KR20220056242A

KR20220056242A - 레이저 빔에 의해 리튬 포일 또는 리튬으로 코팅된 금속 포일을 처리하기 위한 방법

Info

Publication number: KR20220056242A
Application number: KR1020227011854A
Authority: KR
Inventors: 올리버 복스로커
Original assignee: 트룸프 레이저-운트 시스템테크닉 게엠베하
Priority date: 2019-10-18
Filing date: 2020-10-16
Publication date: 2022-05-04
Also published as: CN114555275A; DE102019216070A1; US20220234140A1; WO2021074424A1; JP2022552695A; EP4045224A1

Abstract

본 발명은 레이저 빔(2)에 의해 리튬을 포함하는 포일(1)을 처리하기 위한 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따르면 레이저 빔(2)은 200 nm 내지 1 ㎛의 파장을 포함한다.

Description

레이저 빔에 의해 리튬 포일 또는 리튬으로 코팅된 금속 포일을 처리하기 위한 방법

본 발명은 레이저 빔에 의해 리튬을 포함하는 포일을 처리하기 위한 방법에 관한 것이다.

고체 배터리의 제조를 위해, 순수한 리튬 포일 또는 리튬으로 코팅된 구리 포일 또는 알루미늄 포일이 전극 포일, 특히 애노드로서 사용된다. 이 경우, 포일은 1000 내지 1100 nm 범위, 특히 1030 nm의 NIR 파장을 갖는 레이저 빔에 의해 처리되는데, 예를 들어 재단되고, 용접되고, 천공되고, 제거되거나 또는 표면 구조화된다. 이러한 레이저 처리에 의해, 넓은 면적의 열 영향 영역으로 인한 그리고 포일의 처리 영역 상의 또는 그 근처의 용융 접착 및 입자 접착으로 인한 부정적인 영향이 발생된다. 열 영향 영역을 통해, 주변 공기의 물과 반응하여 더 많은 수산화리튬이 형성될 수 있다. 입자 및 용융 접착은 포일의 파손을 유발할 수 있다.

본 발명의 과제는 도입부에서 언급된 유형의 방법에서 설명된 단점들을 감소시키거나 또는 완전히 방지하는 것이다.

본 발명에 따르면, 이러한 과제는 레이저 빔이 200 nm 내지 1 ㎛의 파장을 포함함으로써 달성된다. 이러한 파장 범위에서, s 편광된 광 및 p 편광된 광 모두에 대한 리튬의 흡수 정도는 지금까지 대부분 사용된 1030 nm의 NIR 파장에 대한 흡수 정도보다 대략 3배 내지 10배 더 크다. 본 발명에 따른 더 높은 흡수에 의해, 동일한 레이저 전력 및 강도로 더 높은 생산 공급이 달성될 수 있다. 이는 감소된 열 영향 영역으로 이어지고, 이에 의해 더 적은 수산화리튬이 형성된다. 또한, 더 높은 흡수로 인해 절단 에지 상에 더 작은 용융 접착 및 입자 접착이 생성되고, 이는 불량품이 더 적어지는 결과를 가져온다.

포일로서는 바람직하게는 순수한 리튬 포일 또는 리튬으로 코팅된 금속 포일, 특히 구리 포일 또는 알루미늄 포일이 사용된다. 이러한 포일들은 바람직하게는 고체 배터리의 제조 시 전극, 특히 애노드로서 사용된다.

본 발명의 제1 바람직한 변형예에서, 레이저 빔의 파장은 500 nm 내지 550 nm, 특히 대략 515 nm의 녹색 범위에 있다. 이러한 파장 범위에서, 수직 입사광의 흡수는 NIR 레이저 광(1030 nm)에 비해 최대 약 2.8배 더 크다. 녹색 파장은 예를 들어 디스크 레이저로 문제 없이 생성될 수 있다.

본 발명의 제2 바람직한 변형예에서, 레이저 빔의 파장은 440 nm 내지 460 nm, 특히 대략 450 nm의 청색 범위에 있거나, 또는 400 nm 내지 410 nm, 특히 대략 405 nm의 자색(violet) 범위에 있다. 이러한 파장 범위에서, 수직 입사광의 흡수는 NIR 레이저 광(1030 nm)에 비해 최대 약 4.7배 더 크다. 청색 또는 자색 파장은 예를 들어 다이오드 레이저로 문제 없이 생성될 수 있다.

본 발명의 제3 바람직한 변형예에서, 레이저 빔의 파장은 250 nm 내지 370 nm, 특히 대략 257 nm, 대략 355 nm 또는 대략 342 nm의 UV 범위에 있다. 이러한 파장 범위에서, 수직 입사광의 흡수는 NIR 레이저 광(1030 nm)에 비해 최대 약 10.6배 더 크다. UV 파장은 예를 들어 디스크 레이저로 문제 없이 생성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 리튬을 포함하는 포일은 레이저 빔에 의해 절단되고, 용접되고, 리세스가 생성되거나 또는 천공되고, 제거되거나 또는 표면 구조화될 수 있다.

특히 바람직하게는, 레이저 빔은 0°내지 대략 45°, 바람직하게는 0°내지 30°의 입사각으로 포일의 표면 상에 입사된다.

본 발명의 주제의 추가적인 이점 및 유리한 구성예는 본원의 상세한 설명, 청구범위 및 도면으로부터 명백해질 것이다. 마찬가지로, 상기 언급되고 이하에서 계속 설명되는 특징들은 각각 그 자체로 또는 복수의 임의의 조합으로 사용될 수 있다. 도시되고 설명되는 실시예는 폐쇄적인 열거로서 이해되어서는 안 되며, 오히려 본 발명의 설명을 위한 예시적인 특성을 갖는다.

도 1a, 도 1b는 순수한 리튬 포일(도 1a) 및 리튬으로 코팅된 포일(도 1b)의 레이저 빔에 의한 처리를 개략적으로 도시한다.
도 2는 NIR, 녹색, 청색 및 UV 범위의 파장에 대한 입사각에 따른 리튬 금속의 흡수 정도를 도시한다.
도 3a 내지 도 3e는 리튬을 포함하는 포일의 처리의 다양한 적용예들을 개략적으로 도시한다.

본 발명에 따른 방법은 레이저 빔(2)에 의해 리튬을 포함하는 포일(1)을 처리하는데 사용되는데, 즉 포일(1)은 적어도 부분적으로 리튬으로 이루어진다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 포일(1)은 예를 들어 순수 리튬 포일일 수 있거나, 또는 도 1b에 도시된 바와 같이, 리튬(3)으로 코팅된 금속 포일(4), 예를 들어 리튬(3)으로 코팅된 알루미늄 포일 또는 구리 포일일 수 있다. 바람직하게는, 포일(1, 1')은 10 ㎛ 내지 400 ㎛, 유리하게는 대략 20 ㎛의 두께를 포함한다. 포일(1, 1')의 처리는 특히 포일(1, 1')을 고체 배터리의 전극, 특히 애노드로서 사용하기 위한 목적으로 수행된다.

이러한 포일(1, 1')의 레이저 처리는 지금까지는 1000-1100 nm의 파장, 특히 1030 nm의 파장을 갖는 NIR 범위의 레이저 빔에 의해 수행되었다. 그러나, 이러한 레이저 처리에 의해 넓은 영역의 열 영향 영역으로 인한 그리고 처리 영역 상의 또는 그 근처의 용융 접착 및 입자 접착으로 인한 부정적인 영향이 발생된다. 열 영향 영역에서는 주변 공기의 물과 반응하여 더 많은 수산화리튬이 형성될 수 있으며, 입자 및 용융 접착은 포일(1, 1')의 파손을 유발할 수 있다.

도 2는 298 °K의 리튬 금속 온도에서 NIR, 녹색, 청색 및 UV 범위의 파장에 대한 입사각에 따른 리튬 금속의 흡수 곡선(프레넬)을 도시한다. 입사된 광의 s 편광된 성분 및 p 편광된 성분에 대한 입사각(

)에 대해 흡수 정도(α)가 - 각각 NIR, 녹색, 청색 및 UV 파장에 대해 - 플롯되어 있고, 여기서 s 편광된 성분은 입사 평면에 대해 수직으로 선형으로 편광되고, p 편광된 성분은 입사 평면에 평행하게 선형으로 편광된다.

흡수 곡선(10, 11)은 오늘날 사용되는 1030 nm 파장의 NIR 레이저 광의 s 편광된 성분 및 p 편광된 성분의 흡수 정도를 도시한다. 광의 수직 입사(

=0°)로 달성된 흡수 정도는 대략 0.03이며, 포일 처리 시 단지 낮은 이송 속도(공급)만을 허용하여, 처리를 위해 필요한 에너지를 포일(1, 1') 내로 도입할 수 있다.

흡수 곡선(12, 13)은 515 nm의 파장을 갖는 녹색 레이저 광의 s 편광된 성분 및 p 편광된 성분의 흡수 정도를 도시한다. 광의 수직 입사(

=0°) 시, 녹색 레이저 광의 흡수 정도는 대략 0.09이고, 이에 따라 NIR 레이저 광(흡수 곡선 10, 11)에 비해 대략 2.8배 더 크다는 것을 알 수 있다.

흡수 곡선(14, 15)은 450 nm의 파장을 갖는 청색 레이저 광의 s 편광된 성분 및 p 편광된 성분의 흡수 정도를 도시한다. 광의 수직 입사(

=0°) 시, 청색 또는 자색 레이저 광의 흡수 정도는 대략 0.15이고, 이에 따라 NIR 레이저 광(흡수 곡선 10, 11)에 비해 대략 4.7배 더 크다는 것을 알 수 있다.

마지막으로, 흡수 곡선(16, 17)은 342 nm의 파장을 갖는 자외선 레이저 광의 s 편광된 성분 및 p 편광된 성분의 흡수 정도를 도시한다. 광의 수직 입사(

=0°) 시, 자외선 레이저 광의 흡수 정도는 대략 0.33이고, 이에 따라 NIR 레이저 광에 비해 대략 10.6배 더 크다는 것을 알 수 있다.

지금까지와 같은 NIR 범위의 레이저 빔 대신에, 포일(1, 1')의 레이저 처리는 본 발명에 따르면, 500 nm 내지 550 nm, 특히 대략 515 nm의 녹색 범위, 440 nm 내지 460 nm, 특히 대략 450 nm의 청색 범위, 400 nm 내지 410 nm, 특히 대략 405 nm의 자색 범위, 또는 250 nm 내지 370 nm, 특히 대략 257 nm, 대략 355 nm 또는 대략 342 nm의 UV 범위의 레이저 빔(2)에 의해 수행된다. 이러한 모든 파장 범위에 대해, 흡수 정도가 NIR 레이저 광에 비해 대략 2.8 내지 10.6배만큼 향상되고, 이에 의해 동일한 레이저 전력 및 강도에서 더 높은 생산 공급이 달성된다. 이는 감소된 열 영향 영역으로 이어지고, 이에 의해 더 적은 수산화리튬이 형성된다. 또한, 더 높은 흡수로 인해 절단 에지 상에 더 적은 용융 접착 및 입자 접착이 생성되고, 이는 불량품을 줄이는 결과를 가져온다.

레이저 빔(2)으로서 cw 레이저 빔 또는 펄스형 레이저 빔이 사용될 수 있다. 테스트에 도시된 바와 같이, 사용된 레이저 전력은 여기서 100 W 내지 4000 W, 특히 대략 1000 W여야 하고, 포일(1, 1') 상의 레이저 빔(2)의 스폿 직경은 50 ㎛ 내지 600 ㎛, 특히 대략 85 ㎛여야 한다. 펄스형 레이저 빔(2)의 경우, 펄스 지속 시간은 0.2 ms 내지 50 ms일 수 있다. 처리 과정에서 레이저 빔(2)은 포일(1, 1') 위로 이동되고, 여기서 달성 가능한 이송 속도는 50 내지 5000 mm/s 범위일 수 있다. 처리를 위해서는 스캐너 광학 시스템이 사용될 수 있고, 위치 지정을 위해서는 카메라 기반 센서 시스템이 사용될 수 있다.

도 3a 내지 도 3e는 녹색, 청색, 자색 및 UV 파장을 갖는 레이저 빔(2)에 의한, 리튬을 포함하는 포일(1, 1') 처리의 다양한 적용예들을 도시한다.

도 3a에서, 포일(1, 1')은 고체 배터리의 제조에 적합한 포일 블랭크를 생성하기 위해, 녹색, 청색, 자색 또는 UV 레이저 빔(2)에 의해 절단된다. 이 경우, 절단부(5)를 생성할 수 있도록, 레이저 빔(2)은 이송 속도 또는 절단 속도(v)로 포일(1, 1') 위로 이송 방향(A)으로 이동된다. 녹색, 청색, 자색 또는 UV 레이저 빔(2)의 높은 흡수에 의해, 기존의 NIR 레이저 빔(1030 nm)보다 더 많은 재료가 기화되고, 용융 접착이 감소된다.

도 3b에서, 금속 전류 도체(6)가 녹색, 청색, 자색 또는 UV 레이저 빔(2)에 의해 전기 전도성 방식으로 포일(1, 1') 상에 용접된다. 용접심은 6a로 표시되어 있다. 포일(1, 1')이 고체 배터리에서 애노드를 형성하는 경우, 전류 도체(6)는 외부를 향해 전류를 전환시키는데 사용된다. 전류 도체(6)는 일반적으로 고체 배터리의 애노드와는 다른 금속으로 이루어진다.

도 3c는 녹색, 청색, 자색 또는 UV 레이저 빔(2)에 의해 포일(1, 1')에 천공된 구멍 또는 리세스(7)를 도시한다. 포일(1, 1') 내의 이러한 구멍(7)은 고체 배터리의 제조 시, 포일(1, 1')의 복수의 층들을 서로 기계적으로 연결하기 위해 사용될 수 있다.

도 3d에 도시된 포일(1, 1')의 경우, 표면의 하나 이상의 층(8)이 녹색, 청색, 자색 또는 UV 레이저 빔(2)에 의해 제거되었다. 포일(1'), 즉 리튬(3)으로 코팅된 금속 포일(4)의 경우, 예를 들어 전체 리튬 코팅이 원하는 범위에서 목표된 방식으로 제거(코팅 박리)될 수 있다.

도 3e는 구조화된 표면(9)을 갖는 포일(1, 1')을 도시하고, 여기서 표면 구조체는 녹색, 청색, 자색 또는 UV 레이저 빔(2)으로 포일 표면을 조사함으로써 생성되었다.

Claims

레이저 빔(2)에 의해 리튬을 포함하는 포일(1; 1')을 처리하기 위한 포일 처리 방법에 있어서,
상기 레이저 빔(2)은 200 nm 내지 1 ㎛의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 포일 처리 방법.
제1항에 있어서,
상기 포일(1; 1')은 리튬 포일 또는 리튬(3)으로 코팅된 금속 포일(4), 특히 구리 포일 또는 알루미늄 포일인 것을 특징으로 하는 포일 처리 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 레이저 빔(2)의 상기 파장은 500 nm 내지 550 nm, 특히 대략 515 nm의 녹색 범위에 있는 것을 특징으로 하는 포일 처리 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 레이저 빔(2)의 상기 파장은 440 nm 내지 460 nm, 특히 대략 450 nm의 청색 범위, 또는 400 nm 내지 410 nm, 특히 대략 405 nm의 자색(violet) 범위에 있는 것을 특징으로 하는 포일 처리 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 레이저 빔(2)의 상기 파장은 250 nm 내지 370 nm, 특히 대략 257 nm, 대략 355 nm 또는 대략 342 nm의 UV 범위에 있는 것을 특징으로 하는 포일 처리 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 포일(1; 1')은 상기 레이저 빔(2)에 의해 절단되는 것을 특징으로 하는 포일 처리 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 포일(1; 1')은 상기 레이저 빔(2)에 의해 용접되는 것을 특징으로 하는 포일 처리 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저 빔(2)에 의해 상기 포일(1; 1')에 구멍(7) 또는 리세스가 천공되는 것을 특징으로 하는 포일 처리 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저 빔(2)에 의해 상기 포일(1; 1')의 표면으로부터 재료가 제거되는 것을 특징으로 하는 포일 처리 방법.
제9항에 있어서,
상기 레이저 빔(2)에 의해 상기 포일(1; 1')의 상기 표면이 구조화되는 것을 특징으로 하는 포일 처리 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저 빔(2)은 0°내지 대략 45°, 바람직하게는 0°내지 30° 의 입사각으로 상기 포일(1; 1')의 상기 표면 상에 입사되는 것을 특징으로 하는 포일 처리 방법.