚合物粘合劑常常進(jìn)入活性材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。然而， 所描述的工藝保持大多數(shù)粘合劑在活性材料外側(cè)上，從而導(dǎo)致當(dāng)與溶劑澆鑄系統(tǒng)相比較時(shí) 活性材料更高的利用性。
[0050] 在溶劑澆鑄線中，溶劑（通常地，N-甲基吡咯烷酮（NMP)，或者丁酮（MEK)，或者其 它已知溶劑）典型地增加到活性材料并且然后以不使得鑄造電極破裂或者壓碎的速率去 除。這典型地包括大量的干燥爐和溶劑回收系統(tǒng)。有時(shí)候，溶劑被用作燃料的一部分以加 熱爐子。任何方式，去除溶劑的要求引起了對于相當(dāng)長的干燥爐（> 200英寸）以及其它 化學(xué)處理裝備的需求。在澆鑄工藝中消除溶劑還減少了在合適的通風(fēng)時(shí)間是不可得到時(shí)污 染電解質(zhì)和電池的可能性。
[0051] 最后，此處所描述的工藝不改變現(xiàn)在的蓄電池化學(xué)性質(zhì)。使用和在傳統(tǒng)的基于溶 劑的方法中相同的粘合劑、活性材料以及導(dǎo)電添加物，而不需要任何其它的所添加原料。也 就是說，就電阻、功率、以及衰減速率而言，電極性能可與在基于溶劑的系統(tǒng)中所形成的蓄 電池進(jìn)行比較。
[0052] 所公開的方法和設(shè)備的技術(shù)貢獻(xiàn)在于，它提供執(zhí)行干燥、無溶劑的方法的計(jì)算機(jī)， 以及用于制造電極的設(shè)備，并且更特別地，涉及一種用于加工或者創(chuàng)建鋰離子（Li-ion)蓄 電池中鋰電化學(xué)電池的方法和設(shè)備。
[0053] 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解：本發(fā)明的實(shí)施例可以與在其上存儲計(jì)算機(jī)程序的計(jì) 算機(jī)可讀存儲介質(zhì)接口并被其控制。計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)包括多個(gè)組件，例如，一個(gè)或者多 個(gè)電子組件、硬件組件、和/或計(jì)算機(jī)軟件組件。這些組件可以包括一個(gè)或者多個(gè)計(jì)算機(jī)可 讀存儲介質(zhì)，其通常存儲例如軟件、固件和/或匯編語言的指令，用于執(zhí)行一個(gè)或者多個(gè)實(shí) 現(xiàn)過程或者順序?qū)嵤├囊粋€(gè)或者多個(gè)部分。這些計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)通常是非瞬態(tài)的 和/或有形的。這種計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)的示例包括計(jì)算機(jī)和/或存儲裝置的可記錄數(shù) 據(jù)存儲介質(zhì)。計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)可以利用例如一個(gè)或者多個(gè)磁的、電的、光的、生物的、 和/或原子的數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)。此外，這種介質(zhì)可以采用以下形式，例如，軟盤、磁帶、⑶-ROM、 DVD-ROM、硬盤驅(qū)動(dòng)器、和/或電子存儲器。未列出的其它形式的非瞬態(tài)和/或有形的計(jì)算 機(jī)可讀存儲介質(zhì)可以與本發(fā)明的實(shí)施例一起使用。
[0054] 許多這樣的組件可以在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)被組合或者分開。此外，這樣的組件可以包括 一組和/或系列利用許多編程語言中的任何一個(gè)來寫入或者實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)指令，正如將由 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的。另外，例如載波的其它形式計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可以用來包含 代表指令序列的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)信號，所述指令序列在由一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)使得一個(gè)或 者多個(gè)計(jì)算機(jī)執(zhí)行一個(gè)或者多個(gè)實(shí)現(xiàn)過程或者順序?qū)嵤├囊粋€(gè)或者多個(gè)部分。
[0055] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，一種用于制造電極的無溶劑系統(tǒng)包括：用于傳送基底 通過系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)；由將第一層涂布到基底的第一裝置所組成的第一涂布區(qū)域，其中，第一層 由活性材料混合物和粘合劑組成；以及粘合劑包括熱塑性材料和熱固性材料中至少一個(gè)； 以及系統(tǒng)包括被設(shè)置以加熱第一層的第一加熱器。
[0056] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，一種加工電極的無溶劑方法，包括：傳送基底通過傳 送機(jī)構(gòu)，將由活性材料混合物和粘合劑所組成的第一層涂布到基底，其中，粘合劑包括熱塑 性材料和熱固性材料中至少一個(gè)，以及利用第一加熱器加熱第一層。
[0057] 根據(jù)本發(fā)明的又一方面，一種在其上存儲包括指令的計(jì)算機(jī)程序的計(jì)算機(jī)可讀存 儲介質(zhì)，當(dāng)所述指令由計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)使得計(jì)算機(jī)：經(jīng)由傳送機(jī)構(gòu)使得基底被傳送通過電極 制造系統(tǒng)，經(jīng)由第一加熱器加熱基底，以及使得第一層被涂布到基底上，第一層由活性材料 混合物和粘合劑組成，以及粘合劑包括熱塑性材料和熱固性材料中至少一個(gè)。
[0058] 該書面描述使用示例來公開本發(fā)明，包括最佳方式，以及還使本領(lǐng)域任何普通技 術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制成和使用任何設(shè)備或者系統(tǒng)并且執(zhí)行任何具體的方法。本 發(fā)明可專利的范圍由權(quán)利要求來限定，并且可以包括被本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所想到的其它 示例。如果其它示例具有不同于權(quán)利要求中的字面語言的結(jié)構(gòu)元件，或者如果其它示例包 括與權(quán)利要求中的字面語言無實(shí)質(zhì)區(qū)別的等同結(jié)構(gòu)元件，這些其它示例將在所要求權(quán)利的 范圍中。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于制造電極的無溶劑系統(tǒng)，包括： 用于傳送基底通過系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)； 第一涂布區(qū)域，其由將第一層涂布到基底的第一裝置組成，其中： 第一層由活性材料混合物和粘合劑組成；以及 粘合劑包括熱塑性材料和熱固性材料中至少一個(gè)；以及 第一加熱器，其被設(shè)置以加熱第一層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的無溶劑系統(tǒng)，其中，第一加熱器被設(shè)置，以加熱基底的一個(gè)表面， 該表面與第一層所涂布的基底的表面相對。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的無溶劑系統(tǒng)，其中，第一加熱器被設(shè)置，以加熱第一涂布區(qū)域內(nèi)基 底的表面并且同時(shí)第一裝置將第一層涂布到基底。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2的無溶劑系統(tǒng)，其中，第一加熱器被設(shè)置，以在第一層涂布到基底后 加熱基底的表面。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2的無溶劑系統(tǒng)，包括：第二加熱器，其被設(shè)置以在第一層涂布到基底 后加熱第一層。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的無溶劑系統(tǒng)，其中，第一和第二加熱器中至少一個(gè)是紅外線（I R) 加熱器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的無溶劑系統(tǒng)，包括： 第二涂布區(qū)域，其由將第二層涂布到第一層的第二裝置組成，其中，第二層由活性材料 混合物和粘合劑組成；以及 第三加熱器，其被設(shè)置以加熱第二層。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的無溶劑系統(tǒng)，包括：第三裝置，其被設(shè)置在第一涂布區(qū)域內(nèi)，第三 裝置被配置成將第三層涂布到基底的表面，該表面與第一層所涂布的基底的表面相對。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1的無溶劑系統(tǒng)，其中，粘合劑由聚偏二氟乙烯（PVDF)組成。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1的無溶劑系統(tǒng)，其中，第一層由導(dǎo)電添加物組成。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的無溶劑系統(tǒng)，其中，導(dǎo)電添加物包括碳。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1的無溶劑系統(tǒng)，其中，第一層粘合劑按重量在從1-100%范圍變化。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的無溶劑系統(tǒng)，其中，第一層粘合劑按重量在從3-5%范圍變化。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1的無溶劑系統(tǒng)，其中，活性材料混合物包括氧化鈦鋰（LTO)、氧化 鈷、氧化鎳、氧化錳、氧化錳鎳鈷、磷酸鐵、氧化鐵、碳、以及硅中一種。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1的無溶劑系統(tǒng)，其中，基底是銅、鋁和鋼中一種。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1的無溶劑系統(tǒng)，其中，第一裝置是靜電噴槍。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1的無溶劑系統(tǒng)，其中，當(dāng)?shù)谝谎b置將第一層涂布到基底時(shí)，至少一 個(gè)接地線與基底電耦合。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1的無溶劑系統(tǒng)，其中，用于傳送基底的機(jī)構(gòu)是包括至少一個(gè)心軸的 軋輥組件，所述心軸用于在基礎(chǔ)層和電極層已經(jīng)被涂布于此后壓緊基底。
19. 一種加工電極的無溶劑方法，包括： 傳送基底通過傳送機(jī)構(gòu)； 將由活性材料混合物和粘合劑組成的第一層涂布到基底，其中，粘合劑包括熱塑性材 料和熱固性材料中至少一個(gè)；以及 利用第一加熱器加熱第一層。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的無溶劑方法，包括： 利用第二加熱器加熱第一層； 將隨后的活性材料和粘合劑涂布到第一層，以形成第二層；以及 利用第三加熱器加熱第二層。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20的無溶劑方法，其中，加熱步驟中至少一個(gè)是紅外線（I R)加熱。
22. 根據(jù)權(quán)利要求19的無溶劑方法，其中，粘合劑由聚偏二氟乙烯（PVDF)組成。
23. 根據(jù)權(quán)利要求19的無溶劑方法，其中，活性材料包括氧化鈦鋰（LTO)、氧化鈷、氧化 鎳、氧化錳、氧化錳鎳鈷、磷酸鐵、氧化鐵、碳、以及硅中一種。
24. 根據(jù)權(quán)利要求19的無溶劑方法，包括：利用第一加熱器加熱基底第一側(cè)上的基底， 并且將第一層涂布到與第一側(cè)相對的基底的第二側(cè)上，其中，利用第一加熱器加熱和涂布 第一層同時(shí)進(jìn)行。
25. -種在其上存儲包括指令的計(jì)算機(jī)程序的計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，當(dāng)所述指令由計(jì) 算機(jī)執(zhí)行時(shí)使得計(jì)算機(jī)： 經(jīng)由傳送機(jī)構(gòu)使得基底被傳送通過電極制造系統(tǒng)； 經(jīng)由第一加熱器加熱基底；以及 使得第一層被涂布到基底上，第一層由活性材料混合物和粘合劑組成，以及粘合劑包 括熱塑性材料和熱固性材料中至少一個(gè)。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25的計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其中，進(jìn)一步地使得計(jì)算機(jī)： 經(jīng)由第二加熱器加熱第一層； 使得第二層被涂布到第一層上，第二層由活性材料和粘合劑組成；以及 經(jīng)由第三加熱器加熱第二層。
27. 根據(jù)權(quán)利要求25的計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其中，計(jì)算機(jī)進(jìn)一步地使得：利用第一加 熱器加熱基底同時(shí)將第一層涂布到基底上。
28. 根據(jù)權(quán)利要求25的計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其中，計(jì)算機(jī)進(jìn)一步地使得：在將第一層 涂布到基底上后經(jīng)由第一加熱器加熱基底。
【文檔編號】H01M10/04GK104303343SQ201380025238
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年5月6日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月16日
【發(fā)明者】邁克爾·大衛(wèi)·艾斯克拉, 寶拉·瑪格麗特·羅爾斯頓, 羅德尼·莫特森·拉福萊特, 詹姆斯·伯納德·努瓦科斯基 申請人:艾斯克拉技術(shù)產(chǎn)品公司