Способ бесконтактной очистки литиевой фольги для изготовления литиевого электрода Российский патент 2024 года по МПК B08B7/00 B23K26/00 

Заявленное изобретение относится к электротехнике и, в частности, к способу бесконтактной очистки тонкослойного литиевого электрода для первичных и вторичных химических источников тока от поверхностных загрязнений.

Предпосылки изобретения

Металлическая фольга, например, из металлического лития применяется как в первичных, так и во вторичных химических источниках тока в качестве активного материала отрицательного электрода. Например, в литий-серном аккумуляторе в качестве анода используется металлическая литиевая фольга.

Чтобы увеличить удельную энергию аккумулятора, например, литий-серного аккумулятора, необходимо снизить его полную массу. Теоретически этого можно достичь, уменьшая вес вспомогательных материалов входящих в состав электродов и применяя активные материалы электродов с высокой электрохимической емкостью. Важной характеристикой электродов вторичных источников тока является их поверхностная емкость. Обычно поверхностная емкость электродов литий-ионных и литий-серных аккумуляторов лежит в диапазоне 2-5 мА*час/см². Толщина литиевых фольговых электродов с такой поверхностной емкостью составляет всего 10-25 мкм. Однако тонкая литиевая фольга является очень мягкой и легко деформируется и/или рвется при механических воздействиях. Когда из такой фольги изготавливают литиевые электроды для химических источников тока она имеет тенденцию прилипать к рабочим поверхностям инструментов, используемых в операциях вырезки и очистки. Как результат, тонкую литиевую фольгу сложно получать и обрабатывать. Для изготовления тонкослойных металлических электродов необходимы методы щадящего воздействия на обрабатываемый материал и, в частности, на литиевую фольгу.

Другой проблемой является проблема очистки поверхности литиевой фольги от загрязнений. На литиевой фольге неизбежно присутствуют различные загрязнения в результате взаимодействия металлического литиевого электрода с компонентами атмосферы в процессе его изготовления, транспортировки и хранения. Присутствующие загрязнения существенно ухудшают электрохимические свойства металлических литиевых электродов.

Уровень техники

Металлический литий является перспективным материалом для изготовления отрицательных электродов химических источников тока, поскольку он обладает низким электродным потенциалом (-3,05 В отн. НВЭ) и высоким электрохимическим эквивалентом (3,884 А*час/г).

Обычно литиевые электроды для химических источников тока изготавливают контактными механическими методами, при которых инструмент контактирует с металлическим литием. Однако, применение механических контактных методов, как правило, ограничено толщиной металлической литиевой фольги 80-100 мкм. Для изготовления более тонких литиевых электродов необходимо использовать бесконтактные методы, при которых нет прямого механического взаимодействия инструмента с обрабатываемым материалом.

Перспективной группой бесконтактных методов являются методы, использующие высокоэнергетическое лазерное воздействие на обрабатываемый материал. Лазерные технологии обладают высокой точностью, высокой скоростью процессов, простотой автоматизации и уже успешно заменили традиционные методы обработки в различных областях техники (S. Chatterjee, S.S. Mahapatra, V. Bharadwaj, B.N. Upadhyay, and K.S. Bindra, “Prediction of quality characteristics of laser drilled holes using artificial intelligence techniques,” Eng. Comput., vol. 37, no. 2, pp. 1181-1204, 2021.; D. Lee and J. Suk, “Laser cutting characteristics on uncompressed anode for lithium-ion batteries,” Energies, vol. 13, no. 10, 2020. ; S. Son and D. Lee, “The effect of laser parameters on cutting metallic materials,” Materials (Basel)., vol. 13, no. 20, pp. 1-15, 2020.)

Применение лазерных технологий в технологиях металлического лития требует специальных условий из-за специфических химических и физических свойств лития. Литий обладает высокой реакционной способностью по отношению к воде и её парам. Поэтому все работы по изготовлению литиевой фольги и литиевых электродов проводятся в специальных помещениях - сухих комнатах. Для работы с металлическим литием содержание влаги в атмосфере сухой комнаты не должно превышать 50-100 ppm. Производственные сухие комнаты являются дорогостоящими сооружениями. Поэтому применение сухих комнат существенно повышает стоимость изготовления литиевых электродов.

Для работы с металлическим литием также возможно использование перчаточных боксов с сухой воздушной атмосферой. Однако объем перчаточных боксов небольшой и размещение крупногабаритного оборудования в перчаточных боксах затруднено. Кроме того, большие сложности вызывает как работа с таким оборудованием, так и его обслуживание.

Для широкомасштабного применения лазерных методов в литиевых технологиях необходимо разработка специализированного оборудования, сочетающего в себе достоинства и удобства применения как сухих комнат, так и перчаточных боксов.

Прототипом заявляемого изобретения является способ лазерной очистки металлов (по российскому патенту № RU 2619692) с использованием на очищаемой поверхности пятна с плотностью мощности лазерного излучения, достаточной для возникновения процессов терморазрушения покрытия. В данном способе используют непрерывное лазерное излучение, пятно которого на поверхности изделия непрерывно перемещают по замкнутой круговой траектории, центр кривизны которой при этом линейно перемещают по траектории любой конфигурации для получения непрерывной полосы обработки. При этом непрерывное лазерное излучение в зону обработки доставляют посредством оптического волокна и направляют на формирующую оптическую систему с узлом из двух оптических клиньев на конце, которую вращают вокруг своей оси и линейно перемещают по очищаемой поверхности. Недостатком данного способа является использование сложной конструкции, требующей дополнительного оптического оборудования.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей предлагаемого технического решения является разработка простого и доступного метода очистки, а также дешевого оборудования, необходимого для бесконтактной очистки литиевой фольги различных размеров и конфигурации от поверхностных загрязнений.

Сущность заявленного способа очистки литиевого электрода заключается в последовательном выполнении следующих операций. От рулона литиевой фольги отматывается и отрезается от рулона гильотиной, ножом, скальпелем, ножницами необходимое количество материала заданной длинны. Заготовка металлического лития помещается внутрь перчаточного бокса на рабочий стол. Перчаточный бокс имеет окно на верхней поверхности. С помощью высоты подъема рабочего стола регулируется расстояние между окном перчаточного бокса и фольгой. Очистка литиевого электрода производится с помощью лазера с заданными характеристиками режима работы, помещенного на перчаточный бокс, на его окно. Полученная после очистки литиевая фольга может быть далее использована для изготовления из нее литиевого электрода.

Таким образом, способ бесконтактной очистки литиевой фольги для изготовления литиевого электрода, включает: размотку рулона литиевой фольги; отрезание от рулона гильотиной, ножом, скальпелем или ножницами необходимое количество литиевой фольги заданной длинны; помещение заготовки литиевой фольги внутрь перчаточного бокса на рабочий стол; позиционирование литиевой фольги на рабочем столе; c помощью высоты подъема рабочего стола обеспечивают регулирование расстояния между окном перчаточного бокса и фольгой; обеспечивают очистку литиевого электрода с помощью лазера с заданными характеристиками режима работы, помещенного на окно перчаточного бокса.

При этом очистка литиевой фольги осуществляется в перчаточном боксе, заполненным сухим воздухом и оснащенным стеклянным окном, размещенным на верхней поверхности перчаточного бокса, устройством протяжки и позиционирования литиевой фольги, устройством укладки вырезанных литиевых электродов в специальный приемный контейнер.

При этом влажность воздуха в перчаточном боксе для очистки лазером литиевой фольги не превышает 50 - 60 ррм, относительная влажность не более 0,5 - 1%.

При этом расстояние между стеклянным окном, размещенным на верхней поверхности перчаточного бокса, и поверхностью литиевой фольги, размещенной на рабочем столе, находится в диапазоне 250 - 300 мм.

При этом очистка лазером литиевой фольги осуществляется с помощью иттербиевого волоконного лазера с длиной волны лазерного излучения 1064 нм.

При этом очистка лазером литиевой фольги осуществляется с помощью иттербиевого волоконного лазера, при этом диаметр пятна лазерного луча на поверхности металлического лития может варьироваться от 10 до 12 мкм.

При этом очистка лазером литиевой фольги осуществляется с помощью иттербиевого волоконного лазера, при этом мощность излучения лазера может находиться в диапазоне 0,5 - 2,0 Вт.

При этом очистка лазером литиевой фольги осуществляется с помощью иттербиевого волоконного лазера, при этом скорость перемещения лазерного луча по поверхности литиевой фольги может находиться в диапазоне 600 - 1000 мм/сек.

При этом, очистка лазером литиевой фольги осуществляется с помощью иттербиевого волоконного лазера, при этом частота генерации лазерного луча может находиться в диапазоне 40 - 60 кГц.

Осуществление изобретения

Возможность реализация заявленного изобретения продемонстрирована на следующем примере. От рулона литиевой фольги толщиной 100 мкм, шириной 60 мм с помощью линейки измерительной отмотали 100 мм. С помощью скальпеля отрезали отмеренное количество материала, который далее поместили на поверхность рабочего стола, размещенного в перчаточном боксе, оснащенном стеклянным окном на его верхней поверхности. С помощью устройства для позиционирования, установили литиевую фольгу на место под окном перчаточного бокса таким образом, чтобы между окном и фольгой было 270 мм. Для очистки использовали волоконный иттербиевый лазер со следующими установками режима работы: длинна волны лазерного излучения 1064 нм, частота генерации лазерного луча 40 кГц, скорость перемещения лазерного луча 600 мм/сек, мощность излучения лазера 1,0 Вт, диаметр пятна лазерного луча 10 мкм. Путем сканирования лазерного луча по поверхности литиевой фольги произвели её очистку. Очищенная таким образом литиевая фольга далее была подвергнута лазерной резке с целью изготовления тонкослойного литиевого электрода заданной формы.

Изобретение относится к электротехнике. Способ бесконтактной очистки литиевой фольги для изготовления литиевого электрода включает: размотку рулона литиевой фольги; отрезание от рулона гильотиной, ножом, скальпелем или ножницами необходимого количества литиевой фольги заданной длины; помещение заготовки литиевой фольги внутрь перчаточного бокса на рабочий стол; позиционирование литиевой фольги на рабочем столе; c помощью высоты подъема рабочего стола обеспечивают регулирование расстояния между окном перчаточного бокса и фольгой; обеспечивают очистку литиевого электрода с помощью лазера с заданными характеристиками режима работы, помещенного на окно перчаточного бокса. Технический результат – обеспечение простого и доступного метода для бесконтактной очистки литиевой фольги различных размеров и конфигурации от поверхностных загрязнений. 8 з.п. ф-лы.

1. Способ бесконтактной очистки литиевой фольги для изготовления литиевого электрода, включающий: размотку рулона литиевой фольги; отрезание от рулона гильотиной, ножом, скальпелем или ножницами необходимого количества литиевой фольги заданной длины; помещение заготовки литиевой фольги внутрь перчаточного бокса на рабочий стол; позиционирование литиевой фольги на рабочем столе; c помощью высоты подъема рабочего стола обеспечивают регулирование расстояния между окном перчаточного бокса и фольгой; обеспечение очистки литиевой фольги с помощью лазера с заданными характеристиками режима работы, помещенного на окно перчаточного бокса.

2. Способ очистки по п. 1, отличающийся тем, что очистка литиевой фольги осуществляется в перчаточном боксе, заполненном сухим воздухом и оснащенном стеклянным окном, размещенным на верхней поверхности перчаточного бокса, устройством протяжки и позиционирования литиевой фольги, устройством укладки вырезанных литиевых электродов в специальный приемный контейнер.

3. Способ очистки по п. 2, отличающийся тем, что влажность воздуха в перчаточном боксе для очистки лазером литиевой фольги не превышает 50-60 ppm, относительная влажность не более 0,5-1%.

4. Способ очистки по п. 2, отличающийся тем, что расстояние между стеклянным окном, размещенным на верхней поверхности перчаточного бокса, и поверхностью литиевой фольги, размещенной на рабочем столе, находится в диапазоне 250-300 мм.

5. Способ очистки по п. 1, отличающийся тем, что очистка лазером литиевой фольги осуществляется с помощью иттербиевого волоконного лазера с длиной волны лазерного излучения 1064 нм.

6. Способ очистки по п. 1, отличающийся тем, что очистка лазером литиевой фольги осуществляется с помощью иттербиевого волоконного лазера, при этом диаметр пятна лазерного луча на поверхности металлического лития может варьироваться от 10 до 12 мкм.

7. Способ очистки по п. 1, отличающийся тем, что очистка лазером литиевой фольги осуществляется с помощью иттербиевого волоконного лазера, при этом мощность излучения лазера может находиться в диапазоне 0,5-2,0 Вт.

8. Способ очистки по п. 1, отличающийся тем, что очистка лазером литиевой фольги осуществляется с помощью иттербиевого волоконного лазера, при этом скорость перемещения лазерного луча по поверхности литиевой фольги может находиться в диапазоне 600-1000 мм/с.

9. Способ очистки по п. 1, отличающийся тем, что очистка лазером литиевой фольги осуществляется с помощью иттербиевого волоконного лазера, при этом частота генерации лазерного луча может находиться в диапазоне 40-60 кГц.