DE102019110375A1

DE102019110375A1 - Verfahren und system zur herstellung einer negativen lithiummetall-elektrode

Info

Publication number: DE102019110375A1
Application number: DE102019110375.4A
Authority: DE
Inventors: Fang DAI; Hongliang Wang; Wayne Cai; Mei Cai
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-04-30
Filing date: 2019-04-18
Publication date: 2019-10-31
Anticipated expiration: 2039-04-19
Also published as: DE102019110375B4; US20190329353A1; CN110421268B; CN110421268A; US10919112B2

Abstract

Eine negative Elektrode für eine elektrochemische Zelle einer Lithium-Metallbatterie kann durch Verbinden eines metallischen Stromabnehmerteils und eines Lithium-Metallteils hergestellt werden. Das metallische Stromabnehmerteil kann angrenzend an das Lithium-Metallteil in einer zumindest teilweise überlappten Konfiguration an einer Schweißstelle positioniert werden. Ein Laserstrahl kann auf eine Oberseite des Stromabnehmerteils an der Schweißstelle gerichtet werden, um einen Abschnitt des Lithium-Metallteils angrenzend an das Stromabnehmerteil zu schmelzen und ein Lithium-Metall-Schmelzschweißbad zu erzeugen. Der zweite Laserstrahl kann beendet werden, um das Lithium-Metall-Schmelzschweißbad zu einer festen Schweißverbindung zu verfestigen, die das Lithium-Metallteil und das metallische Stromabnehmerteil an der Schweißstelle physikalisch miteinander verbindet.

Description

EINLEITUNG
Eine Batterie ist eine Vorrichtung, die chemische Energie speichert und die gespeicherte chemische Energie bei Bedarf durch elektrochemische Reduktions-Oxidations-(Redox)-Reaktionen in elektrische Energie umwandeln kann. In sekundären oder wiederaufladbaren Batterien sind diese elektrochemischen Reaktionen reversibel, weswegen die Batterien imstande sind, mehrere Lade- und Entladezyklen zu durchlaufen.
Eine elektrochemische Zelle einer sekundären Lithiumbatterie beinhaltet im Allgemeinen eine negative Elektrode und eine positive Elektrode, die durch einen ionisch leitfähigen (und elektrisch isolierenden) Elektrolyten voneinander getrennt sind. Der Elektrolyt sieht ein Medium vor, durch das Lithiumionen zwischen den Elektroden beim Laden und Entladen der Zelle übertragen werden können. Die Energie wird in den negativen und positiven Elektroden der Zelle in Form von Lithium gespeichert, wobei die Energiedichte der Zelle durch die Lithiumspeicherkapazität der Elektroden pro Masseneinheit und die elektrochemische Potentialdifferenz von Lithium zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode bestimmt wird. Lithiummetall weist eine relativ geringe Dichte auf und weist das negativste elektrochemische Potential eines jeden Elements auf (im Vergleich zur Standard-Wasserstoffelektrode), was eine höchstmögliche elektrochemische Potentialdifferenz innerhalb einer elektrochemischen Zelle ermöglicht und es somit zu einem idealen Material für die negative Elektrode einer Lithiumbatterie macht.
In der Praxis sind die negativen und positiven Elektroden in einer elektrochemischen Zelle jeweils elektrisch mit einem elektrisch leitfähigen metallischen Stromabnehmer gekoppelt, der ein Medium bereitstellt, durch das Elektronen über eine externe Schaltung von einer Elektrode zur anderen gelangen können. Daher erfordert die praktische Verwendung von Lithiummetall als negatives Elektrodenmaterial einer Lithiumbatterie die Entwicklung eines Verfahrens, mit dem eine robuste physikalische und elektrische Verbindung zwischen einer Lithiummetallschicht und einem metallischen Stromabnehmer hergestellt werden kann, ohne die mechanische Integrität der Lithiummetallschicht zu beeinträchtigen und ohne unerwünschte chemische Reaktionen zwischen der Lithiummetallschicht und der Umgebung auszulösen.
KURZDARSTELLUNG
Ein System zur Herstellung einer negativen Elektrode für eine elektrochemische Zelle einer Lithium-Metallbatterie kann eine erste Plattform, eine zweite Plattform, einen mit einem Laserstrahlgenerator gekoppelten Laserabtastkopf, ein Portal und eine Steuereinheit beinhalten. Die erste Plattform kann sich in eine erste Richtung bewegen und so konfiguriert sein, dass sie eine kontinuierliche Lithiumfolie an eine Schneidestation liefert und ein Stromabnehmerteil von der Schneidestation zu einer Fügestation überträgt. Die zweite Plattform kann in eine zweite Richtung entgegen der ersten Richtung verfahren und konfiguriert und so konfiguriert werden, dass sie ein metallisches Stromabnehmerteil an die Fügestation liefert. Der Laserabtastkopf kann eine Vielzahl von beweglichen Spiegeln beinhalten, die konfiguriert sind, um einen fokussierten Laserstrahl auf eine Zieloberfläche zu richten und den Laserstrahl entlang eines vorgegebenen Verfahrwegs in Bezug auf die Zieloberfläche zu bewegen, um einen Laserschneidvorgang an der Schneidestation oder einen Laserfügevorgang an der Fügestation durchzuführen. Das Portal kann den Laserabtastkopf in einer zweidimensionalen Ebene bewegen und den Laserabtastkopf zwischen der Schneidestation und der Fügestation übertragen. Die Steuereinheit kann den Betrieb der ersten und zweiten Plattformen, des Laserstrahlgenerators, des Laserabtastkopfes und des Portals steuern und koordinieren, sodass der Laserabtastkopf einen Laserschneidvorgang an der Schneidestation und anschließend einen Laserfügevorgang an der Fügestation durchführen kann.
An der Fügestation kann ein stromabwärtiges Ende der zweiten Plattform über einem stromabwärtigen Ende der ersten Plattform positioniert werden, sodass die metallische Stromabnehmerfolie vom stromabwärtigen Ende der zweiten Plattform auf das stromabwärtige Ende der ersten Plattform an der Fügestation fallen kann.
Das System kann eine Formstation beinhalten, die sich zwischen der Schneidstation und der Fügestation befindet. In diesem Fall kann die erste bewegliche Plattform konfiguriert werden, um das Lithium-Metallteil von der Schneidestation zur Formstation und anschließend zur Fügestation zu transportieren.
Die Fügestation kann eine transparente Abdeckung beinhalten, die über einer Oberseite des metallischen Stromabnehmerstücks positioniert werden kann, um das Lithiummetallstück und das metallische Stromabnehmerstück angrenzend aneinander und in einer zumindest teilweise übereinander liegenden Konfiguration während eines Laserfügevorgangs zu halten, worin das Lithiummetallstück und das metallische Stromabnehmerstück physisch miteinander verbunden sind.
Die ersten und zweiten Plattformen können jeweils durch eine erste und eine zweite Walzenreihe getragen werden.
Das System kann eine Kammer, welche die Schneidestation und die Fügestation umschließt, eine Vakuumpumpe und ein Evakuierungssystem in Fluidverbindung mit einem Innenraum der Kammer und eine Schutzgasversorgung in Fluidverbindung mit dem Innenraum der Kammer beinhalten.
Ein Verfahren zur Herstellung einer negativen Elektrode für eine elektrochemische Zelle einer Lithium-Metallbatterie kann einen oder mehrere der folgenden Schritte beinhalten. In Schritt (a) kann eine kontinuierliche Lithiumfolie an eine Schneidestation geliefert werden. In Schritt (b) kann ein erster Laserstrahl auf eine Oberseite der Lithiumfolie gerichtet und in Bezug auf die Oberseite der Lithiumfolie vorgeschoben werden, um einen Endabschnitt der Lithiumfolie abzutrennen und ein Lithium-Metallteil zu bilden. In Schritt (c) kann das Lithium-Metallteil an eine Fügestation geliefert werden. In Schritt (d) kann ein metallisches Stromabnehmerteils angrenzend an das Lithium-Metallteil in einer zumindest teilweise überlappenden Konfiguration positioniert werden, sodass eine Passfläche des metallischen Stromabnehmerteils einer Passfläche des Lithium-Metallteils gegenüberliegt, um eine Passflächenschnittstelle zwischen den Teilen an einer Schweißstelle herzustellen. In Schritt (e) kann eine transparente Abdeckung über dem metallischen Stromabnehmerteil an der Schweißstelle so positioniert werden, dass die transparente Abdeckung gegen eine Oberseite des metallischen Stromabnehmerteils drückt und die Passflächen des metallischen Stromabnehmerteils und des Lithium-Metallteils an der Schweißstelle gegeneinander drücken. In Schritt (f) kann ein zweiter Laserstrahl auf die Oberseite des metallischen Stromabnehmerteils an der Schweißstelle gerichtet werden, um einen Abschnitt des Lithium-Metallteils angrenzend an die Passfläche des Stromabnehmerteils zu schmelzen und ein Lithium-Metall-Schmelzschweißbad zu erzeugen, das die Passfläche des Stromabnehmerteils benetzt. In Schritt (g) kann der zweite Laserstrahl beendet werden, um das Lithium-Metall-Schmelzschweißbad zu einer festen Schweißverbindung zu verfestigen, die das Lithium-Metallteil und das metallische Stromabnehmerteil an der Schweißstelle physikalisch miteinander verbindet. Die Schritte (a) bis (g) können fortlaufend wiederholt und koordiniert werden, sodass die Schritte (b) und (f) zu unterschiedlichen Zeiten mit demselben Laserabtastkopf durchgeführt werden können.
Der erste Laserstrahl kann ein gepulster Laserstrahl mit einer Leistungsdichte im Bereich von 5,0 × 10⁵ W/cm² bis 1,0 × 10⁹ W/cm² und einer Pulswiederholungsrate im Bereich von 1 kHz bis 100 kHz sein.
Der zweite Laserstrahl kann ein gepulster Laserstrahl mit einer Leistungsdichte im Bereich von 3 × 10⁵ W/cm² bis 1 × 10⁷ W/cm² und einer Pulswiederholungsrate im Bereich von 100 kHz bis 10 kHz sein.
Die kontinuierliche Lithiumfolie und das Lithium-Metallstück können jeweils von einer ersten Plattform, die in eine erste Richtung verfährt, der Schneidestation und der Fügestation zugeführt werden. In diesem Fall kann das metallische Stromabnehmerteil über eine zweite Plattform, die in eine zweite Richtung entgegen der ersten Richtung verfährt, der Fügestation zugeführt werden.
Die ersten und zweiten Laserstrahlen können durch denselben Laserstrahlgenerator erzeugt werden, und die Bewegung der ersten und zweiten Laserstrahlen kann durch eine Vielzahl von beweglichen Spiegeln erfolgen, die in demselben Laserabtastkopf untergebracht sind.
Vor Schritt (c) kann das Lithium-Metallstück in eine Formstation überführt werden. In diesem Fall kann ein dritter Laserstrahl auf eine Oberseite des Lithium-Metallteils gerichtet und in Bezug auf die Oberseite des Lithium-Metallteils vorgeschoben werden, um das Lithium-Metallteil in eine gewünschte Form zu schneiden. Die ersten, zweiten und dritten Laserstrahlen können durch denselben Laserstrahlgenerator erzeugt werden, und die Bewegung der ersten, zweiten und dritten Laserstrahlen kann durch eine Vielzahl von beweglichen Spiegeln erfolgen, die in demselben Laserabtastkopf untergebracht sind.
In Schritt (b) kann der erste Laserstrahl in Bezug auf die Oberseite der Lithiumfolie in einem linearen Weg über eine gesamte Breite der Lithiumfolie vorgeschoben werden.
In Schritt (f) kann der zweite Laserstrahl in Bezug auf die Oberseite des metallischen Stromabnehmerteils in einem nicht-linearen Weg an der Schweißstelle vorgeschoben werden. In einer Form kann der zweite Laserstrahl in Bezug auf die Oberseite des metallischen Stromabnehmerteils von einem Startpunkt zu einem Endpunkt in Vorwärtsrichtung und vorwärts und rückwärts in einer seitlichen Richtung quer zur Vorwärtsrichtung bewegt werden. In einem spezifischen Beispiel kann der zweite Laserstrahl in Bezug auf die Oberseite des metallischen Stromabnehmerteils von einem Startpunkt zu einem Endpunkt in Vorwärtsrichtung vorgeschoben werden, während der zweite Laserstrahl gedreht wird.
Die Schneidestation und die Fügestation können in einer Kammer eingeschlossen sein. In diesem Fall kann innerhalb der Kammer eine subatmosphärische Druckumgebung oder eine Inertgasumgebung aufgebaut werden, um eine Oxidation und Verbrennung des Lithiumblechs und des Lithium-Metallteils während der Schritte (b) und (f) zu verhindern.
Vor Schritt (d) kann ein vierter Laserstrahl auf eine Oberseite eines metallischen Stromabnehmerblechs gerichtet und in Bezug auf die Oberseite des metallischen Stromabnehmerblechs vorgeschoben werden, um einen Endabschnitt des metallischen Stromabnehmerblechs abzutrennen und das metallische Stromabnehmerteil zu bilden. Die ersten, zweiten und vierten Laserstrahlen können durch denselben Laserstrahlgenerator erzeugt werden, und die Bewegung der ersten, zweiten und vierten Laserstrahlen kann durch eine Vielzahl von beweglichen Spiegeln erfolgen, die in demselben Laserabtastkopf untergebracht sind.
Das metallische Stromabnehmerteil kann eine nicht-poröse Metallfolie, ein perforiertes Metallblech oder ein poröses Metallgewebe umfassen. Das metallische Stromabnehmerteil kann mindestens ein Metall oder eine Metalllegierung umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Nickel, Edelstahl und Titan.
Die feste Schweißverbindung kann zwischen dem Lithium-Metallteil und dem Stromabnehmerteil ohne Verwendung von Flussmittel, Füllstoff oder Lötmaterial gebildet werden.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht einer negativen Elektrode für eine elektrochemische Zelle einer Lithium-Metall-Batterie, die ein Lithium-Metallteil beinhaltet, das physikalisch mit einem metallischen Stromabnehmerteil durch eine feste Schweißverbindung verbunden ist;
2 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren negativen Elektrode für eine elektrochemische Zelle einer Lithium-Metall-Batterie, die ein Lithium-Metallteil beinhaltet, das physikalisch mit einem metallischen Stromabnehmerteil durch eine feste Schweißverbindung verbunden ist;
3 ist eine perspektivische Ansicht eines Systems zur Herstellung einer negativen Elektrode für eine elektrochemische Zelle einer Lithium-Metall-Batterie, kann das System eine erste Plattform, eine zweite Plattform, einen mit einem Laserstrahlgenerator gekoppelten Laserabtastkopf, ein Portal und eine Steuereinheit beinhalten;
4 ist eine Draufsicht auf ein Lithiummetallblech während eines Laserschneidvorgangs, worin ein Endabschnitt des Lithiummetallblechs von diesem getrennt wird, um ein Lithium-Metallteil zu bilden;
5 ist eine Draufsicht auf ein Lithium-Metallteil während eines Umformvorgangs, worin das Lithium-Metallteil auf eine gewünschte Form zugeschnitten wird;
6 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines metallischen Stromabnehmerteils und eines Lithiummetallteils, die in einer zumindest teilweise überlappten Konfiguration benachbart zueinander positioniert sind, wobei eine transparente Abdeckung über einer Oberseite des metallischen Stromabnehmerteils angeordnet ist;
7 ist eine seitliche Querschnittsansicht des metallischen Stromabnehmerteils und des Lithium-Metallteils von 6, die einen Schritt in einem Laserfügevorgang veranschaulicht, worin ein Lithium-Metall-Schmelzschweißbad an einer zwischen den Teilen an einer vorgesehenen Schweißstelle hergestellten Passschnittstelle gebildet wird;
8 ist eine seitliche Querschnittsansicht des Stromabnehmerteils und des Lithium-Metallteils von 7 nach dem Verfestigen des Lithium-Metall-Schmelzschweißbades, worin das Stromabnehmerteil und das Lithium-Metallteil durch eine feste Schweißverbindung miteinander verbunden sind;
9 ist eine Draufsicht auf das metallische Stromabnehmerteil und das Lithium-Metallteil von 7 während eines Laserfügevorgangs, wobei ein Laserstrahl in Bezug auf eine Oberseite des metallischen Stromabnehmerteils von einem Startpunkt zu einem Endpunkt in einer Vorwärtsrichtung entlang eines im Allgemeinen linearen Verfahrweges vorgeschoben wird;
10 ist eine Draufsicht auf das metallische Stromabnehmerteil und das Lithium-Metallteil von 7 während eines Laserfügevorgangs, wobei ein Laserstrahl in Bezug auf eine Oberseite des metallischen Stromabnehmerteils von einem Startpunkt zu einem Endpunkt in einer Vorwärtsrichtung und vorwärts und rückwärts in einer seitlichen Richtung quer zur Vorwärtsrichtung entlang eines schwingenden Verfahrweges bewegt wird; und
11 ist eine Draufsicht auf das metallische Stromabnehmerteil und das Lithium-Metallteil von 7 während eines Laserfügevorgangs, wobei ein Laserstrahl in Bezug auf eine Oberseite des metallischen Stromabnehmerteils von einem Startpunkt zu einem Endpunkt, indem der Laserstrahl in eine Vorwärtsrichtung bewegt wird, während der Laserstrahl gedreht wird, um einen geschleiften Verfahrweg zu bilden.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Das gegenwärtig offenbarte Verfahren und System kann verwendet werden, um kontinuierlich und nacheinander eine Vielzahl von negativen Elektroden aus einem kontinuierlichen Lithiumblech und einem kontinuierlichen metallischen Stromabnehmerblech unter Verwendung eines Mehrzweck-Laserabtastkopfes herzustellen. Das kontinuierliche Lithiumblech und das kontinuierliche metallische Stromabnehmerblech können mit dem Mehrzweck-Laserabtastkopf in eine Vielzahl von einzelne Teile geschnitten werden. Danach kann derselbe Mehrzweck-Laserabtastkopf verwendet werden, um ein metallisches Stromabnehmerteil physikalisch mit einem Lithium-Metallteil zu verbinden, um eine einheitliche negative Elektrode für eine elektrochemische Zelle einer Lithium-Metall-Batterie zu bilden.
1 veranschaulicht in idealisierter Weise eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer negativen Elektrode 10 einer elektrochemischen Zelle (nicht dargestellt) für eine sekundäre Lithium-Metall-Batterie (nicht dargestellt). Die negative Elektrode 10 beinhaltet einen negativen Elektrodenstromabnehmer 12 und eine Lithium-Metall-Negativelektroden-Materialschicht 14, die physikalisch und elektrisch mit dem negativen Elektrodenstromabnehmer 12 gekoppelt ist. Der negative Elektrodenstromabnehmer 12 beinhaltet eine erste Seite 16, die eine Außenfläche 18 definiert und eine gegenüberliegende zweite Seite 20, die eine Passfläche 22 definiert. Ebenso beinhaltet die Lithium-Metall-Negativelektroden-Materialschicht 14 eine erste Seite 24, die eine Außenfläche 26 definiert, und eine gegenüberliegende zweite Seite 28, die eine Passfläche 30 definiert. Der negative Elektrodenstromabnehmer 12 und die Lithium-Metall-Negativelektroden-Materialschicht 14 sind physikalisch sind an einer Passschnittstelle 32, miteinander verbunden, die zwischen ihren jeweiligen Passflächen 22, 30 durch eine oder mehrere feste Schweißverbindungen hergestellt wird (nicht dargestellt). Die Schweißverbindungen, die an der Passschnittstelle 32 zwischen dem negativen Elektrodenstromabnehmer 12 und der Lithium-Metall-Negativelektroden-Materialschicht 14 gebildet sind, tragen dazu bei, den elektrischen Kontakt zwischen diesen aufrechtzuerhalten und können auch dazu beitragen, eine Ablösung oder Trennung zwischen der Lithium-Metall-Negativelektroden-Materialschicht 14 und dem negativen Elektrodenstromabnehmer 12 zu verhindern. In 1 beinhaltet der negative Elektrodenstromabnehmer 12 einen Körperabschnitt 34, der mit der Lithium-Metall-Negativelektroden-Materialschicht 14 koextensiv ist, und eine negative Polaritätsverbindungslasche 36, die sich vom Körperabschnitt 34 weg über einen Umfang der Lithium-Metall-Negativelektroden-Materialschicht 14 hinaus erstreckt.
2 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform einer negativen Elektrode 110 einer elektrochemischen Zelle (nicht dargestellt) für eine sekundäre Lithium-Metall-Batterie (nicht dargestellt). Die in 2 veranschaulichte negative Elektrode 110 ist in vielerlei Hinsicht der in 1 dargestellten negativen Elektrode 10 ähnlich, und gleiche Bezugszeichen zwischen den Ausführungsformen bezeichnen im Allgemeinen gleiche oder entsprechende Elemente; die Beschreibungen der Ausführungsformen sind durch Bezugnahme aufeinander aufgenommen, wobei der gemeinsame Gegenstand hier im Allgemeinen nicht wiederholt wird.
Wie die negative Elektrode 10 beinhaltet auch die negative Elektrode 110 einen negativen Elektrodenstromabnehmer 112 und eine Lithium-Metall-Negativelektroden-Materialschicht 114, die physikalisch und elektrisch mit dem negativen Elektrodenstromabnehmer 112 gekoppelt ist. Darüber hinaus beinhaltet der negative Elektrodenstromabnehmer 112 eine ersten Seite 116, die eine Außenfläche 118 definiert und eine gegenüberliegende zweite Seite 120, die eine Passfläche 122 definiert. Ebenso beinhaltet die Lithium-Metall-Negativelektroden-Materialschicht 114 eine erste Seite 124, die eine Außenfläche 126 definiert, und eine gegenüberliegende zweite Seite 128, die eine Passfläche 130 definiert. Der negative Elektrodenstromabnehmer 112 und die Lithium-Metall-Negativelektroden-Materialschicht 114 sind physikalisch sind an einer Passschnittstelle 132, miteinander verbunden, die zwischen ihren jeweiligen Passflächen 122, 130 durch eine oder mehrere feste Schweißverbindungen hergestellt wird (nicht dargestellt). In 2 beinhaltet der negative Elektrodenstromabnehmer 112 einen relativ kleinen Körperabschnitt 134 (im Vergleich zum Körperabschnitt 34 von 1), der mit der Lithium-Metall-Negativelektroden-Materialschicht 114 unvereinbar ist, und eine negative Polaritätsverbindungslasche 136, die sich vom Körperabschnitt 34 weg über einen Umfang der Lithium-Metall-Negativelektroden-Materialschicht 14 hinaus erstreckt.
Die negativen Elektrodenstromabnehmer 12, 112 können jedes metallische Material umfassen, das freie Elektronen sammeln und reversibel von und zu ihren jeweiligen Negativelektroden-Materialschicht 14, 114 leiten kann. Der Begriff „metallisch“, wie hierin verwendet, bezieht sich auf ein Material, das überwiegend ein oder mehrere Metalle umfasst. Als solches kann ein metallisches Material ein einzelnes Metall, mehr als ein Metall (in Legierungsform oder anderweitig) oder sowohl ein oder mehrere Metalle als auch eine oder mehrere andere nicht-metallische Komponenten in elementarer oder Verbundform umfassen. So können beispielsweise die negativen Elektrodenstromabnehmer 12, 112 ein elektrisch leitfähiges Metall oder eine Metalllegierung, z. B. ein Übergangsmetall oder eine Legierung derselben, umfassen. In einigen spezifischen Beispielen kann einer oder beide der negativen Elektrodenstromabnehmer 12, 112 Kupfer, Nickel, eine Eisenlegierung (z. B. Edelstahl) oder Titan umfassen. Natürlich können bei Bedarf auch andere elektrisch leitfähige Metalle verwendet werden. Die negativen Elektrodenstromabnehmer 12, 112 können in Form von dünnen und flexiblen nicht-porösen Metallfolien, porösen Metallgeweben oder perforierten Metallblechen vorliegen. Die spezifische Konfiguration der negativen ElektrodenStromabnehmer 12, 112 kann von der vorgesehenen Anwendung der elektrochemischen Zelle abhängig sein, in der sie eingesetzt werden. Die negativen Elektrodenstromabnehmer 12, 112 können Dicken im Bereich von 8 Mikrometern bis 150 Mikrometern aufweisen.
Die Lithium-Metall-Negativelektroden-Materialschichten 14, 114 können aus Lithium-(Li)-Metall bestehen. So kann beispielsweise die Lithium-Metall-Negativelektroden-Materialschichten 14, 114, bezogen auf das Gewicht, mehr als 97 % Lithium oder, noch bevorzugter, mehr als 99 % Lithium umfassen. In einer Form können die Lithium-Metall-Negativelektroden-Materialschichten 14, 114 in Form von dünnen und flexiblen nicht-porösen Metallfolien vorliegen. Die Lithium-Metall-Negativelektroden-Materialschichten 14, 114 weisen einen relativ niedrigen Schmelzpunkt auf, verglichen mit dem Schmelzpunkt der negativen Elektrodenstromabnehmer 12, 112. So können beispielsweise in Ausführungsformen, in denen die Lithium-Metall-Negativelektroden-Materialschichten 14, 114 Lithium umfasst, die Schichten 14, 114 einen Schmelzpunkt von etwa 180,5 °C aufweisen. In Ausführungsformen, in denen die Stromabnehmerschicht 120 Kupfer umfasst, kann die Schicht 120 einen Schmelzpunkt von etwa 1085 °C aufweisen. In Ausführungsformen, in denen die Stromabnehmer 12, 112 Nickel umfassen, können die Stromabnehmer 12, 112 Schmelzpunkte von etwa 1455 °C aufweisen. In Ausführungsformen, in denen die Stromabnehmer 12, 112 eine Eisenlegierung umfassen, können die Stromabnehmer 12, 112 Schmelzpunkte im Bereich von etwa 1300 °C bis 1500 °C aufweisen. In Ausführungsformen, in denen die Stromabnehmer 12, 112 Titan umfassen, können die Stromabnehmer 12, 112 Schmelzpunkte von etwa 1668 °C aufweisen.
3 veranschaulicht ein System 200 zur Herstellung der negativen Elektroden 10, 110. Das System 200 beinhaltet eine erste Plattform 210, eine zweite Plattform 212, einen Mehrzweck-Laserabtastkopf 214 (auch als Abtastkopf bezeichnet), der über ein Glasfaserkabel 218 mit einem Laserstrahlgenerator 216 gekoppelt ist, ein Portal 220 und eine Steuereinheit 222, die den Betrieb verschiedener Komponenten des Systems 200 steuert und koordiniert, sodass der Mehrzweck-Laserabtastkopf 214 verwendet werden kann, um mehrere Laserschneid- und Laserfügevorgänge an verschiedenen Positionen während der Herstellung der negativen Elektroden 10, 110 durchzuführen.
Die erste Plattform 210 erstreckt sich in einer ersten Richtung 224, von einem stromaufwärts gelegenen Ende 226 zu einem stromabwärts gelegenen Ende 228, zwischen einer Schneidestation 230, einer Formstation 232 und einer Fügestation 234 und ist zum Aufnehmen eines kontinuierlichen Lithiumblechs 236 und zum Zuführen des Lithiumblechs 236 zur Schneidestation 230 konfiguriert. Die zweite Plattform 212 erstreckt sich in einer zweiten Richtung 225 entgegengesetzt zur ersten Richtung 224 von einem stromaufwärts gelegenen Ende 227 zu einem stromabwärts gelegenen Ende 229 und ist zum Aufnehmen eines kontinuierlichen metallischen Stromabnehmerblechs 237 und zum Zuführen eines Endes des metallischen Stromabnehmerblechs 237 zur Fügestation 234 ausgelegt. Die Bewegung der ersten Plattform 210 in die erste Richtung 224 kann über einen ersten Walzensatz 238 erfolgen, und die Bewegung der zweiten Plattform 212 in die zweite Richtung 225 kann über einen zweiten Walzensatz 239 erfolgen.
Nachdem das Lithiumblech 236 an der Schneidestation 230 am stromaufwärts gelegenen Ende 226 der ersten Plattform 210 aufgenommen wurde, kann die Steuereinheit 222 einen Schneidevorgang einleiten, worin ein Endabschnitt des Lithiumblechs 236 von diesem getrennt wird, um ein Lithium-Metallteil 240 zu bilden. Insbesondere kann die Steuereinheit 222, nachdem das Lithiumblech 236 an der Schneidestation 230 aufgenommen wurde, dem Laserstrahlgenerator 216 signalisieren, einen divergierenden Laserstrahl (nicht dargestellt) zu erzeugen und dem Laserabtastkopf 214 zuzuführen. Im Laserabtastkopf 214 kann der divergierende Laserstrahl durch ein Kollimatorobjektiv (nicht dargestellt) und ein Abtastobjektiv (nicht dargestellt), wie beispielsweise ein F-Theta-Objektiv, hindurchgehen, um einen ersten fokussierten Laserstrahl 242 mit einer gewünschten Strahlfleckgröße in einer Fokusebene des Laserstrahls 242 zu erzeugen. Der Laserabtastkopf 214 kann auch bewegliche Spiegel (nicht dargestellt), z. B. Galvanometerspiegel, beinhalten, und die Steuereinheit 222 kann die beweglichen Spiegel im Laserabtastkopf 214 so steuern, dass der erste Laserstrahl 242 auf einen Zielbereich auf einer Oberseite 244 des Lithiumblechs 236 gerichtet ist. Die beweglichen Spiegel im Laserabtastkopf 214 können von der Steuereinheit 222 gesteuert werden, um den ersten Laserstrahl 242 präzise und schnell in Bezug auf eine Ebene zu bewegen, die entlang der Oberseite 244 des Lithiumblechs 236 ausgerichtet ist, ohne den Laserabtastkopf 214 zu bewegen. Nachdem der erste Laserstrahl 242 auf die Oberseite 244 des Lithiumblechs 236 trifft, kann die Steuereinheit 222 die beweglichen Spiegel im Laserabtastkopf 214 so ausrichten, dass der erste Laserstrahl 242 auf einem vorbestimmten Verfahrweg in Bezug auf die Oberseite 244 des Lithiumblechs 236 bewegt wird. In einer Form, wie am besten in 4 dargestellt, kann der vordefinierte Verfahrweg, der durch den ersten Laserstrahl 242 verfolgt wird, linear sein und über eine gesamte Breite des Lithiumblechs 236 geschnitten werden.
Nachdem das Lithium-Metallteil 240 vom Lithiumblech 236 getrennt wurde, kann das Lithium-Metallteil 240 von der ersten Plattform 210 zur Formstation 232 überführt werden und der Laserabtastkopf 214 kann durch das Portal 220 zur Formstation 232 überführt werden. An der Formstation 232 kann die Steuereinheit 222 einen Formgebungsvorgang einleiten, worin das Lithium-Metallteil 240 auf eine gewünschte Form zugeschnitten ist. Insbesondere kann die Steuereinheit 222 nach der Aufnahme des Lithium-Metallteils 240 und des Laserabtastkopfes 214 in der Formstation 232 den Laserstrahlgenerator 216 und den Laserabtastkopf 214 so lenken, dass sie einen zweiten fokussierten Laserstrahl 246 auf die Oberseite 244 des Lithium-Metallteils 240 erzeugen und lenken und den zweiten Laserstrahl 246 entlang eines weiteren vordefinierten Verfahrwegs 248 in Bezug auf die Oberseite 244 des Lithium-Metallteils 240 vorwärts bewegen. In einer Form, wie am besten in 5 dargestellt, kann der vordefinierte Verfahrweg 248, der durch den zweiten Laserstrahl 246 verfolgt wird, so konzipiert sein, dass er die Ecken des Lithium-Metallteils 240 abschneidet und abrundet.
Nachdem das Lithium-Metallteil 240 auf eine gewünschte Form getrimmt wurde, kann das Lithium-Metallteil 240 von der ersten Plattform 210 zur Fügestation 234 und der Laserabtastkopf 214 vom Portal 220 zur Fügestation 234 überführt werden. An der Fügestation 234 kann die Steuereinheit 222 einen Fügevorgang einleiten, worin ein metallisches Stromabnehmerteil 250 mit dem Lithium-Metallteil 240 verbunden ist. In einigen Ausführungsformen kann die Steuereinheit 222 den Laserabtastkopf 214 anweisen, einen dritten fokussierten Laserstrahl 252 auf eine Oberseite 254 des metallischen Stromabnehmerblechs 237 zu richten und den dritten Laserstrahl 252 entlang eines vordefinierten Verfahrweges in Bezug auf die Oberseite 254 zu bewegen, um einen Endabschnitt vom metallischen Stromabnehmerblech 237 zu trennen und das metallische Stromabnehmerteil 250 zu bilden. In diesem Fall kann das aus dem metallischen Stromabnehmerblech 237 geschnittene metallische Stromabnehmerteil 250 dann von der zweiten Plattform 212 auf die Oberseite 244 des Lithium-Metallteils 240 fallen, sodass mindestens ein Teil des metallischen Stromabnehmerteils 250 das Lithium-Metallteil 240 überlappt.
Die ersten, zweiten und dritten Laserstrahlen 242, 246, 252 können gepulste Laserstrahlen sein und eine Leistungsdichte im Bereich von 5,0 × 10⁵ W/cm² bis 1,0 × 10⁹ W/cm², eine Laserstrahlfleckgröße im Bereich von 10 Mikrometern bis 200 Mikrometern, eine Pulsdauer im Bereich von 0,5-500 Nanosekunden, eine Pulswiederholrate im Bereich von 1 kHz bis 100 kHz und eine Geschwindigkeit im Bereich von 0,1-2 Metern pro Sekunde aufweisen.
Wie in 6 am besten dargestellt, wird das metallische Stromabnehmerteil 250 vor dem Fügen angrenzend an das Lithium-Metallteil 240 in einer zumindest teilweise überlappenden Konfiguration so positioniert, dass eine Passfläche 256 des metallischen Stromabnehmerteils 250 einer Passfläche 258 des Lithium-Metallteils 240 gegenüberliegt, um eine Passflächenschnittstelle 260 zwischen den Teilen 240, 250 an einer Schweißstelle 262 herzustellen. Anschließend wird eine transparente Abdeckung 264 über eine Oberseite 266 des metallischen Stromabnehmerteils 250 an der Schweißstelle 262 positioniert. Die transparente Abdeckung 264 kann jedes Material umfassen, durch das ein Laserstrahl effektiv übertragen werden kann, beispielsweise kann die Abdeckung 264 ein Glas auf Kieselsäurebasis, z. B. Quarzglas oder Quarz, umfassen. In einigen Ausführungsformen kann an der Schweißstelle 262 auf die Oberseite 266 des metallischen Stromabnehmerteils 250 durch die transparente Abdeckung 264 Druck ausgeübt werden, sodass das Lithium-Metallteil 240 und das metallische Stromabnehmerteil 250 zwischen der ersten Plattform 210 und der transparenten Abdeckung 264 eingespannt sind und die Passflächen 256, 258 der Teile 240, 250 an der Schweißstelle 262 gegeneinander drücken. Die auf die Oberseite 266 des metallischen Stromabnehmerteils 250 durch die transparente Abdeckung 264 ausgeübte Kraft kann im Bereich von 40 Newton bis 400 Newton liegen. Das Lithium-Metallteil 240 und das metallische Stromabnehmerteil 250 sind durch das Richten eines vierten fokussierten Laserstrahls 268 durch die transparente Abdeckung 264 und auf die Oberseite 266 des metallischen Stromabnehmerteils 250 an der Schweißstelle 262 physikalisch miteinander verbunden. Im Stromabnehmerteil 250 wird an der Schweißstelle 262 durch Energieabsorption aus dem auftreffenden Laserstrahl 268 Wärme erzeugt und von das Stromabnehmerteil 250 auf das Lithium-Metallteil 240 durch Ableitung übertragen, was das Schmelzen des Lithium-Metallteils 240 entlang der Passfläche 258 einleitet. Im Gegensatz zum Lithium-Metallteil 240 schmilzt das Stromabnehmerteil 250 während des Laserschweißverfahrens nicht entlang ihrer Passfläche 256, da der Schmelzpunkt des Teils 250 im Vergleich zum Lithium-Metallteil 240 relativ hoch ist.
Bezugnehmend auf 7 trifft der vierte Laserstrahl 268 auf die Oberseite 266 des metallischen Stromabnehmerteils 250 an der Schweißstelle 262 und die durch Energieabsorption vom vierten Laserstrahl 268 erzeugte Wärme wird durch die Teile 250, 240 geleitet und erzeugt ein Lithium-Metall-Schmelzschweißbad 270, das teilweise in das Lithium-Metallteil 240 eindringt und sich von der Passfläche 258 des Lithium-Metallteils 240 teilweise zu einer gegenüberliegenden Oberfläche 272 des Lithium-Metallteils 240 erstreckt. Die Leistungsdichte des vierten Laserstrahls 268 wird so gesteuert, dass das Laserschweißverfahren im Leitungsschweißmodus durchgeführt wird, sodass das Schmelzschweißbad 270 das Lithium-Metallteil 240 nicht vollständig durchdringt, d. h. sich nicht über eine ganze Dicke des Lithium-Metallteils 240 erstreckt. Das geschmolzene Lithiummetall aus dem Schmelzschweißbad 270 benetzt die Passfläche 256 des Stromabnehmerteils 250, schmilzt oder dringt aufgrund des relativ hohen Schmelzpunktes des Teils 250 im Vergleich zu dem des Teils 250 jedoch nicht in die Passfläche 256 des Stromabnehmerteils 240 ein. Der Leistungspegel, die Verfahrgeschwindigkeit, die Laserstrahlfleckgröße und/oder die Fokuslage des vierten Laserstrahls 268 (fokussiert auf, unter oder über der Außenfläche 266 des metallischen Stromabnehmerteils 250) können während des Laserschweißvorgangs gesteuert werden, um die Tiefe und Breite des Schmelzschweißbades 270 zu steuern.
Wie in 8 dargestellt, kühlt das Lithium-Metall-Schmelzschweißbad 270 beim Beenden des vierten Laserstrahls 268 schnell ab und verfestigt sich zu einer festen Schweißverbindung 274 an der Passschnittstelle 260 des Stromabnehmerteils 250 und des Lithium-Metallteils 240. Die resultierende Schweißverbindung 274 verbindet das Stromabnehmerteil 250 und das Lithium-Metallteil 240 physikalisch an der Schweißstelle 262 miteinander und erzeugt eine kontinuierliche spaltfreie Schnittstelle zwischen den Teilen 240, 250 an der Schweißstelle 262. Die Schweißverbindung 274 wird ohne Zusatz von Flussmittel, Füllstoff oder Lötmaterial zwischen den Teilen 240, 250 an jeder Stelle vor oder während des Laserschweißvorgangs gebildet. Die in 8 dargestellte Schweißverbindung 274 ist schematisch aufgebaut und kann repräsentativ für die tatsächliche Größe und Form der in der Praxis gebildeten Schweißverbindung sein, die je nach Größe und Form des Stromabnehmerteils 250 und/oder des Lithium-Metallteils 240 sowie der Größe und Form des Verfahrweges, den der Laserstrahl 268 während des Schweißvorgangs durchläuft, variieren kann oder nicht.
Der vierte Laserstrahl 268 kann ein gepulster Laserstrahl sein und eine Leistungsdichte im Bereich von 3 × 10⁵ W/cm² bis 1 × 10⁷ W/cm², eine Laserstrahlfleckgröße im Bereich von 0,2 Millimeter bis 1 Millimeter, eine Pulsdauer im Bereich von 0,5-500 Nanosekunden, eine Pulswiederholrate im Bereich von 100 kHz bis 10 kHz und eine Geschwindigkeit im Bereich von 0,2 Metern pro Sekunde bis 2 Meter pro Sekunde aufweisen.
Der Einfachheit halber ist in den 6 und 7 nur eine einzelne Schweißverbindung 262 und in 8 nur eine einzelne Schweißverbindung 274 dargestellt; in der Praxis kann das Laserschweißen jedoch an mehreren verschiedenen Schweißstellen innerhalb eines überlappenden Bereichs der Teile 240, 250 durchgeführt werden. So können beispielsweise das Stromabnehmerteil 250 und das Lithium-Metallteil 240 mit einer oder mehreren diskreten „Punktschweißungen“ und/oder einer oder mehreren „Nahtschweißungen“ miteinander verschweißt werden. Eine Punktschweißung kann gebildet werden, indem der Laserstrahl 268 auf die Oberseite 266 des metallischen Stromabnehmerteils 250 an einer vorgesehenen Schweißstelle 262 fokussiert wird und dann der Laserstrahl 268 beendet wird, ohne den Strahl 268 oder die Teile 240, 250 relativ zueinander zu bewegen. Eine Nahtschweißung kann gebildet werden, indem der Laserstrahl 268 auf die Oberseite 266 des Stromabnehmerteils 250 gerichtet und dann der Laserstrahl 268 entlang eines vorgegebenen Verfahrweges relativ zur Oberseite 266 des Stromabnehmerteils 250 vorgeschoben wird, wie in den 9, 10 und 11 dargestellt.
Der vordefinierte Verfahrweg, der vom vierten Laserstrahl 268 während des Fügevorgangs verfolgt wird, kann basierend auf den Betriebsparametern des Laserstrahlgenerators 216 und des Mehrzweck-Laserabtastkopfes 214 und den resultierenden Eigenschaften des vierten Laserstrahls 268 ausgewählt werden. So kann beispielsweise in Ausführungsformen, in denen der vierte Laserstrahl 268 eine relativ hohe Leistungsdichte aufweist, der vom Laserstrahl 268 verfolgte Verfahrweg so gewählt werden, dass der Laserstrahl 268 nicht vollständig in das metallische Stromabnehmerteil 250 oder das Lithium-Metallteil 240 eindringen kann.
Unter Bezugnahme nun auf 9 kann der vierte Laserstrahl 268 in einer Form in Bezug auf die Oberseite 266 des Stromabnehmerteils 250 von einem Startpunkt zu einem Endpunkt in Vorwärtsrichtung 276 entlang eines im Allgemeinen linearen Verfahrwegs 278 bewegt werden. Während der vierte Laserstrahl 268 entlang des linearen Verfahrweges 278 vorgeschoben wird, folgt das Lithium-Metall-Schmelzschweißbad 270 und hinterlässt geschmolzenes Lithiummetall im Zuge des fortschreitenden Schmelzschweißbades 270, das sich schnell abkühlt und in die feste Schweißverbindung 274 verfestigt wird. Unter Bezugnahme nun auf 10 kann der vierte Laserstrahl 268 in einer anderen Form in Bezug auf die Oberseite 266 des Stromabnehmerteils 250 von einem Startpunkt zu einem Endpunkt in Vorwärtsrichtung 276 und hin und her in einer seitlichen Richtung 280 quer zur Vorwärtsrichtung 276 entlang eines oszillierenden Verfahrweges 282 bewegt werden. Unter Bezugnahme nun auf 11 kann der vierte Laserstrahl 268 in noch einer anderen Form in Bezug auf die Oberseite 266 des Stromabnehmerteils 250 von einem Startpunkt zu einem Endpunkt vorgeschoben werden, indem der vierte Laserstrahl 268 in eine Vorwärtsrichtung 276 bewegt wird, während der vierte Laserstrahl 268 in einem Kreis 284 gedreht wird, um einen geschlungenen Verfahrweg 286 zu bilden.
Die Schneidestation 230, die Formstation 232 und die Fügestation 234 können in einer Kammer 288 mit einem Einlass 290 und einem Auslass 292 eingeschlossen sein. Bei der Herstellung der negativen Elektroden 10, 110 kann innerhalb eines Innenraums der Kammer 288 eine subatmosphärische Druckumgebung (z. B. weniger als 1 Atmosphäre) oder eine Inertgasumgebung geschaffen werden, um eine Kontamination zu verhindern und/oder unerwünschte chemische Reaktionen (z. B. Oxidation und/oder Lithiumverbrennung) zwischen der Umgebung in der Kammer 288 und dem Lithiumblech 236, dem Lithium-Metallteil 240, dem Stromabnehmerblech 237 und/oder dem Stromabnehmerteil 250 zu vermeiden. So kann beispielsweise in Ausführungsformen, in denen in der Kammer 288 eine Inertgasumgebung erzeugt wird, der Einlass 290 in Fluidverbindung mit einer Inertgaszufuhr 294 stehen, und ein Strom eines Inertgases (z. B. Argon) kann während der Herstellung der negativen Elektroden 10, 110 über den Einlass 290 in die Kammer 288 eingeleitet werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Auslass 292 der Kammer 288 in Fluidverbindung mit einer Vakuumpumpe und einem Evakuierungssystem 296 stehen, um während der Herstellung der negativen Elektroden 10, 110 eine subatmosphärische Druckumgebung in einem Innenraum der Kammer 288 zu schaffen.
Nachdem das Lithium-Metallteil 240 und das metallische Stromabnehmerteil 250 physikalisch miteinander verbunden sind, können die Teile 240, 250 auf einen Herstellungsprozess für Lithium-Metall-Batterien übertragen und als negative Elektrode 10, 110 in einer elektrochemischen Zelle für eine sekundäre Lithium-Metallbatterie verwendet werden. So können beispielsweise die verklebten Teile 240, 250 mit mindestens einer positiven Elektrode und mindestens einem Separator kombiniert und zu einer elektrochemischen Zelle für eine Lithium-Metallbatterie gebildet werden. Die negative Elektrode 10, 110 und die positive Elektrode können in der elektrochemischen Zelle zueinander gestapelt werden, wobei der Separator dazwischen angeordnet ist. In einer Form können die negative Elektrode 10, 110, der Separator und die positive Elektrode übereinander gestapelt und dann einem Faltvorgang unterzogen werden, um einen elektrochemischen Zellstapel zu bilden, der in einem Umschlag oder Beutel versiegelt werden kann, um eine taschenförmige Lithium-Metallbatterie zu bilden.
Die obige Beschreibung der bevorzugten exemplarischen Ausführungsformen, Aspekte und speziellen Beispiele weisen lediglich einen beschreibenden Charakter auf; sie sind nicht dazu gedacht, den Umfang der folgenden Ansprüche zu begrenzen. Jeder der in den beigefügten Patentansprüchen verwendeten Begriffe sollte in seiner gewöhnlichen und allgemeinen Bedeutung verstanden werden, soweit nicht ausdrücklich und eindeutig in der Spezifikation anders angegeben.

Claims

System zur Herstellung einer negativen Elektrode für eine elektrochemische Zelle einer Lithium-Metallbatterie, wobei das System Folgendes beinhaltet: eine erste Plattform, die in eine erste Richtung verfährt und so konfiguriert ist, dass sie eine kontinuierliche Lithiumfolie an eine Schneidestation liefert und ein Stromabnehmerteil von der Schneidestation zu einer Fügestation überträgt; eine zweite Plattform, die in eine zweite Richtung entgegen der ersten Richtung verfährt und so konfiguriert ist, dass sie ein metallisches Stromabnehmerteil der Fügestation zuführt; einen Laserabtastkopf, der mit einem Laserstrahlgenerator gekoppelt ist, wobei der Laserabtastkopf eine Vielzahl von beweglichen Spiegeln beinhaltet, die konfiguriert sind, um einen fokussierten Laserstrahl auf eine Zieloberfläche zu richten und den Laserstrahl entlang eines vorbestimmten Verfahrwegs in Bezug auf die Zieloberfläche vorwärts zu bewegen, um einen Laserschneidvorgang an der Schneidestation oder einen Laserfügevorgang an der Fügestation durchzuführen; ein Portal, das den Laserabtastkopf in einer zweidimensionalen Ebene bewegt und den Laserabtastkopf zwischen der Schneidestation und der Fügestation überträgt; eine Steuereinheit, die den Betrieb der ersten und zweiten Plattformen, des Laserstrahlgenerators, des Laserabtastkopfes und des Portals steuert und koordiniert, sodass der Laserabtastkopf einen Laserschneidvorgang an der Schneidestation und anschließend einen Laserfügevorgang an der Fügestation durchführt; eine Kammer, welche die Schneidestation und die Fügestation umschließt; eine Vakuumpumpe und ein Evakuierungssystem in Fluidverbindung mit einem Innenraum der Kammer; und eine Inertgaszufuhr in Fluidverbindung mit dem Innenraum der Kammer, worin die ersten und zweiten Plattformen jeweils durch eine erste und eine zweite Walzenreihe getragen werden, worin an der Fügestation ein stromabwärtiges Ende der zweiten Plattform über einem stromabwärtigen Ende der ersten Plattform positioniert ist, sodass die metallische Stromabnehmerfolie vom stromabwärtigen Ende der zweiten Plattform auf das stromabwärtige Ende der ersten Plattform an der Fügestation fallen kann, und worin die Fügestation eine transparente Abdeckung beinhaltet, die über einer Oberseite des metallischen Stromabnehmerstücks positioniert werden kann, um das Lithiummetallstück und das metallische Stromabnehmerstück angrenzend aneinander und in einer zumindest teilweise übereinander liegenden Konfiguration während eines Laserfügevorgangs zu halten, worin das Lithiummetallstück und das metallische Stromabnehmerstück physisch miteinander verbunden sind.
System nach Anspruch 1, beinhaltend: eine Formstation, die sich zwischen der Schneidestation und der Fügestation befindet, und worin die erste bewegliche Plattform konfiguriert ist, um das Lithium-Metallteil von der Schneidestation zur Formstation und anschließend zur Fügestation zu übertragen.
Verfahren zur Herstellung einer negativen Elektrode für eine elektrochemische Zelle einer Lithium-Metallbatterie, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) das Zuführen eines kontinuierlichen Lithiumblechs zu einer Schneidestation; (b) Richten eines ersten Laserstrahls auf eine Oberseite des Lithiumblechs und Vorschieben des ersten Laserstrahls in Bezug auf die Oberseite des Lithiumblechs, um einen Endabschnitt des Lithiumblechs abzutrennen und ein Lithium-Metallteil zu bilden; (c) Zuführen des Lithium-Metallteils zu einer Fügestation; (d) Positionieren eines metallischen Stromabnehmerteils angrenzend an das Lithium-Metallteil in einer zumindest teilweise überlappten Konfiguration, sodass eine Passfläche des metallischen Stromabnehmerteils einer Passfläche des Lithium-Metallteils gegenüberliegt, um eine Passflächenschnittstelle zwischen den Teilen an einer Schweißstelle herzustellen; (e) Positionieren einer transparenten Abdeckung über dem metallischen Stromabnehmerteil an der Schweißstelle, sodass die transparente Abdeckung gegen eine Oberseite des metallischen Stromabnehmerteils drückt und die Passflächen des metallischen Stromabnehmerteils und des Lithium-Metallteils an der Schweißstelle gegeneinander drücken; (f) Richten eines zweiten Laserstrahls auf die Oberseite des metallischen Stromabnehmerteils an der Schweißstelle, um einen Abschnitt des Lithium-Metallteils angrenzend an die Passfläche des Stromabnehmerteils zu schmelzen und ein Lithium-Metall-Schmelzschweißbad zu erzeugen, das die Passfläche des Stromabnehmerteils benetzt; (g) Beenden des zweiten Laserstrahls, um das Lithium-Metall-Schmelzschweißbad zu einer festen Schweißverbindung zu verfestigen, die das Lithium-Metallteil und das metallische Stromabnehmerteil an der Schweißstelle physikalisch miteinander verbindet; und (h) kontinuierliches Wiederholen und Koordinieren der Schritte (a) bis (g), sodass die Schritte (b) und (f) zu unterschiedlichen Zeiten unter Verwendung desselben Laserabtastkopfes ausgeführt werden, worin die ersten und zweiten Laserstrahlen durch denselben Laserstrahlgenerator erzeugt werden, und die Bewegung der ersten und zweiten Laserstrahlen durch eine Vielzahl von beweglichen Spiegeln erfolgen, die in demselben Laserabtastkopf untergebracht sind, worin das metallische Stromabnehmerteil eine nicht-poröse Metallfolie, ein perforiertes Metallblech oder ein poröses Metallgewebe umfassen, worin das metallische Stromabnehmerteil mindestens ein Metall oder eine Metalllegierung umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Nickel, Edelstahl und Titan, und worin die feste Schweißverbindung zwischen dem Lithium-Metallteil und dem Stromabnehmerteil ohne Verwendung von Flussmittel, Füllstoff oder Lötmaterial gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, worin der erste Laserstrahl ein gepulster Laserstrahl mit einer Leistungsdichte im Bereich von 5,0 × 10⁵ W/cm² bis 1,0 × 10⁹ W/cm² und eine Pulswiederholrate im Bereich von 1 kHz bis 100 kHz, und der zweite Laserstrahl ist ein gepulster Laserstrahl mit einer Leistungsdichte im Bereich von 3 × 10⁵ W/cm² bis 1 × 10⁷ W/cm² und eine Pulswiederholrate im Bereich von 100 kHz bis 10 MHz liegt.
Verfahren nach Anspruch 3, worin das kontinuierliche Lithiumblech und das Lithium-Metallteil jeweils der Schneidestation und der Fügestation durch eine erste Plattform zugeführt werden, die in eine erste Richtung verfährt, und worin das metallische Stromabnehmerteil der Fügestation durch eine zweite Plattform zugeführt wird, die in eine zweite Richtung entgegen der ersten Richtung verfährt.
Verfahren nach Anspruch 3, beinhaltend: vor Schritt (c), Überführen des Lithium-Metallteils in eine Formstation; und Richten eines dritten Laserstrahls auf eine Oberseite des Lithium-Metallteils; und Vorwärtsbewegen des dritten Laserstrahls in Bezug auf die Oberseite des Lithium-Metallteils, um das Lithium-Metallteil in eine gewünschte Form zu bringen, worin die ersten, zweiten und dritten Laserstrahlen durch denselben Laserstrahlgenerator erzeugt werden, und die Bewegung der ersten, zweiten und dritten Laserstrahlen durch eine Vielzahl von beweglichen Spiegeln erfolgen, die in demselben Laserabtastkopf untergebracht sind.
Verfahren nach Anspruch 3, worin Schritt (b) das Vorschieben des ersten Laserstrahls in Bezug auf die Oberseite des Lithiumblechs in einem linearen Weg über eine gesamte Breite des Lithiumblechs beinhaltet, und worin Schritt (f) das Vorschieben des zweiten Laserstrahls in Bezug auf die Oberseite des metallischen Stromabnehmerteils in einem nicht-linearen Weg an der Schweißstelle beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 7, worin der zweite Laserstrahl in Bezug auf die Oberseite des metallischen Stromabnehmerteils von einem Startpunkt zu einem Endpunkt vorgeschoben wird: (i) eine Vorwärtsrichtung und Hin- und Herbewegen in einer lateralen Richtung quer zur Vorwärtsrichtung, oder (ii) eine Vorwärtsrichtung, während der zweite Laserstrahl gedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 3, beinhaltend: Einschließen der Schneidestation und der Fügestation in eine Kammer; und Herstellen einer subatmosphärischen Druckumgebung oder einer Inertgasumgebung innerhalb der Kammer, um eine Oxidation und Verbrennung des Lithiumblechs und des Lithium-Metallteils während der Schritte (b) und (f) zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 3, beinhaltend: vor Schritt (d), Richten eines vierten Laserstrahls auf eine Oberseite eines metallischen Stromabnehmerblechs; und Vorwärtsbewegen des vierten Laserstrahls in Bezug auf die Oberseite des metallischen Stromabnehmerblechs, um einen Endabschnitt des metallischen Stromabnehmerblechs abzutrennen und das metallische Stromabnehmerteil zu bilden, worin die ersten, zweiten und vierten Laserstrahlen durch denselben Laserstrahlgenerator erzeugt werden, und die Bewegung der ersten, zweiten und vierten Laserstrahlen durch eine Vielzahl von beweglichen Spiegeln erfolgen, die in demselben Laserabtastkopf untergebracht sind.