本發(fā)明涉及用于電池組電池（Batteriezelle）的陽極，所述陽極包括包含硅的活性材料。本發(fā)明也涉及用于制造陽極的方法以及包括按照本發(fā)明的陽極的電池組電池。

背景技術(shù)：

電能可以借助于電池組被存儲。電池組將化學反應(yīng)能量轉(zhuǎn)換為電能。在此情況下，對一次電池組和二次電池組進行區(qū)分。一次電池組是僅一次有效的，而也被稱作蓄電池的二級電池組可再次被充電。在此，電池組包括一個或多個電池組電池。

在蓄電池中尤其使用所謂的鋰離子電池組電池。所述鋰離子電池組電池尤其以高的能量密度、熱穩(wěn)定性和極其小的自放電而突出。鋰離子電池組電池尤其在機動車輛中、尤其在電動車輛（Electric Vehicle，EV）、混合動力車輛（Hybride Electric Vehicle（混合動力電動車輛），HEV）以及插電式混合動力車輛（Plug-In-Hybride Electric Vehicle（插電式混合動力電動車輛），PHEV）中使用。

鋰離子電池組電池具有正電極和負電極，所述正電極也被稱作陰極，所述負電極也被稱作陽極。陰極以及陽極包括各一個放電器（Stromableiter），活性材料被施加到所述放電器上。用于陰極的活性材料例如是鋰金屬氧化物化合物、例如尤其LiCoO₂。用于陽極的活性材料例如是硅。但是石墨作為用于陽極的活性材料也是流行的。

鋰原子被嵌入到陽極的活性材料中。在運行電池組電池時、也即在放電過程中，電子在外部電路中從陽極流到陰極。在電池組電池之內(nèi)，鋰離子在放電過程中從陽極擴散到陰極。在此，鋰離子可逆地從陽極的活性材料轉(zhuǎn)移，這也被稱作脫鋰（Delithiierung）。在電池組電池的充電過程中，鋰離子從陰極遷移到陽極。在此，鋰離子再次可逆地嵌入到陽極的活性材料中，這也被稱作嵌鋰（Lithiierung）。

電池組電池的電極薄膜狀地構(gòu)造，并且在分離器的中間覆層（Zwischenlage）情況下纏繞成電極線圈，所述分離器將陽極與陰極電地以及機械地分離。這樣的電極線圈也被稱作果凍卷（Jelly-Roll）。電極也可以相疊地被分層堆放成電極堆疊。電極和分離器由通常液態(tài)的電解質(zhì)包圍。電解質(zhì)對于鋰離子是傳導(dǎo)的，并且能夠?qū)崿F(xiàn)在電極之間的鋰離子輸送。

硅作為陽極的活性材料具有相比于石墨提高的針對鋰離子的存儲能力。但是液態(tài)的電解質(zhì)與所包含的鋰一起在活性材料的表面上堆積，并且在此被分解。在此，在那里構(gòu)成被稱作“固體電解質(zhì)相界面（Solid Electrolyte Interphase（SEI））”的層。在那里堆積的鋰對于在電極之間的鋰離子輸送不再可供使用。

在電池組電池運行中，具有作為活性材料的硅的陽極遭受體積變化。這樣的體積變化可能為直至300%。在嵌入鋰離子時，活性材料膨脹，并且在轉(zhuǎn)移鋰離子時，活性材料收縮。由這樣的體積變化決定地，可能發(fā)生活性材料的變形和在SEI中的裂紋直至SEI的剝落。隨后，通過電解質(zhì)的進一步分解隨著附加鋰的進一步堆積而構(gòu)成新的SEI。

包括陽極和陰極的這種類型的電池組電池例如由DE 10 2012 212 299 A1已知，其中所述陽極的活性材料具有硅。

US 2012/0231326 A1 公開用于電池組電池的陽極，所述陽極包含多孔硅，并且配備有涂層。所述涂層例如由碳組成。

在US 2012/0100438 A1、DE 11 2012 001 289 T5以及US 2013/0189575 A1中也公開了用于電池組電池的由多孔硅組成的陽極，所述陽極配備有由碳組成的涂層。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

建議用于電池組電池的陽極。陽極包括包含硅的活性材料。陽極也包括放電器和陽極涂層，其中陽極活性材料被施加到所述放電器上，所述陽極涂層被施加到陽極活性材料上。在此，陽極活性材料優(yōu)選地被實施為單片并且具有最大75微米的厚度。

按照本發(fā)明，施加到陽極活性材料上的陽極涂層包含石墨和粘合劑。由此，陽極涂層可以相對簡單地、即以泥漿的形式并且優(yōu)選地借助于刮板被施加到陽極活性材料上。

在陽極涂層中所包含的石墨也如活性的陽極材料那樣起作用，并且因此可以在對電池組電池充電時吸收鋰離子。

在電池組電池的第一充電過程中，尤其在陽極涂層上，構(gòu)成稱作“固體電解質(zhì)相界面（Solid Electrolyte Interphase）”（SEI）的穩(wěn)定的保護層。對于電解質(zhì)是不可通過的所述保護層阻止電解質(zhì)與陽極活性材料的硅接觸。

有利地，陽極活性材料具有多孔性。所述陽極活性材料因此是多孔的并且具有微孔。在此，陽極活性材料的微孔的最大直徑優(yōu)選地為大約50納米。由于多孔性，陽極活性材料可以在充電過程中擴張而不破壞保護層。

所述的多孔性為活性材料的體積的至少20%，優(yōu)選地在60%和80%之間。

陽極涂層中的粘合劑優(yōu)選地包含羧甲基纖維素（CMC）。陽極涂層中的粘合劑也可以包括其它的物質(zhì)、尤其苯乙烯 - 丁二烯橡膠（Styrene Butadiene Rubber（丁苯橡膠），SBR）、聚丙烯酸（Polyacrylic Acid， PAA）、聚丙烯酸鋰（Lithium Polyacrylic Acid，LiPAA）、海藻酸（Alginate）以及聚乙烯醇（PVA）。這樣的物質(zhì)的混合也是可設(shè)想的。

陽極涂層包含2%和20%之間的粘合劑成分。優(yōu)選地，粘合劑成分為5% 至10%。

陽極涂層的剩余的成分可以包括達100%的石墨。但是也可設(shè)想的是，陽極涂層的剩余的成分除了石墨外也包含導(dǎo)電炭黑。陽極涂層的剩余的成分的量比例優(yōu)選地為在100%石墨和0%導(dǎo)電炭黑直至75%石墨和25%導(dǎo)電炭黑之間。

按照本發(fā)明的一種有利的改進方案，中間層被布置在放電器和陽極活性材料之間。中間層構(gòu)成在陽極活性材料的硅和放電器之間的相對良好地導(dǎo)電的過渡。

中間層有利地包含炭黑和粘合劑。這樣地構(gòu)造的中間層提高在陽極活性材料的硅和放電器之間的附著（Haftung）。

中間層中的粘合劑優(yōu)選地包含羧甲基纖維素（CMC）。中間層中的粘合劑也可以包含其它的物質(zhì)、尤其苯乙烯 - 丁二烯橡膠（Styrene Butadiene Rubber（丁苯橡膠），SBR）、聚丙烯酸（Polyacrylic Acid， PAA）、聚丙烯酸鋰（Lithium Polyacrylic Acid，LiPAA）、海藻酸（Alginate）以及聚乙烯醇（PVA）。這樣的物質(zhì)的混合也是可設(shè)想的。

中間層包含在2%和20%之間的粘合劑成分。優(yōu)選地所述粘合劑成分為5%至10%。

也建議用于制造按照本發(fā)明的陽極的方法。在此，包含石墨和粘合劑的陽極涂層以泥漿的形式被刮（gerakelt）到包含硅的陽極活性材料上方。

陽極活性材料的制造優(yōu)選地通過首先產(chǎn)生單片晶片來進行。然后接著例如通過電化學蝕刻將多孔性引入到單片晶片中。

按照本發(fā)明的一種有利的改進方案，陽極活性材料借助于包含炭黑和粘合劑的中間層被施加到放電器上。在此，陽極活性材料借助于中間層與放電器粘合。

也建議包括至少一個按照本發(fā)明的陽極的電池組電池。

有利地，按照本發(fā)明的電池組電池在電動車輛（EV）、混合動力車輛（HEV）、插電式混合動力車輛（PHEV）、或者消費類電子產(chǎn)品中使用。消費類電子產(chǎn)品尤其可被理解為移動電話、平板PC或者筆記本電腦。

發(fā)明優(yōu)點

通過陽極的按照本發(fā)明的構(gòu)型，構(gòu)成稱作“固體電解質(zhì)相界面（Solid Electrolyte Interphase）”（SEI）的穩(wěn)定的保護層，所述保護層阻止電解質(zhì)與陽極活性材料的隨后接觸。包括所包含的微孔在內(nèi)，單片地實施的陽極活性材料的總體積在充電過程中以及在放電過程中僅無關(guān)緊要地改變。因此，陽極活性材料可以在充電過程中擴張而不破壞保護層。因此，也不形成在陽極涂層陽極活性材料之間的顯著的機械應(yīng)力。由此，在電池組電池的隨后的充電過程和放電過程中，在陽極活性材料的不可避免的變形的情況下，仍然盡可能地避免在保護層中的裂紋以及保護層的剝落。通過在陽極涂層上構(gòu)成保護層，因此實現(xiàn)陽極活性材料的鈍化，通過所述鈍化提高陽極的循環(huán)耐久性。

附圖說明

根據(jù)附圖和隨后的描述進一步闡述本發(fā)明的實施方式。

圖1示出電池組電池的示意圖，

圖2示出緊接在制造圖1中的電池組電池之后的陽極的示意性截面圖，和

圖3示出在電池組電池中的運行中圖2的陽極的示意性截面圖。

具體實施方式

在圖1中示意性地示出電池組電池2。電池組電池2包括棱柱形地、當前方形地構(gòu)造的電池殼體3。電池殼體3當前導(dǎo)電地被實施，并且例如由鋁制成。但是電池殼體3也可以由電絕緣的材料、例如塑料制成。

電池組電池2包括負端子11和正端子12。通過端子11和12可以截取由電池組電池2提供的電壓。此外，電池組電池2也可以通過端子11、12被充電。端子11、12彼此相間隔地布置在棱柱形的電池殼體3的遮蓋面處。

電極堆疊布置在電池組電池2的電池殼體3之內(nèi)，所述電極堆疊具有兩個電極、即陽極21和陰極22。所述陽極21和陰極22分別薄膜狀地被實施，并且在分離器18的中間覆層情況下堆疊成電極堆疊。也可設(shè)想的是：在電池殼體3中設(shè)置多個電極堆疊。代替電極堆疊，例如也可以設(shè)置電極線圈。

陽極21包括薄膜狀地構(gòu)造的放電器31。陽極21的放電器31導(dǎo)電地被實施，并且由金屬、例如由銅制成。陽極21的放電器31與電池組電池2的負端子11電連接。

此外，陽極21包括同樣薄膜狀地實施的陽極活性材料41。陽極活性材料41具有硅作為原材料。陽極活性材料41被實施為單片。在此，陽極活性材料41具有最大75微米的厚度。陽極活性材料41也多孔地被構(gòu)造，并且具有微孔55。陽極活性材料41的微孔55的最大直徑為大約50納米。

在制造陽極活性材料41時，例如首先產(chǎn)生單片晶片。然后接著在單片晶片中例如通過電化學蝕刻引入多孔性。

但是也可設(shè)想的是：借助于化學氣相沉積（chemical vapour deposition，CVD）制造由硅組成的單片層，并且例如通過電化學蝕刻，接著將多孔性引入到所述層中。所述方法特別適合用于制造相對薄的陽極活性材料41、尤其在小于一微米的厚度的情況下。

中間層61被布置在放電器31和陽極活性材料41之間。當前，陽極21的中間層61包括炭黑以及粘合劑。中間層61中的粘合劑包含羧甲基纖維素（CMC）。中間層61中的粘合劑也可以包含其它的物質(zhì)、尤其苯乙烯 - 丁二烯橡膠（Styrene Butadiene Rubber（丁苯橡膠），SBR）、聚丙烯酸（Polyacrylic Acid， PAA）、聚丙烯酸鋰（Lithium Polyacrylic Acid，LiPAA）、海藻酸（Alginate）以及聚乙烯醇（PVA）。這樣的物質(zhì)的混合也是可設(shè)想的。

陽極21的中間層61用于將陽極活性材料41與放電器31接觸。陽極21的中間層61保證陽極活性材料41在放電器31上的相對良好的附著。此外，通過陽極21的中間層61也形成陽極活性材料41和放電器31之間的相對良好導(dǎo)電的過渡。

陽極涂層51被施加到陽極活性材料41上。當前，陽極涂層51包括石墨以及粘合劑。導(dǎo)電性炭黑也可以被包含在陽極涂層51中。陽極涂層51中的粘合劑同樣地包含羧甲基纖維素（CMC）。陽極涂層51中的粘合劑也可以包括其它的物質(zhì)、尤其苯乙烯 - 丁二烯橡膠（Styrene Butadiene Rubber（丁苯橡膠），SBR）、聚丙烯酸（Polyacrylic Acid， PAA）、聚丙烯酸鋰（Lithium Polyacrylic Acid，LiPAA）、海藻酸（Alginate）以及聚乙烯醇（PVA）。這樣的物質(zhì)的混合也是可設(shè)想的。

因此，陽極21逐層地利用多個層來構(gòu)建，并且包括放電器31、布置在其上的中間層61、布置在其上的陽極活性材料41和布置在其上的陽極涂層51。在此，陽極涂層51朝向電池組電池2的分離器18。在此，放電器31和陽極涂層51包圍陽極活性材料41和中間層61。

陰極22包括薄膜狀地被實施的陰極活性材料42。陰極活性材料42具有鋰金屬氧化物化合物、例如鋰鈷氧化物（LiCoO₂）作為原材料。此外，陰極22包括同樣薄膜狀地構(gòu)造的放電器32。在此，陰極活性材料42和放電器32平面地彼此敷設(shè)并且相互連接。

陰極22的放電器32導(dǎo)電地被實施，并且由金屬、例如由鋁制成。陰極22的放電器32與電池組電池2的正端子12電連接。

陽極21和陰極22通過分離器18彼此分離。分離器18同樣薄膜狀地被構(gòu)造。分離器18電絕緣地被構(gòu)造，但是是離子傳導(dǎo)的、即對于鋰離子70是可通過的。

電池組電池2的電池殼體3利用液態(tài)的電解質(zhì)15或者利用聚合物電解質(zhì)填充。在此，電解質(zhì)15包圍陽極21、陰極22和分離器18。電解質(zhì)15也是離子傳導(dǎo)的。

圖2示出緊接在制造電池組電池2之后的陽極21的示意性截面圖。這意味著，尚沒有發(fā)生電池組電池2的充電過程以及放電過程。陽極21（如已經(jīng)提及的那樣）逐層地構(gòu)建，并且包括放電器31、布置在其上的中間層61、布置在其上的陽極活性材料41和布置在其上的陽極涂層51。

當前液態(tài)的電解質(zhì)15包圍陽極21。在此，電解質(zhì)15主要地接觸陽極涂層51。此外，電解質(zhì)15也滲入到陽極活性材料41的微孔55中，并且在此接觸微孔55的邊緣面。

在電解質(zhì)15中存在自由的鋰離子70。因此，自由的鋰離子70位于陽極涂層51的背離陽極活性材料41的表面處，以及也位于陽極活性材料41的微孔55中。

在電池組電池2的稍后跟隨的充電過程中，仍然自由的鋰離子70向陽極21遷移，并且嵌入到陽極活性材料41中，這也被稱作嵌鋰（Lithiierung）。在此，鋰離子70可以穿透陽極涂層51。

圖3示出在電池組電池2中在運行中圖2的陽極21的示意性截面圖。這意味著，已經(jīng)發(fā)生了電池組電池2的充電過程以及放電過程。

在陽極涂層51的表面處發(fā)生了液態(tài)電解質(zhì)15的分解，并且液態(tài)電解質(zhì)15已與所包含的鋰離子70一起在陽極涂層51的表面上堆積。因此，在陽極涂層51的表面處構(gòu)造了保護層75，所述保護層75已知為“固體電解質(zhì)相界面（Solid Electrolyte Interphase）”（SEI）。

在陽極活性材料41的微孔55的邊緣面處也發(fā)生了液態(tài)電解質(zhì)15的分解。在此，液態(tài)電解質(zhì)15與所包含的鋰離子70一起已經(jīng)在陽極活性材料41的微孔55的邊緣面上堆積。在陽極活性材料41的微孔55的邊緣面處，同樣地構(gòu)造了保護層75，所述保護層75已知為“固體電解質(zhì)相界面（Solid Electrolyte Interphase）”（SEI）。

形成的保護層75對于鋰離子70是可通過的。然而，形成的保護層75對于電解質(zhì)15是不可通過的。因此，電解質(zhì)15與陽極涂層51以及與陽極活性材料41的進一步接觸被阻止。

在電池組電池2的隨后的充電過程中，自由的鋰離子70遷移到陽極21，并且嵌入到陽極活性材料41中。陽極活性材料41在此膨脹。由于微孔55，對于陽極活性材料41膨脹存在足夠的自由空間。

因此，多孔的陽極活性材料41在嵌入鋰離子70的情況下主要在其微孔55的方向上膨脹。在此，陽極活性材料41的微孔55的直徑減小。包括所包含的微孔55在內(nèi)，單片地實施的陽極活性材料41的總體積在此僅無關(guān)緊要地改變。

因此，也不形成在陽極活性材料41和施加到陽極活性材料41上的陽極涂層51之間的顯著的機械應(yīng)力。

因此，盡可能地避免在陽極活性材料41的微孔55的邊緣面處以及在陽極涂層51的表面處保護層75的剝落以及保護層75中的裂紋。因此，在隨后的充電過程和放電過程期間維持現(xiàn)存的保護層75。

本發(fā)明不局限于這里描述的實施例和在其中強調(diào)的方面。更確切地說，在通過權(quán)利要求說明的范圍之內(nèi)，大量處于技術(shù)人員的行動（Handeln）的范疇內(nèi)的改變是可能的。