用于鋰離子電池的帶有電噴霧的復合式噴頭涂覆裝置的制造方法
【專利說明】用于鋰離子電池的帶有電噴霧的復合式噴頭涂覆裝置
[0001]發明背景發明領域
[0002]本發明的實施例大體而言涉及高容量能量儲存器件，及用于制造高容量能量儲存器件的方法及裝置。更具體而言，本發明公開了了用于形成電池活性材料的高固態百分比漿料的材料噴霧沉積的方法及裝置。
[0003]現有技術的描述
[0004]諸如鋰-離子(L1-離子)電池這樣的高容量能量儲存器件被使用于愈來愈多的應用中，所述應用包括可攜式電子設備、醫療設備、運輸、并網大型能量儲存、再生能源儲存及不間斷電源(uninterruptible power supply ;UPS)。
[0005]L1-離子電池通常包括陽極電極、陰極電極及定位在陽極電極與陰極電極之間的分離器。鋰儲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諸如LiMn2Ozp LiCo02、LiFePOzp LiN12這樣的鋰過渡金屬氧化物或Ni氧化物、Li氧化物、Mn氧化物及Co氧化物的組合，且所述活性電極材料包括諸如碳或石墨這樣的導電粒子及黏合劑材料。石墨及介相碳微粒(meso carbon micro bead ;MCMB)通常用作負電極的活性電極材料，此電極具有近似10 μπι的平均直徑。鋰嵌入MCMB或石墨粉末分散在聚合黏合劑基質中。用于黏合劑基質的典型聚合物包括聚偏二氟乙稀(Polyvinylidenefluoride ；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，并且用于至基板的良好黏著。聚合黏合劑的量可在2重量％至30重量％的范圍內。L1-離子電池的分離器通常由諸如聚乙烯炮沫這樣的微孔聚烯烴聚合物制作，且所述分離器在分開的制造步驟中予以應用。
[0006]對于大多數能量儲存應用而言，能量儲存器件的充電時間及容量為重要的參數。另外，此類能量儲存器件的大小、重量及/或費用可為顯著的限制。
[0007]用于制造能量儲存器件的陽極電極及陰極電極的一種方法主要基于使陰極活性材料或陽極活性材料的黏性溶劑基粉末漿料混合物狹縫涂覆至導電集電器上，繼之以長期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，且因此干燥器的長度必須非常長。在蒸發溶劑的干燥之后的電極的厚度最終由壓縮或壓延來確定，所述壓縮或壓延調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配物、形成及均化(homogenat1n)的高度發展的制造技術。形成的活性層對干燥工藝的速率及熱細節極其敏感。
[0008]除其它之外，此技術的問題及限制為緩慢且昂貴的干燥成分，所述緩慢且昂貴的干燥成分需要每分鐘5米至40米的涂覆速度的大占地面積(例如，高達70米至90米長)，及用于蒸發的揮發性成分的精心收集及再循環系統兩者。這些成分中許多為另外需要精心減量系統的揮發性有機化合物。此外，這些類型的電極的所得電導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，此項技術中需要用于制造高容量能量儲存器件的大量、成本有效的制造工藝及裝置。
【發明內容】
[0010]本文所述的實施例包括一種材料噴霧沉積系統，所述材料噴霧沉積系統至少包括基板輸送系統及電極形成溶液分配器。在一個實施例中，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；材料噴霧組件，安置在基板輸送系統上方；及第一加熱元件，鄰接于材料噴霧組件而安置在基板輸送系統上方。
[0011]本發明公開一種用于在基板上形成電池活性材料的方法及裝置。在一個實施例中，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，用于在裝置內運輸所述基板；材料噴霧組件，安置在基板輸送系統上方；及第一加熱元件，鄰接于材料噴霧組件而安置在基板輸送系統上方，所述第一加熱元件經設置以加熱基板。材料噴霧組件具有噴嘴的2D陣列，所述噴嘴經設置以將電極形成溶液電噴霧在基板的表面上。
[0012]在另一實施例中，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，用于在裝置內運輸基板；多個材料噴霧組件，安置在基板輸送系統上方；及多個加熱元件，安置在基板輸送系統上方的材料噴霧組件之間，所述多個加熱元件經設置以加熱基板。材料噴霧組件各自具有噴嘴的2D陣列，所述噴嘴經設置以在基板安置于輸送系統上時將電極形成溶液電噴霧在基板的表面上。噴嘴的所述2D陣列中的至少一個具有一行噴嘴，所述行噴嘴具有介于約9mm至約30mm之間的噴嘴至噴嘴間距。
[0013]在其它實施例中，在材料噴霧組件中的至少一個上的噴嘴的所述2D陣列進一步包括:安置在材料噴霧組件的邊緣處的第一噴嘴及安置在第一噴嘴的內側的第二噴嘴，第一噴嘴具有相對于第二噴嘴的向內傾角。
[0014]在其它實施例中，材料噴霧組件中的至少一個包括:多個虛擬噴嘴，安置在材料噴霧組件上的噴嘴的所述2D陣列的外側。
[0015]在其它實施例中，在材料噴霧組件中的至少一個上的噴嘴的所述2D陣列包括第一行，所述第一行偏離第二行。
[0016]在其它實施例中，材料噴霧組件中的至少一個包括:空氣簾產生器，經設置以將離開鄰接噴嘴的噴霧的軌跡向內偏轉。
[0017]在其它實施例中，提供一種用于在基板的表面上沉積電池活性材料的方法，所述方法包括:將電極形成溶液自至少一個材料電噴霧分配器組件電噴霧至基板上；及由鄰接于所述材料電噴霧分配器組件而安置的多個加熱器加熱安置在基板上的沉積材料。
[0018]附圖簡單說明
[0019]為了可詳細理解本發明的上述特征，可參閱實施例獲得以上簡要概述的本發明的更特定描述，其中一些實施例圖示于附圖中。然而，應注意，附圖僅圖示本發明的典型實施例，且因此不應將附圖視為對本發明范圍的限制，因為本發明可允許其它同等有效的實施例。
[0020]圖1為用于在基板上形成電池活性材料層的材料噴霧沉積系統的一個實施例的示意圖；
[0021]圖2A為安置在圖1中繪示的材料噴霧沉積系統中的材料噴霧分配器組件的示意圖；
[0022]圖2B為具有萃取器板的材料噴霧分配器組件的替代性實施例的示意圖；
[0023]圖2C為在圖2A中繪示的材料噴霧分配器組件的仰視圖；
[0024]圖3為材料噴霧分配器組件的另一實施例的示意圖；
[0025]圖4為根據本發明的另一實施例的用于在基板上形成電池活性材料層的具有邊緣環的另一材料噴霧分配器組件的示意圖；
[0026]圖5為根據本發明的另一實施例的用于在基板上形成電池活性材料層的具有傾斜噴嘴的另一材料噴霧分配器組件的示意圖；
[0027]圖6為根據本發明的另一實施例的用于在基板上形成電池活性材料層的具有氣簾的另一材料噴霧分配器組件的示意圖；及
[0028]圖7為可用于材料噴霧分配器組件中的噴嘴的橫截面圖。
[0029]為促進理解，在可能的情況下已使用相同元件符號來指示諸圖共享的相同元件。可以預期，在一個實施例中公開的元件可在無特定詳述的情況下有利地使用于其它實施例。
[0030]具體描述
[0031]本文所述的方法及裝置包括材料噴霧沉積系統，所述材料噴霧沉積系統至少包括基板輸送系統及材料沉積噴霧組件，所述材料沉積噴霧組件鄰接于基板輸送系統而安置。材料噴霧組件包括噴嘴的2D陣列，所述噴嘴經設置來沉積具有良好的中心至邊緣厚度均勻性、穿過膜厚度的良好的均質性的材料，且能實現快速沉積速率。材料噴霧沉積系統在自高固體含量電極形成溶液來沉積使用于電極結構的材料層中尤其有用，所述材料層諸如電池活性材料層。
[0032]圖1為用于在基板上沉積電池活性材料層的材料噴霧沉積系統100的示意圖。可以預期，本發明的方面可經調適以用于其它噴霧沉積系統中。材料噴霧沉積系統100包括一或多個材料電噴霧分配器組件120，所述一或多個材料電噴霧分配器組件具有噴嘴104的2D陣列，所述噴嘴鄰接基板輸送系統101而安置。基板輸送系統101經設置來使一或多個基板