CN118104004A - 使用超声波焊接将电极凸片联结到集电器的方法、用于电池的电极组件以及该组件的用途 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种电极组件、包括所述电极组件的组合物和电池、所述电极组件的用途以及用于生产所述电极组件的方法，包括以下步骤：a.提供至少第一复合电极材料，包括集电器材料上的至少一个硅层；和b.提供与所述集电器材料接触的电极凸片材料，以形成对齐的电极组件堆叠；c.可选地，提供复合电极材料，该复合电极材料包括与另一复合电极的集电器材料接触的集电器材料上的至少一个硅层，以形成对齐的电极组件堆叠；d.可选地，重复步骤c至少一次；和e.将超声波能量施加到对齐的电极组件堆叠的一部分以形成：i.焊缝材料；ii.穿过电极凸片和可选地穿过复合材料的熔透焊缝；和/或iii.在所述焊缝材料和所述复合材料之间的至少一附接焊缝；从而形成电极组件。

Description

使用超声波焊接将电极凸片联结到集电器的方法、用于电池 的电极组件以及该组件的用途
发明领域
本发明涉及一种用于电池的负极组件及其制造，特别涉及一种使用超声波焊接技术改进的电极凸片和包括硅活性材料和集电器的电极之间的联结。
发明背景
电池是由一个或更多个具有外部连接的电化学电池单元组成的设备，电池单元将储存的化学能转化为电能。电池单元具有正极和负极，也分别称为阴极和阳极。当电池连接到外部电路时，电子通过外部电路从阳极流向阴极，从而将电能传递到电路和连接到电路的任何设备。
碱性电池等原电池是一次性电池，因为电极材料在放电过程中会永久改变。诸如锂离子电池的二次电池可以多次充电和放电，因为电极材料的原始组合物可以通过施加反向电流来恢复。
电池单元由两个通过导电电解质材料串联的半电池单元(half-cells)组成。一个电池单元包含阴极，而另一个电池单元包含阳极，电解质存在于两个电池单元中。在两个电池单元之间可以存在隔板，当在每个电池单元中使用两种不同类型的电解质时，隔板防止电解质混合，同时仍然允许离子在两个电池单元之间流动。
一种电极包括活性材料层，例如主要由硅组成，形成在集电器(例如铜片)上，并且引线或凸片，例如镍板连接到集电器上。电极凸片通常通过焊接连接到集电器的暴露部分，即在其上不形成活性材料或活性材料被去除的部分。
然而，从集电器上去除活性材料或在集电器上形成活性材料的过程中掩蔽集电器是困难和复杂的过程，这也可能危及电极的完整性。例如，在例如浆料涂覆或诸如等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的气相沉积方法期间，需要高精度来产生集电器材料的合适暴露区域。
可以通过例如将电极凸片间接焊接到电极的活性材料来避免必须制造具有集电器材料的暴露区域的电极的上述缺点。美国专利US9979009B2公开了一种能量存储设备，包括电极凸片、包括比电极凸片薄的金属层的硅电极和将电极凸片连接到硅电极的激光焊缝，其中激光焊缝的接头包括电极凸片的熔化材料并与金属层的熔化材料电接触。
国际专利申请WO2013080459A1公开了一种通过熔化部分连接到包括活性材料和集电器的负电极的凸片，该熔化部分通过电弧焊接而不是通过电阻焊或超声波焊接连续形成在凸片的端面和电极的端面上。
或者，可以通过提供仅在两侧之一具有活性材料而另一侧是裸露的、暴露的集电器材料的电极来避免该缺点。从专利申请GB2458942A中已知，铜可以超声波焊接到镍上。然而，形成在集电器上作为电极的硅层通常具有刚性的原晶成分，因此是易碎的。因此，预期将硅层材料暴露于焊接的热应力，特别是暴露于超声波焊接的额外的严重机械应力，将导致硅层在可以建立有效焊缝之前被损坏或者甚至破坏。此外，将电极凸片间接焊接到具有在预期的电极凸片与集电器附接的相对侧附接到集电器的硅层的集电器材料上，也预计在能够建立有效焊缝之前导致相对侧上的硅层被损坏或者甚至被破坏。在这种情况下，在焊接之前在集电器材料和硅活性材料之间建立的附接将因此受到(超声波)焊接的应力的负面影响。
本申请的发明的目的是提供一种通过使用超声波焊接将电极凸片焊接到电极上来生产电极组件的改进方法，一种包括以改进的方式将电极凸片附接到电极上的超声波焊缝的电极组件，以及包括根据本发明的组件的组合物和电池。另一个目标是提供包括通过一个焊缝焊接到一个电极凸片上的多个电极的电极组件和制造该组件的方法。
发明内容
鉴于上述讨论，因此本发明的目的是提供一种用于生产电极组件的方法，该方法包括以下步骤：
a.提供至少第一复合电极材料，第一复合电极材料包括集电器材料上的至少一个硅层；和
b.提供与集电器材料接触的电极凸片材料，以形成对齐的电极组件堆叠；
c.可选地，提供复合电极材料，该复合电极材料包括与另一复合电极的集电器材料接触的集电器材料上的至少一个硅层，以形成对齐的电极组件堆叠；
d.可选地，重复步骤c至少一次；和
e.将超声波能量施加到对齐的电极组件堆叠的一部分以形成：
i.焊缝材料(weld material)；
ii.穿过电极凸片和可选地穿过复合材料的熔透焊缝；和/或
iii.在焊缝材料和复合材料之间的至少一附接焊缝；
从而形成电极组件。
另一个目的是提供可通过根据本发明的方法获得的电极组件。
在另一方面，本发明的主题是提供一种电极组件，其包括：
i)包括焊缝材料的电极凸片，其中焊缝材料和电极凸片材料的至少一部分形成第一焊缝界面材料；
ii)硅电极复合材料，包括焊缝材料和集电器材料层上的硅活性材料层，其中焊缝材料和集电器材料的至少一部分形成第二焊缝界面材料；和
iii)焊缝材料邻接电极凸片和集电器材料，使得电极凸片、复合材料和焊缝材料以电连通方式彼此联结。
本发明的另一个目的是提供一种电池，包括电解质、阴极、隔板和根据本发明的组件或根据本发明的组合物。
本发明的另一个目的是提供根据本发明的组件、组合物或电池作为能量存储和/或释放设备的用途。
申请人已经发现，利用根据本发明的方法、组件、组合物和电池，已经实现了目标。
附图简述
图1示出了与超声波焊接装置的焊头和砧座接触的根据本发明的电极组件堆叠的示意图。
图2示出了与超声波焊接装置的焊头和砧座接触的根据本发明的电极组件堆叠的示意图，其中可选的焊接材料(welding material)放置在砧座的顶部。
图3示出了根据本发明的电极组件堆叠的示意图，该电极组件堆叠包括多个复合电极，与超声波焊接装置的焊头和砧座接触，可选的焊接材料放置在砧座的顶部。
图4示出了根据本发明的电极组件堆叠的示意图，该电极组件堆叠包括多个复合电极，与超声波焊接装置的焊头和砧座接触，可选焊接材料放置在砧座的顶部和复合电极之间。
图5示出了不是根据本发明的电极组件堆叠的示意图，该电极组件堆叠包括多个复合电极，与超声波焊接装置的焊头和砧座接触，可选的焊接材料放置在砧座的顶部。
图6示出了根据本发明的电极组件堆叠的示意图，该电极组件堆叠包括多个复合电极，与超声波焊接装置的焊头和砧座接触，其中可选焊接材料放置在砧座的顶部，必选焊接材料位于复合电极之间。
图7示出了附接到用于四点接触电阻测量的电路的根据本发明的电极组件的示意图。
图8描绘了焊接前包括薄箔复合电极材料的电极组件堆叠的横截面示意图。
图9描绘了根据本发明的电极组件的横截面示意图，包括接触焊缝(116)，其是图8中要求保护的焊接步骤的结果。
图10描绘了在本发明的超声波焊接工艺之前，包括两个薄箔复合电极材料的电极组件堆叠的横截面示意图，该两个薄箔复合电极材料堆叠使得它们的硅层直接接触。
图11描绘了根据本发明的电极组件的横截面的示意图，包括将集电器层(106)连接到电极凸片材料(103)的熔透焊缝(116)。
图12描绘了在本发明的超声波焊接工艺之前的电极组件堆叠的横截面示意图，该电极组件堆叠包括(i)在集电器材料(106)的两侧涂覆有硅层(105)的两个薄箔复合电极材料；以及(ii)三个焊接材料层(104、108、114、115)，其被堆叠，使得每个硅层(105)与至少一个焊接材料直接接触。
图13描绘了根据本发明的电极组件的横截面的示意图，电极组件包括将集电器层(106)连接到电极凸片材料(103，113)的熔透焊缝(116)。
图14描绘了在本发明的超声波焊接工艺之前的电极组件堆叠的横截面示意图，该电极组件堆叠包括(i)在集电器材料(106)的两侧涂覆有硅层(105)的三个薄箔复合电极材料；以及(ii)堆叠成使得每个硅层(105)与至少一个焊接材料直接接触的五个焊接材料层(104、108、114、115)。
图15示出了根据本发明的电极组件的横截面的示意图，电极组件包括熔透焊缝。
发明的详细描述
发明人惊讶地发现，电极凸片可以通过超声波焊接来焊接到包含硅活性材料的复合电极的集电器材料上。
因此，本发明涉及一种用于生产电极组件的方法，该方法包括以下步骤：
a.提供至少第一复合电极材料，第一复合电极材料包括集电器材料上的至少一个硅层；和
b.提供与集电器材料接触的电极凸片材料，以形成对齐的电极组件堆叠；
c.可选地，提供复合电极材料，该复合电极材料包括与另一复合电极的集电器材料接触的集电器材料上的至少一个硅层，以形成对齐的电极组件堆叠；
d.可选地，重复步骤c至少一次；和
e.将超声波能量施加到对齐的电极组件堆叠的一部分以形成：
i.焊缝材料；
ii.穿过电极凸片和可选地穿过复合材料的熔透焊缝；和/或
iii.在焊缝材料和复合材料之间的至少一附接焊缝；
从而形成电极组件。
本发明还涉及一种电极组件，包括：
i)包括焊缝材料的电极凸片，其中焊缝材料和电极凸片材料的至少一部分形成第一焊缝界面材料；
ii)硅电极复合材料，包括焊缝材料和集电器材料层上的硅活性材料层，其中焊缝材料和集电器材料的至少一部分形成第二焊缝界面材料；和
iii)焊缝材料邻接电极凸片和集电器材料，使得电极凸片、复合材料和焊缝材料以电连通方式彼此联结。
本发明的另一方面是可通过根据本发明的方法获得的电极组件。
超声波焊接是一种焊接技术，其中高频超声波声学振动局部应用于在压力下保持在一起的元件，以产生固态焊缝。当超声波焊接用于连接金属时，金属的温度通常保持在它们的熔点以下，从而防止由于高温暴露而可能发生的不希望的特性，例如对复合电极材料的损坏。此外，防止了不希望的金属间化合物和冶金缺陷，例如熔化区中的脆性相或孔隙，这可能是由大多数焊接过程引起的。
超声波焊接比现有技术中使用的其它焊接技术如激光焊接、电弧焊接或电阻焊具有优势。这些优点除了能够更精确地有效焊接薄层之外，还降低了能量需求、提高了速度和安全性。
然而，电极凸片不能有效地直接焊接到复合电极的硅层上。作为电极形成在集电器上的硅层通常具有刚性原晶成分，因此易碎。因此，预期将硅层材料暴露于焊接的热应力，特别是暴露于超声波焊接的额外的严重机械应力，将导致硅层在可以建立有效焊缝之前被损坏或者甚至破坏。此外，将电极凸片间接焊接到在预期的凸片到集电器附接的相对侧具有附接到集电器的硅层的集电器材料上，也预期会导致相对侧的硅层在可以建立有效焊缝之前被损坏或甚至破坏。在这种情况下，在焊接之前在集电器材料和硅活性材料之间建立的附接将因此受到(超声波)焊接的应力的负面影响。
然而，与先前的预期相反，申请人现在发现电极凸片可以超声波焊接到复合电极材料的集电器层上，该复合电极材料包括集电器材料上的硅层。通过将超声波焊接应用于组件堆叠，该组件堆叠包括与包括集电器材料和硅活性材料的复合电极的集电器材料连接的电极凸片，形成焊缝材料，并通过电极凸片和可选的复合材料形成熔透焊缝，并且在所有相关部件之间形成稳定的机械和导电连接。另外，焊缝材料和电极凸片材料的至少一部分形成第一焊缝界面材料，并且焊缝材料和复合材料的至少一部分形成第二焊缝界面材料。
一种制造用于二次电池的阳极的新工业方法，包括使用化学气相沉积(CVD)将硅和/或碳作为活性电极材料沉积在集电器材料片上。为了获得电极凸片可以连接到其上的集电器材料的暴露部分，活性材料不沉积在集电器的某些限定的、掩蔽的部分上。随后，凸片被焊接到集电器的这些暴露部分上。或者，为了暴露集电器材料，可以在沉积后通过诸如激光烧蚀或机械研磨的技术蚀刻掉或去除活性电极材料。
根据本发明，电极凸片现在可以连接到电极的集电器材料，其中硅活性材料已经与电极凸片将被附接的位置直接相对地附接到集电器。当提供复合电极材料时，这种情况可能发生，其中集电器(片)的仅一侧具有附接的硅活性材料层。此外，现在可以利用超声波焊接的上述优点。
根据本发明，一个或更多个附加电极凸片可以超声波焊接到组件上，以改善焊缝。以这种方式，组件由相对端上的至少两个电极凸片组成，电极凸片包括夹在并焊接在至少两个电极凸片之间的焊缝材料、复合材料和可选的焊接材料。
根据本发明的方法，提供与集电器材料接触的电极凸片材料可以进一步包括提供与复合材料的集电器材料接触的附加电极凸片材料，以形成对齐的电极组件堆叠。
包括一个或更多个附加电极凸片的第二电极组件可以通过包括以下步骤的方法来生产：
a.提供根据本发明的第一组件；
b.可选地提供与第一组件接触的焊接材料，优选与第一组件的硅层接触，优选其中焊接材料不与邻接第一组件的电极凸片材料的层接触；和
c.提供与第一组件的复合材料的集电器材料或可选的焊接材料接触，优选与可选焊接材料接触的第二电极凸片材料，以形成对齐的电极组件堆叠；
d.将超声波能量施加到对齐的电极组件堆叠的一部分以形成：
i.焊缝材料；
ii.穿过第二电极凸片和可选焊接材料以及可选穿过复合材料的熔透焊缝；和/或
iii.在焊缝材料和复合材料之间的至少一附接焊缝；
优选地，其中焊缝材料和第二电极凸片材料中的至少一部分形成第一焊缝界面材料，并且焊缝材料和复合材料的至少一部分形成第二焊缝界面材料，从而形成第二电极组件。
因此，根据本发明的组件可以包括第二电极凸片，该第二电极凸片包括邻接第二电极凸片和复合材料的焊缝材料，使得电极凸片、复合材料和焊缝材料以电连通的方式彼此联结，并且优选地，其中焊缝材料和电极凸片材料的至少一部分形成第一焊缝界面材料。
优选地，根据本发明的方法，该方法还包括在施加超声波能量之前，提供与对齐的电极组件堆叠和超声波焊接装置的砧座接触的焊接材料。这可以导致根据本发明的进一步改进的焊缝，并且还可以促进将甚至更多单元的复合材料层结合到根据本发明的电极组件中。
优选地，根据本发明的方法，提供包含与另一复合电极的集电器材料接触的集电器材料上的至少一个硅层的复合电极材料以形成对齐的电极组件堆叠包括提供与另一复合电极的集电器材料接触的至少一个硅层或集电器材料，更优选至少一个硅层。
优选地，重复步骤c至少一次，包括重复步骤c一次、两次、三次、四次、五次、六次、七次、八次或九次。
优选地，根据本发明，熔透焊缝穿过复合材料的集电器材料形成。
优选地，根据本发明，附接焊缝形成在复合材料的焊缝材料和集电器材料之间。
根据本发明的方法，该方法优选包括在施加超声波能量的步骤之前在两种复合电极材料之间提供焊接材料的附加步骤，可选地重复附加步骤。优选地，根据本发明提供与复合材料接触或在两种复合电极材料之间的焊接材料包括提供与集电器材料或复合材料的至少一个硅层接触的焊接材料，更优选提供与复合材料的至少一个硅层接触的焊接材料。
优选地，根据本发明的复合材料包括在集电器材料的两侧的每一侧上的至少一层硅。
有利地，根据本发明，材料基本上是扁平的片状材料，并且材料在焊接过程之前和期间被对齐和固定。电极材料通常在工业过程中生产，其中，例如通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，电极活性材料作为一层沉积在集电器箔片上。电极凸片通常也以基本上扁平的片状材料的形式附接到电极上。基本上是平的和片状结构的材料的堆叠使得在焊接之前和焊接过程中容易对齐和固定。这里，根据本发明的硅层是活性材料层。硅层和硅活性材料层可以互换使用。
优选地，根据本发明的组件包括焊接材料。
优选地，根据本发明的焊接材料包括铝、金、铜、铁、锂、锰、钯、铂、铥、钛、钨、银、铍、镁、镍、硅或锆，更优选铝、金或铜，甚至更优选铜。
优选地，根据本发明的焊接材料或集电器材料各自的厚度为1至100um，优选为5或10至50um，更优选为10至15um或约10或12um。
有利地，根据本发明的集电器材料包括铜、锡、铬、镍、钛、不锈钢或银，或其合金，更优选铜或镍，或其合金，最优选铜。
集电器材料包括通过冷轧或电镀生产的片状材料，并且还可以包括铜或钛与诸如镁、锌、锡、磷和/或银的元素的合金。它可以是光滑的、粗糙的或有纹理的，拉伸强度优选为150至600MPa，并且可以包括沉积在铜箔上的钝化层，以保护铜箔在空气中不被氧化。通过冷轧或电镀生产的片状材料可能具有某些缺陷，例如轧制线、潜在应变、杂质和天然氧化物，这些缺陷会影响活性材料层的质量。因此，可以对集电器材料进行表面处理。例如，通过将集电器材料或其它金属的结节附接在集电器材料的表面，例如通过电镀，可以不同程度地增加箔的粗糙度。本领域已知的其他表面处理技术包括退火、滚花、蚀刻、液化、物理抛光和电抛光，并用于在沉积活性材料之前改善集电器材料的形态。
优选地，根据本发明的集电器材料包括金属、金属合金和/或金属盐和/或氧化物。
根据本发明的金属、金属合金和/或金属盐和/或氧化物有利地选自铝、铜、镍、锡、锡、铟和锌，优选镍、ZnO或SnO2，最优选ZnO；优选地，其中集电器包括铜或镍芯层，更优选掺杂有锌、铝、锡或铟的氧化物或氟化物的芯层。优选地，金属、金属合金和/或金属盐和/或氧化物或芯层处于厚度为0.1至5nm，更优选为1至2nm的层中。优选地，包含铜或镍的根据本发明的集电器包含镍、ZnO或SnO2。
术语“掺杂”在本文中被理解为在材料中引入微量元素以改变材料的原始电性质或改善硅材料的晶体结构。
在当前申请人的未决国际专利申请WO2021029769中，申请人发现包括附接到集电器材料上的金属、金属合金和/或金属盐和/或氧化物的粘附层增加了硅材料到复合电极的集电器材料上的粘合。根据本发明，包含金属、金属合金和/或金属盐和/或氧化物粘附层的集电器材料优选包括粘附层。该粘附层增加了硅材料和集电器材料之间的粘附，因为在集电器材料和硅之间的界面上形成了不同的硅复合物。这种粘附层优选包括镍、锌或锡，例如ZnO或SnO2。粘附层可以通过在集电器材料上涂覆或沉积金属、金属合金和/或金属盐和/或氧化物来形成。优选地，粘附层位于厚度为0.1至5nm、更优选为1至2nm的层中。
优选地，根据本发明，至少一个硅层的厚度为0.1至500um，优选1至100或200um，更优选1至30或50um，最优选3或5至15或20um或约10um。或者，根据本发明，至少一个硅层优选具有0.1至4.0mg/cm2的质量负载，更优选0.5或0.8至2.0或2.5mg/cm2，或2.5至3.5或4.0mg/cm2，最优选1.0至2.0mg/cm2的质量负载。质量负载涉及存在于集电器层一侧的一个硅层的质量负载。
有利地，根据本发明的至少一个硅层具有0％至50％的孔隙率，更优选1％、2％、5％或10％至50％的孔隙率。优选地，硅层的平均孔径在0.5至40nm的范围内，优选1至20nm。根据本发明的孔隙率和(平均)孔径优选根据ISO(国际标准化组织)标准规定的方法测定：ISO 15901-2:20 06“Pore size distribution and porosity of solid materials bymercury porosimetry and gas adsorption—Part 2:Analysis of mesopores andmacropores by gas adsorption”，使用氮气。简而言之，N2吸附等温线是在大约-196℃(液氮温度)下测量的。根据Barrett-Joyner-Halenda的计算方法(Barrett,E.P；Joyner,L.G；Halenda,P.P.(1951)，“The Determination of Pore Volume and Area Distributionsin Porous Substances.I.Computations from Nitrogen Isotherms”，美国化学学会杂志，73(1)：373-380)，可以确定孔径和孔体积。比表面积可以根据Brunauer-Emmett-Teller的计算方法从相同的等温线确定(Brunauer,S；Emmett,P.H；Teller,E.(1938),"Adsorption of Gases in Multimolecular Layers"，美国化学学会杂志，60(2)：309-319)。这两种计算方法在本领域都是众所周知的。确定等温线的一个简单的实验测试方法可以描述如下：测试样品在高温和惰性气氛下干燥。然后将样品干燥并放入测量仪器中。接下来，将样品置于真空下，并使用液氮冷却。在记录等温线的过程中，样品保持在液氮温度下。
根据本发明的硅层优选附接到集电器层或粘附层上，作为包括多个相邻柱和直径至少为5nm至50nm，更优选在10至20nm范围内的聚集颗粒的层，这些柱从铜箔表面沿垂直方向延伸，其中相邻柱被沿垂直方向延伸的柱边界分开。
根据本发明的硅层优选具有存在纳米结晶区域的非定形结构。更优选地，硅层或柱包含高达30％的纳米结晶硅。根据一个实施例，硅层有利地包括n型或p型掺杂剂，以获得分别具有n型导电性或p型导电性的硅层。
有利地，硅柱还包括硅合金，其中硅合金优选选自包括Si-C和/或Si-N的组。优选地，根据本发明的复合材料包含碳或包含碳或硅的合金。硅合金可以是无定形硅的添加物或替代物。因此，根据本发明的方面，柱的材料包含选自无定形硅和无定形硅合金的至少一种材料。
根据另外的方面，柱的材料包含无定形硅和纳米结晶硅合金。在一些实施方案中，硅合金可以作为纳米结晶相存在于电极层中。此外，阳极层可以包含无定形材料和纳米结晶相的混合物。例如，无定形硅和纳米结晶硅的混合物、或无定形硅与纳米结晶硅合金的混合物或主要呈无定形状态的硅和硅基合金的混合物包含呈纳米结晶状态的混合物的级分(多达约30％)。根据本发明，无定形硅柱优选地从阳极表面，即阳极层和电解质层之间的界面在垂直方向上延伸，其中多于一个硅柱彼此相邻布置，同时被垂直于阳极表面延伸的界面分开。
根据本发明的硅层可以包括氧化硅。
这里的术语“非定形硅”被理解为包含初晶态非晶硅(protocrystallinesilicon)，初晶态非晶硅是包含部分纳米结晶硅的非定形硅的定义。该部分可高达硅层的约30％。为了便于参考，这里将使用术语非定形硅来表示硅层包括非定形硅，其中硅层的纳米结晶区域可以存在高达约30％的纳米结晶硅。
根据本发明的硅层可以以各种配置位于集电器层上。硅可以在纳米线模板上，纳米线模板附接到衬底上，例如集电器层或粘附层。本文中的术语“纳米线”被理解为具有至少一个维度且长度高达约1um的分支或非分支线状结构。纳米线是导电材料，包括例如碳、金属或金属硅化物，例如硅化镍、硅化铜、硅化银、硅化铬、硅化钴、硅化铝、硅化锌、硅化钛或硅化铁，优选包括至少一种包含Ni2Si、NiSi或NiSi2的硅化镍相。纳米线可以是与集电器相同的材料，例如镍、铜或钛。或者，纳米线可以是与集电器材料(例如涂有镍层的铜集电器)分开的材料和层。一层或多层活性材料如硅可以通过例如PVD、CVD或PECVD沉积在纳米线上。硅层可以包括碳、铜、硫化物、金属氧化物、含氟化合物、聚合物或锂磷氧氮化物。硅层可以涂覆包含碳、铜、硫化物、金属氧化物、含氟化合物、聚合物或磷氧氮化锂的层，优选厚度为1nm至5um、优选厚度为10nm至1um的碳层。
有利地，根据本发明，电极凸片材料的厚度优选为1um至1mm，更优选为10um至500μm，20um至200μm，50um至150um或约100um。
根据本发明，电极凸片优选为片状材料，包括厚度为1um至1mm、更优选为10μm至500μm、20μm至200μm、50μm至150μm或约100μm的金属。
根据本发明，电极凸片材料优选包括镍或铜或包含镍、铜、锡、硅、铜和镍、铜和锡或铜和硅的合金。更优选地，电极凸片材料包括镍。
优选地，根据本发明，如果电极凸片材料包含镍，则集电器材料或焊接材料选自包括铝、金、铜、铁、锂、锰、钯、铂、铥、钛、钨或其组合的材料，更优选铝、金、铜、锂或锰，甚至更优选铜；如果电极凸片材料包括铜而不是镍，则集电器材料或焊接材料选自包括银、铝、金、铍、铜、铁、镁、锰、镍、钯、铂、硅、铥、钛、钨、锆或其组合的材料，更优选银、铝、金、铜或镁。
优选地，根据本发明的电极凸片材料具有比集电器材料的熔点更高的熔点。
不希望局限于以下理论，可以推测，与集电器材料的较低熔化温度相比，电极凸片材料的较高熔化温度使得能够在电极凸片材料中形成熔透焊缝，其中集电器材料熔透到电极凸片材料中，从而形成具有第一焊缝界面的焊缝材料。因此，根据本发明，具有比电极凸片材料的熔点低的熔点的任何集电器材料可能是最合适的。此外，硅材料的多孔结构可促进复合电极材料中熔透焊缝的潜在形成。或者，可以形成包括电极凸片材料和/或复合材料的附接焊缝，该附接焊缝对复合材料具有小的或甚至最小的熔透，这对于复合材料和电极凸片之间的安全焊接和有效的电连通是足够的。因此，熔透焊缝和附接焊缝都可以形成具有第二焊缝界面的焊缝材料。焊缝材料在复合材料中的熔透可以实现多个独立的复合材料层彼此之间的焊接和电连通，从而也实现与电极凸片材料的焊接和电连通。在这种情况下，焊缝材料可以包括或由硅材料、焊接材料和/或集电器材料组成。优选地，焊缝材料包括硅。或者，可以在复合材料的独立层之间形成具有小的或甚至最小的熔透到复合材料中的附接焊缝，该焊缝包括电极凸片材料、焊接材料和/或复合材料，优选焊接材料、集电器材料和/或硅材料，这足以用于独立层之间的安全焊接和有效的电通信。在一个或更多个独立的复合材料层之间插入额外的焊接材料层可以促进一个或更多个独立层的后续焊接，但是仅当每个独立的复合材料层的硅活性材料层彼此面对时才是必要的，并且当一层复合材料的集电器材料层面对后续集电器材料层的硅活性材料层时是不必要的。因此，多层复合材料可以被焊接并与电极凸片材料电连通。可以预见焊接前的不同配置，例如由随后的电极凸片材料、四层复合材料组成的堆叠，其中复合材料层通过面向后续复合层的硅层的一个复合层的集电器材料层、两层焊接材料、两层复合材料接触，其中复合材料层通过面向后续复合层的硅层的一个复合层的集电器材料层、一层焊接材料、五层复合材料接触，其中复合材料层通过面向后续复合层的硅层的一个复合层的集电器材料层以及一层焊接材料接触，，其中焊接材料与复合材料的至少一个硅层接触。不与电极凸片材料接触的焊接层也可以与复合材料的集电器材料接触。因此，根据本发明的方法，步骤d优选包括重复步骤c至少一次，例如2至100次、3至50次、4至30次、10至20次或4至9次。例如，将用于大的袋式电池单元的根据本发明的组合物将步骤c重复约50次。
不希望局限于以下理论，可以推测，根据本发明的集电器材料能够在超声波焊接期间耗散由超声波焊接装置产生的能量(例如，热和/或振动)。这种能量耗散防止了超声波焊接对复合电极材料的更刚性的硅活性材料的损坏或破坏，从而能够制造根据本发明的电极组件，其中可选地结合有多个复合电极材料单元。
根据本发明的方法，该方法优选包括以下步骤：在施加超声波能量的步骤之前，通过施加压力以分层方式将组件堆叠保持在原位，压力优选为50kPa或200kPa至700kPa或1500kPa，更优选为250kPa至550kPa，或300kPa至500kPa，或约415kPa。
根据本发明的方法，施加能量优选包括经由超声波振动施加能量。这里的术语“超声波”被理解为具有从10kHz和更高频率的声波。
根据本发明的方法，施加能量优选包括以10至200kHz、更优选20至100kHz、20或40至80kHz、最优选20至60kHz、30至50kHz、20至40kHz、40至60kHz、35至45kHz或约40kHz的频率施加能量。
根据本发明的方法，施加能量优选包括以0.01至100秒、更优选0.01至50秒、1至30秒、2至20秒、3至10秒或4至8秒的持续时间施加能量。优选地，根据本发明的方法，施加能量包括对每种单独的复合电极材料施加持续时间为0.01至100秒的能量，该持续时间更优选为0.01至50秒、1至30秒、2至20秒、3至10秒、4至8秒、甚至更优选为0.05至5秒、0.1至3秒、0.5至2秒、0.8至1.6秒。例如，当10个复合电极材料层在焊接前相互接触时，施加能量的持续时间具有从10x 0.01到100秒的总持续时间，这等于从0.1到1000秒。
根据本发明的方法，施加能量优选包括施加功率为200W至10kW、更优选为500W至5或6kW、800W至3或4kW或1kW至2kW的能量。能量可以施加到例如约9mm2的表面积。这样，根据本发明的方法，施加能量优选包括以从22W/mm2至1100W/mm2、更优选从55W/mm2至555W/mm2或666W/mm2、从90W/mm2至333W/mm2或444W/mm2或从111W/mm2至222W/mm2的功率施加能量。
根据本发明的方法，施加能量优选包括通过振荡超声焊极施加能量，优选振幅为1至130um，更优选为5至50um或10至30um。
本领域技术人员理解，通过调节超声波焊接设备的振动频率、振幅和功率，调节持续时间，并通过施加压力以分层的方式调节组件堆叠并将其保持在原位，根据本发明的方法，可以有多种不同的参数组合，这可以使对齐的电极组件堆叠的一部分形成焊缝材料；穿过电极凸片和复合材料的熔透焊缝；和/或焊缝材料和复合材料之间的至少附接焊缝，其中优选地，焊缝材料和电极凸片材料的至少一部分形成第一焊缝界面材料，并且焊缝材料和复合材料的至少一部分形成第二焊缝界面材料，从而形成电极组件。例如，具有较低持续时间的较高频率可以产生与具有较长持续时间的较低频率相同的结果。然而，根据本发明的成功焊接不仅取决于焊接参数的组合，还取决于待焊接材料(的组合)。
根据本发明的第一焊缝界面材料优选包括电极凸片材料或其合金，或电极凸片材料和复合材料，优选硅或集电器材料，或其合金。
根据本发明的第二焊缝界面材料优选包括焊接材料和复合材料，优选硅或集电器材料，或其合金，或者电极凸片材料和复合材料，优选硅或集电器材料，或其合金。
这里的术语“焊缝界面”被理解为在第一材料和至少一种第二材料的超声波焊接之后在第一材料中形成的新的混合区域，该混合区域包括混合配置的至少第一材料和至少一种第二材料。当附加材料经受超声波焊接时，焊缝界面可包括这些附加材料中的一种或多种。混合配置可以是有序或无序合金、金属间合金或均匀混合物，其中组成和性能在整个混合物中是均匀的，和/或非均匀混合物，其中组成和性能在整个混合物中不是均匀的，或其组合。优选地，第一焊缝界面材料是合金。优选地，第二焊缝界面材料是异质混合物。
优选地，根据本发明，焊缝材料包括硅，并且延伸到、被延伸到或熔透集电器材料、焊接材料和/或电极凸片材料中。
优选地，根据本发明，焊缝材料包括集电器材料，并且延伸到、被延伸到或熔透复合材料、集电器材料、硅层和/或电极凸片材料中。更优选地，焊缝材料包括集电器材料，并延伸到、被延伸到或熔透电极凸片材料中。优选地，焊缝材料包括集电器材料，并与复合材料形成附接，优选集电器材料或硅，更优选集电器材料。
优选地，根据本发明，焊缝材料包括电极凸片材料，并且延伸到、被延伸到或熔透复合材料、集电器材料、焊接材料和/或硅层中。优选地，焊缝材料包括电极凸片材料，并延伸到、被延伸到或熔透集电器材料中。
优选地，根据本发明，焊缝材料包括集电器材料，并且延伸到、被延伸到或熔透硅层、焊接材料和/或电极凸片材料中。更优选地，焊缝材料包括集电器材料，并延伸到、被延伸到或熔透电极凸片材料中。
根据本发明，焊缝材料优选延伸到、被延伸到或贯穿复合材料的至少0.01％至0.1％或至少0.1至1％的复合材料尺寸、至少10至20％的复合材料尺寸、至少20至50％的复合材料尺寸、至少50至90％的复合材料尺寸、或至少0.01％、0.1％、1％、5％、10％、20％、50％、90％、95％、99％或100％的复合材料尺寸。
根据本发明，焊缝材料优选延伸到、被延伸到或熔透电极凸片材料，贯穿电极凸片材料尺寸的至少5％或10％至20％，更优选贯穿电极凸片材料尺寸的至少20％至50％，甚至更优选贯穿电极凸片材料尺寸的至少50％至90％，或贯穿电极凸片材料尺寸的至少5％、10％、20％、50％、90％、95％、99％或100％。
在焊接过程中，焊缝材料在主要由源自超声焊极的超声波振动的方向决定的方向上形成，超声振动通常主要指向朝向砧座的轴向方向。因此，在焊接过程中，焊缝材料优选沿着主要由超声波振动的方向确定的维度方向延伸或熔透电极凸片材料和可选的复合材料。
有利地，根据本发明，焊缝材料优选包括硅，并且延伸到、被延伸到或熔透集电器材料或焊接材料中。
优选地，根据本发明的组件包括一个或更多个，优选4至9个彼此电连通并与第一复合材料电连通的附加复合材料。不受以下理论的约束，推测焊缝材料可以延伸到或熔透到随后的连接复合材料中，由此在焊接之前，没有焊接材料或集电器材料与随后的复合材料接触。因此，上述效果可以有助于使多个复合材料能够通过由一个焊接动作产生的一个焊缝彼此连接并连接到电极凸片材料。
根据本发明，焊缝材料、焊接材料、集电器材料或焊缝界面材料优选包括铝、金、铜、铁、锂、锰、钯、铂、铥、钛、钨、银、铍、镁、镍、硅或锆。优选地，焊缝材料、集电器材料或焊接材料包括铜和镍。
根据本发明的组件在电极凸片的远端和复合材料的近端之间优选具有等于或小于20mΩ，优选小于10mΩ的电阻，其中焊缝材料以约9mm2的表面积邻接电极凸片和复合材料，这由使用四点测量结构的伏特-欧姆-毫安表确定。
根据本发明的组件的复合材料的电极凸片材料和集电器材料优选具有至少0.5或1N/mm，优选至少5或8N/mm，更优选至少10、11、12、13或14N/mm的粘合强度的连接。根据本发明的组件的复合材料的电极凸片材料和集电器材料优选具有粘合强度为0.5或1至100N/mm，优选为5或8至100N/mm，更优选为10至12至15、20或100N/mm或约14N/mm的连接。
根据本发明的焊缝材料优选为超声波焊缝材料。这里的术语“超声波焊缝材料”被理解为指通过超声波焊接形成的焊缝材料。超声波焊缝或焊缝材料可以通过超声波焊接结果特有的特征组合来识别。这些特性可以例如通过光学或(扫描)电子显微镜来评估。这些特性的例子是超声焊极和/或砧座在接触材料表面上的压痕、微结合(冶金粘附)、界面波(机械互锁)和溢出到不与超声焊极接触的空间中的变形材料，例如在“Characterizationof Joint Quality in Ultrasonic Welding of Battery Tabs”中公开的，S.Shawn Lee,Tae Hyung Kim,S.Jack Hu,Wayne W.Cai,Jeffrey A.Abell,Jingjing Li,J.Manuf.Sci.Eng，2013年4月，135(2)：021004(13页)。
本发明的另一方面是一种用于生产组合物的方法，包括以下步骤：
a.提供根据本发明的第一组件；
b.提供根据本发明的第二组件；
c.使第一组件的电极凸片与第二组件的电极凸片接触；和
d.焊接电极凸片，从而将第一组件的电极凸片与第二组件的电极凸片邻接，使得它们以电连通的方式彼此联结。
本发明的另一方面是包括根据本发明的至少两个组件的组合物，包括将第一组件的电极凸片与第二组件的电极凸片邻接的焊缝。
本发明的另一方面是一种用于生产组合物的方法，包括以下步骤：
a.提供根据本发明的第一组件；
b.提供根据本发明的第二组件；
c.提供电极凸片材料；
d.可选地提供与第一和第二组件接触的焊接材料；
e.进行以下操作：
i.使至少一个组件与另一个组件的至少集电器材料接触；或
ii.使每个组件的焊接材料接触；
iii.使电极凸片材料与集电器材料或焊接材料接触；
以形成组合物堆叠；
将超声波能量施加到组合物堆叠的一部分以形成焊缝材料；穿过电极凸片材料和焊接材料或集电器材料的熔透焊缝，其中优选地，焊缝材料和电极凸片材料的至少一部分形成第一焊缝界面材料；和/或穿过第一和第二组件的熔透或附接焊缝，其中优选焊缝材料和复合材料的至少一部分形成第二焊缝界面材料，从而形成组合物。
本发明的另一方面是包括根据本发明的至少两个组件的组合物，包括焊缝，焊缝包括邻接(优选熔透)第一组件的复合材料和第二组件的复合材料的焊缝材料，其中焊缝材料和复合材料(优选硅或集电器材料)的至少一部分形成第二焊缝界面材料。
本发明的另一方面是一种电池，包括电解质、阴极、隔板和根据本发明的组件或组合物。
根据本发明的电池优选包括电解质，该电解质包含布置在阴极和组件之间的介质和锂盐化合物。
介质可以是液体或固体。包含液体介质和锂盐的电解质可以例如由有机溶剂中的LiPF6、LiBF4或LiClO4中的任何一种组成，有机溶剂例如碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸丙烯酯、碳酸甲基乙酯、碳酸二乙酯或其任意组合的混合物，或者本领域已知的其它锂盐和溶剂例如室温离子液体。电解质可以是固体，例如陶瓷电解质。固体陶瓷电解质中的锂盐通常以锂金属氧化物的形式存在。固体陶瓷电解质的例子是锂超离子导体和钙钛矿，可选地布置为无定形结构。
根据本发明的电池优选包括单个组件或组合物或多个组件或组合物。根据本发明的单个组件或组合物或多个组件或组合物可以折叠或卷起，以获得用于电池的合适配置。
有利地，根据本发明的电池优选具有卷起或折叠配置的电解质、阴极、隔板和组件或组合物，或者包含在非金属袋中。
这种电池单元的例子是圆柱形、棱柱形、袋形和硬币形电池单元。也可以组合几种结构的电池单元。例如，硬币电池单元可以具有内部圆柱形配置(如国际专利申请WO2015188959A1中公开的)，或者袋式电池单元可以具有内部棱柱形配置。
优选地，根据本发明的电池包括单个阳极电极凸片。优选地，这种电池包括棱柱形电池单元或圆柱形电池单元。
本发明的另一个方面是根据本发明的组件、组合物或电池作为能量存储和/或释放设备的用途。
这里的术语“能量存储和/或释放设备”被理解为指二次电池，包括安装在合适的电池盒中的阴极/隔板/阳极结构的电极组件。这种电池包括锂离子二次电池，其在提供高能量密度和高容量方面表现出色；以及它们在包括多个二次电池的二次电池模块中的应用，二次电池通常彼此串联以形成电池组，电池组可以结合到外壳中以形成模块。
在特别优选的实施例E1中，本发明涉及一种用于生产电极组件的方法，该方法包括以下步骤：
a.提供第一复合电极材料，该第一复合电极材料包括在厚度为1至100um的集电器材料上的厚度为0.1至500um的至少一个硅层；和
b.提供与第一复合电极材料的集电器材料接触的电极凸片材料，以形成对齐的电极组件堆叠；
c.将超声波能量施加到对齐的电极组件堆叠的一部分以形成：
i.焊缝材料；
ii.穿过电极凸片和可选地穿过复合材料的熔透焊缝；和/或
iii.在焊缝材料和复合材料之间的至少一附接焊缝；
从而形成电极组件。
该特别优选的实施例E1允许接触凸片通过导电焊缝与集电器材料进行电连通，而硅层没有表现出：
(i)从集电器材料上显著烧蚀硅层的部分；
(ii)硅层的部分从集电器材料上显著层离；或
(iii)集电器材料显著开裂。
这一结果令人惊讶，因为厚度为0.1至500um的硅薄层往往易碎，并且通常在传统焊接技术的热应力或物理应力下往往会从集电器上烧蚀和层离。
通过本实施例E1的方法直接获得的产品与通过已知方法制备的产品的区别在于，厚度为0.1至500um的硅层在焊缝部位附近不表现出烧蚀或层离。这可以通过对(i)焊缝表面和(ii)焊缝横截面进行扫描电子显微镜检查来证实。
在特别优选的实施例E2中，本发明涉及一种用于生产电极组件(100)的方法，该方法包括以下步骤：
a.提供第一复合电极材料(109)，该第一复合电极材料包括在厚度为1至100um的集电器材料箔(106)上的厚度为0.1至500um的至少一个硅层(105)；和
b.提供第二复合电极材料(110)，该第二复合电极材料包括位于与另一复合电极的集电器材料接触的厚度为1至100um的集电器材料上的厚度为0.1至500um的至少一个硅层(105)，其中一个复合电极材料的硅层与另一复合电极材料的硅层直接接触；
c.提供与第一组件的集电器材料接触的厚度为1至100um的焊接材料；
d.提供与第二组件的集电器材料接触的厚度为1至100um的焊接材料
e.提供与焊接材料之一接触的电极凸片材料，以形成对齐的电极组件堆叠；
f.将超声波能量施加到对齐的电极组件堆叠的一部分以形成：
穿过电极凸片并可选地穿过复合材料的熔透焊缝，
从而形成电极组件。
方法步骤a至e如图10所示，最终电极组件如图11所示。
该特别优选的实施例E2允许接触凸片通过熔透厚度为0.1至500um的两个硅层的导电焊缝与集电器材料进行电连通，而任一硅层没有表现出：
(i)从集电器材料上显著烧蚀硅层的部分；
(ii)硅层的部分从集电器材料上显著层离；或
(iii)集电器材料显著开裂。
这一结果令人惊讶，因为厚度为0.1至500um的硅薄层往往易碎，并且通常在传统焊接技术的热应力或物理应力下往往会从集电器上烧蚀和层离。
通过本实施例E2的方法直接获得的产品与通过已知方法制备的产品的区别在于，焊缝熔透厚度为0.1至500um(因此总共为0.2至1000um)的两个硅层，并且在焊缝部位附近不表现出烧蚀或层离。这可以通过对焊缝横截面进行扫描电子显微镜检查来证实。
在特别优选的实施例E3中，本发明涉及一种用于生产电极组件的方法，该方法包括以下步骤：
a.在厚度为1至100um的集电器材料箔(106)的两侧提供包括每个厚度均为0.1至500um的第一和第二硅层(105A、105B)的两个硅层的第一复合电极材料(109)；和
b.提供与第一复合电极材料(109)的第二硅层(105B)接触的厚度为1-100um的第一焊接材料(114)；
c.在厚度为1至100um的集电器材料箔(106)的两侧提供包括每个厚度均为0.1至500um的第一和第二硅层(105C、105D)的两个硅层的第二复合电极材料(111)，使得第一焊接材料(114)与第二复合电极材料(111)的第一硅层(105C)接触；
d.提供与第二复合电极材料(111)的第二硅层(105D)接触的厚度为1-100um的第二焊接材料(108)；
e.提供与第一复合电极材料(109)的第一硅层(105A)接触的厚度为1-100um的第三焊接材料(104)；
f.提供与第二或第三焊接材料(104、108)之一接触的至少一个电极凸片材料(103、113)，以形成对齐的电极组件堆叠(116)；
g.将超声波能量施加到对齐的电极组件堆叠的一部分以形成：
穿过电极凸片并可选地穿过复合材料的熔透焊缝，
由此形成电极组件(100)。
该实施例如图12和13所示。
该特别优选的实施例E3允许接触凸片通过熔透厚度为0.1至500um的两个硅层的导电焊缝与集电器材料进行电连通，而任一硅层没有表现：
(i)从集电器材料上显著烧蚀硅层的部分；
(ii)硅层的部分从集电器材料上显著层离；或
(iii)集电器材料显著开裂。
这一结果令人惊讶，因为厚度为0.1至500um的硅薄层往往易碎，并且通常在传统焊接技术的热应力或物理应力下往往会从集电器上烧蚀和层离。
通过本实施例E3的方法直接获得的产品与通过已知方法制备的产品的区别在于，焊缝熔透厚度为0.1至500um(因此总共为0.2至1000um)的两个硅层，并且在焊缝部位附近不表现出烧蚀或层离。这可以通过对焊缝横截面进行扫描电子显微镜检查来证实。
在特别优选的实施例E4中，本发明涉及一种用于生产电极组件的方法，该方法包括以下步骤：
a.在厚度为1至100um的集电器材料箔(106)的两侧提供包括每个厚度均为0.1至500um的第一和第二硅层(105A、105B)的两个硅层的第一复合电极材料(109)；和
b.提供与第一复合电极材料(109)的第二硅层(105B)接触的厚度为1-100um的第一焊接材料(114)；
c.在厚度为1至100um的集电器材料箔(106)的两侧提供包括每个厚度均为0.1至500um的第一和第二硅层(105C、105D)的两个硅层的第二复合电极材料(111)，使得第一焊接材料(114)与第二复合电极材料(111)的第一硅层(105C)接触；
d.提供与第二复合电极材料(111)的第二硅层(105D)接触的厚度为1-100um的第二焊接材料(115)；
e.在厚度为1至100um的集电器材料箔(106)的两侧提供包括每个厚度均为0.1至500um的第一和第二硅层(105E、105F)的两个硅层的第三复合电极材料(111)，使得第二焊接材料(114)与第三复合电极材料(112)的第一硅层(105E)接触；
f.提供与第三复合电极材料(112)的第二硅层(105F)接触的厚度为1-100um的第三焊接材料(108)；
g.提供与第一复合电极材料(109)的第一硅层(105A)接触的厚度为1-100um的第四焊接材料(104)；
h.提供与第三或第四焊接材料(104、108)之一接触的至少一个电极凸片材料(103、113)，以形成对齐的电极组件堆叠；
i.将超声波能量施加到对齐的电极组件堆叠的一部分以形成：
穿过电极凸片并可选地穿过复合材料的熔透焊缝，
从而形成电极组件。
该实施例如图14和15所示。
该特别优选的实施例E4允许接触凸片通过熔透厚度为0.1至500um的两个硅层的导电焊缝与集电器材料进行电连通，而任一硅层没有表现出：
(i)从集电器材料上显著烧蚀硅层的部分；
(ii)硅层的部分从集电器材料上显著层离；或
(iii)集电器材料显著开裂。
这一结果令人惊讶，因为厚度为0.1至500um的硅薄层往往易碎，并且通常在传统焊接技术的热应力或物理应力下往往会从集电器上烧蚀和层离。
通过本实施例E4的方法直接获得的产品与通过已知方法制备的产品的区别在于，焊缝熔透厚度为0.1至500um(因此总共为0.2至1000um)的两个硅层，并且在焊缝部位附近不表现出烧蚀或层离。这可以通过对焊缝横截面进行扫描电子显微镜检查来证实。
附图的详细描述
现在将参照附图讨论本发明，附图示出了本发明的优选示例性实施例。
图1示出了在超声波焊接之前或期间与超声波焊接装置的焊头(101)和砧座(102)接触的根据本发明的电极组件(100)的示意图。焊头(101)被示出向下压在堆叠的顶部。堆叠依次包括电极凸片(103)、集电器层(106)和硅材料层(105)。砧座(102)显示为将堆叠的底部保持在原位。复合电极材料(109)，包括硅材料层(105)和集电器层(106)。
图2示出了在超声波焊接之前或期间与超声波焊接装置的焊头(101)和砧座(102)接触的根据本发明的电极组件(100)的示意图。焊头(101)被示出向下压在堆叠的顶部。堆叠依次包括电极凸片(103)、集电器层(106)、硅材料层(105)和可选焊接材料层(108)。砧座(102)显示为将堆叠的底部保持在原位。复合电极材料(109)，包括一个集电器层(106)和一个硅材料层(105)。
图3示出了在超声波焊接之前或期间与超声波焊接装置的焊头(101)和砧座(102)接触的根据本发明的电极组件(100)的示意图。焊头(101)被示出向下压在堆叠的顶部。堆叠依次包括电极凸片(103)、集电器层(106)、一硅材料层(105)、第二集电器层(106)、第二硅材料层(105)和可选焊接材料层(108)。砧座(102)显示为将堆叠的底部保持在原位。
第一复合电极材料(109)包括一个集电器层(106)和一个硅材料层(105)。
第二复合电极材料(110)包括一个集电器层(106)和一个硅材料层(105)。
图4示出了在超声波焊接之前或期间与超声波焊接装置的焊头(101)和砧座(102)接触的根据本发明的电极组件(100)的示意图。焊头(101)被示出向下压在堆叠的顶部。堆叠依次包括电极凸片(103)、集电器层(106)、一个硅材料层(105)、可选焊接材料层(108)、第二集电器层(106)、第二硅材料层(105)和第二可选焊接材料层(108)。砧座(102)显示为将堆叠的底部保持在原位。第一复合电极材料(109)包括一个集电器层(106)和一个硅材料层(105)。第二复合电极材料(110)包括一个集电器层(106)和一个硅材料层(105)。
图5示出了在超声波焊接之前或期间与超声波焊接装置的焊头(101)和砧座(102)接触的不是根据本发明的电极组件(100)的示意图。焊头(101)被示出向下压在堆叠的顶部。堆叠依次包括电极凸片(103)、集电器层(106)、一个硅材料层(105)、第二硅材料层(105)、第二集电器层(106)和可选焊接材料层(108)。砧座(102)显示为将堆叠的底部保持在原位。第一复合电极材料(109)包括一个集电器层(106)和一个硅材料层(105)。第二复合电极材料(110)包括一个集电器层(106)和一个硅材料层(105)。因为分离的复合电极通过它们的硅层彼此接触，所以不会形成焊缝或形成不适当的焊缝，因此该组件不会产生具有电极组件的商业可操作性所必需的足够粘合强度和电连通的组件。施加在组件任一端的较小拉力将一个或更多个层与组件的其他层分开。
图6示出了在超声波焊接之前或期间与超声波焊接装置的焊头(101)和砧座(102)接触的根据本发明的电极组件(100)的示意图。焊头(101)被示出向下压在堆叠的顶部。堆叠依次包括电极凸片(103)、集电器层(106)、一个硅材料层(105)、必选焊接材料层(104)、第二集电器层(106)、第二硅材料层(105)和可选焊接材料层(108)。砧座(102)显示为将堆叠的底部保持在原位。第一复合电极材料(109)包括一个集电器层(106)和一个硅材料层(105)。第二复合电极材料(110)包括一个集电器层(106)和一个硅材料层(105)。
图1至图4和图6所示的电极组件堆叠可以根据本发明进行焊接，并产生根据本发明的电极组件，其中每个部件与其他部件电连通，并且其中所有部件以电极组件的商业可操作性所需的超过足够的粘合强度保持在一起。
图7示出了连接到用于四点接触电阻测量的电路的根据本发明的电极组件(100)的示意图。电极凸片材料(103)经由包括由超声波焊接产生的焊缝材料的焊缝(200)焊接到电极组件(100)。提供电流的电池(201)通过第一端子(202)连接到电极凸片上的近端点，并且通过第二端子(203)连接到电极组件上的近端点。伏特-欧姆-毫安表(204)附接到电极凸片上的近端点(205)和电极组件上的远端点(206)。伏特-欧姆-毫安表(204)可用于确定伏特-欧姆-毫安表(204)的两个接触点(205，206)之间的电阻，从而验证包括超声波焊接电极凸片材料、焊缝材料、复合材料和可选的焊接材料的电路的电通信。
图8以示意图的形式描述了超声波焊接之前的实施例1的材料。图8示出了在超声波焊接之前，与超声波焊接装置的焊头(101)和砧座(102)接触的对齐的电极组件堆叠(116)。焊头(101)被示出向下压在堆叠的顶部。对齐的电极组件堆叠(116)自上而下依次包括电极凸片(103)、集电器层(106)和硅材料层(105)。集电器层(106)和硅材料层(105)一起构成电极凸片材料(109)。砧座(102)显示为将堆叠的底部保持在原位。复合电极材料(109)包括一个硅材料层(105)和集电器层(106)。
图9示出了超声波焊接后实施例1的材料。图9示出了在超声波焊接之后，与超声波焊接装置的焊头(101)和砧座(102)接触的电极组件(100)。焊头(101)被示出向下压在堆叠的顶部。对齐的电极堆叠组件(116)从上到下依次包括电极凸片(103)、集电器层(106)和硅材料层(105)。集电器层(106)和硅材料层(105)一起构成电极凸片材料(109)。砧座(102)显示为将堆叠的底部保持在原位。复合电极材料(109)包括一个硅材料层(105)和集电器层(106)。
图10描绘了在本发明的超声波焊接工艺之前，包括两个薄箔复合电极材料的电极组件堆叠的横截面示意图，该两个薄箔复合电极材料堆叠使得它们的硅层直接接触。
对齐的电极组件堆叠(116)自上而下依次包括电极凸片(103)、焊接材料(108)、集电器层(106)、硅材料层(105)、另一硅材料层(105)、另一集电器层(106)和另一焊接材料(108)。集电器层(106)和硅材料层(105)一起形成电极凸片材料(109，110)。砧座(102)显示为将堆叠的底部保持在原位。复合电极材料(109)包括一个硅材料层(105)和集电器层(106)。
图11描绘了根据本发明的电极组件的横截面的示意图，包括将集电器层(106)连接到电极凸片材料(103)的熔透焊缝(116)。
图11示出了在超声波焊接之后，与超声波焊接装置的焊头(101)和砧座(102)接触的电极组件(100)。焊头(101)被示出向下压在堆叠的顶部。
电极组件(100)自上而下依次包括电极凸片(103)、焊接材料(108)、集电器层(106)、硅材料层(105)、另一硅材料层(105)、另一集电器层(106)和另一焊接材料(108)。集电器层(106)和硅材料层(105)一起形成电极凸片材料(109，110)。电极凸片(103)和集电器层(106)通过熔透焊缝(116)连接，熔透焊缝充当导体，使电极凸片(103)和集电器层(106)进行电通信。
图12描绘了在本发明的超声波焊接工艺之前的电极组件堆叠的横截面示意图，该电极组件堆叠包括(i)在集电器材料(106)的两侧涂覆有硅层(105)的两个薄箔复合电极材料；以及(ii)三个焊接材料层(104、108、114、115)，其被堆叠，使得每个硅层(105)与至少一个焊接材料直接接触。
从上到下，对齐的电极组件堆叠(116)依次包括电极凸片(103)、焊接材料(104)、硅层(105A)、集电器层(106)、硅层(105B)、焊接材料(114)、另一硅材料层(105C)、另一集电器层(106)、另一硅层(105D)、另一焊接材料(108)以及最后可选的第二凸片(113)。集电器层(106)和硅材料层(105A-D)一起形成两个电极凸片材料(109，111)。砧座(102)显示为将堆叠的底部保持在原位。复合电极材料(109)包括一个硅材料层(105)和集电器层(106)。
图13描绘了根据本发明的电极组件的横截面的示意图，电极组件包括将集电器层(106)连接到电极凸片材料(103，113)的熔透焊缝(116)。
从上到下，电极组件(100)依次包括电极凸片(103)、焊接材料(104)、硅层(105A)、集电器层(106)、硅层(105B)、焊接材料(114)、另一硅材料层(105C)、另一集电器层(106)、另一硅层(105D)、另一焊接材料(108)以及最后可选的第二凸片(113)。电极凸片(103)和集电器层(106)通过熔透焊缝(116)连接，熔透焊缝充当导体，使电极凸片(103)和集电器层(106)进行电通信。
图14描绘了在本发明的超声波焊接工艺之前的电极组件堆叠的横截面示意图，该电极组件堆叠包括(i)在集电器材料(106)的两侧涂覆有硅层(105)的三个薄箔复合电极材料；以及(ii)堆叠成使得每个硅层(105)与至少一个焊接材料直接接触的五个焊接材料层(104、108、114、115)。
从上到下，对齐的电极组件堆叠(116)依次包括电极凸片(103)、焊接材料(104)、硅层(105A)、集电器层(106)、硅层(105B)、焊接材料(114)、另一硅材料层(105C)、另一集电器层(106)、另一硅层(105D)、另一焊接材料(115)、另一硅层(105E)、另一集电器层(106)、另一硅层(105F)、另一焊接材料(108)以及最后可选的第二凸片(113)。集电器层(106)和硅材料层(105A-D)一起形成两个电极凸片材料(109，111)。砧座(102)显示为将堆叠的底部保持在原位。复合电极材料(109)包括一个硅材料层(105)和集电器层(106)。
图15描绘了根据本发明的电极组件的横截面的示意图，该电极组件包括将集电器层(106)连接到电极凸片材料(103，113)的熔透焊缝(116)。
从上到下，电极组件(100)依次包括电极凸片(103)、焊接材料(104)、硅层(105A)、集电器层(106)、硅层(105B)、焊接材料(114)、另一硅材料层(105C)、另一集电器层(106)、另一硅层(105D)、另一焊接材料(115)、另一硅层(105E)、另一集电器层(106)、另一硅层(105F)、另一焊接材料(108)以及最后可选的第二凸片(113)。电极凸片(103、113)和集电器层(106)通过熔透焊缝(116)连接，熔透焊缝充当导体，使电极凸片(103、113)和集电器层(106)进行电通信。
定义：
“对齐的电极堆叠组件”表示将成为最终电极组件一部分的材料层的焊接前配置。
“电极组件”指超声波焊接后的最终电极组件，其包括(i)焊缝材料、(ii)熔透焊缝或(iii)附接焊缝中的至少一种。
“熔透焊缝”是延伸穿过连接至少一种集电器材料和一个电极凸片的至少一个硅层的焊缝。
以下非限制性实施例说明了根据本发明的工艺和材料。
示例1
一种用于生产电极组件的方法：
以铜箔的形式提供复合电极材料，其一面涂覆有硅。铜箔本身有10um厚。硅层厚10um。
以厚度为100um的镍电极凸片的形式提供电极凸片材料。镍电极凸片材料放置在复合电极材料的顶部，使得铜箔与镍电极直接接触。将这组三层材料对齐(一层堆叠在另一层之上)以形成对齐的电极组件堆叠。在超声波焊接之前，镍凸片和铜箔可以容易地彼此分离。如图8所示，将堆叠放置在(由GELON制造的)GN-800超声波焊接装置的焊头和砧座之间。超声波能量被施加到对齐的电极组件堆叠的一部分以形成由焊缝材料组成的焊缝。使用设置为800W的超声波焊接装置，在414kPa的压力下，在大约3x 3mm的超声焊极与镍电极凸片接触表面积上进行超声波焊接3s，从而产生根据本发明的有效电极组件。
根据图7，使用四点探针测量来比较两种不同焊接方法导致的电极组件的接触电阻。
四点探针接触电阻测量得出的值小于10mΩ。这样的值特别有利。
据信，替代的焊接方法，如激光焊接或传统焊接，会对硅层造成严重损坏。

Claims (15)

1.一种用于生产电极组件的方法，包括以下步骤：
a.提供至少第一复合电极材料，所述第一复合电极材料包括集电器材料上的至少一个硅层；和
b.提供与所述集电器材料接触的电极凸片材料，以形成对齐的电极组件堆叠；
c.可选地，提供复合电极材料，所述复合电极材料包括与另一复合电极的集电器材料接触的集电器材料上的至少一个硅层，以形成对齐的电极组件堆叠；
d.可选地，重复步骤c至少一次；和
e.将超声波能量施加到所述对齐的电极组件堆叠的一部分以形成：
i.焊缝材料；
ii.穿过所述电极凸片和可选地穿过所述复合材料的熔透焊缝；和/或
iii.在所述焊缝材料和所述复合材料之间的至少一附接焊缝；
从而形成所述电极组件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述焊缝材料和所述电极凸片材料的至少一部分形成第一焊缝界面材料，并且所述焊缝材料和所述复合材料的至少一部分形成第二焊缝界面材料,所述复合材料优选所述集电器材料。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，包括在施加超声波能量的步骤之前，在两种复合电极材料之间提供焊接材料的附加步骤，可选地重复所述附加步骤。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述复合材料在所述集电器材料的两侧的每一侧上包括至少一层硅。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述材料基本上是扁平的片状材料，并且其中所述材料在焊接过程之前和期间被对齐和固定。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述焊接材料包括铝、金、铜、铁、锂、锰、钯、铂、铥、钛、钨、银、铍、镁、镍、硅和/或锆，优选铜。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述电极凸片材料包含镍或铜或包含镍、铜、锡、硅、铜和镍、包含铜和锡或包含铜和硅的合金。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述第一焊缝界面材料和第二焊缝界面材料包括所述电极凸片材料和所述复合材料或其合金。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述集电器材料包含铜、锡、铬、镍、钛、不锈钢或银，或者包含铜、锡、铬、镍、钛、不锈钢或银的合金。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中所述硅层具有存在纳米结晶区域的非定形结构，优选地，其中所述硅层包含高达30％的纳米结晶硅。
11.一种电极组件，包括：
i)包括焊缝材料的电极凸片，其中所述焊缝材料和电极凸片材料的至少一部分形成第一焊缝界面材料；
ii)硅电极复合材料，包括所述焊缝材料和集电器材料层上的硅活性材料层，其中所述焊缝材料和所述集电器材料的至少一部分形成第二焊缝界面材料；和
iii)所述焊缝材料邻接所述电极凸片和所述集电器材料，使得所述电极凸片、所述复合材料和所述焊缝材料以电连通方式彼此联结。
12.根据权利要求11所述的电极组件，其中所述焊缝材料是超声波焊缝材料。
13.根据权利要求11或12所述的电极组件，其中所述电极凸片材料包括镍或铜或包含镍、铜、锡、硅、铜和锡或包含铜和硅的合金，并且其中所述集电器材料、所述焊缝材料、所述焊接材料或所述焊缝界面材料包括铝、金、铜、铁、锂、锰、钯、铂、铥、钛、钨、银、铍、镁、镍、硅或锆。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的电极组件，其中所述第一焊缝界面材料和所述第二焊缝界面材料包括所述电极凸片材料及所述复合材料或其合金。
15.一种电池，包括电解质、阴极、隔板和根据权利要求1至10中任一项的方法可获得的组件或权利要求11至14中任一项的组件。
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