用于電池活性材料制造應(yīng)用的高固體百分比漿料的材料噴霧沉積的裝置的制造方法
【專利說(shuō)明】用于電池活性材料制造應(yīng)用的高固體百分比漿料的材料噴霧沉積的裝置
[0001]發(fā)明背景發(fā)明領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明的實(shí)施例大體而言涉及大容量能量?jī)?chǔ)存器件及用于制造大容量能量?jī)?chǔ)存器件的方法及裝置。更具體而言，公開用于形成電池活性材料的高固體百分比漿料的材料噴霧沉積的方法及裝置。
[0003]相關(guān)技術(shù)的描述
[0004]諸如鋰-離子(L1-離子)電池這樣的大容量能量?jī)?chǔ)存器件使用于愈來(lái)愈多的應(yīng)用中，包括可攜式電子設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、運(yùn)輸、并網(wǎng)大型能量?jī)?chǔ)存、再生能量?jī)?chǔ)存及不斷電電源供應(yīng)器(uninterruptible power supply ；UPS) ο
[0005]L1-離子電池通常包括陽(yáng)極電極、陰極電極及定位在陽(yáng)極電極與陰極電極之間的隔片。鋰儲(chǔ)存在電極中的活性材料中。L1-離子電池的正電極中的活性電極材料通常選自鋰過(guò)渡金屬氧化物:諸如LiMn204、LiCo02、LiFeP04、LiNi02S Ni氧化物、Li氧化物、Μη氧化物及Co氧化物的組合，且包括諸如碳或石墨這樣的導(dǎo)電顆粒及黏合劑材料。石墨及介相碳微粒(meso carbon micro bead ；MCMB)通常用作負(fù)電極的活性電極材料，所述活性電極材料具有近似10 μ m的平均直徑。層夾鋰MCMB或石墨粉末分散在聚合黏合劑基質(zhì)中。用于黏合劑基質(zhì)的典型聚合物包括聚偏氟乙稀(Polyvinylidene fluoride ;PVDF)、苯乙稀-丁二稀橡膠(Styrene-Butadiene Rubber ;SBR)、竣甲基纖維素(Carboxymethyl cellulose ；CMC)。聚合黏合劑用來(lái)將活性材料粉末黏合在一起以避免裂紋形成且防止集電器的表面上的活性材料粉末的崩解，并且用于良好黏著至基板。聚合黏合劑的量可在2重量％至30重量％的范圍內(nèi)。L1-離子電池的隔片通常由諸如聚乙烯炮沫的微孔聚烯烴聚合物制作，且在分開的制造步驟中予以施加。
[0006]對(duì)于大多數(shù)能量?jī)?chǔ)存應(yīng)用而言，能量?jī)?chǔ)存器件的充電時(shí)間及容量為重要的參數(shù)。另外，此類能量?jī)?chǔ)存器件的大小、重量及/或費(fèi)用可為顯著的限制。
[0007]用于制造用于能量?jī)?chǔ)存器件的陽(yáng)極電極及陰極電極的一種方法主要基于將陰極活性材料或陽(yáng)極活性材料的黏性溶劑基粉末漿料混合物狹縫涂覆至導(dǎo)電集電器上繼的以長(zhǎng)時(shí)間加熱以形成干燥鑄造片料。需要緩慢的干燥工藝以避免厚涂層中的裂紋，且因此所需的干燥器的長(zhǎng)度非常長(zhǎng)。在蒸發(fā)溶劑的干燥之后的電極的厚度最終由壓縮或壓延來(lái)確定，所述壓縮或壓延調(diào)整最終層的密度及孔隙率。黏性漿料的狹縫涂覆為極其依賴于漿料的調(diào)配物、形成及均勾度(homogenat1n)的發(fā)展成熟的制造技術(shù)。所形成的活性層對(duì)干燥工藝的速率及熱細(xì)節(jié)極其敏感。
[0008]除其它之外，此技術(shù)的問(wèn)題及限制為緩慢且昂貴的干燥部件，所述緩慢且昂貴的干燥部件在每分鐘5米至40米的涂覆速度下需要大占地面積(例如，高達(dá)70米至90米長(zhǎng))，且需要用于蒸發(fā)的揮發(fā)性成分的精密收集及再循環(huán)系統(tǒng)。這些成分中許多為另外需要精密消除系統(tǒng)的揮發(fā)性有機(jī)化合物。此外，這些類型的電極的所得電導(dǎo)率亦限制電極的厚度且因此限制電池組電池的能量密度。
[0009]因此，此項(xiàng)技術(shù)中需要用于制造大容量能量?jī)?chǔ)存器件的大批量、成本有效的制造工藝及裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本文所述的實(shí)施例包括材料噴霧沉積系統(tǒng)，所述系統(tǒng)至少包括基板輸送系統(tǒng)及電極形成溶液分配器。在一個(gè)實(shí)施例中，一種用于在基板的表面上沉積電池活性材料的裝置包括:基板輸送系統(tǒng)；材料噴霧組件，安置在所述基板輸送系統(tǒng)上方；及第一加熱元件，鄰接于所述材料噴霧組件而安置在所述基板輸送系統(tǒng)上方。
[0011 ] 在另一實(shí)施例中，所述噴霧沉積為電噴霧。
[0012]在另一實(shí)施例中，一種使用于在基板的表面上沉積電池活性材料的裝置中的材料電噴霧組件包括:歧管，其中形成有多個(gè)噴嘴；至少一個(gè)虛擬噴嘴，形成于在所述歧管中形成的所述多個(gè)噴嘴中；及提取板，耦接至所述歧管，其中所述提取板進(jìn)一步包含形成在所述提取板中的多個(gè)孔，所述多個(gè)孔與形成在所述歧管中的噴嘴對(duì)準(zhǔn)。
[0013]在又一實(shí)施例中，一種用于在基板的表面上沉積電池活性材料的方法包括:將來(lái)自材料電噴霧分配器組件的電池活性材料沉積至基板上，所述基板安置在基板輸送系統(tǒng)中；及通過(guò)多個(gè)加熱器來(lái)加熱安置在所述基板上的沉積材料，所述多個(gè)加熱器鄰接于所述材料電噴霧分配器組件而安置在所述基板輸送系統(tǒng)上方。所述基板可以在所述基板輸送系統(tǒng)中連續(xù)供應(yīng)的腹板形式，或?yàn)榻?jīng)由所述基板輸送系統(tǒng)移動(dòng)的多個(gè)離散基板之一。
[0014]在另一實(shí)施例中，所述嗔嘴的尖端涂覆有疏水性涂層。
[0015]附圖簡(jiǎn)單說(shuō)明
[0016]為了可詳細(xì)理解本發(fā)明的上述特征，可參閱實(shí)施例獲得以上簡(jiǎn)要概述的本發(fā)明的更具體描述，其中一些實(shí)施例圖示于附圖中。然而，應(yīng)注意，附圖僅圖示本發(fā)明的典型實(shí)施例，且因此不應(yīng)將附圖視為對(duì)本發(fā)明范圍的限制，因?yàn)楸景l(fā)明可允許其它同等有效的實(shí)施例。
[0017]圖1A至圖1D為根據(jù)本發(fā)明的不同實(shí)施例的用于在基板上形成電池活性材料層的材料噴霧沉積系統(tǒng)的裝置的示意圖；
[0018]圖2A為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例用于分配電池活性材料層的安置在圖1A至圖1D中繪示的材料噴霧沉積系統(tǒng)中的材料噴霧分配器組件的示意圖；
[0019]圖2B為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例用于分配電池活性材料層的在圖2A中繪示的材料噴霧分配器組件的仰視圖；
[0020]圖3為根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例用于在基板上形成電池活性材料層的其中安置有邊緣環(huán)的材料噴霧分配器組件的示意圖；
[0021]圖4為根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例用于在基板上形成電池活性材料層的其中安裝有傾斜噴嘴的材料噴霧分配器組件的示意圖；
[0022]圖5為根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例用于在基板上沉積電池活性材料層的其中安置有傾斜板的材料噴霧分配器組件的示意圖；及
[0023]圖6A至圖6B為根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例在用于在基板上形成電池活性材料層的材料噴霧分配器組件中使用的噴嘴的橫截面視圖。
[0024]為促進(jìn)理解，在可能的情況下已使用相同元件符號(hào)來(lái)指示諸圖共享的相同元件。設(shè)想在一個(gè)實(shí)施例中公開的元件可有利地使用于其它實(shí)施例而無(wú)需贅述。
[0025]具體描述
[0026]本文所述的方法及裝置包括材料噴霧沉積系統(tǒng)，所述材料噴霧沉積系統(tǒng)至少包括基板輸送系統(tǒng)及材料沉積噴霧組件，所述材料沉積噴霧組件安置成鄰接基板輸送系統(tǒng)。材料噴霧組件包括噴嘴，所述噴嘴經(jīng)設(shè)置來(lái)沉積具有良好的中心至邊緣厚度一致性、穿過(guò)膜厚度的良好的均質(zhì)性的材料，且能實(shí)現(xiàn)快速沉積速率。材料噴霧沉積系統(tǒng)在自高固體含量電極形成溶液來(lái)沉積使用于諸如電池活性材料層這樣的電極結(jié)構(gòu)的一或多個(gè)材料層中尤其有用。
[0027]圖1A至圖1D為根據(jù)本發(fā)明的不同實(shí)施例用于在基板上沉積電池活性材料層的材料噴霧沉積系統(tǒng)的示意圖。設(shè)想諸如電極形成溶液的本發(fā)明的方面適合于在其它噴霧沉積系統(tǒng)中使用。圖1A繪示材料噴霧沉積系統(tǒng)100，其中材料電噴霧分配器組件110安置在基板輸送系統(tǒng)101上方。基板輸送系統(tǒng)101中可安置有一或多個(gè)基板102。基板102的頂部界定沉積表面104，所述沉積表面鄰接材料電噴霧分配器組件110而傳遞以使得材料能夠噴霧至基板102上?；?02可為襯墊、箔、薄板、膜、帶或腹板的形式。例如，基板輸送系統(tǒng)101可經(jīng)設(shè)置來(lái)同時(shí)移動(dòng)多個(gè)離散基板102穿過(guò)材料噴霧沉積系統(tǒng)100，或移動(dòng)腹板形式的單個(gè)基板101。在圖1A至圖1D中繪示的實(shí)施例中，基板102可為自具有大體上自約6μηι至約50 μm的范圍內(nèi)的厚度的金屬箔制造的帶或腹板的形式。在一個(gè)實(shí)施例中，基板102為腹板形式的鋁箔。
[0028]基板輸送系統(tǒng)101包括供應(yīng)卷筒108、至少一個(gè)輸送滾軸106及視需要拉緊卷筒111。輸送滾軸可視需要經(jīng)加熱以幫助干燥基板102上的沉積材料。含有基板102的至少一部分的供應(yīng)卷筒108纏繞在芯109上。將基板102自供應(yīng)卷筒108送至輸送滾軸106以暴露基板102鄰接材料電噴霧分配器組件110的沉積表面104?？蓪⒒?02疊接至其自身來(lái)形成連續(xù)腹板，使得基板102的給定區(qū)域可在材料電噴霧分配器組件110下方傳遞多次，直至已在基板102上沉積所需厚度的材料為止?；蛘?，基板102可自供應(yīng)卷筒108送入且如虛線所示收集在拉緊卷筒111上之前于材料電噴霧分配器組件110下方傳遞單次。
[0029]供應(yīng)卷筒108是可自基板輸送系統(tǒng)101移除的，以在必要時(shí)有助于裝載含有用于處理的基板材料的另一供應(yīng)卷筒。一旦在基板102上形成具有所需厚度的沉積材料，則可替換供應(yīng)卷筒108。在處理之后，若未使用分開的拉緊卷筒111，則可將基板102重繞在供應(yīng)卷筒108上以用于自基板輸送系統(tǒng)101移除。
[0030]使用電噴霧工藝，材料電噴霧分配器組件110用于例如將沉積材料噴霧沉積在基板102上。沉積在基板102上的沉積材料可為電池活性材料層。更具體而言，在圖1中繪示的實(shí)施例中，材料電噴霧分配器組件110定位在基板102上方且經(jīng)設(shè)置來(lái)將沉積材料(亦即，電極形成溶液112)