用于电化学储能器的电极的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于电化学储能器的电极、配备该电极的储能器、用于制造该电极的方法、以及配备该电极的储能器在电子组件中的应用。
【背景技术】
[0002]电化学储能器、例如锂离子电池由正和负电极构成，所述电极通过外部回路和电解质彼此连接。在此，外部回路保证电子传输，并且电解质保证离子传输。电解质可以是固体或液体。如果电解质是液体，则该电解质通常由溶剂构成，在该溶剂中存在溶解形式的所谓导电盐。两个电极通常被所谓的隔板彼此隔开，以便不会产生短路。
[0003]此外，电极通常由多孔层构成，所述多孔层单侧或双侧地被施加到薄的导流体片上，在所述多孔层中发生沉淀和分解反应，例如在锂硫电极的情况下，其中在放电过程期间，液体电解质中的硫进入溶液中并且在反应的过程中，难溶的Li2S沉淀在电极中，或者在锂氧电极的情况下，其中在放电过程期间在电极中形成Li202，其然后填充孔隙的一部分。所述多孔层通常必须在电极内维持大的孔体积，以便一方面能够容纳位于孔隙中的电解质中的溶解产物，并且另一方面能够容纳沉淀产物，而不完全阻塞孔隙并因此阻止进一步的反应。
【发明内容】
[0004]本发明的主题是用于电化学储能器的电极。
[0005]用于例如锂离子电池之类的电化学储能器的电极布置在壁、例如隔板或壳体壁与导流体之间。所述电极包括至少一种导电添加物、以及至少一种反应物(Edukt)，其中所述电极具有如下梯度:在所述梯度的情况下，导电添加物按照体积份额从导流体向壁的方向减小。
[0006]在此，术语“隔板”可以描述正电极与负电极之间的层，该层具有的任务是，在储能器中在空间上和电学上隔离阴极和阳极、即正电极和负电极。但是隔板必须对离子是可透过的，所述离子导致所储存的化学能到电能的转换。隔板是传导离子的，以便使得储能器中的过程能够发生。在具有液体电解质的系统的情况下，作为隔板的材料是用电解质浸透的多孔不导电材料。在具有固体电解质的系统的情况下，隔板可以要么是由固体离子导体构成的致密的或多孔的层，要么是由固体离子导体和其它不导电材料、例如聚合物构成的混合物。
[0007]在此，术语“导流体”表示用于分接在电化学储能器的电极中发生的电化学反应中的电子的载体。在此，导流体可以包括例如来自由下列各项构成的组的金属:铝、铜、镍、金、优质钢或者前述金属的金属合金。导流体的材料可以是多孔的，以便例如使得诸如氧气之类的气体能够扩散到电极中。
[0008]在此，术语“导电添加物”表示导电基质，其通常由下列各项构成:碳成分、例如炭黑、石墨和/或碳纤维和/或碳纳米管，以用于提高电极的电子电导率；使结构机械稳定化的粘结剂、例如聚合物；以及另外的无活性成分和精细分布的反应物、例如在锂硫电极的情况下为硫并且在锂氧电极的情况下为溶解在电解质中的氧。在此，电极的导电添加物可以形成多孔结构。导电添加物可以以纤维形式或颗粒状地存在。导电添加物的优选体积份额为充电状态下的电极的10-25体积百分比。粘结剂的优选体积份额为充电状态下的电极的2-6体积百分比。
[0009]在此，术语“反应物”表示电极的活性材料、例如硫或氧。借助于反应物导致电极中的化学反应，由此提供可从导流体中分接出的电化学能。在此，反应物可以部分地溶解在电解质中。反应物的优选体积份额为充电状态下的电极的20-30体积百分比。
[0010]电极可以例如通过镀层、层压或压制单侧或双侧施加到导流体上。例如在单侧施加的电极的情况下，电极可以位于壁、例如隔板与导流体之间，并且在双侧施加的电极的情况下，附加的电极还可以位于导流体与电化学储能器的第二壁、例如壳体壁之间。在此，所施加的电极可以在导流体上具有大于ο μ m小于等于200 μ m、优选大于5 μ m小于等于80 μ m、以及特别优选大于等于8 μ m小于等于50 μ m的厚度。通常的层宽度是几厘米至几十厘米、通常的镀层长度是几米至几千米。
[0011]电极可以由尽可能小的弯曲度的被电解质填充的连续孔穿过。孔或孔隙度的优选体积份额为充电状态下的电极的40-75体积百分比。
[0012]通过基于从导流体到壁方向减小的导电添加物形成梯度，可以在制造电极时将反应物、例如在锂硫电极情况下的硫分布得，使得在高局部电流密度和高离子浓度的区域中与在较小电流密度和较小离子浓度的区域中相比有更多反应物可用。
[0013]同时，在高局部电流密度和高离子浓度的区域中与在较小电流密度和较小离子浓度的区域中相比可以提供较少的导电添加物进而反应表面。
[0014]由此，在高局部电流密度和高离子浓度的区域中还提供较大孔隙以用于容纳可溶中间产物、例如在锂硫阴极中的多硫化物和不可溶沉淀产物、例如锂硫电极中的Li2S和锂氧电极中的Li202。Li2S的固体体积在放电电极中与所提供的硫的固体体积相比大大约25体积百分比。由此，放电电极中的孔体积相应地减小。
[0015]电极的最优利用可以被实现为，使得在充电和放电期间在提高的反应转换量的位置存在更大量的反应物，并且同时维持更多空间以用于容纳可溶和不可溶产物。由此，可以同时防止在壁附近局部堵塞电极，并且在预先给定的充电和/或放电容量的情况下实现较高充电或放电速率，或在电极的给定的充电或放电速率的情况下实现较高的充电和/或放电容量。
[0016]导电添加物的按照体积份额的分布优选地通过多层的层构造来实现，其中每个层都包括关于单层厚度的恒定分布。在此，该梯度可以通过多层的薄层构造来进行，其中在每个层中存在反应物和孔体积的关于单层厚度恒定的分布。各单层可以在其组成上不同，使得沿着总层厚形成有效的孔隙度。由此，可以防止在壁附近局部堵塞电极，并且在预先给定的充电和/或放电容量的情况下实现较高充电或放电速率，或在电极的给定的充电或放电速率的情况下实现较高的充电和/或放电容量。
[0017]有利的是，电极的反应物是氧气。通过使用氧气，可以提供锂氧或锂空气电极。由此可以实现电化学储能器中的较高能量密度。
[0018]此外，可以通过将氧气用作反应物来减小电极的总重量，因为例如来自环境空气的氧气充当锂的反应物，由此在电极中不必在生产期间添加反应物。在该扩展方案中，不提供反应物。
[0019]导电添加物的优选体积份额必要时在承载在多孔金属结构(例如金属泡沫)上为15-40体积百分比。粘结剂的优选体积份额为4-10百分比。电极的剩余份额优选地是孔隙。
[0020]在另一有利的扩展方案中，反应物是硫。由此可以提供具有锂硫电极的电化学储能器。由此，电化学储能器可以提供高的比能量，其可以是常规锂离子电池情况下的2至4倍。此外，硫是廉价和常见的资源，使得可以通过使用硫减小电化学储能器的总成本。此外，可以放弃例如用在锂离子阴极中的例如LiCo02之类的有害健康的金属的使用。
[0021]在电极的一个有利的扩展方案中，电极具有如下的孔体积:该孔体积在电极的充电状态下具有关于镀层厚度的均匀分布。在此，导电添加物的体积份额尤其是可以通过壁的未明确预先给定的分布向导流体的方向上增加。孔隙的一部分可以被填充反应物、例如硫，其中反应物的体积份额尤其是可以通过壁的未明确预先给定的分布向导流体