[发明专利]电极、其用途、电池和生产电极的方法

说明书

本发明涉及电极(21)，更具体地涉及锂离子电池(28a；28b)。根据本发明，电极(21)具有至少一个多孔硅层(12a、12b、12c、12d)和一个铜层(15)。本发明还涉及一种具有这种电极(21)的电池(28a；28b)、一种生产这种电极(21)的方法以及这种电极(20)在电池(28a；28b)中的用途。

本发明涉及一种电极，特别是用于锂离子电池的电极及其用途。本发明还涉及电池和生产电极的方法。

锂离子电池是一种广泛使用的电池，用于多种设备，尤其是移动设备或电动汽车。在锂离子电池中，通常使用包含石墨的电极作为阳极。由于石墨的锂吸收能力相对较低，这种电极的比充电容量仅为500毫安时/克。

作为石墨的替代的电极材料是硅。使用硅基电极，理论上可以实现4200毫安时/克的比充电容量。然而，与石墨相比，硅的缺点是锂的加入导致硅的体积显著膨胀。如果在锂离子电池中使用硅基电极，在几次充电循环后，硅体积的显著膨胀会导致电池损坏。

本发明的一个目的，是提供一种能够实现高比充电容量和长使用寿命的电极，并且还提供了生产这种电极的方法。

关于所述电极，本发明通过如权利要求1所述的电极实现了该目的。关于所述方法，本发明通过如权利要求6所述的方法实现了该目的。

本发明的一个进一步的目的，是提供一种能够实现高比充电容量和长使用寿命的电池。

本发明分别通过如权利要求16所述的用途和如权利要求17所述的电池实现了该目的。

本发明的其他的优选实施例是其他权利要求的主题。

本发明的电极具有至少一个多孔硅层和一个铜层。

通过使用硅作为电极材料，可以实现高比充电容量，这尤其是由于硅的锂吸收能力比石墨的锂吸收能力更高。

在体积膨胀的情况下，例如由于锂的加入，所述至少一个硅层中的孔允许硅膨胀到孔所形成的空腔中。这使得硅能够承受体积膨胀而不受损，从而使电极能够实现长的使用寿命。

此外，该至少一个多孔硅层可以低成本地被生产。例如，在生产过程中，可以免除掩膜步骤和/或多级蚀刻过程。以低成本生产该至少一个多孔硅层的能力，有利地促成了整个电极的低成本生产。

所述至少一个多孔硅层优选具有海绵状结构。所述至少一个多孔硅层的孔有利地具有至少10nm的孔尺寸。这能够为硅提供足够大的空腔以承受体积膨胀而不受损。当孔具有不超过10000nm的孔尺寸时，是进一步有利的，特别是因为更大的孔可能对所述至少一个多孔硅层的稳定性产生不利影响。

此外，所述至少一个多孔硅层可至少部分加入铜层中。也就是说，可以这样地形成该铜层，即使得该铜层延伸到所述至少一个多孔硅层的至少一些孔中。在一种优选方式中，铜层被布置在所述至少一个多孔硅层上，特别是被直接布置在所述至少一个多孔硅层上。

有利的是铜层具有至少1μm、优选至少2μm的层厚度。当铜层具有这样的最小层厚度时，对生产过程是有利的，特别是因为铜层的这样的最小层厚度使得更容易从硅衬底上分离铜层和所述至少一个多孔硅层。还有利的是铜层的层厚度不超过20μm、优选不超过12μm，特别是因为铜层超过20μm的层厚度可能对电极的机械柔性不利。

在本发明的一个有利的进一步变型中，电极包括由多个多孔硅层组成的一个多层系统，该多个多孔硅层优选地彼此叠置，所述至少一个多孔硅层是这些层中的一个。这些层可以彼此不同，例如，多孔硅层各自具有不同的孔隙率和/或不同的孔尺寸和/或不同的孔形状。

当电极包括这样的多层系统时，电极的铜层优选地被布置在多层系统的多孔硅层之一上，特别是被直接布置在多层体系的多孔硅层之一上。