[发明专利]用于电池活性材料制造应用的高固体百分比浆料的材料喷雾沉积的装置

说明书

发明背景

发明领域

本发明的实施例大体而言涉及大容量能量储存器件及用于制造大容量能量储存器件的方法及装置。更具体而言，公开用于形成电池活性材料的高固体百分比浆料的材料喷雾沉积的方法及装置。

相关技术的描述

诸如锂-离子(Li-离子)电池这样的大容量能量储存器件使用于愈来愈多的应用中，包括可携式电子设备、医疗设备、运输、并网大型能量储存、再生能量储存及不断电电源供应器(uninterruptiblepowersupply；UPS)。

Li-离子电池通常包括阳极电极、阴极电极及定位在阳极电极与阴极电极之间的隔片。锂储存在电极中的活性材料中。Li-离子电池的正电极中的活性电极材料通常选自锂过渡金属氧化物：诸如LiMn₂O₄、LiCoO₂、LiFePO₄、LiNiO₂或Ni氧化物、Li氧化物、Mn氧化物及Co氧化物的组合，且包括诸如碳或石墨这样的导电颗粒及黏合剂材料。石墨及介相碳微粒(mesocarbonmicrobead；MCMB)通常用作负电极的活性电极材料，所述活性电极材料具有近似10μm的平均直径。层夹锂MCMB或石墨粉末分散在聚合黏合剂基质中。用于黏合剂基质的典型聚合物包括聚偏氟乙烯(Polyvinylidenefluoride；PVDF)、苯乙烯-丁二烯橡胶(Styrene-ButadieneRubber；SBR)、羧甲基纤维素(Carboxymethylcellulose；CMC)。聚合黏合剂用来将活性材料粉末黏合在一起以避免裂纹形成且防止集电器的表面上的活性材料粉末的崩解，并且用于良好黏着至基板。聚合黏合剂的量可在2重量％至30重量％的范围内。Li-离子电池的隔片通常由诸如聚乙烯炮沫的微孔聚烯烃聚合物制作，且在分开的制造步骤中予以施加。

对于大多数能量储存应用而言，能量储存器件的充电时间及容量为重要的参数。另外，此类能量储存器件的大小、重量及/或费用可为显著的限制。

用于制造用于能量储存器件的阳极电极及阴极电极的一种方法主要基于将阴极活性材料或阳极活性材料的黏性溶剂基粉末浆料混合物狭缝涂覆至导电集电器上继的以长时间加热以形成干燥铸造片料。需要缓慢的干燥工艺以避免厚涂层中的裂纹，且因此所需的干燥器的长度非常长。在蒸发溶剂的干燥之后的电极的厚度最终由压缩或压延来确定，所述压缩或压延调整最终层的密度及孔隙率。黏性浆料的狭缝涂覆为极其依赖于浆料的调配物、形成及均匀度(homogenation)的发展成熟的制造技术。所形成的活性层对干燥工艺的速率及热细节极其敏感。

除其它之外，此技术的问题及限制为缓慢且昂贵的干燥部件，所述缓慢且昂贵的干燥部件在每分钟5米至40米的涂覆速度下需要大占地面积(例如，高达70米至90米长)，且需要用于蒸发的挥发性成分的精密收集及再循环系统。这些成分中许多为另外需要精密消除系统的挥发性有机化合物。此外，这些类型的电极的所得电导率亦限制电极的厚度且因此限制电池组电池的能量密度。

因此，此项技术中需要用于制造大容量能量储存器件的大批量、成本有效的制造工艺及装置。

发明内容

本文所述的实施例包括材料喷雾沉积系统，所述系统至少包括基板输送系统及电极形成溶液分配器。在一个实施例中，一种用于在基板的表面上沉积电池活性材料的装置包括：基板输送系统；材料喷雾组件，安置在所述基板输送系统上方；及第一加热元件，邻接于所述材料喷雾组件而安置在所述基板输送系统上方。

在另一实施例中，所述喷雾沉积为电喷雾。

在另一实施例中，一种使用于在基板的表面上沉积电池活性材料的装置中的材料电喷雾组件包括：歧管，其中形成有多个喷嘴；至少一个虚拟喷嘴，形成于在所述歧管中形成的所述多个喷嘴中；及提取板，耦接至所述歧管，其中所述提取板进一步包含形成在所述提取板中的多个孔，所述多个孔与形成在所述歧管中的喷嘴对准。

在又一实施例中，一种用于在基板的表面上沉积电池活性材料的方法包括：将来自材料电喷雾分配器组件的电池活性材料沉积至基板上，所述基板安置在基板输送系统中；及通过多个加热器来加热安置在所述基板上的沉积材料，所述多个加热器邻接于所述材料电喷雾分配器组件而安置在所述基板输送系统上方。所述基板可以在所述基板输送系统中连续供应的腹板形式，或为经由所述基板输送系统移动的多个离散基板之一。