Die Erfindung betri f ft mehrere Verfahren zur Herstellung einer Sili zium-Anode für Lithium-Batterien, bei dem auf einem Substrat , vorzugsweise Kupfer, eine Aktivschicht aus Sili zium abgeschieden wird, die anschließend einer Kurz zeittemperung unterzogen wird .

Die Erfindung betri f ft weiterhin die Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahren für die Herstellung einer Sili zium-Anode in einer Lithium- Ionen-Batterie , die Sili zium-Anode als solche sowie deren Verwendung in einer Batteriezelle und in einer Lithium- Ionen-Batterie .

Batterien sind elektrochemische Energiespeicher und werden in Primär- und Sekundärbatterien unterschieden .

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 wiederaufladbare 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 .

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 . Jede Li- Ionen-Zelle besteht aus zwei unterschiedlichen Elektroden, einer im geladenen Zustand negativ geladenen Elektrode und einer im geladenen Zustand positiv geladenen Elektrode . 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 und die negativ geladene Elektrode Anode genannt . Die Elektroden setzen sich j eweils aus einem Stromableiter ( auch Kollektor genannt ) und einem darauf aufgebrachten Aktivmaterial zusammen . Zwischen den Elektroden befinden sich zum einen der ionenleitende Elektrolyt , der den notwendigen Ladungsaustausch ermöglicht , und der Separator, der die elektrische Trennung der Elektroden gewährleistet .

Die Kathode besteht beispielsweise aus Mischoxiden, die auf einem Aluminiumkollektor aufgebracht sind .

Die Anode einer Li- Ionen-Zelle kann aus einer Kupferfolie als Kollektor und einer Schicht aus Kohlenstof f oder Sili zium als Aktivmaterial bestehen . Während des Ladevorgangs werden Lithium- Ionen reduziert und in die Graphit- bzw . Sili ziumschichten eingelagert .

Sili zium als Aktivmaterial für die Anode weist eine hohe Speicherkapazität von ca . 3579 mAh/g für die Li ₁₅ Si4-Phase bei Raumtemperatur gegenüber den herkömmlichen kohlenstof f artigen Materialien, wie z . B . Graphit mit einer Speicherkapazität von 372 mAh/g, auf .

Die Kapazität der Batterie wird durch die Dicke der Aktivschicht , genauer der Si-Schicht , bestimmt . Die elektrische Leitfähigkeit des Aktivmaterials ist in einer Batterie möglichst hoch einzustellen . Sili zium ist als Halbleiter nur schlecht leitend, im Gegensatz zu leitfähigem Graphit . Daher benötigt Sili zium eine hohe Dotierung bzw . Strukturen, die die elektrische Leitfähigkeit erhöhen .

Heraus forderungen bei der Nutzung von Sili zium als Elektrodenmaterial ergeben sich hinsichtlich der zum Teil erheblichen Volumenänderung (Volumenkontraktion und - expansion) der Wirtsmatrix während der Einlagerung und der Auslagerung der mobilen lonenspezies ( Lithium) bei Aufladung und Entladung entsprechender Energiespeicher . Die Volumenänderung liegt für Graphit bei ca . 10% , für Sili zium dagegen bei ca . 400% . Die Volumenänderung des Elektrodenmaterials bei Verwendung von Sili zium führt zu inneren Spannungen, Rissbildung, Pulverisierung des aktiven Materials der Wirtsmatrix ( Sili zium) und schließlich zur kompletten Zerstörung der Elektrode .

Bisherige Aktivmaterialien werden typischerweise als Partikel in einer Binderschicht auf die Kupferfolie aufgebracht und getrocknet . Der Prozess ist spannungs frei , da hier über einen flexiblen Kleber das Aktivmaterial auf dem Stromkollektor fixiert wird . Der flexible Kleber kompensiert den Stress auf den Stromkollektor bei Volumenausdehnung des Aktivmaterials während des Batteriebetriebs und sichert einen permanenten elektrischen Kontakt . I st die Flexibilität nicht gewährleistet , so pulverisiert sich das Aktivmaterial , der Stromkontakt geht verloren und die Kapazität der Batterie verringert sich . Durch die Verwendung des Klebers als inaktiven Bestandteil des Aktivmaterials ist die Energiedichte verringert .

Die Haftung der Aktivschicht kann durch den Einsatz einer Kurz zeittemperung verbessert werden . Unter einer Kurz zeittemperung 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/cm ² . 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/cm ² zu erzeugen. Die in der Kurzzeittemperung erreichten Heizrampen liegen im für den im Verfahren notwendigen Bereich von 10 ^A 4- 10 ^A 7 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. Wird auf einem Substrat, vorzugsweise Kupfer, eine Aktivschicht aus Silizium abgeschieden, die anschließend einer Kurzzeittemperung unterzogen wird, erzeugt dies eine sehr starke Haftung des Siliziums auf der Kupferfolie, wie sie bei herkömmlich hergestellten Anoden bisher nicht beobachtet wurde. Während normalerweise im Batteriebetrieb durch die Volumenausdehnung/-schrumpfung das Aktivmaterial entweder mittels flexiblen Klebers am Stromkollektor gehalten wird oder sich einfach pulverisiert, ist dies bei den mittels Kurzzeittemperung hergestellten Anoden nicht der Fall. Die starke Haftung führt jedoch zur Bildung einer Verwerfung des Substrats, also des Stromkollektors während des Batteriebetriebs, wobei sich dies in der Seitenansicht des Schichtstapels durch eine deutliche Mäanderstruktur (Welligkeit der Lagenstruktur) zeigt (siehe Fig. 2) .

Eine weitere Herausforderung ist daher, dass bei der Herstellung von Anoden auf flächigen Foliensubstraten, derart einseitig beschichtete Folien nach der Herstellung je nach Stapelaufbau eine Krümmung in Richtung der Folie oder der beschichteten Seite zeigen . Die Ursache ist eine Eigenspannung der aufgebauten Schicht nach Abscheidung und Temperung . Dies erschwert die Fertigung von Batterien, da diese typischerweise aus diversen Lagen von gestapelten Folien/Schichten aufgebaut werden . Unter einer Lage werden die unterschiedlichen Schichten eines Schichtaufbaus bzw . - Stapels einer Si-Elektrode verstanden . Die Begri f fe Lage und Schicht werden in diese Anmeldung synonymhaft verwendet . Mechanische Kraft zur Planarisierung ist notwendig und daher ist die Krümmung hinderlich in der Fertigung .

Das Aufbringen von Schichten in Vakuum- bzw . Temperaturprozessen führt durch unterschiedliche Ausdehnungskoef fi zienten und Dichten der Schichten und Substrate zu dem Aufbau interner Spannungen . Durch eine starke Anhaftung der aufgebauten Schichten auf das Substrat bzw . den Stromkollektor, vor allem durch den Einsatz einer Kurz zeittemperung, führt dies zu Verwerfungen der Kupferfolie , die eine Verarbeitung und den Betrieb als Anode erschweren .

Prozesstechnisch lassen sich diese Spannungen, durch Änderungen der Prozessparameter, wie Druck, Gas , Substrattemperatur, Leistung, Schichtmaterial , Reaktion usw . anpassen . So lassen sich kompressive als auch tensile Spannungen der Schicht kombinieren, um final eine entspannte Schicht herzustellen . Dies erfordert eine gezielte Anpassung des Stressmanagements an exakt einen Herstellungsprozess und muss für leichte Variationen erneut durchgeführt werden . Eine beidseitige Beschichtung der Folie ist möglich, führt j edoch zu einer noch stärker gespannten Gesamtfolie , die beim Batteriebetrieb zerreißen kann .

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung Verfahren bereitzustellen, mit denen der Stress in den abgeschiedenen Schichten zur Herstellung einer Sili zium- Anode für Lithium-Batterien minimiert werden kann . Die Verfahren sollten einfach in einen bestehenden Herstellungsprozess integrierbar sein sowie eine gezielte Kontrolle des Stressmanagements in den abgeschiedenen Schichten des Anodenaufbaus erlauben .

Die Aufgabe wird durch ein erstes Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst . Das Verfahren zur Herstellung einer Sili zium-Anode für Lithium-Batterien, bei dem auf einem Substrat , vorzugsweise Kupfer, eine Aktivschicht aus Sili zium abgeschieden wird, die anschließend einer Kurz zeittemperung unterzogen wird, wird eine Substratoberfläche des Substrats vor dem Aufbringen der Aktivschicht durch einen Prozess strukturiert .

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Substratoberfläche mittels eines Lasers strukturiert .

In einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Substratoberfläche durch Prägen, Wal zen oder Stempel strukturiert werden, so dass damit Höhenvariationen im Bereich von bis zu 20pm erzeugt werden . Die Strukturierung erfolgt bevor weitere Schichten auf der Substratoberfläche abgeschieden oder aufgebracht werden .

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Substratoberfläche mittels Fotolithographie und anschließender physikalischer Abscheidung, vorzugsweise Sputtern oder Verdampfen, strukturiert .

Die Strukturierung der Oberfläche des Substrats stellt eine technologische Möglichkeit zur Vereinfachung des Stressmanagements dar, wobei damit separierte Segmente erzeugt werden, die nicht flächig miteinander verbunden sind . Durch eine mikroskopische Strukturierung wird die Verspannung der Schicht in einzelnen Segmenten unterbrochen . Dadurch ist eine Verarbeitung der Folien/des Substrats nach der Herstellung stark vereinfacht . Die Strukturierung führt zusätzlich zu einer kontrollierten Reduktion der Mäanderstruktur während des Batteriebetriebs , was ein mikroskopisches Ablösen von Aktivmaterial stark reduziert . I st die Strukturierung fein genug, d . h . <10pm, bevorzugter zwischen Ipm und 5pm, kann die Segmentierung durch die Strukturierung zusätzlich die Volumenausdehnung des Aktivmaterials während der Lithiumeinlagerung kompensieren, ohne dass sich das Aktivmaterial pulverisiert . In der Literatur beschriebene hergestellte Lagenstrukturen zeigen eine Größe der Risse der gebrochenen Schicht in der Größenordnung von Mikrometern bei Verwendung von amorphem Sili zium . Eine gezielte Kontrolle der Risse ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich .

Die geordnete Strukturierung mittels eines Lasers oder das Prägen, Wal zen oder Stempeln sind besonders für die großtechnische Produktion geeignet .

Die Aufgabe wird auch durch ein zweites Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 5 gelöst . Das Verfahren zur Herstellung einer Sili zium-Anode für Lithium-Batterien, bei dem auf einem Substrat , vorzugsweise Kupfer, eine Aktivschicht aus Sili zium abgeschieden wird, die anschließend einer Kurz zeittemperung unterzogen wird, wird die Substratoberfläche und / oder die Aktivschicht durch einen Prozess unstrukturiert modi fi ziert .

Unter einer unstrukturierten modi fi zierten Oberfläche wird eine aufgeraute Oberfläche verstanden, wobei ebenfalls separierte Segmente der Oberfläche vorliegen, die nicht flächig miteinander verbunden sind .

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die unstrukturierte Modi fikation durch eine Kurz zeittemperung oder durch Ätzen oder durch eine chemische Abscheidung oder durch eine physikalische Abscheidung eines Materials mit hoher Kohäsion und anschließender Kurz zeittemperung zur Agglomeration, so dass damit Höhenvariationen von bis zu 20pm erzeugt werden . Die Höhenvariationen liegen im Bereich der Aktivschichtdicke . Unter einem Material mit hoher Kohäsion werden Stof fe verstanden, deren zwischenatomare bzw . zwischenmolekulare Bindungskräfte ausreichend stark sind, dass sich Cluster oder Agglomerate bilden .

Beispielsweise wird in einer Ausgestaltung des Verfahrens eine dünne Schicht Silber auf die Kupfer-Substratoberfläche abgeschieden . Durch eine Kurz zeittemperung, insbesondere eine Blitzlampentemperung agglomeriert die Silberschicht zu Partikeln/Tropf en/Clustern mit der Entstehung einer unstrukturierten Aufrauhung der Kupferfolie . Die Folie kann anschließend normal weiterprozessiert werden .

Die damit erzeugten Höhenvariationen ermöglichen eine Unterbrechung einer nachfolgend abgeschiedenen Aktivschicht in unterschiedlich große Bereiche auf dem so modi fi zierten Substrat . Damit bleiben die guten Haftungseigenschaften der Aktivschicht zum Substrat erhalten, j edoch kann die Spannung in der Aktivschicht deutlich reduziert werden .

Die Aufgabe wird ebenfalls durch ein drittes Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 7 gelöst . Das Verfahren zur Herstellung einer Sili zium-Anode für Lithium-Batterien, bei dem auf einem Substrat , vorzugsweise Kupfer, eine Aktivschicht aus Sili zium abgeschieden wird, die anschließend einer Kurz zeittemperung unterzogen wird, wird die Aktivschicht während ihrer Herstellung mittels Fotolithographie und anschließender physikalischer Abscheidung, vorzugsweise Sputtern oder Verdampfen, und Temperung, vorzugsweise einer Kurz zeittemperung, in Segmente strukturiert .

Bei dieser Lösungsausgestaltung wird nicht die Substratoberfläche strukturiert oder aufgeraut , sondern die Aktivschicht selbst wird strukturiert .

In einer Ausgestaltung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Aktivschicht in Segmente mit einer Größe von 10pm bis 5mm strukturiert . Das hat den Vorteil , dass eine Anode , die aus der so hergestellten Aktivschicht gebildet wird, in ihrer Gesamtheit nur lokal und nicht über die Gesamtfläche der Anode verspannt ist .

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens , wird die Aktivschicht in Segmente strukturiert , deren Abstände 2pm bis 10pm zueinander betragen . Der Vorteil dabei ist , dass zusätzlich zur Reduzierung der Spannungen in der Aktivschicht eine lokale Ausdehnung der Aktivschicht durch Lithium Einlagerung während oder vor dem Batteriebetrieb gesteuert werden kann und eine groß flächige Stresswirkung auf die Folie vermieden wird .

Die mit einem der erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sili zium-Anode , umfasst ein Substrat , auf welchem eine Aktivschicht aus Sili zium und / oder sili ziumbasierter Komponente angeordnet ist , die eine Schichtdicke von mindestens Ipm bis maximal 20pm, bevorzugt mindestens 2pm bis 15pm, besonders bevorzugt mindestens 4pm bis 10pm aufweist sowie eine Flächenbedeckung größer 85% aufweist und damit eine geringe Porosität von 15% oder kleiner aufweist .

Eine Schichtdicke im Bereich von mindestens 4pm bis 10pm ist für die Anwendung bei der Batterieherstellung bei einer angenommenen Speicherdichte von 2000mAh/g für Sili zium für eine ausreichende Batteriekapazität zu bevorzugen .

Im Stand der Technik werden normalerweise Sili ziumpartikel umhüllt von Kohlenstof f und Klebern, sogenannte Binder, auf einem glatten Substrat aufgetragen, so dass die Schicht eine definierte Porosität besitzt , damit sich das Sili zium bei der Lithiierung stress frei ausdehnen kann . Ohne die Verwendung von Bindern besteht für reine Sili ziumschichten nur die Haftung durch eine auf geraute Oberfläche . Hierdurch ergeben sich ausreichend Hohlräume im Schichtaufbau, um den Stress bei Volumenausdehnung zu kompensieren . Porositäten von 15% bis 80% werden nach dem Stand der Technik verwendet . Mit den erfindungsgemäßen Verfahren können reine Sili ziumanoden derart modi fi ziert und präpariert werden, dass sich bei einer Flächenbedeckung von größer 85% während des Lithiierungs- und/oder Delithiierungsprozesses das Sili zium trotzdem stress frei auf dem Substrat ausdehnen kann, ohne dass es den elektrischen Kontakt zum Substrat verliert .

Bei der erfindungsgemäßen Sili zium-Anode ist die Aktivschicht im Wesentlichen aus einem Teil amorphen oder teilkristallinen Sili zium und / oder einem Teil Sili zid und / oder einem Teil einer Festkörperlösung aus einem oder mehr Metallen in Sili zium und / oder aus einer Mischung aus diesen Teilen gebildet . Die unterschiedlichen morphologisch ausgebildeten Teile der Aktivschicht haben den Vorteil , dass sowohl ein nanostrukturiertes Sili zium existiert , welches sich isotrop ausdehnen kann ohne strukturell zu desintegrieren, als auch eine stabile leitfähige Gerüststruktur , die permanent am amorphen Sili zium anschließt und einen gleichbleibenden elektrischen Kontakt sicherstellt .

In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäß hergestellten Sili zium-Anode ist das Substrat aus Kupfer, einer Legierung mit Kupfer, Nickel , Aluminium, Kohlenstof f und / oder Stahl gebildet .

Es ist vorteilhaft die erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Sili zium-Anode in einer Lithium- Ionen- Batterie gemäß den Verfahrensansprüchen zu verwenden .

Weiterhin ist vorteilhaft , die Sili zium-Anode nach Anspruch 10 in einer Batteriezelle , insbesondere in einer Lithium- lonen-Batterie , einzubauen und zu verwenden .

Die Batteriezelle kann wiederum vorteilhafterweise in einer Batterie mit wenigstens einer Batteriezelle eingebaut werden .

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Aus führungsbeispiel näher erläutert werden .

Die Zeichnungen zeigen

Fig . 1 Beispielhafter Aufbau und Funktion einer Lithium- lonen-Zelle beim Entladevorgang;

Fig . 2 a ) Schematische Darstellung der Mäanderbildung im Schichtstapels aufgrund der 3D Volumenausdehnung bei Lithium-Einlagerung; b ) Aufnahme von Verwerfungen einer Schicht ohne die erfindungsgemäße Strukturierung;

Fig . 3 Forcieren einer eindimensionalen Ausdehnung des Schichtstapels in einer Lithium- Ionen-Batterie ;

Fig . 4 Schematische Darstellung einer vorstrukturierten Substratoberfläche zum Abbau von Spannungen in einem Schichtstapel für eine Lithium- Ionen- Batterie gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens , a ) vor der Li-Einlagerung, b ) nach der Lithium- Einlagerung;

Fig . 5 Schematische Darstellung einer strukturierten Aktivschicht zum Abbau von Spannungen in einem Schichtstapel für eine Lithium- Ionen-Batterie gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens , a ) Vorgang der Strukturierung der Aktivschicht ; b ) links : vor der Li-Einlagerung, rechts : nach der Lithium- Einlagerung .

Wird die Aktivschicht 11 direkt auf den Stromkollektor 2 , 10 aufgebracht und einer Kurz zeittemperung 12 unterzogen ist die Haftung auf dem Substrat/Stromkollektor 2 , 10 extrem hoch . Durch den teilweise graduellen Stapelaufbau der Sili zium-Anoden wird die Aktivschicht 11 nicht pulverisiert , der Stromkontakt bleibt dauerhaft erhalten . Durch die starke Haftung wird der Stress der Aktivschicht 11 j edoch zum Stromkollektor 10 übertragen, der sich nach der Herstellung in einer Wölbung der Folie äußert . Hier käme es nach dem Batteriebetrieb zu erstmals beobachteten Wellungen des Stromkollektors 2 , 10 einsprechend einer Mäanderstruktur durch die starke Volumenausdehnung des Aktivmaterials ( Fig . 2 ) .

Der Welligkeit , d . h . dem Mäandrieren der Schicht bzw . des Schichtstapels kann entgegengewirkt werden, indem der Schichtaufbau durch die nachfolgend benannten Maßnahmen in lediglich eine eindimensionale Ausdehnung gezwungen wird ( Fig . 3 ) . Geeignete Maßnahmen dafür sind die Verwendung eines dickeren oder härteren Kupfersubstrats 10 oder eine Vorladung bzw . Pre-Lithiierung der Aktivschicht 11 aus Sili zium während der Herstellung oder das Aufbringen eines starren Gerüstes in unmittelbarer Nähe des Kupfersubstrats 10 bzw . ein ausreichend gradueller Aufbau zur Unterstützung der Stei figkeit des Kupfersubstrats 10 oder indem ein ausreichender Druck auf die hergestellte Anode während der Formierung ausgeübt wird . Unter einer Formierung wird das erstmalige Laden und Entladen einer fertigen Batteriezelle verstanden . Voraussetzung für diese Möglichkeiten ist die Verwendung der Kurz zeittemperung 12 mittels Blitzlampe oder Laser bei der Herstellung des Schichtstapels , um eine ausreichend starke Haftung der Aktivschicht 11 auf dem Substrat 10 zu gewährleisten . Ohne diese Kurz zeittemperung 12 würde sich die Aktivschicht 11 einfach vom Substrat 10 ablösen .

Eine weitere Möglichkeit dem Mäandrieren des Schichtstapels einer Sili zium-Anode für Lithium- Ionen-Batterien entgegenzuwirken, ist die Vorstrukturierung des Stromkollektors , d . h . des Kupfersubstrats 10 , die zu einer Segmentierung der Aktivschicht 11 führt , die den Stress in der Fläche der Anode unterbricht und kontrolliert ( Fig . 4 ) . Fig . 4a zeigt eine schematische Darstellung einer strukturierten Substratoberfläche 10 bei der die Oberfläche mikroskopisch auf geraut/vorstrukturiert wurde . Dies kann zum einen geordnet , beispielsweise mittels Wal zen, Prägen, Stempeln oder lithographisch erfolgen . Damit können Höhenvariationen im Bereich von 400nm bis 10pm erzielt werden . Die Strukturierung kann aber auch ungeordnet , beispielsweise mittels Bürsten oder Ätzen oder durch eine galvanische Abscheidung oder eine Agglomeration von Partikeln auf der Kupfersubstratoberfläche 10 vor der Abscheidung von Sili zium 11 erfolgen . Vorteilhaft ist , dass sich die Strukturierung der Substratoberfläche auf die Strukturierung der Aktivschicht direkt abbildet .

Bei der Einlagerung von Lithium 14 in einen derart strukturierten Schichtaufbau dehnt sich die Si-Schicht 11 in mehreren Ebenen 15 , die sich durch die Strukturierung gebildet haben, aus ( Figur 4b ) . Dadurch wird die Gesamtspannung in dem Schichtstapel im Gegensatz zu einer monolithisch aufgebauten Schicht unterbrochen und abgebaut , so dass keine Verwerfung (Mäander ) in dem Schichtstapel mehr auf tritt .

Das bietet erstmals eine Lösungsmöglichkeit Stress auf den Stromkollektor 2 , 10 in Stapelaufbauten für Sili zium-Anoden zu reduzieren, die mit einer Kurz zeittemperung 12 behandelt und hergestellt wurden .

Figur 5a zeigt eine schematische Darstellung einer strukturierten Aktivschicht 11 , die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 7 hergestellt wurde/werden kann, wobei die Oberfläche mikroskopisch aufgeraut wurde/wird . Dies kann erfindungsgemäß beispielsweise durch das Aufbringen einer funktionalen Schicht 16 erfolgen, die eine Haftung und / oder Reaktion zwischen Sili zium 11 und Kupfer 10 verhindert . Eine geeignete funktionale Schicht 16 kann z . B . aus Wol fram, Kohlenstof f oder Silber ( -tropf en) bestehen . In den Bereichen ohne eine Reaktion zwischen Si und der funktionalen Schicht 16 wird das Si 11 abgelöst und es verbleibt eine strukturierte Aktivschicht 18 aus Si . Diese Schicht wird bereichsweise auf das Substrat 10 (Kupfer ) mittels Fotolithographie und anschießender physikalischer Abscheidung abgeschieden, wobei danach die Aktivschicht 11 aus Sili zium abgeschieden wird . Bereichsweise bedeutet , dass die funktionale Schicht 16 nicht ganz flächig auf das Kupfersubstrat 10 aufgebracht wird . In den Bereichen in denen die Haftung von Si auf Cu durch die funktionale Schicht 16 unterbunden wird, wird das Si im Herstellungsprozess anschließen abgelöst und eine strukturierte Aktivschicht 18 im Schichtstapel für eine Lithium- Ionen-Batterie bleibt erhalten .

Bei der Einlagerung von Lithium 14 in einen derart strukturierten Schichtaufbau kann sich die Si-Schicht 11 sowohl in vertikaler als auch hori zontaler Richtung ausdehnen 15 ( Figur 5b ) . Dadurch wird die Gesamtspannung in dem Schichtstapel im Gegensatz zu einem unstrukturierten Schichtaufbau unterbrochen und abgebaut , so dass keine Verwerfung (Mäander ) in dem Schichtstapel mehr auftritt .

Sowohl die Strukturierung der Substratoberfläche als auch der Aktivschicht reduziert vorteilhafterweise eine Verspannung des Schichtaufbaus und mindert gleichzeitig auch für den Batteriebetrieb das mikroskopische Ablösen von Aktivmaterial stark . 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 Kupfersubstrat Aktivschicht Kurz zeittemperung, z . B . Blitzlampentemperung Reaktionsbereich nach Kurz zeittemperung zwischen Substrat und Aktivschicht Lithium-Einlagerung Ausdehnungsrichtungen nach Lithium-Einlagerung Bereichsweise aufgebrachte funktionale Schicht strukturierte Substratoberfläche strukturierte Aktivschicht