DE102015215088A1 - MOF-silicon-carbon composite anode material - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Silicium-Komposits, insbesondere Silicium-Kohlenstoff- und/oder -Metall-Komposits, und/oder eines Anodenmaterials für eine Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie. Um ein verbessertes Anodenmaterial für, insbesondere hochenergetische, Lithium-Zellen und/oder Lithium-Batterien, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen und/oder Lithium-Ionen-Batterien, zur Verfügung zu stellen, wird in dem Verfahren eine Metall-organische Gerüstverbindung (1), welche Silicium umfasst, pyrolysiert und/oder reduziert und/oder kalziniert und/oder oxidiert und/oder geätzt (1000). Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Silicium-Komposit, ein Anodenmaterial sowie eine Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie.The present invention relates to a method for producing a porous silicon composite, in particular silicon-carbon and / or -metal composite, and / or an anode material for a lithium cell and / or lithium battery. In order to provide an improved anode material for, in particular high-energy, lithium cells and / or lithium batteries, for example lithium-ion cells and / or lithium-ion batteries, a metal-organic framework compound (1 ) comprising silicon, pyrolyzed and / or reduced and / or calcined and / or oxidized and / or etched (1000). Moreover, the invention relates to a silicon composite, an anode material and a lithium cell and / or lithium battery.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Silicium-Komposits und/oder Anodenmaterials für eine Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie, einen Silicium-Komposit, ein Anodenmaterial sowie eine Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie.The present invention relates to a method for producing a porous silicon composite and / or anode material for a lithium cell and / or lithium battery, a silicon composite, an anode material and a lithium cell and / or lithium battery.
Stand der TechnikState of the art
Silicium ist ein vielversprechendes Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Zellen, da es sehr hohe Kapazitäten, beispielsweise von 3670 mAh/g bei etwa 0,4 V gegen Lithium und somit etwa zehnmal mehr als herkömmliches Graphit, bieten kann und zudem leicht verfügbar und ungiftig ist. Silicon is a promising anode material for lithium-ion cells because it can offer very high capacities, for example, of 3670 mAh / g at about 0.4 V versus lithium, and thus about ten times more than conventional graphite, and is also readily available and non-toxic ,
Jedoch weist Silicium eine geringe elektrische Leitfähigkeit sowie eine beschränkte Reaktionskinetik und Lithiumionen-Eindringtiefe auf, weswegen herkömmlicherweise Siliciumnanopartikel als Anodenmaterial eingesetzt werden.However, silicon has a low electrical conductivity as well as a limited reaction kinetics and lithium ion penetration, and therefore, silicon nanoparticles are conventionally used as the anode material.
Zudem durchläuft Silicium beim Zyklisieren einer damit ausgestatteten Zelle extreme Volumenänderungen, beispielsweise von bis zu 300 %, welche zu einem Verlust der mechanischen Integrität und damit zu einer geringen Zyklenbeständigkeit des Anodenmaterials und der damit ausgestatteten Zelle führen können.In addition, when cyclizing a cell equipped with it, silicon undergoes extreme volume changes, for example up to 300%, which can result in a loss of mechanical integrity and thus a low cycle life of the anode material and the cell equipped therewith.
Die Druckschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Silicium-Komposits, insbesondere Silicium-Kohlenstoff- und/oder -Metall-Komposits, beispielsweise Silicium-Kohlenstoff-Metall-Komposits, und/oder eines Anodenmaterials für eine Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie, beispielsweise für eine Lithium-Ionen-Zelle und/oder Lithium-Ionen-Batterie.The present invention is a process for producing a porous silicon composite, in particular silicon-carbon and / or -metal composite, for example, silicon-carbon-metal composites, and / or an anode material for a lithium cell and / or Lithium battery, for example for a lithium-ion cell and / or lithium-ion battery.
In dem Verfahren wird insbesondere eine Metall-organische Gerüstverbindung, welche Silicium umfasst, pyrolysiert und/oder reduziert und/oder kalziniert und/oder oxidiert und/oder geätzt.In particular, in the process, a metal-organic framework compound comprising silicon is pyrolyzed and / or reduced and / or calcined and / or oxidized and / or etched.
Unter einer Metall-organischen Gerüstverbindung (MOF; Englisch: Metall-organic Framework) kann insbesondere ein kristallines, insbesondere poröses, Material, insbesondere ein anorganisch-organisches Hybridmaterial, verstanden werden, welches Metallionen und organische Moleküle umfasst, welche Knotenpunkte und Verbindungselemente, so genannte Linker, zwischen Knotenpunkten bilden aus denen ein eindimensionales, zweidimensionales oder dreidimensionales Gerüst aufgebaut ist. Dabei können, insbesondere einzelne, Metallionen, beispielsweise Übergangsmetallionen und/oder Metallionen der zweiten, dritten und/oder vierten Hauptgruppe, insbesondere des Periodensystems, und/oder Metallionencluster, beispielsweise Cluster von Übergangsmetallionen und/oder Metallionen der zweiten, dritten und/oder vierten Hauptgruppe, als Knotenpunkte und organische Moleküle als Verbindungselemente dienen, was auch als traditionelle Metall-organische Gerüstverbindung (MOF) bezeichnet wird. Jedoch können auch organische Moleküle als Knotenpunkte und, insbesondere einzelne, Metallionen, beispielsweise Übergangsmetallionen und/oder Metallionen der zweiten, dritten und/oder vierten Hauptgruppe, und/oder Metallionencluster, beispielsweise Cluster von Übergangsmetallionen und/oder Metallionen der zweiten, dritten und/oder vierten Hauptgruppe, als Verbindungselemente dienen, was auch als invertierte Metall-organische Gerüstverbindung (IMOF; Englisch: Inverted Metall-organic Framework) bezeichnet wird. Insbesondere können die Knotenpunkte und Verbindungselemente ein zweidimensionales oder dreidimensionales, insbesondere dreidimensionales, Gerüsts aufbauen. Die Metall-organische Gerüstverbindung kann insbesondere porös, beispielsweise mikroporös und/oder mesoporös, sein.A metal-organic framework compound (MOF) can be understood in particular to mean a crystalline, in particular porous, material, in particular an inorganic-organic hybrid material, which comprises metal ions and organic molecules, which are junctions and connecting elements, so-called Linkers between nodes form a one-dimensional, two-dimensional or three-dimensional framework. In this case, in particular individual metal ions, for example transition metal ions and / or metal ions of the second, third and / or fourth main group, in particular of the Periodic Table, and / or metal ion clusters, for example clusters of transition metal ions and / or metal ions of the second, third and / or fourth main group , serve as junctions and organic molecules as connecting elements, also referred to as traditional metal-organic framework (MOF) compounds. However, organic molecules can also serve as junctions and, in particular, individual metal ions, for example transition metal ions and / or metal ions of the second, third and / or fourth main group, and / or metal ion clusters, for example clusters of transition metal ions and / or metal ions of the second, third and / or Fourth main group, serve as connecting elements, which is also referred to as inverted metal-organic framework compound (IMOF). In particular, the nodes and connecting elements can build up a two-dimensional or three-dimensional, in particular three-dimensional, framework. The metal-organic framework compound may in particular be porous, for example microporous and / or mesoporous.
Unter Pyrolysieren kann insbesondere eine thermo-chemische Spaltung organischer Verbindungen durch hohe Temperaturen, beispielsweise von ≥ 200 °C bis ≤ 1000 °C, zum Beispiel von ≥ 500 °C bis ≤ 1000 °C, und insbesondere ohne zusätzlich zugeführten Sauerstoff, beispielsweise unter Sauerstoffausschluss (anaerob), verstanden werden, bei der ein Bindungsbruch innerhalb großer Moleküle in kleinere Moleküle erzwungen wird und insbesondere elementarer Kohlenstoff zurückbleibt.Under pyrolysis, in particular a thermo-chemical cleavage of organic compounds by high temperatures, for example from ≥ 200 ° C to ≤ 1000 ° C, for example from ≥ 500 ° C to ≤ 1000 ° C, and in particular without additionally supplied oxygen, for example, with exclusion of oxygen (anaerobic), in which a bond breaking is forced within large molecules into smaller molecules and in particular elemental carbon remains.
Unter Kalzinieren kann insbesondere ein Erhitzen einer chemischen, beispielsweise organischen, Verbindung auf hohe Temperaturen, beispielsweise von ≥ 500 °C bis ≤ 1200 °C, in Gegenwart von Luft oder Sauerstoff verstanden werden.Calcination can be understood in particular to mean heating of a chemical, for example organic, compound to high temperatures, for example from ≥ 500 ° C. to ≦ 1200 ° C., in the presence of air or oxygen.
Unter Ätzen kann insbesondere ein chemisches Entfernen, zum Beispiel Lösen, einer chemischen, beispielsweise organischen, Verbindung, durch ein Ätzmittel verstanden werden.Etching may, in particular, be understood to mean a chemical removal, for example dissolution, of a chemical, for example organic, compound, by means of an etchant.
Aus der Metall-organischen Gerüstverbindung kann vorteilhafterweise ein poröser Silicium-Komposit, insbesondere Silicium-Kohlenstoff- und/oder -Metall-Komposit, beispielsweise Silicium-Kohlenstoff-Metall-Komposit, hergestellte werden, welcher eine definiert einstellbare, insbesondere von der Struktur der Metall-organischen Gerüstverbindung abgeleitete, Porenstruktur und Porengrößenverteilung aufweist und als Anodenmaterial für Lithium-Zellen und/oder Lithium-Batterien, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen und/oder Lithium-Ionen-Batterien, eingesetzt werden kann. Durch die, insbesondere definiert einstellbare, Porenstruktur und Porengrößenverteilung kann vorteilhafterweise eine Volumenvergrößerung des Siliciums beim Zyklisieren, insbesondere bei einer Lithiuminsertion, beispielsweise optimal, kompensiert und dadurch eine verbesserte Zyklenbeständigkeit erzielt werden. Zudem kann so auch ein schneller Lithiumionentransport, beispielsweise durch eine Durchdringung der Poren mit einem Flüssigelektrolyten, erzielt werden.From the metal-organic framework compound, a porous silicon composite, in particular silicon-carbon and / or -metal composite, for example silicon-carbon-metal composite, can advantageously be produced, which has a defined adjustable, in particular the structure of the metal -organic framework derived, pore structure and Having pore size distribution and can be used as the anode material for lithium cells and / or lithium batteries, such as lithium-ion cells and / or lithium-ion batteries. Due to the, in particular defined adjustable, pore structure and pore size distribution advantageously an increase in volume of the silicon during cyclization, in particular in a lithium insertion, for example, optimally compensated and thereby improved cycle stability can be achieved. In addition, it is thus also possible to achieve rapid transport of lithium ions, for example by permeating the pores with a liquid electrolyte.
Die Metallionen der Metall-organischen Gerüstverbindung können vorteilhafterweise, gegebenenfalls durch Pyrolyse und/oder Reduktion und/oder Kalzination und/oder Oxidation, mechanisch stabile und elektrisch leitende Bereiche ausbilden und so die mechanische Stabilität des Komposits und die elektrische Kontaktierung des Siliciums verbessern.The metal ions of the metal-organic framework compound can advantageously, if appropriate by pyrolysis and / or reduction and / or calcination and / or oxidation, form mechanically stable and electrically conductive regions and thus improve the mechanical stability of the composite and the electrical contacting of the silicon.
Der Kohlenstoff der organischen Moleküle der Metall-organischen Gerüstverbindung kann vorteilhafterweise, beispielsweise durch Pyrolyse und/oder Reduktion und/oder Kalzination und/oder Oxidation, zumindest teilweise in elementaren Kohlenstoff umgewandelt werden, welcher ebenfalls elektrisch leitende Bereiche ausbilden und so eine verbesserte, elektrische Kontaktierung des Silicium bereitstellen kann.The carbon of the organic molecules of the metal-organic framework compound can advantageously be at least partially converted into elemental carbon, for example by pyrolysis and / or reduction and / or calcination and / or oxidation, which likewise form electrically conductive regions and thus improved electrical contacting of the silicon.
Der Kohlenstoff der organischen Moleküle der Metall-organischen Gerüstverbindung kann vorteilhafterweise jedoch auch, beispielsweise durch Pyrolyse und/oder Reduktion und/oder Kalzination und/oder Oxidation, zumindest teilweise entfernt, beispielsweise ausgebrannt, werden, wodurch die Porenstruktur und/oder Porengrößenverteilung weiter eingestellt werden kann.However, the carbon of the organic molecules of the metal-organic framework compound may advantageously also be at least partially removed, for example burned out, for example by pyrolysis and / or reduction and / or calcination and / or oxidation, whereby the pore structure and / or pore size distribution are further adjusted can.
Durch Ätzen kann vorteilhafterweise ebenfalls die Porenstruktur und/oder Porengrößenverteilung weiter eingestellt werden.By etching, the pore structure and / or pore size distribution can advantageously also be set further.
Durch das Verfahren kann vorteilhafterweise ein, insbesondere mechanisch stabiler, Silicium-Komposit, insbesondere Silicium-Kohlenstoff- und/oder -Metall-Komposit, beispielsweise Silicium-Kohlenstoff-Metall-Komposit, ausgebildet werden, in welchem Silicium, insbesondere gleichmäßig und/oder fein verteilt, beispielsweise auf Nanoebene oder insbesondere sogar auf atomarer Ebene, in eine elektrisch leitende Matrix aus Kohlenstoff und/oder Metall integriert ist und dadurch eine gute und insbesondere beim Zyklisieren stabile, elektrische Kontaktierung des Siliciums zum Elektronentransport sowie eine verbesserte Reaktionskinetik und Lithiumionen-Eindringtiefe ermöglichen kann und welcher zudem ausreichend Porosität bietet und dadurch eine Kompensation der Volumenvergrößerung des Siliciums beim Zyklisieren und somit wiederum eine verbesserte Zyklenbeständigkeit sowie auch einen schnellen Lithiumionentransport bieten kann. Zudem ermöglicht dies vorteilhafterweise die Größe der Komposit-Partikel als solche variabel zu gestalten und beispielsweise auch große Komposit-Partikel, beispielsweise im Mikrometermaßstab, einzusetzen.By virtue of the method, it is advantageously possible to form a silicon composite, in particular mechanically stable, in particular silicon-carbon and / or metal composite, for example silicon-carbon-metal composite, in which silicon, in particular uniformly and / or finely distributed, for example, at the nano level or even even at the atomic level, is integrated into an electrically conductive matrix of carbon and / or metal and thereby enable a good and especially cyclization stable, electrical contacting of the silicon for electron transport and improved reaction kinetics and lithium ion penetration and which also provides sufficient porosity and thereby can compensate for the increase in volume of the silicon during cycling and thus in turn can provide improved cycle stability as well as fast lithium ion transport. In addition, this advantageously makes it possible to make the size of the composite particles variable and, for example, to use large composite particles, for example on a micrometer scale.
Insgesamt kann so vorteilhafterweise ein verbessertes Anodenmaterial für, insbesondere hochenergetische, Lithium-Zellen und/oder Lithium-Batterien, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen und/oder Lithium-Ionen-Batterien, bereitgestellt werden.Overall, it is thus advantageously possible to provide an improved anode material for, in particular high-energy, lithium cells and / or lithium batteries, for example lithium-ion cells and / or lithium-ion batteries.
Im Rahmen einer Ausführungsform weist die Metall-organische Gerüstverbindung Knotenpunkte und/oder Verbindungselemente auf, welche Silicium umfassen.In one embodiment, the metal-organic framework compound has nodes and / or connecting elements comprising silicon.
Im Rahmen einer anderen, alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform wird beziehungsweise ist an der Metall-organischen Gerüstverbindung ein, insbesondere gasförmiger, Silicium-Präkursor sorbiert, beispielsweise absorbiert und/oder adsorbiert. Dabei kann die Metall-organische Gerüstverbindung Knotenpunkte und/oder Verbindungselemente aufweisen, welche mindestens ein Metall und/oder Silicium umfassen.In the context of another, alternative or additional embodiment, a, in particular gaseous, silicon precursor is or is sorbed, for example absorbed and / or adsorbed on the metal-organic framework compound. In this case, the metal-organic framework compound can have nodes and / or connecting elements which comprise at least one metal and / or silicon.
In dem Verfahren können somit beispielsweise Metall-organische Gerüstverbindungen verschiedener Arten, zum Beispiel Metall-organische Gerüstverbindungen einer ersten Art, deren Knotenpunkte und/oder Verbindungselemente Silicium umfassen, Metall-organische Gerüstverbindungen einer zweiten Art, deren Knotenpunkte und/oder Verbindungselemente mindestens ein Metall, beispielsweise auch mindestens zwei Metalle und/oder einen Metallcluster aus mindestens einem Metall oder aus mindestens zwei Metallen, umfassen und dabei gegebenenfalls frei von Silicium sein können, und Metall-organische Gerüstverbindungen einer dritten Art, deren Knotenpunkte und/oder Verbindungselemente Silicium und mindestens ein Metall, beispielsweise auch mindestens zwei Metalle und/oder einen Metallcluster aus mindestens einem Metall oder aus mindestens zwei Metallen, umfassen, eingesetzt werden. Metall-organischen Gerüstverbindungen der zweiten und dritten Art werden beispielsweise in
Im Fall einer Metall-organischen Gerüstverbindung der ersten und dritten Art kann die Metall-organische Gerüstverbindung zur Ausbildung des Silicium-Komposits einfach pyrolysiert und/oder reduziert werden. Dabei kann vorteilhafterweise der organische Teil teilweise oder vollständig entfernt, beispielsweise verbrannt, werden und ein poröser Silicium-Kohlenstoff-Komposit beziehungsweise Silicium-Komposit erhalten werden. Im Fall einer Metall-organischen Gerüstverbindung der dritten Art kann so insbesondere ein poröser Silicium-Kohlenstoff-Metall-Komposit beziehungsweise Silicium-Metall-Komposit erhalten werden.In the case of a metal-organic framework of the first and third kind, the metal organic framework compound to form the silicon composite easily pyrolyzed and / or reduced. In this case, advantageously, the organic part is partially or completely removed, for example, burned, and a porous silicon-carbon composite or silicon composite can be obtained. In the case of a metal-organic framework compound of the third type, in particular a porous silicon-carbon-metal composite or silicon-metal composite can thus be obtained.
Im Fall einer Metall-organischen Gerüstverbindung der zweiten Art kann zur Ausbildung des Silicium-Komposits insbesondere ein, beispielsweise gasförmiger, Silicium-Präkursor an der Metall-organischen Gerüstverbindung sorbiert, beispielsweise absorbiert und/oder adsorbiert, werden beziehungsweise sein.In the case of a metal-organic framework compound of the second type, in particular one, for example gaseous, silicon precursor can be sorbed, for example absorbed and / or adsorbed, on the metal-organic framework compound to form the silicon composite.
Um beispielsweise einen höheren Siliciumanteil des Komposits und damit eine höhere Kapazität zu erzielen kann es jedoch auch vorteilhaft sein, einen, beispielsweise gasförmiger, Silicium-Präkursor an einer Metall-organischen Gerüstverbindung der ersten und dritten Art zu sorbieren.However, in order to achieve, for example, a higher silicon content of the composite and thus a higher capacity, it may also be advantageous to sorb a, for example gaseous, silicon precursor onto a metal-organic framework compound of the first and third type.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird beziehungsweise ist der Silicium-Präkursor in Poren der Metall-organischen Gerüstverbindung sorbiert, insbesondere absorbiert und/oder adsorbiert. So kann vorteilhafterweise eine erhöhte Kapazität und verbesserte Zyklenbeständigkeit erzielt werden.In a further embodiment, the silicon precursor is or are sorbed into pores of the metal-organic framework compound, in particular absorbed and / or adsorbed. Thus, advantageously, increased capacity and improved cycle life can be achieved.
Beispielsweise kann der Silicium-Präkursor (zunächst) sorbiert, insbesondere absorbiert und/oder adsorbiert, und die Metall-organische Gerüstverbindung mit dem Silicium-Präkursor (dann) pyrolysiert und/oder reduziert und/oder kalziniert und/oder oxidiert und/oder geätzt werden.For example, the silicon precursor can be (initially) sorbed, in particular absorbed and / or adsorbed, and the metal-organic framework compound is (then) pyrolyzed and / or calcined and / or calcined and / or oxidized and / or etched with the silicon precursor ,
Im Rahmen einer speziellen Ausführungsform wird der Silicium-Präkursor (zunächst) sorbiert, insbesondere absorbiert und/oder adsorbiert, und die Metall-organische Gerüstverbindung mit dem Silicium-Präkursor (dann) pyrolysiert oder kalziniert.In a specific embodiment, the silicon precursor is (initially) sorbed, in particular absorbed and / or adsorbed, and the metal-organic framework compound is (are) pyrolyzed or calcined with the silicon precursor.
Im Rahmen einer speziellen Ausführungsform weist die Metall-organische Gerüstverbindung Knotenpunkten und/oder Verbindungselemente auf, welche mindestens ein Metall und/oder Silicium, insbesondere mindestens ein Metall, umfassen, wobei der Silicium-Präkursor (zunächst) in Poren der Metall-organischen Gerüstverbindung sorbiert, insbesondere absorbiert und/oder adsorbiert, und die Metall-organische Gerüstverbindung mit dem Silicium-Präkursor (dann) pyrolysiert oder kalziniert wird. So kann aus einer Metall-organischen Gerüstverbindung der zweiten oder dritten Art, insbesondere dritten Art, ein Silicium-Metall-Komposit, beispielsweise ein Silicium-Kohlenstoff-Metall-Komposit, ausgebildet werden, bei dem das mindestens eine Metall eine elektrisch leitende Struktur bereitstellt, welche mit dem Silicium als Aktivmaterial versehen ist.In a specific embodiment, the metal-organic framework compound has nodes and / or connecting elements which comprise at least one metal and / or silicon, in particular at least one metal, wherein the silicon precursor sorbs (initially) into pores of the metal-organic framework compound , in particular absorbed and / or adsorbed, and the metal-organic framework compound is (then) pyrolyzed or calcined with the silicon precursor. Thus, from a metal-organic framework compound of the second or third type, in particular of the third type, a silicon-metal composite, for example a silicon-carbon-metal composite, can be formed, in which the at least one metal provides an electrically conductive structure, which is provided with the silicon as active material.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird beziehungsweise ist an der Metall-organischen Gerüstverbindung ein, insbesondere gasförmiger, Kohlenstoff-Präkursor sorbiert, beispielsweise absorbiert und/oder adsorbiert. So kann vorteilhafterweise ein höherer Kohlenstoffanteil des Komposits und damit eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit erzielt und/oder die Porosität weiter eingestellt und/oder eine Schutzschicht ausgebildet werden. Within the scope of a further embodiment, a, in particular gaseous, carbon precursor is or is sorbed, for example absorbed and / or adsorbed on the metal-organic framework compound. Thus, advantageously, a higher carbon content of the composite and thus improved electrical conductivity can be achieved and / or the porosity can be further adjusted and / or a protective layer can be formed.
Dabei kann die Metall-organische Gerüstverbindung Knotenpunkte und/oder Verbindungselemente aufweisen, welche mindestens ein Metall und/oder Silicium umfassen. Zum Beispiel kann die Metall-organische Gerüstverbindung Knotenpunkte und/oder Verbindungselemente aufweisen, welche Silicium umfassen.In this case, the metal-organic framework compound can have nodes and / or connecting elements which comprise at least one metal and / or silicon. For example, the metal-organic framework compound may have nodes and / or interconnecting elements comprising silicon.
Beispielsweise kann der Kohlenstoff-Präkursor (zunächst) sorbiert, insbesondere absorbiert und/oder adsorbiert, und die Metall-organische Gerüstverbindung mit dem Kohlenstoff-Präkursor (dann) pyrolysiert und/oder reduziert und/oder kalziniert und/oder oxidiert und/oder geätzt werden.For example, the carbon precursor may be (initially) sorbed, in particular absorbed and / or adsorbed, and the metal-organic framework compound (s) pyrolyzed and / or calcined and / or calcined and / or oxidized and / or etched with the carbon precursor ,
Insofern eine Metall-organische Gerüstverbindung der ersten oder dritten Art eingesetzt wird, kann gegebenenfalls lediglich der Kohlenstoff-Präkursor (und kein Silicium-Präkursor) sorbiert, beispielsweise absorbiert und/oder adsorbiert, werden.Insofar as a metal-organic framework compound of the first or third kind is used, only the carbon precursor (and not a silicon precursor) may optionally be absorbed, for example absorbed and / or adsorbed.
Um beispielsweise einen höheren Siliciumanteil und Kohlenstoffanteil des Komposits zu erzielen, kann es jedoch auch vorteilhaft sein, Silicium-Präkursor und Kohlenstoff-Präkursor zu sorbieren.However, to achieve, for example, a higher silicon content and carbon content of the composite, it may also be advantageous to sorb silicon precursor and carbon precursor.
Zum Beispiel können der Silicium-Präkursor und der Kohlenstoff-Präkursor (zunächst) sorbiert, insbesondere absorbiert und/oder adsorbiert, und die Metall-organische Gerüstverbindung mit dem Silicium-Präkursor und dem Kohlenstoff-Präkursor (dann) pyrolysiert und/oder reduziert und/oder kalziniert und/oder oxidiert und/oder geätzt, insbesondere pyrolysiert oder kalziniert, werden.For example, the silicon precursor and the carbon precursor may (initially) be sorbed, in particular absorbed and / or adsorbed, and the metal-organic framework compound then pyrolyzed and / or reduced with the silicon precursor and the carbon precursor and / or or calcined and / or oxidized and / or etched, in particular pyrolyzed or calcined.
Das Sorbieren des Silicium-Präkursors und des Kohlenstoff-Präkursors kann beispielsweise gleichzeitig oder nacheinander, zum Beispiel zunächst der Silicium-Präkursor und dann der Kohlenstoff-Präkursor oder zunächst der Kohlenstoff-Präkursor und dann der Silicium-Präkursor, durchgeführt werden. Dadurch, dass zunächst der Silicium-Präkursor und dann der Kohlenstoff-Präkursor sorbiert wird kann vorteilhafterweise der Kohlenstoff als Schutzschicht für das Silicium aus dem Silicium-Präkursor und der Metall-organischen Verbindung dienen.The sorbing of the silicon precursor and the carbon precursor can be carried out, for example, simultaneously or sequentially, for example first the silicon precursor and then the carbon precursor or first the carbon precursor and then the silicon precursor. The fact that first the silicon precursor and then the carbon precursor is sorbed can advantageously be the carbon as Protective layer for the silicon of the silicon precursor and the metal-organic compound serve.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird beziehungsweise ist der Kohlenstoff-Präkursor in Poren der Metall-organischen Gerüstverbindung sorbiert, insbesondere absorbiert und/oder adsorbiert. So kann vorteilhafterweise die mechanische und/oder elektrische Integrität beziehungsweise Stabilität und damit Zyklenbeständigkeit weiter verbessert werden.In a further embodiment, the carbon precursor is or are sorbed into pores of the metal-organic framework compound, in particular absorbed and / or adsorbed. Thus, advantageously, the mechanical and / or electrical integrity or stability and thus cycle resistance can be further improved.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird der Kohlenstoff-Präkursor (zunächst) sorbiert, insbesondere absorbiert und/oder adsorbiert, und die Metall-organische Gerüstverbindung mit dem Kohlenstoff-Präkursor (dann) pyrolysiert oder kalziniert.In a further embodiment, the carbon precursor is (initially) sorbed, in particular absorbed and / or adsorbed, and the metal-organic framework compound is (then) pyrolyzed or calcined with the carbon precursor.
Im Rahmen einer speziellen Ausführungsform weist die Metall-organische Gerüstverbindung Knotenpunkten und/oder Verbindungselemente auf, welche Silicium und/oder mindestens ein Metall, insbesondere Silicium, umfassen, wobei der Kohlenstoff-Präkursor (zunächst) in Poren der Metall-organischen Gerüstverbindung sorbiert, insbesondere absorbiert und/oder adsorbiert, und (dann) die Metall-organische Gerüstverbindung mit dem Kohlenstoff-Präkursor pyrolysiert oder kalziniert wird. So kann aus einer Metall-organischen Gerüstverbindung der ersten oder dritten Art, insbesondere dritten Art, ein Silicium-Komposit, beispielsweise ein Silicium-Kohlenstoff-Komposit und/oder ein Silicium-Kohlenstoff-Metall-Komposit, ausgebildet werden, bei dem das Silicium als Aktivmaterial in die Struktur integriert ist, wobei gegebenenfalls das mindestens eine Metall die elektrische Leitfähigkeit der Struktur verbessert, und wobei der Kohlenstoff eine elektrisch leitende Schutzschicht bildet.Within the scope of a specific embodiment, the metal-organic framework compound has nodes and / or connecting elements which comprise silicon and / or at least one metal, in particular silicon, wherein the carbon precursor sorbs (initially) into pores of the metal-organic framework compound, in particular absorbed and / or adsorbed, and (then) the metal-organic framework compound is pyrolyzed or calcined with the carbon precursor. Thus, from a metal-organic framework compound of the first or third type, in particular third type, a silicon composite, for example a silicon-carbon composite and / or a silicon-carbon-metal composite, are formed, in which the silicon as Active material is integrated into the structure, optionally wherein the at least one metal improves the electrical conductivity of the structure, and wherein the carbon forms an electrically conductive protective layer.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst oder ist der Silicium-Präkursor mindestens ein Silan, beispielsweise Monosilan (SiH4).In a further embodiment, the silicon precursor comprises or is at least one silane, for example monosilane (SiH 4 ).
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst oder ist der Kohlenstoff-Präkursor mindestens ein Alkin, beispielsweise Acetylen (H-C≡C-H), und/oder mindestens ein Alken, beispielsweise Ethylen (H2C=CH2) und/oder Propylen, und/oder mindestens ein Alkan, beispielsweise Methan (CH4) und/oder Ethan (C2H6), und/oder Kohlenmonoxid (CO). Beispielsweise kann der Kohlenstoff-Präkursor Acetylen und/oder Methan umfassen oder sein.In a further embodiment, the carbon precursor comprises or is at least one alkyne, for example acetylene (HC≡CH), and / or at least one alkene, for example ethylene (H 2 C =CH 2 ) and / or propylene, and / or at least an alkane, for example methane (CH 4 ) and / or ethane (C 2 H 6 ), and / or carbon monoxide (CO). For example, the carbon precursor may include or be acetylene and / or methane.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Metall-organische Gerüstverbindung Knotenpunkten, welche mindestens ein Metall umfassen, und Verbindungselemente, welche Silicium umfassen, auf. Dabei kann beispielsweise ein Silan und/oder Siloxan als Verbindungselement eingesetzt werden. Zum Beispiel kann die Metall-organische Gerüstverbindung Kupfer als Knotenpunkte und ein Silan, zum Beispiel – insbesondere tetraedrisches – Tetrakis(4-tetrazolylphenyl)silan, als Verbindungselemente umfassen. Eine derartige Metall-organische Gerüstverbindung wird beispielsweise in
Im Rahmen einer anderen Ausführungsform weist die Metall-organische Gerüstverbindung Knotenpunkte, welche Silicium umfassen, und Verbindungselemente, welche mindestens ein Metall umfassen, auf. Dabei kann beispielsweise Si(O-)4 als Knotenpunkt eingesetzt werden.In another embodiment, the metal-organic framework compound comprises nodes comprising silicon, and connecting elements comprising at least one metal. In this case, for example, Si (O-) 4 can be used as a node.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Metall-organische Gerüstverbindung Kupfer und/oder Si(O-)4, insbesondere Kupfer, als Knotenpunkt und/oder ein Silan und/oder Siloxan, insbesondere Silan, zum Beispiel – insbesondere tetraedrisches – Tetrakis(4-tetrazolylphenyl)silan, als Verbindungselement auf.Within the scope of a further embodiment, the metal-organic framework compound comprises copper and / or Si (O) 4 , in particular copper, as a junction and / or a silane and / or siloxane, in particular silane, for example tetrakis (especially tetrahedral) (4). Tetrazolylphenyl) silane, as a connecting element.
Die Metall-organische Gerüstverbindung beziehungsweise das mindestens eine Metall kann beispielsweise mindestens ein Übergangsmetall, beispielsweise Kupfer (Cu), Titan (Ti), Eisen (Fe), Nickel (Ni) und/oder Zink (Zn), und/oder mindestens ein Metall der zweiten Hauptgruppe, insbesondere des Periodensystems, beispielsweise Magnesium (Mg), und/oder mindestens ein Metall der dritten Hauptgruppe, insbesondere des Periodensystems, beispielsweise Aluminium (Al), und/oder mindestens ein Metall der vierten Hauptgruppe, insbesondere des Periodensystems, beispielsweise Zinn (Sn), und/oder mindestens ein Metall der fünften Hauptgruppe, insbesondere des Periodensystems, umfassen oder sein.The metal-organic framework compound or the at least one metal may, for example, at least one transition metal, for example copper (Cu), titanium (Ti), iron (Fe), nickel (Ni) and / or zinc (Zn), and / or at least one metal the second main group, in particular of the Periodic Table, for example magnesium (Mg), and / or at least one metal of the third main group, in particular of the Periodic Table, for example aluminum (Al), and / or at least one metal of the fourth main group, in particular of the Periodic Table, for example tin (Sn), and / or at least one metal of the fifth main group, in particular of the Periodic Table, include or be.
Unter einem Übergangsmetall kann insbesondere ein Element verstanden werden, welches eine Ordnungszahlen von 21 bis 30, 39 bis 48, 57 bis 80 und 89 bis 112 im Periodensystem aufweist.A transition metal may, in particular, be understood as meaning an element which has an atomic number of 21 to 30, 39 to 48, 57 to 80 and 89 to 112 in the periodic table.
Insbesondere kann die Metall-organische Gerüstverbindung beziehungsweise das mindestens eine Metall mindestens ein Übergangsmetall, beispielsweise Kupfer, Titan, Eisen, Nickel und/oder Zink, und/oder mindestens ein Metall der zweiten Hauptgruppe, beispielsweise Magnesium, und/oder mindestens ein Metall der dritten Hauptgruppe, beispielsweise Aluminium, und/oder mindestens ein Metall der vierten Hauptgruppe, beispielsweise Zinn, umfassen oder sein.In particular, the metal-organic framework compound or the at least one metal can be at least one transition metal, for example copper, titanium, iron, nickel and / or zinc, and / or at least one metal of the second main group, for example magnesium, and / or at least one metal of the third Main group, for example aluminum, and / or at least one metal of the fourth main group, such as tin, include or be.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst oder ist die Metall-organische Gerüstverbindung beziehungsweise das mindestens eine Metall Kupfer und/oder Aluminium und/oder Titan und/oder Eisen und/oder Magnesium und/oder Zink und/oder Nickel und/oder Zinn. Insbesondere kann die Metall-organische Gerüstverbindung beziehungsweise das mindestens eine Metall Kupfer umfassen.In a further embodiment, the metal-organic framework compound or the at least one metal comprises or is copper and / or aluminum and / or titanium and / or Iron and / or magnesium and / or zinc and / or nickel and / or tin. In particular, the metal-organic framework compound or the at least one metal may comprise copper.
Die Metall-organische Gerüstverbindung kann insbesondere auch eine Metall-organische Gerüstverbindung sein, deren Knotenpunkte und/oder Verbindungselemente mindestens zwei Metalle und/oder einen Metallcluster aus mindestens einem Metall oder aus mindestens zwei Metallen aufweist. Dabei können die mindestens zwei Metalle (ebenfalls) ausgewählt sein aus der Gruppe der Übergangsmetall, beispielsweise Kupfer (Cu), Titan (Ti), Eisen (Fe), Nickel (Ni) und/oder Zink (Zn), und/oder Metalle der zweiten Hauptgruppe, beispielsweise Magnesium (Mg), und/oder Metalle der dritten Hauptgruppe, beispielsweise Aluminium (Al), und/oder Metalle der vierten Hauptgruppe, beispielsweise Zinn (Sn), und/oder Metalle der fünften Hauptgruppe.In particular, the metal-organic framework compound can also be a metal-organic framework compound whose nodes and / or connecting elements have at least two metals and / or a metal cluster of at least one metal or of at least two metals. The at least two metals (likewise) may be selected from the group of transition metals, for example copper (Cu), titanium (Ti), iron (Fe), nickel (Ni) and / or zinc (Zn), and / or metals of second main group, for example magnesium (Mg), and / or metals of the third main group, for example aluminum (Al), and / or metals of the fourth main group, for example tin (Sn), and / or metals of the fifth main group.
Im Rahmen einer Ausgestaltung weist die Metall-organische Gerüstverbindung Knotenpunkte und/oder Verbindungselemente auf, welche einen Metallcluster umfassen. So kann vorteilhafterweise eine besonders hohe elektrische Leitfähigkeit erzielt werden.Within the scope of an embodiment, the metal-organic framework connection has nodes and / or connection elements which comprise a metal cluster. Thus, advantageously, a particularly high electrical conductivity can be achieved.
Durch das Verfahren hergestellte Komposite können im Hinblick auf die Porengröße und/oder Porengrößeverteilung und/oder Morphologie beispielsweise mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und/oder Rasterelektronenmikroskopie (REM) (SEM; Englisch: Scanning Electron Microscope) und/oder im Hinblick auf die Art der Metall-organischen Gerüstverbindung mittels Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) untersucht werden.Composites prepared by the process may be used in terms of pore size and / or pore size distribution and / or morphology by, for example, transmission electron microscopy (TEM) and / or Scanning Electron Microscopy (SEM) and / or the nature of the art Metal-organic framework compounds using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) are investigated.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Komposit, dem erfindungsgemäßen Anodenmaterial und der erfindungsgemäßen Zelle und/oder Batterie sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further technical features and advantages of the method according to the invention, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the composite according to the invention, the anode material according to the invention and the cell and / or battery according to the invention and to the figures and the description of the figures.
Weitere Gegenstände sind ein Silicium-Komposit, insbesondere ein Silicium-Kohlenstoff- und/oder -Metall-Komposit, beispielsweise ein Silicium-Kohlenstoff-Metall-Komposit, und/oder ein Anodenmaterial für eine Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie, insbesondere für eine Lithium-Ionen-Zelle und/oder Lithium-Ionen-Batterie. Der Komposit beziehungsweise das Anodenmaterial kann insbesondere durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt sein. Der Komposit beziehungsweise das Anodenmaterial kann insbesondere porös sein.Further objects are a silicon composite, in particular a silicon-carbon and / or metal composite, for example a silicon-carbon-metal composite, and / or an anode material for a lithium cell and / or lithium battery, in particular for a lithium-ion cell and / or lithium-ion battery. The composite or the anode material may in particular be produced by a method according to the invention. The composite or the anode material may in particular be porous.
Insbesondere kann der Silicium-Komposit ein Silicium-Kohlenstoff-Metall-Komposit sein, welcher Silicium und Kohlenstoff und mindestens ein Metall, insbesondere Kupfer und/oder Aluminium und/oder Titan und/oder Eisen und/oder Magnesium und/oder Zink und/oder Nickel und/oder Zinn, umfasst.In particular, the silicon composite may be a silicon-carbon-metal composite comprising silicon and carbon and at least one metal, in particular copper and / or aluminum and / or titanium and / or iron and / or magnesium and / or zinc and / or Nickel and / or tin.
Das erfindungsgemäße Anodenmaterial kann insbesondere einen erfindungsgemäßen Silicium-Komposit umfassen.The anode material according to the invention may in particular comprise a silicon composite according to the invention.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Komposits und Anodenmaterials 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.With regard to further technical features and advantages of the composite and anode material according to the invention, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the method according to the invention and the cell and / or battery according to the invention and to the figures and the description of the figures.
Darüber hinaus betriff die Erfindung eine Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie, beispielsweise eine Lithium-Ionen-Zelle und/oder Lithium-Ionen-Batterie, welche einen erfindungsgemäßen Silicium-Komposit, beispielsweise Silicium-Kohlenstoff- und/oder -Metall-Komposit, insbesondere Silicium-Kohlenstoff-Metall-Komposit, und/oder ein erfindungsgemäßes Anodenmaterial umfasst.In addition, the invention relates to a lithium cell and / or lithium battery, for example a lithium-ion cell and / or lithium-ion battery, which is a silicon composite according to the invention, for example silicon-carbon and / or metal Composite, in particular silicon-carbon-metal composite, and / or an inventive anode material comprises.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Zelle und/oder Batterie wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen Komposit und dem erfindungsgemäßen Anodenmaterial sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further technical features and advantages of the cell and / or battery according to the invention, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the method according to the invention, the composite according to the invention and the anode material according to the invention and to the figures and the description of the figures.
Zeichnungendrawings
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 zeigenFurther advantages and advantageous embodiments of the subject invention are illustrated by the drawings and explained in the following description. It should be noted that the drawings have only descriptive character and are not intended to limit the invention in any way. Show it
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