ES3031691T3 - Method and device for producing a solid separator for a battery cell - Google Patents
Method and device for producing a solid separator for a battery cellInfo
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Abstract
La invención se refiere a un método para producir un separador sólido (80) para una celda de batería, que comprende lo siguiente: - alimentar un sustrato (30), - aplicar una suspensión (32) de un separador sólido cerámico, que comprende un precursor del electrolito sólido (80), un aglutinante polimérico y un disolvente, al sustrato (30), - secar el sustrato (34) recubierto con la suspensión (32), con lo que se forma un recubrimiento seco (82), y - sinterizar el recubrimiento seco (82) del sustrato (30), con lo que el recubrimiento seco (82) se calienta a una temperatura de proceso TP para sinterizar el recubrimiento (82) mediante el acoplamiento de radiación de alta energía (68) desde un emisor de superficie (40, 42, 44, 46, 48, 50, 64, 66), y se forma un separador sólido cerámico (80). La invención se refiere además a un dispositivo (10) para producir un separador sólido (80) de este tipo para una celda de batería. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento y dispositivo para producir un separador sólido para una celda de batería
La invención se refiere a un procedimiento así como a un dispositivo para producir un separador sólido para una celda de batería de acuerdo con el preámbulo de las reivindicaciones independientes.
Los sistemas de almacenamiento electroquímicos recargables son cada vez más importantes para muchas áreas de la vida diaria. Los dispositivos de almacenamiento de energía de alta capacidad, tal como por ejemplo baterías de iones litio (ion Li) y condensadores, se utilizan en un número cada vez mayor de aplicaciones, incluidos dispositivos electrónicos portátiles como teléfonos móviles o computadoras portátiles, equipos médicos y de laboratorio, acumuladores de energía a gran escala conectado a la red para almacenar energía renovable, sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS) así como en vehículos eléctricos. Debido al rápido desarrollo del mercado de vehículos eléctricos y del almacenamiento de energía en la red, las baterías de iones litio de alto rendimiento y bajo coste son actualmente una de las opciones más prometedoras para acumuladores de energía a gran escala.
En cada una de estas aplicaciones, el tiempo de carga/descarga y la capacidad de los dispositivos de almacenamiento de energía representan parámetros decisivos. Además, el tamaño, el peso y/o el coste de dichos dispositivos de almacenamiento de energía también son parámetros importantes. Además, se requiere una baja resistencia interna para un alto rendimiento. Cuanto menor sea la resistencia, menores serán las limitaciones que enfrentará el dispositivo de almacenamiento de energía al suministrar energía eléctrica. Por ejemplo, en el caso de una batería, la resistencia interna repercute en el rendimiento al reducir la cantidad total de energía útil almacenada por la batería, así como la capacidad de la batería para suministrar alta corriente. Además, las baterías de iones litio deben alcanzar de la mejor manera la capacidad pretendida y el ciclo deseado. Sin embargo, las baterías de iones litio en su forma actual a menudo carecen de la capacidad energética y del número de ciclos de carga y descarga necesarios para estas aplicaciones en crecimiento.
Una batería de iones litio generalmente consta de un separador, un cátodo y un ánodo. Actualmente, los electrodos se fabrican dispersando polvos finos de un material de electrodo de batería activo, un agente conductor y un aglutinante en un disolvente adecuado. La dispersión puede aplicarse a un colector de corriente, por ejemplo una lámina metálica de cobre o aluminio, y luego puede secarse a temperatura elevada para eliminar el solvente. A continuación, las láminas de cátodo y ánodo se apilan o enrollan, en donde el separador separa el cátodo y el ánodo para formar una batería.
Investigadores de todo el mundo están trabajando para desarrollar la próxima generación de baterías para la electromovilidad. Las más prometedoras son en este caso las baterías de estado sólido, que ya están cerca de producirse en serie y ofrecen muchas ventajas para su uso en coches eléctricos. En comparación con las baterías de iones litio convencionales, las baterías de estado sólido ofrecen una mayor densidad energética, lo que significa que pueden fabricarse más pequeñas o más potentes con el mismo tamaño, ofrecen mayor seguridad y pueden cargarse más rápidamente.
Idealmente, las baterías de estado sólido no requieren un circuito de refrigeración, como es necesario para las baterías de iones litio con electrolito líquido. Esto ahorra espacio y peso. Pueden lograr significativamente más ciclos de carga, no se descomponen ni se sobrecalientan y ofrecen una distribución de corriente más homogénea. Además, pueden construirse con capas de electrolito muy delgadas que también son flexibles.
La producción de este tipo de baterías de estado sólido es compleja y se caracteriza por una pluralidad de etapas de montaje precisas en el área de producción de celdas. Debido a la producción compleja, la tasa de desechos aumenta significativamente y, además, disminuye la robustez del proceso de fabricación y la seguridad de la celda de batería fabricada de la batería de estado sólido. Por tanto, mediante una simplificación de la producción puede producirse un producto más ecológico, más económico y seguro. En particular, la producción de separadores de estado sólido requiere mucho tiempo y energía, y por lo tanto es costosa. Generalmente, estos separadores de estado sólido se fabrican de láminas individuales, en donde un material portador se reviste con una barbotina o polvo. A continuación, el material compuesto de material portador y revestimiento se seca y se retira el material portador, de manera que se produce una pieza en bruto del separador de estado sólido. Esta pieza en bruto se procesa a continuación en un proceso de sinterización para producir el separador de estado sólido terminado. Dado que la producción se realiza a partir de láminas individuales, es necesario además un mayor esfuerzo de manipulación durante el revestimiento, el secado y la sinterización del separador de estado sólido.
Por el documento CN 112 968217 A1 se conoce un procedimiento para fijar un material de electrodo positivo a un electrolito sólido. Después de aplicar el material de electrodo positivo a un electrolito sólido inorgánico, se realiza un procedimiento de sinterización/fusión por láser selectivo en el electrolito sólido inorgánico. A este respecto, el material de electrodo positivo y el electrolito sólido forman un contacto físico cercano a través de un recocido rápido, de manera que puede obtenerse un material de electrodo positivo compacto que está unido de forma estable al electrolito sólido en muy poco tiempo.
El documento DE 102018 130962 A1 divulga un procedimiento para proporcionar un material particulado a partir de un material de partida al menos sustancialmente metálico y/o cerámico, que comprende las siguientes etapas: a) generar el material particulado a partir del material de partida evaporando el material de partida introduciendo energía en el material de partida y posteriormente condensando al menos parcialmente el material de partida evaporado; b) recoger el material particulado en al menos un equipo de recepción y/o transporte; c) alojar el material particulado en el equipo de recepción y/o transporte de tal manera que pueda ser utilizado para un proceso posterior; y d) proporcionar el material particulado para el proceso posterior.
El documento DE 102012217 309 A1 divulga un material compuesto de capas para una celda de batería con una capa de electrolito sólido conductor de iones oxígeno y una estructura en forma de aguja o montículo de una capa de transferencia cerámica, conductora de iones oxígeno y electrones. A este respecto, la estructura en forma de aguja o montículo se encuentra en la capa de electrolito sólido conductor de iones oxígeno. La estructura en forma de aguja o montículo está cubierta por una capa de electrodos de almacenamiento.
La invención se basa ahora en el objetivo de simplificar la fabricación de un separador de estado sólido para una celda de batería y aumentar la eficiencia energética de la producción así como la velocidad de producción.
El objetivo se resuelve mediante un procedimiento para producir un separador sólido para una celda de batería, que comprende lo siguiente:
- alimentar un sustrato, preferiblemente un sustrato eléctricamente conductor,
- aplicar una barbotina de un separador sólido cerámico, que comprende un electrolito sólido, un aglutinante polimérico y un disolvente, sobre el sustrato,
- secar el sustrato revestido con la barbotina, en donde se forma un revestimiento secado, y
- sinterizar el revestimiento secado del sustrato, en donde el revestimiento se calienta hasta una temperatura de proceso T<p>mediante el acoplamiento de una radiación de alta energía de un emisor de superficie para sinterizar el revestimiento.
Por una barbotina ha de entenderse a este respecto una mezcla de minerales y disolventes líquida, pastosa a viscosa para producir productos cerámicos. En el contexto de esta solicitud de patente, por secado ha de entenderse la eliminación total o parcial de líquido de una barbotina húmeda mediante evaporación o vaporización. En este contexto, por sinterización ha de entenderse el calentamiento de un material cerámico de grano fino, en donde las temperaturas del proceso de sinterización se mantienen por debajo de la temperatura de fusión de los componentes principales, de modo que se conserva la forma de la pieza de trabajo salvo la contracción relacionada con el proceso. En este contexto, por un emisor de superficie ha de entenderse un diodo láser en el que la luz se emite perpendicularmente al plano de un chip semiconductor, lo que contrasta con la emisión en forma de haz de un láser convencional.
El procedimiento de acuerdo con la invención permite una producción especialmente sencilla, rápida y rentable de un separador sólido. A este respecto, la barbotina se seca de forma intensiva y homogénea sobre toda la superficie del sustrato y a continuación se sinteriza, de manera que puede conseguirse una estructura especialmente uniforme del separador sólido. El separador sólido presenta una alta conductividad de iones litio y también se denomina electrolito sólido.
Las características adicionales enumeradas en las reivindicaciones dependientes permiten mejoras ventajosas y perfeccionamientos del procedimiento para producir un separador para una celda de batería, indicado en la reivindicación independiente.
En una configuración preferida de la invención, está previsto que el emisor de superficie comprenda una matriz VCSEL. Una matriz VCSEL permite un acoplamiento uniforme de energía en una superficie, en este caso el revestimiento del sustrato, para realizar un aporte de calor uniformemente alto en el revestimiento y secar y sinterizar éste. Mediante el control de la potencia de las unidades de matriz VCSEL individuales o interconectadas, el calentamiento se puede ajustar de forma estática o dinámica hasta tal punto que se logre una topografía de temperatura estable y homogénea temporal y espacialmente en la superficie del revestimiento del sustrato.
En otra configuración preferida de la invención, está previsto que el sustrato se alimente como material en banda o lámina. Mediante una alimentación de un material en banda o lámina, es posible una producción especialmente sencilla y rentable del separador. En particular, es posible el procesamiento del sustrato y de la barbotina en un proceso continuo, de manera que puede aumentar la velocidad de producción del separador, ya que se puede eliminar la manipulación manual para revestir el sustrato, cargar un horno de secado o alimentar un horno de sinterización.
En una configuración preferida de la invención, está previsto que ambas superficies del sustrato se revistan con una barbotina, de modo que se forme un separador sólido cerámico en ambas superficies del sustrato. Un revestimiento en ambos lados es especialmente ventajoso, dado que por consiguiente pueden producirse simultáneamente dos capas de un separador sólido. Debido a ello puede elevarse la velocidad del proceso y puede mejorarse aún más la productividad en la producción del separador sólido.
De acuerdo con una forma de realización ventajosa del procedimiento, está previsto que el separador sólido se una por adherencia de materiales con el sustrato. Una unión por adherencia de materiales de este tipo permite una formación correspondiente de un colector de corriente en este ánodo, en particular en baterías de estado sólido, en las que el ánodo se formain situmediante deposición de litio durante el proceso de carga. A este respecto, el separador sólido cumple la función de un electrolito sólido y el sustrato proporciona la conexión eléctrica al ánodo.
Se prefiere especialmente a este respecto cuando el sustrato con el revestimiento sinterizado se calienta brevemente por encima de una temperatura de fusión después del proceso de sinterización, de manera que el sustrato abraza al menos parcialmente el separador sólido y/o el separador sólido queda englobado al menos parcialmente por el sustrato fundido. Mediante un calentamiento breve por encima de la temperatura de fusión, se puede mejorar la unión del separador sólido al sustrato. En particular, las resistencias de superficie límite entre un sustrato metálico, eléctricamente conductor y el separador sólido se pueden reducir mediante una fusión a corto plazo. Además, la fusión incipiente a corto plazo puede reducir las tensiones intrínsecas en el sustrato y/o el revestimiento sinterizado para mejorar la durabilidad del separador y reducir el riesgo de daño mecánico o térmico del separador durante el funcionamiento posterior de la batería. Además, puede formarse una unión mecánica entre el separador sólido y el sustrato fundiendo parcialmente el sustrato. Como alternativa o adicionalmente, el separador sólido puede estar encerrado al menos parcialmente por el sustrato fundido. Esto permite formar una unión especialmente sólida entre el sustrato y el separador sólido.
En una configuración ventajosa del procedimiento está previsto que un proceso de secado, un proceso de sinterización y/o un proceso de enfriamiento del separador sólido se realicen bajo una atmósfera de proceso. Mediante una atmósfera de proceso pueden evitarse reacciones secundarias químicas no deseadas durante el secado, la sinterización y/o el enfriamiento del separador sólido. Mediante esto puede aumentar la densidad de energía de la batería de estado sólido y puede reducirse la sensibilidad frente a un daño mecánico, en particular una rotura del separador sólido.
A este respecto se prefiere especialmente que, para secar el sustrato revestido, se realice un calentamiento inductivo del sustrato y adicionalmente una alimentación de aire seco y/o un gas de proceso. A este respecto, para evitar reacciones secundarias durante el secado y la sinterización de la barbotina, en el espacio de proceso se crea una atmósfera en gran parte libre de vapor de agua. Por una atmósfera que está en gran parte libre de agua ha de entenderse a este respecto una atmósfera con un punto de rocío inferior a -20 °C, preferiblemente inferior a -40 °C, de manera especialmente preferida inferior a -65 °C. Como alternativa o adicionalmente, la atmósfera también puede comprender gases de proceso, en particular gases inertes como el nitrógeno, que evitan una reacción del vapor de agua con la barbotina durante el proceso de templado. Como alternativa, pueden utilizarse también gases de proceso reactivos que crean un equilibrio de difusión e impiden que el litio se difunda fuera de la barbotina.
En una configuración ventajosa del procedimiento, está previsto que el sustrato revestido se seque por medio de un emisor de superficie. Mediante el secado y la sinterización del sustrato con emisores de superficie, el proceso de producción puede controlarse con especial facilidad. Como alternativa, el secado también puede realizarse mediante otra tecnología conocida, en particular mediante un horno de secado.
De acuerdo con una configuración ventajosa del procedimiento, está previsto que el secado se realice a una temperatura de mantenimiento inferior a una temperatura de sinterización de la barbotina. Mediante esto puede ajustarse la porosidad de una pieza en bruto, es decir, del sustrato revestido antes del proceso de sinterización, durante el secado para lograr las propiedades mecánicas y electroquímicas deseadas.
En una forma de realización preferida del procedimiento, está previsto que un espesor de capa del revestimiento secado se encuentre en un intervalo de 0,1 pm a 50 pm, preferiblemente de 1 pm a 2o pm, de manera especialmente preferida de 2 pm a 10 pm. De esta manera se puede formar una capa separadora fina, pero suficientemente estable mecánicamente y suficientemente aislante eléctricamente. Una capa separadora fina permite un apilamiento más denso de la pila de celdas dentro del mismo espacio de instalación, de manera que puede elevarse la densidad de potencia de la batería de estado sólido.
En otra configuración ventajosa del procedimiento, está previsto que una longitud de onda de la radiación del emisor de superficie se encuentre en el intervalo de 10 nm a 20.000 nm, preferiblemente en el intervalo de 10 nm a 1.800 nm, de manera especialmente preferida de 100 nm a 1.600 nm, en particular en el intervalo de 300 nm a 1.500 nm.
La longitud de onda depende del tipo de emisor de superficie y del electrolito sólido. Una longitud de onda de 10 nm a 1800 nm es a este respecto especialmente adecuada para secar la barbotina sobre el sustrato y sinterizar el revestimiento secado. Con un emisor de superficie con esta longitud de onda, el revestimiento secado absorbe especialmente bien la energía, de modo que la energía del emisor de superficie se puede acoplar de forma especialmente eficiente en el revestimiento del sustrato. Debido a ello es posible un proceso de sinterización especialmente eficiente.
En una configuración preferida de la invención, está previsto que el sustrato metálico, eléctricamente conductor, sea una lámina de cobre, una lámina de níquel o una lámina compuesta que comprende dos o más capas metálicas, en particular una lámina de cobre revestida con níquel. Las láminas de cobre y níquel son especialmente adecuadas porque tienen un punto de fusión más alto que la temperatura de sinterización de la barbotina o del revestimiento secado del sustrato. Debido a esto se evita que el sustrato se funda durante el proceso de sinterización y que el revestimiento secado no tenga el soporte suficiente del sustrato.
Dado que el cobre presenta una conductividad térmica y eléctrica mayor que el níquel, generalmente se prefiere el cobre como sustrato conductor de electricidad. Sin embargo, debido a la diferente morfología del níquel y el cobre, puede ser ventajoso revestir una lámina de cobre con níquel para combinar las ventajas de ambos materiales.
En una forma de realización preferida del procedimiento, está previsto que la barbotina del separador sólido sea un electrolito cristalino con una alta conductividad para iones litio.
Se prefiere especialmente a este respecto que la barbotina del separador sólido comprenda un material conductor de iones, oxídico, preferiblemente una cerámica o vitrocerámica conductora de iones litio, oxídica, en particular óxido de litio, lantano y zirconio (LLZO), un fosfato de litio, aluminio y titanio, un titanato de litio y lantano o un derivado. El óxido de litio, lantano y zirconio ofrece la ventaja sobre el litio elemental de que es particularmente estable química y mecánicamente.
En una configuración preferida del procedimiento, está previsto que el separador sólido presente una estructura NASICON. Las estructuras análogas al litio adecuadas de NASICON comprenden en particular fosfatos de litio de la fórmula LiM2(PO4)3, en donde M representa un elemento base seleccionado del grupo Ti, Ge, Zr, Hf o Sn. Para aumentar la conductividad iónica, los fosfatos de litio se pueden dopar, en donde como dopantes sirven preferiblemente Al, Cr, Ga, Fe, Sc, In, Lu, Y y La. Se prefieren especialmente LiZr2(PO4)3 (LZP) dopado con La, Ti o Al; LiTi2(PO4)3 (LTP); Lh+xAlxT¡2-x(PO4)3 con x = 0,3 - 0,5 (LATP) Lh+xAlxGe2- x(PO4)3 con x = 0,4 - 0,5 (LAGP) y Li1,4Al0,4Ge0,2Ti1,a(PO4)3 LAGTP.
En otra configuración preferida del procedimiento, está previsto que el separador sólido presente una estructura LISICON. LISICON es un acrónimo de Lithium Super lonic Conductor y originalmente se refería a una familia de minerales con la fórmula química Lh+2xZni-xGeO4. Los separadores sólidos con una estructura LISICON también permiten una absorción adicional de litio y pueden hacer que este litio esté disponible para funcionar en la celda de batería de una batería de estado sólido.
En otra configuración preferida del procedimiento, está previsto que el separador sólido presente una estructura de granate. Estructuralmente, los granates son ortosilicatos de composición general X3Y2(SiO4)3 que cristalizan en el sistema cristalino cúbico, en donde X e Y representan sitios de cationes de ocho y seis coordenadas, respectivamente. Los tetraedros de SO 4 individuales están conectados entre sí por enlaces iónicos a través de los cationes B intersticiales. Los compuestos similares a granate con un exceso de litio son buenos conductores de iones litio. Ejemplos especialmente adecuados de conductores iónicos con una estructura similar a granate son el óxido de litio, lantano y zirconio L^La<3>Zr<2>O i<2>(LLZO) y titanato de litio, lantano y zirconio Lia.aLa3Zr1.aTa0.4O12.
En otra configuración preferida del procedimiento, está previsto que el separador sólido presente una estructura de argirodita. La argirodita es un mineral con un sistema cristalino ortorrómbico de composición química Ag<8>GeSa. El término se utiliza aquí para conductores de iones litio que presentan un sistema cristalino comparable. Los ejemplos comprenden L^-xZCha-xXx con x = 0 a 1, Z = P o As, Ch = S o Se y X = Cl, Br o I. Se prefieren especialmente las Liargiroditas LiaPSsX (X= Cl, Br y I), L^PSa y L^PSea y Lia,aP0,4Ge0,aS5I. También en este sistema cristalino puede alojarse litio adicional, que luego puede liberarse para la deposición de un ánodo cuando una celda de batería se carga con dicho electrolito.
En otra configuración preferida del procedimiento, está previsto que el separador sólido presente una estructura de perovskita. Un representante particularmente adecuado de las perovskitas es el titanato de litio y lantano (LLTO), en donde las vacantes en la estructura de la perovskita permiten la alta conductividad.
Como alternativa, es ventajoso que el electrolito sólido sea un electrolito sólido sulfuroso. También se pueden conseguir conductividades iónicas elevadas con electrolitos sólidos sulfurosos con una estructura diferente a los tipos estructurales mencionados anteriormente. Un ejemplo es el conductor iónico LiiüGeP2Si2 (LGPS) y conductores iónicos derivados de los mismos con estructura LGPS, como Lii0SiP2Si2. Además, se pueden utilizar minerales estructuralmente comparables con LISICON con una composición química diferente, en los que el oxígeno se sustituye por azufre (tio-LISICON). Los electrolitos sólidos a base de azufre adecuados comprenden, por ejemplo, sistemas U2S-P2S5-X (con X = SiS2, GeS2, Lil, P2S3, P2Se5, P2O5 o sin adición).
Otro ejemplo de un electrolito sólido a base de azufre es p-LhPS4. Además, los vidrios sulfurosos binarios, como LhS-P2S5, LhS -S S y LhS-GeS2 también son en particular adecuados para su uso como electrolito sólido. Los ejemplos comprenden 77,5Li<2>S-22,5P<2>S<5>, LiI-Li2S-P2S5, 80Li2S-20P2S5 y 70Li<2>S-29P<2>S<5>- iP<2>O<5>.
En una forma de realización ventajosa del procedimiento, está previsto que el sustrato con el revestimiento sinterizado se descargue como material en banda. Esto permite un control del proceso especialmente sencillo durante el revestimiento, el secado y la sinterización, pudiendo enrollarse el sustrato con el revestimiento sinterizado en un dispositivo receptor, en particular un rollo, un manguito o un tambor, para alimentarlo fácilmente a una etapa de fabricación posterior en la producción de la batería. Como alternativa, el sustrato sinterizado también se puede cortar en la forma de los separadores deseados después del proceso de sinterización y alimentar como piezas apilables a la siguiente etapa de proceso en la producción de la batería.
Otro aspecto parcial de la invención se refiere a un dispositivo para producir un separador sólido de este tipo para una celda de batería. El dispositivo comprende medios para alimentar un sustrato, en particular un sustrato eléctricamente conductor, medios para aplicar una barbotina de un separador sólido sobre el sustrato, medios para secar el sustrato revestido con la barbotina, en donde se forma un revestimiento secado y medios para sinterizar el revestimiento secado del sustrato, en donde los medios para sinterizar presentan al menos un emisor de superficie para calentar el revestimiento secado hasta una temperatura de proceso T<p>para sinterizar el revestimiento.
En un perfeccionamiento ventajoso del dispositivo, está previsto que los medios para secar y/o sinterizar el revestimiento del sustrato comprendan varios emisores de superficie conectados en serie. Debido a ello es posible un control especialmente fácil de la temperatura en el revestimiento. Además, en un proceso continuo, puede ser necesario utilizar múltiples emisores de superficie para calentar el revestimiento secado durante un tiempo suficiente para completar el proceso de sinterización.
En una mejora adicional del dispositivo, está previsto que los medios para secar y/o sinterizar el revestimiento del sustrato comprendan varios emisores de superficie, en donde al menos dos de los emisores de superficie están dispuestos en diferentes lados del sustrato. Debido a ello es posible una entrada de calor uniforme en el sustrato. Esto permite un secado muy uniforme, dando como resultado una estructura esencialmente homogénea del sustrato revestido y secado. Además, el calentamiento en ambos lados permite que el agente aglutinante migre desde el centro de la barbotina a la superficie, de manera que pueden mejorarse las propiedades electroquímicas del separador.
En una configuración ventajosa del dispositivo, está previsto que los medios para aplicar la barbotina sobre el sustrato comprendan una boquilla ranurada. Una boquilla ranurada permite aplicar la barbotina sobre el sustrato de forma especialmente cuidadosa y sin necesidad de fuerza. Debido a ello se reduce la tensión sobre el sustrato.
Como alternativa o adicionalmente, está previsto ventajosamente que los medios para aplicar la barbotina comprendan un rodillo para revestir el sustrato. La aplicación de la barbotina sobre el sustrato con un rodillo permite revestir el sustrato de una manera especialmente sencilla y rentable.
Se prefiere especialmente a este respecto que los medios para la aplicación comprendan dos rodillos de revestimiento que giran en sentido contrario, que aplican una barbotina sobre al menos una superficie del sustrato, preferiblemente sobre dos superficies del sustrato. Dos rodillos que giran en sentido contrario permiten una aplicación especialmente uniforme de una fina capa de barbotina sobre el sustrato.
Las diversas formas de realización de la invención mencionadas en la presente solicitud pueden combinarse ventajosamente entre sí, a menos que se indique lo contrario en casos concretos.
La invención se explica a continuación en ejemplos de realización con referencia a los dibujos asociados. Muestran:
Figura 1 un ejemplo de realización preferido de un dispositivo de acuerdo con la invención para producir un separador sólido para una celda de batería;
Figura 2 otro ejemplo de realización preferido de un dispositivo de acuerdo con la invención para producir un separador sólido para una celda de batería;
Figura 3 un sustrato revestido con un separador sólido para el secado y la sinterización mediante un emisor de superficie; y
Figura 4 un diagrama de flujo para realizar un procedimiento de acuerdo con la invención para producir un separador sólido para una celda de batería.
La figura 1 muestra un dispositivo 10 para producir un separador sólido 80 para una celda de batería. El dispositivo 10 comprende medios 12, 14 para alimentar un sustrato 30 metálico, eléctricamente conductor, que comprende un primer dispositivo receptor 12, en particular un rodillo, un mandril sobre un manguito de sujeción o un tambor, sobre el que se enrolla el sustrato 30 metálico, eléctricamente conductor en forma de un material en banda o lámina 36 y se alimenta a los otros componentes del dispositivo 10. Los medios para la alimentación comprenden además un primer rodillo de desviación 14, con el que el sustrato metálico, eléctricamente conductor se desvía y se alimenta a una zona de calentamiento 22 para el secado y la sinterización posterior.
El dispositivo 10 comprende además medios 20 para aplicar una barbotina 32 de un separador sólido sobre el sustrato 30 metálico, eléctricamente conductor. Para ello están previsto una primera unidad de aplicación 20 para aplicar una barbotina 32 de un separador sólido sobre un primer lado del sustrato 30 metálico, eléctricamente conductor. La unidad de aplicación 20 presenta un par de rodillos contrarrotativos 26 que revisten el sustrato 30 en una superficie con la barbotina 32. La barbotina 32 del separador sólido comprende un disolvente, un electrolito sólido así como un aglutinante polimérico. El sustrato 30 es en particular una lámina de cobre, una lámina de níquel o una lámina de material compuesto que comprende una lámina de cobre y/o una lámina de níquel así como adicionalmente otras capas metálicas. Como alternativa a los rodillos contrarrotativos 26, la barbotina 32 también puede aplicarse sobre el sustrato 30 de otra manera, en particular a través de una o más boquillas ranuradas.
El dispositivo 10 comprende además medios 40, 42, 44 para secar el sustrato revestido 34. Los medios comprenden una unidad de secado que comprende uno o más emisores de superficie 40, 42, 44. La unidad de secado puede comprender adicionalmente una o preferiblemente varias boquillas de gas de proceso 52, 54, con las que se sopla aire seco o un gas de proceso en la unidad de secado. En este ejemplo de realización, los emisores de superficie 40, 42, 44 están dispuestos en el lado del sustrato revestido 34 orientado hacia la barbotina 32. Los emisores de superficie 40, 42, 44 comprenden en cada caso una unidad láser 64, que forma una matriz VCSEL 66 y por consiguiente permite un acoplamiento de una radiación láser 68 de alta energía en el revestimiento del sustrato 30.
El dispositivo 10 comprende además medios 46, 48, 50 para sinterizar el revestimiento secado 82 del sustrato 30, en particular una unidad de sinterización, que está junto a los medios 40, 42, 44 para secar el sustrato revestido 34 en la dirección del proceso. A este respecto, los medios para la sinterización 46, 48, 50 comprenden, en particular, otros emisores de superficie 46, 48, 50, que también están dispuestos en el lado del sustrato 30 orientado hacia el revestimiento 82.
Los medios para la sinterización 46, 48, 50 están diseñados en particular para aumentar la temperatura del sustrato revestido, secado 34 partiendo de una temperatura de mantenimiento Tb para secar aún más hasta una temperatura de sinterización Ts de preferiblemente 1000 °C a 1200 °C. En la unidad de sinterización pueden estar dispuestas otras boquillas de gas de proceso 56, 58 para alimentar también a la unidad de sinterización aire seco o un gas de proceso para optimizar el proceso de sinterización. Los medios para la sinterización 46, 48, 50 pueden configurarse además para calentar brevemente el sustrato 30 con el revestimiento sinterizado 38 hasta una temperatura T<l>por encima de la temperatura de sinterización, en particular hasta una temperatura de más de 1200 °C, para provocar brevemente una fusión incipiente en el sitio de conexión entre el sustrato 30 metálico, eléctricamente conductor y el revestimiento sinterizado 38, de manera que pueden reducirse las tensiones intrínsecas en el sustrato sinterizado 38 y puede reducirse la resistencia de transferencia entre el sustrato 30 metálico, eléctricamente conductor y el separador sólido 80. Los medios para la sinterización 46, 48, 50 están diseñados también como emisores de superficie 46, 48, 50 y comprenden en cada caso una unidad láser 64 que forma una matriz VCSEL 66 y permite por consiguiente un acoplamiento de una radiación láser 68 de alta energía en el revestimiento secado 82 del sustrato 30 para sinterizar este revestimiento 82.
Los medios para el secado 40, 42, 44 y los medios para la sinterización 46, 48, 50 pueden estar dispuestos en una zona de calentamiento 22 común, que forma un espacio de proceso 60 que se inunda con un gas de proceso y en el que el gas de proceso forma una atmósfera de proceso 62. Además, puede estar dispuesto un rodillo de soporte 24 en la zona de calentamiento 22 para sostener el sustrato 30 durante el secado y/o la sinterización.
El dispositivo 10 comprende además un segundo rodillo de desviación 16, con el que el separador sólido 80 se guía fuera de la zona de calentamiento 22 y se alimenta a un segundo dispositivo receptor 18, en particular otro rodillo, un tambor o un manguito sobre un mandril, sobre el que se puede enrollar el sustrato 30 con el revestimiento sinterizado 38 para su posterior procesamiento.
El dispositivo 10 comprende además un aparato de control 70 con una unidad de memoria 72 y una unidad de cálculo 74. En la unidad de memoria 72 se ha depositado un código de programa legible por máquina 76 para controlar el dispositivo y para realizar un procedimiento de acuerdo con la invención. A este respecto, el aparato de control 70 está configurado para realizar un procedimiento de acuerdo con la invención para producir un separador sólido 80 con el dispositivo 10 descrito cuando el código de programa legible por máquina 76 es ejecutado por la unidad de cálculo 74.
En la figura 2 está representado otro ejemplo de realización de un dispositivo 10 para producir un separador sólido 80. Con esencialmente la misma estructura que la mostrada en la figura 1, en este ejemplo de realización se reviste el sustrato 30 por ambos lados con una barbotina 32. Para este fin, el dispositivo 10 presenta medios 20, 84 para aplicar una barbotina 32 de un separador sólido sobre el sustrato 30 metálico, eléctricamente conductor. En una primera superficie del sustrato 30 está previsto una primera unidad de aplicación 20 para aplicar una barbotina 32 de un separador sólido sobre un primer lado del sustrato 30 metálico, eléctricamente conductor. Los medios 20 para aplicar una barbotina 32 comprenden además una segunda unidad de aplicación 84 para aplicar la barbotina 32 del separador sólido sobre un segundo lado del sustrato 30 metálico, eléctricamente conductor. El dispositivo 10 comprende además medios 40, 42, 44, 46, 48, 50, 64, 66 para secar y sinterizar el sustrato revestido 34. Los emisores de superficie 40, 42, 44, 46, 48, 50 están dispuestos preferiblemente a ambos lados del sustrato revestido 34 guiado a través de la unidad de secado, es decir por encima y por debajo del sustrato revestido 34. De manera especialmente preferida, en la dirección del proceso a través de la unidad de secado y de la unidad de sinterización, están dispuestos en cada caso de manera alterna en ambos lados del sustrato revestido 34 emisores de superficie 40, 42, 44, 46, 48, 50 para calentar el revestimiento 82 y boquillas de gas de proceso 52, 54, 56, 58 para soplar aire seco o un gas de proceso.
La figura 3 muestra un sustrato revestido 34 con una barbotina 32 en un proceso de secado y un proceso de sinterización posterior. A este respecto, un sustrato 30 metálico, eléctricamente conductor, preferiblemente una lámina 36, en particular una lámina de cobre o una lámina de níquel o una lámina de material compuesto que comprende una lámina de cobre y/o una lámina de níquel así como adicionalmente otras capas metálicas, se reviste preferiblemente al menos en un lado con una barbotina 32 de un separador sólido. A este respecto, sobre la barbotina 32 o bien sobre un revestimiento 82 formado a partir de la barbotina 32 está dispuesto un emisor de superficie 40, en particular una unidad láser 64 con una matriz VSCEL 66 para emitir una radiación láser 68 de alta energía, para calentar el sustrato 30 metálico, eléctricamente conductor mediante la radiación láser 68 y secar la barbotina 32. De esta manera se seca el revestimiento 82 sobre el sustrato 30, que se calienta y se sinteriza en una etapa de proceso posterior mediante otro emisor de superficie 42, 44, 46, 48, 50 mostrado en la figura 1 o figura 2, de modo que se forma un revestimiento sinterizado 38 sobre el sustrato 30, que puede estar unido por adherencia de materiales con el sustrato 30 metálico, eléctricamente conductor.
La figura 4 muestra un diagrama de flujo para realizar un procedimiento de acuerdo con la invención para producir un separador sólido 80 para una celda de batería. En una primera etapa de procedimiento <100> se alimenta un sustrato 30 preferiblemente metálico, eléctricamente conductor a un proceso de revestimiento. Esto se realiza preferiblemente en forma de un material en banda que se desenrolla desde un primer dispositivo receptor 12, en particular un rollo, del dispositivo 10. En una etapa de procedimiento <110>, se aplica una barbotina 32 de un separador sólido sobre un primer lado del sustrato 30 con ayuda de una primera unidad de aplicación 20. A continuación, en una etapa de procedimiento <120>, puede aplicarse otra barbotina 32 de un separador sólido sobre un segundo lado del sustrato 30 con ayuda de una segunda unidad de aplicación 84. La aplicación de la barbotina 32 sobre los dos lados del sustrato 30 también puede realizarse en paralelo. En una forma de realización simplificada del procedimiento, el sustrato 30 también puede revestirse con una barbotina solo sobre un lado, de modo que puede omitirse una de las etapas de procedimiento <110> o <120>.
En una etapa de procedimiento <130>, el sustrato revestido 34 con la barbotina 32 se alimenta a una zona de calentamiento 22, que comprende una unidad de secado y una unidad de sinterización. La unidad de secado y la unidad de sinterización están dispuestas preferiblemente juntas en una carcasa común, de modo que el sustrato revestido 34 se calienta de forma continua, primero en una etapa de procedimiento <140>, mediante la radiación 68 del emisor de superficie 40, 42, 44, 46, 48, 50, 64, 66 en el sustrato 30 y a este respecto se seca el revestimiento 82 del sustrato 30. En una etapa de procedimiento <150> posterior al secado, el sustrato revestido 34 se sinteriza calentando el sustrato 30 y el revestimiento secado 82 de la barbotina 32 mediante el o los emisores de superficie 40, 42, 44, 46, 48, 50, 64, 66, de modo que se forma un revestimiento sinterizado 38 del sustrato 30.
En otra etapa de procedimiento <160>, el sustrato 30 puede calentarse brevemente por encima de una temperatura de fusión, de manera que se produce una fusión incipiente en la zona de unión entre el sustrato 30 y el revestimiento sinterizado 38, de manera que pueden reducirse las resistencias de transferencia así como las tensiones intrínsecas. Debido a ello puede elevarse tanto la resistencia mecánica como la estabilidad térmica del separador sólido 80.
Lista de referencias
10 Dispositivo
12 Primer dispositivo receptor
14 Primer rodillo de desviación
16 Segundo rodillo de desviación
18 Segundo dispositivo receptor
20 Primera unidad de aplicación
22 Zona de calentamiento
24 Rodillo de apoyo
26 Rodillos contrarrotativos
28 Boquilla ranurada
30 Sustrato
32 Barbotina
34 Sustrato revestido
36 Lámina
38 Revestimiento sinterizado
40 Primer emisor
42 Segundo emisor
44 Tercer emisor
46 Cuarto emisor
48 Quinto emisor
50 Otros emisores
Primera boquilla de gas de proceso
Segunda boquilla de gas de proceso
Tercera boquilla de gas de proceso
Otras boquillas de gas de proceso
Espacio de proceso
Atmósfera de proceso
Unidad láser
Matriz VCSEL
Radiación láser
Aparato de control
Unidad de memoria
Unidad de cálculo
Código de programa legible por máquina
Separador sólido
Revestimiento secado
Segunda unidad de aplicación
Claims (15)
1. Un procedimiento para producir un separador sólido (80) para una celda de batería, que comprende:
- alimentar un sustrato (30),
- aplicar una barbotina (32) de un separador sólido cerámico, que comprende un electrolito sólido, un aglutinante polimérico y un disolvente, sobre el sustrato (30),
- secar el sustrato revestido (34) con la barbotina (32), en donde se forma un revestimiento secado (82), y - sinterizar el revestimiento secado (82) del sustrato (30), en donde el revestimiento (82) se calienta hasta una temperatura de proceso Tp mediante el acoplamiento de una radiación (68) de alta energía de un emisor de superficie (40, 42, 44, 46, 48, 50, 64, 66) para sinterizar el revestimiento (82).
2. Procedimiento para producir un separador sólido (80) para una celda de batería según la reivindicación 1, caracterizado por que el emisor de superficie (40, 42, 44, 46, 48, 50) comprende una matriz VCSEL (66).
3. Procedimiento para producir un separador sólido (80) para una celda de batería según las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que el sustrato (30) se alimenta como material en banda o lámina (36).
4. Procedimiento para producir un separador sólido (80) para una celda de batería según una de las reivindicaciones 1 a 3, en donde ambas superficies del sustrato (30) se revisten con una barbotina (32), de modo que se forma un separador sólido (80) cerámico en ambas superficies del sustrato.
5. Procedimiento para producir un separador sólido (80) para una celda de batería según una de las reivindicaciones 1 a 4, en donde el separador sólido (80) se une por adherencia de materiales con el sustrato (30).
6. Procedimiento para producir un separador sólido (80) para una celda de batería según la reivindicación 5, en donde el sustrato (30) con el revestimiento sinterizado (38) se calienta brevemente por encima de una temperatura de fusión después del proceso de sinterización, de manera que el sustrato (30) abraza al menos parcialmente el separador sólido (80) y/o el separador sólido (80) queda englobado al menos parcialmente por el sustrato (30) fundido.
7. Procedimiento para producir un separador sólido (80) para una celda de batería según una de las reivindicaciones 1 a 6, en donde un proceso de secado, un proceso de sinterización y/o un proceso de enfriamiento del separador sólido (80) se realizan bajo una atmósfera de proceso.
8. Procedimiento para producir un separador sólido (80) para una celda de batería según una de las reivindicaciones 1 a 7, en donde el sustrato revestido (34) se seca por medio de un emisor de superficie (40, 42, 44, 46, 48, 50, 64, 66).
9. Procedimiento para producir un separador sólido (80) para una celda de batería según una de las reivindicaciones 1 a 8, en donde el espesor de capa del revestimiento secado (82) se encuentra en un intervalo de 0,1 pm a 50 pm.
10. Procedimiento para producir un separador sólido (80) para una celda de batería según una de las reivindicaciones 1 a 9, en donde una longitud de onda de la radiación (68) del emisor de superficie (40, 42, 44, 46, 48, 50, 64, 66) se encuentra en el intervalo de 10 nm a 20.000 nm.
11. Procedimiento para producir un separador sólido (80) para una celda de batería según una de las reivindicaciones 1 a 10, en donde el sustrato (30) es una lámina de cobre, una lámina de níquel o una lámina de material compuesto de dos o más capas metálicas.
12. Separador sólido (80) para una celda de batería, producido con un procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 11.
13. Dispositivo para producir un separador sólido (80) para una celda de batería, que comprende
- medios (12, 14) para alimentar un sustrato (30),
- medios para aplicar una barbotina (32) de un separador sólido sobre el sustrato (30),
- medios (40, 42, 44, 46, 48, 50, 64, 66) para secar el sustrato (30) revestido con la barbotina (32), en donde se forma un revestimiento secado (82),
- medios (40, 42, 44, 46, 48, 50, 64, 66) para sinterizar el revestimiento secado (82) del sustrato (30), en donde los medios (40, 42, 44, 46, 48, 50, 64, 66) presentan al menos un emisor de superficie (40, 42, 44, 46, 48, 50, 64, 66) para calentar el revestimiento secado (82) hasta una temperatura de proceso Tp para sinterizar el revestimiento (82).
14. Dispositivo para producir un separador sólido (80) para una celda de batería según la reivindicación 13, en donde los medios (40, 42, 44, 46, 48, 50, 64, 66) para secar y/o sinterizar el revestimiento del sustrato (30) comprenden varios emisores de superficie (40, 42, 44, 46, 48, 50) conectados uno detrás de otro.
15. Dispositivo para producir un separador sólido (80) para una celda de batería según las reivindicaciones 13 o 14, en donde los medios (40, 42, 44, 46, 48, 50, 64, 66) para secar y/o sinterizar el revestimiento del sustrato (30) comprenden varios emisores de superficie (40, 42, 44, 46, 48, 50), en donde al menos dos de los emisores de superficie (40, 42, 44, 46, 48, 50) están dispuestos en diferentes lados del sustrato (30).
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