ES3036800T3 - Method for producing a battery electrode - Google Patents

Method for producing a battery electrode

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ES3036800T3
ES3036800T3 ES22175722T ES22175722T ES3036800T3 ES 3036800 T3 ES3036800 T3 ES 3036800T3 ES 22175722 T ES22175722 T ES 22175722T ES 22175722 T ES22175722 T ES 22175722T ES 3036800 T3 ES3036800 T3 ES 3036800T3
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Alexander Breuer
Marco Jordan
Bastian Westphal
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Powerco SE
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Abstract

La invención se refiere a un método para producir un electrodo de batería (4) de una celda de batería, que comprende un material de electrodo (6) con una película (10) y con un recubrimiento de material activo (12) aplicado al mismo, en donde el material de electrodo (6) se transporta a lo largo de una dirección de transporte (8) a un lugar de procesamiento, en donde un rayo láser (16) se mueve sobre el material de electrodo (6) por medio de un escáner poligonal giratorio (18) y se enfoca sobre el material de electrodo (6) por medio de una lente F-theta (26), en donde el recubrimiento de material activo (12) se elimina localmente en una pluralidad de sitios de ablación (28) por medio del rayo láser enfocado (16), de modo que se reduce la turbidez del material de electrodo (6). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento para la fabricación de un electrodo de batería
La invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de un electrodo de batería, donde se reduce una tortuosidad de un material de electrodo. La invención se refiere además a un dispositivo para llevar a cabo el procedimiento y a un electrodo de batería, así como a una celda de batería con un electrodo de batería de este tipo.
Los vehículos de motor accionables o accionados eléctricamente, como los vehículos eléctricos o híbridos, presentan típicamente un motor eléctrico como máquina de accionamiento, que está acoplada a un acumulador de energía eléctrica (de alto voltaje) dentro del vehículo para el suministro de energía eléctrica. Tales acumuladores de energía están realizados, por ejemplo, en forma de baterías (de vehículo).
Por una batería electroquímica se entiende en este caso en particular una llamada batería secundaria (batería secundaria) del vehículo de motor, donde se puede recuperar una energía química consumida por medio de un proceso eléctrico (de carga). Tales baterías están realizadas en particular como baterías electroquímicas, por ejemplo, como baterías de iones de litio. Para generar o proporcionar una tensión de funcionamiento suficientemente alta, tales baterías presentar típicamente varias celdas de batería individuales, que están conectadas de forma modular.
Las baterías del tipo mencionado presentan un cátodo y un ánodo a nivel de la celda de batería, así como un separador y un electrolito. Los electrodos, es decir, el ánodo y el cátodo, están fabricados de un material activo (de electrodo) respectivo.
Para la fabricación de baterías son posibles, por ejemplo, procedimientos de extrusión donde los electrodos de batería de las celdas de batería se fabrican a partir de una masa plástica. Las pastas de electrodo se aplican en este caso como recubrimiento de material activo sobre un respectivo descargador de corriente, en particular sobre una lámina de cobre o aluminio. De este modo se fabrica un material de banda de electrodo o sustrato de electrodos en forma de tira o banda, que se confecciona y reprocesa en particular como material continuo o material en rollo, como la llamada bobina de electrodos (rollo de electrodos). El material de banda de electrodo casi sin fin presenta en este caso una longitud que está dimensionada esencialmente mayor que su anchura o grosor o altura.
A continuación, se fabrica un número de electrodos de batería a partir del material de banda de electrodo. Para ello, el material de banda de electrodo se aísla, es decir, separa o tronza en interfaces predeterminadas para formar hojas de electrodo.
La estructuración por láser de los electrodos (de batería) es un enfoque prometedor para mejorar las propiedades de las baterías de iones de litio(Lithium-Ionen-Batterien,LIB). La cinética de transporte en LIB está significativamente influenciada por la estructura de poros de los electrodos. A este respecto, la tortuosidad del recubrimiento de electrodo o de material activo desempeña un papel esencial. Por "tortuosidad" se entiende en particular el grado de tortuosidad de los caminos de transporte, en particular de los caminos de transporte eléctricos, en materiales porosos.
La tortuosidad del recubrimiento de material activo representa una limitación del transporte, en particular para el transporte de iones. Para reducir esta limitación del transporte, se pueden incorporar poros (cavidades) y estructuras artificiales adicionales en el recubrimiento de material activo. Mediante una reducción de la tortuosidad del recubrimiento de material activo, se reduce posteriormente una resistencia de celda interna de la celda de batería. Por lo tanto, se mejora el rendimiento de celda o el rendimiento de celda de la celda de batería. En particular, al reducir la tortuosidad, se implementa una mayor estabilidad de ciclo y mayores capacidades de carga y descarga, en particular a altas velocidades de corriente debido a las resistencias internas de celda reducidas. Además, se ajusta un tiempo de humectación acortado durante el llenado de electrolitos (mojabilidad), ya que los microcapilares generados permiten una impregnación más rápida de los electrodos con el electrolito.
Un procedimiento común para reducir la tortuosidad en los electrodos de batería son las aplicaciones láser en un rango de pulso corto o ultracorto para la ablación local del recubrimiento de material activo. Por "ablacionar" o "ablación" se debe entender en este caso en particular una ablación por láser cerca de la superficie, donde un rayo láser calienta un material localmente de tal manera que se forma un plasma y el material se elimina o evapora mediante el calentamiento. El rayo láser se enfoca en este caso en el material de banda de electrodo, donde el material se elimina en una zona de entrada de calor o en una zona afectada por el calor y, por lo tanto, se genera un poro, cavidad o estructura artificial.
Para la realización de baterías o celdas de batería más potentes, en particular, se desean electrodos de batería con dimensiones comparativamente grandes. Por lo tanto, es necesario un procesamiento láser de materiales de electrodo con un ancho cada vez mayor y, por lo tanto, rutas de procesamiento más largas. En desventaja, el procesamiento con aplicaciones láser convencionales suele llevar mucho tiempo y, por lo tanto, no es rentable. Faltan procesos que permitan un procesamiento de alta velocidad con un tiempo de proceso corto. A pesar de un aumento constante de la potencia de las fuentes de rayo láser pulsadas disponibles en la industria, quedan grandes desafíos en la desviación de rayo y el posicionamiento que surgen de los requisitos estructurales o de porosidad.
Por el documento DE 10 2017 218 130 A1 se conoce un procedimiento para la fabricación de un descargador de corriente. En este caso, un descargador de corriente, es decir, la lámina de ánodo o de cátodo, se procesa con un rayo láser antes de aplicar un recubrimiento de material activo. El rayo láser se guía por medio un escáner poligonal giratorio y un escáner de galvanómetro a través de un descargador de corriente en movimiento. El material del descargador de corriente se funde localmente en varios puntos, de modo que, debido al efecto de convección de Marangoni, se configuran estructuras de gotitas que se elevan sobre la superficie del descargador de corriente, que a continuación se solidifican. Las estructuras de gotitas solidificadas forman en este caso posibilidades de anclaje para el recubrimiento de material activo aplicado a continuación, por lo que se mejora la adherencia del material activo al descargador de corriente.
En el documento US 2017/040605 A1 se describe un procedimiento de fabricación para una batería, donde se forma un sustrato con una primera superficie, donde la primera superficie presenta una pluralidad de poros. Los poros pueden estar configurados para que contenga metal de litio. Según el procedimiento, el metal de litio se introduce en al menos una parte de la pluralidad de poros.
La invención tiene el objetivo de especificar un procedimiento para la fabricación de un electrodo de batería. En particular, se debe implementar una estructuración de superficie con un tiempo de proceso lo más corto y económico posible. La invención tiene además el objetivo de especificar un dispositivo especialmente adecuado para llevar a cabo el procedimiento.
En términos del procedimiento, este objetivo se logra según la invención con las características de la reivindicación 1 y en términos del dispositivo con las características de la reivindicación 7. Las realizaciones y perfeccionamientos ventajosos son el objeto de las reivindicaciones dependientes. Las ventajas y configuraciones mencionadas con respecto al procedimiento también se pueden transferir al dispositivo, y viceversa.
Si a continuación se describen las etapas del procedimiento, resultan configuraciones ventajosas para el dispositivo, en particular, porque está configurado para realizar una o varias de estas etapas del procedimiento.
El procedimiento según la invención está previsto para la fabricación de un electrodo de batería, en particular para una batería de iones de litio(Lithium-Ionen-Batterie,LIB), así como es adecuado y está configurado para ello. En este caso, se proporciona un material de electrodo en forma de banda o tira y, por ejemplo, se transporta a un lugar de procesamiento por medio de una cinta transportadora a lo largo de una dirección de transporte. Por el lugar de procesamiento se debe entender en este caso en particular una sección fija o estacionaria a lo largo de la dirección de transporte, donde se procesa el material de electrodo, en particular su superficie, como se explica a continuación.
En este caso, el material de electrodo presenta una lámina (metálica) eléctricamente conductora como descargador de corriente y un recubrimiento de material activo aplicado. La lámina puede estar recubierta como sustrato en este caso, por ejemplo, por un lado o por ambos lados con el material activo. El material de electrodo puede estar configurado en este caso como un material de ánodo o material de cátodo, donde en el caso de un material de ánodo se utiliza una lámina de cobre con un material activo de ánodo aplicado sobre ella, y en el caso de un material de cátodo se utiliza una lámina de aluminio con un material activo de cátodo. El material de electrodo presenta, por ejemplo, a lo largo de su dirección longitudinal, una zona de borde no recubierta o no revestida de la lámina, es decir, una zona de lámina en el lado del borde, que no está provista del recubrimiento de material activo, a partir de la cual se fabrica en el curso de la fabricación de los electrodos de batería respectivamente un banderín descargador asociado (colector de corriente) para el contacto del electrodo de batería.
Según el procedimiento, un rayo láser se mueve en el lugar de procesamiento por medio de un escáner poligonal giratorio o de giro, y se enfoca en el material de electrodo a través de una lente F-theta o un objetivo F-theta. Para el movimiento o la desviación del rayo láser, por ejemplo, además del escáner poligonal, también está previsto un escáner de galvanómetro (escáner galvanométrico). Por una lente F-theta o un objetivo F-theta se entiende aquí en particular un objetivo de escaneo de campo plano (objetivo de escaneo de campo plano), donde un desplazamiento o desviación del rayo láser en el curso del enfoque depende del producto de la distancia focal efectiva (F) y la tangente del ángulo de desviación (Theta).
Según el procedimiento, el recubrimiento de material activo se retira, en particular ablaciona, localmente por medio del rayo láser enfocado en una pluralidad de puntos de ablación. En otras palabras, la superficie del material de electrodo se estructura por medio del rayo láser. A través de la ablación, se incorpora un poro, cavidad o estructura artificial en los puntos de ablación como una cavidad local en el recubrimiento de material activo y, por lo tanto, se reduce o disminuye la tortuosidad del material de electrodo. De este modo se mejora la potencia de celda o el rendimiento de celda de una celda de batería equipada con un electrodo de batería de este tipo. Por lo tanto, se implementa un procedimiento especialmente adecuado para la fabricación del electrodo de batería.
En el curso de la estructuración de la superficie según la invención se introducen como estructuras, por ejemplo, cavidades puntuales, acanaladas o con forma de orificio en el recubrimiento de material activo
El procedimiento según la invención permite un proceso de alta velocidad para estructurar el electrodo de batería. De este modo se reduce esencialmente el tiempo de proceso para la estructuración de la superficie del material de electrodo que reduce la tortuosidad, de modo que se posibilita un control económico del proceso en el marco de la fabricación de electrodos de batería para baterías de vehículos.
La desviación de rayo altamente dinámica se realiza en este caso por medio de un escáner poligonal giratorio o de giro, en particular de un escáner de espejo poligonal. El uso de un escáner poligonal para el procedimiento permite velocidades de desvío de rayo esencialmente más altas en comparación con un método con sistemas de escaneo convencionales (escáneres de galvanómetro), con lo que se reduce el tiempo de acción local de la radiación láser. Por lo general, debido a la mayor velocidad de escaneo, se puede implementar una mayor potencia láser en el proceso, de modo que se aumente la velocidad del proceso (en este caso, la velocidad de estructura efectiva). El régimen de escaneo en un escáner poligonal es siempre rasterizante debido al sistema.
Gracias al movimiento de giro de la rueda poligonal del escáner poligonal, el rayo láser se desvía a lo largo de una dirección denominada como eje rápido(fast axis).El eje rápido está orientado en este caso en particular perpendicularmente a la dirección de transporte, es decir, a lo largo de una dirección transversal del material de electrodo.
Preferentemente, la radiación láser se sincroniza con el movimiento de la rueda poligonal, por ejemplo, mediante un obturador accionable o un convertidor acústico-óptico(Acousto-Optical Modulator,AOM) o preferentemente mediante una fuente láser pulsada. Gracias a la conexión o desconexión selectiva de la radiación láser sincronizada con el movimiento, se pueden procesar con láser casi cualquier vector "rectilíneo" con una longitud definida dentro del campo de escaneo de la óptica. Mediante un movimiento adicional del escáner de galvanómetro en el sistema, las líneas de procesamiento se pueden desplazar perpendicularmente dentro del campo de escaneo si es necesario. El escáner de galvanómetro presenta en este caso un espejo con el que se desvía el rayo láser a lo largo de una dirección denominada eje lento(slow axis).En este caso, el eje lento está orientado esencialmente perpendicularmente al eje rápido, por ejemplo, a lo largo de una dirección longitudinal del material de electrodo.
La radiación emitida por la fuente láser se mueve por reflexión en un espejo poligonal rotativo y en un espejo galvánico basculante o pivotante y se enfoca por medio de un objetivo F-theta sobre el material de electrodo o el recubrimiento de material activo. En la zona de enfoque de la radiación láser se encuentra la pieza de trabajo a procesar, el material de electrodo (ánodo o cátodo). Debido a las altas intensidades que se producen en el foco, el material irradiado se funde o evapora repentinamente en el curso de la ablación. A diferencia de los procesos clásicos de corte por láser, en la estructuración remota según la invención (estructuración remota) solo la presión de vapor inducida provoca la expulsión del material de la zona de procesamiento. Por lo tanto, no son necesarios gases de proceso adicionales.
En una realización ventajosa, como material de electrodo se utiliza una pista de electrodo casi continua, en particular en forma de un material en rollo (rollo de electrodo, bobina de electrodo), o una sola hoja de electrodo. En otras palabras, la estructuración de la superficie del material de electrodo según la invención se puede realizar antes o después de un aislamiento de la pista de electrodo en hojas de electrodo.
En una configuración concebible, el recubrimiento de material activo en los puntos de ablación se elimina al menos por la mitad, en particular esencialmente por completo. En otras palabras, en el curso de la ablación se retira al menos el 50% hasta, por ejemplo, el 99% o el 100% del recubrimiento de material activo en el punto de ablación. Esto significa que las estructuras (superficiales) generadas con la radiación láser presentan una profundidad que asciende como máximo al espesor de capa y como mínimo a la mitad del espesor de capa. El grosor de capa es en este caso el grosor de material o la altura del recubrimiento de material activo aplicado sobre la lámina. De este modo se garantiza que los puntos de ablación presenten una profundidad suficiente en el recubrimiento de material activo para reducir la resistencia de celda de la celda de batería.
En un perfeccionamiento adecuado, las profundidades de las estructuras o los puntos de ablación presentan en este caso un diámetro de unos pocos micrómetros. En particular, los puntos de ablación presentan respectivamente un diámetro menor de 20 pm (micras).
En una configuración ventajosa, la distancia lateral entre cada vez dos puntos de ablación, dependiendo de la profundidad del punto de ablación, corresponde entre uno y dos espesores de capa corresponde del recubrimiento de material activo para configurar de forma uniforme una distancia máxima entre la cavidad y cada punto dentro del recubrimiento. En otras palabras, los puntos de ablación están dispuestos en una cuadrícula o patrón. Alternativamente, se puede pretender una distribución caótica, aleatoria o estadística de los puntos de ablación.
Preferentemente, el número o la densidad de los puntos de ablación se reduce en la dirección del colector de corriente o del banderín descargador, ya que, durante el funcionamiento del electrodo de batería, la densidad de electrones disminuye en esta dirección.
Un aspecto adicional u otro aspecto de la invención prevé que el rayo láser se guíe varias veces consecutivas sobre los puntos de ablación. Esto significa que el proceso de ablación o estructuración se repite varias veces hasta una profundidad de cavidad deseada. En otras palabras, se implementa cruces múltiples o varios del rayo láser. De este modo, la cantidad de energía introducida en el material activo se puede controlar con precisión, por lo que se puede lograr una calidad de borde de corte aproximadamente óptima en la zona de borde de las estructuras (zona afectada por el calor, delaminación y formación de rebabas).
Según el estado actual de la técnica, todos los procedimientos convencionales (punzonado mecánico o estructuración por láser de electrodos de batería) presentan déficits considerables de la calidad de los bordes de corte y de los bordes de las geometrías ablacionadas. Gracias a los cruces múltiples o varios, se puede realizar por primera vez una posibilidad económica para la implementación de la tecnología en grandes series con una geometría de estructura casi perfecta (sin zona afectada por el calor, una delaminación de menos de 10 pm y sin formación de rebabas).
El procesamiento de la superficie de recubrimiento de material de electrodo o de material activo se puede realizar, por ejemplo, estáticamente. Esto significa que el transporte del material de electrodo se detiene o se interrumpe durante el procesamiento por láser en el lugar de procesamiento, y que el material de electrodo se transporta lejos del lugar de procesamiento después de la reducción de la tortuosidad. En una realización preferida, el procesamiento de la superficie de material de electrodo o la ablación se realiza sin una interrupción o pausa del transporte del material de electrodo. En otras palabras, la ablación se realiza con un material de electrodo en movimiento, es decir, sin una desaceleración o parada. Por lo tanto, el procesamiento por láser para la reducción de la tortuosidad se realiza "sobre la marcha", es decir, durante un transporte continuo del material de electrodo. De este modo se evitan esencialmente por completo las fuerzas de aceleración sobre el material de electrodo. Además, se garantiza un flujo de producción especialmente uniforme y reducido en tiempo en la fabricación de los electrodos de batería.
La estructuración o el procesamiento por láser del recubrimiento de material activo se puede realizar al vacío, atmósfera reducida o bajo atmósfera. Preferentemente, la ablación se realiza al vacío, de modo que es posible una estructuración de superficie con precisión micrométrica con cualquier patrón de estructuración.
El dispositivo según la invención está previsto para la fabricación de un electrodo de batería, así como es adecuado y está configurado para ello.
El dispositivo presenta en este caso, por ejemplo, una cinta transportadora, en particular una cinta de vacío, como dispositivo de transporte o de transferencia a lo largo de una dirección de transporte a un lugar de procesamiento fijo. Esto significa que el material de electrodo se transporta desde el dispositivo de transporte como mercancía de banda hasta el lugar de procesamiento. El transporte se realiza en este caso en particular de forma plana, es decir, esencialmente en un plano horizontal. La cinta de vacío genera una depresión adecuada, por medio de la cual el material de electrodo se fija o mantiene durante el transporte. El lugar de procesamiento es fijo en el espacio, lo que significa que el lugar de procesamiento no migra ni se mueve durante el transporte del material de electrodo, sino que se encuentra en una posición fija con respecto al dispositivo de transporte.
El dispositivo presenta un láser en la zona del lugar de procesamiento para generar un rayo láser con el que se estructura la superficie del material de electrodo o su recubrimiento de material activo. El láser está realizado, por ejemplo, como un láser de fibra pulsado (pulsed) o continuo(Continuous Wave,CW). Por ejemplo, el láser se puede operar con pulsos de femtosegundos, nanosegundos o picosegundos. En este caso, el láser de fibra presenta una longitud de onda adecuada para la ablación del electrodo o material activo, preferentemente una longitud de onda en el rango verde o infrarrojo (IR), por ejemplo, aproximadamente 530 nm o 1000 nm (nanómetro). El láser también presenta, por ejemplo, una potencia láser en el rango de kilovatios (kW).
Para la desviación del rayo láser, el dispositivo presenta un escáner poligonal giratorio para la desviación del rayo láser a lo largo de un eje rápido, así como preferentemente un escáner de galvanómetro ajustable para la desviación del rayo láser a lo largo de un eje lento. El escáner poligonal se gira o rota durante el funcionamiento a una velocidad de giro predefinida, donde el rayo láser reflejado o desviado se mueve a lo largo del eje rápido debido al giro. El escáner de galvanómetro está acoplado con un espejo que desvía o refleja el rayo láser reflejado por el escáner poligonal en la dirección de un objetivo óptico. El rayo láser desviado o reflejado se enfoca con el objetivo sobre la superficie del material de electrodo o del recubrimiento de material activo. En este caso, el objetivo está realizado en particular como una lente F-theta.
La cinta transportadora, así como los escáneres poligonal y de galvanómetro, están acoplados con un controlador, es decir, una unidad de control. De este modo se implementa un dispositivo especialmente adecuado.
En este caso, el controlador está configurado en general, desde el punto de vista programático y/o de conmutación, para llevar a cabo el procedimiento según la invención descrito anteriormente. Por lo tanto, el controlador está configurado concretamente para excitar y/o regular el láser y su desviación, de modo que el material activo se ablacione localmente al menos parcialmente en varios puntos de ablación de la superficie.
En una forma de configuración preferida, el controlador está formado al menos en el núcleo por un microcontrolador con un procesador y una memoria de datos, donde la funcionalidad para llevar a cabo el procedimiento según la invención se implementa mediante programación en forma de un software operativo (firmware), de modo que el procedimiento se lleva a cabo automáticamente, si es necesario en interacción con un usuario del dispositivo, cuando se ejecuta el software operativo en el microcontrolador. Sin embargo, en el marco de la invención, el controlador también puede estar formado alternativamente por un componente electrónico no programable, tal como, por ejemplo, un circuito integrado específico de la aplicación(Application-Specific Integrated Circuit,ASIC), donde se implementa la funcionalidad para llevar a cabo el procedimiento según la invención con medios de tecnología de circuitos.
A continuación, se indican las indicaciones con respecto a las direcciones espaciales también en particular en un sistema de coordenadas del dispositivo. En este caso, el eje de abscisas (eje X, dirección X) está orientado a lo largo de la dirección transversal de transporte (dirección transversal) y el eje de ordenadas (eje Y, dirección Y) a lo largo de la dirección longitudinal de transporte (dirección de transporte), así como el eje de aplicación (eje Z, dirección Z) perpendicularmente al plano del dispositivo de transporte.
El rayo láser se mueve sobre el material de electrodo por medio del escáner poligonal y del escáner de galvanómetro(Galvo-Scanner)para reducir la tortuosidad. En este caso, el escáner poligonal desvía el rayo láser, por ejemplo, en la dirección transversal de la cinta transportadora (X), donde el escáner de galvanómetro desvía el rayo láser, si es necesario, en la dirección longitudinal de la cinta transportadora (Y). El enfoque a lo largo de la dirección Z se realiza en particular por medio de la lente F-theta.
En una forma de perfeccionamiento concebible, el dispositivo presenta en lugar del escáner de galvanómetro preferentemente varios escáneres poligonales y objetivos paralelizados. Esto significa que el rayo láser no se desvía a lo largo de un eje lento, sino que varios rayos láser paralelos se guían sobre el material de electrodo a través de espejos poligonales dispuestos adyacentes a lo largo del eje lento. Por lo tanto, se realiza un aumento del tiempo de ciclo, es decir, una reducción del tiempo de producción y, por lo tanto, un flujo de producción especialmente uniforme en la fabricación de los electrodos de batería. Esta forma de perfeccionamiento es ventajosa en particular con respecto a los cruces múltiples o varios en el caso de un transporte no interrumpido, ya que cada cruce se realiza casi por medio de un escáner poligonal asignado, de modo que los cruces múltiples se realizan a través de los escáneres poligonal sucesivos en la dirección de transporte.
El dispositivo presenta preferentemente un colimador para el rayo láser, que está dispuesto, por ejemplo, entre el láser y el escáner poligonal.
El dispositivo presenta además, por ejemplo, un dispositivo de corte para aislar un material de banda de electrodo en hojas de electrodo, donde el dispositivo de corte está dispuesto en la dirección de transporte, por ejemplo, delante o detrás del lugar de procesamiento. El dispositivo de corte puede estar configurado en este caso, por ejemplo, como un dispositivo de corte por láser, que aísla el material de banda de electrodo por medio de la ablación.
Convenientemente, el dispositivo presenta además una aspiración y/o una unidad de limpieza para la eliminación, en particular sin residuos, del material retirado del material de electrodo.
En una configuración ventajosa, el escáner poligonal está realizado como un escáner de espejo poligonal en forma de reloj de arena con un espejo superior y con un espejo inferior, donde el rayo láser se refleja desde el espejo superior hasta el espejo inferior y desde allí hasta el escáner de galvanómetro o el objetivo F-theta. Por espejo superior debe entenderse en particular aquel espejo sobre el que incide el rayo láser del láser, donde el espejo inferior es aquel espejo sobre el que incide el rayo láser reflejado por el espejo superior, independientemente de la orientación real de los espejos en el espacio. De este modo es posible una desviación especialmente compacta constructivamente del rayo láser.
Las ventajas y configuraciones mencionadas con respecto al procedimiento y/o al dispositivo son transferibles por analogía también al electrodo de batería y/o a la celda de batería y viceversa.
En una aplicación preferida se utiliza un electrodo de batería fabricado según el procedimiento descrito anteriormente en una batería de vehículo. Gracias al procedimiento según la invención se implementa un flujo de producción uniforme en la fabricación del electrodo de batería. El electrodo de batería presenta una tortuosidad reducida, lo que se traduce ventajosamente en la calidad y potencia de la batería de vehículo o celda de batería equipada con él. En este caso, el electrodo de batería está realizado en particular como una hoja individual estructurada (hoja de electrodo) para una LIB. En este caso, la celda de batería presenta preferentemente una pila LIB formada por varios electrodos de batería estructurados de este tipo.
A continuación, se describen con más detalle ejemplos de realización de la invención mediante un dibujo. Aquí muestran en representaciones esquemáticas y simplificadas:
Fig. 1 en representación en perspectiva por fragmentos un dispositivo para la fabricación de un electrodo de batería,
Fig. 2 en vista en planta una banda de electrodo como material de electrodo,
Fig. 3 en vista en planta un electrodo de batería, y
Fig. 4 a Fig. 8 en representación en sección un material de electrodo con diferentes estructuras.
Las partes y variables que se corresponden unas con otras están provistas siempre en todas las figuras con los mismos números de referencia.
En la fig. 1 se muestra en representaciones simplificadas y esquemáticas un dispositivo 2 para la fabricación de electrodos de batería 4 (fig. 3). Los electrodos de batería 4 fabricados están previstos, así como son adecuados y están configurados, en este caso en particular para baterías de iones de litio o celdas de baterías de iones de litio.
El dispositivo 2 presenta una cinta transportadora plana, no mostrada en detalle, por ejemplo, una cinta de vacío, que transporta un material de electrodo 6 a lo largo de una dirección de transporte 8 con un avance continuo de la cinta hasta un lugar de procesamiento mostrado en la fig. 1.
A continuación, se indican las indicaciones con respecto a las direcciones espaciales también en particular en un sistema de coordenadas del dispositivo 2. El eje de abscisas (eje X, dirección X) está orientado en este caso a lo largo de la dirección transversal de la cinta transportadora (dirección transversal) y el eje de ordenadas (eje Y, dirección Y) a lo largo de la dirección longitudinal de la cinta transportadora (dirección de transporte 8), así como el eje de aplicación (eje Z, dirección Z) perpendicularmente al plano de la cinta transportadora.
En la realización mostrada en la fig. 1 y fig. 2, el material de electrodo 6 está realizado en particular como una pista de electrodo en forma de cinta o tira, por ejemplo, como un material de rollo casi sin fin (rollo de electrodo, bobina de electrodo), y presenta una lámina eléctricamente conductora 10, por ejemplo, una lámina de cobre o de aluminio, como descargador de corriente, y un recubrimiento de material activo 12 aplicado sobre ella. El material de electrodo 6 presenta en este caso, por ejemplo, una anchura de más de 100 mm, en particular entre 300 y 600 mm, es decir, esencialmente la longitud del borde de los electrodos de batería 4, donde la longitud del material de banda de electrodo 14 es esencialmente mayor que su anchura o su altura. La lámina 10 presenta, por ejemplo, un espesor de lámina de aproximadamente 6 a 12 pm (micras). En este caso, el recubrimiento de material activo 12 se aplica preferentemente en ambos lados de la lámina 10. El recubrimiento de material activo 12 presenta en un estado calandrado, por ejemplo, un grosor de capa 13 (fig. 4 a fig. 8) de aproximadamente 50 a 100 pm.
El recubrimiento de material activo 12 está fabricado a partir de un material activo, es decir, a partir de un material de ánodo (material activo de ánodo) o un material de cátodo (material activo de cátodo). El material de electrodo 6 presenta en este caso, por ejemplo, una anchura de más de 100 mm, en particular entre 300 y 600 mm, es decir, esencialmente la longitud del borde de los electrodos de batería 4, donde la longitud del material de electrodo 6 es esencialmente mayor que su anchura o su altura.
Para la fabricación del electrodo de batería 4, la pista de electrodo se aísla en hojas de electrodo por medio de una unidad de corte no mostrada más en detalle. El material de electrodo 6 presenta, por ejemplo, a lo largo de su dirección longitudinal, una zona de borde no recubierta o no revestida de la lámina 10, es decir, una zona de lámina en el lado del borde, que no está provista del recubrimiento de material activo 12. En el curso de la fabricación del electrodo de batería 4 se corta un banderín de descargador 14 de esta zona de borde para el contacto con el electrodo de batería 4. El electrodo de batería 4 se corresponde esencialmente con una hoja de electrodo, donde está cortada el banderín de descargador 14.
El dispositivo 2 presenta en el lugar de procesamiento una óptica láser 15 para el procesamiento del material de electrodo 6, que está dispuesta en particular por encima del material de electrodo 6. La óptica láser 15 configurada, por ejemplo, como cabezal de escaneo, está prevista para la estructuración de la superficie del material de electrodo 6 o del recubrimiento de material activo 12, así como es adecuada y está configurada para ello.
La óptica láser 15 comprende un láser no mostrado más en detalle para generar un rayo láser 16. El láser está realizado, por ejemplo, como un láser de fibra pulsado con una longitud de onda en el rango verde o infrarrojo, por ejemplo, aproximadamente 530 nm o 1000 nm, y con una potencia láser en el rango de kW. El láser se puede operar o pulsar en el rango de femtosegundos, nanosegundos o picosegundos.
La óptica láser 15 presenta además un escáner poligonal 18 giratorio o rotativo para desviar el rayo láser 16 a lo largo de un eje rápido (X), así como un escáner de galvanómetro 20 ajustable y reflectante para desviar el rayo láser 16 a lo largo de un eje lento (Y). Por ejemplo, un colimador está dispuesto entre el láser y el escáner poligonal 18.
El escáner poligonal 18 está realizado como un escáner de espejo poligonal en forma de reloj de arena. El escáner poligonal 18 presenta en este caso un número de espejos superiores 22 y un número correspondiente de espejos inferiores 24. Los espejos rectos o planos 22, 24 están dispuestos respectivamente como superficies poligonales distribuidas a lo largo del perímetro exterior de una superficie cónica superior e inferior del escáner poligonal 18 (rueda poligonal). Los espejos 22, 24 están provistos en la fig. 1 solo a modo de ejemplo con números de referencia. El rayo láser 16 se refleja en este caso desde uno de los espejos superiores 22 hacia el espejo inferior 24 dispuesto respectivamente de forma alineada y desde allí hacia el escáner de galvanómetro 20. Mediante la rotación de los espejos 22, 24, el rayo láser 16 se mueve con una velocidad de desviación correspondiente a la velocidad de rotación o de giro a lo largo de la dirección transversal de la cinta transportadora o de la dirección transversal del material de electrodo (X). Gracias al escáner poligonal 18 se pueden implementar velocidades de desviación de rayo especialmente altas. Por ejemplo, el escáner poligonal 18 presenta un avance del láser de 2 m/s (metros por segundo) a 1000 m/s.
Preferentemente, la radiación láser 16 se sincroniza con el movimiento de la rueda poligonal. Mediante la conexión o desconexión selectiva de la radiación láser 16 sincronizada para el movimiento, se pueden procesar con láser casi cualquier vector "rectilíneo" con una longitud definida dentro del campo de escaneo de la óptica láser 15 (lugar de procesamiento). A través de un movimiento adicional del escáner de galvanómetro 20, las líneas de procesamiento se desplazan verticalmente (Y) dentro del campo de escaneo si es necesario. El escáner de galvanómetro 20 presenta en este caso un espejo inclinable o pivotante, con el que se desvía el rayo láser a lo largo de una dirección denominada eje lento (Y).
El rayo láser 16 desviado por medio del escáner poligonal 18 y el escáner de galvanómetro 20 se enfoca con un objetivo F-theta o con una lente F-theta 26 sobre la superficie del material de electrodo 6 dispuesto debajo. Debido a las altas intensidades (láser) que se producen en el foco, el material irradiado del recubrimiento de material activo 12 se ablaciona localmente.
En este caso, la cinta transportadora y la óptica láser 15 están conectadas mediante tecnología de señal a un controlador no mostrado más en detalle, es decir, a un dispositivo de control o a una unidad de control, y están controladas y/o reguladas por este.
El material del material de electrodo 6 ablacionado en el curso del procesamiento con láser se aspira o retira mediante una aspiración no mostrada más en detalle por medio de una corriente de aire o de soplado. Preferentemente, la superficie del material de electrodo 6 se limpia a continuación por medio de una unidad de limpieza.
El dispositivo 2 está dispuesto, por ejemplo, en vacío o en una atmósfera reducida.
El controlador está previsto y configurado para estructurar el material de electrodo 6 por medio del rayo láser 16 de tal manera que se aumente la tortuosidad del material de electrodo 6. Para ello, el rayo láser 16 se enfoca por medio de la óptica láser 15 en una pluralidad de puntos de ablación 28 locales espacialmente distanciados y, por lo tanto, se introducen cavidades o depresiones en el material activo del recubrimiento de material activo 12. Los puntos de ablación 28 están provistos en las figuras solo a modo de ejemplo con números de referencia. Preferentemente se estructuran ambos recubrimientos de material activo 12 del material de electrodo 6 o de la lámina 10, donde una segunda óptica láser 15 está prevista de forma adecuada para la estructuración de la segunda superficie.
El recubrimiento de material activo 12 se elimina en los puntos de ablación 28 al menos por la mitad, en particular esencialmente por completo. En otras palabras, en el curso de la ablación se retira al menos el 50% hasta, por ejemplo, el 99% o el 100% del recubrimiento de material activo 12 en el punto de ablación 28. Los puntos de ablación 28 presentan preferiblemente un diámetro de unos pocos micrómetros, en particular de menos de 20 pm. Los puntos de<ablación>28<están dispuestos en esta forma de realización, por ejemplo, en un patrón o cuadrícula, donde una distancia>lateral 30, es decir, la distancia en el plano XY, entre cada vez dos puntos de ablación adyacentes está dimensionada, por ejemplo, a uno o dos grosores de capa 13. Preferentemente, el número o la densidad de los puntos de ablación 28 en la dirección del banderín de descargador se reduce, ya que durante el funcionamiento del electrodo de batería disminuye la densidad de corriente iónica en la dirección del pantógrafo.
A continuación, se explican más en detalle, mediante las figuras 4 a 8, diferentes geometrías estructurales de los puntos de ablación 28. Las fig. 4 a fig. 8 muestran respectivamente una representación en sección del material de electrodo 6 a lo largo de la línea de sección A-A según la fig. 2 o fig. 3. En los ejemplos de realización de las fig. 4 a fig. 7, los puntos de ablación 28 de los recubrimientos de material activo 12 opuestos están dispuestos desplazados entre sí a lo largo de la dirección Y. En el ejemplo de realización de la fig. 8, los puntos de ablación 28 están dispuestos alineados entre sí.
Los puntos de ablación 28 de la fig. 4 están realizados como escotaduras o depresiones aproximadamente rectangulares, que se extienden esencialmente hasta la lámina 10. En otras palabras, los puntos de ablación 28 presentan una profundidad que corresponde esencialmente al grosor de capa 13, por lo que los puntos de ablación 28 penetran esencialmente por completo en el grosor de capa 13. Por ejemplo, del 99% al 100% del material activo se ablaciona por medio del rayo láser 16.
El ejemplo de realización de la fig. 5 corresponde esencialmente al de la fig. 4, donde solo se ablaciona el 50% del material activo. En otras palabras, los puntos de ablación 28 de la fig. 5 presentan solo una profundidad que corresponde a la mitad del grosor de capa 13. Los puntos de ablación 28 están diseñados en este caso en particular como estructuras cilíndricas ideales, por ejemplo, cilíndricas circulares, que dejan un máximo de material de recubrimiento (y por lo tanto acumulador de energía) en el electrodo y, sin embargo, forman un canal de difusión iónica. Además, se puede prescindir del desplazamiento de los puntos de ablación 28 en la parte superior e inferior.
En los ejemplos de realización de las fig. 6 y fig. 7, los puntos de ablación 28 presentan una forma en sección transversal aproximadamente triangular o en forma de cuña, donde los puntos de ablación 28 se extienden en la fig.
6 hasta la lámina, es decir, a través del grosor de capa completo 13, y en la fig. 7 solo hasta la mitad del grosor de capa 13. Tales puntos de ablación 28 son especialmente fáciles de fabricar debido al ensanchamiento en el láser.
El ejemplo de realización de la fig. 8 muestra puntos de ablación 28 con una forma en sección transversal que corresponde esencialmente a un triángulo equilátero. En este caso, la longitud de los lados corresponde esencialmente a la distancia 30, de modo que en la sección transversal se realiza un patrón en zigzag a modo de meandro de los puntos de ablación 28.
Como alternativa a las estructuras descritas anteriormente, también son concebibles otras estructuras en forma de línea u otras geometrías 3D para los puntos de ablación 28.
El material de electrodo 6, es decir, la pista de electrodo o la hoja de electrodo, está estructurado con un escáner poligonal y presenta las estructuras/cavidades correspondientes como puntos de ablación, lo que reduce la tortuosidad. Preferentemente, como parámetros de calidad específicos, no se implementa ninguna zona afectada por el calor, una delaminación <10 pm y ninguna formación de rebabas.
Para la implementación de estos parámetros de calidad, el rayo láser 16 se guía, por ejemplo, varias veces seguidas a través de los puntos de ablación 28. En una realización concebible, el rayo láser 16 se mueve entre 1 y 100 veces sobre los puntos de ablación 28. En este caso, los cruces múltiples o varios se realizan esencialmente sin una interrupción del transporte del material de electrodo 6. En otras palabras, la estructuración de la superficie se realiza sin que la cinta transportadora se frene o se detenga. Por lo tanto, la estructuración por láser del recubrimiento de material activo 12 se realiza "sobre la marcha" durante un transporte continuo del material de electrodo 6. De forma adecuada, el rayo láser 16 se sigue con cada cruce una distancia definida a lo largo de la dirección de transporte 8 de forma sincronizada con el escáner de galvanómetro 20, de modo que los rayos láser 16 inciden siempre en los mismos puntos de ablación del material de electrodo 6. Debido a los cruces múltiples, es posible una ablación en frío del material activo, es decir, una ablación con una zona de entrada de calor especialmente baja. De este modo, la introducción de la estructura o de las depresiones se puede implementar con una potencia láser baja o moderada, por lo que se puede lograr una calidad de borde de corte especialmente alta en la zona de borde de los puntos de ablación 28 (zona afectada por el calor, delaminación y formación de rebabas).
La invención reivindicada no está limitada al ejemplo de realización descrito anteriormente. Más bien, por el experto en la materia también se pueden derivar otras variantes de la invención en el marco de las reivindicaciones dadas a conocer sin abandonar el objeto de la invención reivindicada. En particular, todas las características individuales descritas en relación con el ejemplo de realización en el marco de las reivindicaciones dadas a conocer también pueden combinarse de otra manera sin abandonar el objeto de la invención reivindicada.
En una forma de perfeccionamiento concebible, el dispositivo 2 presenta, por ejemplo, varias ópticas láser 14 paralelizadas.
Lista de referencias
2 Dispositivo
4 Electrodo de batería
6 Material de electrodo
8 Dirección de transporte
10 Lámina
12 Recubrimiento de material activo
13 Grosor de capa
14 Banderín descargador
15 Óptica láser
16 Rayo láser/radiación láser
18 Escáner poligonal
20 Escáner de galvanómetro
22 Espejo
24 Espejo
Lente F-theta
Punto de ablación
Distancia

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para la fabricación de un electrodo de batería (4) de una celda de batería, que presenta un material de electrodo (6) con una lámina (10) y con un recubrimiento de material activo (12) aplicado sobre ella,
- donde el material de electrodo (6) se transporta a lo largo de una dirección de transporte (8) hasta un lugar de procesamiento,
- donde, en el lugar de procesamiento, un rayo láser (16) se mueve por medio de un escáner poligonal giratorio (18) sobre el material de electrodo (6) y se enfoca a través de una lente F-theta (26) sobre el material de electrodo (6),
- donde el recubrimiento de material activo (12) se retira localmente por medio del rayo láser enfocado (16) en una puntos de puntos de ablación (28), de modo que se reduce la tortuosidad del material de electrodo (6).
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque
el recubrimiento de material activo (12) se retira al menos a la mitad en los puntos de ablación (28), en particular esencialmente por completo.
3. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2,
caracterizado porque
los puntos de ablación (28) presentan respectivamente un diámetro menor de 20 pm.
4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3,
caracterizado porque
una distancia lateral entre cada vez dos puntos de ablación (28) corresponde entre uno y dos grosores de capa (13) del recubrimiento de material activo (12).
5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4,
caracterizado porque
<el rayo láser (>16<) se guía varias veces seguidas sobre los puntos de ablación (28).>
6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5,
caracterizado porque
la ablación se lleva a cabo sin interrumpir el transporte del material de electrodo (6).
7. Dispositivo (2) para la fabricación de un electrodo de batería (4), que presenta
- un material de electrodo (6) con una lámina (10) y con un recubrimiento de material activo (12) aplicado sobre ella,
- un dispositivo de transporte para el transporte del material de banda de electrodo (6) a lo largo de una dirección de transporte (8) a un lugar de procesamiento,
- un láser para generar un rayo láser (16),
- un escáner poligonal giratorio (18) para desviar el rayo láser (16),
- una lente F-theta (26) para enfocar el rayo láser desviado (16) sobre el material de electrodo (6), y
- un controlador para llevar a cabo un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.
8. Dispositivo (2) según la reivindicación 7,
caracterizado porque
el escáner poligonal (20) está realizado como un escáner de espejo poligonal en forma de reloj de arena con un espejo superior (22) y con un espejo inferior (24), donde el rayo láser (16) se refleja desde el espejo superior (22) hacia el espejo inferior (24) y desde allí en la dirección de la lente F-theta (26).
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