DE102013105474A1

DE102013105474A1 - Verfahren zur Herstellung einer Silizium enthaltenden Zusammensetzung, Anodenmaterial und Verfahren zur Herstellung einer Anodenelektrode eines Lithium-Ionen-Akkumulators

Info

Publication number: DE102013105474A1
Application number: DE102013105474.9A
Authority: DE
Inventors: Tung-Ko Cheng; Li-Yin Hsiao
Original assignee: Quanan Resource Co Ltd
Current assignee: Quanan Resource Co Ltd
Priority date: 2012-11-16
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2014-05-22
Also published as: US20140141330A1; JP2014101267A; TW201421772A

Abstract

Bereitgestellt wird ein Verfahren zur Herstellung einer Silizium enthaltenden Zusammensetzung in Massenproduktion, das die Schritte umfasst: Schneiden eines Siliziumsubstrats (2) mit einem Draht mit freien Schleifmitteln, um eine Misch-Slurry zu erhalten; Trennen der Misch-Slurry in eine flüssige Mischung und eine Feststoff-Mischung; und Sortieren der Feststoff-Mischung nach Partikelgröße und Entfernen der Schneiddrahtkörnchen aus der Feststoff-Mischung, um so die Silizium enthaltende Zusammensetzung zu erhalten, die einsetzbar für einen Lithium-Ionen-Akkumulator ist. Außerdem werden ein Anodenmaterial eines Lithium-Ionen-Akkumulators und ein Verfahren zur Herstellung einer Anodenelektrode eines Lithium-Ionen-Akkumulators bereitgestellt. Gemäß dem Verfahren verbleiben wenige Schleifmittel des Drahtsägewerkzeugs in der nanoskaligen oder mikroskaligen, Silizium enthaltenden Zusammensetzung, und somit werden die Probleme der extremen volumetrischen Ausdehnung bei Wärme und der hohen Herstellungskosten gelöst. Die hergestellte Silizium enthaltende Zusammensetzung ist einsetzbar für einen Lithium-Ionen-Akkumulator.

Description

1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Silizium enthaltenden Zusammensetzung und deren Anwendung, insbesondere auf ein Verfahren zum Schneiden eines Silizium-Substrats mit einem Drahtsägewerkzeug, um die Silizium enthaltende Zusammensetzung mit wenigen Abrasiven bzw. Schleifmitteln herzustellen. Außerdem bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Anodenmaterial einer Lithium-Ionen-Batterie bzw. -Akkumulators und ein Verfahren zur Herstellung einer Anodenelektrode eines Lithium-Ionen-Akkumulators.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Aufgrund ihrer Vorteile, wie z. B. niedrigem Elektrodenpotenzial, hoher Leistungsfähigkeit und langer Zyklenlebensdauer wurden Lithium-Ionen-Akkumulatoren häufig in Hightech-Produkten eingesetzt, wie z. B. in Mobiltelefonen, Notebook-Computern und Elektrofahrzeugen. Im Hinblick auf Sicherheitsanforderungen umfassen konventionelle Lithium-Ionen-Akkumulatoren als Anodenmaterial im Allgemeinen Materialien auf Kohlenstoffbasis. Häufig verwendete Materialien auf Kohlenstoffbasis schließen natürliches Graphit, künstliches Graphit und Mesophasen-Asphalte ein. Jedoch haben konventionelle Lithium-Ionen-Akkumulatoren eine theoretische Kapazität von etwa 372 mAh/g, was unzureichend ist für die Anwendungen in Hightech-Produkten oder Langstrecken-Elektrofahrzeugen des modernen Bedarfs.
Um den hohen Anforderungen an die Kapazität gerecht zu werden, wird die Verwendung von Silizium als ein hauptsächliches Anodenmaterial entwickelt, um die theoretische Kapazität eines Lithium-Ionen-Akkumulators auf etwa 4400 mAh/g zu erhöhen.
Jedoch hat ein Anodenmaterial eines Lithium-Ionen-Akkumulators, das Silizium umfasst, immer noch einige Probleme. Zum Beispiel hat Silizium eine geringere Dichte, wenn es eine Lithium-Silizium-Legierung mit Lithium-Ionen bildet, und dehnt sich deshalb bei den Be- und Entladevorgängen auf 300% bis 400% seines ursprünglichen Volumens aus. Folglich zerstört eine solche extreme, aber unvermeidliche volumetrische Ausdehnung die Anodenelektrode, und verkürzt somit die Zyklenlebensdauer des Lithium-Ionen-Akkumulators. Darüber hinaus produziert ein Lithium-Ionen-Akkumulator auch übermäßig Wärme beim Be- und Entladen, und kann somit kaum die gewünschte Zyklusstabilität, elektrische Leistungsfähigkeit und Qualität bereitstellen.
Um die vorgenannten Probleme zu lösen und einen Lithium-Ionen-Akkumulator mit der gewünschten Kapazität und Zyklenlebensdauer herzustellen, wird ein Siliziummaterial mit feinkörnigen Partikeln verwendet, um die volumetrische Ausdehnung und Anodenbruch zu vermeiden. Zusätzlich wird das Siliziummaterial mit inaktiven Materialien dotiert, um thermische Leitfähigkeit zu liefern, und dadurch den Lithium-Ionen-Akkumulator mit einer verbesserten Zyklustabilität, elektrischer Leistung und Qualität bereitzustellen.
Jedoch sind die konventionellen Verfahren wie z. B. chemisches Aufdampfen zur Herstellung eines Siliziumüberzugs, Hochenergie-Kugelmahlen oder chemische Synthese zur Herstellung von Silizium-Nanopartikeln, zu teuer für die Massenproduktion, sodass Siliziummaterialien die konventionellen auf Kohlenstoff basierenden Materialien immer noch nicht ersetzen können, und nicht im großen Umfang zur Herstellung von Anodenmaterial eines Lithium-Ionen-Akkumulators verwendet werden können.
Ausgehend von den vorgenannten Problemen, wird ein Verfahren zur Herstellung einer für die Massenproduktion fähigen, Silizium enthaltenden Zusammensetzung sehr erwünscht, um dessen Anwendung für die Herstellung eines Lithium-Ionen-Akkumulators zu verbessern.
Angesichts der hohen Kosten und der geringen Qualität des chemischen Aufdampfens, des Hochenergie-Kugelmahlens und der chemischen Synthese ist es die erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitzustellen zur Herstellung einer großen Menge von feinen Silizium enthaltenden Zusammensetzungen mit inaktiven Bestandteilen, wobei die hergestellte Silizium enthaltende Zusammensetzung besonders anwendbar ist für eine Anodenelektrode eines Lithium-Ionen-Akkumulators.
Um die Aufgabe zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren bereit zur Herstellung einer Silizium enthaltenden Zusammensetzung, das die Schritte umfasst:
Bereitstellen eines Drahtsägewerkzeugs, das einen Schneiddraht und eine Schneid-Slurry umfasst, die auf den Schneiddraht aufgebracht ist, wobei die Schneid-Slurry ein Trägerfluid bzw. Trägerflüssigkeit und zahlreiche Schleifmittel enthält, die in der Trägerflüssigkeit verteilt sind und eine Partikelgröße von 1 Mikrometer bis 50 Mikrometern haben;
Schneiden eines Silizium-Substrats mit dem Drahtsägewerkzeug, um eine Misch-Slurry zu erhalten;
Abtrennen der Misch-Slurry in eine flüssige Mischung und eine Feststoff-Mischung durch Fest-Flüssig-Trennung, wobei die Feststoff-Mischung Siliziumkörnchen, Schleifmittelkörnchen und Schneiddrahtkörnchen umfasst; und
Sortieren der Feststoff-Mischung nach Partikelgröße und Entfernen der Schneiddrahtkörnchen aus der Feststoff-Mischung, um die Silizium enthaltende Zusammensetzung zu erhalten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine große Menge an Siliziumkörnchen eines vorbestimmten Partikelgrößenbereichs durch das Schneiden des Siliziumsubstrats mit dem Drahtsägewerkzeug hergestellt. Nach einigen benötigten Reinigungsschritten umfasst eine hergestellte Silizium enthaltende Zusammensetzung hauptsächlich Silizium, und wird mit wenigen Schleifmittelkörnchen gemischt, und ist somit vorteilhaft als Anodenmaterial eines Lithium-Ionen-Akkumulators. Entsprechend wird ein vereinfachtes Verfahren bereitgestellt für die Massenproduktion einer Silizium enthaltenden Zusammensetzung, die die Herstellungskosten und die Komplexität des Verfahrens einer Anode eines Lithium-Ionen-Akkumulators beachtlich senkt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Drahtsägewerkzeug auf ein Werkzeug mit einem Draht mit freien Schleifmitteln gerichtet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Schneid-Slurry auf den Schneiddraht aufgesprüht, um den Schneiddraht homogen zu umschließen. Beim Betrieb des Schneiddrahts durch Antriebsrollen zum Schneiden des Siliziumsubstrats wird die Schneid-Slurry mit dem schnell bewegten Schneiddraht mitbewegt. Die in der Schneid-Slurry enthaltenen Schleifmittel berühren sowohl eine Kante des Schneiddrahts als auch die Oberfläche des Siliziumsubstrats, und sind somit zwischen dem Schneiddraht und dem Siliziumsubstrat angeordnet zum Zerreiben des Siliziumsubstrats, um während des Schneidens eine große Menge von Siliziumkörnchen zu erhalten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die „Misch-Slurry” von dem Schritt, in dem das Siliziumsubtrat mit dem Schneiddraht geschnitten wird, gesammelt und umfasst Siliziumkörnchen von dem Siliziumsubstrat, Schneiddrahtkörnchen von dem Schneiddraht des Drahtsägewerkzeugs, Schleifmittelkörnchen von den Schleifmitteln des Drahtsägewerkzeugs, und Überreste von der Trägerflüssigkeit oder eine Kombination derer.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Material des Schneiddrahts oder der Schneiddrahtkörnchen Eisen, Kupfer, Nickel, ihre Legierungen oder deren Kombinationen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Material der Schleifmittel oder der Schleifmittelkörnchen gewählt aus der Gruppe bestehend aus Diamant, diamantähnlicher Kohlenstoff, Siliziumkarbid, Borkarbid, Bornitrid, Aluminiumnitrid, Zirkoniumdioxid und deren Kombinationen. Die Schleifmittel sind vorteilhaft als inaktive Bestandteile eines Anodenmaterials in einem Lithium-Ionen-Akkumulator, um die Silizium enthaltende Zusammensetzung mit thermischer Leitfähigkeit bereitzustellen.
Als inaktive Bestandteile vorteilhafte Schleifmittelkörnchen sind vorzugsweise z. B. Siliziumkarbid, Diamant- oder Bornitrid, sodass die Misch-Slurry Silizium und Schleifmittel oder deren Bruchstücke bzw. Bröckchen umfassen kann. Folglich ist eine Silizium enthaltende Zusammensetzung gemischt mit Schleifmittelkörnchen effektiver, die Wärmeableitung eines Lithium-Ionen-Akkumulators zu verbessern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Trägerflüssigkeit der Schneid-Slurry eine Trägerflüssigkeit mit einer erwünschten Viskosität, einschließlich einer nichtwässerigen Trägerflüssigkeit, einer wässerigen Trägerflüssigkeit oder einer synthetischen Trägerflüssigkeit. Vorzugsweise umfasst die nichtwässerige Trägerflüssigkeit hauptsächlich Mineralöl. Vorzugsweise umfasst die wässerige Trägerflüssigkeit Mineralöl, ein Emulgierungsmittel, ein Konservierungsmittel, ein Korrosionsschutzmittel, ein Verformungs- bzw. Entschäumungsmittel oder deren Kombinationen. Die synthetische Trägerflüssigkeit ist vorzugsweise z. B. Ethylenglycol (EG), Propylenglycol (PG), Polyalkylenglycol (PAG), Polyethylenglycol (PEG), Diethylenglycol (DEG), Triethylenglycol (TEG) oder deren Kombinationen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Siliziumsubstrat ein Einkristall-Siliziumsubstrat, ein polykristallines Siliziumsubstrat, oder ein amorphes Siliziumsubstrat. Das Siliziumsubstrat kann z. B. eine Siliziumstange, ein Siliziumbrock oder ein Siliziumbrick sein, ist aber nicht beschränkt darauf. Das Siliziumsubstrat kann außerdem dotiert sein mit einen Element gewählt aus der Gruppe bestehend aus Bor, Phosphor, Arsen, Antimon, Aluminium, Germanium und Indium.
Vorzugsweise reicht eine Menge des mindestens einen Elements, bezogen auf die Menge des Siliziumsubstrats, von 0,0001 bis 0,1 Gew.%.
Vorzugsweise reicht eine Menge des mindestens einen Elements, bezogen auf die Menge des Siliziumsubstrats, von 10¹³ bis 10¹⁵ Atomen/cm³.
Vorzugsweise haben die Schleifmittel der Schneid-Slurry Partikelgrößen von 2 Mikrometern bis 50 Mikrometern, und ein Gewichtsverhältnis einer Gesamtmenge der Schleifmittel zu der Menge des Siliziumsubstrats von 0,05 bis 2,00. Vorzugsweise reicht ein Durchmesser des Schneiddrahts von 80 μm bis 500 μm, und noch bevorzugter von 80 μm bis 200 μm. Folglich wird eine feine Silizium enthaltende Zusammensetzung, die für einen Lithium-Ionen-Akkumulator einsetzbar ist, hergestellt durch die Verwendung von Schleifmitteln mit einer bevorzugten Partikelgröße und einem Schneiddraht mit einem bevorzugten Durchmesser.
Vorzugsweise weist die Silizium enthaltende Zusammensetzung Partikelgrößen von 5 nm bis 15 μm auf. Die Partikelgrößen der Silizium enthaltenden Zusammensetzung sind gerichtet auf Partikelgrößen der ersten Partikel vor der Aggregation, und auch auf Partikelgrößen der zweiten Partikel nach der Aggregation.
Vor dem Sortier- und Entfernungsschritt reichen die Partikelgrößen der Siliziumkörnchen und der Schleifmittelkörnchen in der Misch-Slurry von 5 nm bis 50 μm, wenn das Siliziumsubstrat mit einer Schneid-Slurry geschnitten wird, die Schleifmittelpartikel enthält mit einer Größe von 1 μm bis 50 μm.
Vorzugsweise schließt die Fest-Flüssig-Trennung Zentrifugentrennung, Filterpressen-Trennung, Sedimentation, Membranenfiltration oder Dekantiertrennung ein.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren die Entfernung von Eisen, Nickel oder deren Kombinationen aus der Feststoff-Mischung durch magnetische Trennung, um die Reinheit der Silizium enthaltenden Zusammensetzung zu verbessern.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ebenso das Waschen der Feststoff-Mischung mit zumindest einer sauren Lösung, wie z. B. Schwefelsäure, Chlorwasserstoffsäure oder Salpetersäure, um die Schneiddrahtkörnchen und deren Oxide aus der Feststoff-Mischung zu entfernen. Hierbei ist das Material der Schneiddrahtkörnchen, die in der sauren Lösung aufgelöst werden können und dann durch den vorgenanten Schritt entfernt werden können, Eisen, Kupfer, Nickel oder deren Kombinationen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können die zwei Schritte zum Entfernen der Schneiddrahtkörnchen aus der Feststoff-Mischung entweder unabhängig voneinander oder miteinander durchgeführt werden, wobei der Vorrang der zwei Schritte nicht im Besonderen beschränkt ist.
Vorzugsweise wird der Schritt, in dem die Feststoff-Mischung nach Partikelgröße sortiert wird, durch trockene Trennung, nasse Trennung oder deren Kombinationen durchgeführt. Daher wird eine Zusammensetzung hergestellt, die Siliziumkörnchen und Schleifmittel mit erwünschten Partikelgrößen und Mengenverhältnis enthält.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die trockene Trennung Siebtrennung, Luftabscheidung, pneumatische Trennung oder deren Kombinationen. Die pneumatische Trennung umfasst die pneumatische Trennung durch Überdruck, pneumatische Trennung durch Unterdruck und pneumatische Trennung durch Über-/Unterdruck.
Vorzugsweise umfasst der Schritt, in dem die Feststoff-Mischung nach Partikelgröße sortiert wird, das Sortieren der Feststoff-Mischung durch Luftabscheidung bei einer Drehgeschwindigkeit von 1500 rpm bis 3600 rpm, sodass eine Silizium enthaltende Zusammensetzung hergestellt wird, die Siliziumkörnchen in einer Menge von 40 Gew.% bis 99 Gew.% und Schleifmittelkörnchen in einer Menge von 1 Gew.% bis 60 Gew.% enthält.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die nasse Trennung hydraulische Zyklontrennung, Schwimmaufbereitung bzw. Flotation oder deren Kombinationen. Die Flotation umfasst mechanische Rührflotation, pneumatische Flotation, gemischte Flotation, pneumatische Rührflotation und Luftabscheideflotation.
Vorzugsweise umfasst der Schritt, in dem die Feststoff-Mischung nach Partikelgröße sortiert wird, das Sortieren der Feststoff-Mischung durch hydraulische Zyklontrennung bei einem Arbeitsdruck von 0,10 bis 1,00 Megapascal (MPa), sodass eine Silizium enthaltende Zusammensetzung hergestellt wird, die Siliziumkörnchen in einer Menge von 40 Gew.% bis 99 Gew.% und Schleifmittelkörnchen in einer Menge von 1 Gew.% bis 60 Gew.% enthält.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst der Schritt, in dem die Feststoff-Mischung nach Partikelgröße sortiert wird und die Schneiddrahtkörnchen aus der Feststoff-Mischung entfernt werden:
Sortieren der Feststoff-Mischung nach Partikelgröße, um eine erste aufbereitete Mischung zu erhalten; und
Entfernen der Schneiddrahtkörnchen aus der ersten aufbereiteten Mischung, sodass die Silizium enthaltende Zusammensetzung erhalten wird.
Vorzugsweise umfasst der Schritt des Entfernens der Schneiddrahtkörnchen aus der ersten aufbereiteten Mischung, um die Silizium enthaltende Zusammensetzung zu erhalten:
Entfernen des Eisens, Nickels oder derer Kombinationen aus der ersten aufbereiteten Mischung erst durch magnetische Trennung, dann
Waschen der ersten aufbereiteten Mischung mit einer sauren Lösung, um Eisen, Kupfer, Nickel oder deren Kombinationen aus der ersten aufbereiteten Mischung zu entfernen, um die Silizium enthaltende Zusammensetzung zu erhalten. Oder, der Schritt des Waschens der ersten aufbereiteten Mischung mit einer sauren Lösung, um Eisen, Kupfer, Nickel oder deren Kombinationen aus der ersten aufbereiteten Mischung zu entfernen, kann vor dem Entfernen des Eisens, Nickels oder derer Kombinationen aus der ersten aufbereiteten Mischung durch magnetische Trennung durchgeführt werden.
Noch bevorzugter umfasst der Schritt, in dem die Feststoff-Mischung nach Partikelgröße sortiert wird:
Sortieren der Feststoff-Mischung, um eine sortierte Mischung zu erhalten;
Waschen der sortierten Mischung mit einer wässerigen Lösung, um eine erste aufbereitete Mischung zu erhalten. Das Entfernen der Schneiddrahtkörnchen aus der gewaschenen, ersten aufbereiteten Mischung in Gas, wie oben beschrieben, wird zu einem späteren Zeitpunkt durchgeführt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst der Schritt, in dem die Feststoff-Mischung nach Partikelgröße sortiert wird und die Schneiddrahtkörnchen aus der Feststoff-Mischung entfernt werden:
Entfernen der Schneiddrahtkörnchen aus der Feststoff-Mischung, um eine zweite aufbereitete Mischung zu erhalten; und
Sortieren der zweiten aufbereiteten Mischung nach Partikelgröße, um die Silizium enthaltende Zusammensetzung zu erhalten.
Vorzugsweise umfasst der Schritt des Entfernens der Schneiddrahtkörnchen aus der Feststoff-Mischung, um die zweite aufbereitete Mischung zu erhalten:
Entfernen des Eisens, Nickels oder derer Kombinationen aus der Feststoff-Mischung erst durch magnetische Trennung; dann
Waschen der Feststoff-Mischung mit einer sauren Lösung, um Eisen, Kupfer, Nickel oder deren Kombinationen aus der Feststoff-Mischung zu entfernen, um die zweite aufbereitete Mischung zu erhalten. Oder, der Schritt des Waschens der ersten aufbereiteten Mischung mit einer sauren Lösung, um Eisen, Kupfer, Nickel oder deren Kombinationen aus der Feststoff-Mischung zu entfernen, kann vor dem Entfernen des Eisens, Nickels oder derer Kombinationen aus der Feststoff-Mischung durch magnetische Trennung durchgeführt werden.
Noch bevorzugter umfasst der Schritt, in dem die Schneiddrahtkörnchen aus der Feststoff-Mischung entfernt werden, um die zweite aufbereitete Mischung zu erhalten:
Entfernen der Schneiddrahtkörnchen aus der Feststoff-Mischung, um eine gesammelte Mischung zu erhalten; und
Waschen der gesammelten Mischung mit einer wässerigen Lösung, um die zweite aufbereitete Mischung zu erhalten. Das Sortieren der gewaschenen, zweiten aufbereiteten Mischung nach Partikelgröße wird zu einem späteren Zeitpunkt durchgeführt.
Vorzugsweise werden die Misch-Slurry, die Feststoff-Mischung, die erste aufbereitete Mischung und/oder die zweite aufbereitete Mischung mit einer wässerigen Lösung gewaschen. Noch bevorzugter wird die Misch-Slurry mit der wässerigen Lösung gewaschen, bevor die Misch-Slurry in die flüssige Mischung und die Feststoff-Mischung getrennt werden, und die Feststoff-Mischung wird mit der wässerigen Lösung gewaschen, bevor die Feststoff-Mischung nach Partikelgröße sortiert wird und die Schneiddrahtkörnchen aus der Feststoff-Mischung entfernt werden. Dementsprechend kann die Sortiereffizienz durch die Waschschritte verbessert werden. Die wässerige Lösung kann reines Wasser, wasserhaltige Lösung, von den vorgenannten Waschschritten gesammelte Lösung oder deren Kombinationen sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Fest-Flüssig-Trennung und/oder Waschschritte die Trägerflüssigkeit, Zusätze und/oder Suspensionen effektiv aus der Misch-Slurry entfernen, um zu verhindern, dass diese Bestandteile an der Oberfläche der Siliziumkörnchen der Silizium enthaltenden Zusammensetzung anhaften, sodass die elektrische Leistung und die Qualität des Lithium-Ionen-Akkumulators, der die Silizium enthaltende Zusammensetzung umfasst, verbessert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht der Zusatz z. B. aus Natriumhexametaphosphat (Na₆(PO₃)₆) oder Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA), und die Suspension ist z. B. Triethanolamin, Dodecanamin oder Natriumdodecylschwefelsäure.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren das Trocknen der Silizium enthaltenden Zusammensetzung, um eine pulverförmige Silizium enthaltende Zusammensetzung zu erhalten. Der Trocknungsschritt hat außerdem eine Wirkung auf das Entfernen des Mineralöls, synthetischen Öls, der Zusätze und/oder Suspensionen, um die Leistung des Lithium-Ionen-Akkumulators, der die Silizium enthaltende Zusammensetzung umfasst, zu verbessern.
Vorzugsweise sind die Partikelgrößen der Silizium enthaltenden Zusammensetzung gleich oder kleiner 15 Mikrometer, reichen noch bevorzugter von ca. 5 Nanometer bis ca. 15 Mikrometer, und sogar noch bevorzugter, reichen von ca. 5 Nanometer bis 2 Mikrometer.
Vorzugsweise ist der Anteil der Siliziumkörnchen, der in der Silizium enthaltenden Zusammensetzung enthalten ist, über 40%. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Hauptbestandteile der Silizium enthaltenden Zusammensetzung Silizium und die Schleifmittelkörnchen.
Die zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Anodenmaterials eines Lithium-Ionen-Akkumulators, das anwendbar ist für die Herstellung eines Lithium-Ionen-Akkumulators ohne extreme volumetrische Ausdehnung während des Ladens und Entladens.
Um diese Aufgabe zu lösen stellt die vorliegende Erfindung ein Anodenmaterial eines Lithium-Ionen-Akkumulators bereit, der eine Silizium enthaltende Zusammensetzung umfasst, die durch ein wie oben beschriebenes Verfahren hergestellt wurde und Partikelgrößen von 5 Nanometer bis 15 Mikrometer aufweist.
Vorzugsweise umfasst die Silizium enthaltende Zusammensetzung eine große Menge an Siliziumkörnchen, eine Spur von Schneiddrahtkörnchen und wenige Schleifmittelkörnchen.
Bezogen auf die Gesamtmenge der Silizium enthaltenden Zusammensetzung ist eine Gesamtmenge der Schneiddrahtkörnchen und/oder Schleifmittelkörnchen weniger als 60 Gew.%.
Vorzugsweise sind die Schleifmittelkörnchen der hergestellten Silizium enthaltenden Zusammensetzung zum Abschwächen der extremen volumetrischen Ausdehnung einer Silizium enthaltenden Zusammensetzung unter Wärme bzw. Wärmewirkung während des Lade- und Entladevorgangs, und zum weiteren Verbessern der Zyklusstabilität und der elektrischen Leistung eines Lithium-Ionen-Akkumulators, der die Silizium enthaltende Zusammensetzung umfasst. Eine Menge der Schleifmittelkörnchen bezogen auf eine Gesamtmenge der Silizium enthaltenden Zusammensetzung reicht von 10 Gew.% bis 40 Gew.%.
Vorzugsweise umfasst das Anodenmaterial des Lithium-Ionen-Akkumulators außerdem kohlenstoffhaltiges Material und ein Bindemittel. Das kohlenstoffhaltige Material kann sein: leitfähiges Graphit, wie z. B. SFG-6, SFG-15, KS-6, KS-15, alle hergestellt von TIMCAL Ltd.; leitfähiger Ruß, z. B. TIMREX^® Ensaco 350G; Dampf-gewachsene Kohlenstoff-Nanofasern (VGCF); Kohlenstoff-Nanotubes (CNTs); Ketjenblack, z. B. Ketjenblack EC300J, Ketjenblack EC600JD, Carbon ECP, Carbon ECP600JD, SUPER-P, alle hergestellt von Lion Corporation, oder deren Kombinationen. Das Bindemittel kann sein: Polyvinylidendifluorid (PVDF), N-Methylpyrrolidon (NMP), Carboxymethylcellulose-Natrium (CMC), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Polyimid oder deren Kombinationen.
Die dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines Verfahrens zur Herstellung einer Anodenelektrode eines Lithium-Ionen-Akkumulators, der die Herstellungskosten verringern kann und die Kapazitätsstabilität und elektrische Leistung während vielfacher Zyklen weiter verbessern kann.
Um diese Aufgabe zu lösen stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren bereit zur Herstellung einer Anodenelektrode eines Lithium-Ionen-Akkumulators, das die Schritte umfasst:
Bereiten einer Silizium enthaltenden Zusammensetzung hergestellt durch das oben beschriebene Verfahren, wobei die Silizium enthaltende Zusammensetzung Partikelgrößen von 5 Nanometer bis 15 Mikrometer aufweist;
Mischen der Silizium enthaltenden Zusammensetzung mit einem kohlenstoffhaltigen Material, um eine Slurry zu bilden; und
Beschichten eines Metallsubstrats mit der Slurry und Trocknen der Slurry, um so die Anodenelektrode des Lithium-Ionen-Akkumulators herzustellen.
Vorzugsweise umfasst der Schritt des Bereitens einer Silizium enthaltenden Zusammensetzung außerdem die Schritte:
Bereitstellen eines Drahtsägewerkzeugs, das einen Schneiddraht und eine Schneid-Slurry umfasst, die auf den Schneiddraht angewendet bzw. aufgebracht ist, wobei die Schneid-Slurry eine Trägerflüssigkeit und zahlreiche Schleifmittel einschließt, die in der Trägerflüssigkeit verteilt sind und eine Partikelgröße von 1 Mikrometer bis 50 Mikrometer haben;
Schneiden eines Siliziumsubstrats mit dem Drahtsägewerkzeug, um eine Misch-Slurry zu erhalten;
Abtrennen der Misch-Slurrys in eine flüssige Mischung und eine Feststoff-Mischung durch Fest-Flüssig-Trennung, wobei die Feststoff-Mischung Siliziumkörnchen, Schleifmittelkörnchen und Schneiddrahtkörnchen umfasst; und
Sortieren der Feststoff-Mischung nach Partikelgröße und Entfernen der Schneiddrahtkörnchen aus der Feststoff-Mischung, um die Silizium enthaltende Zusammensetzung zu erhalten.
Zusammenfassend stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren für die Massenproduktion bereit, umfassend das Schneiden eines Siliziumsubstrats und Durchlaufen geeigneter Reinigungsschritte, um wenige Schleifmittel zu erhalten, die in der Silizium enthaltenden Zusammensetzung zurückbleiben, sodass die extreme volumetrische Ausdehnung der Silizium enthaltenden Zusammensetzung bei Wärme überwunden werden kann, und das Herstellen einer Silizium enthaltenden Zusammensetzung, die der durch konventionelle Verfahren hergestellten überlegen ist. Folglich kann das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eine Silizium enthaltende Zusammensetzung nicht nur zu niedrigen Kosten und durch vereinfachte Schritte herstellen, sondern auch eine Silizium enthaltende Zusammensetzung bereitstellen, die zur Herstellung eines Lithium-Ionen-Akkumulators mit verbesserter Zyklusstabilität, elektrischer Leistung und Qualität einsetzbar ist.
Weitere Aufgaben, Vorteile und neuartige Merkmale der Erfindung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich.
In den Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm des Verfahrens zur Herstellung eines Siliziummaterials der Beispiele 1–6 gemäß der vorliegenden Erfindung;
2A und 2B zeigen ein Siliziumsubstrat, das von einem Drähtsägewerkzeug geschnitten wird;
3A ist ein Rasterelektronenmikroskop-Bild einer Misch-Slurry in Beispielen 1–6;
3B ist ein Graph der Verteilung der Partikelgröße einer Misch-Slurry von Beispielen 1–6;
4A ist ein Rasterelektronenmikroskop-Bild einer zweiten aufbereiteten Mischung in Beispielen 1–6 nach dem Fest-Flüssig-Trennungsschritt und dem Waschschritt;
4B ist ein Graph der Verteilung der Partikelgröße einer zweiten aufbereiteten Mischung in Beispielen 1–6 nach dem Fest-Flüssig-Trennungsschritt und dem Waschschritt;
5A und 5B sind Rasterelektronenmikroskop-Bilder der pulverförmigen Silizium enthaltenden Zusammensetzung vor der Aggregation in Beispiel 1;
6A ist ein Rasterelektronenmikroskop-Bild der pulverförmigen Silizium enthaltenden Zusammensetzung nach der Aggregation in Beispiel 1;
6B ist ein Graph der Verteilung der Partikelgröße der pulverförmigen Silizium enthaltenden Zusammensetzung nach der Aggregation in Beispiel 1;
7 zeigt Kapazität aufgetragen gegen Spannung eines Lithium-Ionen-Akkumulators in Beispiel 10 nach dem ersten Lade- und Entladezyklus;
8 zeigt Kapazität aufgetragen gegen Zyklenzahl eines Lithium-Ionen-Akkumulators in Beispiel 10 während des ersten bis hundertsten Lade-/Entladezyklus; und
9 zeigt Coulomb-Wirkungsgrad aufgetragen gegen Zyklenzahl eines Lithium-Ionen-Akkumulators in Beispiel 10 während des ersten bis hundertsten Lade-/Entladezyklus.
Der Fachmann kann nachfolgend aus den folgenden Beispielen die Vorteile und Wirkungen eines Verfahrens zur Herstellung einer Silizium enthaltenden Zusammensetzung und ihres Einsatzes gemäß der vorliegenden Erfindung einfach erkennen. Deshalb sollten die hier vorgeschlagenen Beschreibungen wohlgemerkt nur bevorzugte Beispiele sein, die lediglich zur Veranschaulichung dienen, und nicht den Schutzumfang der Erfindung beschränken sollen. Verschiedene Abwandlungen und Variationen können vorgenommen werden, um die vorliegende Erfindung auszuüben oder anzuwenden, ohne den Gedanken oder den Umfang der Erfindung zu verlassen.
Beispiele 1–6: Herstellen von Silizium enthaltenden Zusammensetzungen
Ein Verfahren zur Herstellung einer Silizium enthaltenden Zusammensetzung wurde durchgeführt, wie im Einzelnen beschrieben unter Einfügung des Blockdiagramms wie in 1 gezeigt.
Zuerst wurden ein Siliziumsubstrat und ein Drahtsägewerkzeug zum Schneiden des Siliziumsubstrats bereitgestellt. Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasste das Drahtsägewerkzeug einen Schneiddraht und eine Schneid-Slurry, die eine Trägerflüssigkeit und zahlreiche Schleifmittel, die in der Trägerflüssigkeit verteilt waren, enthielt. In den vorliegenden Beispielen war der Schneiddraht aus Eisen und Kupfer hergestellt, nämlich ein Klaviersaitendraht, und hatte einen Durchmesser von 120 Mikrometern. Die Trägerflüssigkeit bestand hauptsächlich aus Polyethylenglykol. Die Schleifmittel waren Siliziumkarbide mit Partikelgrößen von 5 Mikrometern bis 40 Mikrometern. Das Siliziumsubstrat war ein polykristalliner Siliziumstab, der mit 0,01 Gew.% Bor dotiert war.
Mit Bezug auf 2A und 2B wurde die Schneid-Slurry 11 auf den Schneiddraht 12 gesprüht, sodass sowohl die Trägerflüssigkeit 111 als auch die Schleifmittel 112 um den Schneiddraht 12 herum verteilt wurden. Wenn der Schneiddraht 12 durch die Antriebsrollen schnell bewegt wurde, wurde die Schneid-Slurry 11 ebenfalls in den Schneidbereich eingebracht und die Schleifmittel 112, die in der Schneid-Slurry 11 enthalten waren, wurden zerrieben bzw. zerrieben das Siliziumsubstrat 2, um eine Misch-Slurry zu erhalten.
In dem vorgenannten Schritt enthielt die Misch-Slurry Propylenglykol (Trägerflüssigkeit) und Mischpulver, wobei die Mischpulver hauptsächlich Siliziumkörnchen von dem Siliziumsubstrat umfassten. Bezogen auf ein Gesamtgewicht der Feststoffe in der Misch-Slurry, schloss die Misch-Slurry 40 Gew.% Siliziumcarbid-Pulver und 3 Gew.% Eisenpulver ein. Weiterhin wurden die Partikelgrößen der Misch-Slurry mit einem Partikelgröße-Verteilungs-Analysator gemessen. Laut der Ergebnisse wies die Misch-Slurry erste Partikelgrößen von 5 Nanometer bis 30 Mikrometer vor der Aggregation auf, wie in 3A gezeigt, und zweite Partikelgrößen von 0,5 Mikrometer bis 30 Mikrometer nach der Aggregation.
Daraufhin wurden durch Filterpressen-Trennung eine flüssige Mischung und eine Feststoff-Mischung von der Misch-Slurry isoliert. Die flüssige Mischung enthielt Propylenglykol und weitere Zusätze und Suspensionen, und die Feststoff-Mischung enthielt Siliziumkörnchen, Siliziumkarbidkörnchen, Eisenkörnchen, Kupferkörnchen oder deren Oxide.
Danach wurde die Feststoff-Mischung mit reinem Wasser gewaschen, um das Propylenglykol aus der Feststoff-Mischung zu entfernen, und die Effizienz des Sortierens nach Partikelgröße in den folgenden Schritten noch weiter zu verbessern.
Nachdem Propylenglykol aus der Feststoff-Mischung entfernt wurde, wurde die übrige Feststoff-Mischung außerdem mit Schwefelsäure gewaschen, um die Eisenpulver, Kupferpulver und andere, in Schwefelsäure lösliche Metall- und Legierungsoxide, zu entfernen. Zahlreiche Waschschritte mit Wasser wurden wahlweise durchgeführt, um andere unerwünschte Verunreinigungen zu entfernen, um so eine zweite aufbereitete Mischung zu erhalten. Dementsprechend kann die Reinheit der Silizium enthaltenden Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung durch diese Waschschritte in hohem Maße verbessert werden, und außerdem die verschlechterte elektrische Qualität des Lithium-Ionen-Akkumulators aufgrund der Metallverunreinigungen vermieden werden.
Mit Bezug auf 4A wies die zweite aufbereitete Mischung, die nach dem Fest-Flüssig-Trennungsschritt und den Waschschritten gesammelt wurde, erste Partikelgrößen von 5 Nanometern bis 25 Mikrometern auf. Mit Bezug auf 4B wies die zweite aufbereitete Mischung nach der Aggregation Partikelgrößen von 0,9 Mikrometern bis 25 Mikrometern auf. Die zweite aufbereitete Mischung enthielt etwa 42,73 Gew.% Siliziumpulver und etwa 57,27 Gew.% Siliziumkarbidpulver.
Als nächstes wurde die zweite aufbereitete Mischung nach Partikelgröße sortiert durch hydraulischen Zyklon bzw. durch hydraulische Zyklontrennung bei einem Arbeitsdruck von 0,15 MPa bis 0,40 MPa, um Pulver größer als 15 Mikrometern zu entfernen, und dann eine Silizium enthaltende Zusammensetzung zu erhalten.

Wie in Tabelle 1 gezeigt unterschieden sich die jeweiligen Gewichtsanteile von Siliziumpulver und Siliziumkarbidpulver je nach Arbeitsdrücken des hydraulischen Zyklons. Tabelle 1: Der Arbeitsdruck, mit dem der hydraulische Zyklon betrieben wurde und die jeweiligen Gewichtsanteile des Siliziumpulvers und des Siliziumkarbidpulvers, die in der Silizium enthaltenden Zusammensetzung in den Beispielen 1–6 enthalten waren.

	Arbeitsdruck	Silizium	Siliziumkarbid
Beispiel 1	0,15 MPa	53,10 Gew.%	46,90 Gew.%
Beispiel 2	0,20 MPa	72,40 Gew.%	27,60 Gew.%
Beispiel 3	0,25 MPa	80,00 Gew.%	20,00 Gew.%
Beispiel 4	0,30 MPa	87,67 Gew.%	12,33 Gew.%
Beispiel 5	0,35 MPa	79,36 Gew.%	20,64 Gew.%
Beispiel 6	0,40 MPa	78,38 Gew.%	21,62 Gew.%

Schließlich wurde die Silizium enthaltende Zusammensetzung zusätzlich bei 120°C getrocknet, um eine pulverförmige Silizium enthaltende Zusammensetzung zu erhalten.
Mit Bezug auf 5A und 5B weist die Silizium enthaltende Zusammensetzung tatsächlich Nano-Partikelgrößen von 5 Nanometern bis 10 Nanometern auf. Mit Bezug auf
6A und 6B zeigt das Rasterelektronenmikroskop-Bild und der Graph der Partikelgrößen-Verteilung, dass die pulverförmige Silizium enthaltende Zusammensetzung nach der Aggregation zweite Partikelgrößen von 0,4 Mikrometern bis 10 Mikrometern aufweist.
Die pulverförmige Silizium enthaltende Zusammensetzung wurde darüber hinaus analysiert durch eine optische Emissionsspektralanalyse mit induktiv gekoppelter Plasmaspektroskopie, ICP-OES-Spektroskopie. Dies zeigte auf, dass der Eisengehalt in der pulverförmigen Silizium enthaltenden Zusammensetzung auf weniger als 50 ppm reduziert wurde.
Beispiele 7–9: Herstellen von Silizium enthaltenden Zusammensetzungen
In den vorliegenden Beispielen wurde eine Misch-Slurry ebenfalls durch die als Beispiele 1–6 durchgeführten Schritte erhalten. Die in Beispielen 7 bis 9 verwendeten Schleifmittel waren Siliziumkarbide mit Partikelgrößen von 5 Mikrometern bis 30 Mikrometern, und der Schneiddraht hatte ebenfalls einen Durchmesser von 120 Mikrometern.
Daraufhin wurde die Misch-Slurry ebenfalls durch Filterpressen-Trennung behandelt, und in eine flüssige Mischung und eine Feststoff-Mischung getrennt, wobei die Feststoff-Mischung etwa 42,50 Gew.% Siliziumpulver und etwa 57,50 Gew.% Siliziumkarbidpulver enthielt.
Als nächstes wurde die Feststoff-Mischung nach Partikelgröße sortiert durch Luftabscheidung, um eine erste aufbereitete Mischung zu erhalten. Die Gewichtsanteile von Siliziumpulver und Siliziumkarbidpulver in der ersten aufbereiteten Mischung abhängig von der Drehgeschwindigkeit wurden in Tabelle 2 aufgeführt. Tabelle 2: Die Drehgeschwindigkeit der Luftabscheidung und die jeweiligen Gewichtsanteile des Siliziumpulvers und des Siliziumkarbidpulvers, die in der ersten aufbereiteten Mischung in Beispielen 7–9 enthalten sind.

Drehgeschwindigkeit Silizium Siliziumkarbid

Beispiel 7 2880 rpm 85,00 Gew.% 15,00 Gew.%

Beispiel 8 2700 rpm 72,50 Gew.% 27,50 Gew.%

Beispiel 9 2520 rpm 55,10 Gew.% 44,90 Gew.%
Danach wurde die erste aufbereitete Mischung mit Wasser gewaschen, um Propylenglykol aus der ersten aufbereiteten Mischung zu entfernen.
Nachdem die Trägerflüssigkeit entfernt wurde, wurde die erste aufbereitete Mischung mit Schwefelsäure gewaschen, um die Eisenpulver, Kupferpulver und andere, in Schwefelsäure lösliche Metall- und Legierungsoxide zu entfernen, und zusätzlich mit Wasser gewaschen, um andere unerwünschte Verunreinigungen zu entfernen, um so die Silizium enthaltende Zusammensetzung herzustellen. In dem vorliegenden Beispiel weist die Silizium enthaltende Zusammensetzung Partikelgrößen von 5 Nanometern bis 15 Mikrometern auf.
Gemäß der ICP-OES-Spektroskopie wurde der Eisengehalt in der pulverförmigen, Silizium enthaltenden Zusammensetzung auf weniger als 50 ppm reduziert. Dies zeigte auf, dass das Verfahren unerwünschte Verunreinigungen wirksam entfernen kann und dadurch eine Silizium enthaltende Zusammensetzung erhält, die für einen Lithium-Ionen-Akkumulator einsetzbar ist.
Ausgehend von den Ergebnissen von Beispielen 1 bis 9 stellt das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung nicht nur eine große Menge an Silizium enthaltender Zusammensetzung her, sondern entfernt auch noch wirksam unerwünschte Verunreinigungen, um eine mikroskalige, oder sogar nanoskalige, Silizium enthaltende Zusammensetzung zu erhalten, die wenige inaktive Bestandteile hat, wodurch die Silizium enthaltende Zusammensetzung ein geeignetes Material für einen Lithium-Ionen-Akkumulator darstellt.
Beispiel 10: Herstellen eines Lithium-Ionen-Akkumulators, umfassend eine Silizium enthaltende Zusammensetzung
0,8 Gramm der pulverförmigen Silizium enthaltenden Zusammensetzung, die durch das Verfahren in Beispiel 1 hergestellt wurde, wurde mit 0,2 Gramm des kohlenstoffhaltigen Materials (Super-P) gemischt, um eine Slurry für eine Anodenelektrode eines Lithium-Ionen-Akkumulators zu bilden.
Als nächstes wurde die Slurry auf eine Kupferfolie schleuderbeschichtet und danach getrocknet, wodurch eine Anodenelektrode eines Lithium-Ionen-Akkumulators hergestellt wurde. Eine Lithiumfolie wurde als Referenzelektrode, auch relative negative Elektrode genannt, bereitgestellt, wobei die Referenzelektrode wahlweise auch mit dem aktiven Material der positiven Elektrode, wie z. B. LiCoO₂, beschichtet werden konnte.
Daraufhin wurde die hergestellte Anodenelektrode gegenüber der Referenzelektrode angeordnet. Eine Trennmembrane wurde zwischen die Anodenelektrode und die Referenzelektrode platziert, wobei die Anodenelektrode, die Referenzelektrode und der Separator in einem Elektrolyt mit 1 Molar (1 M) Ethylenkarbonat/Diethylkarbonat-Elektrolyt mit LiPF₆ durchtränkt wurden, um einen Lithium-Ionen-Akkumulator herzustellen.
Der hergestellte Lithium-Ionen-Akkumulator wurde mit einem Kanallade-/Kanalentladetestgerät bei einer Lade-/Entladerate von 0,2 C getestet und bei einer Grenzspannung von 0 V bis 1,5 V. Mit Bezug auf 7 hatte der Lithium-Ionen-Akkumulator eine Entladekapazität von etwa 1652 mAh/g bei einer ersten Entladung, und eine Ladekapazität von etwa 976 mAh/g bei einer ersten Ladung. Die Ergebnisse bewiesen, dass die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Silizium enthaltende Zusammensetzung geeignet ist als ein Hauptbestandteil eines Anodenmaterials in einem Lithium-Ionen-Akkumulator und dem Lithium-Ionen-Akkumulator die benötigte Lade- und Entladefähigkeit bereitstellt. Mit Bezug auf 8 wurde der Lithium-Ionen-Akkumulator gemäß der vorliegenden Erfindung außerdem in 100 Lade/Entlade-Zyklen wiederholt getestet bei einer Lade-/Entladerate von 0,2 C. Das Ergebnis zeigte, dass der Lithium-Ionen-Akkumulator nach 100 Zyklen immer noch eine Kapazität von etwa 574 mAh/g hatte und seine Stabilität aufrechterhalten hatte.
Weiterhin zeigte 9, dass der Lithium-Ionen-Akkumulator gemäß der vorliegenden Erfindung nach 100 Zyklen einen Coulomb-Wirkungsgrad von annähernd 100% hatte.
Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung erfolgreich ein Verfahren zur Massenproduktion von Silizium enthaltender Zusammensetzung für einen Lithium-Ionen-Akkumulator bereit, um dessen Herstellungskosten zu senken, das Problem der volumetrischen Ausdehnung bei Wärme zu reduzieren; damit werden die Zyklenstabilität, die elektrische Leistung und die Qualität des Lithium-Ionen-Akkumulators in hohem Maße verbessert durch die Verwendung der Silizium enthaltenden Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Auch wenn in der vorstehenden Beschreibung zahlreiche Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung zusammen mit Einzelheiten der Struktur und der Merkmale der Erfindung dargelegt wurden, so ist die Offenbarung lediglich veranschaulichend. Änderungen können in Einzelheiten vorgenommen werden, insbesondere bezüglich Form, Größe und Anordnung der Teile im Rahmen der Grundlagen der Erfindung, die zur Gänze in den angefügten Ansprüchen durch breite, allgemeine Ausdrücke angegeben werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Silizium enthaltenden Zusammensetzung, das die Schritte umfasst: Bereitstellen eines Drahtsägewerkzeugs, umfassend einen Schneiddraht (12) und eine Schneid-Slurry (11), die auf dem Schneiddraht (12) aufgebracht wird, wobei die Schneid-Slurry eine Trägerflüssigkeit (111) und zahlreiche Schleifmittel (112) enthält, die in der Trägerflüssigkeit (111) verteilt sind und Partikelgrößen von 1 Mikrometer bis 50 Mikrometern haben; Schneiden eines Siliziumsubstrats (2) mit dem Drahtsägewerkzeug, um eine Misch-Slurry zu erhalten; Trennen der Misch-Slurry in eine flüssige Mischung und eine Feststoff-Mischung durch Fest-Flüssig-Trennung, wobei die Feststoff-Mischung mit Siliziumkörnchen, Schleifmittelkörnchen und Schneiddrahtkörnchen gemischt ist; und Sortieren der Feststoff-Mischung nach Partikelgröße und Entfernen der Schneiddrahtkörnchen aus der Feststoff-Mischung, um die Silizium enthaltende Zusammensetzung zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schneiddraht einen Durchmesser von 80 Mikrometern bis 500 Mikrometern aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Silizium enthaltende Zusammensetzung Partikelgrößen von 5 Nanometern bis 15 Mikrometern aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Trägerflüssigkeit der Schneid-Slurry eine nichtwässerige Trägerflüssigkeit, eine wässerige Trägerflüssigkeit oder eine synthetische Trägerflüssigkeit umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die Trägerflüssigkeit der Schneid-Slurry Mineralöl umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die Trägerflüssigkeit der Schneid-Slurry Ethylenglycol (EG), Propylenglycol (PG), Polyalkylenglycol (PAG), Polyethylenglycol (PEG), Diethylenglycol (DEG), Triethylenglycol (TEG) oder deren Kombinationen umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Material der Schleifmittelkörnchen gewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Diamant, diamantähnlichem Kohlenstoff, Siliziumkarbid, Bornitrid, Borkarbid, Aluminiumnitrid, Zirkoniumdioxid und deren Kombinationen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Fest-Flüssig-Trennung Zentrifugentrennung, Filterpressen-Trennung, Sedimentation, Membranenfiltration oder Dekantiertrennung einschließt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren das Waschen der Schneid-Slurry mit einer wässerigen Lösung umfasst, vor dem Schritt des Trennens der Misch-Slurry in die flüssige Mischung und die Feststoff-Mischung.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren das Waschen der Feststoff-Mischung mit der wässerigen Lösung umfasst, vor dem Schritt des Sortierens der Feststoff-Mischung nach Partikelgröße und des Entfernens der Schneiddrahtkörnchen aus der Feststoff-Mischung.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren das Waschen der Feststoff-Mischung mit einer sauren Lösung umfasst, um die Schneiddrahtkörnchen aus der Feststoff-Mischung zu entfernen, und die Schneiddrahtkörnchen aus Eisen, Kupfer, Nickel oder deren Kombinationen hergestellt sind.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei die saure Lösung Schwefelsäure, Chlorwasserstoffsäure, Salpetersäure oder deren Kombinationen umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren das Entfernen der Schneiddrahtkörnchen aus der Feststoff-Mischung durch magnetische Trennung umfasst, und die Schneiddrahtkörnchen aus Eisen, Nickel oder deren Kombinationen hergestellt sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Schritt des Sortierens der Feststoff-Mischung nach Partikelgröße das Sortieren der Feststoff-Mischung nach Partikelgröße durch trockene Trennung oder nasse Trennung umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei die trockene Trennung Siebtrennung, Luftabscheidung, pneumatische Trennung oder deren Kombinationen einschließt.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei der Schritt des Sortierens der Feststoff-Mischung nach Partikelgröße das Sortieren der Feststoff-Mischung durch Luftabscheidung bei einer Drehgeschwindigkeit von 1500 rpm bis 3600 rpm umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei die Silizium enthaltende Zusammensetzung die Siliziumkörnchen in einer Menge von 40 Gew.% bis 99 Gew.% und die Schleifmittelkörnchen in einer Menge von 1 Gew.% bis 60 Gew.% einschließt.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei die nasse Trennung hydraulische Zyklontrennung, Flotation oder deren Kombinationen einschließt.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei der Schritt des Sortierens der Feststoff-Mischung nach Partikelgröße das Sortieren der Feststoff-Mischung durch hydraulische Zyklontrennung bei einem Arbeitsdruck von 0,10 bis 1,00 Megapascal (MPa) umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei die Silizium enthaltende Zusammensetzung die Siliziumkörnchen in einer Menge von 40 Gew.% bis 99 Gew.% und die Schleifmittelkörnchen in einer Menge von 1 Gew.% bis 60 Gew.% einschließt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Schritt des Sortierens der Feststoff-Mischung nach Partikelgröße und des Entfernens der Schneiddrahtkörnchen aus der Feststoff-Mischung umfasst: Sortieren der Feststoff-Mischung nach Partikelgröße, um eine erste aufbereitete Mischung zu erhalten; und Entfernen der Schneiddrahtkörnchen aus der ersten aufbereiteten Mischung, um so die Silizium enthaltende Zusammensetzung zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 21, wobei die Schneiddrahtkörnchen aus Eisen, Kupfer, Nickel oder deren Kombinationen hergestellt sind, und der Schritt des Entfernens der Schneiddrahtkörnchen aus der ersten aufbereiteten Mischung, um die Silizium enthaltende Zusammensetzung zu erhalten, umfasst: Entfernen von Eisen, Nickel oder deren Kombinationen aus der ersten aufbereiteten Mischung durch magnetische Trennung; und Waschen der ersten aufbereiteten Mischung mit einer sauren Lösung, um Eisen, Kupfer, Nickel oder deren Kombinationen aus der ersten aufbereiteten Mischung zu entfernen, um so die Silizium enthaltende Zusammensetzung zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 21, wobei die Schneiddrahtkörnchen aus Eisen, Kupfer, Nickel oder deren Kombinationen hergestellt sind, und der Schritt des Entfernens der Schneiddrahtkörnchen aus der ersten aufbereiteten Mischung, um die Silizium enthaltende Zusammensetzung zu erhalten, umfasst: Waschen der ersten aufbereiteten Mischung mit einer sauren Lösung, um Eisen, Kupfer, Nickel oder deren Kombinationen aus der ersten aufbereiteten Mischung zu entfernen; und Entfernen von Eisen, Nickel oder derer Kombinationen aus der ersten aufbereiteten Mischung durch magnetische Trennung, um so die Silizium enthaltende Zusammensetzung zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 21, wobei der Schritt des Sortierens der Feststoff-Mischung nach Partikelgröße, um die erste aufbereitete Mischung zu erhalten, umfasst: Sortieren der Feststoff-Mischung, um eine sortierte Mischung zu erhalten; und Waschen der sortierten Mischung mit einer wässerigen Lösung, um die erste aufbereitete Mischung zu erhalten.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Schritt des Sortierens der Feststoff-Mischung nach Partikelgröße und des Entfernens der Schneiddrahtkörnchen aus der Feststoff-Mischung, umfasst: Entfernen der Schneiddrahtkörnchen aus der Feststoff-Mischung, um eine zweite aufbereitete Mischung zu erhalten; und Sortieren der zweiten aufbereiteten Mischung nach Partikelgröße, um die Silizium enthaltende Zusammensetzung zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei die Schneiddrahtkörnchen aus Eisen, Kupfer, Nickel oder deren Kombinationen hergestellt sind, und der Schritt des Entfernens der Schneiddrahtkörnchen aus der Feststoff-Mischung, um die zweite aufbereitete Mischung zu erhalten, umfasst: Entfernen von Eisen, Nickel oder derer Kombinationen aus der Feststoff-Mischung durch magnetische Trennung; und Waschen der Feststoff-Mischung mit einer sauren Lösung, um Eisen, Kupfer, Nickel oder deren Kombinationen aus der Feststoff-Mischung zu entfernen, um so die zweite aufbereitete Mischung zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei die Schneiddrahtkörnchen aus Eisen, Kupfer, Nickel oder deren Kombinationen hergestellt sind, und der Schritt des Entfernens der Schneiddrahtkörnchen aus der Feststoff-Mischung, um die zweite aufbereitete Mischung zu erhalten, umfasst: Waschen der Feststoff-Mischung mit einer sauren Lösung, um Eisen, Kupfer, Nickel oder deren Kombinationen aus der Feststoff-Mischung zu entfernen; und Entfernen von Eisen, Nickel oder derer Kombinationen aus der Feststoff-Mischung durch magnetische Trennung, um so die zweite aufbereitete Mischung zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei der Schritt des Entfernens der Schneiddrahtkörnchen aus der Feststoff-Mischung, um die zweite aufbereitete Mischung zu erhalten, umfasst: Entfernen der Schneiddrahtkörnchen aus der Feststoff-Mischung, um eine gesammelte Mischung zu erhalten; und Waschen der gesammelten Mischung mit einer wässerigen Lösung, um die zweite aufbereitete Mischung zu erhalten.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren das Trocknen der Silizium enthaltenden Zusammensetzung umfasst, um eine pulverförmige Silizium enthaltende Zusammensetzung zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 29, wobei die pulverförmige Silizium enthaltende Zusammensetzung Partikelgrößen von 5 Nanometern bis 15 Mikrometern aufweist.
Anodenmaterial eines Lithium-Ionen-Akkumulators, umfassend eine nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestellte Silizium enthaltende Zusammensetzung, wobei die Silizium enthaltende Zusammensetzung Partikelgrößen von 5 Nanometern bis 15 Mikrometern aufweist.
Anodenmaterial eines Lithium-Ionen-Akkumulators gemäß Anspruch 31, wobei die Silizium enthaltende Zusammensetzung Siliziumkörnchen in einer Menge von 40 Gew.% bis 99 Gew.% und Schleifmittelkörnchen in einer Menge von 1 Gew.% bis 60 Gew.% einschließt.
Anodenmaterial eines Lithium-Ionen-Akkumulators gemäß Ansprüchen 31 oder 32, wobei die Partikelgrößen der Silizium enthaltenden Zusammensetzung von 5 Nanometern bis 2 Mikrometern reichen.
Verfahren zur Herstellung einer Anodenelektrode eines Lithium-Ionen-Akkumulators, das die Schritte umfasst: Bereiten einer nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestellten Silizium enthaltenden Zusammensetzung, wobei die Silizium enthaltende Zusammensetzung Partikelgrößen von 5 Nanometern bis 15 Mikrometern aufweist; Mischen der Silizium enthaltenden Zusammensetzung mit einem kohlenstoffhaltigen Material, um eine Slurry zu bilden; und Beschichten eines Metallsubstrats mit der Slurry und Trocknen der Slurry, um so die Anodenelektrode des Lithium-Ionen-Akkumulators herzustellen.
Verfahren gemäß Anspruch 34, wobei der Schritt des Bereitens der Silizium enthaltenden Zusammensetzung umfasst: Bereitstellen eines Drahtsägewerkzeugs, umfassend einen Schneiddraht (12) und eine Schneid-Slurry (11), die auf dem Schneiddraht (12) aufgebracht wird, wobei die Schneid-Slurry eine Trägerflüssigkeit (111) und zahlreiche Schleifmittel (112) enthält, die in der Trägerflüssigkeit (111) verteilt sind und eine Partikelgröße von 1 Mikrometer bis 50 Mikrometern haben; Schneiden eines Siliziumsubstrats (2) mit dem Drahtsägewerkzeug, um eine Misch-Slurry zu erhalten; Trennen der Misch-Slurrys in eine flüssige Mischung und eine Feststoff-Mischung durch Fest-Flüssig-Trennung, wobei die Feststoff-Mischung Siliziumkörnchen, Schleifmittelkörnchen und Schneiddrahtkörnchen einschließt; und Sortieren der Feststoff-Mischung nach Partikelgröße und Entfernen der Schneiddrahtkörnchen aus der Feststoff-Mischung, um so die Silizium enthaltende Zusammensetzung zu erhalten.