KR20140000213A - In-situ synthesis and deposition of battery active lithium materials by spraying - Google Patents
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Abstract
박막 배터리의 전기화학적 층을 형성하기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 전기화학적으로 활성적인 금속들을 포함하는 액체 전구체 혼합물이 산소와 반응하여 전기화학적으로 활성적인 금속 산화물들을 형성하고, 그러한 전기화학적으로 활성적인 금속 산화물들은 기판 상에 층으로 증착된다. 탄소가 혼합물로 첨가되어, 반응으로의 에너지 입력을 제어할 수 있고 기판 상에 증착된 결정들 사이에 전도도 및 부착을 제공할 수 있다. 전구체들의 증착 결정들로의 변환은 2-스테이지 프로세스에서 달성될 수 있을 것이다.
기판 상에 전기화학적 층을 형성하기 위한 장치를 제공한다. 그러한 장치는 제 1 분배기에 커플링된 액체 전구체 공급원, 원자화(atomizing) 가스 공급원, 및 건조 에너지 공급원을 가지는 제 1 프로세싱 스테이지를 가진다. 제 1 분배기 근처의 수집 스테이지가 고체들 수용기(receptacle)를 가진다. 제 2 프로세싱 스테이지가 수집 스테이지 근처의 제 2 분배기 및 상기 제 2 분배기에 커플링된 활성화 에너지의 공급원을 가진다.Methods and apparatus are provided for forming an electrochemical layer of a thin film battery. A liquid precursor mixture comprising electrochemically active metals reacts with oxygen to form electrochemically active metal oxides, which are deposited in layers on the substrate. Carbon can be added to the mixture to control the energy input into the reaction and provide conductivity and adhesion between the crystals deposited on the substrate. Conversion of precursors into deposition crystals may be achieved in a two-stage process.
An apparatus for forming an electrochemical layer on a substrate is provided. Such an apparatus has a first processing stage having a liquid precursor source, an atomizing gas source, and a dry energy source coupled to the first distributor. The collection stage near the first distributor has solids receptors. The second processing stage has a second distributor near the collection stage and a source of activation energy coupled to the second distributor.
Description
본원 발명은 일반적으로 리튬-이온 배터리들에 관한 것이고, 보다 구체적으로, 박막(thin-film; 얇은 필름) 증착 프로세스들을 이용하여 그러한 배터리들을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. The present invention relates generally to lithium-ion batteries and, more particularly, to a method for manufacturing such batteries using thin-film deposition processes.
슈퍼커패시터들(supercapacitors) 및 리튬(Li) 이온 배터리들과 같은, 급속-충진, 고용량 에너지 저장 디바이스들이 계속적으로 증가되는 적용예들에서 이용되고 있으며, 그러한 적용예들은 휴대용 전자장치들, 의료용 장치들, 운송, 전력망-연결된(grid-connected) 대형 에너지 저장부, 재생가능한 에너지 저장부, 및 무정전 공급장치(UPS)를 포함한다. 최근의 재충전가능 에너지 저장 디바이스들에서, 전류 콜렉터가 전기 전도체로 제조된다. 양의 전류 콜랙터(음극)를 위한 재료의 예들에는 알루미늄, 스테인리스 스틸, 및 니켈이 포함된다. 음의 전류 콜렉터(양극)를 위한 재료들의 예들에는 구리(Cu), 스테인리스 스틸, 및 니켈(Ni)이 포함된다. 그러한 콜렉터들은, 두께 범위가 일반적으로 약 6 내지 50 ㎛인 호일, 필름, 또는 얇은 플레이트 형태일 수 있다. Fast-filling, high capacity energy storage devices, such as supercapacitors and lithium (Li) ion batteries, are being used in ever-increasing applications, such applications being portable electronics, medical devices. , Transportation, grid-connected large energy storage, renewable energy storage, and an uninterruptible supply (UPS). In modern rechargeable energy storage devices, current collectors are made of electrical conductors. Examples of materials for the positive current collector (cathode) include aluminum, stainless steel, and nickel. Examples of materials for the negative current collector (anode) include copper (Cu), stainless steel, and nickel (Ni). Such collectors may be in the form of foils, films, or thin plates having a thickness range of generally about 6-50 μm.
전형적인 리튬 이온 배터리는 에틸렌 탄산염과 같은 유기 용매 내의 LiPF6, LiBF4, 또는 LiClO4 와 같은 리튬 염으로 이루어진 전해질 액체에 의해서, 또는 리튬 염들로 착물화된(complexed) 및/또는 액체 전해질들로 충진된, 폴리에틸렌 산화물과 같은, 고체(solid) 폴리머 전해질에 의해서 분리된 탄소 양극 및 리튬 금속 산화물 또는 인산염(phosphate) 음극으로 이루어진다. 음극 재료는 전형적으로, LiMn2O4, LiCoO2 , LiNiO2, 또는 Ni, Li, Mn, 및 Co 산화물들의 조합들과 같은 리튬 전이(transition) 금속 산화물들로부터 선택되고, 그리고 탄소 또는 그라파이트와 같은 전기전도성 입자들, 및 결합제 재료를 포함한다. 음극 재료는 리튬-인터칼레이션(intercalation) 화합물이 되는 것으로 간주되고, 여기에서 전도성 재료의 양은 약 0.1 중량% 내지 약 15 중량% 범위가 된다. 음극 재료가 페이스트(paste)로서 전도성 시트 전극으로 도포되고 고온 롤러들 사이에서 압밀될 수 있거나, 또는 용액이나 슬러리로서 스프레이될 수 있으며, 그리고 결과적인 기판을 건조시켜 액체 캐리어를 제거할 수 있을 것이다. Typical lithium ion batteries are filled with an electrolyte liquid consisting of lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , or LiClO 4 in an organic solvent such as ethylene carbonate, or complexed with lithium salts and / or filled with liquid electrolytes. Consisting of a carbon anode separated by a solid polymer electrolyte, such as polyethylene oxide, and a lithium metal oxide or phosphate cathode. The negative electrode material is typically selected from lithium transition metal oxides such as LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , or combinations of Ni, Li, Mn, and Co oxides, and such as carbon or graphite Electroconductive particles, and a binder material. The negative electrode material is considered to be a lithium-intercalation compound, where the amount of conductive material is in the range of about 0.1% to about 15% by weight. The negative electrode material may be applied as a paste to a conductive sheet electrode and consolidated between hot rollers, or sprayed as a solution or slurry, and the resulting substrate may be dried to remove the liquid carrier.
그라파이트는 양극 재료로서 빈번하게 이용되고 직경이 약 10 ㎛인 MCMBs(meso-carbon micro bead)로 이루어진 리튬-인터칼레이션 MCMB 분말 형태가 될 수 있다. 리튬-인터칼레이션 MCMB 분말이 폴리머계 결합제 기질(matrix) 내에 분산된다. 결합제 기질을 위한 폴리머들은 고무 탄성을 가지는 폴리머들을 포함하는 열가소성 폴리머들로 만들어진다. 폴리머계 결합제는 MCMB 재료 분말들을 함께 결합시켜 균열 형성을 방지하고 전류 콜렉터의 표면 상에서 MCMB 분말이 분열(disintegration)되는 것을 방지하는 역할을 한다. 폴리머 결합제의 양은 약 0.5 중량% 내지 약 15 중량% 범위가 된다. 폴리머/MCMB 혼합물이 페이스트로서 도포되고 고온 롤들 사이에서 압밀될 수 있거나, 또는 액체 용액으로 도포되고, 그리고 결과적인 기판을 건조시켜 용매를 제거할 수 있을 것이다. Graphite may be in the form of lithium-intercalated MCMB powder, which is frequently used as a cathode material and consists of meso-carbon micro beads (MCMBs) having a diameter of about 10 μm. Lithium-intercalation MCMB powder is dispersed in a polymeric binder matrix. Polymers for the binder substrate are made of thermoplastic polymers, including polymers having rubber elasticity. The polymeric binder serves to bond the MCMB material powders together to prevent crack formation and to prevent the MCMB powder from disintegrating on the surface of the current collector. The amount of polymeric binder ranges from about 0.5% to about 15% by weight. The polymer / MCMB mixture may be applied as a paste and consolidated between hot rolls, or may be applied with a liquid solution, and the resulting substrate may be dried to remove solvent.
일부 Li-이온 배터리들은, 독립된 제조 단계에서 도포된, 폴리에틸렌 포옴(foam)과 같은, 미세기공형(microporous) 폴리올레핀 폴리머로부터 제조된 분리부들(separators)을 이용한다. 일반적으로, 그러한 분리부는, 전술한 바와 같이, 액체 전해질로 충진되어 최종 배터리를 형성하게 된다.Some Li-ion batteries use separators made from microporous polyolefin polymers, such as polyethylene foams, applied in separate manufacturing steps. In general, such a separator, as described above, will be filled with a liquid electrolyte to form the final battery.
박막 Li-이온 배터리들의 이용이 계속적으로 성장함에 따라, 보다 작고, 가볍고, 보다 효율적인 비용으로 제조될 수 있는 박막 Li-이온 배터리들이 계속적으로 요구되고 있다.As the use of thin film Li-ion batteries continues to grow, there is a continuing need for thin film Li-ion batteries that can be manufactured at smaller, lighter, and more efficient costs.
본원에서 개시된 실시예들은 기판 상에 전기화학적 층을 형성하기 위한 장치를 제공한다. 그러한 장치는 제 1 분배기에 커플링된 액체 전구체 공급원, 원자화(atomizing) 가스 공급원, 및 건조 에너지 공급원을 가지는 제 1 프로세싱 스테이지를 가진다. 제 1 분배기 근처의 수집 스테이지가 고체들 수용기(receptacle)를 가진다. 제 2 프로세싱 스테이지가 수집 스테이지 근처의 제 2 분배기 및 상기 제 2 분배기에 커플링된 활성화 에너지의 공급원을 가진다. Embodiments disclosed herein provide an apparatus for forming an electrochemical layer on a substrate. Such an apparatus has a first processing stage having a liquid precursor source, an atomizing gas source, and a dry energy source coupled to the first distributor. The collection stage near the first distributor has solids receptors. The second processing stage has a second distributor near the collection stage and a source of activation energy coupled to the second distributor.
본원에 개시된 일부 실시예들은 기판 상에 전기화학적 층을 증착(deposition; 이하에서 편의상 '증착'이라 함)하기 위한 장치를 제공하고, 그러한 장치는 건조 스테이션, 수집 스테이션, 및 합성 스테이션을 가진다. 건조 스테이션은 혼합 위치에 커플링된 액체 전구체 공급원 및 원자화 가스 공급원을 가지는 열적 스프레이(용사) 노즐, 상기 혼합 위치를 건조 위치로부터 분리시키는 원자화 개구, 상기 건조 위치에 커플링된 화학적 또는 열적 건조 에너지의 공급원, 및 상기 건조 위치 근처의 출력 오리피스를 가진다. 상기 수집 스테이션은 사이클론(cyclone) 분리기 및 호퍼(hopper)를 가지고, 그리고 사이클론 분리기의 접선방향 공급 지점이 상기 건조 스테이션의 출력 오리피스 근처가 된다. 사이클론 분리기의 고체들 출력 부분이 호퍼 근처가 되고, 그리고 전기 에너지의 공급원이 사이클론 분리기의 벽에 커플링될 수 있을 것이다. 합성 스테이션은 호퍼의 배출구에 그리고 플라즈마 형성 가스 공급원에 커플링된 유입구를 가지는 플라즈마 스프레이 노즐을 가지고, 전원의 공급원이 플라즈마 스프레이 노즐에 커플링된다. 일부 실시예들에서 화염(flame) 스프레이 노즐이 플라즈마 스프레이 노즐 대신에 사용될 수 있을 것이다. 추가적인 노즐이 플라즈마 스프레이 노즐의 배출구로부터 규정된 거리에 위치된다. Some embodiments disclosed herein provide an apparatus for depositing an electrochemical layer on a substrate (hereinafter referred to as 'deposition' for convenience), which apparatus has a drying station, a collection station, and a synthesis station. The drying station includes a thermal spray (spray) nozzle having a liquid precursor source and an atomizing gas source coupled to the mixing site, an atomization opening that separates the mixing site from the drying site, and a chemical or thermal drying energy coupled to the drying site. A source and an output orifice near said drying location. The collection station has a cyclone separator and a hopper, and the tangential feed point of the cyclone separator is near the output orifice of the drying station. The solids output portion of the cyclone separator will be near the hopper, and a source of electrical energy may be coupled to the wall of the cyclone separator. The synthesis station has a plasma spray nozzle having an inlet coupled to the outlet of the hopper and to a plasma forming gas source, the source of power being coupled to the plasma spray nozzle. In some embodiments a flame spray nozzle may be used instead of the plasma spray nozzle. An additional nozzle is located at a defined distance from the outlet of the plasma spray nozzle.
다른 실시예들은, 연속 건조 프로세스를 이용하여 액체 전구체로부터 전구체 분말을 형성하는 단계, 연소 프로세스 또는 플라즈마 내에서 상기 전구체 분말을 산소와 반응시킴으로써 전구체 분말로부터 전기화학적 전구체를 형성하는 단계, 전기화학적 전구체를 기판을 향해서 스트림으로 분배하는 단계, 폴리머 결합제를 상기 스트림으로 첨가하여 증착 혼합물을 형성하기 위한 첨가 단계, 및 상기 기판 상에 증착 혼합물을 증착하는 단계에 의해서, 기판 상에 전기화학적 층을 형성하는 방법을 포함한다.Other embodiments include forming a precursor powder from a liquid precursor using a continuous drying process, forming an electrochemical precursor from the precursor powder by reacting the precursor powder with oxygen in a combustion process or plasma, forming an electrochemical precursor. A method of forming an electrochemical layer on a substrate by dispensing in a stream towards the substrate, adding a polymeric binder to the stream to form a deposition mixture, and depositing a deposition mixture on the substrate. It includes.
본원 발명의 앞서 인용한 특징들이 구체적으로 이해될 수 있는 방식으로, 첨부된 도면들에 일부가 도시된 실시예들을 참조하여, 앞서서 간략하게 요약한 본원 발명의 보다 특별한 설명이 이루어진다. 그러나, 본원 발명이 다른 동일한 효과의 실시예들에 대해서도 인정되기 때문에, 첨부 도면들이 본원 발명의 전형적인 실시예들만을 도시한 것이고 그에 따라 본원 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다는 것을 주지하여야 할 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 Li-이온 배터리의 개략도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 방법을 요약한 흐름도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 필름 형성 장치의 개략적인 단면도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 필름 형성 장치의 개략적인 단면도이다.
도 5a는 다른 실시예에 따른 필름 형성 장치의 개략적인 평면도이다.
도 5b는 도 5a의 장치에서 사용하기 위한 고체 수집 장치의 개략적인 단면도이다.
이해를 돕기 위해서, 가능한 경우에, 도면들에서 공통되는 동일한 구성요소들을 표시하기 위해서 동일한 참조 부호를 사용하였다. 구체적인 언급이 없어도, 하나의 실시예에서 개시된 요소들이 다른 실시예들에서 유리하게 이용될 수 있다는 것을 생각할 수 있을 것이다.In a manner in which the above-cited features of the present invention may be specifically understood, with reference to the embodiments partially illustrated in the accompanying drawings, a more specific description of the invention briefly summarized above is made. It should be noted, however, that the present invention is recognized with respect to other equally effective embodiments, so that the accompanying drawings show only typical embodiments of the invention and are therefore not to be considered as limiting the scope of the invention. will be.
1 is a schematic diagram of a Li-ion battery according to one embodiment.
2 is a flow diagram summarizing a method according to one embodiment.
3 is a schematic cross-sectional view of a film forming apparatus according to an embodiment.
4 is a schematic cross-sectional view of a film forming apparatus according to another embodiment.
5A is a schematic plan view of a film forming apparatus according to another embodiment.
5B is a schematic cross-sectional view of a solid collection device for use in the device of FIG. 5A.
For ease of understanding, wherever possible, the same reference numerals have been used to denote like elements that are common in the figures. Without specific mention, it will be appreciated that elements disclosed in one embodiment may be advantageously used in other embodiments.
일반적으로, 본원에서 개시된 실시예들은 기판 상에 필름을 형성하기 위한 방법들 및 장치를 제공한다. 일 실시예에서, 필름은 Li-이온 배터리와 같은 박막 배터리, 또는 슈퍼커패시터 디바이스를 위한 전기화학적 필름일 수 있을 것이다. 전기화학적 전구체 또는 전기화학적 전구체들의 혼합물이 프로세싱 챔버로 제공되고, 여기에서 에너지가 인가되어 전구체 또는 전구체 혼합물이 고온 상태가 되게 한다. 높은 온도는 전기화학적 전구체들을 전기화학적으로 활성적인 나노결정들(nanocrystals)로 변환시키고, 상기 나노 결정들은 기판 표면 상에 층 또는 필름을 형성한다. In general, the embodiments disclosed herein provide methods and apparatus for forming a film on a substrate. In one embodiment, the film may be a thin film battery, such as a Li-ion battery, or an electrochemical film for a supercapacitor device. An electrochemical precursor or mixture of electrochemical precursors is provided to the processing chamber, where energy is applied to cause the precursor or precursor mixture to become hot. The high temperature converts electrochemical precursors into electrochemically active nanocrystals, which form a layer or film on the substrate surface.
도 1은, 본원 발명의 실시예에 따른, 로드(load)(101)에 전기적으로 연결된 Li-이온 배터리(100)의 개략도이다. Li-이온 배터리(100)의 일차적인 기능적 성분들에는 양극 구조물(102), 음극 구조물(103), 분리기 층(104), 및 반대되는 전류 콜렉터들(111 및 113) 사이의 영역 내에 배치된 전해질(미도시)이 포함된다. 유기 용매에 의해서 또한 침투될 수 있는, 유기 용매 또는 폴리머계 기질 내의 리튬 염과 같은, 다양한 재료들이 전해질로서 이용될 수 있을 것이다. 전류 콜렉터들(111 및 113) 사이에 형성된 영역 내의 양극 구조물(102), 음극 구조물(103), 및 분리기 층(104) 내에 전해질이 존재한다. 1 is a schematic diagram of a Li-
양극 구조물(102) 및 음극 구조물(103) 각각이 Li-이온 배터리(100)의 절반-전지(cell)로서의 역할을 하고, Li-이온 배터리(100)의 완전한 작업 전지를 함께 형성한다. 양극 구조물(102)은 전류 콜렉터(111), 및 리튬 이온들을 보유하기 위한 탄소계 인터칼레이션 호스트(host) 재료와 같은 제 1 전해질 함유 재료(110)를 포함한다. 유사하게, 음극 구조물(103)은 전류 콜렉터(113), 및 리튬 이온들을 보유하기 위한, 금속 산화물과 같은, 제 2 전해질 함유 재료(112)를 포함한다. 전류 콜렉터들(111 및 113)은 금속들과 같은 전기 전도성 재료로 제조된다. 일부 경우들에서, 유전성(dielectric), 다공성, 유체 투과성 층일 수 있는 분리기 층(104)을 이용하여 양극 구조물(102)과 음극 구조물(103) 내의 성분들 사이의 직접적인 전기적 접촉을 방지한다. Each of the
Li-이온 배터리(100)의 음극 측(side), 또는 양의 전극 상의 전기화학적 활성화 재료가, 리튬 코발트 이산화물(LiCoO2) 또는 리튬 망간 이산화물(LiMnO2)과 같은, 리튬-함유 금속 산화물을 포함할 수 있을 것이다. 재료를 포함하는 전해질은, 양의 전극 상의 층 내에 형성된, 리튬 코발트 산화물과 같은 산화물, 리튬 철 인산염과 같은 감람석(olivine), 또는 리튬 망간 산화물(LiMn2O4)과 같은 스피넬(spinel)로 제조될 수 있을 것이다. 비-리튬 실시예들에서, 예시적인 음극이 TiS2(티타늄 디설파이드)로 제조될 수 있을 것이다. 예시적인 리튬-함유 산화물들은, 화학양론적 비율들 보다 높은 약 10% 과다 리튬까지 가질 수 있는, LiNixCo1 -x-yMnyO2, 예를 들어 LiMn2O4 와 같은, 리튬 코발트 산화물 또는 혼합된 금속 산화물의 하나 또는 둘 이상의 층들일 수 있을 것이다. 예시적인 인산염들이 철 감람석(LiFePO4) 및 그 변형들(예를 들어, [LixFe1 -x]yMgPO4), LiMoPO4, LiCoPO4, Li3V2(PO4)3, LiVOPO4, LiMP2O7, 또는 LiFe1 .5P2O7 일 수 있을 것이다. 예시적인 플루오로인산염들(fluorophosphates)이 LiVPO4F, LiAlPO4F, Li5V(PO4)2F2, Li5Cr(PO4)2F2, Li2CoPO4F, 또는 Li2NiPO4F 일 수 있을 것이다. 예시적인 실리케이트들이 Li2FeSiO4, Li2MnSiO4, 또는 Li2VOSiO4 일 수 있을 것이다. 예시적인 비-리튬 화합물이 Na5V2(PO4)2F3 이다. The electrochemically active material on the cathode side of the Li-
Li-이온 배터리(100)의 양극 측 상, 또는 음의 전극 상의 전기화학적으로 활성적인 재료가 전술한 재료들, 즉 폴리머 기질 내에 분산된 그라파이트계 마이크로비드들(microbeads)로 제조될 수 있을 것이다. 추가적으로, 실리콘, 주석 또는 리튬 티타네이트(Li4Ti5O12)로 이루어진 마이크로비드들이, 그라파이트계 마이크로비드들과 함께, 또는 그라파이트계 마이크로비드들 대신에 이용되어 전도성 코어 양극 재료를 제공할 수 있을 것이다. An electrochemically active material on the anode side of the Li-
전술한 바와 같은 음극 재료가 건조 작업 및 합성 작업을 분리시키는 프로세스 및 장치 내에서 액체 전구체로부터 형성될 수 있을 것이다. 도 2는 일 실시예에 따른 방법(200)을 요약한 흐름도이다. 방법(200)은 전술한 전기화학적으로 활성적인 재료들, 음극 및/또는 양극 재료들과 같은 전기화학적 작용제(agent)의 층을 형성하는데 있어서 유용한다. 기판은 도 1과 관련하여 전술한 바와 같은 배터리 구조물을 위한 전도성 전류 콜렉터를 포함하는 표면을 가질 수 있을 것이다. 예를 들어, 기판은 알루미늄 전극 표면을 가질 수 있을 것이다. Cathode materials as described above may be formed from liquid precursors in processes and apparatuses that separate drying operations and synthesis operations. 2 is a flow diagram summarizing a
단계(202)에서, 제 1 전구체가 도관을 통해서 제 1 프로세싱 장치로 제공된다. 일 실시예에서, 제 1 프로세싱 장치가 스프레잉 장치 또는 분배기일 수 있을 것이다. 제 1 전구체는 용액내의 하나 또는 둘 이상의 전기화학적 전구체들을 포함할 수 있을 것이다. 용액은 알콜과 같은 혼화성(miscible) 탄소-함유 액체들을 포함할 수 있는 금속 염들 또는 기타 금속 용매들의 수용액일 수 있을 것이다. 당들(sugars)과 같은 탄소-함유 용매들이 또한 용액 내에서 용해될 수 있을 것이다. 이하에서 추가적으로 설명하는 바와 같이, 탄소-함유 액체들 및 고체들이 기판 상에 증착된 전기화학적으로 활성적인 재료로 탄소를 유용하게 첨가할 수 있을 것이다. 용액은 제 1 프로세싱 장치의 작은 개구부를 통해서 아르곤, 헬륨, 질소, 공기, 산소, 수소, 또는 그 혼합물과 같은 가스와 함께 공동-유동됨으로써 원자화될 수 있을 것이다. 합리적인 원자화를 위해서, 용액은 일반적으로 약 10cP 또는 그 미만과 같은 낮은 점도를 가질 것이다.In
제 1 전구체는 금속 질산염들(Mx(NO3)y)의 수용액일 수 있으며, 여기에서 x 및 y는 금속(M)의 자연 원자가(natural valence)에 의존한다. 금속(M)은 리튬, 망간, 니켈, 코발트, 티타늄, 바나듐, 철, 소듐, 또는 크롬일 수 있고, 제 1 전구체가 복수의 금속들을 포함할 수 있을 것이다. 상기 금속들의 유기 염들과 같은 다른 염들이 질산염들 대신에, 또는 질산염들에 부가적으로 사용될 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 하나 또는 둘 이상의 카르본 산염(carboxylate), 예를 들어 포름산염, 아세트산염, 타르타르산염이 이용될 수 있을 것이다. The first precursor may be an aqueous solution of metal nitrates (M x (NO 3 ) y ), where x and y depend on the natural valence of the metal (M). The metal M may be lithium, manganese, nickel, cobalt, titanium, vanadium, iron, sodium, or chromium, and the first precursor may comprise a plurality of metals. Other salts such as organic salts of the metals may be used instead of, or in addition to, the nitrates. In one embodiment, one or more carboxylates, such as formate, acetate, tartarate, may be used.
희망하는 양들의 개별적인 금속 염들의 표준 용액들을 혼합함으로써, 복수의 금속 염들을 포함하는 전구체가 제조될 수 있을 것이다. 예를 들어, 1M LiNO3 가 1M Ni(NO3)2, 1M Mn(NO3)2, 및/또는 1M Co(NO3)2 또는 다른 금속들의 표준 용액들에 첨가될 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 약 1% 과다(excess) 내지 약 15% 과다, 예를 들어 약 10% 과다와 같은, 과다한 리튬을 이용하여 증착된 전기화학적 층의 성능을 개선할 수 있을 것이다. 예를 들어, 1M LiNO3 의 330 mL가 각각 100 mL인 Ni(NO3)2, Mn(NO3)2, 및 Co(NO3)2 의 1M 용액과 혼합되어 수성 베이스 스톡(base stock; 기본 구성물)을 형성할 수 있을 것이다. By mixing standard solutions of the desired amounts of the individual metal salts, a precursor comprising a plurality of metal salts may be prepared. For example, 1M LiNO 3 may be added to standard solutions of 1M Ni (NO 3 ) 2 , 1M Mn (NO 3 ) 2 , and / or 1M Co (NO 3 ) 2 or other metals. In some embodiments, excess lithium may be used to improve the performance of the deposited electrochemical layer, such as from about 1% excess to about 15% excess, for example about 10% excess. For example, 330 mL of 1 M LiNO 3 is mixed with a 1 M solution of Ni (NO 3 ) 2 , Mn (NO 3 ) 2 , and Co (NO 3 ) 2 , each 100 mL to form an aqueous base stock; Constituents).
모두 물에 용해되거나 물과 혼화된 산소 및 수소, 또는 당을 포함하는 용매일 수 있는 유기 화합물 내에서의 혼합에 의해서 탄소가 첨가될 수 있을 것이다. 이소프로필 알콜, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜은 사용될 수 있는 유기 용매들의 예들이다. 자당(sucrose)이 예시적인 당이 된다. 이용가능한 다른 용매로서, 옥실디히드라진(oxalyldihydrazine)(a.k.a. 옥살산 히드라지드(oxalic acid hydrazide)), 및 요소(urea)가 있다. 전구체 혼합물은 수성 베이스 스톡의 약 80 중량% 내지 약 100 중량%, 유기 용매의 약 0% 내지 약 17%, 그리고 약 0 중량% 내지 약 5 중량% 당일 수 있을 것이다. 예시적인 전기화학적 전구체는 85% 수성 베이스 스톡, 10% 이소프로필 알콜, 및 5% 당을 포함한다. Carbon may be added by mixing in organic compounds, which may both be dissolved in water or mixed with water and may be solvents comprising oxygen and hydrogen, or sugars. Isopropyl alcohol, ethylene glycol, propylene glycol are examples of organic solvents that can be used. Sucrose is an exemplary sugar. Other solvents available are oxalyldihydrazine (a.k.a. oxalic acid hydrazide), and urea. The precursor mixture may be from about 80% to about 100% by weight of the aqueous base stock, from about 0% to about 17% of the organic solvent, and from about 0% to about 5% by weight. Exemplary electrochemical precursors include 85% aqueous base stock, 10% isopropyl alcohol, and 5% sugars.
단계(204)에서, 에너지가 제 1 프로세싱 장치 내의 제 1 전구체로 인가되어 상기 제 1 전구체 내에 용해된 전기화학적 전구체들의 미세결정들을 포함할 수 있는 분말형 전기화학적 전구체를 형성한다. 제 1 프로세싱 장치는 화염 스프레이어, 고온 공기 스프레이어, 또는 플라즈마 스프레이어일 수 있을 것이다. 화염 스프레이어를 이용하면, 제 1 전구체가, 공기 또는 산소 가스와 같은 산소 공급원과 함께, 메탄 또는 아세틸렌과 같은 발화가능(flammable) 가스를 이용하여 노즐 내로 유동된다. 발화가능 가스가 점화되어, 제 1 전구체 내로 에너지를 방출하고, 전형적으로 상기 제 1 전구체가 원자화되어, 상기 제 1 전구체로부터 액체들을 증발시키고 용해된 용매들을 결정화한다. 용액은 질소, 아르곤, 또는 헬륨과 같은 불활성 가스를 이용하여, 또는 발화가능 가스, 산소 공급원, 또는 발화가능 가스와 산소 공급원의 조합된 발화가능 혼합물과 같은 반응 가스들 중 하나를 이용하여 원자화될 수 있을 것이다. In
전형적으로, 제 1 프로세싱 장치는 제 1 전구체 내의 액체 캐리어들을 증발 또는 반응시킴으로써 전기화학적 전구체들을 건조시키며, 그에 따라 전기화학적 전구체들을 분말로 결정화시킨다. 제 1 프로세싱 장치 내에서 수행되는 산화 반응들은, 전기화학적 전구체들의 산화를 일으키지 않고, 희망하는 양의 에너지를 건조 또는 결정화 프로세스로 부가하기 위해서 수행된다. 대부분의 경우들에서, 전기화학적 전구체의 약 1% 미만이 제 1 프로세싱 장치 내에서 산소와 반응할 것이다. Typically, the first processing apparatus dries the electrochemical precursors by evaporating or reacting liquid carriers in the first precursor, thereby crystallizing the electrochemical precursors into a powder. Oxidation reactions performed in the first processing apparatus are performed to add the desired amount of energy to the drying or crystallization process without causing oxidation of the electrochemical precursors. In most cases, less than about 1% of the electrochemical precursors will react with oxygen in the first processing device.
제 1 전구체 내의 탄소-함유 종들은 다른 결과들을 제공할 수 있을 것이다. 제 1 전구체 내에 포함된 탄소-함유 전구체들이 또한 산화되어, 반응 가스들에 더하여, 건조 작업으로 에너지를 부가할 수 있을 것이다. 비정질 탄소 입자들이 형성될 수 있고, 화염 스프레이어로부터 발생된 분말형 결정들과 혼합될 수 있을 것이다. 추가적으로, 제 1 전구체 내의 탄소-함유 용매들이, 분말 내의 전기화학적 전구체들과 함께, 결정화되거나 비정질 입자들을 형성하거나 또는 양자의 혼합물을 생성할 수 있을 것이다. 이하에서 추가적으로 설명하는 바와 같이, 결정들에 탄소를 첨가하는 것은 최종적으로 증착된 필름의 성능에 있어서 그리고 프로세싱 동안에 장점들을 제공할 수 있을 것이다. Carbon-containing species in the first precursor may provide other results. Carbon-containing precursors contained within the first precursor may also be oxidized to add energy in addition to the reactant gases in a drying operation. Amorphous carbon particles may be formed and may be mixed with the powdered crystals generated from the flame sprayer. In addition, the carbon-containing solvents in the first precursor, together with the electrochemical precursors in the powder, may form crystallized or amorphous particles or produce a mixture of both. As will be described further below, adding carbon to the crystals may provide advantages in the performance of the finally deposited film and during processing.
그 대신에, 건조를 위해서 고온 공기가 스프레이어 내에서 제 1 전구체와 혼합될 수 있을 것이다. 고온 공기는 제 1 전구체를 원자화하기 위해서 이용될 수 있을 것이고, 또는 제 1 전구체가, 전술한 바와 같이, 불활성 가스를 이용하여 원자화될 수 있을 것이고, 이어서 고온 공기와 혼합될 수 있을 것이다. 제 1 전구체 내의 임의의 탄소-함유 액체들은 고온 공기에 대한 노출시에 산화될 수 있을 것이고, 분말 내에 탄소를 남길 수 있을 것이다. Instead, hot air may be mixed with the first precursor in the sprayer for drying. Hot air may be used to atomize the first precursor, or the first precursor may be atomized using an inert gas, as described above, and then mixed with the hot air. Any carbon-containing liquids in the first precursor may be oxidized upon exposure to hot air and may leave carbon in the powder.
또한, 플라즈마 스프레이어가 제 1 전구체를 분말로 변환하기 위해서 이용될 수 있을 것이다. 제 1 전구체는 플라즈마 스프레이어의 활성화 챔버 내로 원자화되고, 여기에서 DC 또는 RF와 같은 전기적 에너지가 원자화된 전구체로 커플링된다. 전기적 에너지는 제 1 전구체의 온도를 높여 전기화학적 용매들을 결정화할 수 있을 것이고, 또는 탄화수소 가스와 같은 반응성 재료가 혼합물로 첨가되어 에너지를 방출하고 혼합물의 온도를 보다 높일 수 있을 것이다. 유사하게, 제 1 전구체 내의 탄소-함유 종들은 플라즈마 스프레이 프로세스로부터 분말 내의 탄소 개재물(inclusion)을 초래한다. In addition, a plasma sprayer may be used to convert the first precursor into a powder. The first precursor is atomized into an activation chamber of the plasma sprayer, where electrical energy such as DC or RF is coupled to the atomized precursor. The electrical energy may crystallize the electrochemical solvents by raising the temperature of the first precursor, or a reactive material such as a hydrocarbon gas may be added to the mixture to release energy and raise the temperature of the mixture. Similarly, carbon-containing species in the first precursor result in carbon inclusions in the powder from the plasma spray process.
일반적으로, 스프레이어로의 에너지 공급원, 화염(flame), 플라즈마, 또는 고온 공기는 제 1 전구체를 제공하기에 앞서서 형성된다(establish). 화염 스프레이 실시예에서, 발화가능 가스가 산소 공급원과 함께 점화되고, 이어서 형성된 화염 내로의 제 1 전구체의 원자화가 후속된다. 고온 공기 실시예에서, 고온 공기의 유동은 원자화된 전구체의 유동이 시작하기에 앞서서 형성된다. 플라즈마 스프레이 실시예에서, 플라즈마 스프레이어 내로의 불활성 가스 유동을 이용하여 플라즈마가 형성되고, 이어서 전구체 혼합물의 유동이 시작된다. 제 1 프로세싱 장치로의 제 1 전구체의 유동은, 제 1 전구체로의 에너지 입력이 건조와 같은 희망 프로세싱을 달성하기 위해서 필요한 하한선에 도달할 때까지, 증가된다. 연속적인 건조 프로세스에서, 제 1 프로세싱 장치에 대한 제 1 전구체의 유동을 조정함으로써 건조 정도가 제어될 수 있을 것이다. 발화가능 가스 또는 산소 공급원의 유동 또는 그 비율을 조정함으로써, 또는 고온 공기의 온도 또는 유동을 조정함으로써, 에너지 입력이 제어될 수 있을 것이다. Generally, an energy source, flame, plasma, or hot air to the sprayer is established prior to providing the first precursor. In a flame spray embodiment, the flammable gas is ignited with an oxygen source, followed by atomization of the first precursor into the flame formed. In a hot air embodiment, the flow of hot air is formed prior to the flow of the atomized precursor begins. In a plasma spray embodiment, a plasma is formed using an inert gas flow into the plasma sprayer, followed by the flow of the precursor mixture. The flow of the first precursor to the first processing apparatus is increased until the energy input to the first precursor reaches the lower limit necessary to achieve the desired processing, such as drying. In a continuous drying process, the degree of drying may be controlled by adjusting the flow of the first precursor to the first processing apparatus. The energy input may be controlled by adjusting the flow or proportion of the flammable gas or oxygen source, or by adjusting the temperature or flow of the hot air.
일반적으로, 에너지적인(energetic) 프로세스에 의해서 에너지수분이 분말로부터 제거된다. 제 1 전구체가 200 ℃ 또는 그 초과의 온도까지 가열되어, 액체를 증발시키고 용매들을 결정화시킨다. 제 1 프로세싱 장치 내의 밸브들 또는 개구들에 의해서 제 1 프로세싱 장치를 통한 압력 강하가 증가될 수 있고, 그에 따라 증발을 촉진할 수 있을 것이다. 분말은 에너지적인 스프레이 프로세스에 의해서 완전히 건조될 수 있고, 또는 필요한 경우에, 일부 수분이 스프레잉 이후에 휘발되도록 남겨질 수 있을 것이다. 입자 크기는 프로세싱 온도 및 원자화 유동에 의해서 제어될 수 있을 것이다. 일반적으로, 보다 미세한 원자화 및 보다 높은 온도가 보다 작은 결정들을 생성한다. 프로세싱 단계에서, 금속 용매들의 큰 범위까지의 산화를 회피하는 것이 일반적으로 바람직하다. 그에 따라, 제 1 프로세싱 단계의 온도는 전형적으로 약 800 ℃ 미만이 된다. 보다 가혹한(higher severity) 프로세싱에서, 나노결정들이 형성될 수 있을 것이다. 스프레잉 이후에, 전형적으로 분말이 200 ℃ 또는 그 초과의 온도에서 유지되어 건조를 마무리하고 그리고 건조에 후속되는 응집 및 수분 축적을 방지한다. In general, energy moisture is removed from the powder by an energetic process. The first precursor is heated to a temperature of 200 ° C. or higher to evaporate the liquid and crystallize the solvents. Valves or openings in the first processing device may increase the pressure drop through the first processing device, thus facilitating evaporation. The powder may be completely dried by an energetic spray process or, if necessary, some moisture may be left to volatilize after spraying. Particle size may be controlled by processing temperature and atomization flow. In general, finer atomization and higher temperatures produce smaller crystals. In the processing step, it is generally desirable to avoid oxidation up to a large range of metal solvents. As such, the temperature of the first processing step is typically less than about 800 ° C. In higher severity processing, nanocrystals may be formed. After spraying, the powder is typically maintained at a temperature of 200 ° C. or higher to finish drying and to prevent aggregation and moisture accumulation following drying.
단계(206)에서, 제 1 전구체로 에너지를 인가함으로써 형성된 입자들이 수집 장치를 이용하여 수집된다. 분말의 수집에 의해서, 분말이 저장될 수 있고, 이송될 수 있으며, 또는 기판 상에서의 증착을 위한 합성 장치로 공급될 수 있다. 추가적인 건조가 또한 수집 장치 내에서 이루어질 수 있을 것이다. 또한, 수집 이후의 수분 침입을 방지하기 위해서 수집 장치가 밀봉될 수 있을 것이다. 수집 장치는 사이클론 분리기, 또는 다른 원심력 분리기, 또는 호퍼일 수 있을 것이고, 이들 중 임의의 것이 정전기적으로 도움을 받을 수 있을 것이다. 분말은 제 1 프로세싱 장치로부터 수집 장치의 공급 지점으로 분배된다. 사이클론 분리기의 경우에, 분말을 사이클론 분리기의 접선방향 공급 지점으로 분배하도록 제 1 프로세싱 장치가 구성될 수 있을 것이다. 호퍼의 경우에, 분말이 호퍼의 중앙 부분 내로 분배될 수 있을 것이다. 그 대신에, 수집된 분말을 호퍼로 분배하도록 사이클론 분리기와 같은 원심력 분리기가 구성될 수 있을 것이다. In
단계(208)에서, 전기화학적으로 활성적인 재료들을 합성하기 위해서 그리고 그 재료들을 기판 상으로 증착시키기 위해서, 수집된 분말이 제 2 프로세싱 장치로 공급된다. 제 2 프로세싱 장치로의 공급을 돕기 위해서, 분말이 유체화(fluidizing) 가스와 혼합될 수 있을 것이다. 산소 함유 가스가 분말과 혼합되고, 에너지가 상기 혼합물로 부가되어 산소의 분말과의 반응이 시작된다. 에너지 입력은 가연성 가스 혼합물의 연소를 통해, 또는 플라즈마를 통해 달성될 수 있다. 플라즈마 실시예에서, 유체화 가스가 아르곤 또는 질소와 같은 플라즈마 형성 가스일 수 있을 것이다. 탄소가 제 2 프로세싱 장치 내에서, 또한, 탄화수소 가스들과 같은 탄소-함유 가스들, 또는 탄소-함유 용매들을 운반할 수 있는 유기 유체들과 같은 액체들을 통해서, 반응 혼합물에 첨가될 수 있다. 탄소-함유 가스 또는 액체가 분말과 함께-공급되어 혼합될 수 있을 것이고, 또는 독립적인 경로를 통해서 제공될 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 탄소-함유 가스가 불활성 가스와 함께 선택적으로 이용되어 제 2 프로세싱 장치로의 공급을 위한 분말을 유체화시킬 수 있을 것이다.In
탄소는 증착된 층을 위한 결합제로서 증착된 음극 재료 내의 개재물로서 유리할 수 있을 것이고, 탄소의 전도성은 필름 성능을 개선한다. 탄소 첨가는 또한, 입자들 상에 저분자량 비정질 탄소 코팅을 형성함으로써, 고온에서의 합성 작업 동안에 전기화학적 재료 입자들의 증발을 방지할 수 있을 것이다. 전기화학적 재료의 증발 없이 합성 반응이 진행되도록, 코팅은 입자들 내로의 에너지 입력을 제어한다.Carbon may be advantageous as an inclusion in the deposited negative electrode material as a binder for the deposited layer, and the conductivity of carbon improves film performance. Carbon addition may also prevent evaporation of the electrochemical material particles during the synthesis operation at high temperatures by forming a low molecular weight amorphous carbon coating on the particles. The coating controls the energy input into the particles so that the synthesis reaction proceeds without evaporation of the electrochemical material.
제 2 프로세싱 장치는 일반식이 LiNiwMnxCoyOz 인 전기화학적으로 활성적인 재료의 결정들 또는 나노결정들의 스트림을 분배하고, 이때 w, x, 및 y 는 각각 약 .3 내지 1.5 이고, z 는 약 1.5 내지 2.5 이다. 제 2 프로세싱 장치가 플라즈마 스프레이어인 경우에, 고온 가스 및 플라즈마의 스트림 내에 결정들이 혼입된(entrained) 상태로 플라즈마가 장치로부터 사출된다. 결정들은 약 1 m/sec 내지 약 600 m/sec, 예를 들어, 약 100 m/sec의 속도로 프로세싱 챔버를 빠져나갈 수 있을 것이며, 플라즈마 제트를 형성하는 스트림은 약 0.1 내지 1.5 m, 예를 들어 약 1 m의 길이를 가진다. 전형적으로, 기판은 플라즈마 챔버로부터 약 0.1 내지 1.5 m에 위치된다. The second processing apparatus distributes a stream of crystals or nanocrystals of an electrochemically active material of the general formula LiNi w Mn x Co y O z , wherein w, x, and y are each about .3 to 1.5, z is about 1.5 to 2.5. If the second processing apparatus is a plasma sprayer, the plasma is ejected from the apparatus with crystals entrained in the stream of hot gas and plasma. The crystals may exit the processing chamber at a speed of about 1 m / sec to about 600 m / sec, for example about 100 m / sec, and the stream forming the plasma jet may be about 0.1 to 1.5 m, for example For example, it has a length of about 1 m. Typically, the substrate is located about 0.1 to 1.5 m from the plasma chamber.
각각의 프로세싱 스테이지에서, 메탄, 에탄, 아세틸렌, 프로판, 또는 다른 연료와 같은 탄화수소일 수 있는 탄소-함유 가스가, 예를 들어, 원자화 가스와의 혼합에 의해서, 제 1 또는 제 2 프로세싱 장치로 첨가될 수 있을 것이고, 또는 독립적으로 장치로 제공될 수 있을 것이고, 그에 따라 탄소를 혼합물로 첨가할 수 있을 것이고, 필요에 따라, 프로세싱 스테이지의 에너지 방출을 제어할 수 있을 것이다. 탄소-함유 가스는 전구체 혼합물 내의 탄소 보다 많은 부가적인 탄소를 첨가할 수 있을 것이고, 또는 모든 탄소가 탄소 함유 가스를 통해서 첨가될 수 있을 것이다. 산소가 탄소 함유 가스와 혼합되어 화염 스프레이, 플라즈마 스프레이, 또는 고온 공기 스프레이 실시예들 중 임의의 실시예에서 보다 에너지적인 반응을 제공할 수 있을 것이다. 탄소 함유 가스, 전기화학적 전구체의 탄소 성분들, 또는 양자 모두의 유량을 조정함으로써, 증착된 필름의 총 탄소 함량이 제어될 수 있을 것이다. 또한, 함께 제공되는 탄소 함유 가스 및/또는 산소의 유량을 조정함으로써 반응 온도가 제어될 수 있을 것이다. 수소 함유 캐리어 가스가 또한 프로세싱의 온도를 제어하기 위해서 이용될 수 있을 것이다. 실시예에 따라서, 프로세싱 온도가 전형적으로 약 200 ℃ 내지 약 2,000 ℃에서 유지된다. 화염 스프레이 실시예의 경우에, 전형적으로 온도가 약 200 ℃ 내지 약 1,000 ℃, 예를 들어 약 400 ℃ 내지 약 800 ℃로 유지된다. 플라즈마 스프레이 실시예의 경우에, 전형적으로 온도가 약 600 ℃ 내지 약 2,000 ℃, 예를 들어 약 800 ℃ 내지 약 1,600 ℃, 예를 들어, 약 900 ℃에서 유지된다. In each processing stage, a carbon-containing gas, which may be a hydrocarbon such as methane, ethane, acetylene, propane, or other fuel, is added to the first or second processing apparatus, for example by mixing with an atomizing gas. It may be possible, or may be provided to the device independently, so that carbon may be added to the mixture and, if necessary, to control the energy release of the processing stage. The carbon-containing gas may add more carbon than the carbon in the precursor mixture, or all carbon may be added through the carbon containing gas. Oxygen may be mixed with the carbon containing gas to provide a more energetic reaction in any of the flame spray, plasma spray, or hot air spray embodiments. By adjusting the flow rates of the carbon containing gas, the carbon components of the electrochemical precursor, or both, the total carbon content of the deposited film may be controlled. In addition, the reaction temperature may be controlled by adjusting the flow rates of the carbon-containing gas and / or oxygen provided together. Hydrogen containing carrier gas may also be used to control the temperature of the processing. According to an embodiment, the processing temperature is typically maintained at about 200 ° C to about 2,000 ° C. In the case of flame spray embodiments, the temperature is typically maintained between about 200 ° C and about 1,000 ° C, for example between about 400 ° C and about 800 ° C. In the case of a plasma spray embodiment, the temperature is typically maintained at about 600 ° C. to about 2,000 ° C., such as about 800 ° C. to about 1,600 ° C., such as about 900 ° C.
스트림이 기판을 향해서 이동됨에 따라 첨가제가 프로세싱 장치 외부에서 결정들과 혼합될 수 있을 것이다. 일반적으로, 첨가제는 전기화학적 결정들을 기판에 대해서 결합시키는 것을 돕기 위해서 제공된다. 첨가제는, 결정들을 기판의 표면 상에서 유지하기 위해서, 폴리머와 같은 결합 작용제를 포함할 수 있을 것이다. 결합 작용제는 증착된 층의 성능을 개선하기 위해서 약간의 전기 전도성을 가질 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 결합 작용제는 나노결정 당(per) 약 100 폴리머 분자들 미만의 비율로 제공된 저분자량의 탄소 함유 폴리머이다. 기판에 대한 나노입자들의 부착을 촉진하기 위해서, 저분자량 폴리머가 약 3,000,000 g/mol 미만의 중량 평균 분자량을 가질 수 있을 것이다. 폴리머 분자들 대 결정들의 비율은 결정들 사이에 공간을 제공하고, 전자들 및 이온들의 증착된 층을 통한 실질적인 자유 유동을 방해하지 않으면서, 부착을 촉진한다. As the stream is moved towards the substrate, the additive may mix with the crystals outside the processing apparatus. Generally, additives are provided to help bind the electrochemical crystals to the substrate. The additive may include a binding agent, such as a polymer, to retain the crystals on the surface of the substrate. The bonding agent may have some electrical conductivity to improve the performance of the deposited layer. In one embodiment, the binding agent is a low molecular weight carbon containing polymer provided at a rate of less than about 100 polymer molecules per nanocrystalline sugar. To facilitate the attachment of nanoparticles to the substrate, the low molecular weight polymer may have a weight average molecular weight of less than about 3,000,000 g / mol. The ratio of polymer molecules to crystals provides space between the crystals and promotes adhesion without disturbing substantial free flow through the deposited layer of electrons and ions.
전형적으로, 첨가제는 액체로서, 예를 들어, 용액, 현탁체(suspension), 또는 에멀전으로서 제공된다. 일 실시예에서, 첨가제는 프로세싱 챔버를 빠져나가는 결정 스트림 내로 스프레잉되는 물 에멀전 내의 개질된(modified) 스틸렌-부타디엔 루버("SBR") 재료이다. 결합제 전구체의 유량은 일반적으로 제 2 프로세싱 장치를 빠져나가는 결정들의 질량 유량의 약 10% 내지 약 75%, 예를 들어 약 20%이다. Typically, the additive is provided as a liquid, for example as a solution, suspension, or emulsion. In one embodiment, the additive is a modified styrene-butadiene louver ("SBR") material in a water emulsion that is sprayed into the crystal stream exiting the processing chamber. The flow rate of the binder precursor is generally about 10% to about 75%, for example about 20% of the mass flow rate of the crystals exiting the second processing apparatus.
만약 첨가제가 결정들의 스트림과 내부에서 혼합된다면, 그 에너지 함량을 위해서 혼합 위치가 결정된다. 결정 스트림 내의 잔류 열이 액체의 연속적인 상(phase) 또는 용매를 증발시키고, 그에 따라 첨가제를 자유롭게 하여 결정들과 접촉하게 한다. 대부분의 그러한 경우들에서, 첨가제는, 제 2 프로세싱 장치로부터 기판까지의 거리의 약 60% 내지 약 90%, 예를 들어 약 70% 내지 약 80%인 제 2 프로세싱 장치의 배출 지점으로부터의 거리에서 제공된다. If the additive is mixed inside with the stream of crystals, the mixing position is determined for its energy content. Residual heat in the crystal stream evaporates the continuous phase or solvent of the liquid, thus freeing the additive to contact the crystals. In most such cases, the additive is at a distance from the discharge point of the second processing device that is about 60% to about 90%, for example about 70% to about 80% of the distance from the second processing device to the substrate. Is provided.
단계(210)에서, 나노결정들 및 첨가제가 기판 상의 증착된 층 내에 형성된다. 첨가제의 최소량이 결정들 사이의 격자점 간극들(interstices)을 점유하여 그 결정들을 필름에 부착시키는 한편, 증착된 층을 통한 전자들 및 이온들의 자유 유동을 허용한다. 일부 실시예에서, 결합 작용제 및 결정들에 증착 임의의 잔류 탄소가 경화되기에 앞서서 결정들의 조밀한 안착(close settling)을 촉진하기 위해서, 기판이 필름 형성 동안에 가열될 수 있을 것이다. 결합 매체가 운동에 대해서 너무 저항적으로 되지 않는 한, 제 2 프로세싱 장치로부터 빠져나오는 결정들의 후속 충돌에 의해서 결정들의 조밀한 안착이 촉진된다.In
증착된 전기화학적으로 활성적인 층의 조성을 변화시키기 위해서 전기화학적 전구체의 조성이 변화될 수 있을 것이다. LiMn2O4 와 같은 스피넬 재료를 만들기 위해서, 예를 들어, 적절한 양의 산소 함유 재료들과 함께, 100 mL의 1M LiNO3 용액 및 200 mL의 1M Mn(NO3)2 용액을 이용하여 전기화학적 전구체가 만들어질 수 있을 것이다. 니켈이 풍부한(rich), 예를 들어 약 60 중량% 또는 그 초과의 니켈의 리튬계 재료를 증착함으로써 고용량(high capacity) 층이 형성될 수 있을 것이다. 반대로, 니켈이 비교적 적은, 예를 들어 약 40 중량% 미만의 니켈의 리튬계 재료를 증착함으로써, 높은 안정성의 층이 형성될 수 있을 것이다. 니켈이 풍부한 재료들은 덜 안정적인데, 이는 니켈이 배터리 포뮬레이션들(formulations)에서 이용되는 많은 전해질들과 반응하는 경향이 있기 때문이다. 전술한 바와 같이, 이러한 경향은 고용량 코어 주위에 높은 안정성의 쉘(shell)을 형성함으로써 제어될 수 있을 것이다.The composition of the electrochemical precursor may be changed to change the composition of the deposited electrochemically active layer. LiMn 2 O 4 To make a spinel material such as, for example, an electrochemical precursor can be made using 100 mL of 1M LiNO 3 solution and 200 mL of 1M Mn (NO 3 ) 2 solution with an appropriate amount of oxygen containing materials. Could be. A high capacity layer may be formed by depositing a nickel rich, for example about 60% or more, lithium based material. In contrast, by depositing a lithium-based material that is relatively low in nickel, for example less than about 40% by weight, a high stability layer may be formed. Nickel-rich materials are less stable because nickel tends to react with many electrolytes used in battery formulations. As mentioned above, this trend may be controlled by forming a shell of high stability around the high capacity core.
대안적인 실시예들에서, 입자들이 합성 프로세싱을 위한 탄소 이외의 재료들로 코팅될 수 있을 것이다. 알루미나, 알루미늄 불화물, 알루미늄 인산염, 알루미늄 수산화물의 코팅이 이용될 수 있을 것이다. 알루미늄은 알루미늄 알킬들로서, 예를 들어 트리메틸알루미늄으로서 프로세스로 첨가될 수 있을 것이다. 불소가 HF로서 첨가될 수 있을 것이다. 인이 인화수소 즉, PH3 로서 첨가될 수 있을 것이다. 일반적으로, 코팅 재료는 전기화학적 금속들의 산화 이후에 합성 프로세스의 단계에서 도포된다. In alternative embodiments, the particles may be coated with materials other than carbon for synthetic processing. Coatings of alumina, aluminum fluoride, aluminum phosphate, aluminum hydroxide may be used. Aluminum may be added in the process as aluminum alkyls, for example as trimethylaluminum. Fluorine may be added as HF. Phosphorus may be added as hydrogen phosphide, ie PH 3 . Generally, the coating material is applied at the stage of the synthesis process after oxidation of the electrochemical metals.
일부 실시예에서, 쉘은 기판 상에서의 결정들의 증착에 앞서서 각각의 결정 및 그 결정의 코팅 사이에 형성될 수 있을 것이다. 전술한 제 1 전구체와 상이한 조성을 가지는 전기화학적 전구체를 제 2 프로세싱 장치로 제공함으로써, 쉘이 형성될 수 있을 것이다. 쉘을 형성하기 위해서 제공되는 재료는 일반적으로 결정화에서 요구되는 전기화학적 재료이며, 그에 따라 쉘은 제 1 프로세싱 스테이지로부터의 결정들을 산소와 반응시키는 반응 구역 근처이거나, 그 구역과 중첩되는 위치에서 일반적으로 제공된다. 예를 들어, 쉘 재료는 제 2 프로세싱 장치로 장입된(charged) 분말과 혼합될 수 있을 것이고, 그에 따라 쉘 재료가 제 2 프로세싱 스테이지의 에너지에 노출되어, 기판 상에서의 증착에 앞서서 새롭게 형성된 전기화학적 결정들 주위에서 쉘 재료가 결정화된다. In some embodiments, a shell may be formed between each crystal and its coating prior to the deposition of the crystals on the substrate. By providing to the second processing apparatus an electrochemical precursor having a composition different from that of the first precursor described above, the shell may be formed. The material provided to form the shell is generally the electrochemical material required for crystallization, so that the shell is generally near or overlapping the reaction zone where the crystals from the first processing stage react with oxygen. Is provided. For example, the shell material may be mixed with the powder charged into the second processing device, such that the shell material is exposed to the energy of the second processing stage, thus newly formed electrochemically prior to deposition on the substrate. Shell material crystallizes around the crystals.
하나의 예에서, 코어와 전해질 사이의 반응을 방지하기 위해서, 높은 안정성의 쉘로 고용량, 낮은 안정성의 전기화학적 코어를 커버하도록 쉘 재료가 제공될 수 있을 것이다. 고용량 코어가 높은 니켈 함량을 가지는 전기화학적 혼합물일 수 있는 반면, 높은 안정성 쉘은 낮은 니켈 함량을 가질 수 있을 것이다. 코어의 높은 니켈 함량은 일부 전해질 재료들과 화학적 반응을 일으킬 수 있을 것이다. 고용량 코어 주위에 낮은 니켈 함량의 쉘을 형성하는 것은 그러한 화학적 반응들을 방지하면서도 코어의 용량을 보존한다. In one example, to prevent a reaction between the core and the electrolyte, the shell material may be provided to cover the high capacity, low stability electrochemical core with a high stability shell. The high stability core may have a low nickel content, while the high capacity core may be an electrochemical mixture with a high nickel content. The high nickel content of the core may cause chemical reactions with some electrolyte materials. Forming a low nickel content shell around the high capacity core prevents such chemical reactions while preserving the capacity of the core.
증착된 필름의 다공도는, 결정들의 스트림이 분배기 장치를 빠져나가는 속도를 조정함으로써 제어될 수 있을 것이다. 그러한 속도를 높이는 것은 일반적으로 필름의 다공도를 낮춘다. 결정들의 크기는 건조의 격렬함(severity) 또는 원자화의 정도에 의해서 제어될 수 있을 것이다. 예를 들어, 원자화 가스의 압력을 높이는 것에 의한, 보다 미세한 원자화는 보다 작은 입자들을 초래한다. The porosity of the deposited film may be controlled by adjusting the rate at which the stream of crystals exits the distributor device. Increasing such speed generally lowers the porosity of the film. The size of the crystals may be controlled by the severity of the drying or the degree of atomization. For example, finer atomization, by raising the pressure of the atomizing gas, results in smaller particles.
도 3은 일 실시예에 따른 장치(300)의 개략적인 단면도이다. 장치(300)는 프로세싱 챔버(302), 기판 지지부(304), 및 분배기(306)를 포함하며, 일부 실시예들에서, 상기 분배기는 특정의 희망 패턴에 따라서 재료를 분배하는 분배기일 수 있을 것이다. 3 is a schematic cross-sectional view of an
분배기(306)는 활성화 챔버(308) 및 노즐(320)을 포함하고, 상기 노즐을 통해서 활성화된 전구체 혼합물이 분배기(306)를 빠져나간다. 제 1 전구체 혼합물은 전구체 공급원(미도시)과 유체 소통하는 제 1 공급원 도관(336)을 통해서 활성화 챔버(308)로 제공되고, 상기 활성화 챔버는 액체, 슬러리, 또는 현탁체 전구체들을 위한 원자화장치를 특징으로 할 수 있을 것이다. 제 1 공급원 도관(336)은 제 1 전구체 혼합물을 유동 제어기(334)로 전달하고, 상기 유동 제어기는 제 1 전구체 전달 도관(312)을 통한 활성화 챔버(308)로의 제 1 전구체의 유동을 제어한다. 노즐(320)은 활성화된 제 1 전구체 혼합물을 활성화 챔버(308)로부터 개구부(318)를 통해서 노즐(320)의 단부 근처의 혼합 구역(322)으로 이송한다. The
활성화 챔버(308) 내의 제 1 전구체는 전기 에너지 공급원(352)에 의해서 활성화 챔버(308)의 내부 부분(310) 내로 커플링된 전기장에 노출된다. 비록 도 3의 실시예에서 DC 공급원으로서 도시되었지만, 전원(352)이 RF 또는 DC 공급원일 수 있을 것이다. 전기 절연체들(330)이 분배기(306)의 벽들 내에 배치되어 전기적 에너지를 활성화 챔버(308)로 한정할 수 있을 것이다. The first precursor in the
혼합 구역(322)은 혼합물이 반응할 때 가스 혼합물을 희망 패턴으로 기판을 향해서 지향시키도록 구성된 활성화 챔버(308) 근처의 봉입체(enclosure) 또는 한정된 공간일 수 있을 것이다. 하나의 예에서, 탄소, 산소 또는 양자 모두일 수 있는 제 2 전구체가 환형 경로(328)를 통해서 노즐(320) 주위로 제공된다. 환형 경로(328)는, 노즐(320)을 빠져나갈 때, 제 2 전구체를 활성화된 제 1 전구체 내로 균일한 방식으로 유동시키도록 구성된다. 전구체 스트림들이 혼합됨에 따라, 제 1 전구체 내의 활성적인 종들이 제 2 전구체의 성분들과 반응하여, 나노결정화 프로세스를 촉진하기 위한 열을 발생할 수 있고, 그리고 활성화된 재료를 펼쳐진 패턴을 가지는 나노결정들의 스트림으로 외측으로 추진하기 위한 압력을 생성할 수 있을 것이다. 혼합 구역(322) 및 노즐(320)의 정밀한 기하형태를 조정하여, 임의의 희망하는 유동 패턴 또는 혼합 방법을 달성할 수 있을 것이다. 안출된 정확한 혼합 방법은 나노결정들로의 열 전달을 제어하는 것을 도울 수 있을 것이다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 전구체들의 와류(vortex) 유동을 포함하는 혼합 방법은 연소 반응들을 포함할 수 있는 혼합 구역 반응들로부터 나노결정들로 열이 인가되는 것을 제어하는데 있어서 유용할 수 있을 것이다. The mixing
제 2 전구체는 제 2 전구체 공급원(미도시)과 유체 소통하는 제 2 전구체 공급원 도관(338)에 의해서 혼합 구역(322)으로 전달된다. 제 2 전구체는 유동 제어기(334)를 통해서 환형 경로(328)로의 제 2 전구체 전달 도관(314) 내로 유동된다.The second precursor is delivered to the
제 3 전구체는, 제 3 전구체 공급원(미도시)과 유체 소통하는 제 3 전구체 공급원 도관(340)으로부터 제 3 전구체 전달 도관(316)을 통해서, 유동 제어기(334)를 통해서 전달될 수 있을 것이다. 제 3 도관(324)은, 결정들이 제 3 전구체에 의해서 기판 상에 고정되도록, 결정 스트림에 의한 기판 상에서의 충격(impact)의 패턴과 실질적으로 중첩되는 패턴으로 제 3 전구체를 분배하도록 구성된 분배 헤드를 가질 수 있을 것이다. 제 3 전구체는 앞서서 인용한 결합 작용제일 수 있을 것이다. 전형적으로, 결합 작용제는 도 2와 관련하여 전술한 제 1 프로세싱 장치를 빠져나가는 분말에 첨가되지 않는다는 것을 주지하여야 하고, 그에 따라 그러한 경우에 도 3의 장치는 방법(200)의 제 1 프로세싱 장치로서 이용되고, 제 3 전구체는 제공되지 않을 것이다. The third precursor may be delivered through the
도 3의 장치에서, 분배기(306)는 기판 지지부(304)에 대해서 이동될 수 있을 것이고 그에 따라 기판 지지부(304) 상에 배치된 기판의 전부 또는 상당한 부분에 걸쳐서 필름을 형성할 수 있을 것이다. 이는 분배기(306), 기판 지지부(304), 또는 양자 모두를 이동시킴으로써 달성될 수 있을 것이다. 예를 들어, 분배기(306)가 액츄에이터를 이용하여 챔버(302)를 가로질러 연장 및 후퇴되도록 구성될 수 있을 것이다. 그 대신에, 또는 추가적으로, 기판 지지부(304)가, 도면부호 344로 개략적으로 표시된, 정밀 x-y 스테이지와 같은 위치결정(positioning) 메커니즘을 가질 수 있을 것이다. In the apparatus of FIG. 3, the
배기 가스들은 통상적인 구성을 가질 수 있는 배기 포털(330)을 통해서 챔버(302)를 빠져나간다. 포털(330)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 챔버(302)의 벽 내의 하나의 개구부일 수 있고, 또는 복수의 그러한 개구부들일 수 있고, 또는 챔버(302)의 원주를 따라서 배치된 원주방향 배기 채널일 수 있을 것이다. 배기 포털(330)은, 분배기(306)에 의해서 생성된 입자들이 진공 펌프들 및 챔버(302) 하류의 다른 프로세싱 설비에 도달하는 것을 방지하기 위한 입자 포획부(trap)(342)를 포함한다. 입자 포획부(342)는 필터 또는 와류 분리기와 같은 임의의 적합한 디바이스일 수 있을 것이다. Exhaust
도 4는 다른 실시예에 따른 장치(400)의 개략적인 단면도이다. 장치(400)는 도 3의 장치(300)와 대부분 유사하다. 장치(400)는 프로세싱 챔버(402), 기판 지지부(404), 및 분배기(406)를 포함하며, 일부 실시예들에서, 상기 분배기는 특정의 희망 패턴에 따라서 재료를 분배하는 분배기일 수 있을 것이다. 4 is a schematic cross-sectional view of an
분배기(406)는 원자화 챔버(408) 및 노즐(420)을 포함하고, 상기 노즐을 통해서 원자화된 전구체 혼합물이 분배기(406)를 빠져나간다. 제 1 전구체 혼합물은 전구체 공급원(미도시)과 유체 소통하는 제 1 공급원 도관(436)을 통해서 원자화 챔버(408)로 제공된다. 제 1 공급원 도관(436)은 제 1 전구체 혼합물을 유동 제어기(434)로 전달하고, 상기 유동 제어기는 제 1 전구체 전달 도관(412)을 통한 원자화 챔버(408)로의 제 1 전구체의 유동을 제어한다. 일반적으로, 원자화 가스는 제 1 전구체 전달 도관(412) 내에서 제 1 전구체 혼합물과 혼합된다. 노즐(420)은 원자화된 제 1 전구체 혼합물을 원자화 챔버(408)로부터 개구부(418)를 통해서 노즐(420)의 단부 근처의 에너지 입력 구역(422)으로 이송한다. The
에너지 입력 구역(422)은 가스 혼합물을 희망 패턴으로 지향시키도록 구성된 한정된 공간 또는 원자화 챔버(408) 근처의 봉입체일 수 있을 것이다. 하나의 예에서, 탄소, 산소 또는 양자 모두를 포함할 수 있고, 그리고 발화가능 가스 혼합물일 수 있는 제 2 전구체가 환형 경로(428)를 통해서 노즐(420) 주위로 제공된다. 환형 경로(428)는, 노즐(420)을 빠져나갈 때, 제 2 전구체를 원자화된 제 1 전구체 내로 균일한 방식으로 유동시키도록 구성된다. 전구체 스트림들이 혼합됨에 따라, 제 2 전구체가 원자화된 제 1 전구체 내로 에너지를 전달하여 제 1 전구체 내의 용매들의 혼합물을 포함하는 고체들의 스트림을 생성한다. 노즐(420) 및 혼합 구역(422)의 정밀한 기하형태를 조정하여, 임의의 희망하는 유동 패턴 또는 혼합 방법을 달성할 수 있을 것이다. 도 2와 관련하여 앞서서 주지한 바와 같이, 제 2 전구체가 또한 고온 공기와 같이 발화될 수 없는 고온 가스일 수 있을 것이다. The
제 2 전구체는 제 2 전구체 공급원(미도시)과 유체 소통하는 제 2 전구체 공급원 도관(438)에 의해서 혼합 구역(422)으로 전달된다. 제 2 전구체는 유동 제어기(434)를 통해서 환형 경로(428)로의 제 2 전구체 전달 도관(414) 내로 유동된다.The second precursor is delivered to the
제 3 전구체는, 제 3 전구체 공급원(미도시)과 유체 소통하는 제 3 전구체 공급원 도관(440)으로부터 제 3 전구체 전달 도관(416)을 통해서, 유동 제어기(434)를 통해서 전달될 수 있을 것이다. 제 3 도관(424)은, 나노결정들이 제 3 전구체에 의해서 기판 상에 고정되도록, 기판 상에서의 충격의 패턴과 실질적으로 중첩되는 패턴으로 제 3 전구체를 분배하도록 구성된 분배 헤드를 가질 수 있을 것이다. 도 3의 장치(300)에서와 같이, 만약 도 4의 장치(400)가 방법(200)의 프로세싱 장치로서 이용된다면, 제 3 전구체가 장치(400)로 제공되지 않는다. The third precursor may be delivered through
도 4의 장치에서, 분배기(406)는 기판 지지부(404)에 대해서 이동될 수 있을 것이고 그에 따라 기판 지지부(404) 상에 배치된 기판의 전부 또는 상당한 부분에 걸쳐서 필름을 형성할 수 있을 것이다. 이는 분배기(406), 기판 지지부(404), 또는 양자 모두를 이동시킴으로써 달성될 수 있을 것이다. 예를 들어, 분배기(406)가 액츄에이터를 이용하여 챔버(402)를 가로질러 연장 및 후퇴되도록 구성될 수 있을 것이다. 그 대신에, 또는 추가적으로, 기판 지지부(404)가, 도면부호 444로 개략적으로 표시된, 정밀 x-y 스테이지와 같은 위치결정 메커니즘을 가질 수 있을 것이다. In the apparatus of FIG. 4, the
배기 가스들은 통상적인 구성을 가질 수 있는 배기 포털(430)을 통해서 챔버(402)를 빠져나간다. 포털(430)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 챔버(402)의 벽 내의 하나의 개구부일 수 있고, 또는 복수의 그러한 개구부들일 수 있고, 또는 챔버(402)의 원주를 따라서 배치된 원주방향 배기 채널일 수 있을 것이다. 배기 포털(430)은, 분배기(406)에 의해서 생성된 입자들이 진공 펌프들 및 챔버(402) 하류의 다른 프로세싱 설비에 도달하는 것을 방지하기 위한 입자 포획부(442)를 포함한다. 입자 포획부(442)는 필터 또는 와류 분리기와 같은 임의의 적합한 디바이스일 수 있을 것이다. Exhaust
도 5a는 기판 상에 전기화학적 층을 형성하기 위한 장치(500)의 개략도이다. 장치(500)는 제 1 프로세싱 스테이지(502), 수집 스테이지(504), 및 제 2 프로세싱 스테이지(506)를 포함한다. 제 1 프로세싱 스테이지(502)는 건조 장치일 수 있고, 그리고 열적 또는 플라즈마 스프레이어를 포함할 수 있을 것이다. 수집 스테이지(504)는 제 1 프로세싱 스테이지(502)로부터 고체들 수용기 내로 재료들을 수집하고 그리고 그 고체들을 제 2 프로세싱 스테이지(506)로 공급한다. 합성 장치일 수 있는 제 2 프로세싱 스테이지(506)는 기판(508)을 향해서 재료를 분배하여 기판 상에 전기화학적 층을 형성한다. 장치(500)는 도 2의 방법(200)을 수행하기 위해서 이용될 수 있을 것이다.5A is a schematic diagram of an
제 1 프로세싱 스테이지(502)는 제 1 분배기(510), 제 1 전구체 공급원(512), 원자화 가스 공급원(514), 및 에너지 성분 공급원(516)을 포함한다. 제 1 전구체 공급원(512), 원자화 가스 공급원(514), 및 에너지 성분 공급원(516)은 도 2와 관련하여 전술한 제 1 전구체의 경우와 유사할 수 있을 것이다. 제 1 분배기(510)는 일반적으로 도 3 및 4의 장치(300 또는 400)와 유사할 수 있을 것이다. 제 1 전구체 공급원(502)은, 원자화 가스 공급원(514)과 함께, 에너지 입력 위치로의 원자화 개구 또는 개구부를 통해서, 제 1 분배기(510) 내의 혼합 위치로 공급되는 액체이다. 원자화된 제 1 전구체 공급원(502)과 혼합하기 위해서 에너지 성분 공급원(516)이 에너지 입력 위치로 공급된다. The
제 1 프로세싱 부분(502)은, 제 1 전구체로부터 형성된, 분말(518)을 수집 부분(504) 내로 분배한다. 수집 부분(504)은 수집 장치(520)를 포함하고, 상기 수집 장치는 고체들 수용기(522) 및 공급기(524)를 더 포함할 수 있을 것이다. 도 2와 관련하여 전술한 바와 같이, 고체들 수용기(522)가 사이클론과 같은 원심 분리기, 또는 호퍼일 수 있을 것이고, 그리고 정전기적으로 개선될 수 있을 것이다. 예를 들어, 사이클론 분리기의 외측 벽이 약한 DC 전압으로 에너지화되어 분말(518)의 입자들이 벽들에 부착되도록 촉진될 수 있을 것이고, 그에 따라 가스로부터의 분말의 분리가 촉진될 수 있을 것이다. 그에 따라 분리된 분말이 공급기(524) 내로 낙하되거나 도관 내로 직접적으로 낙하되어 제 2 프로세싱 부분(506)으로 공급될 수 있을 것이다. 따라서, 수집 장치(520)는 분리기, 공급기, 또는 양자 모두로 이루어질 수 있을 것이다. The
도 5b는 다른 실시예에 따른 사이클론 분리기(522A)의 단면도이다. 분배기(510)는 분말(518)을 분리기(522A)의 접선방향 공급 지점 내로 분배하는 것으로 도시되어 있다. 고체들이 수집되고 그리고 고체 배출 포털(545)을 통해서 사이클론 분배기(522A)를 빠져나가고, 가스의 대부분은 가스 배출 포털(550)을 통해서 빠져나간다. 고체 배출 포털(545)을 통해서 사이클론 분배기(522A)를 빠져나가는 고체들이 수집 스테이지(504)의 공급기(524) 내에서 수집될 수 있을 것이다. 5B is a cross-sectional view of a
수집 스테이지(504) 내에 수집된 고체들은 도관(526)을 통해서 제 2 프로세싱 부분(506)으로 제공된다. 가스가 도관(526)을 통해서 송풍되어(blown) 제 2 프로세싱 부분(506) 내로의 결정 분말의 이동을 도울 수 있을 것이다. 제 2 프로세싱 부분(506)은 도 3의 장치(300) 또는 도 4의 장치(400)와 일반적으로 유사할 수 있는 제 2 분배기(528), 및 제 2 분배기(528)를 빠져나가는 전기화학적 결정들(530)과 함께-증착하기 위한 첨가제를 분배하기 위한 제 3 분배기(536)를 포함한다. 첨가제를 위한 전구체(540)가 제 3 분배기(538)로 공급된다. 제 3 분배기(538)는 일반적으로 결정들(530)이 증착되는 것과 동일한 영역 위에 첨가제를 분배하도록 배향된다. 전술한 바와 같이, 첨가제 스트림으로부터 희망하는 양의 액체를 제거하기 위해서, 결정 스트림 내로의 첨가제 스트림의 삽입이 선택된다. Solids collected in the
에너지 생성 전구체(532) 및 산소 함유 전구체(534)가 전기화학적 결정들을 형성하기 위해서 제 2 분배기(528)로 제공된다. 에너지 생성 전구체(532)는 아르곤, 헬륨 또는 수소와 같은 플라즈마 유지 가스, 또는 전술한 탄화수소들 중 임의의 것과 같은 발화가능 가스일 수 있을 것이다. An
도 5a의 장치(500)는 기판 상에 증착하기 위한 전기화학적으로 활성적인 재료들을 생성하기 위한 2개의 분리된 프로세싱 스테이지들을 특징으로 한다. 비록 전술한 전기화학적 전구체 용액들이 단일 프로세싱 스테이지에서 전기화학적으로 활성적인 재료들로 직접적으로 변환될 수 있지만, 여러 가지 전구체들, 첨가제들 및 에너지 제공 전구체들을 취급하는 것에 의해서 분배기 디자인이 복잡해 진다. 예를 들어, 제 1 스테이지에서 전기화학적 전구체들을 건조시키는 것 그리고 합성 스테이지에서 전기화학적으로 활성적인 재료들을 합성하는 것에 의한 분리는 분배기 디자인의 복잡성 및 장치의 풋프린트(footprint)를 감소시킨다. The
전술한 내용들이 본원 발명의 실시예들에 관한 것이지만, 본원 발명의 다른 그리고 추가적인 실시예들이 본원 발명의 기본적인 범위로부터 벗어나지 않고도 안출될 수 있을 것이다.While the foregoing is directed to embodiments of the present invention, other and further embodiments of the invention may be devised without departing from the basic scope thereof.
Claims (15)
제 1 분배기에 커플링된 건조 에너지 공급원, 원자화 가스 공급원, 및 액체 전구체 공급원을 가지는 제 1 프로세싱 스테이지;
상기 제 1 분배기 근처의 수집 스테이지로서, 고체들 수용기(receptacle)를 가지는 수집 스테이지; 및
상기 수집 스테이지 근처의 제 2 분배기 및 상기 제 2 분배기에 커플링된 활성화 에너지의 공급원을 가지는 제 2 프로세싱 스테이지를 포함하는, 기판 상에 전기화학적 층을 형성하기 위한 장치.An apparatus for forming an electrochemical layer on a substrate:
A first processing stage having a dry energy source, an atomizing gas source, and a liquid precursor source coupled to the first distributor;
A collection stage near said first distributor, said collection stage having solids receptors; And
And a second processing stage having a second distributor near the collection stage and a source of activation energy coupled to the second distributor.
상기 제 1 분배기가 열적 스프레이어이고 상기 제 2 분배기가 플라즈마 스프레이어인, 기판 상에 전기화학적 층을 형성하기 위한 장치.The method of claim 1,
And the first distributor is a thermal sprayer and the second distributor is a plasma sprayer.
상기 건조 에너지의 공급원이 고온 가스 또는 가연성(flammable) 가스 혼합물인, 기판 상에 전기화학적 층을 형성하기 위한 장치.3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the source of dry energy is a hot gas or a flammable gas mixture.
상기 고체들 수용기가 사이클론 분배기인, 기판 상에 전기화학적 층을 형성하기 위한 장치.The method of claim 3, wherein
And the solids receiver is a cyclone distributor.
상기 제 1 분배기가 열적 스프레이어이고 상기 제 2 분배기가 플라즈마 스프레이어이며, 그리고 상기 고체들 수용기가 사이클론 분배기인, 기판 상에 전기화학적 층을 형성하기 위한 장치.The method of claim 1,
And the first distributor is a thermal sprayer and the second distributor is a plasma sprayer, and the solids receiver is a cyclone distributor.
상기 열적 스프레이어가 상기 사이클론 분배기의 접선방향 공급 지점 근처에 위치되는, 기판 상에 전기화학적 층을 형성하기 위한 장치.The method of claim 5, wherein
And the thermal sprayer is located near the tangential feed point of the cyclone dispenser.
상기 제 1 프로세싱 스테이지가 상기 액체 전구체와 상기 원자와 가스를 혼합하기 위한 혼합 위치, 혼합된 액체 전구체 및 원자화 가스 유동들이 통과하는 원자화 오리피스, 및 상기 건조 에너지 공급원이 상기 원자화된 액체 전구체와 혼합되는 건조 위치를 포함하는, 기판 상에 전기화학적 층을 형성하기 위한 장치.The method according to claim 5 or 6,
A mixing position for the first processing stage to mix the liquid precursor and the atom and gas, an atomization orifice through which mixed liquid precursor and atomization gas flows pass, and drying in which the dry energy source is mixed with the atomized liquid precursor And a location, the apparatus for forming an electrochemical layer on the substrate.
제 3 분배기를 더 포함하고,
상기 제 2 및 제 3 분배기들이 2개의 스트림들을 함께 혼합하도록 배향되는, 기판 상에 전기화학적 층을 형성하기 위한 장치.The method of claim 7, wherein
Further comprising a third dispenser,
And the second and third distributors are oriented to mix the two streams together.
건조 스테이션, 수집 스테이션, 합성 스테이션, 및 첨가제 노즐들을 포함하고,
상기 건조 스테이션은 혼합 위치에 커플링된 원자화 가스 공급원 및 액체 전구체 공급원을 가지는 열적 스프레이 노즐, 상기 혼합 위치를 건조 위치로부터 분리시키는 원자화 개구(aperture), 상기 건조 위치에 커플링된 화학적 또는 열적 건조 에너지의 공급원, 및 상기 건조 위치 근처의 출력 오리피스를 포함하고,
상기 수집 스테이션은 사이클론 분리기 및 호퍼(hopper), 상기 건조 스테이션의 출력 오리피스 근처의 상기 사이클론 분리기의 접선방향 공급 지점, 상기 호퍼 근처의 상기 사이클론 분리기의 고체들 출력 부분, 및 상기 사이클론 분리기의 벽에 커플링된 전기 에너지의 공급원을 포함하고,
상기 합성 스테이션은 상기 호퍼의 배출구에 그리고 플라즈마 형성 가스 공급원에 커플링된 유입구를 가지는 플라즈마 스프레이 노즐, 및 상기 플라즈마 스프레이 노즐에 커플링된 전력 공급원을 포함하며, 그리고
상기 첨가제 노즐이 상기 플라즈마 스프레이 노즐의 배출구로부터 규정된(defined) 거리에 위치되는, 기판 상에 전기화학적 층을 증착하기 위한 장치.An apparatus for depositing an electrochemical layer on a substrate:
A drying station, a collection station, a synthesis station, and additive nozzles,
The drying station includes a thermal spray nozzle having an atomizing gas source and a liquid precursor source coupled to the mixing site, an atomization aperture that separates the mixing site from the drying location, and a chemical or thermal drying energy coupled to the drying location. A source of and an output orifice near said drying location,
The collection station couples to a cyclone separator and a hopper, a tangential feed point of the cyclone separator near the output orifice of the drying station, solids output portion of the cyclone separator near the hopper, and a wall of the cyclone separator. Includes a source of ringed electrical energy,
The synthesis station comprises a plasma spray nozzle having an inlet coupled to an outlet of the hopper and to a plasma forming gas source, and a power supply coupled to the plasma spray nozzle, and
And the additive nozzle is located at a defined distance from the outlet of the plasma spray nozzle.
연속 건조 프로세스를 이용하여 액체 전구체로부터 전구체 분말을 형성하는 단계;
플라즈마 프로세스 내에서 상기 전구체 분말을 산소와 반응시킴으로써 상기 전구체 분말로부터 전기화학적 전구체를 형성하는 단계;
상기 전기화학적 전구체를 기판을 향해서 스트림으로 분배하는 단계;
증착 혼합물을 형성하기 위해서 폴리머 결합제(binder)를 상기 스트림에 첨가하는 단계; 및
상기 기판 상에 상기 증착 혼합물을 증착하는 단계를 포함하는, 기판 상에 전기화학적 층을 형성하는 방법.As a method of forming an electrochemical layer on a substrate:
Forming a precursor powder from the liquid precursor using a continuous drying process;
Forming an electrochemical precursor from the precursor powder by reacting the precursor powder with oxygen in a plasma process;
Distributing the electrochemical precursor in a stream towards the substrate;
Adding a polymer binder to the stream to form a deposition mixture; And
Depositing the deposition mixture on the substrate.
상기 액체 전구체가 리튬, 니켈, 망간, 코발트, 및 철 중 적어도 하나를 포함하는 금속 염들의 수용액인, 기판 상에 전기화학적 층을 형성하는 방법.11. The method of claim 10,
And the liquid precursor is an aqueous solution of metal salts comprising at least one of lithium, nickel, manganese, cobalt, and iron.
상기 액체 전구체가 탄소를 더 포함하는, 기판 상에 전기화학적 층을 형성하는 방법.The method of claim 11,
And the liquid precursor further comprises carbon.
상기 금속염이 질산염인, 기판 상에 전기화학적 층을 형성하는 방법.13. The method according to claim 11 or 12,
And wherein said metal salt is a nitrate.
상기 연속 건조 프로세스가 화염(flame) 스프레이 프로세스인, 기판 상에 전기화학적 층을 형성하는 방법.13. The method according to any one of claims 10 to 12,
And the continuous drying process is a flame spray process.
상기 폴리머 결합제가 액체로서 상기 스트림에 첨가되고, 상기 증착 혼합물이 상기 기판 상에 증착되기에 앞서서 상기 스트림으로부터의 잔류 열이 액체를 증발시키는, 기판 상에 전기화학적 층을 형성하는 방법.11. The method of claim 10,
Wherein the polymer binder is added to the stream as a liquid and residual heat from the stream evaporates the liquid prior to the deposition mixture being deposited on the substrate.
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