层装置制造方法
层装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种包括至少3个连续相叠的层的装置，其中这3个层具有上电极层（16）、下电极层（14）和布置在上电极层（16）和下电极层（14）之间的电解质层（18），其中至少上电极层（16）和下电极层（14）之一以及电解质（18）层具有有机基质，并且其中电解质层（18）的有机基质具有在≥10-6S/cm范围中的离子电导率。这种装置尤其适合于形成锂离子蓄电池，并且实现了简单和成本低廉的制造以及与期望应用的良好可匹配性。
【专利说明】层装置【技术领域】
[0001]本发明涉及层装置，包括两个电极层和布置在电极层之间的电解质层。本发明尤其涉及包括该层装置的锂离子蓄电池。
【背景技术】
[0002]锂离子电池或锂离子蓄电池目前是广泛传播的。尤其是在诸如移动电话或移动计算机的便携式设备中，优选采用锂离子电池或锂离子蓄电池。它们的优点尤其在于它们的高功率密度和高容量密度。已经尝试借助半导体方法以薄层技术来制造锂离子蓄电池。但是在此功率值由于薄的二维层中活性材料的数量小而大多有限。但是在节省能量的设备中已经使用了这种薄层蓄电池。
[0003]此外，已经在理论上借助所谓的三维电池展现了即使对于不位于功率谱的下端的应用来说也感兴趣的一个观点。在这种电池或蓄电池中，通过结构化的衬底使用于薄层电池的有效面积折叠，并由此在衬底基面相同的情况下存储多倍的容量并且还更快地吸收和输出所存储的电荷。因此也提供了更高的功率。
[0004]由DE 199 64 159 Al还已知用于制造具有电化学特性的材料的方法。这种材料由浆膏状的物质构造而成，这些物质例如适合于制造一次电池或者蓄电池。例如在蓄电池的情况下，该蓄电池可以具有三个连续相叠的层，在这些层中外面的层可以用作电极，而中间的层可以构成电解质层。这些层除了功能物质之外分别还包括有机基质和必要时的其它添加物。电极层除了离子存储物质之外例如还包含尤其是用于改善有机基质的机械特性、尤其是涉及对有机基质的支撑或对有机基质的处理的固体。电解质层在此具有笼子，在这些笼子中布置用作真正的电解质的液体。例如该电解质可以包括含水系统。
【发明内容】
[0005]本发明的主题是包括至少3个连续相叠的层的装置，其中这3个层具有上电极层、下电极层和布置在上电极层和下电极层之间的电解质层，其中至少上电极层和下电极层之一以及电解质层具有有机基质，并且其中电解质层的有机基质具有在≥ 10 -6S/cm范围中的离子电导率。
[0006]由此本发明的装置包括至少三个层，这些层是连续相叠的并且由此直接相邻。优选的，所述至少三个层平行布置并且直接相互紧邻。在此，所述至少三个层中的两个具有电极的特性，也就是尤其是具有良好的离子存储能力以及良好的电导率。因此下面将这些层称为电极层。在电极层之间布置具有电解质功能的层。该层因此尤其是具有在≥10-6S/Cm范围中的良好的离子电导率。
[0007]根据本发明，在此所述至少三个层中的至少两个相邻的层包括有机基质。有机基质在本发明的范畴中在此尤其是意味着有机的、尤其是聚合的材料，该材料或者作为单独的成份形成相应的层，或者具有优选可以在基质中精细分布的其它辅助物质或附加成份。此外，根据本发明有机基质包括基于有机或聚合材料但是具有按照化学或物理化合形式的其它物质的材料。特别优选的是，有机基质的有机份额位于> 30%的范围中。
[0008]有机材料或有机基质在此尤其是包括碳化合物、例如碳氢化合物作为造型单元。
[0009]通过设置至少两个有机层可以在短时间内实现特别简单的制造方法。有机层可以通过简单的方式彼此固定或与其它例如无机的层一起固定。例如，可以通过常规的印刷过程施加有机层。结构化通过采用丝网或者模子或激光而简单和精确地实现。此外可以通过简单的方式如期望的那样并且通过精确定义的方式设定有机层的特性。例如，可以将厚度和几何形状特别简单和精确地与期望的应用匹配。此外，可以通过简单的方式将辅助物质嵌入有机基质中，以由此匹配相应层的机械特性以及电子特性，从而关于期望的应用领域改善所述装置的特性。
[0010]根据本发明在此规定，电解质层的离子电导率或电解质层的有机基质的离子电导率位于> 10_6S/cm的范围内。通过这种方式，有机基质已经具有足够的离子电导率来例如适用于作为在电池或蓄电池(例如锂离子蓄电池)中的电解质层使用。由此有机基质或电解质层可以用作两个电极层之间的电解质层而无需例如结构上的措施或制造步骤的其它措施。从而例如不需要在有机层的制造中混合电解质材料以实现合适的特性。尤其是不需要在有机材料的基质中构造出笼子并且在其它工作步骤中例如用液态电解质填充这些笼子。由此既可以节省用于制造电解质层的工作步骤又可以节省用于制造电解质层的材料，这减小了有机层的制造成本并由此减小了本发明装置的制造成本。
[0011]此外可以通过放弃常规的电解质、如尤其是液态电解质来完全防止本发明装置的泄漏。这尤其是在将本发明的装置用作薄层电池或者薄层蓄电池的情况下是有利的，因为配置有这种储能器的部件和电子设备由于电解质的泄漏而遭到损坏。此外，大量电解质对环境不是毫无问题的。因此根据本发明，使得例如在损坏之后对本发明装置的清除或再利用变得容易。
[0012]有机电极层由于固有的离子电导率而是一种实现离子至嵌入的存储材料的分布而无需高形貌结构的表面作为与相邻层的交界区的基质。
[0013]在本发明优选实施方式的范畴中，下电极层和上电极层包括有机基质。因此在该实施方式中，可以完全放弃例如针对锂离子蓄电池已知的常规的电极材料和电解质材料。更确切地说，所有的层都具有有机基质。由此本发明的装置可以特别简单和成本低廉地制造并且还可以在很多应用领域中采用。
[0014]在本发明的另一优选实施方式的范畴中，下电极层或者上电极层包括阴极存储材料，该阴极存储材料从氧化材料的组中选择，尤其是从二氧化锂钴(LiCoO2X磷酸锂铁(LiFeP04)、氧化锂锰尖晶石(LiMn2O4)或包括镍的混合氧化物中选择，和/或下电极层或者上电极层包括阳极存储材料，该阳极存储材料从由硅(Si)、锗(Ge)、锂(Li)、含碳材料或金属合金构成的组中选择。因此在该实施方式中对于只有一个电极层具有有机基质的情况，该电极层包括阳极存储材料，而其它电极层由常规的阴极材料形成或具有该常规的阴极材料，所述阴极材料例如由锂离子蓄电池的制造已知。对应地对于只有一个电极层具有有机基质的情况，该电极层可以具有阴极存储材料，而其它电极层由常规的阳极材料形成或具有该常规的阳极材料，所述阳极材料例如由锂离子蓄电池的制造已知。对于两个电极层都具有有机基质的情况，电极层之一具有阴极存储材料，而另一个电极层具有阳极存储材料。
[0015]阴极层在此尤其是具有相对于锂高的化学势并且能以合适的方式例如在对锂蓄电池放电时存储锂。在作为阳极的构型中，电极层尤其是具有相对于阴极尽可能低的化学势并且尤其是实现在对锂离子蓄电池充电时的锂存储。
[0016]在另一优选实施方式的范畴中,有机基质包括一种从由壳聚糖、聚氧化乙烯、有机尚聚物或具有功能SO3X基的有机基质构成的组中选择的材料。在此，X例如可以表不单值离子，例如碱金属离子，如锂离子、钠离子或钾离子，以及铵离子。这种材料可以成本低廉地制造，这也成本低廉地构成本发明的整个装置。此外这种有机材料能被很好地处理，由此本发明的装置尤其是适合于薄层电池或薄层蓄电池。此外，所提到的有机材料具有离子电导率，以便以合适的方式用作电解质层，其中可以放弃其它电解质材料、例如电解质液的加入。由此可以特别简单和成本低廉地制造本发明的装置。
[0017]在本发明另一优选构型的范畴中，在有机基质中布置至少一种辅助物质。该至少一种辅助物质在此可以适于尤其是改善对应层的电子特性，或者引起机械特性的改善。此夕卜，通过辅助物质例如可以改善离子电导率，尤其是对于有机基质布置在电解质层中或至少部分地形成电解质层的情况。对于有机基质布置在电极层中或形成电极层的情况，可以通过辅助物质尤其是改善电子电导率或离子存储容量。但是此外，通过辅助物质还可以改善机械特性。在这种情况下例如可以加强有机基质的稳定性，由此本发明的装置不必布置在衬底上。合适的例子包括例如Si02、Si3N4、Al203、AlN、Mg0或还有例如玻璃纤维的纤维。
[0018]在此特别优选的还有，辅助物质包括碳纳米管，或者辅助物质包括从阴极存储材料的上述组中选择的材料，或者辅助物质包括从上述阳极存储材料的组中选择的材料。
[0019]在选择对应的辅助物质时，在此尤其是考虑对应层的使用目的。如果辅助物质例如应当布置在电极层的有机基质中，则尤其是碳纳米管是有利的，因为碳纳米管可以提高电导率。在该功能中可以在两个电极层中布置碳纳米管，而与电极层是阴极还是阳极无关。碳纳米管在阳极层中还有助于提高离子存储容量。对于阳极的情况，来自阳极存储材料的上述组的材料也是有利的，而在阴极的情况下来自阴极存储材料的上述组的材料是优选的。通过上述辅助物质，尤其是优化了相对于锂的化学势或改善了离子存储容量。依据期望的应用，还可以设置辅助物质的合适组合。
[0020]在此特别优选的还有，至少一种辅助物质处于多达30重量百分比的量。由此已经可以达到期望的效果，但是不会显著负面影响有机基质的可处理性并且也不会显著负面影响对应层的制造。
[0021]在本发明装置的另一有利构型的范畴中，该装置包括衬底。该衬底尤其是对于各个层具有低稳定性的情况可以给该装置带来改善的稳定性。这例如可能在通过构造非常薄的层的情况下是如此。
[0022]在本发明装置的另一有利构型的范畴中，在下电极层和/或上电极层的背对电解质层的侧上布置集流层。集流层用于改善对应电极层的电导率并且还提供电极层的可合适构造的接触。例如，集流层可以由金、钼、铝、合金或其它具有良好电导率的材料构造。
[0023]本发明还涉及包括本发明的装置的储能器，如尤其是锂离子蓄电池。尤其是对于锂离子蓄电池的构造本发明的装置是合适的。在此，本发明的锂离子蓄电池特别简单地制造并且其特性能与期望的使用目的良好匹配。
【专利附图】
【附图说明】[0024]本发明主题的其它优点和有利构型通过【专利附图】
【附图说明】并且在下面的描述中加以阐述。在此要注意，附图仅具有描述性特性并且不意欲以任何形式限制本发明。
[0025]图1从侧面示出本方法装置的实施方式的示意性剖面图。
【具体实施方式】
[0026]在图1中示出本发明装置10的实施方式。该装置10例如可以是锂离子蓄电池的一部分。
[0027]本发明的装置10可以包括衬底12作为载体。衬底12可以用于如下面所述地给层带来更大的稳定性。但是衬底12仅是可选的并且不一定存在。例如，在层的稳定性足够的情况下可以放弃衬底12。衬底12例如由半导体材料或MEMS材料构造，例如由硅构造。此外衬底12可以由聚合物或金属构造。在此有利的是，衬底12的表面构造为电绝缘的。为此，当衬底12的材料本身并非电绝缘时，可以在衬底12上布置绝缘层。该绝缘层例如可以是介电钝化层。
[0028]本发明的装置10还包括至少三个例如连续相叠地布置在衬底12上的层。这三个层在此具有下电极层14、上电极层16和布置在上电极层16与下电极层14之间的电解质层18。在此，电解质层18至少部分地，优选完全覆盖下电极层14，并由此将两个电极层14，16彼此分开。根据本发明，至少上电极层14和下电极层16之一以及电解质层18具有有机基质。
[0029]关于电解质层18，该电解质层根据本发明为了能够具有合适的电解质特性而包括具有在> 10_6S/cm范围内的离子电导率的有机基质。由此通过电解质层18保证对大量应用都足以的离子传输。有机基质例如可以包括从由壳聚糖和聚氧化乙烯(PEO)(尤其是在更短分子链的情况下也称为聚乙二醇(PEG))构成的组中选择的材料。这种聚合物具有在本发明范围中的离子电导率并且因此在没有其它添加物的情况下就已经适合作为电解质。尽管如此，也可以向电解质层18中的有机基质混合其它辅助物质，以例如改善或优化离子电导率并且与期望的应用情况匹配。作为提高离子电导率的辅助物质的例子，在此举出电解质盐，例如锂盐，如六氟磷酸锂(LiPF6)或亚硫酸锂(LiS03)。优选的，辅助物质精细地分布在有机基质中。
[0030]除了电解质层18之外，至少上电极层16或下电极层14还包括有机基质。在一种实施方式中，上电极层16以及下电极层14都可以包括有机基质。相应电极层14，16的有机基质又可以包括基本上具有壳聚糖和聚氧化乙烯的基质。为了产生合适的特性作为电极层，应当在有机基质中优选精细分布地存在辅助物质。为此可以例如使用碳纳米管或硅，所述碳纳米管或硅尤其是改善了电导率并且提高与容量相关的离子、典型的是锂离子的离子存储容量。尤其是在使用碳纳米管的情况下，碳纳米管可以通过对应的预处理与期望的应用匹配。由此碳纳米管的空位被氧化并且由此实现锂离子至碳纳米管的核的更简单的通路。由此可以提高电导率和离子存储容量。另一有利的预处理是碳纳米管例如在锂月桂烷硫酸酯(LLS)中的弥散，以便用锂离子构成的外壳包围碳纳米管。
[0031 ] 这种材料的制造例如通过将碳纳米管与有机材料的熔融物混合来实现。但是这取决于对应聚合物的熔融温度，由此在此不能使用高熔融的聚合物，例如壳聚糖。替换地，在溶剂中使用具有碳纳米管的有机材料的溶液或悬浮液。所述溶剂在此合适地与对应的有机材料匹配。在此，例如依据所选择的有机材料或聚合物选择所使用的制造路线。上述制造路线的优点尤其是在于制造非常薄的层的可能性以及对本发明装置的简单和毫无问题的制造。
[0032]有机基质还可以包括对应的电极材料作为辅助物质，该电极材料取决于相应电极的极性。如果电极层例如应当被构造为阴极，在此尤其是阴极存储材料，例如氧化材料、尤其是二氧化锂钴(LiCoO2)、磷酸锂铁(LiFePO4)、氧化锂锰尖晶石(LiMn2O4)或包括镍的混合氧化物是合适的。但是如果电极层应当被构造为阳极，则在此尤其是例如硅(Si)、锗(Ge)、锂、含碳材料或金属合金的阳极存储材料是有利的。
[0033]此外，电极层14，16之一可以由非有机基质的材料构造而成。相应电极层14，16的精确构型在此又尤其是取决于该电极层的功能，也就是该电极层应当作为阴极还是阳极来使用。对于作为阴极的使用来说，相对于锂的高化学势和用于存储锂的高电势在放电过程中是有利的，而在作为阳极使用的情况下相对于锂尽可能低的化学势和良好的锂存储在充电过程中是有利的。
[0034]对于阴极具有有机基质的情况，阳极可以由常规的、对于锂离子蓄电池的制造已知的材料构造。例如，阳极可以在这种情况下包括例如是硅(Si )、锗(Ge )、碳(例如石墨)或金属合金以及其它上面提到的阳极存储材料的材料。该材料可以用合适的方法、例如沉积方法直接涂敷在衬底12上或者电解质层18上，或者可以使用这种材料与载体物质、线路媒介或粘合剂的复合物。
[0035]同样地，对于阳极具有有机基质的情况，阴极可以由常规的、对于锂离子蓄电池的制造来说已知的材料构造，在这些材料中一些是上面提到的并且称为阴极存储材料。作为阴极起作用的电极层在这种情况下例如可以直接沉积在衬底12上或者电解质层18上，例如通过溅射方法，或者可以使用这种材料与载体物质、线路媒介或粘合剂的复合物。
[0036]原则上，上电极层16在此应当与下电极层14互补，因此应当存在阴极和阳极。此外对应的电极层14，16不应当与对应互补的电极层14，16直接接触。
[0037]在下电极层14下方以及在上电极层16上方，也就是分别在背对电解质层的侧上可以布置下集流层20和上集流层22。集流层20，22合适地由导电良好的材料构造，例如金属、合金或者导电良好的聚合物。集流层20，22尤其是用于改善下电极层14或上电极层16的电导率或者从层系统中拉出接触，也就是在合适的部位、例如在衬底12上完成电接触。在此应当避免对应的集流层20，22与分别互补的集流层22，20或与连接到互补集流层22，20的电极层14，16接触。
[0038]最后，装置10可以包括钝化层——例如金属层、金属聚合物复合物或陶瓷层，例如具有对应的绝缘物，以便对于存在衬底12的情况对装置10进行包封或覆盖对应的层。由此可以消除或减小环境对功能的削弱。
[0039]在层14，16，18的相应边界过渡处，可以通过不同的化学和机械特性产生过渡区域。为了优化或稳定本发明的功能，这些过渡区域可以用其它在自有的步骤中施加的中间层来定义。这些中间层例如可以防止非功能成份、辅助物质或离子的扩散。
【权利要求】
1.包括至少3个连续相叠的层的装置，其中这3个层具有上电极层(16)、下电极层(14)和布置在上电极层(16)和下电极层(14)之间的电解质层(18)，其中至少上电极层(16)和下电极层(14)之一以及电解质层(18)具有有机基质，并且其中电解质层(18)的有机基质具有在> 10_6S/Cm范围中的离子电导率。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述下电极层(14)和所述上电极层(16)包括有机基质。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述下电极层(14)或者所述上电极层(16)包括阴极存储材料，该阴极存储材料从氧化材料的组中选择，尤其是从二氧化锂钴、磷酸锂铁、氧化锂锰尖晶石或包括镍的混合氧化物中选择，和/或所述下电极层(14)或者所述上电极层(16)包括阳极存储材料，该阳极存储材料从由硅、锗、锂、含碳材料或金属合金构成的组中选择。
4.根据权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，所述有机基质包括一种从由壳聚糖、聚氧化乙烯、有机离聚物或具有功能SO3X基的有机基质构成的组中选择的材料。
5.根据权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，在所述有机基质中布置至少一种辅助物质。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，辅助物质包括碳纳米管、阴极存储材料和/或阳极存储材料。
7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，至少一种辅助物质处于多达30重量百分比的量。
8.根据权利要求1至7之一所述的装置，其特征在于，该装置(10)包括衬底(12)。
9.根据权利要求1至8之一所述的装置，其特征在于，在所述下电极层(14)和/或所述上电极层(16)的背对电解质层(18)的侧上布置集流层(20，22)。
10.储能器，尤其是锂离子蓄电池，其特征在于，该储能器包括根据权利要求1至9之一所述的装置(10)。
【文档编号】H01M10/0525GK103518280SQ201280021398
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年3月7日 优先权日:2011年5月4日
【发明者】T.皮尔克, M.加雷曼波尔, J.泽格巴特, M.博格纳, H.桑德迈尔 申请人:罗伯特·博世有限公司
【专利摘要】本发明涉及一种包括至少3个连续相叠的层的装置，其中这3个层具有上电极层（16）、下电极层（14）和布置在上电极层（16）和下电极层（14）之间的电解质层（18），其中至少上电极层（16）和下电极层（14）之一以及电解质（18）层具有有机基质，并且其中电解质层（18）的有机基质具有在≥10-6S/cm范围中的离子电导率。这种装置尤其适合于形成锂离子蓄电池，并且实现了简单和成本低廉的制造以及与期望应用的良好可匹配性。
【专利说明】层装置【技术领域】
[0001]本发明涉及层装置，包括两个电极层和布置在电极层之间的电解质层。本发明尤其涉及包括该层装置的锂离子蓄电池。
【背景技术】
[0002]锂离子电池或锂离子蓄电池目前是广泛传播的。尤其是在诸如移动电话或移动计算机的便携式设备中，优选采用锂离子电池或锂离子蓄电池。它们的优点尤其在于它们的高功率密度和高容量密度。已经尝试借助半导体方法以薄层技术来制造锂离子蓄电池。但是在此功率值由于薄的二维层中活性材料的数量小而大多有限。但是在节省能量的设备中已经使用了这种薄层蓄电池。
[0003]此外，已经在理论上借助所谓的三维电池展现了即使对于不位于功率谱的下端的应用来说也感兴趣的一个观点。在这种电池或蓄电池中，通过结构化的衬底使用于薄层电池的有效面积折叠，并由此在衬底基面相同的情况下存储多倍的容量并且还更快地吸收和输出所存储的电荷。因此也提供了更高的功率。
[0004]由DE 199 64 159 Al还已知用于制造具有电化学特性的材料的方法。这种材料由浆膏状的物质构造而成，这些物质例如适合于制造一次电池或者蓄电池。例如在蓄电池的情况下，该蓄电池可以具有三个连续相叠的层，在这些层中外面的层可以用作电极，而中间的层可以构成电解质层。这些层除了功能物质之外分别还包括有机基质和必要时的其它添加物。电极层除了离子存储物质之外例如还包含尤其是用于改善有机基质的机械特性、尤其是涉及对有机基质的支撑或对有机基质的处理的固体。电解质层在此具有笼子，在这些笼子中布置用作真正的电解质的液体。例如该电解质可以包括含水系统。
【发明内容】
[0005]本发明的主题是包括至少3个连续相叠的层的装置，其中这3个层具有上电极层、下电极层和布置在上电极层和下电极层之间的电解质层，其中至少上电极层和下电极层之一以及电解质层具有有机基质，并且其中电解质层的有机基质具有在≥ 10 -6S/cm范围中的离子电导率。
[0006]由此本发明的装置包括至少三个层，这些层是连续相叠的并且由此直接相邻。优选的，所述至少三个层平行布置并且直接相互紧邻。在此，所述至少三个层中的两个具有电极的特性，也就是尤其是具有良好的离子存储能力以及良好的电导率。因此下面将这些层称为电极层。在电极层之间布置具有电解质功能的层。该层因此尤其是具有在≥10-6S/Cm范围中的良好的离子电导率。
[0007]根据本发明，在此所述至少三个层中的至少两个相邻的层包括有机基质。有机基质在本发明的范畴中在此尤其是意味着有机的、尤其是聚合的材料，该材料或者作为单独的成份形成相应的层，或者具有优选可以在基质中精细分布的其它辅助物质或附加成份。此外，根据本发明有机基质包括基于有机或聚合材料但是具有按照化学或物理化合形式的其它物质的材料。特别优选的是，有机基质的有机份额位于> 30%的范围中。
[0008]有机材料或有机基质在此尤其是包括碳化合物、例如碳氢化合物作为造型单元。
[0009]通过设置至少两个有机层可以在短时间内实现特别简单的制造方法。有机层可以通过简单的方式彼此固定或与其它例如无机的层一起固定。例如，可以通过常规的印刷过程施加有机层。结构化通过采用丝网或者模子或激光而简单和精确地实现。此外可以通过简单的方式如期望的那样并且通过精确定义的方式设定有机层的特性。例如，可以将厚度和几何形状特别简单和精确地与期望的应用匹配。此外，可以通过简单的方式将辅助物质嵌入有机基质中，以由此匹配相应层的机械特性以及电子特性，从而关于期望的应用领域改善所述装置的特性。
[0010]根据本发明在此规定，电解质层的离子电导率或电解质层的有机基质的离子电导率位于> 10_6S/cm的范围内。通过这种方式，有机基质已经具有足够的离子电导率来例如适用于作为在电池或蓄电池(例如锂离子蓄电池)中的电解质层使用。由此有机基质或电解质层可以用作两个电极层之间的电解质层而无需例如结构上的措施或制造步骤的其它措施。从而例如不需要在有机层的制造中混合电解质材料以实现合适的特性。尤其是不需要在有机材料的基质中构造出笼子并且在其它工作步骤中例如用液态电解质填充这些笼子。由此既可以节省用于制造电解质层的工作步骤又可以节省用于制造电解质层的材料，这减小了有机层的制造成本并由此减小了本发明装置的制造成本。
[0011]此外可以通过放弃常规的电解质、如尤其是液态电解质来完全防止本发明装置的泄漏。这尤其是在将本发明的装置用作薄层电池或者薄层蓄电池的情况下是有利的，因为配置有这种储能器的部件和电子设备由于电解质的泄漏而遭到损坏。此外，大量电解质对环境不是毫无问题的。因此根据本发明，使得例如在损坏之后对本发明装置的清除或再利用变得容易。
[0012]有机电极层由于固有的离子电导率而是一种实现离子至嵌入的存储材料的分布而无需高形貌结构的表面作为与相邻层的交界区的基质。
[0013]在本发明优选实施方式的范畴中，下电极层和上电极层包括有机基质。因此在该实施方式中，可以完全放弃例如针对锂离子蓄电池已知的常规的电极材料和电解质材料。更确切地说，所有的层都具有有机基质。由此本发明的装置可以特别简单和成本低廉地制造并且还可以在很多应用领域中采用。
[0014]在本发明的另一优选实施方式的范畴中，下电极层或者上电极层包括阴极存储材料，该阴极存储材料从氧化材料的组中选择，尤其是从二氧化锂钴(LiCoO2X磷酸锂铁(LiFeP04)、氧化锂锰尖晶石(LiMn2O4)或包括镍的混合氧化物中选择，和/或下电极层或者上电极层包括阳极存储材料，该阳极存储材料从由硅(Si)、锗(Ge)、锂(Li)、含碳材料或金属合金构成的组中选择。因此在该实施方式中对于只有一个电极层具有有机基质的情况，该电极层包括阳极存储材料，而其它电极层由常规的阴极材料形成或具有该常规的阴极材料，所述阴极材料例如由锂离子蓄电池的制造已知。对应地对于只有一个电极层具有有机基质的情况，该电极层可以具有阴极存储材料，而其它电极层由常规的阳极材料形成或具有该常规的阳极材料，所述阳极材料例如由锂离子蓄电池的制造已知。对于两个电极层都具有有机基质的情况，电极层之一具有阴极存储材料，而另一个电极层具有阳极存储材料。
[0015]阴极层在此尤其是具有相对于锂高的化学势并且能以合适的方式例如在对锂蓄电池放电时存储锂。在作为阳极的构型中，电极层尤其是具有相对于阴极尽可能低的化学势并且尤其是实现在对锂离子蓄电池充电时的锂存储。
[0016]在另一优选实施方式的范畴中,有机基质包括一种从由壳聚糖、聚氧化乙烯、有机尚聚物或具有功能SO3X基的有机基质构成的组中选择的材料。在此，X例如可以表不单值离子，例如碱金属离子，如锂离子、钠离子或钾离子，以及铵离子。这种材料可以成本低廉地制造，这也成本低廉地构成本发明的整个装置。此外这种有机材料能被很好地处理，由此本发明的装置尤其是适合于薄层电池或薄层蓄电池。此外，所提到的有机材料具有离子电导率，以便以合适的方式用作电解质层，其中可以放弃其它电解质材料、例如电解质液的加入。由此可以特别简单和成本低廉地制造本发明的装置。
[0017]在本发明另一优选构型的范畴中，在有机基质中布置至少一种辅助物质。该至少一种辅助物质在此可以适于尤其是改善对应层的电子特性，或者引起机械特性的改善。此夕卜，通过辅助物质例如可以改善离子电导率，尤其是对于有机基质布置在电解质层中或至少部分地形成电解质层的情况。对于有机基质布置在电极层中或形成电极层的情况，可以通过辅助物质尤其是改善电子电导率或离子存储容量。但是此外，通过辅助物质还可以改善机械特性。在这种情况下例如可以加强有机基质的稳定性，由此本发明的装置不必布置在衬底上。合适的例子包括例如Si02、Si3N4、Al203、AlN、Mg0或还有例如玻璃纤维的纤维。
[0018]在此特别优选的还有，辅助物质包括碳纳米管，或者辅助物质包括从阴极存储材料的上述组中选择的材料，或者辅助物质包括从上述阳极存储材料的组中选择的材料。
[0019]在选择对应的辅助物质时，在此尤其是考虑对应层的使用目的。如果辅助物质例如应当布置在电极层的有机基质中，则尤其是碳纳米管是有利的，因为碳纳米管可以提高电导率。在该功能中可以在两个电极层中布置碳纳米管，而与电极层是阴极还是阳极无关。碳纳米管在阳极层中还有助于提高离子存储容量。对于阳极的情况，来自阳极存储材料的上述组的材料也是有利的，而在阴极的情况下来自阴极存储材料的上述组的材料是优选的。通过上述辅助物质，尤其是优化了相对于锂的化学势或改善了离子存储容量。依据期望的应用，还可以设置辅助物质的合适组合。
[0020]在此特别优选的还有，至少一种辅助物质处于多达30重量百分比的量。由此已经可以达到期望的效果，但是不会显著负面影响有机基质的可处理性并且也不会显著负面影响对应层的制造。
[0021]在本发明装置的另一有利构型的范畴中，该装置包括衬底。该衬底尤其是对于各个层具有低稳定性的情况可以给该装置带来改善的稳定性。这例如可能在通过构造非常薄的层的情况下是如此。
[0022]在本发明装置的另一有利构型的范畴中，在下电极层和/或上电极层的背对电解质层的侧上布置集流层。集流层用于改善对应电极层的电导率并且还提供电极层的可合适构造的接触。例如，集流层可以由金、钼、铝、合金或其它具有良好电导率的材料构造。
[0023]本发明还涉及包括本发明的装置的储能器，如尤其是锂离子蓄电池。尤其是对于锂离子蓄电池的构造本发明的装置是合适的。在此，本发明的锂离子蓄电池特别简单地制造并且其特性能与期望的使用目的良好匹配。
【专利附图】
【附图说明】[0024]本发明主题的其它优点和有利构型通过【专利附图】
【附图说明】并且在下面的描述中加以阐述。在此要注意，附图仅具有描述性特性并且不意欲以任何形式限制本发明。
[0025]图1从侧面示出本方法装置的实施方式的示意性剖面图。
【具体实施方式】
[0026]在图1中示出本发明装置10的实施方式。该装置10例如可以是锂离子蓄电池的一部分。
[0027]本发明的装置10可以包括衬底12作为载体。衬底12可以用于如下面所述地给层带来更大的稳定性。但是衬底12仅是可选的并且不一定存在。例如，在层的稳定性足够的情况下可以放弃衬底12。衬底12例如由半导体材料或MEMS材料构造，例如由硅构造。此外衬底12可以由聚合物或金属构造。在此有利的是，衬底12的表面构造为电绝缘的。为此，当衬底12的材料本身并非电绝缘时，可以在衬底12上布置绝缘层。该绝缘层例如可以是介电钝化层。
[0028]本发明的装置10还包括至少三个例如连续相叠地布置在衬底12上的层。这三个层在此具有下电极层14、上电极层16和布置在上电极层16与下电极层14之间的电解质层18。在此，电解质层18至少部分地，优选完全覆盖下电极层14，并由此将两个电极层14，16彼此分开。根据本发明，至少上电极层14和下电极层16之一以及电解质层18具有有机基质。
[0029]关于电解质层18，该电解质层根据本发明为了能够具有合适的电解质特性而包括具有在> 10_6S/cm范围内的离子电导率的有机基质。由此通过电解质层18保证对大量应用都足以的离子传输。有机基质例如可以包括从由壳聚糖和聚氧化乙烯(PEO)(尤其是在更短分子链的情况下也称为聚乙二醇(PEG))构成的组中选择的材料。这种聚合物具有在本发明范围中的离子电导率并且因此在没有其它添加物的情况下就已经适合作为电解质。尽管如此，也可以向电解质层18中的有机基质混合其它辅助物质，以例如改善或优化离子电导率并且与期望的应用情况匹配。作为提高离子电导率的辅助物质的例子，在此举出电解质盐，例如锂盐，如六氟磷酸锂(LiPF6)或亚硫酸锂(LiS03)。优选的，辅助物质精细地分布在有机基质中。
[0030]除了电解质层18之外，至少上电极层16或下电极层14还包括有机基质。在一种实施方式中，上电极层16以及下电极层14都可以包括有机基质。相应电极层14，16的有机基质又可以包括基本上具有壳聚糖和聚氧化乙烯的基质。为了产生合适的特性作为电极层，应当在有机基质中优选精细分布地存在辅助物质。为此可以例如使用碳纳米管或硅，所述碳纳米管或硅尤其是改善了电导率并且提高与容量相关的离子、典型的是锂离子的离子存储容量。尤其是在使用碳纳米管的情况下，碳纳米管可以通过对应的预处理与期望的应用匹配。由此碳纳米管的空位被氧化并且由此实现锂离子至碳纳米管的核的更简单的通路。由此可以提高电导率和离子存储容量。另一有利的预处理是碳纳米管例如在锂月桂烷硫酸酯(LLS)中的弥散，以便用锂离子构成的外壳包围碳纳米管。
[0031 ] 这种材料的制造例如通过将碳纳米管与有机材料的熔融物混合来实现。但是这取决于对应聚合物的熔融温度，由此在此不能使用高熔融的聚合物，例如壳聚糖。替换地，在溶剂中使用具有碳纳米管的有机材料的溶液或悬浮液。所述溶剂在此合适地与对应的有机材料匹配。在此，例如依据所选择的有机材料或聚合物选择所使用的制造路线。上述制造路线的优点尤其是在于制造非常薄的层的可能性以及对本发明装置的简单和毫无问题的制造。
[0032]有机基质还可以包括对应的电极材料作为辅助物质，该电极材料取决于相应电极的极性。如果电极层例如应当被构造为阴极，在此尤其是阴极存储材料，例如氧化材料、尤其是二氧化锂钴(LiCoO2)、磷酸锂铁(LiFePO4)、氧化锂锰尖晶石(LiMn2O4)或包括镍的混合氧化物是合适的。但是如果电极层应当被构造为阳极，则在此尤其是例如硅(Si)、锗(Ge)、锂、含碳材料或金属合金的阳极存储材料是有利的。
[0033]此外，电极层14，16之一可以由非有机基质的材料构造而成。相应电极层14，16的精确构型在此又尤其是取决于该电极层的功能，也就是该电极层应当作为阴极还是阳极来使用。对于作为阴极的使用来说，相对于锂的高化学势和用于存储锂的高电势在放电过程中是有利的，而在作为阳极使用的情况下相对于锂尽可能低的化学势和良好的锂存储在充电过程中是有利的。
[0034]对于阴极具有有机基质的情况，阳极可以由常规的、对于锂离子蓄电池的制造已知的材料构造。例如，阳极可以在这种情况下包括例如是硅(Si )、锗(Ge )、碳(例如石墨)或金属合金以及其它上面提到的阳极存储材料的材料。该材料可以用合适的方法、例如沉积方法直接涂敷在衬底12上或者电解质层18上，或者可以使用这种材料与载体物质、线路媒介或粘合剂的复合物。
[0035]同样地，对于阳极具有有机基质的情况，阴极可以由常规的、对于锂离子蓄电池的制造来说已知的材料构造，在这些材料中一些是上面提到的并且称为阴极存储材料。作为阴极起作用的电极层在这种情况下例如可以直接沉积在衬底12上或者电解质层18上，例如通过溅射方法，或者可以使用这种材料与载体物质、线路媒介或粘合剂的复合物。
[0036]原则上，上电极层16在此应当与下电极层14互补，因此应当存在阴极和阳极。此外对应的电极层14，16不应当与对应互补的电极层14，16直接接触。
[0037]在下电极层14下方以及在上电极层16上方，也就是分别在背对电解质层的侧上可以布置下集流层20和上集流层22。集流层20，22合适地由导电良好的材料构造，例如金属、合金或者导电良好的聚合物。集流层20，22尤其是用于改善下电极层14或上电极层16的电导率或者从层系统中拉出接触，也就是在合适的部位、例如在衬底12上完成电接触。在此应当避免对应的集流层20，22与分别互补的集流层22，20或与连接到互补集流层22，20的电极层14，16接触。
[0038]最后，装置10可以包括钝化层——例如金属层、金属聚合物复合物或陶瓷层，例如具有对应的绝缘物，以便对于存在衬底12的情况对装置10进行包封或覆盖对应的层。由此可以消除或减小环境对功能的削弱。
[0039]在层14，16，18的相应边界过渡处，可以通过不同的化学和机械特性产生过渡区域。为了优化或稳定本发明的功能，这些过渡区域可以用其它在自有的步骤中施加的中间层来定义。这些中间层例如可以防止非功能成份、辅助物质或离子的扩散。
【权利要求】
1.包括至少3个连续相叠的层的装置，其中这3个层具有上电极层(16)、下电极层(14)和布置在上电极层(16)和下电极层(14)之间的电解质层(18)，其中至少上电极层(16)和下电极层(14)之一以及电解质层(18)具有有机基质，并且其中电解质层(18)的有机基质具有在> 10_6S/Cm范围中的离子电导率。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述下电极层(14)和所述上电极层(16)包括有机基质。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述下电极层(14)或者所述上电极层(16)包括阴极存储材料，该阴极存储材料从氧化材料的组中选择，尤其是从二氧化锂钴、磷酸锂铁、氧化锂锰尖晶石或包括镍的混合氧化物中选择，和/或所述下电极层(14)或者所述上电极层(16)包括阳极存储材料，该阳极存储材料从由硅、锗、锂、含碳材料或金属合金构成的组中选择。
4.根据权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，所述有机基质包括一种从由壳聚糖、聚氧化乙烯、有机离聚物或具有功能SO3X基的有机基质构成的组中选择的材料。
5.根据权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，在所述有机基质中布置至少一种辅助物质。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，辅助物质包括碳纳米管、阴极存储材料和/或阳极存储材料。
7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，至少一种辅助物质处于多达30重量百分比的量。
8.根据权利要求1至7之一所述的装置，其特征在于，该装置(10)包括衬底(12)。
9.根据权利要求1至8之一所述的装置，其特征在于，在所述下电极层(14)和/或所述上电极层(16)的背对电解质层(18)的侧上布置集流层(20，22)。
10.储能器，尤其是锂离子蓄电池，其特征在于，该储能器包括根据权利要求1至9之一所述的装置(10)。
【文档编号】H01M10/0525GK103518280SQ201280021398
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年3月7日 优先权日:2011年5月4日
【发明者】T.皮尔克, M.加雷曼波尔, J.泽格巴特, M.博格纳, H.桑德迈尔 申请人:罗伯特·博世有限公司
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