用於儲能器的電極的製作方法

2023-10-09 14:56:04 3

專利名稱：用於儲能器的電極的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於儲能器的電極和一種具有這樣的電極的儲能器。
背景技術：
儲能器越來越多地使用在電動車輛和混合動力電動車輛中，所以對具有大容量、 高功率和長期穩定性的儲能器有越來越多的需求。對於儲能器特別是作為蓄電池的鋰(離 子)電池因其高比蓄電密度而佔有特殊的地位。經塗層的鋰離子電池的例子在DE 10 2005 042 916 Al中公開了和經卷繞的鋰離 子電池在EP 0 949 699 Bl中公開了。在此作為鋰離子電池所構成的儲能器總是含有第一 電極、第二電極和位於第一電極和第二電極之間的隔離元件或由這些部件互相交替地排列 而形成的裝置。如在DE 10 2005 042 916 Al中準確地說明的那樣，在此電極通常由電極 載體構成，在電極載體的一側或二側安裝有活潑的電極材料。在鋰離子電池的情況下，陽極 常常由銅製成的陽極支架和諸如由石墨製成的活潑的陽極材料構成，和陰極常常由鋁製成 的陰極支架和由氧化鋰製成的活潑的陰極材料構成。

發明內容
基於此，本發明的目的在於，提出一種具有改善的長期穩定性的儲能器和用於這 樣的儲能器中的電極。根據第一方面，該目的通過用於具有權利要求1所述的特徵的儲能器的電極來實 現。本發明的優選的構造和進一步的構造是從屬權利要求2-6所述的主題。用於儲能器的電極含有電極載體和活潑的電極材料，所述活潑的電極材料設置在 電極載體的一側或二側上。根據本發明，電極載體由具有至少約99. 9重量％的銅和磷含量 的技術上無氧的銅材料構成。在用於電極載體的銅材料中的磷的一部分結合銅材料中所有的自由氧，因而保證 了其的耐氫性。此外所提供的磷間隙地在晶格中溶解，進而在氧化性的熱處理和高重結晶 溫度時起高耐氫性的作用。換言之，在用於電極載體的材料中主要涉及磷-脫氧銅。通過銅材料中含磷所形成的氧化磷小顆粒在凝結時起形成晶核和生成顆粒精細 和均勻的晶體結構的作用。這種精細顆粒的結構在電極載體的面上產生穩定的電流加載， 進而阻止破壞晶體結構的危險。換言之，電極的長期穩定性顯著地提高了。這樣的銅材料 的導電能力與那種傳統使用的銅材料類似，其基本上由技術上無氧的銅在沒有脫氧劑下制 成。所以如上所述構成的電極特別適合用於具有大容量和高效率的大型儲能器，如例 如其用於電動車輛和混合動力電動車輛中時所必需的那樣。優選地，電極載體的銅材料含有至少約99. 95重量％的銅。電極載體的銅材料的磷含量主要在約0. 001-約0. 10重量％的範圍中，優選為在 約0. 002-約0. 007重量％的範圍中。
根據第二方面，上述目的通過具有權利要求7所述的特徵的儲能器來實現。本發 明的優選的構造和進一步的構造是從屬權利要求8-14的主題。儲能器含有第一電極(例如負電極，陽極)、第二電極(例如正電極，陰極)和位於 第一和第二電極之間的隔離元件，所述隔離元件阻止二個電極之間的直接的電接觸。在此 第一和/或第二電極由如上所述的電極構成。如上所述，通過根據本發明所構成的電極可改善電極的長期穩定性，這樣自然地 也顯著地改善整個儲能器的長期穩定性。對於儲能器，可以是例如蓄電池(也就是可再充電的直流電池)、原電池(也就是 不可再充電的直流電池)、電容器或類似物。特別優選地，根據本發明的電極使用在鋰(離 子)電池中。在本發明的另一個構造中，儲能器可含有由多個第一電極和多個第二電極構成的 組，第一電極和第二電極互相交替地堆疊，並且二者之間各自設置隔離元件。優選地，本發明不僅可應用在對第一和第二電極進行塗層的儲能器中，而且也可 以用在對第一電極和第二電極進行卷繞的儲能器中。
以下結合附圖和優選的但不限於此的具體實施方式
詳細說明，本發明的上述的以 及其他的特徵和優點將會得到更好的理解。其中示出

圖1是根據本發明的第一實施方式的電極的示意性的剖面圖；圖2是根據本發明的第二實施方式的電極的示意性的剖面圖；圖3是根據本發明的第三實施方式的電極的示意性的剖面圖；圖4是根據本發明的第四實施方式的電極的示意性的剖面圖；圖5是具有根據本發明的電極的儲能器的示意性剖面圖；圖6A是傳統的電極載體的晶體組織結構的示意圖；和圖6B是本發明的電極載體的晶體組織結構的示意圖。
具體實施例方式參照圖1-4，首先更清楚地解釋用於儲能器的電極的不同實施方式的構造。圖1以剖面圖示出根據本發明構造的用於儲能器的電極的第一實施方式。電極10 具有電極載體12，在其二側設置活潑的電極材料14。在此在圖1的實施方式中活潑的電極 材料14不是設置在電極載體12上的整個區域中，以致於電極載體12在由活潑的電極材料 14構成的至少一側上突出。這種由活潑電極材料14構成的電極載體12的突出的部分可以 用作為電流導體16，用於向電極10輸入充電電流或用於從電極10輸出放電電流。圖2所例示的具體實施方式
與上述的第一實施方式的差別在於，活潑電極材料14 設置在電極載體12的兩側的全部面積上，以致於電極載體12不從活潑電極材料14突出。 在這種情況下在儲能器的構造中在必要時單獨的電流導體可朝電極載體12的延伸方向連 接(例如焊接)於其上。圖3示出了電極的第三實施方式，其與上述的第一實施例的差別在於，電極載體 12僅在一側用活潑電極材料14進行塗層。
4
圖4的第四實施方式是上述第二和第三實施方式的組合。也就是活潑電極材料14 僅設置在電極載體12的一側，並且，電極載體12 —側的全部面積基本上用活潑的電極材料 14塗覆。電極載體12在所有的實施方式中製成例如薄片、帶、板、薄板或類似物的形 式和例如由相應的溶液以電解的方式在軋輥上沉積。電極載體12的厚度例如為在約 4μπι-80μπι範圍內，優選為約5「111-5(^111，更優選為約5「111-3(^111的範圍中。圖5示出了一個儲能器的例子，在該例子中利用上述的電極10。儲能器，例如可再充電的蓄電池、原電池、電容器或類似物具有第一電極10(例如 負電極或陽極)、第二電極18(例如正電極或陰極)和位於二個電極10、18之間的間隔元 件24。第一電極10可應用例如圖1-4中所示電極，第二電極18以基本上類似於第一電極 10那樣構造，也就是其也含有電極載體20和活潑的電極材料22，設置於電極載體20的一 側或二側。在二個電極10、18之間的隔離元件24阻止在二個電極10、18之間的直接的導電 接觸。如在圖5所示，隔離元件24可簡單地分隔電極10、18 (特別是它的活潑區域14、22)。 然而也可以是優選的是，隔離元件24通過直接相鄰的電極10、18的活潑電極材料14、22在 至少一側上突出。儲能器例如可恰好包括第一電極10、隔離元件24和第二電極18，如在圖5中所表 示的那樣。然而在許多應用情況中優選的是，儲能器含有由多個第一電極10和多個第二電 極18構成的組，其中，第一電極10和第二電極18交替地互相堆疊，並且在二者之間分別設 置隔離元件24。此外儲能器可以卷繞或者鍍層形式顯示具有根據圖5所示的構造或堆疊構造。根據本發明提出的是，特殊材料應用於儲能器的第一和/或第二電極10、18中。以 下所解釋的材料可特別優選用於鋰離子電池的陽極10中，但不應將本發明局限在這種特 殊應用上。用於儲能器(參見圖5)的電極10(參見圖1-4)的電極載體12由技術上具有至 少約99. 9重量％的銅的無氧的銅材料和確定的磷含量構成。用於電極載體12的銅材料的銅含量(Cu)為至少約99. 9重量％，優選為至少約 99. 95 重量 ％。用於電極載體12的銅材料的磷含量(P)最好在約0. 001-約0. 010重量％的範圍 中，優選為在約0. 002-約0. 007重量％的範圍中。在本發明的銅材料中不含有其他的組成成分，特別如在傳統應用的銅材料中所具 有的鉍(Bi)或鉛(Pb)。根據本發明所使用的銅材料的優點，特別是它的改善的長期穩定性可用下述內容解釋。根據下列化學方程式在銅材料中的磷的一部分結合所有的自由氧5Cu20+2P- > 10Cu+P205，這樣就保證了銅材料的耐氫性。如此結合的氧的份額在凝固態的銅材料中例如為 約0.0030重量％。此外所提供的未參與反應的(stehender)磷間隙性地在晶格中溶解和 在氧化熱處理和高的重結晶溫度時引起高的耐氫性。換言之，對於本發明的銅材料主要涉
5及磷-脫氧銅。所形成的氧化磷小顆粒的作用是在銅材料凝結時形成晶核和生成顆粒精細的均 勻的晶體結構組織。這樣的精細顆粒組織又在電極載體12的面上形成穩定的電流加載，進 而阻止晶體結構的破壞。為了解釋清楚，圖6A和6B示出了傳統使用的銅材料(圖6A)和根據本發明使用 的銅材料(圖6B)之間的晶體組織結構的比較。在圖6A的情況中應用高的純度(銅含量彡99. 99重量％ )的無氧的和無脫氧劑 的銅材料。如圖6A所示，在這種銅材料中給出具有約30 μ m數量級的顆粒大小的晶體組織結構。在大顆粒的組織結構中存在通過電極載體的面的不均勻的電流加載進而破壞晶 體結構的危險。這種在晶體結構中可溶解的顆粒是儲能器熱生成和短路的原因。與此相反，圖6B示出了具有磷含量的無氧的銅材料的晶體組織結構，如上所述的 那樣。在此給出具有約20 μ m和更小的數量級的顆粒大小的晶體組織結構，也即非常精細 顆粒的和均勻的組織。作為用於儲能器的電極10的電極載體10的材料的特殊例子可以應用德國 Prymetall GmbH&Co. KG的，名稱為「PNA210」的銅材料。這種經脫氧的無氧銅材料具有至 少99. 95重量％的銅含量和範圍為0. 002-0. 007重量％的磷含量，不含有鉍和鉛。這種銅 材料的比導電率為約57MS/m(在經鍛燒的狀態中)，它的導熱性為約385W/m. K。關於用於陽極10的活潑的電極材料14、用於電極載體20和陰極18的活潑的電極 材料22以及用於隔離元件24的材料在本發明的範疇中沒有特別的限制。用於這種部件的 合適的材料可用在鋰離子電池的情況中，在例如上文中已提到的DE 10 2005 042 916 Al 中有詳細地描述，在此特別明確地進行參考。此外電極10、18和儲能器的製備在本發明的 範疇中也不限於特定的方法。上述的本發明的電極特別用於具有大容量和高輸出功率(超過3或5Ah至300Ah 和更大)，極好的長期穩定性(例如具有有超過3000充/放電-周期和更多)和實用性。 具有這樣的電極的儲能器優選地可用在電動車輛和混合動力電動車輛中。
權利要求
一種用於儲能器的電極(10)，具有電極載體(12)；和活潑的電極材料(14)，設置在所述電極載體(12)的一側或二側上，其特徵在於，所述電極載體(12)由具有至少約99.9重量％的銅和磷含量的技術上無氧的銅材料構成。
2.根據權利要求1所述的電極，其特徵在於，所述電極載體(12)的銅材料含有至少約99.95重量％的銅。
3.根據權利要求1或2所述的電極，其特徵在於，所述電極載體(12)的銅材料含有至少約0. 001重量％的磷。
4.根據權利要求1或2所述的電極，其特徵在於，所述電極載體(12)的銅材料含有至少約0.002重量％的磷。
5.根據權利要求1-4中的任一項所述的電極，其特徵在於， 所述電極載體(12)的銅材料含有最多約0.010重量％的磷。
6.根據權利要求1-4中的任一項所述的電極，其特徵在於， 所述電極載體(12)的銅材料含有最多約0.007重量％的磷。
7.一種儲能器，具有第一電極(10)，第二電極(18)和位於第一和第二電極之間的隔離 元件(24)，其特徵在於，所述第一和/或第二電極(10、18)由權利要求1-6中的任一項所述的電極構成。
8.根據權利要求7所述的儲能器，其特徵在於， 所述儲能器是蓄電池。
9.根據權利要求7所述的儲能器，其特徵在於， 所述儲能器是原電池。
10.根據權利要求7所述的儲能器，其特徵在於， 所述儲能器是電容器。
11.根據權利要求8-10中的任一項所述的儲能器，其特徵在於， 所述儲能器是鋰離子電池。
12.根據權利要求7-11中的任一項所述的儲能器，其特徵在於，所述儲能器含有由多個第一電極(10)和多個第二電極(18)構成的組，所述第一電極 (10)和第二電極(18)交替地互相堆疊，並且二者之間各自設置所述隔離元件(24)。
13.根據權利要求7-12中的任一項所述的儲能器，其特徵在於， 所述第一和第二電極(10、18)是分層的。
14.根據權利要求7-12中的任一項所述的儲能器，其特徵在於， 所述第一和第二電極(10、18)是卷繞的。
全文摘要
本發明涉及一種諸如原電池的儲能器，包括第一電極(10)、第二電極(18)和位於第一和第二電極之間的隔離元件(24)。第一和第二電極(10、18)各自由電極載體(12、20)和活潑的電極材料(14、22)構成，活潑的電極材料(14、22)設置在各自的電極載體的一側或二側上。為了改善長期穩定性，尤其是大型鋰離子電池的長期穩定性，第一和/或第二電極(10、18)的電極載體(12、20)由具有至少約99.9重量％的銅和磷含量的技術上無氧的銅材料構成。
文檔編號H01M10/36GK101919091SQ200880119467
公開日2010年12月15日 申請日期2008年11月26日 優先權日2007年12月10日
發明者安德裡亞斯·蓋奇, 蒂姆·舍費爾 申請人:鋰電池科技有限公司