專利名稱：用于儲(chǔ)能器的電極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于儲(chǔ)能器的電極和一種具有這樣的電極的儲(chǔ)能器。
背景技術(shù)：
儲(chǔ)能器越來越多地使用在電動(dòng)車輛和混合動(dòng)力電動(dòng)車輛中，所以對具有大容量、 高功率和長期穩(wěn)定性的儲(chǔ)能器有越來越多的需求。對于儲(chǔ)能器特別是作為蓄電池的鋰(離 子)電池因其高比蓄電密度而占有特殊的地位。經(jīng)涂層的鋰離子電池的例子在DE 10 2005 042 916 Al中公開了和經(jīng)卷繞的鋰離 子電池在EP 0 949 699 Bl中公開了。在此作為鋰離子電池所構(gòu)成的儲(chǔ)能器總是含有第一 電極、第二電極和位于第一電極和第二電極之間的隔離元件或由這些部件互相交替地排列 而形成的裝置。如在DE 10 2005 042 916 Al中準(zhǔn)確地說明的那樣，在此電極通常由電極 載體構(gòu)成，在電極載體的一側(cè)或二側(cè)安裝有活潑的電極材料。在鋰離子電池的情況下，陽極 常常由銅制成的陽極支架和諸如由石墨制成的活潑的陽極材料構(gòu)成，和陰極常常由鋁制成 的陰極支架和由氧化鋰制成的活潑的陰極材料構(gòu)成。
發(fā)明內(nèi)容
基于此，本發(fā)明的目的在于，提出一種具有改善的長期穩(wěn)定性的儲(chǔ)能器和用于這 樣的儲(chǔ)能器中的電極。根據(jù)第一方面，該目的通過用于具有權(quán)利要求1所述的特征的儲(chǔ)能器的電極來實(shí) 現(xiàn)。本發(fā)明的優(yōu)選的構(gòu)造和進(jìn)一步的構(gòu)造是從屬權(quán)利要求2-6所述的主題。用于儲(chǔ)能器的電極含有電極載體和活潑的電極材料，所述活潑的電極材料設(shè)置在 電極載體的一側(cè)或二側(cè)上。根據(jù)本發(fā)明，電極載體由具有至少約99. 9重量％的銅和磷含量 的技術(shù)上無氧的銅材料構(gòu)成。在用于電極載體的銅材料中的磷的一部分結(jié)合銅材料中所有的自由氧，因而保證 了其的耐氫性。此外所提供的磷間隙地在晶格中溶解，進(jìn)而在氧化性的熱處理和高重結(jié)晶 溫度時(shí)起高耐氫性的作用。換言之，在用于電極載體的材料中主要涉及磷-脫氧銅。通過銅材料中含磷所形成的氧化磷小顆粒在凝結(jié)時(shí)起形成晶核和生成顆粒精細(xì) 和均勻的晶體結(jié)構(gòu)的作用。這種精細(xì)顆粒的結(jié)構(gòu)在電極載體的面上產(chǎn)生穩(wěn)定的電流加載， 進(jìn)而阻止破壞晶體結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)。換言之，電極的長期穩(wěn)定性顯著地提高了。這樣的銅材料 的導(dǎo)電能力與那種傳統(tǒng)使用的銅材料類似，其基本上由技術(shù)上無氧的銅在沒有脫氧劑下制 成。所以如上所述構(gòu)成的電極特別適合用于具有大容量和高效率的大型儲(chǔ)能器，如例 如其用于電動(dòng)車輛和混合動(dòng)力電動(dòng)車輛中時(shí)所必需的那樣。優(yōu)選地，電極載體的銅材料含有至少約99. 95重量％的銅。電極載體的銅材料的磷含量主要在約0. 001-約0. 10重量％的范圍中，優(yōu)選為在 約0. 002-約0. 007重量％的范圍中。
根據(jù)第二方面，上述目的通過具有權(quán)利要求7所述的特征的儲(chǔ)能器來實(shí)現(xiàn)。本發(fā) 明的優(yōu)選的構(gòu)造和進(jìn)一步的構(gòu)造是從屬權(quán)利要求8-14的主題。儲(chǔ)能器含有第一電極(例如負(fù)電極，陽極)、第二電極(例如正電極，陰極)和位于 第一和第二電極之間的隔離元件，所述隔離元件阻止二個(gè)電極之間的直接的電接觸。在此 第一和/或第二電極由如上所述的電極構(gòu)成。如上所述，通過根據(jù)本發(fā)明所構(gòu)成的電極可改善電極的長期穩(wěn)定性，這樣自然地 也顯著地改善整個(gè)儲(chǔ)能器的長期穩(wěn)定性。對于儲(chǔ)能器，可以是例如蓄電池(也就是可再充電的直流電池)、原電池(也就是 不可再充電的直流電池)、電容器或類似物。特別優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的電極使用在鋰(離 子)電池中。在本發(fā)明的另一個(gè)構(gòu)造中，儲(chǔ)能器可含有由多個(gè)第一電極和多個(gè)第二電極構(gòu)成的 組，第一電極和第二電極互相交替地堆疊，并且二者之間各自設(shè)置隔離元件。優(yōu)選地，本發(fā)明不僅可應(yīng)用在對第一和第二電極進(jìn)行涂層的儲(chǔ)能器中，而且也可 以用在對第一電極和第二電極進(jìn)行卷繞的儲(chǔ)能器中。
以下結(jié)合附圖和優(yōu)選的但不限于此的具體實(shí)施方式
詳細(xì)說明，本發(fā)明的上述的以 及其他的特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)得到更好的理解。其中示出
圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的電極的示意性的剖面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的電極的示意性的剖面圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施方式的電極的示意性的剖面圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施方式的電極的示意性的剖面圖；圖5是具有根據(jù)本發(fā)明的電極的儲(chǔ)能器的示意性剖面圖；圖6A是傳統(tǒng)的電極載體的晶體組織結(jié)構(gòu)的示意圖；和圖6B是本發(fā)明的電極載體的晶體組織結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實(shí)施例方式參照圖1-4，首先更清楚地解釋用于儲(chǔ)能器的電極的不同實(shí)施方式的構(gòu)造。圖1以剖面圖示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的用于儲(chǔ)能器的電極的第一實(shí)施方式。電極10 具有電極載體12，在其二側(cè)設(shè)置活潑的電極材料14。在此在圖1的實(shí)施方式中活潑的電極 材料14不是設(shè)置在電極載體12上的整個(gè)區(qū)域中，以致于電極載體12在由活潑的電極材料 14構(gòu)成的至少一側(cè)上突出。這種由活潑電極材料14構(gòu)成的電極載體12的突出的部分可以 用作為電流導(dǎo)體16，用于向電極10輸入充電電流或用于從電極10輸出放電電流。圖2所例示的具體實(shí)施方式
與上述的第一實(shí)施方式的差別在于，活潑電極材料14 設(shè)置在電極載體12的兩側(cè)的全部面積上，以致于電極載體12不從活潑電極材料14突出。 在這種情況下在儲(chǔ)能器的構(gòu)造中在必要時(shí)單獨(dú)的電流導(dǎo)體可朝電極載體12的延伸方向連 接(例如焊接)于其上。圖3示出了電極的第三實(shí)施方式，其與上述的第一實(shí)施例的差別在于，電極載體 12僅在一側(cè)用活潑電極材料14進(jìn)行涂層。
4
圖4的第四實(shí)施方式是上述第二和第三實(shí)施方式的組合。也就是活潑電極材料14 僅設(shè)置在電極載體12的一側(cè)，并且，電極載體12 —側(cè)的全部面積基本上用活潑的電極材料 14涂覆。電極載體12在所有的實(shí)施方式中制成例如薄片、帶、板、薄板或類似物的形 式和例如由相應(yīng)的溶液以電解的方式在軋輥上沉積。電極載體12的厚度例如為在約 4μπι-80μπι范圍內(nèi)，優(yōu)選為約5“111-5(^111，更優(yōu)選為約5“111-3(^111的范圍中。圖5示出了一個(gè)儲(chǔ)能器的例子，在該例子中利用上述的電極10。儲(chǔ)能器，例如可再充電的蓄電池、原電池、電容器或類似物具有第一電極10(例如 負(fù)電極或陽極)、第二電極18(例如正電極或陰極)和位于二個(gè)電極10、18之間的間隔元 件24。第一電極10可應(yīng)用例如圖1-4中所示電極，第二電極18以基本上類似于第一電極 10那樣構(gòu)造，也就是其也含有電極載體20和活潑的電極材料22，設(shè)置于電極載體20的一 側(cè)或二側(cè)。在二個(gè)電極10、18之間的隔離元件24阻止在二個(gè)電極10、18之間的直接的導(dǎo)電 接觸。如在圖5所示，隔離元件24可簡單地分隔電極10、18 (特別是它的活潑區(qū)域14、22)。 然而也可以是優(yōu)選的是，隔離元件24通過直接相鄰的電極10、18的活潑電極材料14、22在 至少一側(cè)上突出。儲(chǔ)能器例如可恰好包括第一電極10、隔離元件24和第二電極18，如在圖5中所表 示的那樣。然而在許多應(yīng)用情況中優(yōu)選的是，儲(chǔ)能器含有由多個(gè)第一電極10和多個(gè)第二電 極18構(gòu)成的組，其中，第一電極10和第二電極18交替地互相堆疊，并且在二者之間分別設(shè) 置隔離元件24。此外儲(chǔ)能器可以卷繞或者鍍層形式顯示具有根據(jù)圖5所示的構(gòu)造或堆疊構(gòu)造。根據(jù)本發(fā)明提出的是，特殊材料應(yīng)用于儲(chǔ)能器的第一和/或第二電極10、18中。以 下所解釋的材料可特別優(yōu)選用于鋰離子電池的陽極10中，但不應(yīng)將本發(fā)明局限在這種特 殊應(yīng)用上。用于儲(chǔ)能器(參見圖5)的電極10(參見圖1-4)的電極載體12由技術(shù)上具有至 少約99. 9重量％的銅的無氧的銅材料和確定的磷含量構(gòu)成。用于電極載體12的銅材料的銅含量(Cu)為至少約99. 9重量％，優(yōu)選為至少約 99. 95 重量 ％。用于電極載體12的銅材料的磷含量(P)最好在約0. 001-約0. 010重量％的范圍 中，優(yōu)選為在約0. 002-約0. 007重量％的范圍中。在本發(fā)明的銅材料中不含有其他的組成成分，特別如在傳統(tǒng)應(yīng)用的銅材料中所具 有的鉍(Bi)或鉛(Pb)。根據(jù)本發(fā)明所使用的銅材料的優(yōu)點(diǎn)，特別是它的改善的長期穩(wěn)定性可用下述內(nèi)容解釋。根據(jù)下列化學(xué)方程式在銅材料中的磷的一部分結(jié)合所有的自由氧5Cu20+2P- > 10Cu+P205，這樣就保證了銅材料的耐氫性。如此結(jié)合的氧的份額在凝固態(tài)的銅材料中例如為 約0.0030重量％。此外所提供的未參與反應(yīng)的(stehender)磷間隙性地在晶格中溶解和 在氧化熱處理和高的重結(jié)晶溫度時(shí)引起高的耐氫性。換言之，對于本發(fā)明的銅材料主要涉
5及磷-脫氧銅。所形成的氧化磷小顆粒的作用是在銅材料凝結(jié)時(shí)形成晶核和生成顆粒精細(xì)的均 勻的晶體結(jié)構(gòu)組織。這樣的精細(xì)顆粒組織又在電極載體12的面上形成穩(wěn)定的電流加載，進(jìn) 而阻止晶體結(jié)構(gòu)的破壞。為了解釋清楚，圖6A和6B示出了傳統(tǒng)使用的銅材料(圖6A)和根據(jù)本發(fā)明使用 的銅材料(圖6B)之間的晶體組織結(jié)構(gòu)的比較。在圖6A的情況中應(yīng)用高的純度(銅含量彡99. 99重量％ )的無氧的和無脫氧劑 的銅材料。如圖6A所示，在這種銅材料中給出具有約30 μ m數(shù)量級(jí)的顆粒大小的晶體組織結(jié)構(gòu)。在大顆粒的組織結(jié)構(gòu)中存在通過電極載體的面的不均勻的電流加載進(jìn)而破壞晶 體結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)。這種在晶體結(jié)構(gòu)中可溶解的顆粒是儲(chǔ)能器熱生成和短路的原因。與此相反，圖6B示出了具有磷含量的無氧的銅材料的晶體組織結(jié)構(gòu)，如上所述的 那樣。在此給出具有約20 μ m和更小的數(shù)量級(jí)的顆粒大小的晶體組織結(jié)構(gòu)，也即非常精細(xì) 顆粒的和均勻的組織。作為用于儲(chǔ)能器的電極10的電極載體10的材料的特殊例子可以應(yīng)用德國 Prymetall GmbH&Co. KG的，名稱為“PNA210”的銅材料。這種經(jīng)脫氧的無氧銅材料具有至 少99. 95重量％的銅含量和范圍為0. 002-0. 007重量％的磷含量，不含有鉍和鉛。這種銅 材料的比導(dǎo)電率為約57MS/m(在經(jīng)鍛燒的狀態(tài)中)，它的導(dǎo)熱性為約385W/m. K。關(guān)于用于陽極10的活潑的電極材料14、用于電極載體20和陰極18的活潑的電極 材料22以及用于隔離元件24的材料在本發(fā)明的范疇中沒有特別的限制。用于這種部件的 合適的材料可用在鋰離子電池的情況中，在例如上文中已提到的DE 10 2005 042 916 Al 中有詳細(xì)地描述，在此特別明確地進(jìn)行參考。此外電極10、18和儲(chǔ)能器的制備在本發(fā)明的 范疇中也不限于特定的方法。上述的本發(fā)明的電極特別用于具有大容量和高輸出功率(超過3或5Ah至300Ah 和更大)，極好的長期穩(wěn)定性(例如具有有超過3000充/放電-周期和更多)和實(shí)用性。 具有這樣的電極的儲(chǔ)能器優(yōu)選地可用在電動(dòng)車輛和混合動(dòng)力電動(dòng)車輛中。
權(quán)利要求
一種用于儲(chǔ)能器的電極(10)，具有電極載體(12)；和活潑的電極材料(14)，設(shè)置在所述電極載體(12)的一側(cè)或二側(cè)上，其特征在于，所述電極載體(12)由具有至少約99.9重量％的銅和磷含量的技術(shù)上無氧的銅材料構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，其特征在于，所述電極載體(12)的銅材料含有至少約99.95重量％的銅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電極，其特征在于，所述電極載體(12)的銅材料含有至少約0. 001重量％的磷。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電極，其特征在于，所述電極載體(12)的銅材料含有至少約0.002重量％的磷。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中的任一項(xiàng)所述的電極，其特征在于， 所述電極載體(12)的銅材料含有最多約0.010重量％的磷。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4中的任一項(xiàng)所述的電極，其特征在于， 所述電極載體(12)的銅材料含有最多約0.007重量％的磷。
7.一種儲(chǔ)能器，具有第一電極(10)，第二電極(18)和位于第一和第二電極之間的隔離 元件(24)，其特征在于，所述第一和/或第二電極(10、18)由權(quán)利要求1-6中的任一項(xiàng)所述的電極構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的儲(chǔ)能器，其特征在于， 所述儲(chǔ)能器是蓄電池。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的儲(chǔ)能器，其特征在于， 所述儲(chǔ)能器是原電池。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的儲(chǔ)能器，其特征在于， 所述儲(chǔ)能器是電容器。
11.根據(jù)權(quán)利要求8-10中的任一項(xiàng)所述的儲(chǔ)能器，其特征在于， 所述儲(chǔ)能器是鋰離子電池。
12.根據(jù)權(quán)利要求7-11中的任一項(xiàng)所述的儲(chǔ)能器，其特征在于，所述儲(chǔ)能器含有由多個(gè)第一電極(10)和多個(gè)第二電極(18)構(gòu)成的組，所述第一電極 (10)和第二電極(18)交替地互相堆疊，并且二者之間各自設(shè)置所述隔離元件(24)。
13.根據(jù)權(quán)利要求7-12中的任一項(xiàng)所述的儲(chǔ)能器，其特征在于， 所述第一和第二電極(10、18)是分層的。
14.根據(jù)權(quán)利要求7-12中的任一項(xiàng)所述的儲(chǔ)能器，其特征在于， 所述第一和第二電極(10、18)是卷繞的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種諸如原電池的儲(chǔ)能器，包括第一電極(10)、第二電極(18)和位于第一和第二電極之間的隔離元件(24)。第一和第二電極(10、18)各自由電極載體(12、20)和活潑的電極材料(14、22)構(gòu)成，活潑的電極材料(14、22)設(shè)置在各自的電極載體的一側(cè)或二側(cè)上。為了改善長期穩(wěn)定性，尤其是大型鋰離子電池的長期穩(wěn)定性，第一和/或第二電極(10、18)的電極載體(12、20)由具有至少約99.9重量％的銅和磷含量的技術(shù)上無氧的銅材料構(gòu)成。
文檔編號(hào)H01M10/36GK101919091SQ200880119467
公開日2010年12月15日 申請日期2008年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月10日
發(fā)明者安德里亞斯·蓋奇, 蒂姆·舍費(fèi)爾 申請人:鋰電池科技有限公司