本发明专利技术涉及用于制备电化学电池的纳米结构化电极的方法，其中活性材料借助磁控溅射沉积至导电基材上，使用包含电极材料（活性材料）的陶瓷靶，所述电极材料具有额外的碳份额，并且其中在沉积期间基材保持在400℃和1200℃之间的温度。本发明专利技术此外涉及用于电化学电池的纳米结构化电极，其包含在导电基材上的活性材料涂层，其中所述纳米结构化活性材料具有多孔结构，所述结构垂直于基材表面不具有易磁化方向。所述电极的活性材料优选具有纤维状结构，其中所述纤维的直径在10至500 nm的范围内，特别是在10和200 nm之间的范围内。孔隙率在20和90%之间。所述纳米结构化电极可有利地根据上述方法制备。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】制备纳米结构化层的方法本专利技术涉及一种用于制备纳米结构化层，特别是纳米结构化电极的方法，其可以用于电池组和其他电化学电池中。现有技术纳米结构化材料通常由纳米颗粒构造成。这些纳米颗粒通常包含小几百个形成离散单元的原子或分子。它们沿至少一个维度具有在纳米范围内，或者小于100nm的尺寸。与具有明显更大尺寸例如在微米范围内的相同化合物的性质相比，纳米结构化材料经常显示出改变的性质。特别是它们具有大的表面积与体积比。纳米结构化材料的其他表征性质是高机械稳定性和对体积变化的耐受性。尤其是出于上述原因，纳米结构化材料特别适合用作电池组中的电极。由于大的表面积与体积比，电解质与电极之间的接触面积有利地增加，并且离子传输到材料中的路程减小。由此，纳米结构化电极材料通常可以实现更高的性能并减少极化损失。此外，纳米结构化电极对于离子的嵌入和与其相关的不利的体积变化具有高稳定性，从而可以提高电池组的耐久性。迄今为止最常见的用于纳米结构化层或涂层的制备方法基于湿化学方法。这些特别包括热液合成/溶剂热合成，溶胶-凝胶工艺，微乳液合成或还有电化学沉积。在这些方法中，含有作为纳米材料制备的活性材料、导电性添加剂和粘合剂的涂料组合物或-分散体通常作为集电体涂覆在导电箔上。在制备相应的分散体时，可以采用水和有机溶剂两者。然而，例如由于悬浮液组合物不完全适合，涂料悬浮液的粘度可能在数小时内不利地改变。例如，悬浮液的组分之间可能发生化学反应。此外，迄今已知的用于制备电极的合适的有机溶剂部分地具有被分类为有毒的缺点。通过热液合成/溶剂热合成，溶胶-凝胶工艺或还有电化学沉积，也可以直接制备“自支持”结构，即不含粘合剂的结构。在本专利技术的范围内，更广泛意义上的湿化学方法然而也指其中通过上述方法首先制备粉末的那些方法。随后经粉末工艺法，如例如铸造法或加压法，特别地还在助剂的帮助下，例如液体，特别是溶剂，粘合剂，分散剂，表面松弛剂(Oberflächenentspannern)或消泡剂，将这些加工成层。用于进一步加工的粉末与这种助剂的混合物也被称为浆料。纳米结构化材料也可以用上述方法生产。不利的是，所生产的这些纳米结构化材料是独立式的(freistehend)，即，尚未布置在导电基材上。因此，通常必须在第二方法步骤中，制备电极浆料，其由预先制备的纳米结构化活性材料、导电性添加剂和粘合剂组成，并且将其施加到导电箔或导电基材上。在此可不利地发生纳米颗粒的附聚，由此其表征性质常常丧失。此外，电极浆料含有粘合剂，并且通常还含有额外的导电碳，由此在其中使用这样制备的电极的电池组的比能量，通常不利地降低。即，经由更广泛意义上的湿化学方法制备纳米结构化材料作为涂层通常经若干个工艺步骤发生。在此和在从气相的化学沉积中部分使用有毒原材料、分散剂、粘合剂或溶剂。此外，在这些方法中部分需要掩模或模板(Schablonen)，所谓的“模板(templates)”，和催化剂。这种用于使用特定的溶剂和/或分散剂制备电能存储器的纳米结构化电极的涂覆方法例如从DE102009034799A1得知。最近的发展表明，经自支持技术即不含添加剂和粘合剂制备的纳米结构化电极具有相对湿化学制备的电极的众多优点，特别是就它的表面特性和它的改进的电子传输性质而言。在B.L.Ellis,P.Knauth,T.Djenizian,Three-dimensionalself-supportedmetaloxidesforadvancedenergystorage,AdvancedMaterials2014,26(21),3368-3397中给出了3D自支持纳米结构化氧化物作为电极和电解质材料用于储能的作用的概述。在此自支持电极应理解为电活性材料直接生长在导电基材上，并且由此可避免添加剂和粘合剂，如它们在较大电极中通常存在于电极浆料中。此外，磁控溅射作为用于各种涂层的沉积的制备方法是已知的，其中通常是相对致密的涂层可以施加到支持体上。在溅射中，也称为阴极溅射，原子、离子或它们的簇是通过用高能离子（主要是惰性气体离子）轰击从固体（所谓的靶）中释放出并转化成气相，其随后在待涂覆基材的表面上沉积。这样的制备方法通常用于致密的硬的、耐磨损、摩擦小的、耐腐蚀或装饰性涂层或具有特定光学或电学性质的涂层，如从“Magnetronsputtering:areviewofrecentdevelopmentsandapplications”，P.J.Kelly，R.D.Arnell，Vacuum，第56卷，第3期，2000年3月，第159-172页已知。经磁控溅射沉积的层的结构特别地依赖于工艺参数温度和压力。在金属的实例中可以表明，一般在溅射中随增加的温度形成更致密的层。为了描述这种特性，研发了所谓的结构区模型，在图1中示出并从Thornton,J.A.的“InfluenceofsubstratetemperatureanddepositionrateonstructureofthicksputterdCucoatings”，JournalofVacuumScience&Technology,1975.12(4):第830-835页得知。从“Thinfilmmicrostructurecontrolusingglancingangledepositionbysputtering”，J.C.Sit，D.Vick，K.Robbie，M.J.Brett，JournalofMaterialsResearch14(04)，1197-1199还已知的是，所定义的纳米结构化涂层也可以经溅射法生产。材料源的起始材料在此通过溅射工艺，热蒸发或激光照射转化成气相。为了生产所定义的纳米结构化涂层，然而，特定的试验构造是所需的，其中基材相对起始材料源以与溅射基材的入射角成角度α（倾斜）布置，其中α通常甚至超过80°。同时，即使在沉积过程中，基材也可以经步进电机绕垂直于基材表面的轴进行旋转。因此，柱状材料的沉积在斜/掠入射下发生。该方法也被称为“掠射角沉积”（GLAD）。入射角α在此显著影响柱状沉积物之间的间隙，并因此影响沉积膜的孔隙率。为了获得多孔的、受控的微结构化膜，因此需要针对溅射材料能够设定一个非常窄的角度分布。到目前为止实现的结构具有例如锯齿状、螺旋状（螺旋形）旋转或柱状微结构。借助在斜入射下的物理气相沉积的纳米结构化材料的现有制备中的缺点是非常复杂的试验构造，其通常与在沉积速率中的损失相关。另外，涂覆限于面积小的区域。本专利技术的目的和解决方案本专利技术的目的是提供一种用于制备电能存储器特别是锂离子电池的纳米结构化电极的方法，其克服现有技术中已知的缺点。本专利技术的目的尤其是优选地在单个工艺步骤中生产和提供这种纳米结构化电极。本专利技术的这一目的以意料之外的方式得以解决，即根据主权利要求的特征，纳米结构化电极借助物理气相沉积经借助陶瓷靶的磁控溅射装置制备。具有其表征性特征的纳米结构化电极由从属权利要求得出。制备方法和纳米结构化电极的有利实施方案可以在引用其的从属权利要求中找到。
技术实现思路
根据本专利技术的用于纳米结构化材料的制备方法以其最广泛的应用可能性规定，支持体（基材）借助磁控溅射方法涂覆有至少一层涂层材料。与已知的溅射法，且特别是“掠本文档来自技高网...
【技术保护点】
用于制备电化学电池的纳米结构化电极的方法，其中将活性材料施加至导电基材上，其特征在于，‑ 所述活性材料在一个工艺步骤中借助磁控溅射沉积至导电基材上，‑ 使用陶瓷靶，其包含具有在0.1和25重量%之间的额外份额的碳的电极材料，‑ 其中在沉积期间基材保持在400℃和1200℃之间的温度，‑ 从而形成纤维状多孔网络。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.06.10 DE 102015007291.91.用于制备电化学电池的纳米结构化电极的方法，其中将活性材料施加至导电基材上，其特征在于，-所述活性材料在一个工艺步骤中借助磁控溅射沉积至导电基材上，-使用陶瓷靶，其包含具有在0.1和25重量%之间的额外份额的碳的电极材料，-其中在沉积期间基材保持在400℃和1200℃之间的温度，-从而形成纤维状多孔网络。2.根据权利要求1的方法，其中作为活性材料使用LiFePO4、Li4Ti5O12、LiMxO2型的锂金属氧化物，其中M=Co、Ni、Mn、Al，LiMn2O4-尖晶石，还有部分取代的，LiMPO4型的锂金属磷酸盐，其中M=Fe、Mn、Co、V，还有部分取代的，V2O5或转化材料如FeF3。3.根据权利要求1至2中任一项的方法，其中靶中额外的碳的份额在0.1和25重量%之间，尤其是在2和7重量%之间。4.根据权利要求1至3中任一项的方法，其中作为工作气体使用氩气、氩气/氧气、氩气/氮气、氩气/氢气或氩气/碳氢化合物。5.根据权利要求1至4中任一项的方法，其中在工艺室中设定0.5至2W/cm2的功率密度，尤其是1.0至1.5W/cm2的功率密度。6.根据权利要求1至5中任一项的方法，其中在工艺室中设定5至50...
【专利技术属性】
技术研发人员：A宾廷，S乌伦布鲁克，
申请(专利权)人：于利奇研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE
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