WO2014106792A4 - Verfahren zur herstellung zumindest einer schicht einer feststoffbasierten dünnschichtbatterie, plasma-spritzbrenner hierfür und feststoffbasierte dünnschichtbatterie. - Google Patents

Verfahren zur herstellung zumindest einer schicht einer feststoffbasierten dünnschichtbatterie, plasma-spritzbrenner hierfür und feststoffbasierte dünnschichtbatterie. Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung zumindest einer Schicht (32) für feststoffbasierte Dünnschichtbatterien (100) durch Plasma-Pulver- Sprühen. Ferner betrifft die Erfindung einen Plasma-Pulver-Sprüher (1) zur Herstellung zumindest einer Schicht (32) für feststoffbasierte Dünnschicht- batterien (100) auf einem Substrat (33). Der Plasma-Pulver-Sprüher umfasst einen Plasmaerzeugungsbereich (10), in dem vermittels einer Energiequelle (15) ein Plasmagasstrom (13) erzeugt werden kann, und mindestens einen Mischbereich (20), der sich im Plasmagasstrom (13) befindet. Die Erfindung umfasst auch eine nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte festkörperbasierte Dünnschichtbatterie (100).

Claims

1 GEÄNDERTE ANSPRÜCHE beim Internationalen Büro eingegangen am 13 August 2014 (13.08.2014)
1. Verfahren zur Herstellung zumindest einer Schicht (32) für feststoffbasierte Dünnschichtbatterien (100) vermittels eines Plasma-Pulver-Sprühers (1 ) mit einem Plasmaerzeugungsbereich (10) und mit mindestens einem örtlich davon getrennten Mischbereich (20), umfassend die Schritte:
• Erzeugen eines Plasmagasstroms (13) aus einem Zündgasstrom (12) im Plasmaerzeugungsbereich (10);
• Erzeugen eines Pulver-Aerosolstroms (44) aus einem Trägergasstrom (41 ) aus einem Trägergasreservoir (42) und Pulverpartikeln (48) aus einem Pulverreservoir (43), wobei die Pulverpartikel (48) unter
Beimischung von Trägergas (42) in das Pulverreservoir (43) derart entnommen werden, dass im Pulver-Aerosolstrom (44) über einen Entnahmezeitraum hinweg ein konstanter Massenstrom dM/dt an Pulverpartikeln (48) und ein konstantes Mischungsverhältnis von Pulverpartikeln (48) und Trägergas (42) eingestellt wird;
• Einbringen des Pulver-Aerosolstroms (44) und des Plasmagasstroms (13) in den mindestens einen Mischbereich (20), so dass ein Plasma- Pulver-Aerosol (24) entsteht;
• Richten eines Plasma-Pulver-Aerosolstroms (34) aus dem mindestens einen Mischbereich (20) auf ein in einem Beschichtungsbereich (30) angeordnetes Substrat (33); und
• Abscheiden einer Schicht (32) auf dem Substrat (33) aus
Pulverpartikeln (48), die im mindestens einen Mischbereich (20) und/oder im Plasma-Pulver-Aerosolstrom (34) und/oder im
Beschichtungsbereich (30) oberflächlich angeschmolzen oder in ihrer Kristallstruktur geändert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Pulver-Aerosolstrom (34) durch eine Einrichtung geführt wird, die ihn auf eine für die Prozessführung erforderliche Temperatur bringt.
GEÄNDERTES BLATT (ARTIKEL 19) 2
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (33) durch einen Substratheizer (36) eines Substrathalters (39) geheizt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei über ein
Verstellsystem (50) ein Abstand (38) und/oder eine Relativbewegung zwischen dem Plasma-Pulver-Sprüher (1 ) und dem Substrat (33) eingestellt werden.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zum
Abscheiden strukturierter Schichten (32) auf dem Substrat (33) ein
Strukturierungselement (37) statisch oder durch das Verstellsystem (50) verstellbar in den Plasma-Pulver-Aerosolstrom (34) auf oder über dem Substrat (33) eingebracht wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (33) in einer Beschichtungskammer (31 ), in der der Plasma-Pulver- Aerosolstrom (34) eingebracht wird, angeordnet wird, und wobei in der Beschichtungskammer (31 ) mit einer Saugpumpe (60) ein Unterdruck (ΔΡ) gegenüber dem Mischbereich (20) erzeugt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im mindestens einen Mischbereich (20) und/oder in mindestens einem weiteren
Mischbereich (20A, 20B) je ein Zusatzmaterial (44A, 44B) in den Plasma- Pulver-Aerosolstrom (34) eingebracht wird, so dass die Pulverpartikel (48) zumindest teilweise mit Zusatzmaterial (44A, 44B) beschichtet werden, wobei der mindestens eine weitere Mischbereich (20A, 20B) innerhalb oder außerhalb des Plasma-Pulver-Sprühers (1 ) und im Plasma-Pulver- Aerosolstrom (34) liegt.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die
Pulverpartikel (48) zur Herstellung einer Kathodenschicht (102) im
Wesentlichen aus einem lithiierten Oxid eines oder mehrerer
GEÄNDERTES BLATT (ARTIKEL 19) 3
Übergangsmetalle bestehen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Schicht (32) aus Pulverpartikeln (48) aufgebaut wird, die im Plasma-Pulver-Aerosolstrom (34) thermisch aktiviert und bezüglich ihrer chemischen Stöchiometrie und ihrer
Partikelgrößenverteilung nicht verändert werden, und wobei die Porosität der Schicht (32) durch die Abscheiderate, die Substrattemperatur (T33) und/oder die Partikelgrößenverteilung der Pulverpartikel (48) eingestellt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei der Zündgasstrom (12) und/oder der Trägergasstrom (42) aus einem chemisch inerten Gas oder Stickstoff mit Beimischungen von Sauerstoff, Wasserstoff und/oder eines kohlenstoffhaltigen Gases bestehen.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Pulverpartikel (43) thermisch
bezüglich ihrer elektrochemischen Eigenschaften aktiviert werden, und/oder wobei die chemische Stöchiometrie von oxidischen Pulverpartikeln (48) durch Beimischung von Sauerstoff in den Zündgasstrom (12) und/oder den
Trägergasstrom (42) erhalten wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , wobei bei einer Substrattemperatur (T33) unter 240°C und/oder einer Mischtemperatur (T20) in mindestens einem
Mischbereich (20) im Bereich von 350°C bis 750°C und einem auf die Mischtemperatur (T20) abgestimmten Partialdrücken von Sauerstoff und Gesamtdruck (P20) Pulverpartikel (48) aus Lithimkobaltdioxid thermisch in seine Hochtemperatur-Phase verändert werden.
13. Festkörperbasierte Dünnschichtbatterie (100), in der zumindest eine Schicht (32) aus Pulverpartikeln (48) durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 hergestellt ist.
GEÄNDERTES BLATT (ARTIKEL 19)
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