DE112013007451T5

DE112013007451T5 - Herstellung von Lithium-Sekundärbatterieelektroden unter Verwendung eines atmosphärischen Plasmas

Info

Publication number: DE112013007451T5
Application number: DE112013007451.6T
Authority: DE
Inventors: Xiaohong Q. Gayden
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-10-16
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2016-06-16
Also published as: US20160254533A1; CN106688125A; WO2015054848A1

Abstract

Die Herstellung von Elektrodenelementen für elektrochemische Lithiumionenzellen und -batterien ist unter Verwendung eines atmosphärischen Plasmastromes beim Mitführen, Erwärmen und Führen von Stromkollektor- und Elektrodenmaterialien zur Abscheidung an dünnlagigen Substraten effizienter. Partikel aus leitenden Metallen werden in dem Plasma erhitzt und teilweise geschmolzen und als Stromkollektorfilme für aktive Elektroden (und Referenzelektroden) bei relativ geringen Temperaturen (< 100°C) an Separatorlagen abgeschieden. Partikel aus Lithiumionen aufnehmenden und freisetzenden Elektrodenmaterialien sind mit kleineren Abschnitten von leitenden Metallen für Plasmaerwärmung und -abscheidung an Stromkollektorschichten bei der Bildung positiver und negativer Elektroden für Lithiumionenzellen kombiniert. Ein derartiger Gebrauch des atmosphärischen Plasmas vermeidet den Bedarf nach der Verwendung organischer Binder oder nach Nassabscheidungstechniken bei der Elektrodenschichtherstellung und ermöglicht die Abscheidung dickerer Schichten von aktiven Elektrodenmaterialien mit geringerer Spannung für eine höhere Zellenkapazität und -leistung.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft Verfahren zum Formen von Dünnschichten aus Elektrodenmaterialien auf einer Zellenelementfläche bei der Herstellung von Zellenkomponenten und den Zusammenbau der Komponenten in Zellen für Lithiumbatterien, wie Lithiumionenbatterien oder Lithium-Schwefel-Batterien. Genauer betrifft diese Offenbarung die Verwendung eines atmosphärischen Plasmas bei der Abscheidung von Schichten von Stromkollektorfilmen, Arbeitselektrodenmaterialien sowie Referenzelektrodenmaterialien bei der Herstellung derartiger Zellen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Baugruppen von Lithiumionenbatteriezellen finden zunehmend Anwendung bei der Bereitstellung von Antriebsleistung für Kraftfahrzeuge. Lithium-Schwefel-Zellen sind ebenfalls Kandidaten für solche Anwendungen. Jede Lithiumionenzelle der Batterie ist in der Lage, ein elektrisches Potential von etwa drei bis vier Volt und einen elektrischen Gleichstrom basierend auf der Zusammensetzung und Masse der Elektrodenmaterialien in der Zelle bereitzustellen. Die Zelle ist zum Entladen und Aufladen über viele Zyklen in der Lage. Eine Batterie wird für eine Anwendung durch Kombination einer geeigneten Anzahl einzelner Zellen in einer Kombination aus elektrischen parallelen und seriellen Verbindungen zusammengebaut, um Spannungs- und Stromanforderungen für einen spezifizierten elektrischen Motor zu erfüllen. Bei einer Lithiumionenbatterieanwendung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug kann die zusammengebaute Batterie beispielsweise bis zu dreihundert einzeln gepackte Zellen umfassen, die elektrisch miteinander verschaltet sind, um vierzig bis vierhundert Volt und ausreichend elektrische Leistung für einen elektrischen Traktionsmotor zum Antrieb eines Fahrzeugs bereitzustellen. Der Gleichstrom, der von der Batterie erzeugt wird, kann für einen effizienteren Motorbetrieb in einen Wechselstrom umgewandelt werden.
Die Batterien können als die ausschließliche Antriebsleistungsquelle für elektromotorbetriebene Elektrofahrzeuge oder als eine Zusatzleistungsquelle bei verschiedenen Typen von Hybridfahrzeugen verwendet werden, die durch eine Kombination eines oder mehrerer Elektromotoren und einer kohlenwasserstoffbetriebenen Kraftmaschine angetrieben sind. Es besteht der Bedarf, die Kosten zur Erzeugung der jeweiligen Elemente jeder elektrochemischen Lithiumionenzelle zu reduzieren.
Bei diesen Kraftfahrzeuganwendungen umfasst jede Lithiumionenzelle typischerweise eine negative Elektrodenschicht (Anode, während Zellenentladung), eine positive Elektrodenschicht (Kathode, während Zellenentladung), eine dünne poröse Separatorschicht, die in flächig zugewandtem Kontakt zwischen parallel zueinander weisenden Elektrodenschichten angeordnet ist, sowie eine flüssige, lithiumhaltige Elektrolytlösung, die die Poren eines Separators füllt und mit den zugewandten Flächen der Elektrodenschichten zum Transport von Lithiumionen während wiederholter Zyklen zum Entladen und Laden der Zelle in Kontakt stehen. Jede Elektrode ist so hergestellt, dass sie eine Schicht eines Elektrodenmaterials enthält, das typischerweise auf einer Dünnschicht aus einem Metallstromkollektor abgeschieden ist.
Beispielsweise ist das Material der negativen Elektrode durch Abscheiden einer Dünnschicht aus Graphitpartikeln, die oftmals mit leitendem Ruß gemischt sind, und einem geeigneten Polymerbinder auf einer oder beiden Seiten einer dünnen Folie aus Kupfer geformt worden, die als der Stromkollektor für die negative Elektrode dient. Die positive Elektrode umfasst ebenfalls eine Dünnschicht aus harzgebundener poröser partikulärer Lithiummetalloxidzusammensetzung, die an eine dünne Folie aus Aluminium angebunden ist, die als der Stromkollektor für die positive Elektrode dient. Somit sind die jeweiligen Elektroden durch Dispergieren von Gemischen der jeweiligen Binder und aktiven Partikelmaterialien in einer geeigneten Flüssigkeit, Abscheiden des Nass-Gemisches als eine Schicht mit gesteuerter Dicke auf der Fläche einer Stromkollektorfolie und Trocknen, Pressen und Fixieren der harzgebundenen Elektrodenpartikel an ihre jeweiligen Stromkollektorflächen hergestellt worden. Die positiven und negativen Elektroden können an Stromkollektorlagen mit einer geeigneten Fläche und Formgebung ausgebildet und für den Zusammenbau in Lithiumionenzellenbehälter mit geeigneten porösen Separatoren und einem flüssigen Elektrolyt zugeschnitten (falls notwendig), und gefaltet und anderweitig geformt werden. Jedoch erfordert eine derartige Verarbeitung der Nass-Gemische von Elektrodenmaterialien eine längere Herstellzeit. Und die Dicke der jeweiligen Schichten aus aktivem Material (was die elektrische Kapazität der Zelle begrenzt) ist während des Trocknens des Elektrodenmaterials auf eine minimale Restspannung minimiert.
Eine Lithiumionenzelle oder eine Gruppe derartiger Zellen kann auch das Einsetzen einer Referenzelektrodenschicht oder -zelle erfordern, die zur Verwendung bei der Bewertung der Leistungsfähigkeit der Zelle während ihres wiederholten Entlade/Ladezyklusverlaufs zusammengesetzt ist. Referenzelektrodenmaterialien werden entweder unter Verwendung leitender Metalldrähte, wie Kupfer, oder durch Verwendung Nass-Dispersionen aus Referenzelektrodenpartikeln, leitenden Materialien und Bindermaterialien hergestellt.
Die Herstellung und Abscheidung der Nass-Gemische aus Elektrodenmaterialien an Stromkollektorfolien wird nun als zeitaufwendig, die Zellenkapazität begrenzend sowie kostenintensiv betrachtet. Es sei zu erkennen, dass ein Bedarf nach einer einfacheren und effizienteren Vorgehensweise zur Herstellung von Schichten aus Elektrodenmaterialien für Lithiumionenbatterien besteht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß Ausführungsformen dieser Erfindung werden Partikel aus Materialien zur Verwendung in Lithiumionenzellenelektrodenstrukturen an einer gewählten Substratfläche für die Elektrodenstruktur unter Verwendung einer Quelle für atmosphärisches Plasma abgeschieden und angebunden. Wie weiter unten in dieser Beschreibung beschrieben ist, bestehen die Partikel aus einem oder mehreren aus Silizium, Siliziumlegierungen, SiOx, Li-Si-Legierungen, Graphit und Lithiumtitanat, die zur Verwendung als das aktive Elektrodenmaterial für die Anode (negative Elektrode) der Lithiumionenzelle gewählt sind. Die Partikel sind mit einem leitenden Metall beschichtet oder gemischt, wie Aluminium, Kupfer, Kupferlegierungen, Zinn, Zinnlegierungen oder anderen. Die Beschichtung des leitenden Metalls (oder gemischte Partikel aus leitendem Metall) ist in einer Menge gewählt und verwendet, um in dem atmosphärischen Plasma teilweise zu schmelzen und die Elektrodenmaterialpartikel an eine Stromkollektorfolie für eine Lithiumionenzelle oder an eine poröse Separatorschicht für die Zelle anzubinden. Bei Wiederverfestigung verbinden die leitenden Metallverbindungen die Elektrodenmaterialpartikel miteinander in einer porösen Schicht und mit einem darunterliegenden Stromkollektorsubstrat. Der leitende Metallbestandteil wird in einer Menge verwendet, um die Partikel des aktiven Elektrodenmaterials sicher an das Zellenelementsubstrat als eine poröse Schicht anzubinden, die mit einem flüssigen Elektrolyt zur Verwendung in einer zusammengebauten Lithiumionenzelle infiltriert sein kann. Typischerweise kann das leitende Metall in einer Menge von bis zu etwa dreißig Gewichtsprozent des bzw. der Bestandteile des aktiven Materials verwendet werden. Gemäß Ausführungsformen dieser Erfindung besteht die leitende Metall/Partikelzusammensetzung ausschließlich aus solchem aktiven Material für die Elektrode und ist frei von jeglichem flüssigem Träger oder organischem Bindermaterial.
Bei vielen Ausführungsformen der Erfindung wird das negative Elektrodenmaterial an einer dünnen Kupferfolie als das Substrat abgeschieden, und die Materialpartikel für die Anode können mit Kupfer beschichtet oder mit Kupferpartikeln gemischt sein. Ähnlicherweise und separat können Partikel von Materialien der positiven Elektrode, wie Lithium-Mangan-Oxid, Lithium-Nickel-Oxid und/oder Lithium-Kobalt-Oxid mit Aluminium beschichtet (oder mit Aluminiumpartikeln gemischt) und unter Verwendung des atmosphärischen Plasmas an einer dünnen Aluminiumfolie als das Stromkollektorsubstrat abgeschieden werden.
Elektrodenmaterial/Leiterpartikel mit geeigneter Mikrometergröße werden (beispielsweise) durch Schwerkraft in einen Gasstrom, wie einen Luftstrom oder einen Strom aus Stickstoff oder einem Inertgas, zugeführt oder geliefert, der in einem stromaufwärtigen rohrförmigen Lieferrohr eines Generators für atmosphärisches Plasma strömt. Wie angemerkt ist, können die Partikel beispielsweise aus kupferbeschichteten siliziumhaltigen Partikeln zum Formen einer Anodenschicht für eine Lithiumionenzelle bestehen. Oder ein Gemisch aus Kupferpartikeln und siliziumhaltigen Partikeln kann in den Gasstrom geführt werden. Die Partikel sind in dem Gasstrom dispergiert und werden in die Düse des Plasmagenerators getragen, wo die strömenden Gasmoleküle durch eine geeignete elektrische Entladung an dem Düsenauslass augenblicklich in Plasma umgewandelt werden. Das Plasma heizt die sich bewegenden dispergierten Partikel, um die metallischen Partikel und/oder die metallische Beschichtung des elektrischen Leiters zu erweichen und teilweise zu schmelzen.
Der atmosphärische Plasmastrom wird gegen die Substratfläche beispielsweise in einem geeigneten Anströmpfad geführt, um so das aktive Elektrodenmaterial als eine poröse Schicht aus leitenden metallgebundenen Partikeln abzuscheiden, die an dem zusammenwirkenden Metallfoliensubstrat anhaften. Eines oder beide des Plasmas und des Substrats können während der Abscheidung des aktiven Elektrodenmaterials in Bewegung sein. Bei vielen Anwendungen des Prozesses wird die Schicht in einem oder mehreren Beschichtungsschritten mit einer gesamten gleichförmigen Dicke von bis zu etwa 200 Mikrometer abgeschieden. Die Dicke der Abscheidung aus aktivem Elektrodenmaterial hängt gewöhnlich von der beabsichtigten elektrischen Erzeugungskapazität der Zelle ab.
Manchmal können die aktiven Elektrodenmaterialien für Lithiumionenzellen so zusammengesetzt sein, dass sie zwei oder mehr Bestandteile enthalten. Beispielsweise kann das Material der negativen Elektrode aus einem Gemisch aus Silizium und anderen Partikeln bestehen, und das Material der positiven Elektrode kann ein Gemisch aus Lithiummetalloxidverbindungen enthalten. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung können Komponentenbestandteile eines aktiven Elektrodenmaterials an einen Generator für atmosphärisches Plasma geliefert werden, so dass die aufgebrachte Beschichtung aus aktivem Elektrodenmaterial über ihre Dicke eine gleichförmige Zusammensetzung aufweist, oder eine Elektrodenzusammensetzung, die über ihre Dicke im Mikrometermaßstab variiert wird. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist es zur Herstellung von Metallfolien geträgerten Elektrodenkörpern oftmals bevorzugt, das Elektrodenmaterial als eine Schicht mit einer geeigneten Porosität zur Infiltration der Schicht durch den lithiumhaltigen Elektrolyten im Betrieb der zusammengebauten Zelle abzuscheiden. Wenn die fertiggestellte Beschichtungsschicht aus zwei oder mehr plasmaabgeschiedenen Schichten aufgebaut ist, können die einzelnen Schichten hinsichtlich Zusammensetzung, Porosität und/oder Morphologie des abgeschiedenen Materials variieren. Die Elektroden funktionieren bei geeignetem Kontakt des Elektrodenmaterials durch den Elektrolyt und Lithiumübertragung in und von jeder Elektrode während des Zyklusverlaufs der Zelle.
Das Verfahren mit atmosphärischem Plasma kann auch bei der Herstellung eines Stromkollektorfilms an der Fläche einer Elektrodenschicht verwendet werden, die von einer porösen Separatormembran geträgert ist. Bei dieser Ausführungsform können (beispielsweise) Kupfer-, Aluminium-, Zinn- oder Zinnlegierungspartikel in einer gewünschten Schicht mit relativ geringer Porosität unter Verwendung des beschriebenen atmosphärischen Plasmas abgeschieden werden.
Bei einer anderen Ausführungsform kann das atmosphärische Plasma verwendet werden, um Referenzelektrodenschichten zur Verwendung bei der Kombination mit arbeitenden Zellen einer Lithiumionenbatterie zu bilden. Bei dieser Ausführungsform wird das Plasmaverfahren verwendet, um (beispielsweise) eine dichte Kupferleiterschicht auf einer Fläche eines dünnen porösen Separatorelements als Substrat abzuscheiden. Eine entfernbare gemusterte Maskierung kann verwendet werden, um die Ausbildung eines dünnen schmalen Kupfer- oder Aluminiumleiterstreifens an dem Separator zu definieren. Beispielsweise kann der Leiterstreifen eine Dicke von etwa zehn Mikrometer und eine Breite von fünf bis fünfzehn Mikrometer sowie eine Länge von etwa fünf Millimetern aufweisen. Nach Entfernung der Maskierung und der Befestigung einer Metallleiterlasche an dem abgeschiedenen Metall kann der beschichtete Separator in einer Baugruppe von arbeitenden Zellenelementschichten platziert werden, die so angeordnet sind, um als eine Referenzelektrode zu dienen. Lithiummetall wird dann elektrochemisch an der Leiterschicht von Arbeitselektroden in dem Zusammenbau abgeschieden, um die Ausbildung einer Referenzelektrode zu vervollständigen und damit die Leistungsfähigkeit der Zellenbaugruppe zu verfolgen.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Umgebungsbedingungen und ohne Vorheizen entweder der Substratschicht oder der festen Partikel, die an den Generator für atmosphärisches Plasma geliefert werden, durchgeführt werden. Obwohl die Beschichtungspartikel in dem atmosphärischen Plasma unverzüglich erhitzt werden, werden sie an dem Substratmaterial typischerweise ohne Erwärmung des Substrats auf eine Temperatur in der Höhe von 150°C abgeschieden.
Andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus den weiteren Darstellungen der Ausführungsbeispiele der Erfindung in den folgenden Teilen dieser Beschreibung offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine vergrößerte schematische Darstellung der Anoden-, Separator- und Kathodenelemente einer Lithiumionenzelle, die eine Anode und eine Kathode zeigt, die jeweils aus einem Metallstromkollektor, der eine Schicht aus abgeschiedenem leitendem Metall / aktivem Elektrodenmaterial trägt, das gemäß dem Prozess zur atmosphärischen Plasmaabscheidung dieser Erfindung ausgebildet ist.
2 ist eine schematische Darstellung, die ein Pulverliefersystem sowie eine Düse für atmosphärisches Plasma zeigt, die eine Schicht aus leitendem Metall / aktivem Elektrodenmaterial auf eine metallische Stromkollektorfolie aufbringt.
3 ist eine schematische Darstellung der Ausbildung eines Kupferleiterfilms auf einer porösen Separatormembran als ein erster Schritt bei der Bildung einer Referenzelektrode zur Verwendung in Kombination mit einer Zelle einer Lithiumionenbatterie.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein aktives Lithiumionenzellenmaterial ist ein Element oder eine Verbindung, das/die beim Entlade- und Ladezyklusverlauf der Zelle Lithiumionen aufnimmt oder einlagert oder Lithiumionen freisetzt oder abgibt. Einige wenige Beispiele geeigneter Elektrodenmaterialien für die negative Elektrode einer Lithiumionenzelle sind Graphit, Silizium, Legierungen aus Silizium mit Lithium oder Zinn, Siliziumoxiden (SiOx) sowie Lithiumtitanat. Beispiele von Materialien für die positive Elektrode umfassen Lithiummanganoxid, Lithiumnickeloxid, Lithiumkobaltoxid sowie andere Lithiummetalloxide. Andere Materialien sind bekannt und kommerziell verfügbar. Ein oder mehrere dieser Materialien können in einer Elektrodenschicht verwendet werden. Gemäß den Ausführungsbeispielen dieser Erfindung, wie in dieser Beschreibung weiter unten detailliert beschrieben ist, liegen die jeweiligen Elektrodenmaterialien anfänglich in der Form von Partikeln mit Submikrometer- bis Mikrometergröße, im Bereich von einigen zehn Nanometer bis einigen zehn Mikrometer, vor, die entweder mit einem dünnen Film eines leitenden Metalls beschichtet oder mit Partikeln aus leitendem Metall gemischt sind.
1 ist eine vergrößerte schematische Darstellung einer beabstandeten Baugruppe 10 aus drei festen Elementen einer elektrochemischen Lithiumionenzelle. Die drei festen Elemente sind bei dieser Darstellung beabstandet, um ihren Aufbau besser zu zeigen. Die Darstellung weist keine Elektrolytlösung auf, deren Zusammensetzung und Funktion weiter unten in dieser Beschreibung detaillierter beschrieben ist. Ausführungsbeispiele dieser Erfindung werden typischerweise verwendet, um Elektrodenelemente der Lithiumionenzelle herzustellen, wenn sie in der Form relativ dünn geschichteter Strukturen verwendet sind.
In 1 besteht eine negative Elektrode aus einem relativ dünnen leitenden Metallfolienstromkollektor 12. Der Stromkollektor 12 der negativen Elektrode besteht typischerweise aus einer dünnen Kupferschicht. Die Dicke des Metallfolienstromkollektors liegt typischerweise im Bereich von etwa zehn bis etwa fünfundzwanzig Mikrometer. Der Stromkollektor 12 weist eine gewünschte zweidimensionale Formgestaltung in der Draufsicht zum Zusammenbau mit anderen festen Elementen einer Zelle auf. Der Stromkollektor 12 ist als rechtwinklig über seine Grundfläche gezeigt und ferner mit einer Verbinderlasche 12' zur Verwendung mit anderen Elektroden in einer Gruppierung von Lithiumionenzellen versehen, um ein gewünschtes elektrisches Potential oder einen gewünschten elektrischen Stromfluss bereitzustellen.
An dem Stromkollektor 12 der negativen Elektrode ist eine dünne poröse Schicht eines Materials 14 der negativen Elektrode abgeschieden. Wie in 1 gezeigt ist, ist die Schicht aus Material 14 der negativen Elektrode typischerweise hinsichtlich Form und Fläche koextensiv zu der Hauptfläche ihres Stromkollektors 12. Das Elektrodenmaterial weist eine ausreichende Porosität auf, um von einem flüssigen, lithiumionenhaltigen Elektrolyt infiltriert zu werden. Gemäß Ausführungsformen dieser Erfindung kann die Dicke der rechtwinkligen Schicht aus Material der negativen Elektrode bis zu etwa zweihundert Mikrometer aufweisen, um so eine gewünschte Strom- und Leistungskapazität für die negative Elektrode bereitzustellen. Wie weiter beschrieben ist, kann das Material der negativen Elektrode Schicht für Schicht aufgetragen werden, so dass eine große Seite der endgültigen Blockschicht des Materials 14 der negativen Elektrode mit einer Hauptseite des Stromkollektors 12 verbunden ist und die andere große Seite der Schicht 14 aus Material der negativen Elektrode von ihrem Stromkollektor 12 nach außen weist.
Es ist eine positive Elektrode gezeigt, die eine positive Stromkollektorfolie 16 sowie eine koextensive, darüber liegende poröse Abscheidung aus Material 18 der positiven Elektrode umfasst. Die Folie 16 des positiven Stromkollektors weist auch eine Verbinderlasche 16' zur elektrischen Verbindung mit anderen Elektroden in anderen Zellen auf, die gemeinsam in die Baugruppe einer Lithiumionenbatterie gepackt sein können. Die positive Stromkollektorfolie 16 und ihre Beschichtung aus porösem Material 18 der positiven Elektrode sind typischerweise in einer Größe und Formgebung geformt, die komplementär zu den Abmessungen einer zugeordneten negativen Elektrode sind. Bei der Darstellung von 1 sind die beiden Elektroden hinsichtlich ihrer Formgebungen identisch und in eine Lithiumionenzelle so eingebaut, dass die Hauptaußenfläche des Materials 14 der negativen Elektrode zu der Hauptaußenfläche des Materials 18 der positiven Elektrode weist. Die Dicken der rechtwinkligen positiven Stromkollektorfolie 16 und der rechtwinkligen Schicht aus Material 18 der positiven Elektrode werden typischerweise so bestimmt, dass sie das Material 14 der negativen Elektrode bei der Erzeugung der beabsichtigten elektrochemischen Kapazität der Lithiumionenzelle ergänzen. Die Dicken der Stromkollektorfolien liegen typischerweise im Bereich von etwa 10 bis 25 Mikrometer. Und die Dicken der Elektrodenmaterialien, die durch diesen trockenen Prozess mit atmosphärischem Plasma gebildet werden, betragen etwa 200 Mikrometer.
Eine dünne poröse Separatorschicht 20 ist zwischen der Hauptaußenseite der Schicht 14 aus Material der negativen Elektrode und der Hauptaußenseite der Schicht 18 aus Material der positiven Elektrode angeordnet. Bei vielen Batteriekonstruktionen ist das Separatormaterial eine poröse Schicht aus einem Polyolefin, wie Polyethylen oder Polypropylen. Oftmals umfasst das thermoplastische Material miteinander verbundene, zufällig orientierte Fasern aus PE oder PP. Die Faserflächen des Separators können mit Partikeln aus Aluminiumoxid oder einem anderen Isolatormaterial beschichtet sein, um den elektrischen Widerstand des Separators zu steigern, während die Porosität der Separatorschicht zur Infiltration mit flüssigem Elektrolyt und Transport von Lithiumionen zwischen den Zellenelektroden beibehalten wird. Die Separatorschicht 20 wird dazu verwendet, einen direkten elektrischen Kontakt zwischen den Materialschichten 14, 16 der negativen und positiven Elektrode zu vermeiden, und ist so geformt und bemessen, um dieser Funktion zu dienen. Bei dem Zusammenbau der Zellen werden die gegenüberliegenden Hauptaußenseiten der Elektrodenmaterialschichten 14, 18 gegen die Hauptflächenseiten der Separatormembran 20 gepresst. Ein flüssiger Elektrolyt wird in die Poren der Separator- und Elektrodenmaterialschichten injiziert.
Der Elektrolyt für die Lithiumionenzelle ist oftmals ein Lithiumsalz, das in einem oder mehreren organischen flüssigen Lösemitteln gelöst ist. Beispiele von Salzen umfassen Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆), Lithiumtetrafluorborat (LiBF₄), Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF₆) und Lithiumtrifluorethansulfonimid. Einige Beispiele von Lösemitteln, die verwendet werden können, um das Elektrolytsalz zu lösen, enthalten Ethylencarbonat, Dimethylcarbonat, Methylethylcarbonat, Propylencarbonat. Es existieren andere Lithiumsalze, die verwendet werden können, sowie andere Lösemittel. Jedoch ist eine Kombination aus Lithiumsalz und Lösemittel zur Bereitstellung einer geeigneten Mobilität und zum Transport von Lithiumionen bei dem Betrieb der Zelle gewählt. Der Elektrolyt ist sorgfältig in und zwischen eng beabstandete Schichten der Elektrodenelemente und Separatorschichten dispergiert. Der Elektrolyt ist in der Zeichnungsfigur nicht dargestellt, da es schwierig ist, diesen zwischen eng verdichteten Elektrodenschichten darzustellen.
Gemäß Ausführungsformen dieser Erfindung werden atmosphärische Plasmas bei der Herstellung von Elektrodenelementen von Lithiumionenzellen verwendet.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Prozess zum Herstellen einer Batterieelektrode offenbart, durch den ein aktives Lithiumionenzellenmaterial durch eine Quelle für atmosphärisches Plasma an einem Stromkollektor abgeschieden und angebunden wird. Es kann mehr als ein Zellenmaterial gleichzeitig abgeschieden werden, und es kann mehr als eine Schicht des Zellenmaterials aufgetragen werden. Demgemäß kann diese Elektrodenbeschichtung eine Verteilung von Zusammensetzungen und physikalischen Charakteristiken über die Dicke aufweisen, so dass die Gesamtleistungsfähigkeit der Batteriezelle verbessert sein kann, so dass sie ein verbessertes Energie-/Leistungsvermögen und Zykluslebensdauer aufweist. Die Gesamtbeschichtungsdicke kann bis zu einigen hundert Mikrometern abhängig von den verwendeten Elektrodenmaterialien und Plasmaprozessbedingungen erreichen. Dieser breite Dickenbereich macht den Prozess für sowohl Energie- als auch Leistungszellenanwendungen vielseitig. Im Gegensatz zu dem gegenwärtigen Beschichtungsverfahren mit Nassübertragung zum Herstellen von Batterieelektroden durch Beseitigung des Bedarfs von Aufschlämmungs-, Nassbeschichtungs-, Trocknungs- und Pressprozessen können die Zeit und die Kosten des Zellenherstellzyklus stark reduziert werden.
Sprühverfahren für atmosphärisches Plasma sowie Plasmasprühdüsen sind bekannt und kommerziell erhältlich. Bei Ausführungsbeispielen dieser Erfindung und mit Bezug auf 2 kann eine Vorrichtung für atmosphärisches Plasma eine stromaufwärtige runde Strömungskammer (in 2 mit 50 in teilweise weggebrochener Darstellung gezeigt) für die Einführung und Leitung eines strömenden Stromes eines geeigneten Arbeitsgases, wie Luft, Stickstoff oder ein Inertgas, wie Helium oder Argon, umfassen. Bei dieser Ausführungsform ist diese illustrative Anfangsströmungskammer 50 einwärts zu einer kleineren runden Strömungskammer 52 verjüngt. Partikeln von Elektrodenmaterialien 58 werden durch Lieferrohre 54, 56 (das Rohr 56 ist teilweise weggebrochen gezeigt, um die Partikel 58 zu zeigen) geliefert und werden geeignet in den Arbeitsgasstrom in der Kammer 52 eingeführt und dann in eine Plasmadüse 53 getragen, in der die Luft (oder ein anderes Arbeitsgas) zu einem Plasmastrom unter atmosphärischem Druck umgewandelt wird. Und beispielsweise können Partikel mit einer Zusammensetzung oder Morphologie eines ersten aktiven Materials durch ein Lieferrohr 54 geliefert werden und Partikel eines zweiten aktiven Materials oder einer zweiten Morphologie können durch ein zweites Lieferrohr 56 geliefert werden. Wenn die Partikel 58 in den Gasstrom eintreten, werden sie darin dispergiert und gemischt und hierdurch mitgeführt. Wenn der Strom durch eine stromabwärtige Plasmageneratordüse 53 strömt, werden die Partikel 58 durch das gebildete Plasma auf eine Abscheidungstemperatur erhitzt. Wie in dieser Beschreibung oben angemerkt ist, wird die Metallkomponente der Partikel in dem Plasma zumindest teilweise und augenblicklich geschmolzen.
Der Strom aus luftbasiertem Plasma und suspendiertem Elektrodenpartikelmaterial 60 wird progressiv durch die Düse gegen die Fläche eines Substrats gelenkt, wie eine Metallstromkollektorfolie 116 für eine positive Elektrode einer Lithiumionenzelle. Die Substratfolie 116 ist auf einer geeigneten Arbeitsfläche 62 für den Abscheidungsprozess bei atmosphärischem Plasma geträgert. Das Abscheidungssubstrat für die Abscheidung bei atmosphärischem Plasma ist in 2 als eine einzelne Stromkollektorfolie 16 mit ihrer Verbinderlasche 116' dargestellt. Es sei jedoch zu verstehen, dass das Substrat für die Abscheidung bei atmosphärischem Plasma eine beliebige Größe und Formgebung zur wirtschaftlichen Verwendung und Anwendung des Plasmas haben kann. Beispielsweise können spezifizierte kleinere Arbeitselektrodenelemente später aus einem größeren anfänglich beschichteten Substratteil ausgeschnitten werden. Die Düse wird in einem geeigneten Pfad und mit einer geeigneten Rate bewegt, so dass das Partikelelektrodenmaterial als ein schichtartiges Material 118 der positiven Elektrode mit spezifizierter Dicke an der Fläche des Substrats der Stromkollektorfolie 116 abgeschieden wird. Die Plasmadüse kann an einem Roboterarm getragen werden, und die Steuerung der Plasmaerzeugung und die Bewegung des Roboterarms können gesteuert durch einen programmierten Computer reguliert werden. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung wird das Substrat bewegt, während das Plasma stationär ist.
Bei Ausführungsformen dieser Erfindung umfasst das Partikelmaterial (in 2 58) zur Abscheidung durch die Plasmadüse und den Plasmaprozess einen kleinen Anteil eines relativ niedrig schmelzenden leitenden Metalls, wie Aluminium, das zum teilweisen Schmelzen in dem Plasmastrom bestimmt ist, um so als ein leitender Binder für die Lithiumverbindungen zu dienen, die typischerweise zur Herstellung des Materials der positiven Elektrode verwendet werden.
Derartige Plasmadüsen für diese Anwendung sind kommerziell erhältlich und können an Roboterarmen, gesteuert durch eine mehrdirektionale Computersteuerung, getragen und verwendet werden, um die vielen Flächen jedes planaren Substrats für ein Lithiumionenzellenmodul zu beschichten. Es können mehrere Düsen erforderlich und auf eine solche Weise angeordnet sein, dass eine hohe Beschichtungsgeschwindigkeit hinsichtlich einer beschichteten Fläche pro Zeiteinheit erreicht werden kann.
Die Plasmadüse besitzt typischerweise ein metallisches rohrförmiges Gehäuse, das einen Strömungspfad mit geeigneter Länge zur Aufnahme der Strömung von Arbeitsgas und dispergierten Partikeln von Elektrodenmaterial und zum Ermöglichen der Ausbildung des Plasmastroms in einem elektromagnetischen Feld bereitstellt, das in dem Strömungspfad des rohrförmigen Gehäuses hergestellt wird. Das rohrförmige Gehäuse endet in einem konisch verjüngten Auslass, der so geformt ist, den geformten Plasmastrom zu einem beabsichtigten, zu beschichtenden Substrat zu lenken. Ein elektrisch isolierendes Keramikrohr ist typischerweise an dem Einlass des rohrförmigen Gehäuses eingesetzt, so dass es sich entlang eines Abschnitts des Strömungsdurchgangs erstreckt. Ein Strom eines Arbeitsgases, wie Luft, der dispergierte Partikel des Elektrodenmaterials trägt, wird in den Einlass der Düse eingeführt. Die Strömung des Luftpartikelgemisches kann in ihrem Strömungspfad durch Verwendung eines Verwirbelungsstücks mit Strömungsöffnungen, das ebenfalls nahe dem Einlassende der Düse eingesetzt ist, turbulent verwirbelt werden. Eine lineare (stiftartige) Elektrode ist an dem Keramikrohrort entlang der Strömungsachse der Düse an dem stromaufwärtigen Ende des Strömungsrohrs angeordnet. Während der Plasmaerzeugung wird die Elektrode durch einen Hochfrequenzgenerator mit einer Frequenz von (beispielsweise) etwa 50 bis 60 kHz und auf ein geeignetes Potential von einigen Kilovolt mit Leistung beaufschlagt. Das Metallgehäuse der Plasmadüse ist geerdet. Somit kann eine elektrische Entladung zwischen der axialen Stiftelektrode und dem Gehäuse erzeugt werden.
Wenn die Generatorspannung angelegt ist, erzeugen die Frequenz der angelegten Spannung und die dielektrischen Eigenschaften des keramischen Rohrs eine Koronaentladung an dem Stromeinlass und der Elektrode. Infolge der Koronaentladung wird eine Lichtbogenentladung von der Elektrodenspitze zu dem Gehäuse gebildet. Diese Lichtbogenentladung wird durch die turbulente Strömung des Stroms aus Luft/Partikelelektrodenmaterial zu dem Auslass der Düse geführt. Ein reaktives Plasma des Gemisches aus Luft und Elektrodenmaterial wird bei einer relativ geringen Temperatur gebildet. Eine Kupferdüse an dem Auslass des Plasmabehälters ist so geformt, den Plasmastrom in einem geeignet eingeschränkten Pfad gegen die Flächen der Substrate für die Lithiumionenzellenelemente zu lenken. Und die Plasmadüse kann von einem computergesteuerten Roboter geführt sein, um den Plasmastrom in mehrdirektionalen Pfaden über die planare Fläche des Substratmaterials zu bewegen, um das Elektrodenmaterial in einer kontinuierlichen dünnen Schicht an der dünnen Substratflächenschicht abzuscheiden. Das abgeschiedene plasmaaktivierte Material bildet eine anhaftende poröse Schicht aus angebundenen Elektrodenmaterialpartikeln an der Stromkollektorfolienfläche.
Bei dem in 2 gezeigten Beispiel wurde ein Material der positiven Elektrode, wie Partikel aus LiMnO₂, die mit einer dünnen Schicht aus Aluminium beschichtet (oder mit Partikeln aus Aluminium gemischt) wurden, auf einer Aluminiumstromkollektorfolie abgeschieden. Die Kombination des Metallstromkollektors und des plasmaabgeschiedenen Materials der positiven Elektrode zeigen somit die Herstellung einzelner positiver Elektroden für eine Lithiumionenzelle. Negative Elektroden können auf eine ähnliche Weise mit Material der negativen Elektrode (mit Kupferpartikeln oder einer Kupferbeschichtung) hergestellt werden, das unter Verwendung des Plasmas an dem Stromkollektor der negativen Elektrode abgeschieden wird. Wie angemerkt ist, kann der Plasmaprozess verwendet werden, einzelne geschichtete Elektroden oder eine große Lage derartiger Elektroden herzustellen, aus denen einzelne Elektroden herausgeschnitten oder geformt werden können.
Wie oben in dieser Beschreibung angemerkt ist, können zwei verschiedene aktive Materialien (hinsichtlich Zusammensetzung und/oder Morphologie variierend) gemeinsam abgeschieden werden, eines von jedem von zwei oder mehr verschiedenen Lieferrohren, die die Plasmadüse versorgen. Dies sorgt für eine Flexibilität bei dem Elektrodenmaterialformungsprozess durch Änderung von Elektrodenmaterialzusammensetzungen von einer Schicht zu einer anderen in dem Plasmalieferprozess, um Elektrodeneigenschaften in verschiedenen Schichten einer Mehrschichtabscheidung auf einem Substrat zu ändern.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann eine geeignete, nicht elektrisch leitende poröse Separatorschicht als ein Substrat verwendet werden. Die Beschichtungsabscheidung bei atmosphärischem Plasma wird nicht heiß, um einen polymeren Separator zu schädigen, falls einer als ein Substrat verwendet ist. Elektrodenmaterialien können an dem Separatormembransubstrat in einem geeigneten Muster abgeschieden werden. Und eine Stromkollektorschicht kann durch atmosphärisches Plasma in einem geeigneten Muster an der Elektrodenmaterialschicht abgeschieden werden.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform dieser Erfindung. Bei vielen Baugruppen von Lithiumionenzellen ist es erwünscht, eine Referenzelektrode einzusetzen, die bei der Diagnose und der Regulierung (oftmals computerbasierte Regulierung) der Leistungsfähigkeit der Batterie verwendet wird. Eine derartige Referenzelektrode umfasst einen Metallleiterstreifen oder -film, der an ein geeignetes Referenzelektrodenmaterial zur intermittierenden elektrischen Verbindung mit Arbeitselektroden der Batterie angebunden ist, um ihre vorliegende Leistungsfähigkeit zu bewerten. Bei diesem Beispiel kann der Prozess mit einer existierenden Stromkollektorfolie 212 der negativen Elektrode (mit ihrer Verbindungslasche 212') und koextensiven Beschichtung des Materials 214 der negativen Elektrode starten. Selbstverständlich kann dieser geschichtete Aufbau der negativen Elektrode durch den vorliegenden Prozess bei atmosphärischem Plasma hergestellt werden. Eine poröse Separatorschicht 220 (mit einer Dicke von typischerweise etwa 5 bis 30 Mikrometern, die in 3 als rechtwinklig gezeigt ist) ist an einem gewählten Gebiet der Schicht (typischerweise mit einer Dicke von etwa 5 bis 200 Mikrometer) aus Material 214 der negativen Elektrode bevorzugt benachbart der Seite der Stromkollektorfolie 212, die ihre Verbinderlasche 212' trägt, platziert.
Ein Kupfer- oder Aluminiumleiterstab 224 ist in einem relativ dünnen Streifen entlang der freiliegenden Seite der Separatorschicht 220 abzuscheiden. Eine entfernbare Maskierung 222 wird über der freiliegenden Fläche der Separatorschicht 220 angewendet. Die Maskierung ist mit einer Öffnung geformt, die die gewünschte Form des Leiterstabs 224 definiert. Ein atmosphärisches Plasma, das teilweise geschmolzene Kupferpartikel liefert, wird verwendet, um eine Abscheidung eines elektrisch leitenden Kupferstreifens 224 an einem Abschnitt der Fläche der Separatorschicht 220 zu bilden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke der abgeschiedenen Kupferfolie etwa ein bis zwanzig Mikrometer. Und die Breite des Leiterstreifens beträgt etwa fünf bis zwanzig Mikrometer und seine Länge etwa fünf Millimeter. Der Separator ist um zumindest das Fünffache breiter und Zweifache länger als der abgeschiedene Leiterstreifen. Der abgeschiedene Leiterstreifen soll als ein Stromkollektor für eine Referenzelektrode dienen, die so auszubilden ist, wie nachfolgend in dieser Beschreibung beschrieben ist.
Nach der Abscheidung des Kupferleiterstreifens 224 wird die Maskierung 222 von der Fläche des Separators 220 entfernt, wobei nur der Leiterstreifen 224 an der Außenfläche des Separators 220 zurückbleibt. Eine Verbinderlasche 226 (beispielsweise eine Nickellasche) ist an das Ende des Leiterstreifens geschweißt, das an dem Rand des Separators liegt.
Der Separator 220 und der Aufbau 212, 214 der negativen Elektrode, wie somit hergestellt, werden in eine Zellenbaugruppe durch Bedecken des Kupferleiterstreifens 224 mit einem anderen Separator zusammengebaut. Eine gegenüberliegende positive Elektrode wird gegen den abdeckenden Separator platziert, um den Kupferleiterstreifen zwischen den beiden gegenüberliegenden Elektroden anzuordnen, und ein Elektrolyt wird in die zusammengebauten Elektroden und Separatoren injiziert. Eine geeignete elektrische Verbindung kann zwischen der Referenzelektrode und einer der Arbeitselektroden hergestellt werden. Die Zelle wird dann betrieben, um eine kleine Menge an Lithium elektrochemisch von einer Arbeitselektrode zu übertragen und elektrochemisch das übertragene Lithium (als Referenzelektrodenmaterial) an dem plasmaabgeschiedenen Kupferstreifen zu plattieren. Die nun gebildete Referenzelektrode kann dann nach Bedarf (unter Verwendung der Nickellasche 226) mit anderen Elektrodenverbindern zum Bewerten der Aktivitäten und Leistungsfähigkeit der Arbeitselektrode verbunden werden.
Somit sind Verfahren zum Verwenden von atmosphärischem Plasma vorgesehen worden, um geschichtete Elektrodenmaterialien und Stromkollektoren für Arbeitselektroden und Referenzelektroden in Lithiumionenzellen zu bilden. Das Plasmaverfahren ermöglicht die Bildung von Arbeitsmaterialschichten mit einer Dicke von bis zu etwa zweihundert Mikrometern, um die Kapazität der Elektroden zu erhöhen. Und der Prozess vermeidet den Gebrauch von zusätzlichen Bindern und dem Bedarf nach Nassprozessaufbringung von Elektrodenmaterialien auf ihre Stromkollektorsubstrate.
Es ist erkannt worden, dass die Verwendung eines atmosphärischen Plasmas auch bei der Ausbildung von Anodenmaterialien und Stromkollektoren für lithiierte Silizium-Schwefel-Sekundärbatterien verwendet werden kann. Lithiierte Silizium-Schwefel-Zellen umfassen typischerweise eine lithiierte siliziumbasierte Anode, einen Lithium-Polysulfidelektrolyt, eine poröse Separatorschicht sowie eine schwefelbasierte Kathode. Eine Schicht aus siliziumbasierten Materialien, einschließlich beispielsweise Silizium, Siliziumlegierungen sowie Silizium-Graphit-Kompositen mit einer Dicke von bis zu 200 Mikrometern wird auf einem Metallstromkollektor bei der Ausbildung einer Anodenschicht abgeschieden. Abscheidungsprozesse bei atmosphärischem Plasma, wie diejenigen, die für die Herstellung geschichteter Elektrodenelemente von Lithiumionenzellen beschrieben sind, können bei der Herstellung analoger Elektrodenstrukturen für lithiierte Silizium-Schwefel-Zellen verwendet werden.
Die Beispiele, die zur Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung vorgesehen worden sind, sind nicht als Beschränkung hinsichtlich des Schutzumfangs derartiger Ausführungsbeispiele bestimmt.

Claims

Verfahren zum Formen eines Elektrodenelements einer elektrochemischen Lithiumionenzelle, wobei das geformte Elektrodenelement zumindest zwei angebundene Schichtlagen umfasst, wobei das Verfahren umfasst, dass: feste Partikel aus Elektrodenmaterial für die Lithiumionenzelle zu einem strömenden Gasstrom hinzugefügt werden, wobei die festen Partikel im Wesentlichen aus (i) Partikeln eines elektrisch leitenden Metalls oder (ii) Partikeln eines Elektrodenmaterials der Lithiumionenzelle bestehen, das mit einer Menge an elektrisch leitendem Metall zum Anbinden der Partikel des Elektrodenmaterials kombiniert ist, wobei die festen Partikel in dem strömenden Gasstrom dispergiert und mitgeführt sind; ein atmosphärisches Plasma in dem Gasstrom erzeugt wird, um die festen Partikel durch das Plasma zu erwärmen und das elektrisch leitende Metall zumindest teilweise zu schmelzen; und das atmosphärische Plasma, das die erhitzten festen Partikel enthält, gegen eine gewählte Fläche eines Substrats geführt wird, während zumindest eines von dem geführten Plasma und der gewählten Fläche des Substrats in Bezug zueinander bewegt werden, um die plasmaerhitzten festen Partikel in einer Schichtlage mit vorbestimmter Dicke und Porosität an der gewählten Oberfläche des Substrats abzuscheiden, wobei sich das leitende Metall wieder verfestigt, um die festen Partikel aneinander in der Schichtlage anzubinden und die Schichtlage an das Substrat anzubinden; wobei das Substrat ein Lagenschichtabschnitt eines Elektrodenelements einer elektrochemischen Lithiumionenzelle oder eines Separatormembranelements einer elektrochemischen Lithiumionenzelle ist, wobei die endgültige Lagendicke von abgeschiedenen plasmaerhitzten festen Partikeln an dem gewählten Bereich des Substrats bis zu etwa zweihundert Mikrometer beträgt und eine oder mehrere Schichtlagen von solchen abgeschiedenen plasmaerhitzten festen Partikeln umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Plasma relativ zu der gewählten Fläche des Substrats bewegt wird, um zumindest eine zusätzliche Schicht von plasmaerhitzten festen Partikeln über eine vorher abgeschiedene Schicht aus festen Partikeln, die an die Fläche des Substrats angebunden sind, abzuscheiden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Zusammensetzung, Porosität, Morphologie oder Dicke der zumindest einen zusätzlichen abgeschiedenen Schicht von denen der vorher abgeschiedenen Schicht verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Partikel eines Elektrodenmaterials einer Lithiumionenzelle, die mit einem elektrisch leitenden Metall kombiniert sind, an einem Substrat abgeschieden werden, das eine Stromkollektorschicht eines Elektrodenelements einer elektrochemischen Lithiumionenzelle ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Partikel aus zumindest einer Zusammensetzung, die aus der Gruppe gewählt ist, die Graphit, Siliziumpartikel, Siliziumlegierungspartikel, Siliziumoxidpartikel, Lithium-Silizium-Partikel, Lithium-Zinn-Partikel und Lithiumtitanatpartikel umfasst, mit Kupfer kombiniert und an einem Substrat abgeschieden werden, das eine Kupferstromkollektorschicht eines Elektrodenelements einer elektrochemischen Lithiumionenzelle ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Partikel einer Oxidverbindung von Lithium und zumindest einem andere Metallelement mit Aluminium kombiniert und an einem Substrat abgeschieden werden, das eine Aluminiumstromkollektorschicht eines Elektrodenelements einer elektrochemischen Lithiumionenzelle ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Partikel aus Kupfer oder Aluminium als Stromkollektorschicht auf einem Substrat abgeschieden werden, das eine Elektrodenmaterialschicht einer elektrochemischen Lithiumionenzelle ist.
Verfahren zum Formen eines Elektrodenelements einer elektrochemischen Lithiumionenzelle, wobei das Verfahren umfasst, dass: feste Partikel von Elektrodenmaterial für eine Lithiumionenzelle einem strömenden Gasstrom hinzugesetzt werden, wobei die festen Partikel im Wesentlichen aus Partikeln aus einem Elektrodenmaterial für eine Lithiumionenzelle bestehen, das mit einem elektrisch leitenden Metall kombiniert ist, wobei die festen Partikel in dem strömenden Gasstrom dispergiert und mitgeführt sind; ein atmosphärisches Plasma in dem Gasstrom erzeugt wird, um die festen Partikel durch das Plasma zu erhitzen und das elektrisch leitende Metall zumindest teilweise zu schmelzen; und der Plasmastrom und die erhitzten festen Partikel gegen eine Substratschicht eines Metallstromkollektors geführt werden, während zumindest eines des geführten Plasmas und der Stromkollektorsubstratschicht in Bezug zueinander bewegt werden, um die plasmaerhitzten festen Partikel in einer Schichtlage mit vorbestimmter Dicke und Porosität an einer gewählten Oberfläche der Substratschicht des Metallstromkollektors abzuscheiden, wobei sich das leitende Metall wieder verfestigt, um die festen Partikel aneinander und an die Substratschicht des Metallstromkollektors anzubinden, wobei die angebundenen festen Partikel eine Schicht aus Elektrodenmaterial für eine Lithiumionenzelle an dem Metallstromkollektorsubstrat bilden, wobei das Lithiumionenelektrodenmaterial eine Dicke von bis zu etwa 200 Mikrometer aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die gewählte Oberfläche der geformten Schicht des Elektrodenmaterials der Lithiumionenzelle koextensiv mit dem Substrat des Metallstromkollektors mit Ausnahme eines Abschnitts des Stromkollektorsubstrats ist, das zur elektrischen Verbindung mit einem anderen Lithiumionenzellenelement geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Plasmastrom relativ zu der Fläche des Metallstromkollektorsubstrats geführt und bewegt wird, um zumindest eine zusätzliche Schicht an plasmaerhitzten festen Partikeln über eine vorher abgeschiedene feste Schicht von festen Partikeln abzuscheiden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Zusammensetzung, Morphologie, Porosität oder Dicke von zumindest einer zusätzlichen Schicht verschieden von denen der vorhergehenden abgeschiedenen Schicht ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei Partikel von zumindest einer Zusammensetzung, die aus der Gruppe gewählt ist, die Graphit, Siliziumpartikel, Siliziumlegierungspartikel, Siliziumoxidpartikel, Lithium-Silizium-Partikel, Lithium-Zinn-Partikel und Lithiumtitanatpartikel besteht, mit Kupfer kombiniert und an einer Kupferstromkollektorschicht eines Elektrodenelements einer elektrochemischen Lithiumionenzelle abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei Partikel einer Oxidverbindung von Lithium und zumindest einem anderen Metallelement mit Aluminium kombiniert und an einer Aluminiumstromkollektorschicht eines Elektrodenelements einer elektrochemischen Lithiumionenzelle abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Substratschicht des Metallstromkollektors durch Plasmaabscheidung an einer gewählten Oberfläche einer Separatormembran zur Verwendung in derselben elektrochemischen Lithiumionenzelle geformt wird.
Verfahren zum Formen eines Elektrodenelements einer elektrochemischen Lithiumionenzelle, wobei das Verfahren umfasst, dass: feste Partikel aus Kupfer oder Aluminium einem strömenden Gasstrom hinzugesetzt werden, wobei die festen Partikel in dem strömenden Gasstrom dispergiert und mitgeführt sind; ein atmosphärisches Plasma in dem Gasstrom erzeugt wird, wobei das Plasma die festen Partikel erhitzt und die Kupfer- oder Aluminiumpartikel zumindest teilweise schmilzt; das Plasma gegen eine gewählte Oberfläche einer Separatormembransubstratschicht geführt wird, während das Plasma relativ zu der gewählten Oberfläche der Separatormembran bewegt wird, um die plasmaerhitzten Kupfer- oder Aluminiumpartikel in einer Schicht an einer gewählten Oberfläche der Separatormembransubstratschicht abzuscheiden, wobei sich die Kupfer- oder Aluminiumpartikel wieder verfestigen, um aneinander und an der Separatormembransubstratschicht anzubinden, wobei die angebundenen Kupfer- oder Aluminiumpartikel eine Stromkollektorschicht an der gewählten Oberfläche des Separatormembransubstrats bilden und eine Dicke von bis zu etwa zwanzig Mikrometer aufweisen; die Separatormembran mit ihrer Stromkollektorschicht in eine elektrochemische Lithiumionenzelle zusammengebaut wird; die zusammengebaute Lithiumionenzelle betrieben wird, um Lithium von einem Elektrodenelement der Zelle zu übertragen und das Lithium als eine Schicht von Referenzelektrodenmaterial an der Fläche der plasmaabgeschiedenen Kupfer- oder Aluminium-Stromkollektorschicht abzuscheiden; und anschließend die Lithiumionenzelle unter Verwendung des Referenzelektrodenmaterials betrieben wird, um die Funktion der Elektrodenelemente der Zelle zu bewerten.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei ein entfernbares Maskiermaterial auf das Separatormembranschichtsubstrat aufgetragen ist, um die gewählte Oberfläche an dem Substrat für die atmosphärische Plasmaabscheidung des Kupfer- oder Aluminiumstromkollektors zu definieren, und die Maskierung nach Abscheidung der Stromkollektorschicht entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei eine Metallverbinderlasche an ein Ende der abgeschiedenen Kupfer- oder Aluminiumstromkollektorschicht geschweißt wird, um eine elektrische Verbindung der Stromkollektorschicht mit einem anderen Elektrodenelement der Zelle zu ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die entfernbare Maskierung eine Oberfläche für die Abscheidung des Kupfers oder Aluminiums an der Gesamtfläche des Separatormembranschichtsubstrats definiert, so dass der nicht beschichtete Bereich der Separatormembran zumindest das Fünffache der Breite und Zweifache der Länge des Bereichs der Abscheidung des Kupferoder Aluminiumstromkollektors beträgt.
Verfahren zum Formen des Anodenelements einer lithiierten elektrochemischen Silizium-Schwefel-Zelle, wobei das geformte Elektrodenelement eine angebundene Schichtlage umfasst, wobei das Verfahren umfasst, dass: feste Partikel aus lithiiertem Silizium-Schwefel-Zellenanodenmaterial einem strömenden Gasstrom hinzugesetzt werden, wobei die festen Partikel im Wesentlichen aus (i) Partikel aus einem elektrisch leitenden Metall oder (ii) Partikel aus Zellenanodenmaterial bestehen, das mit einer Menge an elektrisch leitendem Metall zum Anbinden der Partikel des Anodenmaterials kombiniert ist, wobei die festen Partikel in dem strömenden Gasstrom dispergiert und mitgeführt werden; ein atmosphärisches Plasma in dem Gasstrom erzeugt wird, um die festen Partikel durch das Plasma zu erwärmen und das elektrisch leitende Metall zumindest teilweise zu schmelzen; und das atmosphärische Plasma, das die erhitzten festen Partikel enthält, gegen eine gewählte Fläche eines Substrats geführt wird, während zumindest eines von dem geführten Plasma und der gewählten Fläche des Substrats in Bezug zueinander bewegt wird, um die plasmaerhitzten festen Partikel in einer Schichtlage mit vorbestimmter Dicke und Porosität an der gewählten Oberfläche des Substrats abzuscheiden, wobei sich das leitende Metall wieder verfestigt, um die festen Partikel aneinander in der Schichtlage anzubinden und die Schichtlage an das Substrat anzubinden; wobei das Substrat ein Lagenschichtabschnitt einer Anode einer lithiierten elektrochemischen Silizium-Schwefel-Zelle oder ein Separatormembranelement einer lithiierten elektrochemischen Silizium-Schwefel-Zelle ist, wobei die endgültige Lagendicke von abgeschiedenen plasmaerhitzten festen Partikeln an der gewählten Fläche des Substrats bis zu etwa zweihundert Mikrometer beträgt und eine oder mehrere Schichtlagen von solchen abgeschiedenen plasmaerhitzten festen Partikeln umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Plasma relativ zu der gewählten Fläche des Substrats bewegt wird, um zumindest eine zusätzliche Schicht aus plasmaerhitzten festen Partikeln über einer vorher abgeschiedenen Schicht aus festen Partikeln, die an die Fläche des Substrats angebunden sind, abzuscheiden.