DE102022104935A1 - Process for producing a porous lithium layer - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Lithiumschicht, umfassend die Schrittea) Bereitstellen eines Substrats umfassend mindestens eine mit einer porösen Lithiumschicht zu beschichtende Oberfläche,b) Behandeln der mindestens einen mit einer porösen Lithiumschicht zu beschichtenden Oberfläche mit einem mittels einer Plasmaquelle erzeugten Plasma bei einem Druck von 100mbar oder kleiner,c) Temperieren des Substrats auf eine Temperatur von kleiner als 180 °C, undd) Abscheiden einer porösen Lithiumschicht auf der mindestens einen in Schritt b) mit einem Plasma behandelten Oberfläche des Substrats bei einem Druck von 100 mbar oder kleiner.The invention relates to a method for producing a porous lithium layer, comprising the steps of a) providing a substrate comprising at least one surface to be coated with a porous lithium layer, b) treating the at least one surface to be coated with a porous lithium layer with a plasma generated by a plasma source Plasma at a pressure of 100 mbar or less,c) tempering the substrate to a temperature of less than 180 °C, andd) depositing a porous lithium layer on the at least one surface of the substrate treated with a plasma in step b) at a pressure of 100 mbar or smaller.
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die Erfindung betrifft die Gasphasenabscheidung von Metallen, spezifischer ein Verfahren in der Gasphase zur Herstellung einer porösen Lithiumschicht.The invention relates to the vapor deposition of metals, more specifically to a vapor phase process for preparing a porous layer of lithium.
Hintergrund und Stand der TechnikBackground and prior art
Bei Lithium-Ionen-Batterien können durch den Einsatz von Lithium-Metallanoden 3- bis 5-fach höhere Speicherdichte erreicht werden - im Gegensatz zu aktuellen Anodenkonzepten auf Basis von konventionellen Materialien wie Graphit. Dennoch werden Lithium-Metallanoden bislang in kommerziellen Batterietypen nicht eingesetzt, weil Instabilitäten auf der Oberfläche beim Be- und Entladevorgang zum Wachstum von Lithium-Dendriten führen können und diese Kurzschlüsse zwischen Kathode und Anode hervorrufen können. Die Instabilitäten auf der Li-Metallanode haben ihren Ursprung in der hohen Reaktivität des Elements Lithium mit dem Elektrolyten und einhergehend mit strukturellen Veränderungen der Anodenoberfläche unter Bildung eines solid-electrolyte interface (SEI). Das SEI ist für die Li-Ionen auf lateraler Ebene heterogen leitfähig, wodurch lokal eine erhöhte Li-Einlagerung erfolgt und das Wachstum von Dendriten befördert wird. Die Dendriten durchdringen das SEI und befördern durch das Bereitstellen einer frischen Li-Oberfläche das lokale gerichtete Wachstum. Die Bildung von Dendriten kann durch Beladung bei geringen Stromdichten reduziert werden. Ladevorgänge mit kleinen Ladeströmen sind wegen der geringen Ladegeschwindigkeit nicht praktikabel. Stattdessen setzen innovative Anodenkonzepte darauf, im Kontaktbereich zwischen metallischer Lithiumanode und dem Elektrolyten eine möglichst große Oberfläche bereitzustellen und dadurch bei praktikablen Ladegeschwindigkeiten die Stromdichte zu minimieren. Dies wird im Stand der Technik durch eine poröse Struktur der Anode bewerkstelligt.With lithium-ion batteries, the use of lithium metal anodes can achieve a storage density that is 3 to 5 times higher - in contrast to current anode concepts based on conventional materials such as graphite. Nevertheless, lithium metal anodes have not been used in commercial battery types to date because instabilities on the surface during the charging and discharging process can lead to the growth of lithium dendrites and these can cause short circuits between the cathode and anode. The instabilities on the Li metal anode have their origin in the high reactivity of the element lithium with the electrolyte and associated with structural changes of the anode surface with the formation of a solid-electrolyte interface (SEI). The SEI is heterogeneously conductive for the Li ions on a lateral level, which results in increased local Li incorporation and the growth of dendrites is promoted. The dendrites penetrate the SEI and promote local directional growth by providing a fresh Li surface. Dendrite formation can be reduced by charging at low current densities. Charging processes with small charging currents are not practicable because of the low charging speed. Instead, innovative anode concepts focus on providing the largest possible surface area in the contact area between the metallic lithium anode and the electrolyte, thereby minimizing the current density at practicable charging speeds. In the prior art, this is accomplished by a porous structure of the anode.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass sich die Morphologie von Schichten, die mittels der physikalischen Gasphasenabscheidung abgeschieden werden, durch die Prozessparameter verändern lässt. Das sich ausbildende Gefüge der kondensierten Schicht hängt unter anderem von der Substrattemperatur während der Abscheidung ab und wird im Allgemeinen für viele Materialien gut mit dem Dreizonenmodell von
Bekannt aus dem Stand der Technik sind weiterhin Verfahren zur Herstellung von porösen Metallschichten mittels Plasmaabscheidung, wie beispielsweise in der
Keine dieser Druckschriften bezieht sich jedoch auf ein Verfahren zur Herstellung von porösen metallischen Lithiumschichten.However, none of these documents relates to a method for the production of porous metallic lithium layers.
Zudem ist die Herstellung einer lithiierten Siliciumelektrode mittels Plasmaspritzen einer Suspension aus Vorläuferverbindungen in der
Aus dem Stand der Technik ist weiterhin bekannt, dass eine poröse Strukturierung der Anode durch eine Matrix aus einem Wirtsmaterial erzeugt werden kann. In
Diese bekannten Verfahren zur Herstellung von porösen Lithiumschichten weisen jedoch zum einen den Nachteil auf, dass zunächst die Herstellung einer porösen Wirtschicht erforderlich ist, zum anderen machen diese den Einsatz von chemischen Ätzmitteln erforderlich. Beide bekannten Verfahren aus dem Stand der Technik erfordern somit einen zusätzlichen Zeit- und Kostenaufwand und sind somit aus verfahrensökonomischer Sicht nachteilig. Weiterhin ist an den bekannten Verfahren nachteilig, dass durch die Herstellung einer Wirtsstruktur oder Einsatz von Ätzmitteln Verunreinigungen in die somit erhaltenen Lithiumschichten eingetragen werden, was sich nachteilig auf die Eigenschaften beispielsweise von Elektroden umfassend diese Lithiumschichten auswirken kann.However, these known methods for producing porous lithium layers have the disadvantage, on the one hand, that a porous host layer must first be produced, and on the other hand, they require the use of chemical etching agents. Both known processes from the prior art therefore require additional expenditure of time and money and are therefore disadvantageous from the point of view of process economy. A further disadvantage of the known methods is that the production of a host structure or the use of etching agents introduce impurities into the lithium layers thus obtained, which can have a disadvantageous effect on the properties of electrodes comprising these lithium layers, for example.
Die gegenwärtige Erfindung hat zum Ziel, diese Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden.The present invention aims to obviate these disadvantages of the prior art.
Der gegenwärtigen Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, welches es ermöglicht, eine poröse Lithiumschicht auf einem Substrat ohne vorherige poröse Wirtsstruktur oder chemische Ätzmittel zu erhalten, und welches folglich eine Zeit- und Kostenersparnis bei einer vereinfachten Verfahrensführung ermöglicht.The object of the present invention is therefore to provide a method which makes it possible to obtain a porous lithium layer on a substrate without prior porous host structure or chemical etchants, and which consequently enables time and cost savings with a simplified procedure.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des vorliegenden Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.This object is solved by the subject matter of the present main claim. Advantageous configurations are listed in the dependent claims.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung einer porösen Lithiumschicht.1 shows a schematic representation of a preferred embodiment of the method for the production of a porous lithium layer. -
2 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit vakuumtechnisch separierten Vakuumrezipienten.2 shows a schematic representation of an alternative preferred embodiment of the invention with vacuum-technically separated vacuum recipients. -
3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit zwei separaten Vakuumschleusen.3 shows a schematic representation of a further alternative preferred embodiment of the invention with two separate vacuum locks. -
4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der das Substrat in Form eines Bandes prozessiert wird.4 shows a schematic representation of a further alternative particularly preferred embodiment of the invention, in which the substrate is processed in the form of a strip. -
5 zeigt ein Flussschaubild des Verfahrens zur Herstellung einer porösen Lithiumschicht.5 FIG. 12 shows a flow chart of the method for manufacturing a porous lithium film. -
6 zeigt schematisch als Vergleichsbeispiel die sich ausbildende Morphologie einer Lithiumschicht nach Anwendung eines Abscheidungsverfahrens ohne vorherige Behandlung des Substrates mit einem Plasma.6 shows schematically, as a comparative example, the morphology of a lithium layer that forms after application of a deposition method without prior treatment of the substrate with a plasma. -
7 zeigt schematisch die sich ausbildende Morphologie einer Lithiumschicht nach Anwendung eines Abscheidungsverfahrens nach vorheriger Behandlung des Substrates mit einem Plasma gemäß der vorliegenden Erfindung.7 FIG. 12 shows schematically the morphology of a lithium layer that forms after application of a deposition process after prior treatment of the substrate with a plasma according to the present invention. -
8 zeigt schematisch den Aufbau eines Schichtsystems im Querschnitt, erhältlich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens.8th shows schematically the structure of a layer system in cross section, obtainable by means of the method according to the invention. -
9 zeigt rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der Oberfläche von Lithiumschichten, erhältlich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens (9a ,9b) sowie als Vergleichsbeispiel (9c ,9d ).9 shows scanning electron micrographs of the surface of lithium layers obtainable by means of the method according to the invention (9a ,9b) and as a comparative example (9c ,9d ).
ZusammenfassungSummary
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Lithiumschicht, umfassend die Schritte
- a) Bereitstellen eines Substrats umfassend mindestens eine mit einer porösen Lithiumschicht zu beschichtende Oberfläche,
- b) Behandeln der mindestens einen mit einer porösen Lithiumschicht zu beschichtenden Oberfläche mit einem mittels einer Plasmaquelle erzeugten Plasma bei einem Druck von 100 mbar oder kleiner,
- c) Temperieren des Substrats auf eine Temperatur von kleiner als 180 °C, und
- d) Abscheiden einer porösen Lithiumschicht auf der mindestens einen in Schritt b) mit einem Plasma behandelten Oberfläche des Substrats bei einem Druck von 100 mbar oder kleiner.
- a) providing a substrate comprising at least one surface to be coated with a porous lithium layer,
- b) treating the at least one surface to be coated with a porous lithium layer with a plasma generated by a plasma source at a pressure of 100 mbar or less,
- c) Tempering the substrate to a temperature of less than 180° C., and
- d) depositing a porous lithium layer on the at least one surface of the substrate treated with a plasma in step b) at a pressure of 100 mbar or less.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Lithiumschicht bereitgestellt, umfassend die Schritte
- a) Bereitstellen eines Substrats umfassend mindestens eine mit einer porösen Lithiumschicht zu beschichtende Oberfläche,
- b) Behandeln der mindestens einen mit einer porösen Lithiumschicht zu beschichtenden Oberfläche mit einem mittels einer Plasmaquelle erzeugten Plasma bei einem Druck von 100 mbar oder kleiner,
- c) Temperieren des Substrats auf eine Temperatur von kleiner als 180 °C, und
- d) Abscheiden einer porösen Lithiumschicht auf der mindestens einen in Schritt b) mit einem Plasma behandelten Oberfläche des Substrats bei einem Druck von 100 mbar oder kleiner.
- a) providing a substrate comprising at least one surface to be coated with a porous lithium layer,
- b) treating the at least one surface to be coated with a porous lithium layer with a plasma generated by a plasma source at a pressure of 100 mbar or less,
- c) Tempering the substrate to a temperature of less than 180° C., and
- d) depositing a porous lithium layer on the at least one surface of the substrate treated with a plasma in step b) at a pressure of 100 mbar or less.
Zunächst umfasst das erfindungsgemäße Verfahren das Bereitstellen eines Substrats umfassend mindestens eine mit einer porösen Lithiumschicht zu beschichtende Oberfläche.First of all, the method according to the invention comprises the provision of a substrate comprising at least one surface to be coated with a porous lithium layer.
Das Substrat ist nicht besonders beschränkt, eine Vielzahl von Substraten kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer porösen Lithiumschicht versehen werden.The substrate is not particularly limited, and a variety of substrates can be provided with a porous lithium layer by the method of the present invention.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Substrat ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Metallelementen oder Metalllegierungen, Nichtmetallelementen, Kunststoffen, und Keramiken, sowie Kombinationen hieraus. Diese Materialien bieten den Vorteil einer besonderen Eignung als Elektrodenträgermaterial für Energiekonversionsvorrichtungen und Energiespeichervorrichtungen.According to an advantageous embodiment of the invention, the substrate is selected from the group consisting of metal elements or metal alloys, non-metal elements, plastics and ceramics, and combinations thereof. These materials offer the advantage of particular suitability as electrode backing material for energy conversion devices and energy storage devices.
Jedes Metallelement oder Metalllegierung kann als Substrat dienen, bevorzugt ist das Metallelement oder Metalllegierung ausgewählt aus einem Übergangsmetall, Lanthanoid, Element der Gruppe 13 oder Gruppe 14 des Periodensystems, oder Kombinationen daraus, weiter bevorzugt ist das Metallelement Ti, Zr, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn oder einer Kombination daraus.Any metal element or metal alloy can serve as the substrate, preferably the metal element or metal alloy is selected from a transition metal, lanthanide, element of group 13 or group 14 of the periodic table, or combinations thereof, more preferably the metal element is Ti, Zr, V, Cr, Mo , W, Mn, Fe, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn or a combination thereof.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Substrat Kupfer oder eine Kupferlegierung. Diese bieten den Vorteil, dass sie aufgrund der hohen elektrischen Leitfähigkeit sowie geringen Kosten besonders geeignete Elektrodenmaterialien für Speicher- oder Konversionsvorrichtungen elektrischer Energie darstellen.In a particularly preferred embodiment of the invention, the substrate is copper or a copper alloy. These offer the advantage that, due to the high electrical conductivity and low costs, they represent particularly suitable electrode materials for storage or conversion devices of electrical energy.
Ebenfalls können Nichtmetallelemente als Substrat Verwendung finden, bevorzugt auf der Basis von Kohlenstoff, besonders bevorzugt ist Graphit.Non-metal elements can also be used as substrate, preferably based on carbon, with graphite being particularly preferred.
Weiterhin können polymere Kunststoffe als Substrat mit einer porösen Lithiumschicht versehen werden. Die Art des polymeren Kunststoffs ist nicht besonders beschränkt, bevorzugt ist der Kunststoff ausgewählt aus Polyolefinen, Polyethylenen, Polyethern, Polyestern, Polyamiden, Fluorpolymeren, Polyimiden, Polyetheretherketon, Polyalkanen, Polyalkenen, Polyvinylchloriden, Polystyrolen, Polycarbonaten, Cellulosehydraten sowie Kombinationen und Copolymeren daraus, weiter bevorzugt Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer und Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer sowie besonders bevorzugt Poly(acrylonitril-butyl acrylate).Furthermore, polymeric plastics can be provided as a substrate with a porous lithium layer. The type of polymeric plastic is not particularly limited, the plastic is preferably selected from polyolefins, polyethylenes, polyethers, polyesters, polyamides, fluoropolymers, polyimides, polyetheretherketone, polyalkanes, polyalkenes, polyvinyl chlorides, polystyrenes, polycarbonates, cellulose hydrates and combinations and copolymers thereof, further preferably acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer and ethylene-tetrafluoroethylene copolymer and particularly preferably poly(acrylonitrile-butyl acrylate).
Ebenfalls können bekannte Keramiken als Substrat Verwendung finden. Bevorzugt ist ein keramisches Substrat ausgewählt aus Oxiden, Nitriden oder Carbiden, besonders bevorzugt Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid.Known ceramics can also be used as the substrate. A ceramic substrate is preferably selected from oxides, nitrides or carbides, particularly preferably aluminum oxide, silicon oxide, silicon nitride or silicon carbide.
Die Dimensionen des Substrats sind nicht besonders beschränkt. Bevorzugt weist das Substrat jedoch eine Breite von etwa 10 mm bis etwa 1000 mm, weiter bevorzugt von etwa 100 mm bis etwa 300 mm, sowie besonders bevorzugt von etwa 150 mm bis etwa 200 mm auf. Zudem weist das Substrat eine Tiefe von etwa 10 mm bis etwa 100 000 m, weiter bevorzugt von etwa 100 mm bis etwa 500 mm, sowie besonders bevorzugt von etwa 150 mm bis etwa 200 mm auf. Weiterhin weist das Substrat eine Dicke von etwa 1 µm bis etwa 10 mm, weiter bevorzugt von etwa 0,005 mm bis etwa 5,000 mm auf. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Substrat eine Dicke von etwa 0,01 mm bis etwa 0,05 mm auf. In diesem besonders bevorzugten Dickenbereich ist das Substrat besonders geeignet für eine Anwendung als Elektrodensubstrat für Konversions- sowie Speichervorrichtungen elektrischer Energie.The dimensions of the substrate are not particularly limited. However, the substrate preferably has a width of from about 10 mm to about 1000 mm, more preferably from about 100 mm to about 300 mm, and particularly preferably from about 150 mm to about 200 mm. In addition, the substrate has a Depth of about 10 mm to about 100,000 m, more preferably from about 100 mm to about 500 mm, and particularly preferably from about 150 mm to about 200 mm. Furthermore, the substrate has a thickness of about 1 μm to about 10 mm, more preferably from about 0.005 mm to about 5.000 mm. In a particularly preferred embodiment of the invention, the substrate has a thickness of approximately 0.01 mm to approximately 0.05 mm. In this particularly preferred thickness range, the substrate is particularly suitable for use as an electrode substrate for conversion and storage devices for electrical energy.
Ebenfalls ist die Form des Substrats nicht besonders beschränkt, das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zu beschichtende Substrat kannn jede beliebige Form aufweisen. Bevorzugt können diese jedoch in der Form von Platten, Folien, Bändern oder dreidimensional beliebig geformten Objekten vorliegen.The shape of the substrate is likewise not particularly restricted; the substrate to be coated using the method according to the invention can have any desired shape. However, these can preferably be present in the form of plates, foils, tapes or three-dimensional objects of any desired shape.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens eine mit einer porösen Lithiumschicht zu beschichtenden Oberfläche des Substrats nicht als poröse Struktur ausgebildet. Hierbei ist als poröse Struktur jegliche offen- oder geschlossenporige, netzartig ausgebildete, mit Hohlräumen und/oder Löchern jeglicher Größe versehene und somit durchlässige Struktur zu verstehen.In a particularly preferred embodiment of the invention, the at least one surface of the substrate to be coated with a porous lithium layer is not designed as a porous structure. In this context, a porous structure is to be understood as meaning any open-pore or closed-pore, net-like structure provided with cavities and/or holes of any size and thus permeable structure.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann nach dem Bereitstellen eines Substrats und vor dem Behandeln mindestens einer mit einer porösen Lithiumschicht zu beschichtenden Oberfläche des Substrats mit einem mittels einer Plasmaquelle erzeugten Plasma eine nasschemische Reinigung des Substrates mit anschließendem Trocknen erfolgen. Dies verbessert die Haftung der abzuscheidenden porösen Lithiumschicht auf dem Substrat.In a preferred embodiment of the invention, after providing a substrate and before treating at least one surface of the substrate to be coated with a porous lithium layer with a plasma generated by a plasma source, the substrate can be wet-chemically cleaned with subsequent drying. This improves the adhesion of the porous lithium layer to be deposited on the substrate.
Die Verfahren nasschemischer Reinigung des Substrats sind nicht besonders beschränkt und weiterhin von der Art des Substrats abhängig, bevorzugt kann die nasschemische Reinigung eine Ultraschallbehandlung in Verbindung mit Tensiden, Spülen mit organischen Lösungsmitteln wie beispielsweise Ethanol oder Aceton, Spülen mit entionisiertem Wasser, Behandeln mit sauren und/oder oxidierenden Agenzien wie Schwefelsäure/Wasserstoffperoxid, Essigsäure, Zitronensäure, Salzsäure/ Wasserstoffperoxid oder Fluorwasserstoffsäure, und Ammoniumhydroxid, sowie Kombinationen hieraus umfassen. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die nasschemische Reinigung alkalische Lösungen umfassen. Damit ist insbesondere bei metallischen Substraten wie beispielsweise Kupfer oder Kupferlegierungen eine gute Reinigungswirkung in Verbindung mit einer oberflächenschonenden Behandlung verbunden.The methods of wet-chemical cleaning of the substrate are not particularly limited and also depend on the type of substrate, preferably the wet-chemical cleaning can be an ultrasonic treatment in conjunction with surfactants, rinsing with organic solvents such as ethanol or acetone, rinsing with deionized water, treatment with acidic and /or oxidizing agents such as sulfuric acid/hydrogen peroxide, acetic acid, citric acid, hydrochloric acid/hydrogen peroxide or hydrofluoric acid, and ammonium hydroxide, and combinations thereof. In a preferred embodiment, the wet-chemical cleaning can include alkaline solutions. This is associated with a good cleaning effect in connection with a surface-friendly treatment, especially in the case of metallic substrates such as copper or copper alloys.
Das anschließende Trocknen kann mit jedem beliebigen Verfahren erfolgen, bevorzugt kann das Trocknen Lufttrocknung, Trocknung mittels Luftstrom, Wärmetrocknung, Mikrowellentrocknung, Vakuumtrocknung sowie Kombinationen hieraus umfassen, besonders bevorzugt ist das Trocknen mittels Luftstrom. Dies stellt ein technisch besonders einfach zu realisierendes Trocknungsverfahren dar.Subsequent drying can be carried out using any desired method; drying can preferably include air drying, drying by means of an air stream, heat drying, microwave drying, vacuum drying and combinations thereof, drying by means of an air stream is particularly preferred. This represents a drying process that is technically particularly easy to implement.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt durch die optionale nasschemische Reinigung des Substrats keine Ausbildung einer wie oben definierten porösen Struktur auf der mindestens einen mit einer porösen Lithiumschicht zu beschichtenden Oberfläche des Substrats.In a particularly preferred embodiment of the invention, the optional wet-chemical cleaning of the substrate does not result in the formation of a porous structure as defined above on the at least one surface of the substrate to be coated with a porous lithium layer.
Im Anschluss an das Bereitstellen eines Substrats umfassend mindestens eine mit einer porösen Lithiumschicht zu beschichtende Oberfläche mit nachfolgender optionaler nasschemischer Reinigung sowie Trocknung des Substrats kann das erfindungsgemäße Verfahren das Einschleusen des Substrats in einen Vakuumrezipienten umfassen. Ein solcher Vakuumrezipient kann bevorzugt der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer porösen Lithiumschicht dienen und weiter bevorzugt eine Plasmaquelle, Mittel zum Temperieren des Substrats auf eine definierte Temperatur sowie eine Vorrichtung zum Abscheiden einer Lithiumschicht umfassen.Subsequent to the provision of a substrate comprising at least one surface to be coated with a porous lithium layer with subsequent optional wet-chemical cleaning and drying of the substrate, the method according to the invention can include introducing the substrate into a vacuum recipient. Such a vacuum recipient can preferably serve to carry out the method according to the invention for producing a porous lithium layer and more preferably comprise a plasma source, means for tempering the substrate to a defined temperature and a device for depositing a lithium layer.
Das Einschleusen in einen Vakuumrezipienten ist nicht besonders beschränkt und kann bevorzugt mittels einer Vakuumschleuse mit einem Schleusenventil und besonders bevorzugt mittels einer Vakuumschleuse mit Rollenschleuse erfolgen.Smuggling into a vacuum recipient is not particularly restricted and can preferably take place by means of a vacuum lock with a lock valve and particularly preferably by means of a vacuum lock with a roller lock.
Weiterhin umfasst das erfindungsgemäße Verfahren im Anschluss an das Bereitstellen eines Substrats mit optionaler nasschemischer Reinigung, Trocknung und Einschleusen in einen Vakuumrezipienten das Behandeln der mindestens einen mit einer porösen Lithiumschicht zu beschichtenden Oberfläche mit einem mittels einer Plasmaquelle erzeugten Plasma bei einem Druck von 100 mbar oder kleiner.Furthermore, following the provision of a substrate with optional wet-chemical cleaning, drying and smuggling into a vacuum recipient, the method according to the invention comprises treating the at least one surface to be coated with a porous lithium layer with a plasma generated by a plasma source at a pressure of 100 mbar or less .
Der angegebene Druck kann sich vorzugsweise auf den gemessenen Druck innerhalb eines Vakuumrezipienten beziehen.The specified pressure can preferably relate to the measured pressure inside a vacuum recipient.
Dazu kann das Substrat mit mindestens einer mit einer porösen Lithiumschicht zu beschichtenden Oberfläche stationär einem mittels einer Plasmaquelle erzeugten Plasma ausgesetzt werden oder alternativ translatorisch mittels einer Transportvorrichtung an einem mittels einer Plasmaquelle erzeugten Plasma vorbeigeführt oder über ein Plasma hinweggeführt werden. Bevorzugt kann jedoch das Substrat translatorisch mittels einer Transportvorrichtung über ein mittels einer Plasmaquelle erzeugtes Plasma hinweggeführt werden.For this purpose, the substrate with at least one surface to be coated with a porous lithium layer can be exposed to a plasma generated by a plasma source in a stationary manner or alternatively be guided past a plasma generated by a plasma source or over a plasma in a translatory manner by means of a transport device. However, the substrate can preferably be guided in a translatory manner by means of a transport device over a plasma generated by means of a plasma source.
Wird das Substrat in einer bevorzugten Ausführungsform translatorisch mittels einer Transportvorrichtung an einem mittels einer Plasmaquelle erzeugten Plasma vorbeigeführt, ergibt dies eine vereinfachte Verfahrensführung.If, in a preferred embodiment, the substrate is guided past a plasma generated by a plasma source in a translatory manner by means of a transport device, this results in a simplified procedure.
Im Rahmen dieser Ausführungsform ist die translatorische Geschwindigkeit der Transportvorrichtung nicht besonders beschränkt, bevorzugt beträgt diese jedoch von etwa 0,1 cm/s bis etwa 100,0 cm/s, weiter bevorzugt von etwa 1 cm/s bis etwa 10 cm/s, und besonders bevorzugt von etwa 3 cm/s bis etwa 6 cm/s.In the context of this embodiment, the translatory speed of the transport device is not particularly limited, but this is preferably from about 0.1 cm/s to about 100.0 cm/s, more preferably from about 1 cm/s to about 10 cm/s, and more preferably from about 3 cm/s to about 6 cm/s.
Weiterhin ist auch der Abstand von der Plasmaquelle zum Substrat nicht besonders beschränkt, beträgt jedoch bevorzugt von etwa 1 mm bis etwa 500 mm, weiter bevorzugt von etwa 10 mm bis etwa 200 mm, und besonders bevorzugt von etwa 120 mm bis etwa 160 mm.Furthermore, the distance from the plasma source to the substrate is also not particularly limited, but is preferably from about 1 mm to about 500 mm, more preferably from about 10 mm to about 200 mm, and particularly preferably from about 120 mm to about 160 mm.
Außerdem ist die wirkende Stromdichte der Ladungsträger zum Substrat nicht besonders beschränkt, und kann bevorzugt von etwa 10 mA/cm2 bis etwa 80 mA/cm2, weiter bevorzugt von etwa 20 mA/cm2 bis etwa 60 mA/cm2, und besonders bevorzugt von etwa 30 mA/cm2 bis etwa 50 mA/cm2 betragen.In addition, the effective current density of the carriers to the substrate is not particularly limited, and may preferably be from about 10 mA/cm 2 to about 80 mA/cm 2 , more preferably from about 20 mA/cm 2 to about 60 mA/cm 2 , and particularly preferably from about 30 mA/cm 2 to about 50 mA/cm 2 .
Die Stromdichte und insbesondere deren laterale Verteilung im experimentellen Aufbau bei betriebener Plasmaquelle wird über Sensoren gemessen, die in einem Array angeordnet sind. Diese Sensoren bestehen jeweils aus einer kleinen Metallplatte mit definierter Größe, an der Spannungen von 0 bis 300 V angelegt werden und so die Ladungsträger aus dem Plasma zum Metallpatte extrahiert werden. Mit steigender Spannung erhöht sich der gemessene Strom, welcher ab etwa 200 V in die Sättigung geht. Aus Sättigungsstrom und Oberflächengröße der Metallplatte kann die lokal wirkende Stromdichte bestimmt werden.The current density and in particular its lateral distribution in the experimental setup when the plasma source is operated is measured using sensors arranged in an array. Each of these sensors consists of a small metal plate of a defined size, to which voltages of 0 to 300 V are applied and the charge carriers are extracted from the plasma to the metal plate. As the voltage rises, the measured current increases, which saturates at around 200 V. The locally acting current density can be determined from the saturation current and the surface area of the metal plate.
Die integral wirkende Ladung pro Flächeneinheit, die das Substrat beaufschlagen, kann bevorzugt von etwa 0,1 A*s/cm2 bis etwa 300,0 A*s/cm2, weiter bevorzugt von etwa 0,5 A*s/cm2 bis etwa 25,0 A*s/cm2, und besonders bevorzugt von etwa 1,0 A*s/cm2 bis etwa 3,0 A*s/cm2 betragen.The integrally acting charge per unit area applied to the substrate can preferably be from about 0.1 A*s/cm 2 to about 300.0 A*s/cm 2 , more preferably from about 0.5 A*s/cm 2 to about 25.0 A*s/cm 2 , and more preferably from about 1.0 A*s/cm 2 to about 3.0 A*s/cm 2 .
Die integral wirkende Ladung wird mittels Integration der Stromdichteverteilung über der infinitesimalen Verweilzeit des Substrates berechnet.The integrally acting charge is calculated by integrating the current density distribution over the infinitesimal residence time of the substrate.
Die Plasmaquelle ist nicht besonders beschränkt, jede bekannte Plasmaquelle ist zur Behandlung der mindestens einen zu beschichtenden Oberfläche des Substrats geeignet.The plasma source is not particularly restricted; any known plasma source is suitable for treating the at least one surface of the substrate to be coated.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Plasmaquelle eine Hohlkathodenbogenentladung einer Hohlkathodenbogenquelle oder ein Magnetron.In a preferred embodiment of the invention, the plasma source is a hollow cathode arc discharge of a hollow cathode arc source or a magnetron.
Eine Plasmaquelle in Form einer Hohlkathodenbogenentladung einer Hohlkathodenbogenquelle gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist in der Druckschrift
Zum Betreiben eines Hohlkathodenplasmas ist die Kathode der Niedervoltbogenentladungsquelle als Hohlkathode ausgebildet. Es ist dabei weiterhin erforderlich, ein Gas durch die Hohlkathode in die Vakuumkammer einzulassen. Bevorzugt kann das Gas Argon, Stickstoff, Wasserstoff sowie Kombination davon umfassen, besonders bevorzugt kann das Gas Argon sein.To operate a hollow cathode plasma, the cathode of the low-voltage arc discharge source is designed as a hollow cathode. It is also necessary to admit a gas through the hollow cathode into the vacuum chamber. The gas can preferably include argon, nitrogen, hydrogen and a combination thereof, and the gas can particularly preferably be argon.
Im Betrieb kann das Substrat mit der elektrischen Vakuumkammermasse verbunden und die BIAS-Spannung zwischen Substrat und Vakuumkammermasse einerseits und einer dem Plasmapotential spannungsmäßig nahe stehenden Elektrode andererseits geschaltet sein. Dabei kann die Elektrode eine Kathode oder eine Anode der Niedervoltbogenentladungsquelle sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist jedoch keine BIAS-Spannung zwischen Substrat und Vakuumkammermasse geschalten.During operation, the substrate can be connected to the electrical ground of the vacuum chamber and the BIAS voltage can be connected between the substrate and the ground of the vacuum chamber on the one hand and an electrode close to the plasma potential in terms of voltage on the other. The electrode can be a cathode or an anode of the low-voltage arc discharge source. In a particularly preferred embodiment, however, no BIAS voltage is connected between the substrate and the vacuum chamber ground.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Substrat bezogen auf das Plasmapotential der Plasmaquelle auf ein definiertes elektrisches Potential gelegt werden. In Abhängigkeit davon wird erreicht, von der Plasmaquelle emittierte Ladungsträger in Richtung Substrat zu beschleunigen. Bevorzugt können diese Ladungsträger Elektronen oder Ionen des durch die Hohlkathode bereitgestellten Gases sein. Sind diese Ladungsträger Elektroden, bietet dies den Vorteil einer elektrochemischen Aktivierung der Substratoberfläche. Sind diese Ladungsträger Ionen des durch die Hohlkathode bereitgestellten Gases, kann Material abgetragen werden und somit die Oberflächenrauheit des Substrats verändert werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Ladungsträger Argon-Ionen.In a further preferred embodiment, the substrate can be placed at a defined electrical potential based on the plasma potential of the plasma source. Depending on this, charge carriers emitted by the plasma source are accelerated in the direction of the substrate. These charge carriers can preferably be electrons or ions of the gas provided by the hollow cathode. If these charge carriers are electrodes, this offers the advantage of electrochemical activation of the substrate surface. If these charge carriers are ions of the gas provided by the hollow cathode, material can be removed and the surface roughness of the substrate can thus be changed. In a particularly preferred embodiment, the charge carriers are argon ions.
Eine Plasmaquelle in Form einer solchen Hohlkathodenbogenentladung einer Hohlkathodenbogenquelle hat den Vorteil, dass dadurch aufwändige Isolationsmaßnahmen zwischen Substrat und der elektrischen Masse der Vorrichtung nicht erforderlich sind.A plasma source in the form of such a hollow cathode arc discharge of a hollow cathode arc source has the advantage that complex insulation measures between the substrate and the electrical ground of the device are not required as a result.
Eine Plasmaquelle in Form eines Magnetrons ist von
Das Behandeln mit einem Plasma erfolgt erfindungsgemäß bei einem Druck im Vakuumrezipienten von etwa 100 mbar oder kleiner, bevorzugt von etwa 1 *10-5 mbar bis etwa 1 * 10-3 mbar, und besonders bevorzugt von etwa 1 * 10-4 mbar bis etwa 8*10-4 mbar.According to the invention, the treatment with a plasma takes place at a pressure in the vacuum recipient of about 100 mbar or less, preferably from about 1*10 -5 mbar to about 1*10 -3 mbar, and particularly preferably from about 1*10 -4 mbar to about 8*10 -4 mbar.
Ein niedriger Druck im Vakuumrezipienten ist beispielsweise und insbesondere vorteilhaft, um ein paralleles Betreiben des Behandelns eines Substrats mit einem Plasma und Abscheidung einer Lithiumschicht ohne gegenseitige Beeinträchtigung zu ermöglichen. Zudem reduziert sich bei niedrigem Prozessdruck innerhalb der bevorzugten Bereiche die Streuung der Ladungsträger an Prozessgas und Restgas, wodurch der Schritt des Behandelns mit einem Plasma mit höherer Effizienz erfolgen kann. Die Einkopplung von höheren Plasmaleistungen erfordert allerdings für stabile Prozessbedingungen ohne Überschläge in Form von Kaltkathodenbögen einen höheren Einlass von Prozessgas. Dies muss für die jeweilige Parameterkonstellation abgewogen und optimiert werden.A low pressure in the vacuum recipient is advantageous, for example and in particular, in order to enable parallel operation of treating a substrate with a plasma and depositing a lithium layer without mutual impairment. In addition, at a low process pressure within the preferred ranges, the scattering of the charge carriers on the process gas and residual gas is reduced, as a result of which the step of treating with a plasma can take place with greater efficiency. However, the coupling of higher plasma powers requires a higher intake of process gas for stable process conditions without flashovers in the form of cold cathode arcs. This must be weighed up and optimized for the respective parameter constellation.
Im Anschluss an das Behandeln der mindestens einen mit einer porösen Lithiumschicht zu beschichtenden Oberfläche mit einem mittels einer Plasmaquelle erzeugten Plasma bei einem Druck von 100 mbar oder kleiner erfolgt erfindungsgemäß das Temperieren des Substrates auf eine Temperatur von kleiner als 180 °C. Bevorzugt kann das Temperieren des Substrats auf eine Temperatur in einem Bereich von etwa -50 °C bis etwa 175 °C, weiter bevorzugt von etwa 10 °C bis etwa 175 °C, nochmals weiter bevorzugt von etwa 30 °C bis etwa 175 °C, besonders bevorzugt von etwa 50 °C bis etwa 175 °C sowie in einer alternativen besonders bevorzugten Ausführungsform von etwa 160 °C bis etwa 170 °C erfolgen.Following the treatment of the at least one surface to be coated with a porous lithium layer with a plasma generated by a plasma source at a pressure of 100 mbar or less, the substrate is tempered to a temperature of less than 180° C. according to the invention. Preferably, the substrate can be tempered to a temperature in a range from about −50° C. to about 175° C., more preferably from about 10° C. to about 175° C., even more preferably from about 30° C. to about 175° C , particularly preferably from about 50 °C to about 175 °C and in an alternative particularly preferred embodiment from about 160 °C to about 170 °C.
Liegt die Substrattemperatur bei 180°C oder höher, kann sich keine poröse Lithiumschicht während des Abscheideschrittes ausbilden. Liegt die Substrattemperatur hingegen in einem der bevorzugten Bereiche, stellt sich für das Substrat eine homologe Temperatur von 0,5 ≤ Thom ≤ 1 ein und somit wird vollständig die Zone 3 im wie folgt erläuterten Strukturzonenmodell abgedeckt. If the substrate temperature is 180°C or higher, no porous lithium layer can be formed during the deposition step. If, on the other hand, the substrate temperature is in one of the preferred ranges, a homologous temperature of 0.5≦T hom ≦1 is established for the substrate and zone 3 is thus completely covered in the structure zone model explained as follows.
Tabelle 1 zeigt ausgewählte Werte der homologen Temperatur Thom bei verschiedenen Substrattemperaturen Tsub exemplarisch berechnet für das Material Lithium. Tabelle 1: Ausgewählte Werte der homologen Temperatur Thom bei verschiedenen Substrattemperaturen TSub exemplarisch berechnet für das Material Lithium.
Die Zone 1 umfasst die sich ausbildende Struktur bei einer niedrigen homologen Temperatur (Thom < 0,25). Die Zone 2 ist durch den Bereich 0,25 < Thom < 0,45 definiert, in dem die Oberflächendiffusion für das Wachstum bestimmend ist. Die Zone 3 umfasst schließlich den Bereich Thom > 0,45, in dem das Wachstum durch die Volumendiffusion bestimmt wird. Gute Übereinstimmungen mit dem Modell wurde für beispielsweise für die Materialien Titan, Nickel und Wolfram für homologe Temperaturen Thom < 0,6 gefunden. Die Gültigkeit des Dreizonenmodell für hohe homologe Temperaturen Thom > 0,6 ist dagegen nicht vollumfänglich belegt.
Dadurch ergibt sich, ohne sich jedoch durch theoretische Überlegungen beschränken zu wollen, dass die kondensierenden Lithiumatome oder Lithiumatomcluster einerseits mit zunehmender Temperatur der unteren Grenze ebenfalls zunehmend mehr Energie besitzen, um sich auf der Substratoberfläche durch Diffusionseffekte zunehmend leichter in einer definierten Morphologie mit poröser Struktur anzuordnen.As a result, without wanting to be limited by theoretical considerations, the condensing lithium atoms or lithium atom clusters also have more and more energy with increasing temperature of the lower limit, in order to be able to arrange themselves more and more easily in a defined morphology with a porous structure on the substrate surface due to diffusion effects .
Andererseits ist, wiederum ohne sich durch theoretische Überlegungen beschränken zu wollen, in den bevorzugten Bereichen die Energie der kondensierenden Lithiumatome oder Lithiumatomcluster zu gering, um einen Flüssigkeitsfilm aus einer Lithiumschmelze zu bilden und eine kompakte dichte Struktur einer Lithiumschicht zu erzeugen. Es erfolgt in den bevorzugten Bereichen eine zunehmend erleichterte Ausbildung einer porösen Struktur bei gleichzeitiger Vermeidung einer kompakten Struktur der abgeschiedenen Lithiumschicht.On the other hand, again without wishing to be limited by theoretical considerations, in the preferred ranges the energy of the condensing lithium atoms or lithium atom clusters is too low to form a liquid film from a lithium melt and to produce a compact, dense structure of a lithium layer. In the preferred areas, it is increasingly easier to form a porous structure while at the same time avoiding a compact structure for the deposited lithium layer.
Das Verfahren zum Abscheiden einer Lithiumschicht ist nicht besonders beschränkt, jedes bekannte Verfahren kann hierbei Verwendung finden. Bevorzugt kann das Abscheiden einer Lithiumschicht mittels thermischem Aufdampfen, Elektronenstrahlverdampfen oder Magnetron-Sputtern erfolgen, besonders bevorzugt kann das Abscheiden einer Lithiumschicht mittels thermischem Aufdampfen erfolgen.The method for depositing a lithium layer is not particularly limited, but any known method can be used here. A lithium layer can preferably be deposited by means of thermal vapor deposition, electron beam vapor deposition or magnetron sputtering; a lithium layer can particularly preferably be deposited by thermal vapor deposition.
Erfolgt in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung das Abscheiden einer Lithiumschicht mittels thermischem Aufdampfen, ergibt sich daraus der technische Vorteil eines geringeren apparativen Aufwands sowie einer einfacheren Verfahrensführung, was Kostenvorteile zur Folge hat.If, in a particularly preferred embodiment of the invention, a lithium layer is deposited by means of thermal vapor deposition, this results in the technical advantage of a lower outlay in terms of apparatus and simpler process control, which results in cost advantages.
Beim thermischen Verdampfen wird metallisches Lithium in einem Tiegel bereitgestellt. Dieser Tiegel wird mittels einer zur Wärmezufuhr ausgestalteten Vorrichtung in Form einer Widerstandsheizung oder Induktionsheizung auf eine definierte Temperatur beheizt. Dadurch geht das metallische Lithium in die Gasphase über und es wird eine Dampfwolke oberhalb des Tiegels erzeugt. In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Substrat über diese Dampfwolke hinweg transportiert werden.In thermal evaporation, metallic lithium is provided in a crucible. This crucible is heated to a defined temperature by means of a device designed to supply heat in the form of a resistance heater or induction heater. This causes the metallic lithium to go into the gas phase and a vapor cloud is generated above the crucible. In a preferred embodiment, the substrate can be transported across this vapor cloud.
Die Tiegeltemperatur ist hierbei nicht besonders beschränkt, bevorzugt liegt die Tiegeltemperatur in einem Bereich von etwa 500 °C bis etwa 1400 °C, weiter bevorzugt von etwa 550 °C bis etwa 800 °C und besonders bevorzugt von etwa 590 °C bis etwa 650 °C.The crucible temperature is not particularly restricted here; the crucible temperature is preferably in a range from about 500° C. to about 1400° C., more preferably from about 550° C. to about 800° C. and particularly preferably from about 590° C. to about 650° C
Liegt die Tiegeltemperatur unterhalb einer Temperatur von etwa 500°C, ist die zu beobachtende Beschichtungsrate zu gering für eine verfahrensökonomische Abscheidung metallischen Lithiums. Liegt die Tiegeltemperatur oberhalb von etwa 1400 °C, sind Reaktionen mit dem Tiegelmaterial zu erwarten, wodurch keine rein metallischen Lithiumschichten abgeschieden werden können. Zudem sind bei der der Verdampfung mit einer Tiegeltemperatur oberhalb von etwa 1400 °C keine stabilen Prozessbedingungen und die Bildung von Verspritzungen aus der Schmelze zu erwarten.If the crucible temperature is below a temperature of about 500° C., the observed coating rate is too low for a process-economical deposition of metallic lithium. If the crucible temperature is above about 1400 °C, reactions with the crucible material are to be expected, which means that no purely metallic lithium layers can be deposited. In addition, no stable process conditions and the formation of spattering from the melt are to be expected during evaporation with a crucible temperature above about 1400 °C.
Liegt die Tiegeltemperatur weiter bevorzugt von etwa 550 °C bis etwa 800 °C, ergibt dies den technischen Vorteil, dass Verdampfungsrate recht präzise über die Tiegeltemperatur geregelt werden kann. Die Verdampfungsrate zeigt eine exponentielle Abhängigkeit von der Tiegeltemperatur, so dass bei einer Tiegeltemperatur oberhalb von etwa 800 °C kleinste Temperaturunterschiede von etwa 1 K sehr starke Änderungen in der Verdampfungsrate bewirken. In dem Temperaturbereich oberhalb von etwa 800 °C werden zudem externe Einflüsse durch eine verändertere Wärmeabfuhr in Folge von Wärmeleitung und Wärmestrahlung sehr bedeutsam, sodass eine präzise Regelung der Tiegeltemperatur mit hohem technischen Aufwand verbunden ist. Liegt die Tiegeltemperatur besonders bevorzugt im Bereich von etwa 590 °C bis etwa 650 °C, kann die funktionale Abhängigkeit der Verdampfungsrate von der Tiegeltemperatur durch eine lineare Funktion angenähert werden, wodurch sich die Verdampfungsrate über eine geeignete elektronische Regelung sehr präzise einstellen lässt.If the crucible temperature is more preferably from about 550° C. to about 800° C., this results in the technical advantage that the evaporation rate can be regulated very precisely via the crucible temperature. The evaporation rate shows an exponential dependence on the crucible temperature, so that at a crucible temperature above about 800 °C, the smallest temperature differences of about 1 K cause very strong changes in the evaporation rate. In the temperature range above about 800 °C, external influences due to changes in heat dissipation as a result of thermal conduction and thermal radiation also become very significant, so that precise regulation of the crucible temperature is associated with a great deal of technical effort. If the crucible temperature is particularly preferably in the range from about 590° C. to about 650° C., the functional dependency of the evaporation rate on the crucible temperature can be approximated by a linear function, which means that the evaporation rate can be adjusted very precisely using suitable electronic control.
Das Tiegelmaterial kann jedes für diesen Temperaturbereich geeignete Material sein, bevorzugt kann das Tiegelmaterial Edelstahl sein.The crucible material can be any material suitable for this temperature range; the crucible material can preferably be stainless steel.
Erfindungsgemäß erfolgt das Abscheiden einer Lithiumschicht bei einem Druck von 100 mbar oder kleiner, bevorzugt von etwa 1*10-7 mbar bis etwa 5 * 10-4 mbar, und besonders bevorzugt von etwa 1 * 10-6 mbar bis etwa 1 * 10-5 mbar. Diese angegebenen Bereiche sind insbesondere bei allen nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen erreichbar.According to the invention, a lithium layer is deposited at a pressure of 100 mbar or less, preferably from about 1*10 -7 mbar to about 5*10 -4 mbar, and particularly preferably from about 1*10 -6 mbar to about 1*10 - 5 mbar. These specified ranges can be achieved in particular in all of the embodiments described below.
Der Druckbereich während des Behandelns der mindestens einen mit einer porösen Lithiumschicht zu beschichtenden Oberfläche des Substrates mit einem mittels einer Plasmaquelle erzeugten Plasma kann dabei identisch oder unterschiedlich mit dem Druckbereich für das Abscheiden einer Lithiumschicht ausgeführt werden.The pressure range during the treatment of the at least one surface of the substrate to be coated with a porous lithium layer with a plasma generated by a plasma source can be identical to or different from the pressure range for the deposition of a lithium layer.
In einer Ausführungsform erfolgen das Behandeln des Substrates mit einem Plasma und das Abscheiden einer Lithiumschicht parallel. Dies hat allerdings den Nachteil, dass bei einem parallelen Ausführen der Schritte zum Behandeln des Substrates mit einem Plasma und zum Abscheiden einer Lithiumschicht es zu einer gegenseitigen Beeinflussung beider Prozesse kommen kann und beide Prozesse nicht mit einer hinreichenden Güte ausgeführt werden können.In one embodiment, the substrate is treated with a plasma and a lithium layer is deposited in parallel. However, this has the disadvantage that when the steps for treating the substrate with a plasma and for depositing a lithium layer are carried out in parallel, the two processes can influence each other and both processes cannot be carried out with sufficient quality.
Eine alternative Ausführungsform stellt die sequenzielle Abfolge der Schritte des Behandelns des Substrats mit einem Plasma und Abscheidens einer Lithiumschicht dar, bei welcher die jeweils andere Prozessstation deaktiviert ist.An alternative embodiment represents the sequential sequence of the steps of treating the substrate with a plasma and depositing a lithium layer, in which the respective other process station is deactivated.
In einer weiteren alternativen bevorzugten Ausführungsform werden die beiden Schritte des Behandelns mit einem Plasma und Abscheidens einer Lithiumschicht jeweils in einem separaten Vakuumrezipienten ausgeführt. Die Prozessdrücke in den beiden Vakuumrezipienten für den Schritt des Behandelns des Substrates mit einem Plasma und für den Schritt zur Abscheidung einer Lithiumschicht können dabei bevorzugt mit einem separaten Schleusenventil entkoppelt sein. Die Ausführungsform mit zwei separaten Vakuumrezipienten ist allerdings mit einem erhöhten apparativen Aufwand verbunden, da für jeden Vakuumrezipienten ein separates System aus Vakuumpumpen installiert und betrieben werden muss.In a further alternative preferred embodiment, the two steps of treating with a plasma and depositing a lithium layer are each carried out in a separate vacuum recipient. The process pressures in the two vacuum recipients for the step of treating the substrate with a plasma and for the step of depositing a lithium layer can preferably be decoupled with a separate lock valve. However, the embodiment with two separate vacuum recipients is associated with increased outlay in terms of equipment, since a separate system of vacuum pumps has to be installed and operated for each vacuum recipient.
Die Abscheidungsrate metallischen Lithiums ist abhängig von der Temperatur des Tiegels sowie von dem Druck innerhalb des Vakuumrezipienten. Bevorzugt beträgt die statische Abscheidungsrate metallischen Lithiums von etwa 1 nm/sec bis etwa 500 nm/sec, und besonders bevorzugt von etwa 20 nm/sec bis etwa 100 nm/sec. Die Abscheidungsrate R kann ex situ aus Messung der Abscheidungszeit und durch die Gewichtsbestimmung des Substrates vor und nach der Abscheidung bestimmt werden. Dazu wird die zu beschichtende Oberfläche A und die Ausgangsmasse m1 des Substrates vor der Abscheidung einer Schicht, Abscheidezeit t sowie die Masse m2 des Substrates nach der Abscheidung einer Lithiumschicht bestimmt. Aus der Massendichte p der abgeschiedenen Schicht kann die Dicke D der abgeschiedenen Schicht und schließlich die Abscheidungsrate R nach Gleichung 1 bestimmt werden.
Zudem kann die Abscheidungsrate durch die Verwendung von Schwingquarzen in situ bestimmt werden und als Regelgröße zur Einstellung der Tiegeltemperatur verwendet werden. Vielfach erfordern die geometrischen Gegebenheiten der Abscheidevorrichtung, dass die Apparatur zur Messung der Abscheiderate mittels Schwingquarzen an einer anderen Position installiert werden muss, als der Ort an dem die Abscheidung der Schicht auf dem Substrat stattfindet. Dadurch bedingt wird mit der Apparatur zur Messung der Abscheiderate mittels Schwingquarzen eine anderer Abscheiderate als auf dem Substrat gemessen. In der Regel kann die Abweichung beider Messverfahren durch einen linearen funktionellen Zusammenhang beschrieben werden. Daher müssen beide Messverfahren zur Bestimmung der Abscheidungsrate in der Regel aufeinander kalibriert werden.In addition, the deposition rate can be determined in situ by using oscillating crystals and used as a controlled variable for setting the crucible temperature. In many cases, the geometric conditions of the deposition device require that the apparatus for measuring the deposition rate by means of oscillating crystals must be installed at a different position than the location at which the layer is deposited on the substrate. As a result, a different deposition rate than that measured on the substrate is measured with the apparatus for measuring the deposition rate by means of oscillating crystals. As a rule, the deviation between the two measurement methods can be explained by a linear functional relationship to be discribed. Therefore, both measuring methods for determining the deposition rate usually have to be calibrated to one another.
Während der Abscheidung einer metallischen Lithiumschicht auf mindestens einer Oberfläche des Substrats erfolgt die Bildung einer porösen Lithiumschicht, spezifischer einer offenporösen, also mit miteinander verbundenen Hohlräumen versehenen Lithiumschicht. Ohne durch rein theoretische Überlegungen beschränkt sein zu wollen, wird vermutet, dass durch die Plasmabehandlung der Substratoberfläche diese zum einen aufgeraut wird, zum anderen eine Oberflächenaktivierung durch Plasmaeinwirkung stattfindet. Dadurch wird durch Oberflächeneffekte an der Grenzfläche des Substrats der Kondensationsprozess des metallischen Lithiums dahingehend beeinflusst, so dass die Ausbildung eines porösen Schichtgefüges stattfindet.During the deposition of a metallic lithium layer on at least one surface of the substrate, a porous lithium layer is formed, more specifically an open-porous lithium layer, ie one provided with interconnected cavities. Without wishing to be limited by purely theoretical considerations, it is assumed that the plasma treatment of the substrate surface roughens it on the one hand, and surface activation takes place through plasma action on the other. As a result, the condensation process of the metallic lithium is influenced by surface effects at the interface of the substrate so that the formation of a porous layered structure takes place.
Die Schichtdicke der Lithiumschicht ist nicht besonders beschränkt, Lithiumschichten üblicher Dicken können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten werden. Bevorzugt jedoch beträgt die Schichtdicke von etwa 0,1 µm bis etwa 50,0 µm, und besonders bevorzugt von etwa 1 µm bis etwa 10 µm. Die Schichtdicke kann ex situ durch Tastschnittmethoden an einer präparierten Stufe von Schicht zum blanken Substrat entsprechend DIN EN 1071-1 :2003 oder durch mikroskopische Untersuchungen an Schichtquerschliffen entsprechend DIN EN 1071-10:2009 ermittelt werden.The layer thickness of the lithium layer is not particularly restricted; lithium layers of customary thicknesses can be obtained using the method according to the invention. Preferably, however, the layer thickness is from about 0.1 μm to about 50.0 μm, and more preferably from about 1 μm to about 10 μm. The layer thickness can be determined ex situ using stylus methods on a prepared step from the layer to the bare substrate in accordance with DIN EN 1071-1:2003 or by microscopic examinations of cross-sections of the layer in accordance with DIN EN 1071-10:2009.
Eine weitere Möglichkeit der Schichtdickenmessung besteht in der Auswertung der in situ Messgröße für die Beschichtungsrate bei Verwendung von Schwingquarzen unter Bezugnahme der Abscheidungszeit. In der Praxis wird der Prozess einmalig mit oben genannten Messverfahren eingerichtet sowie das Messsignal von den Schwingquarzen darauf kalibriert. Für die Produktion werden die Prozessparameter in der Regel auf das Messsignal von den Schwingquarzen geregelt, so dass eine definierte Schichtdicke eingestellt wird.Another way of measuring the layer thickness is to evaluate the in situ measured variable for the coating rate when using oscillating crystals with reference to the deposition time. In practice, the process is set up once using the above measurement methods and the measurement signal from the quartz crystals is calibrated to it. For production, the process parameters are usually controlled based on the measurement signal from the oscillating crystals, so that a defined layer thickness is set.
Die Struktur der abgeschiedenen Lithiumschichten - insbesondere der Porosität - lässt sich mit abbildenden Mikroskopiemethoden charakterisieren. Dabei wird eine Abbildung der Schichtoberfläche oder des Schichtquerschnittes erstellt und anhand des Vergrößerungsmaßstabes werden einzelne Poren in ihrer Größe vermessen. Die Verteilung der Porengröße kann mit statischen Methoden evaluiert werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Porengröße nicht besonders beschränkt, diese kann bevorzugt in einem Bereich von etwa 0,5 µm bis etwa 5,0 µm liegen, und weiter bevorzugt von etwa 1,0 µm bis etwa 2,0 µm.The structure of the deposited lithium layers - in particular the porosity - can be characterized with imaging microscopy methods. An image of the layer surface or the layer cross-section is created and the size of individual pores is measured using the magnification scale. The pore size distribution can be evaluated using static methods. According to the present invention, the pore size is not particularly limited, but may preferably range from about 0.5 μm to about 5.0 μm, and more preferably from about 1.0 μm to about 2.0 μm.
Im Anschluss an den Schritt des Abscheidens einer porösen Lithiumschicht kann bevorzugt das Abkühlen des Substrats im Vakuum erfolgen. Dies kann durch Lagern des Substrats in einem temperierten Bereich im Vakuumrezipienten über einen definierten Zeitraum realisiert werden, wobei die thermische Energie des Substrats durch Strahlungswärme an die Umgebung abgegeben wird.Following the step of depositing a porous lithium layer, the substrate can preferably be cooled in vacuo. This can be achieved by storing the substrate in a temperature-controlled area in the vacuum recipient for a defined period of time, with the thermal energy of the substrate being given off to the environment by radiant heat.
Im Anschluss an das Abscheiden einer porösen Lithiumschicht sowie des optionalen Abkühlens des Substrats im Vakuum kann bevorzugt ein Ausschleusen des Substrats aus dem Vakuum erfolgen. Dies ist nicht besonders beschränkt, es kann mittels einer ersten Vakuumschleuse mit Schleusenventil, welche identisch mit der Vakuumschleuse ist, mittels der das optionale Einschleusen in einen Vakuumrezipienten erfolgt, durchgeführt werden.Following the deposition of a porous lithium layer and the optional cooling of the substrate in a vacuum, the substrate can preferably be removed from the vacuum. This is not particularly restricted; it can be carried out using a first vacuum lock with a lock valve, which is identical to the vacuum lock, by means of which the optional transfer into a vacuum recipient takes place.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Ausschleusen des Substrats aus dem Vakuum mittels einer zweiten Vakuumschleuse erfolgen, welche unterschiedlich zu einer ersten Vakuumschleuse ist, mittels der das optionale Einschleusen in einen Vakuumrezipienten erfolgt, sein. Dadurch kann eine unterbrechungsfreie Prozessabfolge ermöglicht werden und die Effektivität für eine Produktion gesteigert werden. Diese Ausführungsform mit zwei separaten Vakuumschleusen ist allerdings mit einem erhöhten apparativen Aufwand verbunden.In a preferred embodiment, the substrate can be removed from the vacuum by means of a second vacuum lock, which is different from a first vacuum lock, by means of which the optional transfer into a vacuum recipient takes place. In this way, an uninterrupted process sequence can be made possible and the effectiveness of a production can be increased. However, this embodiment with two separate vacuum locks is associated with increased outlay in terms of equipment.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann das Ausschleusen des Substrats aus einem ersten Vakuumrezipienten mittels einer ersten Vakuumschleuse mit Rollenventil und das Ausschleusen des Substrats aus einem zweiten Vakuumrezipienten mittels einer zweiten Vakuumschleuse mit Rollenventil erfolgen. Hierbei wird das Substrat in Form eines Bandes prozessiert. Dadurch kann ein kontinuierlicher Prozessbetrieb ermöglicht werden und die Effektivität für eine Produktion weiter gesteigert werden.In a particularly preferred embodiment, the substrate can be discharged from a first vacuum recipient by means of a first vacuum lock with roller valve and the substrate can be discharged from a second vacuum recipient by means of a second vacuum lock with roller valve. Here, the substrate is processed in the form of a strip. Continuous process operation can thereby be made possible and the effectiveness for production can be further increased.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Elektrode, bevorzugt eine Anode, umfassend eine poröse Lithiumschicht, welche nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren erhältlich ist. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst eine solche Elektrode keine poröse Substratstruktur.The invention further relates to an electrode, preferably an anode, comprising a porous lithium layer, which can be obtained by the method described above. According to a particularly preferred embodiment, such an electrode does not comprise a porous substrate structure.
Weiterhin ist eine Energiespeicher- oder Energiekonversionsvorrichtung, umfassend eine Elektrode, bevorzugt eine Anode, wie vorstehend beschrieben, Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Die Energiespeichervorrichtung ist nicht besonders beschränkt, bevorzugt kann diese ein Kondensator, Akkumulator oder eine Batterie sein. Die Energiekonversionsvorrichtung kann bevorzugt eine Brennstoffzelle sein.Furthermore, an energy storage or energy conversion device comprising an electrode, preferably an anode, as described above, is the subject matter of the present invention. The energy storage device is not particularly restricted; it can preferably be a capacitor, an accumulator or a battery. The energy conversion device can preferably be a fuel cell.
Ausführliche BeschreibungDetailed description
Der Versuchsaufbau umfasst einen Vakuumrezipienten (1), in welchem folgende Komponenten installiert sind:
- Eine Vakuumschleuse (2a) mit Schleusenventil (2b) dient für den Transfer von Substraten (3c) in und aus dem Vakuum. Eine Substrattransportvorrichtung (3a) mit Substrathalterung (3b) bewirkt mittels einer translatorischen Bewegung den Transport des Substrats (3c) über Prozesseinrichtungen, insbesondere die Plasmaquelle (4a) und die Dampfwolke (5e).
- A vacuum lock (2a) with a lock valve (2b) is used to transfer substrates (3c) into and out of the vacuum. A substrate transport device (3a) with a substrate holder (3b) uses a translational movement to transport the substrate (3c) over process devices, in particular the plasma source (4a) and the vapor cloud (5e).
Eine Plasmaquelle (4a) umfassend eine Kathode (4b) und Anode (4c), mit welcher ein Niederdruckplasma (4d) generiert wird, dient zum Behandeln der mindestens einen mit einer porösen Lithiumschicht zu beschichtenden Oberfläche des Substrats (3c). Die Temperatur des Substrats wird durch einen optional an der Substrathalterung (3b) montierten Substratheizer (3d) eingestellt. Dies kann im Vakuum durch einen Strahlungsheizer realisiert werden.A plasma source (4a) comprising a cathode (4b) and anode (4c), with which a low-pressure plasma (4d) is generated, is used to treat the at least one surface of the substrate (3c) to be coated with a porous lithium layer. The temperature of the substrate is set by a substrate heater (3d) optionally mounted on the substrate holder (3b). This can be done in a vacuum using a radiant heater.
Eine Dampfquelle (5a) mit einem Tiegel (5b), welcher das Verdampfungsgut (5c), metallisches Lithium, enthält, bewirkt das Abscheiden einer Lithiumschicht. Der Tiegel (5b) wird mit einer Heizvorrichtung (5d), bestehend aus einer Widerstandsheizung, thermisch auf eine definierte Temperatur beheizt, wodurch das Verdampfungsgut (5c) in die Gasphase übergeht und eine Dampfwolke (5e) oberhalb der Dampfquelle (5a) erzeugt wird.A vapor source (5a) with a crucible (5b) containing the evaporating material (5c), metallic lithium, causes a lithium layer to be deposited. The crucible (5b) is thermally heated to a defined temperature with a heating device (5d), consisting of a resistance heater, whereby the evaporating material (5c) changes into the gas phase and a vapor cloud (5e) is generated above the vapor source (5a).
Die Substrattemperatur TSub wurde bei der Abscheidung der Lithiumschicht auf Werte zwischen T1 ≤ TSub ≤ T2 < T* eingestellt.During the deposition of the lithium layer, the substrate temperature T Sub was set to values between T 1 ≦T Sub ≦T 2 <T*.
Ausführungsbeispieleexemplary embodiments
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The present invention is explained in more detail below using exemplary embodiments.
Beispiel aExample a
Für das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel a wird zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung einer porösen Lithiumschicht ein Versuchsaufbau umfasst einen Vakuumrezipienten (1) verwendet, wie er in
Beispiel bexample b
Für das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel b wird eine äquivalente Herstellungsprozedur angewandt, wobei lediglich vor dem Abscheiden der Lithiumschicht das Substrat auf eine Temperatur von 150 °C geheizt wird. Die Beschichtung hat ebenfalls eine gräuliche Farbe mit einem matten Aussehen. Wie durch die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme in
Beispiel cexample c
Für das Vergleichsbeispiel c wird eine äquivalente Herstellungsprozedur angewandt, wobei lediglich vor dem Abscheiden der Lithiumschicht das Substrat auf eine Temperatur von 180 °C geheizt wird. Die Beschichtung hat dagegen eine dunkelgräuliche Farbe mit einem matten Aussehen. Wie durch die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme in
Beispiel dexample d
Für das Vergleichsbeispiel d wird eine äquivalente Herstellungsprozedur angewandt, wobei jedoch kein Behandeln der zu beschichtenden Oberfläche des Substrats (3c) mit einem Plasma erfolgte und vor dem Abscheiden der Lithiumschicht das Substrat auf eine Temperatur von 30 °C geheizt wird. Die Beschichtung hat dagegen ein metallisch glänzendes Aussehen. Wie durch die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme in
Industrielle AnwendbarkeitIndustrial Applicability
Die Verwendungsmöglichkeiten der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhältlichen porösen Lithiumschicht liegen in den Bereichen der Energiekonversationsverfahren wie beispielsweise als Elektroden von Brennstoffzellen, der Energiespeicherung wie beispielsweise als Elektroden in Kondensatoren oder als Elektroden in Batterien sowie in den Bereichen der Katalysatoren, Filtern und Sensoren.The possible uses of the porous lithium layer obtainable by means of the method according to the invention are in the areas of energy conversion methods such as, for example, as electrodes of fuel cells, energy storage such as electrodes in capacitors or as electrodes in batteries as well as in the areas of catalytic converters, filters and sensors.
Liste der BezugszeichenList of References
- 11
- Vakuumrezipientvacuum recipient
- 1a1a
- Vakuumrezipient für den Schritt zur Behandlung mit einem PlasmaVacuum recipient for the plasma treatment step
- 1b1b
- Vakuumrezipient für den Schritt zur Beschichtung mindestens einer Oberfläche eines Substrates mit LithiumVacuum recipient for the step of coating at least one surface of a substrate with lithium
- 2a2a
- Vakuumschleuse für das Überführen des Substrates in das VakuumVacuum lock for transferring the substrate into the vacuum
- 2b, 2c, 2d2b, 2c, 2d
- Schleusenventilsluice valve
- 2e, 2f, 2g2e, 2f, 2g
- Rollenschleuseroller lock
- 2h2h
- Vakuumschleuse für das Überführen des Substrates aus dem VakuumVacuum lock for transferring the substrate from the vacuum
- 3a3a
- Substrattransportvorrichtungsubstrate transport device
- 3b3b
- Substrathalterungsubstrate holder
- 3c3c
- Substrat in Form einer Platte oder eines dreidimensional beliebig geformten ObjektesSubstrate in the form of a plate or a three-dimensional object of any shape
- 3d3d
- Substratheizersubstrate heater
- 3e3e
- Substratoberfläche nach Behandlung mit einem PlasmaSubstrate surface after treatment with a plasma
- 3f3f
- Abwickelhaspeldecoiler
- 3g3g
- Substrat in Form eines BandesSubstrate in the form of a tape
- 3h3 hours
- Aufwickelhaspeltake-up reel
- 4a4a
- Plasmaquelleplasma source
- 4b4b
- Kathodecathode
- 4c4c
- Anodeanode
- 4d4d
- Niederdruckplasmalow pressure plasma
- 5a5a
- Dampfquellesteam source
- 5b5b
- Tiegelcrucible
- 5c5c
- Verdampfungsgutevaporation material
- 5d5d
- Heizvorrichtungheating device
- 5e5e
- Dampfwolkesteam cloud
- 6a, 6b, 6c6a, 6b, 6c
- ausgebildete Morphologie der Lithiumschicht ohne Behandlung einer Substratoberfläche mit einem Plasmadeveloped morphology of the lithium layer without treating a substrate surface with a plasma
- 7a, 7b, 7c7a, 7b, 7c
- ausgebildete Morphologie der Lithiumschicht nach Behandlung einer Substratoberfläche mit einem Plasmadeveloped morphology of the lithium layer after treatment of a substrate surface with a plasma
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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