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CN110421268B - 用于制造锂金属负电极的方法和系统 - Google Patents

用于制造锂金属负电极的方法和系统 Download PDF

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CN110421268B CN201910287235.6A CN201910287235A CN110421268B CN 110421268 B CN110421268 B CN 110421268B CN 201910287235 A CN201910287235 A CN 201910287235A CN 110421268 B CN110421268 B CN 110421268B
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Abstract

用于锂金属蓄电池的电化学电池的负电极可以通过将金属集流体件和锂金属件接合在一起来制造。金属集流体件可以在焊接部位以至少部分重叠的构造邻近锂金属件定位。可以在焊接部位处将激光束导向到金属集流体件的上表面以熔化邻近金属集流体件的锂金属件的一部分，并产生锂金属熔融焊接池。可以终止第二激光束以将锂金属熔融焊接池固化成固体焊接接头，该固体焊接接头在焊接部位处将锂金属件和金属集流体件物理结合在一起。

Description

用于制造锂金属负电极的方法和系统
引言
蓄电池是一种储存化学能并可以根据需要通过电化学还原-氧化(氧化还原)反应将其储存的化学能转化为电能的装置。在二次蓄电池或可再充电蓄电池中，这些电化学反应是可逆的，这允许蓄电池经历多次充电和放电循环。
二次锂蓄电池的电化学电池通常包括通过离子导电(和电绝缘)电解质彼此隔开的负电极和正电极。电解质提供一种介质，在电池的充电和放电期间锂离子可以通过该介质在电极之间传递。能量以锂的形式存储在电池的负电极和正电极中，其中电池的能量密度由每单位质量的电极的锂存储容量和在负电极和正电极之间的锂的电化学电势差确定。锂金属具有相对低的密度并呈现任何元素(相对于标准氢电极)的最负电化学电势，这允许电化学电池内的最高可能的电化学电势差并且因此使其成为锂蓄电池的负电极的理想材料。
实际上，电化学电池中的负电极和正电极各自电耦合到导电金属集流体，其提供介质，电子可以通过该介质经由外部电路从一个电极行进到另一个电极。因此，锂金属作为锂蓄电池的负电极材料的实际应用需要开发一种方法，该方法可以用于在锂金属层和金属集流体之间形成牢固的物理和电结合，而不会不利地影响锂金属层的机械完整性且不会触发锂金属层和周围环境之间的任何不期望的化学反应。
发明内容
用于制造锂金属蓄电池的电化学电池的负电极的系统可以包括第一平台、第二平台、耦合到激光束发生器的激光扫描头、台架和控制单元。第一平台可以在第一方向上行进并且可以被构造成将连续的锂金属片材递送至切割站并且将锂金属件从切割站传递至接合站。第二平台可以在与第一方向相反的第二方向上行进并且可以被构造成将金属集流体件递送至接合站。激光扫描头可以包括多个可移动反射镜，其被构造成将聚焦的激光束导向到目标表面处并且相对于目标表面沿着预定行进路径推进激光束以在切割站处执行激光切割操作或者在接合站处执行激光接合操作。台架可以在二维平面中移动激光扫描头并且可以在切割站和接合站之间传递激光扫描头。控制单元可以控制和协调第一平台和第二平台、激光束发生器、激光扫描头和台架的操作，使得激光扫描头可以在切割站处执行激光切割操作并且随后可以在接合站处执行激光接合操作。
在接合站处，第二平台的下游端可以被定位在第一平台的下游端上方，使得金属集流体片材可以在接合站处从第二平台的下游端落到第一平台的下游端上。
该系统可以包括位于切割站和接合站之间的成形站。在这样的情况下，第一移动平台可以被构造成将锂金属件从切割站传递到成形站并且然后传递到接合站。
接合站可以包括透明盖，该透明盖可以被定位在金属集流体件的上表面上以在激光接合操作期间保持锂金属件和金属集流体件彼此相邻并且处于至少部分重叠的构型中，其中锂金属件和金属集流体件彼此物理接合。
第一平台和第二平台可以分别由第一组辊和第二组辊支撑。
该系统可以包括封闭切割站和接合站的腔室、与腔室的内部流体连通的真空泵和排空系统以及与腔室的内部流体连通的惰性气体供应源。
制造用于锂金属蓄电池的电化学电池的负电极的方法可以包括以下步骤中的一个或多个。在步骤(a)中，可以将连续的锂金属片材递送到切割站。在步骤(b)中，可以将第一激光束导向到锂金属片材的上表面处并且相对于锂金属片材的上表面推进以切断锂金属片材的端部并形成锂金属件。在步骤(c)中，锂金属件可以被递送到接合站。在步骤(d)中，金属集流体件可以以至少部分重叠的构型邻近锂金属件定位，使得金属集流体件的搭接表面面对锂金属件的搭接表面以在焊接部位处建立件之间的搭接界面。在步骤(e)中，可以在焊接部位处将透明盖定位在金属集流体件上，使得透明盖压靠金属集流体件的上表面，并且金属集流体件和锂金属件的搭接表面在焊接部位处彼此压靠。在步骤(f)中，在焊接部位处可以将第二激光束导向到金属集流体件的上表面以熔化邻近金属集流体件的搭接表面的锂金属件的一部分，并产生润湿金属集流体件的搭接表面的锂金属熔融焊接池。在步骤(g)中，可以终止第二激光束以将锂金属熔融焊接池固化成固体焊接接头，该固体焊接接头在焊接部位处将锂金属件和金属集流体件物理结合在一起。可以连续地重复和协调步骤(a)至(g)，使得可以使用相同的激光扫描头在不同的时间执行步骤(b)和(f)。
第一激光束可以是脉冲激光束，其功率密度在5.0×105W/cm2至1.0×109W/cm2的范围内并且脉冲重复率在1kHz至100kHz的范围内。
第二激光束可以是脉冲激光束，其功率密度在3×105W/cm2至1×107W/cm2的范围内并且脉冲重复率在100kHz至10MHz的范围内。
连续的锂金属片材和锂金属件可以通过沿第一方向前进的第一平台分别递送到切割站和接合站。在这样情况下，可以通过沿与第一方向相反的第二方向前进的第二平台将金属集流体件递送到接合站。
第一激光束和第二激光束可以由同一激光束发生器生成，并且第一激光束和第二激光束的移动可以通过容纳在同一激光扫描头内的多个可移动反射镜来实现。
在步骤(c)之前，可以将锂金属件传递到成形站。在这样的情况下，可以将第三激光束导向到锂金属件的上表面处并且相对于锂金属件的上表面推进以将锂金属件修整成所需的形状。第一激光束、第二激光束和第三激光束可以由同一激光束发生器生成，并且第一激光束、第二激光束和第三激光束的移动可以通过容纳在同一激光扫描头内的多个可移动反射镜来实现。
在步骤(b)中，可以将第一激光束在横跨锂金属片材的整个宽度的线性路径中相对于锂金属片材的上表面推进。
在步骤(f)中，可以将第二激光束在焊接部位处以非线性路径相对于金属集流体件的上表面推进。在一种形式中，可以将第二激光束相对于金属集流体件的上表面在向前方向上从起点朝向终点推进，以及在横向于向前方向的横向方向上来回推进。在一个具体示例中，可以将第二激光束相对于金属集流体件的上表面从起点朝向终点推进，同时旋转第二激光束。
切割站和接合站可以封闭在腔室中。在这样的情况下，可以在腔室内建立负压环境或惰性气体环境，以防止在步骤(b)和(f)期间锂金属片材和锂金属件的氧化和燃烧。
在步骤(d)之前，可以将第四激光束导向到金属集流体片材的上表面处并且相对于金属集流体片材的上表面推进以切断金属集流体件的端部并且形成金属集流体件。第一激光束、第二激光束和第四激光束可以由同一激光束发生器生成，并且第一激光束、第二激光束和第四激光束的移动可以通过容纳在同一激光扫描头内的多个可移动反射镜来实现。
金属集流体件可以包括无孔金属箔、穿孔金属片材或多孔金属网。金属集流体件可以包括从由铜、镍、不锈钢和钛组成的组选择的至少一种金属或金属合金。
固体焊接接头可以在锂金属件和金属集流体件之间形成，而不使用焊剂、填料或焊料。
附图说明
图1是用于锂金属蓄电池的电化学电池的负电极的透视图，负电极包括通过固体焊接接头物理结合到金属集流体件的锂金属件；
图2是用于锂金属蓄电池的电化学电池的另一负电极的透视图，负电极包括通过固体焊接接头物理结合到金属集流体件的锂金属件；
图3是用于制造锂金属蓄电池的电化学电池的负电极的系统的透视图，该系统包括第一平台、第二平台、耦合到激光束发生器的激光扫描头、台架和控制单元；
图4是在激光切割操作期间锂金属片材的平面图，其中锂金属片材的端部从其上被切断以形成锂金属件；
图5是在成形操作期间锂金属件的平面图，其中锂金属件被修整到所需的形状；
图6是金属集流体件和锂金属件的侧剖视图，金属集流体件和锂金属件以至少部分重叠的构型彼此相邻地定位，其中透明盖定位在金属集流体件的上表面上；
图7是图6的金属集流体件和锂金属件的侧剖视图，示出了激光接合操作中的步骤，其中锂金属熔融焊接池形成在预期焊接部位处的部件之间建立的搭接界面处；
图8是图7的金属集流体件和锂金属件在锂金属熔融焊接池固化之后的侧剖视图，其中金属集流体件和锂金属件通过固体焊接接头连接在一起；
图9是在激光接合操作期间图7的金属集流体件和锂金属件的平面图，其中激光束相对于金属集流体件的上表面沿大致线性的行进路径在向前方向上从起点推进到终点；
图10是在激光接合操作期间图7的金属集流体件和锂金属件的平面图，其中激光束相对于金属集流体件的上表面在向前方向上从起点推进到终点，并沿振荡行进路径在横向于向前方向的横向方向上来回前进；以及
图11是在激光接合操作期间图7的金属集流体件和锂金属件的平面图，其中通过在向前方向上移动激光束同时旋转激光束以形成环形行进路径，激光束相对于金属集流体件的上表面从起点推进到终点。
具体实施方式
目前公开的方法和系统可以用于使用多用途激光扫描头从连续锂金属片材和连续金属集流体件连续和顺序地制造多个负电极。连续锂金属片材和连续金属集流体件可以由多用途激光扫描头切割成多个离散件。此后，同一多用途激光扫描头可以用于将金属集流体件物理地结合到锂金属件上，以形成用于锂金属蓄电池的电化学电池的整体式负电极。
图1以理想化的方式示出了用于二次锂金属蓄电池(未示出)的电化学电池(未示出)的负电极10的一个实施例的透视图。负电极10包括负电极集流体12以及物理和电耦合到负电极集流体12的锂金属负电极材料层14。负电极集流体12包括限定外表面18的第一侧16和限定搭接表面22的相对的第二侧20。同样，锂金属负电极材料层14包括限定外表面26的第一侧24和限定搭接表面30的相对的第二侧28。负电极集流体12和锂金属负电极材料层14通过一个或多个固体焊接接头(未示出)在它们各自的搭接表面22、30之间建立的搭接界面32处物理地彼此结合。在负电极集流体12和锂金属负电极材料层14之间的搭接界面32处形成的焊接接头有助于维持它们之间的电接触，并且还可以有助于防止锂金属负电极材料层14和负电极集流体12之间的脱层或分离。在图1中，负电极集流体12包括与锂金属负电极材料层14共同延伸的主体部分34和远离主体部分34延伸超出锂金属负电极材料层14的周边的负极性连接片36。
图2示出了用于二次锂金属蓄电池(未示出)的电化学电池(未示出)的负电极110的另一实施例。图2中示出的负电极110在许多方面与图1中描绘的负电极10相似，并且实施例之间的相同标号通常表示相同或相应的元件；实施例的描述通过引用彼此结合，并且在此通常不重复共同的主题。
与负电极10类似，负电极110包括负电极集流体112以及物理和电耦合到负电极集流体112的锂金属负电极材料层114。此外，负电极集流体112包括限定外表面118的第一侧116和限定搭接表面122的相对的第二侧120。同样，锂金属负电极材料层114包括限定外表面126的第一侧124和限定搭接表面130的相对的第二侧128。负电极集流体112和锂金属负电极材料层114通过一个或多个固体焊接接头(未示出)在它们各自的搭接表面122，130之间建立的搭接界面132处彼此物理结合。在图2中，负电极集流体112包括与锂金属负电极材料层114不对称的相对小的主体部分134(与图1的主体部分34相比)和远离主体部分34延伸超出锂金属负电极材料层14的周边的负极性连接片136。
负电极集流体12、112可以包括能够将自由电子收集到它们各自的负电极材料层14、114并从它们各自的负电极材料层14、114可逆地传递自由电子的任何金属材料。如本文使用的术语“金属”是指主要包括一种或多种金属的材料。由此，金属材料可以包括单一金属、一种以上的金属(以合金形式或其他形式)或者一种或多种金属和元素或化合物形式的一种或多种其他非金属组分两者。例如，负电极集流体12、112可以包括导电金属或金属合金，例如过渡金属或其合金。在一些具体示例中，负电极集流体12、112中的一个或两者可以包括铜、镍、铁合金(例如不锈钢)或钛。如果期望的化，当然可以使用其它导电金属。负电极集流体12、112可以是薄的和柔性的无孔金属箔、多孔金属网或穿孔金属片材的形式。负电极集流体12、112的具体构型可以取决于使用它们的电化学电池的预期应用。负电极集流体12、112的厚度可以在8微米至150微米的范围内。
锂金属负电极材料层14、114可以基本上由锂(Li)金属组成。例如，锂金属负电极材料层14、114可以包括按重量计大于97％的锂，或更优选地包括大于99％的锂。在一种形式中，锂金属负电极材料层14、114可以是薄的和柔性的无孔锂金属箔的形式。与负电极集流体12、112的熔点相比，锂金属负电极材料层14、114具有相对低的熔点。例如，在锂金属负电极材料层14、114包括锂的实施例中，层14、114可以具有约180.5℃的熔点。在集流体层120包括铜的实施例中，层120可以具有约1085℃的熔点。在集流体12、112包括镍的实施例中，集流体12、112可以具有约1455℃的熔点。在集流体12、112包括铁合金的实施例中，集流体12、112可以具有在约1300℃至1500℃范围内的熔点。在集流体12、112包括钛的实施例中，集流体12、112可以具有约1668℃的熔点。
图3示出了用于制造负电极10、110的系统200。系统200包括第一平台210、第二平台212，经由光纤电缆218耦合到激光束发生器216的多用途激光扫描头214(也称为扫描头)、台架220以及控制和协调系统200的各种部件的操作的控制单元222，使得多用途激光扫描头214可以用于在负电极10、110的制造期间在不同地点处执行多个激光切割和激光接合操作。
第一平台210在切割站230、成形站232和接合站234之间沿第一方向224从上游端226延伸到下游端228，并且被配置成接收连续的锂金属片材236并将锂金属片材236递送到切割站230。第二平台212在与第一方向224相反的第二方向225上从上游端227延伸到下游端229，并且被配置成接收连续的金属集流体片材237并将金属集流体片材237的一端递送到接合站234。第一平台210在第一方向224上的移动可以经由第一组辊238实现，以及第二平台212在第二方向225上的移动可以通过第二组辊239实现。
在锂金属片材236在第一平台210的上游端226处被接收在切割站230处之后，控制单元222可以启动切割操作，其中锂金属片材236的端部从那里被切断以形成锂金属件240。更具体地，在锂金属片材236被接收在切割站230处之后，控制单元222可以向激光束发生器216发信号以生成发散激光束(未示出)并将其递送到激光扫描头214。在激光扫描头214中，发散激光束可以穿过准直透镜(未示出)和扫描透镜(未示出)，诸如f-θ透镜，以在激光束242的焦平面处产生具有期望的束斑尺寸的第一聚焦激光束242。激光扫描头214还可以包括可移动反射镜(未示出)，例如检流计反射镜，并且控制单元222可以控制激光扫描头214中的可移动反射镜，使得第一激光束242被导向到锂金属片材236的上表面244上的目标区域上。激光扫描头214中的可移动反射镜可以由控制单元222控制，以相对于沿锂金属片材236的上表面244定向的平面精确且快速地移动第一激光束242，而不移动激光扫描头214。由此，在第一激光束242照射在锂金属片材236的上表面244上之后，控制单元222可以导向激光扫描头214中的可移动反射镜，以使第一激光束242沿着相对于锂金属片材236的上表面244的预定行进路径推进。在一种形式中，如图4中最佳示出的，由第一激光束242跟踪的预定行进路径可以是线性的并且可以在锂金属片材236的整个宽度上切割。
在锂金属件240与锂金属片材236分离之后，锂金属件240可以通过第一平台210传递到成形站232，并且激光扫描头214可以通过台架220传递到成形站232。在成形站232处，控制单元222可以启动成形操作，其中锂金属件240被修整到所需的形状。更具体地，在成型站232处接收锂金属件240和激光扫描头214之后，控制单元222可以导向激光束发生器216和激光扫描头214产生第二聚焦激光束246并将其导向到锂金属件240的上表面244上，并且相对于锂金属件240的上表面244沿着另一预定行进路径248推进第二激光束246。在一种形式中，如在图5中最佳示出的，由第二激光束246跟踪的预定行进路径248可以被设计成修整掉锂金属件240的角部并将其倒圆。
在锂金属件240已被修整到所需的形状之后，锂金属件240可以由第一平台210传递到接合站234，并且激光扫描头214可以由台架220传递到接合站234。在接合站234处，控制单元222可以启动接合操作，其中金属集流体件250接合到锂金属件240。在一些实施例中，控制单元222可以导向激光扫描头214以将第三聚焦激光束252导向到金属集流体片材237的上表面254处，并且使第三激光束252相对于上表面254沿预定行进路径推进以从金属集流体片材237切断端部并形成金属集流体件250。在这样的情况下，从金属集流体片材237切割的金属集流体件250然后可以从第二平台212落到锂金属件240的上表面244上，使得金属集流体件250的至少一部分与锂金属件240重叠。
第一激光束、第二激光束和第三激光束242、246、252可以是脉冲激光束并且可以呈现：在5.0×105W/cm2至1.0×109W/cm2的范围内的功率密度、在10微米至200微米的范围内的激光束斑点尺寸、在0.5至500纳秒范围内的脉冲持续时间、在1kHz至100kHz的范围内的脉冲重复率以及在0.1至2米/秒范围内的速度。
如图6中最佳示出的，在接合之前，金属集流体件250以至少部分重叠的构造邻近锂金属件240定位，使得金属集流体件250的搭接表面256面对锂金属件240的搭接表面258，以在预期焊接部位262处在件240、250之间建立搭接界面260。然后，透明盖264被定位在焊接部位262处的金属集流体件250的上表面266上。透明盖264可以包括激光束可以有效透射通过的任何材料，例如，盖264可以包括基于二氧化硅的玻璃，例如熔融二氧化硅或石英。在一些实施例中，可以通过透明盖264在金属集流体件250的上表面266上的焊接部位262处施加压力，使得锂金属件240和金属集流体件250被夹紧在第一平台210和透明盖264之间，并且件240、250的搭接表面256、258在焊接部位262处彼此压靠。由透明盖264施加在金属集流体件250的上表面266上的力可以在40牛顿至400牛顿的范围。锂金属件240和金属集流体件250通过将第四聚焦激光束268导向穿过透明盖264并在焊接部位262处到达金属集流体件250的上表面266上而物理地彼此结合。通过从照射激光束268吸收能量在焊接部位262处的集流体件250中生成热量，并通过传导从集流体件250传递到锂金属件240，这启动锂金属件240沿着其搭接面258的熔化。与锂金属件240不同，由于与锂金属件240的熔点相比较，集流体件250的熔点相对较高，因此在激光接合操作期间集流体件250不会沿其搭接表面256熔化。
现在参考图7，第四激光束268在焊接部位262处照射金属集流体件250的上表面266，并且通过从第四激光束268吸收能量而生成的热量被传导通过件250、240，并且创建锂金属熔融焊接池270，该锂金属熔融焊接池270部分地穿透锂金属件240并且从锂金属件240的搭接表面258部分地延伸到锂金属件240的相对表面272。控制第四激光束268的功率密度，使得以传导焊接模式执行激光接合操作，使得熔融焊接池270不完全穿透锂金属件240，即不延伸穿过锂金属件240的整个厚度。来自熔化焊接池270的熔融锂金属润湿金属集流体件250的搭接表面256，但由于与锂金属件240的熔点相比，件250的熔点相对较高，所以不会熔化或穿透集流体件250的搭接表面256。在激光接合操作期间，可以控制第四激光束268的功率水平、行进速度、激光束斑点尺寸和/或焦点位置(聚焦在金属集流体件250的上表面266处、下方或上方)，以控制熔融焊接池270的深度和宽度。
如图8中示出的，当第四激光束268终止时，锂金属熔融焊接池270在集流体件250和锂金属件240的搭接界面260处快速冷却并固化成固体焊接接头274。所得到的焊接接头274在焊接部位262处将集流体件250和锂金属件240物理地结合在一起，并且在焊接部位262处在件240、250之间产生连续的零间隙界面。在激光接合操作之前或期间的任何点，在件240、250之间不添加焊剂、填料或焊料的情况下形成焊接接头274。图8中描绘的焊接接头274本质上是示意性的，并且可以代表或不代表在实践中形成的焊接接头的实际尺寸和形状，其可以根据集流体件250和/或锂金属件240的尺寸和形状以及在接合操作期间由第四激光束268遵循的行进路径而变化。
第四激光束268可以是脉冲激光束并且可以呈现：在3×105W/cm2到1×107W/cm2范围内的功率密度、在0.2毫米至1毫米范围内的激光束斑点尺寸、在0.5纳秒至500纳秒范围内的脉冲持续时间、在100kHz至10MHz范围内的脉冲重复率以及在0.2米每秒至2米每秒范围内的速度。
为了简单起见，在图6和7中仅描绘了单个焊接部位262并且在图8中仅描绘了单个焊接接头274；然而，实际上，可以在件240、250的重叠区域内的多个不同焊接部位处形成多于一个的固体焊接接头。例如，集流体件250和锂金属件240可以使用一个或多个离散的“点”焊接和/或一个或多个“接缝”焊接连接在一起。点焊通过将第四激光束268聚焦在预期焊接部位262处的金属集流体件250的上表面266处，然后终止激光束268而不使光束268或件240、250相对于彼此移动来形成。如图9、10和11示出的，焊缝可以通过将第四激光束268导向到金属集流体件250的上表面266处，并且然后相对于集流体件250的上表面266沿预定行进路径推进第四激光束268来形成。
在接合操作期间由第四激光束268跟踪的预定行进路径可以基于激光束发生器216和多用途激光扫描头214的操作参数以及第四激光束268的结果属性来选择。例如，在第四激光束268呈现相对高的功率密度的实施例中，可以选择由激光束268跟踪的行进路径以防止激光束268完全穿透金属集流体件250或锂金属件240。
现在参考图9，在一种形式中，第四激光束268可以相对于集流体件250的上表面266在向前方向276上沿着大致线性的行进路径278从起点推进到终点。当第四激光束268沿线性行进路径278推进时，锂金属熔融焊接熔池270跟随并在前进的焊接熔池270的尾流中留下熔融锂金属，其快速冷却并凝固成固体焊接接头274。现在参考图10，在另一形式中，第四激光束268可以相对于集流体件250的上表面266沿前向方向276从起点推进到终点，并且沿横向于前向方向276的横向方向280沿振荡行进路径282来回推进。现在参考图11，在又一形式中，通过在向前方向276上移动第四激光束268，同时在圆284中旋转第四激光束268以形成环形行进路径286，第四激光束268可以相对于集流体件250的上表面266从起点推进到终点。
切割站230、成形站232和接合站234可以封闭在包括入口290和出口292的腔室288内。在负电极10、110的制造过程中，可以在腔室288的内部内创建负压环境(例如，小于1个大气压)或惰性气体环境，以防止在腔室288中的环境与锂金属片材236、锂金属件240、集流体片材237和/或集流体件250之间发生污染和/或防止不希望的化学反应(例如，氧化和/或锂燃烧)。例如，在腔室288中生成惰性气体环境的实施例中，入口290可以与惰性气体供应源294流体连通，并且在负电极10、110的制造期间可以经由入口290将惰性气体流(例如，氩气)引入室腔288中。附加地或可替换地，腔室288的出口292可以与真空泵和抽空系统296流体连通，以在制造负电极10、110期间在腔室288的内部内创建负压环境。
在锂金属件240和金属集流体件250彼此物理结合之后，件240、250可被传递到锂金属蓄电池制造操作并用作二次锂金属蓄电池的电化学电池中的负电极10、110。例如，结合件240、250可以与至少一个正电极和至少一个隔膜结合，并形成用于锂金属蓄电池的电化学电池。在电化学电池中负电极10、110和正电极可以彼此相对堆叠，其中隔膜夹在它们之间。在一种形式中，负电极10、110、隔膜和正电极可以一个堆叠在另一个的顶部，并且然后经受折叠操作以形成电化学电池堆，该电化学电池堆可以被密封在外壳内或袋内以形成袋型锂金属蓄电池。
以上对优选示例性实施例、方面和特定示例的描述本质上仅仅是描述性的；它们不旨在限制以下权利要求的范围。在所附权利要求中使用的每个术语应该被赋予其普通的和惯用的含义，除非在说明书中另外具体地和毫无疑义地陈述。

Claims (10)

1.一种用于制造锂金属蓄电池的电化学电池的负电极的系统，所述系统包括：
第一平台，所述第一平台在第一方向上行进并且被构造成将连续的锂金属片材递送至切割站并且将锂金属件从所述切割站传递至接合站；
第二平台，所述第二平台可以在与第一方向相反的第二方向上行进并且可以被构造成将金属集流体件递送至所述接合站；
激光扫描头，所述激光扫描头耦合到激光束发生器，所述激光扫描头包括多个可移动反射镜，所述多个可移动反射镜被构造成将聚焦的激光束导向到目标表面处并且相对于所述目标表面沿着预定行进路径推进所述激光束以在所述切割站处执行激光切割操作或者在所述接合站处执行激光接合操作；
台架，所述台架在二维平面中移动所述激光扫描头并且在所述切割站和所述接合站之间传递所述激光扫描头；
控制单元，所述控制单元控制和协调所述第一平台和所述第二平台、所述激光束发生器、所述激光扫描头和所述台架的操作，使得所述激光扫描头可以在所述切割站处执行激光切割操作并且随后可以在所述接合站处执行激光接合操作；
腔室，所述腔室封闭所述切割站和所述接合站；
真空泵和抽真空系统，所述真空泵和抽真空系统与所述腔室的内部流体连通；以及
惰性气体供应源，所述惰性气体供应源与所述腔室的所述内部流体连通，
其中，所述第一平台和所述第二平台分别由第一组辊和第二组辊支撑，
其中，在所述接合站处，所述第二平台的下游端被定位在所述第一平台的下游端上方，使得所述金属集流体片材可以在所述接合站处从所述第二平台的所述下游端落到所述第一平台的所述下游端上，并且
其中所述接合站包括透明盖，所述透明盖可以被定位在所述金属集流体件的上表面上以在激光接合操作期间保持所述锂金属件和所述金属集流体件彼此相邻并且处于至少部分重叠的构型中，其中所述锂金属件和所述金属集流体件彼此物理接合。
2.如权利要求1所述的系统，其包括：
成形站，所述成形站位于所述切割站与所述接合站之间，以及
其中，所述第一平台被构造成将所述锂金属件从所述切割站传递到所述成形站，然后传递到所述接合站。
3.一种使用如权利要求1所述的系统来制造用于锂金属蓄电池的电化学电池的负电极的方法，所述方法包括以下步骤：
（a）将连续的锂金属片材递送到切割站；
（b）将第一激光束导向到锂金属片材的上表面处并且相对于所述锂金属片材的所述上表面推进所述第一激光束以切断所述锂金属片材的端部并形成锂金属件；
（c）将所述锂金属件递送到接合站；
（d）金属集流体件以至少部分重叠的构型邻近所述锂金属件定位，使得所述金属集流体件的搭接表面面对所述锂金属件的搭接表面以在焊接部位处建立所述金属集流体件和锂金属件之间的搭接界面；
（e）在所述焊接部位处将透明盖定位在所述金属集流体件上，使得所述透明盖压靠所述金属集流体件的上表面，并且所述金属集流体件和所述锂金属件的所述搭接表面在所述焊接部位处彼此压靠；
（f）在所述焊接部位处将第二激光束导向到所述金属集流体件的所述上表面以熔化邻近所述金属集流体件的所述搭接表面的所述锂金属件的一部分，并产生润湿所述金属集流体件的所述搭接表面的锂金属熔融焊接池；
（g）终止所述第二激光束以将所述锂金属熔融焊接池固化成固体焊接接头，所述固体焊接接头在所述焊接部位处将所述锂金属件和所述金属集流体件物理结合在一起；以及
（h）连续地重复和协调步骤（a）至（g），使得使用同一激光扫描头在不同的时间执行步骤（b）和（f），
其中所述第一激光束和所述第二激光束由同一激光束发生器生成，并且所述第一激光束和所述第二激光束的移动通过容纳在同一激光扫描头内的多个可移动反射镜来实现，
其中所述金属集流体件包括无孔金属箔、穿孔金属片材或多孔金属网，
其中所述金属集流体件包括从由铜、镍、不锈钢和钛组成的组中选择的至少一种金属或金属合金，并且
其中所述固体焊接接头可以在所述锂金属件和所述金属集流体件之间形成，而不使用焊剂、填料或焊料。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述第一激光束是具有功率密度在5.0×105 W/cm2至1.0×109 W/cm2范围内、脉冲重复率在1 kHz至100 kHz范围内的脉冲激光束，以及所述第二激光束是具有功率密度在3×105 W/cm2至1×107 W/cm2范围内、脉冲重复率在100 kHz至10 MHz范围内的脉冲激光束。
5.如权利要求3所述的方法，其中，通过在第一方向上行进的第一平台将所述连续的锂金属片材和所述锂金属件分别递送至所述切割站和所述接合站，并且其中通过在与所述第一方向相反的第二方向上行进的第二平台将所述金属集流体件递送至所述接合站。
6.如权利要求3所述的方法，其包括：
在步骤（c）之前，将所述锂金属件传递到成形站；以及
将第三激光束导向到所述锂金属件的上表面处；以及
将所述第三激光束相对于所述锂金属件的所述上表面推进，以将所述锂金属件修整成期望的形状，
其中，所述第一激光束、所述第二激光束和所述第三激光束可以由同一激光束发生器生成，并且所述第一激光束、所述第二激光束和所述第三激光束的移动可以通过容纳在同一激光扫描头内的多个可移动反射镜来实现。
7.如权利要求3所述的方法，其中，步骤（b）包括将所述第一激光束相对于所述锂金属片材的所述上表面沿线性路径在所述锂金属片材的整个宽度上推进，并且其中步骤（f）包括将所述第二激光束相对于所述金属集流体件的所述上表面沿非线性路径在所述焊接部位处推进。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述第二激光束相对于所述金属集流体件的所述上表面从起点朝向终点在以下任一方向上前进：（i）向前方向以及在横向于所述向前方向的横向方向上来回，或（ii）向前方向，同时使所述第二激光束旋转。
9.如权利要求3所述的方法，其包括：
将所述切割站和所述接合站封闭在腔室中；以及
在所述腔室内建立负压环境或惰性气体环境，以防止在步骤（b）和（f）期间所述锂金属片材和所述锂金属件的氧化和燃烧。
10.如权利要求3所述的方法，其包括：
在步骤（d）之前，将第四激光束导向到金属集流体片材的上表面处；以及
将所述第四激光束相对于所述金属集流体片材的所述上表面推进以切断所述金属集流体片材的端部并形成所述金属集流体件，
其中，所述第一激光束、所述第二激光束和所述第四激光束可以由同一激光束发生器生成，并且所述第一激光束、所述第二激光束和所述第四激光束的移动可以通过容纳在同一激光扫描头内的多个可移动反射镜来实现。
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