DE102011007899A1 - Method for manufacturing e.g. intermetallic phase lithium-aluminum anode material utilized in cells of lithium batteries, involves filling shell with lithium or material containing lithium, and cold-transforming closed shell by hammers - Google Patents

Method for manufacturing e.g. intermetallic phase lithium-aluminum anode material utilized in cells of lithium batteries, involves filling shell with lithium or material containing lithium, and cold-transforming closed shell by hammers Download PDF

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Abstract

The method involves partially filling a shell with lithium or material containing 1 weight percent of lithium, where the shell is made of a metal, a metal alloy and/or a metal compound. The shell is closed, where the closed shell is cold-transformed by hammers. The lithium or material containing lithium can be used in compact form, powder form or granular form. The shell is closed or locked by welding, soldering, foldings, rebates, rivets and/or clogging under evacuation of an interior of a cladding.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Werkstoffwissenschaft und Umformtechnik und betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Anodenmaterials, welches beispielsweise in Batterien eingesetzt werden kann.The invention relates to the fields of materials science and metal forming and relates to a method for producing an anode material, which can be used for example in batteries.

Nach dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren bekannt, metallische und nichtmetallische Materialien zu Halbzeugen zu verarbeiten. Insbesondere für metallische Materialien sind Ur- oder Umformverfahren, wie Gießen, Walzen, Ziehen, gut bekannt Buch: Umformtechnik, Kurt Lange (Hrsg.), 2. Auflage, 1984, Springer Verlag, Berlin/Heidelberg u. a. .According to the state of the art, numerous processes are known for processing metallic and non-metallic materials into semi-finished products. Especially for metallic materials are original or forming processes, such as casting, rolling, drawing, well-known book: Umformtechnik, Kurt Lange (ed.), 2nd edition, 1984, Springer Verlag, Berlin / Heidelberg and others ,

Weiterhin bekannt sind spezialisierte Metallumformverfahren zur Einstellung von ultrafeinkörnigen Gefügen in metallischen Werkstoffen ( T. Marr, u. a., Adv. Eng. Mater. 12 (2010) 1191–1197 ). Dabei wird eine Umformung mittels einer Schmiedetechnologie erreicht, indem das Ausgangsmaterial durch Rundkneten oder Hämmern im Durchmesser sukzessive reduziert wird. Anschließend erfolgen die Teilung des entstandenen Drahtes und das Einstapeln in ein Hüllrohr. Wiederholtes Rundkneten oder Hämmern dieses Komposites verfeinert das Gefüge und die geometrische Struktur.Also known are specialized metal forming processes for adjusting ultrafine-grained structures in metallic materials (US Pat. T. Marr, et al., Adv. Eng. Mater. 12 (2010) 1191-1197 ). In this case, a transformation by means of a forging technology is achieved by the starting material is reduced by rotary swaging or hammering in diameter successively. Subsequently, the division of the resulting wire and the stacking carried out in a cladding tube. Repeated round kneading or hammering of this composite refines the structure and the geometric structure.

Anodenwerkstoffe werden bekanntermaßen durch chemische oder physikalische Prozesse hergestellt. Nach der EP 0 977 292 A2 werden Anodenmaterialien für Lithiumbatterien mittels CVD hergestellt. Ebenso bekannt sind Verfahren zur Herstellung von Anodenmaterialien für Lithium-Polymerzellen, bei denen ein aktives Anodenmaterial mit einer Zinn-Verbindung modifiziert und auf ein Substrat aufgetragen wird ( DE 102 51 239 B4 ).Anode materials are known to be produced by chemical or physical processes. After EP 0 977 292 A2 For example, anode materials for lithium batteries are manufactured by CVD. Also known are methods for producing anode materials for lithium polymer cells, in which an active anode material is modified with a tin compound and applied to a substrate ( DE 102 51 239 B4 ).

Weiterhin ist aus der JP 2005126741 A ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff speichernden Legierungen bekannt, bei dem Ti-Folien und Al-Folien zu einer Stange gerollt werden, diese Stange in ein Kupferrohr eingebracht wird, dieses gefüllte Rohr einer hydrostatischen Extrusion unterworfen wird, danach ein Draht gezogen wird, die Kupferoberfläche mit Salpetersäure gereinigt und nachfolgend eine Wärmebehandlung zur Erzeugung von Oxiden an der Oberfläche durchgeführt wird.Furthermore, from the JP 2005126741 A discloses a method for producing hydrogen storage alloys, in which Ti foils and Al foils are rolled into a bar, this bar is placed in a copper tube, this filled tube is subjected to hydrostatic extrusion, then a wire is pulled, the copper surface Purified with nitric acid and then carried out a heat treatment to produce oxides on the surface.

Ebenfalls bekannt ist aus der JP 05101831 A eine Batterie, die aus einer Li-Folie als aktiver Substanz der negativen Elektrode besteht, die die innere Oberfläche einer Metallhülle bedeckt und von einem Fe-Pulver umgeben ist.Also known is from the JP 05101831 A a battery consisting of a Li foil as the active substance of the negative electrode, which covers the inner surface of a metal shell and is surrounded by an Fe powder.

Nachteilig an den bekannten Lösungen ist, dass die Herstellung von Anodenmaterialien unter Verwendung von Lithium nur mittels aufwändiger Verfahren möglich ist, da Lithium bekanntermaßen eine sehr hohe Reaktivität mit Feuchtigkeit und anderen Luftbestandteilen hat.A disadvantage of the known solutions is that the production of anode materials using lithium is possible only by means of complex processes, since lithium is known to have a very high reactivity with moisture and other air constituents.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Anodenmaterials anzugeben, welches einfacher realisierbar und kostengünstiger ist und insbesondere unter Umgebungsbedingungen realisierbar ist.The invention is based on the object to provide a method for producing an anode material, which is easier to implement and less expensive and in particular under ambient conditions is feasible.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved by the invention specified in the claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Anodenmateriales wird Lithium oder ein Lithium enthaltendes Material mit mindestens 1 Gew.-‰ Lithium in eine Hülle aus mindestens einem Metall und/oder einer Metalllegierung und/oder einer Metallverbindung mindestens teilweise gefüllt und die Hülle verschlossen, nachfolgend wird die gefüllte und geschlossene Hülle mittels Hämmern kaltumgeformt, wobei dieser Verfahrensschritt einmal durchgeführt oder mehrmals wiederholt wird.In the method according to the invention for producing an anode material, lithium or a lithium-containing material is at least partially filled with at least 1% by weight of lithium in an envelope of at least one metal and / or metal alloy and / or metal compound, and the envelope is sealed the filled and closed shell cold-worked by hammering, this process step being carried out once or repeated several times.

Vorteilhafterweise werden Lithium oder ein Lithium enthaltendes Material in kompakter Form oder in Pulverform oder als Granulat eingesetzt.Advantageously, lithium or a lithium-containing material are used in compact form or in powder form or as granules.

Ebenfalls vorteilhafterweise wird ein Lithium enthaltendes Material mit 0,5–80 Gew.-% Lithium eingesetzt, noch vorteilhafterweise wird ein Lithium enthaltendes Material mit 1 bis 20 Gew.-% Lithium eingesetzt.Also advantageously, a lithium-containing material is used with 0.5-80 wt .-% lithium, even more advantageously, a lithium-containing material is used with 1 to 20 wt .-% lithium.

Weiterhin vorteilhafterweise wird eine Hülle aus Na, Mg, Al, Si, Ca, Fe, Zn, Ge, Ru, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Pt, Au, Tl, Bi oder deren Legierungen oder Verbindungen eingesetzt.Further advantageously, a shell of Na, Mg, Al, Si, Ca, Fe, Zn, Ge, Ru, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Pt, Au, Tl, Bi or their alloys or compounds is used.

Und auch vorteilhafterweise wird eine Hülle mit kreisförmigem, dreieckigem, quadratischem, rechteckigem, mehreckigem, ovalem oder ellipsoidem Querschnitt eingesetzt.And also advantageously, a shell with a circular, triangular, square, rectangular, polygonal, oval or ellipsoidal cross section is used.

Vorteilhaft ist es auch, wenn das Verschließen der Hülle mittels Schweißen, Löten, Falten, Falzen, Nieten, Verstopfen realisiert wird.It is also advantageous if the closure of the shell by means of welding, soldering, folding, folding, riveting, clogging is realized.

Und weiterhin vorteilhaft ist es, wenn das Verschließen der Hülle unter Evakuierung des Hüllinnenraums durchgeführt wird.And it is furthermore advantageous if the closing of the envelope is carried out by evacuation of the envelope interior.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird es erstmals möglich, ein Anodenmaterial unter Verwendung von Lithium mit einem einfachen und kostengünstigen Verfahren herzustellen. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass die Herstellung unter Umgebungsbedingungen realisiert wird.With the solution according to the invention, it becomes possible for the first time to produce an anode material using lithium with a simple and inexpensive process. It is particularly advantageous that the production is realized under ambient conditions.

Dazu wird aus mindestens einem Metall und/oder einer Metalllegierung und/oder einer Metallverbindung eine Hülle hergestellt. Die Hülle kann dabei einen kreisförmigen, dreieckigen, quadratischen, rechteckigen, mehreckigen, ovalen oder ellipsoiden Querschnitt aufweisen. Jede andere Form eines Querschnittes ist aber ebenfalls möglich, wobei der runde oder annähernd runde Querschnitt bevorzugt ist. For this purpose, a shell is produced from at least one metal and / or a metal alloy and / or a metal compound. The shell may have a circular, triangular, square, rectangular, polygonal, oval or ellipsoidal cross section. However, any other shape of a cross section is also possible, with the round or approximately round cross section being preferred.

In diese Hülle wird Lithium oder ein Lithium enthaltendes Material in kompakter Form oder in Pulverform eingefüllt. Als kompakte Formen können beispielsweise Rohre oder Stangen zum Einsatz kommen. Die Pulverform soll erfindungsgemäß auch stückige Teile oder Granulate umfassen.In this case, lithium or a lithium-containing material is filled in a compact form or in powder form. As compact forms, for example, tubes or rods can be used. The powder form according to the invention should also comprise particulate parts or granules.

Die Auswahl der Metalle und/oder Metalllegierungen und/oder Metallverbindungen erfolgt danach, welche Materialien im erfindungsgemäßen Anodenmaterial enthalten sein sollen.The selection of metals and / or metal alloys and / or metal compounds is carried out according to which materials are to be contained in the anode material according to the invention.

Die gefüllte Hülle wird dann geschlossen, beispielsweise durch Schweißen, Löten, Falten, Falzen, Nieten, vorteilhafterweise auch unter Evakuierung des Hülleninnenraumes. Sofern der Hülleninnenraum vollständig durch Lithium oder Lithium enthaltendes Material gefüllt ist, ist eine Evakuierung nicht erforderlich. Vorteilhafterweise ist die Hülle in Form eines Metallrohres aufgebaut und der Innenraum des Rohres wird durch eine Stange aus Lithium oder Lithium enthaltendes Material im Wesentlichen ganz ausgefüllt.The filled casing is then closed, for example by welding, soldering, folding, folding, riveting, advantageously also by evacuation of the casing interior. If the envelope interior is completely filled by lithium or lithium containing material, evacuation is not required. Advantageously, the shell is constructed in the form of a metal tube and the interior of the tube is substantially completely filled by a rod made of lithium or lithium-containing material.

Nach dem Verschließen der Hülle erfolgt die Kaltumformung mittels Hämmer.After closing the shell, the cold forming takes place by means of hammers.

Unter Kaltumformung soll im Rahmen dieser Erfindung die Umformung der Verbunde bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes von Lithium oder des Lithium enthaltenden Materials verstanden werden. Dabei kann die Kaltumformung nach der vorliegenden Erfindung auch bei Temperaturen bis –196°C realisiert werden. Vorteilhafterweise soll die erfindungsgemäße Kaltumformung aber bei und um die Raumtemperatur durchgeführt werden.By cold forming is meant in the context of this invention, the deformation of the composites at a temperature below the melting point of lithium or the lithium-containing material. The cold forming according to the present invention can also be realized at temperatures up to -196 ° C. Advantageously, however, the cold working according to the invention should be carried out at and around room temperature.

Dieser Kaltumformungsprozess kann ein- und mehrmals hintereinander durchgeführt werden, wobei zwischen den mehrmaligen Hämmerprozessen andere Umformverfahren und/oder Wärmebehandlungen realisiert werden können. Andere Umformverfahren können beispielsweise Profilziehen, Profilwalzen, Walzziehen sein.This cold forming process can be carried out one or more times in succession, it being possible to realize other forming processes and / or heat treatments between the multiple hammering processes. Other forming methods may be, for example, profiling, roll forming, rolling.

Nachfolgend wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to several exemplary embodiments.

Beispiel 1example 1

Eine Stange aus metallischem Lithium mit 12 mm Durchmesser × 160 mm Länge wird in ein Aluminiumrohr als Hülle mit 13 mm Innendurchmesser × 170 mm Länge eingeführt. Das Aluminiumrohr wird mittels Stopfen aus Aluminium verschlossen. Danach erfolgt die Kaltumformung durch Hämmer bei Raumtemperatur auf einen runden Gesamtdurchmesser von 8 mm. Das entstandene strangförmige Anodenmaterial besteht aus der intermetallischen Phase Li-Al, die sich während der Umformung gebildet hat.A 12 mm diameter x 160 mm long metallic lithium rod is inserted into an aluminum tube as a 13 mm inner diameter × 170 mm long shell. The aluminum tube is closed by means of aluminum plugs. Thereafter, the cold forming by hammers at room temperature to a total round diameter of 8 mm. The resulting strand-shaped anode material consists of the intermetallic phase Li-Al, which has formed during the forming.

Das entstandene Anodenmaterial konnte einfach und unter Umgebungsbedingungen umgeformt werden.The resulting anode material could be easily transformed under ambient conditions.

Beispiel 2Example 2

Eine Legierung aus 5 Gew.-% Li mit dem schweren Element In und eine Legierung mit 10 Gew.-% Li und dem leichten Element Zn, jeweils in Stangenform mit den Abmessungen gemäß Beispiel 1 werden in ein Aluminiumrohr gemäß Beispiel 1 eingebracht und wie in Beispiel 1 weiterbearbeitet.An alloy of 5 wt .-% Li with the heavy element In and an alloy with 10 wt .-% Li and the light element Zn, each in bar form with the dimensions of Example 1 are introduced into an aluminum tube according to Example 1 and as in Example 1 further processed.

Das entstandene strangförmige Anodenmaterial besteht aus einer intermetallischen Phase Li-Al-Zn-In, die sich während der Umformung gebildet hat.The resulting strand-shaped anode material consists of an intermetallic phase Li-Al-Zn-In, which has formed during the forming.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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  • T. Marr, u. a., Adv. Eng. Mater. 12 (2010) 1191–1197 [0003] T. Marr, et al., Adv. Eng. Mater. 12 (2010) 1191-1197 [0003]

Claims (8)

Verfahren zur Herstellung eines Anodenmateriales, bei dem Lithium oder ein Lithium enthaltendes Material mit mindestens 1 Gew.-‰ Lithium in eine Hülle aus mindestens einem Metall und/oder einer Metalllegierung und/oder einer Metallverbindung mindestens teilweise gefüllt und die Hülle verschlossen wird, nachfolgend die gefüllte und geschlossene Hülle mittels Hämmern kaltumgeformt wird, wobei dieser Verfahrensschritt einmal durchgeführt oder mehrmals wiederholt wird.A process for producing an anode material in which lithium or a lithium-containing material is at least partially filled with at least 1% by weight of lithium in a shell of at least one metal and / or metal alloy and / or metal compound and the shell is subsequently closed filled and closed shell is cold-formed by hammering, this process step is performed once or repeated several times. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Lithium oder ein Lithium enthaltendes Material in kompakter Form oder in Pulverform oder als Granulat eingesetzt werden.The method of claim 1, wherein lithium or a lithium-containing material are used in compact form or in powder form or as granules. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Lithium enthaltendes Material mit 0,5–80 Gew.-% Lithium eingesetzt wird.The method of claim 1, wherein a lithium-containing material with 0.5-80 wt .-% lithium is used. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem ein Lithium enthaltendes Material mit 1 bis 20 Gew.-% Lithium eingesetzt wird.The method of claim 3, wherein a lithium-containing material is used with 1 to 20 wt .-% lithium. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Hülle aus Na, Mg, Al, Si, Ca, Fe, Zn, Ge, Ru, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Pt, Au, Tl, Bi oder deren Legierungen oder Verbindungen eingesetzt wird.The method of claim 1, wherein a shell of Na, Mg, Al, Si, Ca, Fe, Zn, Ge, Ru, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Pt, Au, Tl, Bi or their alloys or compounds is used. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Hülle mit kreisförmigem, dreieckigem, quadratischem, rechteckigem, mehreckigem, ovalem oder ellipsoidem Querschnitt eingesetzt wird.The method of claim 1, wherein a shell of circular, triangular, square, rectangular, polygonal, oval or ellipsoidal cross-section is used. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Verschließen der Hülle mittels Schweißen, Löten, Falten, Falzen, Nieten, Verstopfen realisiert wird.The method of claim 1, wherein the closure of the shell is realized by means of welding, soldering, folding, folding, riveting, clogging. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Verschließen der Hülle unter Evakuierung des Hüllinnenraums durchgeführt wird.The method of claim 1, wherein the closure of the envelope is performed evacuating the envelope interior.
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