[发明专利]阴极装置和用于制造该阴极装置的方法

说明书

阴极装置和用于制造该阴极装置的方法。本发明涉及一种用于对锂电池（200）进行预锂化的阴极装置（100），该阴极装置包括：集流体层（104）、锂基材料（105）和涂层（106），其中该集流体层（104）以限定敞开的空腔（103）的导体结构（102）网格状地来构造，该锂基材料（105）布置在导体结构（102）中间的空腔（103）中，而且该涂层（105）覆盖该集流体层（104）和该锂基材料（105）。本发明也涉及一种用于制造该阴极装置的方法以及这种阴极装置（100）的应用。

技术领域

本发明涉及一种用于锂电池和/或锂电池组的阴极装置，该阴极装置具有集流体层、锂基材料和涂层。

本发明还涉及一种用于制造该阴极装置的方法。本发明还涉及一种具有这种阴极装置的锂电池组。

所谓的锂电池组或者也包括锂离子电池组以各式各样的方式应用于便携式应用并且应用于机动车中的电驱动装置。在该上下文中，术语“锂电池组”不仅包括具有由锂金属构成的阳极的电池组而且包括这种具有由锂化石墨构成的阳极的电池组。

结合本申请，涉及的是可再充电的锂离子蓄电池的技术，不同于不能重复使用的一次电池组。然而，术语“锂电池组”这里也应该表示这种蓄电池。

背景技术

锂离子电池组使用碳作为负极材料（在放电时：锂阳极），而且使用含金属的材料、通常是金属氧化物，作为正极（在放电时：阴极装置）。

锂电池组由多个锂电池构成，这些锂电池按如下来构造：锂阳极（第一电极）和阴极装置（第二电极）通过隔膜来彼此分开，但是通过遍布于电极的电解质以传导锂离子的方式彼此连接。阳极和阴极分别与集流体连接，该集流体形成集流体层。常见的电池多层地来构造。在此，在阳极侧，将碳材料作为阳极活性材料涂覆到集流体层上，而在阴极侧，将通常由金属氧化物构成的阴极活性材料涂覆到集流体层上。在两者之间布置隔膜，该隔膜使阳极活性材料层和阴极活性材料层彼此分开。遍布阳极活性材料的液态或者也包括固态电解质允许在电极之间传输锂离子Li⁺。

研发新型锂电池的目的在于：通过经改善的锂离子嵌入和脱嵌来实现更高的电池电压、更大的功率、更高的容量（电荷量）和安全性，或者也通过所谓的“锂电镀（Lithium-Plating）”来实现更高的电池电压、更大的功率、更高的容量（电荷量）和安全性，在所述“锂电镀”的情况下避免了在充电电流高时金属锂的沉积，以及目的在于实现更高的循环使用寿命和时间上的使用寿命。

为此，存在多种方案：这样，例如越来越多地使用富含金属锂的阳极活性材料，由此可以提高相对应的锂电池的理论容量。这种复合电极例如从DE 10 2012 212 788 A1、DE10 2014 226 390 A1公知。从DE 10 2015 212 220 A1也公知具有石墨涂层的多孔锂芯。

也存在如下方案：替代集流体箔或金属片，使用能透过的网格结构或者由多孔材料构成的构件。网格结构例如从US 6106978 A1、US 626887 B和US 20130309579公知，而作为集流体的多孔金属在US 2015295246 A中描述。

也存在如下方案，其中锂阳极具有表面结构化的集流体或表面结构化的保护层，其中框架形结构形成被围起的表面部分（空穴），这些被围起的表面部分可以被填满阳极活性材料。由此，应该改善在活性材料与集流体或保护层之间的附着，而且应该减少或避免保护层的机械损害、例如保护层的脱落和/或破裂。在此，空穴可以刚好容纳阳极活性材料的如下那么多体积，使得空穴在充电状态下刚好被填满，在该充电状态下，阳极活性材料具有比在未充电状态下更大的体积。然而，空穴具有底部，使得不可能通过该底部来进行离子传导。在此，该底部也限制了在充电时朝一个方向的体积膨胀。

也存在如下方案，其中颗粒被引入到具有凹陷部的片状或箔状的集流体中（参见DE 10 2012 112 186 A1）。这里，也阻止了通过集流体的离子传导。