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 |
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| 申请号 | CN201480009960.2 | 申请日 | 2014-03-04 | 公开(公告)号 | CN105247705A | 公开(公告)日 | 2016-01-13 |
| 申请人 | 应用材料公司; | 发明人 | 胡曼·博兰蒂; 马亨德拉·C·奥廖拉; 阿耶·M·乔希; 康妮·P·王; 罗伯特·Z·巴克拉克; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开一种用于在 基板 上形成 电池 活性材料的方法及装置。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；材料电喷雾分配器组件，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。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于在基板的表面上沉积电池活性材料的装置，所述装置包含： |
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| 说明书全文 | 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 [0001] 发明背景发明领域 [0003] 相关技术的描述 [0004] 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(uninterruptible power supply；UPS)。 [0005] 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(meso carbon micro bead；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(Polyvinylidene fluoride；PVDF)、苯乙烯-丁二烯橡胶(Styrene-Butadiene Rubber；SBR)、羧甲基纤维素(Carboxymethyl cellulose；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。 [0006] 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。 [0007] 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。 [0008] 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。 [0009] 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[0010] 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。 [0011] 在另一实施例中，所述喷雾沉积为电喷雾。 [0012] 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。 [0013] 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。 [0014] 在另一实施例中，所述喷嘴的尖端涂覆有疏水性涂层。 [0016] 为了可详细理解本发明的上述特征，可参阅实施例获得以上简要概述的本发明的更具体描述，其中一些实施例图示于附图中。然而，应注意，附图仅图示本发明的典型实施例，且因此不应将附图视为对本发明范围的限制，因为本发明可允许其它同等有效的实施例。 [0017] 图1A至图1D为根据本发明的不同实施例的用于在基板上形成电池活性材料层的材料喷雾沉积系统的装置的示意图； [0018] 图2A为根据本发明的一个实施例用于分配电池活性材料层的安置在图1A至图1D中绘示的材料喷雾沉积系统中的材料喷雾分配器组件的示意图； [0019] 图2B为根据本发明的一个实施例用于分配电池活性材料层的在图2A中绘示的材料喷雾分配器组件的仰视图； [0020] 图3为根据本发明的另一实施例用于在基板上形成电池活性材料层的其中安置有边缘环的材料喷雾分配器组件的示意图； [0021] 图4为根据本发明的另一实施例用于在基板上形成电池活性材料层的其中安装有倾斜喷嘴的材料喷雾分配器组件的示意图； [0022] 图5为根据本发明的另一实施例用于在基板上沉积电池活性材料层的其中安置有倾斜板的材料喷雾分配器组件的示意图；及 [0023] 图6A至图6B为根据本发明的另一实施例在用于在基板上形成电池活性材料层的材料喷雾分配器组件中使用的喷嘴的横截面视图。 [0024] 为促进理解，在可能的情况下已使用相同元件符号来指示诸图共享的相同元件。设想在一个实施例中公开的元件可有利地使用于其它实施例而无需赘述。 [0025] 具体描述 [0026] 本文所述的方法及装置包括材料喷雾沉积系统，所述材料喷雾沉积系统至少包括基板输送系统及材料沉积喷雾组件，所述材料沉积喷雾组件安置成邻接基板输送系统。材料喷雾组件包括喷嘴，所述喷嘴经设置来沉积具有良好的中心至边缘厚度一致性、穿过膜厚度的良好的均质性的材料，且能实现快速沉积速率。材料喷雾沉积系统在自高固体含量电极形成溶液来沉积使用于诸如电池活性材料层这样的电极结构的一或多个材料层中尤其有用。 [0027] 图1A至图1D为根据本发明的不同实施例用于在基板上沉积电池活性材料层的材料喷雾沉积系统的示意图。设想诸如电极形成溶液的本发明的方面适合于在其它喷雾沉积系统中使用。图1A绘示材料喷雾沉积系统100，其中材料电喷雾分配器组件110安置在基板输送系统101上方。基板输送系统101中可安置有一或多个基板102。基板102的顶部界定沉积表面104，所述沉积表面邻接材料电喷雾分配器组件110而传递以使得材料能够喷雾至基板102上。基板102可为衬垫、箔、薄板、膜、带或腹板的形式。例如，基板输送系统101可经设置来同时移动多个离散基板102穿过材料喷雾沉积系统100，或移动腹板形式的单个基板101。在图1A至图1D中绘示的实施例中，基板102可为自具有大体上自约6μm至约50μm的范围内的厚度的金属箔制造的带或腹板的形式。在一个实施例中，基板 102为腹板形式的铝箔。 [0028] 基板输送系统101包括供应卷筒108、至少一个输送滚轴106及视需要拉紧卷筒111。输送滚轴可视需要经加热以帮助干燥基板102上的沉积材料。含有基板102的至少一部分的供应卷筒108缠绕在芯109上。将基板102自供应卷筒108送至输送滚轴106以暴露基板102邻接材料电喷雾分配器组件110的沉积表面104。可将基板102叠接至其自身来形成连续腹板，使得基板102的给定区域可在材料电喷雾分配器组件110下方传递多次，直至已在基板102上沉积所需厚度的材料为止。或者，基板102可自供应卷筒108送入且如虚线所示收集在拉紧卷筒111上之前于材料电喷雾分配器组件110下方传递单次。 [0029] 供应卷筒108是可自基板输送系统101移除的，以在必要时有助于装载含有用于处理的基板材料的另一供应卷筒。一旦在基板102上形成具有所需厚度的沉积材料，则可替换供应卷筒108。在处理之后，若未使用分开的拉紧卷筒111，则可将基板102重绕在供应卷筒108上以用于自基板输送系统101移除。 [0030] 使用电喷雾工艺，材料电喷雾分配器组件110用于例如将沉积材料喷雾沉积在基板102上。沉积在基板102上的沉积材料可为电池活性材料层。更具体而言，在图1中绘示的实施例中，材料电喷雾分配器组件110定位在基板102上方且经设置来将沉积材料(亦即，电极形成溶液112)喷雾至基板102上。材料电喷雾分配器组件110可位于材料喷雾沉积系统100内的各个位置中，如图1B至图1D中绘示的不同实施例中所示。材料电喷雾分配器组件110经设置来单程供应(例如电喷雾)越过基板102的整个宽度分配的电极形成溶液112，以便沉积具有越过基板102的一致厚度及表面粗糙度的电池活性材料层。以下进一步论述材料电喷雾分配器组件110的示例性设置的细节。 [0031] 在图1A中绘示的实施例中，多个加热器114(展示为加热器114a、114b、114c)可分配在材料喷雾沉积系统100内以更有效地干燥沉积的材料，用于额外材料的收集或后续沉积以用于增加沉积的层的厚度。加热器114可帮助干燥喷雾至基板102上的电极形成溶液112，以便增强电极形成溶液112至基板102的黏着，且确保将电极形成溶液112一致地干燥成均质层(亦即，无自溶液112残余的截留挥发成分)。在图1A中绘示的实施例中，第一加热器114a可邻接于材料电喷雾分配器组件110而安置为靠近基板102自供应卷筒108展开之处。当电极形成溶液112喷雾至基板表面104上时，来自第一加热器114a的热能可帮助干燥电极形成溶液112及自所述电极形成溶液蒸发挥发成分。第二加热器114c可安置在与第一加热器114a相对的基板102的侧上。第二加热器114c亦可帮助干燥喷雾至基板102上的电极形成溶液112。第三加热器114b可安置为靠近供应卷筒108(或任选的拉紧卷筒111)，以在材料已沉积在基板102上之后避免基板102在收集于卷筒中时黏贴至其自身。应注意，必要时可变化安置在材料喷雾沉积系统100中的加热器的数目、位置及设置。 [0033] 气刮刀170可安置在邻接于供应卷筒108的位置处，以帮助在由拉紧卷筒111拉紧或再次于材料电喷雾分配器组件110下方传递以用于额外沉积的材料的后续沉积之前吹掉基板102上存在的污染物或残余物。气刮刀170可根据需要将空气或其它气体以预定流动速率提供至所经过的基板表面，以自基板102吹掉污染物或残余物。由气刮刀170提供的空气可视需要经加热至例如约10摄氏度与约250摄氏度之间，以进一步帮助干燥安置在基板102上的沉积材料。 [0034] 图1B绘示根据本发明的另一实施例用于在基板102上沉积电池活性材料层的材料喷雾沉积系统119的示意图。类似于图1A中绘示的实施例，图1B中的材料喷雾沉积系统119包括安置在其中的基板输送系统101。不同于图1A中绘示的材料电喷雾分配器组件110，图1B中的材料喷雾沉积系统119包括多个材料电喷雾分配器组件120，以便单程地将更多材料(亦即，更大的厚度)沉积在基板102的表面上。通过使用具有多个材料电喷雾分配器组件120的材料喷雾沉积系统119，使用小工具占地面积在较少时间内将诸如电池活性材料层这样的更多沉积材料均匀地沉积在基板102上。 [0035] 另外，各自沉积一薄层的多个材料电喷雾分配器组件120的使用容许每一薄层在下一薄层的沉积之前获彻底干燥。沉积材料的所得较厚层具有穿过所述层的一致组成，因为挥发成分无法截留于沉积材料的中心中，此有时为块状层或其它快速沉积的层的状况。此外，因为薄层快速干燥，所以沉积的材料的厚度可比厚沉积的层积累得更快，后者需要大量时间以允许挥发成分完全自膜蒸发。因此，具有多个材料电喷雾分配器组件120的材料喷雾沉积系统119允许增加沉积产量及效率。应注意，在材料喷雾沉积系统119中使用的材料电喷雾分配器组件120的数目可根据需要变化以促进沉积效率及性能。 [0036] 第一多个加热器124a、124b可邻接于材料电喷雾分配器组件120而安置在基板102上方，以帮助干燥喷雾至基板102上的电极形成溶液112。在图1B中绘示的实施例中，加热器124a、124b安置在材料电喷雾分配器组件120之间。通过此布置，自材料电喷雾分配器组件120喷雾的电极形成溶液112可快速干燥且由邻接电喷雾分配器组件120安置的加热器124a、124b热处理。此外，第二多个加热器122a、122b可在第一多个加热器124a、 124b所在之处的相对侧上安置于基板102下方。第二多个加热器122a、122b与第一多个加热器124a、124b类似地操作。类似于在图1A中设置的材料喷雾沉积系统100的结构，第三加热器114b可安置为靠近拉紧卷筒111，在拉紧卷筒111处在图1B中绘示的材料喷雾沉积系统119中的沉积工艺之后收集基板102。应注意，可根据需要变化安置在材料喷雾沉积系统119中的加热器的数目、位置及设置。 [0037] 图1C绘示用于在基板102上沉积电池活性材料层的另一材料喷雾沉积系统185的示意图，其中基板输送系统152界定用于转移基板102的各种水平面。第一多个输送滚轴158(展示为输送滚轴158a、158b、158c及158d)可安置在界定第一水平面194的基板输送系统153中且在所述基板输送系统中对准。第二多个输送滚轴159(展示为输送滚轴159a及159b)可对准且安置在界定第二水平面196的第一多个输送滚轴158下方。在图1C中绘示的实施例中，第一多个输送滚轴158包括四个滚轴158a、158b、158c、158d，且第二多个输送滚轴159包括两个滚轴159a、159b。由第一多个输送滚轴158界定的第一水平面194(诸如在滚轴158b与滚轴158c之间)可界定用于基板102在沉积工艺期间于至少一个材料电喷雾分配器组件120下方通过的水平路径164。分别由第一多个输送滚轴158a至158d及第二多个输送滚轴159a至159b界定的第一水平面194及第二水平面196可产生充分延长的垂直路径162，诸如在滚轴158与滚轴159之间。延长垂直路径162可增加基板102在基板输送系统152中行进的总距离，由此在不显著增加材料喷雾沉积系统185的长度的情况下增加干燥时间。第一多个加热器156可安置在延长的垂直路径162下方以在材料分配至基板102上之后帮助加热基板102。可根据需要将第二多个加热器192视需要安置在延长垂直路径162上方以加热基板102。请注意，可根据需要在任何布置中变化安置在材料喷雾沉积系统185中的加热器156、192的位置、设置及数目。 [0038] 基板102顺序地通过输送滚轴158a、159a、158b、158c、159b、158d中每一个，产生穿过垂直路径162及水平路径164的迂曲(亦即，蜿蜒)路径，由此延长基板102穿过系统185行进的时间总长度。通过基板输送系统152产生的迂曲路径可提供用于定位额外材料电喷雾分配器组件120的增加的位置，由此在不增加基板输送系统103的占地面积的情况下改良沉积效率，且合意地降低制造成本。 [0039] 图1D绘示用于在基板102上沉积电池活性材料层的另一材料喷雾沉积系统195的示意图，其中基板输送系统153界定用于在向上或向下方向上转移基板102的至少一个大体上垂直面188。除其中至少一个材料电喷雾分配器组件120定位成在基板正在大体上垂直面188内大体上垂直地移动时于基板102上沉积材料之外，材料喷雾沉积系统195大体上类似于以上所述系统而设置。额外任选的材料电喷雾分配器组件120以虚线展示以说明可通过任选材料电喷雾分配器组件120中的一或多个在相同垂直面、第二大体上垂直面中及/或在一或多个水平面上的并入来替代地设置材料喷雾沉积系统195，由此在不增加基板输送系统103的占地面积的情况下改良沉积效率，且合意地降低制造成本。 [0040] 图2A绘示可用于图1A至图1D中绘示的材料喷雾沉积系统100、119、185、195中的材料电喷雾分配器组件200的示意图。材料电喷雾分配器组件200可与安置在材料喷雾沉积系统100、119、185、195中的材料电喷雾分配器组件110、120类似地设置。材料电喷雾分配器组件200包括歧管202，所述歧管具有顶表面216及下表面214。多个喷嘴204自歧管202的下表面214耦接至所述歧管202。歧管202的下表面214大体上平行于定位至所述歧管的基板102的部分，同时在大多数实施例中，喷嘴204中的至少一些经定向成垂直于下表面214及基板102的邻接表面两者。流体通道282可形成于歧管202的顶表面216上以自沉积材料源280供应沉积材料(亦即，电极形成溶液)。在一个实施例中，歧管202可由导电材料制造，所述导电材料诸如铝、不锈钢、钨、铜、钼、镍、以上材料的合金、以上材料的组合、其它适合的金属材料或类似物。 [0041] 自沉积材料源280供应的电极形成溶液112可包含电活性材料及导电材料。电活性材料及导电材料可在水溶液中。电极形成溶液112亦可包括诸如N-甲基吡咯酮(N-Methylpyrollidone；NMP)这样的溶剂或其它适合的溶剂或水。电极形成溶液112可视-5情况包括黏合剂及干燥剂中的至少一种。电极形成溶液112可具有至少约10 西门子/米的基线导电率。 [0042] 可使用本文所述的实施例沉积的示例性电活性材料包括但不限于选自包含以下各项的群组的阴极活性粒子：二氧化钴锂(LiCoO2)、二氧化锰锂(LiMnO2)、二硫化钛(TiS2)、LiNixCo1-2xMnO2、LiMn2O4、铁橄榄石(LiFePO4)及铁橄榄石的变体(诸如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、其它合格粉末、以上的复合物及以上的组合。 [0043] 可使用本文所述的实施例沉积的其它示例性电活性材料包括但不限于选自包含以下各项的群组的阳极活性粒子：石墨、石墨烯硬碳、碳黑、碳涂覆硅、锡粒子、铜-锡粒子、氧化锡、碳化硅、硅(非晶形或晶形)、硅合金、掺杂硅、钛酸锂、任何其它适当电活性粉末、以上的复合物及以上的组合。 [0044] 示例性干燥剂包括但不限于异丙醇、甲醇及丙酮。示例性黏合剂包括但不限于聚偏二氟乙烯(PVDF)及水溶性黏合剂，诸如苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)及羧甲基纤维素钠(CMC)。示例性导电材料包括但不限于碳黑(“(carbon black；CB)”)及乙炔黑(“(acetylene black；AB)”)。 [0045] 电极形成溶液可具有含量大于30重量百分比(重量％)的固体，诸如在约30重量％与约85重量％之间。在一个实施例中，电极形成溶液可具有含量介于约40重量％与约70重量％之间的固体，诸如介于约50重量％与约60重量％之间。 [0046] 按惯例，电喷雾技术限于与无固体液体或含有小于1微米粒子的液体一起使用。本文所述的实施例能实现具有大得多的粒子大小的溶液的电喷雾。电极形成溶液内的固体大体具有比常规沉积系统更大的粒子大小，由此允许较高的沉积速率。例如，电极形成溶液内的固体颗粒可具有在约1.0μm至约20.0μm之间的范围内的平均直径，诸如在约3.0μm至约15.0μm之间。存在于电极形成溶液中的固体包含活性材料及导电材料中的至少一种或两者。可将此大粒子大小用于电池活性材料沉积的唯一已知技术为狭缝涂覆系统，所述狭缝涂覆系统如以上所论述苦于长干燥时间及膜裂纹，且另外遭受不良的厚度一致性控制，从而使狭缝涂覆系统不适合下一代电池器件。如本文所述，材料电喷雾分配器组件200能实现具有良好一致性控制的高固体含量电池活性材料在具有成本有效、较小占地面积的系统中的快速沉积而无膜裂纹问题，由此增强下一代电池器件的开发及制造。 [0047] 任选提取板206中可形成有多个孔208，所述多个孔与在歧管202中延伸的喷嘴204对准。提取板206可具有面对歧管202的上表面212及面对基板102的下表面210。提取板206的上表面212可平行于歧管202的下表面214。提取板206可使用诸如螺丝或螺栓这样的适合的机械连接件、黏合材料或任何其它适合的连接技术耦接至歧管202。提取板 206中的多个孔208可与耦接至歧管202的喷嘴204反应性对准，以便促进且限制沉积材料自沉积材料源280至基板102的流动。在一个实施例中，歧管202的下表面214至提取板 206的上表面212可具有介于约5mm与约55mm之间的距离250。喷嘴204至提取板206的上表面212可具有介于约10mm与约50mm之间的距离252。 [0048] 在一个实施例中，形成在提取板206中的孔208可具有预定大小以适应自喷嘴204供应的沉积材料的流量。喷嘴204的不同大小可导致经由所述喷嘴穿过提取板206的孔208流动至基板表面的沉积材料的不同通量。在一个实施例中，孔208的直径可选择在约 0.3mm与约5mm之间。 [0049] 耦接至歧管202的多个喷嘴204可具有不同的设置、形状、特征及数目以满足不同工艺要求。喷嘴204及形成于提取板206中的孔208可共同形成允许来自材料源280的沉积材料经由所述喷嘴及孔传递至基板102的材料路径。在图2A中绘示的实施例中，喷嘴204可为单个直圆柱、圆锥形状、方形形状、卵形形状或根据需要的任何其它不同设置的形式。以下将参阅图6A至图6B描述关于喷嘴204的设置的细节。 [0050] 第一电路布置232将材料电喷雾分配器组件200耦接至电源270。第一电路布置232经调适来提供功率至材料电喷雾分配器组件200。在操作中，歧管202及提取板206可各自充当电极。可将第一电压V1施加至歧管202及提取板206，从而建立第一电场，所述第一电场使通过所述第一电场的沉积材料雾化。在一个实施例中，第一电压V1可在约5千伏与约50千伏之间。第二电路布置234耦接在材料电喷雾分配器组件200与基板102之间。 因为基板102由诸如铝箔这样的金属材料制造，所以基板102在操作期间亦可充当电极。 类似地，可将第二电压V2施加至基板102及提取板206，从而建立第二电场以能加速雾化经由提取板206中的孔208传递至基板102上的电极形成溶液。第二电压V2可在5千伏与约50千伏之间。基板102可例如经由滚轴106中的一个耦接至接地230。第二电压V2可例如比第一电压V1大出约5千伏。 [0051] 在一个实施例中，耦接至歧管202的多个喷嘴204可具有经选择以便帮助自沉积材料源280提供的沉积材料(亦即，电极形成溶液112)均匀分布在基板102上的布置。在一个实施例中，由电气导电材料例如诸如不锈钢的金属制造的虚拟喷嘴218可安置在歧管202的边缘处，以减少因最后喷嘴204处的电场的不平衡而产生的离开最外喷嘴204的喷雾的倾斜。在一些状况下，经由安置在歧管202的边缘处的最外喷嘴204供应的沉积材料可具有与内喷嘴204的喷雾轨道相比的倾斜喷雾轨道，由此不利地影响基板102的边缘处的膜一致性。在使用安置在最后喷嘴204的外面的歧管202的末端周围的虚拟喷嘴218的实施例中，可将电压施加至虚拟喷嘴218来与提取板206产生电场，此与喷嘴204与提取板 206之间的电场形成方式相同。因此，可使电场在最外喷嘴204的外面一致地横向延伸，使得作用于离开中心喷嘴及外喷嘴204的喷雾的电场大体上相同，由此允许喷雾轨道在最外喷嘴与中心喷嘴204之间实质上一致的(亦即，垂直的)，且提高基板102上的中心至边缘沉积一致性。尽管在歧管202的每一末端处仅展示出一个虚拟喷嘴218，但是应注意，虚拟喷嘴可在任何合意位置处耦接至歧管202。 [0052] 喷嘴204在材料喷雾分配器组件200内的布置允许高固体含量电极形成溶液的更大流动速率，所述更大流动速率结合由材料喷雾沉积系统100或本文所述的其它系统促进的高干燥速率导致具有一致的中心至边缘厚度的均质电池活性材料的快速沉积。例如，材料喷雾分配器组件200的每一喷嘴204可递送约0.15ml/min至约15.0ml/min的高固体含量(亦即，大于10重量％)电极形成溶液。 [0053] 在图2A绘示的实施例中，材料电喷雾分配器组件200可具有宽度272，所述宽度适应一行喷嘴204。在示例性实施例中，所述行可包括在单个行中对准的高达约20个喷嘴。在喷嘴204布置为单个行的情况下，材料电喷雾分配器组件200大体产生覆盖基板102的整个宽度254的喷雾图案。如此，尽管歧管202的宽度272可大于基板102的宽度254，但是最外喷嘴204的中心至中心距离可稍微小于基板102的宽度254，同时虚拟喷嘴218的中心至中心距离可稍微大于基板102的宽度254，以确保良好的边缘至中心沉积厚度一致性。 [0054] 图2B为在图1A至图1D及图2A中绘示的材料电喷雾分配器组件200的仰视图。在图2B中绘示的实施例中，材料电喷雾分配器组件200的喷嘴204可分组成多个区域，其中每一区域皆由区域作为单元或由不同区域之间的喷嘴具有不同的流动属性。例如，可将材料电喷雾分配器组件200的喷嘴204分组为安置在边缘区域260之间的中心区域262。 材料电喷雾分配器组件200的每一区域260、262可在喷嘴204的数目、喷嘴204之间的间距、所施加的电压或穿过喷嘴204的流动速率方面不同。在一个实施例中，材料电喷雾分配器组件200的中心区域262可具有多个喷嘴204，而边缘区域260分别仅包括单个喷嘴204。 虚拟喷嘴218(在图2B中未展示)亦可存在于如以上所论述的边缘区域260中。 [0055] 喷嘴204在材料电喷雾分配器组件200内的布置允许高固体含量电极形成溶液的更大流动速率，所述更大流动速率结合由材料喷雾沉积系统100或本文所述的其它系统促进的高干燥速率导致具有一致的中心至边缘厚度的均质电池活性材料的快速沉积。例如，材料电喷雾分配器组件200的每一喷嘴204可递送约0.15ml/min至约15.0ml/min的高固体含量(亦即，大于10重量％)电极形成溶液。 [0056] 在一些实施例中，穿过位于边缘区域260中的喷嘴204的流动相较于穿过位于中心区域262中的喷嘴204的流动可不同，例如，速度更快。与施加至位于中心区域262中的喷嘴204的电压相比，此可与施加至位于边缘区域260中的喷嘴204的较小电压耦接，此举补偿在基板102的中心具有更快的沉积的趋势，由此有助于沉积电池活性材料的更一致的边缘至中心厚度。 [0057] 图3为具有安置在材料喷雾分配器组件300的边缘304处的边缘环302的材料喷雾分配器组件300的示意图。材料喷雾分配器组件300包括安置在提取板206的边缘304上的边缘环302。边缘环302安置在提取板206的下表面210上。在操作中，可将电压施加至边缘环302来以与喷嘴204相同的极性充电边缘环302。在一个实施例中，施加至边缘环302的电压可为与施加至喷嘴204的电压为相同的电压。通过此操作，经充电的边缘环302可向内推动通过提取板206的邻接孔208的沉积材料，以便降低边缘倾斜效应。在一个实施例中，边缘环302可为管，所述管的长度大体上类似于提取板206的长度。在另一实施例中，边缘环302可为具有沿提取板206的边缘304安置的中空主体的环形式。边缘环302可具有介于约0.5mm与约5.0mm之间的内径308及介于约1mm与约20mm之间的外径312。 [0058] 图4绘示其中形成有倾斜喷嘴204的材料喷雾分配器组件400的另一实施例。材料喷雾分配器组件400由多个板形成来便于在材料喷雾分配器组件400的中心或边缘处具有不同设置的喷嘴的替换。在一个实施例中，材料喷雾分配器组件400具有中心板412，所述中心板具有耦接至中心板412的两个末端的两个边缘板410。边缘板410可具有自边缘板410延伸的一或多个虚拟喷嘴218。 [0059] 在一个实施例中，倾斜喷嘴406可形成在中心板412的边缘420处。一般认为，倾斜喷嘴406可帮助将沉积材料更向内地导引至基板102的中心，以便降低最外喷雾轨道的倾斜效应且由此改良在基板102上形成的沉积膜的厚度一致性。倾斜喷嘴406可为耦接至中心板412的喷嘴中的最外喷嘴。或者，倾斜喷嘴406可位于中心板412中的另一适合位置中。请注意，倾斜喷嘴406亦可设置成不同设置，所述不同设置诸如圆锥形状、方形形状、卵形形状或其它适合的设置。以下将参阅图6B进一步论述关于倾斜喷嘴406的更多细节。 [0060] 图5绘示具有倾斜板504的材料喷雾分配器组件500的另一实施例。材料喷雾分配器组件500的倾斜板504耦接至中心板516的相对末端。倾斜板504可具有自倾斜板504延伸的至少一个喷嘴506。尽管在图5A中仅展示出一个喷嘴506，但是应注意，额外喷嘴506可根据需要自倾斜板504延伸。因为倾斜板504相对于水平面成角度耦接至中心板 516，所以自所述倾斜板供应的沉积材料在向内轨道中朝向基板102的中心导引。沉积材料可自连接至倾斜板504及中心板516两者的沉积材料源280或自分开的、独立控制的沉积材料源供应。材料喷雾分配器组件500中的倾斜板504的角度可经调整来控制喷射至基板 102上的离开喷嘴506的电极形成溶液的角度，以便有效地最小化可影响膜一致性的以上所述边缘喷嘴效应。在一个实施例中，形成于边缘倾斜板504中的喷嘴506可具有相对于平行于基板102的表面的水平面介于约10度与约60度之间的喷射角度518。 [0061] 图6A至图6B为具有用于在基板上形成电池活性材料层的不同设置的喷嘴204的横截面视图。在图6A中绘示的实施例中，喷嘴204具有圆柱主体602，所述圆柱主体具有圆柱套管612，所述圆柱套管耦接至尖端606。尖端606自圆柱套管612逐渐变细。圆柱套管612具有第一外径634，且尖端606的远端具有第二外径616。第二外径616小于第一外径 634，由此界定尖端606的锥度。在一个实施例中，尖端606相对于喷嘴204的中心线的锥度小于由元件符号618说明的约49度，例如约45度(具有+0/-4度公差)。 [0062] 离开喷嘴204的沉积材料可使喷嘴204的尖端606湿润且逐渐出现在所述尖端606上，由此不合意地增加离开喷嘴的材料流的直径，从而使工艺控制困难且不合意地增加喷嘴之间的潜在成弧(arcing)。选择电极形成溶液流经的第一外径634与内径618之间的比率平衡获得高沉积速率同时最小化喷嘴之间的成弧的潜在性的能力。例如，已表明，当喷嘴204以喷嘴中心线之间仅12mm或甚至9mm的距离间隔时，第一外径634与内径618之间的比率为4:1及3:1将在无弧的情况下提供良好的沉积结果。 [0063] 在某些实施例中，自尖端606离开朝向基板表面的材料的有效直径可由涂布至喷嘴204的尖端306及/或主体602的外部的疏水性涂层控制，以改变(亦即，增加)在小液滴与喷嘴204的尖端606之间形成的接触角度608且防止由沉积材料使喷嘴变湿。在一个实施例中，接触角度608可控制为大于20度，诸如大于30度，例如介于约20度与约90度之间。在一个实施例中，用来涂覆在尖端606上的疏 水性涂层可为聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene；PTFE)、全氟癸基三氯硅烷(perfluorodecyltrichlorosilane；FDTS)和类似物。 [0064] 亦已发现，将尖端606制造成具有光滑外表面将亦最小化喷嘴204的湿润。在一个实施例中，尖端606的外表面制造成具有约16Ra的表面粗糙度或更光滑。 [0065] 图6B绘示用于具有倾斜尖端624的喷嘴406(先前在图4中绘示)的另一实施例。喷嘴406包括圆柱主体602，所述圆柱主体具有圆柱套管612，所述圆柱套管耦接至倾斜尖端624。倾斜尖端624自圆柱套管612延伸。倾斜尖端624具有与水平面成介于约20度与约60度之间的角度626。倾斜尖端624可使用来导引离开喷嘴的喷雾的轨道，此可对于定位在喷雾分配器组件的边缘处的喷嘴控制边缘至中心沉积厚度一致性尤其有益。 [0066] 虽然前述内容针对本发明的实施例，但是在不脱离本发明的基本范围的情况下可设想本发明的其它及进一步实施例。 |
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