DE102016220675A1

DE102016220675A1 - Herstellung eines strukturierten Aktivmaterials für eine elektrochemische Zelle und/oder Batterie

Info

Publication number: DE102016220675A1
Application number: DE102016220675.3A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Sauter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-10-21
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2018-04-26
Also published as: CN107978783B; CN107978783A; KR20180044209A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Aktivmaterials und/oder einer Elektrode für eine elektrochemische Zelle und/oder Batterie, beispielsweise für eine Lithium-Zelle und/oder -Batterie, und/oder zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle und/oder Batterie. Um die Energiedichte des Aktivmaterials beziehungsweise der Elektrode und damit die Leistungsfähigkeit einer damit ausgestatteten elektrochemischen Zelle beziehungsweise Batterie zu steigern, wird in dem Verfahren aus einem Fällungsbad (1), welches (1) einen oder mehrere Ausgangsstoffe zur Ausbildung eines Aktivmaterials und/oder Aktivmaterialpräkursors (2) in gelöster Form umfasst, ein Aktivmaterial und/oder Aktivmaterialpräkursor (2) auf einer mit Fällungskeimen (3) versehenen Substratoberfläche eines Substrates (4,4') abgeschieden. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein derartig hergestelltes Aktivmaterial (2) und eine derartig hergestellte Elektrode sowie Zelle und/oder Batterie.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Aktivmaterials und/oder einer Elektrode für eine elektrochemische Zelle und/oder zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle und/oder Batterie, ein dementsprechend hergestelltes Aktivmaterial sowie eine dementsprechend hergestellte Elektrode sowie Zelle und/oder Batterie.
Stand der Technik
Elektrochemische Zellen und Batterien, wie Lithium-Zellen und/oder -Batterien, werden heutzutage in einer Vielzahl von Produkten als Energiespeicher eingesetzt.
Die Druckschrift US 2012/0003539 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kathodenaktivmaterials, in dem durch Nanoprägen eine Schablone mit Löchern hergestellt und mit einem gelartigen LiFePO₄-Material gefüllt wird, wobei LiFePO₄-Partikel gebildet werden.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Aktivmaterials und/oder einer Elektrode für eine elektrochemische Zelle und/oder Batterie, beispielsweise für eine Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie, und/oder zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle und/oder Batterie, beispielsweise einer Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie. Insbesondere kann das Verfahren zur Herstellung eines Kathodenaktivmaterials und/oder einer Kathode für eine elektrochemische Zelle und/oder Batterie, beispielsweise für eine Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie, und/oder zur Herstellung einer derartigen Zelle und/oder Batterie ausgelegt sein.
In dem Verfahren wird insbesondere aus einem Fällungsbad, insbesondere welches einen oder mehrere Ausgangsstoffe zur Ausbildung eines Aktivmaterials und/oder Aktivmaterialpräkursors in gelöster Form umfasst, ein Aktivmaterial und/oder Aktivmaterialpräkursor, insbesondere mittels eines Fällungsprozesses und/oder einer Fällungsreaktion, auf einer mit, insbesondere künstlichen, Fällungskeimen versehenen, insbesondere besetzten, Substratoberfläche eines Substrates abgeschieden.
Dadurch, dass die Substratoberfläche mit Fällungskeimen versehen, insbesondere besetzt, wird beziehungsweise ist, kann das Aktivmaterial und/oder der Aktivmaterialpräkursor vorteilhafterweise gezielt an durch die Fällungskeime vorbestimmten Positionen und/oder in durch die Fällungskeime vorbestimmten Strukturen und/oder Mustern abgeschieden werden. Insbesondere können so durch Abscheiden des Aktivmaterials und/oder Aktivmaterialpräkursors Aktivmaterialstrukturen ausgebildet werden, welche - beispielsweise in Form eines Musters - gleichmäßig über die Substratoberfläche verteilt ausgebildet werden können. Durch das Abscheiden aus dem Fällungsbad, beispielsweise durch den Fällungsprozesses und/oder die Fällungsreaktion, insbesondere wobei die Fällungskeime als Kristallisationskeime dienen können, kann dabei vorteilhafterweise zudem eine hohe Dichte des Aktivmaterials und/oder des Aktivmaterialpräkursor erzielt werden.
Insgesamt kann so vorteilhafterweise die Energiedichte des Aktivmaterials beziehungsweise der daraus ausgebildeten Elektrode und damit die Leistungsfähigkeit einer damit ausgestatteten elektrochemischen Zelle beziehungsweise Batterie gesteigert werden.
Das Abscheiden des Aktivmaterials und/oder des Aktivmaterialpräkursors aus dem Fällungsbad kann beispielsweise in einem Verfahrensschritt a) durchgeführt werden.
Im Rahmen einer Ausführungsform werden oder sind die Fällungskeime aus einem beziehungsweise dem Aktivmaterial und/oder Aktivmaterialpräkursor ausgebildet. So kann vorteilhafterweise die Energiedichte weiter gesteigert werden.
Grundsätzlich kann die mit den Fällungskeimen versehene Substratoberfläche eben sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist jedoch die Substratoberfläche Substratoberflächenstrukturen auf beziehungsweise wird oder ist durch Substratoberflächenstrukturen strukturiert. Dabei werden beziehungsweise sind die Substratoberflächenstrukturen mit den Fällungskeimen versehen, insbesondere besetzt. So kann vorteilhafterweise die Energiedichte weiter gesteigert werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform werden beziehungsweise sind die Fällungskeime und/oder die Substratoberflächenstrukturen und/oder durch Abscheiden des Aktivmaterials und/oder Aktivmaterialpräkursors ausgebildete Aktivmaterialstrukturen gleichmäßig über die Substratoberfläche verteilt ausgebildet. Insbesondere können die Fällungskeime und/oder die Substratoberflächenstrukturen und/oder die durch Abscheiden des Aktivmaterials und/oder Aktivmaterialpräkursors ausgebildeten Aktivmaterialstrukturen in Form eines Musters auf der Substratoberfläche ausgebildet werden beziehungsweise sein. Dabei kann das Muster insbesondere gleichmäßig über die Substratoberfläche verteilt ausgebildet werden beziehungsweise sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform werden beziehungsweise sind die Fällungskeime und/oder die Substratoberflächenstrukturen und/oder die durch Abscheiden des Aktivmaterials oder Aktivmaterialpräkursors ausgebildeten Aktivmaterialstrukturen in Form von Erhebungen und/oder Vertiefungen, beispielsweise in Form von punktuellen Erhebungen und/oder Vertiefungen, zum Beispiel in Form von Säulen und/oder, beispielsweise kegelförmigen, Spitzen, und/oder in Form von länglichen Erhebungen und/oder Vertiefungen, zum Beispiel in Form von Lamellen beziehungsweise Dämmen, insbesondere mit einer, insbesondere im Wesentlichen, polygonen, beispielsweise viereckigen, zum Beispiel trapezförmigen, oder dreieckigen, Querschnittsfläche, ausgebildet. Dabei können die Fällungskeime und/oder die Substratoberflächenstrukturen und/oder die durch Abscheiden des Aktivmaterials oder Aktivmaterialpräkursors ausgebildeten Aktivmaterialstrukturen auch in Form miteinander, beispielsweise kreuzweise, vernetzten von länglichen Erhebungen und/oder Vertiefungen, zum Beispiel in Form von Lamellen beziehungsweise Dämmen, ausgebildet werden beziehungsweise sein.
Die Fällungskeime können insbesondere eine Höhe beziehungsweise Tiefe (h) und/oder eine Breite (b) in einem Bereich von ≥ 10 nm bis ≤ 1 µm, beispielsweise von ≥ 0,1 µm bis ≤ 1 µm, aufweisen.
Die Substratoberflächenstrukturen können insbesondere eine Höhe beziehungsweise Tiefe (H') in einem Bereich von ≥ 1 µm bis ≤ 100 µm, beispielsweise von ≥ 2 µm bis ≤ 70 µm , zum Beispiel von etwa 50 µm , und/oder eine Breite (B') von ≥ 1 µm bis ≤ 100 µm , beispielsweise von ≥ 2 µm oder ≥ 5 µm bis ≤ 20 µm , zum Beispiel von etwa 5 µm, und/oder eine Länge von einigen 10 µm , beispielsweise bis in den Millimeterbereich oder Zentimeterbereich, aufweisen. Gegebenenfalls können auch die Fällungskeime eine Länge von einigen 10 µm , beispielsweise bis in den Millimeterbereich oder Zentimeterbereich, aufweisen.
Die durch Abscheiden des Aktivmaterials oder Aktivmaterialpräkursors ausgebildeten Aktivmaterialstrukturen können insbesondere eine Höhe beziehungsweise Tiefe (H) in einem Bereich von ≥ 1 µm bis ≤ 100 µm, beispielsweise von ≥ 2 µm bis ≤ 70 µm , zum Beispiel von etwa 50 µm , und/oder eine Breite (B) von ≥ 1 µm bis ≤ 100 µm, beispielsweise von ≥ 2 µm oder ≥ 5 µm bis ≤ 20 µm , zum Beispiel von etwa 5 µm oder etwa 10 µm , und/oder eine Länge von einigen 10 µm , beispielsweise bis in den Millimeterbereich oder Zentimeterbereich, aufweisen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Fällungsbad weiterhin mindestens einen elektrischen Leitzusatz oder Präkursor zur Ausbildung eines elektrischen Leitzusatzes. Der mindestens eine elektrische Leitzusatz beziehungsweise Präkursor zur Ausbildung eines elektrischen Leitzusatz kann sich beim Fällungsvorgang zwischen dem Aktivmaterial niederschlagen und auf diese Weise die elektrische Leitfähigkeit der durch Abscheiden des Aktivmaterials oder Aktivmaterialpräkursors ausgebildeten Aktivmaterialstrukturen erhöhen. Insofern das Fällungsbad den mindestens einen elektrischen Leitzusatz als Feststoff, beispielsweise in Form von elektrisch leitenden Partikeln, umfasst, kann dem Fällungsbad gegebenenfalls mindestens ein Dispergiermittel zugegebene werden.
Im Rahmen einer speziellen Ausführungsform umfasst das Fällungsbad jedoch mindestens einen Präkursor zur Ausbildung eines elektrischen Leitzusatzes in gelöster Form. Dies kann sich vorteilhaft auf den Fällungsprozess auswirken. Zudem kann so vorteilhafterweise eine bessere Durchmischung mit dem Aktivmaterial erzielt werden. Beispielsweise kann das Fällungsbad einen löslichen Kohlenstoff-Präkursor, umfassen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird nach dem Abscheiden, beispielsweise in einem Verfahrensschritt b), das Aktivmaterial und/oder der Aktivmaterialpräkursor, insbesondere auf dem Substrat, erhitzt. Dabei kann insbesondere der Aktivmaterialpräkursor in das Aktivmaterial umgewandelt werden. Insbesondere kann das Aktivmaterial und/oder der Aktivmaterialpräkursor dabei kalziniert werden. Beispielsweise kann das Aktivmaterial und/oder der Aktivmaterialpräkursor auf eine Temperatur von ≥ 500 °C, zum Beispiel von ≥ 1000 °C, erhitzt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform werden, zum Beispiel in einem, beispielsweise nach dem Erhitzen durchgeführten, Verfahrensschritt, zum Beispiel c), Zwischenräume zwischen den aus dem Aktivmaterial ausgebildeten Aktivmaterialstrukturen mit mindestens Elektrolyten, beispielsweise mit mindestens einem Festelektrolyten, gefüllt, insbesondere aufgefüllt. Dies kann beispielsweise durch einen Beschichtungsprozess erfolgen. Der mindestens eine Festelektrolyt kann beispielsweise einen Polymerelektrolyten und/oder einen anorganischen lonenleiter, beispielsweise einen keramischen lonenleiter und/oder einen glasartigen lonenleiter, zum Beispiel ein sulfidisches Glas, umfassen oder sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist das Substrat ein Stromableiter, beispielsweise in Form einer Folie, zum Beispiel aus Nickel oder Aluminium.
Im Rahmen einer anderen Ausführungsform ist das Substrat ein Formvorlagesubstrat. Dabei kann das Formvorlagesubstrat insbesondere während des Erhitzens oder nach dem Erhitzen, gegebenenfalls in einem Verfahrensschritt b'), von dem Aktivmaterial entfernt beziehungsweise getrennt werden. Beispielsweise kann das Formvorlagesubstrat beim Erhitzen ausgebrannt werden. Die vormals mit dem Formvorlagesubstrat versehene Seite des Aktivmaterials kann zum Beispiel, beispielsweise in Verfahrensschritt c), mit dem mindestens einen Elektrolyten, insbesondere Festelektrolyten, versehen, beispielsweise beschichtet, werden. Die gegenüberliegende Seite des Aktivmaterials kann zum Beispiel, beispielsweise in einem Verfahrensschritt c'), mit einem Stromableiter, beispielsweise in Form einer Folie, zum Beispiel aus Nickel oder Aluminium, versehen werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform werden oder sind die Fällungskeime durch ein Vakuum- und/oder Gasphasen- und/oder Aerosol-Abscheidungsverfahren, beispielsweise durch physikalische und/oder chemische Gasphasenabscheidung, zum Beispiel durch Sputtern und/oder chemische Gasphasenabscheidung (CVD, Englisch: Chemical Vapour Deposition) und/oder Atomlagenabscheidung (ALD, Englisch: Atomic Layer Deposition), auf der Substratoberfläche ausgebildet.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform werden oder sind die Fällungskeime, beispielsweise in mindestens einem beziehungsweise mehreren vorgeschalteten Verfahrensschritt/en x), dadurch hergestellt, , dass auf eine Substratoberfläche eines Substrates eine Maske mit durchgängigen Aussparungen aufgelegt wird, in den Aussparungen, insbesondere auf der Substratoberfläche, Material zur Ausbildung der Fällungskeime abgeschieden wird und die Maske wieder entfernt wird.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist das Aktivmaterial ein Kathodenaktivmaterial beziehungsweise der Aktivmaterialpräkursor zur Ausbildung eines Kathodenaktivmaterials ausgelegt und/oder das Verfahren zur Herstellung einer Kathode ausgelegt.
Das Aktivmaterial kann beispielsweise ein Interkalations- und/oder Insertions- und/oder Konversionsmaterial umfassen oder sein.
Zum Beispiel kann das Aktivmaterial ein Übergangsmetall-Oxid, beispielsweise in Form eines Schichtoxids, zum Beispiel ein Nickel-Cobalt-Mangan-Oxid (HE-NCM oder NCM, wie NCM111, NCM 532, NCM622 und/oder NCM811) und/oder ein Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (NCA) und/oder ein Lithium-Cobalt-Oxid (LCO), und/oder, beispielsweise in Form eines Spinells, zum Beispiel ein Lithium-Mangan-Oxid (LMO), und/oder ein Übergangsmetall-Phosphat, beispielsweise in Form eines Olivins, zum Beispiel ein Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) und/oder ein Lithium-Mangan-Phosphat (LMP) und/oder ein Lithium-Cobalt-Phosphat (LCP), und/oder ein Übergangsmetall-Fluorid, beispielsweise mit einer kubisch dichtesten Packung, zum Beispiel ein lithiumreiches FCC-Material (FCC: Englisch: Face Centered Cubic, Deutsch kubisch dichteste Packung), zum Beispiel ein Lithium-Übergangsmetall-Fluorid, wie Li₂MO₂F mit M = Vanadium (V) und/oder Chrom (Cr) und/oder FeF₃, und/oder eine Schwefel-Verbindung, zum Beispiel einen Schwefel-Polymer- und/oder -Kohlenstoff-Komposit, beispielsweise Schwefel-Polyacrylnitril-Komposit, wie SPAN, und/oder andere Schwefel-Polymere, umfassen oder sein. Insbesondere kann das Aktivmaterial ein oxidisches und/oder phosphathaltiges, insbesondere oxidisches, (Kathoden-)Aktivmaterial sein beziehungsweise der Aktivmaterialpräkursor zur Ausbildung eines oxidischen (Kathoden-)Aktivmaterials ausgelegt sein.
Zur Ausbildung eines, beispielsweise oxidischen und/oder phosphathaltigen, insbesondere oxidischen, (Kathoden-)Aktivmaterials können insbesondere Hydroxide und/oder Carbonate und/oder Phosphate, insbesondere Hydroxide und/oder Carbonate, als Ausgangsstoffe eingesetzt werden. Zum Beispiel kann das Fällungsbad hierbei mindestens ein Hydroxid und/oder Carbonat und/oder Phosphat, insbesondere mindestens ein Hydroxid und/oder Carbonat, von Nickel und/oder Cobalt und/oder Mangan und/oder Aluminium und/oder Eisen und/oder Lithium, insbesondere in gelöster Form, umfassen.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Aktivmaterial, der erfindungsgemäßen Elektrode, der erfindungsgemäßen Zelle und/oder Batterie sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Weitere Gegenstände sind ein Aktivmaterial, insbesondere ein Kathodenaktivmaterial, und/oder eine Elektrode, insbesondere eine Kathode, und/oder eine elektrochemische Zelle und/oder Batterie, welche/s durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt ist.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Aktivmaterials, der erfindungsgemäßen Elektrode und der erfindungsgemäßen Zelle und/oder Batterie wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Figurenliste
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen

1 schematische Querschnitte zur Veranschaulichung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens mit einem Stromableiter als Substrat;
2 schematische Querschnitte zur Veranschaulichung einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens mit einem Formvorlagesubstrat;
3 schematische Querschnitte zur Veranschaulichung eines Herstellungsprozesses zur Ausbildung von Fällungskeimen auf einem Substrat;
4 eine schematische Draufsicht auf eine gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Aktivmaterialschicht aus Aktivmaterialstrukturen in Form von Spitzen beziehungsweise Säulen;
5 eine schematische Draufsicht auf eine gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Aktivmaterialschicht aus Aktivmaterialstrukturen in Form von Lamellen beziehungsweise Dämmen; und
6 eine schematische Draufsicht auf eine gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Aktivmaterialschicht aus Aktivmaterialstrukturen in Form von miteinander, insbesondere kreuzweise, vernetzten Lamellen beziehungsweise Dämmen.

1 zeigt, dass im Rahmen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ein Stromableiter 4, beispielsweise in Form einer Folie, als Substrat dient, dessen Oberfläche mit Fällungskeimen 3 versehen, insbesondere besetzt, ist. Dabei ist die Oberfläche des Stromableiters 4 eben. Die Fällungskeime 3 sind dabei in Form von, beispielsweise punktuellen und/oder länglichen, Erhebungen, zum Beispiel in Form von Säulen und/oder Lamellen, gleichmäßig über die Oberfläche des Stromableiters 4 verteilt ausgebildet. Die Fällungskeime 3 können zum Beispiel eine Höhe h und/oder Breite b in einem Bereich von ≥ 10 nm bis ≤ 1 µm aufweisen.
1 veranschaulicht, dass in einem Verfahrensschritt a) der mit den Fällungskeimen 3 versehene, als Substrat dienende Stromableiter 4 in ein Fällungsbad 1 gegeben wird, welches einen oder mehrere Ausgangsstoffe zur Ausbildung des Aktivmaterials und/oder Aktivmaterialpräkursors 2 in gelöster Form umfasst, und aus dem Fällungsbad 1 das Aktivmaterial und/oder der Aktivmaterialpräkursor 2, beispielsweise mittels eines Fällungsprozesses und/oder einer Fällungsreaktion, an den Fällungskeimen 3 auf dem Stromableiter 4 abgeschieden wird. Durch Abscheiden des Aktivmaterials und/oder Aktivmaterialpräkursors 2 werden dabei - insbesondere ausgehend von den Fällungskeimen 3 - Aktivmaterialstrukturen 2a in Form von, beispielsweise punktuellen und/oder länglichen, Erhebungen, zum Beispiel in Form von, beispielsweise kegelförmigen, Spitzen und/oder länglichen Erhebungen mit einer im Wesentlichen dreieckigen oder trapezförmigen Querschnittsfläche, ausgebildet. Die durch Abscheiden des Aktivmaterials und/oder Aktivmaterialpräkursors 2 ausgebildeten Aktivmaterialstrukturen 2a können beispielsweise eine Höhe H in einem Bereich von ≥ 1 µm bis ≤ 100 µm , zum Beispiel von etwa 50 µm, und/oder eine Breite B von ≥ 1 µm bis ≤ 100 µm, Beispiel von etwa 5 µm oder etwa 10 µm, aufweisen.
1 veranschaulicht weiterhin, dass nach dem Abscheiden in einem Verfahrensschritt b) das Aktivmaterial und/oder der Aktivmaterialpräkursor 2 erhitzt, insbesondere kalziniert, wird. Dies kann beispielsweise auf dem als Substrat dienenden Stromableiter 4 erfolgen. Der Aktivmaterialpräkursor kann dabei in das Aktivmaterial umgewandelt werden.
1 veranschaulicht weiterhin, dass nach dem Erhitzen in einem Verfahrensschritt c) Zwischenräume zwischen den aus dem Aktivmaterial 2 ausgebildeten Aktivmaterialstrukturen 2a mit mindestens einem Elektrolyten 5, insbesondere mit mindestens einem Festelektrolyten 5, gefüllt, insbesondere aufgefüllt, werden. Dies kann beispielsweise durch Beschichten der Aktivmaterialstrukturen 2a mit dem mindestens einen Elektrolyten, insbesondere Festelektrolyten, 5 erfolgen.
2 zeigt, dass im Rahmen einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ein Formvorlagesubstrat 4' als Substrat dient. Dabei weist das Formvorlagesubstrat 4' Substratoberflächenstrukturen 4a' auf, deren 4a' Oberfläche mit Fällungskeimen 3 versehen, insbesondere besetzt, ist. Die Substratoberflächenstrukturen 4a' sind dabei in Form von, beispielsweise punktuellen und/oder länglichen, Erhebungen, zum Beispiel in Form von, beispielsweise kegelförmigen, Spitzen und/oder länglichen Erhebungen mit einer im Wesentlichen dreieckigen oder trapezförmigen Querschnittsfläche, ausgebildet. Die Substratoberflächenstrukturen 4a' können zum Beispiel eine Höhe H' in einem Bereich von ≥ 1 µm bis ≤ 100 µm, zum Beispiel von etwa 50 µm, und/oder eine Breite B' von ≥ 1 µm bis ≤ 100 µm, zum Beispiel von etwa 5 µm oder etwa 10 µm, aufweisen. Die Fällungskeime 3 sind dabei in Form von, beispielsweise punktuellen und/oder länglichen, Erhebungen, zum Beispiel in Form von Körnern und/oder Lamellen, gleichmäßig über die Oberfläche des Substratoberflächenstrukturen 4a' verteilt ausgebildet. Die Fällungskeime 3 können zum Beispiel eine Höhe h und/oder Breite b in einem Bereich von ≥ 10 nm bis ≤ 1 µm aufweisen.
2 veranschaulicht, dass in einem Verfahrensschritt a) das mit den Substratoberflächenstrukturen 4a' und den Fällungskeimen 3 versehene Formvorlagesubstrat 4' in ein Fällungsbad 1 gegeben wird, welches einen oder mehrere Ausgangsstoffe zur Ausbildung des Aktivmaterials und/oder Aktivmaterialpräkursors 2 in gelöster Form umfasst, und aus dem Fällungsbad 1 das Aktivmaterial und/oder der Aktivmaterialpräkursor 2, beispielsweise mittels eines Fällungsprozesses und/oder einer Fällungsreaktion, an den Fällungskeimen 3 auf dem Formvorlagesubstrat 4' abgeschieden wird. Durch Abscheiden des Aktivmaterials und/oder Aktivmaterialpräkursors 2 werden dabei - insbesondere ausgehend von den Fällungskeimen 3 - Aktivmaterialstrukturen 2a, insbesondere in den Zwischenräumen zwischen den Substratoberflächenstrukturen 4a', ausgebildet. Die durch Abscheiden des Aktivmaterials und/oder Aktivmaterialpräkursors 2 ausgebildeten Aktivmaterialstrukturen 2a können beispielsweise eine Höhe H in einem Bereich von ≥ 1 µm bis ≤ 100 µm, zum Beispiel von etwa 50 µm, und/oder eine Breite B von ≥ 1 µm bis ≤ 100 µm, Beispiel von etwa 5 µm oder etwa 10 µm, aufweisen.
2 veranschaulicht weiterhin, dass nach dem Abscheiden in einem Verfahrensschritt b) das Aktivmaterial und/oder der Aktivmaterialpräkursor 2 erhitzt, insbesondere kalziniert, wird. Dies kann beispielsweise auf dem als Formvorlagesubstrat 4' erfolgen. Dabei kann das Formvorlagesubstrat 4' insbesondere während des Erhitzens oder nach dem Erhitzen, gegebenenfalls in einem Verfahrensschritt b'), von dem Aktivmaterial 2 entfernt werden. Beispielsweise kann das Formvorlagesubstrat 4' beim Erhitzen ausgebrannt werden. Der Aktivmaterialpräkursor kann dabei in das Aktivmaterial umgewandelt werden. Dabei werden Aktivmaterialstrukturen 2a in Form von, beispielsweise punktuellen und/oder länglichen, Erhebungen, zum Beispiel in Form von, beispielsweise kegelförmigen, Spitzen und/oder länglichen Erhebungen mit einer im Wesentlichen polygonen, beispielsweise trapezförmigen, Querschnittsfläche, ausgebildet.
2 veranschaulicht weiterhin, dass in einem Verfahrensschritt c) auf der vormals mit dem Formvorlagesubstrat 4' versehene Seite des Aktivmaterials 2 Zwischenräume zwischen den aus dem Aktivmaterial 2 ausgebildeten Aktivmaterialstrukturen 2a mit mindestens einen Elektrolyten, insbesondere Festelektrolyten, 5 gefüllt, beispielsweise beschichtet, werden und die gegenüberliegende Seite des Aktivmaterials 2 in einem Verfahrensschritt c') mit einem Stromableiter 4, beispielsweise in Form einer Folie, versehen wird.
3 veranschaulicht, dass die Fällungskeime dadurch hergestellt werden können, dass in mindestens einem, insbesondere den Verfahrensschritten a) bis c) vorgeschalteten, Verfahrensschritt x): eine Maske 6 mit durchgängigen Aussparungen auf eine Substratoberfläche eines Substrates 4,4' aufgelegt wird, in den Aussparungen und insbesondere auf der Substratoberfläche des Substrates 4,4' Material zur Ausbildung der Fällungskeime 3 abgeschieden und die Maske 6 dann wieder entfernt wird. Das Abscheiden des Materials zur Ausbildung der Fällungskeime 3 kann beispielsweise durch ein Vakuum- und/oder Gasphasen- und/oder Aerosol-Abscheidungsverfahren erfolgen.
4 zeigt eine gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Schicht aus Aktivmaterialstrukturen 2a, welche durch Abscheiden eines Aktivmaterials und/oder Aktivmaterialpräkursors 2 - beispielsweise mittels eines Fällungsprozesses und/oder einer Fällungsreaktion, an einem Substrat mit Fällungskeimen 3 in Form von punktuellen Erhebungen, insbesondere in Form eines gleichmäßigen Musters, hergestellt ist. Dabei werden Aktivmaterialstrukturen 2a als punktuelle Erhebungen in Form eines gleichmäßigen Musters ausgebildet. Zum Beispiel können dabei die Aktivmaterialstrukturen 2a in Form von, beispielsweise kegelförmigen, Spitzen beziehungsweise Säulen ausgebildet sein.
5 zeigt eine gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Schicht aus Aktivmaterialstrukturen 2a, welche durch Abscheiden eines Aktivmaterials und/oder Aktivmaterialpräkursors 2 - beispielsweise mittels eines Fällungsprozesses und/oder einer Fällungsreaktion, an einem Substrat mit Fällungskeimen 3 in Form von länglichen Erhebungen, insbesondere in Form eines gleichmäßigen Musters, hergestellt ist. Dabei werden Aktivmaterialstrukturen 2a als längliche Erhebungen in Form eines gleichmäßigen Musters ausgebildet. Zum Beispiel können dabei die Aktivmaterialstrukturen 2a in Form von Lamellen beziehungsweise Dämmen ausgebildet sein.
6 zeigt eine gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Schicht aus Aktivmaterialstrukturen 2a, welche durch Abscheiden eines Aktivmaterials und/oder Aktivmaterialpräkursors 2 - beispielsweise mittels eines Fällungsprozesses und/oder einer Fällungsreaktion, an einem Substrat mit Fällungskeimen 3 in Form von miteinander, insbesondere kreuzweise, vernetzten, länglichen Erhebungen, insbesondere in Form eines gleichmäßigen Musters, hergestellt ist. Dabei werden Aktivmaterialstrukturen 2a als miteinander, insbesondere kreuzweise, vernetzte, längliche Erhebungen in Form eines gleichmäßigen Musters ausgebildet. Zum Beispiel können dabei die Aktivmaterialstrukturen 2a in Form von miteinander, insbesondere kreuzweise, vernetzten Lamellen beziehungsweise Dämmen ausgebildet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2012/0003539 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Aktivmaterials und/oder einer Elektrode für eine elektrochemische Zelle und/oder Batterie und/oder zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle und/oder Batterie, in dem aus einem Fällungsbad (1), welches (1) einen oder mehrere Ausgangsstoffe zur Ausbildung eines Aktivmaterials und/oder Aktivmaterialpräkursors (2) in gelöster Form umfasst, ein Aktivmaterial und/oder Aktivmaterialpräkursor (2) auf einer mit Fällungskeimen (3) versehenen Substratoberfläche eines Substrates (4,4') abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Fällungskeime (3) aus dem Aktivmaterial beziehungsweise Aktivmaterialpräkursor (2) ausgebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Substratoberfläche Substratoberflächenstrukturen (4a') aufweist, wobei die Substratoberflächenstrukturen (4a') mit den Fällungskeimen (3) versehen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Fällungskeime (3) und/oder die Substratoberflächenstrukturen (4a') und/oder durch Abscheiden des Aktivmaterials und/oder Aktivmaterialpräkursors (2) ausgebildete Aktivmaterialstrukturen (2a) gleichmäßig über die Substratoberfläche verteilt ausgebildet werden oder sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Fällungskeime (3) und/oder die Substratoberflächenstrukturen (4a') und/oder die durch Abscheiden des Aktivmaterials und/oder Aktivmaterialpräkursors (2) ausgebildeten Aktivmaterialstrukturen (2a) in Form von Erhebungen und/oder Vertiefungen, insbesondere in Form von punktuellen Erhebungen und/oder Vertiefungen und/oder in Form von länglichen Erhebungen und/oder Vertiefungen, ausgebildet werden oder sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Fällungsbad (1) weiterhin mindestens einen elektrischen Leitzusatz oder Präkursor zur Ausbildung eines elektrischen Leitzusatzes umfasst, insbesondere wobei das Fällungsbad (1) mindestens einen Präkursor zur Ausbildung eines elektrischen Leitzusatzes in gelöster Form umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei nach dem Abscheiden das Aktivmaterial und/oder der Aktivmaterialpräkursor (2) erhitzt, insbesondere kalziniert, wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei Zwischenräume zwischen aus dem Aktivmaterial (2) ausgebildeten Aktivmaterialstrukturen (2a) mit mindestens einem Elektrolyten (5), insbesondere mit mindestens einem Festelektrolyten, gefüllt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Substrat ein Stromableiter (4) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Substrat ein Formvorlagesubstrat (4') ist, wobei das Formvorlagesubstrat (4') während des Erhitzens oder nach dem Erhitzen von dem Aktivmaterial (2) entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die vormals mit dem Formvorlagesubstrat (4') versehene Seite des Aktivmaterials (2) mit dem mindestens einen Elektrolyten, insbesondere Festelektrolyten, (5) versehen wird, wobei die gegenüberliegende Seite des Aktivmaterials (2) mit einem Stromableiter (4) versehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Fällungskeime (3) durch ein Vakuum- und/oder Gasphasen- und/oder Aerosol-Abscheidungsverfahren ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Fällungskeime (3) dadurch hergestellt werden, dass auf einer Substratoberfläche eines Substrates (4,4') eine Maske (6) mit durchgängigen Aussparungen aufgelegt wird, in den Aussparungen auf der Substratoberfläche Material zur Ausbildung der Fällungskeime (3) abgeschieden und die Maske (6) wieder entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Aktivmaterial (2) ein Kathodenaktivmaterial beziehungsweise der Aktivmaterialpräkursor (2) zur Ausbildung eines Kathodenaktivmaterials ausgelegt ist und/oder wobei das Verfahren zur Herstellung einer Kathode ausgelegt ist.
Aktivmaterial (2) und/oder Elektrode, insbesondere Kathodenaktivmaterial und/oder Kathode, und/oder Zelle und/oder Batterie, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14.