DE102013103504A1

DE102013103504A1 - Verfahren zur Herstellung von Lithium-Luft-Akkumulatoren mittels Hochdrucksprühen und Vorrichtung dazu

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Publication number: DE102013103504A1
Application number: DE102013103504.3A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-04-09
Filing date: 2013-04-09
Publication date: 2014-10-09

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren (10) beinhaltet das Aufsprühen einer Lithiumanode auf ein Anodensubstrat (20), wobei hierfür vorzugsweise eine Düse zum Zerstäuben von flüssigem Lithium verwendet wird, dem noch weitere Stoffe oder Elemente beigemischt sein können. Vorzugsweise wird auf die Lithiumanode ein Elektrolyt aufgesprüht (24) und an der Elektrolytschicht ein Kathodensubstrat angeordnet (26). Die Anordnung aus Anodensubstrat, Lithiumschicht, Elektrolyt und Kathodensubstrat ist vorzugsweise zylinderförmig oder tubulär. Es wird eine Vorrichtung (200) zur Erzeugung einer Lithiumschicht auf einem Anodensubstrat bereitgestellt, die eine Zerstäubungseinrichtung (226) aufweist, die vorzugsweise ein piezokristallgetriebenes Ventilverschlussglied (230) des Ventils (228) aufweist, durch das Lithiumflüssigkeit zu einer Düse (240) strömt. Die Vorrichtung (200) enthält eine Beschleunigungseinrichtung für die zerstäubte Flüssigkeit, mit der das vorzugsweise elektrisch geladene Aerosol beschleunigt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung eines tubulären Lithium-Luft-Akkumulators sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Lithiumschicht auf einem Substrat.
Lithium-Luft-Akkumulatoren bieten eine potentiell hohe Energiedichte, die diese insbesondere zur Speisung elektrischer Fahrzeugantriebe interessant macht. In einem solchen Akkumulator wird Lithium auf der Anodenseite oxidiert und das Lithiumion wandert durch einen Elektrolyten auf die Kathodenseite. Der Vorteil einer hohen Energiedichte ist insbesondere dadurch begründet, dass dem Akkumulator als Kathode Sauerstoff aus der Umgebungsluft zugeführt wird. Die Umgebungsluft stellt daher den Sauerstoffspeicher dar, der in die Berechnung der Energiedichte eines geladenen Lithium-Luft-Akkumulators nicht eingeht. Auf der Kathodenseite befindet sich ein Kathodensubstrat, das dazu eingerichtet ist, Lithiumionen, Elektronen und Sauerstoff zur Bildung von Li₂O bzw. Li₂O₂ zusammenzubringen, wodurch der Stromkreis mit einem elektrischen Verbraucher geschlossen wird.
Zur Herstellung eines Lithium-Luft-Akkumulators ist es erforderlich, auf einem Anodensubstrat eine Lithiumanode bereitzustellen. Zur Erzeugung einer Lithiumschicht ist es bekannt, eine polykristalline Schicht mittels Vakuumverdampfung, oder primärer oder sekundärer Ionenstrahlbeschichtung auf einem Substrat aufwachsen zu lassen.
Zur Führung der genannten Prozesse ist die Schaffung aufwändiger Prozessbedingungen, beispielsweise die Bereitstellung eines Fein- bis Hochvakuums, erforderlich. Eine Herstellung von Lithium-Luft-Akkumulatoren, die auf den genannten Verfahren beruht, ist daher wirtschaftlich ungünstig.
Es ist ferner bekannt, Lithium mit Hilfe von Plasmaspritzen abzuscheiden. Bei diesem Verfahren wird ein Lithiumdraht unter Edelgasumgebung einem Plasmabrenner zugeführt, der auf das Substrat gerichtet wird. Aufgrund der niedrigen Schmelztemperatur von Lithium und der hohen Aufprallenergie kommt es zu einer lamellenförmigen Struktur der abgeschiedenen Schicht, deren Adhäsion sehr gering ist.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Konzept zur Herstellung von Lithium-Luft-Akkumulatoren zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach Patentanspruch 14 gelöst.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Lithium-Luft-Akkumulators wird zur Herstellung der Anode des Akkumulators ein elektrisch leitfähiges Anodensubstrat bereitgestellt. Es wird ein Aerosol aus flüssigem Lithium erzeugt und in einem elektrischen Feld aufgeladen und beschleunigt. Die positiv oder negativ geladenen Aerosolbestandteile werden zur Herstellung einer Schicht mit Lithium auf das Anodensubstrat gerichtet. Vorzugsweise wird in dem Verfahren auf oder über die Lithiumschicht mittels Hochdrucksprühens ein Elektrolyt aufgebracht. Das Verfahren beinhaltet vorzugsweise ferner den Schritt des Anordnens eines Kathodensubstrats an, auf oder über dem Elektrolyt. Das Verfahren kann außerdem den Schritt des Überziehens der äußeren Oberfläche des Kathodensubstrats mit einer Schutzschicht aufweisen, die vorzugsweise feuchtigkeitsundurchlässig ist. Vorzugsweise erfolgt das Aufbringen der Schutzschicht auf das Kathodensubstrat mittels Ionenstrahlmischens.
Das Anodensubstrat kann flach, gewölbt oder wellig sein. Es kann eine quadratische, rechteckige oder runde Form aufweisen. Das Anodensubstrat kann eine Folie sein. Das Anodensubstrat ist vorzugsweise ein Rundkörper, beispielsweise ein Zylinder oder Hohlzylinder, ein Draht oder ein Rohr. Das Anodensubstrat ist elektrisch leitend und dient, mittelbar oder unmittelbar, der elektrischen Kontaktierung der Anode mit einem elektrischen Verbraucher. Das Anodensubstrat kann außerdem eine Trägerfunktion für die Anode oder einer Akkumulatoreinheit aus einer Anode, einem Elektrolyten und einer Kathode und gegebenenfalls weiteren Elementen ausüben. Das Anodensubstrat kann eine glatte oder raue Oberfläche aufweisen. Vorzugsweise weist ein rundes Substrat einen Durchmesser zwischen 0,5 und 5 mm auf. Das Substrat kann jedoch unabhängig von seiner sonstigen Gestalt auch dünner sein und beispielsweise eine Dicke von kleiner gleich 100 µm aufweisen. Das Substrat besteht vorzugsweise aus Nickel oder enthält Nickel. Es ist jedoch auch möglich, ein Substrat aus einem anderen Stoff wie beispielsweise Aluminiumfolie bereitzustellen. Das Aerosol weist feste und/oder flüssige Bestandteile, in jedem Falle aber Lithiumpartikel und/oder flüssige Lithiumtröpfchen und/oder Lithiumcluster auf. Das Aerosol ist vorzugsweise hinsichtlich der Größe der Aerosolbestandteile, vorzugsweise wenigstens hinsichtlich der Lithiumbestandteile, monodispers. Vorzugsweise besteht das Aerosol aus sehr feinen Lithiumtröpfchen. Die Lithiumbestandteile weisen vorzugsweise Durchmesser von weniger als 100 µm, besonders bevorzugt von weniger als 10 µm auf. Das Aerosol kann Siliziumnanopartikel enthalten. Die Siliziumnanopartikel weisen vorzugsweise einen Durchmesser von weniger als 100 nm, besonders bevorzugt von weniger als 10 nm auf. Die Siliziumnanopartikel sind vorzugsweise gleichmäßig im Aerosol verteilt. Trägergas des Aerosols ist vorzugsweise ein Edelgas, wobei es sich dabei besonders bevorzugt um Argon handelt. Das flüssige Lithium wird beispielsweise in eine Trägergasatmosphäre unter Ausbildung eines Aerosols gesprüht.
Zur Herstellung des Aerosols wird flüssiges Lithium, das gegebenenfalls Siliziumnanopartikel enthalten kann, zerstäubt. Das flüssige Lithium wird beispielsweise mittels Hochdrucksprühens zerstäubt. Für das Erzeugen des Aerosols kann eine Düse eingesetzt werden, der das Fluid unter hohem Druck zugeführt werden kann und aus der die Aerosolbestandteile mit hoher Geschwindigkeit ausströmen. Die Temperatur des flüssigen Lithiums, das zum Zerstäuben der Düse zugeführt wird, beträgt vorzugsweise weniger als 300°C. Vorzugsweise wird eine Ein-Stoff-Druckdüse eingesetzt, der die zu zerstäubende Flüssigkeit unter hohem Druck zugeführt wird. Es kann allerdings auch eine Zweistoff-Düse eingesetzt werden, der die zu zerstäubende Flüssigkeit praktisch drucklos zugeführt wird und der zusätzlich ein Zerstäubungsgas unter Druck zugeführt wird. Die Öffnung der Düse, aus der die Flüssigkeit aus der Düse zur Zerstäubung austritt, ist vorzugsweise kleiner als 0,2 mm. Besonders bevorzugt ist die Düsenöffnung kleiner oder gleich 0,05 mm.
Als aerosolerzeugende Düse kann eine Einspritzdüse verwendet werden, wie sie beispielsweise aus dem Verbrennungsmotorbau (z.B. der Common-Rail-Technik) bekannt ist. Eine solche Einspritzdüse weist einen Düsenkörper mit einem Spritzloch und einer Nadel auf, wobei die Nadel in dem Körper angeordnet ist und mit einer Feder unter Vorspannung gegen den Bereich des Körpers gedrückt wird, in dem sich das Spritzloch befindet. Die Feder bestimmt den Druck, bei dem die Nadel von dem Spritzloch zurückweicht und das Spritzloch freigibt. Es sich außerdem Einspritzdüsen bekannt, bei denen die Nadel gegen die Federkraft mit Hilfe eines Magnetfelds bewegt wird. Besonders bevorzugt wird zur Zerstäubung eine Hochdruckeinspritzdüse verwendet, wie beispielsweise aus dem Dieselmotorenbau bekannt. Derartige Düsen enthalten Piezoelemente zum Antrieb des Ventils, des Düsenverschlussglieds oder der Düsennadel. Die Piezoelemente einer solchen Hochdruckeinspritzdüse können mit einer Wechselspannung von beispielsweise zwischen 1000 und 10.000 Hz betrieben werden. Besonders bevorzugt ist eine Frequenz von 5000 Hz.
Unabhängig von der Ausführungsform der Düse wird das flüssige Lithium, das Siliziumnanopartikel enthalten kann, der Düse unter hohem Druck zugeführt. Der Druck der Flüssigkeit beträgt vor der Düsenöffnung vorteilhaft wenigstens 500 bar, vorzugsweise wenigstens 1000 bar und besonders bevorzugt wenigstens 2000 bar. Unabhängig von der Ausführungsform der Düse wird das flüssige Lithium vorzugsweise mit einer mechanischen Schwingung beaufschlagt. Die mechanische Schwingung weist vorzugsweise eine Frequenz zwischen 1000 und 10.000 Hz auf. Beispielsweise kann der Düse ein Ventil vorgeschaltet sein, das mit einer Frequenz von bis zu 10.000 Hz betrieben wird. Das Ventil kann beispielsweise eine Kombination aus einer Düsennadel und einer Düsenöffnung sein, oder das Ventil kann der Düsenöffnung vorgeschaltet sein. Das Ventil kann mit Piezoelementen zu betreiben sein.
Die Austrittsgeschwindigkeit des Aerosols aus der Düse ist vor allem durch die Druckdifferenz zwischen dem Druck vor der Düsenaustrittsöffnung und hinter der Düsenaustrittsöffnung bestimmt. Jedoch können auch Düseneigenschaften, wie beispielsweise die Oberflächenstruktur, die Führung des Düsenkanals oder die Kanalbreite oder die Größe der Düsenöffnung einen Einfluss auf die Austrittsgeschwindigkeit und/oder die Zerstäubung haben, der beispielsweise Geraden, Kurven und/oder Eckstücke enthalten kann. Vorzugsweise beträgt die Austrittsgeschwindigkeit des Aerosols bzw. der Flüssigkeit aus der Düse wenigstens 1000 m/s, besonders bevorzugt wenigstens 2000 m/s. Vorzugsweise haben alle Aerosolbestandteile nach dem Austritt aus der Düse dieselbe Geschwindigkeit.
Nach der Erzeugung des Aerosols werden Aerosolbestandteile elektrisch geladen. Vorzugsweise werden alle oder die überwiegende Anzahl Aerosolbestandteile elektrisch geladen. Vorzugsweise erhält jeder geladene Aerosolbestandteil die gleiche Ladung. Aerosolbestandteile können entweder positiv oder negativ geladen werden. Positives elektrisches Laden kann beispielsweise mit elektromagnetischen Wellen bzw. Photonen oder Stößen mit Elektronen oder Ionen erfolgen. Das elektrische Laden kann auch geschehen, indem bereits vorhandene geladene Bestandteile des Aerosols und/oder des Trägergases beispielsweise in einem elektrischen Feld beschleunigt werden und auf andere Aerosol- oder Gasbestandteile treffen. Dabei können weitere Ladungsträger freigesetzt werden, die dann wiederum beschleunigt werden und weitere Ladungsträger freisetzen können. In einem bevorzugten Verfahrensschritt werden insbesondere Lithiumbestandteile des Aerosols wenigstens einfach negativ geladen. Negatives elektrisches Laden kann durch Überlagern des Aerosols mit Elektronen, einer Elektronenwolke oder einem Elektronenstrahl erreicht werden. Die Elektronen können beispielsweise aus einer Elektronenquelle, deren Kathode beispielsweise nach dem Glühkathoden-, dem Feldemissions- oder dem Photoionisationsprinzip arbeitet, oder aus einem Plasma stammen. Die Elektronen können in einem elektrischen Feld beschleunigt werden und mit bestimmter Relativgeschwindigkeit und Ausbreitungsrichtung relativ zur Aerosolausbreitungsrichtung mit dem Aerosol überlagert werden. Vorzugsweise ist die Elektronenquelle bzw. das elektrische Feld so ausgerichtet, dass der Elektronenstrahl oder die Ausbreitungsrichtung der Elektronen quer zu dem Aerosolstrom bzw. -strahl ausgerichtet ist. Bei dem Aufladen von Aerosolbestandteilen kann beispielsweise auch das Prinzip der dielektrischen Barriereentladung oder der Koronaentladung angewendet werden.
Es wird ein elektrisches Feld bereitgestellt, in dem die geladenen Aerosolbestandteile beschleunigt werden. Zur Ausbildung des elektrischen Beschleunigungsfeldes kann beispielsweise das Anodensubstrat auf ein elektrisches Potential gelegt werden.
Der Aerosolstrahl wird auf das Anodensubstrat gerichtet. Das Anodensubstrat und der Aerosolstrahl können relativ zueinander bewegt werden. Beispielsweise kann das Anodensubstrat um eine Achse des Anodensubstratkörpers rotiert werden. Der Aerosolstrahl kann so gerichtet werden, dass die Ionen senkrecht auf die Oberfläche des Anodensubstrats auftreffen. Es kann jedoch auch ein anderer Auftreffwinkel festgelegt oder veränderbar eingerichtet sein. Vorzugsweise werden die Aerosolbestandteile gleichmäßig auf das Anodensubstrat aufgetragen. Auf diese Weise wird eine Schicht mit Lithium aufgetragen, deren Schichtdicke vorzugsweise zwischen 10 und 100 µm liegt. Durch die Beschleunigung der geladenen Aerosolbestandteile kann die Haftfestigkeit und die Porosität der Lithium-Schicht beeinflusst werden. Die Beschleunigungsspannung liegt vorzugsweise zwischen 200 und 300 Volt, besonders bevorzugt bei etwa 250 Volt. Dem Lithiumstrahl können andere Stoffe oder Elemente als Silizium beigemischt sein.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Schicht mit Lithium mit Hilfe eines Laserstrahls verdichtet. Das Verdichten der Schichten mit Hilfe eines Laserstrahls kann vor und/oder während des Abscheidens der Schicht erfolgen. Beispielsweise kann ein Aerosolstoß erzeugt werden, der auf das Anodensubstrat beschleunigt und dort abgeschieden wird, während die abgeschiedene Schicht mit einem Laser verdichtet wird. Nachdem das Verdichten abgeschlossen ist, wird ein neuer Aerosolstoß erzeugt und ebenfalls in Richtung Anodensubstrat beschleunigt.
Obwohl das Verfahren beispielsweise auch im Vakuum, beispielsweise in einer Vakuumkammer durchgeführt werden kann, werden in einer vorteilhaften Ausführungsform wenigstens das Zerstäuben und das Beschichten in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt. Die Schutzgasatmosphäre kann Edelgas, beispielsweise Argon enthalten. In einer vorteilhaften Ausführungsform beträgt der Druck der Schutzgasatmosphäre wenigstens 0,5 bar, wobei die Durchführung des Verfahrens bei atmosphärischem Druck besonders bevorzugt ist. Durch die Einströmung in die Schutzgasatmosphäre kann das Aerosol verlangsamt werden. Die Ionisation und Beschleunigung im elektrischen Feld kann zur Kompensation dieser Verlangsamung eingesetzt werden.
In dem Verfahren wird weiterhin vorzugsweise ein Elektrolyt mittels Hochdrucksprühens unmittelbar auf die Anodenschicht oder auf eine Zwischenschicht auf der Anodenschicht aufgebracht. Das Hochdrucksprühen des Elektrolyts kann mit einer Düse erfolgen. Vorzugsweise wird der Elektrolyt mit einer Hochdruckeinspritzdüse erzeugt. Für den Verfahrensschritt kann dieselbe Düse bzw. Hochdruckeinspritzdüse verwendet werden, die auch für das Auftragen der Schicht mit Lithium herangezogen wurde. Durch das Anordnen einer Zwischenschicht, die beispielsweise zwischen Anode und Elektrolyt angeordnet werden kann, kann beispielsweise der Ladungstransfer zwischen Anode und Elektrolyt verbessert werden und/oder die mechanische Stabilität der Anordnung unterstützt werden. Die aufgesprühte Elektrolytschicht weist vorzugsweise eine Schichtdicke zwischen 1 µm und 50 µm auf. Vorzugsweise weist der Elektrolyt eine Polymersuspension auf oder der Elektrolyt besteht aus einer solchen. Beispielsweise weist der Elektrolyt eine Polymersuspension mit Polyvinylidenfluorid (PVDF) und/oder Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropen (PVDF-HFP) als Trägermaterial auf. Die Polymersuspensionen können Lithiumsalze, wie beispielsweise Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆) und/oder Lithiumphosphatnitrid (Li₃PO₄N) enthalten. Der Elektrolyt kann aus einer oder mehreren verschiedenen polymeren Substanzen zusammengesetzt sein. Eine polymere Substanz kann beispielsweise für die strukturelle Stabilität sorgen, während die andere Polymere Substanz für die Ionenleitfähigkeit sorgt.
An die Elektrolytschicht wird unmittelbar oder mittelbar über eine Zwischenschicht ein Kathodensubstrat angeordnet. Das Kathodensubstrat kann beispielsweise eine Dicke von 10–100 µm haben. Das Anordnen einer Zwischenschicht zwischen Elektrolyt und Kathode kann beispielsweise dazu beitragen, die Kathode elektrochemisch an den Elektrolyten zu koppeln, und/oder die mechanische Stabilität der Verbindung zwischen Elektrolyt und Kathode fördern. Das Kathodensubstrat kann beispielsweise einen Schaum, ein Netz, Nanoröhren und/oder Gitter aus Kohlenstoff und/oder Metall aufweisen. Beispielsweise kann das Kathodensubstrat aus porösem Nickelschaum bestehen, dessen Poreninnenflächen mit Kohlenstoff beschichtet sind. Das Kathodensubstrat kann zusätzlich Stoffe, beispielsweise als Gitter oder Drähte, enthalten, die die elektrische Kontaktierung des Kathodensubstrats mit einem externen Verbraucher fördern. Die Oxidation in dem Kathodensubstrat kann beispielsweise durch Metall- oder Metalloxidkatalysatorpartikel gefördert werden. Es können auch Katalysatorpartikel aus einem Oxid verwendet werden, das eine Perowskitstruktur aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Kathodensubstrat Lithiumoxid (Li₂O), beispielsweise gepresstes Lithiumoxidpulver, verwendet. Das Lithiumoxid kann beispielsweise in eine rohrförmige oder flache Form gepresst sein und ist vorzugsweise der Elektrolytschichtform angepasst. Das Lithiumoxid kann an der Elektrolytschicht zu einem Kathodenmaterial verpresst werden. Vorzugsweise wird ein Rohr aus gepresstem Lithiumoxid um eine tubuläre bzw. zylindrische Anordnung von Anodensubstrat, Anode und Elektrolyt angeordnet. Dem Kathodensubstrat aus Lithiumoxid kann Katalysatormaterial beigemischt sein. Beispielsweise ist dem Lithiumoxid Perowskit-Pulver beigemischt. Es kann auch Edelmetallkatalysatormaterial beigemischt sein. Jedoch sind Perowskit-Oxid-Katalysatoren thermisch stabiler als Edelmetallkatalysatoren. Ein Anodensubstrat, die Schicht mit Lithium, die Elektrolytschicht und das Kathodensubstrat mit gegebenenfalls noch weiteren Bestandteilen, wie beispielsweise Zwischenschichten oder Strukturen zur Verbesserung der elektrischen Kontaktierung und/oder der mechanischen Stabilität, können miteinander zu einer Akkumulatorzelle verpresst werden.
Das Kathodensubstrat wird vorzugsweise mit einer Schutzschicht beschichtet. Vorzugsweise ist die Schicht für Sauerstoff durchlässig. Die Schutzschicht ist für bestimmte Stoffe undurchlässig. Die Schutzschicht ist beispielsweise undurchlässig für Wasser. Eine solche Feuchtigkeit abweisende Schutzschicht kann beispielsweise aus Polytetrafluorethylen (PTFE) bestehen, wobei eine Schicht aus expandiertem PTFE bevorzugt wird. Vorzugsweise beträgt die Dicke der Schutzschicht zwischen 100 nm und 2 µm.
Das Anodensubstrat, die Lithiumanodensicht, der Elektrolyt und das Kathodensubstrat sind Bestandteile einer Akkumulatoreinheit. Eine oder mehrere solcher Akkumulatoreinheiten, insbesondere tubuläre oder zylinderförmige Akkumulatoreinheiten, werden zur Herstellung eines Lithium-Luft-Akkumulators vorzugsweise in einem Gehäuse angeordnet. Erfindungsgemäß wird für das Gehäuse vorzugsweise eine Gaszufuhreinrichtung bereitgestellt. Es wird ferner eine Gasreinigungsvorrichtung in der Gaszufuhreinrichtung geschaffen. Über die Gaszufuhreinrichtung werden die Akkumulatoreinheiten bei Betrieb mit Sauerstoff oder einem Gasgemisch mit Sauerstoff versorgt. Das Gasgemisch wird mit der Gasreinigungsvorrichtung von ungewünschten Bestandteilen, wie beispielsweise Wasser gereinigt, die nicht in das Gehäuse gelangen sollen. In einer Ausführungsform werden die Akkumulatoreinheiten, insbesondere tubuläre Akkumulatoreinheiten in einem Gehäuse angeordnet, wobei das Gehäuse für den Betrieb mit reinem Sauerstoff aufgefüllt wird. Bei zu niedrigem Gehalt an ungebundenem Sauerstoff in dem Gehäuse kann reiner Sauerstoff nachgefüllt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung einer Lithiumschicht auf einem Anodensubstrat weist eine Quelle für flüssiges Lithium, eine Pumpe, eine Zerstäubungseinrichtung und eine Beschleunigungseinrichtung auf. Die Vorrichtung arbeitet, indem der Quelle mit Hilfe der Pumpe flüssiges Lithium entnommen und der Zerstäubungseinrichtung unter hohem Druck zugeführt wird. Zur Förderung des Lithiums ist die Pumpe mit ihrer Saugseite an die Quelle angeschlossen und speist über ihre Druckseite die Zerstäubungseinrichtung. Die Zerstäubungseinrichtung ist dazu eingerichtet, die zugeführte Flüssigkeit in ein Aerosol zu zerstäuben.
Die Quelle weist einen Behälter auf, der vorzugsweise druckfrei ist. Dem Behälter kann thermisch isoliert sein. An dem Behälter kann gegebenenfalls eine Heizung angeordnet sein, mit Hilfe derer dem Behälterinhalt Wärme zugeführt werden kann, beispielsweise um das Lithium zu schmelzen. Der Behälter kann außerdem weitere Zusatzstoffe, wie beispielsweise Silizium enthalten oder bereitstellen. Das Silizium kann wenigstens teilweise in Form von Siliziumnanopartikeln vorliegen. Der Behälter kann über eine Mischvorrichtung verfügen, mit Hilfe derer für eine gleichmäßige Durchmischung des Behälterinhalts gesorgt werden kann.
Die Pumpe ist dazu eingerichtet einen Druck von vorzugsweise wenigstens 1000 bar, besonders bevorzugt bis zu 2000 bar zu erzeugen. Die Pumpe arbeitet vorzugsweise druckpulsationsfrei. Insbesondere stellt die Pumpe während eines Zerstäubungsvorgangs Lithiumflüssigkeit vorzugsweise unter einem konstanten Druck bereit.
Die Zerstäubungseinrichtung weist eine Düse auf. Vorzugsweise ist der Zerstäubungseinrichtung ein Schwingungselement zugeordnet, wobei dem zur Düse strömenden Fluid mit Hilfe des Schwingungselements eine mechanische Schwingung aufgeprägt werden kann. Die Schwingungsfrequenz beträgt vorzugsweise wenigstens 1000 Hz, besonders bevorzugt etwa 5.000 Hz. Das Schwingungselement kann beispielsweise mit einem Aktuator mit einem Piezoelement betrieben werden, das mit Wechselspannung gespeist wird. In einer Ausführungsform kann vor der Düse in der Zuleitung zur Düse ein Ventil angeordnet sein, dessen Ventilverschlussglied mit hoher Frequenz geöffnet und geschlossen werden kann. Vorzugsweise wird das Ventilverschlussglied mit einer Frequenz von wenigstens 1000 Hz, besonders bevorzugt von etwa 5000 Hz zwischen einer Offen- und einer Schließstellung hin und her bewegt. Der Strömungsweg durch das Ventil kann auch periodisch verengt oder erweitert werden. Der Stellantrieb des Ventils kann Piezoelemente enthalten, die mit einer Wechselspannung gespeist werden. In der erfindungsgemäßen Zerstäubungseinrichtung kann beispielsweise eine Hochdruckeinspritzdüse mit einem Stellelement mit Piezoelementen, wie aus dem Verbrennungsmotorbau bekannt, eingesetzt werden. Die Zerstäubungseinrichtung kann eine Heizung enthalten, mit der die Lithiumflüssigkeit geheizt werden kann, die zu der Düse strömt.
Die Beschleunigungseinrichtung enthält eine Aufladungsvorrichtung für das Aerosol. Diese Aufladungsvorrichtung ist dazu eingerichtet, das Aerosol wenigstens teilweise elektrisch positiv und/oder negativ aufzuladen. Beispielsweise enthält die Vorrichtung zum elektrischen Aufladen eine Elektronenquelle und stellt zwischen Abzugselektroden ein elektrisches Abzugsfeld für die Elektronen bereit. Die Vorrichtung zum elektrischen Aufladen ist so angeordnet, dass das Aerosol durch die Elektronenwolke bzw. den Elektronenstrahl durchtritt, so dass Elektronen an Bestandteile des Aerosols angelagert werden. Vorzugsweise steht die Ausbreitungsrichtung der Elektronen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Aerosols.
Die Beschleunigungseinrichtung weist Beschleunigungselektroden auf, zwischen denen ein Beschleunigungsfeld erzeugt werden kann, in dem das geladene Aerosol beschleunigt wird. Die dazu genutzte Beschleunigungsspannung beträgt vorzugsweise zwischen 200 V und 300 V, wobei eine Beschleunigungsspannung von 250 V besonders bevorzugt ist. Die Vorrichtung zur Erzeugung einer Lithiumschicht auf einem Anodensubstrat enthält vorzugsweise eine Halter für ein Anodensubstrat. Die Düse und die Beschleunigungseinrichtung sind so ausgerichtet, dass der Aerosolstrahl auf das Anodensubstrat gerichtet werden kann. Zur Ausbildung eines Beschleunigungsfeldes kann beispielsweise das Anodensubstrat oder der zu der Vorrichtung zur Erzeugung einer Lithiumschicht gehörende Anodensubstrathalter mit einem Pol einer Gleichspannungsquelle elektrisch verbindbar sein.
Die Vorrichtung ist vorzugsweise in einem dichten Behälter angeordnet, das über eine Gaszufuhr und/oder ein Gasventil verfügt, über das dem Behälter ein Schutzgas, bevorzugt Argon, zugeführt werden kann. Der Behälter kann über eine Heizung verfügen.
Die Zerstäubungseinrichtung zur Herstellung eines Lithiumaerosols ist vorzugsweise auch dazu eingerichtet, ein Elektrolyt in ein Elektrolytaerosol zu zerstäuben. Der Zerstäubungseinrichtung kann für diesen Fall ein Elektrolytbehälter zugeordnet sein, in dem eine Flüssigkeit mit Elektrolytmaterial bereitgestellt werden und der Zerstäubungseinrichtung zugeführt werden kann. Die Beschleunigungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, dass Elektrolytaerosol elektrisch aufzuladen und in Richtung zu dem mit Lithium beschichteten Anodensubstrat zu beschleunigen.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung. Die Zeichnung ist ergänzend heranzuziehen. Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung nachfolgend erläutert. Die Zeichnung ergänzt die Beschreibung.
Es zeigen in schematischer Darstellung:
1 Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 Eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Akkumulatoreinheit,
3 Eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
1 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren 10 zur Herstellung eines Akkumulators in schematischer Darstellung. Es wird außerdem auf 2 Bezug genommen, die eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Akkumulatoreinheit 100 zeigt. Das Verfahren 10 beinhaltet den Schritt des Bereitstellens 12 eines Anodensubstrats 102, das elektrisch leitfähig ist und bei dem es sich beispielsweise um einen Nickeldraht handeln kann. Das Anodensubstrat kann bereits mit einer Lithiumschicht beschichtet sein. Der Nickeldraht 102 kann drehbar um seine Mittelachse gelagert bereitgestellt werden, wie dies in der Figur mit einem Pfeil dargestellt ist.
Es wird Lithium verflüssigt oder flüssiges Lithium bereitgestellt. In der beispielhaften Ausführungsform enthält das Lithium Siliziumnanopartikel. In der Ausführungsform wird das flüssige Lithium mit hohem Druck von etwa 2000 bar und mit einer mechanischen Schwingung von 5000 Hz beaufschlagt und durch eine Düse in eine Argon-Atmosphäre bei einem Druck von 1 atm zu einem Aerosol zerstäubt 14. Es wird ein hinsichtlich der Größe der Lithiumtröpfchen monodisperser Aerosolstrahl erzeugt, wobei das Aerosol eine Austrittsgeschwindigkeit aus der Düse von 2000 m/s erhält.
Es werden freie Elektronen bereitgestellt. Es wird ein Abzugsfeld bereitgestellt, in dem die Elektronen eine bestimmte (mittlere) kinetische Energie erhalten und gebündelt werden, so dass ein Elektronenstrahl erzeugt wird. Der Elektronenstrahl wird in der hier beschriebenen Ausführungsform mit dem Aerosolstrahl überlagert, wobei die Ausbreitungsrichtungen des Aerosolstrahls und es Elektronenstrahls senkrecht aufeinander stehen. In der Überlagerungszone werden Aerosolbestandteile durch Anlagerung eines oder mehrere Elektronen negativ aufgeladen. Dabei können sich ein oder mehrere von der Quelle stammende Primärelektronen und/oder durch Elektronenstoßionisation des Trägergases bzw. des Aerosols entstandene Sekundärelektronen an einen Aerosolbestandteil anlagern und es elektrisch laden 16.
Es wird ein Beschleunigungsfeld bereitgestellt. In dem Beschleunigungsfeld wird der Strahl aus geladenen Aerosolbestandteilen in Richtung zu dem Anodensubstrat beschleunigt 18. Die Beschleunigungsspannung beträgt etwa 250 V. Gegebenenfalls wird der Strahl in dem Feld gebündelt und/ oder abgelenkt.
Beschleunigte Aerosolbestandteile treffen auf das Anodensubstrat und werden dort abgeschieden 20. Der Nickeldraht wird während des Abscheidungsprozesses um seine Mittelachse rotiert, wodurch eine gleichmäßige Lithiumschicht mit in ihr gleichmäßig verteilten Siliziumnanopartikeln entsteht. Die Aerosolbestandteile haften auf dem Anodensubstrat bzw. auf der bereits abgeschiedenen Schicht. In der beschriebenen Ausführungsform wird die abgeschiedene Schicht mit gepulstem Laserlicht verdichtet 22. Bei dem Beschichtungs- und Verdichtungsprozess 20, 22 entsteht auf dem Anodensubstrat 102 in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel eine feste Lithium-Silizium-Schicht 104 wie in 2 dargestellt, die beispielsweise einer Schichtdicke von 50 µm aufweist.
In einem nächsten Schritt wird eine Schmelze eines Elektrolyts bereitgestellt. Dabei kann es sich beispielsweise um geschmolzenes Polyvinylidenfluorid oder Polyvinylidenfluorid-Hexafluoropropen mit darin enthaltenem Lithiumhexafluorophosphat und/oder Lithiumphosphatnitrid handeln. Die Schmelze wird der Düse, die zuvor zur Zerstäubung des Lithiums verwendet wurde, unter ebenfalls hohem Druck von etwa 2000 bar zugeführt und ebenso mit einer mechanischen Schwingung von etwa 5000 Hz beaufschlagt. Der Elektrolyt wird in ein Aerosol zerstäubt und kann ebenso wie das Lithium-Aerosol ionisiert und beschleunigt werden. Das Aerosol wird auf den um seine Mittelachse rotierenden Nickeldraht rotiert und auf diese Weise wird eine gleichmäßige Elektrolytschicht auf die Anodenschicht abgeschieden 24. Es entsteht eine Elektrolytschicht 106 mit einer Schichtdicke von etwa 10 µm, wie in 2 schematisch dargestellt. Der Abscheidevorgang kann seinerseits in mehrere Teilschritte unterteilt sein, so dass eine mehrschichtige Elektrolytschicht entsteht. Teilschichten einer mehrschichtigen Elektrolytschicht 106 können ebenfalls aufgesprüht oder durch ein anderes Auftragungsverfahren aufgebracht werden.
Zur Bildung eines Kathodensubstrats 108 werden zwei Halbschalen bereitgestellt. Jede Halbschalen besteht aus gepresstem Lithiumoxid, dass mit perowskitischen Oxiden versetzt ist, die die Reduktion des Sauerstoffs katalysieren. Das perowskitische Oxid, beispielsweise Lanthan Strontium Kobalt Oxid (LSCO), kann als Nanoteilchen oder Nanodrähte in den Kathodensubstrathalbschalen vorhanden sein. Die Kathodensubstratteile können Drähte, Gitter oder Netze aus vorzugsweise leitfähigem Material enthalten. Die Halbschalen werden um die tubuläre Anordnung von Anodensubstrat, Lithium-Schicht und Elektrolytschicht angeordnet 26. Die Teile dieser Anordnung können miteinander, gegebenenfalls unter zusätzlicher Wärmeeinwirkung, verpresst werden. Das Kathodensubstrat weist vorzugsweise eine Dicke von 50–200 µm auf. Um die Anordnung kann ein Rahmen oder eine Ummantelung, beispielsweise ein Metallrahmen, angeordnet werden, der mit der Anordnung verpresst wird. Der Rahmen bzw. die Ummantelung kann der Akkumulatoreinheit Stabilität verleihen und/oder der elektrischen Kontaktierung dienen. Der Rahmen bzw. die Ummantelung ist vorzugsweise Sauerstoffdurchlässig und weißt dazu Öffnungen auf.
Die außenliegende Oberfläche des Kathodensubstrats, gegebenenfalls auch nur der durch Ummantelungsöffnungen freiliegende Teil der Oberfläche, wird in einem nächsten Verfahrensschritt mittels Ionenstrahlmischens mit einer Schutzschicht überzogen 28. Die Schutzschicht 110 ist in diesem Ausführungsbeispiel aus expandiertem Polytetrafluorethylen und weist eine Schichtdicke von 1 µm auf.
Ein oder mehrere der Akkumulatoreinheiten 100 können in einem Akkumulatorgehäuse 112 angeordnet werden, das luftdicht, insbesondere feuchtigkeitsdicht ist und über eine Gaszufuhrvorrichtung 114 verfügt, über die dem Gehäuse reiner Sauerstoff oder von Feuchtigkeit befreite Luft zugeführt werden kann. Für diesen Fall kann auf die Schutzschicht 110 verzichtet werden.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 200 zur Erzeugung einer Lithiumschicht auf einem Anodensubstrat. Durch die Darstellung und die Beschreibung der 3 werden außerdem vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ersichtlich.
Die Vorrichtung 200 weist eine Lithiumquelle 202 auf, die Lithium und Siliziumnanopartikel enthält. Die Lithiumquelle verfügt über eine Quellenheizung 204, mit Hilfe derer das Lithium verflüssigt werden kann. Über eine erste Leitung 206 ist die Lithiumquelle 202 mit der Saugseite einer ersten Hochdruckpumpe 208 verbunden. Die Hochdruckpumpe ist in der Lage einen Druck von 2000 bar an ihrer Druckseite zu erzeugen. Mit der Druckseite ist die Pumpe 208 an eine zweite Leitung 210 angeschlossen. Die zweite Leitung für auf eine Ventilanordnung 212. Der Vorrichtung 200 ist außerdem eine Elektrolytquelle 214 zugeordnet, die über eine Elektrolytquellenheizung 216 verfügt, mit welcher Elektrolytsubstanz in der Elektrolytquelle 214 verflüssigt werden kann. In die Elektrolytquelle 214 reicht eine dritte Leitung 218, die mit einer zweiten Hochdruckpumpe 220 verbunden ist. Die Druckseite der zweiten Hochdruckpumpe 220 ist mit einer vierten Leitung 222 verbunden, die zur Ventilanordnung 212 führt. Von der Ventilanordnung führt ein Leitungsstück in das Gehäuse 224 der Vorrichtung 200, in eine Zerstäubungseinrichtung 226 bis zu einem Hochfrequenzventil 228. Das Ventilverschlussglied 230 des Hochfrequenzventils 228 wird über eine Stapel 232 von Piezoelementen angetrieben. Das Ventilverschlussglied 230 kann über einen Wechselspannungsgenerator 234 mit Wechselspannung gespeist werden. Das Hochfrequenzventil 228 ist dazu eingerichtet, den Strömungsweg von dem Leitungsstück in eine Düsenleitung 236 mit hoher Frequenz freizugeben und zu verschließen. Die Düsenleitung 236 und die Düse ist mit einer Heizung 238 heizbar, die über eine Leistungsversorgung (nicht dargestellt) verfügt. Die Düsenleitung mündet in eine Düse 240.
In dem Gehäuse 224 hinter der Zerstäubungseinrichtung 226 ist eine Aufladungseinrichtung 242 angeordnet. Diese kann plattenförmige Elektroden enthalten und nach dem Prinzip der dielektrischen Barriereentladung (auch stille elektrische Entladung genannt) arbeiten. Die Aufladungseinrichtung 242 kann nach einem anderen bekannten Prinzip dazu eingerichtet sein, negative Ladungen auf Aerosolbestandteile aufzubringen oder Aerosolbestandteile positiv zu laden und geladene Aerosolbestandteile zu extrahieren. Die Aufladungseinrichtung 242 weist eine Generatoreinheit 244 zur Generation eines elektrischen Feldes beispielsweise zur Erzeugung eines Plasmas, zum Abzug von Elektronen und/oder zur Extraktion der geladenen Aerosolbestandteile auf. Die Aufladungseinrichtung 242 kann eine Elektronenquelle, ein Abzugsfeld und/oder ein Beschleunigungs- bzw. Extraktionsfeld für die Elektronen bzw. Ionen, Extraktionsgitter, eine HF-Spule, dünne Elektroden zur Koronaentladung, eine Lichtquelle oder dergleichen aufweisen.
In dem Gehäuse 224 in Aerosolstrahlrichtung hinter der Aufladungseinrichtung 242 ist eine Blende 246 angeordnet, die in ihrer Mitte über eine Öffnung verfügt. Hinter der Blende 246 ist ein Substrathalter 248 angeordnet, der dazu eingerichtet ist ein Anodensubstrat 250, im Ausführungsbeispiel ein rundes Substrat in Form eines Drahtstücks, zu halten. Mit Hilfe des Substrathalters 248 kann das Anodensubstrat 250 gehalten, gedreht, verschoben und/oder auf andere Art bewegt werden. Die Anordnung aus Blende 246 und Substrathalter 248 ist mit einem Gleichspannungsgenerator 252 verbunden, mit Hilfe dessen die Blende 246 auf gegenüber dem Substrathalter 252 negatives Potential gelegt werden kann. Die gesamte Potentialdifferenz, die die Ionen auf ihrem Weg zum Anodensubstrat durchlaufen, beträgt 250 V. Die Aufladungseinrichtung 242, die Blende 246 und der Substrathalter 248, zwischen denen ein elektrisches Beschleunigungsfeld ausgebildet ist, bilden eine Beschleunigungseinrichtung der Vorrichtung 200 zur Erzeugung einer Lithiumschicht.
Die Vorrichtung 200 weist eine Argonversorgungseinrichtung 254 auf, die über eine Argonleitung 256 und einen Druckregler 258 mit dem Inneren des Gehäuses 224 verbunden ist. Mit Hilfe des Druckreglers wird der Druck in dem Gehäuse auf 1 atm eingestellt. Die Argonversorgungseinrichtung ist außerdem dazu eingerichtet das Argongas im Inneren des Gehäuses zu reinigen und auszutauschen. Über eine Heizung 260 kann das Innere des Gehäuses geheizt werden.
Eine bewegliche Lasereinheit 262 ist dazu eingerichtet Laserpulse zu generieren und auf das Anodensubstrat 250 einzustrahlen.
Die Vorrichtung 200 verfügt über eine Steuereinheit 264, mit der sich alle Einrichtungen, Regler, Pumpen und Ventile der Vorrichtung steuern lassen.
Die Vorrichtung arbeitet 200 wie folgt:
Durch die Ventilanordnung 212 wird der Leitungsweg 210, 236 von der ersten Hochdruckpumpe 208 zur Düse 238 freigegeben. Das Anodensubstrat 250 wird mit Hilfe des Substrathalters 246 um die Längsachse des Anodensubstrats 250 rotiert. Die erste Hochdruckpumpe 208 fördert ein Gemisch aus flüssigem Lithium und Siliziumnanopartikel in die Zerstäubungseinrichtung 226. Die Piezoelemente 232 des Ventilverschlussgliedes 230 werden mit einer Rechteckspannung von 5 kHz angesteuert. Auf diese Weise wird dem durch die Zerstäubungseinrichtung 226 strömendem Fluid eine mechanische Schwingung aufgeprägt. Das Fluid verlässt die Zerstäubungseinrichtung 226 durch die Düse 240 und zerfällt in ein Aerosol mit Argon als Trägergas. Das Aerosol tritt in die Aufladungseinrichtung 242 ein und Aerosolbestandteile werden dort durch Elektronenanlagerung negativ aufgeladen und in einem elektrischen Feld beschleunigt.
Durch die Blende 246 gelangen Aerosolbestandteile in das zwischen Blende 246 und Substrathalter 248 bestehende elektrische Feld und negativ geladene Aerosolbestandteile werden in dem elektrischen Feld in Richtung zu dem rotierenden Substrathalter 248 weiter beschleunigt. Auf diese Weise wird eine Lithium-Silizium-Schicht auf dem Anodensubstrat 250 abgeschieden, die anschließend mit Laserpulsen von der Lasereinheit 262 verdichtet wird.
Nach der Verdichtung wird der Strömungsweg 210, 236 für das Lithium-Fluid durch die Ventilanordnung 212 gesperrt. Die Aufladungseinrichtung 242 und die Beschleunigungseinrichtung mit der Spannung zwischen Blende 246 und Substrathalter 248 werden abgeschaltet.
Die zweite Hochdruckpumpe 220 fördert anschließen flüssige Elektrolytsuspension durch die Ventilanordnung 212 und die Düsenleitung 236 zur Düse, wo das Elektrolytfluid in ein Aerosol zerfällt und auf die Schicht mit Lithium und Silizium abgeschieden wird.
Die Vorrichtung 200 kann noch weitere Einrichtungen, beispielsweise zur Anordnung eines Kathodensubstrats um die Elektrolytschicht und zum Verpressen der Akkumulatoreinheit aufweisen.

Das erfindungsgemäße Verfahren 10 beinhaltet das Aufsprühen einer Lithiumanode auf ein Anodensubstrat 20, wobei hierfür vorzugsweise eine Düse zum Zerstäuben von flüssigem Lithium verwendet wird, dem noch weitere Stoffe oder Elemente beigemischt sein können. Vorzugsweise wird auf die Lithiumanode ein Elektrolyt aufgesprüht 24 und an der Elektrolytschicht ein Kathodensubstrat angeordnet 26. Die Anordnung aus Anodensubstrat, Lithiumschicht, Elektrolyt und Kathodensubstrat ist vorzugsweise zylinderförmig oder tubulär. Es wird eine Vorrichtung 200 zur Erzeugung einer Lithiumschicht auf einem Anodensubstrat bereitgestellt, die eine Zerstäubungseinrichtung 226 aufweist, die vorzugsweise ein piezokristallgetriebenes Ventilverschlussglied 230 des Ventils 228 aufweist, durch das Lithiumflüssigkeit zu einer Düse 240 strömt. Die Vorrichtung 200 enthält eine Beschleunigungseinrichtung für die zerstäubte Flüssigkeit, mit der das vorzugsweise elektrisch geladene Aerosol beschleunigt werden kann. Bezugszeichenliste:

10	Verfahren
12	Bereitstellen eines Anodensubstrats
14	Erzeugen eines Aerosols mit Lithium
16	Elektrisches Laden des Aerosols
18	Beschleunigen Aerosols
20	Beschichten des Anodensubstrats
22	Verdichten der Schicht
24	Aufsprühen eines Elektrolyts
26	Anordnen eines Kathodensubstrats an dem Elektrolyt
28	Beschichten des Kathodensubstrats mit einer Schutzschicht
30	Anordnen der Akkumulatoreinheit in einem Gehäuse
100	Akkumulatoreinheit
102	Anodensubstrat/Nickeldraht
104	Lithium-Silizium-Schicht
106	Elektrolytschicht
108	Kathodensubstrat
110	Schutzschicht
112	Akkumulatorgehäuse
114	Gaszufuhrvorrichtung
200	Vorrichtung zur Erzeugung einer Lithiumschicht
202	Lithiumquelle
204	Quellenheizung
206	Erste Leitung
208	Ersten Hochdruckpumpe
210	Zweite Leitung
212	Ventilanordnung
214	Elektrolytquelle
216	Elektrolytquelleheizung
218	Dritte Leitung
220	Zweite Hochdruckpumpe
222	Vierte Leitung
224	Gehäuse
226	Zerstäubungseinrichtung
228	Hochfrequenzventil
230	Ventilverschlussglied
232	Stapel
234	Wechselspannungsgenerator
236	Düsenleitung
238	Heizung
240	Düse
242	Aufladungseinrichtung
244	Generator
246	Blende
248	Substrathalter
250	Anodensubstrat
252	Gleichspannungsgenerator
254	Argonquelle
256	Argonleitung
258	Druckregler
260	Heizung
262	Lasereinheit
264	Steuereinheit

Claims

Verfahren (10) zur Herstellung eines tubulären Lithium-Luft Akkumulators, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: – Bereitstellen eines elektrisch leitfähigen Anodensubstrats (12), – Erzeugen eines Aerosols mit flüssigem Lithium (14), – Elektrisches Laden des Aerosols (16) und Beschleunigen in einem elektrischen Feld zur Ausbildung eines Aerosolstrahls (18) und – Beschichten des Anodensubstrats mit dem Aerosolstrahl mit einer Anodenschicht mit Lithium (20).
Verfahren (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aerosol mit einer Düse erzeugt wird, der flüssiges Lithium unter hohem Druck von wenigstens 500 bar, vorzugsweise von wenigstens 1000 bar, besonders bevorzugt von wenigstens 2000 bar zugeführt wird.
Verfahren (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Lithium vor Austritt aus der Düse mit einer mechanischen Schwingung zwischen 1000 Hz und 10.000 Hz beaufschlagt wird.
Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aerosol nach dem Austritt aus der Düse eine Geschwindigkeit von wenigstens 1000 bis 2000 m/s aufweist.
Verfahren (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aerosol elektrisch negativ geladen wird.
Verfahren (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, das weiterhin den Schritt aufweist – Hochdrucksprühen einer Elektrolytschicht auf die Anodenschicht (24).
Verfahren (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt Polymersuspensionen mit Polyvinylidenfluorid (PVDF) und/oder Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropen (PVDF-HFP) aufweist.
Verfahren (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymersuspensionen Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆) und/oder Lithiumphosphatnitrid (Li₃PO₄N) enthalten.
Verfahren (10), nach einem der Ansprüche 6–8, das weiterhin den Schritt aufweist – Anordnen eines Kathodensubstrats an dem Elektrolyt (26).
Verfahren (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Li₂O ein perowskitisches Oxid als Katalysatormaterial zugemischt ist.
Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 9–10, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Oberfläche des LiO₂-Rohres mit einer Schutzschicht, vorzugsweise unter Verwendung von Ionenstrahlmischen, beschichtet wird (28).
Verfahren (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einer Schutzgasatmosphäre mit einem Druck von wenigstens 0,5 bar, vorzugsweise bei atmosphärischem Druck, durchgeführt wird.
Verfahren (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, das weiterhin die Schritte aufweist: – Anordnen des Anodensubstrats mit der Anodenschicht in einem Gehäuse, – Bereitstellen einer Gaszufuhreinrichtung zur Gaszufuhr in das Gehäuse, – Bereitstellen einer Gasreinigungseinrichtung in der Gaszufuhreinrichtung.
Vorrichtung (200) zur Erzeugung einer Lithiumschicht auf einem Anodensubstrat mit – einer Quelle (202), die flüssiges Lithium bereitstellt, in dem nanokristalline Siliziumpartikel oder keine nanokristallinen Siliziumpartikel enthalten sind, – einer Pumpe (208), deren Saugseite an die Quelle (202) angeschlossen ist und die eine Druckseite aufweist, – mit einer Zerstäubungseinrichtung (226), die von der Pumpe (208) gespeist wird und die dazu eingerichtet ist, die zugeführte Flüssigkeit in ein Aerosol zu zerstäuben, – und mit einer Beschleunigungseinrichtung (242, 246, 248) zum Beschleunigen der Aerosolbestandteile, damit die Aerosolbestandteile mit hoher Geschwindigkeit auf das Anodensubstrat auftreffen, um dort zu kristallisieren.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zu der Zerstäubungseinrichtung (226) ein Ventil gehört, das ein Ventilverschlussglied (230) aufweist, wobei das Ventilverschlussglied (230) mit einer Frequenz von wenigstens 1000 Hz, vorzugsweise etwa 5000 Hz, zwischen einer Offen- und einer Schließstellung hin und her bewegt wird.