[发明专利]具有多孔电极的电池

说明书

技术领域

本发明涉及具有多孔的层状电极的电池。

背景技术

今天的电池技术包括具有多孔的层状电极的电池。所述电极包括颗粒的活性电极材料，所述电极材料施加在作为电流输出器起作用的电极板上并且通常厚约10微米至150微米。最大的层厚度在此基本上通过电极的多孔性系统中的电解质的有效的离子导电性限制。然而，对于电极的和因此电池单元的尽可能高的能量密度来说，涂层厚度与电极板的尽可能大的比例是有利的。

因此存在以下必要性：在这方面改善目前为止的、具有多孔的层状电极的电池。

发明内容

因此，本发明的任务是提供改善的电池。这通过根据本发明的权利要求1所述的电池解决。相应地提出一种电池，其包括多孔的层状电极，所述多孔的层状电极施加在电极板上，其中电极在背向电极板的侧上具有多个凹部。

令人惊讶地已发现，由此可以通过简单的方式改善电池的效率。尤其通过根据本发明的电池，可以在大多数应用中实现以下优点的至少一个：

- 凹部导致待引入的通道容积被最小化并且因此导致在向所有活性颗粒恒定供应反应离子种类的情况下电极的总孔隙度被最小化，

- 由此实现电极和因此电池的（容积的和重量的）能量密度和功率密度的同时提高，

- 通过凹部可在离子导电性令人满意的情况下实现更厚的电极层，

- 能以简单的方式将凹部引入到电极层中并且不需要附加的工作步骤，

- 通过凹部实现电极层内更均匀的电流密度分布，这积极地影响电极的老化。

术语“电池”从本发明的意义上尤其理解为通过电化学单元的串联和/或并联的连接实现的一种装置。电化学单元（电气元件）本身由正电极和负电极组成，它们的电化学电位不同并且通过离子导电的电解质连接，然而通过电绝缘的分离器彼此分开。由此得出的电子流和离子流的分离可以用作储能器。

术语“凹部”从本发明的意义上尤其理解为孔状或网格状的结构。所述孔状或网格状的结构尤其具有“深度”（在电极的厚度方向上）与横向扩展（在电极平面上）的大的纵横比，尤其在此10：1或更大的、尤其优选20:1或更大的纵横比从本发明的意义上已被证明为有利的。

术语“多孔的”从本发明的意义上尤其理解为：在活性材料颗粒之间存在空腔，所述空腔以电解质填充并且用于提供电极内的离子导电性。从本发明的意义上，孔隙度在电极内不是均匀地分布，而是部分地有针对性地通过定向的凹部引入到电极中。

术语“层状的”从本发明的意义上尤其理解为：如此三维地构造电极，使得在空间方向之一上的最大扩展等于或小于在两个其他空间方向上的最大扩展的平均值的20%，优选地等于或小于10%。

术语“电极”意味着电池的阳极和/或阴极。显然，根据电池的一种优选实施方式不仅阳极而且阴极可以根据本发明配备有凹部。

术语“电极板”从本发明的意义上尤其理解为：电极涂层施加在典型地由铝或铜制成的薄金属板上，所述薄金属板用作用于电极的支撑结构和集流管。

根据本发明的一种优选的实施方式，凹部的平均直径从大于或等于1微米至小于或等于30微米。

在此，如果凹部包括网格结构或类似网格的结构，则“直径”意指与网格的方向垂直的横截面的横截面面积等值的直径（=相同横截面的圆面的直径）。

已发现所述直径特别优选，因为由此可以在许多应用中出色地实现根据本发明的优点，而不损害电极层的稳定性。

优选地，所述凹部的平均直径大于或等于2微米至小于或等于20微米，更优选为从5微米至小于或等于10微米。

优选地，所述凹部平均延伸直至大于或等于电极厚度的50％。由此可以在大多数应用中实现电解质对电极的良好渗透。更优选的是，凹部平均延伸直至大于或等于电极厚度的80％，此外优选直至大于或等于电极厚度的90％，以及最优选地，所述凹部主要延伸通过整个电极。

优选主要数目的凹部的平均横截面在电极板方向上降低。这尤其确保了在同时最小化所需的孔容积的情况下均匀地给电极供给反应或插入的离子种类（例如在锂蓄电池的情况下的锂离子Li⁺），因为电极中的离子流密度在电极板的方向上降低，并且同样地，电子流密度增加。

从本发明的意义上，术语“主要”意味着大于或等于80％（重量百分比，在可应用的地方），优选大于或等于90％（重量百分比，在可应用的地方），进一步优选大于或等于95％（重量百分比，在可应用的地方）以及最优选大于或等于98％（重量百分比，在可应用的地方）。