用于锂离子电池的带有电喷雾的复合式喷头涂覆装置的制造方法
【专利说明】用于锂离子电池的带有电喷雾的复合式喷头涂覆装置
[0001]发明背景发明领域
[0002]本发明的实施例大体而言涉及高容量能量储存器件，及用于制造高容量能量储存器件的方法及装置。更具体而言，本发明公开了了用于形成电池活性材料的高固态百分比浆料的材料喷雾沉积的方法及装置。
[0003]现有技术的描述
[0004]诸如锂-离子(L1-离子)电池这样的高容量能量储存器件被使用于愈来愈多的应用中，所述应用包括可携式电子设备、医疗设备、运输、并网大型能量储存、再生能源储存及不间断电源(uninterruptible power supply ;UPS)。
[0005]L1-离子电池通常包括阳极电极、阴极电极及定位在阳极电极与阴极电极之间的分离器。锂储存在电极中的活性材料中。L1-离子电池的正电极中的活性电极材料通常选自诸如LiMn2Ozp LiCo02、LiFePOzp LiN12这样的锂过渡金属氧化物或Ni氧化物、Li氧化物、Mn氧化物及Co氧化物的组合，且所述活性电极材料包括诸如碳或石墨这样的导电粒子及黏合剂材料。石墨及介相碳微粒(meso carbon micro bead ;MCMB)通常用作负电极的活性电极材料，此电极具有近似10 μπι的平均直径。锂嵌入MCMB或石墨粉末分散在聚合黏合剂基质中。用于黏合剂基质的典型聚合物包括聚偏二氟乙稀(Polyvinylidenefluoride ；PVDF)、苯乙稀-丁二稀橡胶(Styrene-Butadiene Rubber ；SBR)、竣甲基纤维素(Carboxymethyl cellulose ;CMC)。聚合黏合剂用来将活性材料粉末黏合在一起以避免裂纹形成且防止集电器的表面上的活性材料粉末的崩解，并且用于至基板的良好黏着。聚合黏合剂的量可在2重量％至30重量％的范围内。L1-离子电池的分离器通常由诸如聚乙烯炮沫这样的微孔聚烯烃聚合物制作，且所述分离器在分开的制造步骤中予以应用。
[0006]对于大多数能量储存应用而言，能量储存器件的充电时间及容量为重要的参数。另外，此类能量储存器件的大小、重量及/或费用可为显著的限制。
[0007]用于制造能量储存器件的阳极电极及阴极电极的一种方法主要基于使阴极活性材料或阳极活性材料的黏性溶剂基粉末浆料混合物狭缝涂覆至导电集电器上，继之以长期加热以形成干燥铸造片料。需要缓慢的干燥工艺以避免厚涂层中的裂纹，且因此干燥器的长度必须非常长。在蒸发溶剂的干燥之后的电极的厚度最终由压缩或压延来确定，所述压缩或压延调整最终层的密度及孔隙率。黏性浆料的狭缝涂覆为极其依赖于浆料的调配物、形成及均化(homogenat1n)的高度发展的制造技术。形成的活性层对干燥工艺的速率及热细节极其敏感。
[0008]除其它之外，此技术的问题及限制为缓慢且昂贵的干燥成分，所述缓慢且昂贵的干燥成分需要每分钟5米至40米的涂覆速度的大占地面积(例如，高达70米至90米长)，及用于蒸发的挥发性成分的精心收集及再循环系统两者。这些成分中许多为另外需要精心减量系统的挥发性有机化合物。此外，这些类型的电极的所得电导率亦限制电极的厚度且因此限制电池组电池的能量密度。
[0009]因此，此项技术中需要用于制造高容量能量储存器件的大量、成本有效的制造工艺及装置。
【发明内容】
[0010]本文所述的实施例包括一种材料喷雾沉积系统，所述材料喷雾沉积系统至少包括基板输送系统及电极形成溶液分配器。在一个实施例中，一种用于在基板的表面上沉积电池活性材料的装置包括:基板输送系统；材料喷雾组件，安置在基板输送系统上方；及第一加热元件，邻接于材料喷雾组件而安置在基板输送系统上方。
[0011]本发明公开一种用于在基板上形成电池活性材料的方法及装置。在一个实施例中，一种用于在基板的表面上沉积电池活性材料的装置包括:基板输送系统，用于在装置内运输所述基板；材料喷雾组件，安置在基板输送系统上方；及第一加热元件，邻接于材料喷雾组件而安置在基板输送系统上方，所述第一加热元件经设置以加热基板。材料喷雾组件具有喷嘴的2D阵列，所述喷嘴经设置以将电极形成溶液电喷雾在基板的表面上。
[0012]在另一实施例中，一种用于在基板的表面上沉积电池活性材料的装置包括:基板输送系统，用于在装置内运输基板；多个材料喷雾组件，安置在基板输送系统上方；及多个加热元件，安置在基板输送系统上方的材料喷雾组件之间，所述多个加热元件经设置以加热基板。材料喷雾组件各自具有喷嘴的2D阵列，所述喷嘴经设置以在基板安置于输送系统上时将电极形成溶液电喷雾在基板的表面上。喷嘴的所述2D阵列中的至少一个具有一行喷嘴，所述行喷嘴具有介于约9mm至约30mm之间的喷嘴至喷嘴间距。
[0013]在其它实施例中，在材料喷雾组件中的至少一个上的喷嘴的所述2D阵列进一步包括:安置在材料喷雾组件的边缘处的第一喷嘴及安置在第一喷嘴的内侧的第二喷嘴，第一喷嘴具有相对于第二喷嘴的向内倾角。
[0014]在其它实施例中，材料喷雾组件中的至少一个包括:多个虚拟喷嘴，安置在材料喷雾组件上的喷嘴的所述2D阵列的外侧。
[0015]在其它实施例中，在材料喷雾组件中的至少一个上的喷嘴的所述2D阵列包括第一行，所述第一行偏离第二行。
[0016]在其它实施例中，材料喷雾组件中的至少一个包括:空气帘产生器，经设置以将离开邻接喷嘴的喷雾的轨迹向内偏转。
[0017]在其它实施例中，提供一种用于在基板的表面上沉积电池活性材料的方法，所述方法包括:将电极形成溶液自至少一个材料电喷雾分配器组件电喷雾至基板上；及由邻接于所述材料电喷雾分配器组件而安置的多个加热器加热安置在基板上的沉积材料。
[0018]附图简单说明
[0019]为了可详细理解本发明的上述特征，可参阅实施例获得以上简要概述的本发明的更特定描述，其中一些实施例图示于附图中。然而，应注意，附图仅图示本发明的典型实施例，且因此不应将附图视为对本发明范围的限制，因为本发明可允许其它同等有效的实施例。
[0020]图1为用于在基板上形成电池活性材料层的材料喷雾沉积系统的一个实施例的示意图；
[0021]图2A为安置在图1中绘示的材料喷雾沉积系统中的材料喷雾分配器组件的示意图；
[0022]图2B为具有萃取器板的材料喷雾分配器组件的替代性实施例的示意图；
[0023]图2C为在图2A中绘示的材料喷雾分配器组件的仰视图；
[0024]图3为材料喷雾分配器组件的另一实施例的示意图；
[0025]图4为根据本发明的另一实施例的用于在基板上形成电池活性材料层的具有边缘环的另一材料喷雾分配器组件的示意图；
[0026]图5为根据本发明的另一实施例的用于在基板上形成电池活性材料层的具有倾斜喷嘴的另一材料喷雾分配器组件的示意图；
[0027]图6为根据本发明的另一实施例的用于在基板上形成电池活性材料层的具有气帘的另一材料喷雾分配器组件的示意图；及
[0028]图7为可用于材料喷雾分配器组件中的喷嘴的横截面图。
[0029]为促进理解，在可能的情况下已使用相同元件符号来指示诸图共享的相同元件。可以预期，在一个实施例中公开的元件可在无特定详述的情况下有利地使用于其它实施例。
[0030]具体描述
[0031]本文所述的方法及装置包括材料喷雾沉积系统，所述材料喷雾沉积系统至少包括基板输送系统及材料沉积喷雾组件，所述材料沉积喷雾组件邻接于基板输送系统而安置。材料喷雾组件包括喷嘴的2D阵列，所述喷嘴经设置来沉积具有良好的中心至边缘厚度均匀性、穿过膜厚度的良好的均质性的材料，且能实现快速沉积速率。材料喷雾沉积系统在自高固体含量电极形成溶液来沉积使用于电极结构的材料层中尤其有用，所述材料层诸如电池活性材料层。
[0032]图1为用于在基板上沉积电池活性材料层的材料喷雾沉积系统100的示意图。可以预期，本发明的方面可经调适以用于其它喷雾沉积系统中。材料喷雾沉积系统100包括一或多个材料电喷雾分配器组件120，所述一或多个材料电喷雾分配器组件具有喷嘴104的2D阵列，所述喷嘴邻接基板输送系统101而安置。基板输送系统101经设置来使一或多个基板