(57)【要約】  電極膜混合物を形成する装置は、第１の供給源と、第２の供給源と、流動層コーティング装置とを備え得る。第１の供給源は、ポリマー分散物を含む。ポリマー分散物は、液体およびポリマーを含む。第２の供給源は、電極膜混合物の第２の成分を含む。流動層コーティング装置は、第１の供給源から分散物を受け取るように構成された第１の入口と第２の供給源から第２の成分を受け取るように構成された第２の入口とを備える。
2019532467.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギー貯蔵デバイスの電極膜混合物を形成する装置であって、
第１の供給源と、第２の供給源と、流動層コーティング装置とを備え、
前記第１の供給源はポリマー分散物を含み、
前記ポリマー分散物は液体およびポリマーを含み、
前記ポリマーはエネルギー貯蔵デバイスの電極膜混合物の第１の成分であり、
前記第２の供給源は、前記エネルギー貯蔵デバイスの電極膜混合物の第２の成分を含み、
前記流動層コーティング装置は、前記電極膜混合物を形成するために、前記第１の供給源から前記ポリマー分散物を受け取るように構成された第１の入口と、前記第２の供給源から前記第２の成分を受け取るように構成された第２の入口とを備える、装置。
【請求項２】
前記流動層コーティング装置はさらに、
前記ポリマー分散物の液体を蒸発させて乾燥ポリマーを形成し、
前記第２の成分で流動層を形成するとともに、前記乾燥ポリマーで前記第２の成分を覆うように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第２の成分は、乾燥粒子を含み、
前記流動層コーティング装置はさらに、前記乾燥粒子から流動層を形成するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第２の成分は、前記電極膜混合物の活性電極成分を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記第２の成分は、リチウム金属酸化物を含む、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記第２の成分は、炭素を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記第２の成分は、黒鉛を含む、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記ポリマーは、ポリテトラフルオロエチレンを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記液体は、水を含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記第２の成分は、乾燥粒子を含み、
前記流動層コーティング装置は、前記第２の入口を介して前記乾燥粒子を受け取り、前記乾燥粒子から流動層を形成するように構成されている、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記流動層コーティング装置はさらに、前記水を蒸発させて、前記乾燥粒子上に乾燥ポリテトラフルオロエチレン被膜をもたらすように構成されている、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記流動層コーティング装置はさらに、連続した量の気体を供給して前記第２の成分で流動層を形成するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
回転子をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
エネルギー貯蔵デバイスの電極膜混合物を調整する方法であって、
流動層コーティング装置の第１の入口に、液体と前記エネルギー貯蔵デバイスの電極膜混合物の第１の成分であるポリマーとを含むポリマー分散物を供給する工程と、
前記流動層コーティング装置の第２の入口に、前記エネルギー貯蔵デバイスの電極膜混合物の第２の成分を供給する工程と、
前記ポリマー分散物の液体部分を前記流動層コーティング装置内で蒸発させて乾燥ポリマーを形成する工程と、
前記乾燥ポリマーの流動層および前記電極膜混合物の第２の成分を前記流動層コーティング装置内で形成して電極膜混合物を形成する工程とを備える、方法。
【請求項１５】
前記ポリマー分散物を供給する工程は、水とポリテトラフルオロエチレンとを含む分散物を供給することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第２の成分を供給する工程は、乾燥粒子を供給することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記第２の成分を供給する工程は、前記電極膜混合物の活性電極成分を供給することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記第２の成分を供給する工程は、炭素を供給することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記炭素を供給することは、黒鉛を供給することを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記第２の成分を供給する工程は、リチウム金属酸化物を供給することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２１】
前記分散物の液体部分を蒸発させる工程は、前記分散物を前記流動層コーティング装置のスプレーノズルに通すことを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２２】
前記流動層コーティング装置内で前記第２の成分を前記乾燥ポリマーで覆う工程をさらに備える、請求項１４に記載の方法。
【請求項２３】
前記第２の成分を供給する工程は、前記ポリマー分散物を供給する前に行われる、請求項１４に記載の方法。
【請求項２４】
電極膜を形成する方法であって、
請求項１４に記載の方法を用いてエネルギー貯蔵デバイスの電極膜混合物を形成する工程と
前記電極膜混合物を圧延して電極膜を形成する工程とを備える、方法。
【請求項２５】
前記電極膜混合物を圧延する工程は、前記ポリマーを繊維化することを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記電極膜は、自立性電極である、請求項２５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本願は、２０１６年９月１日に出願された米国仮特許出願第６２／３８２，６７５号の利益を主張する。これにより、この内容全体が参照により本明細書に援用される。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、エネルギー貯蔵デバイスに関し、特に、エネルギー貯蔵デバイスの電極を製造する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
例えばコンデンサ、バッテリー、コンデンサとバッテリーとの混成物、および燃料電池などの電子装置に電力を供給するためには、種々のエネルギー貯蔵デバイスを使用することができる。こうしたエネルギー貯蔵デバイスは、１つまたは複数の電極膜を含むアノードおよびカソードを有する可能性がある。電極膜は、ポリマーバインダーおよび１つまたは複数の活性電極成分を含み得る。エネルギー貯蔵デバイスの電気的性能は、バインダーおよび活性電極成分の１つまたは複数の特性に依存する可能性がある。エネルギー貯蔵デバイスの所望の電気的性能は、バインダーや活性電極成分の種類、および／または電極膜の製造に用いるプロセスを選択することにより獲得され得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、エネルギー貯蔵デバイスの製造には、多大なコストがかかる可能性がある。特に、仕様に合わせた電極製造には、実質的なリソースが必要となる可能性がある。１つの難題として、製造後に溶剤および他の処理添加物を電極膜から除去することが挙げられる。ウェット電極の製造において、溶剤除去には多大な動力と時間が必要であり、その間、貴重な製造リソースが独占されてしまう可能性がある。製造技術を改善すれば、例えば、活性バインダー材料をより均一に分散させることによって、より高性能な電極が得られる。従来のドライ電極製造技術は、こうした課題の一部を回避する一方、本明細書にさらに記載される他の課題の発生を伴う。したがって、電極製造技術の改善が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
いくつかの実施形態は、エネルギー貯蔵デバイスの電極膜混合物を形成する装置を提供する。この装置は、ポリマー分散物を含む第１の供給源を備える。ポリマー分散物は、液体およびポリマーを含む。ポリマーは、エネルギー貯蔵デバイスの電極膜混合物の第１の成分である。この装置は、第２の供給源をさらに備える。第２の供給源は、エネルギー貯蔵デバイスの電極膜混合物の第２の成分を含む。この装置は、流動層コーティング装置をさらに備える。流動層コーティング装置は、第１の供給源からポリマー分散物を受け取るように構成された第１の入口と、第２の供給源から電極膜混合物の第２の成分を受け取るように構成された第２の入口とを備える。
【０００６】
さらなる実施形態は、エネルギー貯蔵デバイスの電極膜混合物を調整する方法を提供する。この方法は、流動層コーティング装置の第１の入口に、ポリマー分散物を供給する工程を含む。ポリマー分散物は、液体およびポリマーを含む。ポリマーは、エネルギー貯蔵デバイスの電極膜混合物の第１の成分である。この方法は、流動層コーティング装置内に、エネルギー貯蔵デバイスの電極膜混合物の第２の成分を供給する工程をさらに含む。この方法は、ポリマー分散物の液体部分を流動層コーティング装置内で蒸発させて乾燥ポリマーを形成する工程をさらに含む。この方法は、電極膜混合物の第２の成分を含む流動層を流動層コーティング装置内で形成する工程をさらに含む。
【０００７】
第１の態様において、エネルギー貯蔵デバイスの電極膜混合物を形成する装置が提供される。この装置は、第１の供給源と、第２の供給源と、流動層コーティング装置とを備える。第１の供給源は、ポリマー分散物を含む。ポリマー分散物は、液体およびポリマーを含む。ポリマーは、エネルギー貯蔵デバイスの電極膜混合物の第１の成分である。第２の供給源は、エネルギー貯蔵デバイスの電極膜混合物の第２の成分を含む。流動層コーティング装置は、電極膜混合物を形成するために、第１の供給源からポリマー分散物を受け取るように構成された第１の入口と第２の供給源から第２の成分を受け取るように構成された第２の入口とを備える。
【０００８】
第１の態様に係るいくつかの実施形態において、装置は、分散物の液体を蒸発させて乾燥ポリマーを形成するとともに、第２の成分で流動層を形成し、乾燥ポリマーで第２の成分を覆うように構成されている。
【０００９】
第１の態様に係るいくつかの実施形態において、第２の成分は乾燥粒子を含み、流動層コーティング装置は、この乾燥粒子から流動層を形成するように構成されている。
【００１０】
第１の態様に係るいくつかの実施形態において、第２の成分は、電極膜混合物の活性電極成分を含む。
【００１１】
第１の態様に係るいくつかの実施形態において、第２の成分は、リチウム金属酸化物を含む。
【００１２】
第１の態様に係るいくつかの実施形態において、第２の成分は、炭素を含む。
【００１３】
第１の態様に係るいくつかの実施形態において、第２の成分は、黒鉛を含む。
【００１４】
第１の態様に係るいくつかの実施形態において、ポリマーは、ポリテトラフルオロエチレンを含む。
【００１５】
第１の態様に係るいくつかの実施形態において、液体は、水を含む。
【００１６】
第１の態様に係るいくつかの実施形態において、第２の成分は乾燥粒子を含み、流動層コーティング装置は、第２の入口を介して乾燥粒子を受け取り、その乾燥粒子から流動層を形成するように構成されている。
【００１７】
第１の態様に係るいくつかの実施形態において、流動層コーティング装置は、水を蒸発させ、乾燥粒子上に乾燥ポリテトラフルオロエチレン被覆をもたらすように構成されている。
【００１８】
第１の態様に係るいくつかの実施形態において、流動層コーティング装置は、連続した量の気体を供給することにより、第２の成分で流動層を形成するように構成されている。
【００１９】
第１の態様に係るいくつかの実施形態において、装置は、回転子を備える。
【００２０】
第２の態様において、エネルギー貯蔵デバイスの電極膜混合物を準備する方法が提供される。この方法は、流動層コーティング装置の第１の入口に、液体と前記エネルギー貯蔵デバイスの電極膜混合物の第１の成分であるポリマーとを含むポリマー分散物を供給する工程と、前記流動層コーティング装置の第２の入口に、前記エネルギー貯蔵デバイスの電極膜混合物の第２の成分を供給する工程と、前記ポリマー分散物の液体部分を前記流動層コーティング装置内で蒸発させて乾燥ポリマーを形成する工程と、前記乾燥ポリマーの流動層および前記電極混合物の第２の成分を前記流動層コーティング装置内で形成して電極膜混合物を形成する工程とを備える、方法。
【００２１】
第２の態様に係るいくつかの実施形態において、ポリマー分散物を供給する工程は、水とポリテトラフルオロエチレンとを含む分散物を供給することを含む。
【００２２】
第２の態様に係るいくつかの実施形態において、第２の成分を供給する工程は、乾燥粒子を供給することを含む。
【００２３】
第２の態様に係るいくつかの実施形態において、第２の成分を供給する工程は、電極膜混合物の活性電極成分を供給することを含む。
【００２４】
第２の態様に係るいくつかの実施形態において、第２の成分を供給する工程は、炭素を供給することを含む。
【００２５】
第２の態様に係るいくつかの実施形態において、炭素を供給することは、黒鉛を供給することを含む。
【００２６】
第２の態様に係るいくつかの実施形態において、第２の成分を供給する工程は、リチウム金属酸化物を供給することを含む。
【００２７】
第２の態様に係るいくつかの実施形態において、分散物の液体を蒸発させる工程は、分散物を流動層コーティング装置のスプレーノズルに通すことを含む。
【００２８】
第２の態様に係るいくつかの実施形態において、方法は、流動層コーティング装置内で第２の成分を乾燥ポリマーで覆う工程をさらに備える。
【００２９】
第２の態様に係るいくつかの実施形態において、第２の成分を供給する工程は、ポリマー分散物を供給する前に行われる。
【００３０】
第２の態様に係るいくつかの実施形態において、電極膜を形成する方法が提供される。この方法は、電極膜混合物を圧延して電極膜を形成する工程を備える。
【００３１】
第２の態様に係るいくつかの実施形態において、電極膜混合物を圧延する工程は、ポリマーを繊維化することを含む。
【００３２】
第２の態様に係るいくつかの実施形態において、電極膜は、自立性電極である。
【００３３】
本発明と従来技術に対して達成された利点とを要約するために、特定の目的および利点が本明細書に記載されている。これらの目的または利点のうち、必ずしもすべてが特定の実施形態に従って達成されなければならないわけではないということは、当然に理解されるべきである。したがって、例えば、一つの利点または一群の利点が達成されるか最適化されるかして、その他の目的または利点が必ずしも達成されないようなやり方で、本発明を具現化または実施してもよいということを、当業者であれば理解するであろう。
【００３４】
これらの実施形態はすべて、本明細書に開示された本発明の範囲内に含まれるものとして意図されている。これら実施形態およびその他の実施形態は、添付図面を参照した後段の詳述によって当業者には容易に明らかとなるであろう。本発明は、開示された実施形態のうち、特定のいずれのものにも限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
本開示のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、特定の実施形態に係る図面を参照して説明される。これらの図面は、特定の実施形態を示すよう意図されており、本発明を限定するものではない。
【図１】図１は、１つまたは複数の電極膜を含むエネルギー貯蔵デバイスの概略図である。
【図２】図２は、電極膜混合物を形成するプロセスの一実施形態に係るプロセスフローチャートである。
【図３】図３は、電極膜混合物を製造する装置の一実施形態に係る概略図である。
【図４】図４は、電極膜混合物を製造する装置の一実施形態を示す図である。
【図５】図５は、流動層装置の一実施形態に係る断面図である。
【図６】図６は、回転子を備える流動層装置の一実施形態に係る断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
特定の実施形態および例を以下に記載するが、当業者であれば、本発明が、具体的に開示された実施形態および／または使用法ならびに明らかな改良品およびその等価物に限定されないということを理解するであろう。したがって、本明細書に開示された本発明の範囲は、以下に記載する特定の実施形態のいずれにも限定されないということが意図されている。
【００３７】
エネルギー貯蔵デバイスの電極膜混合物を形成する装置および同プロセスを本明細書において提供する。装置またはプロセスは、電極膜混合物の第１の成分を提供してもよい。この第１の成分は、ポリマー分散物を含んでいてもよい。このポリマー分散物は、液体およびポリマーを含んでいてもよい。装置またはプロセスは、電極膜混合物の第２の成分をさらに提供してもよい。この第２の成分は、活物質を含んでいてもよい。装置またはプロセスは、ポリマー分散物を受け取るように構成された第１の入口と電極膜混合物の第２の成分を受け取るように構成された第２の入口とに流体連通する流動層をさらに提供してもよい。
【００３８】
本明細書に記載の装置またはプロセスは、ウェット電極膜またはドライ電極膜を形成する従来の装置またはプロセス、またはこれらの膜を形成するために使用される原材料に対して１つまたは複数の利点を提供し得る。例えば、本明細書に記載の１つまたは複数の装置またはプロセスは、より厚い電極膜の形成を容易にすることにより、ウェットコーティングプロセスによって製造された電極膜と比べて、より高い装置エネルギー密度性能を提供し得る。さらなる例として、本明細書に記載の１つまたは複数の装置またはプロセスは、他の電極製造装置またはプロセスよりも製造コストを低減し得る。
【００３９】
従来の電極膜プロセスの中には、ウェット原材料を用いてスラリーを形成し、その後そのスラリーを集電体に付与し、乾燥させて、電極膜を形成するものがある。これらのウェット電極膜を乾燥する速度は、ウェットコーティングプロセスで使用されるスラリーの１つまたは複数の溶剤の乾燥運動に影響を受け得る。電極膜を乾燥可能な速度は、電極膜の厚さにも影響を受け得る。例えば、より厚い電極膜を乾燥させる速度は、乾燥の不具合を低減または回避するために低下させられることがよくある。したがって、１つまたは複数の溶剤の蒸発運動は、電極膜を所望のとおり乾燥させるために用いられる乾燥工程の時間長に、および／または、これらの電極膜の乾燥に使用される乾燥器の物理的長さに影響を及ぼし得る。乾燥の時間長および乾燥器の長さがこれらの電極の製造コストに寄与し得る。より高い装置エネルギー密度を得るためにより厚い電極が望まれている一方、ある程度の厚さを超える電極膜を製造するコストは極めて高額となり得る。例えば、ウェット被覆電極膜の乾燥に用いられる機器のコストは、乾燥オーブンが長くなると共に、相応以上、例えば略指数関数的に増加し得る。したがって、ウェットコーティングプロセスを用いて製造された電極膜の厚さは、スラリーで使用される１つまたは複数の溶剤の乾燥運動によって、つまり、満足のいく結果を得るために必要な乾燥リソースによって制限され得る。本明細書において提供するのは、乾燥機器または別個の乾燥工程を使用しない、および／または電極膜を乾燥させる工程のない、リチウムイオン系エネルギー貯蔵デバイス用電極膜を製造する装置および方法である。
【００４０】
従来のドライ電極膜プロセスは、乾燥した原材料を用いるため、上述のような、ウェット電極膜プロセスで求められる乾燥器の必要性が低減またはなくなる。こうしたドライ電極膜製造プロセスでは、ジェットミル等の高剪断機器やプロセスを用いて、寸法の減少および／またはバインダー材料の繊維化のための十分な剪断力が提供される。こうしたプロセスは、繊維化可能なバインダーのみを使用することに限定され得る。または、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の単一かつ特定のバインダーの使用のみにさらに限定され得る。例えば、ＰＴＦＥ等のバインダー材料と他の電極膜成分とを含む混合物は、ジェットミル工程により高い剪断力がもたらされてバインダー材料の凝集粒子が微細に分割された粒子へと分離され得る、および／またはバインダー材料が繊維化され得る。結果、このバインダー材料が残りの電極膜成分を覆い得る。得られた処理済乾燥粉末は、ロールミルを用いて熱および圧力により圧縮されることにより、膜のその他の成分に、例えば繊維化マトリックス状にＰＴＦＥが密着および付着した膜が形成される。膜厚は、ロールミルのロールギャップ、圧縮プロセス中に印加される圧力、および／または膜の圧縮回数によって異なり得る。乾燥製造プロセスは、電極膜が自立性電極膜となるような繊維化マトリックスをもたらし得る。本明細書に記載のとおり、「自立性」電極膜とは、電極膜が自立型の膜であり得るように膜を支持するとともにその形状を維持するのに十分なバインダーマトリックス構造を含む電極膜のことである。エネルギー貯蔵デバイスに採用される場合の自立性電極膜は、このようなバインダーマトリックス構造を取り入れたものである。一般に、および採用する方法によっては、このような自立性電極膜は、外部支持要素が無くてもエネルギー貯蔵デバイス製造プロセスで使用され得る程度に丈夫である。例えば、自立性電極膜は、追加の支持要素無しでも取り扱ったり巻いたりすることができる。
【００４１】
しかし、典型的なドライ電極製造で使用されるこのような高剪断プロセスは、電極膜混合物の１つまたは複数の他の成分を損傷するおそれがある。この損傷により、これらの成分から形成された電極を有する装置の性能が低下し得る。例えば、高い剪断力を発揮してバインダー材料の凝集粒子を分離および／またはバインダー材料を繊維化するジェットミルプロセスを用いることにより、電極膜混合物の１つまたは複数の他の成分の面特性を意図せず劣化させ得る。高剪断プロセスで加わる力は、１つまたは複数の活物質の形態を変化させ得る、および／または活物質の面損傷を生じさせ得る。例えば、活物質の粒子は、こうした過程の間に壊れたり、溶けたり、剥がれたり、化学的に変化したりし得る。
【００４２】
エネルギー貯蔵デバイスの電極に加えられた活物質は、被覆面および／または処理面を有し得る。例えば、炭素材料、特に黒鉛材料は、非晶質炭素で覆われていてもよい。代わりに、または加えて、黒鉛材料は、表面処理されることにより、固体電解質界面相の形成中の第１サイクルの非効率性を低減し、または電池のサイクル寿命を改善し得る。例えば、電極膜混合物内の炭素の１つまたは複数の面特性は、黒鉛粒子の非晶質炭素面コーティングが無い場合に劣化するおそれがある。こうした面特性の劣化は、エネルギー貯蔵デバイスの１つまたは複数の電気的特性に悪影響を及ぼし得る。
【００４３】
理論によって限定されることを望むわけではないが、活物質面の組成は、エネルギー貯蔵デバイス内の（例えば、電解質およびその中の不純物の）劣化過程に影響を及ぼすとともに、固体−電解質界面相（ＳＥＩ）層の形成に影響を及ぼすと考えられている。表面処理された活物質は、非処理面を有する活物質に比べて、エネルギー貯蔵デバイスの電極性能を高め得る。性能が高まる原因は、例えば、亀裂の形成および／またはクラッキング、集電体からの活物質の分離、電解質の分解、および／またはガスの発生が減少するからであると考えられる。したがって、本明細書に記載の１つまたは複数のプロセスによって作られたドライ電極膜材料を用いて製造したドライ電極膜は、例えば、電極膜の１つまたは複数の成分がより完全であることによって、改善された電気的特性を示し得る。
【００４４】
本明細書に開示するのは、製造中の表面損傷が低減された活物質を提供する材料および方法である。本明細書に記載するエネルギー貯蔵デバイスの特定の実施形態は、加工後の黒鉛材料の表面損傷を低減し得る。特に、こうした活物質を含む自立性電極膜が提供される。本明細書に記載の１つまたは複数のプロセスでは、電極膜成分が高い剪断力に晒されることを回避することで、成分の無欠性を容易に保護し得る。いくつかの実施形態では、ジェットミルやその他の高剪断装置、および、例えばエアコンプレッサーなどの関連機器および／または関連ミキサーの使用を控えるか、または使用しない場合に、製造コストを低減し得る。
【００４５】
さらに、高剪断プロセスを含んだ典型的なドライ電極製造プロセスを用いて製造された電極膜は、例えばＰＴＦＥ等の、高い剪断力で繊維化可能なバインダー材料に限定され得る。したがって、典型的なドライ電極製造プロセスでは、バインダーの選択が制限される可能性があり、ひいてはエネルギー貯蔵デバイスで使用される材料が制限される可能性がある。一例として、ＰＴＦＥバインダーを使用することによって、性能低下や、電池寿命の短縮や、特定種類のエネルギー貯蔵デバイスで使用される材料との不適合につながり得るし、例えば、特定の電極膜の１つまたは複数の他の成分との不適合にもつながり得る。例えば、ＰＴＦＥは、リチウムイオンとの電位反応のせいで、特定の電極膜用途には不向きのバインダーであり得る。本明細書に記載の１つまたは複数のプロセスは、ＰＴＦＥ以外のバインダー材料に適用可能である。それにより、リチウムイオン系エネルギー貯蔵デバイス用電極を製造するうえでリチウムとより相性のいいバインダー材料を用いることが容易となる。したがって、本明細書では、ＰＴＦＥの代替として使用されるバインダー、またはＰＴＦＥとの組み合わせにより使用されるバインダーに適合したドライ電極プロセスを提供する。
【００４６】
いくつかの実施形態では、エネルギー貯蔵デバイスの電極膜混合物、およびこれらの電極膜混合物を調整するためのプロセスおよび装置を提供する。電極膜混合物は、第１の成分および第２の成分を含んでいてもよい。第１の成分は、ポリマー分散物を含んでいてもよい。第２の成分は、活物質を含んでもいてもよい。いくつかの実施形態では、電極膜混合物は、ポリマーバインダーで覆われた電極膜成分の粒子を含む。この電極膜成分は、ポリマーとは異なる材料である。例えば、ポリマーは、ＰＴＦＥ等のポリマーバインダーであってもよい。いくつかの実施形態では、電極膜成分は、活性電極材料を含み得る。いくつかの実施形態では、電極膜成分は、黒鉛、活性炭、軟質炭素、および／または硬質炭素等の炭素を含み得る。電極膜成分は、金属酸化物との炭素複合物を含み得る。いくつかの実施形態では、電極膜成分は、リチウム金属酸化物等のインターカレーション可能な金属酸化物を含み得る。電極膜成分は、非晶質炭素を含み得る。電極膜成分は、黒鉛状炭素および非晶質炭素等の２つ以上の炭素の複合物を含み得る。電極膜混合物は、ＰＴＦＥで覆われた複数の黒鉛粒子を含み得る。ここで、「覆われた」という表現には、ポリマーバインダーの実質的に連続した膜が各電極膜成分（例えば、黒鉛等の活物質）の粒子を囲み覆うことが含まれ得る。このことは、例えば、誘起双極子相互作用および／またはロンドン力によって行われる。誘起双極子相互作用および／またはロンドン力によって、ポリマーは複数の粒子を形成し、これら粒子は、電極膜成分（例えば、黒鉛等の活物質）の粒子と合体しそれらを包囲する。
【００４７】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載の１つまたは複数の電極膜混合物を製造する装置は、第１の供給源と、第２の供給源と、流動層コーティング装置とを備える。第１の供給源は、例えば、ポリマーを含む分散物を含む電極膜混合物の第１の成分を供給するためのものである。第２の供給源は、電極膜混合物の第２の成分を含む。流動層コーティング装置は、分散物および電極膜混合物の第２の成分を受け取るように構成され得たものであれば、ワースター型加速器等の、当技術分野で知られているもののうちのいずれであってもよい。さらなる実施形態では、流動層コーティング装置は、円錐形の回転子処理装置を備えていてもよい。流動層コーティング装置は、ポリマー分散物を受け取る第１の入口と電極膜混合物の第２の成分を受け取る第２の入口とを備えていてもよい。さらなる実施形態では、電極膜混合物の第２の成分は、バッチ式で付与されてもよい。さらなる実施形態では、ポリマー分散物および電極膜混合物の第２の成分は、連続するフロー工程で付与されてもよい。本明細書において、いくつかの実施形態は、ワースター型加速器の範囲内で説明されているが、他の種類の流動層コーティング装置であっても、本発明の範囲内で実施可能であることが理解されるであろう。
【００４８】
本明細書に記載するとおり、「分散物」は、「ポリマー分散物」も含め、液相で分散させた、固体または半固体の粒子を含む組成物である。固体または半固体の粒子は、本明細書に記載のポリマーであってもよい。本明細書に記載の分散物は、上記固体または半固体の溶液であってもよい。
【００４９】
流動層コーティング装置は、１つまたは複数のスプレーノズルまたはスプレーガン、処理室、回転円板または回転子、定置型容器または固定子、および通風ダクトまたは通風口を例とする、一般的な部品を備え得る。
【００５０】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載の１つまたは複数の電極膜混合物を調整するプロセスは、ポリマーを含む分散物を第１の供給源から流動層コーティング装置の第１の入口に供給することを含む。このプロセスは、流動層装置内に電極膜混合物の第２の成分を供給することを含み得る。例えば、電極膜混合物の第２の成分は、第２の供給源から流動層コーティング装置の第２の入口に供給され得る。いくつかの実施形態では、電極膜混合物の第２の成分は、連続した量の加熱気体または加熱空気で分散および流動化されることにより、流動層を形成し得る。いくつかの実施形態では、ポリマー分散物の液体は、加熱空気により流動層コーティング装置内で蒸発することにより、乾燥ポリマーをもたらし得る。乾燥ポリマーおよび流動層は、電極膜混合物の第２の成分が乾燥ポリマーに覆われるように、流動層コーティング装置内で同時に供給され得る。例えば、ＰＴＦＥを含む分散物は、流動層コーティング装置の第１の入口内へ供給され得る。また、黒鉛の乾燥粒子は、黒鉛粒子を含む流動層が形成されるように、流動層コーティング装置の第２の入口内へ供給され得る。ポリマー分散物の液体部分を流動層コーティング装置内で蒸発させることにより、乾燥ＰＴＦＥが、膜として、および／または黒鉛面に付着する小さな粒子として、流動層コーティング装置内の黒鉛の乾燥粒子を覆うようにしてもよい。電極膜混合物の第２の成分は、ポリマー分散物を供給する工程前に流動層コーティング装置内に存在し得る。
【００５１】
いくつかの実施形態では、バインダーは、ＰＴＦＥではない。さらなる実施形態では、ポリマー分散物は、ＰＴＦＥを含まない。
【００５２】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載の１つまたは複数の電極膜混合物は、電極膜混合物の１つまたは複数の他の成分と混合された後に圧延されることにより、電極膜を形成し得る。上記他の成分は、例えば、電極膜混合物の第３の成分であり得る。電極膜混合物の第３の成分は、本明細書に記載のコーティングプロセス後に電極膜混合物と混合され得る。例えば、電極膜混合物の第３の成分は、電極膜混合物の第１の成分および第２の成分を含む電極膜混合物に添加され得る。代わりに、または加えて、電極膜混合物の第３の成分は、流動層装置内で混ぜ合わされる前に、第１の成分および／または第２の成分と混合され得る。非制限的な例として、電極膜混合物の第３の成分は、ポリマー分散物の液体内で分散され得る。
【００５３】
電極膜混合物の第３の成分は、追加のバインダー材料を含み得る。この追加のバインダー材料は、ポリマー分散物に含まれるバインダー材料と同じであってもよいし異なっていてもよい。追加のバインダー材料は、本明細書に提供されるもののうちのいずれであってもよい。追加のバインダー材料は、例えば、ＰＴＦＥであってもよいし、ＰＴＦＥを含んでいてもよい。代わりに、または加えて、電極膜混合物の第３の成分は、例えば、追加の活物質を含み得る。この活物質は、本明細書に記載のもののうちいずれでもあり得る。例えば、炭素材料または金属酸化物であってもよい。代わりに、または加えて、電極膜混合物の第３の成分は、例えば、導電性の電極膜材料を含み得る。
【００５４】
電極は、エネルギー貯蔵デバイス内で使用するためのアノードまたはカソードを形成するために使用され得る。例えば、電極膜は、積層プロセス等によってアノードまたはカソードの集電体に接続されていてもよい。本明細書に記載の電極膜は、バッテリー、コンデンサ、コンデンサとバッテリーの混成物、燃料電池、およびこれらの組み合わせ等のエネルギー貯蔵デバイスのアノードおよび／またはカソードを形成するために使用され得る。エネルギー貯蔵デバイスは、リチウムと動作してもよいし、リチウム無しで動作してもよい。いくつかの実施形態では、電極膜は、リチウムイオン電池等のバッテリー、または他の金属イオンバッテリーを製造するために使用され得る。いくつかの実施形態では、電極膜は、電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）等のウルトラキャパシターを製造するために使用され得る。いくつかの実施形態では、電極膜は、リチウムイオンコンデンサを製造するために使用され得る。電極膜は、本明細書に記載するような自立性電極膜であってもよい。
【００５５】
図１は、エネルギー貯蔵デバイス１００の一例に係る概略側断面図である。エネルギー貯蔵デバイス１００は、リチウムイオンコンデンサ、リチウムイオン電池、または電気二重層コンデンサ等のエネルギー貯蔵デバイスのうち、いくつでもあり得る。当然、その他のエネルギー貯蔵デバイスは本発明の範囲内にあり、装置１００は、その他の種類のコンデンサ、バッテリー、コンデンサおよびバッテリーの混成物、または燃料電池であってもよい。エネルギー貯蔵デバイス１００は、第１の電極１０２と、第２の電極１０４と、第１の電極１０２と第２の電極１０４との間に位置するセパレータ１０６と、を有し得る。例えば、第１の電極１０２および第２の電極１０４は、セパレータ１０６の対向する面にそれぞれ隣接して配置され得る。第１の電極１０２がカソードを含み、第２の電極１０４がアノードを含み得るが、その逆であってもよい。エネルギー貯蔵デバイス１００は、電解質を含むことで、エネルギー貯蔵デバイス１００の電極１０２と電極１０４との間のイオンの移動を容易にすることができる。例えば、電解質は、第１の電極１０２、第２の電極１０４、およびセパレータ１０６と接し得る。電解質、第１の電極１０２、第２の電極１０４、およびセパレータ１０６は、エネルギー貯蔵デバイスの筐体１２０内に収容され得る。例えば、エネルギー貯蔵デバイスの筐体１２０が、第１の電極１０２、第２の電極１０４、およびセパレータ１０６の挿入、および、エネルギー貯蔵デバイス１００への電解質の充填に続いて封止されることにより、第１の電極１０２、第２の電極１０４、セパレータ１０６、および電解質は、筐体外部の環境から物理的に封止され得る。
【００５６】
セパレータ１０６は、セパレータ１０６の対向する側に隣接する２つの電極（例えば第１の電極１０２および第２の電極１０４）を、この隣接する２つの電極間のイオン移動を許しつつ電気的に絶縁するように構成され得る。セパレータ１０６は、種々の多孔質電気的絶縁材料または不織布電気的絶縁材料を含み得る。いくつかの実施形態では、セパレータ１０６は、ポリマー材料を含んでいてもよい。セパレータ１０６は、ポリマー材料の複合物を含み得る。セパレータ１０６は、１つまたは複数のポリマー材料とセラミックおよび／または金属酸化物との複合物を含み得る。セラミックまたは金属酸化物は、粉末であり得る。例えば、セパレータ１０６は、紙等のセルロース材料を含み得る。セパレータ１０６は、多孔質または不織布ポリエチレン（ＰＥ）材料を含み得る。セパレータ１０６は、多孔質ポリテトラフルオロエチレン材料等のポリテトラフルオロエチレン材料を含み得る。セパレータ１０６は、多孔質ＰＰ材料または不織布ＰＰ材料等のポリプロピレン（ＰＰ）材料を含み得る。セパレータ１０６は、例えば、多孔質ＰＰ材料もしくは不織布ＰＰ材料上に、またはポリマー材料の複合物上に、ポリエチレン被覆を含み得る。
【００５７】
図１に示すように、第１の電極１０２および第２の電極１０４は、第１の集電体１０８および第２の集電体１１０をそれぞれ含み得る。第１の集電体１０８および第２の集電体１１０は、対応する電極および外部回路（図示せず）間の電気的接続を容易にし得る。第１の集電体１０８および第２の集電体１１０は、１つまたは複数の導電性材料を含み得る。第１の集電体１０８および第２の集電体１１０は、種々の形状および／または寸法を有し得る。第１の集電体１０８および第２の集電体１１０は、対応する電極および外部回路間の電荷の移動を容易にするように構成し得る。例えば、第１の集電体１０８は、第１の接続部１２６を介して、電気的陽極の端子を例とする第１のエネルギー貯蔵デバイス端子１２２に電気的に接続され得る。第２の集電体１１０は、第２の接続部１２８を介して、電気的陰極の端子を例とする第２のエネルギー貯蔵デバイス端子１２４に電気的に接続され得る。第１のエネルギー貯蔵デバイス端子１２２および第２のエネルギー貯蔵デバイス端子１２４は、外部回路の各端子に電気的に接続されることにより、エネルギー貯蔵デバイス１００を外部回路に接続し得る。
【００５８】
集電体には、アルミニウム、ニッケル、銅、銀、これらの合金、および／もしくは他の金属材料を含む材料を例とする金属材料、または、装置の電極電位に不活性で留まる黒鉛を例とする非金属材料が含まれ得る。第１の集電体１０８および／または第２の集電体１１０は、フォイルを含み得る。第１の集電体１０８および第２の集電体１１０は、矩形または実質的に矩形の形状を有し得る。対応する電極と外部電気回路との間に所望の電荷移動をもたらすように寸法決めされ得る。エネルギー貯蔵デバイス１００は、多数の異なる構成のうちのいずれをも有することが可能であり、それによって、集電体１０８および集電体１１０をそれぞれ介して、電極１０２および電極１０４と外部電気回路との間の上述の電気通信を実現できる。例えば、上述の電荷移動は、集電体板および／または別のエネルギー貯蔵デバイス部品を介して可能となる。
【００５９】
第１の電極１０２は、第１の集電体１０８の第１の面（例えば、第１の集電体１０８の上面）上に第１の電極膜１１２（例えば、上側電極膜）を有し得る。第１の電極１０２は、第１の集電体１０８の第２の反対面（例えば、第１の集電体１０８の底面）上に第２の電極膜１１４（例えば、下側電極膜）を有し得る。同様に、第２の電極１０４は、第２の集電体１１０の第１の面（例えば、第２の集電体１１０の上面）上に第１の電極膜１１６（例えば、上側電極膜）を有し得る。第２の電極１０４は、第２の集電体１１０の第２の反対面（例えば、第２の集電体１１０の底面上）上に第２の電極膜１１８を有し得る。例えば、第２の集電体１１０の第１の面は、第１の集電体１０８の第２の面と対向し得るため、セパレータ１０６は、第１の電極１０２の第２の電極膜１１４と第２の電極１０４の第１の電極膜１１６とに隣接している。
【００６０】
電極膜１１２、１１４、１１６および／または１１８は、種々の好適な形状、寸法、および／または厚さを有し得る。例えば、電極膜は、約３０ミクロン（μｍ）〜約２０００ミクロンの厚さを有し得る。この厚さは、約１００ミクロン〜約２５０ミクロンの範囲と、さらには約３０ミクロン〜約２５０ミクロンの範囲とを含む。電極膜１１２、１１４、１１６、および／または１１８は、それぞれに対して、同一または異なる厚さ、組成、および密度を有し得る。例えば、電極膜１１２および電極膜１１４は、電極膜１１６および電極膜１１８とは異なる厚さ、組成または密度を有し得る。
【００６１】
いくつかの実施形態では、エネルギー貯蔵デバイスのアノードおよび／またはカソードの電極膜は、ポリマーバインダー材料を例とするポリマーと、１つまたは複数の他の成分とを含む電極膜混合物を含む。ポリマーは、一般用語であり、本明細書に記載するようなホモポリマー、共重合体、およびポリマー混合物を含み得る。いくつかの実施形態では、アノードおよび／またはカソードの電極膜は、１つまたは複数の活性電極成分を含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、活性電極成分は、炭素系である。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の活性電極成分は、活性炭等の多孔質炭素材料を含む。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の活性電極成分は、黒鉛、軟質炭素および／または硬質炭素等の、リチウムイオンを可逆的にインターカレーションするように構成された炭素を含む。いくつかの実施形態では、活性電極成分は、リチウム金属酸化物を含む。いくつかの実施形態では、アノードおよび／またはカソードの電極膜は、導電率促進添加物またはイオン伝導率促進添加物等の、１つまたは複数の添加物を含み得る。いくつかの実施形態では、導電率促進添加物は、カーボンブラックであり得る。いくつかの実施形態では、電極膜混合物は、バインダー材料、１つまたは複数の活性電極成分、および／または１つまたは複数の導電率促進添加物を含む。いくつかの実施形態では、バインダー材料は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）、本明細書に記載のバインダー、および／または他の好適な、必要に応じて繊維化可能な材料を例とする種々の好適なポリマー材料のうちの１つまたは複数を、単独でまたは組み合わせて含み得る。いくつかの実施形態では、活性電極成分は、リチウムイオンの豊富な供給源を採用する。これは、アノードを予めリチウム化し、第１サイクルの非効率性を有利に低減またはなくすためである。
【００６２】
図２は、電極膜混合物を形成するプロセス２００の一実施形態に係るプロセスフローチャートである。工程２０２において、ポリマー分散物等の電極膜混合物の第１の成分は、「噴霧乾燥機」としても知られ得る流動層被膜システムの第１の入口に供給される。工程２０２は、装置の噴霧室内に、例えばスプレーノズルを介して、ポリマー分散物を噴霧することを含み得る。ポリマー分散物は、液体と、この液体内で分散させた固体または半固体のポリマー粒子とを含むか、または実質的にこれらから成るか、またはこれらのみから成る。いくつかの実施形態では、この液体は、水を含むか、または実質的にこれから成るか、またはこれのみから成り得る。例えば、ポリマー分散物は、水性分散物であり得る。いくつかの実施形態では、この液体は、ポリマー溶液または分散物において一般的であって当業者に既知の１つまたは複数のその他の溶剤を含むか、または実質的にこれらから成るか、またはこれらのみから成り得る。いくつかの実施形態では、ポリマーは、電極膜バインダー材料を含むか、または実質的にこれから成るか、またはこれのみから成り得る。電極膜バインダー材料は、エネルギー貯蔵デバイスの動作中、電気化学的に不活性であり続ける材料を含み得る。電極膜バインダー材料は、キャリア流体内で微細粒子として分散されるか、または溶剤内に溶解されるか、または分散および溶解が組み合わされて行われ得る。電極膜バインダー材料は、エネルギー貯蔵活物質と混ぜ合わされると機械的に膜を形成し得る。使用可能なその他の種類のポリマーとして、熱可塑性物質、熱硬化性物質、またはエラストマーが挙げられるが、これらに限定されない。ポリマーは、２つ以上のポリマーの混合物または共重合体であり得る。共重合体は、グラフト共重合体、ブロック共重合体、ランダム共重合体、またはこれらの組み合わせであり得る。いくつかのポリマーには、本明細書に提供されているものが含まれる。具体的には、例えば、カルボキシメチルセルロース、スチレン−ブタジエンおよび共重合体、ポリフッ化ビニリデンおよびポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重の共重合体、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ならびにこれらの混合物および共重合体が含まれる。いくつかの実施形態では、ポリマーは、ＰＴＦＥを含むか、または実質的にこれから成るか、またはこれのみから成り得る。例えば、ポリマー分散物は、ＰＴＦＥを含むか、または実質的にこれから成るか、またはこれのみから成る水性分散物であり得る。いくつかの実施形態では、ポリマー分散物は、ＰＴＦＥ粒子を含む市販の水性分散物である。いくつかの実施形態では、ポリマー分散物は、懸濁液であり得る。さらなる実施形態では、ポリマー分散物は、溶液であり得る。さらなる実施形態では、ポリマーは、液体に溶解していなくてもよい。
【００６３】
工程２０４において、電極膜混合物の第２の成分は、流動層コーティング装置内の電極膜混合物の第１の成分とは別個に供給される。工程２０４は、流動層コーティング装置の第２の入口と流動層コーティング装置内とに第２の成分を供給することを含み得る。したがって、電極膜混合物の第１の成分および電極膜混合物の第２の成分は、流動層コーティング装置のコーティング室内に入るまでは互いに分離した状態であり得る。一般に、第１の入口および第２の入口は、それぞれ、第１の供給源および第２の供給源より下流の部品であり、流動層装置のコーティング室との流体連通をもたらす。工程２０４は、工程２０２でポリマー分散物を供給する工程とは異なる時期（例えば前）に、または同時に、第２の成分を供給することを含み得る。いくつかの実施形態では、第２の成分は、工程２０２のポリマー分散物とは異なる材料である。いくつかの実施形態では、第２の成分は、乾燥粒子状である。第２の成分は、活性電極材料を含むか、または実質的にこれから成るか、またはこれのみから成り得る。例えば、第２の成分は、活性電極材料の乾燥粒子を含むか、または実質的にこれから成るか、またはこれのみから成り得る。いくつかの実施形態では、第２の成分は、電気二重層コンデンサのカソードまたはアノードの活性電極材料を含むか、または実質的にこれから成るか、またはこれのみから成る。いくつかの実施形態では、第２の成分は、リチウムイオンコンデンサのカソードまたはアノードの活性電極材料を含むか、または実質的にこれから成るか、またはこれのみから成る。いくつかの実施形態では、第２の成分は、リチウムイオン電池等の電気化学バッテリーのカソードまたはアノードの活性電極材料を含むか、または実質的にこれから成るか、またはこれのみから成る。いくつかの実施形態では、第２の成分は、炭素を含むか、実質的にこれから成るか、またはこれのみから成る。いくつかの実施形態では、炭素は、黒鉛、軟質炭素および／もしくは硬質炭素を含むか、または実質的にこれらから成るか、またはこれらのみから成り得る。いくつかの実施形態では、炭素は、活性炭を含むか、または実質的にこれから成るか、またはこれのみから成る。いくつかの実施形態では、第２の成分は、リチウム金属酸化物を含むか、または実質的にこれから成るか、またはこれのみから成る。例えば、第２の成分は、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（ＮＭＣ）、リチウムマンガン酸化物（ＬＭＯ）、リチウム鉄リン酸（ＬＦＰ）、リチウムコバルト酸化物（ＬＣＯ）、およびリチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（ＮＣＡ）、または充電可能なリチウムイオン電池のカソードとしての使用に好適なその他のリチウム化金属酸化物材料のうち、１つまたは複数を含むか、または実質的にこれらから成るか、またはこれらのみから成り得る。
【００６４】
工程２０６において、ポリマー分散物の液体部分は、流動層コーティング装置のコーティング室内で蒸発され得る。例えば、分散物の液体部分は、気化して乾燥ポリマーを形成し得る。いくつかの実施形態では、流動層コーティング装置は、流動層コーティング装置内にポリマー分散物を分散させるスプレーノズルを備える。噴霧化スプレーノズルまたは超音波スプレーノズル等のスプレーノズルは、ポリマー分散物の微細な液滴を流動層コーティング装置のコーティング室内に注入するように構成され得る。いくつかの実施形態では、加熱した流動化空気で流動層コーティング装置の１つまたは複数の構成要素を直接的または間接的に加熱することにより、ポリマー分散物の液体部分が所望通りに蒸発するように、液滴の露出温度を制御する。流動層コーティング装置の１つまたは複数の構成要素の温度は、コーティング室内の温度を調節するために制御され得る。いくつかの実施形態では、コーティング室の１つまたは複数の側壁を加熱してもよい。いくつかの実施形態では、スプレーノズルを加熱してもよい。いくつかの実施形態では、ポリマー分散物を、コーティング室への導入前に加熱してもよい。いくつかの実施形態では、活物質等の第２の成分をポリマー分散物の導入前に予熱し得る。こうすることで、ポリマー分散物の液体部分の蒸発率を制御する一助となり得る。液滴は、例えば、加熱されたスプレーノズルおよび／または加熱された流動化空気、またはコーティング室の１つまたは複数の加熱された側壁からの熱などの熱に晒され得る。結果として、ポリマー分散物の液体部分がコーティング室内で蒸発して乾燥ポリマーがもたらされる。したがって、蒸発工程２０６は、ポリマー分散物がコーティング室内に導入される（例えば、噴霧される）前に、その期間に、および／またはその後に、ポリマー分散物を加熱することを含み得る。ポリマー分散物を蒸発させるその他の方法（つまり、別の言い方をすると、プロセスに熱を加えるその他の方法）には、例えば、流動層コーティング装置のコーティング室の壁を直接的または間接的に加熱することが含まれる。例えば、蒸発させるために、加熱された気体が供給され得る。この加熱された気体は、後述するように、工程２０８で電極膜の第２の成分の粉末層をも流動化させる。ポリマー分散物それ自体を、および／またはスプレーノズルを、加熱し得る。マイクロ波発生装置、赤外ランプ、オーブン、またはその他の熱供給源を使用して、コーティング室への導入前に、ポリマー分散物および／またはエネルギー貯蔵デバイスの電極の第２の成分を予熱してもよい。これらの加熱供給源をすべて使用することで、ポリマー分散物の蒸発を容易にし、および／または、コーティングプロセスの開始前に全材料の温度を安定させることができる。その結果、被覆材料のスループットを改善および向上できる。
【００６５】
工程２０８において、電極膜混合物の第２の成分を含むか、またはこれのみから成るか、または実質的にこれから成る流動層が、流動層コーティング装置内で形成され得る。いくつかの実施形態では、電極膜混合物の第２の成分を、流動層コーティング装置内に、乾燥粒子の状態で供給（つまり収容）し得る。流動層の形成工程は、第２の成分の乾燥粒子と圧縮空気等の圧縮気体とを、同時にまたは順次に、流動層コーティング装置のコーティング室内へ導入することを含み得る。例えば、第２の成分は、コーティング室内に収容されて材料の「層」を形成し得る。圧縮気体はその層を通過して「流動層」を形成し得る。
【００６６】
蒸発工程２０６および流動層形成工程２０８を行ってポリマー分散物および電極膜の第２の成分がコーティング室内での流動すると、ドライ電極混合物が形成される。このドライ電極混合物は、ポリマー分散物の乾燥ポリマーバインダーで覆われた、電極膜の第２の成分の粒子を含む。例えば、第２の成分から流動層を形成する工程とポリマー分散物の液体部分を蒸発させる工程とは、流動層コーティング装置のコーティング室内で同時に行うことができる。その結果、コーティング室内で、第２の成分が乾燥ポリマーに覆われ得る。
【００６７】
いくつかの実施形態では、流動層コーティング装置内で第２の成分を供給する工程は、スクリューフィーダや、空気作用や、手動や、別の装置（第２の入口を介して粒子材料を供給するように構成されたもの）によって第２の成分を供給することを含む。
【００６８】
本明細書に記載するとおり、いくつかの実施形態では、ポリマー分散物は、本明細書に記載するようなポリマー粒子を含む水性分散物である。さらなる実施形態では、ポリマーはＰＴＦＥである。ポリマー分散物は、ポリマー分散物の液滴が、流動層コーティング装置のコーティング室内で分散されるように流動層コーティング装置の第１の入口に供給され得る。本明細書に記載するとおり、いくつかの実施形態では、第２の成分は、黒鉛を含む。いくつかの実施形態では、黒鉛の乾燥粒子を含む乾燥粉末は、流動層コーティング装置の第２の入口に供給され得る。黒鉛を含む流動層は、流動層コーティング装置のコーティング室内で形成され得る。流動層コーティング装置の１つまたは複数の構成要素を加熱して、所望の乾燥度を有した黒鉛粒子がコーティング室内に供給されるように、また、ポリマー分散物の液体部分が所望の程度でコーティング室内で蒸発するようにしてもよい。例えば、水および／または他のポリマー分散物の液体成分が蒸発することで、流動層コーティング装置のコーティング室内で乾燥ＰＴＦＥがもたらされる。黒鉛を含むエアロゾルと乾燥ＰＴＦＥとは、流動層コーティング装置のコーティング室内に同時に存在し得る。これにより、黒鉛粒子がコーティング室内で乾燥ＰＴＦＥに覆われ得る。
【００６９】
いくつかの実施形態では、第２の成分の乾燥粒子は、最小寸法よりも大きい。いくつかの実施形態では、乾燥粒子は、約３ミクロン（μｍ）以上の寸法（例えば、直径、長さ、または最長寸法等）を有し得る。いくつかの実施形態では、第２の成分のおおよその粒子寸法は、０．０１ミクロン、０．１ミクロン、０．２ミクロン、０．３ミクロン、０．５ミクロン、０．７ミクロン、１ミクロン、１．５ミクロン、２ミクロン、２．５ミクロン、３ミクロン、またはこれらの間の数値範囲であり得る。いくつかの実施形態では、流動層コーティング装置内に存在するポリマー分散物液滴のポリマー粒子は、最大寸法よりも大きくはなり得ない。いくつかの実施形態では、ポリマー粒子は、噴霧化された粒子である。ＰＴＦＥ分散物の場合、粒子寸法は、典型的には１ミクロン未満であってもよく、典型的には０．１〜０．２ミクロンであってもよい。ポリマーのその他の溶液または分散物の場合、粒子寸法は、より小さくなり得る。例えば、０．０１〜０．１ミクロン、またはさらに小さい可能性がある。いくつかの実施形態では、ポリマー分散物のおおよその粒子寸法は、０．０１ミクロン、０．０３ミクロン、０．０５ミクロン、０．１ミクロン、０．２ミクロン、０．３ミクロン、０．５ミクロン、０．７ミクロン、１ミクロン、またはこれらの間の数値範囲であり得る。ノズルは、粒子寸法を調節するように構成し得る。ポリマー粒子寸法に影響を及ぼし得る他の要因には、溶液または分散物の濃度が含まれる。分散物の場合には、分散物それ自体の粒子寸法も含まれる。
【００７０】
図３は、電極膜混合物を製造する装置３００の一例を示す概略図である。いくつかの実施形態では、図２を参照して説明したプロセス２００は、装置３００を用いて実行することができる。図３を参照すると、装置３００は、ポリマー分散物の供給源３０２と、電極膜混合物の第２の成分の供給源３０４と、流動層コーティング装置３０６（コーティング室３１０を含む）と、集電容器３０８とを備え得る。ポリマー分散物の供給源３０２は、本明細書に記載するようなポリマーと液体とを含むポリマー分散物を含み得る。ポリマー分散物３０２は、必要に応じて、追加の混合物成分を含んでいてもよい。この追加の混合物成分は、例えば、本明細書において提供されているような電極膜混合物の第３の成分であり得る。電極膜混合物の第２の成分の供給源３０４は、本明細書に記載するような電極膜混合物の第２の成分を含み得る。ポリマー分散物は、ポリマー分散物供給源３０２から流動層コーティング装置３０６の第１の入口３１２に供給され得る。電極膜混合物の第２の成分は、開放された集電容器３０８にバッチ式で充填してもよいし、スクリューフィーダ等の粉末送達手段を用いて、第２の入口３１４等の開口を介して実質的に連続的に供給してもよい。ポリマー分散物は、ノズル３１６を介してコーティング室３１０内に供給され得る。ノズル３１６は、第１の入口３１２から分離してもよいし、または、一部品として含まれていてもよい。ノズル３１６は、図示の配向に加えて種々の配向でコーティング室３１０内に液体ポリマー分散物を導入するように構成され得る。例えば、ノズル３１６は、上下方向接線スプレーノズル、または他の配向であり得る。ノズル３１６は、上面噴霧、底面噴霧、接線、または他の噴霧配向の処理を行う。行うプロセスは、噴霧化プロセスであり得る。
【００７１】
スクリューフィーダまたは他の部品を使用して、電極膜混合物の第２の成分を、第２の入口３１４からコーティング室３１０内にバッチ式で導入可能である。いくつかの実施形態では、ポリマー分散物は、流動層コーティング装置３０６のコーティング室内で液滴として分散され得る。これにより、ポリマー分散物の液体部分が蒸発して、乾燥ポリマーまたはその粒子をもたらし得る。乾燥ポリマーが第２の成分の粒子を覆い得るように、電極膜混合物の第２の成分を含む流動層を、流動層コーティング装置３０６のコーティング室内で同時に形成可能である。いくつかの実施形態では、乾燥ポリマーで覆われた電極膜混合物の第２の成分の粒子が出口３１８を通って流動層コーティング装置３０６から出て集電容器３０８内に集められ得る。例えばコーティング室３１０内を流れる空気によって渦が形成され得る。この渦により、第２の電極成分がコーティング室内に引き込まれて、コーティングプロセスが可能となる。
【００７２】
図４は、電極膜混合物を製造する装置４００の実施形態を示す図である。装置４００は、図３を参照して説明した装置３００、および／または図２を参照して説明したプロセスと共に採用され得るいくつかの構成要素の例を示す。装置４００は、ワースター型加速器等の流動層コーティング装置を備え得る。装置４００は、集電容器４０２と、入口およびノズルを介して装置内にポリマー分散物を噴霧するためのポリマー分散物の供給源４０４および空気供給源４０６と、を備え得る。
【００７３】
図５は、流動層装置５００の一実施形態に係る断面図である。装置５００は、図４に示す装置４００と同様か、またはこれを含み得る。図５に示すように、ポリマー分散物５０１は、装置５００のコーティング室５０３内に供給され得る。ポリマー分散物５０１は、液体およびポリマーを含み得る。このポリマーは、エネルギー貯蔵デバイスの電極膜混合物の第１の成分である。ポリマー分散物５０１は、例えば、入口５０４を介して装置５００内に供給され得る。入口５０４は、ポリマー分散物５０１をコーティング室５０３内に注入および／または噴霧可能なノズル５０５を含み得るか、または、このノズル５０５と流体連通し得る。ノズル５０５は、微細に分割された（例えば、噴霧化された）ポリマー分散物５０１を供給し得る。入口５０４は、上流のポリマー分散物の供給源（図示せず）と流体連通が可能である。ポリマー分散物５０１は、直接的または間接的に加熱されることにより、装置５００内において少なくともポリマー分散物の液体成分を蒸発させて、乾燥したポリマー、または実質的に乾燥したポリマーを形成し得る。
【００７４】
電極膜混合物の第２の成分５０２は、例えば、バッチ式充填プロセスによりコーティング室５０３内に供給され得る。成分５０２は、例えば、入口（図示せず）を介して装置５００内に供給され得る。第２の成分は、支持体５０６上に供給され得る。これにより材料の層が形成される。気体５０８は、加熱された気体であり得る。この気体５０８が材料の層を通過することにより、成分５０２の流動層が形成され得る。例えば、支持体５０６は、１つまたは複数の穴を含み得る。この穴により、空気等の気体５０８の流れが支持体５０６を通過して第２の成分５０２の層内に達し、結果として流動層が形成され得る。第２の成分５０２の流動層と、乾燥ポリマー等のポリマー分散物５０１の１つまたは複数の部分とは、コーティング室５０３内で流体連通が可能であり、結果として乾燥ポリマー等のポリマー分散物の一部が成分５０２を覆う。ポリマー分散物がノズル５０５を介して噴霧されるタイミングは、装置５００内で計測された温度（例えば、混合物の第１の成分の温度、混合物の第２の成分の温度、壁の温度、および／または装置５００の他の部品の温度）に基づいていてもよい。
【００７５】
コーティング室５０３および支持体５０６は、その間に間隙５０７を生じさせるように構成され得る。気体５０８が支持体５０６を通過すると、第２の成分５０２の流動層が形成される。ポリマー分散物５０１が装置５００内に噴霧されると、間隙５０７があることによって、装置５００内の電極膜混合物成分のうち１つまたは複数が、図示された矢印方向に移動することが可能となり、結果として回転渦が形成される。このような流れが起きると、ポリマー分散物５０１中のポリマーによって第２の成分５０２上に形成された被膜の均一性が高められる。間隙５０７の高さおよび／またはコーティング室５０３の壁の高さを調節することによって、流量等の渦特性を制御し得る。コーティング室５０３、間隙５０７、および／またはノズル５０５の大きさおよび形状を調節することによっても、渦特性を制御し得る。こうした制御は被膜の均一性に影響を及ぼし得る。
【００７６】
いくつかの実施形態では、スプレーノズルは、流動層コーティング装置の下側末端部分に、またはこの下側末端部分に近接して（例えば上向きに）配置され得る。ポリマー分散物の液滴と、電極膜混合物の第２の成分を含む流動層とは、スプレーノズルの上方に配置された流動層コーティング装置のコーティング室内で形成され得る。流動層コーティング装置の１つまたは複数の構成要素は加熱され得る。この加熱により、ポリマー分散物の液体部分が所望通りに蒸発することが容易となり、および／または、電極膜混合物の第２の成分の所望の乾燥度が維持される。これらの部品には、流動層コーティング装置のスプレーノズルおよび／または１つまたは複数の側壁が含まれる。いくつかの実施形態では、ポリマー分散物は、水と、ラテックスとしての水溶性ポリマーまたは水分散ポリマーとを含み得る。したがって、流動層コーティング装置内で水が蒸発することで乾燥ポリマーがもたらされる。いくつかの実施形態では、電極膜混合物の第２の成分は、黒鉛の乾燥粒子を含む。黒鉛を含む流動層を、流動層コーティング装置内で加熱気体または加熱空気を用いることにより形成する。噴霧化されたポリマー分散物の一部は渦巻く粒子上に付着し得るが、液体は、粒子が合体し得る前に気化し得る。乾燥ＰＴＦＥ等の乾燥ポリマーは、流動層コーティング装置のコーティング室内で、電極膜混合物の第２の成分の乾燥粒子（例えば黒鉛の乾燥粒子等）を覆い得る。
【００７７】
図６は、流動層装置６００の一実施形態に係る断面図である。図６に示すように、ポリマー分散物は、装置６００の定置型コーティング室６１２内に供給され得る。ポリマー分散物は、本明細書に記載されているとおりであってもよい。ポリマー分散物は、例えば、コーティング室６１２内にポリマー分散物を注入および／または噴霧可能なノズル６０８を介して装置６００内に供給され得る。ノズル６０８は、微細に分割された（例えば、噴霧化された）ポリマー分散物を供給し得る。ノズル６０８は、上流のポリマー分散物の供給源（図示せず）と流体連通が可能である。ポリマー分散物は、直接的または間接的に加熱されることにより、装置内において少なくともポリマー分散物の液体成分を蒸発させて、乾燥したポリマー、または実質的に乾燥したポリマーを形成し得る。
【００７８】
電極膜混合物の第２の成分は、コーティング室６１２内に供給され得る。例示した装置６００には、回転子６０２が含まれている。回転子６０２は、例えば、平板回転子、湾曲回転子、または円錐形回転子であってもよい。回転子６０２は、平滑であってもよいし、何らかの質感を有していてもよい。電極膜混合物の第２の成分は、バッチ式で投入可能であり、および／またはノズル６０４を介して連続的に投入可能である。第２の成分は、コーティング室６１２内で流動化させて循環させ得る。気体（例えば加熱された気体）は、材料の層を通過して流れ、その結果、電極膜混合物の第２の成分の流動層が形成され得る。例えば、気体の流れは、回転子と同軸であり得る。気体は、乾燥した空気であり得る。気体は、回転子６０２と接してその周囲を通過し得る。電極膜混合物の第２の成分の流動層と、乾燥ポリマー等のポリマー分散物の１つまたは複数の部分とは、コーティング室６１２内で流体連通が可能であり、結果として乾燥ポリマー等のポリマー分散物の一部が電極膜混合物の第２の成分を覆う。ポリマー分散物および／または電極膜混合物の第２の成分がコーティング室６１２に投入されるタイミングは、装置６００内で計測された温度（例えば、混合物の第１の成分の温度、混合物の第２の成分の温度、壁の温度、および／または装置６００の他の部品の温度）に基づいていてもよい。
【００７９】
コーティング室６１２および回転子６０２は、その間に間隙６０６を生じさせるように構成され得る。気体の流れにより、装置６００内の電極膜混合物成分のうち１つまたは複数が、例えば、図示された矢印方向に移動することが可能となる。このような流れが起きると、ポリマー分散物中のポリマーによって電極膜混合物の第２の成分上に形成された被膜の均一性が高められる。コーティング室６１２の壁の寸法および形状と、ノズル６０４およびノズル６０８の形態および方向と、回転子６０２の形状および質感とを調節することにより、流量等の気体の流れ特性を制御可能である。当業者であれば、これらのパラメータを調整することにより所望の被膜特性が得ることができる。
【００８０】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載の１つまたは複数の電極膜混合物は、１つまたは複数の他の電極膜成分と組み合わされた後に圧延されることにより、電極膜を形成し得る。電極膜は、図１を参照して説明した電極膜のうちの１つまたは複数であり得る。電極膜は、エネルギー貯蔵デバイスに内装され得る。
【００８１】
特定の実施形態および実施例に関連付けて本発明を開示したが、当業者であれば、本発明は、具体的に開示した実施形態に加え、本発明に係る別の代替の実施形態および／または利用、それらの明らかな改良品及び等価物に及ぶことが理解されるであろう。さらに、本発明の実施形態のいくつかの変形例を詳細に図示および説明してきたが、本開示に基づけば、本発明の範囲内にある他の変更が当業者には容易に明らかとなるであろう。また、実施形態の具体的特徴および態様の種々の組合せまたは下位組合せを行ってもよく、それらが依然本発明の範囲内に含まれ得ることも考慮されたい。開示された実施形態の種々の特徴および態様が開示発明の種々の方式または実施形態を実現するために互い組み合わせられ、または代替できることを理解すべきである。したがって、上記の特定の実施形態によって、本明細書に開示された本発明の範囲は限定されるべきではない。
【００８２】
本明細書の見出しは、もしある場合には、便宜のためにのみ提供されており、本明細書に開示された装置および方法の範囲または意義には必ずしも影響を及ぼさない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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