用于锂离子电池的喷涂涂覆工艺的电极表面粗糙度控制的制作方法
【专利说明】用于锂离子电池的喷涂涂覆工艺的电极表面粗糙度控制
[0001] 发明背景 发明领域
[0002] 本发明的实现方式总体涉及高容量能量存储器件，并且更具体地说，本发明的实 现方式涉及用于制造能量存储器件和器件部件的方法、器件部件、系统和装置。
[0003] 相关技术的描述
[0004] 高容量能量存储器件（诸如锂离子（Li-ion)电池）被用于越来越多的应用中，所 述应用包括便携式电子设备、医疗、运输、并网（grid-connected)大型能量存储装置、可再 生能量存储装置以及不间断式电源（UPS)。
[0005] Li-ion电池通常包括阳极电极、阴极电极和定位在阳极电极与阴极电极之间的隔 件。隔件是提供阳极电极与阴极电极之间物理隔离和电气隔离的电绝缘体。隔件通常是由 多微孔聚乙烯和聚烯烃制成，并且在单独制造步骤中施加。
[0006] 对于大多数的能量存储应用而言，能量存储器件的充电时间和容量是重要参数。 另外，此类能量存储器件的大小、重量和/或成本可能造成显著局限性。
[0007] -种用于制造能量存储器件的阳极电极和阴极电极的方法在原理上基于：将阴极 活性材料或阳极活性材料的粘性粉末浆料混合物狭缝涂覆在导电性集电器上，接着，长时 间加热以形成干燥铸片（cast sheet)并且防止破裂。蒸发溶剂的干燥之后的电极厚度最 终是由调节最终层的密度和孔隙度的压缩和压延（calendering)确定。狭缝涂覆粘性楽;料 是高度发展的制造技术，所述技术非常依赖于浆料调配、成形以及均化。成形的活性层对干 燥工艺的速率以及热学细节极度敏感。
[0008] 此外，此项技术的问题和限制在于需要较大占地面积（例如，长达50米）以及用 于经蒸发的挥发组分的精密收集和再循环系统两者的缓慢且昂贵的干燥部件。在这些经蒸 发的挥发组分中，许多组分是另外需要精密消除系统的挥发性有机化合物。另外，这些类型 的电极的所得电导率还限制了电极厚度，并因此限制了电极体积。
[0009] 因此，本领域中需要用于更成本有效地制造充电更快、容量更高的能量存储器件 的方法、系统和装置，所述能量存储器件体积更小且更轻，并且可以高生产率制造，而不会 对环境造成不利影响。
【发明内容】
[0010] 本发明的实现方式总体涉及高容量能量存储器件，并且更具体地说，涉及用于制 造能量存储器件和器件部件的方法、器件部件、系统和装置。在一个实现方式中，提供一种 形成电极结构的方法。所述方法包括：在柔性导电基板之上喷涂电活性的材料，传送上面沉 积有电活性的材料的所述柔性导电基板通过具有第一温度的第一加热辊，并且随后，传送 上面沉积有所述电活性的材料沉积的所述柔性导电基板通过具有第二温度的第二加热辊， 其中所述第二温度大于所述第一温度，并且所述电活性的材料包括阴极活性材料。
[0011] 附图简单说明
[0012] 因此，为了详细理解本发明的上述特征结构的方式，上文简要概述的本发明的更 具体的描述可以参照实现方式进行，一些实现方式示出在附图中。然而，应当注意，附图仅 示出了本发明的典型实现方式，并且因此不应被视为本发明的范围的限制，因为本发明可 允许其他等效实现方式。
[0013] 图IA是根据本文所述实现方式形成的具有一或多个电极结构的部分电池单元双 层的不意图；
[0014] 图IB是根据本文所述实现方式形成的具有一或多个电极结构的部分电池单元的 示意图；
[0015] 图2是根据本文所述实现方式的具有加热辊的喷涂模块的一个实现方式的示意 局部横截面图；和
[0016] 图3是根据本文所述实现方式的形成电极的方法的流程图。
[0017] 为了促进理解，已尽可能使用相同元件符号指定各图所共有的相同元件。可以预 期，一个实现方式中公开的元件可有利地用于其他实现方式，而无需具体地叙述。
[0018] 具体描述
[0019] 本发明的实现方式总体涉及高容量能量存储器件，并且更具体地说，涉及用于制 造能量存储器件和器件部件的方法、器件部件、系统和装置。在某些实现方式中，已经发现， 将包含电活性的材料的浆料喷涂到柔性基板上并随后将所述基板暴露于增加的温度梯度 下产生具有低孔隙度和减小的表面粗糙度/增加的平滑度的干燥或几乎干燥的膜的沉积。 所述增加的温度梯度可由所述基板横越过的多个加热辊而导致，其中每个加热辊加热至大 于前一加热辊的温度，从而产生具有低孔隙度的相对平滑表面的干燥或几乎干燥的膜的沉 积。干燥或几乎干燥的膜的沉积使得不再需要大型且昂贵的干燥机构，因此减少所述装置 的成本和占地面积。
[0020] 由于若干原因，期望具有减小的表面粗糙度和低孔隙度的活性材料的沉积。为了 实现具有较低电阻和高容量的电极，期望活性材料的致密堆积。一般来说，在沉积电极形成 材料后，电极形成材料被暴露于压延工艺以实现期望的孔隙度。沉积电极形成材料之后的 初始孔隙度越低，压延工艺就越简单，另外，为了消除这个步骤而在沉积之后立即做出获得 最佳孔隙度的努力是成本有效的。减小的表面粗糙度和增加的平滑度同样是重要的，因为 更粗糙表面会使电极上的电流密度不均匀，由此不利影响电池性能。
[0021] 本发明的某些实施方式提供用于通过喷涂涂覆方法产生的电极的表面粗糙度控 制的方法和装置。比起常规槽模涂覆（slot die coating)方法，通过喷涂涂覆在受热基板 上沉积电极形成材料实现瞬时干燥，从而产生无裂纹厚涂层，并且限制粘合剂的迀移。然 而，由于喷涂液滴在接触受热基板时快速干燥，因此，液滴会聚集在一起产生涂层，所述涂 层呈现增加的表面粗糙度和高孔隙度。表面粗糙度的程度一般是工艺相关的，并且可取决 于诸如以下因素：基板/热辊温度、电极形成材料流率，以及电极形成材料中的固体含量。 这种增加的表面粗糙度可对最终电池结构的电性能造成不利影响。另外，这种增加的表面 粗糙度还对基板双侧涂覆造成问题，所述双侧涂覆作为当前大多数锂离子电池制造工艺的 期望目标。例如，增加的表面粗糙度/高孔隙度导致背侧涂层的干燥低效，从而导致工艺不 一致性并增加复杂性。
[0022] 在本文所述某些实现方式中，通过控制沉积步骤期间沉积的材料的干燥速度降低 表面粗糙度。材料干燥速度可以使用涂覆和干燥工艺的多个阶段控制，以提供可相较于使 用常规槽模涂覆方法产生的电极的具有低孔隙度的平滑表面的电极，同时实现快速干燥、 无裂缝并且限制粘合剂迀移的问题。
[0023] 在某些实现方式中，电极形成浆料喷涂在行进通过低温辊的基板上。低温辊加热 至一定温度范围，使得所沉积的材料保持在基板上，而不在适度干燥速度下滴落。示例性低 温辊温度可介于约60摄氏度至约90摄氏度之间。基板随后将行进通过第二加热辊，其中 第二辊被加热至配置以进一步干燥涂层的温度。在其中所沉积的材料接触辊的某些实现方 式（涉及双侧涂覆工艺和/或方向改变）中，第二辊加热至用以将涂层进一步干燥至某个 温度的温度，使得涂层可接触辊，而不损坏所沉积的材料。最后，基板将行进通过加热至一 温度范围的高温辊，使得任何剩余溶剂都将从所沉积的材料中去除。示例性高温辊的温度 可介于约120摄氏度至约130摄氏度之间。在某些实现方式中，除了加热辊外，还可使用额 外的加热器以增加干燥效果。示例性额外的加热器包括红外线（IR)加热器和受热空气。
[0024] 如本文所使用，"喷涂沉积技术"包括但不限于：液压喷涂技术、雾化喷涂技术、电 喷涂技术、等离子体喷涂技术、气动喷涂技术以及热喷涂技术或火焰喷涂技术。
[0025] 本文所述某些实现方式包括通过使用喷涂沉积技术沉积电活性的材料在基板上 形成用作集电器的阳极活性层或阴极活性层（所述基板例如，用于阳极的铜基板和用于 阴极的铝基板）来进行的电池电极制造。对于双层电池以及电池部件，处理过的基板的 相对侧可同时被处理以形成双层结构。可使用本文所述实现方式形成的阳极结构和阴极 结构的示例性实现方式被描述在图1、图2A至图2D、图3、图5A和图5B以及Bachrach 等人于 2010 年 7 月 19 日提交的名称为 "COMPRESSED POWDER 3D BATTERY ELECTRODE MANUFACTURING(压缩粉末3D电池电极制造）"（现公布为US2011/0129732)的共同转让的 美国专利申请案第12/839,051号（代理人案卷号APPM/014080/EES/AEP/ES0NG)的对应段 落[0041]至[0066]和[0094]至[0100]中。
[0026] 在沉积时，电活性的材料可以包含纳米级大小的颗粒和/或微米级大小的颗粒。 电活性的材料可沉积于三维导电多孔结构上方。三维导电多孔结构可由以下至少一种工艺 形成：多孔电镀工艺、浮雕工艺，或者纳米压印工艺。在某些实现方式中，三维导电多孔结构 包括丝网结构。所述三维导电多孔结构的形成确定电极厚度，并提供可使用本文所述系统 和装置将电活性的粉末沉积在其中的凹坑或阱。
[0027] 还预期了上面形成有本文所述材料的各种类型的基板的使用。虽然并不限制上面 可实践本文所述某些实现方式的特定基板，但是尤其有利的是，在柔性导电基板（包括例 如基于网的基板、面板以及离散片材）上实践这些实现方式。基板还可以呈箱、膜，或薄板 的形式。在基板为垂直定向基板的某些实现方式中，垂直定向基板可相对于垂直平面而成 角度。例如，基板可从垂直平面而倾斜约1度至约20度。在基板