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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Handhabung eines Festkörpers, der eine Lithium-Oberfläche aufweist, wobei die Vorrichtung mindestens ein Kontaktelement umfasst. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Verwendung der Vorrichtung zur Handhabung einer Elektrode für Lithium-Ionen-Batterien sowie eine Batteriezelle.
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Stand der Technik
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Lithium-Ionen-Batterien zeichnen sich unter anderem durch eine sehr hohe spezifische Energie und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Zellen besitzen mindestens eine positive und mindestens eine negative Elektrode (Kathode bzw. Anode), wobei während des Ladens und Entladens der Batterie Lithium-Ionen von einer Elektrode zur anderen Elektrode wandern. Für den Transport der Lithium-Ionen ist ein sogenannter Lithium-Ionen-Leiter notwendig. Häufig ist der Lithium-Ionen-Leiter ein flüssiger Elektrolyt. Als metallische Anode kann Lithium dienen, insbesondere in Form einer Folie.
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Bei der Verwendung von Lithium als metallische Anode in Lithium-Ionen-Batterien müssen in der Fertigung der Lithium-Ionen-Batterien große Stückzahlen von geschnittenen, dünnen Lithiumfolien, die eine homogene Dicke aufweisen, exakt positioniert werden.
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Metallische, blanke Lithium-Metall-Oberflächen haften jedoch an vielen Oberflächen unter anderem durch Reaktion des Lithiums mit dem Kontaktpartner stark an, was die Verarbeitung erschwert. Auch eine passivierte Schicht, die in trockener Luft als Reaktionsprodukt auf der Oberfläche des metallischen Lithiums gebildet wird, verhindert eine Anhaftung nicht.
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Das Anhaften kann beispielsweise reduziert werden kann, indem das Lithium von einer Flüssigkeit umgeben wird. So wird beispielsweise auf metallischen, blanken Lithiumbahnen ein Trennmittel wie Silikon eingesetzt.
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Durch das Anhaften des Lithiums an Werkzeugen und/oder Handhabungsoberflächen ist die Handhabung und Verarbeitung des Lithiums schwierig. Insbesondere ist das Lithium schlecht zu positionieren und es entstehen höhere Kosten durch einen Materialüberstand, der erforderlich ist, um Positionierungsfehler beispielsweise bei der Überdeckung einer Kathode mit einer Anode auszugleichen.
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Weiterhin führen Rückstände des Lithiums auf Werkzeugen und/oder Handhabungsoberflächen zu erhöhtem Reinigungsaufwand und zu Sicherheitsrisiken, da durch ein mögliches Abreagieren der Lithium-Rückstände eine Brandgefahr besteht.
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Durch die Anhaftung wird auch die Lithium-Oberfläche beschädigt, was bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien und beim Betrieb der Lithium-Ionen-Batterien zu Störstellen bei der Abscheidung des Lithiums beim Laden der Batterie sowie zu Dentritenwachstum und Brandgefahr führen kann. Durch auf den Werkzeugen und/oder Handhabungsoberflächen verbliebene Rückstände und den damit verbundenen Verlust an Lithium liegen an der Lithium-Oberfläche lokal unterschiedliche Materialdicken vor.
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E. Peled et al. beschreiben in Advance Model for Solid Electrolyte Interphase Electrodes in Liquid and Polymer Electrolytes, Journal of the Electrochemical Society, 144(8), Seiten L208-L210, die Zusammensetzung, den Aufbau und die Eigenschaften von Feststoff-Elektrolyt-Grenzschichten, die auch als Solid Electrolyte Interfaces (SEI) bezeichnet werden.
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US 2011/0177388 A1 hat eine Anode für Lithium-Ionen-Sekundärbatterien zum Gegenstand sowie eine Methode zur Herstellung einer Anode, wobei die Anode in eine Elektrolyt-Lösung getaucht wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird eine Vorrichtung zur Handhabung eines Festkörpers, der eine Lithium-Oberfläche aufweist, vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung mindestens ein Kontaktelement umfasst, das ein Oberflächenmaterial aufweist, wobei das Oberflächenmaterial mindestens eine Lithiumverbindung enthält, die ein Reaktionsprodukt von Lithium und einem für Lithium-Ionen-Batterien geeigneten, flüssigen Elektrolyt ist.
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Weiterhin wird eine Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Handhabung einer Elektrode zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Batterie vorgeschlagen.
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Der Festkörper ist ein Gegenstand, der einen festen Aggregatzustand aufweist. Bevorzugt ist der Festkörper ein metallischer Festkörper und besteht insbesondere bevorzugt zu mehr als 90 Gew.-%, mehr bevorzugt zu mehr als 95 Gew.-% und besonders bevorzugt zu mehr als 99 Gew.-% aus einem Metall, insbesondere Lithium. Ferner ist der Festkörper bevorzugt eine Folie, insbesondere eine Lithium-Folie, die bevorzugt eine Dicke in einem Bereich von 5 µm bis 60 µm, mehr bevorzugt von 10 µm bis 40µm aufweist. Die Lithium-Oberfläche ist eine Lithium-haltige Oberfläche des Festkörpers, die bevorzugt mehr als 50 Gew.-%, mehr bevorzugt mehr als 90 Gew.-%, Lithium enthält.
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Die Handhabung des Festkörpers umfasst unter anderem Lagern, Halten, Bewegen, Positionieren, Drehen, Fördern, Transportieren, Sichern, Schneiden, Ablegen, Auflegen und Greifen des Festkörpers sowie Schieben des Festkörpers auf Gleitflächen und/oder Kontaktieren mit Walzenoberflächen, mit denen der Festkörper, insbesondere in Form einer Lithiumfolie, zum Beispiel auf einen Polymerelektrolytseparatorfilm gepresst wird.
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Bevorzugt liegen bei der Handhabung Anpressdrücke von nicht mehr als 1 bar und Temperaturen von nicht mehr als 200°C, mehr bevorzugt nicht mehr als 130°C und insbesondere bevorzugt nicht mehr als 90°C vor.
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Die Vorrichtung und der Festkörper können so zueinander angeordnet werden, dass der Festkörper mit dem Oberflächenmaterial des mindestens einen Kontaktelements der Vorrichtung in Kontakt ist. Das mindestens eine Kontaktelement kann ein Bauteil, eine Einlage oder eine Beschichtung der Vorrichtung sein. Das Oberflächenmaterial des mindestens einen Kontaktelements ist räumlich für den Festkörper zugänglich ist und kann mit diesem räumlich in Kontakt gebracht werden.
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Bevorzugt besteht das mindestens eine Kontaktelement aus dem Oberflächenmaterial, das mindestens eine Lithiumverbindung enthält. Weiterhin bevorzugt besteht das Oberflächenmaterial zu mehr als 90 Gew.-%, mehr bevorzugt zu mehr als 95 Gew.-% und insbesondere bevorzugt zu mehr als 99 Gew.-% aus der mindestens einen Lithiumverbindung.
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Das Oberflächenmaterial weist bevorzugt eine Oberflächenrauigkeit Ra von nicht mehr als 0,2 µm auf.
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Die mindestens eine Lithiumverbindung ist erhältlich durch Reaktion von Lithium und einem für Lithium-Ionen-Batterien geeigneten, flüssigen Elektrolyt, der ionisch leitfähig ist. Der Elektrolyt enthält bevorzugt ein organisches Lösungsmittel.
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Der Elektrolyt umfasst ein flüssiges Lösungsmittel, beispielsweise ein Gemisch aus mindestens einem zyklischen Carbonat (z. B. Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC)) und mindestens einem linearen Carbonat (z. B. Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Methylethylcarbonat (MEC)) sowie einem Lithiumsalz (z. B. LiPF6, LiPF4).
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Bevorzugt ist die mindestens eine Lithiumverbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Li2O, LiF, LiCl, Li2CO3, Lithium-Alkoxid und LiCO2-R. -R ist ein organischer Rest, bevorzugt ein Alkylrest der Formel CnH2n+1 Weiterhin kann das Oberflächenmaterial nicht leitendes Polymer, Polyolefine und/oder Semicarbonate enthalten. Insbesondere besteht das Oberflächenmaterial aus LiF-Glas.
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Bevorzugt liegt das Oberflächenmaterial in Form von geschliffenen Quadern, Prismen und/oder Stäben vor.
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Bevorzugt ist die Vorrichtung ein Werkzeug oder eine Werkzeugmaschine, insbesondere geeignet zur Metall-Handhabung. Das mindestens eine Kontaktelement ist bevorzugt an einem Bauteil der Vorrichtung angeordnet und das Bauteil ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Greifern, Greiferbacken, Transportrollen, Presswalzen, Auflageflächen, Ablageflächen, Schneidkanten, Stanzkanten, Auswerferstiften, Sauggreifern, Walzen und Klemmvorrichtungen .
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Die Elektrode, zu deren Handhabung die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet wird, ist bevorzugt einer Anode, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie. Weiter bevorzugt ist die Elektrode als Lithiumfolie ausgeführt.
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Bevorzugt wird die Elektrode mit einer Flüssigkeit und/oder einem Gas passiviert, bevor die Elektrode mit dem Oberflächenmaterial des mindestens einen Kontaktelements der Vorrichtung in Kontakt gebracht wird. Die Flüssigkeit ist bevorzugt ein für Lithium-Ionen-Batterien geeigneter, flüssiger Elektrolyt.
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Bevorzugt enthält die Flüssigkeit Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Dimethylethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat und/oder Lithiumfluorid. Mehr bevorzugt enthält die Flüssigkeit 1 g/l bis 2 g/l Lithiumfluorid.
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Des Weiteren wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, umfassend eine Elektrode hergestellt unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Batteriezelle umfasst bevorzugt eine weitere Elektrode, einen Elektrolyt, einen Separator und Stromableiter.
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Im Rahmen dieser Beschreibung wird der Begriff Batterie wie in der Umgangssprache üblich verwendet, d. h. von dem Begriff Batterie ist sowohl eine Primärbatterie als auch eine Sekundärbatterie (Akkumulator) umfasst.
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Eine erfindungsgemäße Batteriezelle findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV) oder in einem Consumer-Elektronik-Produkt. Unter Consumer-Elektronik-Produkten sind insbesondere Mobiltelefone, Tablet-PCs oder Notebooks zu verstehen.
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Vorteile der Erfindung
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Mithilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere durch das erfindungsgemäße Oberflächenmaterial, kann die Handhabung von metallischem Lithium ohne Anhaftung erfolgen.
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Das Oberflächenmaterial, das die mindestens eine Lithium-Verbindung enthält, ist hinsichtlich der Zusammensetzung vergleichbar mit einer schützenden, passivierten Schicht (SEI-Schicht) einer Lithium-Oberfläche und haftet an dieser nicht an. Gleichzeitig weist das Oberflächenmaterial eine höhere Steifigkeit als metallisches Lithium auf und kann daher in einer Vorrichtung zur Handhabung eines Festkörpers eingesetzt werden.
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Durch Vermeidung des Anhaftens kann Lithium-Material eingespart werden, da Materialüberstände verzichtbar sind, und die Verschmutzung von Werkzeugen und Handhabungsoberflächen, die auch ein Sicherheitsrisiko darstellen kann, wird reduziert. Darüber hinaus können Elektroden mit einer homogenen Materialdicke hergestellt werden, die weniger Störstellen beim Betrieb der Batteriezelle aufweisen.
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Weiterhin wird der Einsatz eines Trennmittels auf der Elektrode vermieden, das eine flächige und gleichmäßige Auflösung bzw. Abscheidung von Lithium beim Laden und Entladen der Batteriezelle verhindert.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle;
- 2 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
- 3 eine schematische Schnittdarstellung eines Festkörpers. Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezelle 2, die eine Lithium-Ionen-Batterie 62 ist. Die Batteriezelle 2 umfasst ein Zellengehäuse 3, das beispielsweise aus Aluminium gefertigt ist. Das Zellengehäuse 3 kann aber auch aus einem elektrisch isolierendem Material, beispielsweise Kunststoff, gefertigt sein.
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Die Batteriezelle 2 umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Batteriezelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die Batteriezelle 2 über die Terminals 11, 12 auch geladen werden.
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Innerhalb des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist eine Elektrodeneinheit 10 angeordnet, welche beispielsweise als Elektrodenstab oder als Elektrodenwickel ausgeführt ist. Die Elektrodeneinheit 10 weist zwei Elektroden 20, nämlich eine Anode 21 und eine Kathode 22, auf. Die Anode 21 und die Kathode 22 sind jeweils folienartig ausgeführt und durch einen Separator 18 voneinander separiert. Die Anode 21 ist als Lithium-Folie ausgeführt.
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Die Anode 21 umfasst ein anodisches Aktivmaterial 41 und einen Stromableiter 31. Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden.
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Die Kathode 22 umfasst ein kathodisches Aktivmaterial 42 und einen Stromableiter 32. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden.
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In dem kathodischen Aktivmaterial 42 der Elektrodeneinheit 10 sind Lithiumatome eingelagert. Bei einem Ladevorgang der Elektrodeneinheit 10 in der Batteriezelle 2 wandern Lithium-Ionen von dem kathodischen Aktivmaterial 42 durch den Separator 18 zu dem anodischen Aktivmaterial 41. Dabei werden die Lithium-Ionen in dem anodischen Aktivmaterial 41 eingelagert. Dieser Vorgang wird auch als Lithiierung bezeichnet. Gleichzeitig fließen Elektronen in einem äußeren Stromkreis von der Kathode 22 zu der Anode 21.
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Beim Betrieb der Batteriezelle 2, also bei einem Entladevorgang der Elektrodeneinheit 10, fließen Elektronen in einem äußeren Stromkreis von der Anode 21 zu der Kathode 22. Innerhalb der Elektrodeneinheit 10 wandern Lithium-Ionen von dem anodischen Aktivmaterial 41 durch den Separator 18 zu dem kathodischen Aktivmaterial 42. Dabei lagern die Lithium-Ionen aus dem anodischen Aktivmaterial 41 reversibel aus, was auch als Delithiierung bezeichnet wird.
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Das Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2 ist mit einem flüssigen Elektrolyt 15 gefüllt. Der Elektrolyt 15, der ionisch leitfähig ist, umgibt die Anode 21 und die Kathode 22 und den Separator 18.
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Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 50 zur Handhabung eines Festkörpers 52, der in der gezeigten Ausführungsform eine Anode 21 ist, die als Lithiumfolie ausgeführt ist. Der Festkörper 52 weist eine Lithium-Oberfläche 54 auf, die in Kontakt ist mit einem Kontaktelement 56 des Festkörpers 52. Das Kontaktelement 56 besitzt ein Oberflächenmaterial 58, das mindestens eine Lithium-Verbindung enthält. Die mindestens eine Lithium-Verbindung stellt ein Reaktionsprodukt von Lithium und einem für Lithium-Ionen-Batterien 62 geeigneten, flüssigen Elektrolyt 15 dar.
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In der dargestellten Ausführungsform besitzt die Vorrichtung 50 zwei Kontaktelemente 56 mit dem Oberflächenmaterial 58. Das Kontaktelement 56 besteht aus LiF-Glas. Die Kontaktelemente 56 sind an Bauteilen 60 der Vorrichtung 50 angeordnet, die Greiferbacken darstellen. Der Festkörper 52 ist zwischen den Kontaktelementen 56 eingeklemmt, so dass der Festkörper 52 transportiert und/oder positioniert werden kann.
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3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Festkörpers 52, der in der gezeigten Ausführungsform eine Elektrode 20, nämlich eine Anode 21 ist. Der Festkörper 52 besitzt eine Lithium-Oberfläche 54, die als anodisches Aktivmaterial 41 Lithium mit einer passivierten Schicht 74 aufweist. Die Lithium-Oberfläche 54 berührt mit der passivierten Schicht 74 das Oberflächenmaterial 58 eines Kontaktelementes 56 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 50.
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Die passivierte Schicht 74 ist gebildet aus Reaktionsprodukten des Lithiums des anodischen Aktivmaterials 41 und einem Elektrolyt 15 und besteht aus einem Mosaik von Mikrophasen. Die passivierte Schicht 74 umfasst eine erste Lithium-Verbindung 64, eine zweite Lithium-Verbindung 66, eine dritte Lithium-Verbindung 68, eine erste weitere Komponente 70 und eine zweite weitere Komponente 72, wobei die erste Lithium-Verbindung 64 Li2O, die zweite Lithium-Verbindung 66 LiF, die dritte Lithium-Verbindung 68 Li2CO3, die erste weitere Komponente 70 Polyolefin und die zweite weitere Komponente 72 Semicarbonate sind.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegeben Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/0177388 A1 [0010]
