在幅材如集流体箔上涂覆金属层如锂金属的方法 |
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| 申请号 | CN202310524307.0 | 申请日 | 2023-05-10 | 公开(公告)号 | CN117917483A | 公开(公告)日 | 2024-04-23 |
| 申请人 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司; | 发明人 | Y·任; 王铭; 徐劭懋; R·C·塞科尔; | ||||
| 摘要 | 一种用金属层涂覆幅材的方法包括加 热容 器中的金属以产生熔融金属。金属选自锂(Li)、钠(Na)、 钾 (K)、铟(In)、 锡 (Sn)、镉(Cd)、锌(Zn)和铅(Pb)。所述方法包括使用熔融金属用金属层涂覆幅材的至少一个表面。幅材由选自 铜 (Cu)、镍(Ni)、 钛 (Ti)、不锈 钢 、 聚合物 和 碳 的材料制成。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用金属层涂覆幅材的方法，包括： |
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| 说明书全文 | 在幅材如集流体箔上涂覆金属层如锂金属的方法技术领域[0001] 本公开涉及电池组电池，并且更具体地涉及用于在集流体箔上制备锂层的方法。 背景技术[0002] 本部分中提供的信息旨在一般性地介绍本公开的背景。当前署名为发明人的工作在本部分中描述的程度下，以及在申请时可能没有以其它形式确定为现有技术的说明书的 方面，均不被明示或暗示地承认为针对本公开的现有技术。 [0003] 本公开涉及电池组电池，并且更具体地涉及用于在集流体箔上制备锂层的方法。 [0004] 电动车辆(EV)如电池组电动车辆(BEV)、混合动力车辆和/或燃料电池车辆包括一个或多个电机和包括一个或多个电池组电池、模块和/或包的电池组系统。功率控制系统用于在充电和/或驱动过程中控制电池组系统的充电和/或放电。EV制造商正在寻求提高功率 密度以增加EV的续航里程。锂离子电池组(LIB)电池目前用于高功率密度应用。 发明内容[0005] 一种用金属层涂覆幅材(web)的方法包括加热容器中的金属以产生熔融金属。金属选自锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铟(In)、锡(Sn)、镉(Cd)、锌(Zn)和铅(Pb)。所述方法包括使用熔融金属用金属层涂覆幅材的至少一个表面。幅材由选自铜(Cu)、镍(Ni)、钛(Ti)、不锈钢、聚合物和碳的材料制成。 [0006] 在其它特征中，将容器加热到金属的熔点(melting temperature)至金属的熔点加上200℃的范围内的温度。金属包括锂(Li)并且所述幅材的材料包括铜(Cu)箔。在不对幅材进行预先表面处理的情况下进行涂覆。 [0007] 在其它特征中，所述方法包括使用幅材引导组件以将幅材的一侧偏置到熔融金属中。所述方法包括将幅材的两侧浸入熔融金属中。所述方法包括围绕布置在熔融金属中的 导辊供给幅材。所述方法包括通过倾斜容器用熔融金属涂覆幅材的至少一个表面。所述方 法包括使用厚度调节器来调节金属层的厚度，所述厚度调节器被配置为在涂覆之后将气体 引导至幅材。所述方法包括通过使用附加容器中的熔融金属涂覆幅材来增加金属层的厚 度。 [0008] 在其它特征中，金属层的厚度为1μm至80μm。幅材的厚度为1μm至100μm。 [0009] 一种用锂金属层涂覆幅材的方法包括加热N个容器中的锂(Li)金属以在N个容器中产生熔融锂金属。N是大于零的整数。N个容器的温度为180℃至300℃。所述方法包括使用辊对辊(roll‑to‑roll)工艺以使用N个容器中的熔融锂金属用锂金属层涂覆幅材的至少一个表面。幅材包括由选自铜(Cu)、镍(Ni)、钛(Ti)和不锈钢的材料制成的箔。幅材的厚度为1μm至100μm。在用N个容器中的熔融锂金属涂覆幅材之后的锂金属层的厚度为1μm至50μm。 [0010] 在其它特征中，幅材的材料包括铜(Cu)箔。在不对幅材进行预先表面处理的情况下进行用熔融锂金属的涂覆。所述方法包括使用幅材引导组件将幅材的一侧偏置到熔融锂 金属中。所述方法包括将幅材的两侧浸入熔融锂金属中。所述方法包括围绕设置在N个容器中的至少一个容器中并浸入N个容器中的至少一个容器中的熔融锂金属中的导辊供给幅 材。所述方法包括通过倾斜N个容器中的至少两个容器来用熔融锂金属涂覆幅材的两侧。所述方法包括使用厚度调节器来调节锂金属层的厚度，所述厚度调节器被配置为在N个容器 中的至少一个容器中涂覆之后将气体引导至幅材。N大于一。 [0011] 本发明公开了以下方案： [0012] 方案1.一种用金属层涂覆幅材的方法，包括： [0013] 加热容器中的金属以产生熔融金属， [0014] 其中所述金属选自锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铟(In)、锡(Sn)、镉(Cd)、锌(Zn)和铅(Pb)；和 [0015] 使用所述熔融金属用金属层涂覆幅材的至少一个表面， [0016] 其中所述幅材由选自铜(Cu)、镍(Ni)、钛(Ti)、不锈钢、聚合物和碳的材料制成。 [0017] 方案2.根据方案1所述的方法，其中将所述容器加热到从所述金属的熔点至所述金属的熔点加上200℃的范围内的温度。 [0018] 方案3.根据方案1所述的方法，其中所述金属包括锂(Li)并且所述幅材的材料包括铜(Cu)箔。 [0019] 方案4.根据方案1所述的方法，其中在不对所述幅材进行预先表面处理的情况下进行所述涂覆。 [0020] 方案5.根据方案1所述的方法，还包括使用幅材引导组件以将所述幅材的一侧偏置到所述熔融金属中。 [0021] 方案6.根据方案1所述的方法，还包括将所述幅材的两侧浸入所述熔融金属中。 [0022] 方案7.根据方案6所述的方法，还包括围绕布置在所述熔融金属中的导辊供给所述幅材。 [0023] 方案8.根据方案1所述的方法，还包括通过倾斜所述容器用所述熔融金属涂覆所述幅材的至少一个表面。 [0024] 方案9.根据方案1所述的方法，还包括使用厚度调节器来调节所述金属层的厚度，所述厚度调节器被配置成在所述涂覆之后将气体引导到所述幅材。 [0025] 方案10.根据方案1所述的方法，还包括通过使用附加容器中的熔融金属涂覆所述幅材来增加所述金属层的厚度。 [0026] 方案11.根据方案1所述的方法，其中： [0027] 所述金属层的厚度为1μm至80μm；和 [0028] 所述幅材的厚度为1μm至100μm。 [0029] 方案12.一种用锂金属层涂覆幅材的方法，包括： [0030] 加热N个容器中的锂(Li)金属以在所述N个容器中产生熔融锂金属，其中N是大于零的整数， [0031] 其中所述N个容器的温度为180℃至300℃；和 [0032] 使用辊对辊工艺以使用所述N个容器中的熔融锂金属用锂金属层涂覆幅材的至少一个表面， [0033] 其中所述幅材包括由选自铜(Cu)、镍(Ni)、钛(Ti)和不锈钢的材料制成的箔， [0034] 其中所述幅材的厚度为1μm至100μm，并且 [0035] 其中在用所述N个容器中的熔融锂金属涂所述覆幅材之后的锂金属层的厚度为1μm至50μm。 [0036] 方案13.根据方案12所述的方法，其中所述幅材的材料包括铜(Cu)箔。 [0037] 方案14.根据方案12所述的方法，其中在不对所述幅材进行预先表面处理的情况下进行用熔融锂金属的涂覆。 [0038] 方案15.根据方案12所述的方法，还包括使用幅材引导组件以将所述幅材的一侧偏置到所述熔融锂金属中。 [0039] 方案16.根据方案12所述的方法，还包括将所述幅材的两侧浸入所述熔融锂金属中。 [0040] 方案17.根据方案16所述的方法，还包括围绕布置在所述N个容器中的至少一个容器中并浸入所述N个容器中的至少一个容器中的熔融锂金属中的导辊供给所述幅材。 [0041] 方案18.根据方案12所述的方法，还包括通过倾斜所述N个容器中的至少两个容器来用所述熔融锂金属涂覆所述幅材的两侧。 [0042] 方案19.根据方案12所述的方法，还包括使用厚度调节器来调节所述锂金属层的厚度，所述厚度调节器被配置成在N个容器中的至少一个容器中的涂覆之后将气体引导到 所述幅材。 [0043] 方案20.根据方案12所述的方法，其中N大于一。 附图说明[0045] 通过具体实施方式和附图将更充分地理解本公开，其中： [0046] 图1是根据本公开的用金属层如锂涂覆幅材如集流体箔的方法的实例的功能框图； [0047] 图2是根据本公开的用金属层如锂涂覆幅材如集流体箔的辊对辊工艺的实例的功能框图； [0048] 图3是根据本公开的用金属层如锂涂覆幅材如集流体箔的方法的另一实例的功能框图； [0049] 图4是根据本公开的用金属层如锂涂覆幅材如集流体箔的辊对辊工艺的另一实例的功能框图； [0050] 图5是根据本公开的用金属层如锂涂覆幅材如集流体箔的方法的另一实例的功能框图； [0051] 图6是根据本公开的用金属层如锂涂覆幅材如集流体箔的辊对辊工艺的另一实例的功能框图； [0052] 图7是图示说明根据本公开的幅材和金属层的压延的功能框图；和 [0053] 图8是在用金属层如锂涂覆之前预处理幅材如集流体箔的表面的方法的功能框图。 [0054] 在附图中，可以重复使用附图标记来标识相似和/或相同的元件。 具体实施方式[0055] 电池组电池通常包括多个单元电池，每个单元电池包括阴极电极和阳极电极。阴极电极包括阴极集流体和布置在阴极集流体上的阴极活性材料。阳极电极包括阳极集流体 和布置在阳极集流体上的阳极活性材料。隔离件被布置在成对的阴极电极和阳极电极之 间。为了最大化锂(Li)电池组电池的能量密度同时确保足够的电池组寿命周期，锂金属阳 极可形成在阳极集流体上并用作额外的锂源(例如，用于预锂化)。 [0056] 先前使用熔融锂润湿金属表面(例如由铜(Cu)、镍(Ni)、钛(Ti)或不锈钢制成的集流体箔)的尝试均未成功。通常，需要进行表面处理以在集流体上使用熔融锂实现锂层的一步法制备。例如，表面处理可以包括用与锂反应或合金化的材料的薄层涂覆集流体箔的表 面，和/或在空气中加热集流体箔以形成亲锂的氧化层。 [0057] 本公开涉及用于以高生产率直接在幅材如集流体箔上制备锂金属阳极的系统和方法。在一些实例中，锂金属层(或其它低熔点金属)具有1μm至80μm的厚度。在一些实例中，锂金属层具有1μm至50μm的厚度。在一些实例中，本文所述的系统和方法在没有表面改性或层压的情况下直接在集流体上形成锂金属阳极，这降低了制造复杂性和成本。阳极活性材 料可以布置在锂金属阳极和集流体上。在其它实例中，执行表面处理如涂层或氧化。 [0058] 在一些实例中，根据本公开的系统和方法，在没有预先表面处理的情况下用熔融锂或钠熔体润湿幅材如集流体箔以形成薄的锂层。例如，浸涂幅材的表面，然后冷却幅材和锂金属层。可以理解，本文所述的系统和方法简化了在金属层上制备薄锂层的过程。 [0059] 现在参考图1，通过使用一个或多个加热器16将金属加热至熔融状态来在容器14中产生熔融金属20。在一些实例中，一个或多个加热器16将熔融金属20如锂加热至180℃至 300℃范围内的温度。致动器24使幅材引导组件40相对于容器14在垂直方向上移动以调节 暴露于熔融金属的幅材的长度。在一些实例中，幅材引导组件40包括块体，该块体包括允许幅材在其上滑动的光滑表面。在一些实例中，幅材引导组件的外接触表面具有弓形或半椭 圆形表面以允许幅材的暴露长度随着幅材引导组件40的垂直高度的变化而变化。在其它实 例中，幅材引导组件包括布置在单个水平面或两个或更多个水平面中的一个或多个辊。幅 材30(例如集流体箔)由辊或其它源供应并且被供给通过容器14中的熔融金属20。 [0060] 在一些实例中，幅材30包括具有1μm至100μm的厚度的金属箔。在一些实例中，幅材30与熔融金属20接触1s至120s范围内的预定时间段。在暴露于熔融金属20之后，将具有润 湿金属如锂的幅材30从熔融金属20移开以快速冷却幅材30上的金属。 [0061] 通过使致动器24来使幅材引导组件40相对于容器14移动来调节幅材30和熔融金属20之间的接触。或者，致动器24′可用于调节容器14相对于幅材30和幅材引导组件40的位置。 [0062] 现在参考图2，图1中描述的工艺可适应于辊对辊生产。辊110将幅材112如金属箔供应到与包括熔融金属120‑1如锂的第一容器114‑1相邻的幅材引导组件140‑1。幅材引导组件140‑1将幅材112偏置到熔融金属120‑1中。第一容器114‑1由一个或多个加热器116加热。 [0063] 幅材112由一个或多个导辊120和与包括熔融金属120‑1如锂的第二容器114‑2相邻的幅材引导组件140‑2引导。幅材引导组件140‑2将幅材112偏置到第二容器114‑2中的熔融金属120‑2中。第二容器114‑2由一个或多个加热器116加热。如果需要，可以重复该过程以增加金属层的厚度。 [0064] 可以通过调节金属层和熔融金属接触的时间长度来控制幅材上金属层的最终厚度。例如，可以通过控制幅材的移动(滚动)速度和/或幅材经过熔融金属的距离来调节接触时间。还可以通过改变熔融金属的温度、幅材经过的容器的数量和/或幅材引导组件的弓形或半椭圆形轮廓的形状来调节在幅材上形成的金属层的最终厚度。 [0065] 在其它实例中，形成在幅材上的金属层的厚度由布置在一个或多个容器的出口侧上的厚度调节器128控制。在图2中，厚度调节器128包括气源130、一个或多个阀门132和一个或多个喷嘴134。一个或多个喷嘴134将气体引导到包括湿金属层的幅材112以调节幅材 112上金属层的厚度。 [0066] 现在参考图3，示出了双面辊对辊工艺200。在由一个或多个加热器216加热的第一容器214‑1中产生熔融金属220‑1。在一些实例中，第一容器214‑1安装在倾斜轴(未示出)上以允许第一容器214‑1从底表面的一侧、底表面的中部或其它位置倾斜。致动器220‑1选择性地倾斜第一容器214‑1以使熔融金属220‑1接触幅材230的一侧并在幅材230上产生金属 层232。当幅材230在向上方向上移动时，熔融金属涂覆幅材230的表面。 [0067] 在由一个或多个加热器216加热的第二容器214‑2中产生熔融金属220‑2。在一些实例中，第二容器214‑2安装在轴(未示出)上以允许第二容器214‑2从底表面的一侧、底表面的中部或其它位置倾斜。致动器220‑2选择性地倾斜第二容器214‑2以使熔融金属220‑2接触幅材230的另一侧并在幅材230上形成薄金属层234。当处理完成时，第一容器214‑1和第二容器214‑2返回水平位置。 [0068] 现在参考图4，图3的涂覆过程可以在辊对辊工艺中重复一次或多次以增加幅材上金属层的厚度。在图4中，幅材230和金属层232和234向上移动通过第一工位250‑1，围绕第一导辊256和第二导辊258，向上移动通过第二工位250‑2，围绕第三导辊260和第四导辊 264，并向上通过第三工位250‑3。每个工位包括第一和第二容器214，其涂覆幅材230的相对侧。如果需要，可以使用附加工位来进一步增加金属层的厚度和/或施加另一种类型的涂 层。 [0069] 现在参考图5，显示了将幅材完全浸没在熔融金属中的双面涂覆工艺300。容器314由一个或多个加热器316加热以产生熔融金属320。将幅材330供给到熔融金属220中并且围 绕布置在熔融金属中的导辊322。金属层332和334形成在幅材330的相对侧上。 [0070] 现在参考图6，图5的涂覆过程可以在辊对辊工艺中重复一次或多次以增加涂覆金属层的厚度。幅材330通过工位350‑1、350‑2、350‑3、...供给以增加金属层的厚度。更具体地，将幅材330供给到熔融金属中并围绕第一工位350‑1的导辊322、围绕导辊362、进入熔融金属并围绕第二工位350‑2的导辊322、围绕导辊364、进入熔融金属并围绕第三工位350‑3的导辊322，并以此类推。 [0071] 在幅材330上涂覆金属层332和334之后，可以进行压延或压制和/或加热。幅材330和金属层332和334通过辊410和420供给，辊410和420压制和/或加热幅材330和金属层332 和334。 [0072] 在一些实例中，幅材包括由选自铜(Cu)、镍(Ni)、钛(Ti)或不锈钢的材料制成的致密箔或多孔箔。虽然前面的论述描述了在幅材上涂覆锂金属作为实例，但上述工艺也可用于在幅材上涂覆其它低熔点金属，包括钠(Na)、钾(K)、铟(In)、锡(Sn)、镉(Cd)、锌(Zn)和铅(Pb)。对于这些金属，熔池温度的温度范围为金属熔点至高于熔点200℃的温度。 [0073] 在前面的描述中，使用由金属制成的集流体箔作为实例。然而，幅材也可以由选自碳和聚合物的非金属材料制成。 [0074] 现在参考图8，集流体箔的表面处理可以在用金属涂覆之前进行。幅材506由辊504提供。幅材506经过表面处理装置510，其涂覆或处理幅材506的相对表面。例如，表面处理装置510可包括喷洒器和/或加热器511‑1和511‑2，以用增强润湿的涂层涂覆幅材506的表面和/或以加热幅材506的表面以形成亲锂氧化层。 [0075] 容器524中的熔融金属522由加热器526加热至熔融状态。经表面处理的幅材512由导辊514引导到熔融金属522中并围绕位于熔融金属中的导辊520。将金属层532和534涂覆 到经表面处理的幅材512上。可以理解，可以使用附加工位来增加金属层的厚度和/或在添 加金属层532和534之后添加涂层。 [0076] 上文的描述本质上仅是示例性的并且绝对无意限制本公开、其应用或用途。本公开的广泛教导可以以各种形式实施。因此，尽管本公开包括特定实例，但本公开的真实范围不应受此限制，因为在研究附图、说明书和所附权利要求之后，其它修改将变得显而易见。 应该理解的是，方法内的一个或多个步骤可能以不同顺序(或同时)实施而不改变本公开的 原理。此外，尽管各实施方案在上文中被描述为具有某些特征，但关于本公开的任一实施方案描述的任何一个或多个特征可在任何其它实施方案中实施和/或与任何其它实施方案的 特征组合，即使没有明确描述该组合。换言之，所述实施方案并不互相排斥，并且一个或多个实施方案的相互置换仍在本公开的范围内。 [0077] 使用各种术语描述元件之间(例如模块、电路元件、半导体层等之间)的空间和功能关系，包括“连接”、“接合”、“耦合”、“相邻”、“紧邻(next to)”、“在...顶部”、“在...上”、“在...下”和“设置(disposed)”。除非明确描述为“直接”，当在上述公开中描述第一元件和第二元件之间的关系时，该关系可以是在第一元件和第二元件之间不存在其它中间元件的 直接关系，也可以是在第一元件和第二元件之间(在空间上或功能上)存在一个或多个中间 元件的间接关系。本文所用的短语“A、B和C的至少一个”应被解释为是指使用非排他的逻辑OR的逻辑(A或B或C)，并且不应被解释为是指“至少一个A、至少一个B和至少一个C”。 |
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