成膜装置及成膜方法与流程

本发明涉及一种通过使锂金属蒸发而在基材上形成锂金属膜的成膜装置及成膜方法。

背景技术：

近年来，随着手机和智能电话等移动设备的进步，搭载于这些设备中的锂离子二次电池备受关注。在这样的锂离子二次电池的制造工序中，在基材(基体材料)上形成锂金属的工序尤为重要，并且迄今为止已经提出了各种技术。

例如，在专利文献1中，记载了通过在腔室内使锂金属蒸发而将飞散的粒子堆积在基材上从而在基材上形成锂金属的技术。在此，在专利文献1中，记载了通过在锂金属膜的表面形成由碳酸锂构成的保护膜来抑制锂金属膜劣化的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-017478号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

在专利文献1中，将在基材上形成有锂金属膜的锂层叠构件移动到除去了水分的处理室，并向该处理室导入包含二氧化碳气体的惰性气体，从而在锂金属膜的表面形成由碳酸锂构成的保护膜。

然而，上述方法是在除去了水分的环境下形成保护膜的方法，因此可能会因没有良好地形成作为碳酸锂的前体的氢氧化物而不能稳定地形成保护膜。

鉴于以上情况，本发明的目的在于，提供一种能够在锂金属膜上稳定地形成保护膜的成膜装置及成膜方法。

用于解决问题的手段

为了达成上述目的，本发明的一形态的成膜装置具有成膜部、第一处理部、第二处理部以及真空室。

上述成膜部包含使锂金属蒸发的蒸发源，并在基材上形成锂金属膜。

上述第一处理部包含用于对上述锂金属膜的表面进行羟基化的第一处理室。

上述第二处理部包含用于对羟基化后的上述表面进行碳酸化的第二处理室。

上述真空室容纳上述成膜部、上述第一处理部以及上述第二处理部。

根据该结构，能够对基材上形成的锂金属膜进行羟基化处理。由此，能够良好地形成作为由碳酸锂构成的保护膜的前体的氢氧化物，并且能够在随后的碳酸化处理中稳定地形成保护膜。

另外，根据上述结构，能够在真空室内一气呵成地执行锂金属膜的形成、羟基化处理以及碳酸化处理。由此，由于防止了锂金属膜与外部气体的接触，因而能够抑制锂金属膜的劣化，并稳定地形成保护膜。

进一步具有输送机构，该输送机构设置于上述真空室内，并能够输送作为长条的膜的上述基材，

上述输送机构可以具有：展开辊，相对于上述成膜部而设置在上述膜的输送方向上游侧，用于展开上述膜；以及卷取辊，相对于上述第一处理室及上述第二处理室而设置于上述膜的输送方向下游侧，用于卷绕上述膜。

上述第一处理部可以进一步具有第一气体供给管线，该第一气体供给管线用于向上述第一处理室导入含有氧和氢的第一气体，

上述第二处理部可以进一步具有第二气体供给管线，该第二气体供给管线用于向上述第二处理室导入含有碳和氧的第二气体。

上述第一气体可以为水蒸汽，

上述第二气体可以为稀有气体与二氧化碳气体的混合气体。

上述第一处理部可以进一步具有压力调节机构，该压力调节机构用于将已导入上述第一处理室的水蒸汽的压力调节为1.0×10^－6pa以上且1.0×10^－2pa以下。

由此，可抑制锂金属膜劣化并在锂金属膜上良好地形成氢氧化锂，因而能提高该氢氧化锂与二氧化碳气体的反应效率。因此，能够在锂金属膜上良好地形成由碳酸锂构成的保护膜。

为了达成上述目的，在本发明的一形态的成膜方法中，

在真空室内在基材上形成锂金属膜。

在真空室内将上述锂金属膜的表面羟基化。

在上述真空室内将羟基化后的上述表面碳酸化。

发明的效果

如上所述，根据本发明，能够提供一种能够在锂金属膜上稳定地形成保护膜的成膜装置及成膜方法。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式的成膜装置的结构的概要侧剖视图。

图2是示出使用了上述成膜装置的成膜方法的流程图。

图3是示出上述成膜装置的成膜过程的示意图。

图4是示出上述成膜装置的成膜过程的示意图。

图5是示出上述成膜装置的成膜过程的示意图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

(成膜装置的结构)

图1是示出本发明的一实施方式的成膜装置100的结构的概要侧剖视图。图1所示的x轴、y轴及z轴方向示出相互正交的3个轴方向，x轴及y轴示出水平方向，z轴方向示出铅垂方向。

如图1所示，成膜装置100具有真空室110、成膜部120、输送部130、第一处理部140、第二处理部150、回收部160以及输送机构170。

真空室110具有密闭结构，并与具有真空泵p1的第一排气管线l连接。由此，真空室110构成为能够使其内部排气至规定的减压气氛(减压环境)或维持规定的减压气氛。另外，如图1所示，真空室110具有分别划分成膜部120、输送部130、第一处理室141、第二处理室151以及回收部160的多个隔板111、112、113、114、115。

成膜部120是由隔板111和真空室110的外壁划分的成膜室，并且在其内部具有蒸发源121。另外，成膜部120与第一排气管线l连接。由此，当真空室110排气时，首先，使成膜部120内排气。

另一方面，成膜部120与输送部130连通，因而当在成膜部120内被排气时，输送部130内也被排气。由此，在成膜部120与输送部130之间会产生压力差。通过该压力差，抑制了后述的锂原料的蒸汽流进入输送部130内。

蒸发源121是使锂金属蒸发的锂蒸发源，例如，包括电阻加热式蒸发源、感应加热式蒸发源、电子束加热式蒸发源等。

输送部130是由隔板111、112、115和真空室110的外壁划分的输送室，配置在真空室110内的y轴方向上方。在本实施方式中，第一排气管线l仅与成膜部120连接，但是也可以通过将另一排气管线也连接到输送部130，来使输送部130与成膜部120独立排气。

第一处理部140具有第一处理室141、第一气体供给管线142以及压力调节机构143。

第一处理室141是由隔板112、113、115和真空室110的外壁划分的处理室。

第一处理室141与具有第一气体供给源s1的第一气体供给管线142连接。由此，第一处理室141以能够向其内部导入第一气体的方式构成。第一气体只要是含有氧和氢的气体即可，没有特别地限定，典型是水蒸汽。

第一处理室141与具有泵p2的压力调节机构143连接。由此，第一处理室141在维持为规定的减压气氛的同时，第一处理室141内的第一气体的气压被调节为规定的压力。

在本实施方式中，当已导入第一处理室141的第一气体被排出时，首先使第一处理室141内排气。另一方面，由于第一处理室141与输送部130连通，因而当使第一处理室141内排气时，输送部130内也排气。由此，会在第一处理室141与输送部130之间产生压力差。通过该压力差，抑制了第一气体进入输送部130内。

第二处理部150具有第二处理室151、第二气体供给管线152以及第二排气管线153。

第二处理室151是由隔板113、114、115和真空室110的外壁划分的处理室。

第二处理室151与具有第二气体供给源s2的第二气体供给管线152连接。由此，第二处理室151以能够向其内部导入第二气体的方式构成。第二气体只要是含有碳和氧的气体即可，没有特别地限定，具体地，例如可以使用氩等稀有气体与二氧化碳的混合气体。此时，也可以适当地设定第二气体中含有的二氧化碳的量，例如，体积比为5％左右。

第二处理室151与具有泵p3的第二排气管线153连接。由此，第二处理室151构成为能够维持为规定的减压气氛。此外，第二处理室151内的内压也可以等于或高于第一处理室141的内压。另外，也可以根据需要省略第二气体供给管线152。

输送机构170具有展开辊171、主辊172以及卷取辊173。

展开辊171、主辊172以及卷取辊173分别具有未图示的旋转驱动部，并且构成为能够分别绕z轴以规定的旋转速度沿图1的箭头方向旋转。由此，在真空室110内，基材f被以规定的输送速度从展开辊171向卷取辊173输送。

展开辊171相对于成膜部120而设置在基材f的输送方向上游侧，具有将基材f送到主辊172的功能。此外，在展开辊171与主辊172之间的适当位置处，也可以配置有适当数量的不具有独自的旋转驱动部的引导辊(图示省略)。

主辊172在基材f的输送方向上配置在展开辊171与卷取辊173之间。主辊172在y轴方向上的下部的至少一部分穿过设置于隔板111的开口部111a而配置在面对成膜部120的位置。

由此，主辊172隔着规定间隔而与开口部111a对置，并在y轴方向上与蒸发源121对置。

主辊172由不锈钢、铁、铝等金属材料形成为筒状，并且在其内部也可以设置有例如未图示的温度调节介质循环系统等温度调节机构。主辊172的大小没有特别限定，但是典型地，z轴方向的宽度尺寸设定得比基材f的z轴方向的宽度尺寸大。

卷取辊173配置在由隔板114、115和真空室110的外壁划分的空间即回收部160，具有将从展开辊171展开并在成膜部120成膜有锂金属的基材f回收的功能。

此外，也可以在卷取辊173与主辊172之间的适当位置处，配置有适当数量的不具有独自的旋转驱动部的引导辊(图示省略)。

基材f是例如裁剪成规定宽度的长条的膜。基材f由铜、铝、镍、不锈钢等金属构成。不限定于此，对于基材f，也可以使用opp(拉伸聚丙烯)膜、pet(聚对苯二甲酸乙二醇酯)膜、pps(聚苯硫醚)膜、pi(聚酰亚胺)膜等树脂膜。

基材f的厚度没有特别限定，例如为数μm～数十μm。另外，关于基材f的宽度或长度，也没有特别限制，可根据用途适当决定。

成膜装置100具有上述结构。此外，虽未图示，但是成膜装置100具有控制部，该控制部控制蒸发源121或输送机构170、真空泵p1～p3、第一及第二气体供给源s1、s2等。上述控制部由包含cpu及存储器的计算机构成，控制成膜装置100整体的动作。另外，成膜装置100的结构不限定于图1所示的结构，例如，可以适当变更成膜部120、蒸发源121、输送部130、第一处理室141、第二处理室151以及回收部160的配置或大小等。

(成膜方法)

图2是示出使用了成膜装置100的成膜方法的流程图。图3～图5是示出成膜装置100的成膜过程的示意图。以下，根据图2，并适当参照图3～图5说明成膜装置100的成膜方法。此外，在以下的成膜方法中，作为一个例子，对在形成于基材f上的锂金属膜上形成由碳酸锂构成的保护膜的方法进行说明。

(步骤s01：排气处理)

启动真空泵p1、p2、p3，从真空室110内进行排气，并将成膜部120、输送部130、第一处理室141以及第二处理室151都维持在规定的真空度。作为一个例子，成膜部120内的压力被调节为1×10^－5pa以上且1×10^－2pa以下。

从第一气体供给管线142向第一处理室141内导入第一气体。在本实施方式中，使用水蒸汽作为第一气体，通过压力调节机构143将导入第一处理室141内的水蒸汽的压力调节为1.0×10^－6pa以上且1.0×10^－2pa以下。由此，在后述的碳酸化处理(步骤s04)中，可以实现诸如提高氢氧化物与第二气体之间的反应效率等处理条件的最优化。

另外，从第二气体供给管线152向第二处理室151内导入第二气体。在本实施方式中，使用氩与二氧化碳气体的混合气体作为第二气体，通过第二排气管线153将已导入第二处理室151内的上述二氧化碳气体的压力调节为1×10^－6pa以上且1×10^－3pa以下。

另外，驱动支撑基材f的输送机构170，将基材f从展开辊171向卷取辊173输送。在成膜部120，蒸发源121使金属锂蒸发，形成朝向主辊172上的基材f出射的锂原料的蒸汽流。

(步骤s02：成膜工序)

通过使展开辊171、主辊172以及卷取辊173绕z轴以规定的旋转速度连续旋转，从而在主辊172上的基材f经过成膜部120的过程中，锂金属的粒子堆积到基材f上，如图3所示，在基材f上形成有锂金属膜m1。锂金属膜m1的厚度没有特别限定，例如为数μm～数十μm。

(步骤s03：羟基化处理)

接着，形成有锂金属膜m1的基材f被输送到第一处理室141，并在锂金属膜m1的表面实施羟基化处理。

在第一处理室141中，在锂金属膜m1的表面上例如发生由下式(1)表示的化学反应，将锂金属膜m1的表面羟基化。因此，如图4所示，在锂金属膜m1的表面形成由氢氧化锂构成的反应层m2。

2li+2h2o→2lioh+h2o···(1)

(步骤s04：碳酸化处理)

接着，形成有反应层m2的、具有锂金属膜m1的基材f被输送到第二处理室151，并在锂金属膜m1的表面实施碳酸化处理。

在第二处理室151中，在由氢氧化锂构成的反应层m2与二氧化碳气体之间，发生例如由下式(2)表示的化学反应，如图5所示，在锂金属膜m1上形成由碳酸锂构成的保护层m3。

2lioh+co2→li2co3+h2o···(2)

(步骤s05：回收)

具有保护层m3的、形成有锂金属膜m1的基材f被卷绕到卷取辊173上。

以上述方式，可获得具有在锂金属膜m1上形成有由碳酸锂构成的保护层m3的锂层叠基材f1。通过上述成膜方法形成的保护层m3作为覆盖锂金属膜m1表面的坚固的保护膜而发挥功能。由此，抑制了锂层叠基材f1的变色和使用该基材f1的产品特性的劣化等。

根据本实施方式，不将锂金属膜m1从真空室110取出就能形成保护层m3。由此，防止了锂金属膜m1与外部气体接触，从而能够抑制锂金属膜m1的劣化，并能够稳定地形成保护层m3。

另外，在成膜装置100中，可在真空室110内一气呵成地执行锂金属膜m1的形成、羟基化处理以及碳酸化处理。由此，不需要为了在锂金属膜m1上形成保护层m3，而将形成有例如锂金属膜m1的基材f转移到真空室110以外的环境来实施老化等的处理。因此，由于缩短了从形成锂金属膜m1到碳酸化处理时间，因而可提高生产率。

进而，在成膜装置100中，第一及第二处理室141、151设置在基材f的输送路径上。由此，形成有锂金属膜m1的基材f在被回收的过程中必然会经过第一及第二处理室141、151。因此，能够均匀地将整个上述基材f羟基化及碳酸化，因此抑制了反应层m2及保护层m3的形成状态的偏差。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但是本发明不仅限定于上述的实施方式，不言而喻，可以对本发明进行各种变更。

例如，在上述实施方式中，作为成膜方法的一个例子，采用了真空蒸镀法，但是不限定于此，也可以采用分子线蒸镀法、离子电镀法或者离子束蒸镀法等。

另外，在上述实施方式中，通过调节第一及第二处理室141、151内的气压，实现上述的羟基化处理及碳酸化处理的最优化，但是不限定于此。

例如，在成膜装置100中，也可以通过适当变更第一及第二处理室141、151的大小、配置或数量，或适当变更基材f的输送速度、输送路径、或者第一及第二处理室141、151内的第一及第二气体的浓度、第一及第二气体供给管线142、152的数量，来实现上述实施方式的羟基化处理及碳酸化处理的最优化。

进而，在上述实施方式中，作为成膜装置100的一个例子，对卷绕型的成膜装置进行了说明，但是本发明也能够适用于例如单张式的成膜装置。

附图标记说明

100：成膜装置

110：真空室

120：成膜部

130：输送部

140：第一处理部

141：第一处理室

142：第一气体供给管线

143：压力调节机构

150：第二处理部

151：第二处理室

152：第二气体供给管线

170：输送机构

f：基材