(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリ活物質を基板の表面に堆積させるための装置であって、
前記装置内で前記基板を輸送するための基板コンベヤシステムと、
前記基板コンベヤシステムの上方に配設された材料スプレーアセンブリであり、電極形成溶液を前記基板の前記表面にエレクトロスプレーするように構成されたノズルの２次元アレイを有する、材料スプレーアセンブリと、
前記基板を加熱するように構成された、前記基板コンベヤシステムの上方で前記材料スプレーアセンブリに隣接して配設された第１の加熱要素と
を備え、
前記材料スプレーアセンブリが複数ありそのうちの少なくとも１つの前記ノズルの２次元アレイが、
前記材料スプレーアセンブリのエッジに配設された第１のノズルと、前記第１のノズルの内側に配設された第２のノズルと
をさらに含み、
前記第１のノズルが、前記第２のノズルに対してより長い、装置。
【請求項２】
バッテリ活物質を基板の表面に堆積させるための装置であって、
前記装置内で前記基板を輸送するための基板コンベヤシステムと、
前記基板コンベヤシステムの上方に配設された材料スプレーアセンブリであり、電極形成溶液を前記基板の前記表面にエレクトロスプレーするように構成されたノズルの２次元アレイを有する、材料スプレーアセンブリと、
前記基板を加熱するように構成された、前記基板コンベヤシステムの上方で前記材料スプレーアセンブリに隣接して配設された第１の加熱要素と
を備え、
前記ノズルの２次元アレイが、
前記材料スプレーアセンブリのエッジに配設された第１のノズルと、前記第１のノズルの内側に配設された第２のノズルと
をさらに含み、
前記第１のノズルが、前記第２のノズルに対して内側の傾斜を有する、装置。
【請求項３】
バッテリ活物質を基板の表面に堆積させるための装置であって、
前記装置内で前記基板を輸送するための基板コンベヤシステムと、
前記基板コンベヤシステムの上方に配設された材料スプレーアセンブリであり、電極形成溶液を前記基板の前記表面にエレクトロスプレーするように構成されたノズルの２次元アレイを有する、材料スプレーアセンブリと、
前記基板を加熱するように構成された、前記基板コンベヤシステムの上方で前記材料スプレーアセンブリに隣接して配設された第１の加熱要素と
を備え、
前記材料スプレーアセンブリが、
エッジゾーンと、中心ゾーンと
をさらに含み、
前記エッジゾーンが、前記中心ゾーンと異なるノズルの密度を有する、装置。
【請求項４】
バッテリ活物質を基板の表面に堆積させるための装置であって、
前記装置内で前記基板を輸送するための基板コンベヤシステムと、
前記基板コンベヤシステムの上方に配設された材料スプレーアセンブリであり、電極形成溶液を前記基板の前記表面にエレクトロスプレーするように構成されたノズルの２次元アレイを有する、材料スプレーアセンブリと、
前記基板を加熱するように構成された、前記基板コンベヤシステムの上方で前記材料スプレーアセンブリに隣接して配設された第１の加熱要素と
を備え、
前記材料スプレーアセンブリが、
エッジゾーンと、中心ゾーンと
をさらに含み、
前記エッジゾーンが、前記中心ゾーンに配設されたノズルよりも前記基板に５ｍｍから１０ｍｍ近づいているノズルを有する、装置。
【請求項５】
バッテリ活物質を基板の表面に堆積させるための装置であって、
前記装置内で前記基板を輸送するための基板コンベヤシステムと、
前記基板コンベヤシステムの上方に配設された材料スプレーアセンブリであり、電極形成溶液を前記基板の前記表面にエレクトロスプレーするように構成されたノズルの２次元アレイを有する、材料スプレーアセンブリと、
前記基板を加熱するように構成された、前記基板コンベヤシステムの上方で前記材料スプレーアセンブリに隣接して配設された第１の加熱要素と
を備え、
前記ノズルの２次元アレイが、
前記材料スプレーアセンブリのエッジに沿って配置されたエッジノズルの列であり、前記エッジノズルが、噴霧軌跡を前記材料スプレーアセンブリの中心の方に内側に傾斜させる、エッジノズルの列
をさらに含む、装置。
【請求項６】
バッテリ活物質を基板の表面に堆積させるための装置であって、
前記装置内で前記基板を輸送するための基板コンベヤシステムと、
前記基板コンベヤシステムの上方に配設された材料スプレーアセンブリであり、電極形成溶液を前記基板の前記表面にエレクトロスプレーするように構成されたノズルの２次元アレイを有する、材料スプレーアセンブリと、
前記基板を加熱するように構成された、前記基板コンベヤシステムの上方で前記材料スプレーアセンブリに隣接して配設された第１の加熱要素と
を備え、
前記ノズルの２次元アレイが、
堆積属性の独立した制御を行うように構成された複数のゾーン
をさらに含む、装置。
【請求項７】
バッテリ活物質を基板の表面に堆積させるための装置であって、
前記装置内で前記基板を輸送するための基板コンベヤシステムと、
前記基板コンベヤシステムの上方に配設された材料スプレーアセンブリであり、電極形成溶液を前記基板の前記表面にエレクトロスプレーするように構成されたノズルの２次元アレイを有する、材料スプレーアセンブリと、
前記基板を加熱するように構成された、前記基板コンベヤシステムの上方で前記材料スプレーアセンブリに隣接して配設された第１の加熱要素と
を備え、
前記ノズルの２次元アレイが１２ｍｍから４０ｍｍの間の間隔を有する複数の列であって、各列が複数のノズルを含む、複数の列をさらに含む、装置。
【請求項８】
バッテリ活物質を基板の表面に堆積させるための装置であって、
前記装置内で前記基板を輸送するための基板コンベヤシステムと、
前記基板コンベヤシステムの上方に配設された複数の材料スプレーアセンブリであり、前記材料スプレーアセンブリが、各々、前記基板の前記表面に、前記基板コンベヤシステムに配設されている間、電極形成溶液をエレクトロスプレーするように構成されたノズルの２次元アレイを有し、前記ノズルの２次元アレイのうちの少なくとも１つが、９ｍｍから３０ｍｍの間のノズルからノズルまでの間隔を有するノズルの行を有する、複数の材料スプレーアセンブリと、
前記基板を加熱するように構成された、前記基板コンベヤシステムの上方で前記材料スプレーアセンブリ間に配設された複数の加熱要素と
を備え、
前記材料スプレーアセンブリのうちの少なくとも１つの前記ノズルの２次元アレイが、
前記材料スプレーアセンブリのエッジに配設された第１のノズルと、前記第１のノズルの内側に配設された第２のノズルと
をさらに含み、
前記第１のノズルが、前記第２のノズルに対してより長い、装置。
【請求項９】
バッテリ活物質を基板の表面に堆積させるための装置であって、
前記装置内で前記基板を輸送するための基板コンベヤシステムと、
前記基板コンベヤシステムの上方に配設された材料スプレーアセンブリであり、電極形成溶液を前記基板の前記表面にエレクトロスプレーするように構成されたノズルの２次元アレイを有する、材料スプレーアセンブリと、
前記基板を加熱するように構成された、前記基板コンベヤシステムの上方で前記材料スプレーアセンブリに隣接して配設された第１の加熱要素と
を備え、
前記材料スプレーアセンブリが複数ありそのうちの少なくとも１つに、
前記ノズルの２次元アレイの外側で配設された少なくとも１つのダミーノズル
をさらに含む、装置。
【請求項１０】
バッテリ活物質を基板の表面に堆積させるための装置であって、
前記装置内で前記基板を輸送するための基板コンベヤシステムと、
前記基板コンベヤシステムの上方に配設された複数の材料スプレーアセンブリであり、前記材料スプレーアセンブリが、各々、前記基板の前記表面に、前記基板コンベヤシステムに配設されている間、電極形成溶液をエレクトロスプレーするように構成されたノズルの２次元アレイを有し、前記ノズルの２次元アレイのうちの少なくとも１つが、９ｍｍから３０ｍｍの間のノズルからノズルまでの間隔を有するノズルの行を有する、複数の材料スプレーアセンブリと、
前記基板を加熱するように構成された、前記基板コンベヤシステムの上方で前記材料スプレーアセンブリ間に配設された複数の加熱要素と
を備え、
前記材料スプレーアセンブリのうちの少なくとも１つが、
前記ノズルの２次元アレイの外側で前記材料スプレーアセンブリに配設された少なくとも１つのダミーノズル
をさらに含む、装置。
【請求項１１】
バッテリ活物質を基板の表面に堆積させるための装置であって、
前記装置内で前記基板を輸送するための基板コンベヤシステムと、
前記基板コンベヤシステムの上方に配設された複数の材料スプレーアセンブリであり、前記材料スプレーアセンブリが、各々、前記基板の前記表面に、前記基板コンベヤシステムに配設されている間、電極形成溶液をエレクトロスプレーするように構成されたノズルの２次元アレイを有し、前記ノズルの２次元アレイのうちの少なくとも１つが、９ｍｍから３０ｍｍの間のノズルからノズルまでの間隔を有するノズルの行を有する、複数の材料スプレーアセンブリと、
前記基板を加熱するように構成された、前記基板コンベヤシステムの上方で前記材料スプレーアセンブリ間に配設された複数の加熱要素と
を備え、
前記材料スプレーアセンブリのうちの少なくとも１つの前記ノズルの２次元アレイが、
第２の列からオフセットされた第１の列
をさらに含む、装置。
【請求項１２】
バッテリ活物質を基板の表面に堆積させるための装置であって、
前記装置内で前記基板を輸送するための基板コンベヤシステムと、
前記基板コンベヤシステムの上方に配設された材料スプレーアセンブリであり、電極形成溶液を前記基板の前記表面にエレクトロスプレーするように構成されたノズルの２次元アレイを有する、材料スプレーアセンブリと、
前記基板を加熱するように構成された、前記基板コンベヤシステムの上方で前記材料スプレーアセンブリに隣接して配設された第１の加熱要素と
を備え、
前記材料スプレーアセンブリのうちの少なくとも１つが、
隣接するノズルを出て行く噴霧の軌跡を内側に向けるかまたはそらせるように構成されたエアカーテンジェネレータ
をさらに含む、装置。
【請求項１３】
バッテリ活物質を基板の表面に堆積させるための装置であって、
前記装置内で前記基板を輸送するための基板コンベヤシステムと、
前記基板コンベヤシステムの上方に配設された複数の材料スプレーアセンブリであり、前記材料スプレーアセンブリが、各々、前記基板の前記表面に、前記基板コンベヤシステムに配設されている間、電極形成溶液をエレクトロスプレーするように構成されたノズルの２次元アレイを有し、前記ノズルの２次元アレイのうちの少なくとも１つが、９ｍｍから３０ｍｍの間のノズルからノズルまでの間隔を有するノズルの行を有する、複数の材料スプレーアセンブリと、
前記基板を加熱するように構成された、前記基板コンベヤシステムの上方で前記材料スプレーアセンブリ間に配設された複数の加熱要素と
を備え、
前記材料スプレーアセンブリのうちの少なくとも１つが、
隣接するノズルを出て行く噴霧の軌跡を内側に向けるかまたはそらせるように構成されたエアカーテンジェネレータ
をさらに含む、装置。
【請求項１４】
前記材料スプレーアセンブリが、
前記ノズルがそこから延びるマニホルドと、
前記ノズルと基板コンベヤシステムとの間に位置決めされたエキストラクタプレートであり、前記マニホルドに形成された前記ノズルと位置合わせされた、前記エキストラクタプレートに形成された複数の開孔をさらに含む、エキストラクタプレートと
をさらに含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１５】
前記複数の列が、
第２の列からオフセットされた第１の列
を含む、請求項７に記載の装置。
【請求項１６】
前記複数の列が、
１５ｍｍまでの距離だけ第２の列からオフセットされた第１の列
を含む、請求項７に記載の装置。
【請求項１７】
前記ノズルの２次元アレイが、１０ｍｍから６０ｍｍの間の距離だけ前記基板コンベヤシステムから隔置されている、請求項１からから１３のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般に、大容量エネルギーストレージデバイスと、大容量エネルギーストレージデバイスを製造するための方法および装置に関する。より詳細には、バッテリ活物質を形成するための高固体割合スラリの材料スプレー堆積のための方法および装置が開示される。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン（Ｌｉイオン）バッテリなどの大容量エネルギーストレージデバイスは、携帯用電子機器、医療デバイス、輸送、系統連系大エネルギーストレージ、再生可能エネルギーストレージ、および無停電電源装置（ＵＰＳ）を含む、増え続けている用途で使用される。
【０００３】
Ｌｉイオンバッテリは、一般に、アノード電極と、カソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に位置決めされたセパレータとを含む。リチウムは、電極中の活物質に貯蔵される。Ｌｉイオンバッテリの正電極の電極活物質は、一般に、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＮｉＯ２などのリチウム遷移金属酸化物、またはＮｉ、Ｌｉ、Ｍｎ、およびＣｏ酸化物の組合せから選択され、炭素または黒鉛などの電気伝導性粒子と、バインダ材料とを含む。黒鉛およびＭＣＭＢ（メソカーボンマイクロビーズ）は、通常、負電極の電極活物質として使用され、そのような電極はほぼ１０μｍの平均直径を有する。リチウムインターカレーションＭＣＭＢまたは黒鉛粉末が、重合体バインダマトリクス中に分散される。バインダマトリクスのための典型的なポリマーは、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＳＢＲ（スチレン−ブタジエンゴム）、ＣＭＣ（カルボキシメチルセルロース）を含む。重合体バインダは、亀裂形成を妨げ、集電体の表面での活物質粉末の崩壊を防止するために、ならびに基板への良好な接着のために活物質粉末を一緒に結び付ける役目をする。重合体バインダの量は、２重量％から３０重量％の範囲とすることができる。Ｌｉイオンバッテリのセパレータは、一般に、ポリエチレンフォームなどの微孔性ポリオレフィンポリマーから製作され、別個の生産ステップで付着される。
【０００４】
ほとんどのエネルギーストレージ用途では、エネルギーストレージデバイスの充電時間および容量は重要なパラメータである。加えて、そのようなエネルギーストレージデバイスのサイズ、重量、および／または経費は、かなりの制限となり得る。
【０００５】
エネルギーストレージデバイスのためのアノード電極およびカソード電極を生産する１つの方法は、主として、導電性集電体上へのカソード的またはアノード的活物質の粘性溶媒ベース粉末スラリ混合物のスリットコーティングと、それに続くドライキャストシートを形成するための長時間加熱に基づく。遅乾プロセスが厚いコーティングでの亀裂を防止するために必要とされ、その結果、ドライヤの長さは、非常に長くなければならない。溶媒を蒸発させる乾燥の後の電極の厚さは、最終的な層の密度および多孔率を調節する圧縮またはカレンダ加工によって最終的に決定される。粘性スラリのスリットコーティングは、スラリの配合、形成、および均質化に大きく依存する高度に発達した生産技術である。形成された活性層は、乾燥プロセスの速さおよび熱的詳細に極めて敏感である。
【０００６】
この技術の他の問題および制限の中で特に、５〜４０メートル／分のコーティング速度での大きい設置面積（例えば、最大で７０メートルから９０メートル長）と、蒸発する揮発性成分のための精巧な捕集およびリサイクリングシステムとの両方を必要とする遅くて高価な乾燥構成要素がある。蒸発する揮発性成分のうちの多くは、精巧な除去システムを追加として必要とする揮発性有機化合物である。その上、これらのタイプの電極の結果として生じる導電率は、さらに、電極の厚さ、したがって、バッテリセルのエネルギー密度を制限する。
【０００７】
それゆえに、当技術分野には、大容量エネルギーストレージデバイスを生産するための量産し費用効率の高い生産のプロセスおよび装置への必要性がある。
【発明の概要】
【０００８】
本明細書で説明する実施形態は、少なくとも１つの基板コンベヤシステムと電極形成溶液ディスペンサとを含む材料スプレー堆積システムを含む。１つの実施形態において、バッテリ活物質を基板の表面に堆積させるための装置は、基板コンベヤシステムと、基板コンベヤシステムの上方に配設された材料スプレーアセンブリと、基板コンベヤシステムの上方で材料スプレーアセンブリに隣接して配設された第１の加熱要素とを含む。
【０００９】
バッテリ活物質を基板に形成するための方法および装置が開示される。１つの実施形態において、バッテリ活物質を基板の表面に堆積させるための装置は、装置内で基板を輸送するための基板コンベヤシステムと、基板コンベヤシステムの上方に配設された材料スプレーアセンブリと、基板を加熱するように構成された、基板コンベヤシステムの上方で材料スプレーアセンブリに隣接して配設された第１の加熱要素とを含む。材料スプレーアセンブリは、電極形成溶液を基板の表面にエレクトロスプレーするように構成されたノズルの２次元アレイを有する。
【００１０】
別の実施形態では、バッテリ活物質を基板の表面に堆積させるための装置は、装置内で基板を輸送するための基板コンベヤシステムと、基板コンベヤシステムの上方に配設された複数の材料スプレーアセンブリと、基板を加熱するように構成された、基板コンベヤシステムの上方で材料スプレーアセンブリ間に配設された複数の加熱要素とを含む。材料スプレーアセンブリは、各々、基板の表面に、コンベヤシステムに配設されている間、電極形成溶液をエレクトロスプレーするように構成されたノズルの２次元アレイを有する。ノズルの２次元アレイのうちの少なくとも１つは、約９ｍｍから約３０ｍｍの間のノズルからノズルまでの間隔を有するノズルの行を有する。
【００１１】
他の実施形態では、材料スプレーアセンブリのうちの少なくとも１つのノズルの２次元アレイは、材料スプレーアセンブリのエッジに配設された第１のノズルと、第１のノズルの内側に配設された第２のノズルとをさらに含み、第１のノズルは、第２のノズルに対して内側の傾斜を有する。
【００１２】
他の実施形態では、材料スプレーアセンブリのうちの少なくとも１つは、ノズルの２次元アレイの外側で材料スプレーアセンブリに配設された複数のダミーノズルを含む。
【００１３】
他の実施形態では、材料スプレーアセンブリのうちの少なくとも１つのノズルの２次元アレイは、第２の列からオフセットされた第１の列を含む。
【００１４】
他の実施形態では、材料スプレーアセンブリのうちの少なくとも１つは、隣接するノズルを出て行く噴霧の軌跡を内側にそらせるように構成されたエアカーテンジェネレータを含む。
【００１５】
さらなる他の実施形態では、バッテリ活物質を基板の表面に堆積させる方法が提供され、この方法は、少なくとも１つの材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリからの電極形成溶液を基板上にエレクトロスプレーすることと、基板に配設された堆積材料を、材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリに隣接して配設された複数のヒータによって加熱することとを含む。
【００１６】
本発明の上述で列挙した特徴を詳細に理解することができるように、上述で簡単に要約した本発明のより詳細な説明を実施形態を参照して行うことができ、実施形態のうちのいくつかを添付図面に示す。しかしながら、添付図面は、本発明の典型的な実施形態のみを示しており、それゆえに、本発明は他の同等に有効な実施形態を認めることができるので本発明の範囲を限定すると見なすべきでないことに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】バッテリ活物質層を基板に形成するための材料スプレー堆積システムの１つの実施形態の概略図である。
【図２Ａ】図１に示した材料スプレー堆積システムに配設される材料スプレーディスペンサアセンブリの概略図である。
【図２Ｂ】エキストラクタプレートを有する材料スプレーディスペンサアセンブリの代替実施形態の概略図である。
【図２Ｃ】図２Ａに示した材料スプレーディスペンサアセンブリの下面図である。
【図３】材料スプレーディスペンサアセンブリの別の実施形態の概略図である。
【図４】本発明の別の実施形態によるバッテリ活物質層を基板に形成するためのエッジリングをもつ別の材料スプレーディスペンサアセンブリの概略図である。
【図５】本発明の別の実施形態によるバッテリ活物質層を基板に形成するための傾斜したノズルをもつ別の材料スプレーディスペンサアセンブリの概略図である。
【図６】本発明の別の実施形態によるバッテリ活物質層を基板に形成するためのガスカーテンをもつ別の材料スプレーディスペンサアセンブリの概略図である。
【図７】材料スプレーディスペンサアセンブリで使用することができるノズルの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
理解しやすくするために、同一の参照番号が、可能であれば、図に共通する同一の要素を指定するために使用されている。ある実施形態で開示された要素は、特別な詳述なしに他の実施形態で有益に利用することができると考えられる。
【００１９】
本明細書で説明する方法および装置は、少なくとも１つの基板コンベヤシステムと、基板コンベヤシステムに隣接して配設された材料堆積スプレーアセンブリとを含む材料スプレー堆積システムを含む。材料スプレーアセンブリは、中心からエッジまでの良好な厚さ均一性と、フィルム厚さを通した良好な均質性とを有する材料を堆積させ、迅速な堆積速度を可能にするように構成されたノズルの２次元アレイを含む。材料スプレー堆積システムは、高固体含有率電極形成溶液から、バッテリ活物質層などの、電極構造体で利用される材料層を堆積させるのに特に有用である。
【００２０】
図１は、バッテリ活物質層を基板に堆積させるための材料スプレー堆積システム１００の概略図である。本発明の態様は他のスプレー堆積システムで使用するように構成することができると考えられる。材料スプレー堆積システム１００は、基板コンベヤシステム１０１に隣接して配設されたノズル１０４の２次元アレイを有する１つまたは複数の材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０を含む。基板コンベヤシステム１０１は、材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０が材料を基板１０２上に堆積させることができるように１つまたは複数の基板１０２をエレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０に隣接して通すように構成される。例えば、基板コンベヤシステム１０１は、一連の個別の基板１０２がエレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０のそばを通過するように構成することができる。代替として、基板コンベヤシステム１０１は、ウエブの形態の基板１０２がエレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０のそばを連続的なベルトまたはロールツーロールウエブのいずれかとして通過するように構成することができる。そのため、基板１０２は、パッド、箔、薄いプレート、フィルム、ベルト、ウエブ、または個別の加工物の形態とすることができる。図１に示した実施形態では、基板１０２は、一般に約６μｍから約５０μｍの間の範囲の厚さを有する金属箔から製造されたウエブの形態である。１つの実施形態では、基板１０２はウエブの形態のアルミ箔である。
【００２１】
基板コンベヤシステム１０１は、供給ロール１０８、少なくとも１つのコンベヤ送りローラ１０６、および巻取りロール１１１を含む。コンベヤ送りローラは、オプションとして、基板１０２上の堆積材料を乾燥させるのを支援するために加熱することができる。基板１０２の少なくとも一部を含む供給ロール１０８は、コア１０９に巻きつけられている。基板１０２は、供給ロール１０８からコンベヤ送りローラ１０６まで横切って送り込まれて、基板１０２の表面１１６が、少なくとも１つのエレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０のノズル１０４を出て行く材料、例えば、電極形成溶液１１２の噴霧にさらされる。
【００２２】
システム１００で利用されるエレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０の数は、ひとつには堆積されるべき材料フィルムの所望の厚さによって決めることができる。図１の実施形態では、４つのエレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０が示されている。しかしながら、堆積システム１００は、任意の所望の数のエレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０で構成することができる。
【００２３】
図１に示した実施形態では、複数のエレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０は、基板１０２の上方に直線的に位置合わせされており、基板１０２は、供給ロール１０８とローラ１０６との間を水平に延びるように示されている。しかしながら、基板１０２は、乾燥時間を増加させるために、堆積システム１００の全長を延ばすことなしに、エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０間で他の方向に経路を定めることができる。例えば、コンベヤシステム１０１は、１つまたは複数の実質的に垂直な経路１８０を含むことができ、そのうちの１つが、図１に破線で示されており、１つまたは複数の実質的に垂直な経路１８０により、エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０のうちの１つを通った後で、かつ巻取りロール１１１に回収される前に、コンベヤシステム１０１上での基板１０２の滞在時間を増加させる基板のための曲がりくねった経路を作り出すように、基板１０２はローラ１０６の方に経路を定められる。
【００２４】
すべてのエレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０は、何よりもまず、ノズル１０４が基板１０２の表面１１６の方に真っ直ぐに垂直に下向きの状態で図１に示されているが、エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０の１つまたは複数あるいはさらにすべては、基板１０２が垂直経路１８０のうちの１つまたは複数に沿って経路を定められている間、材料を基板１０２上にスプレーするように位置決めすることができる。
【００２５】
上述で簡単に論じたように、材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０は、例えば、エレクトロスプレープロセスを使用して、堆積材料を基板１０２にスプレー堆積させるのに利用される。基板１０２に堆積された堆積材料は、バッテリ活物質層とすることができる。より詳細には、図１に示した実施形態では、材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０は、基板１０２の上方に位置決めされ、堆積材料（すなわち、電極形成溶液１１２）を基板１０２上にスプレーするように構成される。材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０の各々は、基板１０２の端から端まで均一の厚さおよび表面粗さでバッテリ活物質層を堆積させるために、単一の通過で基板１０２の幅全体にわたって分配される電極形成溶液１１２を供給する、例えば、エレクトロスプレーするように構成される。
【００２６】
材料スプレー堆積システム１００は、回収するために、または堆積された層の厚さを増加させるための追加材料を引き続いて堆積させるために、堆積された材料をより効率的に乾燥させるのにコンベヤシステム１０１に沿って分布させることができる複数のヒータ１１４を含むことができる。ヒータ１１４は、電極形成溶液１１２の基板１０２への接着を増強するために、および電極形成溶液１１２が均一に均質層（すなわち、溶液１１２から残存した捕捉された揮発性物質がない）へと確実に乾燥するために、基板１０２上にスプレーされた電極形成溶液１１２の乾燥を支援することができる。図１に示した実施形態では、それぞれのヒータ１１４は、下流に（すなわち、基板進行の方向に）配置され、材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０の各々に隣接して配設される。電極形成溶液１１２が基板表面１１６上にスプレーされるとき、ヒータ１１４からの熱エネルギーは、堆積された材料の乾燥と、電極形成溶液１１２からの揮発性物質の蒸発を支援する。裏側ヒータ１２２は、ヒータ１１４の反対側の基板１０２の脇に配設することができる。裏側ヒータ１２２は、さらに、基板１０２上にスプレーされた電極形成溶液１１２の乾燥を支援することができる。ヒータ１１４、１２２のうちの１つまたは複数は、基板１０２が実質的に垂直の経路１８０（存在する場合）に沿って経路を定められている間、基板１０２に交わるように位置決めすることができる。上述で論じたように、ローラ１０６を加熱して、基板１０２に堆積された材料の乾燥を支援することもできる。材料スプレー堆積システム１００に配設されるヒータの数、場所、および構成は、所望に応じて変更することができることに留意されたい。
【００２７】
１つの実施形態では、ヒータ１１４は、基板１０２を加熱するために光放射を与えることができる。ヒータ１１４からの光放射（すなわち、熱エネルギー）を使用して、基板１０２の温度を摂氏約１０度と摂氏約２５０度との間に制御することができる。ヒータ１２２は、同様に構成することができる。
【００２８】
図２Ａは、図１に示した材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０の側面図を示す。材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０は、上面２１６および下部表面２１４を有するマニホルド２０２を含む。ノズル１０４の２次元アレイが、マニホルド２０２の下部表面２１４から延びる。マニホルド２０２の下部表面２１４は、基板コンベヤシステム１０１によってマニホルド２０２の下部表面２１４に隣接して位置決めされた基板１０２の一部と実質的に平行であり、一方、ほとんどの実施形態において、ノズル１０４のうちの少なくともいくつかは、下部表面２１４および基板１０２の隣接表面の両方に垂直に配向される。流体通路２８４は、堆積材料源２８０から堆積材料（すなわち、電極形成溶液１１２）を供給するためにマニホルド２０２の上面２１６に形成することができる。１つの実施形態では、マニホルド２０２は、アルミニウム、ステンレス鋼、タングステン、銅、モリブデン、ニッケル、それらの合金、それらの組合せ、他の好適な金属材料などのような伝導性材料から製造することができる。
【００２９】
堆積材料源２８０から供給される電極形成溶液１１２は、電気活物質と電気伝導性材料とを含むことができる。電気活物質および電気伝導性材料は、水ベース溶液中に存在することができる。電極形成溶液１１２は、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）または他の好適な溶媒などの溶媒、あるいは水をさらに含むことができる。電極形成溶液１１２は、オプションとして、結合剤および乾燥剤の少なくとも一方を含むことができる。電極形成溶液１１２は、少なくとも約１０−５ジーメンス／メータのベースライン導電率を有することができる。
【００３０】
本明細書で説明する実施形態を使用して堆積させることができる例示の電気活物質には、限定はしないが、リチウム二酸化コバルト（ＬｉＣｏＯ２）、リチウム二酸化マンガン（ＬｉＭｎＯ２）、二硫化チタン（ＴｉＳ２）、ＬｉＮｉｘＣｏ１−２ｘＭｎＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、鉄カンラン石（ＬｉＦｅＰＯ４）およびその変種（ＬｉＦｅ１−ｘＭｇＰＯ４など）、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、他の適格な粉末、それらの複合物、およびそれらの組合せからなる群から選択されたカソード的に活性な粒子が含まれる。
【００３１】
本明細書で説明する実施形態を使用して堆積させることができる他の例示の電気活物質には、限定はしないが、黒鉛、グラフェン硬質炭素、カーボンブラック、炭素をコーティングしたケイ素、スズ粒子、銅−スズ粒子、酸化スズ、炭化ケイ素、ケイ素（アモルファスまたは結晶性）、ケイ素合金、ドープされたケイ素、チタン酸リチウム、任意の他の適切な電気活性粉末、それらの複合物、およびそれらの組合せからなる群から選択されたアノード的に活性な粒子が含まれる。
【００３２】
例示の乾燥剤には、限定はしないが、イソプロピルアルコール、メタノール、およびアセトンが含まれる。例示の結合剤には、限定はしないが、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）と、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）およびカルボキシルメチルセルロースナトリウム（ＣＭＣ）などの水溶性結合剤とが含まれる。例示の電気伝導性材料には、限定はしないが、カーボンブラック（「ＣＢ」）と、アセチレンブラック（「ＡＢ」）とが含まれる。
【００３３】
電極形成溶液は、３０重量パーセント（ｗｔ．％）を超える、例えば、約３０ｗｔ．％と約８５ｗｔ．％との間などの固体含有率を有することができる。１つの実施形態では、電極形成溶液は、約４０ｗｔ．％と約７０ｗｔ．％との間、例えば、約５０ｗｔ．％と約６０ｗｔ．％との間などの固体含有率を有することができる。
【００３４】
従来、エレクトロスプレー技術は、固体なしの液体、または１マイクロメートル未満の粒子を含む液体での使用に制限されている。本明細書で説明する実施形態は、非常に大きい粒子サイズを有する溶液のエレクトロスプレーを可能にする。電極形成溶液内の固体は、一般に、従来の堆積システムよりも大きい粒子サイズを有し、それによって、より高い堆積速度を可能にする。例えば、電極形成溶液内の固体粒子は、約１．０μｍから約２０．０μｍの間、例えば、約３．０μｍから約１５．０μｍの間などの範囲の平均直径を有することができる。電極形成溶液中に存在する固体は、活物質および伝導性材料の少なくとも一方または両方を含む。バッテリ活物質堆積のためにそのような大きい粒子サイズを利用できる唯一の既知の技術は、スリットコーティングシステムである。上述で論じたように、スリットコーティングシステムは長い乾燥時間およびフィルム亀裂という欠点があり、追加として、不十分な厚さ均一性制御という欠点があり、それが、スリットコーティングシステムを次世代バッテリデバイスには望ましくないものにしている。本明細書で説明するように、材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０は、フィルム亀裂問題なしに、費用効率が高くより小さい設置面積を有するシステムでの良好な均一性制御とともに高固体含有率バッテリ活物質の迅速な堆積を可能にし、それによって、次世代バッテリデバイスの開発および製造を強化する。
【００３５】
マニホルド２０２に結合された複数のノズル１０４は、異なるプロセス要件を満たすために異なる構成、長さ、形状、特徴部、および数を有することができる。図２Ａに示す実施形態では、ノズル１０４は、単一の直線シリンダ、円錐形状、正方形形状、楕円形形状、または必要に応じて任意の他の異なる構成の形態とすることができる。ノズル１０４の１つの構成に関する詳細を、図７を参照して以下で説明する。
【００３６】
ノズル１０４は、ノズル１０４の遠位端と、コンベヤシステム１０１に配設された基板１０２との間に画定された距離２５６を有することができる。ノズル１０４と基板１０２との間の距離２５６は、材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０内の関連する電界とともに、ノズル１０４を出て行く材料のスプレー円錐のサイズに影響を与える。１つの実施形態では、ノズル１０４は、コンベヤシステム１０１に配設された基板１０２までの約１０ｍｍと約６０ｍｍとの間、例えば、約１５ｍｍと約４０ｍｍとの間の距離２５６を有することができる。
【００３７】
第１の回路構成２３２は、材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０を電源２２０に結合する。第１の回路構成２３２は、電力を材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０に与えるように構成される。操作時に、マニホルド２０２は電極の役割をする。電圧がマニホルド２０２（およびノズル１０４）に印加され、それにより、マニホルド２０２（およびノズル１０４）を通過する堆積材料を霧状にすることができる電界が確立される。１つの実施形態では、電圧は、約５キロボルトと約５０キロボルトとの間とすることができる。基板１０２はアルミ箔などの金属材料から製造されるので、基板１０２は、操作の間電極の役割をすることもできる。電界は、霧状の電極形成溶液を基板１０２上に向けて加速する。基板１０２は、例えばローラ１０６のうちの１つを通して接地２３０に結合させることができる。
【００３８】
１つの実施形態では、マニホルド２０２に結合された複数のノズル１０４は、堆積材料源２８０から与えられた堆積材料（すなわち、電極形成溶液１１２）が基板１０２に均等に分配されるのを支援するように選択された配列を有することができる。１つの実施形態では、電気伝導性材料、例えば、ステンレス鋼などの金属から製造されたダミーノズル２１８が、最後のノズル２０４での電界の不均衡に起因して最も外側のノズル２０４を出て行く噴霧が傾くのを減少させるためにマニホルド２０２のエッジに配設され得る。場合によっては、マニホルド２０２のエッジに配設された最も外側のノズル１０４を通して供給される堆積材料は、内側ノズル１０４の噴霧軌跡と比較して傾いた噴霧軌跡を有し、それによって、基板１０２のエッジでフィルム均一性が悪影響を強く受けることがある。マニホルド２０２の端部のまわりで最後のノズル１０４の外側に配設されたダミーノズル２１８を利用する実施形態では、電圧がダミーノズル２１８に印加されて、ノズル１０４と基板１０２との間と同じように電界を作り出すことができる。それにより、電界は最も外側のノズル１０４の横方向外側で均一に延びることができ、その結果、中心ノズル１０４および外側ノズル１０４を出て行く噴霧に作用する電界は実質的に同じであり、それによって、噴霧軌跡は、最も外側のノズル１０４と中心ノズル１０４との間で本質的に均一（すなわち、垂直）になることができ、基板１０２上の中心からエッジまでの堆積均一性が向上する。１つのダミーノズル２１８だけがマニホルド２０２の各端部に示されているが、ダミーノズルは任意の望ましい場所でマニホルド２０２に結合させることができることに留意されたい。
【００３９】
ノズル１０４に対するダミーノズル２１８の長さおよびダミーノズル２１８に印加される電圧は、ダミーノズル２１８に隣接するノズル１０４を出て行く噴霧の軌跡に影響を与えることになる。ダミーノズル２１８の長さおよびダミーノズル２１８に印加される電圧のいずれか（または両方）を増加させると、ダミーノズル２１８に隣接するノズル１０４を出て行く噴霧の軌跡を内側に傾けることになり、それにより、エッジノズル１０４の噴霧軌跡を中心ノズル１０４に対して調整することができるようになる。例えば、ダミーノズル２１８は、隣接するノズル１０４に対してより長く、より短く、または同じ長さとすることができる。ダミーノズル２１８を隣接するノズル１０４よりも長く（すなわち、基板までの距離を短く）することによって、電界強度は、同じ電圧がダミーノズル２１８および隣接するノズル１０４の両方に印加される場合、隣接するノズル１０４の電界強度に対してダミーノズル２１８でより強くなり、それは、中心ノズル１０４からの電界反発力を平衡させるのに役立つ。
【００４０】
図２Ｂは、オプションのエキストラクタプレート２０６を組み込んでいる図１に示した材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０の側面図を示す。エキストラクタプレート２０６には、その中に形成され、マニホルド２０２において延びるノズル１０４の２次元アレイと位置合わせされたアレイで配列された複数の開孔２０８が含まれる。エキストラクタプレート２０６は、マニホルド２０２に面する上部表面２１２と、基板１０２に面する下部表面２１０とを有することができる。エキストラクタプレート２０６の上部表面２１２は、マニホルド２０２の下部表面２１４と平行とすることができる。エキストラクタプレート２０６は、ねじまたはボルトなどの好適な機械的取付け部品、接着剤、または任意の他の好適な取付け技法を使用してマニホルド２０２に結合させることができる。エキストラクタプレート２０６の複数の開孔２０８は、堆積材料源２８０から基板１０２への堆積材料の流れを促進し閉じ込めるように、マニホルド２０２に結合されたノズル１０４と反応的に整列することができる。１つの実施形態では、マニホルド２０２の下部表面２１４は、エキストラクタプレート２０６の上部表面２１２までの約５ｍｍと約５５ｍｍとの間の距離２５０を有することができる。ノズル１０４は、エキストラクタプレート２０６の上部表面２１２までの約１０ｍｍと約５０ｍｍとの間の距離２５２を有することができる。ノズル１０４は、コンベヤシステム１０１に配設された基板１０２までの約１０ｍｍと約６０ｍｍとの間、例えば、約１５ｍｍと約４０ｍｍとの間の距離２５６を有することができる。
【００４１】
１つの実施形態では、エキストラクタプレート２０６に形成された開孔２０８は、ノズル１０４から供給される堆積材料の流れ容積（ｆｌｏｗ  ｖｏｌｕｍｅ）に適合するために所定のサイズを有することができる。ノズル１０４のサイズが異なると、ノズル１０４を通り、エキストラクタプレート２０６の開孔２０８を通って基板表面に流れる堆積材料の異なる流束をもたらすことができる。１つの実施形態では、開孔２０８の直径は、約０．３ｍｍと約５ｍｍとの間で選択することができる。
【００４２】
図２Ｂに示した実施形態では、第１の回路構成２３２は、材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０を電源２２０に結合する。上述で論じたように、第１の回路構成２３２は、電力を材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０に与えるように構成される。操作時に、第１の電圧Ｖ１がマニホルド２０２（およびノズル１０４）とエキストラクタプレート２０６との間に印加され、それにより、マニホルド２０２を通過する堆積材料を霧状にすることができる第１の電界を確立することができる。１つの実施形態では、第１の電圧Ｖ１は、約５キロボルトと約５０キロボルトとの間とすることができる。第２の回路構成２３４は、エキストラクタプレート２０６と基板１０２との間に結合される。基板１０２はアルミ箔などの金属材料から製造されるので、基板１０２は、操作の間電極の役割をすることもできる。同様に、第２の電圧Ｖ２がエキストラクタプレート２０６と基板１０２との間に印加され、それにより、エキストラクタプレート２０６の開孔２０８を通って基板１０２上に進む霧状の電極形成溶液の加速を可能にする第２の電界を確立することができる。第２の電圧Ｖ２は、５キロボルトと約５０キロボルトとの間とすることができる。基板１０２は、例えばローラ１０６のうちの１つを通して接地２３０に結合させることができる。第２の電圧Ｖ２は、第１の電圧Ｖ１よりも、例えば、約５キロボルトだけ大きくすることができる。
【００４３】
マニホルド２０２の端部のまわりで最後のノズル１０４の外側に配設されたダミーノズル２１８を利用する実施形態では、電圧がダミーノズル２１８に印加されて、ノズル１０４とエキストラクタプレート２０６との間と同じように、エキストラクタプレート２０６とともに電界を作り出すことができる。ノズル１０４に対するダミーノズル２１８の長さおよびダミーノズル２１８に印加される電圧は、電界を調整するために、所望に応じて、上述で論じたように変更することができる。それにより、電界は最も外側のノズル１０４の横方向外側で均一に延びることができ、その結果、中心ノズル１０４および外側ノズル１０４を出て行く噴霧に作用する電界は実質的に同じであり、それによって、噴霧軌跡は、最も外側のノズル１０４と中心ノズル１０４との間で本質的に均一（すなわち、垂直）になることができ、基板１０２上の中心からエッジまでの堆積均一性が向上する。１つのダミーノズル２１８だけがマニホルド２０２の各端部に示されているが、ダミーノズルは任意の望ましい場所でマニホルド２０２に結合させることができることに留意されたい。
【００４４】
次に、図２Ａの実施形態に戻り、追加として、図２Ｃの下面図を参照すると、材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０は、ノズル１０４の複数の行２４０を収容する幅２７２と、ノズル１０４の複数の列２４２を収容する長さ２８８とを有することができる。例示的な実施形態では、各行２４０は、直線的な行に位置合わされた約５８個以上までのノズルを含むことができ、一方、各列２４２は、約７個から２０個以上までのノズル（各行から１つ）を含むことができる。各列２４２のノズル１０４は、直線的に位置合わせするか、または反復してオフセットすることができる。ノズル１０４が２次元アレイに配列された状態で、材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０のノズル１０４の各行２４０は、基板１０２の幅２５４全体を覆う噴霧パターンを生成し、一方、列２４２は、材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０の下の基板１０２の単一の通過でより多くの電極形成溶液１１２が堆積されるのを可能にし、それによって、バッテリ活物質の迅速な堆積が可能になる。そのため、マニホルド２０２は、基板１０２の幅２５４よりも大きい幅２７２を有することができるが、最も外側のノズル１０４の中心から中心までの距離は基板１０２の幅２５４よりもわずかに小さくすることができ、一方、ダミーノズル２１８の中心から中心まで距離は、エッジから中心までの良好な堆積厚さ均一性を保証するために基板１０２の幅２５４よりもわずかに大きくすることができる。図２Ｂに示した実施形態では、材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０のノズル１０４は、複数のゾーンにグループ化することができ、各ゾーンは、ユニットとしてのゾーンによって、または異なるゾーン間のノズルによって異なる流れ属性を有する。例えば、材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０のノズル１０４は、エッジゾーン２６０間に配設された中心ゾーン２６２にグループ化することができる。
【００４５】
１つの実施形態では、エッジゾーン２６０に配設されるエッジノズル１０４は、中心ゾーン２６２に配設される中心ノズル１０４よりも基板１０２に近づけて配置することができる。この構成において、中心ノズル１０４と同じかまたはそれよりも高い電圧により、より低い流量で、エッジゾーン２６０に配設されるエッジノズル１０４を使用して、基板１０２のエッジにおける堆積されるバッテリ活物質の良好な厚さ制御を生成することができる。この例では、材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０のエッジからの噴霧は、より集束され、それにより、基板１０２のエッジにおいて、堆積されたバッテリ活物質の比較的鋭いエッジが生成されることになる。
【００４６】
いくつかの実施形態では、エッジゾーン２６０は、直線的に位置合わせされ、エッジ２７０のみと平行とすることができ、またはエッジゾーン２６０は、４つのエッジ２７０、２７４のすべてに沿ってマニホルド２０２の周囲のまわりに完全に延び、その結果、中心ゾーン２６２のノズル１０４はエッジゾーン２６０のノズル１０４によって囲まれ得る。ゾーンは他の配列を有することができると考えられる。材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０の各ゾーン２６０、２６２は、ノズル１０４の数、ノズル１０４の密度、ノズル１０４間の間隔、印加電圧、またはノズル１０４を通る流量が異なることができる。１つの実施形態では、材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０の中心ゾーン２６２は、ノズル１０４の多数の行２４０および列２４２を有することができ、一方、エッジゾーン２６０は、それぞれ、ノズル１０４の単一の列２４２のみを含む。ダミーノズル２１８（図２Ｃには図示せず）は、上述で論じたようにエッジゾーン２６０に存在することもできる。
【００４７】
材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０内のノズル１０４の２次元配列は、高固体含有率電極形成溶液のより大きい流量を可能にし、それは、材料スプレー堆積システム１００によって促進された高い乾燥速度と協力して、中心からエッジまで均一な厚さの均質なバッテリ活物質の速い堆積をもたらす。例えば、材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０の各ノズル１０４は、高固体含有率（すなわち、１０ｗｔ．％を超える）電極形成溶液の約０．１５ｍｌ／分から約１０．０ｍｌ／分以上を送出することができる。
【００４８】
材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０内のノズル１０４の配列は、高固体含有率電極形成溶液のより大きい流量を可能にし、それは、材料スプレー堆積システム１００または他の好適な堆積システムによって促進された高い乾燥速度と協力して、中心からエッジまで均一な厚さの均質なバッテリ活物質の速い堆積をもたらす。例えば、材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０の各ノズル１０４は、高固体含有率（すなわち、１０ｗｔ．％を超える）電極形成溶液１１２の約０．１５ｍｌ／分から約１０．０ｍｌ／分以上、例えば、約０．２ｍｌ／分から約２．０ｍｌ／分などを送出して、２０ｍ／分の基板進行速度で少なくとも約３ｍＡｈ／ｃｍ２までのレートでバッテリ活物質を堆積させることができる。
【００４９】
いくつかの実施形態では、エッジゾーン２６０に配置されたノズル１０４の列２４２を通る流れは、異なることができ、例えば、中心ゾーン２６２に配置されたノズル１０４の列２４２を通る流れよりも多くするかまたは少なくすることができる。エッジゾーン２６０のより小さい流量の使用を、中心ゾーン２６２に配置されたノズル１０４に印加される電圧と比較してエッジゾーン２６０に配置されたノズル１０４に印加されるより高い電圧と結合させ、それは、基板１０２の中心でより速い堆積を有する傾向を補償し、それによって、堆積されたバッテリ活物質のエッジから中心までのより均一な厚さに寄与することができる。
【００５０】
エッジノズル１０４が中心ノズル１０４よりも基板１０２に約５ｍｍから約１０ｍｍ近づいているいくつかの実施形態では、エッジゾーン２６０の各ノズル１０４を通る流量は、中心ゾーン２６２の各ノズル１０４を通る流量の半分までとすることができる。追加として、エッジゾーン２６０の各ノズル１０４に印加される電圧は、中心ゾーン２６２の各ノズル１０４による電圧率の半分までとすることができる。そのような実施形態では、エッジゾーン２６０のノズル１０４の密度をより大きくして、堆積速度を中心ゾーン２６２の堆積速度に一致させ、エッジから中心まで均一なフィルム堆積厚さを実現するのを支援することができる。
【００５１】
図３は、ノズル１０４の行３０６および列３０４を含む２次元アレイを有する別の材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ３００の部分下面図である。ノズル１０４の２次元アレイは、行３０６および列３０４で配列されているように図３には示されているが、ノズル１０４の２次元アレイは、極性または他のパターン化配列などの他の構成を有することができる。材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ３００は、隣接するノズル１０４の噴霧錐体３０２（破線で示す）のより良好なオーバーラップを可能にする入れ子パターンまたは漸増カスケーディングパターンを作り出すように隣接する行３０６がオフセットされていることを除いて、上述の材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０と同様に構築される。例えば、ノズルの中心から中心までの距離２８２は維持され、行内の隣接するノズル１０４を分離する距離３０８は、行３０６１では約９ｍｍから約３０ｍｍ（例えば、約１２ｍｍから約２０ｍｍ）とすることができ、一方、隣接する行の隣接するノズル１０４を分離する、例えば、行３０６１から行３０６２、または行３０６２から行３０６３の距離３１０は、中心から中心までの距離２８２よりも少なくすることができる。距離３１０は、約１２ｍｍから約８０ｍｍ、例えば、約１２ｍｍから約４０ｍｍ、例えば、約１２ｍｍから２４ｍｍなどの範囲とすることができる。しかしながら、ノズルの中心から中心までの距離２８２は、隣接する列の隣接するノズル１０４を分離する、例えば、列３０４１から列３０４２まで、または列３０４２から列３０４３までの距離３１２によって維持される。１つの実施形態では、隣接する行の隣接するノズル１０４を分離する距離３１０（すなわちオフセット距離）は、中心から中心までの距離２８２の約半分未満であり、１つの例では、約５ｍｍである。オフセット距離３１０は、図３には、隣接する列３０４と比べて反対方向に各列３０４をオフセットして示されているが、しかしながら、２つ以上隣接する列３０４は、同じ方向に距離３１０を漸増的にオフセットすることができる。オフセットの量は、一般に、ノズル１０４の流量および電界強度とともに変化することができる噴霧錐体３０２の直径に相応して選択される。
【００５２】
図４は、エッジリング４０２が材料スプレーディスペンサアセンブリ４００のエッジ４０４に配設されている状態の別の材料スプレーディスペンサアセンブリ４００の概略図である。材料スプレーディスペンサアセンブリ４００は、上述の材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリ１２０、３００と同様のノズル１０４の２次元アレイを含む。エッジリング４０２は、エキストラクタプレート２０６のエッジ４０４に配設され、エッジ４０４に隣接する列（例えば、図２から３に示した列２４２、３０４で示したような）のすべてのノズル１０４に隣接して通っている。エッジリング４０２は、エキストラクタプレート２０６の下部表面２１０に配設される。操作時に、電圧をエッジリング４０２に印加して、エッジ４０４に隣接する列のノズル１０４と同じ極性にエッジリング４０２を帯電させることができる。１つの実施形態では、エッジリング４０２に印加される電圧は、エッジ４０４に隣接する列のノズル１０４に印加される電圧と同じ電圧とすることができる。そうすることによって、帯電されたエッジリング４０２によって発生される電界は、噴霧がエッジノズル１０４を外側に傾いて出て行く傾向を減少させるために、堆積材料をそらせて、エキストラクタプレート２０６の隣接する開孔２０８を内側に通過させることができる。１つの実施形態では、エッジリング４０２は、一般に、マニホルド２０２の長さ２８８と同じであるエキストラクタプレート２０６の長さと実質的に同様の長さを有するチューブとすることができる。別の実施形態では、エッジリング４０２は、ノズル１０４のアレイ全体を取り囲み、それにより、図２Ｂに示した両方のエッジ２７０および両方のエッジ２７４に沿って配設されるリング形態とすることができる。さらなる別の実施形態では、エッジリング４０２は、エキストラクタプレート２０６のエッジ４０４に沿って配設される中空本体を有することができる。エッジリング４０２は、約０．５ｍｍと約５．０ｍｍとの間の内径４０８と、約１ｍｍと約２０ｍｍとの間の外径４１２とを有することができる。
【００５３】
図５は、内側に傾斜した、または、さもなければ、内側への噴霧軌跡を与えるように構成された複数の外側ノズル５０６を有する材料スプレーディスペンサアセンブリ５００の別の実施形態を示す。外側ノズル５０６は、基板進行の方向と位置合わせされた（図２Ｂに示すように）材料スプレーディスペンサアセンブリ５００のマニホルド５２０の少なくとも１つの周囲エッジ２７０に沿って画定される。マニホルド５２０は、中心プレート５１６の反対側の端部に配設された外側プレート５０４を含むことができる。傾斜した外側ノズル５０６は、鋭角で外側プレート５０４から延びることができ、または、代替として、傾斜した外側ノズル５０６は、外側プレート５０４が中心プレート５１６に対してある角度で配向されている実施形態では、外側プレート５０４から垂直に延びることができる。１つのノズル５０６だけが図５では外側プレート５０４から延びるように示されているが、追加のノズル５０６には、エッジ２７０に沿って延びる列２４２が含まれることに留意されたい。材料スプレーディスペンサアセンブリ５００のノズル５０６の角度は、フィルム均一性に強く影響することがある上述のエッジノズル効果を効率的に最小化するために、基板１０２上に突き出たノズル５０６を出て行く電極形成溶液の角度を制御するように調節することができる。１つの実施形態では、ノズル５０６は、基板１０２の表面と平行な水平面に対して約１０度と約６０度との間の突出し角５１８を有することができる。
【００５４】
いくつかの実施形態では、外側ノズル５０６は、基板がウエブの形態であり、材料スプレーディスペンサアセンブリ５００（図２Ｂに示したものなど）の下方を連続的に通る場合、基板１０２の反対側のエッジに沿って良好な堆積厚さ均一性制御を行うためにマニホルド５２０のエッジ２７０に沿ってのみ位置決めされる。他の実施形態では、外側ノズル５０６は、エッジ２７０およびエッジ２７４（図２Ｂに示した）の両方に沿って位置決めされて、マニホルド５２０の周囲に沿って完全に通って、内側ノズル１０４を完全に囲む。外側ノズル５０６がマニホルド５２０の周囲のまわりを完全に通るようにすると、基板が個別のシートの形態であり、堆積の間材料スプレーディスペンサアセンブリ５００の下方に静止して位置決めされる場合、基板１０２の４つのエッジに沿って良好な堆積厚さ均一性制御が行われる。
【００５５】
図６は、エアカーテンジェネレータ６２０を有する材料スプレーディスペンサアセンブリ６００の別の実施形態の部分断面図である。１つの実施形態では、エアカーテンジェネレータ６２０は、マニホルド２０２に配設されたノズル１０４の２次元アレイの横方向に最も外側の列２４２と、基板１０２のエッジ（図２Ｂに示すような）と位置合わせされたエッジ２７０との間に配置される。代替として、エアカーテンジェネレータ６２０は、マニホルド２０２の周囲のまわりに完全に配設され、それによって、バッテリ活物質を堆積させるために利用されるノズル１０４を囲むことができる。エアカーテンジェネレータ６２０は、ガス源６１０から与えられる空気または不活性ガスなどのガスジェットを与える１つまたは複数のノズル６０２を含み、それは、隣接するノズル１０４を出て行く電極形成溶液１１２を内側に偏らせて、電極形成溶液１１２の噴霧を外側に湾曲させることがある電界の不均衡を補償する。ノズル６０２の中心線６０４（ノズル６０２から出て行く溶液１１２の軌跡と位置合わせされた）は、隣接するノズル１０４の中心線６０８と平行とすることができる。代替として、ノズル６０２の中心線６０４は、隣接するノズル１０４の中心線６０８に対して鋭角６１２とすることができる。オプションとして、マニホルド２０２のノズル６０２を出て行くガスは、堆積された材料の乾燥を支援するために加熱することができる。
【００５６】
オプションとして、エアカーテンジェネレータ６２０のノズル６０２は、電源２２０に結合することができ、その結果、ノズル６０２に印加される電圧は、ノズル１０４に印加される電圧と実質的に同じである。ノズル６０２に電圧を印加することによって、ノズル６０２は、上述のダミーノズル２１８と同様に機能することになる。
【００５７】
さらなる別の実施形態では、エアカーテンジェネレータ６２０は、エッジ２７０、２７４の一方または両方でノズル１０４に組み込むことができる。例えば、ノズル１０４は、堆積材料源２８０に結合された１つの通路と、ガス源６１０に結合された別の通路とを含むことができ、ガス源６１０に結合された通路は、マニホルド２０２のエッジに近づけて位置決めされ、その結果、ノズル１０４を出て行く電極形成溶液１１２は、ノズル１０４内の隣接する通路を出て行くガスのストリームによって内側にまたは少なくとも垂直に向けられ得る。
【００５８】
図７は、ノズル１０４の拡大部分断面図である。図７に示した実施形態では、ノズル１０４は、先端７０６に結合された円筒状スリーブ７１２を有する円筒状本体７０２を有する。先端７０６は、円筒状スリーブ７１２から次第に細くなる。円筒状スリーブ７１２は第１の外径７１４を有し、先端７０６の遠位端は第２の外径７１６を有する。第２の外径７１６は第１の外径７１４より小さく、それによって、先端７０６のテーパーを画定する。１つの実施形態では、ノズル１０４の中心線に対する先端７０６のテーパーは、参照番号７０８で示すように、約４９度未満、例えば、約４５度（プラス０マイナス４度の許容範囲を有する）である。
【００５９】
ノズル１０４を出て行く堆積材料は、ノズル１０４の先端７０６を濡らして這い上がっていくことがあり、ノズルを出て行く材料のストリームの直径を好ましくなく増加させ、それは、プロセス制御を困難にし、ノズル間の潜在的なアーク発生を好ましくなく増加させる。電極形成溶液が流れる第１の外径７１４と内側径７１８との間の比を選択すると、ノズル間のアーク発生の可能性を最小化しながら高い堆積速度を得る能力の平衡が保たれる。例えば、４：１および３：１の第１の外径７１４および内側径７１８の間の比は、ノズル１０４が１２ｍｍまたはさらに９ｍｍの近さのノズル中心線間の距離で隔置される場合、アーク発生なしに良好な堆積結果をもたらすことになることが実証されている。
【００６０】
いくつかの実施形態では、先端７０６から基板表面の方に出て行く材料の有効直径は、小滴とノズル１０４の先端７０６との間に形成される接触角７０８を変更する（すなわち、増加させる）ためおよび堆積材料によるノズルの濡れを防止するためのノズル１０４の先端７０６および／または本体７０２の外側に塗布された疎水性コーティングによって制御することができる。１つの実施形態では、接触角７０８は、２０度を超えるように、例えば、３０度などを超えるように、例えば、約２０度と約９０度との間に制御することができる。１つの実施形態では、先端７０６に被覆するために利用される疎水性コーティングは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフルオロデシルトリクロロシラン（ＦＤＴＳ）などとすることができる。
【００６１】
滑らかな外面を有するように先端７０６を製造すると、ノズル１０４の濡れがさらに最小化されることになることも見いだされた。１つの実施形態では、先端７０６の外面は、約１６Ｒａまたはそれより滑らかな表面粗さを有するように製造される。
【００６２】
前述は本発明の実施形態に関するが、本発明の他のおよびさらなる実施形態を、本発明の基本範囲から逸脱することなく、考案することができる。
また、本願は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
バッテリ活物質を基板の表面に堆積させるための装置であって、
前記装置内で前記基板を輸送するための基板コンベヤシステムと、
前記基板コンベヤシステムの上方に配設された材料スプレーアセンブリであり、電極形成溶液を前記基板の前記表面にエレクトロスプレーするように構成されたノズルの２次元アレイを有する、材料スプレーアセンブリと、
前記基板を加熱するように構成された、前記基板コンベヤシステムの上方で前記材料スプレーアセンブリに隣接して配設された第１の加熱要素と
を備える、装置。
（態様２）
前記ノズルの２次元アレイが、
前記材料スプレーアセンブリのエッジに配設された第１のノズルと、前記第１のノズルの内側に配設された第２のノズルと
をさらに含み、
前記第１のノズルが、前記第２のノズルに対して内側の傾斜を有する、態様１に記載の装置。
（態様３）
前記材料スプレーアセンブリが、
エッジゾーンと、中心ゾーンと
をさらに含み、
前記エッジゾーンが、前記中心ゾーンと異なるノズルの密度を有する、態様１に記載の装置。
（態様４）
前記材料スプレーアセンブリが、
エッジゾーンと、中心ゾーンと
をさらに含み、
前記エッジゾーンが、前記中心ゾーンノズルに配設されたノズルよりも前記基板に約５ｍｍから約１０ｍｍ近づいているノズルを有する、態様１に記載の装置。
（態様５）
前記材料スプレーアセンブリが、
前記複数のノズルがそこから延びるマニホルドと、
前記ノズルと基板コンベヤとの間に位置決めされたエキストラクタプレートであり、前記マニホルドに形成された前記ノズルと整列する、前記エキストラクタプレートに形成された複数の開孔をさらに含む、エキストラクタプレートと
をさらに含む、態様１に記載の装置。
（態様６）
前記ノズルの２次元アレイが、
前記材料スプレーアセンブリのエッジに沿って配置されたエッジノズルの列であり、前記エッジノズルが、噴霧軌跡を前記材料スプレーアセンブリの中心の方に内側に傾斜させる、エッジノズルの列
をさらに含む、態様１に記載の装置。
（態様７）
前記ノズルの２次元アレイが、
堆積属性の独立した制御を行うように構成された複数のゾーン
をさらに含む、態様１に記載の装置。
（態様８）
前記ノズルの２次元アレイが約１２ｍｍから約４０ｍｍの間の間隔を有する複数の列であり、各列が多数のノズルを含む、複数の列をさらに含む、態様１に記載の装置。
（態様９）
前記複数の列が、
第２の列からオフセットされた第１の列
を含む、態様８に記載の装置。
（態様１０）
前記複数の列が、
約１５ｍｍまでの距離だけ第２の列からオフセットされた第１の列
を含む、態様８に記載の装置。
（態様１１）
前記ノズルの２次元アレイが、約１０ｍｍから約６０ｍｍの間の距離だけ前記コンベヤシステムから隔置されている、態様１に記載の装置。
（態様１２）
バッテリ活物質を基板の表面に堆積させるための装置であって、
前記装置内で前記基板を輸送するための基板コンベヤシステムと、
前記基板コンベヤシステムの上方に配設された複数の材料スプレーアセンブリであり、前記材料スプレーアセンブリが、各々、前記基板の前記表面に、前記コンベヤシステムに配設されている間、電極形成溶液をエレクトロスプレーするように構成されたノズルの２次元アレイを有し、前記ノズルの２次元アレイのうちの少なくとも１つが、約９ｍｍから約３０ｍｍの間のノズルからノズルまでの間隔を有するノズルの行を有する、複数の材料スプレーアセンブリと、
前記基板を加熱するように構成された、前記基板コンベヤシステムの上方で前記材料スプレーアセンブリ間に配設された複数の加熱要素と
を備える、装置。
（態様１３）
前記材料スプレーアセンブリのうちの少なくとも１つの前記ノズルの２次元アレイが、
前記材料スプレーアセンブリのエッジに配設された第１のノズルと、前記第１のノズルの内側に配設された第２のノズルと
をさらに含み、
前記第１のノズルが、前記第２のノズルに対してより長い、態様１２に記載の装置。
（態様１４）
前記材料スプレーアセンブリのうちの少なくとも１つが、
前記ノズルの２次元アレイの外側で前記材料スプレーアセンブリに配設された少なくとも１つのダミーノズル
をさらに含む、態様１または１２に記載の装置。
（態様１５）
前記材料スプレーアセンブリのうちの少なくとも１つの前記ノズルの２次元アレイが、
第２の列からオフセットされた第１の列
をさらに含む、態様１２に記載の装置。
（態様１６）
前記材料スプレーアセンブリのうちの少なくとも１つが、
隣接するノズルを出て行く噴霧の軌跡を内側に向けるかまたはそらせるように構成されたエアカーテンジェネレータ
をさらに含む、態様１または１２に記載の装置。
（態様１７）
バッテリ活物質を基板の表面に堆積させる方法であって、
少なくとも１つの材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリからの電極形成溶液を基板上にエレクトロスプレーすることと、
前記基板に配設された堆積材料を、前記材料エレクトロスプレーディスペンサアセンブリに隣接して配設された複数のヒータによって加熱することと
を含む、方法。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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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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【図７】
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