EP4699171A1 - Verfahren und anlage zur herstellung eines verbunds aus einem elektrischen ableiter und mindestens einer elektrode, verbund aus einem elektrischen ableiter und mindestens einer elektrode, sowie batteriezelle - Google Patents

Verfahren und anlage zur herstellung eines verbunds aus einem elektrischen ableiter und mindestens einer elektrode, verbund aus einem elektrischen ableiter und mindestens einer elektrode, sowie batteriezelle

Info

Publication number
EP4699171A1
EP4699171A1 EP24720054.6A EP24720054A EP4699171A1 EP 4699171 A1 EP4699171 A1 EP 4699171A1 EP 24720054 A EP24720054 A EP 24720054A EP 4699171 A1 EP4699171 A1 EP 4699171A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
range
joining region
contact surface
electrode
planar
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24720054.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerrit Mäder
Thomas Abendroth
Maximilian Josef ECKL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4699171A1 publication Critical patent/EP4699171A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/134—Electrodes based on metals, Si or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/381—Alkaline or alkaline earth metals elements
    • H01M4/382—Lithium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/531—Electrode connections inside a battery casing
    • H01M50/534—Electrode connections inside a battery casing characterised by the material of the leads or tabs
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/531—Electrode connections inside a battery casing
    • H01M50/536—Electrode connections inside a battery casing characterised by the method of fixing the leads to the electrodes, e.g. by welding

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Connection Of Batteries Or Terminals (AREA)

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung eines Verbunds aus einem elektrischen Ableiter und mindestens einer Elektrode vorgestellt. Ferner werden ein solcher Verbund sowie eine Batteriezelle mit einem solchen Verbund bereitgestellt. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Einstrahlen von einem Laserstrahl zumindest auf einen Teil einer Kontaktfläche zwischen einem Fügebereich von mindestens einer Elektrode und einem Fügebereich eines metallischen elektrischen Ableiters erfolgt, sodass das Metall des Fügebereichs der mindestens einen Elektrode und das Metall des Fügebereichs des elektrischen Ableiters in diesem Teil der Kontaktfläche auf eine Temperatur erwärmt werden, die mindestens 180°C beträgt. Es kann auf ökonomische Weise ein Verbund bereitgestellt werden, der hohe elektrische Ströme im Fügebereich zulässt.

Description

Verfahren und Anlage zur Herstellung eines Verbunds aus einem elektrischen Ableiter und mindestens einer Elektrode, Verbund aus einem elektrischen Ableiter und mindestens einer Elektrode, sowie Batteriezelle Es wird ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung eines Verbunds aus einem elektrischen Ableiter und mindestens einer Elektrode vorgestellt. Ferner werden ein solcher Verbund sowie eine Batteriezelle mit einem solchen Verbund bereitgestellt. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Einstrahlen von einem Laserstrahl zumindest auf einen Teil einer Kontaktfläche zwischen einem Fügebereich von mindestens einer Elektrode und einem
Fügebereich eines metallischen elektrischen Ableiters erfolgt, sodass das Metall des Fügebereichs der mindestens einen Elektrode und das Metall des Fügebereichs des elektrischen Ableiters in diesem Teil der Kontaktfläche auf eine Temperatur erwärmt werden, die mindestens 180°C beträgt. Es kann auf ökonomische Weise ein Verbund bereitgestellt werden, der hohe elektrische
Ströme im Fügebereich zulässt. Eine Lithium-Schwefel Pouchzelle besteht unter anderem aus mehreren (1-50) Lithiumanoden, welche mit einem Stromableiterkontakt (Nickel oder vernickelter Kupfer-Tab) zum Minuspol der Batteriezelle gefügt werden müssen.
Lithium-Metall ist hochreaktiv und nur in trockener Atmosphäre stabil. Daher findet die Verarbeitung von Lithium-Metall insbesondere in trockener Luft (Taupunkt < -40°C) oder unter Schutzgasatmosphären statt. Weiterhin ist bekannt, dass Lithium mit den in Luft enthaltenen Sauerstoff, Stickstoff und Wasser reagieren kann (z.B. zu Lithiumoxid, Lithiumnitrid und Lithiumhydroxid). Auf Folien aus Lithium-Metall befindet sich daher immer eine dünne Schutzschicht bzw. Passivierungsschicht, die Lithiumverbindungen (wie z.B. Lithiumoxid, Lithiumnitrid und Lithiumhydroxid) enthält oder daraus besteht.
Die Herstellung einer direkten Fügeverbindung zwischen mehreren Lagen Lithiumfolie (Folienstäke: 30 - 100 pm) und dem Stromableiterkontakt wurde aufgrund der hohen Duktilität und Reaktivität des Lithiums sowie der geringen Schmelztemperatur von etwa 180 ° bisher nicht umgesetzt. Stattdessen wurden die Anoden aus zwei Lithiumfolien und einem dazwischen gelegten Kupferfähnchen gefertigt, um etablierte Fügeprozesse nutzen zu können. Der Mehraufwand zur Fertigung solch einer Verbundanode, sowie das zusätzliche Gewicht eines Kupferfähnchen, kann durch eine direkte Lithium-Nickel- Fügeverbindung eingespart werden. Zusätzlich wird durch eine direkte Fügeverbindung zwischen der Lithiumanaode und dem Stromableiterkontakt ein geringerer sowie langzeitstabiler Übergangswiderstand erreicht.
Lithiumanoden wurden bisher aus zwei Lagen Lithiumfolie mit einem dazwischenliegenden Kupferfähnchen hergestellt. Es ist bekannt, die einzelnen Kupferfähnchen dann mittels Ultraschallschweißen an einen Stromableiterkontakt zu fügen.
EP 2 791 998 Bl offenbart ein Verfahren, bei dem ein direktes, ultraschallbasiertes Fügen von Lithiumanoden an einen Stromableiterkontakt erfolgt. Dieser Fügeprozess hat jedoch den Nachteil, dass es bei einer hohen Anzahl an Lithiumanodenschichten nicht mehr zu einem zuverlässigen Fügen kommt. Ferner weist das ultraschallbasierte Verfahren den Nachteil auf, dass während dem Fügen ein hoher Druck auf den Stapel ausgeübt werden muss. Durch den hohen Druck kommt es an den Seitenrändern des Stapels zum Austritt von flüssigem Lithium, wodurch die Schichtdicke der einzelnen gestapelten Lithiumanoden insbesondere an den Seitenrändern dünner wird und dort ein maximal möglicher elektrischer Strom reduziert ist. Zudem kommt es durch den hohen Druck beim Ultraschallschweißen zu einer Deformierung des metallischen Stromableiters, sodass dieser nicht mehr planar ist, wodurch der maximal mögliche elektrische Strom verringert ist. Darüber hinaus kann es durch die Ultraschallschwingung zu einem Abreißen der Fügeflächen kommen, was den Ausschuss erhöht. Ferner unterliegen die Fügewerkzeuge beim Ultraschallschweißen einem mechanischen Verschleiß, welcher das Verfahren kostspielig machen kann.
Ausgehend hiervon war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Anlage bereitzustellen, mit dem/der ein Verbund aus einem elektrischen Ableiter und mindestens einer Elektrode bereitgestellt werden kann, der mindestens einen Nachteil aus dem Stand der Technik überwindet bzw. nicht mehr aufweist. Ferner sollte ein entsprechender Verbund aus einem elektrischen Ableiter und mindestens einer Elektrode bereitgestellt werden. Zudem sollte eine Batteriezelle mit vorteilhaften Eigenschaften bereitgestellt werden. Insbesondere sollte über das Verfahren und die Anlage auf möglichst wirtschaftliche Art und Weise (niedriges Risiko von Ausschuss und Verschleiß von Werkzeugen) ein Verbund aus einem elektrischen Ableiter und mindestens einer Elektrode sowie eine Batteriezelle bereitgestellt werden, die einen maximal möglichen Fluss eines elektrischen Stroms ermöglichen.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1, die Anlage mit den Merkmalen von Anspruch 8, die Elektrode mit den Merkmalen von Anspruch 15 und die Batterie mit den Merkmalen von Anspruch 18.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines Verbunds aus einem elektrischen Ableiter und mindestens einer Elektrode vorgestellt, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen von mindestens einer Elektrode, die aus einem Metall besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithium, Lithiumlegierung und Kombinationen hiervon, wobei die mindestens eine Elektrode einen flächigen Fügebereich mit einer Oberseite und einer Unterseite aufweist; b) Bereitstellen eines elektrischen Ableiters, der einen flächigen Fügebereich mit einer Oberseite und einer Unterseite aufweist, wobei der flächige Fügebereich ein Metall enthält oder daraus besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Kupfer, Edelstahl und Kombinationen und Legierungen hiervon; c) Anordnen der Unterseite des flächigen Fügebereichs der mindestens einen Elektrode auf der Oberseite des flächigen Fügebereichs des elektrischen Ableiters, wobei zwischen der Unterseite des flächigen Fügebereichs der mindestens einen Elektrode und der Oberseite des flächigen Fügebereichs des elektrischen Ableiters eine Kontaktfläche entsteht; dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner ein Einstrahlen von einem Laserstrahl durch den Fügebereich der mindestens einen Elektrode zumindest auf einen Teil der Kontaktfläche umfasst, sodass das Metall des Fügebereichs der mindestens einen Elektrode und das Metall des Fügebereichs des elektrischen Ableiters in dem Teil der Kontaktfläche auf eine Temperatur erwärmt werden, die mindestens 180 °C (bevorzugt mindestens der Schmelztemperatur des Metalls der Elektrode bzw. des Fügebereichs davon) beträgt.
In dem Verfahren wird durch den Laserstrahl der Fügebereich der mindestens einen Elektrode aufgeschmolzen und im Bereich des Laserstrahls kommt es zur Ausbildung einer lokalen Dampfkapillare, innerhalb der Elektrodenschmelze, im Fügebereich der mindestens einen Elektrode. Durch die Dampfkapillare wird die umliegende Lithiumschmelze verdrängt und der Laserstrahl kann bis zu dem Fügebereich des elektrischen Ableiters (d.h. bis zu dem Stromableitertab) vordringen und dort direkt einwirken. Der Laserstrahl sowie die umgebende Elektrodenschmelze (z.B. Lithiumschmelze im Fall eines Elektrode, das aus Lithium besteht) erwärmen den Fügebereich des elektrischen Ableiters lokal auf Temperaturen von mindestens 180 °C, also auf eine Temperatur, die mindestens der Schmelztemperaturvon Lithium entspricht. Dadurch bildet sich ein Elektrodenschmelzebad (z.B. Lithiumschmelzebad) um den bestrahlten Bereich aus.
Aufgrund der lokalen Temperaturerhöhung des Fügebereichs des elektrischen Ableiters kommt es zur lokalen Benetzung des Fügebereichs des elektrischen Ableiters mit der mindestens einen geschmolzenen Elektrode (z.B. Lithium) und ein Eindiffundieren von der mindestens einen geschmolzenen Elektrode (z.B. Lithium) in die Oberflächenstruktur (bedingt durch eine Oberflächenrauheit) des Fügebereichs des elektrischen Ableiters. Das Eindiffundieren erzeugt einen sehr engen Kontakt zwischen der mindestens einen Elektrode und dem elektrischen Ableiter, der sehr hohe elektrische Ströme fließen lässt. Bei geeigneter Wahl eines elektrischen Ableiters kann es zudem zu einer lokalen Ausbildung einer Legierung zwischen dem Metall des Fügebereichs der mindestens einen Elektrode (z.B. Lithium) und dem Metall des Fügebereichs des elektrischen Ableiters kommen (z.B. Nickel) kommen. Nach dem Beenden des Einstrahlens erstarrt die lokale Schmelze des Fügebereichs der mindestens einen Elektrode.
Für den Fall, dass Fügebereiche von mehreren Elektroden übereinander gestapelt wurden, bewirkt die Erstarrung der in der Dampfkapillare erzeugten Elektrodenschmelze ein lokales Verbinden der einzelnen Fügebereiche der Elektroden untereinander.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass - anders als beispielsweise beim Ultraschallfügen - eine höhere Anzahl an Elektrodenschichten (bzw. Elektrodenlagen) im Fügebereich mit dem Fügebereich des elektrischen Ableiters verbunden werden können. Abgesehen davon ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, den Fügebereich des elektrischen Ableiters von beiden Seiten mit dem Fügebereich der mindestens einen Elektrode zu fügen, wodurch die maximale Anzahl an Elektrodenschichten im Fügebereich (z.B. Lithiumschichten) im Vergleich zum Ultraschallfügen weiter gesteigert (d.h. verdoppelt) werden kann.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass es - anders als beim Ultraschallfügen -zu keiner mechanischen Deformation des Fügebereichs der mindestens einen Elektrode und des Fügebereichs des elektrischen Ableiters kommt (z.B. kein Ausquellen von flüssigem Lithium aus dem Randbereich des Fügebereichs, d.h. aus der Begrenzungslinie des Fügebereichs). Dadurch erhöht sich der maximal mögliche elektrische Strom, der zwischen dem Fügebereich der mindestens einen Elektrode und dem Fügebereich des elektrischen Ableiters fließen kann. Ferner kann - anders als beim Ultraschallfügen - ein Abreißen der Fügeflächen vermieden werden, was den Ausschuss reduziert und das Verfahren ökonomischer macht.
Zudem hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass die Wärmeeinkopplung lokal gezielt gesteuert werden und eine minimal erforderliche Wärmeeinkopplung gewählt werden kann.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine Zusatzwerkstoffe für den Fügeprozess nötig sind (wie z.B. eine zusätzliche Kunststofffolie beim Ultraschallschweißen, um den Amboss vor Verschmutzung zu schützen). Dies bedeutet auch, dass beim Verbauen des hergestellten Verbunds aus einem elektrischen Ableiter und mindestens einer Elektrode der hergestellte Verbund (und auch eine Batteriezelle mit besagtem Verbund) frei von einer Kunststofffolie sein kann, was Vorteile in Bezug auf das Gesamtgewicht des Verbunds (und der Batteriezelle) mit sich bringt.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist ferner den Vorteil auf, dass die Verfahrensdauer kürzer ist als beim Ultraschallfügen.
Ein zusätzlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass der Fügebereich im Gegensatz zum Ultraschallfügen sehr kleinflächig sein kann (Begrenzung der Fläche nur durch den Durchmesser des Laserstrahls), wodurch selbst flächenmäßige kleine Fügebereiche von elektrischen Ableitern mit dem mindestens einen Elektrode gefügt werden können.
In einer optionalen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein Teil der Erwärmung des Fügebereichs (z.B. eine Erwärmung bis zu 170 °C) über eine Induktionsheizung und die restliche Erwärmung auf die geforderte Temperatur von mindestens 180 °C erfolgt lokal durch den Laserstrahl (z.B. eine Erwärmung von 170 °C auf mindestens 180 °C, d.h. um die restlichen > 10 K). Wenn in dem erfindungsgemäßen Verfahren das Metall des Fügebereichs der mindestens einen Elektrode (d.h. das Lithium, die Lithiumlegierung oder eine Kombinationen hiervon) und das Metall des Fügebereichs des elektrischen Ableiters in dem Teil der Kontaktfläche auf eine Temperatur erwärmt werden, die mindestens 180°C beträgt, wird eine Schutzschicht bzw. Passivierungsschicht, die auf dem Metall des Fügebereichs der mindestens einen Elektrode vor dem Fügen vorlag, zerstört. Dabei bilden sich neue Grenzflächen, die hochreaktiv sind. Um eine Reaktion dieser sich neu bildenden Grenzflächen mit Luftbestandteilen (Sauerstoff, Stickstoff und Wasserdampf) bei der Fügetemperatur zu unterbinden, ist es vorteilhaft, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren während des Fügeprozesses den Fügebereich mit einem Edelgas (wie z.B. Argon oder Helium) zu beaufschlagen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren daher eine Beaufschlagung des Fügebereichs mit mindestens einem Edelgas (wie z.B. Argon oder Helium).
Ferner kann das Verfahren umfassen, nach einer Abkühlung des Fügebereichs auf Raumtemperatur (z.B. in trockener Luftatmosphäre, < -40 °C Taupunkt), eine Schutzschicht oder Passivierungsschicht auf Randbereichen des Fügebereichs herzustellen. Hierbei kann das Verfahren umfassen, den Randbereich des Fügebereichs mit einem Gas aus der Gasquelle (z.B. mit Anteilen von Sauerstoff, Stickstoff und/oder Wasserdampf) zu beaufschlagen.
Der flächige Fügebereich der mindestens einen Elektrode kann eine Dicke im Bereich von einem n-fachen von 40 bis 140 pm (Dicke eines flächigen Fügebereichs eines einzelnen Elektrode) aufweisen, wobei n eine ganze Zahl von mindestens 30, bevorzugt mindestens 50, besonders bevorzugt mindestens 60, ganz besonders bevorzugt mindestens 65, insbesondere mindestens 70, ist, wobei sich die Dicke auf eine Ausdehnung des Fügebereichs senkrecht zu seiner Oberseite bezieht. Höhere Dicken sind vorteilhaft, da mehr flächige Fügebereiche mit dem flächigen Fügebereich des Ableiters gefügt werden können. Der flächige Fügebereich des elektrischen Ableiters kann eine Dicke im Bereich von 50 bis 400 um, bevorzugt im Bereich von 100 bis 350 um, besonders bevorzugt im Bereich von 200 bis 350 nm, aufweisen, wobei sich die Dicke auf eine Ausdehnung des Fügebereichs senkrecht zu seiner Oberseite bezieht.
In dem Verfahren kann die Kontaktfläche durch eine (imaginäre) Begrenzungslinie definiert sein (d.h. durch eine Linie, die den Rand der Kontaktfläche definiert), wobei der Laserstrahl durch den Fügebereich der mindestens einen Elektrode nur auf einen Teil der Kontaktfläche gestrahlt wird, der einen bestimmten Abstand zur Begrenzungslinie der Kontaktfläche aufweist. Diese Ausführungsform kann sicherstellen, dass es im Randbereich der Kontaktfläche nicht zu einem Aufschmelzen des Metalls des Fügebereichs der Elektrode (z.B. Lithium) kommt, wodurch verhindert werden kann, dass flüssiges Metall (z.B. Lithium) aus dem Rand der Kontaktfläche austritt und sich eine Höhe des Fügebereichs der Elektrode durch den Austritt des Metalls lokal verringert.
Ferner kann in dem Verfahren die Kontaktfläche ein einer Längsrichtung entlang der Kontaktfläche eine Länge im Bereich von 0,5 bis 20 mm, bevorzugt 1 bis 10 mm, aufweisen.
Ferner kann in dem Verfahren die Kontaktfläche in einer Querrichtung entlang der Kontaktfläche eine Breite im Bereich von 0,5 bis 6, bevorzugt 1 bis 3 mm, aufweisen.
Der im Verfahren eingesetzte Laserstrahl kann dergestalt eingestrahlt werden, dass das Metall des Fügebereichs der mindestens einen Elektrode und das Metall des Fügebereichs des elektrischen Ableiters auf eine Temperatur erwärmt werden, die mindestens 190 °C, bevorzugt mindestens 200 °C, besonders bevorzugt mindestens 210 °C, insbesondere mindestens 220°C, beträgt. Eine Temperatur von mindestens 210 °C, besonders mindestens 220 °C, hat sich als besonders vorteilhaft für eine effektive Benetzung des Fügebereichs des elektrischen Ableiters mit dem Metall des Fügebereichs der mindestens einen Elektrode (z.B. Lithium) herausgestellt. Ferner kann der im Verfahren eingesetzte Laserstrahl eine Wellenlänge im UV- Bereich, VIS-Bereich oder IR-Bereich aufweisen, bevorzugt eine Wellenlänge im NIR-Bereich, besonders bevorzugt eine Wellenlänge im Bereich von 800 bis 1400 nm, ganz besonders bevorzugt eine Wellenlänge im Bereich von 1000 bis 1100 nm, insbesondere eine Wellenlänge im Bereich von 1065 nm, aufweisen.
Zudem kann der im Verfahren eingesetzte Laserstrahl eine Laserleistung in einem Bereich von 200 bis 2000 Watt, bevorzugt 300 bis 1500 Watt, besonders bevorzugt 400 bis 1000 W, insbesondere 500 bis 700 Watt, aufweisen.
Darüber hinaus kann der im Verfahren eingesetzte Laserstrahl eine Brennweite im Bereich von 50 bis 500 mm, bevorzugt im Bereich von 100 bis 400 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 150 bis 350 mm, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 200 bis 300 mm, insbesondere 250 mm, aufweisen.
Abgesehen davon kann der im Verfahren eingesetzte Laserstrahl auf einen Teil der Kontaktfläche eingestrahlt werden, der >0% bis 90%, bevorzugt 2% bis 70%, besonders bevorzugt 4% bis 50%, ganz besonders bevorzugt 6% bis 30%, insbesondere 8% bis 20%, optional 10% bis 15%, einer Gesamtfläche der Kontaktfläche ausmacht.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Laserstrahls auf einen Fokuspunkt auf der Kontaktfläche fokussiert. Der Fokuspunkt, auf den der Laserstrahl fokussiert wird, kann einen Durchmesser im Bereich von 10 bis 200 pm, bevorzugt im Bereich von 20 bis 150 pm, besonders bevorzugt im Bereich von 30 bis 100 pm, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 40 bis 50 pm, insbesondere 45 pm, aufweisen.
Ferner kann der Fokuspunkt, auf den der Laserstrahl fokussiert wird, mit einer Geschwindigkeit entlang der Kontaktfläche bewegt werden, die im Bereich von 0,1 bis 5 m/sek., bevorzugt im Bereich 0,2 bis 4 m/sek, besonders bevorzugt im Bereich von 0,3 bis 3,5 m/sek., ganz besonders bevorzugt im Bereich von 0,4 bis 3 m/sek., optional im Bereich von 0,5 bis 2 m/sek., liegt.
Darüber hinaus kann der Fokuspunkt, auf den der Laserstrahl fokussiert wird, in einem Muster entlang der Kontaktfläche bewegt werden, wobei das Muster ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus kreisförmiges Muster, ellipsenförmiges Muster, strichförmiges Muster, Zick-Zack-Muster und Kombinationen hiervon, wobei bevorzugt zumindest zwei Striche des Zick-Zack- Musters, optional mehrere Striche des Zick-Zack-Musters, in einem Winkel im Bereich von 20 bis 40°, insbesondere 30°, zueinander angeordnet sind.
Abgesehen davon kann der Fokuspunkt, auf den der Laserstrahl fokussiert wird, in einem Abstand zu einer Begrenzungslinie der Kontaktfläche (d.h. einer Linie, die den Rand der Kontaktfläche definiert) bewegt werden, der mindestens 1 mm, bevorzugt mindestens 2 mm, beträgt. Ein Abstand in diesen Bereichen ist vorteilhaft, da sichergestellt werden kann, dass an den Rändern der Anordnung während des Fügens kein flüssiges Metall austritt.
In Schritt a) des Verfahrens können mindestens 29, bevorzugt mindestens 49, besonders bevorzugt mindestens 59, ganz besonders bevorzugt mindestens 64, insbesondere mindestens 69, weitere Elektroden bereitgestellt werden, die jeweils aus einem Metall bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithium, Lithiumlegierung und Kombinationen hiervon, und die jeweils einen flächigen Fügebereich mit einer Oberseite und einer Unterseite aufweisen.
In Schritt c) des Verfahrens kann der flächige Fügebereich jeder weiteren Elektrode auf dem flächigen Fügebereich der mindestens einen Elektrode angeordnet werden, und in Schritt d) der Laserstrahl durch alle flächigen Fügebereiche der Elektroden zumindest auf einen Teil der Kontaktfläche eingestrahlt werden, sodass das Metall aller flächigen Fügebereiche der Elektroden und das Metall des flächigen Fügebereichs des elektrischen Ableiters in dem Teil der Kontaktfläche auf eine Temperatur erwärmt wird, die mindestens 180°C beträgt (bevorzugt zumindest auf die Schmelztemperatur des Metalls der Elektrode).
Alternativ kann in Schritt c) des Verfahrens eine Oberseite eines flächigen Fügebereichs von einer einzigen der weiteren Elektroden auf der Unterseite des flächigen Fügebereichs des elektrischen Ableiters angeordnet werden, wobei zwischen der Oberseite des flächigen Fügebereichs der einzigen der weiteren Elektroden und der Unterseite des flächigen Fügebereichs des elektrischen Ableiters eine weitere Kontaktfläche entsteht, wobei die flächigen Fügebereiche der anderen weiteren flächigen Elektroden zumindest teilweise oder vollständig auf dem flächigen Fügebereich der mindestens einen Elektrode und/oder auf dem flächigen Fügebereich der einzigen der weiteren Elektroden angeordnet werden, und in Schritt d) der Laserstrahl durch alle flächigen Fügebereiche der Elektroden zumindest auf einen Teil der Kontaktfläche eingestrahlt wird und zumindest auf einen Teil der weiteren Kontaktfläche eingestrahlt wird, sodass das Metall der flächigen Fügebereiche aller Elektroden und das Metall des flächigen Fügebereichs des elektrischen Ableiters in dem Teil der Kontaktfläche und dem Teil der weiteren Kontaktfläche auf eine Temperatur erwärmt werden, die mindestens 180°C beträgt (bevorzugt zumindest auf die Schmelztemperatur des Metalls der Elektrode).
Erfindungsgemäß wird ferner eine Anlage zur Herstellung eines Verbunds aus einem elektrischen Ableiter und mindestens einer Elektrode bereitgestellt, enthaltend: a) mindestens eine Elektrode, die aus einem Metall besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithium, Lithiumlegierung und Kombinationen hiervon, wobei die mindestens eine Elektrode einen flächigen Fügebereich mit einer Oberseite und einer Unterseite aufweist; und b) einen elektrischen Ableiter, der einen flächigen Fügebereich mit einer Oberseite und einer Unterseite aufweist, wobei der flächige Fügebereich ein Metall enthält oder daraus besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Kupfer, Edelstahl und Kombinationen und Legierungen hiervon; wobei die Unterseite des flächigen Fügebereichs der mindestens einen Elektrode auf der Oberseite des flächigen Fügebereichs des elektrischen Ableiters angeordnet ist und zwischen der Unterseite des flächigen Fügebereichs der mindestens einen Elektrode und der Oberseite des flächigen Fügebereichs des elektrischen Ableiters eine Kontaktfläche besteht; dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage einen Laser enthält, der konfiguriert ist, einen Laserstrahl durch den flächigen Fügebereich der mindestens einen Elektrode zumindest auf einen Teil der Kontaktfläche einzustrahlen, sodass das Metall des Fügebereichs der mindestens einen Elektrode und das Metall des Fügebereichs des elektrischen Ableiters in dem Teil der Kontaktfläche auf eine Temperatur erwärmt werden, die mindestens 180 °C beträgt (bevorzugt zumindest auf die Schmelztemperatur des Metalls der Elektrode).
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich auch für die erfindungsgemäße Anlage.
In einer optionalen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage weist die Anlage eine Induktionsheizung auf und die Anlage ist konfiguriert, optional gesteuert durch eine Steuereinheit der Anlage, einen Teil des Fügebereichs (z.B. eine Erwärmung bis zu 170 °C) über die Induktionsheizung zu erwärmen und durch den Laserstrahl lokal auf die geforderte Temperatur von mindestens 180 °C lokal zu erwärmen (z.B. eine Erwärmung von 170 °C auf mindestens 180 °C, d.h. um die restlichen > 10 K).
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Anlage mindestens eine Edelgasquelle und die Anlage ist konfiguriert, den Fügebereich mit mindestens einem Edelgas aus der mindestens einen Edelgasquelle zu beaufschlagen. Das Edelgas kann zum Bespiel Argon oder Helium sein. Bevorzugt ist eine Steuereinheit der Anlage konfiguriert, besagte Beaufschlagung zu veranlassen.
Ferner kann die Anlage eine Gasquelle aufweisen, wobei die Gasquelle bevorzugt ein Gas enthält, das Anteile von Sauerstoff, Stickstoff und/oder Wasserdampf enthält oder daraus besteht. Das Gas ist bevorzugt Luft. Die Anlage kann konfiguriert sein, nach einer Abkühlung des Fügebereichs auf Raumtemperatur (z.B. in trockener Luftatmosphäre, < -40 °C Taupunkt), eine Schutzschicht oder Passivierungsschicht auf Randbereichen des Fügebereichs herzustellen. Hierbei kann die Anlage konfiguriert sein, den Randbereich des Fügebereichs mit einem Gas aus der Gasquelle (z.B. mit Anteilen von Sauerstoff, Stickstoff und/oder Wasserdampf) zu beaufschlagen. Bevorzugt ist eine Steuereinheit der Anlage konfiguriert, besagte Beaufschlagung zu veranlassen.
Der der flächige Fügebereich der mindestens einen Elektrode der Anlage kann eine Dicke im Bereich von einem n-fachen von 40 bis 140 pm aufweisen, wobei n eine ganze Zahl von mindestens 30, bevorzugt mindestens 50, besonders bevorzugt mindestens 60, ganz besonders bevorzugt mindestens 65, insbesondere mindestens 70, ist, wobei sich die Dicke auf eine Ausdehnung des Fügebereichs senkrecht zu seiner Oberseite bezieht.
Der flächige Fügebereich des elektrischen Ableiters der Anlage kann eine Dicke im Bereich von 50 bis 400 um, bevorzugt im Bereich von 100 bis 350 um, besonders bevorzugt im Bereich von 200 bis 350 nm, aufweisen, wobei sich die Dicke auf eine Ausdehnung des Fügebereichs senkrecht zu seiner Oberseite bezieht.
Die Kontaktfläche kann durch eine (imaginäre) Begrenzungslinie definiert sein, wobei der Laser der Anlage konfiguriert ist, den Laserstrahl durch den Fügebereich der mindestens einen Elektrode nur auf einen Teil der Kontaktfläche zu strahlen, der einen bestimmten Abstand zur Begrenzungslinie der Kontaktfläche aufweist.
Die Kontaktfläche kann in einer Längsrichtung entlang der Kontaktfläche eine Länge im Bereich von 0,5 bis 20 mm, bevorzugt 1 bis 10 mm, aufweisen.
Ferner kann die Kontaktfläche in einer Querrichtung entlang der Kontaktfläche eine Breite im Bereich von 0,5 bis 6, bevorzugt 1 bis 3 mm, aufweisen.
Die Anlage kann eine Steuereinheit aufweisen, die konfiguriert ist, zumindest den Laser zu steuern oder zu regeln.
Der Laser der Anlage kann konfiguriert sein, optional gesteuert über eine Steuereinheit der Anlage, den Laserstrahl dergestalt einzustrahlen, dass das Metall des Fügebereichs der mindestens einen Elektrode und das Metall des Fügebereichs des elektrischen Ableiters auf eine Temperatur erwärmt werden, die mindestens 190 °C, bevorzugt mindestens 200 °C, besonders bevorzugt mindestens 210 °C, insbesondere mindestens 220°C, beträgt.
Ferner kann der Laser der Anlage kann konfiguriert sein, optional gesteuert über eine Steuereinheit der Anlage, den Laserstrahl mit einer Wellenlänge im UV-Bereich, VIS-Bereich oder IR-Bereich, bevorzugt mit einer Wellenlänge im NI R-Bereich, besonders bevorzugt mit einer Wellenlänge im Bereich von 800 bis 1400 nm, ganz besonders bevorzugt mit einer Wellenlänge im Bereich von 1000 bis 1100 nm, insbesondere mit einer Wellenlänge im Bereich von 1065 nm, einzustrahlen.
Zudem kann der Laser der Anlage kann konfiguriert sein, optional gesteuert über eine Steuereinheit der Anlage, den Laserstrahl mit einer Laserleistung in einem Bereich von 200 bis 2000 Watt, bevorzugt 300 bis 1500 Watt, besonders bevorzugt 400 bis 1000 W, insbesondere 500 bis 700 Watt, einzustrahlen.
Abgesehen davon kann der Laser der Anlage kann konfiguriert sein, optional gesteuert über eine Steuereinheit der Anlage, den Laserstrahl mit einer Brennweite im Bereich von 50 bis 500 mm, bevorzugt im Bereich von 100 bis 400 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 150 bis 350 mm, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 200 bis 300 mm, insbesondere 250 mm, einzustrahlen.
Ferner kann der Laser der Anlage kann konfiguriert sein, optional gesteuert über eine Steuereinheit der Anlage, das Laserstrahl auf einen Teil der Kontaktfläche einzustrahlen, der >0% bis 90%, bevorzugt 2% bis 70%, besonders bevorzugt 4% bis 50%, ganz besonders bevorzugt 6% bis 30%, insbesondere 8% bis 20%, optional 10% bis 15%, einer Gesamtfläche der Kontaktfläche ausmacht.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist der Laser der Anlage konfiguriert, optional gesteuert über eine Steuereinheit der Anlage, den Laserstrahl auf einen Fokuspunkt auf der Kontaktfläche zu fokussieren.
Der Laser der Anlage kann konfiguriert sein, optional gesteuert über eine Steuereinheit der Anlage, den Fokuspunkt so einzustellen, dass er einen Durchmesser im Bereich von 10 bis 200 pm, bevorzugt im Bereich von 20 bis 150 pm, besonders bevorzugt im Bereich von 30 bis 100 pm, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 40 bis 50 pm, insbesondere 45 pm, aufweist.
Ferner kann der Laser der Anlage kann konfiguriert sein, optional gesteuert über eine Steuereinheit der Anlage, den Fokuspunkt mit einer Geschwindigkeit entlang der Kontaktfläche zu bewegen, die im Bereich von 0,1 bis 5 m/sek., bevorzugt im Bereich 0,2 bis 4 m/sek, besonders bevorzugt im Bereich von 0,3 bis 3,5 m/sek., ganz besonders bevorzugt im Bereich von 0,4 bis 3 m/sek., optional im Bereich von 0,5 bis 2 m/sek., liegt.
Zudem kann der Laser der Anlage kann konfiguriert sein, optional gesteuert über eine Steuereinheit der Anlage, den Fokuspunkt in einem Muster entlang der Kontaktfläche zu bewegen, wobei das Muster ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus kreisförmiges Muster, ellipsenförmiges Muster, strichförmiges Muster und Kombinationen hiervon, wobei bevorzugt zumindest zwei Striche des strichförmigen Musters, optional mehrere Striche des strichförmigen Musters, in einem Winkel im Bereich von 20 bis 40°, insbesondere 30°, zueinander angeordnet sind.
Abgesehen davon kann der Laser der Anlage kann konfiguriert sein, optional gesteuert über eine Steuereinheit der Anlage, den Fokuspunkt in einem Abstand zu einer Begrenzungslinie der Kontaktfläche zu bewegen, der mindestens 1 mm, bevorzugt mindestens 2 mm, beträgt.
Die Anlage kann mindestens 29, bevorzugt mindestens 49, besonders bevorzugt mindestens 59, ganz besonders bevorzugt mindestens 64, insbesondere mindestens 69, weitere Elektroden enthalten, die jeweils aus einem Metall bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithium, Lithiumlegierung und Kombinationen hiervon, und die jeweils einen flächigen Fügebereich mit einer Oberseite und einer Unterseite aufweisen.
Der flächige Fügebereich jeder weiteren Elektrode kann auf dem flächigen Fügebereich der mindestens einen Elektrode angeordnet sein, und der Laser konfiguriert sein, optional gesteuert über eine Steuereinheit der Anlage, den Laserstrahl durch alle flächigen Fügebereiche der Elektroden zumindest auf einen Teil der Kontaktfläche einzustrahlen, sodass das Metall aller flächigen Fügebereiche der Elektroden und das Metall des flächigen Fügebereichs des elektrischen Ableiters in dem Teil der Kontaktfläche auf eine Temperatur erwärmt wird, die mindestens 180°C beträgt (bevorzugt zumindest auf die Schmelztemperatur des Metalls der Elektrode). Alternativ kann eine Oberseite eines flächigen Fügebereichs von einer einzigen der weiteren Elektroden auf der Unterseite des flächigen Fügebereichs des elektrischen Ableiters angeordnet sein, wobei zwischen der Oberseite des flächigen Fügebereichs der einzigen der weiteren Elektroden und der Unterseite des flächigen Fügebereichs des elektrischen Ableiters eine weitere Kontaktfläche besteht, wobei die flächigen Fügebereiche der anderen weiteren flächigen Elektroden zumindest teilweise oder vollständig auf dem flächigen Fügebereich der mindestens einen Elektrode und/oder auf dem flächigen Fügebereich der einzigen der weiteren Elektroden angeordnet sind, und der Laser konfiguriert ist, optional gesteuert über eine Steuereinheit der Anlage, den Laserstrahl durch alle flächigen Fügebereiche der Elektroden zumindest auf einen Teil der Kontaktfläche einzustrahlen und zumindest auf einen Teil der weiteren Kontaktfläche einzustrahlen, sodass das Metall der flächigen Fügebereiche aller Elektroden und das Metall des flächigen Fügebereichs des elektrischen Ableiters in dem Teil der Kontaktfläche und in dem Teil der weiteren Kontaktfläche auf eine Temperatur erwärmt werden, die mindestens 180°C beträgt (bevorzugt zumindest auf die Schmelztemperatur des Metalls der Elektrode).
Erfindungsgemäß wird ferner ein Verbund aus einem elektrischen Ableiter und mindestens einer Elektrode bereitgestellt, enthaltend oder bestehend aus: a) mindestens eine Elektrode, die aus einem Metall besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithium, Lithiumlegierung und Kombinationen hiervon, wobei die mindestens eine Elektrode einen flächigen Fügebereich mit einer Oberseite und einer Unterseite aufweist; b) einen elektrischen Ableiter, der einen flächigen Fügebereich mit einer Oberseite und einer Unterseite aufweist, wobei der flächige Fügebereich ein Metall enthält oder daraus besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Kupfer, Edelstahl und Kombinationen und Legierungen hiervon; wobei der Fügebereich der mindestens einen Elektrode auf dem Fügebereich des flächigen elektrischen Ableiters angeordnet ist und eine Kontaktfläche zwischen den beiden Fügebereichen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall der mindestens einen Elektrode zumindest in einem Teil der Kontaktfläche (bevorzugt nur in einem Teil der Kontaktfläche) in einem aus einer Schmelze erstarrten Zustand vorliegt, und der flächige Fügebereich der mindestens einen Elektrode in einer Richtung senkrecht zur Oberseite des flächigen Fügebereichs der mindestens einen Elektrode eine Ausdehnung aufweist, die entlang der gesamten Kontaktfläche um maximal 5%, in Bezug auf die Gesamtausdehnung des flächigen Fügebereichs der mindestens einen Elektrode in einer Richtung senkrecht zur Oberseite des flächigen Fügebereichs der mindestens einen Elektrode, variiert.
Der erfindungsgemäße Verbund weist - im Gegensatz zu Verbunden, die durch Ultraschallschweißen hergestellt wurden - keine plastische Verformungen innerhalb des Fügebereichs auf. Anders ausgedrückt variiert die Ausdehnung des flächigen Fügebereichs der mindestens einen Elektrode senkrecht zu seiner Oberseite (d.h. variiert seine Dicke) entlang der gesamten Kontaktfläche um maximal 5%.
Bei dem Verbund kann der metallische Ableiter entlang der gesamten Kontaktfläche im Wesentlichen planar sein, wobei hierunter bevorzugt verstanden wird, dass ein maximaler Winkel zwischen Loten, die auf die Oberseite und Unterseite des metallischen Ableiters entlang der gesamten Kontaktfläche gefällt werden, < 1° beträgt.
Die Kontaktfläche zwischen den beiden Fügebereichen kann durch eine (imaginäre) Begrenzungslinie definiert sein, d.h. einer Linie, die den Rand der Kontaktfläche definiert, wobei in einer bevorzugten Ausgestaltungsform des Verbunds das Metall der mindestens einen Elektrode nur in einem Teil der Kontaktfläche, der einen bestimmten Abstand zur Begrenzungslinie der Kontaktfläche aufweist, in einem aus einer Schmelze erstarrten Zustand vorliegt.
Der erfindungsgemäße Verbund kann mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden sein. In diesem Fall weist der erfindungsgemäße Verbund mindestens ein Merkmal auf, das sich zwangsweise aus der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich damit auch für den erfindungsgemäßen Verbund. Erfindungsgemäß wird ferner eine Batteriezelle bereitgestellt, enthaltend oder bestehend aus: a) einen erfindungsgemäßen Verbund als Anode; b) einen weiteren Verbund aus einem elektrischen Ableiter und mindestens einer Elektrode als Kathode, wobei die Kathode bevorzugt Schwefel enthält oder daraus besteht; und c) einen Elektrolyten, der die Elektrode der Anode und die Elektrode der Kathode kontaktiert; d) optional: einen Separator, der zwischen Anode und Kathode angeordnet ist.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle weist Vorteile auf, die sich durch den erfindungsgemäßen Verbund ergeben.
Anhand der nachfolgenden Figuren und Beispiele soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier dargestellten, spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
Figur 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Verbunds aus einem elektrischen Ableiter und mindestens einer Elektrode. Figur 1A zeigt ein Bereitstellen von mehreren Elektroden 1, die jeweils aus einem Metall bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithium, Lithiumlegierung und Kombinationen hiervon, wobei die jeweiligen Elektroden einen flächigen Fügebereich 2 mit einer Oberseite und einer Unterseite aufweisen. Ferner ist die Bereitstellung eines elektrischen Ableiters 3 gezeigt, der einen flächigen Fügebereich 4 mit einer Oberseite und einer Unterseite aufweist, wobei der flächige Fügebereich ein Metall enthält oder daraus besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Kupfer, Edelstahl und Kombinationen und Legierungen hiervon. Zudem ist ein Anordnen der Unterseite des flächigen Fügebereichs 2 eines der Elektroden 1 auf der Oberseite des flächigen Fügebereichs 4 des elektrischen Ableiters 3 gezeigt, wobei zwischen der Unterseite des flächigen Fügebereichs 2 dieser Elektrode 1 und der Oberseite des flächigen Fügebereichs 4 des elektrischen Ableiters 3 eine Kontaktfläche entsteht, die durch eine Begrenzungslinie 5 definiert ist. Darüber hinaus ist das Einstrahlen von einem Laserstrahl 6 durch den Fügebereich 2 der Elektroden 1 auf einen Teil 7 der Kontaktfläche gezeigt, der einen bestimmten Abstand zur Begrenzungslinie 5 der Kontaktfläche aufweist, sodass das Metall des Fügebereichs 2 zumindest der einen (Ableiternahen) Elektrode 1 und das Metall des Fügebereichs 4 des elektrischen Ableiters 3 nur in dem Teil der Kontaktfläche auf eine Temperatur erwärmt werden, die mindestens 180°C (bevorzugt mindestens 220 °C) beträgt. In diesem Beispiel wird der Laserstrahl auf einen Fokuspunkt auf der Kontaktfläche fokussiert. In Figur 2B ist dargestellt, dass der Laserstrahl 6 eine Dampfkapillare 8 in dem Fügebereich der Elektroden 1 erzeugt, sodass in diesem Bereich lokal eine Elektrodenschmelze erzeugt wird, die nach einem Beenden der Einstrahlung des Laserstrahls 6 erstarrt und die Elektroden 1 aneinander fügt. Ferner ist dargestellt, wie in dem Teil 7 der Kontaktfläche zwischen der einen der Elektroden 1 (Ableiter-nahes Elektrode) und dem elektrischen Ableiter 3, auf den der Laserstrahl 6 fokussiert wird, eine Schmelze aus Elektrode 1 entsteht. Das geschmolzene Elektrode 1 kann lokal in die Oberflächenstruktur des Fügebereichs 4 des elektrischen Ableiters 3 eindringen und nach Erstarren eine enge Verbindung zwischen der Elektrode 1 und dem Fügebereich 4 des elektrischen Ableiters 3 ausbilden.
Figur 2 zeigt schematisch die Erzeugung von verschiedenen Mustern im Kontaktbereich. Der Kontaktbereich wird durch die Begrenzungslinie 5 des Kontaktbereichs (äußerer Rahmen der Kontaktfläche zwischen dem Fügebereich der mindestens einen Elektrode des elektrischen Ableiters) begrenzt. In einem bestimmten Abstand zur Begrenzungslinie 5 wird der Fokuspunkt des Laserstrahls in einem bestimmten Muster im Kontaktbereich bewegt, um den Fügebereich der mindestens einen Elektrode mit dem Fügebereich des elektrischen Ableiters zu fügen. Figur 2A zeigt ein Muster 9, das die Form von Ellipsen hat, sodass elliptische Fügenähte entstehen. Figur 2B zeigt ein Muster 9, das eine Zick-Zack-Form hat, sodass eine Zick-Zack-förmige Fügenaht entsteht.
Beispiel 1 - Herstellung einer ellipsenförmigen Fügenaht
Als Elektrode wurde eine Lithium-Elektrode verwendet, die einen 100 pm dicken Fügebereich (sog. „Tab") aufwies. Es wurden die Fügebereiche von insgesamt 10 solcher Lithium-Elektroden übereinander angeordnet, sodass der Fügebereich der Elektrode eine Dicke von insgesamt 1000 pm aufwies. Als elektrischer Ableiter wurde ein vernickelter Kupfer Ableiter verwendet, der einen 300 pm dicken Fügebereich (sog. „Tab") aus vernickeltem Kupfer aufwies.
Die Unterseite des flächigen Fügebereichs des Elektrode (d.h. des Stapels aus den Fügebereichen von insgesamt 10 Lithium-Elektroden) wurde auf der Oberseite des flächigen Fügebereichs des elektrischen Ableiters angeordnet, wobei zwischen der Unterseite des flächigen Fügebereichs der Elektrode und der Oberseite des flächigen Fügebereichs des elektrischen Ableiters eine Kontaktfläche entstand, die durch eine Begrenzungslinie definiert war.
Anschließend wurde ein Laserstrahl durch den flächigen Fügebereich der Elektrode nur auf einen Teil der Kontaktfläche eingestrahlt, der einen bestimmten Abstand zur Begrenzungslinie der Kontaktfläche aufwies, sodass das Metall des Fügebereichs des Elektrode und das Metall des Fügebereichs des elektrischen Ableiters nur in dem Teil der Kontaktfläche auf eine Temperatur erwärmt wurden, die mindestens 180°C (insbesondere mindestens 220 °C) betrug. Dabei wurde der Laserstrahl auf einen Fokuspunkt auf der Kontaktfläche fokussiert. Hierbei wurde ein Laser verwendet, der eine Laserleistung von 600 W, einen Fokusdurchmesser von 45 pm und eine Brennweite von 250 mm aufwies und Laserstrahl einer Wellenlänge von 1065 nm aussendete.
Der Teil der Kontaktfläche, auf den der Laserstrahl eingestrahlt wurde, hatte in diesem Fall die Form einer Ellipse mit einer Ellipsenlänge von 6 mm und einer Ellipsenbreite von 1 mm. Es erfolgte ein 3-faches Bestrahlen (Durchlaufen) mit jeweils 0,2 mm Strahlversatz (siehe Figur 2). Der Fokuspunkt wurde hierbei mit einer Geschwindigkeit entlang der Kontaktfläche bewegt („Scangeschwindigkeit"), die im Bereich von 0,5 -1,5 m/s lag. Das beste Ergebnis wurde bei einer Scangeschwindigkeit von 1 m/s erzielt.
In dem bestrahlten Bereich zeigte die Fügestelle auf der Oberfläche des elektrischen Ableiters eine ausgeprägte Benetzung mit Lithium. Ferner zeigte der bestrahlte Bereich der Fügestelle keine Kohäsionsrisse und kaum messbare Kontaktwiderstände. Beispiel 2 - Herstellung einer Zick Zack förmigen Fügenaht
Als Elektrode wurde eine Lithium-Elektrode verwendet, die einen 100 pm dicken Fügebereich (sog. „Tab") aufwies. Es wurden die Fügebereiche von insgesamt 10 solcher Lithium-Elektroden übereinander angeordnet, sodass der Fügebereich der Elektrode eine Dicke von insgesamt 1000 pm aufwies.
Als elektrischer Ableiter wurde ein vernickelter Kupfer Ableiter verwendet, der einen 300 pm dicken Fügebereich (sog. „Tab") aus vernickeltem Kupfer aufwies.
Die Unterseite des flächigen Fügebereichs der Elektrode (d.h. des Stapels aus den Fügebereichen von insgesamt 10 Lithium-Elektroden) wurde auf der Oberseite des flächigen Fügebereichs des elektrischen Ableiters angeordnet, wobei zwischen der Unterseite des flächigen Fügebereichs der Elektrode und der Oberseite des flächigen Fügebereichs des elektrischen Ableiters eine Kontaktfläche entstand, die durch eine Begrenzungslinie definiert war.
Anschließend wurde ein Laserstrahl durch den flächigen Fügebereich der Elektrode nur auf einen Teil der Kontaktfläche eingestrahlt, der einen bestimmten Abstand zur Begrenzungslinie der Kontaktfläche aufwies, sodass das Metall des Fügebereichs der Elektrode und das Metall des Fügebereichs des elektrischen Ableiters nur in dem Teil der Kontaktfläche auf eine Temperatur erwärmt wurden, die mindestens 180°C (insbesondere mindestens 220 °C) betrug. Dabei wurde das Laserstrahl auf einen Fokuspunkt auf der Kontaktfläche fokussiert. Hierbei wurde ein Laser verwendet, der eine Laserleistung von 600 W, einen Fokusdurchmesser von 45 pm und eine Brennweite von 250 mm aufwies und Laserstrahl einer Wellenlänge von 1065 nm aussendete.
Der Teil der Kontaktfläche, auf den der Laserstrahl eingestrahlt wurde, hatte in diesem Fall eine Zick-Zack-Form, wobei die Linien der Zick-Zack-Form in einem Winkel von 30° zueinander standen und die Zick-Zack-Form eine Gesamtbreite von 3 mm aufwies. Es erfolgte ein l-faches Bestrahlen (Durchlaufen) mit einem Strahlversatz beim Rückweg (siehe Figur 3). Der Fokuspunkt wurde hierbei mit einer Geschwindigkeit entlang der Kontaktfläche bewegt („Scangeschwindigkeit"), die im Bereich von 1 - 3 m/s lag. Das beste Ergebnis wurde bei einer Scangeschwindigkeit von 2 m/s erzielt.
In dem bestrahlten Bereich zeigte die Fügestelle auf der Oberfläche des elektrischen Ableiters eine ausgeprägte Benetzung mit Lithium. Ferner zeigte der bestrahlte Bereich der Fügestelle keine Kohäsionsrisse und kaum messbare Kontaktwiderstände.
1: Elektrode(e);
2: Fügebereich des Elektrode bzw. der Elektroden;
3: elektrischer Ableiter;
4: Fügebereich des elektrischen Ableiters;
5: Begrenzungslinie des Kontaktbereichs;
6: Laserstrahl;
7: Teil der Kontaktfläche, auf den der Laserstrahl gestrahlt wird;
8: Dampfkapillare bzw. Elektrodenschmelze (bewirkt durch den
Laserstrahl);
9: Muster der Bewegung des Fokuspunkts des Laserstrahls.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Verbunds aus einem elektrischen Ableiter und mindestens einer Elektrode, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen von mindestens einer Elektrode, die aus einem Metall besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithium, Lithiumlegierung und Kombinationen hiervon, wobei die mindestens eine Elektrode einen flächigen Fügebereich mit einer Oberseite und einer Unterseite aufweist; b) Bereitstellen eines elektrischen Ableiters, der einen flächigen Fügebereich mit einer Oberseite und einer Unterseite aufweist, wobei der flächige Fügebereich ein Metall enthält oder daraus besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Kupfer, Edelstahl und Kombinationen und Legierungen hiervon; c) Anordnen der Unterseite des flächigen Fügebereichs der mindestens einen Elektrode auf der Oberseite des flächigen Fügebereichs des elektrischen Ableiters, wobei zwischen der Unterseite des flächigen Fügebereichs der mindestens einen Elektrode und der Oberseite des flächigen Fügebereichs des elektrischen Ableiters eine Kontaktfläche entsteht; dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner ein Einstrahlen von einem Laserstrahl durch den Fügebereich der mindestens einen Elektrode zumindest auf einen Teil der Kontaktfläche umfasst, sodass das Metall des Fügebereichs der mindestens einen Elektrode und das Metall des Fügebereichs des elektrischen Ableiters in dem Teil der Kontaktfläche auf eine Temperatur erwärmt werden, die mindestens 180°C beträgt.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der flächige Fügebereich der mindestens einen Elektrode eine Dicke im Bereich von einem n-fachen von 40 bis 140 pm aufweist, wobei n eine ganze Zahl von mindestens 30, bevorzugt mindestens 50, besonders bevorzugt mindestens 60, ganz besonders bevorzugt mindestens 65, insbesondere mindestens 70, ist, wobei sich die Dicke auf eine Ausdehnung des Fügebereichs senkrecht zu seiner Oberseite bezieht.
3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der flächige Fügebereich des elektrischen Ableiters eine Dicke im Bereich von 50 bis 400 pm, bevorzugt im Bereich von 100 bis 350 pm, besonders bevorzugt im Bereich von 200 bis 350 nm, aufweist, wobei sich die Dicke auf eine Ausdehnung des Fügebereichs senkrecht zu seiner Oberseite bezieht.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche i) durch eine Begrenzungslinie definiert ist, wobei der Laserstrahl durch den Fügebereich der mindestens einen Elektrode nur auf einen Teil der Kontaktfläche gestrahlt wird, der einen bestimmten Abstand zur Begrenzungslinie der Kontaktfläche aufweist; und/oder ii) in einer Längsrichtung entlang der Kontaktfläche eine Länge im Bereich von 0,5 bis 20 mm, bevorzugt 1 bis 10 mm, aufweist; und/oder iii) in einer Querrichtung entlang der Kontaktfläche eine Breite im Bereich von 0,5 bis 6, bevorzugt 1 bis 3 mm, aufweist.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl i) dergestalt eingestrahlt wird, dass das Metall des Fügebereichs der mindestens einen Elektrode und das Metall des Fügebereichs des elektrischen Ableiters auf eine Temperatur erwärmt werden, die mindestens 190 °C, bevorzugt mindestens 200 °C, besonders bevorzugt mindestens 210 °C, insbesondere mindestens 220°C, beträgt; und/oder ii) eine Wellenlänge im UV-Bereich, VIS-Bereich oder IR-Bereich, bevorzugt eine Wellenlänge im NIR-Bereich, besonders bevorzugt eine Wellenlänge im Bereich von 800 bis 1400 nm, ganz besonders bevorzugt eine Wellenlänge im Bereich von 1000 bis 1100 nm, insbesondere eine Wellenlänge im Bereich von 1065 nm, aufweist; und/oder iii) eine Laserleistung in einem Bereich von 200 bis 2000 Watt, bevorzugt 300 bis 1500 Watt, besonders bevorzugt 400 bis 1000 W, insbesondere 500 bis 700 Watt, aufweist; und/oder iv) eine Brennweite im Bereich von 50 bis 500 mm, bevorzugt im Bereich von 100 bis 400 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 150 bis 350 mm, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 200 bis 300 mm, insbesondere 250 mm, aufweist; und/oder v) auf einen Teil der Kontaktfläche eingestrahlt wird, der >0% bis 90%, bevorzugt 2% bis 70%, besonders bevorzugt 4% bis 50%, ganz besonders bevorzugt 6% bis 30%, insbesondere 8% bis 20%, optional 10% bis 15%, einer Gesamtfläche der Kontaktfläche ausmacht.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl auf einen Fokuspunkt auf der Kontaktfläche fokussiert wird, wobei der Fokuspunkt bevorzugt i) einen Durchmesser im Bereich von 10 bis 200 pm, bevorzugt im Bereich von 20 bis 150 pm, besonders bevorzugt im Bereich von 30 bis 100 pm, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 40 bis 50 pm, insbesondere 45 pm, aufweist; und/oder ii) mit einer Geschwindigkeit entlang der Kontaktfläche bewegt wird, die im Bereich von 0,1 bis 5 m/sek., bevorzugt im Bereich 0,2 bis 4 m/sek, besonders bevorzugt im Bereich von 0,3 bis 3,5 m/sek., ganz besonders bevorzugt im Bereich von 0,4 bis 3 m/sek., optional im Bereich von 0,5 bis 2 m/sek., liegt; und/oder iii) in einem Muster entlang der Kontaktfläche bewegt wird, wobei das Muster ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus kreisförmiges Muster, ellipsenförmiges Muster, strichförmiges Muster, Zick-ZacK-Muster und Kombinationen hiervon, wobei bevorzugt zumindest zwei Striche des Zick-Zack-Musters, optional mehrere Striche des Zick-Zack-Musters, in einem Winkel im Bereich von 20 bis 40°, insbesondere 30°, zueinander angeordnet sind; und/oder iv) in einem Abstand zu einer Begrenzungslinie der Kontaktfläche bewegt wird, der mindestens 1 mm, bevorzugt mindestens 2 mm, beträgt.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass i) in Schritt a) mindestens 29, bevorzugt mindestens 49, besonders bevorzugt mindestens 59, ganz besonders bevorzugt mindestens 64, insbesondere mindestens 69, weitere Elektroden bereitgestellt werden, die jeweils aus einem Metall bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithium, Lithiumlegierung und Kombinationen hiervon, und die jeweils einen flächigen Fügebereich mit einer Oberseite und einer Unterseite aufweisen; und ii) in Schritt e) der flächige Fügebereich jeder weiteren Elektrode auf dem flächigen Fügebereich der mindestens einen Elektrode angeordnet wird, und in Schritt d) der Laserstrahl durch alle flächigen Fügebereiche der Elektroden zumindest auf einen Teil der Kontaktfläche eingestrahlt wird, sodass das das Metall aller flächigen Fügebereiche der Elektroden und das Metall des flächigen Fügebereichs des elektrischen Ableiters in dem Teil der Kontaktfläche auf eine Temperatur erwärmt werden, die mindestens 180°C beträgt; oder eine Oberseite eines flächigen Fügebereichs von einer einzigen der weiteren Elektroden auf der Unterseite des flächigen Fügebereichs des elektrischen Ableiters angeordnet wird, wobei zwischen der Oberseite des flächigen Fügebereichs des einzigen der weiteren Elektroden und der Unterseite des flächigen Fügebereichs des elektrischen Ableiters eine weitere Kontaktfläche entsteht, wobei die flächigen Fügebereiche der anderen weiteren flächigen Elektroden zumindest teilweise oder vollständig auf dem flächigen Fügebereich der mindestens einen Elektrode und/oder auf dem flächigen Fügebereich der einzigen der weiteren Elektroden angeordnet werden, und in Schritt d) der Laserstrahl durch alle flächigen Fügebereiche der Elektroden zumindest auf einen Teil der Kontaktfläche eingestrahlt wird und zumindest auf einen Teil der weiteren Kontaktfläche eingestrahlt wird, sodass das Metall der flächigen Fügebereiche aller Elektroden und das Metall des flächigen Fügebereichs des elektrischen Ableiters in dem Teil der Kontaktfläche und dem Teil der weiteren Kontaktfläche auf eine Temperatur erwärmt werden, die mindestens 180°C beträgt.
8. Anlage zur Herstellung eines Verbunds aus einem elektrischen Ableiter und mindestens einer Elektrode, enthaltend: a) mindestens eine Elektrode, die aus einem Metall besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithium, Lithiumlegierung und Kombinationen hiervon, wobei die mindestens eine Elektrode einen flächigen Fügebereich mit einer Oberseite und einer Unterseite aufweist; und b) einen elektrischen Ableiter, der einen flächigen Fügebereich mit einer Oberseite und einer Unterseite aufweist, wobei der flächige Fügebereich ein Metall enthält oder daraus besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Kupfer, Edelstahl und Kombinationen und Legierungen hiervon; wobei die Unterseite des flächigen Fügebereichs der mindestens einen Elektrode auf der Oberseite des flächigen Fügebereichs des elektrischen Ableiters angeordnet ist und zwischen der Unterseite des flächigen Fügebereichs der mindestens einen Elektrode und der Oberseite des flächigen Fügebereichs des elektrischen Ableiters eine Kontaktfläche besteht; dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage einen Laser enthält, der konfiguriert ist, einen Laserstrahl durch den flächigen Fügebereich der mindestens einen Elektrode zumindest auf einen Teil der Kontaktfläche einzustrahlen, sodass das Metall des Fügebereichs der mindestens einen Elektrode und das Metall des Fügebereichs des elektrischen Ableiters in dem Teil der Kontaktfläche auf eine Temperatur erwärmt werden, die mindestens 180°C beträgt.
9. Anlage gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der flächige Fügebereich der mindestens einen Elektrode eine Dicke im Bereich von einem n-fachen von 40 bis 140 pm aufweist, wobei n eine ganze Zahl von mindestens 30, bevorzugt mindestens 50, besonders bevorzugt mindestens 60, ganz besonders bevorzugt mindestens 65, insbesondere mindestens 70, ist, wobei sich die Dicke auf eine Ausdehnung des Fügebereichs senkrecht zu seiner Oberseite bezieht.
10. Anlage gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, dass der flächige Fügebereich des elektrischen Ableiters eine Dicke im Bereich von 50 bis 400 pm, bevorzugt im Bereich von 100 bis 350 pm, besonders bevorzugt im Bereich von 200 bis 350 nm, aufweist, wobei sich die Dicke auf eine Ausdehnung des Fügebereichs senkrecht zu seiner Oberseite bezieht.
11. Anlage gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche i) durch eine Begrenzungslinie definiert ist, wobei der Laser der Anlage konfiguriert ist, den Laserstrahl durch den Fügebereich der mindestens einen Elektrode nur auf einen Teil der Kontaktfläche zu strahlen, der einen bestimmten Abstand zur Begrenzungslinie der Kontaktfläche aufweist; und/oder ii) in einer Längsrichtung entlang der Kontaktfläche eine Länge im Bereich von 0,5 bis 20 mm, bevorzugt 1 bis 10 mm, aufweist; und/oder iii) in einer Querrichtung entlang der Kontaktfläche eine Breite im Bereich von 0,5 bis 6, bevorzugt 1 bis 3 mm, aufweist.
12. Anlage gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser der Anlage konfiguriert ist, optional gesteuert über eine Steuereinheit der Anlage, den Laserstrahl i) dergestalt einzustrahlen, dass das Metall des Fügebereichs der mindestens einen Elektrode und das Metall des Fügebereichs des elektrischen Ableiters auf eine Temperatur erwärmt werden, die mindestens 190 °C, bevorzugt mindestens 200 °C, besonders bevorzugt mindestens 210 °C, insbesondere mindestens 220°C, beträgt; und/oder ii) mit einer Wellenlänge im UV-Bereich, VIS-Bereich oder IR-Bereich, bevorzugt mit einer Wellenlänge im NIR-Bereich, besonders bevorzugt mit einer Wellenlänge im Bereich von 800 bis 1400 nm, ganz besonders bevorzugt mit einer Wellenlänge im Bereich von 1000 bis 1100 nm, insbesondere mit einer Wellenlänge im Bereich von 1065 nm, einzustrahlen; und/oder iii) mit einer Laserleistung in einem Bereich von 200 bis 2000 Watt, bevorzugt 300 bis 1500 Watt, besonders bevorzugt 400 bis 1000 W, insbesondere 500 bis 700 Watt, einzustrahlen; und/oder iv) mit einer Brennweite im Bereich von 50 bis 500 mm, bevorzugt im Bereich von 100 bis 400 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 150 bis 350 mm, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 200 bis 300 mm, insbesondere 250 mm, einzustrahlen; und/oder v) auf einen Teil der Kontaktfläche einzustrahlen, der >0% bis 90%, bevorzugt 2% bis 70%, besonders bevorzugt 4% bis 50%, ganz besonders bevorzugt 6% bis 30%, insbesondere 8% bis 20%, optional 10% bis 15%, einer Gesamtfläche der Kontaktfläche ausmacht.
13. Anlage gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, dass der Laser der Anlage konfiguriert ist, optional gesteuert über eine Steuereinheit der Anlage, den Laserstrahl auf einen Fokuspunkt auf der Kontaktfläche zu fokussieren, bevorzugt den Fokuspunkt i) so einzustellen, dass er einen Durchmesser im Bereich von 10 bis 200 um, bevorzugt im Bereich von 20 bis 150 um, besonders bevorzugt im Bereich von 30 bis 100 um, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 40 bis 50 um, insbesondere 45 um, aufweist; und/oder ii) mit einer Geschwindigkeit entlang der Kontaktfläche zu bewegen, die im Bereich von 0,1 bis 5 m/sek., bevorzugt im Bereich 0,2 bis 4 m/sek, besonders bevorzugt im Bereich von 0,3 bis 3,5 m/sek., ganz besonders bevorzugt im Bereich von 0,4 bis 3 m/sek., optional im Bereich von 0,5 bis 2 m/sek., liegt; und/oder iii) in einem Muster entlang der Kontaktfläche zu bewegen, wobei das Muster ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus kreisförmiges Muster, ellipsenförmiges Muster, strichförmiges Muster und Kombinationen hiervon, wobei bevorzugt zumindest zwei Striche des strichförmigen Musters, optional mehrere Striche des strichförmigen Musters, in einem Winkel im Bereich von 20 bis 40°, insbesondere 30°, zueinander angeordnet sind; und/oder iv) in einem Abstand zu einer Begrenzungslinie der Kontaktfläche zu bewegen, der mindestens 1 mm, bevorzugt mindestens 2 mm, beträgt.
14. Anlage gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass i) die Anlage mindestens 29, bevorzugt mindestens 49, besonders bevorzugt mindestens 59, ganz besonders bevorzugt mindestens 64, insbesondere mindestens 69, weitere Elektroden enthält, die jeweils aus einem Metall bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithium, Lithiumlegierung und Kombinationen hiervon, und die jeweils einen flächigen Fügebereich mit einer Oberseite und einer Unterseite aufweisen; und ii) der flächige Fügebereich jeder weiteren Elektrode auf dem flächigen Fügebereich der mindestens einen Elektrode angeordnet ist, und der Laser konfiguriert ist, optional gesteuert über eine Steuereinheit der Anlage, den Laserstrahl durch alle flächigen Fügebereiche der Elektroden zumindest auf einen Teil der Kontaktfläche einzustrahlen, sodass das das Metall aller flächigen Fügebereiche der Elektroden und das Metall des flächigen Fügebereichs des elektrischen Ableiters in dem Teil der Kontaktfläche auf eine Temperatur erwärmt wird, die mindestens 180°C beträgt; oder eine Oberseite eines flächigen Fügebereichs von einer einzigen der weiteren Elektroden auf der Unterseite des flächigen Fügebereichs des elektrischen Ableiters angeordnet ist, wobei zwischen der Oberseite des flächigen Fügebereichs der einzigen der weiteren Elektroden und der Unterseite des flächigen Fügebereichs des elektrischen Ableiters eine weitere Kontaktfläche besteht, wobei die flächigen Fügebereiche der anderen weiteren flächigen Elektroden zumindest teilweise oder vollständig auf dem flächigen Fügebereich der mindestens einen Elektrode und/oder auf dem flächigen Fügebereich des einzigen der weiteren Elektroden angeordnet sind, und der Laser konfiguriert ist, optional gesteuert über eine Steuereinheit der Anlage, den Laserstrahl durch alle flächigen Fügebereiche der Elektroden zumindest auf einen Teil der Kontaktfläche einzustrahlen und zumindest auf einen Teil der weiteren Kontaktfläche einzustrahlen, sodass das Metall der flächigen Fügebereiche aller Elektroden und das Metall des flächigen Fügebereichs des elektrischen Ableiters in dem Teil der Kontaktfläche und in dem Teil der weiteren Kontaktfläche auf eine Temperatur erwärmt werden, die mindestens 180°C beträgt.
15. Verbund aus einem elektrischen Ableiter und mindestens einer Elektrode, enthaltend oder bestehend aus: a) mindestens eine Elektrode, die aus einem Metall besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithium, Lithiumlegierung und Kombinationen hiervon, wobei die mindestens eine Elektrode einen flächigen Fügebereich mit einer Oberseite und einer Unterseite aufweist; und b) einen elektrischen Ableiter, der einen flächigen Fügebereich mit einer Oberseite und einer Unterseite aufweist, wobei der flächige Fügebereich ein Metall enthält oder daraus besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Kupfer, Edelstahl und Kombinationen und Legierungen hiervon; wobei der Fügebereich der mindestens einen Elektrode auf dem Fügebereich des flächigen elektrischen Ableiters angeordnet ist und eine Kontaktfläche zwischen den beiden Fügebereichen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall des mindestens einen Elektrode zumindest in einem Teil der Kontaktfläche in einem aus einer Schmelze erstarrten Zustand vorliegt, und der flächige Fügebereich der mindestens einen Elektrode in einer Richtung senkrecht zur Oberseite des flächigen Fügebereichs der mindestens einen Elektrode eine Ausdehnung aufweist, die entlang der gesamten Kontaktfläche um maximal 5%, in Bezug auf die Gesamtausdehnung des flächigen Fügebereichs der mindestens einen Elektrode in einer Richtung senkrecht zur Oberseite des flächigen Fügebereichs der mindestens einen Elektrode, variiert.
16. Verbund gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Ableiter entlang der gesamten Kontaktfläche im wesentlichen planar ist, wobei hierunter bevorzugt verstanden wird, dass ein maximaler Winkel zwischen Loten, die auf die Oberseite und Unterseite des metallischen Ableiters entlang der gesamten Kontaktfläche gefällt werden, < 1° beträgt.
17. Verbund gemäß einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt wurde.
18. Batteriezelle, enthaltend oder bestehend aus: a) einen Verbund gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17 als Anode; b) einen weiteren Verbund aus einem elektrischen Ableiter und mindestens einer Elektrode als Kathode, wobei die Kathode bevorzugt Schwefel enthält oder daraus besteht; und c) einen Elektrolyten, der die Elektrode der Anode und die Elektrode der Kathode kontaktiert; d) optional: einen Separator, der zwischen Anode und Kathode angeordnet ist.
EP24720054.6A 2023-04-17 2024-04-12 Verfahren und anlage zur herstellung eines verbunds aus einem elektrischen ableiter und mindestens einer elektrode, verbund aus einem elektrischen ableiter und mindestens einer elektrode, sowie batteriezelle Pending EP4699171A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102023203457.3A DE102023203457A1 (de) 2023-04-17 2023-04-17 Verfahren und Anlage zur Herstellung eines Verbunds aus einem elektrischen Ableiter und mindestens einer Elektrode, Verbund aus einem elektrischen Ableiter und mindestens einer Elektrode, sowie Batteriezelle
PCT/EP2024/059997 WO2024218005A1 (de) 2023-04-17 2024-04-12 Verfahren und anlage zur herstellung eines verbunds aus einem elektrischen ableiter und mindestens einer elektrode, verbund aus einem elektrischen ableiter und mindestens einer elektrode, sowie batteriezelle

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4699171A1 true EP4699171A1 (de) 2026-02-25

Family

ID=90809929

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP24720054.6A Pending EP4699171A1 (de) 2023-04-17 2024-04-12 Verfahren und anlage zur herstellung eines verbunds aus einem elektrischen ableiter und mindestens einer elektrode, verbund aus einem elektrischen ableiter und mindestens einer elektrode, sowie batteriezelle

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP4699171A1 (de)
DE (1) DE102023203457A1 (de)
WO (1) WO2024218005A1 (de)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2605313A1 (de) 2011-12-15 2013-06-19 Oxis Energy Limited Anschluss von Kontaktdrähten an lithiumbasierte Elektroden
DE102018200544A1 (de) * 2018-01-15 2019-07-18 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Fügen von Folien für Batterien
US10919112B2 (en) * 2018-04-30 2021-02-16 GM Global Technology Operations LLC Method and system for manufacturing a lithium metal negative electrode
KR102567963B1 (ko) * 2018-07-18 2023-08-16 주식회사 엘지에너지솔루션 리튬메탈전지의 음극 탭 접합 방법, 이를 적용하여 제조된 리튬메탈전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬메탈전지

Also Published As

Publication number Publication date
DE102023203457A1 (de) 2024-10-17
WO2024218005A1 (de) 2024-10-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102019110375B4 (de) Verfahren und system zur herstellung einer negativen lithiummetall-elektrode
DE69422087T2 (de) Elektrischer Halbleiterheizkörper und Verfahren zu dessen Herstellung
EP3625840B1 (de) Verfahren zum herstellen eines mit einer lithiumschicht beschichteten substrats mittels einer vermittlerschicht sowie ein beschichtetes substrat
DE102019108876A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer negativen Lithium-Metall-Elektrode
EP4045224B1 (de) Verfahren zum bearbeiten einer lithiumfolie oder einer mit lithium beschichteten metallfolie mittels eines laserstrahls
DE102008058773B4 (de) Verbindungsverfahren
DE102014110777B4 (de) Stoffschlüssige Verbindung zwischen Aluminium und Kupfer sowie Verfahren zur Herstellung derselben
DE102016108401A1 (de) Herstellungsverfahren eines laminats für eine batterie
DE102020120263B3 (de) Verschweißen von metallischen Folien mittels Laser
DE102016115437B4 (de) Verfahren zur Herstellung einer Sekundärbatterie
DE102018122175B4 (de) Verfahren zum verbinden von angrenzenden überlappenden kupferwerkstücken durch widerstandspunktschweissen
DE19956721A1 (de) Separator einer Protonenaustausch-Brennstoffzelle und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102019211070B3 (de) Fertigungsverfahren zum Verschweißen eines Kupferleiters mit einem Werkstück, Werkstück und Fahrzeug
CH638641A5 (de) Halbleiterbauelement, verfahren zu dessen herstellung und verwendung des halbleiterbauelements.
EP4323143B1 (de) Verfahren zum verschweissen von metallhaltigen, gebogenen stableitern, mit intensitätsumverteilung in einer anfangsphase und einer endphase
WO2024218005A1 (de) Verfahren und anlage zur herstellung eines verbunds aus einem elektrischen ableiter und mindestens einer elektrode, verbund aus einem elektrischen ableiter und mindestens einer elektrode, sowie batteriezelle
DE102008002910A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von Bauteilen mittels Laserstrahlung
DE102008060211A1 (de) Verfahren zur Metallkontaktierung einer Solarzelle oder Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls und Laserauftragsschweiß-Anlage
DE102013010560B4 (de) Verfahren zum Fügen von Werkstücken aus zinkhaltigen Kupferlegierungen und Fügeteil
DE102022126390B4 (de) Verfahren zum biegen und schlagschweissen mehrerer gebogener metallfolien einer batterie
DE60202058T2 (de) Verfahren zur Regelung der Schaltstrecke der Kontaktzungen in einem Reed-Schalter
DE112023000964T5 (de) LASERSCHWEIßVERFAHREN UND METALLVERBINDUNGSKÖRPER
DE102015013312B4 (de) Verfahren und Einrichtung zum schnellen stoffschlüssigen Löten von Körpern odervon Schichten oder von Körpern und Schichten mit Laserstrahlen
EP0709904B1 (de) Verfahren zum Ausbilden metallischer Stromableitfahnen bei Elektrodenplatten von Akkumulatoren
DE102024121243A1 (de) Verfahren zum herstellen einer porösen struktur sowie laservorrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20251112

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC ME MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR