CN113056324B - 用于制备浆料和用浆料涂覆基底的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

用于制备用于涂覆到基底上的浆料的装置和方法。本披露的装置和方法涉及在具有至少一个通道的封闭体积中提供浆料。该浆料包含溶剂、粉末和粘合剂。该浆料还可以包含分散剂。在高压下反复推动该浆料以第一流动方向通过该至少一个通道并且然后以与该第一流动方向相反的第二流动方向通过该至少一个通道返回。该推动将该粉末和该粘合剂均匀地分散在该溶剂中。然后，在该推动后用从该封闭体积挤出的该浆料同时涂覆基底的两个侧面。固化所涂覆的浆料包括冻干以保存在该基底上的该浆料的孔隙率。

Description

用于制备浆料和用浆料涂覆基底的装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年4月26日提交的美国专利申请号15/964,051的优先权，将该美国专利申请特此通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本披露涉及用于制备浆料和将该浆料涂覆到基底上的装置和方法。
背景技术
形成含有分散在溶剂中的粉末和任选地粘合剂的浆料通常涉及相当大的能量和设备。当形成用于制造用于形成电池的电极的基底的浆料时情况就是这样。例如，在常规的湿电极涂覆工艺中，将含有粉末(像碳黑粉末或其他活性/非活性材料)和作为粘合剂的有机聚合物的粘性浆料涂覆到基底上，以通过经由各种方法(比如刮刀片、辊对辊(roll-to-roll)涂覆器等)牵引或递送浆料或基底来形成集流体。湿涂覆中使用的常规装置需要大量的空间，因为需要使用刮刀片、辊对辊涂覆器等。与常规的混合、捏合、涂覆和干燥相关的所有装置和工作站都是巨大的。
通过使用常规的行星式混合器来混合浆料还需要长的时间段。典型地，大量有毒溶剂也被用于常规的湿涂覆的浆料中，以帮助形成浆料并将其施用到基底上。例如，此类有毒溶剂包括n-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺等。在将浆料涂覆在基底上后，必须除去有毒溶剂。除去需要在干燥工艺中精心设计的蒸发技术以防止环境污染和爆炸。干燥需要与加热系统组合的具有长带式输送机的大型干燥器，以蒸发有毒溶剂。除了干燥系统外，还必需安装用于收集蒸发的有毒溶剂的系统以防止环境污染。
干涂覆工艺是用于制造电极的湿涂覆的替代选择。然而，干涂覆具有若干缺点。例如，必需将干燥的碳复合材料粉末粉碎成用于涂覆的细粉，这需要两个机器来粉碎细粉并将细粉分布到基底上。还需要特定的料斗和复杂的涂覆器布置以将细粉分散到基底上。
基于细粉在基底上的不规则的分布，干涂覆还受制于不一致的电池性能的结果。所产生的在基底上的粉末密度的不均匀对许多问题具有直接影响，像涂层与基底之间的粘合力和孔隙率均匀性，其最终导致缺乏反应均匀性。即使在配备有精细的分布器的特别设计的粉末涂覆机器的情况下，也存在相同种类的不一致的电池单元性能问题。
因此，存在对涂覆装置和涂覆工艺的需求，该涂覆装置和涂覆工艺减少通常在浆料形成中上文提及的以及施用到电池电极制造时的问题。
发明内容
本披露的一个方面包括一种用浆料涂覆基底以形成电极的工艺。浆料包含粉末。在一些方面中，粉末可以由碳黑粉末、或任何导电/非导电材料或其共混物形成。浆料进一步包含一种或多种溶剂和粘合剂。浆料可以任选地包含一种或多种分散剂。该工艺进一步包括冻干经涂覆的基底和在真空下在升高的温度下加热所冻干的经涂覆的基底以除去残余溶剂。该工艺进一步包括压延所产生的经涂覆的基底以被用作电池电极。
本披露的另一个方面是一种配置成混合和捏合浆料并且然后将浆料同时涂覆在基底的两个侧面的装置。该装置包括经由窄管连接的两个圆筒，每个圆筒中具有活塞，该活塞被配置成反复推动(force)浆料在圆筒之间和通过管来来回回。浆料通过管的反复移动对浆料施用剪切力，其混合并且捏合浆料。在一些方面中，装置包括模具，该模具被配置成将浆料挤出到基底上使得浆料同时接触基底的两个表面。
本披露的另外的方面包括一种涂覆基底的方法，该方法包括在具有至少一个通道的封闭体积中提供浆料。浆料包括溶剂、粉末、粘合剂和分散剂。该方法进一步包括在高压下反复推动浆料以第一流动方向通过该至少一个通道并且然后以与该第一流动方向相反的第二流动方向通过该至少一个通道返回，以将粉末和粘合剂均匀地分散在溶剂中。该方法进一步包括在推动后用从封闭体积挤出的浆料同时涂覆基底的两个侧面。
本披露的方面还包括：电极，其根据上文方法被涂覆；电池，其具有根据上文方法被涂覆的电极；以及电池系统，其具有多个电池单元，其中每个电池单元具有根据上文方法被涂覆的电极。
本披露的另外的方面包括一种固化涂覆的基底的方法，该方法包括提供在两个侧面上涂覆有浆料的基底。浆料包括溶剂、粉末、粘合剂和分散剂。该方法进一步包括至少冻结涂覆在基底上的溶剂和分散剂，并且至少使在基底上冻结的溶剂和分散剂升华。该方法进一步包括在升华后在真空下加热基底至超过至少一种溶剂和分散剂的冰点并且在加热后压延基底。
本披露的另一个方面包括一种具有第一圆筒组件的系统，该第一圆筒组件具有第一圆筒和第一活塞。第一活塞被配置成在第一圆筒内往复移动。该系统还包括具有第二圆筒和第二活塞的第二圆筒组件。第二活塞被配置成在第二圆筒内往复移动。该系统还包括将第一圆筒组件连接至第二圆筒组件的通道。在系统的操作中，第一圆筒组件和第二圆筒组件被配置成在第一圆筒和第二圆筒内向浆料交替地施用压缩和抽吸以引起浆料往复移动通过通道。
在回顾以下附图、详细说明和权利要求后将更充分地理解所披露的装置、系统和方法的这些和其他功能。
附图说明
图1图示了根据本披露的方面的用于制备浆料的装置的截面图。
图2A图示了根据本披露的方面的模具组件的透视图。
图2B图示了根据本披露的方面的具有两个模具零件的图2A的模具组件的分解图。
图2C图示了根据本披露的方面的图2A的模具组件的顶视图。
图2D图示了根据本披露的方面的图2A的模具组件的底视图。
图3A图示了根据本披露的方面的配置成将浆料施用到基底上的图1的装置的截面图。
图3B图示了根据本披露的方面的将浆料施用到基底上的图3A的模具的光学透明透视图。
图3C图示了根据本披露的方面的涂覆有浆料的图3B的基底沿着线3B-3B的截面图。
图4是根据本披露的方面的用于涂覆基底的工艺的流程图。
图5是根据本披露的方面的用于固化涂覆的基底的工艺的流程图。
虽然本文中论述的装置、系统和方法容易受到各种修改和替代形式的影响，但是具体实施例已经通过实例的方式在附图中示出并将在本文中详细描述。然而，应当理解的是，描述不旨在受限于所披露的具体形式。更确切地说，描述将覆盖落在如由所附权利要求所限定的本披露的精神和范围内的所有的修改、等效物和替代选择。
具体实施方式
在理解本披露将被视为本文所披露的原理的示例并且不旨在将广泛的方面仅限于所图示的实施例的情况下，在附图中示出并且在本文中将详细描述装置、系统和方法的一个或多个实施例。为了本详细描述的目的，单数包括复数，并且反之亦然(除非特别否认)；措词“或”应当既是连词，也是反意连接词；措词“所有”意指“任何和所有”；措词“任何”意指“任何和所有”；并且措词“包括”意指“包括但不限于”。另外，单数术语“一个/种(a/an)”和“该”包括复数指示物，除非上下文另外明确指出。本文披露的每个数字范围包括上限数字和下限数字以及在它们之间的每个有理数(包括每个整数)。
披露了用于制备浆料并且然后将该浆料施用到基底上的装置和工艺。本披露的装置和工艺明显降低了形成浆料和将浆料施用到基底所需要的复杂性和时间。还披露了用于固化涂覆有浆料的基底的工艺。所披露的装置和工艺可以用于制造电池的电极。然而，装置和工艺可以用于形成和施用任何类型的浆料到任何类型的基底上，而不是特别地限于旨在用于电极的基底。
当施用到电池的电极的制造时，本披露的装置和方法减少或消除了在电极浆料的形成中使用有毒化学品作为溶剂和/或分散剂，比如NMP、DMF、丙酮等。这些装置和方法还通过在制备浆料、处理基底、操纵设备等中除去复杂的常规工艺缩短并且简化了电池电极制造的总工艺。这些装置和方法还缩小了尺寸或排除了用于上文在背景中论述的工艺的冷凝、粉碎和粉末分布的昂贵且巨大的装置的使用。
特别地，本披露的方法仅使用一个装置，其执行所有的混合、捏合和涂覆。装置将浆料直接原位涂覆到基底上而没有例如将浆料从混合装置转移到涂覆装置的麻烦。装置还同时涂覆基底的两个侧面。方法还包括冻干涂覆的基底，这除去溶剂。冻干帮助减少在涂覆期间形成的浆料和基底的孔结构的损害或变化。本披露还提供浆料涂覆工艺连同涂覆装置用于制造电化学电池单元的电极。电化学电池单元可以是例如原电池单元或二次电池单元，比如锂电池单元或燃料电池单元。
本披露的浆料由溶剂、粉末和粘合剂形成。浆料还可以包含分散剂。在一个或多个实施例中，溶剂可以是能够溶解粘合剂的任何化学品，并且任何化学品可以根据期望的粘合剂特性来选择。例如，在水溶性粘合剂比如聚四氟乙烯(PTFE)的情况下溶剂可以是水。替代性地，在非水溶性粘合剂比如聚偏二氟乙烯(PVDF)粉末或树脂的情况下溶剂可以是丙酮(或几乎纯的丙酮)、NMP或DMF。在一个或多个替代实施例中，溶剂可以是能够与粘合剂和粉末形成分散体的任何化学品。
粉末可以是用于制造分散体的任何粉末。在一个或多个实施例中，粉末可以是用于制造电极的任何粉末。例如，粉末可以是任何电化学上可活化的、活性的、或非活性的无机或有机材料、或其组合。当粉末是导电性粉末时，导电性粉末用作电化学电池单元的电极或电极内的导电性添加剂。导电性粉末可以是碳黑粉末、石墨、碳纤维等、或其共混物。其他非碳粉末可以是例如碳化硅(SiC)、硫酸钡(BaSO4)、磷酸铁锂(LiFePO4)、磷酸锰铁锂(LiMnFePO4)和各种氧化物，比如二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、锂镍钴铝氧化物(LiNiCoAlO2)、锂镍钴锰氧化物(LiNiCoMnO2)、锂锰氧化物(LiMn2O4)、锂镍锰尖晶石(LiNi0.5Mn1.5O4)、锂钴氧化物(LiCoO2)等、以及其他天然矿物、及其组合。
前述非碳粉末全部是水溶性的和亲水性的。因此，在使用如上所述的水溶性和亲水性粉末时，由于如下所述的混合和材料的亲水性，浆料中水基溶剂与粉末的比率可以进一步降低到约0.6:1(按重量计)。这与常规湿方法中的亲水性粉末和水基溶剂的比率(其为按重量计约1.25:1)形成对比。对于碳基粉末，浆料内的溶剂与粉末的比率可以是按重量计约4.5-8:1。这提供了优于常规浆料的优点，该常规浆料需要按重量计约24-27:1的溶剂与粉末的比率。因此，在本披露的方法中必须使用明显更少的溶剂，这减少了在固化期间必须除去的溶剂的量。
在涂覆和固化后粘合剂帮助将粉末粘附至基底。在一个或多个实施例中，粘合剂可以是树脂粘合剂。粘合剂在溶剂中可以是可溶的，比如水溶性的，或可以呈分散体的形式，比如水基聚四氟乙烯乳液。可以用于电池制造的特定粘合剂包括例如羧甲基纤维素钠(Na-CMC)、聚(丙烯酸钠)(PAA-Na)、聚(环氧乙烷)(PEO)、聚(乙烯吡咯烷酮)(PVP)、聚乙二醇(PEG)、聚(3,4-亚乙基二氧基噻吩)、水溶性丙烯酸酯(Acryl S020)、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酰胺和聚甲基丙烯酰胺、二乙烯基醚-马来酸酐、聚噁唑啉、用于组织工程的各种类型的聚磷酸酯、淀粉、液体葡萄糖、羟丙基甲基纤维素(HPMC)、羟丙基纤维素(HPC)、羟乙基纤维素(HEC)、巴西棕榈蜡、瓜尔胶、黄原胶(XG)、果胶等、及其组合。
在制造电极中，浆料中使用的粘合剂的量取决于粘合剂如何影响所产生的电极的导电性。在一个或多个实施例中，浆料内粘合剂与粉末的比率可以是约0.02:1至约0.1:1。然而，由于粘度和能量-密度考虑，相对于粘合剂和粉末的组合重量的超过约10wt％的粘合剂含量不适合于大规模电极生产。
分散剂帮助混合疏水性无机组分(比如碳粉末)与水基溶剂和粘合剂。在一个或多个优选的实施例中，分散剂被选择为呈液态并且具有与溶剂类似或比溶剂差的物理特性，比如更低的熔点/沉淀点。与溶剂相比，分散剂的类似的或差的物理特性导致分散剂与溶剂一起或在溶剂之前蒸发，使得在冻干后在基底上的所产生的膜主要含有粉末。例如，可以使用具有-89℃的沉淀点的异丙醇，其中水作为溶剂。额外的溶剂残余物(包括非水性溶剂)可以在冻干期间(比如在-60℃至-80℃的冻干器冷凝器中)或随后在升高的温度下加热涂覆的基底期间提取，如下文进一步论述的。
浆料内可以使用的分散剂包括例如异丙醇、乙醇、甲醇、乙酸、乙腈、丙酮、NMP、DMF等。进一步，在一个或多个实施例中，一些分散剂还可以起分散剂和溶剂两者的作用。进一步，虽然分散剂比如NMP和DMF由于其有毒性质不优选地使用，但是其由于远远更低的所需浓度仍然可以在本披露的浆料中使用。例如，由于下文论述的混合和相关装置的益处，这些分散剂的量可以远远低于常规的湿方法，这仍然降低了其使用的相关费用。
浆料中使用的分散剂的量取决于浆料内的其他组分，包括溶剂。然而，浆料可以低至0.01重量百分比(wt％)分散剂。这与使用常规方法混合的常规浆料形成对比，该常规方法可能需要在水性溶剂中最多达30wt％分散剂。例如，在碳粉末的本披露的浆料(水作为溶剂、并且PTFE乳液作为粘合剂)中，当异丙醇用作分散剂时浆料是约1wt％异丙醇。当使用NMP作为分散剂时，浆料可以低至0.01wt％NMP。
参考图1，图示了根据本披露的方面的用于制备浆料102和将浆料102涂覆在基底上的装置100的截面图。装置100包括一对圆筒104a、104b和一对活塞106a、106b。每个活塞106a、106b在圆筒104a、104b之一中(例如，活塞106a在圆筒104a中，并且活塞106b在圆筒104b中)。活塞106a、106b连接到一个或多个装置(未示出)，所述装置配置成驱动活塞106a、106b沿着圆筒104a、104b的长度(例如，冲程长度或方向)成线性且往复移动，如由线A所示。在一个或多个实施例中，驱动活塞106a、106b的一个或多个装置可以是可以由可编程驱动器控制的一个或多个线性致动器。然而，一个或多个装置可以是可以赋予活塞106a、106b往复线性移动的任何类型的机械和/或机电装置。使活塞106a、106b的致动同步化使得一个活塞施用压缩力于浆料102同时另一个活塞施用抽吸力。
圆筒104a、104b经由窄管108流体连接。窄管108允许浆料102在由活塞106a、106b的致动产生的压缩力下在圆筒104a、104b之间流动。通过致动活塞106a、106b在圆筒104a、104b内往复移动，浆料102可以反复地通过管108。因此，浆料102以第一流动方向从圆筒104a流动通过管108并且流动至圆筒104b，比如图1中线A的从左至右的方向。浆料102然后从圆筒104b流动通过管108并且流动至圆筒104a，比如图1中线A的从右至左的方向。第二流动方向与第一流动方向相反。虽然图1中图示的流动方向是沿着线A线性的，但在一个或多个实施例中流动方向可以是非线性的。例如，管108可以呈U、S形状，或具有任何数目的相同和/或不同的弯道，该弯道产生曲折的路径用于浆料102行进。
浆料102通过管108的反复移动混合浆料102。与例如活塞106a、106b的冲程方向或流动方向(例如，线A)上的圆筒104a、104b的直径相比，管108的窄直径进一步有助于混合。根据伯努利原理，通过管108的浆料102经历由浆料102内的颗粒的速度不均衡而产生的高剪切力，该速度不均衡基于在管108边缘处的颗粒经历比在管108中心处的颗粒更低的速度。在将浆料102装入和/或排出圆筒104a、104b时施加的剪切力导致高混合效率并且产生巨大的捏合作用。
混合效率取决于浆料102通过管108的流动速度、管108的直径和混合时间。管108的直径越窄和浆料102通过管108的流动速度越高，则混合和捏合更有效。通过实例的方式，430毫米/秒的流动速度通过八分之三英寸内径的管仅仅耗费15分钟的混合。380毫米/秒的流动速度通过八分之三英寸内径的管仅仅耗费25分钟的混合。并且170毫米/秒的流动速度通过八分之一英寸内径的管仅仅耗费10分钟的混合。在实践中，管108的直径可以是约1/16至1/2英寸。因此，装置100的配置提供比常规装置比如常规行星式混合器更高的混合效率。例如，混合30克的碳黑粉末仅仅耗费约0.3千瓦时(kWh)的能量。对于更大量的混合材料，消耗的功率可以最多达约10至15千瓦时/千克粉末。
根据一个实例，装置100由具有三英寸内径的圆筒(即，圆筒104a、104b)形成。圆筒通过管(即，管108)连接，该管7英寸长并且具有八分之一英寸的内径。浆料(即，浆料102)在圆筒之间移动，通过活塞(即，活塞106a、106b)以1毫米/秒的活塞速度推动了6英寸冲程。由碳黑-聚合物共混物形成的浆料通过活塞的往复移动被完全地混合和捏合并且在小于半小时内被推动通过管且准备好用于涂覆。然而，实际的混合和捏合时间可以取决于颗粒的尺寸、管108的尺寸(例如内径、长度)和活塞106a、106b的速度以及因此产生的浆料102通过管108的速度而变化。
虽然示出仅一个管108连接圆筒104a、104b，但在一个或多个实施例中，可以存在多于一个管108连接圆筒104a、104b。当圆筒104a、104b在冲程方向上的直径相对于管108的直径较大时，可以使用多于一个管108。
装置100可以由一种或多种金属、金属合金或其他材料(例如塑料)形成。用于装置100的材料可以取决于用于形成浆料的溶剂。在水作为浆料的主要溶剂的情况下，装置100可以由抵抗水和其他分散剂腐蚀的材料(比如316不锈钢)形成。
在一个或多个实施例中，装置100可以包括第三圆筒。第三圆筒可以附接至圆筒104a、104b之一和/或管108。第三圆筒可以用于在将浆料涂覆到基底上之前积聚浆料，如下文论述的。在一个实施例中，第三圆筒可以具有大于圆筒104a或104b的工作体积的任何工作体积，使得第三圆筒可以在混合后积聚浆料102用于随后涂覆，如下文进一步描述的。
参考图2A-2D，图示了根据本披露的方面的用于将浆料102施用到基底上的模具200。如图2A和2B中所示，模具200由两个模具零件202a、202b形成。模具零件202a、202b可以是对称的(如示出的)或相同的。替代性地，模具零件202a、202b可以是不对称的。另外，虽然模具零件202a、202b被示出和描述为各自是单个零件，但在一个或多个实施例中模具零件202a、202b可以各自由多个零件形成。模具零件202a、202b被配置成在基底的两个侧面上同时施用浆料102的薄平坦层，如下文进一步描述的。模具200包括接口204(图2A)，该接口被配置成将模具200连接到圆筒104a、104b之一或管108(或连接到第三圆筒，如果存在)。接口204包括两个浆料进口端口206a、206b-一个进口端口206a、206b分别用于每个模具零件202a、202b。进口端口206a、206b被配置成接受从装置100挤出的浆料102，该浆料从圆筒104a、104b之一或从管108挤出，这取决于模具200附接于何处。
参考图2B，每个模具零件202a、202b进一步包括浆料出口端口208a、208b。出口端口208a、208b被配置成当基底通过时通过出口端口208a、208b将浆料102均匀地施用在基底上。出口端口208a、208b是与基底大致相同的宽度，但可以在宽度上比基底更长或更短。
通道210a、210b将出口端口208a、208b连接至进口端口206a、206b。进口端口206a、206b被配置成将浆料102分成两个单独的流。此后，通道210a、210b被配置成将浆料102均匀地分布至出口端口208a、208b用于随后将浆料分布到基底上。
参考图2C和2D，模具零件202a、202b联接在一起以形成模具200并且界定穿过模具200的狭缝212。如下文进一步描述的，狭缝212允许基底穿过模具200。当基底穿过模具200时，将从出口端口208a、208b挤出的浆料102同时施用到穿过狭缝212的基底的两个侧面。
参考图3A，图示了根据本披露的方面的配置成将浆料102涂覆到基底300上的装置100的截面图。已经通过从圆筒104a断开管108修改了装置100。代替管108，模具200经由接口204连接至圆筒104a。然而，在一个或多个实施例中，模具200可以代替地连接至管108或圆筒104b(或第三圆筒)。例如，管108可以具有连接至模具200的接口204的接口。将装置100从图1的混合、捏合配置重新配置成图3A的施用配置的能力允许简单且直接地原位进行涂覆而无需将浆料102从一个装置(即，装置100)转移至另一个装置。
在连接模具200之前，可以将尽可能多的浆料102收集在圆筒104a内。然后将圆筒104a内的浆料102经由活塞106a的致动从圆筒104a挤出。挤出的浆料102进入模具200内并且从出口端口208a、208b同时施用到基底300的两个侧面。基底300可以是任何类型的基底，比如用于形成电极的基底。例如，基底可以是泡沫、网格、或任何类型的多孔、半多孔、或无孔的材料。
图3B图示了浆料102进入进口端口206a、206b、引导至通道210a、210b内、通过出口端口208a、208b离开模具200、并且然后到基底300上。浆料102离开出口端口208a、208b的压力推动浆料102至基底300内，比如至基底300的孔内。
在一个或多个实施例中，将浆料102施用到基底300上还导致基底300经过狭缝212前进通过模具200。换言之，将浆料102施用到基底300上可以以期望的方向移动基底300，比如在图3B的定向中向下。替代性地，或此外，可以使用另外的驱动力比如卷绕装置(未示出)驱动基底300穿过模具200。
图3C图示了在基底300上的施用的浆料102。特别地，浆料102在基底300的两个侧面上形成薄膜302a、302b。这些薄膜可以是约8μm至约25μm(微米)厚。根据所披露的工艺施用薄膜302a、302b在基底300的两个侧面上产生均匀的厚度。此外，厚度可以通过在从圆筒104a挤出浆料102期间活塞106a的速度结合基底300穿过模具200内的狭缝212的速度来控制。
在一个或多个实施例中，在混合浆料102之后但在将浆料102涂覆到基底300上之前，浆料102可以暴露于圆筒104a、104b之一或两个(或第三圆筒)内的真空。真空帮助在涂覆前除去浆料102内的气体。浆料102内的气体可以影响在基底300上所产生的浆料102的薄膜302a、302b的表面均匀性和粘合性。因此，除去气体改善了浆料102的均匀性和粘合性。
图4是根据本披露的方面的用于涂覆基底的工艺400的流程图。工艺400使用上文所披露的装置100来进行。工艺400在步骤402以浆料在装置100中开始。如上文披露的装置100具有封闭体积(具有至少一个通道)，该封闭体积由圆筒104a、104b和管108界定。浆料可以是本文披露的任何浆料并且可以含有溶剂、粉末、粘合剂和分散剂。在一个或多个实施例中，浆料可以缺乏分散剂。如上文披露的，浆料中的粘合剂不能超过相对于粘合剂和粉末的组合重量的10wt％。浆料中水基溶剂与粉末的比率可以是按重量计约4.5-8:1。浆料中分散剂的量可以低至0.01wt％。然而，浆料内分散剂(如有的话)的量通常是约1至2wt％。作为实例，浆料可以由水作为溶剂、碳黑作为粉末、聚四氟乙烯乳液作为粘合剂、和醇作为分散剂形成，尽管可以使用上文披露的任何组分。重要的是，基于装置100在没有有毒分散剂的情况下从浆料产生分散体的能力，浆料不需要n-甲基-2-吡咯烷酮或另外的有毒分散剂。
在步骤404，在高压下反复推动浆料以第一流动方向通过至少一个通道并且然后以与第一流动方向相反的第二流动方向通过该至少一个通道返回，以将粉末和粘合剂均匀地分散在溶剂中。如上文披露的，两个圆筒中的每个包括活塞，并且两个活塞的往复致动推动浆料以第一流动方向和第二流动方向流动。配置圆筒使得至少一个通道的截面小于圆筒在两个活塞的冲程方向上的截面。当浆料通过管时这在浆料上导致高剪切力，其导致浆料的混合。例如，每个通道的内径可以是约1/16英寸至1/2英寸，并且圆筒的内径可以大得多，比如约3英寸或更大。在一个或多个实施例中，取决于圆筒内活塞的速度，内径可以小于3英寸。
在步骤406，用从封闭体积挤出的浆料同时涂覆基底的两个侧面。涂层可以是处于期望的厚度的浆料的薄膜，如上文所论述的。在一个或多个实施例中，在步骤406之前但在步骤404之后，可以向装置100内的浆料施用真空以除去在先前的工艺步骤期间在浆料内可能已经形成的气体。
用于形成浆料的溶剂和分散剂允许与常规工艺不同的固化在基底上的浆料的工艺。特别地，由于小部分挥发性有机溶剂(比如上述醇)用于将疏水性材料(像碳粉末)分散在水占优势的溶液中，因此可以使用冻干工艺除去溶剂和分散剂并干燥涂层。冻干工艺降低了在常规电极制造工艺中发现的问题的可能性。这些问题包括在干燥时孔结构的不可控的变形和薄膜的形态和多孔性的缺陷。
图5是根据本披露的方面的用于使涂覆的基底(作为最终产品)固化的工艺500的流程图。工艺500在步骤502以在两个侧面上涂覆有浆料的基底开始。该基底可以根据上文披露的工艺400来涂覆，并且浆料可以是基于本披露的方面的任何浆料。
在步骤504，冻结涂覆在基底上的溶剂和分散剂。冻结可以根据将溶剂和分散剂的温度降低至低于其冰点的任何工艺发生。然而，在一个或多个实施例中，当所用分散剂的量相对于溶剂的量可忽略不计时，不必冻结分散剂，比如在本发明中在1wt％异丙醇的情况下。
在步骤506，在冻结溶剂和分散剂之后，使涂覆的基底内的溶剂和分散剂升华以冻干基底。升华可以根据任何工艺发生，该工艺导致溶剂和分散剂升华。
在步骤508，在使溶剂和分散剂升华后，将基底在真空中加热至超过溶剂和分散剂的标准冰点。加热和真空处理进一步帮助除去基底中的任何剩余的溶剂和分散剂。
在步骤510，在加热后，压延基底。在一个或多个实施例中，压延包括冷压延基底以稳定化基底上的涂层。在一个或多个实施例中，压延还包括在冷压延之后热轧基底。热轧可以是约100℃至约150℃以改善薄膜在基底上的粘合。除了改善粘合之外，热轧还通过改善的粘合提高导电性。
虽然在压延期间可能损失薄膜内的孔隙率，但在冻干后薄膜的孔结构的特性在均匀性和均一性方面仍然优于通过在电池电极制造中的常规方法制成的任何涂层的孔。因此，涂覆方法在基底上产生均一的涂层，该涂层具有优于迄今通过常规方法获得的孔隙率的孔隙率。与常规方法相比，涂层相对无缺陷，在涂层表面上产生非常低比率的针孔、气泡、凹洞(divot)、条痕、条纹、外来污染物、过度不均一的涂层区域或团聚体。
因此，本披露的方法和装置在形成浆料中降低了有毒材料的使用或量，或完全除去了有毒材料，比如在生产电池电极期间导致不期望的蒸气的有毒溶剂。减少或除去有毒材料减少或消除了防止有毒材料释放到环境中和其他问题(比如爆炸)所需的专业设备。与常规工艺相比，本披露的方法和装置还降低了电极制造所需的需要的工作空间。
虽然本披露涉及披露一个或多个具体实施例，但本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行许多变化。这些实施例及其明显的变型中的每个被考虑为落在本发明的精神和范围内。还考虑的是，根据本发明的方面的另外的实施例可以组合来自本文所描述的任何实施例的任何数目的特征。

Claims (9)

1.一种方法，包括以下步骤：
在具有至少一个通道的封闭体积中提供浆料，该封闭体积包括通过该至少一个通道连接的两个圆筒，该两个圆筒中的每个包括一个活塞，该浆料包含溶剂、粉末、粘合剂和分散剂，并且选择该浆料以施用至基底后用于形成电池单元的电极；
基于该两个圆筒的两个活塞的往复致动，在高压下反复推动该浆料以第一流动方向流动通过该至少一个通道并且然后以与该第一流动方向相反的第二流动方向流动通过该至少一个通道返回，以将该粉末和该粘合剂均匀地分散在该溶剂中；
在该推动后用从该封闭体积挤出的该浆料同时涂覆该基底的彼此背对的相反侧面；
至少冻结涂覆在该基底上的该溶剂和该分散剂；
至少使在该基底上冻结的该溶剂和该分散剂升华；
在该升华后在真空下加热该基底至超过该至少一种溶剂和该分散剂的标准冰点；
在该加热后压延该基底；以及
在该压延后由该基底形成该电池单元的电极，
其中，该粘合剂与该粉末的比率是按重量计0.02:1至0.1:1，
其中，该粉末是碳黑粉末，并且该溶剂与该碳黑粉末的比率是按重量计4.5:1至8:1，
其中，该浆料是0.01-2wt％的该分散剂，以及
其中，形成该粉末和该粘合剂在该浆料中的分散体需要10至15kWh的能量/千克固体粉末。
2.如权利要求1所述的方法，其中，该压延包括冷压延该基底以稳定在该基底上的涂层，随后热轧该基底。
3.如权利要求1所述的方法，其中，该至少一个通道的每个的在该第一流动方向上的截面小于这些圆筒在该两个活塞的冲程方向上的截面。
4.如权利要求3所述的方法，其中，该至少一个通道的每个的直径是1/16英寸至1/2英寸。
5.如权利要求1所述的方法，其中，该浆料缺乏n-甲基-2-吡咯烷酮。
6.如权利要求1所述的方法，其中，该溶剂是水。
7.如权利要求1所述的方法，其中，该粘合剂是聚四氟乙烯乳液。
8.如权利要求1所述的方法，其中，该分散剂是醇。
9.如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括在该涂覆之前将真空施用到该封闭体积以从该浆料中除去气体。
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