专利名称：用于储能器的电极的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于储能器的电极和一种具有这样的电极的储能器。
背景技术：
储能器越来越多地使用在电动车辆和混合动力电动车辆中，所以对具有大容量、 高功率和长期稳定性的储能器有越来越多的需求。对于储能器特别是作为蓄电池的锂(离 子)电池因其高比蓄电密度而占有特殊的地位。经涂层的锂离子电池的例子在DE 10 2005 042 916 Al中公开了和经卷绕的锂离 子电池在EP 0 949 699 Bl中公开了。在此作为锂离子电池所构成的储能器总是含有第一 电极、第二电极和位于第一电极和第二电极之间的隔离元件或由这些部件互相交替地排列 而形成的装置。如在DE 10 2005 042 916 Al中准确地说明的那样，在此电极通常由电极 载体构成，在电极载体的一侧或二侧安装有活泼的电极材料。在锂离子电池的情况下，阳极 常常由铜制成的阳极支架和诸如由石墨制成的活泼的阳极材料构成，和阴极常常由铝制成 的阴极支架和由氧化锂制成的活泼的阴极材料构成。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，提出一种具有改善的长期稳定性的储能器和用于这 样的储能器中的电极。根据第一方面，该目的通过用于具有权利要求1所述的特征的储能器的电极来实 现。本发明的优选的构造和进一步的构造是从属权利要求2-6所述的主题。用于储能器的电极含有电极载体和活泼的电极材料，所述活泼的电极材料设置在 电极载体的一侧或二侧上。根据本发明，电极载体由具有至少约99. 9重量％的铜和磷含量 的技术上无氧的铜材料构成。在用于电极载体的铜材料中的磷的一部分结合铜材料中所有的自由氧，因而保证 了其的耐氢性。此外所提供的磷间隙地在晶格中溶解，进而在氧化性的热处理和高重结晶 温度时起高耐氢性的作用。换言之，在用于电极载体的材料中主要涉及磷-脱氧铜。通过铜材料中含磷所形成的氧化磷小颗粒在凝结时起形成晶核和生成颗粒精细 和均勻的晶体结构的作用。这种精细颗粒的结构在电极载体的面上产生稳定的电流加载， 进而阻止破坏晶体结构的危险。换言之，电极的长期稳定性显著地提高了。这样的铜材料 的导电能力与那种传统使用的铜材料类似，其基本上由技术上无氧的铜在没有脱氧剂下制 成。所以如上所述构成的电极特别适合用于具有大容量和高效率的大型储能器，如例 如其用于电动车辆和混合动力电动车辆中时所必需的那样。优选地，电极载体的铜材料含有至少约99. 95重量％的铜。电极载体的铜材料的磷含量主要在约0. 001-约0. 10重量％的范围中，优选为在 约0. 002-约0. 007重量％的范围中。
根据第二方面，上述目的通过具有权利要求7所述的特征的储能器来实现。本发 明的优选的构造和进一步的构造是从属权利要求8-14的主题。储能器含有第一电极(例如负电极，阳极)、第二电极(例如正电极，阴极)和位于 第一和第二电极之间的隔离元件，所述隔离元件阻止二个电极之间的直接的电接触。在此 第一和/或第二电极由如上所述的电极构成。如上所述，通过根据本发明所构成的电极可改善电极的长期稳定性，这样自然地 也显著地改善整个储能器的长期稳定性。对于储能器，可以是例如蓄电池(也就是可再充电的直流电池)、原电池(也就是 不可再充电的直流电池)、电容器或类似物。特别优选地，根据本发明的电极使用在锂(离 子)电池中。在本发明的另一个构造中，储能器可含有由多个第一电极和多个第二电极构成的 组，第一电极和第二电极互相交替地堆叠，并且二者之间各自设置隔离元件。优选地，本发明不仅可应用在对第一和第二电极进行涂层的储能器中，而且也可 以用在对第一电极和第二电极进行卷绕的储能器中。
以下结合附图和优选的但不限于此的具体实施方式
详细说明，本发明的上述的以 及其他的特征和优点将会得到更好的理解。其中示出
图1是根据本发明的第一实施方式的电极的示意性的剖面图；图2是根据本发明的第二实施方式的电极的示意性的剖面图；图3是根据本发明的第三实施方式的电极的示意性的剖面图；图4是根据本发明的第四实施方式的电极的示意性的剖面图；图5是具有根据本发明的电极的储能器的示意性剖面图；图6A是传统的电极载体的晶体组织结构的示意图；和图6B是本发明的电极载体的晶体组织结构的示意图。
具体实施例方式参照图1-4，首先更清楚地解释用于储能器的电极的不同实施方式的构造。图1以剖面图示出根据本发明构造的用于储能器的电极的第一实施方式。电极10 具有电极载体12，在其二侧设置活泼的电极材料14。在此在图1的实施方式中活泼的电极 材料14不是设置在电极载体12上的整个区域中，以致于电极载体12在由活泼的电极材料 14构成的至少一侧上突出。这种由活泼电极材料14构成的电极载体12的突出的部分可以 用作为电流导体16，用于向电极10输入充电电流或用于从电极10输出放电电流。图2所例示的具体实施方式
与上述的第一实施方式的差别在于，活泼电极材料14 设置在电极载体12的两侧的全部面积上，以致于电极载体12不从活泼电极材料14突出。 在这种情况下在储能器的构造中在必要时单独的电流导体可朝电极载体12的延伸方向连 接(例如焊接)于其上。图3示出了电极的第三实施方式，其与上述的第一实施例的差别在于，电极载体 12仅在一侧用活泼电极材料14进行涂层。
4
图4的第四实施方式是上述第二和第三实施方式的组合。也就是活泼电极材料14 仅设置在电极载体12的一侧，并且，电极载体12 —侧的全部面积基本上用活泼的电极材料 14涂覆。电极载体12在所有的实施方式中制成例如薄片、带、板、薄板或类似物的形 式和例如由相应的溶液以电解的方式在轧辊上沉积。电极载体12的厚度例如为在约 4μπι-80μπι范围内，优选为约5“111-5(^111，更优选为约5“111-3(^111的范围中。图5示出了一个储能器的例子，在该例子中利用上述的电极10。储能器，例如可再充电的蓄电池、原电池、电容器或类似物具有第一电极10(例如 负电极或阳极)、第二电极18(例如正电极或阴极)和位于二个电极10、18之间的间隔元 件24。第一电极10可应用例如图1-4中所示电极，第二电极18以基本上类似于第一电极 10那样构造，也就是其也含有电极载体20和活泼的电极材料22，设置于电极载体20的一 侧或二侧。在二个电极10、18之间的隔离元件24阻止在二个电极10、18之间的直接的导电 接触。如在图5所示，隔离元件24可简单地分隔电极10、18 (特别是它的活泼区域14、22)。 然而也可以是优选的是，隔离元件24通过直接相邻的电极10、18的活泼电极材料14、22在 至少一侧上突出。储能器例如可恰好包括第一电极10、隔离元件24和第二电极18，如在图5中所表 示的那样。然而在许多应用情况中优选的是，储能器含有由多个第一电极10和多个第二电 极18构成的组，其中，第一电极10和第二电极18交替地互相堆叠，并且在二者之间分别设 置隔离元件24。此外储能器可以卷绕或者镀层形式显示具有根据图5所示的构造或堆叠构造。根据本发明提出的是，特殊材料应用于储能器的第一和/或第二电极10、18中。以 下所解释的材料可特别优选用于锂离子电池的阳极10中，但不应将本发明局限在这种特 殊应用上。用于储能器(参见图5)的电极10(参见图1-4)的电极载体12由技术上具有至 少约99. 9重量％的铜的无氧的铜材料和确定的磷含量构成。用于电极载体12的铜材料的铜含量(Cu)为至少约99. 9重量％，优选为至少约 99. 95 重量 ％。用于电极载体12的铜材料的磷含量(P)最好在约0. 001-约0. 010重量％的范围 中，优选为在约0. 002-约0. 007重量％的范围中。在本发明的铜材料中不含有其他的组成成分，特别如在传统应用的铜材料中所具 有的铋(Bi)或铅(Pb)。根据本发明所使用的铜材料的优点，特别是它的改善的长期稳定性可用下述内容解释。根据下列化学方程式在铜材料中的磷的一部分结合所有的自由氧5Cu20+2P- > 10Cu+P205，这样就保证了铜材料的耐氢性。如此结合的氧的份额在凝固态的铜材料中例如为 约0.0030重量％。此外所提供的未参与反应的(stehender)磷间隙性地在晶格中溶解和 在氧化热处理和高的重结晶温度时引起高的耐氢性。换言之，对于本发明的铜材料主要涉
5及磷-脱氧铜。所形成的氧化磷小颗粒的作用是在铜材料凝结时形成晶核和生成颗粒精细的均 勻的晶体结构组织。这样的精细颗粒组织又在电极载体12的面上形成稳定的电流加载，进 而阻止晶体结构的破坏。为了解释清楚，图6A和6B示出了传统使用的铜材料(图6A)和根据本发明使用 的铜材料(图6B)之间的晶体组织结构的比较。在图6A的情况中应用高的纯度(铜含量彡99. 99重量％ )的无氧的和无脱氧剂 的铜材料。如图6A所示，在这种铜材料中给出具有约30 μ m数量级的颗粒大小的晶体组织结构。在大颗粒的组织结构中存在通过电极载体的面的不均勻的电流加载进而破坏晶 体结构的危险。这种在晶体结构中可溶解的颗粒是储能器热生成和短路的原因。与此相反，图6B示出了具有磷含量的无氧的铜材料的晶体组织结构，如上所述的 那样。在此给出具有约20 μ m和更小的数量级的颗粒大小的晶体组织结构，也即非常精细 颗粒的和均勻的组织。作为用于储能器的电极10的电极载体10的材料的特殊例子可以应用德国 Prymetall GmbH&Co. KG的，名称为“PNA210”的铜材料。这种经脱氧的无氧铜材料具有至 少99. 95重量％的铜含量和范围为0. 002-0. 007重量％的磷含量，不含有铋和铅。这种铜 材料的比导电率为约57MS/m(在经锻烧的状态中)，它的导热性为约385W/m. K。关于用于阳极10的活泼的电极材料14、用于电极载体20和阴极18的活泼的电极 材料22以及用于隔离元件24的材料在本发明的范畴中没有特别的限制。用于这种部件的 合适的材料可用在锂离子电池的情况中，在例如上文中已提到的DE 10 2005 042 916 Al 中有详细地描述，在此特别明确地进行参考。此外电极10、18和储能器的制备在本发明的 范畴中也不限于特定的方法。上述的本发明的电极特别用于具有大容量和高输出功率(超过3或5Ah至300Ah 和更大)，极好的长期稳定性(例如具有有超过3000充/放电-周期和更多)和实用性。 具有这样的电极的储能器优选地可用在电动车辆和混合动力电动车辆中。
权利要求
一种用于储能器的电极(10)，具有电极载体(12)；和活泼的电极材料(14)，设置在所述电极载体(12)的一侧或二侧上，其特征在于，所述电极载体(12)由具有至少约99.9重量％的铜和磷含量的技术上无氧的铜材料构成。
2.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，所述电极载体(12)的铜材料含有至少约99.95重量％的铜。
3.根据权利要求1或2所述的电极，其特征在于，所述电极载体(12)的铜材料含有至少约0. 001重量％的磷。
4.根据权利要求1或2所述的电极，其特征在于，所述电极载体(12)的铜材料含有至少约0.002重量％的磷。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的电极，其特征在于， 所述电极载体(12)的铜材料含有最多约0.010重量％的磷。
6.根据权利要求1-4中的任一项所述的电极，其特征在于， 所述电极载体(12)的铜材料含有最多约0.007重量％的磷。
7.一种储能器，具有第一电极(10)，第二电极(18)和位于第一和第二电极之间的隔离 元件(24)，其特征在于，所述第一和/或第二电极(10、18)由权利要求1-6中的任一项所述的电极构成。
8.根据权利要求7所述的储能器，其特征在于， 所述储能器是蓄电池。
9.根据权利要求7所述的储能器，其特征在于， 所述储能器是原电池。
10.根据权利要求7所述的储能器，其特征在于， 所述储能器是电容器。
11.根据权利要求8-10中的任一项所述的储能器，其特征在于， 所述储能器是锂离子电池。
12.根据权利要求7-11中的任一项所述的储能器，其特征在于，所述储能器含有由多个第一电极(10)和多个第二电极(18)构成的组，所述第一电极 (10)和第二电极(18)交替地互相堆叠，并且二者之间各自设置所述隔离元件(24)。
13.根据权利要求7-12中的任一项所述的储能器，其特征在于， 所述第一和第二电极(10、18)是分层的。
14.根据权利要求7-12中的任一项所述的储能器，其特征在于， 所述第一和第二电极(10、18)是卷绕的。
全文摘要
本发明涉及一种诸如原电池的储能器，包括第一电极(10)、第二电极(18)和位于第一和第二电极之间的隔离元件(24)。第一和第二电极(10、18)各自由电极载体(12、20)和活泼的电极材料(14、22)构成，活泼的电极材料(14、22)设置在各自的电极载体的一侧或二侧上。为了改善长期稳定性，尤其是大型锂离子电池的长期稳定性，第一和/或第二电极(10、18)的电极载体(12、20)由具有至少约99.9重量％的铜和磷含量的技术上无氧的铜材料构成。
文档编号H01M10/36GK101919091SQ200880119467
公开日2010年12月15日 申请日期2008年11月26日 优先权日2007年12月10日
发明者安德里亚斯·盖奇, 蒂姆·舍费尔 申请人:锂电池科技有限公司