DE102019135173A1

DE102019135173A1 - Elektroden und verfahren zur herstellung von elektroden für elektrochemische zellen durch kontinuierliche lokalisierte pyrolyse

Info

Publication number: DE102019135173A1
Application number: DE102019135173.1A
Authority: DE
Inventors: Xingcheng Xiao; Hongliang Wang; Mark W. Verbrugge
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2019-01-03
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2020-07-09
Anticipated expiration: 2039-12-20
Also published as: DE102019135173B4; CN111403691A; US10985363B2; CN111403691B; US20200220154A1

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung einer Silizium-Kohlenstoff-Verbundelektrodenanordnung für eine elektrochemische Zelle beinhaltet das Bilden einer Elektrode durch Pyrolysieren mindestens eines Teils eines Polymers in einer Anordnung, um pyrolysierten Kohlenstoff zu bilden. Die Anordnung beinhaltet einen Elektrodenvorläufer in elektrischem Kontakt mit einem Stromabnehmer. Der Elektrodenvorläufer beinhaltet ein Polymer und ein elektroaktives Material. Das elektroaktive Material beinhaltet Silizium. Der Stromabnehmer beinhaltet ein elektrisch leitfähiges Material. Das Pyrolysieren beinhaltet das Richten eines Energiestroms auf eine Oberfläche des Elektrodenvorläufers. Die Oberfläche ist gegenüber dem Stromabnehmer angeordnet. Die Silizium-Kohlenstoff-Verbundelektrodenanordnung beinhaltet die Elektrode und den Stromabnehmer. In bestimmten Variationen beinhaltet der Energiestrom einen Laserstrahl oder einen Plasmastrahl. In bestimmten Aspekten definiert die Elektrode einen Konzentrationsgradienten zwischen einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche.

Description

EINFÜHRUNG
Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen über die vorliegende Offenbarung, die nicht unbedingt dem Stand der Technik entspricht.
Elektrochemische Zellen mit hoher Energiedichte, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, können in einer Vielzahl von Konsumgütern und Fahrzeugen eingesetzt werden, wie beispielsweise Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEVs) und Elektrofahrzeuge (EVs). Typische Lithium-Ionen-Batterien beinhalten eine erste Elektrode (z.B. eine positive Elektrode), eine zweite Elektrode (z.B. eine negative Elektrode), ein Elektrolytmaterial und einen Separator. Häufig ist ein Stapel von Lithium-Ionen-Batteriezellen elektrisch verbunden, um die Gesamtleistung zu erhöhen. Im Allgemeinen arbeiten Lithium-Ionen-Batterien, indem sie Lithium-Ionen reversibel zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode Richten. Zwischen der negativen und der positiven Elektrode sind ein Separator und ein Elektrolyt angeordnet. Der Elektrolyt ist für die Leitung von Lithiumionen geeignet und kann in fester oder flüssiger Form vorliegen. Lithiumionen bewegen sich beim Laden der Batterie von der positiven Elektrode zu einer negativen Elektrode und beim Entladen der Batterie in die entgegengesetzte Richtung.
Der Kontakt der Elektrodenmaterialien mit dem Elektrolyten kann ein elektrisches Potential zwischen den Elektroden erzeugen. Wenn Elektronenstrom in einem externen Stromkreis zwischen den Elektroden erzeugt wird, wird das Potenzial durch elektrochemische Reaktionen innerhalb der Zellen der Batterie aufrechterhalten. Jede der negativen und positiven Elektroden innerhalb eines Stapels ist mit einem Stromabnehmer verbunden (typischerweise ein Metall, wie beispielsweise Kupfer für die negative Elektrode und Aluminium für die positive Elektrode). Während des Batteriebetriebs sind die den beiden Elektroden zugeordneten Stromabnehmer durch eine externe Schaltung verbunden, die es ermöglicht, dass Strom, der von Elektronen erzeugt wird, zwischen den Elektroden fließt, um den Transport von Lithiumionen zu kompensieren.
BESCHREIBUNG
Dieser Abschnitt bietet eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung des gesamten Umfangs oder aller seiner Merkmale.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Elektroden und Verfahren zur Herstellung von Elektroden für elektrochemische Zellen unter Verwendung der kontinuierlichen lokalisierten Pyrolyse.
In verschiedenen Aspekten bietet die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung einer Silizium-Kohlenstoff-Verbundelektrodenanordnung für eine elektrochemische Zelle. Das Verfahren beinhaltet das Bilden einer Elektrode durch Richten eines Energiestroms auf mindestens einen Bereich einer Oberfläche eines Elektrodenvorläufers, der ein Polymer und ein elektroaktives Material beinhaltet, um mindestens einen Teil des Polymers zu pyrolysieren, um pyrolysierten Kohlenstoff zu bilden. Das elektroaktive Material beinhaltet Silizium. Während des Richtens steht der Elektrodenvorläufer in elektrischem Kontakt mit einem Stromabnehmer, der ein elektrisch leitfähiges Material beinhaltet, und die Ausrichtung erfolgt auf die dem Stromabnehmer gegenüberliegende Oberfläche des Elektrodenvorläufers. Das Verfahren bildet somit die Silizium-Kohlenstoff-Verbund-Elektrodenanordnung mit der Elektrode und dem Stromabnehmer.
In einem Aspekt beinhaltet das Pyrolysieren ferner das Verschieben mindestens eines der Energieflüsse und des Elektrodenvorläufers in Bezug auf den anderen des Energieflusses und des Elektrodenvorläufers. Das Verschieben erfolgt gleichzeitig mit dem Richten. Das Verschieben ermöglicht das thermische Kontaktieren des Energiestroms mit im Wesentlichen dem gesamten Polymer, das an die Oberfläche angrenzt.
In einem Aspekt beinhaltet der Energiestrom einen Laserstrahl.
In einem Aspekt ist der Laserstrahl ein ultravioletter (UV-)Laserstrahl mit einer Wellenlänge von mehr als oder gleich etwa 150 nm bis weniger als oder gleich etwa 400 nm.
In einem Aspekt ist der Laserstrahl ein Kohlendioxid-(CO₂)-Laserstrahl mit einer Wellenlänge von mehr als oder gleich etwa 9 µm bis weniger als oder gleich etwa 11 µm.
In einem Aspekt beinhaltet die Ausrichtung ferner das Einstellen einer Fokusebene des Laserstrahls in einem Abstand von der Oberfläche. Der Abstand ist größer oder gleich etwa 0 mm bis kleiner oder gleich etwa 30 mm.
In einem Aspekt ist der Laserstrahl eingerichtet, um die Oberfläche über eine Fläche zu schneiden. Die Fläche hat ein Seitenverhältnis von mehr als oder gleich etwa 1 bis weniger als oder gleich etwa 100.
In einem Aspekt beinhaltet der Energiestrom einen Plasmastrahl.
In einem Aspekt verwendet das Richten eine Plasmaquelle, die eines von Atmosphärenplasma, HF-Plasma oder Elektronenstrahlplasma beinhaltet.
In einem Aspekt beinhaltet das Richten ferner den Betrieb einer Plasmaquelle mit einer Leistung von mehr als oder gleich etwa 50 W bis weniger als oder gleich etwa 5 kW. Das Richten beinhaltet ferner das Anordnen einer Plasmadüse in einem Abstand von der Oberfläche. Der Abstand ist größer oder gleich etwa 0 mm bis kleiner oder gleich etwa 100 mm. Das Richten beinhaltet ferner das Anwenden eines Plasma-Abscheidungsdrucks von größer oder gleich etwa 1 mtorr bis kleiner oder gleich etwa 760 Torr.
In einem Aspekt beinhaltet das Verfahren ferner das Bilden einer Elektrodenvorläuferanordnung. Das Bilden der Elektrodenvorläuferanordnung beinhaltet das Bilden einer Suspension durch Mischen einer Vielzahl von Partikel, einschließlich des elektroaktiven Materials, des Polymers und eines Lösungsmittels. Die Bildung der Elektrodenvorläuferanordnung beinhaltet ferner das Anordnen der Suspension auf dem Stromabnehmer. Das Bilden der Elektrodenvorläuferanordnung beinhaltet ferner das Bilden eines Elektrodenvorläufers durch Trocknen der Suspension, um mindestens einen Teil des Lösungsmittels zu entfernen. Die Elektrodenvorläuferanordnung beinhaltet den Elektrodenvorläufer und den Stromabnehmer.
In einem Aspekt beinhaltet das Anordnen der Suspension auf dem Stromabnehmer das Anordnen der Suspension in direktem physischen Kontakt mit dem Stromabnehmer.
In einem Aspekt beinhaltet das Bilden der Suspension ferner das Mischen eines leitfähigen Additivs mit der Vielzahl von Partikeln, dem Polymer und dem Lösungsmittel. Das leitfähige Additiv ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ruß, Graphit, gehackter Kohlefaser, gemahlener Kohlefaser, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Nanofasern und Kombinationen derselben.
In einem Aspekt beinhaltet das Bilden der Elektrode ferner das Dotieren des Elektrodenvorläufers mit einem Dotierstoff, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Stickstoff, Schwefel, Phosphor und Kombinationen derselben. Die Dotierung erfolgt gleichzeitig mit der Steuerung des Energiestroms.
In einem Aspekt ist das Polymer ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyimid, Phenolharz, Polyamidsäure, Epoxidharz, Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyacrylnitril (PAN), Polydimethylsiloxan (PDMS), Carboxymethylcellulose (CMC), Natriumalginat, StyrolButadien-Kautschuk (SBR) und Kombinationen davon.
In verschiedenen Aspekten bietet die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung einer Silizium-Kohlenstoff-Verbundelektrode für eine elektrochemische Zelle. Das Verfahren beinhaltet das Pyrolysieren mindestens eines Teils eines Polymers in einem Elektrodenvorläufer. Der Elektrodenvorläufer beinhaltet eine Vielzahl von elektroaktiven MaterialPartikel und ein Polymer. Das Pyrolysieren beinhaltet das Richten eines Energiestroms auf eine Oberfläche des Elektrodenvorläufers. Der Energiestrom beinhaltet einen Laserstrahl oder einen Plasmastrahl. Das Pyrolysieren beinhaltet ferner das Verschieben mindestens eines der Energieflüsse und des Elektrodenvorläufers in Bezug auf den anderen des Energieflusses und des Elektrodenvorläufers. Das Verschieben wird gleichzeitig mit dem Richten durchgeführt, um das thermische Kontaktieren des Energiestroms mit im Wesentlichen dem gesamten Polymer neben der Oberfläche zu erleichtern.
In verschiedenen Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung eine Silizium-Kohlenstoff-Verbundelektrode für eine elektrochemische Zelle vor. Die Silizium-Kohlenstoff-Verbundelektrode beinhaltet eine Matrix und eine Vielzahl von elektroaktiven MaterialPartikel. Die Matrix beinhaltet pyrolysierten Kohlenstoff und ein Polymer. Die Vielzahl der elektroaktiven Materialpartikel ist in die Matrix eingebettet. Die Vielzahl der elektroaktiven MaterialPartikel beinhaltet Silizium. Die Silizium-Kohlenstoff-Verbundelektrode erstreckt sich zwischen einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche. Die erste Oberfläche definiert ein erstes Gewichtsverhältnis von pyrolysiertem Kohlenstoff zu Polymer. Die zweite Oberfläche definiert ein zweites Gewichtsverhältnis von pyrolysiertem Kohlenstoff zu Polymer. Das erste Gewichtsverhältnis ist größer als das zweite Gewichtsverhältnis.
In einem Aspekt ist die zweite Oberfläche so eingerichtet, dass sie direkt elektrisch mit einem Stromabnehmer verbunden ist.
In einem Aspekt definiert die Matrix einen Zusammensetzungsgradienten zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche. Ein pyrolysierter Kohlenstoffgewichtsprozentsatz nimmt zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche ab. Ein Polymergewichtsprozentsatz nimmt zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche zu.
Weitere Anwendungsbereiche ergeben sich aus der hierin enthaltenen Beschreibung. Die Beschreibung und die konkreten Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen nur der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Figuren dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Implementierungen und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.

1 ist eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt;
3 ist ein Flussdiagramm, das ein anderes Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt;
Die 4A-4B beziehen sich auf ein Verfahren zum Pyrolysieren einer Elektrode gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung; 4A zeigt eine Elektrodenvorläuferanordnung vor der Pyrolyse; und 4B zeigt eine Elektrodenanordnung nach der Pyrolyse;
5 ist eine schematische Darstellung einer Elektrode gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
6 ist eine schematische Darstellung einer Elektrodenvorläuferanordnung, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung mittels Laserstrahl pyrolysiert wird;
7-8 sind Laserstrahlformen gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung; 7 ist ein im Wesentlichen elliptischer Laserstrahl; und 8 ist ein im Wesentlichen rechteckiger Laserstrahl; und
Die 9A-9B sind schematische Ansichten einer Elektrode, die mittels Plasmastrahl pyrolysiert wird, gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung.

Entsprechende Bezugszeichen kennzeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Figuren.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Beispielhafte Ausführungsformen werden bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich ist und den Umfang vollständig an diejenigen weitergibt, die über Fachkenntnisse verfügen. Zahlreiche spezifische Details werden dargelegt, wie beispielsweise Beispiele für spezifische Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein gründliches Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen. Den Fachleuten wird klar sein, dass auf spezifische Details verzichtet werden muss, dass exemplarische Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen verkörpert werden können und dass keine der beiden Auslegungen den Umfang der Offenbarung einschränken sollte. In einigen Beispielen werden Ausführungsformen, bekannte Prozesse, bekannte Vorrichtungsstrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
Die hierin verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und ist nicht als Einschränkung gedacht. Wie hierin verwendet, können die Singularformen „ein“, „eine“ und „der, die, das“ auch die Pluralformen beinhalten, sofern der Kontext nichts anderes bestimmt. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „einschließlich“ und „hat“ sind inklusive und spezifizieren daher das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Elementen, Zusammensetzungen, Schritten, ganzen Zahlen, Operationen und/oder Komponenten, schließen aber nicht das Vorhandensein oder Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, ganze Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon aus. Obwohl der offene Begriff „umfassend“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der verwendet wird, um verschiedene hierin dargelegte Ausführungsformen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff in bestimmten Aspekten alternativ auch als ein einschränkenderer und einschränkenderer Begriff verstanden werden, wie beispielsweise „bestehend aus“ oder „bestehend im Wesentlichen aus“. Somit beinhaltet die vorliegende Offenbarung für jede beliebige Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, Eigenschaften, ganze Zahlen, Operationen und/oder Prozessschritte rezitiert, auch ausdrücklich Ausführungsformen, die aus solchen rezitierten Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Merkmalen, ganzen Zahlen, Operationen und/oder Prozessschritten bestehen oder im Wesentlichen aus diesen bestehen. Im Falle von „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Operationen und/oder Prozessschritte aus, während im Falle von „bestehend im Wesentlichen aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, Eigenschaften, ganze Zahlen, Operationen und/oder Prozessschritte, die die grundlegenden und neuen Eigenschaften wesentlich beeinflussen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, aber alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, Eigenschaften, ganze Zahlen, Operationen und/oder Prozessschritte, die die grundlegenden und neuen Eigenschaften nicht wesentlich beeinflussen, können in die Ausführungsform aufgenommen werden.
Alle hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Operationen sind nicht so auszulegen, dass sie notwendigerweise ihre Ausführung in der jeweils besprochenen oder veranschaulichten Reihenfolge erfordern, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Leistungsordnung gekennzeichnet. Es ist auch zu verstehen, dass zusätzliche oder alternative Schritte eingesetzt werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, kann sie direkt auf der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht angeordnet, verbunden oder gekoppelt sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Im Gegensatz dazu, wenn ein Element als „direkt auf“, „direkt verbunden mit“, oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht verbunden bezeichnet wird, dürfen keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zur Beschreibung der Beziehung zwischen den Elementen verwendet werden, sollten in ähnlicher Weise interpretiert werden (z.B. „zwischen“ und „direkt zwischen“, „angrenzend“ und „direkt angrenzend“, etc.). Wie hierin verwendet, umfasst der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgeführten Punkte.
Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hierin verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Regionen, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Schritte, Elemente, Komponenten, Regionen, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden, sofern nicht anders angegeben. Diese Begriffe dürfen nur verwendet werden, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, eine Region, eine Schicht oder einen Schnitt von einem anderen Schritt, Element, einer Komponente, einer Region, einer Schicht oder einem Schnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erster“, „zweiter“ und andere numerische Begriffe, wenn sie hierin verwendet werden, bedeuten keine Sequenz oder Reihenfolge, es sei denn, sie werden durch den Kontext eindeutig angegeben. So könnte ein erster Schritt, Element, Komponente, Region, Schicht oder Abschnitt, der im Folgenden erläutert wird, als zweiter Schritt, Element, Komponente, Region, Schicht oder Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der exemplarischen Ausführungsformen abzuweichen.
Räumlich oder zeitlich verwandte Begriffe wie „vorher“, „nachher“, „innen“, „außen“, „unten“, „unterhalb“, „über“, „oben“ und dergleichen können hierin zur einfachen Beschreibung der Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem anderen Element oder Merkmal, wie in den Abbildungen dargestellt, verwendet werden. Räumlich oder zeitlich relative Begriffe können dazu bestimmt sein, neben der in den Abbildungen dargestellten Ausrichtung auch unterschiedliche Ausrichtungen des verwendeten oder betriebenen Geräts oder Systems zu erfassen.
In dieser Offenbarung stellen die Zahlenwerte ungefähre Maße oder Grenzen für Bereiche dar, um geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausführungsformen mit etwa dem genannten Wert sowie mit genau dem genannten Wert zu erfassen. Abgesehen von den am Ende der ausführlichen Beschreibung aufgeführten Arbeitsbeispielen sind alle numerischen Werte von Parametern (z.B. von Mengen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation, einschließlich der beigefügten Ansprüche, so zu verstehen, dass sie in allen Fällen um den Begriff „etwa“ geändert werden, ob „etwa“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint oder nicht. „Etwa“ zeigt an, dass der angegebene Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer Annäherung an die Genauigkeit des Wertes; ungefähr oder ziemlich nahe am Wert; fast). Wenn die Ungenauigkeit von „etwa“ in dem Fachgebiet mit dieser gewöhnlichen Bedeutung nicht anders verstanden wird, dann zeigt „etwa“, wie hierin verwendet, zumindest Variationen an, die sich aus gewöhnlichen Methoden zum Messen und Verwenden solcher Parameter ergeben können. So kann beispielsweise „etwa“ eine Variation von weniger als oder gleich 5%, optional kleiner als oder gleich 4%, optional kleiner als oder gleich 3%, optional kleiner als oder gleich 2%, optional kleiner als oder gleich 1%, optional kleiner als oder gleich 0,5% und in bestimmten Aspekten optional kleiner als oder gleich 0,1% umfassen.
Darüber hinaus beinhaltet die Angabe von Bereichen die Angabe aller Werte und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich der für die Bereiche angegebenen Endpunkte und Teilbereiche.
Beispielausführungsformen werden nun anhand der beigefügten Figuren ausführlicher beschrieben.
Viele verschiedene Materialien können verwendet werden, um Komponenten für eine Lithium-Ionen-Batterie herzustellen. Als nicht einschränkendes Beispiel beinhalten positive Elektrodenmaterialien für Lithium-Batterien typischerweise ein elektroaktives Material, das mit Lithium-Ionen interkaliert werden kann, wie z.B. Lithium-Übergangsmetalloxide oder Mischoxide vom Spinelltyp, z.B. Spinell LiMn₂O₄, LiCoO₂, LiNiO₂, LiMn_1.5Ni_0.5O₄, LiNi(_1-x-y)Co_xM_yO₂ (wobei 0<x<1, y<1 und M Al, Mn oder dergleichen sein können) und/oder Lithiumeisenphosphate. Der Elektrolyt enthält typischerweise ein oder mehrere Lithiumsalze, die in einem nichtwässrigen Lösungsmittel gelöst und ionisiert werden können. Die negative Elektrode kann ein Lithium-Insertionsmaterial oder ein Legierungswirtschaftsmaterial beinhalten.
Typische elektroaktive Materialien für die Bildung einer negativen Elektrode sind Lithium-Graphit-Einlagerungsverbindungen, Lithium-Silizium-Einlagerungsverbindungen, Lithium-Zinn-Einlagerungsverbindungen, Lithiumlegierungen. Während Graphitverbindungen am häufigsten vorkommen, sind in letzter Zeit negative Elektrodenmaterialien mit hoher spezifischer Kapazität (im Vergleich zu konventionellem Graphit) von wachsendem Interesse. So hat beispielsweise Silizium die höchste bekannte theoretische Ladekapazität für Lithium und ist damit eines der vielversprechendsten Materialien für wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien. Allerdings weisen aktuelle negative Elektrodenmaterialien einschließlich Silizium erhebliche Nachteile auf. Die großen Volumenänderungen (z.B. Volumenausdehnung/- kontraktion) von siliziumhaltigen Materialien während der Lithium-Insertion/Extraktion führen zu Rissbildung der negativen Elektrode, einem Rückgang der elektrochemischen zyklischen Leistung und einer verminderten coulombischen Ladekapazität (Kapazitätsabfall) sowie einer begrenzten Lebensdauer.
Es wäre wünschenswert, hochleistungsfähige negative Elektrodenmaterialien einschließlich Silizium für den Einsatz in Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterien zu entwickeln, die die derzeitigen Mängel überwinden, die eine breite kommerzielle Nutzung, insbesondere in Fahrzeuganwendungen, verhindern. Für eine langfristige und effektive Nutzung sollten siliziumhaltige negative Elektrodenmaterialien in der Lage sein, die Kapazität auf ein Minimum zu reduzieren, schnell aufzuladen und die Ladekapazität für den langfristigen Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien zu maximieren.
Elektrochemische Zellen
Als Hintergrund ist in 1 eine exemplarische und schematische Darstellung einer Batterie 20, die Lithiumionen zyklisch aufnimmt, dargestellt. Die Batterie 20 kann eine elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle, eine elektrochemische Lithium-Schwefel-Zelle oder eine Lithium-Selen-Batterie sein. Die Batterie 20 beinhaltet eine negative Elektrode 22, eine positive Elektrode 24 und einen porösen Separator 26, der zwischen den beiden Elektroden 22, 24 angeordnet ist. Der poröse Separator 26 beinhaltet ein Elektrolytsystem 30, das auch in der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 vorhanden sein kann. Ein negativer Elektrodenstromabnehmer 32 kann an oder nahe der negativen Elektrode 22 und ein positiver Elektrodenstromabnehmer 34 an oder nahe der positiven Elektrode 24 positioniert werden. Der negative Elektrodenstromabnehmer 32 und der positive Elektrodenstromabnehmer 34 sammeln und bewegen jeweils freie Elektronen zu und von einem unterbrechbaren externen Stromkreis 40. Die externe Schaltung 40 und eine Lastvorrichtung 42 verbinden die negative Elektrode 22 (durch den negativen Elektrodenstromabnehmer 32) und die positive Elektrode 24 (durch den positiven Elektrodenstromabnehmer 34).
Der poröse Separator 26 wirkt sowohl als elektrischer Isolator als auch als mechanischer Träger, indem er zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 eingeklemmt ist. Der poröse Separator 26 verhindert den physikalischen Kontakt zwischen den Elektroden 22, 24 und damit das Auftreten eines Kurzschlusses. Zusätzlich zur Bereitstellung einer physikalischen Barriere zwischen den beiden Elektroden bietet der poröse Separator 26 einen minimalen Widerstandspfad für den internen Durchgang von Lithiumionen (und verwandten Anionen) während des Zyklus der Lithiumionen, um die Funktion der Batterie 20 zu erleichtern. In Lithium-Ionen-Batterien interkaliert Lithium und/oder Legierungen in den aktiven Elektrodenmaterialien. In einer Lithium-Schwefel-Batterie oder einer Lithium-Selen-Batterie löst sich das Lithium jedoch anstelle von Einlagerungen oder Legierungen von der negativen Elektrode auf und wandert zur positiven Elektrode, wo es während der Entladung reagiert bzw. plattiert, während es während des Ladevorgangs Lithiumplatten auf der negativen Elektrode aufnimmt.
Die Batterie 20 kann elektrischen Strom für die Lastvorrichtung 42 erzeugen, die funktionsfähig mit dem externen Stromkreis 40 verbunden werden kann. Während die Ladevorrichtung 42 eine beliebige Anzahl bekannter elektrisch angetriebener Vorrichtungen sein kann, beinhalten einige spezifische Beispiele für energieverbrauchende Ladevorrichtungen einen Elektromotor für ein Hybridfahrzeug oder ein vollelektrisches Fahrzeug, einen Laptop-Computer, einen Tablet-Computer, ein Mobiltelefon und drahtlose Elektrowerkzeuge oder -geräte. Die Lastvorrichtung 42 kann auch eine- Stromerzeugungsvorrichtung sein, die die Batterie 20 zum Zwecke der Energiespeicherung lädt. In bestimmten anderen Variationen kann die elektrochemische Zelle ein Superkondensator sein, wie beispielsweise ein Superkondensator auf Lithiumionenbasis.
Die Batterie 20 kann jederzeit aufgeladen oder wieder mit Strom versorgt werden, indem eine externe Stromquelle an die Batterie 20 angeschlossen wird, um die elektrochemischen Reaktionen, die bei der Entladung der Batterie auftreten, umzukehren. Der Anschluss der externen Stromquelle an die Batterie 20 zwingt die Produktion von Elektronen und die Freisetzung von Lithiumionen aus der positiven Elektrode 24. Die Elektronen, die durch den externen Schaltkreis 40 zur negativen Elektrode 22 zurückfließen, und die Lithiumionen, die vom Elektrolytsystem 30 über den porösen Separator 26 zur negativen Elektrode 22 getragen werden, vereinigen sich an der negativen Elektrode 22 wieder und füllen sie mit Lithium für den Verbrauch während des nächsten Batterieentladezyklus auf. Somit wird jedes Entladungs- und Ladeereignis als ein Zyklus betrachtet, bei dem Lithiumionen zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 geschaltet werden.
Die externe Stromquelle, die zum Aufladen der Batterie 20 verwendet werden kann, kann je nach Größe, Konstruktion und besonderer Verwendung- der Batterie 20 variieren-. Einige bemerkenswerte und exemplarische externe Stromquellen sind unter anderem eine Wechselstrom-Wandsteckdose und eine Kraftfahrzeug-Generator. In vielen Lithium-Ionen-Batteriekonfigurationen, Lithium-Schwefel- und Lithium-Selen-Batteriekonfigurationen werden der negative Elektrodenstromabnehmer 32, die negative Elektrode 22, der poröse Separator 26, die positive Elektrode 24 und der positive Elektrodenstromabnehmer 34 jeweils als relativ dünne Schichten (z.B. von mehreren Mikrometern bis zu einem Millimeter oder weniger Dicke) vorbereitet und in Schichten zusammengefügt, die elektrisch parallel geschaltet sind, um ein geeignetes elektrisches Energie- und Leistungspaket bereitzustellen.
Darüber hinaus kann die Batterie 20 eine Vielzahl anderer Komponenten beinhalten, die, obwohl sie hier nicht dargestellt sind, den Fachleuten dennoch bekannt sind. So kann beispielsweise die Batterie 20 ein Gehäuse, Dichtungen, Klemmenkappen, Laschen, Batterieklemmen und alle anderen Komponenten oder Materialien beinhalten, die sich innerhalb der Batterie 20 befinden können, einschließlich zwischen oder um die negative Elektrode 22, die positive Elektrode 24 und/oder den porösen Separator 26. Wie bereits erwähnt, können Größe und Form der Batterie 20 je nach der jeweiligen Anwendung, für die sie ausgelegt ist, variieren. Batteriebetriebene- Fahrzeuge und tragbare- Unterhaltungselektronikgeräte sind zum Beispiel zwei Beispiele, bei denen die Batterie 20 höchstwahrscheinlich nach unterschiedlichen Größen-, Kapazitäts- und- Leistungsangaben ausgelegt wäre. Die Batterie 20 kann auch in Reihe oder parallel zu anderen ähnlichen Lithium-Ionen-Zellen oder Batterien geschaltet werden, um eine höhere Spannungs-, Energie- und Leistungsabgabe zu erzeugen, wenn dies von der Ladevorrichtung 42 gefordert wird.
Poröser Separator
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 kann der poröse Separator 26 in bestimmten Fällen einen mikroporösen polymeren Separator einschließlich eines Polyolefins beinhalten. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (abgeleitet von einem einzelnen Monomerbestandteil) oder ein Heteropolymer (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil) sein, das entweder linear oder verzweigt sein kann. Wenn ein Heteropolymer von zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann das Polyolefin eine beliebige Copolymerkettenanordnung annehmen, einschließlich derjenigen eines Blockcopolymers oder eines statistischen Copolymers. Wenn das Polyolefin ein Heteropolymer ist, das von mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann es ebenfalls ein Blockcopolymer oder ein statistisches Copolymer sein. In bestimmten Aspekten kann das Polyolefin Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder eine Mischung aus PE und PP oder mehrschichtige strukturierte poröse Folien aus PE und/oder PP sein. Zu den handelsüblichen porösen Polyolefinmembranen gehören CELGARD^® 2500 (ein einschichtiger Polypropylen-Separator) und CELGARD^® 2320 (ein dreischichtiger Polypropylen/Polyethylen/Polypropylen/Polypropylen-Separator), die bei Celgard LLC erhältlich sind.
Wenn der poröse Separator 26 ein mikroporöser polymerer Separator ist, kann es sich um eine ein- oder mehrschichtige Schicht handeln, die entweder aus einem Trocken- oder Nassverfahren hergestellt werden kann. So kann beispielsweise in einer Ausführungsform eine einzelne Schicht des Polyolefins den gesamten mikroporösen Polymer-Separator 26 bilden. In anderen Aspekten kann der Separator 26 eine Fasermembran mit einer Fülle von Poren sein, die sich zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen erstrecken und beispielsweise eine Dicke von weniger als einem Millimeter aufweisen. Als weiteres Beispiel können jedoch mehrere diskrete Schichten aus ähnlichen oder ungleichen Polyolefinen zu dem mikroporösen Polymer-Separator 26 zusammengefügt werden. Darüber hinaus kann der poröse Separator 26 mit einem keramischen Material vermischt oder seine Oberfläche mit einem keramischen Material beschichtet werden. So kann beispielsweise eine keramische Beschichtung Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumdioxid (SiO₂) oder Kombinationen davon beinhalten. Es werden verschiedene konventionell verfügbare Polymere und kommerzielle Produkte zur Bildung des porösen Separators 26 in Betracht gezogen, ebenso wie die vielen Herstellungsverfahren, die zur Herstellung eines solchen mikroporösen Polymer-Separators 26 eingesetzt werden können.
Elektrolyt
In verschiedenen Aspekten können die positive Elektrode 24, die negative Elektrode 22 und der poröse Separator 26 jeweils das Elektrolytsystem 30 beinhalten, das Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 Richten kann. Das Elektrolytsystem 30 kann eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung sein, die ein oder mehrere Lithiumsalze enthält, die in einem organischen Lösungsmittel oder einer Mischung aus organischen Lösungsmitteln gelöst sind. In bestimmten Variationen kann das Elektrolytsystem 30 eine 1M-Lösung aus einem oder mehreren Lithiumsalzen in einem oder mehreren organischen Lösungsmitteln sein. In der Batterie 20 können zahlreiche konventionelle nichtwässrige Flüssigelektrolytsysteme 30 Lösungen verwendet werden.
Eine nicht einschränkende- Liste von Lithiumsalzen, die in einem oder mehreren organischen Lösungsmitteln gelöst werden können, um die nichtwässrige- flüssige Elektrolytlösung zu- bilden,- beinhaltet Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆); Lithiumperchlorat (LiClO₄); Lithiumtetrachloraluminat (LiAlCl₄); Lithiumiodid (LiI); Lithiumbromid (LiBr); Lithiumthiocyanat (LiSCN); Lithiumtetrafluoroborat (LiBF₄); Lithiumtetraphenylborat (LiB(C₆H₅)₄); Lithiumbis(oxalato)borat (LiB(C₂O₄)₂) (LiBOB); Lithiumdifluoroxalatoborat (LiBF₂(C₂O₄)); Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF₆); Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF₃SO₃); Lithiumtrigluormethansulfonimid (LiN(CF₃SO₂)₂), Lithiumbis(fluorosulfonyl)imid (LiN(FSO₂)₂) (LiSFI); und Kombinationen davon.
Diese und andere ähnliche Lithiumsalze können in einer Vielzahl von organischen Lösungsmitteln gelöst werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, verschiedene Alkylcarbonate, wie z.B. cyclische Carbonate (z.B. Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC)); lineare Carbonate (z.B. Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC)); aliphatische Carbonsäureester (z.B. Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), y-Lactones (z.B. -y-Butyrolactone, y-Valerolacton); Kettenstrukturether (z.B. 1,2-dimethoxyethan-, 1,2-diethoxyethan-, Ethoxymethoxyethan); cyclische Ether (z.B. Tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran-); und Kombinationen davon.
Positive Elektrode
In verschiedenen Aspekten kann die positive Elektrode 24 aus einem aktiven Material auf Lithiumbasis gebildet werden, das Lithiumein- und -auslagerung, Legierung und Entmetallisierung, oder Plattierung und Abbeizen ausreichend durchlaufen kann, während es als positiver Pol der Batterie 20 fungiert. Die elektroaktiven Materialien der positiven Elektrode 24 können ein oder mehrere Übergangsmetalle beinhalten, wie Mangan (Mn), Nickel (Ni), Kobalt (Co), Chrom (Cr), Eisen (Fe), Vanadium (V) und Kombinationen derselben. Zwei exemplarische gemeinsame Klassen bekannter elektroaktiver Materialien, die zur Bildung der positiven Elektrode 24 verwendet werden können, sind Lithiumübergangsmetalloxide mit Schichtstruktur und Lithiumübergangsmetalloxide mit Spinellphase.
So kann beispielsweise die positive Elektrode 24 in bestimmten Fällen ein spinellartiges- Übergangsmetalloxid, wie Lithium-Manganoxid (Li(_1+x)Mn_(2-x)O₄), beinhalten, wobei x typischerweise kleiner als 0,15 ist, einschließlich LiMn2O4 (LMO) und Lithium-Mangan-Nickeloxid LiMn_1,5Ni_0,5O₄(LMNO). In anderen Fällen kann die positive Elektrode 24 geschichtete Materialien wie Lithium-Kobaltoxid (LiCoO₂), Lithium-Nickel-Oxid (LiNiO₂), ein Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (Li(Ni_xMn_yCo_z)O₂) beinhalten, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 und x + y + z = 1, einschließlich LiMn_0.33Ni_0.33Co_0.33O₂, ein Lithium-Nickel-Kobalt-Metalloxid (LiNi(_i-x-y)Co_xM_yO₂), wobei 0<x<1, 0<y<1 und M Al, Mn oder dergleichen sein können. Andere bekannte- Lithiumübergangsmetallverbindungen wie Lithiumeisenphosphat (LiFePO₄) oder Lithiumeisenfluorphosphat (Li₂FePO₄F) können ebenfalls verwendet werden. In bestimmten Aspekten kann die positive Elektrode 24 ein elektroaktives Material beinhalten, das Mangan beinhaltet, wie beispielsweise Lithium-Manganoxid (Li_(1+x)Mn(_2-x)O₄), ein gemischtes Lithium-Mangan-Nickeloxid (LiMn(_2-x)Ni_xO₄), wobei 0 ≤ x ≤ 1, und/oder ein Lithium-Mangan-Nickel-Kobaltoxid (z.B. LiMn_1/3Ni_1/3CO_1/3CO_1/3O₂). In einer Lithiumsulfur-Batterie können positive Elektroden elementaren Schwefel als aktives Material oder ein schwefelhaltiges aktives Material aufweisen.
In bestimmten Variationen können die positiven aktiven Materialien mit einem optionalen elektrisch leitfähigen Material und mindestens einem polymeren Bindematerial vermischt werden, um das lithiumbasierte aktive Material zusammen mit einem darin verteilten optionalen elektrisch leitfähigen Partikel strukturell zu verstärken. So können beispielsweise die aktiven Materialien und optionalen leitfähigen Materialien mit solchen Bindemitteln aufgeschlämmt werden, wie Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk oder Carboxymethylcellulose (CMC), ein Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natriumalginat und Lithiumalginat. Elektrisch leitfähige Materialien können Graphit,- Materialien auf Kohlenstoffbasis-, pulverisiertes Nickel, Metallpartikel oder ein leitfähiges Polymer sein. Kohlenstoffbasierte Materialien können als nicht einschränkende- BeispielPartikel von KETCHENTM-Schwarz, DENKATM-Schwarz, Acetylenschwarz, Ruß und dergleichen beinhalten. Beispiele für ein leitfähiges Polymer sind Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen. In bestimmten Aspekten können Mischungen aus leitfähigen Materialien verwendet werden. Wie vorstehend erwähnt, kann der positive Elektrodenstromabnehmer 34 an oder in der Nähe der positiven Elektrode 24 positioniert werden. Der positive Elektrodenstromabnehmer 34 kann aus Aluminium (Al) oder jedem anderen geeigneten elektrisch leitfähigen Material gebildet werden, das denjenigen bekannt ist, die über Kenntnisse der Technik verfügen.
Negative Elektrode
In verschiedenen Aspekten beinhaltet die negative Elektrode 22 ein elektroaktives Material als Lithium-Wirtsmaterial, das als negativer Pol einer Lithium-Ionen-Batterie fungieren kann. In bestimmten Aspekten beinhaltet das elektroaktive Material der negativen Elektrode 22 ein siliziumhaltiges negatives Elektrodenmaterial. So kann die negative Elektrode 22 das negative Silizium-Elektrodenmaterial als elektroaktives Lithium-Wirtsmaterial oder optional ein anderes elektrisch leitfähiges Material sowie ein oder mehrere polymere Bindematerialien zum strukturellen Zusammenhalten des Lithium-Wirtsmaterials beinhalten. Wie bereits erwähnt, haben aktive Materialien mit negativen Elektroden, einschließlich Silizium, die höchste bekannte theoretische Ladekapazität für Lithium, was sie für den Einsatz in wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien attraktiv macht. So wurden beispielsweise siliziumbasierte Elektroden aufgrund ihrer hohen spezifischen Kapazität und Energiedichte für Hochleistungsanwendungen (EVs/HEVs) in Betracht gezogen. In der Praxis leiden jedoch bestimmte negative Elektrodenmaterialien einschließlich Silizium unter erheblichen Nachteilen. Solche siliziumhaltigen Materialien weisen große Volumenänderungen (z.B. Volumenausdehnung/-kontraktion) während der Lithiumein- und -extraktion (z.B. Interkalation und De-interkalation) auf, was zu Rissbildung der negativen Elektrode, einem Rückgang der elektrochemischen zyklischen Leistung und einer verminderten coulombischen Ladekapazität (Kapazitätsverlust) sowie einer extrem begrenzten Lebensdauer führt. Insbesondere das Ausbleichen der Kapazität für negative Elektroden auf Siliziumbasis war eine Herausforderung und ein Hindernis für ihren breiten Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien.
Insbesondere eignet sich die vorliegende Technologie besonders für den Einsatz mit siliziumbasierten negativen Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien. Somit ist die negative Elektrode 22 gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung ein Material, das Silizium beinhaltet.
Die negative Elektrode kann eine Verbundelektrode sein. Verbundelektroden, insbesondere Verbundelektroden einschließlich Silizium und pyrolysiertem Kohlenstoff (z.B. Hartkohle), weisen vorteilhaft Energiedichten auf, die genauso gut oder besser sind wie typische Lithium-Ionen-Batterien, hohe spezifische Kapazitäten und schnelle Ladefähigkeit (z.B. unter 15 Minuten). Einige Silizium-Kohlenstoff-Verbundelektroden werden hergestellt, indem ein elektroaktives Siliziummaterial mit einem Kohlenstoffbindemittel auf einem Stromabnehmer kombiniert wird und das elektroaktive Material und Bindemittel zusammen mit dem elektroaktiven Material, wie beispielsweise in einem Ofen, erwärmt werden. Diese einstufige Pyrolyse kann an einer Schnittstelle zwischen Elektrode und Stromabnehmer zu einem mechanischen Abbau führen. Der mechanische Abbau, in Kombination mit den großen Volumenänderungen im Silizium während des Zyklus, kann zu Faltenbildung und/oder Delamination an einer Schnittstelle zwischen Elektrode und Stromabnehmer führen. Infolgedessen kann eine Batterie, die die Verbundelektrode und den Stromabnehmer nach der Pyrolyse beinhaltet, unter bestimmten Umständen eine geringere Lebensdauer als andere Lithium-Ionen-Batterien aufweisen.
Die Silizium-Kohlenstoff-Verbundelektroden können alternativ in einem zweistufigen Verfahren hergestellt werden, um Schäden an der Grenzfläche zu reduzieren oder zu beseitigen. Der zweistufige Prozess beinhaltet das Bilden einer freistehenden Elektrode und das anschließende Koppeln der freistehenden Elektrode mit dem Stromabnehmer. Die freistehende Elektrode kann gebildet werden, indem eine Suspension einschließlich des Siliziums und des Bindemittels auf ein leitfähiges Netz gegossen, die Suspension auf dem Netz erwärmt wird, um die Verbundelektrode zu bilden, und dann das Netz entfernt wird. Die Elektrode kann mit dem Stromabnehmer gekoppelt werden, beispielsweise durch Aufbringen eines Bindemittels auf eine der Elektroden und den Stromabnehmer und Aufbringen von Druck an der Schnittstelle. Der zweistufige Prozess ist komplex und zeitaufwendig. Darüber hinaus erfordert es eine signifikante Handhabung der empfindlichen Elektrode, was zu einer Beschädigung der Verbundelektrode und damit zu Qualitätsproblemen führen kann.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine Verbundelektrode dar, die ein elektroaktives Material in einer Kohlenstoffphase beinhaltet, wie beispielsweise eine Vielzahl von elektroaktiven MaterialPartikel, die in eine Matrix eingebettet sind, die Kohlenstoff beinhaltet. Die Verbundelektrode kann eine positive Elektrode oder eine negative Elektrode sein. In bestimmten Variationen beinhaltet das elektroaktive Material Silizium, die Kohlenstoffphase pyrolysierten Kohlenstoff. In bestimmten Aspekten ist die Verbundelektrode eine negative Elektrode. In einigen Variationen beinhaltet die Verbundelektrode weiterhin ein leitfähiges Additiv. Die vorliegende Offenbarung sieht auch eine Unterbaugruppe mit der Verbundelektrode und einem Stromabnehmer vor. Der Stromabnehmer steht in elektrischer Verbindung mit der Verbundelektrode. In bestimmten Variationen erstreckt sich die Verbundelektrode zwischen einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei die zweite Oberfläche angrenzend an den Stromabnehmer angeordnet ist. Die Verbundelektrode kann ferner ein Polymer mit Kohlenstoff beinhalten. Die Verbundelektrode kann einen Zusammensetzungsgradienten zwischen der ersten und zweiten Oberfläche definieren, beispielsweise einen Polymergewichtsprozentsatz, der zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche ansteigt, und eine pyrolysierte Kohlenstoffzusammensetzung, die zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche abnimmt.
In verschiedenen Aspekten bietet die vorliegende Offenbarung auch ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundelektrode einschließlich eines elektroaktiven Materials in einer Kohlenstoffphase. Das Verfahren beinhaltet im Allgemeinen das Bilden eines Elektrodenvorläufers durch Mischen einer Vielzahl von elektroaktiven MaterialPartikel und eines Polymers oder eines Polymervorläufers, einschließlich Kohlenstoff. Das Verfahren beinhaltet ferner das Bilden eines Vorläufers einer Elektrodenanordnung durch Anordnen des Elektrodenvorläufers in elektrischem Kontakt mit einem Stromabnehmer. Das Verfahren beinhaltet auch das Bilden einer Elektrode durch Pyrolysieren mindestens eines Teils des Polymers im Elektrodenvorläufer, um eine pyrolysierte Kohlenstoffphase zu bilden. Das Richten eines Energiestroms auf eine Oberfläche des Elektrodenvorläufers pyrolysiert das Polymer. In bestimmten Variationen beinhaltet die Pyrolyse die lokale Pyrolyse mittels Laser oder Plasma. In einigen Variationen kann das Verfahren ferner die in-situ-Dotierung des Elektrodenvorläufers mit einem Dotierstoff zur Modifizierung der ionischen und/oder elektrischen Leitfähigkeit der Elektrode beinhalten. In einigen Variationen kann das Verfahren ferner das Aussetzen der Oberfläche gegenüber einem reduzierenden Gas beinhalten, um die Oxidation des elektroaktiven Materials und/oder des Kohlenstoffs zu verhindern.
Die Verbundelektroden nach verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung können mehrere Vorteile gegenüber anderen Arten von Elektroden aufweisen, und Verbundelektroden, die nach den oben beschriebenen ein- und zweistufigen Verfahren hergestellt werden. Die lokale Pyrolyse, z.B. mittels Laser oder Plasma, ermöglicht eine bessere Kontrolle der Pyrolyse durch Steuerung der Erwärmungstiefe und -absorption. Dementsprechend kann die lokale Pyrolyse thermische Schäden an der Schnittstelle zwischen Elektrode und Stromabnehmer reduzieren oder vermeiden und unerwünschte Delaminationen reduzieren oder beseitigen. Die Verwendung eines Lasers oder Plasmas kann auch die Erzeugung eines Zusammensetzungsgradienten innerhalb der Elektrode zwischen der ersten und zweiten Oberfläche erleichtern. Insbesondere kann ein pyrolysierter Kohlenstoffgehalt an der ersten Oberfläche größer sein als an der zweiten Oberfläche (angrenzend an den Stromabnehmer), und der unpyrolysierte Polymergehalt kann an der zweiten Oberfläche größer sein als an der ersten Oberfläche. Das Polymer kann vorteilhafterweise flexibler sein als der pyrolysierte Kohlenstoff. Das Polymer kann als Bindemittel fungieren, so dass der erhöhte Polymergehalt an der zweiten Oberfläche die Festigkeit der Grenzfläche weiter verbessert, um Delaminationen zu reduzieren oder zu verhindern. Die Reduzierung der Delamination kann die Lebensdauer der Elektrode verbessern. Zusätzlich kann die Dotierung in situ, z.B. gleichzeitig mit der Laser- oder Plasmapyrolyse, durchgeführt werden, um die Leitfähigkeit des pyrolysierten Kohlenstoffs anzupassen. Darüber hinaus kann die lokalisierte Pyrolyse in einen typischen Elektrodenherstellungsprozess für die Großserienfertigung integriert werden, wie nachfolgend beschrieben.
Verfahren zur Herstellung von Verbundelektroden
In verschiedenen Aspekten bietet die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundelektrode und einer Verbundelektrodenanordnung für eine elektrochemische Zelle. Die Verbundelektrodenanordnung kann eine Silizium-Kohlenstoff-Verbundelektrodenanordnung sein. Die Silizium-Kohlenstoff-Verbundelektrodenanordnung beinhaltet eine Silizium- Kohlenstoff -Verbundelektrode und einen Stromabnehmer. Das Verfahren beinhaltet im Allgemeinen das Bilden einer Elektrodenvorläuferanordnung mit einem Elektrodenvorläufer und einem Stromabnehmer und das Bilden der Verbundelektrode durch lokale Pyrolyse durch Richten eines Energiestroms auf den Elektrodenvorläufer.
Wie bereits erwähnt, kann die lokale Pyrolyse in typische Elektrodenbildungsprozesse integriert werden. In verschiedenen Aspekten bietet die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle. Unter Bezugnahme auf 2 wird ein Verfahren 110 zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Das Verfahren 110 beinhaltet im Allgemeinen das Bilden einer Mischung 112, das Bilden einer Elektrodenvorläuferanordnung 114, das Durchführen einer lokalen Pyrolyse 116, das Kalandrieren 118, das Schneiden von Elektroden 120, das Zusammenbauen von Zellen 122 und das Bilden und Einspritzen von Elektrolyt 124. Unter Bezugnahme auf 3 kann die Durchführung der lokalen Pyrolyse 116 alternativ nach dem Kalandrieren 118 und vor dem Schneiden der Elektroden 120 durchgeführt werden. Jeder der Schritte wird im Folgenden nacheinander beschrieben.
Formen der Beimischung
In verschiedenen Aspekten kann das Bilden der Beimischung 112 das Mischen eines elektroaktiven Materials und eines Polymervorläufers beinhalten. Die Beimischung kann das elektroaktive Material bei mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-%, gegebenenfalls mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% oder gegebenenfalls mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 80 Gew.-% beinhalten. Die Beimischung kann das Polymer beinhalten, das Kohlenstoff bei mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-%, gegebenenfalls mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 80 Gew.-% oder gegebenenfalls mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-% enthält.
In bestimmten Aspekten kann das elektroaktive Material in Form einer Vielzahl von elektroaktiven MaterialPartikel vorliegen. In bestimmten Variationen können die elektroaktiven Materialpartikel Nanopartikel sein. Die elektroaktiven MaterialPartikel können einen durchschnittlichen Durchmesser von größer als oder gleich etwa 50 nm bis kleiner als oder gleich etwa 50 µm (z.B. größer als oder gleich etwa 50 nm bis kleiner als oder gleich etwa 500 nm oder größer als oder gleich etwa 500 nm bis kleiner als oder gleich etwa 50 µm) oder optional größer als oder gleich etwa 500 nm bis kleiner als oder gleich etwa 10 µm aufweisen. Das elektroaktive Material kann in der Lage sein, Lithium einzubringen. In bestimmten Aspekten kann das elektroaktive Material Silizium beinhalten. Ein solches Material kann Silizium, Lithium-Silizium, Siliziumoxid (SiO_x) und/oder Silizium enthaltende binäre und ternäre Legierungen sein. So können beispielsweise binäre und ternäre Legierungen SiSn, SiSnFe, SiSnAl, SiFeCo, SiFeC und dergleichen beinhalten. In bestimmten Variationen besteht das elektroaktive Material im Wesentlichen aus Silizium (und nicht aus Legierungen von Silizium).
In bestimmten Variationen beinhaltet das elektroaktive Material ein Partikel oder eine Faser mit einer Beschichtung aus einem Material, das Silizium beinhaltet. In einigen Variationen beinhaltet das Partikel oder die Faser Kohlenstoff. Geeignete Kohlenstoffpartikel sind beispielsweise Kohlenstoff- oder Graphitfasern, Kohlenstoff-Nanofasern oder Nanoröhren, Ruß, Graphen und/oder Graphit. In bestimmten alternativen Variationen kann das Partikel oder die Faser Aluminiumoxid oder Titanoxid beinhalten, das dann mit einem Material beschichtet wird, das Silizium beinhaltet.
In anderen Variationen können nicht-siliziumhaltige elektroaktive Materialien allein oder in Kombination mit siliziumhaltigen elektroaktiven Materialien verwendet werden. Andere geeignete elektroaktive Materialien sind beispielsweise Zinn, Aluminium, Indium oder Kombinationen davon. Das elektroaktive Material kann ein negatives elektroaktives Material für eine negative Elektrode (z.B. negative Elektrode 22 aus 1) oder ein positives elektroaktives Material für eine positive Elektrode (z.B. positive Elektrode 24 aus 1) sein.
Das Polymer oder der Polymervorläufer kann beispielsweise Polyamidsäure, Polyimid, Phenolharze, Epoxidharze, Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyacrylnitril (PAN), Polydimethylsiloxan (PDMS), Carboxymethylcellulose (CMC), Natriumalginat, StyrolButadien-Kautschuk (SBR) und dergleichen beinhalten. In bestimmten Variationen kann das Polymer oder der Polymervorläufer ein Bindemittel sein, wie vorstehend beschrieben.
Die Beimischung kann optional auch ein leitfähiges Additiv beinhalten. Die Beimischung kann das leitfähige Additiv bei mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% beinhalten (z.B. mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% oder mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%). Das leitfähige Additiv kann beispielsweise Graphit, gehackte oder gemahlene Kohlefasern, Kohlenstoff-Nanofasern, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder andere Kohlenstoffe beinhalten.
In bestimmten Variationen ist die Mischung eine Suspension, die das elektroaktive Material, das Polymer oder den Polymervorläufer und ein Lösungsmittel (z.B. ein organisches Lösungsmittel) beinhaltet. Das Polymer oder der Polymervorläufer kann im Lösungsmittel gelöst sein. Die Verwendung eines Lösungsmittels kann eine bessere (z.B. gleichmäßigere oder homogenere) Vermischung des Polymers oder Polymervorläufers mit dem elektroaktiven Material ermöglichen). Die Suspension kann das Lösungsmittel bei mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-% beinhalten (z.B. mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, oder mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-%). Das Lösungsmittel kann N-Methylpyrollidon (NMP), Aceton, Diethylether, Gamma-Butyrolacton, Isopropanol, Dimethylcarbonat, Ethylcarbonat, Dimethoxyethan und dergleichen beinhalten.
Formen der Elektrodenvorläuferbaugruppe
Das Bilden der Elektrodenvorläuferanordnung 114 beinhaltet das Anordnen des Elektrodenvorläufers in elektrischem Kontakt mit einem Stromabnehmer. In bestimmten Variationen kann das Bilden der Elektrodenvorläuferanordnung 114 das Anordnen der Elektrodenvorläufer-Mischung auf einer Oberfläche des Stromabnehmers, beispielsweise durch Trockensprühen, zum Bilden des Elektrodenvorläufers beinhalten. In bestimmten anderen Variationen kann das Bilden der Elektrodenvorläuferanordnung 114 das Beschichten der Elektrodenvorläufersuspension auf einer Oberfläche des Stromabnehmers und dann das Bilden des Elektrodenvorläufers durch Trocknen der Suspension zum Entfernen mindestens eines Teils des Lösungsmittels beinhalten. In bestimmten Aspekten kann das Bilden der Elektrodenvorläuferanordnung das Polymerisieren des Polymervorläufers beinhalten.
Bildung der Elektrode durch lokale Pyrolyse
Die lokale Pyrolyse wird bei 116 durchgeführt, um den Elektrodenvorläufer in die Elektrode umzuwandeln. Unter Bezugnahme auf 4A ist eine Elektrodenvorläuferanordnung 140 gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung vorgesehen. Die Elektrodenvorläuferanordnung 140 beinhaltet einen Stromabnehmer 142 und einen Elektrodenvorläufer 144. Der Stromabnehmer 142 und der Elektrodenvorläufer 144 sind in thermischem Kontakt miteinander angeordnet. In bestimmten Variationen sind der Stromabnehmer 142 und der Elektrodenvorläufer 144 in direktem thermischen Kontakt miteinander angeordnet.
Der Elektrodenvorläufer 144 beinhaltet eine Vielzahl von elektroaktiven MaterialPartikel 146 und eine Matrix 148, die ein Polymer mit Kohlenstoff beinhaltet. In bestimmten Variationen können die elektroaktiven Materialpartikel 146 zumindest teilweise in einer Oxidschicht 150 beschichtet sein. Die Oxidschicht 150 kann mehr als oder gleich etwa 10% einer Oberfläche jedes elektroaktiven MaterialPartikels 146, gegebenenfalls größer als oder gleich etwa 20%, gegebenenfalls größer als oder gleich etwa 30%, gegebenenfalls größer als oder gleich etwa 40%, gegebenenfalls größer als oder gleich etwa 50%, gegebenenfalls größer als oder gleich etwa 60%, gegebenenfalls größer als oder gleich etwa 70%, gegebenenfalls größer als oder gleich etwa 80%, gegebenenfalls größer als oder gleich etwa 90% oder wahlweise etwa 100% beschichten. In einem Beispiel beinhalten die elektroaktiven Materialpartikel 146 Silizium und die Oxidschicht 150 Siliziumdioxid (SiO2).
Die elektroaktiven Materialpartikel 146 können in der Matrix 148 dispergiert sein. In bestimmten Variationen können die elektroaktiven Materialpartikel 146 im Wesentlichen homogen in der Matrix 148 dispergiert sein. In einigen Variationen kann der Elektrodenvorläufer 144 weiterhin ein leitfähiges Additiv (nicht dargestellt) beinhalten, das in der Matrix 148 dispergiert ist. Der Elektrodenvorläufer 144 erstreckt sich zwischen einer ersten Oberfläche 152 und einer zweiten Oberfläche 154 gegenüber der ersten Oberfläche 152. Die zweite Oberfläche 154 ist angrenzend an den Stromabnehmer 142 angeordnet.
Die Durchführung der lokalen Pyrolyse 116 (2-3) beinhaltet das Pyrolysieren mindestens eines Teils des Polymers zur Bildung von pyrolysiertem Kohlenstoff. Der pyrolysierte Kohlenstoff kann je nach Temperatur teilpyrolysierten Kohlenstoff, weichen Kohlenstoff, harten Kohlenstoff, graphitierten Kohlenstoff oder Kombinationen davon beinhalten. Im Allgemeinen können höhere Pyrolysetemperaturen die erhöhte Bildung von sp2-gebundenem Kohlenstoff begünstigen. In bestimmten Variationen besteht der pyrolysierte Kohlenstoff im Wesentlichen aus hartem Kohlenstoff. Die Pyrolyse wird durchgeführt, indem ein Energiestrom (nicht dargestellt) auf die erste Oberfläche 152 des Elektrodenvorläufers 144 gerichtet wird. In bestimmten Variationen kann mindestens einer der Energieflüsse und die Elektrodenvorläuferanordnung 140 in Bezug auf den anderen der Energieflüsse und die Elektrodenvorläuferanordnung 140 verschoben werden. Die Übersetzung kann gleichzeitig mit der Steuerung des Energiestromes erfolgen. Das Verschieben kann durchgeführt werden, bis der Energiestrom im Wesentlichen den gesamten Elektrodenvorläufer 144 thermisch kontaktiert hat. Der vorstehende Prozess kann als „kontinuierliche lokale Pyrolyse“ bezeichnet werden.
Unter Bezugnahme auf 4B wird eine Elektrodenanordnung 140' gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Die Elektrodenanordnung 140' beinhaltet den Stromabnehmer 142 und eine Elektrode 144'. Die Elektrode 144' beinhaltet die Vielzahl der elektroaktiven Materialpartikel 146 mit der Oxidschicht 150. Die Elektrode 144' erstreckt sich zwischen einer ersten Oberfläche 152' und einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche 154'. Die zweite Oberfläche 154' ist angrenzend und in elektrischem Kontakt mit dem Stromabnehmer 142 angeordnet.
Die elektroaktiven Materialpartikel 146 sind in einer Matrix 148' einschließlich pyrolysiertem Kohlenstoff dispergiert. So können beispielsweise die elektroaktiven Materialpartikel 146 in die Matrix 148' eingebettet werden. Die Matrix 148' kann auch das Polymer beinhalten. In bestimmten Variationen können die elektroaktiven Materialpartikel 146 homogen in der Matrix 148' verteilt sein. In bestimmten Variationen kann die Matrix 148' eine im Wesentlichen kontinuierliche Phase sein, die Taschen für die Partikel 146 des elektroaktiven Materials definiert. In verschiedenen alternativen Variationen kann das Kohlenstoffmaterial (z.B. der pyrolysierte Kohlenstoff und optional das Polymer) in Form von diskontinuierlichen Clustern einschließlich des pyrolysierten Kohlenstoffs vorliegen (nicht dargestellt).
In bestimmten Variationen ist das Polymer der Matrix 148 (4A) im Wesentlichen vollständig pyrolysiert, so dass die Matrix 148' im Wesentlichen aus dem pyrolysierten Kohlenstoff besteht. In einigen Variationen ist die Matrix 148 (4A) jedoch nur teilweise pyrolysiert, so dass die Matrix 148' den pyrolysierten Kohlenstoff und das Polymer beinhaltet. In bestimmten Variationen kann die Matrix 148' im Wesentlichen aus dem pyrolysierten Kohlenstoff und dem Polymer bestehen. Als Beispiel kann die Matrix 148' mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% Polymer, gegebenenfalls mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% Polymer, gegebenenfalls mehr als oder gleich etwa 15 Gew.-% Polymer, gegebenenfalls mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% Polymer, gegebenenfalls mehr als oder gleich etwa 25 Gew.-% Polymer beinhalten, gegebenenfalls größer oder gleich etwa 30 Gew.-% Polymer, gegebenenfalls größer oder gleich etwa 35 Gew.-% Polymer, gegebenenfalls größer oder gleich etwa 40 Gew.-% Polymer, gegebenenfalls größer oder gleich etwa 45 Gew.-% Polymer, oder gegebenenfalls größer oder gleich etwa 50 Gew.-% Polymer.
In bestimmten Variationen kann die Elektrode 144' einen Konzentrationsgradienten definieren. Der Konzentrationsgradient kann durch kontrollierte Pyrolyse mittels Laserstrahl oder Plasmastrahl gebildet werden, wie im Folgenden näher beschrieben. In bestimmten Variationen kann sich der Konzentrationsgradient zwischen der ersten Oberfläche 152' und der zweiten Oberfläche 154' erstrecken. Somit kann eine Polymerzusammensetzung (z.B. Polymergewichtsprozent) in einer ersten Richtung 156 von der ersten Oberfläche 152' zur zweiten Oberfläche 154' ansteigen. Eine pyrolysierte Kohlenstoffzusammensetzung (z.B. Gewichtsprozentsatz der pyrolysierten Kohlenstoffverbindung) kann in einer zweiten Richtung 158 entgegen der ersten Richtung 156 zunehmen. In bestimmten Variationen ist der Konzentrationsgradient zwischen der ersten Oberfläche 152' und der zweiten Oberfläche 154' linear. Der Gradient kann jedoch auch nichtlinear sein und zumindest teilweise durch die Größe der Leistung des Laser- oder Plasmastrahls und die Leitfähigkeit der Elektrodenmaterialien gesteuert werden.
Die erste Oberfläche 152' kann ein erstes Gewichtsverhältnis von pyrolysiertem Kohlenstoff zu Polymer definieren. Die zweite Oberfläche 154' kann ein zweites Gewichtsverhältnis von pyrolysiertem Kohlenstoff zu Polymer definieren. Das erste Gewichtsverhältnis kann größer sein als das zweite Gewichtsverhältnis. Die erhöhte Konzentration des Polymers an der zweiten Oberfläche 154' im Vergleich zur ersten Oberfläche 152' kann die Haftung mit dem Stromabnehmer 142 vorteilhaft verbessern und eine stärkere Schnittstelle zwischen der Elektrode 144' und dem Stromabnehmer 142 ergeben. Darüber hinaus kann das Polymer flexibler sein als der pyrolysierte Kohlenstoff. Die oben genannten Eigenschaften, die durch die kontrollierte lokale Pyrolyse ermöglicht werden, können das Auftreten von Delaminationen während des Zyklus einer elektrochemischen Zelle reduzieren oder verhindern.
Insbesondere kann die Matrix 144' an der ersten Oberfläche 152' der Elektrode 148' eine erste pyrolysierte Kohlenstoffzusammensetzung (z.B. ein erstes pyrolysiertes Kohlenstoffgewichtsprozent) und eine erste Polymerzusammensetzung (z.B. ein erstes Polymergewichtsprozent) aufweisen. An der zweiten Oberfläche 154' der Elektrode 144' kann die Matrix 148' eine zweite pyrolysierte Kohlenstoffzusammensetzung (z.B. ein zweiter pyrolysierter Kohlenstoffgewichtsprozent) und eine zweite Polymerzusammensetzung (z.B. ein zweiter Polymergewichtsprozent) aufweisen. Die erste pyrolysierte Kohlenstoffzusammensetzung kann größer sein als die zweite pyrolysierte Kohlenstoffzusammensetzung. Die erste Polymerzusammensetzung kann kleiner sein als die zweite pyrolysierte Kohlenstoffzusammensetzung.
In verschiedenen Aspekten kann der erste pyrolysierte Kohlenstoffgewichtsprozentsatz größer als oder gleich etwa 80% bis kleiner als oder gleich etwa 100%, optional größer als oder gleich etwa 85% bis kleiner als oder gleich etwa 100%, optional größer als oder gleich etwa 90% bis kleiner als oder gleich etwa 100%, optional größer als oder gleich etwa 95% bis kleiner als oder gleich etwa 100%, oder optional etwa 100%. In bestimmten Variationen kann der erste Polymergewichtsprozentsatz etwa 0% betragen. In bestimmten alternativen Variationen kann jedoch der erste Polymergewichtsprozentsatz größer als 0%, optional größer als oder gleich etwa 2%, optional größer als oder gleich etwa 5%, optional größer als oder gleich etwa 10%, optional größer als oder gleich etwa 15%, optional größer als oder gleich etwa 20% oder optional größer als oder gleich etwa 25% sein.
In verschiedenen Aspekten kann der zweite Polymergewichtsprozentsatz größer als oder gleich etwa 20% bis kleiner als oder gleich etwa 100%, optional größer als oder gleich etwa 50% bis kleiner als oder gleich etwa 100%, optional größer als oder gleich etwa 60% bis kleiner als oder gleich etwa 100%, optional größer als oder gleich etwa 70% bis kleiner als oder gleich etwa 100%, gegebenenfalls größer oder gleich etwa 80% bis kleiner oder gleich etwa 100%, gegebenenfalls größer oder gleich etwa 85% bis kleiner oder gleich etwa 100%, gegebenenfalls größer oder gleich etwa 90% bis kleiner oder gleich etwa 100%, gegebenenfalls größer oder gleich etwa 95% bis kleiner oder gleich etwa 100%, oder gegebenenfalls etwa 100%. In bestimmten Variationen kann der zweite pyrolysierte Kohlenstoffgewichtsprozentsatz etwa 0% betragen. In bestimmten alternativen Variationen kann der zweite pyrolysierte Kohlenstoffgewichtsprozentsatz jedoch größer als 0% bis kleiner als oder gleich etwa 80%, optional größer als oder gleich etwa 30% bis kleiner als oder gleich etwa 70%, optional größer als oder gleich etwa 40% bis kleiner als oder gleich etwa 60% oder optional etwa 50% sein.
In bestimmten Variationen kann die Elektrode zwei oder mehr Schichten beinhalten. Unter Bezugnahme auf 5 ist eine Elektrode 170 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung vorgesehen. Die Elektrode 170 beinhaltet eine Vielzahl von elektroaktiven MaterialPartikel 172 und eine Matrix 174 mit pyrolysiertem Kohlenstoff. Die Elektrode 170 beinhaltet eine erste Oberfläche 176 und eine zweite Oberfläche 178, die gegenüber der ersten Oberfläche 176 angeordnet ist. Die zweite Oberfläche 178 ist eingerichtet, um angrenzend an und in elektrischer Verbindung mit einem Stromabnehmer angeordnet zu sein (nicht dargestellt).
Die Matrix 174 beinhaltet einen ersten Abschnitt 180, der benachbart zur ersten Oberfläche 176 angeordnet ist, und einen zweiten Abschnitt 182, der benachbart zur zweiten Oberfläche 178 angeordnet ist. In einem Beispiel besteht der erste Abschnitt 180 im Wesentlichen aus pyrolysiertem Kohlenstoff und der zweite Abschnitt definiert einen Konzentrationsgradienten. Im zweiten Abschnitt erhöht sich ein Polymergewichtsprozentsatz in einer ersten Richtung 184 und ein pyrolysierter Kohlenstoffgewichtsprozentsatz in einer zweiten Richtung 186 entgegen der ersten Richtung. In einem weiteren Beispiel definiert der erste Abschnitt 180 einen Konzentrationsgradienten mit einem pyrolysierten Kohlenstoffgewichtsprozent, das in der ersten Richtung 184 abnimmt, und einem zunehmenden Polymergewichtsprozent. Der zweite Abschnitt 182 besteht im Wesentlichen aus Polymer (unpyrolysiert). In noch einem weiteren Beispiel besteht der erste Abschnitt 180 im Wesentlichen aus pyrolysiertem Kohlenstoff und der zweite Abschnitt 182 im Wesentlichen aus Polymer.
Wie bereits erwähnt, kann die Pyrolyse durch einen Energiestrom, wie beispielsweise einen Laserstrahl oder Plasmastrahl, durchgeführt werden, die im Folgenden beschrieben werden.
Lokale Pyrolyse mittels Laser
Unter Bezugnahme auf 6 ist eine Elektrodenvorläuferanordnung 210 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung vorgesehen. Die Elektrodenvorläuferanordnung 210 beinhaltet einen Stromabnehmer 212, eine erste Elektrode 214 und eine zweite Elektrode 216. Die erste Elektrode 214 beinhaltet eine erste Oberfläche 218 und eine zweite Oberfläche 220, die gegenüber der ersten Oberfläche 218 angeordnet ist. Die zweite Oberfläche 220 ist angrenzend an den Stromabnehmer 212 angeordnet und mit diesem elektrisch verbunden. Die zweite Elektrode 216 beinhaltet eine dritte Oberfläche 222 und eine vierte Oberfläche 224, die gegenüber der dritten Oberfläche 222 angeordnet ist. Die vierte Fläche 224 ist angrenzend an den Stromabnehmer 212 angeordnet und mit diesem elektrisch verbunden.
Ein Polymer in einer Matrix der ersten Elektrode 214 kann zumindest teilweise pyrolysiert werden, indem ein erster Laserstrahl 226 auf die erste Oberfläche 218 gerichtet wird. Insbesondere kann der erste Laserstrahl 226 auf einen Abschnitt der ersten Oberfläche 218 gerichtet werden, um eine erste lokalisierte Heizzone 228 zu erzeugen. Mindestens eine der ersten Elektroden 214 und der erste Laserstrahl 226 können in Bezug auf den anderen der ersten Laserstrahlen 226 und die erste Oberfläche 218, wie beispielsweise in eine erste Richtung 230, bewegt (z.B. verschoben) werden. Ein Abschnitt einer Matrix in der ersten Elektrode 214 wird lokal pyrolysiert, wenn er in thermischem Kontakt mit dem ersten Laserstrahl 226 steht. Da die erste Elektrode 214 einer Pyrolyse unterzogen wird, kann sie also einen pyrolysierten Abschnitt 232 und einen nicht pyrolysierten Abschnitt 234 beinhalten. Die erste Elektrode 214 kann durch Bewegung des ersten Laserstrahls 226 und/oder der ersten Elektrode 214 kontinuierlich pyrolysiert werden.
Die Verwendung des ersten Laserstrahls 226 für die lokale Pyrolyse ermöglicht eine größere Kontrolle über die Pyrolyse als andere Methoden, wie beispielsweise ein Ofen. Die Energie aus dem ersten Laserstrahl 226 wird von der ersten Elektrode 214 absorbiert, um mindestens einen Teil des Polymers zu erwärmen und zu pyrolysieren. Überschüssige Wärme und Energie, die nicht von der ersten Elektrode 214 aufgenommen wird, kann vom Stromabnehmer 212 aufgenommen werden und den Stromabnehmer 212 oder eine Schnittstelle 236 zwischen dem Stromabnehmer und der ersten Elektrode 214 beschädigen. Die Betriebsparameter für den ersten Laserstrahl 226 können variiert werden, um die Wärme- und Energieaufnahme und die daraus resultierende Pyrolyse durch die erste Elektrode 214 und den Stromabnehmer 212 zu steuern. In einem Beispiel werden die Betriebsparameter angepasst, um die Energieaufnahme durch den Stromabnehmer 212 zu minimieren. In einem weiteren Beispiel werden die Betriebsparameter so eingestellt, dass die Energieaufnahme durch die erste Elektrode 214 maximiert und die Energieaufnahme durch den Stromabnehmer 212 minimiert wird. In noch einem weiteren Beispiel werden die Betriebsparameter angepasst, um einen Konzentrationsgradienten in mindestens einem Teil einer Matrix der ersten Elektrode 214 zu erzeugen. In noch einem weiteren Beispiel werden die Betriebsparameter so eingestellt, dass ein Teil der ersten Elektrode 214 angrenzend an den Stromabnehmer 212 (d.h. an die zweite Oberfläche 220) unpyrolysiert bleibt und das Polymer der Matrix als Bindemittel dient, um die erste Elektrode 214 mit dem Stromabnehmer 212 zu verbinden.

Der erste Laserstrahl 226 kann beispielsweise ein Excimer-Laser, ein diodengepumpter Festkörperlaser (DPSS) oder ein CO₂-Laser sein. Die Absorption des ersten Laserstrahls 226 durch das Polymer der ersten Elektrode 214 ist zumindest teilweise abhängig von der Frequenz des Laserstrahls. Beispielhafte Wellenlängen und Frequenzen für verschiedene Laser sind in Tabelle 1 unten dargestellt. Tabelle 1

Objekt:	Excimer-Laser	DPSS Laser			CO₂-Laser
Wellenlänge:	UV (z.B. 193 nm, 248 nm, 308 nm)	UV (z.B. 266 nm, 355 nm)	Sichtbar (z.B. 532 nm)	IR (z.B. 1064 nm)	10,6 µm
Polymerabsorption:	60%	50-60%	10-20%	~5%	40-50%

Wie in Tabelle 1 dargestellt, weisen UV-Laser und CO₂-Laser im Allgemeinen die höchste Polymerabsorption auf. In bestimmten Variationen ist der Laser ein Excimer-Laser mit einer UV-Wellenlänge, ein DPSS-Laser mit einer UV-Wellenlänge oder ein CO2-Laser. In einigen Beispielen ist der Laser ein UV-Laser mit einer Wellenlänge von mehr als oder gleich etwa 150 nm bis weniger als oder gleich etwa 400 nm (z.B. größer als oder gleich etwa 150 nm bis weniger als oder gleich etwa 200 nm, größer als oder gleich etwa 200 nm bis weniger als oder gleich etwa 250 nm, größer als oder gleich etwa 250 nm bis weniger als oder gleich etwa 300 nm, größer als oder gleich etwa 300 nm bis weniger als oder gleich etwa 350 nm, größer als oder gleich etwa 350 nm bis weniger als oder gleich 400 nm). In anderen Beispielen ist der Laser ein CO₂-Laser mit einer Wellenlänge von mehr als oder gleich etwa 9 µm bis weniger als oder gleich etwa 11 µm (z.B. größer als oder gleich etwa 9 µm bis weniger als oder gleich etwa 9,5 µm, größer als oder gleich etwa 9,5 µm bis weniger als oder gleich etwa 10 µm, größer als oder gleich etwa 10 µm bis weniger als oder gleich etwa 10,5 µm, größer als oder gleich etwa 10,5 µm bis weniger als oder gleich etwa 11 µm).
In bestimmten Aspekten kann der Laser nur von einem Teil der Matrix der ersten Elektrode 214 absorbiert werden (z.B. eine Teildicke angrenzend an die erste Oberfläche 218. Ein weiterer Teil der Matrix (z.B. der Rest der Matrix) kann durch Wärmeübertragung pyrolysiert werden. In bestimmten Variationen kann der ersten Elektrode 214 ein Additiv, wie beispielsweise Ruß, zugesetzt werden, um die Laseradsorption durch die Matrix zu erhöhen. Insbesondere kann das Additiv für alle Laserwellenlängen absorbierend sein, so dass seine Zugabe zur Matrix die Laserabsorptionswellenlänge effektiv unabhängig macht. Dementsprechend kann das Additiv eine ausreichende Laserabsorption unter Verwendung eines typischerweise niederabsorbierenden Lasers ermöglichen, wie beispielsweise eines DPSS-Lasers, der mit einer sichtbaren oder nahen IR-Wellenlänge betrieben wird.
Die Elektrodenvorläuferanordnung 210 beinhaltet den Stromabnehmer 212, der zwischen der ersten und zweiten Elektrode 214, 216 angeordnet ist. In bestimmten Variationen kann das Polymer in der zweiten Elektrode 216 gleichzeitig mit der ersten Elektrode 214 pyrolysiert werden. Somit kann ein zweiter Laserstrahl 242 auf die dritte Oberfläche 222 der zweiten Elektrode 216 gerichtet werden, um eine zweite lokalisierte Heizzone 244 zu erzeugen. Die Bewegung des zweiten Laserstrahls 242 kann mit der Bewegung des ersten Laserstrahls 226 verknüpft werden. In einigen Variationen können der erste und zweite Laserstrahl 226, 242 erste und zweite Strahlabschnitte sein, die von einem einzelnen Laserstrahl getrennt sind. Zusätzlich können mehr als zwei Laserstrahlen verwendet werden, um die Intensität zu erhöhen. Alle hierin beschriebenen Eigenschaften des ersten Laserstrahls 226 können auch für den zweiten Laserstrahl 242 gelten. In alternativen Aspekten können die erste und zweite Elektrode 214, 216 separat (d.h. zu unterschiedlichen Zeiten) pyrolysiert werden. In einigen Variationen beinhaltet eine Elektrodenvorläuferanordnung (z.B. die Elektrodenvorläuferanordnung 140 von 4A) einen einzigen Stromabnehmer und eine einzige Elektrode und wird daher durch einen einzigen Laserstrahl pyrolysiert.
Eine Fokusebene 238 kann in einem Abstand von 240 von der ersten Oberfläche 218 angeordnet werden. Somit kann der erste Laserstrahl 226 an der ersten Oberfläche 218 defokussiert werden. Der Abstand 240 kann größer oder gleich etwa 0 mm, optional größer als etwa 5 mm, optional größer als oder gleich etwa 10 mm oder optional größer als oder gleich etwa 20 mm sein. So kann beispielsweise der Abstand 240 größer oder gleich etwa 0 mm bis kleiner oder gleich etwa 30 mm, optional größer oder gleich etwa 0 mm bis kleiner oder gleich etwa 20 mm, optional größer oder gleich etwa 2,5 mm bis kleiner oder gleich etwa 15 mm oder optional größer oder gleich etwa 5 mm bis kleiner oder gleich etwa 10 mm sein.
In verschiedenen Aspekten ist der erste Laserstrahl 226 ein CW-Laserstrahl (Continuous Wave). Die Verwendung des CW-Laserstrahls kann eine im Wesentlichen gleichmäßige Pyrolyse der Matrix der ersten Elektrode 214 ermöglichen. Der erste Laserstrahl 226 kann eine Leistung von größer oder gleich etwa 5 W und kleiner oder gleich etwa 500 W, optional größer oder gleich etwa 20 W und kleiner oder gleich etwa 200 W oder optional größer oder gleich etwa 30 W und kleiner oder gleich etwa 50 W aufweisen. Der erste Laserstrahl 226 kann eine Abtastgeschwindigkeit von mehr als oder gleich etwa 50 mm/s und weniger als oder gleich etwa 5 m/s, optional mehr als oder gleich etwa 200 mm/s und weniger als oder gleich etwa 2 m/s, optional mehr als oder gleich etwa 500 mm/s und weniger als oder gleich etwa 1 m/s oder optional etwa 1 m/s aufweisen. In verschiedenen alternativen Aspekten kann der erste Laserstrahl 226 ein nanosekundengepulster Laserstrahl sein. Wie im Folgenden in Bezug auf die Plasmastrahlpolymerisation näher beschrieben, kann die Laserstrahlpyrolyse gleichzeitig mit der Dotierung und/oder der Kohlenwasserstoffbehandlung durchgeführt werden.
Die Leistungsdichte des ersten Laserstrahls 226 ist wünschenswert gleichmäßig. In bestimmten Aspekten kann ein vergrößerter Laserstrahl, wie beispielsweise ein Laserstrahl mit einem hohen Seitenverhältnis, verwendet werden. Solche Laserstrahlen definieren eher eine Flat-Top-Wärmeverteilung als eine Gaußsche Wärmeverteilung, was zu einer im Wesentlichen gleichmäßigen Wärmeverteilung führt. Der vergrößerte Laserstrahl kann in kurzer Zeit eine große zu pyrolysierende Oberfläche bedecken und eignet sich daher besonders für die Massenproduktion von Elektroden. Der vergrößerte Laserstrahl kann beispielsweise eine längliche Form definieren, wie ein Rechteck, ein Oval, eine Ellipse oder ein Stadion.
Unter Bezugnahme auf 7 wird eine Laserstrahlform 260 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Die Form 260 kann im Wesentlichen parallel zu der vom Laser erwärmten Oberfläche definiert werden (z.B. die erste Oberfläche 218). Die Form 260 kann im Wesentlichen elliptisch sein. Die Form kann eine Höhe 262 und eine Breite 264 definieren. Die Höhe 262 kann größer sein als die Breite 264. Ein Seitenverhältnis kann durch ein Verhältnis der Höhe 262 zur Breite 264 definiert werden. In bestimmten Variationen kann das Seitenverhältnis größer als etwa 1, optional größer als oder gleich etwa 2, optional größer als oder gleich etwa 3, optional größer als oder gleich etwa 4, optional größer als oder gleich etwa 5, optional größer als oder gleich etwa 6, optional größer als oder gleich etwa 7, optional größer als oder gleich etwa 9, optional größer als oder gleich etwa 10, optional größer als oder gleich etwa 15, oder optional größer als oder gleich etwa 20 sein. In einigen Beispielen ist das Seitenverhältnis größer oder gleich etwa 1 bis kleiner oder gleich etwa 200 (z.B. größer oder gleich etwa 1 bis kleiner oder gleich etwa 100, größer oder gleich etwa 2 bis kleiner oder gleich etwa 100, größer oder gleich etwa 5 bis kleiner oder gleich etwa 100, größer oder gleich etwa 10 bis kleiner oder gleich etwa 100, größer oder gleich etwa 20 bis kleiner oder gleich etwa 100, oder größer oder gleich etwa 20 bis etwa 100, oder größer oder gleich etwa 50 bis kleiner oder gleich 100).
Unter Bezugnahme auf 8 wird eine weitere Laserstrahlform 270 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Die Form 270 kann im Wesentlichen parallel zu der vom Laser erwärmten Oberfläche definiert werden (z.B. die erste Oberfläche 218). Die Form 270 kann im Wesentlichen rechteckig sein. Die Form kann eine Höhe 272 und eine Breite 274 definieren. Die Höhe 272 kann größer sein als die Breite 274. Ein Seitenverhältnis kann durch ein Verhältnis der Höhe 272 zur Breite 274 definiert werden. In bestimmten Variationen kann das Seitenverhältnis größer als etwa 1, optional größer als oder gleich etwa 2, optional größer als oder gleich etwa 3, optional größer als oder gleich etwa 4, optional größer als oder gleich etwa 5, optional größer als oder gleich etwa 6, optional größer als oder gleich etwa 7, optional größer als oder gleich etwa 9, optional größer als oder gleich etwa 10, optional größer als oder gleich etwa 15, oder optional größer als oder gleich etwa 20 sein.
Lokale Pyrolyse über Plasma
Unter Bezugnahme auf die 9A-9B ist eine Elektrodenvorläuferanordnung 310 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung vorgesehen. Die Elektrodenvorläuferanordnung 310 beinhaltet einen Stromabnehmer 312 und eine Elektrode 314. Die Elektrode 314 beinhaltet eine erste Oberfläche 316 und eine zweite Oberfläche 318, die gegenüber der ersten Oberfläche 316 angeordnet ist. Die zweite Oberfläche 318 ist angrenzend an den Stromabnehmer 312 angeordnet und mit diesem elektrisch verbunden.
Ein Polymer in der Elektrode 314 kann zumindest teilweise pyrolysiert werden, indem ein Plasmastrahl 320 auf die erste Oberfläche 316 gerichtet wird. Insbesondere kann der Plasmastrahl 320 mit einer Plasmadüse 322 auf einen Abschnitt der ersten Oberfläche 316 gerichtet werden, um eine lokalisierte Heizzone 324 zu erzeugen (9B). Mindestens eine der Elektroden 314 und die Plasmadüse 322 können in Bezug auf die andere des Plasmastrahls 320 und die erste Oberfläche 316, wie beispielsweise in einer Richtung 326, bewegt (z.B. verschoben) werden. Ein Teil eines Polymers in der Elektrode 314 wird lokal pyrolysiert, wenn es in thermischem Kontakt mit dem Plasmastrahl 320 steht. Da die Elektrode 314 also einer Pyrolyse unterzogen wird, kann sie einen pyrolysierten Abschnitt 332 und einen nicht pyrolysierten Abschnitt 334 beinhalten. Die Elektrode 314 kann durch Bewegung der Plasmadüse 322 und/oder der Elektrode 314 kontinuierlich pyrolysiert werden. Die Verwendung des Plasmastrahls 320 für die lokale Pyrolyse ermöglicht eine größere Kontrolle über die Pyrolyse als andere Verfahren, wie beispielsweise ein Ofen. Die Energie aus dem Plasmastrahl 320 wird von der Elektrode 314 absorbiert, um mindestens einen Teil des Polymers zu pyrolysieren. Überschüssige Energie, die nicht von der Elektrode 314 aufgenommen wird, kann vom Stromabnehmer 312 aufgenommen werden und den Stromabnehmer 312 oder eine Schnittstelle 336 zwischen dem Stromabnehmer 312 und der Elektrode 314 beschädigen. Die Betriebsparameter der Plasmadüse 322 können zur Steuerung der Energieaufnahme und der daraus resultierenden Pyrolyse durch die Elektrode 314 und den Stromabnehmer 312 variiert werden. In einem Beispiel werden die Betriebsparameter angepasst, um die Energieaufnahme durch den Stromabnehmer 312 zu minimieren. In einem weiteren Beispiel werden die Betriebsparameter so eingestellt, dass die Energieaufnahme durch die Elektrode 314 maximiert und die Energieaufnahme durch den Stromabnehmer 312 minimiert wird. In noch einem weiteren Beispiel werden die Betriebsparameter angepasst, um einen Konzentrationsgradienten in mindestens einem Teil einer Matrix der Elektrode 314 zu erzeugen. In noch einem weiteren Beispiel und wie in den 9A-9B dargestellt, werden die Betriebsparameter so eingestellt, dass ein Teil 337 der Elektrode 314 angrenzend an den Stromabnehmer 312 (d.h. an die zweite Oberfläche 318) unpyrolysiert bleibt und das Polymer der Matrix als Bindemittel dient, um die erste Elektrode 314 mit dem Stromabnehmer 312 zu verbinden.
Der Plasmastrahl 320 kann durch Aktivieren einer Plasmaenergiequelle erzeugt werden (nicht dargestellt). Als Plasmaenergiequelle kann jede geeignete Plasmavorrichtung verwendet werden. In bestimmten Aspekten kann die Plasmaenergiequelle Atmosphärenplasma, Hochfrequenzplasma (RF) oder Elektronenstrahlplasma (Elektronenstrahl) beinhalten. In bestimmten Variationen kann die Plasmaenergiequelle in einer Plasmareaktionskammer enthalten sein (nicht dargestellt). In bestimmten Variationen kann die Pyrolyse jedoch in offener Atmosphäre durchgeführt werden. Eine Plasma-Stromquelle 338 kann Gleichstrom (DC), eine Hochfrequenz (RF), Mikrowelle und Wechselstrom (AC) beinhalten.
Ein Reduktionsgas 340 kann in die lokalisierte Heizzone 324 eingeleitet werden, um das Auftreten oder die Verhinderung der Oxidation von Materialien der Matrix und des elektroaktiven Materials (z.B. Kohlenstoff und Silizium) zu reduzieren. Das reduzierende Gas 340 kann 3% Wasserstoffbilanz Argon (Ar/3%H2, bezogen auf das Volumen), Methan (CH4), Stickstoff (N2), Ammoniak (NH3) und Kombinationen davon beinhalten. Darüber hinaus kann ein Schutzgas 342 in die lokalisierte Heizzone eingeleitet werden. Das Schutzgas 342 kann beispielsweise Argon (Ar), Helium (Helium), Stickstoff (N2) oder Kombinationen davon beinhalten.
Beispiele für die Parameter der einstellbaren Plasma-Energiequelle sind beispielsweise ein Abstand 344 zwischen der Plasmadüse 322 und der ersten Oberfläche 316 der Elektrode 314, Depositionsdruck, Art des Plasmaerzeugers, Düsendurchmesser, Düsenhöhe, Düsendrehzahl, Strömungsgeschwindigkeiten, Temperaturen, Plasmaspannung, Plasmastrom, Plasmaleistung und/oder Plasmazykluszeit. Diese Parameter sind jedoch möglicherweise nicht in allen Plasma-Energiesystemen relevant. In bestimmten Variationen wird die Temperatur der Elektrode 314 basierend auf dem Abstand 344, der Leistung und/oder dem Abscheidungsdruck gesteuert.
In bestimmten Aspekten kann der Abstand 344 größer oder gleich etwa 0 mm bis kleiner oder gleich etwa 100 mm, optional größer oder gleich etwa 0 mm bis kleiner oder gleich etwa 100 mm, optional größer oder gleich etwa 20 mm bis kleiner oder gleich etwa 100 mm, optional größer oder gleich etwa 40 mm bis kleiner oder gleich etwa 100 mm, optional größer oder gleich etwa 60 mm bis kleiner oder gleich etwa 100 mm, optional größer oder gleich etwa 80 mm bis 100 mm sein. In bestimmten Aspekten kann die Leistung größer oder gleich etwa 50 W bis kleiner oder gleich etwa 5 kW sein (z.B. größer oder gleich etwa 50 W bis kleiner oder gleich etwa 500 W, oder größer oder gleich etwa 500 W bis kleiner oder gleich etwa 5 kW). In bestimmten Aspekten kann der Abscheidungsdruck größer oder gleich etwa 1 mtorr bis kleiner oder gleich etwa 760 torr sein (z.B, größer oder gleich etwa 1 mtorr bis kleiner oder gleich etwa 10 mtorr, größer oder gleich etwa 10 mtorr bis kleiner oder gleich etwa 100 mtorr, größer oder gleich etwa 100 mtorr bis kleiner oder gleich etwa 1 torr, größer oder gleich etwa 1 torr bis kleiner oder gleich etwa 100 torr, größer oder gleich etwa 100 torr bis kleiner oder gleich etwa 200 torr, größer oder gleich etwa 200 torr bis kleiner oder gleich 300 torr, größer oder gleich etwa 300 Torr bis kleiner oder gleich etwa 400 Torr, größer oder gleich etwa 400 Torr bis kleiner oder gleich etwa 500 Torr, größer oder gleich etwa 500 Torr bis kleiner oder gleich etwa 600 Torr, größer oder gleich etwa 600 Torr bis kleiner oder gleich etwa 700 Torr, oder größer oder gleich etwa 700 Torr bis kleiner oder gleich etwa 760 Torr).
In bestimmten Aspekten kann ein Dotierstoff (nicht dargestellt) in die lokalisierte Heizzone 324 eingebracht werden, um die Ionenleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit der Elektrode 314 anzupassen. Die ionische und elektrische Leitfähigkeit kann so angepasst werden, dass der Innenwiderstand minimiert wird und somit eine schnelle Ladefähigkeit ermöglicht wird. In bestimmten Variationen kann ein Dotierstoff Stickstoff, Schwefel, Phosphor oder Kombinationen davon beinhalten. Die Dotierung kann gleichzeitig mit der Ausrichtung des Plasmastrahls 320 auf die erste Oberfläche 316 durchgeführt werden.
In bestimmten Variationen wird die Elektrode 314 einem Kohlenwasserstoffgas ausgesetzt. Das Kohlenwasserstoffgas kann die Bildung einer Schicht erleichtern, die Kohlenstoff auf mindestens einem Teil der Partikel des elektroaktiven Materials enthält. Die Schicht mit Kohlenstoff kann die elektrische Leitfähigkeit der Elektrode 314 erhöhen. Ein Strom von Kohlenwasserstoffgas kann durch einen Massendurchflussmesser gesteuert werden. In bestimmten Aspekten kann das Kohlenwasserstoffgas durch ein Inertgas, wie beispielsweise Argon, in die Kammer geleitet werden.
In bestimmten Variationen kann eine Elektrodenvorläuferanordnung einen Stromabnehmer beinhalten, der zwischen zwei Elektroden angeordnet ist (siehe z.B. Elektrodenvorläuferanordnung 210 aus 6). Wenn die Elektrodenvorläuferanordnung zwei Elektroden beinhaltet, können zwei Plasmastrahlen gleichzeitig die jeweiligen Elektroden pyrolysieren. In bestimmten Aspekten kann die Bewegung des ersten Plasmastrahls mit der Bewegung eines zweiten Plasmastrahls verbunden sein. In bestimmten Aspekten können die Plasmastrahlen von derselben Plasmaquelle erzeugt werden.
Kalandrierung
Zurück zu 2-3, bei 118, kann die Kalandrierung an der Elektrodenvorläuferanordnung (3) oder der Elektrodenanordnung (2) durchgeführt werden. Während des Kalandrierens wird der Elektrodenvorläufer oder die Elektrode komprimiert, um eine Porosität der Elektrode zu reduzieren. So kann beispielsweise das Kalandrieren das Führen der Elektrode zwischen zwei Rollen beinhalten. Die Porosität kann größer als oder gleich etwa 5% bis kleiner als oder gleich etwa 60%, optional größer als oder gleich etwa 20% bis kleiner als oder gleich etwa 50%, oder optional größer als oder gleich etwa 30% bis kleiner als oder gleich etwa 40% sein.
Schneidelektroden
Bei 120 können mehrere Elektrodenanordnungen aus einer größeren Elektrodenanordnung geschnitten werden. So können beispielsweise die Elektroden in Streifen einer gewünschten Form geschnitten oder gestanzt werden. In bestimmten Variationen, wenn nur eine einzige Elektrodenanordnung gebildet wird, kann der Schneidschritt entfallen.
Montage der Zellen
Bei 122 können mehrere Elektrodenanordnungen zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle zusammengesetzt werden. So können beispielsweise die Elektrodenbaugruppen zusammen mit einem oder mehreren Separatoren gewickelt oder gestapelt werden.
Bildung und Injektion von Elektrolyten
Schließlich wird bei 124 Elektrolyt gebildet und in eine elektrochemische Zelle mit den zusammengesetzten Zellen gefüllt. Bei einem flüssigen Elektrolyten wird der Elektrolyt so eingespritzt, dass er vollständig durchdringt und die Poren innerhalb der elektrochemischen Zelle füllt.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen wurde zur Veranschaulichung und Beschreibung zur Verfügung gestellt. Es ist nicht beabsichtigt, vollständig zu sein oder die Offenlegung einzuschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern sind gegebenenfalls austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, auch wenn sie nicht ausdrücklich dargestellt oder beschrieben sind. Das Gleiche kann auch in vielerlei Hinsicht variiert werden. Solche Abweichungen sind nicht als Abweichung von der Offenbarung zu betrachten, und alle diese Änderungen sollen in den Umfang der Offenbarung einbezogen werden.

Claims

Beansprucht wird:
Ein Verfahren zur Herstellung einer Silizium-Kohlenstoff-Verbundelektrodenanordnung für eine elektrochemische Zelle, wobei das Verfahren umfasst: Bilden einer Elektrode durch Richten eines Energiestroms auf mindestens einen Bereich einer Oberfläche eines Elektrodenvorläufers, der ein Polymer und ein elektroaktives Material umfassend Silizium umfasst, um mindestens einen Teil des Polymers zu pyrolysieren und pyrolysierten Kohlenstoff zu bilden, wobei während des Richtens der Elektrodenvorläufer in elektrischem Kontakt mit einem Stromabnehmer steht, der ein elektrisch leitfähiges Material umfasst, und das Richten auf die dem Stromabnehmer gegenüberliegende Oberfläche des Elektrodenvorläufers erfolgt, um die Silizium-Kohlenstoff-Verbundelektrodenanordnung zu bilden, die die Elektrode und den Stromabnehmer umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Richten ferner das Verschieben mindestens eines der Energieströme und des Elektrodenvorläufers in Bezug auf den anderen von dem Energiestrom und den Elektrodenvorläufer umfasst, wobei das Verschieben gleichzeitig mit dem Richten durchgeführt wird, wodurch der Energiestrom thermisch mit im Wesentlichen dem gesamten Polymer der an die Oberfläche angrenzt in Kontakt gebracht wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Richten einen Wärmegradienten in dem Elektrodenvorläufer erzeugt, wobei der Wärmegradient eingerichtet ist, um einen Zusammensetzungsgradienten in der Elektrode zu erzeugen, so dass ein karbonisierter Kohlenstoffgewichtsprozentsatz zwischen der Oberfläche und einer Grenzfläche zwischen der Elektrode und dem Stromabnehmer abnimmt und ein Polymergewichtsprozentsatz zwischen der Oberfläche und der Grenzfläche zunimmt.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Energiestrom einen Laserstrahl umfasst, wobei der Laserstrahl einer von Folgenden ist: (i) ein ultravioletter (UV-)Laserstrahl mit einer Wellenlänge von größer als oder gleich etwa 150 nm bis kleiner als oder gleich etwa 400 nm, oder (ii) ein Kohlendioxid-(CO₂)Laserstrahl mit einer Wellenlänge von größer als oder gleich etwa 9 µm bis kleiner als oder gleich etwa 11 µm; und der Laserstrahl eingerichtet ist, um die Oberfläche über einen Bereich zu schneiden, wobei der Bereich ein Seitenverhältnis von größer als oder gleich etwa 1 bis kleiner als oder gleich etwa 100 aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Richten ferner das Einstellen einer Fokusebene des Laserstrahls in einem Abstand von der Oberfläche umfasst, wobei der Abstand größer als oder gleich etwa 0 mm bis kleiner als oder gleich etwa 30 mm ist.
Das Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, wobei das Richten eine Plasmaquelle verwendet, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Atmosphärenplasma, HF-Plasma, Elektronenstrahlplasma und Kombinationen derselben besteht.
Das Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Richten ferner umfasst: Betreiben einer Plasmaquelle mit einer Leistung von mehr als oder gleich etwa 50 W bis weniger als oder gleich etwa 5 kW; Anordnen einer Plasmadüse in einem Abstand von der Oberfläche, wobei der Abstand größer oder gleich etwa 0 mm bis kleiner oder gleich etwa 100 mm ist; und Verwenden eines Plasmaabscheidungsdrucks von größer als oder gleich etwa 1 mtorr bis kleiner als oder gleich etwa 760 torr.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend das Bilden einer Elektrodenvorläuferanordnung vor dem Richten, wobei das Bilden der Elektrodenvorläuferanordnung umfasst: Bilden einer Suspension durch Mischen einer Vielzahl von Partikel, die das elektroaktive Material, das Polymer und ein Lösungsmittel umfassen; Anordnen der Suspension auf dem Stromabnehmer; und Bilden des Elektrodenvorläufers durch Trocknen der Suspension, um mindestens einen Teil des Lösungsmittels zu entfernen, wobei die Elektrodenvorläuferanordnung den Elektrodenvorläufer und den Stromabnehmer beinhaltet.
Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Bilden der Suspension ferner das Mischen eines leitfähigen Additivs mit der Vielzahl von Partikeln, dem Polymer und dem Lösungsmittel umfasst, wobei das leitfähige Additiv ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ruß, Graphit, gehackter Kohlefaser, gemahlener Kohlefaser, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Nanofasern und Kombinationen derselben.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bilden der Elektrode ferner das Dotieren des Elektrodenvorläufers mit einem Dotierstoff, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Stickstoff, Schwefel, Phosphor und Kombinationen derselben, umfasst, wobei das Dotieren gleichzeitig mit dem Richten des Energiestroms durchgeführt wird.