用于沉积材料的系统的制作方法

本技术涉及材料的沉积，特别是粘性材料的沉积。沉积可以形成电池(特别是二次电池)的制造过程的一部分。

背景技术：

1、当制造电池时，诸如在二次电池的制造过程中，在具有受控厚度轮廓的基板上沉积材料可能是有利的。特别地，取决于设计配置，除了在处理方向上延伸的一条或多条线之外，在基板上均匀地沉积材料可能是有利的。

2、材料可以经由模具沉积在箔状基板上，该模具可以限定用于将材料排放到基板上的开口，同时基板以受控速度移动经过开口以在基板上沉积材料层。例如，在电池制造过程中，金属箔可以被传送经过模具的开口，并且活性材料浆可以从模具的开口排放以形成活性电极组件。

技术实现思路

1、技术问题

2、然而，在公知的制造过程中，可能难以控制沉积材料层的一致性，这可能不利地影响最终产品的性质。例如，在二次电池的情况下，电池中不同材料层的厚度分布的不均匀性可能导致电池在使用期间的局部劣化，例如当电池中负极活性材料层和正极活性材料层的局部厚度不同时，这可能导致电池的性能降低或过早老化。

3、鉴于此，技术问题会是以精确方式控制沉积材料在基板上的厚度轮廓。

4、技术方案

5、上述技术问题由独立权利要求1、7和15中限定的系统和方法来解决。具体实施方式由从属权利要求的特征给出。

6、提供了一种用于沉积材料的系统。该系统包括模具，所述模具用于沿着主沉积方向经由模具的开口挤出材料。该模具包括：流体连接到开口的腔；以及穿过腔朝向开口延伸的导流件，该导流件用于使经由开口挤出并在腔中流过导流件的侧部的材料流成形。导流件的侧部包括加宽侧部，其中加宽侧部的宽度沿着主沉积方向朝向开口增大。

7、模具可以经由开口挤出粘性材料，该粘性材料可以例如经由基板和模具的相对移动作为膜沉积到基板上。例如，基板可以例如在传送系统上移动经过模具，并且粘性材料可以经由模具的开口连续挤出，以在基板上形成材料层。在一些实施例中，该系统还包括诸如涂覆辊之类的单元，以传送诸如金属箔之类的基板，材料要沉积在该基板上。

8、开口可以限定用于从模具挤出材料的流动面积。开口可以大体垂直于主沉积方向并且可以与宽度以及垂直于宽度的高度相关联，该宽度可以控制沉积在基板上的材料层的宽度。开口可以沿着宽度方向伸长，例如，开口的宽度可以比开口的高度大至少一个数量级。开口的高度可以沿着宽度方向大体恒定。

9、腔可以形成在模具中用于接纳材料，并且可以沿着主沉积方向朝向开口引导材料。腔本身可以指模具内的中空空间，并且腔可以被认为是系统和/或适合具有腔的部位的结构特征。腔的高度可以大于开口的高度或与开口的高度相同。例如，模具可以包括限定相应的上模具唇和下模具唇的上模具部和下模具部，并且腔可以形成在上模具部和下模具部之间，其中上模具部和下模具部可以以腔的高度间隔开。腔的长度可以大于腔的高度，并且特别地比高度大一个数量级。因此，材料可以以片状方式流过腔，其中材料的流动大体平行于主沉积方向，并且材料在基板上的沉积层的厚度可以取决于腔的高度。

10、导流件可以沿着主沉积方向朝向开口延伸穿过腔，以使材料流朝向开口成形。导流件可以通过物理地阻塞腔和/或开口的一部分来约束腔中和/或穿过开口的材料的流动面积。材料可以被接纳在腔中并且可以驱动材料沿着主沉积方向穿过腔朝向开口流动。材料流可以借助导流件成形，例如通过利用导流件限定穿过腔的流的边界(侧向)条件。例如，可以迫使材料流过导流件，其中导流件可以沿宽度方向约束材料流。导流件可以沿着主沉积方向伸长。

11、在一些实施例中，导流件的高度对应于腔和/或开口的高度，使得导流件可以沿着宽度方向限定或界定模具的对应沉积区域。例如，导流件可以沿着宽度方向界定腔，或者可以沿着宽度方向分离腔的两个部分和/或开口的两个部分，使得可以根据导流件的相对两个侧部上的两个材料流来引导材料。在一些实施例中，导流件用作间隔件，用于以腔和/或开口的高度将模具的上模具部和下模具部间隔开。然而，在一些实施例中，导流件的高度小于腔的高度，使得当沿着主沉积方向观察时，导流件可以仅局部阻塞腔。

12、借助导流件成形的材料的流动轮廓可以使得由模具挤出单独的材料层，其中单独的层可以沿着开口的宽度方向间隔开，例如以在基板上沉积为材料的相邻轨迹。换言之，导流件可以限定基板上的沉积材料层中的间隙，其中间隙布置在与腔中的导流件沿宽度方向的位置对应的位置处。导流件可以限定经由开口挤出的材料的单独层的相应边缘，并且导流件的侧部可以相应地限定沿着主沉积方向流动的材料的流动轮廓。可以在腔中设置多个导流件，以便挤出沿着宽度方向间隔开的材料的多个轨迹，其中轨迹之间的间隙根据导流件沿着宽度方向的位置而分布。

13、本领域技术人员将理解，根据腔的几何形状和材料向中腔的流入，材料的流动轮廓将根据腔和开口的边界而形成。腔的边界可能使流过腔的材料产生空间变更的流动轮廓，其中材料的流动的方向和/或速度可以是与空间相关的。流动轮廓可以限定材料沿着宽度方向的流速，因此可以影响经由开口沿着宽度方向挤出的材料的厚度轮廓。主沉积方向可以是材料被驱动流过腔和/或材料经由开口被挤出的平均方向。

14、导流件可以至少局部地限定腔中的边界条件，并且可以至少局部地影响朝向开口流过腔的材料的流动轮廓。特别地，导流件的侧部可以沿着宽度方向侧向界定腔的一部分(至少靠近导流件)，以用于沿着主沉积方向使材料流成形。材料沿着主沉积方向流过的导流件侧部的几何形状可以控制腔中的材料的局部流动轮廓。因此，经由开口沿着宽度方向挤出的材料的厚度轮廓可以至少在导流件附近取决于侧部的几何形状。

15、在该系统中，导流件包括具有加宽侧部的侧部，其中加宽侧部的宽度沿着主沉积方向增大。例如，导流件的侧部的至少一部分的特征可以为具有相对于主沉积方向的斜率，以便利用相对于主沉积方向以一定角度延伸的侧部导引材料流。例如，当与具有平行于主沉积方向延伸的侧部的导流件相比时，加宽侧部可以局部地施加材料远离导流件的流动分量，这可以改善沿宽度方向靠近导流件的位置在基板上沉积的材料层的均匀性。特别地，加宽侧部可以减小基板上靠近材料层边缘的沉积材料的厚度的变化。

16、在一些实施例中，加宽侧部位于开口处或靠近开口，并且可以尤其是沿着导流件的整个侧部延伸。

17、加宽侧部可以沿着导流件布置在导流件的相对于主沉积方向靠近开口的部分处。靠近开口，导流件可以控制离开腔的材料的流动轮廓，并且导流件的形状可以限定靠近由导流件限定和/或界定的材料流的边缘的出口流动轮廓。加宽侧部可以沿着主沉积方向跨越在腔中的导流件的长度的30％以上、50％以上或75％以上延伸，或者大体跨越腔中的导流件的整个长度延伸，例如从用于将材料进给到腔中的进给端口或从腔的与开口相对的端部测量。

18、在一些实施例中，加宽侧部的宽度朝向开口单调增大。特别地，加宽侧部的宽度可以沿着主沉积方向根据平滑函数增大，并且优选地根据凸函数、线性函数或凹函数增大。

19、导流件的侧部应至少靠近开口是平滑的，以便避免腔中材料的流动轮廓不规则，例如用于避免流过腔的材料流的非线性流动条件或湍流。如本文所使用的，术语平滑可以被理解为可微分函数，而不是更严格的数学定义。然而，本领域技术人员将理解，例如对于层流条件，流体阻力可以有效地抚平侧部的较小不均匀，因此在一些实施例中，侧部的轮廓可以仅大体平滑或者可以仅在靠近开口处平滑。

20、在一些实施例中，侧部相对于主沉积方向倾斜，使得加宽侧部的宽度朝向开口线性增大。

21、因此，侧部可以限定相对于主沉积方向的斜率，使得导流件可以将流导引成与主沉积方向成角度经过侧部，并且材料可以被导引成远离导流件。

22、在一些实施例中，包括加宽侧部的侧部面朝模具的中心。

23、换言之，加宽侧部可以在导流件的关于宽度方向面对模具的中心的侧部上。例如，当从模具中心处的进给端口接纳材料时，加宽侧部可以面对进给端口，材料在进给端口处被接纳在腔中。

24、在一些实施例中，导流件的所述侧部或另一侧部包括凹进侧部，使得导流件在凹进侧部中的厚度小于导流件在导流件的中心中的中心厚度，其中包括凹进侧部的侧部可以特别是包括加宽侧部的侧部的相对侧。

25、例如，导流件可以包括在导流件的一个侧部上的加宽侧部和在导流件的相对侧部上的凹进侧部。当沿着主沉积方向观察时，凹进侧部可以减小朝向开口经过腔的流动面积，但是可以限定比导流件的中心部分更大的流动面积。例如，导流件可以包括从导流件的侧部突出的突起，该突起可以局部地阻塞腔以减小材料在凹进侧部中朝向开口的流速。

26、因此，凹进侧部可以以与加宽侧部类似或相反的方式控制材料的流动轮廓，以改善沉积的材料层的均匀性。在一些实施例中，凹进侧部背离进给端口，材料在该进给端口处被接纳在腔中。

27、在一些实施例中，加宽侧部与凹进侧部交叠，使得导流件在加宽侧部中的厚度小于导流件在导流件的中心中的中心厚度。

28、该系统可以包括这样的导流件，该导流件包括加宽侧部和凹进侧部两者，或者系统可以包括仅具有加宽侧部或仅具有凹进侧部的导流件。

29、因此，提供一种用于沉积材料的系统。该系统包括模具，所述模具用于沿着主沉积方向经由模具的开口挤出材料。模具包括：流体连接到开口的腔；以及穿过腔朝向开口延伸的导流件，该导流件用于使经由开口挤出并在腔中流过导流件的侧部的材料流成形。导流件的侧部包括凹进侧部，使得导流件在凹进侧部中的厚度小于导流件在导流件的中心中的中心厚度。

30、然而，如上所述，系统还可以包括包括加宽侧部的导流件和/或包括凹进侧部的导流件还可以包括加宽侧部。

31、在一些实施例中，凹进侧部位于开口处或靠近开口，并且尤其是沿着导流件的整个侧部延伸。

32、在一些实施例中，导流件在凹进侧部处的剖面可以包括朝向相对于导流件的中心厚度的中间厚度的线性斜面、凸形状、凹形状和/或台阶。

33、剖面可以是垂直于主沉积方向的剖面。台阶可以是从导流件的侧部突出的突起，该突起局部地阻塞腔以减小材料朝向开口在凹进侧部中的流速。然而，当沿着主沉积方向观察时，凹进侧部还可以包括平滑函数，诸如凸形状或凹形状或者线性斜面，从而在凹进侧部中有效地形成梯形剖面。

34、在一些实施例中，凹进侧部背离模具的中心。

35、对于在导流件附近流过导流件侧部的材料，凹进侧部可以增大材料朝向导流件的流速。因此，当用于将材料进给到腔中的进给端口布置在模具的中心中时，凹进侧部可以校正经过腔的潜在压力梯度。

36、在一些实施例中，模具包括：与腔连通的歧管，用于在模具的宽度方向上分布材料，宽度方向垂直于主沉积方向；以及与歧管连通的进给端口，用于将材料提供给歧管。

37、歧管可以由模具中(例如在下模具部和上模具部中的一者或两者中)的凹口形成，该凹口可以沿着模具的宽度方向伸长，使得进给到腔中的材料可以借助歧管沿着模具的宽度方向分布。例如，进给端口可以将材料的入流连接到歧管，使得材料被接纳在歧管中并且在宽度方向上分布，并且材料可以以大体均匀的流动轮廓从歧管朝向开口流出。进给端口可以由穿过上模具部和下模具部之一的通孔形成，用于将材料进给到歧管和/或腔中。

38、在一些实施例中，该系统包括设置为与模具分离的件的引导板，该引导板包括支撑部分和导流件，其中支撑部分布置在腔内，并且导流件从支撑部分延伸到模具的开口。

39、引导板可以是布置在模具的模具部和下部模具部之间的垫片，并且可以用作模具的上模具部和下模具部之间的间隔件。换言之，引导板可以通过将模具的上半部和下半部间隔开来限定腔的高度。引导板可以沿着主沉积方向用支撑部分界定腔的后端。导流件可以朝向开口延伸，并且在一些实施例中，可以在开口前面、开口处或开口后面结束。导流件可以侧向界定腔或腔的一部分。

40、在一些实施例中，导流件布置在腔中，使得当系统经由开口挤出材料时，材料朝向开口经过导流件的相对侧部。

41、引导板还可以包括布置在支撑部分的相对两侧上的侧向叉，侧向叉可以沿着主沉积方向朝向开口延伸并且可以沿着宽度方向限定腔的侧向界限。侧向叉可以平行于导流件延伸并且可以延伸直到到达开口。侧向叉的特征可以为具有钩状端部，该钩状端部包括布置在模具的开口处并且朝向模具的中心突出的突起，用于在挤出材料层的外边缘处使材料流成形。侧向叉的突起可以用作导流件，并且其特征可以为具有用于使材料从开口流出的流动轮廓成形的凹进侧部。

42、多个插设叉可以作为导流件布置在朝向开口延伸的侧向叉之间，并且引导板可以形成大体梳状的垫片，其可以限定腔在相邻插设叉和侧向叉之间的不同区段，例如当引导板插设在上模具部和下模具部之间时。

43、可以从腔移除引导板(例如通过将引导板与另一引导板交换)，以用于调整材料在基板上沉积的几何形状，其特征在于可以相邻导流件之间具有不同间隔或具有不同厚度。

44、然而，在一些实施例中，导流件与上模具部和下模具部中的一者或两者一体形成。

45、该系统有利地应用于电池的制造。除非另有说明或技术上不合适，否则电池通常可以包括或可以是一次电池、二次电池或更一般地用于能量存储的电化学电池中的任何一种。特别地，本文中使用的电池可以指二次电池，即可再充电电池。例如，电池可以包括以特定方式堆叠的一层或多层电极以及一层或多层隔膜。电池可以是纽扣型、圆柱型、方型或袋型电池。特别地，电池可以配置为向电动车辆提供电力。下文中，将参考某种电池，以便不将主题限制于一种特定电池的制造。另选地或附加地，电池可以指一次电池或不可再充电电池。

46、还可以参考电池部件。电池部件可以指电池的可以用于制造电池产品的任何半成品部件。在具体实施例中，电池部件可以指电极基板和设置在电极基板上的活性材料。例如，活性材料可以沉积和/或喷涂在电极基板上。电极基板可以是包括金属材料(诸如铜、镍或铝)的金属箔。

47、电池的活性材料可以提供为粘性混合物，粘性混合物可以被称为浆料。含有活性材料的浆料可以设置在电极基板上，从而获得电池部件。电池部件可以被干燥并可选地被激活，以获得用于电池特别是用于二次电池的电极。为了简化描述，除非另有说明或技术上不合适，否则术语活性材料和浆料在下文中可互换使用，并且活性材料可以是经由模具挤出到基板上的材料。

48、浆料可以指含有粘结剂的粘性混合物，固体活性材料(可以例如提供为颗粒和/或粉末材料)与粘结剂混合。作为一系列非排它的实施例，活性材料可以是或含有例如锂钴氧化物(lco)、锂镍钴锰氧化物(ncm)、锂镍钴铝氧化物(nca)、锂锰氧化物(lmo)、锂镍锰尖晶石(lnmo)、磷酸铁锂(lfp)。活性材料可以另外包括石墨、纯锂和/或硅。

49、浆料可以另外含有固体导电微粒，例如炭黑和/或碳纳米管。浆料可以另外含有分散剂。粘结剂可以是聚合物粘结剂。粘结剂可以是或包括聚偏二氟乙烯(pvdf)、聚丙烯酸甲酯(pmma)、羧甲基纤维素(cmc)、聚丙烯酸酯、黄原胶、聚乙二醇或苯乙烯丁二烯。浆料还可以含有一种或多种液体组分。液体组分可以是或包括水和/或有机溶剂，例如四氢呋喃(thf)或n-甲基-2-吡咯烷酮(nmp)。

50、浆料可以设置(特别是沉积或挤出)在电极基板上。电极基板可以是由一种或多种金属材料(诸如铜、镍或铝)制成的金属箔。制造电极可以包括干燥设置在电极上的活性材料。

51、具体地，前述系统可以是适于制造二次电池的系统，其中材料可以是用于二次电池的正极活性材料。

52、本领域技术人员将理解，模具的材料和尺寸可相应地适于处理用于电池电极的活性材料以及挤出适合于电池制造的所述活性材料层。特别地，系统可以能够沉积具有合适粘度的材料，可以例如符合astm 7042标准的stabinger粘度计svm运动粘度计在大气压力(1013.25hpa)和25℃下测量这些材料。合适的粘度可以例如但不限于在10-3pa.s至109pa.s的范围内，特别是高于10-1pa.s、高于1pa.s或高于10pa.s，并且可以高达108pa.s、高达107pa.s或高达106pa.s。具体地，可使用如本文所公开的系统沉积的材料可以包括但不限于用于电池制造的浆料，并且特别是用于活性电极制造的活性材料沉积。

53、此外，提供了一种用于利用前述系统中的任一者制造电池的方法，该方法包括经由模具中的开口在基板上沉积材料。

54、有益效果

55、可以借助权利要求中限定的系统和方法来改善基板上的沉积材料层的均匀性。

56、另外，借助所述系统和方法，可以以精确的方式控制沉积材料在基板上的厚度轮廓。