干粉基电极添加剂制造制造技术

一种通过干混和成形工艺用于低成本电池的干电极制造工艺。热激活使干法制造的电极与常规浆料浇注电极相当。干电极混合物由多种类型的组分颗粒的组合产生，所述组分颗粒包括至少活性电荷材料和粘合剂，并且典型包括导电材料例如碳。该工艺将所沉积的混合物加热到用于激活粘合剂的适中温度以便使混合物粘附到基底；并将沉积的混合物压缩到用以实现压缩的沉积混合物作为电池中的电荷材料的电充分性的厚度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】干粉基电极添加剂制造相关申请本专利申请根据35U.S.C.第119(e)节要求2015年9月1日提交的标题为“印刷电极”的美国临时专利申请第62/212,708号的权益，通过引用将其整体并入本文。背景可充电电池例如锂电池广泛地应用于电动车辆以及便携式电子设备例如笔记本电脑、电话、平板电脑和各种个人装置。以各种构造形成这样的电池以适应尺寸限制以及动力装置的电特性。然而，无论尺寸和应用如何，锂离子电池电极以及其它电池的制造采用施加到电极表面的电极混合物。电极混合物由材料(典型地是电荷、导电和粘合剂材料)的精确组合形成，并且通常以浆料形式施用以促进组分材料的均匀分布和均匀组合。概述用于可再充电电池的干粉基电极制造方法向由平面电极限定的基底上沉积干电极混合物，该干电极混合物由多种类型的组分颗粒的流化组合产生，使得所述颗粒类型包括至少活性电荷材料和粘合剂，以及典型地导电材料例如碳。该方法将沉积的混合物加热到适中温度以激活用于将混合物粘附到基底的粘合剂，并将所沉积的混合物压缩到用于实现压缩、沉积的混合物作为电池中的电极材料的电充分性(sufficiency)的厚度。本文中的构造部分地基于以下观察结果：随着混动车辆和电动车辆的普及度增加，可再充电电池受到持续的需求。对于电动车辆电池期望持续的再充电循环，并且由于可再充电特性，此类车辆的电力要求特别适合于锂电池。遗憾的是，制造可再充电电池的常规方法要求基于溶剂的方法以便将电荷材料组合并且施加到阳极集流体或阴极集流体。需要大量的干燥时间和加热以蒸发溶剂并且将电荷材料固化或结合到阳极集流体或阴极集流体上。因此，通过在基底上提供干粉基制造以从电池电极制造过程消除溶剂和相关的加热和干燥时间，本文中的构造基本上克服了常规电池形成中的上述缺点。商业Li离子电池电极的常规方法是通过将浆料浇注(casting)到金属集流体上而制造。浆料包含在溶剂中的活性材料、导电碳和粘合剂。将粘合剂(最常见为聚偏二氟乙烯(PVDF))预溶解在溶剂中(最常见为N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP))。在均匀地混合后，将所产生的浆料浇注到集流体上并且干燥。需要蒸发溶剂以产生干燥的多孔电极从而制造电池电极。干燥可能耗费宽范围的时间，一些电极在120℃下耗费12-24小时以完全干燥。在集流体上用干燥颗粒涂覆制造的电极代表了改进的制造工艺，从而消除了溶剂和相关的缺点。已经通过多种方法例如脉冲激光和溅射沉积实现了干电极制造，然而一些缺点依然保留。通过将激光聚焦到包含待沉积材料的目标体上实现脉冲激光沉积。一旦激光作用于目标，材料就被气化并且沉积到收集基底上。虽然不使用溶剂，但沉积的膜必须经受很高的温度(650-800℃)以使膜退火。经由磁控溅射的沉积能够将需要的退火温度降低至350℃。这些常规方法都遭受极慢的沉积速率和用于退火的高温需求。附图简述从本专利技术的具体实施方案的以下描述将清楚本专利技术的前述和其它目标、特征和优点，如附图中所示，其中在不同视图中，同样的附图标记表示相同的部件。附图不一定按比例，而是将重点放在说明本专利技术的原理上。图1是包含本文所公开的干燥涂覆基底的电池的环境图；图2是用于形成图1中基底的沉积/干式喷射设备的图；图3是图2的方法中的基于模具的基底成型的图；图4a示出图3设备的连续辊模具构造；图4b和4c示出从图4a构造所产生的电极；图5示出用于激活基底中的粘合剂和图2-4b中电极的加热辊；图6a-6f示出干电极混合物的电特性；和图7a–c示出干电极混合物的化学性质。详细描述下面的附图和讨论描绘了通过以干粉形式向基底喷射、沉积或施加电极材料(例如向阳极集流体或阴极集流体)在可再充电电池中形成电极材料的示例方法。在示例构造中，显示了阴极材料的施加，例如作为活性电荷材料的锂钴氧化物(LiCoO2)，以不同比例与粘合剂和导电材料(典型为碳)结合，通过干粉形成物的选择性的动态组合。图1是包含施加到本文所公开的基底的干电极混合物的电池的环境图，并且描绘了适合与下面讨论的构造一起使用的电池结构。参考图1，电池100的物理结构是限定阳极(负电极)160和阴极(正电极)162的轧制片材的圆柱形封装。在本文的构造中，将干电极混合物施加到诸如铜或铝的基底以形成阳极160和阴极162。典型地，将平面基底轧制成圆柱形状(电池)，并且组装成连接以实现期望电压和电流特性的电池的构造，然而本文所公开的方法适用于任何合适的阳极或阴极基底，例如保持平面形状的棱柱形电池。锂离子电池的主要功能部件是阳极160、阴极162、电解质和分隔体172。商业上最流行的阳极160(负)电极材料包含涂覆在铜箔上的石墨、碳和PVDF(聚偏二氟乙烯)粘合剂。阴极162(正)电极包含涂覆在铝箔上的阴极材料、碳和PVDF粘合剂。阴极162材料通常是三种材料之一:层状氧化物(例如锂钴氧化物或锂镍钴锰氧化物)、聚阴离子(例如磷酸铁锂)或尖晶石(例如锂锰氧化物)。外部金属壳体限定偶联到阳极接头161的负端子161’，以及连接到阴极接头163的顶盖163’。衬垫174和底部绝缘体176保持极化部件之间的电隔离。下面讨论的构造描述了通过将干电极混合物施加到平面基底的阳极160和阴极162的形成。图2是用于形成图1中电极的沉积/干式喷射设备的图。参考图1和2，粉末分配单元300包括多个料斗310-1…310-4(总体310)。每个料斗310适于容纳以组分颗粒形式的粉末类型的体积318，所述组分颗粒限定用于包括在电池中的电荷材料、导体和粘合剂。每个料斗310上的计量阀312-1…312-4(总体312)响应于控制器314以分配精确量的所述多种类型的组分颗粒(粉末)中的每一种。喷枪320包括流化室322，并且可以包括与载气326的连接324。流化室322具有足够的长度，足以将组分颗粒均匀地分配到用于在基底350上沉积的均匀混合物中，并作为均匀化室运行用以均匀地分散颗粒以实现沉积材料的均匀比例。基于由控制程序或类似逻辑316提供的预定分配，控制器314驱动计量阀312以实现组分颗粒的混合物比率，并且可以动态地调节混合物配给，以将不同的混合物比率的分层结构沉积或“涂敷”(painting)到基底350上，下面进一步讨论。可以首先将不同的粉末类型混合在一起，然后喷射在集流体上。可以通过任何适当的机制将由组分颗粒的混合物产生的电极材料施加到基底350，例如静电喷射或沉积到模具中以形成具有增加厚度的模制结构，两者如下所述。术语“沉积”是指到干粉电极混合物到基底350表面的任何这样的施加以便在制造的电池中形成电极。在电池电极制造期间，所公开的在平面电极(基底350)上沉积电极材料的方法包括向基底350上沉积由多种类型的组分颗粒的流化组合产生的干电极混合物354，其中在电极材料中的颗粒类型包括至少活性电荷材料、导电添加剂和粘合剂。可通过经由阀324计量供给的加压载气326、重力驱动的分散剂或其它合适的工艺来实现沉积。颗粒喷射328将流化的混合组分颗粒携带到基底350上。基底350旨在是用于形成所制造电池中的阳极或阴极的任何合适材料，并且期望其是适于用作集流体的导电片材，例如铝或铜。在沉积之后，加热基底和沉积的混合物352以激活粘合剂，以便使混合物粘附到基底并提供用于维持沉积混合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.在电池电极制造中在平面基底上沉积电极材料的方法，该方法包括:向由平面电极限定的基底上沉积干电极混合物，所述干电极混合物由多种类型的组分颗粒的组合产生，颗粒类型包括至少活性电荷材料和粘合剂；加热所沉积的混合物以激活粘合剂以便使混合物粘附至基底；和将沉积的混合物压缩到用以实现压缩的沉积混合物作为电池中的电极的电充分性的厚度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.在电池电极制造中在平面基底上沉积电极材料的方法，该方法包括:向由平面电极限定的基底上沉积干电极混合物，所述干电极混合物由多种类型的组分颗粒的组合产生，颗粒类型包括至少活性电荷材料和粘合剂；加热所沉积的混合物以激活粘合剂以便使混合物粘附至基底；和将沉积的混合物压缩到用以实现压缩的沉积混合物作为电池中的电极的电充分性的厚度。2.根据权利要求1所述的方法，其中沉积进一步包括:向基底施加电荷以吸引该电极混合物中的组分颗粒；向组分颗粒施加电荷；和跨基于接受所述平面基底的电池单元尺寸的宽度，均匀地分配组分颗粒。3.根据权利要求1所述的方法，其中沉积进一步包括:将干电极混合物分配到模具上，该模具具有接受器的阵列，每个接受器限定形状和与相邻接受器的间距以便在基底上形成模制结构；将模具倒转到基底上；和将模制结构释放到基底上，以便在基底上形成对应于所述阵列的沉积图案。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述模具是圆柱形辊，其适于将分配的干电极混合物接收到接受器中，并通过旋转到释放位置将接受器倒转到基底上，所述基底可操作用于以对应于旋转的速度传送。5.根据权利要求3所述的方法，进一步包括：跨模具的顶表面设置刮板，顶表面接收来自接受器的过量喷射颗粒并且所设置的刮板从该顶表面除去过量喷射颗粒。6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：在多个道次中沉积干电极混合物,每个道次沉积一个层，并且重复沉积直到沉积的混合物实现预定厚度。7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：动态地调节沉积混合物的组合比率，该组合比率对于每一层限定多种类型颗粒中的每一种类型的百分比。8.根据权利要求7所述的方法，其中沉积进一步包括:识别多种类型的组分颗粒；基于预定的组合比率计量多种类型中每一种的数量；使用载气根据计量的数量产生组分颗粒的流化混合物；和将流化混合物导向由载气驱动的基底。9.根据权利要求3所述的方法，进一步包括:在接受器中沉积多个层，每个层由组分颗粒类型的预定比率限定，以便限定具有由这些层限定的组成的模制结构，从料斗设置的组分颗粒包括至少粘合剂、导体和电荷材料作为组分颗粒类型，通过根据预定比率对来自每个料斗的颗粒的分配数量进行计量来在每层处实现预定的比率。10.根据权利要求3所述的方法，其中基底是可再充电电池的阴极或阳极板，并且模制结构之间的间距在1.0mm和0.3mm之间。11.根据权利要求1所述的方法，其中电荷材料的电充分性从沉积电极混合物厚度的厚度减小至25％发生，并且沉积混合物的初始厚度在0.2mm到3.0mm之间。12.根据权利要求1所述的方法，其中组分颗粒的颗粒尺寸在50nm-20微米(0.02mm)之间。13.根据权利要求1所述的方法，其中由加热的辊所执行的加热具有100℃和300℃之间的温度。14.一种用于电池电极形成的干式沉积设备，其包括:用于接收干电极混合物的基底，该基底由平面电极限定；配置为向基底上沉积干电极混合物的喷枪，该干电极混合物由多种类型的组分颗粒的流化组合产生，所述颗粒类型包括至少活性电荷材料和粘合剂；用于加热沉积混合物以激活粘合剂以便使所述混合物粘附至基底的热源；和至少一个辊，所述辊用于将沉积混合物压缩到用以实现压缩的沉积混合物作为电池中的电荷材料的电充分性的厚度。15.根据权利要求14所述的方法，其中沉积进一步包括：用于接收分配...

【专利技术属性】
技术研发人员：Y·王，Z·郑，B·路德维戈，H·潘，
申请(专利权)人：伍斯特理工学院，
类型：发明
国别省市：美国,US