DE102015101448A1

DE102015101448A1 - Negatives Elektrodenmaterial für eine Lithiumionenbatterie

Info

Publication number: DE102015101448A1
Application number: DE102015101448.3A
Authority: DE
Inventors: Xiaosong Huang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-02-05
Filing date: 2015-02-02
Publication date: 2015-08-06
Also published as: US20150221936A1; CN104934575A

Abstract

Ein negatives Elektrodenmaterial umfasst aktive Materialpartikel. Die aktiven Materialpartikel umfassen einen Siliciumkern und eine Oxidationsschicht an einer Oberfläche des Siliciumkerns. Das negative Elekrodenmaterial umfasst außerdem ein Polyimid-Bindemittel, das direkt an die Oxidationsschicht der aktiven Materialpartikel gebunden ist. Ein zusätzliches die Bindung verstärkendes Mittel ist von dem negativen Elektrodenmaterial ausgeschlossen.

Description

HINTERGRUND
Sekundäre oder wiederaufladbare Lithiumionenbatterien werden oft in vielen stationären und tragbaren Vorrichtungen verwendet, zum Beispiel in denen, denen man in der Verbraucherelektronik-, Automobil- und Luftfahrt-Industrie begegnet. Die Lithiumklasse der Batterien hat aus verschiedenen Gründen Popularität erlangt; diese umfassen eine relativ hohe Energiedichte, ein allgemeines Nicht-Auftreten eines Memory-Effektes, wenn man Vergleiche mit anderen Arten wiederaufladbarer Batterien anstellt, einen relativ geringen inneren Widerstand und eine niedrige Selbstentladungsrate, wenn sie nicht in Verwendung sind. Die Fähigkeit von Lithiumbatterien, wiederholte Energiezyklisierung über ihre Nutzungsdauer durchzumachen, macht sie zu einer attraktiven und zuverlässigen Energiequelle.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Beispiel eines negativen Elektrodenmaterials umfasst aktive Materialpartikel. Aktive Materialpartikel umfassen einen Siliciumkern und eine Oxidationsschicht an einer Oberfläche des Siliciumkerns. Das negative Elektrodenmaterial umfasst außerdem ein Polyimid-Bindemittel, das direkt an die Oxidationsschicht des aktiven Materialpartikels gebunden ist. Ein zusätzliches die Bindung verstärkendes Mittel ist von dem negativen Elektrodenmaterial ausgeschlossen.
Die negative Elektrode kann in einer negativen Elektrode für eine Lithiumionenbatterie enthalten sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Merkmale und Vorzüge von Beispielen der vorliegenden Offenbarung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und der Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen ähnlichen, wenn vielleicht auch nicht identischen, Komponenten entsprechen, klar werden. Aus Gründen der Kürze können Bezugszeichen oder Merkmale, die eine vorher beschriebene Funktion haben, in Verbindung mit anderen Zeichnungen, in denen sie auftreten, beschrieben werden oder auch nicht.
1 ist eine Schnittdarstellung eines Beispiels einer negativen Elektrode an einem Stromkollektor.
2 ist eine perspektivische schematische Darstellung eines Beispiels einer Lithiumionenbatterie, die ein Beispiel der hierin offenbarten negativen Elektrode umfasst, und
3 ist ein Diagramm, das die spezifische Kapazität versus Zykluszahl für ein Beispiel der hierin offenbarten negativen Elektrode zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die hohe theoretische Kapazität (zum Beispiel 4200 mAh/g) von Silicium macht es zur Verwendung als negatives Elektrodenmaterial in Lithiumionenbatterien wünschenswert. Allerdings wurde gefunden, dass negative Elektrodenmaterialien (zum Beispiel Siliciumpartikel) mit hohen spezifischen Kapazitäten auch eine große Volumenexpansion und -kontraktion während Ladung/Entladung der Lithiumionenbatterie haben. Die große Volumenänderung (zum Beispiel etwa 300%), die das negative Elektrodenmaterial während Ladung/Entladung erfährt, bewirkt, dass das negative Elektrodenmaterial bricht, dekrepitiert oder sich in anderer Weise mechanisch verschlechtert, was in einem Verlust an elektrischem Kontakt und schlechter Lebenszyklisierung resultiert. Eine schlechte Zyklisierungsleistung umfasst oft ein starkes Nachlassen der Kapazität, was aus dem Zusammenbruch des Kontaktes zwischen dem negativen Elektrodenmaterial und leitfähigen Füllstoffen in der negativen Elektrode infolge der großen Volumenänderung resultieren kann.
Das negative Elektrodenmaterial umfasst aktive Materialpartikel, die aus einem Siliciumkern und einer Oxidationsschicht an der Oberfläche des Siliciumkerns bestehen. Das negative Elektrodenmaterial umfasst außerdem ein Polyimid-Bindemittel, welches eine Grenzflächenbindung mit der Oxidationsschicht bildet. Diese Grenzflächenbindung stellt sicher, dass das Bindemittel an den aktiven Materialpartikeln haften bleibt, und stellt auch sicher, dass die aktiven Materialpartikel in Kontakt mit dem leitenden Füllstoff (den leitenden Füllstoffen) und dem Stromkollektor (den Stromkollektoren) bleiben. Als solche trägt die Grenzflächenbindung auch zu besserer Zyklisierungsleistung und Elektrodenintegrität bei.
Was nun 1 angeht, so ist ein Beispiel einer negativen Elektrode 10 an einem negativseitigen Stromkollektor 20 gezeigt. Es ist zu verstehen, dass die negative Elektrode 10 aus dem negativen Elektrodenmaterial hergestellt ist, welches in diesem Beispiel die aktiven Materialpartikel 13, das Polyimid-Bindemittel 16 und einen leitfähigen Füllstoff 18 umfasst. Ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung des negativen Elektrodenmaterials und der negativen Elektrode 10 wird auch anhand von 1 diskutiert werden.
Wie oben erwähnt wurde und wie es in 1 gezeigt ist, umfassen die aktiven Materialpartikel 13 das Siliciumpartikel 12 als ihren Kern (und hierin auch als der Siliciumkern 12 bezeichnet) und die Oxidationsschicht 14 als Schale, die die Oberfläche des Siliciumpartikels 12 beschichtet. In einem Beispiel sind die Siliciumpartikel 12 ein Siliciumpulver (zum Beispiel Silicium-Mikro- oder -Nanopulver). Es ist allerdings einzusehen, dass der Siliciumkern 12 in der Form einer Siliciumnanoröhre, einer Siliciumnanofaser und so weiter sein kann. In einem Beispiel kann die Korn-/Partikelgröße des Siliciumpartikels/Kerns 12 im Bereich von etwa 1 n bis etwa 20 μm liegen.
Um die Oxidationsschicht 14 an dem Siliciumpartikel 12 zu bilden, kann die Oberfläche des Siliciumpartikels 12 oxidiert werden. Eine Oxidation der Siliciumpartikel-Oberfläche kann durch Aussetzen des Siliciumpartikels 12 gegenüber einer Umgebung, die Sauerstoff enthält, für wenigstens 1 Stunde erreicht werden. In einem Beispiel kann die Oxidation der Siliciumpartikel-Oberfläche durch Exponieren des Siliciumpartikels 12 gegenüber Luft für einen Zeitraum, der von etwa 5 Stunden bis etwa 30 Tage reicht, erreicht werden. Eine Oxidation wandelt das Silicium, das wenigstens an der Oberfläche des Siliciumpartikels 12 vorliegt, in oxidiertes Silicium, SiO_xH_y, worin jedes von x und y von 0 bis 4 reichen kann, um. Eine Oxidation bildet die Oxidationsschicht 14 als Beschichtung auf dem Siliciumpartikel 12. In einem Beispiel reagiert das Silicium während einer Oxidation mit Wasser in der Luft unter Bildung von Si-OH.
Es ist einzusehen, dass die Dicke (gemessen von der Oberfläche des Siliciumpartikels 12 in Richtung der Mitte des Siliciumpartikels 12) der Oxidationsschicht 14, die gebildet wird, wenigstens zum Teil, von der Zeit, für die das Siliciumpartikel 12 der Luft ausgesetzt wird, der Temperatur der Luft und der Feuchtigkeit in der Luft abhängen wird. Die Dicke kann gleichmäßig sein oder sie kann variieren. Im Allgemeinen wird die Dicke zunehmen, wenn die Expositionszeit und/oder die Temperatur und/oder die Feuchtigkeit ansteigen. Die Temperatur kann im Bereich von Raumtemperatur (zum Beispiel von etwa 18°C bis etwa 22°C) bis etwa 100°C liegen. Die Feuchtigkeit kann im Bereich von etwa 20% relativer Feuchtigkeit (R. F.) bis etwa 100% R. F. liegen. Um als ein Beispiel 1 nm Dickezunahme zu erzielen, kann die Expositionszeit in einem Bereich von 1 Tag bis 30 Tage liegen. In den hierin offenbarten Beispielen ist die Dicke der Oxidationsschicht 14 20 nm oder weniger. Als spezifische Beispiele kann die Dicke der Oxidationsschicht im Bereich von etwa 0,1 nm bis etwa 10 nm oder von etwa 0,1 nm bis etwa 5 nm liegen.
Die Dicke der Oxidationsschicht 14 kann auch von dem Typ des Siliciumpartikels 12, das verwendet wird, abhängen. Beispielsweise wird die Rate, mit der die Oxidationsschicht gebildet wird, für kristallines Silicium und amorphes Silicium unterschiedlich sein, obgleich diese Raten wahrscheinlich in derselben Größenordnung liegen. Darüber hinaus kann ein kleineres Partikel eine höhere Rate als ein größeres Partikel haben.
Das hierin offenbarte Polyimid-Bindemittel 16 kann aus der Imidierung eines Polyimid-Prepolymers, nämlich Poly(carbamoylcarbonsäure) gebildet werden. Das Polyimid-Prepolymer kann in einer Lösung gebildet werden, welche ein Dianhydrid und ein Diamin in einem polaren aprotischen Lösungsmittel enthält. Das Dianhydrid ist in einem leichten stöchiometrischen Überschuss gegenüber dem Diamin. In einem Beispiel liegt der stöchiometrische Überschuss des Dianhydrids (relativ zu dem Diamin) im Bereich von etwa 0,01% bis etwa 5%. Wie es weiter unten diskutiert werden wird, stellt der Überschuss an Dianhydrid zusätzliche Anhydridgruppen bereit, die mit einer Hydroxylgruppe (mit Hydroxylgruppen) an der Oxidationsschicht 14 reagieren können.
Einige Beispiele des Dianhydrids haben eine Elektronen anziehende Gruppe, zum Beispiel C=O oder SO₂. Beispiele für diese umfassen die folgenden:
Andere Beispiele des Dianhydrids umfassen keine Elektronen anziehende Gruppe. Beispiele für diese umfassen die folgenden:
In den hierin offenbarten Beispielen enthält das Diamin nicht mehr als zwei Ethergruppen. Beispiele geeigneter Diamine umfassen Toluendiamin, p-Phenylendiamin, 4,4'-Diaminophenylether und Diaminodiphenylmethan.
Beispiele geeigneter polarer aprotischer Lösungsmittel umfassen Dimethylacetamid (DMAc), N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), Dimethylformamid (DMF), Dimethylsulfoxid (DMSO) oder eine andere Lewis-Base oder Kombinationen davon.
Das Diamin und der stöchiometrische Überschuss an Dianhydrid werden zu dem polaren aprotischen Lösungsmittel gegeben, um eine Polyimid-Prepolymer-Lösung zu bilden. Die Polyimid-Prepolymer-Lösung kann bei einer Temperatur im Bereich von etwa 0°C bis etwa Umgebungs-/Raumtemperatur gehalten werden (zum Beispiel von etwa 18°C bis etwa 22°C). In der Polyimid-Prepolymer-Lösung bildet sich das Intermediat oder Prepolymer, Poly(carbamoylcarbonsäure), infolge des nukleophilen Angriffs der Aminogruppe(n) des Diamins auf den Carbonylkohlenstoff einiger der Anhydridgruppen des Dianhydrids. Die Lösungsmittelmenge, die in der Lösung eingesetzt wird, kann in Abhängigkeit von den Mengen an Diamin und Dianhydrid, die verwendet werden, variieren. In einem Beispiel umfasst die Endlösung etwa 5 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% der Poly(carbamoylcarbonsäure) und als Rest Lösungsmittel.
Eine Aufschlämmung wird gebildet, indem die aktiven Materialpartikel 13 zu der Polyimid-Prepolymer-Lösung gegeben werden.
Der leitfähige Füllstoff 18 kann auch zu der Aufschlämmung gegeben werden. Der leitfähige Füllstoff 18 kann ein Kohlenstoff mit hoher spezifischer Oberfläche sein, zum Beispiel Acetylenschwarz. Andere Beispiele für geeignete leitfähige Füllstoffe umfassen Graphen, Kohlenstoffnanoröhren und/oder Kohlenstoffnanofasern. Der leitfähige Füllstoff 18 kann enthalten sein, um eine Elektronenleitung zwischen einem negativseitigen Stromkollektor (das heißt Träger 20) und den aktiven Materialpartikeln 13 sicherzustellen.
In einem Beispiel umfasst die Aufschlämmung dann das polare aprotische Lösungsmittel, Wasser, das Polyimid-Prepolymer, die aktiven Materialpartikel 13 und den leitfähigen Füllstoff 18. In einem Beispiel der Aufschlämmung liegt die Menge der aktiven Materialpartikel 13 im Bereich von etwa 30 Gew.-% bis etwa 95 Gew.-% (bezogen auf die gesamten Gewichtsprozent an festem Material), liegt die Menge des leitfähigen Füllstoffs 18 im Bereich von etwa 5 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% (bezogen auf die gesamten Gewichtsprozent an festem Material) und liegt die Menge des Polyimid-Prepolymers im Bereich von etwa 5 Gew.-% bis etwa 60 Gew.-% (bezogen auf die gesamten Gewichtsprozent an festem Material). In einem anderen Beispiel der Aufschlämmung liegt die Menge der aktiven Materialpartikel 13 in einem Bereich von etwa 30 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-%, liegt die Menge des leitfähigen Füllstoffs 18 im Bereich von etwa 10 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% und liegt die Menge des Polyimid-Prepolymers im Bereich von etwa 5 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-%.
Die Aufschlämmung kann gemischt werden und danach auf einem Träger 20 abgeschieden werden. In einem Beispiel ist der Träger 20 ein negativseitiger Stromkollektor. Es ist zu verstehen, dass der Träger 20 aus Kupfer oder jedem anderen geeigneten elektrisch leitfähigen Material, das dem Fachmann bekannt ist, gebildet sein kann. Der Träger 20, der ausgewählt wird, sollte in der Lage sein, freie Elektronen aus einem daran angeschlossenen äußeren Stromkreis zu sammeln und diese zu einem angeschlossenen äußeren Stromkreis zu bewegen.
Die Aufschlämmung kann unter Verwendung einer beliebigen geeigneten Technik abgeschieden werden. Als Beispiele kann die Aufschlämmung auf die Oberfläche des Trägers 20 gegossen werden oder kann auf der Oberfläche des Trägers 20 verteilt werden oder kann auf die Oberfläche des Trägers 20 unter Verwendung eines Schlitzdüsenbeschichters aufgetragen werden.
Die abgeschiedene Aufschlämmung kann einem Trocknungsprozess unterworfen werden, um verbleibendes Lösungsmittel und/oder Wasser zu entfernen. Die Trocknung kann unter Verwendung jeder beliebigen Technik durchgeführt werden.
Die Trocknung kann bei einer erhöhten Temperatur im Bereich von etwa 60°C bis etwa 150°C durchgeführt werden. In einigen Beispielen kann auch Vakuum verwendet werden, um den Trocknungsprozess zu beschleunigen. Als ein Beispiel für das Trocknungsverfahren kann die abgeschiedene Aufschlämmung einem Vakuum bei etwa 120°C für etwa 12 bis 24 Stunden ausgesetzt werden.
Das Trocknungsverfahren resultiert in einer Beschichtung, die an der Oberfläche der Träger 20 gebildet ist. In einem Beispiel liegt die Dicke der getrockneten Aufschlämmung (das heißt Beschichtung) im Bereich von etwa 5 μm bis etwa 500 μm.
Die getrocknete Aufschlämmung (d. h. Beschichtung) auf dem Träger 20 wird dann einer Wärmebehandlung unterzogen, um folgendes zu initiieren, zu vervollständigen und/oder zu verbessern: i) den Grad der Imidisierung des Polyimid-Prepolymers und ii) die Reaktion zwischen der Oxidationsschicht 14 und dem Polyimid-Prepolymer. Somit finden während der Wärmebehandlung mehrere Reaktionen statt. Erstens, das Prepolymer wird unter Bildung von Polyimid (d. h. Polyimid-Bindemittel 16) polymerisiert. Zweitens, wenigstens einige der Anhydridgruppen des Prepolymers reagieren mit wenigstens einigen der Hydroxylgruppen der Oxidationsschicht 14 unter Bildung von Grenzflächenbindungen dazwischen. Dies führt bei wenigstens etwas des Polyimid-Bindemittels 16 dazu, dass es an wenigstens etwas der Oberfläche der aktiven Partikel 13 gebunden wird. Da eine Bindung direkt zwischen dem aktiven Materialpartikel (den aktiven Materialpartikeln) 13 und dem Polyimid-Bindemittel (den Polyimid-Bindemitteln) 16 gebildet wird, wird kein zusätzliches die Bindung verstärkendes Mittel (z. B. polyvalente Carbonsäure oder ihre Derivate oder polyvalentes Amin) zu der negativen Elektrode 10 gegeben.
Die Wärmebehandlung der abgeschiedenen und getrockneten Aufschlämmung kann bei einer Temperatur im Bereich von etwa 180°C bis etwa 400°C durchgeführt werden. In jedem der hierin offenbarten Beispiele kann die Wärmebehandlung unter dem Schutz von Vakuum oder einem Inertgas (z. B. Stickstoff, Argon, usw.) durchgeführt werden. Als Beispiel kann die Wärmebehandlung in einem Ofen oder unter Verwendung einer Mikrowellen- und thermischen Behandlung durchgeführt werden. Die Zeit für eine Wärmebehandlung kann von der Chemie des Polyimid-Prepolymers abhängen und reicht im Allgemeinen von etwa 1 Stunde bis zu etwa 20 Stunden.
In einem Beispiel wird die Wärmebehandlung bei einer konstanten Temperatur für einen gewissen bestimmten Zeitraum durchgeführt. Für ein Beispiel kann eine Wärmebehandlung in einem Ofen unter Stickstoffgas bei etwa 250°C für etwa 2 Stunden durchgeführt werden. Für ein anderes Beispiel kann eine Mikrowellen- und thermische Behandlung bei etwa 250°C für etwa 30 Minuten durchgeführt werden.
In einem anderen Beispiel wird eine Wärmebehandlung unter Verwendung eines Temperaturanstiegs durchgeführt, wobei die Temperatur bei vorbestimmten oder vorher festgesetzten Intervallen mit der Zeit erhöht wird. Als Beispiel kann die abgeschiedene und getrocknete Aufschlämmung zunächst bei 180°C für etwa 2 Stunden erwärmt werden, und dann kann die Temperatur auf etwa 250°C erhöht werden. Die abgeschiedene und getrocknete Aufschlämmung kann für etwa 2 Stunden bei 250°C erwärmt werden, und dann kann die Temperatur auf etwa 300°C erhöht werden. Die abgeschiedene und getrocknete Aufschlämmung kann für etwa 2 Stunden bei 300°C erwärmt werden, und dann kann die Temperatur auf etwa 350°C erhöht werden, bei dieser Temperatur kann dann die abgeschiedene und getrocknete Aufschlämmung für wenigstens weitere 2 Stunden erwärmt werden.
Eine Wärmebehandlung bildet die negative Elektrode 10, welche den leitfähigen Füllstoff 18, die aktiven Materialpartikel 13 und das Polyimid-Bindemittel 16 (von dem wenigstens etwas an wenigstens einige der aktiven Materialpartikel 13 gebunden ist) umfasst. Die Beladung mit den entsprechenden Komponenten der negativen Elektrode kann umfassen: etwa 30 Gew.-% bis etwa 95 Gew.-% (bezogen auf die gesamten Gewichtsprozent der negativen Elektrode 10) der aktiven Materialpartikel 13, etwa 5 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% des leitfähigen Füllstoffs 18 und etwa 5 Gew.-% bis etwa 60 Gew.-% des Polyimid-Bindemittels 16.
In einigen Beispielen kann die negative Elektrode 10 mit einer Lithiumelektrode gepaart werden. In einem Beispiel kann die negative Elektrode 10, die die Silicium-enthaltenden aktiven Materialpartikel 13 umfasst, mit Lithiummetall gepaart werden, um eine Halbzelle zu bilden.
Die aktiven Materialpartikel 13 der negativen Elektrode 10 können in genügender Weise Lithium-Insertion und -Deinsertion durchmachen. So kann die negative Elektrode 10, die auf dem Träger 20 (negativseitiger Stromabnehmer) gebildet ist, in einer Lithiumionenbatterie 30 verwendet werden. Ein Beispiel der Lithiumionenbatterie 30 ist in 2 gezeigt.
Wie in 2 gezeigt ist, umfasst die Lithiumionenbatterie 30 die negative Elektrode 10, den negativseitigen Stromabnehmer 20, eine positive Elektrode 22, einen positivseitigen Stromabnehmer 26 und einen porösen Separator 24, der zwischen der negativen Elektrode 10 und der positiven Elektrode 22 angeordnet ist.
Die positive Elektrode 22 kann aus einem beliebigen Lithium-basierten aktiven Material geformt sein, das in genügender Weise Lithium-Insertion und -Deinsertion durchmachen kann, während es als der positive Pol (das positive Terminal) der Lithiumionenbatterie fungiert. Eine gängige Klasse bekannter Lithium-basierter aktiver Materialien, die für die positive Elektrode 22 geeignet sind, umfassen Lithiumübergangsmetall-Schichtoxide. Einige spezifische Beispiele der Lithium-basierten aktiven Materialien umfassen Lithiummanganoxid-Spinell (LiMn₂O₄), Lithiumkobaltoxid (LiCoO₂), einen Nickelmanganoxid-Spinell [Li(Ni_0.5Mn_1.5)O₂], ein Nickelmangankobalt-Schichtoxid [Li(Ni_xMn_yCo_z)O₂] oder ein Lithiumeisenpolyanionoxid, zum Beispiel Lithiumeisenphosphat (LiFePO₄) oder Lithiumeisenfluorphosphat (Li₂FePO₄F). Es können auch andere Lithium-basierte aktive Materialien verwendet werden, zum Beispiel Lithiumnickelkobaltoxid (LiNi_xCo_1-xO₂), Aluminium-stabilisierter Lithiummanganoxid-Spinell (Li_xMn_2-xAl_yO₄) und Lithiumvanadiumoxid (LiV₂O₅).
Das Lithium-basierte aktive Material der positiven Elektrode 22 kann mit einem polymeren Bindemittel und einem Kohlenstoff mit hoher spezifischer Oberfläche vermengt werden. Geeignete Bindemittel umfassen Polyvinylidenfluorid (PVdF), einen Ethylen-Propylen-Dien-Monomer(EPDM)-Kautschuk und/oder Carboxymethylcellulose (CMC). Das polymere Bindemittel hält die Lithium-basierten aktiven Materialien und den Kohlenstoff mit hoher spezifischer Oberfläche strukturell zusammen. Ein Beispiel für den Kohlenstoff mit hoher spezifischer Oberfläche ist Acetylenschwarz. Der Kohlenstoff mit hoher spezifischer Oberfläche stellt eine Elektronenleitung zwischen dem positivseitigen Stromkollektor 26 und den aktiven Materialpartikeln der positiven Elektrode 22 sicher.
Der positivseitige Stromkollektor 26 kann aus Aluminium oder jedem anderen geeigneten elektrisch leitfähigen Material, das dem Fachmann bekannt ist, gebildet sein.
Der poröse Separator 20, der sowohl als elektrischer Isolator als auch als mechanischer Träger wirkt, ist zwischen der negativen Elektrode 10 und der positiven Elektrode 22 angeordnet, um einen physikalischen Kontakt zwischen den zwei Elektroden 10, 22 und das Auftreten eines Kurzschlusses zu verhindern. Außer dass der poröse Separator 24 eine physikalische Barriere zwischen den zwei Elektroden 10, 22 bereitstellt, stellt er die Passage von Lithiumionen (in 2 identifiziert durch die schwarzen Punkte und die nicht ausgefüllten Kreise, die eine (+)-Ladung haben, in 2) und in Beziehung stehender Anionen (in 1 durch die nicht ausgefüllten Kreise, die eine (–)-Ladung haben, identifiziert) durch eine Elektrolytlösung, die seine Poren füllt, sicher. Dies hilft, sicherzustellen, dass die Lithiumionenbatterie 30 in geeigneter Weise funktioniert.
Der poröse Separator 24 kann eine Polyolefinmembran sein. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (abgeleitet von einem einzelnen Monomerbestandteil) oder ein Heteropolymer (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil) sein und kann entweder linear oder verzweigt sein. Wenn ein Heteropolymer, das von zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, verwendet wird, kann das Polyolefin jede Copolymerketten-Anordnung, einschließlich der eines Blockcopolymers oder eines Randomcopolymers, annehmen. Dasselbe gilt, wenn das Polyolefin ein Heteropolymer ist, das von mehr als zwei Bestandteilen abgeleitet ist. Die Polyolefinmembran kann zum Beispiel aus Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), einer Mischung aus PE und PP oder aus mehrschichtigen strukturierten porösen Filmen von PE und/oder PP gebildet sein.
In anderen Beispielen kann das poröse Separator 24 aus einem anderen Polymer gebildet sein, das ausgewählt ist aus Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyamiden (Nylon), Polyurethanen, Polycarbonaten, Polyestern, Polyetheretherketonen (PEEK), Polyethersulfonen (PES), Polyimiden (PI), Polyamidimiden, Polyethern, Polyoxymethylen (z. B. Acetal), Polybutylenterephthalat, Polyethylennaphthenat, Polybuten, Acrylonitril-Butadien-Styrol-Copolymeren (ABS), Polystyrol-Copolymeren, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyvinylchlorid (PVC), Polysiloxan-Polymeren (zum Beispiel Polydimethylsiloxan (PDMS)), Polybenzimidazol (PBI), Polybenzoxazol (PBO), Polyphenylenen (z. B. PARMAX^TM (Mississippi Polymer Technologies, Inc. Bay Saint Louis, Mississippi)), Polyarylenetherketonen, Polyperfluorcyclobutanen, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid-Copolymeren und -Terpolymeren, Polyvinylidenchlorid, Polyvinylfluorid, flüssigkristallinen Polymeren (z. B. VECTRAN^TM (Hoechst AG, Deutschland), ZENITE^® (DuPont, Wilmington, DE)), Poly-(p-hydroxybenzoesäure), Polyaramiden, Polyphenylenoxid und/oder Kombinationen davon. In noch einem anderen Beispiel kann der poröse Separator 24 aus einer Kombination des Polyolefins (zum Beispiel PE und/oder PP) und einem oder mehreren oder oben aufgelisteten Polymeren ausgewählt sein.
Der poröse Separator 24 kann eine einzelne Schicht oder ein mehrschichtiges Laminat, das durch ein trockenes oder nasses Verfahren hergestellt wird, enthalten. Beispielsweise kann eine einzelne Schicht des Polyolefins und/oder eines anderen aufgelisteten Polymers die Gesamtheit des porösen Separators 24 bilden. Als weiteres Beispiel können jedoch mehrere getrennte Schichten ähnlicher oder unterschiedlicher Polyolefine und/oder Polymere zu dem porösen Separator 24 zusammengefügt sein. In einem Beispiel kann eine getrennte Schicht eines oder mehrerer der Polymeren auf eine getrennte Schicht des Polyolefins aufgetragen sein, um den porösen Separator 24 zu bilden. Außerdem kann die Polyolefin(und/oder andere Polymer)-Schicht und beliebige andere optionale Polymerschichten in dem porösen Separator 24 als faserige Schicht enthalten sein, um die Bereitstellung des porösen Separators 24 mit geeigneten Struktur- und Porositäts-Charakteristika zu unterstützen. Eine vollständigere Diskussion über Einzelschicht- und Mehrschichten-Lithiumionenbatterie-Separatoren und die trockenen und nassen Verfahren, die eingesetzt werden können, um sie herzustellen, kann in P. Arora und Z. Zhang, "Battery Separators" Chem. Rev., 104, 4424–4427 (2004), gefunden werden.
Noch andere geeignete porösen Separatoren 24 umfassen solche, die eine Keramikschicht daran befestigt haben, und solche, die keramischen Füllstoff in der Polymermatrix haben (d. h. eine organisch-anorganische Verbundmatrix).
In der Lithiumionenbatterie 30 kann jede geeignete Elektrolytlösung, die Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 10 und der positiven Elektrode 22 leiten kann, verwendet werden. In einem Beispiel kann die Elektrolytlösung eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung sein, die ein Lithiumsalz, gelöst in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch organischer Lösungsmittel, umfasst. Einem Fachmann werden viele nicht-wässrige flüssige Elektrolytlösungen geläufig sein, die in der Lithiumionenbatterie 30 verwendet werden können, ebenso wie sie herzustellen oder kommerziell zu erwerben sind. Beispiele für Lithiumsalze, die in einem organischen Lösungsmittel unter Bildung der nicht-wässrigen flüssigen Elektrolytlösung gelöst werden können, umfassen LiClO₄, LiAlCl₄, LiI, LiBr, LiSCN, LiBF₄, LiB(C₆H₅)₄, LiAsF₆, LiCF₃SO₃, LiN(FSO₂)₂, LiN(CF₃SO₂)₂, LiAsF₆, LiPF₆ und Gemische davon. Diese und andere ähnliche Lithiumsalze können in einer Vielzahl organischer Lösungsmittel, zum Beispiel cyclischen Carbonaten (Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Butylencarbonat), linearen Carbonaten (Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat), aliphatischen Carbonsäureestern (Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-Lactonen (γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Kettenstrukturethern (1,2-Dimethoxyethan, 1,2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan, Tetraglyme), cyclischen Ethern (Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, 1,3-Dioxolan) und Gemischen davon gelöst werden.
Wie in 2 gezeigt ist, umfasst die Lithiumionenbatterie 30 auch einen unterbrechbaren äußeren Stromkreis 32, der die negative Elektrode 10 und die positive Elektrode 22 verbindet. Die Lithiumionenbatterie 30 kann auch eine Lastvorrichtung 28 mit Energie versorgen, welche funktionsfähig an den äußeren Stromkreis 32 angeschlossen sein kann. Die Lastvorrichtung 28 kann vollständig oder teilweise durch den elektrischen Strom, der durch den äußeren Stromkreis 32 fließt, wenn die Lithiumionenbatterie 30 entladen wird, mit Energie versorgt werden. Während die Lastvorrichtung 28 eine beliebige Zahl bekannter elektrisch betriebener Vorrichtungen sein kann, umfassen wenige spezifische Beispiele einer Energie verbrauchenden Lastvorrichtung 28 einen Elektromotor für ein Hybridfahrzeug oder ein vollständig elektrisch angetriebenes Fahrzeug, einen Laptop-Computer, ein tragbares Telefon und ein kabelloses elektrisches Werkzeug.
Die Lastvorrichtung 28 kann allerdings auch eine Energie erzeugende Apparatur sein, welche die Lithiumionenbatterie 30 zu Zwecken der Energiespeicherung auflädt. Die Tendenz von Windrädern und Solarzellen, variabel und/oder intermittierend Elektrizität zu erzeugen, resultiert oft in der Notwendigkeit, überschüssige Energie für eine spätere Verwendung zu speichern.
Die Lithiumionenbatterie 30 kann auch einen weiten Bereich anderer Komponenten umfassen, die, obgleich sie hier nicht gezeigt sind, dennoch dem Fachmann bekannt sind. Beispielsweise kann die Lithiumionenbatterie 30 ein Gehäuse, Dichtungen, Terminals, Laschen und beliebige andere wünschenswerte Komponenten oder Materialien umfassen, die um die positive Elektrode 24 und die negative Elektrode 26 oder zwischen diesen zu leistungsbezogenen oder zu anderen praktischen Zwecken angeordnet sein können. Darüber hinaus können die Größe und die Form der Lithiumionenbatterie 30 sowie das Design und der chemische Aufbau ihrer Hauptkomponenten in Abhängigkeit von der bestimmten Anwendung, für die sie konzipiert ist, variieren. Batteriebetriebene Kraftfahrzeuge und tragbare Verbraucherelektronikgeräte sind beispielsweise zwei Fälle, in denen die Lithiumionenbatterie 30 höchstwahrscheinlich zu unterschiedlicher Größe, Kapazität und Energieausgabe-Spezifikationen entwickelt sein würde. Die Lithiumionenbatterie 30 kann auch in Reihe und/oder parallel mit anderen ähnlichen Lithiumionenbatterien 30 geschaltet werden, um eine größere Spannungsausgabe und einen höheren Strom (wenn parallel angeordnet) oder eine höhere Spannung (wenn in Reihe angeordnet) zu produzieren, wenn die Lastvorrichtung 28 dies erfordert.
Die Lithiumionenbatterie 30 arbeitet im Allgemeinen, indem Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 10 und der positiven Elektrode 22 reversibel wandern. Im vollständig geladenen Zustand ist die Spannung der Batterie 30 bei einem Maximum (typischerweise im Bereich von 3,0 bis 5,0 V); während die Spannung der Batterie 30 im vollständig entladenen Zustand bei einem Minimum ist (typischerweise im Bereich von 1,0 bis 3,0 V). Im Wesentlichen verändern sich die Fermi-Energielevel der aktiven Materialien in den positiven und negativen Elektroden 22, 10 während eines Batteriebetriebs und ebenso tut es die Differenz zwischen den beiden, bekannt als Batteriespannung. Die Batteriespannung nimmt während einer Entladung ab, wobei die Fermi-Level sich einander annähern. Während einer Aufladung tritt der umgekehrte Prozess auf, wobei die Batteriespannung ansteigt, wenn die Fermi-Level voneinander weg bewegt werden. Während einer Batterieentladung ermöglicht die äußere Lastvorrichtung 28, dass ein elektrischer Strom im äußeren Stromkreis 32 mit einer solchen Richtung fließt, dass die Differenz zwischen den Fermi-Leveln (und entsprechend die Zellspannung) abnimmt. Das Umgekehrte tritt während einer Batterieladung auf: die Batterieladevorrichtung zwingt einen elektrischen Stromfluss in den äußeren Stromkreis 32 mit einer solchen Richtung, dass die Differenz zwischen den Fermi-Leveln (und entsprechend die Zellspannung) ansteigt.
Zu Beginn einer Entladung enthält die negative Elektrode 10 der Lithiumionenbatterie eine hohe Konzentration an interkaliertem bzw. eingelagertem Lithium, während die positive Elektrode 22 relativ depletiert ist. Wenn die negative Elektrode 10 eine genügend höhere relative Menge an interkaliertem Lithium enthält, kann die Lithiumionenbatterie 30 einen nutzbaren elektrischen Strom durch reversible elektrochemische Reaktionen erzeugen, welche auftreten, wenn der äußere Stromkreis 32 unter Verbindung der negativen Elektrode 10 und der positiven Elektrode 22 geschlossen ist. Die Entwicklung des geschlossenen äußeren Stromkreises unter solchen Umständen verursacht die Extraktion von interkaliertem Lithium aus der negativen Elektrode 10. Die extrahierten Lithiumatome werden in Lithiumionen (identifiziert durch die schwarzen Punkte und durch die nicht ausgefüllten Kreise, die eine (+)-Ladung haben) und Elektronen (e^–) gespalten, wenn sie einen Interkalationswirt an der negativen Elektrode-Elektrolyt-Grenzfläche verlassen. Die chemische Potentialdifferenz zwischen der positiven Elektrode 22 und der negativen Elektrode 10 (im Bereich von etwa 3,0 Volt bis etwa 5,0 Volt, abhängig von der genauen chemischen Zusammensetzung der Elektroden 10, 22) lenkt die Elektronen (e^–), die durch die Oxidation von interkaliertem Lithium an der negativen Elektrode 10 erzeugt wurden, durch den äußeren Stromkreis 32 zu der positiven Elektrode 22. Die Lithiumionen werden gleichzeitig von der Elektrolytlösung durch den porösen Separator 24 in Richtung der positiven Elektrode 22 getragen. Die Elektronen (e^–), die durch den äußeren Stromkreis 32 fließen, und die Lithiumionen, die durch den porösen Separator 24 in der Elektrolytlösung wandern, vereinigen sich schließlich und bilden interkaliertes Lithium an der positiven Elektrode 22. Der elektrische Strom, der durch den äußeren Stromkreis 32 geht, kann genutzt werden und direkt durch die Lastvorrichtung 28 geführt werden, bis der Level an interkaliertem Lithium in der negativen Elektrode 10 unter einen Arbeitslevel fällt oder die Notwendigkeit für elektrische Energie aufhört.
Die Lithiumionenbatterie 30 kann nach einer teilweisen oder vollständigen Entladung ihrer verfügbaren Kapazität wieder aufgeladen werden. Um die Lithiumionenbatterie 30 (auf)zuladen, wird ein äußeres Batterieladegerät mit der positiven und der negativen Elektrode 22, 10 verbunden, um die Umkehr der elektrochemischen Reaktionen der Batterieentladung zu steuern. Während einer Wiederaufladung fließen die Elektronen (e^–) zurück zu der negativen Elektrode 10 durch den äußeren Stromkreis 32, und die Lithiumionen werden von dem Elektrolyten durch den porösen Separator 24 zurück in Richtung der negativen Elektrode 10 getragen. Die Elektronen (e^–) und die Lithiumionen werden an der negativen Elektrode 10 vereinigt, wodurch sie diese mit interkaliertem Lithium für einen Verbrauch während des nächsten Batterieentladungszyklus auffüllen.
Das äußere Batterieladegerät, das verwendet werden kann, um die Lithiumionenbatterie 30 aufzuladen, kann in Abhängigkeit von der Größe, dem Aufbau und der bestimmten Endverwendung der Lithiumionenbatterie 30 variieren. Einige geeignete äußere Batterieladegeräte umfassen ein Batterieladegerät, das in eine Wechselstrom-Wandsteckdose eingesteckt wird und einen Kraftfahrzeug-Drehstromgenerator.
Um die vorliegende Offenbarung weiter zu veranschaulichen, wird hier ein Beispiel angeführt. Es ist einzusehen, dass dieses Beispiel lediglich zu Veranschaulichungszwecken bereitgestellt wird und nicht als für den Rahmen der Offenbarung beschränkend aufgebaut sein soll.
BEISPIEL
Nach dem hierin offenbarten Verfahren wurde eine negative Elektrode hergestellt.
Erstens, ein Siliciumpulver (mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 100 nm) wurde für etwa 2 Wochen Luft ausgesetzt. Dieses Verfahren führte zu der Oxidation der Oberflächen der Siliciumpulverpartikel.
Eine Prepolymerlösung wurde mit 4,12 g Toluendiamin und 10,93 g 3,3',4,4'-Benzophenontetracarbonsäuredianhydrid in 85 g NMP hergestellt. Die Prepolymerlösung wurde gerührt. 1 g der Prepolymerlösung (enthaltend etwa 0,15 g Poly(carbamoylcarbonsäure)) wurde abgemessen. Diese wurde zu weiterem NMP gegeben, um eine Lösung mit 3 Gew.-% Feststoffen zu bilden. Es wurde eine Aufschlämmung gebildet, indem 0,15 g Carbon-Black und 0,45 g des oxidierten Siliciumpulvers zu der Lösung mit 3 Gew.-% Feststoffen gegeben wurden.
Die Aufschlämmung wurde auf einen Stromkollektor gegossen. Die gegossene Aufschlämmung wurde getrocknet, um Lösungsmittel und/oder Wasser zu entfernen. Ein Trocknen wurde in einem Vakuumofen bei 120°C über Nacht durchgeführt. Die getrocknete, gegossene Aufschlämmung wurde dann einem Erwärmen ausgesetzt. Das Erwärmen wurde in einem Vakuumofen durchgeführt. Die getrocknete, gegossene Aufschlämmung wurde für etwa 2 Stunden 250°C ausgesetzt und wurde dann über Nacht 350°C ausgesetzt. Es wird angenommen, dass ein Erwärmen in der Bildung des Polyimid-Bindemittels resultierte, von dem wenigstens etwas an das oxidierte Siliciumpulver gebunden war.
Nachdem das Erwärmen beendet war, wurde die negative Beispiel-Elektrode an dem Stromkollektor ausgebildet. Die Elektrodenformulierung war etwa 60 Gew.-% des oxidierten Siliciumpulvers, etwa 20 Gew.-% Carbon-Black und etwa 20 Gew.-% des Polyimid-Bindemittels. Die Siliciumbeladung war etwa 1,01 mg/cm².
Es wurde auch eine negative Vergleichs-Elektrode hergestellt. Diese Elektrode umfasste etwa 60 Gew.-% des oxidierten Siliciumpulvers, etwa 20 Gew.-% Carbon-Black und etwa 20 Gew.-% Carboxymethylcellulose (CMC) als Bindemittelmaterial. Die negative Vergleichs-Elektrode wurde auch auf einem Stromkollektor gebildet.
Die Zyklisierungsleistung der negativen Beispiel-Elektrode wurde untersucht und mit der Zyklisierungsleistung der negativen Vergleichs-Elektrode verglichen. Die negative Beispiel-Elektrode und die negative Vergleichs-Elektrode wurden unter Verwendung von Knopfzellen evaluiert. In den Knopfzellen wurden die negative Beispiel-Elektrode und die negative Vergleichs-Elektrode mit einer metallischen Li-Anode in 1 M LiPF₆ (Ethylencarbonat:Dimethylcarbonat (EC:DEC) 1:1) plus 10 Gew.-% fluoriertes Ethylencarbonat (FEC) kombiniert. Die galvanostatische Zyklisierungsleistung der negativen Beispiel-Elektrode und der negativen Vergleichs-Elektrode wurde durch Zyklisierung zwischen 0,1 V und 1 V mit einer Rate von C/10 bei Raumtemperatur für bis zu 100 Zyklen untersucht.
Die Resultate der Zyklisierungsleistung sind in 3 gezeigt. Speziell ist die spezifische Kapazität (mAh/g) auf der Y-Achse (mit Y markiert) gezeigt und die Zykluszahl ist auf der X-Achse (mit Raute markiert) gezeigt. Die Linie für die negative Beispiel-Elektrode ist mit ”1” markiert und die Linie für die negative Vergleichs-Elektrode ist mit ”2” markiert. Die Resultate für die spezifische Kapazität für die negative Beispiel-Elektrode ist relativ über die verschiedenen Zyklen und sie sind im Vergleich zu den Resultaten für die spezifische Kapazität für die negative Vergleichs-Elektrode deutlich verbessert. Demnach wies die negative Elektrode, die das Polyimid-Bindemittel, gebunden an das oxidierte Siliciumpulver, das hierin offenbart ist, umfasste, verbesserte Zyklisierungsstabilität auf.
Es wird angenommen, dass das Polyimid-Bindemittel 16, das direkt an die Oxidationsschicht 14 der aktiven Materialpartikel 13, die hierin offenbart werden, gebunden ist, die Elektronen- und Ionenleitfähigkeit in der negativen Elektrode vorteilhafterweise verbessert, die Integrität der negativen Elektrode verbessert und bei der Bildung der festen Elektrolytgrenzphase (SEI) hilft, welche die Kinetik der Lithium-Interkalation verstärkt.
Bezugnahmen durch die Beschreibung hindurch auf ”1 Beispiel”, ”ein anderes Beispiel”, ”ein Beispiel” und so weiter, bedeutet, dass ein bestimmtes Element (z. B. Merkmal, Struktur und/oder Charakteristikum), das in Verbindung mit dem Beispiel beschrieben ist, in wenigstens einem hierin beschriebenen Beispiel enthalten ist und in anderen Beispielen vorliegen kann oder nicht vorliegen kann. Außerdem ist zu verstehen, dass die für ein beliebiges Beispiel beschriebenen Elemente in beliebiger geeigneter Art in verschiedenen Beispielen kombiniert werden können, außer der Kontext gibt klar etwas anderes vor.
Es ist auch zu verstehen, dass die hierin angegebenen Bereiche den angegebenen Bereich und jeden Wert oder Unterbereich innerhalb des angegebenen Bereichs umfassen. Beispielsweise sollte ein Bereich von etwa 1 nm bis etwa 20 μm so interpretiert werden, dass er nicht nur die explizit genannten Grenzen von etwa 1 nm bis etwa 20 μm umfasst, sondern auch individuelle Werte, zum Beispiel 5 nm, 1,5 μm, 10 μm und so weiter, sowie Unterbereiche, zum Beispiel von etwa 100 nm bis etwa μm; von etwa 75 nm bis etwa 15 μm und so weiter, umfasst. Wenn darüber hinaus ”etwa” verwendet wird, um einen Wert zu beschreiben, so bedeutet dies, dass geringere Abweichungen (bis zu +/–5%) von dem angegebenen Wert umfasst werden.
Bei der Beschreibung und der Beanspruchung der hierin offenbarten Beispiele umfassen die Singularformen ”ein” bzw. ”eine” und ”der” bzw. ”die” bzw. ”das” auch Pluralangaben, es sei denn, der Kontext gibt klar etwas anderes vor.
Obgleich mehrere Beispiele detailliert beschrieben wurden, wird es dem Fachmann klar sein, dass die offenbarten Beispiele modifiziert werden können. Daher soll die vorstehende Beschreibung als nicht-beschränkend angesehen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

P. Arora und Z. Zhang, ”Battery Separators” Chem. Rev., 104, 4424–4427 (2004) [0043]

Claims

Negatives Elektrodenmaterial enthaltend: ein aktives Materialpartikel enthaltend: einen Siliciumkern und eine Oxidationsschicht auf der Oberfläche des Siliciumkerns; ein Polyimid-Bindemittel, das direkt an die Oxidationsschicht gebunden ist, und einen leitfähigen Füllstoff, der mit dem aktiven Materialpartikel und dem Polyimid-Bindemittel vermischt ist; wobei ein zusätzliches, die Bindung verstärkendes Mittel von dem negativen Elektrodenmaterial ausgeschlossen ist.
Negatives Elektrodenmaterial nach Anspruch 1, wobei die Oxidationsschicht eine Dicke im Bereich von etwa 0,1 nm bis etwa 5 nm hat; und wobei Anhydridgruppen des Polyimid-Bindemittels und Hydroxylgruppen der Oxidationsschicht eine Grenzflächenbindung zwischen der Oxidationsschicht und dem Polyimid-Bindemittel bilden.
Verfahren zur Herstellung eines negativen Elektrodenmaterials, wobei das Verfahren umfasst: Oxidieren der Oberfläche eines Siliciumpartikels, um ein aktives Materialpartikel, das einen Siliciumkern und eine Oxidationsschicht auf dem Siliciumkern umfasst, zu bilden; Zusetzen eines stöchiometrischen Überschusses eines Dianhydrids zu einem Diamin in einem dipolaren aprotischen Lösungsmittel unter Bildung eines Polyimid-Prepolymers; Zugeben des aktiven Materialpartikels zu dem Polyimid-Prepolymer unter Bildung einer Aufschlämmung; Abscheiden der Aufschlämmung auf einem Träger und Wärmebehandeln der abgeschiedenen Aufschlämmung, um dadurch ein Polyimid-Bindemittel, das direkt an die Oxidationsschicht des aktiven Materialpartikels gebunden ist, zu bilden, wobei Anhydridgruppen des Polyimid-Prepolymers mit Hydroxylgruppen der Oxidationsschicht unter Bildung einer Grenzflächenbindung direkt zwischen der Oxidationsschicht und dem Polyimid-Bindemittel reagieren, ohne ein zusätzliches die Bindung verstärkendes Mittel.
Verfahren nach Anspruch 3, welches ein Oxidieren der Oberfläche des Siliciumpartikels Exponieren des Siliciumpartikels gegenüber einer Umgebung, die Sauerstoff enthält, für wenigstens eine Stunde umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Verfahren nach dem Abscheiden und vor dem Wärmebehandeln außerdem das Trocknen der abgeschiedenen Aufschlämmung, um das dipolare aprotische Lösungsmittel zu entfernen, umfasst, wobei das Trocknen bei einer Temperatur im Bereich von etwa 60°C bis etwa 150°C erfolgt; und wobei das Wärmebehandeln eins umfasst von Erwärmen unter Vakuum oder einem Inertgas bei einer Temperatur im Bereich von etwa 180°C bis etwa 400°C für eine Zeit von bis zu etwa 20 Stunden oder Anwenden einer Mikrowellen- und thermischen Behandlung bei einer Temperatur im Bereich von etwa 180°C bis etwa 400°C für eine Zeit von bis zu etwa 20 Stunden, wobei das Erwärmen unter Vakuum oder dem Inertgas das Erhöhen der Temperatur über die Zeit in vorbestimmten Intervallen einschließt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei: das Dianhydrid aus der Gruppe bestehend aus
ausgewählt wird, das Diamin nicht mehr als 2 Ethergruppen enthält und das dipolare aprotische Lösungsmittel eine Lewis-Base ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei: ein leitender Füllstoff in der Aufschlämmung enthalten ist; der Träger ein Stromkollektor ist und das Verfahren vor dem Wärmebehandeln außerdem das Trocknen der abgeschiedenen Aufschlämmung umfasst, um das dipolare aprotische Lösungsmittel zu entfernen; wobei die Aufschlämmung aus: etwa 30 Gew.-% bis etwa 95 Gew.-% des aktiven Materialpartikels; etwa 5 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% des leitfähigen Füllstoffs und etwa 5 Gew.-% bis etwa 60 Gew.-% des Polyimid-Prepolymers besteht.
Lithiumionenbatterie, umfassend: eine positive Elektrode, die ein Lithiumübergangsmetalloxid-basiertes aktives Material umfasst; eine negative Elektrode, umfassend: eine Vielzahl aktiver Materialpartikel, wobei jedes der Partikel umfasst: einen Siliciumkern und eine Oxidationsschicht auf der Oberfläche des Siliciumkerns; ein Polyimid-Bindemittel, das direkt an die Oxidationsschicht von wenigstens einigen der Vielzahl aktiver Materialpartikel gebunden ist, und einen Leitungskohlenstoff, der mit der Vielzahl aktiver Materialpartikel und dem Polyimid-Bindemittel vermengt ist; wobei ein zusätzliches, die Bindung verstärkendes Mittel von dem negativen Elektrodenmaterial ausgeschlossen ist, und einen mikroporösen Polymerseparator, der mit einer Elektrolytlösung durchtränkt ist, wobei der mikroporöse Polymerseparator zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet ist.
Lithiumionenbatterie nach Anspruch 8, wobei die Oxidationsschicht von jedem der aktiven Materialpartikel eine Dicke im Bereich von etwa 0,1 nm bis etwa 5 nm hat.
Lithiumionenbatterie nach Anspruch 8, wobei Anhydridgruppen des Polyimid-Bindemittels und Hydroxylgruppen der Oxidationsschicht von wenigstens einigen der Vielzahl von aktiven Material-Partikeln eine Grenzflächenbindung bilden.
Lithiumionenbatterie nach Anspruch 8, wobei: die Beladung mit den aktiven Materialpartikeln in der negativen Elektrode von etwa 30 Gew.-% bis etwa 95 Gew.-% reicht; die Beladung mit dem leitfähigen Füllstoff in der negativen Elektrode von etwa 5 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% reicht und die Beladung mit dem Polyimid-Bindemittel in der negativen Elektrode von etwa 5 Gew.-% bis etwa 60 Gew.-% reicht.