BR102014006443A2 - compound si / c as anode materials for lithium ion batteries - Google Patents

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BR102014006443A2
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silicon
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carbon
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Dennis Troegel
Jelena Pantelic
Manfred Amann
Stefan Haufe
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Wacker Chemie Ag
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Abstract

compostos de si/c como materiais de anodo para baterias de íon de lítio. a invenção refere-se a um processo para produzir um composto de si/c, que compreende fornecer um material ativo contendo silício, fornecer lignina, colocar em contato o material ativo com um precursor de c contendo lignina e carbonizar o material ativo por conversão de lignina em carbono inorgânico a uma temperatura de pelo menos 400 °c em uma atmosfera de gás inerte. a invenção fornece ainda um composto de si/c, usado como material de anodo em baterias de íon-lítio, um material de anodo para baterias de íon-lítio que contêm tal composto de si/c, um processo para produzir um anodo para uma bateria de íon-lítio, em que tal material de anodo é usado, e também uma bateria de íon-lítio que compreende um anodo com um material de anodo de acordo com a invenção.si / c compounds as anode materials for lithium ion batteries. The invention relates to a process for producing a si / c compound comprising providing a silicon-containing active material, providing lignin, contacting the active material with a lignin-containing c-precursor and carbonizing the active material by converting inorganic carbon lignin at a temperature of at least 400 ° C in an inert gas atmosphere. The invention further provides a si / c compound used as anode material in lithium ion batteries, an anode material for lithium ion batteries containing such an si / c compound, a process for producing an anode for a lithium ion battery. lithium-ion battery, where such anode material is used, and also a lithium-ion battery comprising an anode with an anode material according to the invention.

Description

deliberadamente. As funcionalidades típicas de superfície podem ser: Si-H, Si-Cl, Si-OH, Si-O-alquila, Si-O-arila, Si-alquila, Si-arila, Si-O-silila. Os grupos ligados à superfície também podem conter grupos funcionais e podem ser poliméricos ou monoméricos. Eles podem ser ligados apenas à superfície do Si em uma ou mais cadeias da molécula ou podem formar ponte com uma pluralidade de partículas de Si.deliberately. Typical surface functionalities may be: Si-H, Si-Cl, Si-OH, Si-O-alkyl, Si-O-aryl, Si-alkyl, Si-aryl, Si-O-silyl. Surface-bound groups may also contain functional groups and may be polymeric or monomeric. They may be attached only to the surface of Si in one or more chains of the molecule or may bridge with a plurality of Si particles.

[0030] Além do material ativo à base de Si, outros materiais ativos podem também estar perfeitamente presentes nos materiais compostos de Si/C da invenção.In addition to the Si-based active material, other active materials may also be perfectly present in the Si / C composite materials of the invention.

[0031] Eles podem consistir em uma modificação do carbono (especialmente grafite, negro de carbono, carbono amorfo, carbono pirolítico, carbono macio, carbono duro, nanotubos de carbono (CNTs), fulerenos, grafeno) ou de outro material ativo como (as modalidades não se restringem aos exemplos mencionados) Li, Sn, Mg, Ag, Co, Ni, Zn, Cu, Ti, B, Sb, Al, Pb, Ge, Bi, terras raras ou combinações dos mesmos. Além disso, outros componentes à base de um material eletroquimicamente inativo à base de metais (por exemplo, cobre), óxidos, carbonetos ou nitretos podem estar presentes na composição.They may consist of a modification of carbon (especially graphite, carbon black, amorphous carbon, pyrolytic carbon, soft carbon, hard carbon, carbon nanotubes (CNTs), fullerenes, graphene) or other active material such as modalities are not restricted to the mentioned examples) Li, Sn, Mg, Ag, Co, Ni, Zn, Cu, Ti, B, Sb, Al, Pb, Ge, Bi, rare earths or combinations thereof. In addition, other components based on an electrochemically inactive material based on metals (eg copper), oxides, carbides or nitrides may be present in the composition.

[0032] A lignina é um polifenol macromolecular altamente ramificado com uma estrutura complexa análoga às resinas de fenol ou resorcinol-formaldeído.Lignin is a highly branched macromolecular polyphenol with a complex structure analogous to phenol or resorcinol formaldehyde resins.

[0033] Para efeitos da presente invenção, o termo lignina abrange todas as redes poliméricas tridimensionais e amorfas compostas por três blocos de construção básicos aromáticos de álcool paracumarílico, álcool coniferílico e álcool sinapílico, que podem se ligar entre si de várias formas .For the purposes of the present invention, the term lignin encompasses all three-dimensional and amorphous polymeric networks composed of three basic aromatic building blocks of paracumaryl alcohol, coniferyl alcohol and synaphyl alcohol, which may bond together in various ways.

[0034] A lignina natural é um constituinte de muitos organismos vegetais e pode ser obtida, por exemplo, a partir de madeiras de coníferas, árvores de folhas largas, gramíneas ou outras matérias-primas vegetais.Natural lignin is a constituent of many plant organisms and can be obtained, for example, from coniferous woods, broadleaf trees, grasses or other plant raw materials.

[0035] A lignina também pode ter sido sintetizada quimicamente a partir de precursores adequados.Lignin may also have been chemically synthesized from suitable precursors.

[0036] A lignina de matérias-primas vegetais pode ser obtida por processos de digestão de lignocelulose.Lignin from plant raw materials can be obtained by lignocellulose digestion processes.

[0037] Processos de digestão industriais típicas são o processo com sulfato, o processo com sulfito, métodos de sacarificação da madeira ou de solventes (processos Organosolv ou Aquasolv), que são praticados em várias modificações.Typical industrial digestion processes are the sulfate process, the sulfite process, wood or solvent saccharification methods (Organosolv or Aquasolv processes), which are practiced in various modifications.

[0038] A lignina pode ser usada na forma pura ou como um derivado, por exemplo, como lignossulfonato, ou como lignossulfonato metálico.Lignin may be used in pure form or as a derivative, for example, as lignosulfonate, or as metallic lignosulfonate.

[0039] Além da lignina, outros precursores de C também podem ser introduzidos, misturados ou separadamente, em sucessão, no composto.In addition to lignin, other C precursors may also be introduced, mixed or separately, in succession, into the compound.

[0040] Estes possíveis precursores podem ser (mas não se limitam aos grupos dos materiais mencionados): carbono elementar (especialmente negros de carbono, grafites, carvão vegetal, coques, fibras de carbono, fulerenos, grafeno, etc.)hidrocarbonetos simples (por exemplo, metano, etano, etileno, acetileno, propano, propileno, butano, buteno, pentano, isobutano, hexano, benzeno, tolueno, estireno, etilbenzeno, difenilmetano, naftaleno, fenol, cresol, nitrobenzeno, clorobenzeno, piridina, antraceno, fenantreno, etc.),hidrocarbonetos poliaromáticos e misturas de hidrocarbonetos (especialmente breus e alcatrões: breu mesogênico, breu mesofase, breu de petróleo, breu de alcatrão de carvão duro, etc.),ácidos orgânicos (principalmente ácido citrico), álcoois (especialmente etanol, propanol, álcool furfurilico, etc.),carboidratos (especialmente glicose, sacarose, lactose, celulose, amido, incluindo monossacarideos, oligossacarideos e polissacarideos), polimeros orgânicos (especialmente resinas epóxi, resina de fenol-formaldeido, resina de resorcinol-formaldeido, polietileno, poliestireno, cloreto de polivinila, cloreto de polivinilideno, fluoreto de polivinilideno, politetrafluoretileno, acetato de polivinila, álcool polivinilico, óxido de polietileno, poliacrilonitrila, polianilina, polibenzimidazol, polidopamina, polipirrol, poliparafenileno) e silicones.These possible precursors may be (but are not limited to the groups of materials mentioned): elemental carbon (especially carbon black, graphite, charcoal, coke, carbon fiber, fullerene, graphene, etc.) simple hydrocarbons (eg example methane, ethane, ethylene, acetylene, propane, propylene, butane, butene, pentane, isobutane, hexane, benzene, toluene, styrene, ethylbenzene, diphenylmethane, naphthalene, phenol, cresol, nitrobenzene, chlorobenzene, pyridine, anthracene, phenanthrene, etc.), polyaromatic hydrocarbons and mixtures of hydrocarbons (especially brasses and tars: mesogenic pitch, mesophase pitch, petroleum pitch, hard coal tar pitch, etc.), organic acids (mainly citric acid), alcohols (especially ethanol, propanol, furfuryl alcohol, etc.), carbohydrates (especially glucose, sucrose, lactose, cellulose, starch including monosaccharides, oligosaccharides and polysaccharides), organic polymers (especially epoxy resins, phenol-formaldehyde resin, resorcinol-formaldehyde resin, polyethylene, polystyrene, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyvinyl alcohol, polyvinyl oxide, polyethylene polyvinyl, polyvinyl , polydopamine, polypyrrol, polyparaphenylene) and silicones.

[0041] Os precursores de C podem estar presentes misturados, sob a forma molecularmente ligada (por exemplo, copolimeros) ou ainda separadamente, um ao lado do outro, na estrutura do composto.The C precursors may be present mixed in molecularly bound form (e.g. copolymers) or separately together in the structure of the compound.

[0042] O revestimento do material ativo à base de silicone com lignina e, opcionalmente, outros precursores de Cea incorporação do material ativo à base de silicio em uma matriz contendo lignina pode ser feito de várias maneiras.The coating of the silicon-based active material with lignin and, optionally, other precursors of Cea incorporation of the silicon-based active material in a lignin-containing matrix can be done in a number of ways.

[0043] O material ativo à base de silicio pode ser submetido à moagem de alta energia juntamente com lignina (seca ou com água ou solvente orgânico) ou pode ser fisicamente misturado em qualquer forma com lignina.The silicon-based active material may be subjected to high energy milling together with lignin (dry or water or organic solvent) or may be physically mixed in any form with lignin.

[0044] Além disso, o material ativo à base de silicio pode ser disperso em uma dispersão ou solução de lignina, e revestido com lignina ou incorporado em lignina por subsequente evaporação do solvente.In addition, the silicon-based active material may be dispersed in a lignin dispersion or solution, and coated with lignin or incorporated into lignin by subsequent evaporation of the solvent.

[0045] Isso pode ser realizado pela remoção do solvente sob pressão reduzida ou por precipitação de Si/lignina e subsequente filtração ou centrifugação.This can be accomplished by removing the solvent under reduced pressure or by Si / lignin precipitation and subsequent filtration or centrifugation.

[0046] Os processos na fase liquida são preferidos, uma vez que eles permitem que a melhor distribuição do silicio na lignina seja alcançada.Liquid phase processes are preferred as they allow the best distribution of silicon in lignin to be achieved.

[0047] Além disso, o material ativo à base de silicio pode ser processado diretamente em soluções de lignina tais como são obtidas, por exemplo, no processo Organosolv.In addition, the silicon-based active material can be processed directly into lignin solutions such as are obtained, for example, from the Organosolv process.

[0048] Os compostos de silicio/lignina obtidos desta forma podem adicionalmente reagir na forma úmida ou após a secagem.The silicon / lignin compounds obtained in this way may additionally react in wet form or after drying.

[0049] Os intermediários também podem ser posteriormente moidos antes do processamento adicional ou ser submetidos ao revestimento/incorporação com precursores de C adicionais.Intermediates may also be further milled prior to further processing or subjected to coating / incorporation with additional C precursors.

[0050] Outra possibilidade é depositar nanoparticulas de silício a partir da fase gasosa sobre lignina por meio de processos CVD ou TVD, ou depositar precursores de C a partir da fase gasosa sobre o material ativo à base de Si.Another possibility is to deposit silicon nanoparticles from the gas phase onto lignin by means of CVD or TVD processes, or to deposit C precursors from the gas phase onto the Si-based active material.

[0051] A conversão de lignina e, opcionalmente, de outros precursores de C em carbono inorgânico para produzir os compostos de Si/C da invenção preferência ocorre termicamente por carbonização anaeróbia; este processo pode ocorrer, por exemplo, em um forno de tubo, em um forno de tubo rotativo ou em um reator de leito fluidizado.Conversion of lignin and, optionally, other C precursors to inorganic carbon to produce the Si / C compounds of the invention preferably occurs thermally by anaerobic carbonization; This process can occur, for example, in a tube furnace, a rotary tube furnace or a fluidized bed reactor.

[0052] A escolha do tipo de reator dependerá preferencialmente de se a carbonização é para ser realizada estaticamente ou com a mistura continua do meio reacional.The choice of reactor type will preferably depend on whether the carbonization is to be performed statically or with continuous mixing of the reaction medium.

[0053] A carbonização pode ser realizada em temperaturas na faixa de 400 a 1400 °C, preferencialmente de 500 a 1000 °C e, particularmente, preferencialmente de 700 a 900 °C.The carbonization may be carried out at temperatures ranging from 400 to 1400 ° C, preferably from 500 to 1000 ° C and particularly preferably from 700 to 900 ° C.

[0054] A atmosfera usada consiste em um gás inerte, como nitrogênio ou argônio, preferencialmente argônio, para que novas proporções de um gás redutor, como hidrogênio, possam ser opcionalmente adicionadas.The atmosphere used consists of an inert gas such as nitrogen or argon, preferably argon, so that new proportions of a reducing gas such as hydrogen can be optionally added.

[0055] A atmosfera pode ser estática sobre o meio reacional ou fluir sob a forma de um fluxo de gás sobre a mistura reacional.The atmosphere may be static over the reaction medium or flow as a gas stream over the reaction mixture.

[0056] As vazões usadas para essa finalidade podem ser (por exemplo, em um volume de reator de ~ 2350 cm) na faixa de 0 mL a 1 L por minuto, preferencialmente de 100 a 600 mL/min e, particularmente, preferencialmente 200 mL/min.The flow rates used for this purpose may be (for example, in a reactor volume of ~ 2350 cm) in the range of 0 mL to 1 L per minute, preferably from 100 to 600 mL / min and particularly preferably 200 mL. mL / min.

[0057] O aquecimento da mistura reacional pode ser realizado em diferentes taxas de aquecimento na faixa de 1 a 20 °C por minuto, preferencialmente usando taxas de aquecimento de 1 a 10 °C/min e, particularmente, preferencialmente de 3 a 5 °C/min.Heating of the reaction mixture may be carried out at different heating rates in the range of 1 to 20 ° C per minute, preferably using heating rates of 1 to 10 ° C / min and particularly preferably from 3 to 5 ° C. C / min

[0058] Além disso, um processo de carbonização gradual usando várias temperaturas e taxas de aquecimento intermediárias também pode ser realizado.In addition, a gradual carbonization process using various temperatures and intermediate heating rates can also be performed.

[0059] Após a temperatura alvo ter sido atingida, a mistura reacional é mantida na temperatura por um período de tempo determinado ou é imediatamente refrigerada.After the target temperature has been reached, the reaction mixture is kept at temperature for a specified period of time or immediately refrigerated.

[0060] Tempos de repouso vantajosos são de 30 minutos a 24 horas, preferencialmente de 2 a 10 horas e, particularmente, de 2 a 3 horas.Advantageous rest times are from 30 minutes to 24 hours, preferably from 2 to 10 hours and particularly from 2 to 3 hours.

[0061] O resfriamento também pode ser realizado ativamente ou passivamente, bem como também uniformemente ou em etapas.Cooling can also be performed actively or passively as well as evenly or in stages.

[0062] Os pós de composto de Si/C obtidos dessa forma podem ser caracterizados analiticamente de forma direta e utilizados para a preparação extra de eletrodo ou podem ser posteriormente tratados mecanicamente, por exemplo, por processos prévios de moagem ou peneiração. Além disso, também é possível usá-los para outras modificações de superfície, por exemplo, pela aplicação de revestimentos de C adicionais.Si / C compound powders obtained in this way can be characterized analytically directly and used for extra electrode preparation or can be further mechanically treated, for example by pre-milling or screening processes. In addition, it is also possible to use them for other surface modifications, for example by applying additional C coatings.

[0063] Os pós do composto de Si/C podem ser obtidos sob a forma de partículas isoladas, aglomerados soltos ou agregados coesos.Si / C compound powders can be obtained as isolated particles, loose agglomerates or cohesive aggregates.

[0064] As partículas de Si/C podem ser esféricas, em forma de farpa ou ainda lineares, sob a forma de fibras, ou podem estar presentes como emaranhados de fibras em forma de bola.Si / C particles may be spherical, barbed or even linear, in the form of fibers, or may be present as tangled fibers of the ball.

[0065] 0 tamanho médio da partícula primária dos compostos pode ser < lmm, preferencialmente < 20 pm e, particularmente, preferencialmente < 10 pm.The average primary particle size of the compounds may be <1 mm, preferably <20 pm and particularly preferably <10 pm.

[0066] A distribuição de tamanho de partícula pode ser monomodal, bimodal ou polimodal.The particle size distribution may be monomodal, bimodal or polymodal.

[0067] 0 carbono amorfo produzido a partir de lignina e, opcionalmente, de outros precursores de C pode cobrir o material ativo à base de silício sob a forma de uma camada fina ou formar uma matriz de C, em que o material ativo à base de silício é internamente incorporado ou está presente do lado de fora na superfície, e também combinações destas possibilidades de configuração. A matriz de C pode ser muito densa ou então porosa.Amorphous carbon produced from lignin and, optionally, other C precursors may cover the silicon-based active material in the form of a thin layer or form a matrix of C, wherein the base-active material Silicon is internally incorporated or present outside the surface, as well as combinations of these configuration possibilities. The matrix of C may be very dense or otherwise porous.

[0068] Tanto o material ativo à base de silicio quanto o carbono no composto de Si/C podem ser cristalinos ou amorfos, ou conter misturas dos constituintes cristalinos e amorfos.Both the silicon-based active material and the carbon in the Si / C compound may be crystalline or amorphous, or contain mixtures of crystalline and amorphous constituents.

[0069] Os compostos de Si/C podem ter áreas de superfície específica baixa ou então muito alta (BET) que podem estar na faixa de 0,1 a 400 m2/g (para os fins da presente invenção, preferencialmente de 100 a 200 m2/g).Si / C compounds may have low or very high specific surface areas (BET) which may be in the range 0.1 to 400 m2 / g (for purposes of the present invention, preferably from 100 to 200 m2 / g).

[0070] Os compostos de Si/C da invenção podem ter várias composições químicas.The Si / C compounds of the invention may have various chemical compositions.

[0071] Em geral, os compostos de Si/C podem possuir teores de Si de 10 a 90% em peso, teores de C de 10 a 90% em peso, teores de O de 0 a 20% em peso e teores de N de 0 a 10% em peso. É dada preferência às composições feitas com até 20 a 50% em peso de Si, 50 a 80% em peso de C, 0 a 10% em peso de O e 0 a 10% em peso de N. É dada preferência particular para as composições que compreendem até 2040% em peso de Si, 60 a 80% em peso de C, 0 a 5% em peso de O e 0 a 5% em peso de N.In general, Si / C compounds may have Si contents from 10 to 90 wt%, C contents from 10 to 90 wt%, O contents from 0 to 20 wt% and N contents. from 0 to 10% by weight. Preference is given to compositions made up to 20 to 50 wt% Si, 50 to 80 wt% C, 0 to 10 wt% O, and 0 to 10 wt% N. Particular preference is given to compositions comprising up to 2040 wt% Si, 60 to 80 wt% C, 0 to 5 wt% O and 0 to 5 wt% N.

[0072] O carbono presente pode, dependendo da composição do composto, ser carbono puro amorfo obtido por carbonização, negro de fumo condutor, grafite, nanotubos de carbono (CNTs) e outras modificações de carbono.The carbon present may, depending on the composition of the compound, be pure amorphous carbon obtained by carbonization, conductive carbon black, graphite, carbon nanotubes (CNTs) and other carbon modifications.

[0073] Além dos constituintes principais acima mencionados, outros elementos químicos também podem estar presentes sob a forma de uma adição intencional ou impureza coincidente: Li, Fe, Al, Cu, Ca, K, Na, S, Cl, Zr, Ti, Pt, Ni, Cr, Sn, Mg, Ag, Co, Zn, B, Sb; o teor das mesmas sendo preferencialmente < 1% em peso e, particularmente, preferencialmente < 100 ppm.In addition to the above-mentioned major constituents, other chemical elements may also be present in the form of an intentional addition or coincident impurity: Li, Fe, Al, Cu, Ca, K, Na, S, Cl, Zr, Ti, Pt, Ni, Cr, Sn, Mg, Ag, Co, Zn, B, Sb; their content is preferably <1 wt% and particularly preferably <100 ppm.

[0074] A presente invenção fornece ainda o uso dos compostos Si da invenção como material de eletrodo para baterias de ion-litio.The present invention further provides the use of the Si compounds of the invention as electrode material for lithium ion batteries.

[0075] Os materiais de eletrodo da invenção são preferencialmente usados para produzir o eletrodo negativo de uma batería de íon-lítio.The electrode materials of the invention are preferably used to produce the negative electrode of a lithium ion battery.

[0076] Na presente invenção, os materiais de eletrodo da invenção são processados com outros componentes e, opcionalmente, com um solvente como água, hexano, tolueno, tetra-hidrofurano, N-metilpirrolidona, N-etilpirolidona, acetona, acetato de etila, dimetilsulfóxido, dimetilacetamida ou etanol, ou misturas de solventes para produzir uma tinta ou pasta de eletrodo.In the present invention, the electrode materials of the invention are processed with other components and optionally with a solvent such as water, hexane, toluene, tetrahydrofuran, N-methylpyrrolidone, N-ethylpyrolidone, acetone, ethyl acetate, dimethyl sulfoxide, dimethylacetamide or ethanol, or solvent mixtures to produce a paint or electrode paste.

[0077] O processamento do material pode ser realizado, por exemplo, usando máquinas rotor-estator, moinhos de alta energia, amassadeiras planetárias, moinhos de bolas agitadas, mesas de agitação ou dispositivos ultrassônicos.Processing of the material may be performed, for example, using rotor-stator machines, high energy mills, planetary kneading machines, agitated ball mills, stirring tables or ultrasonic devices.

[0078] Para efeitos da presente invenção, outros componentes são materiais armazenáveis, como grafite ou lítio, ligantes poliméricos ou misturas de ligantes, materiais condutores, como negro de fumo condutor, nanotubos de carbono (CNT) ou pós-metálicos e outros adjuvantes, como dispersantes ou formadores de poros. Ligantes possíveis são fluoreto de polivinilideno, politetrafluoretileno, poliolefinas ou elastômeros termoplásticos, particularmente terpolímeros de etileno-propileno-dieno.For the purposes of the present invention, other components are storable materials such as graphite or lithium, polymeric binders or mixtures of binders, conductive materials such as conductive carbon black, carbon nanotubes (CNT) or post-metallic and other adjuvants, as dispersants or pore formers. Possible binders are polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyolefins or thermoplastic elastomers, particularly ethylene propylene diene terpolymers.

[0079] Em uma modalidade particular, a celulose modificada é usada como ligante.In a particular embodiment, modified cellulose is used as a binder.

[0080] O teor de sólidos da tinta ou pasta encontra-se na faixa de 5% em peso a 95% em peso, particularmente, preferencialmente, de 10% em peso a 50% em peso.The solids content of the paint or paste is in the range of 5 wt% to 95 wt%, particularly preferably from 10 wt% to 50 wt%.

[0081] A tinta ou pasta de eletrodo que compreende os materiais compostos da invenção é aplicada por meio de uma doctor blade sob uma espessura de camada seca de 2 pm a 500 pm, preferencialmente de 10 pm a 300 pm, a uma folha de cobre ou outro coletor de corrente.The paint or electrode paste comprising the compound materials of the invention is applied by means of a doctor blade under a dry layer thickness of 2 pm to 500 pm, preferably 10 pm to 300 pm, to a copper foil. or other current collector.

[0082] Outros métodos de revestimento, como revestimento por rotação, imersão, pintura ou pulverização podem, da mesma forma, ser utilizados.Other coating methods such as spin coating, dipping, painting or spraying can likewise be used.

[0083] Antes de revestir a folha de cobre com o material do eletrodo da invenção, a folha de cobre pode ser tratada com um escovador comercial, por exemplo, uma à base de resinas poliméricas. Isso aumenta a adesão ao cobre, mas não tem, em si, praticamente nenhuma atividade eletroquimica.Prior to coating the copper foil with the electrode material of the invention, the copper foil may be treated with a commercial brush, for example one based on polymeric resins. This increases copper adhesion, but has virtually no electrochemical activity per se.

[0084] 0 revestimento do eletrodo é seco até peso constante.The electrode coating is dried to constant weight.

[0085] A temperatura de secagem depende dos materiais utilizados e do solvente utilizado.The drying temperature depends on the materials used and the solvent used.

[0086] Ela encontra-se na faixa de 20 °C a 300 °C, particularmente preferencialmente de 50 °C a 150 °C.It is in the range of from 20 ° C to 300 ° C, particularly preferably from 50 ° C to 150 ° C.

[0087] A proporção do material composto de acordo com a invenção, com base no peso seco do revestimento do eletrodo, situa-se na faixa de 5% em peso a 98% em peso, particularmente, preferencialmente de 60% em peso a 95% em peso.The proportion of the composite material according to the invention based on the dry weight of the electrode coating is in the range of 5 wt.% To 98 wt.%, Particularly preferably from 60 wt.% To 95. % by weight.

[0088] A presente invenção fornece ainda uma batería de íon-lítío com um primeiro eletrodo de primeiro como catodo, um segundo eletrodo como anodo, uma membrana disposta entre os dois eletrodos como separador, duas conexões nos eletrodos, um invólucro que acomoda os componentes mencionados e um eletrólito que contém ions lítio e com o qual os dois eletrodos são impregnados, onde parte do segundo eletrodo contém o material composto contendo Si de acordo com a invenção.[0088] The present invention further provides a lithium-ion battery with a first electrode as a first cathode, a second electrode as an anode, a membrane disposed between the two electrodes as a separator, two connections on the electrodes, a housing that accommodates the components. and a lithium-containing electrolyte with which the two electrodes are impregnated, where part of the second electrode contains the Si-containing composite material according to the invention.

[0089] Como material do catodo é possível usar óxido de lítio e cobalto, óxido de lítio e níquel, óxido de lítio, níquel e cobalto (dopado e não dopado), óxido de lítio e manganês (spinel), óxidos de lítio, níquel, cobalto e manganês, óxidos de lítio, níquel e manganês, fosfato de lítio e ferro, fosfato de lítio e cobalto, fosfato de lítio e manganês, fosfato de lítio e vanádio ou óxidos de lítio e vanádio.As cathode material it is possible to use lithium and cobalt oxide, lithium and nickel oxide, lithium oxide, nickel and cobalt (doped and undoped), lithium and manganese oxide (spinel), lithium oxides, nickel , cobalt and manganese, lithium oxide, nickel and manganese oxide, lithium iron phosphate, lithium cobalt phosphate, lithium manganese phosphate, lithium vanadium phosphate or lithium vanadium oxides.

[0090] 0 separador é uma membrana que é permeável somente a íons, tal como é conhecido na produção de baterias. O separador separa o primeiro eletrodo do segundo eletrodo.[0090] The separator is a membrane that is permeable to ions only, as is known in the production of batteries. The separator separates the first electrode from the second electrode.

[0091] O eletrólito é uma solução de um sal de lítio (= sal eletrólito) em um solvente aprótico. Sais de eletrólito que podem ser usados incluem, por exemplo, hexafluorfosfato de lítio, hexafluorarsenato de lítio, perclorato de lítio, tetrafluorborato de lítio, LÍCF3SO3, LiN(CF3SO2) ou boratos de litio.Electrolyte is a solution of a lithium salt (= electrolyte salt) in an aprotic solvent. Electrolyte salts that may be used include, for example, lithium hexafluorophosphate, lithium hexafluorarsenate, lithium perchlorate, lithium tetrafluorborate, LICF3SO3, LiN (CF3SO2) or lithium borates.

[0092] A concentração do sal eletrólito é preferencialmente de 0,5 mol/L até o limite de solubilidade do respectivo sal, porém é preferencialmente 1 mol/L.The concentration of the electrolyte salt is preferably 0.5 mol / l up to the solubility limit of the respective salt, but is preferably 1 mol / l.

[0093] Como solventes, é possível usar carbonatos cíclicos, carbonato de propileno, carbonato de etileno, carbonato de dimetila, carbonato de dietila, carbonato de etilmetila, dimetoxietano, dietoxietano, tetraidrofurano, 2-metiltetraidrofurano, gama-butirolactona, dioxolano, acetonitrila, ésteres carbônicos orgânicos ou nitrilas, individualmente ou como misturas dos mesmos.As solvents, cyclic carbonates, propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, dimethoxyethane, diethoxyethane, tetrahydrofuran, gamma-butyrolactone, dioxolane, acetonitrile may be used. organic carbonic esters or nitriles, either individually or as mixtures thereof.

[0094] É dada ainda mais preferência ao eletrólito contendo um antigo filme como carbonato de vinileno, carbonato de fluoretileno, etc., como resultado do que uma melhoria significativa na estabilidade do ciclo do eletrodo composto de Si pode ser alcançada. Isto é atribuído, principalmente, à formação de uma fase intermediária de eletrólito sólido sobre a superfície de partículas ativas.Even more preference is given to the electrolyte containing an old film such as vinylene carbonate, fluoroethylene carbonate, etc., as a result of which a significant improvement in cycle stability of the Si composite electrode can be achieved. This is mainly attributed to the formation of an intermediate solid electrolyte phase on the surface of active particles.

[0095] A proporção do formador de filme no eletrólito estar na faixa de 0,1% em peso a 20,0% em peso, preferencialmente na faixa de 0,2% em peso a 15,0% em peso, e ainda mais preferencialmente de 0,5% em peso a 10% em peso.The proportion of the film former in the electrolyte is in the range of 0.1 wt% to 20.0 wt%, preferably in the range of 0.2 wt% to 15.0 wt%, and even more. preferably from 0.5 wt% to 10 wt%.

[0096] Além dos sistemas de eletrólito líquidos acima descritos, também é possível usar eletrólitos sólidos ou eletrólitos em gel que compreendem uma fase sólida, por exemplo, de fluoreto de polivinilideno, hexafluorpropileno, copolímero de fluoreto de polivinilideno-hexafluorpropileno, poliacrilonitrila, metacrilato de polimetila ou óxido de polietileno, e também misturas desses eletrólitos sólidos com as fases de eletrólito liquidas acima mencionadas.In addition to the above-described liquid electrolyte systems, it is also possible to use solid electrolytes or gel electrolytes comprising a solid phase, for example, polyvinylidene fluoride, hexafluorpropylene, polyvinylidenehexafluorpropylene fluoride copolymer, polyacrylonitrile, methacrylate. polymethyl or polyethylene oxide, and also mixtures of these solid electrolytes with the above mentioned liquid electrolyte phases.

[0097] A batería de íon-lítio da invenção pode ser produzida de todas as formas comuns, sob a forma enrolada, dobrada ou empilhada.The lithium-ion battery of the invention can be produced in all common forms, in rolled, folded or stacked form.

[0098] Todas as substâncias e materiais utilizados para produzir a batería de íon-lítio da invenção, como descrito acima, são conhecidos.All substances and materials used to produce the lithium-ion battery of the invention as described above are known.

[0099] A produção das partes da bateria da invenção e sua montagem para formar a bateria da invenção são realizadas pelos processos conhecidos no campo da produção de baterias.[0099] The production of the battery parts of the invention and their assembly to form the battery of the invention are carried out by known processes in the field of battery production.

[00100] A invenção é ilustrada abaixo com os exemplos.The invention is illustrated below with the examples.

Exemplos [00101] Salvo indicação em contrário, os exemplos abaixo foram realizados sob uma atmosfera de argônio seco 5,0 e sob pressão atmosférica local, ou seja, cerca de 101,3 kPa (1013 mbar), e em temperatura ambiente, ou seja, a cerca de 23 °C.Examples Unless otherwise indicated, the examples below were performed under a dry argon 5.0 atmosphere and under local atmospheric pressure, ie about 101.3 kPa (1013 mbar), and at room temperature, ie at about 23 ° C.

[00102] Os solventes usados para as sínteses foram secos por métodos padrão e armazenados sob uma atmosfera de argônio seca.The solvents used for the synthesis were dried by standard methods and stored under a dry argon atmosphere.

[00103] Os seguintes métodos e materiais foram usados nos exemplos: Carboni zação: [00104] Todas as carbonizações realizadas nos exemplos foram efetuadas usando um forno de tubo de três zonas a 1200 °C (TFZ 12/65/550/E301) disponível junto à Carbolite GmbH usando regulação em cascata, incluindo um termopar de sonda tipo N.The following methods and materials were used in the examples: Carbonization: All carbonizations performed in the examples were performed using a three zone tube oven at 1200 ° C (TFZ 12/65/550 / E301) available. from Carbolite GmbH using cascade adjustment including an N-type thermocouple.

[00105] As temperaturas indicadas são a temperatura interna do forno de tubo na posição do termopar.The temperatures indicated are the internal temperature of the tube furnace at the thermocouple position.

[00106] O material de partida a ser carbonizado em cada caso foi pesado em um ou mais cadinhos de combustão feitos de silica fundida (QCS GmbH) e introduzido em um tubo de trabalho feito de silica fundida (6 cm de diâmetro; 83 cm de comprimento).The starting material to be charred in each case was weighed into one or more combustion crucibles made of fused silica (QCS GmbH) and inserted into a working tube made of fused silica (6 cm in diameter; 83 cm in diameter). length).

[00107] As configurações e os parâmetros do processo usados para as carbonizações são indicados nos respectivos exemplos.[00107] The process settings and parameters used for carbonizations are given in the respective examples.

Mecânica após-tratamento/moagem: [00108] Os pós de Si/C obtidos após a carbonização foram depois adicionalmente cominuidos por moagem usando um moinho de bolas planetário PM1000, disponível junto à Retsch.Post-treatment / grinding mechanics: The Si / C powders obtained after carbonization were further comminuted by grinding using a PM1000 planetary ball mill available from Retsch.

[00109] 0 pó de Si/C foi, para essa finalidade, introduzido em um copo de moagem de 50 mL (aço especial ou óxido de zircônio) juntamente com um meio de moagem (especialmente aço ou óxido de zircônio; de 10 ou 20 mm de diâmetro) e mordo por um tempo definido em uma velocidade predefinida de rotação (200 ou 300 rpm) .For this purpose Si / C powder was introduced into a 50 mL grinding cup (special steel or zirconium oxide) together with a grinding medium (especially steel or zirconium oxide; 10 or 20 µm). mm in diameter) and bite for a set time at a predefined speed of rotation (200 or 300 rpm).

[00110] Os seguintes métodos analíticos e instrumentos foram utilizados para caracterizar o composto de Si/C obtido: Microscopia eletrônica de varredura/espectroscopia de raios X por dispersão em energia (EDX/SEM): [00111] Os estudos microscópicos foram realizados usando um microscópio eletrônico de varredura Ultra 55 Zeiss e um espectrômetro de raios X por dispersão em energia x-sight INCA.The following analytical methods and instruments were used to characterize the Si / C compound obtained: Scanning Electron Microscopy / Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX / SEM): The microscopic studies were performed using a Zeiss Ultra 55 scanning electron microscope and an INCA x-sight energy dispersion X-ray spectrometer.

[00112] Um revestimento de carbono foi aplicado às amostras da fase de vapor por meio de um revestimento por pulverização catódica SCD500 Baltec/revestimento de carbono antes do exame para evitar fenômenos de acúmulo de carga.A carbon coating was applied to the vapor phase samples by means of an SCD500 Baltec sputtering / carbon coating prior to examination to avoid charge accumulation phenomena.

Análise inorgânica/análise elementar: [00113] Os teores de C e, se for caso disso, os teores de S indicados nos exemplos foram determinados por meio de um analisador Leco CS 230; um analisador Leco TCH-600 foi usado para determinar O e, se for caso disso, os teores de N e H.Inorganic Analysis / Elemental Analysis: The C levels and, where appropriate, the S levels given in the examples were determined by means of a Leco CS 230 analyzer; A Leco TCH-600 analyzer was used to determine O and, where appropriate, N and H contents.

[00114] A determinação qualitativa e quantitativa dos outros elementos indicados nos compostos de Si/C obtidos foi realizada após digestão usando HNO3/HF através da espectrometria de emissão por plasma acoplado indutivamente (ICP) usando o instrumento Optima 7300 DV da Perkin Elmer.Qualitative and quantitative determination of the other indicated elements in the obtained Si / C compounds was performed after digestion using HNO3 / HF by inductively coupled plasma emission spectrometry (ICP) using the Perkin Elmer Optima 7300 DV instrument.

[00115] Os teores de cloro indicados foram determinados por meio de cromatografia iônica.The indicated chlorine contents were determined by ion chromatography.

Determinação do tamanho de particular [00116] A determinação da distribuição do tamanho de particula indicada nos exemplos foi realizada por meio de espalhamento de luz laser estático em um instrumento LA-950 disponível junto à Horiba.Particle Size Determination Particle size distribution indicated in the examples was determined by static laser light scattering on a LA-950 instrument available from Horiba.

[00117] Os compostos de Si/C foram, para esta finalidade, dispersos em água com adição de octilfenoxipolietoxietanol (IGEPAL). Área de superfície específica pelo método BET: [00118] A determinação da área de superfície específica dos compostos Si/C obtidos foi realizada pelo método BET usando o instrumento Sorptomatic 1990, disponível junto à Thermo Fisher Scientific, Inc.Si / C compounds were, for this purpose, dispersed in water with the addition of octylphenoxypolyethoxyethanol (IGEPAL). BET-specific surface area: [00118] Determination of the specific surface area of the Si / C compounds obtained was performed by the BET method using the Sorptomatic 1990 instrument available from Thermo Fisher Scientific, Inc.

Análise termogravimétrica (TGA): [00119] A razão de várias modificações de carbono em um composto (especialmente grafite (G) além de carbono amorfo (a-C)) foi determinada por meio da análise termogravimétrica usando uma termobalança Mettler TGA 851.Thermogravimetric Analysis (TGA): The ratio of various carbon modifications in a compound (especially graphite (G) in addition to amorphous carbon (a-C)) was determined by thermogravimetric analysis using a Mettler TGA 851 thermobalance.

[00120] A medição foi realizada sob oxigênio como gás de medição na faixa de temperatura de 25 a 1000 °C e a uma taxa de aquecimento de 10 °C/min.The measurement was performed under oxygen as the measurement gas in the temperature range 25 to 1000 ° C and at a heating rate of 10 ° C / min.

[00121] Na presença de G e C, a perda de massa causada pela combustão do carbono total ocorre em dois estágios, na faixa de temperatura de 400 a 800 °C, a partir da razão que uma razão a-C:G indicada nos exemplos relevantes foi determinada.In the presence of G and C, the mass loss caused by the combustion of total carbon occurs in two stages, in the temperature range 400 to 800 ° C, from the reason that an aC: G ratio indicated in the relevant examples. has been determined.

Materiais utilizados: [00122] Os seguintes materiais foram adquiridos de fontes comerciais ou sintetizados internamente e usados diretamente sem purificação adicional: Nanopó de silício em pó (20 a 30 nm; materiais nanoestruturados e amorfos), Dispersão de nanopó de silício (23%, em peso, no etanol, D50 = 180 nm) Grafite KS6L-C (Timcal), Nanotubos de carbono (Baytubes C70P; Bayer Material Science), poliacrilonitrila (Sigma-Aldrich), Dimetilsulfóxido (Acros Organics), Dodecilsulfato de sódio (SDS; Sigma Aldrich).Materials Used: The following materials were purchased from commercial sources or internally synthesized and used directly without further purification: Silicon Nanopowder Powder (20 to 30 nm; nanostructured and amorphous materials), Silicon Nanopowder Dispersion (23%, by weight, in ethanol, D50 = 180 nm) Graphite KS6L-C (Timcal), Carbon Nanotubes (Baytubes C70P; Bayer Material Science), Polyacrylonitrile (Sigma-Aldrich), Dimethyl Sulfoxide (Acros Organics), Sodium Dodecyl Sulfate (SDS; Sigma Aldrich).

[00123] A lignina foi produzida como solvente aquoso-orgânico a partir de lascas de faia em um processo Organosolv.Lignin was produced as an aqueous-organic solvent from beech chips in an Organosolv process.

[00124] A digestão (a 180 °C durante 4 h) foi realizada em solução aquosa-etanólica com 50% de força (v/v) usando uma razão liquida de 4:1 (solvente:lascas).Digestion (at 180 ° C for 4 h) was performed in 50% strength (v / v) aqueous-ethanolic solution using a 4: 1 liquid ratio (solvent: flakes).

[00125] A solução de lignina foi separada da fração fibrosa por filtração.The lignin solution was separated from the fibrous fraction by filtration.

[00126] A solução de lignina marrom-escuro obtida tinha um teor de sólidos de 4 a 7% em peso.The dark brown lignin solution obtained had a solids content of 4 to 7% by weight.

[00127] Alternativamente, a digestão correspondente (170 °C durante 2 h) foi realizada em solução aquosa-etanólica com força de 50% (v/v) , com mais 1% em peso de H2S04 - [00128] Salvo indicação em contrário, a solução de lignina isenta de H2S04 foi usada nos exemplos a seguir.Alternatively, the corresponding digestion (170 ° C for 2 h) was performed in 50% (v / v) strength aqueous-ethanolic solution with an additional 1% by weight of H2 SO4 - unless otherwise indicated. , the H2SO4 free lignin solution was used in the following examples.

Exemplo 1 [00129] 1,50 g de nanopó de silício (20 a 30 nm;Example 1 1.50 g of silicon nanopowder (20 to 30 nm;

Nanostructured & Amorphous Materials) foi adicionado em 150 mL de solução de lignina (7% em peso, em H20/Et0H) e tratado em um banho ultrassônico durante 1 hora. Os constituintes voláteis foram removidos sob pressão reduzida e o resíduo marrom foi dividido entre dois cadinhos de sílica fundida e carbonizados sob argônio em um forno de tubo: sob taxa de aquecimento de 10 °C/min, temperatura de 800 °C, tempo de espera de 2 h e vazão de Ar de 200 mL/min. Após o resfriamento, 4,70 g de um sólido preto e pulverulento (36% de rendimento de carbonização) foram obtidos. O produto foi posteriormente mordo em um moinho de bolas planetário: o copo de moagem e o meio de moagem feito de aço especial; Ia moagem: 3 bolas (20 mm), 200 rpm, 1 h; 2a moagem: 12 bolas (10 mm), 200 rpm, 1 h.Nanostructured & Amorphous Materials) was added in 150 mL of lignin solution (7 wt.% In H2 O / EtH) and treated in an ultrasonic bath for 1 hour. The volatile constituents were removed under reduced pressure and the brown residue was partitioned between two molten silica crucibles and charred under argon in a tube furnace: under heating rate of 10 ° C / min, temperature 800 ° C, holding time 2 h and 200 mL / min Ar flow. After cooling, 4.70 g of a powdery black solid (36% carbonization yield) was obtained. The product was later bite in a planetary ball mill: the grinding cup and the grinding medium made of special steel; 1st milling: 3 balls (20 mm), 200 rpm, 1 h; 2nd milling: 12 balls (10 mm), 200 rpm, 1 h.

[00130] Composição elementar: 27% de Si em peso, 56% de C em peso, 15% de O em peso, Li < 10 ppm, 0,34% de Fe em peso, Al < lOppm, Cu < 10 ppm, 0,31% de Ca em peso, 0,60% de K em peso, 250 ppm de Na, S < 0,1% em peso.Elemental composition: 27 wt% Si, 56 wt% C, 15 wt% O, Li <10 ppm, 0.34 wt% Fe, Al <10ppm, Cu <10 ppm, 0.31 wt% Ca, 0.60 wt% K, 250 ppm Na, S <0.1 wt%.

[00131] Distribuição de tamanho de partícula: monomodal; D10: 3,83 ym, D50: 6,87 ym, D90: 10,7 ym.Particle size distribution: monomodal; D10: 3.83 µm, D50: 6.87 µm, D90: 10.7 µm.

[00132] Área de superfície específica (BET): 106 m2/g.Specific surface area (BET): 106 m2 / g.

Exemplo 2 [00133] 2,00 g de nanopó de silício (20 a 30 nm;Example 2 2.00 g silicon nanopowder (20 to 30 nm;

Nanostructured & Amorphous Materials) foram adicionados em 200 mL de solução de lignina (7% em peso, em H20/Et0H) e a dispersão resultante foi tratada com ultrassom durante 10 minutos. Água (200 mL) , que foi previamente isenta de oxigênio dissolvido passando argônio pela mesma, foi adicionada gota a gota à dispersão sob agitação. O composto de Si/lignina precipitado, conforme separado por filtração, foi lavado várias vezes com água e seco a 60 °C, sob pressão reduzida (3,5 h) . O resíduo aumentado foi dividido entre dois cadinhos de sílica fundida e carbonizado sob argônio em um forno de tubo; taxa de aquecimento de 0 °C/min, temperatura de 800 °C, tempo de espera de 2 h, vazão de Ar de 200 irtL/min. Após o resfriamento, 3,95 g de um sólido preto e pulverulento foram obtidos (57% de rendimento de carbonização) . O produto foi posteriormente mordo em um moinho de bolas planetário: o copo de moagem e o meio de moagem feito de aço especial; 3 bolas (20 mm, 200 rpm, h.Nanostructured & Amorphous Materials) were added in 200 mL of lignin solution (7 wt.% In H2 O / EtH) and the resulting dispersion was sonicated for 10 minutes. Water (200 mL), which was previously free of dissolved oxygen by passing argon through it, was added dropwise to the stirring dispersion. The precipitated Si / lignin compound, as filtered off, was washed several times with water and dried at 60 ° C under reduced pressure (3.5 h). The increased residue was divided between two molten silica crucibles and carbonized under argon in a tube furnace; heating rate 0 ° C / min, temperature 800 ° C, standby time 2 h, air flow 200 irtL / min. After cooling, 3.95 g of a black powdery solid was obtained (57% carbonization yield). The product was later bite in a planetary ball mill: the grinding cup and the grinding medium made of special steel; 3 balls (20 mm, 200 rpm, h.

[00134] Composição elementar: 44%, de Si em peso, 48% de C em peso, 7% de 0 em peso, Li < 10 ppm, 0,10% de Fe em peso, 120 ppm de Al, Cu < 10 ppm, 32 ppm de Ca, 21 ppm de K, 46 ppm de Na, S < 0,1% em peso.Elemental composition: 44 wt% Si, 48 wt% C, 7 wt% 0, Li <10 ppm, 0.10 wt% Fe, 120 ppm Al, Cu <10 ppm, 32 ppm Ca, 21 ppm K, 46 ppm Na, S <0.1 wt.%.

[00135] Distribuição de tamanho de partícula: monomodal; D10: 0,65 ym, D50: 7,09 ym, D90: 14,2 ym.Particle size distribution: monomodal; D10: 0.65 µm, D50: 7.09 µm, D90: 14.2 µm.

[00136] Área de superfície específica (BET): 254 m2/g.Specific surface area (BET): 254 m2 / g.

Exemplo 3 [00137] 4,00 g de nanopó de silício (20 a 30 nm;Example 3 4.00 g silicon nanopowder (20 to 30 nm;

Nanostructured & Amorphous Materials) foram adicionados em 400 mL de solução de lignina (7% em peso, em H20/EtOH) e a dispersão resultante foi tratada com ultrassom durante 10 minutos. Água (400 mL) , que foi previamente isenta de oxigênio dissolvido passando argônio pela mesma, foi adicionada gota a gota à dispersão sob agitação. O composto de Si/lignina precipitado, conforme separado por filtração, foi lavado várias vezes com água e seco a 60 °C, sob pressão reduzida (4,5 h) . O resíduo aumentado foi dividido entre dois cadinhos de sílica fundida e carbonizado em dois estágios sob argônio em um forno de tubo: 1) Taxa de aquecimento de 2 °C/min, temperatura de 300 °C, tempo de espera de 2 h, vazão de Ar de 200 mL/min. Rendimento da carbonização no estágio 1: 70%. 2) Taxa de aquecimento de 10 °C/min, temperatura de 800 °C, tempo de espera de 2 h, vazão de Ar de 200 mL/min. Rendimento da carbonização no estágio 2: 89%.Nanostructured & Amorphous Materials) were added in 400 mL of lignin solution (7 wt% in H2 O / EtOH) and the resulting dispersion was sonicated for 10 minutes. Water (400 mL), which was previously free of dissolved oxygen by passing argon through it, was added dropwise to the stirring dispersion. The precipitated Si / lignin compound, as filtered off, was washed several times with water and dried at 60 ° C under reduced pressure (4.5 h). The increased residue was divided between two molten silica crucibles and carbonized in two stages under argon in a tube furnace: 1) Heating rate 2 ° C / min, temperature 300 ° C, standby time 2 h, flow rate 200 ml / min. Carbonization yield at stage 1: 70%. 2) Heating rate of 10 ° C / min, temperature of 800 ° C, standby time of 2 h, air flow rate of 200 mL / min. Carbonization yield at stage 2: 89%.

[00138] Após o resfriamento, 6,25 g de um sólido preto e pulverulento (63% de rendimento de carbonização total) foram obtidos. O produto foi posteriormente moído em um moinho de bolas planetário: o copo de moagem e o meio de moagem feito de aço especial; 3 bolas (20 mm, 200 rpm, 3 h.After cooling, 6.25 g of a black powdery solid (63% total carbonization yield) was obtained. The product was subsequently ground in a planetary ball mill: the grinding cup and the grinding medium made of special steel; 3 balls (20 mm, 200 rpm, 3 h.

[00139] Composição elementar: 53% de Si em peso, 41% de C em peso, 5% de O em peso, Li < 10 ppm, 143 ppm de Fe, 4 8 ppm de Al, Cu < 10 ppm, 7 0 ppm de Ca, 98 ppm de K 110 ppm de Na, S < 0,1% em peso.Elemental composition: 53 wt% Si, 41 wt% C, 5 wt% O, Li <10 ppm, 143 ppm Fe, 48 ppm Al, Cu <10 ppm, 70 ppm Ca, 98 ppm K 110 ppm Na, S <0.1 wt%.

[00140] Distribuição de tamanho de partícula: monomodal; D10: 0,75 ym, D50: 2,54 ym, D90: 5,56 ym.Particle size distribution: monomodal; D10: 0.75 µm, D50: 2.54 µm, D90: 5.56 µm.

[00141] Área de superfície específica (BET): 201 m2/g.Specific surface area (BET): 201 m2 / g.

Exemplo 4 [00142] 2,00 g de nanopó de silício (20 a 30 nm;Example 4 2.00 g of silicon nanopowder (20 to 30 nm;

Nanostructured & Amorphous Materials) e 3 g de grafite (Timcal) foram adicionados em 180 mL de solução de lignina (7% em peso, em H20/EtOH) e a dispersão resultante foi tratada com ultrassom durante 15 minutos. Água (180 mL) que foi previamente isenta de oxigênio dissolvido passando argônio pela mesma, foi adicionada gota a gota à dispersão sob agitação. O composto de Si/grafite/lignina precipitado foi separado por filtração, lavado várias vezes com água e seco a 60 °C sob pressão reduzida (4 h) . O resíduo preto-marrom foi colocado em um cadinho de sílica fundida e carbonizado sob argônio em um forno de tubo; primeiramente, a uma taxa de aquecimento de 2 °C/min, temperatura de 300 °C, tempo de espera de 2 h e vazão de Ar de 200 mL/min; em seguida, imediatamente depois a uma taxa de aquecimento de 10 °C/min, temperatura de 800 °C, tempo de espera de 2 h, vazão de Ar de 200 mL/min. Após o resfriamento, 6,00 g de um sólido preto e pulverulento foram obtidos (76% de rendimento de carbonização) . O produto foi cominuído manualmente em um gral.Nanostructured & Amorphous Materials) and 3 g of graphite (Timcal) were added in 180 mL of lignin solution (7 wt% in H 2 O / EtOH) and the resulting dispersion was sonicated for 15 minutes. Water (180 mL) that was previously free of dissolved oxygen by passing argon through it was added dropwise to the stirring dispersion. The precipitated Si / graphite / lignin compound was filtered off, washed several times with water and dried at 60 ° C under reduced pressure (4 h). The black-brown residue was placed in a molten silica crucible and charred under argon in a tube furnace; first, at a heating rate of 2 ° C / min, a temperature of 300 ° C, a standby time of 2 h and an air flow rate of 200 mL / min; then immediately thereafter at a heating rate of 10 ° C / min, temperature 800 ° C, standby time 2 h, air flow rate 200 mL / min. After cooling, 6.00 g of a black powdery solid was obtained (76% carbonization yield). The product was manually comminuted to a grail.

[00143] Composição elementar: 30% de Si em peso, 66% de C em peso (44% de G em peso; 22% de a-C em peso) , 3% de O em peso, Li < 10 ppm, 15 ppm de Fe, 17 ppm de Al, Cu < lOppm, 17 ppm de Ca, 19 ppm de K, 20 ppm de Na, S < 0,1% em peso.Elemental composition: 30 wt% Si, 66 wt% C (44 wt% G; 22 wt% BC), 3 wt% O, Li <10 ppm, 15 ppm de Fe, 17 ppm Al, Cu <10ppm, 17 ppm Ca, 19 ppm K, 20 ppm Na, S <0.1 wt.%.

[00144] Distribuição de tamanho de partícula: monomodal; D10: 3,04 ym, D50: 5,31 ym, D90: 8,72 ym.Particle size distribution: monomodal; D10: 3.04 ym, D50: 5.31 ym, D90: 8.72 ym.

[00145] Área de superfície especifica (BET): 101 m2/g.[00145] Specific Surface Area (BET): 101 m2 / g.

Exemplo 5 [00146] 18,0 g de dispersão de nanopó de silício (23% em peso em etanol, D50 = 180 nm) e 400 mL de solução de lignina (7% em peso, em H20/Et0H) foram misturados entre si sob agitação. Água (450 mL) , que foi previamente isenta de oxigênio dissolvido passando argônio pela mesma, foi adicionada gota a gota à dispersão sob agitação. O composto de Si/lignina precipitado foi separado por filtração, lavado várias vezes com água e seco a 60 °C, sob pressão reduzida (4,5 h). 0 resíduo marrom foi dividido entre dois cadinhos de sílica fundida e carbonizado sob argônio em um forno de tubo: primeiramente, a uma taxa de aquecimento de 3 °C/min, temperatura de 300 °C, tempo de espera de lhe vazão de Ar de 200 mL/min; em seguida, imediatamente depois a uma taxa de aquecimento de 10 °C/min, temperatura de 800 °C, tempo de espera de 2 h e vazão de Ar de 200 mL/min. Após o resfriamento, 5,04 g de um sólido preto e pulverulento foram obtidos (49% de rendimento de carbonização). O produto foi primeiramente cominuído manualmente em um gral e posteriormente moído em um moinho de bolas planetário: o copo de moagem e o meio de moagem feitos de aço especial; 3 bolas (20 mm, 200 rpm, 2 h.Example 5 18.0 g of silicon nanopowder dispersion (23 wt% in ethanol, D50 = 180 nm) and 400 ml lignin solution (7 wt% in H2 O / EtOH) were mixed together. under agitation. Water (450 mL), which was previously free of dissolved oxygen by passing argon through it, was added dropwise to the stirring dispersion. The precipitated Si / lignin compound was filtered off, washed several times with water and dried at 60 ° C under reduced pressure (4.5 h). The brown residue was divided between two molten silica crucibles and carbonized under argon in a tube furnace: first, at a heating rate of 3 ° C / min, temperature 300 ° C, waiting time for air flow to 200 mL / min; then immediately thereafter at a heating rate of 10 ° C / min, temperature 800 ° C, standby time 2 h and air flow rate of 200 mL / min. After cooling, 5.04 g of a black powdery solid was obtained (49% carbonization yield). The product was first comminuted manually in a gral and then ground in a planetary ball mill: the grinding cup and grinding medium made of special steel; 3 balls (20 mm, 200 rpm, 2 h.

[00147] Composição elementar: 48% de Si em peso, 43% de C em peso, 8% de O em peso, 0,2% de N em peso, 0,5% de H em peso, Li < 10 ppm, 440 ppm de Fe, Al < 100 ppm, Cu < lOppm, 240 ppm de Ca e 34 ppm de K.Elemental composition: 48 wt% Si, 43 wt% C, 8 wt% O, 0.2 wt% N, 0.5 wt% H, Li <10 ppm, 440 ppm Fe, Al <100 ppm, Cu <10ppm, 240 ppm Ca and 34 ppm K.

[00148] Distribuição de tamanho de partícula: monomodal; D10: 0,62 ym, D50: 2,56 ym, D90: 5,53 ym.Particle size distribution: monomodal; D10: 0.62 µm, D50: 2.56 µm, D90: 5.53 µm.

[00149] Área de superfície específica (BET): 206 m2/g.Specific surface area (BET): 206 m2 / g.

Exemplo 6 [00150] 1,70 g de nanopó de silício (20 a 30 nm;Example 6 1.70 g of silicon nanopowder (20 to 30 nm;

Nanostructured & Amorphous Materials) e 2,60 g de nanotubos de carbono foram introduzidos em 155 ml de solução de lignina (7% em peso, em H20/Et0H) e a dispersão resultante, primeiramente, misturada com uma pequena quantidade (ponta de espátula) de dodecilsulfato de sódio (SDS) e foi posteriormente tratada com ultrassom durante 25 minutos. Água (200 mL) , que foi previamente isenta de oxigênio dissolvido passando argônio pela mesma, foi adicionada gota a gota à dispersão sob agitação. O composto de Si/lignina precipitado foi separado por filtração, lavado várias vezes com água e seco a 60 °C, sob pressão reduzida (4,5 h) . O resíduo preto-marrom foi colocado em um cadinho de sílica fundida e carbonizado sob argônio em um forno de tubo; primeiramente, a uma taxa de aquecimento de 2 °C/min, temperatura de 300 °C, tempo de espera de 2 h e vazão de Ar de 200 mL/min; em seguida, imediatamente depois a uma taxa de aquecimento de 10 °C/min, temperatura de 800 °C, tempo de espera de 2 h, vazão de Ar de 200 mL/min. Após o resfriamento, 5.72 g de um sólido preto e pulverulento , de rendimento de carbonização ( foram obtidos25%) . O produto foi posteriormente moido em um moinho de bolas planetário; o copo de moagem e o meio de moagem feitos de óxido de zircônio; 3 bolas (20 mm), 300 rpm, 2 h.Nanostructured & Amorphous Materials) and 2.60 g of carbon nanotubes were introduced into 155 ml of lignin solution (7 wt.% In H20 / EtOH) and the resulting dispersion was first mixed with a small amount (spatula tip ) sodium dodecyl sulfate (SDS) and was subsequently ultrasonically treated for 25 minutes. Water (200 mL), which was previously free of dissolved oxygen by passing argon through it, was added dropwise to the stirring dispersion. The precipitated Si / lignin compound was filtered off, washed several times with water and dried at 60 ° C under reduced pressure (4.5 h). The black-brown residue was placed in a molten silica crucible and charred under argon in a tube furnace; first, at a heating rate of 2 ° C / min, a temperature of 300 ° C, a standby time of 2 h and an air flow rate of 200 mL / min; then immediately thereafter at a heating rate of 10 ° C / min, temperature 800 ° C, standby time 2 h, air flow rate 200 mL / min. After cooling, 5.72 g of a black powdery solid from carbonization yield (25% was obtained). The product was subsequently ground in a planetary ball mill; the grinding cup and grinding medium made of zirconium oxide; 3 balls (20 mm), 300 rpm, 2 h.

[00151] Composição elementar: 29% de Si em peso, 54% de C em peso (44% de CNT em peso; 10% de a-C em peso), 17% de O em peso, Li < lOppm, 20 ppm de Fe, 0,13% de Al em peso, 15 ppm de Cu, 130 ppm de Ca, 70 ppm de K, 40 ppm de Zr, S < 0,1% em peso.Elemental composition: 29 wt% Si, 54 wt% C (44 wt% CNT; 10 wt% BC), 17 wt% O, Li <10ppm, 20 ppm Fe 0.13 wt% Al, 15 ppm Cu, 130 ppm Ca, 70 ppm K, 40 ppm Zr, S <0.1 wt%.

[00152] Distribuição de tamanho de partícula: bimodal; D10: 0,14 pm, D50: 0,45 pm, D90: 2,19 pm.Particle size distribution: bimodal; D10: 0.14 pm, D50: 0.45 pm, D90: 2.19 pm.

[00153] Área de superfície específica (BET): 231 m2/g.Specific surface area (BET): 231 m2 / g.

Exemplo 7 [00154] A) 4,00 g de nanopó de silício (20 a 30 nm;Example 7 A) 4.00 g of silicon nanopowder (20 to 30 nm;

Nanostructured & Amorphous Materials) foram adicionados em 400 mL de solução de lignina (7% em peso, em H20/Et0H) e a dispersão resultante foi tratada com ultrassom durante 15 minutos. Água (400 mL) , que foi previamente isenta de oxigênio passando argônio pela mesma, foi adicionada gota a gota à dispersão sob agitação. O composto de Si/lignina precipitado foi separado por filtração, lavado várias vezes com água e seco a 60 °C, sob pressão reduzida (4,5 h) . 0 resíduo marrom foi colocado em um cadinho de sílica fundida e carbonizado sob argônio em um forno de tubo; primeiramente, a uma taxa de aquecimento de 3 °C/min, temperatura de 300 °C, tempo de espera de 2 h e vazão de Ar de 200 mL/min; em seguida, imediatamente depois a uma taxa de aquecimento de 10 °C/min, temperatura de 800 °C, tempo de espera de 2 h e vazão de Ar de 200 mL/min. Após o resfriamento, 6,33 g de um sólido preto e pulverulento foram obtidos (51% de rendimento de carbonização). O produto foi posteriormente moido em um moinho de bolas planetário: o copo de moagem e o meio de moagem feitos de aço especial; 12 bolas (10 mm), 200 rpm, 2 h. Distribuição de tamanho de partícula: bimodal; D10: 0,14 pm, D50: 0,91 pm, D90: 5,75 pm.Nanostructured & Amorphous Materials) were added in 400 mL of lignin solution (7 wt.% In H2 O / EtH) and the resulting dispersion was sonicated for 15 minutes. Water (400 mL), which was previously oxygen-free by passing argon through it, was added dropwise to the stirring dispersion. The precipitated Si / lignin compound was filtered off, washed several times with water and dried at 60 ° C under reduced pressure (4.5 h). The brown residue was placed in a molten silica crucible and charred under argon in a tube furnace; first, at a heating rate of 3 ° C / min, a temperature of 300 ° C, a standby time of 2 h and an air flow rate of 200 mL / min; then immediately thereafter at a heating rate of 10 ° C / min, temperature 800 ° C, standby time 2 h and air flow rate of 200 mL / min. After cooling, 6.33 g of a black powdery solid was obtained (51% carbonization yield). The product was subsequently milled in a planetary ball mill: the grinding cup and grinding medium made of special steel; 12 balls (10 mm), 200 rpm, 2 h. Particle size distribution: bimodal; D10: 0.14 pm, D50: 0.91 pm, D90: 5.75 pm.

[00155] b) 4,00 g de poliacrilonitrila (PAN) foram dissolvidos em 60 mL de dimetilsulfóxido isento de água por agitação em temperatura ambiente. O composto de Si/C produzido em a) (6,05 g) foi introduzido na solução de PAN sob agitação, e a dispersão resultante foi tratada em um banho ultrassônico durante 1 hora. Os constituintes voláteis foram removidos de 80 a 90 °C sob pressão reduzida. O resíduo tipo borracha foi cominuído, dividido entre dois cadinhos de silica fundida e carbonizado sob argônio em um forno de tubo: primeiramente, a uma taxa de aquecimento de 3 °C/min, temperatura de 280 °C, tempo de espera de 1,5 h e vazão de Ar de 200 mL/min; em seguida, imediatamente depois a uma taxa de aquecimento de 10 °C/min, temperatura de 800 °C, tempo de espera de 2 h e vazão de Ar de 200 mL/min. Após o resfriamento, 7,29 g de um sólido preto e pulverulento foram obtidos (72% de rendimento de carbonização). 0 produto foi posteriormente moido em um moinho de bolas planetário; o copo de moagem e o meio de moagem feitos de óxido de zircônio; 3 bolas (20 mm), 300 rpm, 2 h.B) 4.00 g of polyacrylonitrile (PAN) was dissolved in 60 mL of water-free dimethyl sulfoxide by stirring at room temperature. The Si / C compound produced in a) (6.05 g) was introduced into the stirring PAN solution, and the resulting dispersion was treated in an ultrasonic bath for 1 hour. Volatile constituents were removed at 80 to 90 ° C under reduced pressure. The rubber-like residue was comminuted, split between two molten silica crucibles and charred under argon in a tube furnace: first, at a heating rate of 3 ° C / min, temperature 280 ° C, holding time 1, 5 h and 200 mL / min Ar flow rate; then immediately thereafter at a heating rate of 10 ° C / min, temperature 800 ° C, standby time 2 h and air flow rate of 200 mL / min. After cooling, 7.29 g of a black powdery solid was obtained (72% carbonization yield). The product was subsequently ground in a planetary ball mill; the grinding cup and grinding medium made of zirconium oxide; 3 balls (20 mm), 300 rpm, 2 h.

[00156] Composição elementar: 38% de Si em peso, 51% de C em peso, 7% de 0 em peso, 4% de N em peso, Li < 10 ppm, 67 0 ppm de Fe, 61 ppm de Al, 35 ppm de Cu, 9 0 ppm de Ca, 54 ppm de K, 400 ppm de Zr.Elemental composition: 38 wt% Si, 51 wt% C, 7 wt% 0, 4 wt% N, Li <10 ppm, 670 ppm Fe, 61 ppm Al, 35 ppm Cu, 90 ppm Ca, 54 ppm K, 400 ppm Zr.

[00157] Distribuição de tamanho de partícula: monomodal; D10: 1,24 pm, D50: 4,34 pm, D90: 8,61 pm.Particle size distribution: monomodal; D10: 1.24 pm, D50: 4.34 pm, D90: 8.61 pm.

[00158] Área de superfície específica (BET): 105 m2/g.Specific surface area (BET): 105 m2 / g.

Exemplo 8 [00159] 1,18 g do material composto do exemplo 4 e 0,18 g de negro de fumo condutor (Timcal, Super P Li) foi disperso em 11,4 g de solução de 1,0% de força em peso de carboximetilcelulose de sódio (Daicel, grau 1380) em água por meio de um misturador de alta velocidade a uma velocidade circunferencial de 12 m/s. Após a desgaseificação, a dispersão foi aplicada por meio de um quadro puxador de filme com uma altura de lacuna de 0,25 mm (Erichsen, modelo 360) a uma folha de cobre (Schlenk Metallfolien, SE-Cu58) com espessura igual a 0,030 mm. 0 revestimento de eletrodo produzido desta forma foi posteriormente seco a 80 °C durante 60 minutos. O peso médio por unidade de área do revestimento do eletrodo é 2,35 mg/cm2 .Example 8 1.18 g of the compound material of example 4 and 0.18 g of conductive carbon black (Timcal, Super P Li) was dispersed in 11.4 g of 1.0 wt% strength solution. of sodium carboxymethylcellulose (Daicel, grade 1380) in water by means of a high speed mixer at a circumferential speed of 12 m / s. After degassing, the dispersion was applied by means of a film pulling frame with a gap height of 0.25 mm (Erichsen model 360) to a copper sheet (Schlenk Metallfolien, SE-Cu58) with a thickness of 0.030 mm The electrode coating produced in this way was subsequently dried at 80 ° C for 60 minutes. The average weight per unit area of the electrode coating is 2.35 mg / cm2.

Exemplo 9 [00160] Os estudos eletroquímicos foram realizados em uma meia célula em um arranjo de três-eletrodos (medição do potencial de corrente zero). O revestimento de eletrodo do exemplo 8 foi usado como eletrodo de trabalho, a folha de lítio (Rockwood Lithium, com 0,5 mm de espessura) foi usada como eletrodo de referência e contraeletrodo. Uma pilha de não tecido de 6 camadas (Freudenberg Vliesstoffe, FS2226E) impregnada com 100 pL do eletrólito serviu como separador. 0 eletrólito utilizado consistiu em uma solução 1 molar de hexafluorfosfato de lítio em uma mistura 3:7 (v/v) de carbonato de etileno e carbonato de dietila, que foi misturada com 2% em peso de carbonato de vinileno. A construção da célula ocorreu em uma caixa de luva (< 1 ppm de H20, 02) , e o teor de água na matéria seca de todos os componentes usados foi menor que 20 ppm.Example 9 Electrochemical studies were performed on a half cell in a three-electrode array (zero current potential measurement). The electrode sheath of example 8 was used as the working electrode, the lithium foil (0.5 mm thick Rockwood Lithium) was used as the reference electrode and counter electrode. A 6-layer nonwoven stack (Freudenberg Vliesstoffe, FS2226E) impregnated with 100 µl of electrolyte served as a separator. The electrolyte used consisted of a 1 molar solution of lithium hexafluorophosphate in a 3: 7 (v / v) mixture of ethylene carbonate and diethyl carbonate, which was mixed with 2% by weight of vinylene carbonate. The cell was constructed in a glove box (<1 ppm H2 O2), and the dry matter water content of all components used was less than 20 ppm.

[00161] O teste eletroquímico foi realizado a 20 °C. Os limites de potencial usados foram 40 mV e 1,0 V vs. Li/Li+. O carregamento ou litiação do eletrodo foi realizado pelo método cc/cv (corrente constante/tensão alternada) sob corrente constante e depois atingiu o limite de tensão sob tensão constante até a corrente ficar abaixo de 50 mA/g. A descarga ou deslitiação do eletrodo foi realizada pelo método cc (corrente constante) usando uma corrente constante até o limite de tensão ser atingido. A corrente especifica selecionada baseou-se no peso do revestimento do eletrodo.The electrochemical test was performed at 20 ° C. The potential limits used were 40 mV and 1.0 V vs. Li / Li +. Electrode charging or lithium was performed by the cc / cv (constant current / alternating voltage) method under constant current and then reached the voltage limit under constant voltage until the current was below 50 mA / g. Electrode discharge or slippage was performed by the dc method (constant current) using a constant current until the voltage limit is reached. The specific current selected was based on the weight of the electrode coating.

[00162] É feita referência abaixo às figuras 1 e 2.[00162] Reference is made below to Figures 1 and 2.

[00163] A figura 1 mostra o carregamento (linha tracejada) e a capacidade de descarga (linha continua) do revestimento de eletrodo do exemplo 8 em função do número de ciclos em uma corrente de 100 mA/g.[00163] Figure 1 shows the charging (dashed line) and discharge capacity (continuous line) of the electrode sheath of example 8 as a function of the number of cycles in a current of 100 mA / g.

[00164] 0 revestimento de eletrodo do exemplo 8 exibe uma capacidade reversível de cerca de 700 mAh/g, que corresponde a uma capacidade do material composto do exemplo 4 de 875 mAh/g.The electrode coating of example 8 exhibits a reversible capacity of about 700 mAh / g, which corresponds to a capacity of the composite material of example 4 of 875 mAh / g.

[00165] A figura 2 mostra a capacidade de descarga do revestimento de eletrodo em função da corrente de descarga em uma corrente de carga constante de 100 mA/g.[00165] Figure 2 shows the discharge capacity of the electrode coating as a function of discharge current at a constant load current of 100 mA / g.

[00166] A capacidade reversível do revestimento do eletrodo, de acordo com o exemplo 8, é praticamente independente da corrente especifica prescrita de até 1000 mA/g.[00166] The reversible electrode sheath capacity according to example 8 is practically independent of the prescribed specific current of up to 1000 mA / g.

Exemplo comparativo 1 (não de acordo com a invenção) [00167] 2,00 g de nanopó de silício (20 a 30 nm;Comparative Example 1 (not according to the invention) 2.00 g silicon nanopowder (20 to 30 nm;

Nanostructured & Amorphous Materials) foram introduzidos em uma solução de 16 mL de etanol e 160 mL de água sob agitação vigorosa e tratados em um banho sob ultrassom durante 30 minutos. Solução de amônia (32%, 625 pL) e resorcinol (1,60 g) foram adicionados e a dispersão foi agitada em temperatura ambiente durante 30 minutos, até todo o resorcinol ser eliminado na solução. A solução de formaldeído (37% em peso em água estabilizada com 10% em peso de metanol; 2,36 g) foi adicionada e a mistura reacional foi primeiramente agitada a 30 °C durante 30 minutos e foi, posteriormente, aquecida a 60 °C durante 10 horas. Após resfriar até a temperatura ambiente, as partículas contendo silício foram separadas do meio de dispersão por centrifugação (5000 rpm, 30 min, 23 °C), redispersas em 125 mL de etanol, novamente centrifugadas e lavadas com 4 x 25 mL de etanol. O solvente foi removido das partículas combinadas a 80 °C, sob pressão reduzida (3,5 x 10 mbar) e o resíduo sólido obtido foi seco durante 2 horas sob vácuo. 0 resíduo marrom foi colocado em um cadinho de sílica fundida e carbonizado sob argônio em um forno de tubo; taxa de aquecimento de 5 °C/min, temperatura de 650 °C, tempo de espera de 3 h, vazão de Ar de 200 mL/min. Após o resfriamento, 1,78 g de um sólido preto e pulverulento foi obtido (63% de rendimento de carbonização).Nanostructured & Amorphous Materials) were introduced into a solution of 16 mL ethanol and 160 mL water under vigorous stirring and treated in an ultrasonic bath for 30 minutes. Ammonia solution (32%, 625 µl) and resorcinol (1.60 g) were added and the dispersion was stirred at room temperature for 30 minutes until all resorcinol was eliminated in solution. The formaldehyde solution (37 wt% in stabilized water with 10 wt% methanol; 2.36 g) was added and the reaction mixture was first stirred at 30 ° C for 30 minutes and then heated to 60 ° C for 10 hours. After cooling to room temperature, the silicon-containing particles were separated from the dispersion medium by centrifugation (5000 rpm, 30 min, 23 ° C), redispersed in 125 mL of ethanol, centrifuged again and washed with 4 x 25 mL of ethanol. The solvent was removed from the combined particles at 80 ° C under reduced pressure (3.5 x 10 mbar) and the obtained solid residue was dried for 2 hours under vacuum. The brown residue was placed in a molten silica crucible and charred under argon in a tube furnace; heating rate 5 ° C / min, temperature 650 ° C, standby time 3 h, air flow 200 mL / min. After cooling, 1.78 g of a black powdery solid was obtained (63% carbonization yield).

[00168] Composição elementar: 36% de Si em peso, 42% de C em peso, 22% de O em peso, Li < 10 ppm, 15 ppm de Fe, 39 ppm de Al, Cu < lOppm, 15 ppm de Ca, 17 ppm de K, Cl < 3 ppm.Elemental composition: 36 wt% Si, 42 wt% C, 22 wt% O, Li <10 ppm, 15 ppm Fe, 39 ppm Al, Cu <10 ppm, 15 ppm Ca , 17 ppm K, Cl <3 ppm.

[00169] Área de superfície especifica (BET): 322 m2/g.[00169] Specific Surface Area (BET): 322 m2 / g.

[00170] O material de Si/C do exemplo comparativo 1 exibe um teor de O significativamente maior (> 20% em peso) em comparação com os exemplos 1 a 7, de acordo com a invenção.The Si / C material of comparative example 1 exhibits a significantly higher O content (> 20% by weight) compared to examples 1 to 7 according to the invention.

[00171] A presente invenção torna possivel obter compostos de Si/C como materiais ativos de anodo para baterias de ion-litio, que em comparação com a técnica anterior, têm uma matriz de carbono com maior resistência e elasticidade e, assim, apresentam melhor estabilidade a ciclos, especialmente em comparação com uma mistura fisica de silicio e carbono de composição comparável.[00171] The present invention makes it possible to obtain Si / C compounds as anode active materials for lithium batteries, which compared to the prior art have a carbon matrix with higher strength and elasticity and thus exhibit better cycle stability, especially compared to a physical mixture of silicon and carbon of comparable composition.

[00172] Isto se tornou possivel pelo uso de lignina biopolimérica de ocorrência natural como precursora para a produção de um revestimento ou matriz de carbono, ao invés de precursores de C estabelecidos com base em hidrocarbonetos, carboidratos ou polímeros orgânicos para imergir as particulas contendo silicio ativas no carbono e, assim, efetuar a estabilização eletroquímica.This has been made possible by the use of naturally occurring biopolymeric lignin as a precursor to the production of a carbon coating or matrix rather than established C-precursors based on hydrocarbons, carbohydrates or organic polymers to immerse silicon-containing particles. active in carbon and thus effect electrochemical stabilization.

[00173] Foi surpreendentemente verificado que a produção de compostos de Si/C a partir de lignina como precursora de Ceo uso dos materiais obtidos como materiais ativos de anodo em baterias de ion-litio apresenta várias vantagens em relação a outros compostos de Si/C, com base nos precursores de C estabelecidos.It has been surprisingly found that the production of Si / C compounds from lignin as a precursor of Ceo and the use of the materials obtained as anode active materials in ion lithium batteries have several advantages over other Si / C compounds. , based on the established C precursors.

[00174] Em comparação com os precursores de hidrocarbonetos, que são usados principalmente na forma de compostos poliaromáticos altamente tóxicos à base de breus ou alcatrões, a lignina é como material natural, não tóxica e não relacionada com uma fonte de matérias primas petroquímicas.Compared to hydrocarbon precursors, which are mainly used in the form of highly toxic polyaromatic compounds based on turkeys or tars, lignin is as a natural, non-toxic material and unrelated to a source of petrochemical raw materials.

[00175] Além disso, a lignina é prontamente solúvel em solventes polares, como misturas tipo água/álcool, ao passo que os precursores de breu estabelecidos muitas vezes contêm componentes insolúveis e podem ser processados apenas em estado fundido ou em solventes não polares, que podem ser frequentemente uma complicação e, portanto, indesejáveis nos processos de produção.In addition, lignin is readily soluble in polar solvents such as water / alcohol mixtures, whereas established pitch precursors often contain insoluble components and can be processed only in molten state or in non-polar solvents, can often be a complication and therefore undesirable in production processes.

[00175] Em comparação com os precursores de C à base de carboidratos, como açúcares e celulose, que também é prontamente solúvel e processável em solventes próticos polares, a lignina e os materiais de carbono obtidos a partir de lignina têm um teor de oxigênio significativamente menor, em resultado do que a oxidação da superfície de silício no composto pode ser em grande parte minimizada.Compared to carbohydrate-based C precursors such as sugars and cellulose, which is also readily soluble and processable in polar protic solvents, lignin and carbon materials obtained from lignin have a significantly higher oxygen content. smaller, as a result of which oxidation of the silicon surface in the compound can be largely minimized.

[00177] Vantagens em relação aos precursores de C polímeros e termoplásticos (por exemplo, polímeros de vinila como PVC) são fornecidas, em particular, pelos rendimentos de carbono altamente significativos a partir da lignina na carbonização.Advantages over polymer and thermoplastic C precursors (e.g. vinyl polymers such as PVC) are provided, in particular, by the highly significant carbon yields from lignin in carbonization.

[00178] Embora a lignina apresente, como um polifenol altamente ramificado, muitas analogias estruturais com resinas fenólicas e de resorcinol, isto é, ao contrário das resinas mencionadas, ela não é produzida a partir de materiais de partida petroquímicos, mas sim é baseada em matérias-primas vegetais renováveis e, portanto, oferece uma alternativa sustentável que não baseia-se no petróleo e, portanto, conserva os recursos dos precursores de C termofixos e poliméricos estabelecidos.Although lignin has, as a highly branched polyphenol, many structural analogies with phenolic and resorcinol resins, that is, unlike the mentioned resins, it is not produced from petrochemical starting materials but is based on renewable plant raw materials and therefore offers a sustainable alternative that is not oil based and therefore conserves the resources of the established thermoset and polymeric C precursors.

[00179] O carbono sólido, reticulado e com baixo teor de oxigênio produzido pela carbonização da lignina serve como matriz estabilizante para acomodar estruturalmente a extrema expansão volumétrica do silicio durante o carregamento e, deste modo, minimizar a destruição mecânica do material ativo e da estrutura do eletrodo com perdas de capacidade ao longo de uma pluralidade de ciclos de carregamento e descarregamento.The low oxygen, crosslinked solid carbon produced by lignin carbonization serves as a stabilizing matrix to structurally accommodate the extreme volumetric expansion of silicon during loading and thus minimize the mechanical destruction of the active material and structure. loss of electrode over a plurality of charge and discharge cycles.

[00180] Além disso, o carbono protege a superfície do material ativo à base de silicio contra reações com outros constituintes do eletrodo ou da célula de batería e, portanto, minimiza adicionalmente as perdas de lítio.In addition, carbon protects the surface of the silicon-based active material against reactions with other electrode or battery cell constituents and thus further minimizes lithium losses.

[00181] Isto fornece um material composto de Si/C que apresenta comportamento eletroquímico significativamente melhorado em comparação com uma mistura física de silício e carbono com uma composição comparável.This provides a Si / C composite material that exhibits significantly improved electrochemical behavior compared to a physical mixture of silicon and carbon with a comparable composition.

REIVINDICAÇÕES

Claims (15)

1. Processo para produzir ura composto de Si/C, CARACTERIZADO pelo fato de compreender fornecer um silício contendo material ativo, fornecer lignina, colocar o material ativo em contato com uma lignina contendo precursor de C e converter lignina em carbono inorgânico a uma temperatura de pelo menos 400 °C, sob uma atmosfera de gás inerte.A process for producing a Si / C compound, characterized in that it comprises providing a silicon containing active material, providing lignin, contacting the active material with a C precursor-containing lignin and converting lignin to inorganic carbon at a temperature of at least 400 ° C under an inert gas atmosphere. 2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o material ativo compreende silício elementar, um óxido de silício ou uma liga de silício e metal.Process according to Claim 1, characterized in that the active material comprises elemental silicon, silicon oxide or silicon metal alloy. 3. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, CARACTERIZADO pelo fato de que o material ativo compreende micro ou nanopartícuias de silício, preferencialmente nanopartícuias de Si com um tamanho de partícula médio menor que 500 nm.Process according to either claim 1 or claim 2, characterized in that the active material comprises silicon micro or nanoparticles, preferably Si nanoparticles with an average particle size of less than 500 nm. 4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADO pelo fato de que o material ativo e o precursor de C são colocados em contato por meio de moagem ou mistura física.Process according to any one of Claims 1 to 3, characterized in that the active material and the C precursor are brought into contact by grinding or physical mixing. 5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADO pelo fato de que o contato do material ativo e do precursor de C é efetuado por dispersão do material ativo em uma dispersão ou solução de lignina e revestimento da mesma com lignina, ou incorporação da mesma em lignina por subsequente remoção do solvente.Process according to any one of Claims 1 to 3, characterized in that the contact of the active material and the C precursor is effected by dispersing the active material in a lignin dispersion or solution and coating it with lignin. or incorporation thereof into lignin by subsequent removal of the solvent. 6. Processo, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que o contato do material ativo e do precursor de C é realizado por depósito das partículas de silício sobre o precursor de C ou depósito do precursor de C sobre as partículas de silício por meio de deposição a vapor química ou térmica.Process according to Claim 3, characterized in that the contact of the active material and the C precursor is effected by depositing the silicon particles on the C precursor or depositing the C precursor on the silicon particles. by chemical or thermal vapor deposition. 7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, CARACTERIZADO pelo fato de que a carbonização é realizada por aquecimento até uma temperatura final de 400 a 1400 °C, tratamento térmico naquela temperatura final durante pelo menos 30 minutos e posterior resfriamento.Process according to any one of Claims 1 to 6, characterized in that the carbonization is carried out by heating to a final temperature of 400 to 1400 ° C, heat treatment at that final temperature for at least 30 minutes and subsequent cooling. . 8. Composto de Si/C contendo de 10 a 90% em peso de silício e de 10 a 90% em peso de carbono e com um tamanho médio menor que 1 mm, CARACTERIZADO pelo fato de que o carbono origina-se, pelo menos parcialmente, da lignina.8. Si / C compound containing from 10 to 90% by weight of silicon and from 10 to 90% by weight of carbon and having an average size of less than 1 mm, CHARACTERIZED by the fact that carbon originates at least partially from lignin. 9. Composto de Si/C produzido por um processo definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 7, CARACTERIZADO pelo fato de conter de 10 a 90% em peso de silício e de 10 a 90% em peso de carbono,0 e com um tamanho médio menor que 1 mm.Si / C compound produced by a process defined in any one of claims 1 to 7, characterized in that it contains from 10 to 90% by weight of silicon and from 10 to 90% by weight of carbon, 0 and with a average size less than 1 mm. 10. Composto de Si/C, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 ou 9, CARACTERIZADO pelo fato de compreender partículas de silício revestidas com carbono.Si / C compound according to claim 8 or 9, characterized in that it comprises carbon-coated silicon particles. 11. Composto de Si/C, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 10, CARACTERIZADO pelo fato de conter uma matriz de carbono em que partículas de silício são incorporadas.Si / C compound according to any one of claims 8 to 10, characterized in that it contains a carbon matrix in which silicon particles are incorporated. 12. Material de anodo para uma batería de íon-lítio, CARACTERIZADO pelo fato de conter um composto de Si/C definido em qualquer uma das reivindicações 8 a 11.Anode material for a lithium ion battery, characterized in that it contains a Si / C compound as defined in any one of claims 8 to 11. 13. Processo para produzir um anodo para uma batería de ion-litio, CARACTERIZADO pelo fato de compreender processamento de material anodo, definido na reivindicação 12, para formar uma tinta ou pasta com teor de sólidos de 5 a 95% em peso, aplicar a tinta ou pasta em uma camada seca com espessura de 2 a 500 pm a um coletor de corrente, secar a tinta ou pasta sobre o coletor de corrente a uma temperatura de 20 a 300 °C, em que a razão do material de anodo com base no peso seco da tinta ou pasta é 5 a 98% em peso.A process for producing an anode for an lithium ion battery, characterized in that it comprises processing anode material as defined in claim 12 to form a paint or paste having a solids content of 5 to 95% by weight, applying the paint or paste in a dry layer 2 to 500 pm thick to a current collector, dry the paint or paste over the current collector at a temperature of 20 to 300 ° C, where the anode based material ratio The dry weight of the paint or paste is 5 to 98% by weight. 14. Processo, de acordo com a reivindicação 13, CARACTERIZADO pelo fato de que o material de anodo é processado com um ou mais constituintes selecionados do grupo consistindo em grafite, litio, ligantes, negro de fumo condutor, nanotubos de carbono, pó metálico, dispersante, formador de poros e solvente para formar uma tinta ou pasta.Process according to claim 13, characterized in that the anode material is processed with one or more constituents selected from the group consisting of graphite, lithium, binders, conductive carbon black, carbon nanotubes, metallic powder, dispersant, pore former and solvent to form a paint or paste. 15. Batería de íon-lítio, CARACTERIZADA pelo fato de compreender um catodo, um anodo, uma membrana como separador entre o catodo e o anodo, um eletrólito contendo íons litio, em que o anodo contém um material de anodo definido na reivindicação 12.Lithium-ion battery, characterized in that it comprises a cathode, anode, a membrane separating cathode from anode, a lithium ion-containing electrolyte, wherein the anode contains an anode material as defined in claim 12.
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