DE102011076177A1

DE102011076177A1 - Schichtanordnung, Energiespeicher und Verfahren zum Herstellen eines Energiespeichers

Info

Publication number: DE102011076177A1
Application number: DE102011076177A
Authority: DE
Inventors: Tjalf Pirk; Gilbert Moersch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2012-11-22
Also published as: US20140178769A1; US9590250B2; WO2012159786A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schichtanordnung (10), umfassend wenigstens drei Schichten, wobei die drei Schichten eine obere Elektrodenschicht (18), eine untere Elektrodenschicht (16) und eine zwischen der oberen (18) und der unteren (16) Elektrodenschicht angeordnete Elektrolytschicht (20) aufweisen, wobei die Elektrolytschicht (20) einen Festkörperelektrolyten aufweist und wobei wenigstens eine der oberen (18) und unteren (16) Elektrodenschicht eine pastöse Verbundschicht umfasst. Mit einer derartigen Schichtanordnung lassen sich insbesondere Energiespeicher, wie etwa Lithium-Ionen-Akkumulatoren herstellen, die eine verbesserte Kapazität aufweisen. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Schichtanordnung beziehungsweise eines Energiespeichers.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schichtanordnung, einen die Schichtanordnung umfassenden Energiespeicher sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Schichtanordnung. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen Lithium-Ionen-Akkumulator mit einer verbesserten Kapazität.
Stand der Technik
Lithium-Ionen Batterien beziehungsweise Lithium-Ionen Akkumulatoren sind heutzutage weit verbreitet. Insbesondere in tragbaren Geräten wie Mobiltelefonen oder mobilen Computern werden sie bevorzugt eingesetzt. Ihre Vorteile liegen insbesondere in ihrer hohen Leistungsdichte und Kapazitätsdichte. Es wurden bereits Versuche unternommen, Lithium-Ionen Akkumulatoren mittels Halbleiterverfahren in Dünnschichttechnologie herzustellen. Dabei waren die Leistungswerte jedoch aufgrund der geringen Mengen an aktivem Material in den dünnen zweidimensionalen Schichten meist begrenzt. Bei energiesparenden Geräten werden derartige Dünnschicht-Akkumulatoren jedoch bereits genutzt.
Eine interessante Perspektive auch für Anwendungen, die nicht am unteren Ende des Leistungsspektrums liegen, wird zudem bereits mittels so genannter dreidimensionaler Batterien aufgezeigt. Bei derartigen Batterien beziehungsweise Akkumulatoren wird über ein strukturiertes Substrat die Nutzfläche für Dünnschichtbatterien gefaltet und so bei gleicher Substratgrundfläche ein Mehrfaches an Kapazität gespeichert und zudem die gespeicherte Ladung schneller aufgenommen und abgegeben. Es steht also auch eine höhere Leistung zur Verfügung.
Aus JP 2003197208 A ist ein Verfahren zum Herstellen einer Lithium-Primärbatterie insbesondere für Rechner bekannt. In dem Verfahren wird ein Paar polymerer Lagen, die jeweils eine mit einem Elektroden-Aktivmaterial gefüllte Kammer aufweisen, mit einem zwischen sich befindlichen Separator laminiert. An den äußeren Seiten sind jeweils Elektrodenplatten angeordnet.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Schichtanordnung, umfassend wenigstens drei Schichten, wobei die drei Schichten eine obere Elektrodenschicht, eine untere Elektrodenschicht und eine zwischen der oberen und der unteren Elektrodenschicht angeordnete Elektrolytschicht aufweisen, wobei die Elektrolytschicht einen Festkörperelektrolyten aufweist und wobei wenigstens eine der oberen und unteren Elektrodenschicht eine pastöse Verbundschicht umfasst.
Die erfindungsgemäße Schichtanordnung kann insbesondere von einem Energiespeicher umfasst sein beziehungsweise diesen bilden. Ein Energiespeicher im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann dabei insbesondere jede Vorrichtung sein, welche elektrische Energie speichern und an Verbraucher abgeben kann. Ein Energiespeicher im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann insbesondere eine Batterie beziehungsweise ein Akkumulator sein, wie insbesondere ein Lithium-Ionen-Akkumulator. Darüber hinaus lässt sich die erfindungsgemäße Schichtanordnung dort einsetzen, wo die pastöse Schicht eine Funktion ausübt, jedoch beispielsweise medienempfindlich ist. Die Festkörperelektrolytschicht dient dann als Filter gegen aggressive Medien. Als Beispiele seien hier katalytische Funktionen genannt, oder der Einsatz in einer Brennstoffzelle.
Eine pastöse Verbundschicht im Sinne der vorliegenden Erfindung kann insbesondere eine Schicht sein, welche wenigstens zeitweise, also beispielsweise während eines gewissen Stadiums der Herstellung einer Schichtanordnung oder insbesondere eines Energiespeichers, pastöse Eigenschaften aufweist, also insbesondere streichfest ist. Eine Verbundschicht kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Schicht sein, die aus verschiedenen Komponenten besteht, welche unterschiedliche Rollen im Herstellungsprozess und im Einsatz einnehmen können. Die Komponenten können dabei beispielswiese in Wirkstoffe und Hilfsstoffe unterschieden werden. Wirkstoffe sind im Beispiel der Elektrodenschichten beispielsweise die Aktivmaterialien zur Energiespeicherung, Hilfsstoffe können elektronische und ionische Leitkomponenten, wie etwa Russ, Graphit, LiPON, sowie Füllstoffe sein, welche die Stabilität und Flexibilität der Verbundschicht beeinflussen, wie etwa Lösemittel beziehungsweise organische Binder wie PVDF.
Eine erfindungsgemäße Schichtanordnung umfasst wenigstens drei Schichten, die vorzugsweise aufeinanderfolgend und damit vorzugsweise direkt benachbart angeordnet sein können. Vorzugsweise sind die wenigstens drei Schichten parallel angeordnet und grenzen unmittelbar aneinander.
Zwei der Schichten umfassen oder sind dabei Elektrodenschichten und erfüllen daher die Eigenschaften einer Elektrode, also insbesondere eine gute elektrische sowie ionische Leitfähigkeit und eine gute Ionenspeicherfähigkeit. Wenigstens eine der Elektrodenschichten umfasst oder ist dabei eine pastöse Verbundschicht. Sie weist gegenüber herkömmlichen Dünnschichtbatterien ein gesteigertes Ionenspeichervermögen auf. Die gespeicherte Energiemenge beziehungsweise das Ionenspeichervermögen ist eine Volumeneigenschaft eines Materials, da das Volumen der Elektrodenschicht die Menge an gespeicherten aktiven Komponenten, wie etwa Lithium-Ionen für den Fall eines Lithium-Ionen-Akkumulators, aufweist. Das Ionenspeichervermögen kann daher beispielsweise über eine geeignete Dicke eingestellt werden. Geeignete Dicken liegen beispielsweise in einem Bereich von ≥ 5 μm bis ≤ 500 μm, besonders bevorzugte Dicken liegen beispielsweise in einem Bereich von ≥ 30 μm bis ≤ 100 μm. Das Ionenspeichervermögen kann weiterhin abhängig sein von dem in der Elektrode verwendeten Aktivmaterial, also beispielsweise einem Anodenspeichermaterial oder einem Kathodenspeichermaterial, beziehungsweise deren Anteil an der Schichtzusammensetzung.
Erfindungsgemäß können sowohl beide Elektrodenschichten eine pastöse Verbundschicht umfassen beziehungsweise aus dieser gebildet sein, oder aber nur eine der Elektrodenschichten umfasst oder ist gebildet aus einer derartigen Verbundschicht. Die jeweils andere Elektrodenschicht kann dann eine herkömmliche, beispielsweise von Lithium-Ionen-Akkumulatoren bekannte Elektrode sein. Insbesondere kann die nicht eine pastöse Verbundschicht umfassende Elektrode eine Dünnschichtelektrode aus dort typischerweise verwendetem Material, beispielsweise Lithium-Metall, sein. Dabei ist jedoch verständlich, dass die weitere beziehungsweise zweite Elektrode unabhängig von ihrer Beschaffenheit die Eigenschaften der zur ersten Elektrode komplementären Elektrode aufweisen sollte und eine zur ersten Elektrodenschicht angepasste Aktivität, wie etwa Aufnahmefähigkeit von Lithium-Ionen, aufweisen sollte. In anderen Worten sollte eine der Elektrodenschichten die Eigenschaften einer Kathode aufweisen, wohingegen die weitere Elektrodenschicht die Eigenschaften einer Anode aufweisen sollte. Dabei ist frei wählbar, in welcher Schicht die Anode beziehungsweise die Kathode vorgesehen ist.
Für den Fall eines Lithium-Ionen-Akkumulators weist die Kathodenschicht dabei insbesondere ein hohes chemisches Potential gegenüber Lithium auf und ermöglicht in geeigneter Weise das Speichern von Lithium beispielsweise bei einem Entladen eines Lithium-Akkumulators. In einer Ausgestaltung als Anode weist die Elektrodenschicht insbesondere ein möglichst niedriges chemisches Potential gegenüber der Kathode auf und ermöglicht insbesondere eine Lithiumspeicherung bei einem Laden eines Lithium-Ionen-Akkumulators.
Dabei kann ferner für den Fall, dass nur eine Elektrodenschicht eine pastöse Verbundschicht umfasst, diese Elektrodenschicht ein Anodenspeichermaterial aufweisen, wohingegen die weitere Elektrodenschicht aus einem herkömmlichen Kathodenmaterial geformt ist beziehungsweise dieses aufweist, das beispielsweise aus der Herstellung einer Dünnschichtbatterie bekannt ist. Entsprechend kann, für den Fall, dass nur eine Elektrodenschicht eine pastöse Verbundschicht aufweist, diese Elektrodenschicht ein Kathodenspeichermaterial aufweisen, wohingegen die weitere Elektrodenschicht aus einem herkömmlichen Anodenmaterial geformt ist beziehungsweise dieses aufweist, das beispielsweise aus der Herstellung einer Dünnschichtbatterie bekannt ist. Für den Fall, dass beide Elektrodenschichten eine pastöse Verbundschicht aufweisen, kann eine der Elektrodenschichten ein Kathodenspeichermaterial als Wirkstoff aufweisen, wohingegen die andere Elektrodenschicht ein Anodenspeichermaterial als Wirkstoff aufweisen kann.
Folglich kann entweder die untere Elektrodenschicht oder die obere Elektrodenschicht aus einem Kathodenspeichermaterial ausgebildet sein oder dieses umfassen, das beispielsweise ausgewählt ist aus der Gruppe der oxidischen Materialien, insbesondere aus Lithium-Cobaltdioxid, Lithium-Manganoxid Spinell, Nickel umfassende Mischoxide oder Lithium-Eisenphosphat. Weiterhin kann entweder die untere Elektrodenschicht oder die obere Elektrodenschicht aus einem Anodenspeichermaterial ausgebildet sein, das beispielsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Silicium, Germanium, Lithium, einem kohlenstoffhaltigen Material oder einer metallischen Legierung.
Zwischen den Elektrodenschichten ist eine Schicht angeordnet, die die Funktion eines Elektrolyten aufweist. Diese Elektrolytschicht umfasst oder ist dabei erfindungsgemäß ein Festkörperelektrolyt. Ein Festkörperelektrolyt ist dabei ein an sich stabiler Feststoff, bei dem der Ladungstransport von Ionen insbesondere innerhalb einer Festkörpermatrix erfolgen kann.
Der Festkörperelektrolyt kann dabei vorteilhafterweise bereits eine gute Ionenleitfähigkeit in einem Bereich von ≥ 10^–6 S/cm sowie eine geringe elektrische Leitfähigkeit von ≤ 10^–12 S/cm aufweisen. Auf diese Weise weist die Elektrolytschicht eine ausreichende Ionenleitfähigkeit auf, wie sie beispielsweise für eine Verwendung als Elektrolytschicht in Batterien beziehungsweise Akkumulatoren, wie etwa einem Lithium-Ionen-Akkumulator, geeignet ist. Dadurch ist die den Festkörperelektrolyten umfassende Elektrolytschicht ohne weitere Maßnahmen, wie etwa bauliche Maßnahmen oder Herstellungsschritte, als Elektrolytschicht zwischen den beiden Elektrodenschichten verwendbar. So ist es beispielsweise nicht notwendig, bei der Herstellung ein Elektrolytmaterial beizumengen, um geeignete Eigenschaften zu erzielen. Es ist insbesondere nicht notwendig, in der Matrix etwa eines organischen Materials Käfige auszubilden und diese in einem weiteren Arbeitsschritt beispielsweise mit einem flüssigen Elektrolyten zu füllen. Dadurch können sowohl Arbeitsschritte als auch Materialen zur Herstellung der Elektrolytschicht eingespart werden, was die Herstellungskosten der erfindungsgemäßen Schichtanordnung mindert.
Darüber hinaus kann durch einen Verzicht auf einen herkömmlichen Elektrolyt, wie insbesondere einen flüssigen Elektrolyt, ein Auslaufen der erfindungsgemäßen Schichtanordnung vollständig verhindert werden. Dies kann beispielsweise von Vorteil sein, da beispielsweise die mit einem derartigen Energiespeicher ausgestatteten Komponenten und elektronischen Geräte durch ein Auslaufen des Elektrolyten beschädigt würden. Ferner wird ein Verdampfen des Elektrolyten verhindert, was sowohl eine Funktionsstörung beispielsweise des Energiespeichers verhindert als auch die maximale Temperatur, die ein erfindungsgemäßer Energiespeicher verträgt erhöht. Durch geeignete Materialien in den Elektrodenschichten lassen sich so auflötbare Energiespeicher herstellen. Darüber hinaus ist eine Vielzahl von Elektrolyten nicht unproblematisch für die Umwelt. Erfindungsgemäß wird daher eine Entsorgung beziehungsweise eine Wiederverwendung der erfindungsgemäßen Schichtanordnung, beispielsweise nach einer Beschädigung erleichtert.
Ein Festkörperelektrolyt bietet dabei in einer erfindungsgemäßen Schichtanordnung, insbesondere einem erfindungsgemäßen Energiespeicher, eine verbesserte kalendarische Lebensdauer bei gleichzeitig verbesserter Lebensdauer bezüglich der Zyklenzahl von Lade- und Entladevorgängen, beispielsweise durch begrenzte Degradationsmechanismen.
Die erfindungsgemäße Schichtanordnung kann beispielsweise eine Dünnschichtbatterie bereitstellen, die die Vorteile von makroskopischen Batterien, wie sie in Mobiltelefonen oder tragbaren Computer Anwendung finden, mit denen von Festkörper-Dünnschichtbatterien, wie etwa 2D oder 3D-Batterien vereint. Insbesondere weist die erfindungsgemäße Schichtanordnung als erfindungsgemäßer Energiespeicher hohe Kapazitäten auf, wie sie für dreidimensionale Batterien erzeugt werden sollen. Dabei kann jedoch ein Herstellungsverfahren schon gegenüber herkömmlichen zweidimensionalen Dünnschichtbatterien beschleunigt und vereinfacht werden.
Ferner kann durch den erfindungsgemäßen Aufbau leicht auf potentielle Fortschritte beispielsweise in der Entwicklung von Elektrodenpasten reagiert werden, der Herstellungsprozess muss nicht in aufwändiger Weise umgestellt werden.
Ein weiterer Vorteil kann darin gesehen werden, dass trotz gesteigerter Kapazität die erfindungsgemäße Schichtanordnung beziehungsweise der erfindungsgemäße Energiespeicher sehr kompakt ausbildbar ist und damit für eine Vielzahl an auch mobilen Anwendungen einsetzbar ist. Beispielsweise sind Energiespeicher mit 500 μAh/cm² oder mehr und einer Gesamthöhe inklusive einem potentiellen unstrukturierten Substrat von ≤ 200 μm oder sogar in einem Bereich von ≤ 100 μm realisierbar, so dass auch Anwendungen in Einsatzgebieten wie etwa Smart Cards beziehungsweise Chipkarten oder auch in flachen autonomen Sensoren für den Aufbau von Sensornetzwerken möglich sind.
Es ist ferner denkbar, den Aufbau einer erfindungsgemäßen Schichtanordnung mit beispielsweise gedruckten Elektrodenschichten und einem Festkörperelektrolyt auch in größere Dimensionen zu skalieren und so in makroskopische Batterien zu integrieren. Dadurch erlangt der erfindungsgemäße Energiespeicher ein noch breiteres Anwendungsgebiet, da er auch für Anwendungen mit makroskopischen Batterien, wie beispielsweise mobilen Unterhaltungs- oder Kommunikationsgeräten, oder sogar für Anwendungen in der Elektromobilität geeignet ist.
Im Rahmen einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schichtanordnung weist die pastöse Verbundschicht eine Speicherkapazität von ≥ 200 μAh/cm², insbesondere ≥ 500 μAh/cm², besonders bevorzugt ≥ 1 mAh/cm² auf. Eine derartige Speicherkapazität ist durch eine pastöse Verbundschicht aufgrund der guten Anpassbarkeit, wie etwa durch eine Variation des aktiven Materials beziehungsweise ihrer Dicke, an die gewünschte Spezifikation problemlos möglich. Dabei ist die spezifische Speicherkapazität größer als von herkömmlichen Dünnschicht-Batterien bekannt. Dadurch kann eine große Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Schichtanordnung, beispielswiese als Energiespeicher, erzielt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schichtanordnung umfasst die pastöse Verbundschicht einen Wirkstoff, einen Binder, einen elektrisch leitfähigen Stoff und insbesondere einen ionisch leitfähigen Stoff. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der elektrisch leitfähige Stoff gleichzeitig ionenleitend ist. Es kann besonders bevorzugt sein, wenn die pastöse Masse nur aus den vorgenannten Komponenten besteht. Eine derartig aufgebaute pastöse Verbundschicht ist einfach und kostengünstig herstellbar und dabei sehr variabel an das gewünschte Anwendungsgebiet anpassbar. Ferner ist eine derartige pastöse Masse gut zu verarbeiten, was den Herstellungsprozess der erfindungsgemäßen Schichtanordnung verbessert. Der Wirkstoff kann dabei insbesondere ein solcher sein, welcher der Elektrode seine Eigenschaft als Kathode beziehungsweise Anode gibt.
Für den Fall der Verwendung als Kathode umfasst oder ist der Wirkstoff insbesondere ein Kathodenspeichermaterial, das ausgewählt ist aus der Gruppe der oxidischen Materialien, insbesondere aus Lithium-Cobaltdioxid (LiCoO₂), Lithium-Manganoxid Spinell (LiMn₂O₄), Nickel umfassende Mischoxide oder Lithium-Eisenphosphat (LiFePO₄). Für den Fall der Verwendung als Anode umfasst oder ist der Wirkstoff insbesondere ein Anodenspeichermaterial, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Silicium (Si), Germanium (Ge), Lithium (Li), einem kohlenstoffhaltigen Material oder einer metallischen Legierung.
Der Binder kann beispielsweise PVDF, PVDF-HDP, CMC oder SBR umfassen, wohingegen das elektrisch leitfähige Material beispielswiese Graphit, Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder Ruß sein kann. Das ionisch leitfähige Material kann beispielsweise Lithiumphosphoroxynitrid (LIPON) sein. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umfasst die pastöse Verbundschicht dabei 85% Wirkstoff und jeweils 5% Binder, ionisches und elektronisch leitfähiges Material, wobei weiterhin vorteilhaft ist, die Beimengen zu dem Aktivstoff beziehungsweise Wirkstoff auf einen Bereich von ≤ 3% zu verringern.
Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist in der pastösen Verbundschicht wenigstens ein Hilfsstoff angeordnet. Der wenigstens eine Hilfsstoff kann dabei dazu geeignet sein, insbesondere die elektronischen Eigenschaften der entsprechenden Schicht zu verbessern, oder aber eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften hervorzurufen.
Mit Bezug auf die elektronischen Eigenschaften können insbesondere durch den Hilfsstoff beispielsweise die Leitfähigkeit und/oder Ionenspeicherkapazität, insbesondere bei einer als Anode verwendbaren Elektrode verbessert werden. In dieser Funktion können Kohlenstoffnanoröhrchen in beiden Elektrodenschichten angeordnet sein, unabhängig davon, ob es sich um eine Kathode oder um eine Anode handelt. Dabei kann es ferner bevorzugt sein, dass der Hilfsstoff neben dem entsprechenden Wirkstoff ein weiteres Material umfasst, das ausgewählt ist aus der oben genannten Gruppe der Kathodenspeichermaterialien, oder dass der Hilfsstoff ein Material umfasst, das ausgewählt ist aus der obengenannten Gruppe der Anodenspeichermaterialien. Durch die vorbezeichneten Hilfsstoffe wird insbesondere das chemische Potential gegenüber Lithium optimiert beziehungsweise die Ionenspeicherkapazität verbessert.
Ferner können durch den Hilfsstoff auch die mechanischen Eigenschaften verbessert werden. In diesem Fall kann beispielsweise die Stabilität der pastösen Verbundschicht verstärkt werden, wodurch die erfindungsgemäße Schichtanordnung beispielsweise nicht auf einem Substrat angeordnet muss. Geeignete Beispiele für eine Verbesserung der mechanischen Stärke umfassen etwa SiO₂, Si₃N₄, Al₂O₃, AlN, MgO, oder auch Fasern, wie etwa Glasfasern.
Dabei ist es ferner besonders bevorzugt, dass der wenigstens eine Hilfsstoff in einer Menge von ≤ 15 Gew.-% vorliegt. Dadurch können bereits die erwünschten Effekte erzielt werden, ohne jedoch die Verarbeitbarkeit der pastösen Verbundschicht und ferner die Herstellung der entsprechenden Schichten wesentlich negativ zu beeinflussen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schichtanordnung basiert der Festkörperelektrolyt auf einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithiumphosphoroxynitrid (LIPON), Lithiumschwefeloxynitrid (LiSON), Lithiummetaborat (LiBO₂), Lithium-Silizium-Phosphat, insbesondere mit Stickstoff dotiert (LiSiPON) Lithium-Schwefel-Phosphor-Verbindungen (Li₂S-P₂S₅), Lithium-, Titan-, oder Tantal-Oxiden oder Lanthan Granaten. Beispielsweise ist der Festkörperelektrolyt nur aus derartigen Materialien aufgebaut oder besteht aus diesen, oder er umfasst derartige Materialien in beispielsweise chemisch veränderter beziehungsweise abgewandelter Form. Beispielsweise kann der Elektrolyt mit Bor oder anderen Materialien dotiertes Lithiumphosphoroxynitrid sein oder umfassen. Derartige Festkörperelektrolyten weisen geeignete Ionen- und Elektronenleitfähigkeiten auf und sind ferner bei einem Herstellungsprozess leicht mit bekannten Methoden verwendbar und verarbeitbar.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können die der Elektrolytschicht zugewandte Seite der oberen und/oder der unteren Elektrodenschicht und/oder die Elektrolytschicht selbst zumindest teilweise strukturiert sein. Eine Strukturierung kann hierbei insbesondere wiederum durch eine Topographie, wie etwa eine Kammstruktur gebildet sein, oder eine andere Struktur, welche die aktive Oberfläche vergrößert. In dieser Ausgestaltung ist es somit möglich, vergrößerte Übergangsflächen zwischen den einzelnen Funktionsschichten zu erhalten, durch welche die Leistung der erfindungsgemäßen Schichtanordnung, beispielsweise als Energiespeicher, verbessert werden kann.
Es ist ferner bevorzugt, wenn die Schichtanordnung ein Substrat umfasst, auf dem die untere Elektrodenschicht angeordnet ist. Das Substrat kann der Schichtanordnung eine verbesserte Stabilität verleihen insbesondere für den Fall, dass die einzelnen Schichten eine niedrige Stabilität aufweisen. Dies kann beispielsweise durch die Ausbildung sehr dünner Schichten der Fall sein. Das Substrat kann beispielsweise ausgebildet sein aus starren und insbesondere strukturierbaren Materialien, beispielsweise Halbleitermaterialien, wie etwa Silizium, wie sie etwa bei Rückseiten von aktiven Elementen wie integrierten Schaltungen, Mikrosystemtechnik-Bauelementen oder Solarzellen zum Einsatz kommen. Alternativ können auch flexible Substrate zum Einsatz kommen, welche das nachträgliche Einbringen von solchen Dünnschichtbatterien in Mikrosysteme, wie etwa Smart-Cards, ermöglichen, oder auch das Skalieren zu makroskopischen Energiespeichern. Dabei sollte das Substratmaterial jedoch geeignete Eigenschaften, wie etwa thermische Beständigkeit gegenüber Lötvorgängen, aufweisen.
Hierbei kann es besonders bevorzugt sein, wenn die der unteren Elektrodenschicht zugewandte Seite des Substrats zumindest teilweise strukturiert ist. Eine Strukturierung des Substrats kann dabei etwa durch die Bildung von Kavernen in dem Substrat beziehungsweise durch eine Kammstruktur erreicht werden. So kann insbesondere die Höhe der erfindungsgemäßen Schichtanordnung reduziert werden und damit die Kompaktheit vergrößert werden. Dadurch kann eine Anwendung insbesondere in kleinen portablen Geräten, etwa als Energiespeicher, weiter verbessert werden.
Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schichtanordnung ist auf der der Elektrolytschicht entgegengesetzten Seite der unteren und/oder der oberen Elektrodenschicht eine Stromsammlerschicht angeordnet. Die Stromsammlerschicht dient dazu, die elektrische Leitfähigkeit der entsprechenden Elektrodenschicht zu verbessern und ferner, einen geeignet ausbildbaren Kontakt der Elektrodenschicht bereitzustellen. Beispielsweise kann die Stromsammlerschicht ausgebildet sein aus Gold, Platin, Aluminium, Legierungen oder weiteren Materialien mit einer guten elektrischen Leitfähigkeit.
Die Erfindung betrifft ferner einen Energiespeicher, der eine erfindungsgemäße Schichtanordnung umfasst. Insbesondere in einem Energiespeicher kommen die genannten Vorteile, wie etwa lange Lebensdauer sowie verbesserte Kapazität beziehungsweise Leistung besonders vorteilhaft zur Geltung.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Schichtanordnung, insbesondere eines erfindungsgemäßen Energiespeichers, umfassend die Verfahrensschritte:

a) Bereitstellen einer unteren Elektrodenschicht, insbesondere durch Aufbringen auf ein Substrat;
b) Aufbringen einer Festkörperelektrolytschicht auf zumindest einen Teil der unteren Elektrodenschicht; und
c) Aufbringen einer oberen Elektrodenschicht auf zumindest einen Teil der Festkörperelektrolytschicht, wobei
d) zumindest für eine der unteren oder der oberen Elektrodenschicht eine pastöse Verbundmasse verwendet wird.

Erfindungsgemäß wird in einem ersten Schritt die untere Elektrodenschicht bereitgestellt. Dies kann beispielsweise erfolgen durch Aufbringen der Elektrodenschicht auf ein Substrat. Beispielsweise kann die untere Elektrodenschicht, für den Fall, dass sie eine pastöse Verbundschicht umfasst, auf das Substrat oder eine sonstige Oberfläche aufgedruckt oder auf andere Weise aufgebracht werden. Beispielhafte Verfahren umfassen Rakeln, Schablonen- oder Siebdruckverfahren oder Injektverfahren. Dabei kann die Dicke in Abhängigkeit des gewählten Aktivmaterials und der gewünschten Kapazität gewählt werden. Dabei sollte ferner eine geeignete Qualität, Beschaffenheit und Planarität erzielt werden, um das Aufbringen weiterer Schichten zu ermöglichen, etwa durch eine Kompatibilität der Grenzfläche zu den benachbarten Schichten und deren Abscheideverfahren.
Für den Fall, dass die untere Schicht beispielsweise eine Dünnschichtelektrode ist, oder aus dieser gebildet ist, ist das Material für die untere Elektrodenschicht abhängig von ihrer gewünschten Funktion. Für den Fall der Verwendung als Kathode umfasst oder ist das Material besonders bevorzugt ein Kathodenspeichermaterial, das ausgewählt ist aus der Gruppe der oxidischen Materialien, insbesondere aus Lithium-Cobaltdioxid (LiCoO₂), Lithium-Manganoxid Spinell (LiMn₂O₄), Nickel umfassende Mischoxide oder Lithium-Eisenphosphat (LiFePO₄). Für den Fall der Verwendung als Anode ist das Material vorzugsweise insbesondere ein Anodenspeichermaterial, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Silicium (Si), Germanium (Ge), Lithium (Li), einem kohlenstoffhaltigen Material oder einer metallischen Legierung. Derartige Materialien können beispielsweise aufgedampft oder aufgesputtert werden. Grundsätzlich können hier aus der Halbleiterverarbeitung bekannte Verfahren verwendet werden.
In einem nächsten Schritt wird auf zumindest einen Teil der unteren Elektrodenschicht eine Festkörperelektrolytschicht aufgebracht. Dies kann beispielsweise realisiert werden mit Verfahren, wie etwa Sputterverfahren, CVD-Verfahren, ALD-Verfahren oder Aufdampfverfahren. Dabei sollte darauf geachtet werden, dass die Funktionalität, wie insbesondere zuverlässige elektronische Isolation, hohe ionische Leitfähigkeit und auch thermische und/oder mechanische Stabilität erhalten wird, die Schichten also insbesondere eine geringe Defektdichte aufweisen sowie von guter Homogenität bezüglich Schichtdicke und Zusammensetzung sein sollten. Eine Strukturierung der Schichten kann insbesondere bei einem Sputter- oder Aufdampfvorgang über eine Schattenmaske oder aber mittels Laserstrukturierung in einem sich an das Auftragen anschließenden Schritt erfolgen.
Anschließend wird auf zumindest einen Teil der Festkörperelektrolytschicht eine obere Elektrodenschicht aufgebracht. Dabei kann die obere Elektrodenschicht beispielsweise aus einer pastösen Verbundschicht oder als eine Dünnschichtelektrode ausgebildet sein. In diesem Fall gilt bezüglich eines Aufbringens das zu der unteren Elektrodenschicht Gesagte.
Erfindungsgemäß ist ein besonders einfaches Herstellungsverfahren in kurzer Zeit möglich. Die Schichten der jeweiligen Elektrodenschichten beziehungsweise Elektrolytschichten können schnell, auf einfache Weise und kostengünstig aufeinander aufgebracht werden. Beispielsweise kann das Aufbringen einer pastösen Schicht durch einen herkömmlichen Rakelvorgang oder Druckvorgang erfolgen. Eine Strukturierung ist durch den Einsatz eines Siebes oder einer Schablone, oder eines Lasers einfach und genau möglich. Darüber hinaus können auf diese Weise die Eigenschaften der pastösen Verbundschichten wie gewünscht und auf genau definierte Weise eingestellt werden. Beispielsweise kann die Dicke und die Geometrie besonders einfach und genau an die gewünschte Anwendung angepasst werden. Darüber hinaus können auf einfache Weise Hilfsstoffe in den pastösen Schichten eingebettet sein, um so mechanische wie auch elektronische Eigenschaften der jeweiligen Schicht anzupassen, um die Eigenschaften der Schichtanordnung in Bezug auf das gewünschte Anwendungsgebiet zu verbessern.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
1 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schichtanordnung von der Seite;
2 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schichtanordnung von der Seite;
3 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schichtanordnung von der Seite;
4 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schichtanordnung von der Seite;
5 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schichtanordnung von der Seite; und
6 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schichtanordnung von der Seite.
In 1 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schichtanordnung 10 gezeigt. Die Schichtanordnung 10 kann beispielswiese Teil eines Energiespeichers, wie beispielsweise eines Lithium-Ionen-Akkumulators sein, beziehungsweise diesen bilden.
Die erfindungsgemäße Schichtanordnung 10 kann ein Substrat 12 als Träger umfassen. Das Substrat 12 kann dazu dienen, den Schichten mehr Stabilität zu verleihen. Das Substrat 12 ist jedoch nur optional und muss nicht zwingend vorhanden sein. Beispielsweise kann bei einer ausreichenden Stabilität der Schichten auf das Substrat 12 verzichtet werden. Das Substrat 12 ist beispielsweise aus einem Halbleiter- oder MEMS-Material ausgebildet, wie etwa aus Silizium oder Glas. Ferner kann das Substrat 12 aus einem Polymer oder einem Metall ausgebildet sein. Es ist dabei von Vorteil, wenn die Oberfläche des Substrats 12 elektrisch isolierend ausgebildet ist. Dazu kann, wenn das Material des Substrats an sich nicht elektrisch isolierend ist, eine Isolationsschicht 14 auf dem Substrat 12 angeordnet sein. Beispielsweise kann diese Isolationsschicht 14 eine dielektrische Passivierungs- beziehungsweise Barriereschicht sein.
Die erfindungsgemäße Schichtanordnung 10 umfasst ferner wenigstens drei beispielsweise auf dem Substrat 12 angeordnete vorzugsweise aufeinanderfolgende Schichten. Die drei Schichten weisen dabei eine untere Elektrodenschicht 16, eine obere Elektrodenschicht 18 und eine zwischen der oberen 18 und der unteren 16 Elektrodenschicht angeordnete Elektrolytschicht 20 auf. Dabei deckt die Elektrolytschicht 20 die untere Elektrodenschicht 16 zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, ab und trennt die beiden Elektrodenschichten 16, 18 so voneinander.
Erfindungsgemäß weist die Elektrolytschicht 20 einen Festkörperelektrolyten auf. Der Festkörperelektrolyt kann beispielsweise gebildet sein beziehungsweise basieren auf einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithiumphosphoroxynitrid (LIPON), Lithiumschwefeloxynitrid (LiSON), Lithiummetaborat (LiBO₂), Lithium-Silizium-Phosphat, insbesondere mit Stickstoff dotiert (LiSiPON), Lithium-Schwefel-Phosphor-Verbindungen (Li₂S-P₂S₅), Lithium-, Titan-, oder Tantal-Oxiden oder Lanthan Granaten Lithiumphosphoroxynitrid.
Ferner weist wenigstens eine der oberen 18 oder unteren 16 Elektrodenschichten eine pastöse Verbundschicht auf. Gemäß 1 weisen die obere 18 und die untere 16 Elektrodenschicht eine pastöse Verbundschicht auf. Diese kann beispielsweise einen Wirkstoff, einen Binder, einen elektrisch leitfähigen Stoff und einen ionisch leitfähigen Stoff umfassen. Insbesondere der Wirkstoff ist dabei ausgewählt in Abhängigkeit der Funktion der Elektrode, also insbesondere einer Funktion als Anode oder Kathode. Besonders bevorzugt weist die pastöse Verbundschicht eine Speicherkapazität von ≥ 200 μAh/cm², insbesondere ≥ 500 μAh/cm² besonders bevorzugt ≥ 1 mAh/cm² auf. Dadurch können besonders bevorzugte Leistungen, insbesondere bei einer Verwendung der Schichtanordnung 10 als Energiespeicher erreicht werden.
Die Funktionalität der pastösen Verbundschicht kann dabei verbessert werden, indem dieser ein Hilfsstoff oder eine geeignete Mischung an Hilfsstoffen beigemengt wird. Mit diesen können beispielsweise die elektronischen oder ionischen Eigenschaften beziehungsweise die mechanischen Eigenschaften der Verbundschicht verbessert werden. Die pastöse Verbundschicht kann weiterhin ein entsprechendes Elektrodenmaterial als Hilfsstoff umfassen, welches abhängig ist von der Polarität der jeweiligen Elektroden. Soll die Elektrodenschicht beispielswiese als Kathode ausgebildet sein, sind hier insbesondere Kathodenspeichermaterialien geeignet. Soll die Elektrodenschicht jedoch als Anode ausgebildet sein, sind hier insbesondere Anodenspeichermaterialien von Vorteil.
Unterhalb der unteren Elektrodenschicht 16, wie auch oberhalb der oberen Elektrodenschicht 18, also jeweils auf der der Elektrolytschicht 20 entgegengesetzten Seite, kann eine untere Stromsammlerschicht 22 beziehungsweise eine obere Stromsammlerschicht 24 angeordnet sein. Die Stromsammlerschicht 22, 24 ist zweckmäßigerweise aus einem gut elektrisch leitenden Material ausgebildet, wie etwa einem Metall, einer Legierung oder auch einem gut leitfähigen Polymer. Die Stromsammlerschicht 22, 24 dient insbesondere dazu, die elektrische Leitfähigkeit der unteren beziehungsweise oberen Elektrodenschicht 16, 18 zu verbessern oder einen Kontakt aus dem Schichtensystem herauszuziehen, also einen elektrischen Kontakt an geeigneter Stelle, beispielsweise auf dem Substrat 12, zu schaffen. Dabei sollte vermieden werden, dass die entsprechende Stromsammlerschicht 22, 24 einen Kontakt mit der jeweils komplementären Stromsammlerschicht 24, 22 beziehungsweise mit der mit der komplementären Stromsammlerschicht 24, 22 verbundenen Elektrodenschicht 18, 16 aufweist.
Schließlich kann die Schichtanordnung 10 eine Passivierungsschicht 26, wie etwa eine Metallschicht, einen Metall-Polymerverbund oder eine keramische Schicht beziehungsweise entsprechende Verbundschichten, etwa mit entsprechenden Isolierungen, umfassen, um die Anordnung 10 zu umhüllen beziehungsweise die entsprechenden Schichten abzudecken für den Fall, dass ein Substrat 12 vorhanden ist. Dadurch kann eine Degradierung der Funktion durch Umwelteinflüsse eliminiert oder verringert werden.
An den jeweiligen Grenzübergängen der Schichten 16, 18, 20 können durch die unterschiedlichen chemischen und mechanischen Eigenschaften Übergangsbereiche entstehen. Zur Optimierung bzw. Stabilisierung der Funktion der Erfindung können diese Übergangsbereiche mit weiteren Zwischenschichten definiert werden, die in eigenen Schritten aufgebracht werden. Diese Zwischenschichten können beispielsweise die Diffusion von nicht-funktionalen Komponenten, Hilfsstoffen oder Fremd-Ionen unterbinden.
In der Ausführungsform gemäß 2 weist nur die untere Elektrodenschicht 16 eine pastöse Verbundschicht auf. Für den Fall, dass diese Schicht die Kathode ist, kann die obere Elektrodenschicht 18 als Anode aus einem herkömmlichen, für die Herstellung von Lithium-Ionen-Akkumulatoren bekannten Material ausgebildet werden. Beispielsweise kann die Anode in diesem Fall ein Material umfassen, wie etwa Silizium, Germanium, Kohlenstoff (beispielsweise Graphit), oder metallische Legierungen sowie weitere oben genannte Anodenspeichermaterialien. Dieses Material kann mit einem geeigneten Verfahren, wie etwa einem Abscheideverfahren, direkt auf die Elektrolytschicht 20 aufgetragen werden, oder aber es kann ein Verbund derartiger Materialien mit Trägersubstanzen, Leitungsvermittlern oder Bindern verwendet werden.
Gleichermaßen kann, für den Fall, dass die untere Elektrodenschicht 16, also die pastöse Verbundschicht die Anode ist, die obere Elektrodenschicht als Kathode beispielsweise aus einem herkömmlichen, für die Herstellung von Lithium-Ionen-Akkumulatoren bekannten Material ausgebildet werden, von denen einige oben genannt und als Kathodenspeichermaterialien bezeichnet wurden. Die als Kathode fungierende Elektrodenschicht 18 kann in diesem Fall beispielsweise auf das Substrat 12 oder auf die Elektrolytschicht 18 direkt abgeschieden werden, etwa durch ein Sputter-Verfahren, oder aber es kann ein Verbund derartiger Materialien mit Trägersubstanzen, Leitungsvermittlern oder Bindern verwendet werden.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schichtanordnung 10 gezeigt, wobei hier jedoch nur das Substrat 12, die untere Elektrodenschicht 16 sowie die untere Stromsammlerschicht 22 gezeigt ist. Es ist erkennbar, dass gemäß 3 das Substrat 12 wie auch die untere Elektrodenschicht 16 und die dazwischen angeordnete Stromsammlerschicht 22 strukturiert ist. Gemäß 3 wird eine kamm- oder säulenartige Struktur verwendet. Auf diese Weise kann eine niedrige und damit kompakte Struktur ausgebildet werden und ferner ein besserer Übergang zwischen Elektrodenschicht 16 und Stromsammlerschicht 22 ausgebildet werden.
Eine weitere Möglichkeit der Strukturierung ist in 4 gezeigt. Gemäß 4 ist die Oberfläche der als untere Elektrodenschicht 16 fungierenden pastösen Verbundschicht wie auch die Elektrolytschicht 20 strukturiert, ebenfalls mit einer Kamm- oder Säulenstruktur. Dies kann beispielsweise realisiert werden durch angepasste Siebe oder nachträglich mittels Stempeln, beispielsweise bei einem Kalandrierschritt mit Musterwalzen. Dabei sollte darauf geachtet werden, dass auch die strukturierte Oberfläche eine geeignete Qualität wie insbesondere kurzwellige Planarität und geeignete Winkel aufweist, um die nachfolgende Festkörper-Elektrolytschicht 20 in erforderlicher Qualität aufbringen zu können. Bei einer Strukturierung gemäß 4 kann die Übergangsfläche zwischen den Elektroden erhöht werden, was typischerweise eine erhöhte Leistung, etwa von einem von der Schichtstruktur gebildeten Energiespeicher, erlaubt.
In 5 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schichtanordnung 10 gezeigt. Gemäß 5 ist wiederum ein Substrat 12 mit einer Isolierungsschicht 14 gezeigt, auf der eine untere Stromsammlerschicht 22 und darauf folgend eine pastöse Verbundschicht als untere Elektrodenschicht 16 angeordnet ist. Auf der unteren Elektrodenschicht 16 ist eine Festkörper-Elektrolytschicht 20 abgeordnet, auf welcher eine ebenfalls pastöse Verbundschicht als obere Elektrodenschicht 18 angeordnet ist. Gemäß 5 ist die obere Elektrodenschicht 18 an ihrer Oberseite strukturiert, wiederum mit einer Kamm- oder Säulenstruktur. Dies kann wiederum zu dem in 3 aufgezählten Vorteilen führen, nämlich insbesondere zu einem verbesserten Übergang zu einer – hier nicht gezeigten – Stromsammlerschicht und damit zu einer verbesserten Leistung.
In 6 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schichtanordnung 10 gezeigt. Gemäß 6 sind sämtliche Schichten strukturiert, insbesondere mit einer Kamm- oder Säulenstruktur, also das Substrat 12, die Stromsammlerschichten 22, 24, die untere 16 und obere Elektrodenschicht 18 und die Elektrolytschicht 20. Ferner umfasst die Schichtanordnung 10 erneut eine Passivierungsschicht 26. In der Ausführungsform gemäß 6 kommen sämtliche mit Bezug auf die 3 bis 5 aufgezeigten Vorteile einer Strukturierung zum Tragen. Folglich weist die Schichtanordnung 10 eine verbesserte Leistung auf, insbesondere bei einer Ausgestaltung als Energiespeicher, und ferner kann diese Anordnung besonders kompakt ausgestaltet werden.
Grundsätzlich sind dabei auch in den Ausführungsformen der 2 bis 6 weitere, nicht gezeigt Schichten, wie etwa Stromsammlerschichten 22, 24 oder Passivierungsschichten 26 möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2003197208 A [0004]

Claims

Schichtanordnung, umfassend wenigstens drei Schichten, wobei die drei Schichten eine obere Elektrodenschicht (18), eine untere Elektrodenschicht (16) und eine zwischen der oberen (18) und der unteren (16) Elektrodenschicht angeordnete Elektrolytschicht (20) aufweisen, wobei die Elektrolytschicht (20) einen Festkörperelektrolyten aufweist und wobei wenigstens eine der oberen (18) und unteren (16) Elektrodenschicht eine pastöse Verbundschicht umfasst.
Schichtanordnung nach Anspruch 1, wobei die pastöse Verbundschicht eine Speicherkapazität von ≥ 200 μAh/cm², insbesondere ≥ 500 μAh/cm², besonders bevorzugt ≥ 1 mAh/cm² aufweist.
Schichtanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die pastöse Verbundschicht einen Wirkstoff, einen Binder, einen elektrisch leitfähigen Stoff und insbesondere einen ionisch leitfähigen Stoff umfasst.
Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in der pastösen Verbundschicht wenigstens ein Hilfsstoff angeordnet ist.
Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Festkörperelektrolyt auf einem Material basiert, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithiumphosphoroxynitrid, Lithiumschwefeloxynitrid, Lithiummetaborat, Lithium-Silizium-Phosphat, insbesondere mit Stickstoff dotiert, Lithium-Schwefel-Phosphor-Verbindungen, Lithium-, Titan-, oder Tantal-Oxiden, oder Lanthan Granaten.
Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die der Elektrolytschicht (20) zugewandte Seite der oberen (18) und/oder der unteren (16) Elektrodenschicht und/oder die Elektrolytschicht (20) selbst zumindest teilweise strukturiert ist.
Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Schichtanordnung (10) ein Substrat (12) umfasst, auf dem die untere Elektrodenschicht (16) angeordnet ist.
Schichtanordnung nach Anspruch 7, wobei die der unteren Elektrodenschicht (16) zugewandte Seite des Substrats (12) zumindest teilweise strukturiert ist.
Energiespeicher, wobei der Energiespeicher eine Schichtanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfasst.
Verfahren zum Herstellen einer Schichtanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, insbesondere zur Herstellung eines Energiespeichers nach Anspruch 9, umfassend die Verfahrensschritte: a) Bereitstellen einer unteren Elektrodenschicht (16), insbesondere durch Aufbringen auf ein Substrat; b) Aufbringen einer Festkörperelektrolytschicht (20) auf zumindest einen Teil der unteren Elektrodenschicht (16); c) Aufbringen einer oberen Elektrodenschicht (18) auf zumindest einen Teil der Festkörperelektrolytschicht (20), wobei d) zumindest für eine der unteren (16) oder der oberen (18) Elektrodenschicht eine pastöse Verbundmasse verwendet wird.