CN108701808A - 用于制备蓄电池的硅基阳极的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制备蓄电池的硅基阳极的方法，其中，执行以下步骤来制备阳极(20)：‑在具有晶界的金属衬底(1)上沉积硅层(3)，其中，硅层(3)朝向金属衬底(1)具有第一界面(14)；‑借助加热单元(22)，将金属衬底(1)加热到200到属至1000属衬之间的温度；‑在加热期间，借助能量密集的照射将硅层(3)中背离金属衬底(1)的第二界面(15)的区域回火；‑在硅层(3)和金属衬底(1)的区域中生成多相，其由硅层(3)中的硅的非晶硅和/或晶硅、金属衬底(1)的晶体金属和硅化物组成；以及‑产生金属衬底(1)的晶体金属。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制备蓄电池的硅基阳极的方法。
背景技术
电化学储能是世界范围内力求实现能量转换的重要支柱，用来缓存波动的再生电力并且提供给固定应用和移动应用。为了应对原材料方面的短缺并因而增加蓄电池的成本，尤其不仅需要储能概念(Energiespeicherkonzepte) 的多样化，而且需要新型材料。这样，既应改善储能概念相应的技术性能(尤其是电容量、能量密度、使用寿命)，又应尽量减少制造成本。后者尤其可通过使用容易获得的化学元素、诸如硅来得以保证，对于硅来说，已存在广泛的技术基础。
选择硅作为一种前景良好的资源节约型阳极材料是基于晶体物理工程范畴内开发的算法(BMBF：03EK3029A)：除电化学特性外，还包括资源可用性、回收利用与成本(即临界状态)以及环境相容性和操作安全性等问题，并且能够根据所需的存储应用予以权衡。
蓄电池可以是锂电池存储系统，它就助听器、智能电话、膝上型计算机等广泛应用而言具有最高的发展动态并且用作能源网的缓存器以及电动车辆的牵引电池。
此外，用于电动车辆高达数十kWh的牵引电池还需要增强再生能源在电动汽车方面的用途。例如基于锂离子技术的现代二级存储器非常适合电动汽车领域。但目前的电流存储密度严重限制了这类电动车辆的续航里程。除安全方面之外，另一方面还涉及因电池单元仍就昂贵而导致的电动车价格劣势。这里，例如用于硅基锂电池的低廉电池材料能够发挥卓越的作用。
相较于常规的含碳材料，例如存储容量为372mAhg-1的石墨，硅作为阳极材料在室温下具有约4212mAhg-1的更高储存容量。然而，使用硅作为阳极材料会面临挑战，对相应的蓄能器进行充电和放电时，在迁移离子物质的嵌入和脱嵌期间，主体基质在一定程度上发生显著的体积变化(体积收缩和体积膨胀)。石墨的体积变化约为10％，而硅的体积变化约为400％。在使用硅的情况下，阳极材料的体积变化导致内部应力、开裂、主体基质(硅) 的活性材料粉化并最终完全损毁阳极。
对于硅基阳极而言，下面选出一些与本发明的基本方法相关的科学论文。
在目前的电池制备中，已使用碳基或硅基纳米管和纳米线作为可充电锂电池中的阳极材料。这类纳米材料的最大优点不仅在于提高锂离子的嵌入和脱嵌速度，还在于表面效应。如参阅M.R.Zamfir、H.T.Nguyen、E.Moyen、 Y.H.Leeac和D.Pribat所著的文献《Silicon nanowires for Li-based battery anodes，a review》,Journal of MaterialsChemistry A(评论性刊物)，1,9566 (2013)，大表面积会增加电解质与流经界面的关联Li+离子(空位)流的接触面积。有关碳基纳米管和纳米线的研究，参阅R.S.Morris、B.G.Dixon、T.Gennett、R.Raffaelle、M.J.Heben所著的文献《High-energy, rechargeable Li-ionbattery based on carbon nanotube technology》，J.of Power Sources，138,277(2004)以及Z.Zhou、J.J.Zhao、X.P.Gao、 Z.F.Chen、J.Yan、P.V.Schiever、M.Morinaga所著的文献《Do composite single-walled nanotubes have enhanced capability for lithiumstorage？》， Chem.Mater.，17,992(2005)，表明即使硅的能量密度(约600Wh/Kg) 优于石墨，但在充电过程中(电位<100mV vs.Li/Li+)反应锂层的沉积会带来很高的安全风险。另一方面，如参阅M.Green、E.Fielder、B.Scrosati、 M.Wachtier和J.S.Moreno所著的文献《Structured Silicon anodes for lithium battery applications》，Electrochem.Solid State Lett，6,A75-A79 (2003)，虽然在嵌入锂达成一定的硅结构尺寸之后，与硅的4212mAhg-1的理论存储容量相比，硅基纳米管和纳米线的存储容量较小，约为3400 mAhg-1，但在硅的体积变化方面表现出更稳定的硅结构。
一般而言，存储容量取决于放电率。例如，参阅T.Song、J.Xia、J.-H. Lee、D.H.Lee、M.-S.Kwon、J.-M.Choi、J.Wu、S.K.Doo、H.Chang、 W.I.Park、D.S.Zang、H.Kim、Y.Huang、K.-C.Hwang、J.A.Rogers 和U.Paik所著的文献《Arrays of sealed Siliconnanotubes as anode for lithium ion batteries》，Nano Lett.，10,1710-1716(2010)，在50次循环以上的循环特性、C/20或C/5的放电率以及嵌锂后改进的35％或120％的轴向或径向体积变化量情况下，约达2600mAhg-1或2100mAhg-1的可逆存储容量。
同样，另一示例参阅Song Taeseup、Xia Jianliang、Lee Jin-Hyon、lee DongHyun、Kwon Moon-Seok、Choi Jae-Man等人所著的文献《Arrays of sealed Siliconnanotubes as anode for lithium ion batteries》，Nano Lett.10 (5)，S.1710-1716(2010)，其表明密实堆积的硅基纳米管作为阵列(30 nm-60nm)就位，在阳极材料的放电率介于C/20至C/5时，50次循环后的功率损耗大幅减少到20％以下。
在硅基阳极的方法中，容量与体积变化的数据有所不同，但一致认为，提高阳极材料的性能并且减小体积变化可以归结为两种原因。
一方面，纳米结构之间的自由空间在材料吸收体积膨胀中起关键作用。
另一方面，参阅A.S.Arico、P.Bruce、B.Scrosati、J.-M.Tarascon、 W.Van Schalkwijk所著的文献《Nanostructured materials for advanced energy conversion andstorage devices》，Nat.Mater.，4,366(2005)，结构的缩小有助于在形成合金时发生相变。
纳米合金同样也是最新的材料。参阅M.Winter、J.O.Besenhard所著的文献《Electrochemical lithiation of tin and tin-based intermetallics andcomposites》，Electrochim.Acta，45,31(1999)，研究工作的焦点是增加纳米结构之间的自由空间，以缓冲体积收缩和体积膨胀。
相应的实验表明，参阅J.Hassoun、S.Panero、B.Scrosati所著的文献《Electrodeposited Ni-Sn intermetallic electrodes for advanced lithium ionbatteries》,J.of Power Sources,160,1336(2006)，容量为550mAhg-1的纳米锡合金达到4V的电池电压以及高达50次的循环。在体积变化方面，锡的阳极性能(理论存储容量为993mAhg-1)与硅的阳极性能极为相似。再者，参阅P.L.Taberna、S.Mitra、P.Piozot、P.Simon、J.M.Tarascon所著的文献《High rate capabilities Fe3O4-based Cu nano-architectured electrodes for lithium-ion battery applications》，Nat.Mater.，5,567(2006)，硅基纳米柱在8C的高放电率下进行100次循环后的体积变化大幅降低，占总容量的80％。
专利文献WO 2015/021368 A1描述一种锂离子电池，其除了嵌埋阴极之外，还由借助原子层沉积(ALD)在双面涂布氧化铝的多孔硅基阳极组成。氧化铝层既用作电解质/阳极界面处的钝化层又用作阳极的接触面。这里，通过在电解质/阳极界面上涂覆保护层来处理嵌锂后硅的体积变化。
其缺陷在于，需容忍蓄电池界面处的不良导电性。
专利文献WO 2012/158608 A1描述一种制备用于锂离子电池的基于 SiOx/Si层的阳极的方法。为了制备SiOx/Si层，研磨获得的SiOx/Si微粒是通过繁复的机械粉碎过程制备的。
专利文献US 2014/0370386 A1描述一种由硅和至少一种金属元素(例如Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Cu、Zr或Nb)组成的共晶合金，这种共晶合金用于产生充电/放电过程稳定且使用寿命延长的微结构化硅合金(结构小于4μ结)。需要额外的由铜制成的电流集电极。
除安全性之外，市场渗透战略的一个重要方面是制造成本。现有技术中关于所述硅基纳米结构的常规制备方法主要是湿化学法，例如，溶胶-凝胶法或电解沉积法，在大多数情况下需要催化剂。这就使得这类阳极材料的制造成本增高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于制备蓄电池的硅基阳极的方法，该方法的构建方案适于从经济层面和技术层面实现改进。再者，还会提高容量。此外，资源和能源以及生产时间和制造成本会显著下降。另外，硅基阳极材料内的内应力得以缓冲，并且阳极材料应能扩展几个数量级并能完美融入卷对卷(Rolle-zu-Rolle)技术中。
本发明用以达成上述目的的解决方案为权利要求1的特征。
所述方法用于制备蓄电池的硅基阳极，其中，蓄电池至少由阳极、至少一种电解质、隔膜和对置电极组成，
根据权利要求1的特征，包括以下步骤：
-在金属衬底上沉积硅层；
-将金属衬底加热到200衬底至1000底加之间的温度；
-在经加热的金属衬底中，借助能量密集的处理，将硅层中背离金属衬底的界面区域回火；
-在硅层和金属衬底的区域中产生多相，其由硅层中的硅的非晶硅和/或晶硅、金属衬底的晶体金属和硅化物组成。
可以在一个硅层界面或两个硅层界面处引入金属、氧化物、含碳或含聚合物层形式的一个附加缓冲层或多个附加缓冲层。
可以借助一种系统进行回火，以快速进行热处理和退火。
金属衬底用作集成电流集电极。
可以使用例如镍或铜作为金属衬底的金属。
利用能量密集型能量源，例如利用闪光灯，进行能量密集的处理和退火过程，该闪光灯可以具有0.2ms至20ms的闪光持续时间以及0.6J/cm2至 160J/cm2的能量密度。
可以根据上述蓄电池的方法制备的硅基阳极，至少包括：
-金属衬底，用作载体材料和电流集电极；
-沉积在金属衬底上的硅层；
-在金属衬底和硅层的区域中由非晶硅、晶硅和晶体金属组成的多相；以及
-金属衬底的晶体金属。
至少可以在硅层中背离金属衬底的界面上施加缓冲层。
金属衬底与硅层之间的第二界面的区域内可以存在另一个缓冲层。
一种用于对根据所述方法制备的阳极进行快速热处理和退火的系统可以至少包括：
-至少高能的能量源，例如，至少一个闪光灯，其定向于阳极的硅层；
-与闪光灯相关联的至少一个反射器，其定向于阳极的硅层和闪光灯；
-加热单元，其与金属衬底相关联并且至少将金属衬底加热到优选200元，至1000，其之间的高温，
其中，在加热期间，闪光灯光定向成将短期高能传递到硅层中背离金属衬底的第二界面。
借助能源密集的照射，对硅层中背离金属衬底的第二界面的区域进行回火，其中在背离的第二界面的至少一个表面部分进行这种能量密集的照射。但在照射过程中，也可能将硅层的整个背离的第二界面进行全面照射和回火。
利用根据本发明的方法，例如直接在金属箔上产生硅结构，随后借助快速热处理将其回火(英语：rapid thermal processing，RTP)，例如，闪光灯退火(英语：Flash lampannealing，FLA)。本发明实质上能够实现以一种材料形成具有集成电流集电极的硅基阳极材料，由此从经济层面和技术层面得以改进。RTP代表高温工艺中的快速热处理，其中实现了用卤素灯非常快速地加热阳极的硅层。使用闪光灯时，则称作FLA。
可以用多个闪光灯对装入处理室内的根据本发明的阳极进行照射，其中这些闪光灯由气体放电灯组成，它们发出可见范围与红外范围之间的波长范围内的辐射(400nm-800nm)并且能够以约12MW的可能总容量工作不到 20ms并升至高达2000℃的温度。
闪光灯退火用于促进金属诱导的层交换过程，也称作金属诱导晶化。
一般而言，硅的晶化只能在约700只能下进行。在闪光灯退火之后，这些硅原子成为自由原子并且即使在低温下也能沿着金属衬底的晶界扩散，因为在与金属的界面处，硅原子的共价键受到削弱。这一点已经多种金属/半导体系统(例如，Au/a-Si和Ag/a-Si)证实，结果表明有益于能量方面，如参阅Z证实，结果表明、J证实，结果表明、L证实，结果Jeurgens、 EeurMittemeijer所著的文献《Thermodynamics and mechanism of metal-induced crystallization in immiscible alloy Systems:Experiments andcalculations on AI/a-Ge and Al/a-Si bilayers》，Physical Review B 77,045424(2008)。另外，硅的晶化可以通过在相对较低的温度下与金属接触来实现。采用高度简化的方式，可以在下降到熔融温度后开始晶体生长，可以将此用作相变的标准。由于处理温度较低，还能够显著降低能量和制造成本。
本发明涉及一种用于制备硅基阳极的方法，这种硅基阳极能够结合嵌埋阴极、隔膜和液态/固态电解质在带有迁移物质(例如锂、钠)的蓄电池中用作阳极。
制造阳极的具体方式是，在第一步骤中，在具有晶界的金属衬底上沉积硅层。
可以施加另外一层薄层并进一步考虑将其作为缓冲层，这一层也可以是金属、氧化物、含碳或含聚合物的层。
随后，在第二制造步骤中，借助RTP工艺进行回火，即，借助快速热处理，例如高能的闪光灯光照射，其中灯具装置至少可由闪光灯和反射器组成，其中至少在金属衬底的回火期间进行加热。
另外，制造的多相硅基合金提供额外的自由空间来适应锂化的体积变化，并且提供整体复合材料的稳定性。所使用的金属箔(衬底)同时还形成电流集电极表面，其大小最终通过电池单元的功率来决定，因此，根据本发明的方法利用硅纳米结构的巨大优势。
虽然通过嵌入和脱嵌过程仅能存储有限数目的锂离子，但合金具备更高的存储容量。对此的例证是索尼公司开发的名为Nexelion的锂电池，它使用钴、锡和石墨合金的复合材料并具有数百次循环的恒定容量。换言之，与常规的石墨阳极相比，实现超过50％的增长。
根据本发明的用于制造蓄电池的高电容硅基阳极的方法的新颖性在于，将硅结构直接沉积在金属箔上，随后对其进行回火。这就产生多相的硅-金属结构，这种结构缓冲由脱锂和锂化引起的体积变化并确保整体复合材料的稳定性。所述方法具有良好的可扩展性并且能够完美融入卷对卷技术。在此情形下，具有由导电材料制成的集成电流集电极的硅基阳极的制备方法代表本发明的技术特征。该方法还能显著减少使用的资源和能源以及制造的时间和成本。
附图说明
下面结合附图通过实施例对本发明予以详述。
在附图中：
图1a-1b示出根据本发明的金属-硅-阳极的示意图，其中
图1a示出阳极，以及
图1b示出从闪光灯装置形式的能量源对根据图1a的阳极进行能量密集照射的处理步骤以及处理步骤期间同时对金属衬底进行的加热步骤；
图2示出由Ni/NiSi阳极、设有隔膜的电解质和对置电极组成的半电池/ 蓄电池中电流(I)-电压(V)曲线形式的循环伏安图(Zyklovoltammogramm) (CV)；
图3a-3b是从纵向剖视图和表面俯视图观察闪光灯退火后的生长前沿的模型描述：金属层(金属箔)上沉积硅层，其中
图3a示出退火后具有不同多相和晶体金属的阳极的纵向剖视图，
图3b示出退火后具有不同多相和晶体金属的阳极的俯视图；
图4a-4c示出通过测量确定的闪光灯退火后Ni-Si阳极表面的Ni-Si相的化学组成，其中
图4a示出根据图3a-3b的晶体金属层，其特征在于能量色散X射线光谱，
图4b示出根据图3a-3b的晶硅层，其特征在于能量色散X射线光谱，
图4c示出根据图3a-3b的晶体金属层和晶硅层的晶体组合，其特征在于能量色散X射线光谱；以及
图5a-5b示出具有根据本发明的阳极的蓄电池的基本组件的示意性纵向剖视图，其中
图5a示意性示出其中具有分层组件的蓄电池，以及
图5b示意性示出组件的分层布置：阴极、第一电解质、隔膜、第二电解质和阳极，分层的边缘涂覆有绝缘层以及在绝缘层上施加金属外壳，其中负载连接到阳极和阴极。
具体实施方式
在下文中，结合考虑图1a和图1b以及图3a和图3b，详细阐述一种用于借助闪光灯退火作为从根据本发明的阳极20的自由界面15上的闪光灯系统21的瞬时能量密集转移的形式来制造蓄电池的硅基阳极20的方法的实施例。
参照图5a-5b，蓄电池30至少由阳极20、至少一种电解质31a和31b、位于电解质31a与31b之间的隔膜32以及对置电极33组成，根据本发明用于制造蓄电池30的硅基阳极20的方法包括以下步骤：
-在具有晶界2的金属衬底1上沉积硅层3，其中，硅层3与金属衬底 1之间存在第一界面14；
-借助加热单元22将金属衬底1加热到200℃至1000℃之间的温度；
-在加热金属衬底1期间，借助能量密集的照射，将硅层3中背离金属衬底1的第二界面15的区域回火；
-在硅层3和金属衬底1的区域中产生多相10、11，其由硅层3中的硅的非晶硅和/或晶硅、金属衬底1的晶体金属和硅化物组成；以及
-产生金属衬底1的晶体金属8。
在朝向金属衬底1的第一硅层界面14处和/或朝向电解质31b的第二硅层界面15处，可以分别引入金属、氧化物、含碳或含聚合物层形式的附加缓冲层4a、4b。
借助系统21进行回火，以进行快速热处理和退火。
金属衬底1还在根据本发明的阳极20中用作集成电流集电极。
优选地，使用镍或铜作为金属衬底1的金属。
可以至少利用作为能量源的闪光灯6来实现进行退火的能量密集处理，该闪光灯可以具有0.2ms至20ms的闪光持续时间以及0.6J/cm2至160 J/cm2的能量密度。
根据本发明，通过上述方法制备的硅基阳极20可以至少包括：
-金属衬底1，用作载体材料和电流集电极；
-涂覆于金属衬底1上的硅层3，其中硅层3与金属衬底1之间形成第一界面14；
-涂覆于硅层3中背离金属衬底1的第二界面15上的至少一个缓冲层 4a；
-在金属衬底1和硅层3的区域中由非晶硅、晶硅和晶体金属组成的多相10、11；以及
-金属衬底1的晶体金属8。
在第一界面14的区域中，金属衬底1与硅层3之间存在另一个第二缓冲层4b。
在此情形下，参照图1a，借助CVD在形成为金属衬底1的金属箔(Ni，层厚为100μm)上沉积硅层3(层厚为2.2μm)，然后参照图1b，借助闪光灯退火(闪光持续时间介于0.2ms至20ms之间)进行回火(getempert)。在对硅层3进行高能密集处理之前和期间，对金属衬底1进行加热。
图1b示出用于快速热处理和退火的系统21的示意图，其中该系统21 至少包括：
-至少一个能量密集型能量源6，其定向于阳极20的硅层3；
-加热单元22，其配属于金属衬底1并且将金属衬底1和硅层3加热到200℃至1000℃之间的温度；
其中，在加热期间，能量源7定向成将短期高能7传递到硅层3中背离金属衬底1的第二界面15。
图1b中的能量密集型能量源6可以至少包括：
-至少一个闪光灯作为能量密集型能量源6，其定向于阳极20的硅层3 的第二界面15；以及
-与闪光灯6相关联的至少一个反射器5，其中照射光7定向于硅层3，
其中，在加热期间，照射光7定向成将短期高能传递到硅层3中背离金属衬底1的第二界面15。
图2示出借助循环伏安法(CV)对具有Si阳极材料和Ni/NiSi材料系统的非晶纳米结构合金组成的钮扣电池与液态电解质(例如二甲氧基乙烷/二氧戊环混合物(1:1体积)中1摩尔LiTFSI)和参考电极(例如锂电极)的电化学表征。
图2示出构造为蓄电池的由Ni-NiSi阳极、液态电解质和对置电极组成的半电池在20μv/s的恒定充电/放电电压下的电流(I)-电压(V)曲线形式的循环伏安图(CV)。CV或IV测量在20μv/s的恒定充电/放电电压下进行。结果表明，在第一次循环中发生硅的锂化，然后在充电期间再进行脱锂。总体上，在图2中，在相同的20μv/s的充电/放电电压下进行十次循环。在脱锂/锂化作用下，例如锂合金的基质材料中的锂离子脱嵌或嵌入。
图3a示出根据本发明的阳极20的纵向剖视图，其中由形态研究得出对沉积在镍箔1上的硅层3进行闪光灯退火之后生长前沿的模型描述。这导致硅原子沿金属衬底1中存在的晶界2扩散并形成结晶c-Si层9。进一步以结晶形式形成a-Si+C-Ni(非晶硅和晶镍)的多相10或a-Si+c-Si+c-Ni结晶(非晶硅和晶硅和晶镍)的多相11。图3b示出用RTP产生的阳极20的俯视图，其中除多相10和多相11之外，还存在迁移物质12的离子和释放的电子13e-。
图4a-4c基于图3b示出同样由形态研究得出的闪光灯退火之后Ni-NiSi 表面上产生的结构的模型描述以及借助能量色散X射线光谱的方法得出它们的化学组成。能量色散X射线光谱清楚表明图3a和图3b中描述的结构的所得Ni相和Si相。
图4a示出具有镍信号幅度16和17的镍层8的结晶镍表面的X射线光谱结果，图4b示出具有硅信号振幅18的多相10的结晶表面的X射线光谱结果，以及图4c示出具有镍信号幅度16和17以及硅信号幅度18的多相 11的结晶表面的X射线光谱结果。
图5a-5b示出蓄电池30的示意图，其至少由以下组件组成：
-阴极33；
-第一电解质31a；
-隔膜32；
-第二电解质31b；
-根据本发明的阳极20，
其中，第二电解质31b位于根据本发明的阳极20下游，以及
其中，组件33、31a、32、31b、20在蓄电池30内以所述的次序层叠，如图5a和图5b所示。
图5a示意性示出其中具有分层组件33、31a、32、31b、20的蓄电池 30。
图5b示意性示出这些组件的分层布置：阴极33；第一电解质31a；隔膜32；第二电解质31b；阳极20；在分层的边缘处，将绝缘层34涂覆于其上；以及涂覆于绝缘层34上的金属外壳35。阳极20和阴极33分别与连接至少一个负载37的负载导线36保持连接。
存在以下优点：
根据本发明的方法实现的硅层3在化学上更稳定、在价格上更低廉并且时间和能量消耗比专利文献WO 2012/158608 A1中描述的硅层更少。
在电流集电极(Stromabieiterseite)一侧不存在与硅层3相关联、其上沉积硅层3并且与金属箔1相对的缓冲层4a，因此可以确定决定阳极20的功率(Leistung)的电导率。
根据本发明的方法实现的硅层3直接沉积在金属衬底1上。在此情形下，通过根据图1b的快速热处理，金属层1与硅层3之间可以使用金属诱导层交换处理。与专利文献US2014/0370386 A1中的阳极的电流集电极 (Stromableiter)相比，金属衬底视为集成电流集电极。
卷对卷技术应理解为：
借助卷对卷技术，在金属衬底1上沉积硅层3并沉积缓冲层14和/或15 并且进行热处理，以及对位于卷上的金属衬底1进行退火，将其卷出、涂布、加热和加工并最终再卷起。然后，从卷上取下所需的阳极20。
附图标记列表
1 金属衬底
2 晶界
3 硅层
4a 第一金属/氧化物/含碳/含聚合物的缓冲层
4b 第二金属/氧化物/含碳/含聚合物的缓冲层
5 反射器
6 能量密集型能量源
7 照射光(Bestrahlungslicht)
8 晶体金属层(c-Me)
9 晶硅层(c-Si)
10 由c-Me、c-Si组成的多相层
11 由c-Me、c-Si和非晶硅(a-Si)组成的多相层
12 迁移物质的离子，例如Li+
13 自由电子
14 第一界面
15 第二界面
16 第一镍信号幅度
17 第二镍信号幅度
18 硅信号幅度
20 本发明的阳极
21 能源密集处理的装置/灯具装置
22 加热单元
30 由根据本发明的阳极、两种电解质、位于两种电解质之间的隔膜与阴极组成的蓄电池
31a 第一电解质
31b 第二电解质
32 隔膜
33 阴极
34 绝缘层
35 金属外壳
36 负载导线
37 负载
Claims (13)
1.一种用于制备蓄电池(30)的硅基阳极的方法，其中，所述蓄电池(30)包括阳极、至少一种电解质(31a、31b)和对置电极(33)，其特征在于以下步骤：
-在金属衬底(1)上沉积硅层(3)，其中，所述硅层(3)朝向所述金属衬底(1)具有第一界面(14)；
-借助加热单元(22)将所述金属衬底(1)加热到200℃至1000℃之间的温度；
-在加热期间，借助能量密集的照射将所述硅层(3)中背离所述金属衬底(1)的第二界面(15)的区域回火；
-在所述硅层(3)和所述金属衬底(1)的区域中生成多相(10、11)，所述多相由所述硅层(3)的硅的非晶硅和/或晶硅和所述金属衬底(1)的晶体金属组成；以及
-产生所述金属衬底(1)的晶体金属(8)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在第一硅层界面(14)处和/或第二硅层界面(15)处分别朝向所述金属衬底(1)或朝向所述电解质(31b)引入金属、氧化物、含碳或含聚合物层形式的缓冲层(4a、4b)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助系统(21)进行回火，以快速进行能量密集的热处理和退火。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属衬底(1)用作集成电流集电极。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，使用镍或铜作为所述金属衬底(1)的金属。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少利用能量密集型闪光灯(6)形式的能量源进行照射和退火处理，该闪光灯具有0.2ms至20ms的闪光持续时间以及0.6J/cm2和160J/cm2之间的能量密度。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在位于卷出、涂布、加热和加工以及最后再卷成卷的卷上的金属衬底(1)上进行金属衬底(1)上的硅层(3)的沉积和缓冲层(14和/或15)的沉积以及热处理和退火，将其。
8.一种根据权利要求1至7中任一项所述的方法制备的用于蓄电池(30)的硅基阳极(20)，其特征在于，所述阳极(20)至少包括：
-金属衬底(1)，用作载体材料和电流集电极；
-涂覆于所述金属衬底(1)上的硅层(3)，并形成朝向所述金属衬底(1)的第一界面(14)；
-在所述金属衬底(1)和所述硅层(3)的区域中由非晶硅、晶硅和晶体金属组成的多相(10、11)。
9.根据权利要求8所述的阳极，其特征在于，至少一个缓冲层(4b)位于所述金属衬底(1)与所述硅层(3)之间的所述第一界面(14)的区域中。
10.根据权利要求8或9所述的阳极，其特征在于，在所述硅层(3)的背离所述金属衬底(1)的第二界面(15)上涂覆至少一个缓冲层(4a)。
11.一种用于对根据权利要求1至7中任一项所述的方法制备的根据权利要求8至10中任一项所述的阳极(20)进行能量密集的热处理和退火的系统(21)，其特征在于，所述系统(21)至少包括：
-至少一个能量密集型能量源(6)，其能量流导向所述阳极(20)的硅层(3)；
-加热单元(22)，其配属于所述金属衬底(1)并定向于所述金属衬底(1)并且至少将所述金属衬底(1)和所述硅层(3)加热到200℃至1000℃之间的温度；
其中，在加热期间，所述能量源(6)定向到所述硅层(3)的背离所述金属衬底(1)的第二界面(15)，用于传递短期高能(7)。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述能量密集型能量源(6)至少包括：
-至少一个闪光灯(6)，其定向于所述阳极(20)的所述硅层(3)的所述第二界面(15)；
-与所述闪光灯(6)相关联的至少一个反射器(5)，其中，在加热期间，所述闪光灯的光(7)定向到所述硅层(3)中背离所述金属衬底(1)的所述第二界面(15)，用于传递短期高能(7)。
13.一种具有通过根据权利要求1至7中任一项所述的方法制备的根据权利要求8至12中任一项所述的阳极(20)的蓄电池(30)，其至少由以下组件组成：
-阴极(33)；
-第一电解质(31a)；
-隔膜(32)；
-第二电解质(31b)，
其特征在于，所述阳极(20)布置于所述第二电解质(31b)的下游，其中所述阳极(20)通过根据权利要求1至6中任一项所述的方法来制备，其中，所述组件：阴极(33)、第一电解质(31a)、隔膜(32)、第二电解质(31b)和阳极(20)在所述蓄电池(30)内以此次序层叠。
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