KR20170001589A - 공-압출된 등각성 전지 분리막 및 전극 - Google Patents

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Abstract

공압출 프린트헤드는 적어도 하나의 분리막 입구 포트, 분리막 입구 포트로부터 분리막 재료를 수용하도록 배열되는 적어도 제1, 제2 및 제3 열 (series)의 채널, 적어도 하나의 전극 입구 포트, 전극 입구 포트로부터 전극 재료를 수용하도록 배열되는 제4 열의 채널, 제1, 제2, 제3, 및 제4 열의 채널과 연결되고, 분리막 재료를 수용하고 분리막 흐름으로 병합하고 전극 재료를 수용하고 전극 흐름으로 병합하도록 위치하는 제1 병합부, 제1 병합부에 연결되고, 분리막 흐름 및 전극 흐름을 수용하고 병합하도록 위치하는 제2 병합부, 및 제2 병합부에 연결되고, 병합부로부터의 분리막 및 전극 재료들을 기판 상에 스택으로서 적층하는 출구 포트를 가진다.

Description

공-압출된 등각성 전지 분리막 및 전극{CO-EXTRUDED CONFORMAL BATTERY SEPARATOR AND ELECTRODE}
본 개시는 전지 제조, 더욱 상세하게는 공압출 장치를 이용한 전지 제조에 관한 것이다.
다양한 구조체 제작을 위한 공압출 장치 이용은 여러 특허 출원 및 등록 특허에서 논의되었다. 공압출 장치는 둘 이상의 재료가 동시에 일정한 구조체로 압출되는 장치이다. 이러한 유형의 장치는 전지 제조에 사용되어, 전극을 분리막과 함께 동시에 압출하여 전지 성분들을 형성한다.
공압출 방식의 예시로는 미국특허공개 20120156364를 포함하고, 여기에는 공-압출된 재료의 교차 핑거들이 장치 중 하나의 프린트헤드에서 압출된다. 재료들은 공급 채널로 공급되고 개별 유로로서 조합된 후, 분리되고 다시 조합되어 프린트헤드에서 유출될 때 2 재료들의 교대 스트립 구조가 형성된다. 또 다른 방식에서, 수직 방향으로도 병렬의 측면 구조가 교차 스트립으로 연장된다. 미국특허공개 20140186519는 이러한 유형의 구조체 형성 수단을 교시한다.
이러한 구조를 이용한 전지 제조는 다른 공개문헌, 예컨대 미국특허번호 5,714,278에 논의되었고, 여기에서 다공성 분리막 재료 면적의 차폐 부분이 전지에 사용된다. 차폐 면적은 다공성 분리막 재료에 형성되어 음극 및 양극 영역의 용이한 정렬로 모서리 영향을 피할 수 있다. 그러나, 이들 면적은 공압출 프린트헤드에서는 형성되지 않는다.
미국특허공개번호 20110217585는 통합 분리막을 가지는 전지 및 이러한 전지 제조 방법을 논의한다. 분리막은 다른 방식으로 형성되지만, 일반적으로 양극 또는 음극 상에 직접 형성된다. 분리막은 단층 또는 다층일 수 있다. 이러한 방식은 압출에서 전극 및 분리막을 동시에 형성하지 않는다.
또 다른 방식은 순차적 층들에서 전기영동 증착으로 박막 전지를 형성하는 것이다. 순차적 층들은 전기영동 증착으로 형성된다. 이러한 방식의 예시는 미국특허공개 20130244102에 제시된다.
이들 방식은 공압출 프린트헤드를 이용하여 전극 및 분리막을 동시에 형성하지 못한다. 이러한 유형의 프린트헤드는 단순성, 동시 적층 성능에 있어서 여러 이점들을 가지지만, 어떠한 것도 분리막 구조를 전극과 동시에 형성할 수 없다. 동시에 형성되지 않으므로, 분리막은 전극에 진정한 등각성으로 형성되지 못한다. 등각성 분리막을 가지면 전극 주변의 층은 전지 단락을 방지할 수 있다.
실시태양은 공압출 프린트헤드로 이루어지고, 이는 적어도 하나의 분리막 입구 포트, 분리막 입구 포트로부터 분리막 재료를 수용하도록 배열되는 적어도 제1, 제2 및 제3 열 (series)의 채널, 적어도 하나의 전극 입구 포트, 전극 입구 포트로부터 전극 재료를 수용하도록 배열되는 제4 열의 채널, 제1, 제2, 및 제3 열의 채널과 연결되고, 분리막 재료를 수용하고 분리막 흐름 (flow)으로 병합하고 전극 재료를 수용하고 전극 흐름으로 병합하도록 위치하는 제1 병합부 (merge portion), 제1 병합부에 연결되고, 분리막 흐름 및 전극 흐름을 수용하고 병합하도록 위치하는 제2 병합부, 및 제2 병합부에 연결되고, 병합부로부터의 분리막 및 전극 재료들을 기판 상에 스택 (stack)으로서 적층하되 분리막 재료는 전극 재료의 상부 (top) 및 측부 (side)를 덮도록 배열되는 출구 포트를 가진다.
도 1은 전지의 종래기술 실시태양을 도시한 것이다.
도 2는 전지 제조 공정의 종래기술 실시태양을 도시한 것이다.
도 3은 전지 제조 공정의 종래기술 실시태양을 도시한 것이다.
도 4-7은 등각성 분리막을 가지는 전지 전극의 실시태양들을 도시한 것이다.
도 8은 단일 패스로 스택 재료를 형성할 수 있는 프린트헤드의 실시태양을 도시한 것이다.
도 9는 등각성 분리막을 가지는 전지 전극의 실시태양을 보인다.
도 10-15는 단일 패스로 스택 층들을 형성할 수 있는 프린트헤드의 일 실시태양을 도시한 것이다.
도 16-18은 등각성 분리막 형성 공정을 보인다.
도 19-22는 등각성 분리막을 가지는 전지의 실시태양들을 보인다.
도 23-24는 다층으로 형성된 분리막을 가지는 프린트헤드의 실시태양을 도시한 것이다.
전형적인 전지에서, 분리막의 주요 기능은 이온 수송을 구현하면서도 음극 및 양극 사이 물리적 접속을 방지하는 것이다. 본원에서 음극 및 양극을 전극으로 칭한다. 도 1은 양극 (16), 음극 (12) 및 분리막 (14)을 가지는 전지 (10)의 종래 실시태양을 도시한 것이다. 셀 조립 과정에서, 분리막은 어떠한 전극보다도 큰 면적을 가진다. 공정에서 분리막을 음극 및 양극보다 큰 면적으로 절단한다. 완전 셀 조립체로 삽입되면, 더욱 큰 분리막으로 인하여 전극 사이 모서리/측면 접속이 방지된다.
도 2는 음극, 양극 및 분리막으로 이루어진 완전 셀을 제조하는 종래 전지 제작 공정을 예시한 것이다. 제시된 바와 같이, 공정은 하나의 청정실에서 음극을 제조한다. 공정 21에서 음극 슬러리 제제 (formation)가 생성된 후, 23에서 집전체 상에 슬롯 코팅하고, 25에서 두께 조절을 위하여 가압된다 (calendaring). 이어 공정 27에서 음극을 건조한다. 유사하게, 공정 20에서 양극 슬러리가 형성된 후, 22에서 집전체 상에 슬롯 코팅되고 24에서 두께 조절을 위하여 가압된다. 26에서 양극은 건조된다. 두 전극은 29 및 28에서 슬릿화 (slitting)된다. 전극 슬릿화란 전형적으로 전극 재료 롤을 원하는 폭으로 잘게 자르는 것을 포함한다. 31에서 최종 셀은 조립된다.
본 실시태양들에서, 공정 (30) 32에서 음극, 양극 및 분리막 슬러리들이 생성된다. 이어 34에서 3종의 슬러리는 본원에 개시된 프린트헤드를 이용하여 집전체에 공-압출되고 36에서 두께 조절을 위하여 가압된다. 구조 조립체는 38에서 건조된다. 이어 40에서 나머지 집전체가 압출 구조체와 조립된다.
도 4-7은 본원에 기술된 공압출 프린트헤드로 제작 가능한 전지 구조체의 실시태양들을 도시한 것이다. 도 4에서 전극 (52)은 전극 상부 및 측부를 덮는 등각성 분리막을 가진다. 본원에서 사용되는 용어 등각성이란, 분리막은 전극에 자체 성형된다는 의미이다. 전극 (52)은 전극 (52)에서와 같이 단일 재료로 이루어질 수 있다. 대안으로, 전극은 도 5에 도시된 바와 같이 교차 구조체 (56)로 이루어질 수 있다. 교차 구조체는 상기 언급된 선행 특허에 논의된 바에 의해 공압출 프린트헤드에 의할 수 있다.
도 6 및 7에서, 분리막은 전극에 부합되지만, 전극의 상부 및 측부 만을 덮는 것이 아니라, 집전체까지도 연장된다. 이를 통해 음극 및 양극 간의 추가적인 분리가 가능하다. 도 6에서, 분리막 (50)은 전극 (52)과 부합되고 예컨대 연장부 (54)를 가진다. 도 7은 유사 구조체를 보이지만, 전극은 교차 전극 (56)으로 이루어진다.
이러한 구조체 제작 후, 나머지 전극과 쌍을 이루어 완전 셀을 형성하고 이는 적당한 형상으로 절단되거나 권취된다. 현재 제조 공정은 전극보다 큰 면적으로 절단되는 분리막 시트를 사용하므로, 최종 셀 조립 과정에서 측부에서의 잠재적 단락 여지를 남기지만 공압출로 인하여 전극 주변에 등각성 분리막이 제작될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 8은 프린트헤드 (62)의 실시태양을 보인다. 프린트헤드 (62)는 목표 기판 (60)에 점성 슬러리로서 구조체를 압출한다. 재료를 건조하거나 소성하여 용제를 날려보내고 구조체를 치밀화한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 입구 포트 (64, 66, 68)는 슬러리를 수용하고 이는 궁극적으로 연장부 (54) 존재 또는 부재에서 전극 (52), 또는 교차 전극 (56), 및 분리막 (50)을 형성하는 방식으로 프린트헤드에서 유출된다.
도 8의 프린트헤드, 또는 유사 구조는, 도 4-7의 구조체를 형성할 수 있다. 프린트헤드 내의 유로 및 매니폴드는 분리막 및 전극 슬러리 또는 잉크를 분배한다. 도 6 구조체는 도 9에 보이는 바와 같이 구역들로 분할될 수 있다. 전극 재료 (52)는 프린트헤드에서 일조의 노즐로부터 나오고, 도 10-12에서 더욱 설명된다. 분리막은 3종의 상이한 구역으로 이루어진다. 연장부 (54)는, 본원에서 S1로 칭하는 하나의 슬러리로 이루어진다. 측부 (70)는, 본원에서 S2로 칭하는 또 다른 슬러리로 이루어진다. 상층 (50)은 또 다른 슬러리 S3로 이루어진다. 이들 슬러리는 모두 동일 슬러리에서 공급되고, 전극 상에 균일 층을 형성할 수 있다. 대안으로, 슬러리는 상이한 재료일 수 있고, 양호한 절연을 구현하거나 또는 다른 전지 특성을 개선할 수 있다. 흐름 및 공급은 더욱 하기되는 바와 같이 조절될 수 있다.
도 10은 프린트헤드 (62) 일 실시태양의 측면도이다. 프린트헤드는 프린트헤드를 밀폐하는 상판 (82) 부품 정렬용 고정 배판 (72)를 가진다. 잉크는 배판 (72)을 통과하여 진입하고 재료에 따라 매니폴드 (74, 76, 80)를 통해 노즐로 공급된다. 잉크는 페이지 정면으로부터 멀어지고 매니폴드 (80)로부터 출구 노즐로 흐른다는 것을 이해할 것이다. 노즐 판 (78) 스택은 압출 노즐을 형성하고 이를 통해 궁극적으로 슬러리는 프린트헤드에서 유출된다.
도 11은 도 10의 압출 노즐 (78)의 일부 (86) 상세도이다. 일부 (86)는 도 12에 더욱 상세히 도시된다. 프린트헤드 배향은 형성된 구조체 구성을 이해하기 위하여 중요하다. 집전체로 이루어진 기판은, 프린트헤드의 '상부'에 있고 재료는 프린트헤드에서 유출되되 예컨대 노즐 (94)에 있는 전극 재료 E는 먼저 기판에 유출되고, 이어 예컨대 노즐 (92)로부터 분리막 슬러리 S2와 함께 노즐 (96)로부터 분리막 슬러리 S3에 의해 덮인다. 분리막 슬러리 S1는 예컨대 노즐 (90)에서 프린트헤드로부터 전극 재료와 동일 위치에서 기판으로 유출된다. 프린트헤드에서 예컨대 벽 (98)은 재료가 프린트헤드의 교차 부분에서 병합부로 유출될 때 재료를 절연시킨다.
도 13은 서로 분리된 개별 슬러리를 보이고, 분리막 슬러리 및 전극 슬러리는 이들 간 및 서로 분리된다. 도 12를 참조하면 도 13-15 논의가 양호하게 이해될 것이다. 도 12에서, 프린트헤드 (62)가 블록도로 도시된다. 프린트헤드는 예컨대 분리막 슬러리를 위한 입구 포트(64) 및 전극 슬러리를 위한 입구 포트 (68)를 가진다. 프린트헤드의 제1 부분은 전극 및 분리막 슬러리의 수용 영역 (83, 81)을 가진다. 제1 병합부 (85)는 분리막 슬러리를 분리막 흐름으로 병합하고 제1 병합부의 분리 부분 (87)은 전극을 전극 흐름으로 병합한다. 제2 병합부 (89)는 분리막 흐름 및 전극 흐름을 서로 하나의 흐름으로 병합시킨 후 이들은 출구 (91)에서 프린트헤드로부터 유출된다. 슬러리가 흐르는 노즐을 향하여 출구로부터 후방으로 관찰할 때 이들은 도 14 및 15에서 도시된다.
도 14에서, 슬러리는 제1 병합부를 거쳐 모든 분리막 ‘S’ 슬러리는 함께 병합되고 모든 ‘E’ 슬러리는 함께 병합되지만, ‘S’ 슬러리 및 ‘E’ 슬러리는 여전히 서로 분별된다. 도 15에서, ‘S’ 슬러리 및 ‘E” 슬러리는 병합된다. 이러한 모든 현상은 프린트헤드 내부에서 일어나고, 형성된 일조의 슬러리가 프린트헤드로부터 병합 흐름으로 유출되고, 병합 흐름은 서로 접촉되지만 혼합되지는 않는다는 것에 주목하여야 한다.
도 16-17은 전극 재료보다 더욱 넓은 분리막 재료 층 조작 방법을 보인다. 도면에서, 재료는 페이지를 향하거나 이로부터 멀어지도록 압출된다. 분리막 재료 (50)는 전극 재료의 상부 및 측부 상의 노즐로 분배되어, 전극 재료보다 '더욱 넓은' 스트립을 형성한다. 이는 도 13에 도시된 예컨대 더욱 넓은 노즐 (92)를 사용하지 않고도 달성될 수 있다.
프린트헤드에서 재료가 유출되기 직전, 분리막 재료 (50)는 기판 (60)에 대하여 전극 재료보다 '더욱 높다'. 재료가 프린트헤드에서 유출되면, 프린트헤드의 지지가 더 이상 존재하지 않으므로 분리막 재료 (50)는 전극 재료 (52) 상으로 흐르기 시작한다. 기판 (60)에 안착되면, 분리막 (50)은 전극 재료에 정착되고 연장부 (54)를 형성한다. 연장부 (54)를 형성하는 분리막 (50) 일부는 전극 재료용 노즐 이상으로 사용되는 분리막 용 노즐 개수에 따라 달라진다.
도 19-22는 분리막 S3 상층에 또 다른 상부 층을 가지는 전지 구조체인 대안의 실시태양들을 보인다. 전형적으로, 이러한 층은 분리막의 제2 상층일 수 있지만, 제1 전극과 반대 유형의 전극 재료으로 이루어질 수도 있다. 도 19에서, 전극 (50)은 상부에 형성되는 분리막 (52)을 가진다. 본 실시태양에서, 반대 전극 (100)이 분리막 (50) 상부에 형성된다. 도 20은 도 19와 유사한 실시태양을 보이지만, 교차 전극 (56)을 가진다. 도 21 및 22는 교차 전극 부재 및 존재에서 연장부 (54)를 가지는 분리막에 부가되는 음극을 가지는 실시태양들을 보인다.
도 23은 프린트헤드의 대안의 실시태양을 보인다. 본 실시태양에서, 판 (78) 스택은 여분의 일조의 압출 노즐을 포함한다. 판(78)의 일부 (102) 확대도가 도 24에 도시된다. 본 실시태양에서, 전극 재료 옆에 기판 상에 분리막 S2을 분배하는 채널 (104)는 이전 S2 채널보다 더욱 크다. 슬러리 S3이 프린트헤드로부터 유출되는 노즐 (96)은 인접하게 예컨대 또 다른 조의 노즐 (106)을 가진다. 본 특정 실시태양에서, 예컨대 채널 (106)은 제4 슬러리 S4를 분사하여 다층 복합 분리막을 형성한다.
일 실시태양에서, S3 및 S4는 상이한 분리막 재료로 이루어진다. 건조 후, S3 및 S4 재료는 상이한 재료, 상이한 다공도, 절연성 또는 열적 특성 등을 가질 수 있다. 전기된 바와 같이, 추가 슬러리는 먼저 사용된 전극 재료 E의 반대 타입의 전극 재료일 수도 있다. 예를들면, E가 음극 재료이면, S4는 양극 재료일 수 있고, 또는 그 역일 수 있다.
이러한 방식으로, 공압출 프린트헤드는 단일 패스로 전극 구조체 주변에서 등각성 분리막을 제작할 수 있다. 등각성 분리막은 배터리 셀에서 단락을 줄이고, 더욱 안전한 전지를 보장한다. 본원의 실시태양들에서는 분리막 공정으로서 전극보다 더욱 큰 분리막 시트 절단의 필요성이 없어진다. 전극-분리막 구조체는 원하는 폭으로 줄어들 수 있고, 종래 전지 제조에서 적용된 슬릿화 조작에 대한 필요성이 감소된다.

Claims (10)

  1. 공-압출 프린트헤드로서,
    적어도 하나의 분리막 입구 포트;
    상기 분리막 입구 포트로부터 분리막 재료를 수용하도록 배열된 적어도 제1, 제2 및 제3 계열 (series)의 채널;
    적어도 하나의 전극 입구 포트;
    상기 전극 입구 포트로부터 전극 재료를 수용하도록 배열된 제4 계열의 채널;
    상기 제1, 제2, 제3, 제4 계열의 채널과 연결된 제 1 병합부로서, 상기 분리막 재료를 분리막 유동 (flow)에 병합시키고 상기 전극 재료를 전극 유동에 병합시켜 수용하도록 위치되는, 상기 제1 병합부 (merge portion);
    상기 제1 병합부에 연결된 제 2 병합부로서, 상기 제 2 병합부는 상기 분리막 유동 및 상기 전극 유동을 병합시켜 수용하도록 위치되는, 상기 제2 병합부; 및
    상기 제2 병합부에 연결된 출구 포트로서, 상기 출구 포트는 상기 상기 병합부로부터 상기 분리막 및 전극 재료들을 기판 상에 상기 분리막 재료가 상기 전극 재료의 상부 (top) 및 측부 (side)를 덮는 스택 (stack)으로 적층시키도록 배열된 출구 포트를 가지는, 공-압출 프린트헤드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 분리막 입구 포트는 3개의 분리막 입구 포트들을 포함하는, 공-압출 프린트헤드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전극 입구 포트는 2개의 전극 입구 포트들을 포함하는, 공-압출 프린트헤드.
  4. 제3항에 있어서, 상기 전극 재료는 2개의 전극 재료를 포함하는, 공-압출 프린트헤드.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제4 계열의 채널은 2개의 전극 재료들을 수용하도록 추가 배열되는, 공-압출 프린트헤드.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 병합부는 상기2개의 전극 재료들을 수용하도록 배열되는, 공-압출 프린트헤드.
  7. 제6항에 있어서, 상기 출구 포트는 상기 재료가 상기 프린트헤드에서 유출될 때 상기 분리막 재료에 의해 덮이는 서로 맞물린 스트립(interdigitated stripe)으로서 상기 2개의 전극 재료들을 적층시키도록 배열되는, 공-압출 프린트헤드.
  8. 제1항에 있어서, 추가 재료를 수용하도록 배열되는 제5 계열의 채널을 더 포함하고, 상기 제5 계열의 채널은 상기 제2 병합부에 연결되고, 상기 출구 포트는 상기 분리막 재료의 상부에 추가 재료를 적층시키도록 배열되는, 공-압출 프린트헤드.
  9. 제8항에 있어서, 상기 추가 재료는 추가 분리막 재료를 포함하는, 공-압출 프린트헤드.
  10. 제8항에 있어서, 상기 추가 재료는 상기 전극 재료와 반대 유형의 제2 전극 재료인, 공-압출 프린트헤드.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11909083B2 (en) 2018-12-28 2024-02-20 Xerox Corporation Apparatus and method for forming a multilayer extrusion comprising component layers of an electrochemical cell

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070108229A1 (en) * 2005-11-17 2007-05-17 Palo Alto Research Center Incorporated Extrusion/dispensing systems and methods
KR20140085310A (ko) * 2012-12-27 2014-07-07 팔로 알토 리서치 센터 인코포레이티드 다중-층 전지 구조를 위한 공압출 프린트 헤드

Family Cites Families (61)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3195865A (en) 1960-09-09 1965-07-20 Dow Chemical Co Interfacial surface generator
FR1308573A (fr) 1961-05-30 1962-11-09 Dow Chemical Co Procédé de mélange de masses en circulation par formation d'interfaces dans une masse fluide en circulation
US3382534A (en) 1965-08-19 1968-05-14 Monsanto Co Plate type fluid mixer
US3556833A (en) 1966-06-17 1971-01-19 Oceana International Inc Apparatus for the manufacture of multicolored and iridescent moldings
US3613173A (en) 1967-12-20 1971-10-19 Kanegafuchi Spinning Co Ltd Mix-spinning apparatus
US3583678A (en) 1969-09-15 1971-06-08 Dow Badische Co Interfacial surface generators
GB1332133A (en) 1969-09-25 1973-10-03 Beloit Corp Method of film or sheet extrusion coating and forming
US3860036A (en) 1970-11-02 1975-01-14 Dow Chemical Co Variable geometry feed block for multilayer extrusion
US3694132A (en) 1971-01-21 1972-09-26 Egan Machinery Co Extrusion die deckle means
US3949970A (en) 1974-01-02 1976-04-13 Gebrs. ter Braak B.V. Mixer
US4112520A (en) 1976-03-25 1978-09-05 Oscar Patton Gilmore Static mixer
US4222671A (en) 1978-09-05 1980-09-16 Gilmore Oscar Patrick Static mixer
US4348346A (en) 1980-07-23 1982-09-07 Champion International Corporation Polyester film extrusion with edge bead control
WO1984003470A1 (en) 1983-03-03 1984-09-13 Toray Industries Crossed polymer laminate, and process and apparatus for its production
US4511528A (en) 1983-04-13 1985-04-16 American Can Company Flow stream channel splitter devices for multi-coinjection nozzle injection molding machines
JPS614572A (ja) * 1984-06-19 1986-01-10 Fuji Photo Film Co Ltd 塗布方法及び装置
DE3831836A1 (de) 1988-09-20 1990-03-22 Kautex Maschinenbau Gmbh Verfahren und vorrichtung zum herstellen von hohlkoerpern aus thermoplastischem kunststoff
US5380479A (en) 1989-12-26 1995-01-10 The Dow Chemical Company Method and apparatus for producing multilayer plastic articles
IT1241595B (it) 1990-12-11 1994-01-19 Bottero Spa Dispositivo di taglio di cordoni di materiale di estrusione, ad esempio cordoni di vetro fuso, per un alimentatore di una macchina operatrice per tale materiale
US5094793A (en) 1990-12-21 1992-03-10 The Dow Chemical Company Methods and apparatus for generating interfacial surfaces
US5398372A (en) 1993-10-29 1995-03-21 Kaiser Aluminum & Chemical Corporation Liquid edge bead removal device
US5667818A (en) 1993-11-05 1997-09-16 Guillemette; A. Roger Extrusion system with balanced flow passage
US5516476A (en) 1994-11-08 1996-05-14 Hills, Inc, Process for making a fiber containing an additive
US5658537A (en) 1995-07-18 1997-08-19 Basf Corporation Plate-type chemical reactor
JPH09183147A (ja) 1995-12-28 1997-07-15 Mitsui Petrochem Ind Ltd 多層積層体の製造方法
JP2928789B2 (ja) 1996-04-20 1999-08-03 前田建設工業株式会社 層状材料の製造方法
US5714278A (en) 1996-07-01 1998-02-03 Valence Technology, Inc. Edge-sealed battery separator
US6337156B1 (en) 1997-12-23 2002-01-08 Sri International Ion battery using high aspect ratio electrodes
US6109006A (en) 1998-07-14 2000-08-29 Advanced Plastics Technologies, Ltd. Process for making extruded pet containers
AU6051099A (en) 1999-09-20 2001-04-24 Goodyear Tire And Rubber Company, The Faster curing rubber articles
AU2001241807A1 (en) 2000-04-07 2001-10-23 Eric Baer Polymer 1d photonic crystals
EP1309404A2 (en) 2000-08-07 2003-05-14 Nanostream, Inc. Fluidic mixer in microfluidic system
WO2002052579A1 (en) 2000-12-22 2002-07-04 Koninklijke Philips Electronics N.V. A method for producing a grid structure
JP4619000B2 (ja) 2001-07-27 2011-01-26 マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー 電池構造、自己組織化構造、及び関連方法
US6837698B2 (en) 2001-12-19 2005-01-04 3M Innovative Properties Company Multilayer coextrusion die and method
US7883670B2 (en) 2002-02-14 2011-02-08 Battelle Memorial Institute Methods of making devices by stacking sheets and processes of conducting unit operations using such devices
JP4042096B2 (ja) 2002-04-12 2008-02-06 富士フイルム株式会社 樹脂成形品の製造装置及び方法
ATE484853T1 (de) 2002-12-02 2010-10-15 Bathium Canada Inc Coextrusionsverfahren zur herstellung von dünnschicht-elektrochemischen zellen für lithium- polymer-batterien
US6981552B2 (en) 2003-03-21 2006-01-03 Halliburton Energy Services, Inc. Well treatment fluid and methods with oxidized polysaccharide-based polymers
WO2005115719A1 (ja) * 2004-05-31 2005-12-08 Toray Industries, Inc. 液体流の合流装置、および、多層フィルムの製造方法
JP4620526B2 (ja) 2005-05-24 2011-01-26 帝人デュポンフィルム株式会社 多層フィルムの製造方法およびその装置
US7765949B2 (en) * 2005-11-17 2010-08-03 Palo Alto Research Center Incorporated Extrusion/dispensing systems and methods
US20070279839A1 (en) 2006-05-30 2007-12-06 William James Miller Co-extrusion method of fabricating electrode structures in honeycomb substrates and ultracapacitor formed thereby
US7690908B2 (en) 2006-05-31 2010-04-06 Guill Tool & Engineering Co., Inc. Method and apparatus for forming high strength products
US20100216000A1 (en) * 2006-09-19 2010-08-26 Hideaki Fujita Method of producing electrode for secondary battery and secondary battery
US7922471B2 (en) 2006-11-01 2011-04-12 Palo Alto Research Center Incorporated Extruded structure with equilibrium shape
US7780812B2 (en) 2006-11-01 2010-08-24 Palo Alto Research Center Incorporated Extrusion head with planarized edge surface
CN101584065B (zh) * 2007-01-12 2013-07-10 易诺维公司 三维电池及其制造方法
US8206025B2 (en) 2007-08-07 2012-06-26 International Business Machines Corporation Microfluid mixer, methods of use and methods of manufacture thereof
US20090107546A1 (en) 2007-10-29 2009-04-30 Palo Alto Research Center Incorporated Co-extruded compositions for high aspect ratio structures
US8117983B2 (en) 2008-11-07 2012-02-21 Solarworld Innovations Gmbh Directional extruded bead control
US8215940B2 (en) 2009-03-20 2012-07-10 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Layer multiplying apparatus
US8465712B2 (en) 2009-11-12 2013-06-18 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Desulfurization apparatus and method
US20110217585A1 (en) 2010-03-02 2011-09-08 Applied Materials, Inc. Integrated composite separator for lithium-ion batteries
JP2014500597A (ja) 2010-12-05 2014-01-09 ラモット アット テル アビブ ユニバーシティ， リミテッド 薄膜バッテリの電気泳動堆積
US9589692B2 (en) 2010-12-17 2017-03-07 Palo Alto Research Center Incorporated Interdigitated electrode device
US9004001B2 (en) * 2010-12-17 2015-04-14 Palo Alto Research Center Incorporated Interdigitated finger coextrusion device
US9065093B2 (en) * 2011-04-07 2015-06-23 Massachusetts Institute Of Technology Controlled porosity in electrodes
US9085104B2 (en) 2011-07-20 2015-07-21 Nordson Corporation Sculpted extrusion die
US9120190B2 (en) * 2011-11-30 2015-09-01 Palo Alto Research Center Incorporated Co-extruded microchannel heat pipes
JP6180895B2 (ja) * 2013-11-15 2017-08-16 国立大学法人信州大学 二次電池用電極、二次電池用電極の製造方法および二次電池

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070108229A1 (en) * 2005-11-17 2007-05-17 Palo Alto Research Center Incorporated Extrusion/dispensing systems and methods
KR20140085310A (ko) * 2012-12-27 2014-07-07 팔로 알토 리서치 센터 인코포레이티드 다중-층 전지 구조를 위한 공압출 프린트 헤드

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