直接热喷雾合成锂离子电池组件制造技术

本发明专利技术公开了一种由前体制备电池组件的方法，所述方法包括：提供具有溶解在前体中的至少一种组分的所述前体；以及将所述前体热喷雾沉积在基材上以形成涂层，使得所述至少一种组分在被沉积在所述基材上之前在热喷雾中合成。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本申请涉及锂离子电池的制造，更具体而言，涉及使用热喷雾工艺结合利用热源的原位微结构修饰的用于直接合成电极材料和组件的沉积设备、方案和方法。
技术介绍
该部分提供关于本公开的背景信息，但其不一定是现有技术。可再充电的锂离子电池在汽车、电子器件、生物医药系统、航空航天系统和其它个人应用中具有诸多应用。对于改善锂离子电池的电极特性以实现更好的比容量和循环特性的需要已经实现了一段时间。近年来，研究者集中于控制材料化学性、微结构和微粒尺寸以实现更好的性能。特别参照附图说明图1，锂离子电池单电池通常包括阳极、隔离器、阴极和电解质，所述电解质使得阳极和阴极之间能够离子连通以用于电池运行。在工业上测试了用于这些组件的不同材料。例如，诸如LiFeP04、LiCoO2, LiMn2O3和Li (χ :0. 2-0. 5)的固体电解质在Li离子可再充电电池中的用途。这些材料具有NASIC0N型结构和对于Li离子而言的高离子电导率并且非常适于在升高的温度下操作。大多数固体电解质如同阴极材料那样通过固态方法或溶胶-凝胶方法合成，并且通过从高温退火状态快速淬火实现了类玻璃相粉末。除了阴极、阳极和电解质之外，隔离器在Li离子电池中也起到至关重要的作用。 具有高表面积、孔隙率和良好机械强度的隔离器对于最佳性能是有利的。在过去的几年里， 研究者集中于聚偏二氟乙烯(PVDF)基膜用于隔离器，其表现出比基于聚丙烯的现有材料更优的性能。因此，本教导的工业电池制造技术包括多步材料合成、组件制造和组装过程。例如，在阴极制造中涉及的典型步骤示意性地适于图2A中。结果是，现有的Li电池成本($/ kwh)非常高。此外，合成和组装过程还限制了电池单电池的几何自由度。
技术实现思路
该部分提供对本公开的一般性总结，并且不是对其全部范围或所有其特征的全面公开。本公开内容提供包括使用电池材料用的适当前体的设备、方案和方法，将所述适当前体注入热气流中以进行化学/热处理并且固结成电池单电池的期望组件层。喷雾/沉积工艺利用粉末/液体/气体前体或者它们的组合以直接得到Li离子电池组件所需的不同材料组合。根据需要，热源如激光束或加热源，为经沉积的材料层提供进一步的原位热处理以获得最佳电池性能所需的微结构和相控制。所述方法在工艺步骤消除、几何自由度方面提供独特的优点，并且所述方法可放大用于大面积电极制造并因此对于工业规模生产而言是可行的。在本公开的一些实施方案中，集流体、电极、电解质以及隔离器膜和/或它们的组合根据本教导的原理制造，使得能够逐层制造整个电池单电池的所有组件。因而，可以实现复杂的电池配置，其中材料的合成和单电池的组装在线(in-line)进行。其它的适用性范围将从本文提供的描述中变得明了。在该
技术实现思路
中的描述和具体实施例仅仅意在说明的目的，而无意于限制本公开的范围。附图本文描述的附图仅用于对选定的实施方案而非所有可能的实施方案进行举例说明，并且无意于限制本公开的范围。为了清楚起见，没有在每一幅图中标出每一个组件，也没有示出本公开的每个实施方案的每一个组件。图1是示出根据本公开的不同示例性实施方案的Li离子电池单电池组件的示意图；图2A是示出用于制备Li离子电池阴极的多步常规加工方法的示意性流程图；图2B是示出根据本教导的原理用于制备Li离子电池阴极的直接合成和固结方法的示意性流程图；图3A是本公开包括图2B的加工设备组装的一个示例性实施方案的示意图；图;3B是图3A的喷雾装置包括DC等离子体系统以及定向热源的一个示例性实施方案的示意图；图3C是图3A的喷雾装置包括燃烧火焰系统的一个示例性实施方案的示意图；图3D是图3A的前体进料装置包括三个液体前体贮存器与混合和泵送系统的一个示例性实施方案的示意图；图3E是图3A的前体进料装置包括液体和固体前体贮存器的一个示例性实施方案的示意图；图4A是根据本教导的原理用于由液体前体合成的粉末的收集设备的示意图；图4B是根据本教导的原理采用由液体和/或气体前体合成的粒子沉积的电极材料膜的示意图；图4C是根据本教导的原理采用由固体/液体和/或气体前体合成的粒子沉积的电极材料膜的示意图；图4D是根据本教导的原理沉积并且原位热处理的电极材料膜的示意图；图5A是一种示例性阴极的透视图，示出根据本教导的原理合成的多种形貌图案和材料；图5B是根据本教导的原理由液体前体直接合成的LiFePO4阴极膜的TEM图像；图5C是根据本教导的原理由液体前体直接合成的LiFePO4阴极膜的XRD图案；图5D是根据本教导的原理由液体前体直接制备的LiFePO4阴极的循环容量图；图5E是根据本教导的原理通过Co膜沉积和原位锂化(Iithiation)所制备的 LiCoO2阴极的循环充/放电图；图6A是一种示例性阳极的透视图，示出根据本教导的原理合成的多种形貌图案和材料；图6B是根据本教导的原理由Co粉末前体和原位氧化直接合成的Co3O4阳极膜的 XRD图案；图6C是根据本教导的原理所制备的图6B的Co3O4阳极的循环充/放电图；图7是根据本教导的原理的包括多个沉积系统的系统的透视图，示出组件层的辊对辊(roll-to-roll)制造；图8A是根据本教导的原理所制备的一种示例性固体电解质层的XRD图案；图8B是根据本教导的原理逐层制造的一种示例性电池单电池的透视图；图8C是图8A的一种示例性电池单电池的分解图，示出不同的层；图9A是根据本教导的原理逐层沉积在机翼上的一种示例性电池单电池的透视图；图9B是根据本教导的原理逐层沉积在太阳能单电池下方的一种示例性电池单电池的透视图；以及图9C是根据本教导的原理逐层沉积在汽车结构上的一种示例性电池单电池的透视图。在整个附图的几幅视图中，对应的附图标记表示对应的部件。专利技术详述将参照附图通过举例的方式说明本公开的非限制性实施方案，所述附图是示意性的并且无意于按比例描画。最先参照图2A，当前用于制备电池电极所实施的合成方法涉及多个工艺步骤并且需要数小时的加工时间。能够减少加工时间且同时对材料化学性和形貌提供充分控制的新的合成策略至关重要。特别参照图2B，本教导提供了制造方案以使用适当流体前体来制备电极和/或其它组件，所述流体前体被注入热气体流中用于化学/热处理并且固结成电极组合件的期望活性层。注入热气体中的流体前体在所述流中热解，产生固结成膜形式的期望材料的细微熔融/半熔融/固体小滴。另外，根据需要，热源对所述膜提供原位热处理以优化化学性、 相和形貌，用于提高电池性能。而且，本公开的新型制造方案自化学前体直接提供了具有期望的形貌特征、相和组成的膜，因而，消除了目前在工业中实施的工艺步骤。此外，本教导的喷雾沉积技术使得能够产生几何上复杂的电极。根据本方案的喷雾合成和固结可以在受控气氛(例如，队或 n2/H2)下进行以防止在配制中某些元素发生不期望的化学转化。在一些实施方案中，与常规方法中通常实施的固态反应相比，使用其中组件成分处于完全溶解状态的流体前体确保了组件元素的均一性并且提高了反应速率，并因此可以减少加工时间。在图3A所示的本教导的一些实施方案中，制造设备组合件100包括运动系统110， 所述运动系统110使喷雾装置200机械上换向(commute)以利用测定量的来自贮存器300 的流体前体经由泵送本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：普拉万舒·S·莫汉蒂，尼古拉斯·安东·莫罗兹，萨蒂什·B·奇克坎纳纳瓦尔，拉梅什·库马·古杜鲁，
申请(专利权)人：密执安州立大学董事会，
类型：发明
国别省市：