DE102019108876B4 - Verfahren zur Herstellung einer negativen Lithium-Metall-Elektrode - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer negativen Elektrode für eine elektrochemische Zelle einer Lithium-Metallbatterie, das Verfahren umfassend:Bereitstellen einer Lithium-Metallschicht mit einer ersten Seite, die eine Außenfläche definiert, und einer gegenüberliegenden zweiten Seite, die eine Passfläche definiert;Bereitstellen einer metallischen Stromabnehmerschicht mit einer ersten Seite, die eine Außenfläche definiert, und einer gegenüberliegenden zweiten Seite, die eine Passfläche definiert,Anordnen der Lithium-Metallschicht und der Stromabnehmerschicht nebeneinander und in einer zumindest teilweise überlappenden Konfiguration, sodass die Passflächen der Schichten einander gegenüberliegen und an einer Schweißstelle eine Passschnittstelle dazwischen bilden;Klemmen der Lithium-Metallschicht und der Stromabnehmerschicht zwischen einer Trägerplatte und einer transparenten Deckplatte, sodass die erste Seite der Lithium-Metallschicht zur Trägerplatte gerichtet ist, die erste Seite der Stromabnehmerschicht zur transparenten Deckplatte gerichtet ist und die Passflächen der Schichten an der Schweißstelle gegeneinander drücken;Richten eines Laserstrahls auf die Außenfläche der Stromabnehmerschicht an der Schweißstelle, um einen Teil der Lithium-Metallschicht angrenzend an die Passfläche der Stromabnehmerschicht zu schmelzen und ein Lithium-Metall-Schmelzschweißbad zu erzeugen, das die Passfläche der Stromabnehmerschicht benetzt; undBeenden des Laserstrahls, um das Schmelzschweißbad in eine feste Schweißverbindung zu verfestigen, welche die Lithium-Metallschicht und die Stromabnehmerschicht an der Schweißstelle physikalisch miteinander verbindet,worin die metallische Stromabnehmerschicht einen relativ hohen Schmelzpunkt im Vergleich zu dem der Lithium-Metallschicht aufweist, undworin das Schmelzschweißbad an der Passschnittstelle zwischen der Lithium-Metallschicht und der Stromabnehmerschicht erzeugt wird, ohne die Passfläche der Stromabnehmerschicht zu durchdringen oder zu schmelzen.

Description

  • EINLEITUNG
  • Eine Batterie ist eine Vorrichtung, das chemische Energie speichert und die gespeicherte chemische Energie bei Bedarf durch elektrochemische Reduktions-Oxidations-(Redox)-Reaktionen in elektrische Energie umwandeln kann. In sekundären oder wiederaufladbaren Batterien sind diese elektrochemischen Reaktionen reversibel, weswegen die Batterien imstande sind, mehrere Lade- und Entladezyklen zu durchlaufen.
  • Eine elektrochemische Zelle einer sekundären Lithiumbatterie beinhaltet im Allgemeinen eine negative Elektrode und eine positive Elektrode, die durch einen ionisch leitfähigen (und elektrisch isolierenden) Elektrolyten voneinander getrennt sind. Der Elektrolyt sieht ein Medium vor, durch das Lithiumionen zwischen den Elektroden beim Laden und Entladen der Zelle übertragen werden können. Die Energie wird in den negativen und positiven Elektroden der Zelle in Form von Lithium gespeichert, wobei die Energiedichte der Zelle durch die Lithiumspeicherkapazität der Elektroden pro Masseneinheit und die elektrochemische Potentialdifferenz von Lithium zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode bestimmt wird. Lithiummetall weist eine relativ geringe Dichte auf und weist das negativste elektrochemische Potential eines jeden Elements auf (im Vergleich zur Standard-Wasserstoffelektrode), was eine höchstmögliche elektrochemische Potentialdifferenz innerhalb einer elektrochemischen Zelle ermöglicht und es somit zu einem idealen Material für die negative Elektrode einer Lithiumbatterie macht.
  • In der Praxis sind die negativen und positiven Elektroden in einer elektrochemischen Zelle jeweils elektrisch mit einem elektrisch leitfähigen metallischen Stromabnehmer gekoppelt, der ein Medium bereitstellt, durch das Elektronen über eine externe Schaltung von einer Elektrode zur anderen gelangen können. Daher erfordert die praktische Verwendung von Lithiummetall als negatives Elektrodenmaterial einer Lithiumbatterie die Entwicklung eines Verfahrens, mit dem eine robuste physikalische und elektrische Verbindung zwischen einer Lithiummetallschicht und einem metallischen Stromabnehmer hergestellt werden kann, ohne die mechanische Integrität der Lithiummetallschicht zu beeinträchtigen und ohne unerwünschte chemische Reaktionen zwischen der Lithiummetallschicht und der Umgebung auszulösen. Zum Stand der Technik wird auf DE 10 2013 216 238 A1 , US 2002 / 0 037 457 A1 , US 2013 / 0 130 096 A1 , US 2014 / 0 234 732 A1 , US 2016 / 0 211 500 A1 und US 2017 / 0 028 515 A1 verwiesen.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Bei einem Verfahren zur Herstellung einer negativen Elektrode für eine elektrochemische Zelle einer Lithium-Metall-Batterie können eine Lithium-Metallschicht und eine metallische Stromabnehmerschicht vorgesehen werden. Die Lithium-Metallschicht kann eine erste Seite aufweisen, die eine Außenfläche definiert, und eine gegenüberliegende zweite Seite, die eine Passfläche definiert, und die metallische Stromabnehmerschicht kann eine erste Seite aufweisen, die eine Außenfläche definiert, und eine gegenüberliegende zweite Seite, die eine Passfläche definiert. Die Lithium-Metallschicht und die Stromabnehmerschicht können angrenzend und in einer zumindest teilweise überlappenden Konfiguration so angeordnet sein, dass die Passschnittstelle der Schichten einander gegenüberliegen und an einer Schweißstelle eine Passschnittstelle dazwischen bilden. Die Lithium-Metallschicht und die Stromabnehmerschicht können zwischen einer Trägerplatte und einer transparenten Deckplatte so eingespannt werden, dass die erste Seite der Lithium-Metallschicht zur Trägerplatte gerichtet ist, die erste Seite der Stromabnehmerschicht zur transparenten Deckplatte gerichtet ist und die Passflächen der Schichten an der Schweißstelle gegeneinander drücken. Ein Laserstrahl kann auf die Außenfläche der Stromabnehmerschicht an der Schweißstelle gerichtet werden, um einen Teil der Lithium-Metallschicht angrenzend an die Passfläche der Stromabnehmerschicht zu schmelzen und ein Lithium-Metall-Schmelzschweißbad zu erzeugen, das die Passfläche der Stromabnehmerschicht benetzt. Der Laserstrahl kann beendet werden, um das Schmelzschweißbad zu einer festen Schweißverbindung zu verfestigen, welche die Lithium-Metallschicht und die Stromabnehmerschicht an der Schweißstelle physikalisch miteinander verbindet.
  • Die metallische Stromabnehmerschicht kann im Vergleich zur Lithium-Metallschicht einen relativ hohen Schmelzpunkt aufweisen. In diesem Fall kann das Schmelzschweißbad an der Passschnittstelle zwischen der Lithium-Metallschicht und der Stromabnehmerschicht erzeugt werden, ohne die Passfläche der Stromabnehmerschicht zu durchdringen oder zu schmelzen.
  • Der Laserstrahl kann im Leitungsschweißmodus betrieben werden, sodass das Lithium-Metall-Schmelzschweißbad teilweise in die Lithium-Metallschicht eindringt und sich von der zweiten Seite der Lithium-Metallschicht teilweise zur ersten Seite der Lithium-Metallschicht erstreckt.
  • Die metallische Stromabnehmerschicht kann mindestens ein Metall oder eine Metalllegierung umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Nickel, Edelstahl und Titan.
  • Die metallische Stromabnehmerschicht kann eine nicht-poröse Metallfolie, ein perforiertes Metallblech oder ein poröses Metallgewebe umfassen.
  • Die feste Schweißverbindung kann zwischen der Lithium-Metallschicht und der Stromabnehmerschicht ohne Verwendung von Flussmittel, Füllstoff oder Lötmaterial gebildet werden.
  • Der Laserstrahl kann ein kontinuierlicher Wellenlaserstrahl mit einer Leistungsdichte im Bereich von 3 x 104 W/cm2 bis 1 × 106 W/cm2, einer Geschwindigkeit im Bereich von 0,2 m/s bis 2 m/s und einer Laserstrahlfleckgröße im Bereich von 0,2 mm bis 1 mm sein.
  • Vor der Ausrichtung des Laserstrahls auf die Außenfläche der Stromabnehmerschicht können die Lithium-Metallschicht und die Stromabnehmerschicht in einer Kammer eingeschlossen und eine subatmosphärische Druckumgebung innerhalb der Kammer aufgebaut werden.
  • Die Kammer kann ein transparentes Fenster beinhalten. In diesem Fall kann der Laserstrahl durch die transparente Deckplatte und durch das transparente Fenster geleitet werden, bevor er auf die Außenfläche der Stromabnehmerschicht gerichtet wird.
  • Vor der Anordnung der Lithium-Metallschicht und der Stromabnehmerschicht nebeneinander und in einer zumindest teilweise überlappten Konfiguration kann die Passfläche der metallischen Stromabnehmerschicht abgeschliffen werden, um eine Vielzahl von Spitzen und Tälern an der Passfläche der metallischen Stromabnehmerschicht zu erzeugen. In diesem Fall, wenn der Laserstrahl auf die Außenfläche der Stromabnehmerschicht gerichtet ist, kann das Lithiummetall-Schmelzschweißbad in die Vertiefungen an der Passfläche der Stromabnehmerschicht fließen. Darüber hinaus können sich nach Beendigung des Laserstrahls Abschnitte der festen Schweißverbindung in die Vertiefungen an der Passfläche der Stromabnehmerschicht erstrecken und eine mechanische Verriegelung bilden, die eine Gleitbewegung der Stromabnehmerschicht und der Lithiummetallschicht relativ zueinander verhindert.
  • Die Passfläche der metallischen Stromabnehmerschicht kann unter Verwendung eines Laserablationsprozesses abgerieben werden, worin ein gepulster Laserstrahl auf die Passfläche des Stromabnehmers gerichtet und relativ zu einer Ebene vorgeschoben wird, die durch die Passfläche der Stromabnehmerschicht gemäß einem vorbestimmten Verfahrweg definiert ist. Der gepulste Laserstrahl kann eine Leistungsdichte im Bereich von 5,0 × 105 W/cm2 bis 1,0 × 107 W/cm2, eine Pulsdauer im Bereich von 0,5 Nanosekunden bis 500 Nanosekunden, eine Pulswiederholrate im Bereich von 1 kHz bis 100 kHz, eine Geschwindigkeit im Bereich von 0,1 m/s bis 2 m/s und eine Laserstrahlfleckgröße im Bereich von 25 µm bis 200 µm aufweisen.
  • Der Laserablationsprozess kann in einer sauerstoffhaltigen Umgebung durchgeführt werden, um eine Metalloxidschicht auf der Passfläche der metallischen Stromabnehmerschicht zu bilden. In diesem Fall, wenn der Laserstrahl auf die Außenfläche der Stromabnehmerschicht gerichtet ist, kann das Lithium-Metall-Schmelzschweißbad mit der Metalloxidschicht auf der Passfläche der Stromabnehmerschicht chemisch reagieren und eine oder mehrere Lithiumoxidverbindungen bilden. Darüber hinaus kann die feste Schweißverbindung nach Beendigung des Laserstrahls die Lithium-Metallschicht und die Stromabnehmerschicht an der Schweißstelle chemisch und physikalisch miteinander verbinden.
  • Die Stromabnehmerschicht kann porös sein und kann eine Vielzahl von Durchgangsbohrungen beinhalten, die sich in Querrichtung zu einer Ebene erstrecken, die durch die Passfläche der Stromabnehmerschicht definiert ist. In diesem Fall, wenn der Laserstrahl auf die Außenfläche der Stromabnehmerschicht gerichtet ist, kann das Lithiummetall-Schmelzschweißbad in die Durchgangsbohrungen in der Stromabnehmerschicht fließen. Darüber hinaus können sich nach Beendigung des Laserstrahls Abschnitte der festen Schweißverbindung in die Durchgangsbohrungen in der Stromabnehmerschicht erstrecken und eine mechanische Verriegelung erzeugen, die eine Gleitbewegung der Stromabnehmerschicht und der Lithium-Metallschicht relativ zueinander verhindert. Die Durchgangsbohrungen in der Stromabnehmerschicht weisen einen Durchmesser von mehr als oder gleich 0,5 Millimetern auf.
  • Bei einem Verfahren zur Herstellung einer negativen Elektrode für eine elektrochemische Zelle einer Lithium-Metall-Batterie können eine Lithium-Metallschicht und eine metallische Stromabnehmerschicht vorgesehen werden. Die Lithium-Metallschicht kann eine erste Seite aufweisen, die eine Außenfläche definiert, und eine gegenüberliegende zweite Seite, die eine Passfläche definiert, und die metallische Stromabnehmerschicht kann eine erste Seite aufweisen, die eine Außenfläche definiert, und eine gegenüberliegende zweite Seite, die eine Passfläche definiert. Ein gepulster Laserstrahl kann auf die Passfläche der metallischen Stromabnehmerschicht gerichtet werden, während die Stromabnehmerschicht einer sauerstoffhaltigen Umgebung ausgesetzt ist, um eine Vielzahl von Erhöhungen und Vertiefungen an der Passfläche der Stromabnehmerschicht zu erzeugen und eine dünne Metalloxidschicht auf der Passfläche der Stromabnehmerschicht zu bilden. Danach können die Lithium-Metallschicht und die metallische Stromabnehmerschicht angrenzend und in einer zumindest teilweise überlappenden Konfiguration so angeordnet sein, dass die Passschnittstelle der Schichten einander gegenüberliegen und an einer Schweißstelle eine Passschnittstelle dazwischen bilden. Die Lithium-Metallschicht und die Stromabnehmerschicht können zwischen einer Trägerplatte und einer transparenten Deckplatte so eingespannt werden, dass die erste Seite der Lithium-Metallschicht zur Trägerplatte gerichtet ist, die erste Seite der Stromabnehmerschicht zur transparenten Deckplatte gerichtet ist und die Passflächen der Schichten an der Schweißstelle gegeneinander drücken. Ein Laserstrahl kann auf die Außenfläche der Stromabnehmerschicht an der Schweißstelle gerichtet werden, um einen Abschnitt der Lithium-Metallschicht angrenzend an die Passfläche der Stromabnehmerschicht zu schmelzen und ein Lithium-Metall-Schmelzschweißbad zu erzeugen, das die Passfläche der Stromabnehmerschicht benetzt, in die Vertiefungen an der Passfläche der Stromabnehmerschicht fließt und chemisch mit der Metalloxidschicht auf der Passfläche der Stromabnehmerschicht reagiert, um eine oder mehrere Lithiumoxidverbindungen zu bilden. Anschließend kann der Laserstrahl beendet werden, um das Schmelzschweißbad zu einer festen Schweißverbindung zu verfestigen, welche die Lithiummetallschicht und die Stromabnehmerschicht an der Schweißstelle chemisch und physikalisch miteinander verbindet. Abschnitte der festen Schweißverbindung können sich in die Vertiefungen an der Passfläche der Stromabnehmerschicht erstrecken und eine mechanische Verriegelung bilden, die eine Bewegung der Stromabnehmerschicht und der Lithiummetallschicht relativ zueinander verhindert.
  • Die metallische Stromabnehmerschicht kann mindestens ein Metall oder eine Metalllegierung umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Kupfer, Nickel, Eisen und Titan, und die auf der Passfläche der Stromabnehmerschicht gebildete Metalloxidschicht kann ein Oxid des mindestens einen Metalls oder der Metalllegierung der metallischen Stromabnehmerschicht umfassen.
  • Nachdem die Vielzahl von Erhöhungen und Vertiefungen an der Passfläche der Stromabnehmerschicht erzeugt wurde, kann die Passfläche der Stromabnehmerschicht eine Oberflächenrauhigkeit (Rz) im Bereich von 10 Mikrometern bis 500 Mikrometern aufweisen, und die auf der Passfläche der Stromabnehmerschicht gebildete Metalloxidschicht kann eine Dicke im Bereich von 0,1 Mikrometern bis 10 Mikrometern aufweisen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
    • 1 ist eine schematische perspektivische Explosionsansicht einer elektrochemischen Zelle für eine sekundäre Lithium-Metallbatterie, wobei die elektrochemische Zelle eine negative Elektrode, eine positive Elektrode, einen porösen Separator, der zwischen der negativen und der positiven Elektrode angeordnet ist, und einen nichtwässrigen Elektrolyten in ionischem Kontakt mit der positiven und negativen Elektrode beinhaltet,
    • 2 ist eine schematische Seitenschnittansicht eines Systems zur Herstellung einer negativen Elektrode für eine elektrochemische Zelle einer Lithium-Metallbatterie, wobei das System eine Laserschweißvorrichtung und eine geschlossene Kammer beinhaltet, in der eine metallische Stromabnehmerschicht und eine Lithium-Metallschicht in einer zumindest teilweise überlappenden Konfiguration angeordnet sind;
    • 3 ist eine schematische seitliche Querschnittsansicht der Kammer von 2, die einen Schritt in einem Laserschweißverfahren zum Verbinden der Stromabnehmerschicht und der Lithium-Metallschicht miteinander veranschaulicht, worin ein Lithium-Metall-Schmelzschweißbad an einer Passschnittstelle zwischen den Schichten gebildet wird, die teilweise in die Lithium-Metallschicht eindringt;
    • 4 ist eine schematische seitliche Querschnittsansicht der Stromabnehmerschicht und der Lithium-Metallschicht von 3 nach dem Verfestigen des Schmelzbades, worin die Stromabnehmerschicht und die Lithium-Metallschicht durch eine feste Schweißverbindung miteinander verbunden sind;
    • 5 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer nicht-porösen Lithium-Metallschicht und einer metallischen Stromabnehmerschicht in Form eines porösen metallischen Netzes zur Verwendung bei der Herstellung einer negativen Elektrode für eine elektrochemische Zelle einer Lithium-Metallbatterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
    • 6 ist eine Draufsicht auf die Lithium-Metallschicht und die Stromabnehmerschicht von 5, wobei die Lithium-Metallschicht und die Stromabnehmerschicht in einer überlappenden Konfiguration angeordnet und zwischen einer Trägerplatte und einer transparenten Deckplatte eingespannt sind;
    • 7 ist eine vergrößerte Ansicht der Lithium-Metallschicht und der Stromabnehmerschicht von 6 während eines Laserschweißprozesses, worin ein Laserstrahl in Bezug auf eine Außenfläche der Stromabnehmerschicht entlang eines vorbestimmten Verfahrweges an einer vorgesehenen Schweißstelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung vorgeschoben wird;
    • 8 ist eine schematische seitliche Querschnittsansicht der Lithium-Metallschicht und der Stromabnehmerschicht von 7 entlang der Linie 8-8 von 7;
    • 9 ist eine schematische Seitenschnittansicht der Lithium-Metallschicht und der Stromabnehmerschicht von 8 nach Beendigung des Laserschweißverfahrens;
    • 10 ist eine schematische Seitenschnittansicht einer metallischen Stromabnehmerschicht während eines Laserablationsvorbehandlungsprozesses, bei dem ein gepulster Laserstrahl verwendet wird, um eine Oberfläche der Stromabnehmerschicht vorzubehandeln, indem Material von einem Oberflächenabschnitt der Stromabnehmerschicht entfernt wird;
    • 11 ist eine schematische seitliche Querschnittsansicht der metallischen Stromabnehmerschicht von 10 nach Beendigung des Laserablationsvorbehandlungsprozesses, welche die Konturen der Oberfläche der Stromabnehmerschicht nach Beendigung des Laserablationsvorbehandlungsprozesses veranschaulicht;
    • 12 ist eine schematische seitliche Querschnittsansicht der vorbehandelten metallischen Stromabnehmerschicht von 11 und einer Lithium-Metallschicht während eines nachfolgenden Laserschweißverfahrens, worin die Stromabnehmerschicht und die Lithium-Metallschicht in einer Kammer eingeschlossen, in einer zumindest teilweise überlappenden Konfiguration angeordnet und an einer vorgesehenen Schweißstelle miteinander verschweißt sind;
    • 13 ist eine schematische seitliche Querschnittsansicht der vorbehandelten metallischen Stromabnehmerschicht und der Lithiummetallschicht von 12 nach Beendigung des Laserschweißverfahrens; und
    • 14 ist ein Rasterelektronenmikroskop-(REM)-Bild einer nicht-porösen Lithium-Metallschicht und einer nicht-porösen metallischen Stromabnehmerschicht, die durch ein Laserschweißverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung miteinander verschweißt wurden.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Das derzeit offenbarte Laserschweißverfahren kann verwendet werden, um eine robuste physikalische Verbindung entlang einer spaltfreien Passschnittstelle zwischen einer porösen oder nicht-porösen metallischen Stromabnehmerschicht und einer Lithium-Metallschicht herzustellen, wobei die strukturelle Integrität der Schichten erhalten bleibt und kein Flussmittel, Füllstoff oder Lötmaterial verwendet wird. In einigen Ausführungsformen kann eine Passfläche der metallischen Stromabnehmerschicht durch einen Laserablationsprozess vor dem Laserschweißverfahren vorbehandelt werden, um die Passfläche der Stromabnehmerschicht aufzurauen und dadurch die Festigkeit der resultierenden physikalischen Verbindung zwischen der Stromabnehmerschicht und der Lithium-Metallschicht während des Laserschweißverfahrens zu verbessern, beispielsweise durch Herstellen einer mechanischen Verriegelung zwischen den Schichten. In einer Form kann der Laserablationsprozess in einer sauerstoffhaltigen Umgebung durchgeführt werden, sodass die Passfläche der metallischen Stromabnehmerschicht während des Laserablationsprozesses gleichzeitig aufgeraut und oxidiert wird, um eine dünne Metalloxidschicht auf der Passfläche der metallischen Stromabnehmerschicht zu bilden. Anschließend kann die Metalloxidschicht auf der Passfläche der metallischen Stromabnehmerschicht während des anschließenden Laserschweißverfahrens neben der physikalischen Bindung und der zwischen den Schichten gebildeten mechanischen Verriegelung zur Bildung einer relativ starken chemischen Bindung zwischen der Stromabnehmerschicht und der Lithium-Metallschicht beitragen.
  • Mit dem derzeit offenbarten Laserschweißverfahren und dem optionalen Laserablationsverfahren können die Stromabnehmerschicht und die Lithium-Metallschicht effektiv miteinander verbunden werden, ohne den freien Elektronenfluss dazwischen zu beeinträchtigen. Somit können die Schichten nach dem Laserschweißen der Stromabnehmerschicht und der Lithium-Metallschicht als negative Elektrode in einer elektrochemischen Zelle einer Lithium-Metallbatterie verwendet werden, wobei die Lithium-Metallschicht als negatives Elektrodenmaterial der elektrochemischen Zelle dient.
  • 1 veranschaulicht idealisiert eine Explosionsansicht einer elektrochemischen Zelle 10 für eine sekundäre Lithium-Metall-Batterie (nicht dargestellt), die eine negative Elektrode 12, eine positive Elektrode 14, eine Membran 16, die zwischen den negativen und positiven Elektroden 12, 14 und einem nichtwässrigen Elektrolyten 18 in ionischem Kontakt mit den positiven und negativen Elektroden 12, 14 eingeschlossen ist. Die negative Elektrode 12 beinhaltet einen negativen Elektrodenstromabnehmer 20 und eine negative Lithiummetall-Elektrodenmaterialschicht 22, die physikalisch und elektrisch mit dem negativen Elektrodenstromabnehmer 20 gekoppelt ist. Ebenso beinhaltet die positive Elektrode 14 einen positiven Elektrodenstromabnehmer 24 und eine aktive positive Elektrodenmaterialschicht 26, die physikalisch und elektrisch mit dem positiven Elektrodenstromabnehmer 24 gekoppelt ist.
  • Der negative Elektrodenstromabnehmer 20 beinhaltet eine erste Seite 28 und eine gegenüberliegende zweite Seite 30, die eine Passfläche 32 definiert, und ebenso beinhaltet die negative Lithium-Metall-Elektrodenmaterialschicht 22 eine erste Seite 34 und eine gegenüberliegende zweite Seite 36, die eine Passfläche 38 definiert. Der negative Elektrodenstromabnehmer 20 und die negative Lithium-Metall-Elektrodenmaterialschicht 22 sind mechanisch und in einigen Fällen an einer Passschnittstelle 40 chemisch miteinander verbunden, die zwischen ihren jeweiligen Passflächen 32, 38 durch eine oder mehrere feste Schweißverbindungen hergestellt wird (nicht dargestellt). Die eine oder mehreren Schweißverbindungen, die an der Passschnittstelle 40 zwischen dem negativen Elektrodenstromabnehmer 20 und der negativen Lithiummetall-Elektrodenmaterialschicht 22 gebildet sind, können dazu beitragen, den elektrischen Kontakt zwischen ihnen während des Betriebs und/oder der Bewegung der elektrochemischen Zelle 10 aufrechtzuerhalten. So kann beispielsweise die eine oder die mehreren Schweißverbindungen dazu beitragen, eine Delamination oder Trennung zwischen der negativen Lithiummetall-Elektrodenmaterialschicht 22 und dem negativen Elektrodenstromabnehmer 20 beim Biegen der elektrochemischen Zelle 10 zu verhindern.
  • In 1 beinhaltet der negative Elektrodenstromabnehmer 20 einen Körperabschnitt 42, der mit der negativen Lithiummetall-Elektrodenmaterialschicht 22 koextensiv ist, und eine negative Polaritätsverbindungslasche 44, die sich vom Körperabschnitt 42 weg über einen Umfang der negativen Lithiummetall-Elektrodenmaterialschicht 22 hinaus erstreckt. Ebenso beinhaltet der positive Elektrodenstromabnehmer 24 einen Körperabschnitt 46, der mit der positiven Elektrodenmaterialschicht 26 koextensiv ist, und eine positive Polaritätsverbindungslasche 48, die sich vom Körperabschnitt 46 weg über einen Umfang der positiven Elektrodenmaterialschicht 26 erstreckt. In anderen Ausführungsformen können die Körperabschnitte 42, 46 der Stromabnehmer 20, 24 jedoch mit ihren jeweiligen Elektrodenmaterialschichten 22 unvereinbar sein. So kann beispielsweise der Umfang der negativen Elektrodenmaterialschicht 22 größer sein als ein Umfang des Körperabschnitts 42 des negativen Elektrodenstromabnehmers 20 und/oder der Umfang der positiven Elektrodenmaterialschicht 26 größer sein als ein Umfang des Körperabschnitts 46 des positiven Elektrodenstromabnehmers 24. In einer Form kann der Körperabschnitt 42 des negativen Elektrodenstromabnehmers 20 so bemessen sein, dass er die Bildung einer oder mehrerer Schweißnähte an der Passschnittstelle 40 zwischen dem negativen Elektrodenstromabnehmer 20 und der negativen Lithium-Metall-Elektrodenschicht 22 ermöglicht, sodass eine starke und dauerhafte Verbindung zwischen ihnen wirksam hergestellt werden kann.
  • Die negativen und positiven Polaritätsverbindungslaschen 44, 48 können einheitlich in einer einteiligen Konstruktion mit ihren jeweiligen negativen und positiven Elektroden-Stromabnehmern 20, 24 ausgeführt sein. Oder die negativen und positiven Polaritätsverbindungslaschen 44, 48 können getrennt hergestellt und anschließend mit ihren jeweiligen negativen und positiven Elektroden-Stromabnehmern 20, 24 gekoppelt werden, beispielsweise durch Verschweißen mit diesen. In der Praxis können die negativen und positiven Polaritätsverbindungslaschen 44, 48 der elektrochemischen Zelle 10 elektrisch mit den entsprechenden negativen und positiven Polaritätsverbindungslaschen einer oder mehrerer anderer elektrochemischer Zellen (nicht dargestellt) verbunden werden, um eine Lithium-Metall-Batterie herzustellen (nicht dargestellt). Die negativen und positiven Polaritätsverbindungslaschen 44, 48 können auch über einen unterbrechbaren externen Stromkreis 52 elektrisch mit einer elektrischen Vorrichtung 50 verbunden sein. Die elektrische Vorrichtung 50 kann einen elektrischen Verbraucher, der von der elektrochemischen Zelle 10 gespeist werden kann, oder eine Stromquelle umfassen, welche die elektrochemische Zelle 10 durch eine angelegte externe Spannung wieder aufladen kann.
  • Die negativen und positiven Elektroden-Stromabnehmer 20, 24 können jedes metallische Material umfassen, das in der Lage ist, freie Elektronen zu sammeln und reversibel von und zu ihren jeweiligen Elektrodenmaterialschichten 22, 26 zu durchlaufen. Der Begriff „metallisch“, wie hierin verwendet, bezieht sich auf ein Material, das überwiegend ein oder mehrere Metalle umfasst. Als solches kann ein metallisches Material ein einzelnes Metall, mehr als ein Metall (in Legierungsform oder anderweitig) oder sowohl ein oder mehrere Metalle als auch eine oder mehrere andere nicht-metallische Komponenten in elementarer oder Verbundform umfassen. So können beispielsweise die negativen und/oder positiven Elektroden-Stromabnehmer 20, 24 ein elektrisch leitfähiges Metall oder eine Metalllegierung, z. B. ein Übergangsmetall oder eine Legierung derselben, umfassen. In einigen spezifischen Beispielen kann der negative Elektroden-Stromabnehmer 20 Kupfer, Nickel, eine Eisenlegierung (z. B. Edelstahl) oder Titan umfassen, und der positive Elektroden-Stromabnehmer 24 kann Aluminium, Nickel oder eine Eisenlegierung (z. B. Edelstahl) umfassen. Natürlich können bei Bedarf auch andere elektrisch leitfähige Metalle verwendet werden. Die negativen und positiven Elektroden-Stromabnehmer 20, 24 können in Form von dünnen und flexiblen nicht-porösen Metallfolien, porösen Metallgeweben oder perforierten Blechen vorliegen. Die spezifische Konfiguration der negativen und positiven Elektroden-Stromabnehmer 20, 24 kann von der vorgesehenen Anwendung der elektrochemischen Zelle 10 abhängig sein. Die negativen und positiven Elektroden-Stromabnehmer 20, 24 können Dicken im Bereich von 8 Mikrometern bis 150 Mikrometern aufweisen.
  • Die negative Elektrodenmaterialschicht 22 aus Lithiummetall kann im Wesentlichen aus Lithium-(Li)-Metall bestehen. So kann beispielsweise die negative Lithium-Metall-Elektrodenmaterialschicht 22, bezogen auf das Gewicht, mehr als 97 % Lithium oder, noch bevorzugter, mehr als 99 % Lithium umfassen. Die negative Elektrodenmaterialschicht 22 umfasst jedoch vorzugsweise keine anderen Elemente oder Verbindungen, die während des Betriebs der elektrochemischen Zelle 10 eine reversible Redoxreaktion mit Lithium durchlaufen. So umfasst beispielsweise die negative Elektrodenmaterialschicht 22 vorzugsweise kein Wirtsmaterial für die Interkalation, das so formuliert ist, dass es der reversiblen Einführung oder Interkalation von Lithiumionen unterzogen wird, oder ein Legierungsmaterial, das elektrochemisch legieren und Lithium-Verbindungsphasen bilden kann. Darüber hinaus umfasst die negative Elektrodenmaterialschicht 22 vorzugsweise kein Übergangsmaterial oder ein Legierungsmaterial, das elektrochemisch legieren und Lithium-Verbindungsphasen bilden kann. Einige Beispiele von Materialien, die vorzugsweise von der negativen Elektrodenmaterialschicht 22 der vorliegenden Offenbarung ausgeschlossen sind, beinhalten kohlenstoffbasierte Materialien (z. B. Graphit, Aktivkohle, Ruß und Graphen), silizium- und siliziumbasierte Materialien, Zinnoxid, Aluminium, Indium, Zink, Cadmium, Blei, Germanium, Zinn, Antimon, Titanoxid, Lithiumtitanoxid, Lithiumtitanat, Lithiumoxid, Metalloxide (z. B. Eisenoxid, Kobaltoxid, Manganoxid, Kupferoxid, Nickeloxid, Chromoxid, Rutheniumoxid und/oder Molybedenoxid), Metallphosphide, Metallsulfide und Metallnitride (z. B. Phosphide, Sulfide und/oder Nitride oder Eisen, Mangan, Nickel, Kupfer und/oder Kobalt). Darüber hinaus umfasst die negative Elektrodenmaterialschicht 22 vorzugsweise kein polymeres Bindemittel. Einige Beispiele von polymeren Bindemitteln, die vorzugsweise von der negativen Elektrodenmaterialschicht 22 der vorliegenden Offenbarung ausgeschlossen sind, beinhalten Polyvinylidenfluorid (PVdF), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) Gummi, Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Carboxymethylcellulose (CMC) und Polyacrylsäure. Die negative Lithium-Metall-Elektrodenmaterialschicht 22 kann in Form einer dünnen und flexiblen nichtporösen Metallfolie oder -blech vorliegen. Die spezifische Konfiguration der negativen Elektrodenmaterialschicht 22 kann von der beabsichtigten Anwendung der elektrochemischen Zelle 10 abhängig sein. Die negative Lithium-Metall-Elektrodenmaterialschicht 22 kann eine Dicke im Bereich von 5 Mikrometern bis 600 Mikrometern aufweisen.
  • Die positive Elektrodenmaterialschicht 26 kann ein oder mehrere elektrochemisch aktive Materialien umfassen, die eine reversible Redoxreaktion mit Lithium auf einem höheren elektrochemischen Potential als das Material der negativen Elektrodenmaterialschicht 22 durchführen können, sodass eine elektrochemische Potenzialdifferenz zwischen den Elektrodenmaterialschichten 22, 26 besteht. Die Membran 16 kann jedes organische oder anorganische Material umfassen, das die negativen und positiven Elektrodenmaterialschichten 22, 26 physikalisch trennen und elektrisch isolieren kann, während es gleichzeitig den freien Fluss von Lithiumionen dazwischen ermöglicht. Der nicht-wässrige Elektrolyt 18 kann jedes Material umfassen, das in der Lage ist, Lithiumionen effektiv durch die Membran 16 und zwischen den negativen und positiven Elektrodenmaterialschichten 22, 26 zu leiten. In einigen Ausführungsformen kann die Membran 16 aus der elektrochemischen Zelle 10 eliminiert werden, beispielsweise in Ausführungsformen, bei denen der Elektrolyt 18 die negativen und positiven Elektrodenmaterialschichten 22, 26 physikalisch trennen und elektrisch isolieren kann, während er gleichzeitig Lithiumionen zwischen den negativen und positiven Elektrodenmaterialschichten 22, 26 leitet. Exemplarische Materialien für die positive Elektrodenmaterialschicht 26, die optionale Membran 16 und den Elektrolyten 18 sind in der Technik bekannt.
  • Unter Bezugnahme nun auf 2 kann die negative Elektrode 12 durch ein Laserschweißverfahren hergestellt werden, bei dem eine metallische Stromabnehmerschicht 120 und eine Lithium-Metallschicht 122 vorgesehen ist, die in einer Kammer 154 positioniert und mit einer Laserschweißvorrichtung 156 miteinander verschweißt sind. Das hierin beschriebene Laserschweißverfahren ermöglicht es, die Stromabnehmerschicht 120 und die Lithium-Metallschicht 122 miteinander zu verbinden, ohne die Schichten 120, 122 physikalisch zu kontaktieren und ohne die Schichten 120, 122 einer Kontamination auszusetzen. Darüber hinaus ermöglicht das derzeit offenbarte Laserschweißverfahren das Zusammenfügen der Schichten 120, 122, wobei nur die erste Seite 128 der Stromabnehmerschicht 120 zugänglich ist. In der in 2 dargestellten Ausführungsform sind die Stromabnehmerschicht 120 und die Lithium-Metallschicht 122 in Form von dünnen und flexiblen, nicht-porösen Folien ausgeführt. In anderen Ausführungsformen kann die Stromabnehmerschicht 120 jedoch in Form eines porösen Metallgewebes oder eines perforierten Blechs vorliegen.
  • Die Lithium-Metallschicht 122 kann aus dem gleichen Material wie die der negativen Elektrodenmaterialschicht 22 und die Stromabnehmerschicht 120 aus dem gleichen Material wie das des negativen Elektrodenstromabnehmers 20 bestehen. Das Material der Lithium-Metallschicht 122 weist einen relativ niedrigen Schmelzpunkt auf, verglichen mit dem Schmelzpunkt des Materials der Stromabnehmerschicht 120. So kann beispielsweise in Ausführungsformen, in denen die Lithium-Metallschicht 122 Lithium umfasst, die Schicht 122 einen Schmelzpunkt von etwa 180,5 °C aufweisen. In Ausführungsformen, in denen die Stromabnehmerschicht 120 Kupfer umfasst, kann die Schicht 120 einen Schmelzpunkt von etwa 1085 °C aufweisen. In Ausführungsformen, in denen die Stromabnehmerschicht 120 Nickel umfasst, kann die Schicht 120 einen Schmelzpunkt von etwa 1455 °C aufweisen. In Ausführungsformen, in denen die Stromabnehmerschicht 120 eine Eisenlegierung umfasst, kann die Schicht 120 einen Schmelzpunkt im Bereich von etwa 1300 °C bis 1500 °C aufweisen. In Ausführungsformen, in denen die Stromabnehmerschicht 120 Titan umfasst, kann die Schicht 120 einen Schmelzpunkt von etwa 1668 °C aufweisen.
  • Die Stromabnehmerschicht 120 kann eine erste Seite 128, die eine Außenfläche 129 definiert, und eine gegenüberliegende zweite Seite 130, die eine Passfläche 132 definiert, beinhalten, und ebenso kann die Lithium-Metallschicht 122 eine erste Seite 134, die eine Außenfläche 135 definiert, und eine gegenüberliegende zweite Seite 136, die eine Passfläche 138 definiert, beinhalten. Die Stromabnehmerschicht 120 und die Lithium-Metallschicht 122 können innerhalb der Kammer 154 in einer zumindest teilweise überlappenden Konfiguration nebeneinander angeordnet sein, sodass die Passflächen 132, 138 der Schichten 120, 122 zusammengeführt werden, um dazwischen eine Passschnittstelle 140 herzustellen.
  • Die Stromabnehmerschicht 120 und die Lithium-Metallschicht 122 können innerhalb der Kammer 154 durch eine Klemme 158 getragen werden, die eine Trägerplatte 160, eine transparente Deckplatte 162 und einen oder mehrere verstellbare Arme 164 beinhalten kann, die eine Einstellung der Position der Deckplatte 162 gegenüber der Trägerplatte 160 ermöglichen können. Die transparente Deckplatte 162 kann jedes Material umfassen, durch das ein Laserstrahl effektiv übertragen werden kann, beispielsweise kann die Deckplatte 162 ein Glas auf Kieselsäurebasis, z. B. Quarzglas oder Quarz, umfassen. In einer Form kann die Deckplatte 162 eine Dicke im Bereich von 1 Millimeter bis 5 Millimeter aufweisen. Die Trägerplatte 160 kann jedes Material umfassen, das nicht mit Lithium, z. B. Edelstahl, reagiert. Die Stromabnehmerschicht 120 und die Lithium-Metallschicht 122 können innerhalb der Kammer 154 so positioniert werden, dass die erste Seite 134 der Lithium-Metallschicht 122 zur Trägerplatte 160 und die erste Seite 128 der Stromabnehmerschicht 120 zur transparenten Deckplatte 162 ausgerichtet ist. Die transparente Deckplatte 162 und die Trägerplatte 160 können durch den einen oder die mehreren verstellbaren Arme 164 so zusammengeführt werden, dass die Deckplatte 162 gegen die Außenfläche 129 auf der ersten Seite 128 der Stromabnehmerschicht 120 und die Trägerplatte 160 gegen die Außenfläche 135 auf der ersten Seite 134 der Lithium-Metallschicht 122 drückt, um die Passflächen 132, 138 der Schichten 120, 122 an einer vorgesehenen Schweißstelle 166 in einen engen Kontakt miteinander zu bringen. Während des Laserschweißverfahrens kann die Kraft, die von den Platten 160, 162 auf die Außenflächen 129, 135 der Schichten 120, 122 ausgeübt wird, im Bereich von 40 Newton bis 400 Newton liegen.
  • Während des Laserschweißverfahrens kann innerhalb der Kammer 154 eine subatmosphärische Druckumgebung (z. B. weniger als 1 Atmosphäre) oder eine Schutzgasumgebung geschaffen werden, um eine Kontamination zu verhindern und/oder unerwünschte chemische Reaktionen (z. B. Oxidation und/oder Lithiumverbrennung) zwischen der Umgebung in der Kammer 154 und der Lithium-Metallschicht 122 und/oder der Stromabnehmerschicht 120 zu vermeiden. Wenn eine Schutzgasumgebung verwendet wird, kann während des Laserschweißverfahrens ein Strom eines Schutzgases (z. B. Argon) durch die Kammer 154 geleitet werden. Die Kammer 154 kann ein transparentes Fenster 168 beinhalten, durch das ein Laserstrahl 170 übertragen werden kann, sodass der Laserstrahl 170 während des Laserschweißverfahrens von einer Außenseite in eine Innenseite der Kammer 154 und auf die Stromabnehmerschicht 120 gelangen kann. Das transparente Fenster 168 kann jedes Material umfassen, durch das ein Laserstrahl 170 effektiv übertragen werden kann, beispielsweise kann das Fenster 168 ein Glas auf Kieselsäurebasis, z. B. Quarzglas oder Quarz, umfassen.
  • Die Laserschweißvorrichtung 156 kann einen Laserstrahlgenerator 172 und einen Laserabtastkopf 174 (auch als Abtastkopf bezeichnet) beinhalten, die über ein Glasfaserkabel 176 mit dem Laserstrahlgenerator 172 gekoppelt sind. Ein divergierender Laserstrahl 178 kann vom Laserstrahlgenerator 172 über das Glasfaserkabel 176 zum Abtastkopf 174 geliefert werden, wobei der divergierende Laserstrahl 178 durch eine Kollimatorlinse 180 hindurchtreten kann, die den divergierenden Laserstrahl 178 in einen kollimierten Laserstrahl 182 mit einem konstanten Strahldurchmesser umwandelt. Anschließend kann der kollimierte Laserstrahl 182 durch eine Abtastlinse 184 (z. B. eine F-Theta-Linse) hindurchtreten, die den Laserstrahl 170 in eine gewünschte Strahlfleckgröße in einer Fokusebene des Laserstrahls 170 fokussiert und den Laserstrahl 170 auf einen Zielbereich auf der Außenfläche 129 der Stromabnehmerschicht 120 an der vorgesehenen Schweißstelle 166 richtet. Der Abtastkopf 174 kann auch bewegliche Spiegel (nicht dargestellt), z. B. Galvanometerspiegel, beinhalten, die den Laserstrahl 170 präzise und schnell in Bezug auf eine Ebene entlang der Außenfläche 129 der Stromabnehmerschicht 120 bewegen können, ohne den Abtastkopf 174 zu bewegen. Während des Laserschweißverfahrens kann der Laserstrahl 170 eine Leistungsdichte im Bereich von 3 × 104 W/cm2 bis 1 × 106 W/cm2, eine Geschwindigkeit im Bereich von 0,2 Metern pro Sekunde bis 2 Metern pro Sekunde und eine Laserstrahlfleckgröße im Bereich von 0,2 Millimetern bis 1 Millimeter aufweisen. Der Laserstrahl 170 kann ein Dauerstrich- oder ein gepulster Laserstrahl sein.
  • Während des Laserschweißverfahrens werden die Stromabnehmerschicht 120 und die Lithium-Metallschicht 122 innerhalb der Kammer 154 zumindest teilweise überlappend nebeneinander positioniert, wobei die Passflächen 132, 138 der Schichten 120, 122 an der Schweißstelle 166 gegeneinander gedrückt werden. Danach wird der Laserstrahl 170 durch das Fenster 168, durch die Deckplatte 162 und auf die Außenfläche 129 der Stromabnehmerschicht 120 gerichtet und übertragen, sodass der Laserstrahl 170 auf die Außenfläche 129 der Stromabnehmerschicht 120 an der Schweißstelle 166 auftrifft. In der Stromabnehmerschicht 120 wird an der Schweißstelle 166 durch Energieabsorption aus dem auftreffenden Laserstrahl 170 Wärme erzeugt und von der Stromabnehmerschicht 120 auf die Lithium-Metallschicht 122 durch Ableitung übertragen, was das Schmelzen der Lithium-Metallschicht 122 entlang ihrer Passfläche 138 einleitet. Im Gegensatz zur Lithium-Metallschicht 122 schmilzt die Stromabnehmerschicht 120 während des Laserschweißverfahrens nicht entlang ihrer Passfläche 132, da der Schmelzpunkt der Schicht 120 im Vergleich zur Lithium-Metallschicht 122 relativ hoch ist.
  • Unter Bezugnahme auf 3 trifft der Laserstrahl 170 auf die Außenfläche 129 auf der ersten Seite 128 der Stromabnehmerschicht 120 auf und die durch Energieabsorption aus dem Laserstrahl 170 erzeugte Wärme wird durch die Schichten 120, 122 geleitet und erzeugt ein Lithiummetall-Schmelzschweißbad 186, das teilweise in die Lithium-Metallschicht 122 eindringt und sich von der zweiten Seite 136 der Lithium-Metallschicht 122 teilweise zur ersten Seite 134 der Lithium-Metallschicht 122 erstreckt. Die Leistungsdichte des Laserstrahls 170 wird so gesteuert, dass das Laserschweißverfahren im Leitungsschweißmodus durchgeführt wird, sodass das Schmelzbad 186 die Lithium-Metallschicht 122 nicht vollständig durchdringt, d. h. sich nicht über eine ganze Dicke der Lithium-Metallschicht 122 erstreckt. Das geschmolzene Lithiummetall aus dem Schmelzschweißbad 186 benetzt die Passfläche 132 der Stromabnehmerschicht 120, schmilzt oder dringt aufgrund des relativ hohen Schmelzpunktes der Schicht 120 im Vergleich zu dem der Schicht 122 jedoch nicht in die Passfläche 132 der Stromabnehmerschicht 120 ein. Der Leistungspegel, die Verfahrgeschwindigkeit, die Laserstrahlfleckgröße und/oder die Fokuslage des Laserstrahls 170 (fokussiert auf, unter oder über der Außenfläche 129 der Schicht 120) können während des Laserschweißverfahrens gesteuert werden, um die Tiefe und Breite des Schmelzschweißbades 186 zu steuern.
  • Wie in 4 dargestellt, kühlt das Lithium-Metall-Schmelzschweißbad 186 beim Beenden des Laserstrahls 170 schnell ab und verfestigt sich zu einer festen Schweißverbindung 188 an der Passschnittstelle 141 der Stromabnehmerschicht 120 und der Lithium-Metallschicht 122. Die resultierende Schweißverbindung 188 verbindet die Stromabnehmerschicht 120 und die Lithium-Metallschicht 122 physikalisch an der Schweißstelle 166 miteinander. Die Schweißverbindung 188 wird ohne Zusatz von Flussmittel, Füllstoff oder Lötmaterial zwischen den Schichten 120, 122 an jeder Stelle vor oder während des Laserschweißverfahrens gebildet. Wie dargestellt, kann zwischen den Schichten 120, 122 nach dem Bilden der Schweißverbindung 188 eine kontinuierliche Nullspalt-Schnittstelle bestehen. Die in 4 dargestellte Schweißverbindung 188 ist schematisch aufgebaut und kann repräsentativ für die tatsächliche Größe und Form der in der Praxis gebildeten Schweißverbindung sein, die je nach Größe und Form der Stromabnehmerschicht 120 und/oder der Lithium-Metallschicht 122 sowie der Größe und Form des Verfahrweges, den der Laserstrahl 170 während des Schweißvorgangs durchläuft, variieren kann oder nicht. Darüber hinaus kann, wie in 4 dargestellt, nach Beendigung des Laserstrahls 170 ein Bereich 189 auf der ersten Seite 128 der Stromabnehmerschicht 120 an der Schweißstelle 166 eine relativ raue oder zerklüftete Kontur aufweisen, verglichen mit der Außenfläche 129 der Stromabnehmerschicht 120 um die Schweißstelle 166, die relativ glatt sein kann. So kann beispielsweise nach Beendigung des Laserstrahls 170 der Bereich 189 eine Oberflächenrauhigkeit (Rz) im Bereich von 10-200 µm aufweisen. Die relativ grobe Kontur des Bereichs 189 auf der ersten Seite 128 der Stromabnehmerschicht 120 an der Schweißstelle 166 nach Beendigung des Laserschweißverfahrens kann auf die Absorption von Energie aus dem auftreffenden Laserstrahl 170 während des Laserschweißverfahrens zurückzuführen sein.
  • Der Einfachheit halber ist in den 2 und 3 nur eine einzelne Schweißstelle 166 und in 4 nur eine einzige Schweißverbindung 188 dargestellt; in der Praxis kann das Laserschweißen jedoch an mehreren verschiedenen Schweißstellen innerhalb eines überlappenden Bereichs der Schichten 120, 122 durchgeführt werden. So können beispielsweise die Stromabnehmerschicht 120 und die Lithium-Metallschicht 122 mit einer oder mehreren diskreten „Punktschweißungen“ und/oder einer oder mehreren „Nahtschweißungen“ miteinander verschweißt werden. Eine Punktschweißung kann gebildet werden, indem der Laserstrahl 170 auf die Außenfläche 129 der Stromabnehmerschicht 120 an einer vorgesehenen Schweißstelle fokussiert wird und dann der Laserstrahl 170 beendet wird, ohne den Strahl 170 oder die Schicht 120 relativ zueinander zu bewegen. Eine Nahtschweißung kann gebildet werden, indem der Laserstrahl 170 auf die Außenfläche 129 der Stromabnehmerschicht 120 gerichtet und dann der Laserstrahl 170 entlang eines vorgegebenen Verfahrweges relativ zur Außenfläche 129 der Stromabnehmerschicht 120 vorgeschoben wird. Der vordefinierte Verfahrweg, der durch den Laserstrahl 170 verfolgt wird, kann linear, gekrümmt, kreisförmig, elliptisch, halbkreisförmig, halbelliptisch, spiralförmig und/oder oszillierend sein.
  • 5-9 stellen eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer negativen Elektrode dar, worin eine metallische Stromabnehmerschicht 220 in Form eines porösen metallischen Netzes oder eines perforierten Metallblechs mit einer Lithium-Metallschicht 222 durch ein Laserschweißverfahren verbunden wird. Wie dargestellt, ist die Stromabnehmerschicht 220 porös und beinhaltet eine Vielzahl von Durchgangsbohrungen 219, die von einer Außenfläche 229 zu einer Passfläche 232 derselben in Querrichtung zu einer Ebene verlaufen, die durch die Passfläche 232 der Stromabnehmerschicht 220 definiert ist. Die Durchgangsbohrungen 219 können durch einen oder mehrere miteinander verbundene feste Bereiche 221 voneinander getrennt sein. Die Durchgangsbohrungen 219 kann einen Durchmesser von mehr als oder gleich 0,5 Millimeter aufweisen. Die miteinander verbundenen festen Bereiche 221 können Breiten aufweisen, die gleich oder größer sind als die Größe eines Strahlflecks 271 des Laserstrahls 270 (7) auf der Außenfläche 229 der Stromabnehmerschicht 220. So können beispielsweise die miteinander verbundenen festen Bereiche 221 Breiten von gleich oder größer als 200 µm aufweisen. Die in den 5-7 dargestellten Durchgangsbohrungen 219 weisen eine im Allgemeinen quadratische Querschnittsform auf; die Querschnittsform der Durchgangsbohrungen 219 ist jedoch nicht auf diese beschränkt. So können beispielsweise in anderen Ausführungsformen die Durchgangsbohrungen 219 in der Stromabnehmerschicht 220 kreisförmige, dreieckige, rechteckige oder hexagonale Querschnittsformen aufweisen, um nur einige zu nennen.
  • Die in den 5-9 dargestellte Ausführungsform ist in vielerlei Hinsicht der in den 2-4 dargestellten Ausführungsform ähnlich, und gleiche Bezugszeichen zwischen den Ausführungsformen bezeichnen allgemein gleiche oder entsprechende Elemente über die verschiedenen Ansichten der Zeichnungsfiguren hinweg. Die Beschreibungen der Ausführungsformen werden durch Bezugnahme ineinander integriert und der gemeinsame Gegenstand wird hier im Allgemeinen möglicherweise nicht wiederholt.
  • Wie in den 6 und 8 am besten dargestellt, werden vor Beginn des Laserschweißverfahrens die Stromabnehmerschicht 220 und die Lithium-Metallschicht 222 zwischen einer Trägerplatte 260 und einer transparenten Deckplatte 262 einer Klemme 258 übereinander gestapelt. Die Stromabnehmerschicht 220 und die Lithium-Metallschicht 222 sind zwischen der Trägerplatte 260 und der Deckplatte 262 der Klemme 258 so angeordnet, dass die Außenfläche 229 der Stromabnehmerschicht 220 gegen die Deckplatte 262 drückt und eine Außenfläche 235 der Lithium-Metallschicht 222 gegen die Trägerplatte 260 drückt.
  • Darüber hinaus kommen die Passfläche 232 der Stromabnehmerschicht 220 und eine Passfläche 238 der Lithium-Metallschicht 222 zusammen, um eine Passschnittstelle 240 dazwischen an einer vorgesehenen Schweißstelle 266 zu bilden. Die Passflächen 232, 238 der Schichten 220, 222 werden an der Schweißstelle 266 durch eine geeignete Einstellung eines oder mehrerer verstellbarer Arme 264 in engem Kontakt zueinander gebracht, die zum Steuern des Abstands zwischen den Platten 260, 262 und des Drucks auf die Außenflächen 229, 235 der jeweiligen Schichten 220, 222 verwendet werden können. Wie die in den 2-4 dargestellte Ausführungsform können die Schichten 220, 222 und die Klemme 258 innerhalb einer Kammer (nicht dargestellt) positioniert und während des Laserschweißverfahrens einer subatmosphärischen Druckumgebung und/oder einer Schutzgasumgebung ausgesetzt werden.
  • Unter Bezugnahme nun auf die 7 und 8 wird der Laserstrahl 270, nachdem die Schichten 220, 222 zwischen die Platten 260, 262 eingespannt und innerhalb der Kammer positioniert sind, durch die Deckplatte 262 (und durch ein Fenster in der Kammer) geleitet und auf die Außenfläche 229 der einen oder mehreren festen Bereiche 221 der Stromabnehmerschicht 220 an der Schweißstelle 266 gerichtet. Entlang der Passschnittstelle 240 wird ein Lithium-Metall-Schmelzschweißbad 286 zwischen den einen oder mehreren festen Bereichen 221 der Stromabnehmerschicht 220 und der Lithium-Metallschicht 222 durch Absorption von Energie aus dem Laserstrahl 270 erzeugt. Danach kann der Laserstrahl 270 in Bezug auf eine Ebene, die entlang der Außenfläche 229 der Stromabnehmerschicht 220 ausgerichtet ist, gemäß einem vordefinierten Verfahrweg 292 vorgeschoben werden, wie am besten in 7 dargestellt. Der Verfahrweg 292 kann so konfiguriert werden, dass der Laserstrahl 270 den einen oder mehreren festen Bereichen 221 der Stromabnehmerschicht 220 folgt und nicht auf die Durchgangsbohrungen 219 in der Schicht 220 gerichtet ist. Während der Laserstrahl 270 entlang des Verfahrwegs 292 vorrückt, folgt das Schmelzschweißbad 286. Wie in den 7 und 9 am besten dargestellt, kühlt das geschmolzene Lithiummetall, das nach dem Schmelzbad 286 zurückbleibt, schnell ab und verfestigt sich zu einer festen Schweißverbindung 288, welche die Schichten 220, 222 an der Schweißstelle 266 physikalisch miteinander verbindet und zum Bilden einer spaltfreien Schnittstelle zwischen den Schichten 220, 222 führt. Nach Beendigung des Laserstrahls 270 kann ein Bereich 289 auf der Außenfläche 229 der Stromabnehmerschicht 220 eine relativ raue oder zerklüftete Kontur aufweisen, verglichen mit der Außenfläche 229 der Stromabnehmerschicht 220 vor dem Laserschweißverfahren. Je nach Konfiguration der Stromabnehmerschicht 220 kann der vom Laserstrahl 270 verfolgte Verfahrweg 292 kontinuierlich sein und zum Bilden einer einzelnen festen Schweißverbindung 288 an der Passschnittstelle 240 führen, oder der Verfahrweg 292 kann diskontinuierlich sein und zum Bilden von mehreren festen Schweißverbindungen (nicht dargestellt) führen, die voneinander beabstandet oder miteinander verbunden sein können.
  • Aufgrund des Drucks, der auf die Außenflächen 229, 235 der Schichten 220, 222 durch die Platten 260, 262 ausgeübt wird, kann die durch den einen oder die mehreren festen Bereiche 221 der Stromabnehmerschicht 220 definierte Passfläche 232 während des Laserschweißverfahrens gegen und in das an der Passschnittstelle 240 gebildete Schmelzbad 286 drücken. In diesem Fall kann geschmolzenes Lithiummetall aus dem Schmelzbad 286 ausgepresst und von der Passschnittstelle 240 zwischen den Schichten 220, 222 und in die Durchgangsbohrungen 219 zwischen dem einen oder den mehreren festen Bereichen 221 der Stromabnehmerschicht 220 entfernt werden. Wie in 9 dargestellt, verfestigt sich das Lithiummetall-Schmelzschweißbad 286 nach Beendigung des Laserstrahls 270 schnell zu einer festen Schweißverbindung 288, welche die Schichten 220, 222 an der Schweißstelle 266 physikalisch miteinander verbindet. Darüber hinaus wird in dieser Ausführungsform die feste Schweißverbindung 288 nicht nur an der Passschnittstelle 240 der Schichten 220, 222 gebildet, sondern erstreckt sich auch in die Durchgangsbohrungen 219, zwischen und/oder um einen Umfang der einen oder mehreren festen Bereiche 221 der Stromabnehmerschicht 220 und zumindest teilweise über die Passfläche 238 der Lithium-Metallschicht 222. Die Abschnitte der festen Schweißverbindung 288, die sich in die Durchgangsbohrungen 219 und zwischen und/oder um einen Umfang der einen oder mehreren festen Bereiche 221 der Stromabnehmerschicht 220 erstrecken, können eine mechanische Verriegelung zwischen den Schichten 220, 222 erzeugen, die eine Relativbewegung der Schichten 220, 222 zueinander wirksam verhindert oder vermeidet. So können beispielsweise die Abschnitte der festen Schweißverbindung 288, die sich in die Durchgangsbohrungen 219 erstrecken, eine mechanische Verriegelung zwischen den Schichten 220, 222 erzeugen, welche die Scherfestigkeit der resultierenden physikalischen Verbindung zwischen den Schichten 220, 222 wirksam erhöht, indem sie die Stromabnehmerschicht 220 und die Lithium-Metallschicht 222 daran hindern oder verhindern, in Bezug zueinander entlang einer durch die Passfläche 238 der Lithium-Metallschicht 222 definierten Ebene zu gleiten.
  • Die 10-13 stellen eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer negativen Elektrode dar, worin eine Passfläche 332 einer metallischen Stromabnehmerschicht 320 durch einen Laserablationsprozess vorbehandelt wird, bevor sie über ein Laserschweißverfahren an eine Passfläche 238 einer Lithium-Metallschicht 322 gebunden wird. Die in den 10-13 dargestellte Ausführungsform ist in vielerlei Hinsicht der in den 2-9 dargestellten Ausführungsform ähnlich, und gleiche Bezugszeichen zwischen den Ausführungsformen bezeichnen allgemein gleiche oder entsprechende Elemente über die verschiedenen Ansichten der Zeichnungsfiguren hinweg. Die Beschreibungen der Ausführungsformen werden durch Bezugnahme ineinander integriert und der gemeinsame Gegenstand wird hier im Allgemeinen möglicherweise nicht wiederholt.
  • Unter Bezugnahme nun auf die 10 und 11 kann die Passfläche 332 der Stromabnehmerschicht 320 mit einem Laserablationsverfahren vorbehandelt werden, das die Passfläche 332 auf einer zweiten Seite 330 der Stromabnehmerschicht 320 durch Entfernen von Material von einem Oberflächenabschnitt 394 davon abrasiv oder rau machen kann. Während des Laserablationsprozesses kann ein gepulster Laserstrahl 369 auf die Passfläche 332 der Schicht 320 gerichtet werden, sodass die Impulse des Laserstrahls 369 wiederholt auf die Passfläche 332 der Schicht 320 auftreffen. Wärme, die an dem Punkt erzeugt wird, an dem jeder Impuls des Laserstrahls 369 auf die Passfläche 332 der Schicht 320 auftrifft, kann einen dreidimensionalen Pool aus geschmolzenem Material 396 innerhalb der Schicht 320 erzeugen, der sich teilweise durch die Schicht 320, von der Passfläche 332 zu einer Außenfläche 329 derselben erstreckt. Abhängig von der Leistungsdichte des gepulsten Laserstrahls 369 kann Material vom Oberflächenabschnitt 394 der Schicht 320 durch Verdampfen des Materials und/oder durch Ausstoßen des Materials aus dem Schmelzbad 396 entfernt werden.
  • Der während des Laserablationsprozesses verwendete gepulste Laserstrahl 369 kann eine Leistungsdichte im Bereich von 5,0 × 105 W/cm2 bis 1,0 × 107 W/cm2 aufweisen. Darüber hinaus kann der gepulste Laserstrahl 369 eine Pulsdauer im Bereich von 0,5-500 Nanosekunden, eine Pulswiederholrate im Bereich von 1-100 kHz und eine Geschwindigkeit im Bereich von 0,1-2 Metern pro Sekunde aufweisen. In einer Form kann der Laserstrahl 369 eine Pulsdauer von etwa 200 Nanosekunden, eine Pulswiederholrate von etwa 20 kHz und eine Geschwindigkeit von etwa 0,5 Metern pro Sekunde aufweisen.
  • Während des Laserablationsprozesses kann der gepulste Laserstrahl 369 in Bezug auf eine Ebene, die entlang der Passfläche 332 der Stromabnehmerschicht 320 ausgerichtet ist, gemäß einem vorgegebenen Verfahrweg (nicht dargestellt) vorgeschoben werden. In einer Form kann der Verfahrweg des Laserstrahls 369 so konfiguriert werden, dass die gesamte Oberfläche der Passfläche 332 der Stromabnehmerschicht 320 während des Laserablationsprozesses dem gepulsten Laserstrahl 369 ausgesetzt wird. In einer weiteren Form kann der Verfahrweg des Laserstrahls 369 so konfiguriert werden, dass mindestens ein Bereich der Passfläche 332 der Stromabnehmerschicht 320 während des Laserablationsprozesses nicht dem gepulsten Laserstrahl 369 ausgesetzt wird. Abhängig von den gewünschten Oberflächeneigenschaften kann der von jedem Impuls des gepulsten Laserstrahls 369 abgedeckte Bereich den von einem anderen vorherigen oder nachfolgenden Impuls des Laserstrahls 369 abgedeckten Bereich überlappen oder nicht. In einer Form kann jeder Impuls des Laserstrahls 369 einen Strahlfleck auf der Passfläche 332 der Stromabnehmerschicht 320 mit einem Durchmesser im Bereich von 25 µm bis 200 µm erzeugen.
  • Wie am besten in 11 dargestellt, kann die Passfläche 332 der Stromabnehmerschicht 320 nach Beendigung des Laserablationsprozesses eine Vielzahl von Spitzen 398 und Vertiefungen 300 aufweisen. In einer Form kann die Passfläche 332 der Stromabnehmerschicht 320 nach Beendigung des Laserablationsprozesses eine Oberflächenrauheit (Rz) im Bereich von 10 Mikrometern bis 500 Mikrometern, oder noch bevorzugter im Bereich von 20 Mikrometern bis 200 Mikrometern, aufweisen. Als solches, gemessen von einer Mittellinie an der Passfläche 332 der Stromabnehmerschicht 320, können die Spitzen 398 Höhen im Bereich von 5 Mikrometern bis 100 Mikrometern und die Vertiefungen 300 Tiefen im Bereich von 5 Mikrometern bis 100 Mikrometern aufweisen.
  • Der Laserablationsprozess kann in einer sauerstoffhaltigen Umgebung (z. B. Luft) durchgeführt werden, um die Oxidation der Passfläche 332 der metallischen Stromabnehmerschicht 320 und das Bilden einer dünnen Metalloxidschicht (MexOy) (nicht dargestellt) auf der Passfläche 332 der Stromabnehmerschicht 320 zu fördern. Die Metalloxidschicht kann eine Dicke im Bereich von 0,1 Mikrometern bis 10 Mikrometern aufweisen. Die Oxidation der Passfläche 332 der metallischen Stromabnehmerschicht 320 während des Laserablationsprozesses kann durch chemische Reaktion zwischen Sauerstoff (O2) in der die Stromabnehmerschicht 320 umgebenden gasförmigen Umgebung und einem oder mehreren Metallen (z. B. Cu, Ni, Fe und/oder Ti) der Stromabnehmerschicht 320 erfolgen. So kann beispielsweise die Oxidation der Passfläche 332 der metallischen Stromabnehmerschicht 320 durch die folgende chemische Reaktion erfolgen: x M e + 1 2 y O 2 → M e x O y
    Figure DE102019108876B4_0001
    wobei Me ein Metallelement aus der metallischen Stromabnehmerschicht 320 (z. B. Cu, Ni, Fe und/oder Ti) ist und x und y positive Ganzzahlen sind.
  • Ohne an die Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass das Bilden der Metalloxidschicht (MexOy) auf der Passfläche 332 der Stromabnehmerschicht 320 vor dem Verbinden der Stromabnehmerschicht 320 mit einer Lithium-Metallschicht 322 über das Laserschweißverfahren sowohl eine chemische als auch eine physikalische Bindung zwischen der Stromabnehmerschicht 320 und der Lithium-Metallschicht 322 ermöglichen kann.
  • Insbesondere kann das Bilden der Metalloxidschicht (MexOy) auf der Passfläche 332 der Stromabnehmerschicht 320 vor dem Verbinden der Stromabnehmerschicht 320 und der Lithium-Metallschicht 322 zusammen die Oxidation von Lithiummetall zu Lithiumoxid fördern (z. B. Li2O und/oder Li2O2) auf einer Passfläche 338 der Lithium-Metallschicht 322 während des Laserschweißverfahrens. So kann beispielsweise die Metalloxidschicht (MexOy) auf der Passfläche 332 der Stromabnehmerschicht 320 während des Laserschweißverfahrens gemäß einer oder mehreren der folgenden chemischen Reaktionen mit Lithiummetall auf der Passfläche 338 der Lithium-Metallschicht 322 reagieren: M e x O y + 2 y L i → y L i 2 O + x M e
    Figure DE102019108876B4_0002
     2 M e x O y + 2 y L i → y L i 2 O + 2 x M e
    Figure DE102019108876B4_0003
    wobei x und y positive Ganzzahlen sind. Es wird angenommen, dass das Bilden einer oder mehrerer Lithiumoxidverbindungen an einer Passschnittstelle 340 der Schichten 320, 322 während des Laserschweißverfahrens die Festigkeit einer resultierenden Schweißverbindung 388 an der Passstellengrenze 340 erhöhen kann, ohne den freien Elektronenfluss zwischen den Schichten 320, 322 zu behindern.
  • In einem spezifischen Beispiel kann in Ausführungsformen, in denen die Stromabnehmerschicht 320 Kupfer (Cu) umfasst, das Bilden einer dünnen Kupferoxidschicht (z. B. CuO und/oder Cu2O) auf der Passfläche 332 der Stromabnehmerschicht 320 vor dem Verbinden der Stromabnehmerschicht 320 mit der Lithium-Metallschicht 322 eine oder mehrere der folgenden chemischen Reaktionen zwischen den Schichten 320, 322 während des Laserschweißverfahrens ermöglichen: CuO + 2Li → Li2O + Cu (4) Cu2O + 2Li → Li2O + 2Cu (5) 2CuO + 2Li → Li2 O2 + 2Cu (6) 2Cu2O + 2Li → Li2 O2 + 4Cu (7)
  • Nach Beendigung des Laserablationsprozesses wird die Stromabnehmerschicht 320 über das Laserschweißverfahren mit der Lithium-Metallschicht 322 verbunden. Wie in den 12 und 13 am besten dargestellt, werden vor Beginn des Laserschweißverfahrens die Stromabnehmerschicht 320 und die Lithium-Metallschicht 322 zwischen einer Trägerplatte 360 und einer transparenten Deckplatte 362 einer Klemme 358 übereinander gestapelt. Die Stromabnehmerschicht 320 und die Lithium-Metallschicht 322 sind zwischen der Trägerplatte 360 und der Deckplatte 362 der Klemme 358 so angeordnet, dass die Außenfläche 329 der Stromabnehmerschicht 320 gegen die Deckplatte 362 drückt und eine Außenfläche 335 der Lithium-Metallschicht 322 gegen die Trägerplatte 360 drückt. Darüber hinaus kommen die Passfläche 332 der Stromabnehmerschicht 320 und eine Passfläche 338 der Lithium-Metallschicht 322 zusammen, um eine Passschnittstelle 340 dazwischen an einer vorgesehenen Schweißstelle 366 zu bilden. Die Passflächen 332, 338 der Schichten 320, 322 werden an der Schweißstelle 366 durch eine geeignete Einstellung eines oder mehrerer verstellbarer Arme 364 in engem Kontakt zueinander gebracht, die zum Steuern des Abstands zwischen den Platten 360, 362 und des Drucks auf die Außenflächen 329, 335 der jeweiligen Schichten 320, 322 verwendet werden können. Darüber hinaus können die Schichten 320, 322 und die Klemme 358 innerhalb einer Kammer 354 positioniert und während des Laserschweißverfahrens einer subatmosphärischen Druckumgebung und/oder einer Schutzgasumgebung ausgesetzt werden.
  • Nachdem die Schichten 320, 322 zwischen den Platten 360, 362 eingespannt und innerhalb der Kammer 354 positioniert sind, wird ein Laserstrahl 370 durch ein transparentes Fenster 368 in der Kammer 354, durch die Deckplatte 362 hindurchgeleitet und auf die Außenfläche 329 der Stromabnehmerschicht 320 an der Schweißstelle 366 gerichtet. Ein Lithium-Metall-Schmelzschweißbad 386 wird entlang der Passschnittstelle 340 der Stromabnehmerschicht 320 und der Lithium-Metallschicht 322 durch Absorption von Energie aus dem Laserstrahl 370 erzeugt. Das Lithium-Metall-Schmelzschweißbad 386 durchdringt teilweise die Lithium-Metallschicht 322. Das geschmolzene Lithiummetall aus dem Schmelzschweißbad 386 benetzt die Passfläche 332 der Stromabnehmerschicht 320, schmilzt aber nicht und dringt nicht in die Passfläche 332 der Stromabnehmerschicht 320 ein. Darüber hinaus kann geschmolzenes Lithiummetall aus dem Schmelzschweißbad 386 während des Laserablationsprozesses in die in der Passfläche 332 der Stromabnehmerschicht 320 gebildeten Vertiefungen 300 fließen.
  • Wie in 13 dargestellt, kühlt das Lithium-Metall-Schmelzschweißbad 386 beim Beenden des Laserstrahls 370 schnell ab und verfestigt sich zu einer festen Schweißverbindung 388 an der Passschnittstelle 340 der Stromabnehmerschicht 320 und der Lithium-Metallschicht 322. Die resultierende Schweißverbindung 388 verbindet die Stromabnehmerschicht 320 und die Lithium-Metallschicht 322 physikalisch an der Schweißstelle 366 miteinander. Darüber hinaus wird in dieser Ausführungsform die feste Schweißverbindung 388 nicht nur an der Passschnittstelle 340 der Schichten 320, 322 gebildet, sondern erstreckt sich auch in die im Oberflächenabschnitt 394 der Stromabnehmerschicht 320 gebildeten Vertiefungen 300. Die Abschnitte der festen Schweißverbindung 388, die sich in die Vertiefungen 300 erstrecken, können eine mechanische Verriegelung zwischen den Schichten 320, 322 erzeugen, die eine Relativbewegung der Schichten 320, 322 in Bezug zueinander wirksam verhindert. So können beispielsweise die Abschnitte der festen Schweißverbindung 388, die sich in die Vertiefungen 300 der Stromabnehmerschicht 320 erstrecken, eine mechanische Verriegelung zwischen den Schichten 320, 322 erzeugen, welche die Scherfestigkeit der resultierenden physikalischen Verbindung zwischen den Schichten 320, 322 effektiv erhöht, indem sie verhindern, dass die Stromabnehmerschicht 320 und die Lithium-Metallschicht 322 in Bezug zueinander entlang einer durch die Passfläche 338 der Lithium-Metallschicht 320 definierten Ebene gleiten. Darüber hinaus kann die Schweißverbindung 388 in Ausführungsformen, in denen der Laserablationsprozess in einer sauerstoffhaltigen Umgebung durchgeführt wird, auch die Schichten 320, 322 an der Schweißstelle 366 chemisch miteinander verbinden. Wie die Ausführungsformen der 2-9 kann ein Bereich 389 auf der Außenfläche 329 der Stromabnehmerschicht 320 nach Beendigung des Laserstrahls 370 eine relativ raue oder zerklüftete Kontur aufweisen, verglichen mit der Außenfläche 329 der Stromabnehmerschicht 320 vor dem Laserschweißverfahren.
  • BEISPIEL
  • Unter Bezugnahme nun auf 14 wurden eine nicht-poröse metallische Stromabnehmerschicht 420 und eine nicht-poröse Lithium-Metallschicht 422 entlang einer zwischen den Schichten 420, 422 mittels Laserschweißverfahren hergestellten Passschnittstelle 440 miteinander verschweißt. Die metallische Stromabnehmerschicht 420 wies eine Dicke von etwa 100 µm auf und bestand zu mehr als 99 % aus elementarem Nickel. Die Lithium-Metallschicht 422 hatte eine Dicke von etwa 450 µm und bestand zu mehr als 99 % aus elementarem Lithium.
  • Vor dem Laserschweißverfahren wurden die Stromabnehmerschicht 420 und die Lithium-Metallschicht 422 in einer überlappenden Konfiguration nebeneinander positioniert. Zusätzlich wurden die Schichten 420, 422 zwischen einer Trägerplatte aus Edelstahl (nicht dargestellt) und einer transparenten Deckplatte (nicht dargestellt) aus Quarzglas eingespannt, wobei eine Außenfläche 429 der Stromabnehmerschicht 420 zur transparenten Deckplatte und eine Außenfläche 435 der Lithium-Metallschicht 422 zur Trägerplatte zeigt. Auf die Außenflächen 429, 435 der Schichten 420, 422 wurde durch die Platte Druck ausgeübt, sodass eine Passfläche 432 der Stromabnehmerschicht 420 und eine Passfläche 438 der Lithium-Metallschicht 422 in engen Kontakt miteinander gebracht wurden, um an einer vorgesehenen Schweißstelle eine Passfläche 440 dazwischen herzustellen.
  • Danach wurden die Schichten 420, 422 in einer Kammer eingeschlossen (nicht dargestellt) und mit einem Dauerstrich-Laserstrahl mit einer Leistung von etwa 300 W, einer Geschwindigkeit von etwa 750 Millimetern pro Sekunde und einer Laserstrahlfleckgröße von etwa 300 µm verschweißt. Während des Laserschweißverfahrens wurde in der Kammer eine subatmosphärische Druckumgebung aufrechterhalten. Der Laserstrahl, mit dem die Schichten 420, 422 miteinander verschweißt wurden, wurde durch die transparente Deckplatte und auf die Außenfläche 429 der Stromabnehmerschicht 420 gerichtet, sodass der Laserstrahl auf die Außenfläche 429 der Stromabnehmerschicht 420 an der vorgesehenen Schweißstelle auftrat. Danach wurde der Laserstrahl gesteuert, um einen im Allgemeinen geraden Weg entlang einer Ebene zu verfolgen, die durch die Außenfläche 429 der Schicht 420 an der vorgesehenen Schweißstelle definiert ist.
  • 14 bildet ein SEM-Bild der Stromabnehmerschicht 420 und der Lithium-Metallschicht 422 nach Beendigung des Laserschweißverfahrens ab. Wie dargestellt, sind die Stromabnehmerschicht 420 und die Lithium-Metallschicht 422 über eine kontinuierliche Nullspalt-Schnittstelle miteinander verbunden.
  • Die vorstehende Beschreibung der bevorzugten exemplarischen Ausführungsformen, Aspekte und speziellen Beispiele weisen lediglich einen beschreibenden Charakter auf; sie sind nicht dazu gedacht, den Umfang der folgenden Ansprüche zu begrenzen. Jeder der in den beigefügten Patentansprüchen verwendeten Begriffe sollte in seiner gewöhnlichen und allgemeinen Bedeutung verstanden werden, soweit nicht ausdrücklich und eindeutig in der Spezifikation anders angegeben.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung einer negativen Elektrode für eine elektrochemische Zelle einer Lithium-Metallbatterie, das Verfahren umfassend: Bereitstellen einer Lithium-Metallschicht mit einer ersten Seite, die eine Außenfläche definiert, und einer gegenüberliegenden zweiten Seite, die eine Passfläche definiert; Bereitstellen einer metallischen Stromabnehmerschicht mit einer ersten Seite, die eine Außenfläche definiert, und einer gegenüberliegenden zweiten Seite, die eine Passfläche definiert, Anordnen der Lithium-Metallschicht und der Stromabnehmerschicht nebeneinander und in einer zumindest teilweise überlappenden Konfiguration, sodass die Passflächen der Schichten einander gegenüberliegen und an einer Schweißstelle eine Passschnittstelle dazwischen bilden; Klemmen der Lithium-Metallschicht und der Stromabnehmerschicht zwischen einer Trägerplatte und einer transparenten Deckplatte, sodass die erste Seite der Lithium-Metallschicht zur Trägerplatte gerichtet ist, die erste Seite der Stromabnehmerschicht zur transparenten Deckplatte gerichtet ist und die Passflächen der Schichten an der Schweißstelle gegeneinander drücken; Richten eines Laserstrahls auf die Außenfläche der Stromabnehmerschicht an der Schweißstelle, um einen Teil der Lithium-Metallschicht angrenzend an die Passfläche der Stromabnehmerschicht zu schmelzen und ein Lithium-Metall-Schmelzschweißbad zu erzeugen, das die Passfläche der Stromabnehmerschicht benetzt; und Beenden des Laserstrahls, um das Schmelzschweißbad in eine feste Schweißverbindung zu verfestigen, welche die Lithium-Metallschicht und die Stromabnehmerschicht an der Schweißstelle physikalisch miteinander verbindet, worin die metallische Stromabnehmerschicht einen relativ hohen Schmelzpunkt im Vergleich zu dem der Lithium-Metallschicht aufweist, und worin das Schmelzschweißbad an der Passschnittstelle zwischen der Lithium-Metallschicht und der Stromabnehmerschicht erzeugt wird, ohne die Passfläche der Stromabnehmerschicht zu durchdringen oder zu schmelzen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, beinhaltend: Betreiben des Laserstrahls im Leitungsschweißmodus, sodass das Lithium-Metall-Schmelzschweißbad teilweise in die Lithium-Metallschicht eindringt und sich von der zweiten Seite der Lithium-Metallschicht teilweise zur ersten Seite der Lithium-Metallschicht erstreckt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, worin die metallische Stromabnehmerschicht mindestens ein Metall oder eine Metalllegierung umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Nickel, Edelstahl und Titan, und worin die metallische Stromabnehmerschicht eine nicht-poröse Metallfolie, ein perforiertes Metallblech oder ein poröses Metallnetz umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, worin die feste Schweißverbindung zwischen der Lithium-Metallschicht und der Stromabnehmerschicht ohne Verwendung eines Flussmittels, Füllstoffs oder Lötmaterials gebildet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Laserstrahl ein Dauerstrich-Laserstrahl mit einer Leistungsdichte im Bereich von 3 × 104 W/cm2 bis 1 × 106 W/cm2 ist, mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 0,2 m/s bis 2 m/s und einer Laserstrahlfleckgröße im Bereich von 0,2 mm bis 1 mm.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend: vor dem Richten des Laserstrahls auf die Außenfläche der Stromabnehmerschicht, Umschließen der Lithium-Metallschicht und der Stromabnehmerschicht innerhalb einer Kammer und Herstellen einer subatmosphärischen Druckumgebung innerhalb der Kammer, und worin die Kammer ein transparentes Fenster beinhaltet, und worin der Laserstrahl durch die transparente Deckplatte und durch das transparente Fenster geleitet wird, bevor er auf die Außenfläche der Stromabnehmerschicht gerichtet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend: vor dem Anordnen der Lithium-Metallschicht und der Stromabnehmerschicht angrenzend aneinander und in einer zumindest teilweise überlappenden Konfiguration, Abrieb der Passfläche der metallischen Stromabnehmerschicht, um eine Vielzahl von Spitzen und Vertiefungen an der Passfläche der metallischen Stromabnehmerschicht zu erzeugen, worin, nachdem die Vielzahl von Spitzen und Vertiefungen an der Passfläche der Stromabnehmerschicht erzeugt wurde, die Passfläche der Stromabnehmerschicht eine Oberflächenrauhigkeit (Rz) im Bereich von 10 Mikrometern bis 500 Mikrometern aufweist, worin, wenn der Laserstrahl auf die Außenfläche der Stromabnehmerschicht gerichtet ist, das Lithiummetall-Schmelzschweißbad in die Vertiefungen an der Passfläche der Stromabnehmerschicht fließt, und worin sich nach Beendigung des Laserstrahls Abschnitte der festen Schweißverbindung in die Vertiefungen an der Passfläche der Stromabnehmerschicht erstrecken und eine mechanische Verriegelung erzeugen, die eine Gleitbewegung der Stromabnehmerschicht und der Lithium-Metallschicht in Bezug zueinander verhindert.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, worin die Passfläche der metallischen Stromabnehmerschicht unter Verwendung eines Laserablationsverfahrens abgerieben wird, worin ein gepulster Laserstrahl auf die Passfläche des Stromabnehmers gerichtet und in Bezug auf eine Ebene vorgeschoben wird, die durch die Passfläche der Stromabnehmerschicht gemäß einem vorbestimmten Verfahrweg definiert ist, und worin der gepulste Laserstrahl eine Leistungsdichte im Bereich von 5,0 × 105 W/cm2 bis 1,0 × 107 W/cm2, eine Pulsdauer im Bereich von 0,5 Nanosekunden bis 500 Nanosekunden, eine Pulswiederholrate im Bereich von 1 kHz bis 100 kHz, eine Geschwindigkeit im Bereich von 0,1 m/s bis 2 m/s und eine Laserstrahlfleckgröße im Bereich von 25 µm bis 200 µm aufweist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, beinhaltend: Durchführen des Laserablationsprozesses in einer sauerstoffhaltigen Umgebung, um eine Metalloxidschicht auf der Passfläche der metallischen Stromabnehmerschicht mit einer Dicke im Bereich von 0,1 Mikrometern bis 10 Mikrometern zu bilden, und worin, wenn der Laserstrahl auf die Außenfläche der Stromabnehmerschicht gerichtet ist, das Lithiummetall-Schmelzschweißbad chemisch mit der Metalloxidschicht auf der Passfläche der Stromabnehmerschicht reagiert, um eine oder mehrere Lithiumoxidverbindungen zu bilden, und worin nach Beendigung des Laserstrahls die feste Schweißverbindung die Lithium-Metallschicht und die Stromabnehmerschicht an der Schweißstelle chemisch und physikalisch miteinander verbindet.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Stromabnehmerschicht porös ist und eine Vielzahl von Durchgangsbohrungen beinhaltet, die sich in einer Querrichtung in Bezug auf eine Ebene erstrecken, die durch die Passfläche der Stromabnehmerschicht definiert ist, worin, wenn der Laserstrahl auf die Außenfläche der Stromabnehmerschicht gerichtet ist, das Lithium-Metall-Schmelzschweißbad in die Durchgangsbohrungen in der Stromabnehmerschicht fließt, und worin sich nach Beendigung des Laserstrahls Abschnitte der festen Schweißverbindung in die Durchgangsbohrungen in der Stromabnehmerschicht erstrecken und eine mechanische Verriegelung erzeugen, die eine Gleitbewegung der Stromabnehmerschicht und der Lithium-Metallschicht relativ zueinander verhindert.
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