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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Handhaben eines mit wenigstens einer Lithiumoberfläche versehenen Substrats. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Halbzeug für ein Bauteil, das ein derartiges Substrat aufweist.
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Stand der Technik
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Bei verschiedensten Anwendungen werden Substrate mit Lithiumoberflächen versehen und im Rahmen eines Prozesses gehandhabt, oder werden aus Lithium geformte Substrate gehandhabt.
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Das Dokument
DE 10 2014 226 394 A1 , beispielsweise, beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen. Bei einem derartigen Verfahren wird eine elektrochemisch aktive Beschichtung vor einem Wickel- oder Schneidevorgang mit einem Elektrolyten oder einer Hilfsflüssigkeit kontaktiert.
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Bei einer Handhabung von derartigen Substraten, insbesondere bei einem Transport von derartigen Substraten, ist insbesondere dem Beachtung zu schenken, dass Lithium an einer Vielzahl von Oberflächen anhaftet. Daher ist es bekannt, derartige Oberflächen mit einem Kontaktschutz zu versehen.
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Beispielsweise kann hier das Auftragen von Silikonöl genannt werden oder das Aufbringen eines auch als Separatorpapier bezeichneten Trennpapiers. Ferner können derartige Substrate mit einem lithiumfreien Handhabungsbereich versehen werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Handhaben eines mit wenigstens einer Lithiumoberfläche versehenen Substrats, aufweisend die Verfahrensschritte:
- a) Bereitstellen des Substrats mit wenigstens einer Lithiumoberfläche;
- b) Aufbringen von Abstandshaltern auf die Lithiumoberfläche; und
- c) Transportieren des Substrats.
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Ein derartiges Verfahren kann gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik signifikante Vorteile bieten.
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Das vorbeschriebene Verfahren dient insbesondere dem Handhaben eines mit wenigstens einer Lithiumoberfläche versehenen Substrats. Somit kann insbesondere ein derartiges Substrat gehandhabt werden, das lediglich eine Oberfläche aus Lithium aufweist, also zumindest teilweise aus metallischem Lithium geformt ist, oder wobei das gesamte Substrat aus Lithium geformt sein kann. Ein Handhaben des Substrats kann grundsätzliches jegliches Weiterverarbeiten des Substrats umfassen, so dass das Substrat etwa ein fertiges Bauteil sein kann, welches transportiert werden soll, oder dass das Substrat ein Halbzeug sein kann, welches zu einem fertigen Bauteil weiterverarbeitet werden kann und dabei ebenfalls transportiert wird. Somit ist ein Transport ein Merkmal des Handhabens gemäß des vorbeschriebenen Verfahrens, wie dies nachfolgend detailliert beschrieben ist.
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Das Verfahren umfasst daher gemäß Verfahrensschritt a) zunächst das Bereitstellen des Substrats mit wenigstens einer Lithiumoberfläche, wie dies vorstehend beschrieben ist.
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Gemäß Verfahrensschritt b) umfasst das Verfahren das Aufbringen von Abstandshaltern auf die Lithiumoberfläche. Somit wird insbesondere eine Vielzahl von einander getrennter Abstandshalter aufgebracht, wobei die Abstandshalter etwa als Partikel ausgestaltet sind. Derartige Abstandshalter sind insbesondere inert und reagieren nicht mit der Lithiumoberfläche oder beschädigen diese unzulässig derart, dass durch die Beschädigung beziehungsweise Wechselwirkung das Arbeiten der Lithiumoberfläche signifikant verschlechtert oder gar verhindert wird durch eine Veränderung der Oberfläche. Besonders bevorzugt kann das Substrat ein solches sein beziehungsweise für eine derartige Verwendung vorgesehen sein, dass die inerten Abstandshalter auf der Lithiumoberfläche verbleiben können, da sie den Betrieb des Bauteils nicht oder nicht wesentlich verschlechtern oder stören.
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Bezüglich der Abstandshalter kann insbesondere eine Vielzahl von Abstandshaltern aufgebracht werden, die beispielsweise eine vergleichsweise geringe Größe aufweisen und dabei etwa zu einer begrenzten Oberflächenbedeckung von größer oder gleich 10% bis kleiner oder gleich 80%, beispielsweise von größer oder gleich 20% bis kleiner oder gleich 50% führen, um so die Oberfläche nur begrenzt zu verändern beziehungsweise zu bedecken. Die Oberflächenbedeckung kann etwa detektierbar sein durch die Auswertung der gemittelten bedeckten Flächen in einer REM-Aufnahme.
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Gemäß Verfahrensschritt c) erfolgt im Weiteren ein Transportieren des Substrats, insbesondere als Handhabungsschritt.
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Durch das Aufbringen der Abstandshalter kann bei einem Transport des Substrats ein direkter Kontakt zwischen einem Transportmittel beziehungsweise einem Handhabungsmittel und der Lithiumoberfläche verhindert werden. Dadurch kann weiterhin ein Anhaften der Lithiumoberfläche an dem Handhabungsmittel beziehungsweise an dem Transportmittel verhindert werden. Dies erlaubt es, das Substrat mit der Lithiumoberfläche ohne Beschädigung der Lithiumoberfläche zu transportieren. Auch wird die Verschmutzung von Handhabungsmitteln und Transportmitteln durch beim Kontakt übertragenes Lithium verhindert.
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Beispielhaft für Handhabungsmittel beziehungsweise Transportmittel sind etwa zu nennen Greifer, um das Substrat zu verlagern beziehungsweise zu transportieren, etwa im Sinne eines auch als „pick and place“ bezeichneten Vorgangs, oder aber Walzen, auf denen das Substrat mit der Lithiumoberfläche verfahren werden kann.
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Die Abstandshalter dienen somit als Mittel, welches eine negative Beeinflussung der Lithiumoberfläche während des Transports verhindert und sich bei der späteren Verwendung insbesondere inert verhält.
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Dabei bietet ein vorbeschriebenes Verfahren ferner signifikante Vorteile gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen.
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Denn bei einem Verwenden von Abstandshaltern kann es verhindert werden, dass diese anschließend entsorgt werden müssen, wie dies unter Umständen bei Separatorpapieren notwendig werden kann, insoweit diese nicht rezykliert werden können.
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Darüber hinaus kann sich der Vorteil bieten, wonach die Abstandshalter inert sind und somit auf der Oberfläche verbleiben können. Dadurch kann ein aufwändiges Notwendig werden eines Abtrennens der Abstandshalter entfallen, was den Herstellungsprozess vereinfachen und kostengünstiger gestalten kann, da auf diesen teils sehr aufwändigen Verfahrensschritt vollständig verzichtet werden kann.
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Darüber hinaus können die Lithiumsubstrate derart geformt werden, wie dies geeignet scheint und es brauchen bezüglich einer Handhabung keine Einschränkungen vorliegen. Beispielsweise ist es nicht notwendig, lithiumfreie Handhabungsbereiche, wie etwa umlaufende Bereiche an dem Substrat beziehungsweise der lithiumhaltigen Oberfläche zu belassen, welche entsprechend für eine Handhabung verwendbar sind. Auch dies kann das Verfahren vereinfachen und ferner Vorteile bei der weiteren Verwendung bieten. Beispielsweise kann bei der Verwendung des Substrats als Elektrode ein Dendritwachstum beziehungsweise eine Kurzschlussgefahr durch das Vorsehen derartiger Abstandshalter verhindert werden.
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Bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass die Verfahrensschritte b) und c) umfassen das Transportieren eines Substrats durch ein Bad, in welchem Abstandshalter angeordnet sind. In dieser Ausgestaltung kann auf besonders einfache Weise beispielsweise durch das Dispergieren der Abstandshalter in dem Bad, welches beispielsweise ein organisches oder ein anderes Lösungsmittel aufweisen kann, die Abstandshalter bei einem Transport des Substrats durch das Bad an dem Substrat beziehungsweise seiner Lithiumoberfläche anhaften. Dabei kann ein in dem Bad vorhandenes Mittel, wie etwa ein Lösungsmittel, als Haftmittel dienen. Die durch die Abstandshalter ermöglichte Oberflächenbedeckung kann dabei etwa gesteuert werden durch die Anzahl der in dem Bad etwa dispergierten Abstandshalter, wobei die Anzahl beziehungsweise Konzentration von dem Anwendungsgebiet abhängt und von dem Fachmann problemlos frei wählbar ist.
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Ferner kann das Substrat bei dem Eintauchen in das Bad bereits eine Lithiumoberfläche aufweisen, oder diese erst in dem Bad erhalten. Diesbezüglich kann besonders bevorzugt sein, dass Verfahrensschritt a) umfasst eine elektrochemische Lithiumabscheidung auf einem Substrat in einem Elektrolytbad, wobei Verfahrensschritt b) umfasst das Einbringen der Abstandshalter in das Elektrolytbad und wobei Verfahrensschritt c) umfasst das Transportieren des Substrats durch das Elektrolytbad. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann das vorbeschriebene Verfahren von Vorteil sein.
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Denn in dieser Ausgestaltung kann ein beispielsweise lithiumfreies Substrat problemlos in ein Elektrolytbad geführt werden, wobei in dem Elektrolytbad eine Lithiumabscheidung stattfindet. Grundsätzlich kann somit ein Lithiumsubstrat, etwa Lithiumband, oder ein lithiumfreies Substrat, welches lithiiert werden soll, durch das Bad gezogen werden und durch dieses hindurch beziehungsweise aus diesem heraus gezogen werden. Beispielsweise in dieser Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass die Abstandshalter in dem Elektrolytbad vorliegen, etwa dispergiert sind, und bei einem Fördern des Substrats durch das Elektrolytbad an der abgeschiedenen Lithiumoberläche anhaften. Das Elektrolytbad kann dabei als eine Art Haftmittel dienen, so dass die Abstandshalter an der Lithiumoberfläche haften und so bei einem weiteren Transport diese schützen.
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Im Bad selbst verhindern die Abstandshalter einen Kontakt mit den Führungen oder Umlenkrollen, beispielsweise, und verhindern so eine Beschädigung der Substratoberfläche. Dies kann besonders vorteilhaft sein, wenn das Substrat, etwa eine Folie, nass behandelt wird und dabei aufgrund von benötigten Prozesszeiten eine längere Substratbahn mit Rollen, wie etwa Umlenkrollen, geführt und/oder umgelenkt wird. Beispielsweise, wenn eine Folie zum Erhalt entsprechender Prozesszeiten bei entsprechender Bahngeschwindigkeit durch Umlenkrollen auf und ab geführt beziehungsweise umgelenkt wird, etwa bei einem Beschichten, Spülen, oder konditionieren, ist der Schutz der Oberfläche vor Anhaftung an die Rollen oder Oberflächenbeschädigungen durch Schlupf von Bahn und Rolle gegeneinander vorteilhaft.
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Neben dem Elektrolyt kann auch die grundsätzliche Verwendung eines auch anderweitig ausgestalteten Haftvermittlers von Vorteil sein. Beispielsweise bei der Herstellung einer Elektrode kann ein ohnehin in einem späteren Verfahrensschritt verwendeter Elektrolyt als Haftmittel verwendet werden.
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Beispielsweise in dieser Ausgestaltung der Verwendung eines Bades kann es vorgesehen sein, dass das Substrat durch eine oder eine Mehrzahl an Walzen transportiert wird. Dabei können die Abstandshalter effektiv verhindern, dass die Walzen oder andere Handhabungsmittel in direkten Kontakt mit der Lithiumoberfläche kommen.
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Neben einer Positionierung der Abstandshalter in dem Elektrolyt bei einer Lithiumabscheidung kann jedoch auf grundsätzlich jegliche Weise die Abstandshalter auf die Lithiumoberfläche aufgebracht werden. Beispiele sind hier ferner ein Spülvorgang, etwa ebenfalls in einem Bad, oder ein sonstiger auch separater Schritt.
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Insbesondere in dieser aber nicht beschränkt auf diese Ausgestaltung einer vorbeschriebenen Lithiumabscheidung kann es vorgesehen sein, dass das Verfahren Bestandteil ist eines Herstellungsverfahren einer Elektrode, insbesondere für einen Energiespeicher, wie eine Batterie oder eine Brennstoffzelle. Dies kann dabei dadurch bevorzugt sein, da die Abstandshalter auf der Lithiumelektrode bei der weiteren Herstellung oder dem Betrieb des Energiespeichers nicht stören. Denn trotz der Abstandshalter kann ein Elektrolyt, der meist in Kontakt zu der Elektrode kommen soll, sei es in flüssiger Form oder in gelartiger Form, beispielsweise, als Festkörperelektrolyt, problemlos mit der weiteren Elektrode in Kontakt kommen können und so ein gewünschtes Arbeiten der Elektrode ermöglichen.
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Dies kann beispielsweise ein Vorteil sein gegenüber einem herkömmlichen Silikonölfilm als Trennmittel, da letzterer eine Reaktionsbarriere darstellen könnte oder etwa in einer elektrochemischen Batterie an Reaktionen oder Nebenreaktionen teilnimmt und den Betrieb der Batterie so negativ beeinflussen könnte.
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Entsprechend kann es von Vorteil sein, dass das Substrat ein Halbzeug einer Elektrode ist, also in anderen Worten aus dem lithiierten Substrat durch einen oder eine Mehrzahl weiterer Arbeitsschritte eine Elektrode geformt werden kann. Beispielsweise kann ein derartiges Halbzeug Anwendung finden bei der Herstellung von Lithium-Ionen Sekundärzellen etwa mit metallischer Lithium-Anode mit Flüssig- oder Festelektrolyt oder auch in Brennstoffzellen.
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Beispielsweise kann durch den Elektrolyt beziehungsweise in dem Elektrolytbad, das etwa ein organisches Lösungsmittel aufweisen kann, eine Prälithiierung stattfinden beziehungsweise eine elektrolytische Herstellung eines Lithiumfilms auf dem Substrat, wobei das Substrat etwa ein Kupfersubstrat oder ein kupferkaschiertes Substrat, wie etwa eine kupferkaschierte PET-Trägerfolie, sein kann. Diese kann weitergehend als Anode für eine Lithium-Sekundärbatterie ausgestaltet werden.
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Es wurde gefunden, dass etwa bei dem Vorhandensein von Abstandshaltern in einem Elektrolytbad diese zwar an der Lithiumoberfläche anhaften können, es jedoch vermieden wird, dass diese in die aufgebrachte Lithiumschicht eingearbeitet werden. Somit kann eine Lithiumschicht eine gute SEI (solid elektrolyt interface) ausbilden.
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Ein Einbau der inerten Partikel in die Schicht findet nicht statt, da das Einbringen der Abstandshalter in entstehende Schichten oftmals nur in engen Prozessgrenzen erfolgt, etwa beschrieben in http://www.wotech-technical-media.de/womag/ausgabe/2012/11/25_womag_hansal_01_12/25_womag_hans al_01_12.php.
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Denn nicht jedes dispergierte Material wird in jede metallische Schicht eingebaut, da die Metallschicht dazu strebt, beim Kristallisieren ihr ideales Gitter auszubilden und ein Einbau somit durch Überwachsen der Partikel erfolgen muss. Es wurde gefunden, dass ein Überwachsen von insbesondere inderten Partikeln, die etwa kugelförmig sein können und eine ausreichende Glattheit aufweisen, kaum realisiert wird, da die wachsende Metallschicht die Partikel „nach oben“ schiebt. Dadurch kann es insbesondere bei nachfolgend beschriebenen Abstandhaltern realisierbar sein, dass auch bei einem Aufbringen der Abstandshalter auf eine Lithiumoberfläche bei einem Lithiieren diese stets an der Lithiumoberfläche vorliegen.
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Ferner kann es bevorzugt sein, dass die Abstandshalter als Partikel mit einem Durchmesser in einem Bereich von kleiner oder gleich 1000 µm ausgestaltet sind, beispielsweise in einem Bereich von größer oder gleich 50nm bis kleiner oder gleich 800nm, besonders bevorzugt in einem Bereich von größer oder gleich 100nm bis kleiner oder gleich 400nm. Beispielsweise können Partikel mit einer Größe von 200nm verwendet werden, etwa als PVDF-Partikel mit der Bezeichnung HSV 900 der Fa. Arkema. Dabei ist insbesondere der größte Durchmesser der Abstandshalter-Partikel gemeint. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann es verhindert werden, dass die Abstandshalter, insoweit sie an der Lithiumoberfläche verbleiben, den Betrieb des fertig hergestellten Bauteils, wie etwa einer Elektrode, stören. Darüber hinaus lassen sich derartige Abstandshalter besonders einfach an der Lithiumoberfläche anbringen, wie etwa durch eine Dispersion in einem Elektrolyten, und werden nicht in eine aufgebrachte Lithiumschicht eingebaut.
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Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass in Verfahrensschritt b) zumindest teilweise aus einem Kunststoff oder einer Keramik ausgestaltete Abstandshalter verwendet werden. Derartige Abstandshalter können als inerte Abstandshalter bevorzugt sein, da diese oftmals, insbesondere in dem Milieu von Batteriezellen oder Brennstoffzellen, keine Nebenreaktionen eingehen oder anderweitig zersetzt werden, so dass diese den Betrieb nicht stören. Beispielhaft aber in keiner Weise beschränkend kann als Kunststoff wie vorstehend angedeutet Polyvinylidenfluorid (PVDF), wie etwa der unter dem Namen ARKEMA HSV900 vertriebene Kunststoff, genannt werden.
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Weiter bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass in Verfahrensschritt b) polarisierte oder elektrostatische aufgeladene Abstandshalter verwendet werden. In dieser Ausgestaltung kann ein Anhaften des Abstandshalters an der Lithiumoberfläche deutlich verbessert werden. Beispielsweise kann der Abstandshalter so an einer Walze, welche sich durch eine Dispersion mit den Abstandshaltern dreht und an der ein Substrat mit einer Lithiumoberfläche entlanggeführt wird, und etwa wenn die Walze aus Kunststoff ausgestaltet ist, die polarisierten oder elektrostatische aufgeladenen Abstandshalter anhaften und diese so mit sich führen und an die Lithiumoberfläche übergeben, etwa analog dem Funktionsprinzip eines Laserdruckverfahrens.
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Eine Polarisierung kann dabei etwa bei Abstandshaltern aus PVDF aufgrund der Molekülstruktur effektiv möglich sein. Dabei kann eine Polarisierung von Partikeln aus PVDF, beispielsweise, realisierbar sein, indem ein elektrisches Feld, beispielsweise in einem Bereich von etwa 20MV/m angelegt wird und die Partikel erhitzt werden, etwa auf eine Temperatur in einem Bereich von ungefähr 100°C. Eine besonders effektive Polarisierung kann dabei etwa ermöglicht werden bei Temperaturen von größer oder gleich 90°C.
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Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des vorbeschriebenen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem Halbzeug, die Figuren und die Beschreibung der Figuren verwiesen.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Halbzeug für ein Bauteil, aufweisend ein mit wenigstens einer Lithiumoberfläche versehenes Substrat, wobei die Oberfläche mit einer Vielzahl von Abstandshaltern versehen ist.
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Ein derartiges Halbzeug ermöglicht ein Handhaben, insbesondere Transportieren, des Substrats beziehungsweise des Halbzeugs, ohne die Gefahr einer Beschädigung der Lithiumoberfläche. Ein derartiges Halbzeug kann besonders bevorzugt ein Halbzeug für eine Elektrode, etwa für eine Brennstoffzelle oder eine Lithium-Sekundärbatterie sein.
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Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des vorbeschriebenen Halbzeugs wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem Verfahren, die Figuren und die Beschreibung der Figuren verwiesen.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert, wobei die beschriebenen Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung sein können, insoweit sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
- 1 eine schematische Ansicht darstellend eine Erzeugung eines Halbzeugs im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
- 2 eine schematische Schnittansicht durch ein an einer Walze anliegendes Halbzeug.
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In der 1 ist ein Halbzeug 10 gezeigt, dass besonders vorteilhaft gehandhabt werden kann. Das Halbzeug 10 umfasst eine Kupferfolie als Substrat 12, die beidseitig mit einer Schicht 14 aus Lithium versehen ist. Ein derartiges Halbzeug 10 kann beispielsweise Verwendung finden zum Herstellen einer Anode einer Silizium-Sekundärbatterie.
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Um ein Verfahren des Halbzeugs 10 an einer Walze 18 zu verbessern und eine Beschädigung der Oberfläche der Schicht 14 aus Lithium zu verhindern, sind an der Oberfläche der Schicht 14 Abstandshalter 16 vorgesehen.
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Die Abstandshalter 16 sind beispielsweise aus Polyvinylidenfluorid ausgestaltet und weisen etwa einen Durchmesser in einem Bereich von kleiner oder gleich 1000µm auf.
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Um die Abstandshalter 16 auf die Oberfläche einer Schicht 14 aufzubringen, wird beispielsweise das Substrat 12 durch ein Bad 20 geführt, in dem eine Elektrolytlösung 22 angeordnet ist, in der die Abstandshalter 16 dispergiert sind. Beispielsweise ist das Bad 20 ein Bad 20 zur Lithiumabscheidung, wobei jedoch die entsprechenden Komponenten zur Lithiumabscheidung nicht gezeigt sind. Durch die Elektrolytlösung haften die Abstandshalter an der Schicht 14.
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Auf der Oberfläche der Schicht 12 werden die Abstandshalter 16 aufgebracht und verhindern so einen direkten Kontakt der Lithiumoberfläche mit den Walzen 18.
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In der 2 ist eine vergrößerte Ausgestaltung des Halbzeugs 10 an einer Walze 18 gezeigt. Dabei ist zu erkennen, dass als Substrat 12 eine Kupferfolie verwendet wird, die beidseitig mit einer Schicht 14 aufweisend eine Lithiumoberfläche versehen ist. Auf der Schicht 14 sind Abstandshalter 16 angeordnet, welche den direkten Kontakt der Lithiumoberfläche mit der Walze 18 verhindern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014226394 A1 [0003]
