锂离子单体电池及其制造方法技术

本发明专利技术涉及用于锂电池的锂离子单体电池(200)，其具有被构造为锂阳极(1)的第一电极(201)和被构造为阴极组件(100)的第二电极(202)，并且其中第一和第二电极(201,202)中的至少一个具有：电流放电器层(4,104)、功能材料(5,105)和涂层(6,106)，其中电流放电器层(4,104)呈栅格状地构造有限定开放的空腔(3,103)的导体结构(2,102)，功能材料(5,105)布置在导体结构(2,102)之间的空腔(3,103)中并且涂层(6,106)覆盖电流放电器层(4,104)和功能材料(5,105)。本发明专利技术还涉及这种锂离子单体电池(200)的制造方法和用途。

Lithium ion cell and its manufacturing method

The invention relates to a lithium-ion single cell (200) for a lithium battery, which has a first electrode (201) configured as a lithium anode (1) and a second electrode (202) configured as a cathode assembly (100), wherein at least one of the first and second electrodes (201202) has a current discharge layer (4104), a functional material (5105) and a coating (6106), wherein the current discharge layer (4104) is in a grid shape A conductor structure (2102) defining an open cavity (3103) is configured, the functional material (5105) is arranged in the cavity (3103) between the conductor structures (2102), and the coating (6106) covers the current arrester layer (4104) and the functional material (5105). The invention also relates to a manufacturing method and use of the lithium-ion monomer battery (200).

【技术实现步骤摘要】
锂离子单体电池及其制造方法
技术实现思路
本专利技术涉及用于锂电池(或称为锂电池组)的锂离子单体电池(Lithium-Ionen-Zelle)，其具有被构造为锂阳极的第一电极和被构造为阴极组件(100)的第二电极(202)，第一和第二电极(201,202)中的至少一个具有：电流放电器层(Stromableiterschicht)(4,104)、功能材料(5,105)和涂层(6,106)。本专利技术还涉及其制造方法。另外，本专利技术涉及具有这种锂离子单体电池的锂电池。
技术介绍
所谓的锂电池或者还有锂离子电池广泛地用于便携式应用和机动车辆中的电驱动器。在这种情况下，术语锂电池包括具有锂金属阳极的电池和具有锂化石墨阳极的电池两者，所述阳极可以是锂离子单体电池的部件。在本申请的上下文中，所涉及的是可再充电的锂离子蓄电池的技术，这不同于不可重复使用的一次电池。术语锂电池在此也应指这种蓄电池。锂离子电池使用碳作为负极材料(在放电时：锂阳极)和含金属的材料(通常是金属氧化物)作为正极(在放电时：阴极组件)。锂电池由多个锂单体电池形成，其构造如下：锂阳极(第一电极)和阴极组件(第二电极)通过隔板(隔膜)彼此分开，但通过穿透电极的电解质以锂离子传导的方式相互连接。阳极和阴极各自连接到集流体，该集流体形成电流放电器层。常规的单体电池是多层的构造。在这种情况下，在阳极侧将碳材料作为阳极活性材料施加到电流放电器层上，以及在阴极侧将通常由金属氧化物形成的阴极活性材料施加到电流放电器层上。在它们之间布置隔板，其将阳极活性材料层和阴极活性材料层彼此分隔开。穿透电极活性材料的液态或固态电解质允许锂离子Li+在电极之间传输。新的锂单体电池的开发旨在通过改善的锂离子嵌入和脱嵌或通过所谓的“锂电镀”(其中避免了在高充电电流下沉积金属锂)来实现更高的电池电压、更大的功率、更高的容量(电荷)和安全性，以及由此实现更长的循环和时间寿命。存在多种方法：例如，越来越多地使用富集有金属锂的阳极活性材料，这可增加相应锂单体电池的理论容量。这种复合电极例如由DE102012212788A1、DE102014226390A1而已知。从DE102015212220A1中还已知具有石墨涂层的多孔的锂单块(Lithiummonolithe)。代替电流放电器箔或板材，还有一些方法使用可渗透的栅格结构或由多孔材料构成的部件。栅格结构例如从US6106978A1、US626887B和US20130309579而已知，以及多孔金属作为电流放电器被描述于US2015295246A中。还有一些方法，其中锂阳极具有表面结构化的电流放电器或表面结构化的保护层，其中可用阳极活性材料填充的框架状结构形成有界表面部段(空腔)。这旨在改善活性材料与电流放电器或保护层之间的粘附性，并减少或避免保护层的机械损伤，例如保护层的剥离和/或破裂。空腔可在此容纳恰好那么多的体积的阳极活性材料，从而恰好填充处于充电状态的空腔，其中阳极活性材料在充电状态下具有比未充电状态下更高的体积。然而，空腔具有底部，从而不可能穿过底部进行离子传导。底部在这种情况下也限制了沿一个方向当充电时的体积膨胀。还存在如下的方法，其中将颗粒引入具有凹陷的板形或箔形电流放电器中(参见DE102012112186A1)。同样，电流放电器在此阻止了离子传导。因此需要改进的锂阳极、锂单体电池或锂电池，其中至少部分地消除了上述缺点，特别是当锂离子被储存或释放时电极(即，阳极)不发生或仅发生很小的整体体积变化。在现代锂单体电池中，还有一些方法可使锂阳极(锂单体电池)富集有额外的锂(这被称为预锂化(prelithiation))。在这种情况下，应避免或减少在化成(SEI形成，第一次充电循环)期间的不可逆的容量损失，该容量损失由于可循环的锂在SEI形成中被结合而引起。SEI(固体电解质界面)是指在阳极的阳极活性材料(硅、碳材料或其他)与电解质的界面处形成的层。在此，锂被不可逆转地引入。对于预锂化，已知有几种可能性。US2014/227432A设成在阳极活性材料中使用固体金属锂粉末。还存在将锂盐引入负电极(阳极)以进行预锂化的方法(参见例如US2015/364795A)。在CN1006058168A中描述了阴极预锂化的方法。这里，将纳米级氟化锂添加到阴极材料中。然而，在阴极材料的预锂化期间，可出现如下的问题：在第一次充电期间/之后或在SEI形成期间/之后，在阴极材料中出现体积效应，这是由于在那里从预锂化剂中移除锂(其迁移到SEI形成物或阳极中)并且在那里可导致结构问题而引起。因此，需要改进的阴极材料或阴极组件(或称为阴极装置)，其允许优化的预锂化，其中至少部分地消除了上述缺点。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是提供一种锂离子单体电池，其中至少部分地解决上述问题。所述目的根据本专利技术的锂阳极来实现。根据本专利技术第一方面的用于锂电池的锂离子单体电池包括被构造为锂阳极的第一电极和被构造为阴极组件的第二电极。这种单体电池还可具有多个第一和第二电极。在此，第一和第二电极中的至少一个具有电流放电器层、功能材料和涂层。在此，电流放电器层呈栅格状地被构造有限定开放的空腔的导体结构，以及功能材料布置在导体结构之间的空腔中并且涂层覆盖电流放电器层和功能材料。功能材料可以是基于锂的材料(阴极组件)或阳极活性材料(阴极组件)。由于将功能材料设置在阴极组件或锂阳极的导体结构的开放的空腔中，一方面可以在阴极组件中以体积中性(volumenneutral)的方式提供额外的锂以用于预锂化。另一方面，可在导体结构之间的空腔中提供阳极活性材料，使得阳极活性材料可在嵌入或脱嵌期间目标性地在那里膨胀或收缩，而体积、特别地层的厚度没有改变。由于阳极活性材料均匀且目标性地分布在阳极中或阳极上，因而阳极活性材料(例如，硅，参见下文)存在基本均匀的体积变化。由从属权利要求和本专利技术优选的实施例的以下描述中，本专利技术的其他有利实施方式将变得明晰。在本专利技术的改进方式中，导体结构的各种设计是可能的。例如，它可使用所谓的金属板网(Streckmetall)，其中箔或板材由狭缝穿孔，然后在不损失材料的情况下拉伸，使得狭缝变成适于容纳阳极活性材料的网孔(网格)或空腔。另一种可能性是将板材或箔打孔或穿孔。以这种方式，可设计精确匹配的空腔几何形状，其中空腔的体积、形状和尺寸可精确地匹配于待引入的阳极活性材料的性质。而且，如此可精确地调节导体结构的传导电流的横截面。还存在其中使用焊接或交织的线材组件的实施方式，利用该实施方式还可实现材料优化的并且在制造技术上特别易于制造的电流放电器层的设计。在这种情况下，例如，线材的直径和网孔尺寸可精确地相互匹配。利用三维导体结构也可实现类似的效果，其中例如使用编织(或针织)的线材组件或线材织物(纤维状的非定向结构)来形成电流放电器层。在这种三维结构中，线材从一侧穿过该层到另一侧，并且可制造壁相对厚的电流放电器层，在此使用具有较细的直径的线材或导体材本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于锂电池的锂离子单体电池(200)，其具有：/n-被构造为锂阳极(1)的第一电极(201)和/n-被构造为阴极组件(100)的第二电极(202)，并且其中第一和第二电极(201,202)中的至少一个具有：/n-电流放电器层(4,104)，/n-功能材料(5,105)和/n-涂层(6,106)，其中/n电流放电器层(4,104)呈栅格状地构造有限定开放的空腔(3,103)的导体结构(2,102)，功能材料(5,105)布置在导体结构(2,102)之间的空腔(3,103)中并且涂层(6,106)覆盖电流放电器层(4,104)和功能材料(5,105)。/n

【技术特征摘要】
20180525 DE 102018112642.51.用于锂电池的锂离子单体电池(200)，其具有：
-被构造为锂阳极(1)的第一电极(201)和
-被构造为阴极组件(100)的第二电极(202)，并且其中第一和第二电极(201,202)中的至少一个具有：
-电流放电器层(4,104)，
-功能材料(5,105)和
-涂层(6,106)，其中
电流放电器层(4,104)呈栅格状地构造有限定开放的空腔(3,103)的导体结构(2,102)，功能材料(5,105)布置在导体结构(2,102)之间的空腔(3,103)中并且涂层(6,106)覆盖电流放电器层(4,104)和功能材料(5,105)。


2.根据权利要求1所述的锂离子单体电池(200)，其中导体结构(2,102)包括以下结构之一：金属板网(2a)；穿孔、打孔和/或开槽的金属板(2b)；穿孔、打孔和/或开槽的金属箔(2b)；焊接的线材组件(2c)；交织的线材组件(2c)；编织的线材组件(2e)；线材织物(2d)。


3.根据权利要求1或2所述的锂离子单体电池(200)，其中第一电极(201)的导体结构(2)包括金属材料，特别地铜。


4.根据权利要求1、2或3所述的锂离子单体电池(200)，其中第二电极(202)的导体结构(102)包括金属材料，特别地铝。


5.根据权利要求1至4之一所述的锂离子单体电池(200)，其中功能材料(5,105)布置在第一和/或第二电极的导体结构(2,102)的空腔(3,103)中，使得在功能材料(5,105)和导体结构(2,102)之间形成自由体积(7)和/或在功能材料(5,105)和涂层(6,106)之间形成自由体积(7)。


6.根据权利要求1至5之一所述的锂离子单体电池(200)，其中第一电极(201)的涂层(6)包括含碳的材料。


7.根据前述权利要求之一所述的锂离子单体电池(200)，其中第一电极(201)的功能材料(5)包括半金属材料，特别地Si。


8.根据前述权利要求之一所述的锂离子单体电池(200)，其中第一电极(201)处的功能材料(5)作为层布置在导...

【专利技术属性】
技术研发人员：D韦伯，A莱姆克，S希尔德，W齐普里奇，
申请(专利权)人：大众汽车有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE