锂离子电池正极组合材料芯片及制备方法_3

文档序号:9689634阅读:来源:国知局
体的,在本发明中,提供一前驱体装置,利用前驱体装置将包含聚阴离子型锂离子电池正极材料各种成分的溶液进行混合,之后通过一超声雾化喷头将混合后的溶液进行雾化处理并喷涂在各样品位上形成样品。
[0056]前驱体装置包括有若干存储模组(图中未示出)、多通道混合机构2001和前驱体沉积装置2002。
[0057]存储模组分别单独存储有包含L1、M、X和Y的溶液,其中,对于M,X04,Y,存储模组应分别贮存有多种备选物料,进而以便实现制备出具有不同组成的聚阴离子型锂离子电池正极材料,该机构的通道数量由欲实现的组合种类决定。例如,前驱体装置包括有用以存储Fe的一个存储模组,一个用以存储Ni的一个存储模组,一个用以存储P的一个存储模组,一个用以存储S的一个存储模组,一个用以存储0的一个存储模组,一个用以存储0H的一个存储模组……根据实际情况来选择包含有何种以及多少种溶液。可选的,上述的前驱体装置还包括有一存储有清洁溶液的存储模组,其作用会在下文进行描述。
[0058]多通道混合机构2001用于将存储模组中L1、M、X和Y的溶液进行混合,合成某一目标组分的样品时,由多通道混合机构2001将符合目标化学计量比的Li,M,(X04)n,Y前驱体混合均匀,并注入至2002所示的前驱体沉积装置。2002所示的前驱体沉积装置将反应前驱体转变为易于沉积的状态,并驱使反应前驱体向2004所示组合材料芯片基板方向运动。作为可选项,该前驱体沉积装置2002为一超声雾化喷头,通过对含有Li,M,(X04)n,Y的混合溶液进行雾化处理,便于后续粘附在基板2004上以制备形成样品。某些实验情景中,2001和2002为同一机构,如多元物理气相共沉积中,2001和2002所示装置的功能均由气相前驱提供机构实现。
[0059]在将混合溶液进行雾化处理,通过借助一掩膜板2003来在基板2004上的样品位形成样品。其中,掩膜板2003位于基板2004和前驱体沉积装置2002之间。掩膜板2003的具体可参照图3至图5所示:图3为图2中2003所示掩模板的俯视图,图4为图2中2003部分所示掩模板的侧视图,图5为图2中2003部分所示掩模板的正视图。图3至图5中的3001、4001和5001均代表的为掩膜板,3002、4002、5002代表的为掩膜板中贯穿的开口。继续参照图2,在本发明中,通过在掩膜板2003中开设一个贯穿其整个厚度的开口,在基板2004上制备样品时,将开口对准基板2004上的其中一样品位,利用掩膜板2003的开口将雾化的混合溶液喷涂在该样品位上形成样品。作为可选项,该掩模板2003长、宽均为基板2004的两倍,可保证每次喷涂热解反应仅发生于基板2004上一个样品位,同时在进行喷涂反应时,掩模板2003与组合材料样品基板2004间距离控制在0.5毫米左右,且中心通孔尺寸略小于样品尺寸,可保证制备精度。
[0060]在本发明中,在其中一个样品位上形成样品后,需要对当前的聚阴离子型锂离子电池正极材料所包含的成分或反应热力学条件进行调整,并移动基板2004,使得开口对准基板2004上一未制备有样品的样品位,之后将雾化的混合溶液喷涂在该样品位上,以制备出一个与先前制备出的聚阴离子型锂离子电池正极材料的成分所不同的另一个样品。作为可选项,基板2004在X-Y平面(即基板平面的X-Y平面)位移控制器2006和传动装置2007的控制下,在X-Y平面内自由移动,进而使得掩膜板2003的开口对准基板2004上的样品位,进而在各样品位上制备聚阴离子型锂离子电池正极材料成分或结构不同的样品,以实现对聚阴离子型锂离子电池正极材料的高通量分析。在一作为示范但那并不作为局限的实施例中,假设先前一次制备的样品采用了 Fe作为过渡金属,那么第二次则可采用Co作为过渡金属,从而制备出具有不同成分的聚阴离子型锂离子电池正极材料样品。
[0061]其中,在完成一样品的制备之后且在进彳丁下一样品的制备之如,均包括一清洁工序,以消除多通道混合机构2001和前驱体沉积装置2002中残留的材料。上文已有揭露,前驱体装置包括有一存储有清洁溶液的存储模组,每次样品制备完成后,将前驱体沉积装置2002移动至基板2004正上方区域以外,向多通道混合机构2001和前驱体沉积装置2002中注入清洁溶液,前驱体溶液的混合及注入装置将纯水注入喷头并喷出,以清洗残余溶液;之后向多通道混合机构2001中注入惰性气体,以排净管路和喷头内的残余液体。上述清洗过程可重复数次,以保证系统内的清洁度,为下个样品的制备做好制备。作为可选项,用以清洁的存储模组中储放去离子水,以及,上述的惰性气体可选为氩气(Ar)。
[0062]其中,在每个样品位上制备样品时,均利用一位于基板2004正下方的微区加热装置2005,以对样品位上喷涂的聚阴离子型锂离子电池正极材料进行加热,该微区加热装置2005可提供室温至1100°C的温升范围和数十°C /s的升温速率,同时该微区加热装置2005具有反馈温控功能,进而方便操作人员随时获悉系统的温度状态。
[0063]作为可选项,在基板2004上制备形成所需的样品数量之后,可选择将基板整体置入热处理腔室,在500至800°C,空气环境(或惰性气氛,或真空,或还原性气氛)下对样品热处理1至4小时,以改善样品的结晶性和物相纯度。当然,本领域技术人员应当理解,在实际应用中,也完成样品之后,也可不进行热处理,对本发明并无影响。
[0064]上述步骤完成后,在一基板集成有不同成分的聚阴离子型锂离子电池正极材料,以实现对聚阴离子型锂离子电池正极材料的高通量分析。
[0065]下面提供两个实施例对本发明提供的制备工艺进行进一步描述:
[0066]实施例一
[0067]附图6所示为本发明聚阴离子型锂离子电池正极材料组合材料芯片的示意图。6001所示为聚阴离子型锂离子电池正极材料组合材料芯片的硅片基底,基底厚度为500微米,其上共有呈6行20列分布的如6002所示样品制备位置120个。在单一芯片上可实现120种不同组分或微观结构样品的集成制备,在LiFe{1 0){1 γ)Ν?0{1 γ)ΖηγS04F材料体系内,每行20个样品,以0.05步长覆盖σ由0至0.95的变化范围,每列6个样品,以步长0.03覆盖γ由0至0.15的变化范围,研发效率比传统“试错法”提高2个数量级。该聚阴离子型锂离子电池正极材料组合材料芯片整体尺寸为22.5cmX6.5cm,每个样品为0.5cmX0.5cm,样品间距0.5cm。
[0068]实施例二
[0069]附图7为本发明聚阴离子型锂离子电池正极材料组合材料芯片制备方法的示意图。研究的目标材料体系为LiFe(1 0){1 γ)Ν?0{1 Y)ZnYS04F,制备目标为在附图6所示的组合材料芯片上制备120个样品,覆盖LiFe(1。)(1 4附。(1 Y)ZnYS04FM料体系。由0至1、γ由0至0.15的变化范围的材料参数空间。具体来说,每行20个样品,以0.05步长覆盖σ由0至0.95的变化范围,每列6个样品,以步长0.03覆盖γ由0至0.15的变化范围。例如,第三行第十列的样品,其组分为LiFea517Nia423Zna(]6S04F。7001至7004所示的前驱体溶液贮存和注入机构中为Li,Fe, Ni, Zn的碳酸盐前驱体溶液,7005和7006所示的前驱体溶液贮存和注入机构中为H2S0jP HF溶液,7007所示的前驱体溶液贮存和注入机构中为去离子水或其它清洁用溶液。合成某一目标组分的样品时,
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