DE102014211012A1 - Herstellungsverfahren für einen Silicium-Kohlenstoff-Komposit - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Kohlenstoff-Komposits (21, 11), insbesondere für eine Lithium-Zelle. Um ein verbessertes Zyklisierungsverhalten zu erzielen, wird in einem Verfahrensschritt a) ein Silicium-Präkursor (20) in Poren (10) einer porösen Kohlenstoffstruktur (11) eingebracht und in einem Verfahrensschritt b) in Silicium (21) umgewandelt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen derartigen Silicium-Kohlenstoff-Komposit (21, 11), ein derartiges Elektrodenmaterial, eine derartige Elektrode sowie eine damit ausgestattet Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Kohlenstoff-Komposits, insbesondere für eine Lithium-Zelle, sowie einen derartigen Silicium-Kohlenstoff-Komposit, ein derartiges Elektrodenmaterial, eine derartige Elektrode sowie eine damit ausgestattete Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie.
  • Stand der Technik
  • Silicium ist das vielversprechendste Anodenmaterial für die nächste Generation von Lithium-Ionen-Batterien, da es eine sehr hohe Kapazität von 4200 mAh/g bei 0,4 V gegen Lithium bietet, was in etwa dem elffachen von herkömmlichem Graphit entspricht und Silicium besonders interessant als Material für Hochenergiebatterien, zum Beispiel für Elektrofahrzeuge, macht. Zudem ist Silicium vorteilhafterweise reichlich vorhanden und nicht toxisch.
  • Metallisches beziehungsweise elementares Silicium weist jedoch eine geringe Leitfähigkeit auf. Daher ist dessen Verwendung als Elektrodenmaterial, insbesondere Anodenmaterial, bezüglich der Kinetik und Eindringtiefe von Lithiumionen eingeschränkt. Zur Verbesserung der elektrischen Kontaktierung des Siliciums werden daher herkömmlicherweise Kohlenstoffpartikeln zugesetzt.
  • Darüber hinaus weisen Elektrodenmaterialien auf der Basis von Siliciumpartikeln in der Regel ein schlechtes Zyklisierungsverhalten auf.
  • Dies kann dadurch erklärt werden, dass Silicium bei einer Legierungsbildung mit Lithium eine hohe Volumenexpansion von bis zu etwa 300 Vol-% vollzieht und bei einer Delithiierung wiederum eine hohe Volumenverkleinerung erfährt. Dadurch können die Siliciumpartikel während des Zyklisierens brechen. Zudem kann sich an der Grenzfläche zwischen den Siliciumpartikeln und Elektrolyt – als Folge einer Elektrolytreduktion – eine SEI-Schicht (Englisch: Solide Electrolyte Interface) bilden. Dabei kann zum einen Elektrolyt verbraucht werden, was einen irreversiblen Verlust an Ladungsträgern und insbesondere Lithiumionen zur Folge haben kann. Zum anderen ist die SEI-Schicht auf den Siliciumpartikeln – aufgrund der Volumenvergrößerung und Volumenverkleinerung und des damit einhergehenden Brechens der Siliciumpartikel – in der Regel instabil und kann sich mit steigender Zyklenzahl mehr und mehr verstärken und/oder vergrößern, was eine Verschlechterung der Impedanz zur Folge haben kann. Durch die große Volumenänderung während des Zyklisierens kann zudem der Kontakt zwischen Siliciumpartikeln und Kohlenstoffpartikel gestört werden, was zur Folge haben kann, dass sich die elektrische Kontaktierung der Siliciumpartikel mit steigender Zyklenzahl mehr und mehr verschlechtert. Zudem kann auch an der Oberfläche der Kohlenstoffpartikel Elektrolyt reduziert und eine SEI-Schicht ausgebildet werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Kohlenstoff-Komposits, insbesondere für eine Lithium-Zelle, zum Beispiel für eine Lithium-Ionen-Zelle. Insbesondere können durch das Verfahren Silicium-Kohlenstoff-Kompositpartikel hergestellt werden. Der Silicium-Kohlenstoff-Komposit beziehungsweise die Silicium-Kohlenstoff-Kompositpartikel können insbesondere als Elektrodenmaterial, beispielsweise Anodenmaterial, für eine Lithium-Zelle, zum Beispiel für eine Lithium-Ionen-Zelle, beziehungsweise zur Herstellung einer Elektrode, beispielsweise einer Anode, für eine Lithium-Zelle, beispielsweise für eine Lithium-Ionen-Zelle, verwendet werden.
  • Im Rahmen eines Verfahrensschrittes a) wird dabei ein Silicium-Präkursor (Englisch: Si Precursor) in Poren einer porösen Kohlenstoffstruktur eingebracht.
  • Im Rahmen eines Verfahrensschrittes b) wird dann der, in die Poren eingebrachte Silicium-Präkursors in, insbesondere metallisches beziehungsweise elementares beziehungsweise (im Wesentlichen) der Oxidationszahl null, Silicium umgewandelt.
  • Unter einem Silicium-Präkursor können insbesondere Siliciumverbindungen verstanden werden, welche in, insbesondere metallisches beziehungsweise elementares beziehungsweise (im Wesentlichen) der Oxidationszahl null, Silicium umgewandelt werden können. Die Umwandlung kann dabei beispielsweise mittels Reduktion und/oder Polymerisation erfolgen. Dabei kann der Präkursor direkt zu, insbesondere metallischem beziehungsweise elementarem, Silicium reduziert werden. Es ist jedoch auch möglich, dass der Präkursor, zum Beispiel zu einem Polysilan und/oder Polysiloxan, polymerisiert und gegebenenfalls dann zu, insbesondere metallischem beziehungsweise elementarem, Silicium reduziert wird.
  • Die poröse Kohlenstoffstruktur dient dabei vorteilhafterweise als Matrix für, insbesondere metallisches beziehungsweise elementares beziehungsweise (im Wesentlichen) der Oxidationszahl null, Silicium, welches durch das Verfahren innerhalb der Poren synthetisiert beziehungsweise abgeschieden wird. In Verfahrensschritt a) können die Poren sowohl teilweise als auch vollständig mit dem Silicium-Präkursor gefüllt werden. Da sich das Volumen des Silicium-Präkursors während dessen Umwandlung zu Silicium verringert, werden in den Poren während des Verfahrensschrittes b) Freiräume geschaffen, in welche sich das Silicium während des Zyklisierens einer damit ausgestatteten Lithium-Zelle ausdehnen kann. Dabei können durch das Verfahren in den Poren der porösen Kohlenstoffstruktur insbesondere Siliciumpartikel ausgebildet werden. So können vorteilhafterweise Volumenvergrößerungen des Siliciums, beispielsweise der Siliciumpartikel, kompensiert werden. Zudem ermöglicht der Kohlenstoff der Kohlenstoffstruktur einen Lithiumionen-Transport durch die Kohlenstoffstruktur hindurch zu dem darin enthaltenen Silicium. Darüber hinaus können durch den Silicium-Kohlenstoff-Komposit viele Kontaktpunkte zwischen dem Silicium und der Kohlenstoffstruktur realisiert werden. So kann vorteilhafterweise ein guter elektrischer Kontakt zwischen Silicium und Kohlenstoff erzielt werden, welcher – aufgrund der porösen Kohlenstoffstruktur – auch während des Zyklisierens aufrechterhalten werden kann. Zudem kann durch den Kontakt mit der porösen Kohlenstoffstruktur die Siliciumoberfläche verringert werden, welche mit Elektrolyt in Kontakt treten kann. So können vorteilhafterweise das Zyklisierungsverhalten verschlechternde Nebenreaktionen des Siliciums, beispielsweise in Form von Elektrolytreduktion und/oder SEI-Bildung, verringert werden. So kann vorteilhafterweise ein als Elektrodenmaterial für eine Lithium-Zelle, beispielsweise Lithium-Ionen-Zelle, verwendbarer Silicium-Kohlenstoff-Komposit zur Verfügung gestellt werden, welcher eine gute elektrische Kontaktierung zwischen Silicium und Kohlenstoff ermöglichen, ein Volumenexpansion des Siliciums während des Zyklisierens kompensieren sowie Nebenreaktionen, insbesondere aufgrund einer verminderten, elektrolytenzugänglichen Siliciumoberfläche, verringern und damit insgesamt ein verbessertes Zyklisierungsverhalten aufweisen kann. Das Kompositmaterial kann dabei zudem vorteilhafterweise eine hohe mechanische Stabilität aufweisen und insbesondere auch in Hochleistungsbatterieanwendungen, beispielsweise in Elektrofahrzeugbatterien, eingesetzt werden.
  • Die poröse Kohlenstoffstruktur kann insbesondere hochporös sein. Beispielsweise kann die poröse Kohlenstoffstruktur eine Porosität, also ein Gesamtporenvolumen, von größer oder gleich 40 Vol-%, bezogen auf das Gesamtvolumen der porösen Kohlenstoffstruktur, aufweisen. Die Poren der porösen Kohlenstoffstruktur können beispielsweise eine durchschnittliche Porengröße von kleiner oder gleich 200 nm aufweisen. Zum Beispiel können die Poren der porösen Kohlenstoffstruktur eine durchschnittliche Porengröße in einem Bereich von ≥ 50 nm bis ≤ 200 nm aufweisen.
  • Als poröse Kohlenstoffstruktur können beispielsweise poröse Kohlenstoffpartikel eingesetzt werden.
  • Im Rahmen einer Ausführungsform werden daher in Verfahrensschritt a) poröse Kohlenstoffpartikel als poröse Kohlenstoffstruktur eingesetzt. Die porösen Kohlenstoffpartikel könne beispielsweise in Form eines Pulvers eingesetzt werden. In Verfahrensschritt a) kann dabei der Silicium-Präkursor insbesondere in Poren der porösen Kohlenstoffpartikeln eingebracht werden.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der Silicium-Präkursor ein gasförmiger Silicium-Präkursor oder ein flüssiger Silicium-Präkursor.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Umwandeln des Silicium-Präkursors in, insbesondere metallisches beziehungsweise elementares beziehungsweise (im Wesentlichen) der Oxidationszahl null, Silicium in Verfahrensschritt b) mittels Reduktion und/oder Polymerisation des Silicium-Präkursors.
  • Beispielsweise kann die Synthese des, insbesondere metallischen beziehungsweise elementaren beziehungsweise (im Wesentlichen) der Oxidationszahl null, Siliciums, beispielsweise der Siliciumpartikel, in Verfahrensschritt b) über eine Polymerisation von SiRG4-Einheiten (RG: reaktive Gruppe) zu Silicium-Silicium-Bindungen und/oder Silicium-Sauerstoff-Silicium-Bindungen erfolgen. Zum Beispiel kann die Polymerisation auf einer Reaktion: nRG-Si-RG’ → RG-(Si)n-RG’ + RG-RG’, wobei RG und RG’ für unterschiedliche oder gegebenenfalls gleiche reaktive Gruppen stehen, beruhen.
  • Zum Beispiel kann der Silicium-Präkursor mindestens eine Siliciumverbindung umfassen oder daraus ausgebildet sein, welche auf der allgemeinen chemischen Formel: RG-SiR1R2-RG’ beruht, wobei RG und RG’ für miteinander kondensationsfähige, reaktive Gruppen stehen und wobei R1 und R2 für gleiche oder unterschiedliche organische Substituenten stehen oder wobei R1 und R2 für miteinander kondensationsfähige, reaktive Gruppen, beispielsweise R1 eine weitere reaktive Gruppe RG und R2 für eine weitere reaktive Gruppe RG’, steht. Beispielsweise kann dabei RG für Wasserstoff oder eine Hydroxygruppe stehen. RG’ kann dabei beispielsweise für ein Halogen, insbesondere Chlor, oder eine Hydroxygruppe stehen. R1, R2 können dabei beispielsweise jeweils unabhängig voneinander für einen organischen Substituenten, beispielsweise eine organische Seitenkette, insbesondere eine Alkylgruppe, zum Beispiel eine Methylgruppe oder eine Ethylgruppe oder eine Propylgruppe oder eine Butylgruppe, zum Beispiel eine tert-Butylgruppe, oder eine Arylgruppe, zum Beispiel eine Phenylgruppe, stehen, oder R1 kann dabei für eine weitere reaktive Gruppe RG, insbesondere für Wasserstoff oder eine Hydroxygruppe, und R2 für eine weitere reaktive Gruppe RG’, insbesondere für ein Halogen, insbesondere Chlor, oder eine Hydroxygruppe, stehen. Zum Beispiel kann der Silicium-Präkursor H2SiCl2, HSiCl3, SiCl4, (CH3)2SiHCl, (tert-Butyl)2SiHCl), (Phenyl)2SiHCl, (HO)2SiCl2, (HO)2Si(CH3)2, (HO)2Si(tert-Butyl)2 und/oder (HO)2Si(Phenyl)2 umfassen oder sein.
  • Im Rahmen einer Ausgestaltung umfasst oder ist der, insbesondere gasförmige, Silicium-Präkursor mindestens ein Chlorsilan. Beispielsweise kann der, insbesondere gasförmige Silicium-Präkursor mindestens ein Chlorsilian der allgemeinen chemischen Formel: HxSiCly umfassen oder sein, wobei 1 ≤ x ≤ 3, 1 ≤ y ≤ 3 und x + y = 4 ist.
  • Zum Beispiel kann die Umwandlung, insbesondere Polymerisation, des Silicium-Präkursors in Verfahrensschritt b) auf einer der folgenden Reaktionen basieren. H2SiCl2(g) → HxSi-(Si)n-SiCly + nHCl HSiCl3(g) → HxSi-(Si)n-SiCly + nHCl SiCl4(g) + H2SiCl2(g) → HxSi-(Si)n-SiCly + nHCl
  • Im Rahmen einer anderen Ausgestaltung umfasst oder ist der, insbesondere flüssige, Silicium-Präkursor mindestens ein Hydroxysilan. Beispielsweise kann der, insbesondere flüssige, Silicium-Präkursor mindestens ein Hydroxysilan der allgemeinen chemischen Formel: (HO)aSiRb umfassen oder sein, wobei 1 ≤ a ≤ 3 oder 4, 0 oder 1 ≤ b ≤ 3 und a + b = 4 und R für ein Halogen, beispielsweise Chlor, und/oder einen organischen Substituenten steht. Beispielsweise kann R für ein Halogen, beispielsweise Chlor, und/oder eine Alkylgruppe, zum Beispiel eine Methylgruppe oder eine Ethylgruppe oder eine Propylgruppe oder eine Butylgruppe, zum Beispiel eine tert-Butylgruppe, oder eine Arylgruppe, zum Beispiel eine Phenylgruppe, stehen. Zum Beispiel kann der, insbesondere flüssige, Silicium-Präkursor ein Hydroxysilan der allgemeinen chemischen Formel: (HO)2SiR2 sein, wobei R für ein Halogen, beispielsweise Chlor, oder einen organischen Substituenten, beispielsweise eine organische Seitenkette, zum Beispiel eine Methylgruppe oder eine Ethylgruppe oder eine Propylgruppe oder eine Butylgruppe, zum Beispiel eine tert-Butylgruppe, oder eine Arylgruppe, zum Beispiel eine Phenylgruppe, steht. Derartige Silicium-Präkursoren können beispielsweise zu einem Siloxan polymerisieren, welches dann zu, insbesondere metallischem beziehungsweise elementarem, Silicium reduziert werden kann.
  • Zum Beispiel kann die Umwandlung, insbesondere Polymerisation, des Silicium-Präkursors in Verfahrensschritt b) auf einer der folgenden Reaktionen basieren. (HO)2-SiCl2 → -(O-Si-O)n- + nHCl (HO)2-SiR2 → -(O-Si-O)n- + nH2O (R = organischer Substituent oder Halogen)
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren nach Verfahrensschritt b) weiterhin den Verfahrensschritt c): Beschichten der Silicium enthaltenden, porösen Kohlenstoffstruktur mit einer Kohlenstoffschicht. Insbesondere können dabei die Silicium enthaltenden, porösen Kohlenstoffpartikel jeweils mit einer Kohlenstoffschicht beschichtet werden. Die Kohlenstoffschicht kann zum Beispiel eine, insbesondere möglichst, dünne Kohlenstoffschicht sein. Beispielsweise kann die Kohlenstoffschicht eine durchschnittliche Schichtdicke von kleiner oder gleich 500 nm, zum Beispiel von kleiner oder gleich 100 nm, aufweisen. Zum Beispiel kann die Kohlenstoffschicht eine durchschnittliche Schichtdicke in einem Bereich von ≥ 20 nm beziehungsweise ≥ 50 nm bis ≤ 500 nm beziehungsweise ≤ 100 nm, beispielsweise von etwa 50 nm, aufweisen.
  • Durch die Kohlenstoffschicht kann vorteilhafterweise gewährleistet werden, dass das Silicium in der Kohlenstoffstruktur verbleibt. Darüber hinaus kann so vorteilhafterweise die elektrolytzugängliche Oberfläche minimiert und insbesondere ein direkter Kontakt zwischen Silicium-Kohlenstoff-Komposit, beispielsweise Silicium-Kohlenstoff-Partikel, insbesondere dem Silicium des Silicium-Kohlenstoff-Komposits, und Elektrolyt vermieden werden. So können wiederum vorteilhafterweise Nebenreaktionen zwischen Silicium und Elektrolyt, beispielsweise in Form von Elektrolytreduktion und/oder kontinuierlicher SEI-Bildung, vermieden werden. Lediglich auf der Kohlenstoffschicht kann sich dabei eine vorteilhafterweise stabile SEI-Schicht bilden.
  • So kann vorteilhafterweise ein als Elektrodenmaterial für eine Lithium-Zelle, beispielsweise Lithium-Ionen-Zelle, verwendbarer Silicium-Kohlenstoff-Komposit zur Verfügung gestellt werden, welcher – zusätzlich zu einer guten elektrischen Kontaktierung zwischen Silicium und Kohlenstoff und einer guten Volumenkompensation während des Zyklisierens – deutlich verringerte Nebenreaktionen und insgesamt ein weiter verbessertes Zyklisierungsverhalten aufweisen kann.
  • Im Rahmen einer Ausgestaltung dieser Ausführungsform wird die Silicium enthaltende, poröse Kohlenstoffstruktur in Verfahrensschritt c) mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) mit der Kohlenstoffschicht beschichtet. Insbesondere können in Verfahrensschritt c) die Silicium enthaltenden, porösen Kohlenstoffpartikel mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) jeweils mit einer Kohlenstoffschicht beschichtet werden. Beispielsweise kann die Silicium enthaltende, poröse Kohlenstoffstruktur in Verfahrensschritt c) mit der Kohlenstoffschicht, insbesondere vollständig, überzogen werden. Zum Beispiel können die Silicium enthaltenden, porösen Kohlenstoffpartikel in Verfahrensschritt c) jeweils, insbesondere vollständig, mit einer Kohlenstoffbeschichtung überzogen werden.
  • Das Verfahren kann insbesondere zur Herstellung einer Elektrode, beispielsweise eine Anode, für eine Lithium-Zelle, beispielsweise für eine Lithium-Ionen-Zelle, ausgelegt sein. Dabei kann das Verfahren nach dem Verfahrensschritt b) oder c) weiterhin den Verfahrensschritt d): Mischen der, gegebenenfalls kohlenstoffbeschichteten, Silicium enthaltenden, porösen Kohlenstoffstruktur, insbesondere Kohlenstoffpartikel, mit mindestens einem Binder, umfassen. Beispielsweise kann dabei der mindestens eine Binder Carboxymethylcellulose (CMC) umfassen beziehungsweise sein. Aus der Mischung kann dann eine Elektrode, insbesondere Anode, ausgebildet werden.
  • Das Verfahren kann insbesondere zur Herstellung einer Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie, beispielsweise Lithium-Ionen-Zelle und/oder Lithium-Ionen-Batterie, ausgelegt sein. Dabei kann die Elektrode, insbesondere Anode, zu einer Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie verbaut werden.
  • Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Silicium-Kohlenstoff-Komposit, dem erfindungsgemäßen Elektrodenmaterial, der erfindungsgemäßen Elektrode, der erfindungsgemäßen Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Silicium-Kohlenstoff-Komposit, insbesondere Silicium-Kohlenstoff-Kompositpartikel, beispielsweise für eine Lithium-Zelle, zum Beispiel für eine Lithium-Ionen-Zelle. Insbesondere kann der Silicium-Kohlenstoff-Komposit beziehungsweise können die Silicium-Kohlenstoff-Kompositpartikel als Elektrodenmaterial, beispielsweise Anodenmaterial, für eine Lithium-Zelle, zum Beispiel Lithium-Ionen-Zelle, beziehungsweise zur Herstellung einer Elektrode, beispielsweise einer Anode, für eine Lithium-Zelle, beispielsweise für eine Lithium-Ionen-Zelle, verwendet werden.
  • Insbesondere kann der Silicium-Kohlenstoff-Komposit beziehungsweise können die Silicium-Kohlenstoff-Kompositpartikel durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt sein. Die erfindungsgemäße Herstellung kann beispielsweise durch Rasterelektronenmikroskop (SEM; Englisch: Scanning Electron Microscope) und/oder Transmissionselektronenmikroskopie (TEM; Englisch: Transmission Electron Microscopy) nachgewiesen werden.
  • Der Silicium-Kohlenstoff-Komposit, insbesondere die Silicium-Kohlenstoff-Kompositpartikel, können insbesondere Silicium enthaltende Poren aufweisen. Insbesondere können dabei die Poren teilweise mit, insbesondere metallischem beziehungsweise elementarem beziehungsweise (im Wesentlichen) der Oxidationszahl null, Silicium, beispielsweise Siliciumpartikeln, gefüllt sein.
  • Im Rahmen einer speziellen Ausführungsform ist der Komposit mit einer Kohlenstoffschicht versehen. Beispielsweise kann der Komposit mit der Kohlenstoffschicht, insbesondere vollständig, überzogen sein. Insbesondere können die Partikel jeweils mit einer Kohlenstoffschicht versehen sein. Beispielsweise können die Partikel jeweils mit einer Kohlenstoffschicht, insbesondere vollständig, überzogen sein.
  • Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Silicium-Kohlenstoff-Komposits wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen Elektrodenmaterial, der erfindungsgemäßen Elektrode, der erfindungsgemäßen Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung ein Elektrodenmaterial, insbesondere ein Anodenmaterial, für eine Lithium-Zelle, insbesondere für eine Lithium-Ionen-Zelle, welches einen erfindungsgemäßen Silicium-Kohlenstoff-Komposit, insbesondere erfindungsgemäße Silicium-Kohlenstoff-Kompositpartikel, umfasst.
  • Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Elektrode, insbesondere Anode, für eine Lithium-Zelle, zum Beispiel für eine Lithium-Ionen-Zelle, welche durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt ist und/oder einen erfindungsgemäßen Silicium-Kohlenstoff-Komposit, insbesondere erfindungsgemäße Silicium-Kohlenstoff-Kompositpartikel, umfasst und/oder ein erfindungsgemäßes Elektrodenmaterial umfasst.
  • Ferner betrifft die Erfindung eine Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie, insbesondere ein Lithium-Ionen-Zelle und/oder Lithium-Ionen-Batterie, welche einen erfindungsgemäßen Silicium-Kohlenstoff-Komposit, insbesondere erfindungsgemäße Silicium-Kohlenstoff-Kompositpartikel, und/oder ein erfindungsgemäßes Elektrodenmaterial und/oder eine erfindungsgemäße Elektrode umfasst.
  • Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Elektrodenmaterials, der erfindungsgemäßen Elektrode und der erfindungsgemäßen Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen Silicium-Kohlenstoff-Komposit sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
  • Zeichnungen
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
  • 1 ein Schema zur Veranschaulichung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
  • 2 ein Schema zur Veranschaulichung einer speziellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 1 veranschaulicht die Synthese eines erfindungsgemäßen Silicium-Kohlenstoff-Komposits 21, 11. 1 zeigt, dass poröse Kohlenstoffpartikel 11, beispielsweise in Form eines Pulvers, als poröse Kohlenstoffstruktur bereitgestellt werden, in deren Poren 10 in einem Verfahrensschritt a) ein gasförmiger oder flüssiger Silicium-Präkursor 20 eingebracht wird. 1 illustriert, dass dabei die Poren 10 vollständig mit dem Silicium-Präkursor 20 gefüllt werden können.
  • Weiterhin zeigt 1, dass in einem Verfahrensschritt b) der, in die Poren 10 eingebrachte Silicium-Präkursor 20 in, insbesondere metallisches beziehungsweise elementares, Silicium 21 umgewandelt wird. Dabei kann das Umwandeln des Silicium-Präkursors 20 in Verfahrensschritt b) beispielsweise mittels Reduktion und/oder Polymerisation des Silicium-Präkursors 20 erfolgen.
  • 2 veranschaulicht, dass das Verfahren im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung nach dem Verfahrensschritt b) weiterhin den Verfahrensschritt c) umfasst, in dem die Silicium 21 enthaltenden, porösen Kohlenstoffpartikel 11, zum Beispiel mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD), mit einer Kohlenstoffschicht 30 beschichtet werden. 2 zeigt, dass dabei die Partikel 21, 11 jeweils vollständig mit einer Kohlenstoffschicht 30 überzogen werden können.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Kohlenstoff-Komposits (21, 11), insbesondere für eine Lithium-Zelle, umfassend die Verfahrensschritte: a) Einbringen eines Silicium-Präkursors (20) in Poren (10) einer porösen Kohlenstoffstruktur (11), und b) Umwandeln des, in die Poren (10) eingebrachten Silicium-Präkursors (20) in Silicium (21).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Silicium-Präkursor (20) ein gasförmiger Silicium-Präkursor oder ein flüssiger Silicium-Präkursor ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Umwandeln des Silicium-Präkursors (20) in Silicium (21) in Verfahrensschritt b) mittels Reduktion und/oder Polymerisation des Silicium-Präkursors (20) erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Silicium-Präkursor (20) mindestens eine Siliciumverbindung der allgemeinen chemischen Formel: RG-SiR1R2-RG’ umfasst, wobei RG und RG’ für miteinander kondensationsfähige, reaktive Gruppen, insbesondere RG für Wasserstoff oder eine Hydroxygruppe und RG’ für ein Halogen oder eine Hydroxygruppe, stehen und wobei R1 und R2 für gleiche oder unterschiedliche organische Substituenten, insbesondere eine Alkylgruppe oder eine Arylgruppe, stehen oder wobei R1 und R2 für miteinander kondensationsfähige, reaktive Gruppen, insbesondere R1 für eine weitere reaktive Gruppe RG und R2 für eine weitere reaktive Gruppe RG’, stehen.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der gasförmige Silicium-Präkursor (10) mindestens ein Chlorsilan, insbesondere der allgemeinen chemischen Formel: HxSiCly mit 1 ≤ x ≤ 3, 1 ≤ y ≤ 3 und x + y = 4, umfasst, oder wobei der flüssige Silicium-Präkursor (10) mindestens ein Hydroxysilan, insbesondere der allgemeinen chemischen Formel: (HO)aSiRb, wobei 1 ≤ a ≤ 3, 1 ≤ b ≤ 3 und a + b = 4 und R für ein Halogen oder einen organischen Substituenten steht, umfasst.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in Verfahrensschritt a) poröse Kohlenstoffpartikel (11), insbesondere in Form eines Pulvers, als poröse Kohlenstoffstruktur eingesetzt werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren nach Verfahrensschritt b) weiterhin den Verfahrensschritt c): Beschichten der Silicium (21) enthaltenden, porösen Kohlenstoffstruktur (11), insbesondere Kohlenstoffpartikel, mit einer Kohlenstoffschicht (30), umfasst.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Silicium (21) enthaltende, poröse Kohlenstoffstruktur (11) in Verfahrensschritt d) mittels chemischer Gasphasenabscheidung mit einer Kohlenstoffschicht (30) beschichtet wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Lithium-Zelle ausgelegt ist, wobei das Verfahren weiterhin nach dem Verfahrensschritt b) oder c) den Verfahrensschritt d): Mischen der Silicium (21) enthaltenden, porösen Kohlenstoffstruktur (11) mit mindestens einem Binder, umfasst.
  10. Silicium-Kohlenstoff-Komposit (21, 11), insbesondere Silicium-Kohlenstoff-Kompositpartikel, hergestellt durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
  11. Silicium-Kohlenstoff-Komposit (21, 11), insbesondere Silicium-Kohlenstoff-Kompositpartikel, aufweisend Silicium (21) enthaltende Poren.
  12. Silicium-Kohlenstoff-Komposit (21, 11) nach Anspruch 11, wobei der Komposit (21, 11) mit einer Kohlenstoffschicht (30) versehen ist, insbesondere wobei die Partikel (21, 11) jeweils mit einer Kohlenstoffschicht (30) versehen sind.
  13. Elektrodenmaterial, insbesondere Anodenmaterial, für eine Lithium-Zelle, umfassend einen Silicium-Kohlenstoff-Komposit (21, 11), insbesondere Silicium-Kohlenstoff-Kompositpartikel, nach einem der Ansprüche 10 bis 12.
  14. Elektrode, insbesondere Anode, für eine Lithium-Zelle, hergestellt durch ein Verfahren nach Anspruch 9 und/oder umfassend einen Silicium-Kohlenstoff-Komposit (21, 11), insbesondere Silicium-Kohlenstoff-Kompositpartikel, nach einem der Ansprüche 10 bis 12 und/oder umfassend ein Elektrodenmaterial nach Anspruch 13.
  15. Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie, umfassend einen Silicium-Kohlenstoff-Komposit (21, 11), insbesondere Silicium-Kohlenstoff-Kompositpartikel, nach einem der Ansprüche 10 bis 12 und/oder ein Elektrodenmaterial nach Anspruch 13 und/oder eine Elektrode nach Anspruch 14.
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