DE102015212202A1 - Siliciummonolith-Graphit-Anode für eine Lithium-Zelle - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anode (10) für eine Lithium-Zelle. Um die Coulomb-Effizienz und/oder Zyklenbeständigkeit der Lithium-Zelle zu erhöhen, umfasst die Lithium-Zelle einen porösen Siliciummonolithen (11) mit einer Graphitbeschichtung (12). Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren, eine Lithium-Zelle und eine Lithium-Batterie.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anode für eine Lithium-Zelle, ein Herstellungsverfahren sowie eine Lithium-Zelle und Lithium-Batterie.
  • Stand der Technik
  • Silicium ist eines der vielversprechensten Anodenmaterialien für die nächste Generation von Lithium-Ionen-Batterien, da es eine sehr hohe Kapazität bieten kann.
  • Silicium durchläuft beim Zyklisieren jedoch extreme Volumenänderungen, was dazu führen kann, dass auf der Siliciumoberfläche kontinuierlich eine so genannte SEI-Schicht (SEI, Englisch: Solid Electrolyte Interphase) aus Elektrolytzersetzungsprodukten gebildet wird, was zu einem irreversiblen Verlust an Lithium (und Elektrolyt) und somit an Kapazität führen kann.
  • Die Druckschrift US 2012/0231326 A1 betrifft eine strukturierte Silicium-Batterieanode.
  • Die Druckschrift US 2012/0100438 A1 betrifft Komposite, welche ein hochkapazitives, poröses, durch eine Schale begrenztes Aktivmaterial enthalten.
  • Die Druckschrift DE 11 2012 001 289 T2 betrifft ein Silicium-Kohlenstoff-Verbundanodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien und Herstellungsverfahren hierfür.
  • Die Druckschrift US 2013/0189575 A1 betrifft ein durch Metallreduktion ausgebildetes, poröses, siliciumbasiertes Anodenmaterial.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Anode für eine Lithium-Zelle, welche einen porösen Siliciummonolithen umfasst.
  • Unter einer Lithium-Zelle kann insbesondere eine elektrochemische Zelle, beispielsweise eine Batteriezelle, zum Beispiel eine sekundäre oder primäre Batteriezelle, verstanden werden, an deren elektrochemischer Reaktion Lithium beteiligt ist. Zum Beispiel kann eine Lithium-Zelle eine Lithium-Ionen-Zelle oder eine Lithium-Schwefel-Zelle oder eine Lithium-Sauerstoff-Zelle, beispielsweise eine Lithium-Luft-Zelle, sein.
  • Unter einem Siliciummonolithen kann insbesondere eine monolithische, also in einem Stück ausgebildete und/oder einkristalline, makroskopische Struktur, beispielsweise welche sich in ein oder zwei, insbesondere laterale, Dimensionen über ≥ 1 mm erstreckt, verstanden werden, welche Silicium umfasst oder daraus ausgebildet ist. Zum Beispiel kann sich der Siliciummonolith lateral in ein oder zwei Dimensionen über ≥ 1 mm erstrecken, dabei jedoch eine geringere Dicke (siehe d11 in 1), beispielsweise von < 1 mm, zum Beispiel von ≤ 100 µm, aufweisen.
  • Der poröse Siliciummonolith kann insbesondere mit einer Graphitbeschichtung beschichtet sein. Dabei kann die Anode auch als Kompositanode, insbesondere Silicium-Graphit-Kompositanode, bezeichnet werden.
  • Auf der Graphitbeschichtung kann vorteilhafterweise in einem ersten Lade-/Entladezyklus einer mit der Anode ausgestatteten Lithium-Zelle eine stabile passivierende SEI-Schutzschicht (SEI, Englisch: Solid Electrolyte Interphase) aus Elektrolytzersetzungsprodukten ausgebildet werden, welche aufgrund der geringen Volumenänderung von Graphit, von lediglich etwa 10 %, in den weiteren Zyklen stabil auf der Graphitoberfläche haftet und eine weitere Elektrolytdegradation auf der Graphitoberfläche und insbesondere auch ein Hindurchdringen von Elektrolyt durch die Graphitbeschichtung hindurch und damit einen Kontakt von Elektrolyt und Silicium des Siliciummonolithen und somit eine weitere Elektrolytdegradation auf der Siliciumoberfläche unterbinden kann. Dabei ermöglicht die poröse Struktur des porösen Siliciummonolithen vorteilhafterweise, dass das Silicium während einer Lithiumlegierungsbildung expandieren kann, ohne eine mechanische Belastung auf die Graphitbeschichtung und damit die passivierende SEI-Schutzschicht auf der Graphitbeschichtung auszuüben, so dass die SEI-Schutzschicht auf der Graphitbeschichtung stabil bleiben kann.
  • So kann vorteilhafterweise eine kontinuierliche Elektrolytdegradation und SEI-Schichtbildung auf der Siliciumoberfläche sowie ein damit einhergehender Kapazitätsverlust unterbunden und dadurch die Coulomb-Effizienz (Englisch: Coulombic Efficiency) und/oder Zyklenbeständigkeit der Lithium-Zelle erhöht werden.
  • Durch das Silicium des porösen Siliciummonolithen kann dabei vorteilhafterweise eine erhöhte Speicherkapazität erzielt werden, wobei vorteilhafterweise auch das Graphit der Graphitbeschichtung zur Speicherkapazität beitragen kann.
  • So kann wiederum vorteilhafterweise eine Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie mit einer erhöhten Speicherkapazität, Coulomb-Effizienz und/oder Zyklenbeständigkeit zur Verfügung gestellt werden, durch welche beispielsweise eine Reichweitenerhöhung von Elektrofahrzeugen und/oder Hybridfahrzeugen erzielt werden kann.
  • Mit der Graphitbeschichtung kann beispielsweise eine Seite des porösen Siliciummonolithen, beispielsweise welche in der Zelle einem Separator zugewandt ist, insbesondere vollständig, bedeckt sein.
  • Im Rahmen einer Ausführungsform bedeckt die Graphitbeschichtung den porösen Siliciummonolith separatorseitig (beziehungsweise auf der, in der Zelle einem Separator zugewandten Seite) vollständig.
  • Die Poren können sich insbesondere separatorseitig beziehungsweise ausgehend von der Seite des porösen Siliciummonolithen, welche in der Zelle einem Separator zugewandt ist, in den porösen Siliciummonolithen hinein erstrecken.
  • Der poröse Siliciummonolith beziehungsweise dessen Poren können zum Beispiel in Form einer schwammartigen, porösen Struktur ausgebildet sein.
  • Die Poren können jedoch zum Beispiel auch in Form von, insbesondere im Wesentlichen, zylindrischen, insbesondere sich in den porösen Siliciummonolithen hinein erstreckenden, Hohlräumen ausgebildet sein.
  • Beispielsweise können sich die Poren durch den porösen Siliciummonolithen hindurch erstrecken.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weisen die Poren des porösen Siliciummonolithen einen durchschnittlichen Porendurchmesser (D11a) von ≤ 50 nm auf.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist der poröse Siliciummonolith eine Dicke (d11) von ≤ 100 µm auf.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der poröse Siliciummonolith durch Ätzen eines Wafers, insbesondere eines Siliciumwafers, hergestellt. Dabei kann der Wafer undotiert oder p-dotiert oder n-dotiert sein. Insbesondere kann der Wafer dotiert, beispielsweise p-dotiert oder n-dotiert, sein. Durch eine Dotierung kann vorteilhafterweise die Leitfähigkeit verbessert und/oder die Porenstruktur beeinflusst werden.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Anode weiterhin einen Stromableiter. Der Stromableiter kann insbesondere ein metallischer Stromableiter, beispielsweise aus Kupfer, sein. Zum Beispiel kann der Stromableiter eine Kupferfolie sein.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem porösen Siliciummonolithen und dem Stromableiter eine elektrisch leitende Kontaktschicht ausgebildet. So kann vorteilhafterweise der elektrische Übergang zwischen Silicium und Stromableiter verbessert werden. Zudem kann so vorteilhafterweise auch die Haftung zwischen dem porösen Siliciummonolithen und dem Stromableiter verbessert werden.
  • Im Rahmen einer Ausgestaltung dieser Ausführungsform ist der poröse Siliciummonolith über die elektrisch leitende Kontaktschicht mit dem Stromableiter verklebt. So kann vorteilhafterweise der elektrische Übergang zwischen Silicium und Stromableiter und die mechanische Stabilität weiter verbessert werden.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung dieser Ausführungsform umfasst die elektrisch leitende Kontaktschicht mindestens einen Binder und mindestens ein elektrisches Leitmittel. Beispielsweise kann die elektrisch leitende Kontaktschicht aus mindestens einen Binder und mindestens ein elektrisches Leitmittel ausgebildet sein. Der mindestens eine Binder der elektrisch leitenden Kontaktschicht kann beispielsweise Carboxymethylcellulose (CMC) umfassen oder sein. Das mindestens eine elektrische Leitmittel der elektrisch leitenden Kontaktschicht kann beispielsweise Leitkohlenstoff, beispielsweise Ruß (Englisch: Carbon Black) und/oder Kohlenstoffnanoröhrchen und/oder Graphen, umfassen oder sein. So kann vorteilhafterweise eine gute Haftung und ein guter elektrische Übergang zwischen Silicium und Stromableiter erzielt werden.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Graphitbeschichtung Graphit und mindestens einen Binder. Gegebenenfalls kann die Graphitbeschichtung weiterhin, insbesondere zusätzlich zu Graphit, mindestens ein elektrisches Leitmittel und/oder mindestens eine weitere Kohlenstoffmodifikation, zum Beispiel(Leit-)Ruß, umfassen. Zum Beispiel kann die Graphitbeschichtung aus Graphit – und gegebenenfalls dem mindestens einen elektrischen Leitmittel und/oder der mindestens einen weiteren Kohlenstoffmodifikation – und mindestens einem Binder, beispielsweise aus Graphit und mindestens einem Binder ausgebildet, sein. Der mindestens eine Binder der Graphitbeschichtung kann beispielsweise Carboxymethylcellulose (CMC) umfassen oder sein. So kann vorteilhafterweise eine hohe Stabilität der Graphitbeschichtung erzielt werden.
  • Die Anode kann beispielsweise eine Anode für eine Lithium-Ionen-Zelle oder für eine Lithium-Schwefel-Zelle oder für eine Lithium Sauerstoff-Zelle, beispielsweise für eine Lithium-Luft-Zelle, sein.
  • Die Anode kann beispielsweise durch ein im Folgenden erläutertes Herstellungsverfahren hergestellt sein.
  • Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Anode wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Zelle und/oder Batterie sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Anode für eine Lithium-Zelle. Dabei kann das Verfahren beispielsweise zur Herstellung einer Anode für eine Lithium-Ionen-Zelle oder für eine Lithium-Schwefel-Zelle oder für eine Lithium Sauerstoff-Zelle, beispielsweise für eine Lithium-Luft-Zelle, ausgelegt sein. Insbesondere kann das Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Anode ausgelegt sein.
  • In dem Verfahren kann insbesondere ein poröser Siliciummonolith mit einer Graphitbeschichtung beschichtet werden.
  • Dabei kann die Graphitbeschichtung beispielsweise in Form eines Schlickers aufgebracht werden. Der Schlicker kann dabei insbesondere Graphit und mindestens einen Binder, zum Beispiel Carboxymethylcellulose (CMC), umfassen.
  • Der poröse Siliciummonolith kann insbesondere derart mit der Graphitbeschichtung beziehungsweise dem Schlicker beschichtet werden, dass eine Seite des porösen Siliciummonolithen, insbesondere welche in der Zelle einem Separator zugewandt ist, vollständig bedeckt ist.
  • Der poröse Siliciummonolith kann insbesondere durch Ätzen eines Wafers hergestellt werden oder sein.
  • Im Rahmen einer Ausführungsform wird der poröse Siliciummonolith auf einen Stromableiter, beispielsweise eine Kupferfolie, aufgebracht.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird zwischen dem porösen Siliciummonolithen und dem Stromableiter eine elektrisch leitende Kontaktschicht appliziert. Dabei kann die elektrisch leitende Kontaktschicht auf den Stromableiter und/oder auf den porösen Siliciummonolithen, insbesondere auf den Stromableiter, aufgebracht werden. Zum Beispiel kann die elektrisch leitende Kontaktschicht durch Aufbringen einer Mischung aus mindestens einem Binder, beispielsweise Carboxymethylcellulose (CMC), und mindestens einem elektrischen Leitmittel, insbesondere Leitkohlenstoff, zum Beispiel Ruß und/oder Kohlenstoffnanoröhrchen und/oder Graphen, appliziert werden.
  • Im Rahmen einer Ausgestaltung dieser Ausführungsform wird der poröse Siliciummonolith über die elektrisch leitende Kontaktschicht mit dem Stromableiter verklebt. So kann vorteilhafterweise der elektrische Kontakt und die mechanische Stabilität verbessert werden.
  • Im Rahmen einer speziellen Ausführungsform umfasst das Verfahren die Verfahrensschritte:
    • a) Aufbringen eines porösen Siliciummonolithen auf einen Stromableiter und
    • b) Beschichten des porösen Siliciummonolithen mit einer Graphitbeschichtung.
  • Beispielsweise kann in Verfahrensschritt a) der poröse Siliciummonolith über eine elektrisch leitende Kontaktschicht mit dem Stromableiter verklebt werden.
  • Zum Beispiel kann das Verfahren vor dem Verfahrensschritt a) den Verfahrensschritt a0) Aufbringen einer elektrisch leitenden Kontaktschicht auf den Stromableiter und/oder den porösen Siliciummonolithen, insbesondere den Stromableiter, umfassen. In Verfahrensschritt a) kann dabei der poröse Siliciummonolith insbesondere derart auf den Stromableiter aufgebracht werden, dass die elektrisch leitende Kontaktschicht zwischen dem porösen Siliciummonolithen und dem Stromableiter angeordnet wird.
  • Eine erfindungsgemäße beziehungsweise erfindungsgemäß hergestellte Anode kann beispielsweise mittels Oberflächenanalyseverfahren, wie Augerelektronenspektroskopie (AES) und/oder Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS, Englisch: X-ray Photoelectron Spectroscopy) und/oder Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (TOF-SIMS, Englisch: Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry) und/oder Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX, Englsich: Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) und/oder wellenlängendispersive Röntgenspektroskopie (WDX), und/oder mittels strukturellen Untersuchungsmethoden, wie Röntgendiffraktion (XRD, Englisch: X-ray Diffraction) und/oder Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), und/oder mittels Querschnittsuntersuchungen, wie Rasterelektronenmikroskopie (REM) (SEM; Englisch: Scanning Electron Microscope) und/oder Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX, Englsich: Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) und/oder Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und/oder Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS; Englisch: Electron Energy Loss Spectroscopy) nachgewiesen werden.
  • Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anode und der erfindungsgemäßen Zelle und/oder Batterie sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
  • Ferner betrifft die Erfindung eine Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie, welche eine erfindungsgemäße Anode und/oder eine erfindungsgemäß hergestellte Anode umfasst.
  • Beispielsweise kann die Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie eine Lithium-Ionen-Zelle und/oder -Batterie oder eine Lithium-Schwefel-Zelle und/oder -Batterie oder eine Lithium Sauerstoff-Zelle und/oder -Batterie, beispielsweise eine Lithium-Luft-Zelle und/oder -Batterie, sein.
  • Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Zelle und/oder Batterie wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anode und dem erfindungsgemäßen Verfahren 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 eine schematische, perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines in einer erfindungsgemäßen Anode einsetzbaren, porösen Siliciummonolithen; und
  • 2 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anode für eine Lithium-Zelle, welche einen in 1 gezeigten porösen Siliciummonolithen umfasst.
  • 1 zeigt, dass der porösen Siliciummonolith 11 eine Dicke d11 aufweist, welche beispielsweise ≤ 100 µm betragen kann. 1 zeigt weiterhin, dass sich die Poren 11a des porösen Siliciummonolithen 11 in den porösen Siliciummonolithen 11 hinein erstrecken und in Form von im Wesentlichen zylindrischen, sich in den porösen Siliciummonolithen 11 hinein erstreckenden Hohlräumen ausgebildet sein können. 1 veranschaulicht, dass die Poren 11a des porösen Siliciummonolithen 11 einen durchschnittlichen Porendurchmesser D11a aufweisen, welcher beispielsweise ≤ 50 nm betragen kann. Ein derartiger poröser Siliciummonolith 11 kann beispielsweise durch Ätzprozesse aus Wafern hergestellt werden.
  • 2 zeigt, dass die Anode 10 einen porösen Siliciummonolithen 11 umfasst. Dabei umfasst die Anode 10 weiterhin einen Stromableiter 14, beispielsweise in Form einer Kupferfolie, welcher 14 mittels einer elektrisch leitenden Kontaktschicht 13, beispielsweise aus einem Ruß-Binder-Gemisch, mit dem porösen Siliciummonolithen 11 verklebt ist. Die elektrisch leitende Kontaktschicht 13 kann dabei beispielsweise Carboxymethylcellulose (CMC) als Binder umfassen.
  • 2 zeigt weiterhin, dass der poröse Siliciummonolith 11 mit einer Graphitbeschichtung 12 beschichtet ist. Die Graphitbeschichtung 12 kann beispielsweise dadurch ausgebildet werden, dass nach dem Verkleben des porösen Siliciummonolithen 11 und des Stromableiters 14 mittels der elektrisch leitenden Kontaktschicht 13 eine Graphit-Binder-Mischung auf den porösen Siliciummonolithen 11 aufgebracht wird.
  • 2 illustriert, dass die Graphitbeschichtung 12 den porösen Siliciummonolithen 11 separatorseitig beziehungsweise auf der Seite, welche in der Zelle einem Separator (nicht dargestellt) zugewandt ist, vollständig bedeckt. Die Graphitbeschichtung 12 kann dabei beispielsweise ebenfalls Carboxymethylcellulose (CMC) als Binder umfassen.
  • Wird eine derartige Anode in einer Lithium-Zelle verbaut, so kann sich +beispielsweise ein Lithiumionen Li umfassender Elektrolyt vor dem ersten Zyklus überall verteilen. Während des ersten Zyklus kann sich dann sowohl auf der Siliciumoberfläche des porösen Siliciummonolithen 11 als auch auf der Graphitoberfläche der Graphitbeschichtung 12 eine SEI-Schicht ausbilden. In den nachfolgenden Zyklen unterbindet dann jedoch die SEI-Schicht auf der Graphitbeschichtung 12 einerseits eine weitere Elektrolytdegradation auf dem Graphit. Andererseits unterbindet die SEI-Schicht auf der Graphitbeschichtung 12 dann, dass weiterer Elektrolyt diese 12 durchdringen kann. So wird vorteilhafterweise der poröse Siliciummonolith 11 durch die Graphitbeschichtung 12 passiviert und vorteilhafterweise eine weitere Elektrolytdegradation an der Siliciumoberfläche des porösen Siliciummonolithen 11 unterbunden sowie eine kontinuierliche Elektrolytzersetzung und SEI-Schichtbildung an der Siliciumoberfläche des porösen Siliciummonolithen 11 verhindert. Die Poren 11a des porösen Siliciummonolithen 11 stellen dabei vorteilhafterweise genügend Freiraum für die Expansion des Siliciums während der Lithiierung zur Verfügung und verhindern, dass eine zu hohe mechanische Belastung auf die schützende Graphitbeschichtung 12 ausgeübt wird, und ermöglichen so, dass die SEI-Schutzschicht auf der Graphitbeschichtung 12 stabil bleiben kann.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2012/0231326 A1 [0004]
    • US 2012/0100438 A1 [0005]
    • DE 112012001289 T2 [0006]
    • US 2013/0189575 A1 [0007]

Claims (15)

  1. Anode (10) für eine Lithium-Zelle, umfassend einen porösen Siliciummonolithen (11) mit einer Graphitbeschichtung (12).
  2. Anode (10) nach Anspruch 1, wobei die Graphitbeschichtung (12) den porösen Siliciummonolithen (11) separatorseitig vollständig bedeckt.
  3. Anode (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Poren (11a) des porösen Siliciummonolithen (11) einen durchschnittlichen Porendurchmesser (D11a) von ≤ 50 nm aufweisen.
  4. Anode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der poröse Siliciummonolith (11) eine Dicke (d11) von ≤ 100 µm aufweist.
  5. Anode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der poröse Siliciummonolith (11) durch Ätzen eines Wafers hergestellt ist.
  6. Anode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Anode (10) weiterhin einen Stromableiter (14) umfasst, insbesondere wobei der Stromableiter (14) aus Kupfer ausgebildet ist.
  7. Anode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zwischen dem porösen Siliciummonolithen (11) und dem Stromableiter (14) eine elektrisch leitende Kontaktschicht (13) ausgebildet ist, insbesondere wobei der poröse Siliciummonolith (11) über die elektrisch leitende Kontaktschicht (13) mit dem Stromableiter (14) verklebt ist.
  8. Anode (10) nach Anspruch 7, wobei die elektrisch leitende Kontaktschicht (13) mindestens einen Binder, insbesondere Carboxymethylcellulose, und mindestens ein elektrisches Leitmittel, insbesondere Ruß und/oder Kohlenstoffnanoröhrchen und/oder Graphen, umfasst.
  9. Anode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Graphitbeschichtung (12) Graphit (12a) und mindestens einen Binder, insbesondere Carboxymethylcellulose, umfasst.
  10. Verfahren zur Herstellung einer Anode (10) für eine Lithium-Zelle, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, in dem ein poröser Siliciummonolith (11) mit einer Graphitbeschichtung (12) beschichtet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der poröse Siliciummonolith (11) auf einen Stromableiter (14) aufgebracht wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei zwischen dem porösen Siliciummonolithen (11) und dem Stromableiter (14) eine elektrisch leitende Kontaktschicht (13) appliziert wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der poröse Siliciummonolith (11) über die elektrisch leitende Kontaktschicht (13) mit dem Stromableiter (14) verklebt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, umfassend die Verfahrensschritte: a) Aufbringen eines porösen Siliciummonolithen (11) auf einen Stromableiter (14); und b) Beschichten des porösen Siliciummonolithen (11) mit einer Graphitbeschichtung (12).
  15. Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie, umfassend eine Anode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder hergestellt durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107742694B (zh) * 2017-11-14 2020-04-10 中航锂电（洛阳）有限公司 一种硅基负极极片、硅掺杂复合集流体及锂离子电池
JP2024519911A (ja) * 2021-05-21 2024-05-21 アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド Ｌｉイオン電池用合金アノードの高体積生産
DE102022211300A1 (de) 2022-10-25 2024-04-25 Karlsruher Institut für Technologie, Körperschaft des öffentlichen Rechts Kathode und Verfahren zu ihrer Herstellung

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120100438A1 (en) 2010-10-22 2012-04-26 Amprius, Inc. Composite structures containing high capacity porous active materials constrained in shells
US20120231326A1 (en) 2009-10-30 2012-09-13 Lockheed Martin Corporation Structured silicon battery anodes
US20130189579A1 (en) * 2012-01-25 2013-07-25 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. Material Engineering for High Performance Li-ion Battery Electrodes
US20130189575A1 (en) 2012-01-19 2013-07-25 Yogesh Kumar Anguchamy Porous silicon based anode material formed using metal reduction
DE112012001289T5 (de) 2011-03-18 2013-12-12 Bosch (China) Investment Ltd. Silicium-Kohlenstoff-Verbundanodenmaterial für Lithiumionenbatterien und Herstellungsverfahren dafür
DE102013227049A1 (de) * 2013-12-20 2015-06-25 Varta Micro Innovation Gmbh Magnesiumbatterie und negative Elektrode dafür

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3913439B2 (ja) * 2000-04-03 2007-05-09 三洋電機株式会社 リチウム二次電池
US7400395B2 (en) * 2002-06-12 2008-07-15 Intel Corporation Metal coated nanocrystalline silicon as an active surface enhanced raman spectroscopy (SERS) substrate
CA2432397A1 (fr) * 2003-06-25 2004-12-25 Hydro-Quebec Procede de preparation d'electrode a partir d'un silicium poreux, electrode ainsi obtenue et systeme electrochimique contenant au moins une telle electrode
JP6045260B2 (ja) * 2011-09-16 2016-12-14 株式会社半導体エネルギー研究所 蓄電装置
GB201117279D0 (en) * 2011-10-06 2011-11-16 Nexeon Ltd Etched silicon structures, method of forming etched silicon structures and uses thereof
CN103943377A (zh) * 2013-01-21 2014-07-23 天津普兰纳米科技有限公司 多孔电极制备
CN104577077B (zh) * 2013-10-16 2018-03-06 国家纳米科学中心 硅‑碳纳米复合薄膜及其制备方法和应用以及锂离子电池

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120231326A1 (en) 2009-10-30 2012-09-13 Lockheed Martin Corporation Structured silicon battery anodes
US20120100438A1 (en) 2010-10-22 2012-04-26 Amprius, Inc. Composite structures containing high capacity porous active materials constrained in shells
DE112012001289T5 (de) 2011-03-18 2013-12-12 Bosch (China) Investment Ltd. Silicium-Kohlenstoff-Verbundanodenmaterial für Lithiumionenbatterien und Herstellungsverfahren dafür
US20130189575A1 (en) 2012-01-19 2013-07-25 Yogesh Kumar Anguchamy Porous silicon based anode material formed using metal reduction
US20130189579A1 (en) * 2012-01-25 2013-07-25 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. Material Engineering for High Performance Li-ion Battery Electrodes
DE102013227049A1 (de) * 2013-12-20 2015-06-25 Varta Micro Innovation Gmbh Magnesiumbatterie und negative Elektrode dafür

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