多层电极制造技术

本发明专利技术涉及到电化学器件，如电池或者电容器中的一个基本为平面的电极，它至少由一个导电层（３）和一个与其有电连接的具有栅格结构的储放层（４）组成，该层由编织或针织的导电细丝（５）构成，电活性材料连带其辅助材料都被置于其中。在有足够的机械稳定性和简化的生产中，为了改善体积上以及质量上的能量密度，储放层（４）的栅格结构的局部几何形状与被放入的电活性材料粒子（１）的大小和导电能力以及器件工作中出现电流密度相适配。在粒子（１）导电能力较弱和／或较高的局部电流密度的地方，基本上每个单独粒子（１）都与栅格细丝（５）有直接的接触，相反，在粒子（１）有较好的导电能力和／或较低的局部电流密度的地方，与栅格细丝（５）本身没有接触的粒子（１）在栅格眼（６）中可以找到位置。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电化学系统—特别是电池或电容器—的一种多层的、基本上为平面的电极，它由至少一个具有良好导电能力的导电层和一个与其有电连接的具有栅格结构的、由编织的或针织的导电细丝，最好是塑料细丝构成的储放层(Speicherschicht)构成，电活性材料连同其辅助材料都被置于储放层中。通常，这里所讨论的电化学系统如碱性的锌锰电池、锂离子电池、锂电池、锂聚合物电池、镍-金属混合物电池、浸渍或非浸渍的超大电容器等由一层或者多层电极组成，在其侧面形成电活性材料及各种辅助材料与一个电流导体的连接。在此连接中的电导体大都是一个三维金属栅格，一个蚀刻或者打孔的薄膜，金属网等等。例子可从US5750289A、EP0764489A或者DE4019092中找到。所使用的电活性材料通常呈粉末状，并进行累积和分散反应(Ein-Auslagerungsreaktion)、表面吸附和解吸附反应、置换反应等，其中电化学反应过程按照已知的方式进行。用于此种用途的电活性粉末状材料已由例如以下资料公开Vicent，C.A和B，Scrosati，ModernBatteries，第2版，1997；伦敦Arnold，和Linden.D，Handbook ofBateries，第2版，1995；纽约MacGraw-Hill或Winter，M.等InsertionElectrode Materials for Rechargeable Lithium Batteries，Adv.Mater.，1998，10(10)第725-763页。导电细丝或载流子的作用通常是为电极在激活的电极材料和外部电路之间或在所连接的同一器件的其它电极之间提供具有尽可能小的电阻的电气连接。从外部到电极内部的导电结构的连接通常是在端口边缘，或者在相应的接触点通过良好的电气接触形成。电极结构的内部很多时候存在这样的问题如上所说的电活性材料在多数情形下本身是很差的电导体。除此之外，电活性材料某些小的局部大都跟其他相邻的局部之间只有点接触，综合起来很可能使得为了改善导电能力必须添加电极内部迁移的电子，它们自然也增加了质量和体积，并由此减小了质量上及体积上的能量。另外在充电和放电的时候电活性材料的体积变化会使电活性材料与其他的电极材料机械上分开，例如电池每次充电都可能导致充电容量的逐渐降低。此外载流子的质量在诸如电池或者蓄电池的整个质量中通常占据了可观的部分，并因此显著地影响总体系统质量上的能量密度。自带的金属载流子，如在前面提到的EP0764489A中所描述的多孔的、烧结的金属体，具有相当高的密度，并且造价昂贵，缺少揉韧性，其中高密度的结果是对电活性材料保留相对很少的位置，它非常不利地减低了系统的能量密度。在另外一种解决方案中应用一种重量轻、有韧性、不导电的衬垫材料，在其上整个涂覆一个薄导电层。此种器件也同样在前述DE 40 019 092A中以多层三维复合电极结构的形式被公开。这虽然为放置电活性材料提供了更多的位置，但是也降低了电极的稳定性。此外在两种情况下现有的器件中总是存在上述问题，而且在电极连接的三维导电结构中还存在电活性材料自身导电能力微弱的问题。本专利技术的任务是，改善上述现有形式的电极，使其避免上文提及的缺陷，尤其在稳定并有韧性的结构中，可以借助于简单的方法来改善能量密度。根据本专利技术，为在本说明书开始处所述形式的电极设置下完成此任务，作出如下建议储放层栅格结构的局部几何形状依据大小和放入的电活性材料粒子的导电性，以及器件工作时相应出现的电流密度应该这样确定，使得在粒子导电性很差和/或很高的局部电流密度的地方，每个单个的粒子基本上仍然可以跟栅格细丝有直接的接触，相反，在粒子导电性良好和/或很低的局部电流密度的地方，即使没有与栅格细丝直接接触的粒子也可以在栅格眼中找到位置。本专利技术从以下考虑出发储放层栅格结构中导电细丝在空间上高度集中，它虽然提高了结构的稳定性，但是也对电极体积上和质量上的能量密度产生了负面影响，只有在电活性粒子本身电导性很差和/或高局部电流密度的地方才是有利的。前者由所采用的电活性材料决定，后面则基本上由栅格区域与向外连接的导电端子的距离来决定(位置上接近向外连接导电端子的区域自然会出现比远离导线端子区域的电流密度更高的密度。)由编织塑料丝构成的栅格的局部几何形状调整可以简单的通过编织或针织工艺的参数实现，其中基本上同样有效的是，栅格结构是首先由塑料丝编织或针织出来，然后整体以合适的方式使其有导电能力，或者是由先前已具有导电能力的塑料丝编织或针织得到。这里还要指出的是，通过编织(从至少两根(经线和纬线)或多根细丝)产生平面栅格结构，或通过针织(用一根细丝编、钩、梭)产生平面栅格结构，对于本专利技术的目的来说都是等价的。在下面只涉及编织的那些部分，也适用于所有适用于生产这样的栅格结构的其它方法。除了优选的塑料丝以外当然也可以在此生产方法中使用其他合适的天然或人造的材料。本专利技术电极的储放层在通常情况下具有栅格结构，它在水平或者垂直方向上并没有完全相等的栅格距离或相等的网格密度，因此相应取决于放入的电活性材料粒子的大小，有时候只有一个或者非常少的粒子可以在单一的栅格眼中找到位置，反之在储放层的其他区域更多的，甚至很多个电活性材料粒子可以共存于一个栅格眼中。在本专利技术的另一种实施方式中，储放层的栅格眼基本上被设计成四方形状，且随着与导电层和/或与导电层的外部连接端子距离的增加，具有更大的体积。这简化了储放层的编织，其中每个栅格眼的实际体积以如上所述的方式与放入的或要放入的电活性材料粒子的大小和导电能力，以及相应出现的电流密度相适配。在本专利技术的另一种优选实施方式中，储放层被构造成多层的，这些层位置上均匀分布，且随着远离地按照内部随着远离导电层而减小网格密度。这也简化了储放层的编织，并且分层方式的结构使专利技术的实施方式可以获得所描述的优点。根据专利技术的一种优选的特别实施方式，储放层中至少一层具有编织出的图样，并且为了导电层的外部连接，至少部分区域内具有增长的网格密度。同时在多层储放的每个单独层中都可以实现专利技术的不同形式，因为在储放层中的不同局部所需要的电活性粒子的栅格接触不同且依赖于电子实际传导的距离。导电层与储放层在本专利技术的另一种优选的特别实施方式中共同在三维空间中以层间或局部间不同的网格密度被编织，且至少部分的由外面有导电涂层的纤维组成的聚合材料构成。这也使得本专利技术所述的电极可以一种特别简单的生产方式通过导电层与储放层的编织结构实现，这也使得后续的(如本说明书开始处提到的DE 4019192A所描述的)导电连接成为多余的。在此导电层自然从开始便以比储放层的各个区域更高的密度编织，因为在这里没有电活性材料必须被接受及被存放。对于导电层(当然也可以进行)相应网格密度的局部匹配，在指向外部导电连接端的方向上用更高的网格密度，以更好的适应那里提高的电流密度，同时离连接端较远的区域仍可有较低的网格密度，这对整个器件的重量产生了有利的影响。本专利技术的另一种实施方式中指出，以最大局部密度编织的导电层最大占据平面电极总厚度的50％，它表示了作为一方面的导电能力与作为另一方面的电活性体积之间的折衷。根据本专利技术的另一种实施方式，与导电层一起编织的储放层不仅可以布置在导本文档来自技高网...

【技术保护点】
电化学系统特别是电池或电容器的一种多层的、基本为平面的电极，它至少由一个有良好导电性的导电层（３）和一个与其有电连接的、具有栅格结构的储放层（４）组成，该层由编织或针织的导电细丝（５）构成，电活性材料连带其辅助材料都被置于其中，其特征在于，储放层（４）的栅格结构的局部几何形状由放入的电活性材料粒子（１）的大小和导电能力以及器件工作中出现的电流密度如此确定，在粒子（１）导电能力较弱和／或较高的局部电流密度的地方，基本上每个单独粒子（１）都与栅格细丝（５）有直接的接触，相反，在粒子（１）有较好的导电能力和／或较低的局部电流密度的地方，与栅格细丝（５）本身没有直接接触的粒子（１）在栅格眼（６）中可以找到位置。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：玛莎玛丽施赖伯，亚当H怀特黑德，
申请(专利权)人：塞尔斯托姆有限公司，
类型：发明
国别省市：AT[奥地利]