CN105122505A - 用于锂离子电池的带有电喷雾的复合式喷头涂覆装置 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

用于锂离子电池的带有电喷雾的复合式喷头涂覆装置
发明背景
发明领域
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。
现有技术的描述
诸如锂-离子(Li-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(uninterruptiblepowersupply；UPS)。
Li-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。Li-离子电池的正电极中的活性电极材料通常选自诸如LiMn2O4、LiCoO2、LiFePO4、LiNiO2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(mesocarbonmicrobead；MCMB)通常用作负电极的活性电极材料，此电极具有近似10μm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烯(Polyvinylidenefluoride；PVDF)、苯乙烯-丁二烯橡胶(Styrene-ButadieneRubber；SBR)、羧甲基纤维素(Carboxymethylcellulose；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。Li-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。
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。
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(homogenation)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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
附图简单说明
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。
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；
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；
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；
图2C为在图2A中绘示的材料喷雾分配器组件的仰视图；
图3为材料喷雾分配器组件的另一实施例的示意图；
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；
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；
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
图7为可用于材料喷雾分配器组件中的喷嘴的横截面图。
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。
具体描述
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。
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102紧邻电喷雾分配器组件120而传递，使得材料电喷雾分配器组件120可将材料沉积至基板102上。例如，基板输送系统101可经设置来移动一系列离散基板102经过电喷雾分配器组件120。或者，基板输送系统101可经设置来移动腹板形式的基板102经过电喷雾分配器组件120，作为连续带或作为卷筒对卷筒腹板中的任一个。如此，基板102可为垫、箔、薄板、膜、带子、腹板或离散工件的形式。在图1中绘示的实施例中，基板102为腹板的形式，所述腹板由具有范围通常在约6μm至约50μm之间的厚度的金属箔制造。在一个实施例中，基板102为腹板形式的铝箔。
基板输送系统101包括供应卷筒108、至少一个输送滚轴106及拉紧卷筒111。输送滚轴可视需要经加热以帮助干燥基板102上的沉积材料。含有基板102的至少一部分的供应卷筒108缠绕在芯109上。将基板102自供应卷筒108送至输送滚轴106，以使基板102的表面116暴露于离开至少一个电喷雾分配器组件120的喷嘴104的材料的喷雾，所述材料例如电极形成溶液112。
在系统100中使用的电喷雾分配器组件120的数目可部分取决于将沉积的材料膜的所要的厚度。在图1中绘示的实施例中，图示四个电喷雾分配器组件120。然而，沉积系统100可设置有任何所要数目的电喷雾分配器组件120。
在图1中绘示的实施例中，多个电喷雾分配器组件120展示为在基板102上方线性对准，其中基板102在供应卷筒108与滚轴106之间水平延伸。然而，基板102可在电喷雾分配器组件120之间的其它方向上按路线发送，以在不延伸沉积系统100的总长度的情况下增加干燥时间。例如，输送系统101可包括一或多个大体上垂直的路径180，所述一或多个大体上垂直的路径的一个路径以虚线展示于图1中，所述大体上垂直的路径将基板102按路线发送至滚轴106以产生基板的蜿蜒路径，所述蜿蜒路径增加基板102在穿过电喷雾分配器组件120的一个之后且在得以被收集在拉紧卷筒111上之前于输送系统101上的暂停时间。
尽管所有电喷雾分配器组件120在图1中主要展示为所述电喷雾分配器组件120的喷嘴104直接垂直向下朝向基板102的表面116，但是电喷雾分配器组件120中的一或多个或甚至全部可定位成在基板102正沿垂直路径180中的一或多个按路线发送时将材料喷雾至基板102上。
如以上简要论述，材料电喷雾分配器组件120用来例如使用电喷雾工艺将沉积材料喷雾沉积在基板102上。沉积在基板102上的沉积材料可为电池活性材料层。更具体而言，在图1中绘示的实施例中，材料电喷雾分配器组件120定位在基板102上方，且经设置来将沉积材料(亦即，电极形成溶液112)喷雾至基板102上。材料电喷雾分配器组件120中每一个经设置来在单程中供应(例如电喷雾)越过基板102的整个宽度分布的电极形成溶液112，以便沉积具有越过基板102的一致厚度及表面粗糙度的电池活性材料层。
材料喷雾沉积系统100可包括多个加热器114，所述多个加热器可沿输送系统101分布以更有效地干燥沉积的材料，以用于收集或用于增加沉积的层的厚度的额外材料的后续沉积。加热器114可帮助干燥喷雾至基板102上的电极形成溶液112，以便增强电极形成溶液112至基板102的黏着，且确保电极形成溶液112一致地干燥成均质层(亦即，无自溶液112残余的捕获挥发成份)。在图1中绘示的实施例中，各个加热器114定位在下游(亦即，在基板行进方向上)且邻接于材料电喷雾分配器组件120中每一个而安置。当电极形成溶液112喷雾至基板表面116上时，来自加热器114的热能帮助干燥沉积的材料及自电极形成溶液112蒸发挥发成份。背侧加热器122可安置在与加热器114相对的基板102的侧上。背侧加热器122亦可帮助干燥喷雾至基板102上的电极形成溶液112。加热器114、122中的一或多个可定位成在基板102沿大体上垂直的路径180(若存在)按路线发送时啮合基板102。如以上所论述，滚轴106亦可经加热以帮助干燥沉积在基板102上的材料。应注意，必要时可变化安置在材料喷雾沉积系统100中的加热器的数目、位置及配置。
在一个实施例中，加热器114可提供光辐射来加热基板102。来自加热器114的光辐射(亦即，热能)可用来将基板102的温度控制在约10摄氏度与约250摄氏度之间。可类似地设置加热器122。
图2A绘示图1中绘示的材料电喷雾分配器组件120的侧视图。材料电喷雾分配器组件120包括歧管202，所述歧管具有上表面216及下表面214。喷嘴104的2D阵列自歧管202的下表面214延伸。歧管202的下表面214大体上平行于由基板输送系统101定位成邻接于所述歧管的基板102的部分，然而在大多数实施中，喷嘴104中的至少一些喷嘴经定向成垂直于下表面214和基板102的邻接表面两者。流体通道284可形成于歧管202的上表面216上以自沉积材料源280供应沉积材料(亦即，电极形成溶液112)。在一个实施例中，歧管202可自导电材料制造，所述导电材料诸如铝、不锈钢、钨、铜、钼、镍、上述材料的合金、上述材料的组合、其它适合的金属材料或类似物。
自沉积材料源280供应的电极形成溶液112可包含电活性材料及导电材料。电活性材料及导电材料可在水基溶液中。电极形成溶液112亦可包括诸如N-甲基吡咯酮(N-Methylpyrollidone；NMP)这样的溶剂或其它适合的溶剂，或水。电极形成溶液112可视情况包括黏合剂及干燥剂中的至少一个。电极形成溶液112可具有至少约10-5西门子/米(Siemens/meter)的基线导电率。
可使用本文所述的实施例沉积的示例性电活性材料包括但不限于阴极活性粒子，所述阴极活性粒子选自包含以下各项的群组：二氧化钴锂(LiCoO2)、二氧化锂锰(LiMnO2)、二硫化钛(TiS2)、LiNixCo1-2xMnO2、LiMn2O4、铁橄榄石(LiFePO4)及铁橄榄石的变体(诸如LiFe1-xMgPO4)、LiMoPO4、LiCoPO4、Li3V2(PO4)3、LiVOPO4、LiMP2O7、LiFe1.5P2O7、LiVPO4F、LiAlPO4F、Li5V(PO4)2F2、Li5Cr(PO4)2F2、Li2CoPO4F、Li2NiPO4F、Na5V2(PO4)2F3、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4、Li2VOSiO4、其它合格粉末、上述各项的复合物及上述各项的组合。
可使用本文所述的实施例沉积的其它示例性电活性材料包括但不限于阳极活性粒子，所述阳极活性粒子选自包含以下各项的群组：石墨、石墨烯硬碳、碳黑、碳涂覆硅、锡粒子、铜-锡粒子、氧化锡、碳化硅、硅(非晶或结晶)、硅合金、掺杂硅、钛酸锂、任何其它适当电活性的粉末、上述各项的复合物及上述各项的组合。
示例性干燥剂包括但不限于异丙醇、甲醇及丙酮。示例性黏合剂包括但不限于聚偏二氟乙烯(PVDF)及水溶性黏合剂，诸如苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)及羧甲基纤维素钠(CMC)。示例性导电材料包括但不限于碳黑(“(carbonblack；CB)”)及乙炔黑(“(acetyleneblack；AB)”)。
电极形成溶液可具有大于30重量百分比(percentbyweight；wt.％)的固体含量，诸如在约30wt.％与约85wt.％之间的固体含量。在一个实施例中，电极形成溶液可具有介于约40wt.％与约70wt.％之间的固体含量，诸如介于约50wt.％与约60wt.％之间的固体含量。
按惯例，电喷雾技术限于与无固体液体或含有小于1微米粒子的液体一起使用。本文所述的实施例能实现具有大得多的粒子大小的溶液的电喷雾。电极形成溶液内的固体通常具有比惯用沉积系统更大的粒子大小，由此允许较高的沉积速率。例如，电极形成溶液内的固体粒子可具有在约1.0μm至约20.0μm之间的范围内的平均直径，诸如在约3.0μm至约15.0μm之间的平均直径。存在于电极形成溶液中的固体包含活性材料及导电材料中的至少一种或两种。可将此大粒子大小使用于电池活性材料沉积的唯一已知技术为狭缝涂覆系统。如以上所论述，狭缝涂覆系统遭受长干燥时间及膜裂纹的影响，且另外遭受不良的厚度均匀性控制，从而使狭缝涂覆系统对于下一代电池器件为不理想的。如本文所述，材料电喷雾分配器组件120能实现具有良好均匀性控制的高固体含量电池活性材料在具有成本有效、较小占地面积的系统中的快速沉积而无膜开裂问题，由此提高下一代电池器件的发展及制造。
耦接至歧管202的多个喷嘴104可具有不同的构造、长度、形状、特征及数目以满足不同工艺要求。在图2A中绘示的实施例中，喷嘴104可以单个直圆柱、圆锥形状、方形形状、卵形形状的形式，或根据需要的任何其它不同构造。以下将参阅图7描述关于喷嘴104的一个构造的细节。
喷嘴104可具有界定在喷嘴104的远端与安置在输送系统101上的基板102之间的距离256。喷嘴104与基板102之间的距离256连同材料电喷雾分配器组件120内的相关联电场一起影响离开喷嘴104的材料的喷雾锥形体的大小。在一个实施例中，喷嘴104可具有至安置在输送系统101上的基板102介于约10mm与约60mm之间，例如介于约15mm与约40mm之间的距离256。
第一电路布置232将材料电喷雾分配器组件120耦接至电源220。第一电路布置232经调适来提供功率至材料电喷雾分配器组件120。在操作中，歧管202充当电极。可将电压施加至歧管202(及喷嘴104)，从而建立电场，所述电场雾化通过所述电场的沉积材料。在一个实施例中，电压可在约5千伏特与约50千伏特之间。因为基板102由诸如铝箔的金属材料制造，所以基板102在操作期间亦可充当电极。电场将雾化电极形成溶液加速至基板102上。基板102可例如经由滚轴106的一个耦接至接地230。
在一个实施例中，耦接至歧管202的多个喷嘴104可具有经选择以便帮助自沉积材料源280提供的沉积材料(亦即，电极形成溶液112)均匀分布在基板102上。在一个实施例中，由电气导电材料例如诸如不锈钢这样的金属制造的虚拟喷嘴218可安置在歧管202的边缘处，以减少因最后喷嘴204处的电场的不平衡而产生的离开最外喷嘴204的喷雾的斜置。在一些状况下，经由安置在歧管202的边缘处的最外喷嘴104供应的沉积材料可具有与内喷嘴104的喷雾轨迹相比的斜置喷雾轨迹，由此不利地影响基板102的边缘处的膜均匀性。在使用安置在最后喷嘴104的外面的歧管202的末端周围的虚拟喷嘴218的实施例中，可将电压施加至虚拟喷嘴218来以与喷嘴104与基板102之间相同的方式产生电场。因此，可使电场在最外喷嘴104的外面一致地横向延伸，使得作用于离开中心喷嘴及外喷嘴104的喷雾的电场大体上相同，由此允许喷雾轨迹在最外喷嘴与中心喷嘴104之间实质上一致(亦即，垂直)，且提高基板102上的中心至边缘沉积均匀性。尽管在歧管202的每一末端处仅展示出一个虚拟喷嘴218，但是应注意，虚拟喷嘴可在任何合意位置处耦接至歧管202。
相对于喷嘴104施加至虚拟喷嘴218的长度及电压将影响离开邻接虚拟喷嘴218的喷嘴104的喷雾的轨迹。增加施加至虚拟喷嘴218的长度及电压中的任一个(或两个)将使离开邻接虚拟喷嘴218的喷嘴104的喷雾的轨迹向内斜置，从而允许边缘喷嘴104的喷雾轨迹将相对于中心喷嘴104得以调谐。例如，虚拟喷嘴218可较长、较短或为与邻接喷嘴104相同的长度。通过使虚拟喷嘴218比邻接喷嘴104更长(亦即，至基板的距离更短)，当将相同电压施加至虚拟喷嘴218及邻接喷嘴104两者时，在虚拟喷嘴218处的电场强度相对于在邻接喷嘴104处的电场强度更强，此状况有助于平衡来自中心喷嘴104的电场斥力。
图2B绘示并入任选萃取器板206的图1中绘示的材料电喷雾分配器组件120的侧视图。萃取器板206包括形成于萃取器板206中的多个孔208，所述多个孔布置在阵列中，所述阵列与在歧管202中延伸的喷嘴104的2D阵列对准。萃取器板206可具有面对歧管202的上表面212及面对基板102的下表面210。萃取器板206的上表面212可平行于歧管202的下表面214。萃取器板206可使用诸如螺钉或螺栓这样的适合的机械附件、黏接材料或任何其它适合的附接技术耦接至歧管202。萃取器板206中的多个孔208可与耦接至歧管202的喷嘴104反应性地对准，以便促进且限制沉积材料自沉积材料源280至基板102的流动。在一个实施例中，歧管202的下表面214可至萃取器板206的上表面212具有介于约5mm与约55mm之间的距离250。喷嘴104可至萃取器板206的上表面212具有介于约10mm与约50mm之间的距离252。喷嘴104可至安置在输送系统101上的基板102具有介于约10mm与约60mm之间，例如介于约15mm与约40mm之间的距离256。
在一个实施例中，形成在萃取器板206中的孔208可具有预定大小以适应自喷嘴104供应的沉积材料的流动容积。喷嘴104的不同大小可产生经由所述喷嘴穿过萃取器板206的孔208流动至基板表面的沉积材料的不同的通量。在一个实施例中，孔208的直径可经选择为介于约0.3mm与约5mm之间。
在图2B中绘示的实施例中，第一电路布置232将材料电喷雾分配器组件120耦接至电源220。如以上所论述，第一电路布置232经调适来提供功率至材料电喷雾分配器组件120。在操作中，可将第一电压V1施加在歧管202(喷嘴104)与萃取器板206之间，从而建立第一电场，所述第一电场雾化通过所述第一电场的沉积材料。在一个实施例中，第一电压V1可在约5千伏特与约50千伏特之间。第二电路布置234耦接在萃取器板206与基板102之间。因为基板102由诸如铝箔这样的金属材料制造，所以基板102在操作期间亦可充当电极。类似地，可将第二电压V2施加在萃取器板206与基板102之间，从而建立第二电场以能实现穿过萃取器板206中的孔208传递至基板102上的雾化电极形成溶液的加速。第二电压V2可在5千伏特与约50千伏特之间。基板102可例如经由滚轴106的一个滚轴耦接至接地230。第二电压V2可大于第一电压V1，例如大出约5千伏特。
在使用安置在最后喷嘴104的外面的歧管202的末端周围的虚拟喷嘴218的实施例中，可将电压施加至虚拟喷嘴218来以与喷嘴104与萃取器板206之间相同的方式与萃取器板206产生电场。相对于喷嘴104施加至虚拟喷嘴218的长度及电压如以上所论述必要时可变化以调谐电场。因此，可使电场在最外喷嘴104的外面一致地横向延伸，使得作用于离开中心喷嘴及外喷嘴104的喷雾的电场大体上相同，由此允许喷雾轨迹在最外喷嘴与中心喷嘴104之间实质上一致(亦即，垂直)，且提高基板102上的中心至边缘沉积均匀性。尽管在歧管202的每一末端处仅展示出一个虚拟喷嘴218，但是应注意，虚拟喷嘴可在任何合意位置处耦接至歧管202。
现返回图2A的实施例且另外参阅图2C的仰视图，材料电喷雾分配器组件120可具有适应喷嘴104的多个行240的宽度272及适应喷嘴104的多个列242的长度288。在一示例性实施例中，每一行240可包括在线性行中对准的高达约58个或更多个喷嘴，同时每一列242可包括高达约7个至20个或更多喷嘴(每一行一个)。每一列242中的喷嘴104可线性对准，或以重复方式偏移。在喷嘴104布置在2D阵列中的情况下，材料电喷雾分配器组件120的喷嘴104的每一行240产生覆盖基板102的整个宽度254的喷雾图案，同时列242允许更多电极形成溶液112将在材料电喷雾分配器组件120下方的基板102的单程中被沉积，由此能实现电池活性材料的快速沉积。如此，尽管歧管202的宽度272可大于基板102的宽度254，但是最外喷嘴104的中心至中心距离可稍微小于基板102的宽度254，同时虚拟喷嘴218的中心至中心距离可稍微大于基板102的宽度254以确保良好的边缘至中心沉积厚度均匀性。在图2B中绘示的实施例中，材料电喷雾分配器组件120的喷嘴104可分组为多个区域，其中每一区域皆具有不同的流动属性，由区域作为单元或由不同区域之间的喷嘴。例如，可将材料电喷雾分配器组件120的喷嘴104分组为安置在边缘区域260之间的中心区域262。
在一个实施例中，可将安置在边缘区域260中的边缘喷嘴104定位成比安置在中心区域262中的中心喷嘴104更接近于基板102。在这种构造中，安置在边缘区域260中的边缘喷嘴104可与相较于中心喷嘴104具有相同或较高电压的低流动速率一起使用来产生在基板102的边缘处的沉积的电池活性材料的良好的厚度控制。在此实例中，来自材料电喷雾分配器组件120的边缘的喷雾将更集中，因此在基板102的边缘处的沉积的电池活性材料处产生相对尖锐的边缘。
在一些实施例中，边缘区域260可线性对准且仅平行于边缘270，或边缘区域260可沿所有四个边缘270、274围绕歧管202的周边完全延伸，使得中心区域262中的喷嘴104由边缘区域260中的喷嘴104包围。设想在于，区域可具有其它布置。材料电喷雾分配器组件120的每一区域260、262可在喷嘴104的数目、喷嘴104的密度、喷嘴104之间的间距、施加的电压或穿过喷嘴104的流动速率方面存在不同。在一个实施例中，材料电喷雾分配器组件120的中心区域262可具有喷嘴104的多个行240及多个列242，而边缘区域260分别仅包括喷嘴104的单个列242。虚拟喷嘴218(在图2C中未展示)亦可存在于如以上所论述的边缘区域260中。
材料电喷雾分配器组件120内的喷嘴104的2D布置允许高固体含量电极形成溶液的更大的流动速率，所述更大的流动速率结合由材料喷雾沉积系统100促进的高干燥速率，产生具有均匀的中心至边缘厚度的均质电池活性材料的快速沉积。例如，材料电喷雾分配器组件120的每一喷嘴104可递送约0.15ml/min至约10.0ml/min或更多的高固体含量(亦即，大于10wt.％)的电极形成溶液。
材料电喷雾分配器组件120内的喷嘴104的布置允许高固体含量电极形成溶液的更大的流动速率，所述更大的流动速率结合藉由材料喷雾沉积系统100或其它适合的沉积系统促进的高干燥速率，产生具有均匀的中心至边缘厚度的均质电池活性材料的快速沉积。例如，材料电喷雾分配器组件120的每一喷嘴104可递送约0.15ml/min至约10.0ml/min或更多(诸如约0.2ml/min至约2.0ml/min)的高固体含量(亦即，大于10wt.％)的电极形成溶液112，来在20m/min的基板前进速度下以高达至少约3mAh/cm2的速率沉积电池活性材料。
在一些实施例中，穿过定位于边缘区域260中的喷嘴104的列242的流动相较于穿过定位于中心区域262中的喷嘴104的列242的流动可为不同，例如，前一流动可比后一流动更大或更小。在边缘区域260中较小流动速率的使用可与相较于施加至定位于中心区域262中的喷嘴104的电压的施加至定位于边缘区域260中的喷嘴104的较高电压耦接，此举补偿在基板102的中心处具有较快沉积的趋势，由此有助于沉积的电池活性材料的更均匀的边缘至中心厚度。
在边缘喷嘴104比中心喷嘴104更接近于基板102约5mm至约10mm的一些实施例中，穿过边缘区域260中的每一喷嘴104的流动速率可达穿过中心区域262中的每一喷嘴104的流动速率的一半。另外，施加至边缘区域260中的每一喷嘴104的电压可达穿过中心区域262中的每一喷嘴104的电压速率的一半。在此类实施例中，边缘区域260中的喷嘴104的更大密度可帮助使沉积速率与中心区域262的沉积速率匹配，以便提供均匀的边缘至中心膜沉积厚度。
图3为具有2D阵列的另一材料电喷雾分配器组件300的局部仰视图，所述阵列包含喷嘴104的行306及列304。尽管喷嘴104的2D阵列在图3中展示为布置于行306及列304中，但是喷嘴104的2D阵列可具有其它构造，诸如极性布置或其它图案化布置。除其中邻接行306偏移以产生允许邻接喷嘴104的喷雾锥形体302(以虚线展示出)较佳重迭的巢套图案或逐渐级联图案之外，材料电喷雾分配器组件300类似于以上所述材料电喷雾分配器组件120地构造。例如，喷嘴中心至中心距离282由分离一行内的邻接喷嘴104的距离308维持，所述喷嘴中心至中心距离在行3061内可为约9mm至约30mm(例如约12mm至约20mm)，而分离邻接行(例如，行3061至行3062或行3062至行3063)中的邻接喷嘴104的距离310可小于中心至中心距离282。距离310可在约12mm至约80mm的范围内，例如约12mm至约40mm，诸如约12mm至24mm的范围内。然而，喷嘴中心至中心距离282由分离邻接列(例如列3041至列3042或列3042至列3043)中的邻接喷嘴104的距离312维持。在一个实施例中，分离邻接行中的邻接喷嘴104的距离310(亦即，偏移距离)小于中心至中心距离282的约一半，且在一个实例中距离310为约5mm。偏移距离310在图3中展示于每一列304在与相邻列304相反的方向上的偏移中，然而两个或更多个邻接列304可在相同方向上逐渐偏移距离310。偏移的量通常与喷雾锥形体302的直径同量地选择，所述直径可随喷嘴104流动速率及电场强度而变化。
图4为具有安置在材料喷雾分配器组件400的边缘404处的边缘环402的另一材料喷雾分配器组件400的示意图。材料喷雾分配器组件400包括喷嘴104的2D阵列，类似于以上所述材料电喷雾分配器组件120、300。边缘环402安置在萃取器板206的边缘404上且邻接于紧邻边缘404的列(例如，如由图2至图3中绘示的列242、304图示)中的所有喷嘴104延伸。边缘环402安置在萃取器板206的下表面210上。在操作中，可将电压施加至边缘环402以将边缘环402充电成与紧邻边缘404的列中的喷嘴104相同的极性。在一个实施例中，施加至边缘环402的电压可处于与施加至紧邻边缘404的列中的喷嘴104的电压相同的电压处。通过如此做，由充电边缘环402产生的电场可使穿过萃取器板206的邻接孔208传递的沉积材料向内偏转，以便减小离开边缘喷嘴104的喷雾向外斜置的趋势。在一个实施例中，边缘环402可为管，所述管的长度大体上类似于萃取器板206的长度，所述长度通常与歧管202的长度288相同。在另一实施例中，边缘环402可以环形式，所述环形式外切喷嘴104的整个阵列，因此为沿图2B中图示的两个边缘270及两个边缘274置放。在又一实施例中，边缘环402可具有沿萃取器板206的边缘404安置的中空主体。边缘环402可具有介于约0.5mm与约5.0mm之间的内径408及介于约1mm与约20mm之间的外径412。
图5绘示具有向内倾斜或以其它方式经设置来提供向内喷雾轨迹的多个外喷嘴506的材料喷雾分配器组件500的另一实施例。外喷嘴506沿与基板行进的方向对准的材料喷雾分配器组件500的歧管520的至少一个周边边缘270(如图2B中所示)界定。歧管520可包括安置在中心板516的相对末端处的外板504。倾斜外喷嘴506可以锐角自外板504延伸，或替代地，倾斜外喷嘴506在外板504相对于中心板516以一角度定向的实施例中可正常地自外板504延伸。尽管在图5中展示出仅一个喷嘴506自外板504延伸，但是请注意，额外喷嘴506包含沿边缘270延伸的列242。材料喷雾分配器组件500中喷嘴506的角度可经调整来控制喷雾至基板102上的离开喷嘴506的电极形成溶液的角度，以便有效地最小化可影响膜均匀性的以上所述边缘喷嘴效应。在一个实施例中，喷嘴506可具有相对于平行于基板102的表面的水平面介于约10度与约60度之间的喷雾角度518。
在一些实施例中，当基板以腹板形式且在材料喷雾分配器组件500下方连续地传递(诸如在图2B中所示)时，外喷嘴506仅沿歧管520的边缘270定位以提供沿基板102的相对边缘的良好的沉积厚度均匀性控制。在其它实施例中，外喷嘴506沿边缘270及边缘274两者(图2B中所示)定位以沿歧管520的周边完全延伸且完全包围内喷嘴104。当基板为离散片形式且在沉积期间固定地定位于材料喷雾分配器组件500以下时，使外喷嘴506围绕歧管520的周边完全延伸提供沿基板102的四个边缘的良好的沉积厚度均匀性控制。
图6为具有空气帘产生器620的材料喷雾分配器组件600的另一实施例的局部截面图。在一个实施例中，空气帘产生器620定位在安置于歧管202上的喷嘴104的2D阵列中的横向最外列242与边缘270之间，所述边缘与基板102的边缘对准(如图2B中所示)。或者，空气帘产生器620可完全围绕歧管202的周边而安置，由此包围使用来沉积电池活性材料的喷嘴104。空气帘产生器620包括一或多个喷嘴602，所述一或多个喷嘴提供气体喷流，诸如自气源610提供的空气或惰性气体，所述气体喷流使离开邻接喷嘴104的电极形成溶液112向内偏斜，以补偿可使电极形成溶液112的喷雾向外弯曲的电场不平衡。喷嘴602的中心线604(与离开所述喷嘴的溶液112的轨迹对准)可平行于邻接喷嘴104的中心线608。或者，喷嘴602的中心线604可相对于邻接喷嘴104的中心线608成锐角612。视需要，可加热离开歧管202的喷嘴602的气体以帮助干燥沉积的材料。
视需要，空气帘产生器620的喷嘴602可耦接至电源220，使得施加至喷嘴602的电压大体上与喷嘴104的电压相同。通过将电压施加至喷嘴602，喷嘴602将类似于以上所述的虚拟喷嘴218地起作用。
在又一实施例中，可将空气帘产生器620并入在边缘270、274中的一个或两个处的喷嘴104中。例如，喷嘴104可包括耦接至沉积材料源280的一个通道及耦接至气源610的另一通道，其中耦接至气源610的通道定位得更接近于歧管202的边缘，使得离开喷嘴104的电极形成溶液112可由离开喷嘴104内的邻接通道的气体流向内导引或至少垂直地导引。
图7为喷嘴104的扩大局部横截面图。在图7中绘示的实施例中，喷嘴104具有圆柱主体702，所述圆柱主体具有耦接至尖端706的圆柱套管712。尖端706自圆柱套管712渐缩。圆柱套管712具有第一外径714，且尖端706的远端具有第二外径716。第二外径716小于第一外径714，由此界定尖端706的渐缩。在一个实施例中，尖端706相对于喷嘴104的中心线的渐缩小于如由元件符号708例示的约49度，例如约45度(具有正0负4度公差)。
离开喷嘴104的沉积材料可弄湿喷嘴104的尖端706且逐渐出现在所述尖端上，由此不合意地增加离开喷嘴的材料流的直径，从而使工艺控制困难且不合意地增加喷嘴之间的潜在电弧。选择电极形成溶液流经的第一外径714与内径718之间的比率平衡获得高沉积速率，同时最小化喷嘴之间产生电弧的可能性的能力。例如，已表明，当喷嘴104以喷嘴中心线之间仅12mm或甚至9mm的距离间隔时，4:1及3:1的第一外径714与内径718之间的比率将提供良好的沉积结果而无电弧的产生。
在某些实施例中，自尖端706离开朝向基板表面的材料的有效直径可由施加至喷嘴104的尖端706及/或主体702的外部的疏水性涂层控制，以改变(亦即，增加)在小液滴与喷嘴104的尖端706之间形成的接触角度708，且以防止喷嘴由沉积材料弄湿。在一个实施例中，接触角度708可控制为大于20度，诸如大于30度，例如介于约20度与约90度之间。在一个实施例中，使用来涂覆在尖端706上的疏水性涂层可为聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene；PTFE)、全氟癸基三氯硅烷(perfluorodecyltrichlorosilane；FDTS)和类似物。
亦已发现，将尖端706制造成具有光滑外表面将亦最小化喷嘴104的弄湿。在一个实施例中，尖端706的外表面制造成具有约16Ra或更光滑的表面粗糙度。
虽然前述内容针对本发明的实施例，但是在不脱离本发明的基本范围的情况下可设想本发明的其它及进一步实施例。

Claims (17)

1.一种用于在基板的表面上沉积电池活性材料的装置，所述装置包含：
基板输送系统，用于在所述装置内运输所述基板；
材料喷雾组件，安置在所述基板输送系统上方，所述材料喷雾组件具有喷嘴的2D阵列，所述喷嘴经设置以在所述基板的所述表面上电喷雾电极形成溶液；及
第一加热元件，邻接于所述材料喷雾组件而安置在所述基板输送系统上方，所述第一加热元件经设置以加热所述基板。
2.如权利要求1所述的装置，其中喷嘴的所述2D阵列进一步包含：
安置在所述材料喷雾组件的边缘处的第一喷嘴及安置在所述第一喷嘴的内侧的第二喷嘴，所述第一喷嘴具有相对于所述第二喷嘴的向内倾角。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述材料喷雾组件进一步包含：
边缘区域及中心区域，所述边缘区域的喷嘴密度不同于所述中心区域的喷嘴密度。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述材料喷雾组件进一步包含：
边缘区域及中心区域，所述边缘区域的喷嘴比安置在所述中心区域喷嘴中的喷嘴更接近于所述基板约5mm至约10mm。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述材料喷雾组件进一步包含：
歧管，具有自所述歧管延伸的所述多个喷嘴；及
萃取器板，定位在所述喷嘴与基板输送器之间，其中所述萃取器板进一步包含形成在所述萃取器板中的多个孔，所述多个孔与形成在所述歧管中的喷嘴对准。
6.如权利要求1所述的装置，其中喷嘴的所述2D阵列进一步包含：
列边缘喷嘴，沿所述材料喷雾组件的边缘定位，所述边缘喷嘴具有朝向所述材料喷雾组件的中心向内倾斜的喷雾轨迹。
7.如权利要求1所述的装置，其中喷嘴的所述2D阵列进一步包含：
多个区域，经设置以提供沉积属性的独立控制。
8.如权利要求1所述的装置，其中喷嘴的所述2D阵列进一步包含：
多个列，所述多个列具有约12mm至约40mm之间的间距，每一列包含多个喷嘴。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述多个列包含：
第一列，偏离第二列。
10.如权利要求8所述的装置，其中所述多个列包含：
第一列，偏离第二列达约15mm的距离。
11.如权利要求1所述的装置，其中喷嘴的所述2D阵列与所述输送系统间隔介于约10mm至约60mm之间的距离。
12.一种用于在基板的表面上沉积电池活性材料的装置，所述装置包含：
基板输送系统，用于在所述装置内运输所述基板；
多个材料喷雾组件，安置在所述基板输送系统上方，所述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所述基板安置在所述输送系统上时将电极形成溶液电喷雾在所述基板的所述表面上，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；及
多个加热元件，安置在所述基板输送系统上方的所述材料喷雾组件之间，所述多个加热元件经设置以加热所述基板。
13.如权利要求12所述的装置，其中所述材料喷雾组件中的至少一个上的喷嘴的所述2D阵列进一步包含：
安置在所述材料喷雾组件的边缘处的第一喷嘴及安置在所述第一喷嘴的内侧的第二喷嘴，所述第一喷嘴相对于所述第二喷嘴较长。
14.如权利要求1或12所述的装置，其中所述材料喷雾组件中的至少一个进一步包含：
至少一个虚拟喷嘴，安置在所述材料喷雾组件上的喷嘴的所述2D阵列的外侧。
15.如权利要求12所述的装置，其中所述材料喷雾组件中的至少一个上的喷嘴的所述2D阵列进一步包含：
第一列，偏离第二列。
16.如权利要求1或12所述的装置，其中所述材料喷雾组件中的至少一个进一步包含：
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导引或偏转。
17.一种用于在基板的表面上沉积电池活性材料的方法，所述方法包含以下步骤：
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
通过邻接于所述材料电喷雾分配器组件而安置的多个加热器来加热安置在所述基板上的沉积材料。
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