CN104303343A - 制造电化学装置的***和方法 - Google Patents

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宝拉·玛格丽特·罗尔斯顿
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Abstract

一种用于制造电极的无溶剂***包括：用于传送基底通过***的机构，由将第一层涂布到基底的第一装置所组成的第一涂布区域，其中，第一层由活性材料混合物和粘合剂组成，以及粘合剂包括热塑性材料和热固性材料中至少一个，以及***包括被设置以加热第一层的第一加热器。

Description

制造电化学装置的***和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年5月16日提交的美国临时申请61/647,773的优先权，其公开内容被并入于此。
本发明中的政府权力
美国政府具有针对本发明的付费许可和在有限度的情况下要求专利所有人以合理条件许可他人的权利，如由国防后勤局(DefenseLogistics Agency)所授予的SP4701-09-D-0049 CLIN 0002的条款所提供的条件下。
背景技术
本发明的实施例通常涉及一种用于制造电极的干性、无溶剂的方法和设备，并且更特别地涉及一种用于形成锂离子(Li-ion)蓄电池中的锂电化学电池的方法和设备。
典型地，功率源(例如，蓄电池、电容器和燃料电池)含有正的和负的电极。根据功率源的化学性质，加工方法不同。许多方法(例如，用在锂离子行业中的方法)包括：通过使用溶剂在湿浆体中混合活性材料、导电材料和粘合剂，并且涂布到基底。所述涂布可以是经由刮刀、轧辊式传送涂覆、狭缝模具或者挤压。
铸造电极然后在炉子中干燥，同时收回溶剂以便使烟雾***漏到环境中，或者溶剂被用作干燥器的补充燃料。该工艺耗时并且昂贵。炉子通常也非常大、长、昂贵以及占空间。在环境方面和从安全方面来说，溶剂典型地是易燃的，难于从化学结构中去除，有害于环境，并且花费很高去正确处理。如果溶剂回收是理想的，溶剂必须被获取、冷凝、清洁以及准备再次使用或者处置。
功率源加工的一些已知方法已经在一个电极上移除了溶剂浆，但是典型地在另一个电极上仍然使用基于溶剂的方法。无溶剂的方法通常包括将活性材料、导电材料和粘合剂的混合物压或者挤压到电极中，然后其附着到基底或者集电器。现在的加工技术因此限制了产量，并且这些电极的成本可能是过大的。
当干电极被机械压印时，通过溶剂浇铸以及随后抽取制成的电极典型地呈现对集电器良好的附着力。溶剂浇铸以及随后抽取的动作使粘合剂和电极结构开口，这与海绵结构的开口类似。压印操作向下轧碎电极结构，从而留下30到50％的孔隙率。当用电解液润湿时，该轧碎的类似海绵的结构松弛并且呈现什么一般地被称为电极膨胀。典型的阳极粘合剂(已知为PVDF-聚偏二氟乙烯或者聚偏氟乙烯(PVDF))是一种由偏氟乙烯的聚合作用而产生的高度不起反应并且纯热塑性的含氟聚合物。它是少有的已知粘合剂之一，在阳极的锂电位处不易于起反应并且由此典型地被优选为锂离子蓄电池中的粘合剂。
一些加工者已经尽力开发工艺，其通过使用聚四氟乙烯(PTFE)和使粘合剂细纤维化以便创建自支撑膜。加载自支撑膜的活性材料然后被压到集电器上以制成电极。PTFE在锂离子阳极电位是不稳定的，因此，它的使用被限制到阴极粘合剂的使用。其它的加工者已经尽力使用基于水的粘合剂，以创建锂电极结构。他们难于彻底干燥电极以防止水气与锂盐发生化学反应，从而不利地影响因而得到的蓄电池的性能。
因而，制造锂离子蓄电池的优选方法典型地包括对于至少一个电极的基于溶剂的方法，其满足高要求的性能需要，同时还满足高要求且严格的寿命需要(通过呈现到基础材料的足够附着力)。然而，由于与处理、回收、以及最终处置这些对环境造成问题的溶剂的相关联成本，加工锂离子和其它基于溶剂的电极的成本可能是过大的。
因此，希望设计一种用于制造电极的无溶剂的方法和设备。
发明内容
本发明提供一种用于制造电极的方法和设备，并且更特别地，用于形成锂离子(Li-ion)蓄电池中的锂电化学电池。
根据本发明的一个方面，一种用于制造电极的无溶剂***包括：用于传送基底通过***的机构；由将第一层涂布到基底的第一装置所组成的第一涂布区域，其中，第一层由活性材料混合物和粘合剂组成；以及粘合剂包括热塑性材料和热固性材料中至少一个；以及***包括被设置以加热第一层的第一加热器。
根据本发明的另一方面，一种加工电极的无溶剂方法，包括：传送基底通过传送机构，将由活性材料混合物和粘合剂所组成的第一层涂布到基底，其中，粘合剂包括热塑性材料和热固性材料中至少一个，以及利用第一加热器加热第一层。
根据本发明的又一方面，一种在其上存储包括指令的计算机程序的计算机可读存储介质，当所述指令由计算机执行时使得计算机：经由传送机构使得基底被传送通过电极制造***，经由第一加热器加热基底，以及使得第一层被涂布到基底上，第一层由活性材料混合物和粘合剂组成，以及粘合剂包括热塑性材料和热固性材料中至少一个。
根据以下详细描述和图，各种其它的特征和优点将变得显而易见。
附图说明
附图图示了目前预期用于实现本发明的优选实施例。
在图中：
图1图示了根据本发明实施例用于在一个电极基底上形成活性电极材料的***部件。
图2图示了根据本发明实施例用于将基础层涂布到电极基底以及将活性材料的一个或者多个电极层涂布于此的步骤。
图3图示了具有通过使用本发明实施例具有在其上形成电极的基础层。
图4图示了根据本发明实施例用于在电极基底的两侧上形成活性电极材料的***部件。
图5图示了具有通过使用本发明实施例在电极基底的两侧上形成电极的基础层。
具体实施方式
根据本发明的实施例，用于能量存储装置(例如，锂离子蓄电池)的电极通过使用无溶剂的方法和设备来制造。
图1图示了一种***100，其用于通过在基底102的一侧上沉积粘合剂和活性电极材料来制造电极(在完成的电极中也称为集电器)。在一个示例中，基底102可以包括作为阳极集电器的铜或者作为阴极集电器的铝。在另一个示例中，阳极集电器是包括例如钢的合成物。作为其它的示例，基底102还可以包括但不限于镀镍钢，碳纤维的合成物，二氧化锡(SnO2)，并且可以是例如冲孔的实体片材或者膨胀的合成物(即，具有穿孔，其供基底自由膨胀(open expansion)用，以减少重量或者允许更高的机械或材料载荷)。然而，本发明不因此受限并且根据本领域所已知的，可以使用任何基底或者收集器材料来形成具有其它活性材料的电极。活性材料或者活性材料混合物包括但不限于氧化钛锂(LTO)、氧化钴、氧化镍、氧化锰、氧化锰镍钴、磷酸铁、氧化铁、碳、以及硅。
基底102被传送通过传送机构或者具有传送心轴106的轧辊***104，其提供用于基底102的材料并且由相对旋转的引导心轴108来引导。在本发明的实施例中，基底102可以是单块电极，或者可以是其连续的传送。基底102被传送通过第一涂布区域110和通过第二涂布区域112，在传送时，可以包括粘合剂、活性材料、以及导电材料的混合物被涂布或者以别的方式喷涂到基底102上。在涂布区域110,112内，和/或如将进一步被描述的在通过那里之后加热，以便于影响电极材料的粘合和形成。基底通过第二组引导心轴114，所述心轴朝向收集心轴116引导基底，在那里活性电极材料被粘合。根据本发明，第二组引导心轴114可以被设计成具有在操作过程中在其之间维持的空间或者间隙，以便于将在其上具有电极的基底102压紧到最后期望和一致的厚度。
第一涂布区域110包括用于将第一层涂布到基底102的装置118，所述装置包括被配置成将第一或者基础层的材料混合物喷涂120到基底102上的喷涂机构(例如，喷枪或者引起喷涂的其它已知的装置)。通常，虽然第一涂布区域110被描述为具有喷涂机构或者枪，以便于将材料涂布到基底上，并且这被图示为“喷涂120”，但是预期的是，任何机构可以用来涂布材料，作为示例,包括喷绘、刷、粉末涂覆、使用流化床、刮刀、或者用碎布擦。实际上，在所描述的该以及所有随后的涂布区域中，预期的是，喷枪或者其它已知的喷涂装置可以被利用来将第一和随后的层涂布到基底102，或者如上所述，任何机构可以用来涂布材料，并且术语“喷涂”可以被应用到用来将液体涂布到表面的任何机构或者工具。
根据本发明，装置或者喷涂机构118使得喷涂120以在近似2和20psi之间射出。根据本发明，喷涂120包括粘合剂、导电碳、和活性电极材料的混合物。根据一个实施例，粘合剂包括热塑性或者热固性材料，其在一个实施例中是聚偏二氟乙烯(PVDF)，在喷涂120中其在总材料重量的6-85％之间变化。然而，本发明不因此受限，并且例如可以使用与1％一样低或者100％一样高的粘合剂水平。此外，本发明不限于PVDF，而是可以包括本领域中已知的任何粘合剂，包括：根据本发明的实施例和如所述的，热塑性和热固性材料。正如本领域已知的，热塑性塑料是一种聚合物，其超过某一温度变得易弯，并且在冷却时恢复成固体。相反的以及也如本领域所已知的，热固性材料在固化工艺过程中形成不可逆的化学粘合，其在熔化时损坏(并且在冷却时不改良)。根据本发明的实施例，作为示例,粘合剂可以是PVDF或其任何衍生物，或者PTFE或其任何衍生物。根据本发明的另一个实施例，在粘合剂中可以包括非常高分子量的聚乙烯材料，从而增加粘合剂的结构完整性。如本领域所已知的，可以包括导电碳，以便于引起或者增强电极内颗粒间的电连接。
喷涂120还可以通常包括4-8％的导电碳，包括例如KS6(TIMREX是瑞士Timcal SA的注册商标)的石墨(虽然根据本发明可以使用导电碳的量增长到17％或者更高并且直到例如40％)。喷涂120的平衡％是活性电极材料，其包括但不限于LTO、氧化钴、氧化镍、氧化锰、氧化锰镍钴、磷酸铁、氧化铁、碳、以及硅。作为一个示例，按重量，喷涂120包括13％的粘合剂和8％的导电碳、以及喷涂120的平衡是79％的活性材料。
根据本发明，在第一涂布区域110内的基底102上所沉积的喷涂120被加热，以便于开始第一层混合物到基底102的粘合。在一个实施例中，加热器122被设置与装置118相对并且向加热器122提供足够的功率，以升高基底的温度到近似100°F和500°F之间，并且在一个实施例中到300°F。然而，在另一个实施例中，加热器124被设置，以加热基底102的一个表面，该表面与喷涂120所涂布的基底102的表面相对。还在该实施例中，加热器124被供能，以升高基底的温度到近似100°F和500°F之间，并且在一个实施例中到300°F。在一个实施例中，在基础层通过第一涂布区域110之后，还可以经由加热器126向基础层加热，至少直到第一层可见熔化，或者开始流动或者润湿，在这之后，第一层可以在涂布电极材料的随后层之前被允许冷却。由此，根据本发明，电极材料的第一层或者基础层被涂布到基底102，并且在那里的粘合经由一个或者两个加热器122、124开始。通过使用加热器126，基础层的粘合剂还可以完全熔化，以便于使得基础层熔化并且均匀地形成在基底102上。加热器122、124、和126可以通过任何数量的已知机构来加热。例如，作为示例，加热器122-126可以包括红外线(IR)加热器、对流式加热器、导电式加热器、辐射式加热器(例如，IR光谱外侧)、或者感应式加热器。
加热器122/124和加热器126通常用于不同的目的。例如，加热器122/124提供指向基底102的热量，以便于使得与基底102接触的粘合剂材料熔化和流动并且坚固地附着到基底102。在另一方面，加热器126通常目标在于加热和使得形成基础层的主要喷涂材料流动。以此方式，根据本发明，热量可以被提供给基底102的任一侧，并且加热器122和124可以相对于装置118设置在不同位置，这取决于例如喷涂120中粘合剂量的因素。由此，不同类型的加热器可以用于待进行加热的不同期望类型。例如，加热器122和/或124可以是主要使得基底102加热的感应式加热器，同时加热器126可以是IR、对流式、或者辐射式加热器。在另一个示例中，一个或者所有加热器(122和/或124和126)是IR加热器。实际上，根据本发明，可以使用加热器的任何组合，这取决于待进行加热的期望类型(基板—涂布材料层)。
正如本领域已知的，通常期望的是，最大化电极内活性材料的量。由此，然而，还期望的是，在第一涂布区域110中喷涂到基底102上的基础层中获得充分粘合的限制准则下，最小化用在喷涂120中的粘合剂的量。所喷涂材料120的第一层的粘合不仅由加热器的类型、所获得的温度等来影响，而且还由存在于喷涂120中的粘合剂、导电碳、以及活性材料的量来影响。正如现有技术中已知的，颗粒尺寸可以基于待形成的电极类型来主动选择，并且可以从与纳米尺寸颗粒一样低到几百微米以及更大的范围变化。颗粒尺寸还可以在整个电极的深度改变。由此，活性材料的颗粒尺寸不仅影响可以沉积在基础层中的活性材料的量，而且还可以影响粘合剂的量以及为开始基础层粘合而加的热量。
根据本发明，装置118可以包括具有施加静电荷到那里的喷枪，以便于将喷涂120中的颗粒朝向基底102引导和加速。已知的喷涂机构包括典型地最接近喷枪118的喷嘴128施加的静电荷，以便于从喷嘴128射出的颗粒被给予电荷，从而使得在喷嘴128和基底102之间形成静电电压差。根据一个实施例，施加到喷嘴128的静电电压是25kV，然而，本发明不因此受限并且可以施加任何电压，在25kV以上或者以下，根据本发明，以便于喷涂120均匀地涂布到基底102。电压差可以通过将喷涂120所指向的基底102的区域接地来增强。因为使基底102连续通过第一涂布区域110，所以直接使基底102接地可能是不方便的。因此，根据本发明，可以设置基底102在其上通过的支撑结构130。支撑结构130是静止的并且与基底102电连接，由此，基底102的接地可以通过提供附着到支撑结构130的接地线132来发生。根据一个实施例，可以包括多个接地线(由第二接地线134来代表，但是根据本发明可以包括许多)，以便于使基底102在最接近喷涂120撞击其上的地方更均匀接地。
***100包括第二涂布区域112，其使得第二层沉积到基底102上。第二涂布区域112包括装置136(例如，喷枪或者引起喷涂的其它已知装置，如所描述的)，其使得喷涂138朝向基底102并落在或者撞击到在第一涂布区域110中所涂布的第一层上。因为与最初的基础层到基底102的附着力比较，从一个电极层到下一个电极层的附着力趋于更容易地获得，所以用于第二和任何随后的电极层的喷涂138典型地包括更少的粘合剂。由此，根据本发明的一个实施例，喷涂138包括按重量80-90％的活性材料(包括但不限于LTO、氧化钴、氧化镍、氧化锰、氧化锰镍钴、磷酸铁、氧化铁、碳、以及硅)，按重量4-8％的导电碳，以及作为粘合剂(在一个实施例中的PVDF)的平衡。然而，本发明不因此受限，并且例如在第二电极层(以及任何随后的层)中的粘合剂水平也可以与1％一样低或者与100％一样高。实际上，根据本发明，在第一层中和在涂布于此的第二及随后的层中，可以包括任何组分及其百分比的活性材料和粘合剂。
根据本发明，可以包括向基底102提供热量的一个或者两个加热器140。然而，因为基底102已经具有在其上源自第一涂布区域110的基础层，加热器140可以不是必须的，因为基础层也提供待形成的热绝缘壁垒。同样，可以不包括加热器140，因为一个电极层到下一个电极层的粘合可以更有效，并且来自加热器142的热量可以足以使得来自喷涂138的随后的电极材料熔化并且在其可见熔化时流动。
加热器140(如果使用)和142可以根据任何数量的已知方法提供热量，作为示例，包括IR加热器、对流式加热器、辐射式加热器、或者感应式加热器。此外，装置136还可以包括具有喷嘴144的喷涂机构，静电荷(例如，25kV)也可以被施加到所述喷嘴。涂布区域112可以包括支撑146和一个或者多个接地线148，用于增强喷涂138到之前所涂布的基础层上的沉积。
根据本发明，***100包括计算机150，其具有计算机可读存储介质和已经在其上存储包括经由控制器152执行控制命令的指令的计算机程序。以此方式，可以使得控制器152如本领域所已知的以及如根据以上操作所描述的控制喷涂站、加热器以及轧辊机构的操作。
图1中***100的操作可以在如图2中所图示的框图200内的一组步骤中被概述。在步骤202时开始，传送基底材料204，并且在步骤206时，粘合剂、导电碳、以及活性材料的第一层或者基础层被涂布到基底上。在步骤208时，对基底的无喷涂侧面加热，以及如所述的，可以包括直接与步骤206时的喷涂位置相对并同时与此相关的加热器，和/或在使得基底通过基础层被涂布的区域或者区段之后，可以对基底的无喷涂侧面加热。可以然后在步骤210加热喷涂侧面，在这之后，在基底上形成第一层。在步骤212时，粘合剂、导电碳、以及活性材料的第二层被喷涂到第一层。如所述的，无喷涂侧可以利用直接与第二喷涂区域相对的、或者如由图1的加热器140所代表的随后于此的加热器来加热。还可以对喷涂侧216施加热量，以便于使得第二层的粘合剂熔化和流动。如所暗指的，随后的层可以通过重复所描述的工艺被涂布到电极层。也就是说，参考图1，可以在***100内包括(通常无限制)例如第二涂布区域112的附加喷涂站，以便于增加附加层。由此，在步骤218，如果附加层是期望的220，框图200图示了返回222，以便于可以增加随后的层。换句话说，返回222不代表物理上返回通过第二涂布区域112的部分，只代替地图示***100在其设计中可以包括很多喷涂站，以便于获得最后的期望厚度。
还如所暗指的，每个随后的喷涂站可以包括不同数量的粘合剂、导电碳、以及活性材料的喷涂混合物，这取决于期望的最后电极的设计。正如现有技术中所已知的，在一个示例中可以期望的是，在电极的深度内具有颗粒尺寸的梯度，其中，最小的活性材料颗粒最靠近基底以及最大的活性材料颗粒朝向电极的外表面。相反，可能期望的是，最接近基底具有较大颗粒以及朝向电极的外表面具有较小颗粒。或者，可以期望的是，在整个电极上具有均匀的活性材料颗粒尺寸。这些设计通常在本领域内被理解并且所有的设计可以根据本发明的实施例来形成。也就是说，每层的厚度以及每层内的颗粒尺寸可以被选择和控制，因为在电极形成过程中增加随后的层以便于在电极内获得活性材料的期望颗粒尺寸梯度。
可以存在若干优点：能够在电极中建立不同材料颗粒尺寸或者具有不同的活性材料的非晶型层。在一个示例中，与利用给定粘合剂通过溶剂浇铸方法处理的单个、双峰或者三峰颗粒尺寸分配所建立的电极比较，将更靠近于集电器的较大颗粒尺寸、以及由于电极厚度远离集电器建立的较小颗粒尺寸进行分层可以更多地考虑更高的功率和更高的能量密度与循环寿命。所描述的工艺也在必要时考虑改变粘合剂和导电添加物，以对于给定涂布优化电极的性能。这将使电极活性材料基质从非晶型变成具有优秀界面导电性的或多或少的分离层。
分层而不导致界面电阻的该能力对于传统的基于溶剂的技术和其它已知的方法是明显的改进。在本发明中所描述的分层方法是使得界面电阻不如本领域普通技术人员所希望的那样显而易见。实际上，电阻或者阻抗低于所希望的，从而证实了所公开的方法比涂布活性材料到集电器的基于溶剂的方法更好并且是对现有技术的明显改进。
现在参考图3，电极300包括与图1的基底102对应的基底302。电极300包括在粘合剂304中的一层或者多层活性材料混合物以及，如所述的，可以包括其整个厚度306上的颗粒厚度梯度。电极300还可以具有通过选择性地涂布合适数量的层以及通过如图1中所图示的当成品通过引导心轴114时压紧基底和层来控制的总厚度308。因此根据本发明，可以制造最后的单侧电极厚度为0.0005”到0.015”或者更大。实际上，在原理上不限制电极厚度是多薄或者多厚。就厚度而言，可以获得与单个活性材料尺寸一样薄的层。就厚度而言，限制仅仅基于涂布站的数量并且也许基于束缚于电化学性能的基本限制。
以上参考图1和2所描述的原理可以被应用，以便于制造两侧电极。也就是说，基底可以通过***，在所述***中，喷涂被涂布到基底和随后层的两侧，以便于导致在基底的每一侧上建立的活性材料。现在参考图4，在双侧涂覆***400中，可以使得基底102移动通过第一双侧涂覆站402，以在基底102的每侧上喷涂初始层。***400包括加热器404和图示为可以使用的第二喷涂站406，连同与各个喷涂站406对应的附加加热器408。换句话说，与图1的***一样，可以在***400内包括多个喷涂站，以便于在建立双侧电极过程中形成多个随后的层。***400可以在基底的一侧或者两侧上包括加热器410，其使得基底被预加热并且借此在对每一侧的基础层喷涂之前增强对基底的加热，借此增强基础层到基底102的附着力。喷涂机构412可以包括或者不包括静电荷，并且也可以包括一个或者多个相应的接地线414。根据本发明，加热器410和喷涂站412可以彼此交错和偏离，或者被设置成使得加热器410中一个与喷涂站412中一个相对，并且加热器410中另一个与喷涂站412中另一个相对。第二喷涂站406同样包括喷涂机构416，其可以或者不可以被静电控制，以及经由到基底的接地线接地(在喷涂站406中未示出)。
以此方式，双侧电极500可以被形成具有基底102并在其上形成的第一活性材料层502及第二活性材料层504。就如单侧实施例一样，颗粒尺寸梯度和整个厚度可以通过在每个喷涂站内使用合适的颗粒尺寸和使用压紧心轴418来控制。因此根据本发明，可以制造最后的双侧电极厚度为0.0010”到0.030”或者更大。
根据一个实施例，金属带154可以被增加到例如图1的***100的涂覆***。金属带可以伸出基底越过的***的长度。也就是说，代替使用独立的支撑结构130和146，可以设置单个带，以增强基底穿过时喷涂区域中的接地。当使用较少的导电材料(例如，薄金属、复合结构、稀松组织、泡沫状、或者无纺基底)时，这可以具有特别的兴趣。同时，当小批次(small run)大量电极是期望的，而钢带在位时，机器可以反转以建立电极活性材料厚度或者使不同的活性材料可能分层，从而增强最后的电化学性能。使用带机的另一个好处是：通过使用该方法使得活性材料的自支撑膜被制成，以使得这些膜可以用在其它应用中，其中，对基底或者集电器的强粘合不如产品设计中所必须的强烈。带机也将考虑根据电极类型更快地变换。
双重涂覆可以通过将活性材料同时涂布到两侧(即，图4)或者通过由转动或者倒转输送带(web)重复单侧涂覆(即，再次行进通过图1的实施例，其中，基底102相反侧被涂覆)来获取，并且无论以垂直或者水平方式以及重复涂布区段或者回到涂布区段。也就是说，虽然图1和4图图示了正交通过地球重力场，但是根据本发明基底可以与重力场共线通过。换句话说，根据本发明的实施例，用于涂覆的***可以在垂直方向中驱动基底。完成相同操作的其它方法将形成具有更多站点的较长机器，或者在相同方向经过输送带时再次缠绕和展开，或者在机器上使输送带收回以节省空间。锂离子电极因此被制造而无需溶剂，其作用与按照惯例通过使用溶剂工艺制成电极一样。电极可以以任何厚度、密度以及利用任何已知的活性材料来制成。
此处所图示的工艺不限于非常薄的电极。完成的电极厚度在0.0005”到超过0.015”的范围(单侧的，以及近似地使双侧电极的厚度翻倍)并且更厚的电极是可能的，其仅仅通过分层站的数量限制到某个程度。此外，该工艺不限于蓄电池电极，而且可以延伸到以类似方式加工分离器层，从而实现在接近正好及时递送能力的一条线上加工全电池。
电极密度还可以是可调节的和可控制的。溶剂浇铸电极典型地包括压印以获得或改进性能。根据本发明，压印和不压印电极可以根据该工艺来制造，而在性能上没有明显不同。溶剂浇铸***通常目标是在压印后30-40％的开口结构，并且利用循环和聚合物溶剂化的松弛将使多孔结构回到50％的范围。然而，此处所图示的工艺在需要或者无需二次压印的情况下创建了从15％到50％的多孔结构。在利用电解质添加物溶化之后不必压印和经历松弛，由此改善整个循环寿命。此外，相对于溶剂浇铸***，降低了在活性材料的内部结构中粘合剂的量。在溶剂浇铸***中，聚合物粘合剂常常进入活性材料的内部结构。然而，所描述的工艺保持大多数粘合剂在活性材料外侧上，从而导致当与溶剂浇铸***相比较时活性材料更高的利用性。
在溶剂浇铸线中，溶剂(通常地，N-甲基吡咯烷酮(NMP)，或者丁酮(MEK)，或者其它已知溶剂)典型地增加到活性材料并且然后以不使得铸造电极破裂或者压碎的速率去除。这典型地包括大量的干燥炉和溶剂回收***。有时候，溶剂被用作燃料的一部分以加热炉子。任何方式，去除溶剂的要求引起了对于相当长的干燥炉(＞200英寸)以及其它化学处理装备的需求。在浇铸工艺中消除溶剂还减少了在合适的通风时间是不可得到时污染电解质和电池的可能性。
最后，此处所描述的工艺不改变现在的蓄电池化学性质。使用和在传统的基于溶剂的方法中相同的粘合剂、活性材料以及导电添加物，而不需要任何其它的所添加原料。也就是说，就电阻、功率、以及衰减速率而言，电极性能可与在基于溶剂的***中所形成的蓄电池进行比较。
所公开的方法和设备的技术贡献在于，它提供执行干燥、无溶剂的方法的计算机，以及用于制造电极的设备，并且更特别地，涉及一种用于加工或者创建锂离子(Li-ion)蓄电池中锂电化学电池的方法和设备。
本领域普通技术人员将理解：本发明的实施例可以与在其上存储计算机程序的计算机可读存储介质接口并被其控制。计算机可读存储介质包括多个组件，例如，一个或者多个电子组件、硬件组件、和/或计算机软件组件。这些组件可以包括一个或者多个计算机可读存储介质，其通常存储例如软件、固件和/或汇编语言的指令，用于执行一个或者多个实现过程或者顺序实施例的一个或者多个部分。这些计算机可读存储介质通常是非瞬态的和/或有形的。这种计算机可读存储介质的示例包括计算机和/或存储装置的可记录数据存储介质。计算机可读存储介质可以利用例如一个或者多个磁的、电的、光的、生物的、和/或原子的数据存储介质。此外，这种介质可以采用以下形式，例如，软盘、磁带、CD-ROM、DVD-ROM、硬盘驱动器、和/或电子存储器。未列出的其它形式的非瞬态和/或有形的计算机可读存储介质可以与本发明的实施例一起使用。
许多这样的组件可以在实现***时被组合或者分开。此外，这样的组件可以包括一组和/或系列利用许多编程语言中的任何一个来写入或者实现的计算机指令，正如将由本领域普通技术人员所理解的。另外，例如载波的其它形式计算机可读介质可以用来包含代表指令序列的计算机数据信号，所述指令序列在由一个或多个计算机执行时使得一个或者多个计算机执行一个或者多个实现过程或者顺序实施例的一个或者多个部分。
根据本发明的一个实施例，一种用于制造电极的无溶剂***包括：用于传送基底通过***的机构；由将第一层涂布到基底的第一装置所组成的第一涂布区域，其中，第一层由活性材料混合物和粘合剂组成；以及粘合剂包括热塑性材料和热固性材料中至少一个；以及***包括被设置以加热第一层的第一加热器。
根据本发明的另一个实施例，一种加工电极的无溶剂方法，包括：传送基底通过传送机构，将由活性材料混合物和粘合剂所组成的第一层涂布到基底，其中，粘合剂包括热塑性材料和热固性材料中至少一个，以及利用第一加热器加热第一层。
根据本发明的又一方面，一种在其上存储包括指令的计算机程序的计算机可读存储介质，当所述指令由计算机执行时使得计算机：经由传送机构使得基底被传送通过电极制造***，经由第一加热器加热基底，以及使得第一层被涂布到基底上，第一层由活性材料混合物和粘合剂组成，以及粘合剂包括热塑性材料和热固性材料中至少一个。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳方式，以及还使本领域任何普通技术人员能够实践本发明，包括制成和使用任何设备或者***并且执行任何具体的方法。本发明可专利的范围由权利要求来限定，并且可以包括被本领域普通技术人员所想到的其它示例。如果其它示例具有不同于权利要求中的字面语言的结构元件，或者如果其它示例包括与权利要求中的字面语言无实质区别的等同结构元件，这些其它示例将在所要求权利的范围中。

Claims (28)

1.一种用于制造电极的无溶剂***，包括：
用于传送基底通过***的机构；
第一涂布区域，其由将第一层涂布到基底的第一装置组成，其中：
第一层由活性材料混合物和粘合剂组成；以及
粘合剂包括热塑性材料和热固性材料中至少一个；以及
第一加热器，其被设置以加热第一层。
2.根据权利要求1的无溶剂***，其中，第一加热器被设置，以加热基底的一个表面，该表面与第一层所涂布的基底的表面相对。
3.根据权利要求2的无溶剂***，其中，第一加热器被设置，以加热第一涂布区域内基底的表面并且同时第一装置将第一层涂布到基底。
4.根据权利要求2的无溶剂***，其中，第一加热器被设置，以在第一层涂布到基底后加热基底的表面。
5.根据权利要求2的无溶剂***，包括：第二加热器，其被设置以在第一层涂布到基底后加热第一层。
6.根据权利要求5的无溶剂***，其中，第一和第二加热器中至少一个是红外线(I R)加热器。
7.根据权利要求1的无溶剂***，包括：
第二涂布区域，其由将第二层涂布到第一层的第二装置组成，其中，第二层由活性材料混合物和粘合剂组成；以及
第三加热器，其被设置以加热第二层。
8.根据权利要求1的无溶剂***，包括：第三装置，其被设置在第一涂布区域内，第三装置被配置成将第三层涂布到基底的表面，该表面与第一层所涂布的基底的表面相对。
9.根据权利要求1的无溶剂***，其中，粘合剂由聚偏二氟乙烯(PVDF)组成。
10.根据权利要求1的无溶剂***，其中，第一层由导电添加物组成。
11.根据权利要求10的无溶剂***，其中，导电添加物包括碳。
12.根据权利要求1的无溶剂***，其中，第一层粘合剂按重量在从1-100％范围变化。
13.根据权利要求12的无溶剂***，其中，第一层粘合剂按重量在从3-5％范围变化。
14.根据权利要求1的无溶剂***，其中，活性材料混合物包括氧化钛锂(LTO)、氧化钴、氧化镍、氧化锰、氧化锰镍钴、磷酸铁、氧化铁、碳、以及硅中一种。
15.根据权利要求1的无溶剂***，其中，基底是铜、铝和钢中一种。
16.根据权利要求1的无溶剂***，其中，第一装置是静电喷枪。
17.根据权利要求1的无溶剂***，其中，当第一装置将第一层涂布到基底时，至少一个接地线与基底电耦合。
18.根据权利要求1的无溶剂***，其中，用于传送基底的机构是包括至少一个心轴的轧辊组件，所述心轴用于在基础层和电极层已经被涂布于此后压紧基底。
19.一种加工电极的无溶剂方法，包括：
传送基底通过传送机构；
将由活性材料混合物和粘合剂组成的第一层涂布到基底，其中，粘合剂包括热塑性材料和热固性材料中至少一个；以及
利用第一加热器加热第一层。
20.根据权利要求19的无溶剂方法，包括：
利用第二加热器加热第一层；
将随后的活性材料和粘合剂涂布到第一层，以形成第二层；以及
利用第三加热器加热第二层。
21.根据权利要求20的无溶剂方法，其中，加热步骤中至少一个是红外线(I R)加热。
22.根据权利要求19的无溶剂方法，其中，粘合剂由聚偏二氟乙烯(PVDF)组成。
23.根据权利要求19的无溶剂方法，其中，活性材料包括氧化钛锂(LTO)、氧化钴、氧化镍、氧化锰、氧化锰镍钴、磷酸铁、氧化铁、碳、以及硅中一种。
24.根据权利要求19的无溶剂方法，包括：利用第一加热器加热基底第一侧上的基底，并且将第一层涂布到与第一侧相对的基底的第二侧上，其中，利用第一加热器加热和涂布第一层同时进行。
25.一种在其上存储包括指令的计算机程序的计算机可读存储介质，当所述指令由计算机执行时使得计算机：
经由传送机构使得基底被传送通过电极制造***；
经由第一加热器加热基底；以及
使得第一层被涂布到基底上，第一层由活性材料混合物和粘合剂组成，以及粘合剂包括热塑性材料和热固性材料中至少一个。
26.根据权利要求25的计算机可读存储介质，其中，进一步地使得计算机：
经由第二加热器加热第一层；
使得第二层被涂布到第一层上，第二层由活性材料和粘合剂组成；以及
经由第三加热器加热第二层。
27.根据权利要求25的计算机可读存储介质，其中，计算机进一步地使得：利用第一加热器加热基底同时将第一层涂布到基底上。
28.根据权利要求25的计算机可读存储介质，其中，计算机进一步地使得：在将第一层涂布到基底上后经由第一加热器加热基底。
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