CN113782711A - 用于锂离子蓄电池的电极的承载膜的无接触处理 - Google Patents

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Abstract

根据用于处理用于锂离子蓄电池的电极的载体箔(2)的方法，将载体箔(2)的表面(3、3’)通过用激光辐射进行的第一照射来加热并且将表面(3、3’)上的材料层通过加热至少部分地蒸发，以便将材料层至少部分地从表面(3、3’)上去除。

Description

用于锂离子蓄电池的电极的承载膜的无接触处理
技术领域
本发明涉及一种用于处理用于锂离子蓄电池的电极的承载膜的方法、一种用于处理这种承载膜的装置以及一种用于制造锂离子蓄电池的方法。
背景技术
锂离子电池的单元包括由分离器分隔开的阳极和阴极。在此，电极具有导电的承载膜，在所述承载膜上施加活性材料。使用金属箔、例如铝箔作为例如用于阴极的承载膜。铝箔在箔材轧机中制成并且为在制造运行中的进一步加工准备用于锂离子电池。
在制造薄膜和在制造运行中进行处理之间有时要经过数天或数周。在存储和运输过程中以及在高温下的处理步骤过程中，铝箔暴露于空气，这导致在铝箔的表面上形成厚度在纳米范围内的由氧化铝制成的天然氧化层。所述天然氧化层一方面是有问题的，因为其作为良好的电绝缘体使活性材料的电接触变差，并且另一方面也因为其使活性材料在载体箔上的机械附着变差。相应的内容也适用于其它载体箔，例如铜箔，在所述铜箔上例如可以形成硫化铜或氧化铜。
不仅变差的电接触而且变差的机械附着导致提高的接触电阻，该接触电阻使活性材料与载体箔之间的电荷交换变困难。由此提高了电池的欧姆电阻或阻抗，这又导致在施加电负载的情况下在电池中感应出热负载。因此，总体上降低了电池的有效功率。
为了防止这种情况，可以例如用底漆或预处理剂(也称为底漆)对载体箔进行预处理，在制造过程之后在轧机中将该底漆或预处理剂施加到膜上，以防止氧化物形成。然而，这种方法具有非常高的成本。
替代地，可以在湿化学方法中使用碱液、例如含水的苛性钠溶液，以便将氧化层从载体箔上去除。然而在此问题是，随后待施加的、必要时预干燥的活性材料由于粘附的水和碱金属离子而至少部分地失去其锂储存能力，使得在湿化学步骤之后需要非常耗费地清洁和干燥表面。这导致时间消耗和能量消耗提高并且因此同样导致成本提高以及复杂的过程引导。
也可设想机械地去除氧化层。然而，由于氧化层的小的厚度以及载体箔本身的机械特性，难以可重复地且均匀地调节与载体箔的机械接触而不损坏载体箔。
发明内容
在此背景下，本发明的任务是，提供一种用于处理用于锂离子蓄电池的电极的载体箔的改进的构想，该构想能够实现所产生的锂离子蓄电池的更高的效率并且在此将费用支出和制造过程复杂性保持得很小。
根据本发明，所述任务通过独立权利要求的相应主题来解决。有利的进一步改进方案和优选的实施方式是从属权利要求的主题。
所述改进的构想基于如下的想法，即通过激光辐射的作用使载体箔表面上的材料层蒸发并且由此去除。
根据所述改进的构想给出一种用于处理、尤其是用于无接触地处理用于锂离子蓄电池的电极的载体箔的方法。在此，将载体箔的表面通过用激光辐射进行的第一照射来加热并且将表面上的材料层通过加热至少部分地蒸发，以便将材料层至少部分地从表面上去除。
所述激光辐射尤其可以是借助一个或多个激光装置产生的红外线辐射、紫外线辐射或可见光谱范围内的辐射。
通过利用激光照射的第一照射和对材料层的加热，尤其是实施激光烧蚀方法或激光蒸发方法，以便去除材料层。在此，材料层通过激光辐射在短时间内局部强烈地加热，使得在表面上形成等离子体。
激光辐射例如可以通过照射装置产生。用于产生激光辐射的照射装置的运行参数尤其是能够调节或匹配成，使得通过照射尤其是在形成等离子体的情况下使材料层蒸发，使得将材料层从表面上去除。
在此，载体箔尤其是能够作为箔片幅、也称作箔片带存在，或者作为箔片幅的一部分存在。
通过根据所述改进的构想的方法能够实现有效地清洁材料层的表面。通过根据所述改进的构想相应地处理载体箔产生载体箔与电极的活性材料的改进的电接触以及活性材料在载体箔上的改进的机械附着。
根据所述改进的构想，这尤其是在没有底漆(例如底漆)的情况下是可能的，并且没有具有相应复杂干燥的湿化学方法步骤。
因此，所述改进的构想提供了成本有利且不复杂的可能性，即降低锂离子蓄电池中的接触电阻并且在此改进其整体有效功率。
根据所述改进的构想，也放弃为了去除材料层对载体箔的机械加工。由此可以防止载体箔的损坏。通过激光烧蚀，即使在非常薄的材料层和载体箔以及相应地机械敏感的载体箔的情况下也能够实现特别均匀地、限定地并且小心翼翼地去除材料层。在此，可以连续地、例如在制造载体箔期间在轧机中实施所述方法。由此，用于去除材料层的附加的时间耗费也很少或者可忽略。
根据至少一种实施方式，在惰性气体气氛中、换句话说在保护气体或惰性气体下或在真空中实施对表面的第一照射。
由此避免载体箔的通过激光烧蚀暴露的并且强烈加热的基本材料(例如铝)与环境空气的成分(例如氧气、氮气、二氧化碳和/或硫化氢)的不期望的反应。
在此，作为惰性气体优选可以使用稀有气体，例如氩气，或者由稀有气体组成的混合物。
真空可以理解为人工地、例如借助泵装置产生的在小于1000Pa、例如小于100Pa或小于10Pa的范围内的过程压力或环境压力。
例如，所述过程压力或环境压力可以在100Pa至1000Pa的范围内或在10Pa至100Pa的范围内。这种实施方式将实现成本有利的方法和简单的过程引导。
优选地，所述过程压力或环境压力在10-9Pa至10Pa的范围内。这种压力例如可以借助涡轮泵或者油旋转滑阀泵获得并且能够实现在质量上特别高品质的处理。
根据至少一种实施方式，所述载体箔包含金属，即设计成金属箔。金属箔例如可以设计成铝箔或者铜箔。
根据至少一种实施方式，所述载体箔相对于照射装置平移运动、尤其是沿着平移方向平移运动，该平移方向例如可以对应于箔片带的纵向方向。
例如，所述箔片作为箔片幅的一部分被拉动经过或引导经过照射装置或在照射装置下方。
根据至少一种实施方式，所述载体箔设计成铝箔，并且材料层作为氧化铝层存在于表面上，尤其是在至少部分地去除材料层之前。
所述氧化铝层尤其是能够是所谓的天然的氧化铝层。所述天然的氧化铝层例如可以基本上连续地存在于载体箔的表面上，并且例如当在室温下形成时，为小于20nm的厚度，例如为10nm或更小。
通过激光烧蚀，有利地仅加热和蒸发最上面的材料层、即尤其是氧化铝层，而载体箔的金属铝在很大程度上保持不受影响。由此，氧化铝层能够借助该方法选择性地并且小心翼翼地被去除。
根据至少一种实施方式，提供载体箔作为箔片幅，并且为了第一照射，将表面借助输送装置根据箔片幅的纵向方向引导经过产生激光辐射的照射装置。
例如，箔片幅为此可以借助输送装置从箔片卷展开。箔片幅的纵向方向因此可以理解为展开方向。
根据至少一种实施方式，所述激光辐射的目标区域在表面上沿着箔片幅的横向方向移动，而将表面引导经过用于第一照射的照射装置。在此，箔片幅的横向方向尤其是垂直于箔片幅的纵向方向、尤其是垂直于平移方向。
尤其是，由此可以逐行地扫描载体箔的表面并且通过激光辐射点状地实现将高的能量输入到材料层中，以便使所述材料层蒸发。由此，尤其是可以将提高的能量输入到材料层中，并且改进了所述方法的可控制性或者说可重复性。
根据至少一种实施方式，脉冲地产生用于第一照射的激光辐射，以便实施所述第一照射。
具体地，激光辐射可以包括具有几纳秒、几皮秒或几飞秒的量级的持续时间的激光脉冲。换句话说，可以产生激光辐射作为脉冲的超短时间激光的激光辐射。由此能够实现能量输入的更好的局部选择性。
根据至少一种实施方式，通过用激光辐射进行第二照射来加热载体箔的另一个表面、尤其是载体箔的与所述表面相对置的另一个表面。通过所述第二照射，所述另一个表面上的另一个材料层通过加热至少部分地蒸发，以便将所述另一个材料层至少部分地从所述另一个表面上去除。如果载体箔的表面被视为正面，则所述另一个表面尤其是载体箔的背面。对于所述背面，可以与关于正面类似地进行，尤其是在铝载体箔的情况下，也可以在背面上相应地去除天然的氧化铝层。
所述第二照射在此可以在时间上与所述第一照射无关地进行。例如，照射装置可以包括用于第一照射的第一激光装置和用于第二照射的第二激光装置。
替代地，照射装置的激光装置也可以既用于第一照射也用于第二照射。在这种情况下，例如可以首先将载体箔利用表面引导经过照射装置，以便实施第一照射，并且随后可以将所述另一个表面引导经过用于第二照射的照射装置。
根据至少一种实施方式，在惰性气体气氛中实施所述第二照射。
根据至少一种实施方式，通过利用激光辐射的第三照射来结构化所述表面和/或通过利用激光辐射的第四照射来结构化所述另一个表面。
所述表面或所述另一个表面的结构化可以理解为表面改性。尤其是，由此能够在所述表面、所述另一个表面或载体箔中引入凹陷、沟槽、栅格或孔。
通过所述表面或所述另一个表面的结构化，可以改善蓄电池的活性材料在载体箔上的附着，这可以导致蓄电池的阻抗的进一步减小，尤其是因为可缩短电流放电器表面与活性材料颗粒之间的间距。
在此，所述第三照射尤其是在第一照射之后进行。所述第四照射尤其是在第二照射之后进行。
在此，第三照射例如可以由与第一照射相同的激光装置来实施，或者第四照射可以由与第二照射相同的激光装置来实施。但是替代地，也可以设置有单独的另外的激光装置。
根据至少一种实施方式，在惰性气体气氛中实施所述第三照射和/或在惰性气体气氛中实施第四照射。
活性材料例如可以包括锂镍钴铝氧化物、NCA或锂镍锰钴氧化物、NMC。
根据所述改进的构想还给出一种用于制造锂离子蓄电池的方法。为此，提供用于锂离子蓄电池的电极的载体箔，并且根据用于处理根据所述改进的构想的载体箔的方法来处理载体箔。
根据所述改进的构想还给出一种用于处理用于锂离子蓄电池的电极的载体箔的装置。该装置包括照射装置，该照射装置设计和设置成通过用激光辐射的第一照射来加热所述载体箔的表面，以便至少部分地蒸发所述表面上的材料层并且从所述表面上至少部分地去除所述材料层。
根据至少一种实施方式，所述照射装置或照射装置的激光装置包括用于实施第一照射的一个或多个脉冲的超短时间激光。
根据至少一种实施方式，所述装置具有输送装置，该输送装置设计用于使作为箔片幅存在的载体箔根据箔片幅的纵向方向运动，以便引导用于第一照射的表面经过照射装置。
根据至少一种实施方式，所述装置具有过程室，以便实施第一照射。
根据至少一种实施方式，所述装置具有与所述过程室耦联的泵装置，该泵装置用于在所述过程室中产生真空以用于实施第一照射。
根据至少一种实施方式，所述装置具有与过程室耦联的惰性气体供应装置，以便为了实施第一照射而在过程室中产生惰性气体气氛。
根据所述改进的构想的装置的另外的实施方式直接从根据所述改进的构想的方法的不同的设计方案形式得出，并且反之亦然。尤其是，根据所述改进的构想的装置可以实施根据所述改进的构想的方法或者实施这样的方法。
附图说明
在附图中示出根据所述改进的构想的用于处理用于锂离子蓄电池的电极的载体箔2的装置1的示例性实施方式的示意图。
具体实施方式
所述装置1包括具有一个或多个推进机构6a、6b、6c、6d、6e以及用于控制推进机构6a至6e的控制单元5的输送装置。所述推进机构6a至6e例如能够具有辊或滚子或者说辊对或滚子对，借助所述辊对或滚子对能够使载体箔2沿平移方向x运动。装置1例如也可以用于对载体箔2进行辊轧。
装置1具有包括第一激光器4的照射装置，载体箔2能够借助输送装置在所述第一激光器的下方引导经过，使得载体箔2的表面3、例如正面朝向第一激光器4。
所述第一激光器4可以例如由控制单元5或装置1的另一个控制单元(未示出)控制地将激光辐射、尤其是脉冲地定向到表面3上，以便局部地加热该表面，使得表面3上的材料层根据激光烧蚀的方法在形成等离子体的情况下蒸发并且由此被去除。所述第一激光器4可以将以限定的速度引导经过的载体箔2分别逐行地沿着横向方向y扫描并且点状地通过高的能量输入使材料层蒸发。
在铝箔作为载体箔2的情况下，由此例如可以将从作为材料层的天然的氧化铝层从表面3上去除。
载体箔的与表面3相对置的另一个表面3’、即尤其是背面能够类似于表面3地处理。为此，装置1尤其是可以具有第二激光器4’。
在可选的另一个步骤中可能的是，借助装置1的第一激光器4、第二激光器4和/或另一个激光器通过引入沟槽、栅格或孔来修改或结构化表面3和/或所述另一个表面3’。
因此，通过所述改进的构想，如所述的那样能够在连续的方法中实现将材料层、例如从非常薄的、大约15pm或更薄的并且敏感的铝载体箔的天然的氧化铝层从载体箔上限定地、均匀地并且非常小心翼翼地去除。由此可以减小接触电阻并且最终改进锂离子蓄电池的有效功率。
附图标记列表
1 装置
2 载体箔
3、3’ 表面
4、4’ 激光器
5 控制单元
6a、6b、6d、6e 推进机构
x 纵向方向
y 横向方向

Claims (10)

1.用于处理用于锂离子蓄电池的电极的载体箔(2)的方法，其中，
-通过用激光辐射的第一照射来加热载体箔(2)的表面(3、3’)；并且
-通过所述加热至少部分地蒸发在所述表面(3、3’)上的材料层，以便将该材料层至少部分地从表面(3、3’)上去除。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，
-载体箔(2)设计成铝箔并且材料层作为氧化铝层存在所述表面(3、3’)上；或者
-载体箔(2)设计成铜箔并且材料层作为氧化铜层或作为硫化铜层存在于所述表面(3、3’)上。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，提供载体箔(2)作为箔片幅(2)，并且为了第一照射，将表面(3、3’)借助输送装置(5、6a-6e)根据箔片幅(2)的纵向方向(x)引导经过产生激光辐射的照射装置(4、4’)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述激光辐射的目标区域在表面(3、3’)上沿着箔片幅(2)的横向方向(y)移动，而将表面(3、3’)引导经过用于第一照射的照射装置(4、4’)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在惰性气体气氛中实施所述第一照射。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，
-通过用激光辐射的第二照射来加热载体箔(2)的另一个表面(3、3’)；并且
-通过所述加热至少部分地蒸发在所述另一个表面(3、3’)上的另一个材料层，以便将所述另一个材料层至少部分地从所述另一个表面(3、3’)上去除。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过利用激光辐射的第三照射结构化所述表面(3、3’)。
8.用于制造锂离子蓄电池的方法，其中，
-提供用于锂离子蓄电池的电极的载体箔；并且
-根据前述权利要求1至7中任一项所述的方法对载体箔(2)进行处理。
9.用于处理用于锂离子蓄电池的电极的载体箔(2)的装置，该装置(1)具有照射装置(4、4’)，该照射装置设计和设置成通过用激光辐射的第一照射来加热所述载体箔(2)的表面(3、3’)，以便至少部分地蒸发所述表面(3、3’)上的材料层并且从所述表面(3、3’)上至少部分地去除所述材料层。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，该装置(1)具有输送装置((5、6a-6e)，该输送装置设计用于使作为箔片幅(2)存在的载体箔(2)根据箔片幅(2)的纵向方向(x)运动，以便引导用于第一照射的表面(3、3’)经过照射装置(4、4’)。
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