專利名稱：利用噴射的電池活性鋰材料的原位合成與沉積的制作方法
技術領域：
本發明實施例大致關于鋰離子電池，更明確地，關于利用薄膜沉積工藝制造上述電池的方法。
背景技術：
充電快速、高容量的能量儲存裝置(諸如，超級電容與鋰(Li)離子電池)被用于數目漸增的應用中，包括便攜式電子產品、醫療裝置、運輸工具、并網大型能量儲存器、可再生能量儲存器、及不間斷電源供應器(UPS)。現代可充電能量儲存裝置中，集電器是由導電體所制成。正集電器(陰極)的材料實例包括鋁、不銹鋼與鎳。負集電器(陽極)的材料實例包括銅(Cu)、不銹鋼與鎳(Ni)。上述集電器形狀可為箔、膜或薄板，該箔、膜或薄板的厚度通常在約6至50 μ m之間。通常的鋰離子電池是由電解液或固體聚合物電解質所分隔的碳陽極與鋰金屬氧化物或磷酸鹽陰極所組成，電解液由有機溶劑(例如，碳酸乙烯酯)中的鋰鹽(諸如，LiPF6、LiBF4或LiClO4)所組成，而固體聚合物電解質(例如，聚氧化乙烯)與鋰鹽錯合和/或由液態電解質所填充。陰極材料通常選自鋰過渡金屬氧化物，諸如LiMn204、LiCo02、LiNi02、或N1、L1、Mn與Co氧化物的組合，且包括導電微粒(諸如，碳或石墨)及粘合劑材料。陰極材料被視為鋰-嵌合化合物，該鋰-嵌合化合物中導電材料數量范圍在約0.1%至約15%重量百分比。可將陰極材料以糊狀物施加至導電板電極并在熱滾輪間擠壓，或是作為溶液或漿狀物而噴涂在導電板電極上，并將得到的基板干燥以移除液態載體。石墨經常被用來作為陽極材料，且形式可為由直徑約ΙΟμπι的MCMBs所構成鋰-嵌合中-碳微粒(MCMB)粉末。將鋰-嵌合MCMB粉末散布于聚合粘合劑基質中。粘合劑基質的聚合物由熱塑性聚合物(包括具有橡膠彈性的聚合物)所構成。聚合粘合劑用以將MCMB材料粉末粘合在一起以排除破裂形成并避免集電器表面上MCMB粉末碎裂。聚合粘合劑數量范圍在約0.5%至約15%重量百分比之間。聚合物/MCMB混合物可作為糊狀物施加并在熱滾輪間擠壓，或以液態溶液施加，并將得到的基板干燥以移除溶劑。某些L1-離子電池利用由微孔聚烯烴聚合物(例如，聚乙烯泡棉)所制成的分隔板，該分隔板在單獨的制造步驟中應用。分隔板通常填充有上述的液態電解質以構成完成的電池。隨著薄膜L1-離子電池應用持續成長，亟需更小、更輕且可更具成本效益地制造的薄膜L1-離子電池。
發明內容
本文所描述的實施例提供了用于在基板上形成電化學層的裝置。該裝置具有第一處理級，該第一處理級帶有液體前驅物源、霧化氣體源、和耦接至第一分配器的干燥能量源。接近第一分配器的收集級具有固體容器。第二處理級具有接近收集級的第二分配器，以及耦接至第二分配器的活化能量源。
本文所述的一些實施例提供了用于在基板上沉積電化學層的裝置，該裝置具有干燥臺、收集臺、和合成臺。該干燥臺具有熱噴頭及耦接到干燥臺的混合位置的液體前驅物源和霧化氣體源、將混合位置和干燥位置分隔開的霧化孔、耦接到干燥位置的化學或熱干燥能量源、以及接近干燥位置的輸出孔。該收集臺具有旋風分離器和漏斗，且該旋風分離器的切向給料點接近該干燥臺的輸出孔。旋風分離器的固體輸出部分接近所述漏斗，且電能源可耦接至該旋風分離器的壁。合成臺具有等離子體噴嘴，該等離子體噴嘴的入口耦接到漏斗的出口且耦接到等離子體形成氣體源，且電能源耦接到該等離子體噴嘴。一些實施例中，火焰噴嘴可用來代替等離子體噴嘴。添加劑管嘴位于和等離子體噴嘴的出口相距經定義距離的位置。其他實施例包括通過以下步驟在基板上形成電化學層的方法:使用連續干燥工藝由液體前驅物形成前驅物粉末、通過在等離子體或燃燒工藝中將前驅物粉末和氧反應來由前驅物粉末形成電化學前驅物、在流中朝向基板分配電化學前驅物、增加聚合物粘合劑到該流中以形成沉積混合物、以及將沉積混合物沉積到基板上。附圖簡單說明為了更詳細地了解本發明的上述特征，可參照實施例(某些描繪于附圖中)來理解簡短概述于上的本發明的更為特定的描述。然而，需注意附圖僅描繪本發明的典型實施例而因此不被視為限制本發明的范圍，因為本發明可允許其他等效實施例。
圖1是根據一實施例的L1-離子電池的示意圖。圖2是總結根據一實施例的方法的流程圖。圖3是根據一實施例的薄膜形成設備的示意橫剖面圖。圖4是根據另一實施例的薄膜形成設備的示意橫剖面圖。圖5A是根據另一實施例的薄膜形成設備的示意平面圖。圖5B是用于圖5A中的裝置中的固體收集裝置的示意橫剖面圖。為了促進理解，盡可能應用相同的元件符號來標示圖示中相同的元件。預期一實施例公開的元件與特征可有利地用于其他實施例而不需特別詳述。
具體實施例方式本文所公開的實施例大致提供在基板上形成薄膜的方法與設備。一實施例中，薄膜可為薄膜電池(諸如，L1-離子電池或超級電容器件)的電化學薄膜。將電化學前驅物或電化學前驅物的混合物提供至處理腔室，能量被施加至該處理腔室以使得前驅物或前驅物混合物處于高溫狀態。高溫將電化學前驅物轉換成電化學活性納米晶體，該電化學活性納米晶體在基板表面上形成層或薄膜。圖1是根據本文所述實施例電連接至負載101的L1-離子電池100的示意圖。L1-離子電池100的基本功能部件包括配置于相對集電器111與113之間的區域中的陽極結構102、陰極結構103、分隔層104及電解質(未顯示)。可利用多種材料作為電解質，例如有機溶劑或聚合基質(聚合基質也可由有機溶劑所浸透)中的鋰鹽。電解質在集電器111與113之間形成的區域中存在于陽極結構102、陰極結構103、分隔層104中。陽極結構102與陰極結構103各自作為L1-離子電池100的半-單元，并一起形成L1-離子電池100的完整運作單元。陽極結構102包括集電器111與第一含電解質材料110(例如，保留鋰離子的碳基嵌合基質材料)。同樣地，陰極結構103包括集電器113與保留鋰離子的第二含電解質材料112 (例如，金屬氧化物)。集電器111與113由導電材料(例如，金屬)所構成。某些實例中，分隔層104 (可為介電、多孔、流體-可穿透的層)可用來避免陽極結構102與陰極結構103中的部件直接電接觸。L1-離子電池100的陰極側或正電極上的電化學活性材料可包括含鋰金屬氧化物，諸如鋰鈷二氧化物(LiCoO2)或鋰錳二氧化物(LiMnO2)15含電解質材料可由在正電極上形成層狀的氧化物類鋰鈷氧化物、橄欖石類鋰鐵磷酸鹽或尖晶石類鋰錳氧化物(LiMn2O4)所構成。非-鋰實施例中，示例性陰極可由TiS2 (二硫化鈦)所構成。示例性含鋰氧化物可為一或多層的鋰鈷氧化物、或混合的金屬氧化物，諸如LiNixCo1^MnyO2、例如，可具有按化學量計高達約10%的過量鋰的LiMn2O415示例性磷酸鹽可為鐵橄欖石(LiFePO4)與其變體(例如，[LixFe1JyMgPO4)、LiMoPO4' LiCoPO4' Li3V2 (PO4) 3、LiVOPO4' LiMP2O7 或 LiFe1.5P207。示例性氟磷酸鹽可為 LiVPO4F,LiAlPO4F,Li5V (PO4) 2F2,Li5Cr (PO4) 2F2,Li2CoPO4F 或 Li2NiPO4F0 示例性硅酸鹽可為Li2FeSi04、Li2MnSi04、或Li2VOSiO415示例性非-鋰化合物是Na5V2 (PO4) 2F3。L1-離子電池100的陽極側或負電極上的電化學活性材料可由上述的材料(即，散布于聚合物基質中的石墨微珠)所構成。此外，可與石墨微珠共同使用或取代石墨微珠來使用硅、錫或鈦酸鋰(Li4Ti5O12)微珠來提供導電核心陽極材料。在將干燥操作和合成操作解分離的過程和裝置中，如上所述的陰極材料可由液體前驅物形成。圖2是總結根據一實施例的方法200的流程圖。方法200能夠用來在基板上形成電化學劑(諸如，上述的電化學活性材料、陰極和/或陽極材料)層。如上參照圖1所述，基板可具有一表面，該表面包括電池結構的導電集電器。舉例而言，基板可具有鋁電極表面。在步驟202，通過管道提供第一前驅物至第一處理裝置。在一個實施例中，第一處理裝置可為噴射裝置或分配器。第一前驅物可包括在溶液中的一種或多種電化學前驅物。該溶液可以是金屬鹽或 其他金屬溶質的水溶液，該其他金屬溶質可包括可混溶的含碳液體，例如酒精。諸如糖的含碳溶質也可溶解在溶液中。如下文中將進一步描述的，含碳液體和固體可有益地添加碳到沉積在基板上的電化學活性材料中。該溶液可通過與諸如氬氣、氦氣、氮氣、空氣、氧氣、烴、或前述氣體混合物的并流，經過第一處理裝置的小開口而霧化。為了適當的霧化，溶液通常將具有低粘度，例如約IOcP或更小。第一前驅物可為金屬硝酸鹽Mx (NO3) y的水溶液，其中X和y取決于金屬M的天然原子價。金屬M可以是鋰、鎂、鎳、鈷、鈦、鑰;、鐵、鈉、或鉻,且第一前驅物可包括多種金屬。可代替硝酸鹽使用，或進一步附加使用上述金屬其他的鹽，例如有機鹽。在一個實施例中，可使用一種或多種羧酸鹽，例如，甲酸鹽、醋酸鹽、或酒石酸鹽。包括多種金屬鹽的前驅物可通過以期望劑量混合各個金屬鹽的標準溶液來制得。例如，IM的LiNO3可添加至IM的Ni (NO3) 2，IM的Mn (NO3) 2，和/或IM的Co (NO3)2,或其他金屬的標準溶液。在一些實施例中，過量的鋰，例如在約1%過量和約15%過量之間，例如約10%過量，可被用于改善所沉積的電化學層的性能。例如，330ml的IM的LiNO3可與各IOOml的Ni (NO3) 2，Mn (NO3) 2，和Co (NO3) 2的IM溶液混合以形成水性基料。可通過將碳混合在有機化合物中來添加碳，有機化合物可以是包括氧或氫、或糖的溶劑，它們均溶解在水中或是和水相互混溶。可被使用的有機溶劑的例子是異丙醇、乙二醇、丙二醇。鹿糖是示例的糖。草酸二酰肼(又名草酸酰肼oxalic acid hydrazide),以及尿素，是可被使用的其他溶質。前驅物混合物可以是，按重量計，在約80%和約100%之間的水性基料，在約0%和約17%之間的有機溶劑、和按重量計在約0%和約5%之間的糖。示例性的電化學前驅物包括85%的水性基料，10%的異丙醇，和5%的糖。在步驟204，能量被施加到第一處理裝置中的第一前驅物以形成粉末狀的電化學前驅物，粉末狀的電化學前驅物可包括溶解在第一前驅物中的電化學前驅物的納米晶體。第一處理裝置可為火焰噴頭、熱空氣噴頭、或等離子體噴頭。使用火焰噴頭，第一前驅物同可燃氣體(例如甲烷或乙炔)還有氧源(例如空氣或氧氣)流入噴嘴。該可燃氣體點燃，釋放能量到第一前驅物中，第一前驅物通常被霧化，將液體從第一前驅物蒸發掉，并結晶化所溶解的溶質。可使用惰性氣體(例如氮氣、氬氣、或氦氣)，或使用反應氣體的其中一種(例如可燃氣體、氧氣源、或可燃氣體和氧氣源的組合可燃混合物)來將溶液霧化。第一處理裝置通常通過蒸發或反應掉第一前驅物中的液體載質來干燥電化學前驅物，將電化學前驅物結晶化為粉末。在第一處理裝置中執行的氧化反應被執行為，添加期望量的能量到干燥或結晶過程，但不氧化電化學前驅物。在多數情況下，少于1%的電化學前驅物將在第一處理裝置中同氧氣反應。第一前驅物中的含碳物質可提供不同的結果。除了任何反應氣體外，包括在第一前驅物中的含碳液體也可氧化，來增加能量至干燥操作。非晶碳微粒可形成，且可同源自火焰噴頭的粉末狀晶體相混合。另外，第一前驅物中的含碳溶質可結晶化、或形成非晶微粒、或形成二者的混合物，同粉末中的電化學前驅物在一起。如下文將進一步討論的，添加碳到晶體中可在處理期間以及最終沉積的薄膜的性能方面提供優勢。可另選的，可在噴頭中將熱空氣同第一前驅物混合來完成干燥。熱空氣可用于霧化第一前驅物，或者第一前驅物可使用如上所述的惰性氣體來霧化，且然后和熱空氣混合。第一前驅物中的任何含碳液體可在暴露于熱空氣時氧化，在粉末中留下碳。等離子體噴頭也可被用于將第一前驅物轉化為粉末。第一前驅物被霧化到等離子體噴頭的活化腔室中，在該腔室中電能量，例如DC或RF，被耦合到霧化的前驅物中。電能量可增加第一前驅物的溫度以結晶化該電化學溶質，或可將例如碳氫化合物氣體的反應材料添加到混合物以釋放能量并進一步提高混合物的溫度。第一前驅物中的含碳物質同樣地導致碳加入到等離子體噴射處理所得的粉末中。一般而言，在提供第一前驅物之前，建立給噴頭的能量源、火焰、等離子體、或熱空氣。在火焰噴射實施例中，用氧氣源來點燃可燃氣體，然后把第一前驅物霧化到所建立的火焰中。在熱空氣實施例中，在霧化前驅物的流動開始之前，建立熱空氣的流動。在等離子體噴射實施例中，使用到等離子體噴頭中的惰性氣體流來形成等離子體，然后開始前驅物混合物的流動。增加到第一處理裝置的第一前驅物的流，直至輸入到第一前驅物中的能量達到所需來完成期望處理，例如干燥，的下限。在連續的干燥處理中，可通過調整第一前驅物到第一處理裝置的流來控制干燥的程度。可通過調節可燃氣體和氧氣源的流、或可燃氣體和氧氣源的流的比例、或通過調節熱空氣的流或溫度，來控制能量輸入。通常通過高能處理來移除濕氣。第一前驅物被加熱到200° C或更高的溫度，來揮發液體并結晶化溶質。可由第一處理裝置內的閥門或孔來增加通過第一處理裝置的壓降以促進蒸發。可通過高能噴射處理來完全地干燥粉末，或者，如果期望，某些水汽可留待噴射后揮發。微粒大小可由處理溫度和霧化流來控制。通常，更細的霧化和更高的溫度產生更小的晶體。在第一處理步驟中，通常優選的是避免大程度地氧化金屬溶質。第一處理步驟的溫度因此通常低于大約800° C。在更高的激烈處理中，可形成納米晶體。在噴射后，粉末通常被維持在200° C或更高的溫度以完成干燥并防止水汽的聚集以及干燥后的結塊。在步驟206，使用收集裝置收集通過施加能量至第一前驅物所形成的微粒。粉末的收集允許粉末被存儲、轉運、或饋送到合成裝置以用于沉積到基板上。進一步的干燥也可在收集裝置中完成。收集裝置還可被密封以防止收集后水汽侵入。收集裝置可以是旋風分離器，或其他離心分離器，或漏斗，任何這些收集裝置可被靜電增強。粉末被從第一處理裝置分配到收集裝置的進料點。對于旋風分離器，第一處理裝置可被配置為將粉末分配到旋風分離器的切向給料點中。對于漏斗，粉末可被分配到漏斗的中央部分。可另選的，諸如旋風分離器的離心分離器可被配置成將所收集的粉末分配到漏斗中。在步驟208，所收集的粉末被饋送到第二處理裝置以合成電化學活性材料并將它們沉積到基板上。該粉末可與流態化的氣體混合以用于饋送到第二處理裝置中。含氧的氣體同粉末混合，且添加能量給混合物以開始氧氣和粉末的反應。該能量輸入可通過可燃氣體混合物的燃燒，或通過等離子體來完成。在等離子體實施例中，流態化氣體可以是諸如氬或氮的等離子體形成氣體。也可通過含碳氣體(例如烴)或通過液體(例如可攜帶含碳溶質的有機液體)將碳加入第二處理裝置中的反應混合物中。該含碳氣體或液體可在并行饋送時和粉末相混，或可通過獨立的路徑來提供。在一個實施例中，含碳氣體和可任選的惰性氣體可被用于流態化粉末以用于饋送給第二處理裝置。碳可有益于加入所沉積的陰極材料中作為所沉積層的粘合劑，且碳的導電性改善了薄膜性能。添加碳也可通過在微粒上形成小分子量的非晶碳涂層，防止在電化學材料微粒在高溫的合成操作期間揮發。該涂層控制輸入到微粒中的能量，從而合成反應在不蒸發電化學材料的情況下進行。第二處理裝置分配電化學活性材料的晶體或納米晶體的流，該電化學活性材料通式為LiNiwMnxCoyOz，其中W、x、y各自在大約.3和1.5之間，且z在大約1.5和2.5之間。其中第二處理裝置是等離子體噴頭，等離子體從該裝置射出，且在熱氣體和等離子體的流中夾帶有晶體。晶體可以在大約lm/sec和大約600m/sec之間的速度,例如大約100m/sec的速度，離開處理腔室，該流形成在大約0.1和1.5m之間，例如大約Im長度的等離子體射流。該基板通常被放在距離等離子體腔室大約0.1和1.5m之間的位置。在每一個處理級，含碳氣體(可為諸如甲烷、乙烷、乙炔、丙烷的碳氫化合物，或其他燃料)可被添加到第一或第二處理裝置，例如通過和霧化氣體相混，或獨立地提供至該裝置，以在需要情況下添加碳到該混合物，并控制處理級的能量釋放。除前驅物混合物中的碳，該含碳氣體可增加附加的碳，或者所有的碳可通過含碳氣體來添加。在火焰噴射、等離子噴射或熱空氣噴射實施例的任一個中，氧氣可同含碳氣體混合來提供更為高能化的反應。所沉積薄膜的總碳含量可通過調節含碳氣體的流率、電化學前驅物的碳成分、或二者，來加以控制。反應溫度也可通過調節含碳氣體和/或隨含碳氣體提供的氧氣的流率來加以控制。含氫的載體氣體也可被用于控制處理的溫度。取決于實施例，處理溫度通常被維持在約200° C和約2000° C之間。對于火焰噴射實施例，溫度通常被維持在約200° C和約1000° C之間，例如在約400° C和約800° C之間。對于等離子體噴射實施例，溫度通常被維持在約600° C和約2000° C之間，例如在約800° C和約1600° C之間，例如約900。Co當流向基板移動時，添加劑可在處理裝置外同晶體相混。通常提供添加劑以促進將電化學晶體粘合到基板上。添加劑可包括粘合劑，例如聚合物，以將晶體固持在基板的表面。粘合劑可具有某種導電性以改善所沉積層的性能。在一個實施例中，粘合劑是低分子重量的含碳聚合物，該聚合物以小于每納米晶體大約100聚合物分子的比例來提供。該低分子重量聚合物可具有小于大約3，000，000g/mol的平均摩爾重量，以促進將納米微粒附著到基板上。聚合物分子和晶體的這一比例提供了在晶體間的空間，且促進了附著而不會阻礙電子和離子基本自由流動通過所沉積層。添加劑通常作為液體(例如溶液、懸濁液、乳液)來提供。在一個實施例中，添加劑是水的乳液中的改性苯乙烯丁二烯橡膠(SBR)材料，該材料被噴射到離開處理腔室的晶體流中。粘合劑前驅物的流率通常是離開第二處理裝置的晶體的流率的約10%和約75%之間，例如大約20% ο如果添加劑被混合在晶體的流中，選擇混合位置以用于添加劑的能含量。晶體流中的殘余熱量蒸發溶劑或液體的持續相，釋放出添加劑以接觸晶體。在絕大多數此類情況中，在和第二處理裝置相距一定距離處提供添加劑，該距離是從第二處理裝置到基板的距離的大約60%和大約90%之間,例如在約70%和約80%之間。在步驟210，納米晶體與添加劑形成于基板上的沉積層中。最小量的添加劑占用納米晶體間的空隙以將納米晶體附著至薄膜，同時允許電子與離子自由流動通過沉積層。某些實施例中，在薄膜形成過程中加熱基板以在粘合劑及與納米晶體一同沉積的任何殘余碳硬化之前促進納米晶體的緊密配置。只要粘合媒介尚未變得過于抵抗移動，來自處理腔室的納米晶體的隨后碰撞可促進納米晶體的緊密配置。可改變電化學前驅物的構成以改變所沉積電化學活性層的構成。為了制得諸如LiMn2O4的尖晶石材料，例如，電化學前驅物可使用IOOmllM的LiNO3溶液和200mlIM的Mn (NO3) 2溶液，加以適量的含氧材料制得。可通過沉積富含鎳(例如約60 %重量或更多的鎳)的鋰基材料，來形成高容量層。相反，可通過沉積鎳含量相對低(例如小于約40%重量的鎳)的鋰基材料，來形成高穩定性層。富含鎳的材料較不穩定的原因是鎳趨向于和用于電池配方中的許多電解液反應。如上所述，該趨勢可通過圍繞著高容量核心形成高穩定性外殼來加以控制。在可另選實施例中，微粒可涂有除碳以外的材料以用于合成處理。可使用氧化鋁、氟化鋁、磷酸鋁、氫氧化鋁的涂層。鋁可被加到處理中作為烷基鋁，例如，三甲基鋁。氟可作為HF添加。磷可作為磷化氫PH3添加。通常在合成過程中電化學金屬氧化后的階段施加涂層材料。在一些實施例中，在基板上沉積晶體之前，可在每個晶體和該晶體的涂層之間形成外殼。可通過提供構成不同于上述的第一前驅物的電化學前驅物至第二處理裝置來形成外殼。所提供的用于形成外殼的材料通常是期望結晶化的電化學材料，從而外殼材料通常被提供在鄰近于或交迭于反應區的位置，該反應區將來自第一處理級的晶體同氧氣反應。例如，外殼材料可與被充入第二處理裝置的粉末相混合，從而外殼材料被暴露給第二處理級的能量，在沉積到基板上之前結晶化新形成的電化學晶體周圍的外殼材料。
在一個示例中，可提供外殼材料以在高容量、低穩定性、電化學核心上覆蓋高穩定性外殼，以防止核心和電解液之間的反應。高容量核心可以是具有提高的鎳容量的電化學混合物，其中高穩定性外殼可具有較低的鎳含量。核心的高鎳含量可能經受同某些電解質材料的化學反應。在高容量核心周圍形成較低鎳含量的外殼保持了核心的容量同時避免了這樣的化學反應。可通過調節晶體流離開分配器裝置的速度來控制所沉積薄膜的多孔性。增加速度通常降低薄膜的多孔性。晶體的大小可通過霧化的程度或干燥的劇烈度來控制。更細的霧化，例如通過增加霧化氣體的壓力，導致更小的微粒。圖3是根據一個實施例的裝置300的示意橫剖面圖。裝置300包括處理腔室302、基板支撐件304、和分配器306，在某些實施例中，分配器306可為根據某種所需圖案分配材料的配料器。 分配器306包括活化腔室308和噴嘴320，所活化的前驅物混合物通過該噴嘴320離開分配器。通過和前驅物源(未示出)相流體連同的第一源管道336，第一前驅物混合物被提供給活化腔室308，該前驅物源的特征可在于液體、漿狀、或旋濁前驅物的霧化器。該第一源管道336將第一前驅物混合物輸送至流控制器334，該流控制器334控制第一前驅物流動穿過第一前驅物輸送管道312，到活化腔室308中。噴嘴320攜載經活化的第一前驅物混合物從活化腔室308通過開口 318到接近噴嘴320末端的混合區322。活化腔室308中的第一前驅物被暴露給電場，該電場通過電能量源352被耦接到活化腔室308的內部310。盡管電源352在圖3的實施例中被示出為DC源，電源352可為RF或DC源。電絕緣體330可被設置在分配器306的壁上以將電能限定于激活腔室308。混合區322可為接近活化腔室308的封圍件或有限空間，該封圍件或有限空間被配置為當混合物反應時以期望圖案將氣體混合物引導向基板。在一個示例中，通過噴嘴320周圍的環狀路徑328提供第二前驅物(可包括碳、氧、或二者)。環狀路徑328被配置為，在所活化的第一前驅物離開噴嘴320時，以均勻的方式將第二前驅物流入所活化的第一前驅物。在前驅物流混合時，第一前驅物中的活化物質可與第二前驅物的成分反應，產生熱以促進納米晶體過程，且產生壓力以將活化的材料以具有散布圖案的納米晶體流朝外推。噴嘴320和混合區322的準確幾何形狀可被調整以實現任何期望的流圖案或混合方法。所設計的精確的混合方法可幫助控制到納米晶體內的熱轉移。例如，加入第一和第二前驅物的渦流的混合方法可有益于控制將來自混合區反應(包括燃燒反應)的熱應用于納米晶體。通過和第二前驅物源(未示出)流體連通的第二前驅物管道338，第二前驅物被輸送到混合區322。第二前驅物流動經過流控制器334，進入第二前驅物輸送管道314中，到達環狀路徑328。可通過自第三前驅物源管道340 (流體連通于第三前驅物源(未示出))流過流量控制器334的第三前驅物輸送管道316來輸送第三前驅物。第三管道324可具有配料頭，該配料頭被配置為以與基板上晶體流撞擊的圖案實質重迭的圖案來分配第三前驅物，從而晶體由第三前驅物固持于基板上。第三前驅物可為參考上述的粘合劑。應該注意的是，粘合劑通常不被添加到離開上文結合圖2所述的第一處理裝置的粉末中，所以在圖3的裝置被用于方法200的第一處理裝置的情況下，不提供第三前驅物。在圖3的裝置中，分配器306可相對于基板支撐件304移動以在設置在基板支撐件304上的基板的全體或大致部分上形成薄膜。這可通過移動分配器306、基板支持器304、或二者來完成。例如，分配器306可被配置為利用致動器而橫跨腔室302延伸與縮回。可另選的，或除此之外，基板支持器304可具有定位機構，例如344圖示的準確X — y平臺。排出氣體通過排氣口 330離開腔室302，排氣口 330可具有任何方便的配置。口330可為腔室302的壁中的單個開口(如圖3所示)，或者是多個這樣的開口，或者是圍繞腔室302周圍配置的周邊排氣通道。排氣口 330包括微粒捕捉器342，用于防止分配器306所產生的微粒到達真空泵和其他腔室302下游的處理設備。微粒捕捉器342可為任何適當的設備，例如過濾器或是渦流分離器。圖4是根據另一實施例的設備400的示意橫剖面圖。設備400在多數方面類似于圖3的裝置300。裝置400包括處理腔室402、基板支撐件404及分配器406 (某些實施例中，分配器406可為根據某些期望圖案分配材料的配料器)。分配器406包括霧化腔室408及噴嘴420，經霧化的前驅物混合物經由噴嘴離開分配器406。通過第一源管道436將第一前驅物混合物提供至霧化腔室408，第一源管道436流體連通于前驅物源(未顯示)。第一源管道436輸送第一前驅物混合物至流量控制器434，流量控制器434控制第一前驅物流動通過第一前驅物輸送管道412進入霧化腔室408。霧化氣體通常在第一前驅物輸送管道中和第一前驅物混合物相混。噴嘴420通過開口 418攜帶來自活化腔室408的經霧化的第一前驅物混合物至噴嘴420末端附近的能量輸入區域422。能量輸入區域422可為霧化腔室408附近的封圍件或有限空間，該封圍件或有限空間設置為以期待圖案引導氣體混合物。在一實例中，通過圍繞噴嘴420的環狀路徑428提供第二前驅物(可包括碳、氧或兩者，且可為可燃氣體混合物)。環狀路徑428設置為在經霧化的第一前驅物離開噴嘴420時將第二前驅物以均勻方式流入經霧化的第一前驅物。當前驅物流混合時，第二前驅物輸送能量到霧化的第一前驅物中以產生固體流，該固體流包括在第一前驅物中的溶質的混合物。。噴嘴420與混合區域422的準確幾何形狀可經調整以實現任何期望的流圖案或混合方法。如上結合圖2所指出的，第二前驅物也可為不可燃的熱氣體，例如熱空氣。藉由流體連通于第二前驅物源(未顯示)的第二前驅物源管道438將第二前驅物輸送至混合區域422。第二前驅物流過流量控制器434進入第二前驅物輸送管道414而到達環狀路徑428。可通過自第三前驅物源管道440 (流體連通于第三前驅物源(未顯示))流過流量控制器434的第三前驅物輸送管道416來輸送第三前驅物。第三管道424可具有配料頭，配料頭被設置為以與基板上納米晶體流撞擊的圖案實質重迭的圖案來分配第三前驅物，使得納米晶體由第三前驅物固持于基板上。像圖3的裝置300 —樣，如果圖4的裝置400被用作方法200的第一處理裝置，不提供第三前驅物給裝置400。圖4的設備中，分配器406可相對于基板支撐件404移動以在配置于基板支撐件404上的基板的全體、或實質部分上形成薄膜。這可藉由移動分配器406、基板支撐件404或兩者而實現。舉例而言，分配器406可被配置為利用致動器而橫跨腔室402延伸與縮回。可另選地，或附加地，基板支撐件404可具有定位機構，例如444圖示的準確χ-y平臺。排放氣體通過排氣口 430 (排氣口 430可具有任何方便的結構)離開腔室402。如圖4所示，排出口 430可為腔室402的壁中的單個開口，或者可為多個上述開口，或者可為圍繞腔室402周圍配置的周邊排氣通道。排氣口 430包括微粒捕捉器442，以避免分配器406所產生的微粒到達真空泵及腔室402下游的其他處理裝置。微粒捕捉器442可為任何適當的裝置，例如過濾器或渦流分離器。圖5A是用于在基板上形成電化學層的裝置500的示意圖。裝置500包括第一處理級502、收集級504、和第二處理級506。第一處理級502可為干燥裝置，且可包括熱或等離子噴頭。收集級504收集來自第一處理級的材料進入固體容器，并將該材料饋送給第二處理級506。第二處理級506 (可為合成裝置)向基板508分配材料以在基板508上形成電化學層。裝置500可被用于執行圖2的方法200。第一處理級502包括第一分配器510、第一前驅物源512、霧化氣體源514、和能量成分源516。第一前驅物源512、霧化氣體源514、和能量成分源516可類似于結合圖2所前述的第一前驅物。第一分配器510可基本類似于圖3和4中的裝置300或400的任一個。第一前驅物源502是液體，該液體和霧化氣體源514 —起，通過到能量輸入位置的霧化孔或開口而被饋送給第一分配器510中的混合位置。能量成分源516被饋送到能量輸入位置，以用于和霧化的第一前驅物源502相混合。第一處理部分502將由第一前驅物形成的粉末518分配到收集部分504中。收集部分504包括收集裝置520，收集裝置520可進一步包括固體容器522和給料器524。如上文結合圖2所述的，固體容器522可為例如旋風式的離心分離器，或是漏斗，且固體容器522可被靜電增強。例如，旋風分離器的外壁可被供電弱DC電壓，以促使粉末518的微粒附著到壁上，增強粉末和氣體的分離。如此分離的粉末可落入給料器524中，或直接落入管道中以饋送給第二處理部分506。如此，收集裝置520可包括分離器、給料器、或二者。圖5B是根據另一實施例的旋風分離器522A的橫剖面圖。示出分配器510將粉末518分配到分離器522A的切向給料點。固體被收集，并通過固體出口 545離開旋風分離器522A，且大部分氣體通過氣體出口 550離開。通過固體出口 545離開的固體可被收集在收集級504的給料器524中。在收集級504中所收集固體通過管道526被提供給第二處理部分506。可吹動氣體通過管道526以促進晶體粉末移動進入第二處理部分506。第二處理部分506包括第二分配器528，第二分配器528可大致類似于圖3的裝置300或圖4的裝置400，還包括第三分配器530，用于分配添加劑，以用于和離開第二分配器528的電化學晶體530共同沉積。用于添加劑的前驅物540被饋送至第三分配器538。第三分配器538通常被取向為將添加劑分配到和晶體530所沉積區域相同的區域上。如上所述地選擇將添加劑流插入晶體流，來從添加劑流中移除期望的量的液體。能量產生前驅物532和含氧前驅物534被提供給第二分配器528用于形成電化學晶體。該能量產生前驅物532可為等離子維持氣體,例如気氣、氦氣、或氫氣、或諸如任何上述的碳氫化合物的可燃氣體。圖5A的裝置500的特征在于兩個解耦聯的處理級，用于產生電化學活性材料以沉積到基板上。盡管可在單個處理級中將上述的電化學前驅物溶液直接轉化為電化學活性材料，但處理多種前驅物、添加劑、和能量提供前驅物會使分配器設計變得復雜。通過例如在第一級中干燥電化學前驅物且在合成級中合成電化學活性材料而解耦合，降低了分配器設計的復雜度和裝置的占用面積。 雖然上述內容是針對本發明的實施例，但可在不悖離本發明的基本范圍下設計出本發明的其他與更多實施例。
權利要求
1.一種用于在基板上形成電化學層的裝置，該裝置包括: 第一處理級，所述第一處理級帶有液體前驅物源、霧化氣體源、和耦接至第一分配器的干燥能量源； 靠近所述第一分配器的收集級，所述收集級包括固體容器；以及 第二處理級，所述第二處理級帶有靠近所述收集級的第二分配器，和耦接至所述第二分配器的活化能量源。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一分配器是熱噴頭且第二分配器是等離子體噴頭。
3.如權利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述干燥能量源是熱氣體或可燃氣體混合物。
4.如權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述固體容器是旋風分離器。
5.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一分配器是熱噴頭，所述第二分離器是等離子體噴頭，且所述固體容器是旋風分離器。
6.如權利要求5所述的裝置，其特征在于，所述熱噴頭位于接近所述旋風分離器的切向給料點的位置。
7.如權利要求5或6的裝置，其特征在于，所述第一處理級包括用于混合所述液體前驅物和所述霧化氣體的混合位置、所混合的前驅物和霧化氣體流過的霧化口、以及干燥位置，其中干燥能量源在該干燥位置中和霧化的液體前驅物相混合。
8.如權利要求7所述的裝置，其特征在于，還包括第三分配器，其中第二和第三分配器被取向為將兩個流相混在一起。
9.一種用于在基板上沉積電化學層的裝置，包括: 干燥臺，所述干燥臺包括:熱噴嘴以及耦接到混合位置的液體前驅物源和霧化氣體源、將所述混合位置和干燥位置分開的霧化孔、耦接到所述干燥位置的化學或熱干燥能量源、以及接近所述干燥位置的輸出孔； 收集臺，收集臺包括:旋風分離器和漏斗，以及耦接到所述旋風分離器的壁的電能源，所述旋風分離器的切向送料點接近所述干燥臺的輸出孔，所述旋風分離器的固體輸出部分接近所述漏斗； 合成臺，所述合成臺包括等離子體噴嘴，以及耦接到所述等離子體噴嘴的電能源，所述等離子體噴嘴帶有耦接到所述漏斗的出口且耦接到等離子體形成氣體源的入口 ；以及 添加劑噴嘴，所述添加劑噴嘴位于距離所述等離子體噴嘴預定距離處。
10.一種用于在基板上形成電化學層的方法，包括: 使用連續干燥處理由液體前驅物形成前驅物粉末； 通過在等離子體處理中將所述前驅物粉末和氧反應來從所述前驅物粉末形成電化學前驅物； 在流中朝基板分配所述電化學前驅物； 添加聚合物粘合劑到所述流以形成沉積混合物；以及 在所述基板上沉積所述沉積混合物。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述液體前驅物是金屬鹽的水溶液，所述水溶液包括鋰、鎳、鎂、鈷、鈦、和鐵的至少之一。
12.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述液體前驅物還包括碳。
13.如權利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述金屬鹽是硝酸鹽。
14.如權利要求10-12中任一項所述的方法，其特征在于，所述連續干燥處理是火焰噴射處理。
15.如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述聚合物粘合劑作為液體添加到所述流，且來自所述流的殘余 熱量在所述沉積混合物被沉積在所述基板上之前蒸發所述液體。
全文摘要
提供了用于形成薄膜電池電化學層的方法和裝置。包括電化學活性金屬的液體前驅物混合物與氧反應以形成電化學活性金屬氧化物，該電化學活性金屬氧化物在基板上淀積為一層。可添加碳至混合物以控制對反應的能量輸入且在沉積在基板上的晶體之間提供附著和導電性。前驅物到沉積晶體的轉換看在兩階段工藝中完成。
文檔編號H01M4/04GK103109396SQ201080069172
公開日2013年5月15日 申請日期2010年12月1日 優先權日2010年8月24日
發明者Q·上, L·楊, K·M·布朗, D·J·K·歐蓋杜, V·佩貝尼托, H·博蘭迪, 石川哲也, R·Z·巴克拉克, L-Y·陳 申請人:應用材料公司