具有由碳泡沫制成的成形体的电极和原电池及其制造方法技术

本发明专利技术涉及分别具有由多孔碳泡沫制成的成形体的电极和原电池，在成形体的孔隙中构造有活性材料层和电解质层、尤其是固体电解质层。电化学活性材料层在此与成形体导电接触，并且固体电解质层与活性材料接触。该电极或原电池尤其适合应用于车辆的电能蓄能器、如电池中，以用于为具有电动或混合动力驱动装置的机动车的牵引电机供应电能，并且该电极和原电池的特点在于，借助其能够实现相应原电池或由其制成的电池的特别高的能量和功率密度。

Electrode and galvanic cell with formed carbon foam, and manufacturing method thereof

The present invention relates to an electrode and an original battery of a form made of porous carbon foam, and an active material layer and an electrolyte layer, especially a solid electrolyte layer, are constructed in the pores of the form. The electrochemical active material layer is electrically contacted with the forming body, and the solid electrolyte layer is in contact with the active material. The electrode or battery is especially suitable for electric energy accumulators, such as batteries, used in vehicles, to supply electric energy for a traction motor of a motor vehicle with an electric or hybrid power drive, and the characteristics of the electrode and the original battery are that the battery is especially high in the use of the electric pool or the battery made of it. Energy and power density.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有由碳泡沫制成的成形体的电极和原电池及其制造方法
本专利技术涉及分别具有由多孔碳泡沫制成的成形体的电极和原电池及其制造方法。所述电极或原电池尤其适合应用于车辆的电能蓄能器、如蓄电池中，以用于为具有电动或混合动力驱动装置的机动车的牵引电机供应电能。
技术介绍
在当今可电运行的机动车中，尤其是将所谓的锂离子充电电池用作电能蓄能器。除此之外，主要还已知燃料电池和传统的汽车蓄电池作为能量供应者。所有这些蓄能器或者说供应者的共同之处在于，可由其实现的能量密度或功率密度通常显著低于常规的化石燃料。因此，原则上希望进一步提高尤其是用于机动车的电能蓄能器的能量或功率密度。这一方面可通过增加这种蓄能器的电存储容量或效率来实现，但另一方面也可通过减少这种蓄能器的同样影响能量或功率密度的质量来实现。为此，已知使用多孔泡沫材料来制造蓄能器，以便在相同的体积下减少质量。在I.Oladeji发表的美国专利申请US2013/0108920A1中描述了用于锂离子蓄电池的电极以及这种蓄电池，其包含由金属泡沫制成的结构作为一种蓄电池组分，在该结构中嵌入其它组分。在A.Newman等人发表的美国专利申请US2009/0291368A1中，除了相应的制造方法之外还描述了一种蓄电池，其包含用作阳极的三维多孔碳泡沫基体和阴极层以及位于阳极和阴极层之间的隔离层。阳极和阴极层分别通过相应的集流体接触。
技术实现思路
本专利技术所基于的任务在于进一步改进分别具有由多孔泡沫材料制成的成形体的电极和原电池及其制造方法。根据独立权利要求的教导，所述任务的解决方案通过根据权利要求1所述的电极、根据权利要求5、7和8中任一项所述的原电池、根据权利要求9所述的电能蓄能器、根据权利要求10至12中任一项所述的用于制造电极的方法以及根据权利要求13至15中任一项所述的用于制造原电池的方法实现。本专利技术的不同实施方式和扩展方案是从属权利要求的技术方案。下面首先描述不同的根据本专利技术的电极。本专利技术的第一方面涉及用于原电池、尤其是锂离子电池的电极。该电极包括由多孔碳泡沫制成的成形体和位于成形体孔隙内的第一层，所述第一层包含与成形体导电接触的电化学活性材料。此外，所述电池包括位于成形体孔隙内的第二层，所述第二层包含与第一层的活性材料接触的固体电解质材料。术语“成形体”在本专利技术意义中可理解为由物质制成的形状固定的三维固体，其在空间中占据特定形状。尤其是，构造为固体的泡沫体是在本专利技术意义中的“成形体”。成形体在此优选是可无破坏地变形的、特别优选有弹性的——具有或不具有弹性滞后。术语“多孔碳泡沫”在本专利技术意义中可理解为具有多个(通常为许多)空腔(孔隙、尤其是直径在微米范围内的孔隙)的导电泡沫结构，其由碳制成为通常是唯一的或至少占主导的成分。因此也可含有除碳以外的添加剂。泡沫结构在此尤其可以是含有碳的亚结构、如碳纳米管或富勒烯。在上述US2009/0291368A1中描述了多孔碳泡沫的示例。此外，特别是由TouchstoneResearchLaboratory有限责任公司(www.cfoam.com)以商品名或CSTONETM销售的产品代表在本专利技术意义中的多孔碳泡沫的其它示例。术语“电化学活性材料”或简称“活性材料”在本专利技术意义中可理解为决定原电池电极的电化学性质的材料。特别是对于锂离子电池而言，(i)对于负电极尤其是石墨和同源的(在其中可集成锂的)碳、硅、金属锂、Li4Ti5O12和SnO2并且(ii)对于正电极尤其是FeF3和锂金属化合物如LiCoO2、LiNiO2、LiNi1-xCoxO2、LiNi0.85Co0.1AL0.05O2、LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2、LiMn2O4和LiFePO4分别构成在本专利技术意义中的电化学活性材料。术语“固体电解质材料”在本专利技术意义中可理解为导电固体，在其中导电性主要由离子流引起，而电子导电性则明显较低。尤其是，陶瓷或聚合物基电解质材料、如聚环氧乙烷(PEO)，偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)或石榴石(Li7La3Zr2O12)分别构成在本专利技术意义中的固体电解质材料。根据本专利技术的第一方面的电极的特征主要在于，该电极借助由碳泡沫构成的成形体制成。该材料可以非常低的质量密度制造，其尤其是可低于1g/cm3或甚至低于0.1g/cm3。在此孔隙率可超过80％或甚至更高，使得与成形体的体积相比可提供非常大的、由成形体中的孔隙表面形成的、用于设置活性材料以及分配给相应电极的固体电解质材料的内表面。以这种方式，当在原电池中使用这种电极时，可实现比传统的电池或蓄电池设计、尤其是锂离子蓄电池明显更高的在体积和/或重量上的能量密度和功率密度。此外，碳泡沫的多孔碳结构基于其大的内表面和由此促成的与活性材料的接触允许特别好的电流输出，从而当在原电池中使用这种电极时与使用传统电极相比产生较低的内部电阻并且因此引起更少的发热。这又有助于降低功率损耗和提高电池效率。此外，成形体基于其由碳泡沫材料决定的电子导电性也可直接用作集流体，从而可省却附加的集流体。此外，这允许借助一个或多个这种电极进一步增加原电池和蓄电池的能量或功率密度。此外，本专利技术的这种电极——特别是当其成形体弹性地构成时——也适合使用如下活性材料，即其在电极运行时在锂离子电池中进行锂化/脱锂期间具有显著的体积增加或减少。这种活性材料尤其可以是Si、Fe2O3、FeF3、Sn、Zn或Al。此外，根据本专利技术的第一方面的电极能够实现柔性电池设计，因为成形体的形状可非常不同地设计。尤其是，该电极也可用于电池堆中。下面说明电极的优选实施方式：根据第一种优选实施方式，第一层构造在成形体的孔隙表面上并且与成形体导电接触。第二层至少部分地设置在第一层上，使得在那里在成形体中存在以下层次序：碳泡沫-活性材料-固体电解质。术语“层次序”在本专利技术意义中可理解为所提到的各层按相应所述顺序沿从相应最先提及的层到最后提及的层的观察方向依次排列。但一个或多个另外的层也可附加地集成到所述层次序中，或者一些所提到的层可由多个叠置的子层组成。每个层也可具有一个或多个缺口或由多个未连接的子区域组成。根据第一种实施方式，除了已经提到的优点之外，电极基于所述层次序还可提供使活性材料特别好地一方面结合到碳泡沫上和另一方面结合到固体电解质上的优点。根据第二种实施方式，第二层构造在成形体的孔隙表面上并且与成形体接触。第一层至少部分地设置在第二层上，使得在那里在成形体中存在以下层次序：碳泡沫-固体电解质-活性材料，并且在至少一个位置上第一层与成形体导电连接。在根据该第二种实施方式的电极中，固体电解质层的厚度可有利地通过相应的过程控制构造得极薄，从而在其上方的剩余空腔中在碳泡沫的孔隙中通过对其“填充”可以特别简单的方式引入大量活性材料，以便实现尽可能高的电极性能。根据另一种优选实施方式，成形体和第一层借助尤其是导电的粘合剂连接。以这种方式还可进一步增加第一层在成形体的碳泡沫上的粘附强度。根据另一种优选实施方式，电极还包括构造为隔离层的层，该层设置在成形体外表面的至少一个侧面上并且包含固体电解质材料。隔离层在此用作电化学意义上的隔板，即一方面其构造为用于使电极(相对于其在原电池中的反电极)电子绝缘的绝缘层。但另一方面其至少对于某些离子是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于原电池、尤其是锂离子电池的电极，包括：由多孔碳泡沫(2)制成的成形体(1)；位于成形体(1)的孔隙内的第一层，所述第一层包含与成形体(1)导电接触的电化学活性材料(3)；和位于成形体(1)的孔隙内的第二层，所述第二层包含与所述第一层的活性材料(3)接触的固体电解质材料(4)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.21 DE 102015226271.51.用于原电池、尤其是锂离子电池的电极，包括：由多孔碳泡沫(2)制成的成形体(1)；位于成形体(1)的孔隙内的第一层，所述第一层包含与成形体(1)导电接触的电化学活性材料(3)；和位于成形体(1)的孔隙内的第二层，所述第二层包含与所述第一层的活性材料(3)接触的固体电解质材料(4)。2.根据权利要求1所述的电极，其中，所述第一层构造在成形体(1)的孔隙表面上并且与成形体(1)导电接触；所述第二层至少部分地设置在所述第一层上，使得在那里在成形体(1)中存在以下层次序：碳泡沫(2)-活性材料(3)-固体电解质(4)。3.根据权利要求1所述的电极，其中，在由多孔碳泡沫(2)制成的成形体(1)上，所述第二层构造在成形体(1)的孔隙表面上并且与成形体(1)接触；所述第一层至少部分地设置在所述第二层上，使得在那里在成形体(1)中存在以下层次序：碳泡沫(2)-固体电解质(4)-活性材料(3)，并且在至少一个位置上所述第一层与成形体(1)导电连接。4.根据前述权利要求中任一项所述的电极，其中，成形体(1)和所述第一层借助粘合剂连接。5.根据权利要求1至4中任一项所述的电极，还包括构造为隔离层(8)的层，该层设置在成形体(1)的外表面的至少一个侧面上并且包含固体电解质材料(4)。6.原电池(6)、尤其是锂离子电池，包括：根据权利要求5所述的第一电极；尤其是根据权利要求1至4中任一项所述的第二电极，这样选择该第二电极的活性材料(3)，使得该第二电极用作所述第一电极的反电极；其中，这两个电极如此相对于彼此设置，使得所述第一电极的隔离层(5)设置在成形体(1)和所述第二电极之间以便将成形体和所述第二电极隔离。7.原电池(6)、尤其是锂离子电池，包括：由多孔碳泡沫(2)制成的成形体(1)；在成形体(1)上设置在该成形体的孔隙内的、由用于第一电极的活性材料(3)制成的第一层，所述用于第一电极的活性材料(3)和碳泡沫(2)层的材料具有不同的化学组成；设置在所述第一层上的第二层，所述第二层构造为隔离层(5)并且包含固体电解质材料(4)；设置在所述第二层上的、由用于第二电极的活性材料(3)制成的第三层，这样选择该用于第二电极的活性材料，使得所述第二电极用作所述第一电极的反电极；因此存在以下层次序：碳泡沫(2)-所述第一电极的活性材料(3)-隔离层(5)-所述第二电极的活性材料(3)。8.原电池(6)、尤其是锂离子电池，包括：第一电极，该第一电极具有由多孔碳泡沫(2)制成的成形体(1)以及电化学活性材料(3)，该活性材料被引入成形体(1)中并且在其中在成形体(1)的孔隙表面上形成与成形体(1)导电接触的第一层；第二电极，这样选择该第二电极的活性材料(3)，使得该第二电极用作所述第一电极的反电极；设置在所述第一电极和所述第二电极之间的隔离层(8)；和存在于这两个电极之间的空间区域中的液体电解质，该液体电解质与隔离层(8)接触，使得这两个电极通过该电解质和隔离层(8)而离子传导地连接。9.电能蓄能器，包括：壳体(10)；和至少一个设置在壳体(10)的容纳空间中的、根据权利要求8所述的原电池(6)，该电池的至少一个成形体(1)弹性地构造并且以压缩状态被引入所述容纳空间中。10.用于制造根据权利要求1或2所述的电极的方法，包括以下步骤：-提供由多孔碳泡沫(2)制成的成形体(1)、碳泡沫前体或这两者的组合作为第一组分；-提供用于电极的活性材料(3)、相应的活性材料前体或这两者的组合作为第二组分；-机械混合所述第一组分和所述第二组分；-当所述第一组分包含碳泡沫前体或所述第二组分包含活性材料前体时，转化该前体以获得由多孔碳泡沫(2)制成的成形体(1)且在该成形体的孔隙中沉积有用于电极的活性材料(3)；-用包含固体电解质材料(4)、相应的固体电解质材料前体或这两者的组合的第三组分渗透所获得的成形体(1)；并且-当所述第三组分包含固体电...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·海因，B·什蒂奥斯尼，
申请(专利权)人：宝马股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE