电池材料镀膜控制方法与流程

本发明涉及电池技术领域，特别涉及电池材料镀膜控制方法。

背景技术：

目前常用的全固态薄膜锂电池，电池材料都是采用镀膜方法一层一层的沉积上去的。但是制备出来的薄膜就是材料均一的成分。通常，对于电极薄膜材料本身的研发，需要尝试不同的材料混合，材料的成分不一样，比例不一样的组合。这样的尝试按照现有的方法和设备非常耗时，效率低下。

对于现有全固态薄膜锂电池，薄膜的电池材料一般都是钴酸锂(licoo2)，或现在比较流行的三元材料(li(nicomn)o2)。但是如果我们要进一步的研发新的电池材料，比如尝试不同电池材料成分之间的组合，不同的比例以此来开发新的材料体系，就需要把不同的材料成分按照不同的比例来进行测试。比如我们想要把锰酸锂(limnox)和镍酸锂(liniox)组合开发新的材料体系。按照现有的传统方法，就要沉积limnox的薄膜，然后在沉积liniox薄膜组合在一起(或者先沉积liniox薄膜，再沉积limnox的薄膜)，沉积好这个混合薄膜(电池材料测试中间体)后，再来测试材料的性能。但是一旦这样两种薄膜沉积出来，他们的化学成分和比例是固定的，无法变化的。如果要尝试新的配比，那就需要再次沉积这样的两种薄膜混合体，再来测试其性能。只有这样重复多次，做多次的沉积及样品的准备，才可能找到最佳的成分比，由此可见，现有的镀膜方法效率极其低下。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提供一种电池材料镀膜控制方法，旨在解决现有镀膜方法效率低下问题。

为实现上述目的，本发明提出的一种电池材料镀膜控制方法，用以控制电池材料镀膜设备镀膜，所述电池材料镀膜设备包括外壳、靶材轰击装置、靶材置放装置、样品台和设置于所述样品台与所述靶材置放装置之间的挡板，所述挡板可旋转地安装于所述外壳或所述样品台，所述挡板具有旋转中心，所述挡板上开设有以所述旋转中心为圆心的弧形通槽，所述靶材置放装置、样品台和所述挡板设置于所述外壳内，所述电池材料镀膜控制方法包括如下步骤：

a：开启所述靶材轰击装置轰击靶材置放装置上的第一电极材料；

b：控制所述挡板沿第一方向旋转预设角度，以镀膜形成具有楔形台的第一电极层，关闭所述靶材轰击装置对第一电极材料的轰击；

c：控制所述挡板沿所述第二方向旋转；

d：开启所述靶材轰击装置轰击靶材置放装置上的第二电极材料；

e：控制所述挡板沿第二方向继续旋转，以在第一电极层的楔形台上镀膜形成第二电极层，第二电极层的上表面与样品台平行，所述第一方向与所述第二方向相反。

在一实施例中，在步骤b中，挡板沿第一方向旋转的预设角度为α，在步骤c中，挡板沿第二方向旋转角度为γ，在步骤e中，挡板沿第二方向旋转的角度为α；

其中，所述弧形通槽的弧度对应的中心角为γ，α≤γ。

在一实施例中，在步骤b中，挡板沿第一方向旋转的预设角度为α，在步骤c中，挡板沿第二方向旋转角度为α，在步骤e中，挡板沿第二方向旋转的角度为γ；

其中，所述弧形通槽的弧度对应的中心角为γ，α>γ。

在一实施例中，30°≤α≤90°。

在一实施例中，在步骤a之前还包括s1：控制所述样品台加热至450℃～550℃；在步骤s1与步骤a之间还包括步骤s2：控制所述样品台加热至600℃～700℃。

在一实施例中，在步骤s1与步骤s2之间还包括步骤s3：控制所述真空源对所述外壳抽真空。

在一实施例中，在步骤s2与步骤s3之间还包括步骤s4：向所述外壳内注入氧气。

在一实施例中，步骤b中，所述挡板的移动速度为v1，步骤e中，所述挡板的移动速率为v2，v1＝v2，且v1在10^-5m/s～10^-4m/s。

在一实施例中，所述靶材轰击装置为脉冲激光源、溅射气体源或电子束蒸发枪。

本发明的技术方案可以把两种电池材料有效的沉积在一起，得到两种材料从低到高不同成分配比的变化，在进行电极测试时，可以快速找到两种电池材料的最佳配比，也就是只需要一次制备该电池材料中间体，即可从该电池材料中间体中找到两种材料的较佳配比，也即符合条件的电池材料中间体的制备效率大大提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为实施本发明控制方法的电池材料镀膜设备的结构示意图；

图2a为本发明电池材料镀膜控制方法一实施例的流程图；

图2b为本发明电池材料镀膜控制方法另一实施例的流程图；

图3为一实施例的电池材料镀膜控制方法中步骤b的示意图；

图4为接续图3中步骤b的步骤c的示意图；

图5为接续图4中步骤c的步骤e的示意图；

图6为另一实施例的电池材料镀膜控制方法中步骤b的示意图；

图7为接续图6中步骤b的步骤c的示意图；

图8为接续图7中步骤c的步骤e的示意图；

图9为电池材料测试中间体的结构示意图；

图10为图9中两电极层中第二电极层所占百分配比与两电极点的位置对应图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明实提出了一种电池材料镀膜控制方法，下述内容将以具体实施例结合说明书附图进行详细介绍。

参照图1，所述电池材料镀膜设备包括外壳21、靶材轰击装置、靶材置放装置23、样品台26和设置于所述样品台26与所述靶材置放装置23之间的挡板24，所述挡板24可旋转地安装于所述外壳21或所述样品台26，所述挡板24具有旋转中心，所述挡板24上开设有以所述旋转中心为圆心的弧形通槽240，所述靶材置放装置23、样品台26和所述挡板24设置于所述外壳21内。

具体而言，在外壳21内，靶材置放装置23是用于置放电池材料的，通常需要放置两种电池材料，对于全固态薄膜锂电池系统而言，薄膜的电池材料可以是镍酸锂和锰酸锂的组合。对于固体氧化物燃料电池系统而言，其电解质材料为氧化锆和氧化铈。在此，靶材置放装置23可以单独置放一种电池材料，待需要用到另一种电池材料镀膜时，可以手动更换另一种电池材料。当然，靶材置放装置23可以是具有两个靶材置放位，两个靶材置放位上同时置放两种电池材料；也可以是靶材置放装置23有两个或两个以上，两个靶材置放装置23上可以分别对应置放两种电池材料，需要用到哪种电池材料，即可对哪种材料进行溅射处理。

由于在进行镀膜时，电池材料是向衬底22溅射的，衬底22可以在靶材置放装置23的上方，也可以在靶材置放装置23的下方，其具体方位不受限制，在下述实施例中，将以衬底22位于靶材置放装置23的下方为例进行阐述说明。向下溅射的电池材料粉末容易受到气流干扰，在此，外壳21主要给内部薄膜的形成提供一个稳定的环境，例如避免外部气流的影响。

样品台29主要是用于置放衬底22的，样品台29与靶材置放装置23之间的间距在50mm～100mm之间。对于不同的薄膜而言，可以根据薄膜的类型而更换更匹配度更好的衬底22。例如对于全固态薄膜锂电池系统而言，srtiox氧化物的晶体结构和liniox、limnox晶格结构类似，晶格结构类似，薄膜之间的衔接好，晶格匹配好，薄膜不容易脱落，后续沉积出来的电池材料的薄膜质量高。所以这样能更好的保证沉积的薄膜晶格之间相互匹配衬底22的最佳选择是srtiox。但是一方面srtiox的价格较昂贵，所以，即便采用srtiox作衬底22，其厚度也需要受到严格控制。另一方面，srtiox的强度不如siox。所述衬底22可以由siox和srtiox组合，srtiox镀于siox上，共同形成衬底22。再例如对于固体氧化物燃料电池系统而言，al2o3的晶体结构同氧化锆和氧化铈晶格结构类似，所以这样能更好的保证沉积的薄膜晶格之间相互匹配衬底22的最佳选择是al2o3。

样品台29与挡板24之间的间距需要控制在0.1mm～10mm之间，最佳控制在0.3mm～5mm之间，这是因为衬底22较薄，薄膜也较薄，通常是纳米级别的，如果样品台29与挡板24之间的间距偏小，在制造时，需要严格控制挡板24与样品台29之间的间距，因为挡板24在移动过程中，可能会触碰到衬底22或样品台29，如此难以形成薄膜。如果样品台29与挡板24之间的间距偏大，那么在镀膜时，薄膜的分界线不分明，薄膜成型效果也不佳，最终可能会影响测试结果。基于此，在本实施例中，样品台29与挡板24之间的间距可以是0.3mm、0.5mm、0.8mm、1mm、1.2mm、1.5mm、1.6mm、1.8mm、2.0mm、2.2mm、2.4mm、2.5mm、2.8mm、3.0mm、3.2mm、3.5mm、3.6mm、3.8mm、4.0mm、4.2mm、4.5mm、4.8mm、5.0mm、6mm、7mm、8mm、9mm等都是可以的。

下述内容将对控制方法作详细介绍，请参阅图2a：

a：开启所述靶材轰击装置轰击靶材置放装置23上的第一电极材料。在此，电池材料(包括第一电极材料和第二电极材料)可以是正极材料、负极材料、电解质材料、集流体材料或保护层材料。

b：控制所述挡板24沿第一方向旋转预设角度，以镀膜形成具有楔形台的第一电极层11，关闭所述靶材轰击装置对第一电极材料的轰击。由于弧形通槽240的存在，第一电机材料在靶材轰击装置的作用下穿过弧形通槽240，随着挡板24的移动，第一电极材料会在衬底22上形成一层薄膜，该薄膜的相对两端分别形成有一个楔形台。

c：控制所述挡板24沿所述第二方向旋转。由于上述楔形台薄膜已经形成，关闭靶材轰击装置可以节省靶材。

d：开启所述靶材轰击装置轰击靶材置放装置23上的第二电极材料。

e：控制所述挡板24沿第二方向继续旋转，以在第一电极层11的楔形台上镀膜形成第二电极层12，第二电极层12的上表面与样品台29平行，所述第一方向与所述第二方向相反(例如第一方向为顺时针方向，第二方向为逆时针方向)。

需要说明的是，在镀完第一电极层11时，第一电极层11并不是恰好为一个梯台结构，正如上述内容提及，第一电极层11具有两个楔形台(在第一方向上的相对两端)，其中一个楔形台对最终电极材料的测试没有影响。同样，在镀完第二电极层12时，第二电极层12也有两个楔形台，其中一个楔形台对最终电极材料的测试也没有影响。上述冗余的两部分电极层在电极测试时也不会用到，所有后续内容中将不对该冗余部分作说明。

镀完第一电极层11后，由于第一电极层11形成有两个楔形台，所以，在第一电极层11上镀第二电极层12的方式有两种。将第一电极层11在第一方向旋转方向上分为两端(左端和右端)，其中一种是在第一电极层11的左端镀第二电极层12，另一种是在第一电极层11的右端镀第二电极层12。

参照图9和图10，待第一电极层11和第二电极层12镀完之后，电池材料测试中间体10就形成了，可以将电池材料测试中间体10串入电路中。一个电极n1连接第一电极层11的下表面，另一个电极m1连接第二电极层12的上表面(两电极位于垂直于衬底22的同一直线上)，然后多次调节两电极的位置(m2和n2、m3和n3、m4和n4、m5和n5、m6和n6)，从而可以获取多组电阻值数据，通过多组电阻值数据可以得到两电池材料的配比与电阻值的关系，进而可以从中挑选最佳配比。

m1和n1对应的第二电极层12占据整个电极层比重的100％，m2和n2对应的第二电极层12占据整个电极层比重的95％，m3和n3对应的第二电极层12占据整个电极层比重的85％、m4和n4对应的第二电极层12占据整个电极层比重的60％，m5和n5对应的第二电极层12占据整个电极层比重的40％，m6和n6对应的第二电极层12占据整个电极层比重的0％。

本发明的技术方案可以把两种电池材料有效的沉积在一起，得到两种材料从低到高不同成分配比的变化，在进行电极测试时，可以快速找到两种电池材料的配比，也就是只需要一次制备该电池材料中间体，即可从该电池材料中间体中找到两种材料的较佳配比，也即符合条件的电池材料中间体的制备效率大大提升。

上述实施例提及到了在第一电极层11上镀第二电极层12的方式有两种，下述内容将以第二电极层12镀于第一电极层11左端为例进行说明。

请参阅图3至图5，其中一种情况如下：在步骤b中，挡板24沿第一方向旋转的预设角度为α，在步骤c中，挡板24沿第二方向旋转角度为γ，在步骤e中，挡板24沿第二方向旋转的角度为α；所述弧形通槽240的弧度对应的中心角为γ，α≤γ。

请参阅图6至图8，另一种情况如下：在步骤b中，挡板24沿第一方向旋转的预设角度为α，在步骤c中，挡板24沿第二方向旋转角度为α，在步骤e中，挡板24沿第二方向旋转的角度为γ；所述弧形通槽240的弧度对应的中心角为γ，α>γ。

由于电极材料中间体的长度无需太长，只需要能够满足电极配比测试即可。在本实施例中，无论是基于上述那种情况，30°≤α≤90°，例如α＝45°、60°、75°。

参照图2b，在镀膜前，衬底22上可能存在杂质，杂质对薄膜的成型有影响，也有可能会直接影响薄膜的导电性能，例如衬底22上存在水份、有机物等。鉴于此，在本实施例中，在步骤a之前还包括步骤s1：控制所述样品台29加热至450℃～550℃。样品台29内设置有加热装置28，通过加热装置28加热衬底22，从而可以去除衬底22上的杂质，而去除衬底22上的杂质的有效温度通常需要在500℃左右。另外，在镀膜时，为了使电池材料更容易沉积形成薄膜，在本实施例中，在步骤s1与步骤a之间还包括步骤s2：控制所述样品台29加热至600℃～700℃。加热装置28加热温度偏低不利于电池材料(氧化膜)沉积。

参照图2b，镀膜时，外壳21内的气体流动会影响电池材料的沉积位置，从而影响薄膜的最终形状。鉴于此，在本实施例中，所述电池材料镀膜设备20还包括真空源27，在步骤s1与步骤s2之间，还包括步骤s3：控制所述真空源27对所述外壳抽真空，以使真空度达到10^-8～10^-10torr。在此，为了使外壳内具有较好的真空度，在对客体进行抽真空时，需要使外壳内的真空度高于10^-8torr，例如10^-8torr、5×10^-9torr、2×10^-9torr、10^-9torr。

考虑到是氧化物薄膜，所以外壳内需要保持一定的氧气气压。在本实施例中，所述电池材料镀膜设备20还包括氧气源26，在步骤s2与步骤s3之间还包括步骤s4：向所述外壳内注入氧气，以使所述外壳内氧气气压达到0.1～100mtorr，同时真空度也要达到10^-5torr。

上述实施例中，每个阶梯沉积的高度是取决于挡板24暂定的时间的，为了是每个阶梯的轮廓更清晰(利于后续第一电池材料与第二电池材料的最佳配比的确认)，挡板24移动速度需要保持一致，且挡板24的移动速度要较快。在此，考虑到薄膜沉积的速度、薄膜的厚度及薄膜在第一方向上的长度，所述挡板24在n1次移动中，每次移动的速率均为v1，v1≥0.01m/s。当然，v1越大越好，当时由于挡板24每次移动的距离极小，如果在非常小的间距内，v1偏大那么挡板24产生的惯性极大，从而严重影响设备的使用寿命和精度。基于此，可以将v1控制在10^-5m/s～10^-4m/s之间。

样品台29与挡板24之间的间距需要控制在0.1mm～10mm之间，这是因为衬底22较薄，薄膜也较薄，通常是纳米级别的，如果样品台29与挡板24之间的间距偏小，在制造时，需要严格控制挡板24与样品台29之间的间距，因为挡板24在移动过程中，可能会触碰到衬底22或样品台29，如此难以形成薄膜。如果样品台29与挡板24之间的间距偏大，那么在镀膜时，薄膜的分界线不分明，薄膜成型效果也不佳，最终可能会影响测试结果。基于此，在本实施例中，样品台29与挡板24之间的间距可以是0.3mm、0.5mm、0.8mm、1mm、1.2mm、1.5mm、1.6mm、1.8mm、2.0mm、2.2mm、2.4mm、2.5mm、2.8mm、3.0mm、3.2mm、3.5mm、3.6mm、3.8mm、4.0mm、4.2mm、4.5mm、4.8mm、5.0mm、6mm、7mm、8mm、9mm等都是可以的。

靶材轰击装置可以有多种，所述靶材轰击装置为脉冲激光源，其采用激光脉冲沉积(pulsedlaserdeposition，pld)的方式，所述脉冲激光源安装于所述外壳21，用以轰击靶材。在此脉冲激光源安装在外壳21内部或外侧都可以，放置在外侧，造价便宜，因为这样真空腔就小；激光源本身较小，从而可以放置在内侧，然而真空腔就必须做大，真空腔一大，造价就会偏高。所述靶材轰击装置也可以是溅射气体源，所述溅射气体源安装于所述外壳21内，所述溅射气体源通过等离子气体轰击靶材，也就是通过sputter沉积的方式。所述靶材轰击装置还可以是电子束蒸发枪，所述电子束蒸发枪安装于所述外壳21内，用以轰击靶材，也就是采用分子束外延生长(molecularbeamepitaxy,mbe)的方式。

对于激光源而言，激光光源的波长为250nm～270nm，激光能量为每个脉冲为1j/cm²～3j/cm²，激光脉冲频率约为5hz～10hz。在其开启后，激光冲击靶材，被击落的靶材开始沉积在衬底22上，形成薄膜。对于溅射气体源而言，其主要是通过ar⁺冲击靶材，被击落的靶材开始沉积在衬底22上，形成薄膜。对于，电子束蒸发枪而言，其主要通过高速电子流冲击靶材，被击落的靶材开始沉积在衬底22上，形成薄膜。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。