DE102022123684A1

DE102022123684A1 - Röntgenfluoreszenz (xrf)-kartierung zur prüfung von anoden

Info

Publication number: DE102022123684A1
Application number: DE102022123684.6A
Authority: DE
Inventors: Shaomao Xu; Michael P. Balogh; Daad Bourhan Haddad
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2021-12-01
Filing date: 2022-09-15
Publication date: 2023-06-01
Also published as: US20230170529A1; CN116203055A

Abstract

Zu den Aspekten der Offenbarung gehört die Nutzung einer Röntgenfluoreszenz (XRF)-Kartierung von Stromabnehmern aus Kupfer für berührungslose, zerstörungsfreie Inline-Qualitätsprüfungen von dünnen Lithium-Metall-Anoden. Ein exemplarisches Verfahren kann die Aufnahme einer Elektrode an einer Detektionsfläche des XRF-Detektors beinhalten. Die Elektrode kann die Lithium-Anode auf einer Oberfläche eines Stromabnehmers beinhalten. Röntgenstrahlen werden durch die Lithium-Anode in den Stromabnehmer geleitet und die Intensität der charakteristischen Strahlung, die vom Stromabnehmer zurückkommt, wird am XRF-Detektor gemessen. Anhand der gemessenen Intensität der charakteristischen Strahlung vom Stromabnehmer kann auf die Eigenschaft einer Lithium-Anode geschlossen werden.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die Herstellung von Batteriezellen und insbesondere auf eine Röntgenfluoreszenz (XRF)-Kartierung von Stromabnehmern aus Kupfer zur berührungslosen Inline-Qualitätskontrolle von dünnen Lithium-Metall-Anoden.
Elektroden werden in einer Reihe von Geräten verwendet, die elektrische Energie speichern, darunter Primärzellen (nicht wiederaufladbar), Sekundärzellen (wiederaufladbar), Brennstoffzellen und Kondensatoren. Eine ideale Elektrode muss verschiedene elektrische Energiespeichereigenschaften gleichermaßen in sich vereinen, wie z. B. Energiedichte, Leistungsdichte, maximale Laderate, interner Leckstrom, äquivalenter Serienwiderstand (ESR), Dauerbeständigkeit der Lade-/Entladezyklen, hohe elektrische Leitfähigkeit und geringe Tortuosität.
Elektroden enthalten oft Stromabnehmer, um diese elektrischen Energiespeichereigenschaften zu ergänzen oder anderweitig zu verbessern. Stromabnehmer können hinzugefügt werden, um den spezifischen Leitwert zu erhöhen und die verfügbare Kontaktfläche zu vergrößern, um so den Durchgangswiderstand zwischen der Elektrode und ihrem Pol zu minimieren. Bei einem Stromabnehmer handelt es sich in der Regel um eine Folie aus leitfähigem Material, an der das aktive Elektrodenmaterial angebracht ist. Stromabnehmer aus Kupfer werden in der Regel durch Kleben und/oder Kalandrieren mit relativ dünnen Lithium-Anoden verbunden und bilden so die Grundlage für moderne Batterien auf Lithium-Metall-Basis.
KURZDARSTELLUNG
Die hierin beschriebenen technischen Verfahren setzen Röntgenfluoreszenz (XRF)-Kartierungen von Stromabnehmern aus Kupfer für berührungslose Inline-Qualitätsprüfungen von dünnen Lithium-Metall-Anoden wirksam ein. Bei einem Ausführungsbeispiel wird eine Elektrode an einer Detektionsfläche eines XRF-Detektors aufgenommen. Die Elektrode kann eine Lithium-Anode beinhalten, die auf der Oberfläche eines Stromabnehmers angebracht ist. Röntgenstrahlen werden durch die Lithium-Anode in den Stromabnehmer geleitet, und die Intensität der charakteristischen Strahlung (Eigenstrahlung)vom Stromabnehmer wird am XRF-Detektor gemessen. Anhand der gemessenen Intensität der charakteristischen Strahlung vom Stromabnehmer kann auf die Eigenschaft einer Lithium-Anode geschlossen werden.
Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet das Lithium-Anodenmerkmal eines oder mehrere der folgenden Merkmale: Dicke des Lithiums, Dickenabweichung des Lithiums, Vorliegen eines Oberflächenfehlers und Vorliegen eines inneren Fehlers. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung beinhaltet die Bestimmung der Eigenschaften der Lithium-Anode die Korrelation der gemessenen Intensität der charakteristischen Strahlung mit der Dicke des Lithiums. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung wird die gemessene Intensität der charakteristischen Strahlung mit der Lithiumdicke gemäß der Formel t = ln(Io/I)*sin(β)*(µ/ρ)^-1 korreliert, wobei t die Lithiumdicke, I₀ eine Ausgangsintensität ohne Lithiumbeschichtung, I die gemessene Intensität der charakteristischen Strahlung, β ein Detektorwinkel und (µ/ρ) der Massenabsorptionskoeffizient für Lithium ist.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Lithium-Anode eine dünne Lithium-Anode mit einer Dicke von weniger als 20 µm. Bei noch weiteren Ausführungsformen ist der Stromabnehmer ein Kupfer-Stromabnehmer und die charakteristische Strahlung eine fluoreszierende charakteristische L-Schalen-Strahlung.
Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung wird am XRF-Detektor eine zweite Intensität einer zweiten charakteristischen Strahlung gemessen. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung wird das Vorliegen einer chemischen Verunreinigung auf Grundlage der gemessenen zweiten Intensität der zweiten charakteristischen Strahlung charakterisiert. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung beinhaltet die Charakterisierung der Lithium-Anode ein berührungsloses, zerstörungsfreies Inline-Verfahren.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform erfolgt die kontinuierliche oder nahezu kontinuierliche Charakterisierung der Lithium-Anode durch die Bewegung derselben über der Detektionsfläche des XRF-Detektors. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung ist ein zweiter XRF-Detektor auf einer dem ersten XRF-Detektor gegenüberliegenden Oberfläche der Lithium-Anode positioniert. Auf diese Weise können doppelseitige Anoden charakterisiert werden. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung sind mehrere zweite XRF-Detektoren auf derselben Seite der Lithium-Anode positioniert, auf der sich auch der erste XRF-Detektor befindet. Auf diese Weise kann die Dickenabweichung von Kante zu Kante bestimmt werden.
Zu den Aspekten der Offenbarung gehört ein Verfahren zur Bestimmung von Mängeln an Lithium-Anoden. Ein exemplarisches Verfahren beinhaltet die Erzeugung eines bekannten Mangels in einer Lithium-Anode (die gelegentlich auch als Kalibrierungsanode bezeichnet wird). Bei dem bekannten Mangel kann es sich um einen inneren Hohlraum, eine Oberflächendelle oder eine Oberflächenerhebung in oder auf der Lithium-Anode handeln. Eine Kalibrierungselektrode (wie oben beschrieben), welche aus der Lithium-Anode und einem Stromabnehmer besteht, wird von einer Detektionsfläche eines XRF-Detektors aufgenommen. Röntgenstrahlen werden durch die Lithium-Anode in den Stromabnehmer geleitet, und die lokale Intensität der charakteristischen Strahlung vom Stromabnehmer wird in einem Bereich gemessen, in dem der bekannte Mangel liegt. Eine Korrelation zwischen der gemessenen lokalen Intensität der charakteristischen Strahlung und einem oder mehreren Parametern des bekannten Mangels wird ermittelt. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung beinhalten der einzelne oder die mehreren Parameter des bekannten Mangels eine Form, eine Tiefe, eine Position oder eine Größe des bekannten Mangels.
Bei anderen Ausführungsformen wird ein zweiter bekannter Mangel in der Lithium-Anode erzeugt. Die Art des zweiten bekannten Mangels (z. B. Tiefe, Form, Größe usw.) kann sich vom ersten bekannten Mangel unterscheiden. Eine zweite lokale Intensität der charakteristischen Strahlung vom Stromabnehmer in einem zweiten Bereich, in dem der zweite bekannte Mangel liegt, kann in ähnlicher Weise gemessen und verwendet werden, um eine Korrelation zwischen der gemessenen zweiten lokalen Intensität der charakteristischen Strahlung und einem oder mehreren Parametern des zweiten bekannten Mangels zu ermitteln.
Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung wird eine aktive Elektrode (d. h. mit unbekannten Mängeln) von der Detektionsfläche des XRF-Detektors aufgenommen. Die Röntgenstrahlung durch die Lithium-Anode in den Stromabnehmer der aktiven Elektrode und die Intensität der charakteristischen Strahlung vom Stromabnehmer der aktiven Elektrode werden gemessen. Anhand der gemessenen Intensität der charakteristischen Strahlung vom Stromabnehmer in der aktiven Elektrode und der bestimmten Korrelation zwischen der gemessenen lokalen Intensität der charakteristischen Strahlung und einem oder mehreren Parametern des bekannten Mangels in der Kalibrierungselektrode können ein oder mehrere bisher unbekannte Mängel in der Lithium-Anode charakterisiert werden.
Die vorgenannten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der Offenbarung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen klar ersichtlich.
Figurenliste
Weitere Eigenschaften, Vorteile und Einzelheiten sind lediglich exemplarisch in der detaillierten Beschreibung enthalten, die sich auf die folgenden Zeichnungen bezieht:

1 veranschaulicht eine XRF-basierte Charakterisierung einer Lithium-Metall-Anode gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
2 veranschaulicht eine XRF-basierte Charakterisierung von Mängeln in einer Lithium-Metall-Anode gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
3 veranschaulicht eine XRF-basierte Charakterisierung chemischer Verunreinigungen in einer Lithium-Metall-Anode gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
4 ist ein Flussdiagramm gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen und
5 ist ein Flussdiagramm gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich exemplarischer Art und soll nicht dem Zweck dienen, die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendung einzuschränken. Es versteht sich, dass entsprechende Bezugszeichen in den Zeichnungen gleiche Teile und Eigenschaften kennzeichnen.
Elektroden enthalten oft Stromabnehmer, um die elektrischen Energiespeichereigenschaften des integrierten Endgeräts (z. B. einer Batterie) zu ergänzen oder anderweitig zu verbessern. Ein Stromabnehmer besteht in der Regel aus einer Folie aus leitfähigem Material (z. B. Kupfer), an der ein aktives Elektrodenmaterial (z. B. eine metallische Anodenschicht) angebracht ist. Stromabnehmerfolien werden in der Regel durch Kleben und/oder Kalandrieren mit einer Anodenschicht verbunden.
Lithium-Metall wird aufgrund einer Reihe vorteilhafter Eigenschaften auf breiter Basis als vielversprechendes Anodenmaterial für die kommende Generation von Batterien angesehen. Dünne Lithium-Anoden (weniger als etwa 20 µm) besitzen beispielsweise das Potenzial, eine höhere Kapazität und bessere Energiedichten als herkömmliche Anodenmaterialien zu liefern. Eine 5 µm dicke Lithium-Anodenschicht liefert eine Kapazität von 1 mAh/cm² und schneidet damit im Vergleich mit einer Anode auf Graphitbasis mit einer Dicke von 20 µm für dieselbe Kapazität besser ab. Es ist zu beachten, dass die Energiedichte (Kapazität pro Volumeneinheit) mit zunehmender Dicke der Lithium-Anode sinkt.
Leider können die derzeitigen Verfahren zur Herstellung von Batterien die Vorteile dünner Lithium-Anoden nicht vollständig ausschöpfen. Herkömmliche Lithium-Metall-Batterien sind stattdessen auf relativ dicke Lithium-Anoden angewiesen (d. h. mit einer Dicke von mehr als 60 µm), während dünne Lithium-Anoden (d. h. mit einer Dicke von weniger als 20 µm) nur unzureichend charakterisiert sind. Eine Herausforderung bei der Herstellung dünner Lithium-Anoden besteht darin, dass die derzeitigen Charakterisierungsverfahren für dünne Lithium-Anoden auf zerstörenden Probenahmeverfahren beruhen, die langsam (offline) und kostspielig sind (was den Ertrag schmälert). Es werden zerstörende Probenahmeverfahren angewandt, weil zerstörungsfreie online Charakterisierungsverfahren für Lithium aufgrund seiner Adsorptionseigenschaften, die Lithium für Röntgenstrahlen transparent machen, nicht zur Verfügung stehen.
Dennoch werden derzeit Anstrengungen unternommen, um Batterieherstellungsverfahren zu entwickeln, die dünne Lithium-Anoden effektiv nutzen können. Verschiedene Kooperationsgremien und Normen haben begonnen, neue Maßstäbe für Batterien der kommenden Generation anzustreben, die mit herkömmlichen Materialien (z. B. Graphit und dickes Lithium) nicht erreicht werden können. Der Europäische Rat für Forschung und Entwicklung in der Automobilindustrie (EUCAR) fordert, dass die Batterien der kommenden Generation bis 2030 eine Kapazität von 1000 Wh/L liefern sollen, wobei auf Lithium-Metall-Anoden mit einer Dicke von weniger als 20 µm gesetzt werden soll.
Eine oder mehrere Ausführungsformen beheben einzelne oder mehrere der oben beschriebenen Defizite, indem sie die Röntgenfluoreszenz (XRF)-Kartierungen von Stromabnehmern für berührungslose, zerstörungsfreie Inline-Qualitätsprüfungen von dünnen Lithium-Metall-Anoden nutzen. Anstatt den Versuch zu unternehmen, Lithium direkt zu analysieren, charakterisieren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung den betreffenden Stromabnehmer durch die Absorption von charakteristischer Strahlung. Stromabnehmer aus Kupfer können beispielsweise anhand der Absorption der fluoreszierenden charakteristischen L-Schalen-Strahlung charakterisiert werden. Durch die Analyse der Intensität der charakteristischen L-Strahlung vom Stromabnehmer aus Kupfer kann eine Kupfer-Kartierung erstellt werden, die Rückschlüsse auf die Lithiumbeladung (Dicke), Dickenabweichungen und das Vorliegen von Mängeln im Inneren und auf der Oberfläche zulässt. Andere Stromabnehmermetalle können in ähnlicher Weise verwendet werden, indem die jeweilige charakteristische Strahlung gemessen wird.
Die hierin beschriebenen technischen Lösungen ermöglichen eine Reihe von Verbesserungen in der Batterietechnologie. Die Nutzung der Absorption der fluoreszierenden charakteristischen L-Schalen-Strahlung vom Stromabnehmer aus Kupfer ermöglicht es zunächst, die Abweichungen der Lithium-Metalldicke sowie die Lithium-Metallbeladung indirekt zu messen. Diese Verfahren sind zerstörungsfrei, berührungslos und lassen sich leicht in die Inline-Fertigungssysteme von Batterien auf Lithiumbasis integrieren. Da die Röntgenfluoreszenz gegenüber den meisten Elementen (Kohlenstoff und Elemente mit einem höheren spezifischen Gewicht) sensibel ist, können auch zahlreiche chemische Verunreinigungen erfasst werden, ohne dass dafür eine zerstörende Probenahme beim Lithium erforderlich ist. Lithium-Anoden, die gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen hergestellt werden, können dünner sein als herkömmliche Lithium-Anoden, ohne dass die hochskalierbaren Inline-Verfahren beeinträchtigt werden. Dies kann z. B. die effiziente Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation mit hoher Kapazität ermöglichen.
1 veranschaulicht eine XRF-basierte Charakterisierung 100 einer Lithium-Metall-Anode gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Wie in 1 dargestellt, ist eine Lithium-Metall-Anode 102 über einem Stromabnehmer 104 gelagert. Die Lithium-Metall-Anode 102 kann auf den Stromabnehmer 104 geklebt oder anderweitig befestigt werden, wobei bekannte Verfahren wie die Verwendung einer Haftschicht (nicht dargestellt) und/oder das Kalandrieren zum Einsatz kommen. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung handelt es sich bei dem Stromabnehmer 104 um einen Stromabnehmer aus Kupfer.
Die Lithium-Metall-Anode 102 und der Stromabnehmer 104 werden über der Detektionsfläche 106 eines XRF-Detektors 108 bewegt. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung sind die Lithium-Metall-Anode 102 und der Stromabnehmer 104 an Rollen (z. B. Rollen 110 und 112) befestigt, um sie linear zum und durch den XRF-Detektor 108 zu bewegen. Obwohl zur Veranschaulichung und zur Erörterung eine bestimmte Konfiguration für den linearen Transport dargestellt ist, soll für die Anzahl und Anordnung der Rollen keine spezielle Beschränkung gelten.
Darüber hinaus können auch andere lineare Transporttechniken, die nicht auf Rollen basieren, in ähnlicher Weise eingesetzt werden und fallen in den vorgesehenen Umfang der Offenbarung.
Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung ist ein zweiter XRF-Detektor 114 auf einer gegenüberliegenden Seite der Lithium-Metall-Anode 102 und des Stromabnehmers 104 positioniert. In dieser Konfiguration können doppelseitige Anoden (nicht gesondert dargestellt) auf dieselbe Weise charakterisiert werden wie einseitige Anoden (wie dargestellt). Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung werden mehrere XRF-Detektoren rechtwinklig (nicht dargestellt) zur Bewegungsrichtung der Lithium-Metall-Anode 102 und des Stromabnehmers 104 angeordnet. Diese Konfiguration kann verwendet werden, um die Dickenabweichung von Kante zu Kante zu prüfen.
Wie in der detaillierten Querschnittsansicht X aus 1 dargestellt, lässt der XRF-Detektor 108 (und der XRF-Detektor 114, sofern vorhanden) Röntgenstrahlen 116 durch die Lithium-Metall-Anode 102 in den Stromabnehmer 104 eindringen. Wie bereits erwähnt, ist die Durchlässigkeit gewährleistet, da Lithium für Röntgenstrahlen transparent ist. Ein Teil der Röntgenstrahlen 116 wird in der Oberfläche des Stromabnehmers 104 absorbiert und fluoresziert als charakteristische L-Strahlung 118 (im Falle eines Stromabnehmers aus Kupfer als charakteristische Kupfer-L-Strahlung). Die Intensität der vom Stromabnehmer 104 zurückkehrenden charakteristischen L-Strahlung 118 wird dann von den XRF-Detektoren 108/114 erfasst. Es ist zu beachten, dass der Stromabnehmer 104 nicht auf Kupfer beschränkt ist; für andere Materialien wie Nickel und Edelstahl (Fe, Cr und/oder Ni) kann die jeweilige L-Strahlung in vergleichbarer Weise genutzt werden.
Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung wird die Intensität der zurückkehrenden charakteristischen L-Strahlung 118 aus verschiedenen Bereichen des Stromabnehmers 104 analysiert, um eine Kupfer-Kartierung 120 zu erstellen. Die Kupfer-Kartierung 120 enthält sowohl Regionen mit relativ hoher Intensität (z. B. Regionen 122) als auch Regionen mit relativ niedriger Intensität (z. B. Regionen 124). Zur besseren Veranschaulichung und Erörterung werden nur zwei Intensitätsabstufungen dargestellt, wobei die Anzahl und die relativen Unterschiede zwischen den Intensitätsabstufungen keinen speziellen Beschränkungen unterliegen. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung wird die Intensität der charakteristischen L-Strahlung über eine beliebig große Anzahl von Abstufungen gemessen, um beliebig weiche Übergänge von Bereichen mit höherer Intensität zu Bereichen mit niedrigerer Intensität (und umgekehrt) zu schaffen.
Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung wird die Kupfer-Kartierung 120 genutzt, um auf die Beladung und die Dickenabweichung der Lithium-Metall-Anode 102 zu schließen. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung wird die zurückkehrende charakteristische L-Strahlung 118 aus einem lokalen Bereich „R1“ (definiert z. B. unter Verwendung von Top-Down-Koordinaten oder eines anderen bevorzugten Systems mit fest definiertem Ursprung) des Stromabnehmers 104 mit der Dicke der Lithium-Metall-Anode 102 bei „R1“ (d. h. direkt über demselben Bereich des darunter liegenden Stromabnehmers 104) gemäß der folgenden Formel (1) korreliert: $t = ln (I_{0} / I) * sin (β) * {(μ / ρ)}^{- 1}$
wobei „t“ die Lithium-Metalldicke, „I₀“ der Ausgangswert der Kupfer-L-Intensität ohne Beschichtung (ohne Lithium, experimentell vorgegeben), „I“ die beobachtete Kupfer-L-Intensität, „β“ der Detektorwinkel und „(µ/ρ)“ der Massenabsorptionskoeffizient für Lithium ist.
Bei der Formel (1) ist zu beachten, dass I₀, β und (µ/ρ) für eine bestimmte Anwendung festgelegt sind. Folglich können die bei der Kupfer-Kartierung 120 gemessenen Kupfer-L-Intensitäten („I“) zur Charakterisierung der Lithiumdicke („t“) auf der Oberfläche der Lithium-Metall-Anode 102 verwendet werden. Ferner ist zu beachten, dass höhere Kupferintensitäten dünneren Lithiummessungen und niedrigere Kupferintensitäten dickeren Lithiummessungen entsprechen, da „I“ in der zuvor beschriebenen Formel ein Divisor ist.
Sobald die Dickenverteilung des Lithiums aus der Kupfer-Kartierung 120 bestimmt ist, können die Dickenabweichungen vorteilhafterweise über der Oberfläche des Lithiums leicht bestimmt werden. Darüber hinaus muss die Charakterisierung der Lithiumdicke und der Dickenabweichung nicht schubweise erfolgen. Stattdessen kann eine kontinuierliche oder nahezu kontinuierliche Lithium-Charakterisierung durchgeführt werden, indem die Lithium-Metall-Anode 102 über der Detektionsfläche 106 des XRF-Detektors 108 (und des XRF-Detektors 114, falls vorhanden) bewegt wird.
2 veranschaulicht eine XRF-basierte Charakterisierung 200 von Mängeln in einer Lithium-Metall-Anode 102 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Wie in 2A dargestellt, weist die Lithium-Metall-Anode 102 einen oder mehrere Mängel 202 auf. Wie in der Querschnittsansicht X von 2B („X-Ansicht“) dargestellt, umfassen die Mängel 202 innere Hohlräume 204, Oberflächendellen 206 und Oberflächenerhebungen 208, wobei auch andere Mängel in den vorgesehenen Umfang der Erfindung fallen. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung entstehen die Mängel 202 unbeabsichtigt während der vorgelagerten Batterieherstellungsprozesse. Alternativ oder zusätzlich können einzelne oder mehrere Mängel 202 zur Prüfung und/oder Kalibrierung der XRF-basierten Charakterisierung 200 absichtlich verursacht werden.
Die Lithium-Metall-Anode 102 und ein darunter liegender Stromabnehmer 104 können gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen über eine Detektionsfläche eines oder mehrerer XRF-Detektoren (nicht separat dargestellt) bewegt werden. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung leiten die XRF-Detektoren Röntgenstrahlen durch die Lithium-Metall-Anode 102 in den Stromabnehmer 104. Wie bereits erörtert, kann die Intensität der zurückkehrenden charakteristischen L-Strahlung gemessen und als Grundlage für die Erstellung einer Kupfer-Kartierung 120 verwendet werden.
Wie in 2C dargestellt, führen die inneren Hohlräume 204 und die Oberflächenerhebungen 206 zu relativ hohen lokalen Intensitäten 210, da weniger Lithium zwischen dem Detektor und dem Stromabnehmer 104 vorhanden ist. Umgekehrt führen die Oberflächenerhebungen 208 zu relativ niedrigen lokalen Intensitäten 212, da mehr Lithium zwischen dem Detektor und dem Stromabnehmer 104 vorhanden ist. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung werden in der Lithium-Metall-Anode 102 absichtlich verschiedene Mängel 202 mit unterschiedlichen Eigenschaften (Tiefe, Lage, Größe usw.) erzeugt, so dass die resultierenden lokalen Intensitäten, die den betreffenden Bereichen entsprechen, gemessen und in einer Referenzdatenbank (nicht dargestellt) gespeichert werden können. Auf diese Weise kann die relative Stärke (oder Schwäche) der zurückkehrenden charakteristischen L-Strahlung verwendet werden, um auf die Eigenschaften (Tiefe, Lage, Ausmaß usw.) echter (unbeabsichtigter) Lithiummängel in späteren Verfahren zu schließen (wie in Bezug auf 1 beschrieben).
3 veranschaulicht eine XRF-basierte Charakterisierung 300 von chemischen Verunreinigungen in einer Lithium-Metall-Anode 102 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Wie in 3 dargestellt, enthält die Lithium-Metall-Anode 102 eine oder mehrere chemische Verunreinigungen 302. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung umfassen die chemischen Verunreinigungen 302 verschiedene schwere Elemente (z. B. Nickel, Mangan, Kobalt usw.), obwohl auch andere Verunreinigungen in den vorgesehenen Anwendungsbereich der Erfindung fallen. Als „schweres“ Element wird hierin jedes Element bezeichnet, dessen spezifisches Gewicht dem des Kohlenstoffs entspricht oder darüber liegt.
Vorteilhafterweise sind XRF-basierte Kartierungen, die gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen erzeugt werden, sensibel für Elemente mit einem hohen spezifischen Gewicht, was diese Techniken für den Nachweis chemischer Verunreinigungen nützlich macht. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung wird die von den chemischen Verunreinigungen zurückkehrende charakteristische Strahlung für einzelne oder mehrere Elemente 302 erfasst und verwendet, um bestimmte chemische Verunreinigungen elementspezifisch zu kartieren (z. B. in 3, die Kartierungen 304a, 304b und 304c, entsprechen jeweils Nickel, Mangan und Kobalt).
Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung entstehen die chemischen Verunreinigungen 302 versehentlich während der vorgelagerten Batterieherstellungsprozesse oder dringen versehentlich ein. So können beispielsweise bei der Anodenherstellung verunreinigende Stäube eindringen. Alternativ oder zusätzlich können die chemischen Verunreinigungen 302 absichtlich zur Prüfung und/oder Kalibrierung der XRF-basierten Charakterisierung 300 verursacht werden.
Die Lithium-Metall-Anode 102 und ein darunter liegender Stromabnehmer 104 können gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen über einer Detektionsfläche eines oder mehrerer XRF-Detektoren (nicht separat dargestellt) bewegt werden. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung leiten die XRF-Detektoren Röntgenstrahlen durch die Lithium-Metall-Anode 102 in den Stromabnehmer 104. Verschiedene Kartierungen chemischer Verunreinigungen können in ähnlicher Weise wie bereits in Bezug auf 1 erörtert erstellt werden, (d. h. die Intensität der zurückkommenden charakteristischen Strahlung kann gemessen und als Grundlage für die Erstellung künftiger Kartierungen verwendet werden).
Unter nun folgender Bezugnahme auf 4 wird ein Flussdiagramm 400 zur Nutzung einer Röntgenfluoreszenz (XRF)-Kartierung von Stromabnehmern aus Kupfer für die berührungslose Inline-Qualitätsprüfung von dünnen Lithium-Metall-Anoden gemäß einer Ausführungsform allgemein gezeigt. Das Flussdiagramm 400 wird unter Bezugnahme auf die 1-3 beschrieben und kann weitere Schritte umfassen, die in 4 nicht dargestellt sind. Die in 4 dargestellten Blöcke sind zwar in einer bestimmten Reihenfolge abgebildet, können allerdings neu geordnet, unterteilt und/oder kombiniert werden.
In Block 402 wird eine Elektrode von der Detektionsfläche eines XRF-Detektors aufgenommen. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung beinhaltet die Elektrode die Lithium-Anode, die auf der Oberfläche eines Stromabnehmers angebracht (angeklebt) ist. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung handelt es sich bei der Lithium-Anode um eine dünne Lithium-Anode mit einer Dicke von weniger als 20 µm. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung erfolgt die kontinuierliche oder nahezu kontinuierliche Charakterisierung der Lithium-Anode durch kontinuierliches Bewegen der Lithium-Metall-Anode über der Detektionsfläche des XRF-Detektors.
In Block 404 werden Röntgenstrahlen durch die Lithium-Anode in den Stromabnehmer geleitet. In Block 406 wird die Intensität der charakteristischen Strahlung vom Stromabnehmer am XRF-Detektor gemessen. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung handelt es sich bei dem Stromabnehmer um einen Stromabnehmer aus Kupfer und die charakteristische Strahlung ist eine fluoreszierende charakteristische L-Schalen-Strahlung.
In Block 408 wird auf der Grundlage der gemessenen Intensität der charakteristischen Strahlung vom Stromabnehmer eine Lithium-Anode charakterisiert. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst die Charakterisierung der Lithium-Anode eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften: Lithiumdicke, Dickenabweichung des Lithiums, Vorliegen eines Oberflächenfehlers und Vorliegen eines inneren Fehlers. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung erfolgt die Charakterisierung der Lithium-Anode in Form eines berührungslosen, zerstörungsfreien Inline-Verfahrens.
Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung beinhaltet die Bestimmung der Eigenschaften einer Lithium-Anode die Korrelation der gemessenen Intensität der charakteristischen Strahlung mit einer Lithiumdicke gemäß der Formel t = ln(Io/I)*sin(β)*(µ/ρ)-1, wobei t die Lithiumdicke ist, I₀ eine Ausgangsintensität ohne Lithiumbeschichtung, I die gemessene Intensität, β ein Detektorwinkel und (µ/ρ) der Massenabsorptionskoeffizient für Lithium ist.
Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung wird eine zweite Intensität einer zweiten charakteristischen Strahlung gemessen. Die zweite Intensität kann mit dem XRF-Detektor oder einem anderen XRF-Detektor gemessen werden. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung wird eine chemische Verunreinigung auf der Grundlage der gemessenen zweiten Intensität der zweiten charakteristischen Strahlung vom Stromabnehmer charakterisiert. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung können sich Verunreinigungen in der Lithiumbeschichtung befinden, so dass die charakteristische Strahlung der Verunreinigungen nicht unbedingt vom Stromabnehmer ausgeht.
Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung kann ein zweiter XRF-Detektor auf einer dem XRF-Detektor gegenüberliegenden Oberfläche der Lithium-Anode positioniert werden, um die Anode beidseitig zu charakterisieren. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung können mehrere zweite XRF-Detektoren auf derselben Seite der Lithium-Anode positioniert werden, um die Abweichung von Kante zu Kante zu charakterisieren.
Unter nun folgender Bezugnahme auf 5 wird ein Flussdiagramm 500 zur Charakterisierung von Mängeln in Lithium-Anoden gemäß einer Ausführungsform allgemein dargestellt. Das Flussdiagramm 500 wird unter Bezugnahme auf die 1-3 beschrieben und kann weitere Schritte umfassen, die in 5 nicht dargestellt sind. Die in 5 dargestellten Blöcke sind zwar in einer bestimmten Reihenfolge abgebildet, können allerdings neu geordnet, unterteilt und/oder kombiniert werden.
In Block 502 wird ein bekannter Mangel in einer Referenz-Lithium-Anode erzeugt. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst der bekannte Mangel einen inneren Hohlraum, eine Oberflächendelle oder eine Oberflächenerhebung in der Referenz-Lithium-Anode.
In Block 504 wird eine Kalibrierungselektrode, welche die Referenz-Lithium-Anode enthält, an einer Detektionsfläche eines XRF-Detektors aufgenommen.
In Block 506 werden Röntgenstrahlen durch die Referenz-Lithium-Anode in den Stromabnehmer geleitet. In Block 508 wird eine lokale Intensität der charakteristischen Strahlung vom Stromabnehmer in einem Bereich gemessen, in dem der bekannte Mangel vorliegt.
In Block 510 wird eine Korrelation zwischen der gemessenen lokalen Intensität und einem oder mehreren Parametern des bekannten Mangels ermittelt. Zu den Parametern können zum Beispiel Form, Tiefe, Lage oder Größe des bekannten Mangels gehören.
Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung wird ein zweiter bekannter Mangel in der Lithium-Anode erzeugt, der andere Merkmale (z. B. Tiefe, Form, Größe usw.) als der (erste) bekannte Mangel aufweist. Eine zweite lokale Intensität der charakteristischen Strahlung vom Stromabnehmer in einem zweiten Bereich, in dem der zweite bekannte Mangel vorliegt, kann auf ähnliche Weise gemessen und zur Ermittlung einer Korrelation zwischen der gemessenen zweiten lokalen Intensität und einem oder mehreren Parametern des zweiten bekannten Mangels verwendet werden.
Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung wird eine aktive Elektrode (d. h. mit unbekannten Mängeln) von der Detektionsfläche des XRF-Detektors aufgenommen. Die Röntgenstrahlung durch die Lithium-Anode in den Stromabnehmer der aktiven Elektrode und die Intensität der charakteristischen Strahlung vom Stromabnehmer der aktiven Elektrode werden gemessen. Anhand der gemessenen Intensität der charakteristischen Strahlung vom Stromabnehmer in der aktiven Elektrode und der ermittelten Korrelation zwischen der gemessenen lokalen Intensität und einem oder mehreren Parametern des bekannten Mangels in der Kalibrierungselektrode können ein oder mehrere bisher unbekannte Mängel in der Lithium-Anode der aktiven Elektrode charakterisiert werden.
Obwohl die obige Offenbarung unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, wird der Fachmann verstehen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und gleichwertige Elemente ersetzt werden können, ohne von ihrem Umfang abzuweichen. Darüber hinaus können zahlreiche Änderungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Umfang abzuweichen. Daher ist vorgesehen, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die besonderen offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern alle Ausführungsformen einschließt, die in ihren Umfang fallen.

Claims

Verfahren zur Charakterisierung einer Lithium-Anode, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Aufnahme einer Elektrode an einer Detektionsfläche eines Röntgenfluoreszenz (XRF)-Detektors, wobei die Elektrode die Lithium-Anode auf einer Oberfläche eines Stromabnehmers beinhaltet; Leitung von Röntgenstrahlen durch die Lithium-Anode in den Stromabnehmer; Messung der Intensität der charakteristischen Strahlung vom Stromabnehmer am XRF-Detektor; und Bestimmung der Eigenschaften einer Lithium-Anode auf Grundlage der gemessenen Intensität der charakteristischen Strahlung vom Stromabnehmer.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Eigenschaften der Lithium-Anode eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen: Lithiumdicke, Dickenabweichung des Lithiums, Vorliegen eines Oberflächenfehlers und Vorliegen eines inneren Fehlers.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bestimmung der Eigenschaft einer Lithium-Anode das Korrelieren der gemessenen Intensität der charakteristischen Strahlung mit einer Lithiumdicke gemäß der Formel t = ln(Io/I)*sin(β)*(µ/ρ)-1 umfasst, wobei t die Lithiumdicke ist, I₀ eine Ausgangsintensität ohne Lithiumbeschichtung, I die gemessene Intensität der charakteristischen Strahlung , β ein Detektorwinkel und (µ/ρ) der Massenabsorptionskoeffizient für Lithium ist;
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Lithium-Anode eine dünne Lithium-Anode mit einer Dicke von weniger als 20 µm ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Stromabnehmer ein Stromabnehmer aus Kupfer ist und die charakteristische Strahlung eine fluoreszierende charakteristische L-Schalen-Strahlung ist.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner umfassend die Messung einer zweiten Intensität einer zweiten charakteristischen Strahlung am XRF-Detektor.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend die Charakterisierung des Vorliegens einer chemischen Verunreinigung auf der Grundlage der gemessenen zweiten Intensität der zweiten charakteristischen Strahlung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Charakterisierung der Lithium-Anode ein berührungsloses, zerstörungsfreies Inline-Verfahren beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die kontinuierliche oder nahezu kontinuierliche Charakterisierung der Lithium-Anode durch Bewegen der Lithium-Anode über der Detektionsfläche des XRF-Detektors erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend die Positionierung eines zweiten XRF-Detektors auf einer dem XRF-Detektor gegenüberliegenden Oberfläche der Lithium-Anode.