TW201438871A - 多層電池結構用之共擠壓印刷頭 - Google Patents

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Abstract

一共擠壓印刷頭能夠在一單程(single pass)中垂直地擠出至少兩層，並具有一第一入口埠，其連接至一第一歧管；一第一系列的通道，其連接至該第一入口埠，並安排為接收來自該第一入口埠之一第一流體；一第二入口埠，其連接至一第二歧管或該第一歧管的任一個；一第二系列的通道，其連接至該第二入口埠，並安排為接收來自該第二入口埠之一第二流體；該印刷頭之一合併部分，其連接至該第一及第二系列的通道，該合併部分係安排為接收該第一及第二流體；及一出口埠，其連接至該合併部分，該出口埠係安排為在一基板上將來自該合併部分的該第一及第二流體沈積為一垂直堆疊。

Description

多層電池結構用之共擠壓印刷頭
電池製造需要對陰極、陽極與隔板材料進行不同的處理。此導致高生產成本，其仍是欲在關鍵電動車及電網儲存市場中採用的阻礙。習知的鋰離子電池生產由典型在分開的室中將陽極與陰極材料漿料塗布至可稱為箔的電流收集器上所構成。接著對它們進行壓延(calendared)，其包含將它們壓平、使它們乾燥以及重捲該箔。接著將該箔切開為所需尺寸並重捲。在電池組裝期間，陽極與陰極隨後疊層在一起，且在其間具有隔板材料，之後在最終組裝期間封入罐或外殼內。此製程典型包括6個以上捲繞/展開(捲起)操作，其各自具有自身的成本及可能的產量損失。
當前的多層塗布方法典型利用狹槽或滑件塗布器。藉由堆疊模具或分配板，這些工具可同時塗布高達3層。不過，具有較低微粒負載之較低黏度的糊劑不具有適當的層邊界控制。依據糊劑的黏度，這些方法中所用的模具或印刷頭亦可具有速度限制，如美國專利第7,700,019號中所討論的。
美國專利第7,700,019號中的方法提出一方法，其使用狹槽模具進行多層擠壓，以用於在具有聚合物電解質薄板的電流收集器上製造垂直的電極材料層。此專利揭示狹槽塗布，且無法處理提供較佳電池結構之高微粒負載或黏度的糊劑。
另一方法係於美國專利第7,799,371號中揭示，在其中藉由個別的孔口出口製造一多層金屬堆疊，以致分配糊劑層位於彼此的頂部之上。在此方法中，材料合併在一起，並在印刷頭外側形成多層結構。若在沈積期間基板或印刷頭偏移，此可導致層間對位的問題。
與狹槽塗布器相反的共擠壓印刷頭及共擠壓製程已在若干個美國專利及美國專利申請案中討論。這些類型之電池電極的範例係在美國專利第7,765,949號、第7,780,812號、第7,922,471號以及美國專利公報第20120156364號及第20120153211號中討論。美國專利第7,765,949號揭示一用於在基板上擠出及分配材料的裝置，該裝置具有至少兩個用於容納材料的通道以及一用於將材料擠出到基板上的出口埠。美國專利第7,780,812號揭示另一個這類裝置，其具有一經平坦化的邊緣表面。美國專利第7,922,471號揭示另一個這類裝置，其係用於擠出具有平衡形狀的材料，該形狀在沈積至基板上之後不會沉降(settle)。美國專利公報第20120156364號及第20120153211號揭示一共擠壓頭，其將二或多個材料流在一基板上結合成為一交錯排列結構，其中有多個材料帶。這些討論沒有一個提出共擠壓 多層結構。
10‧‧‧步驟
11‧‧‧步驟
12‧‧‧步驟
13‧‧‧步驟
14‧‧‧步驟
15‧‧‧步驟
16‧‧‧步驟
17‧‧‧步驟
18‧‧‧步驟
19‧‧‧步驟
20‧‧‧步驟
22‧‧‧基板
24‧‧‧塗布頭
26‧‧‧輸送滾輪
28‧‧‧材料
30‧‧‧系統
40‧‧‧陽極
42‧‧‧隔板
44‧‧‧基板
46‧‧‧交錯排列陰極
48‧‧‧活性材料
50‧‧‧中間材料
52‧‧‧活性材料
54‧‧‧中間材料
60‧‧‧製造製程
62‧‧‧步驟
64‧‧‧步驟
66‧‧‧步驟
68‧‧‧步驟
70‧‧‧步驟
80‧‧‧印刷頭
82‧‧‧基板
84‧‧‧頂部材料
86‧‧‧中央材料
88‧‧‧下部材料
90‧‧‧材料
92‧‧‧材料
94‧‧‧隔板材料
96‧‧‧陽極材料
98‧‧‧出口孔口
100‧‧‧第一平板
102‧‧‧密封襯墊
104‧‧‧雙邊歧管
106‧‧‧第一支組
108‧‧‧薄板
110‧‧‧薄板
112‧‧‧薄板
114‧‧‧薄板
116‧‧‧支組
118‧‧‧薄板
120‧‧‧薄板
122‧‧‧薄板
124‧‧‧薄板支組
126‧‧‧薄板
128‧‧‧薄板
130‧‧‧薄板
132‧‧‧雙邊歧管
134‧‧‧密封襯墊
136‧‧‧頂板
140‧‧‧通道
142‧‧‧通道
143‧‧‧通道
144‧‧‧通道
146‧‧‧通道
第1圖顯示根據先前技術之一製造電池的方法之一實施例。
第2圖顯示一狹槽塗布系統塗布一電流收集器之一實施例。
第3至6圖顯示共擠壓材料的實施例。
第7圖顯示一製造垂直堆疊之電池結構的方法之一實施例的流程圖。
第8圖顯示能夠擠出三個垂直堆疊材料之一共擠壓印刷頭之一實施例。
第9圖顯示一共擠壓印刷頭之一實施例的側視圖，該共擠壓印刷頭能夠在一次通過中擠出一垂直堆疊的電池結構。
第10圖顯示一完全組裝之多層共擠壓印刷頭的側視圖。
第11圖顯示由一組平板構成之一多層共擠壓印刷頭之一實施例。
第12圖顯示由一組平板構成之一多層共擠壓印刷頭之一部分的分解圖。
第1圖顯示一製造電池的製程之一範例。兩製程非常類似，但發生在分開的無塵室中。舉例來說，製程始於在10及11處形成陰極或陽極的漿料。接著在步驟12及13處退繞及塗布電流收集器。之後在14及 15處針對厚度壓延經塗布的收集器。接著在16及17處使經壓延的收集器乾燥，以移除溶劑。之後重繞經壓延及乾燥的收集器。在18及19處，收集器接著展開，並切開為特定電池所需的尺寸，之後再重繞。在20處，箔接著再次展開，並與其間的隔板疊層在一起。之後，在最終的電池組裝期間，將成品封入罐或外殼內。
當前，多層塗布的較佳方法係在第2圖所示的系統30中使用狹槽或滑件塗布器。在這些系統中，塗布頭24在藉由輸送滾輪26通過時以材料28塗布基板22。狹槽塗布器通常沈積單一材料層，其較為了製成高效率電池結構而具有足夠粒子負載的糊劑薄並具有較低黏度。另外，狹槽塗布器無法在單程中從相同的印刷頭設備製造出電極及隔板兩者，狹槽塗布機器亦無法製造出交錯排列的陰極與陽極。
第3至6圖顯示共擠壓材料的實施例。第3圖顯示先前技術之共擠壓材料的實施例。可或可不由電流收集器構成的基板接收交錯排列材料帶40及42。在一實施例中，材料40可為相同材料或兩種不同材料，一種係用於陰極與陽極，或可由相同材料構成。或者，作為範例，其可為可以電解質填充之高度多孔材料，或可以電解質置換之犧牲材料。須注意此處的材料將意指流體，其包括漿料及糊劑或任何類型之可通過印刷頭使之流動(無論如何緩慢)的材料。
反之，此處揭示的實施例垂直地堆疊材料而非並排地分配材料。第4圖顯示垂直堆疊於基板44上的 材料40及42，以顯示差異。這些材料係在一次通過(one pass)中從此處所討論的印刷頭同時沈積。第3及4圖的實施例可具有不同比例。
使用此印刷頭，將可進一步的修改。第5圖顯示一垂直堆疊的電池結構之一第一實施例，該結構具有陽極40、隔板42及交錯排列陰極46。此實施例中的交錯排列(interdigitated)陰極46由活性材料48及中間材料50構成。中間材料50可為犧牲材料(sacrifical rmaterial)，其係燒盡或以其他方式移除，之後以液體或膠體電解質置換。另一可行性在於材料50可為高度多孔材料，其之後將填以液體或膠體電解質。其他類型的材料當然可行。
第6圖顯示垂直堆疊材料的另一可行修改。在此實施例中，陽極與陰極兩者均為交錯排列。陽極40由活性材料52及中間材料54的交錯排列帶構成。活性材料典型將異於陰極的活性材料，但中間材料可為犧牲材料或高度多孔的陽極材料，其之後將填以液體或膠體電解質。這些實施例的任何實施態樣可與其他實施例的實施態樣(例如，具有交錯排列陽極但無交錯排列陰極或材料上有所變化等)混合。此外，製造這些結構的製程遠比第1圖的製程簡單。
第7圖顯示用於垂直堆疊結構的製造製程60之一實施例。類似於第1圖的製程，陽極、陰極及隔板漿料係在62處形成。此處的差異在於形成隔板漿料，因為先前的製程將隔板薄板放入作為最終步驟。此外，漿 料本身典型將不同。如先前所提及，用於狹槽塗布的陽極與陰極液體材料通常具有較可用於此處之漿料更低的黏度及更低位準的粒子負載。較高的粒子負載及黏度致能導致更佳電性能之不同的結構。
在64處，將漿料載入多層共擠壓印刷頭，且全部的三種材料均在一次通過中沈積至基板上。在此實施例中，基板將為電池結構中之兩個電流收集器之一者。須注意此處的實施例係關於具有三種材料的電池結構，但可使用多於或少於3種材料，並可用於除了電池之外的結構。
一旦將材料沈積至基板上，基板及材料可在66處針對厚度控制進行壓延。取決於所用的材料與製程，壓延可為不必要的。經壓延的基板接著在68處進行乾燥，以除去溶劑及其他無關的材料。所得的結構接著與剩餘的電流收集器一起組裝為其最終形式。再次，此僅為可由此印刷頭及製程產生之一結構之一範例。
第8圖顯示這一類印刷頭80之一範例。在此實施例中，印刷頭具有3個材料路徑，但可利用更多或更少的材料。在此範例中，印刷頭具有從一第一流體路徑開始流動之下部材料88。中央材料86從一第二流體路徑開始流動，且頂部材料84從一第三流體路徑開始流動。三種材料係同時沈積至基板82上。這些實施例之一實施態樣為材料在印刷頭內側一起，而非在流體離開印刷頭之後流動。當材料在印刷頭外側一起流入它們的層時，在一尾部中，在其中最下部的材料從中央材料的下 方突出，且中央材料將從頂部材料層的下方突出。另外，在印刷頭的移動中若有任何種類的攪動，該等層可失去其間的對位。
第9圖顯示使用四種材料的多層共擠壓印刷頭80之一實施例的側視圖，其中在沈積垂直堆疊的材料時，有兩種材料係水平地交錯。材料90及92係藉由流動路徑而水平地交錯，以在出口孔口98處形成交錯排列層。在一實施例中，此交錯排列層將形成電池結構的陰極。隔板材料94從一第二流動路徑開始流動，且陽極材料96從一第三路徑開始流動。這些材料將一起退出孔口98，以形成如第5圖所見的垂直堆疊結構。第10圖顯示印刷頭80已完全組裝後，以致僅可見到出口孔口98之一實施例。
第11圖顯示一多層共擠壓印刷頭之一特定實施例。雖然印刷頭由多層構成，但「多層」一詞意指所得的堆疊結構。此處的實施例具有第一平板100，其可稱為夾具平板。在一實施例中，夾具平板由鋼板構成，但可在平板上施加足夠壓力使之保持平坦的任何剛性材料將滿足需要。密封襯墊102位於夾具平板的旁邊。雙邊歧管104分配2陰極或陽極材料，以形成交錯排列的陰極或陽極結構。印刷頭薄板之第一支組106中的薄板或平板形成用於交錯排列陰極或陽極的流體通道。在此實施例中，第一組106由薄板108、110及112構成。須注意雖然此討論的一些內容可假設陰極係藉由下部薄板產生，但其亦可產生陽極。
薄板114為用於陰極或陽極以及隔板流體的合併或轉移薄板。在另一支組116中的薄板(在此情況下為薄板118及120)形成用於隔板的流體通道。隔板材料與陽極材料在薄板122的通道中合併。由薄板126、128及130構成的薄板支組124提供用於陽極的流體通道。雙邊歧管132提供用於陽極與隔板的流體分配。接著以密封襯墊134及頂板136密封薄板組的頂部。典型地，形成印刷頭的薄板組係藉由可拴緊確保堆疊密封的螺栓來固定在一起。層與層之間的對位係藉由對準平板或薄板上的特徵結構來確保。
第12圖顯示薄板支組之一的分解圖，在此情況下，結合用於陰極與陽極之兩流體的支組106導致交錯排列的陰極或陽極。平板110具有如圖中所定向之朝向平板背面的通道143，且平板108具有通道142。這些通道142及143容納來自歧管的第一陰極材料。類似地，平板110具有通道144，且平板108具有通道140。這些通道144及140容納來自歧管的第二陰極材料。平板112具有通道146，其將第一及第二陰極材料合併為交錯排列的陰極層。如上文所討論，交錯排列陰極材料之後往上流至合併及轉移薄板114，以與來自隔板流動路徑的材料合併。
印刷頭的許多變化及修改當然可行。可行的修改之一為第11圖中的陽極薄板組124可以類似組106中的薄板置換，以形成交錯排列陽極。將需要添加一額外的分配路徑至陽極/隔板歧管或陰極歧管，並形成接受 5種分開流體且將它們合併為電池結構的印刷頭。另一修改將簡化薄板為2層結構，意指僅使用2種材料來形成結構。此將藉由從組件移除適當的薄板與歧管來實現。
以此方式，可在基板上形成一具有垂直堆疊材料的結構。該堆疊可具有二或多層，且該堆疊可形成電池結構或其他類型的結構。該等層可由一或多層交錯排列材料構成。在一實施例中，該結構為由三層(陽極、陰極與隔板)構成的電池。在另一實施例中，該陰極由兩種交錯對插的材料構成。在尚有另一實施例中，該陽極亦由兩種交錯對插的材料構成。不管結構或層的數目為何，所得的結構具有在一次通過中沈積的垂直堆疊層。
80‧‧‧印刷頭
82‧‧‧基板
84‧‧‧頂部材料
86‧‧‧中央材料
88‧‧‧下部材料

Claims (10)

  1. 一種共擠壓印刷頭，其能夠在一單程中垂直地擠出至少兩層，並包括：一第一入口埠，其連接至一第一歧管；一第一系列的通道，其連接至該第一入口埠，並安排為接收來自該第一入口埠之一第一流體；一第二入口埠，其連接至一第二歧管或該第一歧管的任一者；一第二系列的通道，其連接至該第二入口埠，並安排為接收來自該第二入口埠之一第二流體；該印刷頭之一合併部分，其係連接至該第一及第二系列的通道，該合併部分係安排為接收該第一及第二流體；及一出口埠，其係連接至該合併部分，該出口埠係安排為在一基板上將來自該合併部分的該第一及第二流體沈積為一垂直堆疊。
  2. 如請求項1之共擠壓印刷頭，其中該第一及第二流體為相同流體。
  3. 如請求項1之共擠壓印刷頭，其中該第一及第二流體為不同流體。
  4. 如請求項1之共擠壓印刷頭，其進一步包括一第三入口埠，該第三入口埠係安排為接收一第三流體；及一第三組通道，其係連接至該合併部分。
  5. 如請求項1之共擠壓印刷頭，其中該第一入口埠及該第二入口埠駐於該合併部分的相對側上。
  6. 如請求項1之共擠壓印刷頭，其中該印刷頭包括一組堆疊在一起的平板，其中該第一及第二入口埠駐於不同的平板上。
  7. 一種製造一垂直堆疊的電結構之方法，該方法包含以下步驟：形成一陽極漿料、一陰極漿料及一隔板漿料；及使用一多層共擠壓印刷頭在一次通過中將該陽極漿料、陰極漿料及隔板漿料沈積至一基板上，並形成一中間電池結構。
  8. 如請求項7之方法，其進一步包含在該中間電池結構相對於該第一電流收集器之一側的一側上安裝一第二電流收集器，以形成一最終電池結構。
  9. 如請求項7之方法，其中沈積包含移動該基板通過該多層共擠壓印刷頭，其中該印刷頭係固定在適當位置。
  10. 如請求項7之方法，其中沈積包含相對該基板移動該印刷頭，其中該基板係固定在適當位置。
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