DE69015043T2 - Herstellung von Lithiumschichten auf Gegenständen. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bildung einer Lithiumschicht auf einem Substrat. Lithium ist das reaktivste Material und es existieren unverkennbare Probleme beim Arbeiten mit diesem Material.
• Zum heutigen Tage gibt es ein großes Interesse in der Industrie, dünnschichtige Lithiumbatterien zu entwerfen. Diese Batterien umfassen eine Lithiumanode, eine Übergangsmetall-Oxidpolymer-Zusammensetzung als Kathode und einen Elektrolyten, der ein Feststoff oder eine Flüssigkeit sein kann und der ein gelöstes Lithiumsalz einschließt.
• Ein prinzipielles Ziel der Hersteller solcher Batterien ist es, insbesondere bei Ausführungen, bei denen große Elektrodenbereiche benötigt werden, diese so dünn wie möglich auszubilden, bei gleichzeitig befriedigenden Marktansprüchen in der Kapazität, der Stromdichte, der Gestellebensdauer und dgl.
• Während Verfahren zur Herstellung von Lithiumanoden bekannt sind, schaffen diese Verfahren typischerweise eine Anode, die mehr Lithium als nötig enthält, um den elektrochemischen Erfordernissen der Zelle zu genügen. Folglich wird Lithium verschwendet, und die Batterie wird teurer und wesentlich dicker als nötig. Beispielsweise ist das bekannteste Verfahren zur Herstellung von Lithiumanoden das Kaltpressen, aber es ist schwierig, Lithiummetall in Streifen dünner als ungefähr 100 Mikrons zu pressen. die US-A-3721113 beschreibt ein Verfahren zur Verminderung dieser Schwierigkeit, indem das Lithium zwischen weichen Oberflächen aus Polymer gewalzt wird, die eine ausreichend geringe kritische Oberflächenenergie aufweisen, um ein Ankleben zu vermeiden. Jedoch selbst dieses Verfahren ist auf Dicken nicht größrer als ungefähr 40 Mikrons beschränkt. Zusätzlich dazu sind vorproduzierte Lithiumstreifen mit einer Dicke von weniger als 50 Mikrons extrem teuer. Daher bieten sie keine kommerziell attraktive Alternative.
• Andere Verfahren zum Aufbringen von Lithium sind bspw. bekannt aus der US-A-3551184, die das Reiben eines erhitzen Substrats mit einem Stab aus Lithiummetall betrifft, aus der US-A-3928681 und aus der EP-A-285476, worin Metallsubstrate beschichtet werden, wenn sie durch eine Schmelze aus Alkalimetall oder über eine Rolle, die in die Schmelze aus Alkalimetall eingetaucht worden ist, geführt werden. Jedes dieser Verfahren hat Nachteile, die eine industrielle Verwirklichung schwierig machen. Wenn bspw. die Vorrichtung nach der EP-A-285476 unerwartet ausfallen würde, könnte die Rolle schnell korrodieren und die Vorrichtung würde nicht betriebsbereit sein.
• Aus der später folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, Verfahren und Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung wird deutlich werden, daß diese die Herstellung einer Lithiumbeschichtung mit kontrollierter Dicke, vorzugsweise von weniger als 150 Mikrons, auf einem Substrat sicherstellen können. Dadurch können Lithiumanoden für die Verwendung in elektrochemischen Zellen gebildet werden, bei denen ein Stromabnehmer, wie bspw. eine Nickel- oder Kupferfolie mit einer dünnen Lithiumschicht beschichtet wird.
• Obwohl die nachfolgende Diskussion auf das Beschichten von Folien zur Verwendung als Anoden in Lithiumzellen Bezug nehmen wird, kann das Verfahren auch verwendet werden, um eine Lithiumbeschichtung von mikroskopischer Dicke auf nahezu jedem Substrattypus zu schaffen, auf dem eine solche Beschichtung gewünscht wird.
• Erfindungsgemäß wird in einem ersten Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Bildung einer Lithiumschicht auf einem Substrat geschaffen, das die folgenden Schritte umfaßt: Bildung eines Bades aus geschmolzenem Lithium in einem Behälter; Zirkulieren des geschmolzenen Lithiums in dem Bad, so daß das geschmolzene Lithium über die obere Oberfläche des Behälters hinausgetragen wird; Transportieren des Substrats entlang eines Pfades, der die obere Oberfläche des Behälters durchquert; Aufbringen des herausgetragenen geschmolzenen Lithiums auf einer Seite des Substrats unter Zuhilfenahme eines Beschichtungsmittels; Anordnung eines Kühlbauteils in einer Position, die ausgewählt wird, so daß sie sich in einer ersten horizontalen Distanz und in einer zweiten vertikalen Distanz von dem Beschichtungsmittel befindet; und in Kontakt Bringen einer zweiten Oberfläche des Substrats mit dem Kühlbauteil, wodurch das übertragene Lithium erstarrt wird; und wobei die Dicke der Lithiumschicht auf eine vorbestimmte Dicke ausgewählt wird, indem die horizontalen und vertikalen Distanzen und die Temperatur des Kühlbauteils ausgewählt werden und wobei das Verfahren in einer inerten Umgebung durchgeführt wird.
• Das geschmolzene Lithiummetall wird in einem Behälter gehalten und zirkuliert, so daß geschmolzenes Lithium über die obere Oberfläche des Behälters hinausgetragen wird. Das Substrat läuft direkt über den Behälter hinüber, ohne den Behälter selbst zu berühren und wird in einer Position angeordnet, in der das herausgetretene geschmolzene Lithium auf dem Substrat auf gebracht werden kann. Der Kontakt des geschmolzenen Lithiuinrnetalls mit dem Substrat wird durch ein Beschichtungsmittel reguliert, um eine sehr dünne und reine Beschichtung aus Lithium auf dem Substrat ermöglichen zu können. Wenn das Substrat nach der Beschichtüng auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts von Lithium (180ºC) abgekühlt worden ist, erstarrt die Lithiumbeschichtung auf dem Substrat. Ein Kühlbauteil ist an einer vorbestimmten Position angeordnet, die relativ zum Beschichtungsmittel sowohl horizontal als auch vertikal ausgewählt worden ist. Durch Manipulation von einer Anzahl von Variablen wie bspw. der Kontaktzeit zwischen dem Substrat und dem geschmolzenen Lithium, der Temperatur des Substrats, der Temperatur des geschmolzenen Lithiums, der Heraustrethandlung des geschmolzenen Lithiums und der Position und Temperatur des Kühlblechs können gewünschte Beschichtungsdicken aus unkontaminiertem Lithium hergestellt werden. Insbesondere können mit dem Verfahren sehr dünne Beschichtungsdicken im Mikron- und Sub-Mikron-Formatsbereich hergestellt werden.
• Es ist insbesondere vorteilhaft, daß das geschmolzene Lithium in Form einer stehenden Welle herausgetragen wird. Dies gestattet die Bildung einer dünnen und reinen Beschichtung von Lithium auf dem Substrat. Das geschmolzene Lithium der stehenden Welle wird auf eine rotierende Übertragungsrolle übertragen, die das geschmolzene Lithium auf ein Substrat überträgt, das sich in direktem Kontakt mit der rotierenden Rolle befindet. Das Substrat wird kurz nach der Beschichtung abgekühlt, um die Metallbeschichtung auf dem Substrat schnell zu erstarren. Das verwendete Kühlblech ist vorzugsweise eine Kühlrolle.
• Wegen der Reaktivität von Lithium findet das Verfahren in einer inerten Umgebung statt, vorzugsweise in einer sehr trockenen Argon- oder Heliumumgebung.
• Die Erfindung erstreckt sich auch auf ein Substrat, auf dem eine Schicht aus Lithium durch das oben beschriebene Verfahren aufgetragen worden ist.
• Das Substrat ist geeignet für die Verwendung als Anodenelement für eine laminare Lithiumbatterie, wobei das Substrat eine Metallfolie oder ein Metallgitter, und insbesondere eine Kupferoder Nickelfolie oder -gitter umfaßt.
• In einem zweiten und alternativen Aspekt umfaßt die Erfindung eine Vorrichtung zum Aufbringen einer Lithiumschicht auf einem Substrat, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale umfaßt: Mittel zum operativen Aufrechterhalten einer inerten Umgebung in einer vorbestimmten Region; einen Behälter innerhalb der Region, der geeignet ist, um darin Lithium geschmolzen zu halten; zirkuliermittel in dem Behälter, die zum Zirkulieren des geschmolzenen Lithiums geeignet sind, um das geschmolzene Lithium dazu zu bringen, über der oberen Oberfläche von dem Behälter heraus zutreten; Transportmittel zum operativen Transportieren eines Substrats innerhalb dieser Region über den Behälter hinüber, um dem herausgetretenen geschmolzenen Lithium zu gestatten, auf einer Oberfläche des Substrats aufgetragen zu werden; Beschichtungsmittel, die geeignet sind, das herausgetretene geschmolzene Lithium auf der einen Oberfläche des Substrats aufzutragen; und ein Kühlbauteil, das in einer ausgewählten Position angeordnet ist, um sich in einem ersten horizontalen Abstand und einem zweiten vertikalen Abstand von dem Beschichtungsmittel zu befinden und das für einen operativen Kontakt mit einer zweiten Oberfläche des Substrats angeordnet ist, wobei die Dicke des auf dem Substrat aufgetragenen Lithiums in einer vorbestimmten Dicke ausgewählt werden kann, indem die horizontalen und vertikalen Abstände und die Temperatur des Kühlbauteils ausgewählt werden.
• In einer besonderen Ausführungsform schließt die Vorrichtung eine rotierende Übertragungsrolle als Beschichtungsmittel ein, die mit dem heraustretenden geschmolzenen Lithium in Kontakt tritt und dieses auf eine der Oberflächen von dem Substrat überträgt, und ebenso schließt sie eine Kühlrolle zum Kühlen des Substrats ein, nachdem das geschmolzene Lithium darauf auf gebracht worden ist. Die Kühlrolle steht in Kontakt mit der unbeschichteten Oberfläche des Substrats und kann an jedem Punkt entlang der Oberfläche des Substrats horizontal und vertikal angeordnet werden, um bei dem Substrat relativ zum Kontaktpunkt mit dem geschmolzenen Metall geeignete Spannungs- und Kühlgrade zu schaffen, wodurch Beschichtungen mit der gewünschten Dicke geschaffen werden.
• Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen des näheren beschrieben, wobei:
• Fig.1 eine schematische Zeichnung einer Vorrichtung ist, die die Lehre der vorliegenden Erfindung beinhaltet; und
• Fig.2 eine vergrößerte Ansicht eines Behälters von der Vorrichtung aus Fig.1 ist, der das Bad aus geschmolzenem Lithium enthält.
• Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig.1 ist eine Vorrichtung zum Auftragen einer dünnen Lithiumschicht auf einem Substrat dargestellt, die allgemein mit 10 bezeichnet ist.
• Die Vorrichtung 10 umfaßt eine Transportrolle 12 zum Abwickeln, die zum Abrollen des Substrats 14 in Richtung des Pfeils rotiert. Das Substrat 14 bewegt sich in Richtung des Pfeils A über die Lithium-Beschichtungsstation 16 und auf die Aufwickelrolle 34, die rotiert wird, um das Substrat 14 durch die Vorrichtung hindurch zu transportieren. Vor dem Transport durch die Lithium-Beschichtungsstation 16 ist das Substrat 14 ein gleichmäßiges Material, das typischerweise keine Oberflächenbeschichtung aufweist, wie dies aus Fig.1B ersichtlich ist. Wenn das Substrat andererseits mit dem aufzutragenden Lithium reagieren würde, kann das Substrat mit einer nicht reaktiven Schicht vorbeschichtet werden. Wenn bspw. ein Aluminiumsubstrat ausgewählt wird, kann dieses mit dem Lithium reagieren und eine brüchige Legierung bilden. Zur Vermeidung dessen kann das Aluminiumsubstrat mit einer Nickelschicht vorbeschichtet werden, die nicht mit Lithium reagiert. Wenn das Substrat durch die Lithium-Beschichtungsstation 16 hindurchgelaufen und anschließend gekühlt worden ist, ist gemäß Fig.1C eine feste Lithiumschicht 20A auf der unteren Oberfläche des Substrats 14 aufgetragen worden.
• Unter Bezugnahme auf Fig.2 wird die Lithium-Beschichtungsstation 16 in detaillierterer Form dargestellt. Die Station 16 umfaßt einen Behälter 18, der geschmolzenes Lithium 20 enthält. An der äußeren Oberfläche des Behälters 18 sind Erhitzer 48 angeordnet, die den Behälter 18 erhitzen, um das Lithium zu schmelzen oder in einem flüssigen Zustand zu halten. Der Behälter 18 umfaßt ebenfalls eine longitudinale Sperre 38, die den Behälter 18 in Bereiche 18A und 18B unterteilt. Es wird später diskutiert werden, daß die Anwesenheit der Sperre 38 dem Bad aus flüssigem Lithium 20 ermöglicht, als stehende Welle 22 herausgetragen zu werden, so daß sich der Kamin der stehenden Welle 22 über die obere Oberfläche 50 des Behälters 18 hinaus erstreckt.
• Weiterhin zeigt die Fig.2, daß der Bereich 18B eine Fluß-Widerstandswand 40 umfaßt, die die Sperre 38 mit einer vertikalen Leitwand 46 verbindet. Der Bereich 18B enthält ebenfalls eine Fluß-Widerstandswand 42, die die Seitenwand 19 des Behälters 18 mit einer vertikalen Leitwand 44 verbindet. Die vertikale Lage der Fluß-Widerstandswände 40 und 42 in dem Behälter 18 ist leicht unterhalb der oberen Oberfläche 50. Die Leitwände 44 und 46 sind an den Wänden 40 und 42 befestigt und enden vertikal an der Oberfläche 50, um eine Öffnung 52 zu bilden, durch die die stehende Welle 22 herausgetragen wird.
• Gemäß Fig.1 umfaßt die Vorrichtung 10 auch eine Beschichtungsrolle 24, die mit der stehenden Welle 20 aus geschmolzenem Lithium 20 in Kontakt steht. Die Beschichtungsrolle 24 rotiert in Pfeilrichtung, so daß das auf der äußeren Oberfläche vorhandene gechmolzene Lithium mit der unteren Oberfläche des Substrats 14 in Kontakt treten kann. Die Beschichtungsrolle 24 hat in erster Linie die Funktion, dem Substrat 14 eine gleichmäßige, kontinuierliche Beschichtung aus geschmolzenem Lithium zuzuführen. Jedoch ist die Verwendung der Beschichtungsrolle 24 optional.
• Weiterhin enthält die Vorrichtung 10 nach Fig.1 eine Kühlrolle 26, die die Funktion hat, die unbeschichtete Oberfläche des Substrats 14 zu kühlen, um die Beschichtung aus geschmolzenem Lithium schnell erstarren zu lassen. Die untere Oberfläche der Kühlrolle 26 steht mit der oberen Oberfläche des Substrats 14 in Kontakt. Die Kühlrolle 26 ist an dem Träger 27 befestigt, der einen horizontalen Arm 28, einen vertikalen Arm 30 und einen Fuß 32 enthält. Der horizontle Arm 28 ist vertikal einstellbar, und der Fuß 32 ist horizontal einstellbar. Wie später diskutiert werden wird, gestattet die Einstellbarkeit des horizontalen Arms 28 und des Fußes 32 eine Regulierung der Beschichtungsdicke von dem Lithium.
• Zum Aufbringen einer dünnen Lithiumschicht auf einem Substrat unter Verwendung der Vorrichtung gemäß Fig.1 wird das folgende Verfahren verwendet. Das unbeschichtete Substrat 14 wird bis zu dem Punkt befördert, wo es mit der Beschichtungsrolle 24 in Kontakt tritt, die dann geschmolzenes Lithium 20 auf der unteren Oberfläche des Substrats 14 aufbringt.
• Um sicherzustellen, daß eine genügende Menge an geschmolzenem Lithium von der Beschichtungsrolle 24 auf das Substrat 14 übertragen wird, muß die Beschichtungsrolle 24 mit einer genügenden Geschwindigkeitsrate rotiert werden, bspw. zwischen 50 und 500 rpm. Eine zu geringe Rotation bewirkt, daß eine ungenügende Menge an geschmolzenem Lithium auf das Substrat übertragen wird.
• Das Aufbringen von geschmolzenem Lithium 20 auf der Beschichtungsrolle 24 erfolgt in der Beschichtungsstation 16. Genauer gesagt wird festes Lithium in den Behälter 18 eingebracht, und die Erhitzer 48 werden aktiviert, um das Lithium aufzuschmelzen.
• Dann wird der Rührer 36 aktiviert, um die Bildung einer stehenden Welle 22 zu erzeugen, indem ein Fluß aus geschmolzenem Lithium 20 unter der Sperre 28 hindurch und in den Bereich 18B hinein erzeugt wird. Zum Abgleich des Drucks im Bereich 18B wird das geschmolzene Lithium 20 als stehende Welle 22 durch die öffnung 52 zirkuliert. Die Ausbildung des geschmolzenen Lithiums als stehende Welle 22 wird im allgemeinen bewerkstelligt, indem der Rührer 36 aktiviert wird sowie aus dem Erfordernis heraus, daß der Druckabgleich in dem Behälter 18 und insbesondere im Bereich 18B aufrechterhalten wird. Der Rührer arbeitet bei 100 bis 300 rpm.
• Wie aus Fig.1 ersichtlich wird, kommt das geschmolzene Lithium aus der stehenden Welle 22 mit der äußeren Oberfläche von der Beschichtungsrolle 24 in Kontakt. Das geschmolzene Lithium, das mit der Beschichtungsrolle 24 nicht in Kontakt tritt, tritt über die Sperre 38 hinüber in den Bereich 18A des Behälters 18 ein und wird dann für ein anschließendes Aufbringen auf der Beschichtungsrolle 24 in den Behälter 18 rezirkuliert.
• Nachdem das geschmolzene Lithium 20 auf dem Substrat 14 aufgebracht worden ist, wird das Substrat 14 weiterbefördert, um mit seiner unbeschichteten Oberfläche mit der Kühlrolle 26 in Kontakt zu treten. Die Kühlrolle 26, die typischerweise eine wassergekühlte Rolle ist (z.B wird Wasser in das Innere der Rolle zirkuliert), hat in erster Linie die Funktion, das geschmolzene Lithium schnell auf dem Substrat 14 erstrarren zu lassen. Anstelle von Wasser können andere Kühlflüssigkeiten wie Freon oder andere Kühlmittel verwendet werden. Die Kühlrolle hat ebenfalls die Funktion, die Beschichtungsdicke von geschmolzenem Lithium 20 auf dem Substrat 14 zu regulieren. Da sich die Kühlrolle 26 in direktem Kontakt mit der unbeschichteten Oberfläche des Substrats 14 befindet, wird in dem Substrat 14 eine Spannung erzeugt, die es mit der Beschichtungsrolle 24 in Kontakt bringt. Die Dicke der Lithiumbeschichtung kann in Abhängigkeit von der Spannungsgröße auf das Substrat 14 effektiv reguliert werden. Eine anwachsende Spannung wird erzeugt, wo sich die Kühlrolle horizontal und vertikal in größter Nähe zur Beschichtungsrolle 24 befindet. Die horizontale und vertikale Plazierung der Kühl rolle 26 auf dem Substrat 14 wird jeweils durch den Fuß 32 und den horizontalen Arm 28 reguliert. Wenn bspw. eine sehr dünne Beschichtung auf dem Substrat 14 gebildet werden soll, wird der Fuß 32 in Richtung zur Beschichtungsrolle 24 hin eingestellt, und der horizontale Arm 28 wird vertikal in Richtung der Beschichtungsrolle 24 abgesenkt. Wenn umgekehrt eine dickere Beschichtung auf dem Substrat 14 hergestellt werden soll, kann der Fuß 32 von der Beschichtungsrolle 24 weg eingestellt werden, und der horizontale Arm 28 kann vertikal von der Beschichtungsrolle 24 weg angehoben werden.
• Nach dem Beschichten und Kühlen wird das beschichtete Substrat weiterbefördert und auf der Aufwickelrolle 34 aufgewickelt.
• Wegen der Reaktivität des Lithiums muß die Vorrichtung 10 in einer chemisch inerten (insbesondere frei von Wasser, Stickstoff und Sauerstoff) Umgebung gehalten werden, um eine Reaktion mit Lithium zu vermeiden. Beispiele geeigneter Umgebungen schließen Argon, Helium und Neon ein, wobei eine Argonumgebung insbesondere bevorzugt wird, da diese auf Umbegungsdruck und -temperatur gehalten werden kann.
• Lithium ist sehr empfindlich gegen Sauerstoff, Stickstoff und Wasser, insbesondere dann, wenn es sich im geschmolzenen Zustand befindet. Selbst in Handschuhkästen mit hoher Reinheit, in denen der Wasser- und Sauerstofflevel unter einem ppm liegt, wird die Oberfläche des geschmolzenen Lithiums kontaminiert. Diese Kontanimierung wird durch eine graue Oberflächenschicht sichtbar (die mutmaßlich aus Lithiumoxid, Nitrid und Hydroxid besteht), die im Laufe der Zeit anwächst. Auf einer statischen Lithiumoberfläche muß diese Kontanimierungsschicht häufig entfernt werden. Die Beschichtung eines Substrats mit diesem kontanimierten Lithium erzeugt eine Beschichtung, die Brocken/Platten des Kontaminats enthält. Die Dicke des Kontaminats übersteigt im allgemeinen die Dicke der Lithiumschicht um einen Faktor von 2-5. Es ist ersichtlich, daß diese Lithiumbeschichtung kommerziell nicht verwendbar ist, bspw. als Anodenmaterial für Dünnfilm-Lithiumbatterien.
• Im Vergleich hat die beschriebene Vorrichtung mit der stehenden Welle Vorteile gegenüber einem Fluß aus geschmolzenem Lithium. Das bedeutet, daß die Kontanimierung auf der Oberfläche von der Schmelze augenblicklich entfernt wird, wenn Verunreinigungen aus der Beschichtugszone wegtransportiert werden. Die Verunreinigungen werden in anderen Teilen der Vorrichtung auf der Oberfläche des geschmolzenen Lithiums angesammelt, wo sie leicht entfernt werden können, ohne den Beschichtungsprozess zu unterbrechen. Da die stehende Welle aus Lithium vom Boden der Vorrichtung gebildet wird, wird eine Kontaminierung der Lithiumbeschichtung vermieden. Somit ist die Lithiumbeschichtung immer frei von Verunreinigungen.
• Beispiele für Metallsubstrate, die in der beschrieben Vorrichtung beschichtet werden können, schließen Nickel, Kupfer, Aluminium, Zinn und Blei ein. Es können auch andere Substratmaterialien ausgewählt werden, solange sie bei der Beschichtungstemperatur fest sind und nicht mit dem Lithium reagieren. Wie oben diskutiert wurde, sollten reaktive Metalle (z.B. Metalle, die bei Raumtemperatur mit Lithium reagieren) mit einer nicht reaktiven Schicht vorbeschichtet werden. Das Substrat kann entweder fest sein, z.B. als Folie, oder es kann auch porös sein, wie bspw. ein Gitter. Das letztere Substrat kann zur Verwendung einer zweiseitigen Beschichtung verwendet werden, weil das geschmolzene Lithium, das auf der unteren Oberfläche von dem Substrat aufgebracht worden ist, durch die Poren des Substrats hindurchdringen und das geschmolzene Lithium auf die gegenüberliegende Oberfläche von dem Substrat bringen wird. Beispiele für besonders gut verwendbare poröse Substrate sind Nickelnetze und -gitter.
• Die Beschichtungsstation 16 muß so ausgelegt sein, daß sie es dem Lithium gestattet, geschmolzen und als stehende Welle herausgetragen zu werden. In der Praxis müssen die Erhitzer 48 zur Herstellung eines Bades aus geschmolzenem Lithium in der Lage sein, den Behälter 18 auf eine Temperatur zu bringen, die oberhalb des Scnmelpunktes von Lithium (180ºC) liegt. Das Halten eines Lithiumbades zwischen dem Schmelzpunkt von reinem Lithium und ungefähr 400ºC erzeugt exzellente Ergebnisse. Insbesondere wird eine Badtemperatur von ungefähr 250ºC bevorzugt. Zur Erzeugung des Effekts der stehenden Welle kann eine Maschine ausgewählt werden, die mit einem Rührer ausgetattet in der Lage ist, eine stehende Welle zu erzeugen. Solch eine Maschine ist bspw. eine Lotanlage Compac 1018, die von der Firma Seitz und Höhnerlein in Kreuzwertheim, Deutschland verkauft wird. Diese Maschine ist, wenn sie gemäß Fig.2 modifiziert wird, in der Lage, eine stehene Welle zu erzeugen, deren Kamm ungefähr einen Zentimeter über der oberen Oberfläche von dem Behälter liegt.
• Wenn zur Übertragung des geschmolzenen Lithiums von der stehenden Welle auf das Substrat eine Beschichtungsrolle verwendet wird, sollte die Beschichtungsrolle eine kontinuierliche äußere Oberfläche haben, um sicherzustellen, daß eine gleichmäßige Lithiumbeschichtung auf das Substrat aufgetragen wird. Ein Beispiel für eine geeignete Beschichtungsrolle ist eine Rolle aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von 2.5 cm, die eine polierte Oberfläche hat. Diese Rolle wird typischerweise auf einer Temperatur gehalten, die ungefähr der Temperatur von dem geschrnolzenen Metall entspricht.
• Die Kühlrolle ist im Inneren vorzugsweise mit Wasser oder einer anderen Flüssigkeit (solche, die nicht mit dem Lithium reagiert) bedeckt (Raumtemperatur (20ºC)), und besteht außen aus rostfreiem Stahl oder Kupfer. Solche Rollen sind im Stand der Technik bestens bekannt.
• Der Fuß 32 und der horizontale Arm 28 können wie oben beschrieben eingestellt werden, um eine gewünschte Anordnung auf dem Substrat zu schaffen. Bspw. kann der Fuß 32 eingestellt werden, um einen besonders engen Kontakt zwischen der Kühl- und der Beschichtungsrolle zu ermöglichen, oder er kann eingestellt werden, so daß die Kühlrolle in einem geeigneten Abstand (typischerweise ungefähr 5 Zentimeter) von der Beschichtungsrolle 24 angeordnet ist. Auf ähnliche Weise kann der horizontale Arm 28 auf eine Höhe von ungefähr 3 cm oberhalb der Beschichtungsrolle eingestellt werden. In der Paxis wird der horizontale Arm zur Erzeugung von dünnen Beschichtungen auf eine Entfernung von .1 bis 2 Millimeter von der Beschichtungsrolle 24 eingestellt. Durch Einstellung des Fußes 32 und des horizontalen Arms 28 kann der Grad des Kontakts zwischen dem Substrat 14 und demgeschmolzenen Lithium eingestellt werden, und es kann eine Beschichtungsdicke im Bereich zwischen weniger als 1 bis ungefähr 500 Mikrons produziert werden. Besonders bevorzugte Beschichtungsdicken liegen im Bereich von ungefähr 15 Mikrons bis ungefähr 100 Mikrons.
• Ein anderer, jedoch weniger wichtiger Faktor, der zur Regulierung der Beschichtungsdicke verwendet werden kann, ist die Rotationsgeschwindigkeit der Aufwickelrolle 34, die in Drehung die Transportrate des Substrats 14 reguliert. In der Praxis wird die Rolle 34 mit solch einer Rate rotiert, daß sie dem Substrat 14 gestattet, mit einer Rate von ungefähr 1 bis ungefähr 15 Metern pro Minute durch die Beschichtungsstation 16 hindurchzulaufen. Insbesondere wird eine Rate von ungefähr 10 Metern pro Minute bevorzugt.
• Ein weiterer Faktor, der zur Regulierung der Beschichtungsdicke verwendet werden kann, ist die Rotationsgeschwindigkeit der Beschichtungsrolle 24. Im allgemeinen resultiert eine anwachsende Beschichtungsdicke aus dem Ansteigen der Rotationsgeschwindigkeit von der Beschichtungsrolle 24. In der Praxis rotiert die Beschichtungsrolle 24 in einem Geschwindigkeitsbereich von ungefähr 50 rpm bis ungefähr 500 rpm.
• Noch ein weiterer Faktor zur Regulierung der Beschichtungsdicke ist die Temperatur des Substrats vor der Beschichtung. Man geht davon aus, daß wenn die Temperatur des Substrats erhöht wird, die Beschichtungsdicke abnehmen wird. In der Praxis wird das Substrat typischerweise auf Raumtemperatur gehalten. Jedoch kann das Substrat vor der Beschichtung erhitzt werden, um die Klebefähigkeit der Beschichtung auf dem Substrat zu verbessern. Nach dem Beschichten kann auch die Temperatur der Kühlrolle die Beschichtungsdicke beeinflussen. Ein Absenken der Temperatur von der Kühlrolle kann zu einer schnelleren Erstarrung des auf getragenen Lithiums führen, während ein Ansteigen der Temperatur von der Kühlrolle die Gleichmäßigkeit der Beschichtung verbessern kann.
• Um weiterhin die Beschichtungsqualität regulieren zu können, wird die Höhe der stehenden Welle zur Schaffung einer Lithiumbeschichtung ohne Verunreinigungen so eingestellt, daß sie ein statisches Erscheinungsbild hat. Wenn das Erscheinungsbild der Welle statisch ist, kann dem Substrat eine gleichmäßige Beschichtung zugeführt werden. Im Vergleich dazu wird die Beschichtung ungleichmäßig und inhomogen werden, wenn die Welle ein oszillierendes Erscheinungsbild hat. In der Praxis beträgt die Höhe der Welle weniger als 2cm.
• Die Vorrichtung nach Fig.1 ist ausgebildet, um eine einseitige Beschichtung zu schaffen. Für einige Anwendungen ist aber eine zweiseitige Beschichtung wünschenswert. Dazu kann ein poröses Substrat verwendet werden, und das geschmolzene Lithium kann die Poren des Substrats durchdringen.
• In der Praxis können die oben beschriebene Beschichtungsvorrichtung und die Verfahren für jeden beliebigen Beschichtungsbetrieb verwendet werden, bei dem es wünschenswert ist, dünne Lithiumschichten auf einem Substrat aufzutragen. Es ist insbesondere bevorzugt, daß das Beschichtungsverfahren verwendet wird zur Herstellung von Lithium-Anodenelementen für Festzustands-Elektrochemische-Zellen, worin ein Stromabnehmer, z.B. aus Nickel- oder Kupferfolie, mit einer dünnen Schicht aus reaktivem Material beschichtet wird. Das Anodenelement kann an ein Kathodenelement laminiert werden, oder an einen Elektrolyten, der an ein Kathodenelement laminiert wird, um eine komplette Zelle zu produzieren. Andere Verwendungen für das Beschichtungsverfahren und die Vorrichtung schließen die Beschichtung von Lithiumelektroden für andere elektrochemische Einrichtungen ein, wie bspw. elektrochemische Anzeigen und Superkondensatoren.

Claims (11)

1.Verfahren zur Bildung einer Lithiumschicht auf einem Substrat gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Bildung eines Bades aus geschmolzenem Lithium in einem Behälter; Zirkulieren des geschmolzenen Lithiums in dem Bad, so daß das geschmolzene Lithium über die obere Oberfläche des Behälters hinausgetragen wird; Transportieren des Substrats entlang eines Pfades, der die obere Oberfläche des Behälters durchquert; Aufbringen des herausgetragenen geschmolzenen Lithiums auf einer Seite des Substrats unter Zuhilfenahme eines Beschichtungsmittels; Anordnung eines Kühlbauteils in einer Position, die ausgewählt wird, so daß es sich in einer ersten horizontalen Distanz und in einer zweiten vertikalen Distanz von dem Beschichtungsmittel befindet; und in Kontakt Bringen einer zweiten Oberfläche des Substrats mit dem Kühlbauteil, wodurch das übertragene Lithium erstarrt wird; daß die Dicke der Lithiumschicht auf eine vorbestimmte Dicke ausgewählt wird, indem die horizontalen und vertikalen Distanzen und die Temperatur des Kühlbauteils ausgewählt werden und daß das Verfahren in einer inerten Umgebung durchgeführt wird.

2.Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, aß der Beschichtungsschritt das in Kontakt Treten des herausgetretenen geschmolzenen Lithiums mit einer rotierenden Rolle umfaßt, s6 daß das geschmolzene Lithium auf die Oberfläche der Rolle aufgetragen wird; und daß die eine Oberfläche des Substrats mit der rotierenden Rolle in Kontakt tritt.

3.Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zirkulationsschritt das geschmolzene Lithium als stehende Welle austreten läßt.

4.Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlbauteil eine Kühlrolle umfaßt.

5.Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat eine Metallfolie umfaßt.

6.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Metallgitter umfaßt.

7.Substrat mit einer Schicht von darauf aufgetragenem Lithium, das nach einem der vorhergehenden Ansprüche erzielbar ist und dadurch gekennzeichnet ist, daß die Dicke des aufgetragenen Lithiums im Bereich von ungefähr 1 bis ungefähr 500 m rangiert.

8.Vorrichtung (10) zum Auftragen einer Lithiumschicht auf einem Substrat (14), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: Mittel zum operativen Aufrechterhalten einer inerten Umgebung in einer vorbestimmten Region; einen Behälter (18) innerhalb der Region, der geeignet ist, um darin Lithium (20) geschmolzen zu halten; Zirkuliermittel in dem Behälter (18), die zum Zirkulieren des geschmolzenen Lithiums (20) geeignet sind, um das geschmolzene Lithium dazu zu bringen, über der oberen Oberfläche von dem Behälter herauszutreten; Transportmittel (12,34) zum operativen Transportieren des Substrats (14) innerhalb dieser Region über den Behälter hinüber, um dem heraus getretenen geschmolzenen Lithium (22) zu gestatten, auf einer Oberfläche des Substrats aufgetragen zu werden; Beschichtungsmittel (24), die geeignet sind, das herausgetretene geschmolzene Lithium (22) auf der einen Oberfläche des Substrats auf zutragen; und ein Kühlbauteil (26), das in einer ausgewählten Position angeordnet ist, um sich in einem ersten horizontalen Abstand und einem zweiten verti-17 kalen Abstand von dem Beschichtungsmittel (24) zu befinden und das für einen operativen Kontakt mit einer zweiten Oberfläche des Substrats angeordnet ist, wobei die Dicke des auf dem Substrat (14) aufgetragenen Lithiums in einer vorbestimmten Dicke ausgewählt werden kann, indem die horizontalen und vertikalen Abstände und die Temperatur des Kühlbauteils (24) ausgewählt werden.

9.Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Zirkuliermittel operativ angeordnet ist, um das geschmolzene Metall als stehende Welle (22) herauszutragen, deren Kamm über die obere Oberfläche des Behälters (18) hinausgeht.

10.Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmittel (24) rotierende Rollenmittel umfaßt, die für einen operativen Kontakt mit dem herausgetragenen geschmolzenen Metall (22) geeignet sind und dasselbe auf die Oberfläche des Substrats (14) übertragen.

11.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlbauteil (26) Kühlrollenmittel umfaßt.