用于制造阴极的方法和电池组电池与流程

本发明涉及一种用于制造用于电池组电池的阴极的方法。本发明还涉及一种电池组电池，其包括至少一个按照根据本发明的方法制造的阴极。

背景技术：

电能可以借助于电池组来储存。电池组将化学反应能转换成电能。在此，区分一次电池组和二次电池组。一次电池组仅能一次性运行，而亦称蓄电池的二次电池组可以再次充电。在此，电池组包括一个或多个电池组电池。

在蓄电池中尤其是使用基于锂的电池组电池、尤其是锂离子电池组电池。它们的特征尤其是在于高能量密度、良好的热稳定性和极小的自放电。在此，此外尤其是将锂离子电池组电池用在机动车辆中、尤其是电动车辆（electricvehicle，ev）、混合动力车辆（hybrideelectricvehicle，hev）以及插电式混合动力车辆（plug-in-hybrideelectricvehicle，phev）中。

这样的基于锂的电池组电池具有亦称阴极的正电极和亦称阳极的负电极、以及阳极与阴极之间的隔离物。阴极以及阳极包括各一个导电的排流体，向所述排流体上分别施加活性材料。用于阴极的活性材料例如是一种或多种锂插层金属氧化物、例如镍和/或钴和/或猛氧化物、例如镍钴锰氧化物（nmc）、或者硫-聚丙烯腈复合物或者含硫材料。用于阳极的活性材料是可锂插层的材料、例如石墨和/或例如硅之类的可与锂成合金的材料和/或金属锂。

锂原子被换入到阳极的活性材料中。在电池组电池的运行中、即在放电过程中，电子在外部电流回路中从阳极流动到阴极。在此，阳极处的含锂活性材料被氧化。在电池组电池内，锂离子在放电过程中从阳极移动到阴极。在电池组电池的充电过程中，锂离子从阴极移动到阳极。

从us2014/0015158a1中公知了一种多层衬底，其具有金属层和由碳纳米管制成的层。该衬底尤其是用于制造用于锂离子电池组电池的电极。

cn101891930公开了一种用于阴极的基于硫的、含碳纳米管的复合材料、以及一种相应制造方法。在此，碳纳米管被涂覆聚合物、尤其是用硫处理过的聚丙烯腈。

从us2014/0052322a1中得知了一种二次电池组，其正电极具有导电衬底。在衬底的表面上将碳纳米管垂直地布置，使得在碳纳米管之间留下空隙。这些空隙被硫填充。

碳纳米管（c纳米管）可以被垂直地定向。例如在文章“highcapacityverticalalignedcarbonnanotube/sulfurcompositecathodes forlithium-sulfurbatteries”（chem.comm.,2012,48,4097页至4099页）中描述了一种用于对碳纳米管进行定向的方法。

技术实现要素：

提出了一种用于制造用于电池组电池、尤其是基于锂的电池组电池的阴极的方法。在此，该方法包括多个步骤，这些步骤在下面予以列举和阐述。

首先，将一结构施加到排流体上，该结构具有多个垂直间隙。在此，排流体是导电的，并且被实施成扁平膜。排流体例如由碳、铜、铝或镍制成。针对阴极的排流体也可以设想其它导电材料。施加到排流体上的结构也可以是导电的。

紧接着，向施加到排流体上的结构上施加涂层。涂层的材料优选是聚合物，并且必要时包含另外的辅助物质、例如以用于改善接触。聚合物本身可以是活性材料、例如氧化还原活性聚合物、如聚噻吩、聚噻吩衍生物、含二硫化物的聚合物、聚吡咯。聚合物还可以是前体，并且在接下来的方法步骤中被进一步加工成活性材料。在涂覆以前，该材料被溶解在有机溶剂中并且在涂覆以后被蒸发。在此，涂层尤其是被施加到结构的垂直间隙中的表面上。

接着，用能够传导锂离子的电解质填充施加到排流体上的结构中的垂直间隙。结构中的垂直间隙的表面已经配备有涂层。因此，电解质在填充到结构的垂直间隙中以后与所施加的涂层贴合。

根据本发明的一个优选扩展方案，施加到排流体上的结构至少很大程度上由碳制成。该结构尤其是具有亦称c纳米管的碳纳米管。

根据本发明的一个优选改进方案，施加到排流体上的结构中的碳纳米管（c纳米管）在施加涂层以前以垂直方向定向。在此上下文中，将如下方向称为垂直方向：该方向与排流体的表面成直角地定向，该结构被施加到该排流体上。

碳纳米管（c纳米管）可以以不同大小、以不同长度和不同直径可用。施加到排流体上的结构中的碳纳米管优选地具有10μm和200μm（微米）之间的长度。另外，施加到排流体上的结构中的碳纳米管优选地具有3nm和100nm（纳米）之间的直径。

根据本发明的一个优选扩展方案，施加到该结构上的涂层包含聚丙烯腈（pan）。在此，聚丙烯腈在涂覆以前被溶解在有机溶剂中，并且在涂覆以后被蒸发。

根据本发明的一个有利的改进方案，施加到该结构上的包含聚丙烯腈的涂层被施加硫蒸气。通过施加硫蒸气，在250°c和550°c之间的提高的温度下发生涂层中包含的聚丙烯腈反应成硫-聚丙烯腈复合物（span）。

被施加到具有碳纳米管的结构上的涂层在该反应以后因此包含硫-聚丙烯腈复合物。所述硫-聚丙烯腈复合物是一种用于阴极的阴极活性材料。

根据本发明的一个有利的扩展方案，电解质在填充施加到排流体上的结构中的垂直间隙时处于液态。液体电解质可以相对简单地被置入到结构的垂直间隙中，并且在填充以后与施加在结构的垂直间隙中的涂层的表面近似完全贴合。可以向电解质附加地添加粘合剂。

根据本发明的一个优选扩展方案，电解质在填充施加到排流体上的结构中的垂直间隙时作为固体存在，也就是说，间隙用固体电解质填充。在此，电解质例如被实施成传导锂离子的聚合物电解质。作为固体存在的电解质例如在镀层过程中被施加到已施加到该结构上的涂层上，并且在此被置入到该结构的表面已配备有涂层的垂直间隙中。

另外提出了一种电池组电池，所述电池组电池包括至少一个根据所描述的根据本发明的方法制造的阴极。在此，根据本发明的电池组电池优选地还包括锂金属阳极以及隔离物，所述隔离物将根据本发明的方法制造的阴极与锂金属阳极隔开。

为了制造根据本发明的电池组电池，首先通过刮刀将隔离物层施加到根据本发明的方法制造的阴极上。隔离物层的材料优选地是聚苯乙烯聚氧化乙烯嵌段共聚物（ps-b-peo）。

隔离物层还包括一种导电盐、例如双三氟甲基磺酰亚胺锂（litfsi）。隔离物层在这种情况下也充当电解质。但是也可以使用其它隔离物和液体电解质。一般而言，隔离物可以由下列材料构成：多孔聚合物和由溶剂和锂盐以及必要时另外的辅助物质制成的液体电解质；和/或陶瓷锂离子导体和/或由例如聚环氧乙烷(peo)、ps-b-peo之类的聚合物和锂盐以及必要时另外的辅助物质制成的固体导体。

接着向被施加到根据本发明的方法制造的阴极上的隔离物层上施加阳极。在此，其优选地是锂金属阳极。

根据本发明的电池组电池有利地应用在电动车辆（ev）中、混合动力车辆（hev）中、插电式混合动力车辆（phev）中或者消费者电子产品中。其它应用也是可设想的。

发明优点

通过将导电并具有垂直间隙的结构施加到排流体上，可以在阴极中预先给定薄片式微结构。所述微结构尤其是可以在该结构具有碳纳米管时以及在该结构的碳纳米管以垂直方向定向时被有利地预先给定。由此可以在结构中实现垂直间隙的垂直和直线形的定向，所述间隙然后被填充电解质。

这于是导致垂直方向上的离子传输路径的缩短。由此实现了电解质的更高有效电导率和扩散率。尤其是对于诸如常见聚合物电解质之类的与液体电解质直接相比通常具有更小电导率的固体电解质而言，该优点是特别重要的。另一优点在于活性材料通过碳纳米管与排流体特别好的电子连接。

附图说明

根据附图和下面的描述进一步阐述本发明的实施方式。

其中：

图1示出了电池组电池的示意图；

图2示出了在制造过程期间的阴极的示意图；以及

图3示出了在制造过程之后的阴极的示意图。

具体实施方式

在下面对本发明的实施方式的描述中，相同的附图标记表示相同或相似元素，其中在个别情况下不对这些元素做重复描述。附图仅仅示意性地示出了本发明的主题。

在图1中示意性地示出了电池组电池2。电池组电池2包括电池壳体3，该电池壳体3棱柱形、在此方形地构造。电池壳体3的其它实施方式也是可设想的、例如圆柱形。电池组电池2包括负端子11和正端子12。通过端子11、12可以分接由电池组电池2提供的电压。另外，电池组电池2也可以通过端子11、12被充电。

在电池组电池2的电池壳体3内布置电极缠绕体，该电极缠绕体具有两个电极、即阳极21和阴极22。阳极21和阴极22分别膜形地实施，并且在中间放置隔离物23的情况下被缠绕成电极缠绕体。替代地，阳极21和阴极22也可以在中间放置隔离物23的情况下被堆叠成电极堆。

阳极21包括阳极活性材料层41和排流体31，它们彼此平坦地敷设并且彼此连接。阳极21的排流体31被实施为导电的，并且由金属制成、例如由铜制成，并且与电池组电池2的负端子11电连接。在纯锂的情况下，过量的锂在电池组电池2内充当阳极21的排流体31。

阴极22包括排流体32、导电结构34、阴极活性材料层42和电解质15。阴极22的排流体被实施为导电的，并且在此至少很大程度上由碳构成。阴极22的排流体32也可以由金属制成，例如由铝制成。阴极22的排流体32与电池组电池2的正端子12电连接。

阳极21和阴极22通过隔离物23彼此隔开。隔离物23同样被构造为膜形的。在此，隔离物23布置在阳极活性材料层41与阴极22的电解质15之间。隔离物23被构造为电绝缘的，但是是可传导离子的、即是锂离子可透过的。

图2示出了在制造过程期间的阴极22的示意图。向阴极22的排流体32上首先施加导电结构34。导电结构34具有垂直间隙36。垂直间隙36在与阴极22的排流体32的表面近似成直角的方向上延伸。该方向在下面亦称垂直方向。

结构34在此至少很大程度上由碳构成，并且具有碳纳米管（c纳米管）。在此，结构34的碳纳米管以垂直方向定向。碳纳米管的定向是技术人员公知的，并且例如在文章“highcapacityverticalalignedcarbonnanotube/sulfurcompositecathodesforlithium-sulfurbatteries”（chem.comm.,2012,48,4097页至4099页）中公开了。

在此，结构34中的碳纳米管具有10μm和200μm之间的长度。结构34中的碳纳米管的直径处于3nm和100nm之间。结构34中的碳纳米管被布置为彼此相距0μm和5μm之间的范围内的距离。

紧接着，涂层44被施加到已施加到阴极22的排流体32上的结构34上。涂层44的材料在此是聚丙烯腈（pan）。在涂覆以前，聚丙烯腈被溶解在有机溶剂中并且在涂覆以后被蒸发。在此，涂层44尤其是被施加到结构34的表面上。

在涂覆以后，被施加到结构34上的涂层被施加硫蒸气。通过给聚丙烯腈施加硫蒸气，在250°c和550°c之间的提高的温度下发生涂层44中的化学反应。在此，涂层44中包含的聚丙烯腈和硫蒸气中的硫反应生成硫-聚丙烯腈复合物（span）。

在该化学反应以后，施加到结构34上的涂层44因此包含硫-聚丙烯腈复合物。所述硫-聚丙烯腈复合物是一种阴极活性材料。包含硫-聚丙烯腈复合物的涂层44因此形成阴极活性材料层42。

图3示出了在制造过程以后的阴极22的示意图。

在由涂层44生成阴极活性材料层42以后，施加到阴极22的排流体32上的结构34中的垂直间隙36被填充电解质15。在此，结构34中的垂直间隙36的表面配备有阴极活性材料层42。

也就是说，电解质15在被填充在结构34中的垂直间隙36中以后与阴极活性材料层42贴合。电解质15被施加到结构34上以及阴极活性材料层42上，使得阴极活性材料层42的如下表面上也被电解质15覆盖：所述表面被施加在结构34的背向阴极22的排流体32的表面上。

电解质15可以在填充结构34中的垂直间隙36时处于液态。可以向电解质15附加地添加粘合剂。

电解质15也可以在填充结构34中的垂直间隙36时作为固体存在。在此，例如电解质15由例如peo、ps-b-peo之类的聚合物和锂盐以及必要时另外的辅助物质构成。电解质15在这种情况下例如在镀层过程中被施加到结构34上的阴极活性材料层42上。在此，电解质15也被置入到结构34中的垂直间隙36中，所述垂直间隙36的表面配备有阴极活性材料层42。

这样制造的阴极22可以被用于制造电池组电池2。在此，首先例如通过刮刀将隔离物23施加到阴极22上。隔离物23的材料例如是聚苯乙烯聚氧化乙烯嵌段共聚物（ps-b-peo）。

隔离物层还包括一种导电盐、例如litfsi。隔离物层在这种情况下也充当电解质15。但是也可以使用其它隔离物23和液体电解质。一般而言，隔离物23可以由下列材料构成：多孔聚合物和由溶剂和锂盐以及必要时另外的辅助物质制成的液体电解质；和/或陶瓷锂离子导体和/或由例如peo、ps-b-peo之类的聚合物和锂盐以及必要时另外的辅助物质制成的固体导体。

紧接着，向被施加到阴极22上的隔离物23上施加阳极21。在此，其优选地是锂金属阳极。阴极22、阳极21和隔离物23然后被缠绕成电极缠绕体，其然后被置入到电池组电池2的电池壳体3中。

本发明不限于此处所描述的实施例和其中强调的方面。更确切地说，在由权利要求书说明的范围内可以进行多种处于本领域技术人员的惯用手段范围内的改动。