CN109075298A - 使用隔离器制作电极的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于将陶瓷基隔离器提供到电极上的系统和方法。经由将陶瓷基隔离器干式无溶剂施涂到电极，在电极上形成隔离器。电极经由进给机构提供给施涂区域，然后，隔离器层施涂到电极，该电极由粘合剂和不导电的隔离器材料构成，该粘合剂包括热塑性材料和热固性材料中的至少一种，其中隔离器层经由干式分散施涂而施涂到电极上。

Description

使用隔离器制作电极的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请是于2012年9月14日提交的美国专利申请序列号13/617,162的部分继续申请，其是于2012年5月16日提交的美国临时申请61/647,773的非临时申请，并且要求其优先权，其公开内容以其整体并入本文。

政府在本发明中的权利

美国政府具有本发明的已付许可，并且按照由国防后勤局授予的SP4701-09-D-0049CLIN 0002和HQ0147-140-C-8307的条款规定，在受限情况下有权要求专利所有人就合理条款许可他人。

背景技术

本发明的实施例通常涉及一种用于制作电极的干式无溶剂方法和装置，更具体地，涉及一种用于在电极上形成隔离器层的方法和装置。

典型地，诸如电池、电容器和燃料电池单元之类的电源包含正电极和负电极。依据电源的化学性质，制造方法有所不同。诸如在锂离子工业中使用的那些方法之类的许多方法包括：使用溶剂在湿浆料中混合活性材料、导电材料和粘合剂，以及施涂到衬底上。施涂可以经由刮刀、辊转移涂覆、槽模或挤出进行。

然后，流延电极在烘箱中干燥，同时重新捕获溶剂，以便不允许烟雾逸出到环境中，或者溶剂用作干燥器的补充燃料。该工艺耗时且昂贵。烘箱通常非常大、长、昂贵且占用空间。典型地，溶剂易燃，难以从化学结构中除去，对环境有害，并且在环境和安全方面正确处理的成本高昂。如果期望回收溶剂，则需要捕获、浓缩、清洁和制备溶剂以便重复使用或处置。

一些已知的电源制造方法已经从一个电极上的溶剂浆料移开，但是典型地，仍然在另一个电极上使用基于溶剂的方法。非溶剂方法通常包括：将活性材料、导电材料和粘合剂的混合物压制或挤出到电极中，该电极然后附接到衬底或集电器上。因此，当今的制造技术限制了吞吐量，并且这种电极的成本可能过高。

当干燥后的电极被机械压印时，通过溶剂流延和随后的提取构造的电极典型地表现出对集电器的良好粘附性。溶剂流延和随后的提取的动作使粘合剂和电极结构开口，类似于海绵结构的开口。压印操作将电极结构向下压碎，从而使孔隙率为30％至50％。在用电解质润湿时，这种破碎的海绵状结构松弛并且表现出通常被称为电极膨胀的东西。被称为PVDF-聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯(PVDF)的典型的阳极粘合剂是通过偏二氟乙烯的聚合产生的高度非反应性和纯的热塑性含氟聚合物。它是不易在阳极的锂电位下反应的少数几种已知的粘合剂中的一种粘合剂，因此典型地优选作为锂离子电池中的粘合剂。

一些制造商已经尝试开发使用聚四氟乙烯(PTFE)并且使粘合剂原纤化以产生自支撑膜的工艺。然后，该活性材料负载的自支撑膜压制到集电器上以构造电极。PTFE在锂离子阳极电位下不稳定，因此其用途限于阴极粘合剂的锂离子阳极电位。其他制造商已尝试使用水基粘合剂来产生锂电极结构。它们难以彻底干燥电极以防止水分与锂盐反应，从而对所得电池的性能造成不利影响。

因此，锂离子电池的优选制作方法典型地包括：对于至少一个电极，其满足苛刻的性能要求，同时还满足苛刻和严格的寿命要求(通过对基材表现出足够的粘附性)，基于溶剂的方法。然而，由于与处理、回收和最终处置这些对环境有挑战性的溶剂相关联的成本，制造锂离子和其他溶剂基电极的成本可能过高。

电池制作还包括：将电池隔离器施涂到电池的电极，其中电池隔离器放置在电池的阳极和阴极之间以保持两个电极分开以防止电短路，同时还允许传送在电化学电池单元中通过电流期间关闭电路所需的离子电荷载体。应当认识到现有的电池隔离器制作和施涂方法存在许多缺点。也就是说，对于具有小电池单元面积和大量堆叠的电极的电池，在组装期间出现了对准和堆叠方面的挑战，以及短路问题，因此导致整体电池单元产量降低。单个电极接片和隔离器放置在制造电池时存在挑战，其中诸如将隔离器热铆接在电极的边缘上的技术有帮助但不能完全解决整体对准和短路的挑战。

在典型的电池隔离器制作和施涂方法中，电池隔离器形成为独立的片材/层，其经由混合隔离器材料与倾倒形成油以及使隔离器作为微孔体离开的随后的吹塑、流延和提取/压延工艺形成。陶瓷隔离器使用聚烯烃基材料，其中陶瓷颗粒被添加到基材中以产生高聚合物(15％至35％)负载的陶瓷隔离器。隔离器材料存储在辊上，随后需要进一步按尺寸切口和按尺寸切割以产生用于每个特定电池单元和电池类型的隔离器，其中切口/切割的隔离器对准并且在其实际制造期间施涂到电池单元/电池。

因此，期望提供一种用于制作电极的无溶剂方法和装置。还期望提供一种将隔离器直接施涂到电极的方法，以便消除与隔离器制备和施涂相关联的附加按尺寸切口、按尺寸切割和对准步骤。

发明内容

本发明涉及一种用于制作电极的方法和装置，更具体地，一种用于形成用于电极的陶瓷基隔离器的方法和装置。

根据本发明的一个方面，一种将陶瓷基隔离器干式无溶剂施涂到电极的方法包括：经由进给机构向施涂区域提供电极，并且经由干式分散施涂将由粘合剂和不导电的隔离器材料构成的隔离器层施涂到电极，其中该粘合剂包括热塑性材料和热固性材料中的至少一种。

根据本发明的另一方面，一种包括电极和隔离器的电池组电池的制造方法包括：提供电极，使电极朝向施涂区域前进，以及经由干式无溶剂涂覆工艺将不导电的陶瓷基隔离器材料和粘合剂的混合物涂覆到施涂区域中的电极上，以形成隔离器层。

根据本发明的又一方面，一种电池组电池包括电极和粘附到电极的隔离器层，该隔离器层包括粘合剂和不导电的陶瓷基隔离器材料，该粘合剂包括热塑性材料和热固性材料中的至少一种，其中隔离器层的范围为2％重量至30％重量的粘合剂。

根据以下具体实施方式和附图，各种其他特征和优点将变得显而易见。

附图说明

附图图示了目前预期用于实施本发明的优选实施例。

在附图中，

图1图示了根据本发明实施例的用于在电极衬底上形成活性电极材料的系统的部件。

图2图示了根据本发明实施例的将基层施涂到电极衬底并且将一个或多个电极活性材料层施涂到电极衬底的步骤。

图3图示了使用本发明实施例的其上形成有电极的基层。

图4图示了根据本发明实施例的用于在电极衬底的两侧上形成活性电极材料的系统的部件。

图5图示了使用本发明实施例的在电极衬底的两侧上形成有电极的基层。

图6图示了根据本发明实施例的用于将隔离器层施涂到电极的隔离器系统的部件，其中隔离器系统与图1的系统集成在一起。

图7图示了根据本发明实施例的用于将电池隔离器施涂到电极上的干式无溶剂方法。

图8图示了根据本发明实施例的由于组合阳极隔离器结构和阴极隔离器结构而得到的电化学电池单元。

具体实施方式

根据本发明的实施例，使用无溶剂方法和装置制作用于能量存储设备(诸如锂离子电池)的电极，并且经由干式分散工艺将隔离器层施涂到电极。

图1图示了用于通过在衬底102(或在成品电极中也被称为集电器)的一侧上沉积粘合剂和活性电极材料来制作电极的系统100。在一个示例中，衬底102可以包括作为阳极集电器的铜或作为阴极集电器的铝。在另一示例中，阳极集电器是包括比如钢的复合材料。作为其他示例，衬底102还可以包括但不限于镀镍钢、纤维状碳的复合物、二氧化锡(SnO₂)，并且可以比如是冲压实心板或延展复合材料(即，具有穿孔，其允许衬底的开放式延展以减轻重量或允许更高的机械或材料负载)。然而，本发明不限于此，并且根据本领域已知的常识，任何衬底或集电器材料可以用于形成具有其他活性材料的电极。活性材料或活性材料混合物包括但不限于钛酸锂氧化物(LTO)、氧化钴、氧化镍、氧化锰、镍钴锰氧化物、磷酸铁、氧化铁、碳、以及硅。

衬底102通过具有进给心轴106的进给机构或辊系统104进给，该进给心轴106为衬底102提供材料并且由相对旋转的引导心轴108引导。在本发明的实施例中，衬底102可以是单个电极板，或可以是其连续进给。衬底102通过第一施涂区域110和第二施涂区域112进给，在此期间，可以包括粘合剂、活性材料和导电材料的混合物被施涂或以其他方式喷涂到衬底102上。在施涂区域110，112内施涂热量，和/或如将进一步所描述的，在从中通过之后，以便实现电极材料的粘合和形成。衬底通过第二组引导心轴114，其将具有与其粘合的活性电极材料的衬底朝向收集心轴116引导。根据本发明，第二组引导心轴114可以被设计成在其间具有空间或间隙，其在操作期间得以维持，以便将其上具有电极的衬底102压缩到最终所需且一致的厚度。

第一施涂区域110包括用于将第一层施涂到衬底102的设备118，其包括喷涂机构(诸如喷枪或用于引起喷涂的其他已知设备)，该喷涂机构被配置成将材料混合物的第一层或基层喷涂120到衬底102上。一般而言，尽管第一施涂区域110被描述为具有喷涂机构或喷枪以便将材料施涂到衬底上，并且这被图示为“喷涂120”，但是应当设想任何机构可以用于施涂材料，以包括例如涂装、刷涂、粉末涂覆、使用流化床、刮刀涂布或用抹布擦拭。事实上，在所描述的这个和所有后续施涂区域中，应当设想，如上文所描述的，可以采用喷枪或其他已知的喷涂设备将第一层和后续层施涂到衬底102，或者可以使用任何机构来施涂材料，并且应当设想，术语“喷涂”可以应用于用于将液体施涂到表面的任何机构或器件。

根据本发明，设备或喷涂机构118使喷涂120发射约2psi至20psi。根据本发明，喷涂120包括粘合剂、导电碳和活性电极材料的混合物。根据一个实施例，粘合剂包括热塑性或热固性材料，其在一个实施例中是聚偏二氟乙烯(PVDF)，其范围为喷涂120中总材料的6重量％至85重量％。然而，本发明不限于此，比如，可以使用低至1％或高达100％的粘合剂水平。进一步地，本发明不限于PVDF，而是可以包括本领域已知的任何粘合剂，其包括根据本发明的实施例和如所述的热塑性塑料和热固性材料。如本领域中已知的，热塑性塑料是在一定温度以上变得柔韧的聚合物，并且在冷却时返回到所述固体。相比之下并且如本领域中已知的，热固性材料在固化过程期间形成不可逆的化学键，其在熔化时分解(并且在冷却时不会重新形成)。根据本发明的实施例，粘合剂可以例如是PVDF或其任何衍生物、或PTFE或其任何衍生物。根据本发明的另一实施例，粘合剂中可以包括分子量非常高的聚乙烯材料，以增加粘合剂的结构完整性。可以包括本领域已知的导电碳，以便引起或增强电极内的颗粒之间的电接触。

喷涂120还可以包括通常4％至8％的导电碳，以包括石墨，诸如KS6(TIMREX是瑞士的Timcal SA的注册商标)(尽管导电碳的量增加至17％或更高以上，比如，根据本发明，可以使用40％)。喷涂120的余量％为活性电极材料，其包括但不限于LTO、氧化钴、氧化镍、氧化锰、镍钴锰氧化物、磷酸铁、氧化铁、碳、以及硅。作为一个示例，喷涂120包括13％的粘合剂和8％的导电碳，并且按重量计，喷涂120的余量为79％的活性物质。

根据本发明，在第一施涂区域110内沉积到衬底102上的喷涂120被加热，以便引发第一层混合物与衬底102的粘合。在一个实施例中，加热器122位于设备118的对面并且向加热器122提供足够的功率以将衬底的温度升高到约100°F和500°F之间，并且在一个实施例中，升高到300°F。然而，在另一实施例中，加热器124被定位成加热衬底102的与向其施涂喷涂120的衬底102的表面相对的表面。同样，在该实施例中，加热器124被供电以将衬底的温度升高到约100°F和500°F之间，并且在一个实施例中，升高到300°F。在一个实施例中，在经过第一施涂区域110之后，还可以经由加热器126将热量施涂到基层，至少直至第一层达到塑性状态为止，之后可以在施涂电极材料的随后层之前冷却第一层。因此，根据本发明，将电极材料的第一层或基层施涂到衬底102，并且经由一个或两个加热器122，124引发与其粘合。基层的粘合剂还可以使用加热器126在整个过程中熔化，以便使基层熔化并且均匀地形成在衬底102上。加热器122，124和126可以通过任何数目的已知机构施涂热量。比如，加热器122至126可以例如包括红外(IR)加热器、对流加热器、导电加热器、辐射加热器(比如，IR光谱外)或感应加热器。

加热器122/124和加热器126通常用于不同的目的。比如，加热器122/124提供朝向衬底102的热量，以便与衬底102接触的粘合剂材料变为塑性状态(但不加热到粘合剂易于熔化和流动的程度)以粘附到衬底102。另一方面，加热器126通常包括：加热形成基层的大部分喷涂的材料。以这种方式，根据本发明，可以向衬底102的任一侧提供热量，并且依据诸如喷涂120中的粘合剂的量之类的因素，加热器122和124可以设置在相对于设备118的不同位置。因此，不同类型的加热器可以用于要执行的不同的所需加热类型。比如，加热器122和/或124可以是感应加热器，其主要使衬底102加热，同时加热器126可以是IR加热器、对流加热器或辐射加热器。在另一示例中，一个或所有加热器(122和/或124和126)是IR加热器。事实上，根据本发明，可以依据要执行的所需加热类型使用加热器的任何组合(衬底与施涂的材料层)

如本领域中已知的，通常期望使电极内的活性材料的量最大化。因此，还期望最小化喷涂120中使用的粘合剂的量，然而，在约束指南下，在第一施涂区域110中喷涂到衬底102上的基层中获得足够粘合。第一层喷涂的材料120的粘合不仅受到加热器的类型、所获得的温度等的影响，而且还受到喷涂120中存在的粘合剂、导电碳和活性材料的量的影响。如本领域所知道的，可以基于要形成的电极的类型来主动选择粒度，范围可以从低至纳米尺寸的颗粒到数百微米或更大的颗粒。粒度还可以在整个电极深度上变化。如此，活性材料的粒度不仅影响可以在基层中沉积的活性材料的量，而且还影响粘合剂的量以及用于引发基层粘合的热量的量。

根据本发明，设备118可以包括喷枪，其上施涂有静电电荷，以便朝向衬底102引导和加速喷涂120中的颗粒。已知的喷涂机构包括静电电荷，其典型地在喷枪118的喷嘴128附近施涂，以便从喷嘴128发射的颗粒被赋予电荷，从而使得在喷嘴128和衬底102之间形成静电电压差。根据一个实施例，施涂到喷嘴128的静电电压为25kV，然而，本发明不限于此，并且根据本发明，可以施涂高于或低于25kV(诸如100kV)的任何电压，以便将喷涂120均匀地施涂到衬底102。可以通过将喷涂120指向的衬底102的区域接地增强电压差。因为使衬底102连续通过第一施涂区域110，所以直接接地衬底102可能是不方便的。因此，根据本发明，可以提供支撑结构130，衬底102在该支撑结构上通过。支撑结构130是静止的并且与衬底102电接触，因此衬底102的接地可以通过提供附接到支撑结构130的接地线132来实现。根据一个实施例，可以包括多条地线(由第二接地线134所表示的，但是根据本发明可以包括许多接地线134)，以便更均匀地将衬底102接地在接近喷涂120撞击在其上的位置。

系统100包括第二施涂区域112，其使第二层沉积到衬底102上。第二施涂区域112包括设备136(如所描述的，诸如喷枪或用于引起喷涂的其他已知设备)，其使喷涂138朝向衬底102发射并且着陆或撞击在第一施涂区域110中施涂的第一层上。因为与从初始基层到衬底102的粘附相比较，从一个电极层到下一个电极层的粘附更容易实现，用于第二电极层和任何后续电极层的喷涂典型地包括较少的粘合剂。因此，根据本发明的一个实施例，喷涂138包括80％重量至90％重量的活性物质(包括但不限于LTO、氧化钴、氧化镍、氧化锰、镍钴锰氧化物、磷酸铁、氧化铁、碳、以及硅)、4％重量至8％重量的导电碳、余量为粘合剂(在一个实施例中为PVDF)。然而，本发明不限于此，比如，第二电极层(和任何后续层)中的粘合剂含量也可以低至1％或高至100％。事实上，根据本发明，在第一层以及施涂于其上的第二层和后续层中可以包括活性材料和粘合剂的任何组成和百分比。

根据本发明，可以包括一个或两个加热器140，其向衬底102提供热量。然而，因为衬底102已经在其上具有来自第一施涂区域110的基层，所以由于基层也提供要形成的绝热屏障，因此加热器140可能也不是必需的。此外，可以不包括加热器140，因为从一个电极层到下一个电极层的粘合可以更有效，并且来自加热器142的热量可以足以使来自喷涂138的后续电极材料达到塑性状态。

加热器140(如果使用的话)和142可以提供来自任何数目的已知方法的热量，这些已知方法例如包括IR加热器、对流加热器、辐射加热器、或感应加热器。进一步地，设备136还可以包括具有也可以向其施涂静电电荷(诸如25kV)的喷嘴144的喷涂机构。施涂区域112可以包括支撑146和一个或多个接地线148，用于增强喷涂138沉积到先前施涂的基层上。

根据本发明，系统100包括计算机150，该计算机150具有计算机可读存储介质并且其上存储有计算机程序，该计算机程序包括经由控制器152执行控制命令的指令。以这种方式，可以使控制器152控制操作本领域已知的并且如根据上述操作所描述的喷涂工位、加热器和辊机构。

可以在如图2所图示的框图200内的一组步骤中对图1的系统100的操作进行总结。从步骤202开始，进给204衬底材料，并且在步骤206处，将粘合剂、导电碳和活性材料的第一层或基层施涂到衬底上。在步骤208处，热量被施涂到衬底的非喷涂侧，并且在步骤206处，如所描述的，可以包括与喷涂位置紧密相对的加热器，以及与之同时，和/或在使衬底通过向其施涂基层的区域或地区之后，热量可以被施涂到衬底的非喷涂侧。然后，在步骤210处，可以加热喷涂侧，在其之后，在衬底上形成第一层。在步骤212处，粘合剂、导电碳和活性材料的第二层被喷涂到第一层上。如所描述的，可以加热214非喷涂侧，其中加热器与第二喷涂区域紧密相对，或随后如图1的加热器所表示的。还可以将热量施涂到喷涂侧216，以便使第二层的粘合剂达到塑性状态/条件。如所提到的，可以通过重复所述工艺将后续层施涂到电极层。即，参考图1，可以在系统100内包括诸如第二施涂区域112之类的附加喷涂工位，通常没有限制，以便添加附加层。因此，在步骤218处，如果期望220附加层，则框图200图示了返回222，以便可以添加后续层。换句话说，返回222并不表示通过第二施涂区域112物理返回部分，而是图示了系统100在其设计中可以包括多个喷涂工位，以便获得最终所需厚度。

还如所提到的，依据所需最终电极的设计，后续喷涂工位中的每个喷涂工位可以包括不同数量的粘合剂、导电碳和活性材料的喷涂混合物。如本领域中已知的，在一个示例中，可能期望在电极深度内具有粒度梯度，其中最小的活性材料颗粒最接近衬底并且最大的活性材料颗粒朝向电极的外表面。相反，可能期望在衬底附近具有较大的颗粒，而在电极的外表面具有较小的颗粒。或者，可能期望整个电极具有均匀的活性材料粒度。这种设计通常在本领域中被理解，并且所有这些都可以根据本发明的实施例形成。也就是说，由于在电极形成期间添加后续层，所以可以选择和控制每层的厚度以及每层内的粒度，以便在电极内获得活性材料的所需粒度梯度。

能够在电极中构建具有不同材料粒度或具有不同活性材料的非晶层具有几个优点。在一个示例中，与已经用给定粘合剂通过溶剂流延方法进行了处理的由单峰、双峰或三峰粒度分布构建的电极相比较，分层放置更接近集电器的较大粒度以及随着电极厚度远离集电器构建而逐渐变小的粒度可以允许功率更高和能量密度和循环寿命更高。所述工艺还可能允许根据需要变化粘合剂和导电添加剂，以优化电极性能以供给定施涂。这可能使电极活性材料基质从非晶态变为具有优异的界面导电性的更多或更少的离散层。

这种在不引起界面阻力的情况下分层放置的能力是对常规溶剂基技术和其他已知方法的显着改进。本发明中描述的分层放置方法使得界面阻力不如本领域技术人员所预期的那样显而易见。事实上，电阻或阻抗低于预期，其表明所公开的方法优于将活性材料施涂到集电器的溶剂基方法，并且是对本领域的显着改进。

现在参考图3，电极300包括衬底302，其与图1的衬底102相对应。电极300包括粘合剂304中的一层或多层活性材料混合物，并且如所陈述的，可以在其整个厚度306中包括颗粒厚度梯度。电极300还可以具有总厚度308，其通过选择性地施涂适当数目的层以及如图1所图示的，通过在成品通过引导心轴114时压缩衬底和各层来控制。因此，根据本发明，可以制作0.0005"至0.015"或更大的最终单面电极厚度。事实上，原则上对电极厚度的多薄或多厚没有限制。就薄度而言，可以实现与单个活性材料尺寸一样薄的层。就厚度而言，限制仅基于施涂工位的数目，并且可能基于与电化学性能相关的更多基本限制。

可以应用上文关于图1和图2所描述的原理，以便制作双面电极。也就是说，衬底可以通过系统，其中喷涂被施涂到衬底和后续层的两侧，以便在衬底的每一侧上构建活性材料。现在，参考图4，在双面涂覆系统400中，可以使衬底102移动通过第一双面涂覆工位402以在衬底102的每一侧上喷涂初始层。系统400包括加热器404和第二喷涂工位406，其结合与相应喷涂工位406相对应的附加加热器408说明可以使用的工位。换句话说，如图1的系统100一样，可以在系统400内包括多个喷涂工位，以便在构建双面电极时形成多个后续层。系统400在衬底的一侧或两侧上可以包括加热器410，其使得衬底被预热，从而在基层喷涂在每一侧上之前增强衬底的加热，从而增强基层对衬底102的粘附性。喷涂机构412可以包括或不包括静电电荷，并且也可以包括一个或多个对应的地线414。根据本发明，加热器410和喷涂工位412可以彼此交错并偏移，或者定位成使得加热器410中的一个加热器与喷涂工位412中的一个喷涂工位相对，并且加热器410中的另一个加热器与喷涂工位412中的另一个喷涂工位相对。第二喷涂工位406同样包括喷涂机构416，其可以是或可以不是静电控制的，以及经由接地线接地到衬底(喷涂工位406中未示出)。

以这种方式，可以形成双面电极500，其具有衬底102以及其上形成的第一活性材料层502和第二活性材料层504。与单面实施例一样，可以使用每个喷涂工位内的适当粒度并使用压缩心轴418来控制粒度梯度和总厚度。因此，根据本发明，可以制作0.0010"至0.030"或更大的最终双面电极厚度。

根据一个实施例，金属带154可以添加到涂覆系统，诸如图1的系统100。金属带可以延伸使衬底越过其的系统的长度。也就是说，代替使用单独的支撑结构130和146，可以提供单个带以在衬底移动通过时增强一个或多个喷涂区域中的接地。当使用导电性较差的材料，诸如薄金属、复合结构、稀松编织、泡沫状或非织造衬底时，这可能是特别感兴趣的。此外，当需要小批量的电极时，在钢带就位的情况下，机器可以反转以构建电极活性材料厚度或者可能分层放置不同的活性材料以增强最终的电化学性能。使用带式机器的另一好处可能是允许使用该方法构造活性材料的自支撑膜，使得这些膜可以用于其中在产品设计中不那么强烈需要与衬底或集电器的强烈粘合的其他应用中。带式机器还允许从电极类型更快改变。

双涂覆可以通过一次在两侧上施涂活性材料(即，图4)或通过辊压或翻转网(即，重新穿过图1的实施例，其中衬底102的背侧被涂覆)以及无论是以垂直方式还是以水平方式重复单面涂覆并且重复施涂地区或重新访问施涂地区来实现。也就是说，尽管图1和图4图示了与地球重力场正交通过的衬底102，根据本发明，衬底可以与重力场共线通过。换句话说，根据本发明的实施例，涂覆系统可以沿垂直方向驱动衬底。执行相同操作的其他方法可以是构造具有更多工位的更长的机器，并且盘绕或展开再次沿相同方向穿过的网，或者将网带回机器上以节省空间。因此，在没有溶剂的情况下制作锂离子电极，其与使用溶剂工艺常规构造的电极一样好的执行。电极可以任何厚度、密度并且使用任何已知的活性材料构造。

电极密度也是可调整的和可控的。溶剂流延电极通常包括压印以获得或改善性能。根据本发明，可以从该工艺制作压印和未压印的电极，而性能没有明显差异。溶剂流延系统通常在压印之后以30％至40％的开放结构为目标，并且具有循环和聚合物溶剂化的松弛将使孔隙率回到50％的范围。然而，本文中所图示的工艺在有或没有二次压印的情况下产生15％至50％的孔隙率。因此，在添加电解质进行溶剂化之后不必压印和经历松弛改善了整体循环寿命。进一步地，相对于溶剂流延系统，活性材料的内部结构中粘合剂的量降低。在溶剂流延系统中，聚合物粘合剂通常进入活性材料的内部结构。然而，所述工艺在活性材料外部维持大部分粘合剂，从而当与溶剂流延系统进行比较时，导致活性材料的利用率更高。

在溶剂流延线中，通常，溶剂(通常为N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、或甲基乙基酮(MEK)或其他已知溶剂)被添加到活性材料中，然后以一定速率除去，该速率不会导致流延电极开裂或剥落。这典型地包括大量干燥烘箱和溶剂回收系统。有时，溶剂用作加热烘箱的燃料的一部分。无论哪种方式，除去溶剂的要求都需要长度广泛超过200英尺的干燥烘箱和其他化学处理设备。当没有适当通风时间时，在流延过程中消除溶剂还降低了污染电解质和电池单元的可能性。

最后，本文中所图示的工艺不会更改现有电池化学性质。使用与常规溶剂基方法相同的粘合剂、活性材料和导电添加剂，而不会添加其他成分。也就是说，电极在电阻、功率和衰落速率方面的性能与在溶剂基系统中形成的电池相当。

本文中所图示的工艺不限于非常薄的电极。成品电极厚度范围从0.0005"到0.015"以上(单面，并且约是双面电极厚度的两倍)，并且电极可能更厚，仅限于分层放置工位的数目。进一步地，该工艺不限于电池电极，而是可以扩展到以类似方式制造隔离器层，从而使得能够在接近即时送输能力的一条线上制造全电池单元。

根据本发明的实施例，提供了一种在电极上形成隔离器层的方法，该方法利用与上文所描述的无溶剂电极涂覆方法中使用的相同工艺、粘合剂、温度和操作条件。该方法将陶瓷隔离器附接到/形成在电极的表面上，使得其与电极一起挠曲并且可以像典型电极一样被辊压或切割，因此消除了使用/制造单独/不同的聚烯烃隔离器的需要。该方法可以与可再充电锂电池单元或一次电池单元一起使用，并且可以放在任一电极或两者(即，在阳极和/或阴极上)上。

现在参考图6，示出了根据实施例的用于在电极上制造和施涂电池隔离器的系统600和相关联的方法。而图6图示了隔离器系统600，通过在衬底或集电器(即，图1的系统100)的一侧上沉积粘合剂和活性电极材料而与用于制造电极的系统集成，应当认识到，隔离器系统600可以作为与系统100分开的独立系统提供。因此，溶剂流延电极或喷涂电极可以提供给系统600，以供随后在其上施涂/形成隔离器。

隔离器系统600包括进给机构(在图6中图示为辊/心轴114)，其向其中要施涂隔离器层的系统的施涂区域604提供成品电极(例如，溶剂流延电极或喷涂电极)。在施涂区域中，提供了用于将隔离器层施涂到所制作的电极的设备606，其包括喷涂机构(诸如喷枪或用于引起喷涂的其他已知设备)，其被配置成将一层材料混合物喷涂608到电极上。一般而言，尽管设备606在下文中被描述为喷涂机构或喷枪以便将材料施涂到电极上，并且这被图示为“喷涂608”，但是应当设想可以采用任何干式分散施涂机构技术来将隔离器层施涂到电极。用于施涂隔离器材料的这种干式分散技术可以例如包括：刷涂、粉末涂覆、使用流化床、刮刀涂布、或用抹布擦拭。

根据示例性实施例，设备或喷涂机构606使喷涂608在约2psi和20psi之间发射。喷涂608是陶瓷基隔离器喷涂混合物，其由粘合剂和不导电陶瓷隔离器材料组成。根据本发明的一个实施例，粘合剂可以完全由热塑性或热固性材料组成，其在示例性实施例中是聚偏二氟乙烯(PVDF)或其任何衍生物，尽管也可以设想该材料可以代之以PTFE或其任何衍生物。根据本发明的另一实施例，粘合剂可以包括热塑性或热固性材料(例如，PVDF)以及聚烯烃填料材料(诸如聚乙烯或聚丙烯)，以增加粘合剂的结构完整性。PVDF可以占喷涂608中总材料的2重量％至30重量％，其中应当认识到确切百分比取决于(部分地)隔离器材料的表面积和孔径以及粘合剂在熔化或软化时(即，是否还包括填料材料)的特点。如本领域中已知的，热塑性塑料是在一定温度以上变得柔韧的聚合物，并且在冷却时返回到所述固体。相比之下并且如本领域中已知的，热固性材料在固化过程中形成不可逆的化学键，其在熔化时分解(并且在冷却时不会重新形成)。

喷涂混合物的陶瓷隔离器材料包括一种或多种陶瓷粉末，其包括以下各项中的至少一项：氧化铝、氧化镁(MgO)、氧化铝、氧化锡、或其他陶瓷，其中一种或多种陶瓷粉末的尺寸范围为1μm至25μm。应当认识，其他绝缘陶瓷材料可替代地用于上文所列出的材料。作为一个示例，可以使用二氧化硅(SiO₂)基材料，但是应当认识到SiO₂在与负电极材料接触时，尤其是在升高的温度下不稳定。

在一个实施例中，喷涂608不仅施涂到电极的顶部表面和/或底部表面，而且还施涂到电极的边缘。在将陶瓷聚合物隔离器混合物施涂到电极的边缘时，控制设备或喷涂机构606以提供喷涂608，该喷涂608过度喷涂电极以在电极的边缘上构造边界，从而防止电极对的边缘周围的短路。重叠边缘可以高达0.125"(3.2mm)，尽管对于隔离器重叠，典型地小于0.039"(1mm)。

根据本发明，对电极进行加热，以便引发陶瓷聚合物隔离器混合物与电极的粘合。在一个实施例中，加热器610位于设备606的对面，并且基于所利用的聚合物粘合剂，向加热器610提供足够的功率以将电极的温度升高到约150℃至300℃之间。然而，在另一实施例中，加热器612被定位成加热电极的表面，该表面与施涂有喷涂608的电极的表面相对。因此，根据本发明，将一层隔离器材料施涂到电极，并且经由一个或两个加热器610，612引发与其粘合。加热器610，612可以通过任何数目的已知机构施涂热量，这些已知机构例如包括红外(IR)加热器、对流加热器、导电加热器、辐射加热器(比如，IR光谱外部)或感应加热器。加热器610(和可选的加热器612)起作用以便将粘合剂加热到一定温度(即，150℃至300℃)，使得其中的聚合物软化但不加热到聚合物易于流动的程度，因为应当认识到如果聚合物太容易流动，它会移动到隔离器材料的颗粒孔中，并且粘附性和内聚性会丧失。

经由喷涂608(或另一合适的施涂器件)及其相关联的加热将陶瓷聚合物隔离器混合物施涂到电极上导致形成隔离器层。如图6所示，隔离器系统600还包括一组心轴或辊614，其被设计成在其间具有空间或间隙，该空间或间隙在操作期间得以维持，以便在喷涂沉积和加热之后向隔离器层提供间隙压延，其中压延确保隔离器层的光滑均匀的光洁度和厚度。因此，心轴614将衬底层压缩并压延至最终所需且一致的厚度、密度、孔隙率和弯曲度。根据示例性实施例，隔离器层的目标厚度将在陶瓷粒度的范围内，其中隔离器层理想地尽可能薄，以便减小其阻抗，其中厚度小于25μm可以基于与所利用的陶瓷隔离器材料的单个粒度厚度相对应的厚度实现。隔离器层的特定弯曲度和孔隙率由喷涂和随后压延的精确设置控制。

如图6所示，如本领域中已知的并且如根据上述操作所描述的，提供控制器152以控制喷涂工位606、一个或多个加热器610，612和辊机构614的操作。虽然控制器152被示出为对于系统100和隔离器系统600而言是共用的，但是应当认识到，单独的控制器(不同于与系统100相关联的控制器)可以用于操作隔离器系统600。

现在参考图7，示出了根据实施例的用于将电池隔离器施涂到电极上的干式无溶剂方法700。在步骤702中，首先提供电极并朝向隔离器施涂区域前进，其中这种电极被制作为溶剂流延电极或喷涂电极(如上文所详述的)。在步骤704处，经由若干种已知方法中的任一种方法对电极的表面进行加热，这些已知方法例如包括红外(IR)加热、对流加热、传导加热、辐射加热(例如，IR光谱外部)、或感应加热。

在加热电极表面时，在步骤706处经由干式无溶剂施涂方法将陶瓷基隔离器混合物施涂到电极，其中施涂混合物以覆盖电极的表面。陶瓷隔离器混合物由粘合剂和不导电的陶瓷隔离器材料组成，并且虽然粘合剂和隔离器材料在这里被描述为经由单个施涂一起施涂的“混合物”，但是应当认识到单独的粘合剂和陶瓷隔离器材料可以同时但是经由单独施涂施涂。根据本发明的一个实施例，粘合剂可以完全由热塑性材料或热固性材料组成，其在示例性实施例中是聚偏二氟乙烯(PVDF)或其任何衍生物。根据本发明的另一实施例，粘合剂可以包括热塑性材料或热固性材料(例如，PVDF)以及聚烯烃填料材料，其可以是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或其纤维，以增加粘合剂的结构完整性。PVDF可以占隔离器混合物中总材料的2％重量至30％重量，并且应当认识到确切百分比取决于(部分地)陶瓷隔离器材料的表面积和孔径以及粘合剂在熔化或软化时(即，它是否还包括填料材料)的特点。

隔离器混合物的陶瓷隔离器材料包括一种或多种陶瓷粉末，其包括以下各项中的至少一项：氧化铝、氧化镁、氧化铝、氧化锡、或其他陶瓷，其中一种或多种陶瓷粉末的尺寸范围为1μm至25μm。应当认识到，其他绝缘陶瓷材料可替代地用于上文所列出的材料。根据本发明的示例性实施例，陶瓷材料可以取决于施涂有陶瓷基隔离器混合物的电极是阴极还是阳极。作为示例，当电极是阴极时，陶瓷隔离器材料可以是氧化镁，而当电极是阳极时，陶瓷隔离器材料可以是氧化铝。

在粘合剂完全由PVDF(或另一热塑性材料或热固性材料)组成的实施例中，隔离器混合物由3％至20％的PVDF和97％至80％的陶瓷隔离器材料构成。当粘合剂由PVDF(或另一热塑性塑料或热固性材料)和填料材料组成时，隔离器混合物由3％至15％的PVDF、5％至40％的填料材料(聚丙烯或聚乙烯)、以及45％至92％的陶瓷隔离器材料构成。

关于在步骤706处执行的陶瓷基隔离器混合物干式无溶剂施涂到电极，可以执行过喷涂施涂，其中隔离器混合物不仅施涂到电极的顶部表面和/或底部表面，而且还可以施涂到电极的边缘。在将陶瓷基隔离器混合物施涂到电极的边缘时，控制其施涂以提供喷涂，该喷涂过度喷涂电极以在电极的边缘上构造边界，从而防止电极对的边缘周围的短路。

仍然参见图7，在完成将陶瓷基隔离器混合物干式无溶剂施涂到电极之后，在步骤708处执行间隙压延，以将所施涂的陶瓷基隔离器压缩和压延至最终所需且一致的厚度、密度、孔隙度和弯曲度。因此，所得结构在电极的表面上提供了可以与电极一起挠曲的陶瓷隔离器，其中在步骤710处辊压和/或切割所得隔离器电极的随后步骤因此变得更容易，因为它类似于典型电极的辊压和/或切割。附加地，在执行的任何可选的辊压和/或切割之后，在步骤712处可以将所得隔离器电极结构结合在一起(即，阳极和阴极可以结合在一起)，以形成电化学电池单元，其中由于隔离器未对准而导致撕裂和短路可以最小化/消除。在图8中图示了由这种结合在一起所产生的电化学电池单元800，其中可以看到包括铜集电器804、阳极活性材料806和陶瓷隔离器808的阳极结构802结合到包括铝集电器812、阴极活性材料814和陶瓷隔离器816的阴极结构810。

有利地，经由上文所描述的方法将陶瓷聚合物隔离器混合物施涂到电极提供了一种电池隔离器，其表现出优于现有电池隔离器的性能。陶瓷聚合物隔离器混合物包括比常规商用电池隔离器更少量的粘合剂(即，2重量％至30重量％)，其对于电池工业是有利的，因为较低量的粘合剂减少了在热逸溃事件期间热升高的可能性。也就是说，隔离器中聚合物粘合剂的量的降低通过减少开始电解质分解的立即可用能量来抑制热逸溃的引发，使得在其自身进一步减少发生的短路之后，陶瓷隔离器结构随后会塌陷。聚合物粘合剂在被加热时将被拉入隔离器材料(例如，MgO)的孔中，使其与参与热逸溃反应隔离。因而，本发明的电池隔离器(及其形成方法)减少了在热逸溃事件期间热升级的可能性，使得不太可能发生这种事件或者至少减慢了热升温，足够使得不会达到最大的灾难性能量释放，最大限度地减少电池系统可能需要耗散的能量的量，并且显着提高电池的整体安全性。

经由上文所描述的方法将陶瓷聚合物隔离器混合物施涂到电极的另一好处是，这种施涂在组装电池时成本更低和更容易处理电极对。也就是说，与滑动并需要恒定张力以适当缠绕的单个隔离器不同，经由上文所描述的方法施涂的陶瓷隔离器保持附接到电极。这有利于在诸如构造用于圆柱形电池单元的糊胶卷或构造棱柱形电池单元或袋形电池单元时的电池单元堆叠之类的操作期间对准时更好地控制网，无论是扁平缠绕还是利用单独的电极部件。

所公开的方法和装置的技术贡献在于，它提供了一种用于将电池隔离器施涂到电极的计算机实现的方法和装置，更具体地涉及一种用于制造陶瓷隔离器或将该陶瓷隔离器施涂锂离子(Li-ion)电池中的锂电化学电池单元的方法和装置。

本领域技术人员应当领会，本发明的实施例可以与其上存储有计算机程序的计算机可读存储介质接口并由其控制。计算机可读存储介质包括多个部件，诸如电子部件、硬件部件和/或计算机软件部件中的一个或多个。这些部件可以包括一个或多个计算机可读存储介质，其通常存储诸如软件、固件和/或汇编语言之类的指令，用于执行序列的一个或多个实现方式或实施例的一个或多个部分。这些计算机可读存储介质通常是非暂态的和/或有形的。这种计算机可读存储介质的示例包括计算机和/或存储设备的可记录数据存储介质。计算机可读存储介质可以采用例如磁、电、光、生物和/或原子数据存储介质中的一种或多种。进一步地，这种介质可以采用例如软盘、磁带、CD-ROM、DVD-ROM、硬盘驱动器和/或电子存储器的形式。未列出的其他形式的非暂态和/或有形计算机可读存储介质可以与本发明的实施例一起采用。

可以在系统的实现方式中组合或划分若干个这样的部件。进一步地，如本领域技术人员将领会的，这些部件可以包括用若干种编程语言中的任一种编程语言编写或实现的一组计算机指令和/或一系列计算机指令。另外，可以采用诸如载波之类的其他形式的计算机可读介质来体现表示指令序列的计算机数据信号，这些指令当由一个或多个计算机执行时，使得一个或多个计算机执行序列的一个或多个实现方式或实施例的一个或多个部分。

根据本发明的一个实施例，一种将陶瓷基隔离器干式无溶剂施涂到电极的方法包括：经由进给机构向施涂区域提供电极，以及经由干式分散施涂将由粘合剂和不导电的隔离器材料组成的隔离器层施涂到电极，其中粘合剂包括热塑性材料和热固性材料中的至少一种。

根据本发明的另一实施例，一种制造包括电极和隔离器的电池组电池的方法包括：提供电极，使电极朝向施涂区域前进，以及经由干式无溶剂涂覆工艺将不导电的陶瓷基隔离器材料和粘合剂的混合物涂覆到施涂区域中的电极上，以形成隔离器层。

根据本发明的又一实施例，一种电池组电池包括电极和粘附到电极的隔离器层，该隔离器层包括粘合剂，该粘合剂包括热塑性材料和热固性材料以及不导电的导电陶瓷基隔离器材料中的至少一种，其中隔离器层的范围为2％重量至30％重量的粘合剂。

本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式在内，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括构造和使用任何设备或系统以及执行任何并入的方法在内。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这些其他示例旨在落入权利要求的范围内。

Claims (21)

1.一种将陶瓷基隔离器干式非溶剂施涂到电极的方法，所述方法包括：

经由进给机构向施涂区域提供电极；以及

经由干式分散施涂将由粘合剂和不导电隔离器材料构成的隔离器层施涂到所述电极，其中所述粘合剂包括热塑性材料和热固性材料中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

加热所述电极；以及

间隙压延所述隔离器层以形成隔离器层，其具有所需均匀厚度、密度、孔隙率和弯曲度。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述隔离器层被施涂和压延，以形成隔离器层，其厚度小于35μm。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述隔离器层的范围为2％重量的粘合剂至30％重量的粘合剂。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述粘合剂由聚偏二氟乙烯(PVDF)构成。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述隔离器层包括3％至20％的PVDF和97％至80％的不导电的隔离器材料。

7.根据权利要求5所述的方法，其中所述粘合剂还包括填料，其包括聚丙烯和聚乙烯中的一种。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述隔离器层包括3％至15％的PVDF、5％至40％的聚丙烯或聚乙烯、以及45％至92％的不导电的隔离器材料。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述不导电隔离器材料包括以下各项中的至少一项：刚玉、氧化镁、氧化铝或氧化锡。

10.根据权利要求7所述的方法，其中

当所述电极为阴极时，所述不导电的隔离器材料包括氧化镁；

以及

当所述电极是阳极时，所述不导电的隔离器材料包括氧化铝。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述干式分散施涂包括粉末涂覆施涂。

12.一种制造包括电极和隔离器的电池组电池的方法，所述方法包括：

提供电极；

使所述电极朝向施涂区域前进；以及

经由干式无溶剂涂覆工艺将不导电得陶瓷基隔离器材料和粘合剂的混合物涂覆到所述施涂区域中的所述电极上，以形成隔离器层。

13.根据权利要求12所述的方法，其中将所述混合物涂覆到所述衬底上包括：将所述隔离器材料和所述粘合剂的所述混合物粉末涂覆到所述电极上。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述粘合剂由聚偏二氟乙烯(PVDF)构成。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括填料，其包括聚丙烯和聚乙烯中的一种。

16.根据权利要求12所述的方法，其中所述陶瓷基隔离器材料包括以下各项中的至少一项：刚玉、氧化镁、氧化铝或氧化锡。

17.根据权利要求12所述的方法，还包括：

加热所述电极和所述隔离器层中的至少一个，以将所述隔离器层粘附到所述电极；以及

间隙压延所述隔离器层以形成隔离器层，其具有所需均匀厚度、密度、孔隙率和弯曲度。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述隔离器层被施涂并压延，以形成隔离器层，其厚度小于35μm。

19.根据权利要求12所述的方法，其中所述隔离器层的范围为2％重量的至30％重量的粘合剂。

20.一种电池组电池，包括：

电极；以及

隔离器层，其粘附到所述电极上，所述隔离器层包括粘合剂，其包括热塑性材料和热固性材料中的至少一种；以及

不导电的陶瓷基隔离器材料；其中所述隔离器层的范围为2％重量至30％重量的粘合剂。

21.根据权利要求20所述的电池组电池，其中所述隔离器层的厚度小于35μm。