TW201436885A - 用於電池活性材料製造應用之高固態百分比泥漿的材料噴灑沉積的裝置 - Google Patents

用於電池活性材料製造應用之高固態百分比泥漿的材料噴灑沉積的裝置 Download PDF

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Hooman Bolandi
Mahendra C Orilall
Ajey M Joshi
Connie P Wang
Robert Z Bachrach
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Abstract

本發明揭示一種用於在基板上形成電池活性材料之方法及裝置。在一個實施例中，一種用於在基板之表面上沉積電池活性材料之裝置包括：基板輸送器系統；材料電噴灑分配器組件，安置在該基板輸送器系統上方；及第一加熱元件，鄰接於該材料噴灑組件而安置在該基板輸送器系統上方。

Description

用於電池活性材料製造應用之高固態百分比泥漿的材料噴灑沉積的裝置
本發明之實施例大體而言係關於大容量能量儲存設備及用於製造大容量能量儲存設備之方法及裝置。更具體而言，揭示用於形成電池活性材料之高固態百分比泥漿之材料噴灑沉積的方法及裝置。
諸如鋰-離子(Li-離子)電池之大容量能量儲存設備使用於愈來愈多的應用中，包括可攜式電子設備、醫療設備、運輸、並網大型能量儲存、再生能量儲存及不斷電電源供應器(uninterruptible power supply；UPS)。
Li-離子電池通常包括陽極電極、陰極電極及定位在陽極電極與陰極電極之間的隔片。鋰儲存在電極中之活性材料中。Li-離子電池之正電極中之活性電極材料通常選自鋰過渡金屬氧化物：諸如LiMn2O4、LiCoO2、LiFePO4、LiNiO2或Ni氧化物、Li氧化物、Mn氧化物及Co氧化物之組合，且包 括諸如碳或石墨之導電顆粒及黏合劑材料。石墨及介相碳微粒(meso carbon micro bead；MCMB)通常用作負電極之活性電極材料，該活性電極材料具有近似10μm之平均直徑。層夾鋰MCMB或石墨粉末分散在聚合黏合劑基質中。用於黏合劑基質之典型聚合物包括聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride；PVDF)、苯乙烯-丁二烯橡膠(Styrene-Butadiene Rubber；SBR)、羧甲基纖維素(Carboxymethyl cellulose；CMC)。聚合黏合劑用來將活性材料粉末黏合在一起以避免裂紋形成且防止集電器之表面上之活性材料粉末之崩解，並且用於良好黏著至基板。聚合黏合劑之量可在2重量%至30重量%之範圍內。Li-離子電池之隔片通常由諸如聚乙烯炮沫之微孔聚烯烴聚合物製作，且在分開的製造步驟中予以施加。
對於大多數能量儲存應用而言，能量儲存設備之充 電時間及容量為重要的參數。另外，此類能量儲存設備之大小、重量及/或費用可為顯著的限制。
用於製造用於能量儲存設備之陽極電極及陰極電極 之一種方法主要基於將陰極活性材料或陽極活性材料之黏性溶劑基粉末泥漿混合物狹縫塗覆至導電集電器上繼之以長時間加熱以形成乾燥鑄造片料。需要緩慢的乾燥製程以避免厚塗層中之裂紋，且因此所需之乾燥器之長度非常長。在蒸發溶劑之乾燥之後的電極之厚度最終藉由壓縮或壓延來確定，該壓縮或壓延調整最終層之密度及孔隙率。黏性泥漿之狹縫塗覆為極其依賴於泥漿之調配物、形成及均勻度(homogenation)之發展成熟的製造技術。所形成之活性層對乾 燥製程之速率及熱細節極其敏感。
除其他之外，此技術之問題及限制為緩慢且昂貴的 乾燥部件，該緩慢且昂貴的乾燥部件在每分鍾5公尺至40公尺的塗覆速度下需要大佔地面積(例如，高達70公尺至90公尺長)，且需要用於蒸發之揮發性組分之精密收集及再循環系統。此等組分中許多為另外需要精密消除系統之揮發性有機化合物。此外，此等類型之電極之所得電導率亦限制電極之厚度且因此限制電池組電池之能量密度。
因此，此項技術中需要用於製造大容量能量儲存設備之大批量、成本有效的製造製程及裝置。
本文所述之實施例包括材料噴灑沉積系統，該系統包括至少一基板輸送器系統及電極形成溶液分配器。在一個實施例中，一種用於在基板之表面上沉積電池活性材料之裝置包括：基板輸送器系統；材料噴灑組件，安置在該基板輸送器系統上方；及第一加熱元件，鄰接於該材料噴灑組件而安置在該基板輸送器系統上方。
在另一實施例中，該噴灑沉積為電噴灑。
在另一實施例中，一種使用於在基板之表面上沉積電池活性材料之一裝置中之材料電噴灑組件包括：歧管，其中形成有複數個噴嘴；至少一個虛設噴嘴，形成於在該歧管中形成的該等複數個噴嘴中；及提取板，耦接至該歧管，其中該提取板進一步包含形成在該提取板中之複數個孔口，該等複數個孔口與形成在該歧管中之噴嘴對準。
在又一實施例中，一種用於在基板之表面上沉積電 池活性材料之方法包括：將來自材料電噴灑分配器組件之電池活性材料沉積至基板上，該基板安置在基板輸送器系統中；及藉由複數個加熱器來加熱安置在該基板上之沉積材料，該等複數個加熱器鄰接於該材料電噴灑分配器組件而安置在該基板輸送器系統上方。該基板可以在該基板輸送器系統中連續供應之腹板形式，或為經由該基板輸送器系統移動之複數個離散基板之一。
在另一實施例中，該噴嘴之尖端塗覆有疏水性塗層。
100‧‧‧材料噴灑沉積系統
101‧‧‧基板輸送器系統
102‧‧‧基板
103‧‧‧基板輸送器系統
106‧‧‧輸送滾軸/滾軸
108‧‧‧供應捲筒
109‧‧‧芯
110‧‧‧材料電噴灑分配器組件
111‧‧‧拉緊捲筒
112‧‧‧電極形成溶液/溶液
114‧‧‧加熱器
114a‧‧‧加熱器/第一加熱器
114b‧‧‧加熱器/第三加熱器
114c‧‧‧加熱器/第二加熱器
119‧‧‧材料噴灑沉積系統
120‧‧‧材料電噴灑分配器組件
122a、122b‧‧‧第二複數個加熱器
124a、124b‧‧‧第一複數個加熱器
152‧‧‧基板輸送器系統
153‧‧‧基板輸送器系統
156‧‧‧第一複數個加熱器
158‧‧‧第一複數個輸送滾軸
158a~158d‧‧‧第一複數個輸送滾軸
159a、159b‧‧‧第二複數個輸送滾軸
162‧‧‧垂直路徑
164‧‧‧水平路徑
170‧‧‧氣刮刀
185‧‧‧材料噴灑沉積系統
188‧‧‧大體上垂直面
192‧‧‧第二複數個加熱器
194‧‧‧第一水平面
196‧‧‧第二水平面
195‧‧‧材料噴灑沉積系統
196‧‧‧第二水平面
200‧‧‧材料電噴灑分配器組件
202‧‧‧歧管
204‧‧‧噴嘴
206‧‧‧提取板
208‧‧‧孔口
210‧‧‧下表面
212‧‧‧上表面
214‧‧‧下表面
216‧‧‧頂表面
218‧‧‧虛設噴嘴
230‧‧‧接地
232‧‧‧第一電路佈置
234‧‧‧第二電路佈置
250‧‧‧距離
252‧‧‧距離
254‧‧‧寬度
260‧‧‧邊緣區域
262‧‧‧中心區域
270‧‧‧電源
272‧‧‧寬度
280‧‧‧沉積材料源
282‧‧‧流體通道
300‧‧‧材料噴灑分配器組件
302‧‧‧邊緣環
304‧‧‧邊緣
306‧‧‧尖端
308‧‧‧內徑
312‧‧‧外徑
400‧‧‧材料噴灑分配器組件
406‧‧‧傾斜噴嘴
410‧‧‧邊緣板
412‧‧‧中心板
420‧‧‧邊緣
500‧‧‧材料噴灑分配器組件
504‧‧‧傾斜板
506‧‧‧噴嘴
516‧‧‧中心板
518‧‧‧噴射角度
602‧‧‧圓柱主體/主體
606‧‧‧尖端
608‧‧‧接觸角度
612‧‧‧圓柱套管
616‧‧‧第二外徑
618‧‧‧內徑
624‧‧‧傾斜尖端
626‧‧‧角度
634‧‧‧第一外徑
V1‧‧‧第一電壓
V2‧‧‧第二電壓
為了可詳細理解本發明之上述特徵，可參閱實施例獲得以上簡要概述之本發明之更具體描述，其中一些實施例圖示於隨附圖式中。然而，應注意，隨附圖式僅圖示本發明之典型實施例，且因此不應將隨附圖式視為對本發明範疇之限制，因為本發明可允許其他同等有效的實施例。
第1A圖至第1D圖為根據本發明之不同實施例之用於在基板上形成電池活性材料層之材料噴灑沉積系統之裝置的示意圖；第2A圖為根據本發明之一個實施例用於分配電池活性材料層之安置在第1A圖至第1D圖中繪示之材料噴灑沉積系統中的材料噴灑分配器組件的示意圖；第2B圖為根據本發明之一個實施例用於分配電池活性材料層之在第2A圖中繪示之材料噴灑分配器組件的仰視圖； 第3圖為根據本發明之另一實施例用於在基板上形成電池活性材料層之其中安置有邊緣環之材料噴灑分配器組件的示意圖；第4圖為根據本發明之另一實施例用於在基板上形成電池活性材料層之其中安裝有傾斜噴嘴之材料噴灑分配器組件的示意圖；第5圖為根據本發明之另一實施例用於在基板上沉積電池活性材料層之其中安置有傾斜板之材料噴灑分配器組件的示意圖；及第6A圖至第6B圖為根據本發明之另一實施例在用於在基板上形成電池活性材料層之材料噴灑分配器組件中使用之噴嘴的橫截面視圖。
為促進理解，在可能的情況下已使用相同元件符號來指示諸圖共用之相同元件。設想在一個實施例中揭示之元件可有利地使用於其他實施例而無需贅述。
本文所述之方法及裝置包括材料噴灑沉積系統，該材料噴灑沉積系統包括至少一基板輸送器系統及材料沉積噴灑組件，該材料沉積噴灑組件安置成鄰接基板輸送器系統。材料噴灑組件包括噴嘴，該等噴嘴經設置來沉積具有良好的中心至邊緣厚度一致性、穿過膜厚度之良好的均質性之材料，且賦能於快速沉積速率。材料噴灑沉積系統在自高固態含量電極形成溶液沉積使用於諸如電池活性材料層之電極結構之一或更多材料層中尤其有用。
第1A圖至第1D圖為根據本發明之不同實施例用於 在基板上沉積電池活性材料層之材料噴灑沉積系統的示意圖。設想諸如電極形成溶液之本發明之態樣適合於在其他噴灑沉積系統中使用。第1A圖繪示材料噴灑沉積系統100，其中材料電噴灑分配器組件110安置在基板輸送器系統101上方。基板輸送器系統101中可安置有一或更多基板102。基板102之頂部界定沉積表面104，該沉積表面鄰接材料電噴灑分配器組件110而傳遞以使得材料能夠噴灑至基板102上。基板102可為襯墊、箔、薄板、膜、帶或腹板之形式。例如，基板輸送器系統101可經設置來同時移動複數個離散基板102穿過材料噴灑沉積系統100，或移動腹板形式之單個基板101。在第1A圖至第1D圖中繪示之實施例中，基板102可為自具有大體上自約6μm至約50μm之範圍內之厚度的金屬箔製造之帶或腹板之形式。在一個實施例中，基板102為腹板形式之鋁箔。
基板輸送器系統101包括供應捲筒108、至少一個 輸送滾軸106及視需要拉緊捲筒111。輸送滾軸可視需要經加熱以幫助乾燥基板102上之沉積材料。含有基板102之至少一部分的供應捲筒108纏繞在芯109上。將基板102自供應捲筒108送至輸送滾軸106以暴露基板102鄰接材料電噴灑分配器組件110之沉積表面104。可將基板102編接至其自身來形成連續腹板，使得基板102之給定區域可在材料電噴灑分配器組件110下方傳遞多次，直至已在基板102上沉積所需厚度之材料為止。或者，基板102可自供應捲筒108穿線 且如虛線所示收集在拉緊捲筒111上之前於材料電噴灑分配器組件110下方傳遞單次。
供應捲筒108係可自基板輸送器系統101移除的， 以在必要時有助於裝載含有用於處理之基板材料之另一供應捲筒。一旦在基板102上形成具有所需厚度之沉積材料，則可替換供應捲筒108。在處理之後，若未使用分開的拉緊捲筒111，則可將基板102重繞在供應捲筒108上以用於自基板輸送器系統101移除。
使用電噴灑製程，材料電噴灑分配器組件110用於 例如將沉積材料噴灑沉積在基板102上。沉積在基板102上之沉積材料可為電池活性材料層。更具體而言，在第1圖中繪示之實施例中，材料電噴灑分配器組件110定位在基板102上方且經設置來將沉積材料(亦即，電極形成溶液112)噴灑至基板102上。材料電噴灑分配器組件110可位於材料噴灑沉積系統100內之各個位置中，如第1B圖至第1D圖中繪示之不同實施例中所示。材料電噴灑分配器組件110經設置來單遍供應(例如電噴灑)越過基板102之整個寬度分配的電極形成溶液112，以便沉積具有越過基板102之一致厚度及表面粗糙度的電池活性材料層。以下進一步論述材料電噴灑分配器組件110之示例性設置之細節。
在第1A圖中繪示之實施例中，複數個加熱器114 (展示為加熱器114a、114b、114c)可分配在材料噴灑沉積系統100內以更有效地乾燥沉積之材料，用於額外材料之收集或後續沉積以用於增加沉積之層的厚度。加熱器114可幫 助乾燥噴灑至基板102上之電極形成溶液112，以便增強電極形成溶液112至基板102之黏著，且確保將電極形成溶液112一致地乾燥成均質層(亦即，無自溶液112殘餘之截留揮發成份)。在第1A圖中繪示之實施例中，第一加熱器114a可鄰接於材料電噴灑分配器組件110而安置為靠近基板102自供應捲筒108展開之處。當電極形成溶液112噴灑至基板表面104上時，來自第一加熱器114a之熱能可幫助乾燥電極形成溶液112及自該電極形成溶液蒸發揮發成份。第二加熱器114c可安置在與第一加熱器114a相對之基板102之側上。第二加熱器114c亦可幫助乾燥噴灑至基板102上之電極形成溶液112。第三加熱器114b可安置為靠近供應捲筒108(或任選的拉緊捲筒111)，以在材料已沉積在基板102上之後避免基板102在收集於捲筒中時黏貼至其自身。應注意，必要時可變化安置在材料噴灑沉積系統100中之加熱器之數目、位置及設置。
在一個實施例中，加熱器114可提供光輻射來加熱 基板102。來自加熱器114之光輻射(亦即，熱能)可用來將基板102之溫度控制在約10攝氏度與約250攝氏度之間。
氣刮刀170可安置在鄰接於供應捲筒108之位置 處，以幫助在由拉緊捲筒111拉緊或再次於材料電噴灑分配器組件110下方傳遞以用於額外沉積之材料之後續沉積之前吹掉基板102上存在之污染物或殘餘物。氣刮刀170可根據需要將空氣或其他氣體以預定流動速率提供至所經過的基板表面，以自基板102吹掉污染物或殘餘物。由氣刮刀170提 供之空氣可視需要經加熱至例如約10攝氏度與約250攝氏度之間，以進一步幫助乾燥安置在基板102上之沉積材料。
第1B圖繪示根據本發明之另一實施例用於在基板 102上沉積電池活性材料層之材料噴灑沉積系統119的示意圖。類似於第1A圖中繪示之實施例，第1B圖中之材料噴灑沉積系統119包括安置在其中之基板輸送器系統101。不同於第1A圖中繪示之材料電噴灑分配器組件110，第1B圖中之材料噴灑沉積系統119包括複數個材料電噴灑分配器組件120，以便單遍地將更多材料(亦即，更大的厚度)沉積在基板102之表面上。藉由使用具有多個材料電噴灑分配器組件120之材料噴灑沉積系統119，使用小工具佔地面積在較少時間內將諸如電池活性材料層之更多沉積材料均勻地沉積在基板102上。
另外，各自沉積一薄層之多個材料電噴灑分配器組 件120之使用容許每一薄層在下一薄層之沉積之前獲徹底乾燥。沉積材料之所得較厚層具有穿過該層之一致組成，因為揮發成份無法截留於沉積材料之中心中，此有時為塊狀層或其他快速沉積之層之狀況。此外，因為薄層快速乾燥，所以沉積之材料之厚度可比厚沉積之層積累得更快，後者需要大量時間以允許揮發成份完全自膜蒸發。因此，具有多個材料電噴灑分配器組件120之材料噴灑沉積系統119允許增加沉積產量及效率。應注意，在材料噴灑沉積系統119中使用之材料電噴灑分配器組件120之數目可根據需要變化以促進沉積效率及效能。
第一複數個加熱器124a、124b可鄰接於材料電噴灑 分配器組件120而安置在基板102上方，以幫助乾燥噴灑至基板102上之電極形成溶液112。在第1B圖中繪示之實施例中，加熱器124a、124b安置在材料電噴灑分配器組件120之間。藉由此佈置，自材料電噴灑分配器組件120噴灑之電極形成溶液112可快速乾燥且藉由鄰接電噴灑分配器組件120安置的加熱器124a、124b熱處理。此外，第二複數個加熱器122a、122b可在第一複數個加熱器124a、124b所在之處的相對側上安置於基板102下方。第二複數個加熱器122a、122b與第一複數個加熱器124a、124b類似地操作。類似於在第1A圖中設置的材料噴灑沉積系統100之結構，第三加熱器114b可安置為靠近拉緊捲筒111，在拉緊捲筒111處在第1B圖中繪示之材料噴灑沉積系統119中之沉積製程之後收集基板102。應注意，可根據需要變化安置在材料噴灑沉積系統119中之加熱器之數目、位置及設置。
第1C圖繪示用於在基板102上沉積電池活性材料層 之另一材料噴灑沉積系統185的示意圖，其中基板輸送器系統152界定用於轉移基板102之各種水平面。第一複數個輸送滾軸158(展示為輸送滾軸158a、158b、158c及158d)可安置在界定第一水平面194之基板輸送器系統153中且在該基板輸送器系統中對準。第二複數個輸送滾軸159(展示為輸送滾軸159a及159b)可對準且安置在界定第二水平面196之第一複數個輸送滾軸158下方。在第1C圖中繪示之實施例中，第一複數個輸送滾軸158包括四個滾軸158a、158b、158c、 158d，且第二複數個輸送滾軸159包括兩個滾軸159a、159b。 藉由第一複數個輸送滾軸158界定之第一水平面194(諸如在滾軸158b與滾軸158c之間)可界定用於基板102在沉積製程期間於至少一個材料電噴灑分配器組件120下方通過之水平路徑164。分別藉由第一複數個輸送滾軸158a至158d及第二複數個輸送滾軸159a至159b界定之第一水平面194及第二水平面196可產生充分延長之垂直路徑162，諸如在滾軸158與滾軸159之間。延長垂直路徑162可增加基板102在基板輸送器系統152中行進之總距離，藉此在不顯著增加材料噴灑沉積系統185之長度的情況下增加乾燥時間。第一複數個加熱器156可安置在延長之垂直路徑162下方以在材料分配至基板102上之後幫助加熱基板102。可根據需要將第二複數個加熱器192視需要安置在延長垂直路徑162上方以加熱基板102。請注意，可根據需要在任何佈置中變化安置在材料噴灑沉積系統185中之加熱器156、192之位置、設置及數目。
基板102順序地通過輸送滾軸158a、159a、158b、 158c、159b、158d中每一者，產生穿過垂直路徑162及水平路徑164之迂曲(亦即，蜿蜒)路徑，藉此延長基板102穿過系統185行進之時間總長度。藉由基板輸送器系統152產生之迂曲路徑可提供用於定位額外材料電噴灑分配器組件120之增加之位置，藉此在不增加基板輸送器系統103之佔地面積的情況下改良沉積效率，且合意地降低製造成本。
第1D圖繪示用於在基板102上沉積電池活性材料層之另一材料噴灑沉積系統195的示意圖，其中基板輸送器 系統153界定用於在向上或向下方向上轉移基板102之至少一個大體上垂直面188。除其中至少一個材料電噴灑分配器組件120定位成在基板正在大體上垂直面188內大體上垂直地移動時於基板102上沉積材料之外，材料噴灑沉積系統195大體上類似於以上所述系統而設置。額外任選的材料電噴灑分配器組件120以虛線展示以說明可藉由任選材料電噴灑分配器組件120中之一或更多在相同垂直面、第二大體上垂直面中及/或在一或更多水平面上之併入來替代地設置材料噴灑沉積系統195，藉此在不增加基板輸送器系統103之佔地面積的情況下改良沉積效率，且合意地降低製造成本。
第2A圖繪示可用於第1A圖至第1D圖中繪示之材 料噴灑沉積系統100、119、185、195中之材料電噴灑分配器組件200的示意圖。材料電噴灑分配器組件200可與安置在材料噴灑沉積系統100、119、185、195中之材料電噴灑分配器組件110、120類似地設置。材料電噴灑分配器組件200包括歧管202，該歧管具有頂表面216及下表面214。複數個噴嘴204自歧管202之下表面214耦接至該歧管。歧管202之下表面214大體上平行於定位至該歧管之基板102之部分，同時在大多數實施例中，噴嘴204中之至少一些經定向成垂直於下表面214及基板102之鄰接表面兩者。流體通道282可形成於歧管202之頂表面216上以自沉積材料源280供應沉積材料(亦即，電極形成溶液)。在一個實施例中，歧管202可由導電材料製造，該導電材料諸如鋁、不銹鋼、鎢、銅、鉬、鎳、以上之合金、以上之組合、其他適合的金屬材料等。
自沉積材料源280供應之電極形成溶液112可包含 電活性材料及導電材料。電活性材料及導電材料可在水溶液中。電極形成溶液112亦可包括諸如N-甲基吡咯酮(N-Methylpyrollidone；NMP)之溶劑或其他適合的溶劑或水。 電極形成溶液112可視情況包括黏合劑及乾燥劑中之至少一種。電極形成溶液112可具有至少約每公尺10-5西門子之基線導電率。
可使用本文所述之實施例沉積之示例性電活性材料 包括但不限於選自包含以下各項之群組之陰極活性粒子：二氧化鈷鋰(LiCoO2)、鋰二氧化錳(LiMnO2)、二硫化鈦(TiS2)、LiNixCo1-2xMnO2、LiMn2O4、鐵橄欖石(LiFePO4)及其變體(諸如LiFe1-xMgPO4))、LiMoPO4、LiCoPO4、Li3V2(PO4)3、LiVOPO4、LiMP2O7、LiFe1.5P2O7、LiVPO4F、LiAlPO4F、Li5V(PO4)2F2、Li5Cr(PO4)2F2、Li2CoPO4F、Li2NiPO4F、Na5V2(PO4)2F3、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4、Li2VOSiO4、其他合格粉末、以上之複合物及以上之組合。
可使用本文所述之實施例沉積之其他示例性電活性 材料包括但不限於選自包含以下各項之群組之陽極活性粒子：石墨、石墨烯硬碳、碳黑、碳塗覆矽、錫粒子、銅-錫粒子、氧化錫、碳化矽、矽(非晶形或晶形)、矽合金、摻雜矽、鈦酸鋰、任何其他適當電活性粉末、以上之複合物及以上之組合。
示例性乾燥劑包括但不限於異丙醇、甲醇及丙酮。 示例性黏合劑包括但不限於聚偏二氟乙烯(PVDF)及水溶性黏 合劑，諸如苯乙烯-丁二烯橡膠(SBR)及鈉羧甲基纖維素(CMC)。示例性導電材料包括但不限於碳黑(「(carbon black；CB)」)及乙炔黑(「(acetylene black；AB)」)。
電極形成溶液可具有含量大於30重量百分比(重量 %)之固體，諸如在約30重量%與約85重量%之間。在一個實施例中，電極形成溶液可具有含量介於約40重量%與約70重量%之間的固體，諸如介於約50重量%與約60重量%之間。
習知電噴灑技術限於與無固體液體或含有小於1微 米粒子之液體一起使用。本文所述之實施例賦能具有大得多的粒子大小之溶液之電噴灑。電極形成溶液內之固體大體具有比習知沉積系統更大的粒子大小，藉此允許較高的沉積速率。例如，電極形成溶液內之固體顆粒可具有在約1.0μm至約20.0μm之間的範圍內之平均直徑，諸如在約3.0μm至約15.0μm之間。存在於電極形成溶液中之固體包含活性材料及導電材料中之至少一者或兩者。可將此大粒子大小用於電池活性材料沉積之唯一已知技術為狹縫塗覆系統，該等狹縫塗覆系統如以上所論述苦於長乾燥時間及膜裂紋，且另外遭受不良的厚度一致性控制，從而使狹縫塗覆系統不適合下一代電池設備。如本文所述，材料電噴灑分配器組件200賦能於具有良好一致性控制之高固態含量電池活性材料在具有成本有效、較小佔地面積之系統中之快速沉積而無膜裂紋問題，藉此增強下一代電池設備之開發及製造。
任選提取板206中可形成有複數個孔口208，該等 複數個孔口與在歧管202中延伸之噴嘴204對準。提取板206 可具有面對歧管202之上表面212及面對基板102之下表面210。提取板206之上表面212可平行於歧管202之下表面214。提取板206可使用諸如螺絲或螺栓之適合的機械連接件、黏合材料或任何其他適合的連接技術耦接至歧管202。提取板206中之複數個孔口208可與耦接至歧管202之噴嘴204反應性對準，以便促進且限制沉積材料自沉積材料源280至基板102的流動。在一個實施例中，歧管202之下表面214至提取板206之上表面212可具有介於約5mm與約55mm之間的距離250。噴嘴204至提取板206之上表面212可具有介於約10mm與約50mm之間的距離252。
在一個實施例中，形成在提取板206中之孔口208 可具有預定大小以適應自噴嘴204供應之沉積材料之流量。 噴嘴204之不同大小可導致經由該噴嘴穿過提取板206之孔口208流動至基板表面之沉積材料之不同通量。在一個實施例中，孔口208之直徑可選擇在約0.3mm與約5mm之間。
耦接至歧管202之複數個噴嘴204可具有不同的設 置、形狀、特徵及數目以滿足不同製程要求。噴嘴204及形成於提取板206中之孔口208可共同形成允許來自材料源280之沉積材料經由該等噴嘴及孔口傳遞至基板102的材料路徑。在第2A圖中繪示之實施例中，噴嘴204可為單個直圓柱、圓錐形狀、方形形狀、卵形形狀或根據需要之任何其他不同設置之形式。以下將參閱第6A圖至第6B圖描述關於噴嘴204之設置的細節。
第一電路佈置232將材料電噴灑分配器組件200耦 接至電源270。第一電路佈置232經調適來提供功率至材料電噴灑分配器組件200。在操作中，歧管202及提取板206可各自充當電極。可將第一電壓V1施加至歧管202及提取板206，從而建立第一電場，該第一電場使通過該第一電場之沉積材料霧化。在一個實施例中，第一電壓V1可在約5千伏與約50千伏之間。第二電路佈置234耦接在材料電噴灑分配器組件200與基板102之間。因為基板102係由諸如鋁箔之金屬材料製造，所以基板102在操作期間亦可充當電極。類似地，可將第二電壓V2施加至基板102及提取板206，從而建立第二電場以賦能加速霧化經由提取板206中之孔口208傳遞至基板102上之電極形成溶液。第二電壓V2可在5千伏與約50千伏之間。基板102可例如經由滾軸106之一耦接至接地230。第二電壓V2可例如比第一電壓V1大出約5千伏。
在一個實施例中，耦接至歧管202之複數個噴嘴204 可具有經選擇以便幫助自沉積材料源280提供之沉積材料(亦即，電極形成溶液112)均勻分佈在基板102上之佈置。在一個實施例中，由電氣導電材料例如諸如不銹鋼之金屬製造的虛設噴嘴218可安置在歧管202之邊緣處，以減少因最後噴嘴204處之電場之不平衡而產生之離開最外噴嘴204之噴霧的傾斜。在一些狀況下，經由安置在歧管202之邊緣處之最外噴嘴204供應的沉積材料可具有與內噴嘴204之噴灑軌道相比之傾斜噴灑軌道，藉此不利地影響基板102之邊緣處之膜一致性。在使用安置在最後噴嘴204之外面的歧管202之末端周圍之虛設噴嘴218之實施例中，可將電壓施加至虛設 噴嘴218來與提取板206產生電場，此與噴嘴204與提取板206之間的電場形成方式相同。因此，可使電場在最外噴嘴204之外面一致地橫向延伸，使得作用於離開中心噴嘴及外噴嘴204之噴霧的電場大體上相同，藉此允許噴灑軌道在最外噴嘴與中心噴嘴204之間係實質上一致的(亦即，垂直的)，且提高基板102上之中心至邊緣沉積一致性。儘管在歧管202之每一末端處僅展示出一個虛設噴嘴218，但是應注意，虛設噴嘴可在任何合意位置處耦接至歧管202。
噴嘴204在材料噴灑分配器組件200內之佈置允許 高固態含量電極形成溶液之更大流動速率，該更大流動速率結合由材料噴灑沉積系統100或本文所述之其他系統促進之高乾燥速率導致具有一致的中心至邊緣厚度之均質電池活性材料之快速沉積。例如，材料噴灑分配器組件200之每一噴嘴204可遞送約0.15ml/min至約15.0ml/min之高固態含量(亦即，大於10重量%)電極形成溶液。
在第2A圖繪示之實施例中，材料電噴灑分配器組 件200可具有寬度272，該寬度適應一列噴嘴204。在示例性實施例中，該列可包括在單個列中對準之高達約20個噴嘴。 在噴嘴204佈置為單個列的情況下，材料電噴灑分配器組件200大體產生覆蓋基板102之整個寬度254之噴灑圖案。如此，儘管歧管202可具有大於基板102之寬度254的寬度272，但是最外噴嘴204之中心至中心距離可稍微小於基板102之寬度254，同時虛設噴嘴218之中心至中心距離可稍微大於基板102之寬度254，以確保良好的邊緣至中心沉積厚度 一致性。
第2B圖為在第1A圖至第1D圖及第2A圖中繪示之 材料電噴灑分配器組件200的仰視圖。在第2B圖中繪示之實施例中，材料電噴灑分配器組件200之噴嘴204可分組成複數個區域，其中每一區域皆藉由區域作為單元或藉由不同區域之間的噴嘴具有不同的流動屬性。例如，可將材料電噴灑分配器組件200之噴嘴204分組為安置在邊緣區域260之間的中心區域262。材料電噴灑分配器組件200之每一區域260、262可在噴嘴204之數目、噴嘴204之間的間距、所施加之電壓或穿過噴嘴204之流動速率方面不同。在一個實施例中，材料電噴灑分配器組件200之中心區域262可具有多個噴嘴204，而邊緣區域260分別僅包括單個噴嘴204。虛設噴嘴218(在第2B圖中未展示)亦可存在於如以上所論述之邊緣區域260中。
噴嘴204在材料電噴灑分配器組件200內之佈置允 許高固態含量電極形成溶液之更大流動速率，該更大流動速率結合由材料噴灑沉積系統100或本文所述之其他系統促進之高乾燥速率導致具有一致的中心至邊緣厚度之均質電池活性材料之快速沉積。例如，材料電噴灑分配器組件200之每一噴嘴204可遞送約0.15ml/min至約15.0ml/min之高固態含量(亦即，大於10重量%)電極形成溶液。
在一些實施例中，穿過位於邊緣區域260中之噴嘴 204之流動相較於穿過位於中心區域262中之噴嘴204之流動可不同，例如，速度更快。與施加至位於中心區域262中之 噴嘴204之電壓相比，此可與施加至位於邊緣區域260中之噴嘴204之較小電壓耦接，此舉補償在基板102之中心具有更快的沉積之趨勢，藉此有助於沉積電池活性材料之更一致的邊緣至中心厚度。
第3圖為具有安置在材料噴灑分配器組件300之邊 緣304處之邊緣環302之材料噴灑分配器組件300的示意圖。 材料噴灑分配器組件300包括安置在提取板206之邊緣304上的邊緣環302。邊緣環302安置在提取板206之下表面210上。在操作中，可將電壓施加至邊緣環302來以與噴嘴204相同的極性充電邊緣環302。在一個實施例中，施加至邊緣環302之電壓可為與施加至噴嘴204之電壓為相同的電壓。藉由此操作，經充電之邊緣環302可向內推動通過提取板206之鄰接孔口208之沉積材料，以便降低邊緣傾斜效應。在一個實施例中，邊緣環302可為具有大體上類似於提取板206之長度之長度的管。在另一實施例中，邊緣環302可為具有沿提取板206之邊緣304安置的中空主體之環形式。邊緣環302可具有介於約0.5mm與約5.0mm之間的內徑308及介於約1mm與約20mm之間的外徑312。
第4圖繪示其中形成有傾斜噴嘴204之材料噴灑分 配器組件400的另一實施例。材料噴灑分配器組件400係由多個板形成來便於在材料噴灑分配器組件400之中心或邊緣處具有不同設置之噴嘴的替換。在一個實施例中，材料噴灑分配器組件400具有中心板412，該中心板具有耦接至中心板412之兩個末端之兩個邊緣板410。邊緣板410可具有自邊緣 板410延伸之一或更多虛設噴嘴218。
在一個實施例中，傾斜噴嘴406可形成在中心板412之邊緣420處。鹹信，傾斜噴嘴406可幫助將沉積材料更向內地導引至基板102之中心，以便降低最外噴灑軌道之傾斜效應且藉此改良在基板102上形成之沉積膜之厚度一致性。傾斜噴嘴406可為耦接至中心板412之噴嘴中之最外噴嘴。或者，傾斜噴嘴406可位於中心板412中之另一適合位置中。請注意，傾斜噴嘴406亦可設置成不同設置，該等不同設置諸如圓錐形狀、方形形狀、卵形形狀或其他適合的設置。以下將參閱第6B圖進一步論述關於傾斜噴嘴406之更多細節。
第5圖繪示具有傾斜板504之材料噴灑分配器組件500的另一實施例。材料噴灑分配器組件500之傾斜板504耦接至中心板516之相對末端。傾斜板504可具有自傾斜板504延伸之至少一個噴嘴506。儘管在第5A圖中僅展示出一個噴嘴506，但是應注意，額外噴嘴506可根據需要自傾斜板504延伸。因為傾斜板504係相對於水平面成角度耦接至中心板516，所以自該傾斜板供應之沉積材料在向內軌道中朝向基板102之中心導引。沉積材料可自連接至傾斜板504及中心板516兩者之沉積材料源280或自分開的、獨立控制的沉積材料源供應。材料噴灑分配器組件500中之傾斜板504之角度可經調整來控制噴射至基板102上之離開噴嘴506之電極形成溶液之角度，以便有效地最小化可影響膜一致性的以上所述邊緣噴嘴效應。在一個實施例中，形成於邊緣傾斜板504中之噴嘴506可具有相對於平行於基板102之表面之水平面 介於約10度與約60度之間的噴射角度518。
第6A圖至第6B圖為具有用於在基板上形成電池活 性材料層之不同設置之噴嘴204的橫截面視圖。在第6A圖中繪示之實施例中，噴嘴204具有圓柱主體602，該圓柱主體具有圓柱套管612，該圓柱套管耦接至尖端606。尖端606自圓柱套管612逐漸變細。圓柱套管612具有第一外徑634，且尖端606之遠端具有第二外徑616。第二外徑616小於第一外徑634，藉此界定尖端606之錐度。在一個實施例中，尖端606相對於噴嘴204之中心線的錐度小於由元件符號618說明之約49度，例如約45度(具有+0/-4度公差)。
離開噴嘴204之沉積材料可使噴嘴204之尖端606 濕潤且逐漸出現在該尖端上，藉此不合意地增加離開噴嘴之材料流之直徑，從而使製程控制困難且不合意地增加噴嘴之間的潛在成弧(arcing)。選擇電極形成溶液流經之第一外徑634與內徑618之間的比率平衡獲得高沉積速率同時最小化噴嘴之間的成弧的潛在性的能力。例如，已表明，當噴嘴204以噴嘴中心線之間僅12mm或甚至9mm之距離間隔時，第一外徑634與內徑618之間的比率為4：1及3：1將在無弧的情況下提供良好的沉積結果。
在某些實施例中，自尖端606離開朝向基板表面之 材料之有效直徑可由塗佈至噴嘴204之尖端306及/或主體602之外部的疏水性塗層控制，以改變(亦即，增加)在小液滴與噴嘴204之尖端606之間形成的接觸角度608且防止由沉積材料使噴嘴變濕。在一個實施例中，接觸角度608可控 制為大於20度，諸如大於30度，例如介於約20度與約90度之間。在一個實施例中，用來塗覆在尖端606上之疏水性塗層可為聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene；PTFE)、全氟癸基三氯矽烷(perfluorodecyltrichlorosilane；FDTS)等。
亦已發現，將尖端606製造成具有光滑外表面將亦 最小化噴嘴204之濕潤。在一個實施例中，尖端606之外表面製造成具有約16 Ra之表面粗糙度或更光滑。
第6B圖繪示用於具有傾斜尖端624之噴嘴406(先 前在第4圖中繪示)的另一實施例。噴嘴406包括圓柱主體602，該圓柱主體具有圓柱套管612，該圓柱套管耦接至傾斜尖端624。傾斜尖端624自圓柱套管612延伸。傾斜尖端624具有與水平面成介於約20度與約60度之間的角度626。傾斜尖端624可使用來導引離開噴嘴之噴霧的軌道，此可對於定位在噴灑分配器組件之邊緣處之噴嘴控制邊緣至中心沉積厚度一致性尤其有益。
雖然前述內容針對本發明之實施例，但是在不脫離 本發明之基本範疇的情況下可設想本發明之其他及進一步實施例。
200‧‧‧材料電噴灑分配器組件/材料噴灑分配器組件
202‧‧‧歧管
204‧‧‧噴嘴
206‧‧‧提取板
208‧‧‧孔口
210‧‧‧下表面
212‧‧‧上表面
214‧‧‧下表面
216‧‧‧頂表面
218‧‧‧虛設噴嘴
230‧‧‧接地
232‧‧‧第一電路佈置
234‧‧‧第二電路佈置
250‧‧‧距離
252‧‧‧距離
254‧‧‧寬度
270‧‧‧電源
272‧‧‧寬度
280‧‧‧沉積材料源/材料源
282‧‧‧流體通道

Claims (20)

  1. 一種用於在一基板之一表面上沉積一電池活性材料之裝置，該裝置包含：一基板輸送器系統；一材料噴灑組件，安置在該基板輸送器系統上方；及一第一加熱元件，鄰接於該材料噴灑組件而安置在該基板輸送器系統上方。
  2. 如請求項1所述之裝置，其中該材料噴灑組件為電噴灑組件，該電噴灑組件進一步包含：安置在該材料噴灑組件之一邊緣處之一第一噴嘴及安置在該第一噴嘴之內部之一第二噴嘴，該第一噴嘴具有相對於該第二噴嘴之一向內傾角。
  3. 如請求項1所述之裝置，其中該基板輸送器系統進一步包含：一第二加熱元件，遠離該材料噴灑組件而安置在該基板輸送器系統中。
  4. 如請求項1所述之裝置，其中該基板輸送器系統進一步包含：一氣刮刀，鄰接於該基板輸送器系統而安置，該氣刮刀經設置來提供空氣到該基板輸送器系統中。
  5. 如請求項1所述之裝置，其中該材料噴灑組件進一步包含：複數個噴嘴，在該材料噴灑組件之一邊緣處具有大於在中心處之一噴嘴密度。
  6. 如請求項1所述之裝置，其中該材料噴灑組件進一步包含：一歧管，其中形成有複數個噴嘴；及一提取板，耦接至該歧管。
  7. 如請求項6所述之裝置，其中該提取板進一步包含：形成在該提取板中之複數個孔口，該等複數個孔口與形成在該歧管中之該等噴嘴對準。
  8. 如請求項6所述之裝置，其中該歧管進一步包含：至少一個虛設噴嘴，形成在該歧管之一邊緣處。
  9. 如請求項6所述之裝置，其中形成在該歧管中之該等複數個噴嘴進一步包含：一傾斜噴嘴，形成在該歧管之一邊緣處。
  10. 如請求項1所述之裝置，其中該材料噴灑組件進一步包含：多個區域，形成在該材料噴灑組件中。
  11. 如請求項1所述之裝置，其中該材料噴灑組件進一步包含：一疏水性塗層，塗覆在該等噴嘴中之至少一個上。
  12. 如請求項6所述之裝置，該裝置進一步包含：一邊緣環，安置在該提取板之一邊緣上。
  13. 一種材料噴灑組件，用於在一基板之一表面上沉積一電池活性材料之一裝置中，該材料噴灑組件包含：一歧管，其中形成有複數個噴嘴；至少一個虛設噴嘴，形成在該等複數個噴嘴中，該等複數個噴嘴形成在該歧管中；及一提取板，耦接至該歧管，其中該提取板進一步包含形成在該提取板中之複數個孔口，該等複數個孔口與形成在該歧管中之該等噴嘴對準。
  14. 如請求項13所述之材料噴灑組件，該組件進一步包含：一邊緣環，耦接至該提取板之一邊緣。
  15. 如請求項13所述之裝置，其中該虛設噴嘴形成在該歧管之一邊緣處。
  16. 如請求項13所述之裝置，其中該歧管進一步包含： 形成在該歧管中之多個區域，每一區域皆具有不同的噴嘴設置。
  17. 如請求項13所述之裝置，其中形成在該歧管中之該等複數個噴嘴進一步包含：一傾斜噴嘴，形成在該歧管之一邊緣處。
  18. 如請求項13所述之裝置，其中該材料噴灑組件進一步包含：一中心板；一傾斜板，耦接至該中心板，其中該傾斜板可具有與一水平面成介於約20度與約60度之間的一角度。
  19. 如請求項13所述之裝置，其中該材料噴灑組件進一步包含：一疏水性塗層，塗覆在該等噴嘴中之至少一個之一尖端上。
  20. 一種用於在一基板之一表面上沉積一電池活性材料之方法，該方法包含以下步驟：將來自一材料電噴灑分配器組件之電池活性材料沉積至一基板上，該基板安置在一基板輸送器系統中；及藉由複數個加熱器來加熱安置在該基板上之該等沉積材料，該等複數個加熱器鄰接於該材料電噴灑分配器組件而安 置在該基板輸送器系統上方。
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