用于热涂布锂离子电池的电极的设备和方法

用于热涂布锂离子电池的电极的设备和方法
【专利摘要】提供一种用于制造高电容量能量存储装置的方法和设备。在一个实施例中，提供一种用于制造能量存储电极的沉积系统。该沉积系统包括：传送机构，用于传送基板；活性材料供应组件，用于沉积电活性粉末混合物至该基板上；和热源，用于干燥该刚沉积的电活性粉末混合物。
【专利说明】用于热涂布锂离子电池的电极的设备和方法
[0001] 本申请中的美国政府的权利
[0002] 本发明是依据D0E (美国能源部）授予的DE-AR0000063通过美国政府的支持所制 作。美国政府拥有本发明中的某些权利。
[0003] 发明背景 发明领域
[0004] 本发明的实施例一般涉及高电容量能量存储元件和用于制造高电容量能量存储 装置的设备和方法。
[0005] 相关技术的描述
[0006] 诸如超级电容器和锂离子（Li-ion)电池之类的快速充电、高电容量的能 量存储装置用于愈来愈多应用中，这些应用包括便携式电子设备、药物、输送、并网 (grid-connected)大型能量存储装置、可再生能量存储装置和不断电电源供应器（UPS)。
[0007] 现代的、次级的、且可再充电的能量存储装置一般包括阳极电极、阴极电极、定位 在阳极电极与阴极电极之间的分隔件、以及至少一个集电器。电极的集电器部件一般由金 属箔制成。用于正集电器（阴极）的材料的范例一般包括铝（A1)、不锈钢（SST)和镍（Ni)。 用于负集电器（阳极）的材料的范例一般包括铜（Cu)，但也可使用不锈钢（SST)和镍（Ni)。
[0008] 锂离子电池的活性正阴极电极材料一般是选自种类繁多的锂过渡金属氧化物。范 例包括具尖晶石结构的氧化物（LiMn^aMOhLiNiuMnuOjLMNO)等）、层状结构（LiC 〇02、 镍锰钴（NMC)、镍钴铝（NCA)等）、橄榄石结构〇^?#04等）和前述材料的组合。预先形成 的阴极电极材料一般是昂贵的。这些粒子可与导电粒子和粘合剂混合，所述导电粒子诸如 是纳米碳（碳黑等）与石墨。
[0009] 活性负阳极电极材料一般是碳基（石墨基或硬碳基），且具有大约5-15 μ m的粒 径。目前正开发硅（Si)基和锡（Sn)基的活性材料作为下一代的阳极材料。这两者具有比 碳基的材料显著更高的电容量。Li 15Si4具有约3, 580mAh/g的电容量，然而石墨具有低于 372mAh/g的电容量。锡基阳极可达到超过900mAh/g的电容量，此电容量远高于下一代阴极 材料所能达到电容量。因此，期望阴极将持续比阳极厚。
[0010] 目前，活性材料只占电池单元（battery cell)的整体成分不到50wt%。制造含有 更多活性材料的更厚电极的能力将会通过减少来自非活性元素的百分比贡献而显著减少 电池单元的生产成本。但是，电极厚度目前被目前所用的材料的运用和机械性质二者所限 制。
[0011] 一种用于制造能量存储装置的方法主要是基于：将阴极活性或阳极活性的材料的 粘性粉末浆料混合物狭缝涂布至导电的集电器上，之后延长加热以形成干燥的铸片（cast sheet)且防止破裂。干燥（将溶剂蒸发）之后的电极厚度最后是由压缩或轧光而决定，所 述的压缩或轧光调整最终层的密度和孔隙度。狭缝涂布粘性浆料是已高度开发的制造技 术，此技术极度依赖浆料的调配、形成、与均质化。所形成的活性层对干燥工艺的速率与热 细节相当敏感。
[0012] 此技术的其他问题与限制中，还有这样的问题与限制：需要大的占地面积（例如， 长达50米）的缓慢且昂贵的干燥部件。
[0013] 因此，本领域中需要更快速充电、更高电容量的能量存储装置，且此装置更小、更 轻、且能够以高生产速率以节省成本的方式制造。
[0014] 发明概沭
[0015] 本发明的实施例一般涉及高电容量能量存储装置和用于制造高电容量能量存储 装置的方法。在一个实施例中，提供一种用于制造能量存储电极的沉积系统。该沉积系统 包括：传送机构，用于传送基板；活性材料供应组件，具有多个分配组件，所述分配组件用 于同时从电极形成混合物沉积多种不同的电极形成材料于该基板上；和热源，用于在该电 极形成混合物沉积至该基板上时，同时干燥该电极形成混合物。
[0016] 在另一实施例中，提供一种电极结构。该电极结构包括集电器和多个多功能电极 层，所述多功能电极层相对于该集电器垂直定位，其中所述多功能电极层的每一者的一部 分接触该集电器。
[0017] 在又一实施例中，提供一种电极结构。该电极结构包括集电器和多个多功能电极 层，所述多功能电极层相对于该集电器水平定位。
[0018] 附图简要说明
[0019] 通过参考实施例（一些实施例绘示于附图中），可获得于上文中简要总结的本发 明的更特定的说明，而能详细了解上述的本发明的特征。然而，应注意附图仅绘示本发明的 典型实施例，因而不应将所述附图视为限制本发明的范围，因为本发明可容许其他同等有 效的实施例。
[0020] 图1A是根据在此描述的实施例形成的具有一个或更多个电极结构的部分电池单 元双层的示意图；
[0021] 图1B是根据在此描述的实施例形成的具有一个或更多个电极结构的部分电池单 元的示意图；
[0022] 图2A是根据在此描述的实施例形成的电极结构的一个实施例的示意图；
[0023] 图2B是根据在此描述的实施例形成的电极结构的另一实施例的示意图；
[0024] 图3是根据在此描述的实施例的沉积系统的一部分的一个实施例的示意截面侧 视图；
[0025] 图4是根据在此描述的实施例沉积的阴极材料的一个实施例的扫描电子显微镜 (SEM)图像的不意图；和
[0026] 图5A是一图表，描绘具有厚度为100微米和200微米的阴极材料的模拟干燥时 间，该阴极材料是在涂布表面上有低流速空气存在下沉积；和
[0027] 图5B是一图表，描绘具有厚度为100微米和200微米的阴极材料的模拟干燥时 间，该阴极材料是在涂布表面上有高流速空气存在下沉积。
[0028] 为了助于了解，如可能则使用相同的标号来表示附图所共有的相同元件。预期一 个实施例中所公开的元件可有利地用于其他实施例上，而无需进一步记载。
[0029] 具体描沭
[0030] 本发明的实施例一般涉及高电容量能量存储装置以及用于制造高电容量能量存 储装置的设备和方法。目前的电极涂布器采取大尺寸的空间以供涂布和涂布后的干燥工艺 所用，这是由于在规模放大干燥速度时有所困难之故。因大型的干燥部件所致，所以在制造 工具中，涂布器一般具有最长的占地面积。在此描述的某些实施例提供一种具备同时沉积 材料且在材料沉积时干燥该材料的能力的沉积系统。同时涂布和干燥的能力允许显著地比 目前涂布器和干燥器更小的占地面积。在某些在此描述的实施例中，集电器（一般是铜或 铝）在集电器表面之上存在（或不存在）热空气流的情况下被加热至某些温度。在某些实 施例中，电极形成浆料可在沉积前预先加热。某些实施例中，可在电极形成浆料中包含干燥 齐U，以增加干燥速率。
[0031] 如在此所用，用语"垂直"定义为结构的主要表面与地平线呈直角。
[0032] 如在此所用，用语"水平"定义为结构的主要表面与地平线呈平行
[0033] 图1A是根据在此描述的实施例形成的具有一个或更多个电极结构（阳极102a、 102b和/或阴极103a、103b)的部分电池单元双层100的示意图。部分电池单元双层100 可以是锂离子电池单元双层。图1B是根据在此描述的实施例形成的具有一个或更多个电 极结构的部分电池单元120的示意图。部分电池单元双层120可以是锂离子电池单元双层。 根据在此描述的一个实施例，该电池单元100U20电连接负载101。电池单元双层100的主 要功能部件包括阳极结构l〇2a、102b、阴极结构103a、103b、分隔件层104a、104b和115、集 电器111和113、以及视情况任选的电解质（图中未示），该电解质设置在分隔件层104a、 104b之间的区域内。电池单元120的主要功能部件包括阳极结构102b、阴极结构103b、分 隔件115、集电器111和113,以及视情况任选的电解质（图中未示），该电解质设置在集电 器111、113之间的区域内。可使用各种材料作为电解质，例如有机溶剂中的锂盐。电池单 元100U20可以密闭式密封在适合的封装中，该封装具有集电器111与113所用的导线。
[0034] 阳极结构102a、102b、阴极结构103a、103b、和分隔件层104a、104b及115可浸在 电解质中，该电解质位在分隔件层l〇4a与104b之间形成的区域中。应了解，图中显示部分 的示范性结构，且在某些实施例中，可添加额外的阳极结构、阴极结构和集电器至该结构。
[0035] 阳极结构102b与阴极结构103b作为电池100的半单元100。阳极结构102b可 包括金属阳极集电器111与根据在此描述的实施例形成的活性材料。该阳极结构可以是多 孔的。其他示范性活性材料包括石墨碳、锂、锡、硅、铝、锑、SnB xC〇y03和LixC〇yN。类似地，阴 极结构103b可各别地包括阴极集电器113和根据在此描述的实施例形成的第二活性材料。 集电器111和113是由诸如金属之类的导电材料所制成。在一个实施例中，阳极集电器111 包含铜，且阴极集电器113包含铝。分隔件115用于防止阳极结构102b与阴极结构103b 中的部件之间直接电接触。该分隔件115可以是多孔的。
[0036] 电池单元110、120的阴极侧（或正电极）上的活性材料可包含：含锂的金属 氧化物，诸如二氧化锂钴（LiCo0 2)或二氧化锂锰（LiMn02)、LiCo02、LiNi02、LiNi xCoy02、 LiNixCoyAlz02、LiMn20 4、LixMgyMnz04、LiNi xMny02、LiNixMnyCo z02、LiAlxMny04 和 LiFeP04。该 活性材料可由层状氧化物制成，诸如锂钴氧化物、橄榄石（诸如锂铁磷酸盐）、或尖晶石 (诸如锂锰氧化物）。在非锂的实施例中，示范性阴极可以由TiS 2(二硫化钛）制成。示 范性含锂氧化物可以是层状的（诸如锂钴氧化物（LiCo02))或混合的金属氧化物（诸如 LiNixC〇1_2xMn02、LiNiuMr^.A、LUNiwCouAWOp LiMn204)。示范性的磷酸盐可以是铁 橄榄石（LiFeP04)和铁橄榄石的变化物（诸如 LiFei_xMgP04)、LiMoP04、LiCoP0 4、LiNiP04、 Li3V2 (P04) 3、LiV0P04、LiMP207、或 LiFei. 5P207。示范性的氟磷酸盐可以是 LiVP04F、LiAlP04F、 Li5V (P04) 2F2、Li5Cr (P04) 2F2、Li2CoP04F、或 Li2NiP04F。示范性硅酸盐可以是 Li2FeSi04、 Li2MnSi04 或 Li2V0Si04。示范性非锂化合物是 Na5V2 (P04)2F3。
[0037] 电池单元100、120的阳极侧或负电极上的活性材料可由诸如石墨材料和/或各 种细微粉末的材料制成，该细微粉末例如为微米级或纳米级尺寸的粉末。此外，硅、锡、或 锂钛酸盐（Li 4Ti5012)可与石墨材料一并使用（或取代石墨材料），以提供导电核心阳极 材料。示范性阴极材料、阳极材料、与应用方法进一步地描述于共同让渡的美国专利申请 公开 N〇.US2011/0129732(于 2010 年 7 月 19 日提出申请，名称为 "C0MPRESSEDP0WDER3D BATTERY ELECTRODE MANUFACTURING (压缩粉末3D电池电极制造）"）以及共同让渡的美国 申请公开No.US2011/0168550(于2010年l月13日提出申请，名称为"GRADEDELECTR0DE TECHNOLOGIES FOR HIGH ENERGY LITHIUM-ION BATTERIES (用于高能锂离子电池的分级电极 技术）"，这两份公开文件的全文在此以参考形式并入本文中。
[0038] 也应了解，尽管图1A与图1B中描绘电池单元双层100,在此描述的实施例不限于 锂离子电池单元双层结构。也应了解，阳极与阴极结构可以串联或并联式连接。
[0039] 电极形成
[0040] 电极结构可由电极形成溶液所形成。该电极形成溶液可包含下列至少一者：电活 性材料、粘合剂、导电材料和干燥剂。
[0041] 可使用在此描述的实施例沉积的示范性电活性材料包括（但不以下述材料为限） 选自一群组的阴极活性粒子，该群组包含二氧化锂钴（LiC 〇02)、二氧化锂锰（LiMn02)、二 硫化钛（TiS2)、LiNi xC〇1_2xMn02、LiMn20 4、铁橄榄石（LiFeP04)和铁橄榄石的变化物（诸 如 LiFei_xMgP04)、LiMoP04、LiCoP0 4、Li3V2(P04)3、LiV0P0 4、LiMP207、LiFe15P20 7、LiVP04F、 LiAlP04F、Li5V(P04)2F 2、Li5Cr(P04)2F2、Li 2CoP04F、Li2NiP04F、Na5V 2(P04)2F3、Li2FeSi0 4、 Li2MnSi04、Li2V0Si04、其他合格的粉末、前述材料的复合物、和前述材料的组合。
[0042] 可使用在此描述的实施例沉积的其他示范性电活性材料包括（但不以下述材料 为限）选自一群组的阳极活性粒子，该群组包含石墨、石墨烯硬碳、碳黑、碳涂布的硅、锡粒 子、铜锡粒子、锡氧化物、碳化硅、硅（非晶形或结晶）、硅合金、掺杂硅、钛酸锂、任何其他适 合的电活性粉末、前述材料的复合物、和前述材料的组合。
[0043] 示范性干燥剂包括异丙醇、甲醇、和丙酮。
[0044] 示范性粘合剂包括聚偏氟乙烯（polyvinylidene difluoride (PVDF))和水溶性 粘合剂，诸如丁苯橡胶（styrene butadiene rubber (SBR))和羧甲基纤维素钠 （sodium carboxymethyl cellulose (CMC))，但不以此为限。
[0045] 示范性导电材料包括碳黑（"CB"）和乙炔黑（"AB"），但不以此为限。
[0046] 电极形成溶液可具有在约30wt. %与约80wt. %之间的固体含量。电极形成溶液 可具有在约40wt. %与约70wt. %之间的固体含量。电极形成溶液可具有在约50wt. %与约 60wt. %之间的固体含量。
[0047] 图2A是根据在此描述的实施例形成的电极结构200的一个实施例的示意图。电 极结构200可以是阴极结构或阳极结构。电极结构200可用作为电池单元100、120的阳极 结构102a、102b和/或阴极结构103a、103b。
[0048] 电极结构200包括多个多功能电极层204、206、208,这些多功能电极层定位在集 电器210上。集电器210可类似集电器111、113。如图2A中所绘，三个电极层204、206、 208的每一者相对于集电器210垂直定位。三个电极层204、206、208的每一者的一部分可 接触集电器210,如图2A所示。电极层204、206、208可同时沉积在集电器210上。可使用 活性材料供应组件320同时或依序沉积电极层204、206、208，该活性材料供应组件320包括 多个分配喷嘴322a、322b、322c。活性材料分配喷嘴322a、322b、322c可平行定位横越集电 器210的宽度。尽管图中只显示三个层204、206、208，取决于电极结构200的期望性质，可 使用任何数目的电极层。
[0049] 该多功能电极层204、206、208的每一者可与至少一个其他多功能层存在差异，该 差异在于下述特性中的至少一个：材料、组成/组分比、粒径、导电度、孔隙度、和能量/功率 等级。例如，如果每一多功能电极层204、206、208相对于至少一个其他多功能电极层具有 不同的孔隙度，则电极结构200具有垂直的孔隙度梯度。某些实施例中，该孔隙度可在电极 层204中最高，而经由层206和208减少。该孔隙度可在电极层204中最低且经由层206 和208增加。
[0050] 可通过粉末施加技术施加多功能电极层204、206、208,所述粉末施加技术包括 (但不限于下述技术）筛技术、静电喷涂技术、热或火焰喷涂技术、流体化床涂布技术、狭缝 涂布技术、卷轴涂布技术、纳米印刷、挤压成形、三维印刷"3DP"（例如，控制液滴式喷墨印 刷）以及前述技术的组合，所有这些技术是发明所属【技术领域】中技术人员所知的。
[0051] 图2B是根据在此描述的实施例形成的电极结构230的另一实施例的示意图。电 极结构230可以是阴极结构或阳极结构。电极结构230可用作为电池单元100、120的阳极 结构102a、102b和/或阴极结构103a、103b。
[0052] 类似电极结构200,电极结构230包括多个多功能电极层或区段234、236、238,这 些多功能电极层或区段定位在集电器240上。集电器240可类似集电器111、113。如图 2B中所绘，三个电极层234、236、238的每一者相对于集电器240水平定位。电极层234是 唯一接触集电器240的电极层。可同时沉积电极层234、236、238。可使用活性材料供应组 件320同时或依序沉积电极层234、236、238,该活性材料供应组件320包括多个分配喷嘴 322d、322e、322f。活性材料分配喷嘴322d、322e、322f可平行定位。尽管图中只显示三个 层234、236、238，取决于电极结构200的期望性质，可使用任何数目的电极层。
[0053] 如与图2A中所绘的电极结构230相关讨论，该多功能电极层234、236、238的每一 者可与至少一个其他多功能层存在差异，该差异在于下述特性中的至少一个：材料、组成/ 组分比、粒径、导电度、孔隙度、和能量/功率等级。例如，如果每一多功能电极层234、236、 238相对于至少一个其他多功能电极层具有不同的孔隙度，则电极结构230具有水平的孔 隙度梯度。该孔隙度可在电极层234中最高，而经由层236和238减少。该孔隙度可在电 极层234中最低且经由层236和238增加。
[0054] 可通过多种技术施加多功能电极层234、236、238,所述技术包括（但不限于下述 技术）筛技术、静电喷涂技术、热或火焰喷涂技术、流体化床涂布技术、狭缝涂布技术、卷轴 涂布技术、喷墨印刷、三维印刷以及前述技术的组合，所有这些技术是发明所属【技术领域】中 技术人员所知的。
[0055] 图3是根据在此描述的实施例的沉积系统300的一部分的一个实施例的示意截面 侧视图。沉积系统300可包括传送机构305、活性材料供应组件320、视情况任选的第一热 源340、视情况任选的第二热源350,该传送机构305用于传送基板310,该活性材料供应组 件320用于供应电极形成溶液325并且将电活性材料330沉积至基板310上，该第一热源 340定位在基板310下方以干燥刚沉积的电活性材料330,而该第二热源350定位在基板 310上方以干燥刚沉积的电活性材料330。该电极形成溶液325可在沉积前被加热。
[0056] 该视情况任选的第一热源340与该视情况任选的第二热源350可个别设置成执行 干燥工艺，诸如空气干燥工艺、红外线干燥工艺、或电磁干燥工艺。第二热源350可定位成 吹送加热空气或惰气至基板310上。第二热源350可定位成在沉积电活性材料310至基板 310之前、期间和/或之后吹送空气或惰气至基板310上。该空气或惰气可被加热。
[0057] 传送机构305可包括能够移动基板310通过沉积系统300的处理区域的任何 传送机构。该传送机构305可包括通用的输送构造。通用的输送构造可包括卷对卷 (roll-to-roll)系统，具有用于该系统的常用卷取卷轴（take-up roll)312和馈送卷轴 314。卷取卷轴312与馈送卷轴314可被个别地加热。可通过使用内部热源或外部热源个 别加热卷取卷轴312和馈送卷轴314,该内部热源定位在各卷轴内。通用的输送构造可进一 步包括定位在卷取卷轴312与馈送卷轴314之间的一个或更多个中间传送滚轮（roller)。 尽管沉积系统300被描绘成具有单一处理区域，但是在某些实施例中，该系统可有利地具 有各别的或分立的处理区域或腔室以供每一工艺步骤所用。对于具有分立的处理区域或腔 室的实施例而言，通用的输送构造可为下述的卷对卷系统：每一腔室或处理区域具有个别 的卷取卷轴和馈送卷轴以及定位在该卷取卷轴与该馈送卷轴之间的一个或更多个视情况 任选的中间传送滚轮。通用的输送构造可包括轨道系统，该轨道系统延伸通过处理区域或 分立的多个处理区域，且设置成输送卷条（web)基板或分立的基板。
[0058] 在其中卷取卷轴312与馈送卷轴314的至少一者被加热的某些实施例中，活性材 料供应组件320可定位在被加热的卷轴上方，使得电活性材料330在沉积至基板310上时 同时被加热。
[0059] 基板310可以是导电基板。基板310可以是导电的集电器。集电器可类似集电器 111和113。该基板310可以是柔性导电基板，例如金属箔或金属片。基板310可包括相对 薄的导电层，该导电层配置在主基板（host substrate)上，该导电层包含一种或更多种导 电材料，诸如金属、塑料、石墨、聚合物、含碳聚合物、复合物、或其他适合的材料。构成导电 基板310的金属的范例可包括铝（A1)、铜（Cu)、锌（Zn)、镍（Ni)、钴（Co)、钯（Pd)、钼（Pt)、 锡（Sn)、钌（Ru)、不锈钢、前述金属的合金、与前述金属的组合。
[0060] 或者，基板310可包含具有导电层形成在上面的非导电性主基板（诸如玻璃、 硅、与塑料或聚合基板），所述导电层是通过本领域中已知的方式形成，包括物理气相沉积 (PVD)、电化学电镀、无电电镀、和类似方式。基板310可以是分隔件。该分隔件可类似分隔 件115。在一个实施例中，基板310由柔性主基板形成。柔性主基板可以是质轻且不昂贵的 塑料材料，诸如聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯（例如Mylar)、或其他适合的塑料或 聚合材料。导电层可形成为覆于该非导电的柔性主基板上。或者，该柔性基板可由相对薄 的玻璃所建构，该玻璃以聚合涂层强化。某些实施例中，该非导电柔性基板可从电极结构移 除。
[0061] 基板310可具有大体上范围从约1至约200 μ m的厚度。导电基板310可具有大体 上范围从约5至约100 μ m的厚度。导电基板310可具有大体上范围从约10 μ m至约20 μ m 的厚度。
[0062] 基板310可经图案化而形成三维结构。图案化基板310可增加电活性材料330对 基板310的表面的粘着。在沉积粉末至基板310的表面上之前，可使用粘合剂沉积源图案化 或纹理化基板310。可考虑协同前述工艺进行建构电极之前用于制备基板表面的其他方法， 诸如以电磁能量源纹理化基板310、纳米印压光刻工艺、或压纹工艺（embossing process)。
[0063] 沉积电活性材料330之前，可加热基板310。可使用额外热源将电活性材料330加 热到恰好低于分散剂或溶剂沸腾温度的温度，以促使粘合剂分散在粉末床中且增加粘合剂 沉积后分散剂或溶剂的干燥速率。
[0064] 活性材料供应组件320可包括能够将电活性材料330沉积至基板310上的任何机 构。活性材料组件320可包括多个分配喷嘴。虽然图2A中显示三个分配喷嘴322a-c且图 2B中显示三个分配喷嘴322d-f，但可包括任何数目的分配喷嘴。为了达到期望的集电器或 基板的覆盖率，活性材料组件320的每一分配喷嘴322a-f可独立地平移和/或该集电器或 基板可相对活性材料组件320平移。示范性活性材料供应组件包括（但不限于下述装置） 筛、静电喷涂器、热或火焰喷涂器、流体化床涂布器、狭缝涂布器、卷轴涂布器、喷墨印刷机、 三维印刷机、和前述装置的组合，所有这些装置都是发明所属【技术领域】中技术人员已知的。 可使用干式施加技术或湿式施加技术施加电活性材料330。该材料可通过粉末施加技术施 力口，所述粉末施加技术包括（但不限于下述技术）筛技术、静电喷涂技术、热或火焰喷涂技 术、流体化床涂布技术、狭缝涂布技术、卷轴涂布技术、3DP技术、和前述技术的组合，所有这 些技术都是发明所属【技术领域】中技术人员已知的。
[0065] 在某些实施例中（其中使用热或火焰喷涂技术），"进料"（涂布前驱物）是通过电 方式（例如等离子体或电弧）或化学方式（例如燃烧火焰）所加热。电活性材料330是以 粉末形式馈送，被加热至熔融或半熔融态，并且以微米尺寸粒子的形式朝基板310加速。燃 烧或电弧放电经常用作热喷涂的能量源。
[0066] 如前文所讨论，电活性材料330可包括单一成分（诸如电活性材料）或多个成分 (诸如电活性材料、导电材料、干燥剂、与粘合剂）的混合物。可以固体形式沉积电活性材料 330,或将电活性材料330沉积为液体悬浮液，在该液体悬浮液中，分散剂快速地蒸发，而留 下混合良好且均匀分散的粉末。
[0067] 电活性粉末330可为纳米级粒子的形式。纳米级粒子可具有在约lnm与约100nm 之间的直径。粉末的粒子可以是微米级粒子。电活性材料330的粒子包括聚集的微米级粒 子。所述微米级粒子可具有在约2 μ m与约15 μ m的直径。电活性材料330可在沉积于基 板310上之前被含碳材料所涂布。
[0068] 施加电活性粉末330前，该电活性粉末330可与搭载介质结合。在一个实施例中， 搭载介质可以是在进入处理腔室前先经原子化的液体。搭载介质也可被选以在电化学纳米 粒子周围成核，以减少对处理腔室壁的附着。适合的液体搭载介质包括水与有机液体，有机 液体诸如是醇类与碳氢化合物。醇类或碳氢化合物将大体上具有低粘度，诸如在操作温度 下为约10cP或更低，以负担合理的原子化。在其他实施例中，搭载介质也可以是气体，诸如 氦气、氩气、氮气、或在其他实施例中为气溶胶。在某些实施例中，可期望使用具有更高粘度 的搭载介质，以在粉末上形成更厚的覆盖。
[0069] 前驱物或固体粘合剂（一般是聚合物）可用以助于将粉末粘结基板310。固体粘 合剂可在沉积于基板310之前与电活性材料330混合。固体粘合剂可于沉积电活性粉末之 前或之后沉积在基板上310。固体粘合剂可包含柔性物质（诸如聚合物），以将粉末固定于 基板表面上。粘合剂将大体上具有一些导电性或离子传导性，以避免减少沉积层的性能，然 而多数粘合剂通常是电绝缘，且一些材料不容许锂离子通过。在一个实施例中，粘合剂是具 有低分子量的含碳聚合物。该低分子量聚合物可具有低于约10000的数目平均分子量，以 促进纳米粒子粘着至基板。示范性的粘合剂包括聚偏氟乙烯（PVDF)与水溶性粘合剂（诸 如丁苯橡胶（BSR))，但不以此为限。
[0070] 沉积系统300可耦接电源360,以将功率供应至沉积系统300的各部件。电源360 可以是RF源或DC源。电源360可耦接控制器370。控制器370可耦接沉积系统300,以控 制活性粉末供应组件320的操作。控制器370可包括一个或更多个微处理器、微电脑、微控 制器、专用硬件或逻辑元件、以及前述部件的组合。
[0071] 沉积系统300可耦接流体供应源365,以用于供应前驱物、处理气体、处理材料与 清洁流体至沉积系统300的部件，所述处理材料诸如是阴极活性粒子、阳极活性粒子、粘合 齐U、导电材料、推进剂。
[0072] 范例:
[0073] 下述的假设、非限制性范例是为了进一步说明在此描述的实施例。然而， 申请人:不 希望这些范例包括一切，且不希望这些范例限制在此描述的实施例的范围。
[0074] 具有78wt. %的固体含量且包含3wt. %的SBR、6wt. %的碳黑（CB)、与91wt. %的 镍锰钴的浆料组成物用于下述范例。铝箔试片被捆在用于支撑的平坦晶片表面上。具有试 片定位在上面的晶片定位在热板上。
[0075] 范例 1 :
[0076] 晶片与铝箔试片被加热至80摄氏度且维持在80摄氏度。使用多层热刮刀片工艺 涂布该浆料组成物。将具有300微米湿厚度的涂层以每湿层50微米的方式涂布覆于铝试 片上。所得的干燥涂层具有232微米的厚度以及53%的平均孔隙度，而具有大约6mAh/cm 2 电池负载电容量。
[0077] 范例 2 ：
[0078] 晶片与铝箔试片被加热至120摄氏度且维持在120摄氏度。使用单层热刮刀片工 艺涂布该浆料组成物。使用单程刮刀片工艺将具有400微米湿厚度的涂层涂布覆于铝试片 上。所得的干燥涂层具有165微米的厚度以及22%的平均孔隙度，而具有大约6. 5mAh/cm2 电池负载电容量。
[0079] 范例 3 ：
[0080] 晶片与铝箔试片被加热至120摄氏度且维持在120摄氏度。使用单层热刮刀片工 艺涂布该浆料组成物。使用单程刮刀片工艺将具有600微米湿厚度的涂层涂布覆于铝试片 上。所得的干燥涂层具有299微米的厚度以及36%的平均孔隙度，而具有大约lOmAh/cm2 电池负载电容量。
[0081] 范例 4 ：
[0082] 晶片与铝箔试片被加热至120摄氏度且维持在120摄氏度。使用单层热刮刀片工 艺涂布该浆料组成物。使用单程刮刀片工艺将具有600微米湿厚度的涂层涂布覆于铝试片 上。所得的干燥涂层具有347微米的厚度以及43%的平均孔隙度，而具有大约10. 5mAh/cm2 电池负载电容量。
[0083] 结果:
[0084] 图4是根据上述范例3沉积的阴极材料的一个实施例的200x放大率的扫描电子 显微镜（SEM)图像400的示意图。一般而言，完成干燥相当厚度的电极需要约18个小时。 对于图4中所示、根据在此描述的实施例沉积的阴极材料而言，15分钟后可见到表面干燥。 观察到图4中所示的阴极材料的表面无刮痕。
[0085] 图5A是图表500,描绘厚度为100微米和200微米的阴极材料的模拟干燥时间，该 阴极材料是在涂布表面上有低流速空气存在下沉积。图5B是图表510,描绘厚度为100微 米和200微米的阴极材料的模拟干燥时间，该阴极材料是在涂布表面上有高流速空气存在 下沉积。当空气流动增加，干燥时间减少。
[〇〇86] 虽然前述内容涉及本发明的实施例，可不背离本发明的基本范围而设计其他与进 一步的本发明的实施例，且本发明的范围由随附的权利要求书所决定。
【权利要求】
1. 一种用于制造能量存储电极的沉积系统，包括： 传送机构，所述传送机构用于传送基板； 活性材料供应组件，所述活性材料供应组件具有多个分配组件，所述分配组件用于同 时从电极形成混合物沉积多种不同的电极形成材料于所述基板上；和 热源，所述热源用于在所述电极形成混合物沉积至所述基板上时，同时干燥所述电极 形成混合物。
2. 如权利要求1所述的沉积系统，其中所述热源定位在所述传送机构下方。
3. 如权利要求2所述的沉积系统，进一步包括： 第二热源，所述第二热源定位在所述传送机构上方。
4. 如权利要求1所述的沉积系统，其中所述热源定位在所述传送机构上方，以将被加 热的空气流过集电器的表面之上，所述热源被设置成执行空气干燥工艺、红外线干燥工艺 或电磁干燥工艺。
5. 如权利要求1所述的沉积系统，其中所述传送机构包括卷对卷系统，所述卷对卷系 统具有通用的卷取卷轴和馈送卷轴。
6. 如权利要求5所述的沉积系统，其中所述卷取卷轴和所述馈送卷轴的每一者是使用 内部热源个别地加热的，所述内部热源定位在每一卷轴内。
7. 如权利要求1所述的沉积系统，其中所述活性材料供应组件选自筛、静电喷涂器、热 或火焰喷涂器、流体化床涂布器、狭缝涂布器、卷轴涂布器、喷墨印刷机、三维印刷机、和前 述装置的组合。
8. 如权利要求7所述的沉积系统，其中所述电极形成混合物包含电活性材料、粘合剂、 导电材料、干燥剂、或前述材料的组合。
9. 如权利要求8所述的沉积系统，其中所述电活性材料包含阴极活性粒子，所述阴极 活性粒子选自一群组，所述群组包含二氧化锂钴（LiC 〇02)、二氧化锂锰（LiMn02)、二硫化 钛（TiS2)、LiNi xC〇1_2xMn02、LiMn20 4、铁橄榄石（LiFeP04)、LiFei_xMgP0 4、LiMoP04、LiCoP04、 Li3V2(P04)3、LiV0P04、LiMP 207、LiFe15P207、LiVP0 4F、LiAlP04F、Li5V(P04)2F 2、Li5Cr(P04)2F2、 Li2CoP04F、Li2NiP04F、Na 5V2 (P04) 2F3、Li2FeSi04、Li2MnSi0 4、Li2V0Si04、前述材料的复合物、和 前述材料的组合。
10. 如权利要求8所述的沉积系统，其中所述电活性材料包含阳极活性粒子，所述阳极 活性粒子选自一群组，所述群组包含石墨、石墨烯硬碳、碳黑、碳涂布的硅、锡粒子、铜锡粒 子、锡氧化物、碳化硅、硅（非晶形或结晶）、硅合金、掺杂硅、钛酸锂、前述材料的复合物、和 前述材料的组合。
11. 如权利要求1所述的沉积系统，其中所述电极形成混合物在沉积至所述基板上之 前被加热。
12. -种电极结构，包括： 集电器，和 多个多功能电极层，所述多功能电极层相对于所述集电器垂直定位，其中所述多功能 电极层的每一者的一部分接触所述集电器。
13. 如权利要求12所述的电极结构，其中所述多个多功能电极层的每一多功能电极 层包含阴极活性粒子，所述阴极活性粒子选自一群组，所述群组包含二氧化锂钴（LiC 〇02)、 二氧化锂锰（LiMn02)、二硫化钛（TiS2)、LiNixC 〇1_2xMn02、LiMn204、铁橄榄石（LiFeP0 4)、 LiFei_xMgP04、LiMoP04、LiCoP0 4、Li3V2(P04)3、LiV0P0 4、LiMP207、LiFe15P20 7、LiVP04F、 LiAlP04F、Li5V(P04)2F 2、Li5Cr(P04)2F2、Li 2CoP04F、Li2NiP04F、Na5V 2(P04)2F3、Li2FeSi0 4、 Li2MnSi04、Li2VOSi04、前述材料的复合物、和前述材料的组合。
14. 如权利要求12所述的电极结构，其中所述集电器是铝箔。
15. 如权利要求12所述的电极结构，其中所述多功能电极层的每一者与其他多功能层 的至少一者存在差异，所述差异在于下述特性的至少一者：材料、组成/组分比、粒径、导电 度、孔隙度、能量/功率等级、和前述特性的组合。
【文档编号】C23C14/22GK104067362SQ201280067653
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2012年12月18日 优先权日:2011年12月20日
【发明者】王铮, 维克托·佩贝尼托, 康妮·P·王, 罗伯特·Z·巴克拉克 申请人:应用材料公司