DE102018104291A1

DE102018104291A1 - Beschichtung für ein Werkzeug zur Handhabung von Lithiummetall, Werkzeug und Verfahren zum Herstellen eines solchen Werkzeugs

Info

Publication number: DE102018104291A1
Application number: DE102018104291.4A
Authority: DE
Inventors: Dominik Alexander Weber
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2018-02-26
Filing date: 2018-02-26
Publication date: 2019-08-29
Also published as: CN111770907A; WO2019162314A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beschichtung (2) für Werkzeuge (1, 4, 5) zum Handhaben von Lithiummetall (3), die ein lithiumabstoßendes Material enthält. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Werkzeug (1, 4, 5) mit einer solchen Beschichtung (2) und ein Verfahren (6, 7) zum Herstellen eines solchen Werkzeugs (1, 4, 5).

Description

Die Erfindung betrifft eine Beschichtung für Werkzeuge zur Handhabung von Lithiummetall, die vorzugsweise bei der Entwicklung und Fertigung von wiederaufladbaren Lithiumzellen sowie lithiumbasierten Superkondensatoren, beispielsweise für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, Verwendung finden. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Werkzeug zur Handhabung von Lithiummetall sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Werkzeugs.
Infolge des steigenden Interesses an effizienten Batterien und Superkondensatoren, insbesondere effizienten Hochvoltbatterien, in der Automobilbranche, steigt auch die Bedeutung von Lithiummetall. Lithiummetall, ob in Form von Partikeln oder Folien, haftet jedoch an nahezu jeder Materialoberfläche, auch an herkömmlichen Beschichtungen, wie sie in der DE 10 2005 017 459 A1 , der DE 10 2010 011 185 A1 und der DE 10 2010 040 430 A1 beschrieben werden, an. Aus diesem Grunde gestaltet sich der Umgang, insbesondere die Verarbeitung beispielsweise durch Walzen, Prägen, Stanzen und dergleichen, schwierig.
Um den Umgang mit Lithiummetall zu erleichtern, werden dem Lithiummetall bisher Additive zugesetzt oder das Lithiummetall selbst wird chemisch modifiziert, beispielsweise fluoriert, wie in der US 2007/0006680 A1 beschrieben. Außerdem werden insbesondere beim Walzen Schmiermittel eingesetzt. Zudem können, wie in der EP 0 692 831 B1 beschrieben, Walzzylinder aus Polyacetal verwendet werden, an denen die Haftung des Lithiums nur in geringerem Maße auftritt. Andere Lösungen sehen das Laminieren (Bonden) des Lithiums auf Papier- oder Harz- bzw. Polymersubstrate vor, um die Verarbeitbarkeit zu verbessern und beispielsweise das Stanzen zu erleichtern.
Alle bislang bekannten Lösungen schließen die Verwendung von Hilfsstoffen bzw. Additiven ein, die aufwändig getrocknet oder selbst zunächst auf einen ausreichenden Reinheitsgrad hin verfeinert werden müssen. Zudem werden mitunter erhebliche Mengen an Totmaterial (wie im Falle des Laminierens) erzeugt, die nach der Einbringung des Lithiums in den Batteriezellbau entsorgt werden müssen.
Im Hinblick auf eine zukünftige Verwendung sehr dünner Lithium-Metallfolien in Batterie- und Superkondensatortypen der nächsten Generation ist eine Methodik zu deren Herstellung und Verarbeitung wünschenswert, die diese Problematik reduziert oder vollständig ausräumt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Beschichtung für ein Werkzeug zur Handhabung von Lithiummetall, ein Werkzeug und ein Verfahren zum Herstellen des Werkzeugs bereitzustellen, die die oben genannten Nachteile wenigstens teilweise überwinden.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Beschichtung für ein Werkzeug zur Handhabung von Lithiummetall nach Anspruch 1, das erfindungsgemäße Werkzeug nach Anspruch 5 und das Verfahren zum Herstellen eines Werkzeugs nach Anspruch 10 gelöst.
Nach einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Beschichtung für Werkzeuge zum Handhaben von Lithiummetall, die ein lithiumabstoßendes Material enthält.
Nach einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Werkzeug zum Handhaben von Lithiummetall, wobei eine Werkzeugoberfläche des Werkzeugs mit einer Beschichtung nach dem ersten Aspekt versehen ist.
Nach einem dritten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Werkzeugs zum Handhaben von Lithiummetall nach dem zweiten Aspekt, umfassend: Aufbereiten des lithiumabstoßenden Materials;
Aufbringen des aufbereiteten lithiumabstoßenden Materials auf eine Werkzeugoberfläche des Werkzeugs; und
Wärmebehandeln des Werkzeugs mit dem aufgebrachten lithiumabstoßenden Material.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beschichtung für Werkzeuge zum Handhaben von Lithiummetall, die vorzugsweise bei der Entwicklung und Fertigung von wiederaufladbaren Lithiumzellen, zum Beispiel Lithium-Metall-, Lithium-Ionen-, Lithium-Schwefel-, Lithium-Sauerstoff-, Lithium-Luft-, Lithium-Graphen-, Lithium-Kohlenstoff-, Lithium-Kohlenstoff-Nanoröhren-, Fest-flüssigelektrolyt-Hybride- und/oder Feststoffbatterien, und/oder lithiumbasierten Superkondensatoren, beispielsweise für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, Verwendung finden. Die Werkzeuge können beispielsweise Werkzeuge zum Transportieren, Verarbeiten und/oder Lagern von Lithiummetall umfassen. Das Lithiummetall kann bei der Handhabung in Form einer Folie, in flüssiger Form, als Pulver oder in einer anderen Form vorliegen.
Das Lithiummetall kann aus Lithiumchlorid gewonnen sein. Beispielsweise kann das Lithiummetall durch Schmelzflusselektrolyse eines eutektischen Gemisches aus Lithiumchlorid und Kaliumchlorid oder durch Elektrolyse von Lithiumchlorid gewonnen sein. Nach der Gewinnung kann das Lithiummetall weiterverarbeitet sein, beispielsweise zu einer Folie geformt, verflüssigt oder pulverisiert sein.
Die erfindungsgemäße Beschichtung für Werkzeuge zum Handhaben von Lithiummetall enthält ein lithiumabstoßendes Material. Insbesondere besteht die Beschichtung aus dem lithiumabstoßenden Material oder aus einem Gemisch, das das lithiumabstoßende Material enthält. Das lithiumabstoßende Material ist vorzugsweise ein sogenanntes lithiophobes Material, das sich nicht mit Lithium mischt und einen Kontakt mit Lithium vermeidet. Das lithiumabstoßende Material versucht also bei Kontakt mit Lithium, diesen Kontakt so schnell wie möglich zu lösen. Das Verhältnis zwischen Lithiummetall und dem lithiophoben Material ist vergleichbar mit dem Verhältnis zwischen Wasser und einem hydrophoben Material, wobei das Wasser typischerweise an dem hydrophoben Material abperlt und nicht anhaftet.
Die erfindungsgemäße Beschichtung verhindert somit, dass Lithiummetall an dem jeweiligen Werkzeug anhaftet und erlaubt somit, dass Lithiummetall ohne Verwendung von Additiven oder anderen Hilfsmitteln selbst unter hohem Druck verarbeitet werden kann.
In manchen Ausführungsformen kann das lithiumabstoßende Material eine lithiumleitende Keramik enthalten oder sein. Keramiken im Allgemeinen und lithiumleitende Keramiken im Speziellen können so verarbeitet werden, dass sie sehr glatte Oberflächen bilden, wodurch eine Haftung beispielsweise von Lithiummetall weiter verringert werden kann.
In manchen Ausführungsformen kann die lithiumleitende Keramik eine Keramik der Gruppe lithiumleitender Granate enthalten oder sein. Lithiumleitende Granate sind bekannt dafür, nach einer gewissen Verweildauer an der Atmosphäre oberflächlich Lithiumcarbonat auszubilden, welches ein stark lithiophobes, also lithiumabstoßendes Verhalten induziert. Die Folge ist, dass Lithiummetall nicht mehr anhaftet.
In manchen Ausführungsformen kann die Keramik der Gruppe lithiumleitender Granate Lithium-Lanthan-Zirkonat (Li₇La₃Zr₂O₁₂) enthalten oder sein. Lithium-Lanthan-Zirkonat ist bis ca. 1200 °C temperaturbeständig und sehr hart und bildet in Atmosphäre oberflächlich Lithiumcarbonat aus. Lithium-Lanthan-Zirkonat ermöglicht somit eine Verarbeitung von Lithiummetall selbst unter hohem Druck und bei hohen Temperaturen.
Beispiele für weitere lithiumleitende Granate beinhalten, sind aber nicht limitiert auf, ein Li₃-Phasen-Lithiumgranat (z.B. Li₃CTe₂O₁₂, wobei C ein Lanthanoid wie Y, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Zr, Ta oder eine Kombination der zuvor genannten ist, und/oder Li_3+xNd₃Te_2-xO₁₂, wobei x = 0,05 bis 1,5 ist), ein Li₅-Phasen-Lithiumgranat (z.B. Li₅La₃M¹ ₂O₁₂, wobei M¹=Nb, Zr, Ta, Sb oder Kombinationen der zuvor genannten gilt, kationen-substituiertes Li₅La₃M¹ ₂O₁₂, wie z.B. Li₆ALa₃M¹ ₂0₁₂, wobei A = Mg, Ca, Sr, Ba oder Kombinationen der zuvor genannten gilt, und/oder Li₇La₃B₂O₁₂, wobei B = Zr, Sn oder Kombinationen der zuvor genannten gilt), ein Li₆-Phasen Lithiumgranat (z.B. Li₆DLa₂M³ ₂O₁₂, wobei D = Mg, Ca, Sr, Ba oder Kombinationen der zuvor genannten und M³ = Nb, Ta oder Kombinationen der zuvor genannten gilt, kationen-dotiertes Li₆La₂BaTa_2O12 und/oder kationen-dotiertes Li₆BaY₂M¹ ₂O₁₂, wobei die Dotierkationen Barium, Yttrium, Zink oder Kombinationen der zuvor genannten sind), ein Li₇-Phasen-Lithiumgranat (z.B. kubisches Li₇La₃Zr₂O₁₂ und/oder Li₇Y₃Zr₂O₁₂,), kationen-dotiertes Li₇La₃Zr₂O₁₂, Li_5+2xLa₃Ta_2-xO₁₂, wobei x = 0.1 bis 1 gilt, Li_6,8(La_2,95Ca_0,05)(Zr_1,75Nb_0,25)O₁₂ (LLCZN), Li_6,4Y₃Zn_0,4Ta_0,6O₁₂, Li_6,5La_2,5Ba_0,5TaZrO₁₂, Li₆BaY₂M¹ ₂O₁₂, Li₇Y₃Zr₂O₁₂, Li_6,75BaLa₂Nb_1,75Zn_0,25O₁₂ und/oder Li_6,75BaLa₂Ta_1,75Zn_0,25O₁₂. Andere Beispiele für lithiumleitende Granate beinhalten kubische Verbindungen wie 3 mol% YSZ-dotiertes Li_7,06La₃Zr_0.94Y_0,06O₁₂ und 8 mol % YSZ-dotiertes Li_7,16La₃Zr_0,94Y_0,06O₁₂.
Weitere Beispiele möglicher Lithiumgranate beinhalten, sind aber nicht limitiert auf, Li₅La₃Nb₂O₁₂, Li₅La₃Ta₂O₁₂, Li₇La₃Zr₂O₁₂, Li₆La₂SrNb₂O₁₂, Li₆La₂BaNb₂O₁₂, Li₆La₂SrTa₂O₁₂, Li₆La₂BaTa₂O₁₂, Li₇Y₃Zr₂O₁₂, Li_6,4Y₃Zr_1,4Ta_0,06O₁₂, Li_6,5La_2,5Ba_0,5TaZrO₁₂, Li₇Y₃Zr₂O₁₂, Li_6,75BaLa₂Nb_1,75Zr_0,25O₁₂ und/oder Li_6,75BaLa₂Ta_1,75Zr_0,25O₁₂.
Alternativ kann das lithiumabstoßende Material der Beschichtung Lithiumcarbonat enthalten oder sein. Wie oben bereits erwähnt, ist Lithiumcarbonat stark lithiophob und verhindert effektiv eine Anhaftung von Lithiummetall. Allerdings sollte beim Herstellen der Beschichtung aus Lithiumcarbonat auf ein Sintern verzichtet werden, da das Lithiumcarbonat bei typischen Sintertemperaturen CO₂ abgeben würde und seine lithiophoben Eigenschaften verringert würden. Anstelle des Sinterns kann eine Wärmebehandlung bei niedrigeren Temperaturen durchgeführt werden.
Alternativ kann das lithiumabstoßende Material der Beschichtung unbeschichtete Kohlenstofffasern und/oder Kupfer umfassen oder daraus bestehen. Sowohl unbeschichtete Kohlenstofffasern als auch Kupfer besitzen lithiophoben Eigenschaften.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Werkzeug zum Handhaben von Lithiummetall, wobei eine Werkzeugoberfläche des Werkzeugs mit einer Beschichtung versehen ist, die ein lithiumabstoßendes Material enthält, insbesondere eine lithiumleitende Keramik wie beispielsweise Lithium-Lanthan-Zirkonat, oder Lithiumcarbonat. Das Werkzeug weist insbesondere eine Beschichtung auf, wie sie oben beschrieben wurde. Das Handhaben von Lithiummetall kann das Greifen, das Verarbeiten, das Lagern von Lithiummetall und/oder einen anderen Umgang mit Lithiummetall umfassen. Vorzugsweise weist das Werkzeug in dem Bereich, in dem die Beschichtung aufgetragen ist, einen metallischen Werkstoff, beispielsweise Stahl, insbesondere austenitischen Stahl, oder eine andere Legierung, auf. Alternativ kann das Werkzeug in diesem Bereich auch einen nichtmetallischen Werkstoff aufweisen, der temperaturbeständig ist, da das Beschichten mit der Beschichtung vorzugsweise einen Sinterschritt umfasst.
Das erfindungsgemäße Werkzeug erlaubt eine einfache Handhabung von Lithiummetall, da seine Beschichtung ein Anhaften des Lithiummetalls effektiv verhindert. Das erfindungsgemäße Werkzeug eignet sich somit für alle Produktionsstrecken, die Lithiummetall verarbeiten, insbesondere für Produktionsstrecken für alle Produkte, die eine Batterie oder einen Superkondensator mit Lithium-Metallanode verwenden, sowie in Forschungs- und Entwicklu ngsei n richtungen.
In manchen Ausführungsformen kann das Werkzeug ein Greifwerkzeug, zum Beispiel eine Pinzette, eine Zange oder dergleichen, sein. Alternativ kann das Werkzeug ein Werkzeug zum Verarbeiten, beispielsweise eine Walze, ein Stanzwerkzeug, ein Prägewerkzeug, eine Presse, ein Messer, eine Klinge, ein Rührwerkzeug, ein Trichter, eine Spritze, ein Extruder oder dergleichen, sein. Die Beschichtung der Werkzeuge kann das Anhaften von Lithium verringern oder sogar vermeiden und beispielsweise beim Greifen bzw. Verarbeiten einer Lithium-Folie, insbesondere einer Lithium-Folie mit einer Dicke im Bereich von 10 µm bis 35 µm, die Bildung von Riefen und Löchern verringern, wobei vollständig auf die Verwendung von Schmiermitteln, Additiven und dergleichen verzichtet werden kann. Alternativ kann das Werkzeug ein Werkzeug zum Lagern, beispielsweise ein Behälter, ein Ablagebrett, ein Vakuumsauger zur Stapelung von Batteriezellen oder dergleichen sein. Alternativ kann das Werkzeug auch Glieder eines Förderbands oder einen Kalander umfassen. Wiederum kann die Beschichtung das Anhaften an dem Werkzeug verringern oder sogar vermeiden
In manchen Ausführungsformen können alle Werkzeugoberflächen, die beim Handhaben des Lithiummetalls mit diesem in Kontakt kommen, mit der Beschichtung versehen sein. Bei einer Pinzette bzw. Zange können vorzugsweise Spitzen beider Schenkel auf ihren zueinander ausgerichteten Innenseiten und gegebenenfalls an ihren Außenseiten mit der Beschichtung versehen sein. Bei einer Walze kann zumindest eine Mantelfläche eines Walzzylinders, der vorzugsweise aus austenitischem Stahl sein kann, und gegebenenfalls zwei Stirnseiten des Walzzylinders mit der Beschichtung beschichtet sein. Bei einem Stanzwerkzeug kann ein Stempel mit der Beschichtung beschichtet sein. Analog können Oberflächen anderer Werkzeuge, die beim Handhaben des Lithiummetalls mit diesem in Kontakt kommen, mit der Beschichtung beschichtet sein.
In manchen Ausführungsformen kann die Beschichtung eine Dicke in einem Bereich von 0,5 µm bis 10 µm, insbesondere in einem Bereich von 1 µm bis 5 µm, aufweisen. Eine Beschichtung mit dieser Dicke ist widerstandskräftig und verringert das Anhaften von Lithiummetall optimal.
In manchen Ausführungsformen kann die mit der Beschichtung versehene Werkzeugoberfläche eine gemittelte Rautiefe aufweisen, die kleiner als 2 µm, insbesondere kleiner als 1µm, vorzugsweise kleiner als 0,5 µm, ist. Durch die geringe Rauhigkeit der Beschichtung bzw. der Werkzeugoberfläche lässt sich die Anhaftung des Lithiummetalls weiter verringern. Außerdem kann die Gefahr reduziert werden, dass das Lithium, insbesondere die Lithium-Folie, beschädigt wird. Insbesondere eine Walze mit einer Beschichtung geringer Rauhigkeit ermöglicht die Herstellung dünner Lithium-Folien, insbesondere von Lithium-Folien mit einer Dicke im Bereich von 5 µm bis 50 µm, vorzugsweise in einem Bereich von 10 µm bis 35 µm.
Das erfindungsgemäße Werkzeug ermöglicht eine vereinfachte Handhabung von Lithiummetall und verzichtet auf die aus bisherigen Technologien bekannte Verwendung von Schmiermitteln, Substraten oder chemischer Modifikation.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Werkzeugs zum Handhaben von Lithiummetall, dessen eine Werkzeugoberfläche mit einer Beschichtung versehen ist, die ein lithiumabstoßendes Material enthält, insbesondere zum Herstellen des oben beschriebenen Werkzeugs.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren umfasst das Aufbereiten des lithiumabstoßenden Materials, insbesondere einer lithiumleitenden Keramik wie Lithium-Lanthan-Zirkonat oder Lithiumcarbonat. Dabei kann das lithiumabstoßende Material beispielsweise für eine spätere Tauchbeschichtung in einer Lösung suspendiert werden oder für eine spätere Pulverbeschichtung pulverisiert und mit einem Binder vermischt werden.
Weiterhin umfasst das Herstellungsverfahren das Aufbringen des aufbereiteten lithiumabstoßenden Materials auf eine Werkzeugoberfläche des Werkzeugs. Dazu kann eine Tauchbeschichtung genutzt werden, bei der die Oberfläche des Werkzeugs, insbesondere die Werkzeugoberflächen, die beim Handhaben des Lithiummetalls mit diesem in Kontakt kommen, in die Lösung mit suspendiertem lithiumabstoßendem Material eingetaucht werden. Beispielsweise können die Spitzen einer Pinzette, der Walzzylinder einer Walze bzw. der Stempel eines Prägewerkzeugs in die Lösung getaucht werden. Alternativ kann eine Pulverbeschichtung durchgeführt werden, bei der die Oberfläche des Werkzeugs, insbesondere die Werkzeugoberflächen, die beim Handhaben des Lithiummetalls mit diesem in Kontakt kommen, mit dem Gemisch aus lithiumabstoßendem Material und Binder besprüht werden. Beispielsweise können die Spitzen der Schenkel einer Pinzette, der Walzzylinder einer Walze bzw. der Stempel eines Prägewerkzeugs mit dem Gemisch besprüht werden.
Auch eine Beschichtung mittels Physikalischer Abscheidungsmethoden ist denkbar. Beispielsweise kann das lithiumabstoßende Material mittels Aufdampfen, Aufschleudern oder mittels Kathodenzerstäubung (Sputtern) auf eine Werkzeugoberfläche aufgebracht werden.
Für lithiumleitende Granate hat sich die gepulste Laserdeposition als geeignet herausgestellt. Hierbei wird das Material vorzugsweise zu einem Target gepresst und anschließend mit einem Laser in einer Vakuumkammer auf die Werkzeugoberfläche abgeschieden.
Weiterhin umfasst das Herstellungsverfahren das Wärmebehandeln des Werkzeugs mit dem aufgebrachten lithiumabstoßenden Material. Wenn das lithiumabstoßende Material eine lithiumleitende Keramik, insbesondere Lithium-Lanthan-Zirkonat, ist, kann die Wärmebehandlung ein Sinterprozess sein. Wenn das lithiumabstoßende Material Lithiumcarbonat ist, kann eine schonende Wärmebehandlung bei Temperaturen unter 400°C durchgeführt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:

1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Werkzeugs in Form einer Walze;
2 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Werkzeugs in Form einer Pinzette;
3 schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Werkzeugs in Form eines Stanzwerkzeugs;
4 ein Flussdiagramm eines ersten Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Werkzeugs in Form einer Walze; und
5 ein Flussdiagramm eines zweiten Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Werkzeugs in Form einer Walze.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Walzvorrichtung 1 zum Herstellen von Folien aus Lithiummetall (dünne Lithium-Folie 3') mit einer Dicke von 10 µm bis 35 µm. Die Walzvorrichtung 1 weist zwei Walzzylinder 10 aus austenitischem Stahl auf, deren Mantelflächen 11 mit einer Beschichtung 2 aus Lithium-Lanthan-Zirkonat beschichtet sind. Durch den Kontakt zur Atmosphäre bildet sich an der Oberfläche der Beschichtung 2 ein Film aus Lithiumcarbonat (nicht dargestellt), das eine lithiumabstoßende Wirkung besitzt. Die Oberfläche des Films aus Lithiumcarbonat bildet die Walzflächen 12, die beim Walzen direkt mit dem Lithiummetall in Kontakt kommen, und einen umliegenden Bereich, der leicht unbeabsichtigt mit dem Lithiummetall in Kontakt geraten kann.
Die Walzzylinder 10 sind mit ihren Längsachsen 13 parallel zueinander ausgerichtet. Ein Abstand A zwischen den Längsachsen 13 der Walzzylinder 10 ist so verstellbar, dass der kleinste Abstand B zwischen den Walzflächen 12 geeignet ist, aus einer dicken Lithium-Folie 3 mit einer Dicke von ca. 200 µm eine dünne Lithium-Folie 3' mit einer Dicke im Bereich von 10 µm bis 35 µm zu walzen.
Durch die Beschichtung 2 wird verhindert, dass die dünne Lithium-Folie 3' an einer der Walzoberflächen 13 anhaftet. Somit kann die dünne Lithium-Folie problemlos direkt nach dem Walzen von den Walzflächen abgenommen werden. Die Walze 1 kann herkömmliche Walzzylinder nutzen, die nachträglich lediglich mit einer Beschichtung aus Lithium-Lanthan-Zirkonat versehen sind.
2 zeigt links ein Stanzwerkzeug 4 zum Stanzen einer Lithium-Folie 3 vor dem Stanzen und rechts nach dem Stanzen. Das Stanzwerkzeug 4 umfasst einen Stempel 40 mit zwei dornartigen Stanzspitzen 41 und eine Halterung 42, die den Stempel 40 trägt. Die Oberflächen der Stanzspitzen 41 sind mit einer Beschichtung 2 aus Lithium-Lanthan-Zirkonat beschichtet. Durch den Kontakt zur Atmosphäre bildet sich an der Oberfläche der Beschichtung 2 ein Film aus Lithiumcarbonat (nicht dargestellt), das eine lithiumabstoßende Wirkung besitzt. Die Oberfläche des Films aus Lithiumcarbonat bildet die Stanzflächen 43, die beim Stanzen direkt mit dem Lithiummetall in Kontakt kommen, und einen umliegenden Bereich, der leicht unbeabsichtigt mit dem Lithiummetall in Kontakt geraten kann.
Zum Stanzen der Lithium-Folie 3 bewegt sich das Stanzwerkzeug 4 senkrecht zu einer eben ausgebreiteten Lithium-Folie 3 (Pfeil C) und Spitzen 44 der beschichteten dornartigen Vorsprünge 41 schneiden in die Lithium-Folie 3 ein. Anschließend wird das Stanzwerkzeug 4 in entgegengesetzte Richtung (Pfeil D) von der Lithium-Folie 3 entfernt und hinterlässt ein Stanzmuster 30 in der Lithium-Folie 3.
Durch die Beschichtung 2 der dornartigen Vorsprünge 41 kann verhindert werden, dass die Lithiumfolie an den dornartigen Vorsprüngen 41 anhaftet und beim Entfernen des Stanzwerkzeugs 4 die Lithium-Folie beschädigt. Der Stempel 40 kann ein herkömmlicher Stanzstempel sein, der nachträglich mit einer Beschichtung aus Lithium-Lanthan-Zirkonat versehen ist.
3 zeigt eine Pinzette 5 zum Greifen einer Lithium-Folie 3. Die Pinzette 5 umfasst zwei Schenkel 50 aus Edelstahl und ein Verbindungselement 51, die die beiden Schenkel 50 an einem Schenkelende verbindet. Die Oberflächen von Haltespitzen 52, die sich an einem zu dem Verbindungselement 51 entgegengesetzten Schenkelende befinden, sind mit einer Beschichtung 2 aus Lithium-Lanthan-Zirkonat beschichtet. Durch den Kontakt zur Atmosphäre bildet sich an der Oberfläche der Beschichtung 2 ein Film aus Lithiumcarbonat (nicht dargestellt), das eine lithiumabstoßende Wirkung besitzt. Die Oberfläche des Films aus Lithiumcarbonat bildet die Halteflächen 53, die beim Greifen direkt mit dem Lithiummetall in Kontakt kommen, und einen umliegenden Bereich, der leicht unbeabsichtigt mit dem Lithiummetall in Kontakt geraten kann.
Durch die Beschichtung 2 wird verhindert, dass das Lithiummetall beim Loslassen an den Halteflächen der Pinzette anhaftet. Die Pinzette 5 kann eine herkömmliche Pinzette sein, die nachträglich lediglich mit einer Beschichtung aus Lithium-Lanthan-Zirkonat versehen sind.
Die Beschichtung der Walzzylinder, des Stanzstempels und der Pinzette können ein anderes lithiumabstoßendes Material als Lithium-Lanthan-Zirkonat umfassen bzw. daraus bestehen.
4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 6 zum Herstellen eines Walzzylinders, wie er in der mit Bezug auf 1 beschriebenen Walzvorrichtung verwendet wird.
Bei 60 wird das lithiumabstoßende Material der Beschichtung, hier Lithium-Lanthan-Zirkonat, aufbereitet. Dazu wird das Lithium-Lanthan-Zirkonat in einer Lösung suspendiert.
Bei 61 wird ein Rohling eines Walzzylinders aus austenitischem Stahl so in die Suspension mit dem suspendierten Lithium-Lanthan-Zirkonat getaucht, dass das Lithium-Lanthan-Zirkonat die Mantelflächen des Rohlings vollständig benetzt (Tauchbeschichtung).
Bei 62 wird der mit dem suspendierten Lithium-Lanthan-Zirkonat benetzte Walzzylinder gesintert, um die Beschichtung haltbar und widerstandsfähig zu machen.
5 zeigt ein Flussdiagramm eines weiteren Verfahrens 7 zum Herstellen eines Walzzylinders, der in der mit Bezug auf 1 beschriebenen Walzvorrichtung verwendet wird.
Bei 70 wird das lithiumabstoßende Material der Beschichtung, hier Lithium-Lanthan-Zirkonat, aufbereitet. Dazu wird das Lithium-Lanthan-Zirkonat pulverisiert und mit einem Binder vermengt.
Bei 71 wird die Mantelfläche des Walzzylinders mit dem Gemisch aus lithiumabstoßendem Material und Binder besprüht (Pulverbeschichtung), so dass die Mantelfläche gleichmäßig mit dem Gemisch bedeckt ist.
Bei 72 wird der mit dem Gemisch aus Lithium-Lanthan-Zirkonat und Binder benetzte Walzzylinder gesintert, um den Binder zu verbrennen sowie um die Beschichtung haltbar und widerstandsfähig zu machen.
Die beschriebenen Verfahren 6, 7 können auch beim Herstellen eines anderen Werkzeugs, beispielsweise eines Stanzstempels, wie er in 2 gezeigt ist, oder einer Pinzette, wie sie in 3 gezeigt ist, analog zum Einsatz kommen. Anstelle des Lithium-Lanthan-Zirkonat kann auch eine andere lithiumleitende Keramik als lithiumabstoßendes Material verwendet werden.
Außerdem können die beschriebenen Verfahren 6, 7 so modifiziert werden, dass Lithiumcarbonat als Beschichtungsmaterial eingesetzt wird. Dabei wird der Schritt des Sinterns 63, 73 durch eine schonende Temperaturbehandlung bei Temperaturen unter 400°C ersetzt.
Bezugszeichenliste

1: Walzvorrichtung zum Herstellen von dünnen Lithium-Folien
10: Walzzylinder
11: Mantelfläche des Walzzylinders
12: Walzfläche
13: Längsachse des Wälzzylinders
2: Beschichtung aus Lithium-Lanthan-Zirkonat
3: dicke Lithium-Folie
3': dünne Lithium-Folie
30: Stanzmuster
4: Stanzwerkzeug zum Stanzen von Lithium-Folien
40: Stempel
41: dornartige Stanzspitze
42: Halterung
43: Stanzflächen
5: Pinzette
50: Schenkel
51: Verbindungselement
52: Haltespitzen
53: Haltefläche
6, 7: Verfahren zum Herstellen eines Walzzylinders
60, 70: Aufbereiten des Lithium-Lanthan-Zirkonats
61, 71: Aufbringen des aufbereiteten Lithium-Lanthan-Zirkonats
62, 72: Sintern
A: Abstand zwischen Längsachsen der Walzzylinder
B: kleinster Abstand zwischen den Wälzoberflächen
C, D: Richtungspfeile, die die Bewegungsrichtung des Stanzwerkzeugs angeben

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005017459 A1 [0002]
DE 102010011185 A1 [0002]
DE 102010040430 A1 [0002]
US 2007/0006680 A1 [0003]
EP 0692831 B1 [0003]

Claims

Beschichtung (2) für Werkzeuge (1, 4, 5) zum Handhaben von Lithiummetall (3), die ein lithiumabstoßendes Material enthält.
Beschichtung (2) nach Anspruch 1, wobei das lithiumabstoßende Material eine lithiumleitende Keramik oder Lithiumcarbonat ist.
Beschichtung (2) nach Anspruch 2, wobei die lithiumleitende Keramik eine Keramik der Gruppe lithiumleitender Granate ist.
Beschichtung (2) nach Anspruch 3, wobei die Keramik der Gruppe lithiumleitender Granate Lithium-Lanthan-Zirkonat ist.
Werkzeug (1, 4, 5) zum Handhaben von Lithiummetall (3), wobei eine Werkzeugoberfläche (11) des Werkzeugs (1) mit einer Beschichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 versehen ist.
Werkzeug(1, 4, 5) nach Anspruch 5, wobei alle Werkzeugoberflächen, die beim Handhaben des Lithiummetall (3) mit diesem in Kontakt kommen, mit der Beschichtung (2) versehen sind.
Werkzeug (1, 4, 5) nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Werkzeug eine Walze (1), eine Pinzette (5), ein Stanzwerkzeug (4), eine Spritze, ein Rührwerkzeug, ein Trichter oder ein Behältnis ist.
Werkzeug (1, 4, 5) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Beschichtung (2) eine Dicke im Bereich von 0,05 µm bis 5 µm aufweist.
Werkzeug (1, 4, 5) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die mit der Beschichtung (2) versehene Werkzeugoberfläche (11) eine gemittelte Rautiefe, die kleiner als 2 µm ist, aufweist.
Verfahren (6, 7) zum Herstellen eines Werkzeugs (1, 4, 5) zum Handhaben von Lithiummetall (3) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, umfassend: Aufbereiten (60, 70) des lithiumabstoßenden Materials; Aufbringen (61, 71) des aufbereiteten lithiumabstoßenden Materials auf eine Werkzeugoberfläche (11) des Werkzeugs (1, 4, 5); und Wärmebehandeln (62, 72) des Werkzeugs (1, 4, 5) mit dem aufgebrachten lithiumabstoßenden Material.