DE112017003346T5 - Reinigung und Abscheidung von niedrigschmelzendem Metall - Google Patents

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Abstract

Hier beschriebene Ausführungen betreffen im Allgemeinen die Abscheidung und Bearbeitung von niedrigschmelzenden Metallen oder Metalllegierungen. Insbesondere beziehen sich die hierin beschriebenen Ausführungen auf Verfahren und Systeme für die Abscheidung und Bearbeitung von niedrigschmelzendem Metall oder niedrigschmelzenden Metalllegierungen für gedruckte Elektronik und elektrochemische Vorrichtungen. In noch einer anderen Ausführung wird ein Verfahren bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Aussetzen einer Quelle für Metallschmelze einem Reinigungsprozess, um unerwünschte Mengen an Verunreinigungen zu entfernen, das Zuführen der filtrierten Metallschmelze zu einer dreidimensionalen Druckvorrichtung und das Ausbilden eines Metallfilms auf einem Substrat durch Drucken der filtrierten Metallschmelze auf das Substrat. Das Reinigungsverfahren umfasst das Zuführen der Metallschmelze zu einer Filteranordnung, wobei die Filteranordnung mindestens eine/einen der Folgenden beinhaltet: eine Abschäumvorrichtung, einen Metallgewebefilter und einen Schaumfilter und Filtrieren der Metallschmelze durch die Filteranordnung.

Description

  • HINTERGRUND
  • Gebiet
  • Hier beschriebene Ausführungen betreffen im Allgemeinen die Abscheidung und Bearbeitung von niedrigschmelzenden Metallen oder Metalllegierungen. Insbesondere beziehen sich die hierin beschriebenen Ausführungen auf Verfahren und Systeme für die Abscheidung und Bearbeitung von niedrigschmelzendem Metall oder niedrigschmelzenden Metalllegierungen für gedruckte Elektronik und Energiespeichervorrichtungen.
  • Beschreibung des Stands der Technik
  • Gedruckte Elektronik gewinnt zunehmend an Bedeutung, da die gesellschaftliche Nachfrage nach flexiblen Geräten und verschiedenen Anwendungen für das Internet der Dinge (IoT) steigt. Das Drucken von Schaltungen auf flexiblem Substrat kann beispielsweise zur Aufbau- und Verbindungstechnik für Sensoren beitragen. Wiederaufladbare elektrochemische Geräte werden für viele Bereiche des täglichen Lebens immer wichtiger. Energiespeicher mit hoher Kapazität, wie Superkondensatoren und Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion-Akkus), werden in einer wachsenden Anzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter tragbare Elektronik, Medizintechnik, Transport, netzgekoppelte große Energiespeicher und Speicher für erneuerbare Energien und unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV). In jeder dieser Anwendungen sind die Ladezeit und die Kapazität von Energiespeichervorrichtungen wichtige Parameter. Darüber hinaus können die Größe, das Gewicht und/oder die Kosten solcher Energiespeichervorrichtungen erhebliche Beschränkungen darstellen. Herkömmlichen Blei/Schwefelsäurebatterien fehlt es oft an Kapazität und sie sind für diese zunehmenden Anwendungen oft nicht ausreichend zyklenfest. Hochentwickelte Blei/Carbon-Batterien sind zu bedeutenden Kandidaten für die Start-Stopp-Fahrzeugtechnologie geworden.
  • Normalerweise enthalten Lithiumbatterien aus Sicherheitsgründen kein metallisches Lithium, sondern verwenden stattdessen Graphitmaterial als Anode. Die Verwendung von Graphit, das im geladenen Zustand bis zur Grenzzusammensetzung LiC6 aufgeladen werden kann, führt jedoch im Vergleich zur Verwendung von metallischem Lithium zu einer viel geringeren Kapazität. Derzeit bewegt sich die Industrie weg von Graphit-basierten Anoden hin zu mit Silizium gemischtem Graphit, um die Energiezellendichte zu erhöhen. Im Vergleich zu metallischem Lithium leiden jedoch mit Silizium gemischte Graphitanoden unter einem Kapazitätsverlust beim ersten Ladezyklus. Somit besteht ein Bedarf an Techniken zur Lithiummetallabscheidung, um die Kapazität zu verbessern und den Kapazitätsverlust beim ersten Ladezyklus zu reduzieren. Bei Lithiummetall ist man jedoch mit einigen Herausforderungen bei der Geräteintegration konfrontiert.
  • Lithium ist ein Alkalimetall. Wie die Schwerelement-Homologe der ersten Hauptgruppe zeichnet sich Lithium durch eine starke Reaktivität mit einer Vielzahl von Substanzen aus. Lithium reagiert heftig mit Wasser, Alkoholen und anderen Substanzen, die protischen Wasserstoff enthalten, was häufig zur Entzündung führt. Lithium ist in Luft instabil und reagiert mit Sauerstoff, Stickstoff und Kohlendioxid. Normalerweise wird Lithium unter einer Inertgasatmosphäre (Edelgase wie Argon) gehandhabt, und die starke Reaktivität von Lithium erfordert, dass andere Bearbeitungsvorgänge auch in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt werden. Infolgedessen stellt uns Lithium in Bezug auf Abscheidung, Bearbeitung, Lagerung und Transport vor verschiedene Herausforderungen.
  • Daher besteht ein Bedarf an Verfahren und Systemen zum Abscheiden und Bearbeiten von niedrigschmelzenden Metall- oder Metalllegierungsabscheidung und -bearbeitung für gedruckte Elektronik und Energiespeichervorrichtungen.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Hier beschriebene Ausführungen betreffen im Allgemeinen die Abscheidung und Bearbeitung von niedrigschmelzenden Metallen oder Metalllegierungen. Insbesondere betreffen die hierin beschriebenen Ausführungen Verfahren und Systeme für die Abscheidung und Bearbeitung von Metall oder Metalllegierungen bei niedriger Schmelztemperatur für gedruckte Elektronik und Energiespeichervorrichtungen. In einer Ausführung wird ein Verfahren zum Ausbilden einer Elektrode bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Aussetzen einer Quelle für Alkalimetallschmelze einem Reinigungsprozess, um unerwünschte Mengen an Verunreinigungen zu entfernen, das Zuführen des filtrierten geschmolzenen Alkalimetalls zu einer dreidimensionalen Druckvorrichtung und das Ausbilden eines Alkalimetallfilms auf einem leitfähigen Stromsammler durch Abscheiden des filtrierten geschmolzenen Alkalimetalls auf dem leitfähigen Stromsammler. Das Reinigungsverfahren beinhaltet das Zuführen des geschmolzenen Alkalimetalls zu einer Filteranordnung, wobei die Filteranordnung mindestens eine der Folgenden umfasst: eine Abschäumvorrichtung, einen Metallgewebefilter und einen Schaumfilter und Filtrieren des geschmolzenen Alkalimetalls durch die Filteranordnung.
  • In einer anderen Ausführung wird ein Verfahren zum Ausbilden einer Energiespeichervorrichtung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Aussetzen einer Quelle für Lithiumschmelze einem Reinigungsverfahren zum Entfernen unerwünschter Mengen an Verunreinigungen. Die Lithiumschmelze wird einer Filteranordnung zugeführt und durch diese filtriert. Die Filteranordnung umfasst eine Abschäumvorrichtung, einen Metallgewebefilter oder einen Schaumfilter. Das Verfahren umfasst ferner das Zuführen der filtrierten Lithiumschmelze zu einer dreidimensionalen Druckvorrichtung. Das Verfahren umfasst ferner das Ausbilden eines Lithiummetallfilms auf einem Substrat durch Drucken der filtrierten Lithiumschmelze auf das Substrat. Das Substrat ist mindestens ein polymerer Trennfilm oder ein leitfähiger Stromsammler.
  • In noch einer anderen Ausführung wird ein Verfahren zum Ausbilden einer Elektrode bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Ausbilden eines Sperrfilms auf einem Anodenstromsammler, das Ausbilden eines Benetzungsfilms auf dem Sperrfilm und das Ausbilden eines Lithiummetallfilms auf dem Benetzungsfilm. Der Sperrfilm ist ausgewählt aus Titan (Ti), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Tantal (Ta) und Kombinationen davon. Der Benetzungsfilm ist ausgewählt aus Silizium (Si), Zinn (Sn), Aluminium (Al), Siliziumoxid, Zinnoxid, Aluminiumoxid oder Kombinationen davon.
  • In noch einer anderen Ausführung wird eine Anodenelektrode bereitgestellt. Die Anodenelektrode umfasst einen Anodenstromsammler, einen auf dem Anodenstromsammler ausgebildeten Sperrfilm, einen auf dem Sperrfilm ausgebildeten Benetzungsfilm und einen auf dem Benetzungsfilm ausgebildeten Lithiummetallfilm. Der Sperrfilm ist ausgewählt aus Titan (Ti), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Tantal (Ta) und Kombinationen davon. Der Benetzungsfilm ist ausgewählt aus Silizium (Si), Zinn (Sn), Aluminium (Al), Siliziumoxid, Zinnoxid, Aluminiumoxid und Kombinationen davon.
  • In noch einer anderen Ausführung wird ein Verfahren bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Aussetzen einer Quelle für Metallschmelze einem Reinigungsprozess, um unerwünschte Mengen an Verunreinigungen zu entfernen, das Zuführen der filtrierten Metallschmelze zu einer dreidimensionalen Druckvorrichtung und das Ausbilden eines Metallfilms auf einem Substrat durch Drucken der filtrierten Metallschmelze auf das Substrat. Das Reinigungsverfahren umfasst das Zuführen der Metallschmelze zu einer Filteranordnung, wobei die Filteranordnung mindestens eine/einen der Folgenden beinhaltet: Eine Abschäumvorrichtung, einen Metallgewebefilter und einen Schaumfilter und Filtrieren der Metallschmelze durch die Filteranordnung.
  • In noch einer anderen Ausführung wird ein Verfahren bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Aussetzen einer Quelle für Metallschmelze einem Reinigungsprozess, um unerwünschte Mengen an Verunreinigungen zu entfernen, das Zuführen der filtrierten Metallschmelze zu einer dreidimensionalen Abscheidungsvorrichtung und das Ausbilden eines Metallfilms auf einem Substrat. Das Reinigungsverfahren umfasst das Zuführen der Metallschmelze zu einer Filteranordnung, wobei die Filteranordnung mindestens eine/einen der Folgenden beinhaltet: eine Abschäumvorrichtung, einen Metallgewebefilter und einen Schaumfilter und Filtrieren der Metallschmelze durch die Filteranordnung.
  • In noch einer anderen Ausführung wird ein Verfahren bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Ausbilden eines Sperrfilms auf einem Substrat, das Ausbilden eines Benetzungsfilms auf dem Sperrfilm und das Ausbilden eines Metallfilms auf dem Benetzungsfilm. Der Metallfilm weist eine Schmelztemperatur von 1.000 °C oder weniger auf. Der Sperrfilm ist ausgewählt aus Titan (Ti), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Tantal (Ta) und Kombinationen davon. Der Benetzungsfilm ist ausgewählt aus Silizium (Si), Zinn (Sn), Aluminium (Al), Germanium (Ge), Antimon (Sb), Blei (Pb), Bismut (Bi), Gallium (Ga), Indium (In), Zink (Zn), Cadmium (Cd), Magnesium (Mg), Oxiden davon, Nitriden davon oder Kombinationen davon.
  • In noch einer anderen Ausführung wird ein Verfahren zum Ausbilden einer Energiespeichervorrichtung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Ausbilden eines Sperrfilms auf einem leitfähigen Stromsammler. Der Sperrfilm ist ausgewählt aus Titan (Ti), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Tantal (Ta) und Kombinationen davon. Das Verfahren umfasst das Ausbilden eines Benetzungsfilms auf dem Sperrfilm. Der Benetzungsfilm ist ausgewählt aus Silizium (Si), Zinn (Sn), Aluminium (Al), Germanium (Ge), Antimon (Sb), Blei (Pb), Bismut (Bi), Gallium (Ga), Indium (In), Zink (Zn), Cadmium (Cd), Magnesium (Mg), Oxiden davon, Nitriden davon oder Kombinationen davon. Das Verfahren umfasst ferner das Aussetzen einer Quelle für Lithiumschmelze einem Reinigungsverfahren zum Entfernen unerwünschter Mengen an Verunreinigungen. Das Verfahren umfasst ferner das Zuführen der gereinigten Lithiumschmelze zu einer dreidimensionalen Druckvorrichtung. Das Verfahren umfasst ferner das Ausbilden des Lithiummetallfilms auf dem Benetzungsfilm durch Drucken der gereinigten Lithiumschmelze auf den Benetzungsfilm.
  • In noch einer anderen Ausführung wird ein Verfahren zum Ausbilden einer Energiespeichervorrichtung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Aussetzen einer Quelle für Metallschmelze einem Reinigungsverfahren zum Entfernen unerwünschter Mengen an Verunreinigungen. Das Verfahren umfasst ferner das Zuführen der Metallschmelze zu einer Filteranordnung und das Filtrieren der Metallschmelze durch die Filteranordnung. Die Filteranordnung umfasst mindestens eine Abschäumvorrichtung, einen Metallgewebefilter und einen Schaumfilter. Das Verfahren umfasst ferner das Zuführen der filtrierten Metallschmelze zu einer dreidimensionalen Druckvorrichtung. Das Verfahren umfasst ferner das Ausbilden eines Lithiummetallfilms auf einem Substrat durch Drucken der filtrierten Metallschmelze auf das Substrat. Das Substrat ist mindestens ein polymerer Trennfilm oder ein leitfähiger Stromsammler.
  • In noch einer anderen Ausführung wird eine Anodenelektrode bereitgestellt. Die Anodenelektrode umfasst einen Anodenstromsammler, einen auf dem Anodenstromsammler ausgebildeten Sperrfilm, einen auf dem Sperrfilm ausgebildeten Benetzungsfilm und einen auf dem Benetzungsfilm ausgebildeten Lithiummetallfilm. Der Sperrfilm ist Titan (Ti), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Tantal (Ta) oder Kombinationen davon. Der Benetzungsfilm ist Silizium (Si), Zinn (Sn), Aluminium (Al), Germanium (Ge), Antimon (Sb), Blei (Pb), Bismut (Bi), Gallium (Ga), Indium (In), Zink (Zn), Cadmium (Cd), Magnesium (Mg), Oxide davon, Nitride davon oder Kombinationen davon.
  • In noch einer anderen Ausführung wird das Ausbilden einer Energiespeichervorrichtung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Ausbilden eines Sperrfilms auf einem Substrat, das Ausbilden eines Benetzungsfilms auf dem Sperrfilm und das Ausbilden eines Metallfilms auf dem Benetzungsfilm. Der Metallfilm weist eine Schmelztemperatur von 1.000 °C oder weniger auf. Der Sperrfilm ist ausgewählt aus Titan (Ti), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Tantal (Ta) und Kombinationen davon. Der Benetzungsfilm ist ausgewählt aus Silizium (Si), Zinn (Sn), Aluminium (Al), Germanium (Ge), Antimon (Sb), Blei (Pb), Bismut (Bi), Gallium (Ga), Indium (In), Zink (Zn), Cadmium (Cd), Magnesium (Mg), Oxiden davon, Nitriden davon oder Kombinationen davon.
  • Figurenliste
  • Damit die Art und Weise, in der die oben genannten Merkmale der vorliegenden Offenbarung im Detail verstanden werden können, wird eine detailliertere Beschreibung der Ausführungen, die oben kurz zusammengefasst wurden, unter Bezugnahme auf Ausführungen zur Verfügung gestellt, von denen einige in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Es ist jedoch anzumerken, dass die beigefügten Zeichnungen nur typische Ausführungen dieser Offenbarung veranschaulichen und daher nicht als Einschränkung ihres Schutzumfangs angesehen werden sollen, da die Offenbarung andere gleichermaßen wirksame Ausführungen zulassen kann.
    • 1A zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführung einer Energiespeichervorrichtung, die eine Anodenelektrodenstruktur enthält, die gemäß hierin beschriebenen Ausführungen ausgebildet ist;
    • 1B zeigt eine Querschnittsansicht einer Anodenelektrodenstruktur, die gemäß hierin beschriebenen Ausführungen ausgebildet ist;
    • 2 zeigt eine schematische Ansicht eines integrierten Bearbeitungswerkzeugs zum Ausbilden einer Anodenelektrodenstruktur gemäß hierin beschriebenen Ausführungen; und
    • 3 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens, das eine Ausführung eines Verfahrens zum Ausbilden einer Anodenelektrodenstruktur gemäß hierin beschriebenen Ausführungen zusammenfasst.
  • Um das Verständnis zu erleichtern, wurden, soweit möglich, identische Bezugszeichen verwendet, um identische Elemente zu bezeichnen, die in mehreren Figuren vorkommen. Es wird in Betracht gezogen, dass Elemente und Merkmale einer Ausführung ohne weitere Erwähnung vorteilhaft in andere Ausführungen einbezogen werden können.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die folgende Offenbarung beschreibt gedruckte Elektronik und Energiespeichervorrichtungen (z. B. Anodenelektroden, elektrochemische Hochleistungszellen, Kondensatoren und Batterien) einschließlich der vorstehend genannten Anodenelektroden und Verfahren zu deren Herstellung. Bestimmte Details sind in der folgenden Beschreibung und in den 1 bis 3 angegeben, um ein umfassendes Verständnis verschiedener Ausführungen der Offenbarung bereitzustellen. Andere Details, die bekannte Strukturen und Systeme beschreiben, die häufig mit gedruckter Elektronik und Energiespeichervorrichtungen verbunden sind, sind in der folgenden Offenbarung nicht dargelegt, um zu vermeiden, dass die Beschreibung der verschiedenen Ausführungen unnötig verschleiert wird.
  • Viele der Details, Abmessungen, Winkel und anderen Merkmale, die in den Figuren gezeigt sind, dienen lediglich der Veranschaulichung bestimmter Ausführungen. Dementsprechend können andere Ausführungen andere Details, Komponenten, Abmessungen, Winkel und Merkmale aufweisen, ohne vom Geist oder Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus können weitere Ausführungen der Offenbarung ohne mehrere der nachstehend beschriebenen Details ausgeführt werden.
  • Im Folgenden beschriebene Ausführungen werden nachstehend unter Bezugnahme auf ein Rolle-zu-Rolle-Beschichtungssystem beschrieben, wie beispielsweise das TopMet®-Rolle-zu-Rolle-Beschichtungssystem, das SMARTWEB®-Rolle-zu-Rolle-Sputtersystem, das TOPBEAM®-Rolle-zu-Rolle-Beschichtungssystem, das SOFT LINE®-Siebdrucksystem, die alle von Applied Materials, Inc., Santa Clara, Kalifornien, erhältlich sind. Andere Werkzeuge, die in der Lage sind, Sputterverfahren und/oder Verdampfungsverfahren mit hoher Geschwindigkeit durchzuführen, können ebenfalls angepasst werden, um von den hierin beschriebenen Ausführungen zu profitieren. Zusätzlich kann jedes System, das hierin beschriebene Hochrateverdampfungs- und/oder Sputterverfahren ermöglicht, vorteilhaft eingesetzt werden. Die hierin beschriebene Gerätebeschreibung dient der Veranschaulichung und sollte nicht als Einschränkung des Umfangs der hierin beschriebenen Ausführungen ausgelegt oder interpretiert werden. Es sollte auch verstanden werden, dass die hierin beschriebenen Ausführungen, obwohl sie als Rolle-zu-Rolle-Verfahren beschrieben werden, auch auf Einzelsubstraten ausgeführt werden können.
  • Wie hierin verwendet, können die Begriffe „additives Herstellungsverfahren“ und „dreidimensionales“ 3D-Drucken“ Verfahren, wie zum Beispiel ein Polyjet-Abscheidungsverfahren, Tintenstrahldruckverfahren, Fused-Deposition-Modeling-Verfahren (Schmelzbeschichtungsverfahren), Binder-Jetting-Verfahren, Pulverbett-Schmelzverfahren, selektives Lasersinterverfahren, stereolithographisches Verfahren, digitale Lichtverarbeitung, Folienlaminierungsverfahren, Direct-Energy-Deposition-Verfahren, strukturierte Beschichtung, Blockdruck, Tiefdruck, Siebdruck, Lackieren oder ein ähnliches 3D-Abscheidungsverfahren, beinhalten.
  • Gedruckte Elektronik gewinnt zunehmend an Bedeutung, da die gesellschaftliche Nachfrage nach flexiblen Geräten und verschiedenen Anwendungen für das Internet der Dinge (IoT) steigt. Das Drucken von Schaltungen auf flexiblem Substrat kann beispielsweise zur Aufbau- und Verbindungstechnik für Sensoren beitragen. In der Regel wird kolloidale Farbe verteilt, um eine Schaltung und einen Widerstand der gedruckten Merkmale auszubilden. Es wird angenommen, dass das direkte Drucken von Metallmerkmalen unter Verwendung der hierin beschriebenen Ausführungen die zwischen Metallpartikeln ausgebildeten Poren reduziert/eliminiert und die elektronische Leitfähigkeit verbessert. Es wird ferner angenommen, dass das direkte Drucken von Metall- und/oder Metalllegierungsmerkmalen aus Metallen oder -legierungen mit niedriger Temperatur unter Verwendung der hierin beschriebenen Ausführungen die Qualität der Schaltung erheblich verbessern kann. Gemäß den hier beschriebenen Ausführungen kann die direkte Abscheidung von niedrigschmelzenden Metallen oder Legierungen entweder unter Vakuumbedingungen oder unter geeigneten atmosphärischen Umgebungsbedingungen erfolgen. Einige der typischen Beispiele für Elemente mit niedrigem Schmelzpunkt (z. B. unter 700 °C; unter 800 °C oder unter 1.000 °C), die unter Verwendung der hierin beschriebenen Ausführungen abgeschieden werden können, sind Alkalimetalle (z. B. Lithium und Natrium), Magnesium, Zink, Cadmium, Aluminium, Gallium, Indium, Thallium, Zinn, Blei, Antimon, Bismut und Tellur. Neben diesen Elementen schmelzen Erdalkalimetalle und Silber unter 1.000 Grad Celsius. In einer Ausführung ist das niedrigschmelzende Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkalimetallen, Magnesium, Zink, Cadmium, Aluminium, Gallium, Indium, Thallium, Zinn, Blei, Antimon, Bismut, Tellur, Erdalkalimetallen, Silber und Kombinationen davon.
  • Aluminium- und Silberfarben werden in der Industrie für verschiedene Anwendungen, einschließlich der Herstellung von Solarzellen, verwendet. In Blei-Säure-Batterie-Anwendungen wird zur Herstellung der Bleielektrode Bleipaste verwendet. Diese sind relativ niedrigschmelzende Elemente und sie können unter Verwendung der hierin beschriebenen Ausführungen abgeschieden werden.
  • Die derzeitige Generation von Energiespeichervorrichtungen (z. B. Li-Ionen-Batterien) verwendet eine negative Elektrode auf Graphitbasis, die auf dünnen Kupfersubstraten (z. B. ~8 µm) abgeschieden ist. Eine neuartige negative Elektrode mit hoher Energiedichte ist erforderlich, um die Energiedichte des Energiespeichers zu verbessern. Es wird angenommen, dass Alkalimetallanoden (z. B. Lithiummetallanoden) die gewünschte hohe Energiedichte bereitstellen. Gegenwärtige Alkalimetallabscheidungsverfahren, einschließlich Extrusion und Verdampfung, weisen jedoch mehrere Mängel auf. Zum Beispiel ist das Extrudieren von Alkalimetall auf hochreine einstellige Mikrometerdicke, die für negative Elektroden geeignet ist, schwierig, wenn nicht unmöglich. Die Lithiumabscheidung durch Verdampfung unter Verwendung von pulverförmigen Lithiumquellen weist in Bezug auf die Sicherheit mehrere Probleme auf. Das Beschichten, Drucken und Lackieren mit Alkalimetallen sind vielversprechende Technologieoptionen. Der Alkalimetalldruck bietet eine hohe Materialausnutzung und ist sowohl mit der bestehenden Rolle-zu-Rolle- als auch der Siebdrucktechnologie kompatibel. Somit gibt es keine praktische Lösung für die Abscheidung von Alkalimetallen mit hohem Reinheitsgrad und hohem Durchsatz für Vorlithiierung und Alkalimetallanoden.
  • In einer Ausführung der vorliegenden Offenbarung wird ein Metallfilm auf einem leitfähigen Substrat (z. B. einem Kupfersubstrat) mit einem optionalen Sperrfilm und einem optionalen lithiumbindenden Film abgeschieden. Der Metallfilm beinhaltet in der Regel mindestens eines der hierin beschriebenen niedrigschmelzenden Metalle. Der Metallfilm kann beispielsweise unter Verwendung eines 3D-Druckverfahrens (z. B. eines 3D-Metalldruckverfahrens, Metallmusterbeschichtungsverfahrens oder Metalllackierverfahrens) abgeschieden werden. Die Filme können mit Luftdruck- oder Vakuumbandbeschichtungswerkzeugen und/oder Siebdruckwerkzeugen abgeschieden werden. In einigen Ausführungen muss das Bedrucken von Metall auf dünnem Substrat wie Kupferstromsammlern einen geeigneten Benetzungsfilm und einen Sperrfilm aufweisen. In einigen Ausführungen weist der Metallfilm einen Schutzfilm (z. B. ein Polymer- oder Polymerelektrolyt) auf, der darauf zu Aufwickel- und Handhabungszwecken ausgebildet wird. Aus Gerätesicht kann eine Schutzbeschichtung die Funktionalität, z. B. die thermische, elektrische oder ionische Leitfähigkeit, das gute Ansprechen auf elektromagnetische Strahlung, Marker für spektroskopische, optische oder Röntgenuntersuchungen, des Geräts verbessern, oder kann für eingebettete Sicherheitsmerkmale verwendet werden.
  • In einigen Ausführungen kann der Sperrfilm aus Metallen wie Titan (Ti), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Tantal (Ta) und Kombinationen davon bestehen. Der Sperrfilm kann auch aus einem binären und einem ternären Übergangsmetallcarbid oder aus Nitriden bestehen, die aus Elementen aus frühem Übergangsmetall und spätem Übergangsmetall bestehen. In einigen Fällen kann das frühe Übergangsmetall aus Elementen aus Lanthanoiden bestehen. In einer Ausführung ist der Sperrfilm ein Titanfilm. Plattierte Materialien bieten auch eine höhere mechanische Stabilität und einige sind mit der elektrochemischen Stabilität kompatibel.
  • In einigen Ausführungen kann der Benetzungsfilm aus einem Material bestehen, das sich direkt mit Lithium verbinden kann und/oder einen hohen Kontaktwinkel aufweist. Zum Beispiel bilden Si, Sn, Al alle Legierungen mit Lithium und Oxiden (z. B. SiOx, SnOx und AlOx (wobei x im Bereich von 0 bis zu einer Zahl liegt, die der höchsten Oxidationszahl für den Ladungsausgleich entspricht)). In einer Ausführung ist der Benetzungsfilm ein siliziumenthaltender Film. In einem anderen Beispiel nimmt der Metallkontaktwinkel (z. B. der Lithiumkontaktwinkel) auf Edelstahl mit der Temperatur ab.
  • 1A zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführung einer Energiespeichervorrichtung 100, die eine Anodenstruktur enthält, die gemäß hierin beschriebenen Ausführungen ausgebildet ist. In einigen Ausführungen ist die Energiespeichervorrichtung 100 eine wiederaufladbare Batteriezelle. In einigen Ausführungen ist die Energiespeichervorrichtung 100 ein Kondensator (z. B. ein Superkondensator oder ein Ultrakondensator). In einigen Ausführungen wird die Energiespeichervorrichtung 100 mit anderen Zellen kombiniert, um eine wiederaufladbare Batterie oder einen Kondensator auszubilden. Die Energiespeichervorrichtung 100 weist einen Kathodenstromsammler 110, einen Kathodenfilm 120, einen Trennfilm 130, einen niedrigschmelzenden Metallfilm 140 (z. B. einen Lithiummetallfilm), einen optionalen Benetzungsfilm 150, einen optionalen Sperrfilm 160 und einen Anodenstromsammler 170 auf. In 1 ist zu beachten, dass die Stromsammler und der Trennfilm so gezeigt sind, dass sie über den Stapel hinausragen, obwohl es nicht notwendig ist, dass sich die Stromsammler und/oder der Trennfilm über den Stapel hinaus erstrecken, wobei die Abschnitte, die sich über den Stapel erstrecken, als Laschen verwendet werden können.
  • Die Stromsammler 110, 170 auf dem Kathodenfilm 120 bzw. dem niedrigschmelzenden Metallfilm 140 können gleiche oder verschiedene elektronische Leiter sein. Beispiele für Metalle, aus denen die Stromsammler 110, 170 bestehen können, beinhalten Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Nickel (Ni), Kobalt (Co), Zinn (Sn), Silizium (Si), Mangan (Mn), Magnesium (Mg), Plattierungsmaterialien, Legierungen davon und Kombinationen davon. In einer Ausführung ist mindestens einer der Stromsammler 110, 170 perforiert. Des Weiteren können Stromsammler einen beliebigen Formfaktor (z. B. Metallfolie, Blech oder Platte), eine beliebige Form und Mikro-/Makro-Struktur aufweisen. Im Allgemeinen sind in prismatischen Zellen Laschen aus dem gleichen Material wie der Stromsammler ausgebildet und können während der Herstellung des Stapels ausgebildet oder später hinzugefügt werden. In einigen Ausführungen enthalten alle Komponenten außer den Stromsammlern 110 und 170 Lithiumionenelektrolyten. In einer Ausführung besteht der Kathodenstromsammler 110 aus Aluminium. In einer Ausführung weist der Kathodenstromsammler 110 eine Dicke von etwa 2 µm bis etwa 20 µm auf. In einer Ausführung besteht der Anodenstromsammler 170 aus Kupfer. In einer Ausführung weist der Anodenstromsammler 170 eine Dicke von etwa 10 µm bis etwa 20 µm auf.
  • Der Kathodenfilm 120 oder die Kathode kann aus einem beliebigen Material bestehen, das mit der Anode kompatibel ist, und kann eine Einlagerungsverbindung, eine Einfügungsverbindung oder ein elektrochemisch aktives Polymer beinhalten. Geeignete Einlagerungsmaterialien beinhalten beispielsweise lithiumhaltige Metalloxide, MoS2, FeS2, MnO2, TiS2, NbSe3, LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, V6013 und V2O5. Geeignete Polymere beinhalten beispielsweise Polyacetylen, Polypyrrol, Polyanilin und Polythiopen. Der Kathodenfilm 120 oder die Kathode kann aus einem Schichtoxid wie Lithiumkobaltoxid, einem Olivin wie Lithiumeisenphosphat oder einem Spinell wie Lithiummanganoxid hergestellt sein. Beispielhafte lithiumhaltige Oxide können Schichtoxide, wie etwa Lithiumkobaltoxid (LiCoO2), oder Mischmetalloxide, wie etwa LiNixCo1-2xMnO2, LiNiMnCoO2 („NMC“), LiNi0.5Mn1.5O4, Li(Ni0.8C00.15Al0.05)O2, LiMn2O4, und dotierte lithiumreiche Schichtmaterialien sein, wobei x gleich Null oder eine Zahl ungleich Null ist. Beispielhafte Phosphate können Eisen-Olivin (LiFePO4) und Varianten davon sein (wie etwa LiFe(1-x)MgxPO4), LiMoPO4, LiCoPO4, LiNiPO4, Li3V2(PO4)3, LiVOPO4, LiMP2O7 oder LiFe1.5P2O7, wobei x gleich Null oder eine Zahl ungleich Null ist. Beispielhafte Fluorphosphate können LiVPO4F, LiAlPO4F, Li5V(PO4)2F2, Li5Cr(PO4)2F2, Li2CoPO4F oder Li2NiPO4F sein. Beispielhafte Silikate können Li2FeSiO4, Li2MnSiO4 oder Li2VOSiO4 sein. Eine beispielhafte Nicht-Lithiumverbindung ist Na5V2(PO4)2F3. Der Kathodenfilm 120 kann durch physikalische oder chemische Dünnfilmtechniken, wie etwa Sputtern, Elektronenstrahlverdampfung, chemische Dampfabscheidung (CVD) usw. ausgebildet werden. In einer Ausführung weist der Kathodenfilm 120 eine Dicke von etwa 10 µm bis etwa 100 µm (z. B. von etwa 30 µm bis etwa 80 µm; oder von etwa 40 µm bis etwa 60 µm) auf. In einer Ausführung ist der Kathodenfilm 120 ein LiCoO2-Film. In einigen Ausführungen, in denen die Energiespeichervorrichtung ein elektrochemischer Kondensator ist, wird Kohlenstoff mit großer Oberfläche als Elektrode verwendet.
  • Der Trennfilm 130 umfasst ein poröses (z. B. mikroporöses) Polymersubstrat, das in der Lage ist, Ionen (z. B. einen Trennfilm) mit Poren zu leiten. In einigen Ausführungen muss das poröse Polymersubstrat selbst nicht Ionenleitend sein, jedoch ist die Kombination aus porösem Substrat und Elektrolyt, sobald sie mit Elektrolyt (Flüssigkeit, Gel, Feststoff, Kombination usw.) gefüllt ist, ionenleitend. In einer Ausführung ist das poröse Polymersubstrat ein mehrschichtiges Polymersubstrat. In einer Ausführung sind die Poren Mikroporen. In einigen Ausführungen besteht das poröse Polymersubstrat aus kommerziell erhältlichen polymeren mikroporösen (z. B. ein- oder mehrlagigen) Membranen, zum Beispiel den Produkten, die von Polypore (Celgard Inc., aus Charlotte, North Carolina), Toray Tonen (Batterie-Trennfilm (BSF)), SK Energy (Li-Ionenbatterie-Separator (LiBS), Evonik industries (SEPARION® keramische Separatormembran), Asahi Kasei (Hipore™ Polyolefin-Flachfilmmembran), DuPont (Energain®) usw. hergestellt werden. Wenn der Trennfilm 130 ein poröses Polymersubstrat ist, weist das poröse Polymersubstrat in einigen Ausführungen eine Porosität im Bereich von 20 bis 80 % (z. B. im Bereich von 28 bis 60 %) auf. Wenn der Trennfilm 130 ein poröses Polymersubstrat ist, weist das poröse Polymersubstrat in einigen Ausführungen eine durchschnittliche Porengröße im Bereich von 0,02 bis 5 Mikrometer (z. B. 0,08 bis 2 Mikrometer) auf. In einigen Ausführungen weist das poröse Polymersubstrat eine Gurley-Zahl im Bereich von 15 bis 150 Sekunden auf (die Gurley-Zahl bezieht sich auf die Zeit, die 10 cc Luft bei 12,2 Zoll Wasser benötigen, um durch einen Quadratzoll der Membran hindurchzugehen). In einigen Ausführungen ist das poröse Polymersubstrat polyolefinisch. Beispielhafte Polyolefine beinhalten Polypropylen, Polyethylen oder Kombinationen davon. Metallabscheidung auf dem Separator kann für einen elektrochemischen Kondensator verwendet werden, um die Leistung der Vorrichtung zu verbessern.
  • In einigen Ausführungen ist ein optionaler Sperrfilm 160 auf dem Anodenstromsammler 170 ausgebildet. In einigen Ausführungen kann der Sperrfilm aus Metallen wie Titan (Ti), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Tantal (Ta) und Kombinationen davon bestehen. Der Sperrfilm kann auch aus einem binären und einem ternären Übergangsmetallcarbid oder aus Nitriden bestehen, die aus Elementen aus frühem Übergangsmetall und spätem Übergangsmetall bestehen. In einigen Ausführungen kann das frühe Übergangsmetall aus Elemente aus Lanthanoiden bestehen. In einer Ausführung weist der Sperrfilm 160 eine Dicke von etwa 1 nm bis etwa 200 nm (z. B. von etwa 5 nm bis etwa 100 nm; von etwa 10 nm bis etwa 50 nm; oder von etwa 10 nm bis etwa 20 nm auf). In einer Ausführung ist der Benetzungsfilm 150 ein Silizium oder siliziumenthaltender Film. In einer Ausführung ist der Sperrfilm 160 ein Titanfilm.
  • In einigen Ausführungen ist ein optionaler Benetzungsfilm 150 auf dem Anodenstromsammler des Sperrfilms 160 ausgebildet. In einigen Ausführungen kann der Benetzungsfilm 150 aus einem Material bestehen, das sich direkt mit Lithium verbinden kann oder einen hohen Kontaktwinkel aufweist. Zum Beispiel bilden Si, Sn, Al alle Legierungen mit Lithium und Oxiden (z. B. SiOx, SnOx und AlOx (wobei x im Bereich von 0 bis zu einer Zahl liegt, die der höchsten Oxidationszahl für den Ladungsausgleich entspricht)). In einer Ausführungsform ist der Benetzungsfilm ausgewählt aus Silizium (Si), Zinn (Sn), Aluminium (Al), Germanium (Ge), Antimon (Sb), Blei (Pb), Bismut (Bi), Gallium (Ga), Indium (In), Zink (Zn), Cadmium (Cd), Magnesium (Mg), Oxiden davon, Nitriden davon oder Kombinationen davon. In einer Ausführung ist der Benetzungsfilm ausgewählt aus der Gruppe aus Silizium (Si), Zinn (Sn), Aluminium (Al), Siliziumoxid, Zinnoxid oder Kombinationen davon. In einer Ausführung weist der Benetzungsfilm 150 eine Dicke von etwa 1 nm bis etwa 200 nm (z. B. von etwa 5 nm bis etwa 100 nm; von etwa 10 nm bis etwa 50 nm; oder von etwa 20 nm bis etwa 140 nm) auf. In einer Ausführung ist der Benetzungsfilm 150 ein Silizium oder siliziumenthaltender Film.
  • In einigen Ausführungen, bei denen der optionale Benetzungsfilm 150 vorhanden ist, wird der niedrigschmelzende Metallfilm 140 auf dem optionalen Benetzungsfilm 150 ausgebildet. In einigen Ausführungen wird der niedrigschmelzende Metallfilm 140 direkt auf dem Anodenstromsammler 170 ausgebildet. Der niedrigschmelzende Metallfilm 140 oder die Anode können aus einem Lithiummetall, einer Lithiummetallfolie oder einer Lithiumlegierungsfolie (z. B. Lithiumaluminiumlegierungen) oder einer Mischung aus einem Lithiummetall und/oder einer Lithiumlegierung und Materialien wie Kohlenstoff (z. B. Koks, Graphit), Nickel, Kupfer, Zinn, Indium, Silizium, Oxiden davon oder Kombinationen davon, konstruiert werden. Der niedrigschmelzende Metallfilm 140 umfasst in der Regel Einlagerungsverbindungen, die Lithium enthalten, oder Einfügungsverbindungen, die Lithium enthalten. Der niedrigschmelzende Metallfilm 140 kann unter Verwendung der hier beschriebenen Druckverfahren abgeschieden werden. In einigen Ausführungen kann der niedrigschmelzende Metallfilm 140 durch physikalische oder chemische Dünnfilmtechniken, wie Sputtern, Elektronenstrahlverdampfung, chemische Dampfphasenabscheidung (CVD), dreidimensionales Drucken usw., ausgebildet werden. In einer Ausführung weist der niedrigschmelzende Metallfilm 140 ein Dicke von etwa 1 µm bis etwa 50 µm (z. B. von etwa 3 µm bis etwa 40 µm; von etwa 3 µm bis etwa 20 µm; oder von etwa 20 um bis etwa 40 µm) auf.
  • In die Zellkomponenten 120, 130, 140, 150 und 160 infundierte Elektrolyte können aus einer Flüssigkeit/einem Gel oder einem festen Polymer bestehen und können sich in jeder verschieden sein. In einigen Ausführungen beinhaltet der Elektrolyt hauptsächlich ein Salz und ein Medium (z. B. kann in einem flüssigen Elektrolyten das Medium als Lösungsmittel bezeichnet werden; in einem Gelelektrolyt kann das Medium eine Polymermatrix sein). Das Salz kann ein Lithiumsalz sein. Das Lithiumsalz kann zum Beispiel LiPF6, LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(CF3SO3)3, LiBF6 und LiClO4, Lithiumbistrifluormethansulfonimidat (z. B. LiTFSI), BETTE-Elektrolyt (kommerziell erhältlich von 3M Corp. aus Minneapolis, MN) und Kombinationen davon beinhalten. Lösungsmittel können zum Beispiel Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), EC/PC, 2-MeTHF (2-Methyltetrahydrofuran)/EC/PC, EC/DMC (Dimethylcarbonat), EC/DME (Dimethylethan), EC/DEC (Diethylcarbonat), EC/EMC (Ethylmethylcarbonat), EC/EMC/DMC/DEC, EC/EMC/DMC/DEC/PE, PC/DME und DME/PC beinhalten. Polymermatrices können zum Beispiel PVDF (Polyvinylidenfluorid), PVDF:THF (PVDF:Tetrahydrofuran), PVDF:CTFE (PVDF: Chlortrifluorethylen) PAN (Polyacrylonitril) und PEO (Polyethylenoxid) beinhalten.
  • 1B zeigt eine Querschnittsansicht einer Anodenelektrodenstruktur 180, die gemäß hierin beschriebenen Ausführungen ausgebildet ist. Die Anodenelektrodenstruktur 180 kann mit einer Kathodenelektrodenstruktur kombiniert werden, um eine Energiespeichervorrichtung auszubilden. Die Anodenelektrodenstruktur 180 beinhaltet einen Anodenstromsammler 170. In einigen Ausführungen ist der optionale Sperrfilm 160a, 160b (gemeinsam 160) auf gegenüberliegenden Seiten des Anodenstromsammlers 170 ausgebildet. In einigen Ausführungen ist der optionale Benetzungsfilm 150a, 150b auf dem optionalen Sperrfilm 160a, 160b ausgebildet. Die Anodenelektrodenstruktur 180 weist einen niedrigschmelzenden Metallfilm 140a, 140b auf, der auf dem optionalen Benetzungsfilm 150a, 150b ausgebildet ist. Wie hierin erörtert, wird in einigen Ausführungen der niedrigschmelzende Metallfilm 140a, 140b direkt auf dem Anodenstromsammler 170 ausgebildet. Obwohl die Anodenelektrodenstruktur 180 eine doppelseitige Elektrodenstruktur ist, sind die hierin beschriebenen Ausführungen auch auf einseitige Elektrodenstrukturen anwendbar.
  • In einigen Ausführungen wird ein Schutzfilm 190a, 190b (gemeinsam 190) auf dem niedrigschmelzenden Metallfilm 140a, 140b ausgebildet. Der Schutzfilm 190a, 190b kann ein Zwischenlagen-Film oder ein ionenleitendes Polymer sein. In einigen Ausführungen, bei denen die Schutzfilme 190a, 190b ein Zwischenlagen-Film sind, wird der Zwischenlagen-Film in der Regel entfernt, bevor die Anodenelektrodenstruktur 180 mit einer Kathodenstruktur kombiniert wird, um eine Energiespeichervorrichtung (z. B. eine Lithium-Ionen-Speichervorrichtung oder einen Kondensator) auszubilden. In einigen Ausführungen, bei denen die Schutzfilme 190a, 190b ein ionenleitender Polymerfilm sind, kann der ionenleitende Polymerfilm in die endgültige Energiespeichervorrichtungsstruktur eingebaut werden.
  • Der Schutzfilm 190 kann ein lithiumionenleitendes Material sein. Das lithiumionenleitende Material kann zum Beispiel aus einem oder mehreren aus LiPON, dotierten Varianten von kristallinen oder amorphen Phasen von Li7La3Zr2O12, dotierten Anti-Perovskit-Zusammensetzungen, Li2S-P2S5, Li10GeP2S12 und Li3PS4, Lithiumphosphatglasverbindungen, (1-x)LiI-(x)Li4SnS4, xLiI-(1-x)Li4SnS4, gemischten Sulfid- und Oxidelektrolyten (kristallinem LLZO, amorphe (1-x)LiI-(x)Li4SnS4-Mischung und amorphem xLiI-(1-x)Li4SnS4) bestehen. In einer Ausführung liegt x zwischen 0 und 1 (z. B. 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8 und 0,9). Das Li-Ionen-Ieitende Material kann direkt auf dem niedrigschmelzenden Metallfilm abgeschieden werden, und zwar entweder durch physikalische Dampfabscheidung (PVD), chemische Dampfabscheidung (CVD), Sprühabscheidung, Rakel, Drucken oder einer Reihe von Beschichtungsverfahren. Eine geeignete Methode für einige Ausführungen ist PVD. In einigen Ausführungen muss der Schutzfilm 190 nicht Ionenleitend sein, jedoch ist die Kombination aus porösem Substrat und Elektrolyt, sobald sie mit Elektrolyt (Flüssigkeit, Gel, Feststoff, Kombination usw.) gefüllt ist, ionenleitend.
  • Der Schutzfilm 190 kann ein Zwischenlagen-Film sein. Der Zwischenlagen-Film kann einen Thermoplasten umfassen, wie beispielsweise ein Polyethylen, ein Polypropylen, ein Polyethylenterephthalat, ein Polybutylenterephthalat, ein Polyester, ein Polyamid, ein Polyaramid, ein Polyacrylat, ein Polycarbonat, ein Polyestercarbonat, ein Polybenzimidazol, ein Polyimid, ein Polyetherimid, ein Polyamidimid und dergleichen.
  • In einer Ausführung beinhaltet die Anodenelektrodenstruktur 180 einen auf dem Anodenstromsammler 170 ausgebildeten niedrigschmelzenden Metallfilm 140 (z. B. Li/Cu). In einer anderen Ausführung beinhaltet die Anodenelektrodenstruktur 180 einen niedrigschmelzenden Metallfilm 140/Sperrfilm 160/Anodenstromsammler 170 (z. B. Li/Ti/Cu). In noch einer anderen Ausführung beinhaltet die Anodenelektrodenstruktur 180 einen niedrigschmelzenden Metallfilm 140/Benetzungsfilm 150/Sperrfilm 160/Anodenstromsammler 170 (z. B. Li/Si/Ti/Cu). In noch einer anderen Ausführung beinhaltet die Anodenelektrodenstruktur 180 einen niedrigschmelzenden Metallfilm 140/Sperrfilm 160 (z. B. Li/Ti). In noch einer anderen Ausführung beinhaltet die Anodenelektrodenstruktur 180 einen niedrigschmelzenden Metallfilm 140/Benetzungsfilm 150/Sperrfilm 160 (z. B. Li/Si/Ti).
  • Eine Anodenstruktur kann unter Verwendung von Werkzeugen der vorliegenden Offenbarung wie hierin beschrieben hergestellt werden. Gemäß einigen Ausführungen umfasst ein Bandbeschichtungswerkzeug zum Ausbilden von Anodenstrukturen ein Rolle-zu-Rolle-System zum Transportieren eines Substrats oder Stromabnehmers durch die folgenden Kammern: eine optionale Kammer zum Abscheiden eines Sperrfilms auf dem Substrat, eine optionale Kammer zum Abscheiden eines Benetzungsfilm auf dem Sperrfilm, einen Lithiummetalldrucker zum Abscheiden eines niedrigschmelzenden Metallfilms (z. B. Lithium) auf dem Benetzungsfilm, falls vorhanden, oder direkt auf dem Sperrfilm oder Substrat, und optional eine Kammer zum Abscheiden eines Schutzfilms des niedrigschmelzenden Metallfilms. Die Kammer zum Abscheiden des dünnen Lithiumfilms ist eine Kammer, die für den Lithiumdruck konfiguriert ist.
  • In einigen Ausführungen kann das Werkzeug ferner eine Kammer zur Oberflächenmodifizierung, wie etwa eine Plasmavorbehandlungskammer, des kontinuierlichen Bandmaterials vor der Abscheidung auf der kontinuierlichen Metallplatte umfassen. Ferner kann das Werkzeug in einigen Ausführungen ferner eine Kammer zum Abscheiden eines Bindemittels umfassen, das in einem flüssigen Elektrolyten oder einem Li-Ionen-Ieitenden dielektrischen Material löslich ist.
  • 2 zeigt eine schematische Ansicht eines integrierten Bearbeitungswerkzeugs 200 zum Ausbilden einer Elektrodenstruktur gemäß hierin beschriebenen Ausführungen. Das integrierte Bearbeitungswerkzeug 200 kann verwendet werden, um eine Anodenstruktur mit einem gedruckten niedrigschmelzenden Metallfilm (z. B. Lithium) auszubilden, der gemäß hierin beschriebenen Ausführungen ausgebildet wird. In bestimmten Ausführungen umfasst das integrierte Bearbeitungswerkzeug 200 eine Vielzahl von Bearbeitungsmodulen oder -kammern, die in einer Reihe angeordnet sind und jeweils konfiguriert sind, um einen Bearbeitungsvorgang an einer kontinuierlichen Materialbahn 210 durchzuführen. In einer Ausführung ist das integrierte Bearbeitungswerkzeug 200 ein Bandbeschichtungswerkzeug. In einer Ausführung ist die kontinuierliche Materialbahn 210 der Kathodenstromsammler 110. Das integrierte Bearbeitungswerkzeug 200 kann Rollen 212 und 214 zum Bewegen der kontinuierlichen Materialbahn 210 durch die Vielzahl von Bearbeitungskammern oder -modulen umfassen. In einer Ausführung beinhaltet das integrierte Bearbeitungswerkzeug 200 eine erste Bearbeitungskammer 220 zum Abscheiden eines Sperrfilms über dem kontinuierlichen Materialbogen 210, eine zweite Bearbeitungskammer 230 zum Abscheiden eines Benetzungsfilms über dem kontinuierlichen Materialbogen 210, eine dritte Bearbeitungskammer 240 zum Bedrucken eines niedrigschmelzenden Metallfilms über der kontinuierlichen Materialbahn 210 und eine vierte Bearbeitungskammer 250 zum Abscheiden eines Schutzfilms über dem niedrigschmelzenden Metallfilm.
  • In einer Ausführung sind die Bearbeitungskammern 220, 230, 240 und 250 eigenständige modulare Bearbeitungskammern, wobei jede modulare Bearbeitungskammer strukturell von den anderen modularen Bearbeitungskammern getrennt ist. Daher kann jede der eigenständigen modularen Bearbeitungskammern unabhängig voneinander angeordnet, neu angeordnet, ersetzt oder gewartet werden. In bestimmten Ausführungen sind die Bearbeitungskammern 220, 230, 240 und 250 so konfiguriert, dass beide Seiten der kontinuierlichen Materialbahn 210 bearbeitet werden. Obwohl das integrierte Bearbeitungswerkzeug 200 so konfiguriert ist, dass es eine horizontal ausgerichtete kontinuierliche Materialbahn 210 bearbeitet, kann das integrierte Bearbeitungswerkzeug 200 so konfiguriert sein, dass es Substrate bearbeitet, die in unterschiedlichen Ausrichtungen positioniert sind, beispielsweise eine vertikal ausgerichtete kontinuierliche Materialbahn 210. In bestimmten Ausführungen ist die kontinuierliche Materialbahn 210 ein leitfähiges Substrat. In bestimmten Ausführungen ist die kontinuierliche Materialbahn 210 ein flexibles leitfähiges Substrat.
  • In bestimmten Ausführungen umfasst das integrierte Bearbeitungswerkzeug 200 einen Transfermechanismus 205. Der Transfermechanismus 205 kann einen beliebigen Transfermechanismus umfassen, der in der Lage ist, die kontinuierliche Materialbahn 210 durch den Bearbeitungsbereich der Bearbeitungskammern 220 und 230 zu bewegen. Der Transfermechanismus 205 kann eine gemeinsame Transportarchitektur umfassen. Die gemeinsame Transportarchitektur kann ein Rolle-zu-Rolle-System mit einer gemeinsamen Aufwickelrolle 214 und einer Zuführrolle 212 für das System umfassen. Die Aufwickelrolle 214 und die Zuführrolle 212 können einzeln erhitzt werden. Die Aufwickelrolle 214 und die Zuführrolle 212 können unter Verwendung einer in jeder Rolle positionierten internen Wärmequelle oder einer externen Wärmequelle einzeln erwärmt werden. Die gemeinsame Transportarchitektur kann ferner eine oder mehrere Zwischentransferrollen (nicht gezeigt) umfassen, die zwischen der Aufwickelrolle 214 und der Zuführrolle 212 positioniert sind.
  • Obwohl das integrierte Bearbeitungswerkzeug 200 mit getrennten Bearbeitungsbereichen dargestellt ist, weist das integrierte Bearbeitungswerkzeug 200 in einigen Ausführungen einen gemeinsamen Bearbeitungsbereich auf. In einigen Ausführungen kann es vorteilhaft sein, separate oder getrennte Bearbeitungsbereiche, Module oder Kammern für jeden Verfahrenschritt zu haben. Für Ausführungen mit getrennten Bearbeitungsbereichen, Modulen oder Kammern kann die gemeinsame Transportarchitektur ein Rolle zu Rolle-System sein, bei dem jede Kammer oder jeder Bearbeitungsbereich eine einzelne Aufwickelrolle und Zuführrolle und eine oder mehrere optionale Zwischentransferrollen aufweist, die zwischen der Aufwickelrolle und der Zuführrolle positioniert sind. Die gemeinsame Transportarchitektur kann ein Schienensystem umfassen. Das Schienensystem erstreckt sich durch die Bearbeitungsbereiche oder getrennten Bearbeitungsbereiche. Das Schienensystem ist konfiguriert, um entweder ein Bahnsubstrat oder getrennte Substrate zu transportieren. In einigen Ausführungen wird die fertige Anodenelektrode nicht auf der Aufwickelrolle 214 gesammelt, wie in den Figuren gezeigt, sondern kann direkt zur Integration mit dem Trennfilm und den positiven Elektroden usw. verwendet werden, um Batteriezellen auszubilden.
  • Die erste Bearbeitungskammer 220 ist zum Abscheiden eines Sperrfilms auf der kontinuierlichen Materialbahn 210 konfiguriert. In einer Ausführung ist der Sperrfilm der Sperrfilm 160. Wie hierin erörtert, ist der Sperrfilm bei einigen Ausführungen optional und somit ist die erste Bearbeitungskammer 220 auch eine optionale Komponente des integrierten Bearbeitungswerkzeugs 200. Zur Abscheidung des Sperrfilms kann ein beliebiges geeignetes Sperrfilmabscheidungsverfahren zum Abscheiden von Sperrfilmen verwendet werden. Die erste Bearbeitungskammer 220 zum Abscheiden des Sperrfilms kann ein PVD-System, wie etwa ein Elektronenstrahlverdampfer, ein thermisches Verdampfungssystem oder ein Sputtersystem, ein thermisches Verdampfungssystem, ein Dünnfilmtransfersystem oder ein Schlitzdüsen-Abscheidungssystem beinhalten.
  • Die zweite Bearbeitungskammer 230 ist zum Abscheiden eines Benetzungsfilms über der kontinuierlichen Materialbahn 210 konfiguriert. In einer Ausführung ist der Benetzungsfilm auf dem Sperrfilm abgeschieden. Wenn der Sperrfilm nicht vorhanden ist, wird der Benetzungsfilm direkt auf der kontinuierlichen Materialbahn 210 abgeschieden. In einer Ausführung ist der Benetzungsfilm der Benetzungsfilm 150. Wie hierin erörtert, ist der Benetzungsfilm bei einigen Ausführungen optional und somit ist die zweite Bearbeitungskammer 230 eine optionale Komponente des integrierten Bearbeitungswerkzeugs 200. Zur Abscheidung des Benetzungsfilms kann irgendein geeignetes Abscheidungsverfahren für einen Benetzungsfilm zum Abscheiden von Benetzungsfilmen verwendet werden. Die zweite Bearbeitungskammer 230 zum Abscheiden des Benetzungsfilms kann ein PVD-System, wie etwa ein Elektronenstrahlverdampfer, ein thermisches Verdampfungssystem oder ein Sputtersystem, ein thermisches Verdampfungssystem, ein Dünnfilmtransfersystem oder ein Schlitzdüsen-Abscheidungssystem beinhalten.
  • Die dritte Bearbeitungskammer 240 ist zum Abscheiden eines Dünnfilms aus niedrigschmelzendem Metall (z. B. Lithium) über der kontinuierlichen Materialbahn 210 konfiguriert. In einer Ausführung wird der niedrigschmelzende Metallfilm auf dem Benetzungsfilm oder dem Sperrfilm abgeschieden. Wenn der Sperrfilm und/oder der Benetzungsfilm nicht vorhanden sind, wird der niedrigschmelzende Metallfilm direkt auf der kontinuierlichen Materialbahn 210 abgeschieden. In einer Ausführung ist der niedrigschmelzende Metallfilm der niedrigschmelzende Metallfilm 140. Zur Abscheidung des niedrigschmelzenden Metalls kann irgendein geeignetes Metallfilmabscheidungsverfahren zum Abscheiden von niedrigschmelzendem Metall verwendet werden. Die dritte Bearbeitungskammer 240 zum Abscheiden des niedrigschmelzenden Metallfilms kann ein dreidimensionales Drucksystem (z. B. ein dreidimensionales Siebdrucksystem), ein PVD-System, beispielsweise ein Elektronenstrahlverdampfer, ein thermisches Verdampfungssystem oder ein Sputtersystem, ein Dünnfilmtransfersystem oder ein Schlitzdüsen-Abscheidungssystem beinhalten.
  • In einer Ausführung ist ein Reinigungsmodul 260 für niedrigschmelzendes Metall mit der dritten Bearbeitungskammer 240 gekoppelt, um der dritten Bearbeitungskammer 240 gereinigtes niedrigschmelzendes Metall zuzuführen. Das Reinigungsmodul 260 für niedrigschmelzendes Metall beinhaltet einen Tank 262, der eine Quelle für niedrigschmelzendes Metall 264 enthält. In einer Ausführung beinhaltet der Tank 262 eine Heizquelle 266 zum Schmelzen der Quelle für niedrigschmelzendes Metall 264, um die Metallschmelze auszubilden. In einer Ausführung saugt eine Pumpe 268 Luft aus dem Tank 262 ab, die durch ein Inertgas aus der Gaszufuhr 270 ersetzt werden kann, um eine kontrollierte nichtreaktive Umgebung für die Metallschmelze im Tank 262 bereitzustellen. Eine Leitung 272 befördert die Metallschmelze aus dem Tank 262 zu einer Filteranordnung 274, um Verunreinigungen aus der Metallschmelze zu entfernen. Alternativ kann eine Vakuumatmosphäre verwendet werden, um Lithiummetall zu reinigen.
  • Die Filteranordnung 274 umfasst ein beliebiges Design und/oder Material, das zum Entfernen unerwünschter Mengen fester und gasförmiger Verunreinigungen (z. B. Lithiumnitride und Lithiumoxide) aus der Lithiumschmelze geeignet ist. In einer Ausführung beinhaltet die Filteranordnung 274 eine Abschäumvorrichtung zum Entfernen fester Verunreinigungen von der Oberfläche der Metallschmelze.
  • In einer Ausführung beinhaltet die Filteranordnung 274 einen Metallgewebefilter zum Entfernen fester Verunreinigungen aus der Metallschmelze. Der Metallgewebefilter kann ein beliebiges Material umfassen, das mit der Metallschmelze kompatibel ist. In einer Ausführung besteht das Metallgewebe aus einem Material, das aus Kupfer, Aluminium, Nickel oder Kombinationen davon ausgewählt ist. In einer Ausführung besteht der Metallgewebefilter aus Edelstahl (SST). In einer Ausführung besteht der Metallgewebefilter aus Kupfer, Aluminium, Nickel, Edelstahl oder Kombinationen davon. Die Abmessungen des Metallgewebefilters werden in der Regel basierend auf der Größe der festen Verunreinigungen ausgewählt, die aus der Metallschmelze herauszufiltern sind. Der Metallgewebefilter kann einen Drahtdurchmesser zwischen etwa 0,050 Mikrometer und etwa 200 Mikrometer haben. Der Metallgewebefilter kann einen Drahtdurchmesser zwischen etwa 50 Mikrometer und etwa 100 Mikrometer haben. In einer Ausführung kann der Metallgewebefilter eine Öffnung zwischen etwa 5 Mikrometer und etwa 200 Mikrometer aufweisen. In einer Ausführung kann der Metallgewebefilter eine Öffnung zwischen etwa 10 Mikrometer und etwa 100 Mikrometer aufweisen. Wie hier unter Bezugnahme auf den Metallgewebefilter verwendet, bezieht sich der Begriff „Öffnungen“ auf den Abstand zwischen zwei benachbarten parallelen Drähten.
  • In einer Ausführung beinhaltet die Filteranordnung 274 einen Schaumfilter zum Entfernen fester Verunreinigungen aus der Metallschmelze. Der Schaumfilter kann ein beliebiges Material umfassen, das mit der Metallschmelze kompatibel ist. In einer Ausführung besteht das Schaumgewebe aus einem Material, das aus Kupfer, Kupfer-Zink, Aluminium, Nickel, Edelstahl oder Kombinationen davon ausgewählt ist. In einer Ausführung besteht der Schaumstofffilter aus netzartigem Schaumstoffmaterial. Die Abmessungen der Zellen und die Porosität des Schaummaterials werden so gewählt, dass die festen Verunreinigungen aus der Metallschmelze entfernt werden, während die gereinigte Metallschmelze durch das Schaummaterial fließen kann.
  • Ein beliebiges geeignetes Metallabscheidungsverfahren zum Abscheiden von Dünnfilmen aus niedrigschmelzendem Metall kann verwendet werden, um den Dünnfilm aus Metall abzuscheiden. Die Abscheidung des Dünnfilms aus Metall kann durch PVD-Verfahren, wie Verdampfen oder Zerstäuben, ein Schlitzdüsen-Verfahren, ein Transferverfahren, ein dreidimensionales Druckverfahren oder andere geeignete Beschichtungsverfahren, erfolgen. Die Kammer zum Abscheiden des Dünnfilms aus Metall kann ein PVD-System, wie etwa ein Elektronenstrahlverdampfer, ein thermisches Verdampfungssystem oder ein Sputtersystem, ein thermisches Verdampfungssystem oder ein Sputtersystem, ein Dünnfilmtransfersystem oder ein Schlitzdüsen-Abscheidungssystem beinhalten.
  • Die vierte Bearbeitungskammer 250 ist zum Abscheiden eines Schutzfilms auf dem Metallfilm konfiguriert. In einer Ausführung ist der Schutzfilm der Schutzfilm 190. In einer Ausführung ist der Schutzfilm ein ionenleitendes Material. In einer Ausführung ist der Schutzfilm ein lithiumionenleitendes Material. In einer Ausführung ist der Schutzfilm ein Zwischenlagen-Film. Der Zwischenlagen-Film kann einen Thermoplasten umfassen, wie beispielsweise ein Polyethylen, ein Polypropylen, ein Polyethylenterephthalat, ein Polybutylenterephthalat, ein Polyester, ein Polyamid, ein Polyaramid, ein Polyacrylat, ein Polycarbonat, ein Polyestercarbonat, ein Polybenzimidazol, ein Polyimid, ein Polyetherimid, ein Polyamidimid und dergleichen. Zur Abscheidung des Schutzfilms kann ein beliebiges geeignetes Auftragungs- oder Abscheidungsverfahren verwendet werden. Der Schutzfilm kann durch Tauchbeschichten, Schlitzdüsenbeschichten, Tiefdruckbeschichten oder Drucken ausgebildet werden.
  • Der Bereich 280 definiert einen gemeinsamen Bearbeitungsbereich 282, der einen Abschnitt des integrierten Bearbeitungswerkzeugs 200 angibt, der sich in einer kontrollierten Umgebung befinden kann. In einer Ausführung bleibt der gemeinsame Bearbeitungsbereich 282 während der Bearbeitung unter Vakuum und/oder bei einem Druck unterhalb des Atmosphärendrucks. Das Vakuumniveau des gemeinsamen Bearbeitungsbereichs 282 kann eingestellt werden, um mit dem Vakuumniveau der Bearbeitungsbereiche jeder Bearbeitungskammer 220 - 250 übereinzustimmen. In einer Ausführung bleibt der gemeinsame Bearbeitungsbereich 282 während der Bearbeitung unter Atmosphärendruck. In einer Ausführung bleibt der gemeinsame Bearbeitungsbereich 282 während der Bearbeitung unter einer Inertgasatmosphäre. In einer Ausführung ist die Inertgasatmosphäre eine Argongasatmosphäre. In einer Ausführung ist die Inertgasatmosphäre eine Stickstoffgasatmosphäre (N2).
  • Zusätzliche Kammern können in dem integrierten Bearbeitungswerkzeug 200 enthalten sein. In einigen Ausführungen können zusätzliche Kammern die Abscheidung eines Trennmittels, eines elektrolytlöslichen Bindemittels bereitstellen, oder in einigen Ausführungen können zusätzliche Kammern die Ausbildung einer positiven Elektrode bereitstellen. In einigen Ausführungen stellen zusätzliche Kammern das Schneiden der negativen Elektrode bereit.
  • 3 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens, das eine Ausführung eines Verfahrens 300 zum Ausbilden einer Struktur (z. B. einer Elektrodenstruktur oder einer gedruckten Schaltung) gemäß hierin beschriebenen Ausführungen zusammenfasst. In Vorgang 310 wird ein Substrat bereitgestellt. Das Substrat kann eine durchgehende Materialbahn 210 sein. Das Substrat kann ein Trennfilm 130 sein. Optional wird in Vorgang 320 ein Sperrfilm auf dem Substrat ausgebildet. Der Sperrfilm kann ein Sperrfilm 160 sein. Der Sperrfilm kann in der ersten Bearbeitungskammer 220 ausgebildet sein. Optional wird in Vorgang 330 ein Benetzungsfilm über dem Substrat ausgebildet. Der Benetzungsfilm kann ein Benetzungsfilm 150 sein. In einigen Ausführungen, in denen der Sperrfilm vorhanden ist, wird der Benetzungsfilm auf dem Sperrfilm ausgebildet. In einigen Ausführungen wird der Benetzungsfilm direkt auf dem Substrat ausgebildet. Der Benetzungsfilm kann in der zweiten Bearbeitungskammer 230 ausgebildet werden.
  • In Vorgang 340 wird ein Metallfilm aus einem niedrigschmelzenden Metall ausgebildet. Der Metallfilm kann ein niedrigschmelzender Metallfilm 140 sein. Der Metallfilm kann ein Alkalimetallfilm für eine Elektrodenstruktur sein. Der Metallfilm kann ein Lithiummetallfilm für eine Elektrodenstruktur sein. Wenn eine Benetzungsschicht vorhanden ist, wird der Metallfilm auf der Benetzungsschicht ausgebildet. Wenn die Benetzungsschicht nicht vorhanden ist, kann der Metallfilm entweder direkt auf dem Substrat oder, falls vorhanden, auf dem Sperrfilm ausgebildet werden. Der Metallfilm kann in der dritten Bearbeitungskammer 240 ausgebildet sein. Der Metallfilm kann über ein 3D-Drucksystem (z. B. ein dreidimensionales Siebdrucksystem), ein PVD-System, beispielsweise einen Elektronenstrahlverdampfer, ein thermisches Verdampfungssystem oder ein Sputtersystem, ein Dünnfilmtransfersystem z. B. ein Schlitzdüsen-Abscheidungssystem, ein Lackierverfahren oder andere geeignete Beschichtungsverfahren abgeschieden werden.
  • In einer Ausführung wird die Metallquelle einer Heizquelle ausgesetzt, um die Metallschmelze auszubilden. Die Metallschmelze kann in einer kontrollierten nichtreaktiven Umgebung (z. B. einem Inertgas) gelagert werden. In einigen Ausführungen wird die Metallschmelze einem Reinigungsprozess ausgesetzt, um unerwünschte Mengen fester und/oder gasförmiger Verunreinigungen (z. B. Lithiumnitride und Lithiumoxide) vor der Abscheidung aus der Metallschmelze zu entfernen, um den Metallfilm auszubilden. In einer Ausführung wird die Metallschmelze einer Filteranordnung zugeführt, um Verunreinigungen aus der Metallschmelze zu entfernen. Die Filteranordnung kann ein beliebiges Design und/oder Material umfassen, das zur Entfernung unerwünschter Mengen fester und gasförmiger Verunreinigungen (z. B. Lithiumnitride und Lithiumoxide) aus der Metallschmelze geeignet ist. In einer Ausführung beinhaltet die Filteranordnung eine Abschäumvorrichtung zum Entfernen fester Verunreinigungen von der Oberfläche der Metallschmelze. In einer Ausführung beinhaltet die Filteranordnung einen Metallgewebefilter zum Entfernen fester Verunreinigungen aus der Metallschmelze. Der Metallgewebefilter kann ein beliebiges Material umfassen, das mit der Metallschmelze kompatibel ist. In einer Ausführung besteht das Metallgewebe aus einem Material, das aus Kupfer, Nickel, Edelstahl, Wolfram, Molybdän oder Kombinationen davon ausgewählt ist. In einer Ausführung besteht der Metallgewebefilter aus Edelstahl (SST). In einer Ausführung beinhaltet die Filteranordnung einen Schaumfilter zum Entfernen fester Verunreinigungen aus der Metallschmelze. Der Schaumfilter kann ein beliebiges Material umfassen, das mit der Metallschmelze kompatibel ist. In einer Ausführung besteht der Schaumfilter aus einem Material, das aus Kupfer, Kupfer-Zink, Aluminium, Nickel, Edelstahl oder Kombinationen davon ausgewählt ist. Lithiummetall kann auch verdampft und im Vakuum destilliert werden, um in Lithium gelöste Verunreinigungen zu entfernen.
  • In Vorgang 350 wird auf dem Metallfilm ein Schutzfilm ausgebildet. Der Schutzfilm kann ein Schutzfilm 190 sein. Der Schutzfilm kann in der vierten Bearbeitungskammer 250 ausgebildet sein. Das Substrat mit dem Metallfilm und dem Schutzfilm kann wahlweise gelagert, auf ein anderes Werkzeug übertragen werden oder beides. Das Substrat mit dem Metallfilm und dem darauf ausgebildeten Schutzfilm kann einer zusätzlichen Bearbeitung unterzogen werden.
  • In einigen Ausführungen enthalten die Substratoberflächen Verunreinigungen, die eine gute Benetzung oder Bindung von abgeschiedenen Materialien verhindern. In solchen Fällen ist vor dem Abscheiden des Materials eine geeignete Oberflächenbehandlung erforderlich. Das Abscheiden einer dünnen Haftschicht auf der kontaminierten Oberfläche kann zur Verbesserung der Abscheidung von guter Qualität beitragen. Alternativ kann die bevorzugte Benetzung der Substrate zum Rolle-zu-Rolle-Beschichten/Drucken oder Lackieren beeinflusst werden. Zum Beispiel werden Ölmuster, Laserätzen und reaktive Plasmabehandlung dazu beitragen, Muster im Rolle-zu-Rolle-Substrat zu erzeugen, um Musterbeschichtung-, Musterdruck- oder Musterlackiertechniken zu beeinflussen.
  • Obwohl Ausführungen der vorliegenden Offenbarung insbesondere unter Bezugnahme auf Lithiumionenbatterien mit Elektroden auf Lithiummetallbasis beschrieben wurden, können die Lehren und Prinzipien der vorliegenden Offenbarung auf andere Kondensatoren und Batterien auf Lithiumbasis, wie etwa Li-Polymer, Li-S, Li-FeS2, Li-Metall-Batterien usw. anwendbar sein. Für Li-Metallbasierte Batterien, wie z. B. Li-S und Li-FeS2, kann eine dickere Li-Metallelektrode erforderlich sein, und die Dicke des Li-Metalls hängt von der positiven Elektrodenladung ab. In einigen Ausführungen kann die Li-Metallelektrode für Li-S zwischen 3 und 30 Mikrometer und für Li-FeS2 etwa 190-200 Mikrometer dick sein, und sie kann auf einer oder beiden Seiten eines kompatiblen Substrats, wie etwa Cu- oder Edelstahl-Metallfolie abgeschieden werden - die hier beschriebenen Verfahren und Werkzeuge können zur Herstellung solcher Li-Metallelektroden verwendet werden.
  • Kurz gesagt beinhalten einige der Vorteile der vorliegenden Offenbarung das direkte Drucken von Metallmerkmalen, die zur Aufbau- und Verbindungstechnik für Sensoren beitragen können. Die Erfinder haben festgestellt, dass das direkte Drucken von Metallmerkmalen unter Verwendung der hierin beschriebenen Ausführungen die Porenbildung zwischen Metallpartikeln verringert und die elektronische Leitfähigkeit erhöht. Es wird ferner angenommen, dass das direkte Drucken von Metall- und/oder Metalllegierungsmerkmalen aus Niedertemperaturmetallen oder -legierungen unter Verwendung der hierin beschriebenen Ausführungen die Qualität der Schaltung erheblich verbessert. Gemäß den hier beschriebenen Ausführungen kann die direkte Abscheidung von niedrigschmelzenden Metallen oder Legierungen entweder unter Vakuumbedingungen oder einer geeigneten atmosphärischen Umgebung erfolgen.
  • Wenn Elemente der vorliegenden Offenbarung oder beispielhafte Aspekte oder Ausführungen davon eingeführt werden, sollen die Artikel „ein“, „eine“, „einer“, „der“, „die“, „das“ und „dieser“, „diese“ bedeuten, dass es eines oder mehrere der Elemente gibt.
  • Die Begriffe „umfassend“, „enthaltend“ und „aufweisend“ sollen einschließend sein und bedeuten, dass es andere Elemente als die aufgelisteten Elemente geben kann.
  • Zwar ist das Vorstehende auf Ausführungen der vorliegenden Offenbarung gerichtet, aber es können andere und weitere Ausführungen der Offenbarung entwickelt werden, ohne von deren grundlegendem Schutzumfang abzuweichen, und deren Umfang wird durch die folgenden Ansprüche bestimmt.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Ausbilden einer Energiespeichervorrichtung, umfassend: Aussetzen einer Quelle für Metallschmelze einem Reinigungsverfahren zum Entfernen unerwünschter Mengen an Verunreinigungen, umfassend: Zuführen der Metallschmelze zu einer Filteranordnung, wobei die Filteranordnung mindestens eines von einer Abschäumvorrichtung, eines Metallgewebefilters und eines Schaumfilters umfasst; und Filtrieren der Metallschmelze durch die Filteranordnung; Zuführen der filtrierten Metallschmelze zu einer dreidimensionalen Druckvorrichtung; und Ausbilden eines Metallfilms auf einem Substrat durch Drucken der filtrierten Metallschmelze auf das Substrat, wobei das Substrat ein polymerer Trennfilm und/oder ein leitfähiger Stromsammler ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Metall eine Schmelztemperatur von 1.000 Grad Celsius oder weniger aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Metall eine Schmelztemperatur von 800 Grad Celsius oder weniger aufweist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Metall eine Schmelztemperatur von 700 Grad Celsius oder weniger aufweist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Metall ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Alkalimetall, Magnesium, Zink, Cadmium, Aluminium, Gallium, Indium, Thallium, Zinn, Blei, Antimon, Bismut, Tellur, Erdalkalimetallen, Silber und Kombinationen davon.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Metallgewebefilter aus Kupfer, Aluminium, Nickel, Edelstahl oder Kombinationen davon besteht.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Schaumfilter aus Kupfer, Kupfer-Zink, Aluminium, Nickel, Edelstahl oder Kombinationen davon besteht.
  8. Verfahren zum Ausbilden einer Energiespeichervorrichtung, umfassend: Aussetzen einer Quelle für Lithiumschmelze einem Reinigungsverfahren zum Entfernen unerwünschter Mengen an Verunreinigungen, umfassend: Zuführen der Lithiumschmelze zu einer Filteranordnung, wobei die Filteranordnung eine Abschäumvorrichtung, einen Metallgewebefilter oder einen Schaumfilter umfasst; und Filtrieren der Lithiumschmelze durch die Filteranordnung; Zuführen der filtrierten Lithiumschmelze zu einer dreidimensionalen Druckvorrichtung; und Ausbilden eines Lithiumfilms auf einem Substrat durch Drucken der filtrierten Lithiumschmelze auf das Substrat, wobei das Substrat ein polymerer Trennfilm und/oder ein leitfähiger Stromsammler ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Metallgewebefilter aus Kupfer, Aluminium, Nickel, Edelstahl oder Kombinationen davon besteht.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Schaumfilter aus Kupfer, Kupfer-Zink, Aluminium, Nickel, Edelstahl oder Kombinationen davon besteht.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Substrat der leitende Stromsammler ist und der leitende Stromsammler Kupfer ist.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der polymere Trennfilm ein mikroporöses Polymersubstrat umfasst, das Ionen leiten kann.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei der Lithiummetallfilm eine Dicke von etwa 5 Mikrometer bis etwa 20 Mikrometer aufweist.
  14. Verfahren zum Ausbilden einer Energiespeichervorrichtung, umfassend: Ausbilden eines Sperrfilms auf einem leitfähigen Stromsammler, wobei der Sperrfilm ausgewählt ist aus Titan (Ti), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Tantal (Ta) und Kombinationen davon; Ausbilden eines Benetzungsfilms auf dem Sperrfilm, wobei der Benetzungsfilm ausgewählt ist aus Silizium (Si), Zinn (Sn), Aluminium (AI), Germanium (Ge), Antimon (Sb), Blei (Pb), Bismut (Bi), Gallium (Ga), Indium (In), Zink (Zn), Cadmium (Cd), Magnesium (Mg), Oxiden davon, Nitriden davon oder Kombinationen davon; und Aussetzen einer Quelle für Lithiumschmelze einem Reinigungsverfahren zum Entfernen unerwünschter Mengen an Verunreinigungen; Zuführen der gereinigten Lithiumschmelze zu einer dreidimensionalen Druckvorrichtung; und Ausbilden des Lithiummetallfilms auf dem Benetzungsfilm durch Drucken der gereinigten Lithiumschmelze auf den Benetzungsfilm.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend das Ausbilden eines Schutzfilms auf dem Lithiummetallfilm, wobei der Schutzfilm ein lithiumionenleitendes Material oder ein Zwischenlagen-Film ist.
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018207722A1 (de) * 2018-05-17 2019-11-21 Robert Bosch Gmbh Elektrochemische Festkörperzelle mit Wasserstoff-absorbierendem Material
CN112292775A (zh) * 2018-06-21 2021-01-29 应用材料公司 实现锂的稳定性的扩散阻挡膜
WO2020005657A1 (en) 2018-06-29 2020-01-02 Applied Materials, Inc. Liquid lithium supply and regulation
US11384419B2 (en) 2019-08-30 2022-07-12 Micromaierials Llc Apparatus and methods for depositing molten metal onto a foil substrate
CN111205072A (zh) * 2020-02-27 2020-05-29 辽宁科技大学 一种3d打印镁铝质熔融金属过滤装置的制备方法
CH717494B1 (de) 2020-06-03 2022-09-30 Blackstone Tech Holding Ag Vorrichtung zur Herstellung eines Energiespeichers, der eine elektrochemische Zelle enthält.
WO2022077120A1 (en) * 2020-10-16 2022-04-21 2555663 Ontario Limited Lithium metal anode assemblies and an apparatus and method of making
US20220267886A1 (en) * 2021-02-19 2022-08-25 GM Global Technology Operations LLC Melt spinning methods for forming lithium-metal foils and electrodes of electrochemical devices
US11830977B2 (en) * 2021-02-25 2023-11-28 International Business Machines Corporation Method to reduce interfacial resistance of hybrid solid-state electrolytes for secondary energy storage devices

Family Cites Families (41)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2997289A (en) 1954-08-11 1961-08-22 Philip S Baker Apparatus for the production of lithium metal
US3258505A (en) 1964-07-30 1966-06-28 Shell Oil Co Purification of a molten lithium salt system
US3901811A (en) 1973-01-17 1975-08-26 William C Finch Liquid skimmer method and apparatus
US4007923A (en) 1975-07-18 1977-02-15 Southwire Company Molten metal filter
US4274834A (en) 1979-04-11 1981-06-23 Foote Mineral Company Process for purification of lithium chloride
US4528032A (en) 1984-01-10 1985-07-09 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Lithium purification technique
US4721525A (en) 1987-03-20 1988-01-26 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Extraction process for removing metallic impurities from alkalide metals
US5169446A (en) 1989-08-02 1992-12-08 Mhb Joint Venture Method and apparatus for coating alkali or alkaline earth metals
US5624468A (en) 1993-06-02 1997-04-29 Micron Technology, Inc. Method for fabricating a leadless battery employing an alkali metal anode and polymer film inks
US5350645A (en) 1993-06-21 1994-09-27 Micron Semiconductor, Inc. Polymer-lithium batteries and improved methods for manufacturing batteries
US5747103A (en) 1997-04-10 1998-05-05 Voxcom, Inc. Method and apparatus for printign lithium patterns on a press
US6402795B1 (en) * 1998-02-18 2002-06-11 Polyplus Battery Company, Inc. Plating metal negative electrodes under protective coatings
WO2001080338A1 (en) 2000-04-14 2001-10-25 Case Western Reserve University Ink-jet based methodologies for the fabrication of microbatteries
US6663776B2 (en) * 2001-10-03 2003-12-16 Selee Corporation High strength SiC filter and method for the manufacture thereof
US7320845B2 (en) 2002-05-24 2008-01-22 The Intertech Group, Inc. Printed battery
US20030228520A1 (en) * 2002-06-06 2003-12-11 Kaun Thomas D. Process for manufacturing thermal battery with thin fiber separator
US6933077B2 (en) * 2002-12-27 2005-08-23 Avestor Limited Partnership Current collector for polymer electrochemical cells and electrochemical generators thereof
JP4193603B2 (ja) 2003-06-18 2008-12-10 日産自動車株式会社 電極、電池およびそれらの製造方法
DE10346310A1 (de) 2003-10-06 2005-05-04 Fraunhofer Ges Forschung Batterie, insbesondere Mikrobatterie, und deren Herstellung mit Hilfe von Wafer-Level-Technologie
CN101613825A (zh) * 2003-10-18 2009-12-30 攀枝花金钛高科技有限责任公司 利用钛、铁矿生产钛、钢制品的方法
US7968233B2 (en) 2004-02-18 2011-06-28 Solicore, Inc. Lithium inks and electrodes and batteries made therefrom
WO2006064342A2 (en) 2004-12-14 2006-06-22 Nissan Motor Co., Ltd. Electrode for use in a battery and method of making the same
ES2381854T3 (es) 2006-07-14 2012-06-01 Avioprop S.r.l. Producción en serie de artículos tridimensionales hechos de compuestos intermetálicos
US20100099026A1 (en) 2008-10-20 2010-04-22 Samsung Electronics Co., Ltd. Electrode ink composition for ink-jet printing, and electrode and secondary battery manufactured by using the same
WO2010061871A1 (ja) * 2008-11-26 2010-06-03 日本製紙ケミカル株式会社 非水電解質二次電池の電極用カルボキシメチルセルロースまたはその塩、及びその水溶液
WO2011008744A1 (en) 2009-07-14 2011-01-20 Rogers Corporation Lithium based inks and electrodes, batteries made therefrom, and methods of manufacture thereof
CN102656728B (zh) 2009-11-30 2015-02-11 Oc欧瑞康巴尔斯公司 锂离子电池及这类电池的制造方法
JP5509816B2 (ja) * 2009-11-30 2014-06-04 ソニー株式会社 セパレータ、これを用いた電池および微多孔膜
CN101710614B (zh) * 2009-12-16 2012-06-20 南京大学 介孔纳米粒子改性锂电池隔膜
US8794298B2 (en) 2009-12-30 2014-08-05 Rolls-Royce Corporation Systems and methods for filtering molten metal
FR2965107A1 (fr) 2010-09-22 2012-03-23 Commissariat Energie Atomique Encre aqueuse pour l'impression d'electrodes pour batteries au lithium
JP2013062242A (ja) 2011-08-24 2013-04-04 Sumitomo Metal Mining Co Ltd 薄膜固体二次電池用の薄膜の製造方法とそれに用いる塗布液、及び薄膜、並びにそれを用いた薄膜固体二次電池
US20130136973A1 (en) 2011-11-30 2013-05-30 Qualcomm Mems Technologies, Inc. Rechargeable lithium ion battery with silicon anode
US20140315084A1 (en) 2013-04-18 2014-10-23 Nokia Corporation Method and apparatus for energy storage
CN104241734B (zh) * 2013-06-09 2017-02-08 中国科学院物理研究所 一种锂可充放电池
CN104904048A (zh) * 2013-07-05 2015-09-09 古河电气工业株式会社 正极活性物质、非水电解质二次电池用正极、非水电解质二次电池及正极活性物质的制造方法
CN203496421U (zh) 2013-08-22 2014-03-26 张金春 超级电容和锂电池电极印刷涂布装置
CN104716382B (zh) * 2013-12-15 2017-08-25 中国科学院大连化学物理研究所 一种锂‑硫电池结构
CN204075076U (zh) * 2014-09-28 2015-01-07 河南科技大学 一种镁合金铸造浇口杯
KR101611566B1 (ko) 2015-07-01 2016-04-11 부산대학교 산학협력단 3차원 금속 프린팅장치 및 이를 이용한 프린팅 방법
CN105576099B (zh) * 2016-03-04 2019-01-11 太原理工大学 基于3d打印制备led器件电极的方法

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