ES2965477T3 - Dispositivo de laminación de un fleje de litio metálico - Google Patents
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Abstract
Dispositivo para fabricar una banda de litio que comprende una zona de laminación (ZL) que comprende dos cilindros de laminación (2.1, 2.2), una zona de alimentación que comprende medios para suministrar a la zona de laminación una banda de litio de primer espesor (FL1), medios para suministrar dos películas interpuestas entre la tira de litio de primer espesor y un cilindro laminador (2.1, 2.2), y una zona de almacenamiento que comprende medios para recoger una tira de litio (FL1 de segundo espesor) que tiene un segundo espesor. La tira de litio de segundo espesor (segundo espesor FL1) se pone bajo tensión y unos rodillos (20) aseguran la separación de cada película (FP1, FP2) de la superficie de uno de los rodillos rodantes (2.1, 2.2) en una zona de separación situada más allá de un plano horizontal (PH) que pasa por el eje de rotación de dicho cilindro rodante y situado frente al otro cilindro rodante. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Dispositivo de laminación de un fleje de litio metálico
Campo técnico y estado de la técnica anterior
La presente invención se refiere a un dispositivo de laminación de un fleje de litio metálico.
Hasta la fecha, la tecnología de iones de litio permite alcanzar densidades de energía de alrededor de 250 Wh/kg y, según los especialistas, el margen de progreso para esta tecnología es bajo. Las tecnologías denominadas “todo sólido” parecen ser el futuro de los iones de litio, en particular el uso de litio metálico en el ánodo. De hecho, las densidades energéticas másicas y volumétricas de este material son muy elevadas y permitirían, si surgieran estas nuevas tecnologías, aumentar considerablemente la densidad energética de los acumuladores.
Por lo tanto, uno de los mayores retos es controlar el procedimiento de fabricación de los flejes de litio metálico, que hasta la fecha se utilizan en grandes cantidades en las baterías de litio metálico, limitando por tanto las densidades de energía. Los espesores deseados, del orden de unas pocas micras a unas pocas decenas de micras, se consiguen con la ayuda de un tren de laminación.
El litio metálico es un material maleable, pegajoso y, por tanto, muy frágil, por lo que la fabricación de flejes de unas pocas decenas de pm es relativamente compleja. Por tanto, es necesario optimizar todos los parámetros de laminación para controlar el procedimiento y por tanto producir flejes de algunas decenas de pm.
Los cilindros de laminación son en general de metal. Para evitar el pegado del litio a los cilindros de laminación, se interpone una película de material polimérico entre cada cilindro de laminación y el litio metálico. Un ejemplo de dicho dispositivo de fabricación se describe en el documento US 3,783,666, en el que cintas sin fin de polivinilo o de polietileno se enrollan alrededor de los cilindros de laminación. Este dispositivo permite la fabricación de una película de litio metálico del orden de 250 pm.
El documento EP0692831 describe un dispositivo de laminación de un fleje de litio que permite alcanzar espesores de algunas decenas de pm, sin embargo el mismo requiere el uso de un lubricante de laminación.
Descripción de la invención
Por consiguiente, un objetivo de la presente invención es ofrecer un dispositivo de laminación de un fleje de litio metálico en seco, es decir, sin añadir lubricante líquido.
El objetivo indicado anteriormente se consigue mediante un dispositivo de laminación según la reivindicación 1, que comprende al menos dos cilindros de laminación entre los cuales se pretende laminar el litio metálico, medios de suministro de una película de litio metálico en la entrada del tren de laminación dispuestos aguas arriba de los cilindros de laminación, medios de almacenamiento de una película de litio metálico a la salida del tren de laminación, dichos medios de almacenamiento que están dispuestos aguas abajo de los cilindros de laminación. El dispositivo aplica una tracción a la película de litio a la salida del tren de laminación para que quede bajo tensión mecánica. El dispositivo comprende, del mismo modo, medios de circulación de dos películas de material plástico dispuestas de manera que interpongan una película de material plástico entre cada cilindro de laminación y la película de litio y para hacer circular dichas películas con la película de litio.
Los inventores determinaron que existía una gama de ángulos de separación de la película y del fleje que permitían producir una película de litio metálico de un segundo espesor de unas pocas decenas de pm reduciendo, o incluso eliminando, el riesgo de rotura de la película y sin adición de lubricante líquido. Esta gama de ángulo se obtiene mediante orientaciones particulares de cada película de material plástico aguas abajo de los cilindros de laminación.
La orientación particular de las películas de plástico es tal que la línea de separación entre una película de material plástico y la película de litio está situada en una zona más allá de un plano horizontal que pasa por el eje de giro del cilindro de laminación con el que está en contacto la película de material plástico.
Se pueden obtener películas de litio de algunas decenas de pm de espesor, por ejemplo entre 10 pm y 100 pm, sin romperse, sin utilizar un lubricante que podría haber contaminado el litio metálico.
Ventajosamente, la línea de separación está situada en una zona situada entre el plano horizontal y un plano vertical que pasa por el eje de giro del cilindro.
Con preferencia, la tracción específica aplicada a las películas de plástico está comprendida entre 0,1 N/mm y 0,6 N/mm, con preferencia esta tensión está comprendida entre 0,2 N/mm y 0,3 N/mm. La aplicación de esta tracción específica, asociada a la orientación de una o varias películas de material plástico con respecto al(a los) rodillo(s) de laminación, permite facilitar la separación entre las películas de plástico y la película de litio del segundo espesor.
Por ejemplo, la orientación particular de cada película de material plástico se obtiene mediante un rodillo de eje de giro paralelo al eje de giro del cilindro de laminación, la película de material plástico la cual pasa entre el cilindro de laminación y el rodillo. Ventajosamente, la película de material plástico comprende un revestimiento de silicona.
Uno de los objetos de la presente solicitud es un dispositivo de laminación de un fleje de litio metálico que comprende una zona de laminación que comprende al menos dos cilindros de laminación entre los cuales está destinado a pasar un fleje de litio de un primer espesor, cada cilindro de laminación que gira alrededor de un eje de giro, una zona de suministro que comprende medios de suministro a la zona de laminación del fleje de litio de primer espesor, medios de suministro de dos películas de material plástico de manera que cada película de material plástico se interponga entre el fleje de litio de primer espesor y un cilindro de laminación, denominado cilindro de laminación asociado y una zona de almacenamiento que comprende medios para recoger un fleje de litio de segundo espesor que tiene un segundo espesor menor que el primer espesor. El dispositivo comprende del mismo modo medios para tensar el fleje de litio de segundo espesor y medios configurados para asegurar una separación de cada película de material plástico de la superficie de uno de los cilindros de laminación en el lado de la zona de almacenamiento en una zona de separación situada más allá de un plano horizontal que pasa por el eje de giro de dicho cilindro de laminación y situado en el lado opuesto al otro cilindro de laminación, dicha zona de separación la cual incluye dicho plano (PH) horizontal.
Con preferencia, los medios que aplican una tensión al fleje de litio de segundo espesor están configurados para aplicar una tensión por unidad de superficie de la sección transversal de la película de segundo espesor entre 1 N/mm2 y 1,4 N/mm2.
Aún más preferiblemente, el dispositivo de laminación comprende medios configurados para aplicar una tensión a las películas de material plástico al menos en la zona de almacenamiento, dichos medios que están configurados para aplicar una tensión por unidad de anchura de las películas de material plástico entre 0,1N/mm y 0,6 N/mm.
Ventajosamente, los medios de separación comprenden, para cada película de material plástico, un rodillo cuyo eje de giro es paralelo al del cilindro de laminación asociado y cuyo eje de giro está situado en la zona de separación.
Ventajosamente se puede modificar la posición del rodillo en la zona de separación.
Las películas de material plástico pueden comprender un recubrimiento de silicona al menos en la cara destinada a estar en contacto con el litio.
Por ejemplo, las películas de material plástico son de poli(tereftalato de etileno).
Las películas de material plástico pueden presentarse en forma de cintas sin fin, cuya tensión se ajusta mediante un rodillo tensor.
Según una característica adicional, el dispositivo de laminación comprende en la zona de almacenamiento una bobina alrededor de la cual se enrolla el fleje de litio de segundo espesor y medios para enrollar simultáneamente una película de material plástico para evitar que el fleje de litio de segundo espesor se pegue sobre sí mismo. Según una característica adicional, el dispositivo de laminación comprende dos actuadores para accionar con giro cada cilindro de laminación por separado y una unidad de control configurada para controlar los dos actuadores de modo que los dos cilindros de laminación giren a velocidades (V1, V1) diferentes.
Breve descripción de los dibujos
La presente invención se comprenderá mejor basándose en la descripción que sigue y en los dibujos adjuntos, en los que:
La figura 1 es una representación esquemática de un dispositivo de laminación de una película de litio mediante el procedimiento de laminación.
La figura 2 es una vista detallada de un dispositivo de laminación de una película de litio metálico según un ejemplo de realización,
La figura 3 es una vista detallada de un dispositivo de laminación de una película de litio metálico según otro ejemplo de realización.
Descripción detallada de modos de realización particulares
En la figura 1, se puede ver un dispositivo de laminación de película de litio, del mismo modo llamado fleje, que comprende una zona ZL de laminación de litio, una zona ZA de suministro de litio aguas arriba de la zona ZL de laminación, una zona ZS de almacenamiento de litio aguas abajo de la zona ZL de laminación.
En la presente solicitud, el sentido aguas arriba-aguas abajo se entiende desde la zona de suministro a la zona de almacenamiento.
En la presente solicitud, las expresiones "película de litio" y "película de litio metálico" designan una película de litio o de una aleación de litio, que comprende por ejemplo y de manera no limitativa magnesio y/o aluminio...
La zona de laminación comprende al menos dos cilindros 2.1,2.2 de laminación enfrentados, las superficies exteriores enfrentadas de los cilindros las cuales están separadas por el espesor deseado de la película de litio. Para reducir progresivamente el espesor de la película de litio se pueden utilizar, por ejemplo, varios pares de cilindros de laminación dispuestos uno tras otro de aguas arriba hacia aguas abajo. Los cilindros de laminación son accionados con giro mediante actuadores, tales como, por ejemplo, motores eléctricos.
El plano en el que circula la película de litio entre los dos cilindros de laminación se denominará “plano de laminación”.
La zona ZA de suministro comprende un carrete 4 de una película FL1 de litio metálico de un primer espesor e1. La película se obtiene, por ejemplo, por extrusión y presenta, por ejemplo, un espesor del orden de 200 pm. La película se enrolla en el carrete. Los rodillos y las guías utilizados generalmente en los trenes de laminación aseguran el guiado de la película de primer espesor FL1 hasta la zona ZL de laminación.
La zona ZA de suministro comprende del mismo modo un carrete 6 de una primera película FP1 de material plástico, una parte de la película FP1 la cual está destinada a interponerse entre el cilindro 2.1 de laminación y la película FL1 de litio de primer espesor y a estar en contacto con el cilindro 2 de laminación. La zona ZA de suministro comprende del mismo modo un carrete 8 de una segunda película FP2 de material plástico, la película FP2 la cual está destinada a interponerse entre el cilindro 2.2 de laminación y la película FL1 de litio de primer espesor. Se pueden utilizar rodillos y guías para guiar las películas FP1 y FP2 de material plástico hasta la zona de laminación.
Cada película FP1, FP2 de material plástico está asociada a un cilindro 2.1, 2.2 de laminación, respectivamente.
La zona ZS de almacenamiento comprende una bobina 10 sobre la que se enrolla la película FL1 de litio metálico de segundo espesor inferior al primer espesor, una bobina 12 sobre la que se enrolla la película FP1 de material plástico y una bobina 14 sobre la que se enrolla la película FP2 de material plástico. Se pueden utilizar rodillos y guías para guiar las películas FL1 de litio de segundo espesor, las películas Fp1 y FP2 de material plástico desde la zona de laminación hacia su bobina de almacenamiento.
Los carretes y las bobinas son accionados por giro mediante actuadores, tales como motores eléctricos.
Los elementos de la zona de suministro y de la zona de almacenamiento, en particular el carrete 4 y los carretes 6, 8 y las bobinas 12, 14, están controlados de manera que la película de litio que entra al tren de laminación y las películas FP1, FP2 de material plástico tengan velocidades de desplazamiento cercanas o iguales entre sí. La velocidad de la bobina 10 de la película de litio que sale del tren de laminación es diferente de la velocidad de los carretes 4, 6 y 8 y de las bobinas 12, 14.
Los ejes de las bobinas, rodillos, cilindros son paralelos entre sí y normales a la dirección de movimiento de las películas.
Ventajosamente, se enrolla una película de material plástico al mismo tiempo que la película FL1 de segundo espesor sobre la bobina 10 de modo que las vueltas de la película FL1 de segundo espesor estén separadas por una película de material plástico, por ejemplo polipropileno.
A título de ejemplo, para una película de litio comprendida entre 60 mm y 100 mm, la fuerza de apriete ejercida sobre la cinta de litio por los cilindros de laminación está, por ejemplo, comprendida entre 10 kN y 23 kN. Esta fuerza es ejercida, por ejemplo, por el cilindro 2.1 de laminación.
En la figura 2, se puede ver una vista detallada de un dispositivo D1 de fabricación de una película de litio metálico según un primer ejemplo de realización.
El dispositivo D1 comprende, además de los elementos del dispositivo de la figura 1, medios 16 de separación que permiten fijar la zona de separación entre la película FP1 y la superficie exterior de su cilindro 2.1 de laminación asociado y medios de separación que permiten fijar la zona de separación entre la película FP2 y su cilindro 2.2 de laminación asociado.
Al ser similares o idénticos los medios de separación de las películas FP1, FP2, sólo se describirán en detalle los medios 16.
La zona de separación se materializa mediante una línea LS1 de separación, que está formada por una generatriz del cilindro de laminación. En la figura 2, esta línea está simbolizada por un punto.
De hecho, los inventores han determinado que fijando la posición de la línea de separación en una zona dada, se podría obtener una película FL1 de litio de segundo espesor con un espesor de algunas decenas de pm, por ejemplo entre 50 pm y 30 pm, mientras que al mismo tiempo se limitan los riesgos de rotura de la película FL1 de segundo espesor y sin necesidad de aporte de líquido al nivel de los cilindros de laminación.
Los inventores han determinado que una línea de separación que se encuentra en una zona situada por encima de un plano PH horizontal que pasa por el eje X1 del cilindro 2.1 de laminación facilitaba el desprendimiento entre la película de plástico y la de giro de la película de litio, reduce significativamente el riesgo de rotura de una película FL1 de litio de segundo espesor de un espesor de unas pocas decenas de |jm. El plano PH horizontal es paralelo al plano de laminación.
Ventajosamente, la zona está del mismo modo delimitada por un plano PV vertical que pasa por el eje de giro del cilindro 2.1 de laminación. Preferiblemente, la línea de separación está situada en una zona delimitada entre un plano orientado a 45° con respecto al plano vertical y el plano vertical en el sentido contrario a las agujas del reloj.
En el ejemplo representado y ventajosamente, los medios 16 comprenden un rodillo 20 dispuesto entre el cilindro 2.1 de laminación y la bobina 12 sobre la que se enrolla la película FP1 de material plástico y cuyo eje X2 de giro se encuentra en el plano PH horizontal. El rodillo 20 se dispone en el recorrido de la película FP1 entre el cilindro de laminación y la bobina 12 de modo que la línea LS1 de separación esté en el plano PH. Se considera que la línea LS1 de separación y el eje de giro del rodillo 20 están sustancialmente en el mismo plano que contiene el eje de giro del cilindro de laminación.
La película FP1 de material plástico se traslada entre el cilindro 2.1 de laminación y el rodillo 20.
Como alternativa, la bobina 12 y los rodillos y guías de la película FP1 de material plástico en la zona de almacenamiento están dispuestos con respecto al cilindro 2.1 de laminación de modo que la línea LS1 de separación esté en el plano PH.
La utilización de un rodillo 20 permite fijar de manera más precisa la posición de la línea LS1.
Por ejemplo, la distancia que separa la superficie del cilindro de laminación y la superficie del rodillo está entre 1 mm y 4 mm.
La película FL1 de litio de segundo espesor se mantiene bajo tensión mecánica. Con preferencia, se aplica una tracción específica que está entre 1 N/mm2 de sección de película de litio y 1,4 N/mm2 de sección de película de litio. Una tracción específica del orden de 1 N/mm2 se aplica con preferencia sobre una película de litio puro o casi puro y una tracción específica del orden de 1,4 N/mm2 se aplica con preferencia a una película de aleación de litio.
Por ejemplo, para una película de litio que tiene una sección de 3 mm2 (por ejemplo 60 mm de ancho y 50 jm de espesor), la fuerza aplicada está comprendida entre 3N (para una tracción específica de 1N/mm2) y 4,2N (para una tracción específica de 1,4N/mm2)
La tensión mecánica aplicada a las películas FP1 y FP2 de material plástico aguas abajo de la zona de laminación depende de la anchura de las películas. La tracción específica está comprendida con preferencia entre 0,1 N/mm y 0,6 N/mm, con preferencia esta tensión está comprendida entre 0,2 N/mm y 0,3 N/mm, lo que facilita aún más la separación y contribuye a la supresión de la aparición de rotura de la película FL1 de litio de segundo espesor. La tensión de la película FL1 de segundo espesor y las tensiones de las películas de material plástico aguas abajo de la zona de laminación se regulan, por ejemplo, ajustando la velocidad y el par de los motores.
De manera muy ventajosa, las películas de material plástico comprenden, al menos en una cara destinada a entrar en contacto con la película de litio, un revestimiento de silicona que reduce los riesgos de pegado entre el litio y la película de material plástico. El revestimiento tiene por ejemplo un espesor de 100 nm.
La silicona presenta la ventaja de no dejar ningún residuo después de la laminación. De hecho, no se detectó ningún rastro de silicona en la película FL1 de segundo espesor.
Las películas de material plástico son, por ejemplo, de poli(tereftalato de etileno) recubierto con una capa de silicona sólida, por ejemplo de algunas decenas de nanómetros, al menos en una cara. El espesor de las películas de material plástico está comprendido, por ejemplo, entre 15 jm y 100 jm .
Ventajosamente, el rodillo 20 tiene una posición modificable con respecto al cilindro de laminación, en particular su posición angular, lo que permite adaptar fácilmente el dispositivo a la fabricación de películas de diferentes espesores limitando al mismo tiempo los riesgos de rotura.
Como alternativa, las películas de material plástico son bucles cerrados que forman cintas sin fin, lo que permite evitar tener que gestionar la longitud de película de material plástico que queda en la zona de suministro. La tensión de las películas de material plástico se fija, por ejemplo, mediante un rodillo tensor.
La invención permite conseguir espesores de película de litio de 30 jm sin ninguna rotura. Por el contrario, se ha constatado que al colocar el rodillo 20 por debajo del plano PH horizontal, se rompían películas con un espesor de al menos 60 jm .
En la figura 3, se puede ver otro ejemplo de un dispositivo de laminación de película de litio que se diferencia del de la figura 2, por el hecho de que la línea de separación de la película de material plástico y del cilindro de laminación asociado está situada sustancialmente en un plano vertical que pasa por el eje de giro del cilindro de laminación.
En el ejemplo representado y ventajosamente, los medios 116 comprenden un rodillo 120 que está dispuesto entre el cilindro 2.1 de laminación y la bobina 12 sobre la que se enrolla la película FP1 de material plástico y cuyo eje X102 de giro se encuentra en el plano PV vertical. El rodillo 120 está dispuesto en el recorrido de la película FP1 entre el cilindro de laminación y la bobina 12 de modo que la línea LS101de separación esté sustancialmente en el plano PV. Se considera que la línea LS101 de separación y el eje de giro del rodillo 120 están sustancialmente en el mismo plano que contiene el eje de giro del cilindro de laminación.
La línea de separación de cada una de las películas de material plástico puede situarse más allá del plano vertical considerando el sentido antihorario. La ubicación de la línea de separación puede depender de la disposición relativa de los diferentes elementos del dispositivo de laminación y del espacio disponible.
En los ejemplos de las figuras 2 y 3, las ubicaciones de los rodillos de separación para las dos películas de material plástico son simétricas con respecto al plano de laminación. Como alternativa, su posicionamiento no podría ser simétrico y las líneas de separación tampoco podrían estar situadas simétricamente con respecto al plano de laminación. Del mismo modo, diferentes medios para fijar la ubicación de la línea de separación entre la película de material plástico y el cilindro de laminación asociado pueden ser diferentes entre las películas de material plástico.
En un modo de funcionamiento particularmente ventajoso, los actuadores de cada uno de los cilindros de laminación se controlan independientemente entre sí para hacerlos girar a velocidades diferentes, con el fin de crear un diferencial de velocidad entre ellos, lo que permite favorecer el pegado de la película de litio a la película plástica superior o inferior.
Con preferencia, la diferencia entre la velocidad V1 del cilindro 2.1 de laminación superior y la velocidad V2 del cilindro 2.2 de laminación inferior está entre:
30% < (V2- V1)/V1 < 30%
Claims (10)
1. Dispositivo de laminación de un fleje de litio metálico que comprende una zona (ZL) de laminación que comprende al menos dos cilindros (2.1, 2.2) de laminación entre los cuales está destinado a pasar un fleje (FL1) de litio de primer espesor, cada cilindro (2.1, 2.2) de laminación que gira alrededor de un eje de giro, una zona (ZA) de suministro que comprende medios de suministro a la zona de laminación del fleje (FL1) de litio de primer espesor, medios de suministro de dos películas de material plástico de modo que cada película de material plástico quede interpuesta entre el fleje de litio de primer espesor y un cilindro (2.1, 2.2) de laminación, denominado cilindro de laminación asociado y una zona de almacenamiento que comprende medios para recoger un fleje (FL1) de litio de segundo espesor que presenta un segundo espesor menor que el primer espesor, en la que el dispositivo comprende del mismo modo medios para tensar el fleje de litio de segundo espesor y medios (20, 120) configurados para asegurar una separación de cada película (FP1, FP2) de material plástico de la superficie de uno de los cilindros (2.1, 2.2) de laminación en el lado de la zona (ZS) de almacenamiento caracterizado por que la zona de separación está situada más allá de un plano (PH) horizontal que pasa por el eje de giro de dicho cilindro de laminación y está situada en el lado opuesto al otro cilindro de laminación, dicha zona de separación que incluye dicho plano (PH) horizontal.
2. Dispositivo de laminación según la reivindicación 1, en el que los medios que aplican una tensión al fleje de litio de segundo espesor están configurados para aplicar una tensión por unidad de superficie de la sección transversal de la película de segundo espesor entre 1 N/mm2 y 1,4 N/mm2.
3. Dispositivo de laminación según la reivindicación 1 ó 2, que comprende medios configurados para aplicar una tensión a las películas de material plástico al menos en la zona de almacenamiento, dichos medios que están configurados para aplicar una tensión por unidad de anchura de las películas de material plástico entre 0,1N/mm y 0,6N/mm.
4. Dispositivo de laminación según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que los medios de separación comprenden, para cada película de material plástico, un rodillo (20, 120) cuyo eje (X2, X102) de giro es paralelo al del cilindro (2.1, 2.2) de laminación asociado y cuyo eje (X2, X102) de giro se sitúa en la zona de separación.
5. Dispositivo de laminación según la reivindicación 4, en el que se puede cambiar la posición del rodillo en la zona de separación.
6. Dispositivo de laminación según una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que las películas (FP1, FP2) de material plástico comprenden un revestimiento de silicona al menos en la cara destinada a estar en contacto con el litio.
7. Dispositivo de laminación según una de las reivindicaciones 1 a 6, en el que las películas (FP1, FP2) de material plástico son de poli(tereftalato de etileno).
8. Dispositivo de laminación según una de las reivindicaciones 1 a 7, en el que las películas (FP1, FP2) de material plástico están configuradas como cintas sin fin, cuya tensión se ajusta mediante un rodillo tensor.
9. Dispositivo de laminación según una de las reivindicaciones 1 a 8, que comprende en la zona de almacenamiento una bobina alrededor de la cual se enrolla el fleje de litio de segundo espesor y medios para enrollar simultáneamente una película de material plástico para evitar el pegado del fleje de litio de segundo espesor sobre sí mismo.
10. Dispositivo de laminación según una de las reivindicaciones 1 a 9, que comprende dos actuadores para accionar con giro cada cilindro de laminación por separado y una unidad de control configurada para controlar los dos actuadores de manera que los dos cilindros de laminación giren a velocidades (V1, V1) diferentes.
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