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EP4385081A2 - Method for producing partially reacted silicon for the control of the lithium intercalation capacity, for use in lithium batteries - Google Patents

Method for producing partially reacted silicon for the control of the lithium intercalation capacity, for use in lithium batteries

Info

Publication number
EP4385081A2
EP4385081A2 EP22765030.6A EP22765030A EP4385081A2 EP 4385081 A2 EP4385081 A2 EP 4385081A2 EP 22765030 A EP22765030 A EP 22765030A EP 4385081 A2 EP4385081 A2 EP 4385081A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
silicon
layer
partially reacted
lithium
metal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22765030.6A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Udo Reichmann
Marcel Neubert
Andreas KRAUSE-BADER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Norcsi GmbH
Original Assignee
Norcsi GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Norcsi GmbH filed Critical Norcsi GmbH
Publication of EP4385081A2 publication Critical patent/EP4385081A2/en
Pending legal-status Critical Current

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    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a method for producing partially reacted silicon to control the lithium storage capability for use in lithium batteries, in which a first silicon layer is deposited on a substrate and is then subjected to short-term tempering.
  • the invention also relates to an anode that is suitable for use in a lithium battery and is produced using the method according to the invention.
  • the invention also relates to the use of the method for functional layers in aluminum ion batteries and the use of the method for the production of partially reacted silicon to control the ion intercalation ability in the production of sodium and magnesium batteries.
  • Electrochemical energy storage is an essential cornerstone of an energy turnaround aimed at worldwide, in order to temporarily store the fluctuating regeneratively generated electricity and to make it available for stationary and mobile applications.
  • new materials are required in addition to the diversification of energy storage concepts.
  • these should improve the technical performance of corresponding energy storage concepts (e.g. capacity, energy density, service life), on the other hand they should also minimize the production costs.
  • the latter can be guaranteed in particular through the use of readily available chemical elements, such as silicon, for which there is already a broad technological basis.
  • Batteries are electrochemical energy stores and are divided into primary and secondary batteries.
  • Primary batteries are electrochemical power sources in which chemical energy is irreversibly converted into electrical energy. A primary battery is therefore not rechargeable. Secondary batteries, also known as accumulators, on the other hand, are rechargeable electrochemical energy stores in which the chemical reaction taking place is reversible, so that multiple use is possible. Electrical energy is converted into chemical energy when charging, and from chemical energy to electrical energy when discharging.
  • Battery is the generic term for interconnected cells.
  • Cells are galvanic units consisting of two electrodes, electrolyte, separator and cell case.
  • Figure 1 shows an exemplary structure and the function of a lithium-ion cell during the discharge process. The components of a cell are briefly explained below.
  • Each Li-ion cell 1 consists of two different electrodes 7, 9, an electrode 7 which is negatively charged when charged and an electrode 9 which is positively charged when charged. Since ions migrate from the negatively charged electrode to the positively charged electrode during energy delivery, i.e. during discharge, the positively charged electrode is called cathode 7 and the negatively charged electrode is called anode 9 .
  • the electrodes settle each composed of a current conductor 2, 8 (also called collector) and an active material applied thereto. Located between the electrodes are the ion-conducting electrolyte 4, which enables the necessary charge exchange, and the separator 5, which ensures the electrical separation of the electrodes.
  • the cathode consists, for example, of mixed oxides applied to an aluminum collector. Transition metal oxides with cobalt (Co), manganese (Mn) and nickel (Ni) or aluminum oxide (AI2O3) are the most common compounds.
  • the applied metal oxide layer serves to store the lithium ions when the cell is discharged.
  • the anode of the Li-ion cell can consist of a copper foil as the collector and a layer of carbon as the active material. Natural or artificial graphite is usually used as the carbon compound because it has a low electrode potential and low volume expansion during charging and discharging. During the charging process, lithium ions are reduced and embedded in the graphite layers.
  • the cathode In lithium-ion battery designs, the cathode typically supplies the lithium atoms for charging and discharging in the anode, so the battery capacity is limited by the cathode capacity.
  • typical cathode materials previously used are e.g. B.
  • Li(Ni,Co,Mn)O2 and LiFePO. ⁇ Due to the construction of the cathode with lithium metal oxides, an increase in capacity is only possible to an insignificant extent.
  • silicon As Anode material has a high storage capacity of theoretically about 3579 mAh / g for the Li 15 Si4 phase at room temperature compared to conventional carbon-like materials such.
  • challenges in the use of silicon as anode material arise with regard to the sometimes considerable change in volume (volume contraction and expansion) of the host matrix during storage and removal of the mobile ion species during charging and discharging of corresponding energy stores.
  • the volume change is about 10% for graphite, but about 400% for silicon.
  • the change in volume of the anode material when using silicon leads to internal stresses, cracking, pulverization of the active material of the host matrix (silicon) and finally to the complete destruction of the anode.
  • Silicon can only be applied directly to metal substrates such as copper foils if there is no temperature step in the further process, as this leads to a reaction of the silicon with the metal substrate.
  • the layers in classic annealing steps react completely by forming silicides, so that they are no longer actively suitable for lithium or generally for clay storage.
  • a high layer thickness, non-conductive layers or multilayers with many interfaces are examples of how to achieve a good barrier effect even at high temperatures.
  • z. B. uses a special layer of NiSi x as a diffusion barrier, but its production involves several process steps and is therefore expensive.
  • Other suitable conductive copper diffusion barriers are, in particular, tungsten (W), tantalum (Ta) and titanium (Ti) and their conductive nitrides and silicides.
  • WO 2017/140581 A1 describes a method for producing silicon-based anodes for secondary batteries, in which a silicon (Si) layer is deposited on a metal substrate, which serves as an integrated current conductor, and is then subjected to flash lamp annealing.
  • a flashlamp process is used to rapidly and locally melt and crystallize silicon, e.g. B. for solar cells.
  • flash lamp tempering is used to the following extent: In general, crystallization of the silicon can only be brought about at approx. 700°C. After flash lamp annealing, these Si atoms are free atoms and can already at lower temperatures, from approx.
  • metal-induced crystallization This is referred to as metal-induced crystallization.
  • crystalline growth can begin after falling below the melting temperature, which can be used as a criterion for the phase transformation.
  • multi-phase silicon-metal structures can be produced which cushion the volume change brought about by delithiation and lithiation and ensure stabilization of the entire material composite.
  • the incorporation of the lithium ions in the host material z. B. understood the silicon or graphite.
  • the Si anodes that can be produced using the method known from WO 2017/140581 A1 are a mixture of silicon, pure metals and silicides if only a copper (Cu) foil is used as the substrate and on which a silicon layer is deposited, ie it a structure of copper, copper silicide and silicon is formed.
  • Cu copper
  • the advantages of Si anodes produced in this way compared to Si anodes Nanoparticles or nanowires have a high electrical conductivity compared to pure silicon and also conventional graphite, since silicides have an approx. have two orders of magnitude better electrical conductivity than graphite.
  • a disadvantage of the method described in WO 2017/140581 A1 is that as a result of the flash lamp annealing, the Si layer reacts in an uncontrolled manner to form copper silicide, with the conversion reaction always beginning at the Cu-Si layer interface. As a result of the reaction, either no silicon remains as an active material for the storage of the lithium, or if the energy input is so low, an insufficient reaction takes place and the layer is not sufficiently stable during battery operation, thus leading to a loss of battery capacity. Sufficiently thick Si layers (up to 10 pm) are necessary for a sufficient target capacity in the production of the lithium battery.
  • a method for producing partially reacted silicon would be advantageous.
  • a compromise should be found between the maximum proportion of pure silicon, in the best case amorphous or nano-crystalline, that must be available as the active material for lithium intercalation, while at the same time having a sufficient number of inactive areas to ensure stability and good electrical conductivity achieve, and with a sufficient anode layer thickness with a high proportion of silicon to ensure a high capacity.
  • the object is solved by a method according to independent claim 1 .
  • a layer of silicon, metal and/or another material is applied as a diffusion barrier, which is subjected to subsequent short-term annealing and as a result a layer of partially reacted silicon is formed.
  • the deposition and the short-term annealing are repeated once more, so that a multi-layer structure made of partially reacted silicon is formed.
  • Short-term tempering is understood to mean, in particular, flash lamp tempering and/or laser tempering.
  • the flash lamp annealing takes place with a pulse duration or annealing time in the range from 0.3 to 20 ms and a pulse energy in the range from 0.3 to 100 J/cm 2 .
  • the annealing time is adjusted from 0.01 to 100 ms by the scanning speed of the local heating site to produce an energy density of 0.1 to 100 J/cm 2 .
  • the heating ramps achieved in the short-term tempering are in the range of 10 A 4-10 A 7 K/s required for the process. Flashlamp annealing uses a spectrum in the visible wavelength range for this, whereas laser annealing uses discrete wavelengths in the infrared (TR) to ultraviolet (UV) spectrum.
  • TR infrared
  • UV ultraviolet
  • the sequence of the layers results in a total layer thickness of the multi-layer structure of typically 4-15 ⁇ m made of partially reacted silicon, which is sufficient for battery operation.
  • a layer is understood, the areas of pure silicon, in amorphous or nano-crystalline at best, and regions of corresponding silicides formed by partial to complete reaction with the metal.
  • a layer within the meaning of this invention is understood to be a layer sequence made of silicon, a metal and/or another material that serves as a diffusion barrier, which together result in a defined, partially reacted silicon layer, which is formed by short-term annealing.
  • a layer is therefore a layer sequence that results in a defined, partially reacted silicon/silicide layer.
  • the diffusion barrier limits the amount of metal supplied externally, the amount of metal supplied in the layer is available for a defined reaction with the silicon supplied in this layer.
  • a silicide layer that is formed can already serve as a sufficient diffusion barrier to prevent further reaction with silicon, which means that an additional diffusion barrier made of another material that is different from the metal is not absolutely necessary. The diffusion rate of metals in silicides is then lower than in silicon.
  • Diffusion and silicide formation in a layer can be controlled with short-time annealing, so that silicide formation proceeds gradually perpendicular to the surface. This is advantageous for adhesion of the Si layer to copper foil, since silicide is partially formed and active silicon is still available.
  • Process control during short-term tempering can be improved by using suitable diffusion barriers. A time delay in diffusion Passing through a barrier allows a higher process control in the time interval of the energy input of the short-time annealing. In contrast to classic diffusion barriers, the diffusion of metal atoms should only be weakened to the extent that a significantly reduced diffusion occurs in the time window of the energy input of the short-term annealing, in contrast to the diffusion of the metal atoms in silicon. Accordingly, the design and thickness of the diffusion barrier is greatly simplified in the method according to the invention, as a result of which material and process time can be saved.
  • a suitable diffusion barrier is thus understood to be a barrier which locally weakens the diffusion, in particular of copper, during short-term annealing and inhibits silicide formation, but at the same time allows lithium to diffuse.
  • a diffusion and reaction of metal with the silicon in a flash lamp annealing by a pulse duration in the range of 0.3 to 20 ms, a pulse energy in the range of 0.3 to 100 J / cm 2 and a preheating or Cooling is controlled in the range of 4°C to 200°C of the flash lamp annealing and thus produces partially reacted silicon in every layer.
  • laser annealing is used as short-term annealing
  • diffusion and reaction of metal with the silicon is achieved by an annealing time in the range of 0.01 to 100 ms by setting a scanning speed of a local heating point and an energy density in the range of 0.1 up to 100 J/cm 2 as well as preheating or cooling in the range of 4 °C to 200 °C of the laser annealing is controlled and thus partially reacted silicon is produced in every layer.
  • External cooling has the effect that the cooling of the substrate is better controlled. Otherwise, undesirable reactions outside the annealing area can occur.
  • the metal can be the copper from a copper substrate on which the multilayer structure for producing the active layer of an anode for lithium batteries is deposited.
  • the diffusion of copper in a silicon layer can be controlled by the adjustable pulse duration, pulse energy and preheating or cooling of the flash lamp tempering. A gradual course without a complete reaction of the layer is possible.
  • a high concentration of copper can be measured in the area of the Cu foil, which gradually disappears up to the surface of the deposited layer.
  • a large part has reacted to form copper silicide.
  • a chemical reaction takes place in the border area, which greatly improves the adhesion of the layer.
  • a single-layer Si layer treated with short-term annealing shows a greatly improved cycle stability with almost the same utilization of the Li storage capacity compared to untreated layers.
  • a cycle is a complete charging and discharging of a battery understood. The lifespan of a battery is linked to the number of cycles.
  • the disadvantage is that subsequent annealing steps allow the layer to continue to react and the structure is therefore limited to one annealing step or only a few layers. This disadvantage can be circumvented or adapted to the target thickness of the overall layer by using suitable diffusion barriers as intermediate layers. Suitable copper diffusion barriers are listed below.
  • a diffusion and reaction of metal from the substrate with the silicon is controlled by a previously applied diffusion barrier.
  • a diffusion barrier can be applied as the first layer on the substrate. This has a sufficient barrier effect, so that z. B. in a flash lamp annealing by the flash energy, the flash duration or minimal thickness adjustments of the diffusion barrier layer, the diffusion and reaction of the metal atoms from the substrate with the silicon can be controlled.
  • the layers are deposited by means of physical vapor deposition, e.g. B. sputtering or evaporation or by means of chemical vapor deposition.
  • planar deposition by z. B. sputtering or evaporation or by means of chemical vapor deposition allows the layered introduction of diffusion barriers without Extra effort.
  • diffusion barriers for classic annealing processes there are only lower requirements for the diffusion barriers in short-term annealing, the diffusion only has to be sufficiently impeded instead of being completely prevented, as described above.
  • the thinnest barriers of suitable elements and compounds, such as carbon, nitrides, oxides, metals are sufficient to enable stable process control in the method according to the invention (stable process window).
  • annealing steps are possible with only a small change in the layer structure.
  • a layer in the method according to the invention is understood synonymously for a layer stack made of Si, metal and/or a diffusion barrier made of another material; a layer in the sense of the invention thus consists of sub-layers of a layer stack. Several layers form a multi-layer structure.
  • the diffusion barriers are made of one of the materials titanium (Ti), nickel (Ni), aluminum (Al), tin (Sn), gold (Au), silver (Ag), molybdenum (Mo), tungsten (W), carbon (C) and / or mixtures of these materials applied.
  • a volume expansion of the silicon in each layer of the multilayer structure is controlled by the partially reacted silicon, with a gradual progression from a high silicide concentration on the side of the multilayer structure facing the substrate to a low silicide concentration on the the side of the multilayer structure facing away from the substrate is set.
  • the gradual progression is gradually approximated by the multi-layer structure.
  • a reaction of metal and silicon to form silicide is controlled across layers by introducing diffusion barriers into a layer to be deposited, and the frequency of short-term annealing can be reduced as the number of layers increases.
  • a diffusion barrier is inserted after each layer of silicon. This corresponds to the AND link in independent claim 1. It is thus possible to reduce the energy input by reducing the number of short-term temperings. In this way, a gradual structure can also be generated and produced by a maximum possible sequence of layers with only a short-term tempering at the end of the multi-layer structure.
  • an adjustable amount of metal in particular copper, nickel, aluminum, titanium, magnesium and/or tin, is inserted into each layer of silicon, metal and diffusion barrier to be deposited in order to produce partially reacted silicon in the entire multilayer structure.
  • the goal and benefit of an adjustable amount of metal in each layer of the Adding to multilayer construction is the creation of a conductive matrix in which silicon is embedded. Furthermore, it serves to increase the conductivity of silicon as a dopant. As a side effect of the partial reaction with silicon to form a non-lithium-reactive silicide/composite, there is a reduction in the lithium storage capacity, but this reduces the critical volumetric expansion of silicon during lithium incorporation.
  • the first deposited layer of silicon, metal and/or diffusion barrier on the substrate is treated with short-term annealing, there may be no copper from the substrate available for a subsequently deposited layer to form silicide.
  • the adjustable amount of a metal especially Cu, Ni, Al, Ti, Mg and/or Sn, is added to ensure partially reacted silicon in each layer in a variety of layers.
  • the amount of metal can be varied based on the amount of Si to also produce a gradual build up.
  • the short-term annealing takes place after one or more layers have been deposited in order to ensure a reaction in these layers.
  • Nickel for example, can be deposited as the metal. Nickel reacts with silicon to form nickel silicide and at the same time represents a diffusion barrier for copper. This means that the manufacturing process can be simplified with fewer individual steps. A gradual build-up of a partially reacted silicon layer can also be realized with nickel.
  • the multiple short-term annealing allows the build-up of thick layers of an active layer with silicon for a high ability to store lithium.
  • the control of Diffusion with the help of the layer structure enables completely new variants of the layer structure.
  • Any functional layers can be built up and specifically adjusted to the properties required for stable battery operation through short-term tempering.
  • the diffusion of Cu in silicon can be inhibited by means of sputtered carbon, whereas deposited CuaSi can also increase the diffusion of Cu in silicon.
  • Optimizations for other purposes such as other types of batteries (aluminum ion batteries (Al), sodium (Na) or magnesium (Mg) batteries, etc.) as well as thermoelectrics are also possible due to the high flexibility.
  • the method according to the invention can therefore advantageously be used to produce functional layers in an aluminum ion battery, for thermoelectrics and/or for sodium or magnesium batteries.
  • the multiple short-term tempering enables a targeted addition of metal, e.g. B. copper into the silicon, so that layers with defined concentrations can be produced by targeted silicide formation and the storage capacity of lithium in silicon can be adjusted.
  • metals e.g. B. copper into the silicon
  • Other metals such as Ti, Ni, Sn, Al, W, Mo, C or mixtures of these are possible depending on the requirements. A gradual build-up layer by layer is therefore possible.
  • the anode is suitable for use in a lithium battery and is manufactured using the method according to the method claims.
  • the anode according to the invention has a current collector, preferably made of copper and a multilayer structure deposited on the current collector, which forms an active layer of the anode, the multilayer structure comprising at least a first partially reacted silicon layer consisting of silicon, a metal and/or another material, which is subjected to short-term annealing, and a second partially reacted silicon layer , which consists of silicon, a metal and/or another material, which is also subjected to short-term annealing.
  • the first applied silicon layer with subsequent short-term annealing can advantageously function as an adhesive layer by completely reacting the first silicon layer with the copper of the current collector to form copper silicide, thereby reducing the roughness of the current collector, e.g. B. a Cu foil, is increased, a high adhesion is produced and the silicon layer reacted with the copper serves as an adhesive layer for the further layer structure.
  • the copper silicide layer has reacted completely, so that the applied diffusion barrier consists of another material, e.g. B. made of carbon also guarantees a sufficiently stable diffusion barrier during the subsequent process steps.
  • This diffusion barrier is necessary in order to prevent the reaction of silicon in copper to form copper silicide during a further short-term annealing, in particular flash lamp annealing and/or laser annealing.
  • the subsequently sequentially applied further Si, metal and/or diffusion barrier layers made of a further material are stabilized by a further short-time annealing.
  • the anode according to the invention for a lithium battery has a high Storage capacity of up to 4mAh/cm 2 or up to 6mAh/cm 2 .
  • volume expansion of the silicon of the multilayer structure can be controlled by the partially reacted silicon layer when lithium is embedded, with a gradual progression from a high silicide concentration on the side of the active layer facing the current collector to a low silicide concentration on the side of the active layer facing away from the current collector Side of the active layer of the anode is formed and due to the proportion of metal in the multilayer structure, a high electrical conductivity is formed in the active layer of the anode.
  • Good electrical conductivity is understood to mean a specific resistance in the graphite range of 3*10 -3 ohm cm, high conductivity is understood to be a specific resistance lower than that of graphite up to pure copper silicides of (10 to 50)*10 -6 ohm cm understood .
  • the gradual progression of a layer is gradually approximated by the multi-layer structure.
  • a possible final reaction of Si with the metal present, e.g. B. copper is sought.
  • the concentration of copper is reduced with each layer, and the last layer is almost ( ⁇ 5%) copper-free silicon.
  • the amount of metal which in particular can be copper, nickel, aluminum, titanium, magnesium and/or tin, can be adjusted in each deposited layer of silicon, metal and diffusion barrier in order to produce partially reacted silicon in the entire multilayer structure.
  • the aim and the advantage of being able to adjust the amount of metal added to each layer of the multilayer structure is the creation of a conductive matrix in which silicon is embedded.
  • the set amount of metal serves to increase the conductivity of silicon as a dopant.
  • the further material forms a diffusion barrier, the diffusion barrier being made from one of the following materials: titanium (Ti), nickel (Ni), aluminum (Al), tin (Sn), gold (Au), silver (Ag) , Molybdenum (Mo), tungsten (W), carbon (C) and their nitrides and silicides and / or mixtures of these materials is formed.
  • the anode according to the invention can have a diffusion barrier after each layer of silicon. This makes it possible to reduce the energy input by reducing the number of short-term temperings during the production of the anode. A gradual build-up of the active layer of the anode can also be produced by a maximum possible sequence of layers with only one short-time tempering.
  • nickel can be used as a diffusion barrier. Nickel reacts with silicon to form nickel silicide and at the same time represents a diffusion barrier for copper. An anode constructed in this way can be manufactured in fewer individual steps.
  • the anode has a gradual profile of a metal concentration from a high concentration on the side of the active layer facing the current collector to a low concentration on the side of the active layer of the anode facing away from the current collector.
  • the non-active area in the heterogeneous structure of the overall layer includes at least the concentration of a copper-3-silicide (CuaSi) through CuSi to pure copper. Below the concentration of CuaSi one speaks of a silicon with a high to very high copper concentration. The typical value of metallurgical silicon with ⁇ 3% metal is understood as the lower limit for silicon with a high metal concentration. A value of less than 0.1% metal in silicon is referred to as silicon with a low metal concentration.
  • the anode has a gradual progression of a metal concentration in one layer of the multilayer structure, areas with a high silicide concentration forming adhesion and stability of the active layer and areas with a low silicide concentration and high Proportion of silicon have a high lithium storage capacity.
  • a high silicide concentration means a proportion of more than 50% silicide-capable, whereas a low silicide concentration means a proportion of less than 10% silicide-capable.
  • the drawings show 1 exemplary structure and function of a lithium ion cell during the discharging process
  • FIG. 6 shows a schematic representation of the gradual progression of the silicon concentration or metal concentration or silicide concentration on a copper substrate: a) within a single layer; b) without and c) with diffusion barriers between the individual layers;
  • Fig.7 SEM image of a multilayer structure without diffusion barriers.
  • FIG. 2b shows the influence of the short-term annealing, in particular flash lamp annealing, on the silicide formation in a layer system made of copper and silicon. Due to the very short lightning pulse in the range of 0.1 to 10 ms, the silicon does not react completely with the copper to form copper silicide. Flashlamp annealing leaves pure amorphous or nano-crystalline silicon available as the active material for lithium intercalation, with sufficient inactive areas to ensure stability and good electrical conductivity.
  • FIG. 3a shows the method steps according to the invention in a flow chart
  • FIG. 3b shows the sequence of the method steps based on the anode structure produced in comparison to a classic furnace process in the left-hand part of FIG. 3c).
  • a substrate 14, which also serves as a current collector in a LIB (lithium-ion battery) undergoes a pre-cleaning 13 under vacuum conditions in a plasma atmosphere. This cleaning is necessary because an oxidation layer 15 forms on the substrate 14 in air, which causes a reaction between a subsequently applied silicon layer 16 and the copper substrate 14 during flash lamp annealing (FLA - flash lamp annealing ) would prevent and the silicon layer 16 would thus not adhere to the Cu substrate.
  • This first silicon layer 16 reacts with the Cu substrate 14 in a transition region to copper silicide 17, thereby reducing the roughness of the substrate 14, e.g. B. a Cu foil, is increased and the reacted with the copper silicon layer serves as a kind of adhesive layer for the further layer structure.
  • the copper silicide layer 17 is completely inactive in a battery, so that in a subsequent step a diffusion barrier 18, e.g. B. is applied from carbon.
  • This diffusion barrier 18 is necessary in order to prevent the reaction of silicon in copper to form copper silicide during further flash lamp annealing.
  • Further Si layers 19 can then be applied sequentially, the layers, which are each formed from silicon and a diffusion barrier layer, being stabilized by flash lamp annealing 11 .
  • the advantage of the repeated Si deposition and subsequent flash lamp annealing 11 is that with each sequence a stable ("reacted") layer forms with a closed interface, which acts as an intermediate layer (interface) for the subsequent layers.
  • This is advantageous for the adhesion of the Si layer on copper foil, since copper silicide is partially formed and active silicon is still available.
  • the method according to the invention described thus additionally causes a roughening of the surface, so that good adhesion is produced for further layers.
  • the growth of columnar structures is also promoted, so that better ion conductivity is achieved and the copper content for subsequent processes can be well controlled.
  • the diffusion and silicide formation in a layer can be controlled so that a gradual course of silicide formation occurs perpendicular to the surface leaves. This is shown in FIG. 3c) in comparison to a classic furnace process.
  • the Cu substrate 14 with the deposited Si layers 16, 19 and the diffusion barrier 18 is heated in a furnace process.
  • the diffusion barrier 18 made of carbon or nickel, for example, does not have a sufficient barrier effect, so that all of the silicon reacts with the copper to form copper silicide 17.
  • the situation is different with short-term tempering of the layer using a flash lamp or laser.
  • process control during flash lamp or laser annealing can be greatly improved.
  • the copper silicide formation can be gradually adjusted by adjusting the flashlamp energy, the flashlamp duration or the annealing time, by adjusting a scanning speed of a local heating spot and an energy density using a laser and/or by minimally adjusting the thickness of the deposited silicon layer or diffusion barrier, this is in Fig. 3c) shown on the right side.
  • the use of diffusion barriers 18 in connection with the short-term annealing, in particular flash lamp annealing and/or laser annealing 11 is suitable for controlling the ion incorporation in the manufacture of batteries.
  • FIG. 4a shows a single layer 21 made of a copper or generally metal layer 20, a silicon layer 16 and a diffusion barrier 18.
  • Each layer 21 can be treated with a short-term tempering 11, so that the silicon 16 and converting the metal 20 to a silicide 17, with the adjustment of the parameters of the short-time annealing process 11 forming a gradual course of the silicide/silicon concentration in a layer.
  • Several layers 21 form a multi-layer structure 22.
  • the gradual progression of the silicide/silicon concentration in a layer 21 can be set on the one hand by the selected process parameters of the short-time annealing process 11 and on the other hand by the thickness of the deposited diffusion barrier 18. This is shown schematically in FIG. 4b).
  • a low gradient means that the concentration of silicide in a layer or in the active layer of the anode gradually increases from the side of the layer/active layer facing the current collector to the side of the layer/active layer facing away from the current collector decreases.
  • a high gradient means the silicide concentration decreases rapidly. If the thickness of the diffusion barrier 18 is increased with the short-term annealing process parameters remaining the same, the gradient within the deposited layer increases, since fewer metal atoms can diffuse through the diffusion barrier 18 into the deposited layer during the short-term anneal, i.e. the concentration decreases over a shorter distance perpendicular to the Layer surface/active layer .
  • a high silicide concentration forms on the underside of the layer, which rapidly decreases, with only silicon still being present on the upper side, ie the side of the layer/active layer facing away from the current collector.
  • the pure silicon is available for lithium intercalation, while silicide formation increases electrical conductivity.
  • the gradual course z. B. the copper concentration in a silicon layer with a copper layer is set by adjusting the pulse duration, the preheating or cooling of the layer structure and a layer thickness of the deposited layers, d. H. by adjusting the energy input (over time and temperature) and the thickness ratio of the silicon layer to the copper layer, whereby the average reaction depth e (diffusion length) should be smaller than the layer thickness of the silicon layer in order to provide enough unreacted silicon for lithium intercalation.
  • FIG. 5 shows the schematic representation of the multilayer structure as the active layer of the anode according to the invention in different exemplary embodiments.
  • Fig. 5a there is a layer 21 of silicon 16, 19, metal 20, 23 and a diffusion barrier 18. This is subjected to short-term tempering 11.
  • Several layers 21 and several Kurzzeittemperept 11 form a multi-layer structure 22, the layers by a diffusion barrier 18, z. B. of carbon are separated, and wherein additional metal 20 is introduced into the further layers.
  • Each layer is then subjected to short-term tempering 11 .
  • the gradual course of the silicide concentration within each layer is clearly recognizable starting from layer metal 20.
  • FIG. 5b shows, in addition to FIG. B. made of carbon.
  • another layer of metal 23 e.g. B. Aluminum introduced. This allows the gradual course and the metal/silicon reaction to be further refined in each layer.
  • FIG. 5c shows the same structure of a multilayer structure 22 as in FIG. 5b), with the difference that no diffusion barriers 18 separate the individual layers 21 in the multilayer structure 22 from one another.
  • the gradation is controlled by the thickness of the metal layers 20 and 23 inserted.
  • An SEM image showing an exemplary structure made of Si/Cu/Si/Al/Si/Cu/Si/Al/Si is shown in FIG. 5d).
  • the intermediate layers are no longer clearly visible; after a flash lamp anneal, the copper reacts with the silicon to form CuSi x , which can be seen as broad bright areas.
  • the aluminum "dissolves" in silicon.
  • the result is a highly conductive, multi-part, stable multi-layer structure with a high proportion of silicon, i.e. high battery capacity
  • Copper substrate 14 has formed an adhesion layer 24 of CuSi x with carbon which provides continuity of electrical contact.
  • Figure 6 shows the schematic representation of the generation of a gradual profile of the silicon concentration or metal concentration or silicide concentration on a copper substrate:
  • Fig. 6a shows a single layer of silicon with a Si thickness in which the reaction of silicon and metal to form a Silicide is still controllable through the choice of flashlamp process parameters. The layer thickness here is limited to the maximum thickness of silicon that is process-technically stable before flash lamp annealing, typically Ipm.
  • Fig. 6b) shows the generation of the gradual curve starting from a copper substrate with a single layer of silicon, which after flash lamp annealing 11 has completely reacted to form a copper silicide (Fig. 6b-1), then an additional silicon layer 19 is deposited (Fig.
  • FIG. 6c) shows the generation of a gradual progression of the silicon concentration or metal concentration or silicide concentration on a copper substrate with diffusion barriers 18, several silicon layers 19 and flash lamp annealing 11 between the individual layers.
  • the reaction and the degree as well as the amount of silicidation can be adjusted in any position compared to FIG. 6b). control much more specifically in order to create a gradual build-up.
  • the concentration of silicon increases and the concentration of silicide decreases.
  • the gradients can be specifically adjusted starting from one or more layers of silicon.
  • the multi-layer structure from FIGS. 6b)-4 and FIG. 6c)-3 has the advantage of better control of the transition from silicide
  • FIG. 7 shows an SEM image of a multilayer structure 22 made of Si/Cu/Si/Cu etc. without diffusion barriers 18 between the individual layers. Only a thin diffusion barrier was applied to the substrate as an adhesive layer.

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Abstract

The invention relates to a method for producing partially reacted silicon for the control of the lithium intercalation capacity, for use in lithium batteries, wherein a first silicon layer is deposited on a substrate, the first silicon layer subsequently being subjected to rapid thermal processing. The invention also relates to an anode thereby produced. The problem addressed by the present invention of specifying a method that allows control of the capacity of ion intercalation into functional layers for battery production is solved in that a layer of silicon, metal and/or another material is applied as a diffusion barrier, which is subjected to subsequent rapid thermal processing, and partially reacted silicon is formed. (The structure of the diffusion barrier makes the diffusion barrier permeable to lithium.)

Description

Verfahren zur Herstellung von teilreagiertem Silizium zur Kontrolle der Lithium-Einlagerungsfähigkeit zur Verwendung in Lithium-Batterien Process for preparing partially reacted silicon for controlling lithium storage ability for use in lithium batteries

Die Erfindung betri f ft ein Verfahren zur Herstellung von teilreagiertem Sili zium zur Kontrolle der Lithium- Einlagerungs fähigkeit zur Verwendung in Lithium-Batterien, bei dem auf einem Substrat eine erste Sili ziumschicht abgeschieden wird, die anschließend einer Kurz zeittemperung unterzogen wird . The invention relates to a method for producing partially reacted silicon to control the lithium storage capability for use in lithium batteries, in which a first silicon layer is deposited on a substrate and is then subjected to short-term tempering.

Die Erfindung betri f ft auch eine Anode , die für den Einsatz in einer Lithium-Batterie geeignet ist und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird . The invention also relates to an anode that is suitable for use in a lithium battery and is produced using the method according to the invention.

Die Erfindung betri f ft ebenso die Verwendung des Verfahrens für funktionale Schichten in Aluminium- Ionen-Batterien, sowie die Verwendung des Verfahrens zur Herstellung von teilreagiertem Sili zium zur Kontrolle der lonen- Einlagerungs f ähigkeit bei der Herstellung von Natrium- und Magnesium-Batterien . The invention also relates to the use of the method for functional layers in aluminum ion batteries and the use of the method for the production of partially reacted silicon to control the ion intercalation ability in the production of sodium and magnesium batteries.

Die elektrochemische Energiespeicherung ist ein wesentlicher Grundpfeiler einer weltweit angestrebten Energiewende , um den fluktuierenden regenerativ erzeugten Strom zwischenzuspeichern sowie für stationäre und mobile Anwendungen bereitzustellen . Um einer rohstof fbedingten Verknappung und damit einer Erhöhung der Kosten für insbesondere Sekundärbatterien entgegenzuwirken, bedarf es neben der Diversi fi zierung der Energiespeicherkonzepte auch neuer Materialien . Diese sollten einerseits die technische Performance entsprechender Energiespeicherkonzepte verbessern (u . a . Kapazität , Energiedichte , Lebensdauer ) , andererseits auch die Herstellungskosten minimieren . Letzteres kann insbesondere durch die Verwendung von gut verfügbaren chemischen Elementen, wie es das Sili zium darstellt , für das bereits eine breite Technologiebasis besteht , gewährleistet werden . Electrochemical energy storage is an essential cornerstone of an energy turnaround aimed at worldwide, in order to temporarily store the fluctuating regeneratively generated electricity and to make it available for stationary and mobile applications. In order to counteract a shortage of raw materials and thus an increase in costs, especially for secondary batteries, new materials are required in addition to the diversification of energy storage concepts. On the one hand, these should improve the technical performance of corresponding energy storage concepts (e.g. capacity, energy density, service life), on the other hand they should also minimize the production costs. The latter can be guaranteed in particular through the use of readily available chemical elements, such as silicon, for which there is already a broad technological basis.

Batterien sind elektrochemische Energiespeicher und werden in Primär- und Sekundärbatterien unterschieden . Batteries are electrochemical energy stores and are divided into primary and secondary batteries.

Primärbatterien sind elektrochemische Stromquellen, bei denen chemische Energie irreversibel in elektrische Energie umgewandelt wird . Eine Primärbatterie ist somit nicht wiederaufladbar . Sekundärbatterien, auch Akkumulatoren genannt , hingegen sind wieder aufladbare elektrochemische Energiespeicher, bei denen die ablaufende chemische Reaktion umkehrbar ist , so dass eine Mehrfachnutzung möglich ist . Elektrische Energie wird beim Laden in chemische Energie , beim Entladen wiederum von chemischer in elektrische Energie umgewandelt . Primary batteries are electrochemical power sources in which chemical energy is irreversibly converted into electrical energy. A primary battery is therefore not rechargeable. Secondary batteries, also known as accumulators, on the other hand, are rechargeable electrochemical energy stores in which the chemical reaction taking place is reversible, so that multiple use is possible. Electrical energy is converted into chemical energy when charging, and from chemical energy to electrical energy when discharging.

Batterie ist der Oberbegri f f für zusammengeschaltete Zellen . Zellen sind galvanische Einheiten, die aus zwei Elektroden, Elektrolyten, Separator und Zellgehäuse bestehen . Figur 1 zeigt einen beispielhaften Aufbau und die Funktion einer Lithium- Ionen-Zelle beim Entladevorgang . Die Bestandteile einer Zelle werden nachfolgend kurz erläutert . Battery is the generic term for interconnected cells. Cells are galvanic units consisting of two electrodes, electrolyte, separator and cell case. Figure 1 shows an exemplary structure and the function of a lithium-ion cell during the discharge process. The components of a cell are briefly explained below.

Jede Li- Ionen-Zelle 1 besteht aus zwei unterschiedlichen Elektroden 7 , 9 , einer im geladenen Zustand negativ geladenen Elektrode 7 und einer im geladenen Zustand positiv geladenen Elektrode 9 . Da bei der Energieabgabe , also bei der Entladung, Ionen von der negativ geladenen Elektrode zur positiv geladenen Elektrode wandern, wird die positiv geladene Elektrode Kathode 7 und die negativ geladene Elektrode Anode 9 genannt . Die Elektroden setzen sich jeweils aus einem Stromableiter 2, 8 (auch Kollektor genannt) und einem darauf aufgebrachten Aktivmaterial zusammen. Zwischen den Elektroden befinden sich zum einen der ionenleitende Elektrolyt 4, der den notwendigen Ladungsaustausch ermöglicht, und der Separator 5, der die elektrische Trennung der Elektroden gewährleistet. Each Li-ion cell 1 consists of two different electrodes 7, 9, an electrode 7 which is negatively charged when charged and an electrode 9 which is positively charged when charged. Since ions migrate from the negatively charged electrode to the positively charged electrode during energy delivery, i.e. during discharge, the positively charged electrode is called cathode 7 and the negatively charged electrode is called anode 9 . The electrodes settle each composed of a current conductor 2, 8 (also called collector) and an active material applied thereto. Located between the electrodes are the ion-conducting electrolyte 4, which enables the necessary charge exchange, and the separator 5, which ensures the electrical separation of the electrodes.

Die Kathode besteht beispielsweise aus Mischoxiden, die auf einem Aluminiumkollektor aufgebracht sind. Übergangsmetalloxide mit Cobalt (Co) , Mangan (Mn) und Nickel (Ni) oder Aluminiumoxid (AI2O3) sind dabei die gängigsten Verbindungen. Die aufgebrachte Metalloxidschicht dient bei der Entladung der Zelle zur Einlagerung der Lithium-Ionen. The cathode consists, for example, of mixed oxides applied to an aluminum collector. Transition metal oxides with cobalt (Co), manganese (Mn) and nickel (Ni) or aluminum oxide (AI2O3) are the most common compounds. The applied metal oxide layer serves to store the lithium ions when the cell is discharged.

Die Anode der Li-Ionen-Zelle kann aus einer Kupferfolie als Kollektor und einer Schicht aus Kohlenstoff als Aktivmaterial bestehen. Als Kohlenstoffverbindung wird in der Regel natürlicher oder künstlicher Graphit verwendet, da er ein niedriges Elektrodenpotential besitzt und eine geringe Volumenausdehnung beim Lade- und Entladevorgang aufweist. Während des Ladevorgangs werden Lithium-Ionen reduziert und in die Graphitschichten eingelagert. The anode of the Li-ion cell can consist of a copper foil as the collector and a layer of carbon as the active material. Natural or artificial graphite is usually used as the carbon compound because it has a low electrode potential and low volume expansion during charging and discharging. During the charging process, lithium ions are reduced and embedded in the graphite layers.

In Aufbauten für Lithium-Ionen-Batterien liefert typischerweise die Kathode die Lithiumatome zum Laden und Entladen in der Anode, die Batteriekapazität ist daher limitiert durch die Kathodenkapazität . Wie bereits erwähnt, sind typische bisher verwendete Kathodenmaterialien z. B.In lithium-ion battery designs, the cathode typically supplies the lithium atoms for charging and discharging in the anode, so the battery capacity is limited by the cathode capacity. As already mentioned, typical cathode materials previously used are e.g. B.

Li (Ni, Co, Mn) O2 und LiFePO.}. Aufgrund des Aufbaus der Kathode durch Lithium-Metalloxide ist eine Steigerung der Kapazität nur unwesentlich möglich. Li(Ni,Co,Mn)O2 and LiFePO.}. Due to the construction of the cathode with lithium metal oxides, an increase in capacity is only possible to an insignificant extent.

Es ist auch bekannt, bei Li-Batterie-Anoden anstelle Kohlenstoff Silizium zu verwenden. Silizium als Anodenmaterial weist eine hohe Speicherkapazität von theoretisch ca. 3579 mAh/g für die Li15Si4-Phase bei Raumtemperatur gegenüber den herkömmlichen kohlenstoff artigen Materialien, wie z. B. Graphit mit einer Speicherkapazität von 372 mAh/g, auf. Herausforderungen bei der Nutzung von Silizium als Anodenmaterial ergeben sich jedoch hinsichtlich der zum Teil erheblichen Volumenänderung (Volumenkontraktion und -expansion) der Wirtsmatrix während der Einlagerung und der Auslagerung der mobilen lonenspezies bei Aufladung und Entladung entsprechender Energiespeicher. Die Volumenänderung liegt für Graphit bei ca. 10%, für Silizium dagegen bei ca. 400%. Die Volumenänderung des Anodenmaterials bei Verwendung von Silizium führt zu inneren Spannungen, Rissbildung, Pulverisierung des aktiven Materials der Wirtsmatrix (Silizium) und schließlich zur kompletten Zerstörung der Anode. It is also known to use silicon instead of carbon in Li battery anodes. silicon as Anode material has a high storage capacity of theoretically about 3579 mAh / g for the Li 15 Si4 phase at room temperature compared to conventional carbon-like materials such. B. graphite with a storage capacity of 372 mAh / g. However, challenges in the use of silicon as anode material arise with regard to the sometimes considerable change in volume (volume contraction and expansion) of the host matrix during storage and removal of the mobile ion species during charging and discharging of corresponding energy stores. The volume change is about 10% for graphite, but about 400% for silicon. The change in volume of the anode material when using silicon leads to internal stresses, cracking, pulverization of the active material of the host matrix (silicon) and finally to the complete destruction of the anode.

Silizium kann nur direkt auf Metallsubstrate wie Kupferfolien aufgebracht werden, wenn im weiteren Prozess kein Temperaturschritt erfolgt, da dieser zu einer Reaktion des Siliziums mit dem Metallsubstrat führt. Die Schichten in klassischen Temperschritten reagieren komplett durch Bildung von Siliziden, so dass sie nicht mehr aktiv zur Lithium bzw. allgemein zur Tonen-Einlagerung geeignet sind. Silicon can only be applied directly to metal substrates such as copper foils if there is no temperature step in the further process, as this leads to a reaction of the silicon with the metal substrate. The layers in classic annealing steps react completely by forming silicides, so that they are no longer actively suitable for lithium or generally for clay storage.

Die Diffusion von Metallen in Silizium sowie die Reaktion von Silizium mit Metallen ist stark zeit- und temperaturabhängig. Bei schon geringen Temperaturen ab 200°C wird mit vielen Metallen ein Metallsilizid gebildet, dass eine, keine oder nur eine sehr geringe reversible Lithium Einlagerungsfähigkeit besitzt. Die Diffusion von Metallen erfolgt schon bei Raumtemperatur und mit erhöhter Temperatur sehr schnell und kann in klassischen Ofenprozessen nur schwer kontrolliert werden. Am Beispiel von Kupfer ist nach spätestens 1s bei 600°C eine komplette Schicht Silizium durchreagiert (siehe Fig. 2a) . Die Diffusion und Reaktion können durch den Einbau von Diffusionsbarrieren verzögert werden. Da typische Ofenprozesse jedoch sehr träge im Vergleich zur Diffusionsgeschwindigkeit sind, sind die Anforderungen an die Diffusionsbarrieren sehr hoch. Eine hohe Schichtdicke, nichtleit fähige Schichten oder Multilagen mit vielen Grenzflächen sind Beispiele, um eine gute Barrierewirkung auch bei hohen Temperaturen zu erreichen. In der Halbleiterindustrie wird für die Metallisierung mit Kupfer z. B. eine spezielle Lage NiSix als Diffusionsbarriere verwendet, deren Herstellung aber mehrere Prozessschritte umfasst und daher aufwendig ist. Weitere geeignete leitfähige Kupferdiffusionsbarrieren sind insbesondere Wolfram (W) , Tantal (Ta) und Titan (Ti) und deren leitfähige Nitride und Silizide. The diffusion of metals in silicon and the reaction of silicon with metals is strongly dependent on time and temperature. At temperatures as low as 200°C, a metal silicide is formed with many metals that has one, no or only a very low reversible lithium intercalation capacity. The diffusion of metals takes place very quickly even at room temperature and at elevated temperatures and can only be achieved in classic furnace processes difficult to control. Using the example of copper, a complete layer of silicon has fully reacted after 1s at the latest at 600° C. (see FIG. 2a). Diffusion and reaction can be delayed by installing diffusion barriers. However, since typical furnace processes are very sluggish compared to the diffusion rate, the requirements for the diffusion barriers are very high. A high layer thickness, non-conductive layers or multilayers with many interfaces are examples of how to achieve a good barrier effect even at high temperatures. In the semiconductor industry z. B. uses a special layer of NiSi x as a diffusion barrier, but its production involves several process steps and is therefore expensive. Other suitable conductive copper diffusion barriers are, in particular, tungsten (W), tantalum (Ta) and titanium (Ti) and their conductive nitrides and silicides.

In der WO 2017/140581 Al ist ein Verfahren zur Herstellung von auf Silizium basierenden Anoden für Sekundärbatterien beschrieben, bei dem auf einem Metallsubstrat, das als integrierter Stromableiter dient, eine Silizium- (Si) -Schicht abgeschieden und anschließend einer Blitzlampentemperung unterzogen wird. In der Regel wird ein Blitzlampenprozess verwendet, um schnell und lokal Silizium zu schmelzen und zu kristallisieren, z. B. für Solarzellen. Das ist aber nicht das Ziel des in der WO 2017/140581 Al beschriebenen Verfahrens. Vielmehr wird die Blitzlampentemperung folgender Maßen eingesetzt: Im Allgemeinen kann eine Kristallisation des Siliziums erst bei ca. 700°C herbeigeführt werden. Nach einer Blitzlampentemperung sind diese Si-Atome freie Atome und können schon bei niedrigeren Temperaturen, ab ca. 200°C, entlang der Korngrenzen des Metallsubstrates diffundieren, da an der Grenzfläche zu einem Metall die kovalente Bindung der Si-Atome abgeschwächt ist. Dies wurde bei mehreren Metall/Halbleitersystemen (z. B. Au/a-Si und Ag/a-Si) bereits gezeigt und hat sich als energetisch begünstigt erwiesen, wie in der Druckschrift Z. M. Wang, J. Y. Wang, L. P. H. Jeurgens, E. J. Mittemeijer: Thermodynamics and mechanism of metal-induced crystallization in immiscible alloy Systems: Experiments and calculations on AI/a-Ge and Al/a-Si bilayers, Physical Review B 77, 045424 (2008) beschrieben ist. Darüber hinaus kann eine Kristallisation des Siliziums durch das Einbringen von Metall bei vergleichsweise niedriger Temperatur erzielt werden. Man spricht dabei von einer metall-induzierten Kristallisation. Sehr stark vereinfacht, kann das kristalline Wachstum nach Unterschreiten der Schmelztemperatur einsetzen, dies kann als Kriterium für die Phasenumwandlung genutzt werden. Mit dem in der WO 2017/140581 Al beschriebenen Verfahren lassen sich mehrphasige Silizium-Metall-Strukturen herstellen, die die durch Delithiierung und Lithiierung herbeigerufene Volumenänderung abfedern und für eine Stabilisierung des gesamten Materialverbundes sorgen. Unter der Lithiierung wird die Einlagerung der Lithium-Ionen im Wirtsmaterial, z. B. des Siliziums oder des Graphits verstanden. WO 2017/140581 A1 describes a method for producing silicon-based anodes for secondary batteries, in which a silicon (Si) layer is deposited on a metal substrate, which serves as an integrated current conductor, and is then subjected to flash lamp annealing. Typically, a flashlamp process is used to rapidly and locally melt and crystallize silicon, e.g. B. for solar cells. However, that is not the aim of the method described in WO 2017/140581 A1. Instead, flash lamp tempering is used to the following extent: In general, crystallization of the silicon can only be brought about at approx. 700°C. After flash lamp annealing, these Si atoms are free atoms and can already at lower temperatures, from approx. 200°C, diffuse along the grain boundaries of the metal substrate, since the covalent bonding of the Si atoms is weakened at the interface to a metal. This has already been demonstrated for several metal/semiconductor systems (e.g. Au/a-Si and Ag/a-Si) and found to be energetically favored, as in the paper ZM Wang, JY Wang, LPH Jeurgens, EJ Mittemeijer: Thermodynamics and mechanism of metal-induced crystallization in immiscible alloy systems: Experiments and calculations on Al/a-Ge and Al/a-Si bilayers, Physical Review B 77, 045424 (2008). In addition, the silicon can be crystallized by introducing metal at a comparatively low temperature. This is referred to as metal-induced crystallization. To put it very simply, crystalline growth can begin after falling below the melting temperature, which can be used as a criterion for the phase transformation. With the method described in WO 2017/140581 A1, multi-phase silicon-metal structures can be produced which cushion the volume change brought about by delithiation and lithiation and ensure stabilization of the entire material composite. Under the lithiation the incorporation of the lithium ions in the host material, z. B. understood the silicon or graphite.

Die mit dem aus der WO 2017/140581 Al bekannten Verfahren herstellbaren Si-Anoden sind ein Gemisch aus Silizium, reinen Metallen und Siliziden, falls nur eine Kupfer- (Cu) - Folie als Substrat verwendet und auf dem eine Siliziumschicht abgeschieden wird, d. h. es entsteht ein Gefüge aus Kupfer, Kupf ersilizid und Silizium. Die Vorteile derart hergestellter Si-Anoden gegenüber Si-Anoden aus Nanopartikeln oder -drahten sind eine hohe elektrische Leitfähigkeit gegenüber reinem Sili zium und auch konventionellem Graphit , da Sili zide eine ca . zwei Größenordnungen bessere elektrische Leitfähigkeit als Graphit aufweisen . Des Weiteren wird eine sehr gute Anhaftung zwischen der Si-Schicht als Aktivmaterial und dem Kupfersubstrat erreicht , wobei das Kupfer aus einer Kupferfolie in die abgeschiedene Si-Schicht durch die Blitzlampentemperung di f fundiert . Aufgrund der aktiven Bereiche für die Lithiumeinlagerung, die durch das reine Sili zium gebildet werden und den inaktiven Bereichen, die durch die Sili zide / Metalle in der Matrix gebildet werden, wird die bekannte nachteilige Volumenexpansion beim Laden kompensiert . Vorteilhaft ist auch, dass durch den Lagenaufbau nur eine geringe Fläche eine Grenzschicht zum Elektrolyten bildet , wobei durch die geringe Oberfläche weniger Elektrolyt Zersetzung als bei nanostrukturiertem Aktivmaterial auf tritt . The Si anodes that can be produced using the method known from WO 2017/140581 A1 are a mixture of silicon, pure metals and silicides if only a copper (Cu) foil is used as the substrate and on which a silicon layer is deposited, ie it a structure of copper, copper silicide and silicon is formed. The advantages of Si anodes produced in this way compared to Si anodes Nanoparticles or nanowires have a high electrical conductivity compared to pure silicon and also conventional graphite, since silicides have an approx. have two orders of magnitude better electrical conductivity than graphite. Furthermore, a very good adhesion between the Si layer as active material and the copper substrate is achieved, with the copper from a copper foil being grounded in the deposited Si layer by the flash lamp annealing. Due to the active areas for the lithium intercalation, which are formed by the pure silicon and the inactive areas, which are formed by the silicides/metals in the matrix, the well-known disadvantageous volume expansion during charging is compensated. It is also advantageous that due to the layer structure, only a small area forms a boundary layer to the electrolyte, with the small surface area resulting in less electrolyte decomposition than with nanostructured active material.

Ein Nachteil des in der WO 2017 / 140581 Al beschriebenen Verfahrens liegt allerdings darin, dass infolge der Blitzlampentemperung die Si-Schicht unkontrolliert zu Kupf ersili zid reagiert , wobei die Umwandlungsreaktion immer an der Grenz fläche Cu-Si-Schicht beginnt . Als Resultat der Reaktion verbleibt entweder kein Sili zium als Aktivmaterial für die Einlagerung des Lithiums oder wenn der Energieeintrag so gering ist , findet keine ausreichende Reaktion statt und die Schicht ist im Batteriebetrieb nicht hinreichend stabil und führt somit zu einem Kapazitätsverlust der Batterie . Für eine ausreichende Zielkapazität bei der Herstellung der Lithium-Batterie sind ausreichend dicke Si-Schichten (bis 10pm) notwendig . Wird die Umwandlungsreaktion Cu + Si zu Kupf ersili zid durch ein Temperverfahren, auch durch die Blitzlampentemperung, unkontrolliert in Gang gesetzt , würde dabei das gesamte Kupfersubstrat , z . B . eine Kupferfolie , mit dem Sili zium vollständig zu Kupf ersili zid reagieren und mit dem Verlust des Stromkollektors der Lithium-Batterie einhergehen . Es ist somit nicht möglich, mit dem in der WO 2017 / 140581 Al beschriebenen Verfahren stabile Strukturen und Anoden mit hoher Flächenspeicherdichte herzustellen . A disadvantage of the method described in WO 2017/140581 A1, however, is that as a result of the flash lamp annealing, the Si layer reacts in an uncontrolled manner to form copper silicide, with the conversion reaction always beginning at the Cu-Si layer interface. As a result of the reaction, either no silicon remains as an active material for the storage of the lithium, or if the energy input is so low, an insufficient reaction takes place and the layer is not sufficiently stable during battery operation, thus leading to a loss of battery capacity. Sufficiently thick Si layers (up to 10 pm) are necessary for a sufficient target capacity in the production of the lithium battery. Becomes the conversion reaction from Cu + Si to copper silicide is set in motion in an uncontrolled manner by an annealing process, including flash lamp annealing, which would damage the entire copper substrate, e.g. B. a copper foil, react with the silicon completely to form copper silicide and result in the loss of the lithium battery's current collector. It is therefore not possible to produce stable structures and anodes with a high surface storage density using the method described in WO 2017/140581 A1.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren anzugeben, das eine Kontrolle der lonen- Einlagerungs f ähigkeit in funktionale Schichten für die Batterieherstellung zulässt . Insbesondere für Lithium- Ionen- Batterien sollten die Anteile an Sili zium zu Sili zid und Metall kontrolliert einstellbar sein, d . h . ein Verfahren zur Herstellung von teilreagiertem Sili zium wäre vorteilhaft . Es sollte ein Kompromiss gefunden werden zwischen dem maximalen Anteil an reinem Sili zium, im besten Fall amorph oder nano-kristallin, das als Aktivmaterial für die Lithiumeinlagerung zur Verfügung stehen muss , bei gleichzeitig ausreichend vielen inaktiven Bereichen, um Stabilität und eine gute elektrische Leitfähigkeit zu erreichen, und bei einer ausreichenden Anoden-Schichtdicke mit einem hohen Sili ziumanteil für eine hohe Kapazität zu sorgen . It is therefore the object of the present invention to specify a method that allows control of the ion storage capacity in functional layers for battery production. For lithium-ion batteries in particular, it should be possible to adjust the proportions of silicon to silicide and metal in a controlled manner, i .e . H . a method for producing partially reacted silicon would be advantageous. A compromise should be found between the maximum proportion of pure silicon, in the best case amorphous or nano-crystalline, that must be available as the active material for lithium intercalation, while at the same time having a sufficient number of inactive areas to ensure stability and good electrical conductivity achieve, and with a sufficient anode layer thickness with a high proportion of silicon to ensure a high capacity.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst . The object is solved by a method according to independent claim 1 .

Bei dem Verfahren zur Herstellung von teilreagiertem Sili zium zur Kontrolle der Lithium-Einlagerungs fähigkeit zur Verwendung in Lithium-Batterien, bei dem auf einem Substrat eine erste Siliziumschicht abgeschieden wird, die anschließend einer Kurzzeittemperung unterzogen wird, wird erfindungsgemäß eine Lage aus Silizium, Metall und / oder ein weiteres Material als Diffusionsbarriere aufgebracht, die einer anschließenden Kurzzeittemperung unterzogen wird und infolgedessen eine Lage aus teilreagiertem Silizium gebildet wird. Die Abscheidung und die Kurzzeittemperung werden ein weiteres Mal wiederholt, so dass ein Multilagenaufbau aus teilreagiertem Silizium ausgebildet wird . In the method for producing partially reacted silicon for controlling lithium storage ability for use in lithium batteries, in which on a substrate a first silicon layer is deposited, which is then subjected to short-term annealing, according to the invention a layer of silicon, metal and/or another material is applied as a diffusion barrier, which is subjected to subsequent short-term annealing and as a result a layer of partially reacted silicon is formed. The deposition and the short-term annealing are repeated once more, so that a multi-layer structure made of partially reacted silicon is formed.

Unter einer Kurzzeittemperung wird insbesondere die Blitzlampentemperung und / oder die Lasertemperung verstanden. Die Blitzlampentemperung erfolgt mit einer Pulsdauer bzw. Temperungszeit im Bereich von 0,3 bis 20 ms und einer Pulsenergie im Bereich von 0,3 bis 100 J/cm2. Bei der Lasertemperung wird die Temperungszeit von 0,01 bis 100 ms durch die Scangeschwindigkeit der lokalen Erhitzungsstelle eingestellt, um eine Energiedichte von 0,1 bis 100 J/cm2 zu erzeugen. Die in der Kurzzeittemperung erreichten Heizrampen liegen im für den im Verfahren notwendigen Bereich von 10A4-10A7 K/ s . Die Blitzlampentemperung nutzt hierfür ein Spektrum im sichtbaren Wellenlängenbereich, wohingegen in der Lasertemperung diskrete Wellenlängen im Bereich des infraroten (TR)- bis ultravioletten (UV) -Spektrums verwendet werden . Short-term tempering is understood to mean, in particular, flash lamp tempering and/or laser tempering. The flash lamp annealing takes place with a pulse duration or annealing time in the range from 0.3 to 20 ms and a pulse energy in the range from 0.3 to 100 J/cm 2 . In laser annealing, the annealing time is adjusted from 0.01 to 100 ms by the scanning speed of the local heating site to produce an energy density of 0.1 to 100 J/cm 2 . The heating ramps achieved in the short-term tempering are in the range of 10 A 4-10 A 7 K/s required for the process. Flashlamp annealing uses a spectrum in the visible wavelength range for this, whereas laser annealing uses discrete wavelengths in the infrared (TR) to ultraviolet (UV) spectrum.

Die Abfolge der Lagen ergibt eine für den Batteriebetrieb ausreichende Gesamtschichtdicke des Multilagenaufbaus von typischerweise 4-15pm aus teilreagiertem Silizium. Unter teilreagiertem Silizium im Sinne der Erfindung wird eine Schicht verstanden, die Bereiche aus reinem Silizium, im besten Fall amorph oder nano-kristallin und Bereiche aus entsprechenden Siliziden, die durch eine teilweise bis vollständige Reaktion mit dem Metall gebildet wurden, umfasst . The sequence of the layers results in a total layer thickness of the multi-layer structure of typically 4-15 μm made of partially reacted silicon, which is sufficient for battery operation. Under partially reacted silicon for the purposes of the invention, a layer is understood, the areas of pure silicon, in amorphous or nano-crystalline at best, and regions of corresponding silicides formed by partial to complete reaction with the metal.

Unter einer Lage im Sinne dieser Erfindung wird eine Schichtabfolge aus Silizium, einem Metall und/oder einem weiteren Material, das als Diffusionsbarriere dient, die zusammen eine definierte teilreagierte Siliziumschicht ergeben, verstanden, die durch eine Kurzzeittemperung gebildet wird. Eine Lage ist damit eine Schichtabfolge, die eine definierte teilreagierte Silizium/Silizid-Schicht ergibt. Die Diffusionsbarriere limitiert die extern zugeführte Metallmenge, die in der Lage zugeführte Metallmenge steht zur definierten Reaktion mit in dieser Lage zugeführten Silizium zur Verfügung. Eine gebildete Silizid-Schicht kann bereits als ausreichende Diffusionsbarriere zur Verhinderung der weiteren Reaktion mit Silizium dienen, wodurch eine zusätzliche Diffusionsbarriere aus einem weiteren von dem Metall verschiedenen Material nicht zwingend notwendig ist. Die Diffusionsgeschwindigkeit von Metallen in Siliziden ist dann geringer als in Silizium. A layer within the meaning of this invention is understood to be a layer sequence made of silicon, a metal and/or another material that serves as a diffusion barrier, which together result in a defined, partially reacted silicon layer, which is formed by short-term annealing. A layer is therefore a layer sequence that results in a defined, partially reacted silicon/silicide layer. The diffusion barrier limits the amount of metal supplied externally, the amount of metal supplied in the layer is available for a defined reaction with the silicon supplied in this layer. A silicide layer that is formed can already serve as a sufficient diffusion barrier to prevent further reaction with silicon, which means that an additional diffusion barrier made of another material that is different from the metal is not absolutely necessary. The diffusion rate of metals in silicides is then lower than in silicon.

Mit einer Kurzzeittemperung kann die Diffusion und Silizid- Bildung in einer Schicht kontrolliert werden, so dass ein gradueller Verlauf der Silizid-Bildung senkrecht zur Oberfläche erfolgt. Dies ist vorteilhaft zur Haftung der Si- Schicht auf Kupferfolie, da partiell Silizid gebildet wird und dennoch aktives Silizium verfügbar ist. Durch die Verwendung von geeigneten Diffusionsbarrieren kann die Prozesskontrolle bei der Kurzzeittemperung verbessert werden. Eine zeitliche Verzögerung der Diffusion beim Durchgang durch eine Barriere erlaubt eine höhere Prozesskontrolle im Zeitintervall des Energieeintrags der Kurzzeittemperung. Im Gegensatz zu klassischen Diffusionsbarrieren soll die Diffusion von Metallatomen nur soweit abgeschwächt werden, das im Zeitfenster des Energieeintrags der Kurzzeittemperung eine deutlich reduzierte Diffusion im Gegensatz zur Diffusion der Metallatome in Silizium erfolgt. Entsprechend ist die Gestaltung und Dicke der Diffusionsbarriere im erfindungsgemäßen Verfahren stark vereinfacht, wodurch Material und Prozesszeit eingespart werden kann. Diffusion and silicide formation in a layer can be controlled with short-time annealing, so that silicide formation proceeds gradually perpendicular to the surface. This is advantageous for adhesion of the Si layer to copper foil, since silicide is partially formed and active silicon is still available. Process control during short-term tempering can be improved by using suitable diffusion barriers. A time delay in diffusion Passing through a barrier allows a higher process control in the time interval of the energy input of the short-time annealing. In contrast to classic diffusion barriers, the diffusion of metal atoms should only be weakened to the extent that a significantly reduced diffusion occurs in the time window of the energy input of the short-term annealing, in contrast to the diffusion of the metal atoms in silicon. Accordingly, the design and thickness of the diffusion barrier is greatly simplified in the method according to the invention, as a result of which material and process time can be saved.

Gleichzeitig wird die Diffusion von Lithium nicht oder nur in geringem Maße herabgesetzt und ist damit zur Anwendung in einer Lithium-Ionen-Batterie geeignet. Unter einer geeigneten Diffusionsbarriere wird somit eine Barriere verstanden, die die Diffusion insbesondere von Kupfer bei einer Kurzzeittemperung lokal abschwächt und die Silizid- Bildung hemmt, gleichzeitig eine Diffusion von Lithium aber zulässt . At the same time, the diffusion of lithium is not reduced, or only to a small extent, and is therefore suitable for use in a lithium-ion battery. A suitable diffusion barrier is thus understood to be a barrier which locally weakens the diffusion, in particular of copper, during short-term annealing and inhibits silicide formation, but at the same time allows lithium to diffuse.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Diffusion und Reaktion von Metall mit dem Silizium bei einer Blitzlampentemperung durch eine Pulsdauer im Bereich von 0,3 bis 20 ms, eine Pulsenergie im Bereich von 0,3 bis 100 J/cm2 sowie einer Vorheizung oder Kühlung im Bereich von 4°C bis 200°C der Blitzlampentemperung kontrolliert und damit teilreagiertes Silizium in jeder Lage erzeugt. In one embodiment of the method, a diffusion and reaction of metal with the silicon in a flash lamp annealing by a pulse duration in the range of 0.3 to 20 ms, a pulse energy in the range of 0.3 to 100 J / cm 2 and a preheating or Cooling is controlled in the range of 4°C to 200°C of the flash lamp annealing and thus produces partially reacted silicon in every layer.

Wird als Kurzzeittemperung eine Lasertemperung verwendet, so wird eine Diffusion und Reaktion von Metall mit dem Silizium durch eine Temperungszeit im Bereich von 0,01 bis 100 ms durch das Einstellen einer Scangeschwindigkeit einer lokalen Erhitzungsstelle und einer Energiedichte im Bereich von 0,1 bis 100 J/cm2 sowie eine Vorhei zung oder Kühlung im Bereich von 4 ° C bis 200 ° C der Lasertemperung kontrolliert und damit teilreagiertes Sili zium in j eder Lage erzeugt . Eine externe Kühlung hat den Ef fekt , dass die Abkühlung des Substrats besser kontrolliert wird . Andernfalls kann es zu ungewünschten Reaktionen außerhalb des Annealing-Bereiches kommen . If laser annealing is used as short-term annealing, diffusion and reaction of metal with the silicon is achieved by an annealing time in the range of 0.01 to 100 ms by setting a scanning speed of a local heating point and an energy density in the range of 0.1 up to 100 J/cm 2 as well as preheating or cooling in the range of 4 °C to 200 °C of the laser annealing is controlled and thus partially reacted silicon is produced in every layer. External cooling has the effect that the cooling of the substrate is better controlled. Otherwise, undesirable reactions outside the annealing area can occur.

Das Metall kann das Kupfer aus einem Kupfersubstrat sein, auf dem der Multilagenaufbau für die Herstellung der Aktivschicht einer Anode für Lithium-Batterien abgeschieden wird . Durch die einstellbare Pulsdauer, Pulsenergie und das Vorhei zen oder die Kühlung der Blitzlampentemperung kann die Di f fusion von Kupfer in einer Sili zium-Schicht kontrolliert werden . Ein gradueller Verlauf ohne eine komplette Reaktion der Schicht ist möglich . Im Bereich der Cu-Folie ist eine hohe Konzentration von Kupfer messbar, die graduell bis zur Oberfläche der abgeschiedenen Schicht verschwindet . Entsprechend ist im Bereich der Cu-Folie ein Großteil zu Kupf ersili zid reagiert . Es findet eine chemische Reaktion des Grenzbereichs statt , der die Haftung der Schicht stark verbessert . Durch den hohen Anteil Sili zid wird weniger/ kein Lithium eingelagert , dadurch ist die Volumenausdehnung geringer und der Stress an der Grenz fläche wird deutlich reduziert . Mit dem graduellen Aufbau der Schicht wird der Stress der Volumenausdehnung bei Lithium-Einlagerung gleichmäßig in der Schicht verteilt . Eine mit der Kurz zeittemperung behandelte einlagige Si-Schicht zeigt eine stark verbesserte Zyklen-Stabilität bei nahezu gleichbleibender Ausnutzung der Li-Speicherfähigkeit gegenüber unbehandelten Schichten . Unter einem Zyklus wird ein vollständiger Lade- und Entladevorgang einer Batterie verstanden. Mit der Anzahl der Zyklen ist die Lebensdauer einer Batterie verknüpft. Nachteilig ist jedoch, dass nachfolgende Temperschritte die Schicht weiter reagieren lassen und der Aufbau dadurch auf einen Temperschritt bzw. nur wenige Lagen begrenzt ist. Durch den Einsatz von geeigneten Diffusionsbarrieren als Zwischenlagen kann dieser Nachteil umgangen werden bzw. auf die Zieldicke der Gesamtschicht angepasst werden. Geeignete Kupferdiffusionsbarrieren sind weiter unten aufgeführt. The metal can be the copper from a copper substrate on which the multilayer structure for producing the active layer of an anode for lithium batteries is deposited. The diffusion of copper in a silicon layer can be controlled by the adjustable pulse duration, pulse energy and preheating or cooling of the flash lamp tempering. A gradual course without a complete reaction of the layer is possible. A high concentration of copper can be measured in the area of the Cu foil, which gradually disappears up to the surface of the deposited layer. Correspondingly, in the area of the Cu foil, a large part has reacted to form copper silicide. A chemical reaction takes place in the border area, which greatly improves the adhesion of the layer. Due to the high proportion of silicide, less/no lithium is stored, which means that the volume expansion is lower and the stress at the interface is significantly reduced. With the gradual build-up of the layer, the stress of volume expansion during lithium intercalation is evenly distributed in the layer. A single-layer Si layer treated with short-term annealing shows a greatly improved cycle stability with almost the same utilization of the Li storage capacity compared to untreated layers. A cycle is a complete charging and discharging of a battery understood. The lifespan of a battery is linked to the number of cycles. The disadvantage, however, is that subsequent annealing steps allow the layer to continue to react and the structure is therefore limited to one annealing step or only a few layers. This disadvantage can be circumvented or adapted to the target thickness of the overall layer by using suitable diffusion barriers as intermediate layers. Suitable copper diffusion barriers are listed below.

In einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Diffusion und Reaktion von Metall aus dem Substrat mit dem Silizium durch eine vorher aufgebrachte Diffusionsbarriere kontrolliert. In another embodiment of the method according to the invention, a diffusion and reaction of metal from the substrate with the silicon is controlled by a previously applied diffusion barrier.

Damit die auf dem Substrat aufgebrachte Multilagenstruktur nicht unkontrolliert mit dem Metall, beispielsweise Kupfer, zu Silizid reagiert, kann eine Diffusionsbarriere als erste Schicht auf dem Substrat aufgebracht werden. Diese hat eine ausreichende Barrierewirkung, so dass z. B. bei einer Blitzlampentemperung durch die Blitzenergie, die Blitzdauer oder auch minimale Dickenanpassungen der Diffusionsbarriereschicht die Diffusion und Reaktion der Metall-Atome aus dem Substrat mit dem Silizium kontrolliert werden kann. So that the multilayer structure applied to the substrate does not react in an uncontrolled manner with the metal, for example copper, to form silicide, a diffusion barrier can be applied as the first layer on the substrate. This has a sufficient barrier effect, so that z. B. in a flash lamp annealing by the flash energy, the flash duration or minimal thickness adjustments of the diffusion barrier layer, the diffusion and reaction of the metal atoms from the substrate with the silicon can be controlled.

In einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Abscheidung der Lagen mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, wie z. B. Sputtern oder Verdampfen oder mittels chemischer Gasphasenabscheidung. In another embodiment of the method according to the invention, the layers are deposited by means of physical vapor deposition, e.g. B. sputtering or evaporation or by means of chemical vapor deposition.

Die planare Abscheidung durch z. B. Sputtern oder Verdampfen oder mittels chemischer Gasphasenabscheidung ermöglicht die lagenweise Einbringung von Diffusionsbarrieren ohne Mehraufwand. Im Gegensatz zu Diffusionsbarrieren für klassische Temperprozesse bestehen bei der Kurzzeittemperung nur geringere Anforderungen an die Diffusionsbarrieren, die Diffusion muss nur ausreichend behindert werden statt komplett verhindert werden, wie oben beschrieben wurde. Entsprechend reichen dünnste Barrieren von geeigneten Elementen und Verbindungen, wie Kohlenstoff, Nitriden, Oxiden, Metallen aus, um eine stabile Prozesskontrolle im erfindungsgemäßen Verfahren (stabiles Prozessfenster) zu ermöglichen. Dadurch werden mehrere Temperschritte möglich mit nur geringer Änderung des Schichtaufbaus. Eine Lage im erfindungsgemäßen Verfahren wird synonymhaft für einen Schichtstapel aus Si, Metall und / oder einer Diffusionsbarriere aus einem weiteren Material verstanden; eine Lage im Sinne der Erfindung besteht somit aus Teilschichten eines Schichtstapels . Mehrere Lagen bilden eine Multilagenstruktur. The planar deposition by z. B. sputtering or evaporation or by means of chemical vapor deposition allows the layered introduction of diffusion barriers without Extra effort. In contrast to diffusion barriers for classic annealing processes, there are only lower requirements for the diffusion barriers in short-term annealing, the diffusion only has to be sufficiently impeded instead of being completely prevented, as described above. Correspondingly, the thinnest barriers of suitable elements and compounds, such as carbon, nitrides, oxides, metals, are sufficient to enable stable process control in the method according to the invention (stable process window). As a result, several annealing steps are possible with only a small change in the layer structure. A layer in the method according to the invention is understood synonymously for a layer stack made of Si, metal and/or a diffusion barrier made of another material; a layer in the sense of the invention thus consists of sub-layers of a layer stack. Several layers form a multi-layer structure.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Diffusionsbarrieren aus einem der Materialien Titan (Ti) , Nickel (Ni) , Aluminium (Al) , Zinn (Sn) , Gold (Au) , Silber (Ag) , Molybdän (Mo) , Wolfram (W) , Kohlenstoff (C) und / oder Mischungen aus diesen Materialien aufgebracht . In a further embodiment of the method according to the invention, the diffusion barriers are made of one of the materials titanium (Ti), nickel (Ni), aluminum (Al), tin (Sn), gold (Au), silver (Ag), molybdenum (Mo), tungsten (W), carbon (C) and / or mixtures of these materials applied.

In einer anderen weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Volumenausdehnung des Siliziums in jeder Lage des Multilagenaufbaus durch das teilreagierte Silizium kontrolliert, wobei ein gradueller Verlauf von einer hohen Silizid-Konzentration auf der dem Substrat zugewandten Seite des Multilagenaufbaus zu einer geringen Silizid-Konzentration auf der dem Substrat abgewandten Seite des Multilagenaufbaus eingestellt wird. Der graduelle Verlauf wird durch den Multilagenaufbau schrittweise angenähert. Dabei wird für das Silizium in jeder Lage der Multilagenstruktur bzw. des Multilagenaufbaus und der anschließender Kurzzeittemperung eine möglichst abschließende Reaktion Si mit vorhandenem Metall/Kupf er angestrebt. Dadurch wird die Konzentration von Metall/Kupf er mit jeder Lage verringert, und als letzte Lage der Multilagenstruktur wird nahezu (<5%) Metallf reies/kupf erf reies Silizium aufgebaut. In another further embodiment of the method according to the invention, a volume expansion of the silicon in each layer of the multilayer structure is controlled by the partially reacted silicon, with a gradual progression from a high silicide concentration on the side of the multilayer structure facing the substrate to a low silicide concentration on the the side of the multilayer structure facing away from the substrate is set. The gradual progression is gradually approximated by the multi-layer structure. For the silicon in each layer of the multi-layer structure or the multi-layer construction and the subsequent short-term tempering, a reaction Si with the existing metal/copper that is as final as possible is aimed at. As a result, the concentration of metal/copper is reduced with each layer, and almost (<5%) metal-free/copper-free silicon is built up as the last layer of the multilayer structure.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch ein Einbringen von Diffusionsbarrieren in eine abzuscheidende Lage eine Reaktion von Metall und Silizium zu Silizid lagenübergreifend kontrolliert und die Häufigkeit der Kurzzeittemperung kann mit zunehmender Lagenanzahl verringert werden. In one embodiment of the method according to the invention, a reaction of metal and silicon to form silicide is controlled across layers by introducing diffusion barriers into a layer to be deposited, and the frequency of short-term annealing can be reduced as the number of layers increases.

Nach jeder Lage Silizium wird eine Diffusionsbarriere eingefügt. Dies entspricht der und-Verknüpfung im unabhängigen Anspruch 1. Es wird damit möglich, den Energieeintrag zu verringern, indem die Anzahl der Kurzzeittemperungen reduziert wird. So lässt sich ebenfalls ein gradueller Aufbau durch eine maximal mögliche Lagenfolge mit nur einer Kurzzeittemperung am Ende des Multilagenaufbaus erzeugen und herstellen. A diffusion barrier is inserted after each layer of silicon. This corresponds to the AND link in independent claim 1. It is thus possible to reduce the energy input by reducing the number of short-term temperings. In this way, a gradual structure can also be generated and produced by a maximum possible sequence of layers with only a short-term tempering at the end of the multi-layer structure.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei jeder abzuscheidenden Lage aus Silizium, Metall und Diffusionsbarriere eine einstellbare Menge an Metall, insbesondere Kupfer, Nickel, Aluminium, Titan, Magnesium und / oder Zinn eingefügt, um teilreagiertes Silizium in der gesamten Multilagenstruktur zu erzeugen. Das Ziel und der Vorteil eine einstellbare Menge an Metall in jede Lage des Multilagenaufbaus hinzuzufügen, ist die Erzeugung von einer leitfähigen Matrix, in die Silizium eingebettet wird. Des Weiteren dient es der Erhöhung der Leitfähigkeit von Silizium als Dotant. Als Nebeneffekt der teilweisen Reaktion mit Silizium zu einem nicht-Lithium-reaktiven Silizid/Komposit tritt zwar eine Verringerung der Lithium- Speicherfähigkeit auf, jedoch verringert sich dadurch die kritische Volumenausdehnung von Silizium bei Lithium- Einlagerung. Wird die erste abgeschiedene Lage aus Silizium, Metall und / oder Diffusionsbarriere auf dem Substrat mit einer Kurzzeittemperung behandelt, steht gegebenenfalls kein Kupfer aus dem Substrat für eine nachfolgend abgeschiedene Lage zur Bildung von Silizid zur Verfügung. Die einstellbare Menge eines Metalls, insbesondere Cu, Ni, Al, Ti, Mg und / oder Sn wird hinzugefügt, um teilreagiertes Silizium in jeder Lage bei einer Vielzahl von Lagen zu gewährleisten. Die Menge an Metall kann anhand der Si Menge variiert werden, um ebenfalls einen graduellen Aufbau herzustellen. Die Kurzzeittemperung erfolgt nach einer oder mehreren abgeschiedenen Lagen, um eine Reaktion in diesen Lagen zu gewährleisten . In one embodiment of the method according to the invention, an adjustable amount of metal, in particular copper, nickel, aluminum, titanium, magnesium and/or tin, is inserted into each layer of silicon, metal and diffusion barrier to be deposited in order to produce partially reacted silicon in the entire multilayer structure. The goal and benefit of an adjustable amount of metal in each layer of the Adding to multilayer construction is the creation of a conductive matrix in which silicon is embedded. Furthermore, it serves to increase the conductivity of silicon as a dopant. As a side effect of the partial reaction with silicon to form a non-lithium-reactive silicide/composite, there is a reduction in the lithium storage capacity, but this reduces the critical volumetric expansion of silicon during lithium incorporation. If the first deposited layer of silicon, metal and/or diffusion barrier on the substrate is treated with short-term annealing, there may be no copper from the substrate available for a subsequently deposited layer to form silicide. The adjustable amount of a metal, especially Cu, Ni, Al, Ti, Mg and/or Sn, is added to ensure partially reacted silicon in each layer in a variety of layers. The amount of metal can be varied based on the amount of Si to also produce a gradual build up. The short-term annealing takes place after one or more layers have been deposited in order to ensure a reaction in these layers.

Als Metall kann beispielsweise Nickel abgeschieden werden. Nickel reagiert mit Silizium zu Nickelsilizid und stellt gleichzeitig eine Diffusionsbarriere für Kupfer dar. Hierdurch kann der Herstellungsprozess durch weniger Einzelschritte vereinfacht werden. Mit Nickel kann ebenfalls ein gradueller Aufbau einer teilreagierten Siliziumschicht realisiert werden. Nickel, for example, can be deposited as the metal. Nickel reacts with silicon to form nickel silicide and at the same time represents a diffusion barrier for copper. This means that the manufacturing process can be simplified with fewer individual steps. A gradual build-up of a partially reacted silicon layer can also be realized with nickel.

Durch die mehrmalige Kurzzeittemperung ist ein Aufbau dicker Schichten einer Aktivschicht mit Silizium für eine hohe Lithiumeinlagerungsfähigkeit möglich. Die Kontrolle der Diffusion mit Hilfe des Lagenaufbaus ermöglicht völlig neue Varianten der Lagenaufbauten. Beliebige funktionale Schichten können aufgebaut und durch die Kurzzeittemperung gezielt auf ihre für einen stabilen Batteriebetrieb notwendigen Eigenschaften eingestellt werden. Beispielsweise kann mittels gesputtertem Kohlenstoff die Diffusion von Cu in Silizium gehemmt werden, wohingegen abgeschiedenes CuaSi die Diffusion von Cu in Silizium auch steigern kann. Optimierungen für andere Einsatzzwecke wie andere Arten von Batterien (Aluminium-Ionen-Batterien (Al) , Natrium- (Na) - oder Magnesium- (Mg) -Batterien, usw.) sowie Thermoelektrika sind durch die hohe Flexibilität ebenfalls möglich. The multiple short-term annealing allows the build-up of thick layers of an active layer with silicon for a high ability to store lithium. The control of Diffusion with the help of the layer structure enables completely new variants of the layer structure. Any functional layers can be built up and specifically adjusted to the properties required for stable battery operation through short-term tempering. For example, the diffusion of Cu in silicon can be inhibited by means of sputtered carbon, whereas deposited CuaSi can also increase the diffusion of Cu in silicon. Optimizations for other purposes such as other types of batteries (aluminum ion batteries (Al), sodium (Na) or magnesium (Mg) batteries, etc.) as well as thermoelectrics are also possible due to the high flexibility.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher vorteilhafterweise zur Herstellung für funktionale Schichten in einer Aluminium-Ionen-Batterie, für Thermoelektrika und / oder für Natrium- oder Magnesium-Batterien verwendet werden. The method according to the invention can therefore advantageously be used to produce functional layers in an aluminum ion battery, for thermoelectrics and/or for sodium or magnesium batteries.

Die mehrfache Kurzzeittemperung ermöglicht eine gezielte Beigabe von Metall, z. B. Kupfer in das Silizium, so dass sich damit Lagen mit definierten Konzentrationen durch eine gezielte Silizid-Bildung herstellen lassen und sich die Einlagerungsfähigkeit von Lithium in Silizium einstellen lässt. Andere Metalle, wie Ti, Ni, Sn, Al, W, Mo, C bzw. Mischungen aus diesen sind je nach Anforderungen möglich. Ein gradueller Aufbau ist dadurch Lage für Lage möglich. The multiple short-term tempering enables a targeted addition of metal, e.g. B. copper into the silicon, so that layers with defined concentrations can be produced by targeted silicide formation and the storage capacity of lithium in silicon can be adjusted. Other metals such as Ti, Ni, Sn, Al, W, Mo, C or mixtures of these are possible depending on the requirements. A gradual build-up layer by layer is therefore possible.

Die Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls durch eine Anode gemäß dem unabhängigen Anspruch 12 gelöst. The object of the invention is also achieved by an anode according to independent claim 12.

Die Anode ist für den Einsatz in einer Lithium-Batterie geeignet und wird mit dem Verfahren gemäß den Verfahrensansprüchen hergestellt. Die erfindungsgemäße Anode weist einen Stromkollektor, vorzugsweise aus Kupfer und eine auf dem Stromkollektor abgeschiedene Multilagenstruktur, die eine Aktivschicht der Anode bildet, auf, wobei die Multilagenstruktur aus mindestens einer ersten teilreagierten Siliziumschicht, die aus Silizium, einem Metall und / oder einem weiteren Material besteht, die einer Kurzzeittemperung unterzogen wird, und einer zweiten teilreagierten Siliziumschicht, die aus Silizium, einem Metall und / oder einem weiteren Material besteht, die ebenfalls einer Kurzzeittemperung unterzogen wird, gebildet ist . The anode is suitable for use in a lithium battery and is manufactured using the method according to the method claims. The anode according to the invention has a current collector, preferably made of copper and a multilayer structure deposited on the current collector, which forms an active layer of the anode, the multilayer structure comprising at least a first partially reacted silicon layer consisting of silicon, a metal and/or another material, which is subjected to short-term annealing, and a second partially reacted silicon layer , which consists of silicon, a metal and/or another material, which is also subjected to short-term annealing.

Die erste aufgebrachte Siliziumschicht mit anschließender Kurzzeittemperung kann vorteilhafterweise als Klebeschicht fungieren, indem die erste Siliziumschicht mit dem Kupfer des Stromkollektors vollständig zu Kupf ersilizid reagiert, wobei dadurch die Rauheit des Stromkollektors, z. B. einer Cu-Folie, erhöht wird, eine hohe Haftung hergestellt wird und die mit dem Kupfer reagierte Siliziumschicht als Klebeschicht für den weiteren Lagenaufbau dient. Die Kupf ersilizid-Schicht ist komplett reagiert, so dass die aufgebrachte Diffusionsbarriere aus einem weiteren Material, z. B. aus Kohlenstoff auch während der nachfolgenden Prozessschritte eine ausreichend stabile Diffusionsbarriere garantiert. Diese Diffusionsbarriere ist nötig, um bei einer weiteren Kurzzeittemperung, insbesondere einer Blitzlampentemperung und / oder einer Lasertemperung die Reaktion von Silizium in Kupfer zu Kupf ersilizid zu unterbinden. Die nachfolgend sequentiell aufgebrachten weiteren Si-, Metall- und / oder Diffusionsbarriere- Schichten aus einem weiteren Material werden durch eine weitere Kurzzeittemperung stabilisiert. Die erfindungsgemäße Anode für eine Lithium-Batterie weist eine hohe Speicherkapazität von bis zu 4mAh/cm2, oder auch bis zu 6mAh/cm2 auf. The first applied silicon layer with subsequent short-term annealing can advantageously function as an adhesive layer by completely reacting the first silicon layer with the copper of the current collector to form copper silicide, thereby reducing the roughness of the current collector, e.g. B. a Cu foil, is increased, a high adhesion is produced and the silicon layer reacted with the copper serves as an adhesive layer for the further layer structure. The copper silicide layer has reacted completely, so that the applied diffusion barrier consists of another material, e.g. B. made of carbon also guarantees a sufficiently stable diffusion barrier during the subsequent process steps. This diffusion barrier is necessary in order to prevent the reaction of silicon in copper to form copper silicide during a further short-term annealing, in particular flash lamp annealing and/or laser annealing. The subsequently sequentially applied further Si, metal and/or diffusion barrier layers made of a further material are stabilized by a further short-time annealing. The anode according to the invention for a lithium battery has a high Storage capacity of up to 4mAh/cm 2 or up to 6mAh/cm 2 .

In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anode ist eine Volumenausdehnung des Siliziums der Multilagenstruktur bei Lithiumeinlagerung durch die teilreagierte Siliziumschicht kontrollierbar, wobei ein gradueller Verlauf von einer hohen Silizid-Konzentration auf der dem Stromkollektor zugewandten Seite der Aktivschicht zu einer geringen Silizid- Konzentration auf der dem Stromkollektor abgewandten Seite der Aktivschicht der Anode ausgebildet ist und durch den Anteil des Metalls in der Multilagenstruktur ist eine hohe elektrische Leitfähigkeit in der Aktivschicht der Anode ausgebildet. Unter einer guten elektrischen Leitfähigkeit wird ein spezifischer Widerstand im Bereich von Graphit von 3*10-3 Ohm cm verstanden, als hohe Leitfähigkeit wird ein spezifischer Widerstand kleiner der von Graphit bis hin zu reinen Kupf ersiliziden von (10 bis 50) *10-6 Ohm cm verstanden . In one embodiment of the anode according to the invention, volume expansion of the silicon of the multilayer structure can be controlled by the partially reacted silicon layer when lithium is embedded, with a gradual progression from a high silicide concentration on the side of the active layer facing the current collector to a low silicide concentration on the side of the active layer facing away from the current collector Side of the active layer of the anode is formed and due to the proportion of metal in the multilayer structure, a high electrical conductivity is formed in the active layer of the anode. Good electrical conductivity is understood to mean a specific resistance in the graphite range of 3*10 -3 ohm cm, high conductivity is understood to be a specific resistance lower than that of graphite up to pure copper silicides of (10 to 50)*10 -6 ohm cm understood .

Der graduelle Verlauf einer Schicht wird durch den Multilagenaufbau schrittweise angenähert. Dabei wird für jede Lage Si und anschließender Kurzzeittemperung eine möglichst abschließende Reaktion Si mit vorhandenem Metall, z. B. Kupfer angestrebt. Dadurch wird die Konzentration von Kupfer mit jeder Lage verringert, und als letzte Lage nahezu (<5%) kupferfreies Silizium aufgebaut. The gradual progression of a layer is gradually approximated by the multi-layer structure. In this case, for each layer of Si and subsequent short-term annealing, a possible final reaction of Si with the metal present, e.g. B. copper is sought. As a result, the concentration of copper is reduced with each layer, and the last layer is almost (<5%) copper-free silicon.

In jeder abgeschiedenen Lage aus Silizium, Metall und Diffusionsbarriere ist die Menge an Metall, welches insbesondere Kupfer, Nickel, Aluminium, Titan, Magnesium und / oder Zinn sein kann, einstellbar, um teilreagiertes Silizium in der gesamten Multilagenstruktur zu erzeugen. Das Ziel und der Vorteil, dass die hinzugefügte Menge an Metall in jede Lage des Multilagenaufbaus einstellbar ist, ist die Erzeugung von einer leitfähigen Matrix, in die Silizium eingebettet wird. Die eingestellte Menge an Metall dient der Erhöhung der Leitfähigkeit von Silizium als Dotant. Die teilweise Reaktion mit Silizium zu einem nicht-Lithium- reaktiven Silizid/Komposit führt zwar zu einer Verringerung der Lithium-Speicherfähigkeit, jedoch verringert sich dadurch die kritische Volumenausdehnung von Silizium bei Lithium-Einlagerung . The amount of metal, which in particular can be copper, nickel, aluminum, titanium, magnesium and/or tin, can be adjusted in each deposited layer of silicon, metal and diffusion barrier in order to produce partially reacted silicon in the entire multilayer structure. The The aim and the advantage of being able to adjust the amount of metal added to each layer of the multilayer structure is the creation of a conductive matrix in which silicon is embedded. The set amount of metal serves to increase the conductivity of silicon as a dopant. Although the partial reaction with silicon to form a non-lithium-reactive silicide/composite leads to a reduction in the lithium storage capacity, this reduces the critical volumetric expansion of silicon during lithium intercalation.

In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anode bildet das weitere Material eine Diffusionsbarriere, wobei die Diffusionsbarriere aus einem der Materialien Titan (Ti) , Nickel (Ni) , Aluminium (Al) , Zinn (Sn) , Gold (Au) , Silber (Ag) , Molybdän (Mo) , Wolfram (W) , Kohlenstoff (C) und deren Nitriden und Siliziden und / oder Mischungen aus diesen Materialien ausgebildet ist. In a further embodiment of the anode according to the invention, the further material forms a diffusion barrier, the diffusion barrier being made from one of the following materials: titanium (Ti), nickel (Ni), aluminum (Al), tin (Sn), gold (Au), silver (Ag) , Molybdenum (Mo), tungsten (W), carbon (C) and their nitrides and silicides and / or mixtures of these materials is formed.

Die erfindungsgemäße Anode kann nach jeder Lage Silizium eine Diffusionsbarriere aufweisen. Es wird damit möglich, den Energieeintrag zu verringern, indem die Anzahl der Kurzzeittemperungen bei der Herstellung der Anode reduziert wird. So lässt sich ebenfalls ein gradueller Aufbau der Aktivschicht der Anode durch eine maximal mögliche Lagenfolge mit nur einer Kurzzeittemperung herstellen. Beispielsweise kann Nickel als Diffusionsbarriere eingesetzt werden. Nickel reagiert mit Silizium zu Nickelsilizid und stellt gleichzeitig eine Diffusionsbarriere für Kupfer dar. Eine derart aufgebaute Anode lässt sich aus weniger Einzelschritte fertigen. The anode according to the invention can have a diffusion barrier after each layer of silicon. This makes it possible to reduce the energy input by reducing the number of short-term temperings during the production of the anode. A gradual build-up of the active layer of the anode can also be produced by a maximum possible sequence of layers with only one short-time tempering. For example, nickel can be used as a diffusion barrier. Nickel reacts with silicon to form nickel silicide and at the same time represents a diffusion barrier for copper. An anode constructed in this way can be manufactured in fewer individual steps.

In einer anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anode weist die Anode einen graduellen Verlauf einer Metallkonzentration von einer hohen Konzentration auf der dem Stromkollektor zugewandten Seite der Aktivschicht zu einer geringen Konzentration auf der dem Stromkollektor abgewandten Seite der Aktivschicht der Anode auf . Der nichtaktive Bereich im heterogenen Aufbau der Gesamtschicht umfasst mindestens die Konzentration von einem Kupfer-3- sili zid ( CuaSi ) über Cu Si bis hin zu reinem Kupfer . Unterhalb der Konzentration von CuaSi wird von einem Sili zium mit hohen bis sehr hohen Kupferkonzentration gesprochen . Als untere Grenze für Sili zium mit hoher Metallkonzentration wird der typische Wert von metallurgischem Sili zium mit ~3% Metall verstanden . Ab einem Wert kleiner 0 , 1 % Metall in Sili zium wird von Sili zium mit geringer Metallkonzentration gesprochen . In another embodiment of the anode according to the invention the anode has a gradual profile of a metal concentration from a high concentration on the side of the active layer facing the current collector to a low concentration on the side of the active layer of the anode facing away from the current collector. The non-active area in the heterogeneous structure of the overall layer includes at least the concentration of a copper-3-silicide (CuaSi) through CuSi to pure copper. Below the concentration of CuaSi one speaks of a silicon with a high to very high copper concentration. The typical value of metallurgical silicon with ~3% metal is understood as the lower limit for silicon with a high metal concentration. A value of less than 0.1% metal in silicon is referred to as silicon with a low metal concentration.

In einer anderen weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anode weist die Anode einen graduellen Verlauf einer Metallkonzentration in einer Lage der Multilagenstruktur auf , wobei Bereiche mit einer hohen Sili zid-Konzentration eine Haftung und Stabilität der Aktivschicht ausbilden und Bereiche mit einer geringen Sili zid-Konzentration und hohem Anteil an Sili zium eine hohe Lithiumeinlagerungs fähigkeit aufweisen . Unter einer hohen Sili zid-Konzentration wird ein Anteil von größer 50% Sili zid in der Lage verstanden, wohingegen unter einer geringen Sili zid-Konzentration ein Anteil kleiner 10% Sili zid in der Lage verstanden wird . In another further embodiment of the anode according to the invention, the anode has a gradual progression of a metal concentration in one layer of the multilayer structure, areas with a high silicide concentration forming adhesion and stability of the active layer and areas with a low silicide concentration and high Proportion of silicon have a high lithium storage capacity. A high silicide concentration means a proportion of more than 50% silicide-capable, whereas a low silicide concentration means a proportion of less than 10% silicide-capable.

Die Erfindung soll nachfolgend an Aus führungsbeispielen näher erläutert werden . The invention will be explained in more detail below using exemplary embodiments.

Die Zeichnungen zeigen Fig. 1 Beispielhafter Aufbau und Funktion einer Lithium- lonen-Zelle beim Entladevorgang; The drawings show 1 exemplary structure and function of a lithium ion cell during the discharging process;

Fig. 2 Einfluss eines Temperatureintrags auf die Silizid- Bildung in einer Silizium-Anode a) in einem klassischen Ofenprozess (Stand der Technik) b) mit Kurzzeittemperung, insbesondere Blitzlampentemperung; 2 Influence of a temperature input on the silicide formation in a silicon anode a) in a classic oven process (prior art) b) with short-time annealing, in particular flash lamp annealing;

Fig. 3 a) Prozessablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens; b) Schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kontrolle der Lithiumeinlagerungsfähigkeit durch gezielte Kurzzeittemperung, insbesondere Blitzlampentemperung von funktionalen Schichten für die Batterie-Herstellung; c) Ausbildung eines graduellen Verlaufs der Silizid-Bildung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren; 3 a) process flow diagram of the method according to the invention; b) Schematic representation of the method according to the invention for checking the ability of lithium to be stored by targeted short-term annealing, in particular flash lamp annealing of functional layers for battery production; c) formation of a gradual progression of the silicide formation according to the method according to the invention;

Fig. 4 Schematische Darstellung eines Multilagenaufbaus gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von teilreagiertem Silizium zur Kontrolle der Lithium-Einlagerungsfähigkeit: a) Einzellage und Multilagenstruktur aus mehreren Lagen aus Silizium, Metall und Diffusionsbarrieren; b) Einfluss der Kurzzeittemperprozess-Parameter und Dicke der Diffusionsbarriere auf den graduellen Verlauf der Silizium-/Silizid-Konzentration in einer Lage; 4 Schematic representation of a multi-layer structure according to the method according to the invention for the production of partially reacted silicon for controlling the lithium storage capability: a) single layer and multi-layer structure composed of several layers of silicon, metal and diffusion barriers; b) Influence of the short-time annealing process parameters and the thickness of the diffusion barrier on the gradient of the silicon/silicide concentration in a layer;

Fig. 5 a) Schematische Darstellung der Multilagenstruktur als Aktivschicht der erfindungsgemäßen Anode; b) Gradueller Verlauf der Silizid-Konzentration eingestellt durch eine kontrollierte Zugabe von Metall, z. B. Kupfer in jede Lage der Multilagenstruktur getrennt durch Diffusionsbarrieren; c) Gradueller Verlauf der Metallkonzentration in jeder Lage der Multilagenstruktur ohne Diffusionsbarrieren; 5 a) Schematic representation of the multilayer structure as the active layer of the anode according to the invention; b) Gradual course of the silicide concentration adjusted by a controlled addition of metal, e.g. B. copper in each layer of the multilayer structure separated by diffusion barriers; c) Gradual progression of the metal concentration in each layer of the multilayer structure without diffusion barriers;

Fig.6 Schematische Darstellung des graduellen Verlaufs der Siliziumkonzentration bzw. Metallkonzentration bzw. Silizid-Konzentration auf einem Kupfersubstrat: a) innerhalb einer einzelnen Lage; b) ohne und c) mit Diffusionsbarrieren zwischen den einzelnen Lagen; 6 shows a schematic representation of the gradual progression of the silicon concentration or metal concentration or silicide concentration on a copper substrate: a) within a single layer; b) without and c) with diffusion barriers between the individual layers;

Fig.7 REM-Aufnahme einer Multilagenstruktur ohne Diffusionsbarrieren. Fig.7 SEM image of a multilayer structure without diffusion barriers.

Figur 2b) zeigt den Einfluss der Kurzzeittemperung, insbesondere Blitzlampentemperung auf die Silizid-Bildung in einem Schichtsystem aus Kupfer und Silizium. Aufgrund des sehr kurzen Blitzimpulses im Bereich von 0,1 bis 10 ms reagiert das Silizium mit dem Kupfer nicht vollständig zu Kupfersilizid. Durch die Blitzlampentemperung bleibt reines amorphes oder nano-kristallines Silizium bestehen, das als Aktivmaterial für die Lithiumeinlagerung zur Verfügung steht, bei gleichzeitig ausreichend vielen inaktiven Bereichen, die Stabilität und eine gute elektrische Leitfähigkeit gewährleisten. FIG. 2b) shows the influence of the short-term annealing, in particular flash lamp annealing, on the silicide formation in a layer system made of copper and silicon. Due to the very short lightning pulse in the range of 0.1 to 10 ms, the silicon does not react completely with the copper to form copper silicide. Flashlamp annealing leaves pure amorphous or nano-crystalline silicon available as the active material for lithium intercalation, with sufficient inactive areas to ensure stability and good electrical conductivity.

Figur 3a) zeigt die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte in einem Ablauf diagramm und Figur 3b) den Ablauf der Verfahrensschritte anhand des erzeugten Anodenaufbaus im Vergleich zu einem klassischen Ofenprozess im linken Teil von Figur 3c) . Ein Substrat 14, welches gleichzeitig als Stromkollektor in einer LIB (Lithium-Ionen-Batterien) dient, erfährt unter Vakuumbedingungen in einer Plasmaatmosphäre eine Vorreinigung 13. Diese Reinigung ist notwendig, da sich an Luft eine Oxidationsschicht 15 auf dem Substrat 14 ausbildet, die eine Reaktion zwischen einer nachfolgend aufgebrachten Siliziumschicht 16 mit dem Kupfersubstrat 14 bei einer Blitzlampentemperung (FLA - flash lamp annealing) verhindern würde und die Siliziumschicht 16 somit nicht auf dem Cu-Substrat haften würde. Anschließend erfolgt die Abscheidung einer ersten Siliziumschicht 16, z. B. mittels Sputtern. Diese erste Siliziumschicht 16 reagiert mit dem Cu-Substrat 14 in einem Übergangsbereich zu Kupf ersilizid 17, wobei dadurch die Rauheit des Substrates 14, z. B. einer Cu-Folie, erhöht wird und die mit dem Kupfer reagierte Siliziumschicht als eine Art Klebeschicht für den weiteren Lagenaufbau dient. Die Kupf ersilizid-Schicht 17 ist komplett inaktiv in einer Batterie, so dass in einem folgenden Schritt zunächst eine Diffusionsbarriere 18, z. B. aus Kohlenstoff aufgebracht wird. Diese Diffusionsbarriere 18 ist nötig, um bei einer weiteren Blitzlampentemperung die Reaktion von Silizium in Kupfer zu Kupf ersilizid zu unterbinden. Nachfolgend können dann sequentiell weitere Si- Schichten 19 aufgebracht werden, wobei die Lagen, die jeweils aus Silizium und einer Diffusionsbarriere-Schicht gebildet werden, durch eine Blitzlampentemperung 11 stabilisiert werden. Der Vorteil der wiederholten Si- Abscheidung und anschließenden Blitzlampentemperung 11 ist, dass sich mit jeder Sequenz eine stabile ("abreagierte") Schicht mit einer abgeschlossenen Grenzfläche bildet, die als Zwischenschicht (Interface) für die nachfolgenden Lagen fungiert. Dies ist vorteilhaft für die Haftung der Si- Schicht auf Kupferfolie, da partiell Kupf ersilizid gebildet wird und dennoch aktives Silizium verfügbar ist. Das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren bewirkt somit zusätzlich ein Aufrauen der Oberfläche, so dass eine gute Haftung für weitere Schichten entsteht. Das Wachstum von Säulenstrukturen wird ebenfalls gefördert, so dass eine bessere lonenleit f ähigkeit erreicht sowie der Kupferanteil für Folgeprozesse gut kontrolliert werden kann. FIG. 3a) shows the method steps according to the invention in a flow chart and FIG. 3b) shows the sequence of the method steps based on the anode structure produced in comparison to a classic furnace process in the left-hand part of FIG. 3c). A substrate 14, which also serves as a current collector in a LIB (lithium-ion battery), undergoes a pre-cleaning 13 under vacuum conditions in a plasma atmosphere. This cleaning is necessary because an oxidation layer 15 forms on the substrate 14 in air, which causes a reaction between a subsequently applied silicon layer 16 and the copper substrate 14 during flash lamp annealing (FLA - flash lamp annealing ) would prevent and the silicon layer 16 would thus not adhere to the Cu substrate. A first silicon layer 16, e.g. B. by sputtering. This first silicon layer 16 reacts with the Cu substrate 14 in a transition region to copper silicide 17, thereby reducing the roughness of the substrate 14, e.g. B. a Cu foil, is increased and the reacted with the copper silicon layer serves as a kind of adhesive layer for the further layer structure. The copper silicide layer 17 is completely inactive in a battery, so that in a subsequent step a diffusion barrier 18, e.g. B. is applied from carbon. This diffusion barrier 18 is necessary in order to prevent the reaction of silicon in copper to form copper silicide during further flash lamp annealing. Further Si layers 19 can then be applied sequentially, the layers, which are each formed from silicon and a diffusion barrier layer, being stabilized by flash lamp annealing 11 . The advantage of the repeated Si deposition and subsequent flash lamp annealing 11 is that with each sequence a stable ("reacted") layer forms with a closed interface, which acts as an intermediate layer (interface) for the subsequent layers. This is advantageous for the adhesion of the Si layer on copper foil, since copper silicide is partially formed and active silicon is still available. The The method according to the invention described thus additionally causes a roughening of the surface, so that good adhesion is produced for further layers. The growth of columnar structures is also promoted, so that better ion conductivity is achieved and the copper content for subsequent processes can be well controlled.

Nach einer wiederholten Abscheidung von Silizium, Metall und/oder Diffusionsbarrieren aus einem anderen Material und anschließender Kurzzeittemperung, insbesondere Blitzlampentemperung kann somit die Diffusion und Silizid- Bildung in einer Schicht kontrolliert werden, so dass sich ein gradueller Verlauf der Silizid-Bildung senkrecht zur Oberfläche einstellen lässt. Dies ist in Figur 3c) im Vergleich zu einem klassischen Ofenprozess gezeigt. In einem Ofenprozess wird das Cu-Substrat 14 mit den abgeschiedenen Si-Schichten 16, 19 und der Diffusionsbarriere 18 aufgeheizt. Die Diffusionsbarriere 18 aus z.B. Kohlenstoff oder Nickel hat keine ausreichende Barrierewirkung, so dass das gesamte Silizium mit dem Kupfer zu Kupf ersilizid 17 reagiert . After a repeated deposition of silicon, metal and/or diffusion barriers made of another material and subsequent short-term annealing, in particular flash lamp annealing, the diffusion and silicide formation in a layer can be controlled so that a gradual course of silicide formation occurs perpendicular to the surface leaves. This is shown in FIG. 3c) in comparison to a classic furnace process. The Cu substrate 14 with the deposited Si layers 16, 19 and the diffusion barrier 18 is heated in a furnace process. The diffusion barrier 18 made of carbon or nickel, for example, does not have a sufficient barrier effect, so that all of the silicon reacts with the copper to form copper silicide 17.

Anders ist dies bei einer Kurzzeittemperung der Schicht mittels Blitzlampe oder Laser. Durch das Einbringen von geeigneten Diffusionsbarrieren 18 kann die Prozesskontrolle bei der Blitzlampen- oder Lasertemperung stark verbessert werden. Die Kupf ersilizid-Bildung kann durch das Einstellen der Blitzlampenenergie, der Blitzlampendauer bzw. der Temperungszeit durch das Einstellen einer Scangeschwindigkeit einer lokalen Erhitzungsstelle und einer Energiedichte mittels Laser und / oder durch minimale Dickenanpassung der abgeschiedenen Siliziumschicht oder Diffusionsbarriere graduell eingestellt werden, dies ist in Fig. 3c) auf der rechten Seite dargestellt. Die Verwendung von Diffusionsbarrieren 18 in Verbindung mit der Kurzzeittemperung, insbesondere Blitzlampentemperung und / oder Lasertemperung 11 ist geeignet die lonen-Einlagerung bei der Herstellung von Batterien zu kontrollieren. The situation is different with short-term tempering of the layer using a flash lamp or laser. By introducing suitable diffusion barriers 18, process control during flash lamp or laser annealing can be greatly improved. The copper silicide formation can be gradually adjusted by adjusting the flashlamp energy, the flashlamp duration or the annealing time, by adjusting a scanning speed of a local heating spot and an energy density using a laser and/or by minimally adjusting the thickness of the deposited silicon layer or diffusion barrier, this is in Fig. 3c) shown on the right side. The use of diffusion barriers 18 in connection with the short-term annealing, in particular flash lamp annealing and/or laser annealing 11 is suitable for controlling the ion incorporation in the manufacture of batteries.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Figur 4. Fig. 4a) zeigt oben eine Einzellage 21 aus einer Kupfer- oder allgemein Metallschicht 20, einer Siliziumschicht 16 und einer Diffusionsbarriere 18. Jede Lage 21 kann mit einer Kurzzeittemperung 11 behandelt werden, so dass sich das Silizium 16 und das Metall 20 zu einem Silizid 17 umwandelt, wobei durch die Einstellung der Parameter des Kurzzeittemperprozesses 11 ein gradueller Verlauf der Silizid-/Siliziumkonzentration in einer Lage ausgebildet wird. Mehrere Lagen 21 bilden eine Multilagenstruktur 22. A further exemplary embodiment is shown in FIG. 4. FIG. 4a) shows a single layer 21 made of a copper or generally metal layer 20, a silicon layer 16 and a diffusion barrier 18. Each layer 21 can be treated with a short-term tempering 11, so that the silicon 16 and converting the metal 20 to a silicide 17, with the adjustment of the parameters of the short-time annealing process 11 forming a gradual course of the silicide/silicon concentration in a layer. Several layers 21 form a multi-layer structure 22.

Der graduelle Verlauf der Silizid-/Siliziumkonzentration in einer Lage 21 kann zum einen durch die gewählten Prozessparameter des Kurzzeittemperprozesses 11 eingestellt werden, zum anderen durch die Dicke der abgeschiedenen Diffusionsbarriere 18. Dies ist schematisch in Figur 4b) dargestellt. Je höher der Energieeintrag z. B. durch die Blitzlampe oder den Laser 11 gewählt wird, desto mehr Metall-Atome können während des Kurzzeittemperprozesses in die Siliziumschicht 19 diffundieren, d. h. desto geringer ist der Gradient der Silizid-/Siliziumkonzentration in der Lage (vergleiche Fig. 4b) linke und mittlere Abbildung) . Ein geringer Gradient ist gleichbedeutend damit, dass die Konzentration an Silizid in einer Lage bzw. in der Aktivschicht der Anode allmählich von der dem Stromkollektor zugewandten Seite der Lage/Aktivschicht zu der dem Stromkollektor abgewandten Seite der Lage/Aktivschicht abnimmt. Ein hoher Gradient bedeutet, die Silizid- Konzentration nimmt schnell ab. Wird die Dicke der Diffusionsbarriere 18 erhöht bei gleichbleibenden Kurzzeittemperprozessparametern, vergrößert sich der Gradient innerhalb der abgeschiedenen Lage, da weniger Metall-Atome innerhalb der Kurzzeittemperung durch die Diffusionsbarriere 18 in die abgeschiedene Lage diffundieren können, d. h. die Konzentration verringert sich über eine kürzere Strecke senkrecht zur Oberfläche der Lage/Aktivschicht . Es bildet sich eine hohe Silizid- Konzentration auf der Unterseite der Lage die rasch abnimmt, wobei auf der Oberseite, also der dem Stromkollektor abgewandten Seite der Lage/Aktivschicht nur noch Silizium vorhanden ist. Das reine Silizium steht für die Einlagerung von Lithium zur Verfügung, wohingegen die Silizid-Bildung die elektrische Leitfähigkeit erhöht. The gradual progression of the silicide/silicon concentration in a layer 21 can be set on the one hand by the selected process parameters of the short-time annealing process 11 and on the other hand by the thickness of the deposited diffusion barrier 18. This is shown schematically in FIG. 4b). The higher the energy input z. B. is selected by the flash lamp or the laser 11, the more metal atoms can diffuse into the silicon layer 19 during the short-term annealing process, ie the lower the gradient of the silicide / silicon concentration in the position (compare Fig. 4b) left and middle Illustration) . A low gradient means that the concentration of silicide in a layer or in the active layer of the anode gradually increases from the side of the layer/active layer facing the current collector to the side of the layer/active layer facing away from the current collector decreases. A high gradient means the silicide concentration decreases rapidly. If the thickness of the diffusion barrier 18 is increased with the short-term annealing process parameters remaining the same, the gradient within the deposited layer increases, since fewer metal atoms can diffuse through the diffusion barrier 18 into the deposited layer during the short-term anneal, i.e. the concentration decreases over a shorter distance perpendicular to the Layer surface/active layer . A high silicide concentration forms on the underside of the layer, which rapidly decreases, with only silicon still being present on the upper side, ie the side of the layer/active layer facing away from the current collector. The pure silicon is available for lithium intercalation, while silicide formation increases electrical conductivity.

Der graduelle Verlauf z. B. der Kupferkonzentration in einer Siliziumschicht mit einer Kupferschicht wird durch eine Anpassung der Pulsdauer, der Vorheizung oder Kühlung des Lagenaufbaus sowie einer Schichtdicke der abgeschiedenen Lagen eingestellt, d. h. durch eine Anpassung des Energieeintrags (über Zeit und Temperatur) und das Dickenverhältnis der Siliziumschicht zur Kupferschicht, wobei die mittlere Reaktionstief e (Diffusionslänge) kleiner als die Schichtdicke der Siliziumschicht sein soll, um genügend nichtreagiertes Silizium für die Lithiumeinlagerung zur Verfügung zu stellen. The gradual course z. B. the copper concentration in a silicon layer with a copper layer is set by adjusting the pulse duration, the preheating or cooling of the layer structure and a layer thickness of the deposited layers, d. H. by adjusting the energy input (over time and temperature) and the thickness ratio of the silicon layer to the copper layer, whereby the average reaction depth e (diffusion length) should be smaller than the layer thickness of the silicon layer in order to provide enough unreacted silicon for lithium intercalation.

Die Figur 5 zeigt die schematische Darstellung der Multilagenstruktur als Aktivschicht der erfindungsgemäßen Anode in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen. In Fig. 5a) besteht ein Lage 21 aus Silizium 16, 19, Metall 20, 23 und einer Diffusionsbarriere 18. Diese wird einer Kurzzeittemperung 11 unterzogen. Mehrere Lagen 21 und mehrere Kurzzeittemperungen 11 bilden einen Multilagenaufbau 22, wobei die Lagen durch eine Diffusionsbarriere 18, z. B. aus Kohlenstoff getrennt sind, und wobei zusätzliches Metall 20 in die weiteren Lagen eingebracht wird. Jede Lage wird anschließend einer Kurzzeittemperung 11 unterzogen. Der graduelle Verlauf der Silizid-Konzentration innerhalb jeder Lage ist deutlich erkennbar ausgehend von der Lage Metall 20. FIG. 5 shows the schematic representation of the multilayer structure as the active layer of the anode according to the invention in different exemplary embodiments. In Fig. 5a) there is a layer 21 of silicon 16, 19, metal 20, 23 and a diffusion barrier 18. This is subjected to short-term tempering 11. Several layers 21 and several Kurzzeittemperungen 11 form a multi-layer structure 22, the layers by a diffusion barrier 18, z. B. of carbon are separated, and wherein additional metal 20 is introduced into the further layers. Each layer is then subjected to short-term tempering 11 . The gradual course of the silicide concentration within each layer is clearly recognizable starting from layer metal 20.

Fig. 5b) zeigt zusätzlich zu Fig. 5a) den graduellen Verlauf der Silizid-Konzentration in jeder Lage der Multilagenstruktur 22 getrennt durch Diffusionsbarrieren 18, z. B. aus Kohlenstoff. Zusätzlich wird in jede Lage noch eine weitere Lage Metall 23, z. B. Aluminium eingebracht. Hierdurch lässt sich der graduelle Verlauf und die Reaktion Metall/Silizium in jeder Lage weiter verfeinern. FIG. 5b) shows, in addition to FIG. B. made of carbon. In addition, another layer of metal 23, e.g. B. Aluminum introduced. This allows the gradual course and the metal/silicon reaction to be further refined in each layer.

Figur 5c) zeigt den gleichen Aufbau einer Multilagenstruktur 22 wie in Fig. 5b) mit dem Unterschied das keine Diffusionsbarrieren 18 die einzelnen Lagen 21 im Multilagenaufbau 22 voneinander trennen. Der graduelle Verlauf wird durch die Dicke der eingefügten Metalllage 20 und 23 kontrolliert. Eine REM-Aufnahme, die einen beispielhaften Aufbau aus Si/Cu/Si/Al/Si/Cu/Si/Al/Si zeigt, ist in Fig. 5d) abgebildet. Die Zwischenlagen sind nicht mehr klar zu erkennen; nach einer Blitzlampentemperung reagiert das Kupfer mit dem Silizium zu CuSix, das als breite helle Bereiche erkennbar ist. Das Aluminium „löst" sich in Silizium auf. Das Ergebnis ist eine gut leitfähige vielgliedrige stabile Multilagenstruktur mit einem hohen Siliziumanteil, also hoher Batterie-Kapazität. Auf dem Kupfersubstrat 14 hat sich eine Haftschicht 24 aus CuSix mit Kohlenstoff ausgebildet, die für einen durchgängigen Stromkontakt sorgt. FIG. 5c) shows the same structure of a multilayer structure 22 as in FIG. 5b), with the difference that no diffusion barriers 18 separate the individual layers 21 in the multilayer structure 22 from one another. The gradation is controlled by the thickness of the metal layers 20 and 23 inserted. An SEM image showing an exemplary structure made of Si/Cu/Si/Al/Si/Cu/Si/Al/Si is shown in FIG. 5d). The intermediate layers are no longer clearly visible; after a flash lamp anneal, the copper reacts with the silicon to form CuSi x , which can be seen as broad bright areas. The aluminum "dissolves" in silicon. The result is a highly conductive, multi-part, stable multi-layer structure with a high proportion of silicon, i.e. high battery capacity Copper substrate 14 has formed an adhesion layer 24 of CuSi x with carbon which provides continuity of electrical contact.

Figur 6 zeigt die schematische Darstellung der Erzeugung eines graduellen Verlaufs der Siliziumkonzentration bzw. Metallkonzentration bzw. Silizid-Konzentration auf einem Kupfersubstrat: Fig. 6a) zeigt eine einzige Lage Silizium mit einer Si-Dicke, bei der die Reaktion von Silizium und Metall zu einem Silizid durch die Wahl der Blitzlampenprozessparameter noch kontrollierbar ist. Die Schichtdicke ist hier begrenzt auf die Maximaldicke von Silizium, die prozesstechnisch vor der Blitzlampentemperung stabil ist, typischerweise Ipm. Fig.6b) zeigt die Erzeugung des graduellen Verlaufs ausgehend von einem Kupfersubstrat mit einer einzigen Lage Silizium, das nach einer Blitzlampentemperung 11 vollständig zu einem Kupf ersilizid reagiert ist (Fig.6b-1) , anschließend wird eine zusätzliche Siliziumschicht 19 abgeschieden (Fig.6a-2) , die anschließend nach einer Blitzlampentemperung 11 zu einer weniger ausgeprägten Silizid-Schicht reagiert (Fig.6a-3) , hier ist bereits ein Konzentrationsgradient erkennbar. Nach weiteren Abscheidungen von Siliziumschichten und Blitzlampentemperungen 11 wird ein nahezu gradueller Verlauf in dem Mehrlagenschichtaufbau (Fig. 6a-4) erstellt. Figure 6 shows the schematic representation of the generation of a gradual profile of the silicon concentration or metal concentration or silicide concentration on a copper substrate: Fig. 6a) shows a single layer of silicon with a Si thickness in which the reaction of silicon and metal to form a Silicide is still controllable through the choice of flashlamp process parameters. The layer thickness here is limited to the maximum thickness of silicon that is process-technically stable before flash lamp annealing, typically Ipm. Fig. 6b) shows the generation of the gradual curve starting from a copper substrate with a single layer of silicon, which after flash lamp annealing 11 has completely reacted to form a copper silicide (Fig. 6b-1), then an additional silicon layer 19 is deposited (Fig. 6a-2), which then reacts to a less pronounced silicide layer after flash lamp annealing 11 (FIGS. 6a-3), a concentration gradient can already be seen here. After further depositions of silicon layers and flash lamp annealing 11, an almost gradual progression is created in the multilayer structure (FIGS. 6a-4).

Fig. 6c) zeigt die Erzeugung eines graduellen Verlaufs der Siliziumkonzentration bzw. Metallkonzentration bzw. Silizid- Konzentration auf einem Kupfersubstrat mit Diffusionsbarrieren 18, mehreren Siliziumlagen 19 und jeweils einer Blitzlampentemperung 11 zwischen den einzelnen Lagen. Hier lässt sich die Reaktion und der Grad sowie die Menge der Silizidierung gegenüber Fig. 6b) in jeder Lage deutlich gezielter kontrollieren, um einen graduellen Aufbau zu erzeugen. Mit zunehmendem Abstand innerhalb der Aktivschicht senkrecht zur Oberfläche des Kupfersubstrats 14 nimmt die Konzentration an Silizium zu bzw. die Konzentration an Silizid ab. Durch die Einstellung und Anpassung der Blitzlampentemperprozessparameter lassen sich die Gradienten ausgehend von einer oder mehrerer Lagen Silizium gezielt einstellen. Im Gegensatz zu Fig. 6a) hat der Mehrlagenaufbau aus Fig. 6b) -4 sowie Fig.6c) -3 den Vorteil einer besseren Kontrolle des Übergangs von Silizid6c) shows the generation of a gradual progression of the silicon concentration or metal concentration or silicide concentration on a copper substrate with diffusion barriers 18, several silicon layers 19 and flash lamp annealing 11 between the individual layers. Here, the reaction and the degree as well as the amount of silicidation can be adjusted in any position compared to FIG. 6b). control much more specifically in order to create a gradual build-up. With increasing distance within the active layer perpendicular to the surface of the copper substrate 14, the concentration of silicon increases and the concentration of silicide decreases. By setting and adjusting the flash lamp annealing process parameters, the gradients can be specifically adjusted starting from one or more layers of silicon. In contrast to FIG. 6a), the multi-layer structure from FIGS. 6b)-4 and FIG. 6c)-3 has the advantage of better control of the transition from silicide

17 zu Silizium 19 und ermöglicht den Aufbau größerer Schicht dicken . 17 to silicon 19 and enables the construction of larger layer thicknesses.

Figur 7 zeigt eine REM-Aufnahme einer Multilagenstruktur 22 aus Si/Cu/Si/Cu usw. ohne Diffusionsbarrieren 18 zwischen den einzelnen Lagen. Lediglich eine dünne Diffusionsbarriere wurde als Haftschicht auf das Substrat aufgebracht. FIG. 7 shows an SEM image of a multilayer structure 22 made of Si/Cu/Si/Cu etc. without diffusion barriers 18 between the individual layers. Only a thin diffusion barrier was applied to the substrate as an adhesive layer.

Bezugszeichenliste Lithium- Ionen-Batterie Kollektor auf Anoden-Seite SEI -Sol id-Electrolyte- Interphase Elektrolyt Separator Leitende Zwischenphase Kathode , positive Elektrode Kollektor auf Kathodenseite Anode , negative Elektrode Sputtern der Si-Schicht Blitzlampentemperung Wiederholung der Prozessschritte Plasmavorreinigung Substrat Oxidationsschicht Erste Sili ziumschicht Kupf ersili zid; Metall-Sili zid Di f fusionsbarriere Weitere Sili ziumschicht Metallschicht Einzellage Multilagenstruktur, -aufbau Weitere Metallschicht Haftschicht List of reference symbols Lithium-ion battery Collector on the anode side SEI-Sol id-Electrolyte- Interphase Electrolyte Separator Conductive intermediate phase Cathode, positive electrode Collector on the cathode side Anode, negative electrode Sputtering of the Si layer Flash lamp annealing Repetition of the process steps Plasma pre-cleaning Substrate Oxidation layer First silicon layer copper ersilicide; Metal silicide Diff fusion barrier Additional silicon layer Metal layer Single layer Multilayer structure Additional metal layer Adhesive layer

Claims

32 32 Verfahren zur Herstellung von teilreagiertem Silizium zurProcess for the production of partially reacted silicon Kontrolle der Lithium-Einlagerungsfähigkeit zur Verwendung in Lithium-Batterien Lithium storage capability control for use in lithium batteries Ansprüche . Verfahren zur Herstellung von teilreagiertem Silizium zur Kontrolle der Lithium-Einlagerungsfähigkeit zur Verwendung in Lithium-Batterien, bei dem auf einem Substrat (14) eine erste Siliziumschicht (16) abgeschieden wird, die anschließend einer Kurzzeittemperung (11) unterzogen wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Lage (21) aus Silizium, Metall und/oder ein weiteres Material als Diffusionsbarriere (18) aufgebracht wird, die einer anschließenden Kurzzeittemperung (11) unterzogen wird und teilreagiertes Silizium gebildet wird. . Verfahren zur Herstellung von teilreagiertem Silizium zur Kontrolle der Lithium-Einlagerungsfähigkeit nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Abscheidung und die Kurzzeittemperung (11) anschließend ein weiteres Mal wiederholt wird, so dass ein Multilagenaufbau (22) aus teilreagiertem Silizium ausgebildet wird. . Verfahren zur Herstellung von teilreagiertem Silizium zur Kontrolle der Lithium-Einlagerungsfähigkeit nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Diffusion und Reaktion von Metall (20, 23) bei einer Blitzlampentemperung (11) mit dem Silizium (16, 19) durch eine Pulsdauer im Bereich von 0,3 bis 20 ms, eine Pulsenergie im Bereich von 0,3 bis 100J/cm2 sowie eine Vorheizung oder Kühlung im Bereich von 4 °C bis 200°C der Blitzlampentemperung (11) kontrolliert wird und damit teilreagiertes Silizium in jeder Lage (21) erzeugt wird. Verfahren zur Herstellung von teilreagiertem Silizium zur Kontrolle der Lithium-Einlagerungsfähigkeit nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Diffusion und Reaktion von Metall (20, 23) bei einer Lasertemperung (11) mit dem Silizium (16, 19) durch eine Temperungszeit im Bereich von 0,01 bis 100 ms durch das Einstellen einer Scangeschwindigkeit einer lokalen Erhitzungsstelle und einer Energiedichte im Bereich von 0,1 bis 100 J/cm2 sowie eine Vorheizung oder Kühlung im Bereich von 4°C bis 200°C der Lasertemperung (11) kontrolliert wird und damit teilreagiertes Silizium in jeder Lage (21) erzeugt wird . Verfahren zur Herstellung von teilreagiertem Silizium zur Kontrolle der Lithium-Einlagerungsfähigkeit nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Diffusion und Reaktion von Metall (20, 23) aus dem Substrat (14) mit dem Silizium (16, 19) durch eine vorher aufgebrachte Diffusionsbarriere (18) kontrolliert wird. Verfahren zur Herstellung von teilreagiertem Silizium zur Kontrolle der Lithium-Einlagerungsfähigkeit nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Abscheidung der Lagen (21) mittels physikalischer und / oder mittels chemischer Gasphasenabscheidung erfolgt . Verfahren zur Herstellung von teilreagiertem Silizium zur Kontrolle der Lithium-Einlagerungsfähigkeit nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Diffusionsbarrieren (18) aus einem der Materialien Titan (Ti) , Nickel (Ni) , Aluminium (Al) , Zinn (Sn) , Gold (Au) , Silber (Ag) , Molybdän (Mo) , Wolfram (W) , Kohlenstoff (C) und deren Nitriden und Siliziden und / oder Mischungen aus diesen Materialien gebildet werden. Verfahren zur Herstellung von teilreagiertem Silizium zur Kontrolle der Lithium-Einlagerungsfähigkeit nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Diffusionsbarrieren (18) eine Lithiumdiffusion zulassen . Verfahren zur Herstellung von teilreagiertem Silizium zur Kontrolle der Lithium-Einlagerungsfähigkeit nach einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Volumenausdehnung des Siliziums in einer Lage (21) des Multilagenaufbaus (22) durch das teilreagierte Silizium zu Silizid kontrolliert wird, wobei ein gradueller Verlauf von einer hohen Silizid-Konzentration auf der dem Substrat (14) zugewandten Seite des Multilagenaufbaus (22) zu einer geringen Silizid-Konzentration auf der Substrat (14) abgewandten Seite des Multilagenaufbaus (22) eingestellt wird. Verfahren zur Herstellung von teilreagiertem Silizium zur Kontrolle der Lithium-Einlagerungsfähigkeit nach einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass durch ein Einbringen von Diffusionsbarrieren (18) eine Reaktion von Metall (20, 23) und Silizium (16, 19) zu Silizid lagenübergreifend kontrolliert wird und die Häufigkeit derExpectations . Method for the production of partially reacted silicon for controlling the lithium storage capability for use in lithium batteries, in which a first silicon layer (16) is deposited on a substrate (14), which is then subjected to short-term annealing (11), characterized in that a Layer (21) made of silicon, metal and/or another material is applied as a diffusion barrier (18), which is subjected to a subsequent short-term tempering (11) and partially reacted silicon is formed. . Process for the production of partially reacted silicon for controlling the lithium intercalability according to claim 1, characterized in that the deposition and the short-time annealing (11) are then repeated a further time, so that a multi-layer structure (22) of partially reacted silicon is formed. . Method for the production of partially reacted silicon for controlling the lithium intercalation ability according to claim 1, characterized in that a diffusion and reaction of metal (20, 23) in a flash lamp annealing (11) with the silicon (16, 19) by a pulse duration in the range of 0.3 to 20 ms, a pulse energy in the range from 0.3 to 100J/cm 2 and preheating or cooling in the range from 4 °C to 200 ° C flash lamp tempering (11) is controlled and thus partially reacted silicon is generated in each layer (21). Process for the production of partially reacted silicon for controlling the lithium intercalability according to claim 1, characterized in that a diffusion and reaction of metal (20, 23) during laser annealing (11) with the silicon (16, 19) by an annealing time in the range of 0.01 to 100 ms by setting a scanning speed of a local hot spot and an energy density in the range of 0.1 to 100 J/cm 2 and a preheating or cooling in the range of 4°C to 200°C of the laser anneal (11). is and thus partially reacted silicon is generated in each layer (21). Method for the production of partially reacted silicon for controlling the lithium intercalation ability according to claim 1, characterized in that a diffusion and reaction of metal (20, 23) from the substrate (14) with the silicon (16, 19) through a previously applied diffusion barrier ( 18) is controlled. Process for the production of partially reacted silicon for controlling the lithium storage capacity according to Claim 1, characterized in that the layers (21) are deposited by means of physical and/or chemical vapor deposition. Process for the production of partially reacted silicon for controlling the lithium storage capacity according to claim 1, characterized in that the diffusion barriers (18) made of one of the materials titanium (Ti), nickel (Ni), aluminum (Al), tin (Sn), gold (Au), silver (Ag ) , molybdenum (Mo), tungsten (W), carbon (C) and their nitrides and silicides and / or mixtures of these materials are formed. Process for the production of partially reacted silicon for controlling the lithium storage capacity according to Claim 1, characterized in that the diffusion barriers (18) allow lithium diffusion. Method for the production of partially reacted silicon for controlling the lithium intercalability according to one of the preceding claims, characterized in that a volume expansion of the silicon in a layer (21) of the multilayer structure (22) is controlled by the partially reacted silicon to form silicide, with a gradual progression of a high silicide concentration on the side of the multilayer structure (22) facing away from the substrate (14) to a low silicide concentration on the side of the multilayer structure (22) facing away from the substrate (14). Method for the production of partially reacted silicon for controlling the lithium storage capacity according to one of the preceding claims, characterized in that by introducing diffusion barriers (18) a reaction of metal (20, 23) and silicon (16, 19) to form silicide across layers is controlled and the frequency of Kurzzeittemperung (11) mit zunehmender Lagenanzahl verringert wird. Verfahren zur Herstellung von teilreagiertem Silizium zur Kontrolle der Lithium-Einlagerungsfähigkeit nach einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass bei jeder abzuscheidenden Lage Silizium (16, 19) , Metall (20, 23) und Diffusionsbarriere (18) eine einstellbare Menge an Metall (23) , insbesondere Kupfer (Cu) , Nickel (Ni) , Aluminium (Al) , Titan (Ti) , Magnesium (Mg) und / oder Zinn (Sn) eingefügt wird, um teilreagiertes Silizium in der gesamten Multilagenstruktur (22) zu erzeugen. Anode geeignet für den Einsatz in einer Lithium- Batterie und hergestellt nach dem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Anode (9) einen Stromkollektor (2) , vorzugsweise aus Kupfer und eine auf dem Stromkollektor (2) abgeschiedene Multilagenstruktur (22) , die eine Aktivschicht der Anode bildet, aufweist, wobei die Multilagenstruktur (22) aus mindestens einer ersten teilreagierten Siliziumschicht, die aus Silizium, einem Metall und / oder einem weiteren Material besteht, die einer Kurzzeittemperung (11) unterzogen wird, und einer zweiten teilreagierten Siliziumschicht, die aus Silizium, einem Metall und / oder einem weiteren Material besteht, die ebenfalls einer Kurzzeittemperung (11) unterzogen wird, gebildet ist. Anode gemäß Anspruch 12, die nach dem Verfahren gemäß 36 den Ansprüchen 1 bis 11 hergestellt ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Volumenausdehnung des Siliziums der Multilagenstruktur (22) bei Lithiumeinlagerung durch die teilreagierte Siliziumschicht kontrollierbar ist, wobei ein gradueller Verlauf von einer hohen Silizid- Konzentration auf der dem Stromkollektor (2) zugewandten Seite der Aktivschicht zu einer geringen Silizid-Konzentration auf der dem Stromkollektor (2) abgewandten Seite der Aktivschicht der Anode ausgebildet ist und durch den Anteil des Metalls in der Multilagenstruktur (22) ist hohe elektrische Leitfähigkeit in der Aktivschicht der Anode ausgebildet . Anode gemäß Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das weitere Material eine Diffusionsbarriere (18) bildet, wobei die Diffusionsbarriere (18) aus einem der Materialien Titan (Ti) , Nickel (Ni) , Aluminium (Al) , Zinn (Sn) , Gold (Au) , Silber (Ag) , Molybdän (Mo) , Wolfram (W) , Kohlenstoff (C) und deren Nitriden und Siliziden und / oder Mischungen aus diesen Materialien ausgebildet ist. Anode gemäß Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Aktivschicht der Anode eine Schichtdicke von 4 bis 15pm aufweist. Anode gemäß Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Anode einen graduellen Verlauf einer Metallkonzentration in der Aktivschicht von einer hohen Metallkonzentration auf der dem Stromkollektor (2) zugewandten Seite der 37 Short-term tempering (11) is reduced with increasing number of layers. Method for the production of partially reacted silicon for controlling the lithium storage capacity according to one of the preceding claims, characterized in that an adjustable quantity of metal (23 ), In particular copper (Cu), nickel (Ni), aluminum (Al), titanium (Ti), magnesium (Mg) and / or tin (Sn) is inserted to produce partially reacted silicon in the entire multi-layer structure (22). Anode suitable for use in a lithium battery and produced by the method according to claims 1 to 11, characterized in that the anode (9) has a current collector (2), preferably made of copper, and a multilayer structure ( 22), which forms an active layer of the anode, wherein the multilayer structure (22) consists of at least a first partially reacted silicon layer consisting of silicon, a metal and/or another material, which is subjected to short-term annealing (11), and one second partially reacted silicon layer, which consists of silicon, a metal and/or another material, which is also subjected to short-term annealing (11). Anode according to claim 12, according to the method according to 36 according to Claims 1 to 11, characterized in that a volume expansion of the silicon of the multilayer structure (22) can be controlled by the partially reacted silicon layer when lithium is embedded, with a gradual progression from a high silicide concentration on the side of the current collector (2) facing Active layer is formed to a low silicide concentration on the current collector (2) facing away from the active layer of the anode and through the proportion of metal in the multilayer structure (22) high electrical conductivity is formed in the active layer of the anode. Anode according to Claim 12, characterized in that the further material forms a diffusion barrier (18), the diffusion barrier (18) being made from one of the materials titanium (Ti), nickel (Ni), aluminum (Al), tin (Sn), gold ( Au), silver (Ag), molybdenum (Mo), tungsten (W), carbon (C) and their nitrides and silicides and / or mixtures of these materials is formed. Anode according to Claim 12, characterized in that the active layer of the anode has a layer thickness of 4 to 15 pm. Anode according to claim 12, characterized in that the anode has a gradual course of a metal concentration in the active layer from a high metal concentration on the current collector (2) side facing the 37 Aktivschicht zu einer geringen Metallkonzentration auf der dem Stromkollektor (2) abgewandten Seite der Aktivschicht der Anode aufweist. Anode gemäß Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Anode einen graduellen Verlauf einer Metallkonzentration in einer Lage (21) der Multilagenstruktur (22) aufweist, wobei Bereiche mit einer hohen Silizid-Konzentration eine Haftung und Stabilität der Aktivschicht ausbilden und Bereiche mit einer geringen Silizid-Konzentration und hohem Anteil an Silizium eine hohe Lithiumeinlagerungsfähigkeit aufweisen . Verwendung des Verfahrens zur Herstellung von teilreagiertem Silizium zur Kontrolle der Lithium- Einlagerungsfähigkeit gemäß den Ansprüchen 1 bis 11 für funktionale Schichten in einer Aluminium-Ionen- Batterie . Verwendung des Verfahrens zur Herstellung von teilreagiertem Silizium zur Kontrolle der Lithium- Einlagerungsfähigkeit gemäß den Ansprüchen 1 bis 11 für Thermoei ektrika . Verwendung des Verfahrens zur Herstellung von teilreagiertem Silizium zur Kontrolle der Lithium- Einlagerungsfähigkeit gemäß den Ansprüchen 1 bis 11 für Natrium- oder Magnesium-Batterien. Active layer has a low metal concentration on the current collector (2) facing away from the active layer of the anode. Anode according to Claim 16, d a d a r c h g e n n n d i c h n e t that the anode has a gradual profile of a metal concentration in one layer (21) of the multilayer structure (22), areas with a high silicide concentration forming adhesion and stability of the active layer and areas with a low silicide Concentration and high proportion of silicon have a high lithium storage capacity. Use of the method for the production of partially reacted silicon to control the lithium storage capacity according to claims 1 to 11 for functional layers in an aluminum ion battery. Use of the method for the production of partially reacted silicon for controlling the lithium storage capacity according to claims 1 to 11 for thermoelectrics. Use of the method for the production of partially reacted silicon for controlling the lithium storage capacity according to claims 1 to 11 for sodium or magnesium batteries.
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