DE102013201307B4

DE102013201307B4 - Galvanische Zelle

Info

Publication number: DE102013201307B4
Application number: DE102013201307.8A
Authority: DE
Inventors: Walter Michael Weber
Original assignee: Namlab GmbH
Current assignee: Namlab GmbH
Priority date: 2013-01-28
Filing date: 2013-01-28
Publication date: 2017-11-02
Anticipated expiration: 2033-01-29
Also published as: DE102013201307A1

Abstract

Galvanische Zelle (401), umfassend: – eine Elektrode (403), die als Anode (405) ausgebildet ist, – eine weitere Elektrode (407), die als Kathode (409) ausgebildet ist, – wobei zumindest eine der beiden Elektroden (403, 407) ein elektrisch leitfähiges Substrat (411, 413, 503) und mehrere elektrisch leitfähige Körper (417, 421, 505) umfasst, – die jeweils mittels einer elektrisch leitfähigen Schichtanordnung (415, 419) mit dem Substrat (411, 413, 503) verbunden sind, – wobei die Körper (417, 421, 505) jeweils einen von einem Ladungszustand der galvanischen Zelle (401) abhängigen ersten Ausdehnungskoeffizienten aufweisen und – wobei die entsprechenden Schichtanordnungen (415, 419) jeweils einen von dem Ladungszustand der galvanischen Zelle (401) abhängigen zweiten Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, – der kleiner als der erste Ausdehnungskoeffizient ist, – wobei der Körper (417, 421, 505) als ein Nanodraht gebildet ist, der indirekt mittels der Schichtanordnung (415, 419) mit dem elektrisch leitfähigen Substrat (411, 413, 503) verbunden ist, – wobei zumindest eine der Schichtanordnungen (415, 419) mehrere Schichten (605, 607, 609, 611) umfasst, die vom Substrat (411, 413, 503) in Richtung des entsprechenden Körpers (417, 421, 505) als Schichtenstapel (603) angeordnet sind, wobei eine jeweilige Gitterkonstante von Kristallstrukturen der Schichten sich vom Substrat (411, 413, 503) in Richtung des Körpers (417, 421, 505) einer Gitterkonstante einer Kristallstruktur des Körpers (417, 421, 505) annähert.

Description

Die Erfindung betrifft eine galvanische Zelle.
Galvanische Zellen als solche sind beispielsweise aus der Offenlegungsschrift US 2009/0042102 A1 bekannt. Die bekannten galvanischen Zellen umfassen beispielsweise einen Stromkollektor, an welchem mehrere Nanodrähte angeordnet oder befestigt sind. Bei einer Aufladung der galvanischen Zelle, also insbesondere wenn sich Ladungsträger wie beispielsweise Ionen an oder in den Nanodrähten anlagern, dehnen sich die Nanodrähte in der Regel aus. Dies kann in der Regel zu einem mechanischen Stress an der Schnittstelle Nanodraht-Stromkollektor führen. Dies kann in der Folge zu einem Bruch an der Schnittstelle führen. Dies insbesondere dann, wenn die galvanische Zelle mehrmals auf- und entladen wird.
Die Offenlegungsschrift US 2013/0011736 A1 zeigt eine Elektrodenstruktur umfassend ein Substrat, auf welchem eine Haftvermittlungsschicht aufgebracht ist. Auf der Haftvermittlungsschicht ist eine Nanostruktur als Träger für eine Schicht aus einem elektro-chemisch aktiven Material gebildet.
Die Offenlegungsschrift WO 2012/105901 A1 zeigt eine Lithium-Ionen-Batterie umfassend Nanodrähte.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe kann daher darin gesehen werden, eine verbesserte galvanische Zelle bereitzustellen, die die bekannten Nachteile überwindet.
Die Aufgabe wird mittels des Gegenstands des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
Nach einem Aspekt wird eine galvanische Zelle bereitgestellt, umfassend:

– eine Elektrode, die als Anode ausgebildet ist,
– eine weitere Elektrode, die als Kathode ausgebildet ist,
– wobei zumindest eine der beiden Elektroden ein elektrisch leitfähiges Substrat und mehrere elektrisch leitfähige Körper umfasst,
– die jeweils mittels einer elektrisch leitfähigen Schichtanordnung mit dem Substrat verbunden sind,
– wobei die Körper jeweils einen von einem Ladungszustand der galvanischen Zelle abhängigen ersten Ausdehnungskoeffizienten aufweisen und
– wobei die entsprechenden Schichtanordnungen jeweils einen von dem Ladungszustand der galvanischen Zelle abhängigen zweiten Ausdehnungskoeffizienten aufweisen,
– der kleiner als der erste Ausdehnungskoeffizient ist,
– wobei der Körper als ein Nanodraht gebildet ist, der indirekt mittels der Schichtanordnung mit dem elektrisch leitfähigen Substrat verbunden ist,
– wobei zumindest eine der Schichtanordnungen mehrere Schichten umfasst, die vom Substrat in Richtung des entsprechenden Körpers als Schichtenstapel angeordnet sind, wobei eine jeweilige Gitterkonstante von Kristallstrukturen der Schichten sich vom Substrat in Richtung des Körpers einer Gitterkonstante einer Kristallstruktur des Körpers annähert.

Die Erfindung umfasst also insbesondere den Gedanken, den elektrisch leitfähigen Körper, an welchen sich in der Regel Ladungsträger wie beispielsweise Ionen, insbesondere Li-Ionen, bei einem Ladevorgang der galvanischen Zelle anlagern können, nicht direkt mit dem elektrisch leitfähigen Substrat zu verbinden, sondern indirekt mittels der Schichtanordnung. Dadurch, dass die Schichtanordnung sich abhängig von dem Ladungszustand der galvanischen Zelle aufgrund des kleineren Ausdehnungskoeffizienten weniger stark ausdehnt als der elektrisch leitfähige Körper, wird somit in vorteilhafter Weise eine mechanische Stressreduktion an der Schnittstelle elektrisch leitfähiges Substrat-Schichtanordnung bewirkt. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine verbesserte Befestigung des elektrisch leitfähigen Körpers an dem elektrisch leitfähigen Substrat bewirkt, insofern nun eine robustere Verbindung geschaffen ist. Diese Verbindung ist ferner in vorteilhafter Weise auch über eine Vielzahl von Lade- und Entladezyklen dauerhaft stabil und zuverlässig.
Ein Ausdehnungskoeffizient im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere ein Maß dafür, wie stark sich der elektrisch leitfähige Körper oder die Schichtanordnung in Abhängigkeit von dem Ladungszustand der galvanischen Zelle ausdehnen. Dass der zweite Ausdehnungskoeffizient kleiner ist als der erste Ausdehnungskoeffizient bedeutet dann insbesondere, dass sich die Schichtanordnung bei einem bestimmten Ladungszustand der galvanischen Zelle weniger stark ausdehnt als der elektrisch leitfähige Körper.
Ein Ladungszustand im Sinne der vorliegenden Erfindung kann insbesondere ein Maß dafür sein, wie viele Ladungsträger wie beispielsweise Ionen, vorzugsweise Li-Ionen, sich an dem elektrisch leitfähigen Körper angelagert haben. Das heißt also insbesondere, dass die galvanische Zelle je stärker oder mehr aufgeladen ist, desto mehr Ladungsträger sich an dem elektrisch leitfähigen Körper angelagert haben. Das Anlagern von solchen Ladungsträgern an dem elektrisch leitfähigen Körper umfasst insbesondere den Fall, dass solche Ladungsträger in den elektrisch leitfähigen Körper eindiffundieren. Insbesondere umfasst das Anlagern den Fall, dass die Ladungsträger mit dem Körper eine chemische Reaktion eingehen oder durchführen. Solche Ladungsträger können beispielsweise durch einen Elektrolyten bereitgestellt werden.
Eine Schichtanordnung im Sinne der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise eine Schicht umfassen, insbesondere ausschließlich eine Schicht. Eine Schichtanordnung im Sinne der vorliegenden Erfindung kann insbesondere mehrere Schichten umfassen. Die Schichten können insbesondere gleich oder vorzugsweise unterschiedlich gebildet sein. Insbesondere können die jeweiligen Schichtdicken oder die jeweilige Schichtzusammensetzung gleich oder insbesondere unterschiedlich sein.
Es ist vorgesehen, dass mehrere elektrisch leitfähige Körper vorgesehen sind. Die elektrisch leitfähigen Körper können insbesondere gleich oder vorzugsweise unterschiedlich gebildet sein.
Nach einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass beide Elektroden jeweils ein elektrisch leitfähiges Substrat und jeweils zumindest einen elektrisch leitfähigen Körper umfassen. Hier ist dann jeder der elektrisch leitfähigen Körper mittels einer entsprechenden Schichtanordnung mit dem entsprechenden Substrat verbunden.
Die im Zusammenhang mit Ausführungsformen, in welchen beide Elektroden jeweils ein elektrisch leitfähiges Substrat und zumindest einen elektrisch leitfähigen Körper umfassen, der insbesondere mittels einer entsprechenden Schichtanordnung mit dem Substrat verbunden ist, gemachten Ausführungen gelten analog für Ausführungsformen, in denen nur bei einer der beiden Elektroden der elektrisch leitfähige Körper mittels der entsprechenden Schichtanordnung verbunden ist und umgekehrt.
Nach einer Ausführungsform kann die galvanische Zelle einen Elektrolyten und/oder einen Separator aufweisen. Die Funktionsweise und entsprechende Anordnung eines solchen Elektrolyten und eines solchen Separators ist dem Fachmann bekannt.
Es ist vorgesehen, dass der Körper als Nanokörper gebildet ist. Ein solcher Nanokörper weist insbesondere Abmaßungen im Nanometerbereich auf.
Es ist vorgesehen, dass der Körper als ein Draht gebildet ist. Da der Körper als ein Nanokörper gebildet ist, ist der Draht als ein Nanodraht gebildet.
Ein Draht im Sinne der vorliegenden Erfindung weist insbesondere eine längliche Form, zum Beispiel eine Zylinderform, auf und kann insbesondere einen kreisförmigen oder insbesondere zumindest annähernd kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Als Querschnitt kann vorzugsweise auch ein hexagonaler, quadratischer oder dreieckiger Querschnitt vorgesehen sein. Allerdings kann ein Draht im Sinne der vorliegenden Erfindung vorzugsweise auch einen Querschnitt aufweisen, der von einer Kreisform abweicht.
Gemäß einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Körper aus Silizium gebildet ist. Da der Körper als Nanokörper oder als Nanodraht gebildet ist, kann der Körper als ein Silizium-Nanokörper oder als ein Silizium-Nanodraht gebildet sein.
Nach einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Substrat, eine Schicht der Schichtanordnung und der Körper jeweils eine Kristallstruktur mit einer jeweiligen Gitterkonstante aufweisen, wobei eine Differenz zwischen der Gitterkonstante der Kristallstruktur der Schicht und der Gitterkonstante der Kristallstruktur des Substrats kleiner ist als eine Differenz zwischen der Gitterkonstante der Kristallstruktur des Körpers und der Gitterkonstante der Kristallstruktur des Substrats. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die entsprechenden Differenzen abhängig von einem Ladungszustand der galvanischen Zelle sind. So kann insbesondere vorgesehen sein, dass bei einer ungeladenen galvanischen Zelle kein oder kein wesentlicher Unterschied zwischen der Gitterkonstante des Körpers und der Gitterkonstante der Schichtanordnung besteht. Die Differenz ist also insbesondere Null. Insbesondere wenn die galvanische Zelle geladen, also insbesondere teil oder voll geladen, ist, kann dann eine Differenz auftreten. Die Differenz ist dann also insbesondere größer Null.
Durch das Vorsehen von entsprechenden Gitterkonstanten, die die vorgenannten Differenzen ermöglichen, wird ein verbesserter Übergang zwischen Substrat und Körper geschaffen, insofern eine verbesserte Gitteranpassung mittels der Schicht der Schichtanordnung bewirkt ist. Dies reduziert insbesondere in vorteilhafter Weise eine mechanische Belastung oder einen mechanischen Stress, der in der Regel bei einem Ladevorgang oder bei einem Entladevorgang der galvanischen Zelle an der Schnittstelle Körper-Substrat bei bekannten galvanischen Zellen, also ohne die hier beschriebene Schichtanordnung, auftritt. Bei einem Lade- oder Entladevorgang bei der erfindungsgemäßen galvanischen Zelle tritt nun dieser Stress oder diese Belastung in der Regel an der Schnittstelle Substrat-Schichtanordnung auf. Allerdings ist aufgrund der optimierten Gitteranpassung aufgrund der gewählten Gitterkonstanten eine deutliche Stressreduktion bewirkt, da aufgrund der gewählten Differenzen ein Übergang in den Gitterkonstanten nicht so abrupt auftritt wie bei den bekannten galvanischen Zellen. Das heißt also insbesondere, dass aufgrund dieser Stressreduktion der Körper robuster und zuverlässiger mittels der Schichtanordnung an dem Substrat befestigt oder angeordnet ist.
Diese Stressreduktion in der Schicht gegenüber dem Körper kann insbesondere dann auftreten oder insbesondere dann bewirkt werden:

1. – wenn die jeweiligen Kristallgitter oder Gitterstrukturen sich leicht oder stark voneinander unterscheidet, zum Beispiel durch Verschiebung eines Atoms und/oder beispielsweise durch Drehung eines Atomstapels innerhalb der Einheitszelle; und/oder
2. – wenn die Einheitszellengrößen (Gitterkonstante) sich voneinander unterscheiden; und/oder
3. – durch Drehung und/oder Kippung der Einheitszellen zueinander.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass eine Schicht der Schichtanordnung eine Kristallstruktur umfasst, die eine variable in Richtung des Körpers sich einer Gitterkonstante einer Kristallstruktur des Körpers annähernde Gitterkonstante aufweist.
Das Vorsehen einer solchen Schicht umfassend eine variable Gitterkonstante bewirkt in vorteilhafter Weise eine graduelle Anpassung bzw. Veränderung von der Kristallstruktur des Substrats hin zu der Kristallstruktur des Körpers. Da also diese Anpassung über eine gewisse Distanz, hier insbesondere über die Schicht der Schichtanordnung, bewirkt ist, verteilt sich eine entsprechende mechanische Belastung bei einem Lade- oder Entladevorgang gleichmäßig über die Distanz, so dass auch hier wieder eine punktuelle Belastung oder ein punktueller Stress an den Schnittstellen Substrat-Schicht-Körper reduziert ist. Die Befestigung des Körpers an dem Substrat mittels der Schichtanordnung ist somit besonders robust und zuverlässig und insbesondere in vorteilhafter Weise auch über eine Vielzahl von Lade- und Entladevorgängen der galvanischen Zelle stabil.
Nach einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass eine Schicht umfassend eine variable Gitterkonstante Bereiche mit unterschiedlichen Dotierungen oder Dotierungskonzentrationen aufweist. Das heißt also insbesondere, dass ein Bereich dieser Schicht, der näher zu dem Substrat liegt, vermehrt dotiert oder eine höhere Dotierungskonzentration aufweist als ein Bereich, der relativ dazu näher an dem Körper angeordnet oder gebildet ist. Beispielsweise kann eine solche Schicht mit einem Dotanden wie beispielsweise Germanium dotiert sein. In Bereichen, die dem Substrat näher zugewandt sind als Bereiche, die relativ dazu dem Körper näher zugewandt sind, ist eine verstärkte oder größere Dotierung bewirkt bzw. vorgesehen. Das heißt also insbesondere, dass in Richtung des Körpers ausgehend von dem Substrat die Konzentration des jeweiligen oder entsprechenden Dotanden reduziert wird oder ist. Die Dotierungskonzentration nimmt somit in Richtung des Körpers ausgehend vom Substrat in der Schicht ab.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Schichtanordnung mehrere Schichten umfasst, die vom Substrat in Richtung Körper als Schichtenstapel angeordnet sind, wobei eine jeweilige Gitterkonstante von Kristallstrukturen der Schichten sich vom Substrat in Richtung Körper einer Gitterkonstante einer Kristallstruktur des Körpers annähert.
Auch durch das Vorsehen von solchen mehreren Schichten wird analog zu der Schicht umfassend eine variable Gitterkonstante eine verbesserte Gitteranpassung ermöglicht. Die entsprechenden Ausführungen gelten auch hier und umgekehrt. Das heißt also insbesondere, dass der Übergang zwischen der Gitterkonstante der Kristallstruktur des Substrats zu der Gitterkonstante der Kristallstruktur des Körpers nicht mehr abrupt stattfindet, sondern aufgrund der mehreren Schichten graduell und sanft vonstatten geht. Auch dies bewirkt in vorteilhafter Weise eine mechanische Stressreduktion, die in der Regel bei einem Lade- oder Entladevorgang auftreten kann.
Nach einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass eine Schicht der Schichtanordnung eine Kristallstruktur umfasst, die eine variable in Richtung des Körpers sich einer Gitterkonstante einer Kristallstruktur des Körpers annähernde Gitterkonstante aufweist, wobei die Schichtanordnung mehrere Schichten umfasst, die vom Substrat in Richtung Körper als Schichtenstapel angeordnet sind, wobei eine jeweilige Gitterkonstante von Kristallstrukturen der Schichten sich vom Substrat in Richtung Körper einer Gitterkonstante einer Kristallstruktur des Körpers annähert, wobei die Schicht aufweisend die Kristallstruktur mit der variablen Gitterkonstante dem Schichtenstapel vom Substrat aus gesehen nachgeordnet gebildet ist.
In einer solchen Ausführungsform werden nun in vorteilhafte Weise die jeweiligen Vorteile der entsprechenden Ausführungsformen addiert, so dass hier eine besonders robuste und zuverlässige Verbindung bewirkt ist. Insbesondere kann durch das Vorsehen einer Schicht umfassend eine variable Gitterkonstante und mehrere Schichten mit entsprechend angepassten Gitterkonstanten ein Übergang von Substrat zum Körper entsprechend der Gitterstrukturen besonders genau und individuell an den konkreten Anwendungsfall angepasst werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass eine Schicht oder mehrere Schichten der Schichtanordnung einen ersten Reaktionsquerschnitt für eine Reaktion zwischen Ladungsträgern und der Schichtanordnung oder Schicht aufweist, der kleiner ist als ein zweiter Reaktionsquerschnitt für eine Reaktion zwischen Ladungsträgern und dem Körper. Bei mehreren Schichten können die entsprechenden ersten Reaktionsquerschnitte insbesondere gleich oder unterschiedlich gebildet sein.
Ein Reaktionsquerschnitt im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere ein Maß dafür, wie stark oder schwach ein Ladungsträger mit der Schicht oder dem Körper reagiert. Eine solche Reaktion kann beispielsweise eine Anlagerung und/oder ein Eindiffundieren des Ladungsträgers in die Schicht oder in den Körper umfassen. Das heißt also insbesondere, dass die Schicht der Schichtanordnung mit einem Ladungsträger weit weniger wahrscheinlich eine Reaktion durchführt im Vergleich zu einer Reaktion des Körpers mit dem Ladungsträger. Dadurch wird insbesondere in vorteilhafter Weise bewirkt, dass sich bei einem Ladevorgang der galvanischen Zelle weniger Ladungsträger an der Schicht anlagern oder in die Schicht eindiffundieren im Vergleich zu dem Körper. Das bewirkt in vorteilhafter Weise ferner, dass sich die Schicht bei einem Ladevorgang weniger stark ausdehnt im Vergleich zu dem Körper. Dadurch ist in vorteilhafter Weise eine Stressreduktion an der Schnittstelle Substrat-Schicht bewirkt, so dass die Gefahr eines Bruchs oder einer Beschädigung der Schnittstelle bei einem Lade- oder Entladevorgang verringert bis ganz vermieden ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass eine Schicht der Schichtanordnung inert für Ladungsträger ist.
Das heißt also insbesondere, dass die inerte Schicht nicht mit Ladungsträgern reagiert. Das heißt also insbesondere, dass sich bei einem Ladevorgang kein Ladungsträger an dieser inerten Schicht anlagert oder in diese inerte Schicht eindiffundiert. Auch dadurch wird vermieden, dass sich bei einem Ladevorgang die Schicht ausdehnt, so dass auch wieder entsprechend eine Stressreduktion bewirkt ist. Insbesondere können mehrere inerte Schichten vorgesehen sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass eine Schicht der Schichtanordnung aus einem Metallsilizid gebildet ist oder ein solches oder mehrere Metallsilizide umfasst. Insbesondere können mehrere Schichten oder sämtliche Schichten der Schichtanordnung aus einem Metallsilizid gebildet sein oder ein solches oder mehrere Metallsilizide umfassen.
Nach einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Metallsilizid ein Metallsilizid ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Metallsiliziden ist: Nickelsilizid (NiSi), Kobaltsilizid (CoSi), Kupfersilizid (CuSi), Silbersilizid (AgSi) und einer Kombination davon.
Nach einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass zur Dotierung der Schicht ein Dotand oder mehrere Dotanden ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Dotanden gewählt ist: Arsen (As), Phosphor (P), Bor (B), Gallium (Ga), Antimon (Sb), Aluminium (Al), Stickstoff (N), Germanium (Ge) und eine Kombination hiervon.
Nach einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Körper und/oder die Schichtanordnung ein Material oder mehrere Materialien ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Materialien umfasst oder aus einem solchen gebildet ist: Silizium (Si), Germanium (Ge), Si_xGe_(1-x), Si_xC_(1-x) (immer x < 1), TiLiO, V2O5, In2O3, Metallsilizid (MeO) und eine Kombination hiervon.
Nach noch einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Substrat als Stromkollektor gebildet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Zelle als Lithium-Zelle, insbesondere als Lithium-Ionen-Zelle, vorzugsweise als Lithium-Schwefel-Zelle, ausgebildet ist.
Nach einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die galvanische Zelle als Primärzelle, Sekundärzelle oder als Tertiärzelle, das heißt insbesondere als Brennstoffzelle, ausgebildet ist.
Nach einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Körper aus einem Material ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Materialien gebildet ist oder ein solches Material umfasst: Silizium, Germanium, Si_xGe_(1-x), Si_xC_(1-x) (immer x < 1), TiLiO, V2O5, In2O3, Metalloxid (MeO) und eine Kombination hiervon. Die vorgenannten Materialien können vorzugsweise dotiert sein, beispielsweise mittels: As und/oder P und/oder B und/oder Ga und/oder Sb und/oder Al und/oder N.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine bekannte Elektrode einer bekannten galvanischen Zelle,
2 die Elektrode gemäß 1 in einem geladenen Zustand,
3 die Elektrode gemäß 2, abgebrochen vom Substrat,
4 eine erfindungsgemäße galvanische Zelle,
5 eine erfindungsgemäße Elektrode,
6 eine weitere erfindungsgemäße Elektrode,
7 eine andere erfindungsgemäße Elektrode,
8 eine weitere erfindungsgemäße Elektrode,
9 die Elektrode gemäß 5 in einem geladenen Zustand und
10 die Elektrode gemäß 6 in einem geladenen Zustand.
Im Folgenden können für gleiche Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet werden.
1 zeigt eine bekannte Elektrode 101 einer bekannten galvanischen Zelle.
Die Elektrode 101 umfasst einen Stromkollektor 103 als Substrat, auf welchem ein Nanodraht 105 befestigt ist. Hierbei ist der Nanodraht 105 an einem Längsende unmittelbar oder direkt, also ohne irgendwelche Zwischenschichten, mit dem Stromkollektor 103 verbunden oder an diesem unmittelbar befestigt. An dem dem einen Längsende gegenüberliegenden anderen Längsende des Nanodrahts 105 ist eine Katalysatorschicht 107 vorgesehen, die ein Überbleibsel aus einem Aufwachsprozess des Nanodrahts 105 auf dem Stromkollektor 103 ist.
2 zeigt die Elektrode 101 gemäß 1 in einem geladenen Zustand.
Bei einem Ladevorgang der galvanischen Zelle lagern sich üblicherweise Ladungsträger wie beispielsweise Lithiumionen an dem Nanodraht 105 an und/oder diffundieren in diesen hinein. Das bewirkt in der Regel eine Volumenänderung bzw. Vergrößerung des Nanodrahts 105. Diese Vergrößerung oder diese Ausdehnung des Nanodrahts 105 ist hier symbolisch mit Pfeilen mit dem Bezugszeichen 201 dargestellt. Gestrichelt dargestellt, gekennzeichnet mit dem Bezugszeichen 203, ist der Nanodraht 105 in einem ungeladenen Zustand zum Vergleich.
Das Vergrößern des Nanodrahts 205 während eines Ladevorgangs der galvanischen Zelle bewirkt einen erheblichen Stress oder eine erhebliche mechanische Belastung an der Schnittstelle Nanodraht 105 – Stromkollektor 103.
Als Folge kann es zu einem Bruch kommen, sodass sich der Nanodraht 105 von dem Stromkollektor 103 löst. Dies ist in 3 dargestellt.
Der Bruch und das Lösen bewirken insbesondere einen Verlust an einem elektrischen Kontakt zwischen dem Nanodraht 105 und dem Stromkollektor 103. Das führt in der Regel zu einem Kapazitätsverlust oder sogar Ausfall der galvanischen Zelle.
4 zeigt eine erfindungsgemäße galvanische Zelle 401.
Die galvanische Zelle 401 umfasst eine Elektrode 403, die als Anode 405 ausgebildet ist. Des Weiteren umfasst die galvanische Zelle 401 eine weitere Elektrode 407, die als Kathode 409 ausgebildet ist.
Sowohl die Anode 405 als auch die Kathode 409 umfassen jeweils ein elektrisch leitfähiges Substrat 411 respektive 413, welche beispielsweise jeweils als Stromkollektor gebildet sein können. Das heißt also, dass das Substrat für die Anode 405 mit dem Bezugszeichen 411 gekennzeichnet ist. Das Substrat für die Kathode 409 ist mit dem Bezugszeichen 413 gekennzeichnet.
Für die Anode 405 ist eine elektrisch leitfähige Schichtanordnung 415 vorgesehen, die einen elektrisch leitfähigen Körper 417 mit dem Substrat 411, insbesondere dem Stromkollektor, verbindet. Das heißt also insbesondere, dass der Körper 417 mittelbar über die Schichtanordnung 415 mit dem Substrat 411 elektrisch verbunden ist. Das heißt also insbesondere, dass der Körper 417 nicht in direktem Kontakt mit dem Substrat 411 steht, sondern in indirektem Kontakt.
Der Körper 417 weist einen ersten Ausdehnungskoeffizienten auf, der von einem Ladungszustand der galvanischen Zelle 401 abhängt. Das heißt also insbesondere, dass je größer der Ladungszustand ist, desto größer ist auch die Ausdehnung des Körpers 417.
Die Schichtanordnung 415 weist einen zweiten Ausdehnungskoeffizienten auf, der ebenfalls von dem Ladungszustand der galvanischen Zelle 401 abhängt. Das heißt also insbesondere, dass sich auch hier die Schichtanordnung 415 sich je mehr ausdehnt, je größer der Ladungszustand ist. Dies muss aber nicht zwingendermaßen so sein. So kann die Schichtanordnung 415 beispielsweise als eine inerte Schichtanordnung gebildet sein, also insbesondere eine oder mehrere inerte Schichten umfassen oder beispielsweise aus solchen gebildet sein. Eine solche inerte Schichtanordnung dehnt sich kaum bis gar nicht aus bei einem Ladevorgang der galvanischen Zelle 401.
Es ist aber in der erfindungsgemäßen galvanischen Zelle 401 vorgesehen, dass der zweite Ausdehnungskoeffizient kleiner ist als der erste Ausdehnungskoeffizient. Das bewirkt in vorteilhafter Weise, dass sich die Schichtanordnung 415 bei gleichem Ladungszustand der galvanischen Zelle 401 weniger stark ausdehnt als der Körper 417. Das reduziert in vorteilhafter Weise eine mechanische Belastung an der Schnittstelle Schichtanordnung 415 – Substrat 411 und an der Schnittstelle Schichtanordnung 415 – Körper 417. Das heißt also insbesondere, dass mittels der Schichtanordnung 415 sich die mechanische Belastung, die sich aufgrund einer Größenänderung ergibt, über eine Distanz verteilt ist. Es findet also kein abrupter Übergang zwischen Substrat 411 und Körper 417 statt. Vielmehr findet ein sanfter Übergang statt.
Die galvanische Zelle 401 kann insbesondere einen hier nicht gezeigten Elektrolyten und/oder einen hier nicht gezeigten Separator aufweisen. Die Funktionsweise und entsprechende Anordnung eines solchen Elektrolyten und eines solchen Separators ist dem Fachmann bekannt.
Das bewirkt in vorteilhafter Weise, dass auch über mehrere Lade- und Entladevorgänge der Körper 417 über die Schichtanordnung 415 zuverlässig mit dem Substrat 411 verbunden ist. Ein Bruch und ein Loslösen des Körpers 417 von dem Substrat 411 wird somit in vorteilhafter Weise vermieden. Eine Lebensdauer der Anode 405 und somit auch der galvanischen Zelle 401 wird somit in vorteilhafter Weise deutlich erhöht.
Die Kathode 409 ist im Wesentlichen analog zu der Anode 405 aufgebaut. Auch hier ist ein elektrisch leitfähiger Körper 421 vorgesehen, der mittels einer elektrisch leitfähigen Schichtanordnung 419 mit dem Substrat 413, insbesondere dem Stromkollektor, verbunden ist. Die im Zusammenhang mit der Anode 405 gemachten Ausführungen, insbesondere was die Schichtanordnung 415 betrifft, gelten auch für die Kathode 409 und umgekehrt. Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Schichtanordnungen 419 und 415 gleich oder insbesondere unterschiedlich gebildet sein können. Auch können sich die Körper 417 und 421 vorzugsweise voneinander unterscheiden oder sie können insbesondere gleich gebildet sein.
In nicht gezeigten Ausführungsbeispielen kann vorgesehen sein, dass die Kathode 409 unterschiedlich zu der Anode 405 aufgebaut ist.
In nicht gezeigten Ausführungsbeispielen der Erfindung ist vorgesehen, dass mehrere Körper 421 und 415 vorgesehen sind, die mittels entsprechender Schichtanordnungen mit den entsprechenden Substraten verbunden sind. In weiteren nicht gezeigten Ausführungsbeispielen kann vorgesehen sein, dass lediglich eine der beiden Elektroden 403 und 407 einen Körper umfasst, der mit einer Schichtanordnung mit dem entsprechenden Substrat verbunden ist.
In weiteren nicht gezeigten Ausführungsbeispielen kann vorgesehen sein, dass die galvanische Zelle 401 als Lithiumzelle, insbesondere als Lithiumionenzelle, gebildet ist. Als Ladungsträger können dann insbesondere Lithiumionen vorgesehen sein, die sich bei einem Lade- oder Entladevorgang an den Körpern 417 und 421 anlagern und/oder in diese hineindiffundieren.
In weiteren nicht gezeigten Ausführungsbeispielen der Erfindung ist vorgesehen, dass die Körper 417 und 421 als Nanokörper, die als Nanodrähte gebildet sind, gebildet sind.
Die galvanische Zelle 401 kann beispielsweise an eine Last 423 angeschlossen werden, um beispielsweise die galvanische Zelle 401 zu entladen. Anstelle der Last 423 kann beispielsweise auch eine elektrische Energiequelle (nicht gezeigt) vorgesehen sein, die die galvanische Zelle 401 aufladen kann.
5 zeigt eine Elektrode 501 für eine erfindungsgemäße galvanische Zelle, beispielsweise für die galvanische Zelle 401. Die Elektrode 501 kann beispielsweise als Anode oder als Kathode gebildet sein.
Die Elektrode 501 umfasst einen Stromkollektor 503 als Substrat, auf welchem ein Nanodraht 505 mittels einer Schichtanordnung 507 befestigt oder angeordnet ist. Das heißt also insbesondere, dass zunächst auf dem Stromkollektor 503 die elektrisch leitfähige Schichtanordnung 507 gebildet ist. Auf dieser Schichtanordnung 507 ist dann der Nanodraht 505 gebildet. Analog zu den 1 bis 3 kann auch hier der Nanodraht 505 eine Katalysatorschicht 509 aufweisen, die ein Überbleibsel eines Aufwachsprozesses darstellt. Es kann aber auch auf eine solche Katalysatorschicht 509 verzichtet werden oder diese kann insbesondere entfernt werden. Das heißt also insbesondere, dass konkret dieses Ausführungsbeispiel und auch die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele stets auch ohne eine solche Katalysatorschicht 509 offenbart sein sollen.
In der Elektrode 501 kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Schichtanordnung 507 aus einem anderen Material oder einer anderen Zusammensetzung gebildet ist als der Nanodraht 505. Hierbei werden die verwendeten Materialien oder Zusammensetzungen so gewählt, dass der Nanodraht 505 einen ersten Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der von einem Ladungszustand der galvanischen Zelle abhängt, wobei dieser erste Ausdehnungskoeffizient größer ist als ein zweiter Ausdehnungskoeffizient der Schichtanordnung 507, der ebenfalls von dem Ladungszustand der galvanischen Zelleabhängen kann.
Die Schichtanordnung 507 weist gemäß 5 ausschließlich eine einzige Schicht auf. Das Vorsehen lediglich einer einzigen Schicht für die Schichtanordnung 507 kann in vorteilhafter Weise einen schnelleren und vereinfachten Herstellungsprozess bewirken. Das kann weiterhin in vorteilhafter Weise Herstellungskosten reduzieren.
Die in 5 gezeigte Verbindung kann insbesondere auf englisch auch als „single heterojunction” bezeichnet werden, da hier die Schichtanordnung 507 als Verbindung (daher „junction”) lediglich eine (daher „single”) Schicht aufweist, wobei diese in der Regel aus einem anderen (daher „hetero”) Material als der Nanodraht 505 besteht bzw. gebildet ist bzw. solch ein Material umfasst. Auf deutsch könnte dies beispielsweise als eine Einzelheteroverbindung bezeichnet werden.
6 zeigt eine weitere Elektrode 601 für eine galvanische Zelle, beispielsweise die galvanische Zelle 401. Die Elektrode 601 kann beispielsweise als Anode oder als Kathode gebildet sein.
In der Elektrode 601 ist der Nanokörper 505 über eine Schichtanordnung 603 mit dem Stromkollektor 503 elektrisch verbunden. Die Schichtanordnung 603 weist vier Schichten 605, 607, 609 und 611 auf. Hierbei ist die Schicht 605 als erste der vier Schichten auf dem Stromkollektor 503 gebildet. Es folgt die Schicht 607, dann die Schicht 609 und schließlich die Schicht 611. Dann folgt der Nanodraht 505.
Diese vier Schichten 605, 607, 609 und 611 bilden insofern einen Schichtenstapel. Es ist insbesondere vorgesehen, dass eine jeweilige Gitterkonstante von Kristallstrukturen der Schichten sich vom Stromkollektor 503 in Richtung Nanodraht 505 einer Gitterkonstante einer Kristallstruktur des Nanodrahts 505 annähert. Dadurch wird insbesondere in vorteilhafter Weise eine verbesserte Gitteranpassung des Nanodrahts 505 an den Stromkollektor 503 bewirkt. Das heißt also insbesondere, dass auf Kristallstrukturebene gesehen, kein abrupter Übergang zwischen der Kristallstruktur des Stromkollektors 503 zu der Kristallstruktur des Nanodrahts 505 stattfindet. Dies bewirkt in vorteilhafter Weise eine mechanische Stressreduktion an den entsprechenden Schnittstellen.
Die Schicht 605 kann beispielsweise aus Ni₂Si gebildet sein. In Richtung des Nanokörpers 505 kann dann vorgesehen sein, dass der Anteil an Nickel abnimmt und der Anteil an Silizium zunimmt. So kann beispielsweise die Schicht 607 aus NiSi gebildet sein. Die Schicht 609 kann dann insbesondere aus NiSi₂ gebildet sein.
Analoges gilt vorzugsweise für die Schichten 605 bis 611, die beispielsweise eine Silizium-Kohlenstoff-Verbindung umfassen können. So können dann die Anteile an Silizium und/oder an Kohlenstoff der entsprechenden Verbindung in Richtung des Nanodrahts 505 für die einzelnen Schichten abnehmen oder zunehmen.
Beispielsweise kann die Schicht 605 aus SiC gebildet sein. Die Schicht 607 kann beispielsweise aus Si₈C₃ gebildet sein. Die Schicht 609 kann beispielsweise aus Si₅C₂ gebildet sein. Der Nanodraht 505 kann beispielsweise aus Silizium, Germanium, einer Verbindung umfassend Silizium oder Germanium, insbesondere dotiert mit den hier beschriebenen Dotanden, gebildet sein.
In weiteren nicht gezeigten Ausführungsbeispielen kann vorgesehen sein, dass die Schichtanordnung 603 mehr oder weniger als vier Schichten umfasst.
Die in 6 gezeigte Verbindung kann insbesondere auf englisch auch als „multiple heterojunction” bezeichnet werden, da hier die Schichtanordnung 603 als Verbindung (daher „junction”) mehrere Schichten (daher „multiple”) aufweist, wobei diese in der Regel aus anderen (daher „hetero”) Materialien als der Nanodraht 505 bestehen bzw. gebildet sind bzw. solche Materialien umfassen. Auf deutsch könnte dies beispielsweise als eine Multiheteroverbindung bezeichnet werden.
7 zeigt eine andere Elektrode 701 für eine galvanische Zelle, beispielsweise die galvanische Zelle 401. Die Elektrode 701 kann beispielsweise als Anode oder als Kathode gebildet sein.
Hier ist der Nanodraht 505 mittels einer Schichtanordnung 703 mit dem Stromkollektor 503 elektrisch verbunden. Die Schichtanordnung 703 weist eine Kristallstruktur auf, die eine variable in Richtung des Nanodrahts 505 sich einer Gitterkonstante einer Kristallstruktur des Nanodrahts 505 annähernde Gitterkonstante aufweist. Das heißt also insbesondere, dass die Gitterkonstante der Schichtanordnung 703 im Ladezustand, also in einem geladenen Zustand, also insbesondere teil oder voll geladen, über die Distanz Stromkollektor 503 bis Nanodraht 505 nicht konstant, sondern variabel ist, insbesondere sich der Gitterkonstante des Nanodrahts 505 annähernd ausgebildet ist.
Auch dadurch wird in vorteilhafter Weise ein sanfter Übergang zwischen der Gitterstruktur des Stromkollektors 503 zu der Gitterstruktur des Nanodrahts 505 bewirkt. Das bewirkt in vorteilhafter Weise ebenfalls eine mechanische Stressreduktion an den entsprechenden Schnittstellen, was eine Bruchgefahr bei einem Lade- oder Entladevorgang erheblich reduziert, wenn nicht gar vermeidet.
Das Bilden einer solchen variablen Gitterkonstante kann insbesondere dadurch bewirkt werden, dass die Schichtanordnung 703 eine Dotierungskonzentration aufweist, die über die Distanz nicht konstant, sondern ebenfalls variabel ist, insbesondere abnimmt in Richtung des Nanodrahts 505 bzw. abnehmend gebildet ist in Richtung des Nanodrahts 505.
Das heißt also insbesondere, dass beispielsweise die Schichtanordnung 703 mit Germanium dotiert sein kann. Hierbei ist dann insbesondere vorgesehen, dass in einem Bereich, der näher zu dem Stromkollektor 503 liegt, die Konzentration an Germanium erhöht ist im Vergleich zu Bereichen, die weiter entfernt von dem Stromkollektor 503, aber näher zu dem Nanodraht 505 liegen. Das heißt also insbesondere, dass eine Konzentration an Germanium von dem Stromkollektor 503 aus gesehen in Richtung des Nanodrahts 505 abnimmt. Anstelle oder zusätzlich von respektive zu Germanium kann beispielsweise Silizium, Kohlenstoff, Gallium, Phosphor, Bor, Antimon, Aluminium, Stickstoff, Arsen oder eine beliebige Kombination der hier vorgenannten Dotanden vorgesehen sein.
Die Schichtanordnung 703 weist gemäß 7 ausschließlich eine Schicht auf, die aber insbesondere eine sich ändernde Dotierungskonzentration, wie vorgehend beschrieben, aufweist.
Die in 7 gezeigte Verbindung kann insbesondere auf englisch auch als „graded junction” bezeichnet werden, da hier die Schichtanordnung 703 als Verbindung (daher „junction”) eine variable (daher „graded”) Gitterkonstante aufweist. Auf deutsch könnte dies beispielsweise als eine variable oder abgestufte Verbindung bezeichnet werden.
8 zeigt eine weitere Elektrode 801 für eine galvanische Zelle, beispielsweise die galvanische Zelle 401 gemäß 4. Die Elektrode 801 kann beispielsweise als Anode oder als Kathode gebildet sein.
In der Elektrode 801 ist der Nanodraht 505 mittels einer Schichtanordnung 803, die elektrisch leitfähig ist, mit dem Stromkollektor 503 verbunden. Hierbei umfasst die Schichtanordnung 803 einen Schichtstapel umfassend die Schichten 605, 607, 609, 611 analog zu der Elektrode 601 gemäß 6. Das heißt also insbesondere, dass die Schichtanordnung 803 eine Schichtanordnung 603 gemäß 6 umfasst.
Des Weiteren umfasst die Schichtanordnung 803 eine Schichtanordnung 703 gemäß der Elektrode 701 gemäß 7.
Die Schichtanordnung 603 ist vom Stromkollektor 503 in Richtung des Nanodrahts 505 aus gesehen zuerst auf dem Stromkollektor 503 angeordnet. Es folgt dann die Schichtanordnung 703, worauf der Nanodraht 505 angeordnet oder gebildet ist. Das heißt also insbesondere, dass als erste Schicht der Schichtanordnung 803 vom Stromkollektor 503 aus gesehen die Schicht 605 auf dem Stromkollektor 503 gebildet ist. Es folgen die Schichten 605, 607, 609, 611 und 703. Das heißt also insbesondere, dass die Schicht aufweisend die Kristallstruktur mit der variablen Gitterkonstante, hier die einzige Schicht der Schichtanordnung 703, dem Schichtenstapel umfassend die Schichten 605, 607, 609 und 611 vom Stromkollektor 503 aus in Richtung Nanodraht 505 gesehen nachgeordnet gebildet ist.
Gemäß dieser Schichtanordnung 803 werden also die Schichtanordnungen 603 und 703 gemäß 6 und 7 miteinander kombiniert. Die entsprechenden Vorteile verstärken sich somit in vorteilhafter Weise. Insbesondere kann dadurch ein genau definierter Übergang betreffend die Gitterkonstanten geschaffen werden.
Die in 8 gezeigte Verbindung kann insbesondere auf englisch auch als „combined junction” bezeichnet werden, da hier die Schichtanordnung 803 als Verbindung (daher „junction”) eine Kombination (daher „combined”) der „multiple heterojunction” und der „graded junction” ist. Auf deutsch kannte dies beispielsweise als eine kombinierte Verbindung bezeichnet werden.
9 zeigt die Elektrode 501 gemäß 5 in einem geladenen Zustand. Aufgrund des geladenen Zustandes haben sich der Nanodraht 505 und die Schichtanordnung 507 ausgedehnt. Die entsprechende Ausdehnung oder Größenänderung ist hier symbolisch mit Pfeilen mit dem Bezugszeichen 901 dargestellt. Gestrichelt eingezeichnet und mit dem Bezugszeichen 903 versehen ist die ursprüngliche Form des Nanodrahts 505 und der Schichtanordnung 507 in einem ungeladenen oder weniger geladenen Zustand zum Vergleich.
Dadurch aber, dass sich aufgrund der gewählten Ausdehnungskoeffizienten die Schichtanordnung 507 bei gleichem Ladungszustand weniger stark ausdehnt als der Nanodraht 505, tritt an der Schnittstelle Schichtanordnung 507 und Stromkollektor 503 eine geringere mechanische Belastung auf im Vergleich zu bekannten Elektroden, wo der Nanodraht 505 unmittelbar in direktem Kontakt mit dem Stromkollektor 503 steht.
10 zeigt die Elektrode 601 gemäß 6 in einem geladenen Zustand.
Auch hier dehnt sich analog zu 9 die Schichtanordnung 603 weniger stark aus bei gleichem Ladungszustand als der Nanodraht 505. Aufgrund der gewählten Gitterkonstanten der einzelnen Schichten 605, 607, 609 und 611 dehnen diese sich im Vergleich zueinander bei gleichem Ladungszustand ebenfalls unterschiedlich aus. Hierbei dehnt sich die Schicht 605 von den vier Schichten am wenigsten aus. Die Schichten 607, 609 und 611 dehnen sich in dieser Reihenfolge bei gleichem Ladungszustand stärker aus. Dadurch wird ein gradueller Übergang zwischen dem Stromkollektor 503 und dem Nanodraht 505 hinsichtlich einer Gitterstruktur geschaffen. Das heißt also insbesondere, dass eine verbesserte Gitteranpassung des Gitters bzw. der Gitterstruktur des Nanodrahts 505 an die Gitterstruktur des Stromkollektors 503 bewirkt ist.
In nicht gezeigten Ausführungsbeispielen kann vorgesehen sein, dass der Nanodraht 505 gemäß den vorgenannten Ausführungsbeispielen der 5 bis 10 auch als ein elektrisch leitfähiger Körper ganz allgemein gebildet sein kann. Insbesondere kann in weiteren nicht gezeigten Ausführungsbeispielen vorgesehen sein, dass der Stromkollektor 503 als Substrat ganz allgemein gebildet sein kann. Für ein solches Substrat oder für den Stromkollektor 503 kann insbesondere vorgesehen sein, dass dieser oder dieses aus einem Material gebildet ist, welches insbesondere inert gegenüber Lithium ist. Das heißt also insbesondere, dass sich in einem solchen Substrat kein Lithium anlagern oder hineindiffundieren kann. Beispielsweise kann ganz allgemein das Substrat oder der Stromkollektor 503 aus Kupfer, Nickel oder einer Kombination hiervon gebildet sein.
Zusammenfassend umfasst die Erfindung also insbesondere den Gedanken, einen elektrisch leitfähigen Körper einer Elektrode einer galvanischen Zelle nicht direkt mit dem Substrat, beispielsweise dem Stromkollektor, zu verbinden, sondern dies mittels einer elektrisch leitfähigen Schichtanordnung zu bewirken, die sich bei gleichem Ladungszustand der galvanischen Zelle weniger stark ausdehnt als der Körper selbst.

Claims

Galvanische Zelle (401), umfassend: – eine Elektrode (403), die als Anode (405) ausgebildet ist, – eine weitere Elektrode (407), die als Kathode (409) ausgebildet ist, – wobei zumindest eine der beiden Elektroden (403, 407) ein elektrisch leitfähiges Substrat (411, 413, 503) und mehrere elektrisch leitfähige Körper (417, 421, 505) umfasst, – die jeweils mittels einer elektrisch leitfähigen Schichtanordnung (415, 419) mit dem Substrat (411, 413, 503) verbunden sind, – wobei die Körper (417, 421, 505) jeweils einen von einem Ladungszustand der galvanischen Zelle (401) abhängigen ersten Ausdehnungskoeffizienten aufweisen und – wobei die entsprechenden Schichtanordnungen (415, 419) jeweils einen von dem Ladungszustand der galvanischen Zelle (401) abhängigen zweiten Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, – der kleiner als der erste Ausdehnungskoeffizient ist, – wobei der Körper (417, 421, 505) als ein Nanodraht gebildet ist, der indirekt mittels der Schichtanordnung (415, 419) mit dem elektrisch leitfähigen Substrat (411, 413, 503) verbunden ist, – wobei zumindest eine der Schichtanordnungen (415, 419) mehrere Schichten (605, 607, 609, 611) umfasst, die vom Substrat (411, 413, 503) in Richtung des entsprechenden Körpers (417, 421, 505) als Schichtenstapel (603) angeordnet sind, wobei eine jeweilige Gitterkonstante von Kristallstrukturen der Schichten sich vom Substrat (411, 413, 503) in Richtung des Körpers (417, 421, 505) einer Gitterkonstante einer Kristallstruktur des Körpers (417, 421, 505) annähert.
Galvanische Zelle (401) nach Anspruch 1, wobei das Substrat (411, 413, 503), eine Schicht von zumindest einer der Schichtanordnungen (415, 419) und der entsprechende Körper (417, 421, 505) jeweils eine Kristallstruktur mit einer jeweiligen Gitterkonstante aufweisen, wobei eine Differenz zwischen der Gitterkonstante der Kristallstruktur der Schicht und der Gitterkonstante der Kristallstruktur des Substrats (411, 413, 503) kleiner ist als eine Differenz zwischen der Gitterkonstante der Kristallstruktur des Körpers (417, 421, 505) und der Gitterkonstante der Kristallstruktur des Substrats (411, 413, 503).
Galvanische Zelle (401) nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Schicht (703) von zumindest einer der Schichtanordnungen (415, 419) eine Kristallstruktur umfasst, die eine variable in Richtung des Körpers (417, 421, 505) sich einer Gitterkonstante einer Kristallstruktur des entsprechenden Körpers (417, 421, 505) annähernde Gitterkonstante aufweist.
Galvanische Zelle (401) nach Anspruch 3, wobei die Schicht (703) aufweisend die Kristallstruktur mit der variablen Gitterkonstante dem Schichtenstapel (603) vom Substrat (411, 413, 503) aus gesehen nachgeordnet gebildet ist.
Galvanische Zelle (401) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Schicht von zumindest einer der Schichtanordnungen (415, 419) einen ersten Reaktionsquerschnitt für eine Reaktion zwischen Ladungsträgern und der entsprechenden Schichtanordnung (415, 419) aufweist, der kleiner ist als ein zweiter Reaktionsquerschnitt für eine Reaktion zwischen Ladungsträgern und dem entsprechenden Körper (417, 421, 505).
Galvanische Zelle (401) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Schicht von zumindest einer der Schichtanordnungen (415, 419) inert für Ladungsträger ist.
Galvanische Zelle (401) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Schicht von zumindest einer der Schichtanordnungen (415, 419) aus einem Metallsilizid gebildet ist.
Galvanische Zelle (401) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Substrat (411, 413, 503) als Stromkollektor (503) gebildet ist.
Galvanische Zelle (401) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Zelle als Lithium-Zelle, insbesondere als Lithium-Ionen-Zelle, vorzugsweise als Lithium-Schwefel-Zelle, ausgebildet ist.