DE102021001325A1

DE102021001325A1 - Verfahren zur herstellung von partikeln enthaltend metall und aktives batteriematerial zur elektrodenfertigung

Info

Publication number: DE102021001325A1
Application number: DE102021001325.5A
Authority: DE
Inventors: Xiaohong Gayden
Original assignee: Lntecells Lnc
Current assignee: Lntecells Lnc
Priority date: 2020-03-13
Filing date: 2021-03-12
Publication date: 2021-09-16
Also published as: KR20240032753A; JP7229288B2; JP2021150284A; US20210288300A1; KR20210117160A; JP2023009086A; CN113394377A

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenmaterials für eine elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle beinhaltet das Sputtern eines Drahts aus Metall oder Metalllegierung in einem atmosphärischen Plasma, um aktivierte Partikel aus Metall oder Metalllegierung zu produzieren, und das Inkontaktbringen der aktivierten Partikel des Metalls oder der Metalllegierung mit Partikeln eines aktiven Elektrodenmaterials für Lithium-Ionen-Zellen, um Verbundpartikel zu produzieren, in welchen Partikel des ersten aktiven Elektrodenmaterials der Lithium-Ionen-Zelle an Partikeln des Metalls oder der Metalllegierung anhaften.

Description

VERWEISE AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/989,132 , die am 13. März 2020 eingereicht wurde und hiermit in ihrer Gesamtheit durch Verweis aufgenommen ist.
GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Beschreibung betrifft Verfahren zur Herstellung von Materialien für Elektroden von Lithium-Ionen-Zellen und die Elektroden und Lithium-Ionen-Zellen und Batterien, die mit solchen Materialien hergestellt werden.
EINLEITUNG
Dieser Abschnitt stellt Informationen bereit, die hilfreich sind, um die Erfindung zu verstehen, jedoch nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
Anordnungen von Lithium-Ionen-Batteriezellen finden zunehmend Anwendung zur Bereitstellung von Antriebsleistung in Kraftfahrzeugen. Jede Lithium-Ionen-Zelle der Batterie kann ein elektrisches Potenzial von etwa drei bis vier Volt und einen elektrischen Gleichstrom liefern, in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und Masse der Elektrodenmaterialien in der Zelle. Lithium-Ionen-Batteriezellen können über viele Zyklen entladen und wieder aufgeladen werden. Eine Batterie wird assembliert, indem eine geeignete Anzahl von einzelnen Zellen in einer Kombination von parallelen und seriellen elektrischen Verbindungen kombiniert wird, um die Spannungs- und Stromanforderungen für einen Elektromotor eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs zu erfüllen. Zum Beispiel kann die assemblierte Batterie etwa dreihundert einzeln verpackte Zellen aufweisen, die elektrisch miteinander verbunden sind, um vierzig bis vierhundert Volt und ausreichend elektrische Leistung für einen elektrischen Traktionsmotor bereitzustellen, um ein Fahrzeug anzutreiben.
Jede Lithium-Ionen-Zelle umfasst in der Regel eine negative Elektrodenschicht (Anode während der Zellenentladung), eine positive Elektrodenschicht (Kathode während der Zellenentladung), eine dünne, poröse Separatorschicht, die Fläche gegen Fläche in Kontakt zwischen parallelen, einander zugewandten Elektrodenschichten angeordnet ist, eine flüssige, Lithium enthaltende Elektrolytlösung, welche die Poren des Separators füllt und mit den zugewandten Oberflächen der Elektrodenschichten für den Transport von Lithiumionen während der wiederholten Zellentladungs- und -wiederaufladungszyklen in Kontakt steht, sowie eine dünne Schicht eines metallischen Stromkollektors. In einer weiteren Anordnung können die positiven und negativen Elektrodenschichten durch eine feste Polyelektrolyt-Schicht getrennt sein. Da eine Batterie solch eine große Anzahl von Lithium-Ionen-Zellen erfordert, um ausreichende elektrische Leistung für einen elektrischen Traktionsmotor zum Antreiben eines Fahrzeugs bereitzustellen, ist ein effizientes Herstellungsverfahren von hoher Qualität eine entscheidende kommerzielle Überlegung.
Derzeitige Produktionsverfahren haben mehrere Nachteile. Die Elektroden werden durch Aufstreichen oder Aufsprühen einer flüssigen Beschichtungszusammensetzung, die Elektrodenmaterial und ein polymeres Bindemittel in einem Lösungsmittelsystem enthält, auf eine oder beide Seiten einer dünnen Folie hergestellt, die als der Stromkollektor für die Elektroden dient. Somit werden die jeweiligen Elektroden bisher durch Dispergieren von Mischungen der jeweiligen Bindemittel und aktiven partikelförmigen Materialien in einer geeigneten Flüssigkeit und Abscheiden der nassen Mischung als eine Beschichtungsschicht gesteuerter Dicke an der Oberfläche einer Stromkollektor-Metallfolie hergestellt. Die abgeschiedene Beschichtungsschicht muss dann z. B. in einem Ofen getrocknet werden, um das Lösungsmittel auszutreiben, und dann zwischen Kalanderwalzen gepresst werden, um die harzgebundenen Elektrodenpartikel an ihren jeweiligen Stromkollektor-Oberflächen zu fixieren. Durch dieses Verfahren wird Material als Abfall während des Auftrags der Beschichtungsschicht verschwendet, erzeugt während des Trocknungsschritts Emissionen, die Regulierungen unterliegen, und erfordert Raum und einen hohen Energieeintrag für den Trocknungsofen. Darüber hinaus verringert die Verwendung eines Polymer-Bindemittels die Leitfähigkeit der Elektrode. (ANM)
In einer Abwandlung dieses grundlegenden Prozesses beschreibt Yu in der internationalen PCT-Anmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. WO 2016/082120 , die hiermit in ihrer Gesamtheit durch Verweis hierin aufgenommen ist, die Bildung einer porösen Schicht aus Elektrodenpartikeln an einer Oberfläche unter Verwendung einer Vorrichtung zum Sprühen eines atmosphärischen Plasmas. Eine Nicht-Plasma-Sprühvorrichtung wird dann verwendet, um eine wässrige Lösung aus polymerem Bindemittelmaterial auf die poröse Schicht aufzusprühen. Das Wasser verdunstet und das polymere Bindemittel verbindet die Partikel miteinander und mit der Oberfläche.
Deng et al., veröffentlichte US-Patentanmeldung 2017/0301958 , die hiermit in ihrer Gesamtheit durch Verweis hierin aufgenommen ist, beschreibt das Beschichten von Partikeln aus nichtmetallischen, Lithium aufnehmenden und abgebenden Materialien mit kleineren Partikeln aus einem stromleitenden Metall durch stromlose Beschichtung oder Imprägnierung. Zum Beispiel wird eine wässrige Metallsalzlösung mit einem kationischen komplexbildenden Mittel wie EDTA kombiniert. Der Komplex wird destabilisiert und chemisch reduziert, um elementare Kupferpartikel im Submikrometerbereich auf einem Anodenmaterial wie etwa Lithiumtitanat abzuscheiden. In einem weiteren Beispiel wird ein Metallsalz, das in Ethanol gelöst ist, auf Partikel eines aktiven Elektrodenmaterials aufbeschichtet. Das Lösungsmittel wird verdunstet, dann werden die mit Metallsalz beschichteten Partikel an der Luft gehärtet, um Metalloxid-Partikel zu bilden, und dann in Wasserstoff auf das elementare Metall reduziert. Nach ihrem Erhalt können die aktiven Elektrodenpartikel, die kleinere Partikel aus Metall tragen, bei der Herstellung einer Lithium-Ionen-Zelle durch Sprühen von atmosphärischem Plasma auf einem Substrat abgeschieden werden.
Ihde et al., veröffentlichte US-Patentanmeldung 2012/0261391 , die hiermit in ihrer Gesamtheit durch Verweis hierin aufgenommen ist, offenbart ein Verfahren zur Produktion von oberflächenmodifizierten Partikeln in atmosphärischem Druckplasma, wobei eine der Elektroden eine Sputter-Elektrode ist, welche die Partikel durch eine Entladung zwischen Elektroden in einem Prozessgas sputtert. Die oberflächenmodifizierten Partikel werden in polymere Materialien abgeschieden, um polymere Beschichtungen enthaltend die Metallpartikel herzustellen.
Es herrscht daher weiter Bedarf für ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zum zuverlässigen Modifizieren von Oberflächen von Batterie-Elektrodenmaterial-Partikeln mit gesputterten Partikeln von Metalldrähten, zur Verwendung in der Herstellung von Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien.
ZUSAMMENFASSUNG
Dieser Bedarf wird durch das nun offenbarte Verfahren gedeckt, in welchem ein Draht aus Metall oder einer Metalllegierung in einen atmosphärischen Plasmastrom eines Gases eingeführt wird, um Partikel des Metalls oder der Metalllegierung (im Folgenden als „die gesputterten Metallpartikel“ bezeichnet) von dem Draht zu sputtern, und, im Inneren desselben atmosphärischen Plasmastroms, die gesputterten Metallpartikel mit Partikeln zumindest eines aktiven Elektrodenmaterials einer Lithium-Ionen-Zelle in Kontakt gelangen und daran anhaften, um Verbundpartikel des Metalls und des aktiven Elektrodenmaterials zu produzieren. Es wird angenommen, dass die gesputterten Metallpartikel und die Partikel aus aktivem Elektrodenmaterial aufgrund der Aktivierung der Metallpartikeloberfläche durch das atmosphärische Plasma aneinander haften. Partikel einer Vielzahl von unterschiedlichen aktiven Elektrodenmaterialien können in dem Verfahren verwendet werden, und die Partikel der unterschiedlichen aktiven Elektrodenmaterialien können separat oder in Mischung eingebracht werden, um mit den gesputterten Partikeln aus Metall oder Metalllegierung in Kontakt zu gelangen, und es kann mehr als ein Typ von Metall- oder Metalllegierungsdraht gesputtert werden. Die Verbundpartikel werden zu einer Elektroden-Komponente für eine Lithium-Ionen-Zelle gefertigt; die Elektroden-Komponente wird mit anderen Komponenten kombiniert, um eine Lithium-Ionen-Zelle herzustellen; eine Vielzahl der Lithium-Ionen-Zellen wird kombiniert, um eine Lithium-Ionen-Batterie herzustellen.
Für Ausführungsformen, in welchen das aktive Elektrodenmaterial ein aktives Anodenmaterial ist, das exzessive Volumenänderungen während der Lithiierung und Entlithiierung durchläuft, wie etwa Silizium enthaltende oder Zinn enthaltende Anodenmaterialien, sind die Partikel aus aktivem Anodenmaterial kleiner als die gesputterten Metallpartikel, in der Regel zumindest eine Größenordnung kleiner als die gesputterten Metallpartikel. In verschiedenen Ausführungsformen können die gesputterten Metallpartikel durchschnittliche Partikelgrößen aufweisen, die von etwa 10 bis etwa 1000-mal größer sind als die durchschnittliche Partikelgröße der Partikel aus aktivem Anodenmaterial, die zum Beispiel Silizium- oder Siliziumoxid-Partikel sein können. Für Ausführungsformen, in welchen das aktive Elektrodenmaterial ein aktives Kathodenmaterial ist, sind die Partikel aus aktivem Kathodenmaterial in der Regel zumindest gleich groß wie die gesputterten Metallpartikel, mit welchen sie in dem atmosphärischen Plasmastrom kombiniert werden, können jedoch auch viel größer sein als diese. In verschiedenen Ausführungsformen können die Partikel aus aktivem Kathodenmaterial durchschnittliche Partikelgrößen von etwa derselben Größe wie bis zu etwa 1000-mal größer als die durchschnittliche Partikelgröße der gesputterten Metallpartikel aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen können die gesputterten Metallpartikel von etwa 1 Nanometer bis etwa 1 Mikrometer oder von etwa 1 Nanometer bis etwa 100 Nanometer aufweisen, und die durchschnittlichen Partikelgrößen des aktiven Kathodenmaterials können von etwa 1 Mikrometer bis etwa 20 Mikrometer betragen oder können von etwa 5 Mikrometer bis etwa 10 Mikrometer betragen.
In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Vielzahl von Metalldrähten, die jeweils unabhängig ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Metallen und Metalllegierungen, in ein atmosphärisches Plasma eingebracht und darin gesputtert, um Partikel der ausgewählten Metalle oder Metalllegierungen zu produzieren, wobei zumindest einige davon mit Partikeln eines aktiven Elektrodenmaterials im Inneren desselben Plasmastroms in Kontakt gelangen und Verbundpartikel bilden, in welchen die Partikel aus Metall oder Metalllegierung und die Partikel des zumindest einen aktiven Elektrodenmaterials aneinander haften. Partikel einer Vielzahl von unterschiedlichen aktiven Elektrodenmaterialien können verwendet werden, und die Partikel der unterschiedlichen aktiven Elektrodenmaterialien können separat oder in Mischung in den atmosphärischen Plasmastrom eingebracht werden, um mit den gesputterten Partikeln der gewählten Metalle oder Metalllegierungen in Kontakt zu gelangen.
Die Verbundpartikel können in einer Schicht auf einer porösen Polymer-Separatorschicht, auf einer festen Elektrolyt-Schicht, oder auf einem Stromkollektor aufgebracht werden, um eine Elektroden-Komponente durch atmosphärische Plasmaabscheidung herzustellen, und optional können die Verbundpartikel gemeinsam mit anderem partikelförmigen Material abgeschieden werden, das durch atmosphärische Plasmaabscheidung aus denselben oder separaten Plasmadüsen aufgebracht wird.
Ein atmosphärisches Plasma (auch als Plasma mit atmosphärischem Druck oder Normaldruck-Plasma bezeichnet) ist ein kaltes oder nicht thermisches Plasma, in welchem der Druck ungefähr dem atmosphärischen Druck entspricht. Der atmosphärische Plasma-Schritt wird bei einer Temperatur von weniger als etwa 3.500 °C oder bei einer Temperatur von weniger als etwa 2.000 °C ausgeführt. Im Gegensatz dazu setzen thermische Plasmen in der Regel Temperaturen von 15.000 °C und darüber ein.
Der offenbarte Prozess zur Herstellung von Verbundpartikeln für Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien schafft zahlreiche Vorteile gegenüber vorbekannten Prozessen. Im Gegensatz zu Prozessen, die chemisches Beschichten, Imprägnieren, wässrige Lösungen und physikalische Dampfabscheidung involvieren, verwendet der nun offenbarte Prozess keine Lösungsmittel, die Regulierungen unterliegen, oder Lösungen, die Verdunstungsöfen oder Belüftung erfordern. Außerdem kann der Prozess unter Verwendung von Metallen durchgeführt werden, die für stromlose/chemische Prozesse und physikalische Dampfabscheidungsprozesse ungeeignet wären. Ferner können Metall- und Legierungszusammensetzungen in dem hier offenbarten Prozess besser gesteuert werden und sind weniger anfällig für Verunreinigungen als im Vergleich zu früheren Prozessen. Darüber hinaus, kann die Größe und Verteilung oder Konzentration der Metallpartikel und Partikel aus aktivem Elektrodenmaterial relativ einfach gesteuert werden, und der Prozess ist relativ kostengünstig. Andere Ziele und Vorteile der praktischen Umsetzungen dieser Erfindung werden aus den folgenden Beschreibungen von Ausführungsformen zur Veranschaulichung deutlich werden.
Figurenliste
Die Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen und die Beschreibung besser verständlich werden. Die Komponenten in den Figuren sind nicht unbedingt maßstabgetreu, das Hauptaugenmerk liegt vielmehr auf der Veranschaulichung der Prinzipien der Ausführungsformen. Die Zeichnungen dienen rein dem Zweck der Veranschaulichung ausgewählter Aspekte und nicht aller möglichen Implementierungen und sollen den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung keinesfalls einschränken.

1 ist eine schematische Veranschaulichung einer Vorrichtung zur Implementierung einer Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt;
2A ist ein Querschnitt entlang der Linie 2-2 von 1;
2B veranschaulicht eine alternative Anordnung von Sputterelektroden entlang der Linie 2-2 von 1.
3 ist eine schematische Veranschaulichung einer Vorrichtung mit einem Zufuhrsystem und einer atmosphärischen Plasmadüse zur Zufuhr der Verbundpartikel und deren Aufbringen auf ein Substrat bei der Herstellung einer Elektrodenstruktur.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Definitionen
„Ein/e/r/s,“ „der/die/das“, „zumindest ein/e/r/s,“ und „ein/e/r/s oder mehrere“ werden austauschbar verwendet, um anzuzeigen, dass zumindest einer der Gegenstände vorliegt; eine Vielzahl von solchen Gegenständen kann vorliegen, außer der Kontext weist deutlich auf etwas anderes hin. Alle numerischen Werte von Parametern (z. B. von Mengen oder Zuständen) in dieser Beschreibung einschließlich der beigefügten Ansprüche sind so zu verstehen, dass sie jeweils durch den Begriff „etwa“ modifiziert werden, egal ob der Begriff „etwa“ tatsächlich vor dem numerischen Wert steht. „Etwa“ weist darauf hin, dass der angegebene numerische Wert eine geringfügige Unbestimmtheit zulässt (mit einer ansatzweisen Genauigkeit in dem Wert; ungefähr oder im vernünftigen Rahmen nahe bei dem Wert). Wenn die Unbestimmtheit, die durch den Begriff „etwa“ bereitgestellt wird, in dieser gewöhnlichen Bedeutung nicht im Stand der Technik anders verstanden wird, weist „etwa“ so, wie es hierin verwendet wird, zumindest auf Abweichungen hin, die sich aus gewöhnlichen Messverfahren und der Verwendung solcher Parameter ergeben können. Darüber hinaus beinhaltet die Offenbarung von Wertebereichen die Offenbarung aller Werte und weiterer getrennter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs.
„Aktives Elektrodenmaterial“ bedeutet ein Lithium-Einlagerungsmaterial für eine Anode oder Kathode einer Lithium-Ionen-Zelle.
Wenn es verwendet wird, um die Anbringung von Metallpartikeln, die in einem atmosphärischen Plasma an der Oberfläche energieaktiviert, an der Oberfläche aufgeweicht und/oder an der Oberfläche aufgeschmolzen (insgesamt als „oberflächenaktiviert“ bezeichnet) werden, an anderen Metallpartikeln, Partikeln aus aktivem Elektrodenmaterial, oder einem Lithium-Ionen-Zell-Substrat zu beschreiben, bedeutet „angeheftet“ oder „zur Haftung gebracht“ eine oberflächliche Anbringung/Anhaftung der Metallpartikel. Die Metallpartikel haften aufgrund der Oberflächenenergieaktivierung durch das atmosphärische Plasma an. Die Metallpartikel erfahren keine metallurgische Veränderung in dem atmosphärischen Plasma.
„Atmosphärisches Plasma“ bezieht sich auf ein Plasma, das bei einer Temperatur von bis zu etwa 3.500 °C und einem Druck, der bei atmosphärischem Druck oder ungefähr bei atmosphärischem Druck liegt, produziert wird. Die Spitzentemperatur, die von den Partikeln in einem atmosphärischen Plasma erreicht wird, ist in der Regel geringer als etwa 1.200 °C.
Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“ „einschließlich/beinhaltend“ und „aufweisend“ sind einschließlich zu verstehen und geben daher das Vorliegen der angeführten Merkmale, ganzen Zahlen, Schritte, Vorgänge, Elemente und/oder Komponenten an, schließen jedoch nicht das Vorliegen und die Hinzufügung eines/einer oder mehrerer weiterer Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Vorgänge, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon aus. So, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, beinhaltet der Begriff „oder“ alle beliebigen Kombinationen aus einem oder mehreren der damit in Verbindung aufgelisteten Gegenstände.
„Partikelgröße“ bezieht sich auf die durchschnittliche Partikelgröße, wie sie durch das Prüfverfahren nach ISO 13320 bestimmt wird.
Es folgt eine detaillierte Beschreibung beispielhafter, nicht einschränkender Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren.
In dem offenbarten Prozess wird ein Metalldraht einem atmosphärischen Gas-Plasmastrom in einem Plasma-Düsenstrahl ausgesetzt, um Partikel von dem Metalldraht weg zu sputtern, die mit den aktiven Elektrodenpartikeln in dem atmosphärischen Plasmastrom kombiniert werden, um Verbundpartikel zu bilden. Der Metalldraht kann aus einem unlegierten Metall bestehen oder kann eine Legierung aus zwei oder mehr Metallen sein. Ein Metalldraht oder eine Vielzahl von Metalldrähten kann in dem Gasplasma gesputtert werden. Wenn eine Vielzahl von Metalldrähten verwendet wird, kann das Metall eines jeden Drahtes unabhängig aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus unlegierten Metallen und Metalllegierungen besteht. Im Allgemeinen hängt die Zusammensetzung des Metalldrahts oder der Metalldrähte, die in dem Plasma gesputtert werden, davon ab, ob die Verbundpartikel in einer Kathodenschicht oder in einer Anodenschicht eingesetzt werden sollen. Beispiele für Metalle, die zur Kombination mit aktiven Kathodenpartikeln bei der Herstellung von Verbundpartikeln für eine Kathodenschicht geeignet sind, beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein, Metalle der Gruppe IIIA, Gruppe IVB, Gruppe VIII und Gruppe IB, sowie Legierungen davon, wie etwa Aluminium, Indium, Thallium, Titan, Zirkonium, Hafnium, Nickel, Palladium, Platin, Silber, Gold, Legierungen davon, sowie Kombinationen von Drähten aus diesen Metallen und Legierungen. Beispiele für Metalle, die zur Kombination mit aktiven Anodenpartikeln bei der Herstellung von Verbundpartikeln für eine Anodenschicht geeignet sind, beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein, Lithium, Metalle der Gruppen IB, VIII und IVA sowie Legierungen davon, wie etwa Lithium, Kupfer, Silber, Gold, Nickel, Palladium, Platin, Zinn, Legierungen davon, einschließlich LiS und LiSn, sowie Kombinationen von Drähten aus diesen Metallen und Legierungen.
Die Metallpartikel, die aus dem Draht in dem atmosphärischen Plasma gesputtert werden, können eine durchschnittliche Partikelgröße in dem Bereich von einigen Nanometer bis zu einigen Mikrometer aufweisen. Die durchschnittliche Partikelgröße, die für die Metallpartikel ausgewählt wird, hängt davon ab, ob die Verbundpartikel in einer Kathodenschicht oder in einer Anodenschicht eingesetzt werden sollen, sowie von der durchschnittlichen Partikelgröße des aktiven Elektrodenmaterials, das zur Herstellung der Verbundpartikel verwendet wird. Für Verbundpartikel für eine Anodenschicht ist es vorteilhaft, wenn die Metallpartikel etwa dieselbe Größe haben oder größer sind als die Partikel des aktiven Anodenmaterials, um eine gewisse Volumenausdehnung in der Anodenschicht zu erlauben, ohne die Anodenschicht zu beschädigen. Metallpartikel, die zur Herstellung von Verbundpartikeln für eine Kathodenschicht verwendet werden, können jedoch viel kleiner als die Partikelgröße des aktiven Kathodenmaterials sein.
Für Anodenschicht-Verbundpartikel können die Metallpartikel von etwa 10 nm oder von etwa 30 nm oder von etwa 50 nm oder von etwa 80 nm oder von etwa 100 nm oder von etwa 150 nm oder von etwa 200 nm oder von etwa 500 nm oder von etwa 600 nm oder von etwa 700 nm oder von etwa 800 nm oder von etwa 900 nm oder von etwa 1 Mikrometer bis zu etwa 5 Mikrometer oder bis zu etwa 3 Mikrometer oder bis zu etwa 1 Mikrometer aufweisen. Die Partikel aus aktivem Anodenmaterial kombiniert mit den gesputterten Metallpartikeln in dem atmosphärischen Plasma, um die Verbundpartikel zu erzeugen, können von etwa 5 Nanometer oder von etwa 10 Nanometer oder von etwa 50 Nanometer oder von etwa 100 Nanometer oder von etwa 200 Nanometer oder von etwa 500 Nanometer oder von etwa 700 Nanometer oder von etwa 900 Nanometer bis zu etwa 20 Mikrometer oder bis zu etwa 15 Mikrometer oder bis zu etwa 10 Mikrometer oder bis zu etwa 3 Mikrometer oder bis zu etwa 1 Mikrometer aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen zur Herstellung von Verbundpartikeln für eine Anodenschicht können die Metallpartikel von etwa 1 Mikrometer bis etwa 5 Mikrometer oder von etwa 1 Mikrometer bis etwa 3 Mikrometer aufweisen, und die Partikel aus aktivem Anodenmaterial können von etwa 200 Nanometer bis etwa 800 Nanometer oder von etwa 250 Nanometer bis etwa 750 Nanometer oder von etwa 250 Nanometer bis etwa 600 Nanometer oder von etwa 500 Nanometer bis etwa 5 Mikrometer oder von etwa 3 Mikrometer bis etwa 12 Mikrometer aufweisen.
Für Kathodenschicht-Verbundpartikel können die Metallpartikel von etwa 1 nm oder von etwa 2 nm oder von etwa 5 nm oder von etwa 8 nm oder von etwa 10 nm oder von etwa 20 nm oder von etwa 30 nm oder von etwa 40 nm oder von etwa 50 nm oder von etwa 60 nm bis zu etwa 1 Mikrometer oder bis zu etwa 800 Nanometer oder bis zu etwa 500 Nanometer oder bis zu etwa 400 Nanometer oder bis zu etwa 300 Nanometer oder bis zu etwa 200 Nanometer oder bis zu etwa 100 Nanometer aufweisen. Die Partikel aus aktivem Kathodenmaterial kombiniert mit den gesputterten Metallpartikeln, um die Verbundpartikel zu erzeugen, können von etwa 1 Mikrometer oder von etwa 1,5 Mikrometer oder von etwa 2 Mikrometer oder von etwa 2,5 Mikrometer oder von etwa 3 Mikrometer bis zu etwa 20 Mikrometer oder bis zu etwa 15 Mikrometer oder bis zu etwa 13 Mikrometer oder bis zu etwa 12 Mikrometer oder bis zu etwa 10 Mikrometer aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen zur Herstellung von Verbundpartikeln für eine Kathodenschicht können die Metallpartikel von etwa 1 Nanometer bis etwa 1 Mikrometer oder von etwa 1 Nanometer bis etwa 500 Nanometer oder von etwa 2 Nanometer bis etwa 200 Nanometer oder von etwa 2 Nanometer bis etwa 100 Nanometer aufweisen, und die Partikel aus aktivem Kathodenmaterial können von etwa 1 Mikrometer bis etwa 20 Mikrometer oder von etwa 2 Mikrometer bis etwa 15 Mikrometer oder von etwa 3 Mikrometer bis etwa 10 Mikrometer aufweisen.
Ein Plasmadüsenstrahl weist in der Regel ein metallisches röhrenförmiges Gehäuse auf, das einen Strömungsweg einer geeigneten Länge bereitstellt, um einen Strom eines Arbeitsgases aufzunehmen und die Bildung des Plasmastroms in einem elektromagnetischen Feld zu ermöglichen, das innerhalb des Strömungswegs des röhrenförmigen Gehäuses hergestellt wird. Das röhrenförmige Gehäuse endet in der Regel in einem konisch verjüngten Auslassdüsen-Auslass. Ein Strom eines nicht oxidierenden Arbeitsgases wird an einem Gaseinlass eingeleitet. Geeignete Plasma-Prozessgase, die verwendet werden können, beinhalten, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Stickstoff und Edelgase (insbesondere Argon) und Mischungen davon. Edelgase werden als das Prozessgas bevorzugt, um eine hohe Leitfähigkeit in dem Metall in der Elektrode aufrecht zu erhalten, die unter Verwendung des Verbundmaterials gefertigt wird. Eine lineare (stiftartige) Elektrode kann an der Stelle des keramischen Rohrs entlang der Strömungsachse der Düse an dem stromaufwärtigen Ende des röhrenförmigen Gehäuses platziert sein. Während der Plasmaerzeugung wird die Elektrode durch einen Hochfrequenzgenerator, zum Beispiel mit einer Frequenz von etwa 10 bis etwa 50 kHz, und zum Beispiel mit einem geeigneten Potenzial bis zu einigen Kilovolt mit Leistung versorgt. Das metallische Gehäuse der Plasmadüse ist geerdet, und zwischen der axialen Stiftelektrode und dem Gehäuse kann eine elektrische Entladung erzeugt werden. Wenn die Generatorspannung angelegt ist, produzieren die Frequenz der angelegten Spannung und die dielektrischen Eigenschaften des Keramikrohrs eine Koronaentladung an dem Strömungseinlass und der Elektrode. Als ein Ergebnis der Koronaentladung wird eine Bogenentladung von der Elektrodenspitze zu dem Gehäuse gebildet. Diese Bogenentladung wird durch die turbulente Strömung des Arbeitsgases zu dem Auslass der Düse getragen. Ein reaktives Plasma aus dem Stickstoff (oder dem ggf. anderen Arbeitsgas) wird bei einer relativ niedrigen Temperatur und bei atmosphärischem Druck erzeugt.
In dem Verfahren gemäß der Erfindung kann die Sputter-Rate durch Auswahl des konkreten Plasma-Arbeitsgases, der Gasströmungsrate, des Abstands des Metalldrahts von den Plasmaentladungs-Elektroden, der optionalen Vorspannung an dem Draht (das Vorspannungspotenzial kann zum Beispiel bis zu 300 Volt betragen), und der Leistung, die zur Erzeugung des Plasmas verwendet wird, gesteuert werden. Der Metalldraht oder die Metalldrähte kann/können sich von etwa 5 bis etwa 100 Millimeter oder von etwa 20 bis etwa 50 Millimeter von den Plasmaentladungs-Elektroden entfernt befinden. In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Vielzahl von Metalldrähten in einem atmosphärischen Plasma gesputtert, um die Sputter-Ausbeute zu erhöhen. Jeder der Metalldrähte kann von den Plasmaentladungs-Elektroden und von den anderen auf eine Weise beabstandet angeordnet sein, um eine Rate der Partikelerzeugung von dem Draht relativ zu Rate der Partikelerzeugung von den übrigen Drähten zu steuern.
Aktive Elektrodenpartikel werden in den Plasmastrom eingeleitet, um mit den gesputterten Metall- oder Metalllegierungspartikeln in Kontakt zu gelangen. Nicht einschränkende Beispiele für geeignete aktive Anodenmaterialien beinhalten Silizium enthaltende Materialien wie etwa elementares Silizium, Silizium-Legierungen, SiO_x (z. B. SiO-SiO₂-Verbundstoffe), Siliziumoxid-Kohlenstoff-Verbundstoffe, Silizium-Kohlenstoff-Verbundstoffe; Lithium-Legierungen wie etwa Li-Si-Legierungen, Li-Sn-Legierungen, und Li-Sb-Legierungen; Lithium-Metalloxide wie etwa Lithiumtitanat; andere Metalloxide (z. B. Fe₂O₃, ZnO, ZnFe₂O₄); Kohlenstoff enthaltende Materialien wie etwa Graphit (sowohl synthetischen Graphit als auch natürlichen Graphit), Graphen, Mesokohlenstoff, dotierten Kohlenstoff, harten Kohlenstoff, weichen Kohlenstoff, Fullerene; metallisches Lithium, Niobpentoxid, Zinnlegierungen, Titandioxid und Zinndioxid; und Kombinationen davon. Ein geeignetes aktives Anodenmaterial kann in dem atmosphärischen Plasma aus einer verdampften Siloxanverbindung wie etwa Hexamethyldisiloxan (HMDSO) oder einem Tetraalkylsiloxan wie Tetraethylsiloxan (TESO) gebildet werden, das optional ferner ein Alkan-Gas wie etwa Methan, Ethan oder Propan zur Bereitstellung von Kohlenstoff umfassen kann. In ähnlicher Weise kann ein lithiiertes (mit Lithium dotiertes) aktives Anodenmaterial, z. B. ein SiO_x-Li-Verbundstoff oder ein SiO_x-C-Li-Verbundstoff, in dem Plasmastrom durch Mischen eines organischen Lithium-Vorläufer-Dampfs mit einem Vorläufer-Dampf für SiO_x (wie etwa einem Tetraalkylsiloxan wie Tetraethylsiloxan oder einem Hexaalkyldisiloxan wie etwa Hexamethyldisiloxan) und optional durch Einbeziehen einer sekundären Kohlenstoffquelle (wie etwa eines Alkans wie Methan, Ethan, oder Propan) gebildet werden. Beispiele für organische Lithium-Vorläufer sind Lithiumacetat, Lithium-bis(n-propyldimethylsilyl)amid und Lithium-bis(trimethylsilyl)amid.
Nicht einschränkende Beispiele für geeignete aktive Kathodenmaterialien beinhalten Lithium-Metalloxide, Schichtoxide, Spinell, Olivin-Verbindungen, SilikatVerbindungen, HE-NCM und Kombinationen davon. Beispiele beinhalten Lithium-Mangan-Oxid (LMO), Lithium-Nickel-Oxid, Lithium-Kobalt-Oxid (LCO), Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid (NCA), Lithium-Mangan-Nickel-Kobalt-Oxid (NMC), Lithium-Eisen-Phosphat (LFP), Li-Mangan-Spinell (LiMn₂O₄), Li-Mangan-Nickel-Oxid (LMNO), an Lithium reiche Übergangsmetalloxide wie etwa (Li₂MnO₃)_x(LiM0₂)_1-x, Schichtoxide, Spinell, Olivin-Verbindungen, andere zu Lithium komplementäre Metalloxide oder Phosphate und Kombinationen davon. Beispiele für Olivin-Verbindungen beinhalten Lithiumphosphate der empirischen Formel LiXPO₄ mit X = Mn, Fe, Co oder Ni, oder Kombinationen davon. Beispiele für Lithium-Metalloxid, Spinell-Verbindungen und Schichtoxide beinhalten Lithiummanganat, vorzugsweise LiMn₂O₄, Lithiumkobaltat, vorzugsweise LiCoO₂, Lithiumnickelat, vorzugsweise LiNiO₂, oder Mischungen von zwei oder mehr dieser Oxide, oder die Mischoxide davon.
Das aktive Elektrodenmaterial kann auch Mischungen von aktiven Kathodenmaterialien oder Mischungen von aktiven Anodenmaterialien beinhalten. In einer Ausführungsform werden auch Partikel, die ausgewählt sind, um die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen, zum Beispiel Partikel aus Kohlenstoff enthaltendem Material wie etwa leitfähiger Kohlenstoffruß, Graphit, von Karbid abgeleiteten Kohlenstoff, Graphen, Graphenoxid, Kohlenstoff-Nanoröhren und Kombinationen davon, in den Plasmastrom eingeleitet, um in Verbundpartikel inkorporiert zu werden.
In verschiedenen Ausführungsformen machen die Partikel aus aktivem Anodenmaterial von etwa 5 % bis etwa 75 % des Gesamtvolumens, vorzugsweise von etwa 20 % bis etwa 70 % des Gesamtvolumens, und noch bevorzugter von etwa 20 % bis etwa 60 % oder von etwa 40 % bis etwa 70 % oder von etwa 40 % bis etwa 60 % des Gesamtvolumens der Anoden-Verbundpartikel aus, die in dem atmosphärischen Plasma durch Kombination der Metallpartikel und der Partikel aus aktivem Anodenmaterial produziert werden. In verschiedenen Ausführungsformen machen die Partikel aus aktivem Kathodenmaterial von etwa 70 % bis etwa 95 % des Gesamtvolumens, vorzugsweise von etwa 75 % bis etwa 92 % des Gesamtvolumens, und noch bevorzugter von etwa 80 % bis etwa 90 % oder von etwa 85 % bis etwa 90 % oder von etwa 87 % bis etwa 89 % des Gesamtvolumens der Kathoden-Verbundpartikel aus, die in dem atmosphärischen Plasma durch Kombination der Metallpartikel und der Partikel aus aktivem Kathodenmaterial produziert werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Strom eines oxidierenden Arbeitsgases, wie etwa Sauerstoff oder Luft, an einem Gaseinlass eingeleitet, um ein oxidierendes atmosphärisches Plasma zu bilden. In dieser Ausführungsform bilden die gesputterten Metall- oder Metalllegierungspartikel zumindest eine Oberflächenschicht eines Metalloxids. Diese Ausführungsform kann verwendet werden, um ein Verbundpartikel zu erzeugen, das ein stabilisierendes, für Lithiumionen leitfähiges Metalloxid-Element enthält. Zum Beispiel kann bei der Herstellung eines Verbundpartikels für eine Kathode ein Aluminiumdraht in einem oxidierenden Arbeitsgas gesputtert werden, wobei das Verbundpartikel ein Element mit einer Aluminiumoxid-Oberfläche enthält. Als weiteres Beispiel kann bei der Herstellung eines Verbundpartikels für eine Anode ein Zirkonium- oder Zinkdraht in einem oxidierenden Arbeitsgas gesputtert werden, wobei das Verbundpartikel ein Element mit einer Zirkonium- oder Zinkoxid-Oberfläche enthält.
Es kann vorkommen, dass einige der Metallpartikel und der Partikel aus aktivem Material keine Verbundpartikel bilden können, doch können solche nicht kombinierten Partikel später während der atmosphärischen Plasmaabscheidung der kombinierten Partikel und jeglicher nicht kombinierter Partikel in die Elektrodenschicht inkorporiert werden. Das Bilden einer Elektrodenschicht auf einem Lithium-Ionen-Zell-Substrat beinhaltet einen Schritt der Einleitung von gesammelten Verbundpartikeln (und jeglicher Metallpartikel und Partikel aus aktivem Material, die nicht kombiniert wurden) in eine atmosphärische Plasmaabscheidungs-Vorrichtung und deren Abscheiden zu einer Elektrodenschicht auf dem Substrat, um eine Elektroden-Komponente für eine Lithium-Ionen-Batterie herzustellen.
Die Verbundpartikel können zum Beispiel in einem Zyklon unter einer inerten Atmosphäre gesammelt werden, oder können in eine zweite Plasmadüse geleitet werden, um in einem Plasmaabscheidungs-Prozess zur Bildung einer Elektroden-Komponente auf einem Substrat abgeschieden zu werden. Das Substrat, das die Elektrodenschicht aus Verbundpartikeln empfängt, kann ein Metallfolien-Stromkollektor, eine poröse Separatorschicht oder eine feste Elektrolytschicht sein.
Im Allgemeinen werden Metallfolien-Stromkollektoren auf beiden ihrer Hauptoberflächen mit den Verbund-Elektrodenmaterialien beschichtet. Die Dicken der Elektrodenschichten können mit dem Zweck variiert werden, die Kapazität der Schichten für die Aufnahme und Freisetzung von Lithiumionen zu steuern.
In vielen Batteriekonstruktionen ist das Separatormaterial eine poröse Schicht aus einem Polyolefin, wie etwa Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), poröser Polyvinylchlorid-Folie, Vlies, Zellulose-/Acryl-Fasern, Zellulose-/Polyester-Fasern oder Glasfasern. Das thermoplastische Material umfasst häufig miteinander verbundene, zufällig orientierte Fasern aus PE oder PP. Die Faseroberflächen des Separators können mit Partikeln aus Aluminiumoxid oder einem anderen Isolatormaterial beschichtet sein, um den elektrischen Widerstand des Separators zu erhöhen, während die Porosität der Separatorschicht für die Infiltration mit flüssigem Elektrolyt und den Transport von Lithiumionen zwischen den Zellelektroden erhalten bleibt. Eine Separatorfolie kann eine Dicke von 15 Mikrometer bis 50 Mikrometer aufweisen. Solche Separatoren können in Kombinationen verwendet werden, etwa mit einem dreischichtigen beschichteten Separator aus einer porösen PolyethylenFolie, die sandwichartig zwischen äußeren porösen Polypropylenfolien angeordnet ist. Die Separatorschicht wird verwendet, um den direkten elektrischen Kontakt zwischen den einander zugewandten Schichten aus negativem und positivem Elektrodenmaterial zu verhindern, und ist so geformt und dimensioniert, um diese Funktion zu erfüllen. Beim Zusammenbau der Zelle werden die zugewandten Hauptseitenflächen der Elektrodenmaterial-Schichten gegen die Hauptflächenbereiche der Separatormembran gepresst. Ein flüssiger Elektrolyt wird in der Regel in die Poren des Separators und der Elektrodenmaterial-Schichten eingespritzt. In einer zusammengebauten elektrochemischen Lithium-Ionen-Zelle weist ein poröser Separator eine Anodenschicht auf einer Seite und eine Kathodenschicht auf seiner anderen Seite auf.
Andere Batteriekonstruktionen verwenden eine feste Elektrolytschicht aus einer für Lithiumionen leitfähigen Polymer-Elektrolytfolie oder einem keramischen Elektrolyten.
Eine Batteriezelle wird in Abhängigkeit von der erforderlichen Gesamtkapazität aus einer Reihe von positiv und negativ geladenen Elektroden gebildet. Jede Elektrode wird aus porösen Schichten aus Partikeln aus aktivem Anodenmaterial für eine Lithium-Ionen-Zelle, Partikeln aus aktivem Kathodenmaterial, oder Kombinationen aus Kondensator-Elektrodenmaterialien mit Partikeln aus Anoden- oder Kathodenmaterial gebildet, die auf jeder Seite mit einer geeigneten Stromkollektorfolie verbunden sind. Die Stromkollektorfolien weisen in der Regel eine rechteckige Gestalt auf, mit Höhen- und Breitendimensionen, die für eine Anordnung durch Stapeln oder Wickeln zu einer einheitlichen Packung einer oder mehrerer elektrochemischer Zellen geeignet sind. Wenn die fertige elektrochemische Zelle aus einer Stapelung von zwei oder mehr Paaren von Elektroden (und ihren dazwischen eingebrachten Separatoren) gebildet werden soll, können die Stromkollektorfolien mit ihren Beschichtungen aus Elektrodenmaterialien rechteckig sein, wie dies bei der Bildung von Lithiumbatterien in der Praxis geschieht. Wenn die fertige elektrochemische Zelle durch Wickeln der Zelleneinheiten und Separatoren gebildet werden soll, können die Folien relativ lang sein, wie dies bei der Bildung von Lithiumbatterien in der Praxis geschieht.
Die Erfindung wird nun weiter unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert.
1 ist eine Querschnittsansicht einer Plasmadüse und einer Partikelsammeleinrichtung 10. Die Plasmadüse weist ein elektrisch leitfähiges Gehäuse 5 auf, das vorzugsweise eine längliche, insbesondere röhrenförmige Gestalt aufweist, sowie einen elektrisch leitfähigen Düsenkopf 32. Das Gehäuse 5 und der Düsenkopf 32 bilden einen Düsenkanal 7, durch welchen ein Prozessgas 18 strömt. Eine innere Elektrode 16 ist in dem Düsenkanal angeordnet und an eine Hochspannungs-Stromversorgung 22 angeschlossen. In dem Plasmadüsenkanal 7 befinden sich vorschiebbare Metalldrähte 42, 44. Das Gehäuse 5 ist geerdet und mit einer Keramikhülse 14 ausgekleidet. Das Prozessgas 18 wird in den Düsenkanal 7 über eine Leitung 20 eingebracht, so dass es wirbelartig durch den Kanal strömt. Die verwirbelte oder spiralförmige Strömung des Prozessgases wird durch die spiralförmige Linie 28 veranschaulicht. Eine solche Strömung des Prozessgases kann mittels eines Verwirblers 12 erreicht werden, der hier als eine Platte mit Löchern dargestellt ist.
Aufgrund der Hochspannung wird eine Entladung, insbesondere eine Bogenentladung, zwischen der Elektrode 16 und dem Düsenkopf 32 gezündet, um ein Plasma zu produzieren. Die Entladung veranlasst, dass Partikel 30 von den Spitzen 15, 17 der Metalldrähte 42, 44 weggesputtert werden und mit der wirbelnden Gasströmung 28 transportiert werden.
Partikel aus aktivem Elektrodenmaterial 25 werden von der Partikelzufuhr 48 über einen Einlass 24 stromabwärts der Metalldrähte 42, 44 zugeführt. Der Transport der Partikel aus aktivem Elektrodenmaterial 25 durch die Leitung 24 wird mit der Hilfe des Prozessgases 18 erreicht, das durch den Einlass 26 eintritt, und weiteres Prozessgas, das durch den gegenüberliegenden Einlass 27 eingebracht wird, hilft dabei, die Partikel aus aktivem Elektrodenmaterial 25 mit Metallpartikeln 30 in Kontakt zu bringen. Zumindest einige der Partikel aus aktivem Elektrodenmaterial 25 gelangen mit Metallpartikeln 30 in Kontakt, während die Metallpartikel 30 eine durch das Plasma aktivierte Oberfläche aufweisen und sich anheften, um Verbundpartikel 34 zu bilden. Es sollte klar sein, dass, während die Partikel aus aktivem Elektrodenmaterial 25 in dieser Ausführungsform kleiner als die Metallpartikel 30 dargestellt sind, in anderen Ausführungsformen die aktiven Elektrodenmaterialien etwa dieselbe Größe aufweisen oder größer sein können als die Metallpartikel.
Die Verbundpartikel 34 werden durch das Prozessgas durch den Durchgang 50 in den Zyklon 56 gespült und in dem Bereich 60 gesammelt. Das Prozessgas wird durch den Auslass 52 ausgestoßen.
2A ist ein Querschnitt entlang der Linie 2-2 und zeigt eine Anordnung aus einander gegenüberliegenden Metalldrähten 42, 44 mit Spitzen 15, 17 im Inneren des Plasma-Düsenkopfs 32. 2B zeigt eine alternative Anordnung, die zusätzliche Metalldrähte 41, 42, 43, 44, 45 und 46 beinhaltet, die um den Umfang des Plasma-Düsenkopfes 32 herum beabstandet angeordnet sind und als zusätzliche Sputterquellen für die Produktion von Metallpartikeln 30 dienen.
Die Verbundpartikel 34 werden zu einer Elektroden-Komponente für eine Lithium-Ionen-Zelle gefertigt. 3 zeigt eine Vorrichtung zur atmosphärischen Plasmaabscheidung 100 mit einer stromaufwärtigen runden Strömungskammer 110 für den Eintrag und die Führung eines fließenden Stroms eines geeigneten Arbeitsgases, wie etwa Stickstoff oder ein Inertgas wie etwa Helium oder Argon. Die Strömungskammer 110 verjüngt sich nach innen zu der kleineren runden Strömungskammer 110'. Verbundpartikel 34 werden durch das Zuführrohr 114 (zum Teil weggebrochen dargestellt, um die Strömung der Verbundpartikel 34 zu zeigen) eingebracht, und in diesem Beispiel ist ein optionales zweites aktives Elektrodenmaterial 116 dargestellt, das durch das Zuführrohr 112 (zum Teil weggebrochen dargestellt, um die Strömung des aktiven Elektrodenmaterials 116 zu zeigen) in den Arbeitsgasstrom in einer Hauptkammer eingebracht wird und dann in einen Plasma-Düsenkopf 120 getragen wird, in welchem das Arbeitsgas in einen Plasmastrom bei atmosphärischem Druck umgewandelt wird. Während die Verbundpartikel 34 in den Plasmastrom eintreten, werden sie dispergiert und ihre Metallabschnitte werden durch das Plasma aktiviert, während sie mit zweiten Partikeln aus aktivem Elektrodenmaterial 116 gemischt werden. Die aktivierten Metalloberflächen veranlassen die Verbundpartikel 34 und optional das zweite aktive Elektrodenmaterial 116, aneinander und während der Abscheidung an dem Substrat 124 zu haften. Die Partikel aus zweitem aktivem Elektrodenmaterial 116 können auch in Leerräumen eines porösen Netzwerks aus Verbundpartikeln 34, das auf dem Substrat 124 gebildet wird, gefangen werden. Obwohl hier nicht dargestellt, können nicht anhaftende Partikel des ersten aktiven Anodenmaterials 25 mit Verbundpartikeln 34 gemischt und zusammen mit den Verbundpartikeln 34 in den Plasmastrom eingebracht werden. Wie die Partikel aus zweitem aktivem Elektrodenmaterial 116 kann auch das erste aktive Anodenmaterial 25 an den Verbundpartikeln 34 anhaften, die durch das atmosphärische Plasma aktiviert werden, oder kann in dem porösen Netzwerk, das auf das Substrat 124 abgeschieden wurde, gefangen werden.
Der Strom 122 aus auf Stickstoff basierendem Plasma, der die darin suspendierten Partikel aus Elektrodenmaterial enthält und mitführt, wird progressiv von dem Düsenkopf gegen die Oberfläche eines Substrats 124 gerichtet, das zum Beispiel eine Stromkollektor-Folie für eine Lithium-Ionen-Zelle sein kann. Die Substratfolie wird auf einer geeigneten Arbeitsoberfläche 126 für den atmosphärischen Plasmaabscheidungsprozess getragen. Das Abscheidungssubstrat für die atmosphärische Plasmaabscheidung ist als eine einzelne Stromkollektor-Folie 124 mit ihrer nicht beschichteten Anschlusszunge 124' dargestellt. Es sollte jedoch klar sein, dass das Substrat für die atmosphärische Plasmaabscheidung für den wirtschaftlichen Einsatz und die Anwendung des Plasmas eine beliebige Größe und Gestalt aufweisen kann. Es sollte ebenfalls klar sein, dass geeignete Fixierungen erforderlich sein können, um das Substrat in Position zu halten, und/oder dass eine Maske erforderlich sein kann, um den oder die beschichteten Flächenbereiche zu definieren. Ferner können zum Beispiel auch vorgegebene kleinere Arbeitselektrodenelemente später aus einem größeren ursprünglich beschichteten Substrat ausgeschnitten werden. Die Düse wird in einem geeigneten Pfad und mit einer geeigneten Rate bewegt, so dass die Elektrodenschicht 128 eine gewünschte Dicke an der Oberfläche des Stromkollektorfolien-Substrats 124 aufweist. Die Plasmadüse kann an einem Roboterarm getragen werden, und die Steuerung der Plasmaerzeugung sowie die Bewegung des Roboterarms können unter der Steuerung eines programmierten Computers verwaltet werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung wird das Substrat bewegt, während das Plasma stationär ist.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen wurde zum Zweck der Veranschaulichung und Beschreibung gegeben. Sie soll weder erschöpfend sein noch die Erfindung einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer konkreten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese konkrete Ausführungsform begrenzt, sondern sind, wo dies möglich ist, austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform auch dann verwendet werden, wenn dies nicht im Speziellen dargestellt oder beschrieben wird. Sie kann auch auf vielerlei Arten abgewandelt werden. Solche Varianten sind nicht als Abweichung von der Erfindung anzusehen, und alle derartigen Modifikationen sollen als in den Schutzbereich der Erfindung fallend betrachtet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62/989132 [0001]
WO 2016/082120 [0007]
US 2017/0301958 [0008]
US 2012/0261391 [0009]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenmaterials für eine elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle, umfassend: Sputtern eines Drahts aus Metall oder Metalllegierung in einem atmosphärischen Plasma, um aktivierte Partikel aus Metall oder Metalllegierung zu produzieren, und Inkontaktbringen der aktivierten Partikel des Metalls oder der Metalllegierung mit Partikeln eines aktiven Elektrodenmaterials einer Lithium-Ionen-Zelle, um Verbundpartikel zu produzieren, in welchen Partikel des ersten aktiven Elektrodenmaterials der Lithium-Ionen-Zelle an Partikeln des Metalls oder der Metalllegierung anhaften.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Sammeln der Verbundpartikel in einem Zyklon beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Metall oder die Metalllegierung aus der Gruppe ausgewählt ist bestehend aus Aluminium, Indium, Thallium, Titan, Zirkonium, Hafnium, Nickel, Palladium, Platin, Silber, Gold und Legierungen davon, und das aktive Elektrodenmaterial für Lithium-Ionen-Zellen ein aktives Kathodenmaterial ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Metall oder die Metalllegierung aus der Gruppe ausgewählt ist bestehend aus Lithium, Kupfer, Zinn, Silber, Gold, Nickel, Palladium, Platin und Legierungen davon, und das aktive Elektrodenmaterial für Lithium-Ionen-Zellen ein aktives Anodenmaterial ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Vielzahl von Drähten, die jeweils unabhängig aus der Gruppe bestehend aus Metallen und Metalllegierungen ausgewählt sind, in dem atmosphärischen Plasma gesputtert werden, um die aktivierten Partikel aus Metall oder Metalllegierung zu produzieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das atmosphärische Plasma nicht oxidierend ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das atmosphärische Plasma oxidierend ist.
Verbundpartikel, die durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt werden.
Verfahren zur Herstellung einer Elektroden-Komponente für eine elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle, umfassend die Verwendung der atmosphärischen Plasmaabscheidung, um Verbundpartikel nach Anspruch 8 zu einer Elektrodenschicht auf einem elektrochemischen Lithium-Ionen-Zellsubstrat abzuscheiden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei Partikel eines zweiten aktiven Elektrodenmaterials für Lithium-Ionen-Zellen gemeinsam mit den Verbundpartikeln abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das zweite aktive Elektrodenmaterial für Lithium-Ionen-Zellen ein Kohlenstoff enthaltendes Material ist.
Elektroden-Komponente, die durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 hergestellt wird.
Elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle, umfassend die Elektroden-Komponente nach Anspruch 12.
Lithium-Ionen-Batterie, umfassend die elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle nach Anspruch 13.