DE102018107519A1

DE102018107519A1 - Verfahren zur Herstellung von strukturierten, dicken silizium-haltigen Elektroden

Info

Publication number: DE102018107519A1
Application number: DE102018107519.7A
Authority: DE
Inventors: Xingcheng Xiao; Hongliang Wang; Qinglin Zhang; Mark W. Verbrugge
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2018-10-04
Anticipated expiration: 2038-03-29
Also published as: DE102018107519B4; US20180287139A1; CN108695486A; US10622621B2

Abstract

Eine Hochleistungselektrode für eine elektrochemische Zelle, einschließlich elektroaktiver Materialien mit einer großen Ladungskapazität, die einer wesentlichen volumetrischen Expansion und Kontraktion während des Zirkulierens der elektrochemischen Zelle unterliegen sowie ein Verfahren zur Fertigung der Hochleistungselektrode werden bereitgestellt. Das elektroaktive Material der Hochleistungselektrode kann eine Dicke von mehr als oder gleich ungefähr 1 µm aufweisen. Verfahren zum Formen der Hochleistungselektroden umfassen das Strukturieren des elektroaktiven Materials zum Bilden einer Vielzahl von Hohlräumen unter Verwendung eines Hochgeschwindigkeitsprozesses, der aus der Gruppe der Folgenden ausgewählt wird: Laserablation, Elektronenstrahlbearbeitung, Ionenstrahlmahlen, Profilwalzen, Prägen, Lithographie und Kombinationen davon. Die Vielzahl der Hohlräume nimmt die volumetrische Expansion und Kontraktion auf, um eine Rissbildung und eine Beschädigung der Elektrode während des Zirkulierens der elektrochemischen Zelle zu minimieren.

Description

EINLEITUNG
Der folgende Abschnitt enthält Hintergrundinformationen zur vorliegenden Offenbarung, wobei es sich nicht notwendigerweise um den Stand der Technik handelt.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Verfahren zum Strukturieren von dicken, elektroaktive Materialien enthaltenden Elektroden, die während des Zirkulierens großen volumetrischen Veränderungen unterliegen, wie zum Beispiel Silizium enthaltende aktive Materialien und die daraus hergestellten strukturierten Elektroden.
Elektrochemische Zellen mit hoher Energiedichte, wie Lithiumionen-Batterien/- Akkus und Lithium-Schwefel-Batterien/-Akkus, können in einer Vielzahl von Verbraucherprodukten und Fahrzeugen, wie Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEV) und Elektrofahrzeugen (EV), verwendet werden. Typische Lithiumionen- und Lithium-Schwefel-Batterien/-Akkus umfassen eine erste Elektrode (z. B. eine Kathode), eine zweite Elektrode (z. B. eine Anode), ein Elektrolytmaterial und einen Separator. Oft ist ein Stapel von Lithiumionen-Batterie-/Akkuzellen elektrisch miteinander verbunden, um die Gesamtleistung zu erhöhen. Lithiumionen- und Lithium-Schwefel-Batterien/-Akkus basieren auf dem umkehrbaren Durchleiten von Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode. Ein Separator und ein Elektrolyt sind zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode angeordnet. Der Elektrolyt kann Lithiumionen leiten und kann in fester oder flüssiger Form vorliegen. Beim Laden der Batterie/des Akkus bewegen sich Lithiumionen aus einer Kathode (positive Elektrode) zu einer Anode (negative Elektrode) und beim Entladen der Batterie/des Akkus in der entgegengesetzten Richtung.
Der Kontakt der Anoden- und Kathodenmaterialien mit dem Elektrolyt kann ein elektrisches Potential zwischen den Elektroden erzeugen. Wenn in einem äußeren Stromkreis zwischen den Elektroden ein Elektronenstrom erzeugt wird, wird das Potential durch elektrochemische Reaktionen innerhalb der Zellen der Batterie/des Akkus aufrechterhalten. Jede der negativen und positiven Elektroden innerhalb eines Stapels ist mit einem Stromkollektor verbunden (typischerweise einem Metall, wie Kupfer für die Anode und Aluminium für die Kathode). Während der Batterie-/Akkuverwendung sind die mit den beiden Elektronen verbundenen Stromkollektoren über einen externen Stromkreis miteinander verbunden, wodurch der durch die Elektronen erzeugte Strom zwischen den Elektroden fließen kann, um den Transport der Lithiumionen zu kompensieren.
Viele verschiedene Materialien können verwendet werden, um Komponenten für eine Lithiumionen-Batterie/einen Lithiumionen-Akku zu erzeugen. Als nicht einschränkendes Beispiel umfassen Kathodenmaterialien für Lithiumbatterien/-akkus typischerweise ein elektroaktives Material, das mit Lithiumionen interkaliert werden kann, wie Lithium-Übergangsmetalloxide oder Mischoxide vom Spinell-Typ, beispielsweise einschließlich Spinell LiMn₂O₄, LiCoO₂, LiNiO₂, LiMm_1,5Ni_0,5O₄, LiNi_(1-x-y)Co_xM_yO₂ (wobei 0<x<1, y<1, und M können Al, Mn oder dergleichen sein) oder Lithium-Eisenphosphate. Der Elektrolyt enthält typischerweise ein oder mehrere Lithiumsalze, die in einem nichtwässrigen Lösungsmittel gelöst und ionisiert sein können.
Die negative Elektrode beinhaltet typischerweise ein Lithium-Einlegematerial oder ein Legierungs-Wirtsmaterial. Typische elektroaktive Materialien zur Bildung einer Anode beinhalten Lithium-Graphit-Interkalationsverbindungen, Lithium-Silizium-Interkalationsverbindungen, Lithium-Zinn-Interkalationsverbindungen, Lithiumlegierungen. Während Graphitverbindungen am häufigsten vorkommen, sind seit Kurzem Anodenmaterialien mit hoher spezifischer Kapazität (gegenüber konventionellem Graphit) von wachsendem Interesse. So hat beispielsweise Silizium die höchste bekannte, theoretische Ladekapazität für Lithium, wodurch es eines der vielversprechendsten Materialien für Lithiumionen-Batterien/-Akkus ist.
Gegenwärtige Anodenmaterialien, umfassend Silizium oder ein ähnliches Expansionsmaterial mit großem Volumen, wie Zinn oder Germanium weisen jedoch erhebliche Nachteile auf. Die großen Volumenänderungen (z. B. Volumenausdehnung/- kontraktion größer als 300 %) der Silizium-haltigen Materialien während des Lithium-Interkalierens/-Extrahierens (z. B. Interkalieren/Legieren und Deinterkalieren/Entlegieren-Interkalieren/Legieren) können zu physikalischer Beschädigung der Anode einschließlich Faltenbildung, Bruch oder Rissbildung führen. Solche volumetrische Ausdehnung kann somit zum Verlust von elektrischem Kontakt und Elektrodenaktivität führen. Dies gilt insbesondere für die Ladungsdichte-Pegel, die für kommerzielle Brauchbarkeit von Silizium enthaltenden Elektroden benötigt werden. Die große volumetrische Ausdehnung während des Interkalierens/Legierens der Anode, umfassend Silizium, kann somit in einem Rückgang elektrochemischer zyklischer Leistungsfähigkeit, verringerter Coulomb-Ladekapazität (Kapazitätsverlust) und außerordentlich begrenzt kurzer Lebensdauer resultieren.
Es wäre wünschenswert, siliziumhaltige Hochleistungs-Elektrodenmaterialien oder ähnliche großvolumig-expandierende Materialien zum Verwenden in leistungsstarken Lithiumionen-Batterien/-Akkus zu entwickeln, welche aktuelle Schwächen überwinden, die ihre weitverbreitete kommerzielle Verwendung, insbesondere in Fahrzeuganwendungen, verhindern. Für eine langfristige und effektive Verwendung sollten negative Elektroden-/Anodenmaterialien, die großvolumige Expansionsmaterialien enthalten, in hohen Ladedichten beinhaltet sein, während physikalische Schäden vermieden werden können, um eine minimale Kapazitätsabnahme und maximale Ladekapazität für eine langfristige Verwendung in Lithiumionen-Batterien/-Akkus bereitstellen.
KURZDARSTELLUNG
Dieser Teil stellt eine allgemeine Kurzdarstellung der Offenbarung bereit und ist keine vollständige Offenbarung des vollen Schutzumfangs oder aller Merkmale.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein exemplarisches Elektrodenmaterial für eine elektrochemische Zelle bereit. Das Verfahren kann das Strukturieren einer elektroaktiven Materialschicht zur Bildung einer Vielzahl von Hohlräumen umfassen. Die elektroaktive Materialschicht kann unter Verwendung eines Hochgeschwindigkeitsverfahrens strukturiert werden, das aus der Gruppe der Folgenden ausgewählt wird: Laserablation, Elektronenstrahlbearbeitung, Ionenstrahlmahlen, Rollformen, Prägen, Lithographie und Kombinationen davon. Die Schicht aus elektroaktivem Material kann eine Dicke von mehr als oder gleich ungefähr 1 µm aufweisen. Die Schicht aus elektroaktivem Material kann ein elektroaktives Material beinhalten, das während des Zirkulierens der elektrochemischen Zelle einer volumetrischen Expansion und Kontraktion unterliegt. Die Vielzahl der Hohlräume kann die volumetrische Expansion und Kontraktion aufnehmen, um eine Rissbildung und eine Beschädigung der Elektrode während des Zirkulierens zu minimieren.
In einer Variation kann der Hochgeschwindigkeitsprozess eine Geschwindigkeit von größer oder gleich ungefähr 0,1 m/Sekunde aufweisen.
In einer Variation kann das Strukturieren das Lenken eines Lasers auf die elektroaktive Materialschicht umfassen, um ein Muster einer Vielzahl von Hohlräumen durch Laserablation zu bilden.
In einer Variation kann der Laser eine Wellenlänge aufweisen, die größer als eine Referenzwellenlänge ist, die einer Bandlücke der Schicht aus elektroaktivem Material entspricht.
In einer Variation kann die Schicht aus elektroaktivem Material auf einem Stromkollektor angeordnet sein, und der Laser kann für die Schicht aus elektroaktivem Material transparent sein. Der Laser kann durch den Stromkollektor absorbiert werden, was eine lokale Erwärmung (z. B. Plasmaerzeugung) an einer Grenzfläche zwischen der elektroaktiven Materialschicht und dem Stromkollektor induzierenden Stress (z. B. Plasmadruck) verursacht, der die elektroaktive Materialschicht aus dem Stromkollektor brechen und delaminieren kann. Die Entfernung der gebrochenen und delaminierten Schicht aus elektroaktivem Material kann eine Vielzahl von Hohlräumen erzeugen.
In einer Variation kann der Laser eine optische Ausgangsleistung von mehr als oder gleich ungefähr 50 W bis weniger als oder gleich ungefähr 500 W, eine Frequenz von größer als oder gleich ungefähr 10 kHz bis weniger als oder gleich ungefähr 1 MHz, eine Abtastgeschwindigkeit von größer als oder gleich ungefähr 0,5 m/Sekunde bis weniger als oder gleich ungefähr 10 m/Sekunde und einem Arbeitsabstand von mehr als oder gleich ungefähr 200 mm bis weniger als oder gleich ungefähr 500 mm aufweisen.
In einer Abwandlung kann der Laser eine Wellenlänge aufweisen, die kürzer als eine Bandlücke der Schicht aus elektroaktivem Material ist, und die Schicht aus elektroaktivem Material kann den Laser direkt absorbieren und schmelzen oder verdampfen, um die Vielzahl von Hohlräumen zu bilden.
In einer Variation kann die elektroaktive Materialschicht eine Verbindung einschließlich Silizium (Si), Zinn (Sn), Germanium (Ge), Wismut (Bi), Zink (Zn), Tellur (Te), Blei (Pb), Gallium (Ga), Aluminium (Al), Arsen (As), Lithium (Li) oder Kombinationen davon umfassen.
In einer Variation kann die elektroaktive Materialschicht eine Verbindung umfassen, die aus der Gruppe der Folgenden ausgewählt wird: SiSnAl, SiFeC, SnAl, SnFe, SnO₂ und Kombinationen davon.
In einer Variation kann die Schicht aus elektroaktivem Material auf einem Stromkollektor angeordnet sein, der eine Verbindung umfasst, die aus der Gruppe der Folgenden ausgewählt wird: Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Titan (Ti), Kohlenstoff (C), Legierungen und Kombinationen davon.
In einer Variation kann die Schicht aus negativ-elektroaktivem Material strukturiert sein, um ein sich wiederholendes Muster von Strukturen mit geschlossener Geometrie zu bilden.
In bestimmten anderen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein exemplarisches Verfahren zum Herstellen einer negativen Elektrode für eine elektrochemische Zelle, die Lithiumionen ausstößt, bereit. Das Verfahren kann umfassen, dass ein Laser auf eine Schicht aus negativ-elektroaktivem Material gerichtet wird, um ein Muster oder eine Vielzahl von Hohlräumen zu bilden. Die Schicht aus elektroaktivem Material kann eine Dicke von mehr als oder gleich ungefähr 1 µm aufweisen. Das negativ-elektroaktive Material kann Silizium (Si), Zinn (Sn), Germanium (Ge), Legierungen und Kombinationen davon umfassen. Die Vielzahl der Hohlräume kann die volumetrische Ausdehnung und Kontraktion aufnehmen, die in dem negativ-elektroaktiven Material während des Zirkulierens von Lithiumionen auftritt, um eine Rissbildung und eine Beschädigung der negativen Elektrode zu minimieren.
In einer Variation kann der Laser eine Wellenlänge aufweisen, die größer als eine Referenzwellenlänge ist, die einer Bandlücke der Schicht aus negativ-elektroaktivem Material entspricht.
In einer Variation kann der Laser eine optische Ausgangsleistung von mehr als oder gleich ungefähr 100 W bis weniger als oder gleich ungefähr 500 W, eine Frequenz von mehr als oder gleich ungefähr 10 kHz bis weniger als oder gleich ungefähr 1 MHz, eine Abtastgeschwindigkeit von größer als oder gleich ungefähr 0,5 m/Sekunde bis weniger als oder gleich ungefähr 10 m/Sekunde und einen Arbeitsabstand von mehr als oder gleich ungefähr 200 mm bis weniger als oder gleich ungefähr 500 mm aufweisen.
In einer Variation kann der Laser eine Wellenlänge aufweisen, die kürzer als eine Referenzwellenlänge ist, die einer Bandlücke der Schicht aus negativ-elektroaktivem Material entspricht.
In einer Variation kann die Schicht aus negativ-elektroaktivem Material auf einem Stromkollektor angeordnet sein, der eine Verbindung umfasst, die aus der Gruppe der Folgenden ausgewählt wird: Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Titan (Ti), Kohlenstoff (C), Eisen (Fe), Legierungen und Kombinationen davon.
In einer Variation kann die Schicht aus negativ-elektroaktivem Material strukturiert sein, um ein sich wiederholendes Muster von Strukturen mit geschlossener Geometrie zu bilden.
In einer Abwandlung kann die Vielzahl der Hohlräume ein Volumen von mehr als oder gleich ungefähr 5 Vol.-% des Gesamtvolumens der Schicht aus negativ-elektroaktivem Material einnehmen.
In bestimmten anderen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein exemplarisches Verfahren zum Herstellen einer negativen Elektrode für eine elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zirkuliert, bereit. Die negative Elektrode kann einen Stromkollektor und eine negativ-elektroaktive Materialschicht umfassen. Die negativ-elektroaktive Materialschicht kann ein negativ-elektroaktives Material umfassen, einschließlich Silizium (Si), Zinn (Sn), Germanium (Ge), Legierungen und Kombinationen davon. Die negativ-elektroaktive Materialschicht kann eine Dicke von mehr als oder gleich ungefähr 1 µm und ein Muster aus einer Vielzahl der Hohlräume aufweisen, die volumetrische Ausdehnung und Kontraktion aufnehmen, die in der negativ-elektroaktiven Materialschicht während des Zirkulierens von Lithiumionen auftreten können, um eine Rissbildung und Beschädigung der negativen Elektrode zu minimieren.
In einer Abwandlung kann die Schicht aus negativ-elektroaktiven Material strukturiert sein, um ein sich wiederholendes Muster von Strukturen mit geschlossener Geometrie zu bilden, und die Vielzahl der Hohlräume kann ein Volumen von mehr als oder gleich ungefähr 5 Vol.-% eines Gesamtvolumens der negativ-elektroaktiven Materialschicht einnehmen.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hierin bereitgestellten Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und speziellen Beispiele in dieser Kurzdarstellung dienen ausschließlich zum Veranschaulichen und sollen keinesfalls den Umfang der vorliegenden Offenbarung einschränken.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich dem Veranschaulichen ausgewählter Ausführungsformen und stellen nicht die Gesamtheit der möglichen Realisierungen dar und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.

1A - 1D sind schematische Darstellungen eines exemplarischen Verfahrens zum Strukturieren einer Elektrode, umfassend eine elektroaktive Materialschicht und einen Stromkollektor, um eine Vielzahl der Hohlräume unter Verwendung einer indirekten Laserablation zu bilden. 1A veranschaulicht die Verwendung eines Lasers zum Erwärmen einer lokalisierten Grenzfläche zwischen der elektroaktiven Materialschicht und dem Stromkollektor. 1B stellt die sich ergebende Verformung der Schicht aus elektroaktivem Material dar, die sich aus den thermischen Ausdehnungsunterschieden zwischen der elektroaktiven Materialschicht und dem Stromkollektor ergibt. 1C veranschaulicht das Reißen und Delaminieren der elektroaktiven Materialschicht über dem Stromkollektor. 1D veranschaulicht das Entfernen der gerissenen Teile der Schicht aus elektroaktivem Material und des verbleibenden Hohlraums, der darin ein Muster definieren kann.
2 ist eine schematische Darstellung eines exemplarischen Verfahrens zum Strukturieren einer Elektrode unter Verwendung von direkter Laserablation.
3 ist eine schematische Darstellung einer exemplarischen elektrochemischen Batterie-/Akkuzelle.
4A-4D sind schematische Darstellungen von exemplarischen strukturierten elektroaktiven Materialschichten, die gemäß verschiedenen Variationen der vorliegenden Offenbarung vorbereitet sind. 4A veranschaulicht eine elektroaktive Materialschicht, wobei die Hohlräume ein Gittermuster mit Verbindungslinien mit einem Abstand zwischen benachbarten parallelen Linien von ungefähr 250 µm bilden. 4B stellt eine elektroaktive Materialschicht dar, wobei die gebildeten Hohlräume ein Gittermuster mit Verbindungslinien mit einem Abstand zwischen benachbarten parallelen Linien von ungefähr 500 µm definieren. 4C stellt eine elektroaktive Materialschicht dar, wobei die gebildeten Hohlräume ein Gittermuster mit Verbindungslinien mit einem Abstand zwischen benachbarten parallelen Linien von ungefähr 750 µm definieren. 4D stellt eine elektroaktive Materialschicht dar, wobei die gebildeten Hohlräume ein Gittermuster mit Verbindungslinien mit einem Abstand zwischen benachbarten parallelen Linien von ungefähr 1000 µm definieren.
5 ist eine graphische Darstellung der Kapazitätserhaltung pro Zyklus der Schichten aus elektroaktivem Material, die in den 4A und 4B dargestellt sind.

Gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen beziehen sich auf die gleichen Teile.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es werden exemplarische Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich ist und den Fachleuten deren Umfang vollständig vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie beispielsweise Beispiele für spezifische Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, beschrieben, um ein gründliches Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen. Fachleute werden erkennen, dass spezifische Details möglicherweise nicht erforderlich sind, dass exemplarische Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können und dass keine der Ausführungsformen dahingehend ausgelegt werden soll, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In manchen exemplarischen Ausführungsformen sind wohlbekannte Verfahren, wohlbekannte Vorrichtungsstrukturen und wohlbekannte Techniken nicht ausführlich beschrieben.
Die hier verwendete Technik dient ausschließlich der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und soll in keiner Weise einschränkend sein. Wie hierin verwendet, schließen die Singularformen „ein/eine“ und „der/die/das“ gegebenenfalls auch die Pluralformen ein, sofern der Kontext dies nicht klar ausschließt. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „beinhalteten“ und „aufweisen“ sind einschließend und geben daher das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Elemente, Zusammensetzungen, Schritte, ganzen Zahlen, Vorgänge, und/oder Komponenten an, schließen aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen hiervon aus. Obwohl der offen ausgelegte Begriff „umfasst“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der zum Beschreiben und Beanspruchen verschiedener, hier dargelegter Ausführungsformen verwendet wird, kann der Begriff unter bestimmten Gesichtspunkten alternativ verstanden werden, etwa stattdessen ein mehr begrenzender und einschränkender Begriff zu sein, wie „bestehend aus“ oder „bestehend im Wesentlichen aus“. Somit beinhaltet jegliche Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganze Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aufführt, der vorliegenden Offenbarung ausdrücklich auch Ausführungsformen bestehend aus, oder bestehend im Wesentlichen aus, so aufgeführte Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Funktionen, Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte. Bei „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform jegliche zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aus, während bei „bestehend im Wesentlichen aus“ jegliche zusätzliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die stoffschlüssig die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, jedoch jegliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganze Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die materialmäßig nicht die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, können in der Ausführungsform beinhaltet sein.
Alle hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht dahingehend auszulegen, dass die beschriebene oder dargestellte Reihenfolge unbedingt erforderlich ist, sofern dies nicht spezifisch als Reihenfolge der Ausführung angegeben ist. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „an/auf“, „in Eingriff mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einer anderen Komponente bzw. einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, kann es/sie sich entweder direkt an/auf der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden, damit in Eingriff stehen, damit verbunden oder damit gekoppelt sein oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn im Gegensatz dazu ein Element als „direkt an/auf“, „direkt im Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, können keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen verwendet werden, sind in gleicher Weise zu verstehen (z. B. („zwischen“ und „direkt zwischen“, „angrenzend“ und „direkt angrenzend“ usw.). Wie hier verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen aus einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollen diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Ausdrücke einschränkt werden. Diese Begriffe werden nur verwendet, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, einem anderen Element, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe, wie „erste“, „zweite“ und andere Zahlenbegriffe, wenn hier verwendet, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, es sei denn, dies wird eindeutig durch den Kontext angegeben. Somit könnte ein nachstehend erläuterter erster Schritt, diskutiertes erstes Element, diskutierte Komponente, diskutierter Bereich, diskutierte Schicht oder diskutierter Abschnitt als ein zweiter Schritt, ein zweites Element, eine zweite Komponente, ein zweiter Bereich, eine zweite Schicht oder ein zweiter Abschnitt bezeichnet werden, ohne von der Lehre der exemplarischen Ausführungsformen abzuweichen.
Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe, wie „davor“, „danach“, „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen, können hier zur besseren Beschreibung der Beziehung von einem Element oder einer Eigenschaft zu anderen Element(en) oder Eigenschaft(en), wie in den Figuren dargestellt, verwendet werden. Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe können dazu bestimmt sein, verschiedene in Anwendung oder Betrieb befindliche Anordnungen der Vorrichtung oder des Systems zu umschreiben, zusätzlich zu der auf den Figuren dargestellten Ausrichtung.
In dieser Offenbarung repräsentieren die nummerischen Werte grundsätzlich ungefähre Messwerte oder Grenzen von Bereichen, etwa kleinere Abweichungen von den bestimmten Werten und Ausführungsformen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche mit genau dem genannten Wert zu umfassen. Im Gegensatz zu den am Ende der ausführlichen Beschreibung bereitgestellten Anwendungsbeispielen sollen alle nummerischen Werte der Parameter (z. B. Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation einschließlich der beigefügten Ansprüche in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ verstanden werden, egal ob oder ob nicht „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint. „Ungefähr“ weist darauf hin, dass der offenbarte nummerische Wert eine gewisse Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Exaktheit im Wert; ungefähr oder realistisch nahe am Wert; annähernd). Falls die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ bereitgestellt ist, in Fachkreisen nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verständlich ist, dann gibt „ungefähr“, wie hierin verwendet, zumindest Variationen an, die sich aus gewöhnlichen Messverfahren und der Verwendung derartiger Parameter ergeben. So kann beispielsweise „ungefähr“ eine Variation von weniger als oder gleich 5 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 4 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 3 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 2 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 1 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 0,5 % und unter bestimmten Gesichtspunkten gegebenenfalls weniger als oder gleich 0,1 % umfassen.
Darüber hinaus beinhaltet die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich der für die Bereiche angegebenen Endpunkte und Unterbereiche. Wie hierin angegeben, werden Bereiche, sofern nicht anderweitig spezifiziert, einschließlich von Endpunkten angegeben und beinhalteten die Offenbarung aller unterschiedlicher Werte und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs. Demnach gilt beispielsweise eine Bereichsangabe von „von A zu B“ oder „von etwa A bis ungefähr B“ als einschließlich A und B.
Es werden nun exemplarische Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Negative Elektroden- oder Anodenmaterialien mit relativ hoher spezifischer Kapazität (z. B. Silizium) sind zur Verwendung als aktives Material der negativen Elektrode in elektrochemischen Zellen (z. B. auf Lithium basierenden Batterien/Akkus) wünschenswert. Bestimmte aktive Materialien für negative Elektroden mit hohen spezifischen Kapazitäten unterliegen jedoch auch substanziell großen Volumenänderungen, zum Beispiel (z. B. ungefähr 300 %) volumetrischer Expansion und Kontraktion während des Zirkulierens (z. B. Lithiuminsertion/-extraktion) einer elektrochemischen Zelle. Die wesentliche Volumenausdehnung und -kontraktion, die während des Zirkulierens und Betriebs auftritt, kann zu einer physikalischen Beschädigung der Elektrodenmaterialien einschließlich Faltenbildung, Bruch oder Rissbildung der aktiven Elektrodenmaterialien und den mit diesen gekoppelten Stromkollektoren führen, was zu einem Verlust des elektrischen Kontakts (z. B. Isolierung der aktiven Materialien) und einem Kapazitätsverlust (z. B. verkürzte Lebenszyklen) führt. Die vorliegende Technologie stellt eine Elektrode für eine elektrochemische Zelle bereit, die dafür ausgelegt ist, die volumetrische Expansion und Kontraktion von aktiven Materialien der negativen Elektrode mit hohen spezifischen Kapazitäten oder anderen elektroaktiven Materialien aufzunehmen, die während des Zirkulierens und Betriebs ähnlich große Volumenänderungen erfahren. Dementsprechend stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode bereit, die so konstruiert ist, dass diese die volumetrische Expansion und Kontraktion der Materialien darin zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle aufnimmt.
In verschiedenen Aspekten umfasst das Verfahren das Strukturieren einer elektroaktiven Materialschicht für eine Elektrode einer elektrochemischen Zelle, die ein elektroaktives Material umfasst, das während des Zirkulierens der elektrochemischen Zelle eine signifikante volumetrische Expansion und Kontraktion erfährt. Zum Beispiel durchläuft das elektroaktive Material eine volumetrische Expansion und Kontraktion während des Zirkulierens der elektrochemischen Zelle (z. B. mehr als oder gleich ungefähr 300 %). In bestimmten Variationen kann solch ein elektroaktives Material eine Verbindung umfassen, die aus der Gruppe der Folgenden ausgewählt wird: Silizium (Si), Zinn (Sn), Germanium (Ge), Wismut (Bi), Zink (Zn), Tellur (Te), Blei (Pb), Gallium (Ga), Aluminium (Al), Arsen (As), Lithium (Li), Legierungen und Kombinationen davon. Lediglich exemplarisch kann die Elektrode in bestimmten Fällen ein elektroaktives Material umfassen, ausgewählt aus der Gruppe der Folgenden: Si, SiO₂, SiSnAl, SiFeC, SnAl, SnFe, SnO₂, SiGe, LiSi_x, wobei 0 ≤ x ≤ 1; LiSn_x, 0 ≤ x ≤ 1 und Kombinationen davon.
In bestimmten Fällen ist die elektroaktive Materialschicht der Elektrode ein fester und dicker durchgehender Film, der das elektroaktive Material umfasst. Unter bestimmten Gesichtspunkten umfasst die elektroaktive Schicht der Elektrode vor der Strukturierung mehr als oder gleich ungefähr 95 Masse-% des elektroaktiven Materials, optional mehr als oder gleich ungefähr 97 Masse-% des elektroaktiven Materials, optional größer als oder gleich ungefähr 98 Masse-% des elektroaktiven Materials und in bestimmten Variationen gegebenenfalls größer als oder gleich ungefähr 99 bis ungefähr 100 Masse-% des elektroaktiven Materials.
Die elektroaktive Schicht/Elektrode, die das elektroaktive Material umfasst, kann eine Dicke von mehr als oder gleich ungefähr 1 µm aufweisen. In bestimmten Fällen kann das elektroaktive Material, das die Elektrode umfasst, eine Dicke von mehr als oder gleich ungefähr 1 µm bis weniger als oder gleich ungefähr 12 µm aufweisen. Auf diese Weise enthält eine dicke elektroaktive Schicht/Elektrode mit einer solchen Dicke eine große Menge an elektroaktivem Material und stellt eine relativ große Leistungsdichte bereit.
In bestimmten Fällen kann die Elektrode ferner einen Stromkollektor umfassen, der ein relativ dehnbares Metall oder eine Metalllegierung umfasst, die elektrisch leitfähig ist. Der Stromkollektor kann eine physikalische Dehnbarkeit von mehr als oder gleich ungefähr 0,40 und weniger als oder gleich ungefähr 1 aufweisen. Der Stromkollektor kann eine Verbindung umfassen, die aus der Gruppe der Folgenden ausgewählt wird: Gold (Au), Blei (Pb), Niob (Nb), Palladium (Pd), Platin (Pt), Silber (Ag), Vanadium (V), Zinn (Sn), Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Tantal (Ta), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Legierungen und Kombinationen davon. Zum Beispiel kann der Stromkollektor aus einem Material gebildet werden, das aus der Gruppe der Folgenden ausgewählt wird: Rostfreier Stahl, Nickel und Nickellegierungen, Kupfer und Kupferlegierungen, Titan und Titanlegierungen, Kohlenstoff oder Graphit und Kombinationen davon. Das elektroaktive Material kann als eine elektroaktive Materialschicht auf dem Stromkollektor angeordnet sein, um eine Elektrode zu bilden. In bestimmten Fällen kann das elektroaktive Material auf dem Stromkollektor über eine Abscheidungstechnik angeordnet sein, die nur beispielsweise eine chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) umfasst. Der Stromkollektor kann ein durchgehender Film oder eine durchgehende Schicht sein oder kann ein Netz oder eine andere Struktur sein. Der Stromkollektor kann eine Dicke von größer oder gleich ungefähr 4 µm aufweisen. In bestimmten Fällen kann der Stromkollektor eine Dicke von mehr als oder gleich ungefähr 4 µm bis weniger als oder gleich ungefähr 20 µm aufweisen.
Unter bestimmten Gesichtspunkten umfassen die von den vorliegenden Lehren bereitgestellten Verfahren das Strukturieren der elektroaktiven Materialschicht, die die Elektrode bilden wird, um eine Vielzahl der Hohlräume darin zu erzeugen, die die volumetrische Ausdehnung und Kontraktion des elektroaktiven Materials aufnehmen, um eine Rissbildung und Beschädigung der Elektrode zu minimieren, die während des Zirkulierens der elektrochemischen Zelle, die die Elektrode umfasst, auftreten könnte. Die Hohlräume sind leere oder hohle durchgehende Bereiche, die ein vorbestimmtes Muster innerhalb eines festen Films aus einer elektroaktiven Materialschicht/Elektrode definieren und können, nur beispielsweise, von nicht-durchgehenden und verteilten Poren unterschieden werden, wie sich diese in einer porösen Elektrodenverbundmatrix mit einer Mischung von Bindemittel, elektroaktivem Material und elektrisch leitendem Material finden. In verschiedenen Fällen ermöglicht die Vielzahl der Hohlräume eine reversible, elastische Verformung der Schicht aus elektroaktivem Material innerhalb der Elektrode.
In bestimmten Fällen kann das elektroaktive Material strukturiert sein, um ein sich wiederholendes Muster von Strukturen mit geschlossener Geometrie zu bilden. Die geschlossenen Geometriestrukturen besitzen eine zweidimensionale Form und erstrecken sich in die elektroaktive Materialschicht/Elektrode mit einer Tiefe einer dritten Dimension. Das sich wiederholende Muster von Strukturen mit geschlossener Geometrie kann dicht gepackt sein und geometrische Strukturen mit linearen Merkmalen umfassen. Lediglich exemplarisch kann die Vielzahl der Hohlräume oder Freiräume Rechtecke, Quadrate, Dreiecke, Fünfecke, Sechsecke und/oder Achtecke innerhalb des elektroaktiven Materials bilden. In anderen Fällen kann die Vielzahl der Hohlräume oder Freiräume Kreise innerhalb des elektroaktiven Materials bilden.
In bestimmten Fällen kann die Vielzahl der Hohlräume Breiten haben, die durch die Dicke des elektroaktiven Materials bestimmt werden. Zum Beispiel kann die Vielzahl der Hohlräume Breiten von mehr als oder gleich ungefähr dem Zweifachen der Dicke der Schicht aus elektroaktivem Material aufweisen. In bestimmten Fällen kann die Vielzahl der Freiräume Breiten aufweisen, die größer als oder gleich ungefähr 50 µm bis weniger als oder gleich ungefähr 5 mm sind. In bestimmten Fällen kann die Vielzahl der Hohlräume ein Volumen von mehr als oder gleich ungefähr 5 Vol.-% des Gesamtvolumens des elektroaktiven Materials einnehmen.
In verschiedenen Aspekten kann die Vielzahl der Hohlräume unter Verwendung eines Hochgeschwindigkeitsverfahrens (z. B. mit einer Geschwindigkeit von mehr als oder gleich ungefähr 0,1 m/Sekunde), das aus der Gruppe der Folgenden ausgewählt wird, strukturiert werden: Laserätzen oder Laserablation, Elektronenstrahlbearbeitung oder Ätzen, Ionenstrahlfräsen oder Ätzen, Profilwalzen, Prägen, Lithographie und Kombinationen davon. Zum Beispiel stellen 1A-1D ein exemplarisches Verfahren zum Strukturieren einer Elektrode 80 unter Verwendung indirekter Laserablation dar. In bestimmten Fällen können die Hochgeschwindigkeitsprozesse in eine elektrochemische Zellenfertigungs- oder Montagelinie integriert werden. In anderen Fällen können die Hochgeschwindigkeitsprozesse in eine Beschichtungsabscheidungslinie integriert sein. Somit können die vorliegenden Verfahren als Teil eines kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Fertigungsprozesses durchgeführt werden.
1A stellt eine exemplarische Elektrode 80 mit einer Schicht 82 aus einem festen elektroaktiven Material dar, die auf einem Stromkollektor 84 angeordnet ist. Die Schicht 82 aus elektroaktivem Material beinhaltet ein elektroaktives Material, das einer erheblichen (z. B. größer als oder gleich ungefähr 300 %) volumetrischen Ausdehnung und Kontraktion während des Zirkulierens einer elektrochemischen Zelle, die die Elektrode 80 umfasst, unterliegt. Zum Beispiel kann die elektroaktive Materialschicht 82 ein elektroaktives Material umfassen, das Silizium (Si), Germanium (Ge), Tellur (Te), Arsen (As), Lithium (Li) oder Legierungen oder Kombinationen davon umfasst. Die elektroaktiven Materialien haben bekannte Bandlücken. Lediglich exemplarisch hat Silizium (Si) eine Bandlücke von ungefähr 1,11 eV, Germanium (Ge) hat eine Bandlücke von ungefähr 0,67 eV und Siliziumoxid (SiO₂) hat eine Bandlücke von ungefähr 9 eV. Die Bandlücken der Materialien beziehen sich auf eine Schwellen- oder Referenzwellenlänge, unterhalb derer ein Schaden auftritt und oberhalb derer das Material transparent ist. Es sollte beachtet werden, dass Metalle eine Bandlücke von Null aufweisen. Daher kann eine indirekte Laserablation in Fällen, in denen die elektroaktive Materialschicht 82 im Wesentlichen basische Metalle umfasst, nicht zur Verfügung stehen. Der Stromkollektor kann eine Verbindung umfassen, die aus der Gruppe der Folgenden ausgewählt wird: Gold (Au), Blei (Pb), Niob (Nb), Palladium (Pd), Platin (Pt), Silber (Ag), Vanadium (V), Zinn (Sn), Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Tantal (Ta), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Legierungen und Kombinationen davon.
Ein Laser 86 mit einer Wellenlänge größer als eine Referenzwellenlänge, die der Bandlücke der Schicht 82 aus elektroaktivem Material entspricht, kann auf die Schicht 82 aus elektroaktivem Material gerichtet werden. Lediglich exemplarisch in Fällen, in denen die Elektrodenmaterialschicht 82 amorphes Silizium umfasst, beträgt die Bandlücke ungefähr 1,7 eV und eine entsprechende Referenzwellenlänge beträgt ungefähr 730 nm. Um somit direkt Material von der Schicht 82 aus elektroaktivem Material zu entfernen, kann der Laser 86, der auf die Schicht 82 aus elektroaktivem Material gerichtet ist, eine Wellenlänge von weniger als ungefähr 730 nm aufweisen. Hier kann der Laser 86, der von einer geeigneten Laserquelle erzeugt wird, eine Wellenlänge von ungefähr 1.064 nm aufweisen, sodass der Laser oberhalb der Referenzwellenlänge liegt und die Schicht aus elektroaktivem Material 82 durchdringt. In verschiedenen Fällen kann der Laser 86 mit einer Wellenlänge größer als eine Referenzwellenlänge, die der Bandlücke der Schicht 82 aus elektroaktivem Material entspricht, eine optische Ausgangsleistung von mehr als oder gleich ungefähr 50 W bis weniger als oder gleich ungefähr 500 W aufweisen, eine Frequenz von größer als oder gleich ungefähr 10 kHz bis weniger als oder gleich ungefähr 1 MHz, eine Abtastgeschwindigkeit von größer als oder gleich ungefähr 0,5 m/Sekunde bis weniger als oder gleich ungefähr 10 m/Sekunde und einen Arbeitsabstand von mehr als oder gleich ungefähr 200 mm bis weniger als oder gleich ungefähr 500 mm.
Der Laser 86 mit einer Wellenlänge größer als die Referenzwellenlänge, die der Bandlücke der Schicht 82 aus elektroaktivem Material entspricht, ist in Bezug auf die Schicht 82 aus elektroaktivem Material transparent; in Übereinstimmung mit bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann jedoch Material durch den darunter liegenden Stromkollektor 84 absorbiert werden. Wie in 1A ersichtlich ist, kann die Absorption des Lasers 86 durch den Stromkollektor 84 eine lokale Erwärmung (z. B. Plasmaerzeugung) 90 an einer Grenzfläche 88 zwischen der Schicht 82 aus elektroaktivem Material und Stromkollektor 84 verursachen. Wie in 1B ersichtlich ist, kann die lokale Erwärmung der Grenzfläche 88 eine Belastung (z. B. Plasmadruck) 92 induzieren. Durch die induzierte Belastung 92 kann die Schicht 82 aus elektroaktivem Material brechen und die Schicht 82 aus elektroaktivem Material von dem Stromkollektor 84 delaminieren, wie in 1C zu sehen ist. Zum Beispiel kann der induzierte Druck 92 die elektroaktive Materialschicht 82 nach oben ziehen, wodurch Brüche innerhalb und in der Delaminierung oder der elektroaktiven Materialschicht 92 verursacht werden.
Die Spannung 92 an der Grenzfläche 88 kann sich aus einer thermischen Differenz, einer Fehlanpassung zwischen der elektroaktiven Materialschicht 82 und dem Stromkollektor 84 ergeben. Lediglich exemplarisch weist Silizium (Si), das in der Schicht 82 aus elektroaktivem Material beinhaltet sein kann, einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ungefähr 2,6×10^-6 K^-1 auf, während Kupfer (Cu), das in dem Stromkollektor 84 beinhaltet sein kann, einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ungefähr 17×10^-6 K^-1 aufweist. Wie in 1D ersichtlich ist, können die beschädigten Teile oder Fragmente 94 der elektroaktiven Materialschicht 82 entfernt werden, wobei ein oder mehrere Hohlräume 96 zurückbleiben, die die volumetrische Ausdehnung und Kontraktion des elektroaktiven Materials, aus der die Schicht 82 aus elektroaktivem Material besteht, aufnehmen. Die Hohlräume 96 verfügen über eine Breite, die kleiner oder gleich der minimalen Laserpunktgröße in der Brennebene des Lasers 86 ist. In bestimmten Fällen kann eine hohe Impulsüberlappung (z. B. größer oder gleich ungefähr 80 %) während des Laserabtastens lineare Hohlräume innerhalb der Schicht 82 aus elektroaktivem Material erzeugen.
In verschiedenen Fällen kann die elektrochemische Materialschicht 82 so strukturiert sein, dass diese ein sich wiederholendes Muster von Strukturen mit geschlossener Geometrie aufweist. Da die Strukturierungsprozesse lineare Prozesse sein können, können vorbestimmte lineare Hohlraummuster in der Schicht 82 aus festem elektroaktiven Material durch eine computergesteuerte Programmierung erzeugt werden. In einer Variation kann die elektrochemische Materialschicht 82 ein relativ dichtes Muster von sich wiederholenden Polygonen aufweisen, die durch lineare Abtastungen des Lasers 86 gebildet werden. Die Vielzahl der Hohlräume 96 kann ein Volumen von mehr als oder gleich ungefähr 5 Vol.-% eines Gesamtvolumens der Schicht aus elektroaktivem Material 82 einnehmen.
2 veranschaulicht ein anderes exemplarisches Verfahren zum Strukturieren einer Elektrode. 2 veranschaulicht ein exemplarisches Verfahren zum Strukturieren einer Elektrode 100, die eine elektroaktive Materialschicht 102 mittels direkter Laserablation umfasst.
Die Schicht 102 aus elektroaktivem Material der Elektrode 100 unterliegt während des Zirkulierens einer elektrochemischen Zelle, die die Elektrode 100 umfasst, einer volumetrischen Ausdehnung und Kontraktion (z. B. größer oder gleich ungefähr 300 %). Zum Beispiel kann die elektroaktive Materialschicht 82 ein elektroaktives Material umfassen, das Silizium (Si), Zinn (Sn), Germanium (Ge), Wismut (Bi), Zink (Zn), Tellur (Te), Blei (Pb), Gallium (Ga), Aluminium (Al), Arsen (As), Lithium (Li) oder Legierungen oder Kombinationen davon umfasst. Wie oben erwähnt, kann ein direkter Laserablationsprozess verwendet werden, wenn das elektroaktive Material in der Schicht 82 aus elektroaktivem Material ein Metallmaterial mit einer Bandlücke von Null umfasst.
Der Laser 104 mit einer Wellenlänge, die kürzer als eine Referenzwellenlänge ist, die der Bandlücke der das elektroaktive Material 102 umfassenden Verbindung oder Verbindungen entspricht, kann direkt von der Elektrode 100 absorbiert werden. Lediglich exemplarisch, in Fällen, in denen die elektroaktive Materialschicht 102 ein amorphes Silizium umfasst, beträgt eine Bandlücke für amorphes Silizium ungefähr 1,7 eV, was einer Referenzwellenlänge von ungefähr 730 nm entspricht. Somit kann der Laser 104 so ausgewählt werden, dass dieser eine Wellenlänge von weniger als 730 nm aufweist, um das elektroaktive Material von der elektroaktiven Materialschicht 102 zu schmelzen und abzutragen. In verschiedenen Fällen kann der Laser 104 mit einer Wellenlänge, die kürzer ist als eine Referenzwellenlänge, die der Bandlücke der Verbindung oder der Verbindungen mit dem elektroaktiven Material 102 entspricht, eine optische Ausgangsleistung von größer oder gleich ungefähr 50 W bis kleiner oder gleich ungefähr 500 W, eine Frequenz von größer als oder gleich ungefähr 10 kHz bis weniger als oder gleich ungefähr 1 MHz, eine Abtastgeschwindigkeit von größer als oder gleich ungefähr 0,5 m/Sekunde bis weniger als oder gleich ungefähr 10 m/Sekunde und einen Arbeitsabstand von mehr als oder gleich ungefähr 200 mm bis weniger als oder gleich ungefähr 500 mm aufweisen.
Der Laser 104 mit einer Wellenlänge, die kürzer als eine Referenzwellenlänge ist, die der Bandlücke der das elektroaktive Material 102 umfassenden Verbindung oder der Verbindungen entspricht, wird durch das elektroaktive Material 102 absorbiert. Die Absorption des Lasers 104 wird bewirken, dass das elektroaktive Material 102 in dem Laserbestrahlungsbereich schmilzt und verdampft, wodurch eine Materialentfernungszone 108 und eine Wärmeeinflusszone 110 entstehen werden. Auf diese Weise wird das elektroaktive Material 102 direkt abgetragen, um eine Vielzahl entsprechender Hohlräume zu bilden, die die volumetrische Expansion und Kontraktion der das elektroaktive Material 102 umfassenden Verbindung oder Verbindungen aufnehmen. In verschiedenen Fällen kann das elektrochemische Material 102 so strukturiert sein, dass dieses ein sich wiederholendes Muster von Strukturen mit geschlossener Geometrie aufweist. Das elektrochemische Material 102 kann ein Muster aus sich wiederholenden Polygonen aufweisen, die durch lineare Abtastungen des Lasers 104 gebildet werden. Die Vielzahl der Hohlräume kann ein Volumen von mehr als oder gleich ungefähr 5 Vol.-% eines Gesamtvolumens des elektroaktiven Materials 102 einnehmen.
In verschiedenen Aspekten kann die strukturierte Elektrode gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung als eine negative Elektrode für eine elektrochemische Zelle verwendet werden, die Lithiumionen zirkuliert (z. B. ein Lithiumionen-Akku). Somit wird in 3 eine exemplarische und schematische Darstellung einen Lithiumionen-Akku 20 bereitgestellt. Der Lithiumionen-Akku 20 umfasst eine negative Elektrode 22, einen negativen Stromkollektor 32 in Kontakt mit der negativen Elektrode 22, eine positive Elektrode 24, einen positiven Stromkollektor 34 in Kontakt mit der positiven Elektrode 24 und einen Separator 26, der zwischen den negativen und positiven Elektroden 22, 24 angeordnet ist. Die negative Elektrode 22 kann als Anode bezeichnet werden und die positive Elektrode 24 als Kathode. In bestimmten Fällen können der negative Stromkollektor 32, die negative Elektrode 22, der Separator 26, die positive Elektrode 24 und der positive Stromkollektor 34 in Schichten zusammengesetzt sein, die in einer elektrischen parallelen Anordnung verbunden sind, um ein geeignetes Energiepaket bereitzustellen.
Die negative Elektrode 22 beinhaltet ein elektroaktives Material als ein Lithium-Wirtsmaterial, das als negativer Anschluss einer Lithiumionen-Batterie/eines Lithiumionen-Akkus dienen kann. Das elektroaktive Material kann eine wesentliche volumetrische Expansion und Kontraktion während des Zirkulierens von Lithiumionen unterliegen. Lediglich exemplarisch kann das elektroaktive Material eine Verbindung umfassen, die Silizium (Si), Zinn (Sn), Germanium (Ge), Wismut (Bi), Zink (Zn), Tellur (Te), Blei (Pb), Gallium (Ga), Aluminium (Al), Arsen (As), Lithium (Li) oder Kombinationen davon umfasst. In bestimmten Fällen kann die negative Elektrode 22 ferner ein polymeres Bindermaterial beinhalten, um das elektroaktive Material strukturell zu verstärken.
Das elektroaktive Material, das die negative Elektrode 22 umfasst, kann strukturiert sein, um eine Vielzahl von Hohlräumen zu beinhalten, um die volumetrische Expansion und Kontraktion auszugleichen, die in dem negativ-elektroaktiven Material während des Zirkulierens von Lithiumionen auftreten können. Die Vielzahl der Hohlräume kann in dem elektroaktiven Material unter Verwendung eines Hochgeschwindigkeitsverfahrens (z. B. = 0,1 m/Sekunde) strukturiert werden, das aus der Gruppe der Folgenden ausgewählt wird: Laserätzen oder Laserablation, Elektronenstrahlbearbeitung, Ionenstrahlmahlen, Rollformen, Prägen, Lithographie und Kombinationen davon. Das elektroaktive Material, das die negative Elektrode 22 umfasst, kann unter Verwendung eines Hochgeschwindigkeitsprozesses strukturiert werden, um ein sich wiederholendes Muster von Strukturen mit geschlossener Geometrie zu bilden.
Ein Stromkollektor 32 der negativen Elektrode kann an oder nahe der negativen Elektrode 22 positioniert sein, die das elektroaktive Material mit einer Vielzahl der Hohlräume beinhaltet, um eine volumetrische Expansion und Kontraktion auszugleichen, die in dem negativ-elektroaktiven Material während des Zirkulierens von Lithiumionen auftreten kann. Der Stromkollektor 32 kann aus einem relativ leicht dehnbaren Metall oder einer elektrisch leitfähigen Metalllegierung gebildet werden. Der Stromkollektor 32 kann eine Verbindung umfassen, die aus der Gruppe der Folgenden ausgewählt wird: Gold (Au), Blei (Pb), Niob (Nb), Palladium (Pd), Platin (Pt), Silber (Ag), Vanadium (V), Zinn (Sn), Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Tantal (Ta), Nickel (Ni), Eisen (Fe) und Kombinationen davon.
Der Separator 26, der sowohl als elektrischer Isolator als auch zur mechanischen Unterstützung dienen kann, ist zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 eingeschoben, um den physischen Kontakt zu verhindern und dadurch das Auftreten eines Kurzschlusses zu vermeiden. Zusätzlich zum Bereitstellen einer physikalischen Barriere zwischen den beiden Elektroden 22, 24 kann der Separator 26 einen minimalen Widerstandsweg für die interne Passage der Lithiumionen (und der zugehörigen Anionen) zum Erleichtern des Betriebs des Lithiumionen-Akkus 20 bereitstellen.
Der Separator 30 kann in einer Ausführungsform einen mikroporösen, polymeren Separator umfassen, der ein Polyolefin umfasst. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (z. B. abgeleitet von einem einzelnen Monomerbestandteil) oder ein Heteropolymer (z. B. abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil) sein und kann entweder linear oder verzweigt sein. Wenn ein Heteropolymer von zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann das Polyolefin eine beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen einschließlich solcher eines Blockcopolymers oder eines statistischen Copolymers. Desgleichen kann ein Polyolefin, das ein Heteropolymer ist, welches aus mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, ebenfalls ein Blockcopolymer oder ein statistisches Copolymer sein. Lediglich exemplarisch kann das Polyolefin Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder eine Kombination davon sein.
Wenn der Separator 30 ein mikroporöser, polymerer Separator ist, kann dieser eine einzelne Schicht oder ein vielschichtiges Laminat sein, das entweder über einen trockenen oder einen nassen Prozess hergestellt wird. So kann in bestimmten Fällen eine einzelne Schicht des Polyolefins den gesamten mikroporösen polymeren Separator 30 bilden. In anderen Aspekten kann der Separator 30 eine faserförmige Membran mit einer Fülle von Poren sein, die sich zwischen einander gegenüberliegenden Flächen erstrecken und beispielsweise eine Dicke von weniger als einem Millimeter aufweisen kann. Als weiteres Beispiel kann der mikroporöse polymere Separator 30 jedoch auch aus mehreren getrennten Schichten des gleichen oder eines nicht ähnlichen Polyolefins zusammengesetzt sein. Der mikroporöse Polymerseparator 30 kann zusätzlich zu dem Polyolefin andere Polymere beinhalten. Lediglich exemplarisch kann der Separator 30 auch Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVDF) und/oder ein Polyamid umfassen. Die Schicht aus Polyolefin und beliebige andere gegebenenfalls vorhandene Polymerschichten können außerdem im mikroporösen polymeren Separator 30 als eine faserige Schicht beinhaltet sein, um den mikroporösen polymeren Separator 30 mit geeigneten Struktur- und Porositätscharakteristika auszustatten.
Der Separator 26 kann einen Elektrolyten 30 in fester oder Lösungsform beinhalten, der Lithiumionen leiten kann. Der Elektrolyt 30 kann auch in der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 vorhanden sein. In bestimmten Aspekten kann die Elektrolytlösung 30 eine wasserfreie, flüssige Elektrolytlösung sein, die ein Lithiumsalz beinhaltet, gelöst in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch organischer Lösungsmittel. Lediglich exemplarisch kann das Lithiumsalz aus der Gruppe der Folgenden ausgewählt werden: Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆), Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumtetrachloraluminat (LiAlCl₄), Lithiumiodid (LiI), Lithiumbromid (LiBr), Lithiumthiocyanat (LiSCN), Lithiumtetrafluorborat (LiBF₄), Lithiumtetraphenylborat (LiB (C₆H₅)₄), Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF₆), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF₃JA₃), bis(Trifluormethan)sulfonimid-Lithiumsalz (LiN (CF₃JA₂)₂) und Kombinationen davon. Das/die organische(n) Lösungsmittel kann/können aus der Gruppe der Folgenden ausgewählt werden: Zyklische Carbonate (z. B. Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC)), azyklische Carbonate (z. B. Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC)), aliphatische Carbonsäureester (z. B. Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-Lactone (z. B. γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Kettenstrukturether (z. B. 1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), zyklische Ether (z. B. Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran) und Kombinationen davon.
Die positive Elektrode 24 kann aus einem beliebigen aktiven Material auf Lithiumbasis bestehen, das eine Einlagerung/Legierung und Deinterkalierens/Entlegierungsdeinterkalierens/Legierung von Lithium in ausreichendem Maße ermöglicht, während diese dabei als Pluspol des Lithiumionen-Akkus 20 dient. In bestimmten Fällen können geschichtete Lithium-Übergangsmetalloxide verwendet werden, um die positive Elektrode 24 zu bilden. Lediglich exemplarisch kann die positive Elektrode 24 ein Lithiummanganoxid (Li_(1+x)Nn(_2-x)O₄) umfassen, wobei 0 ≤ x ≤ 1 (z. B., LiMn₂O₄); ein Lithium-Mangan-Nickeloxid (LiMn(_2-x)Ni_xO₄), wobei 0≤ x ≤1 (z. B., LiMn_1,5Ni_0,5O₄), Lithium-Kobaltoxid (LiCoO₂), Lithiummanganoxid (LiMn₂O₄), Lithium-Nickel-Oxid (LiNiO₂), ein Lithium-Nickel-Mangankobaltoxid (Li(Ni_xMn_yCo_z)O₂), wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 und x + y + z = 1 (z. B., LiMn_0,33Ni_0,33Co_0,33O₂); ein Lithium-Nickel-Cobalt-Metalloxid (LiNi_(1-x-y)Co_xM_yO₂), wobei 0<x<1, y<1 und M Al, Mn oder dergleichen sein können, Mischoxid-Lithium-Eisenphosphate oder ein Lithium-Eisen-Polyanionoxid (z. B., Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO₄) oder Lithium-Eisen-Fluor-Phosphat (Li₂FePO₄F)). Die positive Elektrode 24 kann unter bestimmten Bedingungen ein Polymerbindemittel umfassen, um das Lithium-basierte aktive Material strukturell zu verstärken. In bestimmten Fällen können die aktiven Materialien der positiven Elektrode 24 mit mindestens einem polymeren Bindemittel durch Aufschlämmungsgießen aktiver Materialien mit solchen Bindemitteln vermischt werden.
Ein positiver Elektrodenstromkollektor 34 kann an oder nahe der positiven Elektrode 24 angeordnet sein. Der Stromkollektor 34 kann aus einem relativ leicht dehnbaren Metall oder einer elektrisch leitfähigen Metalllegierung gebildet werden. Der Stromkollektor 34 kann eine Verbindung umfassen, ausgewählt aus der Gruppe der Folgenden: Gold (Au), Blei (Pb), Niob (Nb), Palladium (Pd), Platin (Pt), Silber (Ag), Vanadium (V), Zinn (Sn), Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Tantal (Ta), Nickel (Ni), Eisen (Fe) und Kombinationen davon.
Der negative Elektroden-Stromkollektor 32 und der positive Elektroden-Stromkollektor 34 nehmen jeweils die Elektronen auf und transportieren die freien Elektronen zu einem und von einem externen Stromkreis 40. Einen externen Stromkreis 40 und Last 42 verbindet die negative Elektrode 22 (über deren Stromkollektor 32) und die positive Elektrode 24 (über deren Stromkollektor 34). Der Lithiumionen-Akku 20 kann während des Entladens einen elektrischen Strom durch reversible elektrochemische Reaktionen erzeugen, die eintreten, wenn der externe Stromkreis 40 geschlossen wird (z. B., um die negative Elektrode 22 und die positive Elektrode 34 miteinander zu verbinden), und wenn die negative Elektrode 22 eine relativ größere Menge von interkaliertem Lithium enthält. Durch die chemische Potentialdifferenz zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 wandern Elektronen, die durch die Oxidation des interkalierten Lithiums an der negativen Elektrode 22 entstehen, über den externen Stromkreis 40 zur positiven Elektrode 24. An der negativen Elektrode gebildete Lithiumionen werden gleichzeitig durch den Elektrolyt 30 und den Separator 26 zur positiven Elektrode 24 geleitet. Durch den externen Stromkreis 40 fließende Elektronen und die Lithiumionen, die durch die Trenneinrichtung 26 im Elektrolyt 30 wandern, bilden an der positiven Elektrode 24 interkaliertes Lithium. Der durch den externen Stromkreis 40 fließende elektrische Strom kann genutzt und durch die Lastvorrichtung 42 geleitet werden, bis das interkalierte Lithium in der negativen Elektrode 22 aufgebraucht ist und die Kapazität des Lithiumionen-Akkus 20 sinkt.
Der Akku 20 kann durch Anschließen einer externen Spannungsquelle an den Lithiumionen-Akku 20 zum Umkehren der elektroaktiven Reaktionen, die bei der Akkuentladung auftreten, jederzeit aufgeladen und erneut aufgeladen werden. Der Anschluss einer externen Spannungsquelle an den Lithiumionen-Akku 20 kann die ansonsten nicht spontane Oxidation von interkaliertem Lithium an der positiven Elektrode 24 erleichterten, um Elektronen und Lithiumionen zu erzeugen. Die Elektronen, die durch den externen Stromkreis 40 zurück zur negativen Elektrode 22 fließen und die Lithiumionen, die durch den Elektrolyt 30 durch den Separator 26 zurück zur negativen Elektrode 22 transportiert werden, verbinden sich wieder an der negativen Elektrode 22 und füllen die negative Elektrode 22 wieder mit interkaliertem Lithium für den Verbrauch im nächsten Akku 20-Entladezyklus auf. Die externe Spannungsquelle, die verwendet werden kann, um den Lithiumionen-Akku 20 aufzuladen, kann in Größe, Konstruktion und spezieller Endanwendung des Lithiumionen-Akkus 20 variieren. Lediglich exemplarisch kann die externe Spannungsquelle eine Wechselspannungs-Steckdose oder ein Kraftfahrzeug-Spannungsgenerator sein.
Größe und Form des Lithiumionen-Akkus 20 können variieren, je nach der besonderen Anwendung, für die dieser ausgelegt ist. Der Lithiumionen-Akku 20 kann auch mit anderen, ähnlichen Lithiumionen-Zellen oder -Akkus in Serie oder parallel geschaltet sein, um eine größere Spannungsabgabe und Leistungsdichte zu erzeugen, wenn dies für die Lastvorrichtung 42 erforderlich ist. Die Lastvorrichtung 42 kann vollständig oder teilweise durch den elektrischen Strom angetrieben werden, der durch den externen Stromkreis 40 geleitet wird, wenn sich der Lithiumionen-Akku 20 entlädt. Lediglich exemplarisch kann die Lastvorrichtung 42 ein Elektromotor für ein Hybridfahrzeug oder ein vollelektrisches Fahrzeug, einen Laptop-Computer, einen Tablet-Computer, ein Mobiltelefon oder ein kabelloses Elektrowerkzeug oder -vorrichtung sein. Unter bestimmten Bedingungen kann der Verbraucher 42 jedoch auch ein Gerät zur Energieerzeugung sein, mit dem der Lithiumionen-Akku 20 zum Speichern der Energie aufgeladen werden kann.
Unter bestimmten Gesichtspunkten minimieren die strukturierten Elektroden eine Rissbildung und eine Beschädigung einer Elektrode, die das elektroaktive Material während des Zirkulierens beinhaltet. Unter bestimmten Gesichtspunkten weist eine elektrochemische Zelle oder eine Lithiumionen-Batterie/ein Lithiumionen-Akku, die/der eine strukturierte Elektrode gemäß bestimmten Variationen der vorliegenden Offenbarung umfasst, eine Ratenkapazität von mehr als oder gleich ungefähr 0,05 Kapazität (C/20) bis ungefähr 20 Kapazität auf, wobei die elektrochemische Lithiumionen-Zelle eine gute Kapazitätserhaltung (mindestens 80 Kapazitätsretentionen nach 100 Zyklen) besitzt.
In bestimmten Variationen hält eine Lithiumionen-Batterie/ein Lithiumionen-Akku, die/der eine strukturierte negative Elektrode gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung enthält, im Wesentlichen die Ladekapazität (z. B. führt diese innerhalb eines vorgewählten Bereichs oder einer anderen gezielten Verwendung mit hoher Kapazität aus) für mindestens 500 Stunden Batterie-/Akkubetrieb aufrecht erhält, optional für mehr als oder gleich ungefähr 1000 Stunden Batterie-/Akkubetrieb, optional für mehr als oder gleich ungefähr 1500 Stunden Batterie-/Akkubetrieb und unter bestimmten Gesichtspunkten für mehr als oder gleich ungefähr 2000 Stunden oder länger während des Batterie-/Akkubetriebs (aktives Zirkulieren). In bestimmten Variationen kann die/der Lithiumionen-Batterie/-Akku, die/der eine erfindungsgemäße strukturierte negative Elektrode enthält, innerhalb von 20 % der Zielladungskapazität für eine Dauer von mehr als oder gleich ungefähr 2 Jahren arbeiten (einschließlich Lagerung bei Umgebungsbedingungen und aktiver Zirkulierzeit), gegebenenfalls für mehr als oder gleich ungefähr 3 Jahre, optional für mehr als oder gleich ungefähr 4 Jahre, optional für mehr als oder gleich ungefähr 5 Jahre, optional für mehr als oder gleich ungefähr 6 Jahre, optional für mehr als oder gleich ungefähr 7 Jahre, optional für mehr als oder gleich ungefähr 8 Jahre, optional für mehr als oder gleich ungefähr 9 Jahre und unter bestimmten Gesichtspunkten optional für mehr als oder gleich ungefähr 10 Jahre. In anderen Variationen ist die/der Lithiumionen-Batterie/-Akku, die/der eine strukturierte Elektrode enthält, in der Lage, bei einer vorgewählten Zielladungskapazität von weniger als oder gleich ungefähr 30 % zu arbeiten (wodurch eine minimale Ladekapazitätsabnahme erfolgt), optional bei weniger als oder gleich ungefähr 20 %, optional bei weniger als oder gleich ungefähr 15 %, optional bei weniger als oder gleich ungefähr 10 % und in bestimmten Variationen, optional bei weniger als oder gleich ungefähr 5 % Änderung der Ladekapazität für eine Dauer von mindestens ungefähr 100 Tiefentladungszyklen, optional mindestens ungefähr 200 Tiefentladungszyklen, optional mindestens ungefähr 500 Tiefentladungszyklen, optional mindestens ungefähr 1000 Tiefentladungszyklen.
Anders ausgedrückt behält unter bestimmten Gesichtspunkten eine Lithiumionen-Batterie/ein Lithiumionen-Akku oder elektrochemische Zelle, die/der die strukturierte Elektrode zur Minimierung der Beschädigung der Elektrode während der Expansion und Kontraktion während des Zirkulierens enthält, die Ladungskapazität im Wesentlichen bei und ist in der Lage für mindestens ungefähr 1000 Tiefentladungszyklen funktionsfähig zu sein, wahlweise für mehr als oder gleich ungefähr 2000 Tiefentladungszyklen, optional für mehr als oder gleich ungefähr 3000 Tiefentladungszyklen, optional für mehr als oder gleich ungefähr 4000 Tiefentladungszyklen und in bestimmten Variationen, optional für mehr als oder gleich ungefähr 5000 Tiefentladungszyklen.
In bestimmten Fällen kann eine Lithiumionen-Batterie/ein Lithiumionen-Akku oder eine elektrochemische Zelle, die/der die strukturierte Elektrode enthält, gemäß dem in der am 17. Dezember 2015 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 14/973.439 beschriebenen Verfahren betrieben werden (z. B. innerhalb der angegebenen Spannungspotentialfensterbereiche), betitelt „Battery Life by Controlling the Voltage Window of the Negative Electrode“ (Batterie-/Akkulebensdauer durch Steuern des Spannungsfensters der negativen Elektrode), die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist, um die Leistungsfähigkeit der Lithiumionen-Batterie/des Lithiumionen-Akkus oder elektrochemischen Zelle, insbesondere für elektroaktive Materialien, die Silizium umfassen, weiter zu optimieren.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Technik sind ferner veranschaulicht durch folgende nicht-einschränkende Beispiele.
Beispiel 1
4A-4D zeigen exemplarische elektroaktive Materialien 120, 130, 140 und 150, die während des Zirkulierens der elektrochemischen Zelle, die strukturiert ist, um eine Vielzahl der Hohlräume 122, 132, 142 und 152 zu bilden, die die volumetrische Ausdehnung und Kontraktion der elektroaktiven Materialien 120, 130, 140 und 150 aufnehmen, eine wesentliche Volumenexpansion und -kontraktion erfahren, um Rissbildungen und Schäden an einer Elektrode, die das elektroaktive Material 120, 130, 140 und 150 beinhaltet, während des Zirkulierens zu minimieren. Die dargestellten elektroaktiven Materialien 120, 130, 140 und 150 wurden auf einem Stromkollektor (nicht gezeigt), der Kupfer umfasst, mittels eines Magnetron-Sputtersystems mit einer Eingangsargonströmung (Ar) von ungefähr 2 sccm und einem Silizium(Si)-Ziel angeordnet.
4A stellt ein elektroaktives Material 120 dar, das Silizium umfasst und eine Dicke von ungefähr 4 µm aufweist, wobei mehrere durchgehende lineare Hohlräume 122 zwei Sätze von parallelen Linien 126 definieren, die sich rechtwinklig schneiden oder verbinden und ein wiederholtes Gittermuster 124 bilden. Eine Breite 125 zwischen parallelen sich nicht schneidenden Linien, beispielsweise 127 und 128, beträgt ungefähr 250 µm.
4B stellt ein elektroaktives Material 130 dar, das Silizium umfasst und eine Dicke von ungefähr 4 µm aufweist, wobei mehrere durchgehende lineare Hohlräume 132 zwei Sätze von parallelen Linien 136 definieren, die sich rechtwinklig schneiden oder verbinden und ein wiederholtes Gittermuster 134 bilden. Eine Breite 135 zwischen parallelen sich nicht schneidenden Linien, beispielsweise 137 und 138, beträgt ungefähr 500 µm.
4C stellt ein elektroaktives Material 140 dar, das Silizium umfasst und eine Dicke von ungefähr 4 µm aufweist, worin mehrere durchgehende lineare Hohlräume 142 zwei Sätze von parallelen Linien 146 definieren, die sich rechtwinklig schneiden oder verbinden und ein wiederholtes Gittermuster 144 bilden. Eine Breite 145 zwischen parallelen sich nicht schneidenden Linien, beispielsweise 147 und 148, beträgt ungefähr 750 µm.
4D stellt ein elektroaktives Material 150 dar, das Silizium umfasst und eine Dicke von ungefähr 4 µm aufweist, wobei mehrere durchgehende lineare Hohlräume 152 zwei Sätze von parallelen Linien 156 definieren, die sich rechtwinklig schneiden oder verbinden und ein wiederholtes Gittermuster 154 bilden. Eine Breite 155 zwischen parallelen sich nicht schneidenden Linien, beispielsweise 157 und 158, beträgt ungefähr 1000 µm.
5 stellt ein Diagramm 170 dar, welches die Lade-/Entladeleistungsprofile der elektrochemischen Li-Ionen-Zellen, einschließlich negativer Elektroden, die jeweils das in 4A veranschaulichte elektroaktive Material 120 und das in 4B veranschaulichte elektroaktive Material 130 umfassen, zeigen. Der Graph 170 hat eine X-Achse 178, die die Zykluszahl zeigt, und die Y-Achse 180, die die spezifische Kapazität in mAh/g zeigt. In Bezug auf eine elektrochemische Li-Ionen-Zelle einschließlich negativer Elektroden, die ein strukturiertes elektroaktives Material 120 umfassen, das in 4A dargestellt ist, stellt 172A die Ladung und 172B Entladung dar. In Bezug auf eine elektrochemische Li-Ionen-Zelle einschließlich negativer Elektroden, die ein strukturiertes elektroaktives Material 130 umfassen, das in 4B dargestellt ist, stellt 174A die Ladung und 174B Entladung dar. Die jeweiligen Lade-/Entladeprofile 172A und 172B, 174A und 174B werden mit einer grundlegenden elektrochemischen Li-Ionen-Zelle einschließlich negativer Elektroden, die elektrochemisch unstrukturiertes Material umfassen, verglichen, wobei die grundlegende elektrochemische Li-Ionen-Zelle ansonsten im Wesentlichen den elektrochemischen Li-Ionen-Zellen, einschließlich negativer Elektroden, die das in 4A dargestellte elektroaktive Material 120 und das in 4B dargestellte elektroaktive Material 130 umfassen, ähnelt. In Bezug auf die grundlegende elektrochemische Li-Ionen-Zelle veranschaulicht 176A die Ladung und 176B Entladung. Für sowohl 172A, 172B und 174A, 174B wird eine erhöhte Kapazitätserhaltung im Vergleich zu 176A, 176B der grundlegenden Lithiumionen-Zelle, mit Ausnahme der linearen Hohlräume, beobachtet.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient lediglich der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie ist nicht erschöpfend und soll die Offenbarung in keiner Weise beschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern gegebenenfalls gegeneinander austauschbar und in einer ausgewählten Ausführungsform verwendbar, auch wenn dies nicht gesondert dargestellt oder beschrieben ist. Auch diverse Variationen sind denkbar. Diese Variationen stellen keine Abweichung von der Offenbarung dar, und alle Modifikationen dieser Art verstehen sich als Teil der Offenbarung und fallen in ihren Schutzumfang.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 14973439 [0076]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine elektrochemische Zelle, das Verfahren umfassend: das Strukturieren einer Schicht aus elektroaktivem Material zur Bildung einer Vielzahl von Hohlräumen darin, mittels eines Hochgeschwindigkeitsprozesses, ausgewählt aus der Gruppe der Folgenden: Laserablation, Elektronenstrahlbearbeitung, Ionenstrahlmahlen, Profilwalzen, Prägen, Lithographie und Kombinationen davon, worin eine elektroaktive Materialschicht eine Dicke von größer oder gleich ungefähr 1 µm hat und ein elektroaktives Material umfasst, das während des Zirkulierens der elektrochemischen Zelle volumetrisch expandiert und kontrahiert, worin die Vielzahl der Hohlräume die volumetrische Expansion und Kontraktion aufnimmt, um eine Rissbildung und Beschädigung der Elektrode während des Zirkulierens zu minimieren.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Hochgeschwindigkeitsprozess eine Geschwindigkeit von mehr als oder gleich ungefähr 0,1 m/Sekunde aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Strukturieren das Richten eines Lasers auf die elektroaktive Materialschicht umfasst, um ein Muster der Vielzahl der Hohlräume durch Laserätzen oder Abtragen zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 3, worin der Laser eine Wellenlänge aufweist, die größer als eine Referenzwellenlänge ist, die einer Bandlücke der Schicht aus elektroaktivem Material entspricht.
Verfahren nach Anspruch 4, worin die Schicht aus elektroaktivem Material auf einem Stromkollektor angeordnet ist und der Laser für die Schicht aus elektroaktivem Material transparent ist und durch den Stromkollektor absorbiert wird, wodurch Plasmaerzeugung und -druck an einer Grenzfläche zwischen der Schicht aus elektroaktivem Material und dem Stromkollektor verursacht werden, was zu einer Entfernung der elektroaktiven Materialschicht über der Grenzfläche führt, um die Vielzahl der Hohlräume zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 3, worin der Laser eine optische Ausgangsleistung von mehr als oder gleich ungefähr 50 W bis weniger als oder gleich ungefähr 500 W aufweist, eine Frequenz von größer als oder gleich ungefähr 10 kHz bis weniger als oder gleich ungefähr 1 MHz, eine Abtastgeschwindigkeit von mehr als oder gleich ungefähr 0,5 m/Sekunde bis weniger als oder gleich ungefähr 10 m/Sekunde und einen Arbeitsabstand von mehr als oder gleich ungefähr 200 mm bis weniger als oder gleich ungefähr 500 mm.
Verfahren nach Anspruch 3, worin der Laser eine Wellenlänge aufweist, die kürzer als eine Bandlücke der Schicht aus elektroaktivem Material ist und die Schicht aus elektroaktivem Material direkt den Laser absorbiert und schmilzt und verdampft, um die Vielzahl der Hohlräume zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die elektroaktive Materialschicht eine Verbindung umfasst, die Silizium (Si), Zinn (Sn), Germanium (Ge), Wismut (Bi), Zink (Zn), Tellur (Te), Blei (Pb), Gallium (Ga), Aluminium (Al), Arsen (As), Lithium (Li) oder Kombinationen davon umfasst, und die auf einem Stromkollektor angeordnete elektroaktive Materialschicht eine Verbindung aus der Gruppe der Folgenden ausgewählt wird: Kupfer (Cu), Nickel umfasst (Ni), Titan (Ti), Kohlenstoff (C), Eisen (Fe), Gold (Au), Palladium (Pd), Platin (Pt), Tantal (Ta), Nickel (Ni), Legierungen und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die elektroaktive Materialschicht eine Verbindung umfasst, ausgewählt aus der Gruppe der Folgenden: SiSnAl, SiFeC, SnAl, SnFe, SnO2, SiGe, LiSi_x, wobei 0 ≤ x ≤ 1, LiSn_x, 0 ≤ x ≤ 1 und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die elektroaktive Materialschicht strukturiert wird, um ein sich wiederholendes Muster von Strukturen mit geschlossener Geometrie zu bilden.