DE102021117377A1 - Process for producing a separator and/or a separator layer - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines Separators (1), die in einer Festkörper-Batteriezelle einsetzbar ist, mittels Lasersintern; umfassend zumindest die folgenden Schritte:a) Bereitstellen einer Unterlage (2);b) Anordnen eines Separatormaterials (3) in Form eines Pulvermaterials, Schlicker oder als Grünling auf der Unterlage (2);c) Beaufschlagen des Separatormaterials (3) durch einen Laserstrahl (4) und Bilden des Separators (1) durch Sintern des Separatormaterials (3). Zudem wird noch ein entsprechend hergestellter Separator (1) angegeben.Method for producing a separator (1), which can be used in a solid-state battery cell, by means of laser sintering; comprising at least the following steps:a) providing a base (2);b) arranging a separator material (3) in the form of a powder material, slurry or as a green compact on the base (2);c) impinging on the separator material (3) with a laser beam (4) and forming the separator (1) by sintering the separator material (3). A correspondingly produced separator (1) is also specified.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Separators und oder einer Separatorschicht. Der Separator bzw. die Separatorschicht ist für den Einsatz in einer Festkörper-Batteriezelle vorgesehen bzw. wird in einer Festkörper-Batteriezelle eingesetzt. Der Separator und die Separatorschicht werden im Folgenden insbesondere als Separator bezeichnet.The invention relates to a method for producing a separator and/or a separator layer. The separator or the separator layer is intended for use in a solid-state battery cell or is used in a solid-state battery cell. The separator and the separator layer are referred to below in particular as a separator.
Die Batteriezelle umfasst ein gasdicht ausgeführtes Gehäuse und darin angeordnet mindestens einen Stapel aufeinander angeordneter Elektrodenfolien bzw. -lagen. Das Gehäuse kann als formfestes Gehäuse (prismatische Zelle) oder zumindest teilweise aus einem elastisch verformbaren Folienmaterial (Pouchzelle) ausgeführt sein. Auch eine Kombination beider Gehäusearten ist möglich.The battery cell comprises a gas-tight housing and at least one stack of electrode foils or layers arranged one on top of the other arranged therein. The housing can be designed as a dimensionally stable housing (prismatic cell) or at least partially made of an elastically deformable film material (pouch cell). A combination of both housing types is also possible.
Eine Batteriezelle ist ein Stromspeicher, der z. B. in einem Kraftfahrzeug zum Speichern von elektrischer Energie eingesetzt wird. Insbesondere weist z. B. ein Kraftfahrzeug eine elektrische Maschine zum Antrieb des Kraftfahrzeuges auf, wobei die elektrische Maschine durch die in der Batteriezelle gespeicherte elektrische Energie antreibbar ist. In einer Batteriezelle sind Elektrodenfolien bzw. -lagen, also Anoden und Kathoden aufeinander gestapelt angeordnet, wobei unterschiedliche Elektrodenfolien/ -lagen durch Separatorfolien oder ein Separatormaterial voneinander getrennt angeordnet sind. Es sind Batteriezellen mit flüssigen oder festen Elektrolyten (Festkörper-Batterie) bekannt.A battery cell is an electricity storage device that B. is used in a motor vehicle for storing electrical energy. In particular, z. B. a motor vehicle has an electric machine for driving the motor vehicle, wherein the electric machine can be driven by the electrical energy stored in the battery cell. In a battery cell, electrode foils or layers, ie anodes and cathodes, are stacked on top of one another, with different electrode foils/layers being separated from one another by separator foils or a separator material. Battery cells with liquid or solid electrolytes (solid-state battery) are known.
Ein Batteriemodul umfasst insbesondere eine Mehrzahl von Batteriezellen, die miteinander elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet und in einem Modulgehäuse angeordnet sind. Auch einzelne Batteriemodule können miteinander elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet werden. Ein Batteriesystem umfasst ein Batteriemodul oder eine Mehrzahl von Batteriemodulen.A battery module includes, in particular, a plurality of battery cells which are electrically connected to one another in series or in parallel and are arranged in a module housing. Individual battery modules can also be electrically connected to one another in series or in parallel. A battery system includes a battery module or a plurality of battery modules.
Die vorliegende Batteriezelle ist eine ass-Batteriezelle (all-solid-state-Batteriezelle bzw. Festkörper-Batteriezelle), umfasst also ausschließlich feste Komponenten (semisolid Elektrolyte eingeschlossen, z. B. Polymere), also auch einen festen Elektrolyten. Diese festen Elektrolyten werden als ionenleitende Separatoren zwischen den Elektroden angeordnet. Diese Separatoren bestehen regelmäßig aus keramischen Werkstoffen oder aus Polymer, Glas bzw. Hybridmaterialien. Die Herstellung erfolgt wie bei konventionellen Keramiken über einen Sinterprozess. Die Herstellung erfolgt über das Verpressen (durch Stempel) entsprechender Keramikpartikel (Schüttungen) zu einem Grünling und einem anschließenden oder parallelen Erhitzen des so erstellten Grünkörpers. Hierbei erfolgt die Erwärmung über Konduktion und parallel laufende Entladungsprozesse (Funken zwischen den Partikeln) die zu einer Verfestigung des Grünkörpers führen (z. B. Spark Plasma Sintering - SPS; auch bekannt unter den Namen: field assisted sintering technique - FAST).The present battery cell is an ass battery cell (all-solid-state battery cell or solid-state battery cell), that is to say it comprises exclusively solid components (including semi-solid electrolytes, e.g. polymers), that is to say also a solid electrolyte. These solid electrolytes are placed between the electrodes as ion-conducting separators. These separators regularly consist of ceramic materials or of polymer, glass or hybrid materials. As with conventional ceramics, production takes place via a sintering process. The production takes place via the pressing (by stamp) of corresponding ceramic particles (beds) to form a green body and subsequent or parallel heating of the green body produced in this way. Here, the heating takes place via conduction and parallel discharge processes (sparks between the particles) which lead to a solidification of the green body (e.g. spark plasma sintering - SPS; also known under the name: field assisted sintering technique - FAST).
Infolge der langen Prozesszeiten und der Diskontinuität ist dieser Prozess für eine Serienfertigung nicht geeignet. Darüber hinaus ist dieser Prozess kontaktbehaftet, so dass es zu einer Kontamination der Stempel kommen kann, die bei einem kontinuierlichen Betrieb zu inhomogenen Produktoberflächen führt. Aufgrund der geringen Schichtdicke von ass-Separatoren ist der konventionelle Prozess und die Prozessführung sehr herausfordernd.Due to the long process times and the discontinuity, this process is not suitable for series production. In addition, this process involves contact, which can lead to contamination of the stamps, which leads to inhomogeneous product surfaces in continuous operation. Due to the low layer thickness of ass separators, the conventional process and process management is very challenging.
Zur Herstellung von keramischen Separatoren werden auch die folgenden Verfahren eingesetzt: pulsed electric current sintering (PECS) und Plasma Pressure Compaction (P2C).The following processes are also used to manufacture ceramic separators: pulsed electric current sintering (PECS) and plasma pressure compaction (P2C).
Aus der
Aus der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Verfahren zur Herstellung eines Separators bzw. einer Separatorschicht für eine Festkörper-Batteriezelle vorgeschlagen werden, das für eine Großserienfertigung geeignet ist. Es soll also eine reproduzierbare hohe Qualität bei gleichzeitig geringen Kosten erreicht werden können.The object of the present invention is to at least partially solve the problems cited with reference to the prior art. In particular, a method for producing a separator or a separator layer for a solid-state battery cell is to be proposed, which is suitable for mass production. It should therefore be possible to achieve a reproducible high quality with low costs at the same time.
Zur Lösung dieser Aufgaben tragen ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und eines Separators bzw. einer Separatorschicht mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 10 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.A method with the features according to
Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer eines Separators bzw. einer Separatorschicht vorgeschlagen, die in einer Festkörper-Batteriezelle einsetzbar ist bzw. eingesetzt wird. Der Separator bzw. die Separatorschicht ist insbesondere ein Festkörperelektrolyt. Die Herstellung erfolgt mittels bzw. durch Lasersintern. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellen einer Unterlage;
- b) Anordnen eines Separatormaterials in Form eines Pulvermaterials oder als Grünling (bzw. als Schlicker) auf der Unterlage;
- c) Beaufschlagen des Separatormaterials durch einen Laserstrahl und Bilden eines Separators bzw. einer Separatorschicht durch Sintern des Separatormaterials.
- a) providing a document;
- b) arranging a separator material in the form of a powder material or as a green body (or as a slip) on the substrate;
- c) applying a laser beam to the separator material and forming a separator or a separator layer by sintering the separator material.
Die obige (nicht abschließende) Einteilung der Verfahrensschritte in a) bis c) soll vorrangig nur zur Unterscheidung dienen und keine Reihenfolge und/oder Abhängigkeit erzwingen. Auch die Häufigkeit der Verfahrensschritte kann variieren. Ebenso ist möglich, dass Verfahrensschritte einander zumindest teilweise zeitlich überlagern. Insbesondere werden die Schritte b) und c) zumindest teilweise gleichzeitig durchführt. Insbesondere werden die Schritte in der angeführten Reihenfolge durchgeführt.The above (non-exhaustive) division of the method steps into a) to c) is primarily intended to serve only as a distinction and does not impose any order and/or dependency. The frequency of the process steps can also vary. It is also possible for method steps to at least partially overlap one another in terms of time. In particular, steps b) and c) are carried out at least partially simultaneously. Specifically, the steps are performed in the order listed.
Insbesondere wird beim Lasersintern eine verdichte pulverförmige Materialschicht oder ein Grünling bzw. Schlicker durch einen Laser aufgeschmolzen, wobei nach der Erstarrung der Schmelze bzw. Bearbeitung ein homogener Werkstoff, ggf. mit hoher Dichte, entsteht.In particular, during laser sintering, a compact powdery material layer or a green compact or slip is melted by a laser, with a homogeneous material, possibly with high density, being produced after the melt has solidified or been processed.
Das keramische Pulvermaterial kann in einem Medium dispergiert sein und dann aufgetragen werden. Diese Suspension ist ein Schlicker. Hierdurch werden besonders dünne Schichten möglich.The ceramic powder material can be dispersed in a medium and then applied. This suspension is a slip. This makes particularly thin layers possible.
Das Separatormaterial umfasst insbesondere zumindest teilweise ein keramisches Pulver. Das Separatormaterial kann (auch) Polymere, Glas bzw. Hybridmaterialien umfassen.In particular, the separator material at least partially comprises a ceramic powder. The separator material can (also) comprise polymers, glass or hybrid materials.
Das zur Separator bzw. Separatorschicht, also einem zusammenhängenden Körper, verbundene Ausgangsmaterial, ein Pulvermaterial oder Grünling, wird als Festkörper in einer Festkörper-Batteriezelle als Separator und Elektrolyt eingesetzt. Der Separator bzw. die Separatorschicht wird in der Festkörper-Batteriezelle zwischen den Elektroden, also den Anoden und Kathoden angeordnet.The starting material connected to the separator or separator layer, ie a coherent body, a powder material or green body, is used as a solid body in a solid-state battery cell as a separator and electrolyte. The separator or the separator layer is arranged in the solid-state battery cell between the electrodes, ie the anodes and cathodes.
Die Unterlage ist insbesondere bandförmig, so dass das Separatormaterial darauf angeordnet und durch den Laserstrahl bearbeitet werden kann. Die Unterlagen kann für jeden Herstellungsprozess neu und/oder kontinuierlich bereitgestellt werden. Die Unterlage dient insbesondere dem Transport des Separatormaterials bzw. der gemeinsamen Bewegung gegenüber dem Laserstrahl. Die Unterlage kann z. B. über eine Vakuumeinrichtung zum Ansaugen des Separatormaterials verfügen.The substrate is in particular strip-shaped, so that the separator material can be arranged on it and processed by the laser beam. The documents can be provided newly and/or continuously for each manufacturing process. The base serves in particular to transport the separator material or to move it together in relation to the laser beam. The base can z. B. have a vacuum device for suction of the separator material.
Das Separatormaterial kann als Pulvermaterial, Schlicker oder Grünling auf der Unterlage angeordnet sein. Ein vorheriges Verdichten des Separatormaterials ist nicht zwingend erforderlich.The separator material can be arranged on the base as a powder material, slurry or green compact. A prior compression of the separator material is not absolutely necessary.
Das Separatormaterial kann insbesondere als Pulverschüttung auf der Unterlage angeordnet werden. Dazu wird ein pulverförmiges Separatormaterial bzw. die Pulverschüttung verdichtet bzw. verpresst, z. B. über mindestens einen Stempel oder zwei Walzen. Die einzelnen Partikel des Pulvers weisen dann einen gewissen Zusammenhalt auf und bilden so den Grünling.The separator material can be arranged in particular as a bulk powder on the base. For this purpose, a powdered separator material or the bulk powder is compacted or pressed, e.g. B. at least one stamp or two rollers. The individual particles of the powder then have a certain cohesion and thus form the green body.
Das Separatormaterial wird auf der Unterlage insbesondere mit einer konstanten Dicke (erstreckt sich insbesondere senkrecht zur Auflagefläche der Unterlage und insbesondere im Wesentlichen parallel zum auf das Separatormaterial auftreffenden Laserstrahl) bereitgestellt. Die Dicke kann z. B. über eine Walzeinrichtung und/ oder einen Rakel oder eine Abziehvorrichtung eingestellt werden.The separator material is provided on the substrate, in particular with a constant thickness (extends in particular perpendicularly to the bearing surface of the substrate and in particular essentially parallel to the laser beam impinging on the separator material). The thickness can B. be adjusted via a rolling device and / or a doctor blade or a puller.
Gemäß Schritt c) erfolgt ein Beaufschlagen des Separatormaterials durch einen Laserstrahl. Der Laserstrahl wird insbesondere von einer Laserquelle erzeugt und ggf. über mindestens ein Umlenkmittel auf das Separatormaterial gerichtet. Insbesondere erfolgt eine Fokussierung des Laserstrahls zwischen Laservorrichtung und Separatormaterial.According to step c), the separator material is acted upon by a laser beam. The laser beam is generated in particular by a laser source and, if necessary, is directed onto the separator material via at least one deflection means. In particular, the laser beam is focused between the laser device and the separator material.
Der Laserstrahl trifft auf das Separatormaterial und schmilzt dieses zumindest teilweise auf. Infolge des Aufschmelzens bzw. des Sintern des Separatormaterials verbinden sich einander kontaktierende Partikel des Separatormaterials, so dass entlang des Verfahrwegs des Laserstrahls und in Abhängigkeit von der Fokussierung eine Linie zusammenhängenden Separatormaterials gebildet wird. Mit dem Laserstrahl wird also durch Aufschmelzen aus dem Separatormaterial der Separator bzw. die Separatorschicht, gebildet, die aus stoffschlüssig miteinander verbundenen Partikeln besteht.The laser beam strikes the separator material and at least partially melts it. As a result of the melting or sintering of the separator material, mutually contacting particles of the separator material bond, so that a line of coherent separator material is formed along the travel path of the laser beam and depending on the focussing. With the laser beam, the separator or the separator layer is formed from the separator material by melting it, which consists of particles bonded to one another.
Insbesondere wird der Laserstrahl über ein Umlenkmittel, das als ein Galvanometerscanner und/ oder ein Polygonscanner ausgeführt ist, auf das Separatormaterial gelenkt. Diese Umlenkmittel sind grundsätzlich bekannt. Bei einem Polygonscanner rotiert ein als Polygon ausgeführtes Umlenkmittel mit einstellbarer Geschwindigkeit. Mit dem Polygonscanner kann der Laserstrahl mit hoher Wiederholgenauigkeit und hoher Frequenz vorbestimmte Bahnen auf dem Separatormaterial abfahren. Bei einem Galvanometerscanner erfolgt ein Verschwenken (kein Rotieren) des Umlenkmittels.In particular, the laser beam is directed onto the separator material via a deflection means, which is designed as a galvanometer scanner and/or a polygon scanner. These deflection means are known in principle. In a polygon scanner, a deflection means designed as a polygon rotates at an adjustable speed. With the polygon scanner, the laser beam can follow predetermined paths on the separator material with high repeatability and high frequency. In the case of a galvanometer scanner, the deflection means is pivoted (not rotated).
Der Bahnverlauf bzw. das Scanregime des Laserstrahls gegenüber dem Separatormaterial erfolgt bei einem Polygonscanner systembedingt immer rasternd. Dabei wird der Laserstrahl durch die Drehbewegung des Polygon(-rade)s abgelenkt.Due to the nature of the system, the course of the path or the scanning regime of the laser beam in relation to the separator material is always rasterized in a polygon scanner. The laser beam is deflected by the rotating movement of the polygon (rade).
Durch das gezielte, zur Bewegung des Polygons synchronisierte, Zu- bzw. Abschalten der Laserstrahlung können innerhalb des Scanfeldes der Optik nahezu beliebige „geradlinige“ Vektoren/ Bahnen mit definierter Länge laserbearbeitet werden. Durch eine zusätzliche Bewegung eines Galvanometerscanners können die Bearbeitungslinien bzw. Bahnen bei Bedarf innerhalb des Scanfeldes senkrecht, also entlang der Dicke des Separatormaterials, verschoben werden (on-the-fly Sintern).By selectively switching the laser radiation on and off, synchronized with the movement of the polygon, almost any "straight line" vectors/paths with a defined length can be laser processed within the scanning field of the optics. With an additional movement of a galvanometer scanner, the processing lines or paths can be shifted vertically within the scan field, i.e. along the thickness of the separator material (on-the-fly sintering).
Der von der Laserquelle emittierte Laserstrahl wird insbesondere durch Reflexion an einem rotierenden Polygon gegenüber dem Separatormaterial bewegt und bevorzugt mittels eines F-Theta-Objektivs, das grundsätzlich z. B. auch als Scan-Objektiv oder Flachfeldobjektiv bekannt ist, fokussiert. Im Fokusbereich des Laserstrahls befindet sich das zu bearbeitende Werkstück, das Separatormaterial. Durch die im Fokus auftretenden hohen Intensitäten wird das bestrahlte Material gesintert. Der Sinterungsprozess kann, falls notwendig, bis zur Erreichung eines gewünschten Sintergrades mehrfach wiederholt werden (Multi-Überfahrten).The laser beam emitted by the laser source is moved relative to the separator material, in particular by reflection on a rotating polygon, and preferably by means of an F-Theta objective which, in principle, z. B. also known as a scan lens or flat field lens is focused. The workpiece to be processed, the separator material, is located in the focus area of the laser beam. The irradiated material is sintered by the high intensities occurring in the focus. If necessary, the sintering process can be repeated several times until the desired degree of sintering is achieved (multiple passes).
Der Einsatz eines Polygonscanners für das Verfahren erlaubt gegenüber der Methode mit anderen Scansystemen (z. B. Galvanometerscanner) insbesondere wesentlich höhere Strahlablenkgeschwindigkeiten, so dass die lokale Einwirkzeit der Laserstrahlung genau eingestellt werden kann. In der Regel kann durch die höhere Scangeschwindigkeit eine größere Laserleistung im Prozess umgesetzt werden, so dass die Prozessrate (hier die effektive Sintergeschwindigkeit) steigt.The use of a polygon scanner for the method allows significantly higher beam deflection speeds compared to the method with other scanning systems (e.g. galvanometer scanner), so that the local exposure time of the laser radiation can be set precisely. As a rule, a higher laser power can be implemented in the process due to the higher scanning speed, so that the process rate (here the effective sintering speed) increases.
Insbesondere kann die Energiemenge, z. B. durch die Multi-Überfahrten, exakt gesteuert werden kann, wodurch eine annähernd optimale Sintertiefe (entlang der Dicke des Separatormaterials) eingestellt werden kann. Nach aktuellen Stand der Technik weisen insbesondere alle konventionellen Verfahren (z. B. Spark Plasma Sintering) erhebliche Defizite bezüglich der Prozessgeschwindigkeit auf und sind damit für die Großserie unwirtschaftlich.In particular, the amount of energy, z. B. by the multi-passes, can be precisely controlled, whereby an approximately optimal sintering depth (along the thickness of the separator material) can be adjusted. According to the current state of the art, all conventional processes (e.g. spark plasma sintering) in particular have significant deficits in terms of process speed and are therefore uneconomical for large series.
Weiter tritt bei dem Einsatz eines Polygonscanners ein nur geringer Verschleiß der Strahlablenkung auf. Zudem kann der Laserstrahl ohne Unterbrechung eingeschaltet bleiben. Darüber hinaus entstehen keine Microstops oder Einbrände an den Seiten des Arbeitsfeldes aufgrund der Art und Weise der Strahlablenkung auf. Der Polygonscanner ermöglich daher wesentlich höhere Prozessgeschwindigkeiten insbesondere bei mehrfacher Überfahrt über das Separatormaterial bzw. den Grünling. Darüber hinaus kann der Energieeintrag und der damit verbundene Temperaturverlauf durch das mehrfache Überfahren zielgerichteter eingestellt werden (besonders wichtig beim Direktsintern auf der Kathode oder der Anode).Furthermore, when using a polygon scanner, there is only little wear and tear on the beam deflection. In addition, the laser beam can remain switched on without interruption. In addition, there are no microstops or burns on the sides of the working area due to the way the beam is deflected. The polygon scanner therefore enables significantly higher process speeds, especially when passing over the separator material or the green compact several times. In addition, the energy input and the associated temperature profile can be adjusted in a more targeted manner by repeatedly passing over it (particularly important for direct sintering on the cathode or the anode).
Gegenüber den konventionellen Sinterverfahren für ass-Separatoren (z. B. dem Spark Plasma Sintering) ermöglicht das vorliegend beschriebene Verfahren kurze Prozesszeiten, einen kontinuierlichen Prozess, geringe Dicken des Separatormaterials des sowie eine kontaktlose Bearbeitung des Separatormaterials, welches zu geringen Instandhaltungskosten führt.Compared to the conventional sintering process for ass separators (e.g. spark plasma sintering), the process described here enables short process times, a continuous process, small thicknesses of the separator material and contactless processing of the separator material, which leads to low maintenance costs.
Mit der vorliegend vorgeschlagenen Bearbeitung des Separatormaterials mit einem Laser kann insbesondere erstmals eine wirtschaftliche Möglichkeit zur Umsetzung der Separatorherstellung in Großserie unter annähernd perfekten Sinterergebnissen zur Verfügung gestellt werden.With the presently proposed processing of the separator material with a laser, an economical possibility for the implementation of the separator production in large series with almost perfect sintering results can be made available in particular for the first time.
Insbesondere umfasst das Separatormaterial zumindest ein Oxid oder ein Sulfid oder bevorzugt zumindest eines der folgenden Materialien:
- • eines der folgenden Sulfide: Li2S-P2S5, Li2S-SiS2, Li2S-GeS2;
- • eines der folgenden Oxide: Li7La3Zr2O12 (LLZO) und Li3xLa2/3-3xTiO3 (LLTO);
- • eines der folgenden Li-Argyrodite: Li6PS5X (mit X = CI, Br oder I), Li7PS6, Li7PSe6.
- • one of the following sulphides: Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 S-SiS 2 , Li 2 S-GeS 2 ;
- • one of the following oxides: Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZO) and Li 3x La 2/3-3x TiO 3 (LLTO);
- • one of the following Li argyrodites: Li 6 PS 5 X (where X = CI, Br or I), Li 7 PS 6 , Li 7 PSe 6 .
Als weitere Materialien können für eine Festkörper-Batteriezelle die folgenden Werkstoffe verwendet werden:
- • β-Li3PS4
- • Li10SiP2S12
- • Li10GeP2S12 mit LiH2PO4 Beschichtung zum Lithium
- • Für die Kathode Li3.15Ge0.15P0.85S4, als Separator: 77.5Li2S-22.5P2S3
- • Für die Kathode: Li10GeP2S12, als Separator und für die Anode:
- • LiI-Li2S-P2S5
- • 80Li2S-20P2S5
- • Li6PS5Cl
- • Li6.6P0.4Ge0.6S5I
- • Li3PS4 glass
- • Für die Kathode: Li10GeP2S12, als Separator:
- • 70Li2S-29P2S5-1P2O5
- • Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3
- • Li6.6La3Zr1.6Ta0.4O12
- • Composite of PEO-LiTFSI and Al-Li6.75La3Zr1.75Ta0.25O12
- • Composite of PBA-LiClO4 and Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3
- • Für die Kathode: Li7La3Zr2O12, als Separator: PEO-LiTFSI
- • Für die Kathode: β-Li3PS4, als Separator:
- • PEO-LiTFSI
- • PEO-LiTFSI
- • SI-PEO-LiTFSI
- • Zusätzliche Materialien:
- • LiTi2(Po4)3
- • LiGe2(PO4)3
- • Li7La3Zr2O12
- • Li3xLa2/3-xTiO3
- • γ-Li3PO4
- • Li3N
- • Li4GeS4
- • Li10GeP2S12
- • Li2S-P2S5
- • Li6PS5X (X=Cl, Br, I)
- • Li3OX (X=Cl, Br, I)
- • LiTi2(PO4)3-AlPO4
- • Li1+xAlxTi2-x(PO4)3
- • Li15Al0.5Ge1.5(PO4)3
- • Li7La3Zr2O12
- • β-Li 3 hp 4
- • Li 10 SiP 2 S 12
- • Li 10 GeP 2 S 12 with LiH 2 PO 4 coating for lithium
- • For the cathode Li 3.15 Ge 0.15 P 0.85 S 4 , as a separator: 77.5Li 2 S-22.5P 2 S 3
- • For the cathode: Li 10 GeP 2 S 12 , as a separator and for the anode:
- • LiI-Li 2 SP 2 S 5
- • 80Li 2S-20P 2S 5
- • Li 6 HP 5 Cl
- • Li 6.6 P 0.4 Ge 0.6 S 5 I
- • Li 3 PS 4 glass
- • For the cathode: Li 10 GeP 2 S 12 , as a separator:
- • 70Li2S - 29P2S5-1P2O5 _
- • Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3
- • Li 6.6 La 3 Zr 1.6 Ta 0.4 O 12
- • Composite of PEO-LiTFSI and Al-Li 6.75 La 3 Zr 1.75 Ta 0.25 O 12
- • Composite of PBA-LiClO 4 and Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3
- • For the cathode: Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , as a separator: PEO-LiTFSI
- • For the cathode: β-Li 3 PS 4 , as a separator:
- • PEO LiTFSI
- • PEO LiTFSI
- • SI-PEO-LiTFSI
- • Additional Materials:
- • LiTi 2 (Po 4 ) 3
- • LiGe 2 (PO4) 3
- • Li7La3Zr2O12 _ _
- • Li 3x La 2/3-x TiO 3
- • γ-Li 3 PO 4
- • Li 3 N
- • Li 4 GeS 4
- • Li 10 GeP 2 S 12
- • Li 2 SP 2 S 5
- • Li 6 PS 5X (X=Cl, Br, I)
- • Li 3 OX (X=Cl, Br, I)
- • LiTi 2 (PO 4 ) 3 -AlPO 4
- • Li 1+x Al x Ti 2-x (PO 4 ) 3
- • Li 15 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3
- • Li7La3Zr2O12 _ _
Ebenfalls können im Zuge des Sinterprozesses auch Hilfsstoffe (zusätzliche Schichten oder Additive) parallel oder seriell gesintert werden. Auch eine Kombination der oben aufgeführten Werkstoffe zu Hybridwerkstoffen oder Compositen ist möglich.In the course of the sintering process, auxiliary materials (additional layers or additives) can also be sintered in parallel or in series. A combination of the materials listed above to form hybrid materials or composites is also possible.
Insbesondere wird das Separatormaterial durch eine Mehrzahl von Überfahrten des Laserstrahls versintert. Damit kann insbesondere eine lokale Einwirkzeit des Laserstrahls in das Separatormaterials genau dosiert werden. Insbesondere können die Überfahrten mit einem hatch-Abstand von null durchgeführt werden.In particular, the separator material is sintered by a plurality of passes of the laser beam. In this way, in particular, a local exposure time of the laser beam in the separator material can be precisely metered. In particular, the crossings can be made with a zero hatch distance.
Der hatch-Abstand bezeichnet insbesondere den Abstand zueinander paralleler Belichtungslinien in einer zur Oberfläche des Separatormaterials senkrechten Richtung. Insbesondere wird der hatch-Abstand so klein gewählt, dass die Partikel der unterschiedlichen Belichtungslinien auch miteinander versintert werden.The hatch distance refers in particular to the distance between mutually parallel exposure lines in a direction perpendicular to the surface of the separator material. In particular, the hatch distance is chosen so small that the particles of the different exposure lines are also sintered together.
Insbesondere verlaufen die, durch den fokussierten Laserstrahl im Separatormaterial durch Aufschmelzen und stoffschlüssiges Verbinden der Partikel gebildeten Bahnen parallel zur Oberfläche des Separatormaterials. Insbesondere wird ein Abstand zweier Bahnen, die entlang der Dicke des Separatormaterials versetzt zueinander angeordnet sind, als hatch-Abstand bezeichnet.In particular, the paths formed by the focused laser beam in the separator material by melting and cohesively connecting the particles run parallel to the surface of the separator material. In particular, a distance between two webs that are offset from one another along the thickness of the separator material is referred to as the hatch distance.
Insbesondere wird zumindest ein Teil der Überfahrten mit einem hatch-Abstand größer null durchgeführt. Damit kann eine Dicke des Separatormaterials mit jeder Überfahrt sukzessive aufgeschmolzen werden, bis der Separator bzw. die Separatorschicht eine vorbestimmte Dicke aufweist.In particular, at least some of the crossings are carried out with a hatch distance greater than zero. A thickness of the separator material can thus be successively melted with each pass until the separator or the separator layer has a predetermined thickness.
Insbesondere wird die Unterlage zusammen mit dem Separatormaterial gegenüber dem Laserstrahl entlang einer Vorschubrichtung bewegt. Die Vorschubrichtung verläuft im Wesentlichen quer zur Dicke des Separatormaterials und quer zum auf das Separatormaterial auftreffenden Laserstrahl.In particular, the base is moved together with the separator material in relation to the laser beam along a feed direction. The feed direction runs essentially transversely to the thickness of the separator material and transversely to the laser beam impinging on the separator material.
Insbesondere wird der Laserstrahl über einen Galvanometerscanner oder über einen Polygonscanner auf das Separatormaterial gelenkt und eine Einkopplungszone des Laserstrahls in dem Separatormaterial wird zumindest quer zur Vorschubrichtung bewegt. Damit verläuft eine durch den Laserstrahl im Separatormaterial durch Aufschmelzen und stoffschlüssiges Verbinden der Partikel gebildete Bahn im Wesentlichen quer zur Vorschubrichtung.In particular, the laser beam is directed onto the separator material via a galvanometer scanner or via a polygon scanner, and a coupling zone of the laser beam in the separator material is moved at least transversely to the feed direction. A path formed by the laser beam in the separator material by melting and cohesively connecting the particles thus runs essentially transversely to the feed direction.
Insbesondere ist die Unterlage eine Kathoden-, oder Anodenlage der Festkörper-Batteriezelle. Insbesondere kann infolge der genauen Anordnung der durch den Laserstrahl im Separatormaterial durch Aufschmelzen und stoffschlüssiges Verbinden der Partikel gebildeten Bahnen ein Aufschmelzen bzw. Sintern der unterhalb des Separatormaterials angeordneten Kathoden-/Anodenlage vermieden werden.In particular, the substrate is a cathode or anode layer of the solid-state battery cell. In particular, as a result of the precise arrangement of the paths formed by the laser beam in the separator material by melting and cohesively connecting the particles, melting or sintering of the cathode/anode layer arranged below the separator material can be avoided.
Insbesondere wird der Laserstrahl durch eine gepulste oder kontinuierliche Laserquelle erzeugt und weist eine Wellenlänge zwischen 50 µm [Mikrometer] und 20 nm [Nanometer] auf. Der Laser ist beispielsweise als ein gepulster (pulsed) oder als ein kontinuierlicher (continuous wave, CW) Faserlaser ausgeführt. In Abhängigkeit von der Prozessgeschwindigkeit bzw. der notwendigen Wechselwirkungszeit kann der eingesetzte Laser eine Leistung von einigen Watt bis hin in den zweistelligen Kilowatt Bereich aufweisen.In particular, the laser beam is generated by a pulsed or continuous laser source and has a wavelength between 50 µm [microns] and 20 nm [nanometers]. The laser is designed, for example, as a pulsed (pulsed) or as a continuous (continuous wave, CW) fiber laser. Depending on the process speed or the necessary interaction time, the laser used can have an output of a few watts up to the double-digit kilowatt range.
Es wird ein Separator bzw. eine Separatorschicht für eine Festkörper-Batteriezelle vorgeschlagen, wobei der Separator bzw. die Separatorschicht durch das beschriebene Verfahren hergestellt ist. Insbesondere kann der so hergestellte Separator bzw. die so hergestellte Separatorschicht an den charakteristischen Bahnverläufen des aufgeschmolzenen Separatormaterials identifiziert werden.A separator or a separator layer for a solid-state battery cell is proposed, the separator or the separator layer being produced by the method described. In particular, the separator produced in this way or the separator layer produced in this way can be identified by the characteristic paths of the melted separator material.
Es wird weiter eine Batteriezelle vorgeschlagen. Die Batteriezelle ist insbesondere eine Festkörper-Batteriezelle und umfasst zumindest den beschriebenen Separator bzw. die beschriebene Separatorschicht. Ggf. umfasst die Festkörper-Batteriezelle eine Kathode oder Anode, auf der eine Separatorschicht gesintert wurde (fester Verbund). Die Festkörper-Batteriezelle umfasst zumindest ein Gehäuse und darin angeordnet mindestens einen Stapel aufeinander angeordneter Elektrodenlagen. Die Elektrodenlagen sind zumindest teilweise durch den beschriebenen Separator bzw. die Separatorschicht voneinander beabstandet angeordnet.A battery cell is also proposed. The battery cell is in particular a solid-state battery cell and comprises at least the separator described or the separator layer described. The solid-state battery cell may include a cathode or anode on which a separator layer has been sintered (solid composite). The solid-state battery cell comprises at least one housing and at least one stack of electrode layers arranged one on top of the other arranged therein. The electrode layers are at least partially spaced apart from one another by the described separator or the separator layer.
Insbesondere wird die Batteriezelle in einem Kraftfahrzeug eingesetzt bzw. verwendet, insbesondere zur Bereitstellung elektrischer Energie für einen Traktionsantrieb.In particular, the battery cell is used in a motor vehicle, in particular to provide electrical energy for a traction drive.
Es wird weiter eine Bearbeitungsanlage vorgeschlagen, die zur Herstellung der beschriebenen Separatorlage und insbesondere zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens geeignet ausgeführt ist.A processing system is also proposed which is designed to be suitable for producing the separator layer described and in particular for carrying out the method described.
Die Bearbeitungsanlage umfasst zumindest eine Laserquelle, ein Umlenkmittel zur Umlenkung des von der Laserquelle erzeugten Laserstrahls hin zum Separatormaterial, vorzugsweise ein Polygon, ggf. ein Fokussiermittel zum Fokussieren des Laserstrahls, z. B. ein F-Theta Objektiv sowie eine Unterlage zum Abstützen und für den Transport des Separatormaterials bzw. des Separators oder der Separatorschicht.The processing system comprises at least one laser source, a deflection means for deflecting the laser beam generated by the laser source towards the separator material, preferably a polygon, if necessary a focusing means for focusing the laser beam, e.g. B. an F-Theta lens and a base for supporting and for transporting the separator material or the separator or the separator layer.
Insbesondere weist die Bearbeitungsanlage zusätzlich zumindest ein System zur Datenverarbeitung auf, das insbesondere Mittel aufweist, die zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens geeignet ausgestattet, konfiguriert oder programmiert sind bzw. die das Verfahren ausführen.In particular, the processing installation additionally has at least one system for data processing, which in particular has means that are suitably equipped, configured or programmed to carry out the method described or that execute the method.
Die Mittel umfassen z. B. einen Prozessor und einen Speicher, in dem durch den Prozessor auszuführende Befehle gespeichert sind, sowie Datenleitungen oder Übertragungseinrichtungen, die eine Übertragung von Befehlen, Messwerten, Daten oder ähnlichem zwischen den angeführten Elementen ermöglichen.The funds include B. a processor and a memory in which instructions to be executed by the processor are stored, as well as data lines or transmission devices which enable transmission of instructions, measured values, data or the like between the listed elements.
Es wird weiter ein Computerprogramm vorgeschlagen, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das beschriebene Verfahren bzw. die Schritte des beschriebenen Verfahrens auszuführen.A computer program is also proposed, comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause the computer to carry out the method described or the steps of the method described.
Es wird weiter ein computerlesbares Speichermedium vorgeschlagen, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, das beschriebene Verfahren bzw. die Schritte des beschriebenen Verfahrens auszuführen.A computer-readable storage medium is also proposed, comprising instructions which, when executed by a computer, cause the computer to carry out the method described or the steps of the method described.
Die Ausführungen zu dem Verfahren sind insbesondere auf den Separator oder die Separatorschicht, die Batteriezelle und das Kraftfahrzeug sowie das System zur Datenverarbeitung und/oder das computerimplementierte Verfahren (also das Computerprogramm und das computerlesbare Speichermedium) übertragbar und umgekehrt.The statements on the method can be transferred in particular to the separator or the separator layer, the battery cell and the motor vehicle and the system for data processing and/or the computer-implemented method (i.e. the computer program and the computer-readable storage medium) and vice versa.
Die Verwendung unbestimmter Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und der diese wiedergebenden Beschreibung, ist als solche und nicht als Zahlwort zu verstehen. Entsprechend damit eingeführte Begriffe bzw. Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und insbesondere aber auch mehrfach vorhanden sein können.The use of indefinite articles (“a”, “an”, “an” and “an”), particularly in the claims and the description reflecting them, is to be understood as such and not as a numeral. Correspondingly introduced terms or components are to be understood in such a way that they are present at least once and in particular can also be present several times.
Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.As a precaution, it should be noted that the numerals used here (“first”, “second”, ...) primarily (only) serve to distinguish between several similar objects, sizes or processes, i.e. in particular no dependency and/or sequence of these objects, sizes or make processes mandatory for each other. Should a dependency and/or order be required, this is explicitly stated here or it is obvious to the person skilled in the art when studying the specifically described embodiment. If a component can occur several times (“at least one”), the description of one of these components can apply equally to all or part of the majority of these components, but this is not mandatory.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
-
1 : eine Bearbeitungsanlage für das Verfahren; -
2 : einen Ausschnitt der Bearbeitungsanlage nach1 in einer Seitenansicht im Schnitt; -
3 :den Ausschnitt nach 2 in einer Draufsicht; -
4 : eine Bearbeitungsanlage mit Polygonscanner in perspektivischer Ansicht; und -
5 : eine Bearbeitungsanlage mit Galvanometerscanner in perspektivischer Ansicht.
-
1 : a processing facility for the process; -
2 : a section of theprocessing plant 1 in a side view in section; -
3 : the snippet after2 in a plan view; -
4 : a processing system with a polygon scanner in a perspective view; and -
5 : a perspective view of a processing system with a galvanometer scanner.
Die
Das Förderband ist mit einer Vakuumeinrichtung 14 verbunden, so dass die Elektrodenlage 12 und das Separatormaterial 3 fest auf der Unterlage 2 angeordnet sind. Die Bearbeitungsanlage 9 wird über ein System 11 zur Datenverarbeitung gesteuert.The conveyor belt is connected to a
Das Separatormaterial 3 wird als pulverförmiger Werkstoff oder Grünling auf der Unterlage 2 angeordnet. Gemäß Schritt c) erfolgt ein Beaufschlagen des Separatormaterials 3 durch einen Laserstrahl 4. Der Laserstrahl 4 wird von einer Laserqelle 8 erzeugt und über ein Umlenkmittel 5 auf das Separatormaterial 3 gerichtet. Es erfolgt eine Fokussierung des Laserstrahls 4 zwischen dem Umlenkmittel 5 und dem Separatormaterial 3.The
Der Laserstrahl 4 trifft auf das Separatormaterial 3 und schmilzt dieses zumindest teilweise auf. Infolge des Aufschmelzens bzw. des Sintern des Separatormaterials 3 verbinden sich einander kontaktierende Partikel des Separatormaterials 3, so dass entlang des Verfahrwegs des Laserstrahls 4 und in Abhängigkeit von der Fokussierung eine Linie zusammenhängenden Separatormaterials 3 gebildet wird. Mit dem Laserstrahl 4 wird also durch Aufschmelzen aus dem Separatormaterial 3 der Separator/ die Separatorschicht 1 gebildet, die aus stoffschlüssig miteinander verbundenen Partikeln besteht.The
Die Unterlage 2 wird durch eine als Kathode oder Anode ausgeführte Elektrodenlage 12 ausgebildet, auf der gemäß Schritt b) das Separatormaterial 3 als Grünling angeordnet wird. Der Laserstrahl 4 trifft auf das Separatormaterial 3 und schmilzt dieses auf. Infolge des Aufschmelzens bzw. des Sintern des Separatormaterials 3 verbinden sich einander kontaktierende Partikel des Separatormaterials 3, so dass entlang des Verfahrwegs des Laserstrahls 4 und in Abhängigkeit von der Fokussierung eine Linie bzw. Bahn 16 zusammenhängenden Separatormaterials 3 gebildet wird. Mit dem Laserstrahl 4 wird also durch Aufschmelzen aus dem Separatormaterial 3 der Separator/ die Separatorschicht 1 gebildet, die aus stoffschlüssig miteinander verbundenen Partikeln besteht.The
Durch das gezielte, zur Bewegung des Polygons synchronisierte, Zu- bzw. Abschalten der Laserstrahlung können innerhalb des Scanfeldes der Optik nahezu beliebige „geradlinige“ Vektoren/ Bahnen 16 mit definierter Länge 17 laserbearbeitet werden. Durch eine zusätzliche Bewegung eines Galvanometerscanners können die Bearbeitungslinien bzw. Bahnen 16 bei Bedarf innerhalb des Scanfeldes senkrecht, also entlang der Dicke 13 des Separatormaterials 3, verschoben werden (on-the-fly Sintern).By selectively switching the laser radiation on and off, synchronized with the movement of the polygon, almost any “straight” vectors/
Das Separatormaterial 3 wird durch eine Mehrzahl von Überfahrten des Laserstrahls 4 versintert. Damit kann eine lokale Einwirkzeit des Laserstrahls 4 in das Separatormaterial 3 genau dosiert werden.The
Zumindest ein Teil der Überfahrten werden mit einem hatch-Abstand 6 größer null durchgeführt. Damit kann eine Dicke 13 des Separatormaterials 3 mit jeder Überfahrt sukzessive aufgeschmolzen werden, bis der Separator/ die Separatorschicht 1 eine vorbestimmte Dicke 13 aufweist.At least some of the crossings are carried out with a
Der hatch-Abstand 6 bezeichnet den Abstand zueinander paralleler Belichtungslinien/ Bahnen 16 in einer zur Oberfläche des Separatormaterials 3 senkrechten Richtung.The
Die Unterlage 2 wird zusammen mit dem Separatormaterial 3 gegenüber dem Laserstrahl 4 entlang einer Vorschubrichtung 7 bewegt. Die Vorschubrichtung 7 verläuft im Wesentlichen quer zur Dicke 13 des Separatormaterials 3 und quer zum auf das Separatormaterial 3 auftreffenden Laserstrahl 4.The
Bezugszeichenlistereference list
- 11
- Separator (Separatorschicht)separator (separator layer)
- 22
- Unterlagedocument
- 33
- Separatormaterialseparator material
- 44
- Laserstrahllaser beam
- 55
- Umlenkmitteldeflection means
- 66
- hatch-Abstandhatch distance
- 77
- Vorschubrichtungfeed direction
- 88th
- Laserquellelaser source
- 99
- Bearbeitungsanlageprocessing plant
- 1010
- Fokussiermittelfocusing means
- 1111
- Systemsystem
- 1212
- Elektrodenlageelectrode location
- 1313
- Dickethickness
- 1414
- Vakuumeinrichtungvacuum device
- 1515
- Rollerole
- 1616
- BahnRail
- 1717
- Längelength
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102007057129 A1 [0008]DE 102007057129 A1 [0008]
- US 20170021454 A1 [0009]US20170021454A1 [0009]
Claims (10)
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-
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