CN209456554U - 电池材料镀膜设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种电池材料镀膜设备，所述电池材料镀膜设备包括外壳、靶材置放装置、样品台和挡板。所述靶材置放装置设置于所述外壳内，用以置放电池材料；所述样品台设置于所述外壳内；所述挡板安装于所述外壳内，且位于所述样品台的上方，所述挡板于所述外壳内可平移，以局部遮挡靶材下料。本实用新型的技术方案可以把两种电池材料有效的沉积在一起，得到两种材料从低到高不同成分配比的变化，在进行电极测试时，可以快速找到两种电池材料的最佳配比，也就是只需要一次制备该电池材料中间体，即可从该电池材料中间体中找到两种材料的最佳配比，也即符合条件的电池材料中间体的制备效率大大提升。

Description

电池材料镀膜设备

技术领域

本实用新型涉及电池技术领域，特别涉及一种电池材料镀膜设备。

背景技术

目前常用的全固态薄膜锂电池，电池材料都是采用镀膜方法一层一层的沉积上去的。但是制备出来的薄膜就是材料均一的成分。通常，对于电极薄膜材料本身的研发，需要尝试不同的材料混合，材料的成分不一样，比例不一样的组合。这样的尝试按照现有的方法和设备非常耗时，效率低下。

对于现有全固态薄膜锂电池，薄膜的电池材料一般都是钴酸锂(LiCoO3)，或现在比较流行的三元材料(LiMnNiCoOx)。但是如果我们要进一步的研发新的电池材料，比如尝试不同电池材料成分之间的组合，不同的比例以此来开发新的材料体系，就需要把不同的材料成分按照不同的比例来进行测试。

比如我们想要把锰酸锂(LiMnOx)和镍酸锂(LiNiOx)组合开发新的材料体系。按照现有的传统方法，就要沉积LiMnOx的薄膜，然后在沉积LiNiOx薄膜组合在一起(或者先沉积LiNiOx薄膜，再沉积LiMnOx的薄膜)，沉积好这个混合薄膜(电池材料测试中间体)后，再来测试材料的性能。但是一旦这样两种薄膜沉积出来，他们的化学成分、比例和薄膜的厚度是固定的，无法变化的。如果要尝试新的配比，那就需要再次沉积这样的两种薄膜混合体，再来测试其性能。只有这样重复多次，做多次的沉积及样品的准备，才可能找到最佳的成分比，如此效率极其低下。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提供一种电池材料镀膜设备，旨在提高符合条件的电池材料中间体的制备效率。

为实现上述目的，本实用新型提出一种电池材料镀膜设备，包括：

外壳；

靶材置放装置，设置于所述外壳内，用以置放电池材料；

样品台，设置于所述外壳内；

挡板，安装于所述外壳内，且位于所述样品台的上方，所述挡板于所述外壳内可平移，所述挡板与所述样品台之间的间距为0.1mm～10mm。

在一较佳实施例中，所述电池材料镀膜设备还包括驱动装置，所述驱动装置连接所述挡板，以驱动所述挡板平移。

在一较佳实施例中，所述驱动装置包括电机和减速箱，所述电机通过所述减速箱连接所述挡板。

在一较佳实施例中，所述电池材料镀膜设备还包括靶材轰击装置，所述靶材轰击装置为脉冲激光源，所述脉冲激光源安装于所述外壳，用以轰击靶材；或者

所述靶材轰击装置为溅射气体源，所述溅射气体源安装于所述外壳，所述溅射气体源通过溅射氩气轰击靶材；或者

所述靶材轰击装置为电子束蒸发枪，所述电子束蒸发枪安装于所述外壳内，用以轰击靶材。

在一较佳实施例中，所述电池材料镀膜设备还包括真空源，所述真空与源用于对所述外壳内抽真空。

在一较佳实施例中，所述电池材料镀膜设备还包括氧气源，所述氧气源安装于所述外壳，以给所述外壳内部冲氧。

在一较佳实施例中，所述电池材料镀膜设备还包括加热装置，所述加热装置安装于所述样品台内，用以给置放于所述样品台上的衬底加热。

在一较佳实施例中，所述挡板与所述样品台之间的间距为0.5mm～3.0mm。

在一较佳实施例中，所述挡板与所述样品台平行。

在一较佳实施例中，所述靶材置放装置的数量为两个。

本实用新型的技术方案可以把两种电池材料有效的沉积在一起，得到两种材料从低到高不同成分配比的变化，在进行电极测试时，可以快速找到两种电池材料的最佳配比，也就是只需要一次制备该电池材料中间体，即可从该电池材料中间体中找到两种材料的最佳配比，也即符合条件的电池材料中间体的制备效率大大提升。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型电池材料镀膜设备一实施例的结构示意图；

图2为本实用新型电池材料镀膜设备另一实施例的结构示意图；

图3为图2中电池材料镀膜设备工作状态示意图(开始镀膜)；

图4为接续图3中电池材料镀膜设备另一工作状态示意图(镀完第一电极层)；

图5为接续图4中电池材料镀膜设备又一工作状态图(挡板的左边沿与第一电极层的右边沿对齐)；

图6为接续图5中镀于衬底上的电池材料测试中间体的结构示意图(镀完第二电极层)；

图7为图6中镀于衬底上的电池材料测试中间体的结构示意图；

图8为图7中两电极层中第二电极层所占百分配比与两电极点的位置对应图。

附图标号说明：

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本实用新型中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型实提出了一种电池材料镀膜设备。下述内容将结合附图进行详细介绍。所述电池材料可以是正极材料、负极材料、电解质材料、集流体材料或保护层材料。

参照图1和图2，本实用新型提出一种电池材料镀膜设备20。

该电池材料镀膜设备20包括外壳21、靶材置放装置23、样品台29、挡板24和驱动装置25。所述靶材置放装置23设置于所述外壳21内，用以置放电池材料。所述样品台29设置于所述外壳21内，供衬底22置放。所述挡板24安装于所述外壳21内，且位于所述样品台29的上方，所述挡板24于所述外壳21内可平移，所述挡板24与所述样品台29之间的间距为0.1mm～10mm。所述驱动装置25安装于所述外壳21内，所述驱动装置25连接所述挡板24，以驱动所述挡板24平移。

具体而言，在外壳21内，靶材置放装置23是用于置放电池材料的，通常需要放置两种及以上电池材料，对于全固态薄膜锂电池系统而言，薄膜的电池材料可以是镍酸锂和锰酸锂的组合。对于固体氧化物燃料电池系统而言，其电解质材料为氧化锆和氧化铈。

在此，靶材置放装置23可以单独置放一种电池材料，待需要用到另一种电池材料镀膜时，可以手动更换另一种电池材料。当然，靶材置放装置23可以是具有两个及以上靶材置放位，两个靶材置放位上同时置放两种电池材料；也可以是靶材置放装置23有两个，两个靶材置放装置23上可以分别对应置放两种电池材料，需要用到哪种电池材料，即可对哪种材料进行溅射处理。

由于在进行镀膜时，电池材料粉末容易受到气流干扰，在此，外壳21主要给内部薄膜的形成提供一个稳定的环境，例如避免外部气流的影响。

样品台29主要是用于置放衬底22的，样品台29与靶材置放装置23之间的间距在50mm～100mm之间。对于不同的薄膜而言，可以根据薄膜的类型而更换更匹配度更好的衬底22。例如对于全固态薄膜锂电池系统而言，SrTiO_x2氧化物的晶体结构和LiNiO_x、LiMnO_x晶格结构类似，晶格结构类似，薄膜之间的衔接好，晶格匹配好，薄膜不容易脱落，后续沉积出来的电池材料的薄膜质量高。所以这样能更好的保证沉积的薄膜晶格之间相互匹配衬底22的最佳选择是SrTiO_x。但是一方面SrTiO_x的价格较昂贵，所以，即便采用SrTiO_x作衬底22，其厚度也需要受到严格控制。另一方面，SrTiO_x的强度不如SiO_x。所述衬底22可以由SiO_x和SrTiO_x组合，SrTiO_x镀于SiO_x上，共同形成衬底22。再例如对于固体氧化物燃料电池系统而言，Al₂O₃的晶体结构同氧化锆和氧化铈晶格结构类似，所以这样能更好的保证沉积的薄膜晶格之间相互匹配衬底22的最佳选择是Al₂O₃。

驱动装置25是用于驱动挡板24移动的，具体镀膜操作过程如下：

首先在样品台29上设置衬底22，然后控制挡板24由左向右位移，开始镀第一电极层11，从而可以在衬底22上形成一个楔形台(请参阅图3和图4)。然后控制挡板24继续位移，以使所述挡板24的左边沿与楔形台的右边沿对齐(参照图5)，同时，控制挡板24向左移动，并同时开始镀第二电极层12，从而可以在第一电极层11的上表面镀上第二电极层12(参照图6)。在此过程中，可以控制挡板24向左移动的速度和向右移动的速度一致，从而第一电极层11与第二电极层12之间形成平直的斜面。

对于驱动装置25而言，其驱动挡板24自左向右移动方式可以是匀速移动，也可以是间断性移动，也可以是移动速度逐渐加快，也可以是移动速度逐渐减慢。如果驱动装置25驱动挡板24自左向右匀速移动，那么形成于衬底22上的第一电极层11具有一个平直的楔形台。如果驱动装置25驱动挡板24自左向右间断性移动，那么形成于衬底22上的第一电极层11具有梯台，梯台的高度自左向右逐渐升高。如果驱动装置25驱动挡板24自左向右的的速度逐渐加快，那么形成于衬底22上的第一电极层11具有一个楔形台，楔形台具有一个凸弧面；如果驱动装置25驱动挡板24自左向右的的速度逐渐减慢，那么形成于衬底22上的第一电极层11具有一个楔形台，楔形台具有一个凹弧面。需要说明的是，对于驱动装置25驱动挡板24移动的驱动方式可以是通过齿轮齿条配合，也可以是通过皮带传动，在此不作限定。

样品台29与挡板24之间的间距需要控制在0.1mm～10mm之间，这是因为衬底较薄，薄膜也较薄，通常是纳米级别的，如果样品台29与挡板24之间的间距偏小，在制造时，需要严格控制挡板29与样品台24之间的间距，因为挡板在移动过程中，可能会触碰到衬底或样品台24，如此难以形成薄膜。如果样品台29与挡板24之间的间距偏大，那么在镀膜时，薄膜的分界线不分明，薄膜成型效果也不佳，最终可能会影响测试结果。基于此，在本实施例中，样品台29与挡板24之间的间距可以是0.3mm、0.5mm、0.8mm、1mm、1.2mm、1.5mm、1.6mm、1.8mm、2.0mm、2.2mm、2.4mm、2.5mm、2.8mm、3.0mm、3.2mm、3.5mm、3.6mm、3.8mm、4.0mm、4.2mm、4.5mm、4.8mm、5.0mm、6mm、7mm、8mm、9mm等都是可以的。

待第一电极层11成型后，可以通过驱动装置25驱动挡板24移动以选择性遮挡第二电池材料向下溅射的粉末，从而可以形成一个与第一电极层11互补的第二电极层12，第一电极层11和第二电极层12镀膜完成后，第二电极层12的上表面与衬底22可以平行。

请参阅图6、图7和图8，待第一电极层11和第二电极层12镀完之后，电池材料测试中间体10就形成了，可以将电池材料测试中间体10串入电路中。一个电极N₁连接第一电极层11的下表面，另一个电极M₁连接第二电极层12的上表面(两电极位于垂直于衬底22的同一直线上)，然后多次调节两电极的位置(M₂和N₂、M₃和N₃、M₄和N₄、M₅和N₅、M₆和N₆)，从而可以获取多组电阻值数据，通过多组电阻值数据可以得到两电池材料的配比与电阻值的关系，进而可以从中挑选最佳配比。

请参阅图8，M₁和N₁对应的第二电极层12占据整个电极层比重的100％，M₂和N₂对应的第二电极层12占据整个电极层比重的95％，M₃和N₃对应的第二电极层12占据整个电极层比重的85％、M₄和N₄对应的第二电极层12占据整个电极层比重的60％，M₅和N₅对应的第二电极层12占据整个电极层比重的40％，M₆和N₆对应的第二电极层12占据整个电极层比重的0％。

本实用新型的技术方案可以把两种电池材料有效的沉积在一起，得到两种材料从0％到100％不同成分配比的所有变化，在进行电极测试时，可以快速找到两种电池材料的最佳配比，也就是只需要一次制备该电池材料中间体，即可从该电池材料中间体中找到两种材料的最佳配比，也即符合条件的电池材料中间体的制备效率大大提升。

由于衬底22的面积比较小，一般为2cm×2cm，挡板24的面积大概为3cm×3cm，薄膜的厚度是纳米级的(50nm～200nm)，薄膜的宽度要小于衬底22宽度的，由此可见，薄膜的沉积过程是一个极为精细的操作过程，所以挡板24的移动速度要极慢，其速度为1.5mm/s～3.5mm/s，例如2.0mm/s、2.5mm/s、3.0mm/s。

传统的电机转速一般都比较快，难以直接挡板24移动的需求，所以在此，所述驱动装置25包括电机和减速箱，所述电机通过所述减速箱连接所述挡板24。通过减速箱介导之后，电机的转速可以降低至原来的1％甚至0.01％，从而可以满足挡板24移动的需求。

请继续参阅图2，对于电池材料镀膜设备20而言，驱动装置25和靶材轰击装置可有可无，因为驱动装置25和靶材轰击装置可以通过后续单独配置。也就是电池材料镀膜设备20、驱动装置25和靶材轰击装置可以是三个单独的模块，驱动装置25和靶材轰击装置可以在电池材料镀膜设备20需要镀膜时，才给电池材料镀膜设备20配置驱动装置25和靶材轰击装置。在后续实施例中，将驱动装置25和靶材轰击装置作为电池材料镀膜设备20的一部分进行阐述。

靶材轰击装置可以有多种，所述靶材轰击装置为脉冲激光源，其采用激光脉冲沉积(Pulsed Laser Deposition，PLD)的方式，所述脉冲激光源安装于所述外壳21，用以轰击靶材。在此脉冲激光源安装在外壳21内部或外侧都可以，放置在外侧，造价便宜，因为这样真空腔就小；激光源本身较小，从而可以放置在内侧，然而真空腔就必须做大，真空腔一大，造价就会偏高。所述靶材轰击装置也可以是溅射气体源，所述溅射气体源安装于所述外壳21内(因为溅射气体源是往真空腔通氩气的等离子气体，所以只能在真空腔内进行)，所述溅射气体源通过等离子气体轰击靶材，也就是通过Sputter沉积的方式。所述靶材轰击装置还可以是电子束蒸发枪，所述电子束蒸发枪安装于所述外壳21内，用以轰击靶材，也就是采用分子束外延生长(Molecular Beam Epitaxy,MBE)的方式。

对于激光源而言，激光光源的波长为250nm～270nm，激光能量为每个脉冲为1J/cm²～3J/cm²，激光脉冲频率约为5Hz～10Hz。在其开启后，激光冲击靶材，被击落的靶材开始沉积在衬底22上，形成薄膜。对于溅射气体源而言，其主要是通过Ar⁺冲击靶材，被击落的靶材开始沉积在衬底22上，形成薄膜。对于，电子束蒸发枪而言，其主要通过高速电子流冲击靶材，被击落的靶材开始沉积在衬底22上，形成薄膜。

请继续参阅图2，上述实施例中，被击落的靶材开始沉积时，为了避免气流的干扰(气流干扰会导致薄膜沉积不均匀)，所述电池材料镀膜设备20还包括真空源27，所述真空源27用以对所述外壳21抽真空。

PLD和Sputter沉积，因为一般适当气体通入，PLD有氧气通入，因为沉积氧化物材料时需要通入氧气。而Sputter沉积，需要氩气的等离子体气体Ar⁺，因此初始真空腔的真空度10^-9torr及以上，但是一旦薄膜沉积开始，真空度只能在10^-2～10^-6torr左右。

但是对于MBE沉积，因为不需要通入气体，因此MBE沉积真空度要求最高，一般控制在10^-7～10^-9torr左右。

另外，在上一实施例的基础上，对于薄膜是氧化物的情形，需要保持一定的氧气气压，基于此，在本实施例中，所述电池材料镀膜设备20还包括氧气源26，所述氧气源26安装于所述外壳21，以给所述外壳21内部冲氧。冲入氧气后，要保持外壳21内的氧气气压在10^-2～10^-6torr范围内。

请继续参阅图2，在另一实施例中，所述电池材料镀膜设备20还包括加热装置28，所述加热装置28安装于所述样品台29内，用以给置放于所述样品台29上的衬底22加热。

衬底22一般为氧化硅(SiO_x)，衬底22上一般会残留有杂质，为了把表面的杂质和残留物蒸发去除，让衬底22表面洁净，避免杂质对薄膜造成影响，需要对衬底22进行加热处理一般15～30分钟，加热的温度一般需要控制在500℃左右。在后续薄膜沉积时，可以通过加热装置28对衬底22继续加热，使衬底22温度达到550℃～700℃，从而更利于薄膜沉积。

另外，考虑到在沉积薄膜时，由于衍射现象存在，即便挡板24不移动，部分薄膜会沉积在挡板24正下方，从而会影响薄膜沉积效果。为了尽可能降低上述衍射现象，在本实施例中，所述挡板24与所述样品台29之间的间距为0.3mm～3.0mm。也就是只有控制挡板24与样品台29之间的间距在足够小的范围内，才可有效减缓或避免衍射现象的产生。只要保持挡板24与样品台29之间的间距在较小范围内，就可以大大减缓衍射现象的产生，在此为了进一步降低衍射现象，所述挡板24与所述样品台29应当保持平行。如果挡板24与样品台29不平行，那么，挡板24的一角必然翘起，如此，即便所述挡板24与所述样品台29之间的间距满足上述范围，依然会有较多薄膜沉积在挡板24正对衬底的区域，从而严重影响镀膜效果。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种电池材料镀膜设备，其特征在于，包括：

外壳；

靶材置放装置，设置于所述外壳内，用以置放电池材料；

样品台，设置于所述外壳内；

挡板，安装于所述外壳内，且位于所述样品台的上方，所述挡板于所述外壳内可平移，所述挡板与所述样品台之间的间距为0.1mm～10mm。

2.如权利要求1所述的电池材料镀膜设备，其特征在于，所述电池材料镀膜设备还包括驱动装置，所述驱动装置连接所述挡板，以驱动所述挡板平移。

3.如权利要求2所述的电池材料镀膜设备，其特征在于，所述驱动装置包括电机和减速箱，所述电机通过所述减速箱连接所述挡板。

4.如权利要求2所述的电池材料镀膜设备，其特征在于，所述电池材料镀膜设备还包括靶材轰击装置，所述靶材轰击装置为脉冲激光源，所述脉冲激光源安装于所述外壳，用以轰击靶材；或者

所述靶材轰击装置为溅射气体源，所述溅射气体源安装于所述外壳，所述溅射气体源通过溅射氩气轰击靶材；或者

所述靶材轰击装置为电子束蒸发枪，所述电子束蒸发枪安装于所述外壳内，用以轰击靶材。

5.如权利要求2至4任意一项所述的电池材料镀膜设备，其特征在于，所述电池材料镀膜设备还包括真空源，所述真空源用于对所述外壳内抽真空。

6.如权利要求5所述的电池材料镀膜设备，其特征在于，所述电池材料镀膜设备还包括氧气源，所述氧气源安装于所述外壳，以给所述外壳内部冲氧。

7.如权利要求2所述的电池材料镀膜设备，其特征在于，所述电池材料镀膜设备还包括加热装置，所述加热装置安装于所述样品台内，用以给置放于所述样品台上的衬底加热。

8.如权利要求2所述的电池材料镀膜设备，其特征在于，所述挡板与所述样品台之间的间距为0.5mm～3.0mm。

9.如权利要求8所述的电池材料镀膜设备，其特征在于，所述挡板与所述样品台平行。

10.如权利要求2所述的电池材料镀膜设备，其特征在于，所述靶材置放装置的数量为至少两个。